仪器内部供电串联电池组的平衡管理模块的制作方法

本发明涉及电池组能量平衡管理，尤其是一种仪器内部供电串联电池组的平衡管理模块。

背景技术：

便携仪器通常都采样内置串联电池组来提供能源，电池的作用不言而喻，而针对一台优秀的便携仪器，较长的待机和工作时间无疑是一项重要评判指标。常用的锂电池组由多个电池芯或单体电池串联组成，一般用S代表电池组的芯数或单体电池个数，锂电池每芯3.7伏；假如是5S的锂电池组，就是由5个单体锂电池串联而成的总电压为5x3.7=18.5伏的电池组。但由于串联单体电池的不一致性严重影响了仪器内部供电串联电池组的有效容量、循环寿命、安全性和经济性，使仪器内部供电串联电池组难以达到这样的要求。单体电池的一致性决定了串联电池组的性能、寿命和安全性，即只要有一个单体电池的性能变差，整个串联电池组的性能都将变差。常见情况有：（1）其中有一个单体电池的容量偏低，结果是充电时这个单体电池首先达到充电上限截止电压，而放电时首先达到放电下限截止电压，那么这个单体电池的容量决定整个串联电池组的容量；（2）如果初始状态有一个单体电池的电压偏低，充电时这个单体电池达不到截止电压而不能充满，放电时这个单体电池首先到达放电截止，该单体电池没充满电又提前把电放完，串联电池组实际可用的电量由这个单体电池的容量决定；（3）如果一个单体电池的极化阻抗和内阻偏高，充电时电压上升快、放电时电压下降也快，就某一次测试的表现来看就是这个单体电池的容量不足，负载能力下降，充放电时的温度偏高。

电池制造过程中提高单体电池的一致性还有相当大的难度且需要较大投入并将大幅度提高电池的制造费用导致电池价格高而不利于相关产业的快速发展。目前电池制造商或电池组合工厂采用严格的筛选方法进行电池匹配来提高电池的一致性。但即使是严格匹配后的电池，在循环的初期或多次循环之后，就会表现出可见的差别，故采用电池匹配的有效性不尽人意；电池的工作条件和环境也会对一致性产生影响，随着电池循环次数的增加其一致性改变程度具有不可检测性。因此，单体电池的一致性又是相对的，过分强调制造过程中的一致性或使用过程中环境的一致性，只能以提高动力系统成本为代价。

如何保证仪器内置电池安全、高效成组的使用成为当前亟待解决的问题。除了在电池本身的一致性方面下功夫外，电池平衡技术作为仪器内部供电串联电池组应用的关键技术之一，能够有效缓解制造过程和使用过程中产生的不一致性，提高电池组的整体性能。原则上平衡技术不仅能解决电池一致性的问题，而且能够使仪器内部供电串联电池组中性能最差的那个单体电池的寿命得到延长，同时电池性能的改进也将使得电池安全性得到改善，因为电池性能变差后，安全性也随之降低。

用于仪器内部供电串联电池组的平衡电路主要有两类：一是能量消耗型，指利用并联电阻等方式将电池组中电量较多的电池的能量进行耗散，直到其荷电状态到达平均值的平衡电路；二是非能量消耗型，即利用电容、电感等储能元件在单体电池或电池组之间进行能量转移，使电池组电压保持一致的平衡电路。但是这些平衡技术大多应用在电池组的充电方面，在电池组放电过程中的应用目前未见报道。因此，开发一种适用于仪器内部供电串联电池组平衡充电与放电的高效、安全、智能的平衡管理模块是十分必要的。

技术实现要素：

为了克服目前仪器内部供电串联电池组在充电与放电过程中存在的不足，本发明公布了一种仪器内部供电串联电池组的平衡管理模块。

本发明采用的技术方案是：一种仪器内部供电串联电池组的平衡管理模块，包括检测保护单元、充电单元、控制单元、平衡单元；检测保护单元与外接电源和内置串联电池组、充电单元、控制单元和平衡单元均有电连接，用于判断接入充电电源和内置串联电池组的极性并仅在极性接入正确时使充电回路导通，检测外接电源电压ADI0、内置串联电池组电压ADI1、充电电流ADI2送控制单元并在充电电流超限时输出信号ERR_I到充电单元使充电回路断开，本专利模块的工作电源VDD在有外接电源时自动切换到DC_IN+、无外接电源且仪器电源开关闭合时自动切换到内置串联电池组B+端，由VDD经降压稳压后提供本专利模块的逻辑部分工作电源VCC；充电单元在控制单元输出控制信号PWM1、PWM2、KZQ0的控制下为内置串联电池组提供充电电流，平衡单元检测内置串联电池组的各个单体电池的端电压并在控制单元输出控制信号KZQ2、KZQ3的控制下分时传送到控制单元的ADI3、ADI4、ADI5、ADI6，控制单元根据各单体电池端电压进行平衡决策后输出控制信号KZQ4、KZQ5、KZQ6、KZQ7到平衡单元以实现内置串联电池组在充电或放电过程中的平衡管理；本专利模块适用于内置串联电池组由2~8个单体电池组成的仪器。

在本发明中，检测保护单元包括由电容C1~C4、电阻R1~R2和MOS管VT1组成的外接电源接入保护电路，用于防止电源极性接反并对电源进行旁路滤波和解耦滤波；由电阻R15~R19、电容C14和运放IC2A组成的外接电源电压检测电路，用于实时检测外接电源电压并输出ADI0到控制单元；由电阻R26~R36、电容C5~C9、三极管VT7、MOS管VT2和运放IC2C、IC2D组成的内置串联电池组连接保护与电压检测电路，用于内置串联电池组极性接反防止、电池端滤波、电池组电压检测并输出ADI1到控制单元，同时可在控制单元输出控制信号KZQ1的控制下使内置串联电池组断开；由电阻R20~R25、电容C15~C16和运放IC2B组成的充放电电流检测电路，用于反映充放电过程中的实时电流变化并输出检测信号ADI2到控制单元；由电阻R3~R8、三极管VT5~VT6和MOS管VT3~VT4组成的模块工作电源选择电路，当有外接电源时模块工作电源VDD自动切换到DC_IN+、无外接电源且仪器电源开关闭合时模块工作电源VDD自动切换到内置串联电池组B+，此外VDD无电模块不工作；由电阻R9~R14、电容C10~C13、二极管D1、电感L1与集成电路IC2组成的降压型稳压电路，用以经VDD降压稳压后提供逻辑控制部分的VCC电压。

在本发明中，充电单元由电阻R37~R53、电容C17~C18、二极管D2~D3、电感L2、三极管VT10~VT16、MOS管VT8~VT9和比较器IC3A、IC3B组成；能在控制单元输出控制信号PWM1、PWM2、KZQ0的控制下为内置串联电池组提供充电电流，当电池电压低于外接充电电压时采用降压方式充电，当电池电压高于外接充电电压时采用升压方式充电；具有上电保护、过电流断开和由控制单元启停的功能。

在本发明中，控制单元控制电路由电阻R113~R116、电容C28~C30、双色发光二极管LED、编程接口JK01、仪器通信接口JK02、I2C隔离芯片IC13和具有PWM、ADC的微控制芯片IC12组成；微控制芯片根据外接电源电压ADI0、内置串联电池组电压ADI1、充电电流ADI2的检测结果变化输出控制信号PWM1、PWM2、KZQ0、KZQ1来选择充电方式和控制充电过程；在充放电过程中微控制芯片根据内置串联电池组各单体电池端实时电压ADI3、ADI4、ADI5、ADI6进行平衡决策后输出控制信号KZQ4、KZQ5、KZQ6、KZQ7到平衡单元以实现电池组各单体电池的充放电平衡管理；双色发光二极管LED用于指示充电状态，编程接口JK01用于初始化微控制单元内部的控制程序，仪器通信接口JK02用于仪器查询充放电过程的内置串联电池组状态参数。

在本发明中，平衡单元包括由电阻R73~R112、电容C20~C27、四2选1模拟开关IC6和四运放IC4~ IC5组成的单体电池端电压检测电路，其中2个四运放IC4、 IC5与相应的电阻、电容构成8个减法模块，用于检测8个单体电池两端的电压差，8个检测输出信号连接至四2选1模拟开关IC6的输入端，IC6在控制单元输出控制信号KZQ2、KZQ3的控制下分两次将8个检测信号传送到控制电路的ADI3、ADI4、ADI5、ADI6输入端；由电阻R54~R72、平衡电容C19、16个MOS管VT17~VT32、4个四通道光电耦合器IC7~ IC10和3/8译码器器IC11组成的单体电池电压平衡电路，16个MOS管中除VT17为N沟道管外其余全为P沟道管，均由对应的16路光耦低电平有效控制，其中8个MOS管的漏极一起连接至平衡电容C19的正极性端且其源极分别连接至8个单体电池的高电位端，另8个MOS管的漏极一起连接至平衡电容C19的负极性端且其源极分别连接至8个单体电池的低电位端，连接每个单体电池两端的MOS管控制信号在光耦发光二极管侧并联且连接至3/8译码器器IC11的译码输出端，上电时3/8译码器器IC11的使能端由R56上拉或无需平衡时由控制单元输出KZQ7＝1使IC11的输出全为高，16个MOS管全断开，需要平衡时由控制单元输出KZQ7＝0使能IC11并同时输出选择码KZQ4、KZQ5、KZQ6，以选通一个单体电池对平衡电容C19进行充电或放电。

本专利的有益效果是：采用控制单元检测并智能决策控制充电过程和对充、放电过程中各单体电池电压进行平衡管理，运用电解电容作为平衡能量转移载体、译码器控制选通需平衡的单体电池，在实现了安全、高效平衡充、放电的基础上还可为仪器提供内置串联电池组的相关参数；适用于2-8S仪器内部供电串联电池组自动充、放电过程的平衡管理。

附图说明

图1是本发明的总体结构框图；

图2是本发明检测保护单元实施例的原理图；

图3是本发明充电单元实施例的原理图；

图4是本发明控制单元实施例的原理图；

图5是本发明平衡单元实施例的原理图。

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。

参见附图，图1是本发明的总体结构框图。一种仪器内部供电串联电池组的平衡管理模块，包括检测保护单元、充电单元、控制单元、平衡单元；检测保护单元与外接电源和内置串联电池组、充电单元、控制单元和平衡单元均有电连接，用于判断接入充电电源和内置串联电池组的极性并仅在极性接入正确时使充电回路导通，检测外接电源电压ADI0、内置串联电池组电压ADI1、充电电流ADI2送控制单元并在充电电流超限时输出信号ERR_I到充电单元使充电回路断开，本专利模块的工作电源VDD在有外接电源时自动切换到DC_IN+、无外接电源且仪器电源开关闭合时自动切换到内置串联电池组B+端，由VDD经降压稳压后提供本专利模块的逻辑部分工作电源VCC；充电单元在控制单元输出控制信号PWM1、PWM2、KZQ0的控制下为内置串联电池组提供充电电流，平衡单元检测内置串联电池组的各个单体电池的端电压并在控制单元输出控制信号KZQ2、KZQ3的控制下分时传送到控制单元的ADI3、ADI4、ADI5、ADI6，控制单元根据各单体电池端电压进行平衡决策后输出控制信号KZQ4、KZQ5、KZQ6、KZQ7到平衡单元以实现内置串联电池组在充电或放电过程中的平衡管理；本专利模块适用于内置串联电池组由2~8个单体电池组成的仪器。

附图2是本发明检测保护单元实施例的原理图。检测保护单元包括由电容C1~C4、电阻R1~R2和MOS管VT1组成的外接电源接入保护电路，用于防止电源极性接反并对电源进行旁路滤波和解耦滤波；由电阻R15~R19、电容C14和运放IC2A组成的外接电源电压检测电路，用于实时检测外接电源电压并输出ADI0到控制单元；由电阻R26~R36、电容C5~C9、三极管VT7、MOS管VT2和运放IC2C、IC2D组成的内置串联电池组连接保护与电压检测电路，用于内置串联电池组极性接反防止、电池端滤波、电池组电压检测并输出ADI1到控制单元，同时可在控制单元输出控制信号KZQ1的控制下使内置串联电池组断开；由电阻R20~R25、电容C15~C16和运放IC2B组成的充放电电流检测电路，用于反映充放电过程中的实时电流变化并输出检测信号ADI2到控制单元；由电阻R3~R8、三极管VT5~VT6和MOS管VT3~VT4组成的模块工作电源选择电路，当有外接电源时模块工作电源VDD自动切换到DC_IN+、无外接电源且仪器电源开关闭合时模块工作电源VDD自动切换到内置串联电池组B+，此外VDD无电模块不工作；由电阻R9~R14、电容C10~C13、二极管D1、电感L1与集成电路IC2组成的降压型稳压电路，用以经VDD降压稳压后提供逻辑控制部分的VCC电压。图2中，外接电源连接到检测保护单元的DC_IN+、DC_IN-，旁路滤波电容C1、C2、C3用于减少接入电源上的噪声对充电器本身的干扰，退耦滤波电容C4用于减少充电器产生的噪声对外接电源的干扰。电阻R1、R2与MOS管VT1组成理想二极管电路，连接在外接电源到充电器的地线回路中，以防止外接电源反接；当电源接入正确时，MOS管的栅源极之间有电压，MOS管可以导通；当电源接入反向时，MOS管的栅源极之间无电压且无法导通，充电器就不工作。MOS管VT1为N沟道增强型场效应晶体管，应根据串联电池组的充电电压与电流选择，本实施例中若充电电流为2~3A，可选型号有：AO4468、BS0119N03、P1103BVG、TM4422等；以AO4468为例，其采用SO8封装，具体参数V_DS=30V、I_D=11.6A(V_GS=10V)、R_DS(ON)<14mΩ(V_GS=10V)；图2中，若R1=4.7KΩ、R2=200KΩ、DC_IN+与DC_IN-之间的电压Vin=+12V时，V_GS=12*200/204.7 V≈11.7 V；该电路代替二极管的优点是损耗小，因为二极管有个正向压降0.7V，而MOS管是呈电阻性的，一般的可以做到10-30毫欧，如果按照2A充电电流计算，二极管消耗1.4W，而MOS管最大只有0.06W。由电阻R15~R19、电容C14和运放IC2A组成的外接电源电压检测电路，用于实时检测外接电源电压并输出ADI0到控制单元；其中电阻R19与电容C14组成一个一阶低通滤波器用于滤出信号ADI0上的高频干扰，若取R19=4.7KΩ、C14=1uF，则其截止频率＝1/2π*4.7K*1u≈33.86 Hz；电阻R15~R18与运放IC2A组成一个减法电路用于检测接入电源电压，电阻R15~R18的取值范围应根据外接电压DC_IN和控制单元的A/D转换器输入电压范围综合选择，设电源电压DC_IN=15V，取R15＝R17＝680KΩ、R16＝R18＝120KΩ，则V_ADI0=15* R18/ R17=2.647V。由电阻R26~R36、电容C5~C9、三极管VT7、MOS管VT2和运放IC2C、IC2D组成的内置串联电池组连接保护与电压检测电路，用于内置串联电池组极性接反防止、电池端滤波、电池组电压检测并输出ADI1到控制单元，同时可在控制单元输出控制信号KZQ1的控制下使内置串联电池组断开；电容C5~C8连接于待充电池组两端形成一个π型滤波网络用于滤出电池组两端在充电和平衡过程中形成的纹波干扰；电池组接入极性检测由电阻R26~R29与运放IC2D组成的比较电路实现，当有电池组接入且极性正确时运放IC2D输出经电阻R33使MOS管VT2导通进入正常充电状态，当无电池组接入或接入极性错误时、MOS管VT2关断充电回路；上电时，在控制单元还没有正常工作前，由上拉电阻R34使VT7导通，MOS管VT2处于关断状态，控制单元正常工作后，输出控制信号KZQ1＝0使电路进入充电工作状态，当检测到充电电流超限时，输出控制信号KZQ1＝1使待充电池组断开；电阻R28~R32与运放IC2C组成一个减法电路用于检测待充电池组电压，电阻R28~R32的取值范围取决于待充电池组电压大小，对于5S电池组，其电压V_BAT=3.7V*5＝18.5 V，若取R28＝R30＝680KΩ、R29＝R31＝100KΩ，则V_ADI1=18.5* R31/ R30=2.721V；电阻R32与电容C9组成一个一阶低通滤波器用于滤出信号ADI1上的高频干扰，若取R32=5.1KΩ、C9=1uF，则其截止频率＝1/2π*4.7K*1u≈31.21Hz。由电阻R20~R25、电容C15~C16和运放IC2B组成的充电电流检测模块，用于反映充电过程中的实时电流变化并输出检测信号ADI2到控制单元，同时输出充电电流超限检测信号ERR_I到充电单元以实现过电流断开保护；电阻R22、电容C15和电阻R25、电容C16分别各组成一个一阶低通滤波器用于滤出电流检测输入和输出信号上的高频干扰，R20、R21为两个0.1Ω的并联电流采样电阻，电阻R23~R24与运放IC2B组成一个同相放大器，若取R23= 1.3KΩ、R24= 10KΩ，运放IC2B的放大倍数为1+10/1.3=8.69倍，若最大电流5A，则最大输出电压为0.05*5*8.69=2.173V。

由电阻R3~R8、三极管VT5~VT6和MOS管VT3~VT4组成的模块工作电源选择电路，电路工作情况如下：（1）当有外接电源时，DC_IN+通过电阻R3使三极管VT5导通（集电极为低），使MOS管VT3导通，由VT5的集电极为低使三极管VT6处于断开状态，不管仪器电源开关是否闭合MOS管VT4都处于断开状态，模块的工作电源VDD连接到DC_IN+上；（2）当无外接电源且仪器电源开关闭合时，三极管VT5受基极下拉电阻R4控制保持断开状态，MOS管VT3处于断开状态，电池电压B+通过电阻R6使三极管VT6导通，MOS管VT4导通，模块的工作电源VDD连接到电池电压B+上；（3）当无外接电源且仪器电源开关断开时，三极管VT5受基极下拉电阻R4控制保持断开状态，三极管VT6受控于基极下拉电阻R7保持断开状态，使MOS管VT3、VT4均处于断开状态，模块工作电源VDD无电模块不工作；MOS管VT3、VT4为P沟道增强型场效应晶体管，可根据对应仪器的工作电压与电流选择本实施例中的相关型号。由电阻R9~R14、电容C10~C13、二极管D1、电感L1与集成电路IC2组成的降压型稳压电路，用以经VDD降压稳压后提供逻辑控制部分的VCC电压；图2中的IC1为美国芯源半导体生产的降压转换器MP1584，这部分电路可采用其它类型的DC/DC转换器实现，只要输入输出满足应用要求即可。MP1584的核心是buck转换，输入电压范围是4.5-28V输出最大电流3A，图2中D1、L1、C13组成了典型的buck回路，D1是肖特基二极管SS34， R10= 100KΩ、R9= 51KΩ用于从VDD来使能MP1584，R11= 200KΩ用于调整buck回路的PWM频率；本实施例中VDD=3.3V，取R12=68.1KΩ、R13= 124KΩ、R14= 40.2KΩ、C12=220pF、L1=6.8uH、C13=22uF。

附图3是本发明充电单元实施例的原理图。充电单元由电阻R37~R53、电容C17~C18、二极管D2~D3、电感L2、三极管VT10~VT16、MOS管VT8~VT9和比较器IC3A、IC3B组成；能在控制单元输出控制信号PWM1、PWM2、KZQ0的控制下为内置串联电池组提供充电电流，当电池电压低于外接充电电压时采用降压方式充电，当电池电压高于外接充电电压时采用升压方式充电；具有上电保护、过电流断开和由控制单元启停的功能。用于充电的DC/DC转换器主要有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器、升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器；其中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。本发明实施例中充电单元采用Buck-Boost电路，其充电电源DC_IN+、工作电源VDD、逻辑电源VCC、参考地GND分别连接至检测保护单元。上电时，在控制单元还没正常工作前，由上拉电阻R44使VT14和VT16导通，MOS管VT8、VT9均处于关断状态，以确保电路安全；控制单元正常工作后，输出控制信号KZQ0＝0使电路进入工作状态；充电过程中，来自检测保护单元的充电电流超限检测信号ERR_I通过电阻R52与R53驱动三极管VT15，改变电阻R52与R53的阻值搭配设定充电电流限值，当充电电流超限时ERR_I三极管VT15导通以关断充电回路，同时若出现过压、短路或其它故障现象时，控制单元可输出控制信号KZQ0＝1关断MOS管VT8、VT9。当充电电池的电压小于电源电压时采用降压式（Buck）充电，当充电电池的电压大于电源电压时采用升压式（Boost）充电，以保证实际充电的电压高于待充电池电压。工作于Buck方式时，比较器IC3A接受控制单元输出的PWM1信号控制， 其输出通过三极管管VT10与VT11、电阻R37与R38驱动MOS管VT8工作，充电电源DC_IN+通过VT8-L2-D2输出，VT8关断时D3续流；此时比较器IC3B同相端的控制单元输出的PWM2信号保持为低电平，使Boost电路部分停止工作；MOS管VT8为P沟道增强型场效应晶体管，应根据仪器内部供电串联电池组的充电电压与电流选择，本实施例中可选型号有：AO4409、AO4467、TPC8107、TPC8108、P1003EVG等；以AO4409为例，其采用SO8封装，具体参数V_DS=-30V、I_D=-15A、R_DS(ON)<7.5mΩ(V_GS=-10V)、R_DS(ON)<12mΩ(V_GS=-4.5V)。工作于Boost方式时，比较器IC3B接受控制单元输出的PWM2信号控制， 其输出通过三极管管VT12与VT13、电阻R39与R40驱动MOS管VT9工作，充电电源DC_IN+通过VT8-L2- VT9-D2输出，VT9关断时升压，此时比较器IC3A的控制单元输出的PWM1信号保持为高电平以使MOS管VT8处于导通状态；MOS管VT9为N沟道增强型场效应晶体管，应根据仪器内部供电串联电池组的充电电压与电流选择，本实施例中可选型号有：IRF7413、AO4410、FSD6670、FDS6680、P0803BVG等；以IRF7413为例，其采用SO8封装，具体参数V_DS=30V、I_D=12A、R_DS(ON)<11mΩ(V_GS=10V)。二极管D1~D3应选择肖特基（Schottky）二极管，又称肖特基势垒二极管（简称SBD），如：SS34，它属一种低功耗、超高速半导体器件，最显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右；其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管。电感L1不能用磁体太小的(无法存应有的能量)、线径太细的(脉冲电流大,会有线损大) 电感。不管本发明的充电电路工作于Buck方式还是Boost方式，其充电过程实质就是一个电感的能量传递过程，首先电感L2吸收能量，接着是电感L2放出能量，如果电容C18的容量足够大，那么在输出端就可以维持一个稳定的电压；如果这个过程不断重复，就可以在电容两端得到稳定的充电电压。为提高本发明充电仪器的转换效率，一般要从三个方面着手：（1）尽可能降低开关管导通时回路的阻抗，使电能尽可能多的转化为磁能；（2）尽可能降低负载回路的阻抗，使磁能尽可能多的转化为电能，同时回路的损耗最低；（3）尽可能降低控制电路的消耗，因为对于充电仪器来说，控制电路的消耗某种意义上是浪费掉的，不能转化为电池组上的能量。由于本发明充电器工作于开关状态，且PWM控制的开关频率较高，不可避免地会在电容C18上形成高频纹波干扰，为此引入了电阻R41~R42、电容C17组成的纹波吸收电路。

附图4是本发明控制单元实施例的原理图。控制单元控制电路由电阻R113~R116、电容C28~C30、双色发光二极管LED、编程接口JK01、仪器通信接口JK02、I2C隔离芯片IC13和具有PWM、ADC的微控制芯片IC12组成；微控制芯片根据外接电源电压ADI0、内置串联电池组电压ADI1、充电电流ADI2的检测结果变化输出控制信号PWM1、PWM2、KZQ0、KZQ1来选择充电方式和控制充电过程；在充放电过程中微控制芯片根据内置串联电池组各单体电池端实时电压ADI3、ADI4、ADI5、ADI6进行平衡决策后输出控制信号KZQ4、KZQ5、KZQ6、KZQ7到平衡单元以实现电池组各单体电池的充放电平衡管理；双色发光二极管LED用于指示充电状态，编程接口JK01用于初始化微控制单元内部的控制程序，仪器通信接口JK02用于仪器查询充放电过程的内置串联电池组状态参数。本实施例以标称3.7V的锂电池介绍充电方法，标称3.7V锂电池的终止电压最高可达到4.2V，由于锂电池的内部结构决定了它具有特殊的性质，因此锂电池是不能过充的；如果对锂电池进行过充，电池就会因Li+损失太多而损坏，而且锂电池必须通过特定的恒流恒压充电设备为电池充电才行；首先对锂电池进行恒流充电，当电池整体电压达到4.2V时，保持恒压状态继续充电，在恒压充电过程中，电流若小于100mA，需要立即停止；充电的电流是电池容量的1.0～1.5倍，例如锂电池的理论容量为1470mAh，那么它的充电电流就应在1470～2205mA之间，若采用锂电池容量的1.5倍作为充电电流则需充电2～3个小时。常规充电方法有：恒压充电、恒流充电以及在此基础之上改进而来的恒流/恒压分阶段式充电，本发明采用混合恒流/恒压的充电法。混合恒流/恒压充电法的充电过程是分段进行的，为了节省充电过程的整体时间，首先采用恒定电流；当电池电压上升到相应阀值后，采用阀值大小的恒定电压；随时间增加充电电流将慢慢变小，直到降为电池容量的1/10或1/20时，充电过程结束；也就是说，当充电电流值小于电池容量的1/10时，电池恢复90%左右容量；剩余阶段中，电池容量并没有明显变化，但所需时间却显著増加；这种充电方法可以弥补锂电池因恒流二次充电所不能满足的部分，是锂电池的最佳充电方法之一；为了减小过充对电池的损害，必要时还会采用分段恒流的充电方法；在不同阶段设定不同的电压值，使得电流逐级递减持续充电，当电压达到预定值时，采用逐渐减小的恒定电流充电；当电压上升至下一个预定值时，继续减小电流；依此类推，从充电过程开始至结束，电流减小的同时电压的增加；这种方法虽然可以减小过充对电池本身造成的影响，但充电时间较长、电流易发生突变等现象；选取时应根据不同种类的电池及参数而定。本发明的ADC在微控制芯片的控制下采集检测保护单元、平衡单元的检测信号，由微控制芯片根据电池特征及参数进行智能决策，然后输出控制信号到检测保护单元、充电单元和控制单元以实现整个充电过程、放电过程的自动化与智能化。本发明的微控制芯片可选单片机、DSP、ARM、FPGA等嵌入式微处理器中的任意一种，优选内部集成时钟与复位、ADC、PWM且I/O口线满足应用要求的嵌入式微处理器，可使本发明的CPU模块结构简化以提高系统可靠性；本实施例中的微控制芯片选择了STM8S903单片机，STM8S903单片机采用高级STM8内核、具有3级流水线的哈佛结构，片内有8K字节的程序Flash、640字节的数据EEPROM、1K字节的RAM、10位ADC、2个定时器（PWM）、UART、SPI、I²C，完全满足本发明中对微控制单元的要求。图4中，双色发光二极管LED用于指示充电状态，编程接口JK01用于初始化微控制单元内部的控制程序，仪器通信接口JK02用于仪器查询充放电过程的内置串联电池组状态参数，通信接口JK02通过I2C隔离芯片IC13与本模块微控制芯片的I2C接口连接；I2C隔离芯片IC13优选AD公司的热插拔数字隔离器ADuM1250/ADuM12511，它们采用ADI公司的iCoupler磁隔离的芯片级变压器技术，内置非闩锁双向通信通道，且与标准I2C接口兼容，ADuM1250提供两个双向通道，支持完全隔离的I2C接口，ADuM1251提供一个双向通道和一个单向通道，适合不需要双向时钟的应用。

附图5是本发明平衡单元实施例的原理图。平衡单元包括由电阻R73~R112、电容C20~C27、四2选1模拟开关IC6和四运放IC4~ IC5组成的单体电池端电压检测电路，其中2个四运放IC4、 IC5与相应的电阻、电容构成8个减法模块，用于检测8个单体电池两端的电压差，8个检测输出信号连接至四2选1模拟开关IC6的输入端，IC6在控制单元输出控制信号KZQ2、KZQ3的控制下分两次将8个检测信号传送到控制电路的ADI3、ADI4、ADI5、ADI6输入端；由电阻R54~R72、平衡电容C19、16个MOS管VT17~VT32、4个四通道光电耦合器IC7~ IC10和3/8译码器器IC11组成的单体电池电压平衡电路，16个MOS管中除VT17为N沟道管外其余全为P沟道管，均由对应的16路光耦低电平有效控制，其中8个MOS管的漏极一起连接至平衡电容C19的正极性端且其源极分别连接至8个单体电池的高电位端，另8个MOS管的漏极一起连接至平衡电容C19的负极性端且其源极分别连接至8个单体电池的低电位端，连接每个单体电池两端的MOS管控制信号在光耦发光二极管侧并联且连接至3/8译码器器IC11的译码输出端，上电时3/8译码器器IC11的使能端由R56上拉或无需平衡时由控制单元输出KZQ7＝1使IC11的输出全为高，16个MOS管全断开，需要平衡时由控制单元输出KZQ7＝0使能IC11并同时输出选择码KZQ4、KZQ5、KZQ6，以选通一个单体电池对平衡电容C19进行充电或放电。平衡单元的VDD、VCC、GND与检测保护单元连接，B0、B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9连接到仪器内部供电串联电池组各单体电池的端点，8个单体电池端电压检测由8个减法电路实现，其输出连接至四2选1模拟开关IC6的8个输入端，8个减法电路的检测原理是一致的，以电阻R73~R77、电容C20与运放IC4A组成的第一通道检测电路为例：设单体电池的端电压V_BAT+-V_BAT-=4.2V，取R73＝R75＝510KΩ、R74＝R76＝270KΩ，则V_BATin1= R74/ R73*( V_BAT+-V_BAT-)=2.224V，满足A/D转换器的输入要求，电阻R77与电容C20组成一个低通滤波器，用于滤出电路中的高频干扰成分；该电路中，运放IC4、IC5选工作电压满足要求的通用运放，电阻选温漂较小的金属膜电阻，电容选高频特性较好的瓷片电容。四2选1模拟开关IC6可采样CD4053、MAX4783等芯片实现，本实施例优选4通道低阻宽带双向模拟开关芯片CH440，片内包含4通道单刀双掷模拟开关，高带宽、低导通电阻；IC6由控制信号KZQ3使能，KZQ3＝1时芯片不工作，KZQ3＝0时由控制信号KZQ2的电平决定选择输出的通道；KZQ2＝0时其输出到ADI3、ADI4、ADI5、ADI6的是第2、4、6、8个单体电池的端电压，KZQ2＝1时其输出到ADI3、ADI4、ADI5、ADI6的是第1、3、5、7个单体电池的端电压。通过电池端电压检测电路实时检测待充电电池组的每个单体电池两端电压经调理得ADC3、ADC4、ADC5、ADC6连接到控制单元，控制单元根据各单体电池的实时端电压进行智能决策并输出控制码KZQ4、KZQ5、KZQ6、KZQ7控制平衡单元的工作以实现对待充电电池组的智能平衡充电与放电。多节单体电池串联使用时，由于电池特性不同，充电时会出现先充满的情况，如果再充会对电池有损坏，因此需要将充满额电池停止充电，未充满的继续充电，这就是平衡充电。平衡目的之一是延长电池寿命以降低其使用成本，非耗散型平衡方式将是未来发展方向，尽可能的缩短平衡所需时间是关键；其中以电容作为储能元件的电容式平衡电路具有成本低、体积小、能量损耗低的优势。在由电阻R54~R72、平衡电容C19、16个MOS管VT17~VT32、4个四通道光电耦合器IC7~ IC10和3/8译码器器IC11组成的单体电池电压平衡电路中，漏极连接于电容19正端的8个MOS管VT18、VT20、VT22、VT24、VT26、VT28、VT30、VT32的源极分别对应连接到8个单体电池的高电位端，漏极连接于电容C25负端的8个MOS管VT17、VT19、VT21、VT23、VT25、VT27、VT29、VT31的源极分别对应连接到8个单体电池的低电位端，只要高电位端和低电位端MOS管的控制码相同且每次只一个MOS管导通，则可保证每次选择导通的都是一个单体电池的两个端；电容C19和MOS管选择与切换频率相关，切换频率越高、电容值越小、MOS管导通电流越小，本实施例中，电容C19为100uF的钽电解电容、MOS管除VT17外全为IRF7314，IRF7314采用SO8封装两个P沟道场效应晶体管，具体参数V_DS=-20V、I_D=-5.3A、R_DS(ON)<0.049Ω(V_GS=-4.5V)、R_DS(ON)<0.082Ω(V_GS=-2.7V)，VT17为N沟道场效应晶体管，选择基本参数与IRF7314相近的即可。为使平衡电容C19在充电或放电过程中每次都是与一个单体电池的两个端连接，对MOS管的控制采用由电阻R54~R56、光电隔离驱动器IC7~ IC10与译码器IC11组成的平衡切换控制电路；IC7~ IC10为4片四通道光电隔离器，与输入二极管侧阳极限流电阻R54~R55和输出三极管侧集电极上拉电阻或射极下拉电阻R57~R72一起组成16个MOS管的驱动电路，其中MOS管VT17的驱动为射极输出电路，其余均为集电极输出电路，由于每次仅需同一个单体电池两个端的两个MOS管导通，故在光电隔离器的输入二极管侧阳极限流电阻只用R54、R55两个；当二发光极管侧阴极控制电平为“1”时，二极管不发光，光敏三极管处于开路状态，MOS管的栅极经上拉为高（VT17是下拉为低）使MOS管处于断开状态，当发光二极管侧阴极控制电平为“0”时，二极管发光，光敏三极管处于导通状态，MOS管的栅极为低（VT17的栅极为高）使MOS管处于导通状态；译码器IC11为一个3线→8线译码单元，译码输出分别连接到16个MOS管对应的控制发光二极管侧的阴极，其中每个单体电池两端对应MOS管的两个控制发光二极管侧的阴极连接在一起，译码器由控制信号KZQ7使能，当KZQ7＝“1”时，3/8译码输出信号均为“1”无MOS管导通，当KZQ7＝“0”时，译码单元的输出信号由控制码KZQ4、KZQ5、KZQ6的电平决定，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=000时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 11111110，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=001时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 11111101，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=010时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 11111011，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=011时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 11110111，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=100时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 11101111，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=101时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 11011111，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=110时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 10111111，[KZQ6、KZQ5、KZQ4]=111时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 01111111，这样使每次切换平衡电容C19都是与一个单体电池的两个端连接，保证了平衡切换过程的安全性。

综上所述，本发明由检测保护单元、充电单元、控制单元、平衡单元组成；由检测保护单元、平衡单元来反馈接入单体电池的数量及参数，控制单元结合充电电流检测反馈信号大小来选择充电单元的充电方式并在充电和放电中保证每个单体电池的电压处于平衡状态，检测保护单元中设有外接电压输入和电池接入防反接保护，充电单元中设有过流保护，整个充电与放电过程在控制单元的监测与控制下自动完成，在仪器需要时可通过隔离型I2C总线监视和读取本发明模块的相关参数。本发明的有益效果在于：采用控制单元检测并智能决策控制充电过程和对充、放电过程中各单体电池电压进行平衡管理，运用电解电容作为平衡能量转移载体、译码器控制选通需平衡的单体电池，在实现了安全、高效平衡充、放电的基础上还可为仪器提供内置串联电池组的相关参数；适用于2-8S仪器内部供电串联电池组自动充、放电过程的平衡管理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。