一种串联电池组模块化主动均衡系统及方法与流程
本发明涉及电池管理技术领域，尤其涉及一种串联电池组模块化主动均衡系统及方法。
背景技术
当使用多个单体电池串联形成电池组时，由于单体电池容量的不一致性，再加上单体电池在使用中的环境温度不同导致这种不一致性的加剧，会造成在电池组放电时，当容量最小的单体电池电量耗尽时，即使其它电池还有电量也无法使用；而在电池组充电时，电量最小的电池先充满电，即使其它电池还有空余容量，也无法再充电，从而导致电池组的总体容量利用率降低，因此需要使用电池管理系统对电池组内的所有单体电池进行管理。
目前针对电池管理系统(batterymanagementsystem，简称bms)的研究，主要集中于电动汽车技术领域，汽车bms作为连接车载动力电池组和电动汽车的重要纽带，其主要功能包括：电池物理参数实时监测；电池状态估计；在线诊断与预警；充、放电与预充控制；均衡管理和热管理等。
在均衡管理方面，传统的电池组均衡管理方式主要分为两大类：被动均衡和主动均衡。被动均衡的原理为能量消耗，通常在每只单体电池上并联一个可控分流电阻，当电池电压达到或者超过限制电流电压时，导通分流电阻回路，使流过单体电池的充电电流减小，从而使得单体电池的电压维持在限制值以内，流过电阻的电能则以热能的形式释放。主动均衡的原理为能量转移，通常需要一个电压转换器，当主控制器检测到某单体电池电压偏高时，将电压偏高单体电池的能量通过变换器转移到电压偏低的单体电池上，从而达到电压和能量的均衡。
实际应用中，由于被动均衡管理的电路结构简单，易于实现，在能够做到单体电池一致性较好、电池热均衡管理较好、电池压力管理较好的应用场合一般采用被动均衡管理的方法，典型的应用实例为特斯拉电动汽车中的电池管理。而在单体电池一致性较差、电池热均衡管理较差，并且单体电池受到的机械应力不一致的应用场合一般采用主动均衡的管理方法。
主动均衡管理方法较为典型的实现方案为利用开关电源来实现电池组的主动均衡，具体电路设计方案如图1所示，为实现n个电池的主动均衡，需要使用2(n-1)个功率开关以及(n-1)个电感，同时电池组的充放电只能在相邻的两个单体电池之间进行。这样一来，如果需要平衡的两个单体电池之间相隔有k个单体电池，它们之间的电量平衡需要通过k+1次的电量传递才能完成，整个传递过程不仅需要消耗较多的能量，而且需要较长的传递时间。
针对上述利用开关电源实现主动均衡管理中存在的技术问题，一些研究人员提出了利用多绕组变压器实现单体电池能量传递的技术方案，如中国专利公告号为cn102684263b的发明专利就公开了一种基于对称多绕组变压器结构的串联电池组均衡电路及应用于该电路的控制方法，但是这种单磁芯多绕组的技术方案在绕组个数增多时，变压器的制作及机械可靠性都变得非常困难；同时变压器的维护和替换也非常昂贵。
同时现有的bms一般采用can总线传输的方式，不仅使得系统布线复杂，而且当应用于电动汽车时，汽车行驶过程中的环境因素，会对can总线传输的稳定性造成影响，大大降低整个bms的稳定性和可靠性。
技术实现要素：
针对现有技术中的问题，本发明提供一种模块化的、系统器件数量更少，体积更小，并且能够电池之间更加快速传递电量的串联电池组模块化主动均衡及方法。
本申请提供了一种串联电池管理装置，包括变换单元,与多节串联单体电池分别电连接，其中所述变换单元包括开关组件，配置为控制与多节单体电池对应多条回路的闭合状态；以及充放电兼变压组件，配置为工作在充电、放电或变压模式，以实现相邻和不相邻的单体电池之间的电量调配；所述电池管理装置还包括控制单元,与所述变换单元电连接，配置为对电池状态进行检测并上报，并控制所述开关组件的状态以及所述充放电兼变压组件的工作模式。
特别的，所述多节串联单体电池包括2n节单体电池，所述开关组件包括2n个开关，配置为分别控制与2n节单体电池相应的电池回路的闭合状态；以及所述充放电兼变压组件包括n个等效电感，所述n个等效电感中的任意两个电连接在彼此不相邻的所述电池回路中；其中n为大于等于2的整数。
特别的，所述2n个开关为2n个晶体管，每个所述晶体管的控制极都电连接到所述控制单元，每个所述晶体管的第一极电连接到相应的单体电池的正极，第二极电连接到所述单体电池的负极，第x个晶体管的第二极电连接到第x+1个晶体管的第一极；任一所述n个等效电感的第一端电连接到相邻两节单体电池的正负电极的相连节点，其第二端电连接在与该相邻两节单体电池相应的相邻两个晶体管的第一极和第二极的相连节点；其中x是大于等于1且小于等于2n的整数。
特别的，第y节电池与相邻的第y+1节电池发生电量均衡时，当第y个晶体管导通，且第y+1个晶体管断开时，第y节电池对应的回路导通，相应的等效电感处于被所述第y节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y个晶体管断开，且与第y+1个晶体管导通时，第y+1节电池对应的回路导通，该等效电感处于向所述第y+1节电池放电的模式以传输待均衡电量；或者，当第y节单体电池的电量低于第y+1节单体电池的电量时，当第y+1个晶体管导通，且第y个晶体管断开时，第y+1节电池对应的回路导通，该等效电感处于被所述第y+1节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y+1个晶体管断开，且与第y个晶体管导通时，第y节电池对应的回路导通，该等效电感处于向所述第y节电池放电的模式以传输待均衡电量；其中y为大于等于1且小于等于2n-1的整数。
特别的，第y节电池与不相邻的第z节电池发生电量均衡时，当第y晶体管导通，第y节电池对应的回路导通，相应的等效电感处于被所述第y节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y晶体管导通，且第z晶体管导通时，第y节电池和z节电池对应的回路导通时，两个回路中的等效电感在所述控制单元的控制下一起工作在变压模式以传输待均衡电量；其中z为大于等于1小于等于2n的整数，但是不等于y+1，也不等于y-1。
特别的，所述晶体管为功率晶体管。
本申请还提供了一种串联电池管理系统，包括m个串联电池管理装置，配置为相应的管理由n个串联的单体电池组成的m个串联电池组，其中每个所述串联电池管理装置包括，变换单元,与多节串联单体电池分别电连接，其中所述变换单元包括开关组件，配置为控制与多节单体电池对应多条回路的闭合状态；以及充放电兼变压组件，配置为工作在充电、放电或变压模式，以实现相邻和不相邻的单体电池之间的电量调配；所述电池管理装置还包括控制单元,与所述变换单元电连接，配置为对电池状态进行检测并上报，并控制所述开关组件的状态以及所述充放电兼变压组件的工作模式；其中m和n均为大于等于2的整数，第p个电池组的最后一节单体电池也是第p+1个电池组的第一节单体电池，其中p为大于等于1且小于等于m-1的整数。
特别的，所述多节单体电池包括2n节单体电池，相应的所述开关组件包括2n个开关，配置为分别控制与所述2n节单体电池相应的电池回路的闭合状态；以及所述充放电兼变压组件包括n个等效电感，所述n个等效电感中的任意两个电连接在彼此不相邻的所述电池回路中；其中n＝m*(2n-1)+1，n为大于等于2的整数。
特别的，所述2n个开关为2n个晶体管，每个所述晶体管的控制极都电连接到所述控制单元，每个所述晶体管的第一极电连接到相应的单体电池的正极，第二极电连接到所述单体电池的负极，第x个晶体管的第二极电连接到第x+1个晶体管的第一极；任一所述n个等效电感的第一端电连接到相邻两节单体电池的正负电极的相连节点，其第二端电连接在与该相邻两节单体电池相应的相邻两个晶体管的第一极和第二极的相连节点；其中x是大于等于1且小于等于2n的整数。
特别的，当在同一个电池组中的第y节单体电池与相邻的第y+1节单体电池发生电量均衡时，当第y个晶体管导通，且第y+1个晶体管断开时，第y节电池对应的回路导通，相应的等效电感处于被所述第y节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y个晶体管断开，且与第y+1个晶体管导通时，第y+1节电池对应的回路导通，该等效电感处于向所述第y+1节电池放电的模式以传输待均衡电量；或者，当第y节单体电池的电量低于第y+1节单体电池的电量时，当第y+1个晶体管导通，且第y个晶体管断开时，第y+1节电池对应的回路导通，该等效电感处于被所述第y+1节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y+1个晶体管断开，且与第y个晶体管导通时，第y节电池对应的回路导通，该等效电感处于向所述第y节电池放电的模式以传输待均衡电量；其中y大于等于1，且小于等于2n-1。
特别的，当在同一个电池组中的第y节单体电池与不相邻的第z节单体电池发生电量均衡时，当第y晶体管导通，第y节电池对应的回路导通，相应的等效电感处于被所述第y节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y晶体管断开，且第z晶体管导通时，与第y节电池和与第z节电池对应的回路导通时，这两个回路中的等效电感在所述控制模块的控制下一起工作在变压模式以传输待均衡电量；其中z为大于等于1小于等于2n的整数，但是不等于y+1，也不等于y-1。
特别的，当位于第a电池组中的第a节单体电池与位于第b电池组中的第b节单体电池发生电量均衡时，对所述第a组中的第a节电池充电以存储待均衡电量；将所述待均衡电量传输给所述第a组中的第2n节单体电池即第a+1组中的第1节单体电池，并利用相邻两个电池组共用第1节和第2n节单体电池的关系，将所述待均衡电量传输给第b-1组中的第2n节电池即第b组中第1节电池；将第b组中第1节电池中存储的所述待均衡电量传输给所述第b组的第b节单体电池；其中，所述a和b均为大于等于1小于等于m的彼此不相等的整数，a和b为大于等于1小于等于2n的整数。
特别的，所述晶体管为功率晶体管。
特别的，如果n-1无法被2n-1整除，则m为
特别的，如果n-1无法被2n-1整除，则m为
本申请还提供了一种用电设备，包括串联的单体电池，以及如权利要求7-15中所记载的电池管理系统。
本申请还提供了一种电池管理方法，由包括m个串联电池管理装置的电池管理系统相应的管理m个串联电池组，其中第p个电池组的最后一节单体电池也是第p+1个电池组的第一节单体电池，其中p为大于等于1且小于等于m-1的整数；每个所述电池管理装置配置为工作在充放电模式或变压模式中；所述方法包括在同一个电池组中，当一节单体电池与相邻单体电池发生电量均衡时，在所述充放电模式下，将待均衡电量在所述相邻两节单体电池之间传输；在同一个电池组中，当一节单体电池与不相邻单体电池发生电量均衡时，在所述充放电和变压模式下，将待均衡电量在所述不相邻两节单体电池之间传输。
特别的，所述方法还包括当位于第a电池组中的第a节单体电池与位于第b电池组中的第b节单体电池发生电量均衡时，在充放电模式下，对所述第a组中的第a节电池充电以存储待均衡电量；在充放电和变压模式下，将所述待均衡电量从所述第a组的第a节电池传输给所述第a组中的最后1节单体电池即第a+1组中的第1节单体电池，并利用相邻两个电池组共用第1节和最后1节单体电池的关系，在充放电和变压模式下将所述待均衡电量传输给第b-1组中的最后1节电池即第b组中第1节电池；在充放电和/或变压模式下将第b组中第1节电池中存储的所述待均衡电量传输给所述第b组的第b节单体电池；其中，所述a和b均为大于等于1小于等于m的彼此不相等的整数，a和b为大于等于1的整数。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
(1)本发明先将串联电池组模块化，形成多个相同的电池单元，再利用多个主动均衡模块对电池单元进行管理，在每个电池单元内部，通过控制功率开关管和绕组组成的变压器实现了单体电池之间的电量交换，而电池单元和电池单元之间通过共用一个单体电池，能够实现电池单元与电池单元之间的电量交换，这种结构使得整个主动均衡系统的开关器件大大减少，简化了电路的拓扑结构；
(2)在单体电池与单体电池的电量交换过程，不仅能够实现电量双向交换，并且基于变换器单元的特殊设计，使得电量交换路径更便捷，电量交换用时更短，能量传递损耗也更少，从而能够实现对串联电池组的低功耗、高速率主动均衡管理。
对上述串联电池组模块化主动均衡系统进行改进，获得本发明的另一个技术方案，具体如下：
所述主动均衡模块还包括电池监测单元和无线传输单元，所述电池监测单元用于监测该主动均衡模块对应的电池单元中每个单体电池的每个单体电池的工作状态信息，所述工作状态信息至少包括电压、电流、电量、温度信息，所述无线传输单元用于向主动均衡模块外部发送电池监测单元监测到的工作状态信息和接收来自主动均衡模块外部的主动均衡控制单元的控制信号。
基于改进后的串联电池组模块化主动均衡系统的主动均衡方法为：
每个电池监测单元监测其对应的电池单元中每个单体电池的工作状态信息，并通过无线传输单元将这些工作状态信息发送到主动均衡模块外部的管理控制设备；
主动均衡模块外部的管理控制设备根据接收到的工作状态信息对所有电池单元中的单体电池的工作状态进行分析，生成每个主动均衡模块的控制信号，并通过无线传输单元将这些控制信号反馈回每个主动均衡模块的主动均衡控制单元；
在每个主动均衡模块中，主动均衡控制单元根据接收到的控制信号，对变换器单元中的2n个功率开关管的通断进行控制，进而实现对与该主动均衡模块所对应的电池单元中的2n个单体电池的主动均衡管理，具体控制原理如下：通过控制第2k-1个和第2k个功率开关管来实现第2k-1个和第2k个电池之间的电量交换，其他功率开关管在这时不导通，其中k＝1、2、3……n；基于变压器的结构，通过控制任意两个奇数序号的功率开关管，实现与该两个功率开关管序号相同的两个奇数序号单体电池之间的电量双向交换，其他功率开关管此时不导通；基于变压器的结构，通过控制任意两个偶数序号的功率开关管，实现与该两个功率开关管序号相同的两个偶数序号单体电池之间的电量双向交换，其他功率开关管此时不导通；
相邻电池单元的电量双向交换，通过共用的单体电池实现。
对上述技术方案进行进一步的改进，每个所述主动均衡模块的无线传输单元还能够向其他主动均衡模块的无线传输单元发送信息，并且能够接收来自其他主动均衡模块的无线传输单元发送的信息。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
(1)本发明先将串联电池组模块化，形成多个相同的电池单元，再利用多个主动均衡模块对电池单元进行管理，在每个电池单元内部，通过控制功率开关管和绕组组成的变压器实现了单体电池之间的电量交换，而电池单元和电池单元之间通过共用一个单体电池，能够实现电池单元与电池单元之间的电量交换，这种结构使得整个主动均衡系统的开关器件大大减少，简化了电路的拓扑结构；
(2)在单体电池与单体电池的电量交换过程，不仅能够实现电量双向交换，并且基于变换器单元的特殊设计，使得电量交换路径更便捷，电量交换用时更短，能量传递损耗也更少，从而能够实现对串联电池组的低功耗、高速率主动均衡管理；
(3)主动均衡模块在变换器单元、主动均衡控制单元的基础上增加电池监测单元和无线传输单元，从而形成含有“均衡+监测+无线传输”的电池管理模块，而整个均衡系统则由多个这种形式的电池管理模块构成。基于这种模块化设计，当一个电池单元或者一个主动均衡模块出现问题时，只要针对该单元或者模块进行分析处理即可，不需要对系统内的所有电池和所有均衡器件进行分析，使得串联电池组和管理系统的管理和维护更加便捷有效，同时基于主动均衡模块与模块外部的管理控制设备之间的信息传输通过无线传输单元完成，使得系统的通信稳定性更高，传输效率更高。
附图说明
图1是现有技术电池均衡管理系统的结构示意图；
图2是本发明第一个实施例的结构示意图；
图3是本发明控制原理的示意图；
图4是图3所示控制方法的信号时序图；
图5是本发明控制原理的示意图；
图6是图5所示控制方法的信号时序图；
图7是本发明每个电池单元包括6个单体电池时的结构示意图；
图8是本发明实施例1的拓展示意图；
图9是本发明第二个实施例的结构示意图。
具体实施方式
结合图2至图7，详细说明本发明的第一个实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图2所示，一种串联电池组模块化主动均衡系统，包括m个结构相同的主动均衡模块，m个主动均衡模块用于均衡由n个顺序串联的单体电池组成的串联电池组，主动均衡模块包括变换器单元和主动均衡控制单元，将电池组按照单体电池串联的顺序依次划分为m个结构相同的电池单元，一个主动均衡模块对应管理一个电池单元，每个电池单元包括4个单体电池且相邻电池单元共用1个单体电池，即后一个电池单元的第1个单体电池同时也是前一个电池单元的第4个单体电池，相应地，每个变换器单元包括4个功率开关管以及具有2个绕组的变压器，其中m、n、n的关系应满足：n＝m*3+1；
在一个主动均衡模块对应一个电池单元的结构中：
电池单元的第1个单体电池b1的负极与第2个单体电池b2的正极相连，第2个单体电池b2的负极与第3个单体电池b3的正极的相连，第3个单体电池b3的负极与第4个单体电池b4的正极相连；
变换器单元的第1个功率开关管q1的漏极与第1个单体电池b1的正极相连，源极与第2个功率开关管q2的漏极相连，第2个功率开关管q2的源极与第3个功率开关管q3的漏极相连，第3个功率开关管q3的源极与第4个功率开关管q4的漏极相连，第2个功率开关管q2的源极与第2个单体电池b2的负极相连，第4个功率开关管q4的源极与第4个单体电池b4的负极相连，4个功率开关管的栅极均与主动均衡控制单元相连；
第1个绕组l1的一端与第1个单体电池b1的负极相连，另一端与第1个功率开关管q1的源极相连，第2个绕组l2的一端与第3个单体电池b3的负极相连，另一端与第3个功率开关管q3的源极相连，4个绕组的同名端均位于同一侧(图2中同名端都在左侧，也可以将4个绕组的同名端都设在右侧)；
通过控制4个功率开关管的通断，能够实现b1与b2、b3与b4、b1与b3、b2与b4的电量双向交换，具体控制原理如下：
(1)如图3所示，单体电池b1和b2之间的电量双向交换是通过控制功率开关管q1和q2来实现，功率开关管q3和q4在这时不导通。当绕组l1的电流il1为正时，正电量由b1向b2转移；反之，当绕组l1的电流il1为负时，正电量由b2向b1转移。b1和b2之间的电量交换过程中各信号的时序图如图4所示。
单体电池b3和b4之间的电量交换原理与单体电池b1和b2之间的电量交换原理类似，通过控制功率开关管q3和q4管来实现，功率开关管q1和q2在这时不导通，当绕组l2的电流il2为正时，正电量由b3向b4转移；反之，当绕组l2的电流il2为负时，正电量由b4向b3转移。
(2)如图5所示，单体电池b1与单体电池b3之间的电量双向交换通过绕组l1和绕组l2构成的变压器来实现，通过控制功率开关管q1和q3，可以实现单体电池b1与b3之间的电量双向交换，功率开关管q2和q4在这时不导通。当绕组l1的电流il1为正、绕组l2的电流il2为负时，可以实现b1到b3正电量的转移；反之当绕组l1的电流il1为负、绕组l2的电流il2为正时，可以实现b3到b1正电量的转移。b1和b3之间的电量交换过程中各信号的时序图如图6所示。
单体电池b2和b4之间的电量交换原理与单体电池b1和b3之间的电量交换原理类似，单体电池b2与b4之间的电量双向交换通过变压器来实现，通过控制功率开关管q2和q4，可以实现单体电池b2与b4之间的电量转移，功率开关管q1和q3在这时不导通。当绕组l1的电流il1为正、绕组l2的电流il2为负时，可以实现b2到b4正电量的转移；反之当绕组l1的电流il1为负、绕组l2的电流il2为正时，可以实现b4到b2正电量的转移。
从上述电量转移原理的描述可以看出，在每个电池单元内，通过主动均衡控制单元对功率开关管的控制，能够实现4个单体电池之间的电量快速双向交换，基于相邻电池单元共用一个单体电池，进而能够实现m个电池单元的电量快速双向交换。
例如：在如图2所示的结构中，当需要将第2个电池单元的第2个单体电池的电量转移到第4个电池单元的第3个单体电池时，具体步骤如下：
a.先利用第2个主动均衡模块控制第2个电池单元，在第2个电池单元内将第2个单体电池的电量转移到第4个单体电池(即第3个电池单元的第1个单体电池)上；
b.再利用第3个主动均衡模块控制第3个电池单元，在第3个电池单元内，将第1个单体电池的电量转移到第3个单体电池上，再转移到第4个单体电池(即第4个电池单元的第1个单体电池)上；
c.最后利用第4个主动均衡模块控制第4个电池单元，在第4个电池单元内，将第1个单体电池的电量转移到第3个单体电池上，转移过程完成。
本实施例与现有的主动均衡系统相比，具有以下优点：
1.当需要实现单体电池b1到单体电池b4的电量转移时，采用如图1所示的现有均衡管理系统时，其电量交换过程为b1-b2-b3-b4，需要传递3次，而采用如图2所示的本发明所述的管理系统时，只要传递两次即可实现，例如先从b1-b3，再从b3-b4；或者先从b1-b2，再从b2到b4，大大减少了能量传递时间和能量传递损耗，从而能够实现对串联电池组的低功耗、高速率主动均衡管理。
2.采用本发明所述的主动均衡系统，与如图1所示的主动均衡系统的技术方案相比，不仅整个主动均衡系统的开关器件大大减少，简化了电路的拓扑结构，例如：管理100个单体电池，采用本发明的第一个实施例的结构时，需要33个主动均衡模块，共需66个绕组和132个功率开关，而采用如图1所示的结构时，需要99个绕组和198个功率开关；而且变换器单元和主动均衡控制单元能够集成于同一芯片上，构成管理模块，能够方便地对串联电池组进行管理。
需要说明的有：本发明所述的串联电池组主动均衡系统中，其划分的一个电池单元内并不限于由4个单体电池构成，可以拓展为超过4个的任何偶数个单体电池(例如：如图7所示的6个单体电池的情形)，相应地一个变换器单元内也可以为任何偶数个功率开关管，绕组数量则为功率开关管数量的一半，即：
如图8所示(图8中主动均衡控制单元未示出)，主动均衡模块由m个结构相同的变换器单元构成，串联电池组包括n个顺序串联的单体电池，将电池组按照单体电池串联的顺序依次划分为m个电池单元，一个主动均衡模块对应管理一个电池单元，每个电池单元均包括2n个单体电池且相邻电池单元共用1个单体电池，即第m个电池单元的第1个单体电池同时也是第m-1个电池单元的第2n个单体电池，相应地，每个变换器单元包括2n个功率开关管以及具有n个绕组的变压器，其中m、n、n的关系应满足：n＝m*(2n-1)+1，n取正整数且大于等于2，m取正整数且大于等于2；
在一个主动均衡模块对应一个电池单元的结构中：
电池单元的第1个单体电池的负极与第2个单体电池的正极相连，第2个单体电池的负极与第3个单体电池的正极的相连，以此类推，第2n-1个单体电池的负极与第2n个单体电池的正极相连；
变换器单元的第1个功率开关管q1的漏极与第1个单体电池b1的正极相连，源极与第2个功率开关管q2的漏极相连，第2个功率开关管q2的源极与第3个功率开关管q3的漏极相连，以此类推，第2n-1个功率开关管q(2n-1)的源极与第2n个功率开关管q(2n)的漏极相连，第2个功率开关管q2的源极与第2个单体电池b2的负极相连，第4个功率开关管源极q4与第4个单体电池b4的负极相连，以此类推，第2n个功率开关管q(2n)的源极与第2n个单体电池的负极相连，第1个绕组l1的一端与第1个单体电池b1的负极相连，另一端与第1个功率开关管q1的源极相连，第2个绕组l2的一端与第3个单体电池b3的负极相连，另一端与第3个功率开关管q3的源极相连，以此类推，第n个绕组ln的一端与第2n-1个单体电池的负极相连，另一端与第2n-1个功率开关管q(2n-1)的源极相连，n个绕组的同名端均位于与单体电池连接的一侧，所有2n个功率开关管的栅极均与主动均衡控制单元相连；
主动均衡控制单元通过控制2n个功率开关管的通断，实现2n个单体电池的电量双向交换，具体如下：通过控制第2k-1个和第2k个功率开关管来实现第2k-1个和第2k个电池之间的电量交换，其他功率开关管在这时不导通，其中k＝1、2、3……n；基于变压器的结构，通过控制任意两个奇数序号的功率开关管，实现与该两个功率开关管序号相同的两个奇数序号单体电池之间的电量双向交换，其他功率开关管此时不导通；基于变压器的结构，通过控制任意两个偶数序号的功率开关管，实现与该两个功率开关管序号相同的两个偶数序号单体电池之间的电量双向交换，其他功率开关管此时不导通；
相邻电池单元的电量双向交换，则通过共用的单体电池实现。
当然也有可能存在n-1无法被2n-1整除的情况，在这种情况下m可以为
结合图3至图9，详细说明本发明的第二个实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
本实施例是在第一个实施例基础上的改进，具体改进点如下：
如图9所示，在实施例1的基础上，每个主动均衡模块还包括电池监测单元和无线传输单元，电池监测单元用于监测该主动均衡模块对应的电池单元中每个单体电池的状态信息，状态信息包括电压、电流、电量、温度等信息，无线传输单元用于向主动均衡模块外部发送电池监测单元监测到的工作状态信息和接收来自主动均衡模块外部的主动均衡控制单元的控制信号。
基于上述串联电池组模块化主动均衡系统的主动均衡方法为：
在每个主动均衡模块中，主动均衡控制单元通过对变换器单元中的2n个功率开关管的通断进行控制，实现对与该主动均衡模块所对应的电池单元中的2n个单体电池的主动均衡管理，具体控制原理如下：通过控制第2k-1个和第2k个功率开关管来实现第2k-1个和第2k个电池之间的电量双向交换，其他功率开关管在这时不导通，其中k＝1、2、3……n；基于变压器的结构，通过控制任意两个奇数序号的功率开关管，实现与该两个功率开关管序号相同的两个奇数序号单体电池之间的电量双向交换，其他功率开关管此时不导通；基于变压器的结构，通过控制任意两个偶数序号的功率开关管，实现与该两个功率开关管序号相同的两个偶数序号单体电池之间的电量双向交换，其他功率开关管此时不导通；
相邻电池单元的电量双向交换，通过共用的单体电池实现。
上述方法中提到的管理控制设备可以是使用了电池组的设备的控制系统中专门设置的用于电池管理分析的控制器，也可以是直接集成了电池管理分析功能的设备控制系统的总控制器，只要其设置有与主动均衡模块的无线传输单元相匹配的无线传输单元，能够实现管理控制设备与主动均衡模块的双向无线通讯即可。
本实施例与现有的主动均衡系统相比，具有以下优点：
1.当需要实现单体电池b1到单体电池b4的电量转移时，采用如图1所示的现有均衡管理系统时，其电量交换过程为b1-b2-b3-b4，需要传递3次，而采用如图2所示的本发明所述的管理系统时，只要传递两次即可实现，例如先从b1-b3，再从b3-b4；或者先从b1-b2，再从b2到b4，大大减少了能量传递时间和能量传递损耗，从而能够实现对串联电池组的低功耗、高速率主动均衡管理。
2.采用本发明所述的主动均衡系统，与如图1所示的主动均衡系统的技术方案相比，不仅整个主动均衡系统的开关器件大大减少，简化了电路的拓扑结构，而且变换器单元和主动均衡控制单元能够集成于同一芯片上，构成管理模块，能够方便地对串联电池组进行管理。
3.主动均衡模块在变换器单元、主动均衡控制单元的基础上增加电池监测单元和无线传输单元，从而形成含有“均衡+监测+无线传输”的电池管理模块，而整个均衡系统则由多个这种形式的电池管理模块构成。基于这种模块化设计，当一个电池单元或者一个主动均衡模块出现问题时，只要针对该单元或者模块进行分析处理即可，不需要对系统内的所有电池和所有均衡器件进行分析，使得串联电池组和管理系统的管理和维护更加便捷有效，同时基于主动均衡模块与模块外部的管理控制设备之间的信息传输通过无线传输单元完成，与传统的有线传输方式相比，不仅降低了系统布线复杂度，而且不会存在有线线路由于运行环境导致的线路故障问题(例如汽车颠簸行驶造成的线路弯折，线路接头松动等)，使得系统的通信稳定性和可靠性更高，传输效率也更高。
需要说明的有：与第一个实施例类似，本实施例所述的串联电池组主动均衡系统中，其划分的一个电池单元内也并不限于由4个单体电池构成，可以是任何偶数个单体电池(例如：如图7所示的6个单体电池的情形)，相应地一个变换器单元内也可以为任何偶数个功率开关管，绕组数量则为功率开关管数量的一半，具体扩充方案参见第一个实施例中的描述，在此不再赘述。
为了便于对上述技术方案做进一步地扩展应用，上述技术方案中：每个主动均衡模块的无线传输单元还能够向其他主动均衡模块的无线传输单元发送信息，并且能够接收来自其他主动均衡模块的无线传输单元发送的信息。
综上所述，本发明具有以下优点：
(1)系统采用模块化设计，系统器件少，拓扑结构简单；
(2)系统电量交换路径便捷，电量交换用时短，能量传递损耗少，从而能够实现对串联电池组的低功耗、高速率主动均衡管理；
(3)构成主动均衡模块的变换器单元、主动均衡控制单元、电池监测单元和无线传输单元能够方便地集成于同一芯片上；
(4)基于系统的模块化设计，使得串联电池组和串联电池组管理系统能够实现模块化管理和维护，也便于与接受模块外部的管理控制设备的分路控制；
(5)主动均衡模块与模块外部的管理控制设备之间的通信采用无线传输方式，与传统的有线传输方式相比，具有更高的可靠性、稳定性和传输效率。
本申请提供了一种串联电池管理装置，包括变换单元,与多节串联单体电池分别电连接，其中所述变换单元包括开关组件，配置为控制与多节单体电池对应多条回路的闭合状态；以及充放电兼变压组件，配置为工作在充电、放电或变压模式，以实现相邻和不相邻的单体电池之间的电量调配；所述电池管理装置还包括控制单元,与所述变换单元电连接，配置为对电池状态进行检测并上报，并控制所述开关组件的状态以及所述充放电兼变压组件的工作模式。
特别的，所述多节串联单体电池包括2n节单体电池，所述开关组件包括2n个开关，配置为分别控制与2n节单体电池相应的电池回路的闭合状态；以及所述充放电兼变压组件包括n个等效电感，所述n个等效电感中的任意两个电连接在彼此不相邻的所述电池回路中；其中n为大于等于2的整数。
特别的，所述2n个开关为2n个晶体管，每个所述晶体管的控制极都电连接到所述控制单元，每个所述晶体管的第一极电连接到相应的单体电池的正极，第二极电连接到所述单体电池的负极，第x个晶体管的第二极电连接到第x+1个晶体管的第一极；任一所述n个等效电感的第一端电连接到相邻两节单体电池的正负电极的相连节点，其第二端电连接在与该相邻两节单体电池相应的相邻两个晶体管的第一极和第二极的相连节点；其中x是大于等于1且小于等于2n的整数。
特别的，第y节电池与相邻的第y+1节电池发生电量均衡时，当第y个晶体管导通，且第y+1个晶体管断开时，第y节电池对应的回路导通，相应的等效电感处于被所述第y节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y个晶体管断开，且与第y+1个晶体管导通时，第y+1节电池对应的回路导通，该等效电感处于向所述第y+1节电池放电的模式以传输待均衡电量；或者，当第y节单体电池的电量低于第y+1节单体电池的电量时，当第y+1个晶体管导通，且第y个晶体管断开时，第y+1节电池对应的回路导通，该等效电感处于被所述第y+1节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y+1个晶体管断开，且与第y个晶体管导通时，第y节电池对应的回路导通，该等效电感处于向所述第y节电池放电的模式以传输待均衡电量；其中y为大于等于1且小于等于2n-1的整数。
特别的，第y节电池与不相邻的第z节电池发生电量均衡时，当第y晶体管导通，第y节电池对应的回路导通，相应的等效电感处于被所述第y节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y晶体管导通，且第z晶体管导通时，第y节电池和z节电池对应的回路导通时，两个回路中的等效电感在所述控制单元的控制下一起工作在变压模式以传输待均衡电量；其中z为大于等于1小于等于2n的整数，但是不等于y+1，也不等于y-1。
特别的，所述晶体管为功率晶体管。
本申请还提供了一种串联电池管理系统，包括m个串联电池管理装置，配置为相应的管理由n个串联的单体电池组成的m个串联电池组，其中每个所述串联电池管理装置包括，变换单元,与多节串联单体电池分别电连接，其中所述变换单元包括开关组件，配置为控制与多节单体电池对应多条回路的闭合状态；以及充放电兼变压组件，配置为工作在充电、放电或变压模式，以实现相邻和不相邻的单体电池之间的电量调配；所述电池管理装置还包括控制单元,与所述变换单元电连接，配置为对电池状态进行检测并上报，并控制所述开关组件的状态以及所述充放电兼变压组件的工作模式；其中m和n均为大于等于2的整数，第p个电池组的最后一节单体电池也是第p+1个电池组的第一节单体电池，其中p为大于等于1且小于等于m-1的整数。
特别的，所述多节单体电池包括2n节单体电池，相应的所述开关组件包括2n个开关，配置为分别控制与所述2n节单体电池相应的电池回路的闭合状态；以及所述充放电兼变压组件包括n个等效电感，所述n个等效电感中的任意两个电连接在彼此不相邻的所述电池回路中；其中n＝m*(2n-1)+1，n为大于等于2的整数。
特别的，所述2n个开关为2n个晶体管，每个所述晶体管的控制极都电连接到所述控制单元，每个所述晶体管的第一极电连接到相应的单体电池的正极，第二极电连接到所述单体电池的负极，第x个晶体管的第二极电连接到第x+1个晶体管的第一极；任一所述n个等效电感的第一端电连接到相邻两节单体电池的正负电极的相连节点，其第二端电连接在与该相邻两节单体电池相应的相邻两个晶体管的第一极和第二极的相连节点；其中x是大于等于1且小于等于2n的整数。
特别的，当在同一个电池组中的第y节单体电池与相邻的第y+1节单体电池发生电量均衡时，当第y个晶体管导通，且第y+1个晶体管断开时，第y节电池对应的回路导通，相应的等效电感处于被所述第y节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y个晶体管断开，且与第y+1个晶体管导通时，第y+1节电池对应的回路导通，该等效电感处于向所述第y+1节电池放电的模式以传输待均衡电量；或者，当第y节单体电池的电量低于第y+1节单体电池的电量时，当第y+1个晶体管导通，且第y个晶体管断开时，第y+1节电池对应的回路导通，该等效电感处于被所述第y+1节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y+1个晶体管断开，且与第y个晶体管导通时，第y节电池对应的回路导通，该等效电感处于向所述第y节电池放电的模式以传输待均衡电量；其中y大于等于1，且小于等于2n-1。
特别的，当在同一个电池组中的第y节单体电池与不相邻的第z节单体电池发生电量均衡时，当第y晶体管导通，第y节电池对应的回路导通，相应的等效电感处于被所述第y节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y晶体管断开，且第z晶体管导通时，与第y节电池和与第z节电池对应的回路导通时，这两个回路中的等效电感在所述控制模块的控制下一起工作在变压模式以传输待均衡电量；其中z为大于等于1小于等于2n的整数，但是不等于y+1，也不等于y-1。
特别的，当位于第a电池组中的第a节单体电池与位于第b电池组中的第b节单体电池发生电量均衡时，对所述第a组中的第a节电池充电以存储待均衡电量；将所述待均衡电量传输给所述第a组中的第2n节单体电池即第a+1组中的第1节单体电池，并利用相邻两个电池组共用第1节和第2n节单体电池的关系，将所述待均衡电量传输给第b-1组中的第2n节电池即第b组中第1节电池；将第b组中第1节电池中存储的所述待均衡电量传输给所述第b组的第b节单体电池；其中，所述a和b均为大于等于1小于等于m的彼此不相等的整数，a和b为大于等于1小于等于2n的整数。
特别的，所述晶体管为功率晶体管。
特别的，如果n-1无法被2n-1整除，则m为
特别的，如果n-1无法被2n-1整除，则m为
本申请还提供了一种用电设备，包括串联的单体电池，以及如权利要求7-15中所记载的电池管理系统。
本申请还提供了一种电池管理方法，由包括m个串联电池管理装置的电池管理系统相应的管理m个串联电池组，其中第p个电池组的最后一节单体电池也是第p+1个电池组的第一节单体电池，其中p为大于等于1且小于等于m-1的整数；每个所述电池管理装置配置为工作在充放电模式或变压模式中；所述方法包括在同一个电池组中，当一节单体电池与相邻单体电池发生电量均衡时，在所述充放电模式下，将待均衡电量在所述相邻两节单体电池之间传输；在同一个电池组中，当一节单体电池与不相邻单体电池发生电量均衡时，在所述充放电和变压模式下，将待均衡电量在所述不相邻两节单体电池之间传输。
特别的，所述方法还包括当位于第a电池组中的第a节单体电池与位于第b电池组中的第b节单体电池发生电量均衡时，在充放电模式下，对所述第a组中的第a节电池充电以存储待均衡电量；在充放电和变压模式下，将所述待均衡电量从所述第a组的第a节电池传输给所述第a组中的最后1节单体电池即第a+1组中的第1节单体电池，并利用相邻两个电池组共用第1节和最后1节单体电池的关系，在充放电和变压模式下将所述待均衡电量传输给第b-1组中的最后1节电池即第b组中第1节电池；在充放电和/或变压模式下将第b组中第1节电池中存储的所述待均衡电量传输给所述第b组的第b节单体电池；其中，所述a和b均为大于等于1小于等于m的彼此不相等的整数，a和b为大于等于1的整数。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
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