发明专利说明书
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
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