一種整電池包梯次利用備用電源裝置及控制方法研究

姚超 姜良興

摘要：隨著我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，動(dòng)力電池將迎來大規(guī)模退役潮。當(dāng)前商用車領(lǐng)域整車動(dòng)力電池系統(tǒng)大都采用多只電芯直接組裝成電池包的形式，退役后通過一定的改造可實(shí)現(xiàn)梯次利用。鑒于此，設(shè)計(jì)了一種整電池包梯次利用備用電源裝置，由動(dòng)力電池和集成式高壓盒組成，其中集成式高壓盒包含雙向直流電壓變換模塊（DC/DC）、電池管理系統(tǒng)（BMS）以及充放電控制模塊，通過BMS與雙向DC/DC協(xié)同控制，可在市電有電狀態(tài)下給動(dòng)力電池補(bǔ)電，市電無電情況下通過雙向DC/DC模塊給負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)對(duì)整電池包的直接梯次利用。

關(guān)鍵詞：梯次利用；電池管理系統(tǒng)；雙向DC/DC

中圖分類號(hào)：TM912? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）11-0042-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.011

0? ? 引言

商用車動(dòng)力電池在6～8年時(shí)因容量衰減等問題不能持續(xù)滿足車輛實(shí)際運(yùn)營而退役，退役時(shí)其可用容量一般不會(huì)超過70%，可梯次利用，應(yīng)用于如備用電源等其他應(yīng)用場(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池全生命周期內(nèi)最大化利用的目標(biāo)。

隨著我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，動(dòng)力電池將迎來大規(guī)模退役潮[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年動(dòng)力電池回收量將近25 GW·h，而到2024年動(dòng)力電池回收量將接近130 GW·h。實(shí)現(xiàn)退役電池的梯次利用迫在眉睫。

當(dāng)前商用車領(lǐng)域整車動(dòng)力電池系統(tǒng)大都采用多只電芯直接組裝成電池包的形式。因電芯體積和重量較大，在裝配成包時(shí)一般采用打膠固定模式；梯次利用時(shí)，傳統(tǒng)方式為拆開電池包將電芯拆下進(jìn)行篩選后再重新配組利用，因拆解成本高，此類方式經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)，不利于推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。

本文設(shè)計(jì)了一種不拆解電芯，整電池包可直接梯次利用的裝置，由動(dòng)力電池及集成式高壓盒組成，其中集成式高壓盒包含雙向DC/DC模塊、BMS以及充放電控制模塊，通過BMS與雙向DC/DC協(xié)同控制，可在市電有電狀態(tài)下給動(dòng)力電池補(bǔ)電，市電無電情況下通過雙向DC/DC模塊給負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)對(duì)整電池包的直接梯次利用，提升動(dòng)力電池資源利用的效率[2-3]。

1? ? 系統(tǒng)原理方案

商用車動(dòng)力電池系統(tǒng)由動(dòng)力電池和集成式高壓盒構(gòu)成，其中集成式高壓盒具備充放電控制以及雙向直流電壓變換功能。系統(tǒng)電氣框圖如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)的供電方式：市電正常的情況下，由市電經(jīng)AC/DC模塊給負(fù)載供電；市電斷電情況下，由動(dòng)力電池系統(tǒng)高壓經(jīng)雙向DC/DC模塊轉(zhuǎn)換成低壓給負(fù)載供電。

整電池包由單個(gè)或多個(gè)整電池包并聯(lián)接入集成式高壓盒，整電池包由若干個(gè)磷酸鐵鋰電芯串聯(lián)組成，整電池包內(nèi)配置電池監(jiān)控單元（CSC），負(fù)責(zé)電芯電壓和溫度采集，集成式高壓盒內(nèi)配置繼電器、電流傳感器、BMS主板等，負(fù)責(zé)電池系統(tǒng)充放電控制、均衡控制、過流、過壓、過溫、短路保護(hù)等。

集成式高壓盒中的雙向DC/DC模塊是實(shí)現(xiàn)整電池包直接梯次利用的關(guān)鍵部件，目前市面上大部分整電池包單相電壓分布區(qū)間為70～200 V，而通信基站AC/DC側(cè)電壓范圍一般為43.2～57.6 V，整電池包電壓與通信基站AC/DC側(cè)電壓無法直接進(jìn)行匹配。本文通過雙向DC/DC模塊可將整電池包電壓與通信基站AC/DC側(cè)電壓進(jìn)行匹配，即在市電斷電情況下將整電池包側(cè)的高壓轉(zhuǎn)換成通信基站負(fù)載側(cè)所需供電電壓，同時(shí)在市電有電的情況下，又可將基站AC/DC側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成整電池包電壓對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)電，以此來實(shí)現(xiàn)整電池包不拆解重組而直接梯次利用。

本文雙向DC/DC電路采用變壓器隔離設(shè)計(jì)[4]，前級(jí)是一個(gè)雙重交錯(cuò)的BUCK/BOOST電路[5]，后級(jí)是雙向全橋LLC電路[6-7]，拓?fù)鋱D如圖2所示。

雙向DC/DC工作模式：（1）當(dāng)整電池包給通信基站負(fù)載供電時(shí)，電路實(shí)現(xiàn)降壓功能，前級(jí)電路工作在BOOST狀態(tài)，把整電池包電壓升到某一電壓值，此設(shè)計(jì)源于整電池包規(guī)格較多，電壓范圍較寬，為了統(tǒng)型考慮，統(tǒng)一將整電池包側(cè)電壓升到某一電壓，后級(jí)雙向全橋LLC電路把中間電壓隔離變換到通信基站負(fù)載所需電壓，實(shí)現(xiàn)給通信基站負(fù)載供電的功能。（2）當(dāng)通信基站AC/DC側(cè)給整電池包進(jìn)行反向補(bǔ)電時(shí)，電路實(shí)現(xiàn)升壓功能，此時(shí)雙向全橋LLC電路工作在反向狀態(tài)，把AC/DC側(cè)電壓隔離變換到中間電壓，BUCK/BOOST電路工作在BUCK狀態(tài)，即降壓工作，把中間電壓降至整電池包充電所需電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)整電池包的補(bǔ)電。

2? ? 軟件策略設(shè)計(jì)

2.1? ? 系統(tǒng)工作模式設(shè)計(jì)

差動(dòng)保護(hù)是線路保護(hù)中選擇性、靈敏性、速動(dòng)性比較高的一種主保護(hù)，它對(duì)于線路兩側(cè)的數(shù)據(jù)要求很高，否則電流采樣產(chǎn)生誤差，會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作，因此差動(dòng)保護(hù)的核心問題是數(shù)據(jù)同步。目前，數(shù)據(jù)同步方法有采樣數(shù)據(jù)修正法、采樣時(shí)刻調(diào)整法、采樣時(shí)鐘校準(zhǔn)法、采樣序號(hào)調(diào)整法、外部同步信號(hào)法、基于參考向量同步法、基于故障信號(hào)同步法等。

整個(gè)系統(tǒng)黑啟動(dòng)流程如下：人工閉合低壓斷路器開關(guān)，啟動(dòng)DC24 V模塊供電，BMS發(fā)送電池狀態(tài)給雙向DC/DC，雙向DC/DC收到BMS發(fā)送的電池狀態(tài)為正常后，閉合預(yù)充繼電器，預(yù)充成功后閉合主繼電器，完成黑啟動(dòng)。

雙向DC/DC黑啟動(dòng)完成進(jìn)入熱備工作狀態(tài)：雙向DC/DC待機(jī)狀態(tài)時(shí)仍輸出直流電壓，此電壓跟隨基站原AC/DC輸出電壓，但雙向DC/DC為鎖止?fàn)顟B(tài)，無充放電電流流過；當(dāng)市電斷電，雙向DC/DC可立即跟隨負(fù)載大小輸出電流，保障負(fù)載不間斷供電。

熱備工作狀態(tài)下有如下六種工作模式：（1）靜置模式：靜置模式下，雙向DC/DC輸出電壓跟隨低壓48 V母線電壓，雙向DC/DC處于待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)負(fù)載由市電經(jīng)AC/DC模塊供電，整電池包電池處于待機(jī)狀態(tài)。若交流側(cè)停電，雙向DC/DC實(shí)時(shí)輸出電流給負(fù)載供電。（2）充電模式：雙向DC/DC處于待機(jī)狀態(tài)，BMS判斷電芯電壓、溫度在可充電范圍內(nèi)，滿足充電條件時(shí)發(fā)送請(qǐng)求充電及充電電流、電壓需求報(bào)文給雙向DC/DC，雙向DC/DC根據(jù)此指令輸出電流給動(dòng)力電池，不超過BMS請(qǐng)求充電電流值。當(dāng)BMS判斷滿足充電停止條件時(shí)，發(fā)送當(dāng)前允許充電電流、電壓為0，并將充電請(qǐng)求狀態(tài)置0。充電完成后整電池包和雙向DC/DC進(jìn)入靜置模式。（3）間歇式補(bǔ)電模式：系統(tǒng)處于靜置狀態(tài)，直至容量衰減至滿足充電條件時(shí)，進(jìn)入充電模式。（4）主動(dòng)放電模式：此模式用于實(shí)現(xiàn)整電池包自維護(hù)功能，即在市電正常情況下，BMS定期發(fā)送主動(dòng)放電請(qǐng)求指令，雙向DC/DC收到此指令后根據(jù)負(fù)載情況、AC/DC電源情況輸出電流給負(fù)載，輸出電流值不能超過BMS發(fā)送的當(dāng)前最大允許放電電流值；當(dāng)BMS將主動(dòng)放電請(qǐng)求指令清零時(shí)，若市電仍正常，則雙向DC/DC切換成靜置模式或給整電池包充電模式（若收到BMS請(qǐng)求充電指令），若市電斷電，則切換成放電模式。（5）被動(dòng)放電模式：整電池包處于模式（1）（2）（3）（4）中任意一種時(shí)，如市電停電或母線電壓異常，雙向DC/DC立即輸出電流給負(fù)載，至整電池包達(dá)到放電截止條件，BMS將放電允許狀態(tài)標(biāo)識(shí)位置0，當(dāng)前允許放電電流置0、電池狀態(tài)指令為異常發(fā)送給雙向DC/DC，雙向DC/DC檢測(cè)到母線電壓異常且BMS發(fā)送放電允許狀態(tài)位為0且電池狀態(tài)為異常后，雙向DC/DC斷開主繼電器，進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)雙向DC/DC檢測(cè)到母線電壓正常后發(fā)送母線電壓正常報(bào)文給BMS，BMS判斷母線電壓為正常以及自身狀態(tài)正常后，發(fā)送電池狀態(tài)正常指令給雙向DC/DC，雙向DC/DC收到BMS發(fā)送的電池狀態(tài)為正常后，閉合預(yù)充，預(yù)充成功后閉合主繼電器，進(jìn)入靜置模式。（6）休眠模式：當(dāng)斷開主繼電器，觸發(fā)整電池包欠壓保護(hù)后，BMS控制斷開低電量保護(hù)短路器QF1，此模式需人工合上低壓斷路器開關(guān)，重新進(jìn)入黑啟動(dòng)流程。

2.2? ? 系統(tǒng)上下電流程設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由BMS與雙向DC/DC模塊通過CAN通信方式控制系統(tǒng)所處工作模式，并按照工作模式對(duì)整電池包執(zhí)行充電或放電等動(dòng)作。整個(gè)系統(tǒng)上下電流程圖如圖3所示。

3? ? 結(jié)語

本文從電氣設(shè)計(jì)及控制策略設(shè)計(jì)著手，介紹了對(duì)整電池包的梯次利用，能實(shí)現(xiàn)整電池包不拆解、直接進(jìn)行梯次利用；解決梯次動(dòng)力電池定期自動(dòng)維護(hù)問題，不需要人工定期檢測(cè)動(dòng)力電池充放電能力；可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)力電池狀態(tài)，分析電池健康狀態(tài)并進(jìn)行安全預(yù)警；實(shí)現(xiàn)了對(duì)退役電池資源利用的最大化。

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收稿日期：2023-03-17

作者簡(jiǎn)介：姚超（1990—），男，湖南長沙人，能源動(dòng)力專業(yè)博士，助理工程師，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)、特種車輛電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與先進(jìn)控制技術(shù)。

姜良興（1993—），男，湖南平江人，機(jī)械工程專業(yè)碩士，工程師，研究方向：電驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)。