电池系统及其启动控制方法与流程

本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种电池系统及其启动控制方法。

背景技术：

在高压直流供电系统领域，目前铁锂电池被越来越多的应用。为实现高压输出，采用的是多个电池模块串联使用，每个电池模块一般由16串铁锂电芯组成，输出48V。目前一般有240V系统(5个电池模块串联)、336V系统(7个电池模块串联)、480V系统(10个电池模块串联)等。另外，为了延长电池组的备电时间，又需要将已串联的电池组系统并联起来以提升容量，从而提高输出功率。

电池管理系统，一般采用一个BMU(电池管理单元)来管理一个电池模块，对所管理的电池模块进行电压、温度的采集及均衡控制等。而所有的BMU则是由BCU(电池控制单元)统一管理，BMU将数据发送给BCU，BCU则对接收到得整个系统的数据进行统计分析，并发出各种相应的控制命令，实现对整个系统的控制。

相关技术中的上电启动管理方案中，普遍会在并联的各组电池组端增加预充电阻及预充继电器，通过预充电阻解决了电池组间环流回路中电流过大的问题，同时也避免了冷态启动时容性负载的大电流冲击，如附图1所示。在系统上电启动时，先闭合所有的预充继电器K2，…Kn2(这里n＝1,2,3...表示第n组电池组上的预充继电器序号，下同)，并且经过预定设置时间t后(如t可设为1秒)，再相继切换到正常充电的继电器K1，K11，…Kn1(这里，K1，K11，…Kn1的接入顺序是按照电池组电压从小到大的顺序接入,并且只要有一组正常充电继电器K1(或Kn1)已接入系统，则可将所有的预充继电器K2,K12，…Kn2均断开)，但这样每组电池组都要在正常充电继电器上并联一个预充继电器及预充电阻。

虽然通过在正常充电继电器上并联预充继电器及预充电阻的方法解决了电池组间环流回路中电流过大的问题，避免了冷态启动时容性负载的大电流冲击。但是，这样做却同时增加了系统成本，尤其对于有多组电池组并联的系统，其预充继电器及预充电阻数量将随着增加。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个 目的在于提出一种电池系统，避免了冷态启动时容性负载的大电流冲击，解决了电池组间环流回路中电流过大的问题，且该电池系统中只使用了一个预充电阻和一个预充继电器，从而大大降低了成本。

本发明的第二个目的在于提出一种电池系统的启动控制方法。

为了实现上述目的，本发明第一方面实施例的电池系统，包括：预充单元，所述预充单元包括串联连接的预充电阻和预充继电器；M个继电器和M个二极管，其中，M为大于1的整数；M个电池组，所述M个电池组的第一输出端与所述M个继电器一一对应串联后与所述预充单元的第一端相连，所述预充单元的第一端连接在第一输出母线上，所述M个电池组的第二输出端与第二输出母线电连接；所述M个电池组的第一输出端与所述M个二极管的第一端一一对应串联，所述M个二极管的第二端连接在一起后与所述预充单元的第二端相连；M个电池管理单元，M个电池管理单元和M个电池组一一对应连接以采集相应电池组的状态信息；电池控制单元，所述电池控制单元分别与所述M个电池管理单元进行通信，所述电池控制单元用于在所述电池系统上电启动后控制所述预充继电器闭合，并对所述M个电池组进行轮询以获得每个电池组的电压排序，以及在第一预设时间后根据所述每个电池组的电压排序通过对所述M个继电器进行控制以使所述M个电池组按电压从小至大的顺序依次启动。

根据本发明实施例的电池系统，避免了冷态启动时容性负载的大电流冲击，解决了电池组间环流回路中电流过大的问题，且该电池系统中只使用了一个预充电阻和一个预充继电器，从而大大降低了成本。

为了实现上述目的，基于本发明第一方面实施例的电池系统，本发明第二方面实施例的电池系统的启动控制方法，包括以下步骤：在所述电池系统上电启动后，所述电池控制单元控制所述预充继电器闭合；所述电池控制单元对所述M个电池组进行轮询以获得每个电池组的电压排序；以及在所述电池系统上电启动的第一预设时间后，所述电池控制单元根据所述每个电池组的电压排序通过对所述M个继电器进行控制以使所述M个电池组按电压从小至大的顺序依次启动。

根据本发明实施例的电池系统的启动控制方法，避免了冷态启动时容性负载的大电流冲击，解决了电池组间环流回路中电流过大的问题，且电池系统中只使用了一个预充电阻和一个预充继电器，从而大大降低了成本。

附图说明

图1是相关技术中的电池系统的原理示意图；

图2A是根据本发明一个实施例的电池系统的示意图；

图2B是根据本发明另一个实施例的电池系统的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的电池系统的顺序启动状态图；

图4是根据本发明一个实施例的电池系统的顺序启动状态转换图。

图5是根据本发明一个实施例的电池系统的启动控制方法的流程图；

图6是根据本发明一个具体实施例的电池系统的启动控制方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图来描述本发明实施例提出的电池系统和电池系统的启动控制方法。

图2A是根据本发明一个实施例的电池系统的示意图。如图2A所示，本发明实施例的电池系统10包括：预充单元100、M个电池组200、M个继电器(K1、K21、K31…KM1)、M个二极管(D1、D2、D3…DM)、M个电池管理单元300和电池控制单元400。其中，M为大于1的整数。

其中，预充单元100包括串联连接的预充电阻R0和预充继电器K0。如图2所示，预充单元100的第一端与第一输出母线11相连，预充单元100的第二端与第二输出母线12相连。

M个电池组，M个电池组200的第一输出端201与M个继电器(K1、K21、K31…KM1)一一对应串联后与预充单元100的第一端101相连，预充单元100的第一端101连接在第一输出母线11上，M个电池组200的第二输出端202与第二输出母线12电连接；M个电池组200的第一输出端201与M个二极管(D1、D2、D3…DM)的第一端13一一对应串联，M个二极管的第二端14连接在一起后与预充单元100的第二端102相连。

在本发明的一个实施例中，如图2A所示，M个电池组200的第一输出端201为正极输出端，第二输出端202为负极输出端；第一输出母线11为正极输出母线，第二输出母线12为负极输出母线。相应的，与M个电池组200的第一输出端201相连的M个二极管的第一端为阳极，M个二极管的第二端为阴极。

当然，容易理解的是，在本发明的另一个实施例中，还可以是；M个电池组的第一输出端为负极输出端，第二输出端为正极输出端；第一输出母线为负极输出母线，第二输出母线为正极输出母线。相应的，与M个电池组200的第一输出端201相连的M个二极管的第一端为阴极，M个二极管的第二端为阳极(在此不再用图来示意)。

与相关技术中的电池系统相比，在本发明实施例的电池系统中，即使采用多组电池组 200并联，也只需要使用一个预充继电器K0及一个预充电阻R0即可，同时在每组电池组200的第一输出端201各增加一个二极管D1，D2，…DM。虽然每组电池组200的第一输出端201均增加了一个二极管，但二极管的成本要比预充电阻及预充继电器的成本低，从而降低了系统成本。

M个电池管理单元300(BMU，Battery Management Unit)，M个电池管理单元300和M个电池组200一一对应连接以采集相应电池组200的状态信息。

具体地，电池管理单元300与电池组200一一对应相连，电池管理单元300用于采集相应电池组200整体的状态信息。

电池控制单元400(BCU，Battery Control Unit)分别与每个电池管理单元300进行通信，电池控制单元400用于在电池系统上电启动后控制预充继电器K0闭合，并对M个电池组200进行轮询以获得每个电池组200的电压排序，以及在第一预设时间后根据每个电池组200的电压排序通过对M个继电器进行控制以使M个电池组200按电压从小至大的顺序依次启动。其中，电池组200启动是指电池组200接入第一输出母线11。

其中，电池控制单元400对M个电池组200进行轮询是指：电池控制单元400依次与M个电池组200的电池管理单元300进行通信以获取M个电池组200的状态信息。

在本发明的另一个实施例中，如图2B所示，M个电池组200中的每个电池组200包括N个串联连接的电池模块210，N为大于等于1的整数；电池管理单元300包括N个子电池管理单元310，每个子电池管理单元310采集一个电池模块210的状态信息并与电池控制单元400进行通信。

以336V系统方案为例，即一个电池组200由7个电池模块210串联，每个电池模块210又由16串铁锂电芯组成，其中每个电芯内阻约为1mΩ，即系统电池组内阻总大小为112mΩ(即16*7*1mΩ，这其中还忽略了系统连接铜排，导线等内阻)。电芯能够承受最大充电电流为50A。故电池组200接入系统母排的条件(即电池组200启动的条件)应该满足：准备要接入系统母排的(即准备启动的)电池组200的电压小于已接入的最小电池组电压加上5V(即112mΩ*50A约等于5V)。此外，准备接入的电池组200距离上一电池组200接入系统的时间需满足大于预定时间间隔t1。

在本发明的一个实施例中，在第一预设时间后电池控制单元400根据每个电池组200的电压排序获得M个电池组200中电压最小的电池组200，并控制电压最小的电池组200对应的继电器闭合以使电压最小的电池组200启动，同时控制预充继电器K0断开。

具体地，电池系统上电启动后电池控制单元400控制预充继电器K0闭合，且电池控制单元400对M个电池组200进行轮询以获得每个电池组200的电压排序，在距离电池系统上电第一预设时间t(例如，t为1秒)后，电池控制单元400获得M个电池组中电压最小 的电池组200，并控制电压最小的电池组200对应的继电器闭合以使电压最小的电池组启动，同时控制预充继电器K0断开。

其中，在预充继电器K0闭合的这段时间内，由于预充电阻R0存在，避免了冷态启动时容性负载的大电流冲击，又由于在每组电池组200端增加了二极管D1，D2，…DM，故又可避免电池组之间产生环流，即在此期间电池组200之间不存在环流回路。

下面具体介绍控制剩余的M-1个电池组200启动的过程。

在本发明的一个实施例中，当电压最小的电池组200启动后，如果M个电池组200之间的电压压差小于或等于预设电压阈值，电池控制单元400按照电池组200的电压从小到大的顺序每隔第二预设时间控制M-1个电池组200依次启动。

具体地，在控制预充继电器K0断开之后，判断M个电池组200之间的电压压差是否小于或等于预设电压阈值(例如，112mΩ*50A约等于5V)，如果电池组200之间的电压压差小于或等于预设电压阈值，则进一步判断距离上一电池组200启动的时间是否已经达到第二预设阈值t1，如果是，则控制下一组电池组200启动，依次循环，直到将剩余的M-1个电池组200依次启动完毕。其中，电池组200启动的先后顺序是按照电池组200的电压从小到大的顺序。

在本发明的一个实施例中，当电压最小的电池组200启动后，如果M个电池组200之间的电压压差大于预设电压阈值，电池控制单元400判断是否启动下一个电池组200时，其中，如果与上一个启动电池组200的时间间隔达到第三预设时间，电池控制单元400控制下一个电池组200启动；如果下一个电池组200的电压小于已启动的电池组200中最小电池组200电压与预设电压阈值之和且与上一个启动电池组200的时间间隔达到第二预设时间，电池控制单元400控制下一个电池组200启动；如果已启动的电池组200出现放电电流告警，电池控制单元400控制下一个电池组200启动。可以理解的是，下一个电池组200是指未启动的电池组中电压最小的电池组200。

具体地，在控制预充继电器K0断开之后，判断M个电池组200之间的电压压差是否小于或等于预设电压阈值(例如，112mΩ*50A约等于5V)，如果电池组200之间的电压压差大于预设电压阈值，则电池控制单元400判断是否启动下一个电池组200，如果满足下述三种情况的任一种，都控制启动下一个电池组200：

(1)如果下一个电池组200的电压小于已启动的电池组200中最小电池组200电压与预设电压阈值之和且与上一个启动电池组200的时间间隔达到第二预设时间t1，电池控制单元400则控制下一个电池组200启动。

(2)如果与上一个启动电池组200的时间间隔达到第三预设时间t2，电池控制单元400则控制下一个电池组200启动。

其中，对第三预设时间t2的值进行说明：由于已启动的电池组200会进行充电，电压会逐渐上升，那么，只要第三预设时间t2的值控制的好，那么在距离上一个启动电池组200的t2时间内，待启动的下一个电池组200的电压就会满足小于已启动的电池组200中最小电池组200电压与预设电压阈值之和。

(3)如果已启动的电池组200出现放电过流告警，电池控制单元400控制所述下一个电池组200启动。

电池控制单元400依次控制所有的电池组200启动，在电池组200启动的过程中均按照电池组200电压从小到达的顺序接入系统母排，从而解决了电池组间环流回路中电流过大的问题。

另外，如果电池系统出现了电池模块数量不正常、通讯失效、放电过流等告警情况，其状态转换将另行处理，下面进行详细说明。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，将电池组200接入系统母排前后(即电池组200启动前后)，分别定义T0、T1、T2三个状态：

(1)T0状态

在电池组顺序启动过程开始标识位与电池组顺序启动过程结束标识位都无效这段区间内，并且电池系统未完成一次所有电池数据扫描，或电池系统从启动到现在所经过的时间小于预定的时间t。或当前系统出现电池组数量不正常、通讯失效告警，则均转为此种状态。

(2)T1状态

在电池组顺序启动过程开始标识位有效与电池组顺序启动过程结束标识位无效这段区间内，在此阶段电池组200按照整体电压从小到大的顺序接入系统母排。

(3)T2状态

在电池组顺序启动过程开始标识位有效与电池组顺序启动过程结束标识位有效这段区间内，电池系统完成电池组200接入母排工作。

图4所示为电池系统的顺序启动状态转换条件示意图。每种状态进入到下一状态的条件如下：

(1)启动开始(T0→T1)

电池控制单元400已完成轮询一周M个电池组200的电压数据，并且系统从启动到现在所经过的时间大于预定的时间t，且当前系统电池模块数量、通信等功能正常。

(2)启动过程(T1→T2)

当进入T1阶段，电池组200已经按照电压值从小到大顺序排好接入系统，此后根据整个系统电池组200之间的电压压差是否都在5V之内，分两种情况启动，前面的实施例中已 经进行了说明，在此不再赘述。

(3)启动等待(T2→T0或T1→T0)

1、系统在T1或T2状态中，出现电池组200放电保护恢复；

2、系统在T1或T2状态中，电池系统中出现电池模块数量、通讯失效告警。

本发明实施例的电池系统，避免了冷态启动时容性负载的大电流冲击，解决了电池组间环流回路中电流过大的问题，且该电池系统中只使用了一个预充电阻和一个预充继电器，从而大大降低了成本。

基于上述实施例中的电池系统，本发明还提出了一种电池系统的启动控制方法。

图5是根据本发明一个实施例的电池系统的启动控制方法的流程图。如图5所示，本发明实施例的电池系统的启动控制方法，包括以下步骤：

S1，在电池系统上电启动后，电池控制单元控制预充继电器闭合。

具体地，电池系统上电启动后，电池系统中的所有继电器均处于断开状态，电池控制单元首先控制预充继电器K0闭合，以避免冷态启动时容性负载可能产生的大电流冲击。

S2，电池控制单元对M个电池组进行轮询以获得每个电池组的电压排序。

其中，对M个电池组进行轮询是指电池控制单元依次与M个电池组的电池管理单元进行通信以获取M个电池组的状态信息。

具体地，电池控制单元分别与每个电池管理单元进行通信，以获取所有电池组的电压、温度等数据，当电池控制单元轮询完一遍电池系统的所有电池组的数据后，将电池组按照电压从小到大的顺序进行排序。

S3，在电池系统上电启动的第一预设时间后，电池控制单元根据每个电池组的电压排序通过对M个继电器进行控制以使M个电池组按电压从小至大的顺序依次启动。

其中，控制电池组启动是指控制电池组接入第一输出母线11。

在本发明的一个实施例中，步骤S3具体包括：在第一预设时间后电池控制单元根据每个电池组的电压排序获得M个电池组中电压最小的电池组，并控制电压最小的电池组对应的继电器闭合以使电压最小的电池组启动，同时控制预充继电器断开。

具体地，在距离电池系统上电第一预设时间t(例如，t为1秒)后，电池控制单元控制电压最小的电池组对应的继电器闭合以使电压最小的电池组启动，同时控制预充继电器K0断开。

在本发明的一个实施例中，步骤S3还包括：当电压最小的电池组启动后，如果M个电池组之间的电压压差小于或等于预设电压阈值，电池控制单元按照电池组的电压从小到大的顺序每隔第二预设时间控制M-1个电池组依次启动。

具体地，在控制预充继电器K0断开之后，判断M个电池组之间的电压压差是否小于或 等于预设电压阈值(例如，112mΩ*50A约等于5V)，如果电池组之间的电压压差小于或等于预设电压阈值，则进一步判断距离上一电池组启动的时间是否已经达到第二预设阈值t1，如果是，则控制下一组电池组启动，依次循环，直到将剩余的M-1个电池组依次启动完毕。其中，电池组启动的先后顺序是按照电池组的电压从小到大的顺序。

在本发明的另一个实施例中，步骤S3还包括：当电压最小的电池组启动后，如果M个电池组之间的电压压差大于预设电压阈值，电池控制单元判断是否启动下一个电池组时，其中，如果与上一个启动电池组的时间间隔达到第三预设时间，电池控制单元控制下一个电池组启动；如果下一个电池组的电压小于已启动的电池组中最小电池组电压与预设电压阈值之和且与上一个启动电池组的时间间隔达到第二预设时间，电池控制单元控制下一个电池组启动；如果已启动的电池组出现放电电流告警，电池控制单元控制下一个电池组启动。

可以理解的是，所述的下一个电池组是指未启动的电池组中电压最小的电池组。

具体地，在控制预充继电器K0断开之后，判断M个电池组之间的电压压差是否小于或等于预设电压阈值(例如，112mΩ*50A约等于5V)，如果电池组之间的电压压差大于预设电压阈值，则电池控制单元判断是否启动下一个电池组，如果满足下述三种情况的任一种，都控制启动下一个电池组：

(1)如果下一个电池组的电压小于已启动的电池组中最小电池组电压与预设电压阈值之和且与上一个启动电池组的时间间隔达到第二预设时间t1，电池控制单元则控制下一个电池组启动。

(2)如果与上一个启动电池组的时间间隔达到第三预设时间t2，电池控制单元则控制下一个电池组启动。

电池控制单元依次控制所有的电池组启动，在电池组启动的过程中均按照电池组电压从小到达的顺序接入系统母排，从而解决了电池组间环流回路中电流过大的问题。

图6是根据本发明一个具体实施例的电池系统的启动控制方法的流程图。如图6所示，本发明实施例的电池系统的启动控制方法，包括以下步骤：

S101，在电池系统上电后控制预充继电器K0闭合。

S102，BCU判断是否对M个电池组的数据轮询完一周？若是，执行S103，若否，返回S102继续判断。

S103，判断从电池系统上电到现在的时间间隔是否已达到第一预设时间t？若是，则执行S104，若否，返回S103继续判断。

S104，控制电压最小的电池组启动，并断开预充继电器K0。

S105，判断电池组之间的电压压差是否都小于等于预设电压阈值(例如，5V)？若是， 执行S107，若否，执行S109或S110或S111。

S106，判断与上一个电池组启动时间间隔是否已达到第二预设时间t1？若是，执行S107，若否，返回S106继续判断。

S107，控制下一个电池组启动。

S108，判断是否所有电池组都已启动？若是，则电池组顺序启动完成，若否，返回执行S106。

S109，判断与上一个电池组启动时间间隔是否已达到第三预设时间t2？若是，执行S112，若否，返回执行S109或S110或S111。

S110，判断下一个要接入的电池组电压是否小于(已接入的最小电池组电压+5V)，并且距离上一个电池组启动时间间隔达到第二预设时间t1？若是，执行S112，若否，返回执行S109或S110或S111。

S111，判断已启动的电池组是否出现放电过流告警？若是，执行S112，若否，返回执行S109或S110或S111。

S112，控制下一个电池组启动。

S113，判断是否所有电池组都已启动？若是，则电池组顺序启动完成，若否，返回执行S109或S110或S111。

本发明实施例的电池系统的启动控制方法，避免了冷态启动时容性负载的大电流冲击，解决了电池组间环流回路中电流过大的问题，且电池系统中只使用了一个预充电阻和一个预充继电器，从而大大降低了成本。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两 个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。