CN101902060B - 充放电电池组均衡管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充放电电池组均衡管理系统，包括N个电池和N-1个无损均衡充放电电路，信号采集电路，主控单元，驱动电路，所述无损均衡充放电电路包括储能电感和储能电容、第一半导体开关器和第二半导体开关器；其特征在于：所述第一半导体开关器的开关后端和第二半导体开关器的开关前端之间串接有储能电容。本发明的显著效果是：本发明的均衡方式电容起到了能量转移的主要作用，降低了功耗，体积和重量也有较大优势，耐机械冲击性较强。实现了电池的能量均衡，又没有使用较复杂的能量装换装置，结构简单、实现容易、并且维护和扩展方便。

Description

充放电电池组均衡管理系统

技术领域

本发明涉及一种用于大规模锂电池组充放电管理的电路，特别是涉及一种用于电动汽车的供电系统的管理电路，并且涉及一种具有防故障电路的充放电电池组均衡管理系统。

背景技术

随着石油资源的逐渐枯竭，环境压力的日益增大，用电能取代传统的化石燃料，使之成为车用主要动力来源的呼声与日俱增。另外，随着科技的进步、笔记本电脑、微型计算机、数字照相机、移动电话、医疗器材及近地轨道的地球卫星和高轨道的同步卫星等新型电子仪器设备的发展，对电池产业提出了更高的要求。低成本，高能量密度，高电压，轻型化，使用温度宽，循环寿命长，安全性能好的全新的绿色电池，特别是可充电二次电池——锂电池备受人们关注。

但是，再强劲的锂离子电池也有能量耗尽的一刻，只有跟充电器完美的配合，它才能发挥最大潜能。于是，在锂离子电池大放异彩的今天，充电器芯片也得到了越来越多的关注。而电池充电过程的正确与否，将直接影响电池的性能和寿命。现有锂电池充电器存在诸多问题和不足，如充电适用范围小，充电时间长，效率低和充电方式单一、不支持对电池组充电的任务等，特别是不能实现对多块电池同时充电时对电池组的能量均衡。

锂电池与镍镉、镍氢电池不太一样，使用它时必须考虑充电、放电时的安全性，以防止特性劣化，对电池造成不可恢复的毁坏。因此锂电池对充电器要求很高，还要有相应的保护元器件或保护电路来保证电池安全、可靠、迅速地充电。由于各种化学成份的充电电池的容量不同(用mAh或Ah表示)、输出电压不同、充电过程要求不同，需要不同的充电器来满足其不同的要求。因此各半导体厂商开发出多种充电器IC，一些大的半导体厂商生产的充电器IC有几十种之多，每年还在不断地推出各种新型充电器IC以满足市场的需要。目前我国锂电池充电器企业众多，但技术水平、质量水平参差不齐，而且核心技术多数掌握在国外半导体厂商。

另外，随着集成电路的不断发展及二次电池市场的不断增大，能源的枯竭，锂电池的环保和高能量密度的优势使多节锂电池串联应用到如汽车这样的大型设备不再是梦想，也就是说大容量的锂电池充电系统将应用广泛，那么必然涉及到对多节电池的串联充电技术的研究。所以设计、生产出高质量、高效率、符合使用要求的充放电IC，特别是推出能够实现电池组能量均衡的IC有着十分重要的意义。因此，新型快速锂电池组充放电管理系统的研制与开发成为了必然。

如图5所示：目前出现了一种充放电电池组的均衡管理电路，每个均衡管理电路包括储能电感、第一半导体开关器和第二半导体开关器；

其中第一半导体开关器的开关后端接相邻两电池中前级电池的正极，开关前端串所述储能电感后接前级电池的负极，该第一半导体开关器的开关前端还连接第一二极管的正极，该第一二极管的负极接第一半导体开关器的开关后端；

其中第二半导体开关器的开关后端与所述第一半导体开关器的开关前端连接，第二半导体开关器的开关前端连接相邻两电池中后级电池的负极，该第二半导体开关器的开关前端还连接第二二极管的正极，该第二二极管的负极接第二半导体开关器的开关后端；

这是一种双向无损均衡充电方案，每个电池均衡分流电路均由两个半导体开关器、两个二极管和一个储能元件电感组成。多块电池串连时的电路连接情形。充电时，假设在均衡电路中两电池电压出现不均衡，如V_B1＞V_B2，则第一节电池B1旁的半导体开关器Q11导通，第一节电池向电感L1充电，当Q11截止时，L1为了续流，与第二节电池B2、第二二极管D12构成回路，电感中储存的能量就转移到B2中，实现了能量从B1到B2的转移。同理当V_B2＞V_B1时，则通过Q12的通断来实现能量从B2到B1的转移，即该电路是一种能量双向传递的均衡装置。尽管能量只在相邻电池间传递，由于能量的传递趋势总是由电压高的电池传递到电压低的电池上，因而最终实现整组电池的均衡。数学模型分析如下，L1上的电流波形如图6所示。

当Q₁₁导通时(t₀≤t＜t₁)，有如下式成立：

$V_{B1}=L_1\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}},$ i_L1(t₀)＝0                (1)

$I_{L1}=\frac{V_{B1}}{L_1}t---\left(2\right)$

当Q₁₁关断D₁₂被迫导通时(t₁≤t＜t₂)，有如下式成立：

$V_{B2}=L_1\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}},$ i_L1(t₁)＝I_L               (3)

假定Q₁的一个开关周期是T_S，D为Q₁导通时间与开关周期的比，即占空比。如设定均衡电流，即电感上电流I_P，则由以上公式得到：

$I_P=\frac{V_{B1}}{L_1}{T}_{S}D---\left(4\right)$

即可推出：

$T_S=\frac{I_P{L}_1}{V_{B1}D}---\left(5\right)$

从而可以得到开关(MOSFET)的PWM频率为：

$f=\frac{1}{T_S}---\left(11\right)$

当V_B2＞V_B1时，同样先将Q₂₁导通，一段时间后再关断Q₂₁，此时D₁₁被迫导通，从而实现了能量从B₂向B₁的转移。

该均衡管理电路的缺点是：只是用电感来转移能量，所以如要增大效率必须大幅度提高电感值，而由于电感的制作工艺限制，其等效电阻较大致使功率损耗较大。电感虽然可以做到流过较大电流，但是电感有磁饱和的问题，当频率低于电感的固有频率时，会导致电流巨增，轻的是耗电量增大，严重的会烧毁电路中的功率元件。另外它的体积重量也是一个不太占优势的地方，磁芯还怕摔。且实验证明其效率较低，一般达不到40％，所以这种方案并不适合实际的应用。

发明内容

本发明提供一种适合实际应用需要的充放电电池组均衡管理系统，其功耗低，结构简单、体积小、重量轻，效率很高。

本发明的技术方案如下：一种充放电电池组均衡管理系统，包括N个电池和N-1个无损均衡充放电电路，N个电池串接在一起组成电池组，电池组中每相邻两电池连接有同一无损均衡充放电电路；

信号采集电路：采集电池组中每节电池的电压、温度和充放电电流；

主控单元：控制所述信号采集电路的工作时序，获取采集到的电压值、电流值和温度值，控制2N-2个驱动电路的工作时序；

驱动电路：每两个驱动电路控制一个无损均衡充放电电路的工作状态；所述无损均衡充放电电路包括储能电感、第一半导体开关器和第二半导体开关器；

其中第一半导体开关器的开关后端接所述相邻两电池中前级电池的正极，开关前端串所述储能电感后接前级电池的负极，该第一半导体开关器的开关前端还连接第一二极管的正极，该第一二极管的负极接第一半导体开关器的开关后端；

其中第二半导体开关器的开关后端与所述第一半导体开关器的开关前端连接，第二半导体开关器的开关前端连接相邻两电池中后级电池的负极，该第二半导体开关器的开关前端还连接第二二极管的正极，该第二二极管的负极接第二半导体开关器的开关后端；

所述第一半导体开关器和第二半导体开关器的控制端分别接在第一驱动电路和第二驱动电路的输出端上；

由于在此用到的半导体开关器是浮地的，所以所述第一半导体开关器和第二半导体开关器的开关前端分别接在第一驱动电路和第二驱动电路的输入端上；

其关键在于：所述第一半导体开关器的开关后端和第二半导体开关器的开关前端之间串接有储能电容。第一半导体开关器、第二半导体开关器、储能电容和储能电感组成一个无损均衡模块。

本发明的均衡方式电容起到了能量转移的主要作用，两个电池之间的能量转移主要是通过能量转移电容来实现，而不是电感，所以电感值不需太大，从而降低功耗。与电感储能相比电容储能的优点是充满电后几乎不再耗电，而且自身损耗较小，体积和重量也有较大优势，耐机械冲击性较强。而本发明中能量转移电容的电压基本不变，所以几乎不消耗能量，效率很高，实验证明其效率可以达到80％，因此本发明既满足能量无损的基本要求，实现了电池的能量均衡，又没有使用较复杂的能量装换装置。结构简单、实现容易、并且维护和扩展方便。

所述信号采集电路设置自有译码器组，该译码器组中每个译码器的第一输入端和第二输入端经总线连接在所述主控单元选通控制端上，译码器的输出端组连接在继电器组的输入端上，继电器组的采集端组与所述电池组连接，继电器组的输出端组以总线的方式连接有1个差分放大及绝对值处理电路，所述差分放大及绝对值处理电路的输出端接在所述主控单元的数据输入端上。

决定均衡的策略之前，需要实时检测每节电池两端电压。为了有效隔离各电池电压模拟输入通道，采用松下AQW214 Photo-MOS继电器作为多路转换器，用2选4译码器74LS139来控制AQW214继电器的导通。电池电压巡检电路给每一单体电池配备一个此继电器，当需要检测某一节电池的电压时，只需要打开对应的继电器。将采集到的各个单体电池两端电压送入差分放大调理电路和绝对值电路进行采样，来获得单体电池端电压，然后送入主控单元内置的AD转换器转换。每3块AQW214继电器和1块74LS139译码器可检测5块电池。

1块74LS139有两个译码器，两个译码器的第一输入端和第二输入端经总线连接在主控单元，两个译码器的输出端组接在3块AQW214继电器上。

第一译码器的第一输出端接第一继电器的第一输入端；

第一译码器的第二输出端接第二继电器的第一输入端；

第一译码器的第三输出端接第三继电器的第一输入端；

第二译码器的第一输出端接第一继电器的第二输入端；

第二译码器的第二输出端接第二继电器的第二输入端；

第二译码器的第三输出端接第三继电器的第二输入端；

第一继电器第一开关的一端接第一电池B1的正极，第一继电器第一开关的另一端接差分电路的第一输入端；

第一继电器第二开关的一端同时接第一电池B1的负极和第二电池B2的正极，第一继电器第二开关的另一端接差分电路的第二输入端；差分电路的输出端接放大跟随电路的输入端，放大跟随电路的输出端接绝对值电路的输入端，绝对值电路的输出端接主控单元。

第二继电器第一开关的一端同时接第二电池B2的负极和第三电池B3的正极，第二继电器第一开关的另一端接差分电路的第一输入端；

第二继电器第二开关的一端同时接第三电池B3的负极和第四电池B4的正极，第二继电器第二开关的另一端接差分电路的第二输入端；差分电路的输出端接放大跟随电路的输入端，放大跟随电路的输出端接绝对值电路的输入端，绝对值电路的输出端接主控单元。

第三继电器第一开关的一端同时接第四电池B4的负极和第五电池B5的正极，第三继电器第一开关的另一端接差分电路的第一输入端；

第三继电器第二开关的一端同时接第五电池B5的负极和第六电池B6的正极，第三继电器第二开关的另一端接差分电路的第二输入端；差分电路的输出端接放大跟随电路的输入端，放大跟随电路的输出端接绝对值电路的输入端，绝对值电路的输出端接主控单元。

依次类推，可以串接无限个译码器和继电器，并都以总线的方式连接差分放大调理电路和绝对值电路，然后将差分放大调理电路和绝对值电路的输出端接在主控单元的输入接口。

所述主控单元的驱动控制端组连接有2N-2个驱动控制电路，每个驱动控制电路设置有前级反向器，该前级反向器的输入端连接所述主控单元，输出端经第一光耦隔离后，连接在后级反向器的输入端，后级反向器的输出端连接在MOSFET驱动控制芯片的输入端，MOSFET驱动控制芯片的输出端连接所述驱动电路中的第一半导体开关器或第二半导体开关器。

本发明采用的是美国IR公司生产的专用MOSFET驱动控制芯片IR2103，其是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器，具有独立的高端和低端输出通道，浮置电源采用自举电路，其高端工作电压可达600V，输出的栅极驱动电压范围为10～20V，逻辑电源电压范围5～15V。完全满足设计的需求。先由主控单元的IO口产生方波，经过数字光耦隔离，接到IR2103和MOSFET。应用电路如图11所示，12V为固定供电电源，C26为自举电容，电源经D11、负载、MOSFET给C26充电，MOSFETI管的栅极靠C26上足够的储能来驱动。考虑到自举电容C26稳定快速充电是可靠驱动的关键，而本系统所要求的开关频率为10KHz左右，因此C26的容量选择为小于10uF。

如图11所示，MOSFET驱动控制芯片的输出端接所述第一半导体开关器的控制端，输入端接第一半导体开关器的开关前端，从而实现浮地半导体开关器的驱动。

所述电池组首节电池的正极连接切换开关的固定端，该切换开关的第一活动端串供电电源后接所述电池组末节电池的负极；

所述切换开关的第二活动端串负载后接所述电池组末节电池的负极。

所述主控单元的充电控制端还连接有充电控制电路，该充电控制电路串接在所述供电电源与电池组首节电池之间；

所述充电控制电路设置有第二光耦，该第二光耦的正向输入端连接正电源，负向输入端连接所述主控单元，第二光耦的负向输出端接地，正向输出端接开关管的栅极，该开关管的源极接所述供电电源，漏极接稳流电感的前端，稳流电感的后端串稳压电容后接地，该稳压电感的后端还接单向二极管的正极，该单向二极管的负极接所述切换开关的第一活动端。

充电控制电路采用脉宽调制(PWM)方式控制供电电流的大小。PWM波由主控单元的PWM口输出，控制其增大或减小脉宽。PWM信号通过光电隔离驱动主回路上的MOSFET。开关管、二极管、LC电路构成开关稳压电源。用PWM方式控制的开关电源可以减小功耗，同时便于进行数字化控制。

在所述电池组与切换开关之间的串接有霍尔电流传感器，该霍尔传感器的输出端连接所述主控单元的电压采集输入端。

在所述电池组中每个电池旁固定有温度传感器，所述温度传感器的输出端经总线来接在所述主控单元的温度输入口上。

本发明的有益效果是：本发明的均衡方式电容起到了能量转移的主要作用，两个电池之间的能量转移主要是通过能量转移电容来实现，而不是电感，所以电感值不需太大，从而降低功耗。与电感储能相比电容储能的优点是充满电后几乎不再耗电，而且自身损耗较小，体积和重量也有较大优势，耐机械冲击性较强。而本发明中能量转移电容的电压基本不变，所以几乎不消耗能量，效率很高，实验证明其效率可以达到80％，因此本发明既满足能量无损的基本要求，实现了电池的能量均衡，又没有使用较复杂的能量装换装置。结构简单、实现容易、并且维护和扩展方便。

本发明

①不仅可以同时对许多块电池进行充电时完成电池的能量均衡，还可以在放电过程进行能量的无损均衡，可以有效地解决在电池串联充放电中的存在的过充和过放问题，极大的延长电池组的使用寿命。

②可以实时显示充放电的状态并检测电池的温度。可以在LCD上显示电池的当前电压和充放电电流，直观准确。并可切换显示电池的温度，防止发生过温，损坏电池。

③内置安全保护装置，无论电源或是电池接反，充电器均不工作，保证充电器和电池均不遭受损坏。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1本发明的系统结构框图

图2本发明的电池组均衡结构图

图3本发明单体电池电压和充放电电流进行巡检的信号采集电路

图4本发明PWM充电控制电路

图5现有技术中用电感作为储能的双向无损均衡电路

图6现有技术V_B1＞V_B2时Q₁₁导通关断，L₁上电流变化波形

图7本发明用电容作为储能的双向无损均衡电路

图8本发明无损均衡时电流的流向图

图9本发明V_B1＞V_B2时Q₁导通关断，L₁和C₁上电压和电流变化波形

图10MOSFET驱动控制电路

具体实施方式

如图1、2所示，本发明是一种充放电电池组均衡管理系统，包括N个电池和N-1个无损均衡充放电电路1，N个电池串接在一起组成电池组，电池组中每相邻两电池连接有同一无损均衡充放电电路1；

信号采集电路2：采集电池组中每节电池的电压、温度和充放电电流；

主控单元3：控制所述信号采集电路2的工作时序，获取采集到的电压值、电流值和温度值，控制2N-2个驱动电路4的工作时序；输出PWM信号以控制充电控制电路5的通断；完成对LCD和功能按键的控制；

如图7所示，驱动电路4：每两个驱动电路4控制一个无损均衡充放电电路1的工作状态；所述无损均衡充放电电路1包括储能电感L1和储能电容C1、第一半导体开关器Q1和第二半导体开关器Q2；

其中第一半导体开关器Q1的开关后端接所述相邻两电池中前级电池的正极，开关前端串所述储能电感L1后接前级电池的负极，该第一半导体开关器Q1的开关前端还连接第一二极管D1的正极，该第一二极管D1的负极接第一半导体开关器Q1的开关后端；

其中第二半导体开关器Q2的开关后端与所述第一半导体开关器Q1的开关前端连接，第二半导体开关器Q2的开关前端连接相邻两电池中后级电池的负极，该第二半导体开关器Q2的开关前端还连接第二二极管D2的正极，该第二二极管D2的负极接第二半导体开关器Q2的开关后端；

所述第一半导体开关器Q1和第二半导体开关器Q2的控制端分别接在第一驱动电路和第二驱动电路的输出端VQ1上；

由于在此用到的半导体开关器是浮地的，所以所述第一半导体开关器Q1和第二半导体开关器Q2的控制端和开关前端分别接在驱动电路4的VQ1和VQG1端上；

由于在此用到的半导体开关器是浮地的，所以所述第一半导体开关器Q1和第二半导体开关器Q2的开关前端分别接在第一驱动电路和第二驱动电路的输入端VQG1上；

其关键在于：所述第一半导体开关器Q1的开关后端和第二半导体开关器Q2的开关前端之间串接有储能电容C1。

半导体开关器可以是场效应管、三极管、IGBT等具备开关功能的电子开关器件。如场效应管，其栅极可作为半导体开关器的控制端，其源极可作为开关前端，漏极可作为开关后端。

如图8所示，本发明的均衡方式电容起到了能量转移的主要作用，两个电池之间的能量转移主要是通过能量转移电容来实现，而不是电感，所以电感值不需太大，从而降低功耗。与电感储能相比电容储能的优点是充满电后几乎不再耗电，而且自身损耗较小，体积和重量也有较大优势，耐机械冲击性较强。而本发明中能量转移电容的电压基本不变，所以几乎不消耗能量，效率很高，实验证明其效率可以达到80％，因此本发明既满足能量无损的基本要求，实现了电池的能量均衡，又没有使用较复杂的能量装换装置。结构简单、实现容易、并且维护和扩展方便。

如图8a，8b所示，本发明两个电池之间的能量转移主要是通过能量转移电容来实现，而不是电感，所以电感值不需太大，从而降低功耗。电池组中的电池的压差和受控的MOSFET决定了电池能量的转移方向，正常情况下电容C1上的压降为V_B1+V_B2，如果V_B1＞V_B2，那么将Q₁导通，此时C₁将能量通过Q₁和L₁转移到B₂中，并且电感L₁也储存一部分电池B₁的能量；而当Q₁关断时，D₂被迫导通，电容C₁通过D₂被B₁充电，同时L₁将已经储存的能量通过D₂转移找B₂中，这样就实现了MOSFET一个开关周期的从B₁到B₂的能量转移，电流流向如图8所示。L₁和C₁上的波形如图9所示。

当Q₁导通时(t₀≤t＜t₁)，有如下式成立：

$V_{B1}=L_1\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}},$ i_L1(t₀)＝0                            1

$V_{B2}=-L_1\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{C_1}\∫i_{C11}\mathrm{dt}---2$

V_C1(t₀)＝V_B1+V_B2                  3

此时流过电池B₁的电流为i_B1，所以由基尔霍夫定律有：

i_L1＝i_B1+i_C11                        4

当Q₁关断D₂被迫导通时(t₁≤t＜t₂)，有如下式成立：

$V_{B1}=-L_1\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{C_1}{\∫i}_{C12}\mathrm{dt},i_{L1}\left(t_1\right)=I_p---5$

V_C1(t₁)＝V_B1+V_B2            (6)

$V_{B2}=L_1\frac{d{i}_{L1}}{\mathrm{dt}}---\left(7\right)$

此时流过电池B₂的电流为i_B2，所以由基尔霍夫定律有：

i_L1＝i_B2+i_C12               (8)

假定Q₁的一个开关周期是T_S，D为Q₁导通时间与开关周期的比，即占空比。根据一个开关周期内C₁上的平均电荷的平衡，有：

i_C11DT_S-i_C12(1-D)T_S＝0      (9)

由以上的式子可以求出：

$T_S={2I}_{L1}{[\frac{V_{B1}}{L_1}{D}^2+\frac{V_{B2}}{L_1}{(1-D)}^2]}^{-1}---\left(10\right)$

从而可以得到开关(MOSFET)的PWM频率为：

$f=\frac{1}{T_S}---\left(11\right)$

当V_B2＞V_B1时，同样先将Q₂导通，一段时间后再关断Q₂，此时D₁被迫导通，从而实现了能量从B₂向B₁的转移。

若要实现均衡，必须很好地控制MOSFET的通断，如图7所示，几个MOSFET并不是共地的，所以需应用专门的驱动电路，驱动电路中对于驱动器的选择需要注意的是：(1)所采用的驱动器上限开关频率必须要高于处理器输出的PWM信号频率；(2)驱动器在高频工作时要能最大限度保证输出波形不失真。

如图3所示，所述信号采集电路2设置自有译码器组，该译码器组中每个译码器的第一输入端A和第二输入端B经总线连接在所述主控单元3选通控制端上，译码器的输出端组连接在继电器组的输入端上，继电器组的采集端组与所述电池组连接，继电器组的输出端组连接1个差分放大及绝对值处理电路，所述差分放大及绝对值处理电路的输出端接在所述主控单元3的数据输入端上。

决定均衡的策略之前，需要实时检测每节电池两端电压。为了有效隔离各电池电压模拟输入通道，采用松下AQW214 Photo-MOS继电器作为多路转换器，用2选4译码器74LS139来控制AQW214继电器的导通。电池电压巡检电路给每一单体电池配备一个此继电器，当需要检测某一节电池的电压时，只需要打开对应的继电器。将采集到的各个单体电池两端电压送入差分放大调理电路和绝对值电路进行采样，来获得单体电池端电压，然后送入主控单元3内置的AD转换器转换。每3块AQW214继电器和1块74LS139译码器可检测5块电池。

1块74LS139有两个译码器，两个译码器的第一输入端A和第二输入端B经总线连接在主控单元3，两个译码器的输出端组接在3块AQW214继电器上。

第一译码器的第一输出端X1接第一继电器的第一输入端；

第一译码器的第二输出端X2接第二继电器的第一输入端；

第一译码器的第三输出端X3接第三继电器的第一输入端；

第二译码器的第一输出端Y1接第一继电器的第二输入端；

第二译码器的第二输出端Y2接第二继电器的第二输入端；

第二译码器的第三输出端Y3接第三继电器的第二输入端；

第一继电器第一开关的一端接第一电池B1的正极，第一继电器第一开关的另一端接差分电路的第一输入端；

第一继电器第二开关的一端同时接第一电池B1的负极和第二电池B2的正极，第一继电器第二开关的另一端接差分电路的第二输入端；差分电路的输出端接放大跟随电路的输入端，放大跟随电路的输出端接绝对值电路的输入端，绝对值电路的输出端接主控单元3。

第二继电器第一开关的一端同时接第二电池B2的负极和第三电池B3的正极，第二继电器第一开关的另一端接差分电路的第一输入端；

第二继电器第二开关的一端同时接第三电池B3的负极和第四电池B4的正极，第二继电器第二开关的另一端接差分电路的第二输入端；差分电路的输出端接放大跟随电路的输入端，放大跟随电路的输出端接绝对值电路的输入端，绝对值电路的输出端接主控单元3。

第三继电器第一开关的一端同时接第四电池B4的负极和第五电池B5的正极，第三继电器第一开关的另一端接差分电路的第一输入端；

第三继电器第二开关的一端同时接第五电池B5的负极和第六电池B6的正极，第三继电器第二开关的另一端接差分电路的第二输入端；差分电路的输出端接放大跟随电路的输入端，放大跟随电路的输出端接绝对值电路的输入端，绝对值电路的输出端接主控单元3。

AQW214对应引脚顺序连接单体电池端头B1、B2、B3、B4、…、B6其中第五块电池的负极就是B6，如果是N块电池则是Bn+1，系统通过控制如图3中U2的几个XUANT脚来使相应的Xn和Yn为低电平有效，将选通采集到的电池电压送入ADC模块采样。如当引脚X1、Y1被选通为低电平，则第一节电池被送入采样通道；当引脚X2、Y1被选通为低电平，则第二节电池被送入采样通道；当引脚X2、Y2被选通为低电平，则第三节电池被送入采样通道，以此类推。

单片机程序每顺序改变一次74LS139输出端电平，便可顺序采样相应电池的电压。由于相邻两次采样极性是相反的，故采样电路中需要有绝对值电路。图3的下半部分中，因为几块电池的串联，要获得单体电池的电压就必须在采集电池两端的绝对电压后将两者相减，来获得差值。差分电路U5C就是将采集到的电池端的电势相减来得到单体电池的电压，是差分放大部分，只不过只放大一倍。放大跟随电路U5D部分是电压跟随电路，后面的部分是绝对值电路，将采集到的正负电压都转化为正值，然后进入AD转换器。

依次类推，可以串接无限个译码器和继电器，并分别连接差分放大调理电路和绝对值电路，差分放大调理电路和绝对值电路得输出端接在主控单元3的输入接口。

在所述电池组与切换开关K之间的串接有霍尔电流传感器，该霍尔传感器的输出端连接所述主控单元3的电电压采集输入端。

在所述电池组中每个电池旁固定有温度传感器，所述温度传感器的输出端经总线来接在所述主控单元3的温度输入口上。

实时监控充电的状态还可以实时监测充电的电流。实时监控充放电的状态还需要实时监测充放电的电流。在电流测量技术中，为了减少测量电路对被测电流的影响，通常采用在被测电路中串联一只小阻值的取样电阻进行IV转换，再经过差分放大电路实现小电压放大的方法。测量精度要求越高，线路就越复杂。

而本系统中是应用莱姆公司的霍尔电流传感器LTS25-N来检测电流的，其为+5V供电，测量范围是0-±80A，在I_PN＝0A时，输出为2.5V；测量反向电流时，是0.5V-2.5V；测量正电流时，是2.5V-4.5V，刚好在AD的输入范围之内。带载测量精度为0.7％，比较高；温度范围-40-+85也较宽。然后将此电压送到主控单元3的AD转换器输入端，从而实现了充放电电流的精确采样。

另外，还可以实时的检测电池的温度，防止电池过温发生爆炸，采用的是高精度、高可靠性的DALLAS(达拉斯)公司生产的单总线的DS18B20数字温度传感器。在这里将多个DS18B20以总线的方式连在一起用其与一个IO口相连完成多处温度的转换与读取。

如图10所示，所述主控单元3的驱动控制端组连接有2N-2个驱动控制电路，每个驱动控制电路设置有前级反向器，该前级反向器的输入端连接所述主控单元3，输出端经第一光耦隔离后，连接在后级反向器的输入端，后级反向器的输出端连接在MOSFET驱动控制芯片的输入端，MOSFET驱动控制芯片的输出端连接所述驱动电路4中的第一半导体开关器Q1或第二半导体开关器Q2。

本发明采用的是美国IR公司生产的专用MOSFET驱动控制芯片IR2103，其是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器，具有独立的高端和低端输出通道，浮置电源采用自举电路，其高端工作电压可达600V，输出的栅极驱动电压范围为10～20V，逻辑电源电压范围5～15V。完全满足设计的需求。先由主控单元3的IO口产生方波，经过数字光耦隔离，接到IR2103和MOSFET。应用电路如图11所示，12V为固定供电电源，C26为自举电容，电源经D11、负载、MOSFET给C26充电，MOSFETI管的栅极靠C26上足够的储能来驱动。考虑到自举电容C26稳定快速充电是可靠驱动的关键，而本系统所要求的开关频率为10KHz左右，因此C26的容量选择为小于10uF。

如图10所示，MOSFET驱动控制芯片的输出端VQ1接所述第一半导体开关器Q1的控制端。输入端VQG1接第一半导体开关器Q1的开关前端，从而实现浮地半导体开关器的驱动。

如图1所示，所述电池组首节电池的正极连接切换开关K的固定端，该切换开关K的第一活动端串供电电源后接所述电池组末节电池的负极；

所述切换开关K的第二活动端串负载后接所述电池组末节电池的负极。

所述主控单元3的充电控制端还连接有充电控制电路5，该充电控制电路5串接在所述供电电源与电池组首节电池之间；

如图4所示，所述充电控制电路5设置有第二光耦，该第二光耦的正向输入端连接正电源，负向输入端连接所述主控单元3，第二光耦的负向输出端接地，正向输出端接开关管T的栅极，该开关管T的源极接所述供电电源，漏极接稳流电感的前端，稳流电感的后端串稳压电容后接地，该稳压电感的后端还接单向二极管的正极，该单向二极管的负极接所述切换开关K的第一活动端。

充电控制电路5采用脉宽调制(PWM)方式控制供电电流的大小。PWM波由主控单元3的PWM口输出，控制其增大或减小脉宽。PWM信号通过光电隔离驱动主回路上的MOSFET。开关管、二极管、LC电路构成开关稳压电源。用PWM方式控制的开关电源可以减小功耗，同时便于进行数字化控制。

本发明中不仅涉及电池组充电的能量均衡控制，还有放电的能量均衡控制，所以要对充放电的状态进行切换，本技术可以通过由两个MOSFET组成的单刀双掷开关来实现的，此开关即为如上所述的切换开关K。其中一个用来导通充电回路，另外一个用来导通放电回路。两个MOSFET是通过分别取充电电源和电池组的电压来作为导通电压的，通过光耦与单片机的IO口相连，实现通断控制。

另外，还有功能按键、电源、LCD12864显示电路以及与单片机相关的振荡电路和复位电路等，在PCB布线时将数字部分与模拟部分分开，以减小相互干扰。

Claims (7)

1.一种充放电电池组均衡管理系统，包括N个电池和N-1个无损均衡充放电电路(1)，N个电池串接在一起组成电池组，电池组中每相邻两电池连接有同一无损均衡充放电电路(1)；

信号采集电路(2)：采集电池组中每节电池的电压；

主控单元(3)：控制所述信号采集电路(2)的工作时序，获取采集到的电压值，控制2N-2个驱动电路(4)的工作时序；

驱动电路(4)：每两个驱动电路(4)控制一个无损均衡充放电电路(1)的工作状态；所述无损均衡充放电电路(1)包括储能电感(L1)、第一半导体开关器(Q1)和第二半导体开关器(Q2)；

其中第一半导体开关器(Q1)的开关后端接所述相邻两电池中前级电池的正极，开关前端串所述储能电感(L1)后接前级电池的负极，该第一半导体开关器(Q1)的开关前端还连接第一二极管(D1)的正极，该第一二极管(D1)的负极接第一半导体开关器(Q1)的开关后端；

其中第二半导体开关器(Q2)的开关后端与所述第一半导体开关器(Q1)的开关前端连接，第二半导体开关器(Q2)的开关前端连接相邻两电池中后级电池的负极，该第二半导体开关器(Q2)的开关前端还连接第二二极管(D2)的正极，该第二二极管(D2)的负极接第二半导体开关器(Q2)的开关后端；

所述第一半导体开关器(Q1)和第二半导体开关器(Q2)的控制端分别接在第一驱动电路和第二驱动电路的输出端(VQ1)上；

其特征在于：所述第一半导体开关器(Q1)的开关后端和第二半导体开关器(Q2)的开关前端之间串接有储能电容(C1)。

2.根据权利要求1所述的充放电电池组均衡管理系统，其特征在于：所述信号采集电路(2)设置自有译码器组，该译码器组中每个译码器的第一输入端(A)和第二输入端(B)经总线连接在所述主控单元(3)选通控制端上，译码器的输出端组连接在继电器组的输入端上，继电器组的采集端组与所述电池组连接，继电器组的输出端组以总线的形式连接有1个差分放大及绝对值处理电路，所述差分放大及绝对值处理电路的输出端接在所述主控单元(3)的数据输入端上。

3.根据权利要求1所述的充放电电池组均衡管理系统，其特征在于：所述主控单元(3)的驱动控制端组连接有2N-2个驱动控制电路，每个驱动控制电路设置有前级反向器，该前级反向器的输入端连接所述主控单元(3)，输出端经第一光耦隔离后，连接在后级反向器的输入端，后级反向器的输出端连接在MOSFET驱动控制芯片的输入端，MOSFET驱动控制芯片的输出端连接第一半导体开关器(Q1)或第二半导体开关器(Q2)。

4.根据权利要求1所述的充放电电池组均衡管理系统，其特征在于：所述电池组首节电池的正极连接切换开关(K)的固定端，该切换开关(K)的第一活动端串供电电源后接所述电池组末节电池的负极；

所述切换开关(K)的第二活动端串负载后接所述电池组末节电池的负极。

5.根据权利要求4所述的充放电电池组均衡管理系统，其特征在于：所述主控单元(3)的充电控制端还连接有充电控制电路(5)，该充电控制电路(5)串接在所述供电电源与电池组首节电池之间；

所述充电控制电路(5)设置有第二光耦，该第二光耦的正向输入端连接正电源，负向输入端连接所述主控单元(3)，第二光耦的负向输出端接地，正向输出端接开关管(T)的栅极，该开关管(T)的源极接所述供电电源，漏极接稳流电感的前端，稳流电感的后端串稳压电容后接地，该稳压电感的后端还接单向二极管的正极，该单向二极管的负极接所述切换开关(K)的第一活动端。

6.根据权利要求4所述的充放电电池组均衡管理系统，其特征在于：在所述电池组与切换开关(K)之间的串接有霍尔电流传感器，该霍尔电流传感器的输出端连接所述主控单元(3)的电压采集输入端。

7.根据权利要求1所述的充放电电池组均衡管理系统，其特征在于：在所述电池组中每个电池旁固定有温度传感器，所述温度传感器的输出端经总线来接在所述主控单元(3)的温度输入口上。

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