CN110444824B

CN110444824B - 一种电池组结构重构装置和方法

Info

Publication number: CN110444824B
Application number: CN201910653537.0A
Authority: CN
Inventors: 许野平; 赵曰侠
Original assignee: Individual
Current assignee: JINAN JIUHENG INDUSTRIAL CO LTD
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2039-07-19
Also published as: CN110444824A

Abstract

本发明涉及一种电池组结构重构装置和方法，包括主控模块、N个电池单体模块和N个电池单体,所述主控模块通过通讯总线与N个电池单体模块相连接，每个电池单体模块的电池连接端子分别与一个电池单体的负极、正极相连接，主控模块通过通讯总线分别查询N个电池单体的用量，经主控模块的直流电源输出系统通过输出端子‑、+输出符合要求的直流电。本发明在揭示的电池组重构方法结构更为简单，其中可独立安装的电池模块可以直接附加到蓄电池单体构成智能电池单元，智能电池单元再进一步组装成智能电池组，设备安装维护简便易行，在串联模式下，对不同类型、规格的电池可以混合使用，适用于大电量电池组管理系统。

Description

一种电池组结构重构装置和方法

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，具体涉及一种电池组结构重构装置和方法。

背景技术

在电池系统中担任重要角色的电池管理系统(BMS)作为延长电池寿命的有效手段，逐渐得到大家的重视，其中，起到关键作用的BMS均衡系统也引起了广泛关注。目前市场上均衡多串联的电池系统有传统的被动均衡和主动均衡两种方式。

被动均衡一般通过电阻放电的方式，对电压较高的电池进行放电，以热量形式释放荷电量，为其他电池争取更多充电时间。这样整个系统的荷电量受制于荷电量最少的电池。充电过程中，锂电池一般有一个充电上限保护电压值，当某一串电池达到此电压值后，BMS会切断充电回路，停止充电。如果充电时的电压超过这个数值，也就是俗称的“过充”，锂电池就有可能燃烧或者爆炸。因此，BMS一般都具备过充保护功能，防止电池过充。被动均衡的优点是成本低和电路设计简单；而缺点为是以最低电池残余量为基准进行均衡，无法增加残量少的电池的荷电量，及均衡荷电量100％以热量形式被浪费。

主动均衡是以荷电量转移的方式进行均衡，效率高，损失小。不同厂家的方法不同，均衡电流也从1～10A不等。目前市场上出现的很多主动均衡技术不成熟，导致电池过放，加速电池衰减的情况时有发生。市场上的主动均衡大多采用变压原理，依托于芯片厂家昂贵的芯片。并且此方式除了均衡芯片外，还需要昂贵的变压器等周边零部件，体积较大，成本较高。主动均衡的优点是效率高、能量损失小且电池残荷电量平均；缺点是成本高、电路设计复杂。此外，主动均衡造过程依靠高荷电量电池向低荷电量电池荷电量转移实现，对高荷电量电池使用寿命会有负面影响。

发明“具有故障检测和自动重组功能的储能装置及重组方法”(授权公告号CN101895155 B)公开了一种种具有故障检测和自动重组功能的储能装置及重组方法。由m×n个结构相同的模块化储能单元、备用储能单元、第一输出母线、第二输出母线、第一重组母线、第二重组母线、中央处理器、人机对话装置、数据总线、控制总线组成具有故障检测和自动重组功能的储能装置。当中央处理器CPU判断出具体某一储能元件发生故障后，立即执行自动重组操作，断开发生故障的储能元件与其他正常储能元件的电气联系，同时通过重组母线，利用备用储能元件代替故障储能元件，进而在不影响储能装置整体性能的前提下，确保储能装置的正常运行。每一个储能单元内部都包含有一个储能元件，对外留有两根输出线、两根电压检测线、两根重组连接线。该项发明专利有如下局限性：(1)根据应用场合要求储能单元输出电压、电流、荷电量一致，故障重组必须用同样规格的备用储能元件替换故障储能元件；(2)储能装置总线结构限制了只能提供一个备用储能元件，当出现两个或更多储能元件故障时，储能装置无法正常工作；(3)每个储能元件和备用储能元件配备两个单刀双掷开关与四条母线关联，结构复杂(4)该项发明对于解决电池组荷电量均衡无任何帮助。

发明“可动态重组的电池组半矩阵式拓扑结构、系统及控制方法”(申请公布号CN109742821 A)本发明公开了一种可动态重组的电池组半矩阵式拓扑结构，将m个电池单体或电池模块串联成一个串联电池组或电池簇，再将n个串联电池组或电池簇并联成电池模块或电池堆，电池单体或电池模块的正负极分别连接正负极母排，电池单体正负极母排与电池模块总正总负极母排构成半矩阵式电气结构拓扑，或电池模块正负极母排与电池堆总正总负极母排构成半矩阵式电气结构拓扑，各母排之间相应的交叉位置由开关器件连接，开关器件总数均为0.5m^2*n^2+m*n^2+0.5*m*n-n-1个。发明还公开了含该半矩阵式拓扑结构的可动态重组的电池储能系统及动态重组的控制方法。在不改变电池单体或电池模块的物理位置下，快速实现电池单体或电池模块的动态重组。该发明局限性在于所需开关器件数量太大，m＝10、n＝10时，需要6039个开关器件，具体设计、实现、安装、维护难度很大。

综上述，如何在电池组均衡过程中降低高荷电量电池性能衰减，提供简单可靠的电池组重构电路设计，使得安装、维护工作更方便，是一个有重要意义的课题。

发明内容

为克服所述不足，本发明的目的在于提供一种电池组结构重构装置和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电池组结构重构装置，包括主控模块、N个电池单体模块和N个电池单体,所述主控模块通过通讯总线与N个电池单体模块的通讯总线端子相连接，每个电池单体模块的电池单体负极连接端子、电池单体正极连接端子分别对应与一个电池单体的负极、正极相连接，主控模块通过通讯总线分别查询N个电池单体的用量，所述电池单体通过电池单体模块串联或者并联在一起，形成电池组，所述电池组负极输出端子、电池组正极输出端子分别接入主控模块的电池正极输入端子、电池负极输入端子，经主控模块的直流电源输出系统通过输出端子(-)、(+)输出符合要求的直流电。

具体地，多个所述智能电池模块组成一个电池块，一个电池块对应连接一个二级电池单体模块，电池块再通过对应的二级电池单体模块串联或者并联形成一个电池组。

具体地，所述电池单体模块是物理上独立的硬件模块，和电池单体连接在一起，组成智能电池模块，电池单体模块包括电池单体编号存储单元、电池单体电压测量单元、电池单体电流测量单元、计时器单元、温度测量单元、电流路由选择单元、电池单体模块控制单元，所述电池单体模块上设置有电源总线端子、通讯总线端子、电池单体负极连接端子、电池单体正极连接端子、电池单体模块负极输出端子、电池单体模块正极输出端子，所述电流路由选择单元包括电流路由选择接点、电池单体加载接点、电池单体串联卸载接点、电池单体并联卸载接点，其中所述电流路由选择接点通过电池单体电流测量单元与电池单体模块正极输出端子相连接，所述电池单体加载接点与电池单体正极连接端子相连接，电池单体串联卸载接点与电池单体模块负极输出端子相连接，电池并联卸载接点空置，电池单体电压测量单元与电池单体负极连接端子、电池单体正极连接端子连接；

所述智能电池模块间串联连接方式是：一共N块电池单体，每块电池单体配置一块独立的电池单体模块，电池单体的负极连接至电池单体模块的电池单体模块负极连接端子，电池单体的正极连接至电池单体模块的电池单体模块正极连接端子，电池组负极输出端子连接第1块电池单体模块的电池单体模块负极输出端子，第k块电池单体模块的电源总线端子连接第k+1块电池单体模块的电源总线端子，第k块电池单体模块的通讯总线端子连接第k+1块电池单体模块的通讯总线端子，第k块电池单体模块的电池单体模块正极输出端子连接第k+1块电池单体模块的电池单体模块负极输出端子，第N块电池单体模块的电池单体模块正极输出端子连接电池组正极输出端子，其中1≤k<N；

智能电池模块间并联连接方式是：一共N块电池单体，每块电池单体配置一块独立的电池单体模块，电池单体的负极连接至对应电池单体模块的电池单体模块负极连接端子，电池单体的正极连接至对应电池单体模块的电池单体模块正极连接端子，第k块电池单体模块的电源总线端子连接第k+1块电池单体模块的电源总线端子，第k块电池单体模块的通讯总线端子连接第k+1块电池单体模块的通讯总线端子，每一块电池单体模块正极输出端子连接电池组正极总线，每一块电池单体模块负极输出端子连接电池组负极总线，其中1≤k<N。

一种电池组结构重构方法，包括以下方法：

步骤1、采集电池单体荷电量

一个电池单体或者一个电池块对应连接一个电池单体模块，电池单体或者电池块再通过对应的电池单体模块串联或者并联形成一个电池组，电池单体模块采集对应电池单体或者电池块的荷电量，并将荷电量传送给控制系统；

步骤2、在充电模式下，控制系统卸载荷电量饱和的在线电池单体；

步骤3、在放电模式下，控制系统卸载荷电量低于放电要求的在线电池单体，控制系统加载荷电量较高的离线电池单体，保障电池组电力输出需要；

步骤4、所述步骤2、步骤3中卸载和加载电池单体的工作过程为：

当电池组内电池单体采用串联连接方式时，控制系统向电流路由选择单元发出卸载命令，使电流路由选择接点与电池单体串联卸载接点连接，控制系统卸载对应的电池单体；

当电池组内电池单体采用并联连接方式时，控制系统向电流路由选择单元发出卸载命令，使电流路由选择接点与电池单体并联卸载接点连接，控制系统卸载对应的电池单体；

当电池组内电池单体采用串联、或者并联连接方式时，控制系统向电流路由选择单元发出加载命令，电流路由选择接点与电池单体加载接点连接，控制系统加载对应的电池单体。

具体地，所述电池单体模块采用但不限于电池电压、电流计算电池荷电量，采用其他方法计算电池荷电量不影响本专利方法和装置工作的有效性。

具体地，所述控制系统为主控模块时，电池组结构重组的具体步骤为：

所述电池组的负极输出端子、电池组正极输出端子分别接入主控模块的两个电池输入端子，经主控模块的直流电源输出系统通过输出端子(-)、(+)输出符合要求的直流电，控制系统为主控模块，所述主控模块通过通讯总线分别查询每个电池单体的荷电量；

充电模式下，所述主控模块依据电池单体的荷电量，当主控模块检测到电池单体电压高于充电卸载电压阈值时，主控模块命令电池单体模块卸载对应的电池单体，低于充电加载电压阈值时，主控模块命令电池单体模块加载对应的电池单体；

放电模式下，所述主控模块依据电池单体的荷电量，当主控模块检测到电池单体的荷电量低于放电要求时，电池单体模块卸载对应的电池单体，当主控模块加载荷电量较高的离线电池单体，保障电池组电力输出需要。

具体地，所述控制系统为主控模块时，电池组中N块所述电池单体中设定M块备用电池单体，在放电模式下，N块所述电池单体中设定M块备用电池单体，主控模块按照一定时间间隔，依据电池单体的电压从大到小序，加载前面N-M块电池单体，向电池单体模块发出命令，卸载最后M块电池单体，让容量最大的电池处于在线工作状态，实现电池组均衡工作。

具体地，所述控制系统采用电池单体模块本身时，电池单体模块根据测量结果直接卸载、加载电池单体时，电池组结构重组的具体步骤为：

电池单体模块采集对应电池单体或者电池块的荷电量，并进行计算；

在充电模式下，其电池单体模块工作过程是：

电池组内电池单体采用串联连接方式时，电池单体模块控制单元检测到电池单体充电电压高于充电离线电压阈值，电池单体模块向电流路由选择单元发出卸载命令，自主卸载对应的电池单体，其他条件下电池单体模块维持对应的电池单体处于加载状态，正常进行充电；

电池组内电池单体采用并联连接方式时，电池单体模块控制单元检测到电池单体的充电电流低于充电离线电流阈值时，电池单体模块向电流路由选择单元发出卸载命令，自主卸载对应的电池单体，其他条件下电池单体模块维持对应的电池单体处于加载状态，正常进行充电；

放电模式下，电池单体模块工作过程是：

当电池组内电池单体采用串联连接方式时，电池单体模块控制单元MN检测到电池单体放电电压低于放电离线电压阈值时，电池单体模块向电流路由选择单元发出卸载命令，自主卸载对应的电池单体，其他条件下电池单体模块维持对应的电池单体处于加载状态；

电池组内电池单体采用并联连接方式时，电池单体模块控制单元检测到电池单体放电电流低于放电离线电流阈值时，电池单体模块向电流路由选择单元发出卸载命令，自主卸载对应的电池单体，其他条件下电池单体模块维持该电池单体处于加载状态。

具体地，所述控制系统采用电池单体模块本身时，在在线电池容量不足时自动加载备用电池单体，或者自动卸载容量不足的在线电池单体，其工作过程是：

在充电模式下，电池单体模块控制单元检测到电池单体充电电压高于充电卸载电压阈值时，电池单体模块向电流路由选择单元发出卸载命令，自主卸载对应的电池单体，其他条件下电池单体模块维持对应的电池单体处于加载状态；

在放电模式下，处于离线状态的备用电池单体模块的电池单体电流测量单元A按照一定的时间间隔轮询测量得到流经电池单体模块的电流，如果此电流高于放电加载电流阈值，电池单体模块控制单元生成一个0～1范围的随机数，如果此随机数小于(V-Vd)/(N*(Vc-Vd)),则加载此电池单体，其中V是当前电池单体电压、Vd是当前电池单体最低放电电压阈值、Vc是当前电池单体最高充电电压阈值，N是电池组备用电池数量，如果在线状态电池单体模块的电池单体电流测量单元按照一定的时间间隔轮询测量得到流经电池单体模块的电流低于放电卸载阈值，电池单体模块控制单元生成一个0～1范围的随机数，如果此随机数小于(Vc-V)/(Vc-Vd)则卸载此电池单体，其中V是当前电池单体电压、Vd是当前电池单体最低放电电压阈值、Vc是当前电池单体最高充电电压阈值。

本发明具有以下有益效果：本发明在放电工作模式下，通过动态卸载低荷电量在线电池，加载高荷电量离线电池，实现电池组性能均衡，通过物理隔离高、低荷电量电池单体避免了主动式均衡方法中荷电量转移机制导致高荷电量电池性能衰减的做法；在充电工作模式下，通过动态卸载满荷电量电池防止其过充，同时保障了其他低荷电量电池充电条件，通过卸载满荷电量电池单体避免了被动式均衡技术释放高荷电量电池荷电量的做法，减少了高荷电量电池性能衰减；和其他基于电池总线、电池矩阵等技术的电池组重构方法比较，本发明揭示的电池组重构方法结构更为简单，其中可独立安装的电池单体模块可以直接附加到蓄电池单体构成智能电池单元，智能电池单元再进一步组装成智能电池组，电池单体模块可在主控系统或通讯线路故障或缺失时，自主确定电池单体的加载或卸载装填，维持电池组正常输出电力，设备安装维护简便易行，在串联模式下，对不同类型、规格的电池可以混合使用，适用于大荷电量电池组管理系统。

附图说明

图1为本发明的电池单体模块结构示意图。

图2为本发明的无主控模块串联电池组结构示意图。

图3为本发明的无主控模块并联电池组结构示意图。

图4为本发明的具有主控模块的串联电池组结构示意图。

图5为本发明的具有主控模块的并联电池组结构示意图。

图6为本发明的一种锂电池组实现示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1-6所示的一种电池组结构重构装置，包括主控模块MAIN、N个电池单体模块MD和N个电池单体BAT,所述主控模块通过通讯总线G与N个电池单体模块的通讯总线端子2相连接，每个电池单体模块的电池连接端子4、5分别与一个电池单体的负极、正极相连接，主控模块通过通讯总线分别查询N个电池单体的用量，所述电池单体BAT通过电池单体模块串联或者并联在一起，形成电池组，所述电池组负极输出端子10、电池组正极输出端子11分别接入主控模块MAIN的电池输入端子F、R，经主控模块MAIN的直流电源输出系统H通过输出端子-、+输出符合要求的直流电。

具体地，所述电池单体模块是物理上独立的硬件模块，和电池单体连接在一起，组成智能电池模块，可以在所在电池组不中断工作的前提下动态卸载自身，电池单体模块MD包括电池单体编号存储单元ID、电池单体电压测量单元V、电池单体电流测量单元A、计时器单元S、温度测量单元T、电流路由选择单元RT、电池单体模块控制单元MN，所述电池单体模块控制单元MN分别与电流路由选择单元RT、电池单体编号存储单元ID、电池单体电压测量单元V、电池单体电流测量单元A、计时器单元S、温度测量单元T相连接，所述电池单体模块上设置有电源总线端子1和8、通讯总线端子2和7、电池单体负极连接端子4、电池单体正极连接端子5、电池单体模块负极输出端子3、电池单体模块正极输出端子6，所述电流路由选择单元RT包括电流路由选择接点K、电池单体加载接点D、电池单体串联卸载接点C、电池单体并联卸载接点B，其中所述电流路由选择接点K通过电池单体电流测量单元A与电池单体模块正极输出端子6相连接，所述电池单体加载接点D与电池单体正极连接端子5相连接，电池单体串联卸载接点C与电池单体模块负极输出端子3相连接；

所述智能电池模块串联连接方式是(参见附图2、4)：一共N块电池单体BAT，每块电池单体BAT配置一块独立的电池单体模块MD，电池单体BAT的负极连接至电池单体模块的电池单体模块负极连接端子4，电池单体BAT的正极连接至电池单体模块MD的电池单体模块正极连接端子5，电池组负极输出端子10连接第1块电池单体模块MD的电池单体模块负极输出端子3，第k块电池单体模块MD的电源总线端子8连接第k+1块电池单体模块MD的电源总线端子1，第k块电池单体模块MD的通讯总线端子7连接第k+1块电池单体模块的通讯总线端子2，第k块电池单体模块MD的电池单体模块正极输出端子6连接第k+1块电池单体模块的电池单体模块负极输出端子3，第N块电池单体模块的电池单体模块正极输出端子6连接电池组正极输出端子11，其中1≤k<N；

智能电池模块并联连接方式是(参见附图3、5)：一共N块电池单体BAT，每块电池单体BAT配置一块独立的电池单体模块MD，电池单体BAT的负极连接至对应电池单体模块MD的电池单体模块负极连接端子4，电池单体BAT的正极连接至对应电池单体模块MD的电池单体模块正极连接端子5，电池组负极输出端子10连接第1块电池单体模块MD的电池单体模块负极输出端子3，第k块电池单体模块MD的电源总线端子8连接第k+1块电池单体模块的电源总线端子1，第k块电池单体模块MD的通讯总线端子7连接第k+1块电池单体模块MD的通讯总线端子2，每一块电池单体模块正极输出端子6连接电池组正极总线11，每一块电池单体模块负极输出端子6连接电池组负极总线10，其中1≤k<N。

电池单体模块工作过程是，电池单体模块控制单元MN在收到通讯总线发来的加载或卸载指令或依据电池单体工作场景要求，通过向电流路由单元RT发加载指令，电流路由选择接点K连接至电池单体加载接点D，电路(3)-(4)-(5)-(BAT)-(D)-(A)-(K)-(6)闭路实现电池加载，电池组采用串联结构时，向电流路由单元RT发卸载指令，电流路由选择接点K连接至电池单体串联卸载接点C，电路(3)-(C)-(K)-(A)-(6)短路实现电池卸载，电池组采用并联结构时，向电流路由单元RT发卸载指令，电流路由选择接点K连接至电池单体并联卸载接点B，电池单体模块正极输出端子6与电池开路实现电池卸载。

一种电池组结构重构方法，包括以下方法：

步骤1、采集电池单体荷电量

一个电池单体BAT或者一个电池块对应连接一个电池单体模块，电池单体BAT或者电池块再通过对应的电池单体模块串联或者并联形成一个电池组，电池单体模块采集对应电池单体或者电池块的荷电量，并将荷电量传送给控制系统；

步骤2、在充电模式下，控制系统卸载荷电量饱和的或者充电电压高于充电离线电压阈值的在线电池单体BAT，防止电池单体BAT过度充电，其工作过程为：

电池组内电池单体BAT采用串联连接方式时，控制系统向电流路由选择单元RT发出卸载命令，使电流路由选择接点K与电池单体串联卸载接点C连接，动态卸载对应的电池单体BAT；其他条件下的电池单体模块控制单元MN维持电流路由选择单元RT处于加载状态，使得电流路由选择接点K与电池单体加载接点D连接，处于加载状态正常进行充电；

电池组内电池单体BAT采用并联连接方式时，控制系统向电流路由选择单元RT发出卸载命令，使电流路由选择接点K与电池单体并联卸载接点B连接，动态卸载对应的电池单体BAT；其他条件下电池单体模块控制单元MN维持电流路由选择单元RT处于加载状态，使得电流路由选择接点K与电池单体加载接点D连接，处于加载状态正常进行充电；

步骤3、在放电模式下，控制系统卸载荷电量低于设定值的在线电池单体BAT，防止该电池单体BAT过度放电，避免了电流从高荷电量电池单体BAT向低荷电量电池单体BAT转移，减少了高荷电量电池单体BAT性能衰减，控制系统加载荷电量较高的离线电池单体BAT，保障电池组电力输出需要，卸载和加载电池单体的工作过程为：

当电池组内电池单体BAT采用串联连接方式时，控制系统向电流路由选择单元RT发出卸载命令，使电流路由选择接点K与电池单体串联卸载接点C连接，控制系统卸载对应的电池单体BAT；其他条件下电池单体模块控制单元MN维持电流路由选择单RT处于加载状态，使得电流路由选择接点K与电池单体加载接点D连接；

当电池组内电池单体BAT采用并联连接方式时，控制系统向电流路由选择单元RT发出卸载命令，使电流路由选择接点K与电池单体并联卸载接点B连接，控制系统卸载对应的电池单体BAT；其他条件下电池单体模块控制单元MN维持电流路由选择单元RT处于加载状态，使得电流路由选择接点K与电池单体加载接点D连接。

具体地，所述控制系统为主控模块MIAN时，电池组结构重组的具体步骤为：

所述电池组的负极输出端子10、电池组正极输出端子11分别接入主控模块MAIN的电池输入端子F、R，经主控模块MAIN的直流电源输出系统H通过输出端子(-)、(+)输出符合要求的直流电，控制系统为主控系统，所述主控模块MIAN通过通讯总线分别查询每个电池单体的荷电量；

充电模式下，所述主控模块MAIN依据电池单体BAT的荷电量，当主控模块MAIN检测到电池单体BAT电压高于充电卸载电压阈值Vcoff时卸载对应的电池单体BAT，低于充电加载电压阈值Vcon时加载对应的电池单体BAT。

放电模式下，所述主控模块MAIN依据电池单体BAT的荷电量，当主控模块MAIN检测荷电量低于放电要求时，控制系统卸载对应的的在线电池单体BAT，控制系统加载荷电量较高的离线电池单体BAT，保障电池组电力输出需要。

具体地，所述控制系统为主控模块MIAN时，电池组中N块所述电池单体中设定M块备用电池单体，在放电模式下，N块所述电池单体中设定M块备用电池单体，主控模块按照一定时间间隔，依据电池单体的电压从大到小序，加载前面N-M块电池单体，卸载最后M块电池单体，让容量最大的电池处于在线工作状态，实现电池组均衡工作。

具体地，所述控制系统采用电池单体模块MD本身时，电池单体模块MD根据测量结果直接卸载、加载电池单体时，电池组结构重组的具体步骤为：

电池单体模块MD采集对应电池单体或者电池块的荷电量，并进行计算；

在充电模式下，电池单体模块MD可在主控系统MAIN或通讯总线不可用时，电池单体模块MD在电池单体BAT不适合继续充电的情况下，自动从电池组中卸载自身，避免电池单体BAT过度放电或过度充电，也避免电池组出现高电压电池单体BAT向低电压电池单体BAT荷电量转移造成的电池单体BAT性能衰竭，动态卸载电池单体BAT时，其电池单体模块MD工作过程是：

电池组内电池单体BAT采用串联连接方式时，电池单体模块控制单元MN检测到电池单体BAT充电电压高于充电离线电压阈值Vcoff，电池单体模块MD向电流路由选择单元RT发出卸载命令，自主卸载对应的电池单体BAT；其他条件下电池单体模块MD维持对应的电池单体处于加载状态，正常进行充电；

电池组内电池单体BAT采用并联连接方式时，电池单体模块控制单元MN检测到电池单体BAT的充电电流低于充电离线电流阈值阈值Acoff时，电池单体模块MD向电流路由选择单元RT发出卸载命令，自主卸载对应的电池单体BAT；其他条件下电池单体模块MD维持对应的电池单体处于加载状态，正常进行充电；

放电模式下，动态卸载荷电量较低的在线电池单体BAT，电池单体模块MD可在主控系统MAIN或通讯总线不可用时，电池单体模块MD在电池单体不适合继续放电的情况下，自动从电池组中卸载自身，避免电池单体BAT过度放电，也避免电池组出现高电压电池单体BAT向低电压电池单体BAT荷电量转移造成的电池单体BAT性能衰竭，动态卸载电池单体BAT时，电池单体模块MD工作过程是：

当电池组内电池单体BAT采用串联连接方式时，电池单体模块控制单元MN检测到电池单体BAT放电电压低于放电离线电压阈值Vdoff时，电池单体模块MD向电流路由选择单元RT发出卸载命令，自主卸载对应的电池单体BAT；其他条件下电池单体模块MD维持对应的电池单体处于加载状态；

电池组内电池单体BAT采用并联连接方式时，电池单体模块控制单元MN检测到电池单体BAT放电电流低于放电离线电流阈值Adoff时，电池单体模块MD向电流路由选择单元RT发出卸载命令，自主卸载对应的电池单体BAT；其他条件下电池单体模块MD维持对应的电池单体处于加载状态。

具体地，所述控制系统采用电池单体模块MD本身时，电池组结构重组的具体步骤为在所述主控模块MAIN或通讯总线不可用或失效情况下，电池单体模块MD根据测量结果经统计计算后，在在线电池容量不足时自动加载备用电池单体，或者自动卸载容量不足的在线电池单体，其工作过程是：

在充电模式下，电池单体模块控制单元MN检测到电池单体充电电压高于充电卸载电压阈值Vcoff时，电池单体模块MD向电流路由选择单元RT发出卸载命令，自主卸载对应的电池单体BAT，其他条件下电池单体模块MD维持对应的电池单体处于加载状态；

在放电模式下，处于离线状态的备用电池单体模块的电池单体电流测量单元A按照一定的时间间隔轮询测量得到流经电池单体模块的电流，如果此电流高于放电加载电流阈值Adon，电池单体模块控制单元MN生成一个0～1范围的随机数，如果此随机数小于(V-Vd)/(N*(Vc-Vd)),则加载此电池单体，其中V是当前电池单体电压、Vd是当前电池单体最低放电电压阈值、Vc是当前电池单体最高充电电压阈值，N是电池组备用电池数量，如果在线状态电池单体模块的电池单体电流测量单元A按照一定的时间间隔轮询测量得到流经电池单体模块的电流低于放电卸载阈值Adoff，电池单体模块控制单元MN生成一个0～1范围的随机数，如果此随机数小于(Vc-V)/(Vc-Vd)则卸载此电池单体，其中V是当前电池单体电压、Vd是当前电池单体最低放电电压阈值、Vc是当前电池单体最高充电电压阈值。

实施例1

以通讯基站48V后备铅酸电池组为例:

通讯基站48V后备电池组包括27块电池单体BAT,电池单体BAT采用2V铅酸电池，采用图4方式串联成电池组，输出48V直流电；

电池单体模块MD采用卡尔曼滤波算法计算单块铅酸电池荷电量，并以荷电百分比作为电池荷电量测量分数值；

电池单体模块MD每隔1分钟，采集一次铅酸电池荷电量，并按降序排序；

在放电模式下，铅酸电池荷电量降序排序中的前面24块铅酸电池符合在线条件，其对应的电池单体模块MD加载这些铅酸电池；

在放电模式下，铅酸电池荷电量降序排序中的最后3块铅酸电池不符合在线条件，其对应的电池单体模块MD卸载这些铅酸电池；

在充电模式下，单块铅酸电池的荷电量≤80％时符合在线条件，该铅酸电池对应的电池单体模块控制单元MN维持电流路由选择单元RT处于加载状态，使得电流路由选择接点K与电池单体加载接点D连接，处于加载状态,正常进行充电；

在充电模式下，单块电池单体BAT的荷电量>80％时不符合在线条件，该铅酸电池对应的电池单体模块MD控制单元MN检测到电池单体BAT充电电压高于充电离线电压阈值Vcoff，向电流路由选择单元RT发出卸载命令，使电流路由选择接点K与电池单体串联卸载接点C连接，动态卸载该电池单体BAT，卸载该电池。

实施例2

以通讯基站48V60AH后备锂离子电池组为例：

通讯基站48V后备电池组包括18个锂离子电池块串联，每个电池块采用12个3.2V-32650-5AH锂离子电池单体、电池单体模块并联，每个电池块对应连接一个二级电池单体模块MD，本实施方式嵌套应用上述的串联、并联结构，形成电池组，如附图6所示，其工作方式见下：

步骤1、电池块内部工作方法

每个电池块内部的电池单体采用图3方式并联，电池单体模块MD采用卡尔曼滤波算法计算单块电池单体BAT的荷电量，并以荷电百分比作为电池单体BAT的荷电量测量分数h值，电池单体模块MD每隔1小时，采集一次对应电池单体的荷电量；

在放电模式下，电池单体BAT的荷电量≥20％时符合在线条件，加载该电池单体BAT；

在放电模式下，电池单体BAT的荷电量<20％时不符合在线条件，卸载该电池单体BAT；

在充电模式下，单块电池单体BAT的荷电量≤80％时符合在线条件，加载该电池单体BAT；

在充电模式下，单块电池单体BAT的荷电量>80％时不符合在线条件，卸载该电池单体BAT；

步骤2、电池块串联成电池

电池组把18个电池块分别通过二级电池单体模块MD1、2、…、18串联起来，电池块中的每个智能电池模块充当图4中的单体电池，即电池单体BAT以及其对应的电池单体模块MD组成一个智能电池模块，每个电池块对应连接一个二级电池单体模块MD；

二级电池单体模块MD计算每个电池块中智能电池模块的荷电量总和作为电池块的荷电量，电池块的荷电百分比作为电池块荷电量测量分数h值；

二级电池单体模块MD每隔1分钟，计算一次电池块荷电量，并按降序排序；

在放电模式下，电池块的荷电量降序排序中的前面15个电池块符合在线条件，对应的二级电池单体模块MD加载该电池块；

在放电模式下，电池块的荷电量降序排序中的最后3个电池块不符合在线条件，对应的二级电池单体模块MD卸载该电池块；

在充电模式下，电池块内存在电池单体荷电量≤80％时符合在线条件，对应的二级电池单体模块MD加载该电池块；

在充电模式下，电池块内所有电池单体都满足荷电量>80％时不符合在线条件，对应的二级电池单体模块MD卸载该电池块。

本方法和装置采用但不限于电池电压、电流计算电池荷电量，采用其他方法计算电池荷电量不影响本专利方法和装置工作的有效性。

本发明不局限于所述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims

1.一种电池组结构重构装置，其特征在于：包括主控模块、N个电池单体模块和N个电池单体,所述主控模块通过通讯总线与N个电池单体模块的通讯总线端子相连接，每个电池单体模块的电池单体负极连接端子、电池单体正极连接端子分别对应与一个电池单体的负极、正极相连接，主控模块通过通讯总线分别查询N个电池单体的用量，所述电池单体通过电池单体模块串联或者并联在一起，形成电池组，所述电池组负极输出端子、电池组正极输出端子分别接入主控模块MAIN的电池正极输入端子、电池负极输入端子，经主控模块的直流电源输出系统通过输出端子(-)、(+)输出符合要求的直流电；

所述电池单体模块是物理上独立的硬件模块，和电池单体连接在一起，组成智能电池模块，电池单体模块包括电池单体编号存储单元、电池单体电压测量单元、电池单体电流测量单元、电流路由选择单元、电池单体模块控制单元，所述电池单体模块上设置有电源总线端子、通讯总线端子、电池单体负极连接端子、电池单体正极连接端子、电池单体模块负极输出端子、电池单体模块正极输出端子，所述电流路由选择单元包括电流路由选择接点、电池单体加载接点、电池单体串联卸载接点、电池单体并联卸载接点，其中所述电流路由选择接点通过电池单体电流测量单元与电池单体模块正极输出端子相连接，所述电池单体加载接点与电池单体正极连接端子相连接，电池单体串联卸载接点与电池单体模块负极输出端子相连接，电池并联卸载接点空置，电池单体电压测量单元与电池单体负极连接端子、电池单体正极连接端子连接；

多个所述智能电池模块串联或并联组成一个电池块，再通过对应的二级电池单体模块并联或者串联形成一个复合混联智能电池组；

所述智能电池模块间串联连接方式是：一共N块电池单体，每块电池单体配置一块独立的电池单体模块，电池单体的负极连接至电池单体模块的电池单体模块负极连接端子，电池单体的正极连接至电池单体模块的电池单体模块正极连接端子，电池组负极输出端子连接第1块电池单体模块的电池单体模块负极输出端子，第k块电池单体模块的电池单体模块正极输出端子连接第k+1块电池单体模块的电池单体模块负极输出端子，第N块电池单体模块的电池单体模块正极输出端子连接电池组正极输出端子，其中1≤k<N；

所述智能电池模块间并联连接方式是：一共N块电池单体，每块电池单体配置一块独立的电池单体模块，电池单体的负极连接至对应电池单体模块的电池单体模块负极连接端子，电池单体的正极连接至对应电池单体模块的电池单体模块正极连接端子，每一块电池单体模块正极输出端子连接电池组正极总线，每一块电池单体模块负极输出端子连接电池组负极总线，其中1≤k<N。

2.采用权利要求1中所述的一种电池组结构重构装置的电池组结构重构方法，其特征在于：包括以下方法：

步骤1、采集电池单体荷电量

步骤2、在充电模式下，控制系统卸载荷电量饱和的在线电池单体，所述控制系统采用电池单体模块本身时，电池单体模块根据测量结果直接卸载或加载电池单体时，电池组结构重组的具体步骤为：

步骤3、在放电模式下，控制系统卸载荷电量低于放电要求的在线电池单体，控制系统加载荷电量较高的离线电池单体，保障电池组电力输出需要，所述控制系统采用电池单体模块本身时，电池单体模块根据测量结果直接卸载或加载电池单体时，电池组结构重组的具体步骤为：

当电池组内电池单体采用串联连接方式时，电池单体模块控制单元检测到电池单体放电电压低于放电离线电压阈值时，电池单体模块向电流路由选择单元发出卸载命令，自主卸载对应的电池单体，其他条件下电池单体模块维持对应的电池单体处于加载状态；

当电池组内电池单体采用并联连接方式时，电池单体模块控制单元检测到电池单体放电电流低于放电离线电流阈值时，电池单体模块向电流路由选择单元发出卸载命令，自主卸载对应的电池单体，其他条件下电池单体模块维持对应的电池单体处于加载状态；

3.根据权利要求2所述的一种电池组结构重构方法，其特征在于：所述电池单体模块采用但不限于电池电压、电流计算电池单体荷电量。

4.根据权利要求2所述的一种电池组结构重构方法，其特征在于：所述控制系统采用电池单体模块本身时，在在线电池容量不足时自动加载备用电池单体，或者自动卸载容量不足的在线电池单体，其工作过程是：

在放电模式下，处于离线状态的备用电池单体模块的电池单体电流测量单元测量得到流经电池单体模块的电流，如果此电流高于放电加载电流阈值，电池单体模块控制单元生成一个0～1范围的随机数，如果此随机数小于(V-Vd)/(N*(Vc-Vd)),则加载此电池单体，其中V是当前电池单体电压、Vd是当前电池单体最低放电电压阈值、Vc是当前电池单体最高充电电压阈值，N是电池组备用电池数量，如果在线状态电池单体模块的电池单体电流测量单元测量得到流经电池单体模块的电流低于放电卸载阈值，电池单体模块控制单元生成一个0～1范围的随机数，如果此随机数小于(Vc-V)/(Vc-Vd)则卸载此电池单体，其中V是当前电池单体电压、Vd是当前电池单体最低放电电压阈值、Vc是当前电池单体最高充电电压阈值。