CN116885812A - 一种电池单元、电池模块、电池簇和电池包 - Google Patents

一种电池单元、电池模块、电池簇和电池包 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种电池单元、电池模块、电池簇和电池包。其中，电池单元包括：工作支路，包括电芯和工作开关K1；旁路支路，包括旁路开关K2；所述工作支路与旁路支路并联；在工作状态，所述工作开关K1闭合，旁路开关K2断开，以使电芯正常充放电；在旁路状态，所述工作开关K1断开，旁路开关K2闭合，以使电流从旁路支路流过。本申请消除了“木桶效应“带来的弊端，任何电芯都可以保证100％充放电，避免了资源浪费。

Description

一种电池单元、电池模块、电池簇和电池包
技术领域
本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种电池单元、电池模块、电池簇和电池包。
背景技术
电池包(Pack)通常由多个电池串(Batteries)构成，电池串通常由电芯(cell)构成。
电芯是组成电池串和电池包的基本单元，一般能够提供3-4V之间的电压。电池串由多个电芯调集，构成一个单一的物理模块，供给更高的电压和容量(例如一个电池串使用四个电芯串联供给名义上的12V的电压，或者多个电芯并联供给更大的容量)。
现有技术中，多个电芯通过串联或是并联再串联集合成一个电池串，再结合DC-DC模块集合成一个电池包(pack)，若其中一个电芯故障，则整个电池包都可能会无法充放电。
此外，电池包中的各电芯的电容量并不完全相同，当低电容量的电芯充电完成时，在一个串联电路中的其他高电容量电芯无法继续充电，即产生“木桶效应“，这会直接导致高电容量的电芯无法被有效利用，直接造成浪费。
发明内容
基于现有技术的种种问题，本发明采用如下技术方案：
一种电池单元，包括：
工作支路，包括电芯和工作开关K1；
旁路支路，包括旁路开关K2；
所述工作支路与旁路支路并联；
在工作状态，所述工作开关K1闭合，旁路开关K2断开，以使电芯正常充放电；
在旁路状态，所述工作开关K1断开，旁路开关K2闭合，以使电流从旁路支路流过。
在一个实施例中，所述电芯为一个，或由多个单电芯并联组成。
在一个实施例中，所述工作开关K1有一个或两个。
在一个实施例中，所述工作开关K1、旁路开关K2的类型为有接触点继电器或无接触点开关。
一种电池模块，包括：依次连接的多个所述的电池单元。
在一个实施例中，所述电池模块还包括：从控模块；
所述从控模块的输出端与工作开关K1、旁路开关K2电连接，用于自动控制工作开关K1、旁路开关K2断开或闭合。
在一个实施例中，所述从控模块的输入端连接至电池模块内的与各个电芯对应的温度传感器，所述温度传感器用于对应监测各个电芯的温度。
在一个实施例中，所述从控模块具有测量电芯的电压、电流、温度的功能，且可计算电芯的SOC、SOP、SOH、SOE、DOD、内阻，并基于计算结果控制工作开关K1、旁路开关K2的断开或闭合。
在一个实施例中，所述从控模块与电池模块中的各个电芯相连以监测各个电芯的电压。
在一个实施例中，还包括电流传感器，用于采集电池模块的充放电电流并将信号传输至从控模块。
一种电池簇，包括：
多个串联的电池模块；
双向DC-DC模块，与串联的各电池模块相连，且双向DC-DC模块外接至PCS；
主控模块，与从控模块通信，且各从控模块之间相互通信；
电源模块，用于为从控模块供电。
一种电池包，包括：
多个并联的电池簇；
PCS，通过双向DC-DC模块与各所述电池簇电连接；
总控，与主控模块相连；并且所述总控通过EMS与PCS相连，以实现对于PCS的控制。
在一个实施例中，所述双向DC-DC模块的宽工作范围在0-600V。
与现有技术相比，本发明的优点为：
(1)本申请中适用于电池模块中各电芯电容量不等的情况。当低电容量的电芯充电完成时，通过切换至旁路支路使得在一个串联电路中的其他高电容量电芯可以继续充电，消除了“木桶效应“带来的弊端，高电容量的电芯可以正常充放电，避免了资源浪费。
(2)通过利用本申请的结构，在由多个电芯组成的电池串中，若其中一个电芯故障，整个电池模块仍可继续工作和充放电，避免直接丢弃产生浪费。
附图说明
图1是本申请电池单元的示意图；
图2是本申请电池模块的示意图；
图3为本申请电池包的示意图；
图4为本申请第一种工作状态下的示意图；
图5为本申请第二种工作状态下的示意图；
图6为本申请第三种工作状态下的示意图；
图7为本申请第四种工作状态下的示意图；
附图标记说明：
1、电芯；
10、电池模块。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的触控结构及显示装置进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参考图1-图3，本申请提供的电池单元，包括：
工作支路，包括电芯1和工作开关K1；
旁路支路，包括旁路开关K2；
所述工作支路与旁路支路并联；
在工作状态，所述工作开关K1闭合，旁路开关K2断开，以使电芯1正常充放电；
在旁路状态，所述工作开关K1断开，旁路开关K2闭合，以使电流从旁路支路流过。
具体的，本申请的电池单元包括工作状态和旁路状态。在工作状态，所述工作开关K1闭合，旁路开关K2断开，以使电芯1正常充放电，此时工作支路导通；
当一个电池串中的低电容量的电池单元电量充满时，将该电池单元切换至旁路状态：即，操作该电池单元的工作开关K1断开，旁路开关K2闭合，以使电流从旁路支路流过，此时旁路支路导通并将该电池单元的工作支路短接，电流从旁路支路流过，继续对其他的电池单元充电。
本申请中适用于电池模块10中各电芯电容量不等的情况。当低电容量的电芯1充电完成时，通过切换至旁路支路使得在一个串联电路中的其他高电容量电芯可以继续充电，消除了“木桶效应“带来的弊端，高电容量的电芯可以正常充放电，避免了资源浪费。
通过利用本申请的结构，在由多个电芯1组成的电池串中，若其中一个电芯1故障，整个电池模块10仍可继续工作和充放电，避免直接丢弃产生浪费。
参考图1，在一些实施例中，所述工作开关K1有一个或两个。多个工作开关K1可以避免只设置一个工作开关K1时如果出故障无法正常控制的情况。
在一些实施例中，所述的工作开关K1、旁路开关K2的类型为有接触点继电器或无接触点开关(mosfet)，皆可以实现本申请的功能，本文不做限制。
在一些实施例中，所述电芯为单个，或者多个电芯并联结构，皆在本申请的保护范围内。
参考图2和图3，本申请还提供一种电池模块10，包括：
电池串，所述电池串包括依次连接的多个所述的电池单元。
具体的，所述电池串的正极和负极分别连接至外设的双向DC-DC模块上的对应接入端，所述双向DC-DC模块用于对电池串的低压直流电提升功率，并将低压直流电变换成高压直流电；进而双向DC-DC模块连接至外设的PCS，即双向DC-DC模块的输出端正极、输出端负极被配置为分别连接至外设的PCS(储能变流器)，以通过PCS(储能变流器)将高压直流电转换成高压交流电后输至外部电网。
需要指出的是，实际运行状态下，在现有技术中，外设的总控BAU通过EMS(能量管理模块)与PCS(储能变流器)相连，从而实现对于PCS(储能变流器)的控制。
参考图2，在一些实施例中，所述电池串中的电池单元有8个或16个。当然，电池串中的电池单元也可以为其他的数量，此处不做限制。
参考图2，在一些实施例中，所述电池模块10还包括从控模块；
所述从控模块的输出端与工作开关K1、旁路开关K2电连接，用于自动控制工作开关K1、旁路开关K2断开或闭合。
所述从控模块的输入端连接至电池模块10内的与各个电芯1对应的温度传感器，用于监测所述电池模块内各个电芯1的温度。
具体的，从控模块的输出端与工作开关K1、旁路开关K2电连接，用于自动控制工作开关K1、旁路开关K2断开或闭合。当从控模块通过温度传感器监测到电池模块10的温度过高时，控制各工作开关K1、旁路开关K2关断以避免温度继续上升影响使用安全。
本申请的从控模块具有测量电芯电压、电流、温度等参数的功能，可以计算电芯的SOC(电池荷电状态)、SOP(电池能提供功率的状态)、SOH(电池健康状态)、SOE(电池剩余能量)、DOD(电池包放电深度)、内阻，并基于计算结果控制工作开关K1、旁路开关K2的断开或闭合。从控模块也可以直接自动控制工作开关K1、旁路开关K2，即从控模块可在电池模块放电或充电完成时自动控制断开开关。
并且，从控模块也可与各个电芯1相连以监测各个电芯1的电压。
还包括霍尔电流传感器，用于实时采集电池模块的充放电电流并将信号传输至相连的从控模块，以防止电池发生过充电或过放电现象。此外，依靠霍尔电流传感器还能检测电池用电及时给出电池状况，有效杜绝出现电池漏液、绝缘受损以及局部短路的情况，保持整组电池运行的可靠性和高效性。
本申请还提供一种电池簇，包括：
多个串联的电池模块10；
双向DC-DC模块，与串联的各电池模块10相连，且双向DC-DC模块外接至PCS；
主控模块，与从控模块通信，且各从控模块之间相互通信；
电源模块，用于为从控模块供电。
参考图3，本申请还提供一种电池包，包括：
多个并联的电池簇；
PCS，通过双向DC-DC模块与所述电池簇电连接；
总控，与主控模块相连；并且所述总控通过EMS与PCS相连，以实现对于PCS的控制。
具体的，一个电池包可包含若干个电池簇，一个电池簇由多个电池模块10组成。电池簇的正极和负极分别连接至外设的双向DC-DC模块上的对应接入端，所述双向DC-DC模块用于对电池的低压直流电提升功率，并将低压直流电变换成高压直流电；进而双向DC-DC模块连接至外设的PCS，即双向DC-DC模块的输出端正极、输出端负极被配置为分别连接至外设的PCS(储能变流器)，以通过PCS(储能变流器)将高压直流电转换成高压交流电后输至外部电网。
上述的总控通过主控模块与电池模块的从控模块相连，可以实现对各个电池模块的统一控制。
需要说明的是，在图3中，细连接线为控制流，粗连接线为功率流。
实际工作模式：
如图3，当所有电池模块10的工作开关K1、旁路开关K2都断开时，电池包处于停止工作状态；
如图4，操作所有电池模块10的工作开关K1闭合、旁路开关K2断开，此时电池包处于满负荷充放电状态；
如图5，当每个电池模块10中分别有单个电池单元的工作开关K1断开、旁路开关K2闭合时，该单个电池单元被旁路短接、停止充放电；
如图6，充放电过程中，当每个电池簇中皆有一个电池模块10、其中的一个电池单元的工作开关K1断开、旁路开关K2闭合时，该单个电池单元被旁路短接、停止充放电；
如图7，充放电过程中，当每个电池簇中皆有一个电池模块10、其中的一个电池单元的工作开关K1断开、旁路开关K2闭合时，该单个电池单元被旁路短接、停止充放电；并且每个电池簇中皆有一个电池模块10、其中的所有工作开关K1断开、旁路开关K2闭合，该电池模块10被旁路短接、停止充放电。
在一些实施例中，所述双向DC-DC模块的工作范围在0-600V。本申请双向DC-DC模块的工作范围宽泛，灵活适应性强。
还包括储能高压控制箱，储能高压控制箱是设于电池簇与PCS之间的高压回路管理模块，主控模块设于储能高压控制箱内，具有采集各电池簇的电压/电流、接触器控制和保护等功能。值得说明的是，所述的储能高压控制箱是电池包中的常用电压管理设备，如图3所示只是一种实施例，在此不作详细展开描述。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种电池单元，其特征在于，包括：
工作支路，包括电芯和工作开关K1；
旁路支路，包括旁路开关K2；
所述工作支路与旁路支路并联；
在工作状态，所述工作开关K1闭合，旁路开关K2断开，以使电芯正常充放电；
在旁路状态，所述工作开关K1断开，旁路开关K2闭合，以使电流从旁路支路流过。
2.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，所述电芯为一个，或由多个单电芯并联组成。
3.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，所述工作开关K1有一个或两个。
4.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，所述工作开关K1、旁路开关K2的类型为有接触点继电器或无接触点开关。
5.一种电池模块，其特征在于，包括：依次连接的多个如权利要求1-4任一所述的电池单元。
6.根据权利要求5所述的电池模块，其特征在于，所述电池模块还包括：从控模块；
所述从控模块的输出端与工作开关K1、旁路开关K2电连接，用于自动控制工作开关K1、旁路开关K2断开或闭合。
7.根据权利要求5所述的电池模块，其特征在于，所述从控模块的输入端连接至电池模块内的与各个电芯对应的温度传感器，所述温度传感器用于对应监测各个电芯的温度。
8.根据权利要求5所述的电池模块，其特征在于，所述从控模块具有测量电芯的电压、电流、温度的功能，且可计算电芯的SOC、SOP、SOH、SOE、DOD、内阻，并基于计算结果控制工作开关K1、旁路开关K2的断开或闭合。
9.根据权利要求5所述的电池模块，其特征在于，所述从控模块与电池模块中的各个电芯相连以监测各个电芯的电压。
10.根据权利要求5所述的电池模块，其特征在于，还包括电流传感器，用于采集电池模块的充放电电流并将信号传输至从控模块。
11.一种电池簇，其特征在于，包括：
多个串联的电池模块，所述电池模块如权利要求4-10中任一所述；
双向DC-DC模块，与串联的各电池模块相连，且双向DC-DC模块外接至PCS；
主控模块，与从控模块通信，且各从控模块之间相互通信；
电源模块，用于为从控模块供电。
12.一种电池包，其特征在于，包括：
多个并联的电池簇，所述电池簇如权利要求11中任一所述；
PCS，通过双向DC-DC模块与各所述电池簇电连接；
总控，与主控模块相连；并且所述总控通过EMS与PCS相连，以实现对于PCS的控制。
13.根据权利要求12所述的电池包，其特征在于，所述双向DC-DC模块的宽工作范围在0-600V。
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