一种电池可重构保护和均衡电路及其控制方法

本发明涉及电池储能，特别涉及一种用于实现保护和均衡功能的低损耗电池可重构保护和均衡电路及其工作模式、隔离与保护、均衡控制方法。

背景技术：

1、随着电池技术的不断发展，凭借着高能量密度、稳定的储能特性，电池储能在社会生产生活的各个方面发挥着日益重要的作用。随着新能源发电装机容量的不断增加和智能电网的不断发展，对于储能系统的容量和功能提出了越来越高的要求，而电池储能系统具有无运动部件、对场地无特殊要求、易于扩容、动态特性好的优势，在电网侧调频调峰、用户侧负荷应急保障、可再生能源功率波动平滑等场合的应用日趋广泛。在预备电源、电动交通、电动工具、照明等领域，电池也是其中不可或缺的种要部分。而电池的安全运行也成为电池应用过程中亟需解决的问题。

2、由于单个电池单体的容量和电压较小，无法直接应用。因此，在实际应用场景中，通常根据需要的电压等级和容量，对电池进行串联组成电池模块。通过多个电池单体的串联，能够提高电池模块输出的电压。在实际应用中，通常先将电池单体串联后得到48v、60v、72v等电压等级的标准模块，之后，在需要更高电压时，将标准电池模块串联升压。

3、然而，电池在串联状态下时，若无额外均衡电路并联在电池两端，电池模块内流经各电池的电流时刻相等，由此带来了电池保护与电池均衡两个主要问题。

4、对于电池保护而言，由于电池单体出厂特性及运行状态的不一致，同一电池模块内电池单体的老化与损伤程度也不同，当某个电池单体到达寿命上限或发生故障时，需要将流经该电池单体的电流减小到零，否则正常工作状态下的充放电电流将使得该电池单体的损伤或故障进一步加剧，同时导致电池发热与温度上升，甚至引发相邻电池的故障，造成更严重的事故。然而，对于电池模块而言，一个电芯的退出运行需要将整个串联连接的电池模块一起退出运行，对于高压电池储能应用而言，往往由数百个电芯串联来达到需要的电压等级，此时，单个电芯的故障将导致同一组串内的大量正常电池被迫退出运行；同时，串联的电池数量越多，电池模块内有单个电池发生故障的概率也就越大；因此，电池模块内电池的保护问题大大增加了系统的运行成本，制约了电池储能系统可靠性的提升。

5、而在电池的正常运行过程中，同样由于电池单体出厂特性的不一致，以及运行状态、温度的不同，在实际运行过程中，各个电池单体间将存在容量差异，虽然串联电池组内每个电池流过相同的充放电电流，但各个电池的荷电状态将存在差异。对于一系列串联的电芯，在充电过程中，会存在某一电池电量已充满，而其余电池电量未充满的情况，为了避免对该电池的过充电，其余电芯的电量将无法进一步充满；同样，在放电过程中，会存在某一电池电量已到达最小容许荷电状态，而其余电池仍可进一步放电的情况，此时，为了避免过放电导致的电芯损坏，所有串联的电芯都将停止继续放电。由此可见，电芯性能的不一致，将导致储能系统整体的可用容量受到限制，造成配置容量的浪费，增加储能系统的成本。而为了解决串联电池组内电池荷电状态不一致的问题，往往采用电池筛选和电池均衡两种手段。电池筛选指的是在电池出厂时，对每个电芯的性能进行测试，挑选性能一致的电芯进行串并联组成电池模块。这一过程需要耗费大量的时间成本和人力成本。而电池均衡是在电池形成组串后，通过被动均衡或主动均衡两种方式，使得每个电芯的荷电状态总是保持一致。

6、现有技术中，已有以下一些串联电池组内故障电池保护或串联电池组内电池均衡的方法被提出：

7、公开号为cn112186857a的中国发明专利申请提出了一种串联电池保护电路，通过为每个单节电池串联开关，配合相应的控制与缓冲电路，实现单节故障电池的隔离与保护功能。然而，通过为每节电池串联的开关，意味着在正常运行的电路中串联了大量的开关导通电阻，将在串联电池组正常运行时带来附加的损耗，不适用于串联电池数多、充放电电流大的应用场景。

8、公开号为cn111030265a的中国发明专利申请提出了一种电池组内部单个电池保护电路，通过为每一个电池单体串联一个继电器线圈控制的单刀双掷开关，实现对故障电池单体的旁路与保护功能。然而，大量继电器开关的引入，同样导致了串联电池组正常运行时的电阻损耗随串联电池数量而增加；同时，继电器也无法开断较大的直流电流，这一保护电路同样不适用与串联电池数多、充放电电流大的应用场景。

9、公开号为cn110867921a的中国发明专利申请提出了一种串联电池组内部电池直接均衡方法，通过反激变换器连接需要均衡的电池单体，实现高荷电状态单体与低荷电状态单体间的直接主动均衡。该方法引入了较多的电力电子开关，增加了系统成本，而仅能实现电池均衡功能，功能性较为单一。

10、公开号为cn113224816a的中国发明专利申请提出了一种具有隔离接口、选通网络的串联电池组保护与均衡电路及控制方法，该发明与本发明所提方法类似，但是总开关数量及变换器数量均较多，造成了结构复杂、系统成本高、多开关及变换器导致结构不稳定等问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种低损耗电池可重构保护和均衡电路及其工作模式、隔离与保护、均衡控制方法。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种电池可重构保护和均衡电路，其特征在于，包括：隔离型双向直流变换器、主电路正极开关smp、主电路负极开关smn、主电路正极旁路开关sbp、主电路负极旁路开关sbn、中立电势轨正极开关sip、中立电势轨负极开关sin、正电势轨、负电势轨、中立电势轨、正旁路电势轨、负旁路电势轨、电池模块正端子以及电池模块负端子；其中：

3、所述隔离型双向直流变换器为双端口结构，其第一端口的正端和负端分别连接所述正电势轨和所述负电势轨，其第二端口的正端和负端分别连接至所述正旁路电势轨和所述负旁路电势轨，所述隔离型双向直流变换器内部在第二端口处设有并联电容，通过所述正电势轨、所述负电势轨和/或所述中立电势轨的连接开关对所述电容进行充放电，将电量在电池模块中不同电芯之间进行转移，用于实现电池模块电量主动均衡；

4、所述主电路正极开关smp连接所述电池模块正端子及电池模块内第一个电芯的正极，所述主电路负极开关smn连接所述电池模块负端子及电池模块内最后一个电芯的负极；所述主电路正极旁路开关sbp连接所述电池模块正端子及所述正旁路电势轨，所述主电路负极旁路开关sbn连接所述电池模块负端子及所述负旁路电势轨；所述中立电势轨正极开关sip连接所述中立电势轨及所述正旁路电势轨，所述中立电势轨负极开关sin连接所述中立电势轨及所述负旁路电势轨；

5、所述电池模块正端子和所述电池模块负端子用于实现电池模块与外电路的功率交互；在电池模块内电芯发生故障或损伤时，所述电池模块正端子和所述电池模块负端子与电池模块之间通过所述正电势轨、所述负电势轨和/或所述中立电势轨的连接开关将故障电芯从功率回路中隔离，使故障电芯不再参与充放电，用于实现电池模块保护；而在电池模块正常工作时，仅以所述主电路正极开关smp、所述主电路负极开关smn两个开关将电池模块接入外电路。

6、优选地，当面向包含n个串联电芯的电池模块时，所述正电势轨设有n个连接开关sp1、sp2、…、spn，所述负电势轨设有n个连接开关sn1、sn2、…、snn，所述中立电势轨设有n-1个连接开关si1、si2、…、sin-1；

7、所述连接开关用于电池模块与所述可重构保护和均衡电路之间进行具体连线，进而用于实现电量转移和/或故障电池隔离。

8、优选地，所述正电势轨的连接开关sp1与电池模块中第一个电芯的正端连接，连接开关sp2与电池模块中第二个电芯的正端连接，以此类推，连接开关spn与电池模块中第n个电芯的正端连接；

9、所述负电势轨的连接开关sn1与电池模块中第一个电芯的负端连接，连接开关sn2与电池模块中第二个电芯的负端连接，以此类推，连接开关snn与电池模块中第n个电芯的负端连接；

10、所述中立电势轨的连接开关si1与电池模块中第一个电芯的负端连接，连接开关si2与电池模块中第二个电芯的负端连接，以此类推，连接开关sin-1与电池模块中第n-1个电芯的负端连接。

11、根据本发明的另一个方面，提供了一种上述中任一项所述的电池可重构保护和均衡电路的工作模式控制方法，包括如下任意一项或任意多项工作模式：

12、工作模式a，为正常态工作模式，包括：所述电池可重构保护和均衡电路中的所述主电路正极开关smp与所述主电路负极开关smn导通，所述电池可重构保护和均衡电路中的其余开关均关断；所述电池可重构保护和均衡电路中的隔离型双向直流变换器不工作；

13、工作模式b，包括：所述电池可重构保护和均衡电路中的所述主电路正极旁路开关sbp与所述主电路负极旁路开关sbn导通，所述正电势轨的连接开关spi导通，所述负电势轨的连接开关snj导通，其中，i、j为大于等于1、小于等于n的整数，所述中立电源轨的连接开关继续保持闭锁；所述电池可重构保护和均衡电路中的所述隔离型双向直流变换器正常工作；

14、工作模式c，包括：所述电池可重构保护和均衡电路中的所述主电路正极开关smp、所述中立电势轨正极开关sip以及所述主电路负极旁路开关sbn导通，所述正电势轨的连接开关spi导通，所述负电势轨的连接开关snn导通，所述中立电势轨的连接开关sik导通，其中，i、k为大于1、小于等于n-1的整数，且i大于k；所述电池可重构保护和均衡电路中的所述隔离型双向直流变换器正常工作；

15、工作模式d，包括：所述电池可重构保护和均衡电路中的主电路正极旁路开关sbp、所述中立电势轨负极开关sin以及所述主电路负极开关smn导通，所述正电势轨的连接开关sp1导通，所述负电势轨的连接开关snj导通，所述中立电势轨的连接开关sik导通，其中，j、k为大于1、小于等于n-1的整数，且j小于k；所述电池可重构保护和均衡电路中的所述隔离型双向直流变换器正常工作。

16、根据本发明的第三个方面，提供了一种上述中任一项所述的电池可重构保护和均衡电路的故障电池隔离与保护控制方法，包括：

17、根据电池管理系统检测得到的电池模块内电芯故障状态，从本发明上述中所述的控制方法中，选取任意一种工作模式，将故障电芯从功率回路中隔离，使得流经故障电芯的电流为零，同时保证非故障电芯仍能接入外电路中正常工作，完成正常的电池充电或放电；根据所述工作模式，将尽可能多的正常电芯接入电路继续工作，在此基础上使得经由隔离型双向直流变换器接入外电路的电芯数量最多，以降低实际通过隔离型双向直流变换器的电芯平均电流。

18、优选地，当所述电池模块管理系统检测到无电芯故障，即所述电池模块中所有电芯均正常工作时，所述电池模块管理系统向所述电池可重构保护和均衡电路发送指令，使得所述的电池可重构保护和均衡电路按照所述工作模式a工作。

19、优选地，当所述电池模块管理系统检测到电池模块内有电芯发生故障时，所述电池模块管理系统根据故障模块的所处位置进行判断，当n且n≥3个电芯串联形成的电池模块中第i个电芯出现故障时，此时：

20、当i等于1或n时，所述电池可重构保护和均衡电路按照所述工作模式b工作，其正负电势轨的连接开关将电势轨连接至正常的n-1个电芯两端；

21、当i不等于1或n时，满足i<n/2且i向上取整，所述电池可重构保护和均衡电路按照所述工作模式c工作，其正电势轨的连接开关将正电势轨连接至第i+1个电芯正端，其负电势轨的连接开关将负电势轨连接至最后一个电芯的负端，其中立电势轨的连接开关将中立电势轨连接至正常的i-1个电芯负端；

22、当i不等于1或n时，满足i≥n/2且i向上取整，所述电池可重构保护和均衡电路按照所述工作模式d工作，其正电势轨的连接开关将正电势轨连接至第一个电芯的正端，其负电势轨的连接开关将负电势轨连接至第i-1个电芯的负端，其中立电势轨的连接开关将中立电势轨连接至第i+1个电芯正端；

23、根据本发明的另一个方面，提供了一种上述中任一项所述的电池可重构保护和均衡电路的均衡控制方法，当电池模块管理系统检测到无电芯故障，且所述电池模块内有电池需要均衡时，对所述电池模块内的电池模块进行均衡，包括：

24、所述电池可重构保护和均衡电路中的所述主电路正极开关smp和所述主电路负极开关smn导通，所述主电路正极旁路开关sbp、所述主电路负极旁路开关sbn、所述中立电势轨正极开关sip和所述中立电势轨负极开关sin关断，所述电池模块正常连接主电路进行充放电；通过所述电池可重构保护和均衡电路中的隔离型双向直流变换器，完成电量在所述电池模块中不同电芯之间的转移，实现所述电池模块内荷电状态主动均衡。

25、优选地，所述通过所述串电池可重构保护和均衡电路中的隔离型双向直流变换器，完成电量在所述电池模块中不同电芯之间的转移，实现所述电池模块内荷电状态主动均衡，包括：

26、当所述电池模块中电芯bj需要放电和电芯bk需要充电以实现串联电池组荷电状态均衡时，其中1≤j，k≤n，所述正电势轨的连接开关spj和所述负电势轨的连接开关snj导通，其余开关均关断，所述隔离型双向直流变换器正常工作，由所述电芯bj放电，为所述隔离型双向直流变换器的第二端口电容充电；之后，所述正电势轨的连接开关spj和所述负电势轨的连接开关snj关断，所述正电势轨的连接开关spk和所述负电势轨的连接开关snk导通，其余开关均关断，所述隔离型双向直流变换器正常工作，由所述隔离型双向直流变换器的第二端口电容放电，为所述电芯bk充电；上述充放电过程交替进行，完成电量由所述电芯bj向所述电芯bk转移，实现所述电池模块内不同电芯间荷电状态主动均衡。

27、由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

28、本发明提供的一种电池可重构保护和均衡电路及控制方法，能够在电池模块内电池发生故障或损伤时，将故障电芯从功率回路中隔离，使得故障电芯不再参与充放电，由此保护电池模块，避免故障的加剧以及事故的发生，而在电池模块正常工作时，仅以两个开关将电池模块接入外电路，避免了现有的电池模块保护电路需要接入大量串联开关、增大损耗的问题或是额外增加的开关数量过多的问题；同时，具有的电池均衡的功能，在电池模块内无电池故障时，可以通过主动均衡方式，实现电池单体间电量的转移，达到消除串联电池组内电池荷电状态不一致的目的。

29、本发明提供的一种电池可重构保护和均衡电路及控制方法，通过所提各电势轨连接开关的切换、隔离型双向直流变换器的双向功率变换与隔离功能，能够实现串联电池组内单个或两端电池故障时，对故障电池的隔离，阻断流经故障电池的电流，保障电池组的安全，同时，非故障电池仍能够通过本发明接入外电路，实现正常的充放电运行；在电池组正常工作，无电池故障时，本发明能够以极低损耗将电池组接入外电路，同时兼具串联电池组的荷电状态均衡功能，保证电池组的高效、安全运行。