CN102306940A - 主动电荷平衡电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种主动电荷平衡电路。公开了电荷平衡电路和具有电荷平衡电路的能量存储装置。

Description

主动电荷平衡电路
技术领域
本发明涉及用于在包括分别串联连接的多个电荷存储单元或蓄电池（accumulator）的电荷存储装置中的电荷平衡的电路装置。
背景技术
蓄电池是可再充电电荷存储设备，其在充电状态下能够给负载提供电力。蓄电池的输出电压依赖于蓄电池的类型。对于锂离子蓄电池，该电压约为3.3 V。如果需要给需要更高供电电压的负载供电，则可以串联连接多个蓄电池。由包括多个串联连接的蓄电池的蓄电池装置所提供的供电电压对应于这些串联连接的蓄电池的单独供电电压的总和。
大多数类型的蓄电池单元，诸如锂离子电池，应当不被充电到使得供电电压高于给定上电压限值并且应当不被放电到使得供电电压低于给定下电压限值，以便防止劣化或损坏。由于蓄电池的加工过程中的不可避免的改变，单独蓄电池的电容可能轻微地相互不同，即电容可能不平衡。这种不平衡与上和下充电限值组合可能在给蓄电池装置充电和给蓄电池装置放电这两方面导致问题。
当给蓄电池装置充电时，已知给蓄电池装置提供充电电流，以在充电过程期间监控横跨单独蓄电池的电压并且当横跨蓄电池之一的电压达到上阈值（这表明对应的蓄电池彻底充电并且不应当再进一步充电）时完成充电过程。然而，当具有最低电容的电容器达到其充电限值即彻底充电时，具有较高电容的蓄电池未被彻底充电。因此，所布置的蓄电池的总电容未被彻底利用。
当对蓄电池装置放电时，已知当蓄电池之一达到其下电压限值即彻底放电时，即使其他蓄电池可能仍被放电，也停止放电过程。
为了优化蓄电池装置的有用容量，在充电或放电过程期间可以平衡存储在单独蓄电池中的电荷。因此，需要高效且容易地实现电荷平衡电路。
发明内容
本发明的第一实施例涉及电荷平衡电路，其包括：第一电感存储元件；以及开关装置，具有第一端子和第二端子、用于接收至少一个控制信号的至少一个控制输入端、以及多个单元端子。单元端子被配置为连接到电荷存储装置的抽头，电荷存储装置包括串联连接的多个电荷存储单元。第一电感存储元件可操作用于连接到开关装置的第一端子和第二端子，以及开关装置被配置为将第一端子选择性地与多个单元端子之一连接，并且可操作用于依赖于至少一个控制信号而将第二端子选择性地与多个单元端子之一连接，并被配置为依赖于第一端子和第二端子之间的电压而实现在第一方向上或者在相反方向上在一方面为第一端子和第二端子与另一方面为单元端子之间的电流流动。电荷平衡电路还包括控制电路，该控制电路被配置为依赖于至少一个电荷存储单元的充电状态而提供至少一个控制信号。
又一个实施例涉及具有电荷存储装置和这种电荷平衡电路的能量存储装置。
附图说明
现在将参照附图来阐述示例。附图用于说明基本原理，使得仅说明对理解该基本原理所需的方面。附图未按比例。在附图中，相同参考标号表示类似特征。
图1示出了包括电荷存储装置和电荷平衡电路的电路装置，该电荷存储装置具有多个存储单元以及该电荷平衡电路用于平衡存储单元中的电荷；
图2A-2B示出了具有多个电荷存储单位（unit）的电荷存储单元的实施例；
图3A-3B示意性示出了电荷平衡电路在下限平衡模式（bottom-balancing mode）中的操作原理；
图4A-4B示意性示出了电荷平衡电路在上限平衡模式（top-balancing mode）中的操作原理；
图5A-5B示出了电荷平衡电路在单元到单元平衡模式中的操作原理；
图6示出了电荷平衡电路的开关装置的第一实施例；
图7示出了电荷平衡电路的开关装置的第二实施例；
图8示出了具有两个电感地耦合的电感存储元件的电荷平衡电路；
图9示出了电荷平衡电路的开关装置的第三实施例；
图10示出了包括电荷存储装置和电荷平衡电路的电路装置，其中电荷平衡电路包括变压器；
图11示出了图10的电荷平衡电路的开关装置的第一实施例；
图12A-12B示出了开关装置的第一开关的实现示例；
图13示出了开关装置的第二开关的实现示例；
图14示出了图10的电荷平衡电路的开关装置的第二实施例；以及
图15示出了具有根据又一个实施例的电荷平衡电路的电路装置。
具体实施方式
图1示出了说明具有电荷存储装置1的电路装置的图。电荷存储装置1包括串联连接在负载端子13、14之间的多个（n个）电荷存储单元11、12、1n。负载端子13、14被配置为具有连接至其的负载或充电设备Z（以点划线示出）。在该电路装置的操作中，电荷存储装置1经由负载端子13、14向连接至其的负载Z提供电能，或接收来自连接至负载端子13、14的充电设备Z的电能。根据又一个实施例，图9中所示的电荷存储装置1形成电荷存储模块，该电荷存储模块可以与那种用于提供更高供电电压的其他模块一起使用。在该情况下，负载端子13、14用于将该模块与其他模块相连接。根据实施例，一个模块包括8和12之间个存储单元，即n=8…12，并且8至12个这种模块彼此串联连接。
电荷存储装置1可以是任一类型的可再充电电荷存储装置，诸如具有串联连接的多个电池单元的可再充电电池。在充电状态下，电荷存储单元11、12、1n中的每一个均能够提供供电电压，其中负载端子13、14之间的电荷存储装置1所提供的总电压对应于电荷存储单元11、12、1n所提供的单独供电电压的总和。
参照图2A和2B，电荷存储单元11、12、1n中的每一个均可以包括多个电荷存储单位或单个单元。图2A和2B中所示的存储单元1i代表图1中所示的存储单元11、12、1n中的任一个。根据图2A，电荷存储单元1i可以包括并联连接的多个单个单元1i1、1i2、…、1ik。参照图2B，一个电荷存储单元1i可以包括串联连接的多个单个单元1i1、1i2、…、1in。根据又一个实施例（未示出），一个电荷存储单元1i包括具有并联连接的多个串联电路的并联电路和/或具有串联连接的多个并联电路的串联电路。
图2A和2B中所示的单个单元1i1、1i2、…、1ik可以是任一类型的可再充电电荷存储单位，诸如锂离子电池、电容器等。应当提到，如图2A中和2B中所示的那样将电荷存储单元11、12、1n实现为包括多个单个单元仅是示例。还有可能将电荷存储单元11、12、1n实现为使得它们仅包括一个单个单元。
在图1中所示的电荷存储装置1中，多个（n=3个）电荷存储单元11、12、1n串联连接。然而，具有n=3个存储单元仅是示例。依赖于单独存储单元11、12、1n在其充电状态可以提供的供电电压并且依赖于期望在负载端子13、14之间可获得的供电电压，可以任意选择串联连接的电荷存储单元的数量。
由于不同效应，诸如疲劳或磨损、或加工过程中的变化，即使在单独存储单元11、12、1n以相同方式实现的那些情况下，单独存储单元11、12、1n的电容仍可能相互略微不同。电容中的这种不同或这种不平衡分别具有以下效应：与其他存储单元即具有较高电容的存储单元相比，一些存储单元即具有较低电容的存储单元在电荷存储装置1被充电时更快地充电而在电荷存储装置1被放电时更块地放电。
由于大多数电荷存储单元，诸如包括锂离子电池的存储单元，应当不被充电到高于上充电限值的充电状态并且应当不被放电到低于下充电限值的充电状态，所以当达到存储单元之一的上充电限值或下充电限值时，充电过程或放电过程将必须被停止，从而限制总装置的可用电容，如果将不采取额外措施的话。
为了补偿单独存储单元11、12、1n的电容的这种不平衡，该电路装置包括电荷平衡电路9，该电荷平衡电路9被配置为连接至电荷存储装置1的抽头。电荷存储装置1的“抽头”是在以下中也将被称作主抽头的负载端子13、14，并且是布置在两个相邻存储单元之间的中间抽头。除了这两个主抽头之外，图1的电荷存储装置1在每对相邻存储单元的存储单元之间具有抽头，使得对于n个存储单元有n+1个抽头。然而，这仅是示例。抽头的数量也可能小于n+1。根据实施例，该存储装置的抽头包括两个主抽头并且包括小于n-1个中间抽头，使得不在每对相邻存储单元的单元之间布置抽头。
根据图1的电荷平衡电路包括电感电荷存储元件2，诸如扼流圈。电感电荷存储元件2可以被实现为具有磁芯（core）或不具有磁芯。
电感存储元件2具有第一和第二端子21、22，该第一和第二端子21、22可操作用于连接到开关装置3的第一和第二端子33、34，其中在图1中所示的实施例中电感存储元件2的第一和第二端子21、22与开关装置3的第一和第二端子33、34永久连接。开关装置3的第一和第二端子33、34在下文中也将被称作开关装置3的第一和第二电感器端子。
开关装置3还包括单元端子30、31、32、3n，该单元端子30、31、32、3n被配置为连接到电荷存储装置1的抽头。开关装置3被配置为经由电感器端子33、34和单元端子中的两个而将电感存储元件2选择性地连接在电荷存储装置1的两个抽头之间。电感存储元件2的第一和第二端子21、22待连接到的抽头被给予在开关装置3的控制输入端处接收到至少一个控制信号S3。
控制电路4控制由电荷平衡电路9所执行的电荷平衡并依赖于单独电荷存储单元11、12、1n的充电状态而生成至少一个控制信号S3。控制电路4接收代表单独电荷存储单元11、12、1n的充电状态的至少一个充电状态信号SC。根据实施例，传感器装置S（以点划线示出）生成充电状态信号SC。传感器装置S可以是适合于检测单独电荷存储单元11、12、1n的充电状态的任一传感器装置。根据第一实施例，传感器装置S检测横跨电荷存储单元11、12、1n的电压V11、V12、V1n，并依赖于这些电压来提供充电状态信号SC。通常，横跨电荷存储单元11、12、1n的电压越低，充电状态越低。用于评估电荷存储单元（诸如存储单元11、12、1n）的充电状态的传感器装置（诸如传感器装置S）是公知的，使得在这点上不需要进一步阐述。控制电路4例如被实现为微控制器。控制电路4适于评估单独电荷存储单元11、12、1n的充电状态并且适于控制开关装置3，使得电荷存储单元11、12、1n的电荷不平衡被平衡。
图1中所示的电荷平衡电路9被配置为在至少两种不同电荷平衡模式中被操作，即从总电荷存储装置1获得电荷并且将其反馈至一个电荷存储单元或一组相邻电荷存储单元的下限平衡模式、以及从一个电荷存储单元或从一组相邻电荷存储单元获得电荷并且将其反馈至总电荷存储装置1的上限平衡模式。这些平衡模式中的每一个都包括两个步骤。在第一步骤中，电感存储元件2存储从自总装置1（在下限平衡模式中）、自一个电荷存储元件或从一组电荷存储元件（在上限平衡模式中）获得的电荷所得到的能量。在第二步骤中，该能量被反馈至一个存储元件、一组存储元件或至该总装置。包括这两个步骤的循环可以被重复若干次以便获得期望的电荷平衡。
图1的电荷平衡电路9易于实现，这是因为除了电感存储元件2和控制电路4之外仅需要具有多个开关的开关装置3。该开关装置被配置为允许电流可选地在两个方向上在一方面为第一和第二电感器端子33、34与另一方面为这些单元端子中的两个单元端子之间流动，即在第一方向上或者在相反方向上流动。电流在一方面为端子33、34与单元端子30-3n之间流动的方向依赖于电感器端子33、34之间的电压。为了阐述的目的，可以假设开关装置3以平衡模式之一将电感器端子33、34与这些单元端子中的两个单元端子相连接。当电感器端子33、34之间的电压高于这两个单元端子之间的电压时，则电流在第一方向上流动。在该连接中，“在第一方向上流动的电流”是从第一端子33流出到开关装置3中的以及从开关装置3流到第二端子34中的电流。当电感器端子33、34之间的电压低于这两个单元端子之间的电压时，则电流在相反第二方向上流动。在该连接中，“在第二方向上流动的电流”是从开关装置3流到第一端子33中以及从第二端子34流出的电流。
图3A和3B示意性示出了电荷平衡电路9在下限平衡模式中的操作原理。在第一步骤中，开关装置3经由电感器端子33、34和单元端子30、3n将电感存储元件2的第一和第二端子21、22与电荷存储装置1的对应于负载端子13、14的主抽头相连接。在图3A和3B中，开关装置3被示意性示出为电路模块。在单独电荷平衡步骤中，电感器端子33、34和单元端子30、31、32、3n之间的连接以粗线示出。
当电感存储元件2分别连接至负载端子13、14或主抽头时，放电电流Id从电荷存储装置1流过电感存储元件2。从电荷存储装置1获得的电能在能量以磁形式存储的电感存储元件2中导致磁场。存储在电感存储元件2中的能量随着电感存储元件2连接到电荷存储装置1的持续时间而增大。
在下限平衡过程的下一步骤中，电感存储元件2经由电感端子33、34和两个单元端子而连接到电荷存储单元之一。在图3B中所示的示例中，通过将第一和第二端子33、34与其间布置了第二存储单元12的单元抽头31、31相连接，将电感存储元件2连接到装置1的第二电荷存储元件12。然而，这仅是示例。电感存储元件2可以连接到电荷存储元件11、12、1n中的任一个，或者甚至可以连接到一组相邻电荷存储元件。为了将电感存储元件2与一组存储单元相连接，将第一和第二端子33、34与其间布置了具有该组相邻单元的串联电路的那些单元抽头相连接。
根据实施例，电荷存储元件，诸如在下限平衡过程的第二步骤中电感存储元件2所连接到的第二电荷存储元件12，是已被识别为具有电荷存储元件11、12、1n的最低充电状态的电荷存储元件。当电感存储元件2与一个电荷存储元件或与一组电荷存储元件相连接时，从存储在电感存储元件2中的磁能所得到的充电电流Ic流到该电荷存储元件或该组电荷存储元件中，从而给该电荷存储元件或该组电荷存储元件充电。电感存储元件2连接到电荷存储元件，诸如第二电荷存储元件12，使得通过充电电流Ic给电荷存储元件2充电。
电荷存储装置1和电荷存储元件11、12、1n中的每一个具有正端子和负端子。为了阐述的目的，可以假设第一负载端子13是电荷存储装置1的正端子而第二负载端子14是电荷存储装置1的负端子。单独电荷存储元件11、12、1n的正端子是布置在第一负载端子13的方向上的端子，而电荷存储元件11、12、1n的负端子是布置在第二负载端子14的方向上的端子。在平衡过程的第一步骤和第二步骤之间，电感存储元件2的极性必须反转，即电感存储元件2的在第一步骤中连接到存储装置1或存储单元的正端子的端子必须在第二步骤中连接到存储装置或存储单元的负端子。参照图3A和3B中所示的示例，这意味着第一端子21在第一步骤中连接到存储装置1的正端子，而在第二步骤中连接到第二存储元件12的负端子。等同地，电感存储元件2的第二端子22在第一步骤中连接到负负载端子14，而在第二步骤中连接到第二存储元件12的正端子。
对一个存储单元（诸如第二存储单元12）的电荷进行平衡可以包括多个具有第一步骤和第二步骤的平衡循环，其中在该第一步骤中从总存储装置1获得能量而在该第二步骤中能量被反馈至一个存储元件或一组相邻存储元件。
根据实施例，在每个平衡循环之后，评估单独电荷存储元件11、12、1n的充电状态。根据又一个实施例，在再次评估电荷存储元件11、12、1n的充电状态之前，执行多个平衡循环。
例如，当一个电荷存储元件的充电状态显著低于其他电荷存储元件的充电状态时，图3A和3B中所示的下限平衡是适合的。在该情况下，下限平衡过程有助于增大低充电存储元件的充电状态。
现在将参照图4A和4B来阐述电荷平衡电路在上限平衡模式中的操作原理。参照图4A，在第一步骤中，从诸如第一电荷存储元件11的一个电荷存储元件获得能量。为此，电感存储元件2经由电感器端子33、34与其间连接了要被放电的电荷存储元件的单元端子30、31相连接。参照图4B，在第二步骤中，电感存储元件2经由电感端子33、34和单元端子30、3n而连接到电荷存储装置1的负载端子13、14。通过此，在电感存储元件2中初步充电的能量被反馈至总装置中。反馈至该装置中的该能量在存储单元11、12、1n之间共享，使得从一个存储单元获得的能量被分布到若干单元上。
类似于在图3A、3B中所示的下限平衡过程中，电感存储元件2的极性在第一和第二步骤之间反转。参照图4A和4B中所示的示例，这意味着，在第一步骤中电感存储元件2的第一端子21连接到第一电荷存储元件11的正端子而在第二步骤中连接到电荷存储装置1的负端子。因此，在第一步骤中放电电流Id流自第一电荷存储单元11，而在第二步骤中充电电流Ic流到总装置1中。类似于在下限平衡模式中，可以执行多个具有第一步骤和第二步骤的平衡循环以便对一个电荷存储元件的电荷进行平衡，其中在该第一步骤中从一个存储单元获得能量而在该第二步骤中能量被反馈至总装置中。代替仅从一个电荷存储元件获得能量，也可以从一组相邻电荷存储元件获得能量。在该情况下，电感存储元件2在第一步骤中连接到其间布置了具有要被放电的该组电荷存储元件的串联电路的、开关装置3的那些单元端子。
例如，当一个电荷存储元件的充电状态显著高于其他电荷存储元件的充电状态时，该上限平衡模式是适合的。在该情况下，高电荷存储元件可以被放电以有利于(in favor of)总电荷存储装置1。
根据一个实施例，电荷平衡电路9还能够执行单元到单元平衡模式。在该平衡模式中，在第一步骤中从一个存储单元或从一组相邻存储单元获得电荷，而在第二步骤中该电荷被反馈至另一存储单元或另一组相邻存储单元。图5A和5B示出了电荷平衡电路9在单元到单元平衡模式中的操作原理。
参照图5A和5B，在第一步骤中电感存储元件2经由开关装置3的电感器端子33、34和开关装置3的单元端子而连接到要被放电的电荷存储元件。在图5A中所示的示例中，第一电荷存储元件11是要被放电的电荷存储元件。在第一步骤中，电感存储元件2连接到其间布置了要被放电的电荷存储元件11的、开关装置3的那些单元端子30、31。
参照图5B，在下一步骤中，电感存储元件2经由开关装置3连接到要被充电的那个电荷存储元件。在图5B中所示的实施例中，要被充电的电荷存储元件是第二电荷存储元件12。因此，电感存储元件2连接到其间布置了第二电荷存储元件12的、开关装置2的单元端子31、32。类似于在下限平衡模式和上限平衡模式中，电感存储元件2的极性要在第一和第二步骤之间反转。参照图5A和5B中所示的示例，这意味着在第一步骤中电感存储元件2的第一端子21连接到第一电荷存储元件11的正端子而在第二步骤中连接到第二电荷存储元件12的负端子。在第一步骤中，放电电流Id流自第一电荷存储元件11，其中放电电流Id导致磁能存储在电感存储元件2中。在第二步骤中，从存储在电感存储元件2中的磁能所得到的充电电流Ic给第二电荷存储元件12充电。
类似于在下限平衡模式和上限平衡模式中，可以执行多个具有第一步骤和第二步骤的平衡循环，其中在该第一步骤中一个单元或一组单元被放电而在该第二步骤中另一单元或另一组单元被充电。例如，在一个电荷存储元件的充电状态显著高于其他存储单元以及另一存储单元的充电状态显著低于其他存储单元的那些情况下，单元到单元平衡模式是适合的。在该情况下，从高电荷存储单元中获得电能并将电能提供给低电荷存储单元。
不管存储装置1是空闲模式即处于存储装置未被充电电路充电也未被放电以有利于负载时的模式、还是处于其中存储装置被充电电路充电的充电状态、还是处于其中存储装置被放电以有利于负载的放电状态，均可以执行参照图3A至5B所示出的电荷平衡模式。
根据实施例，电荷平衡电路9包括感测流过电感存储元件2的电流的电流传感器（未示出）。该电流传感器将电流信息提供给控制电路4，其中控制电路在该实施例中适于在流过电感存储元件2的电流降到零或降到下电流限值时断开电感存储元件2和电荷存储装置1之间的连接。以该方式，防止在第二步骤结束时从要被充电的电荷存储元件或该组电荷存储元件（诸如图3B中的第二电荷存储元件、图4B中的总电荷存储装置1或图5B中的第二电荷存储元件12）获得能量。
图6示出了开关装置3的第一实施例。图6中所示的开关装置3能够支持在上文中所阐述的三种平衡模式中的每一种。图6中所示的开关装置3包括第一组开关40、41、42、4n，其中第一组的开关40、41、42、4n中的每一个均具有连接到开关装置3的单元端子30、31、32、3n之一的第一端子。在图6中所示的实施例中，电荷存储装置1具有n个电荷存储元件11、12、1n和n+1个抽头，而开关装置3具有与这些抽头中的每个抽头连接的单元端子30、31、32、3n。然而，参照参考图1给出的阐述，这仅是示例。开关装置3的单元端子的数量也可能小于n+1个抽头的数量。在该情况下，不是存储装置的每个单元可以被单独平衡，而是必须与一组相邻存储单元中的其他单元一起被平衡。
第一组的开关40、41、42、4n的数量对应于开关装置3的单元端子的数量。参照图6，开关装置3还包括第二组开关51、52、5n，其中第二组的这些开关51、52、5n中的每一个均连接在第一组的两个开关的第二端子之间。第一组的开关的“第二端子”是开关40、41、42、4n的远离单元端子30、31、32、3n面向的端子。在图6的实施例中，第二组的开关中的每一个均连接在第一组的两个相邻开关之间。第一组开关中的“相邻开关”是连接到相邻单元端子30、31、32、3n的那些开关，其中相邻单元端子是连接到存储装置1的相邻抽头的单元单子。在图6的实施例中，存储装置的“相邻抽头”是其间布置了一个存储元件的抽头。
开关装置3还包括内部节点35、36，其中这些内部节点35、36中的每一个是第一组的一个开关和第二组的一个开关共有的电路节点，或者是第一组的两个开关的第二端子。在图6中所示的实施例中，第一内部节点35是第一组的开关40的第二端子，该开关40连接到该单元端子30，该单元端子30被配置为连接到存储装置的第一负载端子13，而第二内部节点36是第一组的开关4n的第二端子，该开关4n连接到该单元端子3n，该单元端子3n被配置为连接到第二负载端子14。然而，这仅是示例，第一和第二内部端子35、36可以是第一组的两个不同开关的任一第二端子。经由第一和第二组的这些开关，第一和第二内部节点35、36中的每一个可以与单元端子30、31、32、3n中的任一单元端子连接并且因此与存储装置1的任一抽头连接。
参照图6，开关装置3还包括第三组开关，其中在该实施例中第三组包括四个开关61、62、63、64。第三组的开关61-64用于将第一和第二电感器端子33、34选择性地与第一和第二内部节点35、36连接。第三组的第一开关61连接在第一电感端子33和第一内部节点35之间，第二开关62连接在第二电感端子34和第二内部节点36之间，第三开关63连接在第一电感器端子33和第二内部节点36之间，以及第四开关64连接在第二电感器端子34和第一内部节点35之间。在该实施例中，第一和第二电感器端子33、34中的每一个可以经由第三组的开关与第一和第二内部节点35、36中的每一个连接。
在图6中仅示意性示出开关装置3的开关。这些开关是可控开关，其可以依赖于控制电路4所提供的控制信号来接通和关断。此外，这些开关被选择为使得它们允许电流可选地在两个方向上在一方面为第一和第二电感器端子33、34与另一方面为这些单元端子中的两个单元端子之间流动，即在第一方向上或者在相反方向上流动。电流在一方面为端子33、34与单元端子之间流动的方向依赖于电感器端子33、34之间的电压。为了阐述的目的，可以假设开关装置将电感器端子与这些单元端子中的两个单元端子相连接。当电感器端子33、34之间的电压高于这两个单元端子之间的电压时，则电流在第一方向上流动。在该连接中，“在第一方向上流动的电流”是从第一端子33流出到开关装置3中的以及从开关装置3流到第二端子34中的电流。当电感器端子33、34之间的电压低于这两个单元端子之间的电压时，则电流在相反第二方向上流动。在该连接中，“在第二方向上流动的电流”是从开关装置3流到第一端子33中以及从第二端子34流出的电流。
控制电路4为这些开关中的每个开关提供控制信号。在图6中，这些控制信号被称作S40-S64。在该实施例中，大写字母“S”后的数字指定要由单独控制信号所控制的开关。控制电路4所提供的多个控制信号形成了控制电路4提供给开关装置3的至少一个控制信号S3。用于单独开关的控制信号可以并行地从控制电路4传送到开关装置3。在该情况下，开关装置3包括用于这些控制信号中的每个控制信号的输入端口。根据又一个实施例，用于单独开关的切换信号被串行地提供给开关装置3。在该情况下，只需要一个控制输入端。在后一种情况下，串并接口（SPI）被布置在控制电路4中以及在开关装置3中，其中控制电路4中的接口将由单独控制信号所代表的并行数据流转变为串行数据流，以及在开关装置3中将从控制电路4接收的串行数据流转变回为并行数据流。控制信号中的每一个可以呈现两个不同信号电平，第一信号电平代表对应开关的接通状态而关断电平代表对应开关的关断状态。将这些信号电平从控制电路4发送到开关装置3。
任一类型的开关均可以用于实现开关装置3的开关。这些类型的开关可以包括半导体开关，诸如MOSFET、IGBT或者晶闸管或这些切换元件的组合。
控制电路4适于依赖于充电状态信号SC来控制开关装置的开关，使得执行上文中参照图2A至图5B阐述的电荷平衡模式之一。为了易于理解图6的开关装置3的操作原理，现在将简短阐述开关装置3的为了获得图2A-5B中所示的单独平衡场景而必须闭合的那些开关。
在图3A中所示的下限平衡模式的第一步骤中，开关装置3的以下开关必须闭合：40-61-62-4n。开关装置3的其他开关必须断开。在图3B中所示的下限平衡模式的第二步骤中闭合的开关是：42-5n-63-64-51-41。
图4A中所示的上限平衡模式的第一步骤中闭合的开关是：40-61-62-5n-52-41。图4B中所示的上限平衡模式的第二步骤中闭合的开关是：4n-63-64-40。
图5A中所示的单元到单元平衡模式中闭合的开关是：40-61-62-5n-52-41。图5B中所示的单元到单元平衡模式中闭合的开关是：42-5n-63-64-51-41。
在图7中示出了能够支持参照图2A至5B示出的三种电荷平衡模式中的每个模式的开关装置3的第二实施例。
该开关装置3包括第一组开关40、41、4n。该第一组的第一开关40将第一内部节点35与该单元端子30相连接，该单元端子30被配置为连接到第一负载端子13，以及第一组的其他开关41、4n将第一内部节点35与被配置为连接到存储装置1的中间抽头的那些单元端子31、32相连接。开关装置3还包括第二组开关81、82、8n。第二组包括第一开关8n，第一开关8n连接在第二内部节点36和该单元端子3n之间，该单元端子3n被配置为连接至第二负载端子14。第二组还包括额外的开关81、82，其中这些额外开关中的每一个连接在第二内部节点36和被配置为连接至中间抽头的单元端子31、32中的一个之间。第三组开关61-64对应于图6中所示的第三组开关。这些开关用于将端子33、34选择性地与第一和第二内部节点35、36中的一个相连接。图7中的装置的第一内部节点35可以连接到单元端子30、31、32中的每一个，该单元端子30、31、32中的每一个连接到电荷存储元件的正端子，而第二内部节点36经由第二组的开关81、82、8n可以连接到被配置为连接到一个电荷存储单元的负端子的那些单元端子中的每一个，其中连接到中间抽头的单元端子31、32既连接到一个存储单元的正端子又连接到另一存储单元的负端子。
类似于图6中所示的开关装置3，图7的开关装置3能够支持上文中所示的三种平衡模式中的每种模式。
图8示出能够支持上文中所阐述的三种电荷平衡模式中的每种模式的电荷平衡电路9的又一个实施例。该电荷平衡电路9与上文中所阐述的电荷平衡电路不同在于代替一个电感存储元件，有两个电感存储元件21、22。这些电感存储元件21、22彼此电感地耦合并具有不同绕组姿势（stance）。这些电感存储元件可操作用于可选地与开关装置的第一和第二端子33、34连接。为此，电感存储元件21、22与开关装置3的电感端子33、34之间的转换开关66串联连接。转换开关66具有两个切换位置：其中转换开关66连接电感端子33、34之间的第一电感存储元件21的第一切换位置I；以及其中转换开关66连接电感端子33、34之间的第二电感存储元件22的第二切换位置II。
开关装置3包括连接在开关装置3的第一和第二内部节点35、36和单元端子30、31、32、3n之间的第一组开关40、41、42、4n和第二组开关51、52、5n。图8的开关装置3的第一和第二组开关对应于图6中的开关装置3的第一和第二组开关。因此，参照图6给出的关于这些第一和第二组开关的阐述适用于图8中的实施例。在该连接中，应当提到，图8中所示的第一和第二组开关可以用图7中所示的第一和第二组开关来替代而不改变一般操作原理。
在图3的开关装置中，第三组开关仅包括连接在第一电感器端子33和第一内部节点35之间的一个开关61。对于上文中参照图3A至图5B阐述的不同电荷平衡场景，现在将阐述图8中所示的电荷平衡电路9的操作原理。
在下限平衡模式（诸如图3A中所示的下限平衡模式）的第一步骤中，从电荷存储装置1中获得能量并将能量存储在电感存储元件之一（例如第一电感存储元件21）中。对于将能量存储在第一电感存储元件21中，第三组的第一开关61被闭合并且第一和第二组开关中的开关被闭合，使得第一电感器端子33与该单元端子30相连接，该单元端子30被配置为与第一负载端子13连接，并且这些开关被闭合，使得第二电感器端子34连接到该单元端子3n，该单元端子3n被配置为连接到第二负载端子14。因此，在下限平衡模式的第一步骤中，转换开关66处于其第一位置I中，并且以下开关被闭合：40-61-4n。在下限平衡模式的第二步骤中，转换开关66被切换到其第二位置II中，第三组的第一开关61被闭合并且开关装置3的其他开关被闭合，使得电感器端子33、34连接到其间布置了要充电的电荷存储元件的那些单元端子或者其间布置了要充电的电荷存储元件组的那些单元端子。为了阐述的目的，可以假设在下限平衡模式的第二步骤中，第二电荷存储元件12要被充电。在该情况下，以下开关必须闭合：42-5n-61-51-41。
在下限平衡模式的第一步骤中，放电电流流自总存储装置1，而在第二步骤中，充电电流流到电荷存储单元之一（诸如第二电荷存储单元12）中。第一步骤中的放电电流和第二步骤中的充电电流流到相反方向。这依靠两个电感存储元件21、22具有不同（相反）绕组感应（sense）的事实。
在上限平衡模式的平衡循环的第一步骤中，转换开关66再次处于其第一位置I中。为了阐述的目的，可以假设在第一步骤中，第一电荷存储单元11要被放电。在该情况下，以下开关被闭合：40-61-5n-52-41。在上限平衡模式的循环的第二步骤中，转换开关66处于其第二位置II中。为了在该第二步骤中给总装置1充电，以下开关被闭合：4n-61-40。
为了阐述的目的，可以假设在单元到单元平衡模式中在第一步骤中第一电荷存储单元11被放电而在第二步骤中第二电荷存储单元12被充电。在第一步骤中，转换开关66处于其第一位置I中，而在第二步骤中转换开关66处于其第二位置II中。在第一步骤中，以下开关被闭合：40-61-5n-52-41。在第二步骤中，为了给第二电荷存储元件12充电，以下开关被闭合：42-5n-61-51-41。
在之前所阐述的示例中，没有明确提到要闭合的所有其他开关断开。
类似于在参照图6和7示出的电路装置中，依赖于单独电荷存储单元11、12、1n的充电状态，开关装置3的开关被控制电路4所控制。此外，转换开关66的切换状态也被控制电路4所控制。图8中的控制信号S66代表转换开关66的控制信号。控制信号S66可以具有两个不同信号值。第一信号值代表第一切换位置I，而第二信号值代表第二切换位置II。
图9示出了图6中所示的电荷平衡电路9的简化实施例。根据图9的电荷平衡电路9与根据图6的电荷平衡电路9不同在于第三开关组仅包括两个开关。第一开关61连接在第一电感器端子33和第一内部节点35之间，以及第二开关65连接在第一电感器端子33和该单元端子3n之间，该单元端子3n被配置为与存储装置1的第二负载端子14相连接。图9中所示的开关装置3的该简化实施例能够支持下限平衡模式和上限平衡模式，但是不能支持单元到单元平衡模式。
参照图3A至4B中示意性示出的平衡场景，现在将阐述根据图9的平衡电路9的操作原理。相比于图6中的平衡电路，图9的平衡电路9具有减小的开关数量，并且不需要任一额外的电感存储元件。然而，对于该电荷平衡电路9，不可能进行单元到单元平衡。等同地，通过用图9中所示的开关61、65来替代第三组的开关61-64，可以将图7中所示的电荷平衡电路9缩减为简化的电荷平衡电路9。通过这而获得的电荷平衡电路9与图9中所示的电荷平衡电路具有相同的功能，即能够支持下限平衡和上限平衡但不支持单元到单元平衡。
能够支持下限平衡或上限平衡的电荷平衡电路9的又一个实施例在图10中示出。该电荷平衡电路9包括变压器10，其中第一绕组101与第一开关71串联连接。具有第一开关71和第一绕组101的串联电路被连接在开关装置的被配置为与电感电荷存储装置1的第一和第二负载端子13、14相连接的那些单元端子30，3n之间。变压器10还包括第二电感存储元件102，该第二电感存储元件102与第一电感存储元件101电感地耦合。第一和第二电感存储元件101、102可以具有相反绕组感应（如所示）。第二电感存储元件102连接在开关装置3的电感器端子33、34之间。开关装置3还包括单元端子30、31、32、3n，该单元端子30、31、32、3n被配置为连接到电荷存储装置1的抽头。因此，上文中参照电荷存储装置的抽头所给出的阐述适用于图10中所示的实施例。开关装置3适于依赖于开关装置3在至少一个控制输入端处接收的至少一个控制信号S3而将电感器端子33、34选择性地与单元端子30、31、32、3n中的两个相连接。控制电路4依赖于单独电荷存储单元11、12、1n的充电状态来生成至少一个控制信号S3。
图10中所示的电荷平衡电路9适于在下限平衡模式中或在上限平衡模式中被操作。在下限平衡模式中，在第一步骤中，串联连接到第一绕组101的第一开关71被闭合。在该步骤期间，能量被存储在第一绕组101中。在第二步骤中，第一开关71断开，而第二绕组102经由电感器端子33、34与单元端子30、31、32、3n中的两个经由开关装置33而连接。在该第二步骤中，能量从第一绕组101传送到第二绕组102，而电荷经由电感器端子33、34和单元端子被反馈至电荷存储单元之一或一组相邻电荷存储单元中。
在上限平衡模式中，在第一步骤中第一开关71被断开。在第一步骤中，第二绕组102经由电感器端子33、34和开关装置3与单元端子30、31、32、3n中的两个（即其间布置了要放电的电荷存储元件的这两个单元端子或其间布置了要放电的相邻电荷存储元件组的这两个单元端子）相连接。在第一步骤中，能量被存储在第二存储元件102中。在第二步骤中，中断电感器端子33、34和单元端子之间的连接，并且第一开关71被闭合，使得存储在第二存储元件102中的能量被传送到第一存储元件101并且使充电电流经由单元端子30、3n流到总电荷存储装置1中。
图11示出了开关装置3的第一实施例。开关装置3包括上文中参照图6阐述的第一组开关40、41、42、4n和第二组开关51、52、5n。第一和第二内部节点35、36直接与第一和第二电感器端子33、34连接。
图12A示出用于实现第一组的第一开关40-4n的第一示例。图12A中所示的切换元件4i代表这些开关40-4n之一，以及端子3i代表开关装置3的对应单元端子30-3n。在所示的示例中，切换元件4i包括两个MOSFET，即两个n-MOSFET，它们的源极端子连接在一起并且它们的栅极端子连接在一起。n-MOSFET之一的漏极端子与单元端子3i相连接。与这两个MOSFET的漏极-源极路径并联连接的二极管代表MOSFET的集成体二极管。然而，这些二极管还可以被实现为额外的部件，尤其是在所使用的MOSFET没有集成体二极管的那些情况下。MOSFET可以由硅或任一其他半导体材料制成，诸如碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）。
参照图12B，代替使用两个MOSFET，TRIAC（三端双向可控硅开关）可以被用作切换元件。
参照图13，第二组的切换元件51-5n可以被实现为MOSFET。图13中所示的切换元件5i代表第二组的这些切换元件之一。
图14示出了根据图10的电荷平衡电路9的又一个实施例。在该电荷平衡电路中，切换装置3包括按照上文中参照图7阐述的方式所连接的第一组开关40-4n和第二组开关81-8n。第一和第二内部节点35、36直接与第一和第二电感器端子33、34连接。第一组的开关40-4n和第二组的开关81-8n可以类似于在12A和12B中示出并在上文中阐述的切换元件来实现。
在图10、11和14中所示的实施例中，变压器10的第一绕组101和第二绕组102具有相反的绕组感应，使得当与相应绕组串联连接的开关被闭合时存储在绕组之一中的能量在该开关被断开之后被传送到另一绕组。
图15示出了电荷平衡电路9的又一个实施例。该实施例是基于图10的实施例，其中不同在于变压器10的第一和第二绕组101、102具有相同的绕组感应，使得每当电流流过绕组之一，或者被存储装置1所驱动或者被一个或一组存储单元所驱动，电流也流过另一绕组。此外，第二绕组102经由具有第二开关73和又一个电感存储元件43的串联电路而连接到开关装置3。第三开关74与包括又一个电感存储元件43和开关装置3的串联电路并联连接。可以如图11或14中所示的那样实现开关装置3。
图15中所示的电荷平衡电路9适于在下限平衡模式中或上限平衡模式中操作。在下限平衡模式中，在第一步骤中，与第一绕组101串联连接的第一开关71和与第二绕组102串联连接的第二开关73被闭合，第三开关74被断开，并且开关装置3被驱动使得又一个电感存储元件43与第二绕组102串联连接，并使得开关装置3绕过（bypass）存储单元11、12、1n。以该方式，电能被存储在又一个电感存储元件43中。
在第二步骤中，第一和第二开关71、73被断开，第三开关74被闭合，以及又一个电感存储元件43经由开关装置3与单元端子30、31、32、3n中的两个相连接。在该第二步骤中，将能量从又一个电感存储元件43传送到电荷存储单元之一或一组相邻电荷存储单元。在该第二步骤中，第三开关74闭合开关装置3和又一个电感存储元件43之间的电流回路。
在上限平衡模式中，第三开关74在第一步骤中闭合，以及又一个电感存储元件43经由开关装置3与存储元件之一或与一组串联连接的存储元件相连接，使得来自该存储单元（或多个存储单元）的能量被存储在又一个电感存储元件43中。在第二步骤中，第三开关74断开，第一和第二开关71、73被闭合并且开关装置3被驱动，使得又一个电感存储元件43与第二绕组102串联连接并绕过存储装置1。然后，存储在电感存储元件43中的能量经由变压器10被传送到存储装置1中。
最后，应当提到，即使在这没有明确提到的那些情况下，上文中结合一个实施例所阐述的特征仍可以与其他实施例的特征相组合。

Claims (19)

1. 一种电荷平衡电路，包括：
开关装置，包括第一端子和第二端子、用于接收至少一个控制信号的至少一个控制输入端、以及多个单元端子，所述多个单元端子中的每一个均被配置为连接到电荷存储装置的抽头，所述电荷存储装置包括串联连接的多个电荷存储单元，
第一电感存储元件，耦合到所述开关装置的所述第一端子和所述第二端子，其中所述开关装置被配置为将所述第一端子选择性地与所述多个单元端子之一连接，并且可操作用于依赖于所述至少一个控制信号而将所述第二端子选择性地与所述多个单元端子之一连接，并被配置为依赖于所述第一端子和所述第二端子之间的电压而实现在第一方向上或在相反方向上在一方面为所述第一端子和所述第二端子与另一方面为所述单元端子之间的电流流动；以及
控制电路，被配置为依赖于所述电荷存储单元中的至少一个的充电状态来提供所述至少一个控制信号。
2. 根据权利要求1所述的电荷平衡电路，还包括：
第二电感存储元件，其中所述第一电感存储元件和所述第二电感存储元件彼此电感地耦合；以及
转换开关，被配置为将所述第一电感存储元件或所述第二电感存储元件选择性地与所述开关装置的所述第一端子和所述第二端子连接。
3. 根据权利要求2所述的电荷平衡电路，其中所述第一电感存储元件和所述第二电感存储元件包括具有相反绕组感应的线圈。
4. 根据权利要求1所述的电荷平衡电路，其中所述开关装置包括：
第一组n+1个开关，其中n>1，每个开关均具有第一负载端子和第二负载端子，所述第一负载端子与一个抽头耦合；
第二组n个开关，所述第二开关中的每一个均被连接在所述第一组的两个开关的所述第二负载端子之间；
第一内部节点，由所述第一组的开关中的一个的所述第二负载端子形成；
第二内部节点，由所述第一组的开关中的另一个的所述第二负载端子形成；
其中所述第一内部节点和所述第二内部节点可操作用于与所述开关装置的所述第一端子和所述第二端子中的至少一个连接。
5. 根据权利要求4所述的电荷平衡电路，
其中所述第一内部节点与所述开关装置的所述第一端子连接，以及
其中所述第二内部节点与所述开关装置的所述第二端子连接。
6. 根据权利要求4所述的电荷平衡电路，其中所述第一组开关和所述第二组开关中的开关包括双向开关。
7. 根据权利要求4所述的电荷平衡电路，其中所述开关装置还包括：
第三组开关，具有可操作用于将所述第一内部节点与所述开关装置的所述第一端子连接的至少一个第一开关。
8. 根据权利要求7所述的电荷平衡电路，其中所述第三组开关还包括：
第二开关，可操作用于将所述第二内部节点与所述开关装置的所述第二端子连接，
第三开关，可操作用于将所述第二内部节点与所述开关装置的所述第一端子连接，以及
第四开关，可操作用于将所述第一内部节点与所述开关装置的所述第二端子连接。
9. 根据权利要求7所述的电荷平衡电路，其中所述第三组开关还包括：
又一个开关，可操作用于将所述开关装置的所述第一端子与所述单元端子之一连接。
10. 根据权利要求1所述的电荷平衡电路，其中所述开关装置包括：
第一组n个开关，其中n>1，每个开关均具有第一负载端子和第二负载端子，每个开关均具有与一个抽头耦合的所述第一负载端子以及耦合到第一内部节点的所述第二负载端子；
第二组n个开关，其中n>1，每个开关均具有第一负载端子和第二负载端子，每个开关均具有与一个抽头耦合的所述第一负载端子以及耦合到第二内部节点的所述第二负载端子；
其中所述第一内部节点和所述第二内部节点可操作用于与所述开关装置的所述第一端子和所述第二端子中的至少一个耦合。
11. 根据权利要求10所述的电荷平衡电路，
其中所述第一内部节点与所述开关装置的所述第一端子耦合，以及
其中所述第二内部节点与所述开关装置的所述第二端子耦合。
12. 根据权利要求10所述的电荷平衡电路，其中所述第一组开关和所述第二组开关中的开关包括双向开关。
13. 根据权利要求10所述的电荷平衡电路，其中所述开关装置还包括第三组开关，所述第三组开关具有可操作用于将所述第一内部节点与所述开关装置的所述第一端子连接的至少一个第一开关。
14. 根据权利要求13所述的电荷平衡电路，其中所述第三组开关还包括：
第二开关，可操作用于将所述第二内部节点与所述开关装置的所述第二端子连接，
第三开关，可操作用于将所述第二内部节点与所述开关装置的所述第一端子连接，以及
第四开关，可操作用于将所述第一内部节点与所述开关装置的所述第二端子连接。
15. 根据权利要求13所述的电荷平衡电路，其中所述第三组开关还包括又一个开关，所述又一个开关可操作用于将所述开关装置的所述第一端子与所述单元端子之一连接。
16. 一种能量存储装置，包括：
电荷存储装置，包括串联连接的多个电荷存储单元、以及多个抽头；
开关装置，包括第一端子和第二端子、用于接收至少一个控制信号的至少一个控制输入端、以及多个单元端子，每个单元端子均连接到所述电荷存储装置的抽头中的相应一个抽头，
第一电感存储元件，耦合到所述开关装置的所述第一端子和所述第二端子，其中所述开关装置被配置为将所述第一端子选择性地与所述多个单元端子之一连接，并且可操作用于依赖于所述至少一个控制信号而将所述第二端子选择性地与所述多个单元端子之一连接，并被配置为实现在两个方向上在一方面为所述第一端子和所述第二端子与另一方面为单元端子之间的电流流动；
控制电路，被配置为依赖于所述电荷存储单元中的至少一个的充电状态来提供所述至少一个控制信号。
17. 根据权利要求16所述的能量存储装置，还包括：
第二电感存储元件，其中所述第一电感存储元件和所述第二电感存储元件彼此电感地耦合；以及
转换开关，被配置为将所述第一电感存储元件或所述第二电感存储元件选择地与所述开关装置的所述第一端子和所述第二端子连接。
18. 根据权利要求16所述的能量存储装置，其中所述开关装置包括：
第一组n+1个开关，其中n>1，每个开关均具有第一负载端子和第二负载端子，所述第一负载端子与一个抽头耦合；
第二组n个开关，所述第二开关中的每个开关均连接在所述第一组的两个开关的所述第二负载端子之间；
第一内部节点，由所述第一组的开关中的一个的所述第二负载端子形成；
第二内部节点，由所述第一组的开关中的另一个的所述第二负载端子形成；
其中所述第一内部节点和所述第二内部节点可操作用于与所述开关装置的所述第一端子和所述第二端子中的至少一个连接。
19. 根据权利要求16所述的能量存储装置，其中所述开关装置包括：
第一组n个开关，其中n>1，每个开关均具有第一负载端子和第二负载端子，每个开关均具有与一个抽头耦合的所述第一负载端子以及耦合到第一内部节点的所述第二负载端子；
第二组n个开关，其中n>1，每个开关均具有第一负载端子和第二负载端子，每个开关均具有与一个抽头耦合的所述第一负载端子以及耦合到第二内部节点的所述第二负载端子；
其中所述第一内部节点和所述第二内部节点可操作用于与所述开关装置的所述第一端子和所述第二端子中的至少一个耦合。
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