CN111211363A - 一种电芯系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电芯系统，包括电芯管理系统、电池组，所述电池组包括至少一个电芯，所述电芯包括封装组合在一起并电性连接的电芯单体和电芯监控模块，所述电芯监控模块内设置有通信模块，所述通信模块通过电源线载波通信或射频无线通信的方式和电芯管理系统实现数据信息的接收和传递。本发明不仅可以实现对每个电芯的状态实时监控，还可以在无需另加数据线的情况下实现每个电芯监控模块与电芯管理系统之间的通信。

Description

一种电芯系统

技术领域

本发明涉及一种电芯系统，尤其涉及一种采用全新的通信方式的电芯系统。

背景技术

锂电池是目前应用最广泛的电化学储能元件，由于其特殊的结构和特性，电池监测管理电路是锂电池应用系统中必不可少的部分。目前的锂电池应用中，对于单电芯的小型电池，一般每个电池配备一个电池保护板；多个电芯串并联的电池组则整组配备电池管理系统。电池保护电路和电池管理系统的核心是锂电池保护和管理芯片。简单的锂电保护芯片可实现过压、过流和过温保护；锂电池组的管理系统由专用芯片和单片机等器件组成，对电池组整体以及其中各串并单元进行监测和管理。

受限于现有技术的缺陷，目前锂电池监控和管理方面存在以下不足：

1、锂电池的管理芯片主要用于实时监控电池的充放电过程，实现过压、过流和过温保护，并没有电池工作状态详细信息的采集能力，对于电流、电压、温度等数值需要更高级的电池管理系统的介入。

2、目前锂电池的充放电保护芯片都是实时地对电池工作进行控制，并没有电池工作状态的详细信息记录能力。即使通过电池管理系统进行数据收集和记录，数据也是存储在应用系统的计算机上，即存储在终端电脑上，电池的重要历史信息无法与电池自身紧密绑定。对于电池梯级利用，一个电池需要服务于多个应用系统，当将锂电池从一个用户系统迁移到另一个，电池的历史数据难以获得和利用。

3、电池管理系统仅在工作系统中对锂电池充放电进行监测保护，储存和运输等其他环节都是监控盲区。比如电池的自身温度或周围温度的监控无法实时掌控，一旦电池由于自身问题或周围糟糕环境导致温度上升，进而引发火灾，使用者是无法提前监控和防备的。

4、在现有的电池监控方案中，信息的传递需要使用专门的数据线，如果要对每个电芯作为独立对象进行信息采集和控制，则需要每个电芯连接一条额外的数据线，这将在电池组中增加大量数据线，导致成本高、结构复杂、故障率高、维护困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电芯系统，该系统无需通过专门的数据线即可完成数据的收发。

为实现前述目的，本发明提供一种电芯系统，包括电芯管理系统、电池组，所述电池组包括至少一个电芯，所述电芯包括封装组合在一起并电性连接的电芯单体和电芯监控模块，所述电芯监控模块内设置有通信模块，所述通信模块通过电源线载波通信或射频无线通信的方式和电芯管理系统实现数据信息的接收和传递。

作为本发明的进一步改进，所述电芯监控模块包括

电芯监控芯片，

传感器，

采样器件，通过传感器，用于采集电芯的工作状态以及环境参数。

作为本发明的进一步改进，所述电芯监控芯片包括

第一存储模块、处理器，处理器在第一存储模块支持下，用于运行软件程序，

第二存储模块，用于存放数据信息，

模数转换模块，将采集得到的信息转化为数字信息，提供给处理器进行计算处理，或者直接将数字信息存储至第二存储模块，

模拟控制电路模块，在处理器的控制下，实现电芯充放电的控制调节和异常保护，

通信模块，用于和电芯管理系统实现数据信息的接收和传递，

所述第二存储模块可集成于电芯监控芯片上或单独置于电芯监控芯片外部，或同时设置。

作为本发明的进一步改进，所述第一存储模块包括RAM存储器和ROM存储器中的一种或两种。

作为本发明的进一步改进，所述第二存储模块存储的数据信息包括电芯工作状态的数据，电芯周围的环境数据，处理器计算处理的数据。

作为本发明的进一步改进，所述电芯工作状态的数据包括电压、电流、温度等。

作为本发明的进一步改进，所述电芯周围环境数据包括温度、湿度等。

作为本发明的进一步改进，第二存储模块包括Flash存储器、EEPROM存储器、RAM存储器中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述通信模块传递和接收数据信息的方式包括电力载波通信，射频无线通信中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述电芯监控芯片还包括数据处理算法模块，用于计算密集的算法，实现专用计算逻辑。

本发明有益效果：

本发明提供了一种电芯、电芯监控模块及其芯片，与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明的电芯监控芯片用于单电芯的监控。与单电芯的保护芯片相比，本发明不仅能对单个电芯实现基本充放电保护，还能实时采集单个锂电芯工作条件、内部状态和外部环境数据；与现有的电池组的电池管理系统相比，本发明的芯片能实现对每个电芯采集信息，监测和控制更精细、准确。

2、芯片具有通信接口，能响应外部查询命令返回查询结果，接收控制命令并执行控制动作。在此基础上实现电池组管理系统，只需向每个电芯发送命令即可获取数据和执行控制，降低了电池管理系统的复杂度和成本。

3、芯片内置计算模块，可对每个电芯进行实时状态结合历史数据的分析，能更准确、深入地获取电芯信息，发现潜在问题。

4、采集获得的电芯历史数据和事件信息存储在芯片内或片外存储器中，在电芯整个生命周期中由电芯携带转移，实现了不依赖于应用系统的电芯全生命周期数据的记录和查询功能。

5、现有的电池监控系统，信息的传递需要使用专门的数据线，如果要对每个电芯作为独立对象进行信息采集和控制，则需要每个电芯连接一条额外的数据线。本发明的数据传输采用电源线载波通信或射频无线通信，降低了成本和系统复杂度，提高了系统的可靠性和易维护性。

附图说明

图1为本发明电芯系统结构示意图；

图2为本发明电芯监控模块示意图；

图3为本发明电芯监控芯片示意图；

图4为本发明单个电芯结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施例对本发明进行详细描述。

本实施方式提供了一种电芯系统，如图1、2，包括电芯管理系统、电池组、电芯应用系统以及连接电池组和电芯应用系统之间的电源线，所述电池组包括至少一个电芯，所述电芯包括封装组合在一起并电性连接的电芯单体和电芯监控模块，所述电芯监控模块内设置有通信模块，所述通信模块通过电源线载波通信或射频无线通信的方式和电芯管理系统实现数据信息的接收和传递。所述电芯监控模块包括电芯监控芯片，传感器，采样器件，通过传感器，用于采集电芯的工作状态以及环境参数。

其中，所述电芯监控芯片，如图3，包括第一存储模块、处理器，处理器在第一存储模块支持下，用于运行软件程序，第二存储模块，用于存放数据信息，模数转换模块，将采集得到的信息转化为数字信息，提供给处理器进行计算处理，或者直接将数字信息存储至第二存储模块，采集的信息包括但不限于电压、电流、温度等，模拟控制电路模块，在处理器的控制下，实现电芯充放电的控制调节和异常保护，通信模块，用于芯片与外部其他系统数据信息的接收和传递，所述第二存储模块可集成于电芯监控芯片上或单独置于电芯监控芯片外部，或同时设置。

在本实施方式中，通信模块可以集成于电芯监控芯片上，也可以外置于电芯监控芯片。在实际应用中，电芯监控模块与电池组的电芯管理系统通信可以通过传输电能的电源线进行，无需专门的数据线。电芯监控模块与电芯管理系统发送数据时，通过将数字信息调制成电压变化、电流变化的载波，叠加到电源线上传输；接收数据时从电源线提取信号，经过解调电路还原数字信息。

此外，电芯监控模块与电池组的电芯管理系统也可以通过射频电磁波进行无线通信，无需专门的数据线。电芯监控模块与电芯管理系统发送数据时，通过将数字信息调制成射频电磁波发出；接收数据时经过解调电路还原数字信息。

通过上述通信方式，实现了电芯管理系统与每个电芯监控模块的发送查询指令、获得监测数据、下达控制指令等。

当第二存储模块设置于电芯监控芯片外部时，通过在电芯监控芯片上设置外部存储器接口来向处理器提供外部存储器的数据读写功能。第二存储模块包括Flash存储器、EEPROM存储器、RAM存储器中的一种或多种。

所述第二存储模块存储的信息包括电芯工作状态的数据，电芯周围的环境数据，处理器计算处理的数据。电芯工作状态的数据包括电压、电流、温度等。电芯周围环境数据包括温度、湿度等。

所述电芯监控芯片是一种模拟-数字电路混合而成的集成电路芯片，第一存储模块包括RAM存储器和ROM存储器中的一种或两种。处理器在RAM/ROM存储器的支持下，运行软件程序。程序用来实现对整个电芯监控芯片及外部电芯监控模块电路的控制；程序还用来实现通信协议，以及解析电芯监控芯片和电芯监控模块外部的通信请求和给出通信反馈；运行的程序还可以是对采集的数据进行运算分析处理的算法；电芯监控芯片可以针对某些计算密集的算法(例如机器学习等)增加专用的数据处理算法模块，由硬件实现专用计算逻辑。

所述通信模块传递和接收数据信息的方式包括电力载波通信，射频无线通信中的一种或多种。另外通信模块还可以跟第二存储模块一样，单独设置于电芯监控芯片外部。

在实际应用中，电芯监控模块和电芯单体封装在一起，如图4，成为一个在整个生命周期中不可分割的整体。比如电芯在工作状态时，通过传感器和采样器件对电芯自身的各项参数进行实时监测，比如电流、电压、温度等，模数转换器将采集得到的各项参数转化成数字信号，这些数字信号可以经过处理器通过特定预先设定的算法进行计算处理，然后将计算处理结果存储至第二存储模块中，或者数字信号不经过处理器计算处理直接存储在第二存储模块中。同理，对于电芯周围环境的参数，也通过传感器和采样器件采集后经模数转换器转化成数字信号，然后经过处理器进一步计算处理或直接存储至第二存储模块中。

如此，电芯在整个生命周期中无论是工作状态，还是周围环境的状态参数都将实时记录在跟电芯封装在一起的第二存储模块上，不会随着电芯的转移而丢失数据。

基于上述技术手段，本发明在不仅解决了现有技术中的缺陷，此外还达到了多种技术效果。

1、本发明的电芯监控芯片用于单电芯的监控，不仅具有过压过流过温保护功能，还具有电压、电流、温度、震动等信息采集功能。与单电芯的保护芯片相比，本发明不仅能对单个电芯实现基本充放电保护，还能实时采集单个锂电芯工作条件、内部状态和外部环境数据；与现有的电池组的电池管理系统相比，本发明的芯片能实现对每个电芯采集信息，监测和控制更精细、准确。

2、电芯监控芯片带有通信接口，可以是有线通信也可以是无线通信。外部系统可通过查询命令读取电芯标签信息、实时数据和历史数据；外部系统可通过控制命令调整电芯的充放电参数和芯片的工作设置；能响应外部查询命令返回查询结果，接收控制命令并执行控制动作，在此基础上实现电池组管理系统，只需向每个电芯发送命令即可获取数据和执行控制，降低了电池管理系统的复杂度和成本。

3、电芯监控芯片带有处理器和片上专用计算模块，能执行数据处理和分析算法，对实时数据和历史数据进行计算分析；计算结果可保存、输出，也可以根据计算结果调节工作状态芯片内置计算模块，可对每个电芯进行实时状态结合历史数据的分析，能更准确、深入地获取电芯信息，发现潜在问题。

4、电芯监控芯片带有片上存储器或外部存储器接口，能将采集的电芯历史数据保存在存储器里，保存的数据精度、频率可配置。数据在电芯全生命周期中不断累积，终身携带采集获得的电芯历史数据和事件信息存储在芯片内或片外存储器中，在电芯整个生命周期中由电芯携带转移，实现了不依赖于应用系统的电芯全生命周期数据的记录和查询功能。

5、现有的电池监控系统，信息的传递需要使用专门的数据线，如果要对每个电芯作为独立对象进行信息采集和控制，则需要每个电芯连接一条额外的数据线。本发明的数据传输采用电源线载波通信或射频无线通信，降低了成本和系统复杂度，提高了系统的可靠性和易维护性。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电芯系统，包括电芯管理系统、电池组，其特征在于：所述电池组包括至少一个电芯，所述电芯包括封装组合在一起并电性连接的电芯单体和电芯监控模块，所述电芯监控模块内设置有通信模块，所述通信模块通过电源线载波通信或射频无线通信的方式和电芯管理系统实现数据信息的接收和传递。

2.根据权利要求1所述的电芯系统，其特征在于：所述电芯监控模块包括电芯监控芯片，

传感器，

采样器件，通过传感器，用于采集电芯的工作状态以及环境参数。

3.根据权利要求2所述的电芯系统，其特征在于：所述电芯监控芯片包括

第一存储模块、处理器，处理器在第一存储模块支持下，用于运行软件程序，

第二存储模块，用于存放数据信息，

模数转换模块，将采集得到的信息转化为数字信息，提供给处理器进行计算处理，或者直接将数字信息存储至第二存储模块，

模拟控制电路模块，在处理器的控制下，实现电芯充放电的控制调节和异常保护，

通信模块，用于和电芯管理系统实现数据信息的接收和传递，

所述第二存储模块可集成于电芯监控芯片上或单独置于电芯监控芯片外部，或同时设置。

4.根据权利要求3所述的电芯系统，其特征在于：所述第一存储模块包括RAM存储器和ROM存储器中的一种或两种。

5.根据权利要求3所述的电芯系统，其特征在于：所述第二存储模块存储的数据信息包括电芯工作状态的数据，电芯周围的环境数据，处理器计算处理的数据。

6.根据权利要求5所述的电芯系统，其特征在于：所述电芯工作状态的数据包括电压、电流、温度等。

7.根据权利要求5所述的电芯系统，其特征在于：所述电芯周围环境数据包括温度、湿度等。

8.根据权利要求3所述的电芯系统，其特征在于：第二存储模块包括Flash存储器、EEPROM存储器、RAM存储器中的一种或多种。

9.根据权利要求3所述的电芯系统，其特征在于：所述通信模块传递和接收数据信息的方式包括电力载波通信，射频无线通信中的一种或多种。

10.根据权利要求3所述的电芯系统，其特征在于：所述电芯监控芯片还包括数据处理算法模块，用于计算密集的算法，实现专用计算逻辑。

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