一种电池系统构架、电池系统、电动汽车及电池系统控制策略的制作方法

本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种电池系统架构。

背景技术：

目前，大多数电池组包先用小容量单体并联成模组，再用模组串联成所需电压。这种架构的致命问题是并联模组里有隐形内电流，而且无法切断。以两节单体并联为例，在两节电池电压准确相等时，内电流为零。当两节单体电压差为0.1V时，如果每个单体的内阻加导线总电阻为50毫欧，内电流即为1安培。因此，当电池老化电压差增大或者某个单体突然短路，这个内电流足以引起燃烧。这是今天所有存在并联单体的汽车电池存在的问题。本发明彻底去除了并联的单体。

锂电池发热燃烧到一定时候会出现一种“热失控”现象，即越烧越快，此时切断电流已经无法阻止燃烧。因此，要防止电池燃烧，电池管理系统(BMS)必须在发热早期检测到温度异常。

目前，电动汽车的动力电池包中的温度传感器数目(如热敏电阻)远远少于单体电池数目，往往需要隔几个单体电池安装一个温度传感器。如果某一个位于中间的单体电池电芯发热时，因它们远离温度传感器，等到最近的传感器测量到温度异常，由于锂电池着火后的热失控现象，往往已经无可补救，电池包已经着火，这是今天很多电池包起火的根本原因。本发明提出(1)今后生产单体电池应该做成自带有温度传感元件；或者(2)每一节单体外加附着一个热敏电阻，这个成本增加对于提高安全性是完全值得的。

另外，当前BMS一般以电压作为主要测量对象。今天的动力电池，尤其磷酸铁锂电池，具有非常“平坦”的电压-容量特性：即在曲线中间很大一部分容量范围里，电池端电压变化很小。这使得特性以电压描述非常困难，尤其为了实现电池均衡，电压测量需要非常准确，测量精度要求1-3mV，成本大大提高。

而采用本发明提出的先串后并(FSTP，First Serial Then Parallel)架构，可以在某一单体出现故障时将整串断开(由于电池包由多串并联，汽车仍然可以行驶)。本发明以这个功能取代了造价高、可靠性差的均衡方案，电压测量精度到0.01V已经足够，BMS不需要使用昂贵的高精度电压采样芯片，成本大大降低。而BMS只要在电流检测上提高精度。

使用以上措施后，电池起火燃烧的可能性降低了一个数量级。先串后并方案是以造价换取安全性能，因而如何降低造价是它推广应用的一个主要障碍；本发明不需要使用昂贵的高精度电压采样芯片，在电池包容量与单体容量之比小于10时采用PCB，这使本发明的先串后并架构成本大大降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电池系统架构,包含该架构的电池系统、电动汽车，以及利用该电池系统的控制策略

本发明的目的通过以下技术方案实现:

一方面，提供一种电池系统架构，包括子串电池管理系统，所述子串电池管理系统的数量与子串的数量相同，其特征在于：其采样电路包括A/D转换器、温度传感器和霍尔传感器，所述A/D转换器与单体电池并联，用于测定每一节单体电池的电压；所述温度传感器附着在单体电池上，用于测定该串每一节单体电池的温度；所述霍尔传感器与子串电池串联，用于测定其对应子串电池的电流；所述子串电池管理系统根据采样电路测得参数，计算出该子串电池的SOC和总电压；与以往的BMS相比，整个电池包中每一节单体的电压、温度都得到监控，将汽车动力电池的安全性提高了一个数量级，且成本低于先前提出的先串后并方案。

优选地，当电池包的总容量与子串电池容量之比大于10时，所述子串电池管理系统与采样电路制成SiP(System in Package)芯片，其成本低于先前先串后并架构提出的SoC芯片。必须说明，这里以及下面出现的数字10仅仅是一个举例，不是规定。具体应根据实际情况(如空间、造价等)来决定。

优选地，当电池包的总容量与子串电池容量之比小于等于10时，所述子串电池管理系统可以采用PCB(Printed Circuit Board，印刷电路)，成本远低于开发SiP芯片。换言之，在SiP芯片开发出来前，使用PCB是可行的，因为其数量不多，尤其在大巴车上，体积也不算一个问题。

另一方面，提供一种电池系统，包括上述任意一种电池系统架构。

再一方面，提供一种电动汽车，包括上述的电池系统。

还有一方面，提供一种电池系统控制策略，上述电池系统还包括，总电池管理系统、一系列继电器，所述总电池管理系统与子串电池管理系统通过CAN总线相连接，所述每个继电器与每个子串电池串联，其特征在于：

所述A/D转换器测定该串每一节单体电池的电压，所述温度传感器测定其对应单体电池的温度，所述霍尔传感器测定其对应子串电池的电流，计算出该子串电池的SOC(Status of Charge，电池充电状态)和总电压，并将该子串电池的电压报警信号、温度报警信号、SOC和总电压发送至总电池管理系统。

优选地，所述总电池管理系统在该子串电池出现不可修复的故障时，通过所述继电器将该子串电池与其他子串电池断开。

进一步优选地，电池系统控制策略无需做电池均衡，电压测量精度为0.01V即可。这个精度比均衡所要求的降低一个数量级，从而大大降低了先串后并子串控制器的造价。

最后一方面，提供一种所述电池系统控制策略的应用，所述电池系统控制策略可以应用于所有不使用均衡的BMS控制器(即不一定是先串后并)，即电压测量精度0.01V即可，从而一般BMS造价也可以降低。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明采用先串后并(FSTP)架构，将汽车动力电池的安全性提高了一个数量级；

(2)本发明降低了对电压的测量精度要求，从而降低了先串后并电池系统的成本；这个原则也适用于今天所有不使用均衡的BMS。

(3)当电池包的总容量与子串电池容量之比小于等于10时，本发明以PCB取代开发SiP集成电路，大大降低了先串后并电池系统的成本。

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，下面将对实施例及现有技术描述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为本发明优选实施例中当(电池包总容量/单体容量)<10时采用PCB的电池系统的结构示意图。

图2为本发明另一优选实施例中当(电池包总容量/单体容量)>10时采用SiP的电池系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，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。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

实施例1

如图1所示，本发明提供的一种电池系统，包括：电池包、总电池管理系统、子串电池管理系统和一系列继电器；其特征在于：

所述子串电池管理系统的采样电路包括A/D转换器、温度传感器和霍尔传感器，所述A/D转换器与单体电池并联，用于测定每一节单体电池的电压；所述温度传感器附着在单体电池上，用于测定该串每一节单体电池的温度；所述霍尔传感器与子串电池串联，用于测定其对应子串电池的电流；所述子串电池管理系统根据采样电路测得参数，计算出该子串电池的SOC和总电压。

所述电池包采用先串后并(FSTP)架构，先将200个20AH单体电池串联成子串电池,再将6个子串电池并联为120AH电池包；

所述电池包总容量(120AH)/单体电池容量(20AH)＝6,因为6<10，所以，所述子串电池管理系统可以使用PCB制成。

所述子串电池管理系统的数量与子串的数量相同，根据采样电路测得参数，计算出该子串电池的SOC和总电压；对存在故障的单体电池进行报警，同时与总电池管理系统通讯；

在该子串电池出现不可修复的故障时，总电池管理系统通过所述继电器将该子串电池与其他子串电池断开；

所述总电池管理系统与所述子串电池管理系统以及与电动汽车的其他控制系统通过两路CAN总线连接。

上述使用PCB的电池系统适用于大巴车。

实施例2

如图2所示，本发明提供的一种电池系统，包括：电池包、总电池管理系统、子串电池管理系统和一系列继电器；其特征在于：

所述子串电池管理系统采样电路包括A/D转换器、温度传感器和霍尔传感器，所述A/D转换器与单体电池并联，用于测定每一节单体电池的电压；所述温度传感器附着在单体电池上，用于测定该串每一节单体电池的温度；所述霍尔传感器与子串电池串联，用于测定其对应子串电池的电流；所述子串电池管理系统根据采样电路测得参数，计算出该子串电池的SOC和总电压。

所述电池包采用先串后并(FSTP)架构，先将96个2AH单体电池串联成子串电池,再将50个子串电池并联为100AH电池包；

所述电池包总容量(100AH)/单体电池容量(2AH)＝50,因为50>10，所以，所述子串电池管理系统由SiP芯片制成。

所述子串电池管理系统的数量与子串的数量相同，根据采样电路测得参数，计算出该子串电池的SOC和总电压；对存在故障的单体电池进行报警，同时与总电池管理系统通讯；

所述总电池管理系统在该子串电池出现不可修复的故障时，通过所述继电器将该子串电池与其他子串电池断开；

所述总电池管理系统与所述子串电池管理系统以及与电动汽车的其他控制系统通过两个CAN总线连接。

所述电池系统可以用于小轿车。

实施例3

本发明提供的一种电池系统控制策略，所述电池系统包括：电池包、总电池管理系统、子串电池管理系统和一系列继电器；

所述总电池管理系统与所述子串电池管理系统以及与电动汽车的其他控制系统通过两个CAN总线连接，并控制继电器；

所述子串电池管理系统采集其对应子串电池的每个单体电池的电压和温度，该子串电池的电流，并计算出该子串电池的SOC和总电压，并将该子串电池的电流报警信号、温度报警信号、SOC和总电压发送至总电池管理系统；

所述子串电池管理系统还监测其对应子串电池的SOH和SOP，对SOC进行修正，并发送至总电池管理系统。

所述总电池管理系统根据收到的子串电池管理系统的信号，判断子串电池是否出现不可修复的故障，若出现了不可修复的故障，则通过对应的继电器将该子串电池与其他子串电池断开。

由于本发明不采用电池均衡，单体电池的电压测量精度到0.01V就够了，不需要使用目前普遍采用的高精度电压测量芯片，大大降低了成本。

当然,所述电池系统控制策略可以应用于所有不使用均衡的BMS控制器(即不一定是先串后并)，即电压测量精度0.01V即可，从而一般BMS造价也可以降低。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明采用先串后并(FSTP)架构，将汽车动力电池的安全性提高了一个数量级；

(2)本发明将电压测量精度定在0.01V,不采用目前高精度电压测量芯片，降低了先串后并架构电池系统的成本；

(3)当电池包的总容量与单体电池容量之比小于等于10时，本发明以常规PCB代替开发SiP集成电路，降低了先串后并电池系统的成本。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。