CN100505471C

CN100505471C - 串联电池组的等化电路

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Publication number: CN100505471C
Application number: CNB2004100018567A
Authority: CN
Inventors: 李俊贤; 林保全
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2004-01-14
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2024-01-14
Also published as: CN1641966A

Abstract

本发明提供一种串联电池组的等化电路，包括：一变压器装置，由复数个相同匝数与相同极性的第一侧线圈组成，第二侧线圈的匝数与该第一侧线圈的匝数和相同，且极性相反；一开关装置，其中每一个开关元件分别与该第一侧线圈的每一线圈串接后与每一个电池并联，当一控制讯号输入时，至少一个开关元件被该控制信号驱动，根据复数个开关元件的导通相互形成一第一次侧线圈及一第二次侧线圈。本发明用以使串联电池组中各个电池皆能均等充电，当串联电池组中某个电池的端电压与其它电池的端电压有所不同时，监控电路会产生高频信号用以驱动开关元件，将端电压较高的电池能量，通过变压器转移到串联电池组中其它电压较低的电池上。

Description

串联电池组的等化电路

技术领域

本发明有关于一种对充电电池电位等化的电路，特别是有关于在充电过程中平衡各电池端电压的等化电路。

背景技术

在电池的应用上常常会需要将多个电池串联使用，如电动机车即需四个铅酸电池串联，电动脚踏车则需两个或三个铅酸电池串联，所以串联电池组在进行充电时，在各电池间的残电量(power residue)，电池容量以及电池特性是否匹配就显得格外重要。另外因为残电量会随着使用次数的增加以及串联电池组的匹配与否而产生差异，再加上残电量难以量测等因素，致使各电池间的端电压差异越来越大，当残电量较多的电池充电时，容易因过度充电而使电池损坏。因此，若串联电池组于充电时能针对单颗电池的状况做适时的监控与调整，使串联电池组中各电池皆能操作于最佳的状态中，例如，让串联电池组各电池间的端电压随时保持平衡，则必能有效地延长电池的使用寿命，这也是充电等化电路存在的目的。

图1为一组典型利用电阻设计的消耗性充电等化电路，其中串联电池组由B1、B2、B3为三个充电电池所组成，I为一定电流源，可对串联电池组充电。如图1所示，电池B1、B2、B3分别与电阻R1、R2、R3及开关元件S1、S2、S3所组成的旁路电路连接，并且还有一电池电压监控电路用来控制等化电路的运作。当串联电池组进行充电时，电池电压监控电路会持续地对B1、B2、B3电池做端电压的监控，在不失一般原则下，今假设电池B1端电压较高，当检测出B1电池的端电压超过B2、B3电池的端电压并超过一定的程度时，则电池电压监控电路会从P1输出一信号驱动开关元件S1，此时B1电池与R1电阻形成一并联状态，故会有一部份的充电电流通过R1，所以流入B1电池的充电电流会较原来少(因为I_B1＝I-I_R1)，而流经B2、B3电池的充电电流则仍然为I，如此可延缓B1电池端电压的上升速率，渐渐地使串联电池组中的各电池电位达到平衡。

上述的电阻式充电等化电路，利用分流电阻来消耗各电池间的电压不平衡所超出的能量，因此，容易使整个电路产生高热，并且此种做法也使总体的电能利用率降低，不符合经济效益。

图2表示了一个利用变压器设计的非消耗性充电等化电路，其电路结构和图1相同，其中仅将电阻改为三组相同且独立的非消耗性返驰(flyback)变压器T1、T2、T3。此外，在电池电压监控电路中，则加入高频信号产生器，而各变压器的第一、二次侧线圈拥有相反的极性和相同的匝数。当B1电池的端电压若超过B2、B3电池的端电压达一定的差时，电池电压检测与控制电路会从P1输出一高频信号，用以驱动开关元件S1持续地做切换的动作，使得变压器T1的第一次侧线圈产生激磁感应电压，藉此将能量传递至第二次侧线圈，并在第二次侧线圈上产生感应电流，此感应电流再经由二极管D1回到充电回路对串联电池组充电，如此同样可延缓电池B1端电压的上升速度，渐渐地使串联电池组中的各电池电位达到平衡，还可将B1电池的多余电量在等化过程中回收并再加以利用。

利用此种非消耗性变压器来做电池电位等化的方法，能够有效地改善消耗性电阻等化电路产生高热，以及电能利用率不佳等问题。但是，一个电池必须对应一组变压器，若应用上需要多个电池串联成电池组时，则多个变压器的体积和重量会使整个电路尺寸及重量增加。

因此，我们需要将非消耗性等化电路做进一步改进，使电路的结构上能更加小型化及弹性化，以求在运用时能达到低热度、高电能利用率、体积小以及重量轻等特点。

发明内容

由前述可知，现有技术中所使用的方法有着产生高热、电能使用率低、体积及重量过大等问题。因此，本发明提供一种串联电池组充电等化电路，其主要目的之一为使串联电池组里的各个电池皆能在最佳的状况下进行充电，确保电池的使用寿命。

本发明另一主要目的在提供一种利用顺向式的能量转换装置，使得在各电池组端电压的等化过程中，将高端电压电池中超出的能量，直接地转移到低端电压的电池上，以达到更快速的等化效果。

另外，本发明还有另一主要目的在于提供一种串联电池组等化电路，可有效地缩小电路上变压器的总体积，大幅降低整个电路的尺寸与重量。

为达上述目的，本发明提供的一种电压等化电路，包括：

一变压器装置，其由一第一侧线圈与一第二侧线圈所组成，该第一侧线圈由复数个相同匝数与相同极性的线圈所组成，该第二侧线圈的匝数与该第一侧线圈的匝数和相同，且该第一侧线圈与该第二侧线圈的极性相反；

一开关装置，由复数个开关元件所组成，该复数个开关元件的每一个分别与该第一侧线圈中的每一线圈串接于同极性点，且该复数个开关元件同时导通；

复数个第一导通元件，其中该复数个第一导通元件的每一个分别与该复数个开关元件的每一个并联；

一第二导通元件，与该第二侧线圈串联；其中

该复数个开关元件的每一个与该第一侧线圈的每一线圈串接于同极性点后再与复数个串联电池中的每一电池并联，且当一控制信号输入该电压等化电路时，该复数个开关元件被该控制信号驱动，该第一侧线圈中的该复数个线圈根据该复数个开关元件的同时导通相互形成一第一次侧线圈及一第二次侧线圈。

为达上述目的，本发明还提供一种串联电池组的充电等化电路，包括：

一串联电池组装置，由复数个电池串联所形成，其一端与一电流源电性地耦合，另一端则接于电流源负端；

一电池电压监控装置，具有复数个高频信号输出端点以及复数个输入点，其中该复数个输入点分别与该复数个电池电性地耦合；

一电压等化电路，包括：

一变压器装置，其由一第一侧线圈与一第二侧线圈所组成，该第一侧线圈由复数个相同匝数与相同极性的线圈串接所形成，该第二侧线圈的匝数与该第一侧线圈的匝数和相同，且该第一侧线圈与该第二侧线圈的极性相反；

一开关装置，由复数个开关元件所组成，每一开关元件分别与该第一侧线圈的每一线圈串接于同极性点后再与该复数个电池中的每一电池并联，每一开关元件均与该复数个高频信号输出端点相耦接；

复数个第一导通元件，其中每一个第一导通元件分别与该复数个开关元件的每一开关元件并联；及

一第二导通元件，与该第二侧线圈串联；

其中该复数个开关元件被该电池电压监控装置的高频信号驱动时，该第一侧线圈中的该复数个线圈根据该复数个开关元件的同时导通相互形成一第一次侧线圈及一第二次侧线圈。

附图说明

图1为消耗性串联电池组充电均衡器的电路图。

图2为非消耗性串联电池组充电均衡器的电路图。

图3为本发明具体实施例的架构方块示意图。

图4为本发明具体实施例的电路图。

图5为本发明具体实施例的电路图。

图中符号说明：

301 串联电池组与充电电路示意图

302 电池电压监控电路示意图

303 电压等化电路示意图

311 电池电压检测路径

312 电压等化电路驱动路径

313 电池电压等化路径

401 串联电池组与充电电路

402 电池电压监控电路

403 电压等化电路

501 电压等化电路的第一线路

502 电压等化电路的第二线路

503 电压等化电路的第三线路

504 电压等化电路的第四线路

505 电压等化电路的第五线路

506 电压等化电路的第六线路

511 串联电池组与充电电路的第一线路

512 串联电池组与充电电路的第二线路

513 串联电池组与充电电路的第三线路

514 串联电池组与充电电路的第四线路

I 定电流源

I_B1 流经串联电池组的电流

I_R1 流经消耗电阻的电流

B1 串联电池组的第一电池

B2 串联电池组的第二电池

B3 串联电池组的第三电池

B4 串联电池组的第四电池

R1 第一消耗电阻

R2 第二消耗电阻

R3 第三消耗电阻

S1 第一开关晶体管

S2 第二开关晶体管

S3 第三开关晶体管

S4 第四开关晶体管

P1 等化电路驱动信号第一输出端

P2 等化电路驱动信号第二输出端

P3 等化电路驱动信号第三输出端

P4 等化电路驱动信号第四输出端

T 电压等化电路的变压器

T1 返驰式电压等化电路的第一变压器

T2 返驰式电压等化电路的第二变压器

T3 返驰式电压等化电路的第三变压器

N1 电压等化电路中变压器的第一线圈

N2 电压等化电路中变压器的第二线圈

N3 电压等化电路中变压器的第三线圈

N4 电压等化电路中变压器的第四线圈

Nk 电压等化电路中变压器的铁心消磁线圈

D1 第一二极管

D2 第二二极管

D3 第三二极管

D4 第四二极管

Dk 铁心消磁二极管

VD1 电池电压检测第一输入端

VD2 电池电压检测第二输入端

VD3 电池电压检测第三输入端

VD4 电池电压检测第四输入端

VD5 电池电压检测第五输入端

TS1 电压等化电路的高频信号第一输出端

TS2 电压等化电路的高频信号第二输出端

TS3 电压等化电路的高频信号第三输出端

TS4 电压等化电路的高频信号第四输出端

具体实施方式

以下对本发明在电路方面的描述，并不包括充电等化电路的完整结构。本发明所沿用的技术，在此仅做重点式的引用，以助本发明的阐述。并且下述内文中相关附图并未依比例绘制，其作用仅在表现本发明的结构特征。

本发明包括一变压器装置，其由一第一侧线圈与一第二侧线圈所组成，该第一侧线圈由复数个相同匝数与相同极性的线圈所组成，该第二侧线圈的匝数与该第一侧线圈的匝数和相同；及一开关装置，由复数个开关元件所组成，该每一开关元件均与该第一线圈的该复数个线圈相耦接于同极性点，其中该复数个开关经一控制信号同时被导通时，该第一次侧线圈中的该复数个线圈相互形成一第一次侧线圈及一第二次侧线圈。

图3为本发明的充电等效电路的一具体实施例的功能方块示意图。方块301包含一串联电池组以及充电电路，在进行充电的过程中，串联电池组中各电池的端电压经由线路311与方块302中的电池电压监控电路连接，以便随时监测各电池端电压的差距是否正常。当各电池端电压的差距正常时，让方块301维持正常充电作业。但当各电池端电压的差距有异常时，即串联电池组中的某一电池的端电压太高或太低时，则方块302中的电池电压监控电路通过线路312提供一高频信号来驱动方块303里的等化电路，并经由线路313对方块301的串联电池组各电池进行电压等化的操作。此时，方块302仍然通过线路311监测着方块301中串联电池组各电池的端电压。当发现各电池端电压的差距仍是异常的，则持续透提供高频信号并过线路312驱动方块303，以持续对串联电池组各电池端电压做等化操作。但当各电池端电压的差距已回复正常时，则方块302中的电池电压监控电路中止线路312上的高频信号，以停止方块301的等化动作，使电路回到正常的充电模式。

图4为本发明的充电等效电路之一具体实施例的电路示意图。方块401由一电流源及复数个电池所组成的串联电池组，在本实施例中的电流源(I)为一定电流源，而复数个电池串联所组成的电池组，在本实施例中则以四个电池(B1、B2、B3、B4)为例来串联而成。电流源I的正极与电池B1的正极连接，负极与电池B4的负极相耦接。方块402为一电池电压监控电路，在本实施例中，其可为一微控制器(Micro-Controller)，其具有五个输入端VD1、VD2、VD3、VD4、VD5分别用来监测方块401中的电池B1、B2、B3、B4的个别端电压，以及具有四个输出端TS1、TS2、TS3、TS4分别为方块403中的开关元件(例如：场效晶体管三端元件)的驱动讯号，并可输出高频信号来个别控制开关元件S1、S2、S3、S4；或是只有一个驱动信号输出端，可同时驱动开关元件S1、S2、S3、S4。方块403为一等化电路，在本实施例中的等化电路包括一个变压器T、四个完全相同的高频开关元件S1、S2、S3、S4，以及五个用来构成回路且完全相同的二端元件D1、D2、D3、D4、Dk(例如，此二端元件可为一二极管或是场效晶体管内部寄生的二极管)，在该实施例中，该二端元件D1、D2、D3、D4为第一导通元件，该Dk为第二导通元件与第二侧线圈相接，其中，当第一导通元件为二端元件时，第一、第二导通元件相同；其中变压器T里的线圈N1、N2、N3、N4的匝数和极性方向皆相同(例如：图4中打点处为正极，未打点处为负极)，且线圈N1、N2、N3、N4可以依据开关元件的导通来互为形成第一、二次侧线圈，因而称变压器T为一顺向式变压器。而顺向式变压器的另一侧的线圈Nk的匝数，则可视串联电池组的电池个数而定。以本实施例而言，电池数有四个，因此有相应的4个线圈N1、N2、N3、N4，故线圈Nk的匝数为线圈N1匝数的四倍，而线圈Nk的极性方向和线圈N1相反。

如图4所示，在正常充电情况下，电池电压监控电路402是不会送出高频信号，因此，开关S1、S2、S3、S4的栅极(Gate)皆无触发信号，故开关S1、S2、S3、S4皆处于截止(OFF)状态，此时等化电路403是呈现静止的状态，亦即不会有任何的电流流通。因此，定电流源I所提供的电流会全数通过串联电池组做充电的动作。当电池电压监控电路402监测出串联电池组内电池(例如B1)的端电压超出其它电池(例如：B2、B3、B4)的端电压达设定标准(如0.3伏特)时，则TS1会送出一高频信号至电池B1所对应的开关S1的栅极，以驱动开关S1。在本实施例中，以脉冲宽度调变信号(Pulse-Width-Modulated，PWM)来作为此高频信号，因此，可高速切换开关S1导通与截止。

由上述可知，当开关S1驱动后，变压器T即形成为顺向式变压器，此时的线圈N1成为变压器T的第一次侧线圈，而线圈N2、N3、N4会立即受感应而成为变压器T的第二次侧线圈。因此，线圈N2所产生的感应电流会自正极流出，并流入电池B2的正极对电池B2充电，再由电池B2的负极流出并导通二极管D2，以构成一回路；电池B2的充电电流为定电流源I以及线圈N2所产生的感应电流的和。如此，便可达到将电池B1所超出的电压对电池B2进行充电的目的，使得电池B2的充电速度加快。此外，亦可经由对脉冲宽度调变信号(Pulse-Width-Modulated，PWM)的责任周期的控制，来调整感应电流的强度信号，同样可以达到充电速度加快的目的。

同理，线圈N3、N4也会产生感应电流来分别对电池B3、B4进行充电。同样可增加B3、B4电池的充电效果。因此，经由本发明的顺向变压器的操作，不但能充分利用B1电池所多出的能量来增加其余电池的充电效果，同时也可抑制电池B1的充电速度，使各电池端电压间的差距能快速地缩短。当然，只要是串联电池组中的任一个或是一个以上的电池端电压发生异常，则等化电路403皆会抽取这些异常电池中的电流来对其它电池进行充电。另外，当快速切换中的开关在截止时，则原存于变压器T内的激磁能量会经由线圈Nk与二极管Dk回流至电池组中，因此，同样有助于串联电池组的充电，但最主要是可为变压器T的铁心消磁，此乃了解变压器原理技艺者所熟悉的现象。

延续此实施例，在电压等化电路403运作的过程中，若电池电压监控电路302监测到串联电池组中电池B1与其它电池的端电压的差距已回复至设定范围以下，则会停止自TS1输出脉冲宽度调变信号(Pulse-Width-Modulated，PWM)，此时开关S1回复截止状态，电压等化电路停止运作，只剩定电流源I依然对电池B1、B2、B3、B4进行正常的充电动作。

图5为本项发明的充电等效电路的另一具体实施例。当充电等化电路上有四组等化回路且串联电池组中仅有三个电池B1、B2、B3时，此时只需将线路501和线路511连接、线路503和线路511连接、线路504和线路512连接、线路505和线路513连接、线路506和线路514连接，而将线路502空接(floating)，则电路即可照上述方式正常运作。同理，当串联电池组中仅有两个电池B1、B2时，则可将线路501和线路511连接、线路504和线路511连接、线路505和线路512连接、线路506和线路513连接，而将线路502、503及514空接即可达成上述的操作。因此，本发明的等化电路，可经由线路不同的连接方式。而可选择地对不同数量的电池组进行电池电位等化，故将有助于充电等化电路的模块化及增加应用的范围。

串联电池组可运用于电动脚踏车、电动摩托车、电动汽车及其它以电池作为能源的设备器具，利用本项发明灵活弹性的特点可轻易地运用在任何的设备上，而本项发明的充电及等化功能更可使串联电池组保持在最佳状况的下运作进而增加其使用效率及使用年限。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利权利；同时以上的描述，对于熟知本技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的申请专利范围中。

Claims

1.一种电压等化电路，包括：

一第二导通元件，与该第二侧线圈串联；其中

2.如权利要求1所述的电压等化电路，其中该复数个开关元件为一三端元件。

3.如权利要求2所述的电压等化电路，其中该三端元件为一金属氧化物半导体场效应晶体管。

4.如权利要求1所述的电压等化电路，其中该第一导通元件为一二端元件。

5.如权利要求4所述的电压等化电路，其中该二端元件为一二极管元件。

6.如权利要求1所述的电压等化电路，其中该第二导通元件与该第一导通元件相同。

7.如权利要求1所述的电压等化电路，其中该第一导通元件为MOSFET内部寄生元件。

8.一种串联电池组的充电等化电路，包括：

一电压等化电路，包括：

一第二导通元件，与该第二侧线圈串联；

9.如权利要求8所述的串联电池组的电压等化电路，其中该复数个开关元件为一三端元件。

10.如权利要求9所述的串联电池组的电压等化电路，其中该三端元件为一金属氧化物半导体场效应晶体管。

11.如权利要求8所述的串联电池组的电压等化电路，其中该第一导通元件为一二端元件。

12.如权利要求11所述的串联电池组的电压等化电路，其中该二端元件为一二极管元件。

13.如权利要求8所述的串联电池组的电压等化电路，其中该第二导通元件与该第一导通元件相同。

14.如权利要求8所述的串联电池组的电压等化电路，其中电池电压监控装置的所输出的复数个该高频信号为一脉冲宽度调变信号PWM。

15.如权利要求8所述的串联电池组的电压等化电路，其中电池电压监控装置为一微控器。