專利名稱：電荷均衡設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種電池電壓均衡設(shè)備和方法，并且更特別地是涉及一種電荷均衡設(shè)備和方法，該設(shè)備和方法在維持電荷均衡性能的同時(shí)降低了半導(dǎo)體開關(guān)元件的耐受電壓，從而在減少電荷均衡設(shè)備開支的同時(shí)能很容易就實(shí)現(xiàn)變壓器的次級(jí)線圈。
背景技術(shù)：
許多系統(tǒng)都使用由電池組或電池陣列形式的電池，其包含多個(gè)電池單元相互串聯(lián)。
當(dāng)這樣的電池被充電至顯著高于額定充電電壓范圍的電壓時(shí)或放電至低于額定放電電壓時(shí)，將是危險(xiǎn)的。
在電池單元的荷電狀態(tài)(charged state)之間的不均衡是由多種因素引起的，并在電池的制造或電池的充電/放電中發(fā)生。對(duì)于鋰離子電池的情況，在工廠中電池的制造被嚴(yán)格控制來使電池陣列中電池單元容量間的差異最小化。然而，電池單元之間的不均衡或不同可能由于各種因子而出現(xiàn)，而不論電池單元的狀態(tài)如何，也就是即使電池單元最初制造后在工廠中達(dá)到了均衡和等同。
影響電池不均衡的因子可能包含，例如化學(xué)反應(yīng)，各電池單元的阻抗和自放電速率，電池容量的減少，電池工作溫度的變化以及電池間不同類型的變化。
電池溫度之間的不一致是造成電池單元間不均衡的重要因子。例如，"自放電"是在電池內(nèi)引起的，并且是電池溫度的函數(shù)。具有較高溫度的電池通常比具有較低溫度的電池具有更高的自放電速率。結(jié)果，長(zhǎng)時(shí)間后具有較高溫度的電池表現(xiàn)出比具有較低溫度的電池更低的荷電狀態(tài)。
不均衡在電池荷電狀態(tài)中是非常嚴(yán)重的問題。例如，電池提供能量的能
力是被具有最低荷電狀態(tài)的電池單元所限制的，其通常出現(xiàn)于電動(dòng)車輛中。如果該電池單元被完全消耗，其他電池單元就失去了繼續(xù)供能的能力。
即使是電池的其他電池單元仍然具有供能能力也是一樣的。因此，電池單元
荷電狀態(tài)的不均衡降低了電池的供能能力。
當(dāng)然，上面所述并不表示當(dāng)一個(gè)或多個(gè)電池單元被消耗時(shí)通過剩余電池
單元供能是完全不可能的事。然而，在串聯(lián)的情況下，這意味著如果一個(gè)或
多個(gè)電池單元被完全消耗，只要在剩余電池單元中有剩余電荷，該電池能繼
續(xù)使用，但是那樣的話，由于其已經(jīng)完成放電的電池單元將產(chǎn)生具有相反極
性的電壓，其結(jié)果是該電池單元由于其過熱或氣體的產(chǎn)生而可能有爆炸的危
險(xiǎn)，這樣一來電池就失去了供能能力。
糾正電池單元荷電狀態(tài)間不均衡的各種方法已經(jīng)被提出，其中一種方法
示于圖1中。
圖1是常規(guī)的電荷均衡設(shè)備的示意圖。
根據(jù)圖1，該常規(guī)的電荷均衡設(shè)備包括變壓器Tl到Tn，開關(guān)SW1到SWn， 二極管Dl到Dn，以及電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元10。然后，變壓器的初級(jí)線圈上的和次級(jí)線圈上的同名端(dot)位于相反側(cè)。相應(yīng)的，每個(gè)變壓器這樣運(yùn)行，當(dāng)初級(jí)線圈開啟時(shí)，能量充入初級(jí)線圈中，而當(dāng)?shù)诙€圈關(guān)閉且初級(jí)線圈關(guān)閉時(shí)，充入初級(jí)線圈的能量通過反電動(dòng)勢(shì)提供到次級(jí)線圈中，從而次級(jí)線圈被開啟。
開關(guān)SW1到SWn分別與變壓器Tl到Tn的初級(jí)線圈相串聯(lián)，并適用于根據(jù)由電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元10提供的控制信號(hào)而將過度充電電池中充入的能量提供給變壓器T1到Tn的初級(jí)線圈。相應(yīng)的，過度充電的電池被放電。當(dāng)與初級(jí)線圈串聯(lián)的開關(guān)SW1到SWn被開啟時(shí)，變壓器Tl到Tn由過度充電電池提供能量，并向其初級(jí)線圈充入能量。當(dāng)開關(guān)SWl到SWn被關(guān)閉時(shí)，變壓器通過反電動(dòng)勢(shì)提供在初級(jí)線圈充入的能量到其次級(jí)線圈。
二極管D1到Dn分別與次級(jí)線圈串聯(lián)，并適用于整流從次級(jí)線圈提供到串聯(lián)電池B1到Bn的能量。
電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元10檢測(cè)串聯(lián)電池Bl到Bn各自的電壓，將檢測(cè)到的電壓與參考電壓比較，并產(chǎn)生從被充到大于參考電壓的電池，即過度充電電池放電所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該由電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元10產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)被提供到與過度充電電池并聯(lián)的開關(guān)，從而產(chǎn)生一閉合的回路而使過度充電電池的能量能提供到變壓器Tl到Tn的初級(jí)線圈中。
然而，該常規(guī)的電荷均衡設(shè)備在以下方面是有問題的，由于二極管Dl到Dn與次級(jí)線圈相串聯(lián)，當(dāng)開關(guān)SW1到SWn被開啟時(shí)，將在二極管Dl到Dn中引發(fā)大約兩倍于串聯(lián)電池Bl到Bn的電壓，從而增加了二極管Dl到Dn的電壓壓力。換言之，當(dāng)開關(guān)SWl到SWn開啟時(shí)，由過度充電電池提供到變壓器初級(jí)線圈的電壓和由串聯(lián)電池Bl到Bn提供的電壓都在二極管Dl到Dn引發(fā)，這樣在二極管D1到D2產(chǎn)生了高電壓壓力。相應(yīng)地，與變壓器T1到Tn的次級(jí)線圈串聯(lián)的二極管Dl到Dn的耐受電壓增加了，從而增加了該電荷均衡設(shè)備的成本。
另外，在該常規(guī)的電荷均衡設(shè)備中，由于變壓器T1到Tn的次級(jí)線圈的匝數(shù)是初級(jí)線圈匝數(shù)的N倍(N是串聯(lián)電池的數(shù)量)，隨著電池?cái)?shù)量的增加，在實(shí)現(xiàn)次級(jí)線圈時(shí)存在很多限制
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
相應(yīng)的，本發(fā)明在考慮上述問題時(shí)完成，本發(fā)明意在提供一種電荷均衡設(shè)備和方法，該設(shè)備和方法降低半導(dǎo)體開關(guān)元件的耐受電壓，從而使其在降低電荷均衡設(shè)備成本的同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)變壓器的次級(jí)線圈。技術(shù)方案
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種電荷均衡設(shè)備，該電荷均衡設(shè)備包括
并聯(lián)到N個(gè)串聯(lián)電池上的N個(gè)第一變壓器，并適用于降低N個(gè)電池中過度充電電池的電壓；用于存儲(chǔ)從第一變壓器提供的能量的電荷存儲(chǔ)裝置；用于將存儲(chǔ)在電荷存儲(chǔ)裝置中的能量重新分配到N個(gè)串聯(lián)電池中的第二變壓器；以及用于檢測(cè)N個(gè)各自串聯(lián)電池的電壓，并產(chǎn)生從過度充電電池釋放能量所需的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)和產(chǎn)生將電荷存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)的能量提供給第二變壓器所需的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種電荷均衡設(shè)備，該電荷均衡設(shè)備包括分別并聯(lián)到N個(gè)串聯(lián)電池上的N個(gè)變壓器，并適用于降低N個(gè)串聯(lián)電池中過度充電電池的電壓；用于存儲(chǔ)從變壓器中提供的能量的電荷存儲(chǔ)裝置；用于檢測(cè)N個(gè)各自串聯(lián)電池的電壓并產(chǎn)生從過度充電電池中釋放能量所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元；在N個(gè)變壓器初級(jí)線圈和N個(gè)電池陽極之間連接的N個(gè)放電開關(guān)，該N個(gè)放電開關(guān)響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)工作；以及分別在N個(gè)變壓器的次級(jí)線圈的第一端和電荷存儲(chǔ)裝置的陰極之間連接的N個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，其提供了一種電荷均衡的方法，該方法包含以下步驟(a)檢測(cè)N個(gè)串聯(lián)電池的電壓；(b)將檢測(cè)的電壓與第一參考電壓相比較，從那些充到高于第一參考電壓的過度充電電池中釋放能量，并將該過度充電電池提供的能量存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)裝置；以及(c)檢測(cè)電荷存儲(chǔ)裝置的電壓，將檢測(cè)到的電壓與第二參考電壓相比，并當(dāng)檢測(cè)電壓等于第二參考電壓時(shí)將檢測(cè)到的電壓重新分配到N個(gè)串聯(lián)電池中，從而在N個(gè)串聯(lián)電池中重新充入從過度充電電池中提取的能量。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，其提供了一種電荷均衡的方法，該方法包含以
下步驟(a)檢測(cè)N個(gè)各自串聯(lián)電池的電壓；(b)將檢測(cè)到的電壓與參考電 壓相比較，并從充到高于參考電壓的過度充電電池中釋放能量；以及(c)
將過度充電電池提供的能量存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)裝置。
有益效果
本發(fā)明的變壓器在兩個(gè)階段執(zhí)行是有利的，這樣減少了與第一變壓器的 次級(jí)線圈串聯(lián)的第一開關(guān)元件的電壓壓力。
相應(yīng)地，第一半導(dǎo)體開關(guān)元件的耐受電壓降低了，從而使電荷均衡設(shè)備 能實(shí)現(xiàn)高效且低成本的制造。
另外，變壓器在兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)，從而第一變壓器的匝數(shù)比能夠減少，這 樣使次級(jí)線圈的制造變得容易了 。


圖1是展示常規(guī)的電荷均衡設(shè)備的圖2是展示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電荷均衡設(shè)備的圖3是展示圖2的電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元的圖4是展示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的電荷均衡設(shè)備的圖；以及
圖5是展示根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的電荷均衡設(shè)備的圖。
重要部分的附圖標(biāo)記說明
10， 20， 30, 40:電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元
20:感應(yīng)單元
24:微處理器
26:開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路單元
具體實(shí)施例方式
12下文中將參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖2是展示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電荷均衡設(shè)備的圖，而圖3是展示圖2 中電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元的圖。
根據(jù)圖2和圖3，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電荷均衡設(shè)備包括用于降低在串 聯(lián)電池Bl到Bn中的過度充電電池的電壓的N個(gè)第一變壓器Tl到Tn，用 于存儲(chǔ)從N個(gè)第一變壓器Tl到Tn提供的能量的電荷存儲(chǔ)裝置Cdump，用 于將從N個(gè)第一變壓器Tl到Tn提供的能量重新分配到N個(gè)電池Bl到Bn 的第二變壓器TS，與N個(gè)第一變壓器T1到Tn的初級(jí)線圈分別串聯(lián)的N個(gè) 放電開關(guān)SWl到SWn，與N個(gè)第一變壓器Tl到Tn次級(jí)線圈分別串聯(lián)的N 個(gè)第一半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn，與第二變壓器TS的初級(jí)線圈串聯(lián)的重新 分配開關(guān)CSW，與第二變壓器TS的次級(jí)線圈串聯(lián)的第二半導(dǎo)體開關(guān)元件 DS，以及用于檢測(cè)N個(gè)電池Bl到Bn各自的電壓并控制N個(gè)放電開關(guān)SWl 到SWn和重新分配幵關(guān)CSW的驅(qū)動(dòng)的電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20。
N個(gè)第一變壓器Tl到Tn是如下實(shí)現(xiàn)的N個(gè)第一變壓器Tl到Tn上 的初級(jí)線圈分別連接到N個(gè)電池Bl到Bn的兩端，從而減少N個(gè)電池Bl 到Bn中過度充電電池的電壓。也就是說，N個(gè)第一變壓器T1到Tn的初級(jí) 線圈的第一端連接到電池的陰極，初級(jí)線圈的第二端連接到放電開關(guān)的第一 端，而放電開關(guān)的第二端連接到電池的陽極。
另外，N個(gè)第一變壓器Tl到Tn的次級(jí)線圈的第一端分別連接到第一半 導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn，而次級(jí)線圈的第二端連接到電荷存儲(chǔ)裝置Cdump 的陽極和重新分配開關(guān)CSW的第二端。
N個(gè)變壓器T1到Tn中的每個(gè)都是以反激(flyback)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，其中 初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的極性是互相相反的，即其中形成于初級(jí)線圈上的同名 端和形成于次級(jí)線圈的同名端位于不同的側(cè)，但是可以可選地以正激 (forward)結(jié)構(gòu)實(shí)施，其中初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的極性是相互相同的。在這里，N個(gè)第一變壓器T1到Tn其初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的匝數(shù)比是相同的，即 Nl: N2，其中N2大于N1。
電荷存儲(chǔ)裝置Cdump的第一端連接到第二變壓器TS的初級(jí)線圈的第一 端以及第一半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn的第二端，而電荷存儲(chǔ)裝置Cdump的 第二端連接到重新分配開關(guān)CSW的第二端以及N個(gè)第一變壓器Tl到Tn的 次級(jí)線圈的第二端。相應(yīng)的，電荷存儲(chǔ)裝置Cdump存儲(chǔ)從N個(gè)第一變壓器 Tl到Tn的第一變壓器提供的能量，該第一變壓器己經(jīng)從過度充電電池中吸 取了能量。這樣的電荷存儲(chǔ)裝置Cdump使用電容來實(shí)現(xiàn)，但是可以使用電 容或電池來實(shí)現(xiàn)，并且其容量被確定與過度充電電池?cái)?shù)量成比例。
第二變壓器TS的作用為將從過度充電電池提供的并存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)裝 置Cdump中的能量，即從N個(gè)第一變壓器T1到Tn提供的能量，重新分配 到N個(gè)串聯(lián)電池B1至UBn，從而對(duì)N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn進(jìn)行重新充電。
對(duì)于這個(gè)操作，第二變壓器TS的初級(jí)線圈與電荷存儲(chǔ)裝置Cdump的兩 端相連，而其次級(jí)線圈分別與第一電池Bl的陰極和地GND相連。具體而 言，第二變壓器TS的初級(jí)線圈的第一端與電荷存儲(chǔ)裝置Cdump的陰極相連， 初級(jí)線圈的第二端與重新分配開關(guān)CSW的第二端相連，次級(jí)線圈的第一端 與第二半導(dǎo)體開關(guān)元件DS相連，而次級(jí)線圈的第二端與地GND相連。
這樣的第二變壓器TS以反激結(jié)構(gòu)實(shí)施，但可以以反激結(jié)構(gòu)或正激結(jié)構(gòu) 實(shí)施。在這里，當(dāng)過度充電電池的數(shù)量增加時(shí)，從過度充電電池釋放的能量 增加，從而第二變壓器TS具有比N個(gè)第一變壓器T1到Tn更大的容量。另 外，第二變壓器TS具有這樣的初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的匝數(shù)比，即N2: N3， N3大于N2。
N個(gè)放電開關(guān)SW1到SWn分別連接于N個(gè)第一變壓器Tl到Tn的初 級(jí)線圈的第二端與N個(gè)電池B1到Bn的陽極之間，并響應(yīng)于由電壓檢測(cè)和 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20提供的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)而運(yùn)作。當(dāng)電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20提供處于高態(tài)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)N
個(gè)放電開關(guān)SW1到SWn被開啟，從而在第一變壓器的初級(jí)線圈中形成閉合 回路來引發(fā)從在N個(gè)電池Bl到Bn中的過度充電電池中釋放的能量(電荷)。 當(dāng)由電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20提供處于低態(tài)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)N個(gè) 放電幵關(guān)SW1到SWn被關(guān)閉，從而形成開路而將提供到第一變壓器的初級(jí) 線圈的能量轉(zhuǎn)移到第一變壓器的次級(jí)線圈。
N個(gè)放電開關(guān)SW1到SWn中每一個(gè)都是由N型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效 應(yīng)晶體管(MOSFET)形成的，但是可選的可以由例如MOSFET，雙極型晶 體管(BJT)和繼電器中的任意一種開關(guān)元件形成。
N個(gè)第一半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn連接到N個(gè)第一變壓器Tl到Tn的 次級(jí)線圈的第一端，電荷存儲(chǔ)裝置Cdump的陰極以及第二變壓器TS的初級(jí) 線圈的第一端，這樣它們的功能為當(dāng)?shù)谝蛔儔浩鞯某跫?jí)線圈被開啟時(shí)關(guān)閉第 一變壓器的次級(jí)線圈，當(dāng)初級(jí)線圈關(guān)閉時(shí)開啟次級(jí)線圈。
換言之，N個(gè)第一半導(dǎo)體開關(guān)元件D1到Dn分別這樣運(yùn)作，當(dāng)從過度 充電電池釋放的能量被存儲(chǔ)至第一變壓器的初級(jí)線圈時(shí)，由次級(jí)線圈提供的 能量被提供至電荷存儲(chǔ)裝置Cdump。
N個(gè)第一半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn中的每一個(gè)由二極管形成，但是可 選的可以由MOSFET， BJT，繼電器和二極管中的任意一種形成。
重新分配開關(guān)CSW連接于第二變壓器的初級(jí)線圈的第二端和電荷存儲(chǔ) 裝置Cdump的陽極之間，并響應(yīng)于由電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20提供 的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)來運(yùn)作。
當(dāng)電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20提供的處于高態(tài)的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)， 這樣的重新分配開關(guān)CSW被開啟，從而形成閉合回路來在第二變壓器TS 的初級(jí)線圈能中感應(yīng)充于電荷存儲(chǔ)裝置Cdump中的能量。當(dāng)電壓檢測(cè)和驅(qū) 動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20提供處于低態(tài)的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，重新分配開關(guān)CSW被關(guān)閉，從而形成開路來將己被提供到第二變壓器的初級(jí)線圈的能量轉(zhuǎn)換到第 二變壓器的次級(jí)線圈。
重新分配開關(guān)CSW由N型MOSFET形成，但可以可選地由例如 MOSFET, BJT和繼電器中的任意一種形成。
第二半導(dǎo)體開關(guān)元件DS連接于第二變壓器TS的次級(jí)線圈的第一端和 N個(gè)串聯(lián)電池Bl到Bn的第一電池Bl的陰極之間，并這樣運(yùn)作，即當(dāng)能量 存儲(chǔ)于第二變壓器TS的初級(jí)線圈時(shí)，從次級(jí)線圈提供的能量被重新分配到 N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn。
第二半導(dǎo)體開關(guān)元件DS由二極管形成，但可以由MOSFET， BJT，繼 電器和二極管任意之一形成。
電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20檢測(cè)N個(gè)串聯(lián)電池Bl到Bn各自的電 壓，將檢測(cè)到的電壓與第一參考電壓相比，并產(chǎn)生從被充入大于第一參考電 壓的電壓的電池，即過度充電電池中釋放能量所需的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并當(dāng)檢 測(cè)到的電壓大于第一參考電壓時(shí)輸出至第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)到放電開關(guān)。
相應(yīng)的，當(dāng)N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn中的某些被過度充電時(shí)，放電開關(guān)
形成閉合回路來將過度充電電池的能量提供到第一變壓器的初級(jí)線圈。
另夕卜，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20檢測(cè)電荷存儲(chǔ)裝置Cdump的電 壓，并產(chǎn)生將存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)裝置Cdump的能量提供到第二變壓器TS的初 級(jí)線圈所需的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并當(dāng)電荷存儲(chǔ)裝置Cdump的電壓等于第二參 考電壓時(shí)向重新分配開關(guān)CSW提供第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
在這個(gè)時(shí)候，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20阻止能量連續(xù)充入電荷 存儲(chǔ)裝置Cdump中，并在電荷存儲(chǔ)裝置Cdump的電壓成為第二參考電壓時(shí) 產(chǎn)生第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)來開啟重新分配開關(guān)CSW，并將第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供到重 新分配開關(guān)CSW，這樣，當(dāng)電荷存儲(chǔ)裝置Cdump通過自放電消耗能量前， 電荷存儲(chǔ)裝置Cdump的電壓被提供到第二變壓器TS的初級(jí)線圈。另外，當(dāng)N個(gè)串聯(lián)電池Bl到Bn中至少一個(gè)被過度放電至比第一參考 電壓低很多的程度，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20產(chǎn)生第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)將 存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)裝置Cdump的電荷提供到過度放電電池，并將第二驅(qū)動(dòng)信 號(hào)提供到重新分配開關(guān)CSW。
電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20包括感應(yīng)單元22，微處理器24以及開 關(guān)驅(qū)動(dòng)電路單元26。
感應(yīng)單元22連接到各個(gè)電池Bl到Bn，并適用于檢測(cè)各個(gè)電池Bl到 Bn的電壓。
微處理器24將通過感應(yīng)單元22檢測(cè)的電池Bl到Bn電壓的平均電壓 設(shè)置為參考電壓，并設(shè)置放電開關(guān)SW1到SWn以及重新分配開關(guān)CSW的 開/關(guān)(ON/OFF)時(shí)間，從而當(dāng)參考電壓和由感應(yīng)單元22檢測(cè)到的電壓的
差異等于或大于預(yù)定值時(shí)對(duì)電池充電/放電。
開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路單元26根據(jù)從微處理器24輸入的信號(hào)產(chǎn)生第一驅(qū)動(dòng)信號(hào) 和第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別提供至放電開關(guān) SW1到SWn，以及重新分配開關(guān)CSW。
在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電荷均衡設(shè)備中，變壓器在兩階段實(shí)現(xiàn)，這樣減 少了與第一變壓器Tl到Tn的次級(jí)線圈串聯(lián)的第一半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到
Dn上的電壓壓力。
換言之，由于與電荷存儲(chǔ)裝置Cdump的電壓成比例的電壓壓力被應(yīng)用 到第一半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn上，第一半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn的壓力 壓力能以提供自N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn的電壓成比例減少。
相應(yīng)的，第一半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn的耐受電壓減少了，從而能制
造出高效和低成本的電荷均衡設(shè)備。
另外，變壓器在兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)，從而第一變壓器T1到Tn的匝數(shù)比減少
了，這樣使制造第一變壓器的次級(jí)線圈變?nèi)菀琢?。使用根?jù)本發(fā)明實(shí)施例的電荷均衡設(shè)備均衡電池電壓的方法在下面進(jìn) 行說明。
首先，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20檢測(cè)N個(gè)串聯(lián)電池Bl到Bn各 自的電壓。
當(dāng)在N個(gè)串聯(lián)電池Bl到Bn中的某些電池被檢測(cè)到大于第一參考電壓 的電壓時(shí)，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20產(chǎn)生為驅(qū)動(dòng)與過度充電電池并 聯(lián)的放電開關(guān)所需的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)以從過度充電的電池釋放能量，并將第一 驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供到放電開關(guān)，。
例如，當(dāng)N個(gè)電池B1到Bn的第一電池Bl充電時(shí)，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信 號(hào)產(chǎn)生單元20將處于高態(tài)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供到第一放電開關(guān)SW1 。
相應(yīng)地，第一放電開關(guān)SW1被開啟，并因此形成一實(shí)質(zhì)地延伸到第一 電池B1、第一變壓器T1的初級(jí)線圈、以及第一放電開關(guān)SW1的閉合回路。 結(jié)果，存儲(chǔ)于第一電池B1的電荷被釋放，并被存儲(chǔ)于第一變壓器T1的初級(jí) 線圈中，而電荷被轉(zhuǎn)化為磁能。
之后，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20將處于低態(tài)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)提 供到第一放電開關(guān)SW1，從而關(guān)閉第一放電開關(guān)SW1。
相應(yīng)地，產(chǎn)生一反電動(dòng)勢(shì)，因而存儲(chǔ)于初級(jí)線圈中的能量被轉(zhuǎn)移到次級(jí) 線圈，并且被轉(zhuǎn)換為電荷，其通過第一半導(dǎo)體開關(guān)元件D1被提供到電荷存 儲(chǔ)裝置Cdump中。在這里，電荷存儲(chǔ)裝置Cdump存儲(chǔ)通過第一半導(dǎo)體開關(guān) 元件D1提供的電荷。
當(dāng)電路存儲(chǔ)裝置Cdump存儲(chǔ)電荷，該電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20 檢測(cè)電荷存儲(chǔ)裝置Cdump的電壓，并產(chǎn)生為當(dāng)被檢測(cè)電壓成為第二參考電 壓時(shí)驅(qū)動(dòng)重新分配開關(guān)CSW所需的處于高態(tài)的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并向重新分 配開關(guān)CSW提供第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
相應(yīng)地，重新分配開關(guān)CSW被開啟，并從而形成一實(shí)質(zhì)地延伸至電荷初級(jí)線圈、以及重新分配開關(guān)CSW的 閉合回路。結(jié)果，存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)裝置Cdump的電荷被存儲(chǔ)于第二變壓器 TS的初級(jí)線圈中，而電荷被轉(zhuǎn)化為磁能。
之后，該電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元20提供處于低態(tài)的第二驅(qū)動(dòng)信 號(hào)至重新分配開關(guān)CSW，從而關(guān)閉重新分配開關(guān)CSW。結(jié)果，產(chǎn)生一反電 動(dòng)勢(shì)，因而存儲(chǔ)于第二變壓器TS的初級(jí)線圈中的磁能被轉(zhuǎn)移到第二變壓器 的次級(jí)線圈，并轉(zhuǎn)化成電荷，該電荷通過第二半導(dǎo)體開關(guān)元件DS被重新分 配到N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn，從而對(duì)N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn重新充電。 該驅(qū)動(dòng)操作被連續(xù)地重復(fù)，直到N個(gè)串聯(lián)電池的電壓被均衡。 圖4是展示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的電荷均衡設(shè)備的圖。 參考圖4，根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的電荷均衡設(shè)備包含用于減少在串 聯(lián)電池Bl到Bn中過度充電電池的電壓的N個(gè)第一變壓器Tl到Tn，用于 存儲(chǔ)從N個(gè)第一變壓器T1到Tn提供的能量的電荷存儲(chǔ)裝置Bat，用于將由 N個(gè)第一變壓器Tl到Tn提供的能量重新分配到N個(gè)電池Bl到Bn的第二 變壓器TS，與N個(gè)第一變壓器T1到Tn的初級(jí)線圈分別相串聯(lián)的N個(gè)放電 開關(guān)SW1到SWn，與N個(gè)第一變壓器Tl到Tn的次級(jí)線圈分別相串聯(lián)的N 個(gè)第一半導(dǎo)體開關(guān)元件D1到Dn，與第二變壓器TS的初級(jí)線圈相串聯(lián)的重 新分配開關(guān)CSW，與第二變壓器TS的次級(jí)線圈相串聯(lián)的第二半導(dǎo)體開關(guān)元 件DS，以及用于檢測(cè)N個(gè)電池Bl到Bn各自的電壓以及控制N個(gè)放電SW1 到SWn和重新分配開關(guān)CSW的驅(qū)動(dòng)的電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30。
N個(gè)第一變壓器T1到Tn的初級(jí)線圈連接于N個(gè)電池Bl到Bn的兩端 之間，從而減少N個(gè)電池B1到Bn中過度充電電池的電壓。具體而言，N 個(gè)第一變壓器T1到Tn初級(jí)線圈的第一端連接到電池的陰極，初級(jí)線圈的第 二端連接到放電開關(guān)的第一端，而放電開關(guān)的第二端連接到電池的陽極。 另外，N個(gè)第一變壓器Tl到Tn的次級(jí)線圈的第一端被分別連接到第一半導(dǎo)體開關(guān)元件D1到Dn上，而次級(jí)線圈的第二端被連接到電荷存儲(chǔ)裝置 Bat的陽極和重新分配開關(guān)CSW的第一端。
N個(gè)第一變壓器Tl到Tn中的每一個(gè)以反激結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其初級(jí)線圈和次 級(jí)線圈的極性是相互相反的，即形成于初級(jí)線圈的同名端和形成于次級(jí)線圈 的同名端位于不同的側(cè)，但可以可選的以正激結(jié)構(gòu)實(shí)施，其初級(jí)線圈和次級(jí) 線圈的極性是相互相同的。這里，N個(gè)第一變壓器T1到Tn的初級(jí)線圈與次 級(jí)線圈具有相同的匝數(shù)比，即Nh N2，其中N2大于N1。
電荷存儲(chǔ)裝置Bat的第一端與第二變壓器TS的初級(jí)線圈的第一端以及 第一半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn的第二端相連，電荷存儲(chǔ)裝置Bat的第二端 與重新分配開關(guān)CSW的第一端以及N個(gè)第一變壓器Tl到Tn的次級(jí)線圈的 第二端相連。相應(yīng)地，該電荷存儲(chǔ)裝置Bat存儲(chǔ)從第一變壓器提供的能量， 該第一變壓器從在N個(gè)第一變壓器Tl到Tn中的過度充電電池吸取能量。 這樣的電荷存儲(chǔ)裝置Bat使用用于車輛的電池來實(shí)現(xiàn)，但是可以使用電容或 用于車輛的電池來實(shí)現(xiàn)，并且其容量被確定與過度充電電池的數(shù)量成比例。
第二變壓器TS用作重新分配能量，其由過度充電電池提供并且存儲(chǔ)于 電荷存儲(chǔ)裝置Bat中，即來自N個(gè)第一變壓器Tl到Tn的能量提供到N個(gè) 串聯(lián)電池B1至UBn，這樣就對(duì)N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn進(jìn)行重新充電。
為了這個(gè)操作，第二變壓器TS的初級(jí)線圈與電荷存儲(chǔ)裝置Bat的兩端 相連，而第二變壓器TS的次級(jí)線圈與第一電池Bl的陰極和地GND相連。 具體而言，第二變壓器TS的初級(jí)線圈的第一端連接到電荷存儲(chǔ)裝置Bat的 陰極，而初級(jí)線圈的第二端連接到重新分配開關(guān)CSW的第二端。次級(jí)線圈 的第一端與第二半導(dǎo)體開關(guān)元件DS的第一端相連，而次級(jí)線圈的第二端與 地GND相連。
第二變壓器TS以反激結(jié)構(gòu)實(shí)施，但可以以反激結(jié)構(gòu)或正激結(jié)構(gòu)實(shí)施。 另外，當(dāng)過度充電電池?cái)?shù)量增加時(shí)，從過度充電電池中釋放的能量增加，因此第二變壓器TS必須具有大于N個(gè)第一變壓器Tl到Tn的容量。第二變壓 器TS具有這樣的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的匝數(shù)比，即N2: N3， N3大于N2。 N個(gè)放電開關(guān)SW1到SWn分別連接于N個(gè)第一變壓器Tl到Tn的初 級(jí)線圈的第二端以及N個(gè)電池B1到Bn的陽極之間，并根據(jù)由電壓檢測(cè)和 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30提供的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)而工作。
當(dāng)電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30提供處于高態(tài)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)， 放電開關(guān)SW1到SWn被開啟，從而形成閉合回路來在第一變壓器的初級(jí)線 圈中引發(fā)從N個(gè)電池B1到Bn中的過度充電電池中釋放的能量(電荷)。當(dāng) 電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30提供處于低態(tài)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，放電開 關(guān)關(guān)閉，從而形成一開路將提供給第一變壓器的初級(jí)線圈的能量轉(zhuǎn)移到第一 變壓器的次級(jí)線圈。
N個(gè)放電開關(guān)SW1到SWn的每個(gè)由N型MOSFET形成，但是可以由 例如MOSFET， BJT和繼電器的任意之一形成。
N個(gè)第一半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn連接于N個(gè)第一變壓器Tl到Tn的 次級(jí)線圈的第一端以及電荷存儲(chǔ)裝置Bat的陰極之間，這樣它們的功能是當(dāng) 第一變壓器的初級(jí)線圈被開啟時(shí)關(guān)閉第一變壓器的次級(jí)線圈，并且當(dāng)初級(jí)線 圈被關(guān)閉時(shí)開啟次級(jí)線圈。
換言之，N個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件D1到Dn分別這樣工作，當(dāng)從過度充電 電池釋放的能量被存儲(chǔ)與第一變壓器的初級(jí)線圈中，來自次級(jí)線圈的能量被 提供到電荷存儲(chǔ)裝置Bat。
N個(gè)第一半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn中的每個(gè)由二極管形成，但可由例 如MOSFET， BJT，繼電器以及二極管中的任意一種形成。
重新分配開關(guān)CSW連接于第二變壓器的初級(jí)線圈的第二端和電荷存儲(chǔ) 裝置Bat的陽極之間，并響應(yīng)于由電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30提供的 第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)來工作。當(dāng)電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30提供處于高態(tài)的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)， 重新分配開關(guān)CSW開啟，從而形成閉合回路以在第二變壓器TS的初級(jí)線 圈中感應(yīng)充于電荷存儲(chǔ)裝置Bat中的能量。當(dāng)電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元 30提供處于低態(tài)的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，重新分配開關(guān)CSW關(guān)閉，從而形成開 路，將已經(jīng)被提供到第二變壓器的初級(jí)線圈的能量轉(zhuǎn)移到第二變壓器的次級(jí) 線圈上。
重新分配開關(guān)CSW由N型MOSFET形成，但是可以由例如MOSFET， BJT和繼電器中的任何一種開關(guān)元件形成。
第二半導(dǎo)體開關(guān)元件DS連接于第二變壓器TS的次級(jí)線圈的第一端以 及N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn的第一電池Bl的陰極之間，并這樣工作，即當(dāng)能 量存儲(chǔ)于第二變壓器TS的初級(jí)線圈時(shí)，由次級(jí)線圈提供的能量被重新分配 到N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn。
第二半導(dǎo)體開關(guān)元件DS由二極管形成，但可以由例如MOSFET， BJT， 繼電器和二極管中的任意一種形成。
電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30檢測(cè)N個(gè)串聯(lián)電池Bl到Bn各自的電 壓，將檢測(cè)到的電壓與第一參考電壓相比較，并產(chǎn)生從被充入大于第一參考 電壓的電池，即過度充電電池中釋放能量所需的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并當(dāng)檢測(cè)到 的電壓大于第一參考電壓時(shí)輸出該第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)到放電開關(guān)。
相應(yīng)的，當(dāng)N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn中的某些過度充電時(shí)，放電開關(guān)形 成一閉合回路來將過度充電電池的能量提供到第一變壓器的初級(jí)線圈。
另外，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30檢測(cè)電荷存儲(chǔ)裝置Bat的電壓， 并產(chǎn)生將存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)裝置Bat中的能量提供到第二變壓器TS的初級(jí)線 圈所需的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且當(dāng)電荷存儲(chǔ)裝置的電荷增加到第二參考電壓時(shí) 或者具有增加到第二參考電壓的可能性時(shí)將該第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供到重新分 配開關(guān)CSW。在這種情況下，為了將電荷存儲(chǔ)裝置Bat的電壓維持為不變的電壓，電 壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30產(chǎn)生開啟重新分配開關(guān)CSW所需的第二驅(qū)動(dòng) 信號(hào)，因此電荷存儲(chǔ)裝置Bat的電壓被提供到第二變壓器TS的初級(jí)線圈， 并且當(dāng)電荷存儲(chǔ)裝置Bat的電壓增加到第二參考電壓時(shí)，或者存在增加到第 二參考電壓的可能性時(shí)將第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給重新分配開關(guān)CSW。
另外，當(dāng)N個(gè)串聯(lián)電池Bl到Bn中至少一個(gè)被過度放電直至比第一參 考電壓低很多時(shí)，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30產(chǎn)生第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)將存 儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)裝置Bat中的電荷充入過度放電的電池，并將該第二驅(qū)動(dòng)信號(hào) 提供到重新分配開關(guān)CSW。
如圖3所示，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30包含感應(yīng)單元22，微處 理器24和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路單元26。
感應(yīng)單元22分別連接到電池Bl到Bn，并適用于檢測(cè)電池Bl到Bn各 自的電壓。
微處理器24將通過感應(yīng)單元22檢測(cè)的電池Bl到Bn電壓的平均電壓 設(shè)置為參考電壓，并設(shè)置放電開關(guān)SW1到SWn以及重新分配開關(guān)CSW的 開/關(guān)時(shí)間，當(dāng)參考電壓和由感應(yīng)單元22檢測(cè)到的電壓的差異等于或大于預(yù) 定值時(shí)對(duì)電池充電/放電。
開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路單元26根據(jù)從微處理器24輸入的信號(hào)產(chǎn)生第一驅(qū)動(dòng)信號(hào) 和第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別提供至放電幵關(guān) SW1到SWn，以及重新分配開關(guān)CSW。
在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電荷均衡設(shè)備中，變壓器在兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)，這樣 減少了與第一變壓器T1到Tn的次級(jí)線圈串聯(lián)的第一半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到
Dn的電壓壓力。
換言之，由于與電荷存儲(chǔ)裝置Bat的容量相等的電壓壓力被應(yīng)用到第一 半導(dǎo)體開關(guān)元件D1到Dn上，第一半導(dǎo)體開關(guān)元件D1到Dn的電壓壓力能以與提供自N個(gè)串聯(lián)電池Bl到Bri的電壓成比例減少。
相應(yīng)的，第一半導(dǎo)體開關(guān)元件D1到Dn的耐受電壓減少了，從而能制 造出高效和低成本的電荷均衡設(shè)備。
另外，變壓器在兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)，從而第一變壓器T到Tn的匝數(shù)比減少 了，這樣使制造第一變壓器的次級(jí)線圈變?nèi)菀琢恕?br> 使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電荷均衡設(shè)備均衡電池電壓的方法在下面進(jìn) 行說明。
首先，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30檢測(cè)N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn各 自的電壓。
當(dāng)在N個(gè)串聯(lián)電池Bl到Bn中的某些電池被檢測(cè)到大于第一參考電壓 的電壓時(shí)，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30產(chǎn)生為驅(qū)動(dòng)與過度充電電池并 聯(lián)的放電開關(guān)所需的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)以從過度充電的電池釋放能量，，并將第 一驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供到放電開關(guān)。
例如，當(dāng)N個(gè)電池B1到Bn的第一電池Bl假設(shè)為被過度充電時(shí)，電壓 檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30將處于高態(tài)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供到第一放電開 關(guān)SW1。
結(jié)果，第一放電開關(guān)SW1被開啟，并因此形成一實(shí)質(zhì)地延伸到第一電 池B1、第一變壓器T1的初級(jí)線圈、以及第一放電開關(guān)SW1的閉合回路。 相應(yīng)地，存儲(chǔ)于第一電池Bl中的電荷被釋放，并被存儲(chǔ)于第一變壓器Tl 的初級(jí)線圈中，而電能被轉(zhuǎn)化為磁能。
之后，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30將處于低態(tài)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)提 供到第一放電開關(guān)SW1，從而關(guān)閉第一放電開關(guān)SW1。
相應(yīng)地，產(chǎn)生一反電動(dòng)勢(shì)，因而存儲(chǔ)于第一變壓器的初級(jí)線圈中的能量 被轉(zhuǎn)移到其次級(jí)線圈，并且被轉(zhuǎn)換為電荷，其通過第一半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl 被提供到電荷存儲(chǔ)裝置Bat中。在這里，電荷存儲(chǔ)裝置Bat存儲(chǔ)通過第一半導(dǎo)體開關(guān)元件D1提供的電荷。
當(dāng)電路存儲(chǔ)裝置Bat的電壓增加到第二參考電壓或具有增加到第二參考 電壓的可能性時(shí)，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30產(chǎn)生為驅(qū)動(dòng)重新分配開 關(guān)CSW所需的處于高態(tài)的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供到重新分 配開關(guān)CSW。
相應(yīng)地，重新分配開關(guān)CSW被開啟，并從而形成一實(shí)質(zhì)地延伸至電荷 存儲(chǔ)裝置Bat、第二變壓器TS的初級(jí)線圈、以及重新分配幵關(guān)CSW的閉合 回路。結(jié)果，存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)裝置Bat的電荷被存儲(chǔ)于第二變壓器TS的初 級(jí)線圈中，而電荷被轉(zhuǎn)化為磁能。
之后，該電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30提供處于低態(tài)的第二驅(qū)動(dòng)信 號(hào)至重新分配開關(guān)CSW，從而關(guān)閉重新分配開關(guān)CSW。相應(yīng)地，產(chǎn)生一反 電動(dòng)勢(shì)，因而存儲(chǔ)于第二變壓器TS的初級(jí)線圈中的磁能被轉(zhuǎn)移到第二變壓 器的次級(jí)線圈，并轉(zhuǎn)化成電荷，該電荷通過第二半導(dǎo)體開關(guān)元件DS被重新 分配到N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn，從而對(duì)N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn重新充電。 該驅(qū)動(dòng)操作被連續(xù)地重復(fù)，直到N個(gè)串聯(lián)電池的電壓被均衡。 圖5是展示根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的電荷均衡設(shè)備的圖。 根據(jù)圖5，根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的電荷均衡設(shè)備包含用于減少在串 聯(lián)電池Bl到Bn中過度充電電池的電壓的N個(gè)第一變壓器Tl到Tn，用于 存儲(chǔ)來自N個(gè)第一變壓器Tl到Tn能量的電荷存儲(chǔ)裝置Bat，與N個(gè)第一 變壓器Tl到Tn的初級(jí)線圈分別相串聯(lián)的N個(gè)放電開關(guān)SW1到SWn，與N 個(gè)第一變壓器Tl到Tn的次級(jí)線圈分別相串聯(lián)的N個(gè)第一半導(dǎo)體開關(guān)元件 Dl到Dn，以及用于檢測(cè)N個(gè)電池B1到Bn各自的電壓以及控制N個(gè)放電 SW1到SWn的驅(qū)動(dòng)的電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元40。
N個(gè)第一變壓器Tl到Tn的初級(jí)線圈分別連接于N個(gè)電池Bl到Bn的 兩端之間，從而減少N個(gè)電池Bl到Bn中過度充電電池的電壓。就是說N個(gè)第一變壓器Tl到Tn初級(jí)線圈的第一端連接到電池的陰極，初級(jí)線圈的第
二端連接到放電開關(guān)的第一端，而放電開關(guān)的第二端連接到電池的陽極。
另外，N個(gè)第一變壓器Tl到Tn的次級(jí)線圈的第一端被分別連接到第一 半導(dǎo)體開關(guān)元件D1到Dn上，而次級(jí)線圈的第二端共同連接到電荷存儲(chǔ)裝 置Bat的陽極。
N個(gè)變壓器Tl到Tn中的每一個(gè)以反激結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，但可以可選地以反激 或正激結(jié)構(gòu)實(shí)施。這里，N個(gè)變壓器T1到Tn的初級(jí)線圈與次級(jí)線圈具有相 同的匝數(shù)比，即N1: N2， N2大于N1。
電荷存儲(chǔ)裝置Bat存儲(chǔ)來自N個(gè)變壓器Tl到Tn中的變壓器的能量， 該變壓器已經(jīng)從過度充電電池中吸取了能量。電荷存儲(chǔ)裝置Bat的陰極連接 到半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn第二端的共同節(jié)點(diǎn)，而電荷存儲(chǔ)裝置Bat的陽 極連接到變壓器Tl到Tn的次級(jí)線圈的第二端。
這里，電荷存儲(chǔ)裝置Bat使用用于車輛的電池來實(shí)現(xiàn)，但可以使用電容 或用于車輛的電池來實(shí)現(xiàn)，其具有足夠大的容量來保持從過度充電電池的釋 放的電荷。
N個(gè)放電開關(guān)SW1到SWn分別連接于N個(gè)第一變壓器Tl到Tn的初 級(jí)線圈的第二端以及N個(gè)電池B1到Bn的陽極之間，并響應(yīng)于由電壓檢測(cè) 和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元40提供的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)而運(yùn)作。
當(dāng)電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元40提供處于高態(tài)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)， 放電開關(guān)被開啟，從而形成閉合回路以在第一變壓器的初級(jí)線圈中引發(fā)從N 個(gè)電池B1到Bn中的過度充電電池釋放的能量(電荷)。當(dāng)電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng) 信號(hào)產(chǎn)生單元40提供處于低態(tài)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)放電開關(guān)關(guān)閉，從而形成 一開路以將提供給變壓器的初級(jí)線圈的能量轉(zhuǎn)移到變壓器的次級(jí)線圈。
這里，N個(gè)放電開關(guān)SW1到SWn的每個(gè)由N型MOSFET形成，但是 可以由例如MOSFET， BJT和繼電器的任意之一形成。N個(gè)第一半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn連接于N個(gè)第一變壓器Tl到Tn的 次級(jí)線圈的第一端以及電荷存儲(chǔ)裝置Bat的陰極之間，并適用于當(dāng)變壓器的 初級(jí)線圈被開啟時(shí)關(guān)閉變壓器的次級(jí)線圈，并且當(dāng)初級(jí)線圈被關(guān)閉時(shí)開啟次 級(jí)線圈。
換言之，N個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件D1到Dn分別這樣工作，當(dāng)從過度充電 電池釋放的能量被存儲(chǔ)于變壓器的初級(jí)線圈中時(shí)，來自次級(jí)線圈的能量被轉(zhuǎn) 移到電荷存儲(chǔ)裝置Bat。
N個(gè)第一半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn中的每一個(gè)由二極管形成，但可由 例如MOSFET， BJT，繼電器以及二極管中的任意一種形成。
電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元40檢測(cè)N個(gè)串聯(lián)電池Bl到Bn各自的電 壓，將檢測(cè)到的電壓與參考電壓相比，并產(chǎn)生從被充到電壓大于參考電壓的 電池，即過度充電電池中釋放能量所需的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并當(dāng)檢測(cè)到的電壓 大于參考電壓時(shí)將驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給放電開關(guān)。這里，串聯(lián)電池Bl到Bn的 平均電壓或其最低電壓可用作參考電壓。
相應(yīng)地，當(dāng)N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn的某些電池被過度充電，放電幵關(guān) 形成一閉合回路，從而過度充電電池的能量被提供到變壓器的初級(jí)線圈。
如圖3所示，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元30包含感應(yīng)單元22，微處 理器24和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路單元26。
感應(yīng)單元22分別連接到電池Bl到Bn，并適用于檢測(cè)電池Bl到Bn各 自的電壓。
微處理器24將通過感應(yīng)單元22檢測(cè)的電池Bl到Bn電壓的平均電壓 設(shè)置為參考電壓，并設(shè)置放電開關(guān)SW1到SWn的幵/關(guān)時(shí)間，當(dāng)參考電壓和 由感應(yīng)單元22檢測(cè)到的電壓的差異等于或大于預(yù)定值時(shí)對(duì)電池充電/放電。
開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路單元26響應(yīng)于從微處理器24輸入的信號(hào)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供至放電開關(guān)SW1到SWn。
27如上所述，根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的電荷均衡設(shè)備從那些被充到大于
參考電壓的電壓的電池即過度充電電池中通過電荷存儲(chǔ)裝置Bat放電，從而均衡N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn的電壓。
另外，變壓器Tl到Tn的次級(jí)線圈的第二端共同連接到電荷存儲(chǔ)裝置Bat的陽極，因此半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn的半導(dǎo)體開關(guān)元件的電壓壓力被減少。
相應(yīng)地，半導(dǎo)體開關(guān)元件Dl到Dn的耐受電壓可以降低，從而使高效和低成本的電荷均衡設(shè)備能夠制造。
另外，電荷均衡設(shè)備如此構(gòu)建，即電荷存儲(chǔ)裝置Bat與變壓器Tl到Tn的次級(jí)線圈的第二端相連，從而次級(jí)線圈的匝數(shù)與傳統(tǒng)的電荷均衡設(shè)備相比減少了。相應(yīng)地，次級(jí)線圈能夠方便地制造。
使用根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的電荷均衡設(shè)備均衡電池電壓的方法在下面進(jìn)行說明。
首先，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元40檢測(cè)N個(gè)串聯(lián)電池B1到Bn各自的電壓。
當(dāng)在N個(gè)串聯(lián)電池Bl到Bn中的某些電池被檢測(cè)到大于參考電壓的電壓時(shí)，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元40產(chǎn)生為驅(qū)動(dòng)與過度充電電池并聯(lián)的放電開關(guān)所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以從過度充電的電池釋放能量，并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供到放電開關(guān)。
例如，當(dāng)N個(gè)電池B1到Bn的第一電池Bl的電壓假設(shè)為最低的時(shí)，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元40將處于高態(tài)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供到開關(guān)SW2到SWn，而不提供到第一放電開關(guān)SW1，從而開啟SW2到SWn，而不開啟第一放電開關(guān)SW1。
結(jié)果存儲(chǔ)于電池B2到Bn而除了存儲(chǔ)于第一電池Bl的電荷被釋放，并存儲(chǔ)到變壓器T2到Tn而不存儲(chǔ)到第一變壓器Tl的初級(jí)線圈中，其中電能轉(zhuǎn)化為磁能。
之后，電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元40將處于低態(tài)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)提
供到開關(guān)SW2到SWn，從而關(guān)閉放電開關(guān)SW2到SWn。
相應(yīng)地，產(chǎn)生一反電動(dòng)勢(shì)，因而存儲(chǔ)于變壓器T2到Tn的初級(jí)線圈中的
能量被轉(zhuǎn)移到其次級(jí)線圈，并且被轉(zhuǎn)換為電荷。該電荷通過半導(dǎo)體開關(guān)元件
D2到Dn被提供到電荷存儲(chǔ)裝置Bat中。在這里，電荷存儲(chǔ)裝置Bat存儲(chǔ)通
過半導(dǎo)體開關(guān)元件D2到Dn提供的電荷。
這一過程被連續(xù)地重復(fù)，直到N個(gè)串聯(lián)電池的電壓被均衡。
權(quán)利要求
1、一種電荷均衡設(shè)備，該電荷均衡設(shè)備包括并聯(lián)到N個(gè)串聯(lián)電池上的N個(gè)第一變壓器，該N個(gè)第一變壓器適用于降低N個(gè)電池中過度充電電池的電壓；用于存儲(chǔ)從所述第一變壓器提供的能量的電荷存儲(chǔ)裝置；用于將存儲(chǔ)在所述電荷存儲(chǔ)裝置中的能量重新分配到所述N個(gè)串聯(lián)電池中的第二變壓器；以及電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元，用于檢測(cè)N個(gè)串聯(lián)電池各自的電壓，以及用于產(chǎn)生從過度充電電池釋放能量所需的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)和將存儲(chǔ)在所述電荷存儲(chǔ)裝置中的能量提供給所述第二變壓器所需的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電荷均衡設(shè)備，該電荷均衡設(shè)備還包括 與所述N個(gè)第一變壓器的初級(jí)線圈分別相串聯(lián)的N個(gè)放電開關(guān)，該N個(gè)放電開關(guān)響應(yīng)于所述第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)來運(yùn)作；連接在所述N個(gè)第一變壓器的次級(jí)線圈的第一端和所述電荷存儲(chǔ)裝置 的陰極之間的N個(gè)第一半導(dǎo)體開關(guān)元件；連接在所述第二變壓器的初級(jí)線圈的第二端和所述電荷存儲(chǔ)裝置的陽 極之間的重新分配開關(guān)，該重新分配開關(guān)響應(yīng)于所述第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)來運(yùn)作； 以及連接在所述第二變壓器的次級(jí)線圈的第一端和所述N個(gè)串聯(lián)電池中的 第一電池的陰極之間的第二半導(dǎo)體開關(guān)元件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷均衡設(shè)備，其中每個(gè)所述第一變壓器的 初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的匝數(shù)比是N1: N2， N2大于N1。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述第二變壓器的初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的匝數(shù)比是N2: N3， N3大于N2。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述第二變壓器的容量 大于所述第一變壓器的容量。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述N個(gè)第一變壓器的 次級(jí)線圈的第二端共同連接到所述電荷存儲(chǔ)裝置的陽極。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述第一變壓器中的每 一個(gè)第一變壓器和所述第二變壓器如下實(shí)現(xiàn)，即初級(jí)線圈上形成的同名端和 次級(jí)線圈上形成的同名端位于不同側(cè)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述第一變壓器中的每 一個(gè)變壓器和所述第二變壓器如下實(shí)現(xiàn)，即初級(jí)線圈上形成的同名端和次級(jí) 線圈上形成的同名端位于相同側(cè)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述電荷存儲(chǔ)裝置的容 量與過度充電電池的數(shù)量成比例。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述電荷存儲(chǔ)裝置是電容。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述電荷存儲(chǔ)裝置是用 于車輛的電池。
12、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述第一半導(dǎo)體開關(guān)元件中的每一個(gè)第一半導(dǎo)體開關(guān)元件和所述第二半導(dǎo)體開關(guān)元件由金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、雙極結(jié)型晶體管(BJT)、繼電器和二 極管中的任一者形成。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述第一半導(dǎo)體開關(guān) 元件中的每一個(gè)第一半導(dǎo)體開關(guān)元件和所述第二半導(dǎo)體開關(guān)元件是二極管。
14、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述放電開關(guān)中的每一 個(gè)放電開關(guān)和所述重新分配開關(guān)由MOSFET、 BJT和繼電器中的任一者形 成。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述放電開關(guān)中的每 一個(gè)放電開關(guān)和所述重新分配開關(guān)是N型MOSFET。
16、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信 號(hào)產(chǎn)生單元包括用于檢測(cè)所述N個(gè)電池的電壓的感應(yīng)單元；用于根據(jù)由所述感應(yīng)單元所檢測(cè)的電壓來確定所述放電開關(guān)和所述重 新分配開關(guān)的開/關(guān)時(shí)間的微處理器；以及用于響應(yīng)于從所述微處理器輸入的信號(hào)來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)所述放電開關(guān)和所 述重新分配開關(guān)所需的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路單元。
17、 一種電荷均衡設(shè)備，該電荷均衡設(shè)備包括分別并聯(lián)到N個(gè)串聯(lián)電池上的N個(gè)變壓器，該N個(gè)變壓器適用于降低 所述N個(gè)串聯(lián)電池中過度充電電池的電壓；用于存儲(chǔ)從所述變壓器提供的能量的電荷存儲(chǔ)裝置；用于檢測(cè)N個(gè)串聯(lián)電池各自的電壓并產(chǎn)生從過度充電電池中釋放能量 所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元；連接在所述N個(gè)變壓器的初級(jí)線圈和N個(gè)電池的陽極之間的N個(gè)放電 開關(guān)，該N個(gè)放電開關(guān)響應(yīng)于所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)來運(yùn)作；以及分別連接在所述N個(gè)變壓器的次級(jí)線圈的第一端和所述電荷存儲(chǔ)裝置 的陰極之間的N個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述N個(gè)變壓器的次 級(jí)線圈的第二端連接到所述電荷存儲(chǔ)裝置的陽極。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電荷均衡設(shè)備，其中每個(gè)所述變壓器如下 實(shí)現(xiàn)，即初級(jí)線圈上形成的同名端和次級(jí)線圈上形成的同名端位于不同側(cè)。
20、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電荷均衡設(shè)備，其中每個(gè)所述變壓器如下 實(shí)現(xiàn)，即初級(jí)線圈上形成的同名端和次級(jí)線圈上形成的同名端位于相同側(cè)。
21、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述電荷存儲(chǔ)裝置是 用于車輛的電池。
22、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電荷均衡設(shè)備，其中所述電荷存儲(chǔ)裝置是 電容。
23、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電荷均衡設(shè)備，其中每個(gè)所述放電開關(guān)由 MOSFET、 BJT和繼電器形成。
24、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電荷均衡設(shè)備，其中每個(gè)所述放電開關(guān)是N型MOSFET。
25、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電荷均衡設(shè)備，其中每個(gè)所述半導(dǎo)體開關(guān) 元件由MOSFET、 BJT、繼電器和二極管中的任一者形成。
26、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的電荷均衡設(shè)備，其中每個(gè)所述半導(dǎo)體開關(guān) 元件是二極管。
27、 一種電荷均衡方法，該電荷均衡方法包括以下步驟(a) 檢測(cè)N個(gè)串聯(lián)電池的電壓；(b) 將檢測(cè)到的電壓與第一參考電壓相比較，且從被充到電壓高于所 述第一參考電壓的過度充電電池中釋放能量，并將從所述過度充電電池提供 的能量存儲(chǔ)到電荷存儲(chǔ)裝置中；以及(c) 檢測(cè)所述電荷存儲(chǔ)裝置的電壓，將檢測(cè)到的電壓與第二參考電壓 相比較，并當(dāng)檢測(cè)到的電壓等于所述第二參考電壓時(shí)將檢測(cè)到的電壓重新分 配到所述N個(gè)串聯(lián)電池中，從而在該N個(gè)串聯(lián)電池中重新充入從所述過度 充電電池中提取的能量。
28、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的電荷均衡方法，其中步驟(b)包括從所述 過度充電電池放電以及將從所述過度充電電池提供的能量存儲(chǔ)在電容中。
29、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的電荷均衡方法，其中步驟(b)包括從所述 過度充電電池放電以及將從所述過度充電電池提供的能量存儲(chǔ)在用于車輛 的電池中。
30、 一種電荷均衡方法，該方法包括以下步驟(a) 檢測(cè)N個(gè)串聯(lián)電池各自的電壓；(b) 將檢測(cè)到的電壓與參考電壓相比較，并釋放被充到電壓大于所述參考電壓的過度充電電池中的能量；以及(c) 將從所述過度充電電池提供的能量存儲(chǔ)在電荷存儲(chǔ)裝置中。
31、 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電荷均衡方法，其中所述參考電壓是所述 N個(gè)串聯(lián)電池的電壓的平均電壓。
32、 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電荷均衡方法，其中所述參考電壓是所述 N個(gè)串聯(lián)電池中具有最低電壓的電池的電壓。
全文摘要
本發(fā)明主要涉及一種電池電壓均衡設(shè)備及方法，并且更特別的是涉及一種電荷均衡設(shè)備和方法，其減少了半導(dǎo)體開關(guān)元件的耐受電壓，同時(shí)保持了電荷均衡性能，從而使在減少電荷均衡設(shè)備成本的情況下使變壓器次級(jí)線圈的實(shí)現(xiàn)變得容易。該電荷均衡設(shè)備包含與N個(gè)串聯(lián)電池(B1到Bn)串聯(lián)的N個(gè)第一變壓器(T1到Tn)，并適用于減少N個(gè)電池中過度充電電池的電壓。電荷存儲(chǔ)裝置(Cdump)存儲(chǔ)來自第一變壓器的能量。第二變壓器(TS)將存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)裝置的能量重新分配到N個(gè)串聯(lián)的電池。電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元(20)檢測(cè)N個(gè)串聯(lián)電池各自的電壓，并產(chǎn)生第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
文檔編號(hào)H02J7/00GK101467325SQ200780021702
公開日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2007年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月15日
發(fā)明者吳全根, 張洙曄, 文建又, 樸弘善, 李重輝, 金正恩 申請(qǐng)人:Sk能源株式會(huì)社;韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院