CN104009506A - 电池双向平衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池双向平衡电路。由控制单元控制脉波产生器产生高频开关控制信号，并通过返驰变压器针对欲平衡的电池单元进行电磁转换，可以快速地将高能量电池单元的能量传递给返驰变压器，再通过返驰变压器将能量传送至低能量的电池单元。其直接以电池单元对电池单元的方式进行能量转移，可以具有平衡速度快、效率高、控制简单的表现。

Description

电池双向平衡电路

技术领域

本发明涉及一种电池平衡电路，特别是有关一种在具有多个串联电池单元的电池内，可针对不同电池单元间进行能量平衡的电池平衡电路。

背景技术

为了提供使用的方便性以及供电的容量，许多电子***都使用充电电池作为电力的来源。其中以锂聚合物为主要原料的充电锂电池又是目前充电电池中，具有高容量密度的成熟产品。至于充电电池的充电过程，则是在其所安装的电子***中通过电源供应器或交流电适配器（AC Adapter）提供电源以对充电电池充电。

现有的充电电池内部由多个具有特定容量的电池单元（cell）串联而成。在对串联的电池单元进行充电或放电时，常因每个电池单元的特性不一致，使得不同电池单元之间的电量不平衡，因而缩小电池单元的使用寿命与容量。为了延长电池单元的使用寿命与容量，现有技术中大致采用下列几种方式来对充/放电过程中的每一个电池单元进行平衡处理：

（1）并联开关电阻的串联平衡电路。在多个串联的电池单元中，在每一个电池单元并联一个电阻，在充电电池充电过程中，将具有较高电压的电池单元的能量通过其所对应的并联电阻消耗，以达到电池单元串联平衡的目的。虽然这种电路架构简单成本低廉，但其平衡效率差。

（2）切换电感的串联平衡电路。在充电电池中设置多个电感，每一个电感均与其中一个电池单元并联。在充电电池充电过程中，通过开关将具有较高电压的电池单元能量储存在电感，再通过开关将储有能量的电感能量释放给邻近的下一个电池单元，以达到电池单元串联平衡的目的。由于电路中的电荷只能传送至邻近的电池单元，若电池单元数目越多，这种解决方案显得效率相当低。

（3）切换电容的串联平衡电路。在充电电池中设置多个电容，每一个电容均通过双向开关和邻近的电池单元并联。通过开关快速导通与断开的过程，达到电池单元平衡。然而与前述第2个例子相同的是，由于电荷只能传送至邻近的电池单元，若电池单元数目越多，也就是当欲将能量由前端的电池单元，中间经过多个电池单元后再释放给后端的电池单元时，必须经过多个电容的储能/释能，这种过长的储能/释能路径严重影响电池平衡的效率。

由上可知，目前用来平衡充电电池内多个电池单元的机制，都有效率上的问题，在过程中产生大量不必要的能量耗损。

发明内容

有鉴于上述问题，本发明即在公开一种可双向运作的电池平衡电路，通过返驰式变压器进行电磁转换以在不同电池单元间传递能量，以大幅减少电池单元平衡过程中的能量耗损。

依据本发明的发明内容，本发明的一个实施例中公开了一种电池双向平衡电路，包含有返驰变压器(flyback converter)、第一电池单元、第二电池单元、控制单元以及脉波产生器。所述第一电池单元通过线圈蜷绕耦接所述返驰变压器，所述第一电池单元与所述返驰变压器间具有第一开关。所述第二电池单元串联所述第一电池单元，所述第二电池单元通过线圈蜷绕耦接所述返驰变压器，所述第二电池单元与所述返驰变压器间具有第二开关。所述控制单元耦接所述第一开关以及所述第二开关。所述脉波产生器耦接所述控制单元、所述第一开关以及所述第二开关，用来产生彼此互补的第一脉波信号以及第二脉波信号，所述第一脉波信号用来控制所述第一开关的导通频率，所述第二脉波信号用来控制所述第二开关的导通频率。在所述第一电池单元的相对容量高于所述第二电池单元的相对容量时，所述控制单元用来致能所述脉波产生器，使所述第一脉波信号导通所述第一开关且由所述返驰变压器将所述第一电池单元的电能转换为磁能，并使所述第二脉波信号导通所述第二开关且由所述返驰变压器将磁能转换为电能供应给所述第二电池单元。

依据本发明的发明内容，本发明另一个实施例中公开了一种电池双向平衡电路，包含有返驰变压器(flyback converter)、第一电池组、第二电池组、控制单元以及脉波产生器。所述第一电池组包含多个彼此串联的第一电池单元，分别通过线圈蜷绕耦接所述返驰变压器，每一个第一电池单元与所述返驰变压器间具有第一开关。所述第二电池组串联所述第一电池组，所述第二电池组包含多个彼此串联的第二电池单元，分别通过线圈蜷绕耦接所述返驰变压器，每一个第二电池单元与所述返驰变压器间具有第二开关。所述控制单元耦接每一个第一电池单元的所述第一开关以及每一个第二电池单元的所述第二开关。所述脉波产生器耦接所述控制单元、所述多个第一开关以及所述多个第二开关，用来产生彼此互补的第一脉波信号以及第二脉波信号，所述第一脉波信号用来控制所述多个第一开关的导通频率，所述第二脉波信号用来控制所述多个第二开关的导通频率。在所述第一电池组的一或多个第一电池单元的相对容量高于所述第二电池组的一或多个第二电池单元的相对容量时，所述控制单元用来致能所述脉波产生器，使所述第一脉波信号导通所述一或多个第一电池单元的所述第一开关且由所述返驰变压器将所述一或多个第一电池单元的电能转换为磁能，并使所述第二脉波信号导通所述一或多个第二电池单元的所述第二开关且由所述返驰变压器将磁能转换为电能供应给所述一或多个第二电池单元。

在本发明所公开的电池双向平衡电路中，其中所述多个第一开关以及所述多个第二开关是高准位导通开关，所述电池双向平衡电路另包含充电泵，耦接在所述控制单元以及所述脉波产生器与所述多个第一开关以及所述多个第二开关之间，用来提供导通所述多个第一开关或所述多个第二开关的增补电压。

在本发明所公开的电池双向平衡电路中，另包含多个第一止逆电路以及多个第二止逆电路，所述多个第一止逆电路分别耦接在所述多个第一电池单元与所述返驰变压器之间，所述多个第二止逆电路分别耦接在所述多个第二电池单元与所述返驰变压器之间。所述多个第一止逆电路分别包含并联的第三开关以及二极管，所述多个第二止逆电路分别包含并联的第四开关以及二极管，所述控制单元分别耦接所述多个第三开关以及所述多个第四开关。

在本发明所公开的电池双向平衡电路中，其中所述控制单元另用来监控所述第一电池组的所述多个第一电池单元以及所述第二电池组的所述多个第二电池单元的相对容量，并用来在所述一或多个第一电池单元以及所述一或多个第二电池单元的相对容量达到平衡时，控制所述脉波产生器停止传送所述第一脉波信号以及所述第二脉波信号。

在本发明所公开的电池双向平衡电路中，其中所述第一脉波信号以及所述第二脉波信号是频率100千赫兹的高频脉波信号。

本发明所公开的电池双向平衡电路，由控制单元控制脉波产生器产生高频开关控制信号，并通过返驰变压器针对欲平衡的电池单元进行电磁转换，可以快速地将高能量电池单元的能量传递给返驰变压器，再通过返驰变压器将能量传送至低能量的电池单元，并可提供一对一、一对多、多对一、多对多的电池单元间的电量平衡。其直接以电池单元对电池单元的方式进行能量转移，可以具有平衡速度快、效率高、控制简单的表现。

附图说明

图1是本发明所公开的电池双向平衡电路的示意图。

图2A、图2B是在两个电池单元之间通过返驰变压器进行能量转换的示意图。

图3A、图3B是本发明电池单元与返驰变压器的另一个实施例的示意图。

图4A、图4B是分别对应图3A、图3B的开关控制与电流变化的关系图。

图5A、图5B、图5C是本发明电池双向平衡电路中使用止逆电路的示意图。

图6A、图6B、图6C是本发明电池双向平衡电路中多种不同的平衡组合的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1                                              电池双向平衡电路

10                                             返驰变压器

20                                             电池单元串

30                                             第一电池组

31、32                                         第一电池单元

40                                             第二电池组

41、42                                         第二电池单元

50                                             控制单元

60                                             脉波产生器

70                                             充电泵

S₀、S₁、S_1a、S₂、S_2a、S₃、S_3a、S₄、S_4a、S_n-1、S_n 开关

81、82、83、84                                 晶体管

CB₀,CB₁,CB_n-1,CB_n                               控制线路

OSC1                                           第一脉波信号

OSC2                                           第二脉波信号

具体实施方式

在说明书及后续的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及后续的申请专利范围并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的权利要求当中所提及的「包含」是一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。此外，「耦接」或「连接」一词在此包含任何直接及间接的电气或结构连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接/连接第二装置，则代表所述第一装置可直接电气/结构连接所述第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气/结构连接至所述第二装置。

请参考图1，图1是本发明所公开的电池双向平衡电路的示意图。电池双向平衡电路1在多个串联的电池单元中，通过返驰变压器进行电池单元之间的电量平衡。电池双向平衡电路1包含一个返驰电压器10（flybackconverter）、一个电池单元串20、一个控制单元50、一个脉波产生器60以及一个充电泵70。其中电池单元串20包含多个电池单元，且分成一个第一电池组30以及一个第二电池组40，第一电池组30串联第二电池组40，第一电池组30具有多个彼此串联的第一电池单元31，第二电池组40具有多个彼此串联的第二电池单元41。每一个第一电池单元31以及第二电池单元41分别通过线圈蜷绕耦接返驰变压器10，且在第一电池单元31、第二电池单元41与返驰变压器10之间均具有开关，如图1中的开关S₀、S₁、…、S_n-1、S_n等，以控制任一个电池单元与返驰变压器10之间是否产生能量传递。

控制单元50、脉波产生器60以及充电泵70彼此耦接，控制单元50用来侦测电池单元串20中每一个电池单元的相对容量（relative state of capacity,RSOC），以决定哪些电池单元间要进行电量平衡。控制单元50中的控制线路CB₀、CB₁、…、CB_n-1、CB_n对应控制开关S₀、S₁、…、S_n-1、S_n，在图1的实施例中，则是通过充电泵70耦接开关S₀、S₁、…、S_n-1、S_n，由于开关S₀、S₁、…、S_n-1、S_n在本实施例中是高准位导通开关，因此由充电泵70提供导通开关S₀、S₁、…、S_n-1、S_n的增补电压。在其它的实施例中，也可不使用充电泵70，控制单元50直接耦接控制开关S₀、S₁、…、S_n-1、S_n。此外，脉波产生器60产生彼此互补的一个第一脉波信号OSC1以及一个第二脉波信号OSC2，且耦接并控制开关S₀、S₁、…、S_n-1、S_n被导通的频率宽度（duty）以及频率。

请参考图2A、图2B，图2A、图2B是在两个电池单元之间通过返驰变压器进行能量转换的示意图。其中第一电池单元31与返驰变压器10间具有一个开关S₁，第二电池单元41与返驰变压器10间具有一个开关S₂。若控制单元50侦测到第一电池组30的第一电池单元31的相对容量较大，而第二电池组40的第二电池单元41的相对容量较小，则第一电池单元31与第二电池单元41可进行电量平衡。因此在图2A中，控制单元50导通开关S₁，使第一电池单元31电流流向返驰变压器10，由于第一电池单元31以线圈蜷绕在返驰变压器10，因此流过的电流（电能）在返驰变压器10上被转换为磁能。接着在图2B中，控制单元50断开开关S₁，同时导通开关S₂，使返驰变压器10上的磁能转换成电能（电流）并传送给第二电池单元41，以对第二电池单元充电41。特别注意的是，在本发明中，返驰变压器10的设计，使电池单元与电池单元间通过返驰变压器10以能量转换的方式传递电能，而非以电压压差的方式。

请参考图3A、图3B、图4A以及图4B。图3A、图3B是本发明电池单元与返驰变压器的另一个实施例的示意图，图4A、图4B则是分别对应图3A、图3B的开关控制与电流变化的关系图。如前所述，脉波产生器60产生彼此互补的第一脉波信号OSC1以及第二脉波信号OSC2，且耦接并控制开关S₀、S₁、…、S_n-1、S_n被导通的频率宽度（Duty）以及频率。因此举例而言，第一脉波信号OSC1即用来控制第一电池组30的多个第一电池单元31、32与返驰变压器10之间的开关的导通频率宽度及频率，而与第一脉波信号OSC1互补的第二脉波信号OSC2则用来控制第二电池组40的多个第二电池单元41、42与返驰变压器10之间的开关的导通频率宽度及频率。

在图3A、图4A中，第一电池组30的第一电池单元32与返驰变压器10之间分别如图所示设置S₁、S_1a、S₂、S_2a四个开关，在时间区间为t₀～t₁之间，第一脉波信号OSC1为高准位，因此开关S₁、S_1a、S₂、S_2a被导通，且duty为26.6%，但不以此为限。此时第一电池单元32电流流向返驰变压器10，流过的电流（电能）在返驰变压器10上被转换为磁能。同时参考图4B中，在时间区间为t₀～t₁之间，第二脉波信号OSC2为低准位，因此开关S₃、S_3a、S₄、S_4a被断开，即第二电池单元42与返驰变压器10之间没有能量传递。

接着在图3B、图4B中，在时间区间为t₁～t₃之间，第一脉波信号OSC1为低准位，因此开关S₁、S_1a、S₂、S_2a被断开，即第一电池单元32与返驰变压器10之间没有能量传递。同时在图4B中，在时间区间为t₁～t₃之间，第二脉波信号OSC2为高准位，因此开关S₃、S_3a、S₄被导通（开关S_4a则维持为断开状态，详述如后），且duty为26.6%，但不以此为限。此时返驰变压器10的磁能转换为电能（电流）流向第二电池单元42。由上述过程，通过脉波产生器60产生的第一脉波信号OSC1以及第二脉波信号OSC2，以一个特定频率，例如频率是100千赫兹(KHz，但不以此为限)的高频脉波信号，不断切换导通/断开开关S₁、S_1a、S₂、S_2a以及开关S₃、S_3a、S₄、S_4a，即可使第一电池单元32的电能通过返驰变压器10转换为磁能在转换为电能释放给第二电池单元42，达到电池平衡的目的。

请参考图5A、图5B以及图5C，其是本发明电池双向平衡电路1中使用止逆电路的示意图。如前面图3A、图3B、图4A以及图4B所示，在图5A中，止逆电路由晶体管以及开关所组成。例如在第一电池单元32与返驰变压器10之间并联的开关S_1a与晶体管81形成一个止逆电路，并联的开关S_2a与晶体管82形成一个止逆电路，在第二电池单元42与返驰变压器10之间并联的开关S_3a与晶体管83形成一个止逆电路，并联的开关S_4a与晶体管84形成一个止逆电路。且如前所述，开关S₁、S_1a、S₂、S_2a以及开关S₃、S_3a、S₄、S_4a均由控制单元50（或通过充电泵70）耦接并控制其导通及断开。

图5A所显示的状态与图3A相同，即在时间区间为t₀～t₁之间，开关S₁、S_1a、S₂、S_2a均被导通，而由第一电池单元32产生的电流（电能）在返驰变压器10上被转换为磁能。图5B所显示的状态与图3B相同，即在时间区间为t₁～t₃之间，开关S₃、S_3a、S₄均被导通（但开关S_4a则维持断开），而返驰变压器10的磁能转换为电能（电流）释放给第二电池单元42。

请一并参考图4B。由开关S₃、S_3a、S₄被导通，且其duty为26.6%来看，在时间t₂时，返驰变压器10的磁能即完全被转换为电能（电流）释放给第二电池单元42，因此如图5B、图5C所示，在时间区间为t₁～t₃之间，开关S_4a维持断开状态，即可在时间区间为t₂～t₃时防止第二电池单元42的电能产生的电流流动，而在返驰变压器10上被转换为磁能。

请参考图6A、图6B以及图6C。如前所述，控制单元50依据各电池单元的相对容量决定控制某些开关，使该些开关所对应的电池单元之间进行平衡。本发明的架构可提供多种不同的平衡组合。例如在图6A中，针对第一电池组30中的一个第一电池单元（即电池6）与第二电池单元40中的一个第二电池单元（即电池14）之间进行平衡，在图6B中，针对第一电池组30中的一个第一电池单元（即电池6）与第二电池单元40中的多个第二电池单元（即电池12～14）之间进行平衡，在图6C中，针对第一电池组30中的多个第一电池单元（即电池5～7）与第二电池单元40中的多个第二电池单元（即电池12～14）之间进行平衡。其中需进行平衡的在第一电池组的电池单元与第二电池组的电池单元间的平衡可以是双向的，也就是说除了一或多个第一电池单元释能给一或多个第二电池单元外，也可以由一或多个第二电池单元释能给一或多个第一电池单元。

通过监控第一电池组30的多个第一电池单元31、32以及第二电池组40的多个第二电池单元41、42的相对容量，控制单元50即可弹性地决定控制两个电池组中哪些电池单元，同时通过脉波产生器60产生的高频脉波信号以及返驰变压器10进行磁能转换，使第一电池单元31、32与第二电池单元41、42进行能量交换。而在进行能量交换的过程中，控制单元50并依据电池单元的相对容量，判断是否达到平衡。并在第一电池单元31、32与第二电池单元41、42的相对容量达到平衡时，控制脉波产生器60停止传送第一脉波信号OSC1以及第二脉波信号OSC2。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种电池双向平衡电路，包含有：

返驰变压器；

第一电池单元，通过线圈蜷绕耦接所述返驰变压器，所述第一电池单元与所述返驰变压器间具有第一开关；

第二电池单元，串联所述第一电池单元，所述第二电池单元通过线圈蜷绕耦接所述返驰变压器，所述第二电池单元与所述返驰变压器间具有第二开关；

控制单元，耦接所述第一开关以及所述第二开关；以及

脉波产生器，耦接所述控制单元、所述第一开关以及所述第二开关，用来产生彼此互补的第一脉波信号以及第二脉波信号，所述第一脉波信号用来控制所述第一开关的导通频率，所述第二脉波信号用来控制所述第二开关的导通频率；

其中在所述第一电池单元的相对容量高于所述第二电池单元的相对容量时，所述控制单元用来致能所述脉波产生器，使所述第一脉波信号导通所述第一开关且由所述返驰变压器将所述第一电池单元的电能转换为磁能，并使所述第二脉波信号导通所述第二开关且由所述返驰变压器将磁能转换为电能供应给所述第二电池单元。

2.如权利要求1所述的电池双向平衡电路，其特征在于，其中所述第一开关以及所述第二开关是高准位导通开关，所述电池双向平衡电路另包含充电泵，耦接在所述控制单元以及所述脉波产生器与所述第一开关以及所述第二开关之间，用来提供导通所述第一开关或所述第二开关的增补电压。

3.如权利要求1所述的电池双向平衡电路，其特征在于，所述电池双向平衡电路另包含第一止逆电路以及第二止逆电路，所述第一止逆电路耦接在所述第一电池单元与所述返驰变压器之间，所述第二止逆电路耦接在所述第二电池单元与所述返驰变压器之间。

4.如权利要求3所述的电池双向平衡电路，其特征在于，其中所述第一止逆电路包含并联的第三开关以及二极管，所述第二止逆电路包含并联的第四开关以及二极管，所述控制单元分别耦接所述第三开关以及所述第四开关。

5.如权利要求1所述的电池双向平衡电路，其特征在于，其中所述控制单元另用来监控所述第一电池单元以及所述第二电池单元的相对容量，并用来在所述第一电池单元以及所述第二电池单元的相对容量达到平衡时，控制所述脉波产生器停止传送所述第一脉波信号以及所述第二脉波信号。

6.如权利要求1所述的电池双向平衡电路，其特征在于，其中所述脉波产生器产生的所述第一脉波信号以及所述第二脉波信号是频率100千赫兹的高频脉波信号。

7.一种电池双向平衡电路，包含有：

返驰变压器；

第一电池组，包含多个彼此串联的第一电池单元，分别通过线圈蜷绕耦接所述返驰变压器，每一个第一电池单元与所述返驰变压器间具有第一开关；

第二电池组，串联所述第一电池组，所述第二电池组包含多个彼此串联的第二电池单元，分别通过线圈蜷绕耦接所述返驰变压器，每一个第二电池单元与所述返驰变压器间具有第二开关；

控制单元，耦接每一个第一电池单元的所述第一开关以及每一个第二电池单元的所述第二开关；以及

脉波产生器，耦接所述控制单元、所述多个第一开关以及所述多个第二开关，用来产生彼此互补的第一脉波信号以及第二脉波信号，所述第一脉波信号用来控制所述多个第一开关的导通频率，所述第二脉波信号用来控制所述多个第二开关的导通频率；

其中在所述第一电池组的一或多个第一电池单元的相对容量高于所述第二电池组的一或多个第二电池单元的相对容量时，所述控制单元用来致能所述脉波产生器，使所述第一脉波信号导通所述一或多个第一电池单元的所述第一开关且由所述返驰变压器将所述一或多个第一电池单元的电能转换为磁能，并使所述第二脉波信号导通所述一或多个第二电池单元的所述第二开关且由所述返驰变压器将磁能转换为电能供应给所述一或多个第二电池单元。

8.如权利要求7所述的电池双向平衡电路，其特征在于，其中所述多个第一开关以及所述多个第二开关是高准位导通开关，所述电池双向平衡电路另包含充电泵，耦接在所述控制单元以及所述脉波产生器与所述多个第一开关以及所述多个第二开关之间，用来提供导通所述多个第一开关或所述多个第二开关的增补电压。

9.如权利要求7所述的电池双向平衡电路，其特征在于，所述电池双向平衡电路另包含多个第一止逆电路以及多个第二止逆电路，所述多个第一止逆电路分别耦接在所述多个第一电池单元与所述返驰变压器之间，所述多个第二止逆电路分别耦接在所述多个第二电池单元与所述返驰变压器之间。

10.如权利要求9所述的电池双向平衡电路，其特征在于，其中所述多个第一止逆电路分别包含并联的第三开关以及二极管，所述多个第二止逆电路分别包含并联的第四开关以及二极管，所述控制单元分别耦接所述多个第三开关以及所述多个第四开关。

11.如权利要求7所述的电池双向平衡电路，其特征在于，其中所述控制单元另用来监控所述第一电池组的所述多个第一电池单元以及所述第二电池组的所述多个第二电池单元的相对容量，并用来在所述一或多个第一电池单元以及所述一或多个第二电池单元的相对容量达到平衡时，控制所述脉波产生器停止传送所述第一脉波信号以及所述第二脉波信号。

12.如权利要求7所述的电池双向平衡电路，其特征在于，其中所述脉波产生器产生的所述第一脉波信号以及所述第二脉波信号是频率100千赫兹的高频脉波信号。