CN103151815A - 一种电池组单元电池均衡充电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池组单元电池均衡充电控制方法，它是在以由电感和电容两种储能元件与两只功率MOSFET和二只肖特基二极管构成的升降压电路为核心的控制器上完成的。控制器中均衡充电电路是利用由电感和电容构成的二阶振荡电路，通过功率开关管通断控制实现容量偏高的单元电池为电容升压充电以及电容为容量偏低的单元电池降压充电，快捷方便的实现电源电压相差极小的各个单元电池间的能量转移。本发明控制方法通过数字信号处理器的程序控制实现，可以按部就班地完成储能电容预充电，电池组各个单元电池电源电压巡检与存储，容量偏高的单元电池向容量偏低的单元电池转移能量，故障报警等各项工作。

Description

一种电池组单元电池均衡充电控制方法

技术领域

本发明涉及电源技术和电力电子技术领域，尤其涉及一种电池组单元电池均衡充电控制方法。

背景技术

电池组由一些列的单元电池串联而成，每个单元电池的标称电压只有几伏。由于各个单元电池在性能上存在差异，电池组使用一定次数即经过多轮的充电和放电次数后，各个单元电池的电源电压就会出现不一致的想象。由于使用时，每个单元电池既不能过充也不能过放；否则，一个单元电池损坏，整个电池组都无法正常使用。

为了使电池组的每个单元电池的容量在循环使用过程中都能得到充分发挥，最为理想的手段是在动力型电池组充电时对各个单元电池采取有效的均衡充电措施，保证充电完毕时所有单元电池的电源电压基本一致，这样对于提高电池组的寿命具有积极的意义。否则随着充放电次数的增加电池组的总体容量要不断降低，产生电池组寿命降低，有时还会发生安全事故。

目前，电池组均衡方案主要有能耗性和非能耗型两种。能耗性均衡充电电路是在每个单元电池旁通过开关器件并联一个电阻，通过开通并联电阻消耗充满电单元电池的能量来实现均衡，使得未充满电的电池继续充电，避免了已经充满电的电池过充。非能耗型均衡充电电路有多种方式，最具有代表性的是多电容均衡、单个电容均衡、电感均衡、变压器控制均衡电路。以各种均衡电路为核心的均衡充电控制技术，大多是以不同的智能控制方法做技术支撑，控制方法对充电质量有着很大的影响。

发明内容

为了解决上述技术难题，本发明提出一种电池组单元电池均衡充电控制方法，该控制方法是在电池组单元电池均衡充电控制器上实现的，所用到的电池组单元电池均衡充电控制器主要是以由电感和电容两种储能元件与两只功率MOSFET和二只肖特基二极管构成的升降压电路为核心的。

本发明是针对于内含n个单元电池电池组的均衡充电而提出的。本发明电池组单元电池均衡充电控制方法依托于电池组单元电池均衡充电控制器，其中，电池组中具有n个单元电池，电池组中每个单元电池号依次为1，2，3，……，n-1，n；电池组中的n单元电池的正极和负极分别通过n个直流继电器内部所具有的两对常开触点及引线连接至单元电池均衡充电控制管理单元的输入端子P和输入端子N，所述单元电池均衡充电控制管理单元连接有一升降压电路；充电步骤包括：

步骤1：单元电池均衡充电控制管理单元得电复位初始化后，控制所有直流继电器的线圈失电及升降压电路中的两个功能MOSFET管M1和M2的驱动电压为零；

步骤2：单元电池均衡充电控制管理单元判断其输入端子P和输入端子N两端的电压U_PN是否为零；若U_PN大于零，则报警；若U_PN为零，则顺序执行下述步骤：

步骤3：确定并利用电池组中的某一单元电池给储能电容进行预充电；

步骤4：对各个单元电池电源电压进行巡检；

步骤5：确定各个单元电池能量转移出或转移入的次数；

步骤6：根据步骤5确定的次数，单元电池向储能电容转移出或转移入能量；

步骤7：判断是否完成了根据步骤4中确定的各个单元电池间的能量转移，若完成，则返回上述步骤4；若没有完成，则返回上述步骤6；

最终，以断电结束充电。

进一步讲，实现上述步骤3的确定并利用电池组中的某一单元电池给储能电容进行预充电，包括以下步骤：

步骤3-1：读取上次给储能电容预充电的单元电池的电池号为i，判断i=n？，若是，则令i=1；否则，令i=i+1；

步骤3-2：确定本次给储能电容预充电的是该单元电池i，直流继电器线圈Si得电；开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器1，

步骤3-3：判断定时器1的t₁≥t_ONmax？，其中：t₁为定时器1的开启时间，t_ONmax为直流继电器闭合的最大时间，若t₁≥t_ONmax，则报警提示直流继电器Si故障，否则，执行步骤3-4；

步骤3-4：读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN为零，重复执行该步骤3-3，若U_PN不为零，则延时10μs，等待电感电流i_L增大；

步骤3-5：读取U_PN、i_L和U_C，判断i_L≥I_max？，其中，I_max为电感最大电流设定值；若i_L≥I_max，则执行步骤3-6，否则，重新读取U_PN、i_L和U_C；

步骤3-6：直流继电器Si线圈失电，开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器2，判断定时器2的t₂≥t_OFFmax？，其中，t₂分别为定时器2的时间，t_OFFmax为直流继电器断开的最大时间；若t₂≥t_OFFmax，则报警提示直流继电器Si故障，否则，读取U_PN，并判断U_PN=0？，若U_PN=0，执行步骤4，否则，重新判断定时器2的t₂≥t_OFFmax？，直至U_PN=0或报警提示直流继电器Si故障。

进一步讲，实现上述步骤4对各个单元电池电源电压进行巡检，包括以下步骤：

步骤4-1：开计数器k，并清零；

步骤4-2：令k=k+1，确定当前测量单元电池为k，直流继电器Sk线圈得电，开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器1，

步骤4-3：判断定时器1的t₁≥t_ONmax？，若t₁≥t_ONmax，则报警提示直流继电器Sk故障，否则，执行步骤4-4；

步骤4-4：读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN为零，重复执行该步骤4-3，若U_PN不为零；开计数器l，令l=0，ΣU_PNk=0，ΣU_k=0，其中，l为循环次数，ΣU_PNk为循环测量单元电池k的电源电压时的累加值，ΣU_k为k个电池组单元电池电压的累加值；

步骤4-5：l=l+1，读取U_PN，并延时10μs，ΣU_PNk=ΣU_PNk+U_PN，判断l=10？若是，执行步骤4-6；若否，重新执行步骤4-5，直至l=10；

步骤4-6：求U_k=ΣU_PNk/10，即求单元电池k的电源电压10次测量的平均值，并存储将U_k，其中，U_k为单元电池电源电压；同时进行累加ΣU_k=ΣU_k+U_k，直流继电器Sk线圈失电，并开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器2；

步骤4-7：判断定时器2的t₂≥t_OFFmax？，若t₂≥t_OFFmax，则报警提示直流继电器Sk故障，否则，读取U_PN，并判断U_PN=0？；若U_PN=0，判断k=n？若k=n，则U_av=ΣU_k/n，其中，U_av为所有n个单元电池的电源电压测量值的平均值，执行步骤5；若k<n，则执行步骤4-2；若U_PN不为零，重新执行步骤4-7，直至U_PN=0或报警提示直流继电器Sk故障。

进一步讲，实现上述步骤5确定各个单元电池能量转移出或转移入的次数，包括以下步骤：

步骤5-1：开计数器k，并清零；

步骤5-2：令k=k+1，当前测量单元电池号为k，且ΔU_k=U_av-U_k，其中，ΔU_k为所有n个单元电池的电源电压测量值的平均值与单元电池k电源电压的差，根据ΔU_k的正负及其绝对值的大小判断第k个单元电池应该能量转移出或转移入的次数；

步骤5-3：判断k=n？若是，执行步骤6，否则，返回步骤5-2。

进一步讲，实现上述步骤6根据步骤5确定的次数，单元电池向储能电容转移出或转移入能量，包括单元电池向储能电容转移出能量的步骤6A和转移入能量的步骤6B；其中：

转移出能量的步骤6A包括：

步骤6-1A：确定需要向储能电容转移出能量的单元电池，与需移出能量单元电池对应的继电器线圈得电，给升降压电路中的MOSFET管M2施加饱和导通直流驱动高电压；开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器1；

步骤6-2A：判断定时器1的t₁≥t_ONmax？，若t₁≥t_ONmax，则报警提示直流继电器故障，否则，读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN为零，重复执行该步骤6-2A，若U_PN不为零，则延时10μs，等待电感电流i_L增大；

步骤6-3A：读取U_PN、i_L和U_C，判断i_L=0？，若i_L=0，刚才闭合的对应的直流继电器线圈失电，同时，报警提示MOSFET管M2开路故障；若i_L不为零，判断i_L≥I_max？，若i_L≥I_max，则执行步骤6-4A，否则，重新执行6-3A，直至i_L≥I_max；

步骤6-4A：给MOSFET管M2施加关断直流驱动低电压，读取U_PN、i_L和U_C，判断i_L≥1.2I_max？若是，刚才闭合的对应的直流继电器线圈失电，同时，报警提示MOSFET管M2短路故障；若否，则判断i_L=0？，若i_L=0，刚才闭合的对应的直流继电器线圈失电，开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器2；

步骤6-5A：判断定时器2的t₂≥t_OFFmax？，若t₂≥t_OFFmax，则报警提示直流继电器故障，否则，读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN不为零，重新执行步骤6-5A；若U_PN为零，执行转移入能量的步骤6B；

转移入能量的步骤6B包括：

步骤6-1B：确定需要向储能电容转移入能量的单元电池，与需移入能量单元电池对应的继电器线圈得电，开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器1，

步骤6-2B：判断定时器1的t₁≥t_ONmax？，若t₁≥t_ONmax，则报警提示直流继电器故障，否则，读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN为零，重复执行该步骤6-2B，若U_PN不为零，则给升降压电路中的MOSFET管M1施加饱和导通直流驱动高电压，同时延时10μs，等待电感电流i_L幅值增大；

步骤6-3B：读取U_PN、i_L和U_C，判断i_L=0？，若i_L=0，刚才闭合的对应的直流继电器线圈失电，同时，报警提示MOSFET管M1开路故障；若i_L不为零，判断|i_L|≥I_max？，若|i_L|≥I_max，则执行步骤6-4B，否则，重新执行6-3B，直至|i_L|≥I_max；

步骤6-4B：给MOSFET管M1施加关断直流驱动低电压，读取U_PN、i_L和U_C，判断|i_L|≥1.2I_max？若是，刚才闭合的对应的直流继电器线圈失电，同时，报警提示该MOSFET管M1短路故障；若否，则判断i_L=0？，若i_L=0，刚才闭合的对应的直流继电器线圈失电，开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器2；

步骤6-5B：判断定时器2的t₂≥t_OFFmax？，若t₂≥t_OFFmax，则报警提示直流继电器损坏，否则，读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN不为零，重新执行步骤6-5B，若U_PN为零，执行步骤7。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明充电方法是在以由电感和电容两种储能元件与两只功率MOSFET和二只肖特基二极管构成的升降压电路为核心的电池组单元电池均衡充电控制器上实现的，在实现均衡充电方法的电路中，利用由电感和电容构成二阶振荡电路，再利用功率开关管构成的升降压电路，可以极其快捷方便实现电源电压相差极小的各个单元电池间的能量转移。本发明控制方法通过数字信号处理器的程序控制实现，可以按部就班地完成储能电容预充电，电池组各个单元电池电源电压巡检与存储，容量偏高的单元电池向容量偏低的单元电池转移能量，故障报警等各项工作。

附图说明

图1是实现本发明充电方法所用到的电池组单元电池均衡充电控制器电路原理图；

图2是本发明充电方法主流程图；

图3是本发明中确定并利用电池组中的某一单元电池给储能电容进行预充电流程图；

图4是本发明中对各个单元电池电源电压进行巡检流程图；

图5是本发明中确定各个单元电池能量转移出或转移入的次数流程图；

图6是本发明中单元电池向储能电容转移出能量的流程图；

图7是本发明中单元电池向储能电容转移入能量的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明利用电池组单元电池均衡充电控制器的充电方法中中所利用的电池组单元电池均衡充电控制器，由与电池组连接插座CZ连接的插头CT，（n+1）个快速熔断器F1、F2、……、Fn、F(n+1)，具有两对常开触点的n个直流继电器S1、S2、……、S(n-1)、Sn，电阻R1、霍尔式非接触电流传感器HA，储能电感L，两个N沟道功率MOSFET管M1、M2，三个肖特基二极管D1、D2、D3，储能电容C，八个硅快速恢复二极管D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11，以及电池组单元电池均衡充电控制管理单元构成。

所述电池组连接插头CT的（n+1）个插针BP、N1、N2、……、N(n-2)、N(n-1)、BN通过（n+1）根导线分别与所述（n+1）个快速熔断器F1、F2、……、Fn、F(n+1)的一端一一对应相连。

所述快速熔断器F1的另一端通过导线与所述直流继电器S1的常开触点S1₁的固定触点相连；所述快速熔断器F2的另一端通过导线与所述直流继电器S1的常开触点S1₂的固定触点和所述直流继电器S2的常开触点S2₁的固定触点相连；所述快速熔断器F3的另一端通过导线与所述直流继电器S2的常开触点S2₂的固定触点和所述直流继电器S3的常开触点S3₁的固定触点相连；依此类推，直至所述快速熔断器F(n-1)的另一端通过导线与所述直流继电器S(n-2)的常开触点S(n-2)₂的固定触点和所述直流继电器S(n-1)的常开触点S(n-1)₁的固定触点相连；所述快速熔断器Fn的另一端通过导线与所述直流继电器S(n-1)的常开触点S(n-1)₂的固定触点和所述直流继电器Sn的常开触点Sn₁的固定触点相连；所述快速熔断器F(n+1)的另一端通过导线与所述直流继电器Sn的常开触点Sn₂的固定触点相连。

所述所有直流继电器S1、S2、……、S(n-1)、Sn的常开触点S1₁、S2₁、……、S(n-1)₁、Sn₁的动触点用导线连在一起形成节点P；所述节点P还通过导线连接到所述电阻R1的一端，所述节点P通过导线连接到所述电池组单元电池均衡充电控制管理单元输入端子P上；与所述节点P相连的按电流规定方向穿过所述霍尔式非接触电流传感器HA电流检测穿孔的导线同时与所述硅快速恢复二极管D4的阳极、所述肖特基二极管D3的阴极和所述储能电感L的一端相连。

所述所有直流继电器S1、S2、……、S(n-1)、Sn的常开触点S1₂、S2₂、……、S(n-1)₂、Sn₂的动触点用导线连接在一起形成节点N；所述节点N通过导线连接到所述电池组单元电池均衡充电控制管理单元输入端子N上；所述节点N还通过导线同时与所述电阻R1的另一端、所述硅快速恢复二极管D11的阴极、所述肖特基二极管D3的阳极、所述N沟道功率MOSFET管M2的源极、所述肖特基二极管D2的阳极和所述储能电容C的负极相连。

所述霍尔式非接触电流传感器HA通过正负两根直流电源线和一根信号线构成的电缆线通过插接件连接至所述电池组单元电池均衡充电控制管理单元的插接件座J1上。

八个硅快速恢复二极管D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11之间为阴极和阳极依次串联；即：所述硅快速恢复二极管D4的阴极与所述硅快速恢复二极管D5的阳极相连；所述硅快速恢复二极管D5的阴极与所述硅快速恢复二极管D6的阳极相连；所述硅快速恢复二极管D6的阴极与所述硅快速恢复二极管D7的阳极相连；所述硅快速恢复二极管D7的阴极与所述硅快速恢复二极管D8的阳极相连；所述硅快速恢复二极管D8的阴极与所述硅快速恢复二极管D9的阳极相连；所述硅快速恢复二极管D9的阴极与所述硅快速恢复二极管D10的阳极相连；所述硅快速恢复二极管D10的阴极与所述硅快速恢复二极管D11的阳极相连。

所述储能电感L的另一端通过导线同时与所述N沟道功率MOSFET管M1的源极、所述肖特基二极管D1的阳极、所述N沟道功率MOSFET管M2的漏极和所述肖特基二极管D2的阴极相连；

所述N沟道功率MOSFET管M1的漏极通过导线同时与所述肖特基二极管D1的阴极、所述储能电容C的正极和所述电池组单元电池均衡充电控制管理单元输入端子C+相连；所述N沟道功率MOSFET管M1的栅极通过导线与所述电池组单元电池均衡充电控制管理单元上的接线端子1G相连；所述N沟道功率MOSFET管M1的源极通过导线与所述电池组单元电池均衡充电控制管理单元上的接线端子1S相连。

所述N沟道功率MOSFET管M2的栅极通过导线与所述电池组单元电池均衡充电控制管理单元上的接线端子2G相连；所述N沟道功率MOSFET管M2的源极通过导线与所述电池组单元电池均衡充电控制管理单元上的接线端子2S相连。

所述所有直流继电器S1、S2、……、S(n-1)、Sn的线圈设置在所述电池组单元电池均衡充电控制管理单元内；所述电池组单元电池均衡充电控制管理单元工作时由外部电源供电；所述电池组单元电池均衡充电控制管理单元以微处理器为核心，实现电池组单元电池均衡充电控制。所述电池组单元电池均衡充电控制管理单元可以选用任何一款具有A/D转换功能的数字信号处理器，下面的实施例选用数字信号处理器TMS320F28335。

本发明在电池组单元电池均衡充电工作时，整个电池组的充电能量都由电池组串联充电直流电源提供，电池组串联充电直流电源按照电池组的具体充电要求一般遵循先恒流后恒压的模式工作；电池组单元电池均衡充电控制器中的电路仅仅完成各单元电池的均压控制，使得电池组充电结束时各单元电池的电压基本一致。

电池组单元电池均衡充电工作过程中，在电池组串联充电直流电源为电池组串联充电的同时，电池组单元电池均衡充电控制器内的电池组单元电池均衡充电控制管理单元中的数字信号处理器TMS320F28335按程序工作，控制完成均衡充电的各个工作过程。

如图2所示，本发明利用电池组单元电池均衡充电控制器的充电方法包括以下步骤：

数字信号处理器TMS320F28335得电复位初始化后，数字信号处理器TMS320F28335的输出控制保证n个所有直流继电器S1、S2、……、S(n-1)、Sn的线圈都不得电及升降压电路中的两个功能MOSFET管M1和M2的驱动电压为零以确保n个直流继电器的常开触点处于非闭合状态。由电池组单元电池均衡充电控制管理单元输入端子P和N两端电压U_PN，即电阻R1上的电压经过必要的调理电路后送至数字信号处理器TMS320F28335的A/D转换输入口，进行A/D转换；单元电池均衡充电控制管理单元判断其输入端子P和输入端子N两端的电压U_PN是否为零；若U_PN不为零，则存在直流继电器常开触点处于闭合状态，发生了继电器故障，则数字信号处理器TMS320F28335报警，随后数字信号处理器TMS320F28335处于等待工作状态；若U_PN为零，则直流继电器处于正常状态即所有的常开触点处于断开状态，于是可以进行储能电容C的预充电控制工作了。

如图3所示，确定并利用电池组中的某一单元电池给储能电容进行预充电，包括：

步骤3-1：读取上次给储能电容预充电的单元电池的电池号为i，判断i=n？，若是，则令i=1；否则，令i=i+1；

步骤3-2：确定本次给储能电容预充电的是该单元电池i，直流继电器Si的线圈得电；开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器1，

步骤3-3：判断定时器1的t₁≥t_ONmax？，其中：t₁为定时器1的开启时间，t_ONmax为直流继电器闭合的最大时间；若t₁≥t_ONmax，则报警提示直流继电器Si故障，否则，执行步骤3-4；

步骤3-4：读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN为零，重复执行该步骤3-3，若U_PN不为零，则延时10μs，等待电感电流i_L增大；

步骤3-5：读取U_PN、i_L和U_C，判断i_L≥I_max？，其中，I_max为电感最大电流设定值；若i_L≥I_max，则执行步骤3-6，否则，重新读取U_PN、i_L和U_C；

步骤3-6：直流继电器线圈Si失电，开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器2，判断定时器2的t₂≥t_OFFmax？，其中，t₂分别为定时器2的时间，t_OFFmax为直流继电器断开的最大时间；若t₂≥t_OFFmax，则报警提示直流继电器Si故障，否则，读取U_PN，并判断U_PN=0？，若U_PN=0，执行步骤4，否则，重新判断定时器2的t₂≥t_OFFmax？，直至U_PN=0或报警提示直流继电器Si故障。

如图1所示，每次开始进行储能电容C的预充电控制工作时，都要根据上次储能电容C的预充电情况改换为另一个为储能电容C预充电的单元电池，按1、2、……、n、1、2、……的顺序依次改换电元电池。若上次是由单元电池1为储能电容C预充电，则此次改换为单元电池2为储能电容C预充电。单元电池2为储能电容C预充电时，数字信号处理器TMS320F28335首先控制直流继电器S2线圈得电，直流继电器S2两对常开触点S2₁和S2₂闭合，于是形成单元电池2正极经已经接通的电池组插座CZ和电池组单元电池均衡充电控制器插头CT的N1端、快速熔断器F2到达节点P，再由节点P通过连接导线穿过霍尔电流传感器电流检测孔至储能电感L、肖特基二极管D1、储能电容C到达节点N，再由节点N经快速熔断器F3、已经接通的电池组插座CZ和电池组单元电池均衡充电控制器插头CT的N2端至单元电池2负极的电流通路；此电流通路是一个典型的电感电容二阶振荡电路，假设回路电阻为零，则此回路的电流由零开始随时间按正弦规律变化，储能电容C电压由零开始增加；当回路的电流随时间按正弦规律由小变大，再由大变为零的时刻，储能电容C电压接近于单元电池1电源电压的两倍；随后储能电容C试图反方向放电，但是此时肖特基二极管D1截止，整个反方向放电回路不通，储能电容C保持所充的电压保持不变。在此期间数字信号处理器TMS320F28335对应的A/D转换输入口分别检测电池组单元电池均衡充电控制管理单元接插件座J1接收到的霍尔式非接触电流传感器HA传送的回路电流信号、电池组单元电池均衡充电控制管理单元接线端子C+输入的储能电容C电压信号，根据二者的变化规律就能判断出储能电容C预充电结束的时刻。数字信号处理器TMS320F28335一旦检测到储能电容C预充电结束的时刻，数字信号处理器TMS320F28335就控制直流继电器S2线圈失电，直流继电器S2两对常开触点S2₁和S2₂打开。随后转入正式的均衡充电过程，而后续的均衡充电过程是从对电池组各个单元电池电源电压进行巡检工作开始的。

如图4所示，对各个单元电池电源电压进行巡检，包括：

步骤4-1：开计数器k，并清零；

步骤4-2：令k=k+1，确定当前测量单元电池为k，直流继电器Sk线圈得电，开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器1，

步骤4-3：判断定时器1的t₁≥t_ONmax？，若t₁≥t_ONmax，则报警提示直流继电器Sk故障，否则，执行步骤4-4；

步骤4-4：读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN为零，重复执行该步骤4-3，若U_PN不为零；开计数器l，令l=0，ΣU_PNk=0，ΣU_k=0，其中，l为循环次数，ΣU_PNk为循环测量单元电池k的电源电压时的累加值，ΣU_k为k个电池组单元电池电压的累加值；

步骤4-5：l=l+1，读取U_PN，并延时10μs，ΣU_PNk=ΣU_PNk+U_PN，判断l=10？若是，执行步骤4-6；若否，重新执行步骤4-5，直至l=10；

步骤4-6：求U_k=ΣU_PNk/10，即求单元电池k的电源电压10次测量的平均值，并存储将U_k，其中，U_k为单元电池电源电压；同时进行累加ΣU_k=ΣU_k+U_k，直流继电器Sk线圈失电，并开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器2；

步骤4-7：判断定时器2的t₂≥t_OFFmax？，若t₂≥t_OFFmax，则报警提示直流继电器Sk故障，否则，读取U_PN，并判断U_PN=0？；若U_PN=0，判断k=n？若k=n，则U_av=ΣU_k/n，其中，U_av为所有n个单元电池的电源电压测量值的平均值，执行步骤5；若k<n，则执行步骤4-2；若U_PN不为零，重新执行步骤4-7，直至U_PN=0或报警提示直流继电器Sk故障。

如图1所示，数字信号处理器TMS320F28335进行电池组单元电池电源电压巡检工作时，从对单元电池1的电源电压进行巡检开始。首先，数字信号处理器TMS320F28335的A/D转换输入口检测电池组单元电池均衡充电控制管理单元输入端子P和N两端经过必要的调理电路后传送来的的电压信号U_PN。此时，虽然接在节点P和节点N之间的电阻R1阻值较大，但是，电阻R1阻值远远小于此时处于截止状态的N沟道功率MOSFET管M1和肖特基二极管D1并联的电阻阻值，也远远小于N沟道功率MOSFET管M2和肖特基二极管D2并联的电阻阻值；于是储能电容C电压在节点P和节点N之间形成的分压接近于零。若U_PN值较大，则说明有常开触点本应处于断开状态的直流继电器处于闭合状态了，数字信号处理器TMS320F28335输出继电器故障报警，停止电池组单元电池电压巡检工作。若U_PN接近于零，则说明所有直流继电器的常开触点处于非闭合状态，电池组单元电池电压巡检工作继续进行，控制直流继电器S1线圈得电，直流继电器S1两对常开触点S1₁和S1₂闭合，单元电池1的电压经电池组单元电池均衡充电控制管理单元输入端子P和N两端和必要的调理电路送至数字信号处理器TMS320F28335的A/D转换输入口，数字信号处理器TMS320F28335经极短的时间间隔检测几次该输入电压，对这几次检测到的电压经过必要的相当于数字滤波的技术处理，得到接近真实值的单元电池1电源电压检测值U₁，并在指定存储单元存储。然后，进行单元电池2的电压巡检工作。具体过程是：数字信号处理器TMS320F28335控制直流继电器S1线圈失电，直流继电器S1两对常开触点S1₂和S1₂闭合断开，数字信号处理器TMS320F28335的A/D转换输入口检测电池组单元电池均衡充电控制管理单元输入端子P和N两端经过必要的调理电路后传送来的的电压信号U_PN，若在特定的一段时间之后U_PN还不接近于零，则说明常开触点S1₁和S1₂仍然处于闭合状态的直流继电器，说明直流继电器S1出现故障，数字信号处理器TMS320F28335报警，停止电池组单元电池电压巡检工作；若在特定的一段时间内U_PN接近于零，则说明所有直流继电器的常开触点处于非闭合状态，电池组单元电池电压巡检工作继续进行，控制直流继电器S2线圈得电，直流继电器S2两对常开触点S2₁和S2₂闭合，单元电池2的电压电压经电池组单元电池均衡充电控制管理单元输入端子P和N两端和必要的调理电路送至数字信号处理器TMS320F28335的A/D转换输入口，数字信号处理器TMS320F28335经极短的时间间隔检测几次该输入电压，对这几次检测到的电压经过必要的相当于数字滤波技术处理，得到单元电池2电源电压检测值U₂，并在指定存储单元存储。依照上述类似的方式对电池组其余的单元电池电源电压进行巡检。

如图5所示，确定各个单元电池能量转移出或转移入的次数，包括：

步骤5-1：开计数器k，并清零；

步骤5-2：令k=k+1，当前测量单元电池号为k，且ΔU_k=U_av-U_k，其中，ΔU_k为所有n个单元电池的电源电压测量值的平均值与单元电池k电源电压的差，根据ΔU_k的正负及其绝对值的大小判断第k个单元电池应该能量转移出或转移入的次数；

步骤5-3：判断k=n？若是，执行步骤6，否则，返回步骤5-2。

整个电池组单元电池电源电压进行巡检后得到n个单元电池电源电压检测值U₁、U₂、……、U_(n-1)、U_n。数字信号处理器TMS320F28335对n个单元电池电源电压检测值U₁、U₂、……、U_(n-1)、U_n按大小比较后排序，计算出各个单元电池的容量与电池组单元电池平均容量之间的差异、单元电池每次向外转移能量和单元每次向内接受的能量大小，从而决定每个容量偏高的单元电池每次向外转移能量的次数，以及每个容量偏低的单元电池应该向内接受能量的次数。紧接着，单元电池向储能电容转移出或转移入能量，即数字信号处理器TMS320F28335进行容量偏高的单元电池向容量偏低的单元电池转移能量的控制工作。

如图6所示，转移出能量的步骤包括：

步骤6-1A：确定需要向储能电容转移出能量的单元电池，与需移出能量单元电池对应的继电器线圈得电，给升降压电路中的MOSFET管M2施加饱和导通直流驱动高电压；开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器1；

步骤6-2A：判断定时器1的t₁≥t_ONmax？，若t₁≥t_ONmax，则报警提示直流继电器故障，否则，读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN为零，重复执行该步骤6-2A，若U_PN不为零，则延时10μs，等待电感电流i_L增大；

步骤6-3A：读取U_PN、i_L和U_C，判断i_L=0？，若i_L=0，直流继电器Sk线圈失电，同时，报警提示MOSFET管M2开路故障；若i_L不为零，判断i_L≥I_max？，若i_L≥I_max，则执行步骤6-4A，否则，重新执行6-3A，直至i_L≥I_max；

步骤6-4A：给MOSFET管M2施加关断直流驱动低电压，读取U_PN、i_L和U_C，判断i_L≥1.2I_max？若是，刚才闭合的对应的直流继电器线圈失电，同时，报警提示MOSFET管M2短路故障；若否，则判断i_L=0？，若i_L=0，刚才闭合的对应的直流继电器线圈失电，开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器2；

步骤6-5A：判断定时器2的t₂≥t_OFFmax？，若t₂≥t_OFFmax，则报警提示直流继电器故障，否则，读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN不为零，重新执行步骤6-5A；若U_PN为零，执行转移入能量的步骤6B；

如图7所示，转移入能量的步骤包括：

步骤6-1B：确定需要向储能电容转移入能量的单元电池，与需移入能量单元电池对应的继电器线圈得电，开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器1，

步骤6-2B：判断定时器1的t₁≥t_ONmax？，若t₁≥t_ONmax，则报警提示直流继电器故障，否则，读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN为零，重复执行该步骤6-2B，若U_PN不为零，则给升降压电路中的MOSFET管M1施加饱和导通直流驱动高电压，同时延时10μs，等待电感电流i_L幅值增大；

步骤6-3B：读取U_PN、i_L和U_C，判断i_L=0？，若i_L=0，刚才闭合的对应的直流继电器线圈失电，同时，报警提示MOSFET管M1开路故障；若i_L不为零，判断|i_L|≥I_max？，若|i_L|≥I_max，则执行步骤6-4B，否则，重新执行6-3B，直至|i_L|≥I_max；

步骤6-4B：给MOSFET管M1施加关断直流驱动低电压，读取U_PN、i_L和U_C，判断|i_L|≥1.2I_max？若是，刚才闭合的对应的直流继电器线圈失电，同时，报警提示该MOSFET管M1短路故障；若否，则判断i_L=0？，若i_L=0，刚才闭合的对应的直流继电器线圈失电，开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器2；

步骤6-5B：判断定时器2的t₂≥t_OFFmax？，若t₂≥t_OFFmax，则报警提示直流继电器损坏，否则，读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN不为零，重新执行步骤6-5B，若U_PN为零，执行步骤7。

完成了各个单元电池间的能量转移后，最终，以断电结束充电。

下面结合图1并以容量偏高的单元电池1向容量偏低的单元电池2转移能量的控制工作过程为例说明本发明充电方法的工作原理。

首先，数字信号处理器TMS320F28335首先控制直流继电器S1线圈得电，直流继电器S1两对常开触点S1₁和S1₂闭合；与此同时数字信号处理器TMS320F28335控制电路通过电池组单元电池均衡充电控制管理单元上的接线端子G2和S2在N沟道功率MOSFET管M2的栅极与源极间施加一个足以使其饱和导通的直流电压驱动。于是形成由单元电池1正极经已经接通的电池组插座CZ和电池组单元电池均衡充电控制器插头CT的BP端、快速熔断器F1到达节点P，再由节点P通过导线穿过霍尔电流传感器电流检测孔至储能电感L、饱和导通的N沟道功率MOSFET管M2到达节点N，再由节点N经快速熔断器F2、已经接通的电池组插座CZ和电池组单元电池均衡充电控制器插头CT的N1端至单元电池1负极的单元电池1的放电通路。单元电池1的电源电压几乎全部时间施加在储能电感L上，储能电感L电流线性增加，储能电感L电流达到设定值I_max时，数字信号处理器TMS320F28335控制电路通过电池组单元电池均衡充电控制管理单元上的接线端子G2和S2在N沟道功率MOSFET管M2的栅极与源极间施加一个使其关断的零电压驱动，N沟道功率MOSFET管M2关断。由于储能电感L上的电流不能突变，其自感电压迫使肖特基二极管D1导通，于是形成由单元电池1正极经已经接通的电池组插座CZ和电池组单元电池均衡充电控制器插头CT的BP端、快速熔断器F1到达节点P，再由节点P通过导线穿过霍尔电流传感器电流检测孔至储能电感L、肖特基二极管D1、储能电容C到达节点N，再由节点N经快速熔断器F2、已经接通的电池组插座CZ和电池组单元电池均衡充电控制器插头CT的N1端至单元电池1负极的电流通路，该电流通路就是单元电池1为储能电容C升压充电的通路；此升压充电电流由I_max很快降为零，当升压充电电流减小到零的时刻，储能电容C电压达到一个比较高的数值；随后储能电容C试图反方向放电，但是此时肖特基二极管D1截止，整个反方向放电回路不通，储能电容C保持所充得的较高电压保持不变。紧接着，数字信号处理器TMS320F28335控制直流继电器S1线圈失电，直流继电器S1两对之前闭合的常开触点S1₁和S1₂打开；数字信号处理器TMS320F28335检测电压U_PN信号，检测电压到U_PN信号为零后，数字信号处理器TMS320F28335控制直流继电器S2线圈得电，直流继电器S2两对常开触点S2₁和S2₂闭合。数字信号处理器TMS320F28335一旦检测到U_PN信号接近单元电池2的电源电压，则微处理器控制电路通过电池组单元电池均衡充电控制管理单元上的接线端子G1和S1在N沟道功率MOSFET管M1的栅极与源极间施加一个足以使其饱和导通的直流电压驱动；于是形成由储能电容C正极经肖特基二极管D1、储能电感L、反向穿过穿过霍尔电流传感器电流检测孔至节点P，再由节点P经快速熔断器F2、已经接通的电池组插座CZ和电池组单元电池均衡充电控制器插头CT的BP端、单元电池2的正极、单元电池2的负极、已经接通的电池组插座CZ和电池组单元电池均衡充电控制器插头CT的N1端、快速熔断器F3、节点N至储能电容C负极的储能电容C的放电回路，为电源电压偏低的单元电池2补充能量；此放电电流迅速增加，一旦此放电电流增大到设定值I_max，数字信号处理器TMS320F28335控制电路通过电池组单元电池均衡充电控制管理单元上的接线端子G1和S1在N沟道功率MOSFET管M1的栅极与源极间施加一个使其关断的零电压驱动，N沟道功率MOSFET管M1关断；由于储能电感L上的电流不能突变，其自感电压迫使肖特基二极管D2导通，于是形成由节点N至肖特基二极管D1、储能电感L、反向穿过穿过霍尔电流传感器电流检测孔至节点P，再由节点P经快速熔断器F2、已经接通的电池组插座CZ和电池组单元电池均衡充电控制器插头CT的BP端、单元电池2的正极、单元电池2的负极、已经接通的电池组插座CZ和电池组单元电池均衡充电控制器插头CT的N1端、快速熔断器F2至节点N储能电感L的放电回路，将储能电感L的磁场储能继续转移到单元电池2内；储能电感L的放电电流近似线性减小，直至储能电感L的磁场储能全部转移出去，储能电感L的放电电流降为零；储能电感L的放电电流一旦降为零，数字信号处理器TMS320F28335控制直流继电器S2线圈失电，直流继电器S2两对常开触点S2₁和S2₂断开。容量偏高的单元电池1向容量偏低的单元电池2转移能量的控制工作过程结束。

随后，再按照上述类似的控制方式进行剩余的容量偏高的单元电池向容量偏低的单元电池转移能量的所有控制工作。

上述一轮容量偏高的单元电池向容量偏低的单元电池转移能量的所有控制工作结束后，再进行新一轮的对电池组各个单元电池电压进行巡检工作和容量偏高的单元电池向容量偏低的单元电池转移能量的控制工作；一轮一轮地不断重复工作，直至电池组充电结束，基本能够保证电池组内的各个单元电池的电源电压基本一致，达到电池组均衡充电要求。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种电池组单元电池均衡充电控制方法，电池组中具有n个单元电池，电池组中每个单元电池号依次为1，2，3，……，n-1，n；电池组中的n单元电池的正极和负极分别通过n个直流继电器内部所具有的两对常开触点及引线连接至单元电池均衡充电控制管理单元的输入端子P和输入端子N，其特征在于：所述单元电池均衡充电控制管理单元连接有一升降压电路；充电步骤包括：

步骤1：单元电池均衡充电控制管理单元得电复位初始化后，控制所有直流继电器的线圈失电及升降压电路中的两个功能MOSFET管M1和M2的驱动电压为零；

步骤2：单元电池均衡充电控制管理单元判断其输入端子P和输入端子N两端的电压U_PN是否为零；若U_PN大于零，则报警；若U_PN为零，则顺序执行下述步骤：

步骤3：确定并利用电池组中的某一单元电池给储能电容进行预充电；

步骤4：对各个单元电池电源电压进行巡检；

步骤5：确定各个单元电池能量转移出或转移入的次数；

步骤6：根据步骤5确定的次数，单元电池向储能电容转移出或转移入能量；

步骤7：判断是否完成了根据步骤4中确定的各个单元电池间的能量转移，若完成，则返回上述步骤4；若没有完成，则返回上述步骤6；

最终，以断电结束充电。

2.根据权利要求1所述电池组单元电池均衡充电控制方法，其特征在于：步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：读取上次给储能电容预充电的单元电池的电池号为i，判断i=n？，若是，则令i=1；否则，令i=i+1；

步骤3-2：确定本次给储能电容预充电的是该单元电池i，直流继电器Si的线圈得电；开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器1，

步骤3-3：判断定时器1的t₁≥t_ONmax？，其中：t₁为定时器1的开启时间，t_ONmax为直流继电器闭合的最大时间；若t₁≥t_ONmax，则报警提示直流继电器故障，否则，执行步骤3-4；

步骤3-4：读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN为零，重复执行该步骤3-3，若U_PN不为零，则延时10μs，等待电感电流i_L增大；

步骤3-5：读取U_PN、i_L和U_C，判断i_L≥I_max？，其中，I_max为电感最大电流设定值；若i_L≥I_max，则执行步骤3-6，否则，重新读取U_PN、i_L和U_C；

步骤3-6：直流继电器Si线圈失电，开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器2，判断定时器2的t₂≥t_OFFmax？，其中，t₂分别为定时器2的时间，t_OFFmax为直流继电器断开的最大时间；若t₂≥t_OFFmax，则报警提示直流继电器Si故障，否则，读取U_PN，并判断U_PN=0？，若U_PN=0，执行步骤4，否则，重新判断定时器2的t₂≥t_OFFmax？，直至U_PN=0或报警提示直流继电器Si故障。

3.根据权利要求1所述电池组单元电池均衡充电控制方法，其特征在于：步骤4包括以下步骤：

步骤4-1：开计数器k，并清零；

步骤4-2：令k=k+1，确定当前测量单元电池为k，直流继电器Sk线圈得电，开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器1，

步骤4-3：判断定时器1的t₁≥t_ONmax？；若t₁≥t_ONmax，则报警提示直流继电器Sk故障，否则，执行步骤4-4；

步骤4-4：读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN为零，重复执行该步骤4-3，若U_PN不为零；开计数器l，令l=0，ΣU_PNk=0，ΣU_k=0，其中，l为循环次数，ΣU_PNk为循环测量单元电池k的电源电压时的累加值，ΣU_k为k个单元电池电源电压的累加值；

步骤4-5：l=l+1，读取U_PN，并延时10μs，ΣU_PNk=ΣU_PNk+U_PN，判断l=10？若是，执行步骤4-6；若否，重新执行步骤4-5，直至l=10；

步骤4-6：求U_k=ΣU_PNk/10，即求单元电池k的电源电压10次测量的平均值，并存储将U_k，其中，U_k为单元电池电源电压；同时进行累加ΣU_k=ΣU_k+U_k，直流继电器Sk线圈失电，并开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器2；

步骤4-7：判断定时器2的t₂≥t_OFFmax？若t₂≥t_OFFmax，则报警提示直流继电器Sk故障，否则，读取U_PN，并判断U_PN=0？；若U_PN=0，判断k=n？若k=n，则U_av=ΣU_k/n，其中，U_av为所有n个单元电池的电源电压测量值的平均值，执行步骤5；若k<n，则执行步骤4-2；若U_PN不为零，重新执行步骤4-7，直至U_PN=0或报警提示直流继电器Sk故障。

4.根据权利要求1所述电池组单元电池均衡充电控制方法，其特征在于：步骤5包括以下步骤：

步骤5-1：开计数器k，并清零；

步骤5-2：令k=k+1，当前测量单元电池号为k，计算ΔU_k=U_av-U_k，其中，ΔU_k为所有n个单元电池的电源电压测量值的平均值与单元电池k电源电压的差，根据ΔU_k的正负及其绝对值的大小判断第k个单元电池应该能量转移出或转移入的次数；

步骤5-3：判断k=n？若是，执行步骤6，否则，返回步骤5-2。

5.根据权利要求1所述电池组单元电池均衡充电控制方法，其特征在于：步骤6包括单元电池向储能电容转移出能量的步骤6A和转移入能量的步骤6B；其中：

转移出能量的步骤6A包括：

步骤6-1A：确定需要向储能电容转移出能量的单元电池，与需移出能量单元电池对应的继电器线圈得电，给升降压电路中的MOSFET管M2施加饱和导通直流驱动高电压；开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器1；

步骤6-2A：判断定时器1的t₁≥t_ONmax？，若t₁≥t_ONmax，则报警提示直流继电器故障，否则，读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN为零，重复执行该步骤6-2A，若U_PN不为零，则延时10μs，等待电感电流i_L增大；

步骤6-3A：读取U_PN、i_L和U_C，判断i_L=0？，若i_L=0，直流继电器Sk线圈失电，同时，报警提示MOSFET管M2开路故障；若i_L不为零，判断i_L≥I_max？，若i_L≥I_max，则执行步骤6-4A，否则，重新执行6-3A，直至i_L≥I_max；

步骤6-4A：给MOSFET管M2施加关断直流驱动低电压，读取U_PN、i_L和U_C，判断i_L≥1.2I_max？若是，刚才闭合的对应的直流继电器线圈失电，同时，报警提示MOSFET管M2短路故障；若否，则判断i_L=0？，若i_L=0，刚才闭合的对应的直流继电器线圈失电，开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器2；

步骤6-5A：判断定时器2的t₂≥t_OFFmax？，若t₂≥t_OFFmax，则报警提示直流继电器故障，否则，读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN不为零，重新执行步骤6-5A；若U_PN为零，执行转移入能量的步骤6B；

转移入能量的步骤6B包括：

步骤6-1B：确定需要向储能电容转移入能量的单元电池，与需移入能量单元电池对应的继电器线圈得电，开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器1，

步骤6-2B：判断定时器1的t₁≥t_ONmax？，若t₁≥t_ONmax，则报警，否则，读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN为零，重复执行该步骤6-2B，若U_PN不为零，则给升降压电路中的MOSFET管M1施加饱和导通直流驱动高电压，同时延时10μs，等待电感电流i_L幅值增大；

步骤6-3B：读取U_PN、i_L和U_C，判断i_L=0？，若i_L=0，刚才闭合的对应的直流继电器线圈失电，同时，报警提示MOSFET管M1开路故障；若i_L不为零，判断|i_L|≥I_max？，若|i_L|≥I_max，则执行步骤6-4B，否则，重新执行6-3B，直至|i_L|≥I_max；

步骤6-4B：给MOSFET管M1施加关断直流驱动低电压，读取U_PN、i_L和U_C，判断|i_L|≥1.2I_max？若是，直流继电器线圈失电，同时，报警提示该MOSFET管M1短路故障；若否，则判断i_L=0？，若i_L=0，刚才闭合的对应的直流继电器线圈失电，开启单元电池均衡充电控制管理单元中的定时器2；

步骤6-5B：判断定时器2的t₂≥t_OFFmax？，若t₂≥t_OFFmax，则报警提示直流继电器损坏，否则，读取U_PN，判断U_PN是否为零，若U_PN不为零，重新执行步骤6-5B，若U_PN为零，执行步骤7。

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