CN108736544A - 基于可调整电池组串联结构的输出电压可调的放电控制电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于可调整电池组串联结构的输出电压可调的放电控制电路，是一种具备电池保护和主动均衡功能的输出电压可调的放电控制电路。该电路设计可通过控制电流的导通路径对每个单体电池(或单体电池组)进行放电控制，可实现与放电电流大小相同的主动均衡能力。通过动态控制，电池组中的每个单体电池(或单体电池组)都能够达到充分放电。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域。
背景技术
新能源技术快速发展，特别是锂电池在后备储能和电动汽车等领域的广泛应用，对关键的电池储能和电池管理技术提出更高要求，需要提升对电池组放电的有效性和均衡能力，使电池组的储能特性发挥到最佳。
电池组包技术对单体电池的一致性具有较高要求，否则因电池一致性问题严重影响电池组整体性能的发挥。但受电池技术限制，需要通过更好的电池管理技术解决电池一致性问题，降低电池组包对单体电池的一致性要求。
目前的被动均衡和主动均衡技术均存在效率低，实际应用效果不理想等问题。特别是主动均衡技术，包括电容飞度法、电压转换法，电路极为复杂、硬件体积大、应用成本高等缺陷。需要有更好的电池管理技术提升应用水平。
整个电池组的性能受制于单体电池失效或质量问题的影响。需要有更好的电池管理技术提高电池应用的可靠性和安全性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种可调整电池组串联结构，具备电池保护和主动均衡功能的输出电压可调的放电控制电路。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：基于可调整电池组串联结构的输出电压可调的放电控制电路，电池组包括电池单元和电池管理单元，每个所述电池单元的正极连接正极输出端，负极连接负极输出端，相邻电池单元的正极输出端连接相邻电池单元的负极输出端构成串联的电池组，每个所述电池单元的正极输出端和负极输出端之间通过第二开关元件连接，所述正极输出端与电池单元正极或者负极输出端与电池单元负极之间设有第一开关元件，位于所述电池组首尾位置的电池单元的正极输出端和负极输出端作为电池组的供电接口，所述供电接口设有与负载通信的通信接口，每个所述电池单元均连接有电压和电量采集单元，所述电压和电量采集单元输出所采集的信号至电池管理单元，所述电池管理单元输出控制信号至每个电池单元的第一开关元件和第二开关元件，所述电池管理单元通过数据线连接通信接口与负载进行通信。
所述供电接口设有供电电压采集单元，所述供电电压采集单元输出电压信号至电池管理单元。
每个所述电池单元包括电池单体和固定电池单体的壳体，所述壳体内设有接触电池单元的温度传感器，所述温度传感器输出温度信号至电池管理单元。
当电池单元的第一开关元件断开、第二开关元件闭合时，该电池单元从电池组中分离，当电池单元的第一开关元件闭合、第二开关元件断开时，该电池单元接入到电池组中。
根据所述输出电压可调的放电控制电路的控制方法：
当接收到启动负载的信号前，保持第一开关元件断路，第二开关元件通路，所有电池单元保持旁通状态；
当接收到启动负载信号和负载需求目标电压信号后，电池管理单元根据电压需求查表获得需要转入供电状态的电池单元的目标数量；
通过将所有计划转入供电状态的电池单元的第一开关元件通路，第二开关元件断路，使当前转入供电状态的电池单元达到目标数量。
当电池组供电过程中，若电池管理单元检测到某一个或多个电池单元的电压偏低或者状态异常，则将电压偏低或者状态异常的电池单元转入旁通状态，被旁通的电池单元计为故障电池单元。
电池组供电过程中，电池管理单元实时获取目标电压信号后，若目标电压信号发生变化，则根据电压需求查表获得需要转入供电状态的电池单元的目标数量，之后执行调整操作增减供电状态的电池单元的数量。
电池组供电过程中，电池管理单元实时获取供电接口的输出电压，若供电接口的输出电压与目标电压差值超过设定安全值，则调整电池单元的目标数量，供电接口的输出电压过大则减少电池单元的目标数量，供电接口的输出电压过小则增加电池单元的目标数量。
本发明是一种具备电池保护和主动均衡功能的输出电压可调的放电控制电路。该电路设计可通过控制电流的导通路径对每个单体电池(或单体电池组) 进行放电控制，可实现与放电电流大小相同的主动均衡能力。通过动态控制，电池组中的每个单体电池(或单体电池组)都能够达到充分放电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
可将单体电池(或单体电池组)加入串联组合，也可完全旁路出串联组合。可以控制放电电流经过或不经过任意单体电池(或单体电池组)，即可达到均衡电流等于放电电流的高效率均衡。
通过控制加入输出放电的单体电池(或单体电池组)个数，实现放电电压直流降压可调。
在额定放电电压所需的电池串数基础上，增加一节或多节单体电池(或单体电池组)作为均衡冗余。即可做到旁路进入放电保护或主动均衡的单体电池 (或单体电池组)时，电池组放电电压正常。电池组中的每个单体电池(或单体电池组)都能够达到充分放电，使电池组的储能特性发挥到最佳，且不依赖于对单体电池的一致性要求。
每个单体电池(或单体电池组)仅使用两组场效应管、继电器或其它开关器件作为导通和关断控制，即可实现串入或旁路控制，电路简洁，控制简单，成本低廉。
特别对单体电池(或单体电池组)发生失效或质量问题，可完全旁路在串联组合外，提供电池组应用的可靠性和安全性。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：
图1为基于可调整电池组串联结构的输出电压可调的放电控制电路满负荷供电状态示意图；
图2为基于可调整电池组串联结构的输出电压可调的放电控制电路部分负荷供电状态示意图。
具体实施方式
本发明所采用的技术方案是改变现有直接将单体电池(或单体电池组)串联组合成电池组，而是通过场效应管、继电器或其它开关器件进行通断控制，将单体电池(或单体电池组)串入母线，由母线获得电池组电压。也可通过场效应管、继电器或其它开关器件进行通断控制，将该级母线导通连接，单体电池(或单体电池组)旁路出串联组合，不通过放电电流。通过控制输出放电的单体电池(或单体电池组)个数，实现放电电压直流降压可调。
电池组中的每个单体电池(或单体电池组)通过场效应管、继电器或其它开关器件进行通断控制，实现将单体电池(或单体电池组)串入母线，或将单体电池(或单体电池组)旁路出串联组合。通过控制加入输出放电的单体电池 (或单体电池组)个数，实现放电电压直流降压可调。
单体电池(或单体电池组)的负极直接与串联母线相连，正极则通过Sx_1(第一开关元件)开关连接串联母线。Sx_1开关导通，Sx_2(第二开关元件)开关断开，则该级单体电池(或单体电池组)串入母线，参与放电。Sx_1开关断开，Sx_2 开关导通，则该级单体电池(或单体电池组)旁路出串联组合，不进行放电。
具备电池保护和主动均衡功能的输出电压可调的放电控制电路具体结构：
单体电池(或单体电池组)负极直接与串联母线相连，正极不直接串联形成电池组，而是通过场效应管、继电器或其它开关器件进行通断控制，将单体电池(或单体电池组)串入母线。
单体电池(或单体电池组)可通过场效应管、继电器或其它开关器件进行通断控制，将该级母线导通连接，单体电池(或单体电池组)则旁路出串联组合。
单体电池(或单体电池组)可通过场效应管、继电器或其它开关器件进行通断控制。改变串入母线参与放电的单体电池(或单体电池组)个数，和旁路出串联组合的单体电池(或单体电池组)个数，即可改变母线电压，实现放电电压直流降压可调。
放电过程根据每个单体电池(或单体电池组)的电压和状态信息，正常的单体电池(或单体电池组)可通过场效应管、继电器或其它开关器件串入母线进行放电连接。异常的单体电池(或单体电池组)可通过场效应管、继电器或其它开关器件将该级母线导通连接，该级电池旁路出串联组合，不通过放电电流。
放电过程根据每个单体电池(或单体电池组)的电压和状态信息，实时控制调整各个单体电池(或单体电池组)串入母线放电或旁路出串联组合，实现放电保护和主动均衡。通过动态控制，电池组中的每个单体电池(或单体电池组)都能够达到充分放电。
放电过程对每个单体电池(或单体电池组)的均衡电流等于放电电流。
通过该发明技术，电池管理电路可实现放电电压的直流降压可调。
通过该发明技术，可以大大降低电池组包对单体电池一致性的要求。
通过该发明技术，可对电池组中的每个单体电池(或单体电池组)实现放电保护和主动均衡。每个单体电池(或单体电池组)都能够达到充分放电。
通过该发明技术，可将存在问题的单体电池(或单体电池组)彻底排除在串联组合外，不会因个别单体电池(或单体电池组)的损坏影响电池组的使用，大大提高系统的安全性和可靠性。
正常放电控制逻辑：
Sx_1开关导通，Sx_2开关断开。所有单体电池(或单体电池组)接入串联母线，放电电流经过电池组中的所有电池单元。
1组单体电池(或单体电池组)电压偏低或状态异常的放电控制逻辑：
Sx_1开关导通，Sx_2开关断开。但存在异常的B2电池单元，控制电池正极与母线连接的S2_1开关断开，控制母线直接连通的S2_2开关导通。放电电流不经过B2电池单元，B2电池单元不进行放电，且与电池组分离。
2组或多组单体电池(或单体电池组)电压偏低或状态异常的放电控制逻辑：
Sx_1开关导通，Sx_2开关断开。但存在异常的B1、B2电池单元，控制电池正极与母线连接的S1_1、S2_1开关断开，控制母线直接连通的S1_2、S2_2 开关导通。放电电流不经过B1、B2电池单元，B1、B2电池单元不进行放电，且与电池组分离。
通过控制加入输出放电的单体电池(或单体电池组)个数，也可实现放电电压直流降压可调。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于可调整电池组串联结构的输出电压可调的放电控制电路，电池组包括电池单元和电池管理单元，每个所述电池单元的正极连接正极输出端，负极连接负极输出端，相邻电池单元的正极输出端连接相邻电池单元的负极输出端构成串联的电池组，其特征在于：每个所述电池单元的正极输出端和负极输出端之间通过第二开关元件连接，所述正极输出端与电池单元正极或者负极输出端与电池单元负极之间设有第一开关元件，位于所述电池组首尾位置的电池单元的正极输出端和负极输出端作为电池组的供电接口，所述供电接口设有与负载通信的通信接口，每个所述电池单元均连接有电压和电量采集单元，所述电压和电量采集单元输出所采集的信号至电池管理单元，所述电池管理单元输出控制信号至每个电池单元的第一开关元件和第二开关元件，所述电池管理单元通过数据线连接通信接口与负载进行通信。
2.根据权利要求1所述的基于可调整电池组串联结构的输出电压可调的放电控制电路，其特征在于：所述供电接口设有供电电压采集单元，所述供电电压采集单元输出电压信号至电池管理单元。
3.根据权利要求2所述的基于可调整电池组串联结构的输出电压可调的放电控制电路，其特征在于：每个所述电池单元包括电池单体和固定电池单体的壳体，所述壳体内设有接触电池单元的温度传感器，所述温度传感器输出温度信号至电池管理单元。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于可调整电池组串联结构的输出电压可调的放电控制电路，其特征在于：当电池单元的第一开关元件断开、第二开关元件闭合时，该电池单元从电池组中分离，当电池单元的第一开关元件闭合、第二开关元件断开时，该电池单元接入到电池组中。
5.根据权利要求1-4所述输出电压可调的放电控制电路的控制方法，其特征在于：
当接收到启动负载的信号前，保持第一开关元件断路，第二开关元件通路，所有电池单元保持旁通状态；
当接收到启动负载信号和负载需求目标电压信号后，电池管理单元根据电压需求查表获得需要转入供电状态的电池单元的目标数量；
通过将所有计划转入供电状态的电池单元的第一开关元件通路，第二开关元件断路，使当前转入供电状态的电池单元达到目标数量。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：当电池组供电过程中，若电池管理单元检测到某一个或多个电池单元的电压偏低或者状态异常，则将电压偏低或者状态异常的电池单元转入旁通状态，被旁通的电池单元计为故障电池单元。
7.根据权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于：电池组供电过程中，电池管理单元实时获取目标电压信号后，若目标电压信号发生变化，则根据电压需求查表获得需要转入供电状态的电池单元的目标数量，之后执行调整操作增减供电状态的电池单元的数量。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：电池组供电过程中，电池管理单元实时获取供电接口的输出电压，若供电接口的输出电压与目标电压差值超过设定安全值，则调整电池单元的目标数量，供电接口的输出电压过大则减少电池单元的目标数量，供电接口的输出电压过小则增加电池单元的目标数量。
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