[发明专利]电荷存储元件的均衡电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于电荷存储元件(例如电池单元或电容器)的均衡电路。

背景技术

电荷存储元件通常联在一起形成更大的电荷存储设备，比如电池箱包含多个串联的电池，或电容器组包含多个串联的电容器。

理想地，一个电荷存储设备中的所有电荷存储元件彼此都应具有同样的电荷状态，例如如果一个电荷存储设备充电60％，那么其中的每一个电荷存储元件也都应当充电60％。然而，电荷存储设备的反复充电和放电循环会引起设备的元件间小的不匹配，逐渐地导致各元件的电荷状态间差别越来越大。例如，如果元件中有一个在充电期间对电荷的存储比其它元件稍微低效些，那么针对发生的每一次充电/放电循环，与其它元件的电荷状态相比，那个元件的电荷状态将逐渐地变得越来越低。反之，如果元件中有一个在充电期间对电荷的存储比其它元件稍微高效些，那么针对发生的每一次充电/放电循环，与其它元件的电荷状态相比，那个元件的电荷状态将逐渐地变得越来越高。

与电荷存储设备中的其它电荷存储元件相比，一个电荷存储元件的电荷状态的这种逐渐的下降/上升会减少存储在电荷存储设备中的能量。另外，在某些情况下这会导致电荷存储元件的过度放电或过度充电，引起电荷存储元件损坏。

用于均衡电荷存储元件的电荷状态的已知技术通常包含反馈电路部件。然而，为了减小部件的尺寸，这些技术一般运行在高切换频率，经常导致高切换损失。

US 2008/0180061公开了一种电路，它用于将串联电池单元链切换成并联的来实现电荷均衡。一旦单元被切换成并联的，它们就被强 制为同一电压电位，这样电荷转移就会在它们之间发生，直到它们彼此达到相似电荷状态。电池单元彼此相邻，它们之间有开关，开关既可用于串联单元，也可用于并联单元。然而，每个串联单元间的开关电阻会导致切换损失，减少电池箱的功效，并降低它的有效输出容量。

发明内容

因此本发明目的是要提供一种用于减少电荷存储设备中各电荷存储元件的电荷状态的差别累积的改进电路。

根据本发明的实施方案，提供了一种电荷均衡电路，用于平衡电荷存储设备的电荷存储元件，电荷存储设备包含电荷存储元件的至少2个串联链，其中电荷均衡电路包含开关和相应的开关控制电路系统，用于实现以下连接：

-在第一时间段期间，将第一个链的第一个电荷存储元件与第二个链的第一个电荷存储元件并联；以及

-在第二时间段期间，将第一个链的第一个电荷存储元件与第二个链的第二个电荷存储元件并联。

两个电荷存储元件并联强制它们的电压达到同一电平，因此，通过一个电荷存储元件有效地放电到另一个电荷存储元件并为其充电，它们的电荷状态差别被均衡。将一个电荷存储元件切换成与另一个电荷存储元件并联，并接着再与另外的一个电荷存储元件并联，在全部三个电荷存储元件间重新分配电荷。这种切换可以反复执行，直到三个电荷存储元件彼此间全部本质上具有一样的电荷状态。与已知采用反馈元件的技术(反馈元件要通过一个电荷存储元件充电再放电给另一个电荷存储元件)相比，将电荷存储元件并联在一起导致电荷存储元件间电荷更快地重新分配。

将一个链中的电荷存储元件切换成与另一个链的电荷存储元件并联意味着电荷存储元件不需要断开与它们相应链的连接，并且因此在链的串联电荷元件间不需要串联开关。换句话说，每个链的电荷存储元件彼此可以永久连接，或硬连线。

电荷存储设备的电荷存储元件全部贡献于存储电荷直到电荷需要 放电给外部设备时。电荷存储元件不只是控制电路系统的部件，更确切地，每个电荷存储元件对于整个电荷存储设备的电荷存储容量做出了重要贡献。

串联电荷元件的每个链的一个链末端在相对低电位处而另一个链末端在相对高电位处。链中每个电荷存储元件出现在链的特定级处，例如在链末端具有最低电位的电荷存储元件可以称作在该链的第一级处，连接到它的下一个电荷存储元件可以称作在该链的第二级处，连接到该链中第二级处的电荷存储元件的再下一个电荷存储元件可称作在该链的第三级处，依次类推。彼此在同一级而处在不同链中的的电荷存储元件被称作形成电荷存储设备的片段(slice)。