均衡充電設備的制作方法

專利名稱：均衡充電設備的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及一種均衡電池(battery)的電荷的均衡充電(chargeequalization)設備，并且尤其涉及一種均衡充電設備，其中相互串聯的電池被劃分為具有特定大小的模塊，從而同時實現模塊內均衡充電和模塊間均衡充電，改進均衡充電性能，并減小電路尺寸。
背景技術：
很多系統均使用被實施為電池組或電池陣列的電池，所述電池組或電池陣列為包括相互串聯連接的多個電池單元的電池組或電池陣列。
當所述電池單元被充電至遠高于或遠低于額定充電范圍內的電壓時，可能會發生危險。
進一步地，電池單元充電狀態中的不平衡是由各種因素造成的，并且會在電池生產期間或者對電池進行充電或放電時出現。具體地，就鋰離子電池而言，在公司內會對電池單元的生成進行嚴格的控制，以使電池陣列的單元(cell)之間的容量差異最小化。然而，無論電池單元(該電池單元會在其被初始生產之后，保持平衡和均等)的狀態如何，都由可能由于各種因素而出現電池單元之間的不平衡或不均等。
造成電池單元的不平衡的因素可以包括例如，各個電池單元的化學反應、阻抗和自放電速率、電池單元容量的減小、電池單元工作溫度的差異、以及電池單元之間的其它類型的差異。
電池單元的溫度不一致是導致電池單元不平衡的重要因素。例如，電池單元中存在"自放電"，該"自放電"與電池溫度有關。高溫度電池比低溫度電池通常具有更高的自放電速率。因此，隨著時間的推移，與低溫度電池相比，高溫度電池會展現出更低的充電狀態。
電池的充電狀態中的不平衡是一個非常嚴重的問題。例如，該問題通常出現于電動汽車中，并且電池提供能量的能力會受到的處于最低充電狀態的電池單元的限制。
如果該電池單元的能量耗盡，則其它電池單元將不能繼續供電。即使其它電池單元仍具有供電能力，其它電池單元也將不能繼續供電。因此，電池單元的充電狀態中的不平衡會降低電池的供電能力。
當然，以上描述并非意味著，當一個或者多個電池單元的能量耗盡時，由剩余電池進行供電是完全不可能的。然而，它意味著，僅在串聯的情況下，即使一個或者多個電池單元的能量完全耗盡，只要剩余的電池單元中存在電荷，則電池就可以繼續使用。但是在這種情況下，會在已經完全放電的電池單元中生成極性相反的電壓，并且從而導致該電池單元會由于過熱、或由于生成氣體而具有爆炸的危險，因而電池會失去供電能力。
現已提出了多種對電池單元的充電狀態中的不平衡進行校正的方法，而圖1中示出了其中一種方法。
圖1是傳統均衡充電設備的示意圖。
參考圖l，傳統均衡充電設備包括變壓器T、控制開關SWl SWn、以及電壓檢測和驅動信號生成單元10。
所述變壓器T被配置為使得其包括N個初級線圈和單個次級線圈，N個初級線圈連接至一公共鐵心，初級線圈與次級線圈具有不同的極性，換句話說，初級線圈的同名端(dot)與次級線圈的同名端位于不同側，N個初級線圈具有相同的匝數，且初級線圈與次級線圈的匝數比為N1:N2。
在變壓器T中，所述N個初級線圈分別與N個串聯電池Bl Bn并聯，且二極管D連接在次級線圈與所述N個串聯電池Bl Bn中的第一個電池Bl之間，用于防止N個串聯電池Bl Bn將能量供應至次級線圈。所述控制開關SWl SWn分別連接在變壓器T的初級線圈的第二端(the second end,其上未形成同名端的一端)與電池Bl Bn的負極(anode)(-)之間，并且被配置為響應于電壓檢測和驅動信號生成單元10所提供的驅動信號，將來自電池Bl Bn的能量供應至變壓器Tl的初級線圈。
所述電壓檢測和驅動信號生成單元10檢測串聯電池Bl Bn中各個電池的電壓，并將所檢測到的電壓與參考電壓進行比較，從而生成對充電至電壓高于參考電壓的電池(即，過充電池)進行放電所需的驅動信號。
下面將詳細描述傳統均衡充電設備所執行的上述均衡充電方法。
首先，電壓檢測和驅動信號生成單元10檢測N個串聯電池Bl Bn中各個電池的電壓。
根據電壓檢測結果，當確定所述N個串聯電池Bl Bn之間存在電荷不平衡時，電壓檢測和驅動信號生成單元10同時導通(turn on)所有的控制開關SWl SWn。
然后，在控制開關SWl SWn導通期間，電荷自動從具有高電壓的電池移動至具有低電壓的電池，從而實現均衡充電。進一步地，當控制開關SWl SWn同時斷開(turn off)時，存儲于所有初級線圈中的磁化電感中的能量通過次級側的整流二極管D而被再次充入N個串聯電池B1 Bn。
這樣，由于電荷會因所述N個串聯電池Bl Bn之間的電壓差而移動，從而圖1的均衡充電設備實現了均衡充電。
同時，鋰離子電池的缺陷在于，即使各個電池之間的電荷狀態(SOC)存在差異，但是電壓差非常低，從而幾乎不會發生電荷移動。因此，傳統均衡充電設備的問題在于，當N個鋰離子電池相互串聯時，電池的均衡充電特性被破壞了。
進一步地，傳統均衡充電設備的問題在于，由于對應于電池數量的多個初級線圈耦合至單個公共鐵心，因此當電池數量增多時，制造變壓器會很困難。
更進一步地，傳統均衡充電設備的缺陷在于，隨著電池數量的增多，用于為磁化電流提供電流通路以防止變壓器飽和的二極管兩端的電壓會增大。

發明內容
因此，本發明是在考慮到現有技術中所存在的上述問題的情況下作出的，本發明意欲提供一種均衡充電設備，該均衡充電設備能夠改進均衡充電特性且能夠使變壓器容易地制造。
進一步地，本發明意欲提供一種均衡充電設備，其中，串聯電池被劃分為多個模塊，每個模塊具有確定大小，從而能夠同時進行模塊內均衡充電和模塊間均衡充電。
根據本發明的一個方面，提供了一種用于均衡MXN個電池的電荷的均衡充電設備，該均衡充電設備被配置使得所述MXN個電池串聯且被劃分為N個電池模塊，每個電池模塊具有M個串聯電池，所述均衡充電設備包括
N個模塊內均衡充電單元，每個模塊內均衡充電單元與位于每個電池模塊中的M個串聯電池中的各個電池并聯，被供應來自所述M個串聯電池的電荷，且被配置為對過充電池進行放電，并對充電不足的電池進行充電，從而均衡所述M個串聯電池的電荷；模塊間均衡充電單元，所述模塊間均衡充電單元與N個電池模塊中的各個電池模塊并聯，且被配置為對所述N個電池氺莫塊中過充的電池模塊進行放電，并對充電不足的模塊進行充電，從而均衡所:述N個電池模塊的電荷；以及電壓檢測和驅動信號生成單元，所述電壓檢測和驅動信號生成單元被配置為檢測MXN個電池中各個電池的電壓，將所檢測到的電壓的平均電壓設置為參考電壓，利用所檢測到的電壓和所述參考電壓生成驅動信號，并通過將所生成的驅動信號提供給所述N個模塊內均衡充電單元和模塊間均衡充電單元，以控制對所述N個模塊內均衡充電單元和模塊間均衡充電單元的驅動。
因此，本發明的優點在于，由于串聯電池被劃分為多個模塊，能夠同時執行模塊內均衡充電和模塊間均衡充電，從而能夠實現徹底的均衡充電，獲得理想的均衡充電性能。
進一步地，本發明的優點在于，通過將磁化電流引入到充電不足的電池中而實現了額外的均衡充電，從而改進了均衡充電性能。
進一步地，本發明的優點在于，模塊內均衡充電單元與模塊間均衡充電單元是相分離的，從而能夠同時且獨立地進行模塊內均衡充電和模塊間均衡充電。
更進一步地，本發明的優點在于，由于磁化電流被充入了串聯電池內充
電不足的電池中，模塊間均衡充電單元的變壓器的匝數比是1:1，從而變壓器能夠很容易地制造。


圖1是傳統的均衡充電設備的示意圖；圖2是根據本發明一種實施方式的均衡充電設備的示意圖；圖3是圖2中的電壓檢測和驅動信號生成單元的示意圖；圖4和圖5是圖2中的模塊內均衡充電單元所執行的均衡充電方法的示意圖6是圖2中的模塊間均衡充電單元所執行的均衡充電方法的示意圖；圖7是根據本發明一種實施方式由圖2中的均衡充電設備所執行的磁化電流重置方法的示意圖8是根據本發明另一種實施方式的均衡充電設備的示意圖；以及
圖9是根據本發明另一種實施方式由圖8中的均衡充電設備所執行的磁
化電流重置方法的示意圖。
ii主要部分的參考標記說明
10、 120:電壓檢測和驅動信號生成單元
1001 100n、 2001 200n:模塊內均衡充電單元
110、 210:模塊間均衡充電單元 122:感測單元
124:微處理器 126:開關驅動電路單元
具體實施例方式
下文中，將參考附圖詳細描述本發明的各種實施方式。圖2是根據本發明一種實施方式的均衡充電設備的示意圖，以及圖3是圖2中的信號檢測和驅動信號生成單元120的示意圖。
參考圖2和圖3， MXN個電池串聯且被劃分為N個電池模塊，每個模塊具有M個串聯電池，根據本發明一種實施方式的均衡充電設備包括N個模塊內均衡充電單元1001 100n，所述N個模塊內均衡充電單元1001 100n中的每個模塊內均衡充電單元與M個串聯電池中的各個電池并聯，被供應來自該M個串聯電池的電荷，且被配置為通過對過充電池進行放電，并對充電不足的電池進行充電，從而均衡M個串聯電池的電荷；模塊間均衡充電單元IIO，所述模塊間均衡充電單元110與N個電池模塊中的各個電池模塊并聯，且被配置為對N個電池模塊中的過充電池模塊進行放電，并對充電不足的電池模塊進行充電，從而均衡N個電池模塊的電荷；以及電壓檢測和驅動信號生成單元120，該電壓檢測和驅動信號生成單元120被配置為檢測MXN個電池中各個電池的電壓，將所檢測到的電壓的平均值設置為參考電壓，利用所檢測到的電壓和參考電壓，生成驅動信號，并且通過將所生成的驅動信號提供給N個模塊內均衡充電單元1001 100n和模塊間均衡充電單元110，以控制對N個模塊內均衡充電單元1001 100n和模塊間均衡充電單元110的驅動。在此，由于M個串聯電池被劃分為一個模塊，因此可以將它們稱為電池模塊。
所述N個模塊內均衡充電單元1001 100n中的每個模塊內均衡充電單元包括M個第一變壓器單元TRll TRlm，所述M個第一變壓器單元TRll TRlm分別與所述M個串聯電池并聯，且被配置為存儲所述M個串聯電池所供應的電荷，并將所存儲的電荷供應至所述M個串聯電池中充電不足的電池，從而均衡所述M個串聯電池的電荷；M個充/放電控制開關SWl SWm，所述M個充/放電控制開關SWl SWm連接在所述M個第一變壓器單元TRll TRlm的初級線圈的第一端(the first end)(其上形成同
名端的一端)與所述M個串聯電池的第一個電池Bll、 B21........或Bnl
的正極(cathode) (+)之間，用于將所述M個串聯電池所供應的電荷供應至所述第一變壓器單元TRll TRlm的初級線圈；M個半導體開關裝置Dl Dm，所述M個半導體開關裝置Dl Dm連接在所述第一變壓器單元TRll TRlm的次級線圈的第一端(其上未形成同名端的一端)與所述M個串聯電池的正極(+ )之間，用于防止所述M個串聯電池所供應的電荷被供應至所述第一變壓器單元TRll TRlm的次級線圈。
所述M個第一變壓器單元TRll TRlm分別與所述M個串聯電池并聯，用于將每個電池模塊中電壓高于第一參考電壓的電池(即，過充電池)的電壓降低至所述第一參考電壓，并將電壓低于所述第一參考電壓的電池(即，充電不足的電池)增大至所述第一參考電壓。
在此，術語"第一參考電壓"指每個電池模塊(即，M個串聯電池)的平均電壓。
所述M個第一變壓器單元TRll TRlm中的每個第一變壓器單元包括第一變壓器Tll Tlm，所述第一變壓器Tll Tlm與所述M個串聯電池中的相應電池并聯，且被配置為存儲所述M個串聯電池所供應的電荷，并將所存儲的電荷供應至所述M個串聯電池中充電不足的電池；第一電感器(inductor) Lll Llm，所述第一電感器Lll Llm連接在所述第一變壓器Tll Tlm的初級線圈的第一端與充/放電控制開關SWl SWm的一個相應充/放電控制開關之間；以及第二電感器L21 L2m，所述第二電感器L21 L2m連接在所述第一變壓器Tll Tlm的初級線圈兩端，用于以磁化電流的形式存儲所述M個串聯電池Bl Bn所供應的電荷。
所述第一變壓器Tll Tlm的初級線圈的第一端分別連接至第一電感器Lll Llm，而其初級線圈的第二端(the second end)(其上未形成同名端的一端)與彼此共同連接到一起。所述次級線圈的第一端(其上未形成同名端的一端)分別連接至半導體開關裝置Dl Dm的陽極，其第二端(其上形成同名端的一端)分別連接至電池的負極(-)。
上述第一變壓器Tll和Tim中的每個第一變壓器均被以反激結構的形式來實施，其中初級線圈和次級線圈具有不同的極性，也就是說，形成于初級線圈上的同名端與形成于次級線圈上的同名端位于不同側。所述第一變壓器Tll Tlm中的每個第一變壓器的初級線圈與其次級線圈的匝數比均為N1:N2。
在本實施方式中，所述第一變壓器單元TRll TRlm中的每個第一變壓器單元均被使用反激(flyback)結構來實施，在該反激結構中初級線圈和次級線圈具有不同的極性，也就是說，形成于初級線圈上的同名端與形成于次級線圈上的同名端位于不同側；但也可以使用正激(forward)結構來實施，其中初級線圈與次級線圈具有相同的極性，也就是說，形成于初級線圈上的同名端與形成于次級線圈上的同名端位于同一側。
所述第二電感器L21 L2m連接在第一變壓器Tll Tlm中各個第一變壓器的初級線圈兩端，且被配置為，當充/放電控制開關SWl SWn和安裝于模塊間均衡充電單元no內的再分配開關(redistribution switch) CSW1 CSWn導通時，以磁化電流的形式存儲相關電池模塊所供應的電荷。
所述充/放電控制開關SWl SWm分別連接在所述M個串聯電池的第一個電池Bll、 B21、......、或Bnl的正極(+)與第一電感器Lll Llm之
間，且被配置為，使得其響應于電壓檢測和驅動信號生成單元120所提供的高電平的第一驅動信號而被導通，并形成閉合環路(closed loop),以使得來自電池模塊的電荷被供應至所述第一變壓器單元TRll TRlm的初級線圈。
換句話說，所述充/放電控制開關SWl SWn響應于所述電壓檢測和驅動信號生成單元120所提供的高電平的第一驅動信號而被導通，從而形成閉合環路，以使得所述M個串聯電池所供應的電荷能夠被供應至第一電感器Lll Llm和第二電感器L21 L2m，該第一電感器Lll Llm和第二電感器L21 L2m連接至所述第一變壓器單元TRll TRlm的初級線圈。
因此，當所述充/放電控制開關SWl SWn被導通時，磁化電流被存儲于所述第二電感器L21 L2m中。
進一步地，所述充/放電控制開關SWl SWn響應于所述電壓檢測和驅動信號生成單元120所提供的低電平的第二驅動信號而被斷開，從而防止所述電池模塊所供應的電荷被供應至所述第一變壓器單元TRll TRlm的初級線圈。
在所述M個串聯電池中，對于具有相對較低電壓的電池而言，所述高電平的第一驅動信號被提供給上述充/放電控制開關SWl SWn —段較長的時間，從而對具有相對較低電壓的電池進行較長時間的充電；對于具有相對較高電壓的電池而言，所述高電平的第一驅動信號被提供給上述充/放電控制開關SWl SWn—段較短的時間，從而對具有相對較高電壓的電池進行較短時間的充電。
也就是說，當假設M為3時，換句話說，當單個模塊中串聯了3個電池時，在這三個電池中，第二個電池過充了，而剩余的電池充電不足，則會向與第一和第三個電池中一個具有較高電壓的電池相對應的充/放電控制開 關提供高電平的第一驅動信號一段較短的時間，而向與第一和第三個電池中 剩余的一個具有較低電壓的電池相對應的充/放電控制開關提供高電平的第 一驅動信號一段較長的時間。
所述充/放電控制開關SWl SWm是電絕緣的，且可使用允許電流雙向 流動的固態繼電器來實施。
所述半導體開關裝置Dl Dm分別連接在所述第一變壓器單元TR11 TRlm的次級線圈的第一端與所述M個串聯電池的正極(+)之間，用于在 供應至第一變壓器單元TRll TRlm的次級線圈的能量被供應至相關電池 模塊時，對所述能量進行整流。
進一步地，所述半導體開關裝置Dl Dm防止電池模塊所供應的電荷被 供應至所述第一變壓器單元TR11 TRlm的次級線圈。
所述半導體開關裝置Dll Dm可以使用二極管來實施，但也可以使用 其它開關裝置，例如金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)、雙極型晶體 管(BJT)和繼電器中的一者來實施。
所述模塊間均衡充電單元110包括N個第二變壓器單元TRl TRn， 所述N個第二變壓器單元TRl TRn與所述N個串聯電池模塊并聯，且被 配置為存儲所述N個串聯電池模塊所供應的電荷，并將所存儲的電荷供應至 所述N個串聯電池模塊中充電不足的電池模塊，從而均衡所述N個串聯電 池模塊的電荷；以及N個再分配開關CSWl CSWn，所述N個再分配開關 CSW1 CSWn連接在所述第一變壓器單元TR11 TRlm的初級線圈的第二 端(其上未形成同名端的一端)和所述第二變壓器單元TRl TRn的初級線
圈的第二端的公共節點與各個電池模塊的最后一個電池Blm、 B2m........
Bnm的負極(-)之間，用于形成閉合環路，以使得電池模塊所供應的電荷 被供應至所述第一變壓器單元TRll TRlm的初級線圈和第二變壓器單元TRl TRn的初級線圈。
所述第二變壓器單元TRl TRn分別與電池模塊并聯，用于將所述N 個電池模塊中的過充電池模塊的電壓降低至第二參考電壓，并將充電不足的 電池模塊的電壓增大至所述第二參考電壓。
在此，術語"第二參考電壓"指所述N個電池模塊的平均電壓。
所述第二變壓器單元TRl TRn中的每個第二變壓器單元包括第二變 壓器Tl Tn，所述第二變壓器Tl Tn與所述N個串聯電池模塊的相應電 池模塊并聯，且被配置為存儲所述N個串聯電池模塊所供應的電荷，并將所 存儲的電壓供應至所述N個串聯電池模塊中充電不足的電池模塊；第三電感 器L31 L3n，所述第三電感器L31 L3n連接在所述第二變壓器Tl Tn的 初級線圈的第一端(其上形成同名端的一端)與相應電池模塊的第一個電池 Bll、 B21、......、或Bnl的正極(+)之間；以及第四電感器L41 L4n，
所述第四電感器L41 L4n連接在第二變壓器Tl Tn的初級線圈兩端，用 于以磁化電流的形式存儲所述N個串聯電池模塊所供應的電荷。
在這種情況下，所述第二變壓器Tl Tn的初級線圈的第一端分別連接 至所述第三電感器L31 L3n，其第二端連接至安裝于模塊內均衡充電模塊 1001 100n內的第一變壓器單元TRll TRln的初級線圈的第二端的公共 節點、以及再分配開關CSWl CSWn。所述第二變壓器T1的次級線圈的第 一端(其上未形成同名端的一端)與彼此共同連接在一起，而其第二端(其 上形成有同名端的一端)與彼此共同連接在一起。
所述第二變壓器Tl Tn中的每個第二變壓器均使用反激結構來實施， 在所述反激結構中初級線圈和次級線圈具有不同的極性，也就是說，形成于 初級線圈上的同名端與形成于次級線圈上的同名端位于不同側。在所述第二 變壓器Tl Tn中的每個第二變壓器中，初級線圈和次級線圈具有相同的匝 數，即，其匝數比為1:1。在本實施方式中，第二變壓器Tl Tn中的每個第二變壓器均可使用反 激結構來實施，但也可使用正激結構來實施，在所述正激結構中中初級線圈 和次級線圈的極性是相同的，也就是說，形成于初級線圈上的同名端與形成 于次級線圈上的同名端位于同一側。
所述第三電感器L31 L3n分別連接在所述第二變壓器Tl Tn的初級
線圈與各個電池模塊的第一個電池Bll、 B21....... Bnl的正極(+ )之間，
而所述第四電感器L41 L4n分別連接在所述第二變壓器Tl Tn的初級線 圈兩端。
所述第四電感器L41 L4n用于當再分配開關CSW1 CSWn被導通時， 以磁化電流的形式存儲所述N個電池模塊所供應的電荷。
所述再分配開關CSWl CSWn連接在所述第二變壓器單元TRl TRn
的初級線圈的第二端與各個電池模塊的最后一個電池Blm、 B2m........
Bnm的負極(-)之間，且被配置為使得所述再分配開關CSWl CSWn響 應于所述電壓檢測和驅動信號生成單元120所提供的高電平的第一驅動信號 而被導通，并形成閉合環路，以使得所述N個串聯電池模塊所供應的電荷被 供應至所述第二變壓器單元TRl TRn的初級線圈。
進一步地，所述再分配開關CSWl CSWn響應于所述電壓檢測和驅動 信號生成單元120所提供的高電平的第一驅動信號而被導通，從而形成閉合 環路，以使得所述電池模塊所供應的電荷被供應至所述第一變壓器單元 TRll TRlm的初級線圈。
因此，所述再分配開關CSWl CSWn被操作使得不僅允許模塊內均衡 充電單元1001 100n均衡電池模塊的電壓，而且還允許模塊間均衡充電單 元均衡所述N個電池模塊的電壓。
所述再分配開關CSWl CSWn可以使用N型MOSFET來實施，但不 限于該N型MOSFET，還可以使用其它開關裝置，例如P型MOSFET、 BJT和繼電器中的一者來實施。
進一步地，所述再分配開關CSWl CSWn可被安裝于模塊間均衡充電 單元110內，但還可被安裝于模塊內均衡充電單元1001 100n內，而且可 選擇地，還可被安裝于所述模塊內均衡充電單元1001 100n和模塊間均衡 充電單元110之外。
所述電壓檢測和驅動信號生成單元120檢測MXN個電池中各個電池的 電壓，并設置第一參考電壓和第二參考電壓，所述第一參考電壓是每個電池 模塊(即，M個串聯電池)的平均電壓，所述第二參考電壓是N個電池模 塊的平均電壓。
在此之后，所述電壓檢測和驅動信號生成單元120將所述MXN個電池 的電壓與所述第一參考電壓或第二參考電壓進行比較，并當所檢測到的電壓 大于第一參考電壓或第二參考電壓時(即，相關電池過充時)，生成用于對 過充電池或電池模塊進行放電的驅動信號；當所檢測到的電壓小于第一參考 電壓或第二參考電壓時(即，相關電池充電不足時)，生成用于對充電不足 的電池或電池模塊進行充電的驅動信號。所述電壓檢測和驅動信號生成單元 120將所述驅動信號提供至模塊內均衡充電單元1001 100n以及模塊間均 衡充電單元110。
從而，所述模塊內均衡充電單元1001 100n以及模塊間均衡充電單元 110響應于所述電壓檢測和驅動信號生成單元120所提供的驅動信號，而均 衡N個電池模塊的電壓、以及每個電池模塊內的M個電池的電壓。
在這種情況下，在幾乎所有的充/放電控制開關導通時、或者差不多完 成電池的電荷均衡時，僅少量任意電池正在被充電的情況下，所述電壓檢測 和驅動信號生成單元120給再分配開關CSWl CSWn提供具有脈沖寬度調 制(PWM)格式的低占空比驅動信號。執行該操作，以開始對來自串聯電 池的少量電荷進行放電，從而防止過大的電流流過當前正在被充電的電池。如圖3所示，所述電壓檢測和驅動信號生成單元120包括感測單元122、 微處理器124以及開關驅動電路單元126。
感測單元122連接至所述M X N個電池，且被配置為檢測M X N個電池
中各個電池的電壓。
所述微處理器124將所述MXN個電池中的M個串聯電池(即，存在 于每個模塊中的電池)的電壓(即，感測單元122所檢測到的電壓)的平均 電壓設置為第一參考電壓，并將N個電池模塊的平均電壓設置為第二參考電 壓。因此，如果判斷出感測單元122所檢測到的電壓大于或者可能大于所述 第一參考電壓或第二參考電壓，則微處理器124設置對相應電池或電池模塊 進行充/放電所需的充/放電控制開關SWl SWm以及再分配開關CSW1 CSWn的導通/斷開時間。
所述開關驅動電路126基于從微處理器124輸入的信號來生成驅動信 號，并將該驅動信號單獨提供給充/放電控制開關SWl SWn以及再分配開 關CSWl CSWn。
下面將參考圖4和圖5，描述上述根據本發明實施方式的均衡充電設備 所執行的電池模塊均衡充電方法。
在這種情況下，根據本發明的均衡充電設備是基于以下基本原則而實施 的，即串聯電池的均衡充電是在電氣充電裝置或電氣負載未連接至串聯電池 時進行的。然而，當電流容量很高以至于模塊內均衡充電單元1001 100n 以及模塊間均衡充電單元110用作旁路(bypass)電路時、或者當充電電流 或放電電流很小時，即使電氣充電裝置或電氣負載連接至串聯電池，仍然可 以均衡串聯電池的電荷。
首先，電壓檢測和驅動信號生成單元120檢測M個串聯電池中各個電 池的電壓。
此時，所述電壓檢測和驅動信號生成單元120將所述M個串聯電池(即，劃入一個電池模塊的M個電池)的電壓的平均電壓設置為第一參考電壓， 并將所檢測到的電壓與該第一參考電壓進行比較。為了在判斷出所檢測到的 電壓大于或者可能大于第一參考電壓時，對M個串聯電池中的過充電池、 或者幾乎過充的電池進行放電，以及為了將充電不足的電池充電至小于所述 第一參考電壓的電壓，所述電壓檢測和驅動信號生成單元120將低電平的第 二驅動信號提供給充/放電控制開關，該充/放電控制開關與并聯至過充電池 第一變壓器單元的初級線圈串聯，以及將高電平的第一驅動信號提供給充/ 放電控制開關，該充/放電控制開關與并聯至充電不足的電池的第一變壓器單 元的初級線圈串聯。
例如，如圖4所示，假設M個串聯電池中的第一個電池充電不足，而 剩余的電池過充，則所述電壓檢測和驅動信號生成單元120通過將高電平的 第一驅動信號提供給第一充/放電控制開關SW1來導通該第一充/放電控制 開關SW1，并斷開剩余的充/放電控制開關SW2 SWm。
進一步地，所述電壓檢測和驅動信號生成單元120將高電平的第一驅動 信號提供給再分配開關CSW1 。
因此，如圖4所示，來自電池模塊的電荷通過第一充/放電控制開關SW1 而被供應至與充電不足的第一個電池B1并聯的第一變壓器T1的初級線圈。 在這種情況下，來自電池模塊的電流以磁化電流的形式存儲于第二電感器 L21中。
在此之后，所述電壓檢測和驅動信號生成單元120通過將低電平的第二 驅動信號提供給再分配開關CSW1而斷開該再分配開關CSW1。
因此，如圖5所示，存儲于第二電感器L21中的能量被從第一變壓器 Tll的初級線圈傳遞至其次級線圈。傳遞至該次級線圈的能量被二極管Dl 轉換成電荷，并被供應至充電不足的第一個電池Bll。
因此，利用次級線圈所供應的電荷對充電不足的第一個電池Bll進行了充電，從而能夠在模塊內的M個串聯電池之間實現完全均衡充電。
下面將參考圖6和圖7，詳細描述具有上述結構的均衡充電設備所執行 的模塊間均衡充電的方法。
例如，如圖6所示，當M和N為2時，電壓檢測和驅動信號生成單元 120將低電平的第二驅動信號提供給設置于每個模塊內均衡充電單元中的第 一充/放電控制開關SW1和第二充/放電控制開關SW2，從而斷開第一充/放 電控制開關SW1和第二充/放電控制開關SW2。
在此之后，電壓檢測和驅動信號生成單元120檢測兩個電池模塊中各個 電池模塊的電壓，并將這兩個電池模塊的平均電壓設置為第二參考電壓。
在所述第二參考電壓被設置之后，所述電壓檢測和驅動信號生成單元 120通過將高電平的第一驅動信號提供給第一再分配開關CSW1和第二再分 配開關CSW2而導通第一再分配開關CSW1和第二再分配開關CSW2，以對 所述兩個電池模塊中被過充至電壓超過第二參考電壓的電池模塊進行放電， 并對剩余的一個充電不足的電壓小于第二參考電壓的電池模塊進行充電。
因此，所述第一再分配開關CSW1形成了閉合環路，以使得第一電池模 塊中電池B11和B12的電壓被供應至第二變壓器T1的初級線圈，而所述第 二再分配開關CSW2形成閉合環路，以使得第二電池模塊中電池B21和B22 的電壓被供應至第二變壓器T2的初級線圈。
此時，供應至第二變壓器T1和T2的初級線圈的電壓被導入其各自的次 級線圈。
然而，當第一電池模塊Bll和B12的電壓低于所述第二電池模塊B21 和B22的電壓時，由于第二變壓器Tl和T2的次級線圈是并聯的，因此會 因為所述第一電池模塊Bll和B12以及第二電池模塊B21和B22之間的電 壓差而發生電流移動。
因此，電荷從所述第二電池模塊B21和B22移動至第一電池模塊Bll和B12，從而第一電池模塊Bll和B12以及第二電池模塊B21和B22的電 壓能夠被均衡。
在上述實施方式中，所述電壓檢測和驅動信號生成單元120被描述成單 獨設置第一次參考電壓和第二參考電壓，但是還可以僅使用第一參考電壓來 生成實現模塊內均衡充電和模塊間均衡充電所需的驅動信號。
也就是說，當執行模塊間均衡充電時，電壓檢測和驅動信號生成單元120 可以通過導通再分配開關CSWl CSWn來進行模塊間均衡充電，而不需要 檢測N個電池模塊的電壓。
在根據本發明的均衡充電設備所執行的均衡充電方法中，單獨對模塊內 均衡充電和模塊間均衡充電進行了描述，但是實際上，所述模塊內均衡充電 單元和模塊間均衡充電單元可以同時執行模塊內均衡充電和模塊間均衡充 電。
作為參考，在模塊間均衡充電單元110工作期間，通過充電不足的電池 模塊中所存在的任意充電不足的電池來對第四電感器L41和L42進行重置。
例如，在圖7中，當第一再分配開關CSW1和第二再分配開關CSW2 同時被導通，然后再被斷開時，第一模塊的第一個電池單元的初級側電壓被 施加給模塊間均衡充電單元的第二變壓器Tl和T2的初級側，以重置磁化電 流。因此，在根據本發明實施方式的均衡充電設備中，可以省略傳統均衡充 電設備中所使用的二極管。
另外，流經所述第四電感器L41和L42的磁化電流通過與充電不足的電 池并聯的第一變壓器的初級線圈、以及充/放電控制開關(該開關為雙向開關) 而流入充電不足的電池，從而具有能夠減少充電時間的優點。
進一步地，在根據本發明實施方式的均衡充電設備中，由于重置電流流 入充電不足的電池，變壓器的匝數比為1:1，因此變壓器可以很容易地制造。
圖8是根據本發明另一種實施方式的均衡充電設備的示意圖。參考圖8， MXN個電池串聯且被劃分為N個電池模塊，每個電池模塊 具有M個串聯電池，根據本發明另一種實施方式的均衡充電設備包括N 個模塊內均衡充電單元2001 200n，所述N個模塊內均衡充電單元2001 200n中的每個模塊內均衡充電單元與M個串聯電池中的各個電池并聯，所 述N個模塊內均衡充電單元2001 200n被供應來自該M個串聯電池的電 荷，且被配置為通過對過充電池進行放電，并對充電不足的電池進行充電， 以均衡M個串聯電池的電荷；模塊間均衡充電單元210，所述模塊間均衡充 電單元210與N個電池模塊中的各個電池模塊并聯，且被配置為對N個電 池模塊中的過充電池模塊進行放電，并對充電不足的電池模塊進行充電，從 而均衡N個電池模塊的電荷；以及電壓檢測和驅動信號生成單元120，所述 電壓檢測和驅動信號生成單元120被配置為檢測MXN個電池中各個電池的 電壓，將所檢測到的電壓的平均電壓設置為參考電壓，并通過將所生成的驅 動信號提供給N個模塊內均衡充電單元2001 200n和模塊間均衡充電單元 210，以控制對N個模塊內均衡充電單元2001 200n和模塊間均衡充電單元 210的驅動。
在此，由于M個串聯電池被劃分為一個模塊，因此可以將它們稱為電 池模塊。
所述N個模塊內均衡充電單元2001 200n中的每個模塊內均衡充電單 元包括M個第一變壓器單元TRll TRlm，所述M個第一變壓器單元 TRll TRlm分別與所述M個串聯電池并聯，且被配置為存儲所述M個串 聯電池所供應的電荷，并將所存儲的電荷供應至M個串聯電池中充電不足 的電池，從而均衡M個串聯電池的電荷；M個充/放電控制開關SWl SWn, 所述M個充/放電控制開關SWl SWn連接在所述M個第一變壓器單元的 初級線圈的第一端(其上形成有同名端的一端)與所述M個串聯電池的第 一個電池Bll、 B21.......、或Bnl的正極(+)之間，用于將所述M個串聯電池所供應的電荷供應至所述第一變壓器單元TRll TRlm的初級線圈； M個半導體開關裝置Dl Dm，所述M個半導體開關裝置Dl Dm連接在 所述第一變壓器單元TRll TRlm的次級線圈的第一端(其上未形成同名端 的一端)與所述M個串聯電池的正極(+ )之間，用于防止所述M個串聯 電池所供應的電荷供應至第一變壓器單元TRll TRlm的次級線圈；以及第 一再分配開關CSWl CSWn，所述第一再分配開關CSWl CSWn連接在 所述第一變壓器單元TRll TRlm的初級線圈的第二端(其上未形成同名端
的一端)的公共節點與相應電池模塊的最后一個電池Blm、 B2m........或
Bnm的負極(-)之間，用于形成閉合環路，以使得來自電池模塊的電荷被 供應至所述第一變壓器單元TRll TRlm的初級線圈。
所述第一變壓器單元TRll TRlm分別與所述M個串聯電池并聯，用 于將每個電池模塊中電壓高于第一參考電壓的電池(即，過充電池)的電壓 減小至第一參考電壓，以及將電壓低于第一參考電壓的電池(即，充電不足
的電池)的電壓增大至第一參考電壓。
在此，術語"第一參考電壓"指每個電池模塊(即，M個串聯電池)的 平均電壓。
所述M個第一變壓器單元TR11 TRlm中的每個第一變壓器單元包括 第一變壓器Tll Tlm，所述第一變壓器Tll Tlm與所述M個串聯電池中 的相應電池并聯，且被配置為存儲M個串聯電池所供應的電荷，并將所存 儲的電荷供應至所述M個串聯電池中充電不足的電池；第一電感器L11 Llm，所述第一電感器Lll Llm連接在所述第一變壓器Tll Tlm的初級 線圈的第一端與充/放電控制開關SWl SWm中的一個相應充/放電控制開 關之間；以及第二電感器L21 L2m，所述第二電感器L21 L2m連接在所 述第一變壓器Tll Tlm的初級線圈兩端，用于以磁化電流的形式存儲所述 M個串聯電池Bl Bn所供應的電荷。所述第一變壓器Tll Tlm的初級線圈的第一端分別連接至第一電感器 Lll Llm，其初級線圈的第二端(其上未形成同名端的一端)共同連接至 相應的第一再分配開關CSWl CSWn的第一端。次級線圈的第一端(其上 未形成同名端的一端)分別連接至所述半導體開關裝置Dl Dm的陽極，且 其第二端(其上形成有同名端的一端)分別連接至電池的負極(-)。
上述第一變壓器Tll和Tlm均以反激結構的形式來實施，其中初級線 圈和次級線圈具有不同的極性，也就是說，形成于初級線圈上的同名端與形 成于次級線圈上的同名端位于不同側。所述第一變壓器Tll Tlm中的每個 第一變壓器的初級線圈與其次級線圈的匝數比均為N1:N2。
在本實施方式中，所述第一變壓器單元TRll TRlm中的每個第一變 壓器單元均被使用反激結構來實施，但也可以使用正激結構來實施，在該正 激結構中形成于初級線圈上的同名端與形成于次級線圈上的同名端位于同
第一電感器Lll Llm連接在所述第一變壓器Tll Tlm的初級線圈與 充/放電控制開關SWl SWm之間，而第二電感器L21 L2m連接在所述第 一變壓器Tll Tlm的初級線圈兩端。
在這種情況下，當充/放電控制開關SWl SWm和第一再分配開關 CSWl CSWln導通時，所述第二電感器L21 L2m以磁化電流的形式存儲 相關電池模塊供應的電荷。
所述充/放電控制開關SWl SWm分別連接在所述M個串聯電池的第 一個電池B11、B21、......、或Bnl的正極(+)與所述第一電感器Lll Llm
之間，且被配置為使得其響應于電壓檢測和驅動信號生成單元120所提供的 高電平的第一驅動信號而被導通，并形成閉合環路，以使得來自電池模塊的 電荷被供應至所述第一變壓器單元TRll TRlm的初級線圈。
換句話說，所述充/放電控制開關SWl SWm響應于所述電壓檢測和驅動信號生成單元120所提供的高電平的第一驅動信號而被導通，從而形成閉 合環路，以使得所述M個串聯電池所供應的電荷能夠被供應至連接到所述 第一變壓器單元TRll TRlm的第一電感器Lll Llm和第二電感器L21
L2m。
因此，當所述充/放電控制開關SWl SWm被導通時，磁化電流會存儲 于所述第二電感器L21 L2m中。
進一步地，所述充/放電控制開關SWl SWm響應于電壓檢測和驅動信 號生成單元120所提供的低電平的第二驅動信號而被斷幵，從而防止電池模 塊所供應的電荷供應至所述第一變壓器單元TRll TRlm的初級線圈。
在所述M個串聯電池中，對于具有相對較低電壓的電池而言，所述高 電平的第一驅動信號被提供給上述充/放電控制開關SWl SWn —段較長的 時間，從而對具有相對較低電壓的電池進行較長時間的充電；對于具有相對 較高電壓的電池而言，所述高電平的第一驅動信號被提供給上述充/放電控制 開關SWl SWn —段較短的時間，從而對具有相對較高電壓的電池進行較 短時間的充電。
也就是說，當假設M為3時，換句話說，當單個模塊中串聯了 3個電
池時，在這三個電池中，第二個電池過充了，而剩余的電池充電不足，則會 向與第一和第三個電池中一個具有較高電壓的電池相對應的充/放電控制開
關提供高電平的第一驅動電壓一段較短的時間，而向與第一和第三個電池中 剩余的一個具有較低電壓的電池相對應的充/放電控制開關提供高電平的第 一驅動電壓一段較長的時間。
所述充/放電控制開關SWl SWm是電絕緣的，且可使用允許電流雙向 流動的固態繼電器來實施。
所述第一半導體開關裝置Dl Dm分別連接在所述第一變壓器單元 TRll TRlm的次級線圈的第一端與所述M個串聯電池的正極(+)之間，用于在供應至第一變壓器單元TRll TRlm的次級線圈的能量被供應至相 關電池模塊時，對所述能量進行整流。
進一步地，第一半導體開關裝置Dl Dm防止電池模塊所供應的電荷供 應至所述第一變壓器單元TRll TRlm的次級線圈。
所述第一半導體開關裝置Dll Dm可以使用二極管來實施，但也可以 使用其它開關裝置，例如MOSFET、 BJT和繼電器中的一者來實施。
第一再分配開關CSWl CSWn連接在所述第一變壓器單元TR11 TRlm的初級線圈的第二端的公共節點與各個電池模塊的最后一個電池
Blm、 B2m....... Bnm的負極(-)之間，且被配置為使得所述第一再分配
開關CSWl CSWn響應于電壓檢測和驅動信號生成單元120所提供的高電 平的第一驅動信號而被導通，并形成閉合環路，以使得所述M個串聯電池 (即，每個電池模塊)所供應的電荷被供應至所述第一變壓器單元TR11 TRlm的初級線圈。
所述第一再分配開關CSWl CSWn可以使用N型MOSFET來實施， 但不限于N型MOSFET，還可以使用其它開關裝置，例如P型MOSFET、 BJT和繼電器中的任意一者來實施。
所述模塊間均衡充電單元210包括N個第二變壓器單元TRl TRn， 所述N個第二變壓器單元TRl TRn與所述N個串聯電池模塊并聯，且被 配置為存儲該N個串聯電池模塊所供應的電荷，并將所存儲的電荷供應至所 述N個串聯電池模塊中充電不足的電池模塊，從而均衡所述N個串聯電池 模塊的電荷；N個第二再分配開關CSWll CSWln，所述N個第二再分配 開關CSW11 CSWln連接在所述第二變壓器單元TR1 TRn的初級線圈的
第二端與各個電池模塊的最后一個電池Blm、 B2m.......、 Bnm的負極(-)
之間，用于形成環路，以使得電池模塊所供應的電荷被供應至所述第二變壓 器單元TRl TRn的初級線圈；以及第二半導體開關裝置D，所述第二半導體開關裝置D連接在所述MXN個串聯電池的第一個電池Bll的正極(+ ) 與所述第二變壓器單元TRl TRn的次級線圈的第一端的公共節點之間，用 于將第四電感器L41 L4n的磁化電流供應至所述N個串聯電池模塊中充電 不足的電池模塊。
所述第二變壓器單元TRl TRn與各個電池模塊并聯，用于將所述N 個電池模塊中過充電池模塊的電壓減小至第二參考電壓，并將充電不足的電 池模塊的電壓增大至第二參考電壓。
在此，術語"第二參考電壓"指N個電池模塊的平均電壓。
所述第二變壓器單元TRl TRn中的每個第二變壓器單元包括第二變 壓器Tl Tn，所述第二變壓器Tl Tn與所述N個串聯電池模塊中的一個 相應電池模塊并聯，且被配置為存儲所述N個串聯電池模塊所供應的電荷， 并將所存儲的電荷供應至所述N個串聯電池模塊中充電不足的電池模塊；第 三電感器L31 L3n，所述第三電感器L31 L3n連接在所述第二變壓器Tl Tn的初級線圈的第一端(其上形成有同名端的一端)與相應電池模塊的第
一個電池B11、B21........或Bnl的正極(+)之間；以及第四電感器L41
L4n，所述第四電感器L41 L4n連接在所述第二變壓器Tl Tn的初級線圈 兩端，用于以磁化電流的形式存儲所述N個串聯電池模塊所供應的電荷。
因此，所述第二變壓器Tl Tn的初級線圈的第一端分別連接至第三電 感器L31 L3n，而其第二端(其上未形成同名端的一端)連接至分別安裝 于模塊內均衡充電單元2001 200n內的第一變壓器單元TR11 TRlm的初 級線圈的第二端的公共節點以及所述第二再分配開關CSWll CSWln。次 級線圈的第一端(其上未形成同名端的一端)與彼此共同連接在一起，而其 第二端(其上形成有同名端的一端)接地GND。
所述第二變壓器Tl Tn中的每個第二變壓器均使用反激結構來實施， 在該反激結構中初級線圈和次級線圈具有不同的極性，也就是說，形成于初級線圈上的同名端與形成于次級線圈上的同名端位于不同側，且初級線圈和
次級線圈具有的匝數比為1:N。
在本實施方式中，所述第二變壓器Tl Tn中的每個第二變壓器均可使 用反激結構來實施，但也可使用正激結構來實施，在所述正激結構中初級線 圈和次級線圈具有相同的極性，也就是說，形成于初級線圈和次級線圈上的 同名端位于同一側。
所述第三電感器L31 L3n分別連接在所述第二變壓器Tl Tn的初級
線圈與各個電池模塊的第一個電池Bll、 B21........Bnl的正極(+)之間，
而第四電感器L41 L4n連接在所述第二變壓器Tl Tn的初級線圈兩端。
在這種情況下，當第二再分配開關CSWll CSWln被導通時，第四電 感器L41 L4n以磁化電流的形式存儲所述N個電池模塊所供應的電荷。
所述第二再分配開關CSWll CSWln連接在所述第二變壓器單元 TRl TRn的次級線圈的第二端與各個電池模塊的最后一個電池Blm、
B2m........Bnm的負極(-)之間，且被配置為使得所述再分配開關CSW1
CSWn響應于所述電壓檢測和驅動信號生成單元120所提供的高電平的第一 驅動信號而被導通，并形成環路，以使得在所述N個串聯電池模塊所供應的 電荷被供應至所述第二變壓器單元TRl TRn的初級線圈的同時，電荷能夠 從具有相對較高電壓的電池模塊移動至具有相對較低電壓的電池模塊。
所述第二再分配開關CSWll CSWln可以使用N型MOSFET來實施， 但不限于N型MOSFET，還可以使用其它開關裝置，例如P型MOSFET、 BJT和繼電器的中一者來實施。
所述第二半導體開關裝置D連接在所述MXN個串聯電池中的第一個 電池B11的正極(+)與所述第二變壓器單元TRl TRn的次級線圈的第一 端的公共節點之間，且被配置為防止所述MXN個串聯電池所供應的電荷供 應至第二變壓器單元TRl TRn的次級線圈，并將第四電感器L41 L4n的磁化電流重新充入所述MXN個串聯電池中。
所述第二半導體開關裝置D可以使用二極管來實施，但可選擇地，還可 以使用其它開關裝置，例如MOSFET、 BJT和繼電器中的一者來實施。
所述電壓檢測和驅動信號生成單元120檢測所述MXN個串聯電池中各 個電池的電壓，并設置第一參考電壓和第二參考電壓，所述第一參考電壓是 每個電池模塊(即，M個串聯電池)的平均電壓，所述第二參考電壓是N 個電池模塊的平均電壓。
在此之后，所述電壓檢測和驅動信號生成單元120將所述MXN個電池 的電壓與所述第一參考電壓或第二參考電壓進行比較，當所檢測到的電壓大 于第一參考電壓或第二參考電壓時，即，相關電池過充時，生成用于對過充 電池或過充電池模塊進行放電的驅動信號；當所檢測到的電壓小于所述第一 參考電壓或第二參考電壓時，即，相關電池充電不足時，生成用于對充電不 足的電池或電池模塊進行充電的驅動信號，并將所述驅動信號提供給模塊內 均衡充電單元2001 200n以及模塊間均衡充電單元210。
從而，所述模塊內均衡充電單元2001 200n以及模塊間均衡充電單元 210可以響應于所述電壓檢測和驅動信號生成單元120所提供的驅動信號， 均衡所述N個電池模塊的電壓以及每個電池模塊內的電池的電壓。
在這種情況下，在幾乎所有的充/放電控制開關被導通時、或者差不多 完成電池的電荷均衡時，僅少量任意電池正在被充電的情況下，所述電壓檢 測和驅動信號生成單元120給再分配開關CSWl CSWn提供具有脈沖寬度 調制(PWM)格式的低占空比驅動信號。執行該操作，以開始對來自串聯 電池的少量電荷進行放電，從而防止過大的電流流過當前正在被充電的電 池。
如圖3所示，所述電壓檢測和驅動信號生成單元120包括感測單元122、 微處理器124以及開關驅動電路單元126。所述感測單元122與所述MXN個電池相連，且被配置為檢測所述M XN個電池中各個電池的電壓。
所述微處理器124將所述感測單元122所檢測到的MXN個電池中的M 個串聯電池(即，每個電池模塊)的電壓的平均電壓設置為第一參考電壓， 并將N個電池模塊的平均電壓設置為第二參考電壓。因此，如果判斷出所述 感測單元122所檢測到的電壓大于或者可能大于所述第一參考電壓或者第二 參考電壓，則微處理器124設置對相應電池或電池模塊進行充/放電所需的充 /放電控制開關SWl SWn、第一再分配開關CSWl CSWn以及第二再分 配開關CSWll CSWln的導通/斷開時間。
所述開關驅動電路單元126根據從微處理器124輸入的信號來生成驅動 信號，并將該驅動信號提供至所述充/放電控制開關SWl SWn、第一再分 配開關CSWl CSWn以及第二再分配開關CSWll CSWln。
根據本發明另一實施方式的均衡充電設備所執行的模塊內均衡充電方 法和模塊間均衡充電方法與根據本發明上述實施方式的均衡充電設備所執 行的方法相同，因此在此省略對其的詳細描述。
然而，如圖9所示，根據本發明另一實施方式的均衡充電設備的特征在 于，存儲于第四電感器L41 L4n中的磁化電流通過第二半導體開關裝置D 而被供應至MXN個串聯電池，從而被重置。
更進一步地，根據本發明另一實施方式的均衡充電設備可以先均衡每個 模塊中的電池電荷、然后均衡各個模塊之間的電池電荷，或者可以同時均衡 每個模塊中的電池電荷以及各個模塊之間的電池電荷。
權利要求
1、一種用于均衡M×N個電池的電荷的均衡充電設備，所述均衡充電設備被配置為使得所述M×N個電池串聯且被劃分為N個電池模塊，所述N個電池模塊中的每個電池模塊具有M個串聯電池，所述均衡充電設備包括N個模塊內均衡充電單元，所述N個模塊內均衡充電單元中的每個模塊內均衡充電單元與位于每個電池模塊中的M個串聯電池中的各個電池并聯，被供應來自所述M個串聯電池的電荷，且被配置為對過充的電池進行放電、并對充電不足的電池進行充電，從而均衡所述M個串聯電池的電荷；模塊間均衡充電單元，與N個電池模塊中的各個電池模塊并聯，且被配置為對所述N個電池模塊中過充的電池模塊進行放電、并對充電不足的模塊進行充電，從而均衡所述N個電池模塊的電荷；以及電壓檢測和驅動信號生成單元，被配置為檢測M×N個電池中的各個電池的電壓，將所檢測到的電壓的平均電壓設置為參考電壓，利用所檢測到的電壓和所述參考電壓來生成驅動信號，并通過將所生成的驅動信號提供給所述N個模塊內均衡充電單元和所述模塊間均衡充電單元，來控制對所述N個模塊內均衡充電單元和所述模塊間均衡充電單元的驅動。
2、 根據權利要求l所述的均衡充電設備，其中所述N個模塊內均衡充電單元中的每個模塊內均衡充電單元包括M個第一變壓器單元，分別與所述M個串聯電池并聯，且被配置為存儲所述M個串聯電池所供應的電荷，并將所存儲的電荷供應至所述M個串聯電池中充電不足的電池，從而均衡所述M個串聯電池的電荷；M個充/放電控制開關，連接在所述第一變壓器單元的初級線圈的第一端與所述M個串聯電池的第一個電池的正極之間，以用于將所述M個串聯電池所供應的電荷供應至所述變壓器單元的初級線圈；以及M個第一半導體開關裝置，連接在所述第一變壓器單元的次級線圈的第一端與所述M個串聯電池的正極之間，以用于防止所述M個串聯電池所供 應的電荷被供應至所述第一變壓器單元的次級線圈。
3、 根據權利要求2所述的均衡充電設備，其中所述第一變壓器單元中 的每個第一變壓器單元包括-第一變壓器，與所述M個串聯電池中的一個相應電池并聯，且被配置 為存儲所述M個串聯電池所供應的電荷、并將所存儲的電荷供應至所述M 個串聯電池中充電不足的電池；第一電感器，連接在所述第一變壓器的初級線圈的第一端與所述充/放 電控制開關中的一個相應充/放電控制開關之間；以及第二電感器，連接在所述第一變壓器的初級線圈的兩端，以用于以磁化 電流的形式存儲所述M個串聯電池所供應的電荷。
4、 根據權利要求2所述的均衡充電設備，其中所述充/放電控制開關為 雙向開關。
5、 根據權利要求4所述的均衡充電設備，其中所述充/放電控制開關為 固態繼電器。
6、 根據權利要求2所述的均衡充電設備，其中在所述第一變壓器單元 中的每個第一變壓器單元中，所述初級線圈與所述次級線圈的匝數比為 N1:N2。
7、 根據權利要求6所述的均衡充電設備，其中所述第一變壓器單元中 的每個第一變壓器單元被配置為使得形成于所述初級線圈上的同名端與形 成于所述次級線圈上的同名端位于不同側。
8、 根據權利要求6所述的均衡充電設備，其中所述第一變壓器單元中 的每個第一變壓器單元被配置為使得形成于所述初級線圈上的同名端與形 成于所述次級線圈上的同名端位于同一側。
9、 根據權利要求2所述的均衡充電設備，其中所述模塊間均衡充電單 元包括N個第二變壓器單元，與所述N個串聯電池模塊并聯，且被配置為存儲 所述N個串聯電池模塊所供應的電荷、并將所存儲的電荷供應至所述N個 串聯電池模塊中充電不足的電池模塊，從而均衡所述N個串聯電池模塊的電 荷；以及N個第一再分配開關，連接在所述第二變壓器單元的初級線圈的第二端 與各個電池模塊的最后電池的負極之間，用于形成閉合環路，以使得所述電 池模塊所供應的電荷被供應至所述第一變壓器單元的初級線圈和所述第二 變壓器單元的初級線圈。
10、 根據權利要求9所述的均衡充電設備，其中每個所述第二變壓器單 元包括第二變壓器，與所述N個串聯電池模塊中的一個相應電池模塊并聯，且 被配置為存儲所述N個串聯電池模塊所供應的電荷、并將所存儲的電荷供應 至所述N個串聯電池模塊中充電不足的電池模塊；第三電感器，連接在所述第二變壓器的初級線圈的第一端與相應電池模 塊的第一個電池的正極之間；以及第四電感器，連接在所述第二變壓器的初級線圈兩端，以用于以磁化電 流的形式存儲所述N個串聯電池模塊所供應的電荷。
11、 根據權利要求9所述的均衡充電設備，其中在所述第二變壓器單元 中的每個第二變壓器單元中，初級線圈的匝數與次級線圈的匝數是相等的。
12、 根據權利要求9所述的均衡充電設備，其中所述第二變壓器單元中 的每個第二變壓器單元被配置為使得形成于所述初級線圈上的同名端與形 成于所述次級線圈上的同名端位于不同側。
13、 根據權利要求9所述的均衡充電設備，其中每個所述第一變壓器單 元中的每個第一變壓器單元被配置為使得形成于所述初級線圈上的同名端 與形成于所述次級線圈上的同名端位于同一側。
14、 根據權利要求9所述的均衡充電設備，其中所述模塊內均衡充電單 元還包括N個第二再分配開關，該N個第二再分配開關分別連接在所述第 一變壓器單元的初級線圈的公共節點與各個電池模塊的最后電池的負極之 間，以用于形成閉合環路，從而使得所述電池模塊所供應的電荷被供應至所 述第一變壓器單元的初級線圈。
15、 根據權利要求14所述的均衡充電設備，其中所述模塊間均衡充電 單元還包括第二半導體開關裝置，連接在所述MXN個串聯電池的第一個 電池的正極與所述第二變壓器單元的次級線圈的第一端的公共節點之間，以 用于將第四電感器所供應的磁化電流供應至所述N個串聯電池模塊。
16、 根據權利要求14所述的均衡充電設備，其中所述第一再分配開關 和所述第二再分配開關為金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)、雙極型 晶體管(BJT)或繼電器。
17、 根據權利要求16所述的均衡充電設備，其中所述第一再分配開關 和所述第二再分配開關為N型MOSFET。
18、 根據權利要求15所述的均衡充電設備，其中所述第一再分配開關 和所述第二再分配開關為MOSFET、 BJT、繼電器或二極管。
19、 根據權利要求18所述的均衡充電設備，其中所述第一再分配開關 和所述第二再分配開關為二極管。
20、 根據權利要求l所述的均衡充電設備，其中所述電壓檢測和驅動信 號生成單元包括-感測單元，用于檢測MXN個電池中各個電池的電壓；微處理器，用于將所述感測單元所檢測到的電壓的平均電壓設置為參考電壓，并根據該參考電壓和所述感測單元所檢測到的電壓，設置所述充/放電控制開關和所述再分配開關的導通/斷開時間；以及開關驅動電路單元，用于根據從所述微處理器輸入的信號，來生成驅動所述充/放電控制開關和所述再分配開關所需的驅動信號。
全文摘要
本發明涉及一種均衡充電設備，其中串聯電池被劃分為具有確定大小的多個模塊，并且同時進行模塊內均衡充電和模塊間均衡充電，從而改進均衡充電性能，并減小電路尺寸。
文檔編號H02J7/02GK101606299SQ200880004249
公開日2009年12月16日 申請日期2008年2月5日 優先權日2007年2月9日
發明者吳全根, 張洙曄, 文建又, 樸弘善, 李重輝, 金喆浩, 金正恩 申請人:Sk能源株式會社;韓國科學技術院