CN111137170A - 一种动力电池组均衡系统、换电系统及电池包 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力电池组均衡系统、换电系统以及电池包，该动力电池组均衡系统包括电池包和均衡装置；电池包包括电池组、电压采集模块和控制模块；电压采集模块对电池组中的各个单电芯的电压进行采集，根据预设判定规则判断单电芯是否待均衡；如是，发送均衡指令给控制模块；基于均衡装置，控制模块根据均衡指令对待均衡单电芯进行均衡控制，解决了现有动力电池组由于电池单体性能存在不一致性，电池组在充放电过程中制约了电池组的充放电能力的问题，本发明还公开了一种换电系统和电池包，该换电系统用于更换动力电池，还用于对动力电池进行均衡；该动力电池由N个电池包组成；通过实施上述方案，提高用户的满意度。

Description

一种动力电池组均衡系统、换电系统及电池包

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，更具体地说，涉及一种动力电池组均衡系统、换电系统及电池包。

背景技术

目前新能源汽车发展迅速，作为新能源汽车核心部件之一的动力电池组，已经成为新能源汽车行业中倍受关注的产业。

新能源汽车动力电池市场目前的主流是由锂电池串联组成的动力电池组，由于锂离子电池单体性能上存在不一致性，在电池组充放电时，导致电池单体充电与放电速率的不同；由于锂电池的特性，当电压超过或低于允许范围时都会导致电池单元以及整个电池组的损坏或失效，因此，在电池组充电或放电的过程中，只要有一个电池单体达到电池的充放电电压极限，整个电池组就要停止充放电，否则该单体就会被过充或过放，严重影响电池寿命，这种现象严重制约了电池的充放电能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于现有动力电池组由于电池单体性能存在不一致性，电池组在充放电过程中，制约了电池组的充放电能力，导致用于体验感不高的问题，针对该技术问题，提供一种动力电池组均衡系统、换电系统以及电池包。

为解决上述技术问题，本发明提供一种动力电池组均衡系统，应用于换电系统，动力电池组均衡系统包括：

电池包和均衡装置；

电池包包括由n个动力电池单电芯组成的电池组、电压采集模块和控制模块，n≥2，且n为正整数；

电压采集模块对电池组中的各个单电芯的电压进行采集，根据预设判定规则判断单电芯是否待均衡；

如是，发送均衡指令给控制模块；

基于均衡装置，控制模块根据均衡指令对待均衡单电芯进行均衡控制。

可选的，电池组由n个动力电池单电芯串联组成；或，电池组由n个动力电池单电芯串联和并联组成。

可选的，根据预设判定规则判断单电芯是否待均衡包括：

判断单电芯的当前电压是否超出单电芯标准电压值范围。

可选的，电池包还包括开关矩阵；

基于均衡装置，控制模块根据均衡指令对待均衡单电芯进行均衡控制包括：

控制模块根据均衡指令，控制待均衡单电芯通过开关矩阵与均衡装置连接。

可选的，均衡指令包括待均衡的单电芯编号。

可选的，均衡装置包括放电装置；用于对待均衡单电芯放电，以降低电芯电压；

在待均衡单电芯的当前电压大于单电芯标准电压值范围时，控制模块根据均衡指令，控制待均衡单电芯通过开关矩阵与均衡装置连接包括：

控制模块控制开关矩阵中与待均衡单电芯编号对应的开关的运行状态，以使得待均衡单电芯与放电装置连接。

可选的，控制模块根据均衡指令对待均衡单电芯进行均衡控制之后，还包括：

电压采集模块对待均衡单电芯电压进行监控，并判断待均衡单电芯电压是否到达阈值；

如是，将均衡停止指令发送给控制模块；

控制模块根据均衡停止指令，控制待均衡单电芯与均衡装置断开连接。

进一步地，本发明还提供一种电池包，电池包包括一个由n动力电池单电芯组成的电池组，与电池组连接的电压采集模块，与电压采集模块连接的控制模块，以及与控制模块连接的开关矩阵；开关矩阵还与电池组连接，n≥2，且n为正整数。

进一步地，本发明还提供了一种换电系统，换电系统包括动力电池组均衡系统，上述用于更换为汽车供电的动力电池组，还用于为所述动力电池组进行均衡，所述动力电池组由N个如上述的电池包并联或串联组成，N≥2，且N为正整数。

有益效果

本发明提供一种动力电池组均衡系统、换电系统以及电池包，针对现有动力电池组由于电池单体性能存在不一致性，电池组在充放电过程中，制约了电池组的充放电能力，导致用于体验感不高的问题，本发明提供的动力电池组均衡系统包括电池包和均衡装置；电池包包括由n个动力电池单电芯组成的电池组、电压采集模块和控制模块，n≥2，且n为正整数；电压采集模块对电池组中的各个单电芯的电压进行采集，根据预设判定规则判断单电芯是否待均衡；如是，发送均衡指令给控制模块；基于均衡装置，控制模块根据均衡指令对待均衡单电芯进行均衡控制，即考虑到各个单体电池的不一致性，电池包通过对各单电芯的电压进行检测并判断，在判定需要均衡时，电池包控制单电芯基于均衡装置进行均衡，进而保证每个单体电池在正常的使用时保持相同状态，以避免过充、过放的发生；同时本发明提供的换电系统用于新能源汽车，用于对动力电池进行更换，该换电系统还用于实现动力电池组的均衡，提高用户的满意度和体验感。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明第一实施例提供的动力电池组均衡系统结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的动力电池组均衡系统的工作流程图；

图3为本发明第二实施例提供的动力电池组均衡方法的流程图；

图4为本发明第三实施例提供的电池包结构示意图；

图5为本发明第三实施例提供的动力电池组均衡方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

可以理解的是，新能源汽车动力电池市场目前的主流是锂电池，由于锂电池的特性，当电压超过或低于允许范围时都会导致电池单元以及整个电池组的损坏或失效。因此，对使用锂电池组中各个单电芯的电压检测至关重要。即使能够准确测量每个电芯的电压，但由于每节电池单元的参数在出厂时的细微差别，以及使用过程中不同内阻、不同环境温度等因素，导致电池单元电压的不一致性。当它们串联在一起组成电池组时，就有可能出现“在充电时有部分电池单元提前充满电，而放电时部分电池单元提前放完电”的情况。

因此，本实施例提供一种动力电池组均衡系统，请参见图1所示，本实施例提供动力电池组均衡系统包括电池包101和均衡装置102，其中电池包101包括由n个动力电池单电芯组成的电池组1011，可选的，其可以是由n各动力电池单电芯串联组成的电池组1011，也可以是由n各动力电池单电芯串联和并联组成的电池组1011；当然在一些实施例中，还可以是由n各动力电池单电芯串联和并联组成的电池组1011，其中n≥2，且n为正整数，电池包101还包括与电池组1011连接的电压采集模块1012，以及与电压采集模块1012连接的控制模块1013；本实施例中的均衡装置用于对电池包中动力电池单电芯电压进行均衡。请参见图2所示，图2为动力电池组均衡系统的工作流程，该工作流程包括：

S201、电压采集模块对电池组中的各个单电芯的电压进行采集，根据预设判定规则判断单电芯是否待均衡，如是，转S202，如否，转S201。

由于各个单电芯的参数在出厂时的细微差别，以及使用过程中不同内阻、不同环境温度等因素，导致单电芯电压的不一致性，因此无论电池组在充电、放电还是放置过程中，电压采集模块都可以对电池组中的各个单电芯的电压进行采集，对各电压进行检测，并根据预设判断规则判断单电芯是否待均衡，具体的，判断单电芯的当前电压是否超出单电芯标准电压值范围，其中对于不同的单电芯，单电芯标准电压值范围是一致的，例如该单电芯标准电压值范围可以是电池组所有单电芯电压的平均值；也可以是单电芯电压对应的稳定电压值；当然单电芯标准电压值范围可以根据实际使用情况进行灵活调整。在一些实施例中根据预设判断规则判断单电芯是否待均衡还可以是电压采集模块采集各电芯的电压，计算各电压的平均值，再判断每个单电芯电压与电压均值的差值是否超出预设阈值，该预设阈值可以是在50mV。

S202、发送均衡指令给控制模块。

电压采集模块在判定单电芯需要均衡时，发送均衡指令给控制模块，该均衡指令包括待均衡的单电芯编号，还可以包括预计均衡时长。

S203、基于均衡装置，控制模块根据均衡指令对待均衡单电芯进行均衡控制。

值得注意的是，本实施例中的电池包还包括开关矩阵，该开关矩阵与控制模块连接，还与电池组连接；当然该开关矩阵包括多个用于电池组线路切换的开关，可选的，开关矩阵中开关的数量大于等于n。

本实施中，基于均衡装置，控制模块根据均衡指令对待均衡单电芯进行均衡控制包括：控制模块根据均衡指令，控制待均衡单电芯通过开关矩阵与均衡装置连接。需要说明的是，控制模块对开关矩阵中的开关进行控制前，开关矩阵中的开关可以是均处于断开状态，当然开关矩阵中的开关也可以是部分处于断开状态，部分处于闭合装置；但此时电池组任意一个单电芯均未与均衡装置连接；待均衡单电芯通过开关矩阵与均衡装置连接具体是：通过开关的闭合，可以将电池组的待均衡单电芯的正负极引出到电池包的对外均衡接口，均衡装置正负极连接到该对外均衡接口。

应当理解的是，本实施例中的均衡装置包括充电装置，该充电装置用于对待均衡单电芯充电，以提高电芯电压；还包括放电装置，该放电装置用于对均衡单电芯放电，以降低电芯电压；因此对于待均衡单电芯的当前电压的不同，待均衡单电芯连接的均衡装置也不同；在待均衡单电芯的当前电压小于单电芯标准电压值范围时，控制模块控制开关矩阵中与待均衡单电芯编号对应的开关的运行状态，以使得待均衡单电芯与充电装置连接；例如当开关矩阵中的开关均处于断开状态时，控制模块从均衡指令中提取到待均衡电芯编号为m和以及放电的预估时间，则控制对待均衡电芯编号为m对应的开关Km-1与Km闭合，以及持续时间；而其他开关任处于断开状态。同理，在单电芯的当前电压大于单电芯标准电压值范围时，控制模块控制开关矩阵中与待均衡单电芯编号对应的开关的运行状态，以使得待均衡单电芯与放电装置连接。

在一些实施例中，当控制模块根据均衡指令对待均衡单电芯进行均衡控制时，即在当前待均衡单电芯均衡过程中，电压采集模块仍不断对其他单电芯的电压进行监测，且判定存在其他待均衡单电芯时，继续发送均衡指令给控制模块，控制模块控制该其他待均衡单电芯通过开关矩阵与均衡装置连接；即一些实施例中的动力电池组均衡系统可以同时对多个单电芯电压进行均衡。

值得注意的是，在本实施例中，控制模块根据均衡指令对待均衡单电芯进行均衡控制之后，还需要对当前待均衡单电芯的电压进行监控，判断当前待均衡单电芯的电压均衡是否达到预期，具体的，电压采集模块对待均衡单电芯电压进行监控，并判断待均衡单电芯电压是否到达阈值，如是，将均衡停止指令发送给控制模块；控制模块根据均衡停止指令，控制待均衡单电芯与均衡装置断开连接；其中判断待均衡单电芯电压是否到达阈值可以是判断单电芯的当前电压属于单电芯标准电压值范围，即对待均衡单电芯进行均衡后，该单电芯的电压属于单电芯标准电压值范围时，电压采集模块发送均衡停止指令，结束本次均衡流程；当然在本次均衡流程后，还可以继续S201-S203，直到所有电芯的电压趋于一致后，整个电池组的均衡过程结束。

本实施例提供了一种动力电池组均衡系统，包括一个由多个动力电池单电芯串联和并联组成的电池组，一个用于采集电池组内单电芯的电压采集模块，一个由多个开关组成的开关矩阵，一个用于控制开关矩阵的控制模块，一个由动力电池电池组、开关矩阵、开关矩阵控制模块组成的电池包，一个用于单电芯放电的放电装置，一个用于单电芯充电的充电装置。本实施例的动力电池组均衡系统，结合了动力电池组主动均衡与被动均衡的优势，根据不同的场景应用不同的均衡方式，在一个系统中完成了主动均衡与被动均衡，解决了换电系统中主动均衡与被动均衡需要采用两个单独的均衡系统的问题。

实施例二：

本实施例提高一种动力电池组均衡方法，应用于电池包；所述电池包包括由n个动力电池单电芯组成的电池组、电压采集模块和控制模块，n≥2，且n为正整数；当然也可以应用于实施例一中的动力电池组均衡系统，如图3所示，该动力电池组均衡方法包括：

S301：电压采集模块对电池组中的各个单电芯的电压进行采集，根据预设判定规则判断单电芯是否待均衡，如是，转S302，如否，转S301。

在本实施例中，对各电池组中的各个单电芯的电压进行采集，判断单电芯的当前电压是否超出单电芯标准电压值范围，其中对于不同的单电芯，单电芯标准电压值范围是一致的，当单电芯的当前电压超出单电芯标准电压值范围时，该单电芯需要均衡。

S302：电压采集模块发送均衡指令给控制模块；

S303：控制模块根据均衡指令对与待均衡单电芯连接的开关的运行状态进行控制。

在本实施例中，均衡指令用于指示控制模块进行工作，即控制模块接收到均衡指令后，对与待均衡单电芯连接的开关的运行状态进行控制；当然该均衡指令可以包括待均衡单电芯编号和均衡时间，控制模块从均衡指令中提取待均衡单电芯编号，控制对待均衡单电芯编号对应的开关闭合，在本实施例中，默认开关矩阵中的开关初始状态为断开状态。

当控制对待均衡单电芯编号对应的开关闭合时，待均衡单电芯可以与开关连接的均衡装置连接，进而该均衡装置可以对待均衡单电芯进行主动均衡或被动均衡。

S304：电压采集模块对该待均衡单电芯电压进行监控，并判断单电芯电压是否到达阈值；如是，转S305，如否，转S304。

避免过充、过放的发生，在均衡过程中需要对该待均衡单电芯电压进行监控，当该次均衡过程中，单电芯电压已经到达阈值时，发送停止均衡指令到控制模块，其中该阈值为单电芯标准电压值范围中的任意一个电压值。

S305：电压采集模块将均衡停止指令发送给控制模块。

S306：控制模块根据均衡停止指令，控制待均衡单电芯与配置的均衡装置断开连接。

在本实施例中，控制模块控制与待均衡单电芯连接的开关的断开，进而到达控制待均衡单电芯与均衡装置断开连接的效果。

为了更好的理解，本实施例提供了一种动力电池组均衡方法，应用于一种电池包，电池包的电压采集模块对电池组中的各个单电芯的电压进行采集，在确定存在需要均衡的单电芯时，由控制模块控制单电芯对应的开关闭合，使得单电芯与配置的均衡装置连接，且在均衡过程中，对该单电芯的电压进行监测，当满足一定条件时，结束本次均衡流程，使得该单电芯对应的电压保持在单电芯标准电压值范围，以避免过充、过放的发生，提高用户的满意度和体验感。

实施例三：

为了更好的理解本发明，下面结合一个具体的电池包为例进行说明，请参见图4所示，电池包包括：n(B1～Bn)个单电芯串联组成的电池组，与电池组连接的电压采集模块，与电压采集模块连接的控制模块；以及由n+5(K0～Kn+4)个开关组成的开关矩阵，n≥2，且n为正整数，开关矩阵的电路连接示意图如图4所示；为了给动力电池组中的单电芯进行均衡，充电装置与放电装置可以根据场景的不同进行配置，针对换电系统，其中一种配置模式为：当电池包在整车内进行管理时，电池包外部均衡接口(图4虚线框)配置放电装置；当电池包在非整车环境下进行管理时，电池包外部均衡接口配置充电装置。

基于上述电池包，本实施提供一种动力电池均衡方法，如图5所示，该动力电池均衡方法包括：

S501：判断电池包是否在整车环境下，如是，转S502，如否，转S503。

S502：电池包外部均衡接口配置放电装置。

S503：电池包外部均衡接口配置充电装置。

S504：电压采集模块对电池组中的各个单电芯的电压进行采集，根据预设判定规则确定单电芯需要均衡时，发送均衡指令给控制模块。

电压采集模块采集电池组各个单电芯电压，根据预设判定规则判断单电芯是否待均衡，其中根据预设规则判断单电芯是否待均衡包括：电压采集模块采集各电芯的电压，计算各电压的平均值，再判断每个单电芯电压与电压均值的差值是否超出预设阈值，该预设阈值可以是在50mV。

假设根据预设判定规则确定单电芯电压与电压均值的差值大于50mV，即确定该单电芯需要被动均衡，并确定该单电芯的电芯编号以及均衡的预估时间，发送开始均衡指令到控制模块，该均衡指令中包括至少包括单电芯的电芯编号；

可以理解的是，本实施例中的电压采集模块还可以在均衡过程中不断监控各个单电芯的电压，当该次均衡已经达到预期后，发送均衡停止指令到开关矩阵控制模块。

S505：控制模块根据均衡指令控制开关矩阵中各个开关的闭合与断开状态。

假设需要均衡单电芯为电池组中的第m(m为整数)个，则需要先闭合开关Km-1与Km，然后判断m的奇偶，如果m为奇数，则需要同时闭合开关Kn+2与Kn+3；如果m为偶数，则需要同时闭合开关Kn+1与Kn+4。按照图1的电路可以得出此时第m个电芯的正极连接到外部均衡接口的正极，该电芯的负极连接到外部均衡接口的负极。此时放电装置的正负极连接到外部均衡接口，这样放电装置对第m个电芯进行放电，可以降低该电芯的电压。

本实施例中的控制模块还可以在均衡过程中不断监控各个开关的运行状态，以及接收电压采集模块的最新均衡控制指令。

当然一些实施例中，当根据预设判定规则确定单电芯电压与电压均值的差值小于50mV，即确定该单电芯需要主动均衡，此时充电装置的正负极连接到外部均衡接口，这样充电装置对第m个电芯进行充电，可以提高该电芯的电压。

S506：判断电池组中所有的单电芯是否趋于一致，如是，结束，如否，转S501。

本实施例提供了一种电池包，电池包用于新能源汽车供电，是换电系统统一标准的单元，可以通过小电池包的不同组合满足不同车型的需要，且本实施例中电池包还包括电压采集模块、开关矩阵、控制模块，电池组，通过各种装置的相互配合以及外部放电装置或充电装置，可以实现对电池组中所有电芯的电压趋于一致性，保证电池包的使用寿命，提高用户的体验感和满意度。

实施例四

本实施例提供一种换电系统，换电系统包括上述实施例中的动力电池组均衡系统，该换电系统用于更换为新能源汽车供电的动力电池，动力电池由N个电池包并联或串联组成，N≥2，且N为正整数。在本实施例中，新能源汽车的动力电池可以进行更换，具体的，当新能源汽车动力电池电量不足时，采用电量充足的动力电池对电量不足的电池进行整体更换；在该换电系统中，动力电池可以在指定的场所其他设备进行整体更换，其中该动力电池由多个电池包串联或并联组成，电池包包括上述实施例中的电压采集模块、开关矩阵、控制模块，电池组，在此不再一一赘述。

本实施例的换电系统还用于为动力电池进行均衡，具体通过上述实施例中的动力电池组均衡系统进行均衡，值得注意的是，为了不累赘说明，实施例一、实施例二、实施例三中的所有示例均适用于本实施例的换电系统。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种动力电池组均衡系统，其特征在于，应用于换电系统，所述动力电池组均衡系统包括：电池包和均衡装置；

所述电池包包括由n个动力电池单电芯组成的电池组、电压采集模块和控制模块，n≥2，且n为正整数；

所述电压采集模块对电池组中的各个单电芯的电压进行采集，根据预设判定规则判断所述单电芯是否待均衡；

如是，发送均衡指令给控制模块；

基于所述均衡装置，所述控制模块根据所述均衡指令对待均衡单电芯进行均衡控制。

2.如权利要求1所述的动力电池组均衡系统，其特征在于，所述电池组由n个动力电池单电芯串联组成；或，所述电池组由n个动力电池单电芯串联和并联组成。

3.如权利要求1所述的动力电池组均衡系统，其特征在于，所述根据预设判定规则判断所述单电芯是否待均衡包括：

判断所述单电芯的当前电压是否超出单电芯标准电压值范围。

4.如权利要求3所述的动力电池组均衡系统，其特征在于，所述电池包还包括开关矩阵；

所述基于所述均衡装置，所述控制模块根据所述均衡指令对待均衡单电芯进行均衡控制包括：

所述控制模块根据所述均衡指令，控制所述待均衡单电芯通过所述开关矩阵与所述均衡装置连接。

5.如权利要求4所述的动力电池组均衡系统，其特征在于，所述均衡指令包括待均衡的单电芯编号。

6.如权利要求5所述的动力电池组均衡系统，其特征在于，所述均衡装置包括充电装置，用于对所述待均衡单电芯充电，以提高电芯电压；

在所述待均衡单电芯的当前电压小于单电芯标准电压值范围时，所述控制模块根据所述均衡指令，控制所述待均衡单电芯通过所述开关矩阵与所述均衡装置连接包括：

所述控制模块控制所述开关矩阵中与所述待均衡单电芯编号对应的开关的运行状态，以使得所述待均衡单电芯与所述充电装置连接。

7.如权利要求6所述的动力电池组均衡系统，其特征在于，所述均衡装置还包括放电装置；用于对所述待均衡单电芯放电，以降低电芯电压；

在所述待均衡单电芯的当前电压大于单电芯标准电压值范围时，所述控制模块根据所述均衡指令，控制所述待均衡单电芯通过所述开关矩阵与所述均衡装置连接包括：

所述控制模块控制所述开关矩阵中与所述待均衡单电芯编号对应的开关的运行状态，以使得所述待均衡单电芯与所述放电装置连接。

8.如权利要求4-7任一项所述的动力电池组均衡系统，其特征在于，所述控制模块根据所述均衡指令对待均衡单电芯进行均衡控制之后，还包括：

所述电压采集模块对所述待均衡单电芯电压进行监控，并判断所述待均衡单电芯电压是否到达阈值；

如是，将均衡停止指令发送给所述控制模块；

所述控制模块根据所述均衡停止指令，控制所述待均衡单电芯与所述均衡装置断开连接。

9.一种电池包，其特征在于，所述电池包包括一个由n个动力电池单电芯组成的电池组，与所述电池组连接的电压采集模块，与所述电压采集模块连接的控制模块，以及与所述控制模块连接的开关矩阵；所述开关矩阵还与所述电池组连接，n≥2，且n为正整数。

10.一种换电系统，其特征在于，所述换电系统包括如权利要求1-8任一项所述的动力电池组均衡系统，所述换电系统用于更换为新能源汽车供电的动力电池，还用于为所述动力电池进行均衡，所述动力电池由N个如权利要求9所述的电池包并联或串联组成，N≥2，且N为正整数。

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