用于大容量锂离子电池监测的系统及方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池维护方法领域，具体地涉及一种用于大容量锂离子电池监测的系统及方法。


背景技术：

2.在重型货卡，储能等领域主要应用大容量锂离子电池，目前该领域应用的电芯多为超过60ah的锂离子电池。该电池在使用时大多是先并后串，一旦发现其中某串电池压差大，则无法继续使用，而且也很难判断出是那个单体电芯出了问题，就要更换该串并联在一块的所有电芯，维修成本巨大。在某些不具备维修条件环境下或者偏远地区的基站，如远洋船舶，无人区铁塔储能，当单串损坏时，将直接影响其它系统的运行。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本发明提供一种用于大容量锂离子电池监测的系统及方法，该方法解决了大电芯在使用中出现不均衡，同时很难精确判断是哪个电芯的问题，同时可以根据具体的电芯来及时准确的更换，避免某串并联多个电芯坏后只好换整个单串(即一行，包含多个电芯)的高昂成本。而且在使用过程不用因为单串损坏而停止整个电池系统停止使用，带来巨大损失。
4.本发明提供一种用于大容量锂离子电池监测的系统，其包括多个大容量电芯、接触器，继电器和电池管理系统，多个大容量电芯中的n个大容量电芯按照正负极依次相连的方式串联在一起形成m组串联电芯组，其中，n大于等于2，每一列大容量电芯的正极通过一个第一接触器与电源的总正极相连，每一列大容量电芯的负极并在一起，并联在一起连接有一个第二接触器，借助于第二接触器控制整个电池系统负极电流的通断，第一接触器分别为k1,k2...km，第二接触器为总负接触器；
5.m组串联电芯组继续按列排布，其中m大于等于3，从而形成n*m的大容量电芯矩阵，从第一行电芯开始每相邻两个电芯之间的负极用一个第三继电器连接，继电器分别为j1,j2...j
(n-1)m
，且控制继电器的线束通过带有方便拆装的插件连接到继电器上，最后一列的继电器开闭触点和第一列的大容量电芯的负极相连，相同行的继电器闭合触点首尾依次连接形成一个环状的电压均衡电路；从第一行开始，倒数第二行结束，最后一行除外，形成n-1个带继电器环状的电压均衡电路；所有继电器j
1-j
(n-1)m
同时被电池管理系统控制，能够同时断开或闭合；所述电池管理系统检测每一行电池电压，并计算最高行电芯和最低行电芯的最大压差δv，从而判断出存在问题的电芯所在的行；
6.当进入放电工作模式后，电池管理系统控制所有继电器吸合，控制所有接触器吸合，此时总正接通，总负接触器k负也接通，进行正常放电，每列电池的电流都通过该列的接触器流出到负载，均衡继电器之间会有很小的电流通过，用来平衡放电时同行间电芯细微的电压差；当进入充电模式后，所有接触器和继电器均会同时吸合。
7.本发明还提供一种基于用于大容量锂离子电池监测的系统的大容量锂离子电池
监测的方法，其包括以下步骤：
8.s1、设定电池的报警故障阈值：电池充放电运行时设置单行电压差，单行电压差即最高行和最低行电压的差值，其包括静态的电压差和动态的电压差，动态电压差δv根据电池特性，设置为低级故障报警、中级降功率故障报警以及高级切断故障报警；
9.s2、比较压差选出需要更换的电池：电池系统正常使用过程中，假设电池管理系统检测到其中一行电压值最小，压差δv≥250mv，即中级降功率故障报警，且为首次出现该故障，电池管理系统记录该故障，等下次放电，即第二次放电，当电池系统放电到soc≤50％时，关闭所有均衡继电器j
1-j
(n-1)m
，继续使用所述电池系统放电到soc≤10％时，电池管理系统切断第一接触器和第二接触器，停止电流输出；
10.s3、测量每一行电芯的电压值，并计算平均电压值v
p
，并计算平均电压值v
p
与所述最小电压值的行内多个电芯中的最小电压值v
min
的差值v
x
，若v
x
≥第一电压阈值，则进入步骤s4，若v
x
《第一电压阈值，则进入步骤s5；
11.s4、当v
x
≥第一电压阈值时，则认为该电芯与同行的其余电芯的容量相比差别太大，该行最小的电压电芯需要更换；若已准备有相同容量的正常电芯，具体步骤为：调整该待换电芯电压等于vp，直接更换掉所述最小的电压电芯，更换完成后，重新启动电池系统，保证所有继电器和接触器均处于吸合状态，开启补电设备，给该行的并联电芯一起进行补电，使电压升到该电池系统此时所有单体电池的平均值，然后拆除补电设备，更换完成，进行正常充放电使用；若没有相同容量的正常电芯且不具备更换电芯的条件，则采取暂时屏蔽所述故障电芯所在列的方法，具体步骤为：拔掉该列第一接触器的控制插头，且拔掉该列所有电芯两侧的均衡继电器控制插头，从而对故障电芯进行隔离，启动电池系统，保证故障电芯之外的电芯的继电器和接触器均处于吸合状态，开启补电设备，给该行并联在一起的剩余电芯进行补电，使电压升高到该电池系统此时所有单体电池电压的平均值，然后拆除补电设备，操作完成；
12.s5、当v
x
《第一电压阈值时，则进一步分为三种状态，根据三种状态进行分析，确认是否需要更换电池。
13.优选地，步骤s5的三种状态具体为：
14.状态一：第二电压阈值≤v
x
《第一电压阈值，从第二次放电开始，电池系统能够正常充放电，充放电时，将所有的均衡继电器断开，即j
1-j
(n-1)m
断开，让电芯独立工作暴露自身问题，第一接触器和第二接触器工作时吸合；当经过时间t1后，该电池系统放电到电池电量soc≤10％时，断开所有接触器，若v
x
≥第一电压阈值，则按步骤s4中的方法继续执行；若v
x
《150mv，则重新启动电池系统，所有继电器接触器处于吸合状态，开启补电设备，给该行的并联电芯一起进行补电，使电压升到该电池系统此时所有单体电池的平均值，然后拆除补电设备，操作完成；
15.状态二：第三电压阈值≤v
x
《第二电压阈值，从第二次放电开始，电池系统能够正常充放电，充放电时，将所有的均衡继电器断开，即j
1-j
(n-1)m
断开，让电芯独立工作暴露自身问题，第一接触器和第二接触器工作时吸合；当经过时间t2后，该电池系统放电到电池电量soc≤10％时，断开所有接触器，若v
x
≥第一电压阈值，则按步骤s4中的方法继续执行；若v
x
《150mv，则重新启动电池系统，所有继电器接触器处于吸合状态，开启补电设备，给该行的并联电芯一起进行补电，使电压升到该电池系统此时所有单体电池的平均值，然后拆除
补电设备，操作完成；
16.状态三：v
x
《第三电压阈值时，从第二次放电开始，电池系统能够正常充放电，充放电时，将所有的均衡继电器断开，即j
1-j
(n-1)m
断开，让电芯独立工作暴露自身问题，第一接触器和第二接触器工作时吸合；当经过时间t3后，该电池系统放电到电池电量soc≤10％时，断开所有接触器，若v
x
≥第一电压阈值，则按步骤s4中的方法继续执行；若v
x
《150mv，则重新启动电池系统，所有继电器接触器处于吸合状态，开启补电设备，给该行的并联电芯一起进行补电，使电压升到该电池系统此时所有单体电池的平均值，然后拆除补电设备，操作完成。
17.优选地，步骤s1中，若电池为三元材料，电压差δv低级故障报警值为150-249mv，中级降功率故障报警250-499mv，高级切断故障报警值为500-800mv；
18.若电池为磷酸铁锂电池，电压差δv低级故障报警值为150-249mv，中级降功率故障报警250-399mv，高级切断故障报警值为400-500mv。
19.优选地，第一电压阈值＝150mv，第二电压阈值为100mv，第三电压阈值为50mv。
20.优选地，其中，t1为30d，t2为40d，t3为50d。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.(1)本发明提供一种用于大容量锂离子电池监测的系统及方法，该方法解决了大容量电芯在使用中出现不均衡，同时很难精确判断是那个电芯的问题，同时可以根据具体的电芯来及时准确的更换，避免某串并联多个电芯坏后只好换整个单串(即一行，包含多个电芯)的高昂成本。而且在使用过程不用因为单串损坏而停止整个电池系统停止使用，避免了更大的损失。
23.(2)本发明能够应用在多个领域，尤其是一些偏远的地区，能够很好的解决电池芯的问题，延长整体的使用寿命，减少人力及财力的投入，方便使用。
附图说明
24.图1为本发明的电池系统组成结构示意图；
25.图2为本发明的电池管理系统控制正极接触器示意图；
26.图3为本发明的压差值的具体归属项示意图；
27.图4为本发明的操作流程示意图。
具体实施方式
28.以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
29.具体地，本发明提供一种用于大容量锂离子电池监测的系统，如图1及图2所示，其包括多个大容量电芯、接触器以及继电器，多个大容量电芯中的n个大容量电芯按照正负极依次相连的方式串联在一起形成m组串联电芯组，其中，n大于等于2，每一列大容量电芯的正极通过一个第一接触器与电源的总正极相连，每一列大容量电芯的负极并在一起，并连接有一个第二接触器，借助于第二接触器控制整个电池系统负极电流的通断，第一接触器分别为k1,k2...km；
30.m组串联电芯组继续按列排布，其中m大于等于3，从而形成n*m的大容量电芯矩阵，从第一行电芯开始每相邻两个电芯之间的负极用一个第三继电器连接，继电器分别为j1,j2...j
(n-1)m
，且控制继电器的线束通过带有方便拆装的插件连接到继电器上，最后一列的继电器开闭触点和第一列的大容量电芯的负极相连，相同行的继电器闭合触点首尾依次连接形成一个环状的电压均衡电路；从第一行开始，倒数第二行结束，最后一行除外，形成n-1个带继电器环状的电压均衡电路；所有继电器j
1-j
(n-1)m
同时被电池管理系统控制，能够同时断开或闭合；电池管理系统电压检测线与环状电压均衡电路相连，检测每一行电池电压，并计算最高行电芯和最低行电芯的最大压差δv，从而判断出存在问题的电芯所在的行；
31.当进入放电工作模式后，电池管理系统控制所有继电器吸合，控制所有接触器吸合，此时总正接通，总负接触器k负也接通，进行正常放电，每列电池的电流都通过该列的接触器流出到负载，均衡继电器之间会有很小的电流通过，用来平衡放电时同行间电芯细微的电压差；当进入充电模式后，所有接触器和继电器也会同时吸合。
32.优选地，本发明还提供一种用于大容量锂离子电池监测的方法，其包括以下步骤：
33.s1、设定电池的报警故障阈值：电池充放电运行时会设置单行电压差，即最高行和最低行电压的差值，包括静态的电压差和动态的电压差，动态电压差δv根据电池特性，设置为低级故障报警、中级降功率故障报警以及高级切断故障报警；
34.其中，若电池为三元材料，电压差δv低级故障报警值为150-249mv，中级降功率故障报警250-499mv，高级切断故障报警值为500-800mv；
35.若电池为磷酸铁锂电池，电压差δv低级故障报警值为150-249mv，中级降功率故障报警250-399mv，高级切断故障报警值为400-500mv；
36.s2、比较压差选出需更换的电池：电池正常使用过程中，假设bms检测到x2行电压值最小，压差δv≥250mv，即中级降功率故障报警，且为首次出现该故障，bms记录该故障，等下次放电，即第二次放电，当电池系统放电到soc≤50％时，关闭所有均衡继电器j1-j12，继续使用电池系统放电到soc≤10％时，电池管理系统bms切断第一，第二接触器，停止电流输出；
37.s3、测量每一行电芯的电压值，并计算平均电压值vp，并计算平均电压值v
p
与每一行多个电芯中的最小电压值v
min
的差值v
x
，若v
x
≥第一电压阈值，则进入步骤s4，若v
x
《第一电压阈值，则进入步骤s5；
38.s4、当v
x
≥第一电压阈值时，则认为该电芯与同行的其余电芯的容量相比差别太大，需要更换；具体更换方法如下，为了说明更清楚，这里举实例说明该过程，设第一阈值＝150mv，很明显地150mv是参考值，不同型号电池会有差异，本发明不局限于该电压值。x2行电池中，若6#电压与该行平均电压差值≥150mv，可认为电芯6#容量与同行的5#、7#、8#容量相比差别太大，需要更换；若已准备有相同容量的正常电芯，采用方法k，具体做法为：调整该待换正常电芯电压等于vp，可直接更换掉6#电芯，换上后，重新启动电池系统，保证所有继电器接触器都吸合，此时人工操作补电设备，给x2行并联电芯一起补电，使电压升到该电池系统此时所有单体电池的平均值，然后拆除补电设备，维修完成，可进行正常充放电使用；若没有相同容量电芯，而且短时间内还不具备更换电芯的条件，但是还要继续使用该电池系统，可采取方法e，具体做法为：拔掉k2接触器控制插头，拔掉y2列所有电芯两侧的均衡继电器j1、j2、j5、j6、j9、j10控制插头，这样就把有问题的y2列从电池系统里隔离了，然后，
上电使bms控制所有没拔掉的接触器、继电器吸合，人工操作补电设备，给x2行并联在一起的剩余电芯一起补电，使电压升高到该电池系统此时所有单体电池电压的平均值，然后拆除补电设备，维修完成，bms可进行适当的调整容量或其它限制手段继续使用电池系统。具体方法可参考图4。
39.s5、当v
x
《第一电压阈值时，则进一步分为三种状态，根据三种状态进行判断，从而判断是否更换电池。
40.状态1：100mv≤vx《150mv，从第二次放电开始，电池系统可正常充放电，充放电时，所有的均衡继电器断开，即j1-j12断开，让电芯独立工作暴露自身问题，第一接触器k1、k2、k3、k4和负接触器工作时吸合；等30天结束后该电池系统放电到电池电量soc≤10％时,断开所有接触器，若v
x
≥150mv，则按s4中的方法执行；若v
x
《150mv，重新启动电池系统，保证所有继电器接触器都吸合，此时人工操作补电设备，给x2行并联电芯一起补电，使电压升到该电池系统此时所有单体电池的平均值，然后拆除补电设备，维修完成，可进行正常充放电使用。
41.状态2：50mv≤vx《100mv，从第二次放电开始，电池系统可正常充放电，充放电时，所有的均衡继电器断开，即j1-j12断开，让电芯独立工作暴露自身问题，第一接触器k1、k2、k3、k4和负接触器工作时吸合；等40天结束后该电池系统放电到电池电量soc≤10％时,断开所有接触器，若v
x
≥150mv，则按s4中的方法执行；若v
x
《150mv，重新启动电池系统，保证所有继电器接触器都吸合，此时人工操作补电设备，给x2行并联电芯一起补电，使电压升到该电池系统此时所有单体电池的平均值，然后拆除补电设备，维修完成，可进行正常充放电使用。
42.状态3：vx《50mv，从第二次放电开始，电池系统可正常充放电，充放电时，所有的均衡继电器断开，即j1-j12断开，让电芯独立工作暴露自身问题，第一接触器k1、k2、k3、k4和负接触器工作时吸合；等50天结束后该电池系统放电到电池电量soc≤10％时,断开所有接触器，若v
x
≥150mv，则按s4中的方法执行；若v
x
《150mv，重新启动电池系统，保证所有继电器接触器都吸合，此时人工操作补电设备，给x2行并联电芯一起补电，使电压升到该电池系统此时所有单体电池的平均值，然后拆除补电设备，维修完成，可进行正常充放电使用。
43.具体实施例：
44.若干电芯，电芯容量多为超过60ah的锂离子电池；根据需要把单个电芯按正负相连串成一列，该列数需满足x≥2个电芯，为了说明方便，实例为4个电芯，分别处在x1行，x2行，x3行，x4行，具体排布多少电芯根据需要确定，该方案并不局限于电芯个数，该列的正极用一个接触器与总正相连，该列的负极引出，所有列引出的负极并在一起用k负接触器控制整个电池系统负极电流的通断；用相同的方法制作若干列电池，列数满足y≥3列，为了说明方便，实例为4列电芯分别为y1、y2、y3、y4列，对应接触器分别为k1，k2，k3，k4，且控制接触器的线束，以方便拆装的插件连接到接触器上，具体排布多少列电芯根据需要确定，该方案并不局限于电芯列数；相邻的列，并排在一起会形成相同的行(电池系统中，通常把这样的行，称为一串，即横着的并联的相同位置的电芯，这里为了防止与列混淆，采用“行”的名称)，每列有多少电芯就会形成多少行，实例为4个电芯，分别处在x1行，x2行，x3行，x4行，x1行电芯为1#、2#、3#、4#，x2行电芯为5#、6#、7#、8#，x3行电芯为9#、10#、11#、12#，x4行电芯为13#、14#、15#、16#，从第一行电芯开始每相邻两个电芯之间的负极用小型的继电器连接，继
电器分别为j1，j2，j3，j4，且控制继电器的线束，以方便拆装的插件连接到继电器上，最后列的电芯继电器开闭触点和第一列的电芯负极相连，这样就形成了一个环状的电压均衡电路；从第一行开始，倒数第二行结束，最后一行除外，就形成了若干个带继电器可断开可闭合的环状的电压均衡电路，实例为3个闭环状的电流均衡电路；所有闭环的继电器j1-j12同时被电池管理系统bms控制，同时断开，同时闭合；bms检测每一行电池电压，bms单行检测线束可方便的在任何一列上插接，实例是插接到y1列，可计算单行电芯的平均电压，并可以计算最高行电芯和最低行电芯的最大压差δv。详细示意参见图1。
45.整个电池系统正常工作过程：进入放电工作模式后，电池管理系统bms控制j1-j12继电器吸合，控制接触器k1-k4吸合，此时总正接通，总负接触器k负也接通，可进行正常放电，每列电池的电流都通过k1、k2、k3、k4流出到负载，j1-j12继电器之间会有很小的电流通过，来平衡放电时同排间电芯细微的电压差；进入充电模式，所有接触器吸合，继电器也吸合，和放电模式过程一样。
46.一般电池系统充放电运行时会设置单行电压差δv，即最高行和最低行电压的差值，有静态的电压差和动态的电压差，本发明只针对动态的电压差做讨论。电压差δv根据电池特性，正常会被设置为低级故障报警，中级降功率故障报警，高级切断故障报警。若电池为三元材料，电压差δv低级故障报警值为200mv左右，中级降功率故障报警300mv左右，高级切断故障报警值为500-800mv。若电池为磷酸铁锂电池，电压差δv低级故障报警值为150mv左右，中级降功率故障报警250mv左右，高级切断故障报警值为400-500mv。以上只是参考值，具体电池生产商会有不同的电池电压差值，为了说明本发明，采用磷酸铁锂电池作为说明对象，很明显地三元材料电池同样使用本发明。详见图3。
47.磷酸铁锂电池系统进入放电工作模式后，若电池管理系统bms检测到电压差中级降功率故障报警250mv(这里举实例，并不局限于该值)，假设为x2排电压值最小，压差δv≥250mv，且为首次出现该故障，bms记录该故障，等下次放电，即第二次放电，当放电到soc≤50％时，关闭所有均衡继电器j1-j12，一直放电到soc≤10％时，电池管理系统bms切断所有接触器，停止电流输出
48.继续地，比较压差选出需更换的电池，方法为：测量x2行5#、6#、7#、8#电芯单体电压，得到v5、v6、v7、v8共4个电压值，(v5+v6+v7+v8)
÷
4＝vp，vp为4个电芯电压平均值，挑出最小的电芯电压，假设最小值为v6，vp-v6＝vx；若vx≥150mv，视为情况一，若vx《150mv，视为情况二，很明显地150mv是参考值，不同型号电池会有差异，本发明不局限于该电压值。
49.情况一：当vx≥150mv，可认为电芯6#容量与同行的5#、7#、8#容量相比差别太大，需要更换；若已准备有相同容量的正常电芯，采用方法k，具体做法为：调整该待换电芯电压等于vp，可直接更换6#电芯，换上后，重新启动电池系统，保证所有继电器接触器都吸合，此时人工操作补电设备，给x2行并联电芯一起补电，使电压升到该电池系统此时所有单体电池的平均值，然后拆除补电设备，维修完成，可进行正常充放电使用；若没有相同容量电芯，而且短时间内还不具备更换电芯的条件，但是还要继续使用该电池系统，可采取方法e，具体做法为：拔掉k2接触器控制插头，拔掉y2列所有电芯两侧的均衡继电器j1、j2、j5、j6、j9、j10控制插头，这样就把有问题的y2列从电池系统里隔离了，然后，上电使bms控制所有没拔掉的接触器、继电器吸合，人工操作补电设备，给x2行并联在一起的剩余电芯一起补电，使电压升高到该电池系统此时所有单体电池电压的平均值，然后拆除补电设备，维修完成，
bms可进行适当的调整容量或其它限制手段继续使用电池系统。若采取方法e时，发现刚好是y1列有问题，即该列为检测线连接的列，那么把bms检测线按对应位置拆换到其它列上即可，其它操作方法不变。可参考图4.
50.情况二：当vx《150mv，可分为三种状态，状态一：100mv≤vx《150mv，状态二：50mv≤vx《100mv，状态三：vx《50mv。
51.状态1：100mv≤vx《150mv，从第二次放电开始，电池系统可正常充放电，充放电时，所有的均衡继电器断开，即j1-j12断开，让电芯独立工作暴露自身问题，第一接触器k1、k2、k3、k4和负接触器工作时吸合；等30天结束后该电池系统放电到电池电量soc≤10％时,断开所有接触器，若v
x
≥150mv，则按s3中的方法执行；若v
x
《150mv，重新启动电池系统，保证所有继电器接触器都吸合，此时人工操作补电设备，给x2行并联电芯一起补电，使电压升到该电池系统此时所有单体电池的平均值，然后拆除补电设备，维修完成，可进行正常充放电使用
52.状态2：50mv≤vx《100mv，从第二次放电开始，电池系统可正常充放电，充放电时，所有的均衡继电器断开，即j1-j12断开，让电芯独立工作暴露自身问题，第一接触器k1、k2、k3、k4和负接触器工作时吸合；等40天结束后该电池系统放电到电池电量soc≤10％时,断开所有接触器，若v
x
≥150mv，则按s3中的方法执行；若v
x
《150mv，重新启动电池系统，保证所有继电器接触器都吸合，此时人工操作补电设备，给x2行并联电芯一起补电，使电压升到该电池系统此时所有单体电池的平均值，然后拆除补电设备，维修完成，可进行正常充放电使用
53.状态3：vx《50mv，从第二次放电开始，电池系统可正常充放电，充放电时，所有的均衡继电器断开，即j1-j12断开，让电芯独立工作暴露自身问题，第一接触器k1、k2、k3、k4和负接触器工作时吸合；等50天结束后该电池系统放电到电池电量soc≤10％时,断开所有接触器，若v
x
≥150mv，则按s3中的方法执行；若v
x
《150mv，重新启动电池系统，保证所有继电器接触器都吸合，此时人工操作补电设备，给x2行并联电芯一起补电，使电压升到该电池系统此时所有单体电池的平均值，然后拆除补电设备，维修完成，可进行正常充放电使用。
54.需要说明的是，该方法和系统采用的是实例的详细介绍，该发明并不局限于电池系统具体行的电芯数量多少和列的电芯数量多少；压差值也不局限与具体数值；接触器，继电器的控制不局限于人工或电池管理系统bms控制；该发明也不局限于应用在重卡(包含换电版)，储能等领域范围。
55.最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。