一种电池包集成电路及控制方法与流程

1.本公开属于电池控制技术领域，尤其涉及一种电池包集成电路及控制方法。


背景技术：

2.动力电池包成为便携式电力设备发展的重要障碍。动力电池包一般由多块锂离子电池单元串联而成，以获得足够高的电压等级来驱动电机工作，虽然该方法足够简单，成本在众多的方法中也最低，但是当一个锂离子电池单元出现故障，整个动力电池包就不能够正常工作。此外，由于串联的每个锂离子电池单元的内部参数、自放电率等参数不一致导致锂离子电池单元的输出电压不一致、储存的能量也存在差异，从而在动力电池包的充电过程中就可能出现某些锂离子电池单元尚未充满，而部分锂离子电池单元却出现过充现象，导致电池寿命降低；在动力电池包的放电过程中就可能出现某些锂离子电池单元尚存在能量，而部分锂离子电池单元却放电完全，导致整个动力电池包在尚未完全放电时就不能工作。
3.为解决便携式电池包充电、放电时的均压问题，目前常用的方法有无源均压法与有源均压法。
4.无源均压法在每个锂离子电池单元上并联一个耗能电阻，通过检测电池的电压确定耗能电阻的接入与断开，该方法有效且低成本，但对整个系统而言，其效率较低，对系统造成的热应力也较大。
5.有源均压法常采用专门的电力电子电路实现每个单元之间的电压均衡，如开关电容法、开关电感法、能量回馈法等，但这些方法都是基于锂离子电池单元的串联结构，一旦任一锂离子电池单元故障，整个电池包将仍不能正常工作。


技术实现要素：

6.为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种电池包集成电路，，解决了锂离子电池单元的充放电电压均衡问题以及任一锂离子电池单元故障时电池包的正常运行。
7.为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
8.第一方面，公开了一种电池包集成电路，包括：
9.多个集成电路，每个集成电路包含电池单元、升降压变换器及电池单元集成电路控制器；
10.所述升降压变换器、集成电路控制器与锂离子电池单元一一对应连接，所述集成电路控制器根据锂离子电池单元工作时的电压、电流信号值判断该锂离子电池单元运行模式，在每一运行模式下维持整个电池包的正常工作状态。
11.进一步的技术方案，所述升降压变换器之间依次连接，首端升降压变换器的正极作为电池包集成电路的正极，末端升降压变换器的负极作为电池包集成电路的负极。
12.进一步的技术方案，所述集成电路控制器控制升降压变换器中的继电器的动作，来改变锂离子电池单元是否参与充电、放电或从运行电路中切除。
13.进一步优选的，每个集成电路控制器通过控制信号开关决定升降压变换器运行于充电或放电运行模式。
14.进一步优选的，每个电池单元集成电路控制器中包含充电控制双闭环模块、放电控制双闭环模块，根据故障/模式识别器确定采用充电还是放电控制双闭环模块参与控制。
15.进一步的技术方案，所述集成电路控制器中包括基准电压生成器，所述基准电压生成器根据锂离子电池单元工作状态调节输出信号以确保整个电池包的正极与负极间的电压维持恒定。
16.第二方面，公开了一种电池包集成电路控制方法，包括：
17.根据锂离子电池单元工作时的电压、电流信号值判断该锂离子电池单元运行模式，在每一运行模式下控制升降压变换器中的继电器的动作，来改变锂离子电池单元是否参与充电、放电或从运行电路中切除，以维持整个电池包的正常工作状态。
18.进一步的技术方案，所述锂离子电池单元的运行模式包括充电模式、故障模式及放电模式，充电模式下其中一个电池单元发生故障时，则故障电池单元之外的非故障电池单元对应的继电器触点闭合，非故障电池单元经升降压变换器充电；故障电池单元对应主电路中，继电器触点闭合，对应升降压变换器停止工作，故障电池单元不工作。
19.进一步的技术方案，放电模式下其中一个电池单元发生故障时，则故障电池单元之外的非故障电池单元对应的继电器触点闭合，非故障电池单元经升降压变换器放电；故障电池单元对应主电路中，继电器触点闭合，对应升降压变换器停止工作，故障电池单元不工作。
20.第二方面，公开了电池包，包括上述电池包集成电路。
21.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
22.本公开技术方案每个锂离子电池单元之间不直接进行串联连接，可有效避免传统电池包结构中的电压不均现象；在任一锂离子电池单元出现故障时，可切断该故障单元的运行，从而实现了动力电池包的安全、可靠运行。
23.本公开技术方案相比传统的电池单元串联形成的电池包，本发明的电池包可以在任何一个电池单元故障情况下，通过继电器切断对应主电路，让其他2个电池单元继续工作实现直流母线的稳定供电。
24.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
25.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
26.图1为本发明公开的一种基于反激变换器的电动汽车集成动力电池包结构及控制装置结构图；
27.图2为锂离子电池单元运行于充电模式主电路等效电路；
28.图3为锂离子电池单元运行于放电模式主电路等效电路；
29.图4为锂离子电池单元运行于故障模式主电路等效电路；
30.图5为本发明公开的锂离子电池单元组成的集成动力电池包中第2电池单元出现
故障时整个电池包主电路的等效电路；
31.图6为本发明公开的第2电池单元出现故障，放电模式时电池包的主电路等效电路；
32.图7本发明公开的充电模式 故障模式运行状态示意图；
33.图8本发明公开的放电模式 故障模式运行状态示意图；
34.图中符号名称：u
bus
——电池包母线电压；c
i1
——第i(i＝1，2，3)输入侧电容；c
i2
——第i(i＝1，2，3)输出侧电容；k
i
——第i(i＝1，2，3)继电器；s
i1
——第i1(i＝1，2，3)开关管；s
i2
——第i2(i＝1，2，3)开关管；l
i
——第i(i＝1，2，3)电感；b
i
——第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元；u
nir
——第i(i＝1，2，3)升降压变换器输入侧电压的基准值；u
nif
——第i(i＝1，2，3)升降压变换器输入侧电压值；u
nie
——第i(i＝1，2，3)升降压变换器输入侧电压误差值；i
fir
——第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元放电电流基准值；i
fif
——第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元放电电流值；i
fie
——第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元放电电流误差值；u
ri1
——第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元放电模式的调制信号；u
bif
——第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元电压值；u
bir
——第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元电压基准值；u
bie
——第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元电压误差值；i
cir
——第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元充电电流基准值；i
cif
——第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元充电电流值；i
cie
——第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元充电电流误差值；u
ri2
——第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元充电模式的调制信号；u
ri
——第i(i＝1，2，3)升降压变换器的调制信号；u
si1
——第i1(i＝1，2，3)开关管驱动信号；u
si2
——第i2(i＝1，2，3)开关管驱动信号；u
k1
——选择开关驱动信号；u
gi
——第i(i＝1，2，3)继电器驱动信号；u
ki
——第i(i＝1，2，3)选择开关驱动信号。
具体实施方式
35.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
36.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
37.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.实施例一
39.本实施例公开了一种电池包集成电路，如图1所示，包含3个升降压变换器、6个电压传感器、3个电流传感、3个锂离子电池单元集成电路控制器构成的数字控制器组成；第1升降压变换器的负极与第2升降压变换器的正极连接在一起，第2升降压变换器的负极与第3升降压变换器的正极连接在一起，第1升降压变换器的正极作为电池包集成电路的正极，第3升降压变换器的负极作为电池包集成电路的负极；3个升降压变换器的内部结构一致；第i(i＝1，2，3)升降压变换器由第i(i＝1，2，3)输入侧电容、第i(i＝1，2，3)继电器、第i1(i＝1，2，3)开关管、第i2(i＝1，2，3)开关管、第i(i＝1，2，3)电感与第i(i＝1，2，3)输出侧电容构成；第i(i＝1，2，3)输入侧电容的正极、第i(i＝1，2，3)继电器的第3端子、第i1(i＝1，
2，3)开关管的漏极连接在一起，并作为第i(i＝1，2，3)升降压变换器的正极；第i(i＝1，2，3)输入侧电容的负极、第i(i＝1，2，3)继电器的第1端子连接在一起，并作为第i(i＝1，2，3)升降压变换器的负极；第i1(i＝1，2，3)开关管的源极、第i2(i＝1，2，3)开关管的漏极、第i(i＝1，2，3)电感的一端连接在一起；第i(i＝1，2，3)继电器的第2端子、第i2(i＝1，2，3)开关管的源极、第i(i＝1，2，3)输出侧电容的负极、第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元的负极连接在一起；第i(i＝1，2，3)电感的另一端、第i(i＝1，2，3)输出电容的正极、第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元的正极连接在一起；第i1(i＝1，2，3)电压传感器的两个输入端分别连接第i(i＝1，2，3)升降压变换器的正极与负极；第i2(i＝1，2，3)电压传感器的两个输入端分别连接第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元的正极与负极；第i(i＝1，2，3)电流传感器的输入端与锂离子电池单元相串联。
40.数字控制器中，3个锂离子电池单元集成电路控制器的内部结构一致；第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元集成电路控制器包含基准电压生成器、4个减法器、输入电压调节器、电池放电电流调节器、故障/模式识别器、单元电压调节器、电池充电电流调节器、反相器、选择开关、信号调理器；第i(i＝1，2，3)故障/模式识别器的2个输入端分别连接到第i(i＝1，2，3)电流传感器的输出端、第i2(i＝1，2，3)电压传感器的输出端；第i(i＝1，2，3)故障/模式识别器的2个输出端信号分别作为第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元的故障信号与第i(i＝1，2，3)选择开关的驱动信号；第i1(i＝1，2，3)减法器的正输入端、负输入端与输出端分别连接到第i(i＝1，2，3)基准电压生成器的输出端、第i1(i＝1，2，3)电压传感器的输出端、第i(i＝1，2，3)输入电压调节器的输入端；第i(i＝1，2，3)反相器的输入端连接到第i(i＝1，2，3)电流传感器的输出端；第i2(i＝1，2，3)减法器的正输入端、负输入端与输出端分别连接到第i(i＝1，2，3)输入电压调节器的输出端、第i(i＝1，2，3)反相器的输出端、第i(i＝1，2，3)电池放电电流调节器的输入端；第i3(i＝1，2，3)减法器的正输入端、负输入端与输出端分别连接到第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元电压的基准值、第i2(i＝1，2，3)电压传感器的输出端、第i(i＝1，2，3)单元电压调节器的输入端；第i4(i＝1，2，3)减法器的正输入端、负输入端与输出端分别连接到第i(i＝1，2，3)单元电压调节器的输出端、第i(i＝1，2，3)电流传感器的输出端、第i(i＝1，2，3)电池充电电流调节器的输入端；第i(i＝1，2，3)选择开关的第1端子、第2端子、第3端子分别连接到第i(i＝1，2，3)电池放电电流调节器的输出端、第i(i＝1，2，3)电池充电电流调节器的输出端、第i(i＝1，2，3)信号调理器的输入端；第i(i＝1，2，3)信号调理器的2个输出端信号分别作为第i1(i＝1，2，3)开关管的驱动信号、第i2(i＝1，2，3)开关管的驱动信号。
41.第i(i＝1，2，3)故障/模式识别器中，根据第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元的电压、电流信号值判断该锂离子电池单元运行于充电模式、放电模式或是故障模式；第i(i＝1，2，3)故障/模式识别器的2个输出端信号分别是u
gi
(i＝1，2，3)、u
ki
(i＝a，b，c)，该两个信号分别控制第i(i＝1，2，3)继电器的通断、第i(i＝1，2，3)选择开关的通断；当电池包运行于充电模式时，u
gi
＝0(i＝1，2，3)，u
ki
＝
‑
1(i＝a，b，c)，第i(i＝1，2，3)继电器的第1端子与第2端子连接在一起，第i(i＝1，2，3)选择开关的第2端子与第3端子连接在一起，对应的升降压变换器等效电路如图2所示。
42.当电池包运行于放电模式时，u
gi
＝0(i＝1，2，3)，u
ki
＝1(i＝a，b，c)，第i(i＝1，2，3)继电器的第1端子与第2端子连接在一起，第i(i＝1，2，3)选择开关的第1端子与第3端子
连接在一起，对应的升降压变换器等效电路如图3所示。
43.当检测到第i(i＝1，2，3)锂离子电池单元故障时，u
gi
＝1(i＝1，2，3)，u
ki
＝0(i＝a，b，c)，第i(i＝1，2，3)继电器的第1端子与第3端子连接在一起，第i(i＝1，2，3)选择开关的第3端子悬空，从而对应第i(i＝1，2，3)升降压变换器中的开关管都处于截止状态，对应的升降压变换器等效电路如图4所示。
44.第i(i＝1，2，3)基准电压生成器的工作原理如下：如3个锂离子电池单元均正常工作时，第i(i＝1，2，3)基准电压生成器的输出信号为单位1；如3个锂离子电池单元中有1个故障时，第i(i＝1，2，3)基准电压生成器的输出信号为单位1.5，从而保证有锂离子电池单元故障时，整个电池包的正极与负极间的电压维持恒定，保证了电池包可以正常工作。上述基准电压输出信号为单位1或单位1.5指的是某一个值的1倍与1.5倍，例如，正常运行时母线电压18v，则3个锂离子电池单元都正常时，基准电压输出信号为6；如有1个电池单元故障，则2个非故障电池单元对应的基准电压生成器的输出信号则为6的1.5倍，即9。
45.当电池包中第二电池单元出现故障，充电模式时电池包的主电路等效电路如图5所示，第2继电器将第2锂离子电池单元与直流母线隔离开来，使第2升降压变换器不参与工作，直流母线电压从原来均分在3个升降压变换器变为均分在2个升降压变换器，最终第i1(i＝1，2，3)开关管的运行占空比相对正常运行时要变小。
46.当电池包中第二电池单元出现故障，放电模式时电池包的主电路等效电路如图6所示，第2继电器将第2锂离子电池单元与直流母线隔离开来，使第2升降压变换器不参与工作，此时第1、第3基准电压生成器的输出信号变为正常运行时的1.5倍，从而使得在2个锂离子电池单元运行的电池包母线电压与3个锂离子电池单元均正常时候的母线电压相等。
47.锂离子电池单元分别连接于升降压变换器的输出端，避免了传统电池包中任一锂离子电池单元故障引起的电池包不能正常工作的问题；此外，由于升降压变换器可以对锂离子电池单元单独充电与放电，本发明所提集成电路可以不再需要专门的锂离子电池单元之间的电压平衡装置，实现了系统的简化。
48.实施例二
49.本实施例的目的是提供一种电池包集成电路的控制方法，包括：
50.根据锂离子电池单元工作时的电压、电流信号值判断该锂离子电池单元运行模式，在每一运行模式下控制升降压变换器中的继电器的动作，来改变锂离子电池单元是否参与充电、放电或从运行电路中切除，以维持整个电池包的正常工作状态。
51.锂离子电池单元的运行模式包括充电模式、故障模式及放电模式，充电模式下其中一个电池单元发生故障时，则故障电池单元之外的非故障电池单元对应的继电器触点闭合，非故障电池单元经升降压变换器充电；故障电池单元对应主电路中，继电器触点闭合，对应升降压变换器停止工作，故障电池单元不工作。
52.放电模式下其中一个电池单元发生故障时，则故障电池单元之外的非故障电池单元对应的继电器触点闭合，非故障电池单元经升降压变换器放电；故障电池单元对应主电路中，继电器触点闭合，对应升降压变换器停止工作，故障电池单元不工作。
53.更为具体的实施例子，电池包由3个集成电路构成，每个集成电路包含一个电池单元，一个升降压变换器，以及1个电池单元集成电路控制器。每个控制器控制升降压变换器中的继电器ki(i＝1,2,3)的动作，来改变电池单元是否参与充电、放电或从运行电路中切
除；每个控制器通过控制信号开关ka、kb、kc决定升降压变换器运行于充电或放电运行模式；每个电池单元集成电路控制器中包含一套充电控制双闭环、一套放电控制双闭环，有故障/模式识别器决定到底采用充电还是放电控制双闭环参与控制。
54.参见附图7所示，充电模式 故障模式时，3个电池单元集成电路的连接情况如下图，此时，电池单元2发生故障，则继电器k1，继电器k3的1、2触点闭合，电池单元1、电池单元3经升降压变换器充电(其中si2(i＝1,2,3)不控制，仅对应的体二极管工作)；电池单元2对应主电路中，继电器k2的1、3触点闭合，对应升降压变换器停止工作，电池单元2不工作。
55.参见附图8所示，放电模式 故障模式时，3个电池单元集成电路的连接情况如下图，此时，电池单元2发生故障，则继电器k1，继电器k3的1、2触点闭合，电池单元1、电池单元3经升降压变换器放电(其中si1(i＝1,2,3)不控制，仅对应的体二极管工作)；电池单元2对应主电路中，继电器k2的1、3触点闭合，对应升降压变换器停止工作，电池单元2不工作。
56.实施例三
57.本实施例的目的是提供电池包，包括上述电池包集成电路。
58.本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
59.上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。