CN101467326A - 多个变压器的初级线圈并联的电荷均衡设备 - Google Patents

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Abstract

本发明主要涉及一种用于电池的电荷均衡设备，更具体地涉及一种电荷均衡设备，其中对应于多个电池单元的多个变压器(T1～TN)中的初级线圈(M11～M1N)彼此相互并联，用于控制并联的变压器中的初级线圈(M11～M1N)的电流的开关(S)与并联的初级线圈串联，与初级线圈对应的各个次级线圈(M21～M2N)与电池单元并联，以及电池单元彼此相互串联。

Description

多个变压器的初级线圈并联的电荷均衡设备
技术领域
本发明总体上涉及电池的电荷均衡设备，更具体地，涉及一种充电设备，在该充电设备中，对应于电池单元数目的多个变压器中的初级线圈相互并联，用于控制并联的变压器中初级线圈电流的开关与并联的初级线圈串联，与初级线圈对应的各个次级线圈与电池单元并联，以及电池单元之间相互串联。
背景技术
许多系统中把电池作为电池组或电池阵列使用，该电池组或电池阵列包括彼此相互串联的多个电池单元。
当这样的电池单元被充电到比额定充电范围的电压高得多或者低得多的电压时，可能会很危险。
电池单元的荷电状态不均衡由多种因素导致，并在电池生产或电池充放电期间发生。在锂离子电池单元的情况下，电池单元的生产在工厂内被严格控制以将电池阵列的各电池单元的容量之间的差异最小化。不管电池单元处于何种状态，其中在电池单元被最初制造后保持均衡性或均等性，但是，由于各种因素，可能会出现电池单元间的不均衡性或不均等性。
影响电池单元的不均衡性的因素可能包括，如化学反应、各个电池单元的阻抗和自放电速度、电池单元容量的减少、各电池单元工作温度的变化及各电池单元之间的其它类型的变化。
电池单元温度的不一致是导致电池单元中不均衡的一个重要因素。例如，“自放电”在一个电池单元中产生，并且“自放电”是电池温度的函数。温度高的电池通常比温度低的电池自放电速率高。因此，随着时间的推移，温度高的电池比温度低的电池表现出更低的荷电状态。
不均衡性是电池荷电状态中一个非常严重的问题。例如，这种问题可能通常发生在电动车辆中，电池提供能量的容量受具有最低荷电状态的电池单元的限制。
如果串联连接的电池中之一被完全耗能，其它电池单元会失去继续提供能量的能力。即使电池中的其它电池单元仍然具有供电的能力也一样。因此，电池单元的荷电状态的不均衡降低了电池供电性能。
当然，以上描述并不意味着当一个或多个电池单元被消耗时，剩余电池单元完全不可能提供电能。然而，它意味着，只在串联的情况下，即使一个或多个电池单元被完全耗能，只要电荷存在于剩余的电池单元中，电池就可被继续使用。但是，在这种情况下，完全被放电的电池单元中会产生相反极性的电压，因此，电池单元可能因过热或气体的产生而存在爆炸的危险，进而导致电池失去供电的能力。
已经提出校正电池单元的荷电状态中不均衡性的多种方法，其中一种方法如图1所示。
图1显示了具有串联的电池单元的常规集中电荷均衡设备的结构。
参照图1，具有串联的电池单元的常规集中电荷均衡设备构造如下：提供变压器T的公共铁心，单个初级线圈M1缠绕在公共铁心上，以及多个对应于电池单元B1～BN的数目的多个次级线圈M21～M2N缠绕在公共铁心上。次级线圈M21～M2N具有相同的匝数和相同的极性即负极。在这种情况下，次级线圈M21～M2N的极性为负极意味着在各个线圈的下面部分标记上同名端。
只有单个初级线圈M1缠绕在变压器公共铁心上，并且开关S与初级线圈M1串联，所述初级线圈M1的极性与次级线圈M21～M2N的极性相反。
开关S用作开启/关闭流过与开关S串联的初级线圈M1的电流，并响应于由电压感测和开关驱动信号产生单元100输出的控制信号来进行开/关操作。
整流二极管D1～DN与缠绕在变压器T的共同铁心上的各个次级线圈M21～M2N相串联。电池单元B1～BN与各个次级线圈M21～M2N相并联。
此外，电池单元B1～BN连接在电压感测和开关驱动信号产生单元100上。
电压感测和开关驱动信号产生单元100感测连接到其上的各个电池单元B1～BN的电压，并基于所感测的电压开启/关闭开关S，进而将串联电池单元B1～BN的电压保持在统一的电压。
也就是说，电压感测和开关驱动信号产生单元100感测各个电池单元B1～BN的电压，当中某个特定电池单元B1～BN的电压高于预定的电压值时开启开关S。电荷从串联的电池单元B1～BN中释放并由变压器T转换成磁能，该磁能存贮在变压器T中。当开关S关闭时，磁能被转化为电荷，电荷经过次级线圈M21～M2N和整流二极管D1～DN而移动到各个电池单元B1～BN中。此时，小量电荷移动至具有高压的电池单元B1～BN，而大量电荷移动至具有低压的电池单元B1～BN，从而均衡电池单元的电荷。
常规集中电荷均衡设备的优势在于它仅采用单个开关控制电荷的流动。然而，常规集中电荷均衡设备存在的问题是，由于对应电池单元的数目的多个次级线圈缠绕在单个公共铁心上，很难在最好的条件下将次级线圈缠绕在单个共同铁心上。
详细地讲，在常规集中电荷均衡设备中，对应于电池单元的数目并缠绕在公共铁心上的多个次级线圈必须被缠绕以具有相同的特性。对于这种操作，对应于电池单元的数目的多个次级线圈必须被缠绕以满足与初级线圈具备相同的关系，但实际过程中由于其结构原因很难生产出满足这些条件的变压器。
此外，在电池单元以多层方式堆叠其中的电池组或电池阵列被应用到必须便携的装置中的情况下，添加到电池组或电池阵列的设备必须提供支持以使电池组或电池阵列的尺寸最小化。然而，由于常规集中电池均衡设备采用了单个大尺寸的共同铁心，很难将电池组或电池列集成。
发明内容
因此，本发明考虑现有技术中出现的上述问题而作出，本发明意在提供多变压器的初级线圈并联的电荷均衡设备，该设备中使用与电池单元的数目相对应的多个变压器，其中次级线圈单独地缠绕在各个变压器中，从而在维持电荷均衡性能的同时便于了变压器的生产。
此外，本发明意在提供多变压器的初级线圈并联的电荷均衡设备，该设备中使用与电池单元的数目相对应的多个变压器，进而从空间布置的角度实现了设计的灵活性。
此外，本发明意在提供多个变压器的初级线圈并联的电荷均衡设备，该设备中使用与电池单元的数目相对应的多个变压器，从而容易地处理多个变压器的次级线圈的不同特性，进而当次级线圈具有不同的特性时使具有不同特性的次级线圈具备相同的特性。
根据发明的一个方面，提供一种电荷均衡设备，该电荷均衡设备包括N个变压器，每个变压器都具有缠绕在变压器上的初级线圈和次级线圈，各变压器初级线圈相互并联，各变压器次级线圈与电池单元相互并联；N个第一电流传送装置，该N个第一电流传送装置分别与N个变压器的次级线圈串联，N个电池单元彼此相互串联并与N个变压器的次级线圈并联；电池单元，被构造为使得N个串联的电池单元的第一端连接到N个变压器的并联的初级线圈的第一端，第一开关与N个变压器的并联的初级线圈的第一端相连，进而控制初级线圈电流以第一方向或第二方向流动；电压感测和开关驱动信号发生单元，用于感测N个电池单元的电压并开启/关闭第一个开关；其中所述电荷均衡设备操作如下：当第一开关开启，电流以第一方向流过初级线圈的，以及在次级线圈感应出电流，从而使电荷均衡分布到N个电池单元中。
本发明优点在于本发明便于变压器的生产，同时保持了集中电荷均衡设备的电荷均衡性能。
也就是说，由于常规集中电荷均衡设备的构造如下：对应于电池单元的数据的多个次级线圈必须缠绕在单个大尺寸的共同铁心上，随着电池单元数目的增加，实际上很难进行次级线圈的缠绕。相反，本发明采用与电池单元的数目相对应的多个小尺寸的变压器，并使次级线圈能独立缠绕在各个变压器中，进而便于变压器的生产，同时维持集中电荷均衡设备至极好的电荷均衡性能。
此外，本发明优势在于使用与电池单元的数目相对应的多个变压器，进而从空间布置的角度实现了设计的灵活性。
另外，本发明优势在于使用与电池单元的数目相对应的多个变压器，以便容易地处理次级线圈的不同特性，从而当次级线圈具有不同的特性的时候使具有不同特性的次级线圈具备相同的特性。
附图说明
图1是显示了具有串联的电池单元的常规集中电荷均衡设备的结构的框图；
图2是显示了依照本发明的一个实施方式的多个变压器的初级线圈并联的电荷均衡设备的结构的框图；
图3是显示了依照本发明的另一个实施方式的多个变压器的初级线圈并联的电荷均衡设备的结构的框图；以及
图4显示了依照本发明的又一个实施方式的多个变压器的初级线圈并联的电荷均衡设备的结构的框图。
重要部件附图标记
T1～TN：变压器            M11～M1N：初级线圈
M21～M2N，M21a～M2Nb：次级线圈
S，S1，S2：开关
B1～BN：电池单元          D1～DN，D11～DN2：二极管
C1，C2：电容              L1～LN：电感
具体实施方式
图2是显示了依照本发明的一个实施例的多的变压器的初级线圈并联的电荷均衡设备的结构的框图。
参照图2，多个变压器的初级线圈并联的电荷均衡设备被构造为：提供与电池单元B1～BN相对应的变压器T1～TN，在变压器T1～TN中提供各自的铁心，以及初级线圈M11～M1N和次级线圈M21～M2N缠绕在各自的铁心上。
也就是说，在常规集中电荷均衡设备的情况下，单个初级线圈缠绕在公共铁心上，以及与电池单元B1～BN的数目相对应的多个次级线圈缠绕在所述公共铁心上。不同的是，在本发明中，使用与电池单元B1～BN的数目相对应的多个变压器T1～TN，从而提供了与电池单元B1～BN的数目相对应的多个铁心，以及初级线圈M11～M1N和次级线圈M21～M2N缠绕在各自的铁心上。
初级线圈M11～M1N优选地具有相同的匝数N1，但根据应用也可以具有不同的匝数。此外，在本发明中由于使用了与电池单元B1～BN数目相对应的多个变压器T1～TN，铁心独立地被提供，进而从与次级线圈M21～M2N关系的角度看，匝数比更加重要。所有变压器T1～TN优选地具有相同的匝数比N1:N2，但根据应用也可以具有不同的匝数比。此处术语“匝数比”意思是初级线圈中的匝数N1与次级线圈中的匝数N2的比值，即N1:N2，并且匝数比与电压和电流的量相关联。初级线圈的电压与次级线圈的电压与匝数成正比，以及初级线圈的电流与次级线圈的电流与匝数成反比。
此外，所有变压器T1～TN的初级线圈M11～M1N的极性与次级线圈M21～M2N的极性相反，这意味着，在变压器T1～TN的初级线圈M11～M1N的上面部分标记上同名端的情况下，变压器T1～TN的次级线圈M21～M2N的下面部分也标记上同名端。
所有变压器T1～TN的初级线圈M11～M1N相互并联，并且变压器T1～TN的并联的初级线圈M11～M1N的第一端与开关S相串联。
开关S响应从电压感测和开关驱动信号产生单元200的开关驱动电路单元230输入的控制信号而执行开启/关闭操作。可使用具有体二极管的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来实现开关S，或使用二极管、双极型晶体管(BJT)开关或继电器开关来代替MOSFET开关来实现开关S。
次级线圈M21～M2N优选地具有相同的匝数，但也可以根据应用采用不同的匝数。
此外，次级线圈M21～M2N分别与整流二极管D1～DN串联，并分别与电池单元B1～BN并联。在这种情况下，当电流从次级线圈M21～M2N中的同名端流出时，整流二极管D1～DN阻止电流流动，但当电流流入次级线圈M21～M2N中的同名端时，整流二极管D1～DN不阻止电流流动。根据此应用，整流二极管D1～DN可以由MOSFET开关、BJT开关、继电器开关等来替代。将电池单元B1～BN充电至一定的电压，调整充点或放电电流，并将电池单元B1～BN与电压感测和开关驱动信号产生单元200并联。电池单元B1～BN彼此串联，并且串联的电池单元的第一端与变压器T1～TN的初级线圈M11～M1N并联。
同时，电压感测和开关驱动信号产生单元200包括感测单元210，微处理器220和开关驱动电路单元230。
感测单元210与各个电池单元B1～BN并联，适于感测各个电池单元B1～BN的电压并输出感测的电压。
根据预设的方案，微处理器220基于各个电池单元B1～BN的电压状态来确定开启/关闭开关S的时间，所述各个电池单元B1～BN的电压状态从感测单元210输入。
此种情况下，作为微处理器220确定第一开关S开启/关断时间的方案的示例，确定过程可以被如下执行：当获取到电池单元B1～BN的感测的电压最大和最小值并且两者之间的差值大于或等于预定的值时，微处理器220可以开启开关S。
作为所述方案的另外一个示例，确定过程可以被如下执行：当电池单元B1～BN的感测的电压比参考值高时，微处理器220可以开启开关S。
此时，当开启信号从微处理器220被输入时，开关驱动电路单元230产生并输出驱动信号用于对开启信号进行响应而开启开关S。然而，当从微处理器220输入关闭信号时，开关驱动电路单元230产生并输出驱动信号用于对关闭信号进行响应而关闭开关S。
此种情况下，开关驱动电路单元230产生的驱动信号可以脉冲调宽(PWM)信号。
参考图2，描述根据本发明的一种实施方式的电荷均衡设备的操作。
感测单元210感测各个电池单元B1～BN的电压并输出感测的电压至微处理器220。
根据预设的方案，微处理器220基于各个电池单元B1～BN的电压状态确定是否开启或关闭开关S，所述各个电池单元B1～BN的电压状态从感测单元210的输入，并且微处理器220输出与确定结果相对应的驱动控制信号到开关驱动电路单元230。
当从微处理器220输入开启信号，开关驱动电路单元230产生并输出驱动信号用于对开启信号进行响应而开启开关S。然而，当从微处理器220输入关闭信号时，开关驱动电路单元230产生并输出驱动信号用于对关闭信号进行响应而关闭开关S。
此时，当开关S被开启时，电流流过所有变压器T1～TN中的初级线圈M11～M1N，并在相对应的次级线圈M21～M2N上感应出电压，从而，感应出正向的电流，即从次级线圈M21～M2N同名端到变压器外部的方向。
在这种情况下，由于整流二极管D1～DN以与电流的流动相反的方向连接，电流被中断并以磁场能的形式存储在初级线圈M21～M2N中。
此后，当开关S被关闭时，电流不流过初级线圈M11～M1N，初级线圈中不感应出电压。然而，在次级线圈M21～M2N中，在开关S开启期间充电得到的磁场能以电流的形式被感应出，该电流的方向为能量流入次级线圈M21～M2N同名端的方向，从而用电荷对与各个次级线圈M21～M2N并联的电池单元B1～BN进行充电。在此操作过程中，由于整流二极管D1～DN以导通方向与电流流动的方向一致的方式连接，因此这些二极管不会阻止电流的流动。
以下描述了流入电池单元B1～BN的电荷量。电荷量正比于次级线圈M21～M2N中的感应电压与电池单元B1～BN的电压之间的差值。与两者电压差值相对较大时的情况相比，当两者电压差值比较小时，进入电池单元的电荷量也相对较小。
因此，相对较小量的电荷流入次级线圈M21～M2N中感应的电压与电池单元B1～BN的电压之间的具有较小差值的电池单元B1～BN，从而小量电荷对电池单元进行充电。相对较大量的电荷流入次级线圈M21～M2N中感应的电压与电池单元B1～BN的电压具有较大差值的电池单元B1～BN，即电池单元B1～BN具有相对低的电压，从而大量电荷对电池单元B1～BN进行充电。因此，电池单元的荷电状态得到均衡。
图3显示了依照本发明的另一个实施方式的多个变压器的初级线圈并联的电荷均衡设备的结构。
参照附图，多个变压器的初级线圈并联的电荷均衡设备的结构构造如下：提供与电池单元B1～BN相对应的变压器T1～TN，在变压器T1～TN中提供各自的铁心，以及初级线圈M11～M1N和次级线圈M21～M2N缠绕在各自的铁心上。
初级线圈M11～M1N优选地具有相同的N1匝数，但根据应用也可以具有不同的匝数。此外，对于匝数比，表示初级线圈M11～M1N的匝数和次级线圈M21～M2N的匝数之间的关系。所有变压器T1～TN可以采用相同的匝数比N1:N2，但可选择地，根据应用也可以采用不同的匝数比。
此外，所有变压器T1～TN的初级线圈M11～M1N的极性与次级线圈M21～M2N的极性相同，这意味着，在变压器T1～TN的初级线圈M11～M1N的上面部分标记上同名端的情况下，变压器T1～TN的次级线圈M21～M2N的上面部分也标记上同名端。在图3的电荷均衡设备中，用正激变换器代替了图2中采用的反激变换器。
同时，所有变压器T1～TN的初级线圈M11～M1N相互并联，并且变压器T1～TN的并联的初级线圈M11～M1N的第一端与开关S相串联。
开关S进行开启/关闭操作，对从电压感测和开关驱动信号产生单元200的开关驱动电路单元230输入的控制信号进行响应。
同时，次级线圈M21～M2N优选地具有相同的匝数N2，但根据应用也可以具有不同的匝数。
此外，次级线圈M21～M2N分别与第一整流二极管D11～DN1串联，并分别与第二整流二极管D12～DN2并联。第一整流二极管D11～DN1被连接以当电流正向从次级线圈M21～M2N流出时，不阻止电流的流动，以及当电流正向流入次级线圈M21～M2N时，阻止电流的流动。此外，第二整流二极管D12～DN2与次级线圈M21～M2N，当开关S关闭时，整流二极管D12～DN2用作感应自发流过次级线圈的电流。第一整流二极管D11～DN1的阴极连接至第二整流二极管D21～DN2的阴极。
电池单元B1～BN分别与次级线圈M21～M2N并联，并通过电感L1～LN分别与第一整流二极管D11～DN1的阴极相连。也就是说，电感L1～LN具有连接到第一整流二极管D1～DN的阴极的第一端，和连接到电池单元B1～BN的第二端，从而提供了第一整流二极管D1～DN与电池单元B1～BN之间的连接。
此外，电池单元B1～BN相互串联，串联的电池单元B1～BN的第一端与初级线圈M11～M1N并联。
此种情况下，电感L1～LN用作转换磁场能的装置。当开关S开启时，电流通过电感从次级线圈M21～M2N流出进入到各个电池单元B1～BN中。当开关S关闭时，留在电感中的磁场能以同样的方式流入到电池单元B1～BN中。此时，整流二极管D12～DN2导通。
此时，电压感测和开关驱动信号产生设备200包括感测单元210、微处理器220和开关驱动电路单元230。
感测单元210与各个电池单元B1～BN并联，并适于感测电池单元B1～BN的电压，并输出感测的电压。
此外，根据预设的方案，微处理器220基于电池单元B1～BN电压状态确定开启/关闭开关S的时间，所述电池单元B1～BN电压状态从感测单元210输入。
此种情况下，作为微处理器220确定第一个开关S开启/关断时间的方案的示例，确定过程可以被如下执行：当获取到电池单元B1～BN的感测的电压最大和最小值，以及两者之间的差值大于或等于预设的值时，开关S开启。
作为该方案的另外一个示例，确定过程可以如下执行：当电池单元B1～BN的感测的电压比参考值高时，微处理器220可以开启开关S。
此时，当从微处理器220输入开启信号时，开关驱动电路单元230产生并输出驱动信号用于对开启信号进行响应而开启开关S。然而，当从微处理器220输入关闭信号时，开关驱动电路单元230产生并输出驱动信号用于对关闭信号进行响应而关闭开关S。
此种情况下，由开关驱动电路单元230产生的驱动信号可以是脉冲调宽(PWM)信号。
参考图3，根据本发明的一种实施方式具体描述如下电荷均衡设备的操作。
感测单元210感测出各个电池单元B1～BN的电压并输出感测的电压至微处理器220。
根据预设的方案，微处理器220基于电池单元B1～BN的电压状态确定是否开启或关闭开关S，所述电池单元B1～BN的电压状态从感测单元210输入，并且微处理器220输出与确定结果相对应的驱动控制信号至开关驱动电路单元230。这里，微处理器220开启开关S的方法可以包括，例如在串联的电池单元B1～BN的电势比预设的值高或串联的电池单元B1～BN的电势有可能比预设的值高的情况下执行的一种方法，以及作为另一个示例的在组成串联的电池单元B1～BN的任意电池单元B1～BN的电势比预设的值高或有可能比预设的值高的情况下执行的另一种方法。前一种方法是在只感测串联的电池单元B1～BN的总电压，而且简化感测单元210的构造的情况下执行。然而，后一种方法是在感测各个电池单元B1～BN的电压值，而且感测单元210构造复杂的情况下执行。
同时，当从微处理器220输入开启信号时，开关驱动电路单元230产生并输出驱动信号用于对开启信号进行响应而开启开关S。然而，当从微处理器220输入关闭信号时，开关驱动电路单元230产生并输出驱动信号用于对关闭信号进行响应而关闭开关S。
此外，当开关S开启时，电流通过电池单元B1～BN流过所有变压器T1～TN的初级线圈M11～M1N，并且在相对应的次级线圈M21～M2N中感应出电压，从而生成正向的电流，即从次级线圈M21～M2N的同名端到变压器外部的方向。
在这种情况下，第一整流二极管D1～DN不阻止所述电流的流动，而第二整流二极管D12～DN2阻止电流的流动，从而形成一个电流环路，所述电流环路由次级线圈M21～M2N、第一整流二极管D11～DN1、电感L1～LN和电池B1～BN组成，从而能够用电荷对电池单元B1～BN进行充电。此时，在电感L1～LN中充入磁能。
此后，如果关闭开关S，则电流不流过初级线圈M11～M1N，从而不再形成由第一整流二极管D11～DN1、电感L1～LN和电池单元B1～BN组成的电流环路。
然而，在开关S处于开启状态期间在电感L1～LN充入的磁磁，对电池单元B1～BN进行充电。在该操作中，由于第一整流二极管D1～DN以导通方向与电流的流动相反的方向被连接，整流二极管D1～DN阻止了电流的流动，从而形成电流环路，该电流环路由电感L1～LN、第二整流二极管D21～D2N和电池单元B1～BN组成。
在该示例中对流入电池单元B1～BN的电荷量进行描述。电荷量正比于存储在电感L1～LN中的磁场能量的强度。此外，磁场能量的强度取决于在开关S的开启期间次级线圈M21～M2N中感应的电压与电池单元B1～BN的电压之间的差值。具体来说，当次级线圈M21～M2N中感应的电压与电池单元B1～BN的电压之间的差值很大时，大量磁能存储在电感L1～LN中。相反，当两者之间的差值较小时，销量磁能存储在电感L1～LN中。
因此，如果电池单元B1～BN的电压较低时，用相对较大量的电荷对电池单元进行充电，然而，如果电池单元B1～BN的电压较高时，相对较小量的电荷流入电池单元B1～BN并对电池单元B1～BN进行充电，从而均衡荷电状态。
图4显示了依照本发明的又一个的实施方式的多个变压器的初级线圈并联的电荷均衡设备的结构图。
参照图4，多个变压器的初级线圈并联的电荷均衡设备的结构构造如下：提供与电池单元B1～BN相对应的变压器T1～TN，在变压器T1～TN中提供各自的铁心，初级线圈M11～M1N和两个次级线圈M21a～M2Nb缠绕在每个铁心中。
初级线圈M11～M1N优选地具有相同的匝数N1，但根据应用也可以具有不同的匝数。此外，匝数比表示初级线圈M11～M1N的匝数和次级线圈M21a～M2Nb的匝数的之间的关系，所有变压器T1～TN优选地具有相同的匝数比N1∶N2，但根据应用也可选择地具有不同的匝数比。
此外，所有变压器T1～TN的初级线圈M11～M1N的极性与次级线圈M21a～M2Nb的极性相同，这意味着，在变压器T1～TN的初级线圈M11～M1N的上面部分标记上同名端的情况下，变压器T1～TN的次级线圈M21a～M2Nb的上面部分也标记上同名端。
此时，所有变压器T1～TN中的初级线圈M11～M1N相互并联，并联的初级线圈M11～M1N的第一端与第一开关S1的源极和第二开关S2的漏极相连。第一开关S1和第二开关S2相互串联，第一开关S1的漏极与串联的电池单元B1～BN的阳极连接，开关S2的源极与相互串联的电池单元B1～BN的阴极连接。
此外，初级线圈M11～M1N的第二端连接第一电容C1的负极和第二电容C2的正极。第一电容C1和第二电容C2相互串联，第一电容C1的正极与串联的电池单元B1～BN的阳极相连，以及第二电容C2的负极与串联的电池单元B1～BN的阴极相连。
在这种情况下，第一开关S1和第二开关S2进行开启/关闭操作，对从电压感测和开关驱动信号产生单元200的开关驱动电路单元230输入的控制信号进行响应。
同时，次级线圈M21a～M2Nb优选地具有相同的N1匝数，但根据应用也可以具有不同的匝数。
此外，次级线圈M21a～M2Nb中的每个都被实现以使得两个线圈缠绕在单个铁心上。第一线圈M21a～M2Na和第二线圈M21b～M2Nb分别与电池单元B1～BN并联。
次级线圈中M21a～M2Nb的第一线圈M21a～M2Na和第二线圈M21b～M2Nb与第一或第二整流二极管D1a～D1b串联。
第一整流二极管D1a～Dna被连接以便当电流沿第一线圈M21a～M2Na的正向流出时，不阻止电流流动，以及当电流沿第二线圈M21b～M2Nb的正向流出时，阻止电流流动。第二整流二极管D1b～DNb被连接以便当电流沿第一线圈M21a～M2Na的正向流出时，阻止电流流动，以及当电流沿第二线圈M21b～M2Nb的正向流出时，不阻止电流流动。
同时，电压感测和开关驱动信号产生设备200包括感测单元210、微处理器220和开关驱动电路单元230。
感测单元210与电池单元B1～BN并联，并适于感测各个电池单元B1～BN的电压和输出感测的电压。
根据预设的方案，微处理器220基于电池单元B1～BN的电压状态，来确定开启/关闭开关第一开关S1和第二开关S2的时间，所述电池单元B1～BN的电压状态从感测单元210输入。
此种情况下，作为微处理器220确定第一开关S1和第二开关S2开启/关断时间的方案的示例，确定过程可以被如下执行：当获取电池单元B1～BN的感测的电压的最大和最小值并且两者之间的差值大于或等于预设的值时，微处理器220可以开启第一开关S1和第二开关S2。
作为该方案的另外一个示例，确定过程可以被如下执行：当电池单元B1～BN的感测的电压比参考值高时，微处理器220可以开启第一开关S1和第二开关S2。
此时，当开启信号从微处理器220被输入时，开关驱动电路单元230产生并输出驱动信号用于对开启信号进行响应而开启第一开关S1和第二开关S2。然而，当从微处理器220输入关闭信号时，开关驱动电路单元230产生并输出驱动信号用于对关闭信号进行响应而关闭第一开关S1和第二开关S2。
此种情况下，开关驱动电路单元230产生的驱动信号可以是脉冲调宽(PWM，)信号。
参考图4，下面具体描述了根据本发明的一种实施方式的电荷均衡设备的操作。
感测单元210感测各个电池单元B1～BN的电压值并输出感测的电压至微处理器220。
根据预设的方案，微处理器220基于电池单元B1～BN的电压状态确定是否开启或关闭第一开关S1和第二开关S2，所述电池单元B1～BN的电压状态从感测单元210输入，并且微处理器220输出与确定结果相对应的驱动控制信号至开关驱动电路单元230。
然后，当开启信号从微处理器220输入时，开关驱动电路单元230产生并输出驱动信号用于对开启信号进行响应而开启第一开关S1或第二开关S2。然而，当从微处理器220输入关闭信号时，开关驱动电路单元230产生并输出驱动信号用于关闭第一开关S1或第二开关S2。
此时，当第一开关S1开启时，电流经过电池单元B1～BN而流过所有变压器T1～TN的初级线圈M11～M1N，电压被加在初级线圈上，并且在相应的次级线圈M21a～M2Nb的第一线圈M21a～M2Na和第二线圈M21b～M2Nb上感应出电压，从而生成正向的电流，即从次级线圈M21a～M2Nb同名端到变压器外部的方向。
在这种情况下，第一整流二极管D1a～DNa不阻止电流的流动，而第二整流二极管D1b～DNb阻止电流流动，从而形成一个电流环路，所述电流环路由次级线圈M21a～M2Nb的第一线圈M21a～M2Na、第一整流二极管D1a～DNa和电池单元B1～BN组成，从而利用该电流对电池单元B1～BN进行充电。
此后，当关闭第一开关S1时，电流不流过初级线圈M11～M1N，在初级线圈中不感应电压，并且电流也不流过次级线圈M21a～M2Nb。
对这种情况下第一开关S1开启期间流入电池单元B1～BN的电荷量进行描述。电荷量正比于次级线圈M21a～M2Nb上感应的电压与电池单元B1～BN的电压之间的差值。与所述电压差值相对较大时的情况相比，当所述电压差值比较小时，流入电池单元的电荷量相对较小。
结果，当电池单元B1～BN时，较小量的电荷流入次级线圈M21a～M2Nb上感应的电压与电池单元B1～BN的电压之间具有较小差值的电池单元B1～BN，并且从而对电池单元进行充电。相对较大量的电荷流入次级线圈M21a～M2Nb上感应的电压与电池单元B1～BN的电压具有较大差值的电池单元B1～BN，即电池单元B1～BN具有压相对较低的电压时，从而较大量的电荷对电池单元进行充电。因此，电池单元的荷电状态得到均衡。
此时，当第二开关S2开启时，电流以与第一开关S1开启时电流流过电池单元B1～BN的方向相反的方向流过变压器T1～TN的初级线圈M11～M1N，并且电压被加在初级线圈上。因此，在相应的次级线圈M21a～M2Nb的第一线圈M21a～M2Na和第二线圈M21b～M2Nb上感应出电压，从而产生了反向的电流，电流方向是从变压器的外部到次级线圈M21a～M2Nb的同名端。
在这种情况下，由于第一整流二极管D1a～DNa阻止了电流的流动，而第二整流二极管D1b～DNb不阻止电流流动，形成了一个电流环路，所述电流环路由次级线圈M21a～M2Nb中的第二线圈M21b～M2Nb、第二整流二极管D1b～DNb和电池B1～BN组成，从而以该电流对电池单元B1～BN进行充电。
此后，当关闭第二开关S2时，电流不流过初级线圈M11～M1N，在初级线圈中不感应电压，电流也不流过次级线圈M21a～M2Nb。
这里对第二开关S2开启期间流入电池单元B1～BN的电荷量进行描述。电荷量正比于次级线圈M21a～M2Nb上感应的电压与电池单元B1～BN的电压之间的差值。与所述电压差值相对较大时的情况相比，当所述电压差值比较小时，流入电池单元的电荷量相对较小。
结果是，较小量的电荷流入次级线圈M21a～M2Nb上感应的电压与电池单元B1～BN的电压之间具有较小差值的电池单元B1～BN，从而对电池单元B1～BN进行充电。较大量的电荷流入次级线圈M21a～M2Nb上感应的电压与电池单元B1～BN的电压之间具有较大差值的电池单元B1～BN，即电池单元B1～BN具有相对较低的电压，从而大量电荷对电池单元B1～BN进行充电。因此，电池单元的荷电状态得到均衡。
而且，在电气充电装置或电气负载与串联的电池单元未相连的情况下，当相互串联的各个电池单元的电压各不相同时，以上描述的电荷均衡设备能执行电荷均衡的操作。然而，即使电气充电设备或电气负载与串联的电池单元相连，甚至在当电流载流量足够大以允许变压器初级线圈和开关作为旁路工作时或当充电电流或放电电流量很小时电器充电装置或电器负载与串联的电池单元相连的情况下，也能执行电荷均衡的操作。

Claims (9)

1、一种电荷均衡设备，该电荷均衡设备包括：
N个变压器，每个变压器具有缠绕在该变压器上的初级线圈和次级线圈，所述变压器的初级线圈相互并联，所述变压器的次级线圈与电池单元并联；
N个第一电流传送装置，分别与所述N个变压器的次级线圈串联；
N个电池单元，该N个电池单元相互串联且与所述N个变压器的次级线圈并联，所述电池单元被构造成使得所述N个串联的电池单元的第一端被连接到所述N个变压器的并联的初级线圈的第一端；
第一开关，连接到所述N个变压器的并联的初级线圈的第一端，以控制所述初级线圈的电流以第一方向或第二方向流动；以及
电压感测和开关驱动信号产生单元，用于感测所述N个电池单元的电压以及开启/关闭所述第一开关；
其中所述电荷均衡设备被操作以当开启所述第一开关时，电流以第一方向流过所述初级线圈，并且在所述次级线圈中感应出电流，从而使均衡的电荷被分布到所述N个电池单元。
2、根据权利要求1所述的电荷均衡设备，其中所述N个变压器的初级线圈和次级线圈形成反激变换器。
3、根据权利要求1所述的电荷均衡设备，其中所述N个变压器具有相同的匝数比。
4、根据权利要求1所述的电荷均衡设备，其中所述第一开关是半导体开关装置。
5、根据权利要求1所述的电荷均衡设备，其中所述N个变压器的初级线圈和次级线圈按照正激变换器的结构相互耦合，所述电荷均衡设备还包括与所述N个变压器的次级线圈并联的N个第二电流传送装置，并且该N个第二电流传送装置的阴极与所述第一电流传送装置的阴极相连接。
6、根据权利要求5所述的电荷均衡设备，该电荷均衡设备还包括分别置于所述第一电流传送装置的阴极与所述电池单元之间的N个电感。
7、根据权利要求1所述的电荷均衡设备，其中所述N个变压器的初级线圈和次级线圈以半桥变换器的结构被实现。
8、根据权利要求7所述的电荷均衡设备，其中：
所述N个变压器的初级线圈分别缠绕在所述N个变压器的N个铁心的第一部分，
所述N个变压器的次级线圈通过使用各个次级线圈对来实现，并且所述次级线圈对缠绕在所述N个变压器的N个铁心的第二部分，从而使得所述次级线圈对与各个电池单元并联，
所述第一电流传送装置通过使用各个第一电流传送装置对来实现，并且所述第一电流传送装置对与所述次级线圈对串联，以及
所述第一开关通过使用第一开关对来实现，所述第一开关对用于控制各个次级线圈对。
9、根据权利要求8所述的电荷均衡设备，其中所述第一开关对被构造成使得该第一开关对中的一个连接到与所述电池单元并联的初级线圈的第一端，剩下的一个连接到与所述电池单元并联的初级线圈的第二端。
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