电荷均衡设备及方法

专利名称：电荷均衡设备及方法
技术领域：
本发明主要涉及一种电池电压均衡设备和方法，并且更特别地是涉及一种电荷均衡设备和方法，该设备和方法在维持电荷均衡性能的同时降低了半导体开关元件的耐受电压，从而在减少电荷均衡设备开支的同时能很容易就实现变压器的次级线圈。
背景技术：
许多系统都使用由电池组或电池阵列形式的电池，其包含多个电池单元相互串联。
当这样的电池被充电至显著高于额定充电电压范围的电压时或放电至低于额定放电电压时，将是危险的。
在电池单元的荷电状态(charged state)之间的不均衡是由多种因素引起的，并在电池的制造或电池的充电/放电中发生。对于锂离子电池的情况，在工厂中电池的制造被严格控制来使电池阵列中电池单元容量间的差异最小化。然而，电池单元之间的不均衡或不同可能由于各种因子而出现，而不论电池单元的状态如何，也就是即使电池单元最初制造后在工厂中达到了均衡和等同。
影响电池不均衡的因子可能包含，例如化学反应，各电池单元的阻抗和自放电速率，电池容量的减少，电池工作温度的变化以及电池间不同类型的变化。
电池温度之间的不一致是造成电池单元间不均衡的重要因子。例如，"自放电"是在电池内引起的，并且是电池温度的函数。具有较高温度的电池通常比具有较低温度的电池具有更高的自放电速率。结果，长时间后具有较高温度的电池表现出比具有较低温度的电池更低的荷电状态。
不均衡在电池荷电状态中是非常严重的问题。例如，电池提供能量的能
力是被具有最低荷电状态的电池单元所限制的，其通常出现于电动车辆中。如果该电池单元被完全消耗，其他电池单元就失去了继续供能的能力。
即使是电池的其他电池单元仍然具有供能能力也是一样的。因此，电池单元
荷电状态的不均衡降低了电池的供能能力。
当然，上面所述并不表示当一个或多个电池单元被消耗时通过剩余电池
单元供能是完全不可能的事。然而，在串联的情况下，这意味着如果一个或
多个电池单元被完全消耗，只要在剩余电池单元中有剩余电荷，该电池能继
续使用，但是那样的话，由于其已经完成放电的电池单元将产生具有相反极
性的电压，其结果是该电池单元由于其过热或气体的产生而可能有爆炸的危
险，这样一来电池就失去了供能能力。
纠正电池单元荷电状态间不均衡的各种方法已经被提出，其中一种方法
示于图1中。
图1是常规的电荷均衡设备的示意图。
根据图1，该常规的电荷均衡设备包括变压器Tl到Tn，开关SW1到SWn， 二极管Dl到Dn，以及电压检测和驱动信号产生单元10。然后，变压器的初级线圈上的和次级线圈上的同名端(dot)位于相反侧。相应的，每个变压器这样运行，当初级线圈开启时，能量充入初级线圈中，而当第二线圈关闭且初级线圈关闭时，充入初级线圈的能量通过反电动势提供到次级线圈中，从而次级线圈被开启。
开关SW1到SWn分别与变压器Tl到Tn的初级线圈相串联，并适用于根据由电压检测和驱动信号产生单元10提供的控制信号而将过度充电电池中充入的能量提供给变压器T1到Tn的初级线圈。相应的，过度充电的电池被放电。当与初级线圈串联的开关SW1到SWn被开启时，变压器Tl到Tn由过度充电电池提供能量，并向其初级线圈充入能量。当开关SWl到SWn被关闭时，变压器通过反电动势提供在初级线圈充入的能量到其次级线圈。
二极管D1到Dn分别与次级线圈串联，并适用于整流从次级线圈提供到串联电池B1到Bn的能量。
电压检测和驱动信号产生单元10检测串联电池Bl到Bn各自的电压，将检测到的电压与参考电压比较，并产生从被充到大于参考电压的电池，即过度充电电池放电所需的驱动信号。该由电压检测和驱动信号产生单元10产生的驱动信号被提供到与过度充电电池并联的开关，从而产生一闭合的回路而使过度充电电池的能量能提供到变压器Tl到Tn的初级线圈中。
然而，该常规的电荷均衡设备在以下方面是有问题的，由于二极管Dl到Dn与次级线圈相串联，当开关SW1到SWn被开启时，将在二极管Dl到Dn中引发大约两倍于串联电池Bl到Bn的电压，从而增加了二极管Dl到Dn的电压压力。换言之，当开关SWl到SWn开启时，由过度充电电池提供到变压器初级线圈的电压和由串联电池Bl到Bn提供的电压都在二极管Dl到Dn引发，这样在二极管D1到D2产生了高电压压力。相应地，与变压器T1到Tn的次级线圈串联的二极管Dl到Dn的耐受电压增加了，从而增加了该电荷均衡设备的成本。
另外，在该常规的电荷均衡设备中，由于变压器T1到Tn的次级线圈的匝数是初级线圈匝数的N倍(N是串联电池的数量)，随着电池数量的增加，在实现次级线圈时存在很多限制
发明内容
技术问题
相应的，本发明在考虑上述问题时完成，本发明意在提供一种电荷均衡设备和方法，该设备和方法降低半导体开关元件的耐受电压，从而使其在降低电荷均衡设备成本的同时易于实现变压器的次级线圈。技术方案
根据本发明的一方面，提供了一种电荷均衡设备，该电荷均衡设备包括
并联到N个串联电池上的N个第一变压器，并适用于降低N个电池中过度充电电池的电压；用于存储从第一变压器提供的能量的电荷存储装置；用于将存储在电荷存储装置中的能量重新分配到N个串联电池中的第二变压器；以及用于检测N个各自串联电池的电压，并产生从过度充电电池释放能量所需的第一驱动信号和产生将电荷存储装置中存储的能量提供给第二变压器所需的第二驱动信号的电压检测和驱动信号产生单元。
根据本发明的另一方面，提供了一种电荷均衡设备，该电荷均衡设备包括分别并联到N个串联电池上的N个变压器，并适用于降低N个串联电池中过度充电电池的电压；用于存储从变压器中提供的能量的电荷存储装置；用于检测N个各自串联电池的电压并产生从过度充电电池中释放能量所需的驱动信号的电压检测和驱动信号产生单元；在N个变压器初级线圈和N个电池阳极之间连接的N个放电开关，该N个放电开关响应于驱动信号工作；以及分别在N个变压器的次级线圈的第一端和电荷存储装置的阴极之间连接的N个半导体开关元件。
根据本发明的又一方面，其提供了一种电荷均衡的方法，该方法包含以下步骤(a)检测N个串联电池的电压；(b)将检测的电压与第一参考电压相比较，从那些充到高于第一参考电压的过度充电电池中释放能量，并将该过度充电电池提供的能量存储于电荷存储装置；以及(c)检测电荷存储装置的电压，将检测到的电压与第二参考电压相比，并当检测电压等于第二参考电压时将检测到的电压重新分配到N个串联电池中，从而在N个串联电池中重新充入从过度充电电池中提取的能量。根据本发明的又一方面，其提供了一种电荷均衡的方法，该方法包含以
下步骤(a)检测N个各自串联电池的电压；(b)将检测到的电压与参考电 压相比较，并从充到高于参考电压的过度充电电池中释放能量；以及(c)
将过度充电电池提供的能量存储于电荷存储装置。
有益效果
本发明的变压器在两个阶段执行是有利的，这样减少了与第一变压器的 次级线圈串联的第一开关元件的电压压力。
相应地，第一半导体开关元件的耐受电压降低了，从而使电荷均衡设备 能实现高效且低成本的制造。
另外，变压器在两个阶段实现，从而第一变压器的匝数比能够减少，这 样使次级线圈的制造变得容易了 。


图1是展示常规的电荷均衡设备的图2是展示根据本发明实施例的电荷均衡设备的图3是展示图2的电压检测和驱动信号产生单元的图4是展示根据本发明另一实施例的电荷均衡设备的图；以及
图5是展示根据本发明的又一实施例的电荷均衡设备的图。
重要部分的附图标记说明
10， 20， 30, 40:电压检测和驱动信号产生单元
20:感应单元
24:微处理器
26:开关驱动电路单元
具体实施例方式
12下文中将参考附图对本发明的实施例进行详细说明。
图2是展示根据本发明实施例的电荷均衡设备的图，而图3是展示图2 中电压检测和驱动信号产生单元的图。
根据图2和图3，根据本发明实施例的电荷均衡设备包括用于降低在串 联电池Bl到Bn中的过度充电电池的电压的N个第一变压器Tl到Tn，用 于存储从N个第一变压器Tl到Tn提供的能量的电荷存储装置Cdump，用 于将从N个第一变压器Tl到Tn提供的能量重新分配到N个电池Bl到Bn 的第二变压器TS，与N个第一变压器T1到Tn的初级线圈分别串联的N个 放电开关SWl到SWn，与N个第一变压器Tl到Tn次级线圈分别串联的N 个第一半导体开关元件Dl到Dn，与第二变压器TS的初级线圈串联的重新 分配开关CSW，与第二变压器TS的次级线圈串联的第二半导体开关元件 DS，以及用于检测N个电池Bl到Bn各自的电压并控制N个放电开关SWl 到SWn和重新分配幵关CSW的驱动的电压检测和驱动信号产生单元20。
N个第一变压器Tl到Tn是如下实现的N个第一变压器Tl到Tn上 的初级线圈分别连接到N个电池Bl到Bn的两端，从而减少N个电池Bl 到Bn中过度充电电池的电压。也就是说，N个第一变压器T1到Tn的初级 线圈的第一端连接到电池的阴极，初级线圈的第二端连接到放电开关的第一 端，而放电开关的第二端连接到电池的阳极。
另外，N个第一变压器Tl到Tn的次级线圈的第一端分别连接到第一半 导体开关元件Dl到Dn，而次级线圈的第二端连接到电荷存储装置Cdump 的阳极和重新分配开关CSW的第二端。
N个变压器T1到Tn中的每个都是以反激(flyback)结构实现的，其中 初级线圈和次级线圈的极性是互相相反的，即其中形成于初级线圈上的同名 端和形成于次级线圈的同名端位于不同的侧，但是可以可选地以正激 (forward)结构实施，其中初级线圈和次级线圈的极性是相互相同的。在这里，N个第一变压器T1到Tn其初级线圈和次级线圈的匝数比是相同的，即 Nl: N2，其中N2大于N1。
电荷存储装置Cdump的第一端连接到第二变压器TS的初级线圈的第一 端以及第一半导体开关元件Dl到Dn的第二端，而电荷存储装置Cdump的 第二端连接到重新分配开关CSW的第二端以及N个第一变压器Tl到Tn的 次级线圈的第二端。相应的，电荷存储装置Cdump存储从N个第一变压器 Tl到Tn的第一变压器提供的能量，该第一变压器己经从过度充电电池中吸 取了能量。这样的电荷存储装置Cdump使用电容来实现，但是可以使用电 容或电池来实现，并且其容量被确定与过度充电电池数量成比例。
第二变压器TS的作用为将从过度充电电池提供的并存储于电荷存储装 置Cdump中的能量，即从N个第一变压器T1到Tn提供的能量，重新分配 到N个串联电池B1至UBn，从而对N个串联电池B1到Bn进行重新充电。
对于这个操作，第二变压器TS的初级线圈与电荷存储装置Cdump的两 端相连，而其次级线圈分别与第一电池Bl的阴极和地GND相连。具体而 言，第二变压器TS的初级线圈的第一端与电荷存储装置Cdump的阴极相连， 初级线圈的第二端与重新分配开关CSW的第二端相连，次级线圈的第一端 与第二半导体开关元件DS相连，而次级线圈的第二端与地GND相连。
这样的第二变压器TS以反激结构实施，但可以以反激结构或正激结构 实施。在这里，当过度充电电池的数量增加时，从过度充电电池释放的能量 增加，从而第二变压器TS具有比N个第一变压器T1到Tn更大的容量。另 外，第二变压器TS具有这样的初级线圈与次级线圈的匝数比，即N2: N3， N3大于N2。
N个放电开关SW1到SWn分别连接于N个第一变压器Tl到Tn的初 级线圈的第二端与N个电池B1到Bn的阳极之间，并响应于由电压检测和 驱动信号产生单元20提供的第一驱动信号而运作。当电压检测和驱动信号产生单元20提供处于高态的第一驱动信号时N
个放电开关SW1到SWn被开启，从而在第一变压器的初级线圈中形成闭合 回路来引发从在N个电池Bl到Bn中的过度充电电池中释放的能量(电荷)。 当由电压检测和驱动信号产生单元20提供处于低态的第一驱动信号时N个 放电幵关SW1到SWn被关闭，从而形成开路而将提供到第一变压器的初级 线圈的能量转移到第一变压器的次级线圈。
N个放电开关SW1到SWn中每一个都是由N型金属氧化物半导体场效 应晶体管(MOSFET)形成的，但是可选的可以由例如MOSFET，双极型晶 体管(BJT)和继电器中的任意一种开关元件形成。
N个第一半导体开关元件Dl到Dn连接到N个第一变压器Tl到Tn的 次级线圈的第一端，电荷存储装置Cdump的阴极以及第二变压器TS的初级 线圈的第一端，这样它们的功能为当第一变压器的初级线圈被开启时关闭第 一变压器的次级线圈，当初级线圈关闭时开启次级线圈。
换言之，N个第一半导体开关元件D1到Dn分别这样运作，当从过度 充电电池释放的能量被存储至第一变压器的初级线圈时，由次级线圈提供的 能量被提供至电荷存储装置Cdump。
N个第一半导体开关元件Dl到Dn中的每一个由二极管形成，但是可 选的可以由MOSFET， BJT，继电器和二极管中的任意一种形成。
重新分配开关CSW连接于第二变压器的初级线圈的第二端和电荷存储 装置Cdump的阳极之间，并响应于由电压检测和驱动信号产生单元20提供 的第二驱动信号来运作。
当电压检测和驱动信号产生单元20提供的处于高态的第二驱动信号时， 这样的重新分配开关CSW被开启，从而形成闭合回路来在第二变压器TS 的初级线圈能中感应充于电荷存储装置Cdump中的能量。当电压检测和驱 动信号产生单元20提供处于低态的第二驱动信号时，重新分配开关CSW被关闭，从而形成开路来将己被提供到第二变压器的初级线圈的能量转换到第 二变压器的次级线圈。
重新分配开关CSW由N型MOSFET形成，但可以可选地由例如 MOSFET, BJT和继电器中的任意一种形成。
第二半导体开关元件DS连接于第二变压器TS的次级线圈的第一端和 N个串联电池Bl到Bn的第一电池Bl的阴极之间，并这样运作，即当能量 存储于第二变压器TS的初级线圈时，从次级线圈提供的能量被重新分配到 N个串联电池B1到Bn。
第二半导体开关元件DS由二极管形成，但可以由MOSFET， BJT，继 电器和二极管任意之一形成。
电压检测和驱动信号产生单元20检测N个串联电池Bl到Bn各自的电 压，将检测到的电压与第一参考电压相比，并产生从被充入大于第一参考电 压的电压的电池，即过度充电电池中释放能量所需的第一驱动信号，并当检 测到的电压大于第一参考电压时输出至第一驱动信号到放电开关。
相应的，当N个串联电池B1到Bn中的某些被过度充电时，放电开关
形成闭合回路来将过度充电电池的能量提供到第一变压器的初级线圈。
另夕卜，电压检测和驱动信号产生单元20检测电荷存储装置Cdump的电 压，并产生将存储于电荷存储装置Cdump的能量提供到第二变压器TS的初 级线圈所需的第二驱动信号，并当电荷存储装置Cdump的电压等于第二参 考电压时向重新分配开关CSW提供第二驱动信号。
在这个时候，电压检测和驱动信号产生单元20阻止能量连续充入电荷 存储装置Cdump中，并在电荷存储装置Cdump的电压成为第二参考电压时 产生第二驱动信号来开启重新分配开关CSW，并将第二驱动信号提供到重 新分配开关CSW，这样，当电荷存储装置Cdump通过自放电消耗能量前， 电荷存储装置Cdump的电压被提供到第二变压器TS的初级线圈。另外，当N个串联电池Bl到Bn中至少一个被过度放电至比第一参考 电压低很多的程度，电压检测和驱动信号产生单元20产生第二驱动信号将 存储于电荷存储装置Cdump的电荷提供到过度放电电池，并将第二驱动信 号提供到重新分配开关CSW。
电压检测和驱动信号产生单元20包括感应单元22，微处理器24以及开 关驱动电路单元26。
感应单元22连接到各个电池Bl到Bn，并适用于检测各个电池Bl到 Bn的电压。
微处理器24将通过感应单元22检测的电池Bl到Bn电压的平均电压 设置为参考电压，并设置放电开关SW1到SWn以及重新分配开关CSW的 开/关(ON/OFF)时间，从而当参考电压和由感应单元22检测到的电压的
差异等于或大于预定值时对电池充电/放电。
开关驱动电路单元26根据从微处理器24输入的信号产生第一驱动信号 和第二驱动信号，并将第一驱动信号和第二驱动信号分别提供至放电开关 SW1到SWn，以及重新分配开关CSW。
在根据本发明实施例的电荷均衡设备中，变压器在两阶段实现，这样减 少了与第一变压器Tl到Tn的次级线圈串联的第一半导体开关元件Dl到
Dn上的电压压力。
换言之，由于与电荷存储装置Cdump的电压成比例的电压压力被应用 到第一半导体开关元件Dl到Dn上，第一半导体开关元件Dl到Dn的压力 压力能以提供自N个串联电池B1到Bn的电压成比例减少。
相应的，第一半导体开关元件Dl到Dn的耐受电压减少了，从而能制
造出高效和低成本的电荷均衡设备。
另外，变压器在两个阶段实现，从而第一变压器T1到Tn的匝数比减少
了，这样使制造第一变压器的次级线圈变容易了。使用根据本发明实施例的电荷均衡设备均衡电池电压的方法在下面进 行说明。
首先，电压检测和驱动信号产生单元20检测N个串联电池Bl到Bn各 自的电压。
当在N个串联电池Bl到Bn中的某些电池被检测到大于第一参考电压 的电压时，电压检测和驱动信号产生单元20产生为驱动与过度充电电池并 联的放电开关所需的第一驱动信号以从过度充电的电池释放能量，并将第一 驱动信号提供到放电开关，。
例如，当N个电池B1到Bn的第一电池Bl充电时，电压检测和驱动信 号产生单元20将处于高态的第一驱动信号提供到第一放电开关SW1 。
相应地，第一放电开关SW1被开启，并因此形成一实质地延伸到第一 电池B1、第一变压器T1的初级线圈、以及第一放电开关SW1的闭合回路。 结果，存储于第一电池B1的电荷被释放，并被存储于第一变压器T1的初级 线圈中，而电荷被转化为磁能。
之后，电压检测和驱动信号产生单元20将处于低态的第一驱动信号提 供到第一放电开关SW1，从而关闭第一放电开关SW1。
相应地，产生一反电动势，因而存储于初级线圈中的能量被转移到次级 线圈，并且被转换为电荷，其通过第一半导体开关元件D1被提供到电荷存 储装置Cdump中。在这里，电荷存储装置Cdump存储通过第一半导体开关 元件D1提供的电荷。
当电路存储装置Cdump存储电荷，该电压检测和驱动信号产生单元20 检测电荷存储装置Cdump的电压，并产生为当被检测电压成为第二参考电 压时驱动重新分配开关CSW所需的处于高态的第二驱动信号，并向重新分 配开关CSW提供第二驱动信号。
相应地，重新分配开关CSW被开启，并从而形成一实质地延伸至电荷初级线圈、以及重新分配开关CSW的 闭合回路。结果，存储于电荷存储装置Cdump的电荷被存储于第二变压器 TS的初级线圈中，而电荷被转化为磁能。
之后，该电压检测和驱动信号产生单元20提供处于低态的第二驱动信 号至重新分配开关CSW，从而关闭重新分配开关CSW。结果，产生一反电 动势，因而存储于第二变压器TS的初级线圈中的磁能被转移到第二变压器 的次级线圈，并转化成电荷，该电荷通过第二半导体开关元件DS被重新分 配到N个串联电池B1到Bn，从而对N个串联电池B1到Bn重新充电。 该驱动操作被连续地重复，直到N个串联电池的电压被均衡。 图4是展示根据本发明的另一实施例的电荷均衡设备的图。 参考图4，根据本发明的另一实施例的电荷均衡设备包含用于减少在串 联电池Bl到Bn中过度充电电池的电压的N个第一变压器Tl到Tn，用于 存储从N个第一变压器T1到Tn提供的能量的电荷存储装置Bat，用于将由 N个第一变压器Tl到Tn提供的能量重新分配到N个电池Bl到Bn的第二 变压器TS，与N个第一变压器T1到Tn的初级线圈分别相串联的N个放电 开关SW1到SWn，与N个第一变压器Tl到Tn的次级线圈分别相串联的N 个第一半导体开关元件D1到Dn，与第二变压器TS的初级线圈相串联的重 新分配开关CSW，与第二变压器TS的次级线圈相串联的第二半导体开关元 件DS，以及用于检测N个电池Bl到Bn各自的电压以及控制N个放电SW1 到SWn和重新分配开关CSW的驱动的电压检测和驱动信号产生单元30。
N个第一变压器T1到Tn的初级线圈连接于N个电池Bl到Bn的两端 之间，从而减少N个电池B1到Bn中过度充电电池的电压。具体而言，N 个第一变压器T1到Tn初级线圈的第一端连接到电池的阴极，初级线圈的第 二端连接到放电开关的第一端，而放电开关的第二端连接到电池的阳极。 另外，N个第一变压器Tl到Tn的次级线圈的第一端被分别连接到第一半导体开关元件D1到Dn上，而次级线圈的第二端被连接到电荷存储装置 Bat的阳极和重新分配开关CSW的第一端。
N个第一变压器Tl到Tn中的每一个以反激结构实现，其初级线圈和次 级线圈的极性是相互相反的，即形成于初级线圈的同名端和形成于次级线圈 的同名端位于不同的侧，但可以可选的以正激结构实施，其初级线圈和次级 线圈的极性是相互相同的。这里，N个第一变压器T1到Tn的初级线圈与次 级线圈具有相同的匝数比，即Nh N2，其中N2大于N1。
电荷存储装置Bat的第一端与第二变压器TS的初级线圈的第一端以及 第一半导体开关元件Dl到Dn的第二端相连，电荷存储装置Bat的第二端 与重新分配开关CSW的第一端以及N个第一变压器Tl到Tn的次级线圈的 第二端相连。相应地，该电荷存储装置Bat存储从第一变压器提供的能量， 该第一变压器从在N个第一变压器Tl到Tn中的过度充电电池吸取能量。 这样的电荷存储装置Bat使用用于车辆的电池来实现，但是可以使用电容或 用于车辆的电池来实现，并且其容量被确定与过度充电电池的数量成比例。
第二变压器TS用作重新分配能量，其由过度充电电池提供并且存储于 电荷存储装置Bat中，即来自N个第一变压器Tl到Tn的能量提供到N个 串联电池B1至UBn，这样就对N个串联电池B1到Bn进行重新充电。
为了这个操作，第二变压器TS的初级线圈与电荷存储装置Bat的两端 相连，而第二变压器TS的次级线圈与第一电池Bl的阴极和地GND相连。 具体而言，第二变压器TS的初级线圈的第一端连接到电荷存储装置Bat的 阴极，而初级线圈的第二端连接到重新分配开关CSW的第二端。次级线圈 的第一端与第二半导体开关元件DS的第一端相连，而次级线圈的第二端与 地GND相连。
第二变压器TS以反激结构实施，但可以以反激结构或正激结构实施。 另外，当过度充电电池数量增加时，从过度充电电池中释放的能量增加，因此第二变压器TS必须具有大于N个第一变压器Tl到Tn的容量。第二变压 器TS具有这样的初级线圈和次级线圈的匝数比，即N2: N3， N3大于N2。 N个放电开关SW1到SWn分别连接于N个第一变压器Tl到Tn的初 级线圈的第二端以及N个电池B1到Bn的阳极之间，并根据由电压检测和 驱动信号产生单元30提供的第一驱动信号而工作。
当电压检测和驱动信号产生单元30提供处于高态的第一驱动信号时， 放电开关SW1到SWn被开启，从而形成闭合回路来在第一变压器的初级线 圈中引发从N个电池B1到Bn中的过度充电电池中释放的能量(电荷)。当 电压检测和驱动信号产生单元30提供处于低态的第一驱动信号时，放电开 关关闭，从而形成一开路将提供给第一变压器的初级线圈的能量转移到第一 变压器的次级线圈。
N个放电开关SW1到SWn的每个由N型MOSFET形成，但是可以由 例如MOSFET， BJT和继电器的任意之一形成。
N个第一半导体开关元件Dl到Dn连接于N个第一变压器Tl到Tn的 次级线圈的第一端以及电荷存储装置Bat的阴极之间，这样它们的功能是当 第一变压器的初级线圈被开启时关闭第一变压器的次级线圈，并且当初级线 圈被关闭时开启次级线圈。
换言之，N个半导体开关元件D1到Dn分别这样工作，当从过度充电 电池释放的能量被存储与第一变压器的初级线圈中，来自次级线圈的能量被 提供到电荷存储装置Bat。
N个第一半导体开关元件Dl到Dn中的每个由二极管形成，但可由例 如MOSFET， BJT，继电器以及二极管中的任意一种形成。
重新分配开关CSW连接于第二变压器的初级线圈的第二端和电荷存储 装置Bat的阳极之间，并响应于由电压检测和驱动信号产生单元30提供的 第二驱动信号来工作。当电压检测和驱动信号产生单元30提供处于高态的第二驱动信号时， 重新分配开关CSW开启，从而形成闭合回路以在第二变压器TS的初级线 圈中感应充于电荷存储装置Bat中的能量。当电压检测和驱动信号产生单元 30提供处于低态的第二驱动信号时，重新分配开关CSW关闭，从而形成开 路，将已经被提供到第二变压器的初级线圈的能量转移到第二变压器的次级 线圈上。
重新分配开关CSW由N型MOSFET形成，但是可以由例如MOSFET， BJT和继电器中的任何一种开关元件形成。
第二半导体开关元件DS连接于第二变压器TS的次级线圈的第一端以 及N个串联电池B1到Bn的第一电池Bl的阴极之间，并这样工作，即当能 量存储于第二变压器TS的初级线圈时，由次级线圈提供的能量被重新分配 到N个串联电池B1到Bn。
第二半导体开关元件DS由二极管形成，但可以由例如MOSFET， BJT， 继电器和二极管中的任意一种形成。
电压检测和驱动信号产生单元30检测N个串联电池Bl到Bn各自的电 压，将检测到的电压与第一参考电压相比较，并产生从被充入大于第一参考 电压的电池，即过度充电电池中释放能量所需的第一驱动信号，并当检测到 的电压大于第一参考电压时输出该第一驱动信号到放电开关。
相应的，当N个串联电池B1到Bn中的某些过度充电时，放电开关形 成一闭合回路来将过度充电电池的能量提供到第一变压器的初级线圈。
另外，电压检测和驱动信号产生单元30检测电荷存储装置Bat的电压， 并产生将存储于电荷存储装置Bat中的能量提供到第二变压器TS的初级线 圈所需的第二驱动信号，并且当电荷存储装置的电荷增加到第二参考电压时 或者具有增加到第二参考电压的可能性时将该第二驱动信号提供到重新分 配开关CSW。在这种情况下，为了将电荷存储装置Bat的电压维持为不变的电压，电 压检测和驱动信号产生单元30产生开启重新分配开关CSW所需的第二驱动 信号，因此电荷存储装置Bat的电压被提供到第二变压器TS的初级线圈， 并且当电荷存储装置Bat的电压增加到第二参考电压时，或者存在增加到第 二参考电压的可能性时将第二驱动信号提供给重新分配开关CSW。
另外，当N个串联电池Bl到Bn中至少一个被过度放电直至比第一参 考电压低很多时，电压检测和驱动信号产生单元30产生第二驱动信号将存 储于电荷存储装置Bat中的电荷充入过度放电的电池，并将该第二驱动信号 提供到重新分配开关CSW。
如图3所示，电压检测和驱动信号产生单元30包含感应单元22，微处 理器24和开关驱动电路单元26。
感应单元22分别连接到电池Bl到Bn，并适用于检测电池Bl到Bn各 自的电压。
微处理器24将通过感应单元22检测的电池Bl到Bn电压的平均电压 设置为参考电压，并设置放电开关SW1到SWn以及重新分配开关CSW的 开/关时间，当参考电压和由感应单元22检测到的电压的差异等于或大于预 定值时对电池充电/放电。
开关驱动电路单元26根据从微处理器24输入的信号产生第一驱动信号 和第二驱动信号，并将第一驱动信号和第二驱动信号分别提供至放电幵关 SW1到SWn，以及重新分配开关CSW。
在根据本发明实施例的电荷均衡设备中，变压器在两个阶段实现，这样 减少了与第一变压器T1到Tn的次级线圈串联的第一半导体开关元件Dl到
Dn的电压压力。
换言之，由于与电荷存储装置Bat的容量相等的电压压力被应用到第一 半导体开关元件D1到Dn上，第一半导体开关元件D1到Dn的电压压力能以与提供自N个串联电池Bl到Bri的电压成比例减少。
相应的，第一半导体开关元件D1到Dn的耐受电压减少了，从而能制 造出高效和低成本的电荷均衡设备。
另外，变压器在两个阶段实现，从而第一变压器T到Tn的匝数比减少 了，这样使制造第一变压器的次级线圈变容易了。
使用根据本发明实施例的电荷均衡设备均衡电池电压的方法在下面进 行说明。
首先，电压检测和驱动信号产生单元30检测N个串联电池B1到Bn各 自的电压。
当在N个串联电池Bl到Bn中的某些电池被检测到大于第一参考电压 的电压时，电压检测和驱动信号产生单元30产生为驱动与过度充电电池并 联的放电开关所需的第一驱动信号以从过度充电的电池释放能量，，并将第 一驱动信号提供到放电开关。
例如，当N个电池B1到Bn的第一电池Bl假设为被过度充电时，电压 检测和驱动信号产生单元30将处于高态的第一驱动信号提供到第一放电开 关SW1。
结果，第一放电开关SW1被开启，并因此形成一实质地延伸到第一电 池B1、第一变压器T1的初级线圈、以及第一放电开关SW1的闭合回路。 相应地，存储于第一电池Bl中的电荷被释放，并被存储于第一变压器Tl 的初级线圈中，而电能被转化为磁能。
之后，电压检测和驱动信号产生单元30将处于低态的第一驱动信号提 供到第一放电开关SW1，从而关闭第一放电开关SW1。
相应地，产生一反电动势，因而存储于第一变压器的初级线圈中的能量 被转移到其次级线圈，并且被转换为电荷，其通过第一半导体开关元件Dl 被提供到电荷存储装置Bat中。在这里，电荷存储装置Bat存储通过第一半导体开关元件D1提供的电荷。
当电路存储装置Bat的电压增加到第二参考电压或具有增加到第二参考 电压的可能性时，电压检测和驱动信号产生单元30产生为驱动重新分配开 关CSW所需的处于高态的第二驱动信号，并将第二驱动信号提供到重新分 配开关CSW。
相应地，重新分配开关CSW被开启，并从而形成一实质地延伸至电荷 存储装置Bat、第二变压器TS的初级线圈、以及重新分配幵关CSW的闭合 回路。结果，存储于电荷存储装置Bat的电荷被存储于第二变压器TS的初 级线圈中，而电荷被转化为磁能。
之后，该电压检测和驱动信号产生单元30提供处于低态的第二驱动信 号至重新分配开关CSW，从而关闭重新分配开关CSW。相应地，产生一反 电动势，因而存储于第二变压器TS的初级线圈中的磁能被转移到第二变压 器的次级线圈，并转化成电荷，该电荷通过第二半导体开关元件DS被重新 分配到N个串联电池B1到Bn，从而对N个串联电池B1到Bn重新充电。 该驱动操作被连续地重复，直到N个串联电池的电压被均衡。 图5是展示根据本发明又一实施例的电荷均衡设备的图。 根据图5，根据本发明的另一实施例的电荷均衡设备包含用于减少在串 联电池Bl到Bn中过度充电电池的电压的N个第一变压器Tl到Tn，用于 存储来自N个第一变压器Tl到Tn能量的电荷存储装置Bat，与N个第一 变压器Tl到Tn的初级线圈分别相串联的N个放电开关SW1到SWn，与N 个第一变压器Tl到Tn的次级线圈分别相串联的N个第一半导体开关元件 Dl到Dn，以及用于检测N个电池B1到Bn各自的电压以及控制N个放电 SW1到SWn的驱动的电压检测和驱动信号产生单元40。
N个第一变压器Tl到Tn的初级线圈分别连接于N个电池Bl到Bn的 两端之间，从而减少N个电池Bl到Bn中过度充电电池的电压。就是说N个第一变压器Tl到Tn初级线圈的第一端连接到电池的阴极，初级线圈的第
二端连接到放电开关的第一端，而放电开关的第二端连接到电池的阳极。
另外，N个第一变压器Tl到Tn的次级线圈的第一端被分别连接到第一 半导体开关元件D1到Dn上，而次级线圈的第二端共同连接到电荷存储装 置Bat的阳极。
N个变压器Tl到Tn中的每一个以反激结构实现，但可以可选地以反激 或正激结构实施。这里，N个变压器T1到Tn的初级线圈与次级线圈具有相 同的匝数比，即N1: N2， N2大于N1。
电荷存储装置Bat存储来自N个变压器Tl到Tn中的变压器的能量， 该变压器已经从过度充电电池中吸取了能量。电荷存储装置Bat的阴极连接 到半导体开关元件Dl到Dn第二端的共同节点，而电荷存储装置Bat的阳 极连接到变压器Tl到Tn的次级线圈的第二端。
这里，电荷存储装置Bat使用用于车辆的电池来实现，但可以使用电容 或用于车辆的电池来实现，其具有足够大的容量来保持从过度充电电池的释 放的电荷。
N个放电开关SW1到SWn分别连接于N个第一变压器Tl到Tn的初 级线圈的第二端以及N个电池B1到Bn的阳极之间，并响应于由电压检测 和驱动信号产生单元40提供的第一驱动信号而运作。
当电压检测和驱动信号产生单元40提供处于高态的第一驱动信号时， 放电开关被开启，从而形成闭合回路以在第一变压器的初级线圈中引发从N 个电池B1到Bn中的过度充电电池释放的能量(电荷)。当电压检测和驱动 信号产生单元40提供处于低态的第一驱动信号时放电开关关闭，从而形成 一开路以将提供给变压器的初级线圈的能量转移到变压器的次级线圈。
这里，N个放电开关SW1到SWn的每个由N型MOSFET形成，但是 可以由例如MOSFET， BJT和继电器的任意之一形成。N个第一半导体开关元件Dl到Dn连接于N个第一变压器Tl到Tn的 次级线圈的第一端以及电荷存储装置Bat的阴极之间，并适用于当变压器的 初级线圈被开启时关闭变压器的次级线圈，并且当初级线圈被关闭时开启次 级线圈。
换言之，N个半导体开关元件D1到Dn分别这样工作，当从过度充电 电池释放的能量被存储于变压器的初级线圈中时，来自次级线圈的能量被转 移到电荷存储装置Bat。
N个第一半导体开关元件Dl到Dn中的每一个由二极管形成，但可由 例如MOSFET， BJT，继电器以及二极管中的任意一种形成。
电压检测和驱动信号产生单元40检测N个串联电池Bl到Bn各自的电 压，将检测到的电压与参考电压相比，并产生从被充到电压大于参考电压的 电池，即过度充电电池中释放能量所需的第一驱动信号，并当检测到的电压 大于参考电压时将驱动信号提供给放电开关。这里，串联电池Bl到Bn的 平均电压或其最低电压可用作参考电压。
相应地，当N个串联电池B1到Bn的某些电池被过度充电，放电幵关 形成一闭合回路，从而过度充电电池的能量被提供到变压器的初级线圈。
如图3所示，电压检测和驱动信号产生单元30包含感应单元22，微处 理器24和开关驱动电路单元26。
感应单元22分别连接到电池Bl到Bn，并适用于检测电池Bl到Bn各 自的电压。
微处理器24将通过感应单元22检测的电池Bl到Bn电压的平均电压 设置为参考电压，并设置放电开关SW1到SWn的幵/关时间，当参考电压和 由感应单元22检测到的电压的差异等于或大于预定值时对电池充电/放电。
开关驱动电路单元26响应于从微处理器24输入的信号产生驱动信号， 并将驱动信号提供至放电开关SW1到SWn。
27如上所述，根据本发明的又一实施例的电荷均衡设备从那些被充到大于
参考电压的电压的电池即过度充电电池中通过电荷存储装置Bat放电，从而均衡N个串联电池B1到Bn的电压。
另外，变压器Tl到Tn的次级线圈的第二端共同连接到电荷存储装置Bat的阳极，因此半导体开关元件Dl到Dn的半导体开关元件的电压压力被减少。
相应地，半导体开关元件Dl到Dn的耐受电压可以降低，从而使高效和低成本的电荷均衡设备能够制造。
另外，电荷均衡设备如此构建，即电荷存储装置Bat与变压器Tl到Tn的次级线圈的第二端相连，从而次级线圈的匝数与传统的电荷均衡设备相比减少了。相应地，次级线圈能够方便地制造。
使用根据本发明又一实施例的电荷均衡设备均衡电池电压的方法在下面进行说明。
首先，电压检测和驱动信号产生单元40检测N个串联电池B1到Bn各自的电压。
当在N个串联电池Bl到Bn中的某些电池被检测到大于参考电压的电压时，电压检测和驱动信号产生单元40产生为驱动与过度充电电池并联的放电开关所需的驱动信号以从过度充电的电池释放能量，并将驱动信号提供到放电开关。
例如，当N个电池B1到Bn的第一电池Bl的电压假设为最低的时，电压检测和驱动信号产生单元40将处于高态的驱动信号提供到开关SW2到SWn，而不提供到第一放电开关SW1，从而开启SW2到SWn，而不开启第一放电开关SW1。
结果存储于电池B2到Bn而除了存储于第一电池Bl的电荷被释放，并存储到变压器T2到Tn而不存储到第一变压器Tl的初级线圈中，其中电能转化为磁能。
之后，电压检测和驱动信号产生单元40将处于低态的第一驱动信号提
供到开关SW2到SWn，从而关闭放电开关SW2到SWn。
相应地，产生一反电动势，因而存储于变压器T2到Tn的初级线圈中的
能量被转移到其次级线圈，并且被转换为电荷。该电荷通过半导体开关元件
D2到Dn被提供到电荷存储装置Bat中。在这里，电荷存储装置Bat存储通
过半导体开关元件D2到Dn提供的电荷。
这一过程被连续地重复，直到N个串联电池的电压被均衡。
权利要求
1、一种电荷均衡设备，该电荷均衡设备包括并联到N个串联电池上的N个第一变压器，该N个第一变压器适用于降低N个电池中过度充电电池的电压；用于存储从所述第一变压器提供的能量的电荷存储装置；用于将存储在所述电荷存储装置中的能量重新分配到所述N个串联电池中的第二变压器；以及电压检测和驱动信号产生单元，用于检测N个串联电池各自的电压，以及用于产生从过度充电电池释放能量所需的第一驱动信号和将存储在所述电荷存储装置中的能量提供给所述第二变压器所需的第二驱动信号。
2、 根据权利要求l所述的电荷均衡设备，该电荷均衡设备还包括 与所述N个第一变压器的初级线圈分别相串联的N个放电开关，该N个放电开关响应于所述第一驱动信号来运作；连接在所述N个第一变压器的次级线圈的第一端和所述电荷存储装置 的阴极之间的N个第一半导体开关元件；连接在所述第二变压器的初级线圈的第二端和所述电荷存储装置的阳 极之间的重新分配开关，该重新分配开关响应于所述第二驱动信号来运作； 以及连接在所述第二变压器的次级线圈的第一端和所述N个串联电池中的 第一电池的阴极之间的第二半导体开关元件。
3、 根据权利要求1所述的电荷均衡设备，其中每个所述第一变压器的 初级线圈与次级线圈的匝数比是N1: N2， N2大于N1。
4、 根据权利要求3所述的电荷均衡设备，其中所述第二变压器的初级线圈与次级线圈的匝数比是N2: N3， N3大于N2。
5、 根据权利要求4所述的电荷均衡设备，其中所述第二变压器的容量 大于所述第一变压器的容量。
6、 根据权利要求l所述的电荷均衡设备，其中所述N个第一变压器的 次级线圈的第二端共同连接到所述电荷存储装置的阳极。
7、 根据权利要求1所述的电荷均衡设备，其中所述第一变压器中的每 一个第一变压器和所述第二变压器如下实现，即初级线圈上形成的同名端和 次级线圈上形成的同名端位于不同侧。
8、 根据权利要求1所述的电荷均衡设备，其中所述第一变压器中的每 一个变压器和所述第二变压器如下实现，即初级线圈上形成的同名端和次级 线圈上形成的同名端位于相同侧。
9、 根据权利要求1所述的电荷均衡设备，其中所述电荷存储装置的容 量与过度充电电池的数量成比例。
10、 根据权利要求9所述的电荷均衡设备，其中所述电荷存储装置是电容。
11、 根据权利要求9所述的电荷均衡设备，其中所述电荷存储装置是用 于车辆的电池。
12、 根据权利要求2所述的电荷均衡设备，其中所述第一半导体开关元件中的每一个第一半导体开关元件和所述第二半导体开关元件由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)、继电器和二 极管中的任一者形成。
13、 根据权利要求12所述的电荷均衡设备，其中所述第一半导体开关 元件中的每一个第一半导体开关元件和所述第二半导体开关元件是二极管。
14、 根据权利要求2所述的电荷均衡设备，其中所述放电开关中的每一 个放电开关和所述重新分配开关由MOSFET、 BJT和继电器中的任一者形 成。
15、 根据权利要求14所述的电荷均衡设备，其中所述放电开关中的每 一个放电开关和所述重新分配开关是N型MOSFET。
16、 根据权利要求l所述的电荷均衡设备，其中所述电压检测和驱动信 号产生单元包括用于检测所述N个电池的电压的感应单元；用于根据由所述感应单元所检测的电压来确定所述放电开关和所述重 新分配开关的开/关时间的微处理器；以及用于响应于从所述微处理器输入的信号来产生驱动所述放电开关和所 述重新分配开关所需的第一驱动信号和第二驱动信号的开关驱动电路单元。
17、 一种电荷均衡设备，该电荷均衡设备包括分别并联到N个串联电池上的N个变压器，该N个变压器适用于降低 所述N个串联电池中过度充电电池的电压；用于存储从所述变压器提供的能量的电荷存储装置；用于检测N个串联电池各自的电压并产生从过度充电电池中释放能量 所需的驱动信号的电压检测和驱动信号产生单元；连接在所述N个变压器的初级线圈和N个电池的阳极之间的N个放电 开关，该N个放电开关响应于所述驱动信号来运作；以及分别连接在所述N个变压器的次级线圈的第一端和所述电荷存储装置 的阴极之间的N个半导体开关元件。
18、 根据权利要求17所述的电荷均衡设备，其中所述N个变压器的次 级线圈的第二端连接到所述电荷存储装置的阳极。
19、 根据权利要求17所述的电荷均衡设备，其中每个所述变压器如下 实现，即初级线圈上形成的同名端和次级线圈上形成的同名端位于不同侧。
20、 根据权利要求17所述的电荷均衡设备，其中每个所述变压器如下 实现，即初级线圈上形成的同名端和次级线圈上形成的同名端位于相同侧。
21、 根据权利要求17所述的电荷均衡设备，其中所述电荷存储装置是 用于车辆的电池。
22、 根据权利要求17所述的电荷均衡设备，其中所述电荷存储装置是 电容。
23、 根据权利要求17所述的电荷均衡设备，其中每个所述放电开关由 MOSFET、 BJT和继电器形成。
24、 根据权利要求23所述的电荷均衡设备，其中每个所述放电开关是N型MOSFET。
25、 根据权利要求17所述的电荷均衡设备，其中每个所述半导体开关 元件由MOSFET、 BJT、继电器和二极管中的任一者形成。
26、 根据权利要求25所述的电荷均衡设备，其中每个所述半导体开关 元件是二极管。
27、 一种电荷均衡方法，该电荷均衡方法包括以下步骤(a) 检测N个串联电池的电压；(b) 将检测到的电压与第一参考电压相比较，且从被充到电压高于所 述第一参考电压的过度充电电池中释放能量，并将从所述过度充电电池提供 的能量存储到电荷存储装置中；以及(c) 检测所述电荷存储装置的电压，将检测到的电压与第二参考电压 相比较，并当检测到的电压等于所述第二参考电压时将检测到的电压重新分 配到所述N个串联电池中，从而在该N个串联电池中重新充入从所述过度 充电电池中提取的能量。
28、 根据权利要求27所述的电荷均衡方法，其中步骤(b)包括从所述 过度充电电池放电以及将从所述过度充电电池提供的能量存储在电容中。
29、 根据权利要求27所述的电荷均衡方法，其中步骤(b)包括从所述 过度充电电池放电以及将从所述过度充电电池提供的能量存储在用于车辆 的电池中。
30、 一种电荷均衡方法，该方法包括以下步骤(a) 检测N个串联电池各自的电压；(b) 将检测到的电压与参考电压相比较，并释放被充到电压大于所述参考电压的过度充电电池中的能量；以及(c) 将从所述过度充电电池提供的能量存储在电荷存储装置中。
31、 根据权利要求30所述的电荷均衡方法，其中所述参考电压是所述 N个串联电池的电压的平均电压。
32、 根据权利要求30所述的电荷均衡方法，其中所述参考电压是所述 N个串联电池中具有最低电压的电池的电压。
全文摘要
本发明主要涉及一种电池电压均衡设备及方法，并且更特别的是涉及一种电荷均衡设备和方法，其减少了半导体开关元件的耐受电压，同时保持了电荷均衡性能，从而使在减少电荷均衡设备成本的情况下使变压器次级线圈的实现变得容易。该电荷均衡设备包含与N个串联电池(B1到Bn)串联的N个第一变压器(T1到Tn)，并适用于减少N个电池中过度充电电池的电压。电荷存储装置(Cdump)存储来自第一变压器的能量。第二变压器(TS)将存储于电荷存储装置的能量重新分配到N个串联的电池。电压检测和驱动信号产生单元(20)检测N个串联电池各自的电压，并产生第一驱动信号和第二驱动信号。
文档编号H02J7/00GK101467325SQ200780021702
公开日2009年6月24日 申请日期2007年6月13日 优先权日2006年6月15日
发明者吴全根, 张洙晔, 文建又, 朴弘善, 李重辉, 金正恩 申请人:Sk能源株式会社;韩国科学技术院