CN102810895B - 一种蓄电池组电量均衡电路及其均衡方法 - Google Patents

Abstract

一种蓄电池组电量均衡电路及其均衡方法，涉及电池管理技术领域。它是为了改善蓄电池组电量均衡过程中各单体电池SOC的一致性。它的开关网络用于选择电池组中的任一节单体电池，并使该单体电池以正确的极性接入双向全桥DC-DC变换器；双向全桥DC-DC变换器用于将高于标准电量单体电池中的电能转移到蓄电池组中、将蓄电池组的电能转移到低于标准电量的单体电池中；保护和故障检测电路用于将在畜电池组在发生短路的情况下提供保护，并发出故障报警信号；控制电路用于检测各单体电池的电压值，估算该单体电池的电量、控制开关网络接通相应电池、控制双向全桥DC-DC变换器实施均衡、接收故障报警信号、通过通信端口与上位机通信。本发明适用于蓄电池组电量均衡。

Description

一种蓄电池组电量均衡电路及其均衡方法

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域。

背景技术

由于单体电池电压低、容量小，在实际使用中要将单体电池通过串并联构成电池组来满足使用要求。而受到生产工艺的限制，蓄电池在生产过程中会产生容量、库伦效率、内阻、自放电率等参数的不一致。在电池使用过程中，由于电池间接触电阻的不一致、容量衰减速度的不同、电池包温度的不平衡等，也会导致电池在使用中的不一致。上述的不一致性会导致电池电量间的差异，并且随着电池组的使用，呈现出发散的趋势，进而导致整组电池的使用性能下降，个别电池的寿命加速衰减。利用电池组均衡电路可以使各单体电池间电量趋于一致，延长电池寿命。

目前的电池组均衡电路主要分为能量消耗型和能量转移型两类。能量消耗型均衡是一种将高电量单体的电能消耗掉，以实现各单体间电量均衡的方法。能量转移型均衡是通过控制电池间的能量流动，来实现各单体间电量均衡的方法。因此能量转移型均衡电路具有效率高、发热少的优点。常见的能量转移型均衡电路有单体到单体式、单体到整体式、整体到单体式等类型。单体到单体式均衡电路将高电量单体的电能转移给低电量单体，这种结构需要的开关数量较多。单体到整体式均衡电路将高电量单体的电能转移给电池组，而整体到单体式均衡电路将电池组的电能转移给低电量单体，这两种均衡电路的灵活性较差，仅能给高电量单体放电，或给低电量单体充电。

目前的电池组均衡策略主要以电池电压作为判据，当电池组中各单体电压不一致性达到一定程度时启动均衡，当电池组中各单体电压变得一致时停止均衡。然而由于电池的充放电过程存在滞回特性，因此均衡结束电压一致时，各单体间的电量其实并不一致，并没有实际改善各单体电池SOC的一致性。

发明内容

本发明是为了改善蓄电池组电量均衡过程中各单体电池SOC的一致性，从而提供一种蓄电池组电量均衡电路及其均衡方法。

一种蓄电池组电量均衡电路，蓄电池组由N节单体电池串联构成，N为大于或等于2的正整数；它包括开关网络、双向全桥DC-DC变换器14、故障检测电路13和控制电路15；

开关网络：用于选择电池组中的任一节单体电池，并使该单体电池以正确的极性接入双向全桥DC-DC变换器14；

双向全桥DC-DC变换器14：用于将高于标准电量单体电池中的电能转移到蓄电池组中，或者用于将蓄电池组的电能转移到低于标准电量的单体电池中；

故障检测电路13：用于在蓄电池组发生短路的情况下提供保护，并发出故障报警信号；

控制电路15：用于检测各单体电池的电压值，并根据该电压值估算该单体电池的电量，还用于控制开关网络将蓄电池组中指定一节单节电池接入双向全桥DC-DC变换器14，以及控制双向全桥DC-DC变换器14实施均衡，还用于接收故障报警信号，以及通过通信端口与上位机通信。

开关网络由N+1个一号开关、二号开关SS1、三号开关SS2、一号换向开关S1、二号换向开关S2、偶数总线11和奇数总线12组成；蓄电池组中位于奇数位置的单体电池的正、负端分别通过两个一号开关接入偶数总线11和奇数总线12；蓄电池组中位于偶数位置的单体电池的正、负端分别通过两个一号开关接入奇数总线12和偶数总线11；二号开关SS1的动端和三号开关SS2的动端分别与蓄电池组的两端连接；所述二号开关SS1的静端和三号开关SS2的静端分别与双向全桥DC-DC变换器14的整组侧两个电压信号端连接；一号换向开关S1和二号换向开关S2均为单刀双掷开关，一号换向开关S1的动端和二号换向开关S2的动端分别与故障检测电路13的两个检测信号输入端连接；一号换向开关S1的动端和二号换向开关S2的动端还分别与双向全桥DC-DC变换器14的单体侧的两个电压信号端连接；一号换向开关S1的两个静端分别连入偶数总线11和奇数总线12；二号换向开关S2的两个静端分别连入偶数总线11和奇数总线12。

双向全桥DC-DC变换器14由主电路和变换器控制电路组成；

所述主电路包括一号开关管Q1、二号开关管Q2、三号开关管Q3、四号开关管Q4、五号开关管Q5、六号开关管Q6、七号开关管Q7、八号开关管Q8、一号二极管D1、二号二极管D2、三号二极管D3、四号二极管D4、五号二极管D5、六号二极管D6、七号二极管D7、八号二极管D8、变压器T、电感L、一号滤波电容C1、二号滤波电容C2和检流电阻R_F；

一号二极管D1与一号开关管Q1反相关联；二号二极管D2与二号开关管Q2反相关联；三号二极管D3与三号开关管Q3反相关联；四号二极管D4与四号开关管Q4反相关联；五号二极管D5与五号开关管Q5反相关联；六号二极管D6与六号开关管Q6反相关联；七号二极管D7与七号开关管Q7反相关联；八号二极管D8与八号开关管Q8反相关联；

一号滤波电容C1并联在整组侧的两个电压信号端之间；

一号开关管Q1的一端和四号开关管Q4串联在整组侧的两个电压信号端之间；二号开关管Q2的一端和三号开关管Q3串联在整组侧的两个电压信号端之间；一号开关管Q1与四号开关管Q4的连接端还连接变压器T原边的一端；二号开关管Q2与三号开关管Q3的连接端还连接变压器T原边的另一端；

二号滤波电容C2并联在单体侧的两个电压信号端之间；

二号滤波电容C2的正极端与电感L的一端连接；所述电感L的另一端同时与六号开关管Q6的一端和五号开关管Q5的一端连接；二号滤波电容C2的负极端与检流电阻R_F的一端连接；检流电阻R_F的另一端同时与七号开关管Q7的一端和八号开关管Q8的一端连接；五号开关管Q5的另一端同时与八号开关管Q8的另一端和变压器T副边的一端连接；六号开关管Q6的另一端同时与七号开关管Q7的另一端和变压器T副边的另一端连接；

变换器控制电路包括一号开关驱动电路141、二号开关驱动电路142、三号开关驱动电路143、四号开关驱动电路144、反馈调节电路145、一号PWM产生电路146、二号PWM产生电路147和光电耦合电路148；

一号开关驱动电路141的两个驱动信号输出端分别与一号开关管Q1的控制信号输入端和四号开关管Q4的控制信号输入端连接；

二号开关驱动电路142的两个驱动信号输出端分别与二号开关管Q2的控制信号输入端和三号开关管Q3的控制信号输入端连接；

三号开关驱动电路143的两个驱动信号输出端分别与五号开关管Q5的控制信号输入端和八号开关管Q8的控制信号输入端连接；

四号开关驱动电路144的两个驱动信号输出端分别与六号开关管Q6的控制信号输入端和七号开关管Q7的控制信号输入端连接；

一号开关驱动电路141的两个控制信号输入端分别与一号PWM产生电路146的两个PWM信号输出端连接；

二号开关驱动电路142的两个控制信号输入端分别与一号PWM产生电路146的两个PWM信号输出端连接；

三号开关驱动电路143的两个控制信号输入端分别与二号PWM产生电路147的两个PWM信号输出端连接；

四号开关驱动电路144的两个控制信号输入端分别与二号PWM产生电路147的两个PWM信号输出端连接；

一号PWM产生电路146和三号开关管驱动电路143、四号开关管驱动电路144通过光电耦合电路148进行同步整流；

反馈调节电路145采集通过检流电阻R_F的电流值，所述反馈调节电路145的两个反馈信号输出端分别与一号PWM产生电路146的反馈信号输入端和二号PWM产生电路147的反馈信号输入端连接。

故障检测电路13采用光电耦合器P1实现。

控制电路15包括微处理器151、信号调理电路152、A/D采样模块153、单体到整组启停控制接口154、整组到单体启停控制接口155、故障报警输入接口156、上位机通信接口157、一号译码器158、二号译码器159和二号开关、三号开关及换向开关控制接口160；信号调理电路152的单体电压信号输出端与A/D采样模块153的单体电压信号输入端连接；A/D采样模块153的数字信号输出端与微处理器151的数字信号输入端连接；微处理器151的一号接口信号输出端与单体到整组启停控制接口154的接口信号输入端连接；微处理器151的二号接口信号输出端与整组到单体启停控制接口155的接口信号输入端连接；微处理器151的报警接口信号输入端与故障报警输入接口156的报警接口信号输出端连接；微处理器151通过串行通信端口与上位机通信接口157连接；一号译码器158的译码信号输入端与微处理器151的一号译码信号输出端连接；二号译码器159的译码信号输入端与微处理器151的二号译码信号输出端连接；二号开关、三号开关及换向开关控制接口160的开关量控制接口信号输入端与微处理器151的开关量控制接口信号输出端连接，一号译码器158的译码信号输出端用于控制偶数总线上的一号开关的开启或闭合；二号译码器159的译码信号输出端用于控制奇数总线上的一号开关的开启或闭合。

它还包括N+1个熔断器，所述N+1个熔断器设置在蓄电池组和开关网络之间。

开关网络中的N+1个一号开关、二号开关SS1、三号开关SS2、一号换向开关S1和二号换向开关S2均为电磁继电器，或者部分或全部为固态继电器。

基于上述电路的蓄电池组电量均衡方法，它由以下步骤实现：

步骤一、控制电路实时检测蓄电池组中的每节单体电池的电压，估算出每节单体电池的电量，并计算各单体电池电量针对整个电池组的标准差；

步骤二、判断步骤一计算出的标准差是否超过设定阈值，如果判断结果为否，则蓄电池组不需要均衡，结束本次蓄电池组电量均衡；如果判断结果为是，则蓄电池组需要均衡，执行步骤三；

步骤三、首先计算出平均电量，然后逐一计算每节单体电池的估算电量与该平均电量的差值：

步骤四、逐一判断步骤三获得的每个差值是否大于零，对于每一个大于零的差值所对应的单体电池，执行步骤五；对于每一个小于或等于零的差值所对应的单体电池，执行步骤六；

步骤五、用该差值减去该节单体电池的电量估算误差，得到电量偏差值；并判断该电量偏差值是否为正，如果判断结果为是，则进行该单体电池到整组蓄电池的电量均衡；如判断结果为否，则结束本次蓄电池组电量均衡；

步骤六、用该差值加上该节电池的电量估算误差，得到电量偏差值，并判断该电量的偏差值是否为负，如果判断结果为是，则启动整组到单体的均衡；如果判断结果为否，则结束本次蓄电池组电量均衡。

一次电量均衡的时间等于偏差值的绝对值除以通过检流电阻的电流值。

步骤一中估算出每节单体电池的电量采用开路电压法。

本发明提供了一种使用双向全桥DC-DC隔离变换器作为能量转换电路、利用开关网络对各电池单体进行选择、由控制电路实现电池电量实时检测和均衡控制，并具有保护和故障检测的均衡电路及其均衡方法，既可实现电能从蓄电池组转移到单体电池，也能实现电能从单体电池转移到蓄电池组，最终使串联蓄电池组中的单体电池间电量相同。

附图说明

图1为本发明的电路连接示意图；图2是本发明的双向全桥DC-DC变换器主电路和变换器控制电路结构示意图；图3是保护和故障检测电路的电路连接示意图；图4为控制电路的结构示意图；图5是本发明的均衡方法流程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、一种蓄电池组电量均衡电路，蓄电池组由N节单体电池串联构成，N为大于或等于2的正整数；它包括开关网络、双向全桥DC-DC变换器14、故障检测电路13和控制电路15；

开关网络：用于选择电池组中的任一节单体电池，并使该单体电池以正确的极性接入双向全桥DC-DC变换器14；

双向全桥DC-DC变换器14：用于将高于标准电量单体电池中的电能转移到蓄电池组中，或者用于将蓄电池组的电能转移到低于标准电量的单体电池中；

故障检测电路13：用于在蓄电池组发生短路的情况下提供保护，并发出故障报警信号；

控制电路15：用于检测各单体电池的电压值，并根据该电压值估算该单体电池的电量，还用于控制开关网络将蓄电池组中指定一节单节电池接入双向全桥DC-DC变换器14，以及控制双向全桥DC-DC变换器14实施均衡，还用于接收故障报警信号，以及通过通信端口与上位机通信。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种蓄电池组电量均衡电路的区别在于，开关网络由N+1个一号开关、二号开关SS1、三号开关SS2、一号换向开关S1、二号换向开关S2、偶数总线11和奇数总线12组成；蓄电池组中位于奇数位置的单体电池的正、负端分别通过两个一号开关接入偶数总线11和奇数总线12；蓄电池组中位于偶数位置的单体电池的正、负端分别通过两个一号开关接入奇数总线12和偶数总线11；二号开关SS1的动端和三号开关SS2的动端分别与蓄电池组的两端连接；所述二号开关SS1的静端和三号开关SS2的静端分别与双向全桥DC-DC变换器14的整组侧两个电压信号端连接；一号换向开关S1和二号换向开关S2均为单刀双掷开关，一号换向开关S1的动端和二号换向开关S2的动端分别与故障检测电路13的两个检测信号输入端连接；一号换向开关S1的动端和二号换向开关S2的动端还分别与双向全桥DC-DC变换器14的单体侧的两个电压信号端连接；一号换向开关S1的两个静端分别连入偶数总线11和奇数总线12；二号换向开关S2的两个静端分别连入偶数总线11和奇数总线12。

开关网络由位于每节电池两端的开关K0～Kn、位于电池组两端的开关SS1和SS2、换向开关S1和S2组成。换向开关S1、S2的固定端接双向全桥DC-DC变换器的单体侧，开关SS1、SS2的一端接双向全桥DC-DC变换器的整组侧；

所述开关网络，当选中第n节电池进行均衡时：

若n为奇数，则闭合开关Kn、Kn-1、SS1、SS2，并将换向开关S1、S2接通至上端触点；

若n为偶数，则闭合开关Kn、Kn-1、SS1、SS2，并将换向开关S2、S2接通至下端触点。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式二所述的一种蓄电池组电量均衡电路的区别在于，双向全桥DC-DC变换器14由主电路和变换器控制电路组成；

所述主电路包括一号开关管Q1、二号开关管Q2、三号开关管Q3、四号开关管Q4、五号开关管Q5、六号开关管Q6、七号开关管Q7、八号开关管Q8、一号二极管D1、二号二极管D2、三号二极管D3、四号二极管D4、五号二极管D5、六号二极管D6、七号二极管D7、八号二极管D8、变压器T、电感L、一号滤波电容C1、二号滤波电容C2和检流电阻R_F；

一号二极管D1与一号开关管Q1反相关联；二号二极管D2与二号开关管Q2反相关联；三号二极管D3与三号开关管Q3反相关联；四号二极管D4与四号开关管Q4反相关联；五号二极管D5与五号开关管Q5反相关联；六号二极管D6与六号开关管Q6反相关联；七号二极管D7与七号开关管Q7反相关联；八号二极管D8与八号开关管Q8反相关联；

一号滤波电容C1并联在整组侧的两个电压信号端之间；

一号开关管Q1的一端和四号开关管Q4串联在整组侧的两个电压信号端之间；二号开关管Q2的一端和三号开关管Q3串联在整组侧的两个电压信号端之间；一号开关管Q1与四号开关管Q4的连接端还连接变压器T原边的一端；二号开关管Q2与三号开关管Q3的连接端还连接变压器T原边的另一端；

二号滤波电容C2并联在单体侧的两个电压信号端之间；

二号滤波电容C2的正极端与电感L的一端连接；所述电感L的另一端同时与六号开关管Q6的一端和五号开关管Q5的一端连接；二号滤波电容C2的负极端与检流电阻R_F的一端连接；检流电阻R_F的另一端同时与七号开关管Q7的一端和八号开关管Q8的一端连接；五号开关管Q5的另一端同时与八号开关管Q8的另一端和变压器T副边的一端连接；六号开关管Q6的另一端同时与七号开关管Q7的另一端和变压器T副边的另一端连接；

变换器控制电路包括一号开关驱动电路141、二号开关驱动电路142、三号开关驱动电路143、四号开关驱动电路144、反馈调节电路145、一号PWM产生电路146、二号PWM产生电路147和光电耦合电路148；

一号开关驱动电路141的两个驱动信号输出端分别与一号开关管Q1的控制信号输入端和四号开关管Q4的控制信号输入端连接；

二号开关驱动电路142的两个驱动信号输出端分别与二号开关管Q2的控制信号输入端和三号开关管Q3的控制信号输入端连接；

三号开关驱动电路143的两个驱动信号输出端分别与五号开关管Q5的控制信号输入端和八号开关管Q8的控制信号输入端连接；

四号开关驱动电路144的两个驱动信号输出端分别与六号开关管Q6的控制信号输入端和七号开关管Q7的控制信号输入端连接；

一号开关驱动电路141的两个控制信号输入端分别与一号PWM产生电路146的两个PWM信号输出端连接；

二号开关驱动电路142的两个控制信号输入端分别与一号PWM产生电路146的两个PWM信号输出端连接；

三号开关驱动电路143的两个控制信号输入端分别与二号PWM产生电路147的两个PWM信号输出端连接；

四号开关驱动电路144的两个控制信号输入端分别与二号PWM产生电路147的两个PWM信号输出端连接；

一号PWM产生电路146和三号开关管驱动电路143、四号开关管驱动电路144通过光电耦合电路148进行同步整流；

反馈调节电路145采集通过检流电阻R_F的电流值，所述反馈调节电路145的两个反馈信号输出端分别与一号PWM产生电路146的反馈信号输入端和二号PWM产生电路147的反馈信号输入端连接。

所述双向全桥DC-DC变换器工作于单体到整组和整组到单体两种模式：

当变换器工作于单体到整组时，PWM信号占空比大于50%，开关管Q5、Q6、Q7、Q8做全桥逆变，二极管D1、D2、D3、D4做桥式整流，此时的电感L作为储能电感工作；

当变换器工作于整组到单体时，PWM信号占空比小于50%，开关管Q1、Q2、Q3、Q4做全桥逆变，二极管D5、D6、D7、D8做桥式整流，同时开关管Q5、Q6、Q7、Q8做同步整流，此时的电感L作为滤波电感工作。

所述变换器控制电路由分别位于单体侧和整组侧的PWM产生电路和开关管驱动电路、反馈调节电路、光耦同步整流电路组成。同一个桥臂的两个开关管采用一个驱动电路，检流电阻上的压降作为反馈信号，经过反馈调节电路，传送至PWM发生电路，使PWM信号的占空比改变，保证检流电阻上的电流大小恒定，从而使变换器单体侧电流恒定。光耦同步整流电路的输入为整组侧产生的PWM信号，输出接单体侧的开关管驱动电路，从而使开关管Q5、Q6、Q7、Q8能够做同步整流。

变换器控制电路由反馈调节电路、光耦和分别位于双向全桥DC-DC变换器的单体侧和整组侧的两套PWM产生电路和开关管驱动电路组成，

当变换器工作于单体到整组时，单体侧的PWM产生电路和开关管驱动电路工作，检流电阻上的压降作为反馈信号，经过反馈调节电路，传送至PWM发生电路，通过调节PWM信号占空比，使得检流电阻上的电流恒定；

当变换器工作于整组到单体时，整组侧的PWM产生电路、单体侧和整组侧的开关管驱动电路均工作，整组侧的PWM信号通过光耦传递至单体侧的开关管驱动电路，使单体侧的开关管做同步整流，此时检流电阻上的压降作为反馈信号，经过反馈调节电路，传送至PWM发生电路，通过调节PWM信号占空比，使得检流电阻上的电流恒定。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的一种蓄电池组电量均衡电路的区别在于，故障检测电路13采用光电耦合器P1实现。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式四所述的一种蓄电池组电量均衡电路的区别在于，控制电路15包括微处理器151、信号调理电路152、A/D采样模块153、单体到整组启停控制接口154、整组到单体启停控制接口155、故障报警输入接口156、上位机通信接口157、一号译码器158、二号译码器159和二号开关、三号开关及换向开关控制接口160；信号调理电路152的单体电压信号输出端与A/D采样模块153的单体电压信号输入端连接；A/D采样模块153的数字信号输出端与微处理器151的数字信号输入端连接；微处理器151的一号接口信号输出端与单体到整组启停控制接口154的接口信号输入端连接；微处理器151的二号接口信号输出端与整组到单体启停控制接口155的接口信号输入端连接；微处理器151的报警接口信号输入端与故障报警输入接口156的报警接口信号输出端连接；微处理器151通过串行通信端口与上位机通信接口157连接；一号译码器158的译码信号输入端与微处理器151的一号译码信号输出端连接；二号译码器159的译码信号输入端与微处理器151的二号译码信号输出端连接；二号开关、三号开关及换向开关控制接口160的开关量控制接口信号输入端与微处理器151的开关量控制接口信号输出端连接，一号译码器158的译码信号输出端用于控制偶数总线上的一号开关的开启或闭合；二号译码器159的译码信号输出端用于控制奇数总线上的一号开关的开启或闭合。

所述微处理器的故障报警输入与光耦P1的光电三极管发射极连接，通信端口用于与上位机进行通信，单体到整组启停控制与单体侧PWM产生电路连接，整组到单体启停控制与整组侧PWM产生电路连接，二号开关、三号开关及换向开关控制接口跟开关SS1、SS2、S1、S2的控制端分别连接。所述译码器1的输入端与微处理器的偶数开关控制相连接，输出端与偶数开关K0、K2、K4…的控制端相连接，从而避免多个开关同时导通。所述译码器2的输入端与微处理器的奇数开关控制相连接，输出端与奇数开关K1、K3、K5…的控制端相连接，从而避免多个开关同时导通。所述信号调理电路的输入与蓄电池组中的每节单体电池相连接，其输出连接至A/D采样模块。所述A/D采样模块的输出送至微处理器。

控制电路通过译码器1来控制偶数总线上的开关，通过译码器2来控制奇数总线上的开关。

微处理器的单体到整组启停控制引脚发出启动命令，整组到单体启停控制引脚发出停止命令时，变换器工作于单体到整组模式；

微处理器的单体到整组启停控制引脚发出停止命令，整组到单体启停控制引脚发出启动命令时，变换器工作于整组到单体模式。

微处理器内部的A/D采样模块，也可以是外设的A/D采样模块。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式五所述的一种蓄电池组电量均衡电路的区别在于，它还包括N+1个熔断器，所述N+1个熔断器设置在蓄电池组和开关网络之间。

当发生电池短路、变换器输出过流等情况时，与电池串联的熔断器会烧断；

正常状态下故障报警引脚输出为高电平，当被选中电池两端有熔断器烧断，或开关失效不能正常接通时，开关网络接通后，故障报警引脚输出为低电平。

具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种蓄电池组电量均衡电路的区别在于，开关网络中的N+1个一号开关、二号开关SS1、三号开关SS2、一号换向开关S1和二号换向开关S2均为电磁继电器，或者部分或全部为固态继电器。

本实施方式的主要技术要点包括：

A、优化了开关网络的设计，如图1所示，一共需要N+5个开关，其中K0～Kn和SS1、SS2为采用1a触点结构的开关，S1、S2为采用1c触点结构的开关。当选中第n节电池进行均衡时：若n为奇数，则闭合开关Kn、Kn-1、SS1、SS2，并将换向开关S1、S2接通至上端触点；若n为偶数，则闭合开关Kn、Kn-1、SS1、SS2，并将换向开关S2、S2接通至下端触点。

B、均衡主电路采用双向全桥DC-DC变换器，如图2所示，一个电路即可实现单体电池与整组电池的双向能量转移。变换器工作于两种模式：单体到整组和整组到单体。当变换器工作于单体到整组时，PWM信号占空比大于50%，开关管Q5、Q6、Q7、Q8做全桥逆变，二极管D1、D2、D3、D4做桥式整流，此时的电感L作为储能电感工作。当变换器工作于整组到单体时，PWM信号占空比小于50%，开关管Q1、Q2、Q3、Q4做全桥逆变，二极管D5、D6、D7、D8做桥式整流，同时开关管Q5、Q6、Q7、Q8做同步整流，此时的电感L作为滤波电感工作。变压器T为变换器的单体侧和整组侧提供了良好的电气隔离。

C、变换器控制电路具有两套PWM产生电路和开关管驱动电路，分别位于双向全桥DC-DC变换器的单体侧和整组侧，如图2所示。当变换器工作于单体到整组时，单体侧的PWM产生电路和开关管驱动电路工作，检流电阻上的压降作为反馈信号，经过反馈调节电路，传送至PWM发生电路，通过调节PWM信号占空比，使得检流电阻上的电流恒定。当变换器工作于整组到单体时，整组侧的PWM产生电路、单体侧和整组侧的开关管驱动电路均工作，整组侧的PWM信号通过光耦传递至单体侧的开关管驱动电路，使单体侧的开关管做同步整流，此时检流电阻上的压降作为反馈信号，经过反馈调节电路，传送至PWM发生电路，通过调节PWM信号占空比，使得检流电阻上的电流恒定。

D、保护和故障检测电路由位于每节电池两端的熔断器F0～Fn和光耦P1组成，如图3所示。当发生电池短路、变换器输出过流等情况时，与电池串联的熔断器会烧断。正常情况下，开关网络接通某节电池时，故障报警引脚输出为高电平，而当被选中电池两端有熔断器烧断，或开关失效不能正常接通时，开关网络接通后，故障报警引脚输出为低电平。当开关K0～Kn和开关S1、S2因失效而不能正常断开时，其故障也会以熔断器烧断的现象体现出来。

E、如图1所示，当奇数总线或偶数总线上有多个开关同时导通时，会发生电池短路。为了避免奇数总线和偶数总线上有多个开关同时导通，奇数总线上的一号开关的控制信号来自译码器2，偶数总线上的一号开关的控制信号来自译码器1。

F、如图4所示。当变换器工作于单体到整组时，微处理器的整组到单体启停控制引脚发出停止命令，单体到整组启停控制引脚发出启动命令。当变换器工作于整组到单体时，微处理器的单体到整组启停控制引脚发出停止命令，整组到单体启停控制引脚发出启动命令。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、与仅能实现单体到整组或整组到单体均衡的均衡方法相比，本发明使用了双向全桥DC-DC变换器，可实现单体电池与整组电池的双向能量流动。

2、由于双向全桥DC-DC变换器采用恒流控制，使变换器单体侧电流恒定，均衡时间等于偏差电量除以单体侧电流，从而实现精确均衡。

3、当双向全桥DC-DC变换器使电能从蓄电池组往单体电池转移时，采用光耦将整组侧PWM信号耦合到单体侧，使单体侧的开关管做同步整流，提高能量转换效率。

3、通过两个译码器分别控制两条总线上的开关，避免了一条总线上多个开关同时导通的情况发生，从而防止电池短路。

4、每节电池均串接一个熔断器，并设有故障检测电路，当发生故障熔断器烧断，或开关不能正常接通时，能够实时检测到故障。

5、开关网络一共使用n+5个开关，相对于其他集中式均衡结构来说，使用的开关个数更少。

6、使用各单体电池电量的标准差作为蓄电池组是否需要均衡的判据，更符合实际使用中对均衡的需求。

7、这种考虑电量估算误差的均衡策略使得均衡更为保守，不至于发生过均衡的情况，从而避免了均衡反而破坏电池一致性的情况发生。

具体实施方式八、基于具体实施方式一的蓄电池组电量均衡方法，它由以下步骤实现：

步骤一、控制电路实时检测蓄电池组中的每节单体电池的电压，估算出每节单体电池的电量，并计算各单体电池电量针对整个电池组的标准差；

步骤二、判断步骤一计算出的标准差是否超过设定阈值，如果判断结果为否，则蓄电池组不需要均衡，结束本次蓄电池组电量均衡；如果判断结果为是，则蓄电池组需要均衡，执行步骤三；

步骤三、首先计算出平均电量，然后逐一计算每节单体电池的估算电量与该平均电量的差值：

步骤四、逐一判断步骤三获得的每个差值是否大于零，对于每一个大于零的差值所对应的单体电池，执行步骤五；对于每一个小于或等于零的差值所对应的单体电池，执行步骤六；

步骤五、用该差值减去该节单体电池的电量估算误差，得到电量偏差值；并判断该电量偏差值是否为正，如果判断结果为是，则进行该单体电池到整组蓄电池的电量均衡；如判断结果为否，则结束本次蓄电池组电量均衡；

其过程为：微处理器发出指令使开关网络动作，将该节电池接入双向全桥DC-DC变换器的单体侧，同时将电池组两端接入双向全桥DC-DC变换器整组侧，微控制器的整组到单体启停控制接口发出停止命令，单体到整组启停控制接口发出启动命令，此时双向全桥DC-DC变换器工作于单体到整组模式，将该节电池的电能转移到电池组中。

步骤六、用该差值加上该节电池的电量估算误差，得到电量偏差值，并判断该电量的偏差值是否为负，如果判断结果为是，则启动整组到单体的均衡；如果判断结果为否，则结束本次蓄电池组电量均衡。

其过程为：微处理器发出指令使开关网络动作，将该节电池接入双向全桥DC-DC变换器的单体侧，同时将电池组两端接入双向全桥DC-DC变换器的整组侧，微控制器的单体到整组启停控制接口发出停止命令，整组到单体启停控制接口发出启动命令，此时双向全桥DC-DC变换器工作于整组到单体模式。

一次电量均衡的时间等于偏差值的绝对值除以通过检流电阻的电流值。

步骤一中估算出每节单体电池的电量采用开路电压法。

均衡策略如图5所示。各单体电池的电压信号经过信号调理电路送至A/D采样模块，最终由微处理器获取各节单体电池的电压，并以此估算出各节电池的电量Q₁、Q₂…Q_n，相应的电量估算误差为Δ₁、Δ₂…Δ_n（Δ₁、Δ₂…Δ_n均为正值）。各单体电池电量的标准差计算如下：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(Q_k-\stackrel{\‾}{Q})}^2}{n}}$

若δ≤δ₀，则表明电池组无需均衡；若δ>δ₀，则表明电池组需要均衡。其中δ₀为设定的阈值。若需要均衡，首先按下式计算出平均电量：

$\stackrel{\‾}{Q}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_k}{n}$

进一步，计算每节单体电池电量与平均电量之差，计算如下：

${\mathrm{\ΔQ}}_n=Q_n-\stackrel{\‾}{Q}$

若ΔQ_n为正值，且ΔQ_n－Δ_n>0，则对第n节电池启动单体到整组的均衡，均衡的时间为t_n=(ΔQ_n－Δ_n)/I_equ，其中I_equ为变换器工作于单体到整组时检流电阻上的电流，是一个固定值；若ΔQ_n为负值，且ΔQ_n+Δ_n<0，则对第n节电池启动整组到单体的均衡，均衡的时间为t_n=(ΔQ_n+Δ_n)/I_equ，其中I_equ为变换器工作于整组到单体时检流电阻上的电流，是一个固定值。

这种考虑电量估算误差的均衡方法使得均衡更为保守，不至于发生过均衡的情况，从而避免了均衡反而破坏电池一致性的情况发生。

Claims (9)

1.一种蓄电池组电量均衡电路，蓄电池组由N节单体电池串联构成，N为大于或等于2的正整数；它包括开关网络、双向全桥DC-DC变换器(14)、故障检测电路(13)和控制电路(15)；

开关网络：用于选择电池组中的任一节单体电池，并使该单体电池以正确的极性接入双向全桥DC-DC变换器(14)；

双向全桥DC-DC变换器(14)：用于将高于标准电量单体电池中的电能转移到蓄电池组中，或者用于将蓄电池组的电能转移到低于标准电量的单体电池中；

故障检测电路(13)：用于在蓄电池组发生短路的情况下提供保护，并发出故障报警信号；

控制电路(15)：用于检测各单体电池的电压值，并根据该电压值估算该单体电池的电量，还用于控制开关网络将蓄电池组中指定一节单节电池接入双向全桥DC-DC变换器(14)，以及控制双向全桥DC-DC变换器(14)实施均衡，还用于接收故障报警信号，以及通过通信端口与上位机通信；

其特征是：开关网络由N+1个一号开关、二号开关(SS1)、三号开关(SS2)、一号换向开关(S1)、二号换向开关(S2)、偶数总线(11)和奇数总线(12)组成；蓄电池组中位于奇数位置的单体电池的正、负端分别通过两个一号开关接入偶数总线(11)和奇数总线(12)；蓄电池组中位于偶数位置的单体电池的正、负端分别通过两个一号开关接入奇数总线(12)和偶数总线(11)；二号开关(SS1)的动端和三号开关(SS2)的动端分别与蓄电池组的两端连接；所述二号开关(SS1)的静端和三号开关(SS2)的静端分别与双向全桥DC-DC变换器(14)的整组侧两个电压信号端连接；一号换向开关(S1)和二号换向开关(S2)均为单刀双掷开关，一号换向开关(S1)的动端和二号换向开关(S2)的动端分别与故障检测电路(13)的两个检测信号输入端连接；一号换向开关(S1)的动端和二号换向开关(S2)的动端还分别与双向全桥DC-DC变换器(14)的单体侧的两个电压信号端连接；一号换向开关(S1)的两个静端分别连入偶数总线(11)和奇数总线(12)；二号换向开关(S2)的两个静端分别连入偶数总线(11)和奇数总线(12)。

2.根据权利要求1所述的一种蓄电池组电量均衡电路，其特征在于双向全桥DC-DC变换器(14)由主电路和变换器控制电路组成；

所述主电路包括一号开关管(Q1)、二号开关管(Q2)、三号开关管(Q3)、四号开关管(Q4)、五号开关管(Q5)、六号开关管(Q6)、七号开关管(Q7)、八号开关管(Q8)、一号二极管(D1)、二号二极管(D2)、三号二极管(D3)、四号二极管(D4)、五号二极管(D5)、六号二极管(D6)、七号二极管(D7)、八号二极管(D8)、变压器(T)、电感(L)、一号滤波电容(C1)、二号滤波电容(C2)和检流电阻(R_F)；

一号二极管(D1)与一号开关管(Q1)反相关联；二号二极管(D2)与二号开关管(Q2)反相关联；三号二极管(D3)与三号开关管(Q3)反相关联；四号二极管(D4)与四号开关管(Q4)反相关联；五号二极管(D5)与五号开关管(Q5)反相关联；六号二极管(D6)与六号开关管(Q6)反相关联；七号二极管(D7)与七号开关管(Q7)反相关联；八号二极管(D8)与八号开关管(Q8)反相关联；

一号滤波电容(C1)并联在整组侧的两个电压信号端之间；

一号开关管(Q1)的一端和四号开关管(Q4)串联在整组侧的两个电压信号端之间；二号开关管(Q2)的一端和三号开关管(Q3)串联在整组侧的两个电压信号端之间；一号开关管(Q1)与四号开关管(Q4)的连接端还连接变压器(T)原边的一端；二号开关管(Q2)与三号开关管(Q3)的连接端还连接变压器(T)原边的另一端；

二号滤波电容(C2)并联在单体侧的两个电压信号端之间；

二号滤波电容(C2)的正极端与电感(L)的一端连接；所述电感(L)的另一端同时与六号开关管(Q6)的一端和五号开关管(Q5)的一端连接；二号滤波电容(C2)的负极端与检流电阻(R_F)的一端连接；检流电阻(R_F)的另一端同时与七号开关管(Q7)的一端和八号开关管(Q8)的一端连接；五号开关管(Q5)的另一端同时与八号开关管(Q8)的另一端和变压器(T)副边的一端连接；六号开关管(Q6)的另一端同时与七号开关管(Q7)的另一端和变压器(T)副边的另一端连接；

变换器控制电路包括一号开关驱动电路(141)、二号开关驱动电路(142)、三号开关驱动电路(143)、四号开关驱动电路(144)、反馈调节电路(145)、一号PWM产生电路(146)、二号PWM产生电路(147)和光电耦合电路(148)；

一号开关驱动电路(141)的两个驱动信号输出端分别与一号开关管(Q1)的控制信号输入端和四号开关管(Q4)的控制信号输入端连接；

二号开关驱动电路(142)的两个驱动信号输出端分别与二号开关管(Q2)的控制信号输入端和三号开关管(Q3)的控制信号输入端连接；

三号开关驱动电路(143)的两个驱动信号输出端分别与五号开关管(Q5)的控制信号输入端和八号开关管(Q8)的控制信号输入端连接；

四号开关驱动电路(144)的两个驱动信号输出端分别与六号开关管(Q6)的控制信号输入端和七号开关管(Q7)的控制信号输入端连接；

一号开关驱动电路(141)的两个控制信号输入端分别与一号PWM产生电路(146)的两个PWM信号输出端连接；

二号开关驱动电路(142)的两个控制信号输入端分别与一号PWM产生电路(146)的两个PWM信号输出端连接；

三号开关驱动电路(143)的两个控制信号输入端分别与二号PWM产生电路(147)的两个PWM信号输出端连接；

四号开关驱动电路(144)的两个控制信号输入端分别与二号PWM产生电路(147)的两个PWM信号输出端连接；

一号PWM产生电路(146)和三号开关管驱动电路(143)、四号开关管驱动电路(144)通过光电耦合电路(148)进行同步整流；

反馈调节电路(145)采集通过检流电阻(R_F)的电流值，所述反馈调节电路(145)的两个反馈信号输出端分别与一号PWM产生电路(146)的反馈信号输入端和二号PWM产生电路(147)的反馈信号输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种蓄电池组电量均衡电路，其特征在于故障检测电路(13)采用光电耦合器(P1)实现。

4.根据权利要求3所述的一种蓄电池组电量均衡电路，其特征在于控制电路(15)包括微处理器(151)、信号调理电路(152)、A/D采样模块(153)、单体到整组启停控制接口(154)、整组到单体启停控制接口(155)、故障报警输入接口(156)、上位机通信接口(157)、一号译码器(158)、二号译码器(159)和二号开关、三号开关及换向开关控制接口(160)；信号调理电路(152)的单体电压信号输出端与A/D采样模块(153)的单体电压信号输入端连接；A/D采样模块(153)的数字信号输出端与微处理器(151)的数字信号输入端连接；微处理器(151)的一号接口信号输出端与单体到整组启停控制接口(154)的接口信号输入端连接；微处理器(151)的二号接口信号输出端与整组到单体启停控制接口(155)的接口信号输入端连接；微处理器(151)的报警接口信号输入端与故障报警输入接口(156)的报警接口信号输出端连接；微处理器(151)通过串行通信端口与上位机通信接口(157)连接；一号译码器(158)的译码信号输入端与微处理器(151)的一号译码信号输出端连接；二号译码器(159)的译码信号输入端与微处理器(151)的二号译码信号输出端连接；二号开关、三号开关及换向开关控制接口(160)的开关量控制接口信号输入端与微处理器(151)的开关量控制接口信号输出端连接，一号译码器(158)的译码信号输出端用于控制偶数总线上的一号开关的开启或闭合；二号译码器(159)的译码信号输出端用于控制奇数总线上的一号开关的开启或闭合。

5.根据权利要求4所述的一种蓄电池组电量均衡电路，其特征在于它还包括N+1个熔断器，所述N+1个熔断器设置在蓄电池组和开关网络之间。

6.根据权利要求5所述的一种蓄电池组电量均衡电路，其特征在于开关网络中的N+1个一号开关、二号开关(SS1)、三号开关(SS2)、一号换向开关(S1)和二号换向开关(S2)均为电磁继电器，或者部分或全部为固态继电器。

7.一种基于权利要求1的蓄电池组电量均衡电路的蓄电池组电量均衡方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、控制电路实时检测蓄电池组中的每节单体电池的电压，估算出每节单体电池的电量，并计算各单体电池电量针对整个电池组的标准差；

步骤二、判断步骤一计算出的标准差是否超过设定阈值，如果判断结果为否，则蓄电池组不需要均衡，结束本次蓄电池组电量均衡；如果判断结果为是，则蓄电池组需要均衡，执行步骤三；

步骤三、首先计算出平均电量，然后逐一计算每节单体电池的估算电量与该平均电量的差值：

步骤四、逐一判断步骤三获得的每个差值是否大于零，对于每一个大于零的差值所对应的单体电池，执行步骤五；对于每一个小于或等于零的差值所对应的单体电池，执行步骤六；

步骤五、用该差值减去该节单体电池的电量估算误差，得到电量偏差值；并判断该电量偏差值是否为正，如果判断结果为是，则进行该单体电池到整组蓄电池的电量均衡；如判断结果为否，则结束本次蓄电池组电量均衡；

步骤六、用该差值加上该节电池的电量估算误差，得到电量偏差值，并判断该电量的偏差值是否为负，如果判断结果为是，则启动整组到单体的均衡；如果判断结果为否，则结束本次蓄电池组电量均衡。

8.根据权利要求7所述的蓄电池组电量均衡方法，其特征在于一次电量均衡的时间等于偏差值的绝对值除以通过检流电阻的电流值。

9.根据权利要求7所述的蓄电池组电量均衡方法，其特征在于步骤一中估算出每节单体电池的电量采用开路电压法。