一种多电池组并联放电运行的系统和方法转让专利
申请号 : CN201911377166.4
文献号 : CN111106648B
文献日 : 2021-08-27
发明人 : 段志刚
申请人 : 北京兴达智联科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种多电池组并联放电运行系统,其特征在于,该系统包括多个受控放电电池组BRPi,i≧2;所述多个受控放电电池组的所有正端相互连接,所有负端相互连接,并与放电负载构成多电池组并联放电运行系统;
所述受控放电电池组是同类放电电池组;
所述受控放电电池组,是指其基本参数放电输出电压DhVo/Vset与放电输出电流DhIo/Iset在有效预设范围内并受控;其扩展参数放电输出等效阻抗DhRo与放电输出伏安功率DhPo受控;其关联参数电流限流与所述电池组电压关联受控,以及,伏安功率与所述电池组电压关联受控;
所述系统配置有通信总线BPC、放电识别口SCD、各地址接口ADR;
所述系统配置有多电池组放电系统控制器DMU;
所述系统统一预设放电运行额定电压Vset以及放电运行额定电流Iset;
所述系统配置放电调节算法,设定放电下垂伏安输出参数;
所述系统配置放电均流总线接口SBUS;
所述受控放电电池组BRP,是内置开关变换放电电池组;
所述系统按编码序号配置各电池组地址接口ADRi的对应电阻;
所述系统控制器DMU与各电池组通信母线BPC连接;
建立并联放电系统串行通信协议以收发信息及指令;
配置与所述电池组系统控制器DMU关联的放电识别信号或下发协议。
2.根据权利要求1所述的运行系统,其特征在于:在系统设定的有效放电工作范围内,所述内置开关变换放电电池组,是内置降压开关变换放电电池组。
3.根据权利要求1所述的运行系统,其特征在于:在系统设定的有效放电工作范围内,所述内置开关变换放电电池组,是内置升压开关变换放电电池组。
4.根据权利要求1所述的运行系统,其特征在于:在系统设定的有效放电工作范围内,所述内置开关变换放电电池组,是内置升降压开关变换放电电池组。
5.根据权利要求2或3或4所述的运行系统,其特征在于:所述放电系统控制器DMU与系统通信母线BPC交换各电池组状态及参数;
所述放电系统控制器DMU按设计配置算法计算放电系统缺省及运行预设电压;
所述放电系统控制器DMU按设计配置下垂伏安特性算法微调预设电压;
所述放电系统控制器DMU连接系统通信母线BPC,按广播或单独地址下发命令;
所述放电系统控制器DMU按设计配置功能及算法,分析计算统计放电系统特征量。
6.根据权利要求5所述的运行系统,其特征在于:所述系统预设上电缺省电压为电池组恒压充电值Vcc;
所述系统预设运行动态电压Vset1为系统规划运行值Vsep。
7.根据权利要求6所述的运行系统,其特征在于:所述系统预设优放电压即按电池容量就低优先放电的电压Vset0为略大于Vset1;
所述系统预设备放电压,即系统内设定部分电池组进入次选准备放电电压Vset2为略小于Vset1;
设定所述Vset0、Vset2与Vset1差值范围为Vsd=(1‑5)%Vcc。
8.根据权利要求7所述的运行系统,其特征在于:选定统一的放电输出伏安下垂特征参数及适用范围界限值,Vout=Vset‑Krate*Iout,Vdu>Vout>Vdl;相对于额定电压Vnom,电压取值范围是,Vdu:(95‑115)%Vnom或(85‑100)%Vcc、Vdl:(85‑95)%Vnom或(75‑85)%Vcc;相对于额定电流Inom,下垂斜率Krate=(0.5‑1.5)/Inom;系统内各电池组按此统一预设的动态特征阻抗匹配并联、自适应热备均衡放电。
9.根据权利要求8所述的运行系统,其特征在于:所述系统电池组运行限流采用三挡受控值之比值K1定义;
其中K1=1时,指定电池组预设限流值Ids=K1*Iset;
各电池组预设限流值Ids具体配置,分别参照:电池组按满度参量相应自主配置上电值及均流满度值;
系统按硬件地址设计缺省值,电池组按地址识别配置;
系统控制器按菜单设置对应地址下发配置指令;
电池组串电压低于预设值,自主下调配置值至K2。
10.根据权利要求8所述的运行系统,其特征在于:所述系统电池组运行限流采用三挡受控值之比值K0定义;
其中K0取值为3>K0>1时,指定电池组预设限流值Ids=K0*Iset;
各电池组预设限流值Ids具体配置,分别参照:电池组按满度参量相应自主配置上电值及均流满度值;
系统按硬件地址设计缺省值,电池组按地址识别配置;
系统控制器按菜单设置对应地址下发配置指令;
电池组串电压低于预设值,自主下调配置值至K2。
11.根据权利要求8所述的运行系统,其特征在于:所述系统电池组运行限流采用三挡受控值之比值K2定义;
其中K2取值为1>K2>0.5时,指定电池组预设限流值Ids=K2*Iset;
各电池组预设限流值Ids具体配置,分别参照:电池组按满度参量相应自主配置上电值及均流满度值;
系统按硬件地址设计缺省值,电池组按地址识别配置;
系统控制器按菜单设置对应地址下发配置指令;
电池组串电压低于预设值,自主下调配置值。
12.根据1至11任一所述的权利要求所述的并联放电运行系统的并联放电方法,包括如下步骤:
1)选定所述受控放电电池组有效放电工作范围,包括额定值、最大值、最小值、上电缺省值;在指定的有效放电工作范围内,单向放电工作,放电输出伏安特性为两个模式、对应预设限流负载点;
1‑1)当负载小于对应预设限流负载点时为恒压段;该恒压段电压预设值由系统内存或通信协议约定在有效放电工作范围内某个值点,最大恒压预设值选为额定电压的相关比值、选值范围为100‑125%;
1‑2)当负载大于对应预设限流负载点时为恒流段;该恒流段电流预设值由系统内存或通信协议约定在有效放电工作范围内某个值点,最大恒流预设值选为额定电流的相关比值、选值范围为100‑125%。
13.根据权利要求12所述的并联放电方法,包括如下步骤:
2)所述并联放电运行系统的放电系统控制器DMU及所有电池组均流接口SBUS并联连接;
由所述系统控制器DMU下发均流启动工作电流下限值点;
由所述系统控制器DMU下发均流暂关工作电压上限值点;
各电池组利用均流总线信号、内嵌低倍差放算法、双环模式,动态低通微调放电电压、随动调节电流,实现均流。
14.根据权利要求13所述的并联放电方法,包括如下步骤:
3)选定所述并联放电运行系统的内置开关变换放电电池组即高效率受控放电电池组的有效放电输出工作范围;
3‑1)在升降压开关变换工作状态,其有效工作范围输出电压为高至放电预设电压但不超过额定电压上限,低至额定电压下限或限流接近于零值;
3‑2)在升压开关变换工作状态,其有效工作范围输出电压为自电池组内部组串电压起、高至放电预设电压但小于放电额定最大电压值;
3‑3)在降压开关变换工作状态,其有效工作范围输出电压为两段,第一段为额定段,是自电池组内部组串电压起、低至放电预设电压但不低于额定电压下限,第二段为限流段、是在放电输出限流或过载时持续限流降压低于预设电压并渐低至零值输出;
升压、降压、升降压三种不同变换类型的内置变换电池组,有效放电工作范围不同;内置变换电池组在有效放电工作范围内,放电电压电流受控,工作于恒压限流、恒流降压两段模式,输出端口阻抗相应为受控状态,为预设或额定电压电流对应的等效阻抗值。
15.根据权利要求14所述的并联放电方法,包括如下步骤:
4)所述多电池组并联放电运行系统的放电系统控制器DMU下发命令、向选定部分电池组发送系统预设优放电压Vset0=Vset1+Vsd;形成系统内略高的独立预设值Vset0,使该部分电池组进入优先放电模式,即优先以最大额定电流限流模式放电,以大于系统平均电流提供放电功率能量,并按预定值留存残余容量,放电至靠近终止电压或剩余容量,成为系统内优先快速释放剩余容量的电池组,方便系统按电池容量就低优先放电原则设计,以利于放电系统中设计部分电池组先期退出或待充;
其中,Vsd=(1‑5)%Vcc,Vset1为系统运行动态电压。
16.根据权利要求15所述的并联放电方法,其特征在于,包括如下步骤:
5)所述多电池组并联放电运行系统的放电系统控制器DMU下发命令、向选定部分电池组发送系统预设备放电压Vset2=Vset1‑Vsd;形成略低于预设值Vset1的第二预设值Vset2,使系统内设定的部分电池组进入次选备放模式;
6)所述多电池组并联放电运行系统的放电系统控制器DMU下发命令、向不属于上述分步骤4)和分步骤5)的电池组发送系统预设放电电压Vset1,形成系统运行动态电压Vsep=Vset1,即规划运行值,直到过放保护而停止放电;
其中,Vsd=(1‑5)%Vcc,Vsep=Vset1为系统运行动态电压。
说明书 :
一种多电池组并联放电运行的系统和方法
技术领域
背景技术
点包括单体电压、单体容量,单体串并联方式及电池系统管理方式。其中电池包的充放电管
理是系统使用的关键技术,通常电池包内部的管理单元BPU,俗称保护板,提供电池组过充
过放保护,除输出短路保护,一般重点监测电池组串内单体电压;充电流程由特别配置的充
电器按指定类型电池充电标准流程及厂家指定参数完成,而电池包对放电过程一般设计有
电压过低保护,包括整组电压过低及单体电压过低的保护,部分电池包也设计有短路或限
时过流保护、过温保护。
中电路的并联连接部分一般采取熔丝串联配置,并实施局部热管理、容量管理,以规避不同
电池包部件之间内部环流而导致系统无法正常运行。并且这种设计只是在组装开始时实施
并联,运行时一般不再拆解,这种并联是静态一次组装方式;并且应在实施并联之前先将电
池储电容量适当降低、电压降到并联合接的预设置规范值,使电池部件电压差减小、内阻较
大且满足再并联条件,环流电流值就会小很多,以提高生产的安全性和减小发生事故的可
能性。并且这种并联方式下的电池分部件需要独立检测、独立管理,否则会随电池部件长期
并联不均衡引发充放电不足导致整个电池组及系统充放电容量的大幅急剧衰减而失效。
味着电池组之间发生环流充放电,因电池阻抗低而造成不受控通流极大且持续时,内部损
耗发热严重并蓄积,甚至导致损毁电池。
的过范围保护,对充放电的运行步骤和过程中的细节参数并不介入管理。所以多电池组的
简单粗暴的直接并联会导致电池组处于异常的充电过程或异常放电过程且不受控制,异常
程度直接由组间电池的荷电状态等电参数的差异性决定。如果这种不受控的直接并联多次
发生,将导致电池加速失效或报废。
投切。系统工作于冷备份切换模式,即利用开关触点分别投切连通其中一组电池进入工作
状态实现在线充放电、另一组电池处于冷备份待用状态,也可以拔离其中一组电池置于其
他设备或转接实施充电后备用。系统切换瞬间无电池供电,所以一般只在设备关闭状态投
切。这种模式下,处于放电工作的电池始终只有一组,也即冷备份切换工作模式。另一种方
式,是利用外置并接电路单元,采用或合逻辑并接理想二极管开关Oring‑SW,也称作“或合”
开关。它采用逆流关闭技术,实现两组电池的并联连接。其中“或合”开关由场效应管及体内
二极管、检测电路、控制电路组成,其基本控制及开关逻辑是:加电初期由二极管通过电流
工作,正向电流较大时立即开启场效应管导通,降低正向导通压降及损耗,当正向电流减低
并导致受控导通压降低于30mv时,关闭场效应管。特别的,当检测电路提示发生电流短路或
反向导通时,控制电路将迅速关闭场效应管切断低阻支路,此时实现了正向短路保护,还实
现了反向电流实时阻断。电路连接采用“或合”开关先与电池组串联,再并联组成并联放电
系统,此时,系统中发生瞬时反向电流即倒灌充电电流的电池组,被与之串联的“或合”开关
阻断,因而由电池电压及负载能力强的电池组放电,完成电压电流竞争通断温备份冗余工
作模式。实际上这种工作模式,多数时间,一般提供电流参与放电的电池组都只是其中一
组,其他不参与放电,温备份待机;在均等参数情形的短时间内会同时放电,在短时大负荷
情形会同时放电,但放电电流大小不受控,由内部动态电性能参数之间的差异决定,并且微
弱差异就会导致电池组间放电电流较大的不均衡或部分电池组退出放电。
护关停;在预先设置的正常工作参数范围内、电池组内充放电场效应管均处于低阻低损耗
导通工作状态,配合外部用电设备,实现电池组有效放电;但此时电池组端口处于低阻抗开
合状态,既能放电,也能接受其他并联电池或有源元件的充电电动势及充电电流;而持续的
不受控的大电流充电会使电池组内部积聚发热并急剧升温或局部高热而导致失效甚至毁
损。
发明内容
池组并联放电运行系统;
功率DhPo受控;其关联参数电流限流与所述电池组电压关联受控,以及,伏安功率与所述电
池组电压关联受控;
变换放电电池组。
系统控制器DMU按设计配置下垂伏安特性算法微调预设电压;所述放电系统控制器DMU连接
系统通信母线BPC,按广播或单独地址下发命令;所述放电系统控制器DMU按设计配置功能
及算法,分析计算统计放电系统特征量。
Vset2为略小于Vset1;设定所述Vset0、Vset2与Vset1差值范围为Vsd=(1‑5)%Vcc。
Vnom或(85‑100)%Vcc、Vdl:(85‑95)%Vnom或(75‑85)%Vcc;相对于额定电流Inom,下垂斜
率Krate=(0.5‑1.5)/Inom;系统内各电池组按此统一预设的动态特征阻抗匹配并联、自适
应热备均衡放电。
单设置对应地址下发配置指令;
对应预设限流负载点;
比值、选值范围为100‑125%;
比值、选值范围为100‑125%。
段、是在放电输出限流或过载时持续限流降压低于预设电压并渐低至零值输出;
压两段模式,输出端口阻抗相应为受控状态,为预设或额定电压电流对应的等效阻抗值。
该部分电池组进入优先放电模式,即优先以最大额定电流限流模式放电,以大于系统平均
电流提供放电功率能量,并按预定值留存残余容量,放电至靠近终止电压或剩余容量,成为
系统内优先快速释放剩余容量的电池组,方便系统按电池容量就低优先放电原则设计,以
利于放电系统中设计部分电池组先期退出或待充;
Vset2,使系统内设定的部分电池组进入次选备放模式;
Vsep=Vset1,即规划运行值,直到过放保护而停止放电;
程模块化设备,实现了多电池组热备冗余并联放电运行。特别是,通过功率开关变换及控
制,避免了非预期反向电流,实现了功率变换输出特有的电压电流及阻抗受控、自主动态均
流,使得系统内各电池组均能实现单向输出、可调恒值稳压或线性下垂、可调恒值限流、自
主均流放电,达到多电池组动态热备冗余并联均流放电的功能。从而使系统额定达到所有
多电池组额定放电电流总和,组成模块化热备冗余并联放电系统。
力并联放电系统性能大大提高,成本性价比高,能够适应各种工作环境,设计更加简洁、高
效,系统运行具有极高的可用性、可维性、可靠性。
附图说明
具体实施方式
成多电池组并联放电运行系统;
功率DhPo受控;其关联参数电流限流与所述电池组电压关联受控,以及,伏安功率与所述电
池组电压关联受控;
过开关串接于电池组串B端及电池输出P端之间并由二极管或场效应管对应续流,电池组串
B端及电池输出P端两侧正负极之间连接有高频滤波电容C,组成开关调节单元,完成电池输
出P端即电池放电电压、放电电流、放电等效阻抗受控调节。
电池组。
DMU按设计配置伏安下垂伏安特性算法微调预设电压;所述放电系统控制器DMU连接系统通
信母线BPC,按广播或单独地址下发命令;所述放电系统控制器DMU按设计配置功能及算法,
分析计算统计放电系统特征量。
定。
Vset1;设定所述Vset0、Vset2与Vset1差值范围为Vsd=(1‑5)%Vcc。
电流Inom,下垂斜率Krate=(0.5‑1.5)/Inom;系统内各电池组按此统一预设的动态特征阻
抗匹配并联、自适应热备均衡放电。
对应预设限流负载点;
比值、选值范围为100‑125%;
比值、选值范围为100‑125%。
流,判断是小于预设负载点时,按恒压特性调节开关脉宽及工作方式,当判断是大于预设负
载点时,按恒流特性调节开关脉宽及工作方式。
号SBUS:
段、是在放电输出限流或过载时持续限流降压低于预设电压并渐低至零值输出;
压两段模式,输出端口阻抗相应为受控状态,为预设或额定电压电流对应的等效阻抗值。这
是组内判断变换方式,确定有效放电工作范围。
该部分电池组进入优先放电模式,即优先以最大额定电流限流模式放电,以大于系统平均
电流提供放电功率能量,并按预定值留存残余容量,放电至靠近终止电压或剩余容量,成为
系统内优先快速释放剩余容量的电池组,方便系统按电池容量就低优先放电原则设计,以
利于放电系统中设计部分电池组先期退出或待充;
于系统平均电流提供放电功率能量,并按预定值留存残余容量,放至靠近终止电压或剩余
容量,成为系统内优先快速释放剩余容量的电池组,方便系统按电池容量就低优先放电原
则设计,以利于放电系统中设计部分电池组先期退出或待充;就是说,判断目前电池组是否
比正在放电其他电池组端电压低,如果是,则按预设优放电压Vset0,进入优放模式;当前电
池组就成为低压优先放电对象,快速释放剩余容量的电池组,然后先期退出放电,或进入待
充状态;
于系统平均电流提供放电功率能量,并按预定电池组端电压值留存容差容量,放至电池组
端电压靠近系统平均电压或容量靠近放电电池容量中值,使得系统内各电池处于容量接近
的均衡状态,利于系统的模块化均衡控制;就是说,判断目前电池组是否比正在放电其他电
池组端电压高,如果是,则按预设优放电压Vset0,进入优放模式。
Vset2,使系统内设定的部分电池组进入次选备放模式;
Vsep=Vset1,即规划运行值,直到过放保护而停止放电;
统内部分电池组热备放电运行、部分低功耗待机运行;构成并联放电系统低耗经济运行模
式。就是说,判断当前电池组是否比其他电池组端电压高,如果是,则按预设次选备放电压
Vset2,进入次选备放模式。
低功耗待机运行,并按预定电池组端电压值或留存容差容量,直至电池组端电压靠近系统
平均电压或容量靠近放电电池容量的中值,使得系统内各电池处于容量接近的均衡状态,
利于系统的模块化均衡控制;就是说,判断目前电池组是否比正在放电其他电池组端电压
低,如果是,则按预设次选备放电压Vset2,进入次选备放模式。
放电电池组BRP‑FB并联放电示意图;由于复合开闭保护内置变换调节器的特有的功率变换
性能,使得电池组BRP具备单向放电、且输出电压、电流、输出功率、等效输出阻抗均为受控
状态,规避了原电池组固有的异常低阻、反流、过流等不受控特性,使得多电池组的受控并
联得以有效运行、并组成模块化热备冗余并联放电系统。
同,各图中右下侧为内置变换放电输出电压电流伏安下垂特性示意图;内置半桥升压变换
并联放电的电池组BRP‑HB性能良好且成本低、内置全桥升降压变换并联放电的电池组BRP‑
FB性能优异性价比高。
压平台高值区、系统可按地址统一或分群配置预设额定电压输出Vset1[Vset0、Vset2],在
电压中后区、按下垂特征值[Vk、Krate]配置下垂调节特性,在电压后端、电池按约定值限流
降压,当超出有效范围上下限值,内阻退至电池组自有低阻特性;当电池电压V及容量C低于
预设值时,电池按附图7约定曲线调配输出电压成为受控的伏特安时输出特性。
Vnom的低压工作区,同比下调至K2=0.5‑0.95,而在电池电压平台高值区,即约定于[Vnom,
Vnup]或更小区域,系统按设计配置同比上调至K0=1‑3、放电按高倍率大电流工作。
于城区快递专业电动两轮车;
用于越野运动型电动摩托车;
用于48V通信基站;
小型数据中心。
流、阻抗、安时特性的自主并联匹配;此系统简约并兼容常规接线,大幅提高系统并联放电
性能。
号BHi连接各自匹配的位置电阻;此系统,地址状态总线SAD可解读系统内所有设备并以H0_
B0000、H2_B0010、H4_B0100、H8_B1000对应的位码值或合为地址总线码值、并由系统内当前
在位低值设备主控信息收发;采用内置双向全桥变换拓扑升降压变换、电池组以Vset1为预
设电压、采用内置放电下垂伏安特性实施自动输出阻抗特性匹配电流均衡调节;此系统配
置了高性能通信模式,在提高系统放电性能的同时大幅提高了智能化水平。
SADi由P+连接各自匹配的位置电阻Ri;此系统,地址状态总线可解读系统内所有电池组对
应的从机位码值01#‑12#、监控缺省为主监控,采用内置双向全桥变换拓扑升降压变换,电
池组以Vset1为预设电压,并采用放电均流总线Sbus,各电池组内置控制器自动完成均流自
主调节;此系统按标准模块化系统设计、系统控制器交互智能化,是多电池组智能并联系统
的标准模式。
为放电状态;此系统,采用内置双向全桥变换拓扑升降压变换,电池组以Vset1为预设电压,
并采用放电均流总线Sbus,各电池组内置控制器自动完成均流自主调节;本系统采用内置
预设电压电流调节、采用均流总线实施电池放电均流,系统无需依赖通信、是多电池组自主
热备并联运行的硬件连接优化模式。
组用于设备或系统中提供大功率动力用电,按热备冗余并联系统设计,包括多个相同或大
致相同的组件,可采用约定有效放电工作范围,受控且匹配有效放电工作范围的电池,包括
内置半桥升压放电调节的电池BRP‑HB,性能良好成本低,内置全桥升降压调节的电池BRP‑
FB,性能优异。例如在电动摩托车上采用2‑3个48V16Ah电池组并联、例如在低速四轮车上采
用4‑8个48V16Ah电池组并联设计配置动力供电、例如在48V的通信基站备用直流电源系统
采用12个48V16Ah电池组并联、例如在240V的小型数据站点备用直流电源系统采用20个
240V3Ah电池组并联。该类型动力供能系统在其工作时,采用多电池组在线动态热备份冗余
并联放电设计的模块化工作方式,这样将比现有技术的内置串并联成巨大电池硬堆性能优
越,也比常规手动开关或静态开关投切并联方式更加高效方便,并将动力并联结构推广到
多电池组在线自主动态热备冗余并联。具备即时移除、在线拔插、现场扩容及实时更换能
力。系统内各电池组,受控、采用内置变换调节放电,可按预设电压、限流、伏安下垂斜率、均
流母线控制模式自主热冗余并联放电;为了实现某种设定的目标,例如,系统按低频时间区
间选配、按电压平台分配、按平均电流分配、按电池剩余容量分配、按电池动态内阻分配、按
电池内部温升分配等等,通过通信地址、通信协议,传送电池组状态、放电、能量相关信息,
发送模式及参数调节指令,实现多电池组的动态热备冗余并联放电,实现系统性高级别智
慧管理,从而克服现有技术中的缺陷。
来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保
护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。