CN113783273A - 一种电池串快速自均衡充放电保护电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池串快速自均衡充放电保护电路及控制方法，属于蓄电池技术领域。所述保护电路包括电源及基准电压电路、PWM控制降压隔离均衡充电电路、正负极性控制电路、均衡母线及分串选通电路、全桥整流电路、PWM控制升压隔离均衡充电电路、电池串及电路接口、电池分串电压采样电路、电压模数转换电路、智能控制芯片、保护电路、温度采样电路、电流采样电路、温控电路、通讯电路等，形成降压定向充电式均衡模块和升压定向放电式均衡模块。本发明采用智能控制和隔离开关电源技术，利用选通均衡技术，对单个电池分串或连续多个分串进行定向充电或定向放电均衡，并具备BMS、通讯、参数设置、自动识别电池串串联数等功能。

Description

一种电池串快速自均衡充放电保护电路及控制方法

技术领域

本发明属于蓄电池技术领域，具体涉及一种电池串快速自均衡充放电保护电路及控制方法。

背景技术

蓄电池又称二次电池，是一种可循环充电和放电。能将化学能或电磁能和电能相互转换的装置，主要包括铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍锌蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子蓄电池等。相应蓄电池的的单体电压较低，往往需要将多个蓄电池单体进行并联（称为分串）后再逐级串联，来获得所需的高电压和大容量需求。

然而各蓄电池单体因原材料、生产工艺、使用局部环境等的差异，使得各电池串在实际使用中出现各分串电压出现差异的情况，继而导致充电时个别分串电压已到过充护值而其他分串电压仍未充满，或者放电时个别分串电压已过放护值而其他分串电压仍有放电余量。于是人们发明了具备均衡充电的充电机或具备电压均衡功能的充放电保护电路。由于具备电压均衡功能的充放电保护电路可以方便的和蓄电池模块（由多个蓄电池单体并串联构成）集成一体，得到了广泛应用。

市面上已存的蓄电池串均衡充电机和均衡充放电保护电路虽一定程度可均衡各分串的电压，但仍存在一些不足，相应技术介绍和现存不足如下：

1）恒定分流或通断分流电阻均衡充放电保护电路，是在每个分串上都并联一个分流电阻或受信号控制通断的分流电阻，通过电阻的热耗来实现电压过高的电池分串的均衡。缺点是只以性能最差的电池分串为标准，消耗其他电池分串的能量，发热大、均衡电流小、均衡速度很慢，对分流电阻的精度要求高，同时还浪费了电池可用容量。

2）开关电容、飞渡电容、双层开关电容、开关电感或双层开关电感均衡充放电电路是采用选通开关和储能电容或储能电感，可分别实现相邻电池分串、最高电压分串和最低电压分串、相邻分串或不相邻分串间实现电压均衡。缺点是每次只能实现压差的1/2或1/4的均衡，均衡速度慢，电感耗费的PWM（脉冲电压调制）资源较多、体积大、成本高。

3）集中式反激或正激均衡充放电保护电路，是经一个原边受PWM控制的多副边输出的隔离变换器实现对电池串中电压低的分串直接充电进行均衡，或是将高电压电池分串的能量经PWM控制、通过对应的副边绕组耦合到变压器中，再经对应的副边绕组和PWM控制，将平衡能量转移到低电压电池分串中。缺点是变压器的副边绕组多、体积大、成本高、通用性差。

4）双向DC/DC变换主动均衡电路，需先通过双向DC/DC变换电路将高电压的分串对中间储能单元（通常采用超级电容器）进行充电、以降低相应分串的电压，然后再将中间储能单元存储的电能通过双向DC/DC变换电路对低电压的分串进行充电、以提升相应分串的电压，最终达到均衡的目的。缺点是能量转移有中间存储环节、存在两次转换损失，且控制复杂、成本高、均衡速度慢。

发明内容

本发明通过提供一种电池串快速自均衡充放电保护电路及控制方法，能对单个电池分串（一个电池或多个电池并联构成）或连续多个电池分串具备定向充电均衡或定向放电均衡，具备BMS、通讯、参数设置、自动识别电池串串联数等功能，且均衡功率大、效率高、均衡速度快，适用广泛的电池串快速自均衡充放电保护电路，以解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种电池串快速自均衡充放电保护电路，所述电路包括电源及基准电压电路、PWM控制降压隔离均衡充电电路、正负极性控制电路、均衡母线及分串选通电路、全桥整流电路、PWM控制升压隔离均衡充电电路、电池串及电路接口、电池分串电压采样电路、电压模数转换电路、智能控制芯片、保护电路、温度采样电路、电流采样电路，

所述电源及基准电压电路为各电路及元器件提供工作电源及基准电压，所述PWM控制降压隔离均衡充电电路、正负极性控制电路、均衡母线及分串选通电路、电池串及电路接口、电池分串电压采样电路、电压模数转换电路、智能控制芯片依次连接，所述正负极性控制电路、PWM控制降压隔离均衡充电电路、电流采样电路、均衡母线及分串选通电路、电池分串电压采样电路、保护电路、温度采样电路与智能控制芯片连接，所述电池串及电路接口又与电源及基准电压电路、PWM控制降压隔离均衡充电电路、电流采样电路连接，所述电源及基准电压电路又可与电压模数转换电路、智能控制芯片连接，以此构成降压定向充电式均衡模块；

所述均衡母线及分串选通电路、全桥整流电路、PWM控制升压隔离均衡充电电路、电池串及电路接口、电池分串电压采样电路、电压模数转换电路、智能控制芯片依次连接，所述均衡母线及分串选通电路、PWM控制升压隔离均衡充电电路、电流采样电路、电池分串电压采样电路、保护电路、温度采样电路与智能控制芯片连接，所述电池串及电路接口又可与电源及基准电压电路、均衡母线及分串选通电路、电流采样电路连接，所述电源及基准电压电路可与电压模数转换电路、智能控制芯片连接，所述电源及基准电压电路为各电路及元器件提供工作电源和基准电压，以此构成升压定向放电式均衡模块。

优选地，所述电路中还包括电压采样选通电路、电压采样译码电路和分串选通译码电路，所述电池分串电压采样电路可通过电压采样选通电路与电压模数转换电路连接；所述电压采样选通电路可通过电压采样译码电路再与智能控制芯片连接；所述均衡母线及分串选通电路可通过分串选通译码电路再与智能控制芯片连接。

优选地，所述电路中还包括通讯电路、显示电路和温控电路，所述通讯电路、显示电路和温控电路均与智能控制芯片连接；所述通讯电路是数据通讯和接口转换电路，另一端可和外部通讯设备或移动终端通过有线或无线的方式进行连接；所述显示电路可以将智能控制芯片传送过来的信息通过驱动电路和液晶显示屏予以循环显示；所述温控电路可以按智能控制芯片的控制指令执行降温或升温的功能。

优选地，所述降压定向充电式均衡模块中PWM控制降压隔离均衡充电电路由隔离变压器T1、电子开关管Qp1、二极管Dp2、T1的复位绕组TL1、整流二极管Dp3、续流二极管Dp4、储能电感Lp1、滤波电容Cp3构成；在升压定向放电式均衡模块中PWM控制升压隔离均衡充电电路由隔离变压器T2、电子开关管Qp1、二极管Dp5、电容Cp3、整流二极管Dp3、滤波电容Cp1构成。

优选地，所述降压定向充电式均衡模块中正负极性控制电路由若干个电子开关构成桥式选通电路，电子开关为金属-氧化物半导体场效应晶体管（EMOS）或者是由光耦开关复合构成的隔离型开关或继电器等。

优选地，所述升压定向放电式均衡模块中全桥整流电路由若干整流二极管构成。

优选地，所述的电池串快速自均衡充放电保护电路，所述均衡母线及分串选通电路采用相邻两个电池分串共用一组选通开关，且每间隔一个电池分串再将相应的选通开关并联、从而获得两条均衡母线，选通开关是由增强型金属-氧化物半导体场效应晶体管（EMOS）构成的双向截止型电子开关构成，或者是由光耦开关复合构成的隔离型开关或继电器等。

优选地，所述智能控制芯片是可编程的微控制单元MCU，是将小型中央处理器、存储器、计数器、时钟电路、A/D转换、数据输入输出I/O口、PWM信号发生器、串口通讯接口电路整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机。其可以依据控制程序要求执行各类数据的采集、分析和计算、数据和控制指令的输入输出等功能，具体包括进行通讯设置和输出电池分串或电池串的过压保护电压值、欠压保护电压值、过压保护恢复电压值、欠压保护恢复电压值、过欠压保护最大延迟时间，和电池串的过温保护温度阀值、过温保护恢复温度、低温保护温度阀值、低温保护恢复温度、过流或短路保护电流阀值、过流或短路保护最大延迟时间、过流或短路保护解除时间、初始容量值，和均衡电流值、低压均衡激活阀值、高压均衡激活阀值、均衡开启电压差值、均衡精度电压差值，以及采集和计算并输出各分串电压、电池串电压、电池串电流、电池串充电或放电功率、电池串SOC、电池串SOH、电池串当前DOD、电池串当前充电量和累计充电量或当前放电量和累计放电量、电池串循环次数、电池串温度、电池分串累计均衡次数、故障报警，并进行电压均衡控制、保护控制、温度控制等功能。

一种根据电池串快速自均衡充放电保护电路的控制方法，包括以下步骤：

S1：智能控制芯片进行初始化，关断充电回路和放电回路，再依据电路接线或电口电压信号自动识别电池串串联数，然后进行数据的读取或更新，判断是否有通讯请求，若有通讯请求则通过通讯电路输出电参数及相应数据或写入设置值，否则进行电池串温度采样；

S2：通过温度采样电路完成电池串温度采样，之后判断是否满足T＞To（T是采样得到的电池串温度，To是过温保护恢复温度），如果是（即T＞To）则判断当前电池串剩余容量是否满足SOC＞S1（SOC是电池串剩余容量百分比值， S1是程序预设值），如果SOC＞S1，则发送降温指令、再继续判断是否满足T＞Tb（Tb是过温保护温度阀值，且Tb＞To），如否（SOC≤S1且T＞To）则直接判断是否满足T＞Tb，否则（T≤To）继续判断是否满足T＜Td（Td是低温保护恢复温度）；如果T＞Tb，则进行过温保护（同时关断充电回路和放电回路）、再进行过温报警及状态字记录、然后再进行电池分串电压采样，否则（To≤T≤Tb）则继续判断是否已经处于过温保护状态；如果To≤T≤Tb且已处于过温保护状态，则继续依次进行过温保护、过温报警及状态字记录、电池分串电压采样，否则（即To≤T≤Tb但不处于过温保护状态）直接进行电池分串电压采样；如果T＜Td，则判断当前是否已处于充电状态，如果T＜Td且处于充电状态，则发送升温指令、再继续判断是否满足T＜Tc（Tc是低温保护温度阀值），如否（T＜Td且处于非充电状态）则继续判断当前电池串剩余容量是否满足SOC＞S1；如果T＜Td且处于非充电状态、且SOC＞S1，则发送升温指令、再继续判断是否满足T＜Tc，如否（T＜Td且处于非充电状态，且SOC≤S1）则直接进行判断是否满足T＜Tc；如果T＜Tc则进行低温保护（关断充电回路）、再进进行低温报警及状态字记录、然后再进行电池分串电压采样，否则（Tc≤T＜Tb）继续判断当前是否处于低温保护状态；如果Tc≤T＜Tb且当前处于低温保护状态，则继续进行低温保护、并进行低温报警及状态字记录、然后再进行电池分串电压采样，否则（Tc≤T＜Tb且当前处于非低温保护状态）直接进行电池分串电压采样；如果Td≤T≤To，则进行清除温度保护状态字和降温升温指令，且不同步闭合充电或放电回路，再进行电池分串电压采样；

S3：通过电池分串电压采样电路完成各电池分串电压采样工作，再依据电池串状态修正采样电压，然后判断电池串电压V或各电池分串电压VBm是否满足VP≤V≤Vc或V1P≤VBm≤V1c（VP、Vc是电池串欠压保护值和电池串过压保护值，V1P、V1c是电池分串欠压保护值和电池分串过压保护值），如果是（即VP≤V≤Vc或V1P≤VBm≤V1c）则继续判断是否满足VPW≤V≤Vc且V1PW≤VBm≤V1cw（VPW、Vcw分别是电池串欠压保护恢复值和电池串过压保护恢复值，V1PW、V1cw分别是电池分串欠压保护恢复值和电池分串过压保护恢复值，且Vpw＞Vp，Vcw＜Vc，V1pw＞V1p，V1cw＜V1c），否则（即V＞Vc或V＜Vp，或VBm＞V1c或VBm＜V1P，电池串或电池分串出现过度充电和过度放电的情况）继续判断Ty时间内V＞Vc或VBm＞V1c的次数Y是否满足Y＞M（M是程序预设值）；

如果VPW≤V≤Vcw且V1PW≤VBm≤V1cw（即电池串和电池分串的电压状态正常）则进行清除电压保护状态字（并未同步闭合充电或放电回路）、再继续判断电池串平均电压Va是否满足V1PO≤Va≤V1co（V1PO、V1co分别是低压均衡激活阀值和高压均衡激活阀值），否则（即VP≤V＜VPW或Vcw≤V＜Vc或V1P≤VBm＜V1PW或V1cw≤VBm＜V1c）继续判断是否已处于过压或欠压保护状态；如果当前（即VP≤V＜VPW或Vcw≤V＜Vc或V1P≤VBm＜V1PW或V1cw≤VBm＜V1c）已处于过压或欠压保护状态，则进行维持相应保护状态、再进入均衡准备，否则判断判断电池串平均电压Va是否满足V1PO≤Va≤V1co；

如果Ty时间内V＞Vc或VBm＞V1c的次数Y满足Y＞M，则进行过压保护关断充电回路、再进行过压报警及状态字记录、然后进入均衡准备，否则判断Ty时间内V＜Vp或 VBm＜V1P的次数Y是否满足Y＞M；如果Ty时间内V＜Vp或 VBm＜V1P的次数Y满足Y＞M，则进行欠压保护关断放电回路、再进行欠压报警及状态字记录、然后进入均衡准备，否则延时S（S是程序预设时间）、再返回电池分串电压采样；

如果电池串平均电压Va满足V1PO≤Va≤V1co，则继续进行主回路上电准备，否则（即Va＜V1PO或Va＞V1co）进入均衡准备；

S4：在降压定向充电式均衡模块中，进入均衡准备后立即判断任一分串或连续多个分串各自电压VBm是否满足Va-VBm＞Vd（Va是电池串平均电压，Vd是均衡精度电压差值），如果是（Va-VBm＞Vd）则继续判断当前是否处于均衡充状态，否则（即Va-VBm≤Vd）终止均衡充并清除状态字、再进行主回路上电准备；如果当前是处于均衡充状态，则继续判断均衡充受电的电池分串各自电压VBm是否满足Va-VBm＞Vd，如果是（Va-VBm＞Vd，即当前均衡还未达到均衡允许精度）则继续进行均衡充及数据保持，否则（即Va-VBm≤Vd）进行清除当前均衡充电数据（如PWM信号和分串选定等数据）、然后再判断任一分串或连续多个分串各自电压VBm是否满足Va-VBm＞Vo（Vo是均衡开启电压差值，且Vo＞Vd）；如果当前不是处于均衡充状态，则直接判断判断任一分串或连续多个分串各自电压VBm是否满足Va-VBm＞Vo，如果是（Va-VBm＞Vo）则进行记录待均衡充的分串位置、或连续多个分串的位置和数量，否则（即Vd≤Va-VBm≤Vo）终止均衡充并清除状态字、再进行主回路上电准备；

在升压定向放电式均衡模块中，进入均衡准备后立即判断任一分串或连续多个分串各自电压VBm是否满足VBm -Va＞Vd（Va是电池串平均电压，Vd是均衡精度电压差值），如果是（VBm -Va＞Vd）则继续判断当前是否处于均衡充状态，否则（即VBm -Va≤Vd）终止均衡充并清除状态字、再进行主回路上电准备；如果当前是处于均衡充状态，则继续判断均衡充受电的电池分串各自电压VBm是否满足VBm -Va＞Vd，如果是（VBm -Va＞Vd，即当前均衡还未达到均衡允许精度）则继续进行均衡充及数据保持，否则（即VBm -Va≤Vd）进行清除当前均衡充电数据（如PWM信号和分串选定等数据）、然后再判断任一分串或连续多个分串各自电压VBm是否满足VBm -Va＞Vo；如果当前不是处于均衡充状态，则直接判断判断任一分串或连续多个分串各自电压VBm是否满足VBm -Va＞Vo，如果是（VBm -Va＞Vo）则进行记录待均衡充的分串位置、或连续多个分串的位置和数量，否则（即Vd≤VBm -Va≤Vo）终止均衡充并清除状态字、再进行主回路上电准备；

S5：在降压定向充电式均衡模块中，记录待均衡充的分串位置、或连续多个分串的位置和数量后，继续判断待均衡充的电池分串数量是否为1、或是否为奇数，如果是则直接进行计算均衡充的降压比和均衡电流，否则取待接近于且大于待均衡充的电池分串数量一半的奇数数量分串进行均衡充，再进行计算均衡充的降压比和均衡电流，然后调整PWM信号控制降压输出和均衡电流，再然后分析并输出极性控制信号和电池分串选通控制信号，再进行均衡充及数据保持，从而控制均衡母线及分串选通电路对相应电压偏低的电池分串进行均衡充电；

在升压定向放电式均衡模块中，记录待均衡充的分串位置、或连续多个分串的位置和数量后，继续判断待均衡充的电池分串数量是否为1、或是否为奇数，如果是则直接进行计算均衡充的升压比和均衡电流，否则取待接近于且大于待均衡充的电池分串数量一半的奇数数量分串进行均衡充，再进行计算均衡充的升压比和均衡电流，然后调整PWM信号控制升压输出和均衡电流，再然后分析并输出电池分串选通控制信号，再进行均衡充及数据保持，从而控制均衡母线及分串选通电路对相应电压偏高的电池分串进行均衡放电；

S6：在V1PO≤Va≤V1co时或进行均衡充及数据保持，又或进行终止均衡充并清除状态字的步骤后，接着进行主回路上电准备，再判断当前主回路是否已上电，如是则直接进行电池串电流采样，如否则继续判断当前是否处于过温保护状态；

如果当前是处于过温保护状态则直接进行电参数分析及统计，否则继续判断当前是否处于低温保护状态；

如果当前是处于低温保护状态、且不是过温保护状态，则继续判断当前是否处于欠压保护状态，否则进行判断当前是否处于过压保护状态；如果当前又是处于欠压保护状态，则直接进行电参数分析及统计，否则进行闭合放电回路、再进行电池串电流采样；

如果当前虽不是处于过温保护状态和低温保护状态、但是处于过压保护状态，则进行闭合放电回路、再进行电池串电流采样，否则继续判断当前是否处于欠压保护状态；如果当前又是处于欠压保护状态，则进行闭合充电回路，否则进行闭合充电回路和放电回路、再进行电池串电流采样；

S7：通过电流采样电路完成电池串电流采样工作和充放电状态检测工作，然后判断是否满足I＞Ib（I是采样得到的电池串电流，Ib是过流或短路保护电流阀值），如果是则继续判断Tx时间内过流次数X是否满足X＞N（N是程序预设值），否则进行电参数分析及统计；如果X＞N，则进行过流保护（关断放电回路）、再进行过流报警及状态字记录并+1、然后判断Tk时间内过流保护状态字是否大于Z（Z是程序预设值），否则进行延时S、然后返回电池串电流采样；如果Tk时间内过流保护状态字大于Z，则进行永久过流或短路保护并直至人为清除、然后进行电参数分析及统计，否则进行过流或短路保护、调用定时器中断在Tz时长后解除过流或短路保护并清除状态字，然后进行电参数分析及统计；

S8：进行电参数分析及统计，通过采样到的电流、电压信息，计算外部电源对电池串当前的充电功率、电池串SOC、电池串SOH、当前充电量、累计充电量等，或计算电池串对外放电时当前的放电功率、电池串SOC、电池串SOH、当次DOD、当前放电量、累计放电量等，还可根据设定的电池串容量进行电池串充放电循环次数的统计，同时可统计并输出电池串温度、电流、电压和分串电压、分串累计均衡次数，以及各类故障报警信号；

S9：将设置的电池分串或电池串的过压保护电压、欠压保护电压、过压保护恢复电压、欠压保护恢复电压、过欠压保护最大延迟时间，和电池串的过温保护温度阀值、过温保护恢复温度、低温保护温度阀值、低温保护恢复温度、过流或短路保护电流值、过流或短路保护最大延迟时间、过流或短路保护解除时间、初始容量值，以及均衡电流值、低压均衡激活阀值、高压均衡激活阀值、均衡开启电压差值、均衡精度电压差值，以及采集和计算的各分串电压、电池串电压、电池串电流、电池串充电或放电功率、电池串SOC、电池串SOH、电池串当前DOD、电池串当前充电量和累计充电量或当前放电量和累计放电量、电池串循环次数、电池串温度、分串累计均衡次数、故障报警等信息通过显示电路进行循环显示；

S10：智能控制芯片执行完步骤S9后将自动返回到步骤S1进行循环。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用均衡母线和选通开关电子器件技术，通过智能控制，可以将任意电池分串或连续数量为奇数的多个电池分串接入均衡电路，还可以将数量为偶数的连续多个分串分为两组奇数的分串接入均衡电路，电路结构简单，元器件利用量少，且一次可进行多个电池分串的电压均衡。

2.本发明采用隔离DC/DC开关电源技术,将待充电均衡的单个或连续多个电池分串、或将待放电均衡的单个或连续多个电池分串，和总电池串进行隔离，安全可靠。

3.本发明采用电子开关器件构成极性转换电路，通过智能控制，可满足电池串中任意位置的单个或连续多个分串的均衡充电的极性匹配要求。

4.本发明采用全桥整流电路，可以将电池串中任意位置待均衡放电的单个或连续多个分串的极性（即均衡母线的极性），正确匹配到隔离DC/DC升压电路中。

5.本发明采用可编程的智能芯片，可通过采集各电池分串电压有无的情况智能判断接入电池串的串联数，通用性强；智能芯片可利用采样到的电流、电压信息，计算外部电源对电池串当前的充电功率、电池串SOC、电池串SOH、当前充电量、累计充电量等，或计算电池串对外放电时当前的放电功率、电池串SOC、电池串SOH、当次DOD、当前放电量、累计放电量等，还可根据设定的电池串容量进行电池串充放电循环次数的统计。

6.本发明采用可编程的智能芯片和通讯技术，可灵活设置电池分串或电池串的过压保护电压值、欠压保护电压值、过压保护恢复电压值、欠压保护恢复电压值、过欠压保护最大延迟时间，和电池串的过温保护温度阀值、过温保护恢复温度、低温保护温度阀值、低温保护恢复温度、过流或短路保护电流阀值、过流或短路保护最大延迟时间、过流或短路保护解除时间、初始容量值，以及均衡电流值、低压均衡激活阀值、高压均衡激活阀值、均衡开启电压差值、均衡精度电压差值，并可对外传送各项设置值，以及对外传送采集和计算的各分串电压、电池串电压、电池串电流、电池串充电或放电功率、电池串SOC、电池串SOH、电池串当前DOD、电池串当前充电量和累计充电量或当前放电量和累计放电量、电池串循环次数、电池串温度、电池分串累计均衡次数、故障报警等信息。相关信息还可以通过显示电路循环显示。

7.本发明采用分串译码电路，控制各电池分串均衡选通电子开关管，即可节省智能控制芯片I/O的资源，又可保证相应两条均衡母线上的电子开关管各只能有一只处于导通状态、避免电池分串短路的情况。

8.本发明采用智能控制和电压自主均衡控制，充分保障电池串在充电末尾或放电末尾内部各电池分串电压的一致性，使电池串能充入或放出更多的电能，延长电池串的使用寿命。

9.本发明采用智能保护电路和温控电路，可对电池串进行过压、欠压、过流、短路、过温、低温保护，还可进行降温和升温的控制，充分保障电池串的使用安全性。

10.本发明采用电压监测、电流检测、温度检测，以及均衡充电电路、保护电路、温控电路、通讯电路、显示电路，通过智能控制实现SOC计算、SOH计算、DOD计算、充放电管理、均衡控制、温度控制、分串累计均衡次数统计、故障报警及处理、通信功能，具备BMS（电池管理系统）功能。

11.本发明采用规定时间内允许事件发生的次数的控制，能在最短的时间可靠的执行过压、欠压、过流或短路保护，避免误判。

12.本发明采用均衡放电和均衡受电同步进行，并可同时对多个连续分串进行均衡，均衡速度快。

13.本发明可统计各电池分串累计均衡次数，能准确判断分串性能的好坏，便于维护。

14.本发明采用低压均衡激活阀值和高压均衡激活阀值设置，可使电池串在其主要容量区间范围内限制均衡功能，避免能量过多损耗。

附图说明

图1是本发明降压定向充电式均衡模块电路框图；

图2是本发明升压定向放电式均衡模块电路框图；

图3是本发明降压定向充电式均衡模块电路示意图；

图4是本发明升压定向放电式均衡模块电路示意图；

图5是本发明降压定向充电式均衡模块电路流程图；

图6是本发明升压定向放电式均衡模块电路流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

一种电池串快速自均衡充放电保护电路，所述电路包括电源及基准电压电路、PWM控制降压隔离均衡充电电路、正负极性控制电路、均衡母线及分串选通电路、全桥整流电路、PWM控制升压隔离均衡充电电路、电池串及电路接口、电池分串电压采样电路、电压模数转换电路、智能控制芯片、保护电路、温度采样电路、电流采样电路、电压采样选通电路、电压采样译码电路和分串选通译码电路、通讯电路和显示电路、温控电路等。

实施例1

参见图1和图3，降压定向充电式均衡模块中所述电源及基准电压电路1为各电路及元器件提供工作电源及基准电压，所述PWM控制降压隔离均衡充电电路2、正负极性控制电路3、均衡母线及分串选通电路4、电池串及电路接口6、电池分串电压采样电路7、电压模数转换电路10、智能控制芯片12依次连接，所述正负极性控制电路3、PWM控制降压隔离均衡充电电路2、电流采样电路15、均衡母线及分串选通电路4、电池分串电压采样电路7、保护电路13、温度采样电路14与智能控制芯12片连接，所述电池串及电路接口6又与电源及基准电压电路1、PWM控制降压隔离均衡充电电路2、电流采样电路连接15，所述电源及基准电压电路1又可与电压模数转换电路10、智能控制芯片12连接，以此构成降压定向充电式均衡模块，主要原理是检测到电池串中有低电压的电池分串需要充电均衡时，则控制电池串通过DC/DC隔离降压电路为相应分串进行充电，以达电压均衡的目的。进一步的，降压定向充电式均衡模块中所述电池分串电压采样电路7可通过电压采样选通电路9与电压模数转换电路10连接；所述智能控制芯片12可通过电压采样译码电路8与电压采样选通电路9连接；所述智能控制芯片12可通过分串选通译码电路5与均衡母线及分串选通电路7连接；所述通讯电路16、温控电路17和显示电路11均与智能控制芯片12连接；所述通讯电路16是数据通讯和接口转换电路，其一端直接和智能控制芯片相连，另一端和外部通讯设备或移动终端通过有线或无线的方式连接；所述温控电路17可以按智能控制芯片的控制指令执行降温或升温的功能。本发明所述电池分串Bm（m取值1至n）是由1个或多个电池单体并联构成的，所述电池串是由n个电池分串串联构成的。本发明可依应用场景和电路板资源情况，在电池串串联数量不多、且智能控制芯片12的I/O资源充足的情况下，可以由智能控制芯片12直接驱动分串选通电路4、或直接驱动电压采样选通电路9，从而可省去外围的分串选通译码电路5或电压采样译码电路8。

同时本发明的电池分串电压采样电路7在自耗电、采样精度、成本等条件下，可不采用选通采样的方案，并直接送入电压模数转换电路10、再输入智能控制芯片12的I/O口，或直接送入智能控制芯片12的ADC口。且本发明可以选用集电压采样译码电路8、采样选通电路9、电压模数转换电路10于一体的电池监视IC。

电源及基准电压电路1由三端稳压器CWp1、滤波电容Cp2、分压电阻Rp1、稳压器Vp1构成。电源Vcc可为本发明各电路及元器件提供工作电源，基准电压Vref可以为电压模数转换电路10、智能控制芯片12的ADC模块提供精度更高的基准电压,当相关芯片自带的基准电压模块精度满足要求时可省去外部基准电压电路，二极管Dp1可起到反接保护作用，电容Cp1起电源滤波作用。

所述降压定向充电式均衡模块中PWM控制降压隔离均衡充电电路2由隔离变压器T1、电子开关管Qp1、二极管Dp2、T1的复位绕组TL1、整流二极管Dp3、续流二极管Dp4、储能电感Lp1、滤波电容Cp3构成一个带磁复位的正激型隔离开关电源，其输入电压Uin和输出电压Uo，受智能控制芯片12输出到电子开关管Qp1上的脉冲宽度控制信号PWM的占空比D、和变压器T1的原副边绕组的匝数N2/N1比综合确定。根据相关原理得出：Uo=D*Uin*N2/N1。即PWM控制降压隔离均衡充电电路2能按智能控制芯片12的控制要求，在电池串总电压的输入下，可降压输出不同的电压以对相应的电池分串充电。

所述正负极性控制电路3由Qp2、Qp3、Qp4、Qp5四个电子开关构成桥式选通电路，电子开关为增强型金属-氧化物半导体场效应晶体管（EMOS）构成的双向截止型电子开关构成，或者是由光耦开关复合构成的隔离型开关或继电器等。相应电子开关管可以由智能控制芯片12输出的控制信号KQp2、KQp3控制导通和开断，当KQp2为高电平而KQp2为低电平时Qp2、Qp5导通而Qp3、Qp4截止（Qp2下端母线为正极、Qp3下端母线为负极，反之Qp2下端母线为负极、Qp3下端母线为正极），同时也可以通过单一的控制信号和一个反相器与Qp2、Qp3、Qp4、Qp5连接来替代KQp2或KQp3的功能，最终实现输入端正负极极性固定、而输出端正负极极性可按需输出的要求。从而可满足电池串中任意位置的单个或连续多个奇数分串的均衡充电的极性匹配要求。

均衡母线及分串选通电路4由与各电池分串Bm的正负极连接的电子开关Q1、Q2至Qn+1、以及相应电子开关管的输出端构成。串联数为n的电池串需要n+1个前述电子开关或开关组。相应的电子开关可以是增强型金属-氧化物半导体场效应晶体管（EMOS）构成的双向截止型电子开关构成，或者是由光耦开关复合构成的隔离型开关或继电器等。相应电子开关的输出端按照要求、共同并联到正负极母线上，即连接在单个电池分串两端的电子开关的输出端不同时连接到同一母线上。同时当选通的连续多个分串数量为奇数，可直接控制该连续分串两端的电子开关管导通，不会发生电池分串短路的情况；当选通的连续多个分串数量为偶数时会自动拆分为两部分奇数串的分串分阶段执行），从而避免发生电池分串短路的情况。

分串选通译码电路5可由译码器IC2和IC3构成，电路的输入端Aq1、Aq2至Aqm和A1q1、A1q2至A1qm）连接至智能控制芯片12的相应管脚，电路的输出端KQ1、KQ2至KQn+1连接至分串选通电路4中Q1、Q2至Qn+1的电子开关管的控制脚。智能控制芯片12可依据程序和电池分串电压采样情况输出不同的信号（Aq1、Aq2至Aqm和A1q1、A1q2至A1qm），经分串选通译码电路5输出不同的信号（KQ1、KQ2至KQn+1）控制均衡母线及分串选通电路4中Q1、Q2至Qn+1电子开关管的导通或关断，且能正确保证只有需要充电或对外放电的单个电池分串或多个电池分串接入分串选通电路4中。即当电池串串联数为奇数时，由译码器IC2负责控制KQ1、KQ3、KQ5…KQn中的一个处于导通状态（电池串需要均衡时）或全部关断的状态（电池串不需要均衡时），由译码器IC3负责控制KQ2、KQ4、KQ6…KQn+1中的一个处于导通状态（电池串需要均衡时）或全部关断的状态（电池串不需要均衡时）；当电池串串联数为偶数时，由译码器IC2负责控制KQ1、KQ3、KQ5…KQn中的一个处于导通状态（电池串需要均衡时）或全部关断的状态（电池串不需要均衡时），由译码器IC3负责控制KQ2、KQ4、KQ6…KQn-1中的一个处于导通状态（电池串需要均衡时）或全部关断的状态（电池串不需要均衡时）。这样可即可节省控制芯片I/O的资源，又可保证相应两条均衡母线上的电子开关管各只能有一只处于导通状态、避免电池分串短路的情况。

分串选通译码电路5在电路板资源允许下，也可由智能控制芯片12的I/O口充当，并直接输出控制信号KQ1、KQ2至KQn+1直接实现，控制要求参考前述。

电池串及电路接口6由串并联的电池组、连接到各电池分串的导线、连接端子构成，可以传导相应的电压和均衡充电电流或均衡放电电流。

电池分串电压采样电路7可采用线性电路方案，主要由运算放大器Un1、Un2、Un3、Un4，电阻Rn1、Rn2、Rn3、Rn4、Rn5、Rn6和电容Cn构成。运算放大器Un2、Un3起电压跟随作用、并提高采样回路的输入阻抗。设B1、B2至Bn电池分串对地的电压值标为V1、V2至Vn,当Rn1=Rn2=Rn3=Rn4时，采样输出电压VBn=(Vn- Vn-1)* Rn6/Rn5。

电压采样译码电路8可由电子开关芯片IC6和IC7构成，并视电池串串联数量可选择单一的电子开关芯片或多个电子开关芯片组合使用。相应的数据输入管脚PA.1、PA.2至PA.7与智能控制芯片12上对应的I/O口连接，信号输入管脚VB1、VB2至VBn与电压采样电路7中对应的采样信号连接，输出口AD2和AD3可与智能控制芯片12上的ADC模块的对应管脚、或电压模数转换电路10的对应管脚连接。电压采样译码电路8根据智能控制芯片12的I/O口输出的PA.1、PA.2至PA.7地址码信息，控制电压信号VB1、VB2至VBn单一的传送到智能控制芯片12中的ADC模块或电压模数转换电路10中进行模数转换。电压模数转换电路10可由单个或多个ADC芯片IC4构成，其信号输入管脚VB1、VB2至VBn与电压采样电路7中对应的采样信号连接，数字输出管脚ADB1、ADB2至ADBz连接至智能控制芯片12上对应的I/O口上。

电压模数转换电路10在智能控制芯片12的ADC口资源满足使用要求的情况时，可直接由智能控制芯片12内部的ADC模块充当。

显示电路11是由控制和驱动芯片，再加上LCD显示屏组成的电路模块。其数据管脚PL.0、PL.1至PL.X直接和智能控制芯片12的I/O相连，并可显示智能控制芯片12的I/O口传送过来的数据，包括：设置的电池分串或电池串的过压保护电压值、欠压保护电压值、过压保护恢复电压值、欠压保护恢复电压值、过欠压保护最大延迟时间，和电池串的过温保护温度阀值、过温保护恢复温度、低温保护温度阀值、低温保护恢复温度、过流或短路保护电流阀值、过流或短路保护最大延迟时间、过流或短路保护解除时间、初始容量值，以及均衡电流值、低压均衡激活阀值、高压均衡激活阀值、均衡开启电压差值、均衡精度电压差值，以及采集和计算的各分串电压、电池串电压、电池串电流、电池串充电或放电功率、电池串SOC（荷电状态）、电池串SOH（健康状态）、电池串当前DOD（放电深度）、电池串当前充电量和累计充电量或当前放电量和累计放电量、电池串循环次数、电池串温度、电池分串累计均衡次数、故障报警等信息。

智能控制芯片12（即IC1）是可编程的微控制单元(MCU) ，是将小型中央处理器(CPU)、内存(memory)、计数器(Timer)、时钟电路、A/D转换、数据输入输出I/O口、PWM信号发生器、串口通讯等接口电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机。其可以依据控制程序要求执行各类数据的采集、分析和计算、数据和控制指令的输入输出等功能，具体包括进行通讯设置和输出电池分串或电池串的过压保护电压值、欠压保护电压值、过压保护恢复电压值、欠压保护恢复电压值、过欠压保护最大延迟时间，和电池串的过温保护温度阀值、过温保护恢复温度、低温保护温度阀值、低温保护恢复温度、过流或短路保护电流阀值、过流或短路保护最大延迟时间、过流或短路保护解除时间、初始容量值，和均衡电流值、低压均衡激活阀值、高压均衡激活阀值、均衡开启电压差值、均衡精度电压差值，以及采集和计算并输出各分串电压、电池串电压、电池串电流、电池串充电或放电功率、电池串SOC、电池串SOH、电池串当前DOD、电池串当前充电量和累计充电量或当前放电量和累计放电量、电池串循环次数、电池串温度、电池分串累计均衡次数、故障报警，并进行电压均衡控制、保护控制、温度控制等功能。

保护电路13由对称串联于主回路中并联的QC1、QC2至QCy和并联的Q1C1、Q1C2至Q1Cy电子开关管，以及电阻Rq1、Rq2、Rq3、Rq4、Rq5、Rq6三极管Qq1(或保护IC8)、Qq2、Qq3、Qq4、Qq5构成，相应电子开关管可以是金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或者是绝缘栅双极型晶体管（IGBT），其内部寄生的二极管在电压正偏时，可允许该类电子开关管在导电沟道受控制关闭后，仍可使该类电子开关管具备正向导电的能力。电阻Rq1负责短路采样，短路发生生时，Rq1电压升高使三极管Qq1导通(或使保护IC8发出控制信号)控制Q1C1、Q1C2至Q1Cy电子开关管关断，从而使电池串不再对外放电，而一旦短路故障解除后，相应电子开关管又可正常工作。由电阻Rq2、Rq3、Rq4、Rq5、Rq6和三极管Qq2、Qq3、Qq4、Qq5构成的驱动电路能保障QC1、QC2至QCy和Q1C1、Q1C2至Q1Cy电子开关管的快速关闭，并受智能控制芯片12输出的信号KQP4、KQP5控制，可导通或关断，发生过温保护时需同时关断充电回路QC1、QC2至QCy和放电回路Q1C1、Q1C2至Q1Cy电子开关管，发生低温保护时不宜对电池串充电、则只关断充电回路QC1、QC2至QCy电子开关管（且可利用其内部寄生的二极管可允许电池串对外放电），发生充电过流时只关断充电回路QC1、QC2至QCy电子开关管或再同时关断放电回路Q1C1、Q1C2至Q1Cy电子开关管，发生放电过流或短路保护时只关断放电回路Q1C1、Q1C2至Q1Cy电子开关管或再同时关断充电回路QC1、QC2至QCy电子开关管，发生欠压保护时只关断放电回路Q1C1、Q1C2至Q1Cy电子开关管（可利用其内部寄生的二极管可允许外部电源对电池串充电），发生过压保护时只关断充电回路QC1、QC2至QCy电子开关管（可利用其内部寄生的二极管可允许电池串对外放电）。

温度采样电路14由电阻RT和热敏电阻NTC串联构成，采样输出直接接至智能控制芯片12的ADC模块的AD1口，通过测采样热敏电阻NTC的电压换算出热敏电阻NTC的当前阻值，并通过程序的自动查表获得当前热敏电阻NTC的温度，最终完成电池串温度采样。

电池串的电流采样电路15由电阻RA1、RA2、RA3、和运输放大器UA1构成，直接接至智能控制芯片12的ADC模块的AD0口，最终完成电池串电流采样。其可以并联接在串联于主回路的电子开关管QC1、QC2至QCy两端，也可以并联在串联于主回路的取样电阻R1、R2至Ry两端，智能控制芯片12利用测得的电压降值和相应电子开关管或取样电阻的内阻值可计算出电池串的工作电流。

通讯电路16是数据通讯和接口转换（通讯协议转换）电路，其一端直接和智能控制芯片12的RXD、TXD通讯串口相连，另一端可和外部通讯设备或移动终端通过有线或无线的方式进行连接。通讯电路16可实现设置电池分串或电池串的过压保护电压值V1C或VC、欠压保护电压值V1P或VP、过压保护恢复电压值V1CW或VCW、欠压保护恢复电压值V1PW或VPW,过欠压保护最大延迟时间Ty，和电池串的过温保护温度阀值Tb、过温保护恢复温度To、低温保护温度阀值Tc、低温保护恢复温度Td、过流或短路保护阀值Ib、过流或短路保护最大延迟时间Tx、过流或短路保护解除时间Tz、初始容量值Q，以及均衡电流值Ip、低压均衡激活阀值V1PO、高压均衡激活阀值V1CO、均衡开启电压差值V0、均衡精度电压差值Vd，并可对外传送前述各项设置值，以及对外传送采集和计算的各分串电压、电池串电压、电池串电流、电池串充电或放电功率、电池串SOC、电池串SOH、电池串当前DOD、电池串当前充电量和累计充电量或当前放电量和累计放电量、电池串循环次数、电池串温度、电池分串累计均衡次数、故障报警等信息。

温控电路17是电池串温度管理模块，其直接和智能控制芯片12的WK1、WK2相连，具备依据控制指令完成电池串降温和升温的功能。

C+/P+端子通过导线连接充电口或负载端的正极，C-/P-端子通过导线连接充电口或负载端的负极，B+端子通过导线连接电池串的正极，B-端子通过导线连接电池串的负极。

本发明采用电压监测、电流检测、温度检测，以及均衡充电电路、保护电路、温控电路、通讯电路、显示电路，通过智能控制实现SOC计算、SOH计算、DOD计算、充放电管理、均衡控制、温度控制、分串累计均衡次数统计、故障报警及处理、通信功能，具备BMS（电池管理系统）功能。

实施例2

参见图2和图4，升压定向放电式均衡模块与降压定向充电式均衡模块基本相同，不同之处在于，所述均衡母线及分串选通电路4、全桥整流电路18、PWM控制升压隔离均衡充电电路19、电池串及电路接口6、电池分串电压采样电路7、电压模数转换电路10、智能控制芯片12依次连接，所述电池串及电路接口6可通过电流采样电路15与智能控制芯片12连接，所述电池串及电路接口又可与电源及基准电压电路、均衡母线及分串选通电路、电流采样电路连接，所述均衡母线及分串选通电路4、PWM控制升压隔离均衡充电电路19、电流采样电路15、电池分串电压采样电路7、保护电路13、温度采样电路14与智能控制芯片12连接，所述电源及基准电压电路1可与电压模数转换电路10、智能控制芯片12连接，电源及基准电压电路1为各电路及元器件提供工作电源和基准电压，以此构成升压定向放电式均衡模块，主要原理是检测到电池串中有高电压的电池分串需要放电均衡时，则控制电池相应分串通过DC/DC隔离升压电路为电池串进行充电，以达电压均衡的目的。

进一步的，升压定向放电式均衡模块中所述电池分串电压采样电路7可通过电压采样选通电路9与电压模数转换电路10连接；所述智能控制芯片12可通过电压采样译码电路8与电压采样选通电路9连接；所述智能控制芯片12可通过分串选通译码电路5与均衡母线及分串选通电路4连接；所述通讯电路16、温控电路17和显示电路11均与智能控制芯片12连接；所述通讯电路16是数据通讯和接口转换电路，其一端直接和智能控制芯片相连，另一端和外部通讯设备连接；所述温控电路17可以按智能控制芯片的控制指令执行降温或升温的功能。

在升压定向放电式均衡模块中PWM控制升压隔离均衡充电电路19由隔离变压器T2、电子开关管Qp1、二极管Dp5、电容Cp3、整流二极管Dp3、滤波电容Cp1构成一个反激型隔离开关电源，其输入电压Uin和输出电压Uo，受智能控制芯片12输出到电子开关管Qp1上的脉冲宽度控制信号PWM的占空比D、和变压器T2的原副边绕组的匝数N2/N1比综合确定。根据相关原理得出：Uo=D*Uin*N2/N1/(1-D)。即PWM控制升压隔离均衡充电电路18能按智能控制芯片12的控制要求，在不同的连续的电池分串的总电压输入下，可升压输出相应电压对整个电池串充电。这样本发明可将待充电均衡的单个或连续多个电池分串、或将待放电均衡的单个或连续多个电池分串，和总电池串进行隔离，安全可靠。

在升压定向放电式均衡充方案中，全桥整流电路18由Dp6、Dp7、Dp8、Dp9四个整流二极管构成，能保证输出侧的正负极极性不受输入侧影响。从而将电池串中任意位置待均衡放电的单个或连续多个奇数分串的极性（即均衡母线的极性），正确匹配到隔离DC/DC升压电路中。

电池分串电压采样电路7也可采用运算放大器加金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的方案，主要由运算放大器Un1、Un2、Un3，电阻Rpn1、Rpn2、Rpn3、Rpn4、Rpn5和电容Cn、MOSFET管QYn构成。运算放大器Un2、Un3起电压跟随作用、并提高采样回路的输入阻抗。电路开始工作时 ，如果运算放大器的反向输入端电压大于正向输入端 电压，则输出为低电平并使MOSFET开始导通（管源极和栅极的电压差大于开启电压 ），运算放大器反向输入端的电压因电阻Rpn1的分压下降，使它的反向输入端的电压低于正向输入端则输出电压上升，达到平衡后运算放大器的正向输入端的电压和反向输入的电压相等,又由于运算放大器的高输入阻抗以及 MOSFET管的源栅极电流非常小，设B1、B2至Bn电池分串对地的电压值标为V1、V2至Vn,当Rpn1=Rpn3时，采样输出电压VBn=Vn- Vn-1。当电池分串的额定电压较低而不能使采样电路正常工作时，可将直接采用分压电阻Rpn6和Rpn7对电池分串B1进行电压采样，采用分压电阻Rpn8和Rpn9对电池分串B2进行电压采样。

电压采样选通电路9可采用由QBP1、QBP2至QBPn的电子开关管构成，相应控制管脚连接至电压采样译码电路8中VB1、VB2至VBn的信号输入管脚。相应电子开关管可以是增强型金属-氧化物半导体场效应晶体管（EMOS），或者是由光耦开关复合构成的隔离型开关等。

实施例3

参见图5和图6，一种根据电池串快速自均衡充放电保护电路的控制方法，包括以下步骤：

S1：智能控制芯片进行初始化，关断充电回路和放电回路，再依据电路接线或电口电压信号自动识别电池串串联数，然后进行数据的读取或更新，判断是否有通讯请求，若有通讯请求则通过通讯电路输出电参数及相应数据或写入设置值，否则进行电池串温度采样；

S2：通过温度采样电路完成电池串温度采样，之后判断是否满足T＞To（T是采样得到的电池串温度，To是过温保护恢复温度），如果是（即T＞To）则判断当前电池串剩余容量是否满足SOC＞S1（SOC是电池串剩余容量百分比值， S1是程序预设值），如果SOC＞S1，则发送降温指令、再继续判断是否满足T＞Tb（Tb是过温保护温度阀值，且Tb＞To），如否（SOC≤S1且T＞To）则直接判断是否满足T＞Tb，否则（T≤To）继续判断是否满足T＜Td（Td是低温保护恢复温度）；如果T＞Tb，则进行过温保护（同时关断充电回路和放电回路）、再进行过温报警及状态字记录、然后再进行电池分串电压采样，否则（To≤T≤Tb）则继续判断是否已经处于过温保护状态；如果To≤T≤Tb且已处于过温保护状态，则继续依次进行过温保护、过温报警及状态字记录、电池分串电压采样，否则（即To≤T≤Tb但不处于过温保护状态）直接进行电池分串电压采样；如果T＜Td，则判断当前是否已处于充电状态，如果T＜Td且处于充电状态，则发送升温指令、再继续判断是否满足T＜Tc（Tc是低温保护温度阀值,且Tc＜Td），如否（T＜Td且处于非充电状态）则继续判断当前电池串剩余容量是否满足SOC＞S1；如果T＜Td且处于非充电状态、且SOC＞S1，则发送升温指令、再继续判断是否满足T＜Tc，如否（T＜Td且处于非充电状态，且SOC≤S1）则直接进行判断是否满足T＜Tc；如果T＜Tc则进行低温保护（关断充电回路）、再进进行低温报警及状态字记录、然后再进行电池分串电压采样，否则（Tc≤T＜Tb）继续判断当前是否处于低温保护状态；如果Tc≤T＜Tb且当前处于低温保护状态，则继续进行低温保护、并进行低温报警及状态字记录、然后再进行电池分串电压采样，否则（Tc≤T＜Tb且当前处于非低温保护状态）直接进行电池分串电压采样；如如果Td≤T≤To，则进行清除温度保护状态字和降温升温指令，且不同步闭合充电或放电回路，再进行电池分串电压采样；

S3：通过电池分串电压采样电路完成各电池分串电压采样工作，再依据电池串状态修正采样电压，然后判断电池串电压V或各电池分串电压VBm是否满足VP≤V≤Vc或V1P≤VBm≤V1c（VP、Vc是电池串欠压保护值和电池串过压保护值，V1P、V1c是电池分串欠压保护值和电池分串过压保护值），如果是（即VP≤V≤Vc或V1P≤VBm≤V1c）则继续判断是否满足VPW≤V≤Vc且V1PW≤VBm≤V1cw（VPW、Vcw分别是电池串欠压保护恢复值和电池串过压保护恢复值，V1PW、V1cw分别是电池分串欠压保护恢复值和电池分串过压保护恢复值，且Vpw＞Vp，Vcw＜Vc，V1pw＞V1p，V1cw＜V1c），否则（即V＞Vc或V＜Vp，或VBm＞V1c或VBm＜V1P，电池串或电池分串出现过度充电和过度放电的情况）继续判断Ty时间内V＞Vc或VBm＞V1c的次数Y是否满足Y＞M（M是程序预设值）；

如果VPW≤V≤Vcw且V1PW≤VBm≤V1cw（即电池串和电池分串的电压状态正常）则进行清除电压保护状态字（并未同步闭合充电或放电回路）、再继续判断电池串平均电压Va是否满足V1PO≤Va≤V1co（V1PO、V1co分别是低压均衡激活阀值和高压均衡激活阀值），否则（即VP≤V＜VPW或Vcw≤V＜Vc或V1P≤VBm＜V1PW或V1cw≤VBm＜V1c）继续判断是否已处于过压或欠压保护状态；如果当前（即VP≤V＜VPW或Vcw≤V＜Vc或V1P≤VBm＜V1PW或V1cw≤VBm＜V1c）已处于过压或欠压保护状态，则进行维持相应保护状态、再进入均衡准备，否则判断判断电池串平均电压Va是否满足V1PO≤Va≤V1co；

如果Ty时间内V＞Vc或VBm＞V1c的次数Y满足Y＞M，则进行过压保护关断充电回路、再进行过压报警及状态字记录、然后进入均衡准备，否则判断Ty时间内V＜Vp或 VBm＜V1P的次数Y是否满足Y＞M；如果Ty时间内V＜Vp或 VBm＜V1P的次数Y满足Y＞M，则进行欠压保护关断放电回路、再进行欠压报警及状态字记录、然后进入均衡准备，否则延时S（S是程序预设时间）、再返回电池分串电压采样；

如果电池串平均电压Va满足V1PO≤Va≤V1co，则继续进行主回路上电准备，否则（即Va＜V1PO或Va＞V1co）进入均衡准备；

S4：在降压定向充电式均衡模块中，进入均衡准备后立即判断任一分串或连续多个分串各自电压VBm是否满足Va-VBm＞Vd（Va是电池串平均电压，Vd是均衡精度电压差值），如果是（Va-VBm＞Vd）则继续判断当前是否处于均衡充状态，否则（即Va-VBm≤Vd）终止均衡充并清除状态字、再进行主回路上电准备；如果当前是处于均衡充状态，则继续判断均衡充受电的电池分串各自电压VBm是否满足Va-VBm＞Vd，如果是（Va-VBm＞Vd，即当前均衡还未达到均衡允许精度）则继续进行均衡充及数据保持，否则（即Va-VBm≤Vd）进行清除当前均衡充电数据（如PWM信号和分串选定等数据）、然后再判断任一分串或连续多个分串各自电压VBm是否满足Va-VBm＞Vo（Vo是均衡开启电压差值，且Vo＞Vd）；如果当前不是处于均衡充状态，则直接判断判断任一分串或连续多个分串各自电压VBm是否满足Va-VBm＞Vo，如果是（Va-VBm＞Vo）则进行记录待均衡充的分串位置、或连续多个分串的位置和数量，否则（即Vd≤Va-VBm≤Vo）终止均衡充并清除状态字、再进行主回路上电准备；

在升压定向放电式均衡模块中，进入均衡准备后立即判断任一分串或连续多个分串各自电压VBm是否满足VBm -Va＞Vd（Va是电池串平均电压，Vd是均衡精度电压差值），如果是（VBm -Va＞Vd）则继续判断当前是否处于均衡充状态，否则（即VBm -Va≤Vd）终止均衡充并清除状态字、再进行主回路上电准备；如果当前是处于均衡充状态，则继续判断均衡充受电的电池分串各自电压VBm是否满足VBm -Va＞Vd，如果是（VBm -Va＞Vd，即当前均衡还未达到均衡允许精度）则继续进行均衡充及数据保持，否则（即VBm -Va≤Vd）进行清除当前均衡充电数据（如PWM信号和分串选定等数据）、然后再判断任一分串或连续多个分串各自电压VBm是否满足VBm -Va＞Vo；如果当前不是处于均衡充状态，则直接判断判断任一分串或连续多个分串各自电压VBm是否满足VBm -Va＞Vo，如果是（VBm -Va＞Vo）则进行记录待均衡充的分串位置、或连续多个分串的位置和数量，否则（即Vd≤VBm -Va≤Vo）终止均衡充并清除状态字、再进行主回路上电准备；

S5：在降压定向充电式均衡模块中，记录待均衡充的分串位置、或连续多个分串的位置和数量后，继续判断待均衡充的电池分串数量是否为1、或是否为奇数，如果是则直接进行计算均衡充的降压比和均衡电流，否则取待接近于且大于待均衡充的电池分串数量一半的奇数数量分串进行均衡充，再进行计算均衡充的降压比和均衡电流，然后调整PWM信号控制降压输出和均衡电流，再然后分析并输出极性控制信号和电池分串选通控制信号，再进行均衡充及数据保持，从而控制均衡母线及分串选通电路对相应电压偏低的电池分串进行均衡充电；

在升压定向放电式均衡模块中，记录待均衡充的分串位置、或连续多个分串的位置和数量后，继续判断待均衡充的电池分串数量是否为1、或是否为奇数，如果是则直接进行计算均衡充的升压比和均衡电流，否则取待接近于且大于待均衡充的电池分串数量一半的奇数数量分串进行均衡充，再进行计算均衡充的升压比和均衡电流，然后调整PWM信号控制升压输出和均衡电流，再然后分析并输出电池分串选通控制信号，再进行均衡充及数据保持，从而控制均衡母线及分串选通电路对相应电压偏高的电池分串进行均衡放电；

S6：在V1PO≤Va≤V1co时或进行均衡充及数据保持，又或进行终止均衡充并清除状态字的步骤后，接着进行主回路上电准备，再判断当前主回路是否已上电，如是则直接进行电池串电流采样，如否则继续判断当前是否处于过温保护状态；

如果当前是处于过温保护状态则直接进行电参数分析及统计，否则继续判断当前是否处于低温保护状态；

如果当前是处于低温保护状态、且不是过温保护状态，则继续判断当前是否处于欠压保护状态，否则进行判断当前是否处于过压保护状态；如果当前又是处于欠压保护状态，则直接进行电参数分析及统计，否则进行闭合放电回路、再进行电池串电流采样；

如果当前虽不是处于过温保护状态和低温保护状态、但是处于过压保护状态，则进行闭合放电回路、再进行电池串电流采样，否则继续判断当前是否处于欠压保护状态；如果当前又是处于欠压保护状态，则进行闭合充电回路，否则进行闭合充电回路和放电回路、再进行电池串电流采样；

S7：通过电流采样电路完成电池串电流采样工作和充放电状态检测工作，然后判断是否满足I＞Ib（I是采样得到的电池串电流，Ib是过流或短路保护电流阀值），如果是则继续判断Tx时间内过流次数X是否满足X＞N（N是程序预设值），否则进行电参数分析及统计；如果X＞N，则进行过流保护（关断放电回路）、再进行过流报警及状态字记录并+1、然后判断Tk时间内过流保护状态字是否大于Z（Z是程序预设值），否则进行延时S、然后返回电池串电流采样；如果Tk时间内过流保护状态字大于Z，则进行永久过流或短路保护并直至人为清除、然后进行电参数分析及统计，否则进行过流或短路保护、调用定时器中断在Tz时长后解除过流或短路保护并清除状态字，然后进行电参数分析及统计；

S8：进行电参数分析及统计，通过采样到的电流、电压信息，计算外部电源对电池串当前的充电功率、电池串SOC、电池串SOH、当前充电量、累计充电量等，或计算电池串对外放电时当前的放电功率、电池串SOC、电池串SOH、当次DOD、当前放电量、累计放电量等，还可根据设定的电池串容量进行电池串充放电循环次数的统计，同时可统计并输出电池串温度、电流、电压和分串电压、分串累计均衡次数，以及各类故障报警信号；

S9：将设置的电池分串或电池串的过压保护电压、欠压保护电压、过压保护恢复电压、欠压保护恢复电压、过欠压保护最大延迟时间，和电池串的过温保护温度阀值、过温保护恢复温度、低温保护温度阀值、低温保护恢复温度、过流或短路保护电流值、过流或短路保护最大延迟时间、过流或短路保护解除时间、初始容量值，以及均衡电流值、低压均衡激活阀值、高压均衡激活阀值、均衡开启电压差值、均衡精度电压差值，以及采集和计算的各分串电压、电池串电压、电池串电流、电池串充电或放电功率、电池串SOC、电池串SOH、电池串当前DOD、电池串当前充电量和累计充电量或当前放电量和累计放电量、电池串循环次数、电池串温度、分串累计均衡次数、故障报警等信息通过显示电路进行循环显示；

S10：智能控制芯片执行完步骤S9后将自动返回到步骤S1进行循环。

本发明前述是针对充电口（C+、C-）和放电口(P+、P-)同口设计，也可以采用充电口和放电口分口设计；工作电源Vcc可以采用三端稳压器或开关电源获得；保护控制电路14可除采用负极回路控制外、也可采样正极回路控制方式；电压采样电路可以采用线性光耦等的隔离采样方案；隔离均衡充电电路2和18可以采用反激式、正激式、推挽式、半桥式、全桥式的开关电源和恒流源充电控制方案；温度采样可设多个采样回路，可取平均值或任一最小值和最大值进行判断；电池串采样电压的修正，以及SOC、SOH、DOD等的计算，均可采用现有算法或改进技术；通讯电路的具体实现方案也可采用现有技术。类似情况并不用于限制本发明的方式，并不再赘述。

本发明电池串快速自均衡充放电保护电路，采用智能控制和隔离DC/DC开关电源技术，利用智能选通均衡技术、能对单个电池分串或连续多个分串进行定向充电或定向放电均衡，并具备BMS、通讯、参数设置、自动识别电池串串联数、电池分串累计均衡次数统计等功能。本发明均衡功率大、效率高、均衡速度快，可广泛适用于通信电源、动力电池、储能系统、备用电源等场合。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种电池串快速自均衡充放电保护电路，其特征在于，所述电路包括电源及基准电压电路、PWM控制降压隔离均衡充电电路、正负极性控制电路、均衡母线及分串选通电路、全桥整流电路、PWM控制升压隔离均衡充电电路、电池串及电路接口、电池分串电压采样电路、电压模数转换电路、智能控制芯片、保护电路、温度采样电路、电流采样电路，

所述电源及基准电压电路为各电路及元器件提供工作电源及基准电压，所述PWM控制降压隔离均衡充电电路、正负极性控制电路、均衡母线及分串选通电路、电池串及电路接口、电池分串电压采样电路、电压模数转换电路、智能控制芯片依次连接，所述正负极性控制电路、PWM控制降压隔离均衡充电电路、电流采样电路、均衡母线及分串选通电路、电池分串电压采样电路、保护电路、温度采样电路与智能控制芯片连接，所述电池串及电路接口又与电源及基准电压电路、PWM控制降压隔离均衡充电电路、电流采样电路连接，所述电源及基准电压电路又能与电压模数转换电路、智能控制芯片连接，以此构成降压定向充电式均衡模块；

所述均衡母线及分串选通电路、全桥整流电路、PWM控制升压隔离均衡充电电路、电池串及电路接口、电池分串电压采样电路、电压模数转换电路、智能控制芯片依次连接，所述均衡母线及分串选通电路、PWM控制升压隔离均衡充电电路、电流采样电路、电池分串电压采样电路、保护电路、温度采样电路与智能控制芯片连接，所述电池串及电路接口又能与电源及基准电压电路、均衡母线及分串选通电路、电流采样电路连接，所述电源及基准电压电路又能与电压模数转换电路、智能控制芯片连接，所述电源及基准电压电路为各电路及元器件提供工作电源和基准电压，以此构成升压定向放电式均衡模块。

2.根据权利要求1所述的电池串快速自均衡充放电保护电路，其特征在于，所述电路中还包括电压采样选通电路、电压采样译码电路和分串选通译码电路，所述电池分串电压采样电路又能通过电压采样选通电路与电压模数转换电路连接；所述电压采样选通电路又能通过电压采样译码电路再与智能控制芯片连接；所述均衡母线及分串选通电路又能通过分串选通译码电路再与智能控制芯片连接。

3.根据权利要求1所述的电池串快速自均衡充放电保护电路，其特征在于，所述电路中还包括通讯电路、显示电路和温控电路，所述通讯电路、显示电路和温控电路均与智能控制芯片连接；所述通讯电路是数据通讯和接口转换电路，另一端和外部通讯设备或移动终端通过有线或无线的方式进行连接；所述显示电路将智能控制芯片传送过来的信息通过驱动电路和液晶显示屏予以循环显示；所述温控电路按智能控制芯片的控制指令执行降温或升温的功能。

4.根据权利要求1所述的电池串快速自均衡充放电保护电路，其特征在于，所述降压定向充电式均衡模块中PWM控制降压隔离均衡充电电路是由隔离变压器及、电子开关管、二极管、隔离变压器的复位绕组、整流二极管、续流二极管、储能电感、滤波电容构成的受控降压充电电路；在升压定向放电式均衡模块中PWM控制升压隔离均衡充电电路是由隔离变压器、电子开关管、二极管、电容、整流二极管、滤波电容构成的受控升压充电电路。

5.根据权利要求1所述的电池串快速自均衡充放电保护电路，其特征在于，所述降压定向充电式均衡模块中正负极性控制电路由若干个电子开关构成桥式选通电路，电子开关为增强型金属-氧化物半导体场效应晶体管或者是由光耦开关复合构成的隔离型开关或继电器。

6.根据权利要求1所述的电池串快速自均衡充放电保护电路，其特征在于，所述升压定向放电式均衡模块中全桥整流电路由若干整流二极管构成。

7.根据权利要求1所述的电池串快速自均衡充放电保护电路，其特征在于，所述均衡母线及分串选通电路采用相邻两个电池分串共用一组选通开关，且每间隔一个电池分串再将相应的选通开关并联、从而获得两条均衡母线，选通开关是由增强型金属-氧化物半导体场效应晶体管构成的双向截止型电子开关构成，或者是由光耦开关复合构成的隔离型开关或继电器。

8.根据权利要求1所述的电池串快速自均衡充放电保护电路，其特征在于，所述智能控制芯片是可编程的微控制单元MCU，是将小型中央处理器、存储器、计数器、时钟电路、A/D转换、数据输入输出I/O口、PWM信号发生器、串口通讯接口电路整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述电池串快速自均衡充放电保护电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：智能控制芯片进行初始化，关断充电回路和放电回路，再依据电路接线或电口电压信号自动识别电池串串联数，然后进行数据的读取或更新，判断是否有通讯请求，若有通讯请求则通过通讯电路输出电参数及相应数据或写入设置值，否则进行电池串温度采样；

S2：通过温度采样电路完成电池串温度采样，之后判断采样温度和过温保护恢复温度、过温保护温度阀值、低温保护恢复温度、低温保护温度的关系，同时判断电池串SOC的大小是否满足进行降温控制或升温控制的要求；如是则需要进行相应温度保护及状态字记录、再进行电池分串电压采样，否则清除温度保护状态字和降温升温指令、再进行电池分串电压采样；

S3：通过电池分串电压采样电路完成各电池分串电压采样工作，再依据电池串状态修正采样电压，然后判断电池串电压或各电池分串电压与电池串欠压保护值、电池串欠压保护恢复值、电池串过压保护值、电池串过压保护恢复值、电池分串欠压保护值、电池分串欠压保护恢复值、电池分串过压保护值、电池串过压保护恢复值的关系，如是则需要进行相应的过欠压保护和状态字记录、再判断是否具备均衡条件，否则清除过欠压保护、再判断是否具备均衡条件；

S4：在降压定向充电式均衡模块中，通过判断电池串平均电压与低压均衡激活阀值、低压均衡激活阀值的关系，以及平均电压与相应分串电压的差值和设置的均衡精度电压差值的关系是否具备均衡条件，如是则继续判断是否已处于均衡状态，否则判断当前主回路是否已上电；

在升压定向放电式均衡模块中，通过判断电池串平均电压与低压均衡激活阀值、低压均衡激活阀值的关系，以及相应分串电压与平均电压的差值和设置的均衡精度电压差值的关系是否具备均衡条件，如是则继续判断是否已处于均衡状态，否则判断当前主回路是否已上电；

S5：在降压定向充电式均衡模块中，记录待均衡充的分串位置、或连续多个分串的位置和数量后，继续判断待均衡充的电池分串数量是否为1、或是否为奇数，如果是则直接进行计算均衡充的降压比和均衡电流，否则取待接近于且大于待均衡充的电池分串数量一半的奇数数量分串进行均衡充，再进行计算均衡充的降压比和均衡电流，然后调整PWM信号控制降压输出和均衡电流和均衡电流，再然后分析并输出极性控制信号和电池分串选通控制信号，再进行均衡充及数据保持，从而控制均衡母线及分串选通电路对相应电压偏低的电池分串进行均衡充电；

在升压定向放电式均衡模块中，记录待均衡充的分串位置、或连续多个分串的位置和数量后，继续判断待均衡充的电池分串数量是否为1、或是否为奇数，如果是则直接进行计算均衡充的升压比和均衡电流，否则取待接近于且大于待均衡充的电池分串数量一半的奇数数量分串进行均衡充，再进行计算均衡充的升压比和均衡电流，然后调整PWM信号控制升压输出和均衡电流和均衡电流，再然后分析并输出电池分串选通控制信号，再进行均衡充及数据保持，从而控制均衡母线及分串选通电路对相应电压偏高的电池分串进行均衡放电；

S6：判断当前主回路是否已上电，如是则判断是否需过流或短路保护，否则继续判断当前是否具备上电条件；通过判断各类保护状态字及采样信息判断当前是否具备上电条件，如是则进行主回路上电、再判断是否需过流或短路保护，否则直接进行电参数分析及统计；

S7：通过电流采样电路完成电池串电流采样工作和充放电状态检测工作，并判断是否需过流或短路保护，如是则进行过流或短路保护及状态字记录、再进行电参数分析及统计，否则直接进行电参数分析及统计；

S8：进行电参数分析及统计，通过采样到的电流、电压信息，计算外部电源对电池串当前的充电功率、电池串SOC、电池串SOH、当前充电量、累计充电等，或计算电池串对外放电时当前的放电功率、电池串SOC、电池串SOH、当次DOD、当前放电量、累计放电量，还可根据设定的电池串容量进行电池串充放电循环次数的统计，同时可统计并输出电池串温度、电流、电压和分串电压、分串累计均衡次数，以及各类故障报警信号；

S9：将设置的电池分串或电池串的过压保护电压、欠压保护电压、过压保护恢复电压、欠压保护恢复电压、过欠压保护最大延迟时间，和电池串的过温保护温度阀值、过温保护恢复温度、低温保护温度阀值、低温保护恢复温度、过流或短路保护电流值、过流或短路保护最大延迟时间、过流或短路保护解除时间、初始容量值，以及均衡电流值、低压均衡激活阀值、高压均衡激活阀值、均衡开启电压差值、均衡精度电压差值，以及采集和计算的各分串电压、电池串电压、电池串电流、电池串充电或放电功率、电池串SOC、电池串SOH、电池串当前DOD、电池串当前充电量和累计充电量或当前放电量和累计放电量、电池串循环次数、电池串温度、分串累计均衡次数、故障报警等信息通过显示电路进行循环显示；

S10：智能控制芯片执行完步骤S9后将自动返回到步骤S1进行循环。

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