一种用户自行更换电池组电芯的交互功能、用户界面和系统架构的制作方法

本专利涉及电池，具体涉及一种用户自行更换电池组电芯的交互功能、用户界面和系统架构。

背景技术：

1、电池是新能源和碳中和战略的基石，每一天都有大量的电池在各行各业使用，重度应用于储能电站、光伏发电、电动汽车、电动工具、移动电源、个人电子等应用场景。电池系统的效率和成本不断升级优化，对于我国新能源、碳中和的事业而言，至关重要。

2、

3、电芯（也就是单节电池）是电池系统里最小的储能单元，可以通过几十乃至几千个电芯的串联及并联组合，构成各种功率的电池组。在工程上，整组电池的效率通常不等于各电芯的效率叠加，这是因为在电池组固定拓扑下，电芯性能不一致，效率内耗非常严重。具体体现为，在并联情况下的充电瓶颈，在串联情况下的放电瓶颈，电芯之间的自充电自放电，等；随着使用时间的延长，电芯间差异恶化失效，单颗电芯的失效容易导致整组电池的失效。

4、当前技术方案下，若要更换失效电芯，也要用专业设备挑出性能相近的电芯搭配组合，按照电池组原有拓扑来做整体替换，这显然不是普通消费者能企及的。因此，目前市面几乎所有的电池，其电芯大多都被焊死在金属支架上，根本不考虑普通用户自行拆卸更换电芯的需求。用户自行更换电芯选项的缺失，导致的结果就是，对消费者而言，在部分电芯出现衰退或失效的情况下，只能将电池组整体返厂维修或者干脆购买新电池，除了被动接受更低的电池运行效率和高昂的电池维修、替换成本，没有其他选择。对电池生产和回收的厂商而言，初步甄别和拆解失效电芯占了电池回收环节中的主要成本，这些成本只能由厂商承担，也没有其他选择。尤其是在监管对电池回收合规性提出更高要求的当下，这是一个双输的局面。

5、为用户提供自行更换电池组电芯的选项，能显著延长电池组的生命周期，只需要更换一部分失效的电芯，意味着用户可以获得更高的整体性价比；将这一部分利益让渡给消费者，同时也转移了初步甄别和拆解失效电芯的工作负担，只需要回收一部分失效的电芯，意味着电池厂商可以获得更低的回收成本；加入这个选项带来的全新分工模式，能给参与各方都带来价值增量。一直以来，产业界在这个方向上，也作出了不少努力，如，cn116706408a，cn116565464a，cn116207453a，cn218677374u，cn216529198u，等，大多在电池舱的结构设计上下了很多功夫，但要能支持用户自行更换电芯，仅在结构层面做出改变是不够的，需要对现有的电池组在交互功能、用户界面和系统架构上做全面的改造。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的，在于提供一种能支持用户自行更换电池组电芯的交互功能、用户界面和系统架构。在更换电池组电芯时，不再前置任何高专业性要求的条件（设备、技术或知识）。要让普通用户可以直接（乃至于在线的）更换电芯，就要以电芯更换为核心，提供更换电芯的交互功能、提示电芯老化或失效状态的用户界面，采集电芯状态并容忍不同新旧状态电芯并存的系统架构，才能真正解决问题。

2、交互功能层面，电池组的保护性外壳需要被设计为可以部分或全部打开的形式，根据防护级别的不同，或为无需工具可直接打开的形式或为使用简单工具就可以打开的形式；打开之后，每一个电芯都对应一个方便拆卸和安装电芯的机构，或为按钮式或为卡扣弹出式；用户按下按钮或拨动卡扣即可弹出和拆下电芯，将新电芯推入插槽的相应位置即可装好电芯，无需任何专业人员或工具的支持，即可简单的完成电池的拆卸和安装操作。

3、用户界面层面，每个电芯都设计有独立的对应状态指示，主要是，电芯的健康状况（故障或失效，容量降低，容量正常，容量未知，等）和电芯的电量状况（耗尽，低电量，中电量，满电量，电量未知，等）；打开电池的外壳时，相应的指示灯（led）自动亮起，用户只需查看指示灯即可直观地了解每一块电芯的当前情况，无需专业的测试工具和流程，只需简单按照指示，即可识别出状态不佳的电芯，方便进行更换。

4、系统架构层面，需要采集每一个电芯的完整状态数据，以便支持上述电芯的状态显示，并基于状态进行动态调整；控制方面，要能根据电芯当前的电量情况，独立地控制其接入充电或放电回路的时机，在充满或耗尽时及时切换回路，避免形成系统瓶颈；当电芯出现失效时，也要能支持从两个回路之中断开电芯，以进行故障隔离；整组电池的拓扑结构，要能够根据工况需求进行动态调整，以发挥最大的整体大效率；除此之外，每一颗电芯接入电池组拓扑中的特定位置也需要能够独立控制，以便在需要时能通过软件算法，实现相关拓扑位置的电芯替换。

5、为实现上述设计目标，本发明提供了如下设计方案：整个电池系统由多个电芯控制单元（简称电芯单元），一个电池控制单元（简称电池单元），动态拓扑开关阵列，输入输出变换电路，这几个部分组成。其中，电芯单元只需处理单颗电芯的数据采集、电量跟踪测算、状态显示，可采用较为廉价的 mcu（如，8bit 乃至 4bit 的处理芯片），电池单元需要处理全部电芯单元汇总上来的数据，需采用略有处理能力的 mcu（如，16bit 或 8bit 的处理芯片），这些mcu通过现场总线（can、菊花链、等，有线或无线的通讯设施）连在一起，形成一个嵌入式的多机传感-控制网络结构。

6、每一个电芯单元都包含一个可插拔的电芯和一个可以独立运作的逻辑控制单元；电芯单元包含感知功能和电池充放电路，负责单个电芯的状态跟踪并对外负责向用户提供操作功能；感知功能包括：单个电芯的电压、电流、温度，以及通过跟踪电池运行状态计算出来的剩余电量；充放电路的工作逻辑响应外部接入的回路，在接入充电回路时，为充电状态，从外部恒压的充电回路获取电能输入，根据当前电芯的充电阶段，采用对应的充电模式对电池进行充电；在接入放电回路时，为放电状态，根据当前电芯的放电电压，变换为恒压输出给到外部的放电回路；当从两个回路中断开时，为隔离状态，在此状态下关闭充放电电路，降低电量损耗；无论是否接入回路，电芯单元都会持续对电池的各项状态进行监测，并为电芯提供保护功能（应对过流，过压，过温，短路，断路等异常情况）；向用户提供的操作功能包括：状态指示（led），电芯的健康状况（容量损耗），当前电量，当前接入回路，异常报警等；用户可以直接插拔电池，电路部分设计留有足够冗余，应对操作冲击。

7、每一个电池组都包含一个电池单元，负责电池组里多个电芯单元状态数据的汇总与工作协同；电池单元对内负责收集处理各电芯单元通过总线发来的电芯状态，综合形成电池组当前的整体工作状态，并根据输入输出负载情况，执行控制策略，对各动态拓扑开关阵列和电芯单元发出控制指令，改变其工作状态；作为整组电池的主控单元，电池单元对外负责向用户提供电池层面的状态指示（led屏幕、蓝牙）和操作功能，状态包括：整个电池的健康状况（容量损耗），当前电量，当前充电方式，电压、电流、功率，当前放电方式，电压、电流、功率，等；操作包括：接入或断开充放电负载，改变电池的工作策略（电量优先、电池寿命优先，负载优先，等），查看电池组最近的工作状态曲线，等；在级联的情况下，对外部系统而言，可以把整个电池单元当做一个电芯来对待，上层系统扮演电池单元的角色，电池系统通过总线向上层系统汇报状态，并接受上层系统的控制执行；按照这种结构，可以多次级联，构成容量极大的大型电池系统（储能电站）。

8、每一个电池组包含一个动态拓扑开关阵列，负责把电芯单元，动态地接入（或断开）相应的回路；在同一时刻，一颗电芯只可以在：接入充电回路、接入放电回路、以及从上述两个回路中断开，这三种接入状态之中任选其一；动态拓扑开关阵列并不是直接把电芯简单地裸接到串联或并联的充放电回路之中，而是会整体地形成一个动态的电池组拓扑（如n并n串）再将特定电芯接入拓扑中的特定位置；在此能力的支持下，电池单元可以灵活地调整拓扑切换各拓扑位置的电芯，以优化电池的工作模式；为尽可能的减少连接电芯单元的线束数量，单颗电芯单元对外只需要引出充电、放电、控制信号各一路即可（特定情况下，也可以进一步简化），将电芯复杂的动态路由功能（及功率要求）转移封装到动态拓扑开关阵列组件之中。

9、输入输出变换电路，负责整个电池组对外的能量输入输出，并进行必要的电压转换，其中，输入方式可能会包括：ac交流（220v/380v/等），dc直流（800v/400v/36v/12v/5v/等），usb/pd/qc/usb/等；输出方式与输入方式规格基本相同，只是方向相反；各种输入方式，通过升压降压模块，变换为内部充电回路上的恒压供电，通过动态拓扑开关阵列，分配连接到需要充电的电芯单元；从各电芯单元输出的放电电压，通过动态拓扑开关阵列，汇集连接到放电回路，再通过升压降压模块，变换为各种规格的供电电压，对外输出；为了应对各输入输出端口接入或断开所形成的功率冲击，也为了平滑内部电池拓扑调整所带来的功率波动，输入输出变换电路在设计上留有余量，避免出现中断。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

11、实现电池的数字化：通过为每一颗电芯引入独立的电芯单元，可以实现电池状态数据的数字采集，这实际上已经形成了细颗粒度的电池内部状态信息的采集能力；这个细化到每一颗电芯的状态信息，是后续能根据工况研判并对电池拓扑进行调整的关键支撑信息；通过引入动态拓扑开关阵列，对其进行数字化的状态控制，实际上已经形成了细颗粒度的电池内部拓扑结构的控制能力；依托于这种细化到每一颗电芯的状态感知和接入与拓扑控制能力，整个电池系统不再是以往的一个模拟器件，而是完成了电池状态与能力控制的数字化，成为“以比特控制瓦特”方式运行的，智能化的能源管理自动控制系统；基于信息采集的电池内部电芯管理和动态拓扑调整能力，是本发明与当前电池系统之间的根本差异。

12、故障隔离、高性能、高效率：电池的数字化和动态拓扑能力使得电池的全部能力都可以被软件所控制，这种高度灵活性，为电池组产品带来了诸多好处；首先是，可以对单颗故障电芯进行隔离，这意味着更高的整体安全性；其次是，可以针对不同的工况调整电池的整体拓扑，这意味着可以最大程度的优化充电速度和放电功率，将电池组的整体性能提升到极致；再然后，不同状态的电芯可以在不同时间点接入充放电回路的不同拓扑位置，这消除了在电池内部各电芯间（以主动或被动方式）进行能量平衡的必要，大幅简化了系统结构，也意味着每一颗电芯都可以在各自最为合适的工作状态运行（而不会成为电池系统的瓶颈，或者因为电芯之间能量的不均衡而出现内耗）。

13、支持随意更换电芯、提高电池组的生存能力：引入的电芯单元由系统替代了人工，自动处理了电芯性能的变化，这使得由用户来自行更换电芯成为了可能；这一方案的引入，实际是对电池回收的工序做了新的分工（由用户而不是厂商来识别并拆解电池组中的老化电芯），因而可以决定性地降低电池回收的最大成本（仅回收电芯，不回收电池）；通过强化防冲击设计，也完全可以实现在线更换电芯的效果，满足对电池生存能力要求苛刻的各种场景（如，在线抢修，现场抢修，用多台故障设备拼出一台可用设备，等）。

14、模块化、可扩展、可级联：电池的数字化是一个软件领域的概念，具有可横向和纵向简单扩展的优势；在其内部，可以像互联网上的大型云端系统一样，在需要成倍数增加容量时，无需调整系统架构，只要简单加入更多的电芯单元，就可以通过水平扩展进行容量扩展；对外部而言，在需要成数量级增加容量时，只要将单个电池组视作做更上层电池储能系统之中的一个电芯，同样也无需调整系统架构，通过纵向级联扩展（单级或多级）进行容量扩展（比如，在应用于储能电池或者储能电站时）；在软件层面上，电池及其内部电芯的运行状态，已经被抽象为一个标准化的软件组件，在需要时，可在不同的维度上进行复用；在硬件层面上，每增加一级级联，相关充电和放电回路及动态拓扑开关阵列需要承载的更多的能量，功率呈数量级的增长，需要采用更大功率的对应设备来做处理，除此之外，基本的功能逻辑并无差别。