一种整电池包梯次利用备用电源装置及控制方法研究.docx

摘?要：

随着我国新能源汽车产业的迅猛发展，动力电池将迎来大规模退役潮。当前商用车领域整车动力电池系统大都采用多只电芯直接组装成电池包的形式，退役后通过一定的改造可实现梯次利用。鉴于此，设计了一种整电池包梯次利用备用电源装置，由动力电池和集成式高压盒组成，其中集成式高压盒包含双向直流电压变换模块（DC/DC）、电池管理系统（BMS）以及充放电控制模块，通过BMS与双向DC/DC协同控制，可在市电有电状态下给动力电池补电，市电无电情况下通过双向DC/DC模块给负载供电，实现对整电池包的直接梯次利用。

关键词：

梯次利用；电池管理系统；双向DC/DC

0?引言

商用车动力电池在6～8年时因容量衰减等问题不能持续满足车辆实际运营而退役，退役时其可用容量一般不会超过70%，可梯次利用，应用于如备用电源等其他应用场景，从而实现动力电池全生命周期内最大化利用的目标。

随着我国新能源汽车产业的迅猛发展，动力电池将迎来大规模退役潮。据统计，2020年动力电池回收量将近25GW·h，而到2024年动力电池回收量将接近130GW·h。实现退役电池的梯次利用迫在眉睫。

当前商用车领域整车动力电池系统大都采用多只电芯直接组装成电池包的形式。因电芯体积和重量较大，在装配成包时一般采用打胶固定模式；梯次利用时，传统方式为拆开电池包将电芯拆下进行筛选后再重新配组利用，因拆解成本高，此类方式经济性不强，不利于推动行业发展。

本文设计了一种不拆解电芯，整电池包可直接梯次利用的装置，由动力电池及集成式高压盒组成，其中集成式高压盒包含双向DC/DC模块、BMS以及充放电控制模块，通过BMS与双向DC/DC协同控制，可在市电有电状态下给动力电池补电，市电无电情况下通过双向DC/DC模块给负载供电，实现对整电池包的直接梯次利用，提升动力电池资源利用的效率。

1?系统原理方案

商用车动力电池在6～8年时因容量衰减等问题不能持续满足车辆实际运营而退役，退役时其可用容量一般不会超过70%，可梯次利用，应用于如备用电源等其他应用场景，从而实现动力电池全生命周期内最大化利用的目标。

整个系统的供电方式：市电正常的情况下，由市电经AC/DC模块给负载供电；市电断电情况下，由动力电池系统高压经双向DC/DC模块转换成低压给负载供电。

整电池包由单个或多个整电池包并联接入集成式高压盒，整电池包由若干个磷酸铁锂电芯串联组成，整电池包内配置电池监控单元（CSC），负责电芯电压和温度采集，集成式高压盒内配置继电器、电流传感器、BMS主板等，负责电池系统充放电控制、均衡控制、过流、过压、过温、短路保护等。

集成式高压盒中的双向DC/DC模块是实现整电池包直接梯次利用的关键部件，目前市面上大部分整电池包单相电压分布区间为70～200V，而通信基站AC/DC侧电压范围一般为43.2～57.6V，整电池包电压与通信基站AC/DC侧电压无法直接进行匹配。本文通过双向DC/DC模块可将整电池包电压与通信基站AC/DC侧电压进行匹配，即在市电断电情况下将整电池包侧的高压转换成通信基站负载侧所需供电电压，同时在市电有电的情况下，又可将基站AC/DC侧电压转换成整电池包电压对其进行补电，以此来实现整电池包不拆解重组而直接梯次利用。

本文双向DC/DC电路采用变压器隔离设计，前级是一个双重交错的BUCK/BOOST电路，后级是双向全桥LLC电路，拓扑图如图2所示。

双向DC/DC工作模式：（1）当整电池包给通信基站负载供电时，电路实现降压功能，前级电路工作在BOOST状态，把整电池包电压升到某一电压值，此设计源于整电池包规格较多，电压范围较宽，为了统型考虑，统一将整电池包侧电压升到某一电压，后级双向全桥LLC电路把中间电压隔离变换到通信基站负载所需电压，实现给通信基站负载供电的功能；（2）当通信基站AC/DC侧给整电池包进行反向补电时，电路实现升压功能，此时双向全桥LLC电路工作在反向状态，把AC/DC侧电压隔离变换到中间电压，BUCK/BOOST电路工作在BUCK状态，即降压工作，把中间电压降至整电池包充电所需电压，实现对整电池包的补电。

2?软件策略设计

2.1?系统工作模式设计

差动保护是线路保护中选择性、灵敏性、速动性比较高的一种主保护，它对于线路两侧的数据要求很高，否则电流采样产生误差，会导致误动作，因此差动保护的核心问题是数据同步。目前，数据同步方法有采样数据修正法、采样时刻调整法、采样时钟校准法、采样序号调整法、外部同步信号法、基于参考向量同步法、基于故障信号同步法等。

整个系统黑启动流程如下：人工闭合低压断路器开关，启动DC24V模块供电，BMS发送电池状态给双向DC/DC，双向DC/DC收到BMS发送的电池状态为正常后，闭合预充继电器，预充成功后闭合主继电器，完成黑启动。