專利名稱：用于串聯(lián)連接的電池組的均衡充電設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于串聯(lián)連接的電池組的均衡充電設(shè)備及方法，更具體地，涉及這樣的均衡充電設(shè)備及方法通過包含在電池組中的各個電池共用單個電壓傳感模塊和單個均衡充電模塊的結(jié)構(gòu)，有效地進行均衡充電，同時減少整體的復(fù)雜性和體積并降低生產(chǎn)成本。
背景技術(shù)：
在例如使用鋰離子單元電池(cell)作為動力源的混合動力汽車中，高于單元電池(cell)的基本電勢的電勢是必要的，通常使用串聯(lián)連接的多個單元電池。然而，即使電池是使用相同的陽極、陰極和電解質(zhì)經(jīng)由傳統(tǒng)的制造方法制得的具有相同的結(jié)構(gòu)，串聯(lián)連接的每個電池之間存在充電或放電(以及自放電)特性上的差異。因此，當(dāng)使用串聯(lián)連接的電池時，單元電池間可能存在電勢差。即使串聯(lián)連接的單位電池中的一個電池不管其他電池的電勢如何而完全放電，電池也需要再次充電。再次充電時，由于電池的電勢彼此不同，由于電池可能預(yù)先達(dá)到規(guī)定電壓而存在過充問題，此外， 即使在存在過充時由于一些電池可能無法達(dá)到規(guī)定電壓，還存在充電效率低的問題。另外，充電/放電次數(shù)增多時，包含在電池里的物質(zhì)發(fā)生的老化，使得電池特性改變，其結(jié)果是這樣的老化情況進一步增加了各個電池間的差異。為了解決這樣的問題，提出了各種可實現(xiàn)串聯(lián)連接的電池的均衡充電設(shè)備。作為一個實例，公開號為2008-0080864的韓國專利涉及一種系統(tǒng)，其根據(jù)由用于測量很多電池中的每個電池的電壓的傳感單元測得的多個電池電壓來檢測有電池平衡需求的至少一個第一電池；基于根據(jù)車輛的操作模式的另一個方法，在至少一個第一電池上執(zhí)行電池平衡；以及通過處于電池平衡的開關(guān)模塊來共用單個電池平衡驅(qū)動單元。公開號為2006-0078967的韓國專利涉及一種系統(tǒng)，其防止由電壓檢測單元的溫度和老化引起的錯誤，并檢測精確的電池電壓，所述系統(tǒng)包括多個電池；連接到每個電池的多個電池繼電器；包含放大器的電壓檢測單元；用于測量溫度的傳感單元；以及微控制器單元(MCU)。所述系統(tǒng)的特征在于各個電池通過電池繼電器共用單個電壓檢測單元。公開號為2003-0096978的韓國專利包括多個單元電池、充電裝置、放電裝置和串-并轉(zhuǎn)換開關(guān)。相關(guān)技術(shù)涉及一種系統(tǒng)，其用于在對每個單元電池均衡放電后通過使用串-并轉(zhuǎn)換開關(guān)連接已放完電的單元電池來進行充電。公開號為2007-0064244的韓國專利涉及一種系統(tǒng)，其包括電池單元；場效應(yīng)管，其連接到電池單元；放大單元，其連接到場效應(yīng)管；多路復(fù)用單元，控制放大單元的輸出信號；比較單元，對電池單元的電壓信號的變化進行比較和判斷；模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換單元，將比較單元的輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；微處理單元，接收A/D轉(zhuǎn)換單元的信號輸出并輸出對應(yīng)于充電/放電條件的信號；開關(guān)單元，通過根據(jù)微處理單元的信號工作來提供電池平衡電流；以及公知的充電/放電電路。專利申請案公開號為2008-196869的日本專利涉及一種系統(tǒng)，其具有以下特征 電容連接到包含并聯(lián)的多個電池的組件電池中的每個電池，且每個電容的電壓通過一個接電容的開關(guān)單元和另一個接地的開關(guān)單元而依次連接到電壓檢測裝置。專利申請案公開號為2005-(^84297的日本專利涉及一種系統(tǒng)，包括組件電池，其包括多個電池；采樣開關(guān)， 用于采樣每個電池的電壓；電容，用于檢測每個電池的電壓；傳送開關(guān)，用于將充入的充電電壓傳送到電容；地電勢設(shè)置開關(guān)，用于將參考電勢連接到電壓檢測裝置的地端子，以檢測充入電容中的電壓；以及電壓檢測控制裝置，用于控制每個開關(guān)并接收電容的電壓。專利申請案公開號為1998-032936的日本專利涉及一種系統(tǒng)，其包括多個單元電池；用于檢測每個單元電池的剩余容量的裝置；充放電交換裝置，用于進行每個單元電池的充電和放電； 控制器，用于分別控制每個單元電池的充電和放電；以及直流-直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器，分別進行每個單元電池的充電和放電。專利申請案公開號為2004-194410的日本專利涉及一種系統(tǒng)，其包括至少兩個的單元電池組；用于檢測流過第一電池組和第二電池組中的每一個的電流間的差異的裝置；用于基于電流差異來控制電池組的充電/放電電流的裝置。然而，在現(xiàn)有的均衡充電設(shè)備中，由于串聯(lián)連接的每個電池都配備有均衡充電設(shè)備或電壓傳感設(shè)備以進行各個電池的充電或放電，因此具有這樣的局限性均衡充電設(shè)備的復(fù)雜性和體積增加，由此降低了生產(chǎn)率并增加了生產(chǎn)成本，且用于控制每個部件并形成電流路徑的裝置會承受高電壓應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提供一種用于進行有效的均衡充電，同時減少對串聯(lián)連接的電池組進行均衡充電的均衡充電設(shè)備的復(fù)雜性和體積的均衡充電設(shè)備及方法，并提供可以使用通過減少用于控制均衡和操作的元件的電壓應(yīng)力而具有低耐受電壓的裝置的均衡充電設(shè)備及方法。對問題的解決方案在一個通用方面，用于串聯(lián)連接的電池組的智能可控的均衡充電設(shè)備，包括電池模塊，具有串聯(lián)連接的多個電池；電池組，具有串聯(lián)連接的M(M> 2 :M為自然數(shù))個電池模塊；單個電壓傳感模塊，檢測所述電池組中的每個電池的電壓；單個均衡充電模塊，其并聯(lián)連接到所述電壓傳感模塊并對所述電池組中的每個電池進行充電或放電；雙向開關(guān)部，其包含在每個電池模塊中，且在所述電池模塊的每個電池中形成并聯(lián)電流路徑；模塊開關(guān)，其在所述雙向開關(guān)部與所述電壓傳感模塊和均衡充電模塊中的至少一個之間形成電流路徑； 以及微處理器，通過接收在所述電壓傳感模塊中測得的電壓值并控制所述雙向開關(guān)部和所述模塊開關(guān)，來確定電池的充電或放電；其中電池組中的每個電池通過c和所述模塊開關(guān)來共用所述電壓傳感模塊和所述均衡充電模塊。包含k(k ^ 2 :k為自然數(shù))個電池的所述電池模塊的所述雙向開關(guān)部可包括業(yè)個雙向金屬-氧化物-半導(dǎo)體-場效應(yīng)晶體管(MOSFET)開關(guān)，且所述雙向MOSFET開關(guān)以所述電池模塊中的一個電池為基準(zhǔn)，分別連接到一個電池的陰極和陽極兩端，以形成并聯(lián)電流路徑。如上所述，由于根據(jù)本發(fā)明的所述雙向開關(guān)部包含在每個電池模塊中，如果電池組具有串聯(lián)連接的M(M > 2 :M為自然數(shù))個電池模塊，則包括M個雙向開關(guān)部。所述電池模塊的所述雙向開關(guān)部表示一個雙向開關(guān)部對應(yīng)于一個電池模塊，更具體地，一個雙向開關(guān)部在一個電池模塊的每個電池上形成并聯(lián)電流路徑。所述模塊開關(guān)可包括M個開關(guān)對，且所述M個開關(guān)對中的1個開關(guān)對可包括連接到一個雙向開關(guān)部的1-1開關(guān)和1-2開關(guān)，且以所述電池模塊的電池之中的最下端或最上端的電池為基準(zhǔn)，所述雙向開關(guān)部的第奇數(shù)個雙向MOSFET開關(guān)的一側(cè)可并聯(lián)連接并可連接到所述1-1開關(guān)；第偶數(shù)個雙向MOSFET開關(guān)的一側(cè)可并聯(lián)連接并可連接到所述1-2開關(guān)。如果電池組具有M (M > 2 :M為自然數(shù))個串聯(lián)連接的電池模塊，則根據(jù)本發(fā)明的均衡充電設(shè)備可包括按每個電池模塊而包含的M個雙向開關(guān)部以及包含所述M個開關(guān)對的模塊開關(guān)。所述模塊開關(guān)的開關(guān)對可根據(jù)每個模塊而連接一個對應(yīng)于一個模塊的雙向開關(guān)部，并且所述單個電壓傳感模塊和所述均衡充電模塊并聯(lián)連接。所述M個開關(guān)對可分別并聯(lián)連接到所述電壓傳感模塊。具體地，所述雙向開關(guān)部可包括多個雙向MOSFET開關(guān)，在所述雙向MOSFET開關(guān)導(dǎo)通時所施加的Vgs為作為所述電池組的一部分的、兩個以上的串聯(lián)連接的電池的電勢。所述雙向MOSFET開關(guān)的MOSFET的柵極中可以包含一個電子繼電器。所述電子繼電器可包括發(fā)光二極管和光接收元件，且所述發(fā)光二極管通過用于控制所述雙向開關(guān)部的微處理器的控制信號而發(fā)光。所述電壓傳感模塊可包括電容、模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD轉(zhuǎn)換器)和開關(guān)；所述模-數(shù)轉(zhuǎn)換器將所述電容的電勢作為輸入并向所述微處理器提供輸出值；所述開關(guān)包含在所述AD 轉(zhuǎn)換器的輸入端并由所述微處理器控制。具體地，包含在所述AD轉(zhuǎn)換器的輸入端的所述開關(guān)包含在所述AD轉(zhuǎn)換器和所述電容之間，且由所述微處理器控制，以將所述電容的電勢輸入所述AD轉(zhuǎn)換器。所述均衡充電模塊可以為放電電路、充電電路或包含有源器件和無源器件的充電 /放電電路，所述有源器件選自由場效應(yīng)晶體管(FET)、雙極結(jié)型晶體管(BJT)、繼電器和二極管組成的組；所述無源器件選自由電感、變壓器和電容組成的組。所述均衡充電模塊可包括直流-直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器，且所述DC/DC轉(zhuǎn)換器包括充電型DC/DC轉(zhuǎn)換器、放電型DC/DC轉(zhuǎn)換器或充電/放電型DC/DC轉(zhuǎn)換器。優(yōu)選地，所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的初級或次級線圈可連接到所述電池組的整個電勢上。充電時，電池的充電對所述電池組的整個電勢有影響。放電時，從電池放出的電勢對所述電池組的整個電勢有影響。用于控制所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通/截止的開關(guān)可包含在所述均衡充電模塊的所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的初級線圈和次級線圈的每一端。通過控制初級線圈和次級線圈的每一端的開關(guān)，可通過所述單個DC/DC轉(zhuǎn)換器隨意地進行電池的充電或放電。所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)可通過所述微處理器由脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號控制。在一個通用方面，一種利用所述均衡充電設(shè)備的均衡充電方法，包括通過微處理器控制模塊開關(guān)和雙向開關(guān)部，并通過使用電壓傳感模塊測量包含在電池組中的每個電池的電壓；在微處理器中，以測得的電池的電壓的平均值為基準(zhǔn)，選擇作為低充或過充電池的平衡電池；通過由微處理器控制所述雙向開關(guān)部和所述模塊開關(guān)，將均衡充電模塊與所述平衡電池連接；以及在微處理器中，通過操作所述均衡充電模塊，對所述平衡電池進行充電或放電。
具體地，所述均衡充電模塊與所述平衡電池的連接和所述對平衡電池進行的充電或放電可包括通過控制所述雙向開關(guān)部，在所述平衡電池中形成并聯(lián)電流路徑；通過控制所述模塊開關(guān)，在所形成的并聯(lián)電流路徑和所述均衡充電模塊之間形成電流路徑；以及， 通過由微處理器控制開關(guān)，對所述平衡電池進行充電或放電，所述開關(guān)包含在配備在所述充電均衡模塊中并將所述電池組的整個電壓作為輸入或輸出的DC/DC轉(zhuǎn)換器的初級線圈和次級線圈的每一端。發(fā)明的有益效果本發(fā)明的均衡充電設(shè)備和方法有效地減少了均衡充電設(shè)備的復(fù)雜性和體積，并通過顯著地減少用于均衡充電的構(gòu)成元件，降低了生產(chǎn)成本，這些由以下特征實現(xiàn)將整個電池劃分為模塊；在每個電池中形成并聯(lián)電流路徑的雙向開關(guān)部是根據(jù)每個電池模塊而包含在一個模塊中的；以及電池組中的每個電池通過兩級開關(guān)結(jié)構(gòu)共用電壓傳感模塊和均衡充電模塊，所述兩級結(jié)構(gòu)為包括個別的電池模塊，和在電壓傳感模塊和均衡充電模塊之間形成電流路徑的模塊開關(guān)，其位于雙向開關(guān)部的后端。通過顯著地減少被包含以通過按每個電池模塊來配備的雙向開關(guān)部和模塊開關(guān)的兩級結(jié)構(gòu)而形成電流路徑的開關(guān)的電壓應(yīng)力， 可使用具有低耐受電壓的低壓開關(guān)。由于電路被劃分為每個電池模塊，易于實現(xiàn)電路，能夠有效地應(yīng)對電路的損傷，且在設(shè)計上具有高靈活性。


通過結(jié)合附圖給出的優(yōu)選實施例的以下描述，本發(fā)明的上述和其他目的、特征以及優(yōu)點將變得明顯，其中圖1為示出了依據(jù)本發(fā)明的一個實施例的均衡充電設(shè)備的圖。圖2為示出了依據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的均衡充電設(shè)備的圖。圖3為示出了依據(jù)本發(fā)明的一個實施例的均衡充電設(shè)備的第M個電池模塊的第K 個電池的電流路徑的圖。圖4為依據(jù)本發(fā)明的又一個實施例的均衡充電設(shè)備的圖。主要元件的詳細(xì)描述110 電池組111 116 電池模塊121 126 雙向開關(guān)部130 模塊開關(guān)131 136 開關(guān)對140 電壓傳感模塊150:均衡充電模塊160:微處理器 141:電容141'輸出電壓傳感模塊142 =AD 轉(zhuǎn)換器 151 DC/DC 轉(zhuǎn)換器
具體實施例方式以下，參考附圖對本發(fā)明的均衡充電設(shè)備及方法進行詳細(xì)描述，其將在下文中進行陳述。下面引入的附圖是為向本領(lǐng)域的技術(shù)人員充分傳達(dá)本發(fā)明的思想而作為實例提供的。因此，本發(fā)明并不由下面引入的附圖限定，而是能夠以別的形態(tài)具體化。而且，在整個說明書中相同的參考標(biāo)記表示相同的構(gòu)成元件。除非另外定義，在此使用的包含技術(shù)和科學(xué)用語的所有用語，具有所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的含義。在以下的描述和附圖中，將省略可能不必要地使本發(fā)明的要旨模糊的已知功能和結(jié)構(gòu)。圖1為示出了根據(jù)本發(fā)明的用于串聯(lián)連接的電池組的智能可控均衡充電設(shè)備。將具有串聯(lián)連接的多個電池的電池組ΙΙΟΦμ至Bu)劃分為具有兩個以上串聯(lián)連接的電池的多個電池組111、112和113。圖1中示出的電池組總共包括M (Μ彡2)個電池模塊111、112 和113。圖1示出了包含在每個電池模塊111、112和113中的串聯(lián)的電池數(shù)量為k(k彡2) 的情況。在圖1中，當(dāng)一個電池包含在第Ui為》1的自然數(shù))個模塊中，并以第i個模塊的最上端電池為基準(zhǔn)而位于第j (j為> 1的自然數(shù))個模塊中時，包含在該電池組中的電池標(biāo)記為Bi，j。雖然圖1示出了包含在每個電池模塊111、112、113中的電池數(shù)均為相同的k個(Budujftk)的情況，但是每個模塊中的電池數(shù)可以根據(jù)電池模塊而互不相同。每個電池模塊111、112和113包括根據(jù)每個電池模塊的雙向開關(guān)部121、122和 123。雙向開關(guān)部121在包含在電池模塊111中的每個電池(Blil至^上形成并聯(lián)電流路徑?？蛇x擇地，包含在雙向開關(guān)部121、122和123的后端中的模塊開關(guān)130分別向電池模塊111、112和113的對應(yīng)的雙向開關(guān)部121、122和123提供電流路徑。包含在電池組110 中的一個電池(例如，B2,2)通過雙向開關(guān)部和模塊開關(guān)而連接到單個傳感模塊140和單個均衡充電模塊150。單個電壓傳感模塊140測量具有通過雙向開關(guān)部121、122和123以及模塊開關(guān) 130形成的電流路徑的電池的電壓，并向微處理器160提供測量值。單個均衡充電模塊150 對具有通過雙向開關(guān)部121、122和123以及模塊開關(guān)130形成的電流路徑的電池進行充電或放電。優(yōu)選地，電壓傳感模塊140和均衡充電模塊150并聯(lián)連接。如上所述，包含在電池組110中的所有電池共用單個電壓傳感模塊140和單個均衡充電模塊150。通過雙向開關(guān)部和模塊開關(guān)，電流路徑可選擇地形成在包含在電池組110 中的一個電池與單個電壓傳感模塊140和單個均衡充電模塊150中的至少一個之間。電壓傳感模塊140優(yōu)選地包括電容，且均衡充電模塊150可以為放電電路、充電電路或充電/放電電路，該充電/放電電路包括選自由場效應(yīng)晶體管(FET)、雙極結(jié)型晶體管(BJT)、繼電器和二極管組成的組的有源器件；以及選自由電感、變壓器和電容組成的組的無源器件，或直流-直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器；或可以為放電電路、充電電路或充電/放電電路，該充電/放電電路包括DC/DC轉(zhuǎn)換器，優(yōu)選為具有用于控制在初級線圈和次級線圈的每一端的DC/DC轉(zhuǎn)換器的操作的開關(guān)。雙向開關(guān)部121、122和123以及模塊開關(guān)130在電池組110中形成低充或過充電池的充電或放電路徑，同時形成用于測量包含在電池組110中的每個電池的電壓的電流路徑。因此，包含在電池組110中的電池共用單個電壓傳感模塊140和單個均衡充電模塊150。單個電壓傳感模塊140和充電均衡模塊150共用雙向開關(guān)部121、122和123，以及模塊開關(guān)130。圖1中的虛線箭頭表示控制信號。微控制器160接收在電壓傳感模塊140中測得的電壓值，確定電池的充電或放電，并控制雙向開關(guān)部121、122和123以及模塊開關(guān)130。
具體地，微處理器160接收在電壓傳感模塊140中測得的電壓，計算電池組110的平均電壓，基于電池組110的平均電壓來確定作為待充電或放電的電池的平衡電池，并控制雙向開關(guān)部和模塊開關(guān)130，以在平衡電池與均衡充電模塊150之間形成電流路徑。具體地，微處理器160通過控制包含平衡電池的電池模塊的對應(yīng)的雙向開關(guān)部，在平衡電池中形成并聯(lián)電流路徑；以及通過控制模塊開關(guān)130，在均衡充電模塊150與包含平衡電池的電池模塊的雙向開關(guān)部之間形成電流路徑。微處理器160通過控制雙向開關(guān)部121、122和123以及模塊開關(guān)130，順序地接收包含在電池組110中的電池的電壓；計算電池組110的平均電壓；并基于電池組110的平均電壓，確定一個以上的平衡電池。微處理器160計算一待放電的過充平衡電池列表、一待充電的低充平衡電池列表或待充電的平衡列表和待放電的平衡列表，并順序地測量包含在電池組110中的電池的電壓。接著，微處理器160根據(jù)平衡電池的列表來控制雙向開關(guān)部 121,122和123以及模塊開關(guān)130，并通過使用均衡充電模塊150進行一次以上的，即包含在平衡電池的列表中的電池數(shù)，充電或放電。另外，如圖1所示，微處理器160控制均衡充電模塊150的導(dǎo)通/截止操作，并控制電壓傳感模塊140的檢測操作。優(yōu)選地，電壓傳感模塊140包括電容141和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD轉(zhuǎn)換器)142。電壓傳感模塊140通過電容141測量包含在電池組110中的各個電池的電壓，并向微處理器160提供通過使用AD轉(zhuǎn)換器142而轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的各個電池的電壓，所述AD轉(zhuǎn)換器142用于將作為模擬值的電容141的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。圖1的主要單元包括電壓傳感模塊140、均衡充電模塊150和微處理器160。優(yōu)選地，如圖2中所示，電壓傳感模塊包括電容141和AD轉(zhuǎn)換器142，且均衡充電模塊150包括 DC/DC轉(zhuǎn)換器151，所述DC/DC轉(zhuǎn)換器151進行電池的充電或放電，或電池的充電和放電。存在這樣的特征DC/DC轉(zhuǎn)換器151的初級線圈或次級線圈連接到電池組110的整個電壓上?；趫D1所描述的電壓傳感模塊140和均衡充電模塊150的并聯(lián)連接優(yōu)選地具有這樣的結(jié)構(gòu)DC/DC轉(zhuǎn)換器151的初級和次級線圈之中，沒有連接到電池組110的整個電壓上的那個線圈并聯(lián)連接到包含在電壓傳感模塊140中的電容141上。如圖1中所示，模塊開關(guān)130包括多個作為一對開關(guān)的開關(guān)對131、132和133。例如，一個開關(guān)對132控制是否在電池模塊112的雙向開關(guān)部122與電壓傳感模塊140和均衡充電模塊150中的至少一個之間形成電流路徑。因此，當(dāng)將電池組110劃分為M個電池模塊時，模塊開關(guān)130包括M個開關(guān)對131、132和133，且每個開關(guān)對131、132和133向電池模塊的對應(yīng)的雙向開關(guān)部提供電流路徑。如上所述，模塊開關(guān)130形成每個電池模塊的電流路徑，并且雙向開關(guān)部在包含在電池模塊中的各個電池中形成并聯(lián)電流路徑。如圖1中所示，第M個電池模塊113連接到第M個雙向開關(guān)部123，第M個雙向開關(guān)部連接到模塊開關(guān)的第M個開關(guān)對133，以形成包括圖1中的多個模塊，即，模塊1、模塊2和模塊M，包括雙向開關(guān)部和開關(guān)對，的結(jié)構(gòu)。因此，即使包含在電池組110中的電池數(shù)發(fā)生變化，通過增加或移除模塊1、模塊2 和模塊M，可以容易地改變和擴展裝置。而且，由于電路按每個電池模塊劃分，容易實現(xiàn)電路并有效地應(yīng)對由裝置的老化引起的電路損傷，且在設(shè)計上具有高靈活性。優(yōu)選地，包含在模塊開關(guān)130中的M個開關(guān)對131、132和133中的每一個并聯(lián)連接到電壓傳感模塊140，以使包含在電池組中的各個電池共用單個電壓傳感模塊140和單個均衡充電模塊150。具體地，優(yōu)選地，如圖2中所示，包含在模塊開關(guān)130中的M個開關(guān)對131至136 并聯(lián)連接到包含在電壓傳感模塊140中的電容141。如圖1或2中所示，包含k(k彡2 :k為自然數(shù))個電池的電池模塊的雙向開關(guān)部包括業(yè)個雙向金屬-氧化-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)開關(guān)。以包含在電池模塊中的一個電池為基準(zhǔn)，雙向MOSFET開關(guān)連接到陽極和陰極中的每一端，以形成并聯(lián)電流路徑。參考圖2，將描述模塊開關(guān)130和雙向開關(guān)部的連接。一個電池模塊連接到一個雙向開關(guān)部，一個雙向開關(guān)部連接到包含在模塊開關(guān)130中的一個開關(guān)對。優(yōu)選地，以包含在電池模塊中的電池之中的最下端或最上端電池為基準(zhǔn)，包含在雙向開關(guān)部中的第奇數(shù)個雙向MOSFET開關(guān)的一側(cè)并聯(lián)連接，并連接到開關(guān)對中的一個開關(guān)，且第偶數(shù)個雙向MOSFET開關(guān)的一側(cè)并聯(lián)連接，并連接到同一個開關(guān)對中的另一個開關(guān)。具體地，在包含在雙向開關(guān)部中的雙向MOSFET開關(guān)中，一側(cè)連接到在緊密地串聯(lián)的電池之間的節(jié)點，另一側(cè)連接到開關(guān)對中的一個開關(guān)。包含在同一個雙向開關(guān)部中但不相鄰的雙向MOSFET開關(guān)，彼此并聯(lián)連接，并連接到開關(guān)對的中一個開關(guān)或另一個開關(guān)。開關(guān)對為雙向MOSFET開關(guān)、單向MOSFET開關(guān)或繼電器。如圖2至3中所示，AD轉(zhuǎn)換器142可與微處理器集成在一起，電壓傳感模塊140構(gòu)成為還包括具有電容141以及輸出電壓傳感模塊141'。輸出電壓傳感模塊141'不造成負(fù)載效應(yīng)地讀取在電容141中測得的每個電池的電壓，并將結(jié)果提供給AD轉(zhuǎn)換器142的輸入。圖3為示出了第M個電池模塊的第2個電池的電壓測量或均衡充電的實例的圖。 為了便于理解，圖3并沒有示出整個雙向MOSFET開關(guān)和配備在包含在電池模塊中的電池的每一端的模塊開關(guān)，而僅示出了受控以形成第M個電池模塊的第2個電池(Bm,2)的電流路徑的雙向MOSFET開關(guān)和開關(guān)對，即，其在低阻抗?fàn)顟B(tài)下受控。如圖3中所示，雙向MOSFET開關(guān)(S2、S3)優(yōu)選為低電壓雙向MOSFET開關(guān)，且通過接收微處理器160的導(dǎo)通/截止信號來進行操作。因此，優(yōu)選地，雙向MOSFET開關(guān)(S2J3) 連接到能夠在雙向MOSFET開關(guān)(S2J3)的輸入(即，MOSFET的柵極)中產(chǎn)生導(dǎo)通/截止信號的繼電器，優(yōu)選為電子繼電器。電子繼電器為固態(tài)繼電器或光耦合器，優(yōu)選地包括發(fā)光二極管(rf)和光接收元件(rl)組成，如圖3所示。光接收元件(rl)優(yōu)選為BJT。BJT(rl)接收發(fā)光二極管的光， 以處于低阻抗?fàn)顟B(tài)(導(dǎo)通狀態(tài))。因此，串聯(lián)連接的至少兩個電池(電池組的一部分)的電勢被施加到包含在雙向MOSFET開關(guān)中的MOSFET的柵極上。具體地，如圖3中以虛線箭頭所示的，發(fā)光二極管(r2)通過用于控制雙向開關(guān)部的微處理器160的控制信號來發(fā)光。BJT(rl)通過發(fā)光二極管(rf)的發(fā)光來導(dǎo)通，且導(dǎo)通電壓被施加到包含在雙向MOSFET開關(guān)的MOSFET柵極上。如圖3中所示，用于導(dǎo)通包含在雙向MOSFET開關(guān)中的MOSFET的Vgs (Vgs為以MOSFET的源極電壓為基準(zhǔn)的柵極電壓)為作為電池組的一部分的兩個以上串聯(lián)連接的電池的電勢。圖3中，3個串聯(lián)連接的電池的電勢為MOSFET導(dǎo)通時施加的Vgs。如上所述，電池模塊的部分電壓用作驅(qū)動包含在雙向開關(guān)部中的每個雙向MOSFET開關(guān)的電源。如圖3中所示，包含在雙向開關(guān)部中的雙向MOSFET開關(guān)將電池組的一部分電壓作為電源供應(yīng)裝置使用，并具有這樣的特征通過在柵極配備電子繼電器，進行高可靠性的導(dǎo)通和截止開關(guān)操作。均衡充電模塊150包括DC/DC轉(zhuǎn)換器151，所述DC/DC轉(zhuǎn)換器151將電池組110的整個電壓作為輸入，且其輸出連接到電容141。優(yōu)選地，在DC/DC轉(zhuǎn)換器151的初級和次級
線圈的每一端包括開關(guān)(S。。nvl和S。。nv2)。本發(fā)明的智能可控均衡充電設(shè)備可進一步包括僅用于產(chǎn)生PWM信號的脈沖寬度調(diào)制(PWM)的控制芯片。優(yōu)選地，開關(guān)(S。。nvl、S。。nv2)通過接收可在微處理器160中產(chǎn)生的 PWM信號或由僅用于PWM(未示出)的控制芯片而受控，所述PWM信號以作為每個DC/DC轉(zhuǎn)換器151的導(dǎo)通/截止操作的管理的一部分。當(dāng)使用在微處理器160中產(chǎn)生的PWM信號時， 在驅(qū)動電源開關(guān)上存在局限性，因為在微處理器中產(chǎn)生的PWM信號的電流量有限。因此，優(yōu)選地還包括另外的電路。優(yōu)選地，配備在DC/DC轉(zhuǎn)換器151中的開關(guān)(S。。nvl、S。。nv2)包二極管，所述二極管用于在MOSFET裝置處于截止?fàn)顟B(tài)(即，高阻抗)時，向MOSFET裝置提供相對于MOSFET導(dǎo)通電流相反的電流路徑。將參考圖3對過充或低充平衡電池的放電或充電進行描述。如圖3中所示，當(dāng)微處理器160通過導(dǎo)通雙向MOSFET開關(guān)(S2、S3)而在平衡電池(圖3的中形成并聯(lián)電流路徑，并通過控制模塊開關(guān)而導(dǎo)通包含平衡電池的電池模塊的開關(guān)對時，平衡電池(Bm,2) 和DC/DC轉(zhuǎn)換器151之間形成電流路徑。當(dāng)通過微處理器形成電流路徑之后平衡電池處于低充時，DC/DC轉(zhuǎn)換器151的開關(guān)(s。。nvl)導(dǎo)通，并且DC/DC轉(zhuǎn)換器151的變壓器的初級線圈因整個電池組的電壓而感應(yīng)出電流。其結(jié)果是，相同量的磁能存儲在變壓器中。隨后，當(dāng)DC/DC轉(zhuǎn)換器151的開關(guān)&01^1 截止時，存儲在變壓器中的磁能通過次級線圈和開關(guān)(S。。nJ)的二極管而移動到平衡電池。相反地，當(dāng)需要過充平衡電池放電時，DC/DC轉(zhuǎn)換器151的次級線圈開關(guān)(S。。nv2) 導(dǎo)通，而不是DC/DC轉(zhuǎn)換器151的初級線圈，且存儲在變壓器的次級線圈中的能量移動到初級線圈。其結(jié)果是，平衡電池的過充能量被提供到整個電池組，并形成對電池組的電勢造成影響的能量釋放電路。DC/DC轉(zhuǎn)換器151由具有固定占空比的開關(guān)(S。。nvl、S。。nv2)的操作來操作，以使兩個開關(guān)(S。。nvl、S。。nv2)不能同時導(dǎo)通。如圖3中所示，均衡模塊150的DC/DC轉(zhuǎn)換器可以為反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器，且可使用其他類型的DC/DC轉(zhuǎn)換器。圖4示出了測量電池組110的每個電池的電壓的實例。電壓傳感模塊140包括電容141，用于將電容141的電勢作為輸入并將輸出值提供給微處理器160的AD轉(zhuǎn)換器142， 以及包含在AD轉(zhuǎn)換器142的輸入端并由微處理器160控制的開關(guān)傳感開關(guān)(Sade)。傳感開關(guān)(Sad。)優(yōu)選為高速繼電器。如圖4中電流路徑1和2所示，以電壓傳感模塊140的電容141為基準(zhǔn)，通過使用對位于電池的開關(guān)(即，雙向開關(guān)部和模塊開關(guān))和AD轉(zhuǎn)換器142的開關(guān)(即，傳感開關(guān) (Sadc))之間的電容141的電壓進行采樣的方法，通過可替換地使用與待進行電壓測量的電池(圖4的民)形成電流路徑的雙向開關(guān)部和模塊開關(guān)(即，開關(guān)對)，以及用于在電容141 和AD轉(zhuǎn)換器之間形成電流路徑的傳感開關(guān)(Sadc)，獲取對應(yīng)電池的電壓信息。電池電壓檢測的操作從電池組的最上端電池或最下端電池開始順序地進行。優(yōu)選地，微處理器160通過控制傳感開關(guān)(Sadc)、包含用于控制開關(guān)裝置的阻抗的電子繼電器或柵極光耦合器的雙向開關(guān)部和模塊開關(guān)，順序地測量包含在電池組中的電池的電壓，基于測得的電池電壓計算電池組電壓的平均值，基于計算結(jié)果計算平衡電池列表， 并通過控制包含用于控制開關(guān)裝置的阻抗的電子繼電器或柵極光耦合器的雙向開關(guān)部、模塊開關(guān)和包含在DC/DC轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)(S。。nvl、S。。nv2)，對平衡電池進行充電或放電。使用電容的DC/DC轉(zhuǎn)換器的用于電池的電壓檢測和均衡充電的操作是通過時分進行的。將描述使用根據(jù)本發(fā)明的上述均衡充電設(shè)備進行均衡充電方法。根據(jù)本發(fā)明的均衡充電方法中使用的微處理器、模塊開關(guān)、雙向開關(guān)部、電壓傳感模塊、均衡充電模塊、均衡充電模塊的DC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)、平衡電池、電池的電壓檢測以及平衡電池的充電和放電與那些在根據(jù)本發(fā)明的均衡充電設(shè)備中所描述的類似。根據(jù)本發(fā)明的均衡充電方法包括a)通過微處理器控制模塊開關(guān)和雙向開關(guān)部， 并通過使用電壓傳感模塊測量包含在電池組中的每個電池的電壓；b)以在微處理器中測得的電池電壓的平均值為基準(zhǔn)，選擇作為低充或過充電池的平衡電池；c)通過由微處理器控制雙向開關(guān)部和模塊開關(guān)，將均衡充電模塊與平衡電池連接；以及d)通過在微處理器中操作均衡充電模塊，對平衡電池進行充電或放電。具體地，操作C)和d)包括cl)通過控制雙向開關(guān)部，在平衡電池中形成并聯(lián)電流路徑；^)通過控制模塊開關(guān)，在所形成的并聯(lián)電流路徑和均衡充電模塊之間形成電流路徑；以及dl)通過由微處理器控制包含在DC/DC轉(zhuǎn)換器的初級線圈和次級線圈的每一端的開關(guān)，對平衡電池進行充電或放電，所述DC/DC轉(zhuǎn)換器配備在均衡充電模塊中并將電池組的整個電壓作為輸入或輸出。操作b)中的平衡電池可以為一個以上的過充電池或一個以上的低充電池。當(dāng)平衡電池的數(shù)量為多個時，根據(jù)每個平衡電池重復(fù)操作c)和d)。在操作d)之后，可重復(fù)用于測量包含在電池組中的每個電池的電壓的操作a)。當(dāng)電池組中每個電池的電勢處于與電子充電裝置或電子負(fù)載沒有連接到串聯(lián)連接的電池組的狀態(tài)不同的狀態(tài)時，優(yōu)選地執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的均衡充電方法的操作c)和d)。 然而，即使電子充電裝置或電子負(fù)載連接到串聯(lián)連接的電池組，當(dāng)電流量很大或當(dāng)充入的電流量或放出的電流量很小，以至于連接到整個電池電壓和DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)的DC/DC 轉(zhuǎn)換器的線圈被用作旁路電路時，也可以執(zhí)行操作c)和d)。在操作a)之后，當(dāng)包含在電池組中的每個電池的電勢不同時，可執(zhí)行操作b)、c) 和d)。是否執(zhí)行操作b)、c)和d)是通過執(zhí)行基于操作a)中輸入的電池電壓的值進行預(yù)編程的算法來確定的。具體地，在操作a)中，順序地對包含在電池組中的電池的電壓進行檢測。當(dāng)根據(jù)電池順序而順序地進行檢測時，電壓值被輸入并存儲在微處理器中。隨后，以電池組的平均電壓為基準(zhǔn)，將具有大于參考電壓值的電壓的電池確定為待放電的平衡電池，將具有小于參考電壓值的電壓的電池確定為待充電的平衡電池，以形成平衡電池列表。待充電或放電的電池由平衡電池列表確定，且平衡電池的充電或放電是順序進行的。如基于圖4的裝置所描述的，一種用于對位于電池的開關(guān)(即，雙向開關(guān)部和模塊開關(guān))和AD轉(zhuǎn)換器的開關(guān)(即，傳感開關(guān)(Sad。))之間的電容141的電壓進行采樣方法，通過控制由微處理器可替換地形成的電流路徑而用于包含在操作a)的電池組中的每個電池的電壓檢測，所述電流路徑包括由雙向開關(guān)部和模塊開關(guān)通過微處理器形成的電流路徑， 和由包含在AD轉(zhuǎn)換器的輸入之間的傳感開關(guān)通過微處理器形成的電流路徑。如基于圖3所描述的，在操作b)中產(chǎn)生的平衡電池或平衡電池列表的充電或放電中，通過導(dǎo)通包含平衡電池的電池模塊的開關(guān)對，在平衡電池和DC/DC轉(zhuǎn)換器之間形成電流路徑，所述導(dǎo)通是通過在操作c)中由微處理器在控制雙向開關(guān)部而在平衡電池中形成并聯(lián)電流路徑后再控制模塊開關(guān)而實現(xiàn)的。在操作c)中，在微處理器中形成電流路徑后，通過由微處理器控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的初級和次級線圈的每一端的開關(guān)來進行平衡電池的充電或放電。DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)將連接到初級線圈或次級線圈的電池組或平衡電池的電勢存儲為磁能，并將所述能量轉(zhuǎn)移到連接到次級線圈或初級線圈的平衡電池或電池組。因此，具有以下特征通過單個DC/DC轉(zhuǎn)換器對電池的充電或放電是可選擇地進行的。被充電的平衡電池的充電能量被提供到整個電池組，并對電池組的電勢造成影響。被放電的平衡電池的放電能量被提供到整個電池組，并對電池組的電勢有影響。盡管已經(jīng)就具體的方式、特定的優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明進行了描述，但是顯然本發(fā)明并不限于以上實施例，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可從說明書中進行各種改變和修改。因此，本發(fā)明的構(gòu)思不應(yīng)被解釋為限于這些實例，而是將權(quán)利要求的任何等價物或等同修改、以及權(quán)利要求本身視為落在發(fā)明的構(gòu)思范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于串聯(lián)連接的電池組的智能可控的均衡充電設(shè)備，包括電池模塊，具有串聯(lián)連接的多個電池；電池組，具有串聯(lián)連接的M(M > 2 :M為自然數(shù))個電池模塊；單個電壓傳感模塊，檢測所述電池組中的每個電池的電壓；單個均衡充電模塊，其并聯(lián)連接到所述電壓傳感模塊并對所述電池組中的每個電池執(zhí)行充電或放電；雙向開關(guān)部，其包含在每個電池模塊中，且在所述電池模塊中的每個電池中形成并聯(lián)電流路徑；模塊開關(guān)，其在所述雙向開關(guān)部與所述電壓傳感模塊和所述均衡充電模塊中的至少一個之間形成電流路徑；以及微處理器，通過接收在所述電壓傳感模塊中測得的電壓值來確定電池的充電或放電， 并控制所述雙向開關(guān)部和所述模塊開關(guān)；其中，所述電池組中的每個電池通過所述雙向開關(guān)部和所述模塊開關(guān)共用所述電壓傳感模塊和所述均衡充電模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的均衡充電設(shè)備，其中，包含有k(k> 2 :k為自然數(shù))個電池的所述電池模塊的所述雙向開關(guān)部包括業(yè)個雙向金屬-氧化物-半導(dǎo)體-場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)開關(guān)，且以所述電池模塊中的一個電池為基準(zhǔn)，所述雙向MOSFET開關(guān)分別連接到一個電池的陰極和陽極兩端，以形成所述并聯(lián)電流路徑。
3.如權(quán)利要求2所述的均衡充電設(shè)備，其中，所述模塊開關(guān)包括M個開關(guān)對，且所述M 個開關(guān)對中的ι個開關(guān)對包括連接到一個雙向開關(guān)部的1-1開關(guān)和1-2開關(guān)，且以所述電池模塊中的所述電池之中的最下端或最上端的電池為基準(zhǔn)，所述雙向開關(guān)部的第奇數(shù)個雙向MOSFET開關(guān)的一側(cè)并聯(lián)連接，并連接到所述1-1開關(guān)；第偶數(shù)個雙向 MOSFET開關(guān)的一側(cè)并聯(lián)連接，并連接到所述1-2開關(guān)。
4.如權(quán)利要求3所述的均衡充電設(shè)備，其中，所述M個開關(guān)對分別并聯(lián)連接到所述電壓傳感模塊。
5.如權(quán)利要求1所述的均衡充電設(shè)備，其中，所述雙向開關(guān)部包括多個雙向MOSFET開關(guān)，并且在所述雙向MOSFET開關(guān)導(dǎo)通時所施加的Vgs為作為所述電池組的一部分的兩個以上的串聯(lián)連接的電池的電勢。
6.如權(quán)利要求5所述的均衡充電設(shè)備，其中，電子繼電器包含在所述雙向MOSFET開關(guān)的MOSFET的柵極中。
7.如權(quán)利要求6所述的均衡充電設(shè)備，其中，所述電子繼電器包括發(fā)光二極管和光接收元件，且所述發(fā)光二極管通過用于控制所述雙向開關(guān)部的所述微處理器的控制信號而發(fā)光。
8.如權(quán)利要求1所述的均衡充電設(shè)備，其中，所述電壓傳感模塊包括電容、模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD轉(zhuǎn)換器)和開關(guān)，所述模-數(shù)轉(zhuǎn)換器將所述電容的電勢作為輸入并向所述微處理器提供輸出值，所述開關(guān)包含在所述AD轉(zhuǎn)換器的輸入端并由所述微處理器控制。
9.如權(quán)利要求1所述的均衡充電設(shè)備，其中，所述均衡充電模塊為放電電路、充電電路或包含有源器件和無源器件的充電/放電電路，所述有源器件選自由場效應(yīng)晶體管(FET)、 雙極結(jié)型晶體管(BJT)、繼電器和二極管組成的組；所述無源器件選自由電感、變壓器和電容組成的組。
10.如權(quán)利要求1所述的均衡充電設(shè)備，其中，所述均衡充電模塊包括直流-直流(DC/ DC)轉(zhuǎn)換器，且所述DC/DC轉(zhuǎn)換器包括充電型DC/DC轉(zhuǎn)換器、放電型DC/DC轉(zhuǎn)換器或充電/ 放電型DC/DC轉(zhuǎn)換器。
11.如權(quán)利要求10所述的均衡充電設(shè)備，其中，所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的初級或次級線圈連接到所述電池組的整個電勢上。
12.如權(quán)利要求11所述的均衡充電設(shè)備，其中，控制所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通/截止的開關(guān)包含在所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的初級線圈和次級線圈的每一端中。
13.如權(quán)利要求12所述的均衡充電設(shè)備，其中，所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的所述開關(guān)通過所述微處理器由脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號控制。
14.如權(quán)利要求12所述的均衡充電設(shè)備，其中，所述智能可控均衡充電設(shè)備還包括僅用于生成PWM信號的PWM的控制芯片，且所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)由僅用于PWM的所述控制芯片的所述PWM信號控制。
15.一種使用權(quán)利要求1中限定的所述均衡充電設(shè)備的均衡充電方法，包括在微處理器中控制模塊開關(guān)和雙向開關(guān)部，并通過使用電壓傳感模塊來測量包含在電池組中的每個電池的電壓；在微處理器中，以測得的電池的電壓的平均值為基準(zhǔn)，選擇作為低充或過充電池的平衡電池；通過在所述微處理器中控制所述雙向開關(guān)部和所述模塊開關(guān)，將均衡充電模塊與所述平衡電池連接；以及通過在所述微處理器中操作所述均衡充電模塊，對所述平衡電池執(zhí)行充電或放電。
16.如權(quán)利要求15所述的均衡充電方法，其中，均衡充電模塊與所述平衡電池的所述連接和所述平衡電池的所述充電或放電包括通過控制所述雙向開關(guān)部，在所述平衡電池中形成并聯(lián)電流路徑；通過控制所述模塊開關(guān)，在所形成的并聯(lián)電流路徑和所述均衡充電模塊之間形成電流路徑；通過由微處理器控制開關(guān)，對所述平衡電池執(zhí)行充電或放電，所述開關(guān)包含在配備在所述充電均衡模塊中并將所述電池組的整個電壓作為輸入或輸出的DC/DC轉(zhuǎn)換器的初級線圈和次級線圈的每一端中。
全文摘要
提供了一種用于串聯(lián)連接的電池組的均衡充電設(shè)備及方法，更具體地，是這樣的均衡充電設(shè)備及方法，其通過下述結(jié)構(gòu)有效地進行均衡充電，同時減少整體的復(fù)雜性和體積并降低生產(chǎn)成本包含在電池組中的各個電池共用單個電壓傳感模塊和單個均衡充電模塊；兩級結(jié)構(gòu)的開關(guān)部形成電流路徑，以測量包含在電池組中的各個電池的電壓；并同時，在電池組中形成低充或過充電池的充電或放電路徑；以及具有低耐受電壓的開關(guān)裝置。
文檔編號H02J7/02GK102301560SQ201080006134
公開日2011年12月28日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月30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新技術(shù), 韓國科學(xué)技術(shù)研究院