基于无线能信技术的容错性重构电池组及电池组重构方法

本发明属于水下充电，特别涉及基于无线能信技术的容错性重构电池组及电池组重构方法。

背景技术：

1、传统水下装备能源系统使用的电池组由多个单体电池通过固定的串并联物理拓扑方式连接构成。水下装备服役期间，在反复的充、放电过程中，每个单体电池会出现不同程度退化特性，同时充电过程中可能会出现过充、过放问题，降低了电池组使用寿命。如果单体电池出现短路、断路或失效等故障，都会影响电池组整体的安全和能效，而且更换时需要更换电池组整体。

2、由于重构电池组能够根据水下装备工作需求和单体电池状态，动态调整电池组连接方式，及时切除及更换故障单体电池，因此，重构电池组是目前解决固定电池组缺陷的重要途径。但是，传统重构电池组的重构方法是通过人工或添加冗余的机械结构来调整每个单体电池之间的线路连接方式，实现电池组重构，存在接口暴露、腐蚀或反复打捞、投放等问题，电池组重构过程复杂，并且无法在水下装备执行任务期间实现电池组自主动态调整。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有水下重构电池组重构方式复杂，且不能在水下装备执行任务时实现电池组自主动态调整的不足之处，而提供了基于无线能信技术的容错性重构电池组及电池组重构方法。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

3、基于无线能信技术的容错性重构电池组由若干单体电池组成的阵列构成，且相邻单体电池的面与面之间直接接触；所述单体电池为方体结构，内置有次级mcu（microcontroller unit的缩写，中文名称为微控制单元），且单体电池六个表面上均设有次级无线能信同传装置；所述次级无线能信同传装置用于与水下充电基站的初级无线能信同传装置进行能信传输；

4、所述初级无线能信同传装置能够根据电池组重构需求向所述单体电池的次级mcu发送电池组重构指令，并控制单体电池任意两个表面上次级无线能信同传装置的通断，实现电池组重构；

5、所述初级无线能信同传装置中预置有水下装备执行不同任务期间所需的电压电流及单体电池数量数据库。

6、进一步地，所述初级无线能信同传装置包括初级mcu、初级隔离变压器、初级调制解调模块、直流电源、逆变器、初级补偿电路和发射线圈；所述初级mcu、所述初级隔离变压器和所述初级调制解调模块依次连接，所述直流电源、所述逆变器、所述初级补偿电路和所述发射线圈依次连接；所述初级调制解调模块与所述初级补偿电路交互，用于将所述初级mcu输出的数据信号注入到所述初级补偿电路中；

7、水下装备执行不同任务期间所需的电压电流及单体电池数量数据库预置在所述初级mcu中；

8、所述次级无线能信同传装置包括次级隔离变压器、次级调制解调模块、接收线圈、次级补偿电路和整流器；所述次级隔离变压器和所述次级调制解调模块依次与单体电池中次级mcu连接；所述接收线圈、所述次级补偿电路和所述整流器依次连接，单体电池作为负载电池与所述整流器连接；所述次级调制解调模块与所述次级补偿电路交互，用于将所述次级mcu输出的数据信号注入到所述次级补偿电路中。

9、进一步地，所述初级mcu能够控制所述初级隔离变压器以高次谐波的方式，将初级mcu输出的数据信号通过所述初级调制解调模块注入到所述初级补偿电路中；

10、所述单体电池的次级mcu能够控制所述次级隔离变压器以高次谐波的方式，将次级mcu输出的数据信号通过所述次级调制解调模块注入到所述次级补偿电路中。

11、基于无线能信技术的容错性重构电池组的电池组重构方法，包括以下步骤：

12、步骤1，建立水下装备在执行不同任务期间所需的电压电流及单体电池数量数据库，并将所述数据库内置于所述初级无线能信同传装置中；

13、步骤2，各单体电池的次级mcu获取对应单体电池的当前电压、电流、温度、内阻和容量数据信息，并通过各单体电池的次级无线能信同传装置将所述数据信息传输给所述初级无线能信同传装置；

14、步骤3，所述初级无线能信同传装置根据收到的对应单体电池的当前电压、电流、温度和容量数据信息对各单体电池进行故障诊断，若判断为故障电池，则获取故障单体电池的位置信息；若判断为正常电池，则获取正常单体电池的位置信息并进入步骤4；

15、步骤4，根据设定要求对所有正常单体电池进行健康状态一致性评估，并根据水下装备执行任务所需的单体电池数量以及健康状态一致性评估结果确定参与重构的单体电池，获得电池组重构方案；

16、步骤5，所述初级无线能信同传装置根据故障单体电池及健康状态不符合设定要求的单体电池的数量和位置信息，输出电池隔除指令至各单体电池的次级mcu，切断故障单体电池及健康状态不符合设定要求的单体电池的接收线圈工作，将故障单体电池和健康状态不符合设定要求的单体电池隔除；

17、步骤6，根据步骤4获得的电池组重构方案，所述初级无线能信同传装置输出重构指令至所有参与重构的单体电池的次级mcu，参与重构的单体电池的次级mcu输出导通控制信号并控制参与重构的单体电池相应面上的次级无线能信同传装置导通所述参与重构的单体电池，实现电池组重构。

18、进一步地，所述步骤3中，对各单体电池进行故障诊断的过程为：

19、步骤3.1，获取单体电池的安全电压范围、安全电流范围、安全温度范围以及额定容量；

20、步骤3.2，获取单体电池当前电压、电流、温度及可用容量，判断当前电压、电流、温度是否分别处于安全电压范围、安全电流范围和安全温度范围内，并判断可用容量是否高于额定容量的设定比例，若全为是，则为正常电池；若有任意一项为否，则为故障电池。

21、进一步地，所述步骤4的具体过程为：

22、步骤4.1，根据公式计算正常各单体电池健康状态：

23、

24、式中，为单体电池寿命终止时内阻，为单体电池当前内阻，为单体电池出厂时内阻；

25、步骤4.2，设定正常单体电池数量为个，重构需要的正常单体电池数量为个，且满足>，将各正常单体电池按照健康状态由高到低的顺序进行排序，并根据公式计算任意连续个正常单体电池健康状态的方差：

26、

27、式中，为任意连续个正常单体电池的平均健康状态，i=1，2，3，…，；

28、步骤4.3，选取方差最小的连续个正常单体电池作为参与重构的单体电池，获得电池组重构方案。

29、进一步地，所述步骤6中，当参与重构的单体电池之间存在被切断的故障单体电池和/或健康状态不满足设定要求的单体电池时，所述被切断的故障单体电池和/或健康状态不满足设定要求的单体电池的次级无线能信同传装置作为中继单元，将上一级参与重构的单体电池收到的导通控制信号传输至下一级参与重构的单体电池，直至所有参与重构的单体电池全部导通工作。

30、本发明的优点是：

31、1，本发明设计的基于无线能信技术的容错性重构电池组，包括多个阵列排布的单体电池，每个单体电池六个表面均设有次级无线能信同传装置，并在初级无线能信同传装置的初级mcu中预置水下装备执行不同任务期间所需的电压电流及单体电池数量数据库。本发明基于水下无线能信同传技术，使水下装备能够根据单体电池健康状态动态重构电池组，及时原位排除故障单体电池，并且能有效预防单体电池健康状态不一致性带来的过充问题，降低了性能较差的单体电池对整个电池组性能的影响，使重构电池组在水下装备执行任务期间安全、高效运行。

32、2，本发明电池组重构过程中，无需物理接触便能实现能量和数据信息的同步交互，有效避免接触火花、接口暴露等问题，不受雨雪风暴等恶劣天气的影响，与水下充电基站结合，实现各单体电池的通断控制，避免了传统电池组故障后需要打捞、投放水下装备进行电池组更换的耗时、耗成本的复杂过程，实现水下原位能源补给和故障排除，极大提升了水下装备水下作业的续航能力、隐蔽性和安全性。