一种多簇并联电池系统及其安全管理方法技术方案

本发明专利技术涉及一种多簇并联电池系统及其安全管理方法，针对多簇并联电池系统，通过优化多簇并联电池系统架构，根据多簇并联的电池阵列，配置就地分层的电池管理系统，结合簇继电器、带电动操作机构的直流断路器的保护特性，实现多层次的电池安全保护，避免由于外部环境或者部分设备控制失效导致的电池安全问题。针对管理方法，为弥补单一维度判断电芯故障的缺点，设计多维度故障判别方法，综合评估电池的安全状态，执行不同的安全管理策略。

A multi cluster parallel battery system and its safety management method

【技术实现步骤摘要】
一种多簇并联电池系统及其安全管理方法
本专利技术涉及电池能源系统
，具体涉及一种多簇并联电池系统及其安全管理方法。
技术介绍
随着锂离子电池性能的提升、成本的下降，锂离子电池在电动航空、电力储能、电动汽车等领域获得了越来越广泛的应用。单个锂离子电池由于电压平台低、能量有限等原因在大规模电池系统中很难单独使用，一般使用过程中都是采用成千上万个单体电池通过串联、并联或混联的方式连接而成，满足不同的应用需求。多簇并联电池系统可以方便的实现大容量电池系统的设计需求，满足更高安全冗余需求，在电力储能、电动航空、电动大巴等场景下获得了广泛的应用。由于锂离子电池较为活跃的性质，当其处于各类滥用状态时极易发生热失控而导致火灾等安全事故。近年来无论是电动交通还是电力储能领域，锂离子电池火灾爆炸事故频发。导致锂离子电池系统热失控的原因有机械滥用（碰撞、挤压等）、电滥用（过充、过放等）、热滥用（过热等）等，其中电池系统的过充、过放一直是导致电池系统出现安全事故的一个重要原因。多簇并联电池系统包含两簇及以上的并联电池组及其电池管理系统。目前电池系统过充、过放的安全控制策略，仅仅通过电池管理系统的通讯接口逐级传递故障信息到电池充放电设备，充放电设备收到故障信息，停机来避免过充、过放，由于该方式的通讯信息在逐级传递过程，很容易受到环境影响而失效，充放电设备不能正常关闭而导致电池出现过充、过放。考虑到通讯、环流、电池不一致性、复杂环境等因素，为使得多簇并联电池系统获得更高安全保障，需要开发新的安全控制方法。另外目前关于电池安全的判断方法，采用单一参数或者参数的实时信息进行判断，例如通过判别温度超限来确定热失控，通过判别单体电压超上限来判别过充，但是电芯特征十分复杂，单靠一个维度很难准确描述电池的安全状态，需要综合考虑不同的电池参数、电池参数的历史信息以及参数的变化信息，才能确保故障判别的有效性。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出一种多簇并联电池系统及其安全管理方法，该电池系统及安全管理方法能够在电池系统出现故障时，及时采取保护措施。本专利技术的目的通过如下的技术方案来实现：一种多簇并联电池系统，该多簇并联电池系统包括电池阵列管理单元、带电动操作机构的直流断路器以及电池阵列；所述的电池阵列管理单元与外部的电池充放电设备通过通讯接口和硬线干接点进行连接，与所述的带电动操作机构的直流断路器通过硬线干接点连接，实现电池充放电的安全管理；电池阵列包括N个并联的电池簇和N个电池簇管理单元、若干个簇继电器，N≥2；每个电池簇由一定数量的电池模块串联组成，每个电池模块由一定数量的电池串联组成，每个电池模块包括一个电池管理单元，用于采集电池的电压、电压变化速率、温度及温度变化速率；每个电池簇配置一个电池簇管理单元和至少一个簇继电器，所述的电池簇管理单元管理其对应的电池簇，通过硬线干接点和其对应的簇继电器连接，通过通讯接口与所述的电池阵列管理单元连接，通过硬线或逻辑连接的方式与所述的带电动操作机构的直流断路器相连，电池簇管理单元采集本簇电池的充放电电流及电流变化速率，根据本簇电池的安全状态执行对本簇电池的安全管理，以及根据本簇电池的状态控制带电动操作机构的直流断路器的关断，保护电池系统。进一步地，所述的电池阵列管理单元与电池充放电设备连接的通讯接口选自CAN、RS-485或者以太网接口中的任意一种；所述的电池簇管理单元与电池阵列管理单元连接的通讯接口为CAN，且所有电池簇管理单元与电池阵列管理单元连接在同一CAN总线上。进一步地，所述的电池阵列管理单元和电池簇管理单元采用直流电源供电，且采用同一公共地连接，所述的直流电源的供电电压范围为9~36V。进一步地，所述的电池簇管理单元和所述的带电动操作机构的直流断路器的硬线或逻辑连接具体为:每个电池簇管理单元有一个同类的硬线干接点接口，干接点的正端连接到各自电池簇管理单元的直流电源正极，干接点负端连接在一起与所述的电动操作机构的分闸驱动线圈正端相连，所述的电动操作机构的分闸驱动线圈负端与直流电源的公共地相连；任一电池簇管理单元的干接点闭合，均可实现所述的电动操作机构的分闸驱动线圈正端的高压驱动，满足高压硬线或逻辑的控制。一种基于时序控制的多级安全管理方法，该方法基于多维故障判别方法，遵循严格的时序控制，采用多级分层的方式实现安全管理，具体步骤如下：当多维故障判别方法识别出电池本体安全异常时，判断电池系统处于电池本体安全异常状态，电池簇管理单元通过硬线或逻辑直接关断带电动操作机构的直流断路器，并通过硬线干接点断开本簇电池的簇继电器，执行电池系统的实时安全保护；当多维故障判别方法识别出电池运行异常状态时，执行如下步骤：步骤一：累积故障成熟时间，同时电池阵列管理单元通过软件通讯的方式，通知电池充放电设备停止充放电；步骤二：当步骤一无法正常保护时，则电池阵列管理单元通过硬线干接点的方式通知电池充放电设备停机，避免电池充放电过程中的过充过放问题；步骤三：当步骤二无法正常保护且故障发生时间超过t1时，电池阵列管理单元对直流断路器进行断开控制，保护电池系统安全，t1取值为1~5s；步骤四：当步骤三无法正常保护时，在步骤三延迟t1的基础上再延迟t2时间，电池簇管理单元通过硬线或逻辑，对直流断路器进行断开控制，保护电池系统安全，t2取值为0.5~5s；步骤五：当步骤四无法正常保护时，在步骤四延迟t2的基础上再延时t3时间，电池簇管理单元控制本簇的电池簇继电器进行断开控制，保护本簇电池的安全，t3取值为0.1~3s。进一步地，所述的多维故障判别方法具体为采集和计算多维度参数进行综合判断和分级，具体如下：（1）构建电池安全函数S=f(V，ΔV，T，ΔT，I，ΔI，Δt)，其中S代表电池安全状态，取0表示安全、1表示电池运行异常、2表示电池本体安全异常；V是电池电压，ΔV电池电压变化量，T电池测量温度，ΔT电池测量温度变化量，I电池簇电流，ΔI是电池簇电流变化量，Δt是时间间隔；（2）当满足如下任意一个条件时，判定S=2，电池处于本体安全异常状态；（a）V超出安全电压范围Vmin*(1-δ%)~Vmax*(1+δ%)，并持续3*Δt时间；（b）V在安全电压范围内，电池簇充放电电流I≤0.1C，此时在任意连续的3*Δt时间内电池电压变化量ΔV≥V*30%，且电池温度变化速率ΔT/Δt≥1℃/s，持续3秒以上；（c）V在安全电压范围内，电池簇充放电电流I>0.1C，但是电流变化ΔI≤0.1C且持续时间超过2s，此时电池电压在3*Δt时间内变化量ΔVt比上个3*Δt时间内的电压变化量ΔVt-1还大V*30%的跳变，即ΔVt≥ΔVt-1+V*30%，且ΔT/Δt≥1℃/s，持续3s以上；（d）V在安全电压范围内，此时电池温度T＞Tmax，且电池温度变化速率ΔT/Δt≥1℃/s，持续3秒以上；其中，Vmin和Vmax分别为电池正常工作范围的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多簇并联电池系统，其特征在于，该多簇并联电池系统包括电池阵列管理单元、带电动操作机构的直流断路器以及电池阵列；/n所述的电池阵列管理单元与外部的电池充放电设备通过通讯接口和硬线干接点进行连接，与所述的带电动操作机构的直流断路器通过硬线干接点连接，实现电池充放电的安全管理；/n电池阵列包括N个并联的电池簇和N个电池簇管理单元、若干个簇继电器，N≥2；/n每个电池簇由一定数量的电池模块串联组成，每个电池模块由一定数量的电池串联组成，每个电池模块包括一个电池管理单元，用于采集电池的电压、电压变化速率、温度及温度变化速率；每个电池簇配置一个电池簇管理单元和至少一个簇继电器，所述的电池簇管理单元管理其对应的电池簇，通过硬线干接点和其对应的簇继电器连接，通过通讯接口与所述的电池阵列管理单元连接，通过硬线或逻辑连接的方式与所述的带电动操作机构的直流断路器相连，电池簇管理单元采集本簇电池的充放电电流及电流变化速率，根据本簇电池的安全状态执行对本簇电池的安全管理，以及根据本簇电池的状态控制带电动操作机构的直流断路器的关断，保护电池系统。/n

【技术特征摘要】
1.一种多簇并联电池系统，其特征在于，该多簇并联电池系统包括电池阵列管理单元、带电动操作机构的直流断路器以及电池阵列；
所述的电池阵列管理单元与外部的电池充放电设备通过通讯接口和硬线干接点进行连接，与所述的带电动操作机构的直流断路器通过硬线干接点连接，实现电池充放电的安全管理；
电池阵列包括N个并联的电池簇和N个电池簇管理单元、若干个簇继电器，N≥2；
每个电池簇由一定数量的电池模块串联组成，每个电池模块由一定数量的电池串联组成，每个电池模块包括一个电池管理单元，用于采集电池的电压、电压变化速率、温度及温度变化速率；每个电池簇配置一个电池簇管理单元和至少一个簇继电器，所述的电池簇管理单元管理其对应的电池簇，通过硬线干接点和其对应的簇继电器连接，通过通讯接口与所述的电池阵列管理单元连接，通过硬线或逻辑连接的方式与所述的带电动操作机构的直流断路器相连，电池簇管理单元采集本簇电池的充放电电流及电流变化速率，根据本簇电池的安全状态执行对本簇电池的安全管理，以及根据本簇电池的状态控制带电动操作机构的直流断路器的关断，保护电池系统。


2.根据权利要求1所述的多簇并联电池系统，其特征在于，所述的电池阵列管理单元与电池充放电设备连接的通讯接口选自CAN、RS-485或者以太网接口中的任意一种；所述的电池簇管理单元与电池阵列管理单元连接的通讯接口为CAN，且所有电池簇管理单元与电池阵列管理单元连接在同一CAN总线上。


3.根据权利要求1所述的多簇并联电池系统，其特征在于，所述的电池阵列管理单元和电池簇管理单元采用直流电源供电，且采用同一公共地连接，所述的直流电源的供电电压范围为9~36V。


4.根据权利要求3所述的多簇并联电池系统，其特征在于，所述的电池簇管理单元和所述的带电动操作机构的直流断路器的硬线或逻辑连接具体为：每个电池簇管理单元有一个同类的硬线干接点接口，干接点的正端连接到各自电池簇管理单元的直流电源正极，干接点负端连接在一起与所述的电动操作机构的分闸驱动线圈正端相连，所述的电动操作机构的分闸驱动线圈负端与直流电源的公共地相连；任一电池簇管理单元的干接点闭合，均可实现所述的电动操作机构的分闸驱动线圈正端的高压驱动，满足高压硬线或逻辑的控制。


5.一种基于时序控制的多级安全管理方法，其特征在于，该方法基于多维故障判别方法，遵循严格的时序控制，采用多级分层的方式实现安全管理，具体步骤如下：
当多维故障判别方法识别出电池本体安全异常时，判断电池系统处于电池本体安全异常状态，电池簇管理单元通过硬线或逻辑直接断开带电动操作机构的直流断路器，并通过硬线干接点断开本簇电池的簇继电器，执行电池系统的实时...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱运征，孙景宝，成利波，谢安桓，张丹，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：浙江;33