CN116632463B - 组合式锂电池电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种组合式锂电池电源系统，涉及锂电池技术领域，该组合式锂电池电源系统包括：电池模块矩阵、接口基座、通讯总线、串联连接接口、正极连接接口、负极连接接口、通讯连接接口、正极并联总线和负极并联总线；电池模块矩阵为n行m列的矩阵，包括n×m个电池模块；电池模块矩阵中每列电池模块之间通过正极连接接口、正极并联总线、负极连接接口和负极并联总线进行并联连接；电池模块矩阵中每行电池模块之间通过串联连接接口进行串联连接；接口基座与正极连接接口、负极连接接口、通讯连接接口固定机械连接；通讯连接接口之间通过通讯总线连接。本发明提供的组合式锂电池电源系统，可以进行电池组容量和电压的扩展，满足不同负载的需求。

Description

组合式锂电池电源系统
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种组合式锂电池电源系统。
背景技术
锂电池作为一种电化学储能装置，同其它类型电池相比，具有电压等级高、能量密度高、无记忆效应和对环境污染少等优点。目前在电动交通工具、风-光-储电站和航空航天飞行器上广泛使用。对各类应用对象来说，在电压、功率以及能量需求上存在较大差异，很多场合需要定制化的锂电池组，很难做到需求统一，往往由几十、几百甚至上千个单体电池通过串并联组成。对于一种应用来说，在不同电压等级和功率等级要求下，需要串并联的电池单体数也不同，且通过单体串并联组成的电池组输入输出电压和功率固定，对于应用中的其它设备的供电需求，如不同载荷的电压和功率需求，则该电池组不能满足要求，需要重新组装电池组，电池利用率不高，造成整体成本上升且资源浪费。
目前市场上出现的“刀片电池”和“弹匣电池”等模块化电池都是从电池组制造端对电池最小单元进行优化，组装成电池组后仍然存在利用率不高的问题。而当前的换电模式电池是从整组电池考虑统一化设计，欠缺在电压和功率方面的扩展。
因此亟需一种可以在电压等级和功率等级方面可扩展的电池组，以满足负载的需求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种组合式锂电池电源系统。
本发明提供一种组合式锂电池电源系统，包括：
电池模块矩阵、接口基座、通讯总线、串联连接接口、正极连接接口、负极连接接口、通讯连接接口、正极并联总线和负极并联总线；
所述电池模块矩阵为n行m列的矩阵，包括n×m个电池模块；
所述电池模块矩阵中每列电池模块之间通过所述正极连接接口、所述正极并联总线、所述负极连接接口和所述负极并联总线进行并联连接；
所述电池模块矩阵中每行电池模块之间通过所述串联连接接口进行串联连接；
所述接口基座与所述正极连接接口、所述负极连接接口、所述通讯连接接口固定机械连接；
所述通讯连接接口之间通过所述通讯总线连接。
在一些实施例中，所述正极并联总线与所述正极并联总线所在列的所有正极连接接口连接；
所述负极并联总线与所述负极并联总线所在列的所有负极连接接口连接。
在一些实施例中，所述电池模块矩阵的列数m是基于负载的工作电压和电池模块的工作电压确定的；
所述电池模块矩阵的行数n是基于所述电池模块矩阵的列数m、负载的平均功率、电池模块的工作电压、电池模块的容量和电池组的充放电效率确定的。
在一些实施例中，所述电池模块矩阵的列数m的取值范围如下：
其中，m表示电池模块矩阵的列数，表示负载最高工作电压，/>表示负载最低工作电压，/>表示电池模块最高工作电压，/>表示电池模块最低工作电压。
在一些实施例中，所述电池模块矩阵的行数n的取值范围如下：
其中，n表示电池模块矩阵的行数，表示负载平均功率，/>表示负载需要电池组单独供电时长，/>表示电池模块最低工作电压，/>表示电池模块的容量，/>表示电池组的充放电效率，m表示电池模块矩阵的列数。
在一些实施例中，所述电池模块，包括：
电池组、电池管理单元、热敏电阻、分流器、充电控制MOS、放电控制MOS、电池电压采样线、无线通信单元、有线通讯接口；
所述电池管理单元分别与所述电池组、所述热敏电阻、所述分流器、所述无线通信单元、所述充电控制MOS和所述放电控制MOS和所述电池电压采样线连接；
所述电池组的正极通过所述分流器与所述电池模块的正极连接；
所述电池组的负极通过所述充电控制MOS和所述放电控制MOS与所述电池模块的负极连接；
所述有线通讯接口与所述电池管理单元的CAN通讯电路连接。
在一些实施例中，所述电池电压采样线用于采集所述电池模块的电压信息；
所述分流器用于采集所述电池模块的电流信息；
所述热敏电阻用于测量所述电池模块的温度信息；
所述充电控制MOS用于控制所述电池模块的充电过程；
所述放电控制MOS用于控制所述电池模块的放电过程；
所述无线通信单元用于将所述电压信息、所述电流信息和所述温度信息发送给所述电池管理单元。
在一些实施例中，所述电池管理单元，用于基于所述电压信息、所述电流信息和所述温度信息，控制所述充电控制MOS对所述电池模块进行充电，或控制所述放电控制MOS对所述电池模块进行放电。
在一些实施例中，所述n×m个电池模块的可用容量均相同；所述n×m个电池模块的内阻均相同。
在一些实施例中，所述电池模块的可用容量通过以下方式确定：
确定所述电池模块的充电倍率电流和循环寿命次数之间的对应关系表；
基于所述对应关系表，以预设充放电倍率电流对应的循环寿命次数为基准，确定所述充电倍率电流对应的权值；
基于所述充电倍率电流对应的权值，确定等效充电电流；
基于所述等效充电电流，在所述对应关系表中进行插值，确定所述电池模块的可用容量损耗；
基于所述电池模块的可用容量损耗，确定所述电池模块的可用容量。
本发明提供的组合式锂电池电源系统，是以电池模块为节点的一种矩阵式的可进行串、并联扩展的电池组结构，通过并联可进行电池组容量扩展，通过串联可进行电池组电压扩展，满足不同负载对不同电压等级、功率等级和能量等级的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的组合式锂电池电源系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的电池模块的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的电池模块的内阻电路模型示意图。
附图标记：
110：接口基座；120：通讯总线；130：串联连接接口；140：正极连接接口；150：负极连接接口；160：通讯连接接口；170：正极并联总线；180：负极并联总线；
210：电池组；220：电池管理单元；221：热敏电阻；222：分流器；223：充电控制MOS；224：放电控制MOS；225：电池电压采样线；226：无线通信单元；230：电池模块的正极；231：有线通讯接口；232：电池模块的负极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中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作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。
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”所区别的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
图1是本发明实施例提供的组合式锂电池电源系统的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的组合式锂电池电源系统，包括：
电池模块矩阵、接口基座110、通讯总线120、串联连接接口130、正极连接接口140、负极连接接口150、通讯连接接口160、正极并联总线170和负极并联总线180；
所述电池模块矩阵为n行m列的矩阵，包括n×m个电池模块；
所述电池模块矩阵中每列电池模块之间通过所述正极连接接口140、所述正极并联总线170、所述负极连接接口150和所述负极并联总线180进行并联连接；
所述电池模块矩阵中每行电池模块之间通过所述串联连接接口130进行串联连接；
所述接口基座110与所述正极连接接口140、所述负极连接接口150、所述通讯连接接口160固定机械连接；
所述通讯连接接口160之间通过所述通讯总线120连接。
图1展示了组合式锂电池电源系统的模块之间的连接关系，图1中的电池模块矩阵为3行4列的矩阵，共包括12个电池模块。
电池模块矩阵的连接结构为纵向并联连接，横向串联连接。图1所示为3个电池模块并联成组后，再4组电池模块进行串联的结构，即每一列的电池模块之间为并联连接，列之间为串联连接。
接口基座110与正极连接接口140、负极连接接口150、通讯连接接口160固定机械连接。
在一些实施例中，所述正极并联总线170与所述正极并联总线170所在列的所有正极连接接口140连接；
所述负极并联总线180与所述负极并联总线180所在列的所有负极连接接口150连接。
正极并联总线170与正极并联总线170所在列的各正极连接接口140连接，负极并联总线180与负极并联总线180所在列的各负极连接接口150连接。
通讯连接接口160通过通讯总线120相互连接。
每一列并联总线的正极和负极在横向方向均匀分布了3个串联连接接口130，根据电池模块的数量和位置不同，选择可实现电流路径到各电池模块距离相等的串联连接接口130。
通过对组合式锂电池模块连接结构进行矩阵式连接设置，此矩阵式结构可以灵活进行锂电池模块的串并联连接，可实现即插即用，可配置组成多电压等级、多功率等级和多能量等级的电池组。该连接结构集合了通讯和电气接口，可实现电池信息和能量的双重传输。
即本发明实施例提供的组合式锂电池电源系统，是以电池模块为节点的一种矩阵式的可进行串、并联扩展的电池组结构，通过并联可进行电池组容量扩展，串联进行电池组电压扩展，实现不同负载对不同电压等级、功率等级和能量等级的要求。
在矩阵式结构中，包括了纵向并联总线和横向串联连接点，并联总线包括了正极总线、负极总线和通讯总线120，各电池模块节点分别跨接于三种总线上。
在串联连接上，并联正极总线和并联负极总线上设有串联连接点，根据并联总线上电池模块的位置，选择中间位置串联连接点，以避免并联支路各电池模块因连线电阻造成的各电池模块充放电电流不均衡现象。
本发明实施例提供的组合式锂电池电源系统，是以电池模块为节点的一种矩阵式的可进行串、并联扩展的电池组结构，通过并联可进行电池组容量扩展，通过串联可进行电池组电压扩展，满足不同负载对不同电压等级、功率等级和能量等级的需求。
在一些实施例中，所述电池模块矩阵的列数m是基于负载的工作电压和电池模块的工作电压确定的；
所述电池模块矩阵的行数n是基于所述电池模块矩阵的列数m、负载的平均功率、电池模块的工作电压、电池模块的容量和电池组的充放电效率确定的。
在一些实施例中，所述电池模块矩阵的列数m的取值范围如下：
其中，m表示电池模块矩阵的列数，表示负载最高工作电压，/>表示负载最低工作电压，/>表示电池模块最高工作电压，/>表示电池模块最低工作电压。
在一些实施例中，所述电池模块矩阵的行数n的取值范围如下：
其中，n表示电池模块矩阵的行数，表示负载平均功率，/>表示负载需要电池组单独供电时长，/>表示电池模块最低工作电压，/>表示电池模块的容量，/>表示电池组的充放电效率，m表示电池模块矩阵的列数。
可选地，在对电池模块进行矩阵组合时，可以根据需要锂电池组供电的负载信息，包括工作电压范围、平均功率以及工作时长等参数，确定电池组的电压范围、以及可供使用容量参数。
然后根据电池管理单元提供的电池信息，在材料体系、标称容量、电压范围和使用电流范围一致的电池模块范围内选择。
具体地，可以根据负载的工作电压和电池模块的工作电压来确定电池模块矩阵的列数m。
即根据负载的工作电压范围和电池模块的工作电压范围，确定需要串联的电池模块数，即电池模块矩阵的列数m，m需要满足以下条件：
其中，m表示电池模块矩阵的列数，表示负载最高工作电压，/>表示负载最低工作电压，/>表示电池模块最高工作电压，/>表示电池模块最低工作电压。
在确定m的取值范围后，可从该取值范围内选择任意一个正整数，作为电池模块矩阵的列数m。
优选地，可在该取值范围内选择取值最小的正整数作为电池模块矩阵的列数m。m取值最小时，所构成的电池模块矩阵的结构较简单，成本较低。
具体地，可以根据电池模块矩阵的列数m、负载的平均功率、电池模块的工作电压、电池模块的容量和电池组的充放电效率确定电池模块矩阵的行数n。
电池模块的并联数即电池模块矩阵的行数n，决定了电池组的容量，n需要满足以下条件：
其中，n表示电池模块矩阵的行数，表示负载平均功率，/>表示负载需要电池组单独供电时长，/>表示电池模块最低工作电压，/>表示电池模块的容量，取电池模块容量允许最小值，一般取标称容量的80%，/>表示电池组的充放电效率，m表示电池模块矩阵的列数。
在确定n的取值范围后，可从该取值范围内选择任意一个正整数，作为电池模块矩阵的行数n。
优选地，可在该取值范围内选择取值最小的正整数作为电池模块矩阵的行数n。n取值最小时，所构成的电池模块矩阵的结构较简单，成本较低。
本发明实施例提供的组合式锂电池电源系统，通过根据负载的工作电压和电池模块的工作电压来确定电池模块矩阵的列数，以及根据电池模块矩阵的列数、负载的平均功率、电池模块的工作电压、电池模块的容量和电池组的充放电效率确定电池模块矩阵的行数，可以灵活进行锂电池模块的串并联连接，可实现即插即用，可配置组成多电压等级、多功率等级和多能量等级的锂电池电源系统。
在一些实施例中，所述电池模块，包括：
电池组、电池管理单元、热敏电阻、分流器、充电控制MOS、放电控制MOS、电池电压采样线、无线通信单元、有线通讯接口；
所述电池管理单元分别与所述电池组、所述热敏电阻、所述分流器、所述无线通信单元、所述充电控制MOS和所述放电控制MOS和所述电池电压采样线连接；
所述电池组的正极通过所述分流器与所述电池模块的正极连接；
所述电池组的负极通过所述充电控制MOS和所述放电控制MOS与所述电池模块的负极连接；
所述有线通讯接口与所述电池管理单元的CAN通讯电路连接。
图2是本发明实施例提供的电池模块的结构示意图，如图2所示，本发明实施例提供的电池模块，包括：电池组210、电池管理单元220、热敏电阻221、分流器222、充电控制MOS223、放电控制MOS224、电池电压采样线225、无线通信单元226、有线通讯接口231、电池模块的正极230和电池模块的负极232。
图2展示了电池模块中电池管理单元220与各部件之间的连接关系。
电池管理单元220分别与电池组210、热敏电阻221、分流器222、无线通信单元226、充电控制金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOS）223和放电控制MOS224和电池电压采样线225连接。
电池组210的正极通过分流器222与电池模块的正极230连接。
电池组210的负极通过充电控制MOS223和放电控制MOS224与电池模块的负极232连接。
有线通讯接口231与电池管理单元220的CAN通讯电路连接。
电池模块的正极230经分流器222连接电池组正极，电池模块的负极232经充电控制MOS223和放电控制MOS224 MOS连接于电池组负极。
在一些实施例中，所述电池电压采样线用于采集所述电池模块的电压信息；
所述分流器用于采集所述电池模块的电流信息；
所述热敏电阻用于测量所述电池模块的温度信息；
所述充电控制MOS用于控制所述电池模块的充电过程；
所述放电控制MOS用于控制所述电池模块的放电过程；
所述无线通信单元用于将所述电压信息、所述电流信息和所述温度信息发送给所述电池管理单元。
在一些实施例中，所述电池管理单元，用于基于所述电压信息、所述电流信息和所述温度信息，控制所述充电控制MOS对所述电池模块进行充电，或控制所述放电控制MOS对所述电池模块进行放电。
电池电压采样线225，包括电池组总电压和单体电压采样线，用于采集电池模块的电压，包括模块总电压和单体电压。
分流器222，用于采集电池模块的电流信息，包括充电电流和放电电流。
热敏电阻221，用于测量电池模块的温度信息。
充电控制MOS223用于控制电池模块的充电过程，放电控制MOS224用于控制电池模块的放电过程。
无线通信单元226用于采集的将各电压信息、电流信息和温度信息发送给电池管理单元220。
从而，电池管理单元220可以通过电池电压采样线225监测电池模块的电压，包括了模块总电压和单体电压，以及通过分流器222实现电池模块的电流采集，包括充电电流和放电电流采集。
电池管理单元220可以通过驱动控制充电MOS223和放电控制MOS224实现对电池模块的保护控制，保护功能包括电池单体过压、欠压保护，放电电流过大保护、充电电流过大保护以及电池过温保护。
电池管理单元220通过与无线通信单元226进行串口通信实现无线方式发送电池信息。
有线通讯接口231与电池管理单元220的CAN通讯电路相连，实现与上层控制器的通讯。
电池管理单元220可以通过采集的电池电压、电流和温度信息，实现电池的保护功能，还可以在线进行电池可用容量、内阻和剩余电量等计算功能，而且通过电池管理单元220的存储模块可以实现对电池的规格信息存储，规格信息包括电池模块的材料体系、标称容量、电压范围和使用电流范围。
这些信息可以通过有线通讯接口231和无线通信单元226读出。
在本发明实施例中，通过对组合式锂电池电源系统中电池模块节点的电池管理单元220的功能进行了定义，可以理解地，此电池管理单元220可以配合矩阵式结构的使用。
电池模块内部信息监测、保护控制、状态计算和通讯功能可以使得用户在配置和使用矩阵式电池组过程中实时掌握矩阵中作为节点的各电池模块的信息，可以根据状态信息进行电池模块的快速组合，实现电池模块的高效利用，同时在使用过程中方便了故障模块的定位，可以实现快速维修和替换。
在矩阵式电池组结构中，对电池模块节点的设计，除了电池本体外，还包括了电池管理单元的设计。
电池管理单元可以实现对电池模块中单体电池电压、模块充放电电流和温度的监测，并具有电池模块保护功能，可实现过压、欠压、过流和过温等保护功能，同时具有电池模块的可用容量、内阻和剩余电量等计算功能，是电池模块成组时的一致性判断依据。
电池管理单元还存储有电池模块的ID和对应规格信息，包括了电池模块的材料体系、标称容量、电压范围和使用电流范围等信息，以方便用户进行规格选择。
电池管理单元的通信功能包括了通用的CAN通讯和无线通讯功能，CAN通讯功能可以在电池模块使用过程中与上层控制器交换电池模块信息，实现电池模块状态信息的在线监测。而后台可以通过无线通讯模块查看各电池模块的上述各种状态信息，方便实时跟踪电池模块的状态信息。
本发明实施例提供的组合式锂电池电源系统，电池管理单元可以配合矩阵式的电池模块结构的使用，电池模块内部信息监测、保护控制、状态计算和通讯功能可以使得用户在配置和使用矩阵式电池组过程中实时掌握矩阵中作为节点的各电池模块的信息，可以根据状态信息进行电池模块的快速组合，实现电池模块的高效利用，同时在使用过程中方便了故障模块的定位，可以实现快速维修和替换。
在一些实施例中，所述n×m个电池模块的可用容量均相同；所述n×m个电池模块的内阻均相同。
在一些实施例中，所述电池模块的可用容量通过以下方式确定：
确定所述电池模块的充电倍率电流和循环寿命次数之间的对应关系表；
基于所述对应关系表，以预设充放电倍率电流对应的循环寿命次数为基准，确定所述充电倍率电流对应的权值；
基于所述充电倍率电流对应的权值，确定等效充电电流；
基于所述等效充电电流，在所述对应关系表中进行插值，确定所述电池模块的可用容量损耗；
基于所述电池模块的可用容量损耗，确定所述电池模块的可用容量。
具体地，电池模块矩阵中的n×m个电池模块的可用容量均相同，并且n×m个电池模块的内阻均相同，可以保证电池模块矩阵中电池模块的一致性。
在确定电池模块串并联数量m和n的情况下，需要进行电池模块的一致性选择，根据各电池模块中的电池管理单元220提供的信息以可用容量、内阻为筛选依据。
电池管理单元220对电池模块的实际充放电工况下的可用容量损耗计算采用数据方法。
首先建立电池模块的充电倍率电流和电池模块的循环寿命次数对应关系表，即倍率电流-循环寿命关系表。
例如，从最小充电电流0.1C开始到最大充电电流2C，通过循环寿命实验每间隔0.1C得到一个循环寿命次数，从而得到充电倍率电流与循环寿命次数之间的对应关系表，循环寿命以可用容量衰减至标称容量的80%为准。
再以预设充放电倍率电流对应的循环寿命次数为基准，例如以0.3C充电电流对应的循环寿命次数为基准，得到每个充电倍率电流对应的权值，表达式如下：
其中，Ws表示每个充电倍率电流对应的权值，Ns表示该充电倍率下的循环寿命次数，Np3c为0.3C充电电流下的循环寿命次数。由此可建立充电倍率电流与对应权值的关系表，即倍率电流-权值关系对应表。
在实际使用工况中，以电池模块的最低充电状态（State of Charge，SOC）值的10%为起始点，开始记录充电电流值，以最高SOC值的90%为终点停止记录，表示一个完整充电过程。
然后根据充电倍率电流对应的权值计算等效充电电流，表达式如下：
其中，表示等效充电电流，It表示t时刻的充电电流值，Wt表示t时刻采集充电电流It对应的权值，根据电流值在倍率电流-权值关系表中插值得到。
以上公式可以随电流采样点进行递推求和。g表示一个完整充电过程中充电电流总时刻数。
根据得到的等效充电电流，在倍率电流-循环寿命关系表中插值得到循环次数，根据循环次数可以得到此次循环后的电池可用容量损耗，表达式如下：
其中，Cdk表示第k次循环损耗的可用容量值，表示标称容量值，NIeq表示等效电流对应的循环寿命次数。
从而根据电池模块的可用容量损耗，确定电池模块的可用容量，可用容量的表达式如下：
其中，表示可用容量，/>表示初始容量，/>表示第k次循环损耗的可用容量，i表示已经完成充放电循环的次数。
电池模块内阻的辨识方法，以电池的开路电压模型为基础，根据开路电压与电池模块SOC的关系式得到电池开路电压，然后建立锂电池模块的一阶内阻模型，以电池模块输出电压与开路电压的差值为模型输出，充放电电流为输入，建立差分方程模型。
然后采用带遗忘因子的最小二乘法递推辨识差分方程系数，得到电池模块内阻值。
图3是本发明实施例提供的电池模块的内阻电路模型示意图，如图3所示，电池模块的内阻包括欧姆内阻Rohm和RC极化内阻，RPC-CP。
结合内阻模型说明电池内阻的辨识过程，根据内阻电路模型建立差分方程，表达式如下：
其中，表示内阻电路模型的电压值，为电池模块输出端电压与开路电压差值，k表示第k个采样周期，/>表示充放电电流。
a,b,c表示差分方程的系数，表达式分别如下：
其中，表示极化电阻，/>表示极化电容，T表示采样周期，/>为周期2除以采样周期T的值，/>表示欧姆内阻。
根据上述差分方程模型，可以使用递推最小二乘法辨识得到差分方程a,b,c系数值，根据系数可求解得到电池模块模型的内阻值。
本发明实施例提供的组合式锂电池电源系统，在确定电池模块串并联数量和的情况下，根据各电池模块中的电池管理模块提供的信息以可用容量、内阻为筛选依据，可以保证电池模块的一致性。
即本发明提供了一种组合式的可扩展锂电池电源系统，包括了电源系统的电池模块组合式连接结构设计、通用电池模块的电池管理单元和接口设计以及作为电池模块一致性判断依据的可用容量和内阻的计算方法。
采用矩阵式串并联结构，矩阵的节点为使用通用接口的电池模块，可以根据不同电压等级、功率等级和能量等级的要求配置电池模块在矩阵式连接结构的串并联数量。
电池模块内部设计了电池管理模块，可以实现电池模块内电池组的电压、电流和温度数据监测，同时可以根据监测数据实现电池模块的充放电保护，并具有有线通讯和无线通讯功能。
根据锂电池组负载的电压等级、功率等级和工作时长要求，给出了锂电池模块的串并联数量的配置方法。
考虑到电池模块在配置成组时需要以电池模块可用容量和内阻作为一致性判断依据，电池管理模块采用数据驱动的方法，以充电倍率电流-循环寿命关系表为基础，采用加权计算等效充电电流的方法，得到实际充放电工况下的可用容量损耗。
通过采用一阶内阻模型，建立内阻电压和输入电流的差分方程模型，再采用带遗忘因子的最小二乘法实现内阻参数辨识。
综上，本发明从组合式锂电池组的连接结构、通用锂电池模块的功能设计、锂电池模块配置方法和锂电池模块可用容量和内阻的计算方法上提供了完整的组合式锂电池电源系统的设计和实现方法。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，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）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种组合式锂电池电源系统，其特征在于，包括：
电池模块矩阵、接口基座、通讯总线、串联连接接口、正极连接接口、负极连接接口、通讯连接接口、正极并联总线和负极并联总线；
所述电池模块矩阵为n行m列的矩阵，包括n×m个电池模块；
所述电池模块矩阵中每列电池模块之间通过所述正极连接接口、所述正极并联总线、所述负极连接接口和所述负极并联总线进行并联连接；
所述电池模块矩阵中每行电池模块之间通过所述串联连接接口进行串联连接；
所述接口基座与所述正极连接接口、所述负极连接接口、所述通讯连接接口固定机械连接；
所述通讯连接接口之间通过所述通讯总线连接；
所述电池模块矩阵的列数m是基于负载的工作电压和电池模块的工作电压确定的；
所述电池模块矩阵的行数n是基于所述电池模块矩阵的列数m、负载的平均功率、电池模块的工作电压、电池模块的容量和电池组的充放电效率确定的；
所述电池模块矩阵的列数m的取值范围如下：
；
其中，m表示电池模块矩阵的列数，表示负载最高工作电压，/>表示负载最低工作电压，/>表示电池模块最高工作电压，/>表示电池模块最低工作电压；
所述电池模块矩阵的行数n的取值范围如下：
；
其中，n表示电池模块矩阵的行数，表示负载平均功率，/>表示负载需要电池组单独供电时长，/>表示电池模块最低工作电压，/>表示电池模块的容量，/>表示电池组的充放电效率，m表示电池模块矩阵的列数。
2.根据权利要求1所述的组合式锂电池电源系统，其特征在于，
所述正极并联总线与所述正极并联总线所在列的所有正极连接接口连接；
所述负极并联总线与所述负极并联总线所在列的所有负极连接接口连接。
3.根据权利要求1所述的组合式锂电池电源系统，其特征在于，所述电池模块，包括：
电池组、电池管理单元、热敏电阻、分流器、充电控制MOS、放电控制MOS、电池电压采样线、无线通信单元、有线通讯接口；
所述电池管理单元分别与所述电池组、所述热敏电阻、所述分流器、所述无线通信单元、所述充电控制MOS和所述放电控制MOS和所述电池电压采样线连接；
所述电池组的正极通过所述分流器与所述电池模块的正极连接；
所述电池组的负极通过所述充电控制MOS和所述放电控制MOS与所述电池模块的负极连接；
所述有线通讯接口与所述电池管理单元的CAN通讯电路连接。
4.根据权利要求3所述的组合式锂电池电源系统，其特征在于，
所述电池电压采样线用于采集所述电池模块的电压信息；
所述分流器用于采集所述电池模块的电流信息；
所述热敏电阻用于测量所述电池模块的温度信息；
所述充电控制MOS用于控制所述电池模块的充电过程；
所述放电控制MOS用于控制所述电池模块的放电过程；
所述无线通信单元用于将所述电压信息、所述电流信息和所述温度信息发送给所述电池管理单元。
5.根据权利要求4所述的组合式锂电池电源系统，其特征在于，
所述电池管理单元，用于基于所述电压信息、所述电流信息和所述温度信息，控制所述充电控制MOS对所述电池模块进行充电，或控制所述放电控制MOS对所述电池模块进行放电。
6.根据权利要求1所述的组合式锂电池电源系统，其特征在于，
所述n×m个电池模块的可用容量均相同；
所述n×m个电池模块的内阻均相同。
7.根据权利要求1至6任一项所述的组合式锂电池电源系统，其特征在于，所述电池模块的可用容量通过以下方式确定：
确定所述电池模块的充电倍率电流和循环寿命次数之间的对应关系表；
基于所述对应关系表，以预设充放电倍率电流对应的循环寿命次数为基准，确定所述充电倍率电流对应的权值；
基于所述充电倍率电流对应的权值，确定等效充电电流；
基于所述等效充电电流，在所述对应关系表中进行插值，确定所述电池模块的可用容量损耗；
基于所述电池模块的可用容量损耗，确定所述电池模块的可用容量。
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