CN117081191A - 一种可重构电池*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可重构电池***，包括主控器、上位机、若干可重构电池单体；可重构电池单体包括电芯、电力接口、隔离电路、开关变换电路、数据采样电路、通信电路、充放电保护电路，具有数据采样、重构变换等功能。用户根据使用场景需要，选择合适数量的可重构电池单体，以菊花链形式连接成为电池组，由主控器和上位机进行控制，根据实时工况改变电池组连接构型；依靠可编程的逻辑，可达到对大范围工况的匹配、最大化利用容量、快速均衡、延长电池组寿命等效果。还包含一种充放电保护电路，能够消除电池组重构时可能产生的有害电流，并且能实现一定条件下的不断电重构。本发明具有生产组装灵活、适配环境广、运行稳定性高等进步点。
Description
技术领域
本发明涉及电池储能技术领域，特别涉及一种可重构电池***。
背景技术
锂电池是目前电池储能领域常用的电池类型之一，由于其能量密度高、功率密度高，循环寿命长、无记忆效应的优点，特别适用于固定储能、电动汽车等领域。单节锂电池的功率、电压有限，考虑到用电器的需要，实践中锂电池往往通过多节单体串联、并联的方式组合起来使用，以提供足够的电压和功率；然而目前这种组合方式往往是固定的，能够输出的电压和功率范围有限，很大程度上限制了电池组匹配不同工况变化的潜力；同时，锂电池单体在容量和内阻上存在不可避免的微小不均衡，加上电池组运行过程中单***置和散热条件的影响，固定连接电池组的不均衡程度会进一步加大，造成整个电池包可用容量的衰减；此外，固定不可改变的串并联结构也意味着一旦任意单体出现故障，整个电池组往往即需停止运行，降低了电池***的运行可靠性。
可重构电池是一种新型电池组合方式，与固定组合方式相比，可重构电池通过在电池组连接电路中加入一定数量的功率开关，可以改变单体间的连接关系，从而实现单体的加入、退出、串并联方式改变，极大扩展了电池组可匹配工况的范围，同时也对不均衡现象和单体故障有天然的承受能力，能够有效提高电池组的充放电能力和故障耐受能力。
现有技术中，已经出现了若干基于可重构电池技术的电池组方案，如国家知识产权局公开的发明专利申请《可重构电池组及其控制方法、设备及介质》，专利号CN115733224A，提出了一种可重构电池组，包含数个电池串，每个电池串中的单体都可以投切，实现单体容量的最大利用；实用新型专利《一种可重构电池组的电池储能***》，专利号CN216436841U，提出了一种可重构电池组的电池储能***及控制方法，在电池组中布置开关，实现电池组的串并联重构和单体切出。尽管上述专利在一定程度上实现了可重构电池的理论优势，其仍然存在一些不足。首先，现有专利技术中的开关主要布置在电池组层面，这意味着所有的可重构开关及其供电、控制电路均需要在电池组层面设计布置，再考虑到传统电池组原有的采样、通信等电路，将极大提高电池整包层面的电路设计和制造工艺复杂性，也将对后期维护带来困难；另外，目前相关技术方案并没有考虑到可重构电池进行重构时可能的电流冲击；在电池组连接复杂负载***时，考虑到负载可能含有的电容，若直接接通开关，有可能出现瞬时的大电流，对电路和单体造成损害；此外，现有可重构电池组的控制算法在对单体进行重构前，大都需要先行断开需重构单体所在电池组或支路，此时电池组输出由其他电池或外加电路进行，考虑到同组中其他单体的放电能力也被限制，一定程度上仍然限制了电池组的重构能力。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明提出了一种可重构电池***，利用具有开关、采样、通讯等功能的可重构电池单体，极大提升了可重构电池的可制造性、维护性；利用充放电保护电路，减缓单体改变构型时的电流冲击，实现了并联单体组中的无间断重构。
该可重构电池***包括若干可重构电池单体(以下简称“单体”)、主控器、上位机；
其中，单体包括电芯、电力接口、隔离电路、开关变换电路、数据采样电路、通信电路、充放电保护电路；
所述电力接口包括P1和P2、S1和S2、N1和N2三组六个电力接口，所述可重构电池单体可通过将同字母电力接口的2端和下一单体的1端连接，通信电路相互连接的方式进行连接；
所述隔离电路位于通信电路和其他电路之间，使两者之间为完全浮动关系；
所述开关变换电路包含HS1、HS2、LS1、LS2四组开关及其驱动电路，HS1连接P1和P2，HS2连接P1和电芯正极，LS1连接S2和电芯负极，LS2连接N2和电芯负极，此外S1连接电芯正极，N1连接电芯负极；通过不同开关的开闭组合，可改变所述电芯正负极和所述电力接口相互间的连接关系；
所述数据采样电路采集电芯的电压、电流、温度数据；
所述通信电路通过数据总线与主控器进行信息交互；
所述充放电保护电路包括串联的熔断器和预接入电路；所述熔断器直接与电芯正极连接，在异常电流出现时切断电路，保护电芯；所述预接入电路包括串联的开关和电阻，连接在所述熔断器和电力接口P1之间，与开关HS2并联，在所述可重构电池单体构型变换，需要接通开关HS2时，首先接通所述预接入电路，延时数毫秒后接通开关HS2并断开预接入电路；需要断开开关HS2时，首先接通预接入电路并断开开关HS2，延时数毫秒后断开开关HS2；通过所述电阻的接入，减缓构型变换带来的潜在电流冲击；特别地，当构型变换情况为所述单体与相邻单体接入或退出并联时，可以在不断开其他单体的情况下进行上述操作。
所述主控器与所述可重构电池单体通过所述通信电路进行连接，并与上位机通过通信总线连接，汇总所述数据采样电路的数据并向上位机发送，接收和解析上位机的控制指令并向可重构电池单体发送开关指令；
所述上位机包括控制终端、上位机软件，上位机与主控器进行通信，在上位机软件中显示电池***相关数据，向主控器发送可重构电池单体控制指令。
进一步的，所述可重构电池单体通过四个开关的接通与否，可设置为下述的6种构型，实现与其他可重构电池单体的串并联。
构型1：待机，HS1、HS2、LS1、LS2四个开关断开，此时电芯与外界完全隔离，前后节单体也被断开；
构型2：并联，HS1、HS2、LS2接通，LS1断开，此时电芯正极与P1、P2接通，负极与N1、N2接通，可重构电池单体与前后节单体均呈并联关系；
构型3：串联，HS2、LS1接通，HS1、LS2断开，此时电芯正极与S1接通，电芯负极与S2接通，可重构电池单体与前后节单体均呈串联关系；
构型4：并联隔离，HS1、LS2接通，HS2、LS1断开，此时电芯不接入电路，P1与P2接通，N1与N2接通，本节单体被跳过，前后节单体并联；
构型5：串联隔离，HS1、HS2接通，LS1、LS2断开，此时电芯不接入电路，S1与P2接通，本节单体被跳过，前后节单体串联；
构型6：串联首节/并联末节，HS2、LS1接通，HS1、LS2断开，此时电芯正极与P1接通，负极与N1、S2接通，可重构电池单体与前节单体并联，后节单体串联。
进一步的，所述可重构电池单体通过电气隔离的电源线和通讯总线，以菊花链形式与主控器连接，并且每个可重构电池单体具有唯一ID，可供主控器进行寻址通讯。
进一步的，所述上位机程序设有可编程逻辑模块，其输入为时间、电池单体电压、电流、温度、当前开关状态、电池荷电状态、故障状态，目标电池组电压、功率，输出为目标开关状态；模块内设置了输入输出代码模板，用户可以通过修改模块代码的控制逻辑，自定义电池组的重构逻辑，从而根据实际需要实现控制逻辑的更新。
在实施本发明的技术方案中，通过向电池电芯添加电力接口，开关变换电路，数据采样电路，通信电路，充放电保护电路等电路，可以根据实际需要，组合任意数量可重构电池单体，配合主控器和上位机，以及可编程逻辑模块，实现了对不同充放电工况的灵活匹配、简便生产，便于发挥可重构电池的容量最大化利用、快速均衡、延长寿命等优势；同时，单体式的设计也允许进行单个替换，延长了整个电池***的可用寿命；此外，充放电保护电路还消除了构型变换时期可能产生的有害电流，同时允许了有限的实时构型变换，提高了可重构电池***的鲁棒性和适用范围。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围组成限制。其中：
图1是可重构电池***的***框图；
图2是可重构电池单体的***原理图；
图3是可重构电池单体各种配置模式的示意图；
图4是上位机程序可编程逻辑模块示意图；
图5是可重构电池组重构流程框图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明的核心是一种可重构电池***，利用具有开关、采样、通讯等功能的可重构电池单体，可以根据实际工况需要，自由组合需要大小的可重构电池组，并且可以对出现故障的单体进行更换，极大提升了可重构电池的可制造性、维护性；利用充放电保护电路，减缓单体改变构型时的电流冲击，实现了并联单体组中的无间断重构，从而支持现有的一些可重构电池容量最大化利用算法在电池组中的在线运行。
图1是一项所述可重构电池***的实例。该实例包括若干可重构电池单体、主控器、上位机；每个单体具有一组电力接口，包括P1和P2、S1和S2、N1和N2三组六个电力接口，以及一组通讯电路接口；单体可通过将同字母电力接口的2端和下一单体的1端连接，通信电路相互连接的方式进行连接；第一节单体的P1接口作为整个电池组的正极输出，最后一节单体的N2接口作为整个电池组的负极输出。
如图2所示，可重构电池单体包括电芯、电力接口、隔离电路、开关变换电路、数据采样电路、通信电路、充放电保护电路。
通信电路包含两个通讯接口，实现主控器向单体的通讯和供电，同时两个通讯接口互相连接，使得所有单体可以以菊花链形式进行连接；进一步地，每个可重构电池单体具有唯一ID，可供主控器进行寻址通讯，从而实现了可重构单体的任意连接。
隔离电路位于通信电路和其他电路之间，使两者之间为完全浮动关系，保证了主控器和单体，以及单体与单体之间除必要的通讯外，不产生其他互动；数据采样电路采集电芯的电压、电流、温度数据；控制器负责汇总数据采样电路的数据并向主控器发送，接收和解析主控器的控制指令，并操作驱动电路进行开关。
开关变换电路包含HS1、HS2、LS1、LS2四组开关及其驱动电路，HS1连接P1和P2，HS2连接P1和电芯正极，LS1连接S2和电芯负极，LS2连接N2和电芯负极，此外S1连接电芯正极，N1连接电芯负极；通过四个开关的接通与否，可设置为如图3所示的6种构型，实现与其他可重构电池单体的串并联。
构型1：待机，HS1、HS2、LS1、LS2四个开关断开，此时电芯与外界完全隔离，前后节单体也被断开；
构型2：并联，HS1、HS2、LS2接通，LS1断开，此时电芯正极与P1、P2接通，负极与N1、N2接通，可重构电池单体与前后节单体均呈并联关系；
构型3：串联，HS2、LS1接通，HS1、LS2断开，此时电芯正极与S1接通，电芯负极与S2接通，可重构电池单体与前后节单体均呈串联关系；
构型4：并联隔离，HS1、LS2接通，HS2、LS1断开，此时电芯不接入电路，P1与P2接通，N1与N2接通，本节单体被跳过，前后节单体并联；
构型5：串联隔离，HS1、HS2接通，LS1、LS2断开，此时电芯不接入电路，S1与P2接通，本节单体被跳过，前后节单体串联；
构型6：串联首节/并联末节，HS2、LS1接通，HS1、LS2断开，此时电芯正极与P1接通，负极与N1、S2接通，可重构电池单体与前节单体并联，与后节单体串联。
充放电保护电路包括熔断器和预接入电路；熔断器直接与电芯正极连接，在异常电流出现时切断电路，保护电芯；预接入电路包括串联的开关PS和电阻PR，连接在熔断器和电力接口P1之间，与开关HS2并联，在可重构电池单体构型变换，需要接通开关HS2时，首先接通所述预接入电路，延时数毫秒后接通开关HS2并断开预接入电路；需要断开开关HS2时，首先接通预接入电路并断开开关HS2，延时数毫秒后断开开关HS2；通过所述电阻的接入，减缓构型变换带来的潜在电流冲击；特别地，当构型变换情况为所述单体与相邻单体接入或退出并联时，可以在不断开其他单体的情况下进行上述操作。
主控器负责汇总所述数据采样电路的数据并向上位机发送，接收和解析上位机的控制指令并向可重构电池单体发送开关指令。
上位机包括控制终端、上位机软件，上位机与主控器进行通信，在上位机软件中显示电池***相关数据，并且通过内置的可重构控制逻辑，分析电池组状态和工况需求，得到目标电池组构型，并据此向主控器发送单体控制指令。
进一步的，所述上位机程序设有如图4所示的可编程逻辑模块，其输入为时间、电池单体电压、电流、温度、当前开关状态、电池荷电状态、故障状态，目标电池组电压、功率，输出为目标开关状态；模块内设置了输入输出代码模板，用户可以通过修改模块代码的控制逻辑，自定义电池组的重构逻辑，从而根据实际需要实现控制逻辑的更新。
下面结合图5介绍该实例中的可重构电池组重构流程。主控器通过数据线接收到上位机发送的目标开关状态后，首先判断本次重构是否只包含并联单体的接入/退出，即有变化的目标构型是否只为并联构型和并联隔离构型之间的转化；如包含其他构型，则需要首先暂停电池组输出，将所有单体转变为待机构型，然后先切换不是并联或串联首节/并联末节构型的单体；如果是，则不用暂停电池组输出。接下来切换目标为并联、串联首节/并联末节、并联隔离构型的单体，其中目标为并联、串联首节/并联末节的单体在接收到切换指令时，并不会接通目标构型中的HS2开关，而是接通PS开关，让电流通过带PS、PR的支路流过电芯；当经过指定的数毫秒，且电流传感器监测流过电芯的电流达到稳定时，再接通HS2开关，断开PS开关，完成电池组的重构。
以上，结合附图展示了该发明的一种实施实例。本领域技术人员容易理解的是，以上实例并不构成对该发明申请保护范围的限制，在不偏离本发明的原理的前提下，对相关技术特征做出等同的更改或替换，所产生的技术方案都应当属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种可重构电池***，其特征在于，包括主控器、上位机、若干可重构电池单体；
所述可重构电池单体包括电芯、电力接口、隔离电路、开关变换电路、数据采样电路、通信电路、充放电保护电路；
所述电力接口包括P1和P2、S1和S2、N1和N2三组六个电力接口，所述可重构电池单体通过将同字母电力接口的2端和下一单体的1端连接，通信电路相互连接的方式进行连接；
所述隔离电路位于通信电路和其他电路之间，使两者之间为完全浮动关系；
所述开关变换电路包含HS1、HS2、LS1、LS2四组开关及其驱动电路，HS1连接P1和P2，HS2连接P1和电芯正极，LS1连接S2和电芯负极，LS2连接N2和电芯负极，此外S1连接电芯正极，N1连接电芯负极；通过不同开关的开闭组合，能改变所述电芯正负极和所述电力接口相互间的连接关系；
所述数据采样电路采集电芯的电压、电流、温度数据；
所述通信电路通过数据总线与主控器进行信息交互；
所述充放电保护电路包括串联的熔断器和预接入电路；所述熔断器直接与电芯正极连接，在异常电流出现时切断电路，保护电芯；所述预接入电路包括串联的开关和电阻，连接在所述熔断器和电力接口P1之间，与开关HS2并联，在所述可重构电池单体构型变换，需要接通开关HS2时，首先接通所述预接入电路，延时数毫秒后接通开关HS2并断开预接入电路；需要断开开关HS2时，首先接通预接入电路并断开开关HS2，延时数毫秒后断开开关HS2；通过所述电阻的接入，减缓构型变换带来的潜在电流冲击；
所述主控器与所述可重构电池单体通过所述通信电路进行连接，并与上位机通过通信总线连接，汇总所述数据采样电路的数据并向上位机发送，接收和解析上位机的控制指令并向可重构电池单体发送开关指令；
所述上位机包括控制终端、上位机软件，上位机与主控器进行通信，在上位机软件中显示电池***相关数据，向主控器发送可重构电池单体控制指令。
2.根据权利要求1所述的一种可重构电池***，其特征在于，所述的可重构电池单体，通过四个开关的接通与否，设置为下述的6种构型，实现与其他可重构电池单体的串并联：
构型1：待机，HS1、HS2、LS1、LS2四个开关断开，此时电芯与外界完全隔离，前后节单体也被断开；
构型2：并联，HS1、HS2、LS2接通，LS1断开，此时电芯正极与P1、P2接通，负极与N1、N2接通，可重构电池单体与前后节单体均呈并联关系；
构型3：串联，HS2、LS1接通，HS1、LS2断开，此时电芯正极与S1接通，电芯负极与S2接通，可重构电池单体与前后节单体均呈串联关系；
构型4：并联隔离，HS1、LS2接通，HS2、LS1断开，此时电芯不接入电路，P1与P2接通，N1与N2接通，本节单体被跳过，前后节单体并联；
构型5：串联隔离，HS1、HS2接通，LS1、LS2断开，此时电芯不接入电路，S1与P2接通，本节单体被跳过，前后节单体串联；
构型6：串联首节/并联末节，HS2、LS1接通，HS1、LS2断开，此时电芯正极与P1接通，负极与N1、S2接通，可重构电池单体与前节单体并联，后节单体串联。
3.根据权利要求1所述的一种可重构电池***，其特征在于，所述的可重构电池单体通过电气隔离的电源线和通讯总线，以菊花链形式与主控器连接，并且每个可重构电池单体具有唯一ID，供主控器进行寻址通讯。
4.根据权利要求1所述的一种可重构电池***，其特征在于，所述的上位机，设有可编程逻辑模块，其输入为时间、电池单体电压、电流、温度、当前开关状态、电池荷电状态、故障状态，目标电池组电压、功率，输出为目标开关状态；模块内设置了输入输出代码模板，用户通过修改模块代码的控制逻辑，自定义电池组的重构逻辑，从而根据实际需要实现控制逻辑的更新。
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| CN202310771024.6A CN117081191A (zh) | 2023-06-28 | 2023-06-28 | 一种可重构电池*** |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310771024.6A CN117081191A (zh) | 2023-06-28 | 2023-06-28 | 一种可重构电池*** |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117081191A true CN117081191A (zh) | 2023-11-17 |
Family
ID=88715934
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310771024.6A Pending CN117081191A (zh) | 2023-06-28 | 2023-06-28 | 一种可重构电池*** |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117081191A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117901664A (zh) * | 2024-03-19 | 2024-04-19 | 四川凯迈新能源有限公司 | 基于个性化配置的动力电池管理*** |
-
2023
- 2023-06-28 CN CN202310771024.6A patent/CN117081191A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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