CN102301560A - 用于串联连接的电池组的均衡充电设备及方法 - Google Patents

用于串联连接的电池组的均衡充电设备及方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于串联连接的电池组的均衡充电设备及方法，更具体地，是这样的均衡充电设备及方法，其通过下述结构有效地进行均衡充电，同时减少整体的复杂性和体积并降低生产成本：包含在电池组中的各个电池共用单个电压传感模块和单个均衡充电模块；两级结构的开关部形成电流路径，以测量包含在电池组中的各个电池的电压；并同时，在电池组中形成低充或过充电池的充电或放电路径；以及具有低耐受电压的开关装置。

Description

用于串联连接的电池组的均衡充电设备及方法
技术领域
本发明涉及一种用于串联连接的电池组的均衡充电设备及方法，更具体地，涉及这样的均衡充电设备及方法：通过包含在电池组中的各个电池共用单个电压传感模块和单个均衡充电模块的结构，有效地进行均衡充电，同时减少整体的复杂性和体积并降低生产成本。
背景技术
在例如使用锂离子单元电池(cell)作为动力源的混合动力汽车中，高于单元电池(cell)的基本电势的电势是必要的，通常使用串联连接的多个单元电池。然而，即使电池是使用相同的阳极、阴极和电解质经由传统的制造方法制得的具有相同的结构，串联连接的每个电池之间存在充电或放电(以及自放电)特性上的差异。
因此，当使用串联连接的电池时，单元电池间可能存在电势差。即使串联连接的单位电池中的一个电池不管其他电池的电势如何而完全放电，电池也需要再次充电。再次充电时，由于电池的电势彼此不同，由于电池可能预先达到规定电压而存在过充问题，此外，即使在存在过充时由于一些电池可能无法达到规定电压，还存在充电效率低的问题。
另外，充电/放电次数增多时，包含在电池里的物质发生的老化，使得电池特性改变，其结果是这样的老化情况进一步增加了各个电池间的差异。
为了解决这样的问题，提出了各种可实现串联连接的电池的均衡充电设备。
作为一个实例，公开号为2008-0080864的韩国专利涉及一种***，其根据由用于测量很多电池中的每个电池的电压的传感单元测得的多个电池电压来检测有电池平衡需求的至少一个第一电池；基于根据车辆的操作模式的另一个方法，在至少一个第一电池上执行电池平衡；以及通过处于电池平衡的开关模块来共用单个电池平衡驱动单元。公开号为2006-0078967的韩国专利涉及一种***，其防止由电压检测单元的温度和老化引起的错误，并检测精确的电池电压，所述***包括：多个电池；连接到每个电池的多个电池继电器；包含放大器的电压检测单元；用于测量温度的传感单元；以及微控制器单元(MCU)。所述***的特征在于各个电池通过电池继电器共用单个电压检测单元。
公开号为2003-0096978的韩国专利包括多个单元电池、充电装置、放电装置和串-并转换开关。相关技术涉及一种***，其用于在对每个单元电池均衡放电后通过使用串-并转换开关连接已放完电的单元电池来进行充电。公开号为2007-0064244的韩国专利涉及一种***，其包括：电池单元；场效应管，其连接到电池单元；放大单元，其连接到场效应管；多路复用单元，控制放大单元的输出信号；比较单元，对电池单元的电压信号的变化进行比较和判断；模-数(A/D)转换单元，将比较单元的输出信号转换为数字信号；微处理单元，接收A/D转换单元的信号输出并输出对应于充电/放电条件的信号；开关单元，通过根据微处理单元的信号工作来提供电池平衡电流；以及公知的充电/放电电路。
专利申请案公开号为2008-196869的日本专利涉及一种***，其具有以下特征：电容连接到包含并联的多个电池的组件电池中的每个电池，且每个电容的电压通过一个接电容的开关单元和另一个接地的开关单元而依次连接到电压检测装置。专利申请案公开号为2005-0284297的日本专利涉及一种***，包括：组件电池，其包括多个电池；采样开关，用于采样每个电池的电压；电容，用于检测每个电池的电压；传送开关，用于将充入的充电电压传送到电容；地电势设置开关，用于将参考电势连接到电压检测装置的地端子，以检测充入电容中的电压；以及电压检测控制装置，用于控制每个开关并接收电容的电压。专利申请案公开号为1998-032936的日本专利涉及一种***，其包括：多个单元电池；用于检测每个单元电池的剩余容量的装置；充放电交换装置，用于进行每个单元电池的充电和放电；控制器，用于分别控制每个单元电池的充电和放电；以及直流-直流(DC/DC)转换器，分别进行每个单元电池的充电和放电。专利申请案公开号为2004-194410的日本专利涉及一种***，其包括：至少两个的单元电池组；用于检测流过第一电池组和第二电池组中的每一个的电流间的差异的装置；用于基于电流差异来控制电池组的充电/放电电流的装置。
然而，在现有的均衡充电设备中，由于串联连接的每个电池都配备有均衡充电设备或电压传感设备以进行各个电池的充电或放电，因此具有这样的局限性：均衡充电设备的复杂性和体积增加，由此降低了生产率并增加了生产成本，且用于控制每个部件并形成电流路径的装置会承受高电压应力。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于提供一种用于进行有效的均衡充电，同时减少对串联连接的电池组进行均衡充电的均衡充电设备的复杂性和体积的均衡充电设备及方法，并提供可以使用通过减少用于控制均衡和操作的元件的电压应力而具有低耐受电压的装置的均衡充电设备及方法。
对问题的解决方案
在一个通用方面，用于串联连接的电池组的智能可控的均衡充电设备，包括：电池模块，具有串联连接的多个电池；电池组，具有串联连接的M(M≥2：M为自然数)个电池模块；单个电压传感模块，检测所述电池组中的每个电池的电压；单个均衡充电模块，其并联连接到所述电压传感模块并对所述电池组中的每个电池进行充电或放电；双向开关部，其包含在每个电池模块中，且在所述电池模块的每个电池中形成并联电流路径；模块开关，其在所述双向开关部与所述电压传感模块和均衡充电模块中的至少一个之间形成电流路径；以及微处理器，通过接收在所述电压传感模块中测得的电压值并控制所述双向开关部和所述模块开关，来确定电池的充电或放电；其中电池组中的每个电池通过c和所述模块开关来共用所述电压传感模块和所述均衡充电模块。
包含k(k≥2：k为自然数)个电池的所述电池模块的所述双向开关部可包括2k个双向金属-氧化物-半导体-场效应晶体管(MOSFET)开关，且所述双向MOSFET开关以所述电池模块中的一个电池为基准，分别连接到一个电池的阴极和阳极两端，以形成并联电流路径。
如上所述，由于根据本发明的所述双向开关部包含在每个电池模块中，如果电池组具有串联连接的M(M≥2：M为自然数)个电池模块，则包括M个双向开关部。所述电池模块的所述双向开关部表示一个双向开关部对应于一个电池模块，更具体地，一个双向开关部在一个电池模块的每个电池上形成并联电流路径。
所述模块开关可包括M个开关对，且所述M个开关对中的1个开关对可包括连接到一个双向开关部的1-1开关和1-2开关，且以所述电池模块的电池之中的最下端或最上端的电池为基准，所述双向开关部的第奇数个双向MOSFET开关的一侧可并联连接并可连接到所述1-1开关；第偶数个双向MOSFET开关的一侧可并联连接并可连接到所述1-2开关。
如果电池组具有M(M≥2：M为自然数)个串联连接的电池模块，则根据本发明的均衡充电设备可包括按每个电池模块而包含的M个双向开关部以及包含所述M个开关对的模块开关。所述模块开关的开关对可根据每个模块而连接一个对应于一个模块的双向开关部，并且所述单个电压传感模块和所述均衡充电模块并联连接。
所述M个开关对可分别并联连接到所述电压传感模块。
具体地，所述双向开关部可包括多个双向MOSFET开关，在所述双向MOSFET开关导通时所施加的Vgs为作为所述电池组的一部分的、两个以上的串联连接的电池的电势。所述双向MOSFET开关的MOSFET的栅极中可以包含一个电子继电器。
所述电子继电器可包括发光二极管和光接收元件，且所述发光二极管通过用于控制所述双向开关部的微处理器的控制信号而发光。
所述电压传感模块可包括电容、模-数转换器(AD转换器)和开关；所述模-数转换器将所述电容的电势作为输入并向所述微处理器提供输出值；所述开关包含在所述AD转换器的输入端并由所述微处理器控制。
具体地，包含在所述AD转换器的输入端的所述开关包含在所述AD转换器和所述电容之间，且由所述微处理器控制，以将所述电容的电势输入所述AD转换器。
所述均衡充电模块可以为放电电路、充电电路或包含有源器件和无源器件的充电/放电电路，所述有源器件选自由场效应晶体管(FET)、双极结型晶体管(BJT)、继电器和二极管组成的组；所述无源器件选自由电感、变压器和电容组成的组。
所述均衡充电模块可包括直流-直流(DC/DC)转换器，且所述DC/DC转换器包括充电型DC/DC转换器、放电型DC/DC转换器或充电/放电型DC/DC转换器。
优选地，所述DC/DC转换器的初级或次级线圈可连接到所述电池组的整个电势上。充电时，电池的充电对所述电池组的整个电势有影响。放电时，从电池放出的电势对所述电池组的整个电势有影响。
用于控制所述DC/DC转换器的导通/截止的开关可包含在所述均衡充电模块的所述DC/DC转换器的初级线圈和次级线圈的每一端。通过控制初级线圈和次级线圈的每一端的开关，可通过所述单个DC/DC转换器随意地进行电池的充电或放电。
所述DC/DC转换器的开关可通过所述微处理器由脉冲宽度调制(PWM)信号控制。
在一个通用方面，一种利用所述均衡充电设备的均衡充电方法，包括：通过微处理器控制模块开关和双向开关部，并通过使用电压传感模块测量包含在电池组中的每个电池的电压；在微处理器中，以测得的电池的电压的平均值为基准，选择作为低充或过充电池的平衡电池；通过由微处理器控制所述双向开关部和所述模块开关，将均衡充电模块与所述平衡电池连接；以及在微处理器中，通过操作所述均衡充电模块，对所述平衡电池进行充电或放电。
具体地，所述均衡充电模块与所述平衡电池的连接和所述对平衡电池进行的充电或放电可包括：通过控制所述双向开关部，在所述平衡电池中形成并联电流路径；通过控制所述模块开关，在所形成的并联电流路径和所述均衡充电模块之间形成电流路径；以及，通过由微处理器控制开关，对所述平衡电池进行充电或放电，所述开关包含在配备在所述充电均衡模块中并将所述电池组的整个电压作为输入或输出的DC/DC转换器的初级线圈和次级线圈的每一端。
发明的有益效果
本发明的均衡充电设备和方法有效地减少了均衡充电设备的复杂性和体积，并通过显著地减少用于均衡充电的构成元件，降低了生产成本，这些由以下特征实现：将整个电池划分为模块；在每个电池中形成并联电流路径的双向开关部是根据每个电池模块而包含在一个模块中的；以及电池组中的每个电池通过两级开关结构共用电压传感模块和均衡充电模块，所述两级结构为：包括个别的电池模块，和在电压传感模块和均衡充电模块之间形成电流路径的模块开关，其位于双向开关部的后端。通过显著地减少被包含以通过按每个电池模块来配备的双向开关部和模块开关的两级结构而形成电流路径的开关的电压应力，可使用具有低耐受电压的低压开关。由于电路被划分为每个电池模块，易于实现电路，能够有效地应对电路的损伤，且在设计上具有高灵活性。
附图说明
通过结合附图给出的优选实施例的以下描述，本发明的上述和其他目的、特征以及优点将变得明显，其中：
图1为示出了依据本发明的一个实施例的均衡充电设备的图。
图2为示出了依据本发明的另一个实施例的均衡充电设备的图。
图3为示出了依据本发明的一个实施例的均衡充电设备的第M个电池模块的第K个电池的电流路径的图。
图4为依据本发明的又一个实施例的均衡充电设备的图。
【主要元件的详细描述】
110：电池组      111～116：电池模块
121～126：双向开关部
130：模块开关
131～136：开关对 140：电压传感模块
150：均衡充电模块
160：微处理器    141：电容
141′：输出电压传感模块
142：AD转换器    151：DC/DC转换器
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的均衡充电设备及方法进行详细描述，其将在下文中进行陈述。下面引入的附图是为向本领域的技术人员充分传达本发明的思想而作为实例提供的。因此，本发明并不由下面引入的附图限定，而是能够以别的形态具体化。而且，在整个说明书中相同的参考标记表示相同的构成元件。
除非另外定义，在此使用的包含技术和科学用语的所有用语，具有所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义。在以下的描述和附图中，将省略可能不必要地使本发明的要旨模糊的已知功能和结构。
图1为示出了根据本发明的用于串联连接的电池组的智能可控均衡充电设备。将具有串联连接的多个电池的电池组110(B1，1至B1，k)划分为具有两个以上串联连接的电池的多个电池组111、112和113。图1中示出的电池组总共包括M(M≥2)个电池模块111、112和113。图1示出了包含在每个电池模块111、112和113中的串联的电池数量为k(k≥2)的情况。在图1中，当一个电池包含在第i(i为≥1的自然数)个模块中，并以第i个模块的最上端电池为基准而位于第j(j为≥1的自然数)个模块中时，包含在该电池组中的电池标记为Bi，j。虽然图1示出了包含在每个电池模块111、112、113中的电池数均为相同的k个(B1，k、B2，k、BM，k)的情况，但是每个模块中的电池数可以根据电池模块而互不相同。
每个电池模块111、112和113包括根据每个电池模块的双向开关部121、122和123。双向开关部121在包含在电池模块111中的每个电池(B1，1至B1，k)上形成并联电流路径。可选择地，包含在双向开关部121、122和123的后端中的模块开关130分别向电池模块111、112和113的对应的双向开关部121、122和123提供电流路径。包含在电池组110中的一个电池(例如，B2，2)通过双向开关部和模块开关而连接到单个传感模块140和单个均衡充电模块150。
单个电压传感模块140测量具有通过双向开关部121、122和123以及模块开关130形成的电流路径的电池的电压，并向微处理器160提供测量值。单个均衡充电模块150对具有通过双向开关部121、122和123以及模块开关130形成的电流路径的电池进行充电或放电。优选地，电压传感模块140和均衡充电模块150并联连接。
如上所述，包含在电池组110中的所有电池共用单个电压传感模块140和单个均衡充电模块150。通过双向开关部和模块开关，电流路径可选择地形成在包含在电池组110中的一个电池与单个电压传感模块140和单个均衡充电模块150中的至少一个之间。
电压传感模块140优选地包括电容，且均衡充电模块150可以为放电电路、充电电路或充电/放电电路，该充电/放电电路包括：选自由场效应晶体管(FET)、双极结型晶体管(BJT)、继电器和二极管组成的组的有源器件；以及选自由电感、变压器和电容组成的组的无源器件，或直流-直流(DC/DC)转换器；或可以为放电电路、充电电路或充电/放电电路，该充电/放电电路包括：DC/DC转换器，优选为具有用于控制在初级线圈和次级线圈的每一端的DC/DC转换器的操作的开关。
双向开关部121、122和123以及模块开关130在电池组110中形成低充或过充电池的充电或放电路径，同时形成用于测量包含在电池组110中的每个电池的电压的电流路径。
因此，包含在电池组110中的电池共用单个电压传感模块140和单个均衡充电模块150。单个电压传感模块140和充电均衡模块150共用双向开关部121、122和123，以及模块开关130。
图1中的虚线箭头表示控制信号。微控制器160接收在电压传感模块140中测得的电压值，确定电池的充电或放电，并控制双向开关部121、122和123以及模块开关130。
具体地，微处理器160接收在电压传感模块140中测得的电压，计算电池组110的平均电压，基于电池组110的平均电压来确定作为待充电或放电的电池的平衡电池，并控制双向开关部和模块开关130，以在平衡电池与均衡充电模块150之间形成电流路径。具体地，微处理器160通过控制包含平衡电池的电池模块的对应的双向开关部，在平衡电池中形成并联电流路径；以及通过控制模块开关130，在均衡充电模块150与包含平衡电池的电池模块的双向开关部之间形成电流路径。
微处理器160通过控制双向开关部121、122和123以及模块开关130，顺序地接收包含在电池组110中的电池的电压；计算电池组110的平均电压；并基于电池组110的平均电压，确定一个以上的平衡电池。微处理器160计算一待放电的过充平衡电池列表、一待充电的低充平衡电池列表或待充电的平衡列表和待放电的平衡列表，并顺序地测量包含在电池组110中的电池的电压。接着，微处理器160根据平衡电池的列表来控制双向开关部121、122和123以及模块开关130，并通过使用均衡充电模块150进行一次以上的，即包含在平衡电池的列表中的电池数，充电或放电。
另外，如图1所示，微处理器160控制均衡充电模块150的导通/截止操作，并控制电压传感模块140的检测操作。优选地，电压传感模块140包括电容141和模-数转换器(AD转换器)142。电压传感模块140通过电容141测量包含在电池组110中的各个电池的电压，并向微处理器160提供通过使用AD转换器142而转换为数字值的各个电池的电压，所述AD转换器142用于将作为模拟值的电容141的电压转换为数字值。
图1的主要单元包括电压传感模块140、均衡充电模块150和微处理器160。优选地，如图2中所示，电压传感模块包括电容141和AD转换器142，且均衡充电模块150包括DC/DC转换器151，所述DC/DC转换器151进行电池的充电或放电，或电池的充电和放电。
存在这样的特征：DC/DC转换器151的初级线圈或次级线圈连接到电池组110的整个电压上。
基于图1所描述的电压传感模块140和均衡充电模块150的并联连接优选地具有这样的结构：DC/DC转换器151的初级和次级线圈之中，没有连接到电池组110的整个电压上的那个线圈并联连接到包含在电压传感模块140中的电容141上。
如图1中所示，模块开关130包括多个作为一对开关的开关对131、132和133。例如，一个开关对132控制是否在电池模块112的双向开关部122与电压传感模块140和均衡充电模块150中的至少一个之间形成电流路径。因此，当将电池组110划分为M个电池模块时，模块开关130包括M个开关对131、132和133，且每个开关对131、132和133向电池模块的对应的双向开关部提供电流路径。
如上所述，模块开关130形成每个电池模块的电流路径，并且双向开关部在包含在电池模块中的各个电池中形成并联电流路径。如图1中所示，第M个电池模块113连接到第M个双向开关部123，第M个双向开关部连接到模块开关的第M个开关对133，以形成包括图1中的多个模块，即，模块1、模块2和模块M，包括双向开关部和开关对，的结构。
因此，即使包含在电池组110中的电池数发生变化，通过增加或移除模块1、模块2和模块M，可以容易地改变和扩展装置。而且，由于电路按每个电池模块划分，容易实现电路并有效地应对由装置的老化引起的电路损伤，且在设计上具有高灵活性。
优选地，包含在模块开关130中的M个开关对131、132和133中的每一个并联连接到电压传感模块140，以使包含在电池组中的各个电池共用单个电压传感模块140和单个均衡充电模块150。
具体地，优选地，如图2中所示，包含在模块开关130中的M个开关对131至136并联连接到包含在电压传感模块140中的电容141。
如图1或2中所示，包含k(k≥2：k为自然数)个电池的电池模块的双向开关部包括2k个双向金属-氧化-半导体场效应晶体管(MOSFET)开关。以包含在电池模块中的一个电池为基准，双向MOSFET开关连接到阳极和阴极中的每一端，以形成并联电流路径。
参考图2，将描述模块开关130和双向开关部的连接。一个电池模块连接到一个双向开关部，一个双向开关部连接到包含在模块开关130中的一个开关对。优选地，以包含在电池模块中的电池之中的最下端或最上端电池为基准，包含在双向开关部中的第奇数个双向MOSFET开关的一侧并联连接，并连接到开关对中的一个开关，且第偶数个双向MOSFET开关的一侧并联连接，并连接到同一个开关对中的另一个开关。
具体地，在包含在双向开关部中的双向MOSFET开关中，一侧连接到在紧密地串联的电池之间的节点，另一侧连接到开关对中的一个开关。包含在同一个双向开关部中但不相邻的双向MOSFET开关，彼此并联连接，并连接到开关对的中一个开关或另一个开关。开关对为双向MOSFET开关、单向MOSFET开关或继电器。
如图2至3中所示，AD转换器142可与微处理器集成在一起，电压传感模块140构成为还包括具有电容141以及输出电压传感模块141′。输出电压传感模块141′不造成负载效应地读取在电容141中测得的每个电池的电压，并将结果提供给AD转换器142的输入。
图3为示出了第M个电池模块的第2个电池的电压测量或均衡充电的实例的图。为了便于理解，图3并没有示出整个双向MOSFET开关和配备在包含在电池模块中的电池的每一端的模块开关，而仅示出了受控以形成第M个电池模块的第2个电池(BM，2)的电流路径的双向MOSFET开关和开关对，即，其在低阻抗状态下受控。
如图3中所示，双向MOSFET开关(S2、S3)优选为低电压双向MOSFET开关，且通过接收微处理器160的导通/截止信号来进行操作。因此，优选地，双向MOSFET开关(S2、S3)连接到能够在双向MOSFET开关(S2、S3)的输入(即，MOSFET的栅极)中产生导通/截止信号的继电器，优选为电子继电器。
电子继电器为固态继电器或光耦合器，优选地包括发光二极管(r2)和光接收元件(r1)组成，如图3所示。光接收元件(r1)优选为BJT。BJT(r1)接收发光二极管的光，以处于低阻抗状态(导通状态)。因此，串联连接的至少两个电池(电池组的一部分)的电势被施加到包含在双向MOSFET开关中的MOSFET的栅极上。
具体地，如图3中以虚线箭头所示的，发光二极管(r2)通过用于控制双向开关部的微处理器160的控制信号来发光。BJT(r1)通过发光二极管(r2)的发光来导通，且导通电压被施加到包含在双向MOSFET开关的MOSFET栅极上。如图3中所示，用于导通包含在双向MOSFET开关中的MOSFET的Vgs(Vgs为以MOSFET的源极电压为基准的栅极电压)为作为电池组的一部分的两个以上串联连接的电池的电势。图3中，3个串联连接的电池的电势为MOSFET导通时施加的Vgs。
如上所述，电池模块的部分电压用作驱动包含在双向开关部中的每个双向MOSFET开关的电源。如图3中所示，包含在双向开关部中的双向MOSFET开关将电池组的一部分电压作为电源供应装置使用，并具有这样的特征：通过在栅极配备电子继电器，进行高可靠性的导通和截止开关操作。
均衡充电模块150包括DC/DC转换器151，所述DC/DC转换器151将电池组110的整个电压作为输入，且其输出连接到电容141。优选地，在DC/DC转换器151的初级和次级线圈的每一端包括开关(Sconv1和Sconv2)。
本发明的智能可控均衡充电设备可进一步包括仅用于产生PWM信号的脉冲宽度调制(PWM)的控制芯片。优选地，开关(Sconv1、Sconv2)通过接收可在微处理器160中产生的PWM信号或由仅用于PWM(未示出)的控制芯片而受控，所述PWM信号以作为每个DC/DC转换器151的导通/截止操作的管理的一部分。当使用在微处理器160中产生的PWM信号时，在驱动电源开关上存在局限性，因为在微处理器中产生的PWM信号的电流量有限。因此，优选地还包括另外的电路。
优选地，配备在DC/DC转换器151中的开关(Sconv1、Sconv2)包二极管，所述二极管用于在MOSFET装置处于截止状态(即，高阻抗)时，向MOSFET装置提供相对于MOSFET导通电流相反的电流路径。
将参考图3对过充或低充平衡电池的放电或充电进行描述。如图3中所示，当微处理器160通过导通双向MOSFET开关(S2、S3)而在平衡电池(图3的BM，2)中形成并联电流路径，并通过控制模块开关而导通包含平衡电池的电池模块的开关对时，平衡电池(BM，2)和DC/DC转换器151之间形成电流路径。
当通过微处理器形成电流路径之后平衡电池处于低充时，DC/DC转换器151的开关(Sconv1)导通，并且DC/DC转换器151的变压器的初级线圈因整个电池组的电压而感应出电流。其结果是，相同量的磁能存储在变压器中。随后，当DC/DC转换器151的开关Sconv1截止时，存储在变压器中的磁能通过次级线圈和开关(Sconv2)的二极管而移动到平衡电池。
相反地，当需要过充平衡电池放电时，DC/DC转换器151的次级线圈开关(Sconv2)导通，而不是DC/DC转换器151的初级线圈，且存储在变压器的次级线圈中的能量移动到初级线圈。其结果是，平衡电池的过充能量被提供到整个电池组，并形成对电池组的电势造成影响的能量释放电路。
DC/DC转换器151由具有固定占空比的开关(Sconv1、Sconv2)的操作来操作，以使两个开关(Sconv1、Sconv2)不能同时导通。如图3中所示，均衡模块150的DC/DC转换器可以为反激式DC-DC转换器，且可使用其他类型的DC/DC转换器。
图4示出了测量电池组110的每个电池的电压的实例。电压传感模块140包括电容141，用于将电容141的电势作为输入并将输出值提供给微处理器160的AD转换器142，以及包含在AD转换器142的输入端并由微处理器160控制的开关传感开关(Sadc)。传感开关(Sadc)优选为高速继电器。
如图4中电流路径1和2所示，以电压传感模块140的电容141为基准，通过使用对位于电池的开关(即，双向开关部和模块开关)和AD转换器142的开关(即，传感开关(Sadc))之间的电容141的电压进行采样的方法，通过可替换地使用与待进行电压测量的电池(图4的Bn)形成电流路径的双向开关部和模块开关(即，开关对)，以及用于在电容141和AD转换器之间形成电流路径的传感开关(Sadc)，获取对应电池的电压信息。电池电压检测的操作从电池组的最上端电池或最下端电池开始顺序地进行。
优选地，微处理器160通过控制传感开关(Sadc)、包含用于控制开关装置的阻抗的电子继电器或栅极光耦合器的双向开关部和模块开关，顺序地测量包含在电池组中的电池的电压，基于测得的电池电压计算电池组电压的平均值，基于计算结果计算平衡电池列表，并通过控制包含用于控制开关装置的阻抗的电子继电器或栅极光耦合器的双向开关部、模块开关和包含在DC/DC转换器中的开关(Sconv1、Sconv2)，对平衡电池进行充电或放电。
使用电容的DC/DC转换器的用于电池的电压检测和均衡充电的操作是通过时分进行的。
将描述使用根据本发明的上述均衡充电设备进行均衡充电方法。根据本发明的均衡充电方法中使用的微处理器、模块开关、双向开关部、电压传感模块、均衡充电模块、均衡充电模块的DC/DC转换器、DC/DC转换器的开关、平衡电池、电池的电压检测以及平衡电池的充电和放电与那些在根据本发明的均衡充电设备中所描述的类似。
根据本发明的均衡充电方法包括：a)通过微处理器控制模块开关和双向开关部，并通过使用电压传感模块测量包含在电池组中的每个电池的电压；b)以在微处理器中测得的电池电压的平均值为基准，选择作为低充或过充电池的平衡电池；c)通过由微处理器控制双向开关部和模块开关，将均衡充电模块与平衡电池连接；以及d)通过在微处理器中操作均衡充电模块，对平衡电池进行充电或放电。
具体地，操作c)和d)包括：c1)通过控制双向开关部，在平衡电池中形成并联电流路径；c2)通过控制模块开关，在所形成的并联电流路径和均衡充电模块之间形成电流路径；以及d1)通过由微处理器控制包含在DC/DC转换器的初级线圈和次级线圈的每一端的开关，对平衡电池进行充电或放电，所述DC/DC转换器配备在均衡充电模块中并将电池组的整个电压作为输入或输出。
操作b)中的平衡电池可以为一个以上的过充电池或一个以上的低充电池。当平衡电池的数量为多个时，根据每个平衡电池重复操作c)和d)。
在操作d)之后，可重复用于测量包含在电池组中的每个电池的电压的操作a)。
当电池组中每个电池的电势处于与电子充电装置或电子负载没有连接到串联连接的电池组的状态不同的状态时，优选地执行根据本发明的均衡充电方法的操作c)和d)。然而，即使电子充电装置或电子负载连接到串联连接的电池组，当电流量很大或当充入的电流量或放出的电流量很小，以至于连接到整个电池电压和DC/DC转换器的开关的DC/DC转换器的线圈被用作旁路电路时，也可以执行操作c)和d)。
在操作a)之后，当包含在电池组中的每个电池的电势不同时，可执行操作b)、c)和d)。是否执行操作b)、c)和d)是通过执行基于操作a)中输入的电池电压的值进行预编程的算法来确定的。
具体地，在操作a)中，顺序地对包含在电池组中的电池的电压进行检测。当根据电池顺序而顺序地进行检测时，电压值被输入并存储在微处理器中。随后，以电池组的平均电压为基准，将具有大于参考电压值的电压的电池确定为待放电的平衡电池，将具有小于参考电压值的电压的电池确定为待充电的平衡电池，以形成平衡电池列表。待充电或放电的电池由平衡电池列表确定，且平衡电池的充电或放电是顺序进行的。
如基于图4的装置所描述的，一种用于对位于电池的开关(即，双向开关部和模块开关)和AD转换器的开关(即，传感开关(Sadc))之间的电容141的电压进行采样方法，通过控制由微处理器可替换地形成的电流路径而用于包含在操作a)的电池组中的每个电池的电压检测，所述电流路径包括：由双向开关部和模块开关通过微处理器形成的电流路径，和由包含在AD转换器的输入之间的传感开关通过微处理器形成的电流路径。
如基于图3所描述的，在操作b)中产生的平衡电池或平衡电池列表的充电或放电中，通过导通包含平衡电池的电池模块的开关对，在平衡电池和DC/DC转换器之间形成电流路径，所述导通是通过在操作c)中由微处理器在控制双向开关部而在平衡电池中形成并联电流路径后再控制模块开关而实现的。
在操作c)中，在微处理器中形成电流路径后，通过由微处理器控制DC/DC转换器的初级和次级线圈的每一端的开关来进行平衡电池的充电或放电。
DC/DC转换器的开关将连接到初级线圈或次级线圈的电池组或平衡电池的电势存储为磁能，并将所述能量转移到连接到次级线圈或初级线圈的平衡电池或电池组。因此，具有以下特征：通过单个DC/DC转换器对电池的充电或放电是可选择地进行的。被充电的平衡电池的充电能量被提供到整个电池组，并对电池组的电势造成影响。被放电的平衡电池的放电能量被提供到整个电池组，并对电池组的电势有影响。
尽管已经就具体的方式、特定的优选实施例和附图对本发明进行了描述，但是显然本发明并不限于以上实施例，对本领域的技术人员来说，可从说明书中进行各种改变和修改。
因此，本发明的构思不应被解释为限于这些实例，而是将权利要求的任何等价物或等同修改、以及权利要求本身视为落在发明的构思范围内。

Claims (16)

1.一种用于串联连接的电池组的智能可控的均衡充电设备，包括：
电池模块，具有串联连接的多个电池；
电池组，具有串联连接的M(M≥2：M为自然数)个电池模块；
单个电压传感模块，检测所述电池组中的每个电池的电压；
单个均衡充电模块，其并联连接到所述电压传感模块并对所述电池组中的每个电池执行充电或放电；
双向开关部，其包含在每个电池模块中，且在所述电池模块中的每个电池中形成并联电流路径；
模块开关，其在所述双向开关部与所述电压传感模块和所述均衡充电模块中的至少一个之间形成电流路径；以及
微处理器，通过接收在所述电压传感模块中测得的电压值来确定电池的充电或放电，并控制所述双向开关部和所述模块开关；
其中，所述电池组中的每个电池通过所述双向开关部和所述模块开关共用所述电压传感模块和所述均衡充电模块。
2.如权利要求1所述的均衡充电设备，其中，包含有k(k≥2：k为自然数)个电池的所述电池模块的所述双向开关部包括2k个双向金属-氧化物-半导体-场效应晶体管(MOSFET)开关，且以所述电池模块中的一个电池为基准，所述双向MOSFET开关分别连接到一个电池的阴极和阳极两端，以形成所述并联电流路径。
3.如权利要求2所述的均衡充电设备，其中，所述模块开关包括M个开关对，且所述M个开关对中的1个开关对包括连接到一个双向开关部的1-1开关和1-2开关，且
以所述电池模块中的所述电池之中的最下端或最上端的电池为基准，所述双向开关部的第奇数个双向MOSFET开关的一侧并联连接，并连接到所述1-1开关；第偶数个双向MOSFET开关的一侧并联连接，并连接到所述1-2开关。
4.如权利要求3所述的均衡充电设备，其中，所述M个开关对分别并联连接到所述电压传感模块。
5.如权利要求1所述的均衡充电设备，其中，所述双向开关部包括多个双向MOSFET开关，并且在所述双向MOSFET开关导通时所施加的Vgs为作为所述电池组的一部分的两个以上的串联连接的电池的电势。
6.如权利要求5所述的均衡充电设备，其中，电子继电器包含在所述双向MOSFET开关的MOSFET的栅极中。
7.如权利要求6所述的均衡充电设备，其中，所述电子继电器包括发光二极管和光接收元件，且所述发光二极管通过用于控制所述双向开关部的所述微处理器的控制信号而发光。
8.如权利要求1所述的均衡充电设备，其中，所述电压传感模块包括电容、模-数转换器(AD转换器)和开关，所述模-数转换器将所述电容的电势作为输入并向所述微处理器提供输出值，所述开关包含在所述AD转换器的输入端并由所述微处理器控制。
9.如权利要求1所述的均衡充电设备，其中，所述均衡充电模块为放电电路、充电电路或包含有源器件和无源器件的充电/放电电路，所述有源器件选自由场效应晶体管(FET)、双极结型晶体管(BJT)、继电器和二极管组成的组；所述无源器件选自由电感、变压器和电容组成的组。
10.如权利要求1所述的均衡充电设备，其中，所述均衡充电模块包括直流-直流(DC/DC)转换器，且所述DC/DC转换器包括充电型DC/DC转换器、放电型DC/DC转换器或充电/放电型DC/DC转换器。
11.如权利要求10所述的均衡充电设备，其中，所述DC/DC转换器的初级或次级线圈连接到所述电池组的整个电势上。
12.如权利要求11所述的均衡充电设备，其中，控制所述DC/DC转换器的导通/截止的开关包含在所述DC/DC转换器的初级线圈和次级线圈的每一端中。
13.如权利要求12所述的均衡充电设备，其中，所述DC/DC转换器的所述开关通过所述微处理器由脉冲宽度调制(PWM)信号控制。
14.如权利要求12所述的均衡充电设备，其中，所述智能可控均衡充电设备还包括仅用于生成PWM信号的PWM的控制芯片，且所述DC/DC转换器的开关由仅用于PWM的所述控制芯片的所述PWM信号控制。
15.一种使用权利要求1中限定的所述均衡充电设备的均衡充电方法，包括：
在微处理器中控制模块开关和双向开关部，并通过使用电压传感模块来测量包含在电池组中的每个电池的电压；
在微处理器中，以测得的电池的电压的平均值为基准，选择作为低充或过充电池的平衡电池；
通过在所述微处理器中控制所述双向开关部和所述模块开关，将均衡充电模块与所述平衡电池连接；以及
通过在所述微处理器中操作所述均衡充电模块，对所述平衡电池执行充电或放电。
16.如权利要求15所述的均衡充电方法，其中，均衡充电模块与所述平衡电池的所述连接和所述平衡电池的所述充电或放电包括：
通过控制所述双向开关部，在所述平衡电池中形成并联电流路径；
通过控制所述模块开关，在所形成的并联电流路径和所述均衡充电模块之间形成电流路径；
通过由微处理器控制开关，对所述平衡电池执行充电或放电，所述开关包含在配备在所述充电均衡模块中并将所述电池组的整个电压作为输入或输出的DC/DC转换器的初级线圈和次级线圈的每一端中。
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