CN102055358A - 功率转换器、充电方法以及充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率转换器、充电方法以及充电系统，所述功率转换器包括：用于接收输入功率的初级线圈；以及多个次级线圈，用于将所述输入功率转换成多个充电电流经由多条路径对多个电池充电，并且基于所述多个充电电流平衡所述多个电池，其中所述多个次级线圈的第一次级线圈的第一匝数与所述多个次级线圈的第二次级线圈的第二匝数的匝数比由所述多个电池中对应的两个电池之间的标称电压比确定。采用本发明的功率转换器，能够对多个电池充电的同时平衡所述多个电池。

Description

功率转换器、充电方法以及充电系统

背景技术

在现有技术的用于对电池包充电的充电系统中，多条旁路与所述电池包中的多个单体电池连接，以平衡所述多个单体电池。举例说明，如果所述多个单体电池中某个单体电池电压大于其他所有单体电池电压，那么对应的一条旁路将导通使得该最高电压的单体电池放电。根据所述多个单体电池电压选择地导通旁路，可平衡所述多个单体电池。然而，所述多条旁路的功率损耗相对比较高。此外，这种充电系统需要旁路控制器根据指示所述多个单体电池电压的反馈信号控制所述多条旁路，那样会增加平衡多个单体电池所需要的时间，并且增加功率损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种功率转换器、充电方法以及充电系统，其能够对多个电池充电的同时平衡所述多个电池。

为解决上述技术问题，本发明提供一种功率转换器，其包括：用于接收输入功率的初级线圈；以及多个次级线圈，用于将所述输入功率转换成多个充电电流经由多条路径对多个电池充电，并且基于所述多个充电电流平衡所述多个电池，其中所述多个次级线圈的第一次级线圈的第一匝数与所述多个次级线圈的第二次级线圈的第二匝数的匝数比由所述多个电池中对应的两个电池之间的标称电压比确定。

本发明还提供一种对多个电池的充电方法，其包括：在功率转换器的初级线圈处接收输入功率；由所述功率转换器的多个次级线圈将所述输入功率转换成多个充电电流，其中所述多个次级线圈的第一次级线圈的第一匝数与所述多个次级线圈的第二次级线圈的第二匝数的匝数比由所述多个电池中对应的两个电池之间的标称电压比确定；由所述多个充电电流经由多条路径对所述多个电池充电；以及基于所述多个充电电流平衡所述多个电池。

本发明还提供一种充电系统，其包括：功率转换器，用于提供多个充电电流经由多条路径对多个电池充电，其中所述功率转换器包括：经由输入开关连接在供给端和地之间的初级线圈，用于接收来自所述供给端的输入功率；以及多个次级线圈，用于将所述输入功率转换成所述多个充电电流，并且基于所述多个充电电流平衡所述多个电池，其中所述多个次级线圈的第一次级线圈的第一匝数与所述多个次级线圈的第二次级线圈的第二匝数的匝数比由所述多个电池中对应的两个电池之间的标称电压比确定；以及连接至所述输入开关的控制器，用于通过控制所述输入开关控制所述多个次级线圈将所述输入功率转换成所述多个充电电流。

与现有技术相比，本发明所述的功率转换器、充电方法以及充电系统利用初级线圈和多个次级线圈将输入功率转换成多个充电电流对多个电池充电，同时所述多个充电电流平衡所述多个电池，所以省略了现有技术中的多条旁路和旁路控制器，从而减少了功耗并且缩短了多个电池达到平衡所需的时间。

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，以使本发明的特性和优点更为明显。

附图说明

图1A为根据本发明的一个实施例的功率转换器的示例性方框图；

图1B为根据本发明的一个实施例的输入电流、输出电流以及充电电流的示例性波形图；

图2为根据本发明的一个实施例的充电系统的示例性方框图；

图3为根据本发明的一个实施例的充电系统的示例性方框图；

图4为根据本发明的一个实施例的充电系统的示例性方框图；

图5为根据本发明的一个实施例的充电系统的示例性方框图；以及

图6为根据本发明的一个实施例通过充电系统对多个电池充电的示例性方法流程图。

具体实施方式

以下将对本发明的实施例给出详细的说明。虽然本发明将结合实施例进行阐述，但应理解这并非意指将本发明限定于这些实施例。相反，本发明意在涵盖由后附权利要求项所界定的本发明精神和范围内所定义的各种可选项、可修改项和等同项。

此外，在以下对本发明的详细描述中，为了提供一个针对本发明的完全的理解，阐明了大量的具体细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外的一些实例中，对于大家熟知的方案、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明之主旨。

本发明提供了一种用于对多个电池充电的充电系统。在充电期间，所述多个电池自动平衡。具体地说，所述充电系统包括将输入功率转换成多个充电电流的功率转换器(如：一种变压器)。同时，每个充电电流根据对应的电池电压而变化，使得所述多个电池相互平衡。当所述多个电池获得平衡时，所述充电系统进一步地根据每个电池电压控制所述输入功率以调节所述多个充电电流的总和。

图1A为根据本发明的一个实施例的功率转换器100的示例性方框图。功率转换器100可以是但不限于一种回扫转换器(flyback converter)。具体地说，功率转换器100包括变压器102。变压器102具有一个经由输入开关108连接在供给端120和地之间的初级线圈104。此外，变压器102具有一个经由二极管112与电容器124和负载(或电池110)并联的次级线圈106。电池110可以是但不限于一种可再充电池。

在本实施例中，电流感应器(如：电阻器114)与初级线圈104串联，使得横跨电阻器114的电压V₁₁₄指示流过初级线圈104的输入电流I_P，如：V₁₁₄＝I_P*R₁₁₄，其中，R₁₁₄表示电阻器114的电阻值。比较器116将电压V₁₁₄和参考电压V_REF比较并且产生比较结果信号118给控制器130。控制器130根据所述比较产生控制信号122控制开关108。

供给端120与具有电压V_IN的电源(未显示在图1A中)连接。当控制信号122导通输入开关108时，输入电流I_P从供给端120经过初级线圈104流到地。同时，二极管112反向偏置(截止)，并且次级线圈106接收来自初级线圈104的能量。当输入开关108截止时，输入电流I_P为零。同时，二极管112正向偏置(导通)。因此，次级线圈106将接收到的能量转换成输出电流I_S，并且电池110由充电电流I_O充电。充电电流I_O等于输出电流I_S的平均电流I_SEQV。

图1B为根据本发明的一个实施例的输入电流I_P、输出电流I_S以及充电电流I_O的示例性波形图100’。以下将结合图1A对图1B进行描述。

如图1B所示，输入开关108在t₀时刻导通使得输入电流I_P在第一期间T₁从零增大至峰值电流水平I_PP。在本实施例中，与供给端120上的电压V_IN相比，电阻器114上的电压V₁₁₄相对较小可以忽略不计。那么，峰值电流水平I_PP由下式给出：

$I_{\mathrm{PP}}\≈\frac{V_{\mathrm{IN}}\×T_1}{L_P}.---\left(1\right)$

其中，L_P表示初级线圈104的电感值。在第一期间T₁，变压器102的输入能量E_IN由下式给出：

$E_{\mathrm{IN}}=\frac{I_{\mathrm{PP}}^2\×L_P}{2}.---\left(2\right)$

当第一期间T₁结束时(如：在t₁时刻)，输入开关108截止。在第二期间T₂，流过次级线圈106的输出电流I_S从峰值电流水平I_SP减小至零。如果n_P是初级线圈104的匝数，n_S是次级线圈106的匝数，那么峰值电流水平I_SP由下式给出：

$I_{\mathrm{SP}}=I_{\mathrm{PP}}\×\frac{n_P}{n_S}.---\left(3\right)$

此外，当输出电流I_S减少至零时(如：在t₂时刻)，输入开关108仍然截止且在第三期间T₃维持不变。在第三期间T₃，二极管112截止并且输出电流I_S为零。

第一期间T₁、第二期间T₂和第三期间T₃的总和等于总期间T_TOT(如：T_TOT＝T₁+T₂+T₃)。在本实施例中，输入电流I_P在第一期间T₁从零增加至峰值电流水平I_PP，并且在第二期间T₂和第三期间T₃为零。因此，输入电流I_P在总期间T_TOT的平均电流I_PEQV由下式给出：

$I_{\mathrm{PEQV}}=\left(\frac{I_{\mathrm{PP}}}{2}\right)\×\left(\frac{T_1}{T_{\mathrm{TOT}}}\right).---\left(4\right)$

同理，输出电流I_S在第一期间T₁为零，在第二期间T₂从峰值电流水平I_SP减少至零，并且在第三期间T₃为零。因此，输出电流I_S在总期间T_TOT的平均电流I_SEQV由下式给出：

$I_{\mathrm{SEQV}}=\left(\frac{I_{\mathrm{SP}}}{2}\right)\×\left(\frac{T_2}{T_{\mathrm{TOT}}}\right).---\left(5\right)$

流过电池110的充电电流I_O等于输出电流I_S的平均电流I_SEQV，如：I_O＝I_SEQV。那么，基于等式(3)和(5)，充电电流I_O由下式给出：

$I_O=\left(\frac{n_P}{n_S}\right)\×\left(\frac{I_{\mathrm{PP}}}{2}\right)\×\left(\frac{T_2}{T_{\mathrm{TOT}}}\right).---\left(6\right)$

返回图1A中，V_O为横跨电池110的电压，V_D为二极管112的正向偏置电压。如果E_OUT是在总期间T_TOT传递给二极管112和电池110的输出能量，那么输出能量E_OUT由下式给出：

E_OUT＝(V_O+V_D)×I_SEQV×T_TOT＝(V_O+V_D)×I_O×T_TOT。(7)

假设η是将输入能量E_IN转换成输出能量E_OUT的能量转换效率，如：E_OUT＝η×E_IN。在本实施例中的能量转换损耗相对比较小且可以忽略不计。因此，能量转换效率η可以看作近似等于1，如：η＝1。输出能量E_OUT可以看作近似等于输入能量E_IN，如：E_OUT＝E_IN。根据等式(2)和(7)得到如下等式：

$I_O=\frac{I_{\mathrm{PP}}^2\×L_P\×f_{\mathrm{SW}}}{2\×(V_O+V_D)}.---\left(8\right)$

其中，f_SW表示输入开关108的切换频率且等于1/T_TOT。基于等式(1)和(4)，重写等式(8)为：

$I_O=\frac{I_{\mathrm{PEQV}}\×V_{\mathrm{IN}}}{V_O+V_D}.---\left(9\right)$

控制器130根据电池电压V_O的变化调节输入电流I_P以将充电电流I_O调节或保持至特定值。具体地说，横跨电池110的电池电压V_O在充电放电期间发生变化。电池监控器(未显示在图1A中)监控电池电压V_O并且产生指示电池电压V_O的反馈信号给控制器130。基于等式(8)，控制器130随着电池电压V_O的增大而增大峰值电流水平I_PP，随着电池电压V_O的减少而减少峰值电流水平I_PP。

更具体地说，控制器130产生具有预设频率(如：切换频率_SW)的内部时钟信号(未显示在图1A中)。在本实施例中，输入开关108为N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(N-channel metal-oxide-semiconductorfield-effect-transistor，简称为NMOSFET)。控制信号122响应于所述内部时钟信号的每个脉冲(例如：每个上升沿)被置为高电平。此外，控制信号122响应于比较结果信号118的每个脉冲(例如：每个上升沿)被置为低电平。举例说明，当所述内部时钟信号在t₀时刻(如图1B所示)出现脉冲上升沿时，输入开关108被高电平的控制信号122导通，并且输入电流I_P开始(例如：从零安培开始)增加。在t₁时刻，输入电流I_P增加至值V_REF/R₁₁₄，例如：横跨电阻器114的电压V₁₁₄增加至参考电压V_REF，那么比较器116输出高电平的比较结果信号118。相应地，开关108被低电平的控制信号122截止，并且输入电流I_P变为零。在t₂时刻，所述内部时钟信号的一个时钟周期(例如：等于总期间T_TOT的时间长度)结束，另一个所述内部时钟信号的脉冲上升沿出现。因此，输入开关108再次导通。所以，在每个时钟周期(例如：等于总期间T_TOT的时间长度)中，峰值电流水平I_PP被调节至值V_REF/R₁₁₄，如：I_PP＝V_REF/R₁₁₄。假设I_PRE是充电电流I_O的预设值或期望值。基于等式(8)得如下等式：

$I_{\mathrm{PRE}}=\frac{{(V_{\mathrm{REF}}/R_{114})}^2\×L_P\×f_{\mathrm{SW}}}{2\×(V_O+V_D)}.---\left(10\right)$

重写等式(10)得：

$V_{\mathrm{REF}}^2=\frac{2\×R_{114}^2\×I_{\mathrm{PRE}}\×(V_O+V_D)}{L_P\×f_{\mathrm{SW}}}.---\left(11\right)$

控制器130基于等式(11)设置参考电压V_REF，使得充电电流I_O调节至预设值I_PRE，如：I_O＝I_PRF。基于等式(9)，控制器130还可以随着电池电压V_O的增加而增加平均电流I_PEQV，随着电池电压V_O的减少而减少平均电流I_PEQV，使得充电电流I_O被调节至或保持等于预设值I_PRE。

在图1A的实施例中，初级线圈104经由输入开关108与地连接，输入开关108具体可以为NMOSFET开关。然而，在另一个实施例中，初级线圈104经由P沟道MOSFET(p-channel MOSFET，简称为PMOSFET)开关(未显示在图1A中)与供给端120连接，具体为NMOSFET开关的输入开关108在此省略了。所述PMOSFET开关可以由控制信号122控制。在这样的实施例中，控制信号122响应于所述内部时钟信号的每个脉冲被置为低电平，响应于比较结果信号118的每个脉冲被置为高电平。

图2为根据本发明的一个实施例的对电池包210充电的充电系统200的示例性方框图。与本发明的一个实施例相一致，电池包210包括多个串联的电池210_1-210_N，其中，N表示电池包210中电池的个数。充电系统200包括控制器230和功率转换器202(例如：一种变压器)。功率转换器202可以提供多个充电电流I_O1...I_ON经由多条路径(例如：多个二极管212_1-212_N)分别对多个电池210_1-210_N充电。

功率转换器202包括初级线圈204和多个次级线圈206_1-206_N。初级线圈204经由输入开关208连接在供给端220和地之间，且接收来自供给端220的输入功率。次级线圈206_1-206_N分别与电池210_1-210_N并联，用于将所述输入功率转换成充电电流I_O1...I_ON经由多条路径(如：多个二极管212_1-212_N)分别对电池210_1-210_N充电。此外，次级线圈206_1-206_N可以基于充电电流I_O1...I_ON平衡电池210_1-210_N的电池电压V_O1...V_ON。

具体地说，次级线圈206_1-206_N中第一次级线圈的第一匝数与第二次级线圈的第二匝数的匝数比由电池210_1-210_N中两个对应的电池之间的标称电压比确定(例如：相等或者近似相等)。此处所述的“近似等于”指的是匝数比与对应的标称电压比之间允许存在差距只要所述差距相对比较小且可忽略不计。举例说明，若n_{206_A}为次级线圈206_A的匝数，n_{206_B}为次级线圈206_B的匝数(A＝1，2，...N；B＝1，2，...N；并且A≠B)，那么匝数n_{206_A}与匝数n_{206_B}的匝数比等于n_{206_A}/n_{206_B}。如果V_{NOM_A}是电池210_A的标称电压，V_{NOM_B}是电池210_B的标称电压，那么电池210_A和电池210_B之间的标称电压比为V_{NOM_A}/V_{NOM_B}。匝数比n_{206_A}/n_{206_B}等于标称电压比V_{NOM_A}/V_{NOM_B}，如：n_{206_A}/n_{206_B}＝V_{NOM_A}/V_{NOM_B}。此处所述的电池的“标称电压”指的是电池在满充时的电压。换句话说，电池的“标称电压”等于电池在恒压充电模式下并且充电电流小于一个特定的电压阈值时的电压。

如图2所示，每条路径(如：二极管212_1-212-N)包括与对应的次级线圈206_1-206_N和对应的电池210_1-210_N串联的二极管。在一个实施例中，电池210_1-210_N具有相同的标称电压(例如：V_NOM)。举例说明，每个电池210_1-210_N由相同的材料和相同的方式制造而成。在这样的实施例中，次级线圈206_1-206_N具有相同的匝数(例如：n₂₀₆)。当与初级线圈204串联的输入开关208导通时，每个二极管212_1-212_N反向偏置(截止)，所以所述多条路径均截止。同时，由于输入电流I_P流过初级线圈204，每个次级线圈206_1-206_N接收来自初级线圈204的能量。由于每个次级线圈206_1-206_N具有相同的匝数n₂₀₆，每个次级线圈206_1-206_N接收到的能量可以相等。当输入开关208截止时，每个二极管212_1-212_N正向偏置(导通)，所以所述多条路径均导通。同时，每个次级线圈206_1-206_N将能量转换成对应的充电电流I_O1...I_ON。

有利的是，在本实施例中，如果第一电池的第一电压(例如：横跨电池210_1的电池电压V_O1)大于第二电池的第二电压(例如：横跨电池210_2的电池电压V_O2)，所述第一电池的第一充电电流(例如：充电电流I_O1)小于所述第二电池的第二充电电流(例如：充电电流I_O2)。因此，第一电池电压V_O1增加的速度比第二电池电压V_O2增加的速度慢。相反，如果第一电池电压V_O1小于第二电池电压V_O2，则第一充电电流I_O1大于第二充电电流I_O2，那么第一电池电压V_O1增加的速度比第二电池电压V_O2增加的速度快。换句话说，充电电流I_O1...I_ON根据电池210_1-210_N的电池电压V_O1...V_ON可以自动地调节。结果，电池电压V_O1...V_ON可以调节至相同的电压电平。电池电压V_O1...V_ON以及充电电流I_O1...I_ON可以得到平衡。本实施例中，省略了现有技术中的旁路和旁路控制器，从而减小了充电系统200的功率损耗。此外，还减少了平衡电池的时间。

更具体地说，在本实施例中，由于次级线圈206_1-206_N具有相同的匝数n₂₀₆，分别横跨次级线圈2061-206_N的电压V_S1...V_SN具有相同的峰值电压电平V_SP。T′₂为次级线圈206_1的输出电流I_S1从峰值电流水平I_SP减小至零所需要的时间(期间)，T″₂为次级线圈206_2的输出电流I_S2从峰值电流水平I_SP减小至零所需要的时间(期间)。如果电池电压V_O1大于电池电压V_O2，电池电压V_O1与峰值电压电平V_SP之差小于电池电压V_O2与峰值电压电平V_SP之差。因此，电池电压V_O1和横跨次级线圈206_1的电压V_S1平衡的速度比电池电压V_O2和横跨次级线圈206_1的电压V_S2平衡的速度快。换句话说，期间T′₂比期间T″₂短。同理，如果电池电压V_O1小于电池电压V_O2，期间T′₂比期间T″₂长。根据等式(6)，充电电流I_O正比于第二期间T₂的时间长度。同理，充电电流I_O1正比于时间T′₂，充电电流I_O2正比于期间T″₂。因此，在电池电压V_O1大于电池电压V_O2时充电电流I_O1小于充电电流I_O2，在电池电压V_O1小于电池电压V_O2时充电电流I_O1大于充电电流I_O2。

控制器230与输入开关208连接，且通过控制输入开关208从而控制次级线圈206_1-206_N将输入功率转换成充电电流I_O1...I_ON。如图2所示，控制器230包括与电流传感器(如：感应电阻器214)连接的电流监控器234，用于监控输入电流I_P。控制器230还包括与电池210_1-210_N连接的电压监控器236，用于监控电池电压V_O1...V_ON。控制器230进一步还包括级控制器232，用于采样或接收来自电流监控器234的指示输入电流I_P的电流信息以及来自电压监控器236的指示电池电压V_O1...V_ON的电压信息。级控制器232根据所述电流信息和电压信息产生控制信号222，例如：一种脉宽调制(pulse-width modulation，简称为PWM)信号，用于控制输入开关208。振荡器238可以提供时钟信号给级控制器232用于级控制器232的操作。举例说明，级控制器232在所述时钟信号的每个上升沿或下降沿采样所述电流信息和电压信息。此外，级控制器232响应于所述时钟信号的每个脉冲将控制信号222置为高电平。级控制器232还响应于来自电流监控器234的指示输入电流IP大于或等于预设值的反馈信号将控制信号222置为低电平。

P_Oi为传递给电池210_i(i＝1，2，...N)的功率，如：P_Oi＝V_Oi*I_Oi，I_SUM为充电电流I_O1...I_ON的总和，如：那么，电流总和I_SUM由下式给出：

I_SUM＝I_O1+I_O2...+I_ON＝(P_O1/V_O1)+(P_O2/V_O2)...+(P_ON/V_ON)。(12)

当电池电压V_O1...V_ON互相平衡时，每个电池电压V_O1...V_ON近似等于电池电压V_O1...V_ON的平均电压V_OAVE，较佳地，每个电池电压V_O1...V_ON等于电池电压V_O1...V_ON的平均电压V_OAVE，如：V_O1＝V_O2...＝V_ON＝V_OAVE＝(V_O1+V_O2...+V_ON)/N。因此，重写等式(12)得：

$I_{\mathrm{SUM}}=(P_{O1}+P_{O2}...+P_{\mathrm{ON}})/V_{\mathrm{OAVE}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(V_{\mathrm{Oi}}\×I_{\mathrm{Oi}})/V_{\mathrm{OAVE}}.---\left(13\right)$

此处所述的“近似等于”指的是每个电池电压V_O1...V_ON与平均电压V_OAVE之间允许存在差距只要所述差距相对比较小且可忽略不计。

如果E’_OUT是在总期间T_TOT传递给二极管212_1-212_N和电池210_1-210_N的输出能量，输出能量E’_OUT由下式给出：

${E^{\′}}_{\mathrm{OUT}}=[(V_{O1}+V_D)\×I_{O1}+(V_{O2}+V_D)\×I_{O2}+...(V_{\mathrm{ON}}+V_D)\×I_{\mathrm{ON}}]\×T_{\mathrm{TOT}}$

$=[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(V_{\mathrm{Oi}}\×I_{\mathrm{Oi}})+V_D\×\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Oi}}]\×T_{\mathrm{TOT}}$

$=(V_{\mathrm{OAVE}}+V_D)\×I_{\mathrm{SUM}}\×T_{\mathrm{TOT}}.---\left(14\right)$

由于功率转换器202的输出能量E’_OUT可以视为等于功率转换器202的输入能量E_IN，如：E’_OUT＝E_IN，基于等式(2)和(14)得到如下等式：

$I_{\mathrm{SUM}}=\frac{I_{\mathrm{PP}}^2\×L_P\×f_{\mathrm{SW}}}{2\×(V_{\mathrm{OAVE}}+V_D)}.---\left(15\right)$

电流监控器234可以包括电流感应比较器(类似于图1A中所示的比较器116)用于将指示输入电流I_P的感应信号(例如：横跨感应电阻器214的电压V₂₁₄)和参考电压V_REF比较。控制器230因而可以将峰值电流水平I_PP调节至值V_REF/R₂₁₄，如：I_PP＝V_REF/R₂₁₄，其中R₂₁₄表示感应电阻器214的电阻值。I_PRE是电流总和I_SUM的预设值或期望值。基于等式(15)，控制器230可以根据如下等式计算并且设置参考电压V_REF：

$V_{\mathrm{REF}}^2=\frac{2\×R_{114}^2\×I_{\mathrm{PRE}}\×(V_{\mathrm{OAVE}}+V_D)}{L_P\×f_{\mathrm{SW}}}.---\left(16\right)$

换句话说，控制器230可以根据每个电池210_1-210_N的电池电压(V_O1，或V_O2，...，或V_ON)调节输入电流I_P，例如：调节参考电压V_REF，使电流总和I_SUM调节至或保持等于预设值I_PRE，如：I_SUM＝I_PRE。在这样的实施例中，由于充电电流I_O1...I_ON互相平衡，充电电流I_O1...I_ON均被调节至值I_PRE/N。

与图1A的相关描述类似，根据等式(1)和(4)，重写等式(15)得：

$I_{\mathrm{SUM}}=\frac{I_{\mathrm{PEQV}}\×V_{\mathrm{IN}}}{V_{\mathrm{OAVE}}+V_D}.---\left(17\right)$

控制器230还可以随着平均电压V_OAVE的增加而增加平均电流I_PEQV，随着平均电压V_OAVE的减少而减少平均电流I_PEQV，使得电流总和I_SUM被调节至或保持等于预设值I_PRE。

本实施例中，根据电池电压V_O1...V_ON和输入电流I_P，充电系统200工作在选定的模式(例如：预处理/预充电模式、恒流充电模式、恒压充电模式，充电终止模式等)。

举例说明，如果电池电压V_O1...V_ON中的任何一个电压小于第一预设参值V_PRE1，充电系统200工作在预充电模式。在预充电模式下，控制器230将输入电流I_P的峰值电流水平I_PP(或者平均电流I_PEQV)调节至相对比较低的水平，使得充电电流I_O1...I_ON相对比较小。在图2的实施例中，输入开关208为NMOSFET开关。因此，级控制器232通过将控制信号222(如：PWM信号)的占空比调节至相对比较小的值从而将峰值电流水平I_PP(或者平均电流I_PEQV)调节至相对比较低的水平。在一个可替换的实施例中，供给端220和初级线圈204之间连接着一个由控制信号222控制的PMOSFET开关。在这样的实施例中，为NMOSFET开关的输入开关208被省略了，初级线圈204可以与感应电阻器214直接连接。级控制器232可以将控制信号222(如：PWM信号)的占空比设置至相对比较大的值，从而将峰值电流水平I_PP(或者平均电流I_PEQV)调节至相对比较低的水平。在另一个实施例中，控制器230通过设置参考电压V_REF至相对比较小的值从而将峰值电流水平I_PP调节至相对比较低的水平。

如果每个电池电压V_O1...V_ON均大于第一预设参值V_PRE1，并且平均电池电压V_OAVE小于第二预设参值V_PRE2(V_PRE1＜V_PRE2)，充电系统200工作在恒流充电模式。在恒流充电模式下，级控制器232根据电池电压V_O1...V_ON调节输入电流I_P，从而将电流总和I_SUM保持在预设值I_PRE。比如说，基于等式(16)，参考电压V_REF根据电池电压V_O1...V_ON被调节。

如果平均电池电压V_OAVE大于或等于第二预设参值V_PRE2，充电系统200工作在恒压充电模式。在恒压充电模式下，平均电池电压V_OAVE保持基本不变(如：等于第二预设参值V_PRE2)。同时，级控制器232逐渐地(例如：以预设的速率)减小电流总和I_SUM。举例说明，对于NMOSFET的输入开关208，级控制器232逐渐地减小控制信号222(如：PWM信号)的占空比。对于上面所述的PMOSFET，级控制器232逐渐地增加控制信号222(如：PWM信号)的占空比。级控制器232也可以通过以预设的速率减小参考电压V_REF从而逐渐地减小电流总和I_SUM。有利的是，在预充电模式下、恒流充电模式下以及恒压充电模式下，电池电压V_O1...V_ON可以自动平衡。结果，每个电池电压V_O1...V_ON近似等于第二预设参值V_PRE2。在本实施例中，第二预设参值V_PRE2等于电池210_1-210_N的标称电压V_NOM。

此外，在恒压充电模式下，如果电流总和I_SUM减小至一个电流阈值I_OTH(I_OTH＜I_PRE)，电池包210可以被认为满充，此时充电系统200工作在充电终止模式。在一个实施例中，在充电终止模式下，级控制器232通过截止输入开关208终止对电池包210充电。在另一个实施例中，级控制器232通过切断供给端220和电源的连接从而终止对电池包210充电。

如果出现异常现象(例如：电压过大、温度过高)，充电系统200也可以工作在充电终止模式。举例说明，如果电池210_1-210_N中的其中一个电池的电池电压大于一个电压阈值V_OTH(V_PRE1＜V_PRE2＜V_OTH)，即出现电压过大现象，控制器230终止对电池充电。再举例说明，利用温度传感器(未显示在图2中)感应电池包210的温度。如果电池包210的温度大于一个预设的温度阈值，即出现温度过高现象，控制器230终止电池充电。

如上面所述，本实施例中的电池210_1-210_N具有相同的标称电压V_NOM，并且次级线圈206_1-206_N具有相同的匝数n₂₀₆。然而，在另一个实施例中，次级线圈206_1-206_N可以具有不同的匝数。

在图2的实施例中，电池210_1仅包含一个单体电池。然而，在另一个实施例中，电池210_1可以是包括两个串联的单体电池(未显示在图2中)的电池组。同理，电池210_2可以是包含三个串联的单体电池的电池组。电池(或电池组)210_1中的每个单体电池与电池(或电池组)210_2中的每个单体电池相同。因此，电池(或电池组)210_1的标称电压V_{NOM_1}与电池(或电池组)210_2的标称电压V_{NOM_2}的标称电压比等于2/3(如：V_{NOM_1}/V_{NOM_2}＝2/3)。与标称电压V_{NOM_1}和标称电压V_{NOM_2}相比，二极管212_1和212_2上的电压较小且可以忽略不计。次级线圈206_1与次级线圈206_2的匝数比n_{206_1}/n_{206_2}等于标称电压比V_{NOM_1}/V_{NOM_2}(如：n_{206_1}/n_{206_2}＝2/3)。在这样的实施例中，电池(或电池组)210_1中的单体电池和电池(或电池组)210_2中的单体电池在充电/平衡操作中自动平衡。同理，在一个实施例中，每个电池210_1-210_N可以是包含不同数目N_CELL的相同单体电池的电池组。每个次级线圈206_1-206_N的匝数根据对应的电池(或电池组)210_1-210_N中单体电池的数目N_CELL来选择。在这样的实施例中，电池(或电池组)210_1-210_N中的单体电池在充电或平衡操作中相互平衡。

图3为根据本发明的一个实施例的充电系统300的示例性方框图。在图2和图3中标记相同的元件具有相似的功能。如图3所示，次级线圈206_1-206_N经由多条路径分别与电池210_1-210_N连接。多条路径中的每条路径包括一个输出开关312_1-312_N。每个输出开关312_1-312_N可以是一个包含体二极管的MOSFET开关。在本实施例中，输出开关312_1-312_N的体二极管与图2中二极管212_1-212_N的功能类似，二极管212_1-212_N在图3的实施例中省略了。控制器230还可以进一步包括开关控制器340，用于产生控制信号222用以控制输入开关208，并且产生控制信号322_1-322_N以控制输出开关312_1-312_N。

在本实施例中，由于输出开关312_1-312_N的体二极管与图2中二极管212_1-212_N具有相似的功能，所以输出开关312_1-312_N在充电或平衡操作中可以处于截止状态。更具体地说，无论输入开关208是导通还是截止，输出开关312_1-312_N均为截止。

在另一个实施例中，开关控制器340根据输入开关208的状态控制输出开关312_1-312_N。具体地说，开关控制器340可以选择地导通输出开关312_1-312_N以减少电池平衡时间。举例说明，如上面所述，在每个时钟周期(例如：等于总期间T_TOT的时间长度)期间，输入开关208在第一期间T₁导通，在第二期间T₂和第三期间T₃截止。在第一期间T₁，开关控制器340将输出开关312_1-312_N截止。在第二期间T₂，如果电池210_m(m＝1，2，...N)在电池210_1-210_N中的电压最低，那么开关控制器340导通与电池210_m连接的输出开关312_m。因此，输出开关312_m上的电压损耗减小。电池210_m的充电电流I_Om增加。开关控制器340以相对比较短的时间(例如：比第二期间T₂的时间短)导通输出开关312_m，以防止电池210_m经由输出开关312_m向次级线圈206_m放电。

再举例说明，如果电池210_n(n＝1，2，...N)的电压V_LOWER小于一个预设电压(例如：电池210_1-210_N的平均电压V_OAVE)，并且电压V_LOWER和所述预设电压V_OAVE之差大于一个电压阈值V_{DIF_TH}，那么开关控制器340导通与电池210_n连接的输出开关312_n。因此，用于为电池210_n充电的充电电流I_On增加。同理，开关控制器340以相对比较短的时间导通输出开关312_n，以防止电池210_n经由输出开关312_n向次级线圈206_n放电。结果，电池平衡的时间缩短了。

进一步地，在另一个实施例中，当输入开关208导通时，输出开关312_1-312_N截止。当输入开关208截止时，输出开关312_1-312_N导通。因此，输出开关312_1-312_N的体二极管上的电压损耗减少了，那么电池平衡的时间也会缩短。在这样的实施例中，当输入开关208截止时，开关控制器340以相对比较短的时间导通输出开关312_1-312_N，以防止电池210_1-210_N经由输出开关312_1-312_N向次级线圈206_1-206_N放电。

图4为根据本发明的一个实施例的充电系统400的示例性方框图。在图2和图4中标记相同的元件具有相似的功能。如图4所示，充电系统400包括功率转换器202和电池包210。充电系统400还包括电池监控器436，用于监控电池210_1-210_N的电池电压V_O1...V_ON。电池监控器436基于电池电压V_O1...V_ON计算参考电压V_REF并且为总线448(例如：一种串行通信总线)产生指示参考电压V_REF的参考信号。电池监控器436还可以根据电池电压V_O1...V_ON为总线448产生用于启动/禁止电池充电过程的控制信号。充电系统400进一步还包括基于来自电池监控器436的参考信号以及来自感应电阻器214的电流信息来控制输入开关208的控制器430。

更具体地说，控制器430包括串行通信电路432、数字模拟转换器(Digital-to-analog converter，简称为DA转换器)434、比较器446、RS(reset-set)触发器440、振荡器438、与门442，以及驱动器444。串行通信电路432经由总线448接收所述参考信号，并且输出数字信号给DA转换器434(所述数字信号指示计算所得的参考电压V_REF)。DA转换器434为比较器446产生参考电压信号V_REF。

比较器446将参考电压V_REF和横跨感应电阻器214的电压V₂₁₄进行比较，并且为RS触发器440的复位端R产生比较结果信号R_IN。此外，振荡器438为RS触发器440的置位端S产生时钟信号S_IN。时钟信号S_IN具有预设频率(如：切换频率f_SW)。在本实施例中，RS触发器440由时钟信号S_IN和比较结果信号R_IN的上升沿触发。举例说明，RS触发器440的输出信号Q_OUT在时钟信号S_IN出现脉冲上升沿时置为高电平，在比较结果信号R_IN出现脉冲上升沿时置为低电平。与门442接收输出信号Q_OUT、时钟信号S_IN以及来自串行通信电路432的使能信号EN_S。因此，当振荡器438为RS触发器440产生时钟信号S_IN脉冲并且使能信号EN_S为高电平时，与门442为驱动器444产生高电平信号，从而导通输入开关208。当输入电流I_P增加至值V_REF/R₂₁₄时，比较器446为RS触发器440产生比较结果信号R_IN脉冲，使得与门442为驱动器444产生低电平信号，从而截止输入开关208。当时钟信号S_IN的一个时钟周期(例如：等于总期间T_TOT的时间长度)结束时，输出信号Q_OUT再次被另一个时钟信号S_IN脉冲置为高电平。

在图4的实施例中，与门442的输入信号包括时钟信号S_IN。因此，时钟信号S_IN的占空比可以被选定，例如可以相对比较大(例如：50％、60％)，使得在每个时钟周期里，时钟信号S_IN在比较器446为RS触发器440产生比较结果信号R_IN脉冲之前变为低电平，例如：在输入电流I_P增大至值V_REF/R₂₁₄之前。结果，输入开关208在时钟信号S_IN出现上升沿时导通，且保持导通状态直至比较结果信号R_IN出现上升沿。有利的是，如果比较器446被禁止了或者有异常现象出现(例如：比较器446坏了，或者DA转换器434坏了等等)，与门442可以根据时钟信号S_IN产生输出信号。输入开关208被时钟信号S_IN周期性地导通，使得充电系统400仍然正常工作。

进一步地，如果电池210_1-210_N满充，或者出现异常现象(例如：电压过大、电流过大、温度过高)，电池监控器436经由总线448为串行通信电路432产生控制信号，将使能信号EN_S置为低电平以截止输入开关208。

供给端220可接收不同电源的功率。举例说明，供给端220与电源410连接。410可以是但不限于备用电源、太阳能板等。再举例说明，供给端220与电池包210连接。在这样的实施例中，功率转换器202接收来自电池210_1-210_N的能量，并且将所述能量分配给电池210_1-210_N。电池210_1-210_N基于自身的能量达到互相平衡。结果，经过平衡后的电池210_1-210_N的电池电压V’_O1...V’_ON大体上等于平衡前的电池电压V_O1...V_ON的平均电压V_OAVE，如：V’_O1＝V’_O2...＝V’_ON＝V_OAVE。

图5为根据本发明的一个实施例的充电系统500的示例性方框图。在图2、图4和图5中标记相同的元件具有相似的功能。如图5所示，充电系统500可以对多个电池包510_1-510_N中的电池充电或平衡。

更具体地说，次级线圈206_1-206_N经由多个开关阵列550_1-550_N分别与电池包510_1-510_N连接。每个电池包510_1-510_N包括多个电池，相应地，每个开关阵列550_1-550_N包括多对开关，且每对开关用于建立或切断对应的电池和对应的次级线圈206_1-206_N的连接。多个开关控制器552_1-552_N(例如：一种串行通信和功率开关解码器)基于来自总线448的控制信号554分别控制开关阵列550_1-550_N中的开关。控制信号554可以来自监控电池包510_1-510_N中的电池的电池监控器536。有利的是，通过适当控制开关阵列550_1-550_N，电池包510_1-510_N中的电池相互平衡。

举例说明，每个开关控制器552_1-552_N在对应的开关阵列550_1-550_N中依次导通开关对，使得能量在对应的电池包510_1-510_N中依次地传递给电池。每个开关控制器552_1-552_N基于对应的电池包510_1-510_N中的电池状态(例如：电池电压)选择地导通一对开关。举例说明，如果电池包510_k(k＝1，2，...N)中的某个电池的电池电压在其包含的所有电池中的电池电压中为最低，开关阵列550_k导通对应的一对开关以向所述具有最低电压的电池传递能量。结果，通过多次选择地导通开关阵列550_1-550_N中的开关，电池包510_1-510_N中的电池可相互平衡。

在图5的实施例中，开关阵列550_1-550_N由多个独立的开关控制器552_1-552_N控制。然而，在另一个实施例中，单个开关控制器(未显示在图5中)可以代替独立的开关控制器552_1-552_N用于控制开关阵列550_1-550_N中的所有开关。在图5的实施例中，单个电池监控器536监控电池包510_1-510_N中的所有电池。然而，在另一个实施例中，多个独立的电池监控器(未显示在图5中)可以代替电池监控器536分别监控电池包510_1-510_N中的电池。

图6为根据本发明的一个实施例通过充电系统(200，或300，或400，或500)对多个电池充电的示例性方法流程图600。以下将结合图2、图3、图4和图5对图6进行描述。

在步骤602中，初级线圈204接收来自供给端220的输入功率。

在步骤604中，多个次级线圈206_1-206_N将所述输入功率转换成多个充电电流I_O1...I_ON。在一个实施例中，第一次级线圈(例如：次级线圈206_A)的第一匝数(例如：匝数n_{206_A})与第二次级线圈(例如：次级线圈206_B)的第二匝数(例如：匝数n_{206_B})的匝数比由电池210_1-210_N(A＝1，2，…N；B＝1，2，…N；并且A≠B)中两个对应的电池之间的标称电压比确定。

在步骤606中，充电电流I_O1...I_ON经由多条路径(例如：多个二极管212_1-212_N)分别对电池210_1-210_N充电。

此外，如步骤608所述，电池210_1-210_N基于充电电流I_O1...I_ON相互平衡。

本发明所述的多个电池既可以为多个单体电池，也可以为多个电池组，因此本发明中所述的多个电池以多个单体电池进行示例性说明并不能形成对本发明实施例的限制。

总结，本发明提供了功率转换器和使用所述功率转换器的充电系统。所述功率转换器包括经由输入开关连接在供给端和地之间的初级线圈。所述功率转换器还包括经由多条路径(例如：多个二极管)与多个电池连接的多个次级线圈。利用所述功率转换器，所述充电系统在对所述多个电池充电的同时平衡所述多个电池。此外，所述充电系统根据所述多个电池电压控制所述输入开关从而调节所述多个电池的多个充电电流至期望值。

虽然之前的说明和附图描述了本发明的实施例，应当理解在不脱离所附权利要求书所界定的本发明原理的精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由所附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。

Claims (23)

1.一种功率转换器，其特征在于，所述功率转换器包括：

用于接收输入功率的初级线圈；以及

多个次级线圈，用于将所述输入功率转换成多个充电电流经由多条路径对多个电池充电，并且基于所述多个充电电流平衡所述多个电池，其中所述多个次级线圈的第一次级线圈的第一匝数与所述多个次级线圈的第二次级线圈的第二匝数的匝数比由所述多个电池中对应的两个电池之间的标称电压比确定。

2.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，

当与所述初级线圈串联的输入开关导通时，所述多条路径中的至少一条路径截止；

当所述输入开关截止时，所述多个路径中的至少一条路径导通。

3.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，所述多条路径中的至少一条路径包括二极管，所述二极管与所述多个次级线圈中对应的一个次级线圈和所述多个电池中对应的一个电池串联的二极管。

4.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，所述多条路径中的至少一条路径包括输出开关。

5.根据权利要求4所述的功率转换器，其特征在于，基于与所述初级线圈串联的输入开关的状态，通过开关控制器控制所述输出开关。

6.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，如果所述多个电池中第一电池的第一电压大于所述多个电池中第二电池的第二电压，那么对所述第一电池充电的第一充电电流小于对所述第二电池充电的第二充电电流。

7.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，所述第一匝数与所述第二匝数的匝数比与所述对应的两个电池之间的标称电压比相等或近似相等。

8.一种对多个电池的充电方法，其特征在于，所述充电方法包括：

在功率转换器的初级线圈处接收输入功率；

由所述功率转换器的多个次级线圈将所述输入功率转换成多个充电电流，其中所述多个次级线圈的第一次级线圈的第一匝数与所述多个次级线圈的第二次级线圈的第二匝数的匝数比由所述多个电池中对应的两个电池之间的标称电压比确定；

由所述多个充电电流经由多条路径对所述多个电池充电；以及

基于所述多个充电电流平衡所述多个电池。

9.根据权利要求8所述的充电方法，其特征在于，所述充电方法还包括：

当与所述初级线圈串联的输入开关导通时，将所述多条路径中的至少一条路径截止；以及

当所述输入开关截止时，将所述多条路径中的至少一条路径导通。

10.根据权利要求8所述的充电方法，其特征在于，所述多条路径中的至少一条路径包括二极管。

11.根据权利要求8所述的充电方法，其特征在于，所述多条路径中的至少一条路径包括输出开关。

12.根据权利要求11所述的充电方法，其特征在于，所述充电方法还包括：

基于与所述初级线圈串联的输入开关的状态控制所述输出开关。

13.根据权利要求8所述的充电方法，其特征在于，如果所述多个电池中第一电池的第一电压大于所述多个电池中第二电池的第二电压，那么对所述第一电池充电的第一充电电流小于对所述第二电池充电的第二充电电流。

14.根据权利要求8所述的充电方法，其特征在于，所述第一匝数与所述第二匝数的匝数比与所述对应的两个电池之间的标称电压比相等或近似相等。

15.一种充电系统，其特征在于，所述充电系统包括：

功率转换器，用于提供多个充电电流经由多条路径对多个电池充电，其中所述功率转换器包括：

经由输入开关连接在供给端和地之间的初级线圈，用于接收来自所述供给端的输入功率；以及

多个次级线圈，用于将所述输入功率转换成所述多个充电电流，并且基于所述多个充电电流平衡所述多个电池，其中所述多个次级线圈的第一次级线圈的第一匝数与所述多个次级线圈的第二次级线圈的第二匝数的匝数比由所述多个电池中对应的两个电池之间的标称电压比确定；以及

连接至所述输入开关的控制器，用于通过控制所述输入开关控制所述多个次级线圈将所述输入功率转换成所述多个充电电流。

16.根据权利要求15所述的充电系统，其特征在于，

当所述输入开关导通时，所述多个次级线圈中的至少一个次级线圈接收来自所述初级线圈的能量；

当所述输入开关截止时，所述多个次级线圈中的至少一个次级线圈将所述能量转换成所述多个充电电流中一个对应的充电电流。

17.根据权利要求15所述的充电系统，其特征在于，所述多条路径中的至少一条路径包括与所述多个次级线圈中一个对应的次级线圈和所述多个电池中一个对应的电池串联的二极管。

18.根据权利要求15所述的充电系统，其特征在于，如果所述多个电池中第一电池的第一电压大于所述多个电池中第二电池的第二电压，那么对所述第一电池充电的第一充电电流小于对所述第二电池充电的第二充电电流。

19.根据权利要求15所述的充电系统，其特征在于，所述第一匝数与所述第二匝数的匝数比与所述对应的两个电池之间的标称电压比相等或近似相等。

20.根据权利要求15所述的充电系统，其特征在于，所述控制器根据所述多个电池中的每个电池的电池电压调节流经所述初级线圈的输入电流。

21.根据权利要求15所述的充电系统，其特征在于，所述控制器包括用于将指示流经所述初级线圈的输入电流的感应信号和参考信号比较的比较器。

22.根据权利要求21所述的充电系统，其特征在于，所述控制器通过调节所述参考信号将所述多个充电电流的总和调节至预设值。

23.根据权利要求21所述的充电系统，其特征在于，所述控制器根据所述多个电池的每个电池电压调节所述参考信号。

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