CN110729798B - 钠离子电池组电压一致性的控制方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种钠离子电池组电压一致性的控制方法和控制系统，通过对钠离子电池组进行单体电池电压的差值判断，确定是否需要进行一致性控制，对于需要进行一致性控制的电池组以一步或多步放电将钠离子电池组电量全部放出，然后控制充电电流对钠离子电池组进行充电，充电到一定电压后截至，从而有效解决钠离子电池组在循环使用过程中单体之间电压不一致性问题，提高电池组实际使用容量和循环使用寿命。

Description

钠离子电池组电压一致性的控制方法和控制系统

技术领域

本发明涉及二次电池技术领域，尤其涉及一种钠离子电池组电压一致性的控制方法和控制系统。

背景技术

锂离子电池在人们生活中得到广泛应用，但随着有限锂资源逐渐消耗，锂的价格逐渐升高，寻求锂离子电池的替代产品成为动力电池或储能电池的一个重要研究方向。钠作为和锂相近的碱金属元素，资源丰富、价格便宜、嵌入机制相似等优点，室温钠离子电池的研究得到越来越多人的关注。近年来，室温钠离子电池已经取得实质进展。

限于单体电池电压和容量，钠离子电池用于电动汽车或规模储能必须将成百甚至上千的单体电池串并联形成电池组，由于制造工艺的不一致和使用过程环境的不一致，单体间总是存在无法消除的不一致性，不一致性存在会使电池组寿命提前终结。尤其是电压不一致性的存在，使电池组充电提前终止，放电提前结束，使电池组实际容量低于设计值；同时，电压不一致性的存在会使并联电池之间有互放电，存在较大安全隐患。

因此，解决钠离子电池组电压一致性问题，是室温钠离子电池在动力或储能应用领域走向实用化的关键一步。

发明内容

本发明的目的是提供一种钠离子电池组电压一致性的控制方法和控制系统，能有效解决钠离子电池组在循环使用过程中单体之间电压不一致性问题，提高电池组实际使用容量和循环使用寿命。

为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种钠离子电池组电压一致性的控制方法，包括：

控制系统对接入所述控制系统的钠离子电池组进行单体电池电压采集，并根据采集得到的最大单体电压和最小单体电压计算所述钠离子电池组的单体电池电压差值；

确定所述单体电池电压差值是否大于等于预设的最大允许压差参考值V0；其中，0mV≤V0≤50mV；

当所述单体电池电压差值大于等于设定最大允许压差参考值V0时，对电压一致性进行控制处理；所述电压一致性的控制处理包括：

所述控制系统对所述钠离子电池组执行第一放电操作；

在所述第一放电操作后，采集并确定所述钠离子电池组中单体电池的最高电压是否小于等于第一预置电压参考值V1；如果否，重复执行所述第一放电操作；如果是，所述控制系统对所述钠离子电池组执行第二放电操作；其中，1.5V≤V1≤2V；

在所述第二放电操作后，采集并确定所述钠离子电池组中单体电池的最高电压是否小于等于第二预置电压参考值V2；如果否，重复执行所述第二放电操作；如果是，所述控制系统对所述钠离子电池组以恒定电流I充电，直到所述钠离子电池组的电压达到第三预置电压参考值V3；

其中，0mV≤V2≤50mV；

再次确定所述单体电池电压差值是否大于等于预设的最大允许压差参考值V0；

当所述单体电池电压差值大于等于设定最大允许压差参考值V0时，所述控制系统循环执行所述电压一致性控制处理，直至所述单体电池电压差值小于预设的最大允许压差参考值V0；

当所述单体电池电压差值小于设定最大允许压差参考值V0时，对所述钠离子电池组电压一致性的控制处理完成。

优选的，所述在所述第一放电操作后，采集并确定所述钠离子电池组中单体电池的最高电压是否小于等于第一预置电压参考值V1具体包括：

在所述第一放电操作后，对钠离子电池组进行温度采集，得到钠离子电池组的最高温度；

当所述最高温度大于等于预设第一最高温度阈值T1时，在所述第一放电操作后静置第一时长t2，再采集钠离子电池组中单体电池的最高电压；

当所述最高温度小于预设第一最高温度阈值T1时，在所述第一放电操作后直接采集钠离子电池组中单体电池的最高电压；

确定所述钠离子电池组中单体电池的最高电压是否小于等于第一预置电压参考值V1。

优选的，所述在所述第二放电操作后，采集并确定所述钠离子电池组中单体电池的最高电压是否小于等于第二预置电压参考值V2具体包括：

在所述第二放电操作后，对钠离子电池组进行温度采集，得到钠离子电池组的最高温度；

当所述最高温度大于等于预设第二最高温度阈值T2时，在所述第二放电操作后静置第二时长t4，再采集钠离子电池组中单体电池的最高电压；

当所述最高温度小于预设第二最高温度阈值T2时，在所述第二放电操作后直接采集钠离子电池组中单体电池的最高电压；

确定所述钠离子电池组中单体电池的最高电压是否小于等于第二预置电压参考值V2。

优选的，所述控制系统对所述钠离子电池组执行第一放电操作具体包括：

所述控制系统通过第一放电负载对所述钠离子电池组进行放电，放电时间为t1。

优选的，所述控制系统对所述钠离子电池组执行第二放电操作具体包括：

所述控制系统通过第二放电负载对所述钠离子电池组进行放电，放电时间为t3。

优选的，在所述控制系统对接入所述控制系统的钠离子电池组进行单体电池电压采集之前，所述方法还包括：

将钠离子电池组接入所述控制系统，所述控制系统进行系统初始化和自检处理。

第二方面，本发明实施例提供了一种控制系统用以执行上述第一方面所述的钠离子电池组电压一致性的控制方法：

所述控制系统包括：

采样接口，用于连接钠离子电池组；

电压采样单元，用于对钠离子电池组以及所述钠离子电池组中的单体电池电压进行采集；

中央处理单元，用于根据电压采样单元采集得到的钠离子电池组的电压值以及所述钠离子电池组中的单体电池电压的差值与相应的预设电压参考值的关系，输出相应的开关单元控制信号；

开关单元，根据所述开关单元控制信号对所述钠离子电池组连接充电单元或第一放电负载或第二放电负载；

充电接口，用于连接所述钠离子电池组和所述充电单元；

放电接口，用于连接所述钠离子电池组与第一放电负载或连接所述钠离子电池组与第二放电负载；

所述充电单元为恒流电源；

所述第一放电负载为第一功率电阻；

所述第二放电负载为第二功率电阻；所述第二功率电阻的放电功率比所述第一功率电阻的放电功率小至少一个数量级。

优选的，所述控制系统还包括：

温度采样单元，用于对所述钠离子电池组的温度进行采样，并将采样得到的温度数据发送给所述中央处理单元，用以所述中央处理单元根据所述温度数据与预设的温度阈值的关系，即时或延时向电压采样单元输出电压采样控制信号。

优选的，所述控制系统还包括：

触摸显示屏，用于所述预设电压参考值的设定输入。

优选的，开关单元具体包括：继电器切换控制电路、充电控制开关、第一放电负载开关和第二放电负载开关；

所述继电器切换控制开关接收中央处理单元发出的开关单元控制信号，并依据开关单元控制信号控制所述充电控制开关、第一放电负载开关或第二放电负载开关的闭合；

所述充电控制开关用于所述充电单元到所述充电接口的接通或关断；

所述第一放电负载开关用于所述第一放电负载到所述放电接口的接通或关断；

所述第二放电负载开关用于所述第二放电负载到所述放电接口的接通或关断。

本发明实施例提供的钠离子电池组电压一致性的控制方法，通过对钠离子电池组进行单体电池电压的差值判断，确定是否需要进行一致性控制，对于需要进行一致性控制的电池组以一步或多步放电将钠离子电池组电量全部放出，然后控制充电电流对钠离子电池组进行充电，充电到一定电压后截至，从而有效解决钠离子电池组在循环使用过程中单体之间电压不一致性问题，提高电池组实际使用容量和循环使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例提供的钠离子电池组电压一致性的控制方法流程图；

图2为本发明实施例提供的控制系统的结构框图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本实施例提供的钠离子电池组电压一致性的控制方法，用于钠离子电池组中单体电池的电压一致性的控制，尤其是在钠离子电池组使用一段时间后的电压一致性控制。

其方法步骤流程如图1所示，包括：

步骤101，将钠离子电池组接入控制系统，控制系统进行系统初始化和自检处理。

先将钠离子电池组接入控制系统，启动控制系统后，系统通讯单元进行自检，若通讯异常，则重新尝试连接，若通讯正常，则系统初始化和自检完成。此外，还可以在系统初始化的过程中设定后续各步骤所用的预设的电压和温度的参考值。

步骤102，控制系统对接入控制系统的钠离子电池组进行单体电池电压采集，并根据采集得到的最大单体电压和最小单体电压计算钠离子电池组的单体电池电压差值；

步骤103，确定单体电池电压差值是否大于等于预设的最大允许压差参考值V0；

具体的，控制系统计算所采集到的最大电压与最小电压的差值，若差值小于设置值V0，则认为电池组中各单体电池的一致性良好；若差值大于等于设置值V0，则需要进行电压一致性的控制处理。

当单体电池电压差值大于等于设定最大允许压差参考值V0时，执行

步骤104，否则进行步骤199，结束；

步骤104，控制系统对钠离子电池组执行第一放电操作；

控制系统通过第一放电负载对钠离子电池组进行放电。第一放电操作的放电时长为t1。

步骤105，对钠离子电池组进行温度采集，得到钠离子电池组的最高温度；

步骤106，确定最高温度是否大于等于预设第一最高温度阈值T1；

当最高温度大于等于预设第一最高温度阈值T1时，执行步骤107，当最高温度小于预设第一最高温度阈值T1时，执行步骤108；

步骤107，在第一放电操作后静置第一时长t2，再采集钠离子电池组中单体电池的最高电压；

步骤108，在第一放电操作后直接采集钠离子电池组中单体电池的最高电压；

在步骤107或108后，执行步骤109。

步骤109，确定钠离子电池组中单体电池的最高电压是否小于等于第一预置电压参考值V1。

如果否，返回执行步骤104；如果是，继续执行步骤110。

步骤110，控制系统对钠离子电池组执行第二放电操作；

控制系统通过第二放电负载对钠离子电池组进行放电，放电时间为t3

步骤111，对钠离子电池组进行温度采集，得到钠离子电池组的最高温度；

步骤112，确定最高温度是否大于等于预设第二最高温度阈值T2；

当最高温度大于等于预设第二最高温度阈值T2时，执行步骤113，当最高温度小于预设第二最高温度阈值T2时，执行步骤114；

步骤113，在第二放电操作后静置第二时长t4，再采集钠离子电池组中单体电池的最高电压；

步骤114，在第二放电操作后直接采集钠离子电池组中单体电池的最高电压；

在步骤113或114后，执行步骤115；

步骤115，确定钠离子电池组中单体电池的最高电压是否小于等于第二预置电压参考值V2。

如果否，返回执行步骤110；如果是，继续执行步骤116。

步骤116，控制系统对钠离子电池组以恒定电流I充电，直到钠离子电池组的电压达到第三预置电压参考值V3；

然后执行步骤103。

在具体应用中，我们采用的具体参数如下：

0mV≤V0≤50mV,0s≤t₁≤60s,0s≤t₂≤3600s，35℃≤T₁≤65℃,1.5V≤V1≤2V,0s≤t₃≤60s,0s≤t₄≤3600s，35℃≤T₂≤65℃,0mV≤V2≤50mV,0A≤I≤0.5I₁，其中I₁为钠离子电池组1小时充电率电流，单位:A，1.5N(V)≤V3≤4.0N(V)，其中N为钠离子电池组单体的串联个数。例如，8个钠离子电池组单体的串联的情况下，第三预置电压参考值V3的取值就是在12V-32V之间。

当然，本领域技术人员可以根据实际钠离子电池组的容量和电压来设置相应的参数，例如放电时间、放电负载的单位时间放电量等等。

钠离子电池组在使用一段时间后可以通过本申请的电压一致性的控制方法，在电池安全使用温度范围内，对电池组进行有序深度放电，并将电池组内多有单体电量全部放出，直至所有单体电压接近0V，消除了电池组在使用过程中产生的单体电压不一致性问题，然后通过小电流将电池组充电至可用状态，有效解决钠离子电池组在循环使用过程中单体之间电压不一致性问题，提高电池组实际使用容量和循环使用寿命。

上述电压一致性的控制方法执行于控制系统中，下面对控制系统进行介绍。用于执行电压一致性的控制方法的控制系统其结构框图如图2所示，包括：采样接口11、充电接口12和放电接口13、温度采样单元21、电压采样单元22、触摸显示屏3、通讯单元4、中央处理单元5、开关单元6、充电单元7、第一放电负载81、第二放电负载82。

采样接口11，用于连接钠离子电池组100；

电压采样单元22，用于对钠离子电池组100以及钠离子电池组100中的单体电池电压进行采集，并通过通讯单元4发送到中央处理单元5；

中央处理单元5，用于根据电压采样单元22采集得到的钠离子电池组100的电压值以及钠离子电池组100中的单体电池电压的差值与相应的预设电压参考值的关系，输出相应的开关单元控制信号；

开关单元6，根据开关单元控制信号对钠离子电池组100连接充电单元7或第一放电负载81或第二放电负载82；

开关单元6在一个具体的实现中可以包括：继电器切换控制电路、充电控制开关、第一放电负载开关和第二放电负载开关；

继电器切换控制开关接收中央处理单元5发出的开关单元控制信号，并依据开关单元控制信号控制充电控制开关、第一放电负载开关或第二放电负载开关的闭合；

充电控制开关用于充电单元7到充电接口12的接通或关断；

第一放电负载开关用于第一放电负载81到放电接口13的接通或关断；

第二放电负载开关用于第二放电负载82到放电接口13的接通或关断。

充电接口12，用于连接钠离子电池组100和充电单元7；

放电接口13，用于连接钠离子电池组100与第一放电负载81或连接钠离子电池组100与第二放电负载82；

充电单元7为恒流电源；第一放电负载81为大功率电阻；第二放电负载82为小功率电阻；小功率电阻的放电功率比大功率电阻的放电功率小至少一个数量级。

温度采样单元21，用于对钠离子电池组100的温度进行采样，并将采样得到的温度数据通过通讯单元4发送给中央处理单元5，用以中央处理单元5根据温度数据与预设的温度阈值的关系，通过通讯单元4即时或延时向电压采样单元22输出电压采样控制信号。

触摸显示屏3，用于预设电压参考值以及预设的温度阈值的设定输入，通过通讯单元4发送到中央处理单元5，以及用于上述控制方法中各步骤所得参数的输出显示。

上述系统中，中央处理单元5通过通讯单元4接收电压采样单元22采样的钠离子电池组100的单体电池的实时电压值，并计算电压值中最大值与最小值的差值，确定单体电池电压差值是否大于等于预设的最大允许压差参考值V0，如果大于等于设定最大允许压差参考值V0，对开关单元6进行控制，接通第一放电负载81到放电接口13，实现钠离子电池组的第一放电操作。放电后，中央处理单元5通过通讯单元4接收温度采样单元21传输的电池组内温度值，并将温度采样单元21传输的电池组内温度值设置的温度阈值进行比较，根据比较结果确定对钠离子电池组中单体电池最高电压的采样时刻，如果钠离子电池组中单体电池的最高电压小于等于第一预置电压参考值V1，说明第一放电操作已经完成，否则要重复执行第一放电操作，直到满足单体电池的最高电压小于等于第一预置电压参考值V1，然后再继续执行第二放电操作，即以小功率电阻继续放电。对开关单元6进行控制，接通第二放电负载81到放电接口13，实现钠离子电池组的第二放电操作。放电后，中央处理单元5通过通讯单元4接收温度采样单元21传输的电池组内温度值，并将温度采样单元21传输的电池组内温度值设置的温度阈值进行比较，根据比较结果确定对钠离子电池组中单体电池最高电压的采样时刻，如果钠离子电池组中单体电池的最高电压小于等于第二预置电压参考值V2，说明第二放电操作已经完成，全部单体电池的电压都低于V2，电池已经放电完毕，否则要重复执行第二放电操作，直到满足单体电池的最高电压小于等于第二预置电压参考值V2。

此时，中央处理单元5控制开关单元6接通充电单元7到充电接口12对钠离子电池组100以恒定电流I充电，直到钠离子电池组100的电压达到第三预置电压参考值V3。此时再确认钠离子电池组100中单体电池电压差值是否大于等于预设的最大允许压差参考值V0。如果满足单体电池电压差值小于预设的最大允许压差参考值V0，则一致性控制后电池组中各单体电池的一致性良好，如果还不满足，则可再次执行以上过程至一致性符合要求。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钠离子电池组电压一致性的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

控制系统对接入所述控制系统的钠离子电池组进行单体电池电压采集，并根据采集得到的最大单体电压和最小单体电压计算所述钠离子电池组的单体电池电压差值；

确定所述单体电池电压差值是否大于等于预设的最大允许压差参考值V0；其中，0mV≤V0≤50mV；

当所述单体电池电压差值大于等于设定最大允许压差参考值V0时，对电压一致性进行控制处理；所述电压一致性的控制处理包括：

所述控制系统对所述钠离子电池组执行第一放电操作；

在所述第一放电操作后，采集并确定所述钠离子电池组中单体电池的最高电压是否小于等于第一预置电压参考值V1；如果否，重复执行所述第一放电操作；如果是，所述控制系统对所述钠离子电池组执行第二放电操作；其中，1.5V≤V1≤2V；

在所述第二放电操作后，采集并确定所述钠离子电池组中单体电池的最高电压是否小于等于第二预置电压参考值V2；如果否，重复执行所述第二放电操作；如果是，所述控制系统对所述钠离子电池组以恒定电流I充电，直到所述钠离子电池组的电压达到第三预置电压参考值V3；其中，0mV≤V2≤50mV；

再次确定所述单体电池电压差值是否大于等于预设的最大允许压差参考值V0；

当所述单体电池电压差值大于等于设定最大允许压差参考值V0时，所述控制系统循环执行所述电压一致性控制处理，直至所述单体电池电压差值小于预设的最大允许压差参考值V0；

当所述单体电池电压差值小于设定最大允许压差参考值V0时，对所述钠离子电池组电压一致性的控制处理完成。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述在所述第一放电操作后，采集并确定所述钠离子电池组中单体电池的最高电压是否小于等于第一预置电压参考值V1具体包括：

在所述第一放电操作后，对钠离子电池组进行温度采集，得到钠离子电池组的最高温度；

当所述最高温度大于等于预设第一最高温度阈值T1时，在所述第一放电操作后静置第一时长t2，再采集钠离子电池组中单体电池的最高电压；

当所述最高温度小于预设第一最高温度阈值T1时，在所述第一放电操作后直接采集钠离子电池组中单体电池的最高电压；

确定所述钠离子电池组中单体电池的最高电压是否小于等于第一预置电压参考值V1。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述在所述第二放电操作后，采集并确定所述钠离子电池组中单体电池的最高电压是否小于等于第二预置电压参考值V2具体包括：

在所述第二放电操作后，对钠离子电池组进行温度采集，得到钠离子电池组的最高温度；

当所述最高温度大于等于预设第二最高温度阈值T2时，在所述第二放电操作后静置第二时长t4，再采集钠离子电池组中单体电池的最高电压；

当所述最高温度小于预设第二最高温度阈值T2时，在所述第二放电操作后直接采集钠离子电池组中单体电池的最高电压；

确定所述钠离子电池组中单体电池的最高电压是否小于等于第二预置电压参考值V2。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制系统对所述钠离子电池组执行第一放电操作具体包括：

所述控制系统通过第一放电负载对所述钠离子电池组进行放电，放电时间为t1。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制系统对所述钠离子电池组执行第二放电操作具体包括：

所述控制系统通过第二放电负载对所述钠离子电池组进行放电，放电时间为t3。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在所述控制系统对接入所述控制系统的钠离子电池组进行单体电池电压采集之前，所述方法还包括：

将钠离子电池组接入所述控制系统，所述控制系统进行系统初始化和自检处理。

7.一种控制系统，其特征在于，所述控制系统用以执行上述权利要求1-5任一所述的钠离子电池组电压一致性的控制方法，所述控制系统包括：

采样接口，用于连接钠离子电池组；

电压采样单元，用于对钠离子电池组以及所述钠离子电池组中的单体电池电压进行采集；

中央处理单元，用于根据电压采样单元采集得到的钠离子电池组的电压值以及所述钠离子电池组中的单体电池电压的差值与相应的预设电压参考值的关系，输出相应的开关单元控制信号；

开关单元，根据所述开关单元控制信号对所述钠离子电池组连接充电单元或第一放电负载或第二放电负载；

充电接口，用于连接所述钠离子电池组和所述充电单元；

放电接口，用于连接所述钠离子电池组与第一放电负载或连接所述钠离子电池组与第二放电负载；

所述充电单元为恒流电源；

所述第一放电负载为第一功率电阻；

所述第二放电负载为第二功率电阻；所述第二功率电阻的放电功率比所述第一功率电阻的放电功率小至少一个数量级。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：

温度采样单元，用于对所述钠离子电池组的温度进行采样，并将采样得到的温度数据发送给所述中央处理单元，用以所述中央处理单元根据所述温度数据与预设的温度阈值的关系，即时或延时向电压采样单元输出电压采样控制信号。

9.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：

触摸显示屏，用于所述预设电压参考值的设定输入。

10.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，开关单元具体包括：继电器切换控制电路、充电控制开关、第一放电负载开关和第二放电负载开关；

所述继电器切换控制电路接收中央处理单元发出的开关单元控制信号，并依据开关单元控制信号控制所述充电控制开关、第一放电负载开关或第二放电负载开关的闭合；

所述充电控制开关用于所述充电单元到所述充电接口的接通或关断；

所述第一放电负载开关用于所述第一放电负载到所述放电接口的接通或关断；

所述第二放电负载开关用于所述第二放电负载到所述放电接口的接通或关断。

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