基于电池组H桥串联结构的输出电压可调的放电控制电路的制作方法

本实用新型涉及电池领域。

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。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是实现一种电池组H桥串联结构，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，本实用新型采用的技术方案为：基于电池组H桥串联结构的输出电压可调的放电控制电路，电池组由相互串联的电池单元构成，每个电池单元设有一个H桥组件，所述H桥组件由第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件依次首尾相连构成，所述电池单元的正极接入到第二开关元件和第四开关元件之间，所述电池单元的负极接入到第一开关元件和第三开关元件之间，所述第三开关元件和第四开关元件之间引出电源线作为该电池单元的第一电极与其他电池单元串联，所述第一开关元件和第二开关元件之间引出电源线作为该电池单元的第二电极与其他电池单元串联，每个电池单元的第一电极与另一个电池单元的第二电极连接，其中位于首端的电池单元的第一电极连接电池组的第一供电接口，位于末端的电池单元的第二电极连接电池组的第二供电接口，所述第一供电接口和第二供电接口连接负载，电信号采集单元连接第一供电接口和第二供电接口获取输出电信号并输送至电池管理单元，每个所述电池单元的第一电极和第二电极与电压采集单元连接，所述电压采集单元输出所采集电池单元的电压值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开关元件。

所述负载设有控制器，所述控制器输出供电需求信号至电池管理单元。

当接收到启动负载的信号前，所有电池单元的开关元件保持断路状态；

当接收到启动负载的信号后，控制所有电池单元的第一开关元件和第四开关元件闭合，第二开关元件和第三开关元件断开，以第一电极为正极，第二电极为负极输出；

若电信号采集单元采集到负载通电，则保持为负载供电直至接收到停止为负载供电的信号；

若电信号采集单元采集到负载未通电，则控制所有电池单元的第一开关元件和第四开关元件断开，第二开关元件和第三开关元件闭合，以第一电极为负极，第二电极为正极输出，并则保持为负载供电直至接收到停止为负载供电的信号，并则保持为负载供电直至接收到停止为负载供电的信号。

若电池管理单元接收到控制器发出的电压需求调整信号，电池管理单元根据电压需求查表获得需要断开电池单元的数量，之后将计划断开的电池单元旁路出串联电池组，旁路出串联电池组方法：

被旁路的电池单元的第一开关元件和第三开关元件闭合，第二开关元件和第四开关元件断开，或者被旁路的电池单元的第一开关元件和第三开关元件断开，第二开关元件和第四开关元件闭合。

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旁通出电池组。

当有部分电池单元因为控制器的电压需求而旁路出串联电池组时，若有因电压偏低或者状态异常而旁路出串联电池组的电池单元，则将之前因电压需求而旁路出的串联电池组的电池单元重新接入电池组，使当前接入的电池单元数量满足控制器的电压需求。

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，进行充电均衡的放电控制逻辑：

若当前供电的电池单元均以第一电极为正极，第二电极为负极输出，则控制电压偏低的电池单元的第一开关元件和第四开关元件断开，第二开关元件和第三开关元件闭合；

若当前供电的电池单元均以第一电极为负极，第二电极为正极输出，则控制电压偏低的电池单元的第一开关元件和第四开关元件闭合，第二开关元件和第三开关元件断开。

本实用新型的优点在于:

1、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。

2、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。

3、可将单体电池(或单体电池组)反向加入串联组合，做放电连接，进行更高效的主动均衡。

4、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。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。

5、每个单体电池(或单体电池组)仅使用场效应管、继电器或其它开关器件搭建的H桥电路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。

6、可通过控制H桥的导通桥臂自适应负载的正、负极方向。

7、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

下面对本实用新型说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：

图1为放电控制电路正常放电时示意图；

图2为放电控制电路存在电压偏低或状态异常示意图；

图3为放电控制电路存在电压偏低示意图。

具体实施方式

放电控制电路是一种电池组H桥串联结构，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。该电路设计可兼容放电电压正向或反向连接，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，可实现与母线电流大小相同的主动均衡能力。通过控制输出放电的单体电池(或单体电池组)个数，实现放电电压直流可调。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。

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搭建的H桥电路进行通断控制，H桥输出端连接电池组串联母线。通过H桥电路将单体电池(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)通过H桥输出端连接电池组串联母线，Sx_4(第四开关元件)、Sx_1(第一开关元件)开关导通实现电池电压正向输出，Sx_2(第二开关元件)、Sx_3(第三开关元件)开关导通实现电池电压反向输出，该级单体电池(或单体电池组)串入母线，通过母线电流。Sx_2、Sx_4开关导通或Sx_1、Sx_3开关导通，则短接串联母线，该级单体电池(或单体电池组)旁路出串联组合，不通过母线电流。

具体结构：

单体电池(或单体电池组)正、负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搭建的H桥电路进行通断控制，H桥输出端连接电池组串联母线。通过控制H桥电路的导通连接，该级单体电池(或单体电池组)可正向或反向串入母线。

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搭建的H桥电路进行通断控制，H桥输出端连接电池组串联母线。通过控制H桥电路将母线短接，该级单体电池(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搭建的H桥电路进行通断控制，H桥输出端连接电池组串联母线。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)通过H桥电路顺向串入母线进行放电连接，通过放电电流。异常的单体电池(或单体电池组)可通过H桥电路将该级母线短接，该级电池旁路出串联组合，不通过放电电流。电压偏低的单体电池(或单体电池组)也可通过H桥电路反向串入母线进行充电连接，更高效的进行主动均衡。

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)的H桥连接状态，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)都能够达到放分放电。

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。还可通过将单体电池(或单体电池组)做充电连接，更高效的进行主动均衡。

基于该电路结构的电池组包技术和放电控制机制。

本实用新型属于电池管理技术，提供一种电池组包的电路连接结构和放电控制机制。

通过该实用新型技术，电池管理电路可实现放电电压的直流降压可调。

通过该实用新型技术，可以大大降低电池组包对单体电池一致性的要求。

通过该实用新型技术，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。

通过该实用新型技术，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。

如图1所示，正常放电控制逻辑：

根据负载的正、负极方向，可导通合适桥臂进行放电连接。Sx_4、Sx_1开关导通，所有单体电池(或单体电池组)的正极通过Sx_4接入串联母线，负极通过Sx_1接入串联母线。放电电流经过电池组中的所有电池单元。

根据负载的正、负极方向，可导通合适桥臂进行放电连接。Sx_2、Sx_3开关导通，所有单体电池(或单体电池组)的正极通过Sx_2接入串联母线，负极通过Sx_3接入串联母线。放电电流经过电池组中的所有电池单元。

如图2所示，1组或多组单体电池(或单体电池组)电压偏低或状态异常，旁路出串联组合的放电控制逻辑：

可选择导通上桥臂或下桥臂短接串联母线，该级单体电池(或单体电池组)旁路出串联组合，不通过放电电流。

如存在异常的B2电池单元，控制该电池H桥电路上桥臂S2_2、S2_4开关导通，该级串联母线被短接，B2电池旁路出串联组合，不通过放电电流。

如存在异常的B3电池单元，控制该电池H桥电路上桥臂S3_1、S3_3开关导通，该级串联母线被短接，B3电池旁路出串联组合，不通过放电电流。

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。

如图3所示，1组或多组单体电池(或单体电池组)电压偏低，进行充电均衡的放电控制逻辑：

电压偏低的单体电池(或单体电池组)也可通过H桥电路反向串入母线进行充电连接，更高效的进行主动均衡。

其它电池单元H桥电路Sx_4、Sx_1开关导通，相应的电池单元顺向接入串联母线，进行放电连接。但存在电压偏低的B2电池单元，H桥电路S2_2、S2_3开关导通，该级电池反向加入串联组合，做充电连接，进行更高效的主动均衡。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。