CN107579296B - 锂电池动力电源系统及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池动力电源系统及车辆，其中锂电池动力电源系统包括：高压电路、电池管理系统、监控系统和对外接口；所述高压电路包括至少一锂电池模组；所述电池管理系统与所述锂电池模组连接，用以监测所述锂电池模组的运行参数；所述电池管理系统还与所述对外接口连接，用以将所述运行参数传输至所述对外接口；所述电池管理系统还与所述监控系统连接，用以将所述运行参数传输至所述监控系统。本发明弥补了现有的锂电池动力电源系统大多局限于单支路的拓扑结构会导致单支路故障影响整个系统使用、系统的可用性较差的缺陷，具有快充性能，集机械、电、热于一体，确保系统安全、高效、长寿命的运行。

Description

锂电池动力电源系统及车辆

技术领域

本发明属于电池系统领域，尤其涉及一种锂电池动力电源系统及车辆。

背景技术

新能源、智能电网、电动汽车，这三大新兴产业的发展瓶颈都指向了储能技术。对于化学储能，因其高能量密度、对环境要求低而受到青睐，电池储能技术也在逐渐成熟。近年电动汽车的需求提升促进了动力电池的产业化发展，由此带来的规模化效益加快了锂电池降本步伐，为锂电池的大规模应用带来了可能。

目前，世界范围的大容量锂电池储能系统尚处于初步应用阶段。2011年三菱重工采用该公司锂电池储能技术为在建公寓大楼“Park City国分寺”集中供电，其特点是尺寸小且能够长时间高功率输出。美国知名电力公司AES致力于锂电应用于电网储能的项目，2012年该公司与美国电网运营商PJM共同筹建32MW的锂电池储能项目，试点项目还包括宾夕法尼亚州1MW储能项目，加利福尼亚州杭廷顿海滩2MW项目，德克萨斯州休斯顿1MW项目、纽约20MW项目以及在智利的12MW项目。2014年西班牙电网运营商REE将1MW锂电池储能项目与位于西班牙塞维利亚的输电网并网，该储能系统将吸纳可再生能源发电的多余电力，并在用电高峰期释放。据REE预测，该项目能够同时满足西班牙300户家庭的用电需求。

在电动汽车方面，国内市场持续升温。电动汽车作为我国汽车工业转型的重要支撑产业，正引领持续的投资热潮。锂电池作为动力能源已成为发展趋势，锂电池动力电源系统具备低耗能、低污染、低噪音、低维护成本的优点。而电池的状态直接影响系统的运行，因此，需要针对应用需求合理设计锂电池动力电源系统，确保系统安全、高效、长寿命的运行。但是，目前锂电池电动车的广泛应用还存在着一些问题，主要是由于锂电池的性能限制，包括锂电池的安全性、循环寿命、成本、工作温度等。

专利(公开号CN104319797A)给出了一种磷酸铁锂电池的移动式储能系统及其控制方法，部件安装在集装箱内部，其特征在于，包括电池组件、汇流柜、双向换流器和监控组件，所述的电池组件通过直流功率线与汇流柜连接，所述的汇流柜通过直流功率线和交流功率线与双向换流器连接，所述的双向换流器与监控组件连接。

专利(公开号CN105489824A)公开了一种使用钛酸锂电池的快速充电移动电源，包括钛酸锂电池、壳体、充电接口和USB输出接口。

专利(公开号CN103094632A)给出了一种集装箱自动导引车(AGV)铅酸电池组智能管理系统及其控制，主要解决现有技术中铅酸电池组使用寿命短的缺陷。

目前，续航里程成为锂电池在动力领域推广应用的发展瓶颈，由于锂电池存在理论极限能量密度，难以在短时间内突破。因此，充电桩及换电站应运而生。但由此带来的时间成本和人力成本，难以为广大用户所接受。

针对较特殊场合的锂电池动力电源系统需求，通常是由电池厂家提供电池模组及采集模块、控制板厂家提供具备基本电池保护功能的控制板、钣金厂家进行机械总成，整体技术方案缺乏系统设计的合理性和完备性，导致用户在使用时面临问题难以追溯和解决的困难。同时，现有的锂电池动力电源系统大多局限于单支路的拓扑结构，会导致单支路故障影响整个系统使用，系统的可用性较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有的锂电池动力电源系统大多局限于单支路的拓扑结构会导致单支路故障影响整个系统使用、系统的可用性较差的缺陷，提供一种锂电池动力电源系统及车辆。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种锂电池动力电源系统，其特点是，包括：高压电路、电池管理系统、监控系统和对外接口；

所述高压电路包括至少一锂电池模组；

所述电池管理系统与所述锂电池模组连接，用以监测所述锂电池模组的运行参数；

所述电池管理系统还与所述对外接口连接，用以将所述运行参数传输至所述对外接口；

所述电池管理系统还与所述监控系统连接，用以将所述运行参数传输至所述监控系统。

较佳地，该些锂电池模组位于N条支路中，每一支路包括的锂电池模组的数量相同或不同，N为正整数；

所述电池管理系统包括：并联控制模块、N个电池控制模块和与所述锂电池模组的数量相同的电池检测模块；

所述N个电池控制模块和该些电池检测模块分别位于所述N条支路中，每一支路中一个电池检测模块分别对应一个锂电池模组，并且同一支路的电池检测模块串联接入所在支路的电池控制模块；

所述N个电池控制模块还并联接入所述并联控制模块；

所述并联控制模块还分别与所述监控系统和所述外部接口连接。

较佳地，所述高压电路还包括：主接触器、熔断器、N个支路断路器和N个支路手动维护开关；

所述N个支路断路器和所述N个支路手动维护开关分别位于所述N条支路中；

每一支路的支路断路器通过所述熔断器和所述主接触器与所述外部接口连接；

每一支路的手动维护开关连接于所在支路任意两个锂电池模组之间。

较佳地，所述电池检测模块用于对对应的锂电池模组进行电压采集、温度采集、风扇控制和均衡动作；

所述电池控制模块用于对所在的支路进行荷电状态计算、均衡控制、断路器控制以及与所述电池检测模块和所述并联控制模块的通讯；

所述并联控制模块用于进行绝缘监测、电流采集、电压计算、荷电状态计算、均衡控制、主接触器控制、与所述电池控制模块的通讯以及与整车的通讯。

较佳地，所述锂电池动力电源系统安装于一箱体内，所述锂电池动力电源系统还包括：冷却装置，用于对所述锂电池模组散热降温。

较佳地，所述冷却装置包括模组风道；

所述模组风道设置于所述锂电池模组中，所述模组风道的一端设有进风口，所述模组风道的另一端设有风扇，在所述风扇工作时进行抽风，气流从所述进风口进入所述锂电池模组，通过所述模组风道从所述风扇吹出。

较佳地，所述锂电池模组分层安装；所述冷却装置包括电池箱体风道和空调；

所述电池箱体风道包括进风总管和支路风管，所述进风总管对接于所述空调的冷气出口，所述支路风道设置于所述箱体各层锂电池模组之间，所述支路风道上分布有若干通孔，所述进风总管与所述支路风管连通；

所述冷气出口输出的冷气由所述进风总管进入所述支路风管，通过所述通孔散步至各层锂电池模组之间，然后返回所述空调的入风口。

较佳地，所述锂电池动力电源系统还包括：低压电路；

所述低压电路分别与所述电池管理系统、所述监控系统和所述冷却装置连接，用以为所述电池管理系统、所述监控系统和所述冷却装置供电。

较佳地，所述低压电路包括：第一低压供电电源和/或第二低压供电电源；

所述第一低压供电电源与整车连接，用以从整车获取电能；

所述第二低压供电电源通过电压转换装置与所述高压电路连接，所述电压转换装置用于将所述高压电路的高压转换为低压，并存储至所述第二低压供电电源。

较佳地，所述对外接口集成有动力接口和通讯接口，所述锂电池模组通过直流功率线接入所述动力接口；

所述电池管理系统还通过通讯线与所述通讯接口连接。

较佳地，所述监控系统包括：就地监控和远程监测；

所述就地监控通过通讯线与所述电池管理系统连接；

所述远程监测通过无线网络与所述电池管理系统连接。

一种车辆，其特点是，包括上述各优选条件任意组合的一种锂电池动力电源系统。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：本发明具有快充性能，使得设备不需要在使用一段时间后花费数小时进行充电，或者利用特殊的装置更换同样参数的电池包，仅在短时间内(例如大巴停靠站点、物流车装卸货物等)即可完成充电，实现设备持续不间断工作，提高设备利用率。同时，针对需要锂电池动力电源系统的场合，进行完整的集机械、电、热于一体的系统设计，更好的发挥快充性能，确保系统安全、高效、长寿命的运行。

附图说明

图1为本发明实施例的锂电池动力电源系统的拓扑示意图。

图2为本发明实施例的锂电池动力电源系统的电气示意图。

图3为本发明实施例的锂电池动力电源系统的模组风道示意图。

图4为本发明实施例的锂电池动力电源系统的箱体风道示意图。

图5为本发明实施例的锂电池动力电源系统的外形示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

本实施例以本发明的锂电池动力电源系统在大功率大容量集装箱自动导引车上的应用为例，进行详细说明。在本发明的其它实施例中锂电池动力电源系统还可以应用于其它的电动车辆上。

集装箱自动导引车(AGV)是一种高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备，其特点是无人驾驶，通过远程控制，能够沿预定路线自动行驶，来回装卸货物。以电池系统作为动力电源的纯电动AGV，具备低耗能、低污染、低噪音、低维护成本的优点，是全自动化码头的重要设备之一。电池系统的状态直接影响AGV的运行，因此，需要针对AGV应用场景和需求合理设计电池动力电源系统，确保系统安全、高效、长寿命的运行。

本实施例的锂电池动力电源系统应用于某纯电动型AGV，为其提供动力电源，并可吸收刹车能量回馈。本系统采用长寿命、快充电、耐低温的钛酸锂电池作为储能介质，以满足系统长期不间断工作、大电流运行、室外环境温度范围宽的使用条件。

设计的锂电池动力电源系统主要参数为：设计容量150kWh，额定输出电压660V，额定输出功率150kW，最大输出功率(短时)360kW。

所述锂电池动力电源系统，安装在箱体内部，包括：高压电路、电池管理系统、监控系统、对外接口、电压转换装置、低压电路和冷却装置。所述对外接口集成有动力接口和通讯接口，实现与AGV的快速连接。

所述高压电路包括至少一锂电池模组，所述锂电池模组通过直流功率线相互连接，接入所述动力接口；所述电池管理系统通过通讯线与所述锂电池模组连接，用以监测所述锂电池模组的运行参数；所述电池管理系统还通过通讯线与所述通讯接口连接，用以将所述运行参数传输至所述通讯接口；所述电池管理系统还通过通讯线与所述监控系统连接，用以将所述运行参数传输至所述监控系统。

如图1所示，图中示出了若干个锂电池模组，该些锂电池模组位于2条支路中，每一支路包括的锂电池模组的数量可以相同或不同。具体地，所述电池管理系统(BMS)包括：并联控制模块003、2个电池控制模块002和与锂电池模组的数量相同的电池检测模块001。2个电池控制模块002和该些电池检测模块001分别位于2条支路中，每一支路中一个电池检测模块001分别对应一个锂电池模组，并且同一支路的电池检测模块001通过通讯线(CAN，控制器局域网络)串联接入所在支路的电池控制模块002；2个电池控制模块002还通过通讯线(CAN，控制器局域网络)并联接入所述并联控制模块003；所述并联控制模块003还通过通讯线(CAN，控制器局域网络)分别与所述监控系统和所述外部接口连接。在本发明的其它实施例中，该些锂电池模组还可位于4条、6条或其它数量条支路中，此时，所述电池管理系统(BMS)包括的电池控制模块的数量应作相应调整。

其中，所述电池检测模块001用于对对应的锂电池模组进行电压采集、温度采集、风扇控制和均衡动作；

所述电池控制模块002用于对所在的支路进行荷电状态计算、均衡控制、断路器控制以及与所述电池检测模块001和所述并联控制模块003的通讯；

所述并联控制模块003用于进行绝缘监测、电流采集、电压计算、荷电状态计算、均衡控制、主接触器控制、与所述电池控制模块的通讯以及与整车的通讯。

所述监控系统包括就地监控011及远程监测012，所述就地监控011以HMI的形式，通过通讯线与电池管理系统连接，所述远程监测012通过无线网络与电池管理系统连接。监测信息包括电池运行参数及报警信息。

如图2所示，系统采用4支路并联以提高系统容量及可靠性，系统最多可以承受2条支路故障情况下正常运行。这4条支路中，每一条支路分别包括12个锂电池模组、12个电池检测模块和1个电池控制模块，每一条支路中，每个电池检测模块分别对应一个锂电池模组，同一条支路的12个电池检测模块串联接入所在支路的电池控制模块。

所述高压电路还包括主接触器KM、绝缘检测模块、熔断器FU、4个支路断路器QF和4个支路手动维护开关。4个支路断路器QF和4个支路手动维护开关分别位于4条支路中；每一支路的支路断路器QF通过所述熔断器FU和所述主接触器KM与所述外部接口连接；每一支路的手动维护开关连接于所在支路任意两个锂电池模组之间。

其中，主接触器KM，与所述外部接口中的动力接口(PM，NM)连接，用于在电池管理系统与整车控制器的协同控制下，实现整个系统的自动并入与切出；在系统处于运行过程中，当BMS检测到故障信号时，机组发出告警信息，同时控制主接触器的关断，系统停止运行。

绝缘检测模块，用于在BMS运行过程中实时检测主回路绝缘电阻值，超出安全阈值即报警或切断主接触器。

支路断路器QF及支路手动维护开关，用于实现电池串的隔离。切断对应支路断路器QF，操作更简单，安全性更高，且不影响其他支路运行；切断对应支路维护开关，可对该支路进行维护工作，由于开关位于电池串中间，可降低电压，安全性更高；在紧急事故状态下，可直接带负荷切断电路，保证现场人员对事故处理的及时性；短路保护。

熔断体FU，优选地可以采用直流超快速熔熔断体，当高压电路发生意外事故或者短路时，电流值瞬时增大，大电流能快速地熔断熔断器FU，从而切断高压电路，有效的保护电源系统，进一步防止故障扩大造成次生故障。

具体地，BMS的保护与报警内容如下表：

所述低压电路分别与所述电池管理系统、所述监控系统和所述冷却装置连接，用以为所述电池管理系统、所述监控系统和所述冷却装置供电。具体地，所述低压电路包括：第一低压供电电源和第二低压供电电源。所述第一低压供电电源与整车连接，用以从整车获取电能；所述第二低压供电电源通过电压转换装置与所述高压电路连接，所述电压转换装置用于将所述高压电路的660V高压转换为24/48V低压，并存储至所述第二低压供电电源。正常运行时，动力电源系统所需的低压供电电源主要由AGV提供，电压转换装置将电池输出的660伏直流高压通过DCDC装置转换为24/48伏低压，可在外部停止/无法供电的情况下，为电源系统的BMS和主接触器等主要元器件供电，以实现必要的故障检查、更新维护等工作。

如图3所示，所述冷却装置包括模组风道021，所述模组风道设置于锂电池模组中，所述模组风道021的一端设有进风口022，所述模组风道021的另一端设有风扇023。其中所述进风口022设在模组的后部，风扇023安装于模组的两侧，风扇023工作时进行抽风，气流从所述进风口022进入所述锂电池模组，将电池产生的热量通过所述模组风道021从所述风扇023吹出，带到模组外部，继而由箱体的冷却装置发挥作用，进行散热降温。

如图4所示，所述锂电池模组04分层安装；所述冷却装置还包括电池箱体风道051和空调052，所述电池箱体风道051包括进风总管053和支路风管054，所述进风总管053对接于所述空调052的冷气出口，所述支路风道054设置于所述箱体各层锂电池模组之间，所述支路风道054上分布有若干通孔，所述进风总管053与所述支路风管054连通；所述冷气出口输出的冷气由所述进风总管053分别进入上、中、下三个支路风管054，通过所述通孔散步至所述锂电池模组04的内部，保证冷气被吸入模组内部，带走电池产生的热量，热空气在风压的作用下返回空调的入风口，完成整个热量交换的循环。

如图5所示，空调052设置于箱体横向两侧，共4个。在内部达到设定的温度时，空调开启主动对电池模组进行冷却，在外部环境温度较高时，空调依然可以进行有效的制冷，保证系统的正常运行。

空调选用48伏直流空调，由备用低压电路进行供电，以保证在整车运行或闲置情况下，电池均能处于合适的温度范围，保证电池寿命。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种锂电池动力电源系统，其特征在于，包括：高压电路、电池管理系统、监控系统和对外接口；

所述高压电路包括至少一锂电池模组；

所述电池管理系统与所述锂电池模组连接，用以监测所述锂电池模组的运行参数；

所述电池管理系统还与所述对外接口连接，用以将所述运行参数传输至所述对外接口；

所述电池管理系统还与所述监控系统连接，用以将所述运行参数传输至所述监控系统；

该些锂电池模组位于N条支路中，N为正整数；

所述电池管理系统包括：并联控制模块、N个电池控制模块和与所述锂电池模组的数量相同的电池检测模块；

所述N个电池控制模块和该些电池检测模块分别位于所述N条支路中，每一支路中一个电池检测模块分别对应一个锂电池模组，并且同一支路的电池检测模块串联接入所在支路的电池控制模块；

所述N个电池控制模块还并联接入所述并联控制模块；

所述并联控制模块还分别与所述监控系统和所述对外接口连接。

2.如权利要求1所述的锂电池动力电源系统，其特征在于，所述高压电路还包括：主接触器、熔断器、N个支路断路器和N个支路手动维护开关；

所述N个支路断路器和所述N个支路手动维护开关分别位于所述N条支路中；

每一支路的支路断路器通过所述熔断器和所述主接触器与所述对外接口连接；

每一支路的手动维护开关连接于所在支路任意两个锂电池模组之间。

3.如权利要求2所述的锂电池动力电源系统，其特征在于，所述电池检测模块用于对对应的锂电池模组进行电压采集、温度采集、风扇控制和均衡动作；

所述电池控制模块用于对所在的支路进行荷电状态计算、均衡控制、断路器控制以及与所述电池检测模块和所述并联控制模块的通讯；

所述并联控制模块用于进行绝缘监测、电流采集、电压计算、荷电状态计算、均衡控制、主接触器控制、与所述电池控制模块的通讯以及与整车的通讯。

4.如权利要求1所述的锂电池动力电源系统，其特征在于，所述锂电池动力电源系统安装于一箱体内，所述锂电池动力电源系统还包括：冷却装置，用于对所述锂电池模组散热降温。

5.如权利要求4所述的锂电池动力电源系统，其特征在于，所述冷却装置包括模组风道；

所述模组风道设置于所述锂电池模组中，所述模组风道的一端设有进风口，所述模组风道的另一端设有风扇，在所述风扇工作时进行抽风，气流从所述进风口进入所述锂电池模组，通过所述模组风道从所述风扇吹出。

6.如权利要求4所述的锂电池动力电源系统，其特征在于，所述锂电池模组分层安装；所述冷却装置包括电池箱体风道和空调；

所述电池箱体风道包括进风总管和支路风管，所述进风总管对接于所述空调的冷气出口，所述支路风道设置于所述箱体各层锂电池模组之间，所述支路风道上分布有若干通孔，所述进风总管与所述支路风管连通；

所述冷气出口输出的冷气由所述进风总管进入所述支路风管，通过所述通孔散步至各层锂电池模组之间，然后返回所述空调的入风口。

7.如权利要求4所述的锂电池动力电源系统，其特征在于，所述锂电池动力电源系统还包括：低压电路；

所述低压电路分别与所述电池管理系统、所述监控系统和所述冷却装置连接，用以为所述电池管理系统、所述监控系统和所述冷却装置供电。

8.如权利要求7所述的锂电池动力电源系统，其特征在于，所述低压电路包括：第一低压供电电源和/或第二低压供电电源；

所述第一低压供电电源与整车连接，用以从整车获取电能；

所述第二低压供电电源通过电压转换装置与所述高压电路连接，所述电压转换装置用于将所述高压电路的高压转换为低压，并存储至所述第二低压供电电源。

9.如权利要求1所述的锂电池动力电源系统，其特征在于，所述对外接口集成有动力接口和通讯接口，所述锂电池模组通过直流功率线接入所述动力接口；

所述电池管理系统还通过通讯线与所述通讯接口连接。

10.如权利要求1所述的锂电池动力电源系统，其特征在于，所述监控系统包括：就地监控和远程监测；

所述就地监控通过通讯线与所述电池管理系统连接；

所述远程监测通过无线网络与所述电池管理系统连接。

11.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-10中任意一项所述的锂电池动力电源系统。