用于电池单元模块的使用lc串联谐振电路的平衡控制电路的制作方法
【专利摘要】提供了一种电池单元平衡电路，包括：电池单元模块，包括串联连接的多个电池单元；串联谐振电路，包括串联连接的电感器单元和电容器单元，以储存从电池单元模块的相应电池单元回收的电能，并将储存的电能供给至电池单元模块的相应电池单元；以及开关单元，配置为提供电能回收路径和电能供给路径，电能回收路径用于将从电池单元模块的相应电池单元回收的电能储存至串联谐振电路的电容器单元中，电池供给路径用于将储存的电能供给至电池单元模块的相应电池单元。
【专利说明】用于电池单元模块的使用LC串联谐振电路的平衡控制电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于电池单元的平衡控制技术。具体地，本发明涉及用于电池单元模块的使用LC串联谐振电路的平衡控制电路，其能够使用开关元件和LC串联谐振电路对电池单元执行平衡操作。
【背景技术】
[0002]通常，当施加在电池(电池单元)两端的电压超过预定值时，电池可能爆炸，而当电压降至预定值之下时，电池可能受到永久损坏。当打算通过电池单元向需要相对大量能量的设备(如电动车辆)供给能量时，包括串联连接的电池单元的电池单元模块(电池组)被使用。然而，当使用电池单元模块时，可能由于各个电池单元之间的性能差异而出现电压失衡。
[0003]当电池单元模块被充电时，电池单元模块内的一个电池单元可在其他电池单元之前到达上限电压。在这种情况下，无法再对该电池单元模块进行充电。因此，只能在其他电池单元未充分充电的状态下结束充电。因此，该电池单元模块的充电容量并未达到额定充电容量。
[0004]此外，当电池单元模块被放电时，电池单元模块内的一个电池单元可能在其他电池单元之前到达下限电压。在这种情况下，由于电池单元模块无法继续使用，电池单元模块的使用时间被大大减少。
[0005]当如上所述电池单元模块被充电或放电时，为了扩大使用电池单元模块的时间，具有较高电能的电池单元的电能可供给至具有较低电能的电池单元。这种操作被称为电池平衡。
[0006]图1是使用并联电阻器的传统电池平衡电路的电路图。参照图1，传统电池平衡电路包括电池单元模块11，电阻器Rll至R14、以及开关SWll至SW15，其中电池单元模块11具有串联连接的电池单元CELLl至CELL4，电阻器Rll至R14串联连接，开关SWll至SW15配置为分别将电池单元模块11的两末端和位于电池单元CELLl至CELL4之间的连接端选择性地连接至电阻器Rll至R14的相应端。
[0007]参照图1，在电池单元模块11的充电操作过程中，当电压电池单元模块11内的电池单元CELLl至CELL4中的任意电池单元的充电电压在其他电池单元的充电电压之前到达上限电压时，开关SWll至SW15中的相应开关闭合，以通过电阻器Rll至R14中的相应电阻器对充电电压进行放电。
[0008]例如，当第二电池单元CELL2的充电电压在其他电池单元CELLl、CELL3和CELL4的充电电压之前到达上限电压时，开关SW12闭合所需的时间。因此，当根据需要通过电阻器R12对电池单元CELL2的充电电压进行放电时，执行了电池单元平衡。
[0009]然而，当使用这种电池单元平衡电路时，通过电阻器消耗了能量。因此，效率被大大减小。此外，由于在使用电池模块时无法将上限电压供给至具有较低电压的电池单元，故效率被减小。
[0010]图2是使用电容器的传统电池单元平衡电路的电路图。参照图2，传统电池单元平衡电路包括电池单元模块21、电容器C21至C23、以及开关SW21至SW24，其中电池单元模块21具有串联连接的电池单元CELLl至CELL4，电容器C21至C23串联连接，开关SW21至SW24被配置为将电容器C21的一端、电容器C21和C22之间的连接端、电容器C22和C23之间的连接端、以及电容器C23的另一端中的每一个选择性地连接至电池单元CELLl至CELL4中相应电池单元的两端之一。
[0011]参照图2，使用电容器的电池单元平衡电路具有两种连接状态。在第一连接状态中，电容器C21的一端、电容器C21和C22之间的连接端、电容器C22和C23之间的连接端、以及电容器C23的另一端中的每一个连接至电池单元CELLl至CELL4中相应电池单元的一端(阳极)，如图2所示。在第二连接状态中，电容器C21的一端、电容器C21和C22之间的连接端、电容器C22和C23之间的连接端、以及电容器C23的另一端中的每一个连接至电池单元CELLl至CELL4中相应电池单元的另一端(阴极)。
[0012]然而，这种电池单元平衡电路的问题在于其效率由于电容器与电池单元之间发生硬开关操作而减小。人们希望，电池模块内的电池单元可具有相同的容量。然而，由于各种原因，电池单元之间具有不同容量。在这种情况下，虽然任意电池单元的充电电压低于其他电池单元的充电电压，但该任意电池单元可能具有更大的容量。此时，具有较低电压的电池单元的电压需要被传输至具有较高电压的电池单元。然而，传统电池单元平衡电路不能执行电压传输功能。
[0013]图3是使用回扫(flyback)结构的传统电池单元平衡电路的电路图。参照图3，电池单元平衡电路包括电池单元模块31，回扫变换器32、开关SW32至SW35，其中电池单元模块31具有串联连接的电池单元CELLl至CELL4，开关SW32至SW34配置为分别将回扫变换器32的多个次级线圈选择性地连接至电池单元CELLl至CELL4的两端，开关SW35配置为将回扫变换器32的初级线圈的一侧选择性地连接至电池单元模块31的一侧。
[0014]图3的电池单元平衡电路是使用回扫结构的电池单元平衡电路，其是开关模式电源(SMPS)中的一种。电池单元平衡电路可分别使用开关SW31至SW34将电能传输至电池单元模块31内的串联连接的电池单元CELLl至CELL4。并且电池单元平衡电路可在电池单元模块31的两末端之间传递电能。
[0015]由于电池单元平衡电路具有SMPS的形式，故电池单元平衡电路具有极高的效率。然而，随着设置在电池单元模块中的电池单元数量的增加，回扫变换器中所使用的磁芯的尺寸也不可避免地增大。因此，电池单元平衡电路的价格也增加了。
[0016]此外，由于传统电池单元平衡电路不具有适当控制平衡速度的功能，故难以提高平衡效率或确保电池单元的稳定性。
【发明内容】
[0017]因此，本发明致力于解决现有技术中出现的问题，并且本发明的目的是提供用于电池单元模块的平衡控制电路，其使用开关元件和LC串联谐振电路对电池单元模块执行平衡操作，从而使由硬开关导致的损耗最小化。
[0018]本发明的另一目的是提供用于电池单元模块的使用LC串联谐振电路的平衡控制电路，其在电池单元模块串联连接时使用变压器将设置在多个电池模块中的多个电池单元模块的电容的电能改变为相同水平。
[0019]为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电池单元平衡电路，其包括电池单元模块、串联谐振电路、以及开关单元，其中电池单元模块包括串联连接的多个电池单元；串联谐振电路包括串联连接的电感器单元和电容器单元，以储存从电池单元模块的相应电池单元回收的电能，并将储存的电能供给至电池单元模块的相应电池单元；以及开关单元配置为提供电能回收路径和电能供给路径，电能回收路径用于将从电池单元模块的所述相应电池单元回收的电能储存至串联谐振电路的电容器单元中，电池供给路径用于将储存的电能供给至电池单元模块的所述相应电池单元。
[0020]根据本发明的另一方面，提供了使用LC串联谐振电路的电池单元平衡电路，其包括多个电池模块。每个所述电池模块包括电池单元模块、串联谐振电路、开关单元、以及变压器的线圈，其中电池单元模块包括串联连接的多个电池单元；串联谐振电路配置为储存从电池单元模块的相应电池单元回收的电能，并将储存的电能供给至电池单元模块的相应电池单元；开关单元配置为提供电能回收路径和电能供给路径，电能回收路径用于将从电池单元模块的所述相应电池单元回收的电能储存至串联谐振电路的电容器单元中，电池供给路径用于将储存的电能供给至电池单元模块的相应电池单元；以及变压器的线圈与电容器并联连接，电池单元模块串联连接，以及包括在串联谐振电路中的线圈被磁耦合，使得储存在电容器中的电能的水平或从电容器中释放的电能的水平被改变为相同水平。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]在结合附图阅读了下面的详细描述之后，本发明的上述目的、和其他特征和优点将变得显而易见，在附图中:
[0022]图1是使用并联电阻器的传统电池单元平衡电路的电路图；
[0023]图2是使用电容器的传统电池单元平衡电路的电路图；
[0024]图3是使用回扫结构的传统电池单元平衡电路的电路图；
[0025]图4是示出根据本发明的实施方式的用于电池单元模块的使用LC串联谐振电路的平衡控制电路的图；
[0026]图5A是根据本发明的实施方式的可变电感器的电路图；
[0027]图5B是根据本发明的实施方式的可变电容器的电路图；
[0028]图6和图7是示出可变电容器用于调节平衡速度的示例的电路图；
[0029]图8是根据本发明的另一实施方式的用于电池单元模块的使用LC串联谐振电路的平衡控制电路的框图；
[0030]图9A至图9C是图8的电池模块的细节电路图；
[0031 ] 图10示出了根据本发明实施方式的使用LC串联谐振电路的电池单元平衡控制电路包括两个电池模块；
[0032]图11是电池单元平衡电路执行电能回收模式的电路图；
[0033]图12是电池单元平衡电路执行电能供给模式的电路图；
[0034]图13是电池单元平衡电路执行电能回收模式的另一电路图；
[0035]图14是电池单元平衡电路的执行电能供给模式的另一电路图；以及
[0036]图15是示出选择性地驱动变压器的示例的电路图。
【具体实施方式】
[0037]下面将详细参照本发明的优选实施方式，附图中示出了其实施例。只要有可能，所有附图和整个说明书中使用相同的参考标号表示相同或相似的部分。
[0038]图4示出了根据本发明实施方式的用于电池单元模块的使用LC串联谐振电路的平衡控制电路。参照图4，平衡控制电路包括电池单元模块410、串联谐振电路420、以及开关单元，其中开关单元具有第一至第三开关单元431至433。
[0039]电池单元模块410包括串联连接的第一至第四电池单元CELLl至CELL4。
[0040]串联谐振电路420包括串联连接的电感器单元Lv和电容器单元Cv。电感器单元Lv可具有可变容量，电容器单元Cv可具有可变容量。
[0041]开关单元(未示出)包括第一至第三开关单元431至433。
[0042]第一开关单元431配置为形成用于从第一至第四电池单元CELLl至CELL4回收电能或向第一至第四电池单元CELLl至CELL4供给电能的路径。对于该操作，第一开关单元431包括第一至第五开关SWl至SW5，第一至第五开关SWl至SW5的一端分别连接至第一至第四电池单元CELLl至CELL4的相应端，而另一端共同地连接至第一公共节点NI。
[0043]第二开关单元432配置为形成用于从第一至第四电池单元CELLl至CELL4回收电能或向第一至第四电池单元CELLl至CELL4供给电能的路径。对于该操作，第二开关单元432包括第六至第十开关SW6至SW10，第六至第十开关SW6至SWlO的一端分别连接至第一至第四电池单元CELLl至CELL4的相应端，而另一端共同地连接至第二公共节点N2。
[0044]第一至第四电池单元CELLl至CELL4的相应端包括第一电池CELLl的一端、位于第一电池单元CELLl的另一端与第二电池单元CELL2的一端之间的公共连接端、位于第二电池单元CELL2的另一端与第三电池单元CELL3的一端之间的公共连接端、位于第三电池单元CELL3的另一端与第四电池单元CELL4的一端之间的公共连接端、以及第四电池单元CELL4的另一端。
[0045]第三开关单元433包括第十一至第十四开关SWll至SW14。在电能回收模式中，第i^一开关SWlI配置为将串联谐振电路420的一个末端连接至第一公共节点NI，第十二开关Sff12被配置为将串联谐振电路420的另一末端连接至第二公共节点N2。在电能供给模式中，第十三开关SW13配置为将串联谐振电路420的所述另一末端连接至第一公共节点NI，第十四开关SW14配置为将串联谐振电路420的所述一个末端连接至第二公共节点N2。
[0046]SPST (单刀单掷)开关可用作设置在第一至第三开关单元431至433中的开关。然而，本发明不限于此，第一至第三开关单元431至433可利用其他开关元件诸如MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)、BJT (双极结型晶体管)、以及IGBT (绝缘栅极双极晶体管)来实施。
[0047]在电能回收模式中，当电池单元模块410的第一至第四电池单元CELLl至CELL4中的一个电池单元被充电有比其他电池单元更高的电能时，该电池单元的电能通过由第一至第三开关单元431至433的开关形成的电能回收路径被暂时储存至串联谐振电路内。此时，由于充电有更高电能的电池单元的容量远大于可变电容器单元Cv的容量，故电池单元的电压稍微降低。另一方面，可变电容器单元Cv的充电电压以正弦函数的形式增加。
[0048]然后，在电能供给模式中，暂时储存在串联谐振电路420的可变电容器单元Cv中的电能通过由第一至第三开关单元431至433的开关形成的电能回收路径供给至与第一至第四电池单元CELLl至CELL4中的其他电池单元相比充电有更低电能的电池单元。
[0049]通过上述一连串电能回收和供给过程，执行了电池单元平衡。
[0050]然而，在本实施方式中，为了在对电池单元模块410的第一至第四电池单元CELLl至CELL4执行平衡操作时控制平衡速度，串联谐振电路420包括具有可变容量的电容器单元Cv和电感器单元Lv。
[0051 ] 用于将电感器单元Lv和电容器单元Cv实施为具有可变容量的方法包括各种实施方式。图5A和5B示出了这些实施方式。
[0052]图5A示出了电感器单元Lv通过两个电感器LI和L2和第二i^一开关SW21实施的示例。当第二i^一开关SW21闭合时，两个电感器LI和L2通过第二i^一开关SW21彼此并联连接，并且电感器单元Lv的电感被调整(减小)。然而，当第二i^一开关SW21断开时，可变电感器单元Lv的值由第一电感器LI确定。因此，电感器单元Lv的电感比两个电感器LI和L2彼此并联连接时更高。
[0053]图5B示出了电容器单元Cv通过两个电容器Cl和C2和第二十二开关SW22实施的示例。当第二十二开关SW22闭合时，两个电容器Cl和C2通过第二十二开关SW22彼此并联连接，并且电容器单元Cv的电容被调整(增大)。然而，当第二十二开关SW22断开时，可变电容器单元Cv的值由第一电容器Cl确定。因此，电容器单元Cv的电容比两个电容器Cl和C2彼此并联连接时更低。
[0054]图6和图7示出了这样的示例，其中串联谐振电路420的电感器单元通过具有固定电感值的固定电感器Ls实施，而电容器单元Cv通过可变电容器实施，该可变电容器的容量根据所需的平衡速度通过两个电容器Cl和C2改变。参照图6和图7，下面将描述在电能回收模式中通过改变电容器的容量来控制平衡速度的过程。
[0055]图6示出了这样的示例，其中当储存在第三电池单元CELL3中的电能在储存在电池单元模块410中设置的第一至第四电池单元CELLl至CELL4中的电能之中是最高，并且串联谐振电路420包括通过第一和第二电容器Cl和C2和第二十二开关SW22实施的可变电容器单元Cv时，平衡以低速执行。此时，由于第二十二开关SW22断开，电容器单元Cv的容量由第一电容器Cl确定。
[0056]在这种情况下，根据从控制单元(未示出)输出的开关控制信号，第一开关单元431的开关之中的第三开关SW3闭合，而其他开关断开。第二开关单元432的开关之中的第九开关SW9闭合，而其他开关断开。第三开关单元433的开关之中的第十一和第十二开关SWll和SW12闭合，而其他开关断开。
[0057]因此，电池单元模块410的第三电池单元CELL3中所储存的电能通过第一开关单元431的第三开关SW3、第一节点N1、以及第三开关单元433的第十一开关SWll被暂时地储存至串联谐振电路420的第一电容器Cl内。此时，电容器单元Cv的容量被设定为比第一和第二电容器Cl和C2彼此并联连接时更低。因此，由于以低速执行用于电池单元模块410的平衡操作，故提高了平衡效率。
[0058]然而，当打算在图6的条件下增大平衡速度时，开关控制信号用于使第二十二开关SW22闭合，如图7所示。因此，第一和第二电容器Cl和C2彼此并联连接，电容器单元Cv的容量被调整(增大)。
[0059]因此，在第一至第三开关单元431至433的开关以与图6中所示方式相同的方式开关的状态下，平衡操作以以下方式执行，即储存在第三电池单元CELL3中的电能通过上述路径被暂时地储存至串联谐振电路420中的彼此并联连接的第一和第二电容器Cl和C2内。然而，由于第一和第二电容器Cl和C2彼此并联连接，故电容器单元Cv的电容增大的比图6中更多。因此，增大了平衡速度以保证单元稳定性。
[0060]通过上述一连串过程，在电能供给模式中，暂时地储存在串联谐振电路420中的电能被供给至第一至第四电池单元CELLl至CELL4中具有最低电能的电池单元，例如，第四电池单元CELL4。
[0061]此时，第一开关单元431的第五开关SW5、第二开关单元432的第九开关SW9、以及第三开关单元433的第十三和第十四开关SW13和SW14闭合，而其他开关断开。因此，暂时储存在电容器单元Cv中的电能通过第十四开关SW14和第九开关SW9被供给至第四电池单元 CELL4。
[0062]甚至在此时，由于通过第二十二开关SW22使第一和第二电容器Cl和C2彼此并联连接或使第一和第二电容器Cl和C2彼此分离而改变电容器单元Cv的容量，如图6和图7所示，故可调整平衡速度。
[0063]图8是根据本发明的另一实施方式的使用LC串联谐振电路的电池单元平衡电路的框图。图9A至图9C是图8的电池模块的详细电路图。电池单元平衡电路包括N个电池模块800_1至800_N。由于N个电池模块800_1至800_N中的每个均包括M个电池单元CELL_1至CELL_M，所以电池单元平衡电路800包括M*N个电池单元。设置在N个电池模块800_1至800_N的每个中的M个电池单元CELL_1至CELL_M串联连接。
[0064]当N个电池模块800_1至800_N之中的任意电池模块的电池单元，例如第一电池模块800_1的第一电池单元模块811的电池单元CELL_1至CELL_M2中的一个电池单元被充电有比其他电池单元更高的电能时，该电池单元的电能通过由第一至第三开关单元813A至813C的开关所形成的电能回收路径被暂时地储存至串联谐振电路812的电容器Csl内。
[0065]N个电池模块800_1至800_N*的每个均包括电容器Csl，其中电容器Csl与变压器TR的线圈LI并联连接。线圈LI彼此磁耦合。因此，当电能通过上述路径在任意电池模块中被回收并且暂时地储存在电容器Csl中时，电能通过线圈LI传输至其他电池模块的电容器Csl。因此，所有电池模块800_1至800_N的电容器Csl都被充电有相同水平的电能。
[0066]由于变压器TR用于共享电池模块800_l至800_N的电容器Csl的充电电压，故电能可轻易地在电池单元之间传输，即使使用了具有低内部电压的开关。
[0067]暂时储存在串联谐振电路812的电容器Csl中的电能通过由第一至第三开关813A至813C的开关形成的电能供给路径被供给至N个电池模块800_1至800_N中的任意电池模块的比其他电池单元充电有更低电能的电池单元。
[0068]通过上述一连串电能回收和供给过程，执行了电池单元平衡。
[0069]在图9A至9C中，SPST (单刀单掷)开关用作设置在第一至第三开关单元813A至813C中的开关。然而，本发明不限于此，第一至第三开关单元813A至813C可通过其他开关元件诸如MOSFET (金属氧化物场效应晶体管)、BJT (双极结型晶体管)、以及IGBT (绝缘栅极双极晶体管)来实施。
[0070]图10示出了根据本发明的使用LC串联谐振电路的电池单元平衡电路包括两个电池模块。参照图10，下面将更详细地描述根据本发明的实施方式的电池单元平衡操作。
[0071]参照图10，电池单元平衡电路800包括第一和第二电池模块800_1和800_2。由于第一和第二电池模块800_1和800_2具有相同的结构,故下面的描述将集中在第一和第二电池模块800_1和800_2之中的第一电池模块800_1上。
[0072]第一电池模块800_1包括第一电池单元模块811、串联谐振电路812、包括第一至第三开关单元813A至813C的开关单元、以及变压器TR的第一线圈LI。
[0073]第一电池单元模块811包括串联连接的第一至第四电池单元CELLll至CELL14。
[0074]串联谐振电路812包括串联连接的第一电感器Lsl和第一电容器Csl。
[0075]变压器TR的第一线圈LI与第一电容器Csl并联连接。
[0076]第一开关单元813A形成用于从第一至第四电池单元CELLll至CELL14回收电能或向第一至第四电池单元CELLll至CELL14供给电能的路径。对于该操作，第一开关单元813A包括第一至第五开关SWl至SW5，第一至第五开关SWl至SW5的一端分别连接至第一至第四电池单元CELLll至CELL14的相应端，而另一端共同地连接至第一公共节点Nil。
[0077]第二开关单元813B形成用于从第一至第四电池单元CELLll至CELL14回收电能或向第一至第四电池单元CELLll至CELL14供给电能的路径。对于该操作，第二开关单元813B包括第六至第十开关SW6至SW10，第六至第十开关SW6至SWlO的一端分别连接至第一至第四电池单元CELLll至CELL14的相应端，而另一端共同地连接至第二公共节点N12。
[0078]第一至第四电池单元CELLll至CELL 14的相应端包括第一电池单元CELLll的一端、位于第一电池单元CELLll的另一端与第二电池单元CELL12的一端之间的公共连接端、位于第二电池单元CELL12的另一端与第三电池单元CELL13的一端之间的公共连接端、位于第三电池单元CELL13的另一端与第四电池单元CELL14的一端之间的公共连接端、以及第四电池单元CELL14的另一端。
[0079]第三开关单元813C包括第十一至第十四开关SWll至SW14。在电能回收模式中，第i^一开关SWll配置为将串联谐振电路812的一个末端连接至第一公共节点N11，第十二开关SW12配置为将串联谐振电路812的另一末端连接至第二公共节点N12。第十三开关SW13配置为将串联谐振电路812的所述另一末端连接至第一公共节点N11，第十四开关SW14被配置为将串联谐振电路812的所述一个末端连接至第二公共节点N12。
[0080]与第一电池模块800_1的第一电池单元模块811串联连接的第一至第四电池单元CELLll至CELL14串联连接至与第二电池模块800_2的第二电池单元模块821串联连接的第一至第四电池单元CELL21至CELL24。
[0081]第一线圈LI和第二线圈L2彼此磁耦合，其中变压器TR的第一线圈LI并联连接至第一电池模块800_1的第一电容器Cs I，变压器TR的第二线圈L2并联连接至第二电池模块800_2的第二电容器Cs2。
[0082]设置在第一电池模块800_1的第一电池单元模块811中的第一至第四电池单元CELLll至CELL14中所储存的电能和设置在第二电池模块800_2的第二电池单元模块821中的第一至第四电池单元CELL21至CELL24中所储存的电能之中，最高电能通过由开关单元的相应开关形成的电能回收路径被暂时地储存至第一电池模块800_1的串联谐振电路812的第一电容器Csl或第二电池模块800_2的串联谐振电路822的第二电容器Cs2中。
[0083]参照图11，下面将描述电能回收模式。在图11中，假设设置在第一电池模块800_1的第一电池单元模块811中的第一至第四电池单元CELLll至CELL14中所储存的电能和设置在第二电池模块800_2的第二电池单元模块821中的第一至第四电池单元CELL21至CELL24中所储存的电能之中，最高电能储存在第一电池单元模块811的第二电池单元CELL 12 中。
[0084]在这种情况下，根据从控制单元(未示出)输出的开关控制信号，第一电池模块800_1的第一开关单元813A的开关之中的第三开关SW3闭合，而其他开关断开。第二开关单元813B的开关之中的第七开关SW7闭合，而其他开关断开。第三开关单元813C的开关之中的第十三和第十四开关SW13和SW14闭合，而其他开关断开。此时，第二电池模块800_2中的第一至第三开关单元823A至823C的所有开关均断开。
[0085]因此，设置在第一电池模块800_1的第一电池单元模块811中的第二电池单元CELL12中所储存的电能通过第二开关单元813B的第七开关SW7、第二节点N12、以及第三开关单元813C的第十四开关SW14被暂时地储存至串联谐振电路812的第一电容器Csl内。
[0086]此时，由于第二电池单兀CELL12的容量远大于第一电容器Csl的容量,故当串联谐振电路812在电能回收模式中发生谐振时，第二电池单元CELL12的充电电压稍微降低。另一方面，第一电容器Csl的充电电压以正弦函数的形式增加。
[0087]然而，如上所述，变压器TR的第一和第二线圈LI和L2彼此磁耦合。因此，储存在第一电容器Csl中的电能通过变压器TR的第一和第二线圈LI和L2被储存至第二电容器Cs2中。因此，在电能回收模式中，第一和第二电容器Csl和Cs2被充电有相同水平的电能。
[0088]将参照图12描述电能供给模式，在电能供给模式中，被回收的电能被供给至与其他电池单元相比具有较低电能的电池单元。在图12中，假设设置在第一电池模块800_1的第一电池单元模块811中的第一至第四电池单元CELLll至CELL14中所储存的电能和设置在第二电池模块800_2的第二电池单元模块821中的第一至第四电池单元CELL21至CELL24中所储存的电能之中，最低电能储存在第二电池单元模块821的第四电池单元CELL24 中。
[0089]在这种情况下，根据从控制单元输出的开关控制信号，第一电池模块800_1的第一至第三开关单元813A至813C的开关之中的所有开关都闭合。此时，第二电池模块800_2的第一开关单元823A的开关之中的第二十四开关闭合，而其他开关断开。第二开关单元823B的开关之中的第三十开关SW30闭合，而其他开关断开。第三开关单元823C的开关之中的第三十一和第三十二开关SW31和SW32闭合，而其他开关断开。
[0090]因此，储存在第二电池模块800_2的第二电容器Cs2中的电能通过第三开关单元823C的第三十一开关SW31和第一开关单元823A的第二十四开关SW24被供给至第二电池单元模块821的第四电池单元CELL24。
[0091]此时，由于第四电池单兀CELL24的容量远大于第二电容器Cs2的容量,故在电能供给模式中，第四电池单兀CELL24的充电电压稍微增大。另一方面，第二电容器Cs2的充电电压以正弦函数的形式减小。
[0092]然而，如上所述，变压器TR的第一和第二线圈LI和L2彼此磁耦合。因此，在电能供给模式中，第一和第二电容器Csl和Cs2的电能减小至相同水平。
[0093]当在电能回收模式和电能供给模式中仅在一个方向上向变压器TR的第一和第二线圈LI和L2供给电压时，可能出现饱和。为了防止饱和，可向变压器TR的第一和第二线圈LI和L2供给双极性电压，使得平均电压变为O。
[0094]图13和图14示出用于防止饱和的实施方式。
[0095]图13与图11的不同之处在于，在电能回收模式中，在第一电池模块800_1的第三开关单元813C的第i^一至第十四开关SWll至SW14之中，第i^一和第十二开关SWll和Sff12闭合，而第十三和第十四开关SW13和SW14断开。
[0096]图14与图12的不同之处在于，在电能供给模式中，在第二电池模块800_2的第三开关单元823C的第三i^一至第三十四开关SW31至SW34之中，第三十三和第三十四开关SW33和SW34闭合，而第三i^一和第三十二开关SW31和SW32断开。
[0097]换言之，在电能回收模式中，交替地提供图11的电能回收路径和图13的电能回收路径以从相应的电池单元回收电能，直至在第二电池模块800_2的设置在第二电池单元模块821中的第一至第四电池单元CELL21至CELL24和设置在第一电池单元模块811中的第一至第四电池单元CELLll至CELL14之间实现电能平衡。此外，在电能供给模式中，交替地提供图12的电能供给路径和图14的电能供给路径以向相应的电池单元供给电能，直至在第二电池模块800_2的设置在第二电池单元模块821中的第一至第四电池单元CELL21至CELL24和设置在第一电池单元模块811中的第一至第四电池单元CELLl I至CELL14之间实现电能平衡。然后，当执行用于电池单元的平衡操作时，可以防止变压器TR饱和。
[0098]当执行用于电池单元的平衡操作时，可以使用与充电状态和电池单元的性能状态有关的信息来区别具有最高电能的电池单元与具有最低电能的电池单元，其中上述信息通过电池管理系统(未示出)的平衡算法提供。
[0099]在上述实施方式中，描述了从具有最高电能的电池单元回收电能，并向具有最低电能的电池单元供给回收的电能。然而，本发明不限于此。例如，基于上述电池单元平衡原理，可从与其他电池相比充电有较高电能的多个电池单元回收电能，并向与其他电池相比充电有较低电能的多个电池单元供给回收的电能。
[0100]图15示出了本发明的另一实施方式。例如，在图15中选择开关SW_S连接在变压器TR的第一线圈LI的一个终端与第一电容器Csl的一端之间，使得第一线圈LI选择性地并联连接至第一电容器Csl。
[0101]当电池模块之间不需要传输电能并在第一电池模块800_1内执行单独的电能平衡操作时，选择开关sw_s断开。然而，当在执行单独的电能平衡操作之后需要在电池模块800_1和800_2之间交换电能时，选择开关SW_S闭合。
[0102]根据本发明实施方式，电池单元平衡电路使用开关元件和串联谐振电路对电池单元模块执行平衡操作，这样可减小产品的尺寸和电池单元平衡电路的价格。
[0103]此外，当对多个电池单元执行平衡功能时，通过具有低内部电压的开关执行平衡功能，这样可保证稳定的平衡操作。
[0104]此外，当对具有串联连接的多个电池单元的电池单元模块执行平衡操作时，平衡操作在正常时间下以低速执行，这样可提高平衡效率。当需要高速平衡时，可调整电容器或电感器的值，以提高平衡速度。
[0105]此外，当对多个电池单元执行平衡功能并且设置在多个电池模块中的多个电池单元模块串联连接时，变压器可用于使各电池单元模块的电容器的电能改变至相同水平。因此，可有效地执行各电池模块之间的单元平衡。
[0106]此外，当对多个电池单元执行平衡功能时，可自由地选择电池单元作为平衡目标。因此，可有效地执行从具有最高电能的电池单元到具有最低电能的电池单元的平衡操作。
[0107]此外，当对多个电池单元执行平衡功能时，通过LC串联谐振电路传输电能。因此，可以减小通过开关致使的能量损耗和加热值。
[0108]虽然出于示意性目的而描述了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员应理解，在不背离所附权利要求所公开的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改、增加和替换。
【权利要求】
1.电池单元平衡电路，包括: 电池单元模块，包括串联连接的多个电池单元； 串联谐振电路，包括串联连接的电感器单元和电容器单元，以储存从所述电池单元模块的相应电池单元回收的电能，并将储存的所述电能供给至所述电池单元模块的相应电池单元；以及 开关单元，配置为提供电能回收路径和电能供给路径，所述电能回收路径用于将从所述电池单元模块的所述相应电池单元回收的所述电能储存至所述串联谐振电路的所述电容器单元中，所述电池供给路径用于将储存的所述电能供给至所述电池单元模块的所述相应电池单元。
2.如权利要求1所述的电池单元平衡电路，其中所述电容器单元和所述电感器单元中的一个或多个具有可变容量。
3.如权利要求1所述的电池单元平衡电路，其中所述电感器单元包括: 多个电感器；以及 一个或多个开关，配置为使所述多个电感器中的任意数量的电感器彼此并联连接。
4.如权利要求1所述的电池单元平衡电路，其中所述电感器单元包括: 第一电感器； 第二电感器；以及 第二十一开关，配置为执行开关操作使得所述第一电感器和所述第二电感器彼此并联连接或彼此分离。
5.如权利要求1所述的电池单元平衡电路，其中所述电容器单元包括: 多个电容器；以及 一个或多个开关，配置为使所述多个电容器中的任意数量的电容器彼此并联连接。
6.如权利要求1所述的电池单元平衡电路，其中所述电容器单元包括: 第一电容器； 第二电容器；以及 第二十二开关，配置为执行开关操作使得所述第一电容器和所述第二电容器彼此并联连接或彼此分离。
7.如权利要求1所述的电池单元平衡电路，其中所述开关单元包括: 第一开关单元，包括分别连接在第一公共节点与所述多个电池单元的一端之间的多个开关; 第二开关单元，包括分别连接在第二公共节点与所述多个电池单元的另一端之间的多个开关；以及 第三开关单元，包括:连接在所述第一公共节点与所述串联谐振电路的两端之间的多个开关；以及连接所述第二公共节点与所述串联谐振电路的两端之间的多个开关。
8.如权利要求7所述的电池单元平衡电路，其中所述第一开关单元至所述第三开关单元的各自的开关包括单刀单掷(SPST)开关和MOS晶体管中的一个或多个。
9.如权利要求1所述的电池单元平衡电路,其中从所述电池单元模块的所述相应电池单元回收的所述电能包括从所述电池单元模块的所述电池单元中储存最高电能的电池单元回收的电能。
10.如权利要求1所述的电池单元平衡电路，其中接收储存的所述电能的电池单元包括所述电池单元模块的所述电池单元中储存最低电能的电池单元。
11.使用LC串联谐振电路的电池单元平衡电路，包括多个电池模块， 其中每个所述电池模块包括: 电池单元模块，包括串联连接的多个电池单元； 串联谐振电路，配置为储存从所述电池单元模块的相应电池单元回收的电能，并将储存的所述电能供给至所述电池单元模块的相应电池单元； 开关单元，配置为提供电能回收路径和电能供给路径，所述电能回收路径用于将从所述电池单元模块的所述相应电池单元回收的所述电能储存至所述串联谐振电路的电容器中，所述电池供给路径用于将储存的所述电能供给至所述电池单元模块的相应电池单元；以及 变压器的线圈，与所述电容器并联连接， 所述电池单元模块串联连接，以及 包括在所述串联谐振电路中的所述线圈被磁耦合，使得储存在所述电容器中的电能的水平或从所述电容器释放的电能的水平被改变为相同水平。
12.如权利要求11所述的电池单元平衡电路，其中所述开关单元包括: 第一开关单元，包括分别连接在第一公共节点与所述多个电池单元的一端之间的多个开关; 第二开关单元，包括分别连接在第二公共节点与所述多个电池单元的另一端之间的多个开关；以及 第三开关单元，包括:连接在所述第一公共节点与所述串联谐振电路的两端之间的多个开关；以及连接在所述第二公共节点与所述串联谐振电路的两端之间的多个开关。
13.如权利要求12所述的电池单元平衡电路，其中所述第一开关单元至所述第三开关单元的各自的开关包括单刀单掷(SPST)开关和MOS晶体管中的一个或多个。
14.如权利要求11所述的电池单元平衡电路，其中，当从所述电池单元模块的所述相应电池单元回收的所述电能被储存并且储存的所述电能被供给至所述电池单元模块的所述相应电池单元时，所述开关单元形成用于在两个方向上交替地向所述变压器的线圈供给电压的路径。
15.如权利要求11所述的电池单元平衡电路，其中，所述变压器的线圈通过选择开关在所述相应电池模块中执行单独的电能平衡操作时与所述电容器分离，并在所述单独的电能平衡操作之后所述电池模块之间需要电能交换时连接至所述电容器。
16.如权利要求11所述的电池单元平衡电路,其中每个所述电池单元均具有比所述电容器大预定值的容量。
17.如权利要求11所述的电池单元平衡电路，其中从所述电池单元模块的所述相应电池单元回收的所述电能包括从所述电池单元模块的所述电池单元中储存最高电能的电池单元回收的电能。
18.如权利要求11所述的电池单元平衡电路，其中接收储存的所述电能的电池单元包括所述电池单元模块的所述电池单元中储存最低电能的电池单元。
【文档编号】H02J7/00GK104167771SQ201310661633
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年5月16日
【发明者】姜凤求, 成昌炫, 崔亨珍, 尹浩荣, 赵珉纪, 郑瑜采, 李卿敏 申请人:浦项工科大学校产学协力团