CN111431231B - 一种基于柔性连接和冗余的电池成组架构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于柔性连接和冗余的电池成组架构，该电池架构基于柔性连接装置和冗余的电池模组成，能够实现过电压和过电流保护、有故障的电池模组退出、电池模组主动均衡控制、辅助BMS系统根据电池端电压估算SOC、SOH；通过电池模组的灵活柔性投入、退出，实现成组后的电池簇端电压、输出功率的快速调节，从而实现差异化的退役电池模组成组并实现梯次电池利用。

Description

一种基于柔性连接和冗余的电池成组架构

技术领域：

本发明涉及新能源领域，尤其涉及一种电池架构及柔性连接和冗余的电池成组架构。

背景技术：

根据电动汽车发展规划，预计到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆，累计产销量超过500万辆。这些电动汽车将产生大量退役的动力电池。虽然退役电池不再适合在电动汽车上使用，但仍然有额定容量80％左右的能量贮存，可以应用在其他领域，如果直接废弃处理将造成严重的能源浪费。因此，为了充分利用动力电池的价值，节省社会资源，需要对退役的动力电池进行梯次成组利用。

无论是新电池，还是退役动力电池，电池成组技术是动力电池规模应用的关键。在构建电动汽车或者储能装置的动力电池组件时，首先需要将若干个单体电芯通过焊接方式固定串并联构成电池模组，然后再将若干个电池模组通过导体连接固定串并联构成整个电池组件。虽然不同厂家对于电池模组定义的容量和电压等级不同，而且也有可能定义了多层电池模组，但是，通常可以将电池模组理解为构成电池的、对电池容易物理上拆分后的基本单元。一般情况下，电池模组的电压等级为几十伏，容量为几百安时。

影响退役动力电池梯次利用经济性的首要因素是对电池组件(电池包)的拆解程度。根据现有生产实践，如果将退役动力电池中已经焊接成整体的电池组——拆解到单个电芯，然后进行筛选、匹配和再次重组，由于工艺复杂，造成回收成本接近于购买新电池，决定了这种技术路线的梯次利用不经济和科学。但是如果在简单的拆除连接导体后，针对电池模组进行柔性成组则是退役动力电池梯次利用的合理途径。因此，针对电池模组的不一致性，进行柔性成组连接，便成了退役动力电池梯次利用的关键问题。

在动力电池的成组使用中，需要解决由于电池模组的不一致性带来的差异化管理问题。在电池的使用过程中，电池的一致性随时间是不断劣化的，与许多因素有关，包括：生产的一致性、使用环境、充放电强度、瞬间放电等。尤其对于退役电池，因为材料、工艺、运输工况的差异，往往会导致成组电池间的压差增大、单组电池发热严重等问题，需要进行柔性连接，通过均衡控制保护手段，来保证整个电池组的正常运行。

综上所述，现有解决方案存在着成本高，过电压和过电流保护功能缺乏，或没有均压控制的问题。因此，亟需一种低成本、能够同时实现价格低廉、能够实现过电压和过电流保护、均衡控制功能的柔性连接保护装置，来实现差异化的退役电池模组成组并实现梯次电池利用。

发明内容

本申请提供了一种基于柔性连接和冗余的电池成组架构，能够实现过电压和过电流保护、有故障的电池模组退出、电池模组主动均衡控制、辅助BMS系统根据电池端电压估算SOC、SOH；通过电池模组的灵活柔性投入、退出，实现成组后的电池簇端电压、输出功率的快速调节，从而实现差异化的退役电池模组成组并实现梯次电池利用。

本架构不仅可用于退役电池模组成组，也可用于新电池模组成组。

本申请提供了一种电池模组成组架构，其包括：电池簇1#-m#、BMS和并联开关箱1#-m#，直流母线等。电池簇1#经BMS和并联开关箱1#连接到直流母线，类似地，电池簇m#经BMS和并联开关箱m#连接到直流母线。

其中，

m个电池簇具有相同的结构，只是电池模组的数量可以不同。n+k个电池模组经n+k个柔性连接模块串联(相邻柔性连接模块的″+″、″-″相连)起来构成一个电池簇，其中n个电池模组为建立直流母线电压必须的数量，k个电池模组为冗余；

电池簇的″-″经BMS和并联开关箱连接到直流母线的″-″；

m个BMS和并联开关箱具有相同的结构，包括电池簇控制管理单元、开关K1、K2和K3、功率二极管D1和D2、直流电流、电压传感器等。开关K1、K2和K3的一端连接在一起，穿过直流电流传感器与电池簇的″+″端连接，开关K1的另一端与D1的阴极连接，开关K2的另一端与D2的阳极连接，然后D1的阳极、D2的阴极与开关K3的另一端连接，接直流母线的″+″极；

一个电池簇中的所有柔性连接模块的CAN总线并联，与电池簇控制管理单元的①端口CAN连接；

m个BMS和并联开关箱的电池簇控制管理单元的②端口CAN/RS485均接到CAN/RS485总线上，与上位机的CAN/RS485相连，交互数据和信息；

在BMS和并联开关箱中，电池簇控制管理单元的③端口控制开关K1、K2和K3的动作，④端口监测电池簇的总电流和总电压。

BMS和并联开关箱中的电池簇控制管理单元的①端口通过CAN总线采集电池簇各电池模组的数据和信息，估算各电池单体及电池模组的SOC和SOH等，用于监控显示、PSC和EMS做决策依据或参考。同样的，电池簇控制管理单元的①端口也通过CAN总线向各柔性连接模块发送控制命令，控制相关电池模组的接入与退出。

电池簇控制管理单元的③端口控制开关K1、K2和K3的动作。在充电状态时，开关K1闭合，K2断开，如果各电池簇的总电流基本相同(小于设定的误差)，则K3闭合，否则断开，各电池簇间无环流。在放电状态时，开关K1断开，K2闭合，如果各电池簇的总电流基本相同(小于设定的误差)，则K3闭合，否则断开，各电池簇间无环流。当有电池模组接入或退出时，为避免环流，需要K1(K2)、K3配合动作。

优选地，

所述BMS和并联开关箱中的开关K1、K2和K3为磁保持继电器；

所述BMS和并联开关箱中的二极管D1、D2为功率二极管；

所述BMS和并联开关箱中的电池簇控制管理单元，可选择市面上符合要求的现有类似产品；

所述电池簇1#-m#，其中的柔性连接模块结构相同，但电池模组可以不同，以实现异构电池模组的成组；

进一步地，所述电池簇的各柔性连接模块的监测控制单元基于数字处理芯片实现。

其中，所述电池模组柔性连接模块具有以下工作状态：

充放电状态：充放电开关(K1)闭合，其它开关均断开；

旁路状态：旁路开关(K2)闭合，其它开关均断开；

进一步地，所述监测控制单元包括以下功能：

电池电压和温度采集上传，用于上位机的电池管理系统BMS进行电池SOC、SOH估算，电池电压阈值判断；

采用RS485或CAN等通讯芯片，用于实现与电池簇控制管理单元的通讯；

将控制信号转换为具有一定功率的驱动信号，驱动充放电开关(K1)或旁路开关(K2)动作。其中，当所述监测控制单元接收到旁路命令后，将发出旁路命令，执行从充放电状态向旁路状态转换过程，将电池退出；当所述监测控制单元接收到电池接入命令后，将发出接入命令，执行从旁路状态向充放电状态转换过程，将电池接入。

本申请的有益效果为：

采用柔性连接模块和冗余电池模组，可动态、灵活地轮流投入与退出电池模组，实现成组的电池高效运行。尤其对退役动力电池梯次成组利用更有利。因为退役动力电池受限于充放电倍率，充放电电流以0.3C较合适，调节电池模组投入的数量可以调节电池簇的端电压，这样就灵活地调节了输出功率；

通过监测电池模块的端电压、SOC和SOH等，永久旁路隔离有问题的电池模组而不影响成组的电池的正常运行；

该架构特别适应异构的退役动力电池，各电池簇的电池模组可以是不同厂家、不同批次、不同电压和容量的电池；

该架构具有主动均衡电池模组的能力；

该架构能够有效避免电池簇间的环流；

该架构提供了采用静置后电池端电压估算电池模组和单体SOC、SOH的能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的电池模组成组架构的电路图；

图2是柔性连接模块拓扑图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。现在将参照附图详细说明本发明构思的特定实施例。

实施例1，参见图1，基于柔性连接模块和冗余的电池成组架构包括：电池簇1#-m#、BMS和并联开关箱1#-m#，直流母线等。电池簇1#经BMS和并联开关箱1#连接到直流母线，类似地，电池簇m#经BMS和并联开关箱m#连接到直流母线。其中，m个电池簇具有相同的结构，只是电池模组的数量可以不同。n+k个电池模组经n+k个柔性连接模块串联(相邻柔性连接模块的″+″、″-″相连)起来构成一个电池簇，其中n个电池模组为建立直流母线电压必须的数量，k个电池模组为冗余；不同的电池簇中的电池模组可以是不同批次、电压或制造商，而且不同的电池簇中的n和k值也可以不一样，但其数值需能够建立直流母线要求的电压。

电池簇的″-″经BMS和并联开关箱连接到直流母线的″-″；

m个BMS和并联开关箱具有相同的结构，包括电池簇控制管理单元、开关K1、K2和K3、功率二极管D1和D2、直流电流、电压传感器等。开关K1、K2和K3的一端连接在一起，穿过直流电流传感器与电池簇的″+″端连接，开关K1的另一端与D1的阴极连接，开关K2的另一端与D2的阳极连接，然后D1的阳极、D2的阴极与开关K3的另一端连接，接直流母线的″+″极；

一个电池簇中的所有柔性连接模块的CAN总线并联，与电池簇控制管理单元的①端口CAN连接；

m个BMS和并联开关箱的电池簇控制管理单元的②端口CAN/RS485均接到CAN/RS485总线上，与上位机的CAN/RS485相连，交互数据和信息；

工作原理。

如图1所示，在充(放)电开始前，电池簇控制管理单元根据直流母线电压，在n+k个电池模组中选择端电压较小(大)的n个电池模组投入，其他k个电池模组退出旁路。经过这样的选择，使m个电池簇的端电压相同(在设定的误差范围内，例如ΔU＝1.0V)。然后各电池簇依次接入直流母线开始充(放)电。

设定轮流间隔时间为ΔT(例如10min)，每经历一个ΔT，退出充(放)电中端电压最大(小)的那个电池模组，投入k个旁路状态中端电压最小(大)的电池模组，如此循环，直到每个电池模组均充满(放完)电。

当电池模组充电较满需要小电流充电时，为了节省时间，可以提高直流母线电压，同时每个电池簇增加投入模块数量。这样在不增加充电功率的条件下加快了充电速度。

当电池模组放电较多，端电压下降较大时，为了保持输出功率，可以在每个电池簇增加投入模块数量，提高直流母线电压，实现输出功率基本不受影响。

对于异构电池，由于电池模组的端电压不一样，电池簇控制管理单元只要控制投入电池模组的数量，使电池簇的端电压与直流母线电压匹配即可。

一经检测到某个电池模组有故障和损坏，永久退出该模组，并上报。

实施例2，

n、k和m数值的选择。

n的值由直流母线电压和电池模组的端电压决定。假如直流母线电压为1000V，电池模组的端电压标称48V，则n＝1000/48＝20.8，取值21。k的值由电池静置时间和轮流间隔时间决定。如电池静置时间为30min，轮流间隔时间为15min，则k＝30/15＝2，k的最小值为2。同样的，如果轮流间隔时间为10min，则k＝3。k值越大，则意味着串数越多，该电池簇的容量越大。

m表示电池簇的数量，与成组容量正相关，与架构本身无关。

实施例3，

电池模组的投入与退出。

电池簇控制管理单元根据控制策略，通过柔性连接模块控制本簇电池模组的投入与退出。柔性连接模块拓扑如图2所示，其包括：充放电开关(K1)、充电二极管(D1)、旁路开关(K2)、旁路二极管(D2)和监测控制单元，充放电开关(K1)与旁路开关(K2)应有机械或逻辑互锁。其中，充放电开关(K1)的一端与电池接口的″+″相连，另一端与充放电接口的″+″相连，实现电池模块的充放电；旁路开关(K2)的一端与充放电接口的″+″相连，另一端与充放电接口的″-″相连，实现对电池模块的旁路；充电二极管(D1)的阳极与充放电接口的″+″相连，阴极与电池接口的″-″相连，实现充放电开关(K1)动作时的续流和电池模块旁路时的阻断；旁路二极管(D2)的阴极与充放电接口的″+″相连，阳极与充放电接口的″-″相连，实现旁路开关(K2)动作时的续流和电池模块从旁路状态到接入状态的阻断；所述监测控制单元的第①端口与电池模块的电压、温度采集接口相连，第②端口为对外通信接口，第③端口控制充放电开关(K1)和旁路开关(K2)的动作。电池模组柔性连接装置在工作时具有二个工作状态，分别是：充放电状态和旁路状态，在不同工作状态下，各个电路元件的状态组合参见表1。

充放电状态：K1闭合，其它开关均断开，电池处于充、放电状态。其中，电池处于充电状态时，电流流入电池端。电池处于放电状态时，电流流出电池。

旁路状态：K2闭合，其它开关均断开。旁路状态可以用于保护电池或更换电池。

表1

K1	K2	状态
			闭合	断开	充放电
断开	闭合	旁路

转换过程如下：

1、从旁路状态转换为充电状态：

断开K2→D1续流→闭合K1，转换过程完成。转换过程中，D1短时(十几毫秒)导通，无需散热器；

2、从旁路状态转换为放电状态：

断开K2→D2续流→闭合K1→D2阻断，转换过程完成。转换过程中，D2短时(十几毫秒)导通，无需散热器。

3、充放电状态之间的转换过程：

由于充(放)电时K1处于闭合状态，充、放电转换自然进行。

4、充电状态转换为旁路状态：

断开K1→D1续流→闭合K2→D1阻断，转换过程完成。

5、放电状态转换为旁路状态：

断开K1→D2续流→闭合K2→D2阻断，转换过程完成。

实施例4，

避免环流。

在电池模组投入与退出的过程中，由于电池簇端电压的变化，如果不采取措施，各电池簇间不可避免地要产生环流。

如图1所示，在充(放)电状态，BMS和并联开关箱的K1(K2)保持闭合，K2(K1)保持断开，K3的闭合还是断开由是否有环流决定。如果各电池簇的电流基本相同(小于设定误差ΔI)，认为无环流，K3闭合，否则断开，这样就避免了电池模组在正常充(放)电中产生环流。

当电池簇中有电池模组需要投入与退出时，无论K3是否闭合，均先断开，待电池模组投入与退出操作完成后，再根据有无环流来确定K3闭合还是断开，这样就避免了电池模组投入与退出的过程中产生的环流。

实施例5，

充放电时电池模组的均衡。

由于电池模组通过柔性连接模块串联成电池簇，在充(放)电过程中，电池簇控制管理单元应用适当的充(放)电控制策略，就可以避免电池模组的过充(放)电。因为在电池模组轮流投入与退出的过程中，电池模组的端电压不断地被监测，一经发现某个电池模组的端电压超出了正常值的范围，就表明该电池模组充满(或放空)了电荷，应该立即退出运行。

所以，本架构中的电池模组在正确的充(放)电策略控制下，不会出现电池模组过充过放电情况，这可以认为它具有主动均衡电池模组的作用。

实施例6，

均一充电手段

在充电状态下，正常充电开始，电池簇控制管理单元检测低电压区单体退役电池模组之间压差是否小于设定的阈值，检测结果为否时电池簇控制管理单元控制开启下压区充电均一手段，此时退役电池模组单体电压较低，设定的均一开启阈值较大，以快速将退役电池模组单体电压值充电到较高电压，来缩短整体的充电时间；

检测结果为是时继续充电，一段时间后检测退役电池模组单体均值是否大于上电压区电压值，当检索结果为是后，继续检测退役电池模组单体电压与单体均值差值是否小于均一阈值，若检索结果为否，则开启上压区充电均一手段后继续充电，直至检测结果为是，进而直接检测退役电池模组单体电压是否大于过充电阈值，当结果为是，则退役电池模组充电完成。

实施例7，

电池模组和单体SOC、SOH的估算

本电池架构提供了采用静置后电池端电压估算电池模组和单体SOC、SOH的条件和手段。与电荷累积法等其他方法相结合，能够更准确地估算电池模组和单体的SOC、SOH。

电池静置30min后的端电压基本可以反映电池的荷电状态，可用于估算SOC、SOH。在运行过程中，电池模组轮流投入与退出，假设轮流间隔为10min，冗余数量为3，则退出旁路的电池静置时间为30min。冗余数量越多，电池模组可静置时间越长。

以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种电池，其特征在于，所述电池为基于柔性连接和冗余的电池成组架构，其包括：电池簇1#-m#、BMS和并联开关箱1#-m#、直流母线；m个所述电池簇分别经各自对应的BMS和并联开关箱并联连接到直流母线，m个所述电池簇具有相同的结构，每一个所述电池簇包括n+k个退役电池模组以及与每一电池模组对应的n+k个柔性连接模块，n+k个电池模组经过n+k个柔性连接模块串联起来构成一个电池簇，其中n个电池模组为建立直流母线电压必须的数量，k个电池模组为冗余，m个BMS和并联开关箱具有相同的结构，包括电池簇控制管理单元和若干开关模块，所述开关模块用于避免所述电池簇间产生环流；所述柔性连接模块包括：充放电开关(K1)、充电二极管(D1)、旁路开关(K2)、旁路二极管(D2)和监测控制单元，充放电开关(K1)与旁路开关(K2)有机械或逻辑互锁；充放电开关(K1)的一端与电池接口的″+″相连，另一端与充放电接口的″+″相连，实现电池模块的充放电；旁路开关(K2)的一端与充放电接口的″+″相连，另一端与充放电接口的″-″相连，实现对电池模块的旁路；充电二极管(D1)的阳极与充放电接口的″+″相连，阴极与电池接口的″-″相连，实现充放电开关(K1)动作时的续流和电池模块旁路时的阻断；旁路二极管(D2)的阴极与充放电接口的″+″相连，阳极与充放电接口的″-″相连，实现旁路开关(K2)动作时的续流和电池模块从旁路状态到接入状态的阻断；电池簇控制管理单元根据直流母线电压，在n+k个电池模组中选择端电压较小的n个电池模组投入，其他k个电池模组退出旁路，使m个电池簇的端电压相同，然后各所述电池簇依次接入直流母线开始充电；设定轮流间隔时间为ΔT，每经历一个ΔT，退出充电中端电压最大的那个电池模组，投入k个旁路状态中端电压最小的电池模组，如此循环，直到每个电池模组均充满电；在放电开始前，电池簇控制管理单元根据直流母线电压，在n+k个电池模组中选择端电压较大的n个电池模组投入，其他k个电池模组退出旁路，使m个电池簇的端电压相同，然后各电池簇依次接入直流母线开始放电；设定轮流间隔时间为ΔT，每经历一个ΔT，退出放电中端电压最小的那个电池模组，投入k个旁路状态中端电压最大的电池模组，如此循环，直到每个电池模组均放完电；在电池模组轮流投入与退出的过程中，电池模组的端电压不断地被监测，一经发现某个电池模组的端电压超出了正常值的范围，就表明该电池模组充满或放空了电荷，立即退出运行；所述BMS和并联开关箱包括电池簇控制管理单元、开关K11、K12和K13、功率二极管D11和D12、直流电流、电压传感器，开关K11、K12和K13的一端连接在一起，穿过直流电流传感器与电池簇的″+″端连接，开关K11的另一端与D11的阴极连接，开关K12的另一端与D12的阳极连接，然后D11的阳极、D12的阴极与开关K13的另一端连接，接直流母线的″+″极。

2.一种如权利要求1所述电池，其特征在于，所述开关模块包括开关K1m、K2m和K3m、功率二极管D1m和D2m，开关K1m、K2m和K3m的一端连接在一起，穿过直流电流传感器与电池簇的″+″端连接，开关K1m的另一端与D1m的阴极连接，开关K2m的另一端与D2m的阳极连接，然后D1m的阳极、D2m的阴极与开关K3m的另一端连接，接直流母线的″+″极。

3.一种如权利要求2所述电池，其特征在于，所述电池簇中的n+k个柔性连接模块的CAN总线并联，然后与电池簇控制管理单元的①端口CAN连接，m个电池簇控制管理单元的②端口CAN/RS485均接到CAN/RS485总线上，与上位机的CAN/RS485相连，电池簇控制管理单元的③端口控制所述开关模块的动作，④端口监测所述电池簇的总电流和总电压。

4.一种如权利要求3所述电池，其特征在于，所述电池簇控制管理单元的①端口通过CAN总线采集电池簇各电池模组的数据和信息，估算各电池单体及电池模组的SOC和SOH，同时所述电池簇控制管理单元的①端口也通过CAN总线向各所述柔性连接模块发送控制命令，控制相关电池模组的接入与退出。

5.一种如权利要求4所述电池，其特征在于，所述电池簇控制管理单元的③端口控制开关K1m、K2m和K3m的动作具体包括，在充电状态时，开关K1m闭合，K2m断开，如果各电池簇的总电流小于设定的误差，则K3m闭合，否则断开，使各电池簇间无环流；在放电状态时，开关K1m断开，K2m闭合，如果各电池簇的总电流小于设定的误差，则K3m闭合，否则断开，使各电池簇间无环流；当有电池模组接入或退出时，为避免环流，使K1m、K2m、K3m配合动作。

6.一种如权利要求1所述电池，其特征在于，所述电池簇中的柔性连接模块结构相同，但电池模组不同，以实现异构电池模组的成组。

7.一种充放电控制方法，对如权利要求1-6任意一项所述的电池进行充放电控制，其特征在于：提高直流母线电压，同时每个所述电池簇增加投入电池模组数量以在不增加充电功率的条件下加快充电速度。

8.一种如权利要求7所述的充放电控制方法，其特征在于，在电池模组放电较多，端电压下降较大时，在每个所述电池簇增加投入电池模组数量，提高直流母线电压，实现输出功率基本不受影响。

9.一种如权利要求7所述的充放电控制方法，其特征在于，对于异构的退役电池，由于电池模组的端电压不一样，电池簇控制管理单元只要控制投入电池模组的数量，使电池簇的端电压与直流母线电压匹配，一经检测到某个电池模组有故障和损坏，永久退出该模组，并上报。