CN113823853A - 一种用于救援充电的可更换车用电池包及互充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于救援充电的可更换车用电池包，包括多簇电池包；DC/DC充放电模块实现电能的输入和输出；主回路端口与DC/DC充放电模块并联对多簇电池包充电或放电；充电枪端口与DC/DC充放电模块并联，对多簇电池包充电或放电；电池管理系统收集多簇电池包内每个电池包的参数状态，并输入到DC/DC充放电模块。本发明针对换电模式下车辆，特别是用于重载车辆、工程机械的大型可更换电池系统，将通讯和电气解决方案均放置于可更换车用电池包内部，采用可更换车用电池包互相充电，充电方式更加灵活，不仅能够实现车辆之间的互充，还可以直接实现可更换车用电池包对另一可更换车用电池包的电力补充。

Description

一种用于救援充电的可更换车用电池包及互充电方法
技术领域
本发明涉及电池包制造技术领域，特别涉及到一种用于救援充电的可更换车用电池包及互充电方法。
背景技术
锂离子电池和新能源电动车在近十年来逐渐成熟，在我国发展迅速。电能是未来汽车类交通工具的主要替代能源，因为电能可以由太阳能、水能、风能以及核能等多种清洁可再生能源转换得到，也可以减少国家对石油等不再生能源的依赖性。随着环境保护、低碳经济、降低能耗的理念为人们重视，汽车工业因其尾气排放污染环境、高能耗等一系列负效应，面临日益严峻的挑战。相对传统的燃油汽车，新能源汽车能够有效降低汽车排放废气污染。从环境角度讲，新能源汽车废气排出量比传统汽车可减少92％-98％，从而实现交通能源多元化，保护环境；从能源角度讲，全球石油危机日益严重，汽车工业又是能耗的最大组成部分，新能源汽车的开发和使用有效解决了交通能源重消耗的问题，实现低碳经济可持续发展。
近年来，国家和地方层面都明确鼓励和扶持新能源汽车的推广使用。2014年的政府工作报告再次明确提出“推广新能源汽车”，坚持发展新能源汽车的国家战略不变，以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向不变，规划确定的发展目标不变，政府扶持的政策取向不变等“四个不变”。为了加快推广新能源汽车，多地政府在购车补贴、充电桩建设、新车上牌等方面出台了相关规定。
新能源电动汽车能源补充可以分为插充和换电两种模式，其中在插充模式下，主要有购买电池初期成本高、充电时间长以及充电安全性低三大类问题，另外，插充模式下，新能源电动车充电负荷具有显著的时空随机性，对电网的运行和规划会带来不利影响。而换电模式配合大规模集中型充电已经成为当前电动汽车发展的另一个具备竞争力的商业技术模式，第一，该模式下可以有效减少电动汽车的能源补给时间。第二，该模式下可以集中管理充电安全性，保证电池系统的安全可靠性。第三，通过合理的商业运作模式，采用电池租赁方式，既可以有效控制商务成本，又可以集中有效的管控电池系统的溯源性。
由于目前充电桩/换电站的普及程度还远不及加油站，电动汽车难免出现由于电池电量不足又找不到地方充电/换电，导致电池耗尽需要救援的情况。特别是对于电动化的重载型车辆、矿山机械等，长时间运行于城市之间或非公路封闭道路，电量来不及补充导致耗尽的风险更高；同时由于车辆自重过高导致无法通过拖车方式救援，这些体积巨大的车辆一旦抛锚对于道路交通、矿区作业的影响也更为严重。目前市场上存在专门针对道路缺电救援的充电车或可移动式充电包，对于城市运行的乘用车来说，由于保有量大，这种方式的经济性尚可接受。但是对于较为分散、覆盖面广的长途重载运输车辆，或者封闭区域行驶的矿山机械/车辆，这种专门配置充电救援车辆的方式存在利用率低、调配不及时等问题，导致时效性和经济性不可接受。现有技术中虽然对“车对车”式充电进行了研究，但仅是车对车进行充电的场景，期间握手信号、电池信息的处理，互充电电气方案的实现依赖车辆本身的平台，而且应用不灵活目前也仅应用于乘用车领域。同时互充电电气方案多数采用的DA/AC模块，但是DA/AC模块调压范围较低，不能实现不同规格的电池包之间的互相充电，应用受限。
因此，如何提供一种用于重载车辆、工程机械的大型可更换电池系统，且互相充电方式更加灵活并具备更高调压范围的可更换互充电池包是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，提出了一种用于救援充电的可更换车用电池包，针对换电模式下车辆，特别是用于重载车辆、工程机械的大型可更换电池系统，将通讯和电气解决方案均放置于可更换车用电池包内部，采用可更换车用电池包互相充电，充电方式更加灵活，不仅能够实现车辆之间的互充，还可以直接实现可更换车用电池包对另一可更换车用电池包的电力补充。
有鉴于此，本发明提出了一种用于救援充电的可更换车用电池包，包括
多簇电池包；若干电池包串联形成电池簇；电池簇并联形成多簇电池包；
DC/DC充放电模块；实现电能的输入和输出；其中若干多簇电池包的每一正极端通过继电器接入DC/DC充放电模块正极；若干多簇电池包的每一负极端通过互感器接入DC/DC充放电模块负极；
主回路端口，与DC/DC充放电模块并联，对多簇电池包充电或放电；
充电枪端口，与DC/DC充放电模块并联，对多簇电池包充电或放电；
电池管理系统(SBMS)；收集多簇电池包内每个电池包的参数状态，并输入到DC/DC充放电模块。
本发明中多簇电池包由若干电池包串联形成的电池簇；电池簇并联形成多簇电池包，达到所需的电压等级和设计容量。DC/DC充放电模块将电压稳定到设计的数值，然后并联两个端口：主回路端口和充电枪端口。本发明中电池管理系统收集多簇电池包内每个电池包的参数状态，并输入到DC/DC充放电模块，DC/DC充放电模块接收汇总每个电池包的参数状态实现电能的输入和输出。
前述用于救援充电的可更换车用电池包中电池簇中电池包的参数状态至少包括电池包内部的电压，电流、内阻和温度参数。
本发明中电池包的参数状态至少包括电压，电流、内阻和温度，还可以继续设置电池包中其他的参数如功率，容量，能量密度等。
前述用于救援充电的可更换车用电池包，主回路端口利用多簇电池包对车辆电气系统和用电设备放电以及在充电机对多簇电池包充电。
本发明中，可更换车用电池包主回路端口、车辆电气系统的换电接口、换电站充电机的充电座接口采用一致的电气和通讯标准，该类接口专门定位为适用于在换电模式下方便自动插拔对接。
前述用于救援充电的可更换车用电池包，充电枪端口利用标准充电桩对多簇电池包充电以及实现外接电池包与多簇电池包之间的互充电。
本发明中充电枪端口和现有国标充电桩接口保持一致。
前述用于救援充电的可更换车用电池包，实现可更换车用电池包之间的互充电，其中通过连接电缆的两端分别连接充电枪头，充电枪头与可更换车用电池包上的充电枪端口连接。
本发明充电枪头采用国标充电枪头，分别连接在连接电缆的两端，形成双枪头连接电缆，连接电缆的两端枪头分别与可更换车用电池包上的充电枪端口连接。
前述用于救援充电的可更换车用电池包，连接电缆上设置充放电控制器；充放电控制器分别与实现互充电的可更换车用电池包中的电池管理系统连接；并根据受电可更换车用电池包的需求，制定充电方案，并将充电方案发送至供电可更换车用电池包的电池管理系统和DC/DC充放电模块。
本发明中充放电控制器与可更换车用电池包中的电池管理系统连接，检测可更换车用电池的参数状态并根据受电可更换车用电池包的需求，制定充电方案，实现救援。
前述用于救援充电的可更换车用电池包实现互充电的方法，包括如下步骤：
其中供电可更换车用电池包为供电包，受电可更换车用电池包为受电包；
(1)充放电控制器分别向供电包和受电包发送状态检测请求；电池管理系统分别对供电包和受电包检测后向充放电控制器反馈；充放电控制器确认供电包和受电包信号正常，进入下一步骤；
(2)充放电控制器收集并确认受电包型号信息，并向供电包的DC/DC充放电模块发送充电电压等级数据；DC/DC充放电模块确认电压等级是否在DC/DC变换范围内，“否”充电终止；“是”进入下一步骤；
(3)通过充放电控制器设置供电包的最低电量限额以及受电包目标电量限额；
(4)受电包的电池管理系统检测各电池簇间电压是否平衡；“否”进入单簇补电流程；“是”进入整体补电流程；
(5)单簇补电流程：充放电控制器确定补电电流，并向供电包DC/DC充放电模块发送输出功率值并请求电能输出；并同时检测供电包和受电包状态；受电包各电池簇间电压不平衡消除完毕，则进入整体补电流程；
(6)整体补电流程：充放电控制器确定补电电流，并向供电包DC/DC充放电模块发送输出功率值并请求电能输出；并同时检测供电包和受电包状态。
许多场景下由于簇间放电不平衡导致了簇间压差过大，此时电池会进行放电保护，对车辆限制输出功率、无法正常行驶，而且通常是瞬发的，即可能此时车辆仪表显示总电量还不算低，但是电压差值超过电池管理系统保护阈值后突然启动保护，导致车辆必须低速、低扭矩行驶，因此本发明在针对多电池簇并联的大型动力电池系统，开发了分簇均衡补电功能，先将受电包各电池簇间电压不平衡消除完毕，则进入整体补电流程。
前述用于救援充电的可更换车用电池包实现互充电的方法，步骤(5)充放电控制器时时检测供电包和受电包状态，供电包电能达到或低于最低电量限额，则互充电终止。
前述用于救援充电的可更换车用电池包实现互充电的方法，步骤(6)充放电控制器时时检测供电包和受电包状态，供电包电能达到或低于最低电量限额或受电包电量达到目标充电值，则互充电终止。
优通过以上技术方案，本发明提出了一种用于救援充电的可更换车用电池包及互充电方法，具有如下技术效果：
1.本发明针对换电模式下车辆，特别是用于重载车辆、工程机械的大型可更换电池系统。通讯和电气解决方案均放置于可更换车用电池包内部，互相充电是通过电池对电池的方式，而不是电车对电车的方式，应用方式更加灵活，且除了车辆之间的互充，还可以将换电站空闲的电池包、或者暂时停运的车辆上的电池包取下来，放置在轻型载重车辆上直接过去救援，实现电池对车充电；也可以直接实现可更换车用电池包的电力互充。
2.本发明采取了DC/DC模块进行相互充放电，DC/DC模块具备更高的调压范围，可以实现不同规格间(采用相同策略和协议)的电池包之间的互相充电，可以实现小电池对大电池、低电量对高电量的充电，不限于完全相同型号车辆之间、高电量对低电量车辆的救援，还可以实现不同型号电池、将受电电池电量充到比供电电池更高的应用场景。
3.本发明特别针对多电池簇并联的大型动力电池系统，开发了分簇均衡补电功能。许多场景下由于簇间放电不平衡导致了簇间压差过大，此时电池会进行放电保护，对车辆限制输出功率、无法正常行驶，这种问题发生的概率较高，而且通常是瞬发的，即可能此时车辆仪表显示总电量还不算低，但是电压差值超过电池管理系统保护阈值后突然启动保护，导致车辆必须低速、低扭矩行驶。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为实施例1提供的可更换车用电池包结构示意图。
图2为实施例2提供的可更换车用电池包工作模式示意图。
图3为实施例3提供的可更换车用电池包互充模式示意图。
图4为实施例3提供的可更换车用电池包互充模式充放电控制器工作流程图。
其中，1为电池包，2为互感器，3为继电器，4为电池管理系统，5为DC/DC充放电模块，6为主回路端口，7为充电枪端口，8为供电包，9为受电包，10为连接电缆，11为充电枪头，12为充放电控制器。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
有鉴于此，本实施例提出了一种用于救援充电的可更换车用电池包，包括
多簇电池包；若干电池包1串联形成的电池簇；电池簇并联形成多簇电池包；
DC/DC充放电模块5；实现电能的输入和输出；其中若干多簇电池包的每一正极端通过继电器3接入DC/DC充放电模块5正极；若干多簇电池包的每一负极端通过互感器2接入DC/DC充放电模块5负极；
主回路端口6，与DC/DC充放电模块5并联，对多簇电池包进行充电或放电；
充电枪端口7，与DC/DC充放电模块5并联，对多簇电池包进行充电或放电；
电池管理系统4；收集多簇电池包内每个电池包1的参数状态，并输入到DC/DC充放电模块5。
如图1，本实施例中，多簇电池包由N*M个电池包1(标准电池箱)组成，N路串联，M路并联，达到所需的电压等级和设计容量。DC/DC充放电模块5将电压稳定到设计的数值，然后并联两个端口：主回路端口6和充电枪端口7
电池管理系统4收集多簇电池包内每个电池包1的参数状态，并输入到DC/DC充放电模块5，DC/DC充放电模块5接收汇总每个电池包1的参数状态实现电能的输入和输出。其中电池包1的参数状态至少包括电池包1内部的电压，电流、内阻和温度参数，还可以包括功率，容量，能量密度等参数。
本实施例中提及的可更换车用电池包主回路端口6，利用多簇电池包对车辆电气系统和用电设备放电以及在充电机对多簇电池包充电。
优选的，可更换车用电池包主回路端口6、车辆电气系统的换电接口、换电站充电机的充电座接口采用一致的电气和通讯标准，该类接口专门定位为适用于在换电模式下方便自动插拔对接，具有自定位功能和高可靠性。具体如图2，理解为可更换车用电池包主回路端口6包括两种工作模式，在模式1下，可更换车用电池包利用DC/DC充放电模块5稳定电压后，通过主回路端口6向与电动车辆电气系统的换电接口对接，向电动车辆提供高压输出；在模式2下，可更换车用电池包通过主回路端口6与换电站充电机的充电座接口对接，从换电站获取能量。
本实施例中提及的可更换车用电池包充电枪端口7利用标准充电桩对多簇电池包充电以及实现外接电池包与多簇电池包之间的互充电。
优选的，充电枪端口7和现有国标充电桩接口保持一致。可更换车用电池包充电枪端口7包括三种工作模式：在模式3下，可更换车用电池包通过充电枪端口7从标准充电桩获取电能，适用于备用情况下(例如换电站检修、附近找不到换电站等)的电能补充；在模式4下，可更换车用电池包通过充电枪端口7、利用专用互充电线缆(文中连接电缆10)从其它外接电池包获取电能，适用于救援模式下的电能补充；在模式5下，可更换车用电池包通过充电枪端口7、利用专用互充电线缆(连接电缆10)向其它外接电池包提供电能，适用于救援模式下的电能补充。本实施例中各种工作模式不会同时进行，会根据电池管理系统4和DC/DC充放电模块5的逻辑判定，确定执行方法。
如图3，本实施例中提及的可更换车用电池包实现可更换车用电池包之间的互充电，其中通过连接电缆10的两端分别连接充电枪头11，充电枪头11与可更换车用电池包上的充电枪端口7连接。
本实施例中的连接电缆10的两端分别连接充电枪头11可理解为：充电枪头11采用国标充电枪头11，分别连接在连接电缆10的两端，形成双枪头连接电缆10，连接电缆10的两端枪头分别与可更换车用电池包上的充电枪端口7连接。
本实施例中提及的可更换车用电池包连接电缆10上设置充放电控制器12；充放电控制器12分别与实现互充电的可更换车用电池包中的电池管理系统4连接；并根据受电可更换车用电池包的需求，制定充电方案，并将充电方案发送至供电可更换车用电池包的电池管理系统4和DC/DC充放电模块5。
本实施例中的充放电控制器12可理解为与可更换车用电池包中的电池管理系统4连接，并检测可更换车用电池包的参数状态并根据受电可更换车用电池包(受电包9)的需求，制定充电方案，发送给供电可更换车用电池包(供电包8)的电池管理系统4和DC/DC充放电模块5，进行救援。
本实施例中提及的可更换车用电池包实现互充电的方法如图4，可以包括如下步骤：
其中供电可更换车用电池包为供电包8，受电可更换车用电池包为受电包9；
(1)当双枪头连接电缆10的充电枪头11分别插入供电包8和受电包9后，充放电控制器12分别向供电包8和受电包9发送状态检测请求；供电包8和受电包9的电池管理系统4分别对供电包8和受电包9中的电池包检测后向充放电控制器12反馈检测结果；充放电控制器12确认供电包8和受电包9信号正常，进入下一步骤，即步骤(2)；
(2)充放电控制器12收集并确认受电包9型号信息，并向供电包8的DC/DC充放电模块5发送充电电压等级数据；供电包8的DC/DC充放电模块5收到充电电压等级数据后，确认电压等级是否在DC/DC变换范围内，如果不在范围内为“否”则无法进行互充电，流程终止充电终止；如果在范围内为“是”进入下一步骤即步骤(3)；
(3)通过充放电控制器12的面板设置供电包8的最低电量限额以及受电包9目标电量限额；进入下一步骤即步骤(4)；
(4)受电包9的电池管理系统4检测各电池簇间电压是否平衡；如果不平衡为“否”进入单簇补电流程即执行步骤(5)；如果平衡为“是”进入整体补电流程即执行步骤(6)；
(5)单簇补电流程：充放电控制器12根据受电包9提供的电池簇状态确定补电电流，并向供电包8DC/DC充放电模块5发送输出功率值并请求电能输出；供电包8开始供电、受电电池包开始充电；充放电控制时时检测供电包8和受电包9状态；如果供电包8电能达到或低于最低电量限额，则互充电终止；如果受电包9各电池簇间电压不平衡消除完毕，则进入整体补电流程即执行步骤(6)；
为方便理解本实施例步骤(5)，其中本实施例中设置单簇补电流程的意义为许多场景下由于簇间放电不平衡导致了簇间压差过大，此时电池会进行放电保护，对车辆限制输出功率、无法正常行驶，而且通常是瞬发的，即可能此时车辆仪表显示总电量还不算低，但是电压差值超过电池管理系统4保护阈值后突然启动保护，导致车辆必须低速、低扭矩行驶，因此本实施例在针对多电池簇并联的大型动力电池系统，开发了分簇均衡补电功能，受电包9各电池簇间电压不平衡消除完毕，则进入整体补电流程。
(6)整体补电流程：充放电控制器12根据受电包9提供的电池簇状态确定补电电流，并向供电包8DC/DC充放电模块5发送输出功率值并请求电能输出；供电包8开始供电、受电电池包开始充电；充放电控制时时检测供电包8和受电包9状态；如果供电包8电能达到或低于最低电量限额或受电包9电量达到目标充电值，则互充电终止。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于救援充电的可更换车用电池包，其特征在于，包括
多簇电池包；若干电池包串联形成电池簇；所述电池簇并联形成所述多簇电池包；
DC/DC充放电模块；实现电能的输入和输出；其中若干所述多簇电池包的每一正极端通过继电器接入DC/DC充放电模块正极；若干所述多簇电池包的每一负极端通过互感器接入所述DC/DC充放电模块负极；
主回路端口，与所述DC/DC充放电模块并联，对所述多簇电池包充电或放电；
充电枪端口，与所述DC/DC充放电模块并联，对所述多簇电池包充电或放电；
电池管理系统；收集所述多簇电池包内每个所述电池包的参数状态，并输入到所述DC/DC充放电模块。
2.根据权利要求1所述的可更换车用电池包，其特征在于，所述电池包的参数状态至少包括所述电池包内部的电压，电流、内阻和温度参数。
3.根据权利要求1所述的可更换车用电池包，其特征在于，所述主回路端口利用所述多簇电池包对车辆电气系统和用电设备放电以及在充电机对所述多簇电池包充电。
4.根据权利要求1所述的可更换车用电池包，其特征在于，所述充电枪端口利用标准充电桩对所述多簇电池包充电以及实现外接电池包与所述多簇电池包之间的互充电。
5.根据权利要求1所述的可更换车用电池包，其特征在于，实现所述可更换车用电池包之间的互充电，其中通过连接电缆的两端分别连接充电枪头，所述充电枪头与所述可更换车用电池包上的所述充电枪端口连接。
6.根据权利要求5所述的可更换车用电池包，其特征在于，所述连接电缆上设置充放电控制器；所述充放电控制器分别与所述可更换车用电池包中的所述电池管理系统连接；并根据受电所述可更换车用电池包的需求制定充电方案，并将所述充电方案发送至供电所述可更换车用电池包的所述电池管理系统和所述DC/DC充放电模块。
7.根据权利要求6所述的可更换车用电池包实现互充电的方法，其特征在于，包括如下步骤：
其中供电所述可更换车用电池包为供电包，受电所述可更换车用电池包为受电包；
(1)所述充放电控制器分别向所述供电包和所述受电包发送状态检测请求；所述电池管理系统分别对所述供电包和所述受电包检测后向所述充放电控制器反馈；所述充放电控制器确认所述供电包和所述受电包信号正常，进入下一步骤；
(2)所述充放电控制器收集并确认受电包型号信息，并向供电包的所述DC/DC充放电模块发送充电电压等级数据；所述DC/DC充放电模块确认所述电压等级是否在DC/DC变换范围内，“否”充电终止；“是”进入下一步骤；
(3)通过所述充放电控制器设置所述供电包的最低电量限额以及所述受电包目标电量限额；
(4)所述受电包的所述电池管理系统检测各所述电池簇间电压是否平衡；“否”进入单簇补电流程；“是”进入整体补电流程；
(5)所述单簇补电流程：所述充放电控制器确定补电电流，并向所述供电包所述DC/DC充放电模块发送输出功率值并请求电能输出；并同时检测所述供电包和所述受电包状态；所述受电包各所述电池簇间电压不平衡消除完毕，则进入整体补电流程；
(6)所述整体补电流程：所述充放电控制器确定补电电流，并向所述供电包所述DC/DC充放电模块发送输出功率值并请求电能输出；并同时检测所述供电包和所述受电包状态。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述充放电控制器时时检测所述供电包和所述受电包状态，所述供电包电能达到或低于最低电量限额，则互充电终止。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(6)所述充放电控制器时时检测所述供电包和所述受电包状态，所述供电包电能达到或低于最低电量限额或所述受电包电量达到目标充电值，则互充电终止。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN118024908A (zh) * 2024-03-29 2024-05-14 深圳市莱动科技有限公司 一种智能充放电救援一体桩充放电控制方法及装置

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