一种电池模组柔性连接保护装置技术领域
本发明涉及新能源领域，尤其涉及一种电池模组柔性连接保护装置。
背景技术
根据电动汽车发展规划，预计到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产
能力达200万辆，累计产销量超过500万辆。这些电动汽车将产生大量退役的动力电池。虽然
退役电池不再适合在电动汽车上使用，但仍然有额定容量80％左右的能量贮存，可以应用
在其他领域，如果直接废弃处理将造成严重的能源浪费。因此，为了充分利用动力电池的价
值，节省社会资源，需要对退役的动力电池进行梯次利用。
无论是新电池，还是退役动力电池，电池成组技术是动力电池规模应用的关键。在
构建电动汽车或者储能装置的动力电池组件时，首先需要将若干个单体电芯通过焊接方式
固定串并联构成电池模组，然后再将若干个电池模组通过导体连接固定串并联构成整个电
池组件。虽然不同厂家对于电池模组定义的容量和电压等级不同，而且也有可能定义了多
层电池模组，但是，通常可以将电池模组理解为构成电池的、对电池容易物理上拆分后的基
本单元。一般情况下，电池模组的电压等级为几十伏，容量为几百安时。
影响退役动力电池梯次利用经济性的首要因素是对电池组件(电池包)的拆解程
度。根据现有生产实践，如果将退役动力电池中已经焊接成整体的电池组一一拆解到单个
电芯，然后进行筛选、匹配和再次重组，由于工艺复杂，造成回收成本接近于购买新电池，决
定了这种技术路线的梯次利用不经济和科学。但是如果在简单的拆除连接导体后，针对电
池模组进行柔性成组则是退役动力电池梯次利用的合理途径。因此，针对电池模组的不一
致性，进行柔性成组连接，便成了退役动力电池梯次利用的关键问题。
在动力电池的成组使用中，需要解决由于电池模组的不一致性带来的差异化管理
问题。在电池的使用过程中，电池的一致性随时间是不断劣化的，与许多因素有关，包括：生
产的一致性、使用环境、充放电强度、瞬间放电等。尤其对于退役电池，因为材料、工艺、运输
工况的差异，往往会导致成组电池间的压差增大、单组电池发热严重等问题，需要进行柔性
连接，通过均衡控制保护手段，来保证整个电池组的正常运行。
现阶段，国内外对退役电池梯次电池组的研究还处在研发、设计初期阶段，尚未大
规模推广。申请号为201510584801.1的专利申请中公开了一种梯次电池组维护装置，能够
实现直流电压宽范围的输入输出，大大减小电压电流波纹；电路动态响应迅速，具有恒压、
恒流、先恒压再恒流等多种模式，满足不同类型电池组的需求。申请号为201610601656.8的
专利申请公开了一种通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电系统及控制方法，包括：双向
储能变流器、梯次电池系统以及电动汽车充电设备，当通信基站失电时，控制器控制梯次电
池系统，由梯次电池系统自动为通信基站内通信设备提供供电电源；在用电低谷时段，控制
器控制双向储能变流器，由双向储能变流器为梯次电池系统充电储能，同时为通信基站提
供电源；在用电高峰时段，控制器控制双向储能变流器，由双向储能变流器释放梯次电池系
统中的能量，作为电网支撑，为电动汽车提供充电服务。申请号为200710077318.X的专利申
请公开了一种电池组保护装置，包含一级保护单元，可对电池组出现过充、过放时进行保
护。申请号为201010219234.7的专利申请公开了一种电池放电保护装置，解决了现有技术
中存在的由于电池的放电回路对负载进行振荡供电，从而对负载造成较大损害，并且缩短
电池使用寿命的问题。申请号为201510560800.3的专利申请公开一种短路保护装置，用于
限制能由包括至少一个电池组单元的电池组支路输出的电流IE，输出电流IA能经由两个电
网端子引导经过耗电器网络，在经由电池组支路、电网端子和耗电器网络的第一电流循环
回路中布置有开关元件，利用该开关元件能中断电流IE，短路保护装置还具有用于将输出
电流IA的大小与能预定的额定值IS进行比较的比较器件。短路保护装置还具有电感，短路
保护装置具有电感电流调节器件，经由该电感电流调节器件能调节流过电感的输出电流
IA，并且短路保护装置还具有跨接装置，其被布置为能跨接电池组支路的至少一个电池组
单元，并且额定值IS能被限制到短路电流IK的可预定的最大值。文献WO-2010/089338A2公
开一种用于限制高能量直流电网中的直流电流的装置，短路保护装置使用欧姆电阻来限制
电流，该电阻借助快速的电流监控和功率半导体而连接到能量路径中。以纯数字的方式通
过电阻的接入/跨接对由电池组支路输出的电流进行限制。文献US 6 246 214 B1公开了一
种用于电池组充电的保护电路，该保护电路包括场效应晶体管，该场效应晶体管可以限制
在电池组充电或放电时的电流流动。该电路附加地包括放电调节系统，其耦合到场效应晶
体管上并且能确定系统中过强的电流流动，并且据此向场效应晶体管传送限制电流流动的
信号。
综上所述，以上解决方案存在着成本高，过电压和过电流保护功能缺乏，或没有均
压控制的问题。因此，亟需一种低成本、能够同时实现价格低廉、能够实现过电压和过电流
保护、均衡控制功能的柔性连接保护装置，来实现差异化的退役电池模组成组并实现梯次
电池利用。
发明内容
本申请提供了一种能够同时实现过电压和过电流保护、并且具有均衡控制功能的
电池模组柔性连接保护装置，从而实现差异化的退役电池模组成组并实现梯次电池利用。
第一方面，本申请提供了一种电池模组柔性连接保护装置，其特征在于，包括：动
态均压电阻(R1)、采样电阻(R2)、放电电阻(R3)、动态均压电容(C1)、放电用电子开关(G3)、
第一电力电子开关(G1)及其内部集成的反并联二极管(D1)、第二电力电子开关(G2)及其内
部集成的反并联二极管(D2)、第一继电器(K1)、第二继电器(K2)、第三继电器(K3)和控制保
护单元；
其中，
所述动态均压电阻(R1)的一端与电池的正极相连，另一端与动态均压电容(C1)相
连；
所述采样电阻(R2)的一端与电池的正极相连，另一端与第一继电器(K1)和第三继
电器(K3)相连；
所述放电电阻(R3)的一端与电池的正极相连，另一端与放电用电子开关(G3)的漏
极相连；
所述动态均压电容(C1)的一端与动态均压电阻(R1)相连，另一端与电池的负极相
连；
所述第一电力电子开关(G1)的漏极与第三继电器(K3)相连，源极与第二电力电子
开关(G2)的漏极相连；
所述第二电力电子开关(G2)的源极与电池的负极相连，漏极与第一电力电子开关
(G1)的源极相连；
所述放电用电子开关(G3)的漏极与放电电阻(R3)相连，源极与电池的负极相连；
所述第一继电器(K1)的一端与采样电阻(R2)相连，另一端与第二继电器(K2)、第
一电力电子开关(G1)的源极和第二电力电子开关(G2)的漏极相连；
所述第二继电器(K2)的一端与第一继电器(K1)、第一电力电子开关(G1)的源极和
第二电力电子开关(G2)的漏极相连，另一端与电池的负极相连；
所述第三继电器(K3)的一端与采样电阻(R2)相连，另一端与第一电力电子开关
(G1)的漏极相连；
所述控制保护单元的第一端口和第二端口分别与采样电阻(R2)的两端相连，第三
端口与电池的负极相连，通过第一至第三端口使得所述控制保护单元的输入为电池电压
(V1)和采样电阻(R2)的端电压(V2)；所述控制保护单元的输出为第一电力电子开关(G1)、
第二电力电子开关(G2)、放电用电子开关(G3)的门极控制信号和第一继电器(K1)、第二继
电器(K2)、第三继电器(K3)的控制信号；
所述电池模组柔性连接保护装置的充放电接入端的第一和第二端口分别连接在
第二继电器(K2)的两端以实现所述电池模组柔性连接保护装置的充放电功能。
优选地，
所述动态均压电阻(R1)为功率电阻；
所述动态均压电容(C1)为薄膜电容；
所述采样电阻(R2)为大功率合金采样电阻；
所述放电电阻(R3)为大功率电阻；
所述第一电力电子开关(G1)、第二电力电子开关(G2)、放电用电子开关(G3)为
Mosfet；
所述第一继电器(K1)、第二继电器(K2)、第三继电器(K3)为磁保持继电器。
所述控制保护单元基于数字电路或模拟逻辑电路实现。
进一步地，所述控制保护单元基于数字处理芯片实现。
其中，所述电池模组柔性连接保护装置具有以下工作状态：
充放电状态：第一继电器(K1)闭合，其它开关均断开；
旁路状态：第二继电器(K2)闭合，其它开关均断开；和
均衡电压状态：放电用电子开关(G3)闭合，第二继电器(K2)闭合，其它开关均断
开。
进一步地，所述控制保护单元包括以下功能模块：
电池电压阈值判断模块，用于进行电压阈值判断；
电池充放电电流阈值判断模块，用于检测采样电阻(R2)的端电压(V2)，进行电流
阈值判断；
电源模块，连接电池电压(V1)，用于通过DC/DC变换获得控制保护单元的工作电
压；
逻辑控制模块，用于根据输入信号，基于数字电路或模拟逻辑电路进行逻辑判断，
产生第一和第二电力电子开关以及放电用电子开关的门极控制信号和第一至第三继电器
的控制信号，调整工作状态；
通讯模块，采用RS485或CAN等通讯芯片，用于实现与上级控制、电池BMS的通讯；
多个驱动模块，用于将控制信号转换为具有一定功率的驱动信号。
其中，当所述逻辑控制模块检测到电池电压(V1)大于电池电压保护阈值后，将发
出旁路命令，执行充电状态向旁路状态转换过程，将电池退出，保护电池；
当所述逻辑控制模块检测到电流(I)大于放电电流保护阈值后，将发出旁路命令，
执行放电状态向旁路状态转换过程，将电池退出，保护电池；
当所述控制保护单元检测到电池电压(V1)在一定范围内大于电池电压额定值，但
没有超过电池电压保护阈值时，导通放电用电子开关(G3)，通过电阻(R3)对电池进行放电，
降低电池电压到正常的工作范围。
第二方面，本申请提供一种电池组，包括多个电池模组、多个所述电池模组柔性连
接保护装置和一个DC/AC双向变流器，其特征在于所述多个电池模组通过所述多个电池模
组柔性连接保护装置依次串联，串联以后得到的电池模组组合的输出通过所述DC/AC双向
变流器转换为市电。
优选地，每个所述电池模组柔性连接装置中的动态均压电容C1和动态均压电阻R1
参数都相同。
此方案可以很好解决电池模组的柔性连接问题，在实现过电压和过电流保护的同
时，还具有均衡控制功能，从而实现差异化的退役电池模组成组并实现梯次电池利用。
附图说明
图1是根据本发明实施例的电池模组柔性连接保护装置的电路图；
图2是根据图1的电池模组柔性连接保护装置中的控制保护单元的结构图；
图3是利用图1的电池模组柔性连接保护装置连接多个电池模组的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图详细说明本发明构思的特定实施例。
参见图1，电池模组柔性连接保护装置包括：动态均压电阻R1、采样电阻R2、放电电
阻R3、动态均压电容C1、放电用电子开关G3、电力电子开关G1及其内部集成的反并联二极管
D1、电力电子开关G2及其内部集成反并联二极管D2、继电器K1、K2、K3和控制保护单元。其
中，动态均压电阻R1的一端与电池的正极相连，另一端与动态均压电容C1相连；采样电阻R2
的一端与电池的正极相连，另一端与继电器K1和继电器K3相连；放电电阻R3的一端与电池
的正极相连，另一端与放电用电子开关G3的漏极相连；动态均压电容C1的一端与动态均压
电阻R1相连，另一端与电池的负极相连；放电用电子开关G3的漏极与放电电阻R3相连，源极
与电池的负极相连；电力电子开关G1的漏极与继电器K3相连，源极与电子开关G2的漏极相
连；电力电子开关G2的源极与电池的负极相连，漏极与电力电子开关G1的漏极相连；继电器
K1的一端与采样电阻R2和继电器K3相连，另一端与继电器K2、电力电子开关G1的源极和电
力电子开关G2的漏极相连；继电器K2的一端与继电器K1、电力电子开关G1的源极和电力电
子开关G2的漏极相连，另一端与电池的负极相连；继电器K3的一端与采样电阻R2相连，另一
端与电力电子开关G1的漏极相连；所述控制保护单元的第一端口和第二端口分别与采样电
阻R2的两端相连，第三端口与电池的负极相连，通过第一至第三端口使得所述控制保护单
元的输入为电池电压V1和采样电阻R2的端电压V2。所述电池模组柔性连接保护装置的充放
电接入端的第一和第二端口分别连接在第二继电器K2的两端以实现所述电池模组柔性连
接保护装置的充放电功能。
图1中的电池模组柔性连接保护装置在工作时具有三个工作状态，分别是：充放电
状态、旁路状态和均衡电压状态，在不同工作状态下，各个电路元件的状态组合参见表1。
表1
K1
K2
K3
G1
G2
G3
状态
闭合
断开
断开
断开
断开
断开
充放电
断开
闭合
断开
断开
断开
断开
旁路
断开
闭合
断开
断开
断开
闭合
均衡电压
充放电状态：K1闭合，其它开关均断开，电池处于充、放电状态。其中，电池处于充
电状态时，电流流入电池端，V2＞0。电池处于放电状态时，电流流出电池，V2＜0，V2是采样
电阻R2两端的电压。
旁路状态：K2闭合，其它开关均断开。旁路状态可以用于保护电池或更换电池。
均衡电压状态：放电用电子开关G3闭合，K2闭合，其它开关均断开。当电池端电压
超过设定值，通过放电电阻R3为电池放电，降低电池端电压到允许范围。
所述电池模组柔性连接保护装置还可以在充放电状态、旁路状态和均衡电压状态
之间转换，转换过程如下：
1、从旁路状态转换为充电状态：
闭合K3→导通G2→断开K2→关断G2→闭合K1→断开K3，转换过程完成。转换过程
中，D1和G2均短时(十几毫秒)导通，无需散热器。
2、从旁路状态转换为放电状态：
闭合K3→断开K2→导通G1→闭合K1→关断G1，转换过程完成。转换过程中，D2和G1
均短时(十几毫秒)导通，无需散热器。
3、充放电状态之间的转换过程：
由于充(放)电时处于K1闭合状态，充、放电转换自然进行。
4、充电状态转换为旁路状态：
闭合K3→断开K1→导通G2→闭合K2→关断G2→断开K3，转换过程完成。
5、放电状态转换为旁路状态：
闭合K3→导通G1→断开K1→关断G1→闭合K2→断开K3，转换过程完成。
其中，通过V2的极性判别电池处于充电还是放电状态。当V2为正时，充电状态；当
V2为负时，放电状态。
在多个状态之间转换过程中，动态均压电容C1能够起到稳定电压的作用。
图2是图1的电池模组柔性连接保护装置中的控制保护单元的结构图，该控制保护
单元可基于数字电路或模拟逻辑电路实现，其输入为电池电压V1、采样电阻R2的端电压V2，
输出为电力电子开关G1、G2、放电用电子开关G3的门极控制信号引、g2、g3；继电器K1、K2、K3
的控制信号k1、k2、k3。该控制保护单元按功能划分为以下功能模块：
电池电压阈值判断模块，进行电压阈值判断；
电池充放电电流I阈值判断模块，检测采样电阻R2的端电压V2，进行电流阈值判
断；
电源模块，连接电池电压V1，通过DC/DC变换获得控制保护单元的工作电压，一般
为5V；
逻辑控制模块，根据输入信号，基于数字电路或模拟逻辑电路进行逻辑判断，产生
电力电子开关和继电器的控制信号，调整工作状态；
通讯模块，采用RS485或CAN等通讯芯片，实现与上级控制、电池BMS的通讯；
多个驱动模块，将控制信号转换为具有一定功率的驱动信号。
当逻辑控制模块检测到电池电压V1大于电池电压保护阈值后，将发出旁路命令，
执行充电状态向旁路状态转换过程，将电池退出，保护电池。
当逻辑控制模块检测到电流I大于放电电流保护阈值后，将发出旁路命令，执行放
电状态向旁路状态转换过程，将电池退出，保护电池。
当控制保护单元检测到电池电压V1在一定范围内大于电池电压额定值，但没有超
过电池电压保护阈值时，导通放电用电子开关G3，通过电阻R3对电池进行放电，降低电池电
压到正常的工作范围。
优选地，该柔性连接保护装置的主要元器件为：：
动态均压电阻R1，选用10欧姆功率电阻；
动态均压电容C1，选用100V 8000uF的薄膜电容；
采样电阻R2，选用大功率合金采样电阻0.05mΩ；
放电电阻R3，选用大功率电阻100Ω；
放电用电子开关G3、电力电子开关G1、G2均采用150V/120A的Mosfet；
继电器K1、K2、K3，采用200A磁保持继电器；
控制保护单元，采用基于数字处理芯片的控制保护单元。
图3是利用图1的电池模组柔性连接保护装置连接多个电池模组的示意图。例如，
有14个退役电池模组，每个端口直流电压为48V。通过14个柔性连接保护装置将14个退役电
池模组串联在一起，可以构成0～672的直流电压端口，然后通过DC/AC双向变流器转换为
AC380V市电。其中，DC 672V/AC380V的双向变流器为行业市场上常规产品。
当多个电池模组通过柔性连接保护装置串连时，多个同参数的动态均压电容C1和
动态均压电阻R1能够起到平均电压分配的作用。
本申请的有益效果为：
通过控制退出旁路与接入(充放电)状态转换，实现电池模组的灵活连接，从而能
够实现整机不停机状态下更换电池模组；
通过控制转为旁路退出机制，实现对电池模组的过流、过压保护；
能够通过动态均压电容实现多个电池模组串联时的均压功能；
能够通过放电控制调节电池模组的电压，实现均衡控制功能；
柔性连接能够同时兼容不同种类的电池模组成组使用；
标准化结构，控制简单，成本低；
能够实现差异化的退役电池模组成组，实现梯次电池利用；
此方案可以很好解决电池模组的柔性连接问题，是解决12V或48V标准电池模组如
何转换为市电交流380V较佳方案。
以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技
术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等
同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。