專利名稱：電池管理系統(tǒng)及采用該系統(tǒng)進(jìn)行電池充電模式控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及串聯(lián)電池組充電技術(shù)，尤其涉及一種用于管理電池組中的電池充電狀態(tài)的電池管理系統(tǒng)及采用該系統(tǒng)進(jìn)行電池充電模式控制的方法。
背景技術(shù)：
電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理電池、電池組之電量計(jì)算、控制、保護(hù)，各電池或電池組間的電量平衡、各種電性檢測(cè)、以及系統(tǒng)內(nèi)外的訊號(hào)通訊。一般而言，只要是使用到電池的產(chǎn)品，都需要搭配電池管理系統(tǒng)來(lái)控制，尤其是使用電池串聯(lián)數(shù)目越高的電池組，越需要復(fù)雜的電池管理功能。以交通工具而言，串?dāng)?shù)由少到多可分為電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)高爾夫球車、電動(dòng)汽車等層次。串聯(lián)數(shù)目越高，代表所需伏特?cái)?shù)越高。電池管理系統(tǒng)通常包括電壓、溫度、電流等訊號(hào)偵測(cè)、各電池或電池組間的平衡控制等各種技術(shù)與相應(yīng)的電子電路及軟硬體。針對(duì)串聯(lián)電池的電壓檢測(cè)，可用掃描式，即在一區(qū)段時(shí)間內(nèi)分別依序偵測(cè)各電池的電壓，并透過(guò)放大器與A/D轉(zhuǎn)換器將訊號(hào)提供給微處理器。針對(duì)串聯(lián)電池的電池平衡，分為主動(dòng)式平衡與被動(dòng)式平衡兩種主動(dòng)式平衡是使用能量轉(zhuǎn)移的方式，將電池組或單顆電池中多余的電量轉(zhuǎn)移到電量不足的電池，從而在充電、靜止或放電時(shí)均可平衡；被動(dòng)式平衡是使用能量耗散的方式，將各電池中多余的電量以電阻方式耗散成熱，并且僅在充電時(shí)可以平衡。該種被動(dòng)式平衡可參考于2011年3月16日公開的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)第CN 101986508 A號(hào)，該專利申請(qǐng)公開了一種電池均衡裝置，該電池均衡裝置采用在電池組旁安裝一電阻，以便在某電池充電量快于其他電池時(shí)，將該電池的充電電流旁路到該電阻上，以阻止該電池充電，并將其充電電能轉(zhuǎn)換成熱能耗散出去。一般電動(dòng)自行車與電動(dòng)摩托車的電池管理系統(tǒng)，由于成本考慮，大多采用被動(dòng)式平衡的電池管理系統(tǒng)來(lái)平衡各電池的電量，同時(shí)又必須周期性地采集各電池的電壓、電流、 溫度等參數(shù)。但是由于被動(dòng)式平衡的電池管理系統(tǒng)與外部的充電器之間往往沒(méi)有通訊，從而在使用被動(dòng)式平衡時(shí)，該種電池管理系統(tǒng)仍然無(wú)法做到很好的電量控制以平衡各電池的電量。例如，以已經(jīng)分別充至5Ahr跟SAhr的電池來(lái)比較，如果需要平衡，就必須在充電時(shí)開始以電阻耗散SAhr電池的電量，但是往往用被動(dòng)式平衡無(wú)法將電完全耗散掉。因此SAhr 的電池或多或少還是會(huì)充到電，從而無(wú)法真正達(dá)成電池的平衡，且容易導(dǎo)致電池的損壞。因此，有必要提供一種新的電池管理系統(tǒng)及采用該系統(tǒng)進(jìn)行電池充電模式控制的方法以克服上述問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可準(zhǔn)確地平衡電池組中各電池充電量的電池管理系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的在于一種采用該電池管理系統(tǒng)進(jìn)行電池充電模式控制的方法。相應(yīng)地，一種電池管理系統(tǒng)，包括微控制器、具有若干個(gè)串聯(lián)電池的串聯(lián)電池組、 對(duì)電池充電電量進(jìn)行平衡的平衡控制模組、對(duì)電池電壓進(jìn)行檢測(cè)的電壓檢測(cè)模組、及進(jìn)行普通的大電流充電控制的普通充電關(guān)斷單元，所述電池管理系統(tǒng)還包括一與普通充電模式相轉(zhuǎn)換、并以涓流充電模式進(jìn)行充電控制的涓流充電模塊，該涓流充電模塊的充電電流可在平衡控制模組開啟時(shí)被完全耗散掉。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述微控制器根據(jù)電壓檢測(cè)模組檢測(cè)到的電池的最大電壓大于或者等于保護(hù)電壓時(shí)進(jìn)行控制普通充電單元及涓流充電模塊的充電模式轉(zhuǎn)換。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述涓流充電模塊包括場(chǎng)效應(yīng)管及兩個(gè)三極管，所述兩個(gè)三極管包括一個(gè)PNP型三極管和一個(gè)NPN型三極管。 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述平衡控制模組包括若干分別對(duì)每顆電池以電阻耗散多余電量的方式進(jìn)行被動(dòng)式平衡的被動(dòng)平衡子模塊。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述電池管理系統(tǒng)還包括一個(gè)放電關(guān)斷單元。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，采用所述的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行電池充電模式控制的方法，包括如下步驟
首先，開啟普通充電模式，微控制器通過(guò)電壓檢測(cè)模塊將各電池的電壓讀入并進(jìn)行比
較；
其次，在微控制器讀入的電池電壓中最大電壓與最小電壓之差大于或等于一第一電壓閾值時(shí)，對(duì)具有最大電壓的電池開啟平衡；
再次，在普通充電模式下微控制器讀入的電壓中最大電壓大于或者等于保護(hù)電壓時(shí)， 將充電模式切換到涓流充電模式；
最后，在微控制器讀入的電壓中最小電壓大于或等于上述保護(hù)電壓時(shí)切斷充電。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在開啟平衡前還包括如下步驟對(duì)微控制器讀入的電池電壓中大于或等于一第二電壓閾值的電池設(shè)置允許平衡。本發(fā)明的有益效果是通過(guò)在電池管理系統(tǒng)中增加設(shè)置一涓流充電模塊，使得電池在充電至保護(hù)電壓時(shí)可啟動(dòng)涓流充電模式，從而減小電流的輸入量，使得平衡控制模組可將該多余的細(xì)小的輸入電流完全平衡掉，進(jìn)而有效控制電池的充電量平衡，防止電池的損壞，更好地保護(hù)電池。


圖1是本發(fā)明電池管理系統(tǒng)一具體實(shí)施方式
的電路模塊圖2是圖1中電池組、平衡控制模組中的被動(dòng)平衡子模塊及電壓檢測(cè)開關(guān)模組的部分詳細(xì)電路圖3是圖1中電池管理系統(tǒng)中的關(guān)斷電路模塊的詳細(xì)電路圖； 圖4是圖1中電池管理系統(tǒng)中的涓流充電模塊的詳細(xì)電路圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖所示的各實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。但這些實(shí)施方式并不限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實(shí)施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。請(qǐng)參閱圖1所示為本發(fā)明電池管理系統(tǒng)的一具體實(shí)施方式
，本發(fā)明電池管理系統(tǒng) 100包括具有多個(gè)串聯(lián)電池的電池組、連接至該電池組的平衡控制模組BLS和電壓檢測(cè)模組CH_SELECT、微控制器MCU、連接于微控制器MCU與電壓檢測(cè)模組CH_SELECT之間的信號(hào)放大模組AMP、及連接于微控制器MCU與電池組之間的短路檢測(cè)與自鎖模組S_L0CK及其他驅(qū)動(dòng)電路模組7。微控制器MCU內(nèi)設(shè)置有模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其他驅(qū)動(dòng)電路模組7包括關(guān)斷電路模塊及以涓流充電模式進(jìn)行充電控制的涓流充電模塊，該涓流充電模塊的充電電流可在平衡控制模組BLS開啟時(shí)被完全耗散掉。請(qǐng)參閱圖1及圖2所示，本實(shí)施方式中電池組包括八個(gè)串聯(lián)連接的電池，所述電池為鋰離子電池，也可為磷酸鐵鋰電池。所述平衡控制模組BLS采用以電阻實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式平衡之方式，用以在電池充電過(guò)程中若有電池電量充太快，則以電阻消耗的方式將多余的能量耗散以使各電池間達(dá)到充電電量平衡。本發(fā)明平衡控制模組BLS包括一個(gè)被動(dòng)平衡模塊 21，該被動(dòng)平衡模塊21包括分別與每一塊電池對(duì)應(yīng)連接的若干被動(dòng)平衡子模塊，從而包括有八條輸入線路，對(duì)應(yīng)八個(gè)平衡控制信號(hào)，分別為BLS0(TBLS07。該BLS0(TBLS07線路信號(hào)由微控制器MCU所控制，并通過(guò)由微控制器MCU提供RCK、SCK及MOSI信號(hào)，然后進(jìn)行腳位擴(kuò)充得以形成。請(qǐng)結(jié)合圖2所示的被動(dòng)平衡模塊21部分的電路圖，該被動(dòng)平衡模塊21的動(dòng)作過(guò)程如下其中位于最下端的第一通道對(duì)應(yīng)的被動(dòng)平衡子模塊使用NMOSFET Q15作為控制開關(guān)，由于第一通道的一側(cè)與GROUND電平一致，從而在微控制器MCU經(jīng)由第一移位暫存器U2 送出的控制信號(hào)BLSOO高電平時(shí)可直接開啟NMOSFET Q15，使得平衡電阻R44有電流流過(guò)， 即對(duì)位于圖2中最下側(cè)的電池BATl開啟平衡；反之，當(dāng)控制信號(hào)BLSOO低電平時(shí)NMOSFET Q15關(guān)閉，電阻R44無(wú)電流流過(guò)，即該被動(dòng)平衡子模塊關(guān)閉。位于第二、三通道的被動(dòng)平衡子模塊使用的是PM0SFET，并以一三極管的基極作為控制開關(guān)。以第二通道為例說(shuō)明當(dāng)微控制器MCU經(jīng)由第一移位暫存器U2送出的控制信號(hào) BLSOl高電平時(shí)，三極管Q20飽和導(dǎo)通，從而使得PMOSFET Q19導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的平衡電阻R50有電流流過(guò)，則該被動(dòng)平衡子模塊開啟；反之，當(dāng)控制信號(hào)BLSOl低電平時(shí)，三極管Q20截止， PMOSFET關(guān)閉，此時(shí)R50無(wú)電流流過(guò)，則該被動(dòng)平衡子模塊關(guān)閉。第三信道與上述第二通道對(duì)應(yīng)的被動(dòng)平衡子模塊動(dòng)作過(guò)程相同。位于第四至第八通道的被動(dòng)平衡子模塊相同，均采用PM0SFET，并以一三極管的基極作為控制開關(guān)。以第四通道為例說(shuō)明當(dāng)微控制器MCU經(jīng)由第一移位暫存器U2送出的控制信號(hào)BLS03高電平時(shí)，三極管Q30處于放大狀態(tài)，使得電阻R61兩端具有一定的壓差以足以使PMOSFET (^9導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的平衡電阻R62有電流流過(guò)，則該被動(dòng)平衡子模塊開啟；反之， 當(dāng)控制信號(hào)BLS03低電平時(shí)，三極管Q30截止，電阻R61兩端壓差等于0V，PMOSFET Q29關(guān)閉，此時(shí)電阻R62無(wú)電流流過(guò)，則該被動(dòng)平衡子模塊關(guān)閉。請(qǐng)結(jié)合圖1及圖2所示，電壓檢測(cè)模組CH_SELECT包括分別控制九顆電池電壓檢測(cè)的控制信號(hào)MSU0(TMSU08。該控制信號(hào)由微控制器MCU所控制，并通過(guò)由微控制器MCU提供RCK、SCK、MOSI及MSU08信號(hào)，然后進(jìn)行腳位擴(kuò)充得以形成。所述關(guān)斷電路模塊包括進(jìn)行普通的大電流充電控制的普通充電關(guān)斷單元和放電關(guān)斷單元。從而使得本發(fā)明電池管理系統(tǒng)100包括普通充電和涓流充電兩種模式。所述微控制器MCU設(shè)置有分別控制普通充電關(guān)斷單元的普通模式充電信號(hào)CHG，和控制涓流充電模塊的涓流模式充電信號(hào)BCH。結(jié)合圖1至圖4所示，所述普通充電關(guān)斷單元設(shè)置有用以控制普通充電模式通斷的場(chǎng)效應(yīng)管Q6，所述涓流充電模塊設(shè)置有用以控制涓流充電模式通斷的場(chǎng)效應(yīng)管Q11，所述放電關(guān)斷單元設(shè)有用以控制放電通斷的場(chǎng)效應(yīng)管Q5。所述涓流充電模塊還包括兩個(gè)三極管，所述兩個(gè)三極管包括一個(gè)PNP型三極管QlO和一個(gè)NPN型三極管 Q9，微控制器MCU連接至PNP型三極管QlO的基極。假設(shè)本發(fā)明中電池的保護(hù)電壓為3. 8V，在充電時(shí)先采用大電流充電的普通充電模式，當(dāng)電池組內(nèi)各電池充電電量差異較大時(shí)，會(huì)有部分電池先沖到保護(hù)電壓，此時(shí)關(guān)斷普通充電關(guān)斷單元，并使涓流充電模塊輸入高電平，即開啟涓流充電模式，涓流充電模塊會(huì)將整個(gè)電池組的充電電流限制在320mA左右(其中電動(dòng)自行車在普通充電模式的電流約為3A至 10A,電動(dòng)摩托車在普通充電模式的電流約為IOA至30A)，同時(shí)對(duì)先充到3. 8V的電池開啟對(duì)應(yīng)的被動(dòng)平衡子模塊進(jìn)行電量平衡，即將采用涓流充電模式的充電電流從平衡電阻完全被泄放掉，使得該種已達(dá)到保護(hù)電壓的電池電壓不再上升，而未開啟平衡的電池繼續(xù)以320mA 的充電電流進(jìn)行充電。由以上可得，本發(fā)明電池管理系統(tǒng)100進(jìn)行電池充電模式控制的方法，包括如下步驟首先，開啟普通充電模式，微控制器通過(guò)電壓檢測(cè)模塊將各電池的電壓讀入并進(jìn)行比較；其次，對(duì)微控制器讀入的電池電壓中大于或等于一第二電壓閾值的電池設(shè)置允許平衡， 該第二電壓閾值小于保護(hù)電壓并接近保護(hù)電壓；再次，在微控制器讀入的電池電壓中最大電壓與最小電壓之差大于或等于一第一電壓閾值時(shí)，對(duì)具有最大電壓的電池開啟對(duì)應(yīng)的被動(dòng)平衡子模塊進(jìn)行電量平衡；然后，在普通充電模式下微控制器讀入的電壓中最大電壓大于或者等于保護(hù)電壓時(shí)，將充電模式切換到涓流充電模式；最后，在微控制器讀入的電壓中最小電壓大于或等于保護(hù)電壓時(shí)切斷充電。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)電池的保護(hù)電壓為3. 8V時(shí)，該微控制器MCU的進(jìn)行電池充電模式的判斷及操作步驟如下首先，微控制器MCU根據(jù)電壓檢測(cè)模組CH_SELECT獲得的各電池的電壓通過(guò)微控制器MCU內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀入并進(jìn)行比較； 其次，對(duì)滿足充電電量大于或等于3. 45V的電池設(shè)置允許進(jìn)行平衡，該3. 45V即為上述第二電壓閾值，對(duì)任何電池電壓減去最小的電池電壓的差值大于50mV的電池開啟對(duì)應(yīng)的被動(dòng)平衡子模塊，該50mV即為上述第一電壓閾值；再次，對(duì)進(jìn)行普通充電模式且充電電量大于或等于3. 8V的電池切換到涓流充電模式；最后，在涓流充電模式下，具有最小電壓的電池充電電量大于或等于3. 8V時(shí)通過(guò)控制關(guān)斷電路模塊切斷充電。請(qǐng)參閱圖2所示為本發(fā)明中涓流充電模塊的電路圖。該涓流充電模塊的工作過(guò)程如下當(dāng)微控制器MCU對(duì)涓流模式充電信號(hào)BCH輸出高電平或高阻態(tài)時(shí)，PNP型三極管QlO 截止，則無(wú)電流流過(guò)旁路二極管D3和電阻R33 ；電池組的總的正極節(jié)點(diǎn)B8通過(guò)電組R35給場(chǎng)效應(yīng)管Qll柵級(jí)供電，并由齊納二極管Z3穩(wěn)壓至12V，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管Qll導(dǎo)通，電阻R36 有電流流過(guò)；當(dāng)電阻R36的電流大于320mA時(shí)，其兩端產(chǎn)生一定的壓差，使得電阻R34給 NPN型三極管Q9提供基極偏置，則NPN型三極管Q9開始進(jìn)入放大狀態(tài)，并且NPN型三極管 Q9的集電極電流將場(chǎng)效應(yīng)管Qll柵級(jí)電壓拉低，使場(chǎng)效應(yīng)管Qll工作狀態(tài)進(jìn)入可變電阻區(qū)， 流過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管Ql 1、電阻R36電流減小，則形成一個(gè)負(fù)反饋電流控制電路。而當(dāng)微控制器MCU對(duì)涓流模式充電信號(hào)BCH送出低電平時(shí)，PNP型三極管QlO導(dǎo)通，電流流過(guò)旁路二極管D3和電阻R33并給NPN型三極管Q9提供基極偏置，NPN型三極管 Q9的集電極電流將場(chǎng)效應(yīng)管Qll的柵級(jí)電壓拉低，使場(chǎng)效應(yīng)管Qll關(guān)閉。此時(shí)，不管電阻 R36有沒(méi)有通過(guò)電阻R34給NPN型三極管Q9提供基極偏置，旁路二極管D3和電阻R33給 NPN型三極管Q9提供的基極偏置總是使場(chǎng)效應(yīng)管Qll的柵極電壓為0V，即場(chǎng)效應(yīng)管Qll關(guān)閉。綜上所述，本發(fā)明通過(guò)在電池管理系統(tǒng)100中增加設(shè)置一涓流充電模塊，使得電池在充電至保護(hù)電壓時(shí)可啟動(dòng)涓流充電模式，從而減小電流的輸入量，使得平衡控制模組 BLS可將該多余的細(xì)小的輸入電量完全平衡掉，進(jìn)而有效控制電池的充電量平衡，防止電池的損壞，更好地保護(hù)電池。上文所列出的一系列的詳細(xì)說(shuō)明僅僅是針對(duì)本發(fā)明的可行性實(shí)施方式的具體說(shuō)明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施方式或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電池管理系統(tǒng)，包括微控制器、具有若干個(gè)串聯(lián)電池的串聯(lián)電池組、對(duì)電池充電電量進(jìn)行平衡的平衡控制模組、對(duì)電池電壓進(jìn)行檢測(cè)的電壓檢測(cè)模組、及進(jìn)行普通的大電流充電控制的普通充電關(guān)斷單元，其特征在于，所述電池管理系統(tǒng)還包括一與普通充電模式相轉(zhuǎn)換、并以涓流充電模式進(jìn)行充電控制的涓流充電模塊，該涓流充電模塊的充電電流可在平衡控制模組開啟時(shí)被完全耗散掉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池管理系統(tǒng)，其特征在于，所述微控制器根據(jù)電壓檢測(cè)模組檢測(cè)到的電池的最大電壓大于或者等于保護(hù)電壓時(shí)進(jìn)行控制普通充電單元及涓流充電模塊的充電模式轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池管理系統(tǒng)，其特征在于，所述涓流充電模塊包括場(chǎng)效應(yīng)管及兩個(gè)三極管，所述兩個(gè)三極管包括一個(gè)PNP型三極管和一個(gè)NPN型三極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池管理系統(tǒng)，其特征在于，所述平衡控制模組包括若干分別對(duì)每顆電池以電阻耗散多余電量的方式進(jìn)行被動(dòng)式平衡的被動(dòng)平衡子模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池管理系統(tǒng)，其特征在于，所述電池管理系統(tǒng)還包括一個(gè)放電關(guān)斷單元。
6.采用權(quán)利要求1至4項(xiàng)中任意一項(xiàng)所述的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行電池充電模式控制的方法，其特征在于，包括如下步驟首先，開啟普通充電模式，微控制器通過(guò)電壓檢測(cè)模塊將各電池的電壓讀入并進(jìn)行比較；其次，在微控制器讀入的電池電壓中最大電壓與最小電壓之差大于或等于一第一電壓閾值時(shí)，對(duì)具有最大電壓的電池開啟平衡；再次，在普通充電模式下微控制器讀入的電壓中最大電壓大于或者等于保護(hù)電壓時(shí)， 將充電模式切換到涓流充電模式；最后，在微控制器讀入的電壓中最小電壓大于或等于上述保護(hù)電壓時(shí)切斷充電。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的進(jìn)行電池充電模式控制的方法，其特征在于，在開啟平衡前還包括如下步驟對(duì)微控制器讀入的電池電壓中大于或等于一第二電壓閾值的電池設(shè)置允許平衡。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電池管理系統(tǒng)，包括微控制器、具有若干個(gè)串聯(lián)電池的串聯(lián)電池組、對(duì)電池充電電量進(jìn)行平衡的平衡控制模組、對(duì)電池電壓進(jìn)行檢測(cè)的電壓檢測(cè)模組、及進(jìn)行普通的大電流充電控制的普通充電關(guān)斷單元。所述電池管理系統(tǒng)還包括一與普通充電模式相轉(zhuǎn)換、并以涓流充電模式進(jìn)行充電控制的涓流充電模塊。該涓流充電模塊的充電電流可在平衡控制模組開啟時(shí)被完全耗散掉，從而更有效地控制電池的充電量平衡，防止電池的損壞，更好地保護(hù)電池。
文檔編號(hào)H02J7/00GK102522788SQ201110395189
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者劉志堅(jiān), 黃仁治 申請(qǐng)人:冠碩新能源(香港)有限公司, 蘇州冠碩新能源有限公司