專利名稱：用于串聯(lián)電池串的兩級充電均衡化方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于串聯(lián)電池串的充電均衡化裝置和方法，并且更具體地涉及 這樣的一種充電均衡化裝置和方法，其轉(zhuǎn)換施加到兩級DC-DC轉(zhuǎn)換器和電池單元的充電 電流的方向以減少要對電池單元進(jìn)行充電的電路的復(fù)雜性和體積。
背景技術(shù)：
如果例如在使用鋰離子電池作為電源的混合驅(qū)動汽車中需要高于單位電池(電 池)的基準(zhǔn)電壓的電壓，則通常串聯(lián)連接多個單位電池。然而，即使經(jīng)由通常的制造方 法生產(chǎn)的電池具有使用相同陽極、陰極和電解液的相同結(jié)構(gòu)，在串聯(lián)的各個電池之間也 存在充電或放電特性的差異。因此，因為當(dāng)使用串聯(lián)的電池時，單位電池之間存在電壓差，所以存在這樣的 問題，總電壓(串聯(lián)的電池的總電壓)變?yōu)榱悖沟貌还艽?lián)的單位電池中的其它電池的 電壓，即使一個電池被完全地放電則需要再充電，甚至在再充電時由于各個電池之間的 不同電壓使得首先達(dá)到特定電壓的電池被過度充電，并且即使某些電池被過度充電，也 存在仍然沒有達(dá)到任何特定電壓的電池。此外，如果充電/放電次數(shù)越高，在構(gòu)成電池的材料中可能出現(xiàn)顯著劣化，以 使得電池的特性變得不同，并且這種劣化是加劇個別電池之間的差異的原因。因此，為了解決這些問題，積極地提出了各種充電均衡化裝置以實現(xiàn)串聯(lián)的電 池的充電均衡化。作為示例，韓國專利特開號2003-0096978涉及一種系統(tǒng)，其由多個單位電池、 充電裝置、放電裝置、和串并轉(zhuǎn)換開關(guān)組成，并且通過同等地對多個單位電池進(jìn)行放電 并且然后使用串并轉(zhuǎn)換開關(guān)串聯(lián)連接經(jīng)放電的單位電池來執(zhí)行充電。韓國專利特開號 2007-0064244涉及一種系統(tǒng)，其包括電池單元、連接到電池單元的場效應(yīng)晶體管單元、 連接到場效應(yīng)晶體管單元的放大單元、控制放大單元的輸出信號的多路器、比較和確定 電池單元的電壓信號變化的比較器、將來自比較器的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換單 元、被輸入有A/D轉(zhuǎn)換器輸出的信號并且輸出對應(yīng)于充電/放電條件的信號的微型計算 機(jī)單元(Micom unit)、根據(jù)微型計算機(jī)單元的信號提供電池均衡化電流的開關(guān)單元、和 已知的充電/放電電路。此外，日本專利特開號1998-032936涉及一種系統(tǒng)，其包括多個單位電池、用 于檢測各個單位電池中的剩余容量的檢測裝置、用于執(zhí)行各個單位電池中的充電和放電 的充電代替裝置和放電代替裝置、用于單獨控制各個單位電池中的充電和放電的控制裝 置、和在各個單位電池中單獨執(zhí)行充電和放電的直流/直流轉(zhuǎn)換器。日本專利特開號 2004-194410涉及一種系統(tǒng)，其包括兩個或更多個的單位電池組、用于檢測第一電池組和 第二電池組的每一組中流動電流的差異的電流差異檢測裝置、和用于基于電流差異控制 電池組中充電/放電電流的裝置。然而，因為先前的充電均衡化裝置具有在串聯(lián)的各個電池中提供的充電均衡化裝置，使得在各個電池上單獨執(zhí)行充電或放電，所以存在這樣的問題，充電均衡化裝置 的復(fù)雜性和體積增加，并且因此生產(chǎn)率降低且生產(chǎn)成本更高，并且構(gòu)成充電均衡化裝置 的組件或用于控制它的開關(guān)模塊必須忍受更高的電壓應(yīng)力。為了解決這些問題，本申請人在韓國專利申請?zhí)?0-2007-0104033中提出了一 種通過使用兩級DC-DC轉(zhuǎn)換器對單個電池進(jìn)行充電來進(jìn)行充電均衡化控制的方案。根據(jù) 先前的專利申請的使用兩級DC-DC轉(zhuǎn)換器的充電均衡化裝置使得構(gòu)成電池串的各個電池 模塊利用充電控制開關(guān)來共用DC-DC轉(zhuǎn)換器，以減少DC-DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)量。然而，因 為每當(dāng)充電控制開關(guān)用于各個電池單元時，僅僅在充電控制開關(guān)必須用于電池的所有正 向和負(fù)向的情況下，各個電池單元可以控制充電電流，所以開關(guān)的數(shù)量通常是電池數(shù)量 的兩倍。就多個電池單元組成的產(chǎn)品的成本和體積而言，這是相當(dāng)不利的。因此，需要 可以減少用于形成各個電池單元的充電通路的充電控制開關(guān)的數(shù)量的方法。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種充電均衡化裝置和方法，其能夠有效地實現(xiàn)充電均衡 化，同時減少在串聯(lián)的電池串中進(jìn)行充電均衡化的充電均衡化裝置的復(fù)雜性；提供一種 充電均衡化裝置和方法，其能夠通過減少用于控制均衡化和操作的目的的元件的電壓應(yīng) 力來使用具有低內(nèi)電壓的元件；和提供一種充電均衡化裝置和方法，其通過控制用于對 單個電池單元充電的充電電流的通路和方向來減少用于對單個電池單元充電的電路的復(fù) 雜性和體積。技術(shù)方案為了實現(xiàn)上面的目的，本發(fā)明提供了一種用于具有串聯(lián)的兩個或更多個電池單 元的電池串的兩級充電均衡化裝置，該兩級充電均衡化裝置包括兩級DC-DC轉(zhuǎn)換器， 其包括被輸入有所述電池串的總電壓并且輸出低于所輸入電壓的電壓的第一 DC-DC轉(zhuǎn)換 器；和被輸入有所述第一DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出并且輸出充電電流以用于對特定電池單元 進(jìn)行充電的第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中所述電池串被分為具有多個串聯(lián)的電池單元的一個 或更多個電池模塊，并且對于各個電池模塊提供所述第二DC-DC轉(zhuǎn)換器；電流轉(zhuǎn)換開關(guān) 模塊，其設(shè)置在所述電池模塊和所述第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器之間，并形成充電電流的通路， 并且控制所述充電電流的施加方向，以使得所述充電電流施加到構(gòu)成所述電池模塊的所 述特定電池單元；以及微處理器，其確定低充電電池單元的要被充電的電池單元，并且 控制所述電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊以使得所述充電電流施加到要被充電的電池單元。此時，為各個電池模塊提供所述電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，并且所述電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模 塊包括連接到所述第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出端的電流轉(zhuǎn)換單元和充電控制開關(guān)單元以控 制電流的施加方向。因此，根據(jù)本發(fā)明的兩級充電均衡化裝置配備有用于電池模塊的第二 DC-DC轉(zhuǎn) 換器，以使得屬于單個電池模塊的電池單元共用單個第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器，第二 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的兩個負(fù)/正輸出端連接到電流轉(zhuǎn)換單元并且電流轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接到充電 控制開關(guān)單元。充電控制開關(guān)單元形成了充電電流通過其在要被充電的單個電池單元中 流動的通路，并且電流轉(zhuǎn)換單元選擇性地將第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)或正輸出施加到充電電流的通路。
優(yōu)選地，所述充電控制開關(guān)單元用數(shù)量與構(gòu)成所述電池模塊的所述電池單元的 數(shù)量相同的充電控制開關(guān)來構(gòu)造，并且所述充電控制開關(guān)單元并聯(lián)連接到各個電池單元 以形成所述電流轉(zhuǎn)換單元和所述電池模塊之間的電流移動通路。所述電流轉(zhuǎn)換單元連接 到所述第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個負(fù)/正輸出端，以選擇性地將負(fù)輸出或正輸出施加到由 所述充電控制開關(guān)形成的所述電流移動通路。優(yōu)選地，所述充電控制開關(guān)是雙向金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET) 開關(guān)，并且充電電流的通路通過控制構(gòu)成充電控制開關(guān)的雙向MOSFET的柵極電壓來形 成。微處理器進(jìn)行控制以使得充電控制開關(guān)可以形成低阻抗的電流通路。優(yōu)選地，當(dāng)導(dǎo)通構(gòu)成雙向MOSFET開關(guān)的所述MOSFET時所施加的Vgs是作為 所述電池模塊的一部分的兩個或更多個串聯(lián)電池的電壓。該兩級充電均衡化裝置還包括 在構(gòu)成所述雙向MOSFET開關(guān)的所述MOSFET的柵極中設(shè)置的電子繼電器。此時，所 述電子繼電器包括發(fā)光二極管和光接收元件，并且在所述微處理器的控制下所述發(fā)光二 極管發(fā)光以用于控制所述充電控制開關(guān)單元。隨后，光接收元件被輸入有從發(fā)光二極管輸出的光并且在微處理器的控制下轉(zhuǎn) 變?yōu)榈妥杩範(fàn)顟B(tài)，并且當(dāng)光接收元件轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩範(fàn)顟B(tài)時，串聯(lián)的兩個或更多個電池的 電壓被施加到構(gòu)成雙向MOSFET開關(guān)的MOSFET的柵極。根據(jù)本發(fā)明的兩級充電均衡化裝置優(yōu)選地還包括被輸入有構(gòu)成所述電池串的各 個電池單元的電壓的多路器和連接到所述多路器的輸出端的電壓感測器，并且更優(yōu)選地 還包括連接到多路器和電壓感測器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。ADC負(fù)責(zé)通過將電壓感測器的 檢測值從模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字值來輸入微處理器測量的電池單元的電壓作為數(shù)字值。所述多路器由所述微處理器控制，并且構(gòu)成所述電池串的各個電池單元的通過 所述電壓感測器測量的電壓被輸入到所述微處理器。優(yōu)選地，所述第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器是具有負(fù)反饋電路的DC-DC轉(zhuǎn)換器，這導(dǎo)致 允許第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出穩(wěn)定的電壓值。該兩級充電均衡化裝置還包括控制所述第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器和所述第二 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的每一方的開/關(guān)的開關(guān)元件，此時所述開關(guān)元件由所述微處理器控制。具體地，所述開關(guān)元件由所述微處理器生成的PWM信號來控制。將基于上述均衡化裝置執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的用于串聯(lián)電池串的兩級充電均衡化方法。具體地，使用充電均衡化裝置來執(zhí)行充電均衡化方法，所述充電均衡化裝置包 括一個或更多個電池模塊，其具有構(gòu)成電池串的多個電池單元并且串聯(lián)連接到兩級 DC-DC轉(zhuǎn)換器；被輸入有電池串總電壓并且輸出低于所輸入電壓的電壓的第一 DC-DC 轉(zhuǎn)換器；被輸入有第一DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出并且輸出充電電流以用于對特定電池單元進(jìn) 行充電的第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器；電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，其在電池模塊和第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器 之間形成充電電流的通路以允許充電電流施加到構(gòu)成電池模塊的特定電池單元，并且控 制充電電流的施加方向；多路器，其被輸入有構(gòu)成電池串的各個電池單元的電壓；電壓 感測器，其連接到多路器的輸出端以測量各個電池單元的電壓；和微處理器，其確定低 充電電池單元的要被充電的電池單元，控制電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊以允許充電電流施加到要被充電的電池單元，并且控制第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器和第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的開/關(guān)操作。根據(jù)本發(fā)明的用于串聯(lián)電池串的兩級充電均衡化方法包括以下步驟ω基于通 過測量構(gòu)成所述電池串的各個電池單元的電壓而獲得的電壓差來確定是否執(zhí)行所述電池 串的充電均衡化；(b)基于執(zhí)行所述電池串的充電均衡化時所測量的電壓來選擇低充電 電池單元；(C)控制所述第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個負(fù)輸出和正輸出的方向，以并聯(lián)連接 所述低充電電池單元和所述第二DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個輸出端；(d)操作所述第二DC-DC 轉(zhuǎn)換器；以及(e)通過操作所述第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器來對所述低充電電池單元進(jìn)行充電。優(yōu)選地，執(zhí)行步驟(a)以使得通過控制多路器將經(jīng)由電壓感測器獲得的構(gòu)成電池 串的各個電池單元的電壓值輸入到微處理器，并且如果電池單元的測量電壓差高于特定 值，則優(yōu)選地執(zhí)行電池串的充電均衡化。在步驟(b)中，微處理器確定對其執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的電池串的充電均衡化的電 池單元，并且優(yōu)選地將低充電的電池單元確定為要充電的電池單元。步驟(c)進(jìn)行控制以使得第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個負(fù)或正輸出被選擇性地施加 在要充電的電池單元的低充電電池單元上，并且在低充電電池單元和第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器 的兩個輸出端之間形成電流移動通路。具體地，由微處理器控制構(gòu)成電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊的充電控制開關(guān)單元以形成低 阻抗通路，通過該通路來施加第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個負(fù)和正輸出，并且控制構(gòu)成電流 轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊的電流轉(zhuǎn)換單元以使得第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)輸出施加到低充電電池單元 的陰極上形成的低阻抗的通路，并且第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的正輸出施加到低充電電池單元 的陽極上形成的低阻抗的通路。由微處理器控制包括電流轉(zhuǎn)換單元和充電控制開關(guān)單元 的電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊以設(shè)置電流通路和電流的施加方向，以使得從第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器輸 出的充電電流在作為要充電的電池單元的低充電電池中流動。步驟(e)執(zhí)行控制以使得第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器被中斷(關(guān)閉)，并且第一 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中存儲的磁能移動到第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器以使得第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器以特定占空比 來操作(開啟)。具體地，如果由微處理器確定作為要被充電的電池單元的低充電電池單元，則 電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊被輸入有微處理器的控制信號以設(shè)置低充電電池單元和第二 DC-DC轉(zhuǎn) 換器之間的電流通路并且設(shè)置電流的施加方向，并且然后由微處理器連續(xù)操作(開啟)第 二 DC-DC轉(zhuǎn)換器和第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器。第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器中斷(關(guān)閉)并且第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器上存儲的磁能移動到第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器。在此時，第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器 被輸入有微處理器生成的PWM信號并且以特定占空比操作(開啟)以輸出充電電流。該 充電電流在低充電的電池單元中流動以根據(jù)電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊形成的電流通路和電流施 加方向來對電池單元進(jìn)行充電。
第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器被輸入有電池串的總電壓并且輸出低于所輸入電壓的電壓， 并且第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入端并聯(lián)連接到第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出端，以使得由從 第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入的全部電池串的電壓來對低充電的電池單元進(jìn)行充電?？梢詫崿F(xiàn)充電均衡化方法以使得步驟(a)測量構(gòu)成電池串的所有電池中每一個 的電壓，并且對于構(gòu)成電池串和包括多個串聯(lián)的電池單元的各個電池模塊來相互獨立地 執(zhí)行步驟(b)到(e)。因此，對于各個電池模塊來說，可以相互獨立地選擇低充電的電池單元，并且通過為各個電池模塊提供的單個第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的充電電流來相互獨立 地對為各個電池模塊而選擇的低充電的電池單元進(jìn)行充電。在此時，為電池模塊和第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器之間的各個電池模塊提供電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，并且由微處理器對于各個模 塊來相互獨立地控制電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊。 有利效果根據(jù)本發(fā)明的兩級充電均衡化裝置和方法通過將所有電池分為模塊并且在各個 電池模塊之間共用DC-DC轉(zhuǎn)換器，可以實現(xiàn)有效的充電均衡化同時減少了充電均衡化裝 置的復(fù)雜性，并且顯著減少了 DC-DC轉(zhuǎn)換器和控制開關(guān)中的電壓應(yīng)力，因為它用具有 DC-DC轉(zhuǎn)換器(第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器)的輸入和并聯(lián)連接的單個DC-DC轉(zhuǎn)換器(第一 級DC-DC轉(zhuǎn)換器)的輸出的兩級DC-DC轉(zhuǎn)換器來構(gòu)造，并且單個DC-DC轉(zhuǎn)換器(第 一級DC-DC轉(zhuǎn)換器)輸出低于全部電池串的電壓的電壓。此外，通過將各個電池模塊之 間共用的DC-DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接到單個電池，本發(fā)明具有與其中為各個電池提供充電電 路的現(xiàn)有技術(shù)相同的充電效率。此外，本發(fā)明具有這樣的優(yōu)點，通過控制用于對單個電 池單元進(jìn)行充電的充電電流的通路和方向，可以減少用于對單個電池單元進(jìn)行充電的電 路的復(fù)雜性和體積。
根據(jù)連同附圖給出的優(yōu)選實施方式的以下描述，本發(fā)明的上面和其它目的、特 征和優(yōu)點將變得明顯，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的兩級充電均衡化裝置的一個結(jié)構(gòu)圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的兩級充電均衡化裝置的另一個結(jié)構(gòu)圖；圖3(a)是先前的開關(guān)模塊的結(jié)構(gòu)圖，并且圖3(b)是根據(jù)本發(fā)明的電流轉(zhuǎn)換開關(guān) 模塊的部分電路圖；圖4是在第M個電池模塊中提供的電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊的部分電路圖；圖5是作為要被充電的電池單元的基礎(chǔ)的根據(jù)本發(fā)明的兩級充電均衡化裝置的 部分電路圖；圖6是作為要被充電的其它電池單元的基礎(chǔ)的根據(jù)本發(fā)明的兩級充電均衡化裝 置的部分電路圖；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明的示出兩級充電均衡化方法的一個流程圖。
具體實施例方式以下，將參考附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的充電均衡化裝置和方法。附圖被充分 地提供作為示例，以將本發(fā)明的思想傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。因此，本發(fā)明不由以下給 出的附圖所限制，而是可以以另一種形式來指定。此外，在本發(fā)明的以下詳細(xì)描述中， 相同的標(biāo)號表示相同的元素。此時，如果這里使用的技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語沒有任何其它定義，則它們具有可 以被本領(lǐng)域技術(shù)人員所通常理解的含義。此外，將省略可能在以下描述中不必要地混淆 本發(fā)明主題的已知功能和結(jié)構(gòu)。為了在描述本發(fā)明結(jié)構(gòu)和特征時清楚地對本發(fā)明進(jìn)行描述，串聯(lián)電池的全部串一般地被稱為電池串，具有多個串聯(lián)電池的一部分電池串一般地被稱為電池模塊，并且 構(gòu)成單個電池模塊的任何單個電池一般地被稱為電池單元。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的充電均衡化裝置的一個示例。將參考圖1描述本發(fā)明 的主要特征。如圖1中所示，電池串1140分為具有串聯(lián)的K(K^2)個電池單元的Μ(Μ^2)個 電池模塊1141到1146。各個電池模塊例如在第三電池模塊ΒΜ31143中具有串聯(lián)的K個 電池單元，并且第三電池模塊ΒΜ3由電池單元Β3，1到Β3，K構(gòu)成。盡管圖1中示出 了所有的電池模塊由相同數(shù)量的電池單元構(gòu)成，但是單個電池模塊可以用彼此數(shù)量不同 的電池單元來組成。
將電池串1140分為各個模塊的M個電池模塊1141到1146中的每一個連接到電 流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊1131到1136，并且M個電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊1131到1136中的每一個連接 到構(gòu)成第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器1120的DC-DC轉(zhuǎn)換器1121到1126。因此，M個電池模塊 裝配有M個電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊和M個DC-DC轉(zhuǎn)換器。如圖1中所示。第二級DC-DC 轉(zhuǎn)換器1120的所有輸入端并聯(lián)連接到的第一級DC-DC轉(zhuǎn)換器1110的輸出端。不同于構(gòu) 成第二級的DC-DC轉(zhuǎn)換器1120，構(gòu)成第一級的DC-DC轉(zhuǎn)換器1110由具有連接的電池串 的總電壓作為輸入的單個DC-DC轉(zhuǎn)換器1110構(gòu)成。如圖1中所示，根據(jù)本發(fā)明的充電 均衡化裝置構(gòu)造為使得電池串分為電池模塊，以使得各個電池模塊共用第二級DC-DC轉(zhuǎn) 換器，并且第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入端并聯(lián)連接到第一級DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出端， 并且第一級DC-DC轉(zhuǎn)換器具有電池串的總電壓作為輸入。電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊1130、1131到1136由充電控制開關(guān)單元1133_2和電流轉(zhuǎn)換 單元1133_1構(gòu)成，其中充電控制開關(guān)單元1133_2提供了要將作為第二級DODC轉(zhuǎn)換器 的輸出的充電電流施加到特定電池單元(要充電的電池單元)的電流通路，并且電流轉(zhuǎn)換 單元1133_1控制由充電控制開關(guān)單元1133_2形成的電流通路中流動的充電電流的方向。 具體地，當(dāng)采用屬于第三電池模塊BM3的電池單元B3,工到B3, κ作為示例，對電池單元 B3, 3進(jìn)行充電均衡化時，相應(yīng)電池單元B3, 3和屬于第二級的DC-DC轉(zhuǎn)換器1123的輸出 端之間，即相應(yīng)電池單元B3, 3和電流轉(zhuǎn)換單元1133_1之間的電流移動通路(低阻抗)由 充電控制開關(guān)單元1133_2提供，并且電流流動方向由電流轉(zhuǎn)換單元1133_1控制的充電電 流(兩級DC-DC轉(zhuǎn)換器1123的輸出)在由充電控制開關(guān)單元1133_2形成的電流移動通 路上流動。由于連接到第一級DC-DC轉(zhuǎn)換器110的電池串的總電壓造成了充電電流(第 二級DC-DC轉(zhuǎn)換器1123的輸出)并且因此使用電池串的總電壓對電池單元B3, 3進(jìn)行充 電均衡化。在此時，第一級DC-DC轉(zhuǎn)換器1110優(yōu)選為輸出低于輸入電壓的電壓的DODC 轉(zhuǎn)換器。由于具有第一級DC-DC轉(zhuǎn)換器1110的輸出和并聯(lián)連接的第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器 1120的輸入的兩級DC-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和以電池模塊而不是電池串的想法進(jìn)行充電均衡 化，可以使用低壓雙向開關(guān)元件或低壓單向開關(guān)元件來構(gòu)造構(gòu)成電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊1130 的開關(guān)元件，并且減少第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器中的電壓應(yīng)力和用于充電均衡化的DC-DC 轉(zhuǎn)換器的數(shù)量。此外，因為電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊1130由充電控制開關(guān)單元1133_2和電流轉(zhuǎn)換單元 1133_1構(gòu)成，所以控制第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器1120的輸出端和要被充電的電池單元之間的電流移動通路的充電控制開關(guān)單元1133_2的數(shù)量可以減少到一半。第一級DC-DC轉(zhuǎn)換器1110負(fù)責(zé)通過使用電池串的總電壓作為輸入來生成低輸 出電壓，并且第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器1120負(fù)責(zé)通過使用第一級DC-DC轉(zhuǎn)換器1110的輸 出作為輸入來實際對低充電電池單元進(jìn)行充電。此外，低充電電池單元和第二級DC-DC 轉(zhuǎn)換器1120的輸出端之間的充電電流的移動通路和施加方向經(jīng)由電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊1130 來控制和形成。
具體地，根據(jù)本發(fā)明的兩級充電均衡化裝置通過控制在電池單元中充電來進(jìn)行 充電均衡化，以克服當(dāng)對電池串中的電池充電或放電時可能引起的電池之間的電壓差。 在此時，可以通過將總電池能量移交到具有相對低的電壓的電池單元內(nèi)來進(jìn)行電池之間 的充電均衡化，同時減少總能量消耗，以單獨地控制電池單元和有效地將電荷輸入到電 池。此外，為了當(dāng)串聯(lián)連接多個電池時最小化各個電池單元中包括的電路數(shù)量，直接連 接到電池串的控制設(shè)備使用公共的DC-DC轉(zhuǎn)換器以便以相對簡單的結(jié)構(gòu)將電荷能量有效 地傳送到電池內(nèi)。此外，通過集合特定數(shù)量的電池作為各個模塊以使用電池模塊之間的 公共DC-DC轉(zhuǎn)換器，并且經(jīng)由電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊將從模塊之間的DC-DC轉(zhuǎn)換器(第二 級DC-DC轉(zhuǎn)換器)輸出的電荷輸入到要被充電的電池單元，來進(jìn)行充電均衡化，其中所 述電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊選擇性地形成電流流動通路并且經(jīng)由簡單開關(guān)控制來控制電流流動 方向。如前所述，根據(jù)本發(fā)明的兩級充電均衡化裝置通過將電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊連接到 各個電池單元同時公共地使用單個DC-DC轉(zhuǎn)換器，可以控制輸入到電池單元的電荷數(shù)量 同時減少了它的復(fù)雜性、成本和體積，而不必使用導(dǎo)致增加的復(fù)雜性的用于各個電池單 元的單獨電路。圖2是根據(jù)本發(fā)明的基于圖1的上述兩級充電均衡化裝置的優(yōu)選結(jié)構(gòu)圖。參考 圖2，將具體地描述根據(jù)本發(fā)明控制充電均衡化裝置的方法。元件1110到1140的結(jié)構(gòu)類 似于圖1。但是測量單個電池單元的電壓的電壓感測模塊2100可以與通常的電壓感測模 塊使用，并且它優(yōu)選地由采用構(gòu)成電池串的單個電池單元的電壓作為輸入的多路器MUX 2110和與多路器的輸出端連接的電容器2120組成。經(jīng)由電容器2120測量的單個電池單 元的電壓優(yōu)選地經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 1230被轉(zhuǎn)換為數(shù)字值并且輸入到微處理器2200。優(yōu)選地，第一級中的DC-DC轉(zhuǎn)換器1110和第二級中用于各個模塊的各個 DC-DC轉(zhuǎn)換器1121到1126分別配備有主開關(guān)，并且主開關(guān)負(fù)責(zé)DODC轉(zhuǎn)換器1110、 1121到1126中每一個的開/關(guān)，并且由微處理器2220或PWM專用的控制芯片(未示 出)生成的PWM信號來控制。當(dāng)使用微處理器生成的PWM信號時，由于微處理器生成 的PWM信號的有限電流容量，它被限定為驅(qū)動電源開關(guān)，并且因此優(yōu)選地，它配備有另 外的電路。通過允許微處理器2200來在多路器2110的控制下測量單個電池的電壓，基于單 個電池的電壓確定低充電的電池單元并且控制開關(guān)模塊1130、在第二級中用于各個模塊 的DC-DC轉(zhuǎn)換器1121到1126中的每一個的主開關(guān)和第一級DODC轉(zhuǎn)換器1110的主開 關(guān)，對低充電的電池單元執(zhí)行充電均衡化。優(yōu)選地，通過使得電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊1130、 第二級中用于各個模塊的DC-DC轉(zhuǎn)換器1121到1126中每一個的主開關(guān)、和第一級中 DC-DC轉(zhuǎn)換器1110的主開關(guān)以該順序被控制來執(zhí)行充電均衡化。電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊1130由控制從第二級中用于各個模塊的各個DC-DC轉(zhuǎn)換器1121到1126輸出的電流的流 動方向的電流轉(zhuǎn)換單元(圖2中的充電方向控制單元)，和選擇性地形成電流的流動通路 以允許其流動方向由電流轉(zhuǎn)換單元控制的電流施加到單個電池單元的充電控制開關(guān)單元 (圖2中的充電通路控制單元)組成。圖3(a)示出了先前開關(guān)模塊的結(jié)構(gòu)圖，其中使用開關(guān)元件來形成電路移動通路 以使得從第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出的充電電流在要被充電的電池單元中流動；并且圖 3 (b)是根據(jù)本發(fā)明的其中提供了電流轉(zhuǎn)換單元和充電控制開關(guān)單元以允許控制充電電流 的流動方向和形成電流移動通路的電路圖。從第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出的充電電流在圖 3中示出為電流源。 如果充電電流的流動方向未如圖3(a)中所示那樣被控制，則為各個單個電池單 元分別提供負(fù)開關(guān)元件(S-)和正開關(guān)元件(S+)使得必須提供電池單元總數(shù)量雙倍的開關(guān) 元件。然而，如果使用如圖3(b)中所示的開關(guān)元件R來控制充電電流的流動方向，則提 供了可以提供用于各個單個電池單元的低阻抗通路的單個開關(guān)元件。因此，如果提供了 電流轉(zhuǎn)換單元來控制電流的流動方向，則充電控制開關(guān)單元可以用與電池單元總數(shù)量相 同數(shù)量的開關(guān)元件來構(gòu)造。電流轉(zhuǎn)換單元構(gòu)造為使得它可以被輸入有從第二級DC-DC轉(zhuǎn) 換器輸出的充電電流并且在微處理器的控制下選擇性地將充電電流輸出到電流轉(zhuǎn)換單元 的第一輸出線路或第二輸出線路。電流轉(zhuǎn)換單元可以用如圖3中所示的開關(guān)元件R3, ！到 R3, 4來構(gòu)造，盡管它不受構(gòu)成電流轉(zhuǎn)換的單個元件的種類限制。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的示出第M個電池模塊中提供的電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊 113M_1和113M_2的示例。對于各個相應(yīng)的電池模塊提供根據(jù)本發(fā)明的電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模 塊，并且由微處理器對于各個電池模塊控制全部電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊。如上所述，電流轉(zhuǎn) 換開關(guān)模塊用電流轉(zhuǎn)換單元113M_1和充電控制開關(guān)單元113M_2來配置，其中電流轉(zhuǎn)換 單元113M_1采用第M個電池模塊共用的第M個DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個輸出+、_作為輸 入II、12。電流轉(zhuǎn)換單元113M_1在微處理器的控制下將充電電流輸出到第一輸出線路 Ol或第二輸出線路02。具體地，DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個輸出的正輸入被輸出到第一輸出 線路Ol或第二輸出線路02，即DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個輸出的負(fù)輸入被輸出到正輸入不輸 出到的剩余輸出線路(第一輸出線路Ol或第二輸出線路02)。充電控制開關(guān)單元113M_2 具有在電池模塊的端部和電池單元之間分別并聯(lián)提供的開關(guān)元件R1到RK，其中開關(guān)元件 優(yōu)選為雙向MOSFET元件。開關(guān)元件R1到Rk的一側(cè)并聯(lián)連接到構(gòu)成電池模塊的電池單 元，并且開關(guān)元件R1到Rk的另一側(cè)連接到第一輸出線路Ol或第二輸出線路02。在此 時，構(gòu)成充電控制開關(guān)單元113M_2的開關(guān)元件R1到Rk中的每一個連續(xù)地交替連接到第 一輸出線路Ol或第二輸出線路02，如圖4中所示。圖5示出了作為第三電池模塊BM3 1143的第一電池單元B3, ！的基礎(chǔ)的根據(jù)本發(fā) 明的兩級充電均衡化裝置的部分電路圖。如上所述，第一級DC-DC轉(zhuǎn)換器1110優(yōu)選為具有負(fù)反饋電路的DODC轉(zhuǎn)換 器，并且第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器1123經(jīng)由電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊連接到第三電池模塊1143， BM30電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊用電流轉(zhuǎn)換單元1133_1和充電控制開關(guān)單元1133_2來配置。 圖5示出了其中第三電池模塊BM3 1143的第一電池單元B3, ！是要充電的電池單元的情 況。為了清楚地理解的目的，僅僅示出了涉及要被充電的電池單元B3,工的電流轉(zhuǎn)換單元1133_1和充電控制開關(guān)單元1133_2的部分。因為充電控制開關(guān)單元1133_2用低壓雙向充電控制開關(guān)元件構(gòu)造，以允許它根 據(jù)微處理器的開/關(guān)信號來操作，所以電子繼電器11連接到充電控制開關(guān)的輸入端(柵 極)以造成開/關(guān)信號。 電子繼電器11可以是固態(tài)繼電器或者光耦合器，并且優(yōu)選地由發(fā)光二極管和光 接收元件的雙極結(jié)晶體管(BJT)組成。通過接收發(fā)光二極管的光，BJT處于低阻抗?fàn)顟B(tài) (導(dǎo)通狀態(tài))，以使得串聯(lián)的兩個或更多個電池的電壓施加到構(gòu)成開關(guān)元件的MOSFET的 柵極。具體地，發(fā)光二極管在微處理器2220的控制下發(fā)光，用于控制充電控制開關(guān) 單元1133_2，并且由于發(fā)光二極管的發(fā)射而使BJT導(dǎo)通，以允許導(dǎo)通電壓施加到構(gòu)成充 電控制開關(guān)的MOSFET的柵極。在此時，Vgs(Vgs是采用MOSFET的源極電壓作為基 礎(chǔ)的柵極電壓)是串聯(lián)的兩個或更多個的電池的電壓，用以導(dǎo)通構(gòu)成充電控制開關(guān)單元 1133_2的MOSFET，如圖5中所示。在圖5的情況下，串聯(lián)的3個電池的電壓成為在導(dǎo) 通MOSFET時施加的Vgs。為了控制柵極電壓和漏極電壓，可以在柵極電壓施加路徑和 漏極電壓施加路徑中提供電阻器，如圖5中所示。電池模塊中的一部分電壓用作為將驅(qū) 動構(gòu)成充電控制開關(guān)單元1133_2的MOSFET開關(guān)的每一個的電源。電流轉(zhuǎn)換單元1133_1由雙向或單向元件組成，并且連接到第二級DC-DC轉(zhuǎn)換 器1123的兩個輸出端(+、-)。在此時，如圖5中所示，電子繼電器11的發(fā)光二極管在 微處理器的控制下發(fā)光，以對第三電池模塊BM31143中的第一電池單元B3,工進(jìn)行充電， 并且隨后并聯(lián)連接到第一電池單元B3, ！的兩個端子的雙向MOSFET開關(guān)S3, ρ S3, 2導(dǎo)通 并且在電流轉(zhuǎn)換單元1133_1和第一電池單元B3,工之間形成電流移動通路。微處理器控 制構(gòu)成電流轉(zhuǎn)換單元1133_1的開關(guān)以控制施加到充電控制開關(guān)單元1133_2形成的兩個電 流移動通路(將導(dǎo)通的雙向MOSFET開關(guān)的通道表示為S3, ρ S3, 2)的充電電流的方向。 通過導(dǎo)通構(gòu)成電流轉(zhuǎn)換單元1133_1的開關(guān)R3, 2和開關(guān)R3, 3，微處理器控制充電電流的方 向以使得DC-DC轉(zhuǎn)換器1123的正輸出施加到電流移動通路S3, ！并且DC-DC轉(zhuǎn)換器1123 的負(fù)輸出施加到電流移動通路S3, 2。隨后，從第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器1123輸出的充電電 流在第一電池單元B3, ！中流動以使得對低充電電池的第一電池單元B3,工進(jìn)行充電。如圖5中所示，如果由微處理器確定低充電的電池單元B3, 2，則在微處理器的 控制下控制電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊以使得控制和形成電流移動通路和電流施加方向，以使得 充電電流施加到低充電的電池單元B3, 2。在電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊由微處理器控制之后，如 果電池單元所屬的電池模塊BM31143的DC-DC轉(zhuǎn)換器1123導(dǎo)通并且第一級DODC轉(zhuǎn) 換器1110的主開關(guān)導(dǎo)通，則由于第一級變壓器的初級繞組中全部電池的電壓而感生了電 流，并且因此相同量的磁能存儲在變壓器中。隨后，如果第一級DC-DC轉(zhuǎn)換器的主開 關(guān)截止，變壓器中存儲的磁能通過次級繞組和二極管移動到第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器1123。 在此時，優(yōu)選地，第一級中的DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓必須經(jīng)由負(fù)反饋電路保持在相等 電壓，因為它用作下一個第二級中的DC-DC轉(zhuǎn)換器1123的輸入。借助于具有固定占空 比的開關(guān)操作，當(dāng)開關(guān)截止時，第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器1123將導(dǎo)通開關(guān)時存儲的變壓器 的初級側(cè)能量傳遞到次級側(cè)，其中傳遞到次級側(cè)的能量根據(jù)電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊控制的方 向中所控制的電流移動通路來移動到特定電池單元，由此電荷可以提供到期望的電池單兀。 因為可以不管所使用的DC-DC轉(zhuǎn)換器的種類而實現(xiàn)本發(fā)明的思想，所以根據(jù)本 發(fā)明的兩級充電均衡化裝置可以與各種現(xiàn)有DC-DC轉(zhuǎn)換器組合來配置。例如，第一級中 使用的DC-DC轉(zhuǎn)換器可以與和第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器相同種類的DC-DC轉(zhuǎn)換器一起使 用，并且也可以與其它種類的DC-DC轉(zhuǎn)換器一起使用。曾經(jīng)由第一級中的公共DC-DC 轉(zhuǎn)換器遞送電池串的總電壓，并且用于下一級中連接的各個電池模塊的DC-DC轉(zhuǎn)換器的 輸入電壓必須低于從第一級DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出的電壓，而不是電池串的總電壓。因為通 過將更低的電壓施加到第一級DC-DC轉(zhuǎn)換器中用于各個電池模塊的DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸 入端，用于各個電池模塊的DC-DC轉(zhuǎn)換器中的各個元件具有在第一級降低的電壓，而不 是全部電池的電壓，作為內(nèi)電壓，第二級中用于各個電池模塊的DC-DC轉(zhuǎn)換器可以有利 地設(shè)計為低容量轉(zhuǎn)換器。此外，通過將電池串分類為由K個電池組成的M個電池模塊， 可以使用僅具有K個電池的電壓作為內(nèi)電壓的低壓充電控制開關(guān)，而不是具有電池串的 總電壓作為內(nèi)電壓的充電控制開關(guān)。此外，可以通過電流轉(zhuǎn)換單元選擇性地將負(fù)或正輸 出電壓(第二級中DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓)施加到充電控制開關(guān)單元中形成的一個電 流移動通路，并且因此顯著地減少了構(gòu)成充電控制開關(guān)單元的開關(guān)元件的數(shù)量。參考圖5和圖6，將描述在電流轉(zhuǎn)換單元1133_1中控制充電電流的方向。電流轉(zhuǎn)換單元1133_1根據(jù)要被充電的電池單元而不同地控制和輸出充電電流的 方向。如果第三電池模塊BM3 1143的第一電池單元B3,工是要被充電的電池，則控制充 電電流的方向以使得在第三模塊的電流轉(zhuǎn)換單元1133_1中導(dǎo)通開關(guān)R3, 2和開關(guān)R3, 3并且 在第三模塊的充電控制開關(guān)單元1133_2中導(dǎo)通雙向MOSFET開關(guān)S3, ！和雙向MOSFET 開關(guān)S3, 2，以使得DC-DC轉(zhuǎn)換器1123的正輸出和負(fù)輸出施加到分別在充電控制開關(guān)單元 1133_2中形成的電流移動通路S3, ！和電流移動通路S3, 2，如圖5中所示。如果第三電池模塊BM3 1143的第二電池單元B3, 2是要被充電的電池單元，貝Ij 控制充電電流的方向以使得在第三模塊的電流轉(zhuǎn)換單元1133_1中導(dǎo)通開關(guān)R3, i和開關(guān) R3, 4并且在第三模塊的充電控制開關(guān)單元1133_2中導(dǎo)通雙向MOSFET開關(guān)S3, 2和雙向 MOSFET開關(guān)S3, 3，以使得DC-DC轉(zhuǎn)換器1123的正輸出和負(fù)輸出施加到分別在充電控 制開關(guān)單元1133_2中形成的電流移動通路S3, 2和電流移動通路S3, 3，如圖6中所示。將它們考慮為普遍的概念，如果構(gòu)成電池模塊的電池單元是第M個電池模塊中 的第j個電池單元(j是偶數(shù))，則控制充電電流的方向以使得導(dǎo)通第M個模塊的電流轉(zhuǎn)換 單元1133_1的開關(guān)R3, 2和開關(guān)R3, 3并且導(dǎo)通并聯(lián)連接到構(gòu)成第M個模塊中的充電控制 開關(guān)單元1133_2的雙向MOSFET開關(guān)的第j個電池單元(其是要被充電的電池單元)的 兩個端子的兩個雙向MOSFET開關(guān)S3, j和雙向MOSFET開關(guān)S3, J+1,以使得DODC轉(zhuǎn) 換器1123的正輸出和負(fù)輸出施加到分別在充電控制開關(guān)單元1133_2中形成的電流移動通 路S3, j和電流移動通路S3, J+10因此，相同電流移動通路(圖5和圖6中的S3, 2作為示 例)中流動的充電電流的流動方向取決于要被充電的電池單元。如果構(gòu)成電池模塊的電池單元是第M個電池模塊中的第j個電池單元(j是奇 數(shù))，則控制充電電流的方向以使得導(dǎo)通第M個模塊的電流轉(zhuǎn)換單元1133_1的開關(guān)R3,
i和開關(guān)R3, 4并且導(dǎo)通并聯(lián)連接到構(gòu)成第M個模塊中的充電控制開關(guān)單元1133_2的雙 向MOSFET開關(guān)的第i個電池單元(其是要被充電的電池單元)的兩個端子的兩個雙向MOSFET開關(guān)S3,,和雙向MOSFET開關(guān)S3, 1+1，以使得DODC轉(zhuǎn)換器1123的正輸出和 負(fù)輸出施加到分別在充電控制開關(guān)單元1133_2中形成的電流移動通路S3,,和電流移動通
路 因此，因為可以通過電流轉(zhuǎn)換單元來將正向電流或反向電流選擇性地施加到單 個電流移動通路，而不需要形成用于各個要被充電的電池的正向和負(fù)向的兩個電流移動 通路，所以可以顯著地減少構(gòu)成充電控制開關(guān)單元的開關(guān)數(shù)量。參考圖7，將描述根據(jù)本發(fā)明的充電均衡化方法。將基于上述的充電均衡化裝置來執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的用于串聯(lián)電池串的兩級充電 均衡化方法。具體地，使用充電均衡化裝置來執(zhí)行充電均衡化方法，所述充電均衡化裝置包 括一個或更多個電池模塊，其具有構(gòu)成電池串的多個電池單元并且串聯(lián)連接到兩級 DC-DC轉(zhuǎn)換器；被輸入有電池串總電壓并且輸出低于所輸入電壓的電壓的第一 DC-DC 轉(zhuǎn)換器；被輸入有第一DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出并且輸出充電電流以用于對特定電池單元進(jìn) 行充電的第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器；電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，其在電池模塊和第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器 之間形成充電電流的通路以允許充電電流施加到構(gòu)成電池模塊的特定電池單元，并且控 制充電電流的施加方向；多路器，其被輸入有構(gòu)成電池串的各個電池單元的電壓；電壓 感測器，其連接到多路器的輸出端以測量各個電池單元的電壓；和微處理器，其確定低 充電電池單元的要被充電的電池單元，控制電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊以允許充電電流施加到要 被充電的電池單元，并且控制第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器和第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的開/關(guān)操作。根據(jù)本發(fā)明的用于串聯(lián)電池串的兩級充電均衡化方法包括如下步驟(a)基于通 過測量構(gòu)成電池串的各個電池單元的電壓而獲得的電壓差來確定是否執(zhí)行電池串的充電 均衡化(S10-S40) ； (b)基于執(zhí)行電池串的充電均衡化時測量的電壓來選擇低充電的電池 單元(s50); (c)控制第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個負(fù)輸出和正輸出的方向，以并聯(lián)連接低 充電的電池單元和第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個輸出(s60) ； (d)操作第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器 (s80)；和(e)通過操作第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器來對低充電的電池單元進(jìn)行充電(S80)。優(yōu)選地，執(zhí)行步驟(a)以使得通過控制多路器將經(jīng)由電壓感測器獲得的構(gòu)成電池 串的各個電池單元的電壓值輸入到微處理器(sl0-S80)，并且如果電池單元的測量電壓差 高于特定值，則優(yōu)選地執(zhí)行電池串的充電均衡化(s40)。在此時，步驟(a)可以測量構(gòu)成 電池串的所有電池的各個電壓，測量構(gòu)成電池串的部分電池的電壓，和測量一個或更多 個電池模塊的電壓。在步驟(b，S50)中，微處理器確定對其執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的電池串的充電均衡化 的電池單元，并且優(yōu)選地將低充電的電池單元確定為要充電的電池單元。步驟(c，S60)進(jìn)行控制以使得第二DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個負(fù)或正輸出被選擇性地 施加在要充電的電池單元的低充電電池單元上，并且在低充電電池單元和第二 DC-DC轉(zhuǎn) 換器的兩個輸出端之間形成電流移動通路。具體地，由微處理器控制構(gòu)成電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊的充電控制開關(guān)單元以形成低 阻抗通路，通過該通路來施加第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個負(fù)和正輸出，并且控制構(gòu)成電流 轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊的電流轉(zhuǎn)換單元以使得第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)輸出施加到低充電電池單元 的陰極上形成的低阻抗的通路，并且第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的正輸出施加到低充電電池單元的陽極上形成的低阻抗的通路。由微處理器控制包括電流轉(zhuǎn)換單元和充電控制開關(guān)單元的電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊以設(shè)置電流通路和電流的施加方向，以使得從第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器輸 出的充電電流在作為要充電的電池單元的低充電電池中流動。步驟(e)執(zhí)行控制以使得第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器被中斷(關(guān)閉)，并且第一 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中存儲的磁能移動到第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器以使得第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器以特定占空比 來操作(開啟)。具體地，如果由微處理器確定作為要被充電的電池單元的低充電電池單元，則 電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊被輸入有微處理器的控制信號以設(shè)置低充電電池單元和第二 DC-DC轉(zhuǎn) 換器之間的電流通路并且設(shè)置電流的施加方向，并且然后由微處理器連續(xù)操作(開啟)第 二 DC-DC轉(zhuǎn)換器和第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器。第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器中斷(關(guān)閉)并且第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器上存儲的磁能移動到第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器。在此時，第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器 被輸入有微處理器生成的PWM信號并且以特定占空比操作(開啟)以輸出充電電流。該 充電電流在低充電的電池單元中流動以根據(jù)電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊形成的電流通路和電流施 加方向來對電池單元進(jìn)行充電。第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器被輸入有電池串的總電壓并且輸出低于所輸入電壓的電壓， 并且第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入端并聯(lián)連接到第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出端，以使得由從 第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入的全部電池串的電壓來對低充電的電池單元進(jìn)行充電?？梢詫崿F(xiàn)充電均衡化方法以使得步驟(a)測量構(gòu)成電池串的所有電池中每一個 的電壓，并且對于構(gòu)成電池串和包括多個串聯(lián)的電池單元的各個電池模塊來相互獨立地 執(zhí)行步驟(b)到(e)。因此，對于各個電池模塊來說，可以相互獨立地選擇低充電的電 池單元，并且通過為各個電池模塊提供的單個第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的充電電流來相互獨立 地對為各個電池模塊而選擇的低充電的電池單元進(jìn)行充電。在此時，為電池模塊和第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器之間的各個電池模塊提供電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，并且由微處理器對于各個模 塊來相互獨立地控制電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，前面描述中公開的概念和具體實施方式
可以容易地 用作為修改或設(shè)計其它實施方式的基礎(chǔ)，以實現(xiàn)本發(fā)明的相同目的。本領(lǐng)域技術(shù)人員 還將理解，這些等同的實施方式不會偏離如所附權(quán)利要求中所闡述的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于具有串聯(lián)的兩個或更多個電池單元的電池串的兩級充電均衡化裝置，該 兩級充電均衡化裝置包括兩級DC-DC轉(zhuǎn)換器，其包括被輸入有所述電池串的總電壓并且輸出低于所輸入電 壓的電壓的第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器；和被輸入有所述第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出并且輸出充 電電流以用于對特定電池單元進(jìn)行充電的第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中所述電池串被分為具 有多個串聯(lián)的電池單元的一個或更多個電池模塊，并且對于各個電池模塊提供所述第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器；電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，其在所述電池模塊和所述第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器之間形成充電電流 的通路以使得所述充電電流施加到構(gòu)成所述電池模塊的所述特定電池單元，并且所述電 流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊控制所述充電電流的施加方向；以及微處理器，其確定低充電電池單元的要被充電的電池單元，并且控制所述電流轉(zhuǎn)換 開關(guān)模塊以使得所述充電電流施加到要被充電的電池單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩級充電均衡化裝置，其中為各個電池模塊提供所述電流轉(zhuǎn) 換開關(guān)模塊，并且所述電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊包括連接到所述第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出端的電流轉(zhuǎn)換單元 和充電控制開關(guān)單元以控制電流的施加方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的兩級充電均衡化裝置，其中所述充電控制開關(guān)單元用數(shù)量與 構(gòu)成所述電池模塊的所述電池單元的數(shù)量相同的充電控制開關(guān)來構(gòu)造，并且所述充電控 制開關(guān)單元并聯(lián)連接到各個電池單元以形成所述電流轉(zhuǎn)換單元和所述電池模塊之間的電 流移動通路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的兩級充電均衡化裝置，其中所述電流轉(zhuǎn)換單元連接到所述第 二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個負(fù)/正輸出端，以選擇性地將負(fù)輸出或正輸出施加到由所述充電 控制開關(guān)形成的所述電流移動通路。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的兩級充電均衡化裝置，其中所述充電控制開關(guān)是雙向金屬氧 化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MOSFET開關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的兩級充電均衡化裝置，其中當(dāng)導(dǎo)通構(gòu)成雙向MOSFET開關(guān) 的所述MOSFET時所施加的Vgs是作為所述電池模塊的一部分的兩個或更多個串聯(lián)電池 的電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的兩級充電均衡化裝置，該兩級充電均衡化裝置還包括在構(gòu)成 所述雙向MOSFET開關(guān)的所述MOSFET的柵極中設(shè)置的電子繼電器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的兩級充電均衡化裝置，其中所述電子繼電器包括發(fā)光二極管 和光接收元件，并且在所述微處理器的控制下所述發(fā)光二極管發(fā)光以用于控制所述充電 控制開關(guān)單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩級充電均衡化裝置，該兩級充電均衡化裝置還包括被輸入 有構(gòu)成所述電池串的各個電池單元的電壓的多路器和連接到所述多路器的輸出端的電壓 感測器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的兩級充電均衡化裝置，其中所述多路器由所述微處理器控 制，并且構(gòu)成所述電池串的各個電池單元的通過所述電壓感測器測量的電壓被輸入到所 述微處理器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩級充電均衡化裝置，其中所述第一DC-DC轉(zhuǎn)換器是具 有負(fù)反饋電路的DC-DC轉(zhuǎn)換器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩級充電均衡化裝置，該兩級充電均衡化裝置還包括控制 所述第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器和所述第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器中的每一方的開/關(guān)的開關(guān)元件，其 中所述開關(guān)元件由所述微處理器控制。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的兩級充電均衡化裝置，其中所述開關(guān)元件由所述微處理器 生成的脈沖寬度調(diào)制PWM信號來控制。
14.一種使用根據(jù)權(quán)利要求1到13中任何一項所述的充電均衡化裝置的用于串聯(lián)電池 串的兩級充電均衡化方法，該兩級充電均衡化方法包括以下步驟(a)基于通過測量構(gòu)成所述電池串的各個電池單元的電壓而獲得的電壓差來確定是否 執(zhí)行所述電池串的充電均衡化；(b)基于執(zhí)行所述電池串的充電均衡化時所測量的電壓來選擇低充電電池單元；(C)控制所述第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個負(fù)輸出和正輸出的方向，以并聯(lián)連接所述低 充電電池單元和所述第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個輸出端；(d)操作所述第二DC-DC轉(zhuǎn)換器；以及(e)通過操作所述第一DC-DC轉(zhuǎn)換器來對所述低充電電池單元進(jìn)行充電。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的兩級充電均衡化方法，其中步驟(c)執(zhí)行控制以使得所 述第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個負(fù)輸出或正輸出被選擇性地施加在所述低充電電池單元上， 并且在所述低充電電池單元和所述第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩個輸出端之間形成電流移動通路。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的兩級充電均衡化方法，其中步驟(e)執(zhí)行控制以使得所述 第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器被中斷(關(guān)閉)，并且所述第一 DC-DC轉(zhuǎn)換器中存儲的磁能移動到 所述第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器以使得所述第二 DC-DC轉(zhuǎn)換器以特定占空比來操作(開啟)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的兩級充電均衡化方法，其中在步驟(a)中所述充電均衡化 方法測量構(gòu)成所述電池串的所有電池中每一個的電壓，并且對于構(gòu)成所述電池串并由多個串聯(lián)的電池單元組成的各個電池模塊來相互獨立地執(zhí) 行步驟(b)到(e)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的兩級充電均衡化方法，其中由于所述電池串的作為所述第 一 DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入的總電壓而使得在步驟(e)中對所述低充電電池單元進(jìn)行充電。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的用于串聯(lián)電池串的兩級充電均衡化裝置包括兩級DC-DC轉(zhuǎn)換器，其包括被輸入有電池串的總電壓并且輸出低于所輸入電壓的電壓的第一DC-DC轉(zhuǎn)換器；和被輸入有第一DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出并且輸出充電電流以用于對特定電池單元進(jìn)行充電的第二DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中電池串被分為具有多個串聯(lián)的電池單元的一個或更多個電池模塊，并對于各個電池模塊提供第二DC-DC轉(zhuǎn)換器；電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，其在電池模塊和第二DC-DC轉(zhuǎn)換器之間形成充電電流的通路以使得充電電流施加到構(gòu)成電池模塊的特定電池單元，并且電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊控制充電電流的施加方向；和微處理器，其確定低充電電池單元的要被充電的電池單元，并控制電流轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊以使得充電電流施加到要被充電的電池單元。
文檔編號H02J7/02GK102017357SQ200980114468
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月22日
發(fā)明者文建又, 樸弘善, 樸相炫, 李重輝, 林載煥, 金喆浩 申請人:Sk能源株式會社, 韓國科學(xué)技術(shù)研究院