CN102208821A - 电池包的均衡系统、均衡电路及控制电池包均衡的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池包的均衡系统、均衡电路及控制电池包均衡的方法，所述电池包包括多个模块，且所述模块进一步包括多个电池单元的子集，所述均衡系统至少包括一级均衡级及与一级均衡级耦合的二级均衡级，其中，一级均衡级用于均衡模块，二级均衡级用于均衡模块内的电池单元。采用本发明的均衡系统、电路以及方法能实现快速均衡的技术效果。

Description

电池包的均衡系统、均衡电路及控制电池包均衡的方法
技术领域
本发明涉及一种均衡技术，尤指一种均衡电池包的系统、电路及方法。
背景技术
现今，锂离子电池已被应用于绿色交通工具，如电动汽车和混合动力汽车。锂离子电池中的单个电池单元的电压大约为3伏至4伏，而电动汽车和混合动力汽车通常需要高达100多伏的电压，故通常采用包含多个以串联方式耦合的电池单元的电池包来驱动电动汽车和混合动力汽车。
为便于进行电池管理，电池包中的电池单元被划分成多个模块，其中每个模块包含一定数目的电池单元。但这种类型的电池包在不均衡的状态下易受影响，从而影响电池包的容量。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种电池包的均衡系统，其包括一级均衡级及二级均衡级。其中，该电池包包括多个模块且每个模块包括多个电池单元；第一均衡级用于均衡模块，第二均衡级与第一均衡级耦合，并用于均衡模块内的电池单元。本发明提供的电池包系统可使均衡过程较快完成。
为解决上述技术问题，本发明提供一种电池包的均衡系统，其中，所述电池包包括多个模块，且所述模块进一步包括多个电池单元的子集，该均衡系统至少包括：一级均衡级，用于均衡所述多个模块中的第一模块；二级均衡级，与一级均衡级耦合，并用于均衡所述第一模块内的第一电池单元。
本发明所述的电池包的均衡系统，所述一级均衡级进一步用于同时均衡所述多个模块中的所述第一模块和第二模块。
本发明所述的电池包的均衡系统，所述二级均衡级进一步用于同时均衡所述第一模块中的所述第一电池单元和第二模块中的第二电池单元。
本发明所述的电池包的均衡系统，所述模块包括多个子模块且所述子模块包括多组所述电池单元的子集，所述二级均衡级进一步用于同时均衡所述第一模块中的所述第一电池单元和第二电池单元，且所述第一电池单元和所述第二电池单元在所述第一模块的同一个子模块内。
本发明所述的电池包的均衡系统，所述模块包括多个子模块且所述子模块包括多组所述电池单元的子集，所述二级均衡级进一步用于同时均衡所述第一模块中的所述第一电池单元和第二电池单元，且所述第一电池单元和所述第二电池单元在所述第一模块的不同子模块内。
本发明所述的电池包的均衡系统，所述电池包的电压用于通过变压器均衡所述第一模块。
本发明所述的电池包的均衡系统，所述第一模块的电压用于通过变压器均衡所述第一电池单元。
本发明还提供一种用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡的电路，该均衡电路至少包括：第一变压器，包括第一初级侧和多个第一次级侧；及第一开关，用于使多个所述电池单元与第一初级侧串联耦合，当检测到电池包中的第一电池单元不均衡时，所述第一电池单元与所述第一次级侧耦合，且第一开关交替导通和关断，以将能量传送至第一电池单元。
本发明所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，当检测到所述电池包中的第二电池单元不均衡时，所述第二电池单元与所述第一次级侧耦合，且所述第一开关交替导通和关断，以将能量传送至所述第一电池单元和所述第二电池单元。
本发明所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，所述电池包包括多个模块，所述模块进一步包括多个电池单元的子集，且所述第一电池单元和所述第二电池单元在同一模块内。
本发明所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，所述电池包包括多个模块，所述模块进一步包括多个子模块，所述子模块进一步包括多个电池单元的子集，且所述第一电池单元和所述第二电池单元在同一子模块内。
本发明所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，所述电池包包括多个模块，所述模块进一步包括多个子模块，所述子模块进一步包括多个电池单元的子集，且所述第一电池单元和所述第二电池单元在同一模块的不同子模块内。
本发明所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，所述均衡电路进一步包括：第二变压器，包括第二初级侧和多个第二次级侧；及第二开关，用于使多个所述电池单元与所述第二初级侧串联耦合，当检测到所述电池包中的第二电池单元不均衡时，所述第二电池单元与所述第二次级侧耦合，且所述第二开关交替导通和关断，以将能量传送至所述第二电池单元。
本发明所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，所述电池包包括多个模块，所述模块进一步包括多个子模块，所述子模块进一步包括多个电池单元的子集，且所述第一电池单元和所述第二电池单元在同一模块的不同子模块内。
本发明所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，所述电池包包括多个模块，所述模块进一步包括多个子模块，所述子模块进一步包括多个电池单元的子集，且所述第一电池单元和所述第二电池单元在同一子模块内。
本发明所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，所述均衡电路进一步包括：第二变压器，包括第二初级侧和多个第二次级侧；及第二开关，用于使多个所述电池单元与所述第二初级侧串联耦合，所述电池包包括多个模块，所述模块包括多组所述电池单元的子集，当检测到所述电池包中的第一模块不均衡时，所述第一模块与所述第二次级侧耦合，且所述第二开关交替导通和关断，以将能量传送至所述第一模块。
本发明所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，当检测到所述电池包中的第二模块不均衡时，所述第二模块与所述第二次级侧耦合，且所述第二开关交替导通和关断，以将能量传送至所述第一模块和所述第二模块。
本发明还提供一种控制电池包均衡的方法，控制电池包均衡的方法至少包括下列步骤：判定电池包中是否有不均衡的电池单元，所述电池包包括多个模块，所述模块进一步包括多个电池单元的子集；当检测到不均衡的电池单元，则均衡所述电池单元；判定电池包内是否有不均衡的模块；如有不均衡的模块，则均衡所述模块。
本发明所述的控制电池包均衡的方法，所述判定所述电池包内是否有不均衡的模块的步骤进一步包括：计算所述模块内不均衡的电池单元的数目；及将所述模块内不均衡的电池单元的数目与阈值比较，以判定所述模块是否不均衡。
本发明所述的控制电池包均衡的方法，所述均衡所述电池单元的步骤进一步包括：使所述电池单元与变压器的次级侧耦合；交替连接和断开所述电池单元所在的模块与所述变压器的初级侧；将能量传送至所述电池单元。
本发明所述的控制电池包均衡的方法，所述均衡所述电池单元的步骤进一步包括：使所述电池单元与变压器的次级侧耦合；交替连接和断开所述电池单元所在的模块与所述变压器的初级侧；将能量传送至所述电池单元所在的模块。
本发明所述的控制电池包均衡的方法，所述均衡所述模块的步骤进一步包括：使所述模块与变压器的次级侧耦合；交替连接和断开所述电池包与所述变压器的初级侧；将能量从所述电池包传送至所述模块。
本发明所述的控制电池包均衡的方法，所述均衡所述模块的步骤进一步包括：使所述模块与变压器的次级侧耦合；交替连接和断开所述电池包与所述变压器的初级侧；将能量从所述模块传送至所述电池包。
采用本发明的控制电池包均衡的系统、电路及方法可使均衡过程较快完成。
附图说明
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说明，以使本发明的特性和优点更为明显。
图1所示为本发明一实施例的包含多个子模块的电池包的模块的均衡电路的结构示意图；
图2所示为本发明一实施例的电池包中子模块的均衡电路的结构示意图；
图3所示为本发明另一实施例的电池包中子模块的均衡电路的结构示意图；
图4所示为本发明又一实施例的电池包中子模块的均衡电路的结构示意图；
图5所示为本发明再一实施例的电池包中子模块的均衡电路的结构示意图；
图6所示为本发明一实施例的电池包均衡系统的结构示意图；
图7所示为本发明一实施例的控制电池包均衡的方法流程图。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例给出详细说明。采用本发明的技术方案可提供电池包的均衡系统，其包括一级均衡级及二级均衡级。其中，该电池包包括多个电池模块且每个电池模块包括多个电池单元；一级均衡级用于均衡电池模块，二级均衡级与一级均衡级耦合，用于均衡电池模块内的电池单元。本发明提供的电池包系统可使均衡过程较快完成。以下将结合实施例对本发明进行阐述，但应理解为这并非意指将本发明限定于这些实施例。相反，本发明旨在涵盖由权利要求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，以便于凸显本发明的主旨。
图1为本发明一实施例的包含多个子模块的电池包的模块100的均衡电路。如图1所示，模块100中的多个电池单元被划分为多个子模块。模块100包含子模块120、140和160，作为反激变压器次级的调制器和开关156。每个子模块包含多个电池单元和模拟前端(AFE)设备(如AFE设备122、142和162)。在一个实施例中，反激变压器包含初级侧188，铁芯180，次级侧182、184和186。次级侧182与AFE设备122通过二极管126耦合。在一个实施例中，电容125与AFE设备122并联耦合。相似地，次级侧184与AFE设备142通过二极管146耦合。电容145与AFE设备142并联耦合。次级侧186与AFE设备162通过二极管166耦合。电容165与AFE设备162并联耦合。由此，构成包含次级侧182、184和186的调制器。调制器通过AFE设备122、142和162分别与子电池模块耦合。尽管图1所示包含了3个子模块，本发明并不限于此。
在一个实施例中，每个AFE设备122、142和162都包含开关阵列，如多路复用器(MUX)127、147或167。相邻的AFE设备之间通过垂直通讯总线170连接并传递信息，从而将信息从一个子模块传递至与其在不同电位上的另一个子模块。通过垂直通讯总线，实现多个子模块之间的通讯以及多个模块之间的通讯。在工作过程中，每个AFE设备可用于检测相应的子模块的不均衡状态。
在一个实施例中，AFE设备122发送控制信号以控制多路复用器127、147和167以及开关156。当不均衡状态存在时，控制多路复用器127、147和167以及开关156以用来实行主动均衡。例如，当AFE设备142在子模块140内检测到电池单元不均衡，指示子模块140不均衡状态的警告信号通过垂直通讯总线170传送到底层AFE设备122。底层AFE设备122传送控制信号至AFE设备142。响应于警告信号，AFE设备142中的多路复用器147选中不均衡的电池单元，并将其与次级侧184耦合。若子模块120和160中无电池单元处于不均衡状态，则多路复用器127和167不选中某个电池单元，且子模块120和160分别通过AFE设备122和162与次级侧182和186耦合。在一个实施例中，底层AFE设备122还可包含脉宽调制(PWM)驱动器。响应于警告信号，PWM驱动器输出脉冲信号(如PWM信号)，以交替导通和关断开关156直至主动均衡完成/终止。
在一个实施例中，主动均衡包含多个周期且每个周期包含开关156的导通和关断时段。在一个实施例中，开关156包含N型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。当开关156导通时，流经初级侧188的电流随时间增大，初级侧188储存从模块100获取的能量，且由于二极管126、146和166被反向偏置，无电流流经次级侧182、184和186。当开关156关断时，流经初级侧188的电流随时间下降，因此所有次级侧182、184和186获得正向电压以分别驱动二极管126、146和166。在此情形下，产生流经次级侧182、184和186的电流且储存在初级侧188中的能量被传送到次级侧182、184和186。如上所述，子模块140中不均衡的电池单元与次级侧184耦合。因此，次级侧184获得的能量进一步被传送至不均衡的电池单元。子模块120和160分别与次级侧182和186耦合。因此，次级侧182和186获得的能量进一步被分别传送至子模块120和160。
换言之，在主动均衡的周期中，反激变压器的初级侧188在开关156的导通时段接收来自模块100的能量，并在开关156的关断时段将自模块100获得的能量传送给子模块140中不均衡的电池单元以及子模块120和160。主动均衡的周期循环进行直至子模块140中不均衡的电池单元被均衡。当不均衡的电池单元被均衡后，AFE设备142通过垂直通讯总线170将子模块140的均衡状态通知给AFE设备122。响应于该状态，AFE设备122发送控制信号以禁用模块100中的多路复用器127、147和167以及开关156。因此，主动均衡终止。
有利地，将从模块100获得的能量用于均衡单个电池单元，可以较快速度完成均衡的过程。此外，如有不止一个子模块包含不均衡的电池单元，可同时进行对这些不均衡的电池单元的主动均衡。如一个子模块包含不止一个不均衡的电池单元，用于均衡电池单元的多个均衡过程依序地进行。具体而言，子模块中的多路复用器在第一均衡过程中选择第一均衡单元进行主动均衡，并在第二均衡过程中选择第二均衡单元进行主动均衡。
在一个实施例中，另一个开关阵列(未图示出)可与图1中的每个AFE设备中的开关阵列并联耦合。在此情形下，产生一个更大的电流并在均衡过程中流经次级侧，从而以更快的速度完成均衡过程。
在一个实施例中，AFE设备122监控流经电池单元的电流并判定是否存在过流状态。如被监控的电流高于指定/阈值电流，则AFE设备判定过流状态存在。在本实施例中，AFE设备122可减小送至开关156的PWM信号的占空比。因此，流经电池单元的电流相应下降。
模块100还包括开关152和154、电阻194和196、二极管114、电容116和端子P+和P-。关于端子P+和P-的操作将结合图6进行描述。图6所示为本发明一实施例的一电池包的均衡系统的电路框图。如图6所示，电池包600中的多个电池单元被划分为多个模块。电池包600包括模块100、102和104、作为反激变压器次级的调制器，开关650和控制单元680。模块102和104基本上与模块100相同。尽管图6所示为3个模块，本发明并不仅限于此。在一个实施例中，反激变压器包含初级侧668，铁心660，次级侧662、664和666。次级侧662、664和666分别与模块100、102、104耦合。在一个实施例中，控制单元680是中央电子控制单元(CECU)。
在一个实施例中，模块100、102和104具有相同的架构。通过二极管114和开关152，图6中的每个次级侧与相应的模块耦合。在此情形下，构成包含次级侧662、664和666的调制器。
如上所述，模块100、102和104之间的通讯也可通过垂直通讯总线实现。控制单元680与模块100耦合。因此，控制单元680可检测模块100、102和104的不均衡状态，即两个模块之间的电压差是否低于阈值。更进一步地，控制单元680可检测电池包600中每个电池单元的不均衡状态。
在一个实施例中，控制单元680发送控制信号至开关154和开关650。开关154和开关650被控制用来均衡电池包600中的电池模块。例如，如控制单元680检测出模块100是不均衡的，控制单元680发送控制信号至模块100并发送脉冲信号(如PWM信号)至开关650。响应于该信号，参照图1，模块100中的开关154可由发自控制单元680的控制信号开启导通。相应地，在电阻194上产生与开关152的栅源电压相等的电压降。因此，开关152导通且模块100通过端子P+和P-与图6所示相应的次级侧662耦合。
PWM信号控制开关650交替导通和关断直至主动均衡完成/终止。在一个实施例中，主动均衡包含多个周期且每个周期包含开关650的导通和关断时段。在一个实施例中，开关650包含N型MOSFET。当开关650导通时，流经初级侧668的电流随时间增大，初级侧668储存从电池包600获取的能量，且由于图1所示二极管114被反向偏置，无电流流经次级侧662。当开关650关断时，流经初级侧668的电流随时间下降，因此次级侧662获得正向电压以驱动二极管114。由于不均衡模块100中的开关152导通，产生流经次级侧662的电流且储存在初级侧668中的能量被传送至次级侧662，进而传送至不均衡的模块100。
主动均衡的周期循环进行直至电池包600中的不均衡的模块100被均衡。当控制单元680检测到不均衡的模块被均衡后，控制单元680可发送控制信号以禁用开关650和各模块中的开关(如，图1所示开关154)。因此，主动均衡终止。
有利地，如电池包600包含有不止一个不均衡的模块，这些不均衡的模块的主动均衡可同时进行。因此，快速地实现均衡。
如图1和图6中所描述的均衡电路可被称作多级均衡电路。具体而言，图1所示均衡电路完成模块内的二级均衡的功能，而图6所示均衡系统完成模块之间的一级均衡的功能。换言之，均衡系统600包括如图6所示包含变压器和开关650的一级均衡级。一级均衡级用于均衡电池包中的模块。均衡系统600还包括如图1所示的包含变压器和开关156的二级均衡级。二级均衡级用于均衡模块内的电池单元。
更进一步地，控制单元680与模块100耦合，且可通过垂直通讯总线与均衡系统600中的任何模块通讯。例如，发自控制单元680的控制信号可被传送至模块100，模块100可通过模块之间的垂直通讯总线将该控制信号传送至模块102，模块102可通过模块之间的垂直通讯总线将该控制信号传送至模块104。
有利地，如图6所示，模块100、102和104级联，且不均衡的模块可相对可靠地被变压器及开关650均衡。在另一个实施例中，图6中的变压器不存在且每个模块包含一个变压器以构成前述的一级均衡级。在本实施例中，每个模块中的变压器的初级侧与电池包耦合，而变压器的次级侧与各模块内的电池单元耦合；但这需要更多电气连接，因而如图6所示实施例具有更高的可靠性。
在一个实施例中，控制单元680先判定电池包600中是否有模块内含有不均衡的电池单元。如模块内含有不均衡单元，则由前述的二级均衡级均衡该电池单元。如模块内不均衡的电池单元的数目超过阈值，则控制单元680判定该模块为不均衡。如控制单元判定该模块不均衡，则由前述的一级均衡级均衡该模块。
在一个实施例中，初级侧668不与电池包600耦合，而是与一低电压电池系统(图6未示出)耦合，如12V或24V电池包。在此情形下，开关650的击穿电压更低，且更易于控制开关650。
参照图1，开关152和154以及电阻194和196共同作用，以使模块100与图6中相应的次级侧耦合。或者，只有一个开关用于将模块100与图6中相应的次级侧耦合。在本实施例中，开关耦合于图1所示的子模块120和端子P-之间。
在一个实施例中，开关152不存在且二极管114的阴极直接耦合至初级侧188和电阻194的共同结点。在本实施例中，如模块100不均衡且其电位高于图6所示电池包600中的其他模块，如上所述，开关154导通，且模块100的电量可被由电阻194和196形成的无源放电通路消耗。因此，模块100的电位可降至均衡电位。
图2所示为本发明另一实施例的电池包中子模块200的均衡电路。与图1具有相同标号的元件具有相似功能。图2将结合图1进行说明。如图2所示，子模块200与次级侧182耦合，并包括多个电池单元、AFE设备220、开关阵列(如多路复用器240)、二极管126和电容125。与子模块200相似的子模块可相似地分别与图1所示次级侧184和186耦合。
如图2所示，开关阵列(如，多路复用器240)位于AFE设备220之外。在一个实施例中，多路复用器240与图1所示各子模块中的多路复用器相似。有利地，可通过使用在多路复用器240中不同级别的开关以改变均衡过程的最大电流，并调整完成一次均衡过程需要的时间。例如，如均衡过程需要相对较快地完成，则使用可通过大电流的开关。
如图2所示，AFE设备220包括均衡AFE部分222和高级AFE部分224。在一个实施例中，均衡AFE部分222在均衡过程中控制多路复用器240。高级AFE部分224包含ADC(模拟-数字转换器)，用以将电池单元的状态从模拟信号转换成数字信号，该数字信号可提供给处理器(图2未示出)。高级AFE部分224还包含处理器(未图示)，用以根据各种信号处理目的处理该数字信号。
在一个实施例中，多路复用器240中的第一组开关一次将多个电池单元中的一个电池单元的正极与次级侧182的一端耦合。在一个实施例中，多路复用器240中的第二组开关一次将多个电池单元中的一个电池单元的负极与次级侧182的另一端耦合。因此，多路复用器240可选择每个电池单元进行主动均衡。
在一个实施例中，AFE设备220构成集成电路芯片。在本实施例中，来自AFE设备220的多个引脚的信号控制多路复用器240中的开关使电池单元与次级侧182耦合。如图2所示，电池单元206在子模块200中的所有电池单元中具有最高的对地电位，电池单元202在子模块200中的所有电池单元中具有最低的对地电位，而电池单元204的电位介于电池单元206和电池单元202的电位之间。开关SP(K)和SN(K)使电池单元206与次级侧182耦合，并分别被来自均衡AFE部分222的引脚CBT和CB(K)的信号控制。开关SP(1)和SN(1)使电池单元202与次级侧182耦合，并分别被来自均衡AFE部分222的引脚CBB和CB(1)的信号控制。开关SP(K-1)和SN(K-1)使单元204与次级边182耦合，并可被来自均衡AFE部分222的引脚CB(K-1)的信号控制。在本实施例中，开关SP(K-1)和开关SN(K-1)可同时导通或关断。
因此，在一个实施例中，在均衡过程中，来自均衡AFE部分222的信号控制多路复用器240中的开关导通/关断。如子模块200有不均衡的电池单元，在均衡过程中，来自相应引脚的信号导通与不均衡的电池单元的正负极耦合的开关。因此，通过使不均衡的电池单元与次级侧182耦合，从而选中不均衡的电池单元并进行主动均衡。否则，如子模块200内没有不均衡的电池单元，在均衡过程中，来自引脚CBT和CBB的信号导通开关SP(K)和SN(1)，以使子模块200与次级侧182相耦合。
在一个实施例中，均衡AFE设备222的引脚BUS I/F为输入/输出(I/O)接口。引脚BUS I/F处的信号可以两个方向传送。例如，该信号可通过前述垂直通讯总线被传送至高级AFE部分224或其他子模块中的AFE设备。位于引脚BUS_CFG处的信号用来指示引脚BUS I/F处信号的传送方向。
在一个实施例中，另一开关阵列(未示出)可与AFE设备220外的开关阵列240并联耦合。在此情形下，在均衡过程中可产生较大的流经次级侧182的电流，从而更快地完成均衡过程。
图3所示为本发明另一实施例的含多个模块的电池包中子模块300的均衡电路。与图2具有相同标号的元件具有相似功能。如图3所示，子模块300包含多个电池单元、AFE设备320、开关阵列(如多路复用器340)和变压器。AFE设备320可包含均衡AFE部分322和高级AFE部分224。变压器包含初级侧338，多个次级侧(如次级边332、334和336)以及铁芯330。该均衡电路支持子模块300的局部主动均衡。
在一个实施例中，子模块300中的每个电池单元通过多路复用器340分别与变压器的每个次级侧耦合。有利地，如子模块300中有多个电池单元不均衡，这些不均衡的电池单元的主动均衡可同时进行。更进一步地，与图2中的多路复用器240中的开关相比，图3所示的实施例使用更少数目的开关。
多路复用器340中的开关SB(1)使电池单元202与次级侧332耦合。相似地，开关SB(K-1)使电池单元204与次级侧334耦合，开关SB(K)使电池单元206与次级侧336耦合。在一个实施例中，由来自AFE设备320的引脚CB(1)...CB(K-1)和CB(K)的信号分别控制开关SB(1)...SB(K-1)和SB(K)。开关S(0)使子模块300与变压器的初级侧338耦合，并由来自引脚CBB的信号控制。
在均衡过程中，多路复用器340中的开关由脉冲信号控制。例如，如电池单元202不均衡，在均衡过程中，开关S(0)由来自引脚CBB的脉冲信号控制，而开关SB(1)由来自引脚CB(1)的脉冲信号控制。在均衡过程中，开关S(0)和SB(1)轮流导通，即当开关S(0)导通时，开关SB(1)关断，且当开关S(0)关断时，开关SB(1)导通。
有利地，在图3所示实施例中，能量可双向流动。具体而言，如电池单元202不均衡，且其电位比模块中的其他电池单元低，则子模块300的电量用作主动均衡。换言之，在均衡过程中，来自初级侧338的能量传送至与电池单元202耦合的次级侧332。如电池单元202不均衡，且其电位高于模块中的其他电池单元，则在均衡过程中，来自次级侧332的能量传送至初级侧338。
如电池单元202和204不均衡，在均衡过程中，开关S(0)由来自引脚CBB的脉冲信号控制，而开关SB(1)和SB(K-1)由来自引脚CB(1)和CB(K-1)的脉冲信号控制。换言之，如子模块300具有多个不均衡的电池单元，这些不均衡的电池单元的主动均衡可同时进行。因此，可以较快地实现均衡。
如图3所示，初级侧338可与子模块300中的所有电池单元耦合。因此，来自子模块300的能量用来均衡子模块300中的不均衡的电池单元。或者，初级侧338可与多个子模块(如，包含子模块300的模块)耦合。在本实施例中，初级侧338与开关S(0)分别具有与图1中的初级侧188和开关156相同的功能。因此，来自模块的能量用来均衡不均衡的电池单元。
子模块300可以如下所示方式被包含于图1所示的模块100中。参照图1，在一个实施例中，子模块120、140和160中的每一个均可被图3中的子模块300代替，并移去图1中的变压器和开关156。在本实施例中，如图1所示的子模块中内包含多个不均衡的电池单元，如上所述，这些不均衡的电池单元的主动均衡可同时进行。更进一步地，如图1中多个子模块包含有不均衡的电池单元，这些不均衡的电池单元的主动均衡可同时进行。
图4所示为本发明另一实施例的电池包中子模块400的均衡电路。如图4所示，子模块400包含多个电池单元、AFE设备420、开关阵列(如多路复用器440)和两个变压器。AFE设备420包含均衡AFE部分422和高级AFE部分224。
如图4所示，多个电池单元被分成两组，且每组可与变压器的次级侧耦合。通过使用多个变压器，使每个次级侧尽可能近地靠近相应的变压器的铁芯中心。在此情形下，使之与次级侧的电磁耦合相对较好。如图4所示，位于子模块400边缘的电池单元408和402，通过开关SB(K)和SB(1)分别与次级侧454和432耦合。相对于图3中位于子模块300边缘的次级侧332和336，次级侧454和432具有较好的电磁耦合。在此情形下，如电池单元408或402不均衡，则针对电池单元408或402的均衡过程具有较好效果。
多路复用器440中的第一组开关使第一组电池单元与第一变压器的次级侧耦合。例如，开关SB(1)使电池单元402与次级侧432耦合，开关SB(I)使电池单元404与次级侧434耦合。相似地，多路复用器440中的第二组开关使第二组电池单元与第二变压器的次级侧耦合。例如，开关SB(I+1)使电池单元406与次级侧452耦合，开关SB(K)使电池单元408与次级侧454耦合。在一个实施例中，开关SC(1)使第一变压器的初级侧430与子模块400中的所有电池单元耦合，而开关SC(2)使第二变压器的初级侧450与子模块400中的所有电池单元耦合。
尽管如图4所示的子模块400中的电池单元被分为两组且相应地使用了两个变压器，但本发明并不限于此。在一个实施例中，子模块400中的电池单元被分为多于两组且相应地使用多于两个变压器。
相似地，如图1所示的子模块100可被分为两个或更多组，且相应地使用两个或更多变压器。因此，针对子模块120或子模块140中不均衡的电池单元的均衡过程效果更好。
参照图4，在一个实施例中，如第一组电池单元内包含有不均衡的电池单元，开关SC(1)、SB(1)...SB(I)由来自AFE设备420的引脚CC(1)、CB(1)...CB(I)的信号控制以均衡的电池单元。相似地，如第二组电池单元内包含有不均衡的电池单元，开关SC(2)、SB(I+1)...SB(K)由来自AFE设备420的引脚CC(2)、CB(I+1)...CB(K)的信号控制以均衡电池单元。有利地，能量可双向流动。
如图4所示，初级侧430和450与子模块400中的所有电池单元耦合。或者，初级侧430和450与多个子模块耦合(例如，包含子模块400的模块)。
子模块400可以如下所述方式被包含于图1所示的模块100中。参照图1，在一个实施例中，子模块120、140和160中的每一个均可被图4中的子模块400代替，并移去图1中的变压器和开关156。在本实施例中，如图1所示的子模块中内包含多个不均衡的电池单元，如上所述，这些不均衡的电池单元的主动均衡可同时进行。更进一步地，如图1所示的多个子模块包含有不均衡的电池单元，这些不均衡的电池单元的主动均衡可同时进行。
图5所示为本发明另一实施例的电池包中子模块500的均衡电路。标号与图4相同的元件具有相似功能。如图5所示，子模块500包含多个电池单元、AFE设备420、开关阵列(如多路复用器540)和两个变压器。多个电池单元通过多路复用器540中的开关与两个变压器耦合。
在一个实施例中，子模块500与图4所示子模块400相似。多个电池单元被分成两组，第一组电池单元通过多路复用器540与第一变压器的次级侧耦合，第二组电池单元通过多路复用器540与第二变压器的次级侧耦合。
每组中的两个电池单元与相应的变压器的次级侧耦合。具体举例而言，电池单元512和514与第一变压器的次级侧532耦合，而电池单元516和518与第一变压器的次级侧534耦合。相似地，电池单元522和524与第二变压器的次级侧552耦合，而电池单元526和528与第二变压器的次级侧554耦合。因此，与图4所示的子模块400相比，子模块500使用较少数目的次级侧。
用于使电池单元与次级侧耦合的两个开关由来自AFE设备420的引脚的信号控制。例如，用于使电池单元528与次级侧554耦合的两个开关由来自引脚CB(K)的信号控制，用于使电池单元526与次级侧554耦合的两个开关由来自引脚CB(K-1)的信号控制。有利地，能量可双向流动。
如图5所示，初级侧530和550与子模块500中的所有电池单元耦合。或者，初级侧530和550与多个子模块耦合，如，包含子模块500的模块。
尽管如图5所示，子模块500中的电池单元被分为两组且相应地使用了两个变压器，但本发明并不限于此。更进一步地，尽管如图5所示，每两个电池单元与变压器对应的次级侧分别耦合，但本发明并不仅限于此。可有多于两个电池单元与变压器对应的次级侧耦合。
子模块500可以如下所述方式被包含于图1所示模块100中。参照图1，在一个实施例中，子模块120、140和160中的每一个均可被图5中的子模块500代替，并移去图1中的变压器和开关156。在本实施例中，如图1所示的子模块中内包含多个不均衡的电池单元，如上所述，这些不均衡的电池单元的主动均衡可同时进行。更进一步地，如图1中有多个子模块包含有不均衡的电池单元，这些不均衡的电池单元的主动均衡可同时进行。
图7所示为本发明一实施例的控制电池包均衡的方法流程图700。图7将结合图1和图6进行描述。
在步骤702中，控制单元680判定电池包600中的模块是否包含不均衡的电池单元。控制单元680可与模块100中的AFE设备通讯，并通过垂直通讯总线170与模块102和104通讯。因此，控制单元680可得到每个电池单元的状态(如每个电池单元的电位)，并可检测出不均衡的电池单元。
在步骤704中，不均衡的电池单元可被二级均衡级均衡。如图1所示为一个二级均衡级的示例。在一个实施例中，如模块100包含不均衡的电池单元，则如上所述，该不均衡的电池单元可被图1所示的变压器均衡。
在步骤706中，控制单元680可判定电池包600是否包含不均衡的模块。在一个实施例中，控制单元680可得到每个模块的状态(如每个模块的电位)，并可检测到不均衡的模块。在另一个实施例中，控制单元先判定是否有模块包含不均衡的电池单元，且如模块内不均衡的电池单元的数目超过阈值，控制单元进一步判定该模块不均衡。
在步骤708中，不均衡的模块可被一级均衡级均衡。如图6所示为一个一级均衡级的示例。在一个实施例中，如上所述，不均衡的模块可被图6所示的变压器均衡。
上文具体实施方式和附图仅为本发明的常用实施例。显然，在不脱离权利要求书所界定的本发明精神和保护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，本发明的范围由权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前的描述。

Claims (23)

1.一种电池包的均衡系统，其特征在于，所述电池包包括多个模块，且所述模块进一步包括多个电池单元的子集，所述均衡系统至少包括：
一级均衡级，用于均衡所述多个模块中的第一模块；
二级均衡级，与所述一级均衡级耦合，并用于均衡所述第一模块内的第一电池单元。
2.根据权利要求1所述的电池包的均衡系统，其特征在于，所述一级均衡级进一步用于同时均衡所述多个模块中的所述第一模块和第二模块。
3.根据权利要求1所述的电池包的均衡系统，其特征在于，所述二级均衡级进一步用于同时均衡所述第一模块中的所述第一电池单元和第二模块中的第二电池单元。
4.根据权利要求1所述的电池包的均衡系统，其特征在于，所述模块包括多个子模块且所述子模块包括多组所述电池单元的子集，所述二级均衡级进一步用于同时均衡所述第一模块中的所述第一电池单元和第二电池单元，且所述第一电池单元和所述第二电池单元在所述第一模块的同一个子模块内。
5.根据权利要求1所述的电池包的均衡系统，其特征在于，所述模块包括多个子模块且所述子模块包括多组所述电池单元的子集，所述二级均衡级进一步用于同时均衡所述第一模块中的所述第一电池单元和第二电池单元，且所述第一电池单元和所述第二电池单元在所述第一模块的不同子模块内。
6.根据权利要求1所述的电池包的均衡系统，其特征在于，所述电池包的电压用于通过变压器均衡所述第一模块。
7.根据权利要求1所述的电池包的均衡系统，其特征在于，所述第一模块的电压用于通过变压器均衡所述第一电池单元。
8.一种用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，其特征在于，所述均衡电路包括：
第一变压器，包括第一初级侧和多个第一次级侧；及
第一开关，用于使多个所述电池单元与所述第一初级侧串联耦合，
当检测到所述电池包中的第一电池单元不均衡时，所述第一电池单元与所述第一次级侧耦合，且所述第一开关交替导通和关断，以将能量传送至所述第一电池单元。
9.根据权利要求8所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，其特征在于，当检测到所述电池包中的第二电池单元不均衡时，所述第二电池单元与所述第一次级侧耦合，且所述第一开关交替导通和关断，以将能量传送至所述第一电池单元和所述第二电池单元。
10.根据权利要求9所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，其特征在于，所述电池包包括多个模块，所述模块进一步包括多个电池单元的子集，且所述第一电池单元和所述第二电池单元在同一模块内。
11.根据权利要求9所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，其特征在于，所述电池包包括多个模块，所述模块进一步包括多个子模块，所述子模块进一步包括多个电池单元的子集，且所述第一电池单元和所述第二电池单元在同一子模块内。
12.根据权利要求9所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，其特征在于，所述电池包包括多个模块，所述模块进一步包括多个子模块，所述子模块进一步包括多个电池单元的子集，且所述第一电池单元和所述第二电池单元在同一模块的不同子模块内。
13.根据权利要求8所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，其特征在于，所述均衡电路进一步包括：
第二变压器，包括第二初级侧和多个第二次级侧；及
第二开关，用于使多个所述电池单元与所述第二初级侧串联耦合，
当检测到所述电池包中的第二电池单元不均衡时，所述第二电池单元与所述第二次级侧耦合，且所述第二开关交替导通和关断，以将能量传送至所述第二电池单元。
14.根据权利要求13所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，其特征在于，所述电池包包括多个模块，所述模块进一步包括多个子模块，所述子模块进一步包括多个电池单元的子集，且所述第一电池单元和所述第二电池单元在同一模块的不同子模块内。
15.根据权利要求13所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，其特征在于，所述电池包包括多个模块，所述模块进一步包括多个子模块，所述子模块进一步包括多个电池单元的子集，且所述第一电池单元和所述第二电池单元在同一子模块内。
16.根据权利要求8所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，其特征在于，所述均衡电路进一步包括：
第二变压器，包括第二初级侧和多个第二次级侧；及
第二开关，用于使多个所述电池单元与所述第二初级侧串联耦合，
所述电池包包括多个模块，所述模块包括多组所述电池单元的子集，当检测到所述电池包中的第一模块不均衡时，所述第一模块与所述第二次级侧耦合，且所述第二开关交替导通和关断，以将能量传送至所述第一模块。
17.根据权利要求16所述的用于控制包括多个电池单元的电池包的均衡电路，其特征在于，当检测到所述电池包中的第二模块不均衡时，所述第二模块与所述第二次级侧耦合，且所述第二开关交替导通和关断，以将能量传送至所述第一模块和所述第二模块。
18.一种控制电池包均衡的方法，其特征在于，所述控制电池包均衡的方法至少包括下列步骤：
判定所述电池包中是否有不均衡的电池单元，所述电池包包括多个模块，所述模块进一步包括多个电池单元的子集；
当检测到不均衡的电池单元，则均衡所述电池单元；
判定所述电池包内是否有不均衡的模块；及
如有不均衡的模块，则均衡所述模块。
19.根据权利要求18所述的控制电池包均衡的方法，其特征在于，所述判定所述电池包内是否有不均衡的模块的步骤进一步包括：
计算所述模块内不均衡的电池单元的数目；及
将所述模块内不均衡的电池单元的数目与阈值比较，以判定所述模块是否不均衡。
20.根据权利要求18所述的控制电池包均衡的方法，其特征在于，所述均衡所述电池单元的步骤进一步包括：
使所述电池单元与变压器的次级侧耦合；
交替连接和断开所述电池单元所在的模块与所述变压器的初级侧；
将能量传送至所述电池单元。
21.根据权利要求18所述的控制电池包均衡的方法，其特征在于，所述均衡所述电池单元的步骤进一步包括：
使所述电池单元与变压器的次级侧耦合；
交替连接和断开所述电池单元所在的模块与所述变压器的初级侧；
将能量传送至所述电池单元所在的模块。
22.根据权利要求18所述的控制电池包均衡的方法，其特征在于，所述均衡所述模块的步骤进一步包括：
使所述模块与变压器的次级侧耦合；
交替连接和断开所述电池包与所述变压器的初级侧；
将能量从所述电池包传送至所述模块。
23.根据权利要求18所述的控制电池包均衡的方法，其特征在于，所述均衡所述模块的步骤进一步包括：
使所述模块与变压器的次级侧耦合；
交替连接和断开所述电池包与所述变压器的初级侧；
将能量从所述模块传送至所述电池包。
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