CN101467328A

CN101467328A - 电荷均衡设备

Info

Publication number: CN101467328A
Application number: CNA2007800222221A
Authority: CN
Inventors: 吴全根; 李重辉; 张洙晔; 文建又; 金正恩; 朴弘善
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST; SK Energy Co Ltd
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST; SK On Co Ltd
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2027-06-13
Also published as: JP2009540794A; EP2036183A1; CN101467328B; US7982429B1; US20110187327A1; JP5021732B2; EP2036183A4; US20090237030A1; WO2007145463A1; KR101124725B1; EP2036183B1; US7880433B2; KR20070119438A

Abstract

本发明涉及一种电荷均衡设备，该设备使得变压器的初级和次级线圈能够容易地制造，能够根据串联电池的充电状态来控制充入电池的电荷流，并且能够防止过电流流入当前正在充电的电池。

Description

电荷均衡设备

技术领域

本发明总体上涉及一种电池电压均衡设备，更特别地，涉及一种电荷均衡设备，其使得变压器的初级和次级线圈能够被容易地制造，能够根据串联电池的充电状态来控制充入电池的电荷流，并且能够防止过电流流入当前正在充电的电池。

背景技术

许多系统使用每个由电池包或电池阵列形成的电池，包括相互串联地连接的多个电池单元。

当此类电池单元被充电以至于其电压显著高于额定充电范围内的电压或被放电至低于额定充电范围内的电压时，它们可能是危险的。

电池单元的充电状态之间的不平衡是由各种因素所导致的，而且在电池的制造或电池的充电/放电期间发生。在锂离子电池的情况下，电池的制造在工厂中受到严格控制以使电池阵列的电池的容量之间的差异最小化。然而，电池之间的不平衡或不均衡可能由于各种因素而发生，无论电池的状态如何，其中，平衡或均衡是最初制造了电池之后在工厂中实现的。

影响电池的不平衡的元素可以包括例如各个电池的化学反应、阻抗以及每个电池的自放电率、电池容量的降低、电池工作温度的变化、以及电池之间的不同类型的变化。

电池温度的不一致是引起电池中的不平衡的重要因素。例如，在电池单元中引起“自放电”，并且该“自放电”是电池温度的函数。具有高温度的电池的自放电率通常比具有低温度的电池的自放电率更高。结果，具有高温度的电池随着时间的推移而表现出比具有低温度的电池更低的充电状态。

不平衡是电池的充电状态中非常严重的问题。例如，电池提供能量的能力受到具有最低充电状态的电池单元的限制，这通常可能发生在电动车辆中。

如果电池单元被完全消耗，则其它电池单元失去继续提供能量的能力。即使电池的其它电池单元仍然具有供电能力，这一点也是相同的。因此，电池单元的充电状态中的不平衡降低了电池的供电能力。

当然，以上说明并不意味着当一个或多个电池单元被消耗时，其余电池单元的供电是完全不可能的。然而，它意味着在串联的情况下，即使一个或多个电池单元被完全消耗，只要其余电池单元中仍然有电荷，所述电池也可以继续使用，但是，在那种情况下，放电已完成的电池单元中产生具有相反极性的电压，结果，电池单元可能由于其过热或气体的产生而有爆炸的危险，并且电池由此而失去供电能力。

已经提出了用于对电池单元的充电状态之间的不平衡进行修正的各种方法，并且方法之一在图1中示出。

图1是示出了现有技术集中式电荷均衡设备的图示。

参照图1，现有技术集中式电荷均衡设备包括变压器T、N个半导体开关元件D1～Dn、控制开关SW、以及电压检测和驱动信号生成单元10.

所述变压器T包括一个初级线圈和N个次级线圈，所述N个次级线圈被绑在公共铁心上，且所述初级线圈和所述次级线圈具有相反的极性。换言之，初级线圈的同名端(dot)和次级线圈的同名端位于不同侧。变压器T的次级线圈具有相同的匝数，且初级线圈与次级线圈的匝数比是N1：N2。

半导体开关元件D1～Dn每个均连接在每个次级线圈的一端与每个电池B1～Bn的正(+)极之间，并将从每个次级线圈提供到每个电池B1～Bn的能量整流。

控制开关SW串联地连接到初级线圈，并响应于来自电压检测和驱动信号生成单元10的驱动信号而形成闭合电路。

电压检测和驱动信号生成单元10检测串联电池B1～Bn的各个电压、将所检测的电压与基准电压进行比较、并生成驱动信号，该驱动信号用于从具有比基准电压更高的电压的电池释放能量，也就是过充电电池。

下面描述用于现有技术集中式电荷均衡设备的电荷均衡方法。

首先，电压检测和驱动信号生成单元10检测N个串联电池B1～Bn的各个电压。

其后，如果所述N个串联电池B1～Bn中的任何一个的电压高于基准电压，则电压检测和驱动信号生成单元10开启控制开关SW。

因此，来自所述N个串联电池B1～Bn的能量被转换成磁能，并存储在变压器T的初级线圈中。

其后，当电压检测和驱动信号生成单元10关闭控制开关SW时，存储在变压器T的初级线圈中的磁能被转换为电荷，并经由次级线圈和半导体开关元件D1至Dn而被存储在所述N个串联电池B1～Bn中。

在这种情况下，在控制开关SW被关闭的同时，更多的电荷经由绑在变压器T的公共铁心上的次级线圈而移动到具有较低电位的电池，从而使电荷均衡。

然而，所述现有技术集中式电荷均衡设备存在这样的问题，即难以制造变压器T的次级线圈，因为其数目等于电池数目的次级线圈被绑在一个公共铁心上，因此其数目等于增加的串联电池数目的次级线圈必须被绑到一个公共铁心。

此外，所述现有技术集中式电荷均衡设备存在这样的问题，即变压器T的初级线圈与次级线圈的匝数比与串联电池的数目成比例地增加，因此，变得难以制造与电池数目的增加成比例的初级线圈。

发明内容

因此，已考虑到现有技术中发生的以上问题而完成了本发明，且本发明的目的是提供一种能够容易地制造变压器的初级和次级线圈的电荷均衡设备。

此外，本发明的进一步目的是提供一种能够根据串联电池的充电状态来控制充入电池的电荷流的电荷均衡设备。

最后，本发明的另一目的是提供一种能够防止过电流流入当前正在充电的电池的电荷均衡设备。

为了实现以上目的，本发明提供了一种电荷均衡设备，其包括N个变压器，其被并联地连接到N个单独串联电池，并被配置为存储从所述N个电池之中的过充电电池释放的能量以及使用所存储的能量对除过充电电池之外的电池进行充电；N个充电控制开关，每一个均连接在所述N个变压器的每一个的两端之间；重新分配开关(redistribution switch)，其连接在第N个变压器的初级线圈和第N个充电控制开关的公共节点与地线之间；N个第一半导体开关元件，其串联地连接到所述N个变压器的各自的次级线圈；以及电压检测和驱动信号生成单元，其被配置为检测N个串联电池的各自的电压，并基于所检测的电压生成用于驱动所述充电控制开关和所述重新分配开关的第一驱动信号和第二驱动信号。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种电荷均衡设备，其包括N个变压器，其并联地连接到N个单独的串联电池，并被配置为每个均包括一个初级线圈和两个次级线圈且用从过充电电池释放的能量来对除过充电电池之外的电池充电；第一电荷存储设备和第二电荷存储设备，每个均并联地连接到所述N个串联电池和所述N个变压器；第一重新分配开关和第二重新分配开关，其串联地连接在第一和第二电荷存储设备与所述N个变压器之间；充电控制开关，每一个均连接到所述N个变压器中的每一个的初级线圈的两端；N个第一半导体开关元件，每一个均连接到所述N个变压器中的每一个的第一次级线圈和所述N个电池中的每一个的正极；以及N个第二半导体开关元件，每一个均连接到所述N个变压器中的每一个的第二次级线圈和所述N个电池中的每一个的正极。

根据本发明，无论串联电池的数目多少，小容量的变压器都被并联地连接到串联电池，因此，不仅可以保持优良的电荷均衡特性，而且还可以容易地制造变压器的初级和次级线圈。

此外，按照本发明的电荷均衡设备可以借助于并联地连接到变压器的初级线圈的充电控制开关来根据串联电池的各个充电状态而控制充入电池的电荷流。

最后，根据本发明的电荷均衡设备可以，通过当在电池的电荷均衡几乎完成或几乎所有充电控制开关被开启的时候过电流流入少数电池时控制被施加于重新分配开关的第二驱动信号的PWM占空比来防止过电流流入当前正在充电的电池。

附图说明

图1是示出了现有技术集中式电荷均衡设备的图示；

图2是示出了根据本发明的实施方式的电荷均衡设备的图示；

图3是示出了图2所示的电压检测和驱动信号生成单元的图示；

图4和图5是示出了用于使图2所示的电荷均衡设备中的电池的电荷均衡的闭合环路的图示；

图6是示出了根据本发明的另一种实施方式的电荷均衡设备的图示；

图7和图8是示出了用于使图6所示的电荷均衡设备中的电池的电荷均衡的闭合环路的图示；

图6是示出了根据本发明的另一种实施方式的电荷均衡设备的图示；以及

图10和图11是示出了用于使图9所示的电荷均衡设备中的电池的电荷均衡的闭合环路的图示。

附图中的主要元件的附图标记的简要说明

10、20、30、和40：电压检测和驱动信号生成单元

22：传感单元 24：微处理器

26：开关驱动电路单元

具体实施方式

下面将参照附图来详细描述本发明的实施方式。

图2是示出了根据本发明的实施方式的电荷均衡设备的图示，图3是示出了图2所示的电压检测和驱动信号生成单元20的图示。

参照图2和图3，根据本发明的实施方式的电荷均衡设备包括并联地连接到N个单独串联电池B1～Bn的N个变压器T1～Tn、并联地连接到所述N个变压器T1～Tn的各个初级线圈的N个充电控制开关SW1～SWn、串联的连接到N个变压器T1～Tn的各个次级线圈的N个半导体开关元件D1～Dn、连接在第N个充电控制开关SWn与地线GND之间的重新分配开关CSW、以及电压检测和驱动信号生成单元20，所述电压检测和驱动信号生成单元20被适配为检测电池B1～Bn的电压并基于所检测的值来控制充电控制开关SW1～SWn和重新分配开关CSW的工作。

所述变压器T1～Tn并联地连接到所述N个单独串联电池B1～Bn以便降低所述N个串联电池B1～Bn之中的过充电电池的电压。

更详细地说，每个变压器T1～Tn中的次级线圈的一端连接到每个半导体开关元件D1～Dn中的阳极，且每个半导体开关元件D1～Dn的阴极连接到每个电池B1～Bn的正(+)极。每个变压器T1～Tn的次级线圈的另一端连接到每个电池B1～Bn的负(—)极。

虽然变压器T1～Tn以逆向变换器型式形成，其中初级线圈和次级线圈具有相反的极性，亦即初级线圈的同名端与次级线圈的同名端位于不同侧，但是它们可以以正向变换器型式形成，其中初级线圈和次级线圈具有相同的极性。这里，每个变压器T1～Tn的初级线圈与相应的次级线圈的匝数比是同一值，亦即N1:N2。

充电控制开关SW1～SWn每个均连接在每个变压器T1～Tn的初级线圈的两端之间。响应于来自电压检测和驱动信号生成单元20的第一驱动信号，充电控制开关SW1～SWn构成旁路电路以便将从N个串联电池B1～Bn之中的一个或多个过充电电池释放的能量提供给并联地连接到除过充电电池之外的各个电池的变压器的初级线圈，并防止电流流入并联地连接到过充电电池的变压器的初级线圈。

为此，向并联地连接到过充电电池的充电控制开关提供来自电压检测和驱动信号生成单元20的高状态第一驱动信号，并向并联地连接到除过充电电池之外的电池的充电控制开关提供低状态第一驱动信号。

因此，电流流过并联地连接到除过充电电池之外的电池的变压器的初级线圈，而电流不流过并联地连接到过充电电池的变压器的初级线圈，因为旁路电路由充电控制开关形成。

虽然充电控制开关SW1～SWn由N型MOSFET形成，但是它们不限于N型MOSFET，而是它们每个均可以由诸如MOSFET、BJT、以及继电器等任何一种开关元件形成。

半导体开关元件D1～Dn每个均连接在每个变压器T1～Tn的次级线圈一端(没有点的一端)与每个电池B1～Bn的正极之间。半导体开关元件D1～Dn这样工作，即来自变压器T1～Tn的次级线圈的能量被提供到电池B1～Bn。

虽然半导体开关元件D1～Dn由二极管形成，但是它们每个均可以由诸如MOSFET、BJT、继电器、以及二极管等任何一种开关元件形成。

重新分配开关CSW连接在第N个变压器Tn的初级线圈的另一端(没有同名端的一端)、第N个充电控制开关SWn的另一端(源端)、与地线GND之间，形成闭合环路，从而将从过充电电池释放的能量提供给连接到除过充电电池之外的电池的变压器的初级线圈，并用于将从非过充电变压器的初级线圈提供的能量传送到其次级线圈。

换言之，重新分配开关CSW响应于来自电压检测和驱动信号生成单元20的高状态第二驱动信号而被开启并形成闭合环路，从而将过充电电池释放的能量提供给并联地连接到除过充电电池之外的电池的变压器的初级线圈。此外，重新分配开关CSW响应于来自电压检测和驱动信号生成单元20的低状态第二驱动信号而被关闭，并将存储在非过充电变压器的初级线圈中的能量传送到其次级线圈。

为此，重新分配开关CSW连同充电控制开关SW1～SWn一起工作，或者在充电控制开关SW1～SWn已工作之后工作。

虽然重新分配开关CSW由N型MOSFET形成，但其不限于N型MOSFET，而是其可以由MOSFET、BJT、以及继电器等任何一种开关元件形成。

电压检测和驱动信号生成单元20检测N个串联电池B1～Bn的各个电压，将所检测的电压与基准电压进行比较，生成用于从具有高于基准电压的电压的电池(即过充电电池)释放能量的第一驱动信号和第二驱动信号，并在任何一个所检测的电压高于基准电压时对除过充电电池之外的电池充电，且向充电控制开关SW1～SWn和重新分配开关CSW提供第一和第二驱动信号。这里，所述基准电压指的是从电池B1～Bn检测到的电压的平均电压。

这时，电压检测和驱动信号生成单元20向并联地连接到过充电电池的充电控制开关提供高状态第一驱动信号，并向并联地连接到除过充电电池之外的电池的充电控制开关提供低状态第一驱动信号。

此外，电压检测和驱动信号生成单元20在从过充电电池释放能量时向重新分配开关CSW提供高状态第二驱动信号，并在对除过充电电池之外的电池充电时向重新分配开关CSW提供低状态驱动信号。

在这种情况下，电压检测和驱动信号生成单元20当在几乎所有充电控制开关被开启或电池的电荷均衡几乎完成的时侯只有少数电池被充入电荷时，向重新分配开关CSW提供基于窄的占空比脉冲宽度调制(PWM)的第二驱动信号。这种情况的原因是从一开始就从N个串联电池释放少量电荷，以便防止电流过量地流入当前正在充电的电池。

因此，开启并联地连接到过充电电池的充电控制开关，而关闭并联地连接到除过充电电池之外的电池的充电控制开关。此外，当从过充电电池释放能量时，开启重新分配开关CSW，当对除过充电电池之外的电池充电时，关闭重新分配开关CSW。

也就是说，当开启重新分配开关CSW时，并联地连接到过充电电池的充电控制开关形成旁路电路，因此，电流不流过并联地连接到过充电电池的变压器的初级线圈，且从过充电电池释放的能量存储在并联地连接到除过充电电池之外的电池的变压器的初级线圈中。

此外，当关闭重新分配开关CSW时，存储在并联地连接到除过充电电池之外的电池的变压器的初级线圈中的能量被传送到其次级线圈，并对除过充电电池之外的电池充入能量。

电压检测和驱动信号生成单元20同时向充电控制开关SW1～SWn和重新分配开关CSW提供第一驱动信号和第二驱动信号，或者在向充电控制开关SW1～SWn提供第一驱动信号之后向重新分配开关CSW提供第二驱动信号。

为此，电压检测和驱动信号生成单元20包括传感单元22、微处理器24、以及开关驱动电路单元26。

传感单元22连接到各个电池B1～Bn，并检测电池B1～Bn的各个电压。

微处理器24将由传感单元22检测的电池B1～Bn的平均电压设置为基准电压，并且如果基准电压与由传感单元22所检测的电压之一之间存在等于或大于预定值的差，则设置用于电池充电/放电的充电控制开关SW1～SWn和重新分配开关CSW的开/关时间。

开关驱动电路单元26响应于来自微处理器24的信号而生成第一驱动信号和第二驱动信号，并将所生成的信号提供给充电控制开关SW1～SWn和重新分配开关CSW。

在根据本发明的本实施方式的电荷均衡设备中，无论N个串联电池B1～Bn的数目多少，小容量变压器都被并联地连接到串联电池B1～Bn，从而不仅可以保持优良的电荷均衡特性，而且还可以容易地制造变压器的初级和次级线圈。

此外，根据本发明的本实施方式的电荷均衡设备借助于并联地连接到变压器T1～Tn的初级线圈的充电控制开关SW1～SWn根据N个串联电池B1～Bn的各个充电状态来控制充入电池的电荷流。

最后，根据本发明的本实施方式的电荷均衡设备可以通过当过电流在电池的电荷均衡几乎完成或几乎所有充电控制开关被开启的时候流入少数电池时控制被施加于重新分配开关CSW的第二驱动信号的PWM占空比来防止过电流流入当前正在充电的电池。

下面描述根据本发明的本实施方式的使用电荷均衡设备来使串联电池电压均衡的方法。

首先，电压检测和驱动信号生成单元20检测N个串联电池B1～Bn的各个电压。

这时，当从所述N个串联电池B1～Bn中的一个或多个检测到高于基准电压的一个或多个电压时，电压检测和驱动信号生成单元20生成用于驱动并联地连接到过充电电池的充电控制开关以便从过充电电池释放能量的第一驱动信号，并将该第一驱动信号提供给充电控制开关。

例如，当除第一电池B1和第N电池Bn之外的电池被过量充电时，电压检测和驱动信号生成单元20向并联地连接到第一电池B1和第N电池Bn的充电控制开关SW1和SWn提供低状态第一驱动信号，并向并联地连接到除第一电池B1和第N电池Bn之外的电池的充电控制开关提供高状态第一驱动信号。

这时，电压检测和驱动信号生成单元20向重新分配开关CSW提供高状态第二驱动信号。

因此，如图4所示，从过充电的电池释放的电荷被转换成磁能并随后存储在并联地连接到第一电池B1和第N电池Bn的变压器T1和Tn的初级线圈中，并联地连接到除第一电池B1和第N电池Bn之外的电池的充电控制开关形成旁路电路，因此，电流不流过并联地连接到除第一电池B1和第N电池Bn之外的电池的变压器的初级线圈。

其后，电压检测和驱动信号生成单元20向重新分配开关CSW提供低状态第二驱动信号，从而关闭重新分配开关CSW。

因此，如图5所示，生成了反电动势，因此，存储在并联地连接到第一电池B1和第N电池Bn的变压器T1和Tn的初级线圈中的能量被传送到其次级线圈并随后转换成电荷，而且该电荷经由串联地连接到其次级线圈的半导体开关元件D1和Dn而被提供给除过充电电池之外的电池。因此，除过充电电池之外的电池被充入经由半导体开关元件D1和Dn而提供的电荷。

重复上述处理直到使N个串联电池B1～Bn的电压均衡。为此，电压检测和驱动信号生成单元20连续地检测N个串联电池B1～Bn的电压，生成第一驱动信号和第二驱动信号，并将该第一和第二驱动信号提供给充电控制开关SW1～SWn和重新分配开关CSW。

图6是示出了根据本发明的另一实施方式的电荷均衡设备的图示。

参照图6，根据本发明的另一实施方式的电荷均衡设备包括并联地连接到N个单独串联电池B1～Bn的N个变压器T1～Tn、并联地连接到所述N个变压器T1～Tn的各个初级线圈的N个充电控制开关SW1～SWn、每个均串联地连接到每个变压器T1～Tn的次级线圈的第一半导体开关元件D11～Dn1和电感器L1～Ln、每个均连接在每个电池B1～Bn的负极与每个第一半导体开关元件D11～Dn1和每个电感器L1～Ln的公共节点之间的第二半导体开关元件D11～Dn1、连接在第N个充电控制开关SWn与地线GND之间的重新分配开关CSW、以及电压检测和驱动信号生成单元30，该电压检测和驱动信号生成单元30被适配为检测电池B1～Bn的电压并基于所检测的值来控制充电控制开关SW1～SWn和重新分配开关CSW的工作。

变压器T1～Tn并联地连接到N个单独串联电池B1～Bn以便降低N个串联电池B1～Bn之中的过充电电池的电压。

更详细地说，每个变压器T1～Tn的次级线圈的一端连接到每个半导体开关元件D11～Dn1的阳极，每个半导体开关元件D11到Dn1的阴极连接到每个电感器L1～Ln的一端，且每个电感器L1～Ln的另一端连接到每个电池B1～Bn的正(+)极。此外，每个变压器T1～Tn的次级线圈的另一端连接到每个电池B1～Bn的负(—)极。

虽然变压器T1～Tn以前向变换器型式形成，其中初级线圈和次级线圈具有相同的极性，亦即初级线圈的同名端与次级线圈的同名端位于同侧，但是它们可以以逆向变换器型式形成。这里，每个变压器T1～Tn的初级线圈与相应的次级线圈的匝数比是N1：N2。

充电控制开关SW1～SWn每个均连接在每个变压器T1～Tn的初级线圈的两端之间。响应于来自电压检测和驱动信号生成单元30的第一驱动信号，充电控制开关SW1～SWn将从N个串联电池B1～Bn之中的一个或多个过充电电池释放的能量提供给并联地连接到除过充电电池之外的各个电池的变压器的初级线圈，并形成旁路电路以使电流不流入并联地连接到过充电电池的变压器的初级线圈。

为此，向并联地连接到过充电电池的充电控制开关提供来自电压检测和驱动信号生成单元30的高状态第一驱动信号，并向并联地连接到除过充电电池之外的电池的充电控制开关提供低状态第一驱动信号。

虽然充电控制开关SW1～SWn由N型MOSFET形成，但是它们不限于N型MOSFET，而且它们每个均可以由诸如MOSFET、BJT、以及继电器等任何一种开关元件形成。

第一半导体开关元件D11～Dn1每个均连接在每个变压器T1～Tn的次级线圈的一端(形成同名端的一端)与每个电感器L1～Ln之间，并进行工作，以使得来自变压器T1～Tn的次级线圈的能量被提供给电池B1～Bn。

虽然第一半导体开关元件D11～Dn1由二极管形成，但它们不限于二极管，而是每个均可以由诸如MOSFET、BJT、继电器、以及二极管等任何一种开关元件形成。

电感器L1～Ln每个均连接在每个第一半导体开关元件D11～Dn1的阴极与每个电池B1～Bn的正极之间。电感器L1～Ln在重新分配开关CSW被开启时存储来自变压器T1～Tn的次级线圈的能量，并在重新分配开关CSW被关闭时将存储的能量提供给电池B1～Bn。

第二半导体开关元件D12～Dn2每个均连接在每个电池B1～Bn的负极与每个第一半导体开关元件D11～Dn1和每个电感器L1～Ln的公共节点之间，并形成闭合环路，以便将存储在电感器L1～Ln中的能量提供给电池B1～Bn。

为此，每个第二半导体开关元件D12～Dn2的阳极连接到每个电池B1～Bn的负极，且其阴极连接到每个第一半导体开关元件D11～Dn1的阴极。

虽然第二半导体开关元件D12～Dn2由二极管形成，但它们不限于二极管，而是每个均可以由诸如MOSFET、BJT、继电器、以及二极管等任何一种开关元件形成。

重新分配开关CSW连接在第N个变压器Tn的初级线圈的另一端(没有形成同名端的一端)与地线GND之间，形成闭合环路以便经由并联地连接到除过充电电池之外的电池的变压器将从过充电电池释放的能量提供给除过充电电池之外的电池，并允许将存储在电感器L1～Ln中的能量提供给除过充电电池之外的电池。

换言之，重新分配开关CSW响应于来自电压检测和驱动信号生成单元30的高状态第二驱动信号而被开启，并形成闭合环路，以便将从过充电电池释放的能量提供给并联地连接到除过充电电池之外的电池的变压器的初级线圈。

因此，存储在并联地连接到除过充电电池之外的电池的变压器的初级线圈中的能量被传送到其次级线圈，并经由第一半导体开关元件D11和Dn1及电感器L1～Ln而被提供给除过充电电池之外的电池。因此，除过充电电池之外的电池被充电。

此外，重新分配开关CSW响应于来自电压检测和驱动信号生成单元30的低状态第二驱动信号而被关闭，在电感器L1～Ln中生成反电动势，并允许对除过充电电池之外的电池充入存储在电感器L1～Ln中的能量。

重新分配开关CSW连同充电控制开关SW1～SWn一起工作，或者在充电控制开关SW1～SWn已工作之后工作。

电压检测和驱动信号生成单元30检测N个串联电池B1～Bn的各个电压，将所检测的电压与基准电压进行比较，生成用于从具有比基准电压更高的电压的电池(即过充电电池)释放能量的第一驱动信号和第二驱动信号，并且如果任何一个所检测的电压高于基准电压，则对除过充电电池之外的电池充电，并向充电控制开关SW1～SWn和重新分配开关CSW提供第一和第二驱动信号。

这时，电压检测和驱动信号生成单元30向并联地连接到过充电电池的充电控制开关提供高状态第一驱动信号，并向并联地连接到除过充电电池之外的电池的充电控制开关提供低状态第一驱动信号。

此外，电压检测和驱动信号生成单元30在从过充电电池释放能量并对除过充电电池之外的电池充入所述能量时向重新分配开关CSW提供高状态第二驱动信号，并在对除过充电电池之外的电池充入存储在电感器L1～Ln中的能量时向重新分配开关CSW提供低状态第二驱动信号。

在这种情况下，电压检测和驱动信号生成单元30在只有少数电池在几乎所有充电控制开关被开启或电池的电荷均衡几乎完成的时候被充入电荷时，向重新分配开关CSW提供基于窄的占空比脉冲宽度调制(PWM)的第二驱动信号。这种情况的原因是从一开始就从N个串联电池释放少量电荷，以便防止电流过量地流入当前正在充电的电池。

因此，开启并联地连接到过充电电池的充电控制开关，而关闭并联地连接到除过充电电池之外的电池的充电控制开关。此外，当从过充电电池释放能量并对除过充电电池之外的电池充入该能量时，开启重新分配开关CSW，当对除过充电电池之外的电池充电时，关闭重新分配开关CSW。

也就是说，当开启重新分配开关CSW时，并联地连接到过充电电池的充电控制开关形成旁路电路，从而电流不流过并联地连接到过充电电池的变压器的初级线圈，且从过充电电池释放的电荷被转换成磁能并随后存储在并联地连接到除过充电电池之外的电池的变压器的初级线圈中。此外，存储在并联地连接到除过充电电池之外的电池的变压器的初级线圈中的能量被传送到并联地连接到除过充电电池之外的电池的变压器的次级线圈，且传送到次级线圈的磁能被转换成电荷，并经由第一半导体开关元件和电感器来对除过充电电池之外的电池充电。

此外，当关闭重新分配开关CSW时，对除过充电电池之外的电池充入存储在电感器中的能量。

电压检测和驱动信号生成单元30同时向充电控制开关SW1～SWn和重新分配开关CSW提供第一驱动信号和第二驱动信号，或者在向充电控制开关SW1～SWn提供第一驱动信号之后向重新分配开关CSW提供第二驱动信号。

为此，如图3所示，电压检测和驱动信号生成单元30包括传感单元22、微处理器24、以及开关驱动电路单元26。

传感单元22连接到各个电池B1～Bn，并检测电池B1～Bn各自的电压。

微处理器24将由传感单元22检测的电池B1～Bn的平均电压设置为基准电压，并且当基准电压与由传感单元22所检测的电压之一之间存在等于或高于预定值的差时，为了电池充电/放电而设置充电控制开关SW1～SWn和重新分配开关CSW的开/关时间。

在根据本发明的实施方式的电荷均衡设备中，无论N个串联电池B1～Bn的数目多少，小容量变压器都被并联地连接到各个串联电池B1～Bn，因此不仅可以保持优良的电荷均衡特性，而且还可以容易地制造变压器的初级和次级线圈。

此外，根据本发明的本实施方式的电荷均衡设备借助于并联地连接到变压器T1～Tn的初级线圈的充电控制开关SW1～SWn，根据N个串联电池B1～Bn的各个充电状态来控制充入电池的电荷流。

最后，根据本发明的本实施方式的电荷均衡设备可以通过当过电流在电池的电荷均衡几乎完成时或几乎所有充电控制开关被开启的时候流入少数电池时控制被施加于重新分配开关CSW的第二驱动信号的PWM占空比来防止过电流流入当前正在充电的电池。

首先，电压检测和驱动信号生成单元30检测N个串联电池B1～Bn的各个电压。

这时，当从所述N个串联电池B1～Bn中的一个或多个检测到高于基准电压的一个或多个电压时，电压检测和驱动信号生成单元30生成用于驱动并联地连接到过充电电池的充电控制开关以便从过充电电池释放能量的第一驱动信号，并将该第一驱动信号提供给充电控制开关。

例如，当除第一电池B1和第N电池Bn之外的电池被过量充电时，电压检测和驱动信号生成单元30向并联地连接到第一电池B1和第N电池Bn的充电控制开关SW1和SWn提供低状态第一驱动信号，并向并联地连接到除第一电池B1和第N电池Bn之外的电池的充电控制开关提供高状态第一驱动信号。

此外，电压检测和驱动信号生成单元30向重新分配开关CSW提供高状态第二驱动信号。

因此，如图7所示，从过充电的电池释放的电荷被转换成磁能并随后存储在并联地连接到第一电池B1和第N电池Bn的变压器T1和Tn的初级线圈中，并联地连接到除第一电池B1和第N电池Bn之外的电池的充电控制开关形成旁路电路，因此，电流不流过并联地连接到除第一电池B1和第N电池Bn之外的电池的变压器的初级线圈。

这时，存储在并联地连接到第一电池B1和第N电池Bn的变压器T1和Tn的初级线圈中的能量被传送到其次级线圈，且传送到次级线圈的磁能被转换为电荷，并且第一电池B1和第N电池Bn经由第一半导体开关元件D11和Dn1及电感器L1和Ln而被充入所述电荷。此外，经由次级线圈而提供的电荷被转换成磁能并随后存储在电感器L1和Ln中。

其后，电压检测和驱动信号生成单元30向重新分配开关CSW提供低状态第二驱动信号，从而关闭重新分配开关CSW。

因此，如图8所示，存储在电感器L1和Ln中的磁能被反电动势转换成电荷，且第一电池B1和第N电池Bn使用所述电荷进行充电。

重复上述处理直到使N个串联电池B1～Bn的电压均衡。为此，电压检测和驱动信号生成单元30连续地检测N个串联电池B1～Bn的电压，生成第一驱动信号和第二驱动信号，并将该第一和第二驱动信号提供给充电控制开关SW1～SWn和重新分配开关CSW。

图9是示出了根据本发明的另一实施方式的电荷均衡设备的图示。

参照图9，根据本发明的实施方式的电荷均衡设备包括并联地连接到N个单独串联电池B1～Bn的N个变压器T1～Tn、第一电荷存储装置C1、第二电荷存储装置C2、第一重新分配开关CSW1、第二重新分配开关CSW2、并联地连接到所述N个变压器T1～Tn的各个初级线圈的N个充电控制开关SW1～SWn、串联地连接到所述N个变压器T1～Tn的各个第一次级线圈的第一半导体开关元件D11到Dn1、串联地连接到所述N个变压器T1～Tn的各个第二次级线圈的第二半导体开关元件D12～Dn2、以及电压检测和驱动信号生成单元40，该电压检测和驱动信号生成单元40被适配为检测电池B1～Bn的电压并基于所检测的值来控制充电控制开关SW1～SWn和重新分配开关CSW的工作。

变压器T1～Tn并联地连接到N个单独串联电池B1到Bn以便降低N个串联电池B1～Bn之中的过充电电池的电压并对除过充电电池之外的电池充电。

更详细地说，每个变压器T1～Tn的第一次级线圈的一端(形成同名端的一端)连接到每个第一半导体开关元件D11～Dn1的阳极，第二次级线圈的另一端(没有形成同名端的一端)连接到每个第二半导体开关元件D12～Dn2的阳极，且每个第一半导体开关元件D11～Dn1和第二半导体开关元件D12～Dn2的阴极连接到每个电池B1～Bn的正极。

此外，变压器T1～Tn的每个第一次级线圈的另一端和每个第二次级线圈的一端连接到每个电池B1～Bn的负极，且每个充电控制开关SW1～SWn连接到每个初级线圈的两端。

变压器T1～Tn以半桥式变换器型式形成，其中，初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈具有相同的极性，亦即初级线圈的同名端及第一和第二次级线圈的同名端位于相同侧，且每个次级线圈分成两个线圈。

在这种情况下，每个变压器T1到Tn的初级线圈与其次级线圈的匝数比是N1:N2，且第一次级线圈和第二次级线圈具有相同的匝数比。

第一电荷存储装置C1和第二电荷存储装置C2每个均并联地连接到N个串联电池B1～Bn和变压器T1～Tn，并存储从N个串联电池B1～Bn提供的电荷。

虽然第一电荷存储装置C1和第二电荷存储装置C2由电容器形成，但它们每个均可以由电容器和蓄电池中的任何一个形成。此外，第一电荷存储装置C1和第二电荷存储装置C2具有相同的容量。

第一重新分配开关CSW1和第二重新分配开关CSW2每个均并联地连接在电池B1～Bn与每个电荷存储装置C1和C2之间，并响应于来自电压检测和驱动信号生成单元40而生成闭合环路以便从N个串联电池B1～Bn之中的过充电电池释放能量并对除过充电电池之外的电池充电。

第一重新分配开关CSW1和第二重新分配开关CSW2在从电压检测和驱动信号生成单元40提供高状态第二驱动信号时被开启，并在从其提供低状态第二驱动信号时被关闭。

也就是说，当从过充电电池释放能量并对除过充电电池之外的电池充电时，第二重新分配开关CSW2在第一重新分配开关CSW1被开启时被关闭，且第二重新分配开关CSW2在第一重新分配开关CSW1被关闭时被开启。

第一重新分配开关CSW1和第二重新分配开关CSW2串联地连接在第一电池B1的正极与地线GND之间。此外，第一重新分配开关CSW1与第二重新分配开关CSW2之间的公共节点连接到第一变压器T1的初级线圈的一端。

虽然第一重新分配开关CSW1和第二重新分配开关CSW2由N型MOSFET形成，但是它们每个均可以由诸如MOSFET、BJT、以及继电器等任何一种开关元件形成。

充电控制开关SW1～SWn每个均连接在每个变压器T1～Tn的初级线圈的两端之间。响应于来自电压检测和驱动信号生成单元40的第一驱动信号，充电控制开关SW1～SWn构成旁路电路以便将从N个串联电池B1～Bn之中的一个或多个过充电电池释放的能量提供给并联地连接到除过充电电池之外的各个电池的变压器的初级线圈，并防止电流流入并联地连接到过充电电池的变压器的初级线圈。

为此，向并联地连接到过充电电池的充电控制开关提供来自电压检测和驱动信号生成单元40高状态第一驱动信号，并向并联地连接到除过充电电池之外的电池的充电控制开关提供低状态第一驱动信号。

第一半导体开关元件D11～Dn1每个均连接在每个变压器T1～Tn的第一次级线圈的一端(形成同名端的一端)与每个电池B1～Bn的正极之间，并进行工作，以使得来自变压器T1～Tn的第一次级线圈的能量被提供给电池B1～Bn。

第二半导体开关元件D12～Dn2每个均连接在每个变压器T1～Tn的第一次级线圈的另一端(没有形成同名端的一端)与每个电池B1～Bn的正极之间，并进行工作，以使得来自变压器T1～Tn的第二次级线圈的能量被提供给电池B1～Bn。

电压检测和驱动信号生成单元40检测N个串联电池B1～Bn的各个电压，将所检测的电压与基准电压进行比较，生成用于从具有比基准电压更高的电压的电池(即过充电电池)释放能量的第一驱动信号和第二驱动信号，并且如果任何一个所检测的电压高于基准电压，则对除过充电电池之外的电池充电，并向充电控制开关SW1～SWn、第一重新分配开关CSW1、以及第二重新分配开关CSW2提供所述第一和第二驱动信号。

这时，电压检测和驱动信号生成单元40向并联地连接到过充电电池的充电控制开关提供高状态第一驱动信号，并向并联地连接到除过充电电池之外的电池的充电控制开关提供低状态第一驱动信号。

此外，电压检测和驱动信号生成单元40在从过充电电池释放能量并对除过充电电池之外的电池充入该能量时交替地向第一和第二重新分配开关CSW1和CSW2提供高状态第二驱动信号和低状态第二驱动信号

在这种情况下，电压检测和驱动信号生成单元40在只有少数电池在几乎所有充电控制开关被开启或电池的电荷均衡几乎完成的时候被充入电荷时，交替地向第一和第二重新分配开关CSW1和CSW2提供给予窄占空比PWM的高状态和低状态第二驱动信号。这种情况的原因是从一开始就从N个串联电池释放少量电荷，以便防止电流过量地流入当前正在充电的电池。

因此，开启并联地连接到过充电电池的充电控制开关，而关闭并联地连接到除过充电电池之外的电池的充电控制开关。此外，当从过充电电池释放能量，并对除过充电电池之外的电池充入该能量时，第一和第二重新分配开关CSW1和CSW2被交替地开启和关闭。

也就是说，当第一重新分配开关CSW1被开启且第二重新分配开关CSW1被关闭时，并联地连接到过充电电池的充电控制开关被开启以形成旁路电路，以使电流不流过并联地连接到过充电电池的变压器的初级线圈，且并联地连接到除过充电电池之外的电池的充电控制开关被关闭，以便电流可以流过并联地连接到除过充电电池之外的电池的变压器的初级线圈。

电压检测和驱动信号生成单元40同时向充电控制开关SW1～SWn、第一重新分配开关CSW1和第二重新分配开关CSW2提供第一驱动信号和第二驱动信号，或者在向充电控制开关SW1～SWn提供第一驱动信号之后向第一重新分配开关CSW1和第二重新分配开关CSW2提供第二驱动信号。这时，具有不同状态的第二驱动信号被提供给第一重新分配开关CSW1和第二重新分配开关CSW2。

为此，如图3所示，电压检测和驱动信号生成单元40包括传感单元22、微处理器24、以及开关驱动电路单元26。

传感单元22连接到各个电池B1～Bn，并检测电池B1～Bn的各自的电压。

微处理器24将由传感单元22检测的电池B1～Bn的平均电压设置为基准电压，并且当基准电压与由传感单元22所检测的电压之一之间存在等于或大于预定值的差时，为了电池充电/放电设置充电控制开关SW1～SWn和重新分配开关CSW1和CSW2的开/关时间。

开关驱动电路单元26响应于来自微处理器24的信号而生成第一驱动信号和第二驱动信号，并将所生成的信号提供给充电控制开关SW1～SWn和重新分配开关CSW1和CSW2。

首先，电压检测和驱动信号生成单元40检测N个串联电池B1～Bn的各个电压。

这时，当从所述N个串联电池B1～Bn中的一个或多个检测到高于基准电压的一个或多个电压时，电压检测和驱动信号生成单元40生成用于驱动并联地连接到过充电电池的充电控制开关以便从过充电电池释放能量的第一驱动信号，并将该第一驱动信号提供给充电控制开关。

例如，当除第一电池B1和第N电池Bn之外的电池被过量充电时，电压检测和驱动信号生成单元40向并联地连接到第一电池B1和第N电池Bn的充电控制开关SW1和SWn提供低状态第一驱动信号，并向并联地连接到除第一电池B1和第N电池Bn之外的电池的充电控制开关提供高状态第一驱动信号。

此外，电压检测和驱动信号生成单元40向第一重新分配开关CSW1提供高状态第二驱动信号，并向第二重新分配开关CSW2提供低状态第二驱动信号。

因此，如图10所示，电流流过并联地连接到第一电池B1和第N电池Bn的变压器T1和Tn的初级线圈，以便经由次级线圈和第一半导体开关元件D11～Dn1将提供给初级线圈的能量提供给第一和第二电池B1和Bn。

因此，对第一电池B1和第N电池Bn充入从过充电电池提供的能量。

这时，电流不流过并联地连接到除第一电池B1和第N电池Bn之外的电池的变压器T2～Tn-1的初级线圈，因为旁路电路由充电控制开关形成。

因此，除第一电池B1和第N电池Bn之外的电池释放电荷，并降低了其内部电压。

结果，如图10所示，电流流过并联地连接到第一电池B1和第N电池Bn的变压器T1和Tn的初级线圈，以便经由次级线圈和第一半导体开关元件D11～Dn1将提供给初级线圈的能量提供给第一和第N电池B1和Bn。

这时，存储在并联地连接到第一电池B1和第N电池Bn的变压器T1和Tn的初级线圈中的能量被传送到第二次级线圈，且传送到第二次级线圈的磁能被转换成电荷并随后经由第二半导体开关元件D12和Dn2而存储在第一电池B1和第N电池Bn中。

重复上述处理直到使N个串联电池B1～Bn的电压均衡。为此，电压检测和驱动信号生成单元40连续地检测N个串联电池B1～Bn的电压，生成第一驱动信号和第二驱动信号，并将该第一和第二驱动信号提供给充电控制开关SW1～SWn、第一重新分配开关CSW1，以及第二重新分配开关CSW2。

Claims

1.一种电荷均衡设备，该电荷均衡设备包括：

N个变压器，并联地分别连接到N个串联电池，并且该N个变压器被配置为存储从所述N个电池中的过充电电池释放的能量以及使用所存储的能量对除所述过充电电池之外的电池进行充电；

N个充电控制开关，每一个充电控制开关均连接在所述N个变压器的每一个变压器的两端之间；

重新分配开关，连接在第N个变压器的初级线圈和第N个充电控制开关的公共节点与地线之间；

N个第一半导体开关元件，串联地连接到所述N个变压器各自的次级线圈；以及

电压检测和驱动信号生成单元，被配置为检测所述N个串联电池各自的电压，并基于所检测的电压生成用于驱动所述充电控制开关和所述重新分配开关的第一驱动信号和第二驱动信号。

2.根据权利要求1所述的电荷均衡设备，其中，所述N个变压器中的每一个变压器的初级线圈与相对应的次级线圈的匝数比是N1∶N2，该匝数比对于所述N个变压器是相同的。

3.根据权利要求2所述的电荷均衡设备，该电荷均衡设备还包括：

N个电感器，每一个电感器均连接在所述N个第一半导体开关元件中的每一个第一半导体开关元件与所述N个电池中的每一个电池的正极之间；以及

N个第二半导体开关元件，每一个第二半导体开关元件均连接在所述N个电池中的每一个电池的负极与每个第一半导体开关元件和每个电感器的公共节点之间。

4.根据权利要求3所述的电荷均衡设备，其中，所述第一半导体开关元件和所述第二半导体开关元件中的每个均是MOSFET、BJT、继电器以及二极管中的任何一者。

5.根据权利要求4所述的电荷均衡设备，其中，所述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。

6.根据权利要求5所述的电荷均衡设备，其中，所述充电控制开关和所述重新分配开关中的每个均是MOSFET、BJT以及继电器中的任何一者。

7.根据权利要求6所述的电荷均衡设备，其中，所述充电控制开关和所述重新分配开关是N型MOSFET。

8.根据权利要求7所述的电荷均衡设备，其中，所述电压检测和驱动信号生成单元包括：

传感单元，用于检测所述N个电池的电压；

微处理器，用于基于由所述传感单元检测到的电压来设置所述充电控制开关和所述重新分配开关的开/关时间；以及

开关驱动电路单元，用于响应于从所述微处理器输入的信号而生成用于驱动所述充电控制开关和所述重新分配开关的第一驱动信号和第二驱动信号。

9.根据权利要求8所述的电荷均衡设备，其中，所述变压器被这样配置，即在所述初级线圈中的每一个初级线圈上形成的同名端和在所述次级线圈中的每一个次级线圈上形成的同名端位于不同侧。

10.根据权利要求8所述的电荷均衡设备，其中，所述变压器被这样配置，即在所述初级线圈中的每一个初级线圈上形成的同名端和在所述次级线圈中的每一个次级线圈上形成的同名端位于相同侧。

11.一种电荷均衡设备，该电荷均衡设备包括：

N个变压器，并联地分别连接到N个串联电池，并且该N个变压器被配置为每个变压器均包括一个初级线圈和两个次级线圈并使用从过充电电池释放的能量对除了所述过充电电池之外的电池进行充电；

第一电荷存储设备和第二电荷存储设备，每个均并联地连接到所述N个串联电池和所述N个变压器；

第一重新分配开关和第二重新分配开关，串联地连接在所述第一电荷存储设备和所述第二电荷存储设备与所述N个变压器之间；

充电控制开关，每个均连接到所述N个变压器中的每一个变压器的初级线圈的两端；

N个第一半导体开关元件，每个均连接到所述N个变压器中的每一个变压器的第一次级线圈以及所述N个电池中的每一个电池的正极；以及

N个第二半导体开关元件，每个均连接到所述N个变压器中的每一个变压器的第二次级线圈以及所述N个电池中的每一个电池的正极。

12.根据权利要求11所述的电荷均衡设备，其中，所述第一半导体开关元件和所述第二半导体开关元件中的每个均是MOSFET、BJT、继电器以及二极管中的任何一者。

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和所述第二半导体开关元件是二极管。

14.根据权利要求13所述的电荷均衡设备，其中，所述充电控制开关、所述第一重新分配开关以及所述第二重新分配开关中的每个均是MOSFET、BJT以及继电器中的任何一者。

15.根据权利要求14所述的电荷均衡设备，其中，所述充电控制开关、所述第一重新分配开关以及所述第二重新分配开关是N型MOSFET。

16.根据权利要求15所述的电荷均衡设备，其中，所述N个变压器中的每一个变压器的初级线圈与相对应的次级线圈的匝数比是N1:N2，所述匝数比对于第一次级线圈和第二次级线圈是相同的。

17.根据权利要求16所述的电荷均衡设备，其中，所述初级线圈、所述第一次级线圈以及所述第二次级线圈的极性彼此相同。

18.根据权利要求17所述的电荷均衡设备，其中，所述第一次级线圈的每一个与所述第二次级线圈的每一个的公共节点连接到每一个所述电池的负极。

19.根据权利要求18所述的电荷均衡设备，其中，所述电压检测和驱动信号生成单元包括：

传感单元，用于检测所述N个电池的电压；

20.根据权利要求19所述的电荷均衡设备，其中，所述第一电荷存储设备和所述第二电荷存储设备中的每个均是电容器和蓄电池中的任何一者。

21.根据权利要求20所述的电荷均衡设备，其中，所述第一电荷存储设备和所述第二电荷存储设备是电容器。