一种整电池包梯次利用备用电源装置及控制方法研究

姚超 姜良兴

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

中图分类号：TM912  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2023）11-0042-04

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

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[1]。据统计，2020年动力电池回收量将近25 GW·h，而到2024年動力电池回收量将接近130 GW·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[2-3]。

1    系统原理方案

商用车动力电池系统由动力电池和集成式高压盒构成，其中集成式高压盒具备充放电控制以及双向直流电压变换功能。系统电气框图如图1所示。

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70～200 V，而通信基站AC/DC侧电压范围一般为43.2～57.6 V，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[4]，前级是一个双重交错的BUCK/BOOST电路[5]，后级是双向全桥LLC电路[6-7]，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DC24 V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。

双向DC/DC黑启动完成进入热备工作状态：双向DC/DC待机状态时仍输出直流电压，此电压跟随基站原AC/DC输出电压，但双向DC/DC为锁止状态，无充放电电流流过；当市电断电，双向DC/DC可立即跟随负载大小输出电流，保障负载不间断供电。

热备工作状态下有如下六种工作模式：（1）静置模式：静置模式下，双向DC/DC输出电压跟随低压48 V母线电压，双向DC/DC处于待机状态，此时负载由市电经AC/DC模块供电，整电池包电池处于待机状态。若交流侧停电，双向DC/DC实时输出电流给负载供电。（2）充电模式：双向DC/DC处于待机状态，BMS判断电芯电压、温度在可充电范围内，满足充电条件时发送请求充电及充电电流、电压需求报文给双向DC/DC，双向DC/DC根据此指令输出电流给动力电池，不超过BMS请求充电电流值。当BMS判断满足充电停止条件时，发送当前允许充电电流、电压为0，并将充电请求状态置0。充电完成后整电池包和双向DC/DC进入静置模式。（3）间歇式补电模式：系统处于静置状态，直至容量衰减至满足充电条件时，进入充电模式。（4）主动放电模式：此模式用于实现整电池包自维护功能，即在市电正常情况下，BMS定期发送主动放电请求指令，双向DC/DC收到此指令后根据负载情况、AC/DC电源情况输出电流给负载，输出电流值不能超过BMS发送的当前最大允许放电电流值；当BMS将主动放电请求指令清零时，若市电仍正常，则双向DC/DC切换成静置模式或给整电池包充电模式（若收到BMS请求充电指令），若市电断电，则切换成放电模式。（5）被动放电模式：整电池包处于模式（1）（2）（3）（4）中任意一种时，如市电停电或母线电压异常，双向DC/DC立即输出电流给负载，至整电池包达到放电截止条件，BMS将放电允许状态标识位置0，当前允许放电电流置0、电池状态指令为异常发送给双向DC/DC，双向DC/DC检测到母线电压异常且BMS发送放电允许状态位为0且电池状态为异常后，双向DC/DC断开主继电器，进入休眠状态。当双向DC/DC检测到母线电压正常后发送母线电压正常报文给BMS，BMS判断母线电压为正常以及自身状态正常后，发送电池状态正常指令给双向DC/DC，双向DC/DC收到BMS发送的电池状态为正常后，闭合预充，预充成功后闭合主继电器，进入静置模式。（6）休眠模式：当断开主继电器，触发整电池包欠压保护后，BMS控制断开低电量保护短路器QF1，此模式需人工合上低压断路器开关，重新进入黑启动流程。

2.2    系统上下电流程设计

整个系统由BMS与双向DC/DC模块通过CAN通信方式控制系统所处工作模式，并按照工作模式对整电池包执行充电或放电等动作。整个系统上下电流程图如图3所示。

3    结语

本文从电气设计及控制策略设计着手，介绍了对整电池包的梯次利用，能实现整电池包不拆解、直接进行梯次利用；解决梯次动力电池定期自动维护问题，不需要人工定期检测动力电池充放电能力；可远程实时监控动力电池状态，分析电池健康状态并进行安全预警；实现了对退役电池资源利用的最大化。

[参考文献]

[1] 李震彪，黎宇科.我国新能源汽车动力蓄电池退役量预测[J].资源再生，2018（9）：34-36.

[2] 刘颖琦，李苏秀，张雷，等.梯次利用动力电池储能的特点及应用展望[J].科技管理研究，2017，37（1）：59-65.

[3] 周笔，秦训鹏，赵璐.新能源汽车动力蓄电池梯次利用研究进展[J].表面工程与再制造，2018，18（3）：17-22.

[4] 童亦斌，吴崓，金新民，等.双向DC/DC变换器的拓扑研究[J].中国电机工程学报，2007，27（13）：81-86.

[5] 肖华锋，谢少军.用于光伏并网的交错型双管Buck-Boost变换器[J].中国电机工程学报，2010，30（21）：7-12.

[6] 武琳，张燕枝，李子欣，等.一种隔离式双向全桥DC/DC变换器的控制策略[J].电机与控制学报，2012，16（12）：21-27.

[7] 马棡，瞿文龙，刘圆圆，等.一种隔离型双向软开关DC/DC变换器[J].清华大学学报（自然科学版），2006（10）：1657-1660.

收稿日期：2023-03-17

作者简介：姚超（1990—），男，湖南长沙人，能源动力专业博士，助理工程师，研究方向：电力电子与电力传动、特种车辆电驱动系统与先进控制技术。

姜良兴（1993—），男，湖南平江人，机械工程专业硕士，工程师，研究方向：电驱动传动系统开发。