一种模块化的高压大容量锂电池组可控拓扑结构的制作方法

本发明设计一种模块化的高压大容量锂电池组可控拓扑结构，具体涉及适用于高压、大容量锂电池成组应用场合的一种串并联可控拓扑及采用该拓扑结构的控制策略。

背景技术：

近年来，锂电池以其比能量高、寿命长、环保无污染等突出的优点，成为现代能源存储领域的竞争热点和发展方向。为了获得高电压、大容量电池组，一般将单体锂电池先并联，组成目标容量的并联电池单元，将其等效为单个电池使用，再将一定数量的并联单体电池组单元串联，达到目标电压值，完成锂电池成组。

锂电池直接并联时，由于内部参数一致性较差，容量、内阻、电压、充电恒流比都无法避免的存在差异，并联电池在充放电的不同阶段，将互相充放电，随着差异性的扩大，内部互充放电也将更加恶劣，尤其在充放电过程的起始和停止阶段电池开路电压变化剧烈，开路电压相差较大的电池并联时内部互充放电流甚至超过锂电池允许的最大倍率充放电流，造成老化加剧甚至引发自燃爆炸事故，长期的内部自充放电导致电池寿命急剧衰减，相比单体锂电池近1000次的循环寿命，并联后的锂电池寿命可能降低到300～400次循环。因此锂电池一致性在电池并联时十分关键，电池成组筛选要求较为苛刻，由于现有材料特性和生产精度原因，同一批次生产的单体电池也存在一定差异，在电池配组时，合格率低，大量单体电池被筛选淘汰。然而，即使在初始状态锂电池参数完全一致，使用中电池不断老化，锂电池的不一致性将越来越明显，并联电池的内部互充放电无法避免。

并联单体电池组单元在串联时，对电池单元的容量一致性要求较高，如果电池并联单元的容量不一致，充放电过程中，容量较低的单元将先被放完，容量较高的单元将先被充满，如果保护措施不够完善时，将会出现过充或者过放，严重影响电池寿命，甚至引起自燃自爆事故。另外，锂电池组在充放电循环中，以电池组中其中单体电池电压的最高值作为充电截止电压，以单体电池电压的最低值作为放电截止电压，由于剩余容量的不均衡无法消除并且随着使用不均衡更加恶劣，电池组有效使用容量也将不断的衰减。对于高压锂电池组，需要数百块电池单元串联，上述情况将表现的更为恶劣，同时，百余块电池的信息采集、能量均衡等功能实现起来也较为困难。

因此，目前的高压大容量锂电池组拓扑结构，面临着配组筛选淘汰率高、成组后寿命低、电池管理复杂、有效使用容量衰减、能量不均衡等种种问题，尚未得到解决。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种模块化的高压大容量锂电池组可控拓扑结构。该拓扑结构在满足高压大容量锂电池成组需求的基础上，结构简单、模块化、具有冗余能力，对单体电池一致性要求低，降低了配组要求，提高单体电池生产的成品率，并且可通过改变内部拓扑结构实现电池过充过放保护、能量均衡等功能，避免了组内互充放电、电池过充过放的问题，成组后极大延长了电池组的寿命，保证电池的使用安全，另外模块化的结构方便设计、生产和维护，提高了电池组的可靠性和经济性。本发明适用于组建超大容量的电池组，比如，1000Ah或者更大容量的电池组。

具体而言，本发明提出一种模块化的高压大容量锂电池组可控拓扑结构，其特征在于，所述的电池组拓扑结构包括m个电池单元：1#电池单元、2#电池单元、……、i#电池单元、……m#电池单元，其中，i、m为整数，i≤m，i代表1～m中任何一个电池单元，每个电池单元内部结构相同，单元之间串联连接；每个电池单元包括n个电池模块1#电池模块、2#电池模块、……、j#电池模块、……n#电池单元，其中，j、n为整数，j≤n，j代表1～n中任何一个电池模块，每个电池模块内部结构相同，同一单元内的电池模块彼此并联连接。

进一步地，每个电池模块内部由t块串联单体锂电池B₁、B₂、…、B_t、电池模块管理系统、开关S共同组成，其中，所述电池模块管理系统用于采集电池模块内所有电池的端电压、温度和电流，并且控制开关S的开合，对模块内部电池进行能量均衡，并用于进行CAN通信；所述高压大容量锂电池组具备电池组管理系统，该电池组管理系统具备CAN通信功能，通过CAN总线对整个电池组进行信息通信和控制，

开关S第一端与锂电池B_t的正极相连，模块对外的电源正端接线点为开关S的第二端，对外的电源负端接线点为锂电池B₁的负端，每一个锂电池模块彼此相同；

每一个电池单元内的每个电池模块的正端接线点连接在一起，形成单元的正端接线点，每个电池模块的负端接线点连接在一起，形成电池单元的负端接线点。

进一步地，所述电池组管理系统与电池模块管理系统CAN通信：电池模块管理系统定时发出模块电流信息，实时发出开关动作信息给所述电池组管理系统；电池组管理系统实时发出充电截止和放电截止信息给电池模块管理系统。

进一步地，所述锂电池组中的锂电池通过下述方式配组：步骤一，将电池以0.2C恒流充电，至充电截止电压转恒压充电，电流降至0.05C时停止；步骤二，以0.2C恒流放电，电压降至放电截止电压，放电结束后，记录放电容量，静置2h；步骤三，重复步骤1～步骤3，分别记录放电容量，直至前后两次放电容量差不大于0.5％，记为电池容量，选择电池容量误差在2％范围以内的单体电池成组。

进一步地，所述电池模块管理系统根据模块内部电池电压状态来确定是否开合开关以实现保护功能，当模块内部某电池端电压超过锂电池最高电压保护值，或者某一块电池低于锂电池欠压保护值，则开关S断开，当所述电池模块管理系统从CAN总线获得由电池组管理系统发出的放电结束或者充电结束的指令信息后，开关S闭合。

进一步地，所述电池模块通过CAN通信获得电池单元的总电流I＝I₁+I₂+…+I_m，在充电过程中，当前电池模块电流小于kI/d时，则断开相应开关S，延时T时间后再闭合，在放电过程中，当前电池模块电流小于kI/d时，则断开开关S，延时T时间后再闭合，其中k为均衡系数，0<k<1，d为单元内开关S闭合的模块数量断开时间T与模块的电流与单元内部投入电池组中的各个模块的平均电流的差值成正比，与单元内部投入电池组中的各个模块的平均电流成反比。

进一步地，2/3m≤d≤m，同一个电池单元内，模块内部开关同时断开的比例小于1/3，否则控制所述高压大容量锂电池组可控拓扑结构停止充电或放电过程。

另一方面，本发明提供一种所述的模块化的高压大容量锂电池组可控拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

电池模块管理系统通过CAN通信读取同一单元内锂电池的电流I₁、I₂、…、I_m，电池组管理系统通过CAN总线获得每个电池单元的端电压U₁、U₂、…、U_m；根据电池单元内各模块的电流和模块内的各电锂池的端电压来判断开关S的通断，以实现电池单元内各模块间的能量均衡和电池模块过充过放保护。

进一步地，本发明中电池组的能量均衡分为三级，分别为电池单元之间的串联均衡、电池模块之间的并联均衡和模块内部电池单体之间的串联均衡，电池单元的均衡由带均衡功能的充电机实现，充电机保证每次充电完成后所有电池单元容量为100％，电池模块之间的并联均衡由模块管理系统控制开关S来实现，电池模块内部单体电池的均衡由管理系统内部能量均衡功能完成。需要说明的是，本发明除了本发明中说明的均衡策略之外，对于本发明的均衡策略进行辅助的均衡方式采用的是本领域的常规方式。

进一步地，本发明中电池单元内各模块的能量均衡过程以电流作为判据进行并联均衡，均衡功能是通过开关的开合来实现的。在正常充放电过程中，模块根据电池单元内所有电池的电流值，来确定本模块开关的开合，以实现单元内电池模块的能量均衡。电池单元的总电流I＝I₁+I₂+…+I_m，在充电过程中，模块电流小于kI/d时(k为均衡系数，0<k<1，d为单元内开关S闭合的模块数量，2/3m≤d≤m)，则断开开关S，延时T时间后再闭合，在放电过程中，模块电流小于kI/d时，则断开开关S，延时T时间后再闭合。同一个电池单元内，模块内部开关同时断开的比例应小于1/3，且断开时间T与模块的电流与单元内部投入电池组中的各个模块的平均电流的差值成正比，与单元内部投入电池组中的各个模块的平均电流成反比。电池模块内部开关S使用常闭触点开关。

更进一步地，所述均衡过程还包括：(1)首先判断开关S是否断开，如果断开，判断断开时间是否到达设定时间T(T为中断周期的整数倍)，如果达到时间T或者开关处于闭合状态，则进行下一步，否则继续等待下一次中断；(2)采样内部电流，将周期内采得电流值作平均值计算，然后通过CAN通信读取同一单元内其余模块的当前平均电流，如果目前所判断的模块的电流平均值I_ij<(I_i1+I_i2+…+I_im)k/d(k为均衡控制系数，0<k<1，本实施例中k＝0.9，d为单元内开关S闭合的模块数量，2/3m≤d≤m)，再判断本单元内开关S的断开数量m-d，如果该数量大于1/3m，则本次中断结束，如果该数量小于或者等于1/3m，则断开开关S，开始计时，本次中断结束，如果，I_ij≥(I_i1+I_i2+…+I_im)k/m，则本次中断结束。

进一步地，模块管理系统根据模块内部单体电池电压状态来确定是否开合开关以实现保护功能，当模块内部某电池端电压超过锂电池最高电压保护值，或者某一块电池低于锂电池欠压保护值，则开关S断开，当电池模块管理系统从CAN总线获得由电池组管理系统发出的放电结束或者充电结束的指令信息后，开关S闭合。

进一步地，电池模块管理系统由电池模块供电，放电中当电池模块内有电池放电至欠压保护值时，开关S断开，此时电池模块管理系统仍然处于工作状态，继续耗电，如果未及时充电，电池电压降进一步降低，当降低到最低保护值时电池模块管理系统进入休眠状态，开关S闭合。电池模块内部开关S使用常闭触点开关。

本发明的模块化的高压大容量锂电池组可控拓扑结构具有以下优点：

1.结构简单、模块化，具有统一接口，便于设计、生产和维护；

2.降低锂电池配组筛选要求，提高锂电池生产成品率，降低成本；

3.相比单体锂电池并联，通过并联模块间的能量均衡控制，抑制了电池互充放电，极大提高了锂电池组寿命；

4.使用并联能量均衡，以电流为判据，有效解决了串联均衡中锂电池电压平台影响均衡精度的问题，提高了均衡的准确性，并且均衡损耗等于0；

5.主动能量均衡，使用简单，均衡效果好，有效提高电池组的使用容量。

附图说明

图1是本发明中的锂电池组结构及电源接线示意图；

图2是本发明中的锂电池组通信接线示意图；

图3是本发明中电池模块的结构示意图；

图4是本发明中的锂电池组内部单体锂电池与开关连接示意图；

图5是传统高压大容量锂电池成组拓扑结构示意图；

图6是本发明中锂电池模块并联能量均衡控制流程图；

具体实施方式

实施例1

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

图1是根据本发明一个实施例的锂电池组结构及电源接线示意图。如图1所示，本实施例中的锂电池组拓扑结构包括m个电池单元1#电池单元、2#电池单元、……、i#电池单元、……、m#电池单元，其中，i、m为整数，i≤m，i代表1～m中任何一个电池单元，每个电池单元内部结构完全相同，单元之间串联连接；每个电池单元包括n个电池模块1#电池模块、2#电池模块、……、i#电池模块、……n#电池单元，其中，i、n为整数，i≤n，i代表1～n中任何一个电池模块，每个电池模块内部结构完全相同，同一单元内的模块并联连接，每个模块内部有t块单体电池串联组成。

锂电池单元由1#电池模块、2#电池模块、…、n#电池模块共n个电池模块并联组成，每个电池模块的正端接线点连接在一起，形成单元的正端接线点，每个模块的负端接线点连接在一起，形成单元的负端接线点。每一个锂电池单元彼此相同。

锂电池组由1#电池单元、2#电池单元、…、m#电池单元共m个电池单元串联组成，1#电池单元的负端接线点为电池组的负端接线点，1#电池单元的正端接线点与2#电池单元的负端接线点连接，2#电池单元的正端接线点与3#电池单元的负端接线点连接，依次连接，m-1#电池单元的正端与m#电池单元的负端接线点连接，m#电池单元的正端接线点为电池组的正端接线点。

具体实施例为，使用单体电池为3.2V 100Ah，最大充放电倍率为1C的磷酸铁锂电池，根据本发明的拓扑结构来组建一组1000Ah 900V磷酸铁锂电池组，最大放电电流为500A。电池组组建参数如下：电池模块内单体电池数t为32个，电池单元内并联的电池模块数n为10个，串联的电池单元数m为9个。

图2是本发明中锂电池组的通信控制示意图，如图2所示，电池组管理系统与电池模块管理系统通过CAN总线连接，共90个模块管理系统与1个电池组管理系统接入CAN总线。

图3是电池模块的结构示意图，如图3所示，电池模块内部由t(32)块串联单体锂电池、电池模块管理系统、开关S共同组成，其中模块管理系统可采集模块内所有电池的端电压、温度和电流，控制开关S的开合，可对模块内部电池进行能量均衡，并具备CAN通信功能。

每一个锂电池模块由B₁、B₂、…、B_t共t块单体锂电池串联组成，开关S一端与锂电池B_t的正极相连，模块对外的电源正端接线点为开关S的另一端，对外的电源负端接线点为锂电池B₁的负端，B₁的正端与B₂的负端相连，B₂的正端与B₃的负端相连，依次连接，B_t-1的正极与B_t的正极相连。开关S为特殊的低压大电流接触器，触点类型为常闭，电流为100A，电压为2V，开关在关断时是0电压关断、闭合时电压不会超过1V。

图4是本发明实施例的电池组内部电池与开关连接图，从图中可以清晰看出电池与开关的组合形式，以便理解图1～图3所述结构。

图5为传统高压大容量锂电池成组拓扑结构示意图；如图所示，为了获得大容量，先将单体锂电池并联，组成目标容量的并联电池单元，将其等效为单个电池使用，再将一定数量的并联单体电池组单元串联，达到目标电压值，即为传统的高压大容量锂电池组。

使用传统电池组成组拓扑结构组成与本发明实施例的锂电池组相同容量和电压，由于现阶段100Ah以上的单体磷酸铁锂锂电池产品尚未成熟，因此需要10个100Ah电池直接并联，组成一个单元，再320个单元串联。10个单体锂电池直接并联，在充放电的起始和末端，电池开路电压变化剧烈，一致性差距较大的锂电池之间将出现环流，恶劣情况下，环流电流与充放电电流之和会超过锂电池允许最大充放电倍率，长期如此将导致电池寿命锐减。为了尽量减少并联电池内部环流，提高电池组寿命，在锂电池成组时配组要求较高，容量、内阻、电压、充电恒流比等参数都有相应的要求，只有所有参数都在配组参数范围内的单体锂电池才能筛选成组，因此筛选的次品率较高，成本也随之变高。

本发明实施例所用的锂电池组可通过电池模块中的开关S来均衡并联的各个模块的电流，可以主动抑制环流的出现，实现电池单元内部各并联电池模块的能量均衡，因此本发明所用的锂电池在成组时对配组要求不高，只要求单体电池的容量尽量相近，本实施例要求单体锂电池初始容量99Ah～101Ah。

本发明实施例所用的锂电池组的配组方法为：对出厂锂电池在室温条件下进行标准容量测试试验：步骤一，将电池以0.2C恒流充电，至充电截止电压转恒压充电，电流降至0.05C时停止；步骤二，以0.2C恒流放电，电压降至放电截止电压，放电结束后，记录放电电量，静置2h；步骤三，重复步骤1～步骤3，分别记录放电电量，直至前后两次放电电量差不大于0.5％，记为电池容量，选择电池容量为100Ah误差在±1％范围以内的单体电池成组。

本发明提供一种应用于本拓扑结构的锂电池组的控制方法，该控制方法基于电池模块管理系统之间以及与电池组管理系统之间通过CAN总线互相传递信息。各个电池模块采集单体电池电压命名规则为：i#电池单元j#电池模块B_k电压为U_ijk；模块总电压命名规则为：i#电池单元j#电池模块总电压为U_ij；电池单元电压命名规则为：i#电池单元电压为U_i；电池模块电流命名规则为：i#电池单元j#电池模块总电压为I_ij；电池组电流为I。(i、j、k为正整数，i≤m，j≤n，k≤t。)

i#电池单元内每个电池模块管理系统通过CAN通信读取其他锂电池模块的电流I_i1、I_i2、…、I_im，电池组管理系统通过CAN总线获得每个电池单元的端电压U₁、U₂、…、U_m，i#电池单元j#电池模块管理系统采样获得模块内电池端电压分别为U_ij1、U_ij2、…、U_ijt。电池模块仅根据单元内各模块的电流和模块的内各电池端电压来判断开关S的通断，以实现电池单元内各模块间的能量均衡和电池模块过充过放保护。

本发明中电池组的能量均衡分为三级，分别为电池单元之间的串联均衡、电池模块之间的并联均衡和模块内部电池单体之间的串联均衡，电池单元的均衡由带均衡功能的充电机实现，充电机保证每次充电完成后所有电池单元容量为100％，电池模块之间的并联均衡由电池模块管理系统控制开关S来实现，电池模块内部单体电池的均衡由电池单元内部能量均衡功能完成。

图6是本发明实施例中单元内部各个模块之间的并联能量均衡控制流程图，控制程序在电池模块管理系统中执行，每个模块控制程序相同，以i#电池单元j#电池模块为例，能量均衡控制方法如下：

模块控制程序在定时中断中执行，本实施例中定时周期为1min，进入定时中断后，(1)首先判断开关S是否断开，如果断开，判断断开时间是否到达设定时间T(T为中断周期的整数倍)，如果达到时间T或者开关处于闭合状态，则进行下一步，否则继续等待下一次中断；(2)采样内部电流，将周期内采得电流值作平均值计算，然后通过CAN通信读取同一单元内其余模块的当前平均电流，如果目前所判断的模块的电流平均值I_ij<(I_i1+I_i2+…+I_im)k/d(k为均衡控制系数，0<k<1，本实施例中k＝0.9，d为单元内开关S闭合的模块数量，2/3m≤d≤m)，再判断本单元内开关S的断开数量m-d，如果该数量大于1/3m，则本次中断结束，如果该数量小于或者等于1/3m，则断开开关S，开始计时，本次中断结束，如果，I_ij≥1/m(I_i1+I_i2+…+I_im)k，则本次中断结束。

本发明中，电池模块开关的断开时间T，与(I_i1+I_i2+…+I_im)/d-I_ij与(I_i1+I_i2+…+I_im)/d的比值成正比，即当模块的电流与单元内部投入电池组中的各个模块的平均电流差值越大，则开关S断开的延时越长。

在充电过程中，均衡算法不执行时，在一个电池单元中，如果某个电池模块的电量要高于所有电池的平均电量，则该模块的电池总开路电压要高于其余电池，必将导致充电电流变小，在临近该模块电量充满时，电池模块的开路电压剧增，其充电电流与其余尚未充满电池的充电电流差异将会急剧扩大，严重时该电池模块将对外放电，相反，电量最少的电池模块总开路电压低，其充电电流大于平均电流，在其余电池接近充满时，由于电池模块开路电压的差距增大，该模块的电流将急剧增大，严重时电流超过最大允许值，该模块内的电池将受损，引起寿命衰减甚至自燃自爆事故。如果应用图5所示的传统结构，在充电时，相比串联后再并联的结构，串联的电池模块的差异性在多个单体电池串联后参数求和，差异性也变小，而单体电池直接并联，电池的不一致性将直接体现出来，上述情况将更加恶劣。

应用本发明的电流均衡控制策略，在充电时，电流过小的电池模块将会被开关切断，停止充电一段时间后再并入电池单元继续充电，因此电量较大的模块的充电速度变慢，单元内部各个模块的能量能得到了有效均衡，抑制了各个模块充电电流之间差异的扩大和恶化。

在放电过程中，均衡算法不执行时，在一个电池单元中，如果某个电池模块的电量要低于所有电池的平均电量，则该模块的电池总开路电压要低于其余电池，必将导致放电电流变小，在临近该模块电量放完时，电池模块的开路电压剧减，其充电电流与其余尚未充满电池的充电电流差异将会急剧扩大，严重时该电池模块将被电池单元充电，相反，电量最大的电池模块总开路电压高，其放电电流大于平均电流，在其余电池接近放完时，由于电池模块开路电压的差距增大，该模块的电流将急剧增大，严重时电流超过最大允许值，该模块内的电池将受损，引起寿命衰减甚至自燃自爆事故。如果应用图5所示的传统结构，在放电时，相比串联后再并联的结构，串联的电池模块的差异性在多个单体电池串联后参数求和，差异性也变小，而单体电池直接并联，电池的不一致性将直接体现出来，上述情况将更加恶劣。

应用本发明的电流均衡控制策略，在放电时，电流过小的电池模块将会被开关切断，停止放电一段时间后再并入电池单元继续放电，因此电量较小的模块的放电速度变慢，单元内部各个模块的能量能得到了有效均衡，抑制了各个模块充电电流之间差异的扩大和恶化。

本发明所用的锂电池拓扑中的电池的保护功能也由电池模块管理系统和电池组管理系统共同来实现，保护策略为：

电池模块管理系统根据模块内部单体电池电压状态来确定是否开合开关以保护模块内的单体电池，当模块内部某电池端电压超过锂电池最高电压保护值(本实施例中的磷酸铁锂电池为3.65V)，或者某一块电池低于锂电池欠压保护值(本实施例中的磷酸铁锂电池为2.6V)，则开关S断开。电池组管理系统从CAN总线获得由每个电池组管理系统的状态，当任意一个电池单元中有1/3或者以上电池保护，则电池组充电或放电结束，电池组管理系统发出的放电结束或者充电结束的指令信息后，各个被保护的模块开关S再次闭合。

电池模块管理系统由电池模块内部供电，当电池模块内有电池放电至欠压保护值时，开关S断开，此时电池模块管理系统仍然处于工作状态，继续耗电，如果未及时充电，电池电压降进一步降低，当降低到最低保护值时(本实施例中的磷酸铁锂电池为2.45V)电池模块管理系统进入休眠状态，开关S闭合。电池模块内部开关S使用常闭触点开关。

本发明的电池拓扑保护策略在保证所有锂电池的安全使用的基础上，可以使得每个电池模块放电时可以尽可能放到低电量，充电时尽可能充到最高电量，过压保护或者欠压保护的电池模块被断开后不会影响其他电池模块继续充放电，电池组整体充放电的电量得到提高，有效使用容量增加。如图5所示的传统电池组结构，数百个并联电池单元直接串联，任意一个电池单元过压或者欠压，锂电池组就需要立即保护，否则将造成寿命衰减甚至引起自燃自爆事故，如果存在电量差别较大的电池，则电池组的大多数电池在没充满电时就因电量高电池过压保护而停止充电，在大多数电池剩余电量较多时就因为电量低电池欠压保护而停止放电，电池组充放电电量减少，有效使用容量降低，另外，随着电池的老化，单体电池间的差异性进一步扩大，有效使用容量衰减更加恶劣。因此本发明所用锂电池拓扑及其保护策略在保护电池安全使用基础上可明显提升有效使用容量。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。