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发明专利说明书

电动汽车电源管理系统及其均衡充电方法

技术领域

本发明属电力电子技术制造领域，尤其涉及到一种即插式电动汽车电源管理系统及其均衡充电方法。

背景技术

锂电池具有无记忆效应、比能量高、循环使用次数高、体积小、重量轻的优点，是电动摩托车、轻型电动汽车及混合动力汽车等应用领域的首选电池类型。

然而，由于生产工艺、材质等的细微差异、不同生产批次等原因，单体电池的电气性能发生差异是必然结果。

这些差异在多节电池串联的应用场合不仅会使串联电池组的容量变小，甚至还可能造成严重的过充电、过放电等安全隐患，严重失衡时可能会造成单体电池内部出现热点，这是非常危险的。

其次，串联电池的失衡会大大缩短单次充电后的使用时间，以三节串联的失衡电池组为例，假定充电时A电池剩余80%容量，B电池剩余40%容量，C电池剩余60%容量；当A电池充满100%时，B电池容量刚提升到60%，C电池容量为80%，此时停止充电将造成B电池和C电池尚未充满电的现象；反之，该串联电池组用于放电操作时，由于下限电压保护的钳制，当B电池放电至0%容量时，A电池尚存有40%容量，C电池存有20%容量，出现电池A和电池尚未放完电现象，大大降低了串联电池组的能量利用率。

由此可见，凡使用串联形式的锂动力电池（或任何其它类型电池）、以及大容量超级电容为动力或辅助动力的场合，在电能的补充或电能释放过程中，对串联储能组件中的任一单体储能器件实行独立均衡控制是极其必要的，也是纯电动力及混合动力汽车应用领域必须解决的主要技术之一。

对多节串联动力电池组中各单体电池实现合理的均衡充放电操作，关键是设计出合理而又简便的解决由多节电池串联所带来的多参考电位的技术方案。

采用差分电路对各单体电池电位进行转移、或采用光耦进行光电隔离，是目前广泛采用的实现多参考电位归一化的技术手段，这意味着在控制系统设计方案中包含了大量的比较电路、光耦、以及多路独立工作电源。

其次，目前大多数设计方案仅涉及到对多节串联电池组中各单体电池实行均衡监控，而未考虑均衡控制与充电能量供应环节间的相互约束关系。

理想的多节串联锂动力电池组充放电管理系统，应合并考虑均衡控制系统、充电能量供应系统、应用场合等因素。

合理的充放电管理系统的实现目标是：

1.能量快速补充，2.安全高效，3.充放电操作过程中对各单体电池的损伤最小，4.按各单体电池的实际物理容量得到恰如其分的能量补充和发挥。

为此：

1.合理的充放电管理系统在对串联电池组的充电过程中，应具有识别串联电池组中是否存在端电压等于或高于均衡放电电压设定值的单体电池的能力，并在基本不干扰整体串联电池组充电操作的前提下，对该单体电池实施均衡放电。

在充电电流和均衡放电电流不对称的情况下，例如在大电流充电、较小的均衡放电电流场合，即便设置了均衡放电电路，其均衡效果也只具象征性意义；解决的途径是：

a.设计大电流均衡放电电路，b.在发生均衡放电操作的同时降低充电电流的幅值，使得被实施均衡放电操作的单体电池的端电压上升速率被大大减低。

事实上，只要充电电流大于均衡放电电流，被实施均衡放电的单体电池的端电压仍将随充电进程而盘升，因此，在对串联电池组充电时，合理的充放电系统须对单体电池设定均衡放电电压和上限电压二个判断值，只要发生任一单体电池的端电压达到了设定的均衡放电电压值，启动对该单体电池的均衡放电操作；在均衡放电电流小于充电电流的情况下，当任一单体电池的端电压达到了设定的上限电压值，即刻暂停充电操作，并保持对该单体电池的均衡放电，直到该单体电池的端电压回复到设定的均衡放电终止电压值以下时，重新启动充电操作。

2.串联电池组用于放电操作时，尤其用于交通工具的场合，因串联电池组中某一单体电池端电压降至下限电压而导致供电突然终止，是不合理的放电监管方案；合理的充放电管理系统在向外负载提供能量时，在发生任何单体电池的端电压下降到临近下限值之前，应及时给出即将终止供电的持续提示，即设置下限预警电压判断；当任何单体电池的端电压下降至下限电压值时，即刻终止放电操作，即下限电压判断。

3.串联电池组对外负载放电操作时，合理的充放电管理系统还应具有识别最先达到下限电压值的具体单体电池的能力；在充电操作时，除了对达到均衡放电电压值的单体电池执行均衡放电外，对未达到均衡放电电压值的电池继续执行充电操作，同时应记录各单体电池在充电过程中达到均衡放电电压值所经历的时间。

充放电管理系统根据充电过程中各单体电池达到均衡放电电压值的先后次序、以及在放电过程中最先下降到下限电压值的单体电池的信息，对各单体电池的电气性能做出评估。

通常，充电过程中明显率先于其它单体电池达到均衡设定电压值、放电过程中明显提前于其它单体电池下降到下限电压值的单体电池，具备了被替换的充分理由。

4.在对串联电池组执行充电操作时，合理的充放电管理系统应具有根据串联电池组各单体电池的电气状况调节充电方式的能力。

如果串联电池组中所有单体电池的端电压均介于下限电压和均衡放电设定电压值之间，充放电系统将工作在峰值限流充电的电流环控制模式。

在该控制模式下，只要发生任何单体电池达到均衡放电电压值时，意味着串联电池组中各单体电池的端电压已基本接近均衡放电电压值，因此充电系统除了对达到均衡放电设定值的单体电池实行均衡放电操作外，充电电流应发生递减；随着充电过程的进行，达到均衡放电电压设定值的单体电池的数量将增多，充电电流也应随之而发生持续的递减。

当串联电池组中所有单体电池都达到了均衡放电电压值（或者曾发生过均衡放电操作），此时的最大充电电流将被限制在最终的、经多次递减的较小的电流控制值，直至充电过程结束。

5.适用于交通工具的合理的充放电控制系统还应具有CAN通信能力，通过CAN总线将串联电池组中各单体电池的电气参数（包括当前端电压、当前充放电电流、温度等）与其它设备实现信息交换；充放电系统还应具有强大的充电电流输出能力，尽可能快速地恢复串联电池组中各单体电池的能量。

在常规应用范围内，充放电系统所采用的技术原则上对串联电池的节数具有足够宽的容限；此外，不论充放电系统处于充电或放电状态、或用电设备闲置期间，对与之连接的串联电池组的能量泄漏影响应足够小。

发明内容

本发明是为实现多节串联电池组的均衡充放电一体化系统所涉及的内容，而提供的一种利用简单的电阻分压器实现多节串联电池组大电流均衡控制所涉及到的多参考电位归一化、充电电流及其充电模式随串联电池组各单体电池端电压发生变化而动态调整、具有完善的CAN交互通信能力、具有评估串联电池组中各单体电池物理性能的能力、高效大功率的即插式电动汽车电源管理系统及其均衡充电方法；为使用多节串联动力电池、要求均衡充电的场合，而提供的一种具有完善的信息交互功能、可靠的安全机制、延长电池使用寿命、高功率输出的理想的一体化充放电管理系统。

本发明提供的串联电池组均衡充放电原理，原则上适用于各类串联动力电池、多节串联大容量超级电容的充放电管理，尤其适用于以交流220工网电力为充电电源、以多节串联锂动力电池为动力或备用动力的中小型汽车。

实现本发明的技术方案是：

一种即插式电动汽车电源管理系统及其均衡充电方法，其特点是包括电池均衡控制子系统、充电控制子系统、放电驱动子系统、以及辅助供电子系统。

所述的电池均衡控制子系统用以完成工作模式判别（充电或放电操作）、串联电池组端电压及充放电电流、各单体电池物理量的采样（包括端电压、温度等）、对采入样本的运算及判别、CAN数据通信、以及为本发明的充电控制子系统和放电驱动子系统提供相关的控制指令。

所述的电池均衡控制子系统的输入端与串联电池组各单体电池的引出电极一一连接，并且与充电控制子系统的输出控制信号连接；其输出与充电控制子系统的控制输入端和放电驱动子系统的选通输入端连接；电池均衡控制子系统的输出还通过其CAN收发器与外部CAN控制总线连接。

所述的充电控制子系统在充电操作时为串联电池组提供高效率、高功率、充电反馈控制模式跟踪串联电池组及各单体电池的电气状态变化而变化的充电电源，并为其它子系统提供相关的辅助控制信号。

充电控制子系统的输入与交流工网连接，其控制输入端与串联电池组端电压的取样输出、充放电电流的取样输出、电池均衡控制子系统的输出连接。

充电控制子系统的输出包括二种成分及流向：

输出的正极性充电电源通过防反充二极管与串联电池组中相对电位最高的单体电池的正极引出端连接，充电电源的负极与电池均衡控制子系统的参考地连接，并通过电流取样电阻与串联电池组中相对电位最低的单体电池的负极引出端连接；充电控制子系统输出的控制信号与电池均衡控制子系统的输入端、放电驱动子系统的选通输入端连接。

所述的放电驱动子系统用以对串联电池组中达到均衡放电电压值的单个或多个单体电池执行大电流均衡放电，其选通输入端与电池均衡控制子系统的输出、充电控制子系统的输出信号连接，并以多路输出的方式分别与串联电池组中的各单体电池并联连接。

所述的辅助供电子系统为各子系统提供稳定的直流工作电源，其输入与交流工网的直流高压输出端连接、其输出与其余各子系统的供电端连接。

上述一种即插式电动汽车电源管理系统及其均衡充电方法，其中：

所述的电池均衡控制子系统包括电阻分压选通单元、微处理器单元。

所述的电阻分压选通单元以恰当的分压比，在各单体电池的正极引出端及电池均衡控制子系统的参考地之间，用电阻分压器进行分压。

定义：

分别与各单体电池正极引出端连接的电阻为上分压电阻，分别与电池均衡控制子系统参考地连接的电阻为下分压电阻；因此，在各下分压电阻上得到的电压分压值具有相同的参考点；各下分压电阻上的分压值被模拟选通后，与微处理器单元的A/D采样输入端顺序连接，如此便实现了多参考电位的归一化。

所述的微处理器单元包括微处理器、4.096伏基准源、CAN收发器、启动电路、晶振等构成。

微处理单元的A/D端口采样各单体电池下分压电阻上的电压、充放电电流信号、各单体电池的温度、串联电池组端电压、以及充电控制子系统提供的＋5（R）伏基准源输出，其中断输入口还与充电控制子系统的模式控制单元输出的过压及过流信号连接。

微处理器单元的输出信号与充电控制子系统的控制输入端和放电驱动子系统的选通输入端连接，并以CAN协议规则与外部系统实现信息交互。

上述一种即插式电动汽车电源管理系统及其均衡充电方法，所述的放电驱动子系统包括放电选通单元、放电驱动单元。

所述的放电选通单元的译码输入端与微处理器单元的输出连接，其输出端与放电驱动单元顺序连接。

放电选通单元用以选通、锁定、或解锁放电驱动单元的某路或多路放电驱动电路；放电驱动单元由多路放电驱动电路组成，用以对达到均衡放电电压值的单体电池实施大电流均衡放电。

放电驱动单元的输入除了与放电选通单元的输出顺序连接外，还与充电控制子系统的移相谐振全桥变换器单元输出的5KHz脉冲信号连接，放电驱动单元的输出与对应的单体电池一一并联连接。

上述一种即插式电动汽车电源管理系统及其均衡充电方法，所述的充电控制子系统包括工网输入单元、移相谐振全桥变换器单元、模式控制单元。

所述的工网输入单元与工频交流电网连接，用以对交流工网电源实行整流及滤波，输出平直的高压直流电源；该高压直流电源与移相谐振全桥变换器单元、辅助供电子系统的输入顺序连接。

所述的移相谐振全桥变换器单元的输入除了与工网输入单元的输出顺序连接外，其控制输入端与模式控制单元及微处理器单元的输出连接；移相谐振全桥变换器单元输出的充电电源的正极通过防反充二极管与串联电池组中相对电位最高的单体电池的正极引出端连接，充电电源的负极与电池均衡控制子系统的参考地连接，并通过电流取样电阻与串联电池组中相对电位最低的单体电池的负极引出端连接。

移相谐振全桥变换器单元输出的5KHz脉冲信号与放电驱动子系统的放电驱动单元的选通输入端连接，其+5（R）伏基准源与电池均衡控制子系统的微处理器单元的A/D采样输入端连接。

所述的模式控制单元的控制输入端与微处理单元、串联电池组端电压的分压取样信号、充放电电流取样电阻上的电流取样信号连接，其控制信号输出分别与移相谐振全桥变换器单元相应控制信号输入端、微处理器单元的1/O端口、中断口、及A/D采样输入端连接。

上述一种即插式电动汽车电源管理系统及其均衡充电方法，所述的辅助供电子系统包括AC-DC变换单元和DC-DC变换单元。

所述的AC-DC变换单元的输入端与工网输入单元的直流高压输出连接，其输出1与DC-DC变换单元的输入连接，输出2为15伏稳定直流，15伏稳定直流电源为移相谐振全桥变换器单元提供工作电源。

所述的DC-DC变换单元的输入端除了与AC-DC变换单元的输出顺序连接外，还通过防反充二极管与串联电池组的正极连接，DC-DC变换单元输出的-5伏为模式控制单元的数控增益集成电路、系统中所涉及的集成运算放大器提供负偏置电源，+5伏输出为电阻分压选通单元、模式控制单元、微处理器单元、选通输出单元、放电驱动单元、集成温度传感器等提供工作电源。

一种用于即插式电动汽车电源管理系统及其均衡充电方法，其特点是：

在串联电池组中，对各单体电池实行独立的、相对于电池均衡控制子系统参考地的电阻分压，实现串联电池组因均衡控制而导致的多参考电位的归一化。

采用微处理器对串联电池组的端电压、各单体电池的电压分压值、充放电电流、过压及过流、各单体电池的现场温度采样及监控。

采用微处理器对系统的工作模式作出判断，并根据采样值为实现阶段递减式充电、各单体电池的均衡控制提供所要求的控制信号，以CAN协议方式与其它系统实现信息交换、提供各单体电池的电气性能评估信息。

一种用于即插式电动汽车电源管理系统及其均衡充电方法，其特点是：

在微处理器的辅助下，通过采用数字可编程增益放大器改变电流反馈信号幅值的方式，实现间接调整移相谐振控制器的限流起控点，从而达到充电电流阶段递减控制的目的。

本发明的充电控制子系统采用UCC3895移相谐振控制器，该芯片对输出电流的监控由出现在其电流取样输入端CS脚上的电流反馈信号幅值所决定；当呈现在UCC3895的输出电流采样端CS脚上的反馈信号幅值达到2.0伏，并且该反馈信号被引到UCC3895的斜波补偿端RAMP时，UCC3895工作在峰值电流控制模式。

例如，输出电流IOUT在采样电阻上产生1伏的反馈信号，数字可编程增益放大器的增益被编程为2，则输出电流被控制在IOUT；如果数字可编程增益放大器的增益被编程为4，输出电流则将被控制在IOUT/2。

本发明实施例所采用的TCL6910-2型数字可编程增益放大器具有3位数字增益编码，可以实现9种输出电流值控制。

一种用于即插式电动汽车电源管理系统及其均衡充电方法，其特点是：

采用将高频脉冲信号和门控信号复合的方式，解决脉冲变压器传输长周期信号的局限性。

串联电池组中某单体电池达到了均衡放电电压，对之实施均衡放电操作同样需要解决多参考点的问题，脉冲变压器可以实现参考电位的隔离和输出电压幅度的匹配，但是，如果需要足够长的时间对该单体电池实施均衡放电操作，脉冲变压器将无法传递长周期驱动信号；为了克服脉冲变压器无法传递长周期放电驱动信号，本发明采用将D型触发器所保持的放电信号作为门控信号，将移相谐振控制器UCC3895产生的80KHz连续脉冲经16分频后，得到的5KHz脉冲作为选通信号，该选通信号和门控信号经逻辑“与”后形成的复合信号驱动放电电路，从而解决了利用脉冲变压器传递长周期放电信号的局限性。

一种用于即插式电动汽车电源管理系统及其均衡充电方法，假定以16节串联、每节端电压4.1伏的锂串联电池组为例，首先对该16节串联电池组进行编号：

将串联电池组中相对电压最低的单体电池编号为BT1，依此向上编号，直到编号为BT16的单体电池（串联电池组中相对电位最高的单体电池）。

充电过程包括以下步骤：

1．接通联动开关通电后，微处理器对移相谐振控制器的禁止端发出禁止信号（低电平），微处理器的A/D采样输入端采样移相谐振控制器的基准电源输出端是否有＋5（R）伏输出，若存在+5（R）伏，说明系统与交流工网连接而处于充电状态，反之则处于放电状态。

断开联动开关将完全截断电阻分压选通单元中各电阻分压器对电池能量的泄流。

2．采用集中处理方式，对编号从BT1～BT16单体电池的下分压电阻上的电压分压值依次实施10位A/D转换，以10位二进制数据类型分别读入微处理器内部数据存储器保存，记这些数据为数据组ΣVn（n=1,2,….16）。

3．对与串联电池组中相对电位最低的单体电池负极连接的电流取样电阻上的电压实施A/D采样，并记为V0。

该数据反映了二种意义：

1、串联电池组中相对电位最低点与电池均衡控制子系统参考地之间的电位差，2、串联电池组充放电电流的取样值；合并上述步骤2.的ΣVn（n=1,2,….16），于是得到数据组ΣVn（n=0，1,2,….16）。

4．本发明采用带有10位二进制A/D转换精度的微处理器，对采得的17路10位二进制数据组ΣVn（n=0，1,2,….16）实行集中式10位转16位二进制处理，并以双字节保存；如此处理是合理的，在其后进行的二进制乘法操作（乘数是其分压比的倒数）时不致发生数据溢出；运算结果记为数据组ΣBn（n=0,1,2,….16）。

5．对上述17路16位（即双字节）ΣBn（n=0,1,2,….16）数据组进行集中式运算处理，其中：

对ΣBn（n=8，9，….16）、即B8～B16的9个16位数据实行二进制乘16运算处理（逻辑左移），对ΣBn（n=4，5，6，7）、即B4～B7的4个16位数据实行二进制乘8处理，对ΣBn（n=2，3）、即B2～B3的2个16位数据实行二进制乘4处理，对ΣBn（n=0，1）、即B0～B1的2个16位数据实行二进制乘2处理，经上述处理后所得的运算结果记为数据组ΣCn（n=0,1,2,….16）。

6．经上述1～5步骤的程序处理后，取ΣCn（n=0,1,2,….16）中的n=16和n=15两个16位数据串（即C16和C15），进行C16减C15的16位二进制运算，其差值△D16就是编号BT16的单体电池的绝对电压所对应的二进制值，依次作C15减C14……，C1减C0的16位二进制运算，得差值△D15……△D1，并记为ΣDn（n=1,2,….16），Σ△Dn（n=1,2,….16）中的各Dn对应了串联电池组中各单体电池的端电压的二进制值。

7．如果判断为充电状态，微处理器根据串联电池组端电压、各单体电池的电气状况对相关单元送出控制指令，并解除对移相谐振控制器的封锁（高电平），电池移相谐振控制器进入软起动，进入对串联电池组的第一阶段峰值电流充电模式。

8．在第一阶段充电操作过程中，若串联电池组中存在端电压等于或低于2.7伏的单体电池，充电电流将被控制为额定充电电流（IC）的1/16，直到串联电池组中的所有单体电池的端电压均进入2.7～4.0伏之间，系统进入正常充电操作。

9．在第一阶段充电操作过程中，若串联电池组中存在端电压等于或低于2.7伏的单体电池，并存在达到4.0~4.096伏之间的单体电池，标记端电压达到4.0~4.096伏之间的单体电池，对之实施均衡放电操作，直至其端电压回复到3.9伏；随后，以IC/16电流值充电，直到端电压等于或低于2.7伏的单体电池回复到2.7伏以上，进入正常充电状态。

10．在第一阶段充电操作过程中，若串联电池组中存在端电压等于或低于2.7伏的单体电池，并存在达到4.096伏（或以上）的单体电池，充电操作被暂停，标记该达到4.096伏（或以上）的单体电池，对之实施均衡放电操作，直至其端电压回复到3.9伏；随后，以IC/16电流值充电，直到整个充电过程结束。

11．在第一阶段充电操作过程中，只要存在1～4节单体电池的△Dn值等于或介于4.0～4.096伏时，充电电流减半（IC/2），标记这些单体电池，并对这些单体电池实行均衡放电操作，直到它们的端电压低于3.9伏，对之均衡放电操作结束。

12．在第一阶段充电操作过程中，当端电压达到4.0～4.096伏的单体电池达到5节~8节时，充电电流再次减半（IC/4），并对这些单体电池实行均衡放电操作，标记这些单体电池，直到它们的端电压低于3.9伏，对之均衡放电操作结束。

13．在第一阶段充电操作过程中，当端电压达到4.0～4.096伏的单体电池达到9～12节时，充电电流再次减半（IC/8），并对这些单体电池实行均衡放电操作，标记这些单体电池，直到它们的端电压低于3.9伏，对之均衡放电操作结束。

14．在第一阶段充电操作过程中，当端电压达到4.0～4.096伏的单体电池达到13节以上时，充电电流再次减半（IC/16），标记这些单体电池，并对单体电池实行均衡放电操作，直到它们的端电压低于3.9伏，对之均衡放电操作结束。

15．在第一阶段充电操作过程中，当所有的电池都被实施过均衡放电操作时，充电模式转换为第二阶段的恒压限流控制模式。

16.上述7～14步骤为充电操作的第一阶段。

在第二阶段恒压限流充电模式过程中，

充电电流被限制在2A~IC/16值，对单体电池端电压监控值变化为4.096伏，充电电压稳定在65.0伏。

在第二阶段充电操作中，不再以衡定的峰值电流充电，充电电流可以在2A~IC/16值间随充电进程发生变化；对单体电池的端电压均衡放电控制值变化为4.096伏，即：

仅当单体电池的端电压达到4.096伏时，对之实施均衡放电操作，直到该单体电池的端电压低于4.056伏。

在第二阶段恒压限流充电模式下，充电操作不会被禁止，因为此时充电电流远小于均衡放电电流。

当串联电池组中所有的单体电池均达到过4.096伏（均被实施过均衡放电操作），并且充电电流下降到2A，充电操作结束。

17.对端电压达到设定值的单体电池的均衡放电操作是通过下述进程实现的：

假定系统处于第一阶段充电操作，并且侦测到串联电池组中某节单体电池的端电压介于4.0～4.096伏之间，微处理器向放电选通单元送出与该单体电池所对应的放电驱动电路的4位编码地址，标记该单体电池，启动对该单体电池的大电流均衡放电操作，同时还向模式控制单元发出充电电流递减50％的编码控制信。

18.放电状态时，仅作下限值比较：

首先判断是否存在端电压达到或低于3.0伏、高于2.7伏所对应的二进制值的单体电池，若存在，则持续发出放电操作即将结束的提示信息；其次，判断是否存在达到下限值2.7伏所对应的二进制值的电池，若发现存在端电压等于或小于2.7伏所对应的二进制值的单体电池，发出终止放电指令。

19.充电操作结束后，微处理器对充电控制子系统发出充电结束指令，微处理器置位其内部的程序状态字PSW.5。

此时，微处理器仍然对串联电池组中的各单体电池进行采样。

因自放电及电阻分压器对电池能量的泄流，串联电池组各单体电池的端电压会缓慢下降，当串联电池组中某单体电池的端电压下降到低于4.0伏时，微处理器将重新启动充电控制子系统，充电模式仍按照上述的控制方式由串联电池组中各单体电池的状态所决定，同时，微处理器清除标志位PSW.5。

20.充放电时记录并比较每节电池达到均衡放电电压值或下限电压值的先后次序及历时，以便评估电池的电气性能。

21.使用CAN协议完成各单体电池的端电压、温度、实时充放电的电流值、以及各单体电池充放电时达到均衡放电电压值或下限电压值所需的时间等信息与其它设备间的交换。

由于采用了上述的技术措施，本发明的效果是明显的：

1．采用电阻分压器实现串联电池组单体电池控制所导致的多参考电位的归一化，具有实施简单、价格低廉、电气性能稳定可靠的特点；电阻分压器与电池均衡控制子系统的参考地之间设置了开关，以便对电阻分压器和微处理器的供电返回点实施控制，只有接通开关，才能起动系统。

2．利用微处理器完成对串联电池中各单体电池的各种电气参数采样、运算，大大扩展了本发明适用于各类电池的适应性，并提高了系统的稳定性。

3．对串联电池组实行大电流均衡控制可大大提高串联电池组的使用率，提高充电电流