CN108099636A - 一种电池组均衡及保护的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池组均衡及保护的装置和方法，它包含：主系统控制单元、上位机单元、可编程高压充电单元、低压恒压充电单元、下位机及电芯检测单元、硬件保护电路、电芯单元、继电器等。主系统控制单元负责接受外部操作、显示当前状态以及控制上位机单元的工作状态、接收上位机单元返回的信息，主系统控制单元根据返回信息做出相应的处置；上位机单元接受主系统控制单元的控制后，执行对其余单元的自动检测，并把检测以及处理结果上传给主系统控制单元；在上述单元的协调控制下，确保每个电芯的充放电循环次数、循环深度基本一致，以及避免电池组在充放电使用的过程中引发的安全事故，使得电池组的可靠性、循环寿命大幅度提高。

Description

一种电池组均衡及保护的装置和方法

技术领域

本发明涉及电池充电技术领域，具体涉及一种电池组均衡及保护的装置和方法。

背景技术

目前的电池组大多以串联使用的方式最为常见，由于电芯内阻或多或少存在着差异，虽然电池组出厂前都经过严格的配对，但是电池使用一段时间后，由于各种因素将导致电池的内阻发生变化，假如不采取相应的措施，在进行串联充电时，内阻大、容量小的电芯获得的充电电压高，很容易过充，导致该电芯提前损坏；内阻小、容量大的电芯上获得的充电电压低，使得该电芯充不满电；放电时内阻大、容量小的电池提前放完电，且很容易过放而损坏电芯，最终严重影响电池组的使用效率和寿命；为此业界采用了多种均衡控制技术来减缓串联电池组内电芯的容量衰减速度，主要有以下几种方式：

1、功率耗散型的均衡方法，这种方法是在为串联电池组进行恒压恒流充电时，通过监测每个电芯上的充电电压，当充电电压达到恒压充电的设定值时，接通并联在电芯两端的电阻放电回路，通过电阻放电的方式，将多余的电能泄放掉，以维持电芯两端的电压基本不变(以完成恒压充电的过程，这个过程非常重要)，从而避免电芯过充电。放电时，由于电芯内阻的不一致导致内阻大的电芯放电时电压下降快，内阻小的电芯电压下降慢，为此有两种解决方法，其一是，当内阻大的电芯电压下降到设定的保护电压时，关闭整组电池的输出。其二是，接通并联在内阻小的电芯两端的电阻放电回路，使该电芯加快放电速度，以维持所有电芯的放电深度基本一致，直到整组电池的电压达到设定的保护电压时关闭整组电池组的输出。上述解决方案的缺陷是显而易见的。首先是造成能量的浪费，还产生大量的热量，给电池组的热管理带来巨大的负担。其次是不能解决木桶效应，也就是说，整组电池的放电是由容量最小的电芯来决定。

2、能量转移型的均衡方法，这种方法是充电时监测每节电芯的电压，当有电芯的电压达到设定的恒压充电的电压值时，利用并联在该电芯两端的能量转移开关电源(或者能量转移电容)将该电芯上多余的电能转移到电压低的电芯上或整个电池组中，以维持该电芯的电压不变，达到对该电芯进行恒压充电的目的，并联在电芯两端的开关电源可以具有双向转换的功能，既可以将电芯的电能转移到电池组，又可以将电能由电池组转移到电芯。放电时，当电芯监测电路发现某节电芯的电压下降较快时，启动能量转移电路，由电压高的电芯或电池组的电能为该电芯补充能量，以减缓该电芯电压下降得过快。这种均衡方法显然比能量耗散的均衡方法要节能，且具有较高的转换效率。上述方法其缺点也是显著的，由于采用了大量的开关电源，电路复杂，故障率高，且在为大容量电芯均衡时，将受到以下条件的制约：充电时，要想把电压高的电芯上的电能快速转移到其他电压低的电芯中去，就要从电压高的电芯中抽取大电流经变压器耦合到其他电压低的电芯中去，然而由于单个电芯的电压都只有4V左右甚至以下，以及变压器容量、变压器复用等多种因素的限制，这就导致变压器及其组件无法抽取太大的电流，因此均衡就要较长的时间，如果电芯使用的时间较长，其差异也会越来越大，均衡的时间则会更长，如果用电容来转移能量的话，速度会更慢。放电时，利用能量转移开关电源将电压高的电芯上的电能转移到电压低的电芯上，然而由于单个电芯的电压都只有4V左右甚至以下，以及变压器容量、变压器复用等多种因素的限制，这也会导致变压器及其组件无法提供太大的电流，也会导致均衡时间太长。而且这种趋势会越来越严重，经常无法满足大电流放电的需要，有时甚至是杯水车薪，例如，在已经使用一段时间的纯电动汽车上，其能量转移的速度往往赶不上电池放电的速度，从而导致有时电动车辆不得不停下来进行能量转移，还有电量下降快的电芯其内阻必然较大，也就意味着该电芯的容量也较小，如果对容量小的电芯进行越来越频繁的充放电，必然导致其容量衰减速度迅速加快，因此影响到整个电池组的使用寿命。

3、还有一种方法，如专利(专利号：201310619867.0和专利号201110008944.X)提出的方法，这种方法在电池组还比较新的状态下充电时看似解决了电池的充电均衡问题，但也存在着以下问题：当电芯充到设定的充电电压后，该电芯切出电池组，这时要将充电电压降低以匹配对电芯数量减少后的电池组提供合适的充电电压，当已经充满电且从充电回路中切出的电芯经过一段时间后，电芯的电压下降到预先设定的电压值时，电芯会再次切入充电回路，同时适当升高充电电压以匹配对增加了电芯数量的电池组提供合适的充电电压，这样一来，充电电压会反复变化，从而延长了充电时间。重要的是，电芯充到最高的设定充电电压，并不意味着该电芯已经充满电，原因是没有恒压充电的过程。从单电芯的充电曲线可以看出，恒流充电模式结束后，就转入恒压充电模式，如果在转入恒压模式时停止充电，那么电芯只是充到满电量的70％-80％左右，这将造成很大的浪费。由于电芯在出厂时经过严格的配对，因此在电池组使用的初期，上述这种恒流恒压充电方式导致的各个电芯充电电量差别不大，使用一段时间后，不可避免会产生电芯内阻差异，如果不采取措施，这种差异会形成快速恶性循环，导致内阻大的电芯上加的充电电压高，内阻小的电芯上加的充电电压低，对于内阻大的电芯来说，由于该电芯上加的电压比较高，使其恒压充电的时间变短，甚至没有恒压充电的过程，导致该电芯充的浅放的深，尤其是在充电的后期，由于无法根据该电芯当前所加的电压来为该电芯设定合理的充电电流，使得该电芯工作在比较差的条件下，从而使该电芯的循环寿命迅速缩短。最终导致电池组的使用寿命缩短。其次，在整个电池组快充满的状态下，这时只有少数的几个电芯、甚至一个电芯在充电，此时充电电源的输出电压只有几伏，这相对于刚开始对串联电池组充电时的充电单元输出的几十伏甚至几百伏的电压而言，效率还非常低下、电压稳定度也很难保证，不但容易损坏正在充电的电芯，而且充电电源自身也极易出故障。同理，上述专利在放电时依然不能实现有效的放电均衡，例如，当电池组中的内阻大的某一个电芯降到最低的电压值时，该电芯将切出电池组，但此时该电芯已经处于深度放电状态，众所周知，充放电循环次数及充放电循环深度对电芯的寿命影响是举足轻重的，内阻高的电芯其寿命急剧缩短的现象并没有得到有效的控制，另外，由于采用了电芯切入切出的充放电机制，这就导致其在放电时会出现电池组瞬间断电的现象，这在很多场合是不可以接受的，虽说通过电池组的并联可以解决这个问题，但使得相关控制电路的成本及其复杂程度会成倍的增加，从而降低了相关控制电路的可靠性及可操作性。还有就是，如果在电芯串联数量较多的电池组中，有一个或一个以上的电芯需要激活时，就还会导致整个电池组需要等待电芯激活后才能对整个电池组充电，这使得充电效率进一步降低。

更重要的是，以上的几种方案对于拥有众多电芯的电池组来说，下位机(电子开关或能量转移开关电源)的数量也非常多，其下位机(电子开关或能量转移开关电源)及相关电路、电芯故障率也必然急剧大幅上升，无论在充电还是放电的过程中，如果缺乏有效的对比验证、自动检测和完善的保护机制，一旦遇到电芯开路、下位机(电子开关或能量转移开关电源)及相关电路、继电器故障，或者因为电芯开路导致的下位机(电子开关或能量转移开关电源)及相关电路、继电器故障，系统将难以应对，将直接导致事故的发生，甚至威胁到使用者的生命安全。

众所周知，影响整个电池组的使用寿命的多个因素中，充放电循环次数和放电深度以及充放电循环区间是非常关键的因素，然而在上述的三种解决方案中，无论是充电均衡还是放电均衡，在一定程度上解决了电池组电芯的短板现象，但是却以电芯的循坏次数、充放电循环区间和充电时间为代价，其安全性也非常低，有的方法还会导致电池组在运行期间因为切换电芯而带来的瞬间断电的现象，大大限制了电池组的应用场合。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有确保电池组中的每个电芯的充放电循环次数、循环深度基本一致，从而实现最大限度延长电池组的使用寿命，以及大幅度降低电池组在充放电使用的过程中因电芯或电路故障导致车辆抛锚或由此引发的安全事故，使得电池组的使用效率、可靠性大幅度提高的电池组均衡及保护的装置和方法。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：一种电池组均衡及保护的装置和方法，包含：主系统控制单元1、上位机单元2、可编程高压充电单元4、低压恒压充电单元5、下位机及电芯检测单元3、硬件保护电路、电芯单元6、驱动器7、辅助充电单元8、传感器单元9、电机驱动单元10、主系统电池B以及相关的隔离电路、高压超级电容C1、继电器K1-Kn等。

主系统控制单元1负责接受外部操作(如人为命令操作)、显示当前状态以及控制上位机单元2的工作状态，接收上位机单元2返回的信息，主系统控制单元1根据返回信息做出相应的处置；在主系统控制单元1的控制下新配组或维修后的电池组在使用前都需要进行标定，即：检测并存储电芯的类别、各个电芯的电量、电压、ID以及总电量等参数；电池组完成标定后，在电池组每次充电以及每次放电前，主系统控制单元1都可以对上位机单元2发出自检命令，也可以根据需要发出自检命令，以执行对电芯电压的对比验证以及对下位机及电芯检测单元3、硬件保护电路、隔离电路、电芯单元6、继电器K1-Kn等关键部件的自动检测，并把检测以及处理结果上传给主系统控制单元1，如果检测结果正常(这其中包括已经对故障单元成功地完成了屏蔽，使电池组中好的电芯可以进行正常的充放电操作均视为检测结果正常)，则可以对电池组进行充放电的操作，如果发现关键部件异常，如温度异常、继电器故障，则停止操作并报警。

上述检测通过后，在充电前或充电的同时主系统控制单元1或上位机单元2将依据上述判断结果对需要激活的电芯进行激活处理，假设需要激活的电芯有一个或一个以上，上位机单元2将把这些需要激活的电芯全部切入到低压恒压充电单元5的充电回路中进行并联间歇激活充电(由于是多电芯并联激活充电，导致加到每个电芯的电压相同电流各异，为节省激活充电的时间和降低不必要的电能浪费，应尽快区分出可以激活的电芯和不能激活的电芯，这里区分可以激活的电芯和无法激活的电芯的方法是：在并联激活充电一段时间后，随即把各个被激活充电的电芯切出低压恒压充电单元5，此时电芯电压有所升高的是可以激活的电芯，电芯电压不变或没有电压的是无法激活的电芯，如此往复)，以达到在电芯并联的状态下快速区分出可以激活的电芯和无法激活的电芯的目的，避免了在无法激活的电芯上浪费更多的时间和电能，从而提高了激活充电的效率。

与此同时，主系统控制单元1还可以控制上位机单元2对正常的电芯进行充电操作，即：

充电时，在主系统控制单元1的控制下，上位机单元2可以根据当前待串联充电电芯的个数调整可编程高压充电单元4输出匹配的电压、电流为电池组进行恒压恒流充电，当电池组中的某个电芯的电压上升到设定的恒压充电电压值时，上位机单元2将下达指令让可编程高压充电单元4暂时停止充电，然后将该电芯从串联电池组中切出后再切入到低压恒压充电单元5的充电回路中准备进行最后的恒压充电，随即上位机单元2将根据剩余的待串联充电电芯数量调整可编程高压充电单元4输出与剩余待充电电芯匹配的电压、电流继续为电池组进行恒压恒流充电，随后，上位机单元2令低压恒压充电单元5为上述已经切入的电芯继续进行低压恒压充电。依此类推，随着可编程高压充电单元4对串联电池组充电的继续，会不断有电芯从串联充电回路中切出后再切入到低压恒压充电单元5的充电回路中，由于电芯单元6中的隔离电路的作用，使得上述从串联充电回路中切出后，再切入到低压恒压充电回路的电芯可以是一个或一个以上并联在一起进行低压恒压充电，最终在低压恒压充电回路中进行恒压充电的某个电芯的充电电流减小到设定的电流值时，该电芯将从低压恒压充电单元5的充电回路中切出(对于在低压恒压充电单元5进行并联充电的电芯，由于其充电电流有大有小，同样可以用电流对比验证的方式来确保每个电芯的充电电流检测都准确无误，即：各个被充电电芯的充电电流之和等于低压恒压充电单元5输出的充电电流。低压恒压充电单元5的总输出电流大小是由正在被低压恒压充电的电芯中的某个电芯达到设定的最大充电电流加上其余电芯的充电电流之和决定)。当在可编程高压充电单元4的充电回路中进行充电的电芯数量少于设定的最小充电电芯数量或者小于设定的充电功率时，上位机单元2将令可编程高压充电单元4停止充电，同时把这些剩余的电芯逐个切入低压恒压充电单元5进行充电，以确保低压恒压充电单元5在任何时候都不发生过载。在低压恒压充电回路中充满电的电芯则逐个切出该充电回路，直到所有的电芯都充满电而切出为止。

由此可见，可编程高压充电单元4对串联充电回路中的电芯进行充电的同时，也可以用低压恒压充电单元5对先前已经切出串联充电回路的问题电芯进行激活修复，做到激活和充电两不误；也可以在没有市电的情况下，利用已经充满电的串联电池组通过具有与电池组匹配的输入电压的低压恒压充电单元5对问题电芯进行激活、修复、充电，这样大大节省了激活充电时间。低压恒压充电单元5可以是一个或一个以上，且可以有不同的输入电压等级。

放电时(放电前也可以像充电前那样先运行自检流程，以及时发现问题并作出相应的处置)，采用梯度循环放电的方式，如下所述，上位机单元2首先去控制相关继电器将全部可用的电芯串联起来，上位机单元2记录当前待放电的各个电芯的电压或电量的平均值和总电量值，随着放电的进行，电池组的电压或电量逐渐下降，当发现某节或某些电芯的电压或电量下降幅度超过上述记录的平均值的预设最高限值时，上位机单元2随即中断电池组的输出，把上述某节或某些(根据电芯的电压或电量由低到高的顺序选出要切出的电芯)电芯切出电池组，然后将之前切出电池组的电芯切入，也就是说，可以预先留有单独的备份电芯，也可以不留备份电芯，如果不留备份电芯则跳过，本发明的描述都是基于不留备份电芯来描述的，上位机单元2则记录当前参与放电的各个电芯的电压或电量的平均值和总剩余电量，并刷新之前的记录参数，随后上位机单元2再次使这些重新串联起来的电芯继续参与放电。同理，随着放电的继续，当上位机单元2发现某节或某些电芯的电压或电量下降幅度超过上述记录的平均值的预设最高限值时，上位机单元2随即中断电池组的输出，把上述某节或某些(根据电芯的电压或电量由低到高的顺序选出要切出的电芯)电芯切出电池组，并将之前切出电池组的电芯重新切入电池组，上位机单元2则记录当前参与放电的各个电芯的电压或电量的平均值和总剩余电量，并刷新之前的记录参数，然后上位机单元2令电池组继续放电。依此类推，直到电池组放电完毕。当然，也可以结合利用踩刹车且在松开刹车时作为触发条件来完成电芯的切换，即：当检测到有刹车动作时首先进行能量回收，能量回收完毕在松开刹车时电芯才开始切换，这样驾乘人员是感觉不到这个切换过程。也可以根据实际需要利用输入电压和电池组匹配的低压恒压充电单元5对切出电池组的电芯进行补充电能。也就是说低压恒压充电单元5可以有多个，有输入电压和电池组匹配的低压恒压充电单元5，有直接使用市电的低压恒压充电单元5。也可以在电芯未切出串联充放电回路时，利用低压恒压充电单元5可以经过电芯单元6中的相关继电器的选通为对应电芯进行一对一充电(此时不能进行多电芯并联充电)。上述低压恒压充电单元5的充电能力是传统的能量转移方案所不能比拟的。

由此可见，电池组中的每个电芯在其生命周期内，其充电时均不会出现过充电和充不满电的现象；在放电时由于采用上述梯度循环放电的方式，使得每个电芯从新配电池组开始直到使用寿命终结，可以做到其放电深度和循环区间都相差无几，因此，最大限度地延长了电池组的使用寿命。

另外，在电池组中断期间，负载的电源是由超级电容C1提供，由于切换时间一般在毫秒级内完成，因此只要选择合适容量的超级电容就可以不间断的为负载提供持续的电力供应。一节或少数几节电芯的切出，势必会影响到整个电池组输出的电压，由于电芯的数量较多，这些变化还是可以接受的。

由于电池组在出厂时已经标定，那么在使用过程中，可以通过数据对比了解每节电芯的使用状况，甚至可以为每节电芯建立档案，对因某种原因(如温度管理不当、电芯差异)引起的容量下降而导致的切入切出次数过多的电芯及时跟踪，当达到设定的次数时上位机发出预警信息，以提示使用者该电芯需要更换或维护，做到有的放矢。

作为本发明的进一步改进；对于为数众多的电芯单元6和下位机及电芯检测单元3(包括数量众多的电芯及电芯保护电路)来说，很难保证它们在电池组的使用周期内都不出现故障，对于以往的解决方案，一旦上述部件出现故障，轻则停机，重则引发安全事故。在本发明中，由于在电池组充放电操作前可以进行电芯电压、电流的对比验证和高覆盖范围的自检工作，因此可以及时发现故障，并作出相应的处置，即当异常部件的优先级较低且该部件已经被成功屏蔽、锁定的情况下，主系统控制单元1才会下达指令给上位机单元2将好用的剩余电芯自动串联起来准备进行充放电操作，否则停机报警；电池组在充放电期间，对于出现优先级高的故障，如继电器损坏、电芯温度异常，则停机并报警；对于出现优先级低的故障，如电芯的电压或电流参数对比检测异常，则通知上位机单元2和主系统单元1屏蔽发生故障的下位机及电芯检测单元3；即使出现电芯开路的故障(在以往的方案中，该故障属于优先级最高的故障，但在本方案中由于采取了相关措施，使其降低为优先级低的故障)，将导致电芯两端的电压迅速升高，下位机及电芯检测单元3还没有来得及响应就可能已经损坏，但下位机及电芯检测单元3中的硬件保护电路将会迅速响应，通过可控硅及时将故障电芯切出并锁定，如果上述二者都损坏，同样会触发可控硅及时将故障电芯切出并锁定，上位机单元2将会感知这一故障并通过数据线通知主系统控制单元1发出警示，并最终将与该电芯相关的单元电路屏蔽，其余正常的电芯和电路则不受影响可以继续正常工作，因此大大提高了电池组的使用效率，有效地避免了事故的发生。这是以往的方案所不能企及的。

作为本发明的进一步改进；所述的主系统控制单元1连接传感器单元9，通过设置相关的传感器，在遇到危险的意外事故时(如水淹、撞击、火灾)，通过触发可控硅(或其他开关装置)将供给相关继电器线圈的电源对地短路，使得12V经保险丝供给相关继电器线圈的电源因保险丝熔断而无法吸合，达到将所有串联电芯永久分断的目的(图中未画出，上述触发装置可以是主系统控制单元1、上位机单元2，也可以是硬件电路构成)，从而消除了对驾乘人员和救援人员带来的安全隐患。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

1、保证了电池组的每个电芯在电池组使用期间，都可以进行串联恒流恒压充电，以及实现了多个电芯在切出串联充放电回路条件下的互不影响的低压恒压并联充电，使得每个电芯都可以真正充满电，从而保证了电池组的容量得到最大程度的利用。也可以根据需要在电芯未切出串联充放电回路时，利用低压恒压充电单元5可以经过相关继电器的选通为对应电芯进行一对一充电。采用本方案使得每个电芯的充放电循环次数、充放电循环深度基本一致，大大提高了电池组的使用寿命。同时可以实现激活和修复电芯以及为电芯补充能量不再占用额外的时间，提高了充电速度。

2、解决了可编程高压充电单元4在进行低电压或小功率输出时，其效率会越来越低，输出的电压也会越来越不稳定而且容易损坏可编程高压充电单元4、以及损坏由其正在充电的电芯的问题，提高了可编程高压充电单元4的效率以及降低了可编程高压充电单元4和对应电芯的故障率。

3、由于采用了电压(电流)对比验证的方式，克服了因检测元件损坏或参数偏离导致的检测数据出错的问题，使得各个电芯无论在进行串联高压充电、低压恒压充电或是在激活充电时，都可避免因检测数据不准确导致的一系列问题，实现了在不增加成本的条件下，大幅度提高电路的可靠性。

4、根据本发明的硬件技术特点以及采用对比验证和完善的自检手段，可以在电池组充放电前对相关故障进行相应的处置；在电池组充放电操作期间，即使某些部件发生故障，保护机制将根据优先级采取对应的措施，如优先级较低时，将瞬间切断电池组，将故障部件切出充放电回路甚至锁定，上位机单元2也可以感知这些异常，同时通过数据线通知主系统控制单元1发出警报，并最终将与该电芯相关的单元电路屏蔽，其余正常的电芯和电路则不受影响可以继续正常工作，因此大大提高了电池组的使用效率，有效地避免了事故的发生。对于优先级高的故障，保护机制将停止所有的工作，避免引发安全事故。解决了随着电池组中电芯串联数量越多，电池组的可靠性越低的问题。

5、根据本发明的硬件技术特点加装各类传感器，确保使用环境发生意外时，彻底解决高压电池组带来的二次危害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的实施例的总框图；

图2为本发明所提供的实施例的下位机及电芯检测单元的原理及框图；

图3为本发明所提供的实施例的上位机单元的框图；

图4为本发明所提供的实施例的可编程高压充电单元的框图；

图5为本发明所提供的实施例的低压恒压充电单元的框图；

图6为本发明所提供的实施例的电芯单元的框图；

图7为本发明所提供的实施例的软件流程框图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1-图7，本具体实施方式采用以下技术方案：以锂聚合物电池为动力的电动车辆为例来描述具体的装置及实现方法(其他种类的电池类似)。一种电池组均衡及保护的装置和方法，包含：主系统控制单元1、上位机单元2、可编程高压充电单元4、低压恒压充电单元5、下位机及电芯检测单元3、硬件保护电路、电芯单元6、驱动器7、辅助充电单元8、传感器单元9、电机驱动单元10、主系统电池B以及相关的隔离电路、高压超级电容C1、继电器K1-Kn等组成，其中：

主系统控制单元1：负责接受外部操作、显示当前状态以及控制上位机单元2的工作状态、接收上位机单元2返回的信息，主系统控制单元1根据返回信息做出相应的处置，同时将相关信息通过显示屏显示出来。(在本发明中，重点介绍电池均衡、电池保护的装置和方法等相关的内容，主系统控制单元1的详细功能因不是本文描述的范围，这里不再赘述)。

请参阅图3，上位机单元2包含依次连接的稳压电源21、CPU模块22和驱动器23。

上位机单元2的作用是：接受主系统控制单元1的控制后，首先进行标定，即：统计并保存电池组的参数，如电量、电压、ID以及总电量等参数，在整个电池组完成标定后开始执行对下位机及电芯检测单元3、硬件保护电路、电芯单元6和继电器K1--Kn的自动检测，并把检测以及处理结果上传给主系统控制单元1，在没有安全隐患的前提下，主系统控制单元1令上位机单元2完成对电池组的充放电管理。

充电时，该单元首先收集所有下位机及电芯检测单元3发出的与电池相关的信息(如电芯电量、电芯电压、电芯温度、电流、ID等信息)进行分析，上位机单元2根据分析结果去控制可编程高压充电单元4、低压恒压充电单元5输出匹配的电压、电流准备为电池组充电，随即令各个下位机及电芯检测单元3去控制相关的继电器对电芯进行切入和切出的操作，当电芯完成切入切出的操作后开始充电；放电时，上位机单元2将根据下位机及电芯检测单元3返回的相关信息进行分析，并根据分析结果令各个下位机及电芯检测单元3去控制相关的继电器对电芯进行切入和切出的操作，使电池组以梯度循环或最大输出功率的状态为负载供电(所谓的最大输出功率是指：把可用的电芯全部串联起来放电)。

无论在充电状态还是放电状态，上位机单元2都可以把相关的信息送到主系统控制单元1进行显示，也可以接受主系统控制单元1对其工作状态进行干预，如在充电时可以调整充电速度以及充电状态，在放电时可以根据需要让电池组在梯度循环放电和最大功率输出状态之间转换。除此以外，上位机单元2一旦接收到主系统控制单元1发出的紧急保护命令、上位机单元2检测到严重故障以及下位机及电芯检测单元3发出的故障信息都将根据具体情况第一时间做出响应，以确保人、车安全(数据分析、处理并不限定是由上位机单元2处理或主系统控制单元1处理)。

上位机单元2无论在充电还是在放电时，不仅可以检测电池组的充放电电流和电池组总电压以及根据正在运行的电芯数量统计出总电量，而且还将正在运行的各个电芯的电压(电量)之和与电池组总电压(总电量)进行对比，以确保电压(电量)检测参数准确无误。

请参阅图4，可编程高压充电单元4包含整流及滤波模块41、主AC/DC模块42、18V辅助电源43、12V隔离电源44和可编程模块45。

整流及滤波模块41分别与主AC/DC模块42、18V辅助电源43和12V隔离电源44连接，12V隔离电源44与可编程模块45连接，18V辅助电源43和主AC/DC模块42连接，可编程模块45与主AC/DC模块42连接。

可编程高压充电单元4的作用是：首先将市电转换为与串联电池组电压匹配的直流电，在上位机单元2的控制下，输出与当前需要充电的电池组匹配的电压和电流为电池组中的串联电芯进行恒流恒压充电，在此之前还为相关单元提供12V直流电源，以保证主系统控制单元1、上位机单元2和其他相关单元的优先正常工作。

请参阅图5，低压恒压充电单元5包含AC/DC模块51、4.2V恒压限流模块52和12V恒压恒流充电模块53。

AC/DC模块51分别与4.2V恒压限流模块52和12V恒压恒流充电模块53连接。

低压恒压充电单元5有两个功能：其一，将市电转换为直流12V恒流恒压电源为主系统电池B充电；其二，将市电转换为4.2V直流恒压限流电源，为电池组进行后期恒压充电，同时兼具限流间歇激活充电功能。在电芯数量较多时，可以使用多个次级部分相互隔离的低压恒压充电单元5分别为与之对应的电芯充电。

请参阅图2，下位机及电芯检测单元3由虚线框内的电源及数据隔离传输模块32、MCU33、温度检测34、电流检测35、电压检测36、电量检测37组成。

电源及数据隔离传输模块32连接MCU33，温度检测34、电流检测35、电压检测36、电量检测37分别和MCU33相连。虚线框内的所有部件和虚线框外的部件在电气上是隔离的。

下位机及电芯检测单元3的作用是：负责检测电芯的温度、电流、电压、电量的信息，并将这些信息以及自身的ID信息上传到上位机单元2，进而上传到主系统控制单元1，以及接受上位机单元2或主系统控制单元1经上位机单元2下达给下位机及电芯检测单元3的控制信息，从而实现对电芯及相关部件进行日常操作；当电池组在充放电运行中，下位机及电芯检测单元3发现电芯的电压或电流参数对比检测异常而保护的同时还通知上位机单元2和主系统单元1进而屏蔽发生异常的下位机及电芯检测单元3；其他正常的下位机及电芯检测单元3则不受任何影响，依旧可以正常进行充放电操作，该单元直到用户将其维修好、并重新标定后才可以恢复正常；当电池组在充放电运行中，出现继电器故障，如触点粘连、失控以及电芯的温度异常时，下位机及电芯检测单元3将会及时发现并把该信息通过上位机单元2上传到主系统控制单元1中，系统将立即停机报警；系统中可以有多个下位机及电芯检测单元3。

请参阅图2，硬件保护电路由以下元件构成：熔丝F00、稳压二极管D700、稳压二极管D701、二极管D702、续流二极管D703、稳压二极管D704、续流二极管D705、二极管D707、分压检测电阻R700、分压检测电阻R701、电阻R704、电阻R705、电阻R706、电阻R707、电阻R709、电阻R710、电阻R711、电阻R714、电阻R715、光耦U700、光耦U701、可调节精密稳压器U703、三极管Q701、三极管Q702、单向可控硅Q703、电容C700、电容C701、继电器K1、开关S3以及单稳态电路31构成。

熔丝F00和稳压二极管D700串联后再与电芯B1直接并联，其中D700的正极接电芯B1的负极；续流二极管D705与电芯B1并联，其中D705的正极接电芯B1的负极；分压检测电阻R700、分压检测电阻R701串联后再与电芯B1并联；可调节精密稳压器U703的参考极和分压检测电阻R700、分压检测电阻R701的分压点相接；电阻R704其中一端连接在稳压二极管D701的负极以及可调节精密稳压器U703的阴极；电阻R704的另外一端连接在稳压二极管D700的负极；可调节精密稳压器U703的阳极接稳压二极管D700的正极，稳压二极管D701的正极和三极管Q701的基极以及电阻R706的一端相连，电阻R706的另外一端和稳压二极管D700的正极相连，三极管Q701的发射极和稳压二极管D700的正极相连，三极管Q701的集电极和光耦U700内的发光管的负极相连；光耦U700内的发光管的正极和电阻R705的一端相连；电阻R705的另一端和稳压二极管D700的负极相连；光耦U700的输出端接单稳态电路31的控制端。

下位机及电芯检测单元3内的MCU33的A点接二极管D707的正极；二极管D707的负极接可调节精密稳压器U703的参考极；分压检测电阻R700、分压检测电阻R701的分压点接下位机及电芯检测单元3内的MCU33的FB端；单稳态电路31的输出端一路接二极管D702的正极，二极管D702的负极接开关S1的驱动器7；单稳态电路31的输出端另外一路接电阻R707的一端，电阻R707的另外一端接电阻R709的一端，电阻R709的另外一端接地；电容C700一端接地，另一端接电阻R709的一端；单向可控硅Q703的控制极接电容C700、电阻R709、电阻R707的交点上，单向可控硅Q703的阴极接地，单向可控硅Q703的阳极接光耦U701内的光敏管的集电极；12VC接开关S3的中点，开关S3的另外一端通过电阻R714接单向可控硅Q703的阳极；光耦U701内的光敏管的发射极接电阻R715的一端，电阻R715的另外一端接稳压二极管D704的负极，稳压二极管D704的正极接三极管Q702的基极；光耦U701的输入端接下位机及电芯检测单元3内的MCU33；电阻R710和电容C701并联后一端接地，另外一端接三极管Q702的基极；电阻R711的一端接地，另一端接稳压二极管D704的负极；三极管Q702的发射极接地；三极管Q702的集电极接继电器K1的吸合线圈的一端，该吸合线圈的另外一端接12V，续流二极管D703的正极接Q702的集电极和继电器K1的吸合线圈的交点上，负极接继电器K1的吸合线圈的另外一端。

硬件保护电路的作用是：无论电池组在充电或放电状态下，只要电芯正常工作，硬件保护电路也正常工作，当电芯或者相关电路突然出现异常，如电芯开路时，此时无论下位机及电芯检测单元3或者硬件保护电路是否因此而损坏，都会触发可控硅导通，进而使继电器自动释放并锁定，达到自动切出故障电芯的目的；主系统控制单元1或上位机单元2将会感知这一异常变化，随即去访问下位机及电芯检测单元3以进一步确认电芯的状况，如果下位机及电芯检测单元3没有反馈或返回错误的信息，说明该单元已经损坏将直接屏蔽该单元，以后自检时也不会对该单元操作，如果返回的是正确的信息，说明是保护电路误动作或保护电路故障，此时因可控硅的作用使得该单元都不再参与当前的充放电操作，出现这一状况，将会在自检时进一步确认，如果是误动作，则通过复位该单元的可控硅使其自动恢复正常，如果是保护电路损坏则彻底屏蔽该单元，以后自检时也不会对该单元操作，直到用户将该单元维修好、并重新标定后才可以恢复正常。

平常对电芯的充放电管理及相关保护(诸如电芯电压偏离等保护)可由下位机及电芯检测单元3中的MCU33来完成；而对于电芯开路引起的电芯两端电压极速变化的故障，下位机及电芯检测单元3还没有来得及响应就可能已经损坏，这时就靠上述的硬件保护电路来实现，此时即便硬件保护电路也因此损坏，但并不影响虚线框外的硬件保护电路动作，从而确保了安全。另外，该单元中的硬件保护电路的方法可以被用于传统的电池组以进一步提高传统的电池组的可靠性。

请参阅图1、图2、图6，电芯单元6包含电芯B1(和附图1、附图2中的B1是同一个元件)、电流检测电阻R1(和附图1中的R1是同一个元件)、场效应管61、升压驱动器62、电压比较器63、熔丝F1、F2、继电器K5(该继电器和附图1、附图2、附图6中的继电器K5是同一个元件)、光耦U702、Q704、R713、R712、D706等。

电阻R1的两端分别接下位机及电芯检测单元3内的电流检测35的两端，除此之外，电阻R1的一端还接到电芯B1的正极，电阻R1的另外一端接到场效应管61，场效应管61的另外一端接F1的一端，F1的另外一端接继电器K5的S端；电压比较器63的两个输入端分别连接C点和A点，电压比较器63的输出端连接升压驱动器62，电压比较器63的地线接电池B1的负极，升压驱动器62连接场效应管61；F2的一端接电芯B1的负极，F2的另外一端接继电器K5的U端。继电器K5的T端和V端分别接低压恒压充电单元5的正极和负极输出端；三极管Q704的发射极接地，Q704的基极接U702内的光敏三极管的发射极，R13并接于Q704的发射极和基极之间，Q704的集电极接继电器K5的吸合线圈的一端，继电器K5的吸合线圈的另外一端接12V，R12的一端接U702内的光敏三极管的集电极，R12的另外一端接继电器K5吸合线圈12V的端口上，D706并接于继电器K5的吸合线圈的两端，其中D706的正极接Q704的集电极上，D706负极接继电器K5吸合线圈12V的端口上，光耦U702的输入端接MCU33。上述的场效应管61、升压驱动器62、电压比较器63就是图1中的电芯单元6内的二极管D3的等效电路。

电芯单元6的作用是：其一，在一个及一个以上的电芯切出串联充放电回路再切入到低压恒压充电单元5的充电回路时，低压恒压充电单元5可以进行一个及一个以上的电芯并联充电，上述场效应管61、升压驱动器62、电压比较器63可以防止电流倒灌，起到类似二极管单向导电的作用；在电芯数量较多时，可以使用多个次级部分相互独立的低压恒压充电单元5分别为与之对应的并联电芯充电。其二，在电芯未切出串联充放电回路时，低压恒压充电单元5可以经过相关继电器的选通为对应电芯进行一对一充电；系统中可以有多个电芯单元6。

附图2中的MCU 33发出的控制信号经光耦U702隔离、Q704的放大后即可控制该继电器的通断，从而实现该电芯单元6中的电芯在串联恒压恒流充电和低压恒压充电之间的转换，其他单元同理。

驱动器7：用于接收下位机及电芯检测单元3发出的保护信号，去驱动开关S1的通断。

辅助充电单元8的作用是：在整个电池组放电期间，用电池组输出的高压经过DC/DC转换为12V电压为主系统电池B进行恒压恒流充电，以便为相关继电器提供稳定持续的电力供应。在此例中该单元的工作状态受低压恒压充电单元5控制，当低压恒压充电单元5开始工作时，辅助充电单元8停止工作；当低压恒压充电单元5停止工作且电池组开始放电时，辅助充电单元8则开始工作，任何时候12V电池只接受上述两种充电器中的其中一个充电器为其充电。在此例中也可以用低压恒压充电单元5通过输入切换继电器，使其输入在市电和电池组之间切换，这样可以省去辅助充电单元8，为描述方便这里依旧采用辅助充电单元8。

传感器单元9包括各种传感器，如：温度传感器，翻车传感器，水淹传感器、撞击传感器、火灾传感器、加速度传感器等，这些传感器对于安全行车和保护驾乘人员、救援人员的安全至关重要。

电机驱动单元10：根据主系统控制单元1的指令对电机M1进行相关控制，同时将相关的信息返送到主系统控制单元1并通过显示屏显示出来。

主系统电池B：为主系统控制单元1、上位机单元2、继电器及其他相关单元供电，该电池一般使用一节12V较安全的铅酸电池。该电池价格低廉且无需均衡控制。

隔离电路：实现电源以及信号的隔离传输，确保系统正常运行。

超级电容C1有两个作用，其一是为电机M1提供更强的瞬时电流，其二是弥补电池组继电器在瞬间切入、切出时对外供电中断的问题。在紧急情况下，如发生事故时，超级电容C1上存储的电荷在主系统控制单元1的控制下经相关的继电器和放电电阻迅速释放掉，以确保安全。

继电器K1-Kn：实现对电芯的切入和切出操作。

众所周知，单节锂聚合物电芯的最高充电电压为4.2V，电芯可接受的最低放电电压为3.0V，为方便描述，假设电动车用100节容量为200Ah的电芯串联起来为电机供电，那么电池组的输出电压范围是300V-420V之间。主系统电池采用一节12V铅酸电池(使用该电池的好处是：其一，可以省去为其再配备均衡电路，其二，该电池的成本非常低廉)。图1为描述方便只给出了四块锂聚合物电芯构成的电池组，显然整个电池组是由25个这样的电路串联而成。从图1中很容易看出其可以根据实际需要任意增减电芯数量。

接入市电时，一路市电为低压恒压充电单元5供电，低压恒压充电单元5中的12V恒压恒流充电模块53为主系统电池B充电，经过二极管D8隔离后(如图1所示，也可以用场效应管代替)，还为主系统控制单元1、传感器单元9、上位机单元2、下位机及电芯检测单元3、电机驱动单元10中的低压控制电路等相关部件供电。其4.2V恒压限流主输出则由上位机单元2控制。另外一路市电为可编程高压充电单元4供电，其中，可编程高压充电单元4中的12VSUB输出电压也为上述的主系统控制单元1和上位机单元2等部件供电，此电压不给12V铅酸电池充电。也就是说：主系统控制单元1、上位机单元2、下位机及电芯检测单元3等部件同时可以接受上述的可编程高压充电单元4输出的12VSUB以及主系统电池B的12V供电。这使得主系统控制单元1、上位机单元2、下位机及电芯检测单元3等部件的供电优先得到保障。这样避免了12V铅酸电池在没有电或电压低时整个设备无法工作的问题。当然如果12V铅酸电池太低，上位机单元2或主系统控制单元1将会检测到，直到12V铅酸电池的电压充到满足要求后，则可以进行后面的工作。

在整个系统组装完成、上电并且初始化后，首先是将整个系统设定为出厂标定模式，即主系统控制单元1将对上位机单元2下达出厂标定的指令(在此之前要保证所有的电路和功能都是完好的)，各个下位机及电芯检测单元3在上位机单元2的控制下，将对电芯的电压、电量、电芯类型、下位机及电芯检测单元3的ID、数量(电芯数量可以根据ID的个数得到，它们是一一对应的关系)等参数进行检测并发送到上位机单元2或主系统控制单元1中作为原始数据保存，最后退出标定模式。

本发明的自检原理：

一：除标定模式外，在充电或放电时都可以根据需要运行自检流程。下面以电芯B1及其相关单元为例来描述自检流程的具体实现方法，开机后，在不接通供给12V继电器吸合线圈的电源、驱动开关S3置于N处以及断开开关S1的情况下(在自检期间开关S1都处于断开状态，以确保安全，上位机单元2对电池组的电压检测是通过检测电池组总地线和开关S1左侧之间的电压来实现，12V继电器吸合线圈的电源是由主系统电池的12V经过保险丝、控制开关后得到，图中未标出)，上位机单元2将依次核对下位机及电芯检测单元3的ID及电芯数量，可能有下面两种情况(为描述方便，本实施例中故障响应的优先级分为两级，第一级为非常严重的故障，不能进行任何操作；第二级为一般故障，经过硬件保护电路自动处理或者上位机单元2自动屏蔽处理后，可以继续工作)：

A：ID及数量正确，则可以进行下面的操作。

B：ID错误、数量少了、因某种原因导致下位机及电芯检测单元3与上位机单元2的通信中断、下位机及电芯检测单元3故障，此故障的优先级属于第二级，上位机单元2将屏蔽问题单元后继续进行下面的操作，同时向主系统控制单元1发出相关信息，以提示用户及时处理。

二：经过上述检测都正常的情况下，上位机单元2令下位机及电芯检测单元3对比验证电压检测36检测到的电芯电压和分压电阻R700、R701的分压点通过MCU33的ADC检测到的电压并结合事先存储在MCU33内的R700、R701的参数经计算反推后得到的电芯电压是否一致，正常情况下，上述两个电压参数是一致的(有很小的误差范围)，如果不一致，说明电压检测36或电阻R700、R701出现异常，从理论上说，系统自身去准确判断究竟是哪个异常有很大的局限性，甚至是非常困难的，而采用上述对比验证的方法后就无需对其加以区分，就可以解决上述的问题(对比验证可以用于各种参数检测并贯穿于电池组各种工作状态的始终)，下面逐一分析这两种情况：

A：不一致，无论是电压检测36出现问题，还是R700、R701出现问题导致的不一致，都将导致下位机及电芯检测单元不能对电芯进行有效管理甚至电芯万一发生问题时，不能有效保护电池组的安全，它的故障优先级属于第二级，上位机单元2将屏蔽该下位机及电芯检测单元3(也就说终止对该单元内电芯的任何操作，以确保安全)，并向主系统控制单元1发出相关信息让使用者知道，然后继续进行后面的操作。

B：一致，将继续下面的操作。

三：接下来，上位机单元2令下位机及电芯检测单元3检测电芯单元6中的电芯B1的电压(确认电芯电压是否在3.0V-4.2V之间)，这时可能有三种情况：

A：电芯上的电压偏低或没有电压，此时说明电芯过放电严重，此故障的优先级属于第二级，先暂时屏蔽该下位机及电芯检测单元3(该电芯留待激活充电时进行处理，无法激活的电芯则屏蔽或锁定，处理结束后，都需要再次重新运行自检流程)，然后继续下面的操作。

B：电芯上的电压超过4.2V，它的故障优先级属于第二级，上位机单元2将屏蔽该下位机及电芯检测单元3(也就说终止对该单元内电芯的任何操作，以确保安全)，并向主系统控制单元1发出相关信息让使用者知道，然后继续进行后面的操作。

C：电芯上的电压在正常的范围内，则上位机单元2将检测可以正常操作的电芯数量及剩余电量。

四：紧接着检测继电器，在不接通供给12V继电器吸合线圈的电源的情况下，上位机首先检测电池组的总电压，这时由于继电器全部应该处于释放状态，因此对电池组来说，可能出现以下两种情况：

A：此时检测到无电压，说明这一环节正常，可以进行下面的操作。

B：此时上位机单元2检测到有电压。说明有继电器触点粘连导致继电器不能正常释放，此故障属于优先级第一的故障，上位机单元2将终止所有对电池组的操作并向主系统控制单元1发出相关信息，主系统控制单元1则发出相应的警告并拒绝用户的任何操作，同时告知用户需要返厂维修。

五：当检测不到电池组有电压时，随即接通供给12V继电器吸合线圈的电源。由于上位机单元2此时没有对下位机及电芯检测单元3进行操作，此时电池组上的电压可能出现以下两种情况；

A：此时检测到无电压，说明这一环节正常，可以进行下面的操作。

B：此时如果检测到有电压，说明下位机及电芯检测单元3失控(如继电器的驱动三极管击穿引起的失控)，此故障属优先级第一的故障，上位机单元2将终止对电池组的操作，并向主系统控制单元1发出相关信息，主系统控制单元1则发出相应的警告并拒绝用户的任何操作，同时告知用户需要送厂维修。

六：在上述检测都正常的情况下，上位机单元2将命令下位机及电芯检测单元3进行后续的检测工作，接下来检测电芯的温度是否异常，可能有以下两种情况：

A：温度正常，可以进行下面的操作。

B：温度异常，该现象属于第一优先级，都将导致上位机单元2终止对电池组的操作并向主系统控制单元1发出相关信息，主系统控制单元1则发出相应的警告并拒绝用户的充放电操作。

七：当上位机单元2确认所有下位机及电芯检测单元3的上述检测工作都完成后，如图2所示，上位机单元2将驱动开关S3置于M的处、接通供给继电器吸合线圈的12V电源，再接通12VC的继电器驱动电源(这个12VC是由12V经过受上位机单元2控制的开关得到，这些动作都可以被上位机单元2自己监控到，具体方法众所周知，不在赘述)，随即上位机单元2将对下位机及电芯检测单元3下达指令(只针对通过上述检测正常的电芯单元逐个操作)，使下位机及电芯检测单元3在光耦U701上输出高电平脉冲以驱动和电芯相对应的继电器短时间吸合，此时上位机单元2将会发现电池组的电压有以下两种情况：

A：没有发现电池组的电压由低变高再变低的过程，此时可能继电器或继电器相关电路出现故障，导致继电器不能吸合，使得电芯处于切出状态，该故障的优先级属于第二级，上位机单元2将屏蔽该下位机及电芯检测单元3，上位机单元2向主系统控制单元1则发出相应的警告，并告知用户需要送厂维修，然后继续进行后面的操作。

B：发现电池组的电压由低变高后再变低的过程，此时说明一切正常，可以进行下面的工作。

八：随后上位机单元2下达指令，让下位机及电芯检测单元3在光耦U701上输出持续高电平以驱动和电芯对应的继电器吸合(只对通过上述检测的下位机及电芯检测单元3进行逐个操作)，使上位机单元2可以检测到电池组有电压，随即再令下位机及电芯检测单元3的A端口输出从1V到1.5V的连续变化的电压，当FB端口检测到略大于或等于1.24V时，正常情况下U703导通(U703的参考电压就是1.24V)，此时上位机单元2将检测到电池组的电压将有以下两种可能：

A：没有检测到由高到低发生变化，说明硬件保护电路有故障，该故障的优先级属于第二级，上位机单元2将屏蔽该下位机及电芯检测单元3(也就说终止了对该单元内电芯的任何操作，以确保安全)，并向主系统控制单元1发出相关信息同时让使用者知道，然后继续进行后面的操作。

B：检测到由高到低发生变化，并一直保持0V电压，说明硬件保护电路正常，然后短时间断开开关S3使可控硅Q703复位，接下来可以进行下面的操作。

九：继电器K5检测相对简单，上位机单元2首先让低压恒压充电单元5输出4.2V，然后上位机单元2令下位机及电芯检测单元3通过光耦U702去控制继电器K5闭合，只需要检测充电电流或电压的变化就可以判断继电器的好坏，并采取相应的措施。

依次类推，直到所有电芯及其相关单元自检工作完成，上位机单元2将统计可以进行串联充电的电芯数量并去调整可编程高压充电单元4输出匹配的电压为串联电池组充电。以上的方法和步骤还可以根据需要灵活调整。

本发明的充电原理：

充电时，上位机单元2将对需要激活的电芯进行激活处理，当然需要激活的电芯可能会有一个或一个以上，这时上位机单元2将令下位机及电芯检测单元3把需要激活的电芯从可编程高压充电单元4的充电回路中切出(已经切出的电芯则直接切入到低压恒压充电单元5)，然后再切入到低压恒压充电单元5的充电回路中，随后上位机单元2将令低压恒压充电单元5进入激活模式开始对电芯进行间歇小电流激活充电(由于是多电芯并联激活充电，导致加到每个电芯的电压相同电流各异。为节省激活充电的时间，应尽快区分出可以激活的电芯和不能激活的电芯，这里区分可以激活的电芯和不能激活的电芯的方法是：在并联激活充电一段时间后，随即把各个被激活充电的电芯切出低压恒压充电单元5，此时电芯电压有所升高的是可以激活的电芯，电芯电压不变或没有电压的是无法激活的电芯，如此往复)，下位机及电芯检测单元3也可以采用对比验证的方法去检测每个电芯的激活电流大小以及电芯的实时电压，及时调整低压恒压充电单元5的总的试探激活电流大小(如果发现低压恒压充电单元5的输出电流和各个被充电的电芯的电流之和不等时，上位机单元2将逐一核对低压恒压充电单元的输出电流和此时被充电电芯的电流，如果是电芯单元电流检测的问题，则屏蔽该电芯单元，如果是低压恒压充电单元5的问题，则停机报警)，这样使得每个电芯的激活电流都不超过设定的参数，一旦有电芯激活，则将激活的电芯切出低压恒压充电单元5，并瞬间断开与之对应的开关S3，使得可控硅复位，从而可以正常操作激活的电芯，对于无法激活的电芯则通过上位机单元2将该电芯所在的下位机及电芯检测单元3屏蔽，使其不再参与任何充放电操作和自检流程，并提示用户及时维护。由图1可知，进行激活充电的电芯可以是一个及一个以上的电芯同时并联充电，低压恒压充电单元5输出的激活电流值是由上位机单元2通过下位机及电芯检测单元3检测到的被激活充电的电芯中的某一个电芯达到最大的电流值为事先设定的激活充电电流值为标准，并依此类推，直到所有可以被激活的电芯被激活为止。由于这种电路结构使得需要激活的电芯可以采用并联的方式激活充电，因此实现了在确保电芯安全激活的同时大大提高了激活充电效率。电芯激活的操作和对串联电池组充电的操作可以同时进行，也可以用输入电压和电池组匹配的低压恒压充电单元5通过输入端开关的切换从而利用电池组的电能对需要激活的电芯进行没有市电时的激活操作。

在进行上述激活工作的同时，上位机单元2将根据需要充电的电芯数量调整可编程高压充电单元4输出与电池组相匹配的电压、电流进行恒压恒流充电，随着充电的继续，当有电芯达到设定的恒压充电值时，上位机单元2令可编程高压充电单元4暂时停止输出，随即令下位机及电芯检测单元3将该电芯切出可编程高压充电单元4的充电回路，随后上位机单元2根据剩余需要充电的电芯个数调整可编程高压充电单元4输出与之匹配的电压电流为剩余电芯继续充电。上述切出的电芯则切入到低压恒压充电单元5进行最后的恒压充电，直至充满后切出。依次类推，不断有电芯因电压充到设定的电压而切出可编程高压充电单元4的充电回路，并且随即被切入到低压恒压充电单元5的充电回路进行恒压充电，当可编程高压充电单元4中的电芯数量或充电功率减少到设定值时，上位机单元2将令可编程高压充电单元4停止充电，将这些剩余的电芯依次切入低压恒压充电单元5进行最后的恒压充电，直到每个电芯都充满电而切出低压恒压充电单元5的充电回路(至于切出低压恒压充电回路的电芯在切出一段时间后，其电芯两端电压可能会降低，如果降低到设定值时，该电芯将会再次切入低压恒压充电回路充电，而对于充电功率稍有富余的低压恒压充电单元5来说相关参数几乎无需调整，从而提高了充电效率)，最后关闭可编程高压充电单元4和低压恒压充电单元5。在利用低压恒压充电单元5对多个并联电芯进行充电时，一旦发现充电电流方向异常，说明电芯单元6中隔离场效应管损坏，则屏蔽该单元，并向主系统控制单元1发出相关信息并让使用者知道，然后继续进行后面的操作。

具体地，随着可编程高压充电单元4充电的进行，假设电芯B1的电压升高到4.15V时(如图1所示，4.15V是设定的恒压充电值)，上位机单元2感知到下位机及电芯检测单元3上传的这个信息后，上位机单元2下达指令使可编程高压充电单元4停止输出，然后下达指令使继电器K1由原来的吸合状态变为释放状态，即：继电器K1的其中一组触点由原来的A和D相连，变成A和C相连；另外一组触点由原来的B和F相连，变成B和E相连，这样电芯B1切出串联恒压恒流充电回路，随即上位机单元2通过数据线调整可编程高压充电单元4的输出电压，使其在原来输出的电压基础上降低4.2V后再次输出，继续为剩余的电芯充电。此时，由于电芯B1的切出只是完成了恒流充电或一部分的恒压充电(恒压充电的程度取决于电芯内阻的一致性)，并没有进行完整的恒压充电过程，因此，还需要进行后续的恒压充电才能将电芯充满(此时电芯的充电状态不再受到电芯内阻的制约)，于是上位机2将下达指令首先使继电器K5吸合，即触点S和T连接，触点U和V连接，紧接着下达指令使低压恒压充电单元5开始输出4.2V的电压，这样低压恒压充电单元5输出的4.2V经继电器K5、保险丝F1、隔离二极管D3(也就是图6中的等效电路)、电阻R1、电芯B1、保险丝F2等部件后开始对电芯B1进行最后的恒压充电。直到下位机及电芯检测单元3检测到电芯B1的充电电流减小至设定参数时，上位机单元2才下达指令使继电器K5断开，即触点S和触点T断开，触点U和触点V断开，依此类推，随着充电的继续，不断有电芯从可编程高压充电单元4中完成恒流或一部分恒压充电而切出，并且随即切入到低压恒压充电单元5进行最后的恒压充电，直到电芯充满电后从低压恒压充电单元5的充电回路中切出。当在可编程高压充电单元4进行串联充电的电芯数量小于设定的个数、或者此时充电功率小于设定的参数时，那么上位机单元2将下达指令首先停止可编程高压充电单元4的输出，然后将这些电芯依次全部切入到低压恒压充电单元5中完成最后的恒压充电，当然，低压恒压充电单元5有一定的功率余量，以免低压恒压充电单元5发生过载。直到全部的可用电芯都充满电时，上位机单元2可以将这些充满电的电芯全部串联起来供用户使用。最后关闭可编程高压充电单元4和低压恒压充电单元5。由图1可以看出，电路中设有隔离二极管D3，以防止这些进行并联低压恒压充电的电芯相互影响，这里为描述方便而采用了隔离二极管D3，在实际应用中可以采用MOSFET并配以电压比较器来代替二极管，从而消除二极管的管压降的影响。

本发明的放电原理：

放电时(放电前也可以先运行自检流程，以及时发现问题并作出相应的处置)，采用梯度循环放电的方式，如下所述，上位机单元2首先通过下位机及电芯检测单元3去控制相关继电器将全部可用的电芯串联起来，上位机单元2记录当前各个电芯的电压或电量的平均值和总电量值，随着放电的进行，电池组的电压或电量逐渐下降，当发现某节或某些电芯的电压或电量下降幅度超过上述记录的平均值的预设最高限值时(假设为5％时)，上位机单元2随即中断电池组的输出，把上述某节或某些(根据电芯电压或电量由低到高的顺序选出要切出的电芯)电芯切出电池组，然后将之前切出电池组的电芯切入，也就是说，可以预先留有单独的备份电芯，也可以不留备份电芯，如果不留备份电芯则跳过，本发明的描述都是基于不留备份电芯来描述的，上位机单元2则记录当前准备参与放电的各个电芯的电芯电压或电量的平均值和总剩余电量，并刷新之前的记录参数，随后上位机单元2再次使当前这些电芯继续参与放电。同理，随着放电的继续，当上位机单元2发现这些正在参与放电的电芯电压或电量的下降幅度超过上述记录的平均值的设定最高限值时(假设为5％时)，上位机单元2随即中断电池组的输出，把上述某节或某些(根据电芯电压或电量由低到高的顺序选出要切出的电芯)电芯切出电池组并将之前切出电池组的电芯重新切入电池组，上位机单元2则记录当前准备参与放电的各个电芯的电压或电量的平均值和总剩余电量，并刷新之前的记录参数，然后电池组继续放电。依此类推，直到电池组放电完毕(当然，也可以结合利用踩刹车且在松开刹车时作为触发条件来完成电芯的切换，即：当检测到有刹车动作时首先进行能量回收，能量回收完毕在松开刹车时电芯才开始切换，从松开刹车开始到恢复加速的耗时通常都在1秒左右，在这段时间内系统足以完成电芯的切换，也就是说：当发现有电芯达到需要切换的电量时，系统并不急于切换，而是当检测到有刹车动作且在松开刹车时才开始切换，这样驾乘人员是感觉不到这个切换过程，由于车辆在行驶的过程中，踩刹车的动作很多，这样做并不会对电芯的放电深度产生实质的影响，鉴于其实现方法非常简单，不再另行描述)。

具体地，参见图1，在放电时，上位机单元2首先去控制电子开关S2断开、继电器K9吸合、再令继电器将全部可用的电芯串联起来，上位机单元2记录当前各个电芯的电压或电量的平均值和总剩余电量，然后令开关S1导通(开关S1受到上位机单元2的控制的同时，图中未画出，还受到图1所示的驱动器7控制，一旦该驱动器7收到要求开关S1断开的信息时，无论当前开关S1处于何种状态，开关S1都会被强制断开)，使电池组的电压通过二极管D7加到电机控制单元10和辅助充电单元8，辅助充电单元8此时为12V铅酸电池充电，以维持整个系统的正常工作，同时该电压还通过电阻R5对超级电容C1进行限流充电，随着电机的运行，电池组的电压或电量逐渐下降，上位机单元2令下位机及电芯检测单元3监测每个参与放电的电芯的电压或电量，不断追踪电压或电量下降的快的电芯，这样的电芯数量可能是一个或一个以上，假设，当发现电芯B1的电压或电量下降的幅度超过正在参与放电的电芯的电压或电量的平均值的5％时，上位机单元2控制开关S1断开，电池组停止输出，紧接着上位机单元2令下位机及电芯检测单元3将继电器K1释放，使电芯B1暂时停止放电，上位机单元2记录当前参与放电的各个电芯的电压或电量的平均值和总剩余电量并刷新之前保存的数据，随即上位机单元2再次控制开关S1导通，使剩余电芯继续参与放电。

同理，随着放电的继续，假设上位机单元2发现电芯B2的电压或电量下降的幅度超过正在参与放电的电芯的电压或电量的平均值的5％时，上位机单元2控制开关S1断开，电池组停止输出，紧接着上位机单元2令下位机及电芯检测单元3将继电器K2释放，使电芯B2暂时切出放电回路，之后，上位机单元2令下位机及电芯检测单元3将电芯B1再次切入电池组，上位机单元2记录当前参与放电的各个电芯的电压或电量平均值和剩总余电量并刷新之前保存的数据，随后再次控制开关S1导通，让电池组继续放电。依此类推，直到电池组放电完毕。由此可见，无论在充电还是在放电的过程中，电池组中的每个电芯均不会出现过充电和过放电现象，这对于平衡各电芯之间的差异非常有好处。如果有必要，还可以利用低压恒压充电单元5从电池组中提取能量为切出串联充电回路的一个或一个以上的电芯进行并联充电，或者利用低压恒压充电单元5对串联电池组中电量低的电芯进行在线充电，但此时只能一个低压恒压充电单元5通过选通继电器K5(或者K6、K7、K8)为对应的一个电芯充电。

如果在充放电的过程中出现继电器故障(如触点粘连、失控等)，那么下位机及电芯检测单元3可以通过监测电芯的电压或电量变化情况以及结合当前电芯所处的工作状态来准确判断出继电器故障(判断依据是：当电芯切出充放电回路时，其电压或电量是不会发生改变的；当电芯切入充放电回路且在工作时，其电压或电量将发生改变)并迅速通知主系统控制单元1停机并报警。在充放电的过程中，如果电芯的温度发生异常时，下位机及电芯检测单元3将会及时发现并通知主系统控制单元1迅速停机并报警。

另外，在电池组中断期间，电机驱动单元10的电源是由超级电容C1通过二极管D2提供，由于切换时间一般在毫秒级内完成，因此只要选择合适容量的超级电容C1就可以不间断的为电机驱动单元10提供较为稳定的电力供应。由于一节或少数几节电芯的切出，势必会影响到整个电池组输出的电压，在此例中由于电芯的数量较多，相比之下使得电池组的电压变化率很小，好在这些影响对于能量储备稍有富裕的电动车而言是可以接受的。综上所述，只要电池组的电芯在出厂前都是经过严格配对，那么在电池组的生命周期内，所有的电芯的充放电循环次数、充放电循环深度都相差无几，每节电芯都不会出现过充电和过放电以及频繁的浅充电、浅放电的现象；克服了电芯串联成电池组后随着使用时间的增加其内阻差异逐渐增大而导致电池组充放电循环次数快速下降的问题，从而延长了电池组的使用寿命；同时解决了电芯串联数量越多电池组的可靠性越低的问题，从而提高了电池组的可靠性。

本发明中硬件保护电路的原理：

除了下位机及电芯检测单元3所兼有的依靠软件来实现的检测、保护功能外，还增加了电芯专用的硬件保护电路。在充电状态下，因为电芯开路导致的电芯两端电压异常升高时，将造成平时用于指示电芯正常的光耦熄灭，进而触发保护机构动作。在放电状态下，因为电芯开路导致的该电芯两端电压异常升高时，同样会导致平时用于指示电芯正常的光耦熄灭，进而触发保护机构动作，由于这套保护机构是硬件电路构成，因此其反应速度极快，非常安全可靠。

具体地，如图2所示，正常充放电情况下，开关S3置于M处，其余开关处于相应的位置，电芯B1的电压范围是在3.0V～4.2V之间，在此区间内，分压检测电阻R700、分压检测电阻R701的分压值小于1.24V，所以可调节精密稳压器U703截止、三极管Q701导通，从而导致单稳态电路31被置位，二极管D702输出低电平，不会影响到开关S1的工作状态。如果某种原因导致电芯电压低于2.8V或者电芯电压高于4.5V，都会导致三极管Q701截止，进而导致光耦U700截止，这样使得单稳态电路31输出短时间的高电平单脉冲信号，该信号分两路：一路经二极管D702去触发开关S1迅速短时间关闭电池组的输出；另一路经电阻R707去触发单向可控硅Q703导通，使得这个12VC继电器控制电压经过开关S3、R14后被单向可控硅Q703短路，这样导致继电器K1释放、电芯B1被锁定，使其无法参与任何操作。这里的电阻R707和电容C700配合起到一定的延时作用，使得开关S1先断开，这就保证了继电器K1、电芯B1等元件不会受到高压的冲击，同理上位机单元2在监测到开关S1的这一变化(图中未画出)后去访问下位机及电芯检测单元3以进一步确认电芯的状况，如果下位机及电芯检测单元3没有反馈或返回错误的信息，说明该单元已经损坏将直接屏蔽该单元，如果返回的是正确的信息，说明是保护电路误动作或保护电路损坏，上位机单元2将会在下次工作前进行自检以进一步确认，如果是误动作，则通过瞬时断开S3使该单元的可控硅自动恢复正常，如果是保护电路损坏则彻底屏蔽该单元，以后自检时也不会对该单元进行自检操作，直到用户将该单元维修好、并重新标定后才可以恢复正常，电池组中其余正常电芯的充放电还可以继续进行不会受到影响。

由此可见，对电动汽车这样有上百节甚至数百节的电芯来说，只要可编程高压充电单元4、上位机单元2、低压恒压充电单元5、开关S1、驱动器7以及主系统控制单元1等这少数几个部件正常，其余为数众多的下位机及电芯检测单元3、电芯、继电器、硬件保护电路等只要发生故障，都可以准确的判断出故障范围，自动采取对应的措施，从而确保了电池组的安全和使用效率，解决了串联电池组中串联的电芯数量越多其可靠性越低的问题，即使上述的几个单元异常，将导致用户无法正常使用，至少不会发生危险。

由于电池组在出厂时已经标定，那么在使用过程中，可以通过数据对比了解每节电芯的使用状况，甚至可以为每节电芯建立档案，对因某种原因引起的容量下降、切入切出次数过多的电芯及时跟踪，做到有的放矢。无论在充电还是放电状态下，即使有某些电芯、硬件保护电路、或者某些下位机及其附属电路损坏，也都可有效地避免发生事故。如图1所示，在使用继电器的条件下，可以利用继电器断电自动复位的特性将损坏的电芯退出，只要电池组的电压范围依然在车辆可接受的范围内，车辆仍然可以使用，极大地的方便了用户。

请参见图1、图6，由图1可以看出，低压恒压充电单元5在进行恒压充电时，可以对多个电芯进行并联充电，由于隔离二极管D3、隔离二极管D4、隔离二极管D5、隔离二极管D6的隔离作用，使得各个电芯在进行恒压并联充电时互不影响，这将使得各个下位机及电芯检测单元3在对多电芯进行并联恒压充电状态下也能检测到每个电芯准确的充电电流数据(为描述方便，图1中使用了隔离二极管D3、隔离二极管D4、隔离二极管D5、隔离二极管D6这些二极管，为规避二极管的门槛电压，可以采用场效应管，如附图6所示)。

由图6可以看出，为了实现二极管的效能，加入了电压比较器63，使得只有在A、B两点间的电压大于电芯C、B两端的电压时场效应管61才导通，其他情况下场效应管61关断，这就避免了其他已经并联在恒压充电回路中的电压高一些的电芯的电流往外倒灌的现象。

当车辆遇到诸如：撞击、翻车、水淹、火灾等事故时，主系统控制单元1都可以通过相关传感器感知这些情况，及时发出指令，熔断给继电器线圈供电的保险丝，使所有继电器释放，从而使电池组分解成一个个独立的电芯，同时超级电容C1也将通过电阻R6将保存的电能迅速释放掉，使整车的高电压彻底消失，因此避免了车辆本身、驾乘人员和救援人员因为高压电源可能带来的二次伤害。以上的这些优点是传统的均衡装置无法比拟的。另外由于负责电芯切入切出的继电器都是在没有充放电电流的条件下进行的，因此，极大地延长了继电器的使用寿命。

以上的描述只是说明其原理，在实际的使用中，可以用其他类型的电流传感器检测电流，用IGBT控制整个电池组的输出与关闭，用场效应管代替电芯切入切出继电器，用磁隔离器件代替光耦以进一步降低静态功耗(或者在现有的光耦发射端回路上再串联一个受下位机及电芯检测单元3或相关电源控制的光耦，以实现在电池组不工作时光耦熄灭，电池组工作前点亮光耦)。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (14)

1.一种电池组均衡及保护的装置，其特征在于，它包含：主系统控制单元1、上位机单元2、可编程高压充电单元4、低压恒压充电单元5、下位机及电芯检测单元3、硬件保护电路、电芯单元6、驱动器7、辅助充电单元8、传感器单元9、电机驱动单元10、主系统电池B以及相关的隔离电路、高压超级电容C1、继电器Kl-Kn等组成，其中：

主系统控制单元1：负责接受外部操作、显示当前状态以及控制上位机单元2的工作状态、接收上位机单元2返回的信息，主系统控制单元1根据返回信息做出相应的处置，同时将相关信息通过显示屏显示出来；

上位机单元2：接受主系统控制单元1的控制后，首先进行标定，即：统计并保存电池组的参数，如电量、电压、ID以及总电量等参数，在整个电池组完成标定后开始执行对下位机及电芯检测单元3、硬件保护电路、电芯单元6和继电器Kl--Kn的自动检测，并把检测以及处理结果上传给主系统控制单元1，在没有安全隐患的前提下，主系统控制单元1令上位机单元2完成对电池组的充放电管理；

可编程高压充电单元4：将市电转换为与串联电池组电压匹配的直流电，在上位机单元2的控制下，输出与当前需要充电的电池组匹配的电压和电流为电池组中的串联电芯进行恒流恒压充电，在此之前还为相关单元提供12V直流电源，以保证主系统控制单元1、上位机单元2和其他相关单元的优先正常工作；

低压恒压充电单元5：该单元的作用是，其一，将市电转换为直流12V恒流恒压电源为主系统电池B充电；其二，将市电转换为4.2V直流恒压限流电源，为电池组进行后期恒压充电，同时兼具间歇限流激活充电功能；在电芯数量较多时，可以使用多个次级部分相互隔离的低压恒压充电单元5分别为与之对应的并联电芯充电；

下位机及电芯检测单元3：负责检测电芯的温度、电流、电压、电量的信息，并将这些信息以及自身的ID信息上传到上位机单元2，进而上传到主系统控制单元1，以及接受上位机单元2或主系统控制单元1经上位机单元2下达给下位机及电芯检测单元3的控制信息，进而对电芯及相关部件进行日常操作；当电池组在充放电运行中，下位机及电芯检测单元3发现电芯的电压或电流参数对比检测异常而保护的同时还通知上位机单元2和主系统单元1进而屏蔽发生异常的下位机及电芯检测单元3；其他正常的下位机及电芯检测单元3则不受任何影响，依旧可以正常进行充放电操作，该单元直到用户将其维修好、并重新标定后才可以恢复正常；当电池组在充放电运行中，出现继电器故障，如触点粘连、失控以及电芯的温度异常时，下位机及电芯检测单元3将会及时发现并把该信息通过上位机单元2上传到主系统控制单元1中，系统将立即停机报警；系统中可以有多个下位机及电芯检测单元3；

硬件保护电路：下位机及电芯检测单元3内还设有另外一套硬件保护电路，无论电池组在充电或放电状态下，只要电芯正常工作，硬件保护电路也正常工作，当电芯或者相关电路突然出现异常，如电芯开路时，此时无论下位机及电芯检测单元3或者硬件保护电路是否因此而损坏，都会触发可控硅导通，进而使继电器自动释放并锁定，达到自动切出故障电芯的目的；主系统控制单元1或上位机单元2将会感知这一异常变化，随即去访问下位机及电芯检测单元3以进一步确认电芯的状况，如果下位机及电芯检测单元3没有反馈或返回错误的信息，说明该单元已经损坏将直接屏蔽该单元，以后自检时也不会对该单元操作，如果返回的是正确的信息，说明是保护电路误动作或保护电路故障，此时因可控硅的作用使得该单元都不再参与当前的充放电操作，出现这一状况，将会在自检时进一步确认，如果是误动作，则通过复位该单元的可控硅使其自动恢复正常，如果是保护电路损坏则彻底屏蔽该单元，以后自检时也不会对该单元操作，直到用户将该单元维修好、并重新标定后才可以恢复正常；

电芯单元6：该单元的作用是：其一，在一个及一个以上的电芯切出串联充放电回路再切入到低压恒压充电单元5的充电回路时，低压恒压充电单元5可以进行一个及一个以上的电芯并联充电，场效应管61、升压驱动器62、电压比较器63可以防止电流倒灌，起到类似二极管单向导电的作用；其二，在电芯未切出串联充放电回路时，低压恒压充电单元5可以经过相关继电器的选通为对应电芯进行一对一充电；系统中可以有多个电芯单元6；

驱动器7：用于接收下位机及电芯检测单元3中的保护电路发出的保护信号，去驱动开关S1的通断；

辅助充电单元8：在整个电池组放电期间，用电池组输出的高压经过DC/DC转换为12V电压为主系统电池B进行恒压恒流充电，以便为相关单元、继电器提供稳定持续的电力供应；

传感器单元9：包括各种传感器并与主系统控制单元1连接；

电机驱动单元10：根据主系统控制单元1的指令对电机进行相关控制，同时将相关的信息返送到主系统控制单元1并通过显示屏显示出来；

主系统电池B：为主系统控制单元1、上位机单元2、继电器及其他相关单元供电；

隔离电路：实现电源以及信号的隔离传输，确保系统正常运行；

超级电容C1：为电机提供更强的瞬时电流，弥补电池组电芯在瞬间切入、切出时对外供电中断的问题；在紧急情况下，如发生事故时，超级电容C1上存储的电荷在主系统控制单元1的控制下经相关的继电器和放电电阻迅速释放掉；

继电器Kl-Kn：实现对电芯的切入和切出操作。

2.根据权利要求1所述的一种电池组均衡及保护的装置，其特征在于：上位机单元2包含依次连接的稳压电源21、CPU模块22和驱动器23。

3.根据权利要求1所述的一种电池组均衡及保护的装置，其特征在于：可编程高压充电单元4包含整流及滤波模块41、主AC/DC模块42、18V辅助电源43、12V隔离电源44和可编程模块45；

整流及滤波模块41分别与主AC/DC模块42、18V辅助电源43和12V隔离电源44连接，12V隔离电源44与可编程模块45连接，18V辅助电源43和主AC/DC模块42连接，可编程模块45与主AC/DC模块42连接。

4.根据权利要求1所述的一种电池组均衡及保护的装置，其特征在于：低压恒压充电单元5包含AC/DC模块51、4.2V恒压限流模块52和12V恒压恒流充电模块53；

AC/DC模块51分别与4.2V恒压限流模块52和12V恒压恒流充电模块53连接。

5.根据权利要求1所述的一种电池组均衡及保护的装置，其特征在于：下位机及电芯检测单元3包含电源及数据隔离传输模块32、MCU33、温度检测34、电流检测35、电压检测36、电量检测37；

电源及数据隔离传输模块32连接MCU33，温度检测34、电流检测35、电压检测36、电量检测37均和MCU33相连。

6.根据权利要求1、5所述的一种电池组均衡及保护的装置，其特征在于：所述的硬件保护电路由以下元件构成：熔丝F00、稳压二极管D700、稳压二极管D701、二极管D702、续流二极管D703、稳压二极管D704、续流二极管D705、二极管D707、分压检测电阻R700、分压检测电阻R701、电阻R704、电阻R705、电阻R706、电阻R707、电阻R709、电阻R710、电阻R711、电阻R714、电阻R715、光耦U700、光耦U701、可调节精密稳压器U703、三极管Q701、三极管Q702、单向可控硅Q703、电容C700、电容C701、继电器K1、开关S3以及单稳态电路31构成；

熔丝F00和稳压二极管D700串联后再与电芯B1直接并联，其中D700的正极接电芯B1的负极；续流二极管D705与电芯B1并联，其中D705的正极接电芯B1的负极；分压检测电阻R700、分压检测电阻R701串联后再与电芯B1并联；可调节精密稳压器U703的参考极和分压检测电阻R700、分压检测电阻R701的分压点相接；电阻R704其中一端连接在稳压二极管D701的负极以及可调节精密稳压器U703的阴极；电阻R704的另外一端连接在稳压二极管D700的负极；可调节精密稳压器U703的阳极接稳压二极管D700的正极，稳压二极管D701的正极和三极管Q701的基极以及电阻R706的一端相连，电阻R706的另外一端和稳压二极管D700的正极相连，三极管Q701的发射极和稳压二极管D700的正极相连，三极管Q701的集电极和光耦U700内的发光管的负极相连；光耦U700内的发光管的正极和电阻R705的一端相连；电阻R705的另一端和稳压二极管D700的负极相连；光耦U700的输出端接单稳态电路31的控制端；

下位机及电芯检测单元3内的MCU33的A点接二极管D707的正极；二极管D707的负极接可调节精密稳压器U703的参考极；分压检测电阻R700、分压检测电阻R701的分压点接下位机及电芯检测单元3内的MCU33的FB端；单稳态电路31的输出端一路接二极管D702的正极，二极管D702的负极接开关S1的驱动器7；单稳态电路31的输出端另外一路接电阻R707的一端，电阻R707的另外一端接电阻R709的一端，电阻R709的另外一端接地；电容C700一端接地，另一端接电阻R709的一端；单向可控硅Q703的控制极接电容C700、电阻R709、电阻R707的交点上，单向可控硅Q703的阴极接地，单向可控硅Q703的阳极接光耦U701内的光敏管的集电极；12VC接开关S3的中点，开关S3的另外一端通过电阻R714接单向可控硅Q703的阳极；光耦U701内的光敏管的发射极接电阻R715的一端，电阻R715的另外一端接稳压二极管D704的负极，稳压二极管D704的正极接三极管Q702的基极；光耦U701的输入端接下位机及电芯检测单元3内的MCU33；电阻R710和电容C701并联后一端接地，另外一端接三极管Q702的基极；电阻R711的一端接地，另一端接稳压二极管D704的负极；三极管Q702的发射极接地；三极管Q702的集电极接继电器K1的吸合线圈的一端，该吸合线圈的另外一端接12V，续流二极管D703的正极接Q702的集电极和继电器K1的吸合线圈的交点上，负极接继电器K1的吸合线圈的另外一端。

7.根据权利要求1所述的一种电池组均衡及保护的装置，其特征在于：所述的电芯单元6由以下元件构成：电芯B1、电流检测元件R1、场效应管61、升压驱动器62、电压比较器63、熔丝F1、F2、继电器K5、光耦U702、Q704、R713、R712、D706等；

电阻R1的两端分别接下位机及电芯检测单元3内的电流检测35的两端，除此之外，电阻R1的一端还接到电芯B1的正极，电阻R1的另外一端接到场效应管61，场效应管61的另外一端接F1的一端，F1的另外一端接继电器K5的S端；电压比较器63的两个输入端分别连接C点和A点，电压比较器63的输出端连接升压驱动器62，电压比较器63的地线接电池B1的负极，升压驱动器62连接场效应管61；F2的一端接电芯B1的负极，F2的另外一端接继电器K5的U端；继电器K5的T端和V端分别接低压恒压充电单元5的正极和负极输出端；三极管Q704的发射极接地，Q704的基极接U702内的光敏三极管的发射极，R13并接于Q704的发射极和基极之间，Q704的集电极接继电器K5的吸合线圈的一端，继电器K5的吸合线圈的另外一端接12V，R12的一端接U702内的光敏三极管的集电极，R12的另外一端接继电器K5吸合线圈12V的端口上，D706并接于继电器K5的吸合线圈的两端，其中D706的正极接Q704的集电极上，D706负极接继电器K5吸合线圈12V的端口上；光耦U702的输入端接MCU33；这里的场效应管61、升压驱动器62、电压比较器63就是图1中的电芯单元6内的二极管D3的等效电路。

8.根据权利要求1所述的一种电池组均衡及保护的方法，其特征在于：在标定结束以后，在充放电操作前，主系统控制单元1可以通过上位机单元2对所述的下位机及电芯检测单元3、硬件保护电路、电芯单元6、继电器Kl-Kn进行自动检测，一旦发现有部件异常将根据这些部件的优先级作出相应的处置；即当异常部件的优先级较低且该部件已经被成功屏蔽、锁定的情况下，主系统控制单元1才能下达指令给上位机单元2将好用的剩余电芯自动串联起来进行充放电操作，否则停机报警。

9.根据权利要求1所述的一种电池组均衡及保护的方法，其特征在于：所述的下位机及电芯检测单元3自身具有电压、电量、电流以及温度检测功能，正常情况下，由下位机及电芯检测单元3来管理电芯的运行及保护；在异常情况下，如在充电、放电运行中出现电芯开路故障时，下位机及电芯检测单元3、硬件保护电路也可能会因高压而损坏，但此时保护电路的保护机制依旧会自动将故障电芯彻底锁定，再次为电池组的安全运行提供了保障，而其他正常的电芯可以继续工作；

由于硬件保护电路中的关键控制电路在电池组充放电操作之前进行了有效的自检流程，那么硬件保护电路、电芯及其附属电路的功能是有保障的，万一电池组在充放电过程中电芯出现故障时，上述保护机制依旧会可靠动作。

10.根据权利要求1所述的一种电池组均衡及保护的方法，其特征在于：上位机单元2通过下位机及电芯检测单元3对电芯的电压、电量、温度、工D等常规参数监测以及相应的对比验证外，还包括对下位机及电芯检测单元3、硬件保护电路、继电器Kl-Kn等元件的功能自动检测，即：上位机单元2令开关S1断开、开关S3置于M处，将所有可用电芯先处于切出状态，下位机及电芯检测单元3将对比验证由该单元中的电压检测36检测到的电芯电压和分压电阻R700、R701的分压点通过该单元内的MCU33的ADC检测到的电压以及依据事先存储在MCU33内的R700、R701的电阻值经计算反推后得到的电芯电压相比是否一致，如果不一致，说明电压检测36或电阻R700、R701出现异常，上位机单元2将下达指令屏蔽该故障单元；如果一致，将确认电芯电压是否异常，对锂聚合物电池来说将判断电芯的电压是否在3.0V-4.2V之间，对于电压偏低的电芯，上位机单元2将暂时屏蔽该单元，之后用低压恒压充电单元5进行激活、修复处理，如果激活、修复失败则彻底屏蔽该电芯；对于电芯电压超过4.2V的电芯，上位机单元2将屏蔽该下位机及电芯检测单元3，并向主系统控制单元1发出相关信息让使用者知道；对于电芯电压正常的电芯，则可以对该电芯进行正常的操作；在上述检测都通过后，可以对硬件保护电路的功能进行检测，同理，上位机单元2令开关S1断开、开关S3置于M处，将所有可用电芯先处于切出状态，然后令下位机及电芯检测单元3先使光耦U701导通，以使继电器K1在12VC经电阻R714的驱动下闭合，此时上位机单元2将会检测到该电芯的电压，然后下位机及电芯检测单元3通过A点输出由低到高的电压经二极管D707加到可调节精密稳压器U703的参考极上，同时检测FB的返回电压，当FB的电压略大于或等于可调节精密稳压器U703的参考电压时，光耦U700将自动关闭，从而使单稳态电路31短时间输出高电平脉冲去试图关闭电池组的输出，此时该开关S1在自检模式条件下已经处于关闭状态，这个信号可以被主系统控制单元1或上位机单元2检测到，同时单稳态电路31的另外一路经过电阻R707、电阻R709和电容C700短时间延时后，去触发单向可控硅Q703导通，以使三极管Q702截止并锁定，使得对应的电芯切出，上位机单元2将会检测到电池组电压的由低到高再到低，并一直保持低电压；至此，说明可控硅保护电路正常；要使可控硅Q703恢复正常只需要瞬时断开一下S3即可；12VC可以是由主系统电池的12V经过保险丝后得到。

11.根据权利要求1所述的一种电池组均衡及保护的方法，其特征在于：

当电池组中有电芯需要激活时，低压恒压充电单元5可以对切出串联电池组的需要激活的电芯进行间歇激活修复，在没有市电的情况下，可以利用已经充满电的串联电池组通过具有与电池组匹配的输入电压的低压恒压充电单元5对切出串联回路且已经切入低压恒压充电单元5的充电回路的一个或一个以上的电芯进行并联间歇激活充电；有市电时则利用输入电压和市电匹配的低压恒压充电单元5为上述电芯进行并联间歇激活充电；下位机及电芯检测单元3将会检测每个被激活电芯的电流，及时调整低压恒压充电单元5的输出电流，使得任何一个被激活充电的电芯的电流都不超过设定的激活充电电流；低压恒压充电单元5可以是一个或一个以上，且可以有不同的输入电压等级；对于无法激活的电芯，主系统控制单元1或上位机单元2则对该下位机及电芯检测单元3进行屏蔽，该单元直到用户将其维修好、并重新标定后才可以恢复正常；

充电时，主系统控制单元1则下达指令让上位机单元2根据当前需要进行串联充电的电芯的个数调整可编程高压充电单元4输出匹配的电压、电流为电池组进行恒压恒流充电，当电池组中的某个电芯的电压上升到设定的恒压充电电压值时，上位机单元2将下达指令让可编程高压充电单元4暂时停止充电，然后将该电芯从串联充电回路中切出后再切入到低压恒压充电单元5的充电回路中准备进行最后的恒压充电，随即上位机单元2将根据剩余的待进行串联充电电芯数量调整可编程高压充电单元4输出与剩余待充电电芯匹配的电压、电流继续为串联电池组进行恒压恒流充电，随后，上位机单元2令低压恒压充电单元5为上述已经切入的电芯继续进行恒压充电，依此类推，随着可编程高压充电单元4对串联电池组充电的继续，会不断有电芯从串联充电回路中切出后再切入到低压恒压充电单元5的充电回路中，由于电芯单元6相关隔离电路的作用，使得上述从串联充电回路中切出后再切入到低压恒压充电回路的电芯可以是一个或一个以上并联在一起进行恒压充电，最终在低压恒压充电回路中进行恒压充电的某个电芯的充电电流减小到设定的电流值时，该电芯将从低压恒压充电单元5的充电回路中切出，依次类推，直到全部电芯充满电切出为止；与此同时，当在可编程高压充电单元4的充电回路中进行充电的电芯数量少于设定的最小充电电芯数量或者小于设定的充电功率时，上位机单元2将令可编程高压充电单元4停止充电，随即把这些剩余的电芯逐个切入低压恒压充电单元5进行充电，以确保低压恒压充电单元5在任何时候都不发生过载；

放电时，主系统控制单元1则下达指令让上位机单元2首先去控制继电器将全部可用的电芯串联起来，采用梯度循环的方式进行放电，即：首先上位机单元2记录当前参与放电的各个电芯的电压或电量的平均值和总电量值，然后开始放电，随着放电的进行，电池组中电芯的电压或电量逐渐下降，当发现某节或某些电芯的电压或电量下降幅度超过上述记录的各个电芯的电压或电量的平均值的预设最高限值时，上位机单元2随即中断电池组的输出，把上述某节或某些电芯切出电池组，然后将之前切出电池组的电芯切入，如果没有则跳过，上位机单元2则记录当前参与放电的各个电芯的电压或电量的平均值和总剩余电量，并刷新之前的记录参数，随后上位机单元2再次使这些重新串联起来的电芯继续参与放电；同理，随着放电的继续，当上位机单元2发现某节或某些电芯的电压或电量下降幅度超过上述记录的平均值的预设最高限值时，上位机单元2随即中断电池组的输出，把上述某节或某些电芯切出电池组，并将之前切出电池组的电芯重新切入电池组，上位机单元2则记录当前参与放电的各个电芯的电压或电量的平均值和总剩余电量，并刷新之前的记录参数，然后电池组继续放电；依次类推，直到电池组放电完毕；当然，也可以结合利用踩刹车且在松开刹车时作为触发条件来完成电芯的切换，即：当检测到有刹车动作时首先进行能量回收，能量回收完毕在松开刹车时电芯才开始切换；也可以根据实际需要利用输入电压和电池组匹配的低压恒压充电单元5对切出电池组的电芯进行补充电能；或利用一个或一个以上副边相互隔离的低压恒压充电单元5对没有切出串联电池组的电芯进行可选择的一一对应充电；也可以根据需要让电池组在梯度循环放电和最大输出功率之间转换。

12.根据权利要求6所述的一种电池组均衡及保护的方法，其特征在于：所述的硬件保护电路在正常充放电状态下，开关S3置于M处，电芯电压在常范围内时，光耦U700导通，单稳态电路31不工作；一旦电芯开路导致电芯两端的电压迅速升高时，无论此时的保护电路、下位机及电芯检测单元3是否受损，即便下位机及电芯检测单元3没有受损其响应速度也没有硬件保护电路快，轻则稳压器U703的参考极电压升高，造成稳压器U703导通导致光耦U700关闭，重则熔丝F00、光耦U700烧毁，同样造成光耦U700关闭，同样会触发单稳态电路31去短时间先关闭电池组输出电压，然后去触发单向可控硅Q703导通，使得12VC经R714的电流因单向可控硅Q703导通而对地短路，从而使继电器K1迅速复位，达到锁定故障电芯的目的，而其他正常的单元则不受影响地继续参与电池组的充放电操作；即使在下位机及电芯检测单元3失效的情况下，当电芯的电压过低时，D701将截止，同样导致U700关闭，进而触发可控硅Q703导通，以达到上述同样的效果；上位机单元2将会感知这一异常，并在此之后或下次操作前自动检测出故障电芯单元并进行相应的自动处置。

13.根据权利要求10、12所述的一种电池组均衡及保护的方法，其特征在于：采用对比验证和双重保护机制，对比验证可以贯穿于电池组各种工作状态；在自检时，可以将上位机单元2检测到的电压和下位机及电芯检测单元3检测到的电压进行单电芯电压比对；在电池组进行充放电时，可以将上位机单元2检测到的整个电池组电压和下位机及电芯检测单元3检测到的正在串联运行中的各个电芯电压之和进行比对；可以在使用低压恒压充电单元5进行充电时，用该充电单元总输出电流和各个电芯的充电电流之和比对，以及在此基础上实现双重保护，即：由下位机及电芯检测单元3负责管理电芯的运行和常规保护，如果下位机及电芯检测单元3因故障无法响应时，硬件保护电路也将检测到这些异常并自动保护，以确保安全。

14.根据权利要求1所述的一种电池组均衡及保护的方法，其特征在于：所述的主系统控制单元1连接传感器单元9，通过设置相关的传感器，在遇危险的意外事故时，通过触发可控硅将供给相关继电器线圈的电源对地短路，使得12V经保险丝供给相关继电器线圈的电源因保险丝熔断而无法吸合，达到将所有串联电芯永久分断的目的，从而彻底消除了电池组的高电压隐患。