CN110752635A - 串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路及方法，包括蓄电池组、选通开关阵列、电量耗散回路、极性匹配开关阵列、隔离型DC/DC变换器、双极性差分式电压测量电路、微控制器单元、充放电电流检测回路和开关电路单元，本公开能够通过控制选通开关阵列对蓄电池组的每个串联节电池单独进行充电和放电，实时测量每个串联节电池的电压、计算放电电流和泄放电量，实现蓄电池组容量在线检测，并可在充电、放电两种状态下对相对荷电量高或低的串联节电池进行旁路泄放和并联补充，实现各串联节电池电量的高效均衡。

Description

串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路及方法
技术领域
本公开涉及蓄电池技术领域，特别涉及一种串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
随着地球环境的持续恶化，减少各种有害排放成为全人类共同面对的重大问题。各种大容量的蓄电池组作为最便捷的电能储存装置，广泛用于安全监控、通信设施等各种应用的备用电源装置中，以及电动汽车、电动船、无人飞机等新能源交通运输工具。为了满足应用系统对电池容量和电压的需要，需要把多个蓄电池单体进行并联和串联组合成为电池组。当把电池单体串联后，为了保障蓄电池组的使用寿命和运行安全，通常会给蓄电池组配备一套对每个串联节电池电压的测量监控和切断充放电回路的保护电路，保证蓄电池组内的每一串联节电池不会过高电压充电和过低电压放电。由于制造工艺的缺陷和安装位置导致的使用环境的差异，使得各串联节电池的漏电流存在差异，日积月累将导致串联节电池的相对荷电量(SOC)出现不均衡。当蓄电池组内各串联节电池电压不一致时，充电时电压高的电池节被先充到了过电压保护值产生充电保护，放电时电压低的电池节被先放到了欠电压保护值产生放电保护，从而使蓄电池组的有效可用容量(即健康状态SOH)下降，影响了蓄电池组的储能效率和使用寿命。
为了保持蓄电池组的有效容量，通常采用均衡电路迫使蓄电池组内各串联节电池电压在充电后达到相等的均衡状态。均衡的电路的工作方式分为能量耗散型和能量转移型。能量耗散型均衡电路是将一个带可控开关的旁路电阻并联在每一节串联节电池的两端，当任一节串联节电池的电压高于某一阀值时接通旁路电阻分流充入该串联节电池的电流实现均衡。这种方式电路简单、成本低廉，在小微型蓄电池组中得到了广泛的应用，缺点是均衡电阻消耗的能量转换成了热量，消散这些热量需要较大的体积空间，因而限制了均衡的能力，不能满足大容量蓄电池组的均衡要求。能量转移型均衡电路是将电压较高的串联节电池的能量通过电抗元件(电感或电容)或DC/DC变换器转移到其他串联节电池或总回路上，降低该串联节电池的充入电流实现均衡；或者将总回路或其他串联节电池的能量通过电抗元件(电感或电容)或DC/DC变换器转移到电压较低的串联节电池，增加其充电电流实现均衡。这种方式发热量较小，可用于大容量蓄电池组的均衡，缺点是电路复杂，成本较高。
对于备用电源的蓄电池组，很多应用系统(如安全监控系统)的蓄电池组处于长时间闲置备用状态，只有在偶发情况下才会启动蓄电池供电工作。处于长时间闲置状态的蓄电池由于制造缺陷或者环境影响会导致各串联节电池的相对荷电量(SOC)出现不均衡、某些电池的容量下降等问题，使蓄电池组有效容量(即健康状态SOH)大幅度下降，甚至完全失效。当需要蓄电池组供电时却不能有效地提供电能支持而致使整个系统失效，导致严重后果。为了确保蓄电池组的有效性，对于重要的系统通常需要定期地在应用现场进行容量测试，有些场合(如易爆环境)则必须将设备搬回实验室进行测试，维护工作费时费力且成本高，如果测试维护过程中爆发供电需求，将无法提供备用电能供给导致系统失效。
可靠准确地测定蓄电池组健康状态(SOH)是采用放电实验法：将电池组从一种相对荷电量较大的状态(SOC0)开始放电，放电至另一种相对荷电量较小状态(SOC1)，计算出相对荷电量的差值(SOCD)，同时对放电电流进行时间积分，得出放出的实际电量(ROCD)，由此计算出电池组的实际容量为ROCD/SOCD。这种方法测定的容量值准确可靠，但是需要对电池组进行深度放电实验，并需要专用的放电回路和测量装置，在测量期间需要中断电量的备用供给，无法实现在线测量。对蓄电池组健康状态(SOH)的在线测试通常采用电池内阻法，通过给蓄电池组两端注入一定频率的交流信号，测试蓄电池组两端的电压和电流的幅度和相位差，推算出蓄电池组的内阻，从而评判蓄电池组的有效容量(即健康状态SOH)。这种方法的缺点是测量精度差，易受环境及其他因素的影响，评估出的结果误差极大，无法保证应用系统的可靠性。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路及方法，能够实现蓄电池组的有效容量在线检测和能够在充放电两种状态的串联节电池的电量均衡。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开的第一方面提供了一种串联电池组容量在线监测和充放电状态均衡电路。
一种串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路，包括蓄电池组、选通开关阵列、电量耗散回路、极性匹配开关阵列、隔离型DC/DC变换器、双极性差分式电压测量电路、微控制器单元、充放电电流检测回路和开关电路单元；
所述蓄电池组包括多个串联的电池节，所述选通开关阵列将蓄电池组的奇数编号的串联节电池正极通过电控开关分别选通接至奇母线，偶数编号的串联节电池正极和总负极通过电控开关分别选通接至奇母线和偶母线；所述奇母线和偶母线分别接至电量耗散回路的两端、极性匹配开关阵列的两输出端和双极性差分式电池电压测量电路的两输入端；
所述极性匹配开关阵列将奇母线与偶母线与隔离型DC/DC变换器的输出断开或者转换为相同电压极性后连接在一起，所述双极性差分式电压测量电路将奇母线和偶母线上的双极性高共模电池电压差分信号调理转换为适合于微控制器单元输入要求的参考于信号地的单极性电压送入微控制器单元，所述充放电电流检测回路和开关电路串接于蓄电池组的总负极输出连线上。
作为可能的一些实现方式，所述极性匹配开关阵列包括两组交叉并联的双刀联动电控开关，第一组电控开关的一路常开开关跨接于奇母线与隔离式DC/DC变换器的正极之间，另一路常开开关跨接于偶母线与隔离式DC/DC变换器的负极之间；
第二组电控开关的一路常开开关跨接于偶母线与隔离式DC/DC变换器的正极之间，另一路常开开关跨接于奇母线与隔离式DC/DC变换器的负极之间，通过控制两路电控开关分时接通使隔离式DC/DC变换器的输出与通过选通开关阵列选通的蓄电池组串联节电池极性相同地连接。
作为进一步的限定，所述极性匹配开关阵列由多组电控开关组成四个端口的电路单元，其中两个端口与奇母线和偶母线相连，另外两个端口与隔离式DC/DC变换器的正负输出端相连，内部开关的通断由微控制器单元控制。
作为可能的一些实现方式，所述的选通开关阵列由电池串联节数加一个电控开关组成，所述蓄电池组由多节蓄电池串联而成，其总正极、总负极及每一个电池串联连节点均接至选通开关阵列的一个电控开关常开开关触点的一端，与奇数编号的串联节电池正极相连的电控开关常开开关触点的另一端连接到奇母线上，与偶数编号的串联节电池的正极和蓄电池组总负极相连的电控开关常开开关触点的另一端连接到偶母线上。
作为可能的一些实现方式，所述电量耗散回路是由一个电控开关的常开开关触点和一个电阻或等效的电能耗散电路网络串联组成。
作为可能的一些实现方式，所述隔离式DC/DC变换器的输入端接至蓄电池组的总正极和总负极，输出端分别接至所述极性匹配开关阵列的输入端，其输入和输出是电气隔离的，输入电压范围应大于蓄电池组总输出电压的变化范围，输出空载电压等于蓄电池组串联节电池的最高允许工作电压，具有电流限制输出特性，最大输出电流不大于蓄电池组串联节电池的最大允许充电电流。
作为可能的一些实现方式，双极性差分式电池电压测量电路的两个输入端分别连接至奇偶两条母线上，输出端接至微控制器单元，可对正负两种极性的输入信号进行差分放大，输入共模电压范围不小于蓄电池组的最高输出电压。
作为可能的一些实现方式，所述微控制器单元对来自于双极性差分式电池电压测量电路输出的信号进行AD转换采集，并根据分时测量所得的蓄电池组所有串联节电池的电压、充放电电流等参数判定的蓄电池组工作状态，控制选通开关阵列、极性匹配开关阵列和电量耗散电路内的相应电控开关的通断，用于实现蓄电池组的有效容量的在线测定评估以及充放电两种工作状态下蓄电池各串联节电池荷电量的高效均衡管理。
本公开的第二方面提供了一种串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡系统。
一种串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡系统，包括至少一组蓄电池组，所述蓄电池组利用本公开所述串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路进行蓄电池组的有效容量的测定评估以及充放电两种工作状态下蓄各串联节电池荷电量的高效均衡管理。
本公开的第三方面提供了一种串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡方法。
一种串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡方法，利用本公开所述串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路；
蓄电池组充电状态下的高效均衡工作过程具体为：
在充电状态下，通过选通开关阵列接通电压偏离中心值最大的串联节电池的正负极两端到奇母线和偶母线；如果该节电池大于中心值，则接通电量耗散回路的耗散回路电控开关，通过耗散电阻负载消耗该节电池的能量或分流充入该节电池的电流，降低该节电池的电压或电压上升速度；
如果该节电池电压小于中心值，奇数编号的串联节电池接通极性匹配开关阵列的第二极性选通开关组，偶数编号的串联节电池接通极性匹配开关阵列的第一极性选通开关组，使被选通的串联节电池的极性对应地接至隔离式DC/DC变换器进行电量补充，提高该节电池的电压或电压上升速度，实现充电状态下的均衡工作；
蓄电池组放电状态下的高效均衡工作过程具体为：
在放电状态下，通过选通开关阵列接通电压值最低的串联节电池的正负极两端到奇母线和偶母线，奇数编号的串联节电池接接通极性匹配开关阵列的第二极性选通开关组，偶数编号的串联节电池接通极性匹配开关阵列的第一极性选通开关组，使被选通的串联节电池的极性对应地接至隔离式DC/DC变换器进行电量补充帮扶，减缓该节电池的电量消耗，实现放电状态下的均衡工作。
蓄电池组容量在线检测工作过程具体为：
根据系统的需要设置容量监测的间隔时间，在蓄电池组有充电电源连接且处于充电保护和不放电状态，通过选通开关阵列依次分时接通蓄电池组的一个串联节电池至的正负极两端到奇母线和偶母线，接通电量耗散回路的电控开关使被选通的串联节电池通过电阻或等效的电能耗散电路网络放电；
同时通过双极性差分式电压测量电路将该串联节电池的电压送入微控制器单元进行实时采集，根据采集到的串联节电池电压、负载电阻或等效的电能耗散电路网络的阻值计算出每一时刻的放电电流，并进行时间积分计算放出的实际累计电量ROCD，直到该节电池电压下降至按照开路电压对应的相对电量SOC的设定比值时，断开电量耗散回路的电控开关停止放电，将放电开始时的开路电压对应的初始相对荷电量SOC0减去放电终止时开路电压对应的相对荷电量SOC1计算放出的相对荷电量SOCD，再计算出ROCD/SOCD的值就是该串联节电池的实际容量值；
将该串联节电池按照其奇数和偶数编号对应接通极性匹配开关的一组开关，使该串联节电池极性对应地接至隔离式DC/DC变换器单独进行电量补充，直至满电状态；
按此步骤依次将蓄电池组的各个串联节电池的容量进行电量泄放测试和单独充电恢复满电状态，始终保持电池组有较高的电能储量；
由此测出的所有串联节电池的最小容量就是蓄电池组的有效容量。
作为进一步的限定，蓄电池组容量在线检测时的应急供电工作过程具体为：
如果蓄电池组在在线检测时的电量泄放测量过程中需要电池组供电时，正在被泄放测量的电池组的相对容量较低，将被正在泄放测量的串联节电池按照其奇数和偶数编号对应接通极性匹配开关，使该串联节电池极性对应地接至隔离式DC/DC变换器进行电量补充帮扶，从而保证整个电池组能够输出的电量下降很小。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1：在电池组闲置状态下，可以通过逐一对蓄电池组的串联节电池进行适度放电，准确地在线测量每一串联节电池的实际容量，并通过隔离型DC/DC变换器对放电测量的串联节电池进行单独充电恢复荷电量，实现电池组有效容量(即健康状态SOH)的在线测量，避免由于蓄电池组的有效容量下降导致应用系统的应急可靠性降低。
2：如果在放电测试某串联节电池时，需要蓄电池组进行放电工作，可利用整个电池组的电量通过隔离型DC/DC变换器对正在放电测试的串联节电池进行电量补充帮扶，使整个蓄电池组的有效输出电量损失很少，为应用系统保证不间断的电量储备。
3：在充电状态下，既可以通过电量耗散回路的耗散电阻负载对荷电量高的串联节电池的充电电流的旁路分流均衡，也可以通过隔离型DC/DC变换器对荷电量低的串联节电池的充电电流并联增流均衡，实现充电状态的双向均衡，其有益之处为：第一，只需要对偏离电压中值的串联节电池进行均衡，避免了单向均衡方式(仅对串联节电池进行分流或增流的均衡方式)需要将多数串联节电池的电压通过单向拉偏的方式均衡至电压最高或最低的弊端；第二，由于均衡时只有电量泄放回路或者能量转移效率较高的隔离型DC/DC变换器一路均衡部件工作，均衡过程发热量低，允许较大的均衡电流，提高均衡效率，缩短均衡时间，减少蓄电池组内部的温度升高，降低电池的温度老化效应。
4：在放电状态下通过隔离型DC/DC变换器对荷电量低的串联节电池进行能量转移补充帮扶，减缓其电量消耗速度，实现放电状态的均衡，延长电量低的串联节电池到达放电保护电压阈值造成蓄电池组被放电保护的时间，使每一个串联节电池储存的电量得到充分释放，有效地提高蓄电池组的有效容量，延长使用寿命。
附图说明
图1为本公开实施例1中串联节数为偶数的电池组电路方案结构示意图。
图2为本公开实施例1中串联节数为奇数的电池组电路方案结构示意图。
图1中，1、串联型蓄电池组；101～1(2n)、蓄电池组内各串联节电池；2、选通开关阵列；201～2(2n)、蓄电池组内各串联节电池连接的电控开关；298、偶数母线；299、奇数母线；3、电量耗散回路；301、耗散电阻负载；302、耗散回路电控开关；4、极性匹配开关阵列；41、第二极性匹配开关组；411～412、第二极性匹配开关组的两路开关；42、第一极性匹配开关组；421～422、第一极性匹配开关组的两路开关；5、隔离型DC/DC变换器；6、双极性差分式电压测量电路；7、单片机数据采集和控制单元；8、充放电流检测回路；9、大功率开关电路。
图2中，1、串联型蓄电池组；101～1(2n+1)、蓄电池组内各串联节电池；2、选通开关阵列；201～2(2n+1)、蓄电池组内各串联节电池连接的电控开关；298、偶数母线；299、奇数母线；3、电量耗散回路；301、耗散电阻负载；302、耗散回路电控开关；4、极性匹配开关阵列；41、第二极性匹配开关组；411～412、第二极性匹配开关组的两路开关；42、第一极性匹配开关组；421～422、第一极性匹配开关组的两路开关；5、隔离型DC/DC变换器；6、双极性差分式电压测量电路；7、单片机数据采集和控制单元；8、充放电流检测回路；9、大功率开关电路。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1：
如图1-2所示，本公开实施例1提供了一种串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路，包括串联蓄电池组1、选通开关阵列2、电量耗散回路3、极性匹配开关4、隔离型DC/DC变换器5、双极性差分式电压测量电路6、微控制器单元、充放电流检测回路8和大功率开关电路9，所述微控制器单元具体为单片机数据采集和控制单元7。
本实施例通过控制选通开关阵列分时将蓄电池组的任一串联节电池接至耗散电阻进行电量消耗，或者接至DC/DC变换器进行电量补充，实现了蓄电池组容量在线检测和可在充放电两种状态的串联节电池的电量均衡；通过控制选通开关阵列分时对蓄电池组每个串联节电池的电量逐一进行适度消耗泄放和充电实现准确可靠地测量和评估蓄电池组的有效容量(健康状况SOH)。
通过控制选通开关阵列分时对充电状态下相对荷电量(SOC)高的串联节电池接至耗散电阻进行充电电流的旁路分流，或者对相对荷电量(SOC)低的串联节电池接至DC/DC变换器进行充电电流的并联增流，实现了充电状态下各串联节电池相对荷电量的均衡，避免由于个别容量小或荷电量高的电池节过早引发过充保护致使整个蓄电池组充电不充分而导致的蓄电池组储存电量降低。
通过控制选通开关阵列分时对放电状态下相对荷电量(SOC)低的串联节电池接至DC/DC变换器进行放电电流的并联补充帮扶，实现放电状态下各串联节电池放出电量的均衡，避免由于个别容量小或荷电量低的串联节电池过早引发过放保护致使多数串联节电池电量释放不充分导致的电池组可放出电量降低，提高蓄电池组的有效容量，改善蓄电池组的健康状态。
具体电路结构和工作方式如下：
对于总串联节数为偶数的电池组，如图1所示，串联蓄电池组1由串联节电池101～1(2n)串联而成，其中串联节电池电位的按照101、102、……、1(2n-1)、1(2n)的顺序依次升高，101、……、1(2n-1)为由低电位到高电位顺序排列的串联电池奇数节，102、……、1(2n)为由低电位到高电位顺序排列的串联电池偶数节。
选通开关阵列2由常开型的电控开关201～2(2n)组成，其中电控开关201、……、2(2n-1)的一端分别连接在串联电池奇数节101、……、1(2n-1)的正极，另一端连接至奇母线299；电控开关200一端连接至蓄电池组的总负极，202、……、2(2n)的一端分别连接在串联电池偶数节的正极，另一端连接至偶母线298。
对于总串联节数为奇数的电池组，如图2所示，串联蓄电池组1由串联节电池101～1(2n+1)串联而成，其中串联节电池电位的按照101、102、……、1(2n)、1(2n+1)的顺序依次升高，101、……、1(2n+1)为由低电位到高电位顺序排列的串联电池奇数节，102、……、1(2n)为由低电位到高电位顺序排列的串联电池偶数节。
选通开关阵列2由常开型电控开关201～2(2n+1)组成，其中电控开关201、……、2(2n+1)的一端分别连接在串联电池奇数节101、……、1(2n+1)的正极，另一端连接至奇母线299；电控开关200一端连接至蓄电池组的总负极，202、……、2(2n)的一端分别连接在串联电池偶数节的正极，另一端连接至偶母线298。
奇母线299和偶母线298接至电量耗散回路3的两端、极性匹配开关阵列4的两个输出端和双极性差分电池电压测量电路6的输入端：电量耗散回路3内由1个耗散电阻负载301和1路常开型电控开关302串接而成。
所述双极性差分式电池电压测量电路6的两个输入端分别连接至奇母线299和偶母线298，输出端接至微控制器单元，可对正负两种极性的输入信号进行差分放大，输入共模电压范围不小于蓄电池组的最高输出电压。
极性匹配开关阵列4由两个双刀电控开关41和42组成，其中电控开关41的一路常开开关接点411跨接在隔离型DC/DC变换器5正输出端和奇母线299之间，另一路常开开关接点412跨接在隔离型DC/DC变换器5负输出端和偶母线298之间；另一个电控开关42的一路常开开关接点421跨接在隔离型DC/DC变换器5负输出端和奇母线299之间，另一路常开开关接点422跨接在隔离型DC/DC变换器5正输出端和偶母线298之间。
所述电控开关可以是电磁式继电器(Relay)、固态继电器(SSR)、光电耦合继电器(PhotoMOS)、磁簧继电器(MRR)等在电信号控制下可以控制电气回路通断的器件中的其中一种，所述电控开关为采用上述电控开关时，电控开关可以匹配为单个或多个常开或常闭触点并联的工作方式。
隔离型DC/DC变换器5的正和负输入端分别接至蓄电池组1的总正端和总负端，双极性差分电池电压测量电路6的输出端接至单片机数据采集和控制单元7。
所述隔离型DC/DC变换器5的输入和输出是电气隔离的，输入电压范围应大于蓄电池组总输出电压的变化范围，空载输出电压等于蓄电池组串联节电池的最高允许工作电压，具有恒流输出特性，恒流工作时输出电流不大于蓄电池组串联节电池的最大允许充电电流。
所述充放电电流检测回路8和大功率开关电路9串接于蓄电池组的总负极输出连线上。
蓄电池组容量在线检测和充放电高效均衡电路的主要工作过程包括蓄电池组的充放电管理和高效均衡和蓄电池组容量在线检测等功能状态。
蓄电池组的充放电管理和高效均衡工作过程具体为：
首先依次成对接通选通开关200和201、201和202、……、2(2n-1)和2(2n)、2(2n)和2(2n+1)，分时将蓄电池组内串联节电池101、102、……、1(2n-1)、1(2n)、1(2n+1)等串联节电池的正负极接至299和298两条母线，其中奇数编号串联电池节的正极和负极分别接至奇母线299和偶母线298，串联偶数编号电池节的正极和负极分别接至偶母线298和奇母线299。
通过双极性差分电池电压测量电路6将高共模差分电池电压信号转换成动态范围适合的对地单端电位信号，送入单片机数据采集和控制单元7进行AD转换，采集各串联节电池的电压数据。单片机数据采集和控制单元7同时通过充放电电流检测回路实时采集蓄电池组的充放电电流，内部的CPU根据采集到的所有串联节电池的电压和充放电电流数据，完成蓄电池组的五个充放电管理和高效均衡功能：
(1)在充电状态下，确定将蓄电池组中电压偏离中心值大的串联节电池通过选通开关阵列2接通至隔离式DC/DC变换器5进行补充电量，或者接通至电量耗散回路3泄放电量，实现对蓄电池组的各串联节电池电量的高效充电均衡；
(2)在放电状态下，确定将蓄电池组中电压最低的串联节电池通过选通开关阵列2接通至隔离式DC/DC变换器5进行电量补充帮扶，减少该电池节的放电电流，实现蓄电池组的高效放电均衡；
(3)当某个串联节电池电压充电到上限值时，关断大功率开关电路9的充电回路，实现过充保护；
(4)当某个串联节电池电压放电到下限值时，关断大功率开关电路9的放电回路，实现过放保护；
(5)当充电电流或放电电流大于允许的阈值时，关断大功率开关电路9的充电回路或放电回路，实现蓄电池组的充电和放电过电流保护。
蓄电池组在充电状态下的高效均衡工作过程具体为：
在充电状态下，通过控制选通开关阵列2接通电压偏离中心值最大的串联节电池的正负极两端到奇母线299和偶母线298，如果该节电池大于中心值，则接通电量耗散回路3的耗散回路电控开关302，通过耗散电阻负载301分流充入该节电池的电流；
如果该节电池电压小于中心值，奇数编号的串联节电池接通极性匹配开关阵列4的电控开关组41(电控开关411、412)，偶数编号的串联节电池接通极性匹配开关阵列4的电控开关组42(电控开关421、422)，使被选通的串联节电池的极性对应地接至隔离式DC/DC变换器5进行电量补充；
蓄电池组在放电状态下的高效均衡工作过程具体为：
在放电状态下，通过控制选通开关阵列2接通电压值最低的串联节电池的正负极两端到奇母线299和偶母线298，，奇数编号的串联节电池41(电控开关411、412)，奇数编号的串联节电池接通极性匹配开关阵列4的电控开关组41(电控开关411、412)，偶数编号的串联节电池的接通极性匹配开关阵列4的电控开关组42(电控开关421、422)，使被选通的串联节电池的极性对应地接至隔离式DC/DC变换器5进行电量补充帮扶，减缓该节电池的电量消耗。
蓄电池组容量在线检测工作过程具体为：
根据系统的需要设置容量监测的间隔时间(一般为数周或者数月)，在蓄电池组有充电电源连接且处于充电保护和不放电状态时，通过选通开关阵列2依次分时选通蓄电池组的一个串联节电池的正负极接至奇偶母线，同时接通电量耗散回路3的电控开关302使被接通的串联节电池通过电阻负载301放电；
同时通过双极性差分式电压测量电路6将该串联节电池的电压送入单片机数据采集和控制单元7进行实时采集，根据采集到的串联节电池的电压、负载电阻的阻值计算出每一时刻的放电电流，并进行时间积分计算实际放出的累计电量(ROCD)，直到该节电池电压下降至按照开路电压(OCV)对应的相对荷电量(SOC)的一定比值(通常为70％以下)时，断开电量耗散回路3的电控开关302停止放电，将放电开始时的初始相对荷电量(SOC0)减去放电终止时的相对荷电量(SOC1)计算放出的相对荷电量(SOCD)，再计算出ROCD/SOCD的值就是该串联节电池的实际容量值；
然后将该串联节电池按照其奇数和偶数编号对应接通极性匹配开关组41或42，使该串联节电池极性对应地接至隔离式DC/DC变换器5单独进行电量补充至满电状态；
按此步骤依次将蓄电池组的各个串联节电池的容量进行电量泄放测试和单独充电恢复满电状态，保持电池组的电能储量；
测出的所有串联节电池的最小容量就是蓄电池组的有效容量。
蓄电池组容量在线检测时的应急供电工作过程具体为：
如果蓄电池组在电量泄放测量过程中需要电池组供电时，正在被泄放测量的电池组的相对容量(SOC)较低，此时将被正在泄放测量的串联节电池按照其奇数和偶数编号对应接通极性匹配开关41或42，使该串联节电池极性对应地接至隔离式DC/DC变换器5进行电量补充帮扶，减少该节电池的电量消耗，延长其到达放电保护状态的时间，充分发挥其他未被泄放的电池节储存的电量，使电池组整体能够供出的电量下降很少，保证蓄电池组应急工作能力。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡系统，包括至少一组蓄电池组，也可以是多组蓄电池组的串联或者并联，每个蓄电池组利用本公开实施例1所述串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路进行蓄电池组的有效容量的在线测定评估以及充放电两种工作状态下各串联节电池荷电量的高效均衡管理。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路，其特征在于，包括蓄电池组、选通开关阵列、电量耗散回路、极性匹配开关阵列、隔离型DC/DC变换器、双极性差分式电压测量电路、微控制器单元、充放电电流检测回路和开关电路单元；
所述蓄电池组包括多个串联节电池，所述选通开关阵列将蓄电池组的奇数串联节电池正极通过电控开关连接至奇母线、偶数串联节电池正极和蓄电池组的总负极通过电控开关连接至偶母线，所述奇母线和偶母线分别接至电量耗散回路的两端、极性匹配开关阵列的两输出端和双极性差分式电池电压测量电路的两输入端；
所述极性匹配开关阵列将奇母线与偶母线与隔离型DC/DC变换器的输出断开或者转换为相同电压极性后连接在一起，所述双极性差分式电压测量电路将奇母线和偶母线上的双极性高共模电池电压差分信号调理转换为适合于微控制器单元输入要求的参考于信号地的单极性电压送入微控制器单元，所述充放电电流检测回路和开关电路串接于蓄电池组的总负极输出连线上。
2.如权利要求1所述串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路，其特征在于，所述极性匹配开关阵列包括两组交叉并联的双刀联动电控开关，第一组电控开关的一路常开开关跨接于奇母线与隔离式DC/DC变换器的正极之间，另一路常开开关跨接于偶母线与隔离式DC/DC变换器的负极之间；
第二组电控开关的一路常开开关跨接于偶母线与隔离式DC/DC变换器的正极之间，另一路常开开关跨接于奇母线与隔离式DC/DC变换器的负极之间，通过控制两路电控开关分时接通使隔离式DC/DC变换器的输出与通过选通开关阵列选通的蓄电池组串联节电池极性相同地连接。
3.如权利要求2所述串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路，其特征在于，所述极性匹配开关阵列由多组电控开关组成四个端口的电路单元，其中两个端口与奇母线和偶母线相连，另外两个端口与隔离式DC/DC变换器的正负输出端相连，内部开关的通断由微控制器单元控制。
4.如权利要求1所述串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路，其特征在于，所述的选通开关阵列由电池串联节数加一个电控开关组成，所述蓄电池组由多节蓄电池串联而成，其总正极、总负极及每一个电池串联连节点均接至选通开关阵列的一个电控开关常开开关触点的一端，与奇数编号的串联节电池正极相连的电控开关常开开关触点的另一端连接到奇母线上，与偶数编号的串联节电池的正极和蓄电池组总负极相连的电控开关常开开关触点的另一端连接到偶母线上。
5.如权利要求1所述串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路，其特征在于，所述电量耗散回路是由一个电控开关的常开开关触点和一个电阻或等效的电能耗散电路网络串联组成；
或者，
所述隔离式DC/DC变换器的输入端接至蓄电池组的总正极和总负极，输出端分别接至所述极性匹配开关阵列的输入端；
或者，
所述双极性差分式电池电压测量电路的两个输入端分别连接至奇偶两条母线上，输出端接至微控制器单元。
6.如权利要求1所述串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路，其特征在于，所述微控制器单元对来自于双极性差分式电池电压测量电路输出的信号进行AD转换采集，并根据分时测量所得的蓄电池组所有串联节电池的电压、充放电电流等参数判定的蓄电池组工作状态，控制选通开关阵列、极性匹配开关阵列和电量耗散电路内的相应电控开关的通断，用于实现蓄电池组的有效容量的在线测定评估以及充放电两种工作状态下蓄电池各串联节电池荷电量的高效均衡管理。
7.一种串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡系统，其特征在于，包括至少一组蓄电池组，所述蓄电池组利用权利要求1-6任一项所述串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路进行蓄电池组的有效容量的测定评估以及充放电两种工作状态下蓄各串联节电池荷电量的高效均衡管理。
8.一种串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡方法，其特征在于，利用权利要求1-6任一项所述串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路；
蓄电池组充电状态下的高效均衡工作过程具体为：
在充电状态下，通过选通开关阵列接通电压偏离中心值最大的串联节电池的正负极两端到奇母线和偶母线；如果该节电池大于中心值，则接通电量耗散回路的耗散回路电控开关，通过耗散电阻负载消耗该节电池的能量或分流充入该节电池的电流；
如果该节电池电压小于中心值，奇数编号的串联节电池接通极性匹配开关阵列的第二极性选通开关组，偶数编号的串联节电池接通极性匹配开关阵列的第一极性选通开关组，使被选通的串联节电池的极性对应地接至隔离式DC/DC变换器进行电量补充，实现充电状态下的均衡工作；
蓄电池组放电状态下的高效均衡工作过程具体为：
在放电状态下，通过选通开关阵列接通电压值最低的串联节电池的正负极两端到奇母线和偶母线，奇数编号的串联节电池接通极性匹配开关阵列的第二极性选通开关组，偶数编号的串联节电池接通极性匹配开关阵列的第一极性选通开关组，使被选通的串联节电池的极性对应地接至隔离式DC/DC变换器进行电量补充帮扶，减缓该节电池的电量消耗，实现放电状态下的均衡工作。
9.如权利要求8所述串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡方法，其特征在于，蓄电池组容量在线检测工作过程具体为：
根据系统的需要设置容量监测的间隔时间，在蓄电池组有充电电源连接且处于充电保护和不放电状态，通过选通开关阵列依次分时接通蓄电池组的一个串联节电池的正负极两端到奇母线和偶母线，接通电量耗散回路的电控开关使被选通的串联节电池通过电阻或等效的电能耗散电路网络放电；
同时通过双极性差分式电压测量电路将该串联节电池的电压送入微控制器单元进行实时采集，根据采集到的串联节电池电压、负载电阻或等效的电能耗散电路网络的阻值计算出每一时刻的放电电流，并进行时间积分计算放出的实际累计电量ROCD，直到该节电池电压下降至按照开路电压对应的相对电量SOC的设定比值时，断开电量耗散回路的电控开关停止放电，将放电开始时的开路电压对应的初始相对荷电量SOC0减去放电终止时开路电压对应的相对荷电量SOC1计算放出的相对荷电量SOCD，再计算出ROCD/SOCD的值就是该串联节电池的实际容量值；
将该串联节电池按照其奇数和偶数编号对应接通极性匹配开关的一组开关，使该串联节电池极性匹配地接至隔离式DC/DC变换器单独进行电量补充，直至满电状态；
按此步骤依次将蓄电池组的各个串联节电池的容量进行电量泄放测试和单独充电恢复满电状态，始终保持电池组有较高的电能储量；由此测出的所有串联节电池的最小容量就是蓄电池组的有效容量。
10.如权利要求9所述串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡方法，其特征在于，蓄电池组容量在线检测时的应急供电工作过程具体为：
如果蓄电池组在在线检测时的电量泄放测量过程中需要电池组供电时，正在被泄放测量的电池组的相对容量较低，将被正在泄放测量的串联节电池按照其奇数和偶数编号对应接通极性匹配开关，使该串联节电池极性对应地接至隔离式DC/DC变换器进行电量补充帮扶。
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