CN113224400A - 一种电池的充放电控制方法及系统 - Google Patents

一种电池的充放电控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池的充放电控制方法及系统，其通过设置有与每个电池一一对应的串联支路，串联支路包括电池、双向开关和旁路开关，电池的一端与双向开关的一端连接，旁路开关的两端分别与电池的另一端和双向开关的另一端连接，多个串联支路以串联连接方式接入充放电电源的两端，通过获取每个电池在充放电过程中的状态值以进行每个电池的当前充放电状态判断，并依据当前充放电状态调整对应的双向开关状态和/或旁路开关状态，以解决在电池串联连接系统中，不增加额外的充放电电源的同时，也能实现电池的恒流充放电和恒压充放电。

Description

一种电池的充放电控制方法及系统
技术领域
本发明属于电池充放电技术领域，具体涉及一种电池的充放电控制方法及系统。
背景技术
随着人们对环境的重视以及国家对新能源产业的政策支持，近几年新能源产业得到迅猛发展，作为新能源产业电能存储的基本单元，电池尤其是动力锂电池也出现了巨大的需求，各大动力锂电池生产厂家积极扩产，形成了较大的锂电池生产成套设备需求。
由于锂电池的生产流程每个生产厂家会有所不同，但都离不开最基本的几个环节：电池极片制作、电芯制作、电池组装、电池注液、电池封口、电池化成、电池老化、电池分选。其中电池化成、电池分选工艺是指电池制作完成后使用锂电化成、电池分选都需要用到电源对其进行充放电，使电池被激活，以及循环充放电后对电池进行分选等级。
然而传统技术中的电池的化成和分容工艺对于电池进行化成和分容至少存在以下问题：
每一颗电池接一路电源，是一个单独的回路，这样的话系统中需要和电池匹配数量的充放电电源，相比同样功率等级的单个充放电电源，成本较高。同时每个电池和充放电电源之间需要通过较长的导线连接，线材耗费成本较高，并且线材发热量大降低了系统能量的循环回收率。因此，串联化成方案的实现上能实现恒流充放电的控制，但进行恒压充放电的控制需要单独通道另加充放电电源来实现，或者系统不具备串联恒压充放电的功能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电池的充放电控制方法及系统，以解决在电池串联连接系统中，不增加额外的充放电电源的同时，也能实现电池的恒流充放电和恒压充放电。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电池的充放电控制方法，设置有与每个电池一一对应的串联支路，串联支路包括电池、双向开关和旁路开关，电池的一端与双向开关的一端连接，旁路开关的两端分别与电池的另一端和双向开关的另一端连接，多个串联支路以串联连接方式接入充放电电源的两端，电池的充放电过程包括：
通过获取每个电池在充放电过程中的状态值以进行每个电池的当前充放电状态判断，并依据当前充放电状态调整对应的双向开关状态和/或旁路开关状态。
作为本发明的进一步改进，电池的充放电模式包括第一充放电模式，具体包括：
将待充放电电池对应的双向开关设置为导通状态且对应的旁路开关设置为断开状态，充放电电源的输出电流为恒定电流；
当检测到待充放电电池两端的电压值不在预设电压范围内时，将待充放电电池对应的双向开关设置为断开状态且对应的旁路开关设置为导通状态。
作为本发明的进一步改进，充放电电源的输出电流为恒定电流的实现方式包括：
通过获取充放电电源的目标电流和实际输出电流，通过目标电流和实际输出电流之间的误差值对充放电电源的控制信号进行调整，以实现充放电电源的恒定电流输出。
作为本发明的进一步改进，电池的充放电模式包括第二充放电模式，具体包括：
将待放电电池对应的双向开关设置为导通状态且对应的旁路开关设置为断开状态，充放电电源的初始输出电流为预设电流值；
放电过程包括：获取所有待放电电池的两端的电压绝对值，并选取电压绝对值最小的待放电电池作为参考电池且对应的旁路开关设置为导通状态；将参考电池对应的电压作为参考电压，所述充放电电源设置为恒压环模式，其中，恒压环模式为所述充放电电源的输出电流上限为预设电流值，将参考电压作为恒压环的反馈电压进行充放电电源的输出调制，以使得目标电池工作在恒压放电模式；当检测到参考电池的电流值不在预设电流范围内时，将参考电池对应的双向开关设置为断开状态；
重复上述放电过程，直至处于放电阶段的电池数量为预设值。
作为本发明的进一步改进，电池的充放电模式包括第三充放电模式，具体包括：
将待充电电池对应的双向开关设置为导通状态且对应的旁路开关设置为断开状态，充放电电源的初始输出电流为预设电流值；
充电过程包括：获取所有待充电电池的两端的电压绝对值，并选取电压绝对值最大的待充电电池作为参考电池，将参考电池对应的电压作为参考电压，充放电电源设置为恒压环模式，其中，充放电电源的输出电流上限为预设电流值，将参考电压作为恒压环的反馈电压进行所述充放电电源的输出调制，当检测到参考电池的电流值不在预设电流范围内时，将参考电池对应的双向开关设置为断开状态且对应的旁路开关设置为导通状态；
重复上述充电过程，直至处于充电阶段的电池数量为预设值。
作为本发明的进一步改进，充放电电源的输出电压为恒定电压的实现方式包括：
通过获取充放电电源的目标电压和实际输出电压，通过目标电压和实际输出电压之间的误差值对充放电电源的控制信号进行调整，以实现充放电电源的恒定电压输出。
作为本发明的进一步改进，多个串联支路和一个总开关以串联连接方式接入充放电电源的两端，在切换所述串联支路的开关状态之前，断开总开关以关闭多个串联支路与充放电电源的连接。
为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种电池的充放电控制系统，充放电控制系统包括与每个电池一一对应的串联支路和控制器，串联支路包括电池、双向开关和旁路开关，电池的一端与双向开关的一端连接，旁路开关的两端分别与电池的另一端和双向开关的另一端连接，多个串联支路以串联连接方式接入充放电电源的两端，控制器分别与电池、双向开关和旁路开关连接，控制器用于通过获取每个电池在充放电过程中的状态值以进行每个电池的当前充放电状态判断，并依据当前充放电状态调整对应的双向开关状态和/或旁路开关状态，以实现电池的充放电过程。
作为本发明的进一步改进，充放电控制系统还包括一个总开关，多个串联支路和总开关以串联连接方式接入充放电电源的两端，控制器还连接所述总开关，控制器还用于在进行串联支路的开关状态切换之前，控制总开关断开以关闭多个串联支路与充放电电源的连接。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的一种电池的充放电控制方法及系统，其通过设置有与每个电池一一对应的串联支路，串联支路包括电池、双向开关和旁路开关，电池的一端与双向开关的一端连接，旁路开关的两端分别与电池的另一端和双向开关的另一端连接，多个串联支路以串联连接方式接入充放电电源的两端，通过获取每个电池在充放电过程中的状态值以进行每个电池的当前充放电状态判断，并依据当前充放电状态调整对应的双向开关状态和/或旁路开关状态，以解决在电池串联连接系统中，不增加额外的充放电电源的同时，也能实现电池的恒流充放电和恒压充放电。
本发明的一种电池的充放电控制方法及系统，其在恒压控制过程中，将充放电电源的目标电压设定为单节电池的恒压电压，反馈电压为串联电池中的最低(放电)或最高(充电)电压，通过反馈电压和目标电压对充放电电源进行调试而实现控制电池恒压充放电的功能，不用额外在每接电池上在接一个独立的电源进行恒压充放电的控制。
附图说明
图1为本发明技术方案的串联支路的连接关系的示意图；
图2为本发明技术方案的充放电电源控制的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
在一个实施例中，提供了一种电池的充放电控制方法。图1为本发明技术方案的串联支路的连接关系的示意图。如图1所示，设置有与每个电池一一对应的串联支路，串联支路包括电池、双向开关和旁路开关，双向开关可以支持正向和反向导通断开，可以用对管实现，电池的一端与双向开关的一端连接，旁路开关的两端分别与电池的另一端和双向开关的另一端连接，多个串联支路以串联连接方式接入充放电电源的两端，其中，双向开关和旁路开关可以为机械式或MOS开关等，可依据其对应的电流承受能力和阻抗选择对应的开关，电池的充放电过程包括：
通过获取每个电池在充放电过程中的状态值以进行每个电池的当前充放电状态判断，并依据当前充放电状态调整对应的双向开关状态和/或旁路开关状态。如可以通过控制器实现开关的控制信号输出、单节电池的电压采集、总电压采样、电流采样和温度采集等。作为一个示例，充放电电源可以为DC/DC电源，通过将市电进行AC/DC的转换得到对应的DC/DC电源，控制器和DC/DC保持高速通讯的能力，控制器需要获取DC/DC的相关信息，控制DC/DC按流程需要输出，并且在特定的阶段传递DC/DC充放电控制需要的反馈信号。还可以通过电脑以网线或CAN线的形式连接控制器，一台电脑可以连接若干控制器进行集中控制和监控。在对电池进行充放电之前，通过上位机发送工艺流程及保护参数到控制器，控制器接收到流程后对参数进行相关检查，确认合格，则开始进行充放电流程控制。
电池的充放电模式包括第一充放电模式，具体包括：将待充放电电池对应的双向开关设置为导通状态且对应的旁路开关设置为断开状态，充放电电源的输出电流为恒定电流；当检测到待充放电电池两端的电压值不在预设电压范围内时（如检测到待充放电电池两端电压值达到截止电压或恒压电压），将待充放电电池对应的双向开关设置为断开状态且对应的旁路开关设置为导通状态。作为一个示例，控制器控制开关M及S闭合，K断开，下发恒流充放电电流给DC/DC并控制其输出，过程中，控制器监控电池电压温度等参数，如果某节电池达到截止电压，则相应的M开关断开，K开关闭合，对该节电池进行旁路。依此逻辑直到最后达到截止电压的电池达到截止电压后恒流充放电完成。关闭DC/DC和所有开关。
作为一个示例，充放电电源的输出电流为恒定电流的实现方式包括：通过获取充放电电源的目标电流和实际输出电流，通过目标电流和实际输出电流之间的误差值对充放电电源的控制信号进行调整，以实现充放电电源的恒定电流输出。图2为本发明技术方案的充放电电源控制的示意图。如图2所示，DC/DC数字控制的核心是PID控制，恒流控制时，被控对象为电流，r(t)为目标电流，c(t)为实际输出电流，r(t)和c(t)的误差经过PI运算后反应在控制上从而使输出趋近目标值。
作为一个示例，电池的充放电模式包括第二充放电模式，具体包括：将待放电电池对应的双向开关设置为导通状态且对应的旁路开关设置为断开状态，充放电电源的初始输出电流为预设电流值；放电过程包括：获取所有待放电电池的两端的电压绝对值，并选取电压绝对值最小的待放电电池作为参考电池，将参考电池对应的电压作为参考电压，所述充放电电源设置为恒压环模式，其中，恒压环模式为所述充放电电源的输出电流上限为预设电流值，将参考电压作为恒压环的反馈电压进行充放电电源的输出调制，以使得充目标电池工作在恒压放电模式，当然，也可以同时要求其他电池在该放电条件下，电压不低于恒压设定值；当检测到参考电池的电流值不在预设电流范围内时，将参考电池对应的双向开关设置为断开状态且对应的旁路开关设置为导通状态；重复上述放电过程，直至处于放电阶段的电池数量为预设值，如预设值为零时，重复上述放电过程，直至所有电池被旁路掉，当然可以依据充电需求设置对应的预设值。
作为本发明的进一步改进，电池的充放电模式包括第三充放电模式，具体包括：将待充电电池对应的双向开关设置为导通状态且对应的旁路开关设置为断开状态，充放电电源的初始输出电流为预设电流值；充电过程包括：获取所有待充电电池的两端的电压绝对值，并选取电压绝对值最大的待充电电池作为参考电池，将参考电池对应的电压作为参考电压，充放电电源设置为恒压环模式，其中，充放电电源的输出电流上限为预设电流值，将参考电压作为恒压环的反馈电压进行所述充放电电源的输出调制，当检测到参考电池的电流值不在预设电流范围内时，将参考电池对应的双向开关设置为断开状态且对应的旁路开关设置为导通状态；重复上述充电过程，直至处于充电阶段的电池数量为预设值，如预设值为零时，重复上述放电过程，直至所有电池被旁路掉，当然可以依据充电需求设置对应的预设值。
以图1为示例，如当恒流时每节电压达到恒压电压点时，断开所有K开关，闭合所有M开关，DC/DC电源切换到恒压环，恒压环的初始态电流设置为恒流阶段电流，恒压环过程控制的电流上限被限制在恒流阶段电流值。恒压环工作过程中，不断接收到控制器传递的串联电池中电压最低(放电)或最高(充电)的电压，作为电压环反馈参考控制量。当到达截止电流时，断开最低(放电)或最高(充电)的电压电池的M开关闭合K开关，以同样的方式进行恒压充放电控制，DC/DC恒压环反馈控制信号始终为串联电池中最低(放电)或最高(充电)的电压，其中，恒定电压是目标，参考电压是电池实际的电压，最终的控制目的是通过恒定电压和参考电压的差值去调整控制环路输出的电流而使得参考电压无限接近设置的恒定电压。当差值比较大时，调整的步进大，当差值小时调整的步进小，其为一种闭环控制策略。依此逻辑直到最后一节电池完成。由于电池恒压阶段能充放的容量比较少，为了提高生产效率，可以考虑恒压阶段的充放电不用做到最后一节电池，可以考虑做少于电池数量的周期。由于即便恒流充电使单节电池达到了同样的电压水平，由于电池内阻等其他差异性的原因，不能保证恒压阶段时流过单节电池电流相同时，单节电池电压也是始终相同的，这就决定了串联化成分容采用控总电压的方式实现恒压并不合适。这样就导致在做系统设计的时候为了兼顾恒压充放电，会额外的在每节电池上再接一个独立的电源进行恒压充放电的控制，但是这样，导致系统成本会大大提升，因此恒压控制时，将目标电压设定为单节电池的恒压电压，电压反馈为串联电池中最低(放电)或最高(充电)的电压，可以降低对应的系统成本。
作为一个示例，充放电电源的输出电压为恒定电压的实现方式包括：通过获取充放电电源的目标电压和实际输出电压，通过目标电压和实际输出电压之间的误差值对充放电电源的控制信号进行调整，以实现充放电电源的恒定电压输出。以图2为示例，恒压控制时，被控对象为电压，r(t)为目标电压，c(t)为实际输出电压，r(t)和c(t)的误差经过PI运算后反应在控制上从而使输出趋近目标值。
作为一个示例，多个串联支路和一个总开关以串联连接方式接入充放电电源的两端，在切换所述串联支路的开关状态之前，断开总开关以关闭多个串联支路与充放电电源的连接。由于充放电过程中，电池会随着电压达到截止条件而逐个被旁路掉，如果在DC/DC处于输出状态，进行开关的投切，会对开关的冲击比较大，通常也是易损毁部分。如果DC/DC与控制器建立通讯，则可以在需要投切开关前关闭DC/DC的输出，投切完毕后使能DC/DC输出，这个过程要求时间短，同时控制器要处理好这个阶段的数据，对无效数据做屏蔽，保证流程数据的连贯性。相比带电切换开关不带电切换开关将会对系统中各部件的冲击小，危害小，有益于提升开关的使用寿命。
与上述检测方法相对应的，本发明还提供了一种电池的充放电控制系统，充放电控制系统包括与每个电池一一对应的串联支路和控制器，串联支路包括电池、双向开关和旁路开关，电池的一端与双向开关的一端连接，旁路开关的两端分别与电池的另一端和双向开关的另一端连接，多个串联支路以串联连接方式接入充放电电源的两端，控制器分别与电池、双向开关和旁路开关连接，控制器用于通过获取每个电池在充放电过程中的状态值以进行每个电池的当前充放电状态判断，并依据当前充放电状态调整对应的双向开关状态和/或旁路开关状态，以实现电池的充放电过程。该系统的实现原理、技术效果与上述光学检测方法类似，在此不做累述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电池的充放电控制方法，其特征在于，设置有与每个电池一一对应的串联支路，所述串联支路包括电池、双向开关和旁路开关，所述电池的一端与所述双向开关的一端连接，所述旁路开关的两端分别与所述电池的另一端和所述双向开关的另一端连接，多个串联支路以串联连接方式接入充放电电源的两端，所述电池的充放电过程包括：
通过获取每个电池在充放电过程中的状态值以进行每个电池的当前充放电状态判断，并依据当前充放电状态调整对应的双向开关状态和/或旁路开关状态。
2.根据权利要求1所述的一种电池的充放电控制方法，其中，所述电池的充放电模式包括第一充放电模式，具体包括：
将待充放电电池对应的双向开关设置为导通状态且对应的旁路开关设置为断开状态，所述充放电电源的输出电流为恒定电流；
当检测到所述待充放电电池两端的电压值不在预设电压范围内时，将所述待充放电电池对应的双向开关设置为断开状态且对应的旁路开关设置为导通状态。
3.根据权利要求2所述的一种电池的充放电控制方法，其中，所述充放电电源的输出电流为恒定电流的实现方式包括：
通过获取所述充放电电源的目标电流和实际输出电流，通过所述目标电流和实际输出电流之间的误差值对所述充放电电源的控制信号进行调整，以实现所述充放电电源的恒定电流输出。
4.根据权利要求1所述的一种电池的充放电控制方法，其中，所述电池的充放电模式包括第二充放电模式，具体包括：
将待放电电池对应的双向开关设置为导通状态且对应的旁路开关设置为断开状态，所述充放电电源的初始输出电流为预设电流值；
放电过程包括：获取所有待放电电池的两端的电压绝对值，并选取电压绝对值最小的待放电电池作为参考电池，将参考电池对应的电压作为参考电压，所述充放电电源设置为恒压环模式，其中，恒压环模式为所述充放电电源的输出电流上限为所述预设电流值，将所述参考电压作为恒压环的反馈电压进行所述充放电电源的输出调制，以使得目标电池工作在恒压放电模式；当检测到所述参考电池的电流值不在预设电流范围内时，将所述参考电池对应的双向开关设置为断开状态且对应的旁路开关设置为导通状态；
重复上述放电过程，直至处于放电阶段的电池数量为预设值。
5.根据权利要求1所述的一种电池的充放电控制方法，其中，所述电池的充放电模式包括第三充放电模式，具体包括：
将待充电电池对应的双向开关设置为导通状态且对应的旁路开关设置为断开状态，所述充放电电源的初始输出电流为预设电流值；
充电过程包括：获取所有待充电电池的两端的电压绝对值，并选取电压绝对值最大的待充电电池作为参考电池，将参考电池对应的电压作为参考电压，所述充放电电源设置为恒压环模式，其中，所述充放电电源的输出电流上限为所述预设电流值，将所述参考电压作为恒压环的反馈电压进行所述充放电电源的输出调制，当检测到所述参考电池的电流值不在预设电流范围内时，将所述参考电池对应的双向开关设置为断开状态且对应的旁路开关设置为导通状态；
重复上述充电过程，直至处于充电阶段的电池数量为预设值。
6.根据权利要求4或5所述的一种电池的充放电控制方法，其中，所述充放电电源的输出电压为恒定电压的实现方式包括：
通过获取所述充放电电源的目标电压和实际输出电压，通过所述目标电压和实际输出电压之间的误差值对所述充放电电源的控制信号进行调整，以实现所述充放电电源的恒定电压输出。
7.根据权利要求1所述的一种电池的充放电控制方法，其中，多个串联支路和一个总开关以串联连接方式接入充放电电源的两端，在切换所述串联支路的开关状态之前，断开总开关以关闭所述多个串联支路与所述充放电电源的连接。
8.一种电池的充放电控制系统，其特征在于，所述充放电控制系统包括与每个电池一一对应的串联支路和控制器，所述串联支路包括电池、双向开关和旁路开关，所述电池的一端与所述双向开关的一端连接，所述旁路开关的两端分别与所述电池的另一端和所述双向开关的另一端连接，多个串联支路以串联连接方式接入充放电电源的两端，所述控制器分别与所述电池、所述双向开关和所述旁路开关连接，所述控制器用于通过获取每个电池在充放电过程中的状态值以进行每个电池的当前充放电状态判断，并依据当前充放电状态调整对应的双向开关状态和/或旁路开关状态，以实现所述电池的充放电过程。
9.根据权利要求8所述的一种电池的充放电控制系统，其中，所述充放电控制系统还包括一个总开关，所述多个串联支路和所述总开关以串联连接方式接入充放电电源的两端，所述控制器还连接所述总开关，所述控制器还用于在进行所述串联支路的开关状态切换之前，控制总开关断开以关闭所述多个串联支路与所述充放电电源的连接。
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