CN112421744B - 一种多组电池组并连的控制电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多组电池组并连的控制电路及方法，控制电路包括：电池并联控制器，电池并联控制器包括MCU及与MCU连接的通信接口，通讯接口与每个电池组的电池管理系统连接；电池管理系统，包括两组开关，分别控制充电和放电。本发明控制器电路简单只需要有通信和逻辑处理功能。本发明执行单元简单，复用了原来BMS的执行单元，电池在不增加执行单元的基础上拥有多电池并联能力。

Description

一种多组电池组并连的控制电路及方法
技术领域
本发明属于电池领域，涉及电池并联控制技术，尤其是一种多组电池组并连的控制电路及方法。
背景技术
目前锂电池应用非常广泛，在使用中也会有一些问题，比如有些场合需要的电池容量很大，单个电池的体积就会很大，如果电池固定不动问题不大，但如果需要在设备上取下来充电或更换充满的电池就非常的不方便，针对这个问题我们能想到的是将电池做成更小的模块，在使用的时候再并联使用。
电池并联使用也存在问题，当两组电池有较高的电压差时电池之间就会发生互相充电的现象，因为锂电池的内阻比较低所以互相充电的电流会非常大，导致电池发生过流一类的保护，严重的可能导致电池损坏，起火爆炸。针对这个问题制定了一套并联的控制电路和控制方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种多组电池组并连的控制电路及方法，使电池在不增加执行单元的基础上拥有多电池并联能力。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种多组电池组并连的控制电路，包括：
电池并联控制器，电池并联控制器包括MCU及与MCU连接的通信接口，通讯接口与每个电池组的电池管理系统连接；
电池管理系统，包括两组开关，分别控制充电和放电。
而且，所述的电池并联控制器还包括LCD与按键，分别与MCU连接。
而且，所述的开关为MOS开关。
而且，所述的开关为单向开关，由一个单刀单掷开关和一个二极管组成。
而且，通讯接口通过总线与电池管理系统连接。
一种多组电池组并连的控制方法，有新电池接入后，系统将电池转为放电状态，转换时，先关闭所有电池充电，然后再根据输出控制方式选择电池打开输出；当电池并联控制器检测到有充电器接入后，关闭除最低电压电池的所有电池的放电开关，然后再打开所有电池的充电；充电完成后，系统先关闭所有充电，再根据输出控制方式选择电池打开输出。
而且，所述的输出控制方式为按电压高低放电或按电池寿命放电或按剩余容量放电或按电池编号放电。
放电时，电池根据式④，BMS得出输出的最低电压，电池并联控制器根据所有电池的最低输出限值选取最高的一个，发送给BMS，由BMS根据④得出给定限值的电压下的最大输出电流，再由并联控制器累加得出系统最高输出电流；
充电时，电池根据式⑥，BMS得出最高的充电电压，电池并联控制器根据收到的所有电池的最高充电电压，选取最低的一个发送到BMS，由BMS根据⑥得出最大的充电电流，发送给并联控制器，由控制器累加得出并联系统最大充电电流；
UxC＝(1.25-1.25x)U0.2C+(1.25x-0.25)U1C④
UxC＝2Uk+(x-1)1.25U0.2+(0.25-1.25x)U1C⑥
式中，x为单个电池的放电倍率，U0.2C和U1C都是存储的电压容量曲线，Uk为理想电源电压；UxC为实际输出电压。
本发明的优点和积极效果是：
1.本发明控制器电路简单只需要有通信和逻辑处理功能。控制方式使用了分层控制，将较复杂的控制逻辑分层处理，使每层逻辑简化。
2.本发明执行单元简单，复用了原来BMS的执行单元，电池在不增加执行单元的基础上拥有多电池并联能力。
附图说明
图1为本发明的控制电路图；
图2为控制方法架构图；
图3为运行状态及状态间的相互转换示意图；
图4为电池放电模型；
图5为电池充电模型。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种多组电池组并连的控制电路，包括电池并联控制器BPC，电池管理系统BMS，其中BMS可以是多个即多组电池。电池并联控制器BPC包括MCU及分别与MCU连接的LCD、按键、通信接口，所述的通讯接口包括对外通讯接口及电池通讯接口，电池通讯接口分别与每个电池的BMS连接。
每组电池内有一个BMS，BMS内有两组开关作为并联控制的执行单元，每组开关由一个单刀单掷开关和一个二极管组成，形成一个单向开关，实际应用中以功率MOS代替每组开关。两组开关分别控制充电和放电，Sx1控制放电，Sx2控制充电，在普通BMS内同样有这两组开关，这个控制逻辑复用了这两组开关，即能拥有原来开关的作用又增加了并联控制执行的功能，在成本上增加了优势。
通过按键、通信、预设等方式获得放电控制方式，控制方式分为：按电压高低放电，按电池寿命放电，按剩余容量放电、按电池编号放电等。
BPC在系统中属于主机，具有网络管理功能，一个电池控制器能够管理几十组电池，能够对电池进行接入，连接，数据更新，指令下发，离线等状态进行管理。电池序列号是唯一的，序列号支持几十亿电池的编号，而控制器支持的地址有限，所以控制器还加入了网络地址重新分配功能。
每组电池的BMS针对本电池的状态并结合上层控制的指令最终输出开关的指令。BMS与BPC未建立连接时，充放电开关都会关闭，当接收到上层指令并且无相应保护发生时，打开充电或者放电开关。当打开的是放电开关时，如果检测到有放电电流BMS会打开充电开关，减小压降，电流减小时再关闭充电开关。如果打开的是充电开关，当检测到充电电流时，打开放电开关，减小压降，电流减小时再关闭放电MOS。
控制逻辑为电池并联控制器的核心，需要综合设定的控制方式和电池信息给出合适的控制逻辑。控制逻辑处理是闭环型的，发出的指令必须确认执行成功才能采取下一步动作，如果有异常进行异常处理。
系统运行状态及状态间的相互转换如图3所示，系统存在放电状态，放电转充电状态，充电状态，充电转放电状态，电池上线与下线状态。状态存在迁移，任何状态下面都有可能出现电池的上线与下线过程，控制逻辑主要围绕着5种状态处理。
整个控制逻辑都围绕着一个基本原则处理，开放电开关时，要保证不会给其它电池充电，开充电开关时，其它电池不会给本电池充电。
电池上线下线转放电：有电池上线后，系统会将电池转为放电状态，转换时，先关闭所有电池充电，然后再根据输出控制方式选择电池打开输出。
电池放电转充电状态：系统检测到充电器接入后会关闭除最低电压电池的所有电池的放电开关，然后再打开所有电池的充电。
电池充电转放电：充电完成后，系统先关闭所有充电，再根据输出控制方式选择电池打开输出。
各状态转下线与上线：直接转电池上线与下线转放电。
电池并联提高了系统的充放电容量，每个电池都有自己最大的放电与充电限流值，系统的最大放电电流与最大充电电流并不是电池的总和，需要根据电池的电压，内阻计算得到最大放电与充电电流，电池并联控制器会计算出这些数据供用电设备和充电器使用，以便调整用电功率与充电功率。
每个电池BMS因容量计算的需要，在BMS内部会存储三条曲线，分别是0.2C放电的电压容量曲线，1C放电的电压容量曲线，静置电压与容量关系曲线。
电池放电模型我们设定为一个随电池剩余容量变化的理想电源电压Uk随剩余容量变化的内阻RC随容量变化的极化电压UC,有等式①等式中UxC为放电时实际输出电压，xI1C为x倍1C电流。在0.2C和1C放电的电流下有等式②③
①Uk＝UxC+xI1CRC+UC
②Uk＝U0.2C+0.2I1CRC+UC
③Uk＝U1C+I1CRC+UC
②-③
U0.2C+0.2ICRC＝U1C+I1CRC
RC＝(U0.2C-U1C)/(0.8I1C)
②+③
2Uk＝(U0.2C+U1C)+1.2I1CRC+2UC
UC＝(2Uk-U0.2C-U1C-1.2I1CRC)/2＝Uk-0.5U0.2C-0.5U1C-0.6I1C(U0.2C-U1C)/(0.8I1C)＝Uk-0.5U0.2C-0.5U1C-0.75U0.2C+0.75U1C＝Uk-1.25U0.2C+0.25U1C
①Uk＝UxC+xI1C(U0.2C-U1C)/(0.8I1C)+Uk-1.25U0.2C+0.25U1C
UxC＝1.25U0.2C-0.25U1C-xI1C(U0.2C-U1C)/(0.8I1C)
UxC＝1.25U0.2C-0.25U1C-1.25x(U0.2C-U1C)
UxC＝1.25U0.2C-0.25U1C-1.25XU0.2C+1.25XU1C
UxC＝(1-x)1.25U0.2C-0.25U1C+1.25xU1C
UxC＝(1.25-1.25x)U0.2C+(1.25x-0.25)U1C④
④式中x为单个电池的放电倍率，U0.2C和U1C都是存储的电压容量曲线为已知量，可以得出最大电流下的输出电压，该计算由电池BMS计算，该电压是该电池在当前容量下能输出的最低电压，电压再低时电流会超出BMS限制。
电池并联控制器根据所有电池的最低输出限值选取最高的一个，发送给BMS，由BMS根据④得出给定限值的电压下的最大输出电流，再由并联控制器累加得出系统最高输出电流。
在充电情况下，可以得到等式UxC＝Uk+xI1CRC+UC⑤
UxC＝Uk+xI1C(U0.2C-U1C)/(0.8I1C)+Uk-1.25U0.2C+0.25U1C＝2Uk+1.25xU0.2C-1.25xU1C-1.25U0.2C+0.25U1C
UxC＝2Uk+(x-1)1.25U0.2+(0.25-1.25x)U1C⑥
充电时电池根据⑥，BMS得出最高的充电电压，并联控制器根据收到的所有电池的最高充电电压，选取最低的一个发送到BMS，由BMS根据⑥得出最大的充电电流，发送给并联控制器，由控制器累加得出并联系统最大充电电流。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种多组电池组并连的控制方法，其特征在于：有新电池接入后，系统将电池转为放电状态，转换时，先关闭所有电池充电，然后再根据输出控制方式选择电池打开输出；当电池并联控制器检测到有充电器接入后，关闭除最低电压电池的所有电池的放电开关，然后再打开所有电池的充电；充电完成后，系统先关闭所有充电，再根据输出控制方式选择电池打开输出；
所述的输出控制方式为按电压高低放电；
放电时，电池根据式④，电池管理系统BMS得出输出的最低电压，电池并联控制器根据所有电池的最低输出限值选取最高的一个，发送给电池管理系统BMS，由电池管理系统BMS根据④得出给定限值的电压下的最大输出电流，再由并联控制器累加得出系统最高输出电流；
充电时，电池根据式⑥，电池管理系统BMS得出最高的充电电压，电池并联控制器根据收到的所有电池的最高充电电压，选取最低的一个发送到电池管理系统BMS，由电池管理系统BMS根据⑥得出最大的充电电流，发送给并联控制器，由控制器累加得出并联系统最大充电电流；
UxC＝(1.25-1.25x)U0.2C+(1.25x-0.25)U1C④
UxC＝2Uk+(x-1)1.25U0.2+(0.25-1.25x)U1C⑥
式中，x为单个电池的放电倍率，U0.2C和U1C都是存储的电压容量曲线，Uk为理想电源电压；UxC为实际输出电压；
实现上述控制方法的控制电路包括：电池并联控制器BPC，多组电池管理系统BMS，电池并联控制器BPC包括MCU及分别与MCU连接的LCD、按键、通讯 接口，所述的通讯接口包括对外通讯接口及电池通讯接口，电池通讯接口分别与每个电池的BMS连接；
每组电池内有一个电池管理系统BMS，电池管理系统BMS内有两组开关作为并联控制的执行单元，每组开关由一个单刀单掷开关和一个二极管组成，形成一个单向开关，两组开关分别控制充电和放电。
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