CN104362706B - 一种提高串联电池组充放过程电池利用率的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高串联电池组充放过程电池利用率的装置及方法，所述装置包括若干组电池接口，每组电池接口均与单体电池连接，所述电池接口与其邻近的电池接口通过开关连接，电池接口从左往右排序，排序为奇数的电池接口与其邻近的奇数电池接口通过旁路开关连接，排序为偶数的电池接口与其邻近的偶数电池接口连接，所有开关被控制单元控制，所述控制单元，实时检测各开关的闭合状态，并根据电池信息控制开关的导通和关闭；本发明解决了串联电池组内由于个别电池容量衰退造成的整串电池组使用受限的短板效应问题。

Description

一种提高串联电池组充放过程电池利用率的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种提高串联电池组充放过程电池利用率的装置及方法。
背景技术
当前电动汽车用动力电池组都是多节大容量电池串联使用，一般为20串、24串、60串或者更高。电池在串联使用的过程中，为了达到保护电池的目的，当电池串中某一节单体电池放电到截止电压时，整组电池就要停止使用，但此时大部分电池还处于有电可放的状态，这样就造成了整组电池的能量不能得到充分利用的问题，在充电时也同样存在上述问题，这就是业内常说的“短板效应”。
当前业内解决这种问题的方法是使用电池均衡模块，均衡模块可以解决电池电量不一致问题，但是存在的问题是：均衡电流小，现在业内bms厂家的均衡电流能做到10A就属于最好的了。但是对于大容量动力电池几百个安时的容量来说，这么小的均衡电流不足以解决上述问题。
当前业内解决这种问题的方法是使用电池均衡模块，均衡模块可以解决电池长时间使用后出现的电池电量不一致问题。当前电池均衡功能分为两类，被动均衡和主动均衡。被动均衡是指通过电阻并联在单体电池两端给电量过高的电池放电，这种方法一般只在充电过程中使用，并且存在能量耗散造成的电量浪费问题；主动均衡是指将双向DCDC模块连接在电池和母线上或者跨接在单体电池之间，给电量低的电池充电电量高的电池放电，这种方法存在均衡电流小、均衡模块发热问题。所以，不管是主动均衡还是被动均衡，都只能解决电池组长时间使用后出现的电量不一致问题，对于大容量动力电池几百个安时的容量来说，电池均衡不能在单次充放电循环之内延长电池的使用时间，并不能有效的解决“短板效应”。
中国发明专利(专利号：201010167717.7，专利名称：一种基于电池组容量利用的电池组均衡装置及控制方法)，提到了利用电池组均衡装置提高电池利用率的方法，但是该专利只能解决电池长期积累的电量不一致造成的利用率下降问题，但是不能在单次循环内提高电池利用率。
中国发明专利(专利号：201210050979.4，专利名称：电池组自动切换方法)，提到了利用电池组切换提高电池利用率的方法，但是该专利只通过切换并联电池组提高电池容量，并不能提高电池组内部单体电池的利用率，并且不能解决电池组内电池的不一致性累积问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种提高串联电池组充放过程电池利用率的装置及方法，它具有解决串联电池组内由于个别电池容量衰退造成的整串电池组使用受限的短板效应问题的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高串联电池组充放过程电池利用率的装置，包括若干组电池接口，每组电池接口均与单体电池连接，所述电池接口与其邻近的电池接口通过开关连接，电池接口从左往右排序，排序为奇数的电池接口与其邻近的奇数电池接口通过旁路开关连接，排序为偶数的电池接口与其邻近的偶数电池接口连接，所有开关被控制单元控制，所述控制单元，实时检测各开关的闭合状态，并根据电池信息控制开关的导通和关闭。
一种提高串联电池组充放过程电池利用率的装置，包括若干组电池接口，每组电池接口均分为正极接口和负极接口，每组电池接口均与单体电池的正负两极连接，
第i组电池接口Bi的正/负极接口均与第i+1组电池接口Bi+1的负/正极接口通过开关Si连接，
第i组电池接口Bi的负/正极接口均与第i-1组电池接口Bi-1的正/负极接口通过开关Si-1连接，
第i-1组电池接口Bi-1的正/负极接口均与第i+1组电池接口Bi+1的负/正极接口通过串联的旁路开关Ci-1和保护电路连接；
其中，1＜i＜n，n为电池接口的组数，i为正整数；
所述开关与驱动电路连接，所述旁路开关与驱动电路连接，所述驱动电路与控制单元连接；所述控制单元，实时检测各开关的闭合状态，并根据电池信息控制开关的导通和关闭。
一种提高串联电池组充放过程电池利用率的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：电池放电，检测单体电池电压；
步骤(2)：判断最低单体电池电压Vmin是否小于放电阶段电池切换门槛值Vlow，如果是表示该节电池已进入放电末期，容量即将放光，就进入步骤(3)；如果否就返回步骤(1)；
步骤(3)：判断是否满足放电切除的条件，即判断当前电池组总电压Vtotal是否大于车载电源模块要求的最低供电电压Vin，如果是就进入步骤(4)；如果否就进入步骤(5)；
步骤(4)：切掉电压过低的电池，更新最低单体电池电压Vmin，保存切除状态信息；进入步骤(5)；
步骤(5)：判断电池组电量是否低于负载的最低工作电压，如果是就进入步骤(6)；如果否就返回步骤(1)；
步骤(6)：电池充电，检测单体电池电压，进入步骤(7)；
步骤(7)：判断最高单体电池电压Vmax是否大于充电阶段电池切换门槛值Vhigh，如果是表示该节电池已进入充电末期，容量即将充满，就进入步骤(8)；如果否就返回步骤(6)；
步骤(8)：判断是否满足充电切除条件，即判断当前电池组总电压Vtotal是否大于充电机最低输出电压Vcharge，如果是就进入步骤(9)；如果否就进入步骤(10)；
步骤(9)：切掉该节电池，更新最高单体电池电压Vmax，保存切除状态信息；进入步骤(10)；
步骤(10)：判断电池是否充满，如果是就返回步骤(1)；如果否就进入步骤(7)。
所述步骤(4)的切掉电压过低的电池的具体过程为：将电压过低电池从电池组中切掉，首先闭合该节电池的旁路开关Ci-1，保护电路吸收闭合时的冲击环流，避免电池短路；然后将该节电池两端的开关电路Si-1和Si断开，将电池从电池组内切除。
本发明的有益效果：
1.将提前充满、放光的电池切掉，最大化利用电池；
2.克服主动均衡电流小的缺点，通过切掉电池的方式达到电池一致；
3本发明使电池组内大部分单体电池在单次充放电循环内能得到满充满放的充分利用的。
4克服传统均衡方法效率低造成的发热和能量耗散问题；
5延长电池组充放时间，减少充放次数，延长电池使用寿命。
附图说明
图1为装置示意图；
图2为本发明的方法流程图；
图3为一组20串的电池放电曲线；
图4为电池组延长放电示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种提高串联电池组充放过程电池利用率的装置，包括若干组电池接口，每组电池接口均分为正极接口和负极接口，每组电池接口均与单体电池的正负两极连接，
第i组电池接口Bi的正/负极接口均与第i+1组电池接口Bi+1的负/正极接口通过开关Si连接，
第i组电池接口Bi的负/正极接口均与第i-1组电池接口Bi-1的正/负极接口通过开关Si-1连接，
第i-1组电池接口Bi-1的正/负极接口均与第i+1组电池接口Bi+1的负/正极接口通过串联的旁路开关Ci-1和保护电路连接；
其中，1＜i＜n，n为电池接口的组数，i为正整数；
所述开关与驱动电路连接，所述旁路开关与驱动电路连接，所述驱动电路与控制单元连接；所述控制单元，实时检测各开关的闭合状态，并根据电池信息控制开关的导通和关闭。
所述驱动电路为：根据控制信号来控制大功率开关器件导通和关断的电路，可以起到驱动开关和隔离的作用。
所述旁路开关为：当电池电量过低时，旁路开关闭合，达到该节电池从电池组中切除不再放电的目的。
所述保护电路为：当电池组充放电时，由于有较大电流流过，闭合和关断开关时会产生很大的能量冲击，造成拉弧和器件损坏现象，保护电路可以将此能量冲击泻放掉，达到保护器件和安全作用。
所述控制单元为：实时采集所有电池的状态信息，根据当前电池状态和总功率需求制定电池管理策略，控制上述开关器件的导通和关断，达到管理电池的目的。
如图2所示，一种提高串联电池组充放过程电池利用率的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：电池放电，检测单体电池电压；
步骤(2)：判断最低单体电池电压Vmin是否小于放电阶段电池切换门槛值Vlow，如果是表示该节电池已进入放电末期，容量即将放光，就进入步骤(3)；如果否就返回步骤(1)；
步骤(3)：判断是否满足放电切除的条件，即判断当前电池组总电压Vtotal是否大于车载电源模块要求的最低供电电压Vin，如果是就进入步骤(4)；如果否就进入步骤(5)；
步骤(4)：切掉电压过低的电池，更新最低单体电池电压Vmin，保存切除状态信息；进入步骤(5)；
步骤(5)：判断电池组电量是否低于负载的最低工作电压，(当电池电压低于2.9V或者SOC低于5％)，如果是就进入步骤(6)；如果否就返回步骤(1)；
步骤(6)：电池充电，检测单体电池电压，进入步骤(7)；
步骤(7)：判断最高单体电池电压Vmax是否大于充电阶段电池切换门槛值Vhigh，如果是表示该节电池已进入充电末期，容量即将充满，就进入步骤(8)；如果否就返回步骤(6)；
步骤(8)：判断是否满足充电切除条件，即判断当前电池组总电压Vtotal是否大于充电机最低输出电压Vcharge，如果是就进入步骤(9)；如果否就进入步骤(10)；
步骤(9)：切掉该节电池，更新最高单体电池电压Vmax，保存切除状态信息；进入步骤(10)；
步骤(10)：判断电池是否充满，如果是就返回步骤(1)；如果否就进入步骤(7)。
所述步骤(4)的切掉电压过低的电池的具体过程为：将电压过低电池从电池组中切掉，首先闭合该节电池的旁路开关Ci-1，保护电路吸收闭合时的冲击环流，避免电池短路；然后将该节电池两端的开关电路Si-1和Si断开，将电池从电池组内切除。
一种提高串联电池组充放过程电池利用率的方法，包括如下步骤：
电池管理方法：一组20串的电池放电曲线如下图3所示，当黄色的电池电压降低到截止电压时，大部分电池电压还很高，这时结束放电会造成大部分电池电量不能放出来的问题。
通过电池管理装置将最先快要放光电的电池从电池组中切除，让剩余的电池继续工作，示意图4如下，红色曲线代表性能最差，也就是最先放光的电池，这节电池在t1时刻电压开始快速下降，如果不加处理，整组电池将在t2时刻结束放电；如果在t1时刻将红色电池切除，那么该节电池电压将不再下降，整组电池会在t3时刻结束放电，这样电池组会延长t3-t2的放电时间，整组电池的利用率得到了提高。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种提高串联电池组充放过程电池利用率的方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤(1)：电池放电，检测单体电池电压；
步骤(2)：判断最低单体电池电压Vmin是否小于放电阶段电池切换门槛值Vlow，如果是表示该节电池已进入放电末期，容量即将放光，就进入步骤(3)；如果否就返回步骤(1)；
步骤(3)：判断是否满足放电切除的条件，即判断当前电池组总电压Vtotal是否大于车载电源模块要求的最低供电电压Vin，如果是就进入步骤(4)；如果否就进入步骤(5)；
步骤(4)：切掉电压过低的电池，更新最低单体电池电压Vmin，保存切除状态信息；进入步骤(5)；
步骤(5)：判断电池组电压是否低于负载的最低工作电压，如果是就进入步骤(6)；如果否就返回步骤(1)；
步骤(6)：电池充电，检测单体电池电压，进入步骤(7)；
步骤(7)：判断最高单体电池电压Vmax是否大于充电阶段电池切换门槛值Vhigh，如果是表示该节电池已进入充电末期，容量即将充满，就进入步骤(8)；如果否就返回步骤(6)；
步骤(8)：判断是否满足充电切除条件，即判断当前电池组总电压Vtotal是否大于充电机最低输出电压Vcharge，如果是就进入步骤(9)；如果否就进入步骤(10)；
步骤(9)：切掉该节电池，更新最高单体电池电压Vmax，保存切除状态信息；进入步骤(10)；
步骤(10)：判断电池是否充满，如果是就返回步骤(1)；如果否就进入步骤(7)。
2.如权利要求1所述的一种提高串联电池组充放过程电池利用率的方法，其特征是，所述步骤(4)的切掉电压过低的电池的具体过程为：将电压过低电池从电池组中切掉，首先闭合该节电池的旁路开关Ci-1，保护电路吸收闭合时的冲击环流，避免电池短路；然后将该节电池两端的开关电路Si-1和Si断开，将电池从电池组内切除。
3.一种应用如权利要求1所述的一种提高串联电池组充放过程电池利用率的方法的装置，其特征是，包括若干组电池接口，每组电池接口均与单体电池连接，所述电池接口与其邻近的电池接口通过开关连接，电池接口从左往右排序，排序为奇数的电池接口与其邻近的奇数电池接口通过旁路开关连接，排序为偶数的电池接口与其邻近的偶数电池接口通过旁路开关连接，所有开关被控制单元控制，所述控制单元，实时检测各开关的闭合状态，并根据电池信息控制开关的导通和关闭。
4.如权利要求3所述的装置，其特征是，包括若干组电池接口，每组电池接口均分为正极接口和负极接口，每组电池接口均与单体电池的正负两极连接，
第i组电池接口Bi的正极接口均与第i+1组电池接口Bi+1的负极接口通过开关Si连接，
第i组电池接口Bi的负极接口均与第i-1组电池接口Bi-1的正极接口通过开关Si-1连接，
第i-1组电池接口Bi-1的正极接口均与第i+1组电池接口Bi+1的负极接口通过串联的旁路开关Ci-1和保护电路连接；
其中，1＜i＜n，n为电池接口的组数，i为正整数；
所述开关与驱动电路连接，所述旁路开关与驱动电路连接，所述驱动电路与控制单元连接；所述控制单元，实时检测各开关的闭合状态，并根据电池信息控制开关的导通和关闭。
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