CN103208844A - 自动调节电池组充放电的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动调节电池组充放电的装置及方法的技术方案，该方案包括多个单体电池，与单体电池连接的可控开关阵列，还有一个与控制开关阵列的配置处理器，配置处理器先测量电池组中单体电池的剩余电量，然后通过控制开关阵列给电池组加载外部负载，配置处理器根据外部负载配置电池组，确定单体电池的连接关系后，给外部负载供电。该方案可以根据外部的负载，及时的调整电池组的连接关系，实现最优的电池配置，提高电池组的续航时间。

Description

自动调节电池组充放电的装置及方法

本申请是申请号为201010593068.7的分案申请。

技术领域

本发明涉及的是一种电池系统，尤其是一种自动调节电池组充放电的装置及方法。

背景技术

每次充电续航时间和使用寿命是电池组系统最重要的性能参数之一。使用多芯电池组的系统包括各种适用备用蓄电池组的通信网络设备，电动汽车及混合动力汽车，可再生能源存储设备，以及其他所有使用电池供电设备。电池储能系统对可再生能源的利用有着至关重要的作用。另外，在一些关键的任务场景下，如紧急救援、执法、消防和战场，一个最佳的电池续航时间可以挽救更多的生命。此外，每年都有数以百万计的各种各样可充电多芯电池组由于电池自身的差异性和现有系统设计不合理而造成电池组被废弃，这不仅造成了因处理这些电池而产生的巨大开销，同时带来了环境问题的顾虑。因此，提高电池的续航时间和寿命对社会经济发展有着深远意义。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种自动调节电池组充放电的装置及方法的技术方案，该方案可以根据外部的负载，及时的调整电池组的连接关系，实现最优的电池配置，提高电池组的续航时间。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种自动调节电池组充放电的装置，本方案的特点是：包括多个单体电池，与单体电池连接的可近代开关阵列，还有一个与控制开关阵列的配置处理器。

配置处理器先测量电池组中电池的剩余电量，

给电池组加载外部负载，

配置处理器根据外部负载配置电池组，

如果外部负载需要或提供的电量满足，

${\mathrm{RC}}_{\mathrm{scries}}(i_1,i_2,...i_n,v_1,v_2...v_n)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}R{C}_j(i_j,{v^{\′}}_j),---\left(1\right)$

则将n个单体电池串联配置，式中RC_j(i_j，v′_j)为第j个单体电池的剩余电量，v′_j为每个单体电池的充放电电压，对一个单体电池，如果不同电流i_1j和i_2j的电极电压v_1j和v_2j是已知的，那么放电电流i在时刻t时，每个电池的充放电电压v′_j可通过下式计算

${v^{\′}}_j=\frac{v_{2j}-v_{1j}}{i_{2j}-i_{1j}}i+v_{2j}---\left(2\right)$

${\mathrm{RC}}_j(i_j,{v^{\′}}_j)=\left\{\frac{1-\exp \left(\frac{r_{\mathrm{nj}}\·I-(v_{\mathrm{ini}}-v_{\mathrm{cutoff}})}{\mathrm{\λ}}\right)}{b_{1j}}\right\}\frac{1}{b_{2j}}-\left\{\frac{1-\exp \left(\frac{r_{\mathrm{nj}}\·I-(v_{\mathrm{ini}}-{v^{\′}}_j)}{\mathrm{\λ}}\right)}{b_{1j}}\right\}\frac{1}{b_{2j}}---\left(3\right)$

则 ${\mathrm{RC}}_{\mathrm{scries}}(i_1,i_2,...i_n,v_1,v_2...v_n)$

$=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\frac{1-\exp \left(\frac{v_{\mathrm{nj}}\·I-(v_{\mathrm{ini}}-v_{\mathrm{cutoff}})}{\mathrm{\λ}}\right)}{b_{1j}}\right\}\frac{1}{b_{2j}}-\left\{\frac{1-\exp \left[\frac{r_{\mathrm{nj}}\·I-(v_{\mathrm{ini}}-\frac{v_{2j}-v_{1j}}{i_{2j}-i_{1j}}i-v)}{\mathrm{\λ}}\right]}{b_{1j}}\right\}\frac{1}{b_{2j}}---\left(4\right)$

如果外部负载需要或提供的电量满足

${\mathrm{RC}}_{\mathrm{parallel}}(i_1,i_2,...i_n,v_1,v_2,...v_n)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{RC}}_j(i_j,{v^{\′}}_j)---\left(5\right)$

则将n个单体电池串联配置，式中RC_j(i_j，v′_j)为第j个单体电池的剩余电量，v′_j为每个单体电池的充放电电压，对一个单体电池，如果知道不同电流i_1p和i_2p的电极电压v_1p和v_2p，以及并联电池充放电电压v_parallel，那么放电电流i在时刻t的电流

$i=\frac{i_{2p}-i_{1p}}{v_{1p}-v_{2p}}{v}_{\mathrm{parallel}}---\left(6\right)$

将公式(6)代入公式(2)中，就可以得到v′_j，代入(5)中则

${\mathrm{RC}}_{\mathrm{parallel}}(i_1,i_2,...i_n,v_1,v_2,...v_n)=$

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\frac{1-\exp \left(\frac{r_{\mathrm{nj}}\·I-(v_{\mathrm{ini}}-v_{\mathrm{cutoff}})}{\mathrm{\λ}}\right)}{b_{1j}}\right\}\frac{1}{b_{2j}}-\left\{\frac{1-\exp \left[\frac{r_{\mathrm{nj}}\·I-(V_{\mathrm{ini}}-\frac{v_{21}-v_{1j}}{i_{2j}-i_{1j}}*\frac{i_{2p}-i_{1p}}{v_{1p}-v_{2p}}{v}_{\mathrm{parallel}}-v)}{\mathrm{\λ}}\right]}{b_{1j}}\right\}\frac{1}{b_{2j}}---\left(7\right)$

则将n个单体电池并联配置，式中RC_j(i_j，v′_j)为第j个电池的剩余电量；如果外部负载需要或提供的电量满足

${\mathrm{RC}}_{s,s-p}={\mathrm{RC}}_{s-p}(i_{11},i_{12},...i_{\mathrm{nm}},v_{11},v_{12},...v_{\mathrm{nm}})+{\mathrm{RC}}_{\mathrm{series}}(i_1,i_2,...i_n,v_1,v_1,...v_n)=$

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{RC}}_{\mathrm{ij}}(i_{\mathrm{ij}},{v^{\′}}_{\mathrm{ij}})+\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{RC}}_k(i_k,{v^{\′}}_k)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}m*\mathrm{RC}(\frac{i}{m},v_i)+\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{RC}}_k(i,v_k)---\left(8\right)$

则将m组n个电池组并联后，再和p个电池串联。上述公式中的

1.

F是法拉第常数96485Cmol^-1。R是气体常数，为8.3144JK^-1mol^-1。n是传送的电子数。T是温度。

v_ini是初始电压，v_cotoff是截止电压。

2.r的计算公式为

r(i，T，n_c，T′)＝r_o(i，T)+r_f(n_c，T′)，

在上述公式中，r_o(i，T)在电池放电过程期间电阻超电势和表面超电势的作用，并且能由以下等式表达

$r_o(i,T)=a_1\left(T\right)+\frac{a_2\left(T\right)\ln i}{i}+\frac{a_3\left(T\right)}{i}$

其中

$a_1\left(T\right)=\frac{A\left(0\right)}{k}\underset{O}{\overset{L}{\∫}}\frac{\mathrm{dx}}{A\left(x\right)}=a_{11}\·\exp \left(\frac{a_{12}}{T}\right)+a_{13}$

A(x)是在距负极的距离x处的横断面区域，L是二个电极之间的距离。

$a_2\left(T\right)=\frac{\mathrm{RT}}{F}\left(\frac{1}{{\mathrm{\α}}_a+{\mathrm{\α}}_c}\right)={\mathrm{\α}}_{21}T+{\mathrm{\α}}_{22}$

a_a和a_c分别为阳极和负极的传递系数，

$a_3\left(T\right)=\frac{\mathrm{RT}}{F}(\frac{{\ln i}_{o,a}}{{\mathrm{\α}}_a}+\frac{{\ln i}_{o,c}}{{\mathrm{\α}}_c})=a_{31}{T}^2+a_{32}T=a_{33}$

i_0，a和i_0，c分别为阳极和负极处的交换电源密度；

$r_f(n_c,T^{\′})=k\·n_c\·\exp (-\frac{e}{T^{\′}}+\mathrm{\φ})$

n_c是充放电周期数。T′是前一个周期的温度。k是常数，e＝Ea，φ＝(Ea)/(T′_ref)，Ea是活跃能量。

3.上述公式中的b可由下述公式计算得出，b₁(I，T)和b₂(I，T)与电池里面在放电过程期间电解质的浓度变化有关，并且能由以下等式计算。

$b_1(i,T)=d_{11}\exp \left(\frac{d_{12}}{T}\right)+d_{13}$

$b_2(i,T)=\left(\frac{d_{21}}{T+d_{22}}\right)+d_{23}$

其中

j＝1，2，k＝1，2，3和m(d_jk)是固定的系数。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中配置处理器可以及时的调整电池组的连接关系，使得电池组无论是充电还是放电时，都能实现最优的配置，可以实现电池组的最长使用时间。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的结构示意图。

图2为本发明配置电池组流程图。

图中，1为单体电池，2为可控开关阵列，3为配置处理器。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案的自动调节电池组充放电的装置及方法进行阐述。

通过附图可以看出，本方案的装置包括多个单体电池1，与单体电池1连接的可控开关阵列2，还有一个与控制开关阵列2的配置处理器3。

配置处理器3先测量电池组中单体电池1的剩余电量，然后通过控制开关阵列2给电池组加载外部负载，配置处理器3根据外部负载配置电池组，确定单体电池1的连接关系后，给外部负载供电或者给多个单体电池1充电。

本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种自动调节电池组充放电的方法，其特征是：使用该方法的装置包括多个单体电池，与单体电池连接的可控开关阵列，还有一个与控制开关阵列的配置处理器，具体的方法是：

提供一组具有正负极的单体电池，

配置处理器测量单体电池的剩余电量，

给电池组加载外部负载，

配置处理器根据外部负载配置电池组，

如果外部负载需要或者提供的电量满足RC_scries(i₁,i₂,…i_n,v₁,v₂…v_n)= $\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{RC}}_j(i_j,{v^{\text{'}}}_j),$ 则将n个单体电池串联配置，式中RC_j(i_j,v'_j)为第j个单体电池的剩余电量；如果外部负载需要或者提供的电量满足 ${\mathrm{RC}}_{\mathrm{parallel}}(i_1,i_2,\…i_n,v_1,v_2,\…v_n)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{RC}}_j(i_j,{v^{\text{'}}}_j),$ 则将n个单体电池并联配置，式中RC_j(i_j，v′_j)为第j个电池的先剩余电量；

如果外部负载需要或者提供的电量满足

${\mathrm{RC}}_{s,s-p}={\mathrm{RC}}_{s-p}(i_{11},i_{12},...i_{\mathrm{nm}},v_{11},v_{12},...v_{\mathrm{nm}})+{\mathrm{RC}}_{\mathrm{series}}(i_1,i_2,...i_n,v_1,v_1,...v_n)=$

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{rc}}_{\mathrm{ij}}(i_{\mathrm{ij}},{v^{\text{'}}}_{\mathrm{ij}})+\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{RC}}_k(i_k,{v^{\text{'}}}_k)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}^{*}\mathrm{RC}(\frac{i}{m},v_i)+\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{RC}}_k\left({i,v}_k\right)$

则将m组n个电池串联电池组并联后，再和p个电池串联。

2.一种用于上述权利要求1的自动调节电池组充放电的装置，其特征地于，包括多个单体电池，与单体电池连接的可控开关阵列，还有一个与控制开关阵列的配置处理器。

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