CN104882642B - 有利于实现非能耗式电量均衡的车用锂电池模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有利于实现非能耗式电量均衡的车用锂电池模块，它包括m个依次串接的电池块，每个电池块包含n节单体电池；其特征在于：相邻电池块之间分别设有一个开关矩阵，各开关矩阵中至少具有n*n个开关；相邻电池块之间，前一个电池块的一节单体电池的正极接线柱通过n个开关与后一个电池块的每节单体电池的负极接线柱连接；同一时刻，一个开关矩阵中最多只有一个开关导通。本发明车用锂电池模块有利于减少由于锂电池组一致性较差导致各单体电池在充放电时造成的过充电或过放电问题，使大规模集成的锂电池模块的安全性和寿命得到提升。
Description
技术领域
本发明属于车用电池领域，尤其涉及一种有利于实现非能耗式电量均衡的车用锂电池模块。
背景技术
随着社会进步科技创新的日新月异，汽车在人们生活中已经成为了不可替代的一部分。它不仅推动了人类文化的进步，也在慢慢地改变人们的生活。然而，汽车的普及导致环境污染日益严重，其中空气污染最为明显。最近几年，汽车进入家庭的步伐逐渐加快，目前中国民用汽车保有量已超过1亿辆，超过德国，仅次于美国。同时，中国人口众多，各大城市人口密度很高，导致汽车尾气排放量平均高于其他国家。空气环境的每况日下令所有人担忧，而且还呈逐年恶化的趋势。另外，随着汽车购买量的加大，石油资源等汽车燃料也面临着日益枯竭的局面。现阶段的中国已经面临着石油短缺的严峻挑战，急需研究开发新能源来应对能源安全。电动汽车战略已经成为我国新兴战略产业发展的决策。
目前在发展中的电动汽车行业中，电池成为制约汽车成本和续航里程的一个关键性问题。世界著名的电动汽车生产商特斯拉率先采用使用广泛，质量过硬的18650锂电池作为其电动汽车的动力源，引起了业内的广泛关注。18650锂电池具有能量密度高，技术成熟，成本低等优点。但是对于单个的电池体，其容量仅仅只有2000mAh。因此需要集成大量的18650电池才能满足汽车上对电池要求。这种大量集成过程中，电池的一致性问题尤为突出，如何保证整个系统中电池容量的一致性使整个电池系统的寿命和安全得到最大保证是当前研究的热门问题。
在一个大的锂电池组中，存在多个锂电池并联和串联。影响锂离子电池组各单体电池一致性的因素,主要是电压、内阻和容量等,其中电压为电池在组装时的初始电压,内阻为充满电时的交流内阻,容量为放电容量。若锂电池组的一致性较差,可能会导致各电芯在充放电时的实时电压分配不均,造成过压充电或欠压放电。锂离子电池的过压充电或欠压放电会引起副反应,使电池组的使用时间明显缩短，并引发安全问题。而集成度越高的系统，一致性影响也会越大。因此在设计锂电池组电路时,都必须考虑单体电池的一致性问题，现有技术未最大化解决一致性的影响。
发明内容
本发明针对现有车用锂电池组各单体电池一致性较差，导致锂电池组使用时间较短和安全性较差的问题，提供一种有利于实现非能耗式电量均衡的车用锂电池模块，保护了电池组中每块单体电池，延长了整个电池组的寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种有利于实现非能耗式电量均衡的车用锂电池模块，它包括m个依次串接的电池块，每个电池块包含n节单体电池；其特征在于：相邻电池块之间分别设有一个开关矩阵，各开关矩阵中至少具有n*n个开关；相邻电池块之间，前一个电池块的一节单体电池的正极接线柱通过n个开关与后一个电池块的每节单体电池的负极接线柱连接；同一时刻，通过控制n*n个开关，使得前一电池块的每个单体电池正极接线柱只与后一个电池块的特定的单体电池负极接线柱连接，将不同电池块中具有相同剩余电量等级的单体电池切换到电池组的同一并联支路，使得基于开关矩阵非能耗式车用锂电池模块成为具有n条不同剩余电量的并联电路。
按上述技术方案，所述开关矩阵为MOSFET集成的开关矩阵，由MCU进行控制，MOSFET的电压控制端和MCU的控制接口之间由光耦合器隔离。
按上述技术方案，每n个MOSFET的S极与前一个电池块的一块单体电池的正极接线柱连接，D极分别与后一个电池块的n个单体电池的负极接线柱连接，G极为电压控制端，MOSFET的G极由光耦与MCU控制接口进行隔离。
按上述技术方案，MCU与光耦之间设置锁存器，MCU的控制接口与锁存器的输入端连接，锁存器的输出端与光耦的输入端连接，光耦的输出端通过配置电阻与MOSFET的G极连接。
按上述技术方案，MCU通过控制开关矩阵将不同电池块中具有相同剩余电量等级的单体电池切换到电池组的同一并联支路，使得基于开关矩阵非能耗式车用锂电池模块成为具有n条不同剩余电量的并联电路，通过MCU计算后，将具有不同电量的并联支路采用脉冲宽度调制控制放电电流的方式按比例控制放电电流，使得所有并联支路放电时间达到一致。
按上述技术方案，在基于开关矩阵非能耗式车用锂电池模块投入负载之前，对所有电池块中的单体电池进行剩余电量估算，将每个电池块中单体电池按照剩余电量的多少进行编号，剩余电量由高到低标记为1号～n号；将不同电池块中具有相同标号的单体电池切换到同一并联支路，每条并联支路中串联单体电池数为m；通过MCU控制，开关矩阵从近地端开始依次向高电位端导通，将n条并联支路导通。
本发明产生的有益效果是：本发明有利于实现非能耗式电量均衡的车用锂电池模块采用不同于传统的电池均衡策略，通过多个MOSFET组成开关矩阵形式，能够实现电池模块中所有单体电池在电池模块中任意并联支路中切换。通过对单体电池的剩余电量的估算，将具有相同等级剩余电量的单体电池分在同一并联支路，然后对所有并联支路采用按比例放电控制方法使电池模块的各条并联支路放电时间保持基本一致。本发明车用锂电池模块控制效率高，操作简单可靠，减少了由于锂电池组一致性较差导致各单体电池在充放电时造成的过充电或过放电问题，使大规模集成的锂电池模块的安全性和寿命得到提升。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例有利于实现非能耗式电量均衡的车用锂电池模块的工作流程示意图；
图2是本发明实施例有利于实现非能耗式电量均衡的车用锂电池模块中相邻电池块的连接示意图；
图3是本发明实施例中MCU通过锁存器对光耦合器进行控制的线路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，提供一种有利于实现非能耗式电量均衡的车用锂电池模块，它包括m个依次串接的电池块，每个电池块包含n节单体电池；其特征在于：相邻电池块之间分别设有一个开关矩阵，各开关矩阵中至少具有n*n个开关；相邻电池块之间，前一个电池块的一节单体电池的正极接线柱通过n个开关与后一个电池块的每节单体电池的负极接线柱连接；同一时刻，通过控制n*n个开关，使得前一电池块的每个单体电池正极接线柱只与后一个电池块的特定的单体电池负极接线柱连接，将不同电池块中具有相同剩余电量等级的单体电池切换到电池组的同一并联支路，使得基于开关矩阵非能耗式车用锂电池模块成为具有n条不同剩余电量的并联电路。
其中，所述开关矩阵为MOSFET集成的开关矩阵，由MCU进行控制，MOSFET的电压控制端和MCU的控制接口之间由光耦合器(光耦)隔离。
所述MOSFET为P型MOSFET。控制位于相邻电池块之间的由MOSFET管集成的开关矩阵，根据电池块中的单体电池的剩余电量等级，切换具有不同电量的单体电池于锂电池模块中不同的并联支路，使得锂电池模块的每条并联支路中串联的单体电池电量大致相等。使得电池模块具有n条单体电池数量为m的电量不等的并联支路。再通过控制锂电池模块中每条并联支路的放电电流，使电池组的放电时间达到最长。
其中，每n个MOSFET的S极与前一个电池块的一块单体电池的正极接线柱连接，D极分别与后一个电池块的n个单体电池的负极接线柱连接，G极为电压控制端，MOSFET的G极由光耦与MCU控制接口进行隔离。如图2所示，是本发明实施例有利于实现非能耗式电量均衡的车用锂电池模块中相邻电池块的连接示意图。
进一步地，MCU与光耦之间设置锁存器，MCU的控制接口与锁存器的输入端连接，锁存器的输出端与光耦的输入端连接，光耦的输出端通过配置电阻与MOSFET的G极连接。通过使用锁存器，可以减少MCU控制接口。如图3所示，为在MCU与光耦合器之间设置一个锁存器的示意图。如果MCU的每个控制接口对Y个相互并联的X位锁存器进行控制，则n*n个MOSFET所需要的MCU控制接口的数量为n*n/(X*Y)。MCU通过I/O口控制光耦合器的输入端，光耦合器的输出端经过电压转换后控制MOSFET的G极。
其中，本发明实施例中，MCU通过光耦合器对开关矩阵进行控制，具体过程包括，MCU通过控制开关矩阵将不同电池块中具有相同剩余电量等级的单体电池切换到电池组的同一并联支路，使得基于开关矩阵非能耗式车用锂电池模块成为具有n条不同剩余电量的并联电路，通过MCU计算后，将具有不同电量的并联支路采用脉冲宽度调制控制放电电流的方式按比例控制放电电流，使得所有并联支路放电时间达到一致。
其中，如图1所示，本发明实施例中，在基于开关矩阵非能耗式车用锂电池模块投入负载之前，对所有电池块中的单体电池进行剩余电量估算，将每个电池块中单体电池按照剩余电量的多少进行编号，剩余电量由高到低标记为1号～n号；将不同电池块中具有相同标号的单体电池切换到同一并联支路，每条并联支路中串联单体电池数为m；通过MCU控制，开关矩阵从近地端开始依次向高电位端导通，将n条并联支路导通。确定的n条并联支路具有的电量由高到低依次排列为1号-n号，通过在每条并联支路的输出端加入电流控制器件，通过MCU计算后，将具有不同电量的并联支路采用等比例脉冲宽度调制(PWM)放电控制方式，使得所有并联支路放电时间达到一致。
本发明的较佳实施例中，包括4个8位的锁存器，8个高速光耦及32个MOSFET。其中，4个8位的锁存器设置在MCU与光耦合器之间，各锁存器并联连接。其工作过程为：由4个锁存器的32个输出端控制8个高速光耦的32个输入端，通过高速光耦隔离后可控制32个MOSFET的G极。占用MCU的I/O口数量为8+4＝12个。通过接口拓展，可以实现多板并联，控制32*n个MOSFET，满足不同单体电池数量的要求。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.有利于实现非能耗式电量均衡的车用锂电池模块，它包括m个依次串接的电池块，每个电池块包含n节单体电池；其特征在于：相邻电池块之间分别设有一个开关矩阵，各开关矩阵中至少具有n*n个开关；相邻电池块之间，前一个电池块的一节单体电池的正极接线柱通过n个开关与后一个电池块的每节单体电池的负极接线柱连接；同一时刻，通过控制n*n个开关，使得前一电池块的每个单体电池正极接线柱只与后一个电池块的特定的单体电池负极接线柱连接，将不同电池块中具有相同剩余电量等级的单体电池切换到电池组的同一并联支路，使得基于开关矩阵非能耗式车用锂电池模块成为具有n条不同剩余电量的并联电路。
2.根据权利要求1所述的车用锂电池模块，其特征在于：所述开关矩阵为MOSFET集成的开关矩阵，由MCU进行控制，MOSFET的电压控制端和MCU的控制接口之间由光耦合器隔离。
3.根据权利要求2所述的车用锂电池模块，其特征在于，每n个MOSFET的S极与前一个电池块的一块单体电池的正极接线柱连接，D极分别与后一个电池块的n个单体电池的负极接线柱连接，G极为电压控制端，MOSFET的G极由光耦与MCU控制接口进行隔离。
4.根据权利要求3所述的车用锂电池模块，其特征在于，MCU与光耦之间设置锁存器，MCU的控制接口与锁存器的输入端连接，锁存器的输出端与光耦的输入端连接，光耦的输出端通过配置电阻与MOSFET的G极连接。
5.根据权利要求4所述的车用锂电池模块，其特征在于，MCU通过控制开关矩阵将不同电池块中具有相同剩余电量等级的单体电池切换到电池组的同一并联支路，使得基于开关矩阵非能耗式车用锂电池模块成为具有n条不同剩余电量的并联电路，通过MCU计算后，将具有不同电量的并联支路采用脉冲宽度调制控制放电电流的方式按比例控制放电电流，使得所有并联支路放电时间达到一致。
6.根据权利要求5所述的车用锂电池模块，其特征在于，在基于开关矩阵非能耗式车用锂电池模块投入负载之前，对所有电池块中的单体电池进行剩余电量估算，将每个电池块中单体电池按照剩余电量的多少进行编号，剩余电量由高到低标记为1号～n号；将不同电池块中具有相同标号的单体电池切换到同一并联支路，每条并联支路中串联单体电池数为m；通过MCU控制，开关矩阵从近地端开始依次向高电位端导通，将n条并联支路导通。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |