CN103311592B - 动力电池***及具有其的车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动力电池***，其包括相互并联的N个单体电池模块和电池管理器，其中，每个单体电池模块包括：M个单体电池，每个单体电池相互串联；M-1个第一可控开关连接在相邻两个单体电池之间，每个第一可控开关与第二个单体电池至第M个单体电池一一对应构成M-1个电池单元；M个第二可控开关串联连接，且第一个第二可控开关与第一个单体电池并联，第二个第二可控开关至第M个可控开关与M-1个电池单元一一对应并联；电池管理器与每个第一可控开关和每个第二可控开关分别相连，用于对每个第一可控开关和每个第二可控开关进行控制。本发明的动力电池***效率高，对电池寿命无伤害，鲁棒性好，可靠性高。本发明还公开了一种车辆。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种动力电池***以及一种具有该动力电池***的车辆。
背景技术
传统BMS（Battery Management System，电池管理***）中低层电池pack结构一般采用先并后串形式，并加以主动/被动均衡***以保证整个电池***运行的一致性，这种方式组合而成的电池***中，当某一单体电池出现故障时会严重影响其余未故障电池，并且在电池均衡过程中，电池的充电/放电动作严重损害电池寿命，能量流动过程中亦造成极大的能源浪费。
传统先并后串的电池组均衡实现容易，一致性较好，但是并联的单体电池之间的能量互相均衡实现会导致电池充放电次数增多，电池寿命将下降，在均衡能量流动的同时将产生大量的能源浪费，此外电池故障短路将成为并联负载影响整组电池组。而对于其电池短路故障的防护，传统方案中使用串联保险方案保护电池组的方法也是十分落后的。第一，保险动作时间慢；第二，保险动作后不可自恢复，必须由专业技术人员由专业仪器修复；第三，保险丝一致性很差，无法精确控制熔断时间。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种新的动力电池***，采用多个可控开关串并联方式控制所有单体电池，当某一单体电池出现过压、欠压等故障时通过控制可控开关来控制该电池处于通路/短路状态有效保护单体电池，并避免了传统电池管理***中由于电池均衡对电池带来的损害和能量损失，最大程度地利用整个电池***的能量。
为达到上述目的，本发明提出的一种动力电池***，包括相互并联的N个单体电池模块和电池管理器。其中，所述N个单体电池模块中的每个单体电池模块包括：M个单体电池，所述M个单体电池中的每个单体电池相互串联，其中，N和M均为大于1的整数；M-1个第一可控开关，所述M-1个第一可控开关连接在所述M个单体电池中相邻两个单体电池之间，每个第一可控开关与所述M个单体电池中第二个单体电池至第M个单体电池一一对应构成M-1个电池单元；M个第二可控开关，所述M个第二可控开关串联连接，且所述M个第二可控开关中的第一个第二可控开关与所述M个单体电池中第一个单体电池并联，所述M个第二可控开关中的第二个第二可控开关至第M个可控开关与所述M-1个电池单元一一对应并联；其中，所述电池管理器与每个第一可控开关的控制端和每个第二可控开关的控制端分别相连，所述电池管理器用于对所述每个第一可控开关和每个第二可控开关进行控制。
根据本发明实施例的动力电池***，采用多个可控开关串并联方式控制所有单体电池，当某一单体电池出现过压、欠压等故障时通过控制第一可控开关和第二可控开关来控制该电池处于通路/短路状态有效保护单体电池，并避免了传统电池管理***中由于电池均衡对电池带来的损害和能量损失，最大程度地利用整个电池***的能量。因此，本发明的动力电池***效率高，对电池寿命无伤害，鲁棒性好，可靠性高。
在本发明的一个实施例中，在所述动力电池***充电均衡过程中，当所述电池管理器检测到每个单体电池模块中第M-1个电池单元内的单体电池的SOC大于等于第一预设值时，控制所述第M-1个电池单元内对应的第一可控开关断开，并控制与所述第M-1个电池单元并联的第二可控开关闭合。
在本发明的一个实施例中，在所述动力电池***放电均衡过程中，当所述电池管理器检测到每个单体电池模块中第M-1个电池单元内的单体电池的SOC小于第二预设值时，控制所述第M-1个电池单元内对应的第一可控开关断开，并控制与所述第M-1个电池单元并联的第二可控开关闭合。
在本发明的一个实施例中，当所述电池管理器检测到每个单体电池模块中第M-1个电池单元内的单体电池短路时，控制所述第M-1个电池单元内对应的第一可控开关断开，并控制与所述第M-1个电池单元并联的第二可控开关闭合。
优选地，在本发明的一个实施例中，所述的动力电池***还包括：快速铰接组件，所述快速铰接组件设置在所述每个单体电池模块之间。
通过在每个单体电池模块之间设置快速铰接组件，方便维修拆卸。
其中，所述第一可控开关和第二可控开关可以为MOS管。
在本发明的一个实施例中，所述每个单体电池模块中M个单体电池内的第一个单体电池的正极与第一动力总线相连，所述每个单体电池模块中M个单体电池内的第M个单体电池的负极与第二动力总线相连。
此外，本发明的实施例还提出了一种车辆，包括上述的动力电池***。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的动力电池***的电路示意图；
图2为根据本发明一个实施例的动力电池***的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的动力电池***。
图1为根据本发明实施例的动力电池***的电路示意图。如图1所示，该动力电池***包括相互并联的N个单体电池模块10和电池管理器（图中未示出），其中，N个单体电池模块中的每个单体电池模块10包括M个单体电池101、M-1个第一可控开关102和M个第二可控开关103。其中，N和M均为大于1的整数。
如图1所示，M个单体电池中的每个单体电池101相互串联，并且，M-1个第一可控开关102连接在M个单体电池中相邻两个单体电池101之间，每个第一可控开关与M个单体电池中第二个单体电池至第M个单体电池一一对应构成M-1个电池单元104。M个第二可控开关103串联连接，且M个第二可控开关中的第一个第二可控开关与M个单体电池中第一个单体电池并联，M个第二可控开关中的第二个第二可控开关至第M个可控开关与M-1个电池单元一一对应并联。
电池管理器与每个第一可控开关102的控制端和每个第二可控开关103的控制端分别相连，电池管理器用于对每个第一可控开关102和每个第二可控开关103进行控制。
在本发明的实施例中，上述的动力电池***采用先串后并的物理结构，串并单体电池的数量可以根据***需求任意调整。
具体地，在本发明的一个实施例中，如图1所示，第一可控开关102和第二可控开关103可以为MOS管。每个单体电池模块10中的第二个单体电池至第M个单体电池的正极均连接串联MOS管的源级S，每个单体电池模块10中的第一个单体电池至第M-1个单体电池的负极连接串联MOS管的漏极D，每个单体电池模块10中的每个单体电池的负极和与之并联的MOS管的源极S相连，每个单体电池模块10中的第一个单体电池的正极和与之并联的MOS管的漏极D相连，这样形成串并联结构。在本发明的一个示例中，如果该动力电池***中采用101串9并结构，共计需要101*9+100*9=1809个MOS管以确保控制每个单体电池。
当然，可以理解的是，第一可控开关和第二可控开关也可由其他开关性能更好、价格更低的开关元件替代。
在本发明的一个实施例中，如图2所示，上述的动力电池***还包括快速铰接组件20，快速铰接组件20设置在每个单体电池模块10之间。在本发明的动力电池***中，在物理上采用快速可拆卸的铰链式结构连接各个单体电池模块10，方便维修拆卸。
在本发明的实施例中，如图1和图2所示，每个单体电池模块10中M个单体电池内的第一个单体电池的正极与第一动力总线30相连，每个单体电池模块10中M个单体电池内的第M个单体电池的负极与第二动力总线40相连。其中，第一动力总线30和第二动力总线40可以连接在用电***的电压母线上。
在本发明的一个实施例中，在动力电池***充电均衡过程中，当所述电池管理器检测到每个单体电池模块10中第M-1个电池单元内的单体电池101的SOC大于等于第一预设值时，控制第M-1个电池单元内对应的第一可控开关断开，并控制与所述第M-1个电池单元并联的第二可控开关闭合。也就是说，在本实施例中，在动力电池***处于充电状态时，由于锂电池在使用过程中因工艺、制造等问题会产生寿命的偏差，从而造成容量的不均衡。而容量的不均衡导致电池在放电过程中SOC的不一致，与传统充电SOC利用放电电阻放电的方式不同，当本发明的***中，在检测到SOC较小的单体电池的电量饱和后，采用断开其串联的MOS管，闭合其并联的MOS管的方式直接将该单体电池短路出整个***，其余单体电池可继续充电直至全部电量达到饱和状态。
并且，在所述动力电池***放电均衡过程中，当所述电池管理器检测到每个单体电池模块中第M-1个电池单元内的单体电池的SOC小于第二预设值时，控制所述第M-1个电池单元内对应的第一可控开关断开，并控制与所述第M-1个电池单元并联的第二可控开关闭合。也就是说，本发明的动力电池***在放电过程中进行均衡时与充电过程类似，电池由于其内阻等特性变化导致放电损耗、放电多少会出现过放电临界点等的不一致，***检测整个电池组中每个单体电池的放电过程，在出现某单体电池过放电时断开与该单体电池串联的MOS管，闭合其并联的MOS管，此时电流从MOS管的D级流向S级，由于MOS管的通态特性中DS导通压降远远小于体二极管导通压降，故并联通态MOS管将短路串联MOS管中的寄生体二极管，从而达到屏蔽低容量电池的目的。
在本实施例中，当电池管理器检测到每个单体电池模块10中第M-1个电池单元104内的单体电池短路时，控制所述第M-1个电池单元内对应的第一可控开关断开，并控制与所述第M-1个电池单元并联的第二可控开关闭合。也就是说，在本发明的动力电池***中，当任意单体电池出现短路、过流、过热、触电失效、内阻突变等故障时，采用屏蔽方式屏蔽该故障单体电池，同时发出报警提示，从而少量的故障单体电池出现时对***整体性能的影响将被削弱。
需要说明的是，在本发明的实施例中，当其中一个单体电池模块中的某单体电池出现过放电时，***自动控制其余单体电池模块中的单体电池内SOC最低的单体电池进行统一的屏蔽处理，从而保证串联电池组的电位水平相等，并通知上位机动力电池***的降压情况。当SOC差异率大于一定值时进行报警。其中，如果某串联电池组失效单体电池过多，***将采取措施直接屏蔽该电池串，从而保证***的最大SOC利用率。
综上所述，在本发明的实施例中，整体电池包无需进行单体电池均衡，从整个电池串的角度来看，只需通过短路开关以短路掉某些表现差/故障的单体电池即可保证整个电池包的正常工作。此外，传统串联电池组很难解决的问题，不加保护装置将出现***、燃烧等安全问题，在本发明中也得到了很好的解决。因为采用了并/串双开关保证电池串安全，当单体电池出现短路时只需断开串联开关闭合并联开关，整组电池包即可避开故障电池安全运行，甚至当整组电池相当一部分单体电池出现故障的极端情况中，采用该动力电池***的整车依然可以在牺牲动力性的前提下依靠剩余的电力继续前进（跛行回家）。因此说，本发明是通过结构创新，采用新颖的控制方式、优化的管理方式等实现了一种集成度高、均衡效果好、效率高、工作可靠、功能全面的新型电池管理***方案，这些优点是传统的主动/被动均衡方式的电池管理***不能比拟或者无法实现的。
根据本发明实施例的动力电池***，采用多个可控开关串并联方式控制所有单体电池，当某一单体电池出现过压、欠压等故障时通过控制第一可控开关和第二可控开关来控制该电池处于通路/短路状态有效保护单体电池，并避免了传统电池管理***中由于电池均衡对电池带来的损害和能量损失，最大程度地利用整个电池***的能量。因此，本发明的动力电池***效率高，对电池寿命无伤害，鲁棒性好，可靠性高。
此外，本发明的实施例还提出了一种车辆，包括上述的动力电池***。可以理解的是，本发明的动力电池***还可以使用于风电、光伏以及各种需要电池管理的电池***中，其新型的结构及其单体电池的管理思路带来的优良效果是传统的主动/被动均衡方式的电池管理***不能比拟或者无法实现的，具有一定前瞻性。使用该方案设计的电池管理***在一些特殊的恶劣工况下（例如整包电池的寿命末期、单体电池故障甚至多个单体故障）有着一般传统产品不可比拟的优势。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (7)
1.一种动力电池***，其特征在于，包括相互并联的N个单体电池模块和电池管理器，其中，所述N个单体电池模块中的每个单体电池模块包括：
M个单体电池，所述M个单体电池中的每个单体电池相互串联，其中，所述每个单体电池模块中M个单体电池内的第一个单体电池的正极与第一动力总线相连，所述每个单体电池模块中M个单体电池内的第M个单体电池的负极与第二动力总线相连，且N和M均为大于1的整数；
M-1个第一可控开关，所述M-1个第一可控开关连接在所述M个单体电池中相邻两个单体电池之间，每个第一可控开关与所述M个单体电池中第二个单体电池至第M个单体电池一一对应构成M-1个电池单元；
M个第二可控开关，所述M个第二可控开关串联连接，且所述M个第二可控开关中的第一个第二可控开关与所述M个单体电池中第一个单体电池并联，所述M个第二可控开关中的第二个第二可控开关至第M个可控开关与所述M-1个电池单元一一对应并联；
其中，所述电池管理器与每个第一可控开关的控制端和每个第二可控开关的控制端分别相连，所述电池管理器用于对所述每个第一可控开关和每个第二可控开关进行控制。
2.如权利要求1所述的动力电池***，其特征在于，在所述动力电池***充电均衡过程中，当所述电池管理器检测到每个单体电池模块中第M-1个电池单元内的单体电池的SOC大于等于第一预设值时，控制所述第M-1个电池单元内对应的第一可控开关断开，并控制与所述第M-1个电池单元并联的第二可控开关闭合。
3.如权利要求1所述的动力电池***，其特征在于，在所述动力电池***放电均衡过程中，当所述电池管理器检测到每个单体电池模块中第M-1个电池单元内的单体电池的SOC小于第二预设值时，控制所述第M-1个电池单元内对应的第一可控开关断开，并控制与所述第M-1个电池单元并联的第二可控开关闭合。
4.如权利要求1所述的动力电池***，其特征在于，当所述电池管理器检测到每个单体电池模块中第M-1个电池单元内的单体电池短路时，控制所述第M-1个电池单元内对应的第一可控开关断开，并控制与所述第M-1个电池单元并联的第二可控开关闭合。
5.如权利要求1-4任一项所述的动力电池***，其特征还包括：快速铰接组件，所述快速铰接组件设置在所述每个单体电池模块之间。
6.如权利要求1所述的动力电池***，其特征在于，所述第一可控开关和第二可控开关为MOS管。
7.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的动力电池***。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150805 |