一种紧凑型电池模组分层排布与能量均衡管理系统的制作方法

本发明属于电池储能，具体涉及一种紧凑型电池模组分层排布与能量均衡管理系统。

背景技术：

1、电池储能系统中，电池模组通常由大量电池单体通过串并联组合而成。随着对能量密度要求的不断提高，如何在有限空间内合理排布电池单体以减小模组体积，同时有效管理各单体之间因制造工艺、自放电率、温度梯度等因素导致的能量不一致性，成为需要解决的技术问题。

2、传统的电池模组多采用平面阵列排布或简单的同向堆叠结构，其能量均衡管理系统通常以独立模块的形式置于模组外部，通过大量导线与各单体连接。这种布置方式导致模组内部走线密集复杂，空间利用率不高，且均衡电路与电池单体之间的电气连接容易受到振动和温度变化的影响，长期接触可靠性难以保证。

3、在均衡策略方面，单一的均衡拓扑在处理多层多串电池结构时，能量需要在远离的单体之间来回传送，均衡路径长、损耗大，热损耗集中在少数功率器件上，不利于系统长期稳定运行，也无法快速响应局部的荷电状态差异。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种紧凑型电池模组分层排布与能量均衡管理系统，以解决传统的电池模组内部走线密集复杂，空间利用率不高，且热损耗集中，不利于系统长期稳定运行的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：：

3、一种紧凑型电池模组分层排布与能量均衡管理系统，包括：

4、分层排布的电池模组，该电池模组包括沿高度方向堆叠设置的m个电池层，m≥2，相邻电池层之间设置有绝缘隔板组件，绝缘隔板组件内集成有均衡电路；

5、能量均衡管理系统，该能量均衡管理系统包括：

6、层内均衡模块，该层内均衡模块与各电池层内的电池单体电连接，用于对同一电池层内的电池单体进行能量均衡；

7、层间均衡模块，该层间均衡模块包括均衡电路中的层间均衡电路以及层间能量总线，层间均衡模块与各电池层电连接，用于在不同电池层之间转移能量；

8、控制单元，该控制单元分别与层内均衡模块和层间均衡模块信号连接，用于获取各电池单体的状态参数，并根据状态参数控制层内均衡模块和层间均衡模块的工作状态。

9、作为本发明的进一步方案，每个电池层包括ns个串联连接的电池单体，ns≥2，m个电池层串联连接以形成电池模组的总输出。

10、作为本发明的进一步方案，绝缘隔板组件包括与各电池层对应设置的均衡电路板，均衡电路板上布置有层内均衡模块的至少部分电路元件；绝缘隔板组件的厚度为0.5mm至3mm。

11、作为本发明的进一步方案，绝缘隔板组件内部形成有散热通道，散热通道与外部冷却流体源连通。

12、作为本发明的进一步优选方案，层内均衡模块包括多个均衡单元，每个均衡单元跨接在相邻两个电池单体之间，均衡单元包括开关器件和储能元件，用于在相邻两个电池单体之间进行双向能量转移。

13、作为本发明的进一步方案，均衡单元进行能量转移时的均衡电流范围为0.05c至0.5c，其中c为电池单体的容量倍率。

14、作为本发明的进一步优选方案，层间能量总线为一直流母线，层间均衡模块包括m个隔离型dc/dc变换器，每个隔离型dc/dc变换器的原边与一个电池层的正负极对应连接，副边并联至直流母线。

15、作为本发明的进一步方案，层间均衡模块的额定传输功率被配置为层内均衡模块在一个电池层内总均衡功率的1.5倍至3倍。

16、作为本发明的优选方案，控制单元被配置为执行以下控制逻辑：

17、获取各电池单体的端电压，计算每个电池层内单体之间的最大压差，当任一电池层内的最大压差超过第一阈值时，启动对应电池层的层内均衡模块，直至该电池层内最大压差小于第一阈值；

18、计算各电池层的平均单体电压，当不同电池层平均单体电压的最大偏差超过第二阈值时，启动层间均衡模块，在平均单体电压最高的电池层与平均单体电压最低的电池层之间进行能量转移，直至最大偏差小于第二阈值。

19、作为本发明的进一步方案，第一阈值的取值范围为10mv至40mv，第二阈值的取值范围为50mv至200mv。

20、相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

21、本发明中电池单体以分层堆叠方式排布，相邻层单体在水平方向上错位布置，上层单体部分嵌入下层单体间隙之中，有效利用了圆柱形电池外形产生的自然凹陷空间，在高度方向上压缩了模组总体尺寸，同时层间咬合增强了模组整体结构刚度，减少了对附加定位件的需求，提升了体积能量密度。

22、绝缘隔板组件将电气绝缘、结构支撑、均衡电路集成和散热通道融为一体，省去了外置均衡模块及其连接线束所占用的空间，使模组内部结构更加紧凑。均衡电路紧邻电池单体布置，信号采集和能量转移的路径均大幅缩短，减少了线路压降和电磁干扰。导电弹性触点与单体电极通过压紧力实现弹性接触，免除了大量焊接或螺接工序，装配和拆卸更为便捷，在振动和温度波动工况下也能依靠弹性形变保持接触稳定。

23、分层分级的两级均衡体系在功能上进行了解耦。层内均衡由分布在各隔板中的就近均衡单元承担，能量在紧邻单体间短距离搬移，响应快、损耗低。层间均衡通过隔离型变换器和直流母线进行跨层能量调度，各电池层之间电气隔离，杜绝了层间环流，能量经母线中转后直接作用于偏差最大的两个电池层，无需逐层传递，减少了能量传递级数和变换损耗。层间变换器功率容量按比例高于层内均衡总功率，层间调配不会成为整体均衡速度的限制环节。

24、控制策略优先处理层内微小差异，待各层内部基本一致后再处理层间较大偏差，避免了局部小波动触发全局均衡动作，减少了功率器件的无效开关次数和能量周转损耗。层内均衡启动门槛与层间均衡启动门槛在数值上完全错开，两级判断互不重叠，消除了均衡动作冲突和反复振荡的可能，系统运行平稳，器件使用寿命得以延长。

25、绝缘隔板内部散热通道与边缘热管理组件配合，使冷却流体能直接流经电池层间区域，均衡电路和电池单体产生的热量被就近吸收并快速排走，有效抑制了电芯之间的温度差异，防止因温差加剧电化学参数的不一致，热管理与均衡管理协同工作，共同维持电池模组在电特性和温度上的均匀性。

1.一种紧凑型电池模组分层排布与能量均衡管理系统，其特征在于包括：

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型电池模组分层排布与能量均衡管理系统，其特征在于：每个所述电池层包括ns个串联连接的电池单体，ns≥2，m个所述电池层串联连接以形成电池模组的总输出。

3.根据权利要求2所述的一种紧凑型电池模组分层排布与能量均衡管理系统，其特征在于：所述绝缘隔板组件包括与各所述电池层对应设置的均衡电路板，所述均衡电路板上布置有所述层内均衡模块的至少部分电路元件；所述绝缘隔板组件的厚度为0.5mm至3mm。

4.根据权利要求3所述的一种紧凑型电池模组分层排布与能量均衡管理系统，其特征在于：所述绝缘隔板组件内部形成有散热通道，所述散热通道与外部冷却流体源连通。

5.根据权利要求2所述的一种紧凑型电池模组分层排布与能量均衡管理系统，其特征在于：所述层内均衡模块包括多个均衡单元，每个所述均衡单元跨接在相邻两个电池单体之间，所述均衡单元包括开关器件和储能元件，用于在所述相邻两个电池单体之间进行双向能量转移。

6.根据权利要求5所述的一种紧凑型电池模组分层排布与能量均衡管理系统，其特征在于：所述均衡单元进行能量转移时的均衡电流范围为0.05c至0.5c，其中c为所述电池单体的容量倍率。

7.根据权利要求2所述的一种紧凑型电池模组分层排布与能量均衡管理系统，其特征在于：所述层间能量总线为一直流母线，所述层间均衡模块包括m个隔离型dc/dc变换器，每个所述隔离型dc/dc变换器的原边与一个所述电池层的正负极对应连接，副边并联至所述直流母线。

8.根据权利要求7所述的一种紧凑型电池模组分层排布与能量均衡管理系统，其特征在于：所述层间均衡模块的额定传输功率被配置为所述层内均衡模块在一个所述电池层内总均衡功率的1.5倍至3倍。

9.根据权利要求2至8任一项所述的一种紧凑型电池模组分层排布与能量均衡管理系统，其特征在于：所述控制单元被配置为执行以下控制逻辑：

10.根据权利要求9所述的一种紧凑型电池模组分层排布与能量均衡管理系统，其特征在于：所述第一阈值的取值范围为10mv至40mv，所述第二阈值的取值范围为50mv至200mv。