使用lc谐振的电池单体平衡系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种使用LC谐振的电池单体平衡系统和方法。本发明包括：驱动单元，所述驱动单元包括串联连接的一个或多个电池单体、用于执行谐振操作的谐振模块以及被提供以便允许存储在所述谐振模块中的电荷被转移到所述一个或多个电池单体中的每一个的开关单元；以及控制单元，所述控制单元用于根据所述一个或多个电池单体中的每一个的电压状态来测量所述谐振模块的谐振周期，并且通过根据所测量的谐振周期来控制所述开关单元的接通/断开操作而将在所述谐振模块中充电的电荷转移到所述一个或多个电池单体中的每一个。
【专利说明】
使用LC谐振的电池单体平衡系统和方法
技术领域
[0001 ] 本申请要求于2014年10月8日在KIPO提交的韩国专利申请N0.10-2014-0135548的优先权，其公开内容通过引用被整体地并入本文中。
[0002]本发明涉及一种使用LC谐振的电池单体平衡系统和方法，并且更具体地，涉及一种这样的使用LC谐振的电池单体平衡系统和方法，S卩，其使用LC谐振在一个或多个电池单体之间转移电荷以维持能量平衡并且在驱动波形被产生时测量LC谐振周期以即使当在电感器或电容器中存在偏差时也保持能量平衡，并且具体地，执行零电压开关操作以使电路的功率损失最小化。
【背景技术】
[0003]通常，当单体(电池单体)的两端之间的电压超过预定值时，存在爆炸的风险并且当电压下降至预定值以下时，可能在电池单体中导致损坏。具体地，因为混合动力车辆或笔记本计算机要求相对大量的电力供应，所以当使用电池单体来供应电力时，需要为此使用电池单体串联连接的电池模块(电池组)。然而，当使用这样的电池模块时，可能由于个别电池单体的性能偏差而导致电压的不平衡。
[0004]另外，当电池模块被充电时，如果电池模块中的一个电池单体早于其它电池单体达到上限电压，则不再对该电池模块进行充电。因此，充电是在其它电池单体未被充分地充电的状态下完成的。在这种情况下，电池模块的充电容量未达到额定充电容量。
[0005]同时，当电池模块被放电时，如果电池模块中的一个电池单体早于其它电池单体达到下限电压，则不再能够使用该电池模块。因此，电池模块的使用时间相应地缩短。
[0006]另外，在使用锂离子电池组的车辆的电机的负载中要求的电压是高的(高达400V)，使得多个电池单体(90至100个)串联连接以获得高电压。在这种情况下，因为在多个电池单体的生产偏差或操作温度偏差方面存在差异，所以可能导致单体之间的电压的不平衡并因此可用容量和电力可能减小，以及可以使电池单体的老化加速。
【发明内容】
[0007]技术问题
[0008]已经努力做出本发明来提供这样的使用LC谐振的电池单体平衡系统和方法，SP，其使用LC谐振在一个或多个电池单体之间转移电荷以保持能量平衡并且在驱动波形被产生时测量LC谐振周期以即使当在电感器或电容器中存在偏差时也保持能量平衡，并且具体地，执行零电压开关操作以使电路的功率损失最小化。
[0009]技术方案
[0010]本发明的示例性实施例提供使用LC谐振的电池单体平衡系统，所述系统包括:驱动单元，所述驱动单元包括串联连接的一个或多个电池单体、执行谐振操作的谐振模块以及将存储在谐振模块中的电荷转移到一个或多个电池单体的开关单元；以及控制单元，所述控制单元依照一个或多个电池单体中的每一个的电压状态来测量谐振模块的谐振周期，并且依照所测量的谐振周期来控制开关单元被接通或者断开以将在谐振模块中充电的电荷转移到一个或多个电池单体。
[0011 ]根据本示例性实施方式，开关单元可以包括:第一开关，所述第一开关包括连接在一个或多个电池单体的每个端子与第一公共节点之间的一个或多个开关;第二开关，所述第二开关包括连接在一个或多个电池单体的每个端子与第二公共节点之间的一个或多个开关；以及转换开关，所述转换开关连接在第一公共节点与第二公共节点之间。
[0012]根据本示例性实施例，第一开关、第二开关以及转换开关可以由单刀单掷(SPST)开关加以配置。
[0013]根据本示例性实施例，第一开关、第二开关以及转换开关中的每一个可以由一对MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)加以配置。
[0014]根据本示例性实施例，当在谐振模块中的电容器处于释放模式的状态下，剩余电荷保持在电容器中时，控制单元可以使转换开关接通以形成LC谐振电路并且使谐振模块的电压极性反转。
[0015]根据本示例性实施例，控制单元可以执行在与谐振模块的半个周期对应的时间处控制开关单元的接通/断开操作的零电流开关操作。
[0016]根据本示例性实施例，位于第一公共节点的最后端处的第一开关以及转换开关可以被施加有由单独的自举电路所产生的驱动电压，并且除位于第一公共节点的最后端处的第一开关以及转换开关以外的剩余开关可以被施加有来自相邻电池单体的驱动电压。
[0017]根据本示例性实施例，控制单元可以包括:电压测量单元，所述电压测量单元测量一个或多个电池单体的电压；峰值检测单元，所述峰值检测单元根据被包括在谐振模块中的谐振电容器的电压波形峰值来检测谐振周期；中央控制单元，所述中央控制单元从电压测量单元和峰值检测单元接收电压测量结果和谐振周期检测结果并且然后确定是源模块(source module)还是汇点模块(sink module);以及开关信号产生单元，所述开关信号产生单元依照确定结果产生用于使开关单元接通或者断开的信号并且将该信号输出到驱动单元。
[0018]根据本示例性实施例，控制单元可以基于电荷被从一对电池单体转移到另一对电池单体的双电荷转移模式以及电荷被从一个电池单体转移到另一电池单体的单电荷转移模式来将在谐振模块中充电的电荷转移到一个或多个电池单体。
[0019]根据本示例性实施例，在双电荷转移模式下，控制单元可以连接第一源单体(source cel I)和谐振模块以在正方向上对谐振模块进行充电并且连接谐振模块和第一汇点单体(sink cell)以在正方向上对谐振模块进行放电，并且控制单元可以连接第二源单体和谐振模块以在负方向上对谐振模块进行充电并且连接谐振模块和第二汇点单体以在正方向上对谐振模块进行放电，从而防止谐振模块的电压值收敛于电池单体的电压值。
[0020]根据本示例性实施例，在单电荷转移模式下，控制单元连接第一源单体和谐振模块以对谐振模块进行充电并且连接谐振模块和第一汇点单体以对谐振模块进行放电，然后使转换开关接通以使谐振模块的电压极性反转，或者控制单元连接第一源单体和谐振模块以对谐振模块进行充电并且使转换开关接通以使谐振模块的电压极性反转，然后连接谐振模块和第一汇点单体以对谐振模块进行放电。
[0021]本发明的另一示例性实施例提供使用LC谐振的电池单体平衡方法，所述方法包括:串联连接一个或多个电池单体并且连接执行谐振操作的谐振模块以及开关单元;测量经连接的一个或多个电池单体中的每一个的电压状态并且依照该电压状态来测量谐振模块的谐振周期；以及控制经连接的开关单元的接通/断开操作以将在谐振模块中充电的电荷转移到一个或多个电池单体中的每一个。
[0022]根据本示例性实施方式，所述连接可以包括:在一个或多个电池单体的每个端子与第一公共节点之间连接一个或多个第一开关;在一个或多个电池单体的每个端子与第二公共节点之间连接一个或多个第二开关单元；以及在第一公共节点与第二公共节点之间连接转换开关。
[0023]根据本示例性实施例，所述连接可以包括通过一对M0SFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)来配置第一开关、第二开关以及转换开关中的每一个。
[0024]根据本示例性实施例，所述转移可以包括当在谐振模块中的电容器处于释放模式的状态下，剩余电荷保持在电容器中时，使转换开关接通以形成LC谐振电路并且使谐振模块的电压极性反转。
[0025]根据本示例性实施例，所述转移可以包括执行在与谐振模块的半个周期对应的时间处控制开关单元的接通/断开操作的零电流开关操作。
[0026]根据本示例性实施例，所述连接可以包括将位于第一公共节点的最后端处的第一开关以及转换开关连接到单独的自举电路以被施加有由该单独的自举电路所产生的驱动电压，并且将除位于第一公共节点的最后端处的第一开关以及转换开关以外的剩余开关连接到相邻电池单体以被施加有来自相邻电池单体的驱动电压。
[0027]根据本示例性实施例，所述转移可以包括:测量一个或多个电池单体的电压;根据被包括在谐振模块中的谐振电容器的电压波形峰值来检测谐振周期;在从电压测量单元和峰值检测单元接收到电压测量结果和谐振周期检测结果之后确定是源模块还是汇点模块；以及依照确定结果产生用于使开关单元接通或者断开的信号并且将该信号输出到驱动单
J L ο
[0028]根据本示例性实施例，所述转移可以包括:基于电荷被从一对电池单体转移到另一对电池单体的双电荷转移模式以及电荷被从一个电池单体转移到另一电池单体的单电荷转移模式来将在谐振模块中充电的电荷转移到一个或多个电池单体。
[0029]根据本示例性实施例，所述转移可以包括:允许控制单元连接第一源单体和谐振模块以在正方向上对谐振模块进行充电并且连接谐振模块和第一汇点单体以在正方向上对谐振模块进行放电，并且允许控制单元连接第二源单体和谐振模块以在负方向上对谐振模块进行充电并且连接谐振模块和第二汇点单体以在正方向上对谐振模块进行放电，从而防止谐振模块的电压值收敛于电池单体的电压值。
[0030]根据本示例性实施例，所述转移可以包括:允许控制单元连接第一源单体和谐振模块以对谐振模块进行充电并且连接谐振模块和第一汇点单体以对谐振模块进行放电，然后使转换开关接通以使谐振模块的电压极性反转，并且允许控制单元连接第一源单体和谐振模块以对谐振模块进行充电并且使转换开关接通以使谐振模块的电压极性反转，然后连接谐振模块和第一汇点单体以对谐振模块进行放电。
[0031]有益效果
[0032]根据本发明，测量了在LC谐振模块中产生的波形的谐振周期，使得即使在电感器或电容器中存在偏差也可以依照谐振周期来控制开关，以均匀地转移电荷，从而保持能量平衡。
[0033]另外，根据本发明，执行了零电压开关操作，以使开关的加热最小化，从而减少在元件中产生的热并且显著地提高该元件的寿命。
[0034]此外，根据本发明，允许一个或多个电池单体之间的能量交换，使得通过硬开关的损失被最小化并且能量被从具有高能量的电池单体传送到具有低能量的电池单体，从而提高电池性能。
【附图说明】
[0035]图1是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的配置的框图。
[0036]图2是更具体地图示图1中所图示的驱动单元110的配置的视图。
[0037]图3和图4是更具体地图示图1中所图示的开关单元113被施加有驱动电压的状态的视图。
[0038]图5和图6是说明根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的电荷转移过程的视图。
[0039]图7是图示谐振模块112的电压值随着电池单体111的电压值收敛的状态的视图。
[0040]图8和图9是图示根据本发明的示例性实施例的在控制单元120中测量谐振模块112的谐振周期的方法的视图。
[0041]图10是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的电荷转移方法当中的双电荷转移模式的正收集步骤的视图。
[0042]图11是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的电荷转移方法当中的双电荷转移模式的正释放步骤的视图。
[0043]图12是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的电荷转移方法当中的双电荷转移模式的负收集步骤的视图。
[0044]图13是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的电荷转移方法当中的双电荷转移模式的负释放步骤的视图。
[0045]图14是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的谐振模块112的双电荷转移模式下的操作波形的视图。
[0046]图15至图17是说明根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的电荷转移方法当中的单电荷转移模式的视图。
[0047]图18是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的谐振模块112在图15至图17中所图示的单电荷转移模式下操作的操作波形的视图。
[0048]图19至图21是说明根据本发明的另一示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的单电荷转移模式的视图。
[0049]图22是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的谐振模块112在图19至图21中所图示的单电荷转移模式下操作的操作波形的视图。
【具体实施方式】
[0050]在下文中，为了更好地理解本发明将建议优选实施例。然而，以下实施例是仅为了更好地理解本发明而提供的，并因此本发明不限于此。
[0051]图1是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的配置的框图，图2是更具体地图示图1中所图示的驱动单元110的配置的视图，并且图3和图4是更具体地图示图1中所图示的开关单元113被施加有驱动电压的状态的视图。
[0052]参考图1至图4，根据本发明的使用LC谐振的电池单体平衡系统100包括驱动单元110和控制单元120。
[0053]首先，驱动单元110包括串联连接的一个或多个电池单体111、执行谐振操作的谐振模块112以及将存储在谐振模块中的电荷转移到一个或多个电池单体111的开关单元113，并且还包括电阻器118。
[0054]一个或多个电池单体111在电池模块中串联连接，并且所述多个电池单体111串联连接以配置高电压电池组。
[0055]谐振模块112包括串联连接的电感器Ls和电容器Cs并且谐振模块112使用已知的现有技术，所以将省略其详细描述。
[0056]开关单元113形成供应路径，所述供应路径将存储在上面描述的谐振模块中的电荷传送到一个或多个电池单体111中的每一个，从具有相对高电荷量的电池单体收集电荷，并且将电荷供应给具有相对低电荷量的电池单体。
[0057]在这种情况下，在驱动单元110中，一个或多个电池单体111通过第一公共节点114a和第二公共节点114b连接到谐振模块112，并且更具体地，第一公共节点114a连接到从与谐振模块112的电容器Cs相邻的位置开始串联连接的电池单体111当中的位于最后端处的电池单体111的一个端子。另外，第二公共节点114b连接到从与谐振模块112的电感器Ls相邻的位置开始串联连接的电池单体111当中的位于最后端处的电池单体111的另一个端子。
[0058]具体地说，参考图2，假定了在串联连接的一个或多个电池单体111的前端处的电池单体111是Ml并且在最后端处的电池单体是Mn。
[0059]应当理解，第一公共节点114a通过开关SWl连接到电池单体Ml的一个端子，第一公共节点114a通过开关SW3连接到电池单体M3的一个端子，并且第一公共节点114a通过开关SW5连接到电池单体M5的一个端子。
[0060]也就是说，第一公共节点114a以及诸如M1、M3和M5的奇数电池单体的一个端子连接到诸如SWl、SW3和SW5的奇数开关，并且具体地，最后电池单体Mn的另一个端子连接到第一公共节点114a并且开关在这种情况下是SWn+1。
[0061]另外，第二公共节点114b通过开关SW2连接到电池单体施的另一个端子并且第二公共节点114b通过开关SW4连接到电池单体M3的另一个端子。
[0062]也就是说，第二公共节点114b以及诸如M2、M4和M6的偶数电池单体的一个端子分别连接到诸如SW2、SW4和SW6的偶数开关，并且具体地，最后电池单体1的一个端子连接到第二公共节点114b并且开关在这种情况下是SWn。
[0063]在一个示例性实施例中，包括在驱动单元110中的开关单元113可以是单刀单掷(SPST)开关。
[0064]另外，这样的开关单元113可以由一对MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)加以配置。
[0065]为了驱动包括在驱动单元110中的开关单元113，需要对其施加驱动电压，将在下面参考图3和图4对此进行更详细的描述。
[0066]电阻器118被设置在电池单体111与开关单元113之间并且用作保险丝以防止过载电流由于损坏或击穿的开关单元113而在电路中流动。
[0067]参考图3和图4，除位于第一公共节点114a的最后端处的开关SWn+Ι以外的开关以及转换开关113a被施加有来自相邻电池单体模块的驱动电压，以便被施加有10至15v的栅极驱动电压来驱动MOSFET。
[0068]也就是说，这些电池单体中的每一个的电压可以依照该电池单体的充电/放电状态迅速地改变，使得二极管和电容器被用来形成稳定电力并且可以提供调节器115以形成适于驱动MOSFET的电压。因此，驱动单元110向高侧栅极驱动器116传送从将在下面描述的控制单元120传送的控制信号并且高侧驱动器116依照该控制信号来控制M0SFET。
[0069]相比之下，参考图4，转换开关113a以及位于第一公共节点114a的最后端处的开关SWn+1被施加有由要驱动的单独的自举(boot strap)电路117所产生的驱动电压，并且自举电路117包括电容器Cb和二极管Db。
[0070]当在电容器Cs中充电电荷时，也在电容器Cb中充电电荷并且在电容器Cb中充电的电荷被转移到位于第一公共节点114a的最后端处的开关SWn+i以及转换开关113a。
[0071]同时，转换开关113a可以是指电荷反转开关并且具体地，使谐振模块112的电容器的电压的极性反转，将参考图5至图7对此进行更详细的描述。
[0072]图5和图6是说明根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的电荷转移过程的视图。
[0073]参考图5和图6，在谐振模块112的电容器CS为空的状态下，当开关单元113被接通以将谐振模块112连接到源单体(在一个或多个电池单体111中的每一个的电荷均衡过程期间丢失电荷的电池单体)时，电流从源单体流入谐振模块112的电容器并且该电容器的电压可以增加直到为源单体的电压的两倍(在这种情况下，谐振模块112处于收集模式)。当在电容器被最大限度地充电的状态下，开关单元113连接到汇点单体(在一个或多个电池单体111中的每一个的电荷均衡过程期间获得电荷的电池单体)时，电容器的电压减小至零(在这种情况下，谐振模块112处于释放模式)。
[0074]通过重复地执行收集模式和释放模式，电荷被从源单体转移到汇点单体。
[0075]同时，电容器的电压由于在使用LC谐振的电池单体平衡系统100中剩下的电阻分量而不完全为零并且剩余电荷保持。当在这种状态下重复地执行收集模式和释放模式时，通过电容器的剩余电荷的电压值收敛于电池单体111，使得作为结果开关单元113可能不正常地操作。将在下面参考图7对该操作进行描述。
[0076]图7是图示谐振模块112的电压值收敛于电池单体111的电压值的状态的视图。
[0077]参考图7，注意的是，当在谐振模块112中重复收集模式和释放模式时，谐振模块112的电压值Vcs收敛以示出与电池单体111的电压值相同的方面。这意味着谐振电流不正常地流动，使得电池单体平衡未被令人满意地维持。
[0078]因此，当谐振模块112的电容器处于释放模式并且预定量或更多的剩余电荷保持在电容器中使得存在正电压时，根据本发明的转换开关113a由将在下面描述的控制单元120控制以被接通。因此，形成了 LC谐振电路，使得电容器的电压极性从正⑴改变为负(_)。当在这种状态下对电容器进行充电时，防止了电容器的电压值收敛于电池单体111的电压值。
[0079]同时，将在下面参考图15至图21更详细地描述转换开关113a的操作。
[0080]接下来，控制单元120包括电压测量单元121、峰值检测单元122、中央控制单元123以及开关信号产生单元124。
[0081]首先，电压测量单元121测量一个或多个电池单体111的电压并且将测量结果传送到将在下面描述的中央控制单元123。
[0082]峰值检测单元122根据包括在谐振模块112中的谐振电容器Cs的电压波形的峰值来检测谐振周期并且将所检测到的谐振周期输入至中央控制单元123，将参考图8和图9对此进行描述。
[0083]图8和图9是图示根据本发明的示例性实施例的在控制单元120中测量谐振模块112的谐振周期的方法的视图。
[0084]参考图8和图9，当多个开关当中的任意开关SW被接通以使一个或多个电池单体111和谐振模块112彼此谐振时，能够观看到谐振电容器Cs的电压波形Vcs以及谐振电感器Ls的电流波形Ils。峰值检测单元122测量产生谐振电容器Cs的电压波形Vcs的峰值的时间tpeakl、tpeak2或tpeak3以测量谐振周期T，并且重复该测量以减小测量误差。
[0085]因此，即使谐振模块112的Cs和Ls的值取决于诸如一个或多个电池单体111的过程偏差或温度改变的改变而变化，也可以通过重复测量执行零电压开关操作而没有导致任何问题。
[0086]中央控制单元123从电压测量单元121和峰值检测单元122周期性地接收电压测量结果和谐振周期检测结果，然后确定电池单体111是源单体还是汇点单体并且将确定结果传送到将在下面描述的开关信号产生单元124。
[0087]开关信号产生单元124基于从中央控制单元123传送的确定结果依照谐振模块112的谐振周期来向驱动单元110输出控制开关单元113的每个开关的控制信号。
[0088]将在下面依次描述这些过程。
[0089]首先，当电压测量单元121测量电池单体111的电压并且连续地将测量结果传送到中央控制单元123时，中央控制单元123基于测量结果来确定电池单体111是源模块还是汇点模块。
[0090]接下来，峰值检测单元122通过开关信号产生单元124将任意电池单体111连接到谐振模块112以使电池单体111和谐振模块112彼此谐振来检测谐振模块112的Cs电压的峰值，测量谐振周期，并且将所测量的谐振周期传送到中央控制单元123。
[0091]接下来，中央控制单元123将测量的谐振周期结果与确定电池单体111是源模块还是汇点模块的结果一起传送到开关信号产生单元124，并且开关信号产生单元124基于用于执行电荷均衡过程的接收信息来产生用于控制驱动单元110的开关单元113的控制信号并且将该控制信号传送到驱动单元110。
[0092]在一个示例性实施例中，控制单元120执行在与谐振模块112的谐振周期的半个周期对应的时间处控制开关单元113的接通/断开操作的零电流开关操作以使在开关单元113的开关操作时产生的热最小化，从而减少在开关元件中产生的热并且使其寿命最大化。
[0093]接下来，将参考图10至图14描述根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的电荷转移方法当中的双电荷转移模式的操作，并且将参考图15至图21描述根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的单电荷转移模式的操作。
[0094]根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的控制单元120基于单电荷转移模式和双电荷转移模式将在谐振模块112中充电的电荷转移到电池单体 Illo
[0095]图10是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的电荷转移方法当中的双电荷转移模式的正收集步骤的视图，图11是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的电荷转移方法当中的双电荷转移模式的正释放步骤的视图，图12是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的电荷转移方法当中的双电荷转移模式的负收集步骤的视图，图13是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的电荷转移方法当中的双电荷转移模式的负释放步骤的视图，图14是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的谐振模块112的操作波形的视图，图15至图17是说明根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的电荷转移方法当中的单电荷转移模式的视图，图18是示意性地图示其中根据本发明的示例性实施例的谐振模块112在图15至图17中所图示的单电荷转移模式下操作的操作波形的视图，图19至图21是说明根据本发明的另一示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100的单电荷转移模式的视图，并且图22是示意性地图示其中根据本发明的示例性实施例的谐振模块112在图19至图21中所图示的单电荷转移模式下操作的操作波形的视图。
[0096]首先，参考图1O至图13，图1O图示电荷被从电池B4转移到电池B2并且从电池B3转移到电池B1的开关状态。
[0097]参考图10，在作为第一步骤的正收集(如至。)步骤中，开关SW4和开关3?5被接通以将电池B4连接到谐振模块的电感器Ls和电容器Cs，并且在这种情况下，电流从电池B4流向谐振模块，电容器Cs在正(+ )方向被充电。在这种情况下，可以对两个B4的电压进行充电。
[0098]参考图11，在作为第二步骤的正释放(^至^)步骤中，开关SW2和SW3被接通以将电池出连接到谐振模块的电感器Ls和电容器Cs，并且在这种情况下，电流从电容器Cs流向电池B2，并且在这种情况下，电容器Cs的电流被放电以接近于零。
[0099]参考图12，在作为第三步骤的负收集(^至^)步骤中，开关SW3和开关SW4被接通以将电池B3连接到谐振模块的电感器Ls和电容器Cs，并且在这种情况下，电流从电池B3流向谐振模块，电容器Cs在负(_)方向被充电。
[0100]参考图13，在作为第四步骤的负释放(t3至t4)步骤中，开关SWdPSW2被接通以将电池扮连接到谐振模块的电感器Ls和电容器Cs，并且在这种情况下，电流在从电容器Cs到电池B1的方向上流动，并且因此电容器Cs被放电。
[0101]通过具有上述四个步骤的双电荷转移模式，根据本发明的示例性实施例的使用LC谐振的电池单体平衡系统100重复地执行这些步骤，直到电池单体之间的电荷值被平衡为止。具体地，在双电荷转移模式下，电荷被从两个电池单体111( 一个奇数电池单体和一个偶数电池单体)转移到其它两个电池单体111 (一个奇数电池单体和一个偶数电池单体)。
[0102]另外，在这种情况下，应该注意的是，每个步骤的维持时间被调整为谐振模块的半个周期，并且充电在正(+ )方向上重复一次且在负(_)方向上重复一次，以保持电容器Cs的电压的平衡。
[0103]参考图14，在正收集步骤中，谐振模块112的电容器电压Vcs在正方向上增加，而在正释放步骤中，在负方向上下降。
[0104]相比之下，在负收集步骤中，电压在负方向上下降，而在负释放步骤中，电压在正方向上增加。
[0105]另外，在正收集步骤中，电感器电流Ils从to开始在正方向上增加并且再次在^在负方向上下降，而在正释放步骤中，电感器电流在负方向上下降并且然后再次在正方向上增加。
[0106]相比之下，在负收集步骤中的电感器电流示出与在正释放步骤中相同的方面，而在负释放步骤中的电感器电流示出与在正收集步骤中相同的方面。
[0107]参考图15至图17，图15至图17图示用于将电池B2的电荷转移到电池B4的过程。
[0108]首先，参考图15，开关SW2和SW3被接通并且所有剩余开关被断开以使用电池出的电荷来对谐振模块112的电容器Cs进行充电。
[0109]接下来，参考图16，开关5?1至5?3被断开并且剩余开关被接通以将在电容器中充电的电荷转移到电池B4，从而对电容器进行放电。
[0110]参考图17，电容器由于电阻而未被完全地放电并且剩余电荷保持在其中。为了防止电容器的电压值由于剩余电荷而收敛于电池单体111的电压值，转换开关113a操作来形成LC谐振电路并且从而使电容器的电压极性反转。结果，防止了电容器的电压值收敛于电池单体111的电压值。
[0111]参考图18，在收集步骤中，谐振模块112的电容器电压Vcs在正方向上增加，而在释放步骤中，在负方向上下降。
[0112]另外，应当理解在反转步骤中，电容器电压从正值向负值反转，并且在这种情况下，电感器电流Ils再次在负方向上从零下降，然后反转为零。
[0113]结果，应当理解，谐振模块112与电池单体111之间的电池单体平衡是在电容器电压值未收敛于电池单体111的电压值的同时通过转换开关113a的操作来维持的。
[0114]参考图19至图21，图19至图21图示用于将电池B4的电荷转移到电池扮的过程。
[0115]首先，参考图19，开关SW4和3?5被接通并且所有剩余开关被断开以使用电池B4的电荷来对谐振模块112的电容器进行充电。
[0116]接下来，参考图20，因为电容器在正方向上未被充电但是在负方向上被充电，所以转换开关113a操作来形成LC谐振电路，从而使电容器的电压的极性反转。
[0117]接下来，参考图21，开关SWjPSW2被再次接通，使得通过被转换开关113a反转的电压在电容器中充电的电荷被转移到电池Bu
[0118]参考图22，应当理解在收集步骤中，谐振模块112的电容器电压Vcs在正方向上增加，在反转步骤中，电容器电压从正值向负值反转并且在这种情况下，电感器电流Ils在负方向上从零下降并然后反转至零。另外，应当理解在释放步骤中，电容器电压再次增加并且电感器电流在这种情况下在正方向上从零增加并然后再次反转至零。
[0119]结果，应当理解，谐振模块112与电池单体111之间的电池单体平衡是在电容器电压值未收敛于电池单体111的电压值的同时通过转换开关113a的操作来维持的。
[0120]虽然已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离如由以下权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变和修改。
【主权项】
1.一种使用LC谐振的电池单体平衡系统，所述系统包括: 驱动单元，所述驱动单元包括串联连接的一个或多个电池单体、执行谐振操作的谐振模块以及将存储在所述谐振模块中的电荷转移到所述一个或多个电池单体的开关单元；以及 控制单元，所述控制单元依照所述一个或多个电池单体中的每一个的电压状态来测量所述谐振模块的谐振周期，并且依照所测量的谐振周期来控制所述开关单元被接通或者断开以将在所述谐振模块中充电的电荷转移到所述一个或多个电池单体。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述开关单元包括: 第一开关，所述第一开关包括连接在所述一个或多个电池单体的每个端子与第一公共节点之间的一个或多个开关； 第二开关，所述第二开关包括连接在所述一个或多个电池单体的每个端子与第二公共节点之间的一个或多个开关；以及 转换开关，所述转换开关连接在所述第一公共节点与所述第二公共节点之间。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一开关、所述第二开关以及所述转换开关由单刀单掷(SPST)开关加以配置。4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一开关、所述第二开关以及所述转换开关中的每一个由一对MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)加以配置。5.根据权利要求2所述的系统，其中，当在所述谐振模块中的电容器处于释放模式的状态下，剩余电荷保持在所述电容器中时，所述控制单元使所述转换开关接通，以形成LC谐振电路并且使所述谐振模块的电压极性反转。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元执行在与所述谐振模块的半个周期对应的时间处控制所述开关单元的接通/断开操作的零电流开关操作。7.根据权利要求2所述的系统，其中，位于所述第一公共节点的最后端处的所述第一开关以及所述转换开关被施加有由单独的自举电路所产生的驱动电压，并且除位于所述第一公共节点的最后端处的所述第一开关以及所述转换开关以外的剩余开关被施加有来自相邻电池单体的驱动电压。8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元包括: 电压测量单元，所述电压测量单元测量所述一个或多个电池单体的电压； 峰值检测单元，所述峰值检测单元根据被包括在所述谐振模块中的谐振电容器的电压波形峰值来检测谐振周期； 中央控制单元，所述中央控制单元从所述电压测量单元和所述峰值检测单元接收电压测量结果和谐振周期检测结果，然后确定是源单体还是汇点单体；以及 开关信号产生单元，所述开关信号产生单元依照确定结果产生用于使所述开关单元接通或者断开的信号并且将所述信号输出到所述驱动单元。9.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制单元基于电荷被从一对电池单体转移到另一对电池单体的双电荷转移模式以及电荷被从一个电池单体转移到另一电池单体的单电荷转移模式来将在所述谐振模块中充电的电荷转移到所述一个或多个电池单体。10.根据权利要求9所述的系统，其中，在所述双电荷转移模式下，所述控制单元连接第一源单体和所述谐振模块以在正方向上对所述谐振模块进行充电并且连接所述谐振模块和第一汇点单体以在正方向上对所述谐振模块进行放电，并且所述控制单元连接第二源单体和所述谐振模块以在负方向上对所述谐振模块进行充电并且连接所述谐振模块和第二汇点单体以在正方向上对所述谐振模块进行放电，从而防止所述谐振模块的电压值收敛于所述电池单体的电压值。11.根据权利要求9所述的系统，其中，在所述单电荷转移模式下，所述控制单元连接第一源单体和所述谐振模块以对所述谐振模块进行充电并且连接所述谐振模块和第一汇点单体以对所述谐振模块进行放电，然后使所述转换开关接通以使所述谐振模块的电压极性反转，或者所述控制单元连接第一源单体和所述谐振模块以对所述谐振模块进行充电并且使所述转换开关接通以使所述谐振模块的电压极性反转，然后连接所述谐振模块和第一汇点单体以对所述谐振模块进行放电。12.一种使用LC谐振的电池单体平衡方法，所述方法包括: 串联连接一个或多个电池单体并且连接执行谐振操作的谐振模块和开关单元； 测量所连接的一个或多个电池单体中的每一个的电压状态并且依照所述电压状态来测量所述谐振模块的谐振周期；以及 控制所连接的开关单元的接通/断开操作以将在所述谐振模块中充电的电荷转移到所述一个或多个电池单体中的每一个。13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述连接包括: 在所述一个或多个电池单体的每个端子与第一公共节点之间连接一个或多个第一开关; 在所述一个或多个电池单体的每个端子与第二公共节点之间连接一个或多个第二开关单元；以及 在所述第一公共节点与所述第二公共节点之间连接转换开关。14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述连接包括由一对MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)来配置所述第一开关、所述第二开关以及所述转换开关中的每一个。15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述转移包括当在所述谐振模块中的电容器处于释放模式的状态下，剩余电荷保持在所述电容器中时，使所述转换开关接通以形成LC谐振电路并且使所述谐振模块的电压极性反转。16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述转移包括执行在与所述谐振模块的半个周期对应的时间处控制所述开关单元的接通/断开操作的零电流开关操作。17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述连接包括: 将位于所述第一公共节点的最后端处的所述第一开关以及所述转换开关连接到单独的自举电路以被施加有由所述单独的自举电路所产生的驱动电压，以及 将除位于所述第一公共节点的最后端处的所述第一开关以及所述转换开关以外的剩余开关连接到相邻电池单体以被施加有来自所述相邻电池单体的驱动电压。18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述转移包括: 测量所述一个或多个电池单体的电压； 根据被包括在所述谐振模块中的谐振电容器的电压波形峰值来检测谐振周期； 在从所述电压测量单元和所述峰值检测单元接收到电压测量结果和谐振周期检测结果之后确定是源模块还是汇点模块；以及 依照确定结果产生用于使所述开关单元接通或者断开的信号并且将所述信号输出到所述驱动单元。19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述转移包括: 基于电荷被从一对电池单体转移到另一对电池单体的双电荷转移模式以及电荷被从一个电池单体转移到另一电池单体的单电荷转移模式来将在所述谐振模块中充电的电荷转移到所述一个或多个电池单体。20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述转移还包括: 允许所述控制单元连接第一源单体和所述谐振模块以在正方向上对所述谐振模块进行充电并且连接所述谐振模块和第一汇点单体以在正方向上对所述谐振模块进行放电，以及 允许所述控制单元连接第二源单体和所述谐振模块以在负方向上对所述谐振模块进行充电并且连接所述谐振模块和第二汇点单体以在正方向上对所述谐振模块进行放电，从而防止所述谐振模块的电压值收敛于所述电池单体的电压值。21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述转移还包括: 允许所述控制模块连接第一源单体和所述谐振模块以对所述谐振模块进行充电并且连接所述谐振模块和第一汇点单体以对所述谐振模块进行放电，然后使所述转换开关接通以使所述谐振模块的电压极性反转，以及 允许所述控制单元连接第一源单体和所述谐振模块以对所述谐振模块进行充电并且使所述转换开关接通以使所述谐振模块的电压极性反转，并且然后连接所述谐振模块和第一汇点单体以对所述谐振模块进行放电。
【文档编号】H02J7/00GK105874683SQ201580003650
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年9月17日
【发明人】成昌炫, 李相勋, 尹皓炳
【申请人】株式会社Lg化学