CN104167772A - 具有有源平衡电路和有源平衡算法的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种具有用于对串联连接的多个电池充电和放电的有源平衡算法的有源平衡控制装置和方法。有源平衡控制装置和方法可以被设计且制造成：利用有源平衡电路和开关来对串联连接且具有不同充电/放电特性的多个电池同时充电和放电，以实现每个电池的平衡，使得在用于对串联连接的多个二次电池同时充电和放电的装置中，所有的电池都可以以最大电压来充电。

Description

具有有源平衡电路和有源平衡算法的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年5月15日向韩国知识产权局提交的申请号为10-2013-0054978的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及具有用于对串联连接的多个二次电池充电和放电的有源平衡电路和算法的二次电池充电/放电控制装置和方法。所述二次电池充电/放电控制装置和方法可以利用有源平衡电路和继电器来使串联连接的多个电池能够同时被充电和放电以实现每个电池的平衡，使得在用于对串联连接的多个二次电池同时充电和放电的装置中，电池可以在恒定电压(CV)模式下以设定的最大电压来充电。因为电池的容量和内部电阻不完全相同，因此电池可能具有不同的充电/放电特性。
背景技术
用于电动车辆的大容量锂二次电池每个都具有较低的操作电压，例如，大约2伏特(V)至大约4.7V的电压，以及具有较高的操作电流，例如，大约25安培(A)至大约50A的电流。
在电动车辆中，几十至几百个大容量锂二次电池连接使用。在制造电池组件的过程中，单位模块的电池(例如，单个电池、或者几个电池串联或并联连接)需要以最大容量来充电和放电。然而，由于将电能转换成交流电(AC)和回收电能的低转换效率的缘故，存在很多技术困难。
在以开关模式对大容量二次电池同时充电和放电的装置中，可以将具有大约2V至大约4.7V的操作电压的单个锂二次电池放电。放电所得的电需要通过以热而消耗电或者通过将电转换成AC电而在全国AC电网中再次产生。
用于再次产生电能的直流(DC)至AC(DC/AC)转换器可能具有非常低的转换效率、例如典型地为40％，这是由于单个电池的电压显著低于商用AC电网的电压(例如，220V或380V)。在转换期间，剩余的能量可能在DC/AC转换器中以热而消耗。
因此，在制造包括用于冷却的调节设备的电池的工厂中，已知使用现有的二次电池充电/放电装置的过程来使用最大的电能。
当具有略微不同容量和略微不同内部电阻的二次电池串联连接、且通过单个双向恒定电流电源来充电和放电时，可能由于二次电池的特性上的不同而难于以恒定电压(CV)来对多个二次电池中的每个充电和放电，并且可能发生过度充电或过度放电。
作为相关技术，在韩国专利公开No.10-2011-0008337中公开了用于平衡多个锂二次电池或锂二次电池组的、与电池组控制模块相关的技术配置及使用其的方法。但是另一方面，在本发明中，在利用恒定电流源对串联连接且具有不同充电/放电特性的多个二次电池充电和放电时，当保持相同的电流和最大的电压时，可终止充电。因而，韩国专利公开No.10-2011-0008337与本发明显著不同。
另外，作为相关技术，在韩国专利公开No.10-2010-0122911中公开了包括用于每个串联连接的二次电池和用于保护过度充电的放电路径电路的技术配置。然而，由于多个二次电池中的每个包括单独的放电电阻器和开关元件以形成放电路径电路，所以功耗和制造成本可能增加。
发明内容
本发明的一个方面是为了：当通过单个双向恒定电流源来对二次电池充电和放电时，通过在二次电池中的每个的两端添加被配置成增加或减去预定电流量的有源平衡电路，来克服串联连接且具有不同容量和不同内部电阻的二次电池之间在特性上的差异，以及在串联电路中启用恒定电压(CV)充电/放电。
本发明的另一个方面是为了：利用在每个二次电池充电/放电电路中具有极小容量的有源平衡电路而在CV充电期间使每个托盘(tray)中的所有的电池都能够平衡，这是因为以相同工艺制造的电池在特性(例如，内部电阻、容量等)上典型地彼此具有较低值(例如，大约5％，该值通过用户来设定以确定电池为良好还是故障)的差异，并且因为以相同工艺制造的电池之间的容量分布不是很大。
本发明的另一个方面是为了：当单个托盘中的多个二次电池串联连接并且被同时充电和放电时，通过配置具有单个双向直流(DC)至直流(DC/DC)转换器、单个双向线性电流源、以及单个控制器的装置来降低制造成本；创新性地利用被放电的电来增加电能转换效率以在没有变化的情况下在DC状态下执行充电；显著地减小尺寸和重量；以及显著地减小安装空间。
根据本发明的一个方面，提供了一种具有有源平衡电路和算法的二次电池充电/放电控制装置和方法，其被设计并制造成：利用有源平衡电路和开关电路来对在单个托盘中串联连接且具有不同充电/放电特性(例如容量、内部电阻等)的多个二次电池同时充电和放电，以实现多个二次电池中的每个的平衡，使得所有的多个二次电池都以设定的电压在CV模式下被充电和放电。
根据本发明的另一个方面，提供了一种具有有源平衡电路和算法的二次电池充电/放电控制装置和方法，当相同的电流量流入多个二次电池串联连接的串联电路的电路部件中时，即使串联连接的二次电池的特性不同，其也可通过有源地调节这些不同特性以保持CV来启用恒定电流(CC)和CV充电/放电。另外，当由于容量或内部电阻的分布在窄范围内(例如，大约5％)而通过有源平衡电路来调整小的容量(例如，总容量的大约5％)时，可以将具有足够小容量的平衡电路与每个二次电池充电/放电电路连接。
根据本发明的另一个方面，提供了一种具有有源平衡电路和算法的二次电池充电/放电控制装置和方法，其可以利用单个双向DC/DC转换器和双向线性电流源来对单个托盘内的串联连接的多个二次电池同时充电和放电，以及当在CC模式下执行充电和放电、然后利用有源平衡电路在CV模式下执行充电和放电时，在所有的多个二次电池都在最大电压下具有相同的电流值时，可以终止充电和放电。
效果
根据本发明的实施例，当多个二次电池在恒定电流(CC)模式和恒定电压(CV)模式这两种模式下被同时充电和放电时，在设定的最大电压下的相同电流状态中，可以终止对串联连接且具有不同充电/放电特性的所有的多个二次电池充电和放电。
另外，根据本发明的实施例，可以通过利用有源平衡电路来补偿二次电池的不同特性(例如，容量、内部电阻等)而对串联连接的二次电池充电和放电，使得二次电池具有等同地、完全地相同的特性。
此外，根据本发明的实施例，当单个托盘中的多个二次电池串联连接且被同时充电和放电时，可以通过配置具有单个双向直流(DC)至DC(DC/DC)转换器、单个双向线性电流源和单个控制器的装置，来降低制造成本、显著地减小尺寸和重量、以及显著地减小安装空间。
附图说明
从如下结合附图的示例性实施例的描述，本发明的这些和/或其他的方面、特征和优点将变得明显且更容易理解，其中：
图1是说明根据相关技术的单个二次电池充电/放电装置的图；
图2是说明根据本发明的实施例的具有用于对串联连接的多个二次电池充电和放电的有源平衡电路和算法的二次电池充电/放电控制装置的图；
图3是说明根据本发明的实施例的具有用于将电能供应至每个托盘的有源平衡电路和算法的二次电池充电/放电控制装置的图；
图4是说明根据本发明的实施例的用于对单个托盘中的几十至几百个二次电池中的每个充电和放电的电路的图；
图5是说明根据本发明的实施例的用在充电和放电中的每个二次电池的容量分布和内部电阻的曲线图；
图6是说明根据本发明的实施例的利用继电器和有源平衡电路来对具有不同容量和/或不同内部电阻的二次电池充电和放电的算法的曲线图；
图7是说明根据本发明的实施例的用于对每个二次电池充电和放电的有源平衡电路的图；
图8是说明在根据本发明的实施例的被配置成在恒定电流(CC)模式和恒定电压(CV)模式下对单个托盘中的串联连接的二次电池充电和放电的装置中，作为图3中的二次电池充电/放电控制装置和图4中的电路的组合的单个电路的图；以及
图9是说明与图8中所示的充电/放电电路相同的充电/放电电路的图，用以描述根据本发明的实施例的基于电流流动的充电/放电原理。
具体实施方式
下面将详细地参照本发明的示例性实施例，在附图中说明实施例的实例，其中相似的附图标记贯穿全文表示相似的元件。以下通过参照附图来描述示例性实施例以解释本发明。
在本发明中，当相同的电流量流入串联连接电池的串联电路的电路部件中时、且当电池具有略微不同的特性(例如，容量和内部电阻)时，可以利用被配置成有源地控制所述不同特性的有源平衡电路来补偿所述不同特性以保持恒定电压(CV)。因此，可以串联连接具有等同地、完全地相同的特性的二次电池，并且可以对其充电和放电。
另外，当以相同工艺制造的电池在特性(例如，内部电阻、容量等)上典型地具有较低值(例如，大约5％)的差异时、并且当由于容量或内部电阻分布在窄范围中(例如，大约5％)而通过有源平衡电路来调整小的容量(例如，总容量的大约5％)时，可以将具有足够小容量的有源平衡电路与二次电池充电/放电电路中的每个连接。在下文中，将进一步地描述本发明的实施例。
<实施例>
<实施例1>
将参照附图进一步地描述本发明的实施例。实施例1涉及具有用于对串联连接的多个电池充电和放电的有源平衡电路和算法的二次电池充电/放电控制装置。
图1说明根据相关技术的单个二次电池充电/放电装置。图1中的单个二次电池充电/放电装置可能具有的问题在于需要高安装成本和大空间，并且电能恢复速率低，因为每个电池是利用每个电池的直流(DC)至交流(AC)电源来充电和放电的。
图2说明根据本发明的实施例的具有用于对串联连接的多个电池充电和放电的有源平衡电路和算法的二次电池充电/放电控制装置。
在本公开中，术语“充电和放电”以及“充电/放电”可以彼此互换使用。
另外，术语“锂二次电池”、“二次电池”和“电池”可以彼此互换使用。
另外，术语“中央处理单元(CPU)”、“包括CPU的控制器”和“控制器”可以彼此互换使用。控制器可以包括控制程序，并且可以被配置成基于控制程序来执行充电和放电。
另外，在不同的附图中，可用不同的附图标记指示相同的元件。
根据本发明的实施例的用于对每个二次电池充电和放电的装置可以通过利用双向DC至DC(DC/DC)转换器来转换串联连接每个都具有较低电压(例如，2伏(V)至4.7V的电压)的几十至几百个电池所增加的电压而增加电能转换效率。另外，所述装置可以将DC充电/放电装置的电压设定成电池组的最大电压的两倍，并且可以增加电能控制期间的分辨率和效率。此外，所述装置可以将放电的电池的电能回收，使得可以使用回收的电能来进行充电而没有损耗。
参见图2，商用电可以经由配电板21输入。经由配电板21供应的商用电可以经由双向AC至DC(AC/DC)转换器22而被储存在DC能量储存***(ESS)23中。
DC ESS23可以将电解电容器和/或超级电容器串联或并联连接，并且可以具有所需的电压和容量。每个电解电容器和/或超级电容器可以具有几百法拉第(F)的容量。
经由DC ESS23输出的电能可以电连接到安装在每个托盘26和27中的双向DC/DC转换器24。
在下一端，电能可以电连接到线性电流源25，使得串联连接的多个电池可以被充电和放电。
DC ESS23可以用于将电稳定地供应至双向DC/DC转换器24。另外，在断电期间，DC ESS23可以通过以预定的时段将电稳定地供应至双向DC/DC转换器24，来使充电和放电能够连续地执行。
双向DC/DC转换器24和线性电流源25可以被安装在每个托盘27、28和29中，使得串联连接的多个电池24中的每个可以被充电和放电。
根据本发明的实施例，线性电流源25可以用于执行充电和放电，因此，可以更有效地执行充电和放电，无论电池24的数目如何。
因而，可以对几十至几百个串联连接的电池有效地充电和放电，无论在基于电池数目的电池组两端之间的电压变化如何。
另外，根据本发明的实施例，可以通过串联连接的电池的数目来增加电压，因此，可以显著地增加双向DC/DC转换器24的电能转换效率。
在被配置成对大量电池(例如，电池24)同时充电和放电的装置中，可以通过将电池串联连接来增加电池组两端的电压而转换电能，因此能量效率可以增加到80％以上。因而，可以获得保存大量能量的有利效果。
为了增加电能控制期间的分辨率，图2中的二次电池充电/放电控制装置可以期望地被配置成将DC充电/放电装置的适宜电压设定成为施加至包括串联连接的电池的电池组的两端的最大电压的两倍。然而，可以改变该适宜电压。
图3说明根据本发明的实施例的具有用于对每个托盘供应电能的有源平衡电路和算法的二次电池充电/放电控制装置。
图2中的双向AC/DC转换器22和DC ESS23可以分别对应于图3中的双向AC/DC转换器31和ESS32。
如图2和图3中所示，双向AC/DC转换器31和ESS32可以与多个托盘电连接，并且可以同时供应电能以对二次电池充电和放电。
在图3中，用于精确地控制电流的双向DC/DC转换器33和双向线性电流源34可以被安装在每个托盘35、36和37中。在每个托盘35、36和37中，多个二次电池(例如，几十至几百个二次电池)可以串联连接，并且可以被充电和放电。
从双向线性电流源34中输出的VB1 +和VB1 -可以与图4中的VB1 +和VB1 -相同。
在图3的顶部，可示出每端中的电压或电压控制范围。这仅仅是一个实例，而并非进行限制。
图4说明根据本发明的实施例的用于对单个托盘中的几十至几百个二次电池中的每个充电和放电的电路。
参见图4，电池探针42可以被安装在电池的两端，并且可以被配置成测量电池两端的电压。隔离的差分模数转换器(ADC)41可以与电池探针42连接，并且可以被配置成测量电压、电流和温度，以及将测量的电压、测量的电流和测量的温度传送至控制器。
隔离的差分ADC41可以将在电池探针42之间测量的模拟电压转换成数字信号，并且可以基于电池两端的测量电压而使用数字信号来控制充电和放电。
多个二次电池中的每个可以包括隔离的电池管理***(BMS)，所述电池管理***(BMS)被配置成精确地测量表示电池彼此隔离时每个电池的状态的电压、电流、温度等。由隔离的BMS测量的模拟值可以通过ADC转换成数字信号。
隔离的差分ADC41可以通过将隔离的BMS和ADC组合来将测量的模拟信号转换成数字信号。
在图4中，继电器驱动器44可以被配置成响应于从包括安装在单个托盘中的单个CPU的控制器中接收的控制信号而允许继电器45操作。
每个托盘可以包括用于对多个二次电池中的每个充电和放电的控制器。控制器可以包括CPU和存储器，并且用于对二次电池充电和放电所需的控制程序可以被加载至控制器中。
控制程序可以包括这样的单元，所述单元被配置成控制对二次电池充电和放电所需的脉宽调制(PWM)信号，并且被配置成控制对串联连接的电池充电和放电所需的恒定电流(CC)模式和CV模式。
单个托盘可以包括单个控制器和单个微处理器(例如CPU)。控制器可以控制串联连接的每个电池43的充电和放电。微处理器可以通过典型的通信单元与控制器连接，并且可以产生控制信号。
另外，为了有效且稳定地对每个电池43充电和放电，可以在控制器的所需位置处安装用于测量温度、电压、电流等的传感器。控制器可以从每个传感器接收测量值。
安装在每个托盘中的控制器可以与主机个人计算机(PC)连接，并且可以被配置成利用有线或无线通信单元与主机PC交换信号。
在图4中，继电器缓冲器46可以被安装在继电器45的两端之间。继电器缓冲器46可以防止由于继电器45从一个触点移动至另一个触点时电路的立即开路而使电流被中断，可以防止触点因为触点被连接时所产生的火花而受损，可以增加继电器45的耐久性。
换言之，继电器缓冲器46可以通过在继电器45打开时立即将继电器45的两端之间的电流旁路来防止电路的开路和触点的损坏，使得电路可以稳定地操作，并且继电器45的耐久性可以增加。
有源平衡电路可以从包括CPU的控制器中接收PWM信号，并且可以利用电流调节器来控制电流。
例如，参见图4，有源平衡电路可以包括：电流调节器47、低通滤波器(LPF)48、以及PWM信号输入单元49和50，所述PWM信号输入单元49和50用于从包括CPU的控制器输入PWM信号。
图5说明用于充电和放电的每个二次电池的容量分布和内部电阻。
相同的电流量可以流入单个托盘中的串联连接二次电池的串联电路的电路部件中，并且多个二次电池可以具有略微不同的特性，例如容量、内部电阻等。
参见图5，当完成初始充电时，放电超过设定值的第一电池可能由于第一电池的极高内部电阻而被处理成故障电池。
如图5中所示，在充电和放电期间，第二电池、第三电池、和第四电池可以在设定值内放电。第二电池至第四电池可以被确定成处于良好的状态，并且可以被正常地充电和放电。
如图5中所示，即使当串联连接的二次电池具有包括不同容量和不同内部电阻的不同特性时，也可以利用有源平衡电路来启用CC模式和CV模式下的充电和放电。
根据本发明的实施例，当电池的特性(例如，容量、内部电阻等)彼此不同时，有源平衡电路可以补偿所述特性。因此，可以实现如同具有等同地、完全地相同的特性的二次电池被串联连接且被充电和放电一样的操作和效果。
另外，当二次电池的容量和/或内部电阻值之间的差异分布在窄的范围内时，例如，大约5％，通过有源平衡电路来控制的平衡电路容量也可以具有与总容量的大约5％相对应的小的值。
即使电池的容量和/或内部电阻值之间的差异大于5％，也可以设计和制造有源平衡电路以被应用。
图6说明利用有源平衡电路对具有不同容量和/或不同内部电阻值的两个二次电池充电和放电以及导通/关断继电器的算法。
在本发明的实施例中，当具有不同容量和不同内部电阻的电池串联连接、并且利用单个双向恒定电流源来将其充电和放电时，通过在每个电池的两端添加被配置成增加或减去预定电流量的有源平衡电路，可以克服电池之间的特性差异，并且可以在串联电路中启用CV充电/放电。
在下文中，将参照图6来描述二次电池充电/放电算法。图6说明对具有不同特性的两个二次电池充电和放电的过程，并且一个二次电池的容量CB可以比另一个二次电池的容量CA大。
例如，具有不同容量的二次电池可以在单个托盘中在CC模式下被充电和放电，直到每个二次电池都达到第一电压Vmax。
在这个实例中，在二次电池之中的最后一个二次电池达到第一电压Vmax的时间点之后，二次电池可以在CV模式下被充电和放电。
另外，在充电和放电期间达到第一电压Vmax的二次电池可以包括如下的单元：每个单元用于通过在CC模式下导通或关断继电器而在上述时间点控制另一个二次电池达到第一电压Vmax。
在CV模式下，所有的多个二次电池都可以利用有源平衡电路而继续被充电和放电，直到所述多个二次电池达到截止电流。
在CV模式下，所有的所述多个二次电池都可以被控制成通过在有源平衡电路中满足标准的状态下适当地减去具有最大容量的电池的电流来保持相同的电压。
充电电压的偏差可以期望地等于或小于2毫伏(mV)。
当使用CC模式和有源平衡电路时，串联连接且具有不同容量分布的多个二次电池可以以相同的电压来充电。
参见图7，可变电阻器(例如，R1、R2、RN等)的值可以利用包括CPU的控制器所产生的PWM信号来改变，使得可以保持每个二次电池两端的相同电压。可变电阻器可以被安装在多个二次电池中的每个的两端之间。
图8说明作为图3中的二次电池充电/放电控制装置和图4中的电路的组合的单个电路，并且说明被配置成在CC模式和CV模式下对单个托盘中的串联连接的二次电池充电和放电的装置。
图9基于电流流动说明充电/放电电路。
控制器可以基于从每个传感器中接收的电流、温度、电压等来控制二次电池稳定地且快速地充电和放电。
在图9中，为了稳定且有效地控制充电和放电，可以测量Vb、电流ib和ibb1至ibb45、电池两端之间的电压、电池的温度等。
在本发明的实施例中，用于执行充电和放电的主电路可以由图9中的粗黑线来表示，并且可以被配置成在从线性电流源供应的恒定电流经过每个电池时对串联连接的每个电池充电和放电。
串联连接的电池103对于每个制造商而言可能具有不同的容量和不同的包括内部电阻的充电/放电特性。另外，由同一制造商制造的电池可能具有不同容量和不同特性。
当具有不同特性的电池串联地同时充电和放电时，可能不能在相同的条件下执行充电。这是因为，当大容量的电池和小容量的电池在相同的条件下被充电时，小容量的电池可以比大容量的电池更早地达到期望的充电条件，且当充电继续执行时，电池可能由于超过用于充电的最大电压而***。
因此，在防止以上问题的发生时，基于每个电池的包括内部电阻的特性和容量上的差异，以设定的最大电压(例如，图6中的最大电压Vmax)而对单个托盘中的串联连接的多个电池同时充电，是非常重要的。
在本发明的实施例中，当具有不同容量和不同内部电阻的电池串联连接、并且利用单个双向恒定电流源来将其充电和放电时，通过在每个电池的两端添加被配置成增加或减去预定电流量的有源平衡电路，可以克服电池之间的特性和内部电阻上的差异，并且可以在设定的条件下启用充电和放电。
如以上参照图6所述，具有不同容量的多个二次电池可以在CC模式下在单个托盘中被充电和放电，直到所述多个二次电池中的每个都达到3.65V的第一电压Vmax。
在所述多个二次电池之中的最后一个二次电池达到第一电压Vmax的时间点之后，所述多个二次电池可以在单个托盘中在CV模式下被充电和放电。
在本发明的实施例中，当具有不同容量的二次电池在单个托盘中串联地被充电和放电时，达到第一电压Vmax的二次电池可以通过在CC模式下导通或关断继电器而基于二次电池之中的最后一个二次电池达到第一电压Vmax的时间点来控制其它的二次电池达到第一电压Vmax。
在CV模式下，所有的多个二次电池都可以在从所述时间点至图6中的截止电流点的时段期间，利用安装在所述多个二次电池的每个中的有源平衡电路来继续被充电和放电。
如图7中所示，有源平衡电路可以被配置成控制由包括CPU的控制器所供应的PWM信号的占空比和频率、通过导通或关断开关元件来控制电流(例如，图9中的电流ibb1)、以及控制流入每个电池的电流(例如，流入图9中的第一电池的电流ic1)的值。
在本发明的实施例中，将描述利用作为关键技术部件的继电器(或开关电路)和有源平衡电路而在相同的电流状态和最大电压(例如，图6中的3.65V的最大电压Vmax)下终止对具有不同内部电阻和不同容量的二次电池充电的算法。
如以上参照图6所述，所述算法可以通过加载在包括CPU的控制器中的控制程序而利用CC模式和CV模式以设定的最大电压来对单个托盘中的串联连接的几十至几百个二次电池同时充电和放电。
根据本发明的实施例的充电/放电算法可以被配置成在包括CPU的控制器中测量串联连接的每个电池两端在充电和放电期间的电压，以及当测量的电压达到最大电压Vmax时关断继电器以防止电流流入相对应的电池，使得可以不执行充电。
可以连续地测量单个托盘中的串联连接的多个二次电池中的每个的电压。当测量的电压由于放电而减小至设定的电压时，可以通过关断继电器来中断放电。可以控制继电器反复地导通或关断，直到多个二次电池之中的最后一个二次电池达到最大电压Vmax(例如，图6中的3.65V的截止电压)的时间点为止。
例如，可以在CC模式下控制充电和放电，直到单个托盘中的串联连接的多个二次电池之中的最后一个二次电池达到最大电压的时间点为止。在此时间点之后，可以将CC模式切换成CV模式，并且可以精细地控制充电和放电。
利用有源平衡电路来精细地控制充电和放电的CV模式下的CV可以例如对应于图6中的3.65V的最大电压Vmax。
在CV模式下，可以通过图8和图9中的有源平衡电路来控制充电和放电。流入图9中的第一电池的电流ic1的值可以通过将电流ib的值减去电流ibb1的值来获得。
图9中的电路可以与图8中的电路相同。为了便于理解，不同于图8，图9说明在电池的充电和放电期间流入串联连接的多个电池中的每个的电流。
类似地，流入第二电池的电流ic2的值可以通过将电流ib的值减去电流ibb2的值来获得，流入第45电池的电流ic45的值可以通过将电流ib的值减去电流ibb45的值来获得。
当所有的电流ic1至ic45都满足表示截止电流的条件“ic1＝ic2…＝ic45”时，可以在CV模式下利用有源平衡电路来终止单个托盘中的串联连接的多个二次电池的充电和放电。
例如，当单个托盘中的串联连接的所有电池的电流都具有与图6的最大电压下的截止电流相同的值时，可以终止所有的电池的充电和放电。
在充电和放电期间，当在相对应的电池中关断继电器时，电流可以直接流入设置在相对应的电池下侧的电池。
图9中的有源平衡电路98可以包括开关元件，并且可以在包括CPU的控制器的控制下操作。控制器可以通过导通或关断开关元件来控制流入继电器两端的电流(例如，电流ibb1至ibb45)。
在图9中，为了在CV模式下控制流入每个电池的电流(例如，电流ic1至ic45)，可以控制PWM信号的占空比和频率、可以供应PWM信号、以及可以控制流入开关元件两端的电流(例如，电流ibb1至ibb45)。当流入单个托盘中的串联连接的所有电池的电流(例如，电流ibb1至ibb45)都具有相同的值时，可以完成充电。
图9中的电流ibb1至ibb45和ic1至ic45可以表示“45”个串联连接的电池，然而，可以改变数字“45”。因此，串联连接的电池的数目可以通过“n”来表示，并且电流可以被表示为电流ic1至icn。
继电器缓冲器可以包括具有大容量的二极管或双向齐纳二极管、电容器、电阻器等。
另外，可以利用安装用于对每个二次电池充电和放电的继电器以及利用执行相同功能的开关元件来执行充电和放电。以上修改也落入本发明的保护范围内。
<实施例2>
实施例2涉及具有用于对串联连接的多个电池充电和放电的有源平衡电路和算法的二次电池充电/放电控制方法。
在实施例2中，可以使用根据实施例1的具有用于对串联连接的多个电池充电和放电的有源平衡电路和算法的二次电池充电/放电控制装置。
在实施例2中，二次电池充电/放电控制方法可以包括：在CC模式和CV模式下以设定的最大电压来对单个托盘中的多个二次电池同时充电和放电。所述多个二次电池可以在单个托盘中串联电连接，从而以高电能转换效率被充电和放电，使得双向DC/DC转换器以高电压操作，并且所述多个二次电池可以具有不同的内部电阻和不同的容量。线性电流源可以供应电流以稳定地执行充电和放电，无论包括所述多个二次电池的电池组的两端之间的电压上的变化如何。继电器可以控制流入所述多个二次电池中的每个的电流。有源平衡电路可以精细地控制流入所述多个二次电池中的每个的电流，以及可以加载控制程序。
另外，二次电池充电/放电控制方法可以包括：当在包括CPU的控制器中执行充电和放电时，通过隔离的BMS来测量多个二次电池中的每个两端的电压，以及关断继电器使得不执行充电，以防止在测量的电压达到由控制器设定的最大电压时电流流入相对应的二次电池。
另外，二次电池充电/放电控制方法可以包括：通过隔离的BMS来连续地测量多个二次电池中的每个两端的电压；当测量的电压由于放电而减小至设定电压时，通过关断继电器来中断放电；以及通过反复地导通或关断继电器来控制充电和放电直到多个二次电池之中的最后一个二次电池达到最大电压(例如，图6中的3.65V的截止电压)的时间点为止。
换言之，二次电池充电/放电控制方法可以包括：在CC模式下控制充电和放电直到最后一个二次电池达到最大电压的时间点为止；在此时间点之后将CC模式切换成CV模式；以及控制多个二次电池具有与截止电流相同的电流。
此外，二次电池充电/放电控制方法可以包括：当所有的多个二次电池都具有在图6的最大电压下相同的截止电流值时，终止充电和放电。
实施例2中的二次电池充电/放电控制方法可以具有与实施例1中的二次电池充电/放电控制装置的技术配置相似的技术配置。因此，二次电池充电/放电控制装置的所有技术配置也可以被应用于二次电池充电/放电控制方法。
在本文中将省略这些技术配置的进一步描述以避免赘述。
本发明的实施例可以提供具有用于对串联连接的多个电池充电和放电的有源平衡算法的有源平衡控制装置和方法。有源平衡控制装置和方法可以被设计和制造成：利用有源平衡电路和继电器来对串联连接的多个电池同时充电和放电，以实现每个电池的平衡，使得在用于对串联连接的多个二次电池同时充电和放电的装置中，可以在CV模式下以设定的最大电压对电池充电。因为电池的容量和内部电阻不完全相同，所以电池可能具有不同的充电/放电特性。因而，根据本发明的实施例，可以利用最大电能对串联连接的多个电池同时充电和放电，由此提供非常高的工艺实用性。
尽管已经示出并描述了本发明的一些示例性实施例，但是本发明不局限于所描述的示例性实施例。相反，本领域的技术人员将理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些示例性实施例进行变化，本发明的范围通过权利要求及其等同物来限定。

Claims (13)

1.一种具有用于对串联连接的多个二次电池充电/放电的有源平衡电路的二次电池充电/放电控制装置，所述二次电池充电/放电控制装置包括：
串联连接的所述多个二次电池，其以高电能转换效率被充电和放电，使得双向直流至直流转换器以高电压操作，所述多个二次电池具有不同的内部电阻和不同的容量；
继电器，其控制流入所述多个二次电池中的每个的电流，以对所述多个二次电池中的每个充电和放电；以及
控制器，其控制所述继电器和所述有源平衡电路，所述控制器包括控制程序，
其中，为了以设定的最大电压对所述多个二次电池同时充电和放电，所述多个二次电池中的每个的充电和放电在恒定电流模式下被控制，并且在恒定电压模式下利用所述有源平衡电路来执行。
2.如权利要求1所述的二次电池充电/放电控制装置，还包括：
双向线性电流源，其控制单个托盘中的串联连接的所有二次电池稳定地且精确地充电和放电，所述双向线性电流源与所述双向直流至直流转换器的下一端电连接。
3.如权利要求1所述的二次电池充电/放电控制装置，所述二次电池充电/放电控制装置被配置成：当在包括中央处理单元的控制器中执行充电和放电时，测量所述多个二次电池中的每个两端的电压，
其中，当测量的电压达到最大电压时，所述二次电池充电/放电控制装置关断所述继电器以防止电流流入所述多个二次电池中的每个，使得不执行充电。
4.如权利要求1所述的二次电池充电/放电控制装置，所述二次电池充电/放电控制装置被配置成：在所述恒定电流模式下控制充电和放电，直到单个托盘中的串联连接的多个二次电池之中的最后一个二次电池达到最大电压的时间点为止；被配置成：在所述时间点之后将所述恒定电流模式切换成所述恒定电压模式；以及被配置成：利用安装在所述多个二次电池中的每个中的有源平衡电路，当所有的所述多个二次电池都达到截止电流时终止充电和放电。
5.如权利要求1所述的二次电池充电/放电控制装置，其中，所述二次电池充电/放电控制装置被配置成：利用隔离的差分模数转换器来连续地测量所述多个二次电池中的每个两端的电压；以及当测量的电压由于放电而降低至设定电压时，被配置成：通过导通所述继电器而利用恒定电流源来执行充电，以及通过反复地导通或关断所述继电器来控制充电和放电直到单个托盘中的串联连接的多个二次电池之中的最后一个二次电池达到最大电压的时间点为止。
6.如权利要求1所述的二次电池充电/放电控制装置，其中，所述有源平衡电路通过利用由包括中央处理器的控制器所产生的脉宽调制信号而改变安装在所述多个二次电池中的每个两端之间的可变电阻器的值，来保持所述多个二次电池中的每个两端的相同电压量，从而保持所述恒定电压模式。
7.如权利要求1所述的二次电池充电/放电控制装置，还包括：
二次电池探针，其被安装在所述多个二次电池中的每个两端，以测量所述多个二次电池中的每个两端的电压；以及
隔离的差分模数转换器，其与所述二次电池探针连接，以测量控制充电和放电所需的信号，所述信号包括所述电压。
8.如权利要求6所述的二次电池充电/放电控制装置，其中，在所述恒定电压模式下，供应所述脉宽调制信号以控制流入所述多个二次电池中的每个的电流达到截止电流。
9.如权利要求5所述的二次电池充电/放电控制装置，还包括：
继电器缓冲器，其在安装于所述多个二次电池之间的继电器打开时、以及在所述继电器打开之后与触点连接时稳定地操作，使得所述多个二次电池中的每个被充电和放电，并且其增加所述继电器的耐久性。
10.一种具有有源平衡电路的二次电池充电/放电控制方法，所述有源平衡电路包括用于对串联连接的多个二次电池充电和放电的有源平衡算法，所述二次电池充电/放电控制方法包括以下步骤：
在恒定电流模式下对所述多个二次电池充电和放电；以及
在所述恒定电流模式下充电和放电之后，在恒定电压模式下利用所述有源平衡电路以设定的最大电压对所述多个二次电池同时充电和放电，以及终止所述充电和放电，
其中，所述多个二次电池在单个托盘中串联电连接从而以高电能转换效率来充电和放电，使得双向直流至直流转换器以高电压操作，并且所述多个二次电池具有不同的内部电阻和不同的容量，
其中，线性电流源供应电流以稳定地执行充电和放电，无论包括所述多个二次电池的电池组两端之间的电压上的变化如何，
其中，继电器控制电流流入所述多个二次电池中的每个，以及
其中，所述有源平衡电路精细地控制流入所述多个二次电池中的每个的电流。
11.如权利要求10所述的二次电池充电/放电控制方法，还包括以下步骤：
当在包括中央处理单元的控制器中执行充电和放电时，通过隔离的差分模数转换器来测量所述多个二次电池中的每个两端的电压，所述隔离的差分模数转换器被配置成测量包括所述电压的信号；以及
关断所述继电器使得不执行充电，以防止当测量的电压达到由所述控制器设定的最大电压时电流流入相对应的二次电池。
12.如权利要求10所述的二次电池充电/放电控制方法，还包括以下步骤：
通过所述隔离的差分模数转换器来连续地测量所述多个二次电池中的每个两端的电压；以及
当测量的电压由于放电而降低至设定电压时，通过关断所述继电器来中断放电，以及通过反复地导通或关断所述继电器来控制充电和放电直到所述多个二次电池之中的最后一个二次电池达到所述最大电压的时间点为止。
13.如权利要求10所述的二次电池充电/放电控制方法，还包括以下步骤：
在所述恒定电流模式下控制充电和放电，直到所述多个二次电池之中的最后一个二次电池达到最大电压的时间点为止，以及在所述时间点之后将所述恒定电流模式切换成所述恒定电压模式；以及
在所述恒定电压模式下，利用所述有源平衡电路而在所有的所述多个二次电池都具有与所述最大电压下的截止电流相同的电流时终止充电和放电。
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