模块化电池系统及均衡控制方法与流程

1.本发明涉及用于电池组的控制系统，具体地涉及，运用开关阵列与分布式控制方法构建高可靠、可扩展、模块化的电池系统，并且降低对电芯一致性要求，适用于动力电池梯次利用等广泛领域。


背景技术：

2.电池管理系统(bms)通过监测电池的各种状态参数，确保电池各项参数处于安全范围以内，避免电池过充、过放或过热等安全风险。通常，串联电池组中各个电池的容量会略有不同，或者因为自放电原因其荷电状态(soc)存在差异。目前已有的大部分电池管理系统方案，当电池组中某个电池放电耗尽时，整个电池组即要停止放电，尽管其它电池可能仍未完全放电；或电池组中某个电池充电充满时，整个电池组即要停止充电，尽管其它电池可能仍未完全充满。因此，存在明显的“木桶短板效应”，降低了电池组的实际可用容量。
3.为了降低电池不一致的影响，可以使用被动均衡或者主动均衡技术。被动均衡存在均衡电流小，散热困难等问题；而主动均衡往往需要使用大容量电容、电感或者变压器等功率器件，电路复杂，控制难度大，可靠性较差。运用开关阵列技术，可动态调整电池之间的连接关系，成为解决电池“短板效应”的另外一个新型途径。专利us6140799提供了一种电池开关阵列拓扑结构，每个电池(组合)使用3个开关，可实现电池的串联、并联与旁路等动态连接功能。专利us8330419b2提供了一种更复杂的由6个开关构成的开关阵列，可以实现更丰富的动态电池连接方式。毫无疑问，开关数量越多，电池连接越灵活，但是实现复杂，往往不具备经济性，不利于商业化运用推广。此外，电池需要进行充电和放电，存在双向电流，这对开关器件选型带来了很大的挑战。机械开关具有电流双向可控的优势，但是体积大，寿命较短。mosfet等半导体固体开关往往体积小，驱动控制方便，但是只能控制一个方向的电流，因此需要运用2个器件来实现一个开关功能。例如，专利cn103915656b提供了一种基于4个mosfet开关器件的电池模组方案，可以实现电池串联与旁路功能，并提供了一种基于电池参数阈值比较的电池保护方法。
4.并且，当前大部分现有技术都属于集中式一体化方案，内部模组之间有大量电源功率线与通信信号线，不利于生产、运输与售后维护。同时，产品可扩展性差，往往电池系统的电压规格变化后就必须重新立项开发，导致企业研发与生产的型号管控复杂，成本高。


技术实现要素：

5.为了进一步解决上述问题，本发明提供一种模块化电池系统及均衡控制调度方法，充分利用开关阵列的旁路功能与分布式控制方法，实现电池系统的标准模块化，可串联扩展构建高压系统，便于生产与售后维护。
6.本发明的目的是提供一种由一个电池模组或者多个电池模组互相串联构成的电池系统，所述电池模组包括f(f≥1)个蓄电池、开关阵列与驱动电路、电池状态参数检测与充放电均衡调度模块；所述开关阵列包含2*f个mosfet器件，可以让每个蓄电池从功率主回
路中独立接入或者脱出；所述电池状态参数检测模块实现电池电压、电流、电量与容量等电池状态信息的采集、处理与存储；所述充放电均衡调度模块仅仅利用该模组本地的电池状态信息进行空置参数计算与电池时域调度，达到电池均衡的目的；所述电池模组完全独立，模组之间无需任何通信功能，也无需额外的电池系统总控。
7.所述蓄电池可以是锂金属电池、锂离子电池、钠离子电池、燃料电池、镍氢电池、镍镉电池或太阳能电池等各类物理或化学蓄电池的单体电芯或者串并联后的电池组。
8.所述电池系统由软硬件完全一致的标准化电池模组构成，电池模组之间除了正负极电源引线之外无需其他通信线缆，跟传统铅酸蓄电池类似的串联运用方式，上述特性为产品设计、生产、现场安装与售后维护等带来了巨大的便利。例如，若电池模组标称电压为12v，那么使用不同数量的电池模组进行串联即可形成24v、36v、48v等不同电压规格的丰富产品型谱。而且，采用小模组积木堆积式搭建大型电池系统，也便于生产管理与运输搬运。尤其是对于一些电池仓分散在多个不同位置的设备车辆，常规一体化电池往往无法匹配放置，此时就凸显出本发明方案的优势。此外，所述电池模组无需对外通信，也无需编码，由自身供电，相关均衡调度算法只需本地电池信息，属于完全“自治”的系统。所以，售后维修时可以直接替换其中的故障模组，而不用考虑系统软件更新。由于电池模组具有强大均能性能，替换时甚至无需电量匹配，极其方便。
9.在一个优选实施方案中，所述电池模组电堆由5个蓄电池b1、b2、b3、b4、b5组成；所述开关阵列由10个n型mosfet器件q1、q2、q3、q4、q5、q6、q7、q8、q9、q10构成，其中q1的漏极与电池b1的正极相连，q1的源极与q2的漏极相连，q2的源极与电池b1的负极相连，q3的源极与电池b2的负极相连，q3的漏极与q4的源极相连，q4的漏极与电池b2的正极相连，q5的漏极与电池b3的正极相连，q5的源极与q6的漏极相连，q6的源极与电池b3的负极相连，q7的源极与电池b4的负极相连，q7的漏极与q8的源极相连，q8的漏极与电池b4的正极相连，q9的漏极与电池b5的正极相连，q9的源极与q10的漏极相连，q10的源极与电池b5的负极相连，q1的源极与q3的漏极相连，电池b2的正极与电池b3的负极相连，q5的源极与q7的漏极相连，电池b4的正极与电池b5的负极相连，电池模组的正极与q9的源极相连，电池模组的负极从电池b1的负极引出。
10.所述开关阵列平均每个电池只需两个mosfet器件，电堆与bms之间平均只需1.8根功率引线，而且在确保每个电池可单独接入与脱出功率主回路这一“柔性”功能的前提下，电池模组的电堆内部形成了固定连接的具有较高电压的“刚性”小型电池组，为驱动电路设计提供了便利。
11.在一个优选实施方案中，所述开关阵列由五组互补开关q1/q2、q3/q4、q5/q6、q7/q8、q9/q10构成。每组互补开关由均衡调度模块的两个输出信号经电平转移电路控制，其中一个信号直接控制一个开关，另一个信号经双输入或非门后控制另外一个开关。所述互补开关中的两个mosfet器件处于反相状态，开关状态切换时需要引入死区控制时间，以免两个开关同时导通，导致电池外部短路。所述双输入或非门，当其中一个输入信号为高电平时，不管另外一个输入信号为高电平还是低电平，或非门都输出低电平，起到关断对应mosfet的作用。
12.在一个优选实施方案中，所述开关阵列驱动电路的电平转移电路高压信号来源于电池b4与b5串联后电池组的倍压电路。
13.电池模组中各个电池在功率主回路的位置是随开关阵列不同配置状态动态变化的，因此相关mosfet器件的源极与漏极经常处于浮地状态，对地电位变化幅度大。为了确保mosfet在各种情形下都能可靠控制，驱动电路的高压电源必须比所有mosfet器件的源极电位还高。为了满足上述要求，选择靠近电池模组正极的b4与b5串联后的电池组，运用电荷泵控制器实现倍压电路生成驱动电路高压电源。所述倍压电路以电池b4的负极作为参考地，输出电压比电池b5的正极还要高(b4、b5串联后电池组的电压剔除二极管压降)，可驱动开关阵列中的所有10个mosfet。
14.在另一个优选实施方案中，所述电池模组电堆由5个蓄电池b11、b12、b13、b14、b15组成；所述开关阵列由10个p型mosfet器件q11、q12、q13、q14、q15、q16、q17、q18、q19、q20构成，其中q11的漏极与电池b11的负极相连，q11的源极与q12的漏极相连，q12的源极与电池b11的正极相连，q13的源极与电池b12的正极相连，q13的漏极与q14的源极相连，q14的漏极与电池b12的负极相连，q15的漏极与电池b13的负极相连，q15的源极与q16的漏极相连，q16的源极与电池b13的正极相连，q17的源极与电池b14的正极相连，q17的漏极与q18的源极相连，q18的漏极与电池b14的负极相连，q19的漏极与电池b15的负极相连，q19的源极与q20的漏极相连，q20的源极与电池b15的正极相连，q15的源极与q13的漏极相连，电池b11的正极与电池b12的负极相连，q19的源极与q17的漏极相连，电池b13的正极与电池b14的负极相连，电池模组的负极与q11的源极相连，电池模组的正极从电池b15的正极引出。
15.在一个优选实施方案中，所述开关阵列由五组互补开关q11/q12、q13/q14、q15/q16、q17/q18、q19/q20构成，每组互补开关中的两个开关不能同时导通，由均衡调度模块的两个输出信号经电平转移电路控制，其中一个信号直接控制一个开关，另外一个信号经双输入与非门后控制另外一个开关。
16.在一个优选实施方案中，所述开关阵列驱动电路的电平转移电路负电源由电池b11与b12串联构成的电池组经负压电路获得。
17.与n型mosfet方案类似，运用p型mosfet器件的开关阵列，平均每个电池只需两个mosfet器件，电池与bms之间平均只需1.8根功率引线。p型mosfet驱动所需的负电压，使用靠近电池模组负极的b11与b12串联后的电池组运用电荷泵控制器构建的负压电路生成。互补开关的死区控制改用与非门实现，输入低电平时即可进入死区状态。
18.通过开关阵列可以动态调整电池模组接入主回路的电池数量，一方面，可以在不切断系统供电的前提下及时保护过充过放电池；另一方面，电池模组中可以配置比电压规格所需数量更多的电池，形成一定冗余并运用电池时域调度实现电池均衡功能。不过，从外部负载与充电设备的角度来看，希望电池模组的电压波动尽量小，即电池模组接入的电池数量变化尽量少。为了到达上述目的，本发明提供一种基于电池电量与容量信息的充放电均衡控制调度方法，包括如下步骤：
19.①
参数初始化，电池模组所需接入功率主回路的电池数量为m，电池状态参数持续实时监测。
20.②
特征变量选取，根据电流方向判断电池模组的充放电状态，当电池模组放电时，令变量r＝电池电量，而当电池充电时，令r＝电池所需充电量(即电池容量减去已有电量)。
21.③
特征变量分析，电池模组所有f个电池的r值进行降序排列后依次为r1、r2…rm
…
rf。如果以rm为中心，往右看有k个数与rm相同(f－m≥k≥0)，即rm＝r
m+1
＝r
m+2
…
＝r
m+k
；往左
看有e个数与rm相同(m－1≥e≥0)，即rm＝r
m－1
＝r
m－2
…
＝r
m－e
。
22.④
条件判断与相关操作，以下4个条件，依次进行判断，选择所遇到的第一个满足条件的相关操作来执行。条件(a)：当e、k同时取最大值即e+k+1＝f时，说明电池已处于均衡状态，操作(a)：依次从这f个电池中选f－m个电池空置轮休，其他电池接入主回路充放电，每当r变化rm*f*(f－m)/(m*w)(其中w为(f－m)与f的公倍数)时，重新依次选择电池进行空置轮休，直至进行w/k轮切换后f个电池全部充满或者全部放完为止；条件(b)：当k为最小值0时，操作(b)：选择前m个电池(根据r值排序后)进行充放电，其它电池进入空置状态，直至rm数值变化后与r
m+1
一样为止；条件(c)：当(r
m－e－1
－r
m+k+1
)/(rm－r
m+k+1
)≥(e+k+1)/(e+1)或者e为最大值m－1时，操作(c)：从这e+k+1个电池中依次选k个电池空置轮休，其他电池接入主回路充放电，每当r值变化量达到k*(e+k+1)*(rm－r
m+k+1
)/(w*(e+1))(其中w为k与(e+k+1)的公倍数)时，重新依次选择电池进行空置轮休，直到进行w/k次切换后这e+k+1个电池r值与r
m+k+1
一样为止；条件(d)：当(r
m－e－1
－r
m+k+1
)/(rm－r
m+k+1
)《(e+k+1)/(e+1)或者k为最大值f－m时，操作(d)：从这e+k+1个电池中依次选k个电池空置轮休，其他电池接入主回路充放电，每当其r值变化(r
m－e－1
－rm)(e+k+1)/w(其中w为k与(e+k+1)的公倍数)时，重新依次选择电池进行空置轮休，直至进行w/k次切换后这e+k+1个电池的r值与r
m－e－1
一样。
23.⑤
返回步骤
②
，循环运行。
24.电池容量与实时电量，无法直接测量，必须通过电流积分或阻抗反演等方式间接测算，而且还需考虑环境温度、负载工况与电池老化等因素进行校准，难度大，成本高。对于一些中小型运用，可能不具备经济性。为了解决上述问题，本发明提供了一种基于启发式算法的电池调度方法，只需运用电池电压信息即可，包括以下步骤：
25.初始化充放电空置参数，确定电池模组所需接入功率主回路的电池数量m与空置电池数量f-m，并实时持续监测各电池状态参数。
26.处于过充或过放保护状态的电池除外，所有电池运用固定空置参数依次轮休，逐次更新各个电池的开关状态。
27.空置参数更新，当处于充电时，若某个电池首先达到电池过充保护电压，则增大该电池的充电空置参数t
new
＝t
old
+α，相应地降低其他电池的充电空置参数t
new
＝t
old
－α/(f－1)；当处于放电时，若某个电池首先达到电池过放保护电压，则增大该电池的放电空置参数d
new
＝d
old
+β，相应地降低其他电池的放电空置参数d
new
＝d
old
－β/(f－1)。
28.返回步骤循环运行。
29.本发明提供的电池系统，具有标准化与模块化优势，便于大规模生产与系统现场安装调试。同时，可实现积木式搭建运用，通过调整电池模组数量即可衍生出系列型号产品，具有传统铅酸蓄电池的易用性、兼容性与可维护性。
30.与已有技术方案相比，本发明主要具有以下三个优势：首先，开关阵列所需的mosfet器件数量减少了一半，电堆与bms之间功率引线数量降低了20％，而且系统电源与开关驱动电压完全由电池模组内部生成，无需辅助电源，独立性强；其次，运用电池实时电量、容量信息或者多次充放电循环的电压信息优化计算电池空置参数，进行电池时域调度，均衡性能突出，极大降低电池一致性的要求，有利于成本控制与运用领域扩展；最后，电池模组之间是完全独立的，无需任何通信功能，也无需额外的系统总控模块，便于标准化批量生产与现场安装施工以及售后维修替换，为产业化运用推广奠定基础。
附图说明
31.图1示出了本发明提供的一种模块化电池系统结构示意图。
32.图2示出了本发明提供的一种运用n型mosfet器件构成的电池开关阵列示意图。
33.图3为本发明提供的一种运用n型mosfet器件构成的电池开关阵列的功能示例。
34.图4示出了本发明提供的一种运用n型mosfet构成的电池开关阵列驱动电路示意图。
35.图5为本发明提供的一种运用n型mosfet构成的电池开关阵列驱动电路高压电源电路图。
36.图6示出了本发明提供的一种由p型mosfet器件构成的电池开关阵列示意图。
37.图7示出了本发明提供的一种由p型mosfet器件构成的电池开关阵列驱动电路示意图。
38.图8示出了本发明提供的一种由p型mosfet构成的电池开关阵列驱动电路负电源电路图。
39.图9示出了本发明提供的一种基于电池电量与容量的充放电均衡调度方法。
40.图10示出了本发明提供的一种基于多循环工况下电池电压的充放电均衡调度方法。
具体实施方式
41.为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
42.如图1所示，本发明提供一种模块化电池系统，由一个电池模组或多个电池模组串联扩展构成。所述电池模组101具有单独的壳体，例如标准机箱或者类似12v铅酸蓄电池的塑料外壳。不同电池模组之间只有电池正负极连接引线，无需任何通信线路。所述电池系统的电池模组数量，理论上不受限制，可根据运用需求灵活配置。所述电池系统也无需配置额外的系统总控，电池模组接正负极引线后可以直接连外部负载或者充电器进行充放电，电池充放电保护与均衡调度等功能都完全由电池模组自身独立实现。所述电池模组101由f个蓄电池组成的电堆102与电池管理系统(bms)106组成，其中所述蓄电池的正负极引线与所述电池管理系统106电气连接。所述电池管理系统106主要功能模块包括电池状态参数检测103、开关阵列与驱动电路104以及电池充放电均衡调度控制105。其中，所述开关阵列104通过2*f个mosfet器件实现每个蓄电池独立接入或者脱出功率主回路；所述电池状态参数检测模块103实现电池单体电压、电量与容量以及电池模组电流等信号的测量、处理与存储，以供所述充放电均衡控制模块105运行相关算法。所述算法仅仅使用电池模组本地的电池状态信息进行电池调度优化，以达电池保护与均衡等目的。
43.本发明提供的电池系统，具有标准化与模块化优势，便于大规模生产与系统现场安装调试。同时，可实现积木式搭建运用，通过调整电池模组数量即可衍生出系列型号产品，具有传统铅酸蓄电池的易用性、兼容性与可维护性。
44.如图2所示，本发明提供一种运用n型mosfet器件构成的电池开关阵列实现方案，可为5个蓄电池b1、b2、b3、b4、b5提供动态连接服务。所述开关阵列由10个n型mosfet器件q1、q2、q3、q4、q5、q6、q7、q8、q9、q10构成，其中q1的漏极与电池b1的正极相连，q1的源极与q2的漏极相连，q2的源极与电池b1的负极相连，q3的源极与电池b2的负极相连，q3的漏极与q4的源极相连，q4的漏极与电池b2的正极相连，q5的漏极与电池b3的正极相连，q5的源极与q6的漏极相连，q6的源极与电池b3的负极相连，q7的源极与电池b4的负极相连，q7的漏极与q8的源极相连，q8的漏极与电池b4的正极相连，q9的漏极与电池b5的正极相连，q9的源极与q10的漏极相连，q10的源极与电池b5的负极相连，q1的源极与q3的漏极相连，电池b2的正极与电池b3的负极相连，q5的源极与q7的漏极相连，电池b4的正极与电池b5的负极相连，电池模组的正极与q9的源极相连，电池模组的负极从电池b1的负极引出。
45.所述电池开关阵列方案每个电池需要两个n型mosfet器件，其中一个可使电池接入主回路，另一个可使电池脱出主回路。两个mosfet开关的寄生二极管反向连接，避免形成环路导致电池外部短路。如图2所示，以电池b5为例，当q9导通、q10断开时，b5接入主回路，可以进行充放电；当q9断开、q10导通时，b5脱出主回路，处于旁路搁置状态，但是不影响其他电池的充放电过程；当q9与q10都同时断开时，即进入死区状态，此时电池b5可通过q9寄生二极管进行充电，或者电池模组通过q10的寄生二极管进行放电。由于寄生二极管续流压降较大，mosfet会有较大发热，必须控制死区时间，优化开关速度与散热性能。图3为一个电池模组功能实施示例，充放电均衡控制模块令电池b1脱出主回路轮休，电池b2、b3、b4、b5接入主回路充放电，各开关配置如下：q1、q4、q6、q8、q10断开，q2、q3、q5、q7、q9导通。
46.所述电池模组的开关阵列方案，所需开关器件少(每个电池2个mosfet)，电堆到电池管理系统电路板的功率引线简洁(5个电池只需8根功率引线)。电池b1的负极作为电池模组的系统地，电池b4、b5在确保动态接入/脱出功能的前提下物理刚性串联，为电池模组的开关驱动与系统电源设计提供了便利。
47.本发明提供了一种电池模组开关阵列驱动电路方案。所述开关阵列q1/q2、q3/q4、q5/q6、q7/q8、q9/q10为五组互补开关，每组互补开关中的两个开关不能同时导通。所述开关驱动电路由电平转移电路组成，所述每组互补开关由控制器的两个输出信号控制，其中一路信号直接控制一个开关，另外一路信号经双输入或非门后控制另外一个开关。以q1/q2为例，开关驱动电路如图4所示。三极管qs1与qs2以及电阻r1-r6组成一个电平转移电路，由充放电控制模块的输出信号cntr1直接控制。三极管qs3与qs4以及电阻r7-r12构成另一个电平转移电路，由充放电控制模块的输出信号cntr1与cntr2经双输入或非门n1后输出控制。cntr2通常设置为低电平，或非门n1的输出信号与信号cntr1反相。当cntr1即将状态变化时cntr2输出为高电平，或非门n1输出低电平，进而关断q2，避免了互补开关q1/q2同时导通的情形，起到死区控制效果。例如，假设cntr1初始态为低电平，cntr2为默认值低电平，此时qs2截止，继而qs1截止，q1不导通；或非门n1输出高电平，导致qs4导通，继而qs3导通，q2导通，电池b1处于脱出主回路状态。若希望b1变为接入主回路状态，那么首先令cntr2输出为高电平，此时或非门n1输出低电平，导致qs4截止，继而qs3截止，所以q2不导通。互补开关q1/q2都不导通，电池b1对外处于高阻态。待q2充分断开后，令cntr1设置为高电平，进而qs2导通，继而qs1导通，所以q1也导通，电池b1处于接入主回路状态，之后cntr2恢复默认值低电平，完成了电池接入/脱出的状态转换过程。
48.本发明提供一种驱动电路高压信号生成电路，如图5所示。电容c1、c2与二极管d3、d4以及电荷泵控制器u1即构成了一个倍压电路。选择电池b5正极作为输入电源，并以电池b4的负极作为倍压电路的电源地dv-gnd，这样就可输出一个相对电池模块系统地浮地的高压信号vdd_h。电荷泵控制器u1可以选用常见的7660系列。相比其它dcdc方案，该倍压电路具有静态功耗低、无需电感、所占面积小等优势，非常适合开关阵列驱动电路。
49.如图6所示，本发明提供一种由p型mosfet器件构成的电池开关阵列方案，可为5个蓄电池b11、b12、b13、b14、b15提供动态连接服务；所述开关阵列由10个p型mosfet器件q11、q12、q13、q14、q15、q16、q17、q18、q19、q20构成，其中q11的漏极与电池b11的负极相连，q11的源极与q12的漏极相连，q12的源极与电池b11的正极相连，q13的源极与电池b12的正极相连，q13的漏极与q14的源极相连，q14的漏极与电池b12的负极相连，q15的漏极与电池b13的负极相连，q15的源极与q16的漏极相连，q16的源极与电池b13的正极相连，q17的源极与电池b14的正极相连，q17的漏极与q18的源极相连，q18的漏极与电池b14的负极相连，q19的漏极与电池b15的负极相连，q19的源极与q20的漏极相连，q20的源极与电池b15的正极相连，q15的源极与q13的漏极相连，电池b11的正极与电池b12的负极相连，q19的源极与q17的漏极相连，电池b13的正极与电池b14的负极相连，电池模组的负极与q11的源极相连，电池模组的正极从电池b15的正极引出。
50.从开关矩阵拓扑结构来看，n型mosfet方案与p型mosfet方案类似，即让电堆中的电池尽量两两配对，正负极直接相连，形成物理连接的“刚性”小模组，而4个mosfet器件各列左右两边，实现每个电池的“柔性”连接功能。对于电池模组中电池数量为偶数的情形，直接运用上述小模组串联构成。若电池模组中电池数量为奇数，则除了一定数量的上述小模组之外，还有一个包含单只电池及两个mosfet器件的最小模组。此时，为了更有利于配套电源电路设计，优先按照以下方式设置：对于n型mosfet器件来说，确保一个“刚性”小模组位于电池模组的正极一侧，而对于p型mosfet器件来说，确保一个“刚性”小模组位于电池模组的负极一侧，然后灵活放置其它小模组与单只电池。需要说明的是，图5与图6只是本发明的其中一类实施示例，本领域技术人员很容易根据相关原理实现类似的扩展运用，例如电池模块包括2、3、4、6或7个电池等。
51.本发明提供了一种由p型mosfet器件构成的开关阵列驱动电路方案。以q11/q12为例，相关电路如图7所示。三极管qs21与qs22以及电阻r21-r26组成一个电平转移电路，由电池充放电均衡调度模块的输出信号cntr3直接控制。三极管qs23与qs24以及电阻r27-r32构成另一个电平转移电路，由电池充放电均衡调度模块的输出信号cntr3与cntr4经双输入与非门n2后输出控制。cntr4通常设置为高电平，与非门n2的输出信号与cntr3反相。举一示例来说明电池状态变化的过程，假设cntr3初始态为低电平，cntr4为默认值高电平，此时qs22导通，继而qs21导通，q11导通；或非门n2输出高电平，导致qs23断开，继而qs24断开，q22断开，电池b11接入主回路。若希望b11变为脱出主回路状态，那么需要首先令cntr4输出为低电平，此时不管cntr3为高电平还是低电平，与非门n2都输出高电平，导致qs23截止，继而qs24截止，所以q12会一直不导通。接着，令cntr3转变为高电平，进而qs22断开，继而qs21断开，所以q11也断开，此时q11/q12都不导通，处于死区状态。之后cntr4恢复默认值高电平，与非门n2输出低电平，导致qs23导通，继而qs24导通，所以q12也导通。电池b11处于脱出主回路状态，完成了电池接入/脱出的状态转换。
52.本发明提供一种驱动电路负电源实现方案，如图8所示。电容c11、c12、c13与电荷泵控制器u2即构成了一个负压电路。选择电池b12正极作为输入电源，并以电池b11的负极作为负压电路的电源地nv-gnd，这样就可输出一个相对电池模块系统地为负电压的电源vdd_n。电荷泵控制器u2可以选用常见的7660系列。相比其它dcdc电路，该负压电路具有静态功耗低、无需电感、所占面积小等优势。
53.如图9所示，本发明提供的一种电池充放电调度控制方法，具体包括以下步骤：
54.①
参数初始化，确定电池模组所需接入功率主回路的电池数量m与空置电池数量f-m，电池状态参数持续实时监测。
55.②
特征变量选取，根据电流方向判断电池模组的充放电状态，当电池模组放电时，令变量r＝电池电量，而当电池充电时，令r＝电池所需充电量(即电池容量减去已有电量)。
56.③
特征变量分析，电池模组所有f个电池的r值进行降序排列后依次为r1、r2…rm
…
rf。如果以rm为中心，往右看有k个数与rm相同(f－m≥k≥0)，即rm＝r
m+1
＝r
m+2
…
＝r
m+k
；往左看有e个数与rm相同(m－1≥e≥0)，即rm＝r
m－1
＝r
m－2
…
＝r
m－e
。为了满足电池模组标称电压，必须选择m个电池接入功率主回路。因此，以r值进行排序，选择前面m个电池接入主回路，下一步主要用来处理r值排序时出现多个rm数值的情形。
57.④
条件判断与相关操作，以下4个条件，依次进行判断，选择所遇到的第一个满足条件的相关操作来执行。条件(a)：当e、k同时取最大值即e+k+1＝f时，说明电池已处于均衡状态，操作(a)：依次从这f个电池中选f－m个电池空置轮休，其他电池接入主回路充放电，每当r变化rm*f*(f－m)/(m*w)(其中w为(f－m)与f的公倍数)时，重新依次选择电池进行空置轮休，直至进行w/k轮切换后f个电池全部充满或者全部放完为止；条件(b)：当k为最小值0时，操作(b)：选择前m个电池(根据r值排序后)进行充放电，其它电池进入空置状态，直至rm数值变化后与r
m+1
一样为止；条件(c)：当(r
m－e－1
－r
m+k+1
)/(rm－r
m+k+1
)≥(e+k+1)/(e+1)或者e为最大值m－1时，操作(c)：从这e+k+1个电池中依次选k个电池空置轮休，其他电池接入主回路充放电，每当r值变化量达到k*(e+k+1)*(rm－r
m+k+1
)/(w*(e+1))(其中w为k与(e+k+1)的公倍数)时，重新依次选择电池进行空置轮休，直到进行w/k次切换后这e+k+1个电池r值与r
m+k+1
一样为止；条件(d)：当(r
m－e－1
－r
m+k+1
)/(rm－r
m+k+1
)《(e+k+1)/(e+1)或者k为最大值f－m时，操作(d)：从这e+k+1个电池中依次选k个电池空置轮休，其他电池接入主回路充放电，每当其r值变化(r
m－e－1
－rm)(e+k+1)/w(其中w为k与(e+k+1)的公倍数)时，重新依次选择电池进行空置轮休，直至进行w/k次切换后这e+k+1个电池的r值与r
m－e－1
一样。
58.⑤
返回步骤2，循环运行。
59.当电池模组处于放电状态时，电池电量会逐渐减少。当电池模组处于充电状态时，电池电量会逐渐增加，但是所需的充电量却是逐渐较少的。所以放电时直接运用电池电量，充电时选用电池所需充电量作为特征变量r，变化规律相似，便于接下来统一处理。步骤
④
中，条件a与条件b作为k、e取最大值或者最小值的特例，必须单独操作处理。条件c意味着rm会更快达到右边电池r
m+k+1
水平，而满足条件d时，rm会更快达到r
m-e-1
水平。操作c与操作d的实施过程非常类似，只是r值的变化步长不同。r值跟充放电电流与时间有关，对于一些精度要求不高的运用，也可以直接使用时间来近似。步骤
④
中的四个条件，实现了r、k、e相关数值各种分布的全面覆盖。此外，步骤
④
中的w为k与(e+k+1)的公倍数，w数值越小，所需切换的次数越少。因此w可取最小公倍数，这样均衡速度最快。
第9次切换后r5、r61.751.751.751.751.7500 第10次切换后
ꢀꢀ
000000 67.如图10所示,本发明提供一种基于启发式算法的电池调度控制方法，具有计算量小、测量精度要求低等突出优势，具体包括以下步骤：
68.初始化充放电空置参数，确定电池模组所需接入功率主回路的电池数量m与空置电池数量f-m，并实时持续监测各电池状态参数。
69.处于过充或过放保护状态的电池除外，所有电池运用固定空置参数依次轮休，逐次更新各个电池的开关状态。
70.空置参数更新，当处于充电时，若某个电池首先达到电池过充保护电压，则增大该电池的充电空置参数t
new
＝t
old
+α，相应地降低其他电池的充电空置参数t
new
＝t
old
－α/(f－1)；当处于放电时，若某个电池首先达到电池过放保护电压，则增大该电池的放电空置参数d
new
＝d
old
+β，相应地降低其他电池的放电空置参数d
new
＝d
old
－β/(f－1)。
71.返回步骤循环运行。
72.上述电池调度控制算法只需可直接测量的电池电压信息进行过充过放检测。一般电池在过充与过放附近电压信号会显著变化，因此对电池电压的测量精度要求低，相关硬件电路价格低廉。步骤中的空置参数t初始值跟电池容量与当前电量有关，可以充电状态与放电状态分别设置。一般来说，空置参数设置越小，调度控制精度越高，但是电池切换也会更频繁，可能降低电源系统的稳定性与可靠性。步骤中的步长参数α、β可以根据空置参数与算法收敛速度要求来设置。对于品相较好的新电池，参数d、t、α、β可以设置为较大数值。而对于一致性较差的梯次利用电池，相关参数尽量设置较小数值。
73.以下举一实例来说明上述算法实施的放电均衡过程。假设电池模组电堆中有5个磷酸铁锂电池b1、b2、b3、b4、b5，电池模组的标称电压为12v，为了达到电池模组的电压规格只需把4个电池接入串联主回路即可，因此可以令其中1个电池空置轮休。若电池容量分别为10ah、10ah、10ah、9ah、8ah，每次开始放电之前都已100％充满电，设定所有电池的放电空置参数初始值为1ah，β取值为0.2，则经过5次放电循环后，电池模组的放电容量增加至11.4ah(接近于理论值11.75ah)，各电池空置参数更新至0.7、0.7、0.7、1.2、1.7，如表3所示。5次放电时电池调度过程如表4-8所示。
74.表3电池循环放电过程中空置参数与容量变化
[0075][0076][0077]
表4第一次放电调度过程
[0078]
切换次序空置电池放电量/ahb1电量/ahb2电量/ahb3电量/ahb4电量/ahb5电量/ah初始态b1110101098第1次切换后b21109987第2次切换后b3199876
第3次切换后b4188865第4次切换后b5177764第5次切换后b1166654第6次切换后b2165543第7次切换后b3155432第8次切换后b4144421第9次切换后b5233320第10次切换后
ꢀꢀ
11100
[0079]
表5第2次放电调度过程
[0080]
切换次序空置电池放电量/ahb1电量/ahb2电量/ahb3电量/ahb4电量/ahb5电量/ah初始态b10.9510101098第1次切换后b20.95109.059.058.057.05第2次切换后b30.959.059.058.17.16.1第3次切换后b40.958.18.18.16.155.15第4次切换后b51.27.157.157.156.154.2第5次切换后b10.955.955.955.954.954.2第6次切换后b20.955.955543.25第7次切换后b30.95554.053.052.3第8次切换后b40.954.054.054.052.11.35第9次切换后b51.23.13.13.12.10.4第10次切换后b10.41.91.91.90.90.4第11次切换后b50.51.91.51.50.50第12次切换后
ꢀꢀ
1.41.01.000
[0081]
表6第3次放电调度过程
[0082][0083][0084]
表7第4次放电调度过程
[0085]
切换次序空置电池放电量/ahb1电量/ahb2电量/ahb3电量/ahb4电量/ahb5电量/ah初始态b10.810101098第1次切换后b20.8109.29.28.27.2第2次切换后b30.89.29.28.47.46.4第3次切换后b41.058.48.48.46.65.6
第4次切换后b51.557.357.357.356.64.55第5次切换后b10.85.85.85.85.054.55第6次切换后b20.85.8554.253.75第7次切换后b30.8554.23.452.95第8次切换后b41.054.24.24.22.652.15第9次切换后b51.553.153.153.152.651.1第10次切换后b10.81.61.61.61.11.1第11次切换后b20.31.60.80.80.30.3第12次切换后
ꢀꢀ
1.30.80.500
[0086]
表8第5次放电调度过程
[0087]
切换次序空置电池放电量/ahb1电量/ahb2电量/ahb3电量/ahb4电量/ahb5电量/ah初始态b10.710101098第1次切换后b20.7109.39.38.37.3第2次切换后b30.79.39.38.67.66.6第3次切换后b41.28.68.68.66.95.9第4次切换后b51.77.47.47.46.94.7第5次切换后b10.75.75.75.75.24.7第6次切换后b20.75.75.05.04.54.0第7次切换后b30.75.05.04.33.83.3第8次切换后b41.24.34.34.33.12.6第9次切换后b51.73.13.13.13.11.4第10次切换后b10.71.41.41.41.41.4第11次切换后b20.71.40.70.70.70.7第12次切换后
ꢀꢀ
0.70.7000