鋰離子電池系統、鋰離子電池直流輸出控制方法和設備的製作方法
2024-01-29 16:14:15
專利名稱：鋰離子電池系統、鋰離子電池直流輸出控制方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及移動通信電源領域，並且具體地涉及鋰離子電池直流輸出控制方法和設備。
背景技術：
鋰離子電池具有高容量、高電壓、無汙染、高安全性、高能量密度和優良循環性能等優點，因此備受廣泛關注，並且發展勢頭迅猛。鋰離子電池是未來中小型後備電源、惡劣環境等條件下後備電源技術的發展趨勢，並且逐漸成為高要求後備電源解決方案的首選。在通信行業，鋰離子電池定位於小型化、分散化、環境惡劣的應用場景，可作為鉛酸電池的有效補充。 鋰離子電池由於一次過充或過放電，便會造成電池不可恢復的報廢。在2008年北京奧運會期間，國內的電動車雲集北京展示使用，這些電動車幾乎都是配裝鋰離子電池。在這種鋰離子電池電源系統中，對電池組的直流輸出控制僅僅限於對蓄電池放電過程中的端電壓/輸出電壓進行監測，以所述端電壓/輸出電壓為基礎進行負載的切離，防止鋰離子電池過放電。然而，這些電動車在正常運行一個多月後，就開始需要更換電池甚至下線。這說明現有的直流輸出控制技術對於鋰離子電池的放電管理存在一定缺點。鑑於上述技術問題，發明人通過多年來在電動車及移動通信基站小範圍內試點的技術積澱，在理解鋰離子電池工作規律的基礎上，結合移動通信基站的實際情況和需求，開發出一種鋰離子電池直流輸出控制方法和設備。該方法和設備的基本思想是在任何時候，例如電池的運行環境不符合所需條件時，保證鋰離子電池都不發生過放電，提高鋰離子電池系統的有效性及實用性，從而解決鋰離子電池在單節大容量和串聯成高電壓電池組時，不便在諸如電動車、移動通信基站等領域推廣應用的難題。
發明內容
根據本發明的第一方面，提出了一種鋰離子電池系統，包括鋰離子電池組，用於對負載供電；電流電壓反饋模塊，用於採集鋰離子電池組在放電過程的電壓和電流；以及直流輸出控制模塊，用於根據鋰離子電池組在放電過程的電壓和電流的變化來控制鋰離子電池組對負載的供電,從而防止鋰離子電池組的過放電。根據本發明的實施例，所述直流輸出控制模塊包括四路直流輸出控制模塊，分別用於控制鋰離子電池組對相應群組的負載供電。根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電流比正常值低60%時，相應的四路直流輸出控制模塊減小輸出電流，控制輸出功率為最大輸出功率的50%。根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電流比正常值低70%時，相應的四路直流輸出控制模塊減小輸出電流，控制輸出功率為最大輸出功率的50%。根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電流比正常值低80%時，相應的四路直流輸出控制模塊切離其所控制的負載。
根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電流比正常值低90%時，相應的四路直流輸出控制模塊切離其所控制的負載。根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電3小時輸出電壓比標稱電壓低13%時，相應的四路直流輸出控制模塊切離其所控制的負載。根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電5小時輸出電壓比標稱電壓低13%時，相應的四路直流輸出控制模塊切離其所控制的負載。根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電6小時輸出電壓比標稱電壓低15%時，相應的四路直流輸出控制模塊切離其所控制的負載。根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電7小時輸出電壓比標稱電壓低20%時，所有四路直流輸出控制模塊切離其所控制的負載。根據本發明的第二方面，提出了一種鋰離子電池直流輸出控制方法，包括採集鋰 離子電池組的放電電壓和電流，以及根據鋰離子電池組在放電過程的電壓和電流的變化來控制鋰離子電池組對負載的供電，從而防止鋰離子電池組的過放電。根據本發明的實施例，通過四路直流輸出控制來分別控制鋰離子電池組對相應群組的負載供電。根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電流比正常值低60%時，減小輸出電流，控制輸出功率為最大輸出功率的50%。根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電流比正常值低70%時，減小輸出電流，控制輸出功率為最大輸出功率的50%。根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電流比正常值低80%時，切離相應群組的負載。根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電流比正常值低90%時，切離相應群組的負載。根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電3小時輸出電壓比標稱電壓低13%時，切離相應群組的負載。根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電5小時輸出電壓比標稱電壓低13%時，切離相應群組的負載。根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電6小時輸出電壓比標稱電壓低15%時，切離相應群組的負載。根據本發明的實施例，當鋰離子電池組放電7小時輸出電壓比標稱電壓低20%時，切離其所有群組的負載。根據本發明的第三方面，提出了一種鋰離子電池直流輸出控制設備，包括直流輸出控制模塊，所述直流輸出控制模塊根據鋰離子電池組在放電過程的電壓和電流的變化來控制鋰離子電池組對負載的供電，從而防止鋰離子電池組的過放電。根據本發明的實施例，所述直流輸出控制模塊包括四路直流輸出控制模塊，分別用於控制鋰離子電池組對相應群組的負載供電。根據本發明的第四方面，提出了如上所述的鋰離子電池系統在移動電源中的應用。優選地，所述鋰離子電池系統的應用領域可涉及在電動車、移動通信基站等領域中的應用。
附圖用於提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中
圖I為說明鐵鋰電池在不同放電速率時的示例性放電曲線；
圖2為說明本發明的鋰離子電池系統的示意性框圖；以及 圖3為說明本發明的DC/DC輸出控制模塊的示意性框圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明。應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。 鐵鋰電池是採用磷酸亞鐵鋰(LiFePO4)作為正極材料的鋰離子電池。在本發明的各優選實施例中，以鐵鋰電池作為鋰離子電池的實例來描述本發明。然而，本領域技術人員應理解，在本發明中還可以使用其它類型的鋰離子電池，例如正極材料為鎳鈷鋰、鎳鈷錳酸鋰、錳酸鋰等的其它鋰離子電池。圖I示出鐵鋰電池在不同放電速率時的示例性放電曲線。從圖I可以看出，無論放電速率大小，在經過一個相對平穩的電壓平臺期之後，鐵鋰電池端電壓將出現急劇下降。在鐵鋰電池的DC/DC輸出控制過程中，如果僅僅利用電池的端電壓為依據來控制鐵鋰電池的放電過程，則在電池端電壓急劇下降區域，存在容易使鐵鋰電池過放電而造成電池不可恢復的報廢。這正好解釋了背景技術部分中提到的電動車在正常運行一個多月後就開始需要更換電池甚至下線的原因。參考圖2，現在說明根據本發明的鋰離子電池系統。根據本發明的優選實施例，鋰離子電池系統100包括主控制器110，用於設置系統的各種參數並處理所採集的數據；鋰離子電池組120，用於對負載140供電；以及DC/DC輸出控制模塊130，用於控制鋰離子電池組120對負載140供電。本發明的鋰離子電池系統100還包括電流電壓反饋模塊150，用於採集鋰離子電池組120在放電過程的電壓和電流，並將採集到的鋰離子電池組120的電壓和電流反饋到主控制器110 ;充放電模塊160，用於對鋰離子電池組120進行充放電；充放電管理模塊170，用於控制所述充放電模塊160對鋰離子電池組120的充放電；以及計算機終端180，作為人機互動界面，接收人工輸入的數據或指令並顯示相關結果。根據本發明的優選實施例，所述主控制器110例如可以利用微處理單片機TMS320LF2407來實現，但是本發明不限於此。本發明的DC/DC輸出控制模塊130與主控制器110完成鋰離子電池組120放電時各路輸出電流和電壓大小的監測與控制。DC/DC輸出控制模塊130的主要任務是監測鋰離子電池組120放電時各路輸出的電壓/電流的變化情況。常常會出現的運行狀態可包括(I)鋰離子電池組120放電3小時輸出電壓比標稱電壓低13%, (2)鋰尚子電池組120放電5小時輸出電壓比標稱電壓低13%，(3)鋰離子電池組120放電6小時輸出電壓比標稱電壓低15%，以及(4)鋰離子電池組120放電7小時輸出電壓比標稱電壓低20%。
DC/DC輸出控制模塊130負載切離下電控制保護是在電流電壓反饋模塊150採集的鋰離子電池組120放電時端電壓下降情況的基礎上做出的，並特別設計3G設備在低功率運行時，DC/DC輸出控制模塊130根據鋰離子電池組120放電時的電流變化情況，利用DC/DC輸出控制模塊130發回的系統內部各模塊的運行信息，從而自動對零功率的負載進行切離或對負載進行半載切離運行的方式，從而保證主設備運行所需最大後備時間以及防止鐵鋰電池由於一次過放電，就會造成蓄電池不可恢復的報廢的主要問題。如本領域技術人員所知曉，蓄電池在輸出能量時，其兩端電壓不斷下降，當下降到一定值(終止電壓，即規定放電終止時蓄電池的負載電壓)時，就必須斷掉其能量輸出迴路，否則可能導致蓄電池過放電，使其壽命縮短甚至報廢。這種在終止電壓時，使蓄電池斷掉負載防止過放電的措施稱為一次下電。當電池兩端電壓降到一定值時(通常高於終止電壓)，就斷掉一部分次要負載，只給剩下的主要負載供電。之後當電壓下降到終止電壓時，則將主要負載也斷掉，實現對蓄 電池的保護。這種兩級斷開負載的措施即為二次下電。二次下電的好處是在保證蓄電池不過放電的同時，可以給重要設備提供更長的供電時間，儘量減少通信中斷的損失。如果需要實現系統的二次下電功能，須將直流輸出負載分成主要和次要負載，接到相應的分路上。為了不必要地模糊對本發明的描述，在此不再贅述一次放電、二次放電以及主要/次要負載的布局。根據本發明的優選實施例，本發明的鋰離子電池直流輸出控制方法可包括下述過程:
(1)設置各個參數，由主控制器110發出控制信號；
(2)通過電流電壓反饋模塊150採集鋰離子電池組120在放電過程的電壓和電流，得到實時的電壓和電流值；
(3)由電流電壓反饋模塊150將關於鋰離子電池組120的各項運行狀態的信息提供給主控制器110進行處理；
(4)主控制器110判斷鋰離子電池組120是否處於不正常的運行狀態；並且促使DC/DC輸出控制模塊130完成相應的負載140切離工作；以及
(5)主控制器110把數據發送到計算機終端180，以呈現給操作人員。參考圖3，對應於圖2虛線框所示的部分，用於解釋根據本發明的DC/DC輸出控制模塊130。根據本發明的優選實施例，對鋰離子電池組120的直流輸出控制是通過四路DC/DC輸出控制來實現的，每路的DC/DC輸出控制分別控制鋰離子電池組對相應群組的負載供電。具體而言，DC/DC輸出控制模塊130是由四路DC/DC輸出控制模塊130A、130B、130C和130D組成，分別用於控制鋰離子電池組120對負載140A、140B、140C和140D供電。應指出，各個四路DC/DC輸出控制模塊130A、130B、130C和130D所對應的負載140A、140B、140C和140D可以是任意分組的負載。現在說明本發明的DC/DC四路輸出控制模塊對負載進行切離的工作原理。DC/DC四路輸出控制模塊所採用的規則主要可包括
(I)鋰離子電池組120中兩個以上的單體電池，如I號與16號放電電壓與額定值相比下降快，電壓低15-20%，充電電壓上升快，端電壓比額定值高7%，則整組電池容量變小15%。DC/DC四路輸出控制模塊啟動，切離相關的負載輸出，減少鋰離子電池組120放電電流輸出。DC/DC輸出控制模塊130全部切離。(2)鋰離子電池組120中十個以上的單體電池靜置時電池端電壓下降至3. 0V，總端電壓54V下降至49. 7V，長期放置電壓低，則自放電過大；DC/DC四路輸出控制模塊全部自動切離，鋰蓄電池停止輸出放電。(3)鋰離子電池組120中兩個以上的單體電池放電時電池端電壓與額定值相比下降很快達到30%，電壓比平均電壓低I伏左右，則有單元電池損壞；DC/DC四路輸出控制模塊只保留直流輸出主設備供電，其餘附屬設備停止供電。(4)鋰離子電池組120開路電壓很低，例如單體電池端電壓為2. 5V，不能帶負載，否則電池損壞或連接不正常；DC/DC四路輸出控制模塊只保留直流輸出主設備供電，其餘附屬設備停止供電。 具體而言，鋰離子電池系統100中鋰離子電池組120放電過程的保護處理流程可以如下所述
步驟I，鋰離子電池組120放電流比正常值低60%，DC/DC輸出控制模塊130減小輸出電流，控制輸出功率為最大輸出功率的50%，負載半載切離；
步驟2，鋰離子電池組120放電流比正常值低70%，DC/DC輸出控制模塊130減小輸出電流，控制輸出功率為最大輸出功率的50%，負載半載切離；
步驟3，鋰離子電池組120放電流比正常值低80%，負載切離；
步驟4，鋰離子電池組120放電流比正常值低90%，負載切離；
步驟5,鋰尚子電池組120放電3小時輸出電壓比標稱電壓低13%,負載切尚；
步驟6,鋰尚子電池組120放電5小時輸出電壓比標稱電壓低13%,負載切尚；
步驟7，鋰離子電池組120放電6小時輸出電壓比標稱電壓低15%，負載切離；以及 步驟8,鋰尚子電池組120放電7小時輸出電壓比標稱電壓低20%,所有負載切尚。根據本發明的鋰離子電池直流輸出控制方法，在例如鋰離子電池的運行環境不符合所需條件時，保證鋰離子電池都不發生過放電，避免鋰離子電池不可恢復的報廢，提高鋰離子電池系統的有效性及實用性，從而解決鋰離子電池在單節大容量和串聯成高電壓電池組時，不便在諸如電動車、移動通信基站等領域推廣應用的難題。最後應說明的是，以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用於限制本發明。儘管參考前述實施例對本發明進行了詳細的說明，但是對於本領域技術人員而言，可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內作的任何修改、等同替換、改進等，均落在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種鋰離子電池系統，包括 鋰離子電池組，用於對負載供電； 電流電壓反饋模塊，用於採集鋰離子電池組在放電過程的電壓和電流；以及 直流輸出控制模塊，用於根據鋰離子電池組在放電過程的電壓和電流的變化來控制鋰離子電池組對負載的供電，從而防止鋰離子電池組的過放電。
2.如權利要求I所述的鋰離子電池系統，其中所述直流輸出控制模塊包括四路直流輸出控制模塊，分別用於控制鋰離子電池組對相應群組的負載供電。
3.如權利要求2所述的鋰離子電池系統，其中當鋰離子電池組放電流比正常值低60%時，相應的四路直流輸出控制模塊減小輸出電流，控制輸出功率為最大輸出功率的50%。
4.如權利要求2所述的鋰離子電池系統，其中當鋰離子電池組放電流比正常值低70%時，相應的四路直流輸出控制模塊減小輸出電流，控制輸出功率為最大輸出功率的50%。
5.如權利要求2所述的鋰離子電池系統，其中當鋰離子電池組放電流比正常值低80%時，相應的四路直流輸出控制模塊切離其所控制的負載。
6.如權利要求2所述的鋰離子電池系統，其中當鋰離子電池組放電流比正常值低90%時，相應的四路直流輸出控制模塊切離其所控制的負載。
7.如權利要求2所述的鋰離子電池系統，其中當鋰離子電池組放電3小時輸出電壓比標稱電壓低13%時，相應的四路直流輸出控制模塊切離其所控制的負載。
8.如權利要求2所述的鋰離子電池系統，其中當鋰離子電池組放電5小時輸出電壓比標稱電壓低13%時，相應的四路直流輸出控制模塊切離其所控制的負載。
9.如權利要求2所述的鋰離子電池系統，其中當鋰離子電池組放電6小時輸出電壓比標稱電壓低15%時，相應的四路直流輸出控制模塊切離其所控制的負載。
10.如權利要求2所述的鋰離子電池系統，其中當鋰離子電池組放電7小時輸出電壓比標稱電壓低20%時，所有四路直流輸出控制模塊切離其所控制的負載。
11.一種鋰離子電池直流輸出控制方法，包括採集鋰離子電池組的放電電壓和電流，以及根據鋰離子電池組在放電過程的電壓和電流的變化來控制鋰離子電池組對負載的供電，從而防止鋰離子電池組的過放電。
12.如權利要求11所述的鋰離子電池直流輸出控制方法，其中通過四路直流輸出控制來分別控制鋰離子電池組對相應群組的負載供電。
13.如權利要求12所述的鋰離子電池直流輸出控制方法，其中當鋰離子電池組放電流比正常值低60%時，減小輸出電流，控制輸出功率為最大輸出功率的50%。
14.如權利要求12所述的鋰離子電池直流輸出控制方法，其中當鋰離子電池組放電流比正常值低70%時，減小輸出電流，控制輸出功率為最大輸出功率的50%。
15.如權利要求12所述的鋰離子電池直流輸出控制方法，其中當鋰離子電池組放電流比正常值低80%時，切離相應群組的負載。
16.如權利要求12所述的鋰離子電池直流輸出控制方法，其中當鋰離子電池組放電流比正常值低90%時，切離相應群組的負載。
17.如權利要求12所述的鋰離子電池直流輸出控制方法，其中當鋰離子電池組放電3小時輸出電壓比標稱電壓低13%時，切離相應群組的負載。
18.如權利要求12所述的鋰離子電池直流輸出控制方法，其中當鋰離子電池組放電5小時輸出電壓比標稱電壓低13%時，切離相應群組的負載。
19.如權利要求12所述的鋰離子電池直流輸出控制方法，其中當鋰離子電池組放電6小時輸出電壓比標稱電壓低15%時,切離相應群組的負載。
20.如權利要求12所述的鋰離子電池直流輸出控制方法，其中當鋰離子電池組放電7小時輸出電壓比標稱電壓低20%時，切離其所有群組的負載。
21.一種鋰離子電池直流輸出控制設備，包括直流輸出控制模塊，所述直流輸出控制模塊根據鋰離子電池組在放電過程的電壓和電流的變化來控制鋰離子電池組對負載的供電，從而防止鋰離子電池組的過放電。
22.如權利要求21所述的鋰離子電池直流輸出控制設備，其中所述直流輸出控制模塊包括四路直流輸出控制模塊，分別用於控制鋰離子電池組對相應群組的負載供電。
23.如權利要求1-10中任意一項所述的鋰離子電池系統在移動電源中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種鋰離子電池系統，其包括鋰離子電池組，用於對負載供電；電流電壓反饋模塊，用於採集鋰離子電池組在放電過程的電壓和電流；以及直流輸出控制模塊，用於根據鋰離子電池組在放電過程的電壓和電流的變化來控制鋰離子電池組對負載的供電，從而防止鋰離子電池組的過放電。本發明還公開了一種鋰離子電池直流輸出控制方法和設備。根據本發明，可以保證鋰離子電池在放電過程中不發生過放電，避免鋰離子電池不可恢復的報廢。
文檔編號H01M10/0525GK102867984SQ20111019087
公開日2013年1月9日 申請日期2011年7月8日 優先權日2011年7月8日
發明者包靜, 何心剛, 蔡晶, 賀延敏, 張樂, 鞏欣, 劉寶昌 申請人:北京寶盒精英科技有限公司