CN115441542A - 一种可变结构的锂电池***及其控制策略 - Google Patents

一种可变结构的锂电池***及其控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可变结构的锂电池***及其控制策略，属于电力电子领域。所述锂电池***主要包括：锂电池单元、变结构开关、检测电路和控制电路；控制电路根据检测电路检测到的信号发送开关控制信号控制变结构开关的状态。本发明采用变结构开关，对锂电池的连接拓扑进行灵活构建，尤其是在锂电池***充电时，通过变结构开关构建串联型锂电池***，进行高压快速充电，缩短充电时间；在锂电池***放电时，可通过变结构开关构建并联型锂电池***，进行低压大电流放电，提高与当前电气负载的电压兼容性；在锂电池***故障时，可通过变结构开关隔离产生故障的锂电池单元，具有冗余高可靠的优点，该***适用于电动汽车动力电池和新能源储能等领域中。

Description

一种可变结构的锂电池***及其控制策略
技术领域
本发明涉及一种锂电池***及其控制策略，特别涉及一种可变结构的适用于高压大功率充电的锂电池***。
背景技术
发展新能源电动汽车可以有效降低化石燃料的消耗，有利于促进交通减排，建设环境友好型社会。为了解决电动汽车充电速度慢，等待时间长的问题，大功率充电技术得到了广泛关注。大功率快速充电技术共两条路径分别为大电流方案和高电压方案。其中，大电流快充存在能量损失严重，转换效率低以及热管理***负担较大等劣势，高压快充具备能量转换效率高、热量低等优势，可切实缓解用户续航焦虑，是未来主流趋势。
现有的高电压快充架构主要有两类，第一类如图1所示，***采用800V高压平台，从电池包、电机驱动器、电机、OBC、PTC、空调压缩机、DC-DC等均适配800V电压。该结构的优点是能量转换效率高，缺点是整车电气***的绝缘，相应的配套零部件以及整个工艺体系，可能都会面临着升级。电控方面，主要还是模块在高压之后带来的EMC和成本问题，同时电力转速提升之后，电机可能对轴承造成损害，整个***的驱动就会有些问题。第二类如图2所示，800V电池组后面配置DC-DC变换器，通过DC-DC变换器可以将800V电压降为400V，供后级的电机驱动器、电机、OBC、PTC、空调压缩机等负载使用。该结构的优点是电动车原有的电气***架构几乎不变，车端的改造费用低，兼容性强。不足之处是额外增加DC-DC变换器，一方面会降低能量转换效率，造成电能损失，另一方面会增加电动车的重量和成本。
高压大功率充电技术要求锂电池支持高压充电，同时高压锂电池要求后级电气设备具有更高的电压等级，或者额外增加DC-DC降压变换器，但这无疑会提高电动汽车的设计与制造成本。所以，从成本、效率和适用性角度考虑，开发一种既能满足高压大功率充电要求，又能适应当前电气负载电压等级的锂电池***具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提出可变结构的锂电池***及其控制策略；本发明的锂电池***通过变结构开关改变内部锂电池单元之间的连接方式，不仅支持高压大功率充电，缩短充电时间，还可以对电气负载直接供电，不需要提高负载的电压等级或者额外配置降压DC-DC变换器。
本发明提供了一种可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述锂电池***主要包括：锂电池单元、变结构开关、检测电路和控制电路；
所述锂电池单元包括锂电池本体、电池管理***和电压均衡电路；所述电池管理***对电池的端电压、荷电状态(State of Charge,SOC)、充放电电流进行检测，并根据单体电池的端电压及SOC向电压均衡电路发送控制信号，确保锂电池单元内各个电芯处于能量均衡状态；
所述变结构开关用于锂电池单元、正负母线之间的连接，其控制信号来自控制电路；
所述检测电路用于检测锂电池单元的端电压、荷电状态、充电口端电压、放电口端电压、充放电电流和电池温度，并反馈给控制电路；
所述控制电路用于根据所述锂电池单元的端电压、荷电状态、充电口端电压和放电口端电压发送开关控制信号给变结构开关的受控端；
所述锂电池***中的锂电池单元1至锂电池单元n端电压的最大电压差为Δu，端电压最低的锂电池单元m的内阻为Rin_m，锂电池单元允许的最大充电电流为Imax，如果Δu/Rin_m不大于Imax，则认为锂电池单元1至锂电池单元n的端电压处于平衡状态，满足并联条件；
如果Δu/Rin_m大于Imax，则认为锂电池单元1至锂电池单元n的端电压处于不平衡状态，不满足并联条件；
所述锂电池***结构可以根据充放电状态进行调整，包括高压充电状态的串联型锂电池***和低压放电状态的并联型锂电池***；
若锂电池***将从低压放电状态切换到高压充电状态，则控制并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3断开，再控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2闭合，最后控制S1,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成串联型锂电池***；
若锂电池***将从高压充电状态切换到低压放电状态，所述锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压平衡，满足并联条件时，控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2断开，并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成并联型锂电池***；
若锂电池***将从高压充电状态切换到低压放电状态，所述锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压不平衡，不满足并联条件时，以端电压最低的锂电池单元作为参考标准，通过控制各个锂电池单元里的能耗型电压均衡电路，将多余的电压消耗掉，使得锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压平衡，达到锂电池单元的并联条件，控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2断开，并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成并联型锂电池***；
若锂电池***工作在低压放电状态，如果锂电池单元x发生故障，则控制并联开关Sx,1和Sx,3断开，对发生故障的锂电池单元x进行隔离；
优选的，所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述控制电路对锂电池单元1至锂电池单元n是否处于平衡状态进行判断时：
若锂电池单元1至锂电池单元n端电压的最大电压差为Δu，端电压最低的锂电池单元m的内阻为Rin_m，锂电池单元允许的最大充电电流为Imax，如果Δu/Rin_m不大于Imax，则认为锂电池单元1至锂电池单元n的端电压处于平衡状态，满足并联条件；
如果Δu/Rin_m大于Imax，则认为锂电池单元1至锂电池单元n的端电压处于不平衡状态，不满足并联条件；
优选的，所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述控制电路当确定锂电池***需要从低压放电状态切换到高压充电状态时：
第一步：控制并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3断开；
第二步：控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2闭合；
第三步：控制S1,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成串联型锂电池***；
优选的，所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述控制电路当确定锂电池***需要从高压充电状态切换到低压放电状态，且锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压平衡，满足并联条件时：
第一步：控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2断开；
第二步：控制并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成并联型锂电池***；
优选的，所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述控制电路当确定锂电池***需要从高压充电状态切换到低压放电状态，且锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压不平衡，不满足并联条件时：
第一步：比较各个锂电池单元的端电压，确定端电压最低的锂电池单元；
第二步：以锂电池单元的最低端电压为参考标准，控制其它锂电池单元里的能耗型电压均衡电路，将多余的电压消耗掉，直到锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压满足并联条件；
第三步：控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2断开，并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成并联型锂电池***；
优选的，所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述控制电路当确定锂电池***里的锂电池单元x发生故障时：
控制并联开关Sx,1和Sx,3断开，对发生故障的锂电池单元x进行隔离；
优选的，串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2和并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3为继电器、MOS型场效应管、绝缘栅双极型晶体管或集成门极换流晶闸管；
优选的，并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3开关分别可以集成为一个整体；
本发明的变结构锂电池***及其控制策略，控制电路根据锂电池***的充放电指令、锂电池单元的端电压状态、荷电状态进行控制，控制变结构开关的状态，改变锂电池单元的连接方式；本发明的锂电池***中各个锂电池单元是串联型结构时，可以支持高电压充电，缩短充电时间；本发明的锂电池***中各个锂电池单元是并联型结构时，可以直接向低压直流负载供电，不需要额外配置降压直流功率变换器；本发明的锂电池***中各个锂电池单元是并联型结构时，若某个锂电池单元发生故障，可以通过变结构开关进行隔离，提高锂电池***的供电可靠性。
附图说明
通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：
图1为现有技术高压锂电池后采用车载高压电气设备；
图2为现有技术高压锂电池后采用DC-DC降压变换器；
图3为本发明实施例的可变结构的锂电池***的部分电路示意图；
图4为本发明实施例的可变结构的锂电池***内部为串联型结构的部分电路示意图；
图5为本发明实施例的可变结构的锂电池***内部为并联型结构的部分电路示意图；
图6为本发明实施的可变结构的锂电池***的控制电路和检测电路的示意图；
图7为本发明实施的可变结构的锂电池***的控制流程示意图；
S1,1、电池单元1的正极并联开关；S1,3、电池单元1的负极并联开关；S2,1、电池单元2的正极并联开关；S2,2、电池单元2的串联开关；S2,3、电池单元2的负极并联开关；Sn,1、电池单元n的正极并联开关；Sn,2、电池单元n的串联开关；Sn,3、电池单元n的负极并联开关。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术中支持高压大功率充电的锂电池***存在的缺陷，本发明提供了可变结构的锂电池***及其控制策略。本发明的主要思路是，将高压锂电池***里的锂电池划分为若干个锂电池单元，每个锂电池单元相当于一个独立的小锂电池***；控制电路根据检测电路检测获得的锂电池***的充放电指令及***的故障状态，对变结构开关的状态进行控制，控制锂电池***内部锂电池单元之间连接方式，从而既具有支持高压大功率充电的功能，又可以向常规的车载电气设备供电。
下面结合附图4-6对本发明的实施例进行详细说明。图4-6分别示出了本发明实施例的可变结构的锂电池***及其控制策略的部分结构示意图。本发明实施例的锂电池***包括：锂电池单元、变结构开关、检测电路和控制电路。
所述锂电池单元包括锂电池本体、电池管理***和电压均衡电路；所述电池管理***对电池的端电压、荷电状态(State of Charge,SOC)、充放电电流进行检测，并根据单体电池的端电压及SOC向电压均衡电路发送控制信号，确保锂电池单元内各个电芯处于能量均衡状态；
所述变结构开关用于锂电池单元、正负母线之间的连接，其控制信号来自控制电路；
所述检测电路用于检测锂电池单元的端电压、荷电状态、充电口端电压、放电口端电压、充放电电流和电池温度，并反馈给控制电路；
所述控制电路用于根据所述锂电池单元的端电压、荷电状态、充电口端电压和放电口端电压发送开关控制信号给变结构开关的受控端；
所述锂电池***中的锂电池单元1至锂电池单元n端电压的最大电压差为Δu，端电压最低的锂电池单元m的内阻为Rin_m，锂电池单元允许的最大充电电流为Imax，如果Δu/Rin_m不大于Imax，则认为锂电池单元1至锂电池单元n的端电压处于平衡状态，满足并联条件；
如果Δu/Rin_m大于Imax，则认为锂电池单元1至锂电池单元n的端电压处于不平衡状态，不满足并联条件；
所述锂电池***结构可以根据充放电状态进行调整，包括高压充电状态的串联型锂电池***和低压放电状态的并联型锂电池***，分别如图4和图5所示；
若锂电池***将从低压放电状态切换到高压充电状态，则控制并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3断开，再控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2闭合，最后控制S1,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成串联型锂电池***；
若锂电池***将从高压充电状态切换到低压放电状态，所述锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压平衡，满足并联条件时，控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2断开，并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成并联型锂电池***；
若锂电池***将从高压充电状态切换到低压放电状态，所述锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压不平衡，不满足并联条件时，以端电压最低的锂电池单元作为参考标准，通过控制各个锂电池单元里的能耗型电压均衡电路，将多余的电压消耗掉，使得锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压平衡，达到锂电池单元的并联条件，控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2断开，并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成并联型锂电池***；
若锂电池***工作在低压放电状态，如果锂电池单元x发生故障，则控制并联开关Sx,1和Sx,3断开，对发生故障的锂电池单元x进行隔离；
所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述控制电路对锂电池单元1至锂电池单元n是否处于平衡状态进行判断时：
若锂电池单元1至锂电池单元n端电压的最大电压差为Δu，端电压最低的锂电池单元m的内阻为Rin_m，锂电池单元允许的最大充电电流为Imax，如果Δu/Rin_m不大于Imax，则认为锂电池单元1至锂电池单元n的端电压处于平衡状态，满足并联条件；
如果Δu/Rin_m大于Imax，则认为锂电池单元1至锂电池单元n的端电压处于不平衡状态，不满足并联条件；
优选的，所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述控制电路当确定锂电池***需要从低压放电状态切换到高压充电状态时：
第一步：控制并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3断开；
第二步：控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2闭合；
第三步：控制S1,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成串联型锂电池***；
优选的，所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述控制电路当确定锂电池***需要从高压充电状态切换到低压放电状态，且锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压平衡，满足并联条件时：
第一步：控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2断开；
第二步：控制并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成并联型锂电池***；
优选的，所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述控制电路当确定锂电池***需要从高压充电状态切换到低压放电状态，且锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压不平衡，不满足并联条件时：
第一步：比较各个锂电池单元的端电压，确定端电压最低的锂电池单元；
第二步：以锂电池单元的最低端电压为参考标准，控制其它锂电池单元里的能耗型电压均衡电路，将多余的电压消耗掉，直到锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压满足并联条件；
第三步：控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2断开，并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成并联型锂电池***；
优选的，所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述控制电路当确定锂电池***里的锂电池单元x发生故障时：
控制并联开关Sx,1和Sx,3断开，对发生故障的锂电池单元x进行隔离；
本发明实施例中，串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2和并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3为继电器、MOS型场效应管、绝缘栅双极型晶体管或集成门极换流晶闸管；优选的，并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3开关分别可以集成为一个整体。
本发明实施例中，通过将将高压锂电池***里的锂电池划分为若干个锂电池单元，每个锂电池单元相当于一个独立的小锂电池***；控制电路根据检测电路检测获得的锂电池***的充放电指令及***的故障状态，对变结构开关的状态进行控制，控制锂电池***内部锂电池单元之间连接方式，从而既具有支持高压大功率充电的功能，又可以向常规的车载电气设备供电，不需要额外的DC-DC降压变换器，非常适合作为电动汽车动力电池***的结构。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述锂电池***主要包括：锂电池单元、变结构开关、检测电路和控制电路；
所述锂电池单元包括锂电池本体、电池管理***和电压均衡电路；所述电池管理***对电池的端电压、荷电状态(State of Charge,SOC)、充放电电流进行检测，并根据单体电池的端电压及SOC向电压均衡电路发送控制信号，确保锂电池单元内各个电芯处于能量均衡状态；
所述变结构开关用于锂电池单元、正负母线之间的连接，其控制信号来自控制电路；
所述检测电路用于检测锂电池单元的端电压、荷电状态、充电口端电压、放电口端电压、充放电电流和电池温度，并反馈给控制电路；
所述控制电路用于根据所述锂电池单元的端电压、荷电状态、充电口端电压和放电口端电压发送开关控制信号给变结构开关的受控端；
所述锂电池***中的锂电池单元1至锂电池单元n端电压的最大电压差为Δu，端电压最低的锂电池单元m的内阻为Rin_m，锂电池单元允许的最大充电电流为Imax，如果Δu/Rin_m不大于Imax，则认为锂电池单元1至锂电池单元n的端电压处于平衡状态，满足并联条件；
如果Δu/Rin_m大于Imax，则认为锂电池单元1至锂电池单元n的端电压处于不平衡状态，不满足并联条件；
所述锂电池***结构可以根据充放电状态进行调整，包括高压充电状态的串联型锂电池***和低压放电状态的并联型锂电池***；
若锂电池***将从低压放电状态切换到高压充电状态，则控制并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3断开，再控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2闭合，最后控制S1,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成串联型锂电池***；
若锂电池***将从高压充电状态切换到低压放电状态，所述锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压平衡，满足并联条件时，控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2断开，并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成并联型锂电池***；
若锂电池***将从高压充电状态切换到低压放电状态，所述锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压不平衡，不满足并联条件时，以端电压最低的锂电池单元作为参考标准，通过控制各个锂电池单元里的能耗型电压均衡电路，将多余的电压消耗掉，使得锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压平衡，达到锂电池单元的并联条件，控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2断开，并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成并联型锂电池***；
若锂电池***工作在低压放电状态，如果锂电池单元x发生故障，则控制并联开关Sx,1和Sx,3断开，对发生故障的锂电池单元x进行隔离。
2.根据权利要求1所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述控制电路对锂电池单元1至锂电池单元n是否处于平衡状态进行判断时：
若锂电池单元1至锂电池单元n端电压的最大电压差为Δu，端电压最低的锂电池单元m的内阻为Rin_m，锂电池单元允许的最大充电电流为Imax，如果Δu/Rin_m不大于Imax，则认为锂电池单元1至锂电池单元n的端电压处于平衡状态，满足并联条件；
如果Δu/Rin_m大于Imax，则认为锂电池单元1至锂电池单元n的端电压处于不平衡状态，不满足并联条件。
3.根据权利要求1所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述控制电路当确定锂电池***需要从低压放电状态切换到高压充电状态时：
第一步：控制并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3断开；
第二步：控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2闭合；
第三步：控制S1,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成串联型锂电池***。
4.根据权利要求1所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述控制电路当确定锂电池***需要从高压充电状态切换到低压放电状态，且锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压平衡，满足并联条件时：
第一步：控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2断开；
第二步：控制并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成并联型锂电池***。
5.根据权利要求1所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述控制电路当确定锂电池***需要从高压充电状态切换到低压放电状态，且锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压不平衡，不满足并联条件时：
第一步：比较各个锂电池单元的端电压，确定端电压最低的锂电池单元；
第二步：以锂电池单元的最低端电压为参考标准，控制其它锂电池单元里的能耗型电压均衡电路，将多余的电压消耗掉，直到锂电池单元1至锂电池单元n之间的端电压满足并联条件；
第三步：控制串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2断开，并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3闭合，使得锂电池单元构成并联型锂电池***。
6.根据权利要求1所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于，所述控制电路当确定锂电池***里的锂电池单元x发生故障时：
控制并联开关Sx,1和Sx,3断开，对发生故障的锂电池单元x进行隔离。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的可变结构的锂电池***及其控制策略，其特征在于：
所述串联开关S2,2、S3,2、···、Sn,2和并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3为继电器、MOS型场效应管、绝缘栅双极型晶体管或集成门极换流晶闸管；和/或，并联开关S1,1和S1,3、S2,1和S2,3、···、Sn,1和Sn,3开关分别可以集成为一个整体。
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