CN115173499A - 一种电池组充放电控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池组充放电控制系统及方法，其中电池组充放电控制系统包括：电池充放电顺序轮换拓扑电路和控制单元；电池充放电顺序轮换拓扑电路包括由N个电池连接的电池组、及连接于电池组的转换开关；电池充放电顺序轮换拓扑电路根据转换开关的通断来轮换N个电池的连接顺序；控制单元内置电池充放电顺序轮换策略，转换开关连接到控制单元，由控制单元依据电池充放电顺序轮换策略控制转换开关的通断。根据本发明提供的技术方案，能整体上保持电池组的电池寿命一致性。

Description

一种电池组充放电控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电池均衡管理技术领域，具体涉及一种电池组充放电控制系统及方法。

背景技术

对退役电池组进行回收筛选发现，靠近电池组总正极的首端电池和靠近总负极的末端电池更常见成为落后电池，其老化速度和失效比例普遍高于远离总正极和总负极的中间电池，此种现象的原因在于，一方面是处在电池组不同位置的电池其散热环境有差异，另一方面则是电池组充放电的上电瞬间，产生的浪涌电流往往首先冲击电池组的首端和末端电池，多次浪涌累积使位于电池组首端或未端的电池易提前老化、寿命缩短。

发明内容

为了解决电池组首端和未端的电池更易提前老化、寿命缩短的问题，本发明提出了电池组每次开启充放电之时首先轮换电池的连接顺序，使每个电池成为首端或末端电池的次数保持均匀的解决方案。

本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种电池组充放电控制系统，用于均匀轮换电池充放电的连接顺序以保持电池组的电池寿命一致性，包括：电池充放电顺序轮换拓扑电路和控制单元；电池充放电顺序轮换拓扑电路包括由N个电池连接的电池组、及连接于电池组的转换开关电池；充放电顺序轮换拓扑电路根据转换开关的通断来轮换N个电池的连接顺序；控制单元内置电池充放电顺序轮换策略，转换开关连接到控制单元，由控制单元依据电池充放电顺序轮换策略控制转换开关的通断。

第二方面，本发明提供一种电池组充放电控制方法，包括步骤：S1，搭建电池充放电顺序轮换拓扑电路，电池充放电顺序轮换拓扑电路中电池的连接顺序能动态轮换；S2，构建电池充放电顺序轮换策略并内置到控制单元，控制单元能根据电池充放电顺序轮换策略控制充放电时电池的连接顺序；S3，电池组连接充放电时，控制单元首先提取上次充放电的电池连接顺序、再结合电池充放电顺序轮换策略确定当次充放电的电池连接顺序、并控制电池组按照当次充放电的电池连接顺序接通进行充放电。

本发明的有益效果为：

本发明通过在每次充放电开启之时首先轮电池的连接顺序，使每个电池成为首端或未端电池的次数均匀，从而使每个电池因受浪涌电流冲击累积而提前老化、寿命缩短的机会均衡，进而整体上保持电池组的电池寿命一致性。

附图说明

图1是电池组充放电控制系统的结构示意图。

图2是电池充放电顺序轮换拓扑电路的结构示意图。

图3是以4个电池连接为例其充放电连接顺序为B1～B2～B3～B4的连接示意图。

图4是以4个电池连接为例其充放电连接顺序为B4～B1～B2～B3的连接示意图。

图5是以4个电池连接为例其充放电连接顺序为B3～B4～B1～B2的连接示意图。

图6是以4个电池连接为例其充放电连接顺序为B2～B3～B4～B1的连接示意图。

图7是电池组充放电控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

电池组启动充放电的上电瞬间，出现极短时间的浪涌电流，浪涌电流值往往超过电池的工作电流，当浪涌电流的电流值超过设定的阈值时往往受电池保护板的过流保护而保证了电池的安全，但由于电池的电化学特性，在某些特殊情况，如电池过度放电之后再充电时首先需要用涓流充电进行补救，此种情况下的浪涌电流可能因处在电池的工作电流范围内不受保护板的拦截但仍会对电池造成损伤，尤其是电池组的首端和末端电池最易受到浪涌冲击，现有技术中，电池组的连接顺序是固定的，长期的损伤积累造成首端和末端电池成为落后电池，影响电池组的整体性能和寿命。

请参考图1，本发明提供一种电池组充放电控制系统，用于均匀轮换电池充放电的连接顺序以保持电池组的电池寿命一致性，包括：电池充放电顺序轮换拓扑电路和控制单元；电池充放电顺序轮换拓扑电路包括由N个电池连接的电池组、及连接于电池组的转换开关；电池充放电顺序轮换拓扑电路根据转换开关的通断来轮换N个电池的连接顺序；控制单元内置电池充放电顺序轮换策略，转换开关连接到控制单元，由控制单元依据电池充放电顺序轮换策略控制转换开关的通断。

具体地，出于连接和使用稳定性的考虑，电池组的物理放置位置保持相对固定，要使充放电连接的顺序轮换，则需要通过轮换拓扑电路来实现，即通过开关的转换通断来实现。而开关的转换通断由控制单元根据轮换策略自动控制，从而实现电池物理位置的固定性和充放电的连接顺序可轮换性的结合。

进一步地，请参考图2，电池充放电顺序轮换拓扑电路包括：N个电池的正负极首尾相连，其中最后一个电池的负极与最前一个电池的正极相连，形成一个串接环形结构；其中，每两个相连的电池通过一个双极转换开关跨接，双极转换开关的输入端连接到相连电池之间的负极、其中一个输出端可连接到相连电池之间的正极、另一个输出端可连接到电池组的总负极；每个电池的正极通过一个单极转换开关可连接到电池组的总正极。

具体地，每个电池的正极为B+、负极为B-，电池组总正极为P+、总负极为P-，现有技术中，N个电池连接时，由正负极首尾相连，首端电池的正极B+和未端电池的负极B-不连接，由首端电池的正极B+为电池组总正极P+、由未端电池的负极B-为电池组总负极P-，本发明中的轮换策略需要每个电池可轮换成为首端电池和未端电池，因此连接方式为所有电池首尾可连接成为一个环形，每个电池的正极B+都与另一个电池的负极B-可连接、每个电池的正极B-与另一个电池的正极B+可连接，这样每个电池都可受控成为首端或未端电池。

进一步地，电池充放电顺序轮换策略具体为：每次电池组连接充放电，首先根据预设的电池串接排位规则，确定串接环形结构中的一个电池排列在第1位、依次连接在其后的电池排列为第2至n位；将连接在第1位电池正极的单极转换开关连通到电池组总正极、将连接在第n位电池负极的双极转换开关的输出端连通到电池组总负极、将连接在第2至n-1位电池负极的双极转换开关的输出端连通到相连的电池正极，形成当次充放电的电池连接顺序。其中，预设的电池串接排位规则为：将串接环形结构中的一个电池编号为B1，依次连接在其后的电池编号为B2、……、Bn-1、Bn；以B1、B2、……、Bn-1、Bn为元素创建N阶循环矩阵Order：

若电池组首次连接充放电，则选取N阶循环阵列Order的第1个行向量[B1、B2、……、Bn-1、Bn]的元素顺序为首次充放电的连接顺序；后续连接充放电，则依序选取第2至第n个行向量的元素做为第2至第n次充放电的连接顺序；待选取完第n个行向量做为充放电的连接顺序后，再回到第1个行向量开始依序循环选取。

具体地，采用N阶循环阵列的行向量与拓扑电路的电池连接轮换顺序相契合的思路实现电池连接顺序均匀轮换，以下为以4个电池连接为例，按照4阶循环阵列的具体轮换连接方式为：(1)首次充放电时，请参考图3，取4阶循环阵列的第1个行向量做为连接顺序：B1～B2～B3～B4，即B1为首端电池、B4为末端电池，B2、B3为中间电池的连接顺序；(2)第二次充放电时，请参考图4，取4阶循环阵列的第2个行向量做为连接顺序：B4～B1～B2～B3，即取上次(首次)充放电的末端电池B4为首端电池，上次(首次)充放电的首端电池B1连接在本次(第二次)充放电的首端电池B4之后成为中间电池，上次(首次)充放电连接在末端电池之前的中间电池B3成为本次(第二次)充放电的末端电池；(3)第三次充放电时，请参考图5，取4阶循环阵列的第3个行向量做为连接顺序：B3～B4～B1～B2，即取上次(第二次)充放电的末端电池B3为首端电池，上次(第二次)充放电的首端电池B4连接在本次(第三次)充放电的首端电池B3之后成为中间电池，上次(第二次)充放电连接在末端电池之前的中间电池B2为本次(第三次)充放电的末端电池；(4)第四次充放电时依照同样的轮换规则，请参考图6，取4阶循环矩阵的第4个行向量的连接顺序为：B2～B3～B4～B1；(5)第五次充放电时，则返回取4阶循环矩阵的第1个行向量做为连接顺序；后续充放电依次循环取4阶循环矩阵的行向量做为电池连接顺序。

进一步地，转换开关可为MOS管，也可为继电器。

具体地，MOS管和继电器皆可做为转换开关。使用MOS管还是继电器，可以根据不同的使用场景合理采用，使用MOS管进行开关控制，具有响应速度更高的特点，但在一些大电流场合的应用，使用继电器做为开关更稳定。

本发明还提供一种电池组充放电控制方法，包括步骤：S1，搭建电池充放电顺序轮换拓扑电路，所述电池充放电顺序轮换拓扑电路中电池的连接顺序能动态轮换；S2，构建电池充放电顺序轮换策略并内置到控制单元，所述控制单元能根据电池充放电顺序轮换策略控制充放电时电池的连接顺序；S3，电池组连接充放电时，控制单元首先提取上次充放电的电池连接顺序、再结合电池充放电顺序轮换策略确定当次充放电的电池连接顺序、并控制电池组按照当次充放电的电池连接顺序接通进行充放电。

具体地，拓扑电路和轮换策略是互相配合，拓扑电路依据轮换策略搭建，轮换策略需要拓扑电路支持而实现。

进一步地，电池充放电顺序轮换拓扑电路包括：N个电池的正负极首尾相连，其中最后一个电池的负极与最前一个电池的正极相连，形成一个串接环形结构；其中，每两个相连的电池通过一个双极转换开关跨接，所述双极转换开关的输入端连接到相连电池之间的负极、其中一个输出端可连接到相连电池之间的正极、另一个输出端可连接到电池组的总负极；每个电池的正极通过一个单极转换开关可连接到电池组的总正极。

进一步地，电池充放电顺序轮换策略为：每次电池组连接充放电，首先根据预设的电池串接排位规则，确定串接环形结构中的一个电池排列在第1位、依次连接在其后的电池排列为第2至n位；将连接在第1位电池正极的单极转换开关连通到电池组总正极、将连接在第n位电池负极的双极转换开关的输出端连通到电池组总负极、将连接在第2至n-1位电池负极的双极转换开关的输出端连通到相连的电池正极，形成当次充放电的电池连接顺序。

进一步地，预设的电池串接排位规则为：将串接环形结构中的一个电池编号为B1，依次连接在其后的电池编号为B2、……、Bn-1、Bn；以B1、B2、……、Bn-1、Bn为元素创建N阶循环矩阵Order：

若电池组首次连接充放电，则选取N阶循环阵列Order的第1个行向量[B1、B2、……、Bn-1、Bn]的元素顺序为首次充放电的连接顺序；后续连接充放电，则依序选取第2至第n个行向量的元素做为第2至第n次充放电的连接顺序；待选取完第n个行向量做为充放电的连接顺序后，再回到第1个行向量开始依序循环选取。

需要说明的是，本方案中，电池组的电池数量不少于3个，所说的充放电是指一次充电或放电，即接上充电进行一次顺序轮换，接上放电也进行一次顺序轮换，采用“充放电”进行统一描述。本方案中，所说的“电池”包括但不限于提锂电池、铅酸电池、镍氢电池和镍铬电池。

本方案既可应用于全新的电池组以避免或减缓电池的寿命不一致，也可应用于退役电池的梯次利用，在梯次利用中，需要经过回收筛选过程，重组的电池的型号材质需要是同一批次，也需要各电池具有性能、容量的一致性。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

需要说明的是：以上所述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”“本次”、“当次”、“上次”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

Claims (10)

1.一种电池组充放电控制系统，用于均匀轮换电池充放电连接顺序以保持电池组的电池寿命一致性，其特征在于，包括：电池充放电顺序轮换拓扑电路和控制单元；

所述电池充放电顺序轮换拓扑电路包括由N个电池连接的电池组、及连接于电池组的转换开关；所述电池充放电顺序轮换拓扑电路根据转换开关的通断来轮换N个电池的充放电连接顺序；

所述控制单元内置电池充放电顺序轮换策略，所述转换开关连接到控制单元，由控制单元依据电池充放电顺序轮换策略控制转换开关的通断。

2.根据权利要求1所述的电池组充放电控制系统，其特征在于，所述电池充放电顺序轮换拓扑电路包括：

N个电池的正负极首尾相连，其中最后一个电池的负极与最前一个电池的正极相连，形成一个串接环形结构；其中，

每两个相连的电池通过一个双极转换开关跨接，所述双极转换开关的输入端连接到相连电池之间的负极、其中一个输出端可连接到相连电池之间的正极、另一个输出端可连接到电池组的总负极；

每个电池的正极通过一个单极转换开关可连接到电池组的总正极。

3.根据权利要求2所述的电池组充放电控制系统，其特征在于，所述电池充放电顺序轮换策略为：

每次电池组连接充放电，首先根据预设的电池串接排位规则，确定串接环形结构中的一个电池排列在第1位、依次连接在其后的电池排列为第2至n位；

将连接在第1位电池正极的单极转换开关连通到电池组总正极、

将连接在第n位电池负极的双极转换开关的输出端连通到电池组总负极、

将连接在第2至n-1位电池负极的双极转换开关的输出端连通到相连的电池正极，形成当次充放电的电池连接顺序。

4.根据权利要求3所述的电池组充放电控制系统，其特征在于，所述预设的电池串接排位规则为：

将串接环形结构中的一个电池编号为B1，依次连接在其后的电池编号为B2、……、Bn-1、Bn；

以B1、B2、……、Bn-1、Bn为元素创建N阶循环矩阵Order：

若电池组首次连接充放电，则选取N阶循环阵列Order的第1个行向量[B1、B2、……、Bn-1、Bn]的元素顺序为首次充放电连接顺序；

后续连接充放电，则依序选取第2至第n个行向量的元素做为第2至第n次充放电的连接顺序；

待选取完第n个行向量做为充放电连接顺序后，再回到第1个行向量开始依序循环选取。

5.根据权利要求1所述的电池组充放电控制系统，其特征在于，所述转换开关为MOS管。

6.根据权利要求1所述的电池组充放电控制系统，其特征在于，所述转换开关为继电器。

7.一种电池组充放电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，搭建电池充放电顺序轮换拓扑电路，所述电池充放电顺序轮换拓扑电路中电池的连接顺序能动态轮换；

S2，构建电池充放电顺序轮换策略并内置到控制单元，所述控制单元能根据电池充放电顺序轮换策略控制充放电时电池的连接顺序；

S3，电池组连接充放电时，控制单元首先提取上次充放电的电池连接顺序、再结合电池充放电顺序轮换策略确定当次充放电的电池连接顺序、并控制电池组按照当次充放电的电池连接顺序接通进行充放电。

8.根据权利要求7所述的电池组充放电控制方法，其特征在于，所述电池充放电顺序轮换拓扑电路包括：

N个电池的正负极首尾相连，其中最后一个电池的负极与最前一个电池的正极相连，形成一个串接环形结构；其中，

每两个相连的电池通过一个双极转换开关跨接，所述双极转换开关的输入端连接到相连电池之间的负极、其中一个输出端可连接到相连电池之间的正极、另一个输出端可连接到电池组的总负极；

每个电池的正极通过一个单极转换开关可连接到电池组的总正极。

9.根据权利要求8所述的电池组充放电控制方法，其特征在于，所述电池充放电顺序轮换策略为：

每次电池组连接充放电，首先根据预设的电池串接排位规则，确定串接环形结构中的一个电池排列在第1位、依次连接在其后的电池排列为第2至n位；

将连接在第1位电池正极的单极转换开关连通到电池组总正极、

将连接在第n位电池负极的双极转换开关的输出端连通到电池组总负极、

将连接在第2至n-1位电池负极的双极转换开关的输出端连通到相连的电池正极，形成当次充放电的电池连接顺序。

10.根据权利要求9所述的电池组充放电控制方法，其特征在于，所述预设的电池串接排位规则为：

将串接环形结构中的一个电池编号为B1，依次连接在其后的电池编号为B2、……、Bn-1、Bn；

以B1、B2、……、Bn-1、Bn为元素创建N阶循环矩阵Order：

若电池组首次连接充放电，则选取N阶循环阵列Order的第1个行向量[B1、B2、……、Bn-1、Bn]的元素顺序为首次充电放电连接顺序；

后续连接充放电，则依序选取第2至第n个行向量的元素做为第2至第n次充放电的连接顺序；

待选取完第n个行向量做为充放电的连接顺序后，再回到第1个行向量开始依序循环选取。

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