CN114389341A - 电池包系统和电动车 - Google Patents

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CN114389341A CN202210071823.8A CN202210071823A CN114389341A CN 114389341 A CN114389341 A CN 114389341A CN 202210071823 A CN202210071823 A CN 202210071823A CN 114389341 A CN114389341 A CN 114389341A
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Abstract

本发明提供了电池包系统和电动车，包括：电池单元组，电池单元组包括多个电池单元，每个电池单元包括BMS、电池模组和功率转换器；每个电池单元之间相互串联和/或并联连接，电池模组和功率转换器分别与BMS相连接；BMS用于根据功率转换器控制电池模组的输出电压和/或输出电流，以及根据需求控制电池单元的数量；每个电池单元均包括电池模组和功率转换器，每个电池单元均可作为独立的功能模块应用，用户通过调整每个电池单元的数量以及输出电压和/或输出电流，即可灵活调整电池包系统的容量和电压，以满足不同场景下的容量需求和电压需求，并且能够保持各个电池单元的容量平衡。

Description

电池包系统和电动车
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及电池包系统和电动车。
背景技术
电动车是指使用电能作为动力源，通过电动机驱动行驶的车辆，属于新能源车辆。由于其对环境影响小，因而发展前景被广泛看好。电动车的动力电池是其关键技术，决定了它的续航里程和成本。
电池在不同的应用市场对电池的电压和容量需求不同，而现有市场上的单个的标准电池模组一般标称电压和容量较低，如51V，40Ah等。随着续航里程和动力的逐渐增加的趋势，现有技术中的标准电池模组无法灵活满足不同场景下的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供电池包系统和电动车，每个电池单元均包括电池模组和功率转换器，每个电池单元均可作为独立的功能模块应用，用户通过调整每个电池单元的数量以及输出电压和/或输出电流，即可灵活调整电池包系统的容量和电压，以满足不同场景下的容量需求和电压需求，并且能够保持各个电池单元的容量平衡。
第一方面，本发明实施例提供了电池包系统，所述系统包括电池单元组，所述电池单元组包括多个电池单元，每个所述电池单元包括BMS、电池模组和功率转换器；每个所述电池单元之间相互串联和/或并联连接，所述电池模组和所述功率转换器分别与所述BMS相连接；
所述BMS，用于根据所述功率转换器控制所述电池模组的输出电压和/或输出电流，以及根据需求控制所述电池单元的数量。
进一步的，所述电池单元还包括开关模块，所述开关模块与所述BMS相连接；
所述BMS，用于控制所述开关模块的状态调整所述电池单元的数量；其中，所述开关模块为继电器或MOS开关管。
进一步的，所述BMS，用于在每个所述电池单元之间相互串联连接的情况下，根据所述功率转换器控制所述电池模组的输出电压。
进一步的，所述BMS，用于在每个所述电池单元之间相互并联连接的情况下，根据所述功率转换器控制所述电池模组的输出电流。
进一步的，所述BMS，用于接收每个所述电池单元发送的对应ID，将所述ID通过竞争算法，得到最小的ID，并将所述最小的ID对应的电池单元作为主电池单元，将其余的电池单元作为从电池单元；
以及根据所述功率转换器控制所述主电池单元的输出电压和所述从电池单元的输出电流。
进一步的，所述电池单元组包括N1个串联式电池包，每个所述串联式电池包包括M1个电池单元；其中，N1个所述串联式电池包之间相互并联，M1个所述电池单元之间相互串联；
所述BMS，用于获取每个所述串联式电池包的主电池单元和多个从电池单元；从每个所述串联式电池包的主电池单元中选取ID最小的一个主电池单元作为总电池单元；
所述总电池单元，用于接收其余所述主电池单元的信息。
进一步的，所述主电池单元，用于接收每个所述从电池单元发送的电压信息和电流信息，并将所述电压信息和所述电流信息发送给所述总电池单元。
进一步的，所述电池单元组包括X个横向电池序列和Y个纵向电池序列，每个所述横向电池序列包括N2个电池单元，每个所述纵向电池序列包括M2个电池单元；X个所述横向电池序列和Y个所述纵向电池序列之间呈矩阵式连接；
所述BMS，用于获取每个所述横向电池序列的主电池单元和多个从电池单元；从每个所述横向电池序列的主电池单元中选取ID最小的一个主电池单元作为总电池单元；
或者，
获取每个所述纵向电池序列的主电池单元和多个从电池单元；从每个所述纵向电池序列的主电池单元中选取ID最小的一个主电池单元作为所述总电池单元。
进一步的，所述电池模组的电量为1千瓦时。
第二方面，本发明实施例提供了电动车，包括如上所述的电池包系统。
本发明实施例提供了电池包系统和电动车，包括：电池单元组，电池单元组包括多个电池单元，每个电池单元包括BMS、电池模组和功率转换器；每个电池单元之间相互串联和/或并联连接，电池模组和功率转换器分别与BMS相连接；BMS用于根据功率转换器控制电池模组的输出电压和/或输出电流，以及根据需求控制电池单元的数量；每个电池单元均包括电池模组和功率转换器，每个电池单元均可作为独立的功能模块应用，用户通过调整每个电池单元的数量以及输出电压和/或输出电流，即可灵活调整电池包系统的容量和电压，以满足不同场景下的容量需求和电压需求，并且能够保持各个电池单元的容量平衡。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例一提供的电池包系统示意图；
图2为本发明实施例一提供的串联式电池单元连接关系示意图；
图3为本发明实施例一提供的并联式电池单元连接关系示意图；
图4为本发明实施例一提供的串并联式电池单元连接关系示意图；
图5为本发明实施例一提供的矩阵式电池单元连接关系示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为便于对本实施例进行理解，下面对本发明实施例进行详细介绍。
实施例一：
图1为本发明实施例一提供的电池包系统示意图。
参照图1，该系统包括电池单元组，电池单元组包括多个电池单元，每个电池单元包括BMS(Battery Management System，电池管理系统)、电池模组和功率转换器；每个电池单元之间相互串联和/或并联连接，电池模组和功率转换器分别与BMS相连接；
BMS，用于根据功率转换器控制电池模组的输出电压和/或输出电流，以及根据需求控制电池单元的数量。
这里，BMS是管理和监控电池的中枢，管理、维护和监控各个电池单元。例如，电池物理参数实时监测、电池状态估计、在线诊断与预警、充放电与预充控制均衡管理和热管理等等，肩负着防止电池过充过放电、延长电池使用寿命和帮助电池正常运行的重任。以上哪个功能实现不好，都会让电池出现致命的危害。BMS的主要功能包括数据采集、电池状态计算、能量管理、热管理、安全管理、均衡控制和通信功能等。
功率转换器为本领域常规的器件。电池模组为本领域常规的单个标准电池模组，其中，每个电池模组的电量为1千瓦时，标称为50V。
由于受到外部电路和通信网络节点的限制，本申请电池包系统中的电池单元的数量上限为100个，否则容易产生电池单元之间无法通信等问题。
本实施例中，每个电池单元均包括电池模组和功率转换器，每个电池单元均可作为独立的功能模块应用，用户通过调整电池包系统中的电池单元的数量及每个电池单元的输出电压和/或输出电流，即可灵活调整电池包系统的电压和容量，以满足不同场景下的容量需求和电压需求，并且能够保持各个电池单元的容量平衡。
进一步的，电池单元还包括开关模块，开关模块与BMS相连接；
BMS，用于控制开关模块的状态调整电池单元的数量；其中，开关模块为继电器或MOS开关管。
进一步的，BMS，用于在每个电池单元之间相互串联连接的情况下，根据功率转换器控制电池模组的输出电压。其中，电池单元的数量为1-100。
参照图2，每个电池单元之间相互串联，假设电池单元的数量为6，则6个电池单元之间相互串联。每个电池单元包括电池模组和与电池模组电连接的功率转换器，BMS通过功率转换器控制电池模组的输出电压。每个电池模组的电量为1千瓦时，标称电压为50V。
根据实际使用需求，在电池包系统中可以预设更少或更多数量的电池单元，通过BMS控制每个电池单元的功率转换器，从而调整电池单元的输出功率。例如，6个50V的1度电的电池模组串联组成300V(即n×50V，n＝6)的电池包系统，电池包系统的总电量为6(即6×1)度电。
当放电时，电池包系统的总输出电压为6×50V，由于电池的差异性，电池组长期运行，个体容量差异将会变大。当多个电池模组串联时，每个电池模组的电流是一致的；当每个电池模组的容量不一致时，BMS通过功率转换器调节每个电池模组的输出电压，从而调节每个电池模组的输出功率，从而达到平衡每个电池模组容量的目的。其中，容量越大，电量越多的电池模组输出功率越大；容量为0的电池模组，输出电压为0。
另外，充电时的工作方式与上述放电时的工作方式相反，电量越低的电池模组，输出电压越高；电量越高的电池模组，输出电压越低，从而达到平衡负荷的作用。
进一步的，BMS，用于在每个电池单元之间相互并联连接的情况下，根据功率转换器控制电池模组的输出电流。其中，电池单元的数量为2-100。
参照图3，每个电池单元之间相互并联连接，假设电池单元的数量为6，6个电池单元之间并联连接。每个电池单元包括电池模组和电连接于电池模组的功率转换器，BMS通过功率转换器控制电池模组的输出电流。每个电池模组的电量为1千瓦时，标称电压为50V。
其中，每个电池单元还包括开关模块。在电池包系统中可以预设更少或更多数量的电池单元，根据实际使用需求，通过BMS控制每个电池单元的开关模块的开关状态以及每个电池单元的功率转换器，从而调整实际工作的电池单元的数量和输出功率。
进一步的，BMS，用于接收每个电池单元发送的对应ID，将ID通过竞争算法，得到最小的ID，并将最小的ID对应的电池单元作为主电池单元，将其余的电池单元作为从电池单元；
以及根据功率转换器控制主电池单元的输出电压和从电池单元的输出电流。
具体地，每个电池单元设置有对应的ID(Identity，标识码)，BMS通过竞争算法确定6个电池单元中的其中一个电池单元(即该电池单元对应的ID)为主电池单元，则其余5个电池单元(即5个电池单元各自对应的ID)为从电池单元。
BMS用于通过功率转换器控制主电池单元的输出电压和若干从电池单元的输出电流。具体地，主电池单元能够调整整体输出电压值以及接收其余5个从电池单元的电压和电流等信息，并将该信息输送至上一级系统，从而便于后续调节各个从电池单元的输出电流以平衡负载。其中，上一级系统是指VCU(Vehicle Control Unit，整车控制单元)。
6个50V的1度电的电池模组并联组成50V的电池包系统，电池包系统的总电量为6度电。主电池单元的电池模组工作在电压源模式，输出50V的直流电压，从电池单元的电池模组工作在电流源模式，跟踪负载电流的变化，达到负载均衡的效果。
进一步的，电池单元组包括N1个串联式电池包，每个串联式电池包包括M1个电池单元；其中，N1个串联式电池包之间相互并联，M1个电池单元之间相互串联；其中，电池单元的数量为4-100；
BMS，用于获取每个串联式电池包的主电池单元和多个从电池单元；从每个串联式电池包的主电池单元中选取ID最小的一个主电池单元作为总电池单元；
总电池单元，用于接收其余主电池单元的信息。
进一步的，主电池单元，用于接收每个从电池单元发送的电压信息和电流信息，并将电压信息和电流信息发送给总电池单元。
具体地，参照图4，电池单元组包括N1个串联式电池包，每个串联式电池包包括M1个电池单元；其中，N1个串联式电池包之间相互并联，M1个电池单元之间相互串联；假设N1＝4，N1＝4，n＝16，即电池单元组总共包括16个电池单元。
4个相互串联的电池单元分为1个主电池单元和3个从电池单元，1个主电池单元和3个从电池单元之间相互串联。每个电池单元都设置有对应的ID，BMS确定每个串联式电池包的4个电池包中的其中一个电池单元(即该电池单元对应的ID)为主电池单元，其余3个电池单元(即3个电池单元各自对应的ID)为从电池单元。
该电池系统(本实例中为16个电池单元)会从4个串联式电池包的4个主电池单元中指定ID最小的一个主电池单元为总电池单元，由其负责接收其他主电池单元的信息和对整个电池矩阵进行控制和总体调配，主电池单元工作在电压源模式，起到控制该串联式电池包电压的作用；从电池单元工作在电流源模式，起到负载均衡的作用。BMS用于通过功率转换器控制主电池单元的输出电压和多个从电池单元的输出电流。
主电池单元能够调整整体输出电压值以及接收与主电池单元串联的其它3个从电池单元的电压和电流等信息，并将该信息输送至上一级系统(即总电池单元)，从而便于后续调节各个从电池单元的输出电流以平衡负载。所述电池控制系统用于通过功率转换器控制所述主电池单元的输出电压和每一个从电池单元的输出电流。
示例地，每个电池模组的电量为1千瓦时，标称电压为50V。根据实际使用需求，在电池包系统中可以预设更少或更多数量的电池单元，通过电池控制系统控制每个电池单元的功率转换器，从而调整电池单元的输出功率。16个50V的1度电的电池模组组成一个电压为200V(L×50V，L＝4)、总电量为16度电的电池包系统。可选地，上述电池包系统中的每个电池单元包括开关模块。在电池包系统中可以预设更少或更多数量的电池单元，根据实际使用需求，通过电池控制系统控制每个电池单元的开关模块的开关状态以及每个电池单元的功率转换器，从而调整实际工作的电池单元的数量和输出功率。其中，BMS对每个电池单元的调整过程可以采用人工调整的方式，也可以根据实际需求采用智能功率分配算法进行智能化控制。
进一步的，电池单元组包括X个横向电池序列和Y个纵向电池序列，每个横向电池序列包括N2个电池单元，每个纵向电池序列包括M2个电池单元；X个横向电池序列和Y个纵向电池序列之间呈矩阵式连接；其中，电池单元的数量为4-100；
BMS，用于获取每个横向电池序列的主电池单元和多个从电池单元；从每个横向电池序列的主电池单元中选取ID最小的一个主电池单元作为总电池单元；
或者，
获取每个纵向电池序列的主电池单元和多个从电池单元；从每个纵向电池序列的主电池单元中选取ID最小的一个主电池单元作为总电池单元。
一种电动车，包括如上所述的电池包系统。
具体地，参照图5，电池单元组包括X个横向电池序列和Y个纵向电池序列，每个横向电池序列包括N2个电池单元，每个纵向电池序列包括M2个电池单元；X个横向电池序列和Y个纵向电池序列之间呈矩阵式连接。其中，X＝4，Y＝4，N2＝4，M2＝4，即16个电池单元包括4个横向电池序列和4个纵向电池序列，每个横向电池序列包括4个电池单元，每个纵向电池序列包括4个电池单元，4个横向电池序列的所有电池单元和4个纵向电池序列的所有电池单元之间呈矩阵式电连接。如果电池包系统中的任何一个电池单元发生损坏，能够自动自我隔离，不会影响其他电池单元的正常工作，尤其适用于大规模组网形成大容量储能电池。每个电池单元的电池模组通过BMS组成矩阵，用户可以将电池模组组成任何容量的系统，如10kWh、100kWh和1000kWh或者更大规模的系统。
每个电池单元都设置有对应的ID，BMS确定每个横向电池序列(或者每个纵向电池序列)的4个电池包中的其中一个电池单元(即该电池单元对应的ID)为主电池单元，其余3个电池单元(即3个电池单元各自对应的ID)为从电池单元，即每个横向电池序列(或者每个纵向电池序列)包括1个主电池单元和3个从电池单元。
该电池系统(本实例中为16个电池单元)会从所有的横向电池序列中的主电池单元中(本实例中为4个)指定ID最小的一个主电池单元为总电池单元，由其负责接收其他主电池单元的信息和对整个电池矩阵进行控制和总体调配，主电池单元工作在电压源模式，起到控制该横向电池序列电压的作用；从电池单元工作在电流源模式，起到纵向负载均衡的作用。其中，每个电池单元包括一个电池模组和一个功率转换器。
BMS通过功率转换器控制主电池单元的输出电压和每个从电池单元的输出电流。具体地，主电池单元能够调整每个横向电池序列(或者每个纵向电池序列)的整体输出电压值以及接收与其串联的其他3个从电池单元的电压和电流等信息，并将该信息输送至上一级系统(即总电池单元)，从而便于后续调节每个从电池单元的输出电流以平衡负载。
示例地的，每个电池模组的电量为1千瓦时，标称电压为50V。根据实际使用需求，在电池包系统中可以预设更少或更多数量的电池单元，通过BMS控制每个电池单元的功率转换器，从而调整电池单元的输出功率。16个50V的1度电的电池模组组成一个电压为200V(m×50V，m＝4)、总电量为16度电的电池包系统。
可选地，上述电池包系统中的每个电池单元进一步包括开关模块，开关模块为继电器或MOS开关管等。在电池包系统中可以预设更少或更多数量的电池单元，根据实际使用需求，通过BMS控制每个电池单元的开关模块的开关状态以及每个电池单元的功率转换器，从而调整实际工作的电池单元的数量和输出功率。其中，BMS对每个电池单元的调整过程可以采用人工调整的方式，也可以根据实际需求采用智能功率分配算法进行智能化控制。
本发明实施例所提供的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电池包系统，其特征在于，所述系统包括电池单元组，所述电池单元组包括多个电池单元，每个所述电池单元包括BMS、电池模组和功率转换器；每个所述电池单元之间相互串联和/或并联连接，所述电池模组和所述功率转换器分别与所述BMS相连接；
所述BMS，用于根据所述功率转换器控制所述电池模组的输出电压和/或输出电流，以及根据需求控制所述电池单元的数量。
2.根据权利要求1所述的电池包系统，其特征在于，所述电池单元还包括开关模块，所述开关模块与所述BMS相连接；
所述BMS，用于控制所述开关模块的状态调整所述电池单元的数量；其中，所述开关模块为继电器或MOS开关管。
3.根据权利要求1所述的电池包系统，其特征在于，所述BMS，用于在每个所述电池单元之间相互串联连接的情况下，根据所述功率转换器控制所述电池模组的输出电压。
4.根据权利要求1所述的电池包系统，其特征在于，所述BMS，用于在每个所述电池单元之间相互并联连接的情况下，根据所述功率转换器控制所述电池模组的输出电流。
5.根据权利要求4所述的电池包系统，其特征在于，所述BMS，用于接收每个所述电池单元发送的对应ID，将所述ID通过竞争算法，得到最小的ID，并将所述最小的ID对应的电池单元作为主电池单元，将其余的电池单元作为从电池单元；
以及根据所述功率转换器控制所述主电池单元的输出电压和所述从电池单元的输出电流。
6.根据权利要求1所述的电池包系统，其特征在于，所述电池单元组包括N1个串联式电池包，每个所述串联式电池包包括M1个电池单元；其中，N1个所述串联式电池包之间相互并联，M1个所述电池单元之间相互串联；
所述BMS，用于获取每个所述串联式电池包的主电池单元和多个从电池单元；从每个所述串联式电池包的主电池单元中选取ID最小的一个主电池单元作为总电池单元；
所述总电池单元，用于接收其余所述主电池单元的信息。
7.根据权利要求6所述的电池包系统，其特征在于，所述主电池单元，用于接收每个所述从电池单元发送的电压信息和电流信息，并将所述电压信息和所述电流信息发送给所述总电池单元。
8.根据权利要求1所述的电池包系统，其特征在于，所述电池单元组包括X个横向电池序列和Y个纵向电池序列，每个所述横向电池序列包括N2个电池单元，每个所述纵向电池序列包括M2个电池单元；X个所述横向电池序列和Y个所述纵向电池序列之间呈矩阵式连接；
所述BMS，用于获取每个所述横向电池序列的主电池单元和多个从电池单元；从每个所述横向电池序列的主电池单元中选取ID最小的一个主电池单元作为总电池单元；
或者，
获取每个所述纵向电池序列的主电池单元和多个从电池单元；从每个所述纵向电池序列的主电池单元中选取ID最小的一个主电池单元作为所述总电池单元。
9.根据权利要求1所述的电池包系统，其特征在于，所述电池模组的电量为1千瓦时。
10.一种电动车，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的电池包系统。
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