一种锂电池控制装置及控制方法与流程

1.本发明实施例涉及可充电电池技术，尤其涉及一种锂电池控制装置及控制方法。


背景技术：

2.固态锂电池技术是一种先进的电池技术，与普遍使用的液态锂电池不同，固态锂电池使用固体电极和固体电解质。相对于液态锂电池，固态锂电池的优点是安全性好，能量密度高，其能量密度能达到液态电池的三倍以上。但是目前的固态锂电池还有一些短板，比如功率性能差、循环寿命短等问题。在一些领域的应用中，要求锂电池同时具备较高的能量密度和功率密度，单纯使用一种类型的锂电池很难同时满足高能量和高功率的要求。
3.因此，目前普遍将固态电池和液态电池混合使用，组成的电池组同时具备液态电池高功率特性和固态电池高能量的特性。
4.但上述方案组成的电池组存在着一些问题，由于两类电池其性能参数有较大差异，如电压范围、充放电倍率等性能均不一样。例如液态三元锂电池单体电压范围一般为2.7v-4.2v，常温循环寿命可达1500次，额定放电倍率3-5c；目前固态锂电池单体电压范围一般为2.5v-4.7v，循环寿命一般为500次左右，额定放电倍率1-2c，直接并联使用容易导致电池电压不匹配和电池寿命缩短。


技术实现要素：

5.本发明提供一种锂电池控制装置及控制方法，以解决液态锂电池和固态锂电池一起使用时，电池电压不匹配和电池寿命缩短的问题。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种锂电池控制装置，其中包括：
7.液态锂电池回路、固态锂电池回路以及控制部；液态锂电池回路和固态锂电池回路并联；
8.液态锂电池回路包括液态锂电池组和第一控制开关；液态锂电池组和第一控制开关串联；
9.固态锂电池回路包括固态锂电池组、第二控制开关和限流电阻；固态锂电池组、第二控制开关和限流电阻串联；固态锂电池回路还包括第三控制开关；第二控制开关以及限流电阻与第三控制开关并联；
10.电压传感器；电压传感器用于获取液态锂电池组的当前电压值以及固态锂电池组的当前电压值；
11.控制部用于响应于放电指令或充电指令，并根据液态锂电池组的当前电压值以及固态锂电池组的当前电压值，控制第一控制开关、第二控制开关和第三控制开关的通断。
12.可选地，还包括单体电池均衡器；电压传感器还用于获取液态锂电池组的各单体电池的当前电压，以及固态锂电池组的各单体电池的当前电压；单体电池均衡器用于在放电过程中控制液态锂电池组的各单体电池的电压差小于第一阈值，控制固态锂电池组的各单体电池的电压差小于第二阈值。
13.可选地，还包括电流传感器，电流传感器用于检测液态锂电池回路的电流值和/或固态锂电池回路的电流值并传输到控制部；控制部根据液态锂电池回路的电流值和/或固态锂电池回路的电流值控制第一控制开关、第二控制开关和第三控制开关的通断。
14.可选地，电压传感器还用于获取锂电池控制装置的输出电压并传输至控制部；控制部用于在输出电压超出阈值电压范围时进行报警，和/或控制第一控制开关、第二控制开关和第三控制开关的通断。
15.可选地，还包括开关状态传感器，开关状态传感器用于检测第一控制开关、第二控制开关或第三控制开关的开关状态并发送到控制部，控制部用于当第一控制开关、第二控制开关或第三控制开关的控制状态与开关状态传感器感知的状态不一致时进行报警。
16.第二方面，本发明实施例还提供了一种锂电池控制方法，适用于上述装置任一项的锂电池控制装置，方法包括：
17.获取放电指令或充电指令；
18.获取液态锂电池组的当前电压值以及固态锂电池组的当前电压值；
19.响应于放电指令或充电指令，并根据液态锂电池组的当前电压值以及固态锂电池组的当前电压值，控制所述第一控制开关、第二控制开关和第三控制开关的通断。
20.可选地，响应于放电指令或充电指令，并根据液态锂电池组的当前电压值以及固态锂电池组的当前电压值，控制所述第一控制开关、第二控制开关和第三控制开关的通断，包括：
21.响应于放电指令，判断液态锂电池组的当前电压值与固态锂电池组的当前电压值的大小关系；
22.若液态锂电池组的当前电压值小于等于固态锂电池组的当前电压值，则控制第一控制开关以及第二控制开关导通，第三控制开关断开；
23.若液态锂电池组的当前电压值大于固态锂电池组的当前电压值，则控制第二控制开关以及第三控制开关断开，第一控制开关导通。
24.可选地，在放电过程中还包括：
25.若液态锂电池组的当前电压值小于液态锂电池组放电截止电压，或者固态锂电池组的当前电压值小于固态锂电池组放电截止电压，则控制第一控制开关、第二控制开关以及第三控制开关断开。
26.可选地，响应于放电指令或充电指令，并根据液态锂电池组的当前电压值以及固态锂电池组的当前电压值，控制所述第一控制开关、第二控制开关和第三控制开关的通断，包括：
27.响应于充电指令，判断液态锂电池组的当前电压值与固态锂电池组的当前电压值的差值绝对值是否小于等于预设阈值；
28.若是，则控制第一控制开关以及第三控制开关导通，控制第二控制开关断开；否则，判断液态锂电池组的当前电压值是否大于固态锂电池组的当前电压值；
29.若是，则控制第一控制开关以及第二控制开关关断，控制第三控制开关导通；否则，则控制第二控制开关以及第三控制关断，控制第一控制开关导通。
30.可选地，在充电过程中还包括：
31.若液态锂电池组的当前电压值达到液态锂电池组额定电压，则控制第一控制开关
断开；
32.或者，若固态锂电池组的当前电压值达到固态锂电池组额定电压，则控制第三控制开关断开。
33.本发明实施例通过在固态锂电池回路放电时串联限流电阻，以降低固态锂电池放电电流，承担固态锂电池组与液态锂电池组间的电压差。进而限制固态锂电池组的放电深度，减少固态锂电池组的循环次数。使得固态锂电池组使用寿命与液态锂电池组使用寿命相接近。控制部能够通过控制第一控制开关、第二控制开关和第三控制开关，使锂电池控制装置在充放电状态间切换。且本装置能够根据电压传感器得到的固态锂电池组和液态锂电池组的当前电压值，以确定固态锂电池组和液态锂电池组的充放电状态，进而控制第一控制开关、第二控制开关和第三控制开关打开或关断，保护本装置。
附图说明
34.图1为本发明实施例提供的一种锂电池控制装置的总体结构示意图；
35.图2为本发明实施例提供的一种锂电池控制方法的总体流程示意图；
36.图3为本发明实施例提供的一种锂电池控制方法的部分流程示意图；
37.附图说明：
38.1-液态锂电池组，2-固态锂电池组，3-电流传感器，4-第一控制开关，5-第二控制开关，6-第三控制开关，7-限流电阻，8-液态锂电池回路，9-固态锂电池回路
具体实施方式
39.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
40.本发明实施例提供了一种锂电池控制装置，图1为本发明实施例提供的一种锂电池控制装置的结构示意图，参见图1，锂电池控制装置包括，液态锂电池回路8、固态锂电池回路9以及控制部(图中未示出)；液态锂电池回路8和固态锂电池回路9并联；液态锂电池回路8包括液态锂电池组1和第一控制开关4；液态锂电池组1和第一控制开关4串联；固态锂电池回路9包括固态锂电池组2、第二控制开关5和限流电阻7；固态锂电池组2、第二控制开关5和限流电阻7串联；固态锂电池回路9还包括第三控制开关6；第二控制开关5以及限流电阻7与第三控制开关6并联；电压传感器(图中未示出)；电压传感器用于获取液态锂电池组1的当前电压值以及固态锂电池组2的当前电压值；控制部用于响应于放电指令或充电指令，并根据液态锂电池组1的当前电压值以及固态锂电池组2的当前电压值，控制第一控制开关4、第二控制开关5和第三控制开关6的通断。
41.其中，液态锂电池组1和固态锂电池组2都可以包括单体电池，单体电池间可以是串联连接的，可以是并联连接的，也可以是串并混联的。第一控制开关4、第二控制开关5和第三控制开关6都是用于控制其所在电路导通或断开的器件，例如可以是继电器、mos管和igbt管等，本发明实施例不对上述控制开关的具体器件类型进行限定。
42.限流电阻7是用于限制固态锂电池回路9电流的电阻，其可以是定值电阻，也可以是变值电阻。其阻值可以根据实际应用场景的需要来确定。限流电阻7为变值电阻时，其可
以是正温度系数电阻(ptc电阻)。流经正温度系数电阻的电流较高时，正温度系数电阻产生较多热量，导致正温度系数电阻阻值升高。由于电压一定时，电路流经的电流和电路的电阻成反比，因此流经正温度系数电阻的电流会降低，形成固态锂电池回路9电流的负反馈调节，得到较小且稳定的固态锂电池回路9电流。限流电阻7还可以是上述器件以外的其他器件，其具体方案将在下文进行详细阐述。
43.限流电阻7通过增加固态锂电池回路9总电阻的方式，减小了固态锂电池回路9的输出电流，进而减小了固态锂电池组2的放电深度，延缓了固态锂电池组2的衰减速度，使固态锂电池组2具备与液态锂电池组1基本相同的使用寿命。
44.电压传感器是用于获取液态锂电池组1和固态锂电池组2的当前电压值的装置，例如可以是通过测量液态锂电池组1和固态锂电池组2的输出端口电压来确定液态锂电池组1和固态锂电池组2当前电压值的装置，也可以是通过测量液态锂电池组1和固态锂电池组2的单体电池电压，并进行计算以得到液态锂电池组1和固态锂电池组2当前电压值的装置。本发明实施例不对其具体类型、工作原理和型号进行限定。
45.控制部是用于根据放电指令或充电指令，以及液态锂电池组1的当前电压值和固态锂电池组2的当前电压值，控制第一控制开关4、第二控制开关5和第三控制开关6通断的装置。凡是可以具有上述功能的装置，都可以作为本发明实施例中的控制部，例如可以是电池管理系统。控制部的控制逻辑可以是多种多样的，下面将对其中一种进行介绍：控制部接收到放电指令时，获取液态锂电池组1的当前电压值和固态锂电池组2的当前电压值，当上述电压值都处于放电电压范围时，控制部控制第一控制开关4和第二控制开关5闭合；控制部接收到充电指令时，获取液态锂电池组1的当前电压值和固态锂电池组2的当前电压值，当上述电压值都处于充电电压范围时，控制部控制第一控制开关4和第三控制开关6闭合。其中放电电压范围和充电电压范围都可以根据实际需求确定。
46.在另一些实施例中，锂电池控制装置还包括单体电池均衡器(图中未示出)；电压传感器还用于获取液态锂电池组1的各单体电池的当前电压，以及固态锂电池组2的各单体电池的当前电压；单体电池均衡器用于在放电过程中控制液态锂电池组1的各单体电池的电压差小于第一阈值，控制固态锂电池组2的各单体电池的电压差小于第二阈值。
47.其中，单体电池均衡器是用于将每组单体电池间的电压控制在一定范围内的装置，具有上述功能的装置皆可以作为单体电池均衡器，本发明实施例不对其具体类型、型号和工作方式进行限定。为使说明简洁，下面将以固态锂电池组2为例，对其中一种单体电池均衡器及其工作原理进行说明。
48.单体电池均衡器可以是负载消耗性均衡器。负载消耗性均衡器是在每一个单体电池上并联一个由放电电阻和控制开关串联而成的电路，负载消耗性均衡器的控制开关可由单体电池均衡器或控制部进行控制。其工作原理是，控制部确定电压传感器采集到的单体电池中的最低电压，并在最低电压的基础上加第二阈值以得到最高正常电压。确认电压超出最高正常电压的单体电池，闭合上述单体电池的控制开关以放电，直到单体电池电压达到最高正常电压，断开控制开关停止放电。其中第二阈值可以根据实际需求进行设定。负载消耗性均衡器具有结构简单，控制逻辑简单的特点，尤其适合单体电池较多的固态锂电池组2或液态锂电池组1。
49.在另一些实施例中，锂电池控制装置还包括电流传感器3，电流传感器3用于检测
液态锂电池回路8的电流值和/或固态锂电池回路9的电流值并传输到控制部；控制部根据液态锂电池回路8的电流值和/或固态锂电池回路9的电流值控制第一控制开关4、第二控制开关5和第三控制开关6的通断。
50.其中，电流传感器3是用于检测液态锂电池回路8的电流值和/或固态锂电池回路9的电流值并传输到控制部的装置，电流传感器3的类型多种多样，例如电子式电流互感器和电磁式电流互感器等，本发明实施例不对其工作原理或具体型号进行限定。电流传感器3的工作原理可以是，在放电过程中，检测液态锂电池回路8的电流值和/或固态锂电池回路9的电流值，当液态锂电池回路8的电流值和/或固态锂电池回路9的电流值超过预设的报警阈值时，控制部进行报警，并请求与本装置连接的外部控制装置降低输出功率；当液态锂电池回路8的电流值和/或固态锂电池回路9的电流值在一定时间内均超过预设的断开阈值时，由控制部断开电流值超过预设的断开阈值的电池回路，进行强制断电。充电过程中，电流传感器3检测到液态锂电池回路8的电流值和/或固态锂电池回路9的电流值超过报警阈值时，控制部通过外部通讯接口发出报警指令，请求与本装置连接的外部控制装置降低充电功率；当液态锂电池回路8的电流值和/或固态锂电池回路9的电流值超过预设的断开阈值时，由控制部断开电流值超过预设的断开阈值的电池回路，进行强制断电。其中，充电和放电过程中的报警阈值和断开阈值可以根据实际需要进行设定。由此可见，电流传感器3提高了本装置的安全性。
51.在此基础上，限流电阻7还可以是数字电位器，所述数字电位器可以有控制部控制，根据固态锂电池回路9的电流大小改变阻值，数字电位器阻值与固态锂电池回路9电流大小的映射关系可以根据实际应用场景决定。
52.在另一些实施例中，锂电池控制装置的电压传感器还用于获取锂电池控制装置的输出电压并传输至控制部；控制部用于在输出电压超出阈值电压范围时进行报警，和/或控制第一控制开关4、第二控制开关5和第三控制开关6的通断。
53.其中，电压传感器还可以获取锂电池控制装置的输出电压，电压传感器可以是通过直接检测本装置输出端电压以得到本装置输出电压，也可以是通过检测获取液态锂电池组1中的单体电池电压，并进行计算以得到本装置输出电压。其计算方式需要根据实际使用时，单体电池间的连接关系以确定。在放电状态下，当输出电压低于阈值电压范围的最低放电电压或高于阈值电压范围的最高放电电压时，控制部可以通过通讯端口向与本装置相连接的外部控制装置进行报警。控制部还可以断开输出电压低于阈值电压范围的最低放电电压或高于阈值电压范围的最高放电电压的回路，或者通过断开第一控制开关4、第二控制开关5和第三控制开关6以断开全部回路，保证装置安全。其中，阈值电压范围的最低放电电压和最高放电电压可以根据实际需要确定。
54.在另一些实施例中，锂电池控制装置还包括开关状态传感器(图中未示出)，开关状态传感器用于检测第一控制开关4、第二控制开关5或第三控制开关6的开关状态并发送到控制部，控制部用于当第一控制开关4、第二控制开关5或第三控制开关6的控制状态与开关状态传感器感知的状态不一致时进行报警。
55.其中，开关状态传感器是用于检测第一控制开关4、第二控制开关5或第三控制开关6的开关状态的传感器，本发明实施例不对其结构进行限定，在控制开关为继电器时，开关状态传感器可以是继电器中的反馈装置，由继电器反馈装置的辅助触点将继电器的开关
状态传递给控制部，由控制部检测继电器的开关状态是否与发出指令的开关状态一致；在控制开关为mos管或者igbt管时，可以在源极和漏极两端设置电压检测装置作为开关状态的传感器，并由控制部比对源极和漏极两端的电压是否一致。如果一致则控制开关为正常状态，如果不一致则控制开关为异常状态。如果为异常状态，控制部通过通讯端口向与本装置相连接的外部控制装置进行报警。由此可以确认本装置实际状态，及时报警，尽早消除隐患。
56.在另一些实施例中，锂电池控制装置还包括单体电池温度传感器(图中未示出)，单体电池温度传感器是用于检测液态锂电池组1和/或固态锂电池组2的单体电池温度的传感器，能够将采集到的温度信息传送到控制部，当单体电池中存在当前温度高于报警温度阈值的单体电池时，控制部向与本装置相连接的外部控制装置报警，当单体电池中存在当前温度高于断电温度阈值的单体电池时，控制部控制第一控制开关4、第二控制开关5和第三控制开关6断开。其中，报警温度阈值和断电温度阈值可以根据实际应用场景确定。
57.在另一些实施例中，锂电池控制装置还包括绝缘监测模块(图中未示出)，其可以是任何现有模块，例如jyjc-32、jyjc-64或im-32ea等，也可以是现有电池管理系统的附属功能模块。绝缘监测模块能够实时监测锂电池控制装置母线的绝缘情况，当锂电池控制装置母线的绝缘电阻低于预设绝缘电阻时，控制部向与本装置相连接的外部控制装置报警。其中预设绝缘电阻可以根据实际使用场景确定。
58.另一方面，本发明实施例公开了一种锂电池控制方法，适用于上述任一种锂电池控制装置，图2为本发明实施例提供的一种锂电池控制方法的总体流程示意图；参见图2，方法包括：
59.s110：获取放电指令或充电指令；
60.s120：获取液态锂电池组1的当前电压值以及固态锂电池组2的当前电压值；
61.s130：响应于放电指令或充电指令，并根据液态锂电池组1的当前电压值以及固态锂电池组2的当前电压值，控制第一控制开关4、第二控制开关5和第三控制开关6的通断。
62.其中，放电指令或充电指令可以是由与本装置相连接的外部控制装置提供的。响应于放电指令或充电指令，并根据液态锂电池组1的当前电压值以及固态锂电池组2的当前电压值，控制所述第一控制开关4、第二控制开关5和第三控制开关6的通断的方法可以有多种，其中一种是，根据获取的放电指令，闭合第一控制开关4和第二控制开关5；根据获取的充电指令，闭合第一控制开关4和第三控制开关6。这种控制方式简单，能够减少控制部的运算压力。
63.在另一些实施例中，响应于放电指令或充电指令，并根据液态锂电池组1的当前电压值以及固态锂电池组2的当前电压值，控制第一控制开关4、第二控制开关5和第三控制开关6的通断，包括：
64.响应于放电指令，判断液态锂电池组1的当前电压值与固态锂电池组2的当前电压值的大小关系；
65.若液态锂电池组1的当前电压值小于等于固态锂电池组2的当前电压值，则控制第一控制开关4以及第二控制开关5导通，第三控制开关6断开；
66.若液态锂电池组1的当前电压值大于固态锂电池组2的当前电压值，则控制第二控制开关5以及第三控制开关6断开，第一控制开关4导通。
67.本发明实施例可以在液态锂电池组1的当前电压值大于固态锂电池组2的当前电压值这种状态下，断开固态锂电池回路9的控制开关，直到液态锂电池组1的当前电压值等于固态锂电池组2的当前电压值。避免液态锂电池组1电流向固态锂电池组2倒灌，进而避免了固态锂电池组2增加充放电循环次数，导致固态锂电池组2寿命降低。
68.在另一些实施例中，在放电过程中还包括：
69.若液态锂电池组1的当前电压值小于液态锂电池组1放电截止电压，或者固态锂电池组2的当前电压值小于固态锂电池组2放电截止电压，则控制第一控制开关4、第二控制开关5以及第三控制开关6断开。
70.本发明实施例可以在固态锂电池组2和液态锂电池组1中任意一组放电完成时，视为本装置放电完成。由于固态锂电池组2放电完成电压一般低于液态锂电池组1放电完成电压，且由于限流电阻7的分压作用，在第一控制开关4和第二控制开关5导通一段时间后，固态锂电池组2当前电压值应高于液态锂电池组1当前电压值，所以一般情况下，液态锂电池组1完成放电时，固态锂电池组2仍有电量。因此本实施例能够更好的降低固态锂电池组2的放电深度，使固态锂电池组2寿命更接近液态锂电池组1寿命。
71.在另一些实施例中，参见图3，响应于放电指令或充电指令，并根据液态锂电池组1的当前电压值以及固态锂电池组2的当前电压值，控制第一控制开关4、第二控制开关5和第三控制开关6的通断，包括：
72.响应于充电指令，判断液态锂电池组1的当前电压值与固态锂电池组2的当前电压值的差值绝对值是否小于等于预设阈值；
73.若是，则控制第一控制开关4以及第三控制开关6导通，控制第二控制开关5断开；否则，判断液态锂电池组1的当前电压值是否大于固态锂电池组2的当前电压值；
74.若是，则控制第一控制开关4以及第二控制开关5关断，控制第三控制开关6导通；否则，则控制第二控制开关5以及第三控制关断，控制第一控制开关4导通。
75.本发明实施例在两电池组电压差过高时，单独为电压低的电池组充电，直到两电池组电压相等，将两电池组并联充电。或者将电压低的电池组充满后，向另一电池组充电。避免了因充电电压过高而损伤电池组。
76.在另一些实施例中，在充电过程中还包括：
77.若液态锂电池组1的当前电压值达到液态锂电池组1额定电压，则控制第一控制开关4断开；
78.或者，若固态锂电池组2的当前电压值达到固态锂电池组2额定电压，则控制第三控制开关6断开。
79.本发明实施例在任一电池组充电完成后，断开对应控制开关。避免了电池组过充，影响电池组寿命。
80.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。