电荷均衡设备及方法技术

本发明专利技术主要涉及一种电池电压均衡设备及方法，并且更特别的是涉及一种电荷均衡设备和方法，其减少了半导体开关元件的耐受电压，同时保持了电荷均衡性能，从而使在减少电荷均衡设备成本的情况下使变压器次级线圈的实现变得容易。该电荷均衡设备包含与Ｎ个串联电池（Ｂ１到Ｂｎ）串联的Ｎ个第一变压器（Ｔ１到Ｔｎ），并适用于减少Ｎ个电池中过度充电电池的电压。电荷存储装置（Ｃｄｕｍｐ）存储来自第一变压器的能量。第二变压器（ＴＳ）将存储于电荷存储装置的能量重新分配到Ｎ个串联的电池。电压检测和驱动信号产生单元（２０）检测Ｎ个串联电池各自的电压，并产生第一驱动信号和第二驱动信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术主要涉及一种电池电压均衡设备和方法，并且更特别地是涉及一种电荷均衡设备和方法，该设备和方法在维持电荷均衡性能的同时降低了半导体开关元件的耐受电压，从而在减少电荷均衡设备开支的同时能很容易就实现变压器的次级线圈。
技术介绍
许多系统都使用由电池组或电池阵列形式的电池，其包含多个电池单元相互串联。当这样的电池被充电至显著高于额定充电电压范围的电压时或放电至低于额定放电电压时，将是危险的。在电池单元的荷电状态(charged state)之间的不均衡是由多种因素引起的，并在电池的制造或电池的充电/放电中发生。对于锂离子电池的情况，在工厂中电池的制造被严格控制来使电池阵列中电池单元容量间的差异最小化。然而，电池单元之间的不均衡或不同可能由于各种因子而出现，而不论电池单元的状态如何，也就是即使电池单元最初制造后在工厂中达到了均衡和等同。影响电池不均衡的因子可能包含，例如化学反应，各电池单元的阻抗和自放电速率，电池容量的减少，电池工作温度的变化以及电池间不同类型的变化。电池温度之间的不一致是造成电池单元间不均衡的重要因子。例如，自放电是在电池内引起的，并且是电池温度的函数。具有较高温度的电池通常比具有较低温度的电池具有更高的自放电速率。结果，长时间后具有较高温度的电池表现出比具有较低温度的电池更低的荷电状态。不均衡在电池荷电状态中是非常严重的问题。例如，电池提供能量的能力是被具有最低荷电状态的电池单元所限制的，其通常出现于电动车辆中。如果该电池单元被完全消耗，其他电池单元就失去了继续供能的能力。即使是电池的其他电池单元仍然具有供能能力也是一样的。因此，电池单元荷电状态的不均衡降低了电池的供能能力。当然，上面所述并不表示当一个或多个电池单元被消耗时通过剩余电池单元供能是完全不可能的事。然而，在串联的情况下，这意味着如果一个或多个电池单元被完全消耗，只要在剩余电池单元中有剩余电荷，该电池能继续使用，但是那样的话，由于其已经完成放电的电池单元将产生具有相反极性的电压，其结果是该电池单元由于其过热或气体的产生而可能有爆炸的危险，这样一来电池就失去了供能能力。纠正电池单元荷电状态间不均衡的各种方法已经被提出，其中一种方法示于图1中。图1是常规的电荷均衡设备的示意图。根据图1，该常规的电荷均衡设备包括变压器Tl到Tn，开关SW1到SWn， 二极管Dl到Dn，以及电压检测和驱动信号产生单元10。然后，变压器的初级线圈上的和次级线圈上的同名端(dot)位于相反侧。相应的，每个变压器这样运行，当初级线圈开启时，能量充入初级线圈中，而当第二线圈关闭且初级线圈关闭时，充入初级线圈的能量通过反电动势提供到次级线圈中，从而次级线圈被开启。开关SW1到SWn分别与变压器Tl到Tn的初级线圈相串联，并适用于根据由电压检测和驱动信号产生单元10提供的控制信号而将过度充电电池中充入的能量提供给变压器T1到Tn的初级线圈。相应的，过度充电的电池被放电。当与初级线圈串联的开关SW1到SWn被开启时，变压器Tl到Tn由过度充电电池提供能量，并向其初级线圈充入能量。当开关SWl到SWn被关闭时，变压器通过反电动势提供在初级线圈充入的能量到其次级线圈。二极管D1到Dn分别与次级线圈串联，并适用于整流从次级线圈提供到串联电池B1到Bn的能量。电压检测和驱动信号产生单元10检测串联电池Bl到Bn各自的电压，将检测到的电压与参考电压比较，并产生从被充到大于参考电压的电池，即过度充电电池放电所需的驱动信号。该由电压检测和驱动信号产生单元10产生的驱动信号被提供到与过度充电电池并联的开关，从而产生一闭合的回路而使过度充电电池的能量能提供到变压器Tl到Tn的初级线圈中。然而，该常规的电荷均衡设备在以下方面是有问题的，由于二极管Dl到Dn与次级线圈相串联，当开关SW1到SWn被开启时，将在二极管Dl到Dn中引发大约两倍于串联电池Bl到Bn的电压，从而增加了二极管Dl到Dn的电压压力。换言之，当开关SWl到SWn开启时，由过度充电电池提供到变压器初级线圈的电压和由串联电池Bl到Bn提供的电压都在二极管Dl到Dn引发，这样在二极管D1到D2产生了高电压压力。相应地，与变压器T1到Tn的次级线圈串联的二极管Dl到Dn的耐受电压增加了，从而增加了该电荷均衡设备的成本。另外，在该常规的电荷均衡设备中，由于变压器T1到Tn的次级线圈的匝数是初级线圈匝数的N倍(N是串联电池的数量)，随着电池数量的增加，在实现次级线圈时存在很多限制
技术实现思路
技术问题相应的，本专利技术在考虑上述问题时完成，本专利技术意在提供一种电荷均衡设备和方法，该设备和方法降低半导体开关元件的耐受电压，从而使其在降低电荷均衡设备成本的同时易于实现变压器的次级线圈。技术方案根据本专利技术的一方面，提供了一种电荷均衡设备，该电荷均衡设备包括并联到N个串联电池上的N个第一变压器，并适用于降低N个电池中过度充电电池的电压；用于存储从第一变压器提供的能量的电荷存储装置；用于将存储在电荷存储装置中的能量重新分配到N个串联电池中的第二变压器；以及用于检测N个各自串联电池的电压，并产生从过度充电电池释放能量所需的第一驱动信号和产生将电荷存储装置中存储的能量提供给第二变压器所需的第二驱动信号的电压检测和驱动信号产生单元。根据本专利技术的另一方面，提供了一种电荷均衡设备，该电荷均衡设备包括分别并联到N个串联电池上的N个变压器，并适用于降低N个串联电池中过度充电电池的电压；用于存储从变压器中提供的能量的电荷存储装置；用于检测N个各自串联电池的电压并产生从过度充电电池中释放能量所需的驱动信号的电压检测和驱动信号产生单元；在N个变压器初级线圈和N个电池阳极之间连接的N个放电开关，该N个放电开关响应于驱动信号工作；以及分别在N个变压器的次级线圈的第一端和电荷存储装置的阴极之间连接的N个半导体开关元件。根据本专利技术的又一方面，其提供了一种电荷均衡的方法，该方法包含以下步骤(a)检测N个串联电池的电压；(b)将检测的电压与第一参考电压相比较，从那些充到高于第一参考电压的过度充电电池中释放能量，并将该过度充电电池提供的能量存储于电荷存储装置；以及(c)检测电荷存储装置的电压，将检测到的电压与第二参考电压相比，并当检测电压等于第二参考电压时将检测到的电压重新分配到N个串联电池中，从而在N个串联电池中重新充入从过度充电电池中提取的能量。根据本专利技术的又一方面，其提供了一种电荷均衡的方法，该方法包含以下步骤(a)检测N个各自串联电池的电压；(b)将检测到的电压与参考电 压相比较，并从充到高于参考电压的过度充电电池中释放能量；以及(c)将过度充电电池提供的能量存储于电荷存储装置。有益效果本专利技术的变压器在两个阶段执行是有利的，这样减少了与第一变压器的 次级线圈串联的第一开关元件的电压压力。相应地，第一半导体开关元件的耐受电压降低了，从而使电荷均衡设备 能实现高效且低成本的制造。另外，变压器在两个阶段实现，从而第一变压器的匝数比能够减少，这 样使次级线圈的制造变得容易了 。附图说明图1是展示常规的电荷均衡设备的图2是展示根据本专利技术实施例的电荷均衡设备的图3是展示图2的电压检测和驱动信号产生单元的图4是展示根据本专利技术另一实施例的电荷均衡设备的图；以及图5是展示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电荷均衡设备，该电荷均衡设备包括：　并联到Ｎ个串联电池上的Ｎ个第一变压器，该Ｎ个第一变压器适用于降低Ｎ个电池中过度充电电池的电压；　用于存储从所述第一变压器提供的能量的电荷存储装置；　用于将存储在所述电荷存储装置中的能 量重新分配到所述Ｎ个串联电池中的第二变压器；以及　电压检测和驱动信号产生单元，用于检测Ｎ个串联电池各自的电压，以及用于产生从过度充电电池释放能量所需的第一驱动信号和将存储在所述电荷存储装置中的能量提供给所述第二变压器所需的第二驱动信号 。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】KR 2006-6-15 10-2006-00540611、一种电荷均衡设备，该电荷均衡设备包括并联到N个串联电池上的N个第一变压器，该N个第一变压器适用于降低N个电池中过度充电电池的电压；用于存储从所述第一变压器提供的能量的电荷存储装置；用于将存储在所述电荷存储装置中的能量重新分配到所述N个串联电池中的第二变压器；以及电压检测和驱动信号产生单元，用于检测N个串联电池各自的电压，以及用于产生从过度充电电池释放能量所需的第一驱动信号和将存储在所述电荷存储装置中的能量提供给所述第二变压器所需的第二驱动信号。2、 根据权利要求l所述的电荷均衡设备，该电荷均衡设备还包括 与所述N个第一变压器的初级线圈分别相串联的N个放电开关，该N个放电开关响应于所述第一驱动信号来运作；连接在所述N个第一变压器的次级线圈的第一端和所述电荷存储装置 的阴极之间的N个第一半导体开关元件；连接在所述第二变压器的初级线圈的第二端和所述电荷存储装置的阳 极之间的重新分配开关，该重新分配开关响应于所述第二驱动信号来运作； 以及连接在所述第二变压器的次级线圈的第一端和所述N个串联电池中的 第一电池的阴极之间的第二半导体开关元件。3、 根据权利要求1所述的电荷均衡设备，其中每个所述第一变压器的 初级线圈与次级线圈的匝数比是N1: N2， N2大于N1。4、 根据权利要求3所述的电荷均衡设备，其中所述第二变压器的初级线圈与次级线圈的匝数比是N2: N3， N3大于N2。5、 根据权利要求4所述的电荷均衡设备，其中所述第二变压器的容量 大于所述第一变压器的容量。6、 根据权利要求l所述的电荷均衡设备，其中所述N个第一变压器的 次级线圈的第二端共同连接到所述电荷存储装置的阳极。7、 根据权利要求1所述的电荷均衡设备，其中所述第一变压器中的每 一个第一变压器和所述第二变压器如下实现，即初级线圈上形成的同名端和 次级线圈上形成的同名端位于不同侧。8、 根据权利要求1所述的电荷均衡设备，其中所述第一变压器中的每 一个变压器和所述第二变压器如下实现，即初级线圈上形成的同名端和次级 线圈上形成的同名端位于相同侧。9、 根据权利要求1所述的电荷均衡设备，其中所述电荷存储装置的容 量与过度充电电池的数量成比例。10、 根据权利要求9所述的电荷均衡设备，其中所述电荷存储装置是电容。11、 根据权利要求9所述的电荷均衡设备，其中所述电荷存储装置是用 于车辆的电池。12、 根据权利要求2所述的电荷均衡设备，其中所述第一半导体开关元件中的每一个第一半导体开关元件和所述第二半导体开关元件由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)、继电器和二 极管中的任一者形成。13、 根据权利要求12所述的电荷均衡设备，其中所述第一半导体开关 元件中的每一个第一半导体开关元件和所述第二半导体开关元件是二极管。14、 根据权利要求2所述的电荷均衡设备，其中所述放电开关中的每一 个放电开关和所述重新分配开关由MOSFET、 BJT和继电器中的任一者形 成。15、 根据权利要求14所述的电荷均衡设备，其中所述放电开关中的每 一个放电开关和所述重新分配开关是N型MOSFET。16、 根据权利要求l所述的电荷均衡设备，其中所述电压检测和驱动信 号产生单元包括用于检测所述N个电池的电压的感应单元；用于根据由所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：金正恩，李重辉，朴弘善，文建又，吴全根，张洙晔，
申请(专利权)人：SK能源株式会社，韩国科学技术院，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]