CN110034345A - 模块化电池组、电动装置及模块化电池组管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种模块化电池组、电动装置及模块化电池组管理方法。该模块化电池组包括：至少一个管理模块电池，其包括管理***和一个或多个单体电池，管理***配置成与一个或多个单体电池连接，以实现对一个或多个单体电池的管理；以及一个或多个非管理模块电池，其包括一个或多个单体电池，其中至少一个管理模块电池和一个或多个非管理模块电池串联连接。利用管理***对管理模块电池中的单体电池进行管理，相应地，与管理模块电池串联连接的非管理模块电池也受到管理，从而整个模块化电池组得到管理。根据本发明，通过对电池进行模块化设计，能够提高电池的组装性与通用性；通过设置管理模块电池，能够以简单的结构对整个模块化电池组进行控制。

Description

模块化电池组、电动装置及模块化电池组管理方法
技术领域
本发明一般地涉及电池领域。更具体地，本发明涉及一种模块化电池组及其管理方法、以及以该模块化电池组为能源的电动装置，其例如可以应用于新能源电动汽车及两轮或三轮电动车领域。
背景技术
近年来，随着燃油车保有量的快速增长，环境污染问题日益严重，新能源电动汽车得到了大力发展。低速电动汽车作为近年来的新宠，其发展迅速。但目前低速电动汽车绝大多数使用的是对环境有污染的铅酸电池，因此，用污染小的蓄电池、例如锂电池来替换低速电动汽车的铅酸电池成为迫在眉睫的问题。
为了便于理解，图1示出了当前低速电动汽车所使用的铅酸电池。从图1中可以看到，多个12V的铅酸电池模块(如图中所示出的标号1)通过高压线束(如图中所示出的标号2)串联行成不同的高电压平台下的电池***。而这样设计使用的铅酸电池***存在以下缺点：重量大、安全性低、有污染、能量密度低、使用寿命短等。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的一个或多个技术问题，本发明提出一种将单体电池模块化且能够以简单结构实现电池管理的模块化电池组及其管理方法、以及以该模块化电池组为能源的电动装置。
为了实现上述技术目的，本发明提供如下的技术方案。
本发明的第一方面提供一种模块化电池组，其包括：至少一个管理模块电池，各管理模块电池包括管理***和一个或多个单体电池，在各所述管理模块电池中，所述管理***配置成与所述一个或多个单体电池连接，以实现对所述一个或多个单体电池的管理；以及一个或多个非管理模块电池，各非管理模块电池包括一个或多个单体电池，其中，各所述管理模块电池和各所述非管理模块电池电连接，并配置成所述管理***通过对所述管理模块电池所包括的所述一个或多个单体电池进行管理而实现对所述模块化电池组的管理。
在上述的模块化电池组中，优选的是，各所述管理模块电池和各所述非管理模块电池串联连接；并且，若各所述非管理模块电池的容量为第一容量，各所述管理模块电池的容量为第二容量，则所述第一容量大于等于所述第二容量；当所述管理***基于所述第二容量对所述管理模块电池所包括的所述一个或多个单体电池进行管理时，所述非管理模块电池也相应地受到管理，从而实现对所述模块化电池组的管理。
在上述的模块化电池组中，所述管理***可以配置成对所述管理模块电池中的所述单体电池进行过充电、过放电、电池荷电状态中的至少一个进行管理。
在上述的模块化电池组中，优选的是，当所述管理***基于所述过充电、所述过放电、所述电池荷电状态中的至少一个开始或停止对所述单体电池充电或放电时，与所述管理模块电池串联连接的各所述非管理模块电池也相应地开始或停止充电或放电，从而实现对所述模块化电池组的管理。
在上述的模块化电池组中，所述管理***可以通过软件与硬件相结合的方式来实现，也可以通过保护板来实现。
在上述的模块化电池组中，所述管理***可以以有线或无线的方式与上位管理***连接，将所述管理模块电池和/或所述模块化电池组的状态信息发送给所述上位管理***，并接收来自所述上述管理***的指令。
在上述的模块化电池组中，优选的是，所述管理模块电池所包括的各所述单体电池和所述非管理模块电池所包括的各所述单体电池容量相等。在各所述管理模块电池以及各所述非管理模块电池中，各所述单体电池可以串联连接，也可以并联连接，还可以串联与并联混合地连接。
在上述的模块化电池组中，可以由所述管理模块电池和不同数目的非管理模块电池串联连接形成不同电压体系的模块化电池组。
在上述的模块化电池组中，所述管理模块电池的数目可以为1个。
在上述的模块化电池组中，优选的是，各所述管理模块电池分别容纳在箱体内，所述箱体包括维护端口，所述维护端口与所述箱体内的各所述单体电池连接，以便对各所述单体电池进行维护。
在上述的模块化电池组中，优选的是，所述维护端口配置成对各所述单体电池进行维护，以增加各所述单体电池的循环次数。
在上述的模块化电池组中，优选的是，各非管理模块电池分别容纳在箱体内，所述非管理模块电池通过高压连接线彼此串联，所述箱体包括维护端口，所述维护端口与所述箱体内的各所述单体电池连接，以便对各所述单体电池进行维护。
在上述的模块化电池组中，优选的是，所述单体电池为锂电池。
本发明的第二方面提供一种电动装置，其由一个或多个上述的模块化电池组提供能量。
上述的电动装置可以为电动汽车，也可以为电动二轮车或电动三轮车。
本发明的第三方面提供一种模块化电池组管理方法，所述模块化电池组包括：至少一个管理模块电池，各管理模块电池包括管理***和一个或多个单体电池；以及一个或多个非管理模块电池，各非管理模块电池包括一个或多个单体电池，各所述管理模块电池和各所述非管理模块电池串联连接，在所述管理方法中，通过所述管理***对所述管理模块电池所包括的所述一个或多个单体电池进行管理，来实现对所述模块化电池组的管理。
在上述的模块化电池组管理方法中，优选的是，当各所述非管理模块电池的容量为第一容量，各所述管理模块电池的容量为第二容量，且所述第一容量大于等于所述第二容量时，所述管理***基于所述第二容量对所述管理模块电池所包括的所述一个或多个单体电池进行管理，相应地，所述非管理模块电池也受到管理，从而实现对所述模块化电池组的管理。
利用本发明的模块化电池，通过将电池模块化而能够利用不同数目模块电池的组合形成模块化电池组，以能够应对不同的电压平台，可以直接替换铅酸电池而无需更改原车的安装结构。其次，由于使用锂电池，因此本发明的模块化电池组无污染、能量密度大并且重量轻。再次，由于设计成：只对模块化电池组中的部分模块电池(管理模块电池)进行管理就能够对整个模块化电池组进行管理，所以能够以简单的结构实现电池的充放电管理，简化了电池周边的电路结构。此外，通过本发明的维护端口，锂电池充放电循环寿命大大延长，从而增加车辆续航里程和使用寿命。由此，本发明的模块化电池组应用性强，基本上可以适用于市场上所有的两轮、三轮、四轮电动车车型，且结构简单，安全性高。
附图说明
通过阅读仅作为示例提供并且参考附图进行的以下描述，将更好地理解本发明及其优点，其中：
图1是根据现有技术的铅酸电池***的示意图；
图2是根据本发明的非管理模块电池的主视图；
图3是根据本发明的非管理模块电池的俯视图；
图4是根据本发明的非管理模块电池的左视图；
图5是根据本发明的管理模块电池的主视图；
图6是根据本发明的管理模块电池的俯视图；
图7是根据本发明的管理模块电池的左视图；
图8是根据本发明的管理模块电池的示例性连接图；以及
图9是根据本发明的模块化电池组的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种模块化电池技术，即一种模块化电池组。
在一个实施例中，模块化电池组包括：至少一个管理模块电池，各管理模块电池包括管理***和一个或多个单体电池，在各管理模块电池中，管理***配置成与一个或多个单体电池连接，以实现对一个或多个单体电池的管理；以及一个或多个非管理模块电池，各非管理模块电池包括一个或多个单体电池。
其中，各管理模块电池和各非管理模块电池电连接，并配置成管理***通过对管理模块电池所包括的一个或多个单体电池进行管理而实现对整个模块化电池组的管理。
作为一个优选方式，上述的各管理模块电池和各非管理模块电池串联连接，并且，将管理模块电池的容量设定得小于等于(优选小于)非管理模块电池的容量。即：若各非管理模块电池的容量为第一容量，各管理模块电池的容量为第二容量，则第一容量大于等于(优选大于)所述第二容量。由此，当管理***基于作为小容量的第二容量对管理模块电池所包括的一个或多个单体电池进行管理时，具有大容量的非管理模块电池也相应地受到管理，从而实现对整个模块化电池组的管理。
关于对单体电池乃至整个模块化电池组的管理，管理***被配置成对管理模块电池中的单体电池进行过充电、过放电、电池荷电状态中的至少一个进行管理。
更具体地说，当管理***基于过充电、过放电、电池荷电状态中的至少一个开始或停止对单体电池充电或放电时，与该管理模块电池串联连接的各非管理模块电池也相应地开始或停止充电或放电，从而实现对整个模块化电池组的管理。其原因是，当管理***基于作为小容量的第二容量而停止充电以防止过充电时，与该管理***所在的管理模块电池相串联的其他模块电池也就相应地也被停止充电，而且由于其他模块电池的容量(第一容量)比管理模块电池的容量(第二容量)大(相等亦可)，所以，其他模块电池不会先于管理模块电池停止充电。反之亦然，基于同样的道理(木桶原理)，管理***在对管理模块电池所具有的各单体电池进行管理控制的通知，相应地控制管理的其他模块电池，从而使得整个模块化电池组均受到管理控制。
管理***可以通过软件与硬件相结合的方式实现，也可以通过保护板来实现。
另外，在本实施方式中，以基于锂单体电池的模块化电池组为例来详细说明本发明，但是本发明的单体电池并不唯一地限定为锂电池。
下面将结合附图来描述本发明的实施例，应当理解的是以下的描述仅仅是示例性的而非限制性的，而本领域技术人员根据以下的描述，可以对本发明的实施例进行适当的修改、改变和变形，而这些修改、改变和变形依然落入到本发明的保护范围之内。
图2是根据本发明的非管理模块电池20的主视图。如图2中所示，该非管理模块电池20包括一个箱体23以及位于箱体23上部的正极接线柱21和负极接线柱22。在一个实施例中，该箱体23内具有多个锂电池组，其中锂电池组的负极连接到负极接线柱22，而锂电池组的正极连接到正极极接线柱21。在一个实施例中，该多个锂电池可以以串联、并联或串并联的方式进行连接。
图3是根据本发明的非管理模块电池20的主视图。如图3中所示，箱体23包括正面的箱盖24，用于标识正极接线柱21的正极标识25，用于标识负极接线柱22的负极标识26，以及维护端口27。在一个实施例中，该维护端口27与箱体内部的各串联的锂电池组相连，从而实现对锂电池模块的锂电池组的监视和维护。
图4是根据本发明的非管理模块电池20的左视图。从该左视图，可以看到非管理模块电池20的正极接线柱21和箱体23。
图5是根据本发明的管理模块电池50的主视图。如图5中所示，该管理模块电池50包括箱体51、正极接线柱52和负极接线柱54、以及用于固定散热装置(如图6中所示出的散热板)的多个螺钉53。在一个实施例中，所述箱体内包括数个锂电池(或电池组)，并且数个锂电池的正极或负极可以分别通过高压线与正极接线柱52和负极接线柱54连接。换句话说，所述电池智能管理模块的正极接线柱通过高压线连接到锂电池组的正极，而所述电池智能管理模块的负极接线柱通过高压线连接到锂电池组的负极。在一个实施例中，一个或多个锂电池或电池组可以以串联、并联或串并联的方式来进行连接。
图6是根据本发明的管理模块电池50的俯视图。可以理解的是，该
图6实际上示出了箱体51的箱盖，以及布置在箱盖上的多个元件。具体地，在该箱盖上布置有正极接线柱52和用于标识正极的正极标识55，负极接线柱54和用于标识负极的负极标识56。螺钉53用于固定散热装置，即散热板57。另外，箱盖上有布置有维护端口58。在一个实施例中，管理模块电池50中的串联的多个电池组通过一套低压采集线束，分别与管理***(如图8中所示)相连。进一步，多个电池组通过一套低压采集线束与箱盖上的维护端口58相连，由此可以采集到管理模块电池的锂电池组的电池电压。
图7是根据本发明的管理模块电池50的左视图。从该左视图，可以到管理模块电池50的箱体51、布置于箱盖上的正极接线柱52和用于固定散热装置的螺钉53。
根据本发明的技术方案，若设模块化电池组中的非管理模块电池的数量为m、管理模块电池的数目为n，则模块化电池组中的模块电池总数目为m+n。本发明的模块化电池组的m个非管理模块电池和n个管理模块电池可以通过数根高压连接线进行连接。在本实施方式中，为串联连接。但是，只要能够使对管理模块电池的管理控制相应地反映到非管理模块电池上，可以是任何的电连接方式。在一个实施例中，数个非管理模块电池通过高压连接线串联可形成电压平台更高的电池***。
在另一个实施例，可以设置非管理模块电池中的每一串电池容量(可以称为非管理模块电池的容量、第一容量)相等，从而通过数个非管理模块电池串联来形成不同电压体系的电池***。
在又一个实施例，可以设置管理模块电池的每一串电池容量与非管理模块电池中的每一串电池容量相等，从而通过所述数个管理模块电池与数个非管理模块电池串联来形成不同电压体系的电池***。
构成各管理模块电池以及各非管理模块电池的各单体电池优选是规格统一的单体电池，例如具有相同的容量。在各模块电池中，这些单体电池可以单纯地串联连接、或是单纯地并联连接，也可以是多个单体电池串并联连接，还可以是多个单体电池并联而成的单体电池组串联连接。
在一个实施例中，可以将本发明的模块化电池组配置成与现存的12V铅酸电池外形尺寸一致，从而本发明的模块化电池组可以直接替代现存的铅酸电池。进一步，在本发明的模块化电池组中，可以以不同的形式来组合非管理模块电池和管理模块电池(例如改变二者的具体数目和连接顺序等)，从而直接替换现存的铅酸电池***，而不需要变更安装结构。通过这种方式，本发明的模块化电池组适用于现有的铅酸12V模块下的所有车型。因此，当本发明的模块化电池组安装于电动汽车(例如新能源电动汽车)上时，可以显著地提高电动汽车的整体性能、提高其续航能力并且有效地延长锂电池的使用。另外，由于锂电池的使用，也减少了对环境的污染并且相对于现有的铅酸电池的体积节省了占用空间。
图8是根据本发明的管理模块电池50的示例性连接图。如图8中所示，锂电池(单体电池)1、2、3、…、k可以通过高压线串联(镍板)，并且电池组的正极连接到正极接线柱，而电池组的负极连接到负极接线柱，并且每个锂电池的负极和正极可以分别通过低压采集线连接到管理***81和维护端口(如图中通过连接管理***81、电池1～k和维护端口的B0、B1、B2、B3…Bk端的低压采集线83)。在一个实施例中，管理***81可以配置成实现对数个锂电池进行过充、过放、锂电池荷电状态(“SOC”)中的至少一个的安全管理。
在一个实施例中，本发明可以通过维护端口采集到各串联的锂电池的电压，以便对各锂电池或电池组进行维护，从而增加电池或电池组的循环次数。例如，可以使用锂电池组均衡维护仪，通过维护端口来采集电池组单体电池参数，对其进行均衡维护，将不一致的单体电池电压通过充放电循环从而达到各单体电池电压保持一致。电池维护通过均衡可以在串联电池出现充电损耗或容量损耗时增加锂电池***的可用容量，以提高电池包的使用寿命。为了进一步消除管理***81在工作中产生的多余热量，可以在散热装置和管理***之间设置导热体82，以便于散热装置的进一步散热。
在一个实施例中，本发明的管理***81对管理模块电池50的多个电池或电池组进行过充、过放、过流、过温等安全管理。在充电过程中,任一单体电池电压达到充电终止电压时或者管理模块电池50的容量达到规定容量时，管理***将自动断电关闭，对管理模块电池50的多个单体电池进行保护。在放电过程中,当任一单体的电池电压达到放电终止电压时或者管理模块电池50的容量达到规定容量时，管理***81将自动地断电关闭，不再继续放电，从而对管理电池模块的多个锂电池进行保护。当在放电过程中，放电电流超过限制电流时，管理***对管理模块电池的锂电池进行保护。充放电过程中，当温度超过上限值时，本发明的管理***81也自动停止以实现锂电池的保护。一旦管理***81实施断电，则与该管理模块电池50串联连接的其他模块电池也自然断电，从而整个模块化电池组得到保护。
在一个实施例中，当管理***81基于过充电、过放电、锂电池荷电状态中的至少一个开始或停止对多个锂电池充电或放电时，与管理模块电池串联连接的一个或多个非管理模块电池也相应地开始或停止充电或放电，从而实现对模块化电池的管理。
在一个实施例中，管理***可以以有线或无线的方式与上位管理***连接，将所述管理模块电池的状态信息发送给所述上位管理***，并接收来自所述上述管理***的指令。在一个实施例中，可以通过软硬件相结合或保护板的方式来实现所述管理***。
图9是根据本发明的模块化电池90的示意图。如图中所示，本发明的模块化电池90包含m个非管理模块电池(或所示的模块电池1～m)、n个管理模块电池(或所示的管理模块电池1～n)，其中m和n是正整数，并且m大于n。如前所述，这里的m个非管理模块电池与n个管理模块电池可以串联以形成具有不同电压体系的电池***，以对负载进行供电。在一个实施例中，n个管理模块电池可以通过高压线来进行串联，而n个管理模块电池之一(如所示管理模块电池n)也通过高压线串联连接到非管理模块电池之一
在一个实施例中，本发明的模化块电池中的锂电池模块技术参数可以为14.8V。通过数个模块化电池串联可形成不同电压体系的电池***。在另一个实施例中，模块化电池可以与现存12V铅酸电池外形尺寸一致。所述数个锂电池模块通过高压连接线串联可形成电压平台更高的电池***。可以理解的是本发明的锂电池模块化技术可实现不同组合形式下直接替换现存的铅酸电池***，而不需要变更安装结构，尤其是适用于现有的铅酸12V电池模块下的所有车型。
作为本发明技术的应用之一，可以是由一个或多个模块化电池组提供能量的电动装置。例如可以是电动汽车或电动二轮车或电动三轮车。
作为本发明的又一实施方式，本发明可以是一种模块化电池组管理方法，模块化电池组包括：至少一个管理模块电池，各管理模块电池包括管理***和一个或多个单体电池；以及一个或多个非管理模块电池，各非管理模块电池包括一个或多个单体电池，各管理模块电池和各非管理模块电池串联连接，在所述管理方法中，通过管理***对管理模块电池所包括的一个或多个单体电池进行管理，来实现对模块化电池组的管理。
具体而言，当各非管理模块电池的容量为第一容量，各管理模块电池的容量为第二容量，且第一容量大于等于第二容量时，管理***基于第二容量对管理模块电池所包括的一个或多个单体电池进行管理，相应地，非管理模块电池也受到管理，从而实现对模块化电池组的管理。
该管理方法可以应用于任何具有上述模块化电池组的电池产品、以及具有电池产品的电动装置中。
虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (17)

1.一种模块化电池组，包括：
至少一个管理模块电池，各管理模块电池包括管理***和一个或多个单体电池，在各所述管理模块电池中，所述管理***配置成与所述一个或多个单体电池连接，以实现对所述一个或多个单体电池的管理；以及
一个或多个非管理模块电池，各非管理模块电池包括一个或多个单体电池，
其中，各所述管理模块电池和各所述非管理模块电池电连接，并配置成所述管理***通过对所述管理模块电池所包括的所述一个或多个单体电池进行管理而实现对所述模块化电池组的管理。
2.根据权利要求1所述的模块化电池组，其中，
各所述管理模块电池和各所述非管理模块电池串联连接，并且，
若各所述非管理模块电池的容量为第一容量，各所述管理模块电池的容量为第二容量，则所述第一容量大于等于所述第二容量，
当所述管理***基于所述第二容量对所述管理模块电池所包括的所述一个或多个单体电池进行管理时，所述非管理模块电池也相应地受到管理，从而实现对所述模块化电池组的管理。
3.根据权利要求2所述的模块化电池组，其中，
所述管理***配置成对所述管理模块电池中的所述单体电池进行过充电、过放电、电池荷电状态中的至少一个进行管理。
4.根据权利要求3所述的模块化电池组，其中，
当所述管理***基于所述过充电、所述过放电、所述电池荷电状态中的至少一个开始或停止对所述单体电池充电或放电时，与所述管理模块电池串联连接的各所述非管理模块电池也相应地开始或停止充电或放电，从而实现对所述模块化电池组的管理。
5.根据权利要求1所述的模块化电池组，其中，所述管理***通过软件与硬件相结合的方式、或者保护板来实现。
6.根据权利要求1所述的模块化电池，其中，所述管理***以有线或无线的方式与上位管理***连接，将所述管理模块电池和/或所述模块化电池组的状态信息发送给所述上位管理***，并接收来自所述上述管理***的指令。
7.根据权利要求1所述的模块化电池组，其中，
所述管理模块电池所包括的各所述单体电池和所述非管理模块电池所包括的各所述单体电池容量相等；
在各所述管理模块电池以及各所述非管理模块电池中，各所述单体电池串联连接、并联连接、或者串联与并联混合地连接。
8.根据权利要求1或2所述的模块化电池组，其中，
所述管理模块电池和不同数目的非管理模块电池串联连接形成不同电压体系的模块化电池组。
9.根据权利要求8所述的模块化电池组，其中，
所述管理模块电池的数目为1个。
10.根据权利要求1所述的模块化电池组，其中，
各所述管理模块电池分别容纳在箱体内，所述箱体包括维护端口，所述维护端口与所述箱体内的各所述单体电池连接，以便对各所述单体电池进行维护。
11.根据权利要求10所述的模块化电池组，其中，
所述维护端口配置成对各所述单体电池进行维护，以增加各所述单体电池的循环次数。
12.根据权利要求1所述的模块化电池组，其中，
各非管理模块电池分别容纳在箱体内，所述非管理模块电池通过高压连接线彼此串联，所述箱体包括维护端口，所述维护端口与所述箱体内的各所述单体电池连接，以便对各所述单体电池进行维护。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的模块化电池组，其中，
所述单体电池为锂电池。
14.一种电动装置，由一个或多个权利要求1至13中任一项所述的模块化电池组提供能量。
15.根据权利要求14所述的电动装置，其中，
所述电动装置为电动汽车或电动二轮车或电动三轮车。
16.一种模块化电池组管理方法，所述模块化电池组包括：
至少一个管理模块电池，各管理模块电池包括管理***和一个或多个单体电池；以及
一个或多个非管理模块电池，各非管理模块电池包括一个或多个单体电池，
各所述管理模块电池和各所述非管理模块电池串联连接，
在所述管理方法中，通过所述管理***对所述管理模块电池所包括的所述一个或多个单体电池进行管理，来实现对所述模块化电池组的管理。
17.根据权利要求16所述的模块化电池组管理方法，其中，
当各所述非管理模块电池的容量为第一容量，各所述管理模块电池的容量为第二容量，且所述第一容量大于等于所述第二容量时，
所述管理***基于所述第二容量对所述管理模块电池所包括的所述一个或多个单体电池进行管理，相应地，所述非管理模块电池也受到管理，从而实现对所述模块化电池组的管理。
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