CN111431232A - 一种采用柔性连接保护的退役电池模组 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用柔性连接保护的退役电池模组，用于实现差异化的退役电池模组成组并实现梯次电池利用。所述电池模组柔性连接模块具有执行和监测单元，能够检测电池及模组电压、温度，并上传。在电池充放电过程中，当电池电压超出电池的正常工作电压范围时，将电池退出，保护电池，同时通过均一充电控制功能，从而实现差异化的退役电池模组成组并实现梯次电池利用。本发明还涉及一种电池组，所述电池组通过将多个电池模组利用所述电池模组柔性连接装置依次串联而成。
Description
技术领域
本发明涉及新能源领域，尤其涉及一种采用柔性连接保护的退役电池模组。
背景技术
根据电动汽车发展规划，预计到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆，累计产销量超过500万辆。这些电动汽车将产生大量退役的动力电池。虽然退役电池不再适合在电动汽车上使用，但仍然有额定容量80％左右的能量贮存，可以应用在其他领域，如果直接废弃处理将造成严重的能源浪费。因此，为了充分利用动力电池的价值，节省社会资源，需要对退役的动力电池进行梯次利用。
无论是新电池，还是退役动力电池，电池成组技术是动力电池规模应用的关键。在构建电动汽车或者储能装置的动力电池组件时，首先需要将若干个单体电芯通过焊接方式固定串并联构成电池模组，然后再将若干个电池模组通过导体连接固定串并联构成整个电池组件。虽然不同厂家对于电池模组定义的容量和电压等级不同，而且也有可能定义了多层电池模组，但是，通常可以将电池模组理解为构成电池的、对电池容易物理上拆分后的基本单元。一般情况下，电池模组的电压等级为几十伏，容量为几百安时。
影响退役动力电池梯次利用经济性的首要因素是对电池组件(电池包)的拆解程度。根据现有生产实践，如果将退役动力电池中已经焊接成整体的电池组一一拆解到单个电芯，然后进行筛选、匹配和再次重组，由于工艺复杂，造成回收成本接近于购买新电池，决定了这种技术路线的梯次利用不经济和科学。但是如果在简单的拆除连接导体后，针对电池模组进行柔性成组则是退役动力电池梯次利用的合理途径。因此，针对电池模组的不一致性，进行柔性成组连接，便成了退役动力电池梯次利用的关键问题。
在动力电池的成组使用中，需要解决由于电池模组的不一致性带来的差异化管理问题。在电池的使用过程中，电池的一致性随时间是不断劣化的，与许多因素有关，包括：生产的一致性、使用环境、充放电强度、瞬间放电等。尤其对于退役电池，因为材料、工艺、运输工况的差异，往往会导致成组电池间的压差增大、单组电池发热严重等问题，需要进行柔性连接，通过均一控制保护手段，来保证整个电池组的正常运行。
综上所述，以上解决方案存在着成本高，电路结构复杂，过电压和过电流保护功能缺乏，或没有均一充电控制的问题。因此，亟需一种低成本、电路结构简单，能够同时实现价格低廉、能够实现过电压和过电流保护、均衡控制功能的柔性连接保护装置，来实现差异化的退役电池模组成组并实现梯次电池利用。
发明内容
本申请提供了一种能够同时实现过电压和过电流保护、并且具有均一充电控制功能的电池模组柔性连接保护装置，从而实现差异化的退役电池模组成组并实现梯次电池利用。
第一方面，本申请提供了一种退役电池模组柔性连接模块，包括：充放电开关(K1)、充电二极管(D1)、旁路开关(K2)、旁路二极管(D2)和监测控制单元；
其中，
充放电开关(K1)与旁路开关(K2)应有机械或逻辑互锁；
所述充放电开关(K1)的一端与电池接口的″+″相连，另一端与充放电接口的″+″相连，实现电池模块的充放电；
所述旁路开关(K2)的一端与充放电接口的″+″相连，另一端与充放电接口的″-″相连，实现对电池模块的旁路；
所述充电二极管(D1)的阳极与充放电接口的″+″相连，阴极与电池接口的″-″相连，实现充放电开关(K1)动作时的续流和电池模块旁路时的阻断；
所述旁路二极管(D2)的阴极与充放电接口的″+″相连，阳极与充放电接口的″-″相连，实现旁路开关(K2)动作时的续流和电池模块从旁路状态到接入状态的阻断仅仅通过四个开关元件实现电路整体功能，避免冗余的设计，使电路反应更灵敏成本更低。
同时，本申请还提供采用柔性连接保护的退役电池模组，其包括：采用柔性连接装置串联的若干组上述退役电池模组、总控装置，利用总控装置采集若干组退役电池模组的电压、电流、温度信息，并实现单体退役电池模组的集中控制，以避免过电流、过电压，实现均一化充电，在充电状态下，正常充电开始，总控装置检测低电压区单体退役电池模组之间压差是否小于设定的阈值，检测结果为否时总控装置控制开启下压区充电均一手段，此时退役电池模组单体电压较低，设定的均一开启阈值较大，以快速将退役电池模组单体电压值充电到较高电压，来缩短整体的充电时间；
检测结果为是时继续充电，一段时间后检测退役电池模组单体均值是否大于上电压区电压值，当检索结果为是后，继续检测退役电池模组单体电压与单体均值差值是否小于均一阈值，若检索结果为否，则开启上压区充电均一手段后继续充电，直至检测结果为是，进而直接检测退役电池模组单体电压是否大于过充电阈值，当结果为是，则退役电池模组充电完成。
单体退役电池模组中所述监测控制单元的第①端口与电池模块的电压、温度采集接口相连，第②端口为对外通信接口，第③端口控制充放电开关(K1)和旁路开关(K2)的动作；
所述监测控制单元的输入为电池模块的电压、温度；
所述监测控制单元的输出为充放电开关(K1)、旁路开关(K2)的控制和功率驱动信号。监测控制单元的通信接口负责对外通信接口；
所述监测控制单元实现电池模组的电压、温度的监测，控制充放电开关(K1)、旁路开关(K2)动作，负责对外通信。
优选地，所述充放电开关(K1)、旁路开关(K2)为磁保持继电器；
所述充电二极管(D1)、旁路二极管(D2)为功率二极管；
所述监测控制单元基于数字电路或模拟逻辑电路实现。
进一步地，所述监测控制单元基于数字处理芯片实现。
其中，所述电池模组柔性连接模块具有以下工作状态：
充放电状态：充放电开关(K1)闭合，其它开关均断开；
旁路状态：旁路开关(K2)闭合，其它开关均断开；
进一步地，所述监测控制单元包括以下功能：
电池电压和温度采集上传，用于上位机的电池管理***BMS进行电池SOC、SOH估算，电池电压阈值判断；
采用RS485或CAN等通讯芯片，用于实现与上级控制、BMS的通讯；
将控制信号转换为具有一定功率的驱动信号，驱动充放电开关(K1)或旁路开关(K2)动作。
其中，当所述监测控制单元接收到旁路命令后，将发出旁路命令，执行从充放电状态向旁路状态转换过程，将电池退出；当所述监测控制单元接收到电池接入命令后，将发出接入命令，执行从旁路状态向充放电状态转换过程，将电池接入。
第二方面，本申请提供一种电池组，包括多个电池模组、多个电池模组柔性连接模块和一个DC/AC双向变流器，所述多个电池模组通过所述多个电池模组柔性连接模块依次串联，串联以后得到的电池模组组合的输出通过所述DC/AC双向变流器转换为市电。
本申请与现有技术相比其技术效果为：
(1)、本发明的电路结构简单，仅仅通过四个开关元件实现电路整体功能，避免冗余的设计，使电路反应更灵敏成本更低；对于单体退役电池模块而言通过控制退出旁路与接入(充放电)状态转换，实现电池模组的灵活连接，从而能够实现整机不停机状态下更换电池模组；
(2)、本发明通过控制转为旁路退出机制，实现对电池模组的过流、过压保护；
(3)、本发明能够总控装置整体采用特定的均一充电控制策略，实现均一控制功能；柔性连接能够同时兼容不同种类的电池模组成组使用；标准化结构，控制简单，成本低；能够实现差异化的退役电池模组成组，实现梯次电池利用；
(4)、此方案可以很好解决电池模组的柔性连接问题，是解决12V或48V标准电池模组如何转换为市电交流380V较佳方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是根据本发明实施例的单体退役电池模组柔性连接装置的电路图；
图2是利用图1的电池模组柔性连接装置连接多个电池模组的示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，各实施例可以组合或者合并，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。现在将参照附图详细说明本发明构思的特定实施例。
实施例1，参见图1，单体退役电池模组柔性连接保护装置包括：充放电开关(K1)、充电二极管(D1)、旁路开关(K2)、旁路二极管(D2)和监测控制单元，充放电开关(K1)与旁路开关(K2)应有机械或逻辑互锁。其中，充放电开关(K1)的一端与电池接口的″+″相连，另一端与充放电接口的″+″相连，实现电池模块的充放电；旁路开关(K2)的一端与充放电接口的″+″相连，另一端与充放电接口的″-″相连，实现对电池模块的旁路；充电二极管(D1)的阳极与充放电接口的″+″相连，阴极与电池接口的″-″相连，实现充放电开关(K1)动作时的续流和电池模块旁路时的阻断；旁路二极管(D2)的阴极与充放电接口的″+″相连，阳极与充放电接口的″-″相连，实现旁路开关(K2)动作时的续流和电池模块从旁路状态到接入状态的阻断；所述监测控制单元的第①端口与电池模块的电压、温度采集接口相连，第②端口为对外通信接口，第③端口控制充放电开关(K1)和旁路开关(K2)的动作。
在其中一个实施例中，图1中的电池模组柔性连接装置在工作时具有二个工作状态，分别是：充放电状态和旁路状态，在不同工作状态下，各个电路元件的状态组合参见表1。
充放电状态：K1闭合，其它开关均断开，电池处于充、放电状态。其中，电池处于充电状态时，电流流入电池端。电池处于放电状态时，电流流出电池。
旁路状态：K2闭合，其它开关均断开。旁路状态可以用于保护电池或更换电池。
表1
| K1 | K2 | 状态 |
| 闭合 | 断开 | 充放电 |
| 断开 | 闭合 | 旁路 |
在其中一个实施例中，所述电池模组柔性连接装置还可以在充放电状态和旁路状态之间转换，转换过程如下：
1、从旁路状态转换为充电状态：
断开K2→D1续流→闭合K1，转换过程完成。转换过程中，D1短时(十几毫秒)导通，无需散热器；
2、从旁路状态转换为放电状态：
断开K2→D2续流→闭合K1→D2阻断，转换过程完成。转换过程中，D2短时(十几毫秒)导通，无需散热器。
3、充放电状态之间的转换过程：
由于充(放)电时K1处于闭合状态，充、放电转换自然进行。
4、充电状态转换为旁路状态：
断开K1→D1续流→闭合K2→D1阻断，转换过程完成。
5、放电状态转换为旁路状态：
断开K1→D2续流→闭合K2→D2阻断，转换过程完成。
在其中一个实施例中，监测控制单元采集电池电压和温度信号并上传，用于上位机的电池管理***BMS进行电池SOC、SOH估算，电池电压阈值判断；采用RS485或CAN等通讯芯片，用于实现与上级控制、BMS的通讯；将控制信号转换为具有一定功率的驱动信号，驱动充放电开关(K1)或旁路开关(K2)动作。
在其中一个实施例中，当所述监测控制单元接收到旁路命令后，将发出旁路命令，执行从充放电状态向旁路状态转换过程，将电池退出；当所述监测控制单元接收到电池接入命令后，将发出接入命令，执行从旁路状态向充放电状态转换过程，将电池接入。
优选地，该柔性连接保护装置的主要元器件为：
继电器K1、K2，采用100A磁保持继电器；
二极管D1和D2，采用大于40A，200V的功率二极管；
监测控制单元采用基于数字处理芯片的测量控制单元。
在其中一个实施例中，图2是利用图1的单体退役电池模块柔性连接保护装置连接多个电池模组的示意图。例如，有16个(2个冗余)退役电池模组，每个端口直流电压为48V。通过16个柔性连接装置将14个退役电池模组串联在一起，2个冗余电池模组被旁路，可以构成0～672的直流电压端口，然后通过DC/AC双向变流器转换为AC380V市电。其中，DC 672V/AC380V的双向变流器为行业市场上常规产品。
总体来说，采用柔性连接保护的退役电池模组，其包括：采用柔性连接装置串联的若干组上述退役电池模组、总控装置，利用总控装置采集若干组退役电池模组的电压、电流、温度信息，并实现单体退役电池模组的集中控制，以避免过电流、过电压，实现均一化充电。
而在配置了总控装置时，在充电状态下，正常充电开始，总控装置检测低电压区单体退役电池模组之间压差是否小于设定的阈值，检测结果为否时总控装置控制开启下压区充电均一手段，此时退役电池模组单体电压较低，设定的均一开启阈值较大，以快速将退役电池模组单体电压值充电到较高电压，来缩短整体的充电时间；
检测结果为是时继续充电，一段时间后检测退役电池模组单体均值是否大于上电压区电压值，当检索结果为是后，继续检测退役电池模组单体电压与单体均值差值是否小于均一阈值，若检索结果为否，则开启上压区充电均一手段后继续充电，直至检测结果为是，进而直接检测退役电池模组单体电压是否大于过充电阈值，当结果为是，则退役电池模组充电完成。
实施例2，继续参考如图2所示，在充(放)电开始前，电池簇控制管理单元(也即总控装置)根据直流母线电压，在n+k个电池模组中选择端电压较小(大)的n个电池模组投入，其他k个电池模组退出旁路。经过这样的选择，使m个电池簇的端电压相同(在设定的误差范围内，例如ΔU＝1.0V)。然后各电池簇依次接入直流母线开始充(放)电。其中n个电池模组为建立直流母线电压必须的数量，k个电池模组为冗余
设定轮流间隔时间为ΔT(例如10min)，每经历一个ΔT，退出充(放)电中端电压最大(小)的那个电池模组，投入k个旁路状态中端电压最小(大)的电池模组，如此循环，直到每个电池模组均充满(放完)电。
当电池模组充电较满需要小电流充电时，为了节省时间，可以提高直流母线电压，同时每个电池簇增加投入模块数量。这样在不增加充电功率的条件下加快了充电速度。
当电池模组放电较多，端电压下降较大时，为了保持输出功率，可以在每个电池簇增加投入模块数量，提高直流母线电压，实现输出功率基本不受影响。
对于异构电池，由于电池模组的端电压不一样，电池簇控制管理单元只要控制投入电池模组的数量，使电池簇的端电压与直流母线电压匹配即可。
一经检测到某个电池模组有故障和损坏，永久退出该模组，并上报。
n、k数值的选择。
n的值由直流母线电压和电池模组的端电压决定。假如直流母线电压为1000V，电池模组的端电压标称48V，则n＝1000/48＝20.8，取值21。k的值由电池静置时间和轮流间隔时间决定。如电池静置时间为30min，轮流间隔时间为15min，则k＝30/15＝2，k的最小值为2。同样的，如果轮流间隔时间为10min，则k＝3。k值越大，则意味着串数越多，该电池簇的容量越大。
实施例3，
电池模组和单体SOC、SOH的估算
本电池架构提供了采用静置后电池端电压估算电池模组和单体SOC、SOH的条件和手段。与电荷累积法等其他方法相结合，能够更准确地估算电池模组和单体的SOC、SOH。电池静置30min后的端电压基本可以反映电池的荷电状态，可用于估算SOC、SOH。在运行过程中，电池模组轮流投入与退出，假设轮流间隔为10min，冗余数量为3，则退出旁路的电池静置时间为30min。冗余数量越多，电池模组可静置时间越长。
以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (9)
1.一种采用柔性连接保护的退役电池模组，其特征在于，包括：采用柔性连接装置串联的若干组退役电池模组、总控装置，总控装置采集若干组退役电池模组的电压、电流、温度信息，所述退役电池模组包括充放电开关(K1)、充电二极管(D1)、旁路开关(K2)、旁路二极管(D2)和监测控制单元；
其中，所述充放电开关(K1)与旁路开关(K2)为机械或逻辑互锁；
所述充放电开关(K1)的一端与电池接口的″+″相连，另一端与充放电接口的″+″相连，实现电池模块的充放电；
所述旁路开关(K2)的一端与充放电接口的″+″相连，另一端与充放电接口的″-″相连，实现对电池模块的旁路；
所述充电二极管(D1)的阳极与充放电接口的″+″相连，阴极与电池接口的″-″相连，实现充放电开关(K1)动作时的续流和电池模块旁路时的阻断；
所述旁路二极管(D2)的阴极与充放电接口的″+″相连，阳极与充放电接口的″-″相连，实现旁路开关(K2)动作时的续流和电池模块从旁路状态到接入状态的阻断；每个所述检测控制单元均与总控装置连接；
同时，在充电状态下，正常充电开始，总控装置检测低电压区单体退役电池模组之间压差是否小于设定的阈值，检测结果为否时总控装置控制开启下压区充电均一手段，此时退役电池模组单体电压较低，设定的均一开启阈值较大，以快速将退役电池模组单体电压值充电到较高电压，来缩短整体的充电时间；
检测结果为是时继续充电，一段时间后检测退役电池模组单体均值是否大于上电压区电压值，当检索结果为是后，继续检测退役电池模组单体电压与单体均值差值是否小于均一阈值，若检索结果为否，则开启上压区充电均一手段后继续充电，直至检测结果为是，进而直接检测退役电池模组单体电压是否大于过充电阈值，当结果为是，则退役电池模组充电完成。
2.根据权利要求1所述一种采用柔性连接保护的退役电池模组，其特征在于所述监测控制单元的第①端口与电池模块的电压、温度采集接口相连，第②端口为对外通信接口，第③端口控制充放电开关(K1)和旁路开关(K2)的动作；
所述监测控制单元的输入为电池模块的电压、温度；
所述监测控制单元的输出为充放电开关(K1)、旁路开关(K2)的控制和功率驱动信号。监测控制单元的通信接口负责对外通信接口；
所述监测控制单元实现电池模组的电压、温度的监测，控制充放电开关(K1)、旁路开关(K2)动作，负责对外通信。
3.根据权利要求1所述一种采用柔性连接保护的退役电池模组，其特征在于：
所述充放电开关(K1)为磁保持继电器；
所述旁路开关(K2)为磁保持继电器；
所述充电二极管(D1)为功率二极管；
所述旁路二极管(D2)为功率二极管。
4.根据权利要求1所述一种采用柔性连接保护的退役电池模组，其特征在于：
所述监测控制单元基于数字电路或模拟逻辑电路实现。
5.根据权利要求1所述一种采用柔性连接保护的退役电池模组，其特征在于：
所述监测控制单元基于数字处理芯片实现。
6.根据权利要求1所述一种采用柔性连接保护的退役电池模组，其特征在于：所述电池模组柔性连接模块具有以下工作状态：
充放电状态：充放电开关(K1)闭合，其它开关均断开；
旁路状态：旁路开关(K2)闭合，其它开关均断开。
7.根据权利要求6所述一种采用柔性连接保护的退役电池模组，其特征在于：所述充放电开关(K1)和旁路开关(K2)动作时，由于充电二极管(D1)和旁路二极管(D2)的续流和单向阻断作用，保证了柔性连接模块回路的完整连通而没有回路开路的危险。
8.根据权利要求7所述一种采用柔性连接保护的退役电池模组，其特征在于：当所述监测控制单元收到旁路命令后，将发出旁路命令，执行从充放电状态向旁路状态转换过程，将电池退出；当所述监测控制单元收到电池接入命令后，将发出接入命令，执行从旁路状态向充放电状态转换过程，将电池接入。
9.一种电池组，包括如权利要求1-8任一项所述一种采用柔性连接保护的退役电池模组和一个DC/AC双向变流器，其特征在于所述退役电池模组组合的输出通过所述DC/AC双向变流器转换为市电。
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