CN109787327A - 一种锂离子电池模块管理电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池模块管理电路。包括单片机及与该单片机连接的参数检测电路、第一场效应管驱动电路、第二场效应管驱动电路，还包括第一场效应管、第二场效应管、熔断器、串联电池模块。本发明的锂离子电池模块管理电路除了具有电池模块的参数检测与通信功能，而且还具有独立于电池组系统的另一级保护功能，可以独立保护电池模块，避免电池模块过充电和过放电，并避免电池模块过高温度或过低温度进行充电和放电；且本发明的电池模块管理电路的结构可以使电池模块的保护开关采用场效应管来实现，在具体应用时场效应管只需要承受电池模块本身的电压，因此可以选用低成本的低耐压低通态阻抗的场效应管，具有很好的经济性和很高的性价比。

Description

一种锂离子电池模块管理电路

技术领域

本发明属于锂离子电池管理系统技术领域，具体涉及一种锂离子电池模块管理电路。

背景技术

随着锂离子电池应用的日益广泛，锂离子电池越来越多的应用于动力电池以及储能系统，行业内应用于电动汽车动力以及大型储能的锂离子电池组由于电压很高，多数会达到300V甚至800V以上，电池的串联节数很多，常常达到上百串，因此电池组在电路结构上往往采用分模块设计的方式，每个模块为6～12节电池串联，模块会带有一个电池管理电路，该管理电路的功能主要为监测电池模块的参数，并与外部的中央控制单元（也称主控单元）通信，但模块不具有保护功能。多个模块共同串联后构成了整个电池组系统，在整个主回路上具有一个直流接触器（或继电器）作为功率控制开关，主控单元根据电池模块和电池组的状态来控制直流接触器的通断实现整个电池组系统的保护。

现有的动力电池组及高电压储能电池组的模块管理电路没有独立的保护控制功能，只具有参数检测和数据通信功能，其功能是检测电池模块内的电池电压和温度参数，并以数据通信的方式与外部主控单元进行通信，将电池模块参数传送给主控单元，再由主控单元控制主回路的直流接触器来对整个电池组进行保护控制，整个锂离子电池管理系统只有一级保护，缺少模块级的独立保护，当主回路的保护控制失效时，电池组就容易发生安全问题。而由于这级保护控制由于需要承受高电压及大电流，在行业内常用直流接触器作为保护开关，在高电压大电流应用场合，直流接触器的连接触点容易发生粘连而失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池模块管理电路，由于电池模块具有独立的第二级保护功能，而大大地提高动力电池组和储能电池组的安全性和可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种锂离子电池模块管理电路，包括单片机及与该单片机连接的参数检测电路、第一场效应管驱动电路、第二场效应管驱动电路，还包括第一场效应管、第二场效应管、熔断器、串联电池模块，所述参数检测电路与串联电池模块的各节点相连接，对串联电池模块中所有单体电池的电压进行检测，同时对串联电池模块的温度进行多点检测，并将电池的电压和温度数据发送给单片机，由单片机根据电池状态进行相应控制；单片机通过第一场效应管驱动电路、第二场效应管驱动电路分别控制第一场效应管的G极、第二场效应管的G极；熔断器的一端与串联电池模块的正极连接，起回路过电流保护作用；第一场效应管的D极与熔断器的另一端连接，第一场效应管的S极与第二场效应管的D极连接，并作为串联电池模块的输出正极；第二场效应管的S极与串联电池模块负极连接并成为串联电池模块的输出负极；第一场效应管和第二场效应管作为串联电池模块输入输出控制状态的开关。

在本发明一实施例中，还包括一电感，电感的一端与第一场效应管的S极、第二场效应管的D极连接，电感的另一端代替第一场效应管的S极与第二场效应管的D极，作为串联电池模块的输出正极。

在本发明一实施例中，还包括一与单片机连接且用于实现单片机与外部进行通信的通信接口电路。

本发明还提供了另外一种锂离子电池模块管理电路，包括单片机及与该单片机连接的参数检测电路、第一场效应管驱动电路、第二场效应管驱动电路，还包括第一场效应管、第二场效应管、熔断器、串联电池模块，所述参数检测电路与串联电池模块的各节点相连接，对串联电池模块中所有单体电池的电压进行检测，同时对串联电池模块的温度进行多点检测，并将电池的电压和温度数据发送给单片机，由单片机根据电池状态进行相应控制；单片机通过第一场效应管驱动电路、第二场效应管驱动电路分别控制第一场效应管的G极、第二场效应管的G极；熔断器的一端与串联电池模块的正极连接，起回路过电流保护作用，熔断器的另一端与第二场效应管的D极连接，并作为串联电池模块的输出正极；第一场效应管的S极与串联电池模块负极连接，第一场效应管的D极与第二场效应管的S极连接，并作为串联电池模块的输出负极；第一场效应管和第二场效应管作为串联电池模块输入输出控制状态的开关。

在本发明一实施例中，还包括一电感，电感的一端与熔断器的另一端、第二场效应管的D极连接，电感的另一端代替熔断器的另一端、第二场效应管的D极，作为串联电池模块的输出正极。

在本发明一实施例中，还包括一与单片机连接且用于实现单片机与外部进行通信的通信接口电路。

在本发明一实施例中，该锂离子电池模块管理电路的工作方式如下：

参数检测电路对串联电池模块中所有单体电池的电压以及串联电池模块温度进行检测，并将电池电压和温度数据发送给单片机；单片机根据接收到的电池参数数据判断是否有串联电池模块或单体电池过电压、欠电压、过高温度、过低温度的异常情况发生；

当电池电压和温度状态正常时，单片机控制第二场效应管驱动电路使第二场效应管处于断开状态，并控制第一场效应管驱动电路使第一场效应管处于导通状态，串联电池模块可以正常的进行充电和放电，这时关断的第二场效应管上所承受的电压为串联电池模块电压；

当串联电池模块有异常状态存在时，单片机先控制第一场效应管驱动电路使第一场效应管处于断开状态，这时关断的第一场效应管上所承受的电压为电池模块电压；再控制第二场效应管驱动电路使第二场效应管处于导通状态，此时串联电池模块处于保护状态，无法进行充电和放电，串联电池模块的输出端为旁路导通，只相当于有一定阻抗的导线，而对于整个由多个串联电池模块串联组成的电池组系统来说，其它处于正常状态的串联电池模块可以继续工作；

当串联电池模块中电池回路短路或电流过大时，熔断器可因为过电流或过温度而熔断以避免串联电池模块发生危险。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的锂离子电池模块管理电路，除了具有电池模块的参数检测与通信功能，而且还具有独立于电池组系统的另一级保护功能，可以独立保护电池模块，避免电池模块过充电和过放电，并避免电池模块过高温度或过低温度进行充电和放电；当电池模块处于保护状态时，其输出状态为旁路导通状态，相当于一根导线，不会切断电池组系统的主回路，其它正常的电池模块仍然可以继续工作；该电池模块管理电路应用于新能源汽车动力电池组和储能电池组时，可以大大提高锂离子电池组的整体安全性和可靠性。该电池模块管理电路的结构可以使电池模块的保护开关采用场效应管来实现，在具体应用时场效应管只需要承受电池模块本身的电压，因此可以选用低耐压低通态阻抗的场效应管，这种场效应管作为功率开关元件的成本很低（通常2元不到），与采用成本很高的直流接触器（通常几百元）作为保护开关的方案相比，具有很好的经济性和很高的性价比。

附图说明

图1为本发明一实施例的锂离子电池模块管理电路原理框图。

图2为本发明另一实施例的锂离子电池模块管理电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的目的在于电池模块的管理电路中除了参数检测电路和通信功能，还增加了两个场效应管来实现电池模块的独立保护功能，其中一个场效应管与电池串联，另一个场效应管并联在电池模块的输出端，单片机通过驱动电路分别控制两个场效应管的通断，在电池模块异常时，使电池模块的充放电回路被切断，并使输出端处于旁路导通状态，这样不仅可以保证电池模块的安全性，而且在保护动作时又不影响电池组系统中其它正常状态模块的工作；在电池主回路中还串联了一个熔断器用于避免电池模块的过流和过温，并在输出端串联了一个电感来平抑状态切换时的电流突变，使电池组系统具有更高的安全性和可靠性。

具体的本发明提供了一种锂离子电池模块管理电路，包括单片机及与该单片机连接的参数检测电路、第一场效应管驱动电路、第二场效应管驱动电路，还包括第一场效应管、第二场效应管、熔断器、串联电池模块，所述参数检测电路与串联电池模块的各节点相连接，对串联电池模块中所有单体电池的电压进行检测，同时对串联电池模块的温度进行多点检测，并将电池的电压和温度数据发送给单片机，由单片机根据电池状态进行相应控制；单片机通过第一场效应管驱动电路、第二场效应管驱动电路分别控制第一场效应管的G极、第二场效应管的G极；熔断器的一端与串联电池模块的正极连接，起回路过电流保护作用；第一场效应管的D极与熔断器的另一端连接，第一场效应管的S极与第二场效应管的D极连接，并作为串联电池模块的输出正极；第二场效应管的S极与串联电池模块负极连接并成为串联电池模块的输出负极；第一场效应管和第二场效应管作为串联电池模块输入输出控制状态的开关。还包括一电感，电感的一端与第一场效应管的S极、第二场效应管的D极连接，电感的另一端代替第一场效应管的S极与第二场效应管的D极，作为串联电池模块的输出正极。还包括一与单片机连接且用于实现单片机与外部进行通信的通信接口电路。

本发明还提供了另外一种锂离子电池模块管理电路，包括单片机及与该单片机连接的参数检测电路、第一场效应管驱动电路、第二场效应管驱动电路，还包括第一场效应管、第二场效应管、熔断器、串联电池模块，所述参数检测电路与串联电池模块的各节点相连接，对串联电池模块中所有单体电池的电压进行检测，同时对串联电池模块的温度进行多点检测，并将电池的电压和温度数据发送给单片机，由单片机根据电池状态进行相应控制；单片机通过第一场效应管驱动电路、第二场效应管驱动电路分别控制第一场效应管的G极、第二场效应管的G极；熔断器的一端与串联电池模块的正极连接，起回路过电流保护作用，熔断器的另一端与第二场效应管的D极连接，并作为串联电池模块的输出正极；第一场效应管的S极与串联电池模块负极连接，第一场效应管的D极与第二场效应管的S极连接，并作为串联电池模块的输出负极；第一场效应管和第二场效应管作为串联电池模块输入输出控制状态的开关。还包括一电感，电感的一端与熔断器的另一端、第二场效应管的D极连接，电感的另一端代替熔断器的另一端、第二场效应管的D极，作为串联电池模块的输出正极。还包括一与单片机连接且用于实现单片机与外部进行通信的通信接口电路。

本发明上述锂离子电池模块管理电路的工作方式如下：

参数检测电路对串联电池模块中所有单体电池的电压以及串联电池模块温度进行检测，并将电池电压和温度数据发送给单片机；单片机根据接收到的电池参数数据判断是否有串联电池模块或单体电池过电压、欠电压、过高温度、过低温度的异常情况发生；

当电池电压和温度状态正常时，单片机控制第二场效应管驱动电路使第二场效应管处于断开状态，并控制第一场效应管驱动电路使第一场效应管处于导通状态，串联电池模块可以正常的进行充电和放电，这时关断的第二场效应管上所承受的电压为串联电池模块电压；

当串联电池模块有异常状态存在时，单片机先控制第一场效应管驱动电路使第一场效应管处于断开状态，这时关断的第一场效应管上所承受的电压为电池模块电压；再控制第二场效应管驱动电路使第二场效应管处于导通状态，此时串联电池模块处于保护状态，无法进行充电和放电，串联电池模块的输出端为旁路导通，只相当于有一定阻抗的导线，而对于整个由多个串联电池模块串联组成的电池组系统来说，其它处于正常状态的串联电池模块可以继续工作；

当串联电池模块中电池回路短路或电流过大时，熔断器可因为过电流或过温度而熔断以避免串联电池模块发生危险。

以下为本发明的一具体实施实例。

如图1所示，该电池模块管理电路由参数检测电路、单片机、场效应管V1的驱动电路、场效应管V2的驱动电路、通信接口电路、N沟道场效应管V1和V2、熔断器F1、电感L1等共同组成。其中参数检测电路与串联电池模块的各节点相连接，对电池模块中所有单体电池的电压进行检测，同时对电池模块温度进行多点检测，并将电池的电压和温度数据发送给单片机；单片机根据电池状态进行相应控制；单片机与场效应管V1驱动电路连接，通过驱动电路控制场效应管V1的G极；单片机与场效应管V2驱动电路连接，通过驱动电路控制场效应管V2的G极；单片机通过通信接口电路与外部通信；熔断器F1与电池模块的正极连接，起回路过电流保护作用；场效应管V1的D极与熔断器F1连接，其S极与电感L1的一端及场效应管V2的D极连接；场效应管V2的S极与电池模块负极连接并成为电池模块的输出负极；电感L1的另一端为电池模块的输出正极；场效应管V1和V2作为电池模块输入输出控制状态的开关。

电池模块管理电路的工作过程如下：电池模块的参数检测电路对所有单体电池的电压以及电池模块温度进行检测，并将电池电压和温度数据发送给单片机；单片机可以通过通信接口电路将电池模块的参数信息发送给外部，若外部有电池组中央控制单元（也称为主控单元）时，主控单元可以进行相应的系统级控制操作；电池模块内的单片机根据接收到的参数数据判断是否有电池模块或单体电池过电压、欠电压、过高温度、过低温度等异常情况发生，当电压和温度状态正常时，单片机控制V2驱动电路使场效应管V2处于断开状态，并控制V1驱动电路使V1处于导通状态，电池模块可以正常的进行充电和放电，这时关断的场效应管V2上所承受的电压为电池模块电压；当电池模块有异常状态存在时，单片机先控制V1驱动电路使场效应管V1处于断开状态，这时关断的场效应管V1上所承受的电压为电池模块电压；再控制V2驱动电路使V2处于导通状态，此时该电池模块处于保护状态，无法进行充电和放电，该电池模块的输出端为旁路导通，只相当于有一定阻抗的导线，而对于整个多个电池模块串联组成的电池组系统来说，其它处于正常状态的电池模块可以继续工作。若电池模块由于某种原因导致电池回路短路或电流过大时，熔断器F1可以因为过电流或过温度而熔断以避免电池模块发生危险；电感L1可以起抑制电池模块回路电流突变的作用，避免瞬间产生大电流，并使模块电路在进行工作状态切换时，输出端在很短的时间内可以维持输出电流值不变。

图2为本发明另一实施例的锂离子电池模块管理电路原理框图，区别在于V1置于负极。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种锂离子电池模块管理电路，其特征在于，包括单片机及与该单片机连接的参数检测电路、第一场效应管驱动电路、第二场效应管驱动电路，还包括第一场效应管、第二场效应管、熔断器、串联电池模块，所述参数检测电路与串联电池模块的各节点相连接，对串联电池模块中所有单体电池的电压进行检测，同时对串联电池模块的温度进行多点检测，并将电池的电压和温度数据发送给单片机，由单片机根据电池状态进行相应控制；单片机通过第一场效应管驱动电路、第二场效应管驱动电路分别控制第一场效应管的G极、第二场效应管的G极；熔断器的一端与串联电池模块的正极连接，起回路过电流保护作用；第一场效应管的D极与熔断器的另一端连接，第一场效应管的S极与第二场效应管的D极连接，并作为串联电池模块的输出正极；第二场效应管的S极与串联电池模块负极连接并成为串联电池模块的输出负极；第一场效应管和第二场效应管作为串联电池模块输入输出控制状态的开关。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池模块管理电路，其特征在于，还包括一电感，电感的一端与第一场效应管的S极、第二场效应管的D极连接，电感的另一端代替第一场效应管的S极与第二场效应管的D极，作为串联电池模块的输出正极。

3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池模块管理电路，其特征在于，还包括一与单片机连接且用于实现单片机与外部进行通信的通信接口电路。

4.一种锂离子电池模块管理电路，其特征在于，包括单片机及与该单片机连接的参数检测电路、第一场效应管驱动电路、第二场效应管驱动电路，还包括第一场效应管、第二场效应管、熔断器、串联电池模块，所述参数检测电路与串联电池模块的各节点相连接，对串联电池模块中所有单体电池的电压进行检测，同时对串联电池模块的温度进行多点检测，并将电池的电压和温度数据发送给单片机，由单片机根据电池状态进行相应控制；单片机通过第一场效应管驱动电路、第二场效应管驱动电路分别控制第一场效应管的G极、第二场效应管的G极；熔断器的一端与串联电池模块的正极连接，起回路过电流保护作用，熔断器的另一端与第二场效应管的D极连接，并作为串联电池模块的输出正极；第一场效应管的S极与串联电池模块负极连接，第一场效应管的D极与第二场效应管的S极连接，并作为串联电池模块的输出负极；第一场效应管和第二场效应管作为串联电池模块输入输出控制状态的开关。

5.根据权利要求4所述的一种锂离子电池模块管理电路，其特征在于，还包括一电感，电感的一端与熔断器的另一端、第二场效应管的D极连接，电感的另一端代替熔断器的另一端、第二场效应管的D极，作为串联电池模块的输出正极。

6.根据权利要求4所述的一种锂离子电池模块管理电路，其特征在于，还包括一与单片机连接且用于实现单片机与外部进行通信的通信接口电路。

7.根据权利要求1或4任一所述的一种锂离子电池模块管理电路，其特征在于，该锂离子电池模块管理电路的工作方式如下：

参数检测电路对串联电池模块中所有单体电池的电压以及串联电池模块温度进行检测，并将电池电压和温度数据发送给单片机；单片机根据接收到的电池参数数据判断是否有串联电池模块或单体电池过电压、欠电压、过高温度、过低温度的异常情况发生；

当电池电压和温度状态正常时，单片机控制第二场效应管驱动电路使第二场效应管处于断开状态，并控制第一场效应管驱动电路使第一场效应管处于导通状态，串联电池模块可以正常的进行充电和放电，这时关断的第二场效应管上所承受的电压为串联电池模块电压；

当串联电池模块有异常状态存在时，单片机先控制第一场效应管驱动电路使第一场效应管处于断开状态，这时关断的第一场效应管上所承受的电压为电池模块电压；再控制第二场效应管驱动电路使第二场效应管处于导通状态，此时串联电池模块处于保护状态，无法进行充电和放电，串联电池模块的输出端为旁路导通，只相当于有一定阻抗的导线，而对于整个由多个串联电池模块串联组成的电池组系统来说，其它处于正常状态的串联电池模块可以继续工作；

当串联电池模块中电池回路短路或电流过大时，熔断器可因为过电流或过温度而熔断以避免串联电池模块发生危险。