CN117698508A

CN117698508A - 可变压的电动汽车电池包、电池控制系统及其反向供电方法

Info

Publication number: CN117698508A
Application number: CN202410089785.8A
Authority: CN
Inventors: 肖峰; 姜跃勇; 彭金鑫; 安昱绮; 张乃夫; 解志鹏
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2024-01-23
Filing date: 2024-01-23
Publication date: 2024-03-15

Abstract

本发明提供了一种可变压的电动汽车电池包、电池控制系统及其反向供电方法，涉及电动汽车电池保护和电池快速充电技术领域。每个电池单元的正负极均由MOSFET连接，BMS模块与ECU和电池矩阵控制单元连接。本发明可以根据所接入充电桩的电压，通过电池矩阵控制单元直接控制MOSFET的通断，以控制电池并联或串联接入系统内，灵活的改变电池包的电动势使适配不同的电池充电桩。当需要用电池包进行输出时，同样可以通过电池矩阵控制单元直接控制MOSFET的通断，进而改变电池单元的串并联，改变电池包的输出电压。此外本发明还可当电池温度异常时，及时通过BMS控制电池矩阵控制单元进行电池的断开，防止电池发生危险。

Description

可变压的电动汽车电池包、电池控制系统及其反向供电方法

技术领域

本发明涉及电动汽车电池保护和电池快速充电技术领域，尤其涉及一种可变压的电动汽车电池包、电池控制系统及其反向供电方法。

背景技术

新能源汽车正加速替代传统燃油车，其面临的主要问题在于电池的续航和寿命问题。当下的充电桩规格不一，电动汽车所配备的电池电动势无法自动调节，当充电电压和电池电动势不匹配时，将导致充电速度过慢或导致触发BMS，使BMS触发保护禁止电池继续充电，造成电动汽车行驶里程短。

发明内容

发明目的：提出一种可变压的电动汽车电池包，并基于提出的电池包额外提出一种电池控制系统及其反向供电方法，能更好的使电动汽车适配当下不同的充电桩，提高电动汽车的充电速度同时提高电池的使用寿命，从而解决现有技术存在的上述问题。

本发明的第一个方面，提出一种可变压的电动汽车电池包，该电池包包括若干电池组，每个电池组之间通过MOSFET连接；通过控制所述MOSFET的通断进而改变所述电池组的串并联方式；

所述电池组包括若干电池单元，每个所述电池单元之间也通过MOSFET连接；

当前电池组无法满足所需电压值时，通过控制所述MOSFET的通断进而改变所述电池单元的串并联方式，以改变单个所述电池组的额定输出电压；

若干个所述电池单元被均匀阵列排布在矩形吸能板上，所述矩形吸能板与盒体采用过盈配合以形成紧固连接，从而形成每个所述电池组；

所述电池单元的数量取决于其自身的额定电动势：

∑nu_i＝U

式中，u_i表示电池单元的额定电动势，U表示每个电池组所需提供的最大电动势，从而得出每个电池组所需的电池单元数量n。

本发明的第二个方面，提出一种可变压的电动汽车电池控制系统，利用该电池控制系统可以控制上述第一方面所公开的可变压的电动汽车电池包，该电池控制系统包括电池矩阵控制单元、BMS模块、状态监控单元、电子控制单元ECU。

电池矩阵控制单元与可变压的电动汽车电池包连接；电池矩阵控制单元用于控制所述MOSFET的通断。BMS模块与电池矩阵控制单元电性连接；所述BMS模块用于计算所述电池组所需串并联的数量，输出电池优化控制策略，并将所述电池优化控制策略传递至所述电池矩阵控制单元。状态监控单元用于读取每个所述电池单元的当前温度、荷电状态，以及当前电动汽车的充电电压，将当前状态数据汇报至电子控制单元ECU。电子控制单元ECU分别与BMS模块和状态监控单元电性连接；所述电子控制单元ECU用于读取当前状态数据，并将所述状态数据下发至所述BMS模块。

在第二方面进一步的实施例中，当电动汽车接入充电桩充电时，外接电源电压等于1.2-1.3倍电池电动势为最优值；

电子控制单元ECU读取当前充电输入电压U_in传递给所述BMS模块，每个电池组的电压为u_g：

αu_g+u_g＝U_out＝(1.2-1.3)U_in

α+β＝C

式中，U_out表示电池包的额定电压；α为串联电池组数量；β为并联电池组数量；C为电池组总数量；

所述BMS模块计算出电池组所需串并联数量传递给所述电池矩阵控制单元，进而由所述电池矩阵控制单元控制各个MOSFET的开断以适配充电桩的充电电压。

在第二方面进一步的实施例中，当电动汽车行驶时：

P_need＝∑u_ii_i

式中，P_need表示车辆行驶所需功率；u_i和i_i分别为电池单元的电压和电流，从而计算出所需电池单元的个数。

在第二方面进一步的实施例中，当可变压的电动汽车电池包所需要的电压无需使用到所有电池单元或电池包时，所述BMS模块输出如下电池优化控制策略：

首要目标是保证电池包中的电池单元温度总和最低：

min∑T_i

次要目标是保持每个电池单元的充放电循环次数一致，即保证电池单元SOC的平方和最大：

式中，T_i表示第i个电池单元的温度，SOC_i表示第i个电池单元的荷电状态。

在第二方面进一步的实施例中，当电池包对外供电时，所述BMS模块输出如下电池优化控制策略：

保持每个所述电池组和每个所述电池单元的温度波动范围在预定区间(T_min,T_max)内；当所述电池单元的温度值超出所述预定区间的上限T_max，标记为1，立即将未使用的电池单元替换当前电池单元；否则为0；表达式如下：

式中，表示第i个电池单元当前的温度值；n_i表示当前第i个电池单元。

在执行电池优化控制策略时，优先使用标记为1的电池单元。

在第二方面进一步的实施例中，该电池优化控制策略还包括保持每个电池单元的荷电状态与电池包的荷电状态平均值相近：

式中，N_th为设定阈值；SOC_i表示第i个电池单元的荷电状态；表示电池包的荷电状态平均值；

当所述电池单元的荷电状态与所述荷电状态平均值相差超出设定阈值时，停止使用该电池单元。

作为本发明的第三个方面，提出一种电动汽车电池反向供电方法，该反向供电方法基于如第二方面所述的可变压的电动汽车电池控制系统以实现。

当需要用电动汽车电池进行供电时，手动输入所需要的电压和功率，BMS模块计算出电池单元串并联数量传递给电池矩阵控制单元，进而由电池矩阵控制单元控制各个MOSFET的开断以适配充电桩的充电电压；

当所需电源小于预设值时，将一部分电池断开，单独使用系统中的一部分电池进行供电，此时直接利用电动汽车电池即可得到所需电压，无需使用变压器；

当电池出现异常情况时，通过所述电池矩阵控制单元控制MOSFET将电源紧急断开，起到保护的作用。

作为本发明的第四个方面，提出一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一个可执行指令，所述可执行指令在电子设备上运行时，使得电子设备执行如第三方面所公开的电动汽车电池反向供电方法。

有益效果：

本发明可以根据所接入充电桩的电压，通过电池矩阵控制单元直接控制MOSFET的通断，以控制电池并联或串联接入系统内，灵活的改变电池包的电动势使适配不同的电池充电桩。

当需要用电池包进行输出时，同样可以通过电池矩阵控制单元直接控制MOSFET的通断，进而改变电池单元的串并联，改变电池包的输出电压。

本发明还可当电池温度异常时，及时通过BMS控制电池矩阵控制单元进行电池的断开，防止电池发生危险。

附图说明

图1为本发明可变压的电动汽车电池控制系统的示意图。

图2为本发明电池组中最小电池单元排列结构及控制系统的俯视图。

图3为本发明电池组中最小电池单元排列结构及控制系统的仰视图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

实施例1：

针对现有电动汽车电池包电动势无法调节的不足，本实施例公开一种可变压的电动汽车电池包结构及控制系统，能更好的使电动汽车适配当下不同的充电桩，提高电动汽车的充电速度同时提高电池的使用寿命。

为实现上述目的，本实施例公开了一种可变压的电动汽车电池包结构及控制系统，提供了最小电池单元构成电池组及电池组在电池包的连接方式，并给出当使用充电桩充电或者需要用电池包对外输出供电时，电池矩阵控制单元控制电池组在电池包的串并联状态，或最小电池单元在电池组中串并联的状态，从而调节电池包两端电动势或输出电压，并且提供了一种电池组中最小电池单元的使用条件和供电次序，即尽可能保证最小电池单元的温度均一且在允许工作范围内和充放电次数均一，以提高电池包的使用寿命。并且该电池包可在低温环境下，使用电池组中冗余的最小电池单元产热以保持电池组在正常的工作温度下。该控制系统包括：电池矩阵控制单元、BMS模块、MOSFET，所述BMS模块的主控模块与ECU和电池矩阵控制单元连接，所述电池矩阵控制单元与MOSFET连接。每个电池单元正极和负极之间均有MOSFET，根据电动汽车充电电压调节MOSFET的通断以改变电池单元的串并联方式进而改变电池包的电动势，使电动汽车电池包更好的适配当下不同规格的充电桩，同时可以提高电池包的使用寿命。

实施例2：

在上述实施例1的基础之上，实施例2进一步公开可变压的电动汽车电池包结构及控制系统的细节。

电池包结构包括若干电池组，每个所述电池组之间通过MOSFET连接；通过控制所述MOSFET的通断进而改变所述电池组的串并联方式；电池组包括若干电池单元，每个所述电池单元之间也通过MOSFET连接；当前电池组无法满足所需电压值时，通过控制所述MOSFET的通断进而改变所述电池单元的串并联方式，以改变单个所述电池组的额定输出电压；若干个所述电池单元被均匀阵列排布在矩形吸能板上，所述矩形吸能板与盒体采用过盈配合以形成紧固连接，从而形成每个所述电池组。

控制系统包括电池矩阵控制单元、BMS模块、状态监控单元、电子控制单元ECU，每个电池单元的正负极均由MOSFET相连接，所述BMS模块与ECU和电池矩阵控制单元连接，所述的MOSFET与电池矩阵控制单元连接，图1中的每一个电池表示为一组，即该电池包由18组电池，每一组电池又由若干最小电池单元构成，最小电池单元的数量取决于其自身的额定电动势。

电池单元的数量取决于其自身的额定电动势：

∑nu_i＝U (1)

MOSFET串并联控制电池组的串并联以改变电池包的输出电压具体案例如下：

见图1，当S(1-17)Sg、Sh、So、Sp和Sw打开，其余开关关闭时，该电池包中的电池单元全部串联。当Sg关闭，S(a-f)关闭时，前两列电池单元由串联变为并联。

进一步地，当电动汽车接入充电桩充电时，ECU读出充电电压U_in传递给BMS，每个电池组的电压为u_g，BMS计算出电池组所需串并联数量传递给电池矩阵控制单元，进而由电池矩阵控制单元控制各个MOSFET的开断以适配充电桩的充电电压。计算公式如下：

式中，U_out表示电池包的额定电压；α为串联电池组数量；β为并联电池组数量；C为电池组总数量。

上文阐述了通过MOSFET的开断改变电池组之间的串并联状态的方式，即改变式(2)中α、β的数值，进而改变电池包的额定电压U_out以适配不同充电桩。

电池包中18组电池的排列方式如图1所示，每组电池之间使用MOSFET连接，电池开关控制单元可以通过控制MOSFET的开断进而改变电池组中最小电池单元的串并联方式，同理，电池组中的最小电池单元也通过MOSFET连接，通过改变其开断进而改变电池组中最小电池单元的串并联方式，以改变每个电池组的额定输出电压，同公式(2)。具体排列方式如图2所示。即最小电池单元以图2形式排列形成电池组，每一个电池组中的电池单元总和的输出的功率总和要高于额定值，多余的电池单元用来备用和电池热管理等。每个电池组又如图1排列形成电池包。

当电动汽车行驶时：

P_need＝∑u_ii_i (3)

进一步地，通过温度传感器记录每一个电池单元的温度，以及荷电状态SOC。

当电池包所需要的电压无需使用到所有电池单元或电池包时，通过电池单元的温度和荷电状态决定使用哪些电池单元供电。优先使用温度低和荷电状态大的电池单元。

要保证电池包中的电池单元温度总和最低，以保证电池包的使用安全，增加电池包的使用寿命。

尽可能保持每个最小电池单元的充放电循环次数(从满电状态用尽记为1次)一致，本发明中通过保证电池单元SOC的平方和最大以确保电池单元的SOC尽可能的均匀，即保证方差最小。以尽可能的保证电池最小电池单元的充放电循环次数一致，进而提高电池包的使用寿命。

进一步地，当电池包对外供电时，尽可能的保持每个组和每个电池单元的温度相似且保持在合理的范围内，当电池包中电池单元温度过高时，立即将未使用的电池单元替换该电池单元，也是公式(4)中的温度值最低实施方式。

T_min<T_ni<T_max,n_i＝1 (5)

others，n_i＝0 (6)

当电池单元温度在正常使用温度范围时，记作1，否则为零。在使用中只使用标记为1的电池单元，当电池组中的某一个电池单元。

进一步地，当在低温下使用电池包进行放电时，由公式(3)得出的剩余的电池单元可用来制热，以避免电池包在低温环境下放电造成的损害。

进一步地，在电池包进行供电时，如果某电池单元温度过高时，通过MOSFET的开断控制使用其他电池单元进行替代。

进一步地，应尽可能保证电池包中的电池单元充放电次数保持相似，本控制策略中通过保持每个电池单元的SOC与电池包的SOC平均值相近。

式中，N_th为设定的阈值，当电池单元的SOC与SOC均值相差较大时，停止使用该电池单元。

实施例3：

基于上述实施例2，本实施例还提供了一种采用新能源电池反向供电的策略，具体如下：

当需要用电动汽车电池进行供电时，如外接电器用电设备，可以手动输入所需要的电压和功率，BMS通过公式(3)计算出电池单元串并联数量传递给电池矩阵控制单元，进而由电池矩阵控制单元控制各个MOSFET的开断以适配充电桩的充电电压，当所需电源比较小时，可以将一部分电池断开，单独使用系统中的一部分电池进行供电，这时直接利用电动汽车电池就可得到自己所需要的电压，无需使用变压器。当电池出现异常情况时，可以通过电池矩阵控制单元控制MOSFET将电源紧急断开，起到保护的作用。

实施例4：

本实施例公开一种计算机可读存储介质，存储介质中存储有至少一可执行指令，可执行指令在电子设备上运行时，使得电子设备执行如上述实施例3所述的采用新能源电池反向供电的策略。

本公开中的计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读信号介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims

1.一种可变压的电动汽车电池包，其特征在于，包括若干电池组，每个所述电池组之间通过MOSFET连接；通过控制所述MOSFET的通断进而改变所述电池组的串并联方式；

所述电池单元的数量取决于其自身的额定电动势：

Σnu_i＝U

2.一种可变压的电动汽车电池控制系统，所述电池控制系统用于控制如权利要求1所述的可变压的电动汽车电池包，其特征在于，所述电池控制系统包括：

电池矩阵控制单元，与所述可变压的电动汽车电池包连接；所述电池矩阵控制单元用于控制所述MOSFET的通断；

BMS模块，与所述电池矩阵控制单元电性连接；所述BMS模块用于计算所述电池组所需串并联的数量，输出电池优化控制策略，并将所述电池优化控制策略传递至所述电池矩阵控制单元；

状态监控单元，用于读取每个所述电池单元的当前温度、荷电状态，以及当前电动汽车的充电电压，将当前状态数据汇报至电子控制单元ECU；

电子控制单元ECU，分别与所述BMS模块和所述状态监控单元电性连接；所述电子控制单元ECU用于读取当前状态数据，并将所述状态数据下发至所述BMS模块。

3.根据权利要求2所述的可变压的电动汽车电池控制系统，其特征在于：当电动汽车接入充电桩充电时，外接电源电压等于1.2至1.3倍电池电动势为最优值；

所述电子控制单元ECU读取当前充电输入电压U_in传递给所述BMS模块，每个电池组的电压为u_g：

αu_g+u_g＝U_out＝(1.2-1.3)U_in

α+β＝C

4.根据权利要求2所述的可变压的电动汽车电池控制系统，其特征在于：当电动汽车行驶时：

P_need＝Σu_ii_i

5.根据权利要求2所述的可变压的电动汽车电池控制系统，其特征在于，当所述可变压的电动汽车电池包所需要的电压无需使用到所有电池单元或电池包时，所述BMS模块输出如下电池优化控制策略：

首要目标是保证电池包中的电池单元温度总和最低：

min∑T_i

6.根据权利要求2所述的可变压的电动汽车电池控制系统，其特征在于，当电池包对外供电时，所述BMS模块输出如下电池优化控制策略：

7.根据权利要求6所述的可变压的电动汽车电池控制系统，其特征在于：在执行电池优化控制策略时，优先使用标记为1的电池单元。

8.根据权利要求2所述的可变压的电动汽车电池控制系统，其特征在于，所述电池优化控制策略还包括：

保持每个电池单元的荷电状态与电池包的荷电状态平均值相近：

9.一种电动汽车电池反向供电方法，基于如权利要求2至8中任一项所述的可变压的电动汽车电池控制系统以实现，其特征在于，所述反向供电方法包括：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一个可执行指令，所述可执行指令在电子设备上运行时，使得电子设备执行如权利要求9所述的电动汽车电池反向供电方法。