CN113224816B - 串联电池组隔离接口、选通网络、保护与均衡电路、方法 - Google Patents

串联电池组隔离接口、选通网络、保护与均衡电路、方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有隔离接口、选通网络的串联电池组保护与均衡电路及控制方法；同时提供了一种相应的隔离接口、选通网络电路；通过串联电池组选通网络与串联电池组隔离接口中开关的切换、串联电池组隔离接口中隔离型双向直流变换器的双向功率变换与隔离功能，本发明能够实现串联电池组内单个或多个电池故障时，对故障电池的隔离，阻断流经故障电池的电流，保障电池组的安全，同时，非故障电池仍能够通过本发明接入外电路，实现正常的充放电运行；在电池组正常工作，无电池故障时，本发明能够以极低损耗将电池组接入外电路，同时兼具串联电池组的荷电状态均衡功能，保证电池组的高效、安全运行。

Description

串联电池组隔离接口、选通网络、保护与均衡电路、方法
技术领域
本发明涉及电池储能技术领域，特别涉及一种基于隔离型变换器的串联电池组隔离接口、选通网络、保护与均衡电路及控制方法。
背景技术
随着电池技术的不断发展，凭借着高能量密度、稳定的储能特性，电池储能在社会生产生活的各个方面发挥着日益重要的作用。以大容量储能为例，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***的容量和功能提出了越来越高的要求，而电池储能***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。
由于单个电池单体的容量和电压较小，无法直接应用。因此，在实际应用场景中，通常根据需要的电压等级和容量，对电池进行串并联组成电池组。通过多个电池单体的串联，能够提高电池组输出的电压。在实际应用中，通常先将电池单体串联后得到48V、60V、72V等电压等级的标准模块，之后，在需要更高电压时，将标准串联电池组模块串联升压；而在需要更大的充放电电流时，将标准串联电池组模块并联扩容。通过将单体电池串并联后接入外电路，能够适应于各种不同的应用需要，也是电池实际应用的重要方式。
然而，大量电池的串并联连接也带来了一系列问题与挑战，限制了电池储能的发展。在并联状态下，电池单体的不一致性导致的电池环流增大了电池损耗、减少电池寿命、增加故障风险。而在串联状态下，流经串联电池组内电池的电流必须时刻相等，由此带来了电池保护与电池均衡两个主要问题。
对于电池保护而言，由于电池单体出厂特性及运行状态的不一致，同一串联电池组内电池单体的老化与损伤程度也不同，当某个电池单体到达寿命上限或发生故障时，需要将流经该电池单体的电流减小到零，否则正常工作状态下的充放电电流将使得该电池单体的损伤或故障进一步加剧，同时导致电池发热与温度上升，甚至引发相邻电池的故障，造成更严重的事故。然而，对于串联连接的电池组而言，一个单体电池的退出运行需要将整个串联连接的电池组一起退出运行，对于高压电池储能应用而言，往往由数百个电池单体串联来达到需要的电压等级，此时，单个电池单体的故障将导致同一组串内的大量正常电池被迫退出运行；同时，串联的电池数量越多，串联电池组内有单个电池发生故障的概率也就越大；因此，串联电池组内电池的保护问题大大增加了***的运行成本，制约了电池储能***可靠性的提升。
而在电池的正常运行过程中，同样由于电池单体出厂特性的不一致，以及运行状态、温度的不同，在实际运行过程中，各个电池单体间将存在容量差异，虽然串联电池组内每个电池流过相同的充放电电流，但各个电池的荷电状态将存在差异。对于一系列串联的电池芯，在充电过程中，会存在某一电池电量已充满，而其余电池电量未充满的情况，为了避免对该电池的过充电，其余电池芯的电量将无法进一步充满；同样，在放电过程中，会存在某一电池电量已到达最小容许荷电状态，而其余电池仍可进一步放电的情况，此时，为了避免过放电导致的电池芯损坏，所有串联的电池芯都将停止继续放电。由此可见，电池芯性能的不一致，将导致储能***整体的可用容量受到限制，造成配置容量的浪费，增加储能***的成本。而为了解决串联电池组内电池荷电状态不一致的问题，往往采用电池筛选和电池均衡两种手段。电池筛选指的是在电池出厂时，对每个电池芯的性能进行测试，挑选性能一致的电池芯进行串并联组成电池模块。这一过程需要耗费大量的时间成本和人力成本。而电池均衡是在电池形成组串后，通过被动均衡或主动均衡两种方式，使得每个电池芯的荷电状态总是保持一致。
现有技术中，已有以下一些串联电池组内故障电池保护或串联电池组内电池均衡的方法被提出：
(1)公开号为CN112186857A的中国发明专利申请提出了一种串联电池保护电路，通过为每个单节电池串联开关，配合相应的控制与缓冲电路，实现单节故障电池的隔离与保护功能。然而，通过为每节电池串联的开关，意味着在正常运行的电路中串联了大量的开关导通电阻，将在串联电池组正常运行时带来附加的损耗，不适用于串联电池数多、充放电电流大的应用场景。
(2)公开号为CN111030265A的中国发明专利申请提出了一种电池组内部单个电池保护电路，通过为每一个电池单体串联一个继电器线圈控制的单刀双掷开关，实现对故障电池单体的旁路与保护功能。然而，大量继电器开关的引入，同样导致了串联电池组正常运行时的电阻损耗随串联电池数量而增加；同时，继电器也无法开断较大的直流电流，这一保护电路同样不适用与串联电池数多、充放电电流大的应用场景。
(3)公开号为CN110867921A的中国发明专利申请提出了一种串联电池组内部电池直接均衡方法，通过反激变换器连接需要均衡的电池单体，实现高荷电状态单体与低荷电状态单体间的直接主动均衡。该方法引入了较多的电力电子开关，增加了***成本，而仅能实现电池均衡功能，功能性较为单一。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于隔离型双向直流变换器的串联电池组隔离接口电路、串联电池组选通网络电路、具有隔离接口和选通网络的串联电池组保护与均衡电路及控制方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种串联电池组隔离接口电路，包括：第一隔离型双向直流变换器、第二隔离型双向直流变换器、第一开关S1、第二开关S2、第一旁路开关S1c、第二旁路开关S2c、电池组正极开关SPB、电池组负极开关SNB、变换器正极开关SPT、变换器负极开关SNT、外电路正端、外电路负端、串联电池组正端PB以及串联电池组负端NB；其中：
所述第一隔离型双向直流变换器与第二隔离型双向直流变换器均为双端口结构，所述第一隔离型双向直流变换器的第一端口的正端I和负端II分别形成电池连接端子I和电池连接端子II；所述第二隔离型双向直流变换器的第一端口的正端III和负端IV分别形成电池连接端子III和电池连接端子IV；
所述第一开关S1连接所述第一隔离型双向直流变换器的第一端口的正端I与第二端口的正端，所述第二开关S2连接所述第二隔离型双向直流变换器的第一端口的负端IV与第二端口的负端；所述第一旁路开关S1c连接所述第一隔离型双向直流变换器的第二端口的正端与负端，所述第二旁路开关S2c连接所述第二隔离型双向直流变换器的第二端口的正端与负端；所述第一隔离型双向直流变换器的第二端口的负端与所述第二隔离型双向直流变换器的第二端口的正端连接；
所述第一隔离型双向直流变换器的第二端口的正端连接所述变换器正极开关SPT的一端，所述变换器正极开关SPT的另一端连接所述外电路正端；所述第二隔离型双向直流变换器的第二端口的负端连接所述变换器负极开关SNT的一端，所述变换器负极开关SNT的另一端连接所述外电路负端；所述电池组正极开关SPB的一端连接所述外电路正端，所述电池组正极开关SPB的另一端与所述串联电池组正端PB连接；所述电池组负极开关SNB的一端连接所述外电路负端，所述电池组负极开关SNB的另一端与所述串联电池组负端NB连接。
根据本发明的另一个方面，提供了一种串联电池组选通网络电路，包括：开关组I、开关组II、开关组III、开关组IV、变换器连接端子I、变换器连接端子II、变换器连接端子III以及变换器连接端子IV；其中：
所述开关组I～IV均包括N个开关S；其中：
第I组开关组中的N个开关S的一端均连接至所述变换器连接端子I，所述第I组开关组中的第一个开关SI，0的另一端形成串联电池组正端连接端，所述第I组开关组中的其余N-1个开关SI，1、SI，2……SI，N-1的另一端形成串联电池组连接端；
第II组开关组中的N个开关S的一端均连接至所述变换器连接端子II，所述第II组开关组中的第N个开关SII，N的另一端形成串联电池组负端连接端，所述第II组开关组中的其余N-1个开关SII，1、SII，2……SII，N-1的另一端形成串联电池组连接端；
第III组开关组中的N个开关S的一端均连接至所述变换器连接端子III，所述第III组开关组中的第一个开关SIII，0的另一端形成串联电池组正端连接端，所述第III组开关组中的其余N-1个开关SIII，1、SIII，2……SIII，N-1的另一端形成串联电池组连接端；
第IV组开关组中的N个开关S的一端均连接至所述变换器连接端子IV，所述第IV组开关组中的第N个开关SIV，N的另一端形成串联电池组负端连接端，所述第IV组开关组中的其余N-1个开关SIV，1、SIV，2……SIV，N-1的另一端形成串联电池组连接端。
根据本发明的第三个方面，提供了一种串联电池组保护与均衡电路，包括：串联电池组、上述的串联电池组隔离接口电路以及上述的串联电池组选通网络电路；其中：
所述串联电池组隔离接口电路的电池连接端子I～IV分别与所述串联电池组选通网络电路的变换器连接端子I～IV对应连接；
所述串联电池组包括N个串联连接的电池B，其中：
所述第I组开关组中的第一个开关SI，0的串联电池组正端连接端连接至所述串联电池组正端PB，所述第I组开关组中的其余N-1个开关SI，1、SI，2……SI，N-1的串联电池组连接端分别与所述串联电池组中N个串联连接的电池B之间形成的N-1个电池连接端相连；
所述第II组开关组中的第N个开关SII，N的串联电池组负端连接端连接至所述串联电池组负端NB，所述第II组开关组中的其余N-1个开关SII，1、SII，2……SII，N-1的串联电池组连接端分别与所述串联电池组中N个串联连接的电池B之间形成的N-1个电池连接端相连；
所述第III组开关组中的第一个开关SIII，0的串联电池组正端连接端连接至所述串联电池组正端PB，所述第III组开关组中的其余N-1个开关SIII，1、SIII，2……SIII，N-1的串联电池组连接端分别与所述串联电池组中N个串联连接的电池B之间形成的N-1个电池连接端相连；
所述第IV组开关组中的第N个开关SIV，N的串联电池组负端连接端连接至所述串联电池组负端NB，所述第IV组开关组中的其余N-1个开关SIV，1、SIV，2……SIV，N-1的串联电池组连接端分别与所述串联电池组中N个串联连接的电池B之间形成的N-1个电池连接端相连；
所述串联电池组正端PB和所述串联电池组负端NB分别与所述串联电池组的两端端子连接；
所述串联电池组隔离接口电路的外电路正端与外电路负端形成所述串联电池组保护与均衡电路的外电路端口；
所述串联电池组正端PB、所述串联电池组负端NB以及所述电池连接端子I～IV实现与所述串联电池组的功率交互；所述外电路端口实现与外电路的功率交互。
根据本发明的第四个方面，提供了一种上述的串联电池组保护与均衡电路的控制方法，包括工作模式A～K中任意一项或任意多项的工作模式。
根据本发明的第五个方面，提供了一种上述的串联电池组保护与均衡电路的故障电池隔离与保护控制方法，根据电池管理***检测得到的电池故障状态，从上述的工作方法中，选取任意一种或任意多种工作模式，将故障电池从功率回路中隔离，使得流经故障电池的电流为零，同时保证非故障电池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接入电路继续工作，在此基础上使得经由第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器接入外电路的电池数量之和最小，以实现最低的功率变换器损耗。
根据本发明的第六个方面，提供了一种上述的串联电池组保护与均衡电路的均衡控制方法，当电池管理***检测到无电池故障，且所述串联电池组内有电池需要均衡时，对所述串联电池组内的电池进行均衡。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明提供的基于隔离型双向直流变换器的串联电池组隔离接口电路、串联电池组选通网络电路、串联电池组保护与均衡电路及控制方法，能够在电池发生故障或损伤时，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，由此保护故障电池，避免故障的加剧以及事故的发生，而在电池组正常工作时，仅以两个开关将串联电池组接入外电路，避免了现有的串联电池组保护电路需要接入串联大量开关、增大损耗的问题；同时，具有的池均衡的功能，在电池组内无电池故障时，可以通过主动均衡方式，实现电池单体间电量的转移，达到消除串联电池组内电池荷电状态不一致的目的。
本发明提供的基于隔离型双向直流变换器的串联电池组隔离接口电路、串联电池组选通网络电路、串联电池组保护与均衡电路及控制方法，通过串联电池组选通网络与串联电池组隔离接口中开关的切换、串联电池组隔离接口中隔离型双向直流变换器的双向功率变换与隔离功能，能够实现串联电池组内单个或多个电池故障时，对故障电池的隔离，阻断流经故障电池的电流，保障电池组的安全，同时，非故障电池仍能够通过本发明接入外电路，实现正常的充放电运行；在电池组正常工作，无电池故障时，本发明能够以极低损耗将电池组接入外电路，同时兼具串联电池组的荷电状态均衡功能，保证电池组的高效、安全运行。
附图说明
为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出了本发明一实施例中串联电池组隔离接口电路结构图。
图2示出了串联电池组隔离接口电路的一个实施例。
图3示出了本发明一实施例中串联电池组选通网络电路结构图。
图4示出了本发明一实施例中串联电池组保护与均衡电路结构图。
图5～图15示出了本发明一优选实施例中串联电池组保护与均衡电路在工作模式A～K下的电路图。
图16示出了本发明一实施例中串联电池组保护与均衡电路的故障电池隔离与保护控制方法流程图。
图17示出了本发明一实施例中串联电池组保护与均衡电路的均衡控制方法原理图；其中，(a)为串联电池组保护与均衡电路对高荷电状态电池放电工况电路图，(b)为串联电池组保护与均衡电路对低荷电状态电池充电工况电路图。
图18示出了串联电池组保护与均衡电路的均衡方法中一个基于双向反激变换器实施例；其中，(a)为串联电池组保护与均衡电路对高荷电状态电池放电工况电路图，(b)为串联电池组保护与均衡电路对低荷电状态电池充电工况电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明一实施例提供的串联电池组隔离接口电路结构图。
如图1所示，该实施例提供的串联电池组隔离接口电路，可以包括：串联电池组正端，串联电池组负端，四个电池连接端子I、II、III、IV，外电路正端，外电路负端；其中：
串联电池组正端、串联电池组负端与四个电池连接端口I、II、III、IV实现与串联电池组的功率交互；外电路正端、外电路负端实现与外电路的功率交互。
还可以包括：第一隔离型双向直流变换器，第二隔离型双向直流变换器，第一开关S1，第二开关S2，第一旁路开关S1c，第二旁路开关S2c，电池组正极开关SPB，电池组负极开关SNB，变换器正极开关SPT，变换器负极开关SNT；其中：
第一隔离型双向直流变换器与第二隔离型双向直流变换器均为双端口网络，第一隔离型双向直流变换器的第一端口具有正端I和负端II，正端I与负端II即为电池连接端子I、II；第二隔离型双向直流变换器的第一端口具有正端III和负端IV，正端III与负端IV即为电池连接端子III、IV。
第一开关S1连接第一隔离型双向直流变换器的第一端口正端I与第二端口的正端，第二开关S2连接第二隔离型双向直流变换器的第一端口负端IV与第二端口的负端。第一旁路开关S1c连接第一隔离型双向直流变换器的第二端口的正端与负端，第二旁路开关S2c连接第二隔离型双向直流变换器的第二端口的正端与负端。第一隔离型双向直流变换器的负端与第二隔离型双向直流变换器的正端连接。
第一隔离型双向直流变换器第二端口的正端连接变换器正极开关SPT的一端，变换器正极开关SPT的另一端连接外电路正端。第二隔离型双向直流变换器第二端口的负端连接变换器负极开关SNT的一端，变换器负极开关SNT的另一端连接外电路负端。电池组正极开关SPB连接外电路正端与串联电池组正端，电池组负极开关连接外电路负端与串联电池组负端。
图2为本发明一优选实施例提供的串联电池组隔离接口电路结构图。
如图2所示，该优选实施例提供的串联电池组隔离接口电路，基于双向反激变换器，可以包括：串联电池组正端，串联电池组负端，四个电池连接端子I、II、III、IV，外电路正端，外电路负端；其中：
串联电池组正端、串联电池组负端与四个电池连接端子I、II、III、IV实现与串联电池组的功率交互；外电路正端、外电路负端实现与外电路的功率交互。
还可以包括：第一变压器T1，开关S1a、S1b，第一电容C1，第二变压器T2，开关S2a、S2b，第二电容C2，第一开关S1，第二开关S2，第一旁路开关S1c，第二旁路开关S2c，电池组正极开关SPB，电池组负极开关SNB，变换器正极开关SPT，变换器负极开关SNT；其中：
第一变压器T1原边的一端连接开关S1a的一端，第一变压器T1副边的同名端连接第一电容C1的正端，第一变压器T1副边的异名端连接开关S1b的一端；第一变压器T1原边的另一端连接电池连接端子I，开关S1a的另一端连接电池连接端子II；开关S1b的另一端连接第一电容C1的负端。上述电路构成第一双向反激变换器，当该变换器工作时，开关S1a以占空比D1开关，开关S1b互补导通，该变换器的电压增益G1定义为第一电容电压VC1与电池连接端子I和II的电位差VB1之比。
第二变压器T2原边的一端连接开关S2a的一端，第二变压器T2副边的同名端连接第二电容C2的正端，第二变压器T2副边的异名端连接开关S2b的一端；第二变压器T2原边的另一端连接电池连接端子III，开关S2a的另一端连接电池连接端子IV；开关S2b的另一端连接第二电容C2的负端。上述电路构成第二双向反激变换器，当该变换器工作时，开关S2a以占空比D2开关，开关S2b互补导通，该变换器的电压增益G2定义为第二电容电压VC2与电池连接端子III和IV的电位差VB2之比。
第一开关S1连接电池连接端I与第一电容C1的正端，第二开关S2连接电池连接端IV与第二电容C2的负端。第一旁路开关S1c连接第一电容C1的正端与负端，第二旁路开关S2c连接第二电容C2的正端与负端。第一电容C1的负端与第二电容C2的正端连接。
第一电容C1的正端连接变换器正极开关SPT的一端，变换器正极开关SPT的另一端连接外电路正端。第二电容C2的负端连接变换器负极开关SNT的一端，变换器负极开关SNT的另一端连接外电路负端。电池组正极开关SPB连接外电路正端与串联电池组正端，电池组负极开关连接外电路负端与串联电池组负端。
图3为本发明一实施例提供的串联电池组选通网络电路结构图。
如图3所示，该实施例提供的串联电池组选通网络电路结构，可以包括：开关组I、II、III、IV，变换器连接端子I、II、III、IV。其中：
开关组I、II、III、IV均包括N个开关S；其中：
第I组开关组包括的N个开关S分别为：SI，0、SI，1……SI，N-1；第II组开关组包括的N个开关S分别为：SII，1、SII，2……SII，N-1、SII，N；第III组开关组包括的N个开关S分别为：SIII，0、SIII，1……SIII，N-1；第IV组开关组包括的N个开关S分别为：SIV，1、SIV，2……SIV，N-1、SIV，N。其中：
第I组开关组中的开关SI，0、SI，1……SI，N-1的一端均连接至变换器连接端子I。开关SI，0的另一端作为串联电池组正端连接端，用于连接至串联电池组正端，其余N-1个第I组开关SI，1、SI，2……SI，N-1的另一端分别作为串联电池组连接端，用于与串联电池组中相邻两个电池之间的电池连接端相连，即与第1电池连接端、第2电池连接端至第N-1电池连接端相连。
第II组开关组中的开关SII，1、SII，2……SII，N-1、SII，N的一端均连接至变换器连接端子II。开关SII，N的另一端作为串联电池组负端连接端，用于连接至串联电池组负端，其余N-1个第II组开关SII，1、SII，2……SII，N-1的另一端分别作为串联电池组连接端，用于与串联电池组中相邻两个电池之间的电池连接端相连，即与第1电池连接端、第2电池连接端至第N-1电池连接端相连。
第III组开关组中的开关SIII，0、SIII，1……SIII，N-1的一端均连接至变换器连接端子III。开关SIII，0的另一端作为串联电池组正端连接端，用于连接至串联电池组正端，其余N-1个第III组开关SIII，1、SIII，2……SIII，N-1的另一端分别作为串联电池组连接端，用于与串联电池组中相邻两个电池之间的电池连接端相连，即与第1电池连接端、第2电池连接端至第N-1电池连接端相连。
第IV组开关组中的开关SIV，1、SIV，2……SIV，N-1、SIV，N的一端均连接至变换器连接端子IV。开关SIV，N的另一端作为串联电池组负端连接端，用于连接至串联电池组负端，其余N-1个第IV组开关SIV，1、SIV，2……SIV，N-1的另一端分别作为串联电池组连接端，用于与串联电池组中相邻两个电池之间的电池连接端相连，即与第1电池连接端、第2电池连接端至第N-1电池连接端相连。
图4为本发明一实施例提供的串联电池组保护与均衡电路结构图。
如图4所示，该实施例提供的串联电池组保护与均衡电路，基于隔离型双向直流变换器，可以包括：N个电池B1、B2……BN依次串联组成的串联电池组、本发明上述实施例中任一项串联电池组隔离接口电路、本发明上述实施例中任一项串联电池组选通网络电路。其中：
串联电池组隔离接口电路的串联电池组正端与串联电池组中的电池B1的正极连接，串联电池组隔离接口电路的串联电池组负端与串联电池组中的电池BN的负极连接，即串联电池组正端和负端分别与串联电池组的两端端子连接。
第I组开关组中的第一个开关SI，0的串联电池组正端连接端连接至串联电池组正端PB，第I组开关组中的其余N-1个开关SI，1、SI，2……SI，N-1的串联电池组连接端分别与串联电池组中N个串联连接的电池B之间形成的N-1个电池连接端相连；第II组开关组中的第N个开关SII，N的串联电池组负端连接端连接至串联电池组负端NB，第II组开关组中的其余N-1个开关SII，1、SII，2……SII，N-1的串联电池组连接端分别与串联电池组中N个串联连接的电池B之间形成的N-1个电池连接端相连；第III组开关组中的第一个开关SIII，0的串联电池组正端连接端连接至串联电池组正端PB，第III组开关组中的其余N-1个开关SIII，1、SIII，2……SIII，N-1的串联电池组连接端分别与串联电池组中N个串联连接的电池B之间形成的N-1个电池连接端相连；第IV组开关组中的第N个开关SIV，N的串联电池组负端连接端连接至串联电池组负端NB，第IV组开关组中的其余N-1个开关SIV，1、SIV，2……SIV，N-1的串联电池组连接端分别与串联电池组中N个串联连接的电池B之间形成的N-1个电池连接端相连。也就是说，串联电池组选通网络电路的N-1个串联电池组连接端的第1连接端、第2连接端至第N连接端分别与串联电池组中电池B1的负极、电池B2的负极至电池BN-1的负极，也即电池B2的正极、电池B3的正极至电池BN的正极相连。
串联电池组的正极与串联电池组隔离接口的串联电池组正端、串联电池组选通网络的正端连接，串联电池组的负极与串联电池组隔离接口的串联电池组负端、串联电池组选通网络的负端连接。
变换器连接端子I、II、III、IV分别与电池连接端子I、II、III、IV对应连接。
串联电池组隔离接口的外电路正端与外电路负端即为串联电池组保护与均衡电路的外电路端口。
本发明一实施例提供了一种本发明上述实施例中任一项串联电池组保护与均衡电路的工作方法，包括如下任意一项或任意多项工作模式。
图5为本发明一优选实施例中串联电池组保护与均衡电路在基本工作模式A下的电路图。
如图5所示，在该优选实施例中，串联电池组隔离接口中的电池组正极开关SPB与电池组负极开关SNB导通，串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断；串联电池组隔离电路中的第一隔离型双向直流变换器与第二隔离型双向直流变换器均不工作。
在该基本工作模式A下，串联电池组的所有电池均通过开关SPB与开关SNB串联接入外电路，进行正常的电池充放电。串联的额外开关数量与串联电池组的电池数无关，因此在实现故障状态下电池单体隔离与保护功能的同时，在正常工作状态下引入的电阻与损耗极小，同时，由于需要长时间导通正常充放电电流的开关仅有开关SPB与开关SNB两个，也方便在设计时进行低导通电阻开关的选型并控制***整体成本。
图6为本发明一优选实施例中串联电池组保护与均衡电路在基本工作模式B下的电路图。
如图6所示，在该优选实施例中，串联电池组隔离接口中的变换器正极开关SPT、第二开关S2、变换器负极开关SNT导通，串联电池组选通网络中的第I组开关中的SI，i-1导通，第二组开关中的SII，j导通，第III组开关中的SIII，k-1导通，第IV组开关中SIV，m导通，其中，i、j和k、m是大于1且小于N的整数，且i小于等于j，j小于k-1，k小于等于m；串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断。串联电池组隔离电路中的第一隔离型双向直流变换器与第二隔离型双向直流变换器正常工作。
在该基本工作模式B下，虽然电池B1至电池Bi-1、电池Bj+1至电池Bk-1、电池Bm+1至电池BN仍串联在电池组内，但此时实际的外电路端口为第一隔离型双向直流变换器的第二端口、第二隔离型双向直流变换器的第二端口的串联，由于隔离变换器的作用，此时没有电流路径经过电池B1至电池Bi-1、电池Bj+1至电池Bk-1、电池Bm+1至电池BN，因此，在基本工作模式B下，实现电池B1至电池Bi-1、电池Bj+1至电池Bk-1、电池Bm+1至电池BN的隔离与保护，同时使得其余电池仍然接入外电路进行充放电。若第一隔离型双向直流变换器的电压增益为G1，第二隔离型双向直流变换器的电压增益为G2，电池单体电压为Vbat，此时外电路端口电压Vo为：
Vo＝[(j-i+1)G1+(m-k+1)G2]Vbat
图7为本发明一优选实施例中串联电池组保护与均衡电路在基本工作模式C下的电路图。
如图7所示，在该优选实施例中，串联电池组隔离接口中的变换器正极开关SPT、第一开关S1、第二开关S2、第二变换器旁路开关S2c、电池组负极开关SNB导通，串联电池组选通网络中的第I组开关中的SI，i-1导通，第二组开关中的SII，j导通，第IV组开关中SIV，k-1导通，其中，i、j和k是大于1且小于等于N的整数，且i小于等于j，j小于k-1；串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断。串联电池组隔离电路中的第一隔离型双向直流变换器正常工作，第二隔离型双向直流变换器被旁路不工作。
在该基本工作模式C下，虽然电池B1至电池Bi-1、电池Bj+1至电池Bk-1仍串联在电池组内，但同样由于隔离变换器的作用，此时没有电流路径经过电池B1至电池Bi-1、电池Bj+1至电池Bk-1，因此，在基本工作模式C下，实现电池B1至电池Bi-1、电池Bj+1至电池Bk-1的隔离与保护，同时使得其余电池仍然接入外电路进行充放电。此时外电路端口电压Vo为：
Vo＝[(j-i+1)G1+(N-k+1)]Vbat
图8为本发明一优选实施例中串联电池组保护与均衡电路在基本工作模式D下的电路图。
如图8所示，在该优选实施例中，串联电池组隔离接口中的电池组正极开关SPB、第一变换器旁路开关S1c、第一开关S1、第二开关S2、变换器负极开关SNT导通，串联电池组选通网络中的第I组开关中的SI，j导通，第III组开关中的SIII，k-1，第IV组开关中SIV，m导通，其中，j、k和m是大于等于1小于N的整数，且j小于k-1，k小于等于m；串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断。串联电池组隔离电路中的第一隔离型双向直流变换器被旁路不工作，第二隔离型双向直流变换器正常工作。
在该基本工作模式D下，虽然电池Bj+1至电池Bk-1、电池Bm+1至电池BN仍串联在电池组内，但同样由于隔离变换器的作用，此时没有电流路径经过电池Bj+1至电池Bk-1、电池Bm+1至电池BN，因此，在基本工作模式D下，实现电池Bj+1至电池Bk-1、电池Bm+1至电池BN的隔离与保护，同时使得其余电池仍然接入外电路进行充放电。此时外电路端口电压Vo为：
Vo＝[j+(m-k+1)G2]Vbat
图9为本发明一优选实施例中串联电池组保护与均衡电路在基本工作模式E下的电路图。
如图9所示，在该优选实施例中，串联电池组隔离接口中的变换器正极开关SPT、第二变换器旁路开关S2c、第二开关S2、电池组负极开关SNB导通，串联电池组选通网络中的第I组开关中的SI，0，第II组开关中的SII，j导通，第IV组开关中SIV，k-1导通，其中，j和k是大于等于1且小于等于N的整数，且j小于k-1；串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断。串联电池组隔离电路中的第一隔离型双向直流变换器正常工作，第二隔离型双向直流变换器被旁路不工作。
在该基本工作模式E下，虽然电池Bj+1至电池Bk-1仍串联在电池组内，但同样由于隔离变换器的作用，此时没有电流路径经过电池Bj+1至电池Bk-1，因此，在基本工作模式E下，实现电池Bj+1至电池Bk-1的隔离与保护，同时使得其余电池仍然接入外电路进行充放电。此时外电路端口电压Vo为：
Vo＝[jG1+(N-k+1)]Vbat
图10为本发明一优选实施例中串联电池组保护与均衡电路在基本工作模式F下的电路图。
如图10所示，在该优选实施例中，串联电池组隔离接口中的电池组正极开关SPB、第一开关S1、第一变换器旁路开关S1c、变换器负极开关SNT导通，串联电池组选通网络中的第I组开关中的SI，j导通，第III组开关中的SIII，k-1导通，第IV组开关中SIV，N导通，其中，j和k是大于等于1且小于等于N的整数，且j小于k-1；串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断。串联电池组隔离电路中的第一隔离型双向直流变换器被旁路不工作，第二隔离型双向直流变换器均正常工作。
在该基本工作模式F下，虽然电池Bj+1至电池Bk-1仍串联在电池组内，但同样由于隔离变换器的作用，此时没有电流路径经过电池Bj+1至电池Bk-1，因此，在基本工作模式F下，实现电池Bj+1至电池Bk-1的隔离与保护，同时使得其余电池仍然接入外电路进行充放电。此时外电路端口电压Vo为：
Vo＝[j+(N-k+1)G2]Vbat
图11为本发明一优选实施例中串联电池组保护与均衡电路在基本工作模式G下的电路图。
如图11所示，在该优选实施例中，串联电池组隔离接口中的变换器正极开关SPT、第二开关S2、变换器负极开关SNT导通，串联电池组选通网络中的第I组开关中的SI，i-1导通，第II组开关中的SII，j导通，第III组开关中的SIII，j导通，第IV组开关中SIV，m导通，其中，i、j和m是大于1且小于N的整数，且i小于等于j，j小于m；串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断。串联电池组隔离电路中的第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器均正常工作。
在该基本工作模式G下，虽然电池B1至电池Bi-1、电池Bm+1至电池BN仍串联在电池组内，但同样由于隔离变换器的作用，此时没有电流路径经过电池B1至电池Bi-1、电池Bm+1至电池BN，因此，在基本工作模式G下，实现电池B1至电池Bj-1、电池Bm+1至电池BN的隔离与保护，同时使得其余电池仍然接入外电路进行充放电。此时外电路端口电压Vo为：
Vo＝[(i-j+1)G1+(m-j)G2]Vbat。
图12为本发明一优选实施例中串联电池组保护与均衡电路在基本工作模式H下的电路图。
如图12所示，在该优选实施例中，串联电池组隔离接口中的变换器正极开关SPT、第一变换器旁路开关S1c、第二开关S2、电池组负极开关SNB导通，串联电池组选通网络中的第III组开关中的SIII，i-1导通，第IV组开关中的SIV，m导通，其中，i和m是大于1且小于N的整数，且i小于等于m；串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断。串联电池组隔离电路中的第一隔离型双向直流变换器被旁路不工作，第二隔离型双向直流变换器正常工作。
在该基本工作模式H下，虽然电池B1至电池Bi-1仍串联在电池组内，但同样由于隔离变换器的作用，此时没有电流路径经过电池B1至电池Bi-1，因此，在基本工作模式H下，实现电池B1至电池Bi-1的隔离与保护，同时使得其余电池仍然接入外电路进行充放电。此时外电路端口电压Vo为：
Vo＝[(m-i+1)G1+(N-m)]Vbat
图13为本发明一优选实施例中串联电池组保护与均衡电路在基本工作模式I下的电路图。
如图13所示，在该优选实施例中，串联电池组隔离接口中的变换器正极开关SPT、第一变换器旁路开关S1c、第二开关S2、变换器负极开关SNT导通，串联电池组选通网络中的第III组开关中的SIII，i-1导通，第IV组开关中的SIV，N导通，其中，i是大于1且小于等于N的整数；串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断。串联电池组隔离电路中的第一隔离型双向直流变换器被旁路不工作，第二隔离型双向直流变换器正常工作。
在该基本工作模式I下，虽然电池B1至电池Bi-1仍串联在电池组内，但同样由于隔离变换器的作用，此时没有电流路径经过电池B1至电池Bi-1，因此，在基本工作模式I下，实现电池B1至电池Bi-1的隔离与保护，同时使得其余电池仍然接入外电路进行充放电。此时外电路端口电压Vo为：
Vo＝(N-i+1)G2Vbat
图14为本发明串联电池组保护与均衡电路在基本工作模式J下的电路图。
如图14所示，在该优选实施例中，串联电池组隔离接口中的电池组正极开关SPB、第一开关S1、第二变换器旁路开关S2c、变换器负极开关SNT导通，串联电池组选通网络中的第I组开关中的SI，i导通，第II组开关中的SII，m导通，其中，i和m是大于等于1且小于N的整数，且i小于m；串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断。串联电池组隔离电路中的第一隔离型双向直流变换器正常工作，第二隔离型双向直流变换器被旁路不工作。
在该基本工作模式J下，虽然电池Bm+1至电池BN仍串联在电池组内，但同样由于隔离变换器的作用，此时没有电流路径经过电池Bm+1至电池BN，因此，在基本工作模式J下，实现电池Bm+1至电池BN的隔离与保护，同时使得其余电池仍然接入外电路进行充放电。此时外电路端口电压Vo为：
Vo＝[i+(m-i)G2]Vbat
图15为本发明一优选实施例中串联电池组保护与均衡电路在基本工作模式K下的电路图。
如图15所示，在该优选实施例中，串联电池组隔离接口中的变换器正极开关SPT、第一开关S1、第二变换器旁路开关S2c、变换器负极开关SNT导通，串联电池组选通网络中的第I组开关中的SI，0导通，第II组开关中的SII，N导通，其中，m是大于等于1且小于N的整数；串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断。串联电池组隔离电路中的第一隔离型双向直流变换器正常工作，第二隔离型双向直流变换器被旁路不工作。
在该基本工作模式K下，虽然电池Bm+1至电池BN仍串联在电池组内，但同样由于隔离变换器的作用，此时没有电流路径经过电池Bm+1至电池BN，因此，在基本工作模式K下，实现电池Bm+1至电池BN的隔离与保护，同时使得其余电池仍然接入外电路进行充放电。此时外电路端口电压Vo为：
Vo＝mG1Vbat
图16为本发明一实施例所提供的本发明上述实施例中任一项串联电池组保护与均衡电路的故障电池隔离与保护控制方法流程图。
如图16所示，该实施例提供的故障电池隔离与保护控制方法，根据电池管理***检测得到的电池故障状态，从本发明上述实施例中人任一项工作方法中，选取任意一种或任意多种工作模式，将故障电池从功率回路中隔离，使得流经故障电池的电流为零，同时保证非故障电池仍能接入外电路中正常工作，完成正常的电池充电或放电；根据工作模式，将尽可能多的正常电池接入电路继续工作，在此基础上使得经由第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器接入外电路的电池数量之和最小，以实现最低的功率变换器损耗。
作为一优选实施例，当电池管理***检测到无电池故障，串联电池组中所有电池均正常工作时，电池管理***向串联电池组保护与均衡电路中的开关与隔离型变换器发送指令，使得串联电池组保护与均衡电路按照基本工作模式A工作，并等待下一次故障检测。
作为一优选实施例，当电池管理***检测到串联电池组内有电池发生故障，电池管理***发出故障警报，同时对电池采取保护与隔离措施，电池管理***首先确定连续的正常可用电池区间，当连续的正常可用电池区间数大于1个时，选取电池数最多的两个连续正常可用电池区间Bi～Bj、Bk～Bm，且i、j和k、m均为大于等于1小于等于N的整数，且i小于等于j，j小于k-1，k小于等于m，此时：当i不等于1且m不等于N时，电池管理***向串联电池组保护与均衡电路中的开关与隔离型变换器发送指令，使得串联电池组保护与均衡电路按照基本工作模式B工作；当i不等于1且m等于N时，电池管理***向串联电池组保护与均衡电路中的开关与隔离型变换器发送指令，使得串联电池组保护与均衡电路按照基本工作模式C工作；当i等于1且m不等于N时，电池管理***向串联电池组保护与均衡电路中的开关与隔离型变换器发送指令，使得串联电池组保护与均衡电路按照基本工作模式D工作；当i等于1且m等于N，且满足j＜N-k+1时，电池管理***向串联电池组保护与均衡电路中的开关与隔离型变换器发送指令，使得串联电池组保护与均衡电路按照基本工作模式E工作；当i等于1且m等于N，且满足j＞N-k+1时，电池管理***向串联电池组保护与均衡电路中的开关与隔离型变换器发送指令，使得串联电池组保护与均衡电路按照基本工作模式F工作；当i等于1且m等于N，且满足j＝N-k+1时，电池管理***向串联电池组保护与均衡电路中的开关与隔离型变换器发送指令，使得串联电池组保护与均衡电路按照基本工作模式E或基本工作模式F工作。
作为一优选实施例，当电池管理***确定的连续正常可用电池区间只有1个时，确定该连续正常可用电池区间Bi～Bm，且i和m均为大于等于1小于等于N的整数，且i小于等于m，此时：当i不等于1且m不等于N时，电池管理***向串联电池组保护与均衡电路中的开关与隔离型变换器发送指令，使得串联电池组保护与均衡电路按照基本工作模式G工作，且此时
Figure GDA0003885079900000181
当i不等于1且m等于N且i不等于N时，电池管理***向串联电池组保护与均衡电路中的开关与隔离型变换器发送指令，使得串联电池组保护与均衡电路按照基本工作模式H工作；当i不等于1且m等于N且i等于N时，电池管理***向串联电池组保护与均衡电路中的开关与隔离型变换器发送指令，使得串联电池组保护与均衡电路按照基本工作模式I工作；当i等于1且m不等于N且m不等于1时，电池管理***向串联电池组保护与均衡电路中的开关与隔离型变换器发送指令，使得串联电池组保护与均衡电路按照基本工作模式J工作；当i等于1且m不等于N且m等于1时，电池管理***向串联电池组保护与均衡电路中的开关与隔离型变换器发送指令，使得串联电池组保护与均衡电路按照基本工作模式K工作。
图17中(a)和(b)为本发明一实施例提供的本发明上述实施例中任一项串联电池组保护与均衡电路的均衡控制方法原理图，其中，(a)为串联电池组保护与均衡电路对高荷电状态电池放电工况电路图，(b)为串联电池组保护与均衡电路对低荷电状态电池充电工况电路图。
如图17中(a)和(b)所示，该实施例提供的均衡控制方法，当电池管理***检测到无电池故障，且串联电池组内有电池需要均衡时，采用均衡策略对串联电池组内的电池进行均衡，其中：
串联电池组隔离接口中的电池组正极开关SPB、电池组负极开关SNB导通，变换器正极开关SPT、变换器负极开关SNT关断，串联电池组正常连接主电路进行充放电；
同时，串联电池组隔离接口中的第一开关S1、第二开关S2关断；图17中(a)和(b)中，应用第一隔离型双向直流变换器进行电池均衡，第一变换器旁路开关S1c关断，第二变换器旁路开关S2c导通；当电池Bj需要放电，电池Bk需要充电以实现串联电池组荷电状态均衡时，串联电池组选通网络的第I组开关中的SI，j-1、第II组开关中的SII，j导通，其余开关均关断，第一隔离型双向直流变换器正常工作，由电池Bj放电，为第一隔离型双向直流变换器第二端口电容C1充电；之后，第I组开关中的SI，j-1、第II组开关中的SII，j关断，第I组开关中的SI，k-1、第II组开关中的SII，k导通，其余开关均关断，第一隔离型双向直流变换器正常工作，由第一隔离型双向直流变换器第二端口电容C1放电，为电池Bk充电；上述充放电过程交替进行，实现电量由电池Bj向电池Bk的转移，实现串联电池组荷电状态均衡。
图17中(a)和(b)示出了应用第一隔离型双向直流变换器进行电池均衡的实施方法，该均衡方法也可以通过第二隔离型双向直流变换器实施。此时，第一变换器旁路开关S1c导通，第二变换器旁路开关S2c关断；当电池Bj需要放电，电池Bk需要充电以实现串联电池组荷电状态均衡时，串联电池组选通网络的第III组开关中的SIII，j-1、第IV组开关中的SIV，j导通，其余开关均关断，第二隔离型双向直流变换器正常工作，由电池Bj放电，为第二隔离型双向直流变换器第二端口电容充电；之后，第III组开关中的SIII，j-1、第IV组开关中的SIV，j关断，第III组开关中的SIII，k-1、第IV组开关中的SIV，k导通，其余开关均关断，第二隔离型双向直流变换器正常工作，由第二隔离型双向直流变换器第二端口电容放电，为电池Bk充电；上述充放电过程交替进行，实现电量由电池Bj向电池Bk的转移，实现串联电池组荷电状态均衡。
图18中(a)和(b)为本发明一优选实施例中串联电池组保护与均衡电路的均衡控制方法原理图，其中，(a)为串联电池组保护与均衡电路对高荷电状态电池放电工况电路图，(b)为串联电池组保护与均衡电路对低荷电状态电池充电工况电路图。
如图18中(a)和(b)所示，该优选实施例提供的均衡方法，基于双向反激变换器，当电池管理***检测到无电池故障，且串联电池组内有电池需要均衡时，采用均衡策略对串联电池组内的电池进行均衡，其中：
串联电池组隔离接口中的电池组正极开关SPB、电池组负极开关SNB导通，变换器正极开关SPT、变换器负极开关SNT关断，串联电池组正常连接主电路进行充放电；
同时，串联电池组隔离接口中的第一开关S1、第二开关S2关断；图18中，应用第一双向反激变换器T1进行电池均衡，第一变换器旁路开关S1c关断，第二变换器旁路开关S2c导通；当电池Bj需要放电，电池Bk需要充电以实现串联电池组荷电状态均衡时，串联电池组选通网络的第I组开关中的SI，j-1、第II组开关中的SII，j导通，其余开关均关断，第一双向反激变换器T1正常工作，开关S1a和开关S1b交替导通，由电池Bj放电，为第一双向反激变换器T1第二端口电容C1充电；之后，第I组开关中的SI，j-1、第II组开关中的SII，j关断，第I组开关中的SI，k-1、第II组开关中的SII，k导通，其余开关均关断，第一双向反激变换器T1正常工作，开关S1a和开关S1b交替导通，由第一双向反激变换器T1第二端口电容C1放电，为电池Bk充电；上述充放电过程交替进行，实现电量由电池Bj向电池Bk的转移，实现串联电池组荷电状态均衡。
图18中(a)和(b)示出了应用第一隔离型双向直流变换器进行电池均衡的实施方法，本发明串联电池组保护与均衡电路的均衡策略也可以通过第二隔离型双向直流变换器实施。此时，第一变换器旁路开关S1c导通，第二变换器旁路开关S2c关断；当电池Bj需要放电，电池Bk需要充电以实现串联电池组荷电状态均衡时，串联电池组选通网络的第III组开关中的SIII，j-1、第IV组开关中的SIV，j导通，其余开关均关断，第二双向反激变换器正常工作，由电池Bj放电，为第二隔离型双向直流变换器第二端口电容充电；之后，第III组开关中的SIII，j-1、第IV组开关中的SIV，j关断，第III组开关中的SIII，k-1、第IV组开关中的SIV，k导通，其余开关均关断，第二隔离型双向直流变换器正常工作，由第二双向反激变换器第二端口电容放电，为电池Bk充电；上述充放电过程交替进行，实现电量由电池Bj向电池Bk的转移，实现串联电池组荷电状态均衡。
本发明上述实施例提供了一种基于隔离型双向直流变换器的串联电池组隔离接口电路、串联电池组选通网络电路、串联电池组保护与均衡电路及控制方法。通过本发明上述实施例所提供的技术方案，能够利用隔离型双向直流变换器和开关选通网络电路，设计一种串联电池组保护与均衡电路，与现有的保护电路与均衡电路相比，本发明上述实施例提供的技术方案在电池正常工作时能够为串联电池组提供均衡功能，解决串联电池组内电池芯间荷电状态不均衡的问题，提高电池组的效益与可靠性；而在电池组内有电池单体发生故障时，本发明上述实施例提供的技术方案能够实现对故障电池芯单体的隔离与保护，切断流经故障电池芯的电流路径，避免故障加剧和蔓延，而正常的电池芯单体仍然能够接入外电路进行正常的充放电。本发明上述实施例提供的技术方案在一个电路内实现了电池保护功能与电池均衡功能的结合，有利于减少电池管理***的元件数量、体积和成本。而和现有的串联电池组单个电池芯单体保护电路相比，本发明上述实施例提供的技术方案通过两个隔离型双向直流变换器和电池选通网络实现对故障电池芯单体的隔离，因此不需要为每个电池单独配置旁路开关，在电池组正常工作，无电池芯故障时，整个电池组仅通过电池组正极开关SPB和电池组负极开关SNB两个主要开关接入外电路。因此，在电路设计上，通过选用低导通电阻的开关来作为电池组正极开关SPB和电池组负极开关SNB，就能够实现电池组正常工作时极低的损耗；而电路内的其余开关，仅在电池组内电池芯单体发生故障时短时工作，因此，这些开关也不会对电池组的正常运行带来损耗。而在***成本方面，由于需要选用低导通电阻开关的数量仅为两个，而其余开关可以选用成本更低而导通电阻较大的开关，因此本发明上述实施例提供的技术方案可以在低成本和低损耗的前提下实现电池芯单体保护与均衡功能，切实提升电池储能***的效益与可靠性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种串联电池组隔离接口电路，其特征在于，包括：第一隔离型双向直流变换器、第二隔离型双向直流变换器、第一开关S1、第二开关S2、第一旁路开关S1c、第二旁路开关S2c、电池组正极开关SPB、电池组负极开关SNB、变换器正极开关SPT、变换器负极开关SNT、外电路正端、外电路负端、串联电池组正端PB以及串联电池组负端NB；其中：
所述第一隔离型双向直流变换器与第二隔离型双向直流变换器均为双端口结构，所述第一隔离型双向直流变换器的第一端口的正端I和负端II分别形成电池连接端子I和电池连接端子II；所述第二隔离型双向直流变换器的第一端口的正端III和负端IV分别形成电池连接端子III和电池连接端子IV；
所述第一开关S1连接所述第一隔离型双向直流变换器的第一端口的正端I与第二端口的正端，所述第二开关S2连接所述第二隔离型双向直流变换器的第一端口的负端IV与第二端口的负端；所述第一旁路开关S1c连接所述第一隔离型双向直流变换器的第二端口的正端与负端，所述第二旁路开关S2c连接所述第二隔离型双向直流变换器的第二端口的正端与负端；所述第一隔离型双向直流变换器的第二端口的负端与所述第二隔离型双向直流变换器的第二端口的正端连接；
所述第一隔离型双向直流变换器的第二端口的正端连接所述变换器正极开关SPT的一端，所述变换器正极开关SPT的另一端连接所述外电路正端；所述第二隔离型双向直流变换器的第二端口的负端连接所述变换器负极开关SNT的一端，所述变换器负极开关SNT的另一端连接所述外电路负端；所述电池组正极开关SPB的一端连接所述外电路正端，所述电池组正极开关SPB的另一端与所述串联电池组正端PB连接；所述电池组负极开关SNB的一端连接所述外电路负端，所述电池组负极开关SNB的另一端与所述串联电池组负端NB连接；
所述串联电池组正端PB、所述串联电池组负端NB与四个所述电池连接端子I～IV实现与串联电池组的功率交互，所述外电路正端和所述外电路负端实现与外电路的功率交互；在电池发生故障或损伤时，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，而在电池组正常工作时，仅以两个开关将串联电池组接入外电路。
2.一种串联电池组选通网络电路，其特征在于，包括：第I组开关组、第II 组开关组、第III组开关组、第IV组开关组、变换器连接端子I、变换器连接端子II、变换器连接端子III以及变换器连接端子IV；其中：
第I～IV组开关组均包括N个开关S；其中：
第I组开关组中的N个开关S的一端均连接至所述变换器连接端子I，所述第I组开关组中的第一个开关SI，0的另一端形成串联电池组正端连接端，所述第I组开关组中的其余N-1个开关SI，1、SI，2……SI，N-1的另一端形成串联电池组连接端；
第II组开关组中的N个开关S的一端均连接至所述变换器连接端子II，所述第II组开关组中的第N个开关SII，N的另一端形成串联电池组负端连接端，所述第II组开关组中的其余N-1个开关SII，1、SII，2……SII，N-1的另一端形成串联电池组连接端；
第III组开关组中的N个开关S的一端均连接至所述变换器连接端子III，所述第III组开关组中的第一个开关SIII，0的另一端形成串联电池组正端连极端，所述第III组开关组中的其余N-1个开关SIII，1、SIII，2……SIII，N-1的另一端形成串联电池组连接端；
第IV组开关组中的N个开关S的一端均连接至所述变换器连接端子IV，所述第IV组开关组中的第N个开关SIV，N的另一端形成串联电池组负端连接端，所述第IV组开关组中的其余N-1个开关SIV，1、SIV，2……SIV，N-1的另一端形成串联电池组连接端；
所述串联电池组正端连接端连接至串联电池组正端，所述串联电池组负端连接端连接至串联电池组负端，所述串联电池组连接端与串联电池组中相邻两个电池之间的电池连接端相连，实现与串联电池组的功率交互；在电池发生故障或损伤时，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，而在电池组正常工作时，仅以两个开关将串联电池组接入外电路。
3.一种串联电池组保护与均衡电路，其特征在于，包括：串联电池组、权利要求1所述的串联电池组隔离接口电路以及权利要求2所述的串联电池组选通网络电路；其中：
所述串联电池组隔离接口电路的电池连接端子I～IV分别与所述串联电池组选通网络电路的变换器连接端子I～IV对应连接；
所述串联电池组包括N个串联连接的电池B，其中：
所述第I组开关组中的第一个开关SI，0的串联电池组正端连接端连接至所述串联电池组正端PB，所述第I组开关组中的其余N-1个开关SI，1、SI，2……SI，N-1的串联电池组连接端分别与所述串联电池组中N个串联连接的电池B之间形成的N-1个电池连接端相连；
所述第II组开关组中的第N个开关SII，N的串联电池组负端连接端连接至所述串联电池组负端NB，所述第II组开关组中的其余N-1个开关SII，1、SII,2……SII，N-1的串联电池组连接端分别与所述串联电池组中N个串联连接的电池B之间形成的N-1个电池连接端相连；
所述第III组开关组中的第一个开关SIII，0的串联电池组正端连接端连接至所述串联电池组正端PB，所述第III组开关组中的其余N-1个开关SIII，1、SIII，2……SIII，N-1的串联电池组连接端分别与所述串联电池组中N个串联连接的电池B之间形成的N-1个电池连接端相连；
所述第IV组开关组中的第N个开关SIV，N的串联电池组负端连接端连接至所述串联电池组负端NB，所述第IV组开关组中的其余N-1个开关SIV，1、SIV，2……SIV，N-1的串联电池组连接端分别与所述串联电池组中N个串联连接的电池B之间形成的N-1个电池连接端相连；
所述串联电池组正端PB和所述串联电池组负端NB分别与所述串联电池组的两端端子连接；
所述串联电池组隔离接口电路的外电路正端与外电路负端形成所述串联电池组保护与均衡电路的外电路端口；
所述串联电池组正端PB、所述串联电池组负端NB以及所述电池连接端子I～IV实现与所述串联电池组的功率交互；所述外电路端口实现与外电路的功率交互。
4.一种权利要求3所述的串联电池组保护与均衡电路的控制方法，其特征在于，包括如下任意一项或任意多项工作模式：
工作模式A：所述串联电池组隔离接口电路中的电池组正极开关SPB与电池组负极开关SNB导通，所述串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断；所述串联电池组隔离接口电路中的第一隔离型双向直流变换器与第二隔离型双向直流变换器均不工作；
工作模式B：所述串联电池组隔离接口电路中的变换器正极开关SPT、第二开关S2以及变换器负极开关SNT导通，所述串联电池组选通网络电路中的第I组开关组中的开关SI，i-1导通，第II组开关组中的开关SII，j导通，第III组开关组中的开关SIII，k-1导通，第IV组开关组中开关SIV，m导通，其中，i、j、k和m为大于1、小于N的整数，且i小于等于j，j小于k-1，k小于等于m；所述串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断；所述串联电池组隔离接口电路中的第一隔离型双向直流变换器与第二隔离型双向直流变换器正常工作；
工作模式C：所述串联电池组隔离接口电路中的变换器正极开关SPT、第一开关S1、第二开关S2、第二旁路开关S2c以及电池组负极开关SNB导通，所述串联电池组选通网络电路中的第I组开关组中的开关SI，i-1导通，第II组开关组中的开关SII，j导通，第IV组开关组中开关SIV，k-1导通，其中，i、j和k为大于1、小于等于N的整数，且i小于等于j，j小于k-1；所述串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断；所述串联电池组隔离接口电路中的第一隔离型双向直流变换器正常工作，第二隔离型双向直流变换器被旁路不工作；
工作模式D：所述串联电池组隔离接口电路中的电池组正极开关SPB、第一旁路开关S1c、第一开关S1、第二开关S2以及变换器负极开关SNT导通，所述串联电池组选通网络电路中的第I组开关组中的开关SI，j导通，第III组开关组中的开关SIII，k-1，第IV组开关组中的开关SIV，m导通，其中，j、k和m为大于等于1、小于N的整数，且j小于k-1，k小于等于m；所述串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断；所述串联电池组隔离接口电路中的第一隔离型双向直流变换器被旁路不工作，第二隔离型双向直流变换器正常工作；
工作模式E：所述串联电池组隔离接口电路中的变换器正极开关SPT、第二旁路开关S2c、第二开关S2以及电池组负极开关SNB导通，所述串联电池组选通网络电路中的第I组开关组中的开关SI，0导通，第II组开关组中的开关SII，j导通，第IV组开关组中的开关SIV，k-1导通，其中，j和k是大于等于1、小于等于N的整数，且j小于k-1；所述串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断；所述串联电池组隔离接口电路中的第一隔离型双向直流变换器正常工作，第二隔离型双向直流变换器被旁路不工作；
工作模式F：所述串联电池组隔离接口电路中的电池组正极开关SPB、第一开关S1、第一旁路开关S1c以及变换器负极开关SNT导通，所述串联电池组选通网络电路中的第I组开关组中的开关SI，j导通，第III组开关组中的开关SIII，k-1导通，第IV组开关组中的开关SIV，N导通，其中，j和k是大于等于1、小于等于N的整数，且j小于k-1；所述串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断；所述串联电池组隔离接口电路中的第一隔离型双向直流变换器被旁路不工作，第二隔离型双向直流变换器均正常工作；
工作模式G：所述串联电池组隔离接口电路中的变换器正极开关SPT、第二开关S2以及变换器负极开关SNT导通，所述串联电池组选通网络电路中的第I组开关组中的开关SI，i-1导通，第II组开关组中的开关SII，j导通，第III组开关组中的开关SIII，j导通，第IV组开关组中的开关SIV，m导通，其中，i、j和m为大于1、小于N的整数，且i小于等于j，j小于m；所述串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断；所述串联电池组隔离接口电路中的第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器均正常工作；
工作模式H：所述串联电池组隔离接口电路中的变换器正极开关SPT、第一旁路开关S1c、第二开关S2以及电池组负极开关SNB导通，所述串联电池组选通网络电路中的第III组开关组中的开关SIII，i-1导通，第IV组开关组中的开关SIV，m导通，其中，i和m为大于1、小于N的整数，且i小于等于m；所述串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断；所述串联电池组隔离接口电路中的第一隔离型双向直流变换器被旁路不工作，第二隔离型双向直流变换器正常工作；
工作模式I：所述串联电池组隔离接口电路中的变换器正极开关SPT、第一旁路开关S1c、第二开关S2以及变换器负极开关SNT导通，所述串联电池组选通网络电路中的第III组开关组中的开关SIII，i-1导通，第IV组开关组中的开关SIV，N导通，其中，i为大于1、小于等于N的整数；所述串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断；所述串联电池组隔离接口电路中的第一隔离型双向直流变换器被旁路不工作，第二隔离型双向直流变换器正常工作；
工作模式J：所述串联电池组隔离接口电路中的电池组正极开关SPB、第一开关S1、第二旁路开关S2c以及变换器负极开关SNT导通，所述串联电池组选通网络电路中的第I组开关组中的开关SI，i导通，第II组开关组中的开关SII，m导通，其中，i和m为大于等于1、小于N的整数，且i小于m；所述串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断；所述串联电池组隔离接口电路中的第一隔离型双向直流变换器正常工作，第二隔离型双向直流变换器被旁路不工作；
工作模式K：所述串联电池组隔离接口电路中的变换器正极开关SPT、第一开关S1、第二旁路开关S2c以及变换器负极开关SNT导通，所述串联电池组选通网络电路中的第I组开关组中的开关SI，0导通，第II组开关组中的开关SII，N导通，其中，m为大于等于1、小于N的整数；所述串联电池组保护与均衡电路中的其余开关均关断；所述串联电池组隔离接口电路中的第一隔离型双向直流变换器正常工作，第二隔离型双向直流变换器被旁路不工作。
5.一种权利要求3所述的串联电池组保护与均衡电路的故障电池隔离与保护控制方法，其特征在于，根据电池管理***检测得到的电池故障状态，从权利要求4所述的- 控制方法中，选取任意一种或任意多种工作模式，将故障电池从功率回路中隔离，使得流经故障电池的电流为零，同时保证非故障电池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接入电路继续工作，在此基础上使得经由第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器接入外电路的电池数量之和最小，以实现最低的功率变换器损耗。
6.根据权利要求5所述的故障电池隔离与保护控制方法，其特征在于，当所述电池管理***检测到无电池故障，即所述串联电池组中所有电池均正常工作时，所述电池管理***向所述串联电池组保护与均衡电路中的开关以及第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器发送指令，使得所述的串联电池组保护与均衡电路按照所述工作模式A工作。
7.根据权利要求5所述的故障电池隔离与保护控制方法，其特征在于，当所述电池管理***检测到所述串联电池组内有电池发生故障时，所述电池管理***确定连续的正常可用电池区间，当连续的正常可用电池区间数大于1个时，选取电池数最多的两个连续正常可用电池区间Bi～Bj和Bk～Bm，其中，i、j、k和m均为大于等于1、小于等于N的整数，且i小于等于j，j小于k-1，k小于等于m，此时：
当i不等于1且m不等于N时，所述电池管理***向所述串联电池组保护与均衡电路中的开关以及第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器发送指令，使得所述串联电池组保护与均衡电路按照所述工作模式B工作；
当i不等于1且m等于N时，所述电池管理***向所述串联电池组保护与均衡电路中的开关以及第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器发送指令，使得所述串联电池组保护与均衡电路按照所述工作模式C工作；
当i等于1且m不等于N时，所述电池管理***向所述串联电池组保护与均衡电路中的开关以及第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器发送指令，使得所述串联电池组保护与均衡电路按照所述工作模式D工作；
当i等于1、m等于N，且满足j＜N-k+1时，所述电池管理***向所述串联电池组保护与均衡电路中的开关以及第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器发送指令，使得所述串联电池组保护与均衡电路按照所述工作模式E工作；
当i等于1、m等于N，且满足j＞N-k+1时，所述电池管理***向所述串联电池组保护与均衡电路中的开关以及第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器发送指令，使得所述串联电池组保护与均衡电路按照所述工作模式F工作；
当i等于1、m等于N，且满足j＝N-k+1时，所述电池管理***向所述串联电池组保护与均衡电路中的开关以及第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器发送指令，使得所述串联电池组保护与均衡电路按照所述工作模式E或所述工作模式F工作。
8.根据权利要求5所述的故障电池隔离与保护控制方法，其特征在于，当所述电池管理***检测到所述串联电池组内有电池发生故障，所述电池管理***确定连续的正常可用电池区间，当连续的正常可用电池区间数只有1个时，确定所述连续的正常可用电池区间Bi～Bm，其中，i和m均为大于等于1、小于等于N的整数，且i小于等于m，此时：
当i不等于1且m不等于N时，所述电池管理***向所述串联电池组保护与均衡电路中的开关以及第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器发送指令，使得所述串联电池组保护与均衡电路按照所述工作模式G工作，且此时
Figure FDA0003885079890000071
当i不等于1且m等于N且i不等于N时，所述电池管理***向所述串联电池组保护与均衡电路中的开关以及第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器发送指令，使得所述串联电池组保护与均衡电路按照所述工作模式H工作；
当i不等于1且m等于N且i等于N时，所述电池管理***向所述串联电池组保护与均衡电路中的开关以及第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器发送指令，使得所述串联电池组保护与均衡电路按照所述工作模式I工作；
当i等于1且m不等于N且m不等于1时，所述电池管理***向所述串联电池组保护与均衡电路中的开关以及第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器发送指令，使得所述串联电池组保护与均衡电路按照所述工作模式J工作；
当i等于1且m不等于N且m等于1时，所述电池管理***向所述串联电池组保护与均衡电路中的开关以及第一隔离型双向直流变换器和第二隔离型双向直流变换器发送指令，使得所述串联电池组保护与均衡电路按照所述工作模式K工作。
9.一种权利要求3所述的串联电池组保护与均衡电路的均衡控制方法，其特征在于，当电池管理***检测到无电池故障，且所述串联电池组内有电池需要均衡时，对所述串联电池组内的电池进行均衡，包括：
所述串联电池组隔离接口电路中的电池组正极开关SPB和电池组负极开关SNB导通，所述串联电池组隔离接口电路中的变换器正极开关SPT和变换器负极开关SNT关断，所述串联电池组正常连接主电路进行充放电；通过所述串联电池组隔离接口中的第一隔离型双向直流变换器或第二隔离型双向直流变换器，完成电量在所述串联电池组中的电池之间的转移，实现所述串联电池组荷电状态均衡。
10.根据权利要求9所述的均衡控制方法，其特征在于，所述通过所述串联电池组隔离接口中的第一隔离型双向直流变换器，完成电量在所述串联电池组中的电池之间的转移，实现所述串联电池组荷电状态均衡，包括：
所述串联电池组隔离接口电路中的第一开关S1和第二开关S2关断；当应用所述第一隔离型双向直流变换器进行电池均衡时，所述第一旁路开关S1c关断，所述第二旁路开关S2c导通；当所述串联电池组中的电池Bj需要放电、电池Bk需要充电以实现串联电池组荷电状态均衡时，所述串联电池组选通网络电路中的第I组开关组中的开关SI，j-1和第II组开关组中的开关SII，j导通，其余开关均关断，所述第一隔离型双向直流变换器正常工作，由所述电池Bj放电，为所述第一隔离型双向直流变换器的第二端口电容充电；之后，所述串联电池组选通网络电路中的第I组开关组中的开关SI，j-1和第II组开关组中的开关SII，j关断，所述串联电池组选通网络电路中的第I组开关组中的开关SI，k-1和第II组开关组中的开关SII，k导通，其余开关均关断，所述第一隔离型双向直流变换器正常工作，由所述第一隔离型双向直流变换器的第二端口电容放电，为所述电池Bk充电；上述充放电过程交替进行，完成电量由所述电池Bj向所述电池Bk转移，实现所述串联电池组荷电状态均衡；
所述通过所述串联电池组隔离接口中的第二隔离型双向直流变换器，完成电量在所述串联电池组中的电池之间的转移，实现所述串联电池组荷电状态均衡，包括：
通过所述串联电池组隔离接口电路中的第二隔离型双向直流变换器实现；此时，所述第一旁路开关S1c导通，所述第二旁路开关S2c关断；当所述电池Bj需要放电、所述电池Bk需要充电以实现串联电池组荷电状态均衡时，所述串联电池组选通网络电路的第III组开关组中的开关SIII，j-1和第IV组开关组中的开关SIV，j导通，其余开关均关断，所述第二隔离型双向直流变换器正常工作，由所述电池Bj放电，为所述第二隔离型双向直流变换器的第二端口电容充电；之后，所述串联电池组选通网络电路中的第III组开关组中的开关SIII，j-1和第IV组开关组中的开关SIV，j关断，所述串联电池组选通网络电路中的第III组开关组中的开关SIII，k-1和第IV组开关组中的开关SIV，k导通，其余开关均关断，所述第二隔离型双向直流变换器正常工作，由所述第二隔离型双向直流变换器的第二端口电容放电，为所述电池Bk充电；上述充放电过程交替进行，完成电量由所述电池Bj向所述电池Bk转移，实现所述串联电池组荷电状态均衡。
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