CN111934040B

CN111934040B - 一种多簇并联电池系统及其安全管理方法

Info

Publication number: CN111934040B
Application number: CN202010993047.8A
Authority: CN
Inventors: 朱运征; 孙景宝; 成利波; 谢安桓; 张丹
Original assignee: Zhejiang Lab
Current assignee: Zhejiang Lab
Priority date: 2020-09-21
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2021-01-12
Anticipated expiration: 2040-09-21
Also published as: CN111934040A

Abstract

本发明涉及一种多簇并联电池系统及其安全管理方法，针对多簇并联电池系统，通过优化多簇并联电池系统架构，根据多簇并联的电池阵列，配置就地分层的电池管理系统，结合簇继电器、带电动操作机构的直流断路器的保护特性，实现多层次的电池安全保护，避免由于外部环境或者部分设备控制失效导致的电池安全问题。针对管理方法，为弥补单一维度判断电芯故障的缺点，设计多维度故障判别方法，综合评估电池的安全状态，执行不同的安全管理策略。

Description

一种多簇并联电池系统及其安全管理方法

技术领域

本发明涉及电池能源系统技术领域，具体涉及一种多簇并联电池系统及其安全管理方法。

背景技术

随着锂离子电池性能的提升、成本的下降，锂离子电池在电动航空、电力储能、电动汽车等领域获得了越来越广泛的应用。单个锂离子电池由于电压平台低、能量有限等原因在大规模电池系统中很难单独使用，一般使用过程中都是采用成千上万个单体电池通过串联、并联或混联的方式连接而成，满足不同的应用需求。多簇并联电池系统可以方便的实现大容量电池系统的设计需求，满足更高安全冗余需求，在电力储能、电动航空、电动大巴等场景下获得了广泛的应用。

由于锂离子电池较为活跃的性质，当其处于各类滥用状态时极易发生热失控而导致火灾等安全事故。近年来无论是电动交通还是电力储能领域，锂离子电池火灾爆炸事故频发。导致锂离子电池系统热失控的原因有机械滥用（碰撞、挤压等）、电滥用（过充、过放等）、热滥用（过热等）等，其中电池系统的过充、过放一直是导致电池系统出现安全事故的一个重要原因。

多簇并联电池系统包含两簇及以上的并联电池组及其电池管理系统。目前电池系统过充、过放的安全控制策略，仅仅通过电池管理系统的通讯接口逐级传递故障信息到电池充放电设备，充放电设备收到故障信息，停机来避免过充、过放，由于该方式的通讯信息在逐级传递过程，很容易受到环境影响而失效，充放电设备不能正常关闭而导致电池出现过充、过放。考虑到通讯、环流、电池不一致性、复杂环境等因素，为使得多簇并联电池系统获得更高安全保障，需要开发新的安全控制方法。

另外目前关于电池安全的判断方法，采用单一参数或者参数的实时信息进行判断，例如通过判别温度超限来确定热失控，通过判别单体电压超上限来判别过充，但是电芯特征十分复杂，单靠一个维度很难准确描述电池的安全状态，需要综合考虑不同的电池参数、电池参数的历史信息以及参数的变化信息，才能确保故障判别的有效性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种多簇并联电池系统及其安全管理方法，该电池系统及安全管理方法能够在电池系统出现故障时，及时采取保护措施。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种多簇并联电池系统，该多簇并联电池系统包括电池阵列管理单元、带电动操作机构的直流断路器以及电池阵列；

所述的电池阵列管理单元与外部的电池充放电设备通过通讯接口和硬线干接点进行连接，与所述的带电动操作机构的直流断路器通过硬线干接点连接，实现电池充放电的安全管理；

电池阵列包括N个并联的电池簇和N个电池簇管理单元、若干个簇继电器，N≥2；

每个电池簇由一定数量的电池模块串联组成，每个电池模块由一定数量的电池串联组成，每个电池模块包括一个电池管理单元，用于采集电池的电压、电压变化速率、温度及温度变化速率；每个电池簇配置一个电池簇管理单元和至少一个簇继电器，所述的电池簇管理单元管理其对应的电池簇，通过硬线干接点和其对应的簇继电器连接，通过通讯接口与所述的电池阵列管理单元连接，通过硬线或逻辑连接的方式与所述的带电动操作机构的直流断路器相连，电池簇管理单元采集本簇电池的充放电电流及电流变化速率，根据本簇电池的安全状态执行对本簇电池的安全管理，以及根据本簇电池的状态控制带电动操作机构的直流断路器的关断，保护电池系统。

进一步地，所述的电池阵列管理单元与电池充放电设备连接的通讯接口选自CAN、RS-485或者以太网接口中的任意一种；所述的电池簇管理单元与电池阵列管理单元连接的通讯接口为CAN，且所有电池簇管理单元与电池阵列管理单元连接在同一CAN总线上。

进一步地，所述的电池阵列管理单元和电池簇管理单元采用直流电源供电，且采用同一公共地连接，所述的直流电源的供电电压范围为9~36V。

进一步地，所述的电池簇管理单元和所述的带电动操作机构的直流断路器的硬线或逻辑连接具体为:每个电池簇管理单元有一个同类的硬线干接点接口，干接点的正端连接到各自电池簇管理单元的直流电源正极，干接点负端连接在一起与所述的电动操作机构的分闸驱动线圈正端相连，所述的电动操作机构的分闸驱动线圈负端与直流电源的公共地相连；任一电池簇管理单元的干接点闭合，均可实现所述的电动操作机构的分闸驱动线圈正端的高压驱动，满足高压硬线或逻辑的控制。

一种基于时序控制的多级安全管理方法，该方法基于多维故障判别方法，遵循严格的时序控制，采用多级分层的方式实现安全管理，具体步骤如下：

当多维故障判别方法识别出电池本体安全异常时，判断电池系统处于电池本体安全异常状态，电池簇管理单元通过硬线或逻辑直接关断带电动操作机构的直流断路器，并通过硬线干接点断开本簇电池的簇继电器，执行电池系统的实时安全保护；

当多维故障判别方法识别出电池运行异常状态时，执行如下步骤：

步骤一：累积故障成熟时间，同时电池阵列管理单元通过软件通讯的方式，通知电池充放电设备停止充放电；

步骤二：当步骤一无法正常保护时，则电池阵列管理单元通过硬线干接点的方式通知电池充放电设备停机，避免电池充放电过程中的过充过放问题；

步骤三：当步骤二无法正常保护且故障发生时间超过t1时，电池阵列管理单元对直流断路器进行断开控制，保护电池系统安全，t1取值为1~5s；

步骤四：当步骤三无法正常保护时，在步骤三延迟t1的基础上再延迟t2时间，电池簇管理单元通过硬线或逻辑，对直流断路器进行断开控制，保护电池系统安全，t2取值为0.5~5s；

步骤五：当步骤四无法正常保护时，在步骤四延迟t2的基础上再延时t3时间，电池簇管理单元控制本簇的电池簇继电器进行断开控制，保护本簇电池的安全，t3取值为0.1~3s。

进一步地，所述的多维故障判别方法具体为采集和计算多维度参数进行综合判断和分级，具体如下：

（1）构建电池安全函数S=f(V，ΔV，T，ΔT，I，ΔI，Δt)，其中S代表电池安全状态，取0表示安全、1表示电池运行异常、2表示电池本体安全异常；V是电池电压，ΔV电池电压变化量，T电池测量温度，ΔT电池测量温度变化量，I电池簇电流，ΔI是电池簇电流变化量，Δt是时间间隔；

（2）当满足如下任意一个条件时，判定S=2，电池处于本体安全异常状态；

（a）V超出安全电压范围V_min*(1-δ%)~V_max*(1+δ%)，并持续3*Δt时间；

（b）V在安全电压范围内，电池簇充放电电流I≤0.1C，此时在任意连续的3*Δt时间内电池电压变化量ΔV≥V*30%，且电池温度变化速率ΔT/Δt≥1℃/s，持续3秒以上；

（c）V在安全电压范围内，电池簇充放电电流I>0.1C，但是电流变化ΔI≤0.1C且持续时间超过2s，此时电池电压在3*Δt时间内变化量ΔV_t比上个3*Δt时间内的电压变化量ΔV_t-1还大V*30%的跳变，即ΔV_t ≥ΔV_t-1+V*30%，且ΔT/Δt≥1℃/s，持续3s以上；

（d）V在安全电压范围内，此时电池温度T＞T_max，且电池温度变化速率ΔT/Δt≥1℃/s，持续3秒以上；

其中，V_min和V_max分别为电池正常工作范围的最小电压和最大电压；δ%是电池的安全系数，取值范围10%~30%；Δt的取值范围为50~500ms；T_max是电池最高安全工作温度；C表示电池容量。

（3）当满足V、I、T超出了系统设定的正常工作范围，则判断S=1，电池处于运行异常状态。

本发明的有益效果如下：

本发明的多簇并联电池系统通过优化多簇并联电池系统架构，根据多簇并联的电池阵列，配置就地分层的电池管理系统，结合簇继电器、带电动操作机构的直流断路器的保护特性，实现多层次的电池安全保护，避免由于外部环境或者部分设备控制失效导致的电池安全问题。本发明的安全管理方法设计了多维度故障判别规则，识别电池安全的异常状态比如过温、过压、欠压等，并根据紧急程度，设定安全等级，电池系统根据判定的不同安全等级，采用严格时序控制，多层次对多簇并联电池系统采取保护措施。本发明的安全管理方法可以消除外界环境、部分设备故障对电池系统安全影响，确保电池系统出现故障时，能及时被采取保护措施。

附图说明

图1为本发明的多簇并联电池系统的组成架构示意图；

图2为本发明的多簇并联电池系统安全管理方法的流程图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的多簇并联电池系统，包括电池阵列管理单元（BAMU）和带电动操作机构的直流断路器以及电池阵列，电池阵列管理单元与外部的电池充放电设备通过通讯接口和硬线干接点进行连接，与所述的带电动操作机构的直流断路器通过硬线干接点连接，实现电池充放电的安全管理。

电池阵列包括N个并联的电池簇和N个电池簇管理单元（BCMU）、若干个簇继电器。每个电池簇由一定数量的电池模块串联组成，每个电池模块由一定数量的电池串联组成，每个电池模块包括一个电池管理单元（BMU），用于采集电池的电压、电压变化速率，温度及温度变化速率。每个电池簇配置一个电池簇管理单元和至少一个簇继电器，电池簇管理单元管理其对应的电池簇，通过硬线干接点和其对应的簇继电器连接，通过通讯接口与所述的电池阵列管理单元连接，通过硬线或逻辑连接的方式与所述的带电动操作机构的直流断路器相连，电池簇管理单元采集本簇电池的充放电电流及电流变化速率，根据本簇电池的安全状态执行对本簇电池的安全管理，以及根据本簇电池的状态控制带电动操作机构的直流断路器的关断，保护电池系统。

电池阵列管理单元和电池簇管理单元采用直流电源供电，且采用同一公共地连接，典型供电电压为24V，供电电压范围为9~36V，直流电源一般选自开关电源、电池模块或其组合。采用同一公共地的目的是为了保证电池阵列管理单元和电池簇管理单元具有统一的参考地平面，可以保证有效的关断带电动操作机构的直流断路器。

电池阵列管理单元和电池簇管理单元均可断开带电动操作机构的直流断路器，在保证严格控制时序的基础上，互为冗余。当电池阵列管理单元保护失效，无法断开带电动操作机构的直流断路器时，每一个电池簇管理单元均可以根据本簇电池的安全状态断开带电动操作机构的直流断路器。电池簇管理单元间通过优化连接，可以简单有效地实现硬线或逻辑控制。

所述的电池簇管理单元和所述的带电动操作机构的直流断路器的硬线或逻辑连接具体为:每个电池簇管理单元有一个同类的硬线干接点接口，干接点的正端连接到各自电池簇管理单元的直流电源正极，干接点负端连接在一起与所述的电动操作机构的直流断路器的分闸驱动线圈正端相连，所述的电动操作机构的直流断路器的分闸驱动线圈负端与直流电源的公共地相连；任一电池簇管理单元的干接点闭合，均可实现电动操作机构的分闸驱动线圈正端的高压驱动，满足高压硬线或逻辑的控制。

由于电池系统与充放电设备之间可能距离较远、数据量较大，为保证系统间通信的可靠性和实时性，电池阵列管理单元与电池充放电设备连接的通讯接口选自CAN、RS-485或者以太网接口中的任意一种；同时为保证充放电过程中电池系统是安全的，电池阵列管理单元与电池充放电设备间除了通讯接口连接，还有硬线干接点的连接，实现冗余保护。所述的电池簇管理单元与电池阵列管理单元连接的通讯接口为CAN，且所有电池簇管理单元与电池阵列管理单元连接在同一CAN总线上，可以保证电池阵列管理单元与电池簇管理单元、不同电池簇管理单元之间均可实现信息交互。

带电动操作机构的直流断路器和簇继电器是电池安全管理的保护器件。带电动操作机构的直流断路器具有良好的切断负载电流的能力，但是电动操作机构响应速度比簇继电器慢，而簇继电器切断速度较快，但是切断负载电流的能力较差，多次切断后容易粘连。

本发明的电池系统除了电池阵列管理单元可以控制带电动操作机构的直流断路器的断开外，所有电池簇的电池簇管理单元通过硬线或逻辑连接的方式，在前述保护失效的情况下，可直接控制带电动操作机构的直流断路器断开，保护电池系统。当前述保护失效且电池簇管理单元也无法断开带电动操作机构的直流断路器时，电池簇管理单元可控制本簇电池的簇继电器断开，避免本簇电池过充、过放，同时通过通讯的方式，把本簇电池的簇继电器断开的信息发送给其他电池簇管理单元和电池阵列管理单元，用于控制充放电功率和保护其他电池簇系统。

通过上述多级分层的安全管理架构可以解决电池充放电过程中充放电设备、电池阵列管理单元、电池簇管理单元中部分设备功能异常时仍可以保证电池系统的安全，解决了当前充放电过程中由于过充、过放导致的电池系统安全问题。

另外，本发明还提出一种基于上述的多簇并联电池系统的安全管理方法，针对电池本体的安全问题，设计了独立于上述多级分层安全管理的实时保护策略，在电池本体出现安全异常或者热失控时，电池管理系统立即关断带电动操作机构的直流断路器和本簇电池的簇继电器，断开电池系统与外部的直流连接，执行电池系统的实时安全保护。

本发明的安全管理方法基于多维故障判别方法，遵循严格的时序控制，采用多级分层的方式实现安全管理，如图2所示，具体步骤如下：

当多维故障判别方法识别出电池本体安全异常时，判断电池系统处于电池本体不安全状态，电池簇管理单元通过硬线或逻辑直接关断带电动操作机构的直流断路器，并通过硬线干接点断开本簇电池的簇继电器，执行电池系统的实时安全保护：

常规的电池安全的判断方法，采用单一参数或者参数的实时信息进行判断，例如通过判别温度超限来确定热失控，通过判别单体电压超上限来判别过充，但是电芯特征十分复杂，单靠一个维度很难准确描述电池的安全状态，需要综合考虑不同的电池参数、电池参数的历史信息以及参数的变化信息，才能确保故障判别的有效性。本发明提出一种新的多维故障判别方法，通过采集和计算多维度参数进行综合判断和分级，具体如下：

构建电池安全函数S=f(V，ΔV，T，ΔT，I，ΔI，Δt)，其中S代表电池安全状态，取0表示安全、1表示电池运行异常、2表示电池本体安全异常；V是电池电压，ΔV电池电压变化量，T电池测量温度，ΔT电池测量温度变化量，I电池簇电流，ΔI是电池簇电流变化量，Δt是时间间隔；

当满足如下任意一个条件时，判定S=2，电池处于本体安全异常状态；

（1）V超出安全电压范围V_min*(1-δ%)~V_max*(1+δ%)，并持续3*Δt时间；

（2）V在安全电压范围内，电池簇充放电电流I≤0.1C，此时在任意连续的3*Δt时间内电池电压变化量ΔV≥V*30%，且电池温度变化速率ΔT/Δt≥1℃/s，并持续3秒以上；

（3）V在安全电压范围内，电池簇充放电电流I>0.1C，但是电流变化ΔI≤0.1C且持续时间超过2s，此时电池电压在3*Δt时间内变化量ΔV_t比上个3*Δt时间内的电压变化量ΔV_t-1还大V*30%的跳变，即ΔV_t ≥ΔV_t-1+V*30%，且ΔT/Δt≥1℃/s，并持续3s以上；

（4）V在安全电压范围内，此时电池温度T＞T_max，且电池温度变化速率ΔT/Δt≥1℃/s，持续3秒以上；

其中，V_min和V_max分别为电池正常工作范围的最小电压和最大电压；δ%是电池的安全系数，取值范围10%~30%，V_min*(1-δ%)~V_max*(1+δ%)是电池安全工作范围；Δt的取值范围为50ms~500ms；T_max 是电池最高安全工作温度；C表示电池容量；

当满足V、I、T超出系统设定的正常工作范围，则判断S=1，电池处于运行异常状态。电池系统进入基于时序控制的多级安全保护控制状态。其中V、I、T的正常工作范围由电池体系、电池厂家和系统运行工况确定。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多簇并联电池系统，其特征在于，该多簇并联电池系统包括电池阵列管理单元、带电动操作机构的直流断路器以及电池阵列；

每个电池簇由一定数量的电池模块串联组成，每个电池模块由一定数量的电池串联组成，每个电池模块包括一个电池管理单元，用于采集电池的电压、电压变化速率、温度及温度变化速率；每个电池簇配置一个电池簇管理单元和至少一个簇继电器，所述的电池簇管理单元管理其对应的电池簇，通过硬线干接点和其对应的簇继电器连接，通过通讯接口与所述的电池阵列管理单元连接，通过硬线或逻辑连接的方式与所述的带电动操作机构的直流断路器相连，电池簇管理单元采集本簇电池的充放电电流及电流变化速率，根据本簇电池的安全状态执行对本簇电池的安全管理，以及根据本簇电池的状态控制带电动操作机构的直流断路器的关断，保护电池系统；

所述的电池阵列管理单元和电池簇管理单元采用直流电源供电，且采用同一公共地连接，所述的直流电源的供电电压范围为9~36V；

所述的电池簇管理单元和所述的带电动操作机构的直流断路器的硬线或逻辑连接具体为：每个电池簇管理单元有一个同类的硬线干接点接口，干接点的正端连接到各自电池簇管理单元的直流电源正极，干接点负端连接在一起与所述的电动操作机构的分闸驱动线圈正端相连，所述的电动操作机构的分闸驱动线圈负端与直流电源的公共地相连；任一电池簇管理单元的干接点闭合，均可实现所述的电动操作机构的分闸驱动线圈正端的高压驱动，满足高压硬线或逻辑的控制。

2.根据权利要求1所述的多簇并联电池系统，其特征在于，所述的电池阵列管理单元与电池充放电设备连接的通讯接口选自CAN、RS-485或者以太网接口中的任意一种；所述的电池簇管理单元与电池阵列管理单元连接的通讯接口为CAN，且所有电池簇管理单元与电池阵列管理单元连接在同一CAN总线上。

3.一种基于时序控制的多级安全管理方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的多簇并联电池系统来实现，该方法基于多维故障判别方法，遵循严格的时序控制，采用多级分层的方式实现安全管理，具体步骤如下：

当多维故障判别方法识别出电池本体安全异常时，判断电池系统处于电池本体安全异常状态，电池簇管理单元通过硬线或逻辑直接断开带电动操作机构的直流断路器，并通过硬线干接点断开本簇电池的簇继电器，执行电池系统的实时安全保护；

步骤五：当步骤四无法正常保护时，在步骤四延迟t2的基础上再延时t3时间，电池簇管理单元控制本簇电池的簇继电器进行断开控制，保护本簇电池的安全，t3取值为0.1~3s。

4.根据权利要求3所述的基于时序控制的多级安全管理方法，其特征在于，所述的多维故障判别方法具体为采集和计算多维度参数进行综合判断和分级，具体如下：

（1）构建电池安全函数S=f(V，ΔV，T，ΔT，I，ΔI，Δt)，其中S代表电池安全状态，取0表示安全、1表示电池运行异常、2表示电池本体安全异常；V是电池电压，ΔV是电池电压变化量，T是电池测量温度，ΔT是电池测量温度变化量，I是电池簇电流，ΔI是电池簇电流变化量，Δt是时间间隔；

其中，V_min和V_max分别为电池正常工作范围的最小电压和最大电压；δ%是电池的安全系数，取值范围10%~30%；Δt的取值范围为50~500ms；T_max是电池最高安全工作温度；C表示电池容量；

（3）当满足V、I、T超出系统设定的正常工作范围，则判断S=1，电池处于运行异常状态。