CN115332653B - 一种自适应随意串并联电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应随意串并联电池系统，所述电池系统包括若干电池包、电池管理系统和限流模块，所述电池管理系统用于实现管理及维护各个电池单元，并防止电池出现过充电和过放电，以及监控电池的状态，建立电池包之间通信连接，识别串并联关系，计算系统保护参数等功能，限流模块用于防止电池包之间环流互充。本发明的电池系统能够自行识别系统内各电池包的串联或并联关系，并且进行相应配置，保证系统正常运行，使得企业可以定义标准化产品，从而实现一款产品即可满足串联和并联使用的不同需求，并且备库简单，售后方便。

Description

一种自适应随意串并联电池系统
技术领域
本发明涉及动力电池技术领域，具体涉及一种自适应随意串并联电池系统。
背景技术
能量储存系统的基本任务是克服在能量供应和需求之间的时间性或者局部性的差异。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流，作为一种能量存储装置的锂电池组通常包括单体电芯或模块、电子部件、电池箱及与其他外部系统的接口；在实际应用中，整个锂电池组通常由若干个锂电池模块组成，锂电池模块是单体电池在物理结构和电路上连接起来的构成电池包或系统的最小分组，可作为一个单元替换。
中国专利号CN201710537421.1 ，公开了一种基于蓄电池串并联组合的直流电源系统，包括交流配电装置、监控装置、功率变换器、防反装置和单体蓄电池；所述单体蓄电池包括串接式的单体蓄电池和等效并联式的单体蓄电池；所述单体蓄电池是串并联组合的，所述串接式的单体蓄电池物理上是串接在一起的，用于在大负载投入或者支路短路的时提供极大的冲击电流；所述串接式的单体蓄电池同时又通过功率变换器间接并联，使得对蓄电池的一致性要求降低，并能实现单个蓄电池的充放电。
传统的储能系统，通常由若干个最小单元，进行串联或者并联组合而成。但是由于电池管理系统和电气连接的局限性，往往一个只能采取串联或并联中的一种方式组合，也就是说，串联使用和并联使用的最小单元，只能单独设计，不能互换。这样，客户在配置和使用时，必须根据不同的需求指定对应的不同的最小单元，给下单、备库、售后等运维，带来很多不便。并且，在串联系统中，不同的总压，需要不同数量的串联单元，系统软件也往往需要定制开发。因此，亟需设计一种自适应随意串并联电池系统来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种自适应随意串并联电池系统，以解决现有技术中的上述不足之处。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种自适应随意串并联电池系统，所述电池系统包括若干电池包、电池管理系统和限流模块，所述电池管理系统用于实现管理及维护各个电池单元，并防止电池出现过充电和过放电，以及监控电池的状态，建立电池包之间通信连接，识别串并联关系，计算系统保护参数功能，限流模块用于防止电池包之间环流互充，所述限流模块与电池包主回路的放电MOS回路并联；
所述电池管理系统上电自检出电池包之间无通讯时，则电池系统进入无通讯模式；
所述电池管理系统上电自检出电池包之间有通讯时，则电池系统进入有通讯模式，在所述有通讯模式下，若干电池包通过内建的自组网ID算法进行ID排序，并使用系统尝试算法确定系统内各电池包的串并联关系；
主机的电池管理系统依据电池包之间的串并联关系自动调用对应的保护参数，该参数和算法已事先保存在各电池包BMS程序和数据库中，通过自适应系统保护算法计算串联或并联对应的保护参数，保证系统的正常运行。
进一步地，若干电池包通过自组网ID算法进行排序包括以下步骤：
每个在线产品执行步骤：锁定位和系统数据位置零，生成一个随机数，对外广播，同时接收所有在线报文，把接收到的报文中对应的标志位、锁定位、随机数、以各自产品为单位，存储到系统数据位中，直至没有重复随机数为止；
一次判断步骤：判断系统数据位中所有标志位是否重复，在有重复时进入下一步；
二次判断步骤：判断是否只有一个主机，只有一个主机时进入下一步：
重新对外广播步骤：在系统数据位中，将该主机随机数对应的锁定位设为1，标志位设为主机，其它随机数按顺序重写所有对应的标志位，生成的新报文重新对外广播；
三次判断步骤：判断是否收到新报文，且系统数据位中有且只有1个锁定位为1，判断为是时，根据系统数据位中随机数对应的标志位数据，重写自己的标志位并广播；
返回最初判断步骤：主机收到全部从机发送的新报文后，重新写入系统数据位，并确认所有标识位置是否重复，并进入一次判断步骤进行重新判断。
进一步地，在所述一次判断步骤中，判断为否时系统进入正常工作模式。
在所述二次判断步骤中，判断为否时对所有随机数排序，取最小的为主机，在系统数据位中，将该随机数对应的锁定位设为1，标志位设为主机，其它随机数按顺序重写所有对应的标志位，将生成的新报文重新对外广播，然后直接进入三次判断步骤。
进一步地，在所述三次判断步骤中，判断为否时对所有随机数排序，取最小的为主机，在系统数据位中，将该随机数对应的锁定位设为1，标志位设为主机，其它随机数按顺序重写所有对应的标志位，将生成的新报文重新对外广播。
进一步地，在所述无通讯模式下，单个电池包自行运行，所有保护参数按照电池管理系统内建的单包保护参数执行，若此时多个电池包之间无压差，则电池管理系统将电池包按照有条件逐一退出原则运行，且输出功率或充电功率，不能大于单个包所能承受之功率，所述有条件逐一退出原则为：在充电过程中，先充满的先保护，直至最后一个也充满；放电过程中，先放完的先保护，直至最后一个也放完。
进一步地，在所述无通讯模式下，若多个电池包之间存在压差，则电池管理系统启动限流模块，多个电池包之间执行限流互充，直至电压一致且电流小于设定阈值，然后进入正常工作流程。
进一步地，所述系统尝试算法的具体方法为，在所述自组网ID算法排序过后，所有系统内电池包获得唯一ID，主机的电池管理系统通过通信总线请求随机或特定某个ID的电池包短时间打开充电MOS，然后在通信总线上广播询问其他电池包的总压，若其他电池包无总压，则判断出整个电池系统所有电池包是串联关系；若其他电池包均采集到总压，则判断出整个电池系统所有电池包是并联关系。
进一步地，所述单包保护参数执行内容包括：在充电过程中，如有任一电池包保护，则电池管理系统停止充电，所有电池管理系统的放电MOS吸合，充电MOS断开，电池管理系统直接进入放电模式，在放电过程中，只要任一电池包保护，电池管理系统停止放电，所有电池包的充电MOS吸合，放电MOS断开，电池管理系统可以直接进入充电模式。
进一步地，所述自适应系统保护参数算法计算方式如下：令电池包的数量为N，单个电池包的电压为xV，额定电流yA；
在N个电池包并联时，则电池系统总压的保护参数为xV，系统额定电流的保护参数为N*yA；
在N个电池包串联时，则系统总压保护参数为N*xV，系统额定电流保护参数为yA；
在N个电池包并联时，所述电池系统按照降功率逐一退出原则工作，所述降功率逐一退出原则为：在充电时，在每个电池包即将充满时，系统都会通知充电设备降低N分之一的功率，该电池包先充满进入保护状态，其他电池包维持原有功率继续充电，直至最后一个也充满；放电时，在每个电池包即将放完时，系统都会通知用电设备降低N分之一的功率，该电池包先放完进入保护状态，其他电池包维持原有功率继续放电，直至最后一个也放完。
在N个电池包并联时，电池系统工作时，只要有任一电池包保护，电池系统就进入保护状态。
进一步地，所述限流模块包括DCDC模块和散热模块，所述电池管理系统包括电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块。
在上述技术方案中，本发明提供的一种自适应随意串并联电池系统，有益效果为：
本发明的电池系统能够自行识别系统内各电池包的串联或并联关系，并且进行相应配置，保证系统正常运行，使得企业可以定义标准化产品，从而实现一款产品即可满足串联和并联使用的不同需求，并且备库简单，售后方便。
（2）本发明对于使用者，可在购买产品后，根据需求进行串联使用， 或者并联使用，而且可根据不同电压需求，选择任意串联个数，方便快捷。
（3）本发明通过限流模块消除了电池包并联时出现的环流情况，进而防止了因环流出现的电池包充放电过流情况的发生，降低了电池包充放电时安全事故发生的几率。
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发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种自适应随意串并联电池系统实施例提供的ID排序流程图。
图2为本发明一种自适应随意串并联电池系统实施例提供的电池包的通讯原理图。
图3为本发明一种自适应随意串并联电池系统实施例提供的限流模块的连接原理图。
图4为本发明一种自适应随意串并联电池系统实施例提供的电池包并联原理图。
图5为本发明一种自适应随意串并联电池系统实施例提供的电池包串联原理图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
如图1-5所示，本发明实施例提供的一种自适应随意串并联电池系统，电池系统包括若干电池包、电池管理系统和限流模块，电池管理系统用于实现管理及维护各个电池单元，并防止电池出现过充电和过放电，以及监控电池的状态，建立电池包之间通信连接，识别串并联关系，计算系统保护参数功能，限流模块用于防止电池包之间环流互充，限流模块与电池包主回路的放电MOS回路并联；
电池管理系统上电自检出电池包之间无通讯时，则电池系统进入无通讯模式；
电池管理系统上电自检出电池包之间有通讯时，则电池系统进入有通讯模式，在有通讯模式下，若干电池包通过内建的自组网ID算法进行ID排序，并使用系统尝试算法确定系统内各电池包的串并联关系；
主机的电池管理系统依据电池包之间的串并联关系自动调用对应的保护参数，该参数和算法已事先保存在各电池包BMS程序和数据库中，通过自适应系统保护算法计算串联或并联对应的保护参数，保证系统的正常运行。
具体的，本实施例中，电池系统包括若干电池包、电池管理系统和限流模块，电池管理系统用于实现管理及维护各个电池单元，电池单元为组成电池包的基本电池单体，并防止电池出现过充电和过放电，以及监控电池的状态，建立电池包之间通信连接，识别串并联关系，计算系统保护参数功能，限流模块用于防止电池包之间环流互充，限流模块与电池包主回路的放电MOS回路并联；电池管理系统上电自检出电池包之间无通讯时，则电池系统进入无通讯模式；电池管理系统上电自检出电池包之间有通讯时，则电池系统进入有通讯模式，在有通讯模式下，若干电池包通过内建的自组网ID算法进行ID排序，并使用系统尝试算法确定系统内各电池包的串并联关系；主机的电池管理系统依据电池包之间的串并联关系自动调用对应的保护参数，该参数和算法已事先保存在各电池包BMS程序和数据库中，通过自适应系统保护算法计算串联或并联对应的保护参数，保证系统的正常运行。
本发明的电池系统能够自行识别系统内各电池包的串联或并联关系，并且进行相应配置，保证系统正常运行，使得企业可以定义标准化产品，从而实现一款产品即可满足串联和并联使用的不同需求，并且备库简单，售后方便。
本发明提供的再一个实施例中，若干电池包通过自组网ID算法进行排序包括以下步骤：
每个在线产品执行步骤：锁定位和系统数据位置零，生成一个随机数，对外广播，同时接收所有在线报文，把接收到的报文中对应的标志位、锁定位、随机数、以各自产品为单位，存储到系统数据位中，直至没有重复随机数为止；
一次判断步骤：判断系统数据位中所有标志位是否重复，在有重复时进入下一步；
二次判断步骤：判断是否只有一个主机，只有一个主机时进入下一步：
重新对外广播步骤：在系统数据位中，将该主机随机数对应的锁定位设为1，标志位设为主机，其它随机数按顺序重写所有对应的标志位，生成的新报文重新对外广播；
三次判断步骤：判断是否收到新报文，且系统数据位中有且只有1个锁定位为1，判断为是时，根据系统数据位中随机数对应的标志位数据，重写自己的标志位并广播；
返回最初判断步骤：主机收到全部从机发送的新报文后，重新写入系统数据位，并确认所有标识位置是否重复，并进入一次判断步骤进行重新判断；在一次判断步骤中，判断为否时系统进入正常工作模式；在二次判断步骤中，判断为否时对所有随机数排序，取最小的为主机，在系统数据位中，将该随机数对应的锁定位设为1，标志位设为主机，其它随机数按顺序重写所有对应的标志位，将生成的新报文重新对外广播，然后直接进入三次判断步骤；在三次判断步骤中，判断为否时对所有随机数排序，取最小的为主机，在系统数据位中，将该随机数对应的锁定位设为1，标志位设为主机，其它随机数按顺序重写所有对应的标志位，将生成的新报文重新对外广播。
本发明提供的再一个实施例中，在无通讯模式下，单个电池包自行运行，所有保护参数按照电池管理系统内建的单包保护参数执行，若此时多个电池包之间无压差，则电池管理系统将电池包按照有条件逐一退出原则运行，且输出功率或充电功率，不能大于单个包所能承受之功率，有条件逐一退出原则为：在充电过程中，先充满的先保护，直至最后一个也充满；放电过程中，先放完的先保护，直至最后一个也放完；若多个电池包之间存在压差，则电池管理系统启动限流模块，多个电池包之间执行限流互充，直至电压一致且电流小于设定阈值，然后进入正常工作流程。
本发明提供的再一个实施例中，系统尝试算法的具体方法为，在自组网ID算法排序过后，所有系统内电池包获得唯一ID，主机的电池管理系统通过通信总线请求随机或特定某个ID的电池包短时间打开充电MOS，然后在通信总线上广播询问其他电池包的总压，若其他电池包无总压，则判断出整个电池系统所有电池包是串联关系；若其他电池包均采集到总压，则判断出整个电池系统所有电池包是并联关系。
本发明提供的再一个实施例中，单包保护参数执行内容包括：在充电过程中，如有任一电池包保护，则电池管理系统停止充电，所有电池管理系统的放电MOS吸合，充电MOS断开，电池管理系统直接进入放电模式，在放电过程中，只要任一电池包保护，电池管理系统停止放电，所有电池包的充电MOS吸合，放电MOS断开，电池管理系统可以直接进入充电模式，同时MOS回路可以使用其它回路来替代，比如继电器回路。
本发明提供的再一个实施例中，自适应系统保护参数算法计算方式如下：令电池包的数量为N，单个电池包的电压为xV，额定电流yA；
在N个电池包并联时，则电池系统总压的保护参数为xV，系统额定电流的保护参数为N*yA；
在N个电池包串联时，则系统总压保护参数为N*xV，系统额定电流保护参数为yA；
在N个电池包并联时，电池系统按照降功率逐一退出原则工作，降功率逐一退出原则为：在充电时，在每个电池包即将充满时，系统都会通知充电设备降低N分之一的功率，该电池包先充满进入保护状态，其他电池包维持原有功率继续充电，直至最后一个也充满；放电时，在每个电池包即将放完时，系统都会通知用电设备降低N分之一的功率，该电池包先放完进入保护状态，其他电池包维持原有功率继续放电，直至最后一个也放完。
在N个电池包并联时，电池系统工作时，只要有任一电池包保护，电池系统就进入保护状态。
本发明提供的再一个实施例中，限流模块包括DCDC模块和散热模块，电池管理系统包括电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块，限流模块解决了并联使用时可能发生的环流问题，比如，2个有压差的电池包并联时，电压高的电池包会给电压低的电池包充电，形成环流。由于线阻和电池内阻非常低（一般是毫欧级别），此时，流经线缆的电流非常大（压差1V时，电流会大到几百A）。这可能会引起电池充放电过流，以及相关部件发烫甚至起火等安全事故，使用了限流模块后的工作流程大致为：当整个并联系统检测到有压差的电池包即将并联，或者在放电过程中，电流采集模块检测到超过相关阈值的大电流时，会启动限流模块，限制电压高的电池包的放电电流，同时也就限制了电压低的电池包的充电电流。具体步骤为：先关断放电MOS回路，打开限流模块回路，使得放电输出被强行限制在一定值（比如10A），这样，就达到了限流的作用。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (9)

1.一种自适应随意串并联电池系统，其特征在于，所述电池系统包括若干电池包、电池管理系统和限流模块，所述电池管理系统用于实现管理及维护各个电池单元，并防止电池出现过充电和过放电，以及监控电池的状态，建立电池包之间通信连接，识别串并联关系，计算系统保护参数功能，限流模块用于防止电池包之间环流互充，所述限流模块与电池包主回路的放电MOS回路并联；
所述电池管理系统上电自检出电池包之间无通讯时，则电池系统进入无通讯模式；
所述电池管理系统上电自检出电池包之间有通讯时，则电池系统进入有通讯模式，在所述有通讯模式下，若干电池包通过内建的自组网ID算法进行ID排序，并使用系统尝试算法确定系统内各电池包的串并联关系；
主机的电池管理系统依据电池包之间的串并联关系自动调用对应的保护参数，该参数和算法已事先保存在各电池包BMS程序和数据库中，通过自适应系统保护算法计算串联或并联对应的保护参数，保证系统的正常运行；
所述系统尝试算法的具体方法为，在所述自组网ID算法排序过后，所有系统内电池包获得唯一ID，主机的电池管理系统通过通信总线请求随机或特定某个ID的电池包短时间打开充电MOS，然后在通信总线上广播询问其他电池包的总压，若其他电池包无总压，则判断出整个电池系统所有电池包是串联关系；若其他电池包均采集到总压，则判断出整个电池系统所有电池包是并联关系。
2.根据权利要求1所述的一种自适应随意串并联电池系统，其特征在于，若干电池包通过自组网ID算法进行排序包括以下步骤：
每个在线产品执行步骤：锁定位和系统数据位置零，生成一个随机数，对外广播，同时接收所有在线报文，把接收到的报文中对应的标志位、锁定位、随机数、以各自产品为单位，存储到系统数据位中，直至没有重复随机数为止；
一次判断步骤：判断系统数据位中所有标志位是否重复，在有重复时进入下一步；
二次判断步骤：判断是否只有一个主机，只有一个主机时进入下一步：
重新对外广播步骤：在系统数据位中，将该主机随机数对应的锁定位设为1，标志位设为主机，其它随机数按顺序重写所有对应的标志位，生成的新报文重新对外广播；
三次判断步骤：判断是否收到新报文，且系统数据位中有且只有1个锁定位为1，判断为是时，根据系统数据位中随机数对应的标志位数据，重写自己的标志位并广播；
返回最初判断步骤：主机收到全部从机发送的新报文后，重新写入系统数据位，并确认所有标识位置是否重复，并进入一次判断步骤进行重新判断。
3.根据权利要求2所述的一种自适应随意串并联电池系统，其特征在于，
在所述一次判断步骤中，判断为否时系统进入正常工作模式；
在所述二次判断步骤中，判断为否时对所有随机数排序，取最小的为主机，在系统数据位中，将该随机数对应的锁定位设为1，标志位设为主机，其它随机数按顺序重写所有对应的标志位，将生成的新报文重新对外广播，然后直接进入三次判断步骤。
4.根据权利要求2所述的一种自适应随意串并联电池系统，其特征在于，在所述三次判断步骤中，判断为否时对所有随机数排序，取最小的为主机，在系统数据位中，将该随机数对应的锁定位设为1，标志位设为主机，其它随机数按顺序重写所有对应的标志位，将生成的新报文重新对外广播。
5.根据权利要求1所述的一种自适应随意串并联电池系统，其特征在于，在所述无通讯模式下，单个电池包自行运行，所有保护参数按照电池管理系统内建的单包保护参数执行，若此时多个电池包之间无压差，则电池管理系统将电池包按照有条件逐一退出原则运行，且输出功率或充电功率，不能大于单个包所能承受之功率，所述有条件逐一退出原则为：在充电过程中，先充满的先保护，直至最后一个也充满；放电过程中，先放完的先保护，直至最后一个也放完。
6.根据权利要求1所述的一种自适应随意串并联电池系统，其特征在于，在所述无通讯模式下，若多个电池包之间存在压差，则电池管理系统启动限流模块，多个电池包之间执行限流互充，直至电压一致且电流小于设定阈值，然后进入正常工作流程。
7.根据权利要求5所述的一种自适应随意串并联电池系统，其特征在于，所述单包保护参数执行内容包括：在充电过程中，如有任一电池包保护，则电池管理系统停止充电，所有电池管理系统的放电MOS吸合，充电MOS断开，电池管理系统直接进入放电模式，在放电过程中，只要任一电池包保护，电池管理系统停止放电，所有电池包的充电MOS吸合，放电MOS断开，电池管理系统可以直接进入充电模式。
8.根据权利要求1所述的一种自适应随意串并联电池系统，其特征在于，所述自适应系统保护参数算法计算方式如下：令电池包的数量为N，单个电池包的电压为xV，额定电流yA；
在N个电池包并联时，则电池系统总压的保护参数为xV，系统额定电流的保护参数为N*yA；
在N个电池包串联时，则系统总压保护参数为N*xV，系统额定电流保护参数为yA；
在N个电池包并联时，所述电池系统按照降功率逐一退出原则工作，所述降功率逐一退出原则为：在充电时，在每个电池包即将充满时，系统都会通知充电设备降低N分之一的功率，该电池包先充满进入保护状态，其他电池包维持原有功率继续充电，直至最后一个也充满；放电时，在每个电池包即将放完时，系统都会通知用电设备降低N分之一的功率，该电池包先放完进入保护状态，其他电池包维持原有功率继续放电，直至最后一个也放完。
在N个电池包并联时，电池系统工作时，只要有任一电池包保护，电池系统就进入保护状态。
9.根据权利要求1所述的一种自适应随意串并联电池系统，其特征在于，所述限流模块包括DCDC模块和散热模块，所述电池管理系统包括电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块。
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