儀器內部供電串聯電池組的平衡管理模塊的制作方法
本發明涉及電池組能量平衡管理，尤其是一種儀器內部供電串聯電池組的平衡管理模塊。
背景技術：
便攜儀器通常都采樣內置串聯電池組來提供能源，電池的作用不言而喻，而針對一臺優秀的便攜儀器，較長的待機和工作時間無疑是一項重要評判指標。常用的鋰電池組由多個電池芯或單體電池串聯組成，一般用S代表電池組的芯數或單體電池個數，鋰電池每芯3.7伏；假如是5S的鋰電池組，就是由5個單體鋰電池串聯而成的總電壓為5x3.7=18.5伏的電池組。但由于串聯單體電池的不一致性嚴重影響了儀器內部供電串聯電池組的有效容量、循環壽命、安全性和經濟性，使儀器內部供電串聯電池組難以達到這樣的要求。單體電池的一致性決定了串聯電池組的性能、壽命和安全性，即只要有一個單體電池的性能變差，整個串聯電池組的性能都將變差。常見情況有：（1）其中有一個單體電池的容量偏低，結果是充電時這個單體電池首先達到充電上限截止電壓，而放電時首先達到放電下限截止電壓，那么這個單體電池的容量決定整個串聯電池組的容量；（2）如果初始狀態有一個單體電池的電壓偏低，充電時這個單體電池達不到截止電壓而不能充滿，放電時這個單體電池首先到達放電截止，該單體電池沒充滿電又提前把電放完，串聯電池組實際可用的電量由這個單體電池的容量決定；（3）如果一個單體電池的極化阻抗和內阻偏高，充電時電壓上升快、放電時電壓下降也快，就某一次測試的表現來看就是這個單體電池的容量不足，負載能力下降，充放電時的溫度偏高。
電池制造過程中提高單體電池的一致性還有相當大的難度且需要較大投入并將大幅度提高電池的制造費用導致電池價格高而不利于相關產業的快速發展。目前電池制造商或電池組合工廠采用嚴格的篩選方法進行電池匹配來提高電池的一致性。但即使是嚴格匹配后的電池，在循環的初期或多次循環之后，就會表現出可見的差別，故采用電池匹配的有效性不盡人意；電池的工作條件和環境也會對一致性產生影響，隨著電池循環次數的增加其一致性改變程度具有不可檢測性。因此，單體電池的一致性又是相對的，過分強調制造過程中的一致性或使用過程中環境的一致性，只能以提高動力系統成本為代價。
如何保證儀器內置電池安全、高效成組的使用成為當前亟待解決的問題。除了在電池本身的一致性方面下功夫外，電池平衡技術作為儀器內部供電串聯電池組應用的關鍵技術之一，能夠有效緩解制造過程和使用過程中產生的不一致性，提高電池組的整體性能。原則上平衡技術不僅能解決電池一致性的問題，而且能夠使儀器內部供電串聯電池組中性能最差的那個單體電池的壽命得到延長，同時電池性能的改進也將使得電池安全性得到改善，因為電池性能變差后，安全性也隨之降低。
用于儀器內部供電串聯電池組的平衡電路主要有兩類：一是能量消耗型，指利用并聯電阻等方式將電池組中電量較多的電池的能量進行耗散，直到其荷電狀態到達平均值的平衡電路；二是非能量消耗型，即利用電容、電感等儲能元件在單體電池或電池組之間進行能量轉移，使電池組電壓保持一致的平衡電路。但是這些平衡技術大多應用在電池組的充電方面，在電池組放電過程中的應用目前未見報道。因此，開發一種適用于儀器內部供電串聯電池組平衡充電與放電的高效、安全、智能的平衡管理模塊是十分必要的。
技術實現要素：
為了克服目前儀器內部供電串聯電池組在充電與放電過程中存在的不足，本發明公布了一種儀器內部供電串聯電池組的平衡管理模塊。
本發明采用的技術方案是：一種儀器內部供電串聯電池組的平衡管理模塊，包括檢測保護單元、充電單元、控制單元、平衡單元；檢測保護單元與外接電源和內置串聯電池組、充電單元、控制單元和平衡單元均有電連接，用于判斷接入充電電源和內置串聯電池組的極性并僅在極性接入正確時使充電回路導通，檢測外接電源電壓ADI0、內置串聯電池組電壓ADI1、充電電流ADI2送控制單元并在充電電流超限時輸出信號ERR_I到充電單元使充電回路斷開，本專利模塊的工作電源VDD在有外接電源時自動切換到DC_IN+、無外接電源且儀器電源開關閉合時自動切換到內置串聯電池組B+端，由VDD經降壓穩壓后提供本專利模塊的邏輯部分工作電源VCC；充電單元在控制單元輸出控制信號PWM1、PWM2、KZQ0的控制下為內置串聯電池組提供充電電流，平衡單元檢測內置串聯電池組的各個單體電池的端電壓并在控制單元輸出控制信號KZQ2、KZQ3的控制下分時傳送到控制單元的ADI3、ADI4、ADI5、ADI6，控制單元根據各單體電池端電壓進行平衡決策后輸出控制信號KZQ4、KZQ5、KZQ6、KZQ7到平衡單元以實現內置串聯電池組在充電或放電過程中的平衡管理；本專利模塊適用于內置串聯電池組由2~8個單體電池組成的儀器。
在本發明中，檢測保護單元包括由電容C1~C4、電阻R1~R2和MOS管VT1組成的外接電源接入保護電路，用于防止電源極性接反并對電源進行旁路濾波和解耦濾波；由電阻R15~R19、電容C14和運放IC2A組成的外接電源電壓檢測電路，用于實時檢測外接電源電壓并輸出ADI0到控制單元；由電阻R26~R36、電容C5~C9、三極管VT7、MOS管VT2和運放IC2C、IC2D組成的內置串聯電池組連接保護與電壓檢測電路，用于內置串聯電池組極性接反防止、電池端濾波、電池組電壓檢測并輸出ADI1到控制單元，同時可在控制單元輸出控制信號KZQ1的控制下使內置串聯電池組斷開；由電阻R20~R25、電容C15~C16和運放IC2B組成的充放電電流檢測電路，用于反映充放電過程中的實時電流變化并輸出檢測信號ADI2到控制單元；由電阻R3~R8、三極管VT5~VT6和MOS管VT3~VT4組成的模塊工作電源選擇電路，當有外接電源時模塊工作電源VDD自動切換到DC_IN+、無外接電源且儀器電源開關閉合時模塊工作電源VDD自動切換到內置串聯電池組B+，此外VDD無電模塊不工作；由電阻R9~R14、電容C10~C13、二極管D1、電感L1與集成電路IC2組成的降壓型穩壓電路，用以經VDD降壓穩壓后提供邏輯控制部分的VCC電壓。
在本發明中，充電單元由電阻R37~R53、電容C17~C18、二極管D2~D3、電感L2、三極管VT10~VT16、MOS管VT8~VT9和比較器IC3A、IC3B組成；能在控制單元輸出控制信號PWM1、PWM2、KZQ0的控制下為內置串聯電池組提供充電電流，當電池電壓低于外接充電電壓時采用降壓方式充電，當電池電壓高于外接充電電壓時采用升壓方式充電；具有上電保護、過電流斷開和由控制單元啟停的功能。
在本發明中，控制單元控制電路由電阻R113~R116、電容C28~C30、雙色發光二極管LED、編程接口JK01、儀器通信接口JK02、I2C隔離芯片IC13和具有PWM、ADC的微控制芯片IC12組成；微控制芯片根據外接電源電壓ADI0、內置串聯電池組電壓ADI1、充電電流ADI2的檢測結果變化輸出控制信號PWM1、PWM2、KZQ0、KZQ1來選擇充電方式和控制充電過程；在充放電過程中微控制芯片根據內置串聯電池組各單體電池端實時電壓ADI3、ADI4、ADI5、ADI6進行平衡決策后輸出控制信號KZQ4、KZQ5、KZQ6、KZQ7到平衡單元以實現電池組各單體電池的充放電平衡管理；雙色發光二極管LED用于指示充電狀態，編程接口JK01用于初始化微控制單元內部的控制程序，儀器通信接口JK02用于儀器查詢充放電過程的內置串聯電池組狀態參數。
在本發明中，平衡單元包括由電阻R73~R112、電容C20~C27、四2選1模擬開關IC6和四運放IC4~ IC5組成的單體電池端電壓檢測電路，其中2個四運放IC4、 IC5與相應的電阻、電容構成8個減法模塊，用于檢測8個單體電池兩端的電壓差，8個檢測輸出信號連接至四2選1模擬開關IC6的輸入端，IC6在控制單元輸出控制信號KZQ2、KZQ3的控制下分兩次將8個檢測信號傳送到控制電路的ADI3、ADI4、ADI5、ADI6輸入端；由電阻R54~R72、平衡電容C19、16個MOS管VT17~VT32、4個四通道光電耦合器IC7~ IC10和3/8譯碼器器IC11組成的單體電池電壓平衡電路，16個MOS管中除VT17為N溝道管外其余全為P溝道管，均由對應的16路光耦低電平有效控制，其中8個MOS管的漏極一起連接至平衡電容C19的正極性端且其源極分別連接至8個單體電池的高電位端，另8個MOS管的漏極一起連接至平衡電容C19的負極性端且其源極分別連接至8個單體電池的低電位端，連接每個單體電池兩端的MOS管控制信號在光耦發光二極管側并聯且連接至3/8譯碼器器IC11的譯碼輸出端，上電時3/8譯碼器器IC11的使能端由R56上拉或無需平衡時由控制單元輸出KZQ7＝1使IC11的輸出全為高，16個MOS管全斷開，需要平衡時由控制單元輸出KZQ7＝0使能IC11并同時輸出選擇碼KZQ4、KZQ5、KZQ6，以選通一個單體電池對平衡電容C19進行充電或放電。
本專利的有益效果是：采用控制單元檢測并智能決策控制充電過程和對充、放電過程中各單體電池電壓進行平衡管理，運用電解電容作為平衡能量轉移載體、譯碼器控制選通需平衡的單體電池，在實現了安全、高效平衡充、放電的基礎上還可為儀器提供內置串聯電池組的相關參數；適用于2-8S儀器內部供電串聯電池組自動充、放電過程的平衡管理。
附圖說明
圖1是本發明的總體結構框圖；
圖2是本發明檢測保護單元實施例的原理圖；
圖3是本發明充電單元實施例的原理圖；
圖4是本發明控制單元實施例的原理圖；
圖5是本發明平衡單元實施例的原理圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述；顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
參見附圖，圖1是本發明的總體結構框圖。一種儀器內部供電串聯電池組的平衡管理模塊，包括檢測保護單元、充電單元、控制單元、平衡單元；檢測保護單元與外接電源和內置串聯電池組、充電單元、控制單元和平衡單元均有電連接，用于判斷接入充電電源和內置串聯電池組的極性并僅在極性接入正確時使充電回路導通，檢測外接電源電壓ADI0、內置串聯電池組電壓ADI1、充電電流ADI2送控制單元并在充電電流超限時輸出信號ERR_I到充電單元使充電回路斷開，本專利模塊的工作電源VDD在有外接電源時自動切換到DC_IN+、無外接電源且儀器電源開關閉合時自動切換到內置串聯電池組B+端，由VDD經降壓穩壓后提供本專利模塊的邏輯部分工作電源VCC；充電單元在控制單元輸出控制信號PWM1、PWM2、KZQ0的控制下為內置串聯電池組提供充電電流，平衡單元檢測內置串聯電池組的各個單體電池的端電壓并在控制單元輸出控制信號KZQ2、KZQ3的控制下分時傳送到控制單元的ADI3、ADI4、ADI5、ADI6，控制單元根據各單體電池端電壓進行平衡決策后輸出控制信號KZQ4、KZQ5、KZQ6、KZQ7到平衡單元以實現內置串聯電池組在充電或放電過程中的平衡管理；本專利模塊適用于內置串聯電池組由2~8個單體電池組成的儀器。
附圖2是本發明檢測保護單元實施例的原理圖。檢測保護單元包括由電容C1~C4、電阻R1~R2和MOS管VT1組成的外接電源接入保護電路，用于防止電源極性接反并對電源進行旁路濾波和解耦濾波；由電阻R15~R19、電容C14和運放IC2A組成的外接電源電壓檢測電路，用于實時檢測外接電源電壓并輸出ADI0到控制單元；由電阻R26~R36、電容C5~C9、三極管VT7、MOS管VT2和運放IC2C、IC2D組成的內置串聯電池組連接保護與電壓檢測電路，用于內置串聯電池組極性接反防止、電池端濾波、電池組電壓檢測并輸出ADI1到控制單元，同時可在控制單元輸出控制信號KZQ1的控制下使內置串聯電池組斷開；由電阻R20~R25、電容C15~C16和運放IC2B組成的充放電電流檢測電路，用于反映充放電過程中的實時電流變化并輸出檢測信號ADI2到控制單元；由電阻R3~R8、三極管VT5~VT6和MOS管VT3~VT4組成的模塊工作電源選擇電路，當有外接電源時模塊工作電源VDD自動切換到DC_IN+、無外接電源且儀器電源開關閉合時模塊工作電源VDD自動切換到內置串聯電池組B+，此外VDD無電模塊不工作；由電阻R9~R14、電容C10~C13、二極管D1、電感L1與集成電路IC2組成的降壓型穩壓電路，用以經VDD降壓穩壓后提供邏輯控制部分的VCC電壓。圖2中，外接電源連接到檢測保護單元的DC_IN+、DC_IN-，旁路濾波電容C1、C2、C3用于減少接入電源上的噪聲對充電器本身的干擾，退耦濾波電容C4用于減少充電器產生的噪聲對外接電源的干擾。電阻R1、R2與MOS管VT1組成理想二極管電路，連接在外接電源到充電器的地線回路中，以防止外接電源反接；當電源接入正確時，MOS管的柵源極之間有電壓，MOS管可以導通；當電源接入反向時，MOS管的柵源極之間無電壓且無法導通，充電器就不工作。MOS管VT1為N溝道增強型場效應晶體管，應根據串聯電池組的充電電壓與電流選擇，本實施例中若充電電流為2~3A，可選型號有：AO4468、BS0119N03、P1103BVG、TM4422等；以AO4468為例，其采用SO8封裝，具體參數VDS=30V、ID=11.6A(VGS=10V)、RDS(ON)<14mΩ(VGS=10V)；圖2中，若R1=4.7KΩ、R2=200KΩ、DC_IN+與DC_IN-之間的電壓Vin=+12V時，VGS=12*200/204.7 V≈11.7 V；該電路代替二極管的優點是損耗小，因為二極管有個正向壓降0.7V，而MOS管是呈電阻性的，一般的可以做到10-30毫歐，如果按照2A充電電流計算，二極管消耗1.4W，而MOS管最大只有0.06W。由電阻R15~R19、電容C14和運放IC2A組成的外接電源電壓檢測電路，用于實時檢測外接電源電壓并輸出ADI0到控制單元；其中電阻R19與電容C14組成一個一階低通濾波器用于濾出信號ADI0上的高頻干擾，若取R19=4.7KΩ、C14=1uF，則其截止頻率＝1/2π*4.7K*1u≈33.86 Hz；電阻R15~R18與運放IC2A組成一個減法電路用于檢測接入電源電壓，電阻R15~R18的取值范圍應根據外接電壓DC_IN和控制單元的A/D轉換器輸入電壓范圍綜合選擇，設電源電壓DC_IN=15V，取R15＝R17＝680KΩ、R16＝R18＝120KΩ，則VADI0=15* R18/ R17=2.647V。由電阻R26~R36、電容C5~C9、三極管VT7、MOS管VT2和運放IC2C、IC2D組成的內置串聯電池組連接保護與電壓檢測電路，用于內置串聯電池組極性接反防止、電池端濾波、電池組電壓檢測并輸出ADI1到控制單元，同時可在控制單元輸出控制信號KZQ1的控制下使內置串聯電池組斷開；電容C5~C8連接于待充電池組兩端形成一個π型濾波網絡用于濾出電池組兩端在充電和平衡過程中形成的紋波干擾；電池組接入極性檢測由電阻R26~R29與運放IC2D組成的比較電路實現，當有電池組接入且極性正確時運放IC2D輸出經電阻R33使MOS管VT2導通進入正常充電狀態，當無電池組接入或接入極性錯誤時、MOS管VT2關斷充電回路；上電時，在控制單元還沒有正常工作前，由上拉電阻R34使VT7導通，MOS管VT2處于關斷狀態，控制單元正常工作后，輸出控制信號KZQ1＝0使電路進入充電工作狀態，當檢測到充電電流超限時，輸出控制信號KZQ1＝1使待充電池組斷開；電阻R28~R32與運放IC2C組成一個減法電路用于檢測待充電池組電壓，電阻R28~R32的取值范圍取決于待充電池組電壓大小，對于5S電池組，其電壓VBAT=3.7V*5＝18.5 V，若取R28＝R30＝680KΩ、R29＝R31＝100KΩ，則VADI1=18.5* R31/ R30=2.721V；電阻R32與電容C9組成一個一階低通濾波器用于濾出信號ADI1上的高頻干擾，若取R32=5.1KΩ、C9=1uF，則其截止頻率＝1/2π*4.7K*1u≈31.21Hz。由電阻R20~R25、電容C15~C16和運放IC2B組成的充電電流檢測模塊，用于反映充電過程中的實時電流變化并輸出檢測信號ADI2到控制單元，同時輸出充電電流超限檢測信號ERR_I到充電單元以實現過電流斷開保護；電阻R22、電容C15和電阻R25、電容C16分別各組成一個一階低通濾波器用于濾出電流檢測輸入和輸出信號上的高頻干擾，R20、R21為兩個0.1Ω的并聯電流采樣電阻，電阻R23~R24與運放IC2B組成一個同相放大器，若取R23= 1.3KΩ、R24= 10KΩ，運放IC2B的放大倍數為1+10/1.3=8.69倍，若最大電流5A，則最大輸出電壓為0.05*5*8.69=2.173V。
由電阻R3~R8、三極管VT5~VT6和MOS管VT3~VT4組成的模塊工作電源選擇電路，電路工作情況如下：（1）當有外接電源時，DC_IN+通過電阻R3使三極管VT5導通（集電極為低），使MOS管VT3導通，由VT5的集電極為低使三極管VT6處于斷開狀態，不管儀器電源開關是否閉合MOS管VT4都處于斷開狀態，模塊的工作電源VDD連接到DC_IN+上；（2）當無外接電源且儀器電源開關閉合時，三極管VT5受基極下拉電阻R4控制保持斷開狀態，MOS管VT3處于斷開狀態，電池電壓B+通過電阻R6使三極管VT6導通，MOS管VT4導通，模塊的工作電源VDD連接到電池電壓B+上；（3）當無外接電源且儀器電源開關斷開時，三極管VT5受基極下拉電阻R4控制保持斷開狀態，三極管VT6受控于基極下拉電阻R7保持斷開狀態，使MOS管VT3、VT4均處于斷開狀態，模塊工作電源VDD無電模塊不工作；MOS管VT3、VT4為P溝道增強型場效應晶體管，可根據對應儀器的工作電壓與電流選擇本實施例中的相關型號。由電阻R9~R14、電容C10~C13、二極管D1、電感L1與集成電路IC2組成的降壓型穩壓電路，用以經VDD降壓穩壓后提供邏輯控制部分的VCC電壓；圖2中的IC1為美國芯源半導體生產的降壓轉換器MP1584，這部分電路可采用其它類型的DC/DC轉換器實現，只要輸入輸出滿足應用要求即可。MP1584的核心是buck轉換，輸入電壓范圍是4.5-28V輸出最大電流3A，圖2中D1、L1、C13組成了典型的buck回路，D1是肖特基二極管SS34， R10= 100KΩ、R9= 51KΩ用于從VDD來使能MP1584，R11= 200KΩ用于調整buck回路的PWM頻率；本實施例中VDD=3.3V，取R12=68.1KΩ、R13= 124KΩ、R14= 40.2KΩ、C12=220pF、L1=6.8uH、C13=22uF。
附圖3是本發明充電單元實施例的原理圖。充電單元由電阻R37~R53、電容C17~C18、二極管D2~D3、電感L2、三極管VT10~VT16、MOS管VT8~VT9和比較器IC3A、IC3B組成；能在控制單元輸出控制信號PWM1、PWM2、KZQ0的控制下為內置串聯電池組提供充電電流，當電池電壓低于外接充電電壓時采用降壓方式充電，當電池電壓高于外接充電電壓時采用升壓方式充電；具有上電保護、過電流斷開和由控制單元啟停的功能。用于充電的DC/DC轉換器主要有六種，即降壓式（Buck）DC/DC轉換器、升壓式（Boost）DC/DC轉換器、升壓降壓式（Buck Boost）DC/DC轉換器、Cuk DC/DC轉換器、Zeta DC/DC轉換器和SEPIC DC/DC轉換器；其中，Buck和Boost式DC/DC轉換器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC轉換器是從中派生出來的。本發明實施例中充電單元采用Buck-Boost電路，其充電電源DC_IN+、工作電源VDD、邏輯電源VCC、參考地GND分別連接至檢測保護單元。上電時，在控制單元還沒正常工作前，由上拉電阻R44使VT14和VT16導通，MOS管VT8、VT9均處于關斷狀態，以確保電路安全；控制單元正常工作后，輸出控制信號KZQ0＝0使電路進入工作狀態；充電過程中，來自檢測保護單元的充電電流超限檢測信號ERR_I通過電阻R52與R53驅動三極管VT15，改變電阻R52與R53的阻值搭配設定充電電流限值，當充電電流超限時ERR_I三極管VT15導通以關斷充電回路，同時若出現過壓、短路或其它故障現象時，控制單元可輸出控制信號KZQ0＝1關斷MOS管VT8、VT9。當充電電池的電壓小于電源電壓時采用降壓式（Buck）充電，當充電電池的電壓大于電源電壓時采用升壓式（Boost）充電，以保證實際充電的電壓高于待充電池電壓。工作于Buck方式時，比較器IC3A接受控制單元輸出的PWM1信號控制， 其輸出通過三極管管VT10與VT11、電阻R37與R38驅動MOS管VT8工作，充電電源DC_IN+通過VT8-L2-D2輸出，VT8關斷時D3續流；此時比較器IC3B同相端的控制單元輸出的PWM2信號保持為低電平，使Boost電路部分停止工作；MOS管VT8為P溝道增強型場效應晶體管，應根據儀器內部供電串聯電池組的充電電壓與電流選擇，本實施例中可選型號有：AO4409、AO4467、TPC8107、TPC8108、P1003EVG等；以AO4409為例，其采用SO8封裝，具體參數VDS=-30V、ID=-15A、RDS(ON)<7.5mΩ(VGS=-10V)、RDS(ON)<12mΩ(VGS=-4.5V)。工作于Boost方式時，比較器IC3B接受控制單元輸出的PWM2信號控制， 其輸出通過三極管管VT12與VT13、電阻R39與R40驅動MOS管VT9工作，充電電源DC_IN+通過VT8-L2- VT9-D2輸出，VT9關斷時升壓，此時比較器IC3A的控制單元輸出的PWM1信號保持為高電平以使MOS管VT8處于導通狀態；MOS管VT9為N溝道增強型場效應晶體管，應根據儀器內部供電串聯電池組的充電電壓與電流選擇，本實施例中可選型號有：IRF7413、AO4410、FSD6670、FDS6680、P0803BVG等；以IRF7413為例，其采用SO8封裝，具體參數VDS=30V、ID=12A、RDS(ON)<11mΩ(VGS=10V)。二極管D1~D3應選擇肖特基（Schottky）二極管，又稱肖特基勢壘二極管（簡稱SBD），如：SS34，它屬一種低功耗、超高速半導體器件，最顯著的特點為反向恢復時間極短（可以小到幾納秒），正向導通壓降僅0.4V左右；其多用作高頻、低壓、大電流整流二極管、續流二極管、保護二極管。電感L1不能用磁體太小的(無法存應有的能量)、線徑太細的(脈沖電流大,會有線損大) 電感。不管本發明的充電電路工作于Buck方式還是Boost方式，其充電過程實質就是一個電感的能量傳遞過程，首先電感L2吸收能量，接著是電感L2放出能量，如果電容C18的容量足夠大，那么在輸出端就可以維持一個穩定的電壓；如果這個過程不斷重復，就可以在電容兩端得到穩定的充電電壓。為提高本發明充電儀器的轉換效率，一般要從三個方面著手：（1）盡可能降低開關管導通時回路的阻抗，使電能盡可能多的轉化為磁能；（2）盡可能降低負載回路的阻抗，使磁能盡可能多的轉化為電能，同時回路的損耗最低；（3）盡可能降低控制電路的消耗，因為對于充電儀器來說，控制電路的消耗某種意義上是浪費掉的，不能轉化為電池組上的能量。由于本發明充電器工作于開關狀態，且PWM控制的開關頻率較高，不可避免地會在電容C18上形成高頻紋波干擾，為此引入了電阻R41~R42、電容C17組成的紋波吸收電路。
附圖4是本發明控制單元實施例的原理圖。控制單元控制電路由電阻R113~R116、電容C28~C30、雙色發光二極管LED、編程接口JK01、儀器通信接口JK02、I2C隔離芯片IC13和具有PWM、ADC的微控制芯片IC12組成；微控制芯片根據外接電源電壓ADI0、內置串聯電池組電壓ADI1、充電電流ADI2的檢測結果變化輸出控制信號PWM1、PWM2、KZQ0、KZQ1來選擇充電方式和控制充電過程；在充放電過程中微控制芯片根據內置串聯電池組各單體電池端實時電壓ADI3、ADI4、ADI5、ADI6進行平衡決策后輸出控制信號KZQ4、KZQ5、KZQ6、KZQ7到平衡單元以實現電池組各單體電池的充放電平衡管理；雙色發光二極管LED用于指示充電狀態，編程接口JK01用于初始化微控制單元內部的控制程序，儀器通信接口JK02用于儀器查詢充放電過程的內置串聯電池組狀態參數。本實施例以標稱3.7V的鋰電池介紹充電方法，標稱3.7V鋰電池的終止電壓最高可達到4.2V，由于鋰電池的內部結構決定了它具有特殊的性質，因此鋰電池是不能過充的；如果對鋰電池進行過充，電池就會因Li+損失太多而損壞，而且鋰電池必須通過特定的恒流恒壓充電設備為電池充電才行；首先對鋰電池進行恒流充電，當電池整體電壓達到4.2V時，保持恒壓狀態繼續充電，在恒壓充電過程中，電流若小于100mA，需要立即停止；充電的電流是電池容量的1.0～1.5倍，例如鋰電池的理論容量為1470mAh，那么它的充電電流就應在1470～2205mA之間，若采用鋰電池容量的1.5倍作為充電電流則需充電2～3個小時。常規充電方法有：恒壓充電、恒流充電以及在此基礎之上改進而來的恒流/恒壓分階段式充電，本發明采用混合恒流/恒壓的充電法。混合恒流/恒壓充電法的充電過程是分段進行的，為了節省充電過程的整體時間，首先采用恒定電流；當電池電壓上升到相應閥值后，采用閥值大小的恒定電壓；隨時間增加充電電流將慢慢變小，直到降為電池容量的1/10或1/20時，充電過程結束；也就是說，當充電電流值小于電池容量的1/10時，電池恢復90%左右容量；剩余階段中，電池容量并沒有明顯變化，但所需時間卻顯著増加；這種充電方法可以彌補鋰電池因恒流二次充電所不能滿足的部分，是鋰電池的最佳充電方法之一；為了減小過充對電池的損害，必要時還會采用分段恒流的充電方法；在不同階段設定不同的電壓值，使得電流逐級遞減持續充電，當電壓達到預定值時，采用逐漸減小的恒定電流充電；當電壓上升至下一個預定值時，繼續減小電流；依此類推，從充電過程開始至結束，電流減小的同時電壓的增加；這種方法雖然可以減小過充對電池本身造成的影響，但充電時間較長、電流易發生突變等現象；選取時應根據不同種類的電池及參數而定。本發明的ADC在微控制芯片的控制下采集檢測保護單元、平衡單元的檢測信號，由微控制芯片根據電池特征及參數進行智能決策，然后輸出控制信號到檢測保護單元、充電單元和控制單元以實現整個充電過程、放電過程的自動化與智能化。本發明的微控制芯片可選單片機、DSP、ARM、FPGA等嵌入式微處理器中的任意一種，優選內部集成時鐘與復位、ADC、PWM且I/O口線滿足應用要求的嵌入式微處理器，可使本發明的CPU模塊結構簡化以提高系統可靠性；本實施例中的微控制芯片選擇了STM8S903單片機，STM8S903單片機采用高級STM8內核、具有3級流水線的哈佛結構，片內有8K字節的程序Flash、640字節的數據EEPROM、1K字節的RAM、10位ADC、2個定時器（PWM）、UART、SPI、I2C，完全滿足本發明中對微控制單元的要求。圖4中，雙色發光二極管LED用于指示充電狀態，編程接口JK01用于初始化微控制單元內部的控制程序，儀器通信接口JK02用于儀器查詢充放電過程的內置串聯電池組狀態參數，通信接口JK02通過I2C隔離芯片IC13與本模塊微控制芯片的I2C接口連接；I2C隔離芯片IC13優選AD公司的熱插拔數字隔離器ADuM1250/ADuM12511，它們采用ADI公司的iCoupler磁隔離的芯片級變壓器技術，內置非閂鎖雙向通信通道，且與標準I2C接口兼容，ADuM1250提供兩個雙向通道，支持完全隔離的I2C接口，ADuM1251提供一個雙向通道和一個單向通道，適合不需要雙向時鐘的應用。
附圖5是本發明平衡單元實施例的原理圖。平衡單元包括由電阻R73~R112、電容C20~C27、四2選1模擬開關IC6和四運放IC4~ IC5組成的單體電池端電壓檢測電路，其中2個四運放IC4、 IC5與相應的電阻、電容構成8個減法模塊，用于檢測8個單體電池兩端的電壓差，8個檢測輸出信號連接至四2選1模擬開關IC6的輸入端，IC6在控制單元輸出控制信號KZQ2、KZQ3的控制下分兩次將8個檢測信號傳送到控制電路的ADI3、ADI4、ADI5、ADI6輸入端；由電阻R54~R72、平衡電容C19、16個MOS管VT17~VT32、4個四通道光電耦合器IC7~ IC10和3/8譯碼器器IC11組成的單體電池電壓平衡電路，16個MOS管中除VT17為N溝道管外其余全為P溝道管，均由對應的16路光耦低電平有效控制，其中8個MOS管的漏極一起連接至平衡電容C19的正極性端且其源極分別連接至8個單體電池的高電位端，另8個MOS管的漏極一起連接至平衡電容C19的負極性端且其源極分別連接至8個單體電池的低電位端，連接每個單體電池兩端的MOS管控制信號在光耦發光二極管側并聯且連接至3/8譯碼器器IC11的譯碼輸出端，上電時3/8譯碼器器IC11的使能端由R56上拉或無需平衡時由控制單元輸出KZQ7＝1使IC11的輸出全為高，16個MOS管全斷開，需要平衡時由控制單元輸出KZQ7＝0使能IC11并同時輸出選擇碼KZQ4、KZQ5、KZQ6，以選通一個單體電池對平衡電容C19進行充電或放電。平衡單元的VDD、VCC、GND與檢測保護單元連接，B0、B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9連接到儀器內部供電串聯電池組各單體電池的端點，8個單體電池端電壓檢測由8個減法電路實現，其輸出連接至四2選1模擬開關IC6的8個輸入端，8個減法電路的檢測原理是一致的，以電阻R73~R77、電容C20與運放IC4A組成的第一通道檢測電路為例：設單體電池的端電壓VBAT+-VBAT-=4.2V，取R73＝R75＝510KΩ、R74＝R76＝270KΩ，則VBATin1= R74/ R73*( VBAT+-VBAT-)=2.224V，滿足A/D轉換器的輸入要求，電阻R77與電容C20組成一個低通濾波器，用于濾出電路中的高頻干擾成分；該電路中，運放IC4、IC5選工作電壓滿足要求的通用運放，電阻選溫漂較小的金屬膜電阻，電容選高頻特性較好的瓷片電容。四2選1模擬開關IC6可采樣CD4053、MAX4783等芯片實現，本實施例優選4通道低阻寬帶雙向模擬開關芯片CH440，片內包含4通道單刀雙擲模擬開關，高帶寬、低導通電阻；IC6由控制信號KZQ3使能，KZQ3＝1時芯片不工作，KZQ3＝0時由控制信號KZQ2的電平決定選擇輸出的通道；KZQ2＝0時其輸出到ADI3、ADI4、ADI5、ADI6的是第2、4、6、8個單體電池的端電壓，KZQ2＝1時其輸出到ADI3、ADI4、ADI5、ADI6的是第1、3、5、7個單體電池的端電壓。通過電池端電壓檢測電路實時檢測待充電電池組的每個單體電池兩端電壓經調理得ADC3、ADC4、ADC5、ADC6連接到控制單元，控制單元根據各單體電池的實時端電壓進行智能決策并輸出控制碼KZQ4、KZQ5、KZQ6、KZQ7控制平衡單元的工作以實現對待充電電池組的智能平衡充電與放電。多節單體電池串聯使用時，由于電池特性不同，充電時會出現先充滿的情況，如果再充會對電池有損壞，因此需要將充滿額電池停止充電，未充滿的繼續充電，這就是平衡充電。平衡目的之一是延長電池壽命以降低其使用成本，非耗散型平衡方式將是未來發展方向，盡可能的縮短平衡所需時間是關鍵；其中以電容作為儲能元件的電容式平衡電路具有成本低、體積小、能量損耗低的優勢。在由電阻R54~R72、平衡電容C19、16個MOS管VT17~VT32、4個四通道光電耦合器IC7~ IC10和3/8譯碼器器IC11組成的單體電池電壓平衡電路中，漏極連接于電容19正端的8個MOS管VT18、VT20、VT22、VT24、VT26、VT28、VT30、VT32的源極分別對應連接到8個單體電池的高電位端，漏極連接于電容C25負端的8個MOS管VT17、VT19、VT21、VT23、VT25、VT27、VT29、VT31的源極分別對應連接到8個單體電池的低電位端，只要高電位端和低電位端MOS管的控制碼相同且每次只一個MOS管導通，則可保證每次選擇導通的都是一個單體電池的兩個端；電容C19和MOS管選擇與切換頻率相關，切換頻率越高、電容值越小、MOS管導通電流越小，本實施例中，電容C19為100uF的鉭電解電容、MOS管除VT17外全為IRF7314，IRF7314采用SO8封裝兩個P溝道場效應晶體管，具體參數VDS=-20V、ID=-5.3A、RDS(ON)<0.049Ω(VGS=-4.5V)、RDS(ON)<0.082Ω(VGS=-2.7V)，VT17為N溝道場效應晶體管，選擇基本參數與IRF7314相近的即可。為使平衡電容C19在充電或放電過程中每次都是與一個單體電池的兩個端連接，對MOS管的控制采用由電阻R54~R56、光電隔離驅動器IC7~ IC10與譯碼器IC11組成的平衡切換控制電路；IC7~ IC10為4片四通道光電隔離器，與輸入二極管側陽極限流電阻R54~R55和輸出三極管側集電極上拉電阻或射極下拉電阻R57~R72一起組成16個MOS管的驅動電路，其中MOS管VT17的驅動為射極輸出電路，其余均為集電極輸出電路，由于每次僅需同一個單體電池兩個端的兩個MOS管導通，故在光電隔離器的輸入二極管側陽極限流電阻只用R54、R55兩個；當二發光極管側陰極控制電平為“1”時，二極管不發光，光敏三極管處于開路狀態，MOS管的柵極經上拉為高（VT17是下拉為低）使MOS管處于斷開狀態，當發光二極管側陰極控制電平為“0”時，二極管發光，光敏三極管處于導通狀態，MOS管的柵極為低（VT17的柵極為高）使MOS管處于導通狀態；譯碼器IC11為一個3線→8線譯碼單元，譯碼輸出分別連接到16個MOS管對應的控制發光二極管側的陰極，其中每個單體電池兩端對應MOS管的兩個控制發光二極管側的陰極連接在一起，譯碼器由控制信號KZQ7使能，當KZQ7＝“1”時，3/8譯碼輸出信號均為“1”無MOS管導通，當KZQ7＝“0”時，譯碼單元的輸出信號由控制碼KZQ4、KZQ5、KZQ6的電平決定，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=000時譯碼輸出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 11111110，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=001時譯碼輸出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 11111101，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=010時譯碼輸出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 11111011，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=011時譯碼輸出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 11110111，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=100時譯碼輸出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 11101111，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=101時譯碼輸出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 11011111，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=110時譯碼輸出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 10111111，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=111時譯碼輸出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 01111111，這樣使每次切換平衡電容C19都是與一個單體電池的兩個端連接，保證了平衡切換過程的安全性。
綜上所述，本發明由檢測保護單元、充電單元、控制單元、平衡單元組成；由檢測保護單元、平衡單元來反饋接入單體電池的數量及參數，控制單元結合充電電流檢測反饋信號大小來選擇充電單元的充電方式并在充電和放電中保證每個單體電池的電壓處于平衡狀態，檢測保護單元中設有外接電壓輸入和電池接入防反接保護，充電單元中設有過流保護，整個充電與放電過程在控制單元的監測與控制下自動完成，在儀器需要時可通過隔離型I2C總線監視和讀取本發明模塊的相關參數。本發明的有益效果在于：采用控制單元檢測并智能決策控制充電過程和對充、放電過程中各單體電池電壓進行平衡管理，運用電解電容作為平衡能量轉移載體、譯碼器控制選通需平衡的單體電池，在實現了安全、高效平衡充、放電的基礎上還可為儀器提供內置串聯電池組的相關參數；適用于2-8S儀器內部供電串聯電池組自動充、放電過程的平衡管理。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而己，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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