用于电池平衡和充电的系统与方法与流程

相关申请参照

本申请是2010年5月13日提交的题为“用于电池平衡和充电的系统与方法(SYSTEM AND METHOD FOR CELL BALANCING AND CHARGING)”的美国专利申请No.12/779,433的国家阶段申请，该申请No.12/779,433是2009年12月31日提交的题为“用于电池平衡和充电的系统与方法(SYSTEM AND METHOD FOR CELL BALANCING AND CHARGING)”的美国专利申请No.12/650,775的部分延续申请，该申请No.12/650,775要求2009年5月22日提交的题为“用于电池平衡和充电的系统(SYSTEM FOR CELL BALANCING AND CHARGING)”的美国临时专利申请No.61/180,618和2009年9月22日提交的题为“用于电池平衡和充电的系统(SYSTEM FOR CELL BALANCING AND CHARGING)”的美国临时专利申请No.61/244,643的权益，其中的每一个都引用在此以作参考。

技术领域

本发明涉及自充电系统，并且更特别地涉及多电池平衡和充电系统。

背景技术：

电池平衡和充电系统提供一种使用单电源对串联电池组进行充电的能力。使用多锂离子或超级电容器电池的系统需要平衡各个电池从而最大化可从电池组获得的能量和延长系统的寿命。在一个常见的解决方案中，用于对电池充电的电阻性平衡系统通过热量来耗散过量的电量。然而，这种类型的系统浪费了大量的能量。基于“最近相邻”电感性或电容性的能量转移的能量转移系统降低浪费能量的量，但它是复杂的，并且在几个电池的距离上转移电量的时候通常不能提供令人满意的结果。因此，存在对能解决以下两个问题的电池平衡和充电系统的需求：在没有在相关联的电阻器上耗散能量的情况下在电池堆中平衡电池的充电状态，以及进一步向电池堆中的任意电池提供高效电量转移而没有距离损失。平衡电池组中的电池的通常方式是使用导通元件对最高电量电池进行放电，或者可替代地，将电量从导通元件引向相邻电池。

技术实现要素：

正如在此公开和描述的，在本发明的一个方面中，本发明包括一种用于对多个串联的电池充电的装置。第一和第二输入端向该多个串联电池提供充电电压。变压器包括与充电电压相关的初级侧和包括多个部分的次级侧。多个部分中的每一个跨接在多个串联的电池之一上。在该次级侧的多个部分中的每一个与多个串联电池中的至少一个之间串联的开关在第一状态中增大次级侧的该部分与多个串联电池中的至少一个之间的阻抗并且在第二状态中减小次级侧的该部分与多个串接电池中的至少一个之间的阻抗。

附图说明

为了更彻底的理解，现在将参考结合附图进行的以下描述，在附图中：

图1是示出电池平衡电路与串联电池的连接的框图；

图2示出作为电池充电状态的百分比的函数的两个电池之间的电压差；

图3示出用于电池充电和平衡的电路的示意图；

图4示出转变期间的电池充电循环；

图5示出转变期间的电池放电循环；

图6示出图3的可选实施方式；

图7示出图3的电路的另一个实施方式；

图8示出图3的电路的另一个可选实施方式；

图9示出电池充电和平衡电路的另一个实施方式；

图10示出充电和平衡电路的嵌套配置；

图11是图3的电路的可选实施方式的框图，其中在某些次级线圈部分上极性反转；

图12示出包括实现可缩放堆层配置的多个串联变压器部分的可选实施方式；

图13示出用于减少用于电池平衡和充电的变压器次级数量的系统的另一个实施方式；

图14示出图13的可选实施方式，其中使用二极管来代替开关；以及

图15是描述图13的实施方式的操作的流程图。

具体实施方式

现在参考附图，在附图中在此使用的相同的附图标记始终指示同一元件，示出和描述了用于电池平衡和充电的系统和方法的各种视图和实施方式，并且描述了其它可能的实施方式。附图不一定按比例绘制，并且有时候仅为说明起见而在适当的位置夸大和/或简化附图。本领域普通技术人员将理解基于以下可能的实施方式的示例的许多可能的应用和变型。

电池平衡和充电系统提供使用单一电源对串联电池充电的能力。使用多锂离子或超级电容器电池的系统需要平衡各个电池从而最大化可从电池组获得的能量和延长系统的寿命。在一个通常的解决方案中，用于对电池充电的电阻性平衡系统通过热量来消散过量的电量，然而，这种类型的系统浪费了大量的能量。基于“最近相邻”电感性或电容性的能量转移的能量转移系统降低浪费能量的量，但它是复杂的，并且在几个电池的距离上转移电量的时候通常不能提供令人满意的结果。因此，存在对能解决以下两个问题的电池平衡和充电系统的需求：在没有在相关联的电阻器上耗散能量的情况下平衡电池堆中的电池的充电状态，以及进一步向电池堆中的任意电池提供有效电量转移而没有距离损失。在电池组中平衡电池的通常方式是使用导通元件对最高电量电池进行放电，或者可替代地，将电量从导通元件引向相邻电池。

现在参考附图，特别是图1，其示出了与串联电池104连接的电池平衡电路102的配置。特定电池104上的电量可以从一个电池转移到另一个上从而平衡每一个电池104上的电量负载。该电池平衡电路102负责执行该电池平衡/充电功能。如上所述的各种类型的系统为了将电量从电池堆中的一个电池转移到相邻电池而建立。然而，这些系统过于复杂和昂贵，并且在例如从电池堆的一端向另一端在几个电池上转移电量时具有低的效率。

现在参考图2，其示出了作为充电状态百分比的函数的两个电池之间的电压差。当不同阻抗或电压的电池串联时，整个电池组的充电状态受到限制。当充电状态百分比低时，电压偏差非常高并且能够达到500毫伏偏差。当充电状态接近20％时，该电压偏差显著降低并且接近零。因此，在充电循环期间，具有较高充电电压的电池可能最终过量充电和受损，或者可选地，为了保护具有较高充电量的电池，具有较低充电量的电池可能最终充电不足。在这两个方案之一的情况下，电池将不会达到其最大充电电压。在放电期间，具有较低充电量的电池可能将串联连接的总电容拉到低水平并且阻止从系统获得最大电量。

现在参考图3，其示出了用于向串联的电池302提供充电和负载平衡的电路的第一实施方式。串联的电池302连接在节点304与节点306之间。通过设置在节点304与306之间的电压源308向电池302提供充电电压。节点306包括接地节点，而节点304包括输入电压节点。高侧开关晶体管310(MOSFET)的源极/漏极路径连接在节点304与节点312之间。低侧开关晶体管314(MOSFET)的漏极/源极路径连接在节点312与接地节点306之间。

由电感器316和电容器320组成的谐振回路电路连接在节点312与节点322之间。该电感器316连接在节点312与节点318之间。该电容器320在节点318与节点322之间与电感器316串联。变压器325的初级侧324连接到节点322并且连接到接地节点306。该变压器325的次级侧包括多个次级部分326，其中的每一个都跨接到相关电池302的端子。变压器的相邻次级侧部分326的极性彼此相反。开关MOSFET 328的漏极/源极路径连接在变压器325的次级部分326与相关电池302的负极端之间。开关328将从控制电路(未示出)接收控制信号，该控制电路还控制开关晶体管310和314。

在充电循环期间，图3的系统基于用于每一个切换循环的谐振转换器，并且由电压源308输入到谐振回路中的能量被转移到次级侧部分326。随后，具有最低充电电压的电池将获得从谐振回路传递到次级侧326的大部分能量，并且电池的充电电压越高，获得的能量越少。因此，电量与相关电池上的电量成比例地转移到次级部分326。为了增加更多的保护和控制，在每个次级部分326增加串联的开关328以增大或减小电池302的整体阻抗。这允许对电池进行选择性充电，例如给某块电池充电使其电压高于其它电池的时候可能会需要该选择性充电。因此，电池在充电期间得到平衡。

如图4可见，具有最低电压的电池获得谐振回路提供的全部能量，同时具有较高电压的电池保持空载直到较低电压的电池在充电容量上赶上较高容量池。因此，波形402代表具有较低充电量的电池的充电电池电压，而波形404表示较高电压电池的充电电池电压。

在放电期间，变压器325的初级侧324的输入将包括所有电池302的总串联电压。能量从所有的电池302循环回最低充电量的电池。图5示出花费在每个电池中的每个循环的安培小时是一样的，同时对于较低电压电池而言返回到系统中的能量较高。因此，波形502代表最高电压电池，波形504代表次高电压电池而波形506代表最低电压电池。

以前的方案和以上关于图3所描述的实施方案之间的主要差别在于，能量来自整个电池组302并且随后基于比其它电池需要更多能量的电池进行再次分配返回。该方案允许能够自动分配电量而不需要复杂的控制机制的非常简单的系统。更复杂的实施方案是可能的，即按照整个系统寿命利用各种系统维持最优性能的方式使用复杂的算法来进行平衡。该系统可等价地实现为充电器、平衡器或两者兼有。

现在参考图6，其示出了图3的电路的可选实现，其中位于变压器次级326与电池302之间的MOSFET开关328被二极管602代替。在图7示出的另一实现中，供给回路的开关可以被去除并且该回路输入接地。在该系统中，变压器次级与电池之间的开关被开关和导电元件的适当布置代替。通过选择使用次级侧开关，能量传到或取自回路电路。例如，取决于开关元件的配置，附图2中的次级侧变为既是初级又是次级。可选地，如图8所示，较低驱动MOSFET 314可以由二极管802代替。在可选控制方案中，流过变压器初级324的电流可以被感测来确定电流界限，该电流界限为该电路提供准时结束点和确定何时关闭开关晶体管310和314的开关结束定时。

现在参考图9，其示出了图3的充电/平衡电路的又一个实施方式。串联的电池902连接在节点904与节点906之间。通过设置在节点904与906之间的电压源908向电池902提供充电电压。节点906包括接地节点，而节点904包括输入电压节点。高侧开关910连接在节点904与节点912之间。低侧开关914连接在节点912与接地节点906之间。由电感器916和电容器920组成的谐振回路电路连接在节点912与节点922之间。该电感器916连接在节点912与节点918之间。该电容器920在节点918与节点922之间与电感器916串联。

变压器925的初级侧924连接到节点922并且连接到接地节点906。该变压器925的次级侧包括多个次级部分926，其中的每一个都跨接到相关电池902的端部。开关928连接在变压器925的次级侧的次级部分926与相关电池902的负极端之间。开关928将从控制电路(未示出)接收控制信号，该控制电路还控制开关915和914。除连接在变压器次级部分926与电池902之间的开关928以外，电容器930与开关928并联连接。在该方案中，电流通过次级侧开关928的选择性使用而被引导至各个电池902，该次级开关928允许可编程的电量平衡或电量重引导从而有意产生非平衡条件。

现在还参考图10，其示出了嵌套平衡系统。嵌套系统是可能的，其中每一个电池都被之前关于图3所描述的平衡电路1002和串联电池1004代替。图10的电路包括连接在节点1005与节点1006之间的串联电池1004。通过设置在节点1005与1006之间的电压源1008向电池1004提供充电电压。节点1006包括接地节点而节点1005包括输入电压节点。高侧开关1016连接在节点1005与节点1012之间。低侧开关1014连接在节点1012与接地节点1006之间。

由电感器1013和电容器1021组成的谐振回路电路连接在节点1012与节点1022之间。该电感器1013连接在节点1012与节点1018之间。该电容器1021在节点1020与节点1022之间与电感器1013串联。变压器1025的初级侧1024连接到节点1022并且连接到接地节点1006。该变压器1025的次级侧包括多个次级部分1026，其中的每一个都跨接到相关电池组1004的端子。开关1028连接在变压器1025的次级侧1026的次级部分1026与相关电池组1004的负极端之间。开关1028将从控制电路接收控制信号，该控制电路还控制开关1016和1014。

如先前所述，串联的电池1004而不是单个电池跨接在变压器的次级侧的每一个次级部分1026上。跨接这些电池1004的是之前关于图3所描述的平衡电路。因此，电池1004将包含源308，而平衡电路1002将在节点304和306处与源连接。因此，电池1004的每组包括其自身平衡系统1002从而可以制造最优化复杂性/性能折衷的嵌套平衡系统。

在图10的电路的替代实施方式中，供给谐振回路的开关1016和1014可以被去除并且该回路输入接地。在该实现中，变压器次级1026与电池组1004之间的开关1028被开关和导电元件的适当布置所代替。通过选择使用次级侧开关1028，能量传到或取自谐振回路电路。因此，取决于开关元件的配置，次级侧成为既是初级又是次级。

在图11所示的又一实施方式中，电路以与关于图3所述的方式基本相同的方式来配置。然而，次级侧部分326上的极性被改变，从而某些(理想地为半数)次级线圈具有一种极性而剩余的次级线圈具有相反极性。次级线圈中的相反极性之间的实际顺序并不重要。这种配置所提供的好处是电量可以在变压器的两个半循环中传递。第一个半循环供给次级一种极性并且第二半循环供给相反极性。

现在参考附图12，其示出了包括叠层配置的又一个实施方式，其具有与第一变压器1225串联的附加变压器1233。串联的电池1202连接在节点1204与节点1206之间。通过设置在节点1204与1206之间的电压源1208向电池1202施加充电电压。节点1206包括接地节点，而节点1204包括输入电压节点。高侧开关1210连接在节点1204与节点1212之间。低侧开关1214连接在节点1212与接地节点1206之间。由电感器1216和电容器1220组成的谐振回路电路连接在节点1212与节点1222之间。该电感器1216连接在节点1212与节点1218之间。该电容器1220在节点1218与节点1222之间与电感器1216串联连接。

第一变压器1225的初级侧1224连接到节点1222并且连接到接地节点1206。该变压器1225的次级侧包括多个次级部分1226，其中的每一个都跨接到相关电池1202的端子。开关1228连接在变压器1225的次级侧1226的次级部分与相关电池1202的负极端之间。开关1228将从控制电路(未示出)接收控制信号，该控制电路还控制开关1215和1214。而且，除连接在变压器次级部分1226与电池1202之间的开关1228之外，电容器1230与开关1228并联连接。在该方案中，电流通过次级侧开关1228的选择性使用被引导至各个电池1202，以允许可编程的电量平衡或电量重引导从而有意产生非平衡的条件。

在叠层配置的第二变压器1223中，变压器1223的初级侧1235与第一变压器1225的初级侧1224串联连接。而且，还有一系列变压器次级1236跨接到与变压器1225的变压器次级部分1226串联的附加电池1202上。正如电路的第一部分中，开关1228将接收来自控制电路(未示出)的控制信号。除了连接在变压器次级部分1236与电池1202之间的开关1228之外，电容器1230与开关1228并联连接。叠层配置是完全可缩放的。可以串联增加所需部分。因此，除图12所示的两个之外，可以进一步添加任意数量。从而单对开关1215和1214和由电感器1216和电容器1220组成的单一回路电路向串联的变压器线圈供电。

现在参考图13，其示出了包括用于减少变压器次级数量的改进配置的充电/平衡电路的又一个实施方式。串联的电池1302连接在节点1304与节点1306之间。通过设置在节点1304与1306之间的电压源1308向电池1302提供充电电压。节点1306包括接地节点，而节点1304包括输入电压节点。高侧开关1310连接在节点1304与节点1312之间。低侧开关1314连接在节点1312与接地节点1306之间。由电感器1316和电容器1320组成的谐振回路连接在节点1312与节点1322之间。该电感器1316连接在节点1312与节点1318之间。该电容器1320在节点1318与节点1322之间与电感器1316串联。

变压器1325的初级侧1324连接到节点1322并且连接到接地节点1306。该变压器1325的次级侧包括多个次级部分1326。每一个次级部分1326通过相关联的开关1328和1330的组与两个分离的电池1302关联。开关1328连接在变压器1325的次级侧1326的第一部分与相关联电池1302的第一端之间。开关1328类似地与电路中的次级侧1326的每一个第次级部分相关联。类似的，开关1330连接在变压器1325的次级侧1326的次级部分与第二电池的第二端子之间。开关1330与次级侧1326的每一个次级部分相关联。施加到电池1302上的次级侧1326的极性在每个半循环进行期间反转。

变压器次级1326的每一个部分通过开关1328和1330连接到两个相邻的电池1302。在初级线圈1324的电流的相对的半循环期间，开关1328和1330使得充电电流传递到两个连接的电池1302中的每一个。例如，在工作循环的一个半循环期间，次级线圈1326通过开关1328连接到电池1302a和1302c，并且在工作循环的另一个半循环期间，变压器次级1326通过开关1330连接到第二组电池1302b和1302d。该顺序将在每一个半循环期间重复，以使这两组电池都通过次级线圈1326的作用而充电。

现在参考图14，其示出充电/平衡电路的又一个实施方式，其中示出了用于减少变压器次级数量的可替代配置。串联的电池1402连接在节点1404与节点1406之间。通过提供在节点1404与1406之间的电压源1408向电池1402提供充电电压。节点1406包括接地节点，而节点1404包括输入电压节点。高侧开关1410连接在节点1404与节点1412之间。低侧开关1414连接在节点1412与接地节点1406之间。由电感器1416和电容器1420组成的谐振回路连接在节点1412与节点1422之间。该电感器1416连接在节点1412与节点1418之间。该电容器1420在节点1418与节点1422之间与电感器1416串联。

变压器1425的初级侧1424连接到节点1422并且连接到接地节点1406。该变压器1425的次级侧包括多个部分1426。每一个次级部分1426通过相关二极管1428和1430的组与两个分离的电池1402相关联。二极管1428连接在变压器1425的次级侧1426的第一部分与相关联电池1402的第一端之间。二极管1428类似地与电路中的次级侧1426的每一个次级部分相关联。类似地，二极管1430连接在变压器1425的次级侧1426的次级部分与第二电池的第二端子之间。二极管1430与次级侧1426的每一个次级部分相关联。施加到电池1402上的次级变压器1426的极性在每个半循环进行期间反转。

变压器次级1426的每个部分通过二极管1428和1430连接到两个相邻的电池1402。在初级线圈1424的电流的相对的半循环期间，二极管1428和1430使得充电电流传递到两个连接的电池1402中的每一个。例如，在工作循环的一个半循环期间，次级线圈1426通过二极管1428连接到电池1402a和1402c，并且在负载循环的另一个半循环期间，变压器次级1426通过二极管1430连接到第二组电池1402b和1402d。该顺序在每一个半循环期间重复，以使这两组电池都通过次级线圈1426的作用而充电。在图14的实现中，图13的实施方式的开关1328和1330已被二极管1428和1430所代替。在附加配置中，二极管或开关可以被二极管和开关的组合代替从而允许对系统的简单控制。

现在参考图15，其示出了描述图13的电路工作的流程图。一旦电路的工作在步骤1502开始，第一组开关1328接通同时第二组开关1330断开。当这发生时，第一组电池在步骤1506被充电。询问步骤1508确定初级线圈1324中的电流的第一个半循环是否完成。如果没有，控制返回步骤1506。如果询问步骤1508确定该半循环已经完成，那么在步骤1510，第二组开关1330接通同时第一组开关1328断开。这样在步骤1512启动对第二组电池的充电。然后询问步骤1514确定初级线圈1326中的电流的最后一个半循环是否已经完成，如果没有，在步骤1512继续对电池充电。一旦该半循环已经完成，控制就返回到步骤1504，且第一组开关接通同时第二组开关断开从而开始对第一组电池充电。该循环如上所述继续重复。

因此，以前的解决方案与本发明的主要区别在于能量来自整个电池组并且基于比其它电池需要更多能量的电池进行重新分配。该方案允许非常简单的系统，其自动充电而不需要复杂的控制机制。更复杂的实施方案是可能的，即按照利用各种系统维持最优性能的方式使用复杂算法且在整个系统寿命期间执行平衡。而且，可以利用上述方法和系统来将变压器次级的数量减半。这将显著降低该系统中的部件成本并且显著节省费用。

获悉本发明优点的本领域技术人员将能理解，用于电池平衡和充电的该系统和方法提供了一种对电池组充电/平衡电池组的改进方式。应该理解的是，此处的附图和详细说明被视为说明性而不是限制性方式，并且不不旨在受限于所公开的形式和示例。相反，所包括的是任意进一步的修改、改变、重置、替代、选择、设计考虑以及对本领域技术人员显而易见的实施方式，而不背离所附权利要求限定的精神和范围。因此，所附权利要求旨在被解释为包括所有这样的修改、改变、重置、替换、替代方案、设计考虑以及实施方式。