全周期电压稳定的电池

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别地涉及一种可实现全周期电压稳定的电池。

背景技术

锂离子电池由于其能量密度高、循环寿命长、自放电率低等特点，被广泛应用于电动汽车、储能系统等领域。在广泛的应用中，为了给负载提供更高的电压和功率，许多电池通常是串联在一起的。虽然在工程实践中选择电池时付出了很大的努力，使它们尽可能地匹配，但在实际应用中，由于制造公差、不同的自放电率、电池的工作温度不均匀和老化过程不均匀等现象，仍然会存在电池不匹配问题。电池内部不可避免的差异会在循环过程中逐渐分散，并可能导致过充或过放电。很明显这种不均匀性限制了电池容量，甚至可能导致安全问题。因此，适当保持各电池单元的平衡对提高电池寿命具有重要意义。

现有技术中，被动平衡策略是通过电阻以热量的形式耗散多余的能量，而主动平衡策略是通过将多余的能量在电池芯之间传递来实现电池芯的平衡。此外，自重构电池在学术界中被广泛认为是一种有效的解决方案。

然而，自重构电池的电压相对不稳定，这是由自重构电池的特性所决定的。电池单体/单元电压随SOC的变化而变化，例如NCM锂离子电池的电压范围为3.0V～4.2V，如果负载由100节串联供电，负载的电压范围为300V～420V。

由于自重构电池的电压会随着SOC逐渐降低，即使所有电池都连接到电池组，电池组电池之间的电压也是不同的，这加剧了电压变化，使它几乎不可能对需要更高电压范围的负载提供电能。所以通常自重构电池等均衡电路需要连接到DC-DC变换器来维持电池组的电压，使用DC-DC变换器是一种相对简单的方式，但存在能量损失等不足。

为了在没有DC-DC变换器的情况下稳定电池组的电压，本发明基于全新的自重构电池拓扑结构，提出了一种可实现全周期电压稳定的电池，以及相应的控制策略。

发明内容

为了解决或缓解上述部分或全部技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种全周期电压稳定的电池，该电池包括至少一个电池组，所述电池组包括若干电池单元，所述若干电池单元根据是否参与向负载供电而划分在供电电池组或旁路电池组中；所述若干电池单元中的任一个电池单元，对应存在可以将该电池单元并入供电电池组和旁路电池组的开关或开关组；当旁路电池组中的荷电状态最高的电池单元，与供电电池组中的荷电状态最低的电池单元之间的荷电状态差值，大于预设的阈值时：通过相应的所述开关或开关组，将供电电池组中的荷电状态最低的电池单元加入旁路电池组，并将旁路电池组中的荷电状态最高的电池单元加入供电电池组。

在某实施例中，当旁路电池组中的荷电状态最高的电池单元，与供电电池组中的荷电状态最低的电池单元之间的荷电状态差值，不大于预设的阈值时：判断旁路电池组中的荷电状态最高的电池单元加入供电电池组后，所述电池组的电压是否更接近设定值，若是则将旁路电池组中的荷电状态最高的电池单元加入供电电池组。

在某实施例中，在所述电池组初始化时，根据所述电池组中的电池单元的荷电状态从高到低次序，将所述电池组中的电池单元并入供电电池组，直至所述电池组的电压最接近设定值。

在某实施例中，在电池管理系统未停止工作前，循环判断：旁路电池组中的荷电状态最高的电池单元，与供电电池组中的荷电状态最低的电池单元之间的荷电状态差值，是否大于预设的阈值。

在某实施例中，在处于向负载供电状态下，所述电池组包括的若干电池单元之间是串联关系。

在某实施例中，通过与第二阈值之间的大小关系来判断所述电池组处于高荷电状态或低荷电状态；当电池组从高荷电状态转变为低荷电状态时，降低所述预设的阈值。

在某实施例中，所述若干电池单元中的任一个电池单元，与至少两个开关耦接，通过控制两个开关接通或断开，电池单元可以旁通或连接到供电电池组以实现电池单元均衡。

本发明的部分或全部实施例，具有如下有益的技术效果：

1)能量损失低：不需要DC-DC变换器，避免损失能量的缺陷；

2)良好的稳定性：可实现全周期电压稳定，在没有DC-DC变换器的情况下能使电池组保持较低的电压波动，使其稳定在设定范围内；

3)电池可用容量高、开关切换频率低：本发明拓扑结构电池具有优越的电路均衡性能，在没有DC-DC变换器的情况下能保证电池组的容量利用率达到99.8％，最大限度地提高了电池的可用容量；并且预设的分段SOC阈值的方案，可以降低开关切换频率。

4)可应用电压范围高：本发明拓扑结构电池及其控制控制策略可以使电池组电路能够应用于要求更高电压范围的负载，且对电池组性能不造成影响。

更多的有益效果将在优选实施例中作进一步的介绍。

以上披露的技术方案/特征，旨在对具体实施方式部分中所描述的技术方案、技术特征进行概括，因而记载的范围可能不完全相同。但是该部分披露的这些新的技术方案同样属于本发明文件所公开的众多技术方案的一部分，该部分披露的技术特征与后续具体实施方式部分公开的技术特征、未在说明书中明确描述的附图中的部分内容，以相互合理组合的方式披露更多的技术方案。

本发明任意位置所披露的所有技术特征所组合出的技术方案，用于支撑对技术方案的概括、专利文件的修改、技术方案的披露。

附图说明

图1为本发明提出的拓扑结构与普通自重构电池结构对比图；

图2为传统自重构电池(30S3P)和本发明提出的拓扑(90S1P)结构示意图；

图3为拓扑稳压原理图；

图4为基于控制策略提出的电路初始状态和均衡过程图；

图5为控制策略流程图；

图6为部分电池达到放电截止电压状态图；

图7为本发明提出的拓扑结构的SOC示意图；

图8为本发明提出的拓扑结构SOC对应的电压示意图；

图9为自重构电池的SOC示意图；

图10为自重构电池SOC对应的电压示意图；

图11为本发明提出的拓扑在电池组下降到截止电压时的SOC示意图；

图12为本发明提出的拓扑在电池组下降到截止电压时SOC对应的电压示意图；

图13为本发明提出的拓扑在电池组下降到截止电压(平衡在A)时的SOC示意图；

图14为本发明图11实施例和图13实施例中的电压示意图；

图15为剩余容量和初始可用容量示意图。

具体实施方式

由于不能穷尽描述各种替代方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案中的要点内容进行清楚、完整地描述。对于下文未详细披露的其它的技术方案和细节，一般均属于本领域通过常规手段即可实现的技术目标或技术特征，限于篇幅，本发明不对其详细介绍。

除非是除法的含义，本发明中任意位置的“/”均表示逻辑“或”。本发明任意位置中的“第一”、“第二”等序号仅仅用于描述上的区分标记，并不暗示时间或空间上的绝对顺序，也不暗示冠以这种序号的术语与冠以其它定语的相同术语必然是不同的指代。

本发明会对各种用于组合成各种不同具体实施例的要点进行描述，这些要点将被组合至各种方法、产品中。在本发明中，即便仅在介绍方法/产品方案时所描述的要点，意味着对应的产品/方法方案也明确地包括该技术特征。

本发明中任意位置处描述存在或包括某步骤、模块、特征时，并不暗示这种存在是排它性地唯一存在，本领域技术人员完全可以根据本发明所披露的技术方案而辅以其它技术手段而获得其它实施例。基于本发明中具体实施例描述的要点，本领域技术人员完全可以对某些技术特征施加替换、删减、增加、组合、调换顺序等手段，获得一个仍遵循本发明构思的技术方案。这些未脱离本发明技术构思的方案也在本发明保护范围之内。

为本发明提出的具有新型的拓扑结构自重构电池(在本发明中，也简称拓扑结构或拓扑)，与普通自重构电池相比，主要是改变了电池单元的连接方式，将将并联的部分电池串联起来。需要注意的是，该方案并不需要添加或减少电池数量，如图1所示。

以电池组由90个电池单元(也称电池单体、单体/单元、电池，cell)组成为例，当DC-DC变换器实现3次电压转换时，带DC-DC变换器的可重构电池为30S3P，如图2中的(a)所示。为了获得更高的电压，本发明提出的拓扑需要将90个电池串联起来，即90S1P，如图2中的(b)所示，将原来用于并联的60个电池全部串联起来获得更高的电压，即图1中的m＝60。

本发明稳定电压的原理是：如图3所示，为了将电池组电压稳定在120V，电池组由40个单体串联组成，假设它们是一致的，图3中的(a)～(d)的单体电压分别为4.0V、3.7V、3.4V和3.0V。

如图3中的(a)所示，电池电压较高，仅需30个电池即可向负载供电。由于电池组中所有电池的电压都是相同的，只需要选择前30个电池进行放电，后10个电池则被旁路。如图3中的(b)所示，维持电压需要32个电池，和前面的分析一样，选择前32个电池进行放电，可以类比得出图3中的(c)和(d)。

本发明提出的拓扑要求串联m个连接的电池数量为：m≥(Ut)/Uc，Ut是电池组的目标电压，Uc为电池单体的放电截止电压，对于NCM电池，其放电截止电压为3.0V，即Uc是3.0V。

上述分析只介绍了电路稳定电压的原理，而忽略了单元之间的均衡。接下来我们将通过图4和图5介绍本发明所提出的电路的控制策略，使电池组在稳定电压的同时保持电池组中电池单体SOC(State OfCharge，荷电状态)的一致性。

本发明控制策略是：电池组放电状态下，如图4所示，电池1到电池3的SOC相同且最高，电池4到电池6的SOC相同且中等，电池7和电池8的SOC相同且最低。

结合图4和图5，如图4中的(a)所示，假设电池1至电池6能够满足电池组电压要求，则将其串联到电池组上，其余2个SOC较低的电池被旁路。

在电池组初始化时，根据所述电池组中的电池单元的荷电状态从高到低次序，将所述电池组中的电池单元并入供电电池组，直至所述电池组的电压最接近设定值。

如图4中的(b)所示，一段时间后电池5(电池6)和电池7(电池8)的SOC差满足SOC

同样，如图4中的(d)所示，再经过一段时间的放电，电池5和电池4之间的SOC差值大于预设的SOC阈值时，电池4被绕过，电池5连接到电池组。如图4中的(e)所示，电池6之所以连接到电池，因为电池6连接电池组将电池组的电压更接近电压(图5中的第二个判断条件)。需要指出的是，这仅仅是为了便于理解而列举的一个实例，以便于介绍电路的工作原理。本发明对每个电池组的数量不做限定。

从图4和图5分析可知，即使电池组中各电池的初始荷电状态存在较大的不一致性(如图4中的(a))，但经过一段时间后，电池组的荷电状态一致性明显提高(如图4中的(e))。这是因为在串联的额外电池中，当SOC低的电池被旁路时，SOC高的电池可以取代旁路电池为电池供电负载，使电池组电压保持在设定范围内。

在电池管理系统未停止工作前，循环判断：旁路电池组中的荷电状态最高的电池单元，与供电电池组中的荷电状态最低的电池单元之间的荷电状态差值，是否大于预设的阈值。

由于本发明提出的拓扑没有DC-DC变换器，因此电池组为负载提供的电压为所有可用电池电压之和。如图6所示，当电池6到电池8达到放电截止电压时，电池1到电池5不可用，如果电池1到电池5的总电压不能满足负载所需的最低电压，电池容量无法释放，将导致电池组容量利用率降低。

参照SOC

为了解决图6所指出的缺陷，本发明的策略是设置分段SOCset：当电池组的SOC高时，则增大SOCset，这样可以减少开关设备的操作次数；当电池组的SOC低时，则减少SOCset，充分利用电池包的可用容量。所述电池组的SOC高/低，可以通过与第二阈值之间的大小关系来判断。

继续参考图2，虽然图2中的(a)和(b)中的电池单元连接方式不同，但由于电池组中使用的电池单元数均为90，因此电池组中存储的总能量是相同的，可供使用的总能量是相同的。

如果负载所需的功率为P，则图2中的(a)和(b)中的每个单元提供的电流I1和I2分别为：I1＝(P/η)/(90×Ucell)，I2＝P/(90×Ucell)，式中η是DC-DC转换器的转换效率，Ucell是电池电压，我们假设所有电池的电压相同。图2中的(a)中各电池的电流略高于图2中的(b)，这是由于DC-DC变换器的功率损耗造成的，因此电池组需要提供更高的功率来满足负载的功率需求。

虽然本发明提出的拓扑将原本并联的电池串联起来，但从上面的分析可以看出，这对电池组的性能影响不大。但是需要注意的是，本发明提出的拓扑通常是在电池组接近放电截止电压时才将所有电池单元一起供电，但通常有些电池单元不向负载供电。当SOC为100％时，图2中的(a)由90cell供电(电池组电压为270v)，本发明提出的拓扑仅由64cell供电(64×4.2V＝268.8V)，电池组能提供的最大功率仅为图2中的(a)的64/90。但是电池组所能提供的总能量是相同的，因为电池组是由90块电池组成的。

因此，当电池组提供的电源具有一定冗余时，本发明提出的拓扑可以更好地实现DC-DC变换器自重构电池的目标，避免DC-DC变换器带来的能量损失。

本发明方案的实际测试结果：

(1)电池平衡和输出电压性能

采用本项目提出的拓扑结构和控制算法，考虑到电池组的一致性，电池组的目标电压为27V，SOCset＝2％。每个电池的SOC和电池组的电压如图7和8所示。

如图7所示，在60s时，电池1到电池7放电，电池8和电池9由于电池8和电池9的SOC较低而旁路，电池1到电池7的电压约为25.5V，接近27V。在480秒左右，电池7(电源电池组中SOC最低)比电池8(旁路电池组中SOC最高)低2％(SOCset)时，旁路7号电池，将8号电池连接到电池组上，由于7号电池和8号电池的SOC相似，此时电池组电压没有变化。在1140左右，电池组由7个电池组串联变为8个电池组，电池组电压上升到28.9V左右，如图8所示，因为与7节电池相比，如果8节电池串联，电池组的电压更接近27V。

为了便于对比，我们用自重构电池再次进行实验，分别如图9和图10所示。

如图9所示，60s后电池组开始均衡，由于7号、8号和9号电池的SOC较低，这些电池将被绕过。也就是说，在60s到420s之间，只有1号电池到6号电池放电，如图10所示，电池组的电压约为22V，而所有电池的电压约为33V。在420秒后，电池单元7到9的SOC达到设置条件下，电池单元7到9连接到电池组和电池单元4-6是绕过，以及上面的分析中，电池组的电压不会改变。

从图9中可以看出，自重构电池的续航范围从60s的2.5％降低到600s的0.7％，可以更好地平衡电池组，但是从图7中可以看出，电池组续航范围从60s的2.5％降低到1200s的1.6％。由于旁路电池时需要考虑电池组的电压(自重构电池旁路3个电池(图9)，本发明提出的拓扑旁路2个电池(图7)，因此旁路电池的数量有限。此外，本发明提出的拓扑结构不能使电池组像自重构电池那样平衡。

由于本发明提出的拓扑结构与自重构电池相似，因此具有自重构电池的优点和缺点。但是，如图8和图10所示，当电池组放电时，与自重构电池相比，本发明提出的拓扑结构即使绕过电池，也能更好地稳定电池组电压，将电池组电压维持在设定范围内。

(2)电池组的容量效率

如图6所示，当电池组的电压不足以满足负载电压需求时，电池组无法工作继续向负载供电。当电池组中的电池电压低于3.0V时，则认为电池无法再放电。增加电池组的可用容量，SOCset为1％，电池组放电时，每个电池的SOC和电池组如图11和图12所示。

图11的分析与图7的分析相同，不过多在此阐述细节。然而，可以看出电池组从0秒增加到约1800秒时，9个电池的SOC几乎相同，在大约3400秒也出现了同样的情况，如图11的A点所示。在电压方面，由于SOC9个电池中有一个电压较低，开始时，8个电池放电，电压电池组的电压约为28.3V，如图13和14所示。

如图13所示，约3400秒时电池单元的电压低于3伏，因此尽管所有电池都提前放电，电池的可用容量也可以得到更好的利用。

图14和15表示电池组中每个电池单元的剩余容量电池组及其初始可用容量。如图15所示，初始可用电池组的容量约为3960毫安时，大多数电池的SOC降至0，而每个电池单元的容量也小于1％(SOCset)。在图11中，9个电池的剩余可用容量约为48.4毫安时，容量利用率约为98.8％；在图15中，剩余的电池容量约为48.4毫安时，9个电池的可用容量约为8.8毫安时，容量利用率约为99.8％。然而应该指出的是，如果电池组开始充电，电池组的初始SOC约为20％，从100％放电，剩余的9个电池的可用容量约为48.4mAh，但总可用容量将从3960毫安时变成19800毫安，电池容量利用率为99.8％，而不是98.8％。在电池组趋于一致时，所有电池都可以放电，以最大限度地提高电池的容量电池组的可用容量。

尽管已经参考本发明的具体特征和实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的情况下仍可以对其进行各种修改、组合、替换。本发明的保护范围旨在不限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例，并且这些方法、模块可能还被实施在相关联、相互依赖、相互配合、前/后级的一个或多个产品、方法当中。

因此，说明书和附图应简单地视为由所附权利要求限定的技术方案的部分实施例的介绍，因而应根据最大合理解释原则对所附权利要求解读，并旨在尽可能涵盖本发明公开范围内的所有修改、变化、组合或等同物，同时还应避免不合常理的解读方式。

为了实现更好的技术效果或出于某些应用的需求，本领域技术人员可能在本发明的基础之上，对技术方案做出进一步的改进。然而，即便该部分改进/设计具有创造性或/和进步性，只要依赖本发明的技术构思，覆盖了权利要求所限定的技术特征，该技术方案同样应落入本发明的保护范围之内。

所附的权利要求中所提及的若干技术特征可能存在替代的技术特征，或者对某些技术流程的顺序、物质组织顺序可以重组。本领域普通技术人员知晓本发明后，容易想到该些替换手段，或者改变技术流程的顺序、物质组织顺序，然后采用了基本相同的手段，解决基本相同的技术问题，达到基本相同的技术效果，因此即便权利要求中明确限定了上述手段或/和顺序，然而该些修饰、改变、替换，均应依据等同原则而落入权利要求的保护范围。

结合本发明中所公开的实施例中描述的各方法步骤或模块，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各实施例的步骤及组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用或设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为在本发明所要求保护的范围之外。