CN108512263A - N+x蓄电池组 - Google Patents

Abstract

一种N+x蓄电池组，涉及蓄电池组结构，属于蓄电池技术领域。解决了现有蓄电池组存在的由于无法对电池单体进行全面的检测和筛选、导致一旦发现有单体电池出现劣化或失效就必须整组更换全部同组的单体电池、导致巨大浪费的问题，以及现有蓄电池组的1+1备用模式存在的占用空间大、备用成本高以及备电能力低的问题。本发明包括N+x个电池单元和N+x个投切开关，每个投切开关与一个电池单元相对应、用于控制所对应的电池单元切除或切入工作电池组，所述工作电池组由任意N个电池单元通过N个投切开关串联连接组成。所述投切开关采用两个mosfet功率器件和一个稳压二极管组成，该稳压二极管与对应的电池单元并联连接。本发明适用于蓄电池组的结构的改进与设计。

Description

N+x蓄电池组

技术领域

本发明涉及蓄电池组的电池组结构，属于蓄电池技术领域。

背景技术

蓄电池组作为一种电能存储装置，由于单体蓄电池提供电压都远小于负载设备对电源电压的要求，因此必须将其串联后以电池组的方式使用。如图1所示

由于蓄电池组中所有电池单体全部采用直接串联结构，因此串联电池单体的充放电电流完全相同，全部电池单体同时实现同一电流充电和放电。理想情况下，单体电池电压相等，因此电池组充放电电压为单体电池电压*单体电池数量；但实际使用环境中，由于电池单体制造的非一致性和使用环境的原因，单体电池电压、容量等特性并不一致，在正常的电池组充放电使用过程中，会导致部分单体电池出现过充或欠充现象。单体电池长期处于过充或欠充状态，一方面会加剧电池组中单体电池的非一致性，引起其他正常单体电池出现过充或欠充，另一方面会逐步出现电池劣化问题，并最终导致电池组中全部电池失去存储电能的能力。

鉴于上述原因，导致了下述两种情况：

情况一、在电池组实际使用中，要求用户必须按时更换全部电池以保证电池组的电能存储能力和应急供电能力，而且一旦发现有单体电池出现劣化或失效，由于无法对电池单体进行严格全面的检测和筛选出和没有出现劣化或失效的其他电池高一致性的可替换电池进行更换，就必须整组更换全部同组的单体电池，形成巨大的浪费。

情况二、在一些使用蓄电池组供电的产品中，为了提高供电的可靠性，避免由于蓄电池组中的任意一个电池单元出现故障而导致整个电池组无法正常工作的情况，现有技术中采用了1+1冗余设计的方案来解决，即：在设备中设置两套蓄电池组，所述两套蓄电池组互为备用的方式来保证任一蓄电池组中出现电池单体故障时，电池组有足够的备电放电能力，该种方案也成为1+1备用模式。

上述1+1备用模式存在的主要问题有：1、因为该备用方案需要两套电池组，因此在实际应用需要在设备中预留出存放两套电池组的空间，即：占用空间比较大；2、当工作的蓄电池组中任意一个电池单体出现故障时，都需要采用另一个蓄电池组来整体替换，备用成本高；3、由于只有一套备用电池组，因此只允许出现一次故障，备电能力低。

发明内容

本发明解决了现有蓄电池组存在的由于无法对电池单体进行严格全面的检测和筛选、导致一旦发现有单体电池出现劣化或失效就必须整组更换全部同组的单体电池、导致巨大浪费的问题，以及现有蓄电池组的1+1备用模式存在的占用空间大、备用成本高以及备电能力低的问题。

本发明所述的N+x蓄电池组包括N+x个电池单元和N+x个投切开关，每个投切开关与一个电池单元相对应、用于控制所对应的电池单元切除或切入工作电池组，所述工作电池组由任意N个电池单元通过N个投切开关串联连接组成，其余x个电池单元为备用电池单元。

上述电池单元是各类可充电的单体电池，也可以是由多个单体电池串联或并联组成的小电池组。

用于控制投切开关的控制单元，也可以设计在蓄电池组内部，该控制单元用于控制N+x个投切开关的工作状态，保证始终有N个电池单元串联连接组成工作电池组。

根据实际情况，还可以将对电池单元性能检测的功能设计在蓄电池组内部的控制单元中实现，即：控制单元还用于实时检测工作电池组中的N个电池单元的工作参数，还用于在检测到某一个电池单元出现故障时，控制该电池单元对应的投切开关将该电池单元切除工作电池组，然后在2毫秒至5秒内将处于备用状态中的任意一个电池单元切入工作电池组。

所述的投切开关由一个切入开关和一个旁路开关组成，所述切入开关用于将对应的电池单元串联进工作电池组，所述旁路开关用于将位于工作电池组中的电池单元从工作电池组中切除。

所述的投切开关可以采用双向投切开关，该双向投切开关有一个动触点、两个静触点，蓄电池组的正极连接第1个投切开关的动触点，该投切开关的一个静触点与第1个电池单元B1的正极连接，该投切开关的另一个静触点同时与第1个电池单元B1的负极和第2个投切开关的动触点连接，第i个投切开关的一个静触点与第i个电池单元的正极连接，该第i个投切开关的另一个静触点同时与第i个电池单元的负极和第i+1个投切开关的动触点连接，i＝2、3、…、N、N+1、…、N+x-1，第N+x个投切开关的一个静触点与第N+x个电池单元的正极连接，该第N+x个投切开关的另一个静触点同时与第N+x个电池单元的负极和蓄电池组的负极连接。

所述投切开关可以采用下述结构实现：所述的投切开关包括两个mosfet功率器件T1、T2和一个稳压二极管D1，其中一个mosfet功率器件T2的源极和另一个mosfet功率器件T2的漏极连接在一起作为投切开关的动触点，一个mosfet功率器件T1的漏极与稳压二极管D1的阳极连接作为投切开关的一个静触点，另一个mosfet功率器件T2的源极与稳压二极管D1的阴极连接做为切管开关的另一个静触点，所述稳压二极管D1与电池单元并联连接。

所述稳压二极管D1的额定电压大于所述电池单元的最大电压。

每个mosfet功率器件均是具备反并联二极管的mosfet功率器件。

上述mosfet功率器件T1为切入开关，mosfet功率器件T2为切除开关。

本发明所述的N+x的蓄电池组，由于每个电池单元都能够切除或切入，能够实现对电池组中的任意一个电池单体进行全面的检测和筛选、替换，完全避免了现有蓄电池组的结构存在的一旦发现有单体电池出现劣化或失效，就必须整组更换全部同组的单体电池的问题。

本发明所述的N+x的蓄电池组，是一种N+x的备用电池组，其备用原理与现有的蓄电池组备用方案完全不同，即：不指定某一个电池单元为备用电池，而是将N+x个电池单元做成一个蓄电池组，在工作状态下，只有任意N个电池单元串联连接组成工作电池组参与工作，其余x个电池单元即为备用电池单元，当发现位于工作电池组中的某一个电池单元出现故障时，可以及时通过控制开关切除相应的电池单元、同时从备用的x个备用电池单元中选择一个切入至工作电池组中，由于电池组中的开关的开关速度达到us级，因此这种切换速度能够保证电池组能够持续稳定的工作。由于电池组中有x个备用电池单元，因此，在电池组中出现x个故障电池单元时，仍能保证电池组的稳定工作。在电池组的维护过程中，及时更换损坏的电池单元即可。

本发明所述的N+x电池组的设计思路完全摒弃了现有传统的电池组备用方案的设计思路，而是采用单体电池备用的思路，即：在电池组中设置了x个电池单元作为备用。该种备用方案只需要增加x个电池单体，而不是增加一个电池组，因此，所需空间小，且成本低。从备用能力方面分析，该种n+x备用方案提高了电池组的备电能力，例如：当x取最小值x＝1时，即可以实现传统的电池组备用方案的备电能力，如x＝3则可以提高3倍电池组备电能力；同时由于相同备电能力为1个电池单元故障时，N+x备用方式的备电成本为x个电池单元，而传统方式需要1组电池组作为备电成本，因此N+x备用方式的备电成本极低。综上所述，该种电池组克服了现有常用的电池组备用方案存在的所有缺陷。

现有蓄电池组在工作中，偶尔会出现失效模式，该模式下控制电路出现故障，则现有带有冗余备用电池的蓄电池组的结构会出现电池组中全部电池被直接短路、或者多只电池对冗余电池充电的情况，这些情况会造成严重的电池短路***的电源事故。而本发明所述的N+x蓄电池组的结构，在失效模式下，只能出现两种状态：状态一、所有电池单元均串联连接，状态二、所有电池单元都断开，这两种状态都不会出现电池故障、甚至***的情况，即：在失效模式下，本发明所述的蓄电池组更安全。

本发明所述的蓄电池组适用于现有各种需要使用蓄电池供电的领域中。

本发明所述的N+x蓄电池组，不但能够在工作状态，对外保持是由N个电池单元组成的电池组的特性，在充放电过程中，仍可以按照N个电池单元组成的电池组进行充放电控制、并且通过对投切开关的合理控制能够保证所有N+x个电池单元均能够被充满或放空，只要在任意的充放电过程中，保证任意时刻总是有N只电池单元且只有N只电池单元在线即可。因此，本发明所述的蓄电池组的结构，还可以作为改变电池组充电/放电方式的硬件基础。

附图说明

图1是现有蓄电池组的结构，该种蓄电池组中的所有电池单元是同时工作的。

图2是本发明所述的具有备电能力的N+x蓄电池组的电气结构示意图。

图3是具体实施方式二和三所述的N+X蓄电池组的电气结构示意图。

图4是具体实施方式五所述的一种投切开关的电路原理示意图。

实施方式

具体实施方式一、参见图2说明本实施方式。本实施方式所述的一种N+x的电池组所述电池组还包括N+x个投切开关，每个投切开关与一个电池单元相对应，其中任意N个电池单元通过对应的投切开关串联组成工作电池组，且所述N个电池单元中的任意一个电池单元均能够通过其对应的投切开关切除工作电池组，其余x个电池单元作为备用电池单元能够通过对应的投切开关切入工作电池组。

本实施方式中所述的电池单元是各类可充电的单体电池，也可以是由多个单体电池串联或并联组成的小电池组。

本实施方式所述的N+x蓄电池组，正常状态下，对于外部始终是一个由N个电池单元串联组成的工作电池组，该工作电池组对外提供供电电源，相当于现有的普通蓄电池组。其余的x个电池单元处于备用状态，即：是备用电池单元，在处于工作电池组中的某一个电池单元出现故障时，则通过控制投切开关将出现故障的电池切除工作电池组、然后选择x个备用电池单元中的一个电池单元切入工作电池组，实现电池单元的替换，进而保证工作电池组的正常工作。由于蓄电池组中一共有x个备用电池单元，因此该蓄电池组共有x次替换的机会。

由于蓄电池组中的每个电池单元均配有投切开关，均能够实现单独的切入或切除工作电池组的动作，因此，不必设定某个电池单元是备用。

所述的投切开关K由一个切入开关和一个旁路开关组成，所述切入开关用于将对应的电池单元串联进工作电池组，所述旁路开关用于将位于工作电池组中的电池单元从工作电池组中切除。

所述切入开关和旁路开关的控制信号相反，且为死区控制，进而避免两个开关出现同时闭合或断开的情况出现。

所述切入开关和旁路开关可以采用现有的电子开关实现，例如：可以采用mosfet功率器件实现。

具体实施方式二、参见图3说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式一所述的N+x蓄电池组的进一步限定。本实施方式所述的蓄电池组还包括控制单元，所述控制单元用于控制N+x个投切开关的工作状态，保证始终有N个电池单元串联连接组成工作电池组。

本实施方式在N+x蓄电池组中增加了控制单元，用于实现对N+x个投切开关实现自动控制。即：本实施方式是将控制投切开关的功能设计在了蓄电池组内部。该控制单元用于根据外部的控制指令实现对投切开关进行控制，所述外部控制指令可以通过串行通信方式实现传输。

本实施方式所述的控制单元可以采用现有可编程逻辑集成电路实现。

具体实施方式三、参见图3说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式二所述的N+x蓄电池组的进一步限定。本实施方式中，控制单元还用于实时检测工作电池组中的N个电池单元的工作参数，还用于在检测到某一个电池单元出现故障时，控制该电池单元对应的投切开关将该电池单元切除工作电池组，然后在2毫秒至5秒内将处于备用状态中的任意一个电池单元切入工作电池组。

本实施方式，将对电池单元的检测功能设计在蓄电池组内。在蓄电池组工作过程中，控制单元能够实现对工作电池组中处于工作状态的每个电池单元的工作参数进行检测，当发现某一个电池单元出现故障的时候，启动切换功能，即：切除故障的电池单元、再从备用的电池单元中切入一个电池单元，所述切除、切入动作之间的时间间隔在1至10毫秒之内，最优时间为2毫秒至5秒之内，进而能够保证工作电池组对外供电性能的稳定性，不影响用电设备的工作。

本实施方式所述的控制单元增加了检测电池单元工作参数的功能，该功能可以采用现有电池参数检测电路实现。

具体实施方式四、参见图2说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式一所述的N+x蓄电池组中的投切开关的具体结构做进一步说明：本实施方式中所述的投切开关为双向投切开关，所述双向投切开关有一个动触点、两个静触点，蓄电池组的正极连接第1个双向投切开关的动触点，该双向投切开关的一个静触点与第1个电池单元的正极连接，该双向投切开关的另一个静触点同时与第1个电池单元的负极和第2个双向投切开关的动触点连接，第i个双向投切开关的一个静触点与第i个电池单元的正极连接，该第i个双向投切开关的另一个静触点同时与第i个电池单元的负极和第i+1个双向投切开关的动触点连接，i＝2、3、…、N、N+1、…、N+x-1，第N+x个双向投切开关的一个静触点与第N+x个电池单元的正极连接，该第N+x个双向投切开关的另一个静触点同时与第N+x个电池单元的负极和蓄电池组的负极连接。

本实施方式所述的双向投切开关，可以采用电子开关实现，因为电子开关的切换速度快，能够保证电池切入或切除不影响电池组的工作。

采用该种双向投切开关，能够实现将任意一个电池单元切除或者切入工作电池组。

参见图2所示，图中的投切开关K中，动触点和左侧的静触点组成了切入开关，用于将对应的电池单元切入工作电池组；该动触点与右侧静触点组成了切除开关，用于将对应的电池单元从工作电池组中旁路、即：切除。

具体实施方式五、参见图4说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式四所述的N+x蓄电池组中的投切开关的具体结构做进一步说明：本实施方式所述的投切开关包括两个mosfet功率器件T1、T2和一个稳压二极管D1，其中一个mosfet功率器件T2的源极和另一个mosfet功率器件T2的漏极连接在一起作为投切开关的动触点，一个mosfet功率器件T1的漏极与稳压二极管D1的阳极连接作为投切开关的一个静触点，另一个mosfet功率器件T2的源极与稳压二极管D1的阴极连接做为切管开关的另一个静触点，所述稳压二极管D1与电池单元并联连接。

所述稳压二极管D1的额定电压大于所述电池单元的最大电压。该稳压二极管D1能够在对应的电池单元B1处于开路或过压状态时起到保护作用。

该投切开关中，mosfet功率器件T1为切入开关，即：当需要将所述电池单元B1接入电池组内时、该mosfet功率器件T1为导通状态；该开关中的mosfet功率器件T2为电池单元B1的旁切除开关，即：当需要将所述电池单元B1从电池组中切除的时候，该mosfet功率器件T2为导通状态。

本实施方式所述的投切开关采用mosfet功率器件作为投切开关的执行器件，其切除和投入电池单元的速度极快、可达到μs级，在电池充电、放电以及工作状态中，不会对整个电池组对外性能产生影响。另外，该种具备反并联二极管的mosfet功率器件允许快速、频繁的投切工作，且同时还具备小于单体电池额定电压1～2％的开关导通压降，能够确保该投切开关产生的损耗非常小，不会影响工作电池组的工作性能。

本实施方式中所述的每个mosfet功率器件均是具备反并联二极管的mosfet功率器件。所述mosfet功率器件反并联的二极管和并结合稳压二极管D1可以构成在相应的mosfet功率器件控制失效后的备用回路，进而有效防止由于电池单体控制失败而导致的电池组整体失效的现象出现，保证整个电池组工作的可靠性。

本实施方式所述的投切开关在实际应用中，所述两个mosfet功率器件的控制信号相反，且两个控制信号之间为死区控制，进而有效的防止瞬间同时导通而引起的电池短路放电现象的发生。

Claims (10)

1.一种N+x的蓄电池组，其特征在于，所述电池组包括N+x各电池单元，还包括N+x个投切开关，每个投切开关与一个电池单元相对应、用于控制所对应的电池单元切除或切入工作电池组，所述工作电池组由任意N个电池单元通过N个投切开关串联连接组成，其余x个电池单元为备用电池单元。

2.根据权利要求1所述的N+x蓄电池组，其特征在于，所述的电池单元是可充电的单体电池，或者是由多个单体电池串联或并联组成的电池组。

3.根据权利要求1所述的N+x蓄电池组，其特征在于，所述投切开关由一个切入开关和一个旁路开关组成，所述切入开关用于将对应的电池单元串联进工作电池组，所述旁路开关用于将对应的电池单元从工作电池组中旁路，即：从工作电池组中切除。

4.根据权利要求1所述的N+x的蓄电池组，其特征在于，所述蓄电池组还包括控制单元，所述控制单元用于控制N+x个投切开关的工作状态，保证始终有N个电池单元串联连接组成工作电池组。

5.根据权利要求4所述的N+x的蓄电池组，其特征在于，所述控制单元还用于实时检测工作电池组中的N个电池单元的工作参数，还用于在检测到某一个电池单元出现故障时，控制该电池单元对应的投切开关将该电池单元切除工作电池组，然后在2毫秒至5秒内将处于备用状态中的任意一个电池单元切入工作电池组。

6.根据权利要求1所述的N+x蓄电池组，其特征在于，所述投切开关为双向投切开关，电池组的正极连接第1个双向投切开关的动触点，该双向投切开关的一个静触点与第1个电池单元的正极连接，该双向投切开关的另一个静触点同时与第1个电池单元的负极和第2个双向投切开关的动触点连接，第i个双向投切开关的一个静触点与第i个电池单元的正极连接，该第i个双向投切开关的另一个静触点同时与第i个电池单元的负极和第i+1个双向投切开关的动触点连接，i＝2、3、…、N、N+1、…、N+x-1，第N+x个双向投切开关的一个静触点与第N+x个电池单元的正极连接，该第N+x个双向投切开关的另一个静触点同时与第N+x个电池单元的负极和电池组的负极连接。

7.根据权利要求6所述的N+x的蓄电池组，其特征在于，所述双向投切开关包括两个mosfet功率器件T1、T2和一个稳压二极管D1，其中一个mosfet功率器件T2的源极和另一个mosfet功率器件T2的漏极连接在一起作为双向投切开关的动触点，一个mosfet功率器件T1的漏极与稳压二极管D1的阳极连接作为双向投切开关的一个静触点，另一个mosfet功率器件T2的源极与稳压二极管D1的阴极连接做为切管开关的另一个静触点，所述稳压二极管D1与一个电池单元并联连接。

8.根据权利要求7所述的N+x的蓄电池组，其特征在于，所述电稳压二极管D1的额定电压大于所述电池单元的最大电压。

9.根据权利要求7所述的N+x的蓄电池组，其特征在于，所述mosfet功率器件为具备反并联二极管的mosfet功率器件。

10.根据权利要求7所述的N+x的蓄电池组，其特征在于，所述两个mosfet功率器件T1、T2的控制信号相反，且两个控制信号之间为死区控制。