CN102738853B - 辅助电池充电装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种辅助电池充电装置。当对辅助电池充电时，第二开关接通和断开，第三开关断开，并且第四开关接通。当第一可再充电电池单元和第二可再充电电池单元的输出电压均衡时，第一开关和第二开关分别接通和断开，第三开关接通，并且第四开关断开。

Description

辅助电池充电装置
技术领域
本发明涉及一种用于对安装在车辆中的辅助电池以及主电池充电的辅助电池充电装置。
背景技术
图1示出了现有的辅助电池充电装置。
图1中的辅助电池充电装置40安装在诸如混合动力车辆、电动车辆等车辆中，并且包括主电池41和DC/DC变换器42，其中，该DC/DC变换器42用于降低主电池41的输出电压并且对辅助电池43充电。
主电池41需要输出相对高的电压，以向电动机/发电机44提供电力。因此，在主电池41具有较高电压的情况下，配置DC/DC变换器42的部件，例如电感器、电容器等变得更大。因此，对辅助电池充电装置40变得更大的关注上升。
主电池41被配置成串联连接多个可再充电电池单元，使得可以增大输出电压；但是，为了尽可能地降低整体劣化，需要消除可再充电电池单元的输出电压之间的变化。
因此，为了尽可能地消除可再充电电池单元的输出电压之间的变化，图1中的现有辅助电池充电装置40包括：使可再充电电池单元的输出电压均衡的电池单元监测电池单元平衡电路(cell-monitoring cell balancecircuit)45；以及控制电池单元监测电池单元平衡电路45的操作的ECU(电控单元)46。
例如，作为使可再充电电池单元的输出电压均衡的技术(下文中被称为“电池单元平衡”)，存在一种所谓的有源系统电池单元平衡，其中，通过经由变压器对可再充电电池单元放电或充电来使可再充电电池单元的输出电压均衡(例如参见日本专利公开特许公报第2001-339865号)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种辅助电池充电装置，其中，该辅助电池充电装置能够抑制装置的尺寸的增加，同时能够减少配置主电池的多个可再充电电池单元中的每个的输出电压之间的变化。
根据本发明的辅助电池充电装置包括：主电池，其设置有彼此串联连接的第一可再充电电池单元和第二可再充电电池单元；第一变压器，其设置有第一线圈和连接到第一可再充电电池单元的第二线圈；第二变压器，其设置有连接到辅助电池的第三线圈和连接到第二可再充电电池单元的第四线圈；第一开关，其设置在第一可再充电电池单元与第二线圈之间；第二开关，其设置在第二可再充电电池单元与第四线圈之间；第三开关，其设置在第一线圈与第三线圈之间；第四开关，其设置在第三开关和第三线圈的连接点与辅助电池之间；电压源，其用于向第一线圈施加电压；以及控制电路，其用于：当对辅助电池充电时，断开第三开关，接通第四开关，并且接通和断开第二开关，从而将第三线圈电连接到辅助电池，将第一线圈置于断开状态，并且将第三线圈与第四线圈电磁耦合；以及当第一可再充电电池单元和第二可再充电电池单元的各个输出电压均衡时，接通第三开关，断开第四开关，并且分别接通和断开第一开关和第二开关，从而将第一线圈与第三线圈电连接，将辅助电池置于断开状态，并且将第一线圈至第四线圈电磁耦合。
因此，可以抑制主电池中的各个可再充电电池单元的输出电压之间的变化。此外，由于可以使用主电池中的可再充电电池单元的一部分中的可再充电电池单元对辅助电池充电，因此，不需要设置用于通过降低主电池的输出电压对辅助电池充电的DC/DC变换器，从而抑制装置的尺寸的增加。
此外，当不使用主电池时，控制电路可以接通和断开第二开关，断开第三开关，接通第四开关，并且对辅助电池充电，然后分别接通和断开第一开关和第二开关，接通第三开关，并且断开第四开关，从而使第一可再充电电池单元和第二可再充电电池单元的输出电压均衡。
此外，当对第二可再充电电池单元充电时，控制电路可以接通和断开第四开关，接通第二开关，断开第三开关，并且将第三线圈与第四线圈电磁耦合，从而将第三线圈电连接到辅助电池。
附图说明
图1示出了现有的辅助电池充电装置；
图2示出了根据本发明实施例的辅助电池充电装置；
图3是根据本发明实施例的电池单元监测电池单元平衡/充电电路的示例；以及
图4是接通和断开各个开关的时序图的示例的示意图。
具体实施方式
图2示出了根据本发明实施例的辅助电池充电装置。与图1中示出的现有辅助电池充电装置40的配置相同的配置被指定相同的附图标记。
图2中示出的辅助电池充电装置1包括主电池41、电池单元监测电池单元平衡/充电电路2以及用于控制电池单元监测电池单元平衡/充电电路2的操作的ECU(电子控制单元)3(控制单元)，其中，电池单元监测电池单元平衡/充电电路2用于：使配置主电池41的多个串联连接的可再充电电池单元中的每个的输出电压均衡，并且使用主电池41中的可再充电电池单元中的一部分来对辅助电池43(例如，铅蓄电池等)充电。假设根据本实施例的辅助电池充电装置1安装在诸如混合动力车辆、电动车辆、叉式起重车等车辆中。还假设在对辅助电池43充电时使用的可再充电电池单元中的一部分的全部输出电压被设定为与充满电的辅助电池43的电压一样高的电压(例如，12V)。此外，假设辅助电池43将电力提供给电气设备，例如用于控制电动机/发电机44的控制电路、汽车导航等。
因此，由于根据本实施方式的辅助电池充电装置1包括电池单元监测电池单元平衡/充电电路2，可以抑制主电池41中的可再充电电池单元的输出电压之间的变化。
此外，由于根据本实施例的辅助电池充电装置1被配置成使用主电池41中的可再充电电池单元中的一部分来对辅助电池43充电，因此不需要包括如图1所示的现有辅助电池充电装置40中的DC/DC变换器42，从而抑制了装置的尺寸的增加。
图3是电池单元监测电池单元平衡/充电电路2的示例。假设主电池41通过串联连接n个模块5(模块5-1(第一可再充电电池单元)、模块5-2(第一可再充电电池单元)、…、模块5-n-1(第一可再充电电池单元)以及模块5-n(第二可再充电电池单元))来配置，其中，n个模块5中的每个模块通过串联连接的三个电池单元4(例如，可再充电电池单元，例如锂离子可再充电电池单元、镍金属混合(nickel-metal hybrid)可再充电电池单元等)来配置。配置一个模块5的电池单元4的数目不限于三个。
图3中示出的电池单元监测电池单元平衡/充电电路2包括变压器6(第一变压器)、变压器7(第二变压器)、n个开关8(开关8-1(第一开关)、开关8-2(第一开关)、…、开关8-n-1(第一开关)以及开关8-n(第二开关))、开关9(第三开关)、开关10、开关11(第四开关)以及电压源12。
变压器6包括第一线圈13(第一线圈)以及多个第二线圈14(第二线圈14-1、第二线圈14-2、…、以及第二线圈14-n-1)(第二线圈)，其中，多个第二线圈14并联连接到模块5-1至模块5-n中除模块5-n以外的模块5-1至模块5-n-1。
变压器7包括连接到辅助电池43的第一线圈15(第三线圈)和连接到模块5-n的第二线圈16(第四线圈)。
开关8-1设置在模块5-1与第二线圈14-1之间，开关8-2设置在模块5-2与第二线圈14-2之间，…，开关8-n-1设置在模块5-n-1与第二线圈14-n-1之间，以及开关8-n设置在模块5-n与第二线圈16之间。
开关9设置在变压器6的第一线圈13与变压器7的第一线圈15之间。
开关10设置在第一线圈15与接地(例如，连接到车辆的车身的虚拟接地)之间。
开关11设置在开关9和第一线圈15的连接点与辅助电池43之间。
假设第一线圈13的匝数与第二线圈14-1至14-n-1的总匝数之比是1∶1，第二线圈14-1至14-n-1的总匝数与第二线圈16的匝数之比是1∶1，以及第一线圈15的匝数与第二线圈16的匝数之比是1∶1。
例如，如图3所示，可以通过连接到第一线圈13的电压输出跟随电路(voltage follower circuit)来配置电压源12，其中，主电池41的输出输入到运算放大器17的正输入端子，而运算放大器17的输出通过电阻器18输入到运算放大器17的负输入端子。因此，通过配置电压源12，可将基本上等于主电池41的输出电压(例如，200V)的电压施加到第一线圈13。
开关9至11例如用开关元件，例如如继电器、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)等来配置。开关9根据从ECU 3输出的控制信号SS1而接通和断开，开关10根据从ECU 3输出的控制信号SS2而接通和断开，并且开关11根据从ECU 3输出的控制信号SS3而接通和断开。当开关9从断开状态接通时，第一线圈13电连接到第一线圈15。当开关10从断开状态接通时，第一线圈15电连接到接地。当开关11从断开状态接通时，开关9和第一线圈15的连接点电连接到辅助电池43。因此，当开关9至11中的每个开关断开时，第一线圈13、15和辅助电池43中的每个被置于断开状态。当开关9断开并且开关10和11中的每个开关接通时，第一线圈13被置于断开状态，并且第一线圈15和辅助电池43电连接。此外，当开关9和10中的每个开关接通并且开关11断开时，第一线圈13和第一线圈15电连接，第一线圈15和接地电连接，并且辅助电池43被置于断开状态。
开关8-1至8-n中的每个开关例如用开关元件，例如MOSFET等来配置，并且根据从ECU 3输出的控制信号S1至Sn而接通和断开。假设控制信号S1至Sn中的每个控制信号的占空比例如是50％。
当模块5-1至5-n中的每个模块的输出电压均衡时(达到电池单元平衡)，开关9和10中的每个开关接通，开关11断开，并且开关8-1至8-n中的每个开关接通和断开。于是，第一线圈13和第一线圈15电连接，辅助电池43被置于断开状态，交流电流穿过第二线圈14-1至14-n-1和第二线圈16，并且第一线圈13、第二线圈14-1至14-n-1、第一线圈15和第二线圈16电连接。在这种情况下，例如，当第二线圈16的电压高于模块5-n的输出电压时，电流从第二线圈16流向模块5-n，并且模块5-n被充电。此外，例如，当第二线圈14-1的电压低于模块5-1的输出电压时，电流从模块5-1流向第二线圈14-1，并且模块5-1被放电。于是，如果通过分别对模块5-1至5-n中的每个模块充电和放电来分别将模块5-1至5-n的输出电压设置为模块5-1至5-n的输出电压的平均电压，即如果模块5-1至5-n中的每个模块的输出电压为基本上相同的电压，则开关8-1至8-n中的每个开关断开，从而终止电池单元平衡。因此，可以使模块5-1至5-n中的每个模块的输出电压均衡。
在电池单元平衡期间，在ECU 3中，可以监测模块5-1至5-n中的每个模块的输出电压，并且可以接通和断开开关8-1至8-n中的每个开关，直到模块5-1至5-n的输出电压可以低于上限阀值Vth1(比模块5-1至5-n的输出电压的平均值高指定值的值)并且高于下限阀值Vth2(比模块5-1至5-n的输出电压的平均值低指定值的值)。
图4是接通和断开开关8-1至8-n和开关9至11中的每个开关的时序图的示例的示意图。当从上部ECU等输出的用于控制整个车辆的点火信号IG指示高电平时，即在车辆被驱动时电动机/发电机44使用主电池41等状态下，假设控制信号SS1至SS3指示低电平，并且开关9至11断开。
首先，如果点火信号IG从高电平变化到低电平，即主电池41变化到其未被使用的状态，例如，车辆的停车状态等，则ECU 3将控制信号SS1设定为低电平，并且将控制信号SS2和SS3设定为高电平。于是，开关9断开，开关10和开关11接通，第一线圈15和辅助电池43电连接，并且第一线圈13进入断开状态。此外，ECU 3根据控制信号S1至Sn-1断开开关8-1至8-n-1，并且根据控制信号Sn接通和断开开关8-n。于是，交流电流穿过第二线圈16，并且变压器7的第一线圈15和第二线圈16彼此电磁耦合。在这种情况下，如果第一线圈15的电压高于辅助电池43的电压，则电流从第一线圈15流向辅助电池43，从而对辅助电池43充电。在这种情况下，可以基于第一线圈15和第二线圈16中的每个线圈的电感以及辅助电池43的每单位时间的充电量来设定控制信号Sn的频率。
然后，当辅助电池43的监测电压达到表示充满电的电压时，ECU 3将控制信号SS1和SS2设定于高电平，并且将控制信号SS3设定于低电平。于是，开关9和10接通，开关11断开，第一线圈13和第一线圈15连接，并且辅助电池43被置于断开状态。ECU 3根据控制信号S1至Sn接通和断开开关8-1至8-n，并且使模块5-1至5-n的输出电压均衡。因此，在对辅助电池43充电之后，可以抑制模块5-1至5-n的输出电压之间的变化。
因此，在根据本实施例的辅助电池充电装置1中，可以控制针对电池单元监测电池单元平衡/充电电路2而设置的开关8-n和开关9至11的接通和断开状态，从而使用模块5-n对辅助电池43充电，其中，模块5-n是主电池41中的模块5-1至5-n的一部分。
根据以上实施例，在对辅助电池43充电之后，使模块5-1至5-n的输出电压均衡。但是，可以在使模块5-1至5-n的输出电压均衡之后对辅助电池43充电。在这种配置的情况下，可以用模块5-n的稳定的输出电压对辅助电池43充电。
此外，根据本实施例，开关9断开，开关10和11接通，并且开关8-n接通和断开，从而对辅助电池43充电。但是，开关9可以断开，开关8-n和开关11可以接通，并且开关10接通和断开，从而通过将电力从辅助电池43经过变压器7供应到模块5-n来对模块5-n充电。在这种情况下，可以通过执行电池单元平衡将充电给模块5-n的电力分配给其它模块5。此外，开关9可以断开，开关8-n和开关10可以接通，并且开关11可以接通和断开，从而对模块5-n充电。
在以上实施例中，开关8设置在模块5的负端子与第二线圈14、16之间，但是也可以设置在模块5的正端子与第二线圈14、16之间。
根据本发明，采用用于对辅助电池以及主电池充电的辅助电池充电装置，可以在减少装置的尺寸的增加的情况下，抑制主电池中的每个可再充电电池单元的输出电压之间的变化。

Claims (4)

1.一种辅助电池充电装置，包括：
主电池，其设置有彼此串联连接的第一可再充电电池单元和第二可再充电电池单元；
第一变压器，其设置有第一线圈和连接到所述第一可再充电电池单元的第二线圈；
第二变压器，其设置有连接到辅助电池的第三线圈和连接到所述第二可再充电电池单元的第四线圈；
第一开关，其设置在所述第一可再充电电池单元与所述第二线圈之间；
第二开关，其设置在所述第二可再充电电池单元与所述第四线圈之间；
第三开关，其设置在所述第一线圈与所述第三线圈之间；
第四开关，其设置在所述第三开关和所述第三线圈的连接点与所述辅助电池之间；
电压源，其用于向所述第一线圈施加电压；以及
控制电路，其用于：当对所述辅助电池充电时，断开所述第三开关，接通所述第四开关，并且接通和断开所述第二开关，从而将所述第三线圈电连接到所述辅助电池，将所述第一线圈置于断开状态，并且将所述第三线圈与所述第四线圈电磁耦合，以及当所述第一可再充电电池单元和所述第二可再充电电池单元的各个输出电压均衡时，接通所述第三开关，断开所述第四开关，并且分别接通和断开所述第一开关和所述第二开关，从而将所述第一线圈与所述第三线圈电连接，将所述辅助电池置于所述断开状态，并且将所述第一线圈至所述第四线圈电磁耦合。
2.根据权利要求1所述的辅助电池充电装置，其中，
当不使用所述主电池时，所述控制电路接通和断开所述第二开关，断开所述第三开关，接通所述第四开关，并且对所述辅助电池充电，然后分别接通和断开所述第一开关和所述第二开关，接通所述第三开关，并且断开所述第四开关，从而使所述第一可再充电电池单元和所述第二可再充电电池单元的所述输出电压均衡。
3.根据权利要求1所述的辅助电池充电装置，其中，
当对所述第二可再充电电池单元充电时，所述控制电路接通和断开所述第四开关，接通所述第二开关，断开所述第三开关，并且将所述第三线圈与所述第四线圈电磁耦合，从而将所述第三线圈电连接到所述辅助电池。
4.根据权利要求2所述的辅助电池充电装置，其中，
当对所述第二可再充电电池单元充电时，所述控制电路接通和断开所述第四开关，接通所述第二开关，断开所述第三开关，并且将所述第三线圈与所述第四线圈电磁耦合，从而将所述第三线圈电连接到所述辅助电池。
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