CN112701747A - 一种电池组结构、电池系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池组结构、电池系统及其控制方法，属于电池组控制领域；在串联的每个电池上并联旁路开关，当任一电池放电时的电压达到预设电压值时，并联的旁路开关闭合。本申请方案解决了常规无均衡电池组的电池容量利用率低的问题，同时解决有均衡但均衡效果一般而导致的容量利用率不高的问题；无需考虑电池的压差，而且使用时不会损失能量，放电完成后，电池组的一致性良好。

Description

一种电池组结构、电池系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电池组控制技术，特别地，涉及一种电池组结构、电池系统及其控制方法。

背景技术

锂离子电池以成组的方式工作，一般需要考察电池的一致性，并对电池组进行均衡处理。例如，锂离子电池在电动汽车、储能领域等需求大能量的场合，电池是以成组、模块化的方式进行应用。在这些应用场景，在电池成组时，一般要筛选电池的电压、容量、内阻、自放电率相近的电池。然而，在锂离子电池生产制造过程中，由于设备、工艺上的一致性和稳定性问题，制造出的电池在一致性上会有所差别，例如容量有高有低、内阻有大有小、自放电率不一致等。在成组时，偏差较大的电池不被成组，造成成组率低，引起成本升高。

在通常情况下，由于每个电池之间存在差异性，如果没有外部的均衡处理，在后期不断的使用过程中，会发生电池过充和过放的问题，影响电池系统的使用寿命，电池系统存在安全隐患。因此，在电池组进行工作时，一般会进行均衡处理。当前一般采用电池管理系统(BMS)来执行均衡处理，提高电池模组的一致性。均衡方法一般分为主动均衡和被动均衡，前者是通过电压高的电池给电压低的电池充电来获得均衡效果，后者是电压高者直接对内阻进行放电，这两种均衡方法都需要获取电池的压差，且前者在有众多均衡时电路复杂，甚至无法均衡，后者会损失部分能量，在有众多电池需均衡时也可能导致均衡失效。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种电池组结构、电池系统及其控制方法，以解决现有均衡方法都需要获取电池的压差并且都会损失部分能量的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，

一种电池组结构，包括至少两个电池；所有电池串联连接；

每个所述电池并联有旁路开关；

当任一电池放电时的电压达到预设电压值时，并联的旁路开关闭合。

进一步地，所述旁路开关采用以下任意一种形式：

直流接触器；

继电器；

金属氧化物半导体场效应晶体管；

金属氧化物半导体管；

绝缘栅型场效应管。

进一步地，所述预设电压值的取值范围为零到所述电池容量百分之五对应的电压。

第二方面，

一种电池系统，包括：至少一组如上述技术方案所述的电池组结构。

进一步地，所述电池组结构通过变流器连接负载。

进一步地，所述系统还包括升压器、变流器和负载，所述变流器连接负载；

当所述系统电压在所述预设工作电压范围时，所述电池组结构直接连接变流器；

当所述系统电压低于所述预设工作电压范围时，所述电池组结构通过连接升压器连接变流器。

进一步地，所述升压器为DC/DC整流器；所述变流器为DC/AC逆变器或DC/DC整流器。

进一步地，当所述电池组结构为多组时，多组电池组结构串联连接。

第三方面，

一种如上述技术方案中所述的电池系统的控制方法，包括以下步骤：

获取电池组结构中每个电池的当前电压和当前工作状态，所述工作状态包括：充电状态和放电状态；

根据所述当前电压和当前工作状态控制并联的旁路开关的闭合和断开。

进一步地，当所述工作状态为放电时：

判断所述当前电压与预设电压值的大小关系；

当所述当前电压不低于预设电压值时，保持所述旁路开关断开；当所述当前电压低于预设电压值时，控制所述旁路开关闭合。

进一步地，还包括：

获取电池系统的总电压；

当所述总电压低于预设工作电压范围时，控制所述电池组结构通过升压器连接变流器；当所述总电压在预设工作电压范围时，控制所述电池组结构直接连接所述变流器。

进一步地，当所述工作状态为充电时，控制所述旁路开关断开。

本申请采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：

本申请技术方案提供了一种电池组结构、电池系统及其控制方法，在串联的每个电池上并联旁路开关，当任一电池放电时的电压达到预设电压值时，并联的旁路开关闭合。本申请方案解决了常规无均衡电池组的电池容量利用率低的问题，同时解决有均衡但均衡效果一般而导致的容量利用率不高的问题；无需考虑电池的压差，而且使用时不会损失能量，放电完成后，电池组的一致性良好。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种电池组结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种电池系统结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种电池系统控制方法流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的描述说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本申请所保护的范围。

参照图1，本发明实施例提供了一种电池组结构，包括至少两个电池；所有电池串联连接；

每个电池110并联有旁路开关120；

当任一电池放电时的电压达到预设电压值时，并联的旁路开关闭合。

作为本发明实施例一种可选的实现方式，旁路开关采用以下任意一种形式：直流接触器；继电器；金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)；金属氧化物半导体管(MOS管)；绝缘栅型场效应管(IGBT)。

一些可选实施例中，预设电压值的取值范围为零到电池容量百分之五对应的电压。示例性的，锂离子电池放电的下限电压，对三元锂电池为3V及以下，磷酸铁锂电池为2.5V及以下、钴酸锂电池为3.0V及以下，锰酸锂电池为3.0V及以下，钛酸锂电池为1.5V及以下，以上最低电压为0V。

本发明实施例提供的电池组结构，对成组的串联电池并联一个旁路开关，当该电池工作放电到下限电压即预设电压值后，旁路开关闭合，防止该电池发生过放现象，同时其他串联的电池继续工作。当电池工作放电到下限电压时，旁路开关闭合，电流从旁路流过，防止该电池继续放电，避免发生电池的过放。同时其他电池继续工作，原则上可使每个电池的放电均达到放电下限电压。因此，每个电池的容量可充分发挥，电池的利用率高，并且可保证电池的稳定性。

一个实施例中，本发明还提供了一种电池系统，包括：至少一组如上述实施例提供的电池组结构。

作为本发明实施例一种可选的实现方式，本发明实施例提供一种单组电池组结构的电池系统结构；电池组结构通过变流器连接负载。该电池系统只在电池系统的总电压位于预设工作电压范围内时工作。如果随着电池系统放电，电池组结构总电压下降到不能支持变流器工作时；电池系统无法继续放电。此时电池组结构内某些电池还能继续放电，会造成一些电能的剩余，无法充分使用。因此为了解决该问题。本发明实施例还提供了一种多组电池组结构的电池系统结构；电池系统还包括升压器、变流器和负载，变流器连接负载；当系统电压在预设工作电压范围时，电池组结构直接连接变流器；当系统电压低于预设工作电压范围时，电池组结构通过连接升压器连接变流器。需要说明的是，能解决电能剩余问题的方案并不是电池组结构有多少，而是连接升压器。

需要说明的是预设电压范围为变流器的工作电压范围或负载的工作电压范围。

作为本发明实施例一种优选的实现方式，升压器为DC/DC整流器；变流器为DC/AC逆变器。并且，当电池组结构为多组时，多组电池组结构串联连接或DC/DC整流器。

示例性的，取5个型号为1885145大软包三元锂电池，额定容量为25Ah，正常电压范围2.5-4.2V，当电压低于2.5V时，旁路开关闭合。分容容量和初始电压分别如表1所示：

电池编号	1	2	3	4	5
						容量/Ah	26.5	26.2	25.7	26.3	26.0
初始电压/V	4.102	4.105	4.009	4.103	4.107

表1

旁路开关采用继电器。对电池系统进行1C(25A)放电，其中3号电池最先到达2.5V截止电压，继电器开始工作，闭合旁路开关，其它4个电池继续放电。当旁路开关闭合后，因电池尚有电压，电池发生自放电，一直到电压为0V。接着1号、2号和4号电池电压下降到2.5V，旁路开关闭合，最后只有5号电池工作。当5号电池也达到2.5V时，因无其它电池工作，此时电流为0，电池组停止工作。至此，5个电池均放电到2.5V以下，2.5V对应的SOC(荷电状态)为1％以内，电池组放电后，单体电池的一致性良好。之后进行0.4C(10A)充电，旁路电流检测到电流与放电电流相反，断开旁路开关，电池组进入充电状态。3号电池最先达到充电上限电压4.2V，电池组停止充电，其它电池的充电电压分别为4.183V、4.185V、4.184V和4.181V，每个电池的容量为25.6Ah，电池充电的一致性良好。

以上5个电池组串联形成电池系统，正负极总输出有两路接法，一种是正常的接到变流器处，一种是电池组电压低时，接到升压器，再进入变流器。如图2所示，电池系统正常工作电压范围62.5V-105V，变流器工作电压范围为60V-120V。电池组初始电压为102.5V，最高单体电池电压为4.106V，最低单体电池电压为4.092V。电池组20A放电，14号电池率先达到2.5V，该电池旁路开关闭合，电池组电压64.3V。继续放电，当有5个电池电压低于2.5V时，电池组电压低于60V。为进一步放电，把电池总输出正负极接到升压器侧，升压器升压电压为90V，电池侧电压范围为20-70V。当剩下7个电池工作时，电池电压下降到20V，电池组停止工作，7个电池电压均小于3.0V，全部电池剩余的电量小于1％，电池的容量获得充分发挥，同时放电完成后电池的一致性良好。

电池系统停止工作后电池的电压如表2所示:

电池编号	4	9	11	16	18	20	23
								初始电压/V	2.540	2.631	2.581	2.672	2.589	2.712	2.532

表2

因每个串联的单体电池有旁路开关，达到放电下限电压时，该电池被旁路，不会继续放电，避免了过放的产生，因此，在电池成组时，无需对电池的初始状态的一致性进行过于严格的考察，如对电压差的考察。而对于常规的电池筛选，会对电压差有要求。此外，因最先达到放电电压的电池会有旁路开关旁路保护，且在充电时，容量最小的电池一般会先达到充电截止状态，因此，对于容量的控制，只要不低于额定值，电池容量的上限可以放宽，这也会提升电池的筛选通过率，降低成本。下面以一个具体实施例来进一步说明。

电池由6个额定容量为25Ah的三元锂电池组成，最大容量为2号电池27.8Ah，比最小的4号电池(25.3Ah)大2.5Ah，容量偏差达到10％，按常规的容量偏差8％来考察，该电池组的一致性是差的。在开路电压上，最大的是3号的3.952V，最小的是2号电池3.725V，电压偏差为0.227V，也是达到了较大的电压偏差。6个25Ah三元锂电池串联初始状态如表3所示：

电池编号	1	2	3	4	5	6
							初始电压/V	3.814	3.725	3.952	3.855	3.841	3.782
容量/Ah	25.6	27.8	26.4	25.3	26.1	26.5

表3

对该电池组进行20A放电，最先达到放电下限电压3.0V的是6号电池，该电池进入旁路。其次是1号电池、2号电池和4号电池，最后为5号和3号电池。至此，全部电池达到放电截止电压及以下，容量偏差1％以内，电池的放电一致性良好。然后，进行20A充电，最先达到充电截止电压的是4号电池，容量为25.2Ah，其它电池的容量也为25.2Ah，充电后，电池的容量一致性良好，容量偏差消失。

因串联的单体电池在达到放电下限电压即通过旁路开关进行旁路，在其它工作时间无需进行均衡处理，因此，在工作时，无需通过精密的采集电压进行均衡处理，尤其是对于具有宽电压范围的平稳的电压平台的磷酸铁锂电池。

下面对磷酸铁锂电池成组进行充放电考察。把20Ah额定容量的5个磷酸铁锂电池进行串联，每个电池并联旁路开关，旁路开关采用MOS管，5个磷酸铁锂电池的初始状态如表4所示：

电池编号	1	2	3	4	5
						初始电压/V	3.412	3.425	3.452	3.455	3.441
容量/Ah	20.6	20.8	20.4	21.3	21.1

表4

对该电池组进行20A放电，最先达到放电下限电压2.2V的是1号电池，随后该电池旁路开关闭合，电流从旁路通过，其它电池继续工作。最后达到放电下限电压的是4号电池。此时，全部电池电压下降到2.2V以下，电池剩余的SOC均在1％以内，放电后电池的一致性良好。在放电过程中，无需进行均衡。之后进行整体充电，充电电流为10A，最先达到充电截止电压3.65V的为3号电池，此时充电容量为20.5Ah。充电后，电池的一致性良好。5个20Ah磷酸铁锂电池充电完成后状态如表5所示：

电池编号	1	2	3	4	5
						初始电压/V	3.643	3.645	3.652	3.638	3.641

表5

本发明实施例提供的一种电池系统，因每个串联的单体电池有旁路开关，达到放电下限电压时，该电池被旁路，不会继续放电，避免了过放的产生，因此，在电池成组时，无需对电池的初始状态的一致性进行过于严格的考察，如对电压差的考察。而对于常规的电池筛选，会对电压差有要求。此外，因最先达到预设电压的电池会有旁路开关旁路保护，且在充电时，容量最小的电池一般会先达到充电截止状态，因此，对于容量的控制，只要不低于额定值，电池容量的上限可以放宽，这也会提升电池的筛选通过率，降低成本。

一个实施例中，本发明提供一种如上述任一项实施例提到的电池系统的控制方法，如图3所示，包括以下步骤：

获取电池组结构中每个电池的当前电压和当前工作状态，工作状态包括：充电状态和放电状态；

根据当前电压和当前工作状态控制并联的旁路开关的闭合和断开。

作为本发明实施例一种可选的实现方式，当工作状态为放电时：判断当前电压与预设电压值的大小关系；当当前电压不低于预设电压值时，保持旁路开关断开；当当前电压低于预设电压值时，控制旁路开关闭合。

在实际放电过程中，一些可选实施例中，还包括：获取电池系统的总电压；当总电压低于预设工作电压范围时，控制电池组结构通过升压器连接变流器；当总电压在预设工作电压范围时，控制电池组结构直接连接变流器。

作为本发明实施例另一种可选的实现方式，当工作状态为充电时，控制旁路开关断开。

本发明实施例提供的电池系统的控制方法，旁路开关闭合后，电池组的电压不断下降，在外接变流器下，电池的最低电压为变流器运行的最低电压。在低于变流器运行的最低电压，电池组停止放电。在无外接变流器的情况下，电池组的最低工作电压为负载允许的最低工作电压。当电池组工作电压低于变流器最低允许电压或负载最低允许电压时，且尚有电池没有放完电，可通过升压装置，使电池组继续工作。如此使电池放电的容量达到95％及以上，以使电池的放电最终状态具有良好的一致性，即串联的电池的容量偏差在5％及以内。在充电状态，电流方向与放电时相反，旁路开关断开，电池组进行充电。因在放电完成时，电池的一致性良好，容量偏差在5％及以内，因此，充电后，电池的一致性良好，容量偏差保持在5％及以内。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种电池组结构，其特征在于：包括至少两个电池；所有电池串联连接；

每个所述电池并联有旁路开关；

当任一电池放电时的电压达到预设电压值时，并联的旁路开关闭合。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述旁路开关采用以下任意一种形式：

直流接触器；

继电器；

金属氧化物半导体场效应晶体管；

金属氧化物半导体管；

绝缘栅型场效应管。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述预设电压值的取值范围为零到所述电池容量百分之五对应的电压。

4.一种电池系统，其特征在于，包括：至少一组如权利要求1-3任一项所述的电池组结构。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述电池组结构通过变流器连接负载。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述系统还包括升压器、变流器和负载，所述变流器连接负载；

当所述系统电压在所述预设工作电压范围时，所述电池组结构直接连接变流器；

当所述系统电压低于所述预设工作电压范围时，所述电池组结构通过连接升压器连接变流器。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述升压器为DC/DC整流器；所述变流器为DC/AC逆变器或DC/DC整流器。

8.根据权利要求4-7任一项所述的系统，其特征在于：当所述电池组结构为多组时，多组电池组结构串联连接。

9.一种如权利要求4-8任一项所述的电池系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取电池组结构中每个电池的当前电压和当前工作状态，所述工作状态包括：充电状态和放电状态；

根据所述当前电压和当前工作状态控制并联的旁路开关的闭合和断开。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：当所述工作状态为放电时：

判断所述当前电压与预设电压值的大小关系；

当所述当前电压不低于预设电压值时，保持所述旁路开关断开；当所述当前电压低于预设电压值时，控制所述旁路开关闭合。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

获取电池系统的总电压；

当所述总电压低于预设工作电压范围时，控制所述电池组结构通过升压器连接变流器；当所述总电压在预设工作电压范围时，控制所述电池组结构直接连接所述变流器。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：当所述工作状态为充电时，控制所述旁路开关断开。

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