[发明专利]电荷均衡设备及方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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T1到Tn，开关SW1到 SWn，二极管D1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T1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T1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SW1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B1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T1到Tn的初级线圈中。