[發明專利]一種鋰電池管理系統

有效

• 申請號: 201810832971.0
• 申請日: 2018-07-26
• 公開（公告）號: CN109037801B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 張若琦;陳宏;吳建德;何湘寧
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01M10/42
• 分類號: H01M10/42;H01M10/0525
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 王琛

本發明公開了一種集成了信息采集、數據通信、電能均衡功能的鋰電池管理系統，包括一個電池組控制器以及多個單體電池控制器，單體電池控制器的輸入端口連接有單體電池，多個單體電池控制器在其輸出端串聯形成電池組，電池組輸出端連接至電池組控制器輸出端，電池組控制器的輸入端連接至用電負載或充電設備；單體電池控制器的功率拓撲采用雙向DC?DC變換器，用于實現對單體電池的充電或放電；單體電池控制器和電池組控制器通過功率信號復合調制通信的方式進行通信。本發明可以實現信息采集、數據通信、電池電能主動均衡、電池組保護和歷史信息存儲等多項功能，同時具有通信成本低、維護簡單、節省線束、結構緊湊和便于電池二次使用的優點。

技術領域

本發明屬于電池管理技術領域，具體涉及一種集成了信息采集、數據通信、電能均衡功能的鋰電池管理系統。

背景技術

鋰離子動力電池在生活、生產的方方面面都得到了大規模的應用，無論是日常生活中常見的電動汽車、電動工具、電動自行車，或是新興技術例如新能源發電、智能電網中，鋰離子動力電池都是其重要組成部分，為系統提供能源或存儲多余能量。

在大功率應用領域，相對于其他類型的儲能電池，鋰離子電池具有能量與功率密度高、循環壽命長、環保等的優點；與鎳氫電池相比，其電芯電壓約高3倍，功率密度約高2倍，自放電率約為1/2，且無記憶效應。但是，在大多數系統中，鋰離子電池的可靠性是其性能瓶頸，由于鋰離子電池的熱穩定性和一致性較差，對應用環境要求更為苛刻，不可過充電和過放電，因此在鋰電池應用場合一般配備電池管理系統(Battery Management System，BMS)，對電池進行合理有效的管理和控制，確保電池安全、延長電池壽命、提升系統性能。

在BMS硬件架構方面，從可靠性、模塊化、均衡技術等角度出發，學術界和工業界做了大量的相關研究，目前主流的硬件架構方案是兩層式的結構，如圖1所示，它僅包含模塊電池管理單元和成組電池管理單元。這樣的結構在已公開的專利中有很多，這主要是因為為每個單體電池提供專門的管理單元大幅度增加了成本，在這些模塊電池監控單元中，一般采用前端采樣芯片(Analoguefront end，AFE)監控每個單體電池的電壓，而相關信息在模塊電池管理單元的MCU中進行處理，即模塊電池是最小的管理單位。多家半導體廠商開發了用于鋰電池的前端采樣芯片，用于支持該種硬件架構，如凌力爾特(Linear)的LTC680X系列、德州儀器(Texas instruments)的BQ76PL536、美信(Maxim)的MAX11068等。不同于這樣的兩層式架構，基于單體電池的方案是用一顆芯片獨立地管理一個單體電池，再通過總線和主控MCU通信，實現系統級的監控和控制，將MCU、前端采樣和單體電池集成在一起，用于監控單節單體電池，執行SOC估算及相關控制，盡管器件的數量和成本可能會相應上升，但是考慮到電動汽車中大容量單體電池的成本以及可能帶來的好處，該部分的成本上升仍然是可接受的。

在BMS的通信方面，可采用無線通信或有線通信，有線通信又可分為獨立布線方式和電源線載波通信方式。無線通信的組網調試比較復雜，降低了系統的可靠性；獨立布線的有線通信技術較為成熟，通信速率可達1Mbps，如配以CAN收發芯片的CAN(ControlledAreaNetwork)現場總線技術，目前被廣泛應用，但是與電源線載波通信方式相比，其接線復雜，且增加了安裝成本。由于電池管理系統中主要傳輸的是電池電壓、電流信息，這些信息變化的時間尺度較大，通信速率要求不高，基于成本考慮，電源線載波通信方式可能是一個更為簡便的解決方案。

在BMS的電池均衡方面，電池均衡技術可分為被動均衡和主動均衡。被動均衡通過控制開關，使得多余電量通過電阻泄放，達到均衡目的，該方法電路和控制簡單，成本低，目前在商用BMS中得到大規模應用，但該方法均衡效率低、發熱量大，因此無論在學術界還是工業界，都傾向于用主動均衡替代被動均衡；主動均衡技術利用飛渡電容或是功率變換器，實現電池間的能量轉移。特別是基于功率變換器的方案，能達到較好的均衡效果和速度。

發明內容