新能源汽车一体化BMS专利说明书

1、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

2、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

3、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，

4、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

5、： 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

6、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

7、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

8、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

9、，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

10、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220工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 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

11、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

12、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、

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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、

19、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

20、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louT在采样电阻上产生1伏的反馈信号，数字可编程增益

21、放大器的增益被编程为2,则输出电流被控制在I OUT;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

22、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

23、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 BT1BT16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2Vn (n=

24、 1,2,.16 ) 03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V0o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2Vn (n= 1,2，.16 ),于是得到数据组 2Vn (n=0, 1,2，.16 )4本发明采用带有 1 0位二进制 A/D 转换精度的微处理器，对采得的 17路 10位进制数据组3/n (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

25、压比的倒数)时不致发生数据溢出；运算结果记为数据组2Bn (n=0,1,2，.16) o5对上述17路16位(即双字节)2Bn (n=0, 1,2，.16)数据组进行集中式运算处理，其中：对2Bn (n= 8, 9,.16)、即B8B16的9个16位数据实行二进制乘16运算处理(逻辑左移)，对2Bn (n= 4，5, 6, 7)、即B4By的4个16位数据实行二进制乘8处理，对2Bn (n= 2, 3)、即B2B3的2个16位数据实行二进制乘4处理，对 出n (n= 0, 1)、即B0B1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iCn (n=0, 1,2，.16

26、) 06经上述15步骤的程序处理后，取33 n (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7891011C14,Ci减C0的16位二进制运算，得差值 Di5DI，并记为2Dn （n=1,2,.16），Wn （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。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）

27、，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。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2.74.0伏之间，系统进入正常充电操作。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，并存在达到伏之间的单体电池，以Ic/16电流值充电,进入正常充电状态。4.0 - 4.096伏之间的单体电池，标记端电压达到4.0 - 4.096对之实施均衡放电操作， 直至其端电压回复到 3.9伏；随后，直到端电压等于或低

28、于 2.7伏的单体电池回复到 2.7伏以上，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。在第一阶段充电操作过程中，只要存在14节单体电池的 Dn值等于或介于4.04.096 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，

29、当端电压达到4.04.096伏的单体电池达到5节8节时，充电电流再次减半（lc/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4.04.096伏的单体电池达到 912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4.04.096 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

30、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 714 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

31、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4.04.096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

32、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

33、.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

34、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，提高充电电流以实现快速充电、提高电池的单次使用率及延长使用寿命。4利用微处理器完成并根据运算所得结果对构成本发明的相关组成单元实行宏观控制，节省了大量的外围硬件，系统的体积大为减缩。5对串联电池组中各单体电池动态充放电状况的采样、对比、运算得到各单体电池的电气性能，降低了串联电池组的维护工作量，为用

35、户节省了维护成本。6本发明可以方便地实现与采用 CAN 控制总线的小型汽车的控制系统对接，并成为控制系统中的一个节点。7采用递减式充电控制可大大提高电能的利用率，有效排除了因急充而导致电池过充损坏的因素。8采用移相谐振全桥变换器器，使用超微晶磁芯，可大幅提高大功率直流电源的效率和安全性。9根据本发明所述的原理，原则上对串联电池的数量没有限制。10本发明所述的原理可适用于各类串联电池的均衡充电，如铅酸电池、镍氢电池。11.如果以C8051F040微处理器为内核，嵌入经激光修正的电阻分压网络，本发明的电池均衡控制子系统极易构造成嵌入式专用集成电路。附图说明为了进一步了解本发明的性能、特征，结合以下

36、实施例及附图作详细说明。图1是本发明的即插式电动汽车电源管理系统及其均衡充电方法总框图;图2A、2B、2C是本发明即插式电动汽车电源管理系统及其均衡充电方法的实施例总电原理图。需要说明的是：为了充分阐述本发明的原理，在图2A、2B、2C所示的实施例中，所涉及的数字化处理技术内容采用了分立数字集成电路表达；事实上，在实施本发明时，除P87C591 微处理器和集成模拟开关 1IC1（ DG407）、1IC2（ DG407）、2IC5 （DG413）外，其 余的数字化处理内容均由一片 XC2C64A CP56可编程逻辑控制集成电路所担任。具体实施方式所述实施例的主要指标为：16节额定电压4.1伏、容

37、量为120 - 300AH的串联锂动力电池组，设计峰值充电电流60安培，充电截止电流2A。单体锂电池的上限端电压通常为 4.25 -4.35伏，下限端电压为2.5伏，为安全起见，设定单体电池的上限电压为4.096伏，下限预警电压为3.0伏，下限电压为2.7伏。对该16节串联电池组进行编号，将端电压相对控制系统BT 16o参考地最低的（串联电池组中的电压最低端）的单体电池编号为BT1,依此向上编号，直到最顶部的单体电池（串联电池组中相对电压最高端）编号为图2A、2B、2C是本发明即插式电动汽车电源管理系统及其均衡充电方法的一种实施例 的电路原理总图。实现本发明的技术方案是：一种即插式电动汽车电源

38、管理系统及其均衡充电方法，包括电池均衡控制子系统 1、充电控制子系统 2、放电驱动子系统 3、辅助供电子系统 4。所述的电池均衡控制子系统 1 用以实现对系统工作模式的判别、对串联电池组及各单2 及放体电池在充放电过程中的电气参数（包括串联电池组端电压、各单体电池的端电压、充放电 电流、温度）进行实时采样、运算比较、监控，并根据运算比较值对充电控制子系统1 的输电驱动子系统 3发出相关控制指令。所述的电池均衡控制子系统 1 的输入端，与串联电池组 中各单体电池的电极引出端、各单体电池的温度传感信号连接，电池均衡控制子系统 入端还与充电控制子系统 2的输出控制信号连接； 其输出与充电控制子系统

39、2的控制输入端、放电驱动子系统 3 的选通输入端连接。 电池均衡控制子系统 1 的输出还通过 CAN 收发器 1IC4（TJA1040）以CAN协议规则与其它设备连接。所述的充电控制子系统2的输入与交流工频电网连接，其控制输入端与电池均衡控制子系统 1 的输出控制信号、串联电池组端电压取样 信号 V CY 、充放电电流取样信号 V 0连接。充电控制子系统 2 的输出包括大功率充电电源及控 制信号；其中：充电控制子系统 2 输出的大功率充电电源的正极通过防反充二极管 2D11 与 串联电池组BTi6的正极引出端连接，其负极输出通过电流取样电阻（1R33）与单体电池BTi 的负极引出端连接；充电控

40、制子系统 2输出的控制信号分别与电池均衡控制子系统 1 的输入 端及放电驱动子系统 3 的输入端连接。所述的放电驱动子系统 3 的输入端与电池均衡控制子 系统 1 的输出和充电控制子系统 2 的输出控制信号连接，其输出以多路驱动输出方式与各单 体电池分别并联连接。所述的辅助供电子系统 4 用以对电池均衡控制子系统 1、充电控制子系统 2、放电驱动子系统 3 提供稳定的直流工作电源，其输入与交流工频电网的直流高压输 出端连接，并通过防反充二极管 4D5（FR302）与串联电池组的正极端连接，输出与电池均衡控制子系统 1、充电控制子系统 2、放电驱动子系统 3 的供电端连接。请继续参阅图2A、2B

41、、2C。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 1 包括电阻分压选通单元 5、微处理器单元 6。所述的电阻分压选通单元 5的输入端通过 16对电阻分压器，分别与串联电池组中各单体电池的引出端连接， 其输出与微处理器单元 6的采样输入端顺序连接。所述的微处理器单元 6的 I/O 端口、 A/D采样端口、中断端口分别与充电控制子系统 2的移相谐振全桥变换器单元 10 及模式控制单元9 的相关输出信号连接，微处理器单元 6 的输出与放电驱动子系统 3 的放电选通单元 7 的选 通输入端、充电控制子系统 2 的模式控制单元 9、移相谐振全桥变换器 10的控制输

42、入端连接。所述的放电驱动子系统 3 由放电选通单元 7 和放电驱动单元 8 组成。所述的放电选通单 元 7 的选通输入端与微处理器单元 6 的输出连接，其输出与放电驱动单元 8 的选通输入端顺 序连接。所述的放电驱动单元 8 的选通输入端还与充电控制子系统 2 的移相谐振全桥变换器 单元 10的相关输出控制信号连接，放电驱动单元 8由 16路独立的放电驱动电路组成，该 16路独立的放电驱动电路被编号为 FDi、FD2、FDi6,其输出分别与对应编号为BTi、BT2、BTi6的单体电池连接。所述的充电控制子系统 2 包括工网输入单元 11、移相谐振全桥变换器单元 10、模式控制单元 9。所述的工

43、网输入单元 11的输入端与交流 220 伏电网连接,其输出与移相谐振全桥变 换器单元 10、辅助供电子系统 4的 AC-DC 变换单元 12的输入端连接。所述的移相谐振全桥变换器单元 10的输入端与工网输入单元 11 的输出顺序连接,其控制输入端与模式控制单元9的相关输出信号、微处理器单元 6 的相关输出信号连接。所述的模式控制单元 9的控制输入端与微处理器单元6的输出、串联电池组端电压的电压取样信号Vcy、充放电电流取样信号Vo连接，模式控制单元9的输出与移相谐振全桥变换器 10、以及微处理器单元6的相关控制输入端连接。所述的辅助供电子系统4包括AC-DC变换单元12和DC-DC变换单元13

44、。所述的AC-DC 变换单元 12 的输入与工网输入单元 11 的直流高压输出端连接，其输出与 DC-DC 变换单元13的输入端、 移相谐振全桥变换器 10的供电输入端顺序连接， DC-DC 变换单元 13的输入端还通过防反充二极管 4D5 ( FR302) 与串联电池组的正极连接，以便在串联电池组放电操作时为相关单元继续提供工作电源。 AC-DC 变换单元 12输出的+15 伏直流电源为充电控制子 系统2的移相谐振全桥变换器单元10提供工作电源，DC-DC变换单元13输出的-5伏为模 式控制单元 9 的数控增益电路提供负偏置电源， +5 伏为模式控制单元 9、放电驱动单元 8、微处理器单元

45、6、放电选通单元 7 等提供工作电源。本发明用于动力电池均衡充放电系统的方法是：1.联动开关1K1-1 1K1-2处于断开状态时将完全脱开所有的电阻分压器，从而完全排除了因电阻分压器引起的对串联电池组的泄流。当联动开关1K1-1、1K1-2闭合时,微处理器1IC5 ( P87C591)开始工作，并随即发出低电平 VFS信号，移相谐振控制器2IC1 (UCC3895)被封锁；随后，微处理器1IC5 ( P87C591)对系统中需要初始化的单元发出清零信号，系统稳定后，微处理1IC5 (P87C591)的A/D采样输入端 采样移相谐振控制器2IC1 ( UCC3895)的REF (4脚)是否有+

46、5 (R)伏基准输出;若 5 ( R )伏存在，则系统进入充电状态，反之进入放电状态。假定系统处于充电 状态：微处理器1IC5 ( P87C591)采样串联电池组端电压及各单体电池的电压及温度状态，并根据采样值确定移相谐振全桥变换器 10的工作模式(峰值电流或恒压限流控制模式)，对模式控制单元 9 送出充电电流值编码信号；然后， 撤除对移相谐振 控制器2IC1 ( UCC3895)的封锁信号(使Vfs跃变为高电平)，移相谐振控制器2IC1(UCC3895)进入软起动，并开始对串联电池组充电。串联电池组各单体电池的引出端分别连接简单的、分压比取决于单体电池在串联电池组中位置、以电池均衡控 制子系

47、统 1 参考地为参考点的电阻分压器，即：在各单体电池的正极引出端和控制 系统的参考地之间串接二个电阻，与单体电池正极引出端连接的电阻定义为上分压 电阻，与控制系统参考地连接的电阻定义为下分压电阻，上、下分压电阻各自的另 一端两两连接；下分压电阻与上分压电阻的比值定义为分压比，分压比依据各单体电池在串联电池组中的位置确定。在16个下分压电阻上得到的V16、V15、V 1分压值，分别对应编号为 BTi6、BTi5、BT1的单体电池的下分压电阻上相对控制系统参考地的电压差。串联电池组中的单体电池 BT1 的负极引出端与电流取样电 阻 1R33 连接，并通过电流取样电阻 1R33 与电池均衡控制子系统

48、 1 的参考地连接； 电流取样电阻 1R33 上得到的相对于控制系统参考地的电压信号反映了充放电电流 的大小，记为 V0 。因为串联电池组中各单体电池在下分压电阻上的电压差与系统的 参考地是一致的，如此，便实现了因实施串联电池组均衡控制而产生的多参考点的 归一化。为了使各下分压电阻上的电压差处于后述的 A/D 转换的参考电压范围内（本 发明中 A/D 转换的基准电压取 4.096伏），所以分压比的取值根据单体电池在串联电池组中的位置不同而变化。微处理器1IC5 （P87C591）对各单体电池的下分压电阻 上的电压降执行 A/D 采样转换，完成模拟电压数据的数字化；数字化后的数据组经 微处理器1

49、IC5（ P87C591）对之执行分压比的逆运算（即执行二进制的乘法运算）得到各单体电池正极引出端相对于控制系统参考地、 以二进制表示的绝对电压数组；随后，对数据组中的各相邻数据执行两两相减，即：在本例中以代表单体电池BT16的正极端电压V16的二进制数据减去代表单体电池BT15的正极端电压V15的二进制数据，以代表单体电池 BT15 正极端电压 V15 的二进制数据减去代表单体电池 BT14正极端电压V14的二进制数据，直到以代表单体电池BT1的正极端电压V1的二进制 数据减去电流取样电阻1R33对控制系统参考地的电压差Vo的二进制数据，得到的16个差值就是电池BT16、BT15BT1的以二

50、进制表达的绝对电压。2.在串联电池组充电过程中，微处理器 1IC5（ P87C591）通过CAN端口定时发送各单体电池的端电压、充电电流、温度、以及各单体电池达到均衡放电电压值 4.0 伏所 经历的时间的信息。3.系统处于第一阶段充电状态时，微处理器1IC5（ P87C591）对得到的以二进制表达的16节单体电池的绝对电压与设定的均衡放电电压值4.0伏、上限电压值4.096伏、以及下限电压值 2.7 伏执行比较操作。在该阶段充电期间，只要发生任何单体电池 的端电压达到或超过 4.096 伏，充电操作被暂停，放电驱动电路对该单体电池执行 大电流均衡放电操作，直到该单体电池（或多个达到 4.096

51、伏上限电压的单体电池）的端电压回复到 3.9 伏以下，重新恢复充电操作，但整个充电期间的峰值充电电流 被限定为 1/16 峰值电流值。当串联电池组中存在某单体电池的端电压低于下限电压 值2.7伏时，微处理器1IC5 （P87C591）通过模式控制单元9将起始充电电流控制 在 1/16峰值电流的微电流充电模式，直到该单体电池的端电压上升到 2.7伏以上，重新恢复充电操作。当串联电池组中即存在达到 4.096 伏上限电压的单体电池，又 存在低于 2.7 伏下限电压的单体电池时，充电控制服从于存在单体电池达到上限电 压时的处理模式。 当串联电池组中所有的单体电池的端电压处于 2.7 4.0伏之间时，

52、系统进入正常的第一阶段充电，微处理器1IC5 （P87C591）将根据达到或曾经达到 过均衡放电电压值的单体电池的节数，对模式控制单元 9发出充电电流编码信号，模式控制单元9对该控制信号译码后，控制移相谐振控制器2IC1（ UCC3895）的充电电流幅值。4. 当串联电池组中所有的单体电池均达到过 4.0 伏（即所有的单体电池均被设施过均衡放电操作）时，系统进入第二阶段充电操作，单体电池的上限控制端电压被调整 为 4.096 伏，均衡放电结束电压调整为 4.056 伏，充电电压恒定于 65.0 伏，充电电 流被限制在2Alc/16的范围内。在第二阶段充电操作中，当任何单体电池的端电 压达到 4

53、.096伏时，将被实施均衡放电操作，直到该单体电池的端电压下降到 4.056伏以下；并且系统的充电操作将不再被终止，因为在此阶段中的充电电流已远小于 均衡放电电流。 当串联电池组的总端电压达到了 65.0 伏、并且充电电流下降到了 2A时，充电结束。5. 当系统处于放电状态时，对各单体电池无需作上限监控，仅对临界下限（单体电池端电压介于 3.0 2.7伏之间)和 2.7 伏下限值监控，即：在放电状态时，串联电池 组中任何单体电池的端电压低于 3.0伏或在 3.0 2.7伏间时，系统发出即将终止供电的连续报警信号；当任何单体电池的端电压低于 2.7 伏时，系统终止放电。在对 外负载放电状态时，微

54、处理器 1IC5 (P87C591)将定期发送各单体电池的端电压、 放电电流、温度、以及放电过程中率先达到下限电压值的单体电池的信息。6. 采用移相谐振全桥变换技术为串联电池组提供高功率充电电能。选用UCC3895移相谐振控制器作为移相谐振全桥变换器单元 1 0的主控芯片( 2I C 1 ) ，通过控制 UCC3895UCC3895(2IC1)的反馈方式，使之的工作模式在电流阶段递减的峰值电流、恒压限流充电模式间切换。充电电流的阶段递减控制是通过以下途径来实现的：根据集成电路的特性，该芯片的电流取样输入端CS (脚12)内部对应了二个电流比较 器，其中比较器 A 用于峰值电流限流控制，比较器

55、B 用于过流控制；当输出电流取 样值在电流取样输入端 CS (脚12)上呈现2.0伏，并且UCC3895工作在峰值电流 控制状态，当，且仅当变换器的工作状态发生异常(例如输出短路) ，例如由于某种 原因使得电流反馈值达到或超过 2.5伏时，UCC3895的工作将被封锁，并重新产生一次软启动。 根据本发明例输出 60 安培峰值充电电流的设计要求， 在移相谐振全桥 变换器 1 0的充电输出端的电流回流母线上串接 0.0014欧母的电流取样电阻 1R3(3 由4只5.6毫欧2瓦的无感电阻并联) ，则充电电流达到 60安培时，电流取样电阻 1R33上产生0.084伏的电流取样电压值 Vo, Vo被模式控制单元9中的电压增益为12倍的输入放大器2IC8: D (OPA4227)、及数字控制可变增益放大器 2IC7(TCL6910-2)放大，其输出Iov被连接到UCC3895的电流取样输入端CS (脚12)。当串联电池组 中所有单体电池的端电压均处于 2.7 4.0伏之间、并且所有的单体电池未被实施过均衡放电操作时，微处理器单元 6向数字控制可变增益放大器 2IC7