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CN111009948A - 可主动调整充放电电流的锂电池保护板及其电流调整方式 - Google Patents

可主动调整充放电电流的锂电池保护板及其电流调整方式 Download PDF

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CN111009948A CN201911365043.9A CN201911365043A CN111009948A CN 111009948 A CN111009948 A CN 111009948A CN 201911365043 A CN201911365043 A CN 201911365043A CN 111009948 A CN111009948 A CN 111009948A
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周彦涛
刘斌
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Abstract

本发明公开了可主动调整充放电电流的锂电池保护板及其电流调整方式，涉及锂电池充放电保护的技术领域。可主动调整充放电电流的锂电池保护板包括包括多个温度采样模块、AD转换器、主控MCU、主控IC、电压采样模块和电流采样模块，温度采样模块被配置于检测锂电芯、导线、连接极片以及保护板散热片的温度数据，温度采样模块与主控MCU相连、主控MCU通过AD转换器获取温度采样模块的温度值。通过通过检测温度，电压，容量等数据，综合算法主动调整干预充放电回路中电流大小，确保在极端的条件下，锂电池组可以进行安全的充放电作业，同时可以让锂电池组可以兼容大多常规充电器，对充电器要求降低，增加锂电池组的适配性。

Description

可主动调整充放电电流的锂电池保护板及其电流调整方式
技术领域
本发明涉及锂电池充放电保护的技术领域，尤其涉及可主动调整充放电电流的锂电池保护板及其电流调整方式。
背景技术
在当前严峻的环境保护问题下，绿色清洁能源越来越受重视。随着锂电池生产技术的不断成熟，锂电池以其环保，轻便，循环寿命长等优势逐渐取消铅酸电池成为主流的储能设备。随着锂电池应用不断的宽泛，各种恶劣的工作环境使锂电池的安全问题凸显，怎样保证锂电池在使用过程中的安全成为一个及其重要的问题。
锂电池因为其自身化学材料的特性，在不同的温度下表现出很大差异性。高低温情况下因为锂电池内部化学材料活性变化，如果继续使用和常态条件下相同的电流充放电，低温情况下锂电池内部负极上嵌套的锂离子会产生离子结晶，进而刺穿电极隔膜发生短路起火甚至爆炸等安全事故；高温情况下大电流持续的充放电会导致电芯温度继续上升，会导致电芯因为过温造成安全事故。
现有的常规保护板通过热敏电阻检测电芯温度后只能在触发设定温度后关闭充放电回路，禁止电池充放电从而保护电芯。这样造成的结果会大大限制了锂电池的使用环境，使锂电池的利用率变低。甚至导致装有锂电池的设备无法全年时间使用，造成资源浪费。
同时如果使用常规的充电器进行充电或大负载的持续放电会造成电池组中电芯异常故障，进而造成毁坏，发生安全事故。
发明内容
为了能够保证锂电池组能够在极端条件下进行安全持续的充放电操作，本发明的技术方案提供了可主动调整充放电电流的锂电池保护板其电流调整方式。技术方案如下：
第一方面，可主动调整充放电电流的锂电池保护板，包括多个温度采样模块、AD转换器、主控MCU、主控IC、电压采样模块和电流采样模块，
温度采样模块被配置于检测锂电芯、导线、连接极片以及保护板散热片的温度数据，温度采样模块与主控MCU相连、主控MCU通过AD转换器获取温度采样模块的温度值，
电压采样模块被配置于检测各级电芯的电压值，电流采样模块被配置于检测电池组回路电流值，电压采样模块与电流采样模块与主控IC相连接，主控IC与主控MCU相连，
可主动调整充放电电流的锂电池保护板还包括放电MOS驱动电路、充电MOS驱动电路、放电MOS组和充电MOS组，放电MOS驱动电路与主控MCU连接，充电MOS驱动电路与主控MCU连接，放电MOS驱动电路与放电MOS组连接，充电MOS驱动电路与充电MOS组连接，电流采样模块与放电MOS组与充电MOS组连接。
具体的，锂电池组的多个充电MOS的Gata极通过单独的驱动电阻后与充电MOS驱动电路的输出端并联，充电MOS驱动电路的控制端连接主控MCU。
具体的，锂电池组的多个放电MOS的Gata极通过单独的驱动电阻后与放电MOS驱动电路的输出端并联，放电MOS驱动电路的控制端；连接主控MCU。
具体的，主控MCU与主控IC通过IIC通讯方式连接。
第二方面，电流调整方式，包括充电电流调整方式和放电电流调整方式。
具体的，充电电流调整方式包括以下步骤：S1：电压采样模块检测各级单体电芯的电压数据并将电压数据发送给主控IC；S2：主控MCU通过IIC通信方式从主控IC获取各级单体电芯的电压数据，筛选判断最低电芯电压和最高电芯电压，并得出电池组内电芯最大电压差数据；S3：通过静态电压数据对比计算出剩余容量；S4：温度采样模块获取每个锂电芯、导线、连接极片以及保护板散热片的温度数据，AD转换器将温度数据转化为数字信号；S5：主控MCU获取温度数据，并筛选出最高温度点和最低温度点，根据最高温度和最低温度确定高温或低温系数；S6：综合温度值、电压值、剩余容量和温度系数，利用PID算法确定主控MCU输出PWM的占空比；S7：当电池温度较低时，PWM输出占空比较低，使得电池组的充电电流较低，当电池温度因为充电不断上升，电芯化学材料活性成度不断提高，MCU输出PWM的占空比不断增加，直至完全打开，获取最大充电电流。
具体的，放电电流调整方式包括以下步骤：S1：主控MCU的充电控制部分的PWM的输出占空比设置为0，关闭充电MOS组；S2：电压采样模块检测各级单体电芯的电压数据并将电压数据发送给主控IC；S3：主控MCU通过IIC通信方式从主控IC获取各级单体电芯的电压数据，筛选判断最低电芯电压和最高电芯电压，并得出电池组内电芯最大电压差数据；S4：通过静态电压数据对比计算出剩余容量；S5：温度采样模块获取每个锂电芯、导线、连接极片以及保护板散热片的温度数据，AD转换器将温度数据转化为数字信号；S6：主控MCU获取温度数据，并筛选出最高温度点和最低温度点，根据最高温度和最低温度确定高温或低温系数；S7：综合温度值、电压值、剩余容量和温度系数，利用PID算法确定主控MCU输出PWM的占空比；S8：当电池温度较高时，主控MCU降低放电控制PWM输出的占空比，进而限制电池组放电电流，控制电池组总输出负载功率，直至触发电芯放电保护电压值，PWM输出占空比为0，关闭放电MOS组，停止放电。
通过通过检测温度，电压，容量等数据，综合算法主动调整干预充放电回路中电流大小，确保在极端的条件下，锂电池组可以进行安全的充放电作业，同时可以让锂电池组可以兼容大多常规充电器，对充电器要求降低，增加锂电池组的适配性。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理，其中：
图1是本发明实施方式所示的可主动调整充放电电流的锂电池保护板的连接结构示意图。
附图标记：1 温度采样模块、2 电压采样模块、3 电流采样模块、4 主控MCU、5 主控IC、6 放电MOS驱动电路、7 充电MOS驱动电路、8 放电MOS组、9 充电MOS组
具体实施方式
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
在当前严峻的环境保护问题下，绿色清洁能源越来越受重视。随着锂电池生产技术的不断成熟，锂电池以其环保，轻便，循环寿命长等优势逐渐取消铅酸电池成为主流的储能设备。随着锂电池应用不断的宽泛，各种恶劣的工作环境使锂电池的安全问题凸显，怎样保证锂电池在使用过程中的安全成为一个及其重要的问题。
锂电池因为其自身化学材料的特性，在不同的温度下表现出很大差异性。高低温情况下因为锂电池内部化学材料活性变化，如果继续使用和常态条件下相同的电流充放电，低温情况下锂电池内部负极上嵌套的锂离子会产生离子结晶，进而刺穿电极隔膜发生短路起火甚至爆炸等安全事故；高温情况下大电流持续的充放电会导致电芯温度继续上升，会导致电芯因为过温造成安全事故。
现有的常规保护板通过热敏电阻检测电芯温度后只能在触发设定温度后关闭充放电回路，禁止电池充放电从而保护电芯。这样造成的结果会大大限制了锂电池的使用环境，使锂电池的利用率变低。甚至导致装有锂电池的设备无法全年时间使用，造成资源浪费。
同时如果使用常规的充电器进行充电或大负载的持续放电会造成电池组中电芯异常故障，进而造成毁坏，发生安全事故。
为了能够保证锂电池组能够在极端条件下进行安全持续的充放电操作，本发明的技术方案提供了可主动调整充放电电流的锂电池保护板其电流调整方式，技术方案如下：
下面根据图1对本发明做进一步详细说明。
第一方面，可主动调整充放电电流的锂电池保护板，包括多个温度采样模块1、AD转换器、主控MCU(4)、主控IC(5)、电压采样模块2和电流采样模块3，
温度采样模块1被配置于检测锂电芯、导线、连接极片以及保护板散热片的温度数据，温度采样模块1与主控MCU(4)相连、主控MCU(4)通过AD转换器获取温度采样模块1的温度值，
电压采样模块2被配置于检测各级电芯的电压值，电流采样模块3被配置于检测电池组回路电流值，电压采样模块2与电流采样模块3与主控IC(5)相连接，主控IC(5)与主控MCU(4)相连，
可主动调整充放电电流的锂电池保护板还包括放电MOS驱动电路6、充电MOS驱动电路7、放电MOS组8和充电MOS组9，放电MOS驱动电路6与主控MCU(4)连接，充电MOS驱动电路7与主控MCU(4)连接，放电MOS驱动电路6与放电MOS组8连接，充电MOS驱动电路7与充电MOS组9连接，电流采样模块3与放电MOS组8与充电MOS组9连接。
具体的，锂电池组的多个充电MOS的Gata极通过单独的驱动电阻后与充电MOS驱动电路7的输出端并联，充电MOS驱动电路7的控制端连接主控MCU(4)。
具体的，锂电池组的多个放电MOS的Gata极通过单独的驱动电阻后与放电MOS驱动电路6的输出端并联，放电MOS驱动电路6的控制端；连接主控MCU(4)。
具体的，主控MCU(4)与主控IC(5)通过IIC通讯方式连接。
附图中，T1,T2........Tn分别为预设在各级电芯，导线，连接极片以及保护板功率MOS管的散热片上的温度采样模块1，每一个温度采样模块1分别与主控MCU(4)的AD转换器检测管脚相连，主MCU通过AD转换器采样各点温度值，实际操作的时候，采用12位高精度的AD转换器可以将温度值控制在0.1摄氏度误差范围内。
B0,B2......Bn分别连接在保护IC U1各相应管脚，保护IC负责获取各级电芯电压值以及电池组回路电流值，并通过IIC通信的方式传输给主控MCU(4)。实际操作的时候，采用高精度的电压检测装置可以判断出0.01V的电压变化，电流采样检测可以提供0.1A的电流变化值。
多个充电MOS组9的Gata极通过单独的驱动电阻后并联与充电MOS驱动电路7的输出端，充电MOS组9驱动电路的控制端连接在主控MCU(4)的独立PWM控制模块1输出管脚；
多个放电MOS组8的Gata极通过单独的驱动电阻后并联与放电MOS驱动电路6的输出端，放电MOS驱动电路6的控制端连接在主控MCU(4)的独立PWM控制模块2输出管脚。
第二方面，电流调整方式，包括充电电流调整方式和放电电流调整方式。
具体的，充电电流调整方式包括以下步骤：S1：电压采样模块2检测各级单体电芯的电压数据并将电压数据发送给主控IC(5)；S2：主控MCU(4)通过IIC通信方式从主控IC(5)获取各级单体电芯的电压数据，筛选判断最低电芯电压和最高电芯电压，并得出电池组内电芯最大电压差数据；S3：通过静态电压数据对比计算出剩余容量；S4：温度采样模块1获取每个锂电芯、导线、连接极片以及保护板散热片的温度数据，AD转换器将温度数据转化为数字信号；S5：主控MCU(4)获取温度数据，并筛选出最高温度点和最低温度点，根据最高温度和最低温度确定高温或低温系数；S6：综合温度值、电压值、剩余容量和温度系数，利用PID算法确定主控MCU(4)输出PWM的占空比；S7：当电池温度较低时，PWM输出占空比较低，使得电池组的充电电流较低，当电池温度因为充电不断上升，电芯化学材料活性成度不断提高，MCU输出PWM的占空比不断增加，直至完全打开，获取最大充电电流。
具体的，放电电流调整方式包括以下步骤：S1：主控MCU(4)的充电控制部分的PWM的输出占空比设置为0，关闭充电MOS组9；S2：电压采样模块2检测各级单体电芯的电压数据并将电压数据发送给主控IC(5)；S3：主控MCU(4)通过IIC通信方式从主控IC(5)获取各级单体电芯的电压数据，筛选判断最低电芯电压和最高电芯电压，并得出电池组内电芯最大电压差数据；S4：通过静态电压数据对比计算出剩余容量；S5：温度采样模块1获取每个锂电芯、导线、连接极片以及保护板散热片的温度数据，AD转换器将温度数据转化为数字信号；S6：主控MCU(4)获取温度数据，并筛选出最高温度点和最低温度点，根据最高温度和最低温度确定高温或低温系数；S7：综合温度值、电压值、剩余容量和温度系数，利用PID算法确定主控MCU(4)输出PWM的占空比；S8：当电池温度较高时，主控MCU(4)降低放电控制PWM输出的占空比，进而限制电池组放电电流，控制电池组总输出负载功率，直至触发电芯放电保护电压值，PWM输出占空比为0，关闭放电MOS组8，停止放电。
通过通过检测温度，电压，容量等数据，综合算法主动调整干预充放电回路中电流大小，确保在极端的条件下，锂电池组可以进行安全的充放电作业，同时可以让锂电池组可以兼容大多常规充电器，对充电器要求降低，增加锂电池组的适配性。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语不代表任何顺序，数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“一端”、“另一端”仅表示相对的位置关系，当被描述的对象的绝对位置关系改变后，则该想对应的位置关系也相应的改变。另外文中所讲的“有且只有一个”至包括一个。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.可主动调整充放电电流的锂电池保护板，其特征在于，包括多个温度采样模块、AD转换器、主控MCU、主控IC、电压采样模块和电流采样模块，
所述温度采样模块被配置于检测锂电芯、导线、连接极片以及保护板散热片的温度数据，所述温度采样模块与所述主控MCU相连、所述主控MCU通过AD转换器获取所述温度采样模块的温度值，
所述电压采样模块被配置于检测各级电芯的电压值，所述电流采样模块被配置于检测电池组回路电流值，所述电压采样模块与所述电流采样模块与所述主控IC相连接，所述主控IC与所述主控MCU相连，
所述可主动调整充放电电流的锂电池保护板还包括放电MOS驱动电路、充电MOS驱动电路、放电MOS组和充电MOS组，所述放电MOS驱动电路与所述主控MCU连接，所述充电MOS驱动电路与所述主控MCU连接，所述放电MOS驱动电路与所述放电MOS组连接，所述充电MOS驱动电路与所述充电MOS组连接，所述电流采样模块与所述放电MOS组与充电MOS组连接。
2.根据权利要求1所述的可主动调整充放电电流的锂电池保护板，其特征在于，锂电池组的多个充电MOS的Gata极通过单独的驱动电阻后与所述充电MOS驱动电路的输出端并联，所述充电MOS驱动电路的控制端连接所述主控MCU。
3.根据权利要1所述的可主动调整充放电电流的锂电池保护板，其特征在于，锂电池组的多个放电MOS的Gata极通过单独的驱动电阻后与所述放电MOS驱动电路的输出端并联，所述放电MOS驱动电路的控制端；连接所述主控MCU。
4.根据权利要1所述的可主动调整充放电电流的锂电池保护板，其特征在于，所述主控MCU与所述主控IC通过IIC通讯方式连接。
5.电流调整方式，其特征在于，依赖于如权利要求1-3所述的可主动调整充放电电流的锂电池保护板，所述电流调整方式包括充电电流调整方式和放电电流调整方式。
6.根据权利要5所述的电流调整方式，其特征在于，所述充电电流调整方式包括以下步骤：
S1：所述电压采样模块检测各级单体电芯的电压数据并将所述电压数据发送给所述主控IC；
S2：所述主控MCU通过所述IIC通信方式从所述主控IC获取各级单体电芯的所述电压数据，筛选判断最低电芯电压和最高电芯电压，并得出电池组内电芯最大电压差数据；
S3：通过静态电压数据对比计算出剩余容量；
S4：所述温度采样模块获取每个锂电芯、导线、连接极片以及保护板散热片的温度数据，所述AD转换器将所述温度数据转化为数字信号；
S5：所述主控MCU获取温度数据，并筛选出最高温度点和最低温度点，根据最高温度和最低温度确定高温或低温系数；
S6：综合温度值、电压值、剩余容量和温度系数，利用PID算法确定所述主控MCU输出PWM的占空比；
S7：当电池温度较低时，PWM输出占空比较低，使得电池组的充电电流较低，当电池温度因为充电不断上升，电芯化学材料活性成度不断提高，MCU输出PWM的占空比不断增加，直至完全打开，获取最大充电电流。
7.根据权利要5所述的电流调整方式，其特征在于，所述放电电流调整方式包括以下步骤：
S1：主控MCU的充电控制部分的PWM的输出占空比设置为0，关闭所述充电MOS组；
S2：所述电压采样模块检测各级单体电芯的电压数据并将所述电压数据发送给所述主控IC；
S3：所述主控MCU通过所述IIC通信方式从所述主控IC获取各级单体电芯的所述电压数据，筛选判断最低电芯电压和最高电芯电压，并得出电池组内电芯最大电压差数据；
S4：通过静态电压数据对比计算出剩余容量；
S5：所述温度采样模块获取每个锂电芯、导线、连接极片以及保护板散热片的温度数据，所述AD转换器将所述温度数据转化为数字信号；
S6：所述主控MCU获取温度数据，并筛选出最高温度点和最低温度点，根据最高温度和最低温度确定高温或低温系数；
S7：综合温度值、电压值、剩余容量和温度系数，利用PID算法确定所述主控MCU输出PWM的占空比；
S8：当电池温度较高时，所述主控MCU降低放电控制PWM输出的占空比，进而限制电池组放电电流，控制电池组总输出负载功率，直至触发电芯放电保护电压值，PWM输出占空比为0，关闭所述放电MOS组，停止放电。
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