一种具有主动均衡的可重构电池控制电路

1.本发明属于电子电路技术领域，确切地说涉及一种具有主动均衡的可重构电池控制电路。


背景技术：

2.随着电子产品、新能源汽车、无人飞行器、各种电气设备的高速发展，市场对高效率高可靠性电池产品的需求急剧增加。以电动无人飞行器为例，在给飞行器控制电路和电机供电的动力电池中，通常会使用若干电池单体进行串并联，组成一个电池组，以提高输出的电压和电流，从而满足飞行器的供电需求。传统的电池组中，内部由若干电池单体组成的电池串和电压控制电路组成。电压控制电路的工作方式是通过检测电池串中每一个电池单体的电压，然后与设定的保护阈值作比较，当电压超出设定的上线最大值时，开关管关断，停止充电。当电压低于设定的下线最小值时，开关管关断，停止放电。有些电压控制电路增加了被动均衡电路，当某一个电池单体的电压超出设定的上线最大值时，电压控制电路会使这个电池单体的旁路功率电阻接通，以发热的形式抵消增加的电量，从而使其他没有充满的电池单体继续充电。以上两种电路都存在以下缺点：电池组放电时，当某一个电池单体的电压下降到保护电压的阈值后，整个电池组就停止放电，即使其他电池单体还有电量，也无法继续输出；电池组所有电池单体只能同时充电或放电，灵活性差；而且如果电池组中有一个电池单体损坏，电池组就不能使用了，可靠性差。因此上述的电压控制电路不适合应用在对灵活性和可靠性要求更高的场合中。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提出一种用于可重构电池的控制电路。本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种具有主动均衡的可重构电池的控制电路，所述具有主动均衡的可重构电池控制电路，包括充放电阵列、电池阵列、从mcu阵列、主mcu、主动均衡电路。
4.充放电阵列电路包含若干个充放电单元，每个充放电单元在充电或放电时，都会采集流过该单元的电流信息和输出的电压信息，然后发送给主mcu，主mcu接收信息并通过计算后，向充放电阵列电路发送工作指令，充放电阵列电路根据主mcu的指令，使充放电阵列工作在单串模式、并联模式、以及阶梯式模式。
5.电池阵列包含若干个电池单体，相邻的电池单体之间通过开关管连接，闭合不同的开关管，可以使电池阵列内部有不同的电流通路，形成不同的组合。具体的，主mcu根据从充放电阵列电路采集的电流电压信息，和从mcu阵列采集的每个电池单体的信息，通过计算后，向从mcu发送指令。从mcu接收指令后闭合不同的开关管，使电池阵列内部形成不同的电流通路，实现不同的组合。主mcu可以计算出最佳的组合方式，使电池阵列工作在串联模式、并联模式、或其他任意组合方式，也可以把损坏的电池单体“剔除”出去，不接入应用中。
6.从mcu阵列包含若干个从mcu，每个从mcu连接一个电池单元。从mcu阵列中的每一个从mcu和电池阵列中的每一个电池单元是一一对应的，每个从mcu采集对应的电池单元的
电流和电压信息，并计算出电池单元的荷电状态、容量等数据，然后把这些数据发送给主mcu。主mcu获取了从mcu阵列中所有的数据后，就可以根据应用需求计算出最优的电池单元的组合方式，主mcu把指令发送给从mcu。从mcu接收指令后控制电池单元的开关管，使电池单元实现不同的组合。
7.主mcu是整个电路的核心部件，它采集充放电阵列和从mcu阵列的信息，主mcu根据采集的信息和不同的应用需求，通过计算后，控制充放电阵列、从mcu阵列的、主动均衡电路的工作状态；具体的，发送指令给充放电阵列，实现不同的充放电模式；发送指令给从mcu阵列，从mcu收到指令后控制开关管，实现不同的电池单元的组合；发送指令给主动均衡电路，实现不同的电池单元之间的能量转移。
8.主动均衡电路包含选通阵列1、选通阵列2、能量转移电路。主mcu已经通过从mcu阵列获取了每一个电池单体的电压和荷电状态的数值，当数值最高的电池单体和数值最低的电池单体之间的差值超过设定值时，主动均衡电路开始工作。能量从数值最高的电池单体转移到数值最低的电池单体，一段时间后，达到平衡状态，均衡电路停止工作，进入待机状态，当下一次检测出数值最高的电池单体和数值最低的电池单体之间的差值超过设定值时，电路重新进入工作周期。
9.本发明提出的具有主动均衡的可重构电池控制电路，包括充放电阵列、电池阵列、从mcu阵列、主mcu、主动均衡电路。充放电阵列根据具体需求，使充放电阵列工作在单串模式、并联模式、以及阶梯式模式等多种模式下，可有效减少电池单体的的充放电次数，延长了电池的使用寿命；电池阵列可以根据主mcu的指令，实现电池阵列内部不同的电流通路，形成不同的组合，还可以把损坏的电池单体“剔除”出去，不接入应用中，提高了电池阵列的可靠性；主动均衡电路使电池阵列中每个电池单体之间的电压和荷电状态更加匹配，从而使整个电池阵列的总容量使用率更高；本发明采用主mcu加从mcu阵列的结构，提高了电路系统的稳定性，同时也提高了使用的灵活性和可扩展性，适用于各种高可靠性、高安全性、高复杂性的应用场合。
10.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
11.一种具有主动均衡的可重构电池控制电路，其特征在于，包括充放电阵列电路、电池阵列、从mcu阵列、主mcu和主动均衡电路；所述的充放电阵列电路包括m个充放电单元，m为大于等于1的正整数，每个充放电单元的电压输入端口并联接在一起，连接直流母线正极，每个充放电单元的采样接口和控制接口都与主mcu对应的接口连接；所述的电池阵列包括n行m列的n
×
m个电池单元，所述的从mcu阵列包括n
×
m个从mcu单元，n为大于等于1的正整数，电池阵列中每个对应阵列位置的电池单元分别与从mcu阵列中每个对应阵列位置的从mcu单元连接，m个充放电单元的电压输出端分别连接m列电池单元的正极，最后一行电池的负极连接直流母线负极；每个从mcu单元的通讯接口连接到主mcu的通讯接口；所述的主动均衡电路包括第一选通阵列、第二选通阵列、能量转移电路，第一选通阵列的输入连接电池阵列，第一选通阵列的输出与能量转移电路的输入端连接，能量转移电路的输出端与第二选通阵列的输入端连接，第二选通阵列的输出端与电池阵列连接；第一选通阵列和第二选通阵列的控制端与主mcu连接，能量转移电路的使能端与主mcu连接；
12.所述从mcu单元用于采集与自身相连的电池单元的荷电状态信息，从mcu单元通过通讯接口将采集到的数据发送到主mcu；从mcu单元还用于根据接收到主mcu的控制指令控
制与自身相连的电池单元的工作状态，使电池阵列内部形成不同的电流通路；
13.所述主动均衡电路用于在主mcu的控制下对电池阵列中任意两个荷电状态信息差值超过预设值的电池单元进行能量转移，具体为通过第一选通阵列选中两个荷电状态信息差值超过预设值的电池单元中的一个电池单元，通过第二选通阵列选择另一个电池单元，再经过能量转移电路将能量从高的电池单元转移到低的电池单元，实现主动均衡控制。
14.进一步的，所述从mcu单元控制与自身相连的电池单元的工作状态具体包括：调整电池单元在充电时的电流和电压、控制电池单元是否放电、以及将损坏的电池单元从电路中移除。
15.进一步的，所述从mcu还记录与自身相连的电池单元累计的充放电次数，以及每一次充放电过程中的电流电压数据，从而评估电池单体的健康状态和使用寿命。
16.进一步的，主mcu根据电池单体的健康状态和使用寿命对电池阵列进行优化控制，优化控制的方式为充放电阵列工作在单串模式、并联模式、阶梯式模式或者其他任意模式，也可以把损坏的电池单体“剔除”出去，不接入应用中。
17.本发明的有益效果为，充放电阵列可以根据具体需求，工作在单串模式、并联模式、以及阶梯式模式等多种模式下，可有效减少电池单体的的充放电次数，延长了电池的使用寿命；电池阵列可以根据主mcu的指令，实现电池阵列内部不同的电流通路，还可以把损坏的电池单体“剔除”出去，不接入应用中，提高了电池阵列的可靠性；主动均衡电路使电池阵列中每个电池单体之间的电压和荷电状态更加匹配，从而使整个电池阵列的总容量使用率更高；本发明采用主mcu加从mcu阵列的结构，提高了电路系统的稳定性，同时也提高了使用的灵活性和可扩展性，适用于各种对高可靠性、高安全性、高复杂性的应用场合。
附图说明
18.图1为传统的串并联电池组的电路框图；
19.图2为本发明提出的具有主动均衡的可重构电池控制电路整体框图；
20.图3为充放电阵列电路框图；
21.图4为电池阵列示意图；
22.图5为从mcu阵列示意图；
23.图6为电池阵列和从mcu阵列对应连接图；
24.图7为主动均衡电路框图。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施详细描述本发明的技术方案。
26.图1为传统的串并联电池组的电路框图，传统的电池组中，内部由若干电池单体组成的电池串和电压控制电路组成，电压控制电路通过检测电池串中每一个电池单体的电压，然后与设定的保护阈值作比较，当电压超过设定的上线最大值时，开关管关断，停止充电。当电压低于设定的下线最小值时，开关管关断，停止放电。有些电压控制电路增加了被动均衡电路，充电时，当某一个电池单体的电压超过设定的上线最大值时，电压控制电路会使这个电池单体的旁路功率电阻接通，以发热的形式抵消增加的电量，从而使其他没有充满的电池单体继续充电。
27.图2为本发明提出的具有主动均衡的可重构电池控制电路整体框图，包括充放电阵列、电池阵列、从mcu阵列、主mcu和主动均衡电路。所述充放电阵列电路包含m个充放电单元，m为大于等于1的正整数；所述电池阵列包含n行m列的n
×
m个电池单元，n也为大于等于1的正整数；所述主动均衡电路包含电池选通阵列和能量转移电路。充放电阵列中的每一个充放电单元的采样接口和控制接口都与主mcu对应的接口连接；电池阵列中每一个对应阵列位置的电池单元分别与从mcu阵列中每一个对应阵列位置的从mcu连接。从mcu阵列中每一个从mcu的通讯接口都与主mcu的通讯接口连接；主动均衡电路中的选通阵列的每一个选通接口都与主mcu的选通接口总线连接；主动均衡电路中的能量转移电路的使能接口与主mcu的使能接口连接。
28.图3为本发明提出的充放电阵列电路框图。所述充放电阵列电路中的每个充放电单元包含一个双向dc-dc电路、一个电流采样、一个电压采样。每个充放电单元的1号接口都并联接在一起，形成直流母线正极；每个充放电单元的2号接口都是接到主mcu的采样接口；每个充放电单元的3号接口都是接到主mcu的控制接口；每个充放电单元的4号接口，分别接到对应列数的电池的正极，比如第1个充放电单元的4号接口，接到电池阵列中第1列正极，第m个充放电单元的4号接口，接到电池阵列中第m列正极。
29.图4为本发明提出的电池阵列示意图。电池阵列有m+1个接口，分别是m个列的正极和一个由各个列的负极连接在一起形成的直流母线负极。在电池阵列内部，包含n
×
m个电池单元。每个电池单元有6个接口。电池单元之间的连接方式为：以处于电池阵列中间的电池单元为例，电池单元的1接口接上面一个电池单元的3接口，电池单元的2接口接右边电池单元的4接口，电池单元的3接口接下面一个电池单元的1接口，电池单元的4接口接左边电池单元的2接口，组成电池单元网络，即电池阵列。处于电池阵列第1列的电池单元，每个电池单元的4接口悬空不接。处于电池阵列第m列的电池单元，每个电池单元的2接口悬空不接。处于电池阵列第1行的电池单元，每个电池单元的1接口分别单独接到对应的充放电单元的4接口。处于电池阵列第n行的电池单元，每个电池单元的3号接口都并联接在一起，形成直流母线负极。
30.具体的，每个电池单元包含一个电池单体、第一开关管q1、第二开关管q2、采样电阻r1。为方便描述，r1、q1、q2连接在一起的交点命名为a点。a点延伸出去形成电池单元的4接口；负极延伸出去形成电池单元的3接口；采样电阻r1的一端与电芯的正极连接，另一端与q1、q2的一端连接，即与a点连接。q1的控制端与从mcu的3接口连接，一端与a点连接，另一端延伸出去形成电池单元的1接口；q2的控制端与从mcu的2接口连接，一端与a点连接，另一端延伸出去形成电池单元的2接口。
31.图5为本发明提出的从mcu阵列连接图。所述从mcu阵列，包含n
×
m个从mcu，每个从mcu有6个接口。所有的从mcu的6号接口都一起接到主mcu的通讯接口。从mcu阵列和电池阵列的连接关系是对应的，比如从mcu阵列中第一行第一列的从mcu，连接到电池阵列中第一行第一列的电池单元。
32.图6为本发明提出的电池阵列和从mcu阵列对应连接图。从mcu阵列和电池阵列的连接关系是对应的。以从mcu阵列的第n行第1列的从mcu和电池阵列的第n行第1列的电池单元的连接关系为例：从mcu有6个接口，电池单元有6个接口。为方便描述，电池单元内部的r1、q1、q2连接在一起的交点命名为a点。从mcu的1接口与a点连接，也是电池单元的4接口；
从mcu的2、3接口分别与电池单元的5、6接口连接，即与开关管q1和q2的控制端连接；从mcu的4接口与电池单体的正极连接；从mcu的5接口与电池单元的3接口连接，从mcu的6接口是通讯接口，与主mcu的通讯接口连接。
33.图7为本发明提出的主动均衡电路。所述主动均衡电路包含选通阵列1、选通阵列2、能量转移电路。选通阵列1的每一个输入分别对应第1列电池的每一个电池单元的3接口和4接口，选通阵列1的输出与能量转移电路的输入端连接。能量转移电路的输入端与选通阵列1的输出端连接，能量转移电路的输出端与选通阵列2的输入端连接，能量转移电路的使能接口与主mcu的使能接口连接。选通阵列2的输入端与能量转移电路的输出端连接，选通阵列2的每一个输出端分别对应第1列电池的每一个电池单元的3接口和4接口。选通阵列1和选通阵列2的开关管的控制端与主mcu的选通接口总线连接。
34.具体工作过程如下：
35.在电池阵列静置状态下(无充放电)，每个从mcu采集当前电池单体的电压，以及记录了上一次电池单体的电流电压数据，可计算出电池单体的soc(荷电状态)信息，根据累计充放电的次数和soc信息，可计算出电池单体的健康状态和评估使用寿命；以上信息通过通讯接口传输给主mcu。主mcu掌握了所有电池单体的数据。
36.当给电池阵列充电时，主mcu通过智能算法得出最优的电池单体组合，下发指令给从mcu，从mcu通过控制q1和q2的通断，实现不同的电流路径。电池阵列中如果有某个电池单体损坏了，系统会自动识别并“剔除”，使坏的电池单体不接入应用中。主mcu通过控制接口向充放电阵列中的一个或多个双向dc-dc发出充电控制信号，dc-dc电路给电池阵列充电，充电的电流和电压数据传输至主mcu，主mcu通过计算由从mcu阵列获取的电池单体的信息后，实时调整充电的电流和电压。
37.当电池阵列给负载供电时，主mcu通过智能算法得出最优的电池单体组合，下发指令给从mcu，从mcu通过控制q1和q2的通断，实现不同的电流路径。电池阵列中如果有某个电池单体损坏了，系统会自动识别并“剔除”，使坏的电芯不接入应用中。主mcu根据负载的电流电压情况自动调节放电电池单体使用的个数，可以单串放电或多串放电，或阶梯式放电等。本发明通过精准的充电和放电管理，有效提高电池单体的使用寿命。
38.主动均衡电路在电池静置、充电、放电三种状态下都可以工作。主mcu已经获取每一个电池单体的电压和荷电状态的数值，当数值最高和数值最低的差值超过设定的值时，主动均衡电路工作。具体的，主mcu通过选通接口总线发送选通信号给选通阵列1中数值最高的电池单体的开关管，同时发送选通信号给选通阵列2中数值最低的电池单体的开关管，然后主mcu发送控制信号给主动均衡电路的使能接口，均衡电路中的能量转移电路开始工作，能量从最高的电池单体转移到最低的电池单体。
39.具体的，当数值最高和数值最低的两个电池单体出现在电池阵列的同一行时，比如第n行，主mcu发送指令给第n行的从mcu，从mcu控制电池单元的开关管接通，使那两个电池的正极接通，同时主mcu发送指令给第n+1行的从mcu，从mcu控制电池单元的开关管接通，使那两个电池的负极接通，从而实现等电压的能量转移；当数值最高和数值最低的两个电池单体出现在电池阵列的不同行时，主mcu发送指令给数值最高的那个电池单体的从mcu，从mcu控制电池单元的开关管接通，使这个电池的正极与同一行的最左边的电池的正极连接，同时主mcu通过选通接口总线发送选通信号给选通阵列1中电压最高的电池单体所在的
行数的开关管，从而使数值最高的电池单体接入到能量转移电路的输入端；同理，发送选通信号给选通阵列2中数值最低的电池单体的开关管，使数值最低的电池单体接入到能量转移电路的输出端，然后主mcu发送控制信号给均衡电路的使能接口，均衡电路中的能量转移电路开始工作。能量从数值最高的电池单体转移到数值最低的电池单体，一段时间后，达到平衡状态，均衡电路停止工作，进入待机状态，当下一次检测出数值最高的电池单体和数值最低的电池单体之间的差值超过设定值时，电路重新进入工作周期。

技术特征：
1.一种具有主动均衡的可重构电池控制电路，其特征在于，包括充放电阵列电路、电池阵列、从mcu阵列、主mcu和主动均衡电路；所述的充放电阵列电路包括m个充放电单元，m为大于等于1的正整数，每个充放电单元的电压输入端口并联接在一起，连接直流母线正极，每个充放电单元的采样接口和控制接口都与主mcu对应的接口连接；所述的电池阵列包括n行m列的n
×
m个电池单元，所述的从mcu阵列包括n
×
m个从mcu单元，n为大于等于1的正整数，电池阵列中每个对应阵列位置的电池单元分别与从mcu阵列中每个对应阵列位置的从mcu单元连接，m个充放电单元的电压输出端分别连接m列电池单元的正极，最后一行电池的负极连接直流母线负极；每个从mcu单元的通讯接口连接到主mcu的通讯接口；所述的主动均衡电路包括第一选通阵列、第二选通阵列、能量转移电路，第一选通阵列的输入连接电池阵列，第一选通阵列的输出与能量转移电路的输入端连接，能量转移电路的输出端与第二选通阵列的输入端连接，第二选通阵列的输出端与电池阵列连接；第一选通阵列和第二选通阵列的控制端与主mcu连接，能量转移电路的使能端与主mcu连接；所述从mcu单元用于采集与自身相连的电池单元的荷电状态信息，从mcu单元通过通讯接口将采集到的数据发送到主mcu；从mcu单元还用于根据接收到的主mcu的控制指令控制与自身相连的电池单元的工作状态，使电池阵列内部形成不同的电流通路；所述主动均衡电路用于在主mcu的控制下对电池阵列中任意两个荷电状态信息差值超过预设值的电池单元进行能量转移，具体为通过第一选通阵列选中两个荷电状态信息差值超过预设值的电池单元中的一个电池单元，通过第二选通阵列选择另一个电池单元，再经过能量转移电路将能量从高的电池单元转移到低的电池单元，实现主动均衡控制。2.根据权利要求1所述的一种具有主动均衡的可重构电池控制电路，其特征在于，所述从mcu单元控制与自身相连的电池单元的工作状态具体包括：调整电池单元在充电或放电时的电流、控制电池单元的连接关系、以及将损坏的电池单元从电路中移除。3.根据权利要求1所述的一种具有主动均衡的可重构电池控制电路，其特征在于，所述从mcu还记录与自身相连的电池单元累计的充放电次数，以及每一次充放电过程中的电流电压数据，从而评估电池单体的健康状态和使用寿命。4.根据权利要求3所述的一种具有主动均衡的可重构电池控制电路，其特征在于，主mcu根据电池单体的健康状态和使用寿命对电池阵列进行优化控制。5.根据权利要求1所述的一种具有主动均衡的可重构电池控制电路，其特征在于，所述充放电阵列电路将采集到的充电或放电的电流电压数据发送到主mcu，主mcu控制充放电阵列电路的工作状态，实现单串模式、并联模式、以及阶梯式模式。

技术总结
本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种具有主动均衡的可重构电池的控制电路。所述具有主动均衡的可重构电池控制电路，包括充放电阵列、电池阵列、从MCU阵列、主MCU、主动均衡电路。通过从MCU采集对应电池单元的电流和电压信息，并计算出电池单元的荷电状态、容量等数据，然后发送给主MCU，主MCU根据接受的充放电阵列与从MCU阵列的信息，通过计算后，控制充放电阵列、从MCU阵列的、主动均衡电路的工作状态。本发明提出的具有主动均衡的可重构电池控制电路，采用主MCU加从MCU阵列的结构，提高了电路系统的稳定性，同时也提高了使用的灵活性和可扩展性，适用于各种高可靠性、高安全性、高复杂性的应用场合。复杂性的应用场合。复杂性的应用场合。


技术研发人员：李志兵 罗萍
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/8/13