一种动力电池装置的制作方法

1.本实用新型涉及仪器监测技术领域。尤其涉及一种动力电池装置。


背景技术：

2.动力电池簇并连组数过多后，由于各电池性能参数不完全相同，所以在经过长时间使用后，内阻值会出现较大差值，导致各电池电动势不同。在此时，电动势大的电池簇会对电动势小的电池簇放电。在并联的电池簇间形成环流。环流不但会造成损耗，还会影响动力电池的使用寿命。
3.现有技术中，通常采用电池簇串联二极管的方式来遏制环流，但该方法容易造成电流分配不均衡。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型提供了一种动力电池装置，旨在解决电流分配不均衡的技术问题。
5.本实用新型实施例的第一方面提供了一种动力电池装置，包括：
6.bms模块以及至少两个并联连接的电池模块；所述bms模块与各个电池模块连接；各个电池模块的正极端与负极端构成所述动力电池装置的正极端与负极端；
7.所述电池模块包括电池簇、配电单元、单向直流转换单元；所述电池簇的正极端通过所述配电单元的放电通路与所述单向直流转换单元的输入端连接，所述单向直流转换单元的输出端构成所述动力电池装置的正极端；所述电池簇的正极端还通过所述配电单元的充电通路与所述动力电池装置的正极端连接，所述电池簇的负极端构成所述动力电池装置的负极端；所述bms模块分别与所述电池簇的两端、所述配电单元的放电通路、所述配电单元的充电通路、所述单向直流转换单元的控制端连接。
8.在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：
9.直流充电模块；
10.所述直流充电模块与各个电池模块并联连接。
11.在一种可能的实现方式中，所述配电单元的充电通路上设置有充电二极管和第一接触器；
12.所述充电二极管的正极端通过所述第一接触器与所述动力电池装置的正极端连接，所述充电二极管的负极端与所述电池簇的正极端连接；
13.所述第一接触器还与所述bms模块连接。
14.在一种可能的实现方式中，所述配电单元的放电通路上设置有第二接触器和保险丝；
15.所述电池簇的正极端通过所述保险丝与所述第二接触器的一端连接，所述第二接触器的另一端构成所述动力电池的正极端；
16.所述配电单元的放电通路上还设置有第三接触器和预充电阻；
17.所述第三接触器和所述预充电阻串联连接后与所述第二接触器并联连接；
18.所述第二接触器和所述第三接触器还分别与所述bms模块连接。
19.在一种可能的实现方式中，所述配电单元还包括负极通路；
20.所述电池簇的负极端与所述负极通路的一端连接，所述负极通路的另一端构成所述动力电池装置的负极端；
21.所述负极通路上设置有霍尔传感器、第四接触器；
22.所述电池簇的负极端通过所述第四接触器与所述霍尔传感器的一端连接，所述霍尔传感器的另一端构成所述动力电池的负极端；
23.所述霍尔传感器与所述第四接触器还分别与所述bms模块连接。
24.在一种可能的实现方式中，所述bms模块包括一级主控bms、至少两个二级主控bms、至少四个三级主控bms；
25.所述一级主控bms与各个二级主控bms连接；每个二级主控bms与两个三级主控bms连接；每个二级主控bms对应的两个三级主控bms分别连接在一个电池簇的正极端和负极端；每个二级主控bms还与一个配电单元的放电通路和充电通路相连；每个二级主控bms还与所述单向直流转换单元的控制端连接。
26.在一种可能的实现方式中，所述单向直流转换单元包括第一电容、第二电容、至少一个电感、至少一个晶体管和至少一个二极管；
27.所述第一电容和所述第二电容均与所述电池簇并联连接；
28.所述至少一个电感、至少一个晶体管、至少一个二极管一一对应；
29.对于相互对应的一组电感、晶体管、二极管，所述电感的一端连接所述电池簇的正极端，所述电感的另一端分别连接所述晶体管的集电极和所述二极管的输入端；所述二极管的输出端构成所述单向直流转换单元的输出端；所述晶体管的发射极与所述电池簇的负极端连接，所述晶体管的栅极与所述二级主控bms连接。
30.在一种可能的实现方式中，所述配电单元还设置有加热通路和散热通路；
31.所述加热通路包括第五接触器；所述散热通路包括第六接触器；所述加热通路的输入端和所述散热通路的输入端分别与所述一级主控bms连接；所述第五接触器和所述第六接触器分别与所述一级主控bms连接；所述加热通路的输出端与所述加热器连接；所述散热通路的输出端与所述散热器连接。
32.本实用新型与现有技术相比存在的有益效果是：
33.本实用新型实施例提供的一种动力电池装置包括：bms模块以及至少两个并联连接的电池模块；电池模块包括电池簇、配电单元、单向直流转换单元；电池簇的正极端通过配电单元的放电通路与单向直流转换单元的输入端连接，单向直流转换单元的输出端构成动力电池装置的正极端；电池簇的正极端还通过配电单元的充电通路与动力电池装置的正极端连接，电池簇的负极端构成动力电池装置的负极端；bms模块分别与电池簇的两端、配电单元的放电通路、配电单元的充电通路、单向直流转换单元的控制端连接。bms模块能够根据监测的电池簇的运行数据调整单向直流转换单元，以使各电池模块的放电电流相同，以解决电流分配不均衡的问题。
附图说明
34.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1是本实用新型的一个实施例提供的动力电池装置的结构示意图；
36.图2是本实用新型的另一个实施例提供的动力电池装置的结构示意图；
37.图3是本实用新型的一个实施例提供的配电单元的电路结构示意图；
38.图4是本实用新型的一个实施例提供的单向直流转换单元的电路结构示意图；
39.图5是电池模块的结构示意图；
40.图6是电池模块的俯视图和左视图；
41.图7是动力电池装置的平面示意图。
具体实施方式
42.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本实用新型实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本实用新型。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本实用新型的描述。
43.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
44.目前在航空航天，船舶动力电池等大容量，高倍率放电的设计需求下，对动力电池的性能需求越来越严格。但由于对各电池进行并联时，容易产生环流，影响电池的使用寿命。现有技术中，一般采用串联两个二极管或者串联双向直流转换器的方式来消除环流。串联二极管虽然可以有效遏制环流，但无法解决因电池内阻变化造成的电流分配不均衡的问题。双向直流转换器虽然可以解决环流和电流分配不均衡的问题，但其成本高昂、体积大，并且所需要的控制策略比较复杂，不便于实际应用。
45.本实用新型提供了一种动力电池装置，通过设置单向直流转换器，能够有效的解决环流问和电流分配不均衡的问题，并且具有成本低、体积小、控制策略简单等优点。
46.图1是本实用新型的一个实施例提供的动力电池装置的结构示意图。如图1所示，动力电池装置，包括：bms模块11以及至少两个并联连接的电池模块12；bms模块11与各个电池模块12连接；各个电池模块12的正极端与负极端构成动力电池装置的正极端与负极端。
47.本实施例中，bms(battery management system,电池管理系统)模块用于监测各个电池模块的运行数据，并根据运行数据对各个电池模块的放电电流或充电电流进行控制。
48.电池模块12包括电池簇13、配电单元14、单向直流转换单元15；电池簇13的正极端通过配电单元14的放电通路与单向直流转换单元15的输入端连接，单向直流转换单元15的输出端构成动力电池装置的正极端；电池簇13的正极端还通过配电单元14的充电通路与动力电池装置的正极端连接，电池簇13的负极端构成动力电池装置的负极端；bms模块11分别与电池簇13的两端、配电单元14的放电通路、配电单元14的充电通路、单向直流转换单元15
的控制端连接。
49.本实施例中，bms模块具体用于监测电池簇的运行数据、控制配电单元放电通路/充电通路的导通/断开、控制单向直流转换单元以调整各个电池簇的放电电流。电池簇可以是多个电池的任意排列组合成的单元。单向直流转换单元15可以根据bms模块监测的电池簇的运行数据来调整各电池簇的放电电流。各电池簇的运行数据可以包括但不限于下述至少一项：电压、电流、温度、soc(state of charge，充电状态)、sop(state of power，功率状态)、soh(state of health，健康状态)，在此不作限定。
50.本实施例中，动力电池装置包括：bms模块11以及至少两个并联连接的电池模块12；bms模块11与各个电池模块12连接；各个电池模块12的正极端与负极端构成动力电池装置的正极端与负极端。电池模块12包括电池簇13、配电单元14、单向直流转换单元15；电池簇13的正极端通过配电单元14的放电通路与单向直流转换单元15的输入端连接，单向直流转换单元15的输出端构成动力电池装置的正极端；电池簇13的正极端还通过配电单元14的充电通路与动力电池装置的正极端连接，电池簇13的负极端构成动力电池装置的负极端；bms模块11分别与电池簇13的两端、配电单元14的放电通路、配电单元14的充电通路、单向直流转换单元15的控制端连接。bms模块能够根据监测的电池簇的运行数据调整单向直流转换单元，以使各电池模块的放电电流相同，以解决电流分配不均衡的问题。
51.图2是本实用新型的另一个实施例提供的动力电池装置的结构示意图.如图2所示，在一些实施例中，在上述任一实施例的基础上，动力电池装置还包括：直流充电模块。直流充电模块与各个电池模块12并联连接。
52.本实施例中，直流充电模块可以是高压直流充电机或电源稳压器。高压直流充电机可以根据实际需求设定相应的充电电流或充电电压或充电功率，在此不作限定。高压直流充电机用于接收外部输入的直流电或交流电，并对外部输入的直流电或交流电进行转换后，将转换得到的直流电输入至各个电池模块12。
53.本实施例中，动力电池装置还包括：动力线束。动力线束用于连接各单元，以完成大电流传输。动力线束可以是性能相当的铜排或铝排，其规格可以根据电压电流需求进行定制。
54.在一些实施例中，在上述任一实施例的基础上，bms模块11包括一级主控bms、至少两个二级主控bms、至少四个三级主控bms；
55.一级主控bms与各个二级主控bms连接；每个二级主控bms与两个三级主控bms连接；每个二级主控bms对应的两个三级主控bms分别连接在一个电池簇13的正极端和负极端；每个二级主控bms还与一个配电单元14的放电通路和充电通路相连；每个二级主控bms还与单向直流转换单元15的控制端连接。
56.本实施例中，三级主控bms用于采集其对应的电池簇的运行数据并上报给其对应的二级主控bms。二级主控bms用于接收其对应的两个三级主控bms上报的运行数据并将其上报给一级主控bms。一级主控bms用于根据电池簇的运行数据向各个二级主控bms发送控制指令，各个二级主控用于根据控制指令控制其对应的配电单元的放电通路/充电通路的导通/断开、还用于通过控制其对应单向直流转换单元以调整其对应的电池簇的放电电流。
57.本实施例中，一级主控bms、二级主控bms、三级主控bms之间采用光纤传输的通讯架构。能够有效避免大电流放电产生的共模干扰，提高bms模块11的可靠性。并且，通过光纤
信号传输报警信息，传输速率可达千兆级别，bms模块11的响应速率更快。
58.本实施例中，可选的，bms模块11还包括上位机和通讯模块。上位机通过通讯模块与一级主控bms连接。上位机用于接收一级主控bms上报的各个电池模块的运行数据。在一级主控bms监测的各电池簇运行数据存在异常数据时，一级主控bms控制二级主控bms切断异常数据对应的电池模块，并向上位机发生报警信号。
59.本实施例中，bms模块11具体具有以下特点：1.支持组端电压电流同步采集功能。2.支持电力故障录波功能。3.支持4路动力连接器温度采集功能(b+\b-\p+\p-)。4.支持最大8gb电池数据存储功能，满足30天以上信息存储，秒级存储周期。5.支持两路百兆以太网，方便相邻电池簇间级联。6.支持3路完全隔离的can2.0b总线接口。7.支持3路完全隔离的rs485接口。8.支持最多10路di和10路do。9.支持脉冲形acc输入信号。10.支持bootloader升级，可通过网口或can总线在线进行应用程序升级。11.支持soc/soh自学习功能。12.支持最多512节电芯数据处理，通过以太网或can总线将数据实时上报给上位机。13.支持最高1500v组端电压采集，最快更新速率为每秒10次，支持2路霍尔或1路分流器组端电流采集，最快更新速率为每秒10次。
60.图3是本实用新型的一个实施例提供的配电单元的电路结构示意图。如图3所示，在一些实施例中，在上述任一实施例的基础上，配电单元14的充电通路上设置有充电二极管和第一接触器；
61.充电二极管的正极端通过第一接触器与动力电池装置的正极端连接，充电二极管的负极端与电池簇13的正极端连接。第一接触器还与bms模块11连接。
62.本实施例中，第一接触器与bms模块11中的二级主控bms连接；二级主控bms具体用于通过第一接触器的闭合/断开来控制所述充电通路的导通/断开。
63.本实施例中，通过设置充电二极管，能够有效遏制充电过程中的环流，延长电池的使用寿命。
64.在一些实施例中，在上述任一实施例的基础上，配电单元14的放电通路上设置有第二接触器和保险丝；
65.电池簇13的正极端通过保险丝与第二接触器的一端连接，第二接触器的另一端构成动力电池的正极端；
66.配电单元14的放电通路上还设置有第三接触器和预充电阻；
67.第三接触器和预充电阻串联连接后与第二接触器并联连接；
68.第二接触器与第三接触器还分别与bms模块11连接。
69.本实施例中，保险丝用于对电池模块进行短路保护。第二接触器与第三接触器分别与bms模块11中的二级主控bms连接；二级主控bms具体用于通过第二接触器和第三接触器的闭合/断开来控制放电通路的导通/断开。预充电阻和第三接触器组成预充电路，预充电路用于在动力电池放电前对单向直流转换单元中的电容器进行预充。
70.在一些实施例中，在上述任一实施例的基础上，配电单元14还包括负极通路；
71.电池簇13的负极端与负极通路的一端连接，负极通路的另一端构成动力电池装置的负极端；
72.负极通路上设置有霍尔传感器、第四接触器；
73.电池簇13的负极端通过第四接触器与霍尔传感器的一端连接，霍尔传感器的另一
端构成动力电池的负极端；
74.霍尔传感器与bms模块11连接；
75.第四接触器还与bms模块11连接。
76.本实施例中，第四接触器与bms模块11中的二级主控bms连接。bms模块具体用于通过第四接触器的闭合/断开来控制放电通路的导通/断开。
77.在一些实施例中，在上述任一实施例的基础上，配电单元14还设置有加热通路和散热通路；
78.加热通路包括第五接触器；散热通路包括第六接触器；加热通路的输入端和散热通路的输入端分别与一级主控bms连接；第五接触器和第六接触器分别与一级主控bms连接；加热通路的输出端与加热器连接；散热通路的输出端与散热器连接。
79.本实施例中，加热通路在接收到加热输入信号并且第五接触器闭合时，加热器对电池模块加热。散热通路在接收到散热输入信号并且第六接触器闭合时，散热器对电池模块散热。
80.本实施例中，配电单元为集成电源输出、单向防环流充电功能以及加热和散热功能的定制化配电箱。
81.图4是本实用新型的一个实施例提供的单向直流转换单元的电路结构示意图。如图4所示，在一些实施例中，在上述任一实施例的基础上，单向直流转换单元15包括第一电容、第二电容、至少一个电感、至少一个晶体管和至少一个二极管；
82.第一电容和第二电容均与电池簇13并联连接；
83.至少一个电感、至少一个晶体管、至少一个二极管一一对应；
84.对于相互对应的一组电感、晶体管、二极管，电感的一端连接电池簇13的正极端，电感的另一端分别连接晶体管的集电极和二极管的输入端；二极管的输出端构成单向直流转换单元15的输出端；晶体管的发射极与电池簇13的负极端连接，晶体管的栅极与二级主控bms连接。
85.本实施例中，单向直流转换单元单向放电电流可调，反向电流隔离。单向直流转换单元通过在转换器内部增加单向截至二极管的方式来实现并联放电时的环流问题，同时单向直流转换单元通过pwm调制可以根据不同电池簇的内阻情况来设定合适的相同的放电电流。
86.本实施例中，通过调节单向直流转换单元，能够使各电池模块具有相同的放电电流，不但可以有效遏制环流，还能使各电池模块放电均衡，提高各电池模块的使用寿命。
87.图5是电池模块的结构示意图。如图5所示，在一些实施例中，在上述任一实施例的基础上，电池模块中，每个电池簇包含15个48v标准模组，电池模组下方布置有直流转换器以及高压配电箱，外部为带有散热孔的定制箱体。每个标准模组由多个电芯组成。
88.本实施例中，通过使用符合人体安全电压的48v标准模组，可以提高动力电池装置在安装过程中的安全性。并且，可以根据实际需求设定标准模组的数量以改变电池簇的电压。
89.本实施例中，所用电芯为轻量化电芯，具体结构如下：
90.正极采用高镍三元材料，负极采用硅碳材料，正极浆料配方：导电剂sp(3.5％)、导电剂cnt(1.5％)、粘结剂：2％、分散剂(0.5％)，5um正极集流体以及4um负极集流。
91.本实施例中，通过使用5um正极集流体以及4um负极集流体可以降低电芯重量，使用此种浆料以及集流体可以控制电芯的重量小于280g，且满足放电倍率要求。
92.本实施例中，通过高容量材料体系，优化正极浆料配方，增加活性物质在电解液中的占比，采用更薄的铜箔铝箔，减少集流体所占比例，降低电芯重量，减少电解液的数量，提高电池比、能量等手段，能够提高电芯高倍率放电特性以及轻量化特性。
93.图6是电池模块的俯视图和左视图。图6仅是对电池模块结构的一种示例性说明，并不作为限定。
94.图7是动力电池装置的平面示意图。动力电池装置可以包括多个电池模块。如图7所示，示例性的，可以将三个电池模块作为一组，共20个电池模块，组成动力电池装置。动力电池装置还可以包括配电柜和消防柜。
95.本实用新型提供了一种动力电池装置，通过设置单向直流转换器，能够有效的解决环流问和电流分配不均衡的问题，并且具有成本低、体积小、控制策略简单等优点。
96.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
97.在本实用新型所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
98.作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
99.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包括在本实用新型的保护范围之内。