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業的迅猛發展，動力電池將迎來大規模退役潮。當前商用車領域整車動力電池系統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現梯次利用。鑒于此，設計了一種整電池包梯次利用備用電源裝置，由動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（BMS）以及充放電控制模塊，通過BMS與雙向DC/DC協同控制，可在市電有電狀態下給動力電池補電，市電無電情況下通過雙向DC/DC模塊給負載供電，實現對整電池包的直接梯次利用。

關鍵詞：梯次利用；電池管理系統；雙向DC/DC

中圖分類號：TM912? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0042-04

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

0? ? 引言

商用車動力電池在6～8年時因容量衰減等問題不能持續滿足車輛實際運營而退役，退役時其可用容量一般不會超過70%，可梯次利用，應用于如備用電源等其他應用場景，從而實現動力電池全生命周期內最大化利用的目標。

隨著我國新能源汽車產業的迅猛發展，動力電池將迎來大規模退役潮[1]。據統計，2020年動力電池回收量將近25 GW·h，而到2024年動力電池回收量將接近130 GW·h。實現退役電池的梯次利用迫在眉睫。

當前商用車領域整車動力電池系統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，在裝配成包時一般采用打膠固定模式；梯次利用時，傳統方式為拆開電池包將電芯拆下進行篩選后再重新配組利用，因拆解成本高，此類方式經濟性不強，不利于推動行業發展。

本文設計了一種不拆解電芯，整電池包可直接梯次利用的裝置，由動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協同控制，可在市電有電狀態下給動力電池補電，市電無電情況下通過雙向DC/DC模塊給負載供電，實現對整電池包的直接梯次利用，提升動力電池資源利用的效率[2-3]。

1? ? 系統原理方案

商用車動力電池系統由動力電池和集成式高壓盒構成，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。系統電氣框圖如圖1所示。

整個系統的供電方式：市電正常的情況下，由市電經AC/DC模塊給負載供電；市電斷電情況下，由動力電池系統高壓經雙向DC/DC模塊轉換成低壓給負載供電。

整電池包由單個或多個整電池包并聯接入集成式高壓盒，整電池包由若干個磷酸鐵鋰電芯串聯組成，整電池包內配置電池監控單元（CSC），負責電芯電壓和溫度采集，集成式高壓盒內配置繼電器、電流傳感器、BMS主板等，負責電池系統充放電控制、均衡控制、過流、過壓、過溫、短路保護等。

集成式高壓盒中的雙向DC/DC模塊是實現整電池包直接梯次利用的關鍵部件，目前市面上大部分整電池包單相電壓分布區間為70～200 V，而通信基站AC/DC側電壓范圍一般為43.2～57.6 V，整電池包電壓與通信基站AC/DC側電壓無法直接進行匹配。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側電壓進行匹配，即在市電斷電情況下將整電池包側的高壓轉換成通信基站負載側所需供電電壓，同時在市電有電的情況下，又可將基站AC/DC側電壓轉換成整電池包電壓對其進行補電，以此來實現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計[4]，前級是一個雙重交錯的BUCK/BOOST電路[5]，后級是雙向全橋LLC電路[6-7]，拓撲圖如圖2所示。

雙向DC/DC工作模式：（1）當整電池包給通信基站負載供電時，電路實現降壓功能，前級電路工作在BOOST狀態，把整電池包電壓升到某一電壓值，此設計源于整電池包規格較多，電壓范圍較寬，為了統型考慮，統一將整電池包側電壓升到某一電壓，后級雙向全橋LLC電路把中間電壓隔離變換到通信基站負載所需電壓，實現給通信基站負載供電的功能。（2）當通信基站AC/DC側給整電池包進行反向補電時，電路實現升壓功能，此時雙向全橋LLC電路工作在反向狀態，把AC/DC側電壓隔離變換到中間電壓，BUCK/BOOST電路工作在BUCK狀態，即降壓工作，把中間電壓降至整電池包充電所需電壓，實現對整電池包的補電。

2? ? 軟件策略設計

2.1? ? 系統工作模式設計

差動保護是線路保護中選擇性、靈敏性、速動性比較高的一種主保護，它對于線路兩側的數據要求很高，否則電流采樣產生誤差，會導致誤動作，因此差動保護的核心問題是數據同步。目前，數據同步方法有采樣數據修正法、采樣時刻調整法、采樣時鐘校準法、采樣序號調整法、外部同步信號法、基于參考向量同步法、基于故障信號同步法等。

整個系統黑啟動流程如下：人工閉合低壓斷路器開關，啟動DC24 V模塊供電，BMS發送電池狀態給雙向DC/DC，雙向DC/DC收到BMS發送的電池狀態為正常后，閉合預充繼電器，預充成功后閉合主繼電器，完成黑啟動。

雙向DC/DC黑啟動完成進入熱備工作狀態：雙向DC/DC待機狀態時仍輸出直流電壓，此電壓跟隨基站原AC/DC輸出電壓，但雙向DC/DC為鎖止狀態，無充放電電流流過；當市電斷電，雙向DC/DC可立即跟隨負載大小輸出電流，保障負載不間斷供電。

熱備工作狀態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處于待機狀態，此時負載由市電經AC/DC模塊供電，整電池包電池處于待機狀態。若交流側停電，雙向DC/DC實時輸出電流給負載供電。（2）充電模式：雙向DC/DC處于待機狀態，BMS判斷電芯電壓、溫度在可充電范圍內，滿足充電條件時發送請求充電及充電電流、電壓需求報文給雙向DC/DC，雙向DC/DC根據此指令輸出電流給動力電池，不超過BMS請求充電電流值。當BMS判斷滿足充電停止條件時，發送當前允許充電電流、電壓為0，并將充電請求狀態置0。充電完成后整電池包和雙向DC/DC進入靜置模式。（3）間歇式補電模式：系統處于靜置狀態，直至容量衰減至滿足充電條件時，進入充電模式。（4）主動放電模式：此模式用于實現整電池包自維護功能，即在市電正常情況下，BMS定期發送主動放電請求指令，雙向DC/DC收到此指令后根據負載情況、AC/DC電源情況輸出電流給負載，輸出電流值不能超過BMS發送的當前最大允許放電電流值；當BMS將主動放電請求指令清零時，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請求充電指令），若市電斷電，則切換成放電模式。（5）被動放電模式：整電池包處于模式（1）（2）（3）（4）中任意一種時，如市電停電或母線電壓異常，雙向DC/DC立即輸出電流給負載，至整電池包達到放電截止條件，BMS將放電允許狀態標識位置0，當前允許放電電流置0、電池狀態指令為異常發送給雙向DC/DC，雙向DC/DC檢測到母線電壓異常且BMS發送放電允許狀態位為0且電池狀態為異常后，雙向DC/DC斷開主繼電器，進入休眠狀態。當雙向DC/DC檢測到母線電壓正常后發送母線電壓正常報文給BMS，BMS判斷母線電壓為正常以及自身狀態正常后，發送電池狀態正常指令給雙向DC/DC，雙向DC/DC收到BMS發送的電池狀態為正常后，閉合預充，預充成功后閉合主繼電器，進入靜置模式。（6）休眠模式：當斷開主繼電器，觸發整電池包欠壓保護后，BMS控制斷開低電量保護短路器QF1，此模式需人工合上低壓斷路器開關，重新進入黑啟動流程。

2.2? ? 系統上下電流程設計

整個系統由BMS與雙向DC/DC模塊通過CAN通信方式控制系統所處工作模式，并按照工作模式對整電池包執行充電或放電等動作。整個系統上下電流程圖如圖3所示。

3? ? 結語

本文從電氣設計及控制策略設計著手，介紹了對整電池包的梯次利用，能實現整電池包不拆解、直接進行梯次利用；解決梯次動力電池定期自動維護問題，不需要人工定期檢測動力電池充放電能力；可遠程實時監控動力電池狀態，分析電池健康狀態并進行安全預警；實現了對退役電池資源利用的最大化。

[參考文獻]

[1] 李震彪，黎宇科.我國新能源汽車動力蓄電池退役量預測[J].資源再生，2018（9）：34-36.

[2] 劉穎琦，李蘇秀，張雷，等.梯次利用動力電池儲能的特點及應用展望[J].科技管理研究，2017，37（1）：59-65.

[3] 周筆，秦訓鵬，趙璐.新能源汽車動力蓄電池梯次利用研究進展[J].表面工程與再制造，2018，18（3）：17-22.

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[5] 肖華鋒，謝少軍.用于光伏并網的交錯型雙管Buck-Boost變換器[J].中國電機工程學報，2010，30（21）：7-12.

[6] 武琳，張燕枝，李子欣，等.一種隔離式雙向全橋DC/DC變換器的控制策略[J].電機與控制學報，2012，16（12）：21-27.

[7] 馬棡，瞿文龍，劉圓圓，等.一種隔離型雙向軟開關DC/DC變換器[J].清華大學學報（自然科學版），2006（10）：1657-1660.

收稿日期：2023-03-17

作者簡介：姚超（1990—），男，湖南長沙人，能源動力專業博士，助理工程師，研究方向：電力電子與電力傳動、特種車輛電驅動系統與先進控制技術。

姜良興（1993—），男，湖南平江人，機械工程專業碩士，工程師，研究方向：電驅動傳動系統開發。