一種容錯(cuò)鋰離子電池組的結(jié)構(gòu)及故障檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電池管理技術(shù)領(lǐng)域，涉及容錯(cuò)鋰離子電池組。
【背景技術(shù)】
[0002]由于鋰離子電池具有高能量密度、高循環(huán)次數(shù)、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于眾多場合。鋰離子電池單體輸出電壓低、電流小，為了獲得更高等級(jí)的電壓和電流，通常將鋰離子電池串并聯(lián)成組使用。在鋰離子電池組中，當(dāng)一個(gè)鋰離子電池單體發(fā)生短路或斷路故障時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)鋰離子電池組不能正常工作，甚至導(dǎo)致火災(zāi)等事故，對(duì)使用者的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全帶來威脅。
[0003]為了提高鋰離子電池組的安全性和可靠性，需要將鋰離子電池組中故障的鋰離子電池單體隔離。由于鋰離子電池組有充電和放電兩種工作狀態(tài)，則流經(jīng)鋰離子電池單體的電流是雙向的，所以在隔離鋰離子電池單體時(shí)需要阻斷雙向的電流通路。在現(xiàn)有技術(shù)中，將每節(jié)鋰離子電池單體和兩個(gè)方向相對(duì)的MOSFET串聯(lián)起來，以實(shí)現(xiàn)阻斷雙向電流通路的目的，這一技術(shù)方案需要兩倍于鋰離子電池單體數(shù)量的M0SFET，增加了鋰離子電池組的成本和體積；也有只使用一個(gè)MOSFET的技術(shù)方案，但這種方案并不能對(duì)發(fā)生短路故障的鋰離子電池單體進(jìn)行有效隔離。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)對(duì)故障鋰離子電池的檢測，通常在每節(jié)鋰離子電池單體所在支路串入電流測量1C，而這種技術(shù)方案會(huì)增加主電路的復(fù)雜度并且?guī)眍~外的損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于以更少的開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)鋰離子電池組的容錯(cuò)功能，且以更低的損耗和復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)鋰離子電池單體的故障檢測。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種容錯(cuò)鋰離子電池組的結(jié)構(gòu)，包括鋰離子電池單體和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管M0SFET，其特征在于，第一鋰離子電池單體和第一 MOSFET按照第一鋰離子電池負(fù)極和第一 MOSFET漏極相連接的方式串聯(lián)，組成第一容錯(cuò)單元；第一容錯(cuò)單元，第二容錯(cuò)單元直至第η容錯(cuò)單元并聯(lián)組成第一并聯(lián)容錯(cuò)鋰離子電池組；第一并聯(lián)容錯(cuò)鋰離子電池組，第二并聯(lián)容錯(cuò)鋰離子電池組直至第m并聯(lián)容錯(cuò)鋰離子電池組串聯(lián)組成容錯(cuò)鋰離子電池組；當(dāng)?shù)谝讳囯x子電池單體發(fā)生短路故障后，第一 MOSFET被關(guān)斷，第一 MOSFET的體二極管因承受來自第二容錯(cuò)單元至第η容錯(cuò)單元的反向電壓而截止，因此雙向電流通路均被阻斷，故障電池單體被有效隔離。
[0007]針對(duì)上述的容錯(cuò)鋰離子電池組的故障檢測方法，是將鋰離子電池單體串聯(lián)的MOSFET漏源電壓信號(hào)進(jìn)行線性放大，然后采集放大后的電壓信號(hào)，再根據(jù)MOSFET的導(dǎo)通電阻值，得到流經(jīng)每個(gè)電池單體的電流值，計(jì)算可得電池單體的平均電流值，根據(jù)平均電流值設(shè)置相應(yīng)的電池單體短路、斷路故障的閾值電流，之后將鋰離子電池單體電流值和短路、斷路故障閾值電流進(jìn)行對(duì)比，從而進(jìn)行故障的診斷，再通過切換電池單體串聯(lián)的MOSFET開關(guān)，實(shí)現(xiàn)故障電池單體的隔離。
[0008]本發(fā)明的有益效果如下:
本發(fā)明提出的容錯(cuò)鋰離子電池組的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)Πl(fā)生短路或斷路故障的鋰離子電池單體進(jìn)行有效隔離，相對(duì)每個(gè)鋰離子電池單體串聯(lián)兩個(gè)MOSFET的技術(shù)方案，本發(fā)明減少了MOSFET的數(shù)量，從而減小了鋰離子電池組的成本和體積。而本發(fā)明提出的故障檢測方法，相對(duì)傳統(tǒng)的在主電流通路串入電流測量IC的方案，復(fù)雜度更低，損耗更小。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明所提出的容錯(cuò)鋰離子電池組的結(jié)構(gòu)圖。
[0010]圖2為本發(fā)明所提出的容錯(cuò)鋰離子電池組的故障檢測示意圖。
[0011]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的隔離短路故障鋰離子電池單體的實(shí)驗(yàn)波形。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0013]本發(fā)明提出的容錯(cuò)鋰離子電池組的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。第一鋰離子電池單體1111和第一 MOSFET 1112按照第一鋰離子電池1111負(fù)極和第一 MOSFET 1112漏極相連接的方式串聯(lián)，組成第一容錯(cuò)單元1110 ;第一容錯(cuò)單元1110，第二容錯(cuò)單元1120直至第η容錯(cuò)單元1130并聯(lián)組成第一并聯(lián)容錯(cuò)鋰離子電池組1100 ;第一并聯(lián)容錯(cuò)鋰離子電池組1100，第二并聯(lián)容錯(cuò)鋰離子電池組1200直至第m并聯(lián)容錯(cuò)鋰離子電池組1300串聯(lián)組成容錯(cuò)鋰離子電池組1000。
[0014]本發(fā)明提出的容錯(cuò)鋰離子電池組的故障檢測方法，如圖2所示。在檢測鋰離子電池單體的故障情況時(shí)，先將串聯(lián)MOSFET導(dǎo)通時(shí)的漏源電壓信號(hào)％311至《dsmn線性放大，然后采集放大后的電壓信號(hào)，再根據(jù)MOSFET的導(dǎo)通電阻值屹?，得到流經(jīng)電池單體的電流值A(chǔ)ll至i'dnm，計(jì)算可得電池單體平均電流值4^。以容錯(cuò)單元1110為例，當(dāng)鋰離子電池單體1111發(fā)生短路故障時(shí)，容錯(cuò)單元1120至IlnO會(huì)對(duì)短路鋰離子電池單體1111進(jìn)行大電流放電，因此故障鋰離子電池單體1111上流過的電流會(huì)遠(yuǎn)大于平均電流值；當(dāng)鋰離子電池單體1111發(fā)生斷路故障時(shí)，故障鋰離子電池單體1111上流過的電流會(huì)遠(yuǎn)小于平均電流值。按照上述分析，可以依據(jù)平均電流值id.設(shè)置適當(dāng)?shù)亩搪饭收祥撝惦娏鱥s。，斷路故障閾值電流i。。，之后將鋰離子電池單體電流值和故障閾值電流進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)電池單體電流值大于短路故障閾值電流is。時(shí)，判斷電池單體發(fā)生短路故障，當(dāng)電池單體電流值小于斷路故障閾值電流i。。時(shí)，判斷電池單體發(fā)生斷路故障，再輸出MOSFET的控制信號(hào)Sgsll至Sgsmn，再通過驅(qū)動(dòng)電路得到驅(qū)動(dòng)電壓&311至Kgsnm控制MOSFET開關(guān)狀態(tài)。
[0015]圖3所示的是容錯(cuò)鋰離子電池組在帶純阻性負(fù)載時(shí)，當(dāng)鋰離子電池單體1111發(fā)生短路故障時(shí)的電壓電流波形圖。此容錯(cuò)鋰離子電池組由7個(gè)并聯(lián)容錯(cuò)鋰離子電池組串聯(lián)而成，而每個(gè)并聯(lián)容錯(cuò)鋰離子電池組又由2個(gè)容錯(cuò)單元并聯(lián)組成，idll為流經(jīng)鋰離子電池單體1111的電流波形，匕311是MOSFET 1112的門極驅(qū)動(dòng)電壓波形，W。是容錯(cuò)鋰離子電池組的輸出電壓波形。
[0016]由圖3所示的波形可見，采用本發(fā)明提出的容錯(cuò)鋰離子電池組結(jié)構(gòu)及其故障檢測方法，當(dāng)一個(gè)鋰離子電池單體在^時(shí)刻發(fā)生短路故障后，流經(jīng)此電池單體的電流迅速增大，之后故障情況被準(zhǔn)確檢測出來，然后在?2時(shí)刻同一支路上的MOSFET被關(guān)斷，門極電壓開始下降，在?3時(shí)刻流經(jīng)故障鋰離子電池的電流降為零，故障鋰離子電池單體被有效隔離，整個(gè)過程中輸出電壓基本不變。
[0017]綜上，本發(fā)明提出的容錯(cuò)鋰離子電池組的結(jié)構(gòu)可以對(duì)短路或斷路故障的鋰離子電池進(jìn)行有效隔離，并且相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方案具有更低的成本和體積。本發(fā)明中提出的容錯(cuò)鋰離子電池組的故障檢測方法可以快速準(zhǔn)確地檢測出故障鋰離子電池單體，并且相對(duì)傳統(tǒng)方法具有更低的復(fù)雜度和損耗。
[0018]上述【具體實(shí)施方式】用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種容錯(cuò)鋰離子電池組的結(jié)構(gòu)，包括鋰離子電池單體和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MOSFET，其特征在于:第一鋰離子電池單體(1111)和第一 MOSFET (1112)按照第一鋰離子電池(1111)負(fù)極和第一 MOSFET (1112)漏極相連接的方式串聯(lián)，組成第一容錯(cuò)單元(1110);第一容錯(cuò)單元(1110)，第二容錯(cuò)單元(1120)直至第η容錯(cuò)單元(1130)并聯(lián)組成第一并聯(lián)容錯(cuò)鋰離子電池組(1100);第一并聯(lián)容錯(cuò)鋰離子電池組(1100)，第二并聯(lián)容錯(cuò)鋰離子電池組(1200 )直至第m并聯(lián)容錯(cuò)鋰離子電池組(1300 )串聯(lián)組成容錯(cuò)鋰離子電池組(1000)； 當(dāng)某一鋰離子電池單體發(fā)生短路故障后，與其相連的MOSFET被關(guān)斷，MOSFET的體二極管因承受來自其它并聯(lián)容錯(cuò)單元的反向電壓而截止，由于雙向電流通路均被阻斷，因此發(fā)生故障的鋰離子電池單體被有效隔離。
2.—種如權(quán)利要求1所述容錯(cuò)鋰離子電池組的結(jié)構(gòu)的電池組故障檢測方法，其特征在于:在對(duì)鋰離子電池單體的故障情況進(jìn)行檢測時(shí)，將鋰離子電池單體串聯(lián)的MOSFET導(dǎo)通時(shí)的漏源電壓信號(hào)進(jìn)行線性放大，然后采集放大后的電壓信號(hào)，根據(jù)MOSFET的導(dǎo)通電阻值，得到流經(jīng)每個(gè)鋰離子電池單體的電流值，計(jì)算鋰離子電池單體的平均電流值，根據(jù)平均電流值設(shè)置相應(yīng)的電池單體短路、斷路故障的閾值電流，之后將鋰離子電池單體電流值和故障閾值電流進(jìn)行對(duì)比，從而進(jìn)行故障的診斷，再通過切換鋰離子電池單體串聯(lián)的MOSFET開關(guān)，實(shí)現(xiàn)故障電池單體的隔離。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種容錯(cuò)鋰離子電池組的結(jié)構(gòu)及故障檢測方法。發(fā)明中，通過在鋰離子電池組中加入MOSFET開關(guān)，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池組中故障鋰離子電池單體的隔離。通過檢測鋰離子電池單體串聯(lián)的MOSFET漏源電壓信號(hào)，獲取鋰離子電池單體的電流值，并進(jìn)行故障的診斷，通過切換電池單體串聯(lián)的MOSFET開關(guān)，實(shí)現(xiàn)故障電池單體的隔離。發(fā)明使鋰離子電池組中故障鋰離子電池單體的快速檢測和隔離，提高了鋰離子電池組的安全性和可靠性。
【IPC分類】G01R31-02, H02H7-18, H02J7-00
【公開號(hào)】CN104578307
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510033438
【發(fā)明人】徐德鴻, 劉光遠(yuǎn), 施科研
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月23日