CN104600790B - 结构可调的电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种结构可调的电池系统，包括正母线、负母线、电池组、以及结构控制单元。电池组由n只单体电池和3n‑3个可控开关器件组成，其中n为大于等于2的偶数。电池组中的单体电池通过可控开关器件与正母线和负母线相连；结构控制单元通过控制可控开关器件的开关状态，实现电池组串并联结构的主动调整。本发明提供的可主动调整结构的电池系统可靠性高，安全性好，且能够根据电池组的工作状态实时改变电池组的串并联结构。

Description

结构可调的电池系统
技术领域
本发明涉及电池成组技术领域，特别涉及一种可主动调整结构的电池系统。
背景技术
随着化石能源的日益枯竭，以及环境污染问题的日益加剧，清洁环保的电池储能技术得到了越来越多的应用。例如在电动汽车、分布式储能、不间断供电系统等技术领域中，电池系统作为核心的能量来源起到了十分关键的作用。限于单体电池的电压和容量，必须将单体电池串并联形成电池组，以满足不同应用场合的功率和容量的需求。在电池组的使用过程中，由于制造工艺和使用环境的不一致，单体电池之间不可避免地会出现性能不一致现象。比如，在使用过程中，会出现某只单体电池容量极速衰退的现象，这时就需要将该只单体电池与其它单体电池并联使用。在某些极端环境下，可能会出现单体电池损坏的情况，此时就需要电池组具有主动剔除损坏电池的能力。因此，为了优化单体电池成组使用时的性能，避免电池组工作在不安全状态，迫切需要采用一种可主动调整结构的电池系统。
在电池组结构设计方面，电池组结构主要可分为先并联后串联，以及先串联后并联这两种结构形式。这两种结构采用内阻可以忽略的导线将电池组进行串并联组合，一旦连接好电池组中的各单体电池，其结构便不可改变。当电池组中的某节单体电池的性能发生衰退时，会严重影响整个电池组的性能。甚至在某些极端情况下，当某只单体电池损坏时，整个电池组便不能工作。因此，传统的电池组结构存在安全性差、可靠性低等缺陷。针对上述问题，中国专利201210134995.1“混合成组型动力电池组”、中国专利201210135405.7“交错成组型动力电池组”、中国专利201210135441.3“飞线成组型动力电池组”提出了采用可控开关、二极管、保险丝等作为单体电池间并联元件的电池组结构方案。上述专利提出的方案，可以通过控制并联元件的开通和关断，提高电池组的安全性。但是这些专利只能在已有电池结构的基础上优化电池组的使用，并不能灵活地改变电池组中单体电池的串并联连接方式。
为了进一步提高电池组的安全性和可靠性，中国专利201210493066.X“不间断供电冗余系统UPS后备电池组的供电方法及装置”、中国专利201010197325.5“具有故障检测和自动重组功能的储能装置及重组方法”、中国专利03109241.1“具有冗余电池单元的电池”采用在电池组中增加备用电池单元的方法，通过切除故障电池，并投入相应的备用电池，实现电池组性能的优化。但是，在上述方案中，备用电池的投入和切除需要依据特定的串并联连接方式，并不能随意改变电池组的结构。此外，电池系统中需要增加大量的备用电池单元，成本很高。
综上所述，设计一种可主动调整结构的电池系统，实现电池组中单体电池串并联方式的主动灵活调节，是当前亟待解决的一大课题。
发明内容
本发明的目的是针对现有电池成组技术存在的串并联结构不可主动调节的缺陷，提出一种可主动调整结构的电池系统。本发明适用于多节单体电池串并联成组使用的场合。
本发明为解决其具体的技术问题所采用的技术方案是：
本发明结构可调的电池系统包含正母线、负母线、电池组，以及结构控制单元。所述的电池组由n只单体电池和3n-3个可控开关器件组成，其中n为大于等于2的偶数。电池组中第1至第n-1单体电池的正极分别通过第三可控开关器件、第六可控开关器件、…、第3n-3可控开关器件与正母线相连，第n单体电池的正极与正母线直接相连。电池组中所有单体电池的负极分别与负母线直接相连。电池组中可控开关器件的控制端与结构控制单元的输出端相连，结构控制单元通过改变可控开关器件的开关状态，控制电池组的串并联连接结构。
所述的电池组中第一可控开关器件、第四可控开关器件、…、第3n-5可控开关器件依次串联，然后再与负母线串联。
所述的电池组中，第一单体电池的正负极两端分别串联有两只可控开关器件：第一可控开关器件和第二可控开关器件，且第一、第二可控开关器件的共同端连接至负母线；第二单体电池的正负极两端分别串联有两只可控开关器件：第四可控开关器件和第五可控开关器件，且第四可控开关器件和第五可控开关器件的共同端连接至负母线；以此类推至第n-1只单体电池，第n-1只单体电池的正负极两端分别串联有两只可控开关器件：第3n-5可控开关器件和第3n-4可控开关器件，且第3n-5、第3n-4可控开关器件的共同端连接至负母线。
所述的结构控制单元通过选通一只或多只单体电池所在的控制回路，并根据特定的开关控制逻辑，控制对应回路中可控开关器件的开通和关断。
所述的开关控制逻辑由一组三位的二进制代码组成，每一位由二进制数0或1组成，表示相应可控开关器件的开关控制命令。二进制数0表示断开可控开关器件，二进制数1表示闭合可控开关器件。该控制逻辑包含101、010、100、000四种开关控制命令组合。开关控制命令101表示将被控单体电池以并联的方式连接至电池组中；开关控制命令010表示将被控单体电池以串联的方式连接至电池组中；开关控制命令100表示将被控单体电池从电池组中剔除；开关控制命令000表示将电池组停止工作。
所述的电池组中可控开关器件为继电器，或三极管，或电磁开关，或金属-氧化层半导体场效晶体管MOSFET，或绝缘栅双极型晶体管IGBT。
与现有电池成组技术相比，本发明的优点在于：
(1)克服了现有电池组结构单一的缺点，可根据电池组的性能和使用环境，灵活地改变各单体电池之间的串并联组合方式，以优化电池组的性能。
(2)可及时地剔除故障单体电池，使得电池系统的安全性和可靠性得到明显提升。
(3)无需在电池组中增加备用电池单元，大大减少了系统的成本。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明实施例中单体电池并联成组时的电池系统示意图；
图3为本发明实施例中单体电池串联成组时的电池系统示意图；
图4为本发明实施例中剔除1只单体电池后串联成组时的电池系统示意图；
图5为本发明实施例中单体电池串并联混合成组时的电池系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明包含正母线101、负母线102、电池组103，以及结构控制单元104。电池组103由n只单体电池B1、B2、…、Bn和3n-3个可控开关器件K1，K2，…，K3n-3组成，其中n为大于等于2的偶数。电池组103中，前n-1只单体电池B1、B2、…、Bn-1的正极分别通过第三可控开关器件K3、第六可控开关器件K6、…、第3n-3可控开关器件K3n-3与正母线101相连，第n只单体电池Bn的正极与正母线101直接相连。电池组103中，单体电池B1、B2、…、Bn的负极分别与负母线102直接相连。电池组103中的可控开关器件K1，K2，…，K3n-3的控制端分别与结构控制单元104的输出端相连。结构控制单元104通过控制可控开关器件K1，K2，…，K3n-3的开关状态，改变电池组103的串并联连接结构。
所述的电池组103中第一可控开关器件K1、第四可控开关器件K4、…、第3n-5可控开关器件K3n-5依次串联，然后再与负母线102串联。
所述的电池组103中第一单体电池B1的正负极两端分别串联有两只可控开关器件：第一可控开关器件K1和第二可控开关器件K2，且第一可控开关器件K1和第二可控开关器件K2的共同端连接至负母线102。第二单体电池B2的正负极两端分别串联有两只可控开关器件：第四可控开关器件K4和第五可控开关器件K5，且第四可控开关器件K4和第五可控开关器件K5的共同端连接至负母线102。以此类推至第n-1只单体电池Bn-1，第n-1只单体电池Bn-1的正负极两端分别串联有两只可控开关器件：第3n-5可控开关器件K3n-5和第3n-4可控开关器件K3n-4，且第3n-5可控开关器件K3n-5和第3n-4可控开关器件K3n-4的共同端连接至负母线102。
所述的结构控制单元104通过选通一只或多只单体电池所在的控制回路，并根据特定的开关控制逻辑，控制对应回路中可控开关器件的开通和关断。
所述的开关控制逻辑由一组三位的二进制码组成，每一位由二进制数0或1组成，表示相应可控开关器件的开关控制命令。二进制数0表示断开可控开关器件，二进制数1表示闭合可控开关器件。从左向右第一位二进制码表示第一可控开关器件K1、第四可控开关器件K4、…、第3n-5可控开关器件K3n-5的开关控制命令；第二位二进制码表示第二可控开关器件K2、第五开关器件K5、…、第3n-4可控开关器件K3n-4的开关控制命令；第三位二进制码表示第三可控开关器件K3、第六可控开关器件K6、…、第3n-3可控开关器件K3n-3的开关控制命令。
所述的开关控制逻辑包含101、010、100、000四种开关控制命令组合。开关控制命令101表示将被控单体电池以并联的方式连接至电池组103中；开关控制命令010表示将被控单体电池以串联的方式连接至电池组103中；开关控制命令100表示将被控单体电池从电池组103中剔除；开关控制命令000表示将电池组103停止工作。
所述的电池组103中的可控开关器件K1，K2，…，K3n-3为继电器，或三极管，或电磁开关，或金属-氧化层半导体场效晶体管MOSFET，或绝缘栅双极型晶体管IGBT。
以下就本发明的实施例，进一步说明本发明对电池组串并联结构进行主动调整的过程。
如图2所示，本发明实施例的结构可调的电池系统包括：正母线101、负母线102、电池组103，以及结构控制单元104。电池组103由4节单体电池B1、B2、B3、B4，以及9个可控开关器件K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9组成。电池组103中单体电池B1、B2、B3的正极分别通过可控开关器件K3、K6、K9与正母线101相连；单体电池B4的正极与正母线101直接相连；单体电池B1、B2、B3、B4的负极分别与负母线102直接相连。电池组103中的可控开关器件K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9的控制端分别与结构控制单元104的输出端相连，结构控制单元104通过控制可控开关器件的开关状态，改变电池组103的串并联连接结构。
电池组103中第一可控开关器件K1、第四可控开关器件K4、第七可控开关器件K7依次串联，然后再与负母线102串联。
电池组103中第一单体电池B1的正负极两端分别串联有两只可控开关器件：第一可控开关器件K1和第二可控开关器件K2，且第一可控开关器件K1和第二可控开关器件K2的共同端连接至负母线102；第二单体电池B2的正负极两端分别串联有两只可控开关器件：第四可控开关器件K4和第五可控开关器件K5，且第四可控开关器件K4和第五可控开关器件K5的共同端连接至负母线102；单体电池B3的正负极两端分别串联有两只可控开关器件：第七可控开关器件K7和第八可控开关器件K8，且第七可控开关器件K7和第八可控开关器件K8的共同端连接至负母线102。
图2所示为单体电池并联成电池组的电池系统。
如图2所示，结构控制单元104同时选通第一单体电池B1、第二单体电池B2、第三单体电池B3所在的控制回路，并输出数字控制信号101。此时，第一可控开关器件K1闭合，第二可控开关器件K2断开，第三可控开关器件K3闭合，第一单体电池B1以并联的方式连接至正母线101和负母线102之间；第四可控开关器件K4闭合，第五可控开关器件K5断开，第六可控开关器件K6闭合，第二单体电池B2以并联的方式连接至正母线101和负母线102之间；第七可控开关器件K7闭合，第八可控开关器件K8断开，第九可控开关器件K9闭合，第三单体电池B3以并联的方式连接至正母线101和负母线102之间。从而电池组103中的4节单体电池B1、B2、B3、B4以并联成组的方式构成电池组。
单体电池串联成电池组的电池系统如图3所示。
如图3所示，结构控制单元104同时选通第一单体电池B1、第二单体电池B2、第三单体电池B3所在的控制回路，并输出数字控制信号010。此时，第一可控开关器件K1断开，第二可控开关器件K2闭合，第三可控开关器件K3断开，第一单体电池B1以串联的方式与相邻电路相连；第四可控开关器件K4断开，第五可控开关器件K5闭合，第六可控开关器件K6断开，第二单体电池B2以串联的方式与相邻电路相连；第七可控开关器件K7断开，第八可控开关器件K8闭合，第九可控开关器件K9断开，第三单体电池B3以串联的方式与相邻电路相连。从而电池组103中的4节单体电池B1、B2、B3、B4以串联成组的方式构成电池组。
剔除1只单体电池后串联成电池组的电池系统如图4所示。
如图4所示，结构控制单元104选通第一单体电池B1所在的控制回路，并输出数字控制信号010，此时，第一可控开关器件K1断开，第二可控开关器件K2闭合，第三可控开关器件K3断开，第一单体电池B1以串联的方式与相邻电路相连；结构控制单元104选通第二单体电池B2所在的控制回路，并输出数字控制信号100，此时，第四可控开关器件K4闭合，第五可控开关器件K5断开，第六可控开关器件K6断开，第二单体电池B2从电池组中剔除，与电池组无电气连接；结构控制单元104选通第三单体电池B3所在的控制回路，并输出数字控制信号010，此时，第七可控开关器件K7断开，第八可控开关器件K8闭合，第九可控开关器件K9断开，第三单体电池B3以串联的方式与相邻单体电池B4相连。从而，电池组103中的3节单体电池B1、B3、B4以串联成组的方式构成电池组，第二单体电池B2被从电池组103中剔除。
单体电池串并联混合组成电池组的电池系统图5所示。
如图5所示，结构控制单元104选通第一单体电池B1所在的控制回路，并输出数字控制信号010，此时，第一可控开关器件K1断开，第二可控开关器件K2闭合，第三可控开关器件K3断开，第一单体电池B1以串联的方式与相邻电路相连；结构控制单元104选通第二单体电池B2所在的控制回路，并输出数字控制信号010，此时，第四可控开关器件K4断开，第五可控开关器件K5闭合，第六可控开关器件K6断开，第二单体电池B2以串联的方式与相邻电路相连；结构控制单元104选通第三单体电池B3所在的控制回路，并输出数字控制信号101，此时，第七可控开关器件K7闭合，第八可控开关器件K8断开，第九可控开关器件K9闭合，第三单体电池B3以并联的方式与相邻电路相连。从而，电池组103中第三单体电池B3先与第四单体电池B4并联，再与第一单体电池B1、第二单体电池B2串联，最终以串并联混合成组的方式构成电池组。

Claims (2)

1.一种结构可调的电池系统，其特征在于，所述的电池系统包括：正母线(101)、负母线(102)、电池组(103)，以及结构控制单元(104)；所述的电池组(103)由n只单体电池(B1、B2、…、Bn)和3n-3个可控开关器件(K1，K2，…，K3n-3)组成，其中n为大于等于2的偶数；电池组(103)中，前n-1只单体电池(B1、B2、…、Bn-1)的正极分别通过第三可控开关器件(K3)、第六可控开关器件(K6)、…、第3n-3可控开关器件(K3n-3)与正母线(101)相连，第n只单体电池(Bn)的正极与正母线(101)直接相连；电池组(103)中，单体电池(B1、B2、…、Bn)的负极分别与负母线(102)直接相连；电池组(103)中的可控开关器件(K1，K2，…，K3n-3)的控制端分别与结构控制单元(104)的输出端相连，结构控制单元(104)通过控制可控开关器件(K1，K2，…，K3n-3)的开关状态，改变电池组(103)的串并联连接结构；
所述的电池组(103)中，第一可控开关器件(K1)、第四可控开关器件(K4)、…、第3n-5可控开关器件(K3n-5)依次串联，然后再与负母线(102)串联；
所述的电池组(103)中，第一单体电池(B1)的正负极两端分别串联有两只可控开关器件：第一可控开关器件(K1)和第二可控开关器件(K2)，且该第一可控开关器件(K1)和第二可控开关器件(K2)的共同端连接至负母线(102)；第二单体电池(B2)的正负极两端分别串联有两只可控开关器件：第四可控开关器件(K4)和第五可控开关器件(K5)，且该第四可控开关器件(K4)和第五可控开关器件(K5)的共同端连接至负母线(102)；以此类推至第n-1只单体电池(Bn-1)，第n-1只单体电池(Bn-1)的正负极两端分别串联有两只可控开关器件：第3n-5可控开关器件(K3n-5)和第3n-4可控开关器件(K3n-4)，且该第3n-5可控开关器件(K3n-5)和第3n-4可控开关器件(K3n-4)的共同端连接至负母线(102)。
2.按照权利要求1所述的结构可调的电池系统，其特征在于，所述的结构控制单元(104)通过选通一只或多只单体电池所在的控制回路，并根据特定的开关控制逻辑，控制对应回路中可控开关器件的开通和关断；
所述的开关控制逻辑由一组三位的二进制码组成，每一位由二进制数0或1组成，表示相应可控开关器件的开关控制命令；二进制数0表示断开可控开关器件，二进制数1表示闭合可控开关器件；从左向右第一位二进制码表示第一可控开关器件(K1)、第四可控开关器件(K4)、…、第3n-5可控开关器件(K3n-5)的开关控制命令；第二位二进制码表示第二可控开关器件(K2)、第五开关器件(K5)、…、第3n-4可控开关器件(K3n-4)的开关控制命令；第三位二进制码表示第三可控开关器件(K3)、第六可控开关器件(K6)、…、第3n-3可控开关器件(K3n-3)的开关控制命令；
所述的开关控制逻辑包含101、010、100、000四种开关控制命令组合；开关控制命令101表示将被控单体电池以并联的方式连接至电池组(103)中；开关控制命令010表示将被控单体电池以串联的方式连接至电池组(103)中；开关控制命令100表示将被控单体电池从电池组(103)中剔除；开关控制命令000表示将电池组(103)停止工作。
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