本发明涉及一种电源管理技术领域，特别是涉及一种流水线式间歇充放电均衡系统及均衡方法。
背景技术：
目前，电池组的均衡电路主要有能量耗散型和能量非耗散型两种。能量耗散型电路通过电池向均衡电阻放电，将电量较多的电池的电量降下来，达到均衡的目的。能量耗散型均衡电路将能量消耗在均衡电阻上，存在能量浪费和热管理的问题。
能量非耗散型均衡电路又分为能量转移型和能量转换型两种。能量转移型电路采用电池容量补偿的方法，就是把容量高的电池取出一些电量来补偿容量低的电池。这种电路比较复杂，且体积大、成本高。另外能量的转移是通过一个储能媒介来实现的，存在一定的消耗及控制的问题。能量转换型电路是通过dcdc原理来完成能量变换。由于该电路实现时要使用同轴线圈，而线圈绕组到各单体之间的导线长度和形状不同，变压比会有差异，导致对每个单体电池均衡的不一致，引起均衡误差。另外同轴线圈本身由于电磁泄露等问题消耗了一定的能量。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种流水线式间歇充放电均衡系统及均衡方法，用于解决现有技术中能量耗散型均衡电路的热管理难、能量浪费大，以及能量非耗散型均衡电路复杂、体积大、成本高，均衡不一致和均衡误差大问题。
为实现上述目的，本发明采用以下方案：一种流水线式间歇充放电均衡系统，包括：充电机或负载；至少两个串联连接于所述充电机或负载两端的主回路电池单元，所述主回路电池单元包括串联的主回路电池和主回路开关，所述主回路开关用于控制所述主回路电池接入或脱出主回路；连接于各主回路电池单元两端及所述均衡控制器输出端的均衡电池单元，用于在各主回路电池电量不均衡时替换对应主回路电池串联于主回路中，以实现均衡控制；均衡控制器，所述均衡控制器连接各主回路开关及各均衡开关的控制引脚，用于根据各主回路电池单元的充放电量控制各主回路开关、各均衡开关的接通和断开。
于本发明一实施方式中，所述均衡电池单元包括多个第一均衡开关及第二均衡开关；各第一均衡开关的第一端分别连接各主回路电池单元的输入端、第二端连接均衡电池的正极，各第二均衡开关的第一端分别连接各主回路电池单元的输出端、第二端连接均衡电池的负极，其中，所述均衡电池的数量设定为n个，1≤n≤m，m为所述主回路电池的个数，m≥2，m、n均为正整数；且同一主回路电池单元两端的第一均衡开关及第二均衡开关连接同一均衡电池；各第一均衡开关和各第二均衡开关用于控制所述均衡电池接入或脱出主回路。
于本发明一实施方式中，第一级主回路电池单元中主回路开关的第一端连接充电机或负载的第一端、第二端连接本级主回路电池单元中主回路电池的正极，本级主回路电池单元中主回路电池的负极连接第二级主回路电池单元中主回路开关的第一端；后面各级主回路电池单元中主回路开关的第一端连接上一级主回路电池单元中主回路电池的负极、第二端连接本级主回路电池单元中主回路电池的正极，后面各级主回路电池单元中主回路电池的负极连接下一级主回路电池单元中主回路开关的第一端；最后一级主回路电池单元中主回路电池的负极连接充电机或负载的第二端并接地。
于本发明一实施方式中，第一级主回路电池单元中主回路电池的正极连接充电机或负载的第一端、负极连接本级主回路电池单元中主回路开关的第一端，本级主回路电池单元中主回路开关的第二端连接第二级主回路电池单元中主回路电池的正极；后面各级主回路电池单元中主回路电池的正极连接上一级主回路电池单元中主回路开关的第二端、负极连接本级主回路电池单元中主回路开关的第一端，后面每级主回路电池单元中主回路开关的第二端连接下一级主回路电池单元中主回路电池的正极；最后一级主回路电池单元中主回路开关的第二端连接充电机或负载的第二端并接地。
于本发明一实施方式中，所述主回路电池和所述均衡电池均由至少一节可充放电电池组成，且所述主回路电池和所述均衡电池的额定电压相同。
本发明还提供一种流水线式间歇充放电均衡方法，采用如上述的流水线式间歇充放电均衡系统，放电时包括以下步骤：11)闭合所有主回路开关，所有主回路电池对负载放电；12)监测每节主回路电池的电量，当电量最大的主回路电池与电量最小的主回路电池之间的电量差值大于设定标准值时，以均衡电池替换电量最小的主回路电池串联于主回路中；13)在设定间隔时间后，重复步骤12)，并通过控制各所述主回路电池接入和脱出主回路的时间长短，调整所述设定间隔时间，进而控制其放电电量，直至各主回路电池放电时的电量差值达到设定的均衡标准差值；充电时包括以下步骤：21)闭合所有主回路开关，充电机对所有主回路电池充电；22)监测每节主回路电池的电量，当电量最大的主回路电池与电量最小的主回路电池之间的电量差值大于设定标准值时，以均衡电池替换电量最大的主回路电池串联于主回路中；23)在设定间隔时间后，重复步骤22)，并通过控制各所述主回路电池接入和脱出主回路的时间长短，调整所述设定间隔时间，进而控制其充电电量，直至各主回路电池充电时的电量差值达到设定的均衡标准差值。
于本发明一实施方式中，以均衡电池替换电量最大的主回路电池或电量最小的主回路电池包括以下步骤：闭合待替换的均衡电池两端的第一均衡开关和第二均衡开关，则均衡电池与待替换的主回路电池并联在主回路中；断开待替换的主回路电池对应的主回路开关，则主回路电池脱出主回路，均衡电池代替主回路电池接入主回路中，并和主回路中的其它主回路电池串联工作。
于本发明一实施方式中，以均衡电池替换电量最大的主回路电池或电量最小的主回路电池后，将替换下的电量最大的主回路电池或电量最小的主回路电池作为新的均衡电池，以作为下次替换主回路电池时候使用。
于本发明一实施方式中，所述均衡电池与所述主回路电池的额定电压相同。
本发明还提供一种流水线式间歇充放电均衡方法，采用如上述的流水线式间歇充放电均衡系统，放电时包括以下步骤：31)闭合所有主回路开关，所有主回路电池对负载放电；32)监测每节主回路电池的电量，将所有主回路电池两两任意组合，并比较每组中主回路电池的电量差值，当某一组或几组中两主回路电池的电量差值大于设定标准值时，以均衡电池替换该组中电量较小的主回路电池串联于主回路中；33)在设定间隔时间后，重复步骤32)，并通过控制各所述主回路电池接入和脱出主回路的时间长短，调整所述设定间隔时间，进而控制其放电电量，直至各主回路电池放电时的电量差值达到设定的均衡标准差值；充电时包括以下步骤：41)闭合所有主回路开关，充电机对所有主回路电池充电；42)监测每节主回路电池的电量，将所有主回路电池两两任意组合，并比较每组中主回路电池的电量差值，当某一组或几组中两主回路电池的电量差值大于设定标准值时，以均衡电池替换该组中电量较大的主回路电池串联于主回路中；43)在设定间隔时间后，重复步骤42)，并通过控制各所述主回路电池接入和脱出主回路的时间长短，调整所述设定间隔时间，进而控制其充电电量，直至各主回路电池充电时的电量差值达到设定的均衡标准值。
于本发明一实施方式中，以均衡电池替换电量最大的主回路电池或电量最小的主回路电池包括以下步骤：闭合待替换的均衡电池两端的第一均衡开关和第二均衡开关，则均衡电池与待替换的主回路电池并联在主回路中；断开待替换的主回路电池对应的主回路开关，则主回路电池脱出主回路，均衡电池代替主回路电池接入主回路中，并和主回路中的其它主回路电池串联工作。
于本发明一实施方式中，以均衡电池替换电量最大的主回路电池或电量最小的主回路电池后，将替换下的电量最大的主回路电池或电量最小的主回路电池作为新的均衡电池，以作为下次替换主回路电池时候使用。
于本发明一实施方式中，所述均衡电池与所述主回路电池的额定电压相同。
如上所述，本发明的流水线式间歇充放电均衡系统及均衡方法，具有以下有益效果：
1、通过调节每节主回路电池的充放电时间，从而达到均衡的目的。
2、在充放电均可使用，电池组端电压没有跳变，在均衡过程中没有能量的转移或转换，除了开关元件本身的功耗外，没有其他额外的能量消耗，具有很高的均衡效率。
3、均衡系统的结构简单、成本低，均衡误差小。
附图说明
图1为本发明实施例一中提供的流水线式间歇充放电均衡系统的结构框图。
图2为本发明实施例二中提供的流水线式间歇充放电均衡系统在各主回路电池电量都均衡时的充电时序图。
图3为本发明实施例二中提供的流水线式间歇充放电均衡系统在主回路电池bt2电量高于其它主回路电池时的充电时序图。
元件标号说明
1充电机
2主回路电池单元
3均衡电池单元
4均衡控制器
bt1～btn主回路电池
sw1～swn主回路开关
sw11～swn1第一均衡开关
sw12～swn2第二均衡开关
bt0均衡电池
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
请参阅图1，本发明提供一种流水线式间歇充放电均衡系统，包括：
充电机1或负载；
至少两个与所述充电机1或负载串联的主回路电池单元2，所述主回路电池单元2包括主回路电池和与所述主回路电池串联的主回路开关，所述主回路开关用于控制所述主回路电池接入或脱出主回路；
连接于各主回路电池单元2两端及所述均衡控制器4输出端的均衡电池单元3，用于在各主回路电池bt1～btn电量不均衡时替换对应的主回路电池串联于主回路中，以实现均衡控制；
均衡控制器4，所述均衡控制器4连接各主回路开关sw1～swn及各均衡开关的控制引脚，用于根据各主回路电池单元3的充放电量控制各主回路开关sw1～swn、各均衡开关的接通和断开。
所述均衡电池单元3包括多个第一均衡开关sw11～swn1及第二均衡开关sw12～swn2；各第一均衡开关的第一端分别连接各主回路电池单元的输入端、第二端连接均衡电池bt0的正极，各第二均衡开关的第一端分别连接各主回路电池单元的输出端、第二端连接均衡电池bt0的负极，其中，所述均衡电池bt0的数量设定为n个，1≤n≤m，m为所述主回路电池的个数，m≥2，m、n均为正整数；且同一主回路电池单元两端的第一均衡开关及第二均衡开关连接同一均衡电池；各第一均衡开关和各第二均衡开关用于控制所述均衡电池接入或脱出主回路。
由上可知，在该实施例中，均衡电池的个数可以是一个或多个，当均衡电池为一个时，所有均衡电池单元3中的第一均衡开关sw11～swn1和第二均衡开关sw12～swn2均共用同一个均衡电池bt0。也即，当均衡电池为m个的时候，每个主回路电池对应一个均衡电池，当均衡电池大于1＜n＜m时，多个主回路电池对应一个均衡电池。
需要注意的是，图1中仅示出了充电机1充电状态下系统的结构图，负载未示出。当系统处于放电状态时，以负载代替所述充电机1，其它结构不变。
所有主回路电池单元2串联于主回路中，且每个主回路电池单元2中的主回路开关和主回路电池串联，但是，需要注意的是，每个主回路电池单元2中的主回路开关和主回路电池连接位置可以交换，只要保证两者串联，每个主回路电池单元2中的主回路开关控制本单元中的主回路电池接入或脱出主回路。在该实施例中，给出下面两种连接方式：
第一种连接方式：第一级主回路电池单元2中主回路开关的第一端连接充电机1或负载的第一端、第二端连接本级主回路电池单元2中主回路电池的正极端，本级主回路电池单元2中主回路电池的负极端连接第二级主回路电池单元2中主回路开关的第一端；后面各级主回路电池单元2中主回路开关的第一端连接上一级主回路电池单元2中主回路电池的负极端、第二端连接本级主回路电池单元2中主回路电池的正极端，后面各级主回路电池单元2中主回路电池的负极端连接下一级主回路电池单元2中主回路开关的第一端；最后一级主回路电池单元2中主回路电池的负极端连接充电机1或负载的第二端并接地。
第二种连接方式：第一级主回路电池单元2中主回路电池的正极连接充电机2或负载的第一端、负极连接本级主回路电池单元中主回路开关的第一端，本级主回路电池单元2中主回路开关的第二端连接第二级主回路电池单元2中主回路电池的正极；后面各级主回路电池单元2中主回路电池的正极连接上一级主回路电池单元2中主回路开关的第二端、负极连接本级主回路电池单元2中主回路开关的第一端，后面每级主回路电池单元2中主回路开关的第二端连接下一级主回路电池单元2中主回路电池的正极；最后一级主回路电池单元2中主回路开关的第二端连接充电机1或负载的第二端并接地。
在该实施例中，所述主回路电池和所述均衡电池均由至少一节可充放电电池组成。也即所述主回路电池和所述均衡电池为一节可充放电电池或几节可充放电电池组成的电池组，且所述主回路电池和所述均衡电池的额定电压相同，避免电压差对均衡电路造成影响。
实施例2
本发明还提供一种流水线式间歇充放电均衡方法，采用实施例1所述的流水线式间歇充放电均衡系统，放电时包括以下步骤：
步骤11)闭合所有主回路开关sw1～swn，此时所有主回路电池bt1～btn对负载进行放电；
步骤12)实时监测每节主回路电池的电量，当电量最大的主回路电池与电量最小的主回路电池之间的电量差值大于设定标准值时，以均衡电池替换电量最小的主回路电池串联于主回路中；
步骤13)在设定间隔时间后，重复所述步骤12)，并通过控制各所述主回路电池接入和脱出主回路的时间长短，调整所述设定间隔时间，进而控制其放电电量，直至各主回路电池放电时的电量差值达到设定的均衡标准差值。
在该实施例中，充电时包括以下步骤：
步骤21)闭合所有主回路开关sw1～swn，此时,充电机1对所有主回路电池bt1～btn进行充电；
步骤22)监测每节主回路电池的电量，当电量最大的主回路电池与电量最小的主回路电池之间的电量差值大于设定标准值时，以均衡电池替换电量最大的主回路电池串联于主回路中；
步骤23)在设定间隔时间后，重复所述步骤22)，并通过控制各所述主回路电池接入和脱出主回路的时间长短，调整所述设定间隔时间，进而控制其充电电量，直至各主回路电池充电时的电量差值达到设定的均衡标准差值。
设定的均衡标准差值大小体现均衡的一致性程度，设定的均衡标准差值越小，得到的均衡一致性越高。
在该实施例中，无论充电还是放电过程中，以均衡电池替换主回路电池包括以下步骤：
闭合待替换的均衡电池两端的第一均衡开关和第二均衡开关，则均衡电池与待替换的主回路电池并联在主回路中；
断开待替换的主回路电池对应的主回路开关，则主回路电池脱出主回路，均衡电池代替主回路电池接入主回路中，并和主回路中的其它主回路电池串联工作。
均衡电池要替换主回路中的某节主回路电池时，先和这节主回路电池并联，然后该节主回路电池对应的主回路开关断开。结果是，该主回路电池脱出主回路，均衡电池和主回路中的其它电池串联工作。
若果先把要替换的主回路电池和主回路断开，然后再把均衡电池接入主回路的话，这样会引起电压较大的变化，要求高的场合不适用。
在该实施例中，将均衡电池替换主回路电池之后，还包括将替换下的主回路电池作为新的均衡电池的步骤，也即被替换下来的主回路电池可以作为新的均衡电池，以作为下次替换主回路电池时候使用。特别是，当系统中只设置一个均衡电池bt0时，每个主回路电池bt1～btn终将被轮流替换，也会轮流作为均衡电池。
在该实施例中，所述均衡电池与所述主回路电池的额定电压相同，以免对电压差对均衡系统造成影响。
图2和图3为流水线式间歇充放电均衡系统及均衡方法应用于8节电池充电均衡时的具体实施方式。图中序号1-7为7节主回路电池bt1～bt7，8为一均衡电池bt0。均衡控制器4可以分别通过主回路开关sw1～sw7、第一均衡开关sw11～sw71和第二均衡开关sw12～sw72控制主回路电池bt1～bt7和均衡电池bt0接入或脱出主回路。以主回路电池bt2为例，当其对应的主回路开关sw2闭合，第一均衡开关sw21和第二均衡开关sw22断开时，主回路电池bt2接入主回路，均衡电池bt0脱开主回路。当主回路开关sw2断开，第一均衡开关sw21和第二均衡开关sw22闭合时，主回路电池bt2脱出主回路，均衡电池bt0接入主回路。图中的充电状态为高即对应于主回路电池或均衡电池接入主回路的状态，此时该主回路电池或均衡电池被充电；充电状态为低对应于主回路电池或均衡电池脱开主回路的状态，此时该主回路电池或均衡电池停止充电。
图2为各主回路电池bt1～bt7电量都基本相等时各主回路电池的充电时序。在一个控制周期t中，各主回路电池bt1～bt7的充电时间和停止充电时间(图中的t)都相等。经过一个周期t，各主回路电池bt1～bt7所充电量也相等。
图3为主回路电池bt2的电量高于其它主回路电池bt1、bt3～bt7的电量时，各主回路电池bt1～bt7的充电时序。在一个控制周期t中，主回路电池bt2停止充电时间长于其它主回路电池bt1、bt3～bt7，为t+t’，而该段时间是以均衡电池bt0代替主回路电池bt2充电的，其它各主回路电池bt1、bt3～bt7的充电时间为t。经过一个控制周期t，主回路电池bt2所充电量少于其它主回路电池bt1、bt3～bt7，从而起到均衡的作用。
同理，在放电均衡过程中，以均衡电池bt0替换电量最低的主回路电池放电，这样，经过一个控制周期，电量最低的主回路电池所放的电量少于其它主回路电池，从而起到均衡的作用。
实施例3
本发明还提供另一种流水线式间歇充放电均衡方法，采用实施例1所述的流水线式间歇充放电均衡系统，放电时包括以下步骤：
步骤31)闭合所有主回路开关sw1～swn，所有主回路电池bt1～btn对负载放电；
步骤32)监测每节主回路电池的电量，将所有主回路电池bt1～btn两两任意组合，并比较每组中主回路电池的电量差值，当某一组或几组中两主回路电池的电量差值大于设定标准值时，以均衡电池替换该组中电量较小的主回路电池串联于主回路中；
步骤33)在设定间隔时间后，重复步骤32)，并通过控制各所述主回路电池接入和脱出主回路的时间长短，调整所述设定间隔时间，进而控制其放电电量，直至各主回路电池放电时的电量差值达到设定的均衡标准差值。
在该实施例中，充电时包括以下步骤：
步骤41)闭合所有主回路开关sw1～swn，充电机1对所有主回路电池bt1～btn充电；
步骤42)监测每节主回路电池的电量，将所有主回路电池bt1～btn两两任意组合，并比较每组中主回路电池的电量差值，当某一组或几组中两主回路电池的电量差值大于设定标准值时，以均衡电池替换该组中电量较大的主回路电池串联于主回路中；
步骤43)在设定间隔时间后，重复步骤42)，并通过控制各所述主回路电池接入和脱出主回路的时间长短，调整所述设定间隔时间，进而控制其充电电量，直至各主回路电池充电时的电量差值达到设定的均衡标准值。
在该实施例中，无论在充电还是放电过程中，将均衡电池替换主回路电池后，还包括将替换下的主回路电池作为新的均衡电池的步骤，也即被替换下来的主回路电池可以作为新的均衡电池。
其中，以均衡电池替换主回路电池包括以下步骤：
闭合待替换的均衡电池两端的第一均衡开关和第二均衡开关，则均衡电池与主回路电池并联在主回路中；
断开待替换的主回路电池对应的主回路开关，则主回路电池脱出主回路，以均衡电池代替主回路电池接入主回路中，并和主回路中的其它主回路电池串联工作。
在该实施例中，以均衡电池替换电量最大的主回路电池或电量最小的主回路电池后，将替换下的电量最大的主回路电池或电量最小的主回路电池作为新的均衡电池，以作为下次替换主回路电池时候使用。
在该实施例中，所述均衡电池与所述主回路电池的额定电压相同，以免对电压差对均衡系统造成影响。
本发明提供的流水线式间歇充放电均衡系统及均衡方法，在额定的充放电主回路电池外，还设置了一节或几节均衡用的均衡电池。通过策略将主回路电池接入和脱出主回路，控制接入或脱出主回路的时间，调节每节主回路电池的充放电时间，从而达到均衡的目的。本发明提供的流水线式间歇充放电均衡系统及均衡方法在充放电均可使用；电池组端电压没有跳变，在均衡过程中没有能量的转移或转换，除了开关元件本身的功耗外，没有其他额外的能量消耗，具有很高的均衡效率；均衡系统的结构简单、成本低，均衡误差小。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。