均衡串联的电能单位的制作方法

本发明涉及串联的电能单位之间的电荷均衡。更具体地说，本发明涉及均衡电池串、超级电容器串或等效电能单位串的装置和方法。

背景技术：

本发明所指的电能单位通常是可再充电的，并具有直流(DC)电压。同时电能单位还可以包括一个或多个子单位；子单位们可串联或并联或混联成电能单位。例如,电能单位可以是一个电池单体，或者是由多个电池单体串联或并联或联混组成的一个电池模块。

对串联的电能单位串进行重新充电需要向整串增加电荷；而均衡电能单位串需要在串中的一些电能单位之间进行电荷的再次分配，但不从外部对串添加任何电荷。“电荷均衡”这一技术术语有时也可被称为“电荷平均”或“电荷再分配”或简称为“均衡”。一个很好的例子是均衡电动汽车或混合动力汽车的锂离子电池串/电池组，因为电池单体的电压、荷电状态(SOC)、容量、内部阻抗等之间的不匹配程度会随着使用次数、温度和时间的增加而增加。电池均衡是电池管理系统(BMS)的关键功能之一。电池均衡器是能够执行电池均衡任务的专用设备。

均衡技术有两种基本类型，即耗散均衡和非耗散均衡。耗散均衡有时被称为被动均衡。耗散均衡不能在电能单位之间转移电荷、而只能把多余的电荷以不受欢迎的发热方式耗散掉，一般在对串重新充电时使用。非耗散均衡有时被称为主动均衡。由于本发明是基于变压器的一种新颖、高效、低成本的非耗散均衡技术，下面的讨论主要集中在几种基于变压器的非耗散均衡的现有技术方案上。

美国专利号8598844(Densham等人)公开了一种均衡多个电池单元的的方法、适于重新充电时采用，其中每个电池单体被耦合至变压器的多个次级绕组中的一个；但是当电池组正在放电时该方法不能均衡这些电池单体。美国专利号8310204(Lee等人)公开了一种通过反激变压器将一个电池单体与其余电池组均衡的方法；但是该方法既不允许将电荷从电池组转移到电池单体，也不允许将电荷从一个电池单体转移到其他一个或多个特定的电池单体。

美国专利号7400114(Anzawa等人)公开了一种通过一个共用的变压器来均衡电池串的方法，该变压器包含对应于多个电池单元的多对初级和次级绕组；所有的初级绕组同时被接通和断开，然后通过次级绕组对电压较低的一个或多个电池单元充电。然而，即使电压较高的单体被放电较多、而电压较低的单体被充更较多，但是因为每个单体都会先被放电后被充电，所以效率低。而且可观的电荷能量会通过所有的整流二极管、所有的绕组和其他零件以热的方式耗散掉。该方法也不允许将电荷从一个或多个特定的单体转移到一个或多个其它特定的单体。

美国专利号5821729(Schmidt等人)和美国专利号8269455(Marten)公开了类似的方法，每种方法都是通过使用一个共用的变压器来均衡电池串，该变压器包含对应于多个电池单体的多个绕组。通过全桥或半桥配置对每个绕组进行双向驱动。通过一种正激转换器的方式对所有的绕组同时通电，使电荷从具有较高电压的一个或多个单体转移到具有较低电压的一个或多个单体。这些方法不允许选择将电荷从一个或多个特定的单体转移到其他一个或多个特定的单体。电池单体之间的电压差可能是微不足道的(例如，一些锂离子电池的放电曲线的中间部分非常平坦，使得在电池单体之间产生足够的电压差变得不切实际)，因此这些方法对于大多数的实际应用是不切实际的。因为对多个已大致均衡的电能单位进行充电和/或放电时会产生各种不必要的能量损失，需要所有电能单位都参与的非耗散均衡是低效的。

因为易操作性和低成本性，串联的超级电容器(亦称为超电容器)最常用的均衡方法是使用泄放电阻器。美国专利号8198870(Zuercher)公开了这种方法；然而，该方法在本质上是被动/耗散均衡方法、不能将多余的电荷转移到需要的地方去。

技术实现要素：

[技术问题]

均衡电能单位串最有效的方式是同时并直接将电荷从任何一个或多个电能单位转移至另一个或多个电能单位，而不是通过整个串、或串的一个部分、或相邻的电能单位作为中介来转移。然而，没有一个现有的均衡技术方案能通过一个变压器、有选择性地同时将电荷从任何一个或多个电能单位转移至另一个或多个电能单位。

现有的非耗散/主动均衡方法不能有效、经济地均衡长串的电能单位，例如，电动汽车或混合动力汽车的电池组经常由100节或更多节的电池串联组成。通常情况下，一个长串被分成多个模块，然后每一个现有的均衡器只能均衡其中一个模块；但是这不能解决模块之间的任何电荷不均衡问题。

[问题的解决方案]

在本发明的一个实施例中，一种用于均衡由N个(其中N＞2)电能单位串联成一串的装置，该装置包括：一个变压器，该变压器包含一个磁芯和对应于N个电能单位的N个绕组；对应于N个电能单位的N个开关电路，每个开关电路包含多个电子开关，以将相应的电能单位以放电配置耦合至相应的绕组，或将相应的电能单位以充电配置耦合至相应的绕组，或将相应的电能单位以空载配置与相应的绕组断开；被分别耦合至N个开关电路的N个驱动电路，每个驱动电路可打开/关闭相应开关电路的电子开关；被耦合至N个驱动电路的控制器电路，可选择每个电能单位用于充电或用于放电或用于空载，可在第一个时间段控制所有被选择用于放电的电能单位以放电配置同时耦合至相应的绕组并同时通电，然后立即或在一个短暂的延迟之后，可在第二个时间段控制所有被选择用于充电的电能单位以充电配置同时耦合至相应的绕组并被充入相应的感应电流。

与所有现有技术相比，如上述实施例中所述，本发明的新颖性是基于以下各项的组合：基于一个变压器进行均衡；通过该变压器，可以选择性地将电荷从任何一个或多个电能单位转移至另一个或多个电能单位；能够在一个时间段同时对多个绕组(不是所有的N个绕组)进行通电，然后在另一个时间段通过另一个或多个绕组释放所储存的能量(这是一种新颖而独特的能带有多个初级绕组的反激转换器拓扑，而传统的反激转换器只有一个初级绕组)。

在本发明的另一个实施例中，一种用于均衡由N个(其中N＞2)电能单位串联成一串的装置，该装置包括：一个变压器，该变压器包含一个磁芯，和对应于N个电能单位的N个充电绕组和N个放电绕组；对应于N个电能单位的N个开关电路，每个开关电路包含多个电子开关，以将相应的电能单位以放电配置耦合至相应的放电绕组，或将相应的电能单位以充电配置耦合至相应的充电绕组，或将相应的电能单位以空载配置与相应的充电绕组和放电绕组断开；被分别耦合至N个开关电路的N个驱动电路，每个驱动电路可打开/关闭相应开关电路的电子开关；被耦合至N个驱动电路的控制器电路，可选择每个电能单位用于充电或用于放电或用于空载，可在第一个时间段控制所有被选择用于放电的电能单位以放电配置同时耦合至相应的放电绕组并同时通电，然后立即或在一个短暂的延迟之后，可在第二个时间段控制所有被选择用于充电的电能单位以充电配置同时耦合至相应的充电绕组并被充入相应的感应电流。

与所有现有技术相比，如上述实施例中所述，本发明的新颖性是基于以下各项的组合：基于一个变压器进行均衡；通过该变压器，可以选择性地将电荷从任何一个或多个电能单位转移至另一个或多个电能单位；能够在一个时间段同时对多个放电绕组(不是所有的N个放电绕组)进行通电，然后在另一个时间段通过一个或多个充电绕组释放所储存的能量(这是一种新颖而独特的能带有多个初级绕组的反激转换器拓扑，而传统的反激转换器只有一个初级绕组)。

基于本发明，发明人已成功开发出数个电池均衡器原型，实现了高均衡效率和低成本。同时已证实了本发明的所有主要特征都是功能齐全的，且商业化是实际可行的。

[本发明的优势]

本发明的优势之一是实现用于均衡一串电能单位的装置和相关方法，其中该装置可通过一个共用的变压器在串内同时并直接地将电荷在任何一个或多个电能单位和另一个或多个电能单位之间进行双向转移，从而大大缩短了均衡时间，减少了能量损失，进而大大提高了整体均衡效率和性能。

本发明的另一个优势是通过一个共用的变压器既能均衡短串的电能单位、也能均衡长串的电能单位，而不需要将长串拆分成多个模块、然后均衡每个模块。

本发明的另一个优势是通过使用一个共用的变压器、使用低电压和低成本的开关电路、使用低成本的开关驱动电路、和使用低功耗和低成本的控制器电路来以低成本构建这种均衡装置。

通过对下列附图的进一步审查，本发明的其他优势和益处将会一目了然。

附图说明

为了更全面地理解本发明，以下结合附图作进一步说明。

图1是根据本发明的第一实施例，阐释了一个能均衡N个串联的电能单位的装置的基本结构框图，其中N个电能单位被分别耦合至一个变压器的N个绕组。

图2是根据变压器的一个电磁特性，阐释了当同时通电的绕组数从1增加到2、然后到4时，相应的电流波形和估计的电流峰值也按比例发生变化。

图3是根据本发明的第一实施例，阐释了由该装置执行的逐步均衡过程。

图4是根据图1所示的本发明的第一个实施例，假定该串包含6个串联的电能单位，阐释了相应于驱动信号的充电、放电、空载的基准电流波形。

图5是与图4所示的基准电流波形相比，阐释了更真实的充电和放电的电流波形，假设电能单位4的输出电压高于电能单位1，并假设通过两个相应的二极管向电能单位3和5充入电流。

图6是与图4所示的基准电流波形相比，阐释了另一组更真实的充电和放电的电流波形，假设电能单位4的输出电压明显高于电能单位1。

图7是根据本发明的第一实施例，作为图1的局部视图，阐释了的开关电路的一个基本实施例。

图8是根据本发明的第一实施例，作为图1的局部视图，阐释了开关电路的一个详细的实施例。

图9是根据本发明的第一实施例，作为图1的局部视图，阐释了开关电路的另一个详细的实施例，该实施例带有伪同步整流器方案。

图10是根据本发明的第一实施例并结合图9，阐释了一些与实施伪同步整流器相关的驱动信号和电流波形。

图11是根据本发明的第一实施例，作为图1的局部视图，阐释了当其他电能单位正在放电或充电时、带有电流隔离的开关电路的另一个详细实施例。

图12是根据本发明的第二实施例，阐释了一个能均衡N个串联的电能单位的装置的基本结构框图，其中N个电能单位被分别耦合至一个变压器的N对绕组。

图13是根据本发明的第二实施例，作为图12的局部视图，阐释了开关电路的一个基本的实施例。

具体实施方式

在本发明的第一实施例中，如图1所示，用于均衡由N个(其中N>2)电能单位串联成一串190的装置100，该串190包含第一个电能单位191、第二个电能单位192、……和第N个电能单位193，该装置100包括：一个变压器110，该变压器110包含一个磁芯111和对应于N个电能单位的N个绕组，包括第一个绕组112、第二个绕组113、……和第N个绕组114；对应于N个电能单位的N个开关电路，包括第一个开关电路132、第二个开关电路134、……和第N个开关电路150，每个开关电路包含多个电子开关，以将相应的电能单位以放电配置耦合至相应的绕组，或将相应的电能单位以充电配置耦合至相应的绕组，或将相应的电能单位以空载配置与相应的绕组断开；被分别耦合至N个开关电路的N个驱动电路，包括第一个驱动电路131、第二个驱动电路133、……和第N个驱动电路140，每个驱动电路可打开/关闭相应开关电路的电子开关；以及耦合至N个驱动电路的控制器电路120，可选择每个电能单位用于充电或用于放电或用于空载，可在第一个时间段(可调节)控制所有被选择用于放电的电能单位以放电配置同时耦合至相应的绕组并同时通电，然后立即或在一个短暂的延迟(可调节)之后，可在第二个时间段(可调节)控制所有被选择用于充电的电能单位以充电配置同时耦合至相应的绕组并被充入相应的感应电流。

如果一个电能单位被选择用于放电，该电能单位的放电是通过被耦合至相应的绕组并对相应的绕组通电来完成；如果该电能单位被选择用于充电，该电能单位就被耦合至相应的绕组并被相应绕组的感应电流所充电；如果该电能单位被选择用于空载，该电能单位在下一次选择之前既不放电也不充电、并保持与相应绕组分离。空载是每个电能单位在没有正在均衡时或当相应驱动电路断电时的默认状态。电荷可在串190内的任何一个或多个电能单位与另一个或多个电能单位之间进行双向转移。例如，电荷可以从一个或多个具有较高电压的电能单位被转移到另一个或多个具有较低电压的电能单位；或者电荷也可以从一个或多个具有较高荷电状态的电能单位转移到另一个或多个具有较低荷电状态的电能单位。因为较高的荷电状态不一定与较高的电压相关，有时候电荷也可以从一个或多个具有较低电压但较高荷电状态的电能单位转移到另一个或多个具有更高电压但较低荷电状态的电能单位。

仍然参照第一个实施例，这种通过对一个或多个绕组同时进行通电、然后储存的能量(作为磁芯111中的磁通)通过另一个或多个绕组以感应电流被释放的方式在某种程度上类似于反激转换器的工作机制。请注意，即使到目前为止，每个电池均衡器样机的工作方式在某种程度上类似于反激转换器在非连续电流模式下的工作方式(即存储能量时，激励电流从零增加到峰值；然后在释放存储的能量时，感应电流从峰值减小到零)，用适当的传感器和闭环控制并伴随着大幅增加的复杂性和成本，基于本发明也可以建造一个在某种程度上类似于工作在连续电流模式下的反激式转换器(即存储能量时，激励电流从非零值增加到峰值；然后在释放存储的能量时，感应电流从峰值减小到非零值)的均衡装置。

与所有现有技术相比，如第一个实施例中所述，本发明的新颖性是基于以下各项的组合：基于一个变压器进行均衡；通过该变压器，可以选择性地将电荷从任何一个或多个电能单位转移至另一个或多个电能单位；能够在一个时间段同时对多个绕组(不是所有的N个绕组)进行通电，然后在另一个时间段通过另一个或多个绕组释放所储存的能量(这是一种新颖而独特的能带有多个初级绕组的反激转换器拓扑，而传统的反激转换器只有一个初级绕组)。

以下揭秘对多个变压器绕组同时通电是如何真正工作的。在实际应用中，一个变压器包含多个初级绕组、且同时对所有的初级绕组进行通电是非常罕见的。而传统的变压器理论可能将该功能误解为并联负载(或累加或数倍负载)。事实上，该功能是基于变压器的一个特殊的电磁特性，且该特性是在电池均衡器原型的开发和测试期间发现的。基于如图1所示的本发明的第一个实施例，这个变压器的特殊的电磁特性可阐述如下：假设每个绕组都有相同的匝数、每个电能单位的标称电压为V_CELL、每个绕组的自电感是L、被选择用于放电的电能单位的数量为X，当对X个相应绕组同时通电时，每个通电绕组的有效自电感并未保持在L、而是增加到XL。例如，如果X为2，那么每个通电绕组的有效自电感变为2L；如果X为15，那么每个通电绕组的有效自电感变为15L；以此类推。因此，如果X个相应绕组被通电一段时间T，在磁芯111饱和之前，每个绕组的相应峰值电流I_PEAK可以由以下公式1来表示：

如图2所示，由于这个变压器的特殊的电磁特性，当X从1增加到2、然后增加到4时，峰值电流I_PEAK将成比例地减小。当只对1个绕组通电一段时间T，磁芯111中所存储的能量E₁可以由以下公式2表示：

当对2个绕组同时通电一段时间T，磁芯111中所存储的总能量E₂并没有基于并联负载而翻倍、而是维持在E₁，这确实令人惊讶，如以下公式3所示：

总体来说，当对X个绕组同时通电一段时间T，磁芯111中所存储的总能量E_X并没有基于并联负载而翻X倍、而是维持在E₁，如以下公式4所示：

能够比较精确地估算当对多个绕组同时通电时的峰值电流对本发明来说是至关重要的，因为这能够保证对在均衡期间转移的能量进行比较精确的估算。

如果I_PEAK是由均衡装置的特定设计所预先确定的，T可以通过下面的公式5(从公式1推导出的)来计算：

参照本发明的第一个实施例，假设装置100的工作方式在某种程度上类似于反激转换器在不连续电流模式下的工作方式，基于上述公式5，可以估算第一个时间段和第二个时间段。例如，假设I_PEAK被设计为2安培、L为5微亨、V_CELL为3.3伏，并且假设磁芯111不饱和，当X＝1时，第一个时间段和第二个时间段都大约为3微秒；当X＝10时，第一个时间段和第二个时间段都增加到大约30微秒；当X＝50时，第一个时间段和第二个时间段都增加到大约150微秒；以此类推。请注意当T增加时，相应驱动电路的驱动信号频率按比例减少，这有利地降低开关损耗、降低磁芯热损失、减少电磁干扰(EMI)以及降低存储在绕组漏电感中的能量所占的百分比。

在一个实施例中，每个电能单位都可以从以下单位中选择，包括：电池单体；超级电容器单体；由多个电池单体串联或并联或混联而成的电池模块；由多个超级电容器单体串联或并联或混联而成的超级电容器模块；其他形式的电能单体；由多个其他形式的电能单体串联或并联或混联而成的电能模块。

在另一个实施例中，对于所有的N个电能单位来说，电能单位的额定电压与相应绕组的匝数的比率是相同的。在一个实施例中，所选的所有N个电能单位最好在标称上是相同或等效的，例如，相同的标称电压、相同的标称容量等等。

在一个实施例中，每个开关电路的每个电子开关是一个晶体管(如场效应晶体管(FET)、或双极结型晶体管(BJT)、或其它等效晶体管)或一个二极管或一个等效器件。

图3阐释了可由装置100执行的一个逐步的均衡过程200。均衡过程200起始于步骤202。接下来是步骤204，控制器电路120从N个电能单位中选择M个单位用于放电，其中1≤M<N；从剩余的(N-M)个电能单位中选择K个单位用于充电，其中1≤K≤(N-M)；如果(N-M-K)≥1，控制器电路120选择所有剩余的(N-M-K)个电能单位用于空载。然后是步骤206，为了对M个被选择用于放电的电能单位进行放电，控制器电路120可在一个时间段控制M个相应的驱动电路同时以放电配置接通M个相应的开关电路，使得M个相应的绕组被耦合至M个被选择用于放电的电能单位并同时被通电。然后是步骤208，立即或在短暂延迟之后，为了对K个被选择用于充电的电能单位进行充电，控制器电路120可在另一个时间段控制K个相应的驱动电路同时以充电配置接通K个相应的开关电路，使得K个被选择用于充电的电能单位被耦合至K个相应的绕组以被充入相应的感应电流。接着是步骤210，如果需要将更多的电荷从M个被选择用于放电的电能单位转移到K个被选择用于充电的电能单位，控制器电路120可将均衡过程200返回到步骤206以重复上述的先放电后充电的循环(循环可持续一定的时间(可调)或一定的次数(可调))；否则，均衡过程200终止于步骤212。

在一个实施例中，执行一个或多个均衡过程，直到控制器电路120或外部控制器电路(被设计与控制器电路120进行通信)确定已经实现了均衡目标。如果使用外部控制器电路，该外部控制器电路可指示控制器电路120选择每一个电能单位用于充电或用于放电或用于空载，和/或执行一定的时间的均衡过程。在另一个实施例中，均衡目标可以从以下一个或多个目标中选择，包括：N个电能单位之间电压的近似均衡；N个电能单位之间荷电状态的近似均衡；N个电能单位之间某一所选参数的近似均衡。

在另一个实施例中，在每个均衡过程结束时，控制器电路120可估算每个被选择用于放电的电能单位的放电能量(如以瓦特小时或焦耳计)和/或容量(如以安培小时或库仑计)，并估算每个被选择用于充电的电能单位的充电能量和/或容量。如果只有外部控制器电路可以直接读取适当的传感器，该外部控制器电路可向控制器电路120周期性地发送实时的测量数据，例如，电压、荷电状态、电流、内部阻抗和/或温度，以协助估算有关电能单位的充电或放电能量或容量。并且如果该外部控制器电路检测到任何故障状态，其可通过通信接口、和/或通过一个或多个输入/输出(I/O)线、和/或通过一些其它适当的设备来命令控制器电路120立即终止正在进行中的均衡过程。

在一个实施例中，为了减少开关噪声，串190中的每个电能单位最好都能与一个或多个旁路电容器并联耦合；为了抑制电压瞬变，串190中的每个电能单位都最好能与一个或多个瞬态电压抑制器(如齐纳二极管，和/或变阻器；和/或其他等效器件)并联耦合，。

基于图1所示的本发明的第一实施例，图4阐释了在均衡过程中对应于驱动信号的基准电流波形。本案例假设串190包含6个相同的直流电能单位，并假设控制器电路120选择电能单位1和4用于放电、选择电能单位3和5用于充电、选择剩余的电能单位2和6用于空载。本案例还假设控制器电路120通过占空比为50％的驱动信号来控制均衡，以对相应的电能单位进行对称的放电和充电。电能单位1和4在相应的绕组中产生用于放电的正电流；电能单位3和5从用于充电的各个绕组接收负感应电流；而电能单位2和6没有任何电荷转移，因此相应的电流波形没有电流显示。

然而，在实际应用中，每个电能单位的输出电压会不同；每个电能单位的内部阻抗也会不同；二极管经常被用来把正在被充电的电能单位从相应的绕组隔离开；而且每个绕组通常都带有一些漏电感；如此等等。

除了阐释在两个实际应用情形中、电流波形是如何从基准形状转变成更实际的形状以外，图5与图4基本相同。第一种情形假定电能单位4的输出电压略高于电能单位1，这种细微的差别会导致电能单位4的励磁电流(虚斜线)比基准电流(实斜线)的上升速度快，并使电能单位1的励磁电流(虚斜线)比基准电流(实斜线)的上升速度慢。励磁电流的差异会在所有被选择用于放电的电能单位之间产生小幅度的自均衡。

第二种情形假定用二极管来把正在被充电的电能单位从相应的绕组隔离开，这导致电能单位3和5的充电电流从基准电流(实斜线)减小到更实际的电流(虚斜线)。当被选择用于充电的电能单位之间的输出电压和/或内部阻抗有差异时，虽然未做附图阐释，根据经验法则，输出电压越低、或者内部阻抗越小，电能单位将接收越大的充电电流。感应电流的差异会在所有被选择用于充电的电能单位之间产生小幅度的自均衡。

除了阐释第三个实际应用情形以外，图6与图4基本相同。这个情形假设电能单位4的输出电压明显高于电能单位1，该显著差异导致电能单位1的部分电流在为正数(用于放电)以前部分变为负数(这意味着电流在开始部分对电能单位1先充电)，也使电能单位4的放电电流成比例地跳变(从实斜线到虚斜线)。

图6中所示的第三个实际应用情形中的部分负充电电流在某种程度上类似于正激转换器的工作原理。消除这种正激转换器效应的其中一种方法是将双极结晶体管用作放电配置中的一个电子开关，因为NPN型双极结晶体管的电流不能从发射极流到集电极，或者PNP型双极结晶体管的电流不能从集电极流到发射极。尽管如此，在实际应用当中，只要放电的电能单位之间的电压差不明显，均衡装置100的工作原理在某种程度上仍然类似于反激转换器。

作为图1的局部视图，图7阐释了开关电路150的一个实施例，其中开关电路150包括电子开关151A、152A、153A和154A。当驱动电路140仅打开电子开关151A和152A而形成放电配置时，电能单位193被耦合至绕组114并进行通电。当驱动电路140仅打开电子开关153A和154A而形成充电配置时，电能单位193被耦合至绕组114以充入感应电流。否则，当4个电子开关中的至少3个被驱动电路140关闭时将形成空载配置，电能单位193与绕组114断开并保持空载状态。应注意的是，充电配置或放电配置的指定是人为判定且相对的：例如，作为一个变通方案，也可打开电子开关153A和154A以形成放电配置，而打开电子开关151A和152A以形成充电配置。

作为图1的局部视图，图8阐述了一个开关电路150更详细的实施例，其中开关电路150包括：第一个场效应晶体管151B；第二个场效应晶体管152B，当相应的驱动电路140仅打开第一个场效应晶体管151B和第二个场效应晶体管152B时会形成放电配置，从而将相应的绕组114耦合至相应的电能单位193以被通电；第三个场效应晶体管153B，当相应的驱动电路140关闭第一个场效应晶体管151B、第二个场效应晶体管152B和第三个场效应晶体管153B时会形成空载配置，从而将相应的电能单位193与相应的绕组114断开以导致相应的电能单位193空载；一个二极管154B，当相应的驱动电路140仅打开第三个场效应晶体管153B时会与这个二极管154B形成一起充电配置，从而将相应的电能单位193耦合至相应的绕组114以充入感应电流。请注意：其他类型的晶体管可用于开关电路的各种替代实施例中。

为了提高充电效率，二极管154B最好是正向电压比常规二极管低的肖特基二极管。此外，本实施例的一个好处是：当电能单位193的放电周期结束时，在绕组114漏电感中存储的能量可通过从场效晶体管153B的体二极管流向二极管154B这一条电流路径被部分回收至电能单位193中。还应该注意的是：场效晶体管153B(和相应的栅极驱动器)和二极管154B的位置可交换而不会影响等效充电配置的形成。

为了进一步提高充电效率，作为图1的局部视图，图9阐释了一种用伪同步整流器方案改进开关电路150的的实施例，其中开关电路150包括：第一个场效应晶体管151C；第二个场效应晶体管152C，当相应的驱动电路140仅打开第一个场效应晶体管151C和第二个场效应晶体管152C时会形成放电配置，从而将相应的绕组114耦合至相应的电能单位193以被通电；第三个场效应晶体管153C；第四个场效应晶体管154C，当相应的驱动电路140关闭第一个场效应晶体管151C、第二个场效应晶体管152C、第三个场效应晶体管153C和第四个场效应晶体管154C时会形成空载配置，从而将相应的电能单位193与相应的绕组114断开以导致相应的电能单位193空载；第四个场效应晶体管154C仅在第二个时间段中的部分时间内被来自相应的驱动电路140的伪同步整流器驱动信号所打开；当相应的驱动电路140仅打开第三个场效应晶体管153C时会与部分打开的第四个场效应晶体管154C一起形成充电配置，从而将相应的电能单位193耦合至相应的绕组114以充入感应电流；可选的第一个肖特基二极管155C，与第三个场效应晶体管153C的体二极管并联耦合以回收更多存储在相应绕组114漏电感中的能量；可选的第二个肖特基二极管156C，与第四个场效应晶体管154C的体二极管并联耦合以提高均衡效率。

图10阐释了与实施伪同步整流器相关的3个波形：用于总体均衡的驱动信号、伪同步整流器驱动信号、第N个电能单位193的电流波形。请参考图9和图10，伪同步整流器的运行方式如下：当接通场效晶体管153C以对电能单位193进行充电时，场效应晶体管154C也在充电期间(即第二个时间段)的某部分时间(最好靠前，并有一小段空挡时间)被打开；假设场效应晶体管154C在充电周期的前半部被打开，正如电流波形所示的较高的充电电流，在此期间可以回收更大的充电电流。应该注意的是：电流越高,二极管上的正向压降越高，因此在实践中，即使用50％的伪同步整流器也可以减少超过60％的在场效晶体管154C的体二极管上或在肖特基二极管156C上浪费的能量。本实施例是一种通过简单的开环控制来实现比较有效的同步整流器的低成本方案。

请参考图8和图1，如果串190内的任何两个电能单位之间的最大电压差超过两个二极管的联合正向压降，为了防止任何电能单位被意外充电，电流隔离可能是必要的。作为图1的局部视图，图11阐释了当其他电能单位正在放电或充电时，带有电流隔离的开关电路150的另一个详细实施例。具体是，开关电路150包括N沟道场效应晶体管151D、152D、153D、155D和156D，以及二极管154D。场效应晶体管152D和156D组成一对带有共同栅极节点、共同源极节点和2个相反体二极管的场效应晶体管；如果场效应晶体管152D和156D都被关闭，没有电流可以通过它们的体二极管，从而在其他电能单位正在放电时实现电流隔离。场效应晶体管153D和155D组成另一对带有共同栅极节点、共同源极节点和2个相反体二极管的场效应晶体管；如果场效应晶体管153D和155D都被关闭，没有电流可以通过它们的体二极管，从而在其他电能单位正在充电时实现电流隔离。当驱动电路140仅打开场效应晶体管151D、152D和156D以形成放电配置时，电能单位193被耦合至绕组114并通电。当驱动电路140仅打开场效应晶体管153D和155D、并与二极管154D一起形成充电配置时，电能单位193被耦合至绕组114并被充入感应电流。否则，当驱动电路140关闭所有的场效应晶体管151D、152D、153D、155D和156D以形成空载配置时，电能单位193与绕组114断开、并在带有电流隔离保护下保持空载。

在充电过程中可以选择是否添加场效应晶体管155D以达到电流隔离的目的，这对于某些应用可能不太重要。在没有场效应晶体管155D的情况下，电能单位193的放电时段(即第一个时间段)一结束，在绕组114漏电感中存储的能量可通过这条从场效晶体管153D的体二极管流向二极管154D的电流路径来部分回收至电能单位193中。还应该注意的是：为了实现电流隔离，除了在一对场效应晶体管之间共享栅极节点和源极节点之外，一个替代方案是在一对场效应晶体管之间共享栅极节点和漏极节点。另一个替代方案是当任何其他电能单位正在放电时，用一个双极结型晶体管取代这对场效应晶体管152D和156D，因为电流不能从NPN型双极结型晶体管的发射极流至集电极，也不能从PNP型双极结型晶体管的集电极流至发射极。

参考图1，可能有许多可行的驱动电路设计方案。在一个实施例中，每个驱动电路包括：多个场效应晶体管的栅极驱动器；一个或多个电平转换器(例如，数字隔离器、光电隔离器、脉冲变压器、或任何其他类型的电平转换器)；一个充电/放电/空载选择电路；可选的过电流保护电路，该过流保护电路至少包含一个电流传感器。对于顶部的电能单位193，其相应的驱动电路140可能包含由电压倍增器电路或其它等效电路(例如升压转换器)产生的一个或多个专用电源。否则，对于顶部下方的任何一个电能单位，相应的驱动电路可能包含由耦合至一些其上部和/或其下部的电能单位而产生的电源。请注意，充电/放电/空载选择电路不仅可以在驱动电路中实施，也可以有多种在控制器电路120中实施的替代方案。

有许多可行的控制器电路的设计方案。在一个实施例中，控制器电路120包括：一个微控制器或微处理器，该微控制器或微处理器包含内存、输入/输出、通信端口和固件，可与一个或多个外部控制器电路进行通信；一个内部通信接口，可被微控制器或微处理器用来与所有的驱动电路进行通信和控制；一个或多个电源，至少包含一个用于过电压保护的瞬态电压抑制器；一个或多个可选的隔离器，被用于与外部通信；可选的温度传感器，被用于测量本装置100某处的温度。通信端口可以包括串行外设接口(SPI)、和/或集成电路间总线(IIC)、和/或RS232、和/或控制器局域网总线(CAN)。内部通信接口可以和多个菊花链移位寄存器或其他一些串行接口一样简单。电源可能来自外部电源，或直接从串190中的一些底部电能单位导出。

在一个实施例中，变压器110用以下一种或多种方式构建：磁芯111适于环形形状(使得所有N个绕组可以具有基本匹配的电磁特性)，最好有圆形横截面；所有的N个绕组都适于在一个相同的方向上被缠绕；所有N个绕组都具有相同的匝数；每个绕组可覆盖在整个磁芯111上；所有N个绕组都可以以交织模式围绕磁芯111进行缠绕，最好没有任何重叠。

在另一个实施例中，为了减小N个绕组的漏电感从而提高均衡效率和降低电磁干扰，装置100还包括：由一种或多种有色金属(如铜、铝、合金或其它类似材料)制成的屏蔽套，除了N个绕组的所有引线外，所有N个绕组都被包裹在该屏蔽套和磁芯111之间，并且该屏蔽套不在磁芯111的磁通路径周围环绕形成短路。在一个实施例中，可以使用铜制或铝制的箔或带或其它类似材料构建屏蔽套。在另一个实施例中，也可以使用一些能屏蔽电磁干扰的油漆或涂料构建屏蔽套。

仍然参考图1，在一个实施例中，变压器110还可包含一个附加绕组，该附加绕组可通过特定的开关电路和特定的驱动电路耦合至整个线串190的两端，从而使得该装置100能够在一个或多个电能单位和整个串190之间进行双向电荷转移。但是构建此类均衡装置的成本可能会大幅提高。

通过将装置100的一部分与该部分的一个或多个复制品进行并联耦合来进一步提高均衡功率的可行方法有很多。仍然参考图1，在一个实施例中，为了进一步缩短均衡时间、提高装置100的均衡功率，装置100还可包括一个或多个变压器110的复制品，并且每个变压器复制品的每个绕组与变压器100的相应绕组进行并联耦合。在另一个实施例中，装置100的一个或多个复制品可与串190并联耦合，所有的装置都可以在均衡过程中均匀地相移、从而最大限度地减少充放电瞬变，并且每个设备最好包含一个同步输入以协助同步均衡。

在本发明的第二实施例中，如图12所示，用于均衡由N个(其中N>2)电能单位串联成一串390的装置300，该串390包括第一个电能单位391、第二个电能单位392、......和第N个电能单位393，该装置300包括：一个变压器310，该变压器310包含一个磁芯311和对应于N个电能单位的N个充电绕组，包括第一个充电绕组313、第二个充电绕组315、......和第N个充电绕组317，及对应于N个电能单位的N个放电绕组，包括第一个放电绕组312、第二个放电绕组314、......和第N个放电绕组316；对应于N个电能单位的N个开关电路，包括第一个开关电路332、第二个开关电路334、......和第N个开关电路350，每个开关电路包含多个电子开关，以将相应的电能单位以放电配置耦合至相应的放电绕组，或将相应的电能单位以充电配置耦合至相应的充电绕组，或将相应的电能单位以空载配置与相应的充电绕组和放电绕组断开；被分别耦合至N个开关电路的N个驱动电路，包括第一个驱动电路331、第二个驱动电路333、......和第N个驱动电路340，每个驱动电路可打开/关闭相应开关电路的电子开关；以及耦合至N个驱动电路的控制器电路320，可选择每个电能单位用于充电或用于放电或用于空载，可在第一个时间段(可调节)控制所有被选择用于放电的电能单位以放电配置同时耦合至相应的放电绕组并同时通电，然后立即或在一个短暂的延迟(可调节)之后，可在第二个时间段(可调节)控制所有被选择用于充电的电能单位以充电配置同时耦合至相应的充电绕组并被充入相应的感应电流。

与所有现有技术相比，如第二个实施例中所述，本发明的新颖性是基于以下各项的组合：基于一个变压器进行均衡；通过该变压器，可以选择性地将电荷从任何一个或多个电能单位转移至另一个或多个电能单位；能够在一个时间段同时对多个放电绕组(不是所有的N个放电绕组)进行通电，然后在另一个时间段通过一个或多个充电绕组释放所储存的能量(这是一种新颖而独特的能带有多个初级绕组的反激转换器拓扑，而传统的反激转换器只有一个初级绕组)。

指定一个绕组作为充电绕组或作为放电绕组是任意的和相对的。每个充电绕组的一个终端最好能被耦合至相应放电绕组的一个相反极性的终端。电荷可在串390内的任何一个或多个电能单位与另一个或多个电能单位之间进行双向转移。在一个实施例中，每个电能单位的额定电压与相应放电绕组的匝数的比率在整个串390内本质上是相同的。在另一个实施例中，变压器310的每一个放电绕组的匝数最好设计为相同。在另一个实施例中，变压器310的每一个充电绕组的匝数最好设计为相同。在另一个实施例中，所有N个电能单位最好在标称上是相同的或等效的。在多种多样实施例中，每个电能单位的每对充电绕组和放电绕组可独立缠绕(未图示)或共享一个中心抽头(如图12中所示)。

为了启动一个可由装置300执行的均衡过程，控制器电路320在N个电能单位中选择M个单位用于放电，其中1≤M<N；在剩余的(N–M)个电能单位中，选择K个单位用于充电，其中1≤K≤(N–M)；如果(N–M–K)≥1，选择所有剩余的(N–M-K)个电能单位用于空载；为了对M个被选择用于放电的电能单位进行放电，控制器电路320可在一个时间段控制M个相应的驱动电路同时以放电配置接通M个相应的开关电路，使得M个相应的放电绕组被耦合至M个被选择用于放电的电能单位并同时被通电；然后立即或在短暂延迟之后，为了对K个被选择用于充电的电能单位进行充电，控制器电路320可在另一个时间段控制K个相应的驱动电路同时以充电配置接通K个相应的开关电路，使得K个被选择用于充电的电能单位被耦合至K个相应的充电绕组以被充入相应的感应电流；如果需要从M个被选择用于放电的电能单位向K个被选择用于充电的电能单位转移更多的电荷，控制器电路320可重复上述先放电后充电的循环。

执行一个或多个上述均衡过程，直至操作控制器电路320或外部控制器电路(被设计与控制器电路320进行通信)确定已经实现了均衡目标。

仍然参考图12，每个开关电路的每个电子开关可以是一个晶体管或一个二极管或一个等效器件。有许多可行的开关电路设计方案。作为图12的局部视图，图13阐释了开关电路350的一个实施例，其中开关电路350包括：第一个电子开关351A，当相应的驱动电路340仅打开第一个电子开关351A时会形成放电配置，从而将相应的放电绕组316耦合至相应的电能单位393以被通电；和第二个电子开关352A，当相应的驱动电路340仅打开第二个电子开关352A时会形成充电配置，从而将相应的电能单位393耦合至相应的充电绕组317以充入感应电流；当相应的驱动电路340关闭第一个电子开关351A和第二个电子开关352A时会形成空载配置，从而将相应的电能单位393与相应的放电绕组316和相应的充电绕组317断开以导致相应的电能单位393空载。

在本发明的第三个实施例中，用于均衡由N个(其中N＞2)电能单位串联成一串的装置的制造方法，该方法包括：构建一个变压器，该变压器包含一个磁芯和对应于N个电能单位的N个绕组；构建对应于N个电能单位的N个开关电路，每个开关电路包含多个电子开关，以将相应的电能单位以放电配置耦合至相应的绕组，或将相应的电能单位以充电配置耦合至相应的绕组，或将相应的电能单位以空载配置与相应的绕组断开；构建被分别耦合至N个开关电路的N个驱动电路，每个驱动电路可打开/关闭相应开关电路的电子开关；构建被耦合至N个驱动电路的控制器电路，可选择每个电能单位用于充电或用于放电或用于空载，可在第一个时间段控制所有被选择用于放电的电能单位以放电配置同时耦合至相应的绕组并同时通电，然后立即或在一个短暂的延迟之后，可在第二个时间段控制所有被选择用于充电的电能单位以充电配置同时耦合至相应的绕组并被充入相应的感应电流。

鉴于以上，本发明的工业适用性很广，可提供一种均衡串联电能单位(基于一个共用的变压器)的高效、低成本的装置和有关方法。该装置不仅可以均衡短串的电能单位，也可以均衡100个以上电能单位串联而成的长串。该装置商业应用广泛，包括电池电动工具、不间断电源(UPS)、各种类型的混合动力车辆和纯电动车辆、太阳能和风能的能量存储等等。

尽管前述发明展现了本发明的一些图示性和描述性的实施例，对于任何与本发明相关技术领域中的具有普通技能的人来说，显然在不偏离下列权利要求中所定义的本发明的范围或精神的前提下，可以进行多种多样的变动、修改、替换和组合。