[发明专利]一种锂电池组电源管理系统

说明书

本发明涉及一种锂电池组电源管理系统，包括在串联的电池组中的每个电池均并联一个转换开关，转换开关连接能够监测电池是否处于过充、过放、过热状态并发出相应驱动信号的电池组控制单元，其中转换开关采用电机式继电器。现有的电池管理系统都是基于分流原理，并不适合电池单体差异较大的使用条件；当均衡匹配不佳时容易加速电池老化。本发明所提供的一种锂电池组电源管理系统，采用电机式继电器作为转换开关，具有耐冲击电流大、适应大功率使用环境、可靠性高、功耗低、体积小、成本低廉等优点，能够简化锂电池充放电保护策略，克服电池单体差异大的不利条件，延长电池组使用寿命。

技术领域

本发明属于锂电池充放电保护技术领域，具体涉及一种锂电池组电源管理系统。

背景技术

目前，电动汽车以其独特的节能环保的优势引起越来越多的国家的重视，开展了大量的相关研究和开发工作。其中动力锂电池电源以其所具备的体积小、质量轻、能量密度大、无记忆效应、使用寿命长、使用范围广、工作电压高和自放电率低等优点而成为主流电动力源技术。然而动力锂电池电源是由多个锂电池电池通过串联、并联等方式组合而成；在电池组中，单体之间的差异总是存在的，由此造成一些不利因素。以容量为例，其差异性是逐步恶化的。组中流过同样电流，相对而言，容量大者总是处于小电流浅充浅放，容量衰减较慢；而容量小者总是处于大电流过充过放，容量衰减加快，两者之间性能参数差异越来越大，结果小容量提前失效，组寿命缩短。即使组中电池容量一致，但由于工艺等因素造成内阻不一致，使得充放电过程中单体电压变化也不一致，影响电池寿命。为此，动力锂电池电源管理成为了电动汽车领域一个重要的技术关键点。

通常地，动力锂电池成组串联使用，多组之间再串联及并联形成电池包。电池组充电时若有一个电池充电电压达到设定值(例如4.2V)，即切断充电回路以避免过充电。这样往往造成“木桶效应”，电池组总电量受某个单体电池限制，充电只能将一个单体电池充满，整个电池组不满，导致电池组放电容量变小。同样，电池组放电时若有单体达到设定值即需切断放电回路以避免过放电，进一步缩小电池组放电容量。为此人们采用一些充放电均衡技术来试图改善这个问题。一个显而易见的措施是给每只电池各增加一个旁路装置进行分流。如每个电池都并联一个MOSFET开关，过充电时通过旁路电阻、电容分流等。但这些仅适合小功率场合，在大功率条件下效果并不明显，而且会带来发热、难以控制等相关问题。目前人们开始关注一种可以在大功率条件下应用的能量转换式均衡技术，即以反激转换器为中介，当单体电池过充时，把这个电池多余的能量反馈到整个电池组上去；当单体电池过放时，由锂电池组整体向单体电池进行补充电。由于变压转换器的同轴线圈存在一定的能量损失，造成均衡效率降低，同时也造成均衡电路体积大，线圈绕组较难控制，电路成本较高等问题。

上述的均衡技术都是基于分流原理，在不断开电池的工作回路的前提下对于偏离多数区间的单体电池或者进行分流减负，或者进行汇流补充。其主要问题是大功率的分流、汇流效果不易实现，而且当单体电池处于过充电、过放电时仍需持续工作，一旦均衡控制措施匹配不佳时会加速电池老化；同时也无法简单地用新电池替换旧电池。

要克服分流均衡的缺点，可以采用断流均衡的方法，即对每一个电池并联一个单刀双掷开关(机械触点或电力电子部件)，一旦电池出现过充电、过放电时即转换开关将电池单独旁路断开，避免电池过度使用，同时减轻木桶效应的影响，方便更换新电池。此方法虽然简单，但动力电池往往应用于大功率、大电流场合，导致技术上不易实现。若此开关用MOSFET、IGBT功率管实现，则成本大增，且在大电流时易出现过热等不利情况，以及低压与高压部分的隔离措施复杂的问题。若采用电磁式继电器方案，则电磁驱动可靠性问题难以解决，降低安全性。常规的电磁式继电器，其驱动继电器触点闭合和断开的驱动机构都是电磁线圈，在大功率使用中会有烧触点和莫名其妙的跳闸现象,其根本原因是触点压力不够大所造成的。由于这些限制因素，断流均衡的方法在工程上实际也无法应用。

发明内容