利用开关管控制电池组的电池包系统和电池簇管理系统的制作方法

1.本发明涉及电子电路技术领域，更具体地，涉及一种利用开关管控制电池组的电池包系统和电池簇管理系统。


背景技术：

2.随着新能源技术的发展，各种大容量电池广泛应用于汽车、储能等应用场景。而随着电池使用时间的增加，电池包内部的电池不一致性显著，并且随着时间的推移，不一致性会进一步增加，这种电池之间的不一致性会导致部分电池产生安全风险。
3.采用多个电池开关连接电池包中的子电池单元，动态控制电池包内部子电池单元的连接拓扑结构，可以优化电池包中电芯的电压和电量的一致性，提高电池的安全性与经济性，这是业内努力攻关的技术难题。例如，专利申请cn111740467a公开了一种可重组电池组合体及组合方法，该方法为每一节电池都使用了开关控制，当这种控制方法应用于目前主流的汽车、储能的应用场景时，系统的输出电压都在200v以上，而目前典型的单节锂电池或钠电池的输出电压都在5v以下，因此意味着整个系统的串联电池数量在40节以上，而每一节电池都需要串联至少一个开关。这种结构中将串联过多的开关电路，而开关电路自身不可避免存在开关阻抗，这些串联开关电路将会导致系统的功耗明显增加，成本也会显著增加。
4.又如，专利申请cn116111214a公开了电池开关柜、电源系统、电池组测试方法及装置。该方案在切断部分风险电池单元后，使用二极管来维持其他电池单元输出功率，但当这些正常电池单元电量过低后，整个储能系统无法为这些正常电池单元进行充电，影响了这些正常电池单元的持续使用。
5.经分析，现有方案主要存在以下缺陷：
6.1)现有电池重组方案通常为每一个电池单元都使用了开关，这导致使用开关数量庞大，导致系统的成本和功耗都显著增加；
7.2)一些方案使用了部分电池串联结构后增加开关的方式，但其放电通路使用二极管实现，这种方式无法为正常的电池组充电，影响了整个系统的长期正常运行；此外二极管一般都存在较高的导通损耗，较高的导通损耗也将导致系统的转换效率较低。
8.3)现有方案都大多强调如何隔离存在安全隐患的电池，无法有效控制不同电池包的老化程度。不同电芯老化后会表现出电芯内阻的变化，随着使用时间增加，这种电芯内阻的差异会增大，如果不对电芯的等效内阻进行调整，老化严重的电芯寿命会随着使用时间增加而进一步恶化，电池包的使用寿命将会出现明显的差异，从而影响整个电池系统的使用。


技术实现要素：

9.本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种利用开关管控制电池组的电池包系统和电池簇管理系统。
10.根据本发明的第一方面，提供一种电池包开关控制电路，包括第一开关管和第一开关控制电路，其中第一开关控制电路设有第一电压输入端、第一电压输出端、第一电压控制端和地端。第一开关控制电路的第一电压输入端和地端为第一开关电路的电源供电端，可以由电池包中的全部串联电池供电，也可以由串联电池的部分电池供电。第一开关管的第一端连接串联电芯的正极，第一开关管的第二端连接电池包输入正极，第一开关管的第三端连接第一电压输出端，通过调整第一电压控制端的控制参数可以调整第一电压输出端的输出电压，当第一电压输出端的输出电压低于第一开关管的导通阈值电压使第一开关管处于关断状态，当第一电压输出端的输出电压高于第一开关管的导通阈值电压时第一开关管处于导通状态，通过调整第一电压控制端参数可以调整第一电压输出端电压，并控制第一开关管的导通电阻。
11.根据本发明的第二方面，提供一种电池包短路控制电路，包括第二开关管和第二开关控制电路，其中第二开关控制电路设有第二电压输入端、第二电压输出端、第二电压控制端和地端，第二开关控制电路的第二电压输入端和地端为第二开关电路的电源供电端，可以由电池包中的全部串联电池供电，也可以由串联电池的部分电池供电。第二开关管的第一端连接电池包负极，第二开关管的第二端连接电池包输入正极，第二开关管的第三端连接第二电压输出端，通过调整第二电压控制端的控制参数可以调整第二电压输出端的输出电压，当第二电压输出端的输出电压低于第二开关管的导通阈值电压使第二开关管处于关断状态，当第二电压输出端的输出电压高于第二开关管的导通阈值电压时第二开关管处于导通状态，通过调整第二电压控制端参数可以调整第二电压输出端电压，可以控制第二开关管的导通电阻。
12.根据本发明的第三方面，提供一种利用开关管控制电池组的电池包系统，包括一个或多个电池包，所述电池包包含所提供的电池包开关控制电路和电池包短路控制电路、电芯采集监测及通信控制电路，其中：
13.所述电池包开关控制电路通过控制第一开关管的导通或关断来调节对应的多个串联电芯的等效阻抗；
14.所述电池包短路控制电路通过控制第二开关管的导通或关断来隔离或接入对应的多个串联电芯；
15.所述电芯采集监测及通信控制电路用于检测多个串联电芯的电压和电芯内阻信息，能够通过控制第一开关控制电路和第二开关控制电路的电压控制端的控制电压来调整对应的第一开关管和第二开关管的导通或关断。
16.根据本发明的第四方面，提供一种电池簇管理系统，包含多个电池簇，每个电池簇由所提供的电池包系统串联构成。
17.与现有技术相比，本发明的优点在于，能够分阶段控制每一个电池包的等效阻抗，从而控制各电池包的使用频率，进而通过控制不同接入电池包的使用频次，实现了均衡使用电池包的设计目标，延长了整个电池簇的使用寿命。此外，本发明使用更少的开关控制管来控制组成电池包的方式，节省了开关管的数量，并且通过控制开关管的控制电压来调节电池包的等效阻抗，从而能够灵活控制每一个电池包的等效阻抗，实现电池包内阻均衡控制的设计目标。
18.通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其
优点将会变得清楚。
附图说明
19.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
20.图1是根据本发明一个实施例的电池包开关控制电路图；
21.图2是根据本发明一个实施例的电池包短路控制电路图；
22.图3是根据本发明一个实施例的电池包电路结构示意图；
23.图4是根据本发明一个实施例的电池簇管理系统的电路结构示意图；
24.图5是根据本发明一个实施例的电池簇切离高阻抗电池包接入目标阻抗电池包的原理图；
25.图6是根据本发明一个实施例的阻抗、电压、电流测量单元结构示意图。
具体实施方式
26.现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
27.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
28.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
29.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
30.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
31.为清楚起见，首先介绍涉及的相关定义。在本文中，将单节电池也称为单节电芯；典型电芯的输出电压为3.2v；n个电芯构成一个电池包(pack)；多个电池包串联构成一个电池簇。
32.为满足高容量存储电能的需求，可将低电压的电芯经过串联、并联组合构成电池包，再将电池包经过串联、并联组合构成电池簇，进而将这些电池簇经过并联组合构成高压大容量的储能电池站。这些电芯经串联、并联组合后，经过长期运行后，不同电芯的内阻将会表现出明显差异，电芯内阻的差异直接表现为电池存储电量(soc)有显著差异。当部分电芯的存储容量大幅降低时，意味着电芯的继续使用将可能导致安全事故。
33.针对上述问题，本发明提出了一种利用开关管控制电池包的电路结构和电池包管理的方法，可以控制串联电芯构成电池包的内部阻抗，通过将电芯阻抗较高的电池包切离供电系统，保留电芯阻抗一致的电池包接入供电系统的方式，延长了电池的使用寿命，解决了大量电芯使用时电芯寿命差异较大的问题。
34.简言之，本发明提供的利用开关管控制电池组的电池包系统包括一个或多个电池包，所述电池包设有电池包开关控制电路、短路控制电路、电芯采集监测及通信控制电路和
多个串联电芯，所述电池包开关控制电路包含第一开关管和第一开关控制电路，所述短路控制电路包含第二开关管和第二开关控制电路，其中所述电池包开关控制电路通过控制第一开关管的导通或关断来调节所述多个串联电芯的等效阻抗；所述短路控制电路通过控制第二开关管的导通或关断来接入或隔离所述多个串联电芯；所述电芯采集监测及通信控制电路用于检测所述多个串联电芯的电压、阻抗等信息，并通过控制第一开关控制电路和第二开关控制电路的电压输出端的控制电压来调整对应的第一开关管和第二开关管的导通或关断。
35.在下文中，将具体描述电池包开关控制电路、短路控制电路、电池包电路结构以及由多个电池包构成的电池簇管理系统的电路结构。
36.一、电池包开关控制电路
37.参见图1的电池包开关控制电路示意，该电路是一种电池包中的内阻可以控制调节的电路结构，通过调节开关的控制电压可以灵活调整整个串联电池包的等效内阻；当整个电池包中部分电芯出现老化不一致时，通过调整该开关的控制电压，可以改变开关管的串联电阻，使整个电阻包的等效内阻接近设定的目标电阻值。
38.具体地，电池包开关控制电路包括第一开关控制电路、以场效应管(mos1)示例的开关管(或称开关1)，此外串联n个电芯，标记为电芯1、电芯2和电芯n。开关控制电路设有第一电压输入端、第一电压输出端、第一电压控制端和地端。场效应管的栅极与第一电压输出端连接，并经由保护电路1连接输入端。场效应管的源极连接串联电芯正极。场效应管的漏极经由保护电路2连接源极。开关控制电路1的接地端与串联电芯的负极连接。通过调整开关控制电路的输出电压，可以调整mos1处于导通状态下的导通电阻，通过将第一电压输出端的输出电压远第一mos1的导通阈值电压，可以实现mos1处于关断状态。
39.需说明的是，通过设计保护电路1和保护电路2，能够避免开关在恶劣工况条件下可能导致的高压击穿等风险，从而使电路拓扑结构降低了对开关的耐压要求，降低了实际试用的成本。
40.二、电池包短路控制电路
41.图2是电池包短路控制电路的示意图。利用电池包短路控制电路可以切断电池和供电网络，并建立新的供电网络的电路结构。这种结构不仅可以切除风险电池包由于持续充放电导致风险电池进入热失控状态；同时可以为本电池簇的其他电池包提供短路电路，让其他无风险的电池包继续工作；由于该通路上使用了高压保护电路，可以防止供电异常时开关管两端的高压造成该开关管损坏。
42.具体地，短路控制电路包含第二开关控制电路、以场效应管(mos2，或称为开关2)示例的开关管，此外串联n个电芯。第二开关控制电路设有第二电压输入端、第二电压输出端、第二电压控制端和地端。场效应管的栅极与第二电压输出端连接，并经由保护电路4接地。场效应管的源极连接电池包负极。场效应管的漏极经由保护电路3连接源极，并且场效应管的漏极与电池包输入正极连接。第二开关控制电路的地端与电池包负极连接。通过调整开第二开关控制电路的第二电压输出端的输出电压值，可以调整mos2处于导通状态下的导通电阻，通过调整第二电压输出端的输出电压值远低于mos2的导通阈值电压，可以实现mos2处于关断状态。
43.三、电池包电路结构和电池簇电路结构
44.利用图1的电池包开关控制电路和图2的电池包短路控制电路可构成电池包电路结构，参见图3所示。总体上，整个电池包包含电池包开关控制电路、短路控制电路、电芯采集监测及通信控制电路，以及串联电芯等四部分。电芯采集监测及通信控制电路包含检测单元、通信接口电路和逻辑控制单元。检测单元实现检测电芯的电压电流等信息、均衡电芯或测量电芯阻抗等功能，例如包含电芯检测电路、电芯均衡电路和电芯阻抗测量电路等。通信接口电路用于与外部单元通信。逻辑控制单元分别连接检测单元和通信接口电路，并通过两个逻辑控制端连接第一电压控制端和第二电压控制端。此外，检测单元连接至每个电芯的正极和负极，以实现针对电芯的独立测量。进一步地，电池包电路可组合成电池簇电路结构，参见图4所示。该电池簇电路包含n个串联的电池包(标记为电池包cp1至电池包cpn，组成一个电池簇)、电池簇多路切换开关和电池簇管理单元，每个电池包的开关控制电路示意为一个，分别控制开关1和开关2。电池簇管理单元用于控制电池簇多路切换开关选择电池簇与网络的连接关系。例如，选择供电网络tp0、切离单个电池包的电池簇连接网络tp1、切离两个电池包的电池簇连接网络tp2、电池测试网络tp_test共四个网络中的一个连接网络。在图4中，一个电池簇由n个电池包串联组成。当电池包的监测电路判断电池包的健康状态接近设定目标值后，可以将整个电池包的开关1的控制电压低于开关管的导通阈值电压，此时开关管1处于断开状态，整个电池包可以从外部网络断开；在开关断开后，可以将开关2的控制电压高于开关2的导通阈值电压，使开关管处于导通状态，同理可以通过控制开关管2的控制电压可以调整开关管2的等效阻抗，这样便能调整个电池簇的等效阻抗。
45.结合图4可知，图1的电池包开关控制电路主要有两个功能：一是关断电池包和电池簇的通路。二是可以调节在导通状态下电池包的内阻，例如，在开关1导通，开关2关断的条件下，当电芯内阻变化后，可以通过调节开关1的控制电压使整个电池包的等效内阻等于设定的内阻，电池包的内阻＝多个电芯内阻总和+开关1的等效阻抗，而开关1的等效阻抗由开关1的控制电压确定；在开关1断开，开关2导通的条件下，可以通过调节开关2的控制电压来调节整个电池簇的内阻。
46.结合图1和图4，电池包开关控制电路可根据控制策略需要来设置开关1的控制电压，通过控制开关管的控制电压来调节开关1的控制状态达到控制串联电芯开断，以及控制电芯等效串联阻抗的目的。
47.具体地，为清楚起见，以n型mos管为例进一步说明电池包开关控制电路的原理，应理解的是其他类型开关管的控制原理和该开关的控制原理类似，如p型mos管、氮化镓管、碳化硅管等。当检测到电芯的阻抗处于正常状态时，整个电池包需要处于正常工作状态：开关1的控制电压高于开关1的控制阈值电压，开关1处于导通状态，具体的控制电压值由整个电池包设定的串联阻抗确定。例如，对电池包设定确定的目标等效内阻值zp，通过测量每个电池的内阻，可计算出整个电芯组的串联内阻zc，则开关管的等效阻抗等于整个电池包的目标阻抗zp减去zc值，即开关1的阻抗zs＝zp-zc。由于开关1的控制电压和等效阻抗具有线性对应关系，因此可以通过控制开管1的控制电压降低开关管的阻抗设定到目标阻抗zp-zc的值，从而实现了精确控制电池包等效阻抗的目标。当希望关断电池包时，只需将开关1的控制电压设计为远低于开关1的导通阈值电压，例如使n4点的电压等于n2点电压即可。
48.结合图4可知，图2的电池包短路控制电路主要有两个功能：一是作为电池和电池簇提供隔离电芯的通路，二是可以调节开关2在导通状态下的内阻，这在调节整个电池簇内
阻时同样有用。
49.仍以n型mos管为例说明电池包短路控制电路的原理。在实际应用中，可根据控制策略需要来设置开关2的控制电压，通过控制开关2的控制电压来调节开关2的控制状态实现控制串联电芯被短路，以及控制电池簇等效串联阻抗的目的。
50.具体地，当检测到电池包内的电芯的阻抗处于正常状态时，整个电池包需要处于正常工作状态，开关2处于开路状态，此时开关2的控制电压远低于第开关2的控制阈值电压，即控制电压接近n3点电压。当检测到电池包内的电芯处于需要隔离状态时，将开关管1设置为断开状态，并将开关2处于导通状态，此时开关2的控制电压高于开关2的控制阈值电压，开关2的导通阻抗处于阻抗较低的导通状态。
51.综上，基于图1和图2的结构所组合一个电池包，在电芯正常工作条件下可以灵活调节控制电池包的内阻，在电芯寿命出现风险后可以通过控制开关1和开关2的导通状态，可以切除风险电池包，从而电池簇可以接入新的电池包。
52.四、含有电池簇和电池包均衡控制策略的电池簇管理系统
53.进一步地，设计了含有电池簇和电池包均衡的控制策略，参见图5所示，该电路结构设有电池包和电池簇均衡控制策略，或简称为电池簇管理系统，具体包括：n个电池簇，每个电池簇含有多个电池包，每个电池包的结构可参见图3和图4；每个电池簇均设有对应的bcmu管理单元，每个电池包经由通信接口电路与bcmu管理单元通信；阻抗、电压、电流测试单元；电池簇和电池包隔离控制单元；电池包充电电路；以及备用电池包bp1，bp2等。
54.首先，在已有电芯监测电路的基础上，设计了阻抗、电压、电流测试单元，用于监测电池包和电池簇的阻抗、电压、电流等参数，结合电池包内部的电芯阻抗测量电路，可以更准确估算出电池串之间的互联线引入的损耗和开关管1、开关管2的导通损耗，以及整个电池串的工作电流和电池串开路状态下开路电压。使得接入tp0的每一个电池包都具有目标范围内的等效内阻，将满足阻抗的电池簇连接在供电网络tp0，这样可以有效避免不同电池簇之间的电池回流问题。
55.图6是阻抗、电压、电流测量单元(或简称测量单元)的内部结构示意图，包括阻抗测量电路、电流测量电路、功率放电电阻(可变功率电阻)、电压测量电路、数据采集模块和通信接口电路等，阻抗测量电路测量接入电池测试网络tp_test的等效阻抗，用于测量每个电池包和电池簇的等效阻抗；电流测量电路用于测量接入不同可变功率电阻后的电流；电压测量电路用于测量接入电池测量网络tp_test后的电压；可变功率电阻除了用于调节负载阻值，确保测量数据的准确性之外，还可以用来对备用电池包bp1，bp2以及不同电池簇中的电芯放电，以使得备用电池包的电量，以及为接入电池簇的电池包促成新的电池簇后电池状态和已经接入tp0网络的电池包状态一致。此外，测量单元还可以按照电池管理系统要求对每一个电池包放电，以控制每一个电池包的电量状态。
56.结合电池包内部的电池包检测均衡电路，将电池内阻和电池状态接近的电池包接入同一个电池簇，将相对其他电池包的内阻及健康状态差异较大的电池包和电池簇断开，避免该电池包的健康状态进一步恶化。例如，将电池簇脱离供电网络tp0，并将电池簇接入电池测试网络tp_test，进而通过调整该电池簇中每一个电池包的开关状态，使用阻抗、电压、电流测试单元测量出该电池簇中每一个电池包的内阻，及开路电压等参数。通过上述步骤可以统计出所有电池簇中所有电池包的内阻状态，通过统计所有电池包的内阻值，设定
本次接入供电网络的电池包的内阻门限值，并通过调节每一个电池包的开关导通电阻使符合接入电池包内阻门限要求的电池包接入供电网络tp0。除了要求每一个接入供电网络tp0的电池包内阻一致外，使用图5中的电池包充电电路可以对电池包进行充电管理，增加电池包的存储电量，利用阻抗、电压、电流测量单元中的可变功率电阻可以减少电池包的存储电量，以使得备用电池包的电量，以及即将接入电池簇的电池包的电量状态和已经接入tp0网络的电池包电量状态接近。通过控制备用电池包的阻抗和电量，以及即将接入电池簇的电池包的阻抗和电量，能确保由备用电池包和切离电池包之后的电池簇组成的新电池簇具有和其他已经接入tp0网络的电池簇状态一致。
57.进一步地，可设计接入电池包的电路结构和切换策略。例如，将所有的缺少一个电池包的网络接在一个网络上(由于可以控制每一个电池包的内阻，因此每一个电池包的内阻都是相同的，这样具有相同电池包的电池簇的内阻也是相同的，这样可以避免电池簇之间回流的问题)，然后再串联相同簇数量的备用电池包。
58.在一个实施例中，当检测到一电池包的健康状态达到设定的健康阈值后，需要接入一个备用电池包，开始电池簇重新配置工作：首先将整个电池簇和供电网络tp0断开；再控制开关1处于关断状态，并控制开关2处于导通状态，使该电池包处于断开屏蔽状态；为维持电池簇正常工作，以确保接入tp0的电池簇的电池包的内阻、电量以及电池包数量均一致；需要调整接入备用电池包的电量状态和内阻，待备用电池包内阻和电量状态和电池簇中其他电池包的内阻、电量状态一致后，将备用电池包接入该电池簇，并将该电池簇重新接入tp0网络，该新的电池簇可重新正常工作。
59.需要说明的是，除了使用常见的电池包内部电芯均衡电路外，电池包可以通过控制电池包内部开关1和开关2的导通电阻来调节整个电池包的等效内阻；通过使用充电电路和测量电路来控制接入电池簇中每一个电池包的电量状态。通过控制电池簇中的电池包的内阻和电量状态来实现电池簇均衡的目标。
60.此外，结合图4、图5和图6所示，具体说明如下：
61.1)在接入设定的n节电芯后，开关1的控制电路由这n节电芯控制处于导通状态；开关2的开关控制电路也由这n节电池供电，开关2处于断开状态；
62.2)随着电池运行时间的增加电池的健康状态(soh)会不断衰减，且经过一段时间的运行，每一节电池的健康状态会出现明显的差异，本发明使用电池内阻和电池容量(主要是内阻)来表征电芯和电池包的健康状态。将电池簇接入电池测试网络tp_test，并通过调整该电池簇中每一个电池包的开关状态，使用电池包内部的电芯阻抗测量电路可以测量出电池包中每一个电芯的等效内阻，通过阻抗、电压、电流测试单元测量出该电池簇中每一个电池包的内阻。
63.3)在整个电池系统运行一段时间后，不同电池的电池健康状态会出现显出的差异；当检测到任意一节电池的健康状态达到设定的健康阈值(soh_th1)后；电池组的开关控制器会将开关1设置为关断状态，同时将开关2设置为导通状态。
64.4)对于电池包内阻控制电路，每一节电芯都对应有自己的均衡电路，通过该均衡电路的开断状态可以控制每一节电芯的等效内阻；在每一簇电池上都串联有nmos或其他gan、sic、igbt等开关器件，通过控制nmos管的阈值电压可以调整nmos开关管的导通电阻值，类似地通过控制pmos管，或其他gan，sic，igbt等器件也有类似的实现，每一簇上的等效
内阻补偿电路也可以使用开关管控制串联功率电阻的方式实现。
65.5)补偿电路控制说明：设置了多个备用电池包，这些电池包的等效内阻值通过图1中的电池内阻控制电路来设置；电量值(soc)将通过一个充电电路和放电电路来设定出需要的电量及内阻状态，在该电池包的内阻和soc值和簇内其他电池包接近时，再将该备用电池包接入到缺失一个电池包的电池簇上。应注意的是，图5中有多个备用电池包bp1，以备多个电池簇出现切离一个电池包后进行串联，如果同时有2个电池簇并联连接至缺失1个电池包的供电网络tp1，则需要接入两个备用电池包bp1，即接入备用电池包的数量总是和接入tp1的电池簇的数量相等，以保证最终接入tp0的每个电池包能均衡充放电。同理支持2个串联备用电池包bp2也有多组，以备多个电池簇出现切离2个电池包后进行串联，一般2个串联备用电池包bp2的数量少于备用电池包bp1的数量，待整个网络中大部分电池包的健康状态都比较接近电芯平均的使用寿命后，整个电池组需要更换所有电池包。整个网络的目标是确保所有电芯的使用寿命比较接近，串联两个电池包主要用于电池状态一致性较差的特殊场景。
66.需说明的是，在不违背本发明精神和范围的前提下，本领域技术人员可对上述实施例进行适当的改变或变型。例如，开关管可以采用n型mos管，p型mos管，也可是继电器、晶体管、氮化镓管(gan)、碳化硅(sic)、晶闸管、绝缘栅双极晶体管igb中的一种。开关管的控制电路不仅可以从被监测的电池包取电，也可以由外部其他模块供电。又如，图1中的电路阻抗补偿结构除了使用mos管之外，也可以使用其他可控制的可变电阻器实现，依照图6的阻抗筛选和控制逻辑，也可以实现每一个电池包的阻抗均衡控制。
67.综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下优势：
68.1)由于电池材料和加工过程的差异，导致同一批次加工电芯的使用寿命会略有差异，因此由多个电芯组成的电池包寿命也会略有差异。本发明能够分阶段控制每一个电池包的等效阻抗，从而控制每一个电池包的使用频率，通过控制不同接入电池包的使用频次，达到均衡使用电池包的设计目标，延长了整个电池簇的使用寿命。
69.2)本发明使用了更少的开关控制管来控制组成电池包的方式，节省了开关管的数量。同时通过控制开关管的控制电压来调节电池包的等效阻抗，从而灵活控制每一个电池包的等效阻抗，实现电池包内阻均衡控制的设计目标。
70.3)本发明不仅能以低成本方案切断问题电池和电源网络的连接，还能为原来连接网络提了新的供电通路，避免了电池簇因为隔离风险电池包，无法建立新的供电通路而无法正常工作。基于本发明提出的电池包结构搭建储能系统的结构，不仅可以将出现风险的电池包从整个储能系统中切除，还能将切除了风险电池包的电池簇连接备用电池包组件，形成新的电池簇接入供电网络，从而高效利用电池簇中其他性能正常的电池包，提升了电池包的利用效率。由于本发明能快速测量所有电池簇中电池包的等效内阻，且接入供电网络的电池内阻和电量都在设定范围内，因此有效避免了因并联差异较大电池包而导致的电池簇之间的回流问题(电池簇间的回流将降低电池的寿命)。
71.4)本发明使用阻抗、电压、电流测试单元来测试每一个电池包和电池簇的阻抗和输出电压等参数，能确保接入电源网络的电池簇具有一致的性能，可以降低电池簇之间的回流，延长电池使用寿命。
72.5)本发明提出的开关电路结构，可以灵活控制电池包的内部阻抗，当电池包内部
电芯阻抗和其他电池包的阻抗出现差异时，可以通过调整开关的导通阻抗来调节电池包的阻抗，当整个电池包的阻抗超过该阶段的阻抗目标时，可灵活将电池包从电池簇中脱离，并为该电池簇接入新的电池包(新电池包的阻抗和其他电池包的阻抗接近)，再组建成新的电池簇后，再将新电池簇接入供电网络，以实现供电网络中所有电池包内阻一致的设计目标，从而实现所有电池包寿命一致的设计目标。随着系统运行其他电池包的寿命会整体降低，当整体的平均阻抗和原有隔离的电池包寿命接近时，可以将备用电池包从供电电池簇中切断，并将原来隔离的电池包继续接电池簇使用。经过几个阶段的循环，当电池包的等效内阻接近整体安全阻抗后，会将该电池包从供电网络中断开，并不再接入供电网络，并将该电池包进行更换，以实现灵活使用的目标。
73.6)本发明根据电池内阻和电量来估算更准确的电池健康状态，通过将电池健康状态较差(阻抗高，充电电量低)的电池包切离电池簇，降低了整个电池系统的安全风险，避免了健康状态不佳电池包持续使用可能导致的安全隐患。此外，由于供电网络中接入的电池包总是健康状态接近的电池包，因此整个电池系统的电池包的健康状态比较一致，电芯系统中的电芯平均使用时间可大幅提升。
74.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

技术特征：
1.一种电池包开关控制电路，包括第一开关管和第一开关控制电路，其中第一开关控制电路设有第一电压输入端、第一电压输出端，第一电压控制端和地端，第一开关控制电路的第一电压输入端和地端为第一开关电路的电源供电端，由电池包中的全部串联电池供电或者由串联电池的部分电池供电；第一开关管的第一端连接串联电芯的正极，第一开关管的第二端连接电池包输入正极，第一开关管的第三端连接第一电压输出端，通过调整第一电压控制端的控制参数调整第一电压输出端的输出电压，当第一电压输出端的输出电压低于第一开关管的导通阈值电压使第一开关管处于关断状态，当第一电压输出端的输出电压高于第一开关管的导通阈值电压时第一开关管处于导通状态，通过调整第一电压控制端参数调整第一电压输出端电压，并控制第一开关管的导通电阻。2.一种电池包短路控制电路，包括第二开关管和第二开关控制电路，其中第二开关控制电路设有第二电压输入端、第二电压输出端、第二电压控制端和地端，第二开关控制电路的第二电压输入端和地端为第二开关电路的电源供电端，由电池包中的全部串联电池供电或者由串联电池的部分电池供电，第二开关管的第一端连接电池包负极，第二开关管的第二端连接电池包输入正极，第二开关管的第三端连接第二电压输出端，通过调整第二电压控制端的控制参数调整第二电压输出端的输出电压，当第二电压输出端的输出电压低于第二开关管的导通阈值电压使第二开关管处于关断状态，当第二电压输出端的输出电压高于第二开关管的导通阈值电压时第二开关管处于导通状态，通过调整第二电压控制端参数调整第二电压输出端电压，控制第二开关管的导通电阻。3.一种利用开关管控制电池组的电池包系统，包括一个或多个电池包，所述电池包包含权利要求1所述的电池包开关控制电路和权利要求2所述的电池包短路控制电路、电芯采集监测及通信控制电路，其中：所述电池包开关控制电路通过控制第一开关管的导通或关断来调节对应的多个串联电芯的等效阻抗；所述电池包短路控制电路通过控制第二开关管的导通或关断来隔离或接入对应的多个串联电芯；所述电芯采集监测及通信控制电路用于检测多个串联电芯的电压和电芯内阻信息，能够通过控制第一开关控制电路和第二开关控制电路的电压控制端的参数来调整对应的第一开关管和第二开关管的导通/或关断状态，以及电池包的等效阻抗。4.根据权利要求3所述的电池包系统，其特征在于，第一开关管和第二开关管选自n型mos管、p型mos管、继电器、晶体管、氮化镓管、碳化硅管、晶闸管或绝缘栅双极晶体管。5.根据权利要求3所述的电池包系统，其特征在于，第一开关控制电路从被监测的电池包取电或从外部其他模块供电，并根据控制策略需要设置第一开关管的控制电压，通过控制第一开关管的控制电压来调节第一开关的控制状态，以控制相应的电池包开断并控制串联电芯的等效串联阻抗，所述控制策略是：当电池包处于正常工作状态时，控制第一开关管的控制电压值高于第一开关管的控制阈值电压，第一开关管处于导通状态，所述控制电压值由整个电池包设定的串联阻抗确定；当需要关断电池包时，将第一开关管的控制电压设置为远低于第一开关管的导通阈值电压。6.根据权利要求3所述的电池包系统，其特征在于，第二开关控制电路从被监测的电池包取电或从外部模块供电，并根据控制策略来设置第二开关管的控制电压，通过控制第二
开关管的控制电压来调节第二开关管的控制状态使电池包输入正极和电池包负极短路，并控制该短路通路的等效阻抗，其中当检测到电池包内的电芯阻抗处于正常状态时，控制第二开关管的控制电压远低于第二开关管的控制阈值电压，第二开关管处于关断状态；当检测到电池包内的电芯需处于隔离状态时，第一开关管处于断开状态，并将第二开关管设为处于导通状态，并通过调整第二开关管的控制电压调整第二个开关管的导通阻抗。7.根据权利要求3所述的电池包系统，其特征在于，所述电芯采集监测及通信控制电路包含检测单元、通信接口电路和逻辑控制单元，所述检测单元用于检测电芯的电压电流、均衡电芯或测量电芯阻抗，所述通信接口电路用于与外部单元通信，所述逻辑控制单元与所述检测单元和所述通信接口电路连接，能够通过调整第一电压控制端和第二电压控制端的参数调节第一开关控制电路和第二开关控制电路的输出电压。8.根据权利要求7所述的电池包系统，其特征在于，在第一开关管导通，第二开关管关断的情况下，在所述逻辑控制单元的控制下通过调节第一开关控制电路的控制电压来调节电池包的等效内阻等于设定的内阻；在第一开关管关断，第二开关管导通的情况下，在所述逻辑控制单元的控制下，通过调节第二开关控制电路的控制电压来调节多个串联电池包构成的电池簇的等效内阻。9.一种电池簇管理系统，包含多个电池簇，每个电池簇由根据权利要求3至8任一项所述的电池包系统串联构成。10.根据权利要求9所述的电池簇管理系统，其特征在于，每个电池簇设有对应的多路切换开关和bcmu管理单元，所述bcmu管理单元用于管理电池簇中的每个电池包，所述多路切换开关被用于控制接入的网络类型，所述网络类型指示是正常供电网络、电池包缺失网络或测试网络。11.根据权利要求10所述的电池簇管理系统，其特征在于，还包括：测量单元、电池包充电电路、备用电池包、电池簇和电池包隔离控制单元，且每个备用电池包设有对应的多路切换开关，用于控制备用电池包接入到供电网络、测试网络或充电网络，其中：所述bcmu管理单元与对应电池簇内的各个电池包连接，用于控制电池簇的多路切换开关将本电池簇接入正常供电网络、电池包缺失网络或测试网络中的一个电源网络；当电池簇被切换到测试网络时，所述测量单元用于测量相应电池簇内部各电池包的状态信息并反馈至所述电池簇和电池包隔离控制单元，其中所述状态信息包含阻抗、电压、电流中的一项或多项；所述电池簇和电池包隔离控制单元用于根据接收的状态信息确定电池簇或电池包需要接入的网络类型；所述电池包充电电路用于为各电池包充电。12.根据权利要求11所述的电池簇管理系统，其特征在于，所述测量单元用于测量各个电池包的相关信息，包括阻抗测量电路、电流测量电路、可变功率电阻、电压测量电路、数据采集模块和通信接口电路，所述阻抗测量电路用于测量每个电池包和电池簇的等效阻抗；所述电流测量电路用于测量接入不同可变功率电阻后的电流；所述电压测量电路用于测量接入电池测试网络后的电压；所述可变功率电阻用于调节负载阻值，并用于对备用电池包以及不同电池簇中的电芯放电；所述数据采集模块用于获取测量到电压、电流和阻抗，并经由所述通信接口电路与外部进行数据交换。
13.根据权利要求11所述的电池簇管理系统，其特征在于，所述电池簇和电池包隔离控制单元被设置为从供电网络上切除判定为出现风险的电池包，并接入备用电池包，形成新的电池簇接入供电网络。14.根据权利要求13所述的电池簇管理系统，其特征在于，当检测到一电池包的健康状态达到设定的健康阈值后，需要接入一个备用电池包，并为电池簇重新配置工作：首先将相应的整个电池簇和供电网络断开，再控制第一开关管处于关断状态，并控制第二开关管处于导通状态，使该电池包处于断开屏蔽状态；调整待接入的备用电池包的电量状态和内阻，待备用电池包内阻和电量状态和电池簇中其他电池包的内阻、电量状态一致后，将备用电池包接入该电池簇，并将该电池簇重新接入供电网络。

技术总结
本发明公开一种利用开关管控制电池组的电池包系统和电池簇管理系统。电池包系统设有电池包开关控制电路、短路控制电路、电芯采集监测及通信控制电路和多个串联电芯，电池包开关控制电路包含第一开关管和第一开关控制电路，短路控制电路包含第二开关管和第二开关控制电路，其中：电池包开关控制电路通过控制第一开关管调节串联电芯的等效阻抗；短路控制电路通过控制第二开关管接入或隔离多个串联电芯；电芯采集监测及通信控制电路用于检测多个串联电芯的电压和电芯内阻，并通过控制各开关控制电路的控制电压来调整各开关管的导通或关断。电池簇管理系统能在电池簇中一个或多个电池包单元切离原有电池簇后，接入备用电池包单元继续工作。单元继续工作。单元继续工作。


技术研发人员：陈森
受保护的技术使用者：陈森
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/6