不间断电池簇换电电路及其控制、隔离与保护、换电方法

本发明涉及电池储能，特别涉及一种不间断电池簇换电电路及其控制、隔离与保护、换电方法，同时涉及一种不间断电源。

背景技术：

1、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、特别的，在一些高可靠性供电需求，如应急电源、数据中心等对不间断供电需求较高的场合，如果其中的电池出现了故障，其断电维护成本可能较高，甚至造成数据、重要信息等的损失，因此，当发现电池故障之后，可能需要一些不间断换电方式对其进行换电。

3、现有技术中，不间断换电的方法基本均以整簇替换等方式完成，当仅有个别模块出现问题时，则无法仅更换故障电池模块完成换电，以上方法造成不间断换电的成本相对较高。

4、目前对于一簇内个别电池模块的换电方式暂时没有发现类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种不间断电池簇换电电路及其控制、隔离与保护、换电方法，同时提供了一种不间断电源。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种不间断电池簇换电电路，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、串联电池簇正端子以及串联电池簇负端子；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；

4、所述主电路正极开关smp连接所述串联电池簇正端子及电池簇内第一个电池模块的正极，所述主电路负极开关smn连接所述串联电池簇负端子及电池簇内最后一个电池模块的负极；所述主电路正极旁路开关sbp连接所述串联电池簇正端子及所述正旁路电势轨，所述主电路负极旁路开关sbn连接所述串联电池簇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、所述串联电池簇正端子和所述串联电池簇负端子用于实现与外电路的功率交互；在电池发生故障或损伤时，所述串联电池簇正端子和所述串联电池簇负端子与电池簇之间通过正电势轨、负电势轨和中立电势轨的可选连线将故障电池从功率回路中隔离，使得故障电池不再参与充放电，而在电池簇正常工作时，仅以所述主电路正极开关smp和所述主电路负极开关smn两个开关将电池簇接入外电路。

6、优选地，当面向包含n个串联电池模块的电池簇时，所述正电势轨设有n个可选连线位置sp，所述负电势轨设有n个可选连线位置sn，所述中立电势轨设有n-1个可选连线位置si；

7、所述可选连线位置用于电池簇与所述换电电路之间根据出现故障的电池模块位置确定具体连线的可选连线位置，进而用于实现故障电池模块隔离及电池簇不间断供电。

8、优选地，所述正电势轨的可选连线标明了n个位置sp1、sp2、…、spn，其中，位置sp1与所述电池簇中第一个电池模块的正端连接，位置sp2与所述电池簇中第二个电池模块的正端连接，以此类推，位置spn与所述电池簇中第n个电池模块的正端连接，以上n个位置均作为正电势轨与串联电池模块连接的可选连线位置，用于后续根据出现故障的电池模块位置确定具体连线；

9、所述负电势轨的可选连线标明了n个位置sn1、sn2、…、snn，位置sn1与电池簇中第一个电池模块的负端连接，位置sn2与电池簇中第二个电池模块的负端连接，以此类推，位置snn与电池簇中第n个电池模块的负端连接，以上n个位置均作为负电势轨与串联电池模块连接的可选连线位置，用于后续根据出现故障的电池模块位置确定具体连线；

10、所述中立电势轨的可选连线标明了n-1个位置si1、si2、…、sin-1，其中，位置si1与电池簇中第一个电池模块的负端连接，位置si2与电池簇中第二个电池模块的负端连接，以此类推，位置sin-1与电池簇中第n-1个电池模块的负端连接，以上n-1个位置均作为中立电势轨与串联电池模块连接的可选连线位置，用于后续根据出现故障的电池模块位置确定具体连线。

11、优选地，上述电路，还包括：所述正电势轨的可选连线、所述负电势轨的可选连线和/或所述中立电势轨的可选连线上设有一个开关，用于确保连线连接时不会产生电流。

12、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不间断电池簇换电电路的控制方法，包括如下任意一项或任意多项工作模式：

13、工作模式a，为正常态工作模式，包括：所述不间断电池簇换电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，所述不间断电池簇换电电路中的其余开关均关断；所述不间断电池簇换电电路中的所述隔离型双向直流变换器不工作；

14、工作模式b，包括：所述不间断电池簇换电电路中的所述主电路正极旁路开关sbp和所述主电路负极旁路开关sbn导通，所述正电势轨的可选连线spi连接至电池簇对应位置，并导通对应开关，所述负电势轨的可选连线snj连接至电池簇对应位置，并导通对应开关，其中，i、j为大于等于1、小于等于n的整数，所述中立电势轨的可选连线不连接；所述不间断电池簇换电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c，包括：所述不间断电池簇换电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，所述正电势轨的可选连线spi连接至电池簇对应位置，并导通对应开关，所述负电势轨的可选连线snn连接至电池簇对应位置，并导通对应开关，所述中立电势轨的可选连线sik连接至电池簇对应位置，并导通对应开关，其中，i、k为大于1、小于等于n-1的整数，且i大于k；所述不间断电池簇换电电路中的所述隔离型双向直流变换器正常工作；

16、工作模式d，包括：所述不间断电池簇换电电路中的所述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，所述正电势轨的可选连线sp1连接至电池簇对应位置，并导通对应开关，所述负电势轨的可选连线snj连接至电池簇对应位置，并导通对应开关，所述中立电势轨的可选连线sik连接至电池簇对应位置，并导通对应开关，其中，j、k为大于1、小于等于n-1的整数，且j小于k；所述不间断电池簇换电电路中的所述隔离型双向直流变换器正常工作；

17、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不间断电池簇换电电路的故障电池隔离与保护控制方法，包括：

18、根据电池管理系统检测得到的电池模块故障状态，从上述中所述的控制方法中，选取任意一种工作模式，将故障电池模块从功率回路中隔离，使得流经故障电池模块的电流为零，同时保证非故障电池模块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池模块接入电路继续工作，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池模块数量最多，以降低实际通过隔离型双向直流变换器的电池模块平均电流。

19、优选地，当所述电池簇管理系统检测到无电池模块故障，即所述电池簇中所有电池模块均正常工作时，所述电池簇管理系统向所述不间断电池簇换电电路发送指令，使得所述的不间断电池簇换电电路按照所述工作模式a工作。

20、优选地，当所述电池簇管理系统检测到电池簇内有电池模块发生故障时，所述电池簇管理系统根据故障模块的所处位置进行判断，如若n且n≥3个电池模块串联形成的电池簇中第i个电池模块出现故障时，此时：

21、当i等于1或n时，所述不间断电池簇换电电路按照所述工作模式b工作，其正负电势轨的可选连线将电势轨连接至正常的n-1个电池模块两端；

22、当i不等于1或n时，满足i<n/2且i向上取整，所述不间断电池簇换电电路按照所述工作模式c工作，其正电势轨的可选连线将正电势轨连接至第i+1个电池模块正端，其负电势轨的可选连线将负电势轨连接至最后一个电池模块的负极，其中立电势轨的可选连线将中立电势轨连接至正常的i-1个电池模块负端；

23、当i不等于1或n时，满足i≥n/2且i向上取整，所述不间断电池簇换电电路按照所述工作模式d工作，其正电势轨的可选连线将正电势轨连接至第一个电池模块的正端，其负电势轨的可选连线将负电势轨连接至第i-1个电池模块的负端，其中立电势轨的可选连线将中立电势轨连接至第i+1个电池正端。

24、根据本发明的第四个方面，提供了一种上述中任一项所述的不间断电池簇换电电路的换电方法，包括：

25、当电池簇管理系统检测到电池模块故障，并根据故障电池隔离与保护控制方法完成电势轨和对应开关连接后，开启隔离型双向直流变换器以补偿隔离故障模块所丢失的电压；此时，故障模块已不在供电回路内，其两端不再产生电流，且连接端子均连接在正常模块正/负极端子处，因此直接解除故障模块与主电路的连接，并替换一个同样型号的正常电池模块，实现换电。

26、根据本发明的第五个方面，提供了一种不间断电源，包括：包含n个串联电池模块的电池簇以及上述中任一项所述的换电电路，所述电池簇与所述换电电路之间根据出现故障的电池模块位置确定具体连线的可选连线位置，进而用于实现故障电池模块隔离以及电池簇不间断供电。

27、由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：

28、本发明提供的不间断电池簇换电电路及其方法，基于隔离型双向直流变换器，能够在对供电稳定性要求较高的电池簇内的电池模块发生故障或损伤时，仅将故障电池模块从功率回路中隔离，使得故障电池不再参与充放电，并随后完成换电，确保电池簇整体运行稳定；相较直接进行整簇替换的电路，该换电方法成本远低于整簇替换方法。

29、本发明提供的不间断电池簇换电电路及其方法，在电池簇正常工作时，仅以两个开关将电池簇接入外电路，与常规开关盒作用相同，即基本不引入任何损耗。

30、本发明提供的不间断电池簇换电电路及其方法，通过正负电势轨连接线以及电池簇正负接口中开关的切换、换电电路隔离型双向直流变换器的双向功率变换与隔离功能，能够实现电池簇内单个电池模块故障时，对故障模块的隔离，阻断流经故障电池的电流，保障电池簇的安全，同时，非故障电池模块仍能够通过本发明接入外电路，实现正常的充放电运行，确保电池簇可以不间断供电；在电池簇正常工作，无电池故障时，基本不引入额外损耗。