CN102792548A - 电池组的充电均衡系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池组的均衡系统，包含至少两个串联的蓄电池级（Eti），每一蓄电池级（Eti）包含至少一个蓄电池（Aij）。依照本发明，本系统包含：至少一个电压产生器（7），包含至少一个正极（v2）和至少一个负极（v1）；至少一个电压产生器(7)为每一蓄电池级(Eti)的相关充电装置(5)供电，充电装置(5)包含至少一个电感器、至少一个电容器、至少一个二极管以及至少一个开关，至少一个电容器的第一端连接至少一个电压产生器(7)的正极(v2)，阳极连接蓄电池级的负极，至少一个二极管的阴极连接至少一个电感器的第一端，至少一个开关的一端连接至少一个电感器的一端；以及控制装置(3)，用以控制至少一个电压产生器(7)以及闭合待充电的蓄电池级相关的充电装置（5）的至少一个开关，这样至少一个电感器存储能量，以及将能量传送到相关的蓄电池级。

Description

电池组的充电均衡系统

技术领域

本发明涉及一种用于电化学蓄电池（electrochemical accumulators）组的充电均衡系统，尤其可用于电气领域与混合运输以及板载（onboard）系统。因为能够以小体积存储大量能量，本发明尤其涉及适合这种应用的锂离子（lithium-ion；Li-ion）类型的电池组。本发明同样可应用于超级电容器（supercapacitors）。

背景技术

电化学蓄电池的标称电压的量级为几伏特，对于基于磷酸铁（ironphosphate）的锂离子电池更精确为3.3伏特，对于基于氧化钴（cobalt oxide）的锂离子技术更精确为4.2伏特。如果此电压相对于待供应电力的系统的要求过低时，则多个蓄电池串联。同样可为每一串联的蓄电池并联一或多个蓄电池，从而增加可用容量以及提供更高的电流和更高的电力。本文中，并联的蓄电池所形成的于是称为一级。一级由最少一个蓄电池组成。这些级串联以达到所需的电压电平。蓄电池的联合被称为蓄电池组。

蓄电池的充电和放电分别反映在其两端电压的增加或降低。当蓄电池达到电化学过程所定义的电压电平时，则考虑充电或放电。在利用多个蓄电池级的电路中，各级中的电流相同。因此，各级的充电或放电的水平取决于蓄电池的本征特性，即电解质（electrolyte）或者电极和电解质间的接触的本征电容以及串联和并联寄生内阻（internal resistance）。由于制造差异和老化的缘故，则级与级之间于是可能出现电压差。

对于锂离子技术的蓄电池，被称为阈值电压的过高或过低的电压可能损害或破坏蓄电池。例如，对基于氧化钴的锂离子蓄电池过度充电可能导致热失控（thermal runaway）以及开始着火。对于基于磷酸铁的锂离子蓄电池，过度充电反映在电解质的分解，会减少其使用寿命或者可损害蓄电池。如果负电极的集流器（current collector）由铜制成，例如导致电压低于2伏特的过度放电，则主要导致其氧化，由此损害蓄电池。因此，出于安全与可靠性的原因，在充电和放电期间必须对每一蓄电池级两端的电压进行监控。与每一级并联的所谓监控装置能够提供此功能。

监控装置具有跟踪每一蓄电池级的充电和放电状态的功能，以及如果某一级达到其阈值电压，则将此信息传送至控制电路，从而停止对电池组充电或者放电。然而，在电池组具有串联放置的多个蓄电池级的情况下，如果当充电最高的级达到其阈值电压时则停止充电，其他级可能没有充分充电。反之，如果当放电最多的级达到其阈值电压时则停止放电，其他级可能未完全放电。因此每一蓄电池级中的电荷没有最佳使用，在具有严重自主限制的传输和板载型应用中表现出主要问题。为了减轻这个问题，监控装置通常与均衡装置关联。

均衡装置的功能是，通过将依序串联的蓄电池组实现同样的充电和/或放电状态，从而优化电池组的充电及自主性。均衡装置的分类有两种，所谓的能量耗散均衡装置以及所谓的能量转移均衡装置。

对于能量耗散均衡装置，当已经达到阈值电压，通过将一或多级的充电电流分路以及在电阻器中耗散能量，各级终端的电压呈现一致。或者，将已经达到阈值电压的一或多级放电，各级两端的电压呈现一致。然而，这种能量耗散均衡装置的主要缺点在于消耗比电池组充电所需更多的能量。这种电路必须对多个蓄电池放电或者将多个蓄电池的充电电流转移，这样使得最后具有略微低电荷的一个或多个蓄电池完成充电。因此，能量耗散可远远大于待完成的一处或多处充电。此外，多余的能量作为热量耗散，这点与传输和板载式应用中的集成限制不兼容，并且如果温度升高，则蓄电池的使用寿命迅速下降。

能量转移均衡装置在蓄电池组或辅助电力网络与蓄电池级之间交换能量。

例如，从美国专利US5659237中可知，使用耦合电感作为存储元件，能够实现从辅助网络向各级转移能量的装置借助具有多个输出的“回扫（flyback）”结构。存储元件因为专用于这种应用，为专业部件。这种部件的成本对于待实施的功能来说过高。

从中国专利CN1905259中可知，能够实现从各级向电池组转移能量的装置本身针对每一蓄电池使用一个电感作为存储元件。然而，这种装置不能选择用于传输与板载式应用中电池组的均衡的能量转移优化。电池组充电的结束真正由最后一级达到阈值电压来判断。为了终止电池组的充电，能量从一或多级取出并且返回这些级的集合。如果一或多个蓄电池级略微充电不足，那么能量不会优先被转移到需要能量的后面的级中，而是还被转移到取出能量的各级中。由此，充电结束时，均衡有必要从全部级中取出能量，从而避免将这些级充电到过高的电压。因为大量转换器运行，所以损耗高，均衡受到影响。此外，已经结束充电的蓄电池其中通过了没有用处的直流电或交流电。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种改善的均衡装置，没有现有技术的这些缺点。

为此，本发明提供一种电池组的均衡系统，电池组包含串联的至少两个蓄电池级，每一蓄电池级包含至少一个蓄电池，其特征在于，该均衡系统包含：

至少一个电压产生器，包含至少一个正极和至少一个负极，

对于每一蓄电池级，借助至少一个电压产生器供应的相关充电装置包含：

至少一个电感器，

至少一个电容器，其第一端连接至少一个电压产生器的正极，

至少一个二极管，其阳极连接蓄电池级的负极，其阴极连接至少一个电感器的第一端，以及

至少一个开关，其一端连接至少一个电感器的一端，以及

控制装置，用以控制至少一个电压产生器以及闭合待充电的蓄电池级相关的充电装置的至少一个开关，这样至少一个电感器存储能量，以及将能量传送到相关的蓄电池级。

均衡系统进一步单独地或组合地包含一或多个以下特征：

至少一个电容器的第二端连接电感器的第一端，该至少一个二极管的阴极连接电容器的第二端，以及至少一个开关的第一端连接电感器的第二端，其第二端连接相关蓄电池级的正极；

充电装置包含至少一个第一电容器，其第一端连接电压产生器的正极，其第二端连接电感器的第一端，至少一个第二电容器，其第一端连接电压产生器的负极，其第二端连接相关蓄电池级的负极至少一个二极管的阳极和阴极分别连接第二电容器的第二端和第一电容器的第二端，至少一个开关的第一端连接电感器的第二端，其第二端连接相关蓄电池级的正极；

充电装置包含至少一个第一电容器，其第一端连接电压产生器的正极，至少一个第二电容器，其第一端连接电压产生器的负极，其第二端连接电感器的第二端和相关蓄电池级的正极，以及至少一个开关的第一端连接该第一电容器的第二端，其第二端连接该电感器的第一端；

充电装置包含至少一个第一电感器和一个第二电感器，至少一个第一电容器，其第一端连接一电压产生器的正极，其第二端连接该第一电感器的第一端，至少一个第二电容器，其第一端连接电压产生器的负极，其第二端连接第二电感器的第一端，至少一个第一二极管，其阳极和阴极分别连接相关蓄电池级的负极和第一电感器的第一端，至少一个第二二极管，其阳极和阴极分别连接相关蓄电池级的负极和第二电感器的第一端，以及至少一个开关的第一端连接该这些电感器的第二端，其第二端连接相关蓄电池级的正极；

当一个电压事先被应用至回馈充电装置的电压产生器的极时，控制装置被配置为控制待充电的蓄电池级相关的一个充电装置的至少一个开关的闭合率；

在充电阶段期间，充电装置被配置为独立运行于相关蓄电池级和电池组的电压电平的断续导通模式；

均衡系统包含单个电压产生器，用于供给全部的该充电装置；

电池组均衡系统针对每一充电装置包含一个电压产生器；

电池组均衡系统包含至少两个电压产生器装置，与充电装置的各自预定个数有关；

至少一个电压产生器装置包含控制装置所控制的至少一个开关；

至少一个电压产生器包含一个去耦电容器；

至少一个电压产生器包含两个控制开关和两个电感器；

至少一个电压产生器包含一个开关和一个变压器；

至少一个电压产生器包含一个桥，此桥包含四个开关和一个变压器；

至少一个电压产生器包含两个开关、一个变压器和两个电容器；

至少一个电压产生器包含两个开关和一个变压器，变压器的初级具有中间抽头；

控制装置被配置为分别用一个导通周期和一个打开时间分别闭合和打开至少一个电压产生器装置的至少一个控制开关，在充电阶段期间导通周期和打开时间恒定；

计算导通周期，这样充电装置运行于断续导通模式；

至少一个电压产生器连接电池组的终端；

电池组包含至少一个基本模块，每一基本模块包含多个串联的蓄电池级，均衡系统进一步包含位于每一基本模块两端的一个附加充电装置；

电池组包含多个串联放置的基本模块，均衡系统包含位于预定个数的基本模块终端的一个附加充电装置；

至少一个电压产生器连接该至少一个基本模块的终端；

电池组均衡系统包含一个装置，用于测量每一蓄电池级的电压，被配置为传送电压信息到控制装置；

蓄电池为锂离子类型；

电池组包含超级电容器。

本发明还提供一种充电装置，用于以上定义的充电均衡系统。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为包含串联的蓄电池级的电池组以及包含每一蓄电池级的充电装置和电压产生器的电池组均衡系统的方框图；

图2为图1的均衡系统的变体的方框图，针对每一充电装置包含一个电压产生器；

图3为图1的均衡系统的另一变体的方框图，针对每一基本模块包含一个电压产生器，基本模块包含预订数目串联的蓄电池级；

图4为图3的均衡系统的另一变体的方框图，针对每一基本模块包含一个附加充电装置；

图5为均衡系统的充电装置的第一实施例的方框图；

图6为连续导通模式中图5的充电装置关联的电压产生器的一个代表性实施例的方框图；

图7为断续导通模式中图5的充电装置关联的电压产生器的一个代表性实施例的方框图；

图8a为包含图5的充电装置和图6的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了导通周期期间的电流流动；

图8b为包含图5的充电装置和图6的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了导通周期结束以及直到充电装置的二极管截止时的电流流动；

图8c为包含图5的充电装置和图6的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了一旦充电装置的二极管被截止的电流流动；

图9为图5的充电装置以及并联的蓄电池级中的各种电流随时间变化的示意图；

图10表示图5的充电装置以及关联蓄电池级中的各种电流针对第一仿真的变化曲线图；

图11表示图5的充电装置以及关联蓄电池级中的各种电流针对第二仿真的变化曲线图；

图12表示均衡系统的充电装置的第二实施例的方框图；

图13为图12的充电装置关联的电压产生器的第一代表性实施例的方框图；

图14为图13的电压产生器的变体实施例的方框图；

图15A为包含图12的充电装置和图13的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了导通周期期间的电流流动；

图15B为包含图12的充电装置和图13的电压产生器的电路的方框图，其中指出了导通周期结束直到运行周期时的电流流动；

图16为图12的充电装置以及并联的蓄电池级中的各种电流随时间变化的示意图；

图17表示图12的充电装置以及关联蓄电池级中的各种电流的变化曲线图；

图18为均衡系统的充电装置的第三实施例的方框图；

图19A为包含图18的充电装置和图13的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了导通周期期间的电流流动；

图19B为包含图18的充电装置和图13的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了导通周期结束直到运行周期的电流流动；

图20表示图18的充电装置以及关联蓄电池级中的各种电流的变化曲线图；

图21为均衡系统的充电装置的第四实施例的方框图；

图22A为图21的充电装置的第一变体实施例的方框图；

图22B为图21的充电装置的第二变体实施例的方框图；

图23为图21、22A以及22B的充电装置关联的电压产生器的一个实施例的方框图；

图23'为图23的电压产生器的变体实施例的方框图；

图24A为图23的电压产生器的变体实施例的方框图；

图24B为图23的电压产生器的另一变体实施例的方框图；

图25A为包含图21的充电装置和图24A的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了导通周期期间的电流流动；

图25B为包含图21的充电装置和图24A的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了导通周期结束直到半个运行周期的电流流动；

图26为图21的充电装置中各种电流随时间变化的示意图；

图27表示图21的充电装置以及关联蓄电池级中的各种电流针对第一仿真的变化曲线图；

图28表示图21的充电装置以及关联蓄电池级中的各种电流针对第二仿真的变化曲线图。

具体实施方式

这些附图中，实质上相同的标号表示相同的元件。

图1表示蓄电池电池组1。这个电池组1由串联的N个级Et_i组成。每一级Et_i由一个蓄电池或者多个蓄电池A_ij并联组成。这里下标i表示级数，并且图1中所示例子中的这个下标i从1到N变化。下标j表示给定级中每一蓄电池的编号，这个例子中表示此下标j从1到M变化。相同级Et_i的蓄电池A_ij的终端借助电连接共同连接，正如每一级Et_i也借助电连接与邻接级Et_i连接一样。

本发明的主题为充电均衡系统2，用于这种包含至少两个串联的级Et_i的蓄电池电池组1。

均衡系统2进一步包含控制装置3、针对每一蓄电池级Et_i的多个相同的充电装置5以及图1所示的至少一个电压产生器7。控制装置3控制充电装置5和电压产生器7。

均衡系统2进一步包含电压测量装置（图中未表示），用于测量每一级Et_i的电压以及传送电压信息至控制装置3，控制装置3能够在此电压信息的基础上判断蓄电池级Et_i是否必须被充电，以及由此控制与蓄电池级并联的充电装置5以及关联的电压产生器7。

例如，每一蓄电池级Eti关联充电装置5的一以及某一单个电压产生器7。

充电装置5一方面连接每一蓄电池级Et_i的负极N_i和正极P_i，另一方面连接一或多个电压产生器7的标记为v2的正极和标记为v1的负极。

在单个的电压产生器7（图1）的情况下，后者连接充电装置5的集合。

在多个电压产生器7的情况下，如果电压产生器7的数目等于级Et_i的数目，采用图2中例子的方式，一个电压产生器7连接一个充电装置5。

图3所示的替代方案中，如果电压产生器7的数目少于级Eti的数目，则一个电压产生器7连接多个充电装置5。

例如，如果使用大量串联的蓄电池级Et_i，正如具有一百个串联的蓄电池的电子设备（electric vehicles）的情况，例如电池组1由基本模组9（图3）的串联组成，各自包含例如十到十二个串联的蓄电池级Et_i。因此，电压产生器7连接十到十二个元件的终端。根据锂离子电池组技术，二极管和控制开关的耐压被限制为近似45伏特到60伏特，这在半导体领域中是标准化的耐压值。正如电子设备的情况一样，便于维护大量的基本模块9。

此外，除用于蓄电池级Et_i的充电装置5以外，如图4所示，同样的充电装置5可以通过依序连接N个级被使用。这种变体能够在N个邻接级之间以及由此在连续的关联基本模块9之间转移能量。这种情况下，一个或多个附加电压产生器7向与N个级的终端连接的充电装置5供应能量。

电压产生器7为充电装置5供应正、负或者正与负极性以及各种形状例如方波或者正弦曲线的电压脉冲。

第一实施例

接下来描述均衡系统2的充电装置5和电压产生器7的第一实施例。

充电装置

请参考图5，第一实施例的充电装置5包含：

一个电感L1_i,

一个电容C1_i，其第一端连接电压产生器7的极（pole）v2，其第二端连接电感L1_i的第一端，

一个二极管D1_i，其阴极和阳极分别连接级的极N_i和电容C1_i的第二端，

一个开关SW1_i，例如为金属氧化物半导体场效应晶体管，其第一端连接电感L1_i的第二端，其第二端连接级的极P_i。

控制装置3能够打开和关闭开关SW1i。

如果电压产生器7的极v1连接电池组1的负极N（图1至4），第一实施例的充电装置5具有独特的特性，经由充电装置5连接的蓄电池级Et_i以及还经由位于此级Et_i下方的蓄电池级连接电压产生器7的极v1。

这种充电装置5或者运行于连续导通模式或者断续导通模式。

因为具有成本较低以及比较便于实施的优点，所以断续导通模式中的运行较佳。

断续导通模式中，在充电装置5运行的每一周期T之前，电感L1_i的电流的确通过定义被取消。当电压产生器7供应能量时，从应用至电感L1_i终端的电压、电感L1_i中能量的存储时间以及后者的值，可推出电感L1_i的电流值。此后，由固定的导通周期命令控制电压产生器7。

另一方面，连续导通模式中（图6），针对连续的每一蓄电池级，将会有必要使用与调节回路11和电流参考变量13相关的电流传感器10，以及一种监视电流12的装置，例如在开关模式中使用运行的晶体管作为开关。在连续导通模式中，对于每一充电装置5需要一个电压产生器7。然后，以脉冲宽度调制方式控制电压产生器7。

在断续导通时，由于电容C1_i阻挡了直流电，本发明能够使得全部充电装置5与一个电压产生器7的输出并联。

一个变体实施例中，在每一充电装置5的输出处增加一个电容（图中未表示）。这个电容连接在终端N_i和开关SW1_i的第一端之间。这种电容被配置为过滤来自充电装置5的电流上的波纹（ripple）。由此，当充电装置5运行时，平滑的直流被供应至每一蓄电池级。

开关SW1_i的位置还可以修改为将其与电容C1_i串联。

开关SW1_i还可能位于两个其他位置：开关SW1_i或者连接电压产生器7的输出v2和电容C1_i的第一端，或者连接电容C1_i的第二端和二极管D1_i的阴极。

另一变体实施例在于针对每一充电装置5使用一个控制开关以代替二极管。于是所谓的同步整流成为可能。由于部件的开状态下压降减少，可提高充电装置5的效率。

电压产生器

电压产生器7具有多种结构。例如，一个实施例适用于例如电压产生器7仅仅供应正电压脉冲。

图6表示第一实施例的充电装置5所关联的电压产生器7的一个实施例。

电压产生器7包含两个开关SW2_i和SW3_i，例如为金属氧化物半导体场效应晶体管，连接电池组1的终端N和P。所谓的去耦电容C3_i连接两个开关SW2_i和SW3_i的终端。

电压产生器7连接基本模块9的终端，但是同样连接电池组1的终端或者甚至连接辅助供应器（例如，运载12伏特的供应器）的终端。

运作

以下结合图8a至8c以及9描述第一实施例的运作。

充电装置5能够使得充电下的特定级的充电连续。由于上述原因，断续导通模式的运作更可取。

例如，如果控制装置3命令转移能量到级Et_i例如级Et₁，则控制装置3闭合与对应级Et_i并联的充电装置5的开关SW1₁。

控制装置3还启动电压产生器7，以供应电力至充电装置5。

与级Et₁串联的各级则不被充电，而每一级的并联充电装置5的开关SW1₁保持打开状态。

如果充电装置5开始运作，并且电压产生器7事前正在运作，则必须控制开关SW1₁的闭合速度，从而避免供应至级的电流过高。

当这些开关处于阻挡状态时被认为是完美的，因此当开关处于这种状态时，没有电流允许流动。

第一变体：没有去耦电容的电压产生器

考虑到图6的电压产生器7在开关SW3_i和SW2_i的终端没有去耦电容C3_i。

请参考图8a至8c以及9，在导通周期t1期间，正电压被应用到电压产生器7的终端v2和v1之间。开关SW2₁被闭合，开关SW3₁被打开。因此，电压产生器7供应一个正电压脉冲，而开关SW2₁被闭合，开关SW3₁打开。

时间t1期间的电流流动如图8a中点划线（dotted line）箭头所示。

能量被存储在电感L1₁中。需要足够高数值的电容C1₁，以传送足够的电流以及在电感L1₁两端施加准恒电压（quasi-constant voltage）。电感L1₁中的电流与应用至其两端的电压成比例增加，其电压近似等于电池组1的电压减去充电下的级Et₁的电压。电流流经位于级Et₁上方的各级。这个阶段期间，二极管D1₁被截止。二极管D1₁两端的电压等于负的（minus）电池组1的电压。

时间t1的结束处，电压产生器7的输出电压变为零。电压产生器7的开关SW2₁打开。当开关SW2₁完全打开时，开关SW3₁闭合。

电感L1₁中的电流在此时达到峰值Ipic（图9），当电压产生器7供应能量时，近似等于应用至电感终端的电压，乘以t1并且除以电感的值。这个公式为近似，缘于考虑到在充电装置5的每一运行周期前，电感中的电流为零。

充电装置5的独特之处在于，在充电装置5的每一运行周期T之前，电感L1₁中的电流成为负值，此后当二极管D1₁被截止时，在正负值之间振荡。这个独有特点是必须的，因为对于长久机制中充电装置5的每一运行周期T来说，通过电容的平均电流必须为零。

在时间t1结束时以及直到二极管D1₁被截止时，电压产生器在终端v2和v1处施加一个零电压。开关SW3₁闭合，开关SW2₁打开。这个阶段期间电流的流动如图8b中链线箭头所示。

电感L1₁中的电流与应用到其两端的电压成比例降低，等于负的蓄电池级Et₁的电压，减去二极管D1₁的开状态下的压降。这个阶段期间二极管D1₁为开，直到其中的电流被抵消为止。一旦二极管D1₁被截止，电流的流动如图8c中的短划线（dashed-line）箭头所示。

根据以上解释，二极管D1₁导通以后，电感L1₁中的电流变为负值，此后在负值和正值之间振荡（图9）。这个阶段期间的电流的振荡频率近似由电容C1₁和电感L1₁的固有谐振频率定义。电流流经充电下的级Et₁、位于级Et₁下方的各级、电容C1₁、电感L1₁以及开关SW3₁。

周期T结束时，如果开关SW1₁仍然处于闭合状态时，开始新序列的运作。电压产生器7被如此控制，这样两个开关SW2₁和SW3₁不同时打开，从而避免电池组短路。在开关SW3₁打开和开关SW2₁闭合之间，电感L1₁中的电流必须为零或者为正，以使得二极管D1₁中的电流连续。当量化（dimensioning）装置时，必须考虑到电容C1₁和电感L1₁的固有谐振频率。

如果电感L1₁中的电流为负，鉴于电流流动那么开关SW2₁有必要为双向，例如借助使用与开关SW2₁反并联（antiparallel）的二极管。

第二变体：具有去耦电容的电压产生器

在开关SW3_i和SW2_i的终端处使用去耦电容C3_i的情况下（图6），当开关SW2_i被闭合时，电流的流通被修正。果真电容C3_i还供应流经电感L1_i的部分电流。此电流在充电情况下借助充电下的级Et_i以及借助位于充电下的级Et_i下方的各级被回路。供应的电流值取决于充电下的级Et_i相对N个级的位置。级Et_i越接近电池组的终端N，相对流经位于充电下的级Et_i上方的各级的电流，电容C3_i供应的电流值越大。

量化

方程

充电装置5（图5）的量化借助使用表示上述其运行的方程被判定。这些方程对相关的电压产生器7（图6）有效。

以下描述的方程的使用被一般化。为此，输入和输出电压分别被标记为Ve和Vs。电压Ve是电池组1的终端N和P之间的电压。电压Vs是蓄电池级Et_i的终端N_i和P_i之间的电压。

为了简化量化，电容C1_i终端的电压如果存在，则在充电装置5的运作周期T上被认为恒定。

时间t1期间，电感L1_i中的电流(iL1_i)增加。每一运行周期T中，此电流被认为是零。忽略开关SW2_i和SW1_i处于开状态的压降，考虑开状态中二极管D1_i的压降Vd，电流(iL1_i)被写为：

${\mathrm{iL}1}_i\left(t\right)=\frac{\mathrm{Ve}-\mathrm{Vs}-\mathrm{Vd}}{{L1}_i}\×t$ (方程1)

时间t1结束时，开关SW2_i被打开。电感中的电流达到以下峰值：

${\mathrm{iL}1}_i\left(t1\right)=\mathrm{Ipic}=\frac{\mathrm{Ve}-\mathrm{Vs}-\mathrm{Vd}}{{L1}_i}\×t1$ (方程2)

时间t1结束以及直到电感L1_i中的电流被抵消时，二极管D1_i导通。电感L1_i中的电流依照以下法则下降。

${\mathrm{iL}1}_i\left(t\right)=-\frac{\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd}}{{L1}_i}\×t+\mathrm{Ipic}$ (方程3)

方程3可定义值(t1_(max))不会超出断续导通模式中充电装置5运行的导通周期t1。对于每一运作周期T，电感中的电流必须为零或者为正。方程4的定义中考虑电容C1_i和电感L1_i的振荡的自然周期。时间t1_(max)取决于两个术语（terms）A和B。考虑最差的情况方案，针对最大输入电压Ve和最小输出电压Vs评估术语A。术语B取决于输入和输出电压以及平均输出电流(Is_i(moy))。术语B为常数，因此或者可针对最大输入电压和最小输出电压以及最大输出平均电流，或者相反地针对最小输入电压和最大输出电压以及最小输出平均电流评估术语B。

${t1}_{\left(\max \right)}=T\×\frac{1}{\frac{1}{A}+B}$ (方程4)

其中 $A=\frac{\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd}}{\mathrm{Ve}}$

$B=\mathrm{\π}\×\sqrt{\frac{1}{2\×T}\×\frac{C}{(\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd})\×{\mathrm{Is}}_{i\left(\mathrm{moy}\right)}}}\×(\mathrm{Ve}-\mathrm{Vs}-\mathrm{Vd})$

充电装置的输出电流等于电感L1_i中的电流。由方程5计算充电装置5的平均输出电流。假定长期机制中电容C1_i中的平均电流为零，平均输出电流(Is_i(moy))等于二极管D1_i中的平均电流。电流Is_i(moy)与输入电压Ve的平方成正比，与输出电压Vs成反比。为了供应期望的平均电流，无论蓄电池级的电压如何，对于时间t1，必须考虑最大输出电压和最小输入电压。

${\mathrm{Is}}_{i\left(\mathrm{moy}\right)}=\frac{1}{2}\×\frac{1}{T}\×\frac{{L1}_i}{(\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd})}\×{\mathrm{Ipic}}^2=\frac{1}{2}\×\frac{1}{T}\×\frac{{(\mathrm{Ve}-\mathrm{Vs}-\mathrm{Vd})}^2\×{t1}^2}{(\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd})\×{L1}_i}$ (方程5)

充电级Et_i中的电流iEt_i(t)取决于运作的充电装置5的数目及它们相对级Et_i的位置。

如果仅仅与级Et_i并联的充电装置5运作，由此级Et中的电流在t1和T之间等于电感L1_i中的电流，在其余时间为零。图9的实线（solid line）表示这种变体。

考虑到位于级Et_i上方运行的充电装置5的数目L，当对应充电装置的二极管D1_i被截止时，额外的电流流经级Et_i。这个阶段期间，考虑到充电装置相同，电流iEt_i(t)等于电容C1_i中的电流乘以运行的装置的数目L加一。对于L=1的情况，图9中的点划线（dotted line）表示这种变体。

考虑到位于级Et_i下方运行的充电装置的数目M，在时间t1期间，额外的电流流经级Et_i。这个阶段期间，考虑到充电装置相同，电流iEt_i(t)与电感L1_i中的电流等于且相反乘以运行的装置的数目M。对于M=1，图9中的虚线（dashed line）表示这种变体。

由方程6得到充电级中的电流的平均值(IEt_(moy))。

${\mathrm{IEt}}_{i\left(\mathrm{moy}\right)}=\frac{1}{2}\×\frac{1}{T}\×\mathrm{Ipic}\×[\frac{\mathrm{Ipic}\×{L1}_i}{\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd}}-t1\×(1+L+M)]$ (方程6)

例子

例如，每一充电装置5能够跟踪蓄电池级Et_i的充电，以及连接到十级的终端。考虑用单个电压产生器7供应全部的充电装置。后者的产生器连接十级的串联组合的终端。

量化过程被分为两步。首先，针对断续导通模式中充电装置的运行，计算电压产生器7的开关SW2_i的最大导通周期t1。其次，定义在充电装置的输出处用于供应期望平均电流的电感L1_i的最大值。

以下假定应用:

平均输出电流(最小值,Is_i(moy))：1安培

-典型运行频率(F)：50000赫兹,即T=1/F=20微秒（μs）

-一个蓄电池的电压（基于磷酸铁的锂离子）:

●最小电压:2.5伏特

●最大电压:3.6伏特

二极管的开状态的压降(Vd):0.3伏特-0.7伏特。

电容C1_i被量化以传送足够的电流以及在充电装置5的电感L1_i的终端施加一个准恒电压。考虑到3伏特量级的压降，对于6安培量级的峰值电流以及2.0微秒的时间t1，电容值为2微法的量级。电容值通常为1微法至10微法的量级。

以下计算时间t1和电感L1_i的电感值的最大数值。使用二极管D1i的最小压降、充电装置的最大输入电压和最小输出电压计算术语A，使用最小平均输出电流、最小输入电压以及最大输出电压计算术语B，计算时间t1(max)，以及截止电容值设定在2微法。采用用于计算t1_(max)的术语B的相同条件计算最大电感L1_i。时间t1_(max)用于计算电感L1_i的电感值，以最小化电感、开关以及二极管中的峰值电流和均方根（root mean square；rms）电流。然而，出于稳健性的原因，使用较低的值。在充电装置的输出处使用滤波电容器不会更改时间t1_(max)和电感L1_i的电感值的判断过程。

${t1}_{\left(\max \right)}=T\×\frac{1}{\frac{1}{A}+B}=T\×\frac{1}{\frac{1}{\frac{\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd}}{\mathrm{Ve}}}+\mathrm{\π}\×\sqrt{\frac{1}{2\×T}\×\frac{C}{(\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd})\×{\mathrm{Is}}_{i\left(\mathrm{moy}\right)}}}\×(\mathrm{Ve}-\mathrm{Vs}-\mathrm{Vd})}$ (方程4)

$=\frac{1}{50\×{10}^3}\×\frac{1}{\frac{1}{\frac{2.5+0.3}{9\×3.6+2.5}}+\mathrm{\π}\×\sqrt{\frac{50\×{10}^3}{2}\×\frac{2\×{10}^{-6}}{(3.6+0.7)\×1}}\×(9\×2.5-0.7)}$

t1_(max)=1.0微秒

${L1}_{i\left(\max \right)}=\frac{1}{2}\×\frac{1}{T}\×\frac{{(\mathrm{Ve}-\mathrm{Vs}-\mathrm{Vd})}^2\×{t1}^2}{(\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd})\×{\mathrm{Is}}_{i\left(\mathrm{moy}\right)}}$ (方程5)

$=\frac{1}{2}\×50\×{10}^3\×\frac{{(2.5\×9-0.7)}^2\×{(1.0\×{10}^{-6})}^2}{(3.6+0.7)\×1}$

L1_i(max)＝2.8微亨

仿真

对于这个例子，图10和11表示两个仿真结果。

第一仿真（图10）：

对于第一仿真，蓄电池Aij多半被充电到阈值电压2.5伏特，对于级7中的单个蓄电池例如为3.6伏特。充电装置5与具有最高充值电压即3.6伏特的蓄电池并联。

仿真的电压产生器7为图6中所示没有去耦电容C3_i的产生器。

第一结果说明运行的极端情况，平均输出电流必须为至少1安培。

图10给出了第一仿真的结果，并且表示曲线C1中电感L1₇中的电流，曲线C2中电容C1₇的电流，曲线C3中二极管D1₇中的电流，以及曲线C4中具有最高充电电压的蓄电池中的电流。

如先前运作所述，对于时间t1，电感L1₇中的电流增加。在时间t1期间，电流不会流经充电下的蓄电池，但是会流经位于后者上方的蓄电池。这个阶段期间，二极管D1₇被截止。

在时间t1结束时，电流值达到峰值，这个例子中为10.7安培的量级。离开t1时，电感中的电流降低，并且被供应至蓄电池。二极管D1₇导通，并且能够实现电感L1₇的去磁（demagnetization）。因为在装置的每一运作周期以前，电感L1₇中的电流被抵消，电路运行在断续导通模式。当二极管D1₇截止时，即电流iD1₇抵消时，电感L1₇中的电流，由此也通过待充电的蓄电池，变为负值。电流iL1₇在接近电容C1₇和电感L1₇的固有振荡频率的频率处振荡。这个电流iL1₇流经电感L1₇、充电下的蓄电池以及位于充电的级下方的蓄电池、电容C1₇和开关SW3₁。因此，在一个运行周期上，长期机制下电容C1₇的平均电流为零。

平均输出电流Is_7(moy)等于约1.9安培。无论充电的蓄电池的电压和蓄电池电池组的电压如何，最小平均电流符合1安培。电流大于期望的数值，主要由于每一周期T中的电流并非如同量化装置参数时一样等于0。因此，电感中的峰值电流大于提供1安培平均输出电流所需的数值。平均电流与高电感值的平方中的峰值电流成比例，因此受到严重影响（方程5）。

第二仿真（图11）:

对于第二仿真，蓄电池多半被充电到3.6伏特的阈值电压，对于单个蓄电池例如第七个蓄电池，被充电为2.5伏特。充电装置5与具有最低的充电电压的蓄电池并联，即最低充电电压为2.5伏特。因此，充电装置连接第七级Et₇的终端。

第二结果说明极端的运行情况，充电装置必须运行在断续导通模式，在每一运作周期T以前，电感L1_i中的电流必须为零或者正值。

图11表示第二仿真结果，并且表示曲线C5中电感L1₇的电流、曲线C6中电容C1₇的电流、曲线C7中二极管D1₇的电流，以及曲线C8中具有最低充电电压的蓄电池的电流。

电路运行在断续导通模式，因为在装置的每一运作周期T以前，电感中的电流L1_i被抵消。无论充电蓄电池的电压和蓄电池电池组的电压如何，符合电感L1_i中的电流正或零的断续导通运作。

平均输出电流Is_7(moy)等于约3.4安培。大于1安培的最小值。经由位于充电下的级的上方和下方的各级，均方根电流上升为约1.7安培，平均电流等于约330毫安。

第二实施例

接下来描述均衡系统2的第二实施例。

充电装置

如图12所示，第二实施例的充电装置5与图5所示第一实施例的不同的处在于，包含第二电容C2_i，第二电容C2_i的第一端连接第一电容C1_i所连接的电压产生器7的极v1，第二电容C2_i的第二端连接级Et_i的极N_i。

第二电容C2_i为电压产生器7所供应的部分或全部电流提供一条返回路径。

电压产生器

第二实施例同样适用于例如仅仅供应正电压脉冲的电压产生器7。

对于第二实施例的充电装置5，可以提供图13和14中分别所示的电压产生器7的两个变体实施例。

第一变体（图13）:

此电压产生器7与图6所示第一实施例的电压产生器7不同，因为两个电感L3_i和L4_i被实施为与电池组1的终端N和P串联。

因此，当电压产生器7的开关SW3_i或SW2_i闭合时，这迫使电流流经充电装置5的第二电容C2_i。所谓的去耦电容C3_i必须连接两个开关的终端。

第二变体（图14）:

图14中所示的电压产生器7本身包含一个去耦电容C3_i、一个开关SW2_i以及一个变压器T1_i。这个电压产生器7的优点在于，与第一变体的电压产生器7（图13）相比，能够最小化部件的个数。

运作

以下描述图13所示电压产生器7相关的第二实施例的运作。图15A、15B表示对应的级Et₁的充电，图16表示对应更广泛的某一级Et_i的充电。

为了便于说明，级Et₁、Et_i和电感L3₁、L3_i以及L4₁、L4_i中的电流由链线箭头表示，其中对于长久机制的运作周期，对于电容C3₁、C3_i中的平均电流来说，电感中的电流有必要为零。电流考虑为直流，由此在运作周期T上为恒定。图16中，级Et_i中的电流iEt_i(t)的表述中忽略此电流。

实质上运作与第一实施例的运作相同。比第一实施例增加的内容是在时间t1期间图15A中虚线所示电流流经除级N以外的位于级Et₁、Et_i上方与下方的全部各级。流经充电装置5的全部第二电容C2_j（j=1至N）。理想情况下，电流在全部电容中均分。时间t1结束以及直到运作周期T结束时（图15B），电流还流经级Et₁，位于充电的级Et₁下方和上方的充电装置5的一组第二电容C2_j，电感L1₁、L1_i、电容C1₁、C1_i以及开关SW3₁、SW3_i（由点划线表示）。

与第一实施例相比，第二实施例的优点在于降低了未充电级中的均方根电流。

时间t1以及从二极管D1₁、D1_i被截止的时刻到周期T结束期间，电容C1₁、C1_i中的电流在充电装置5的电容C2_j中分配。此级越接近充电下的级，则流经此级的均方根电流越高。

此外，对于例如级Et₁、Et_i的终端N₁、N_i和二极管D1₁、D1_i的阳极之间串联的每一充电装置使用的一个附加开关（图中未表示），使得未充电的级中的均方根电流被最小化。这个开关避免未运作的充电装置5的电容C2_j导通运作的一或多个其他充电装置5的部分电流。理论上，这种情况中通过未充电级的均方根电流等于电池组供应的直流电的数值。

量化

充电装置5（图12）在根据上述定义其运作的方程的基础上被量化。这些方程对相关的电压产生器7（图13）有效。为了简化量化，电容C1_i和电容C2_i终端处的电压，如果存在，则认为在充电装置5的运作周期T上恒定。

电感L1_i中的电流(iL1_i)的方程1、2和3对于第一实施例和第二实施例来说相同，同样应用到方程4和方程5，方程4用于定义数值(t1_(max))不会超出导通周期t1，方程5用于定义平均输出电流。

充电级Et_i中的电流标记为iEt_i(t)，电流iEt_i(t)取决于运作的充电装置的数目、后者相对级Et_i的位置以及级Et_i相对级数量的位置。考虑到位于级Et_i下方的运作的充电装置5的个数M（图16），以及考虑到级Et_i上方运作的充电装置5的个数L，时间t1期间级Et_i的电流由方程7近似估计。从二极管D1_i被截止的时刻到周期T结束，级Et_i中电流由相同的方程近似估计。

${\mathrm{iEt}}_i\left(t\right)={\mathrm{iC}1}_i\left(t\right)\×[\frac{i}{N}\×(1+L+M)-M]$ (方程7)

假定长久机制中一个运行周期上电容C1_i中的平均电流为零，在时间t1期间和从二极管D1_i被截止的时刻到周期T结束时，级Et_i中的平均电流由此为零。考虑到电感L3_i和L4_i中的电流，方程6定义充电级中的平均电流(IEt_i(moy))。

第二实施例中去耦电容C3_i用于实施电压产生器7。定义此电容C3_i以供应必要的电流到其终端具有定义压降的充电装置5。方程9给出电容C3终端的压降与输出电流的函数，K为运作的充电装置5的数目。

$\mathrm{\ΔV}=\frac{1}{2}\×K\×\frac{\mathrm{Ipic}}{{C1}_i}\×t1=\frac{1}{2}\×K\×\frac{\mathrm{Ve}-\mathrm{Vs}-\mathrm{Vd}}{{L1}_i\×{C1}_i}\×{t1}^2$ (方程9)

仿真

电容C2_i与电容C1_i具有相同的数值，固定为2微法。

图13所示为仿真的电压产生器。

两个电感L3_i和L4_i的数值固定为100微亨（μH），在电力电子变换器的领域中为典型值。

使用一个10微法的去耦电容C3_i。定义这个电容以向在其终端具有特定压降的充电装置5供应必要的电流。方程9给出电容终端处的压降和输出电流的函数。

第二实施例的充电装置5的量化与第一实施例的充电装置的量化相同。因为这个原因，这个章节仅仅描述一个仿真结果，从而确认对于被动元件L1_i和C1_i的数值相同，第一和第二实施例的充电装置5的平均输出电流相同。

仿真结果说明了极端运作情况，其中在每一运作周期前，装置必须在断续导通模式中运作，电感L1_i中的电流必须为零或正值。

图17表示仿真结果，表示曲线C9中的电感L1₇、曲线10中的电容C1₇、曲线C11中的二极管D1₇以及曲线C12中具有最低充电电压的蓄电池的电流。

平均输出电流Is_7(moy)等于约3.3安培。非常接近第一实施例中得到的平均电流值（约3.4安培）。因此，第一和第二实施例的量化类似。

L4₁和L3₁中的平均电流等于约330毫安。位于充电下的级Et_i上方和下方的各级中的平均电流等于330毫安。等于第一实施例的未充电级的平均电流。

级8中的均方根电流等于610毫安。位于充电下的级Et_i上方的各级中的均方根电流随着此级与级Et_i的距离的增加而降低。级10中的均方根电流等于流经L3₁和L4₁的直流电，即330毫安。级6中的均方根电流为915毫安的量级。位于充电下的级Et_i下方的各级中的均方根电流随着此级与级Et_i的距离的增加而降低。级1中的均方根电流为360毫安的量级。这些级中的均方根电流相对第一实施例的最差情况降低至少1.8的因数。

第三实施例

接下来描述均衡系统2的第三实施例。

充电装置

图18表示充电装置5的第三实施例。第三实施例与第二实施例的不同之处在于：

第二电容C2_i的第二端连接电感L1_i的第二端和级的极P_i，

二极管D1_i的阴极连接电感L1_i的第一端，以及

开关SW1_i连接电容C1_i的第二端以及电感L1_i的第一端。

在变体实施例中，增加一个电容（图中未表示），用以过滤来自充电装置5的电流上的波纹，但是这个电容并非与第一和第二实施例中一样连接在终端N_i和开关的第一端SW1_i之间，相反地在第三实施例中这个电容是连接在终端P_i和二极管D1_i的阳极之间。

第三实施例中，开关还可连接电压产生器7的输出v2和电容C1_i的第一端。

电压产生器

与第一和第二实施例类似，第三实施例适合仅仅供应正电压脉冲的电压产生器。

对于第三实施例，电压产生器可以为第二实施例中描述的图13和14所示的电压产生器两者的一。

运作(图16、19A、19B)

以下描述图13所示电压产生器相关的第三实施例的运作。图19A、19B对应级Et₁的充电，图16对应更广泛的级Et_i的充电。

与具有信号差的第二实施例的运作类似，和第二实施例的情况一样，时间t1期间，电感L1_i中的电流流经位于级Et_i上方和下方的全部级，除级1和级N以外。

电感L1_i、两个电容C1_i和C2_i以及并联的二极管D1_i和级Et_i中的电流变化与第二实施例相同（图16）。

考虑到级Et₁充电的特殊情况下，级Et₁中的电流变化与一般情况有所改变，因为在t1以及还有当二极管被截止时，电流被抵消。

量化

同上，充电装置5（图18）在定义其运作的方程的基础上被参数化，并且对相关的电压产生器7有效。

方程1到5与第一和第二实施例的相同。

充电级中的电流iEt_i(t)取决于运作的充电装置的个数、它们相对级Et_i的位置，以及级Et_i相对级的数量的位置。考虑到位于级Et_i下方的运作的充电装置的个数M，以及考虑到位于级Et_i上方的运作的充电装置的个数L，时间t1期间级Et_i中的电流可借助方程10被大概估计。从二极管D1_i被截止的时刻到周期T结束，级Et_i中的电流可借助相同的方程被大概估计。

${\mathrm{iEt}}_i\left(t\right)=\frac{{\mathrm{iC}1}_i\left(t\right)}{N}\×[(i-1)\×(L+1)-(N-i+1)\×M]$ (方程10)

假定在长久机制中，一个运作周期上经过电容C1_i的平均电流为零，因此时间t1期间以及从二极管D1_i被截止的时刻到周期T结束，级Et_i中的平均电流为零。考虑到电感L3_i和L4_i中的电流，方程6定义充电级中的平均电流(IEt_i(moy))。

仿真

仿真条件与第二实施例的相同。

第三实施例的充电装置5的量化与第一和第二实施例的充电装置5的量化相同。因为这个原因，这个章节仅仅描述一个仿真结果，从而确认对于被动元件L1_i和C1_i的数值相同，这三个实施例的充电装置的平均输出电流相同。

仿真结果说明了运作的极端情况，其中在每一运作周期T前，装置必须运行在断续导通模式中，电感L1_i中的电流必须为零或正值。

图20表示仿真结果，表示曲线C13中电感L1₇、曲线C14中电容C1₇、曲线C15中二极管D1₇以及曲线C16中具有最低充电电压的蓄电池中的电流。

平均输出电流Is_7(moy)等于约3.3安培。非常接近第一和第二实施例中得到的平均电流（大约3.4安培-3.3安培）。因此，这三个实施例的量化类似。

电感L4₁和L3₁中的平均电流等于约330毫安。位于充电下的级Et_i上方和下方的各级中的平均电流等于约330毫安。与第一和第二实施例的未充电级的平均电流相同。

级8中的均方根电流等于670毫安。位于充电下的级Et_i上方的各级中的均方根电流随着此级距离Et_i的增加而减少。级10中的均方根电流等于380毫安。级6中的均方根电流为890毫安的量级。位于充电下的级Et_i下方的各级中的均方根电流随着此级与级Et_i的距离的增加而减少。级1中的均方根电流等于电感L3₁和L4₁中的直流，即330毫安。未充电级中的均方根电流相对低于实施例在最差情况下减少至少1.9的因数。未充电级中的均方根电流对于第三和第二实施例来说准相同。

第四实施例

接下来描述均衡系统2的第四实施例。

充电装置

图21表示充电装置5的第四实施例。第四实施例与第二实施例的不同之处在于，充电装置5进一步包含一个第二电感L2_i和一个第二二极管D2_i，以及在于：

第二电容C2_i的第二端连接第二电感L2_i的第一端，

第二二极管D2_i的阳极和阴极分别连接级的极N_i和第二电感L2_i的第一端，

开关SW1_i连接两个电感L1_i和L2_i的第二端。

第四实施例的不同之处还在于，例如适合与供应正和负电压脉冲的电压产生器一起使用。

图22A和22B中表示充电装置的第四实施例的开关SW1_i的不同位置。

图22A中，开关SW1_i连接其第一端至电压产生器7的正极v2，连接其第二端至第一电容C1_i的第一端。

图22B中，开关SW1_i的第一端连接第一电容C1_i的第二端，其第二端连接第一电感L1_i的第一端。

此外，从这些图中可看出，附加开关SW11_i必须第一步或者连接电压产生器7的输出v1和电容C2_i的第一端（图22A），或者连接电容C2_i的第二端和第二二极管D2_i的阴极（图22B）。

电压产生器

对于这种充电装置5，电压产生器的第一代表性实施例使用具有四个开关SW2_i至SW5_i的全桥（complete bridge）和变压器T1_i（图23）及图23'所示其变体。依照这个变体，如果电压产生器7连接电池组1的终端，则电压产生器7可以使用初级绕组（primary winding）和多个次级绕组（secondarywindings）组成的变压器T1_i。这个例子中，图中表示变压器T1_i的初级绕组的终端为具有四个开关SW2_i至SW5_i的全桥。多个次级绕组的使用能够降低充电装置5的电容的耐压。一种建议是十到十二级串联的一个次级绕组。

电压产生器7的第二代表性实施例在于使用具有两个开关SW2_i和SW3_i的半桥以及变压器T1_i，变压器T1_i的初级连接在两个开关SW2_i和SW3_i的中点与两个电容C4_i和C5_i的中点之间（图24A）。由于电容C4_i和C5_i与变压器T1_i的初级绕组串联，缘于开关的控制序列中的失衡，第二实施例的优点在于开关的个数少于第一实施例，还完全避免变压器的饱和的风险。

电压产生器的第三代表性实施例使用初级具有中间抽头的变压器1和两个开关SW2_i和SW3_i（图24B）。第三代表性实施例的优点在于具有用于控制两个开关SW2_i和SW3_i的共同参考。

无论使用哪一个电压产生器7，定义开关SW2_i和SW3_i的导通周期，这样每一充电装置5运行在断续导通模式下。

这三个代表性实施例在输出产生正负电压脉冲。

运作（图25A、25B和26）

以下描述图24A所示电压产生器7相关的这四个实施例的运行。

图25A、25B中，仅仅说明一个正电压脉冲的运行。

为了便于说明，链线表示电池组中的电流，假定在长久机制中的一个运行周期上，电池组中电流有必要对于电容C3₁、C4₁和C5₁中的平均电流为零。此电流考虑为直流，由此在一个运行周期上恒定。

接下来描述与第二实施例相比充电下的级Et₁的运行差别。

时间t1期间，电感中的电流与应用至其终端的电压成比例增加，近似等于变压器T1₁的次级的电压减去充电下的级Et₁的电压。这个电流仅仅流经级Et₁。运行中的充电装置5的电容C1₁和C2₁中的电流等于电感L1₁中的电流。这个阶段期间，充电装置5的第二二极管D2₁导通。二极管D1₁被截止，其两端的电压至少等于电池组电压。第二电感L2₁存储能量。第二电感L2₁两端的电压等于负的充电下的级Et₁的电压减去处于开状态的二极管D2₁的压降。

时间t1结束时，开关SW2₁打开。此时，当电压产生器供应能量时，电感L1₁中的电流达到峰值，近似等于应用到电感终端的电压乘以t1除以电感的值。

时间t1结束到运行周期的一半T/2，电压产生器不会在级Et₁的充电装置的终端v2和v1上施加电压。开关SW3₁和SW2₁打开（图25B和26）。电感L1₁中的电流与应用至其两端的电压成比例降低，至少等于蓄电池级Et₁的电压减去处于开状态的二极管D1₁的压降。二极管D1₁被打开直到充电下的级Et₁中的电流抵消为止。二极管D1₁导通电感L1₁中的电流和电感L2₁中的电流。这个阶段期间，电感L2₁.中的电流被认作恒定，是因为变压器的次级的阻抗被认为远远大于电感L1₁和L2₁的阻抗。电感L2₁中的电流等于变压器的磁化电流。图25中标记为Im。当二极管D1₁被截止时，电感L2₁中的电流不再流经此级，但是与电感L1₁中的电流相同且相反。这个阶段期间，二极管D2₁被截止，其两端的电压至少等于级Et₁的电压。

一半周期T/2结束直到T/2加时间t1结束，负电压被应用于电压产生器的终端v2和v1之间。开关SW3₁闭合，且开关SW2₁打开。能量存储在电感L2₁中。电感L2₁中的电流与应用至其两端的电压成比例增加，近似等于变压器T1₁的次级电压减去充电下的级的电压。电流仅仅流经充电下的级Et₁。运行中的充电装置的电感C1₁和C2₁中的电流等于电感L2₁中的电流。这个阶段期间，二极管D1₁导通。二极管D2₁被截止，其两端的电压至少等于电池组的电压。电感L1₁存储能量。电感L1₁两端的电压至少等于充电下的级Et₁的电压减去处于开状态的二极管D1₁的压降。

时间T/2加t1结束时，开关SW3₁打开。此时电感中的电流达到峰值，当电压产生器供应能量时，近似等于应用至电感两端的电压乘以t1除以电感的值。

时间T/2加t1结束直到周期T结束时，电压产生器7不会在级Et₁的充电装置5的终端v2和v1上施加电压。开关SW3₁和SW2₁打开。电感L2₁中的电流与应用至其两端的电压成比例降低，至少等于蓄电池级Et₁的电压减去处于开状态的二极管D2₁的压降。二极管D2₁打开，直到充电下的级Et₁中的电流抵消为止。二极管D2₁导通电感L2₁中的电流以及电感L1₁中的电流。电感L1₁中的电流等于变压器的磁化电流(Im)。当二极管D2₁被截止时，电感L1₁中的电流不再流经此级，但是与电感L2₁中的电流等于且相反。这个阶段期间，二极管D1₁被截止，其两端的电压至少等于级Et₁的电压。

这个第四实施例的优点在于，由于电容C1₁和C2₁中的瞬时电流相同，在未充电的级上施加一个最小均方根电流。因此，此均方根电流等于电池组1供应的电流，此电流考虑为直流。

量化

如前，充电装置5的量化（图21）是基于定义其运行的方程，并且对相关的电压产生器7有效。

时间t1期间，电感L1_i中的电流(iL1_i)增加。每一运行周期中的电流认作零。变压器的次级的电压被标记为VsT1_i。电容C1_i和C2_i两端的电压的瞬时总和被认作零。忽略处于开状态的开关SW2_i和SW1_i的压降，考虑到处于开状态的二极管的压降Vd，电流iL1_i(t)被写为：

${\mathrm{iL}1}_i\left(t\right)=\frac{{\mathrm{VsT}1}_i-\mathrm{Vs}-\mathrm{Vd}}{{L1}_i}\×t$ (方程11)

时间t结束时，开关SW2_i打开。电感L1_i中的电流达到峰值：

${\mathrm{iL}1}_i=\mathrm{Ipic}=\frac{{\mathrm{VsT}1}_i-\mathrm{Vs}-\mathrm{Vd}}{{L1}_i}\×t1$ (方程12)

时间t1结束直到电感L1_i中的电流取消时，二极管D1_i导通。电感L1_i中的电流依照以下法则降低。

${\mathrm{iL}1}_i\left(t\right)=-\frac{\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd}}{{L1}_i}\×t+\mathrm{Ipic}$ (方程13)

T/2和T之间电感L2_i中的电流与时间0和一半运作周期T/2之间电感L1_i中的电流借助相同的方程被调节。

方程13中，可定义值(t1_(max))不会超出断续导通模式中运行的装置的导通周期t1。在装置的每一半个运作周期前，电感L1_i和L2_i中的电流抵消。为了限制输出电流上的波纹，可抵消每一运作周期附近电感中的电流。这种情形中，请参考图26，考虑到T/2处电感L1_i和L2_i中的电流被取消，判定时间t1_(max)。考虑最差情况，针对最大输入电压VsT1_i和最小输出电压Vs评估时间t1_(max)。此外，忽略二极管的压降从而考虑最差情况。

${t1}_{\left(\max \right)}=\frac{T}{2}\×\frac{1}{\frac{{\mathrm{VsT}1}_i-\mathrm{Vs}-\mathrm{Vd}}{\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd}}+1}$ (方程14)

充电装置的输出电流is_i(t)等于电感L1_i和L2_i中的电流总和。当二极管D1_i和D2_i分别导通时，这些周期期间忽略Im和电流iL₁和iL₂，由方程15计算平均输出电流(Is_i(moy))。进一步假设电感L1_i和L2_i相同。

${\mathrm{Is}}_{i\left(\mathrm{moy}\right)}=\frac{\mathrm{Ipic}}{T}\×[t_1+\frac{\mathrm{Ipic}\×{L1}_i}{(\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd})}]=\frac{{t1}^2}{T\×{L1}_i}\×\frac{{\mathrm{VsT}1}_i\×({\mathrm{VsT}1}_i-\mathrm{Vs}-\mathrm{Vd})}{\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd}}$ (方程15)

充电级i中的电流被标记为iEt_i(t)，仅仅取决于此实施例中运行的充电装置的个数。考虑到运行的充电装置的个数K以及变压器T1_i(m=v2/v1)的变压系数m，由方程16得到充电级的电流的平均值(IEt_i(moy))。当二极管D1_i和D2_i分别导通时，不考虑电感L1_i和L2_i中的电流。

${\mathrm{IEt}}_{i\left(\mathrm{moy}\right)}=\frac{1}{T}\×\mathrm{Ipic}\×[t_1\×(1-\frac{K\×m}{2})+\frac{\mathrm{Ipic}\×{L1}_i}{(\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd})}]$ (方程16)

例子

对于图21中电压产生器7相关的充电装置5的第四实施例，变压器T1_i的变压系数固定为2，从而保持变压器T1_i的次级的电压等于电池组电压。

除频率为25000赫兹以外，这些假设与第一实施例的相同。

使用二极管的最小压降以及充电装置的最大输入电压和最小输出电压计算时间t1_(max)。使用二极管的最大压降以及充电装置的最小输入电压和最大输出电压计算电感L1_i(max)和L2_i(max)的最大值。时间t1_(max)用于计算电感L1_i的值，从而最小化电感、开关和二极管中的峰值电流和均方根电流。为了稳健，可以使用比较低的数值。

${t1}_{\left(\max \right)}=\frac{T}{2}\×\frac{1}{\frac{{\mathrm{VsT}1}_i-\mathrm{Vs}-\mathrm{Vd}}{\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd}}+1}$ (方程14)

$=\frac{1}{2\×25\×{10}^3}\×\frac{1}{\frac{3.6\×9-0.3}{2.5+0.3}+1}$

t_1(max)＝1.60微秒

${L1}_{i\left(\max \right)}={L2}_{i\left(\max \right)}=\frac{{t1}^2}{T\×{\mathrm{Is}}_{i\left(\mathrm{moy}\right)}}\×\frac{{\mathrm{VsT}1}_i\×({\mathrm{VsT}1}_i-\mathrm{Vs}-\mathrm{Vd})}{\mathrm{Vs}+\mathrm{Vd}}$ (方程15)

$=25\×{10}^3\×{(1.60\×{10}^{-6})}^2\×\frac{(2.5\×9+3.6)\×(2.5\×9-0.7)}{3.6+0.7}$

L1_i(max)＝L2_i(max)＝8.5微亨

仿真

电感L1_i和L2_i的数值固定在8.5微亨。截止的电容C1_i和C2_i的数值固定为2微法。

第四实施例中，假设典型的运行频率(F)为25000赫兹，即T=1/F=40微秒。

图24A中表示仿真的电压产生器7。当开关SW2_ii闭合且开关SW3_i打开时，电压产生器7供应正电压脉冲。只要开关SW3_i闭合且开关SW2_i打开，电压产生器7供应负电压脉冲。

当开关SW2_i和SW3_i处于打开状态时，变压器的初级的两端的电压不固定。开关SW2_i和SW3_i的导通周期固定在1.6微秒。二极管被实施为与每一开关并联，从而还能够实现变压器的初级的去磁。这个例子中，电容C3_i、C4_i和C5_i固定在10微法。至于第三实施例，定义这些电容以向其两端具有特定压降的变压器的初级供应必需的电流。方程9给出电容两端的压降与输出电流的函数。

电感L5与电池组和电压产生器的输入串联，电感L5用于过滤电池组的电流上的波纹。

第一仿真（图27）:

第一结果说明平均输出电流必须至少为1安培的最差运行情况。

图27表示仿真结果，图中分别表示曲线C17和C18中的电感L1₇和L2₇、曲线C19中的电容C1₇、曲线C20中的二极管D1₇、曲线C21中的充电装置的输出以及曲线C22中具有最高充电电压的蓄电池的电流。

关注的运行和前一章节中描述与第四实施例有关的运行一样。

平均输出电流Is_7(moy)i等于约1.1安培。无论充电蓄电池的电压和蓄电池电池组的电压如何，符合1安培的最小平均电流。

和所需的一样，电路运行在断续导通模式，在装置的每一半个运行周期前，其中电感L1_i和L2_i中的电流被抵消。

第二仿真（图28）:

第二结果说明极端的运作情况，其中装置必须运行在断续导通模式，即在装置的每一半个运行周期T/2前，流经电感L1_i和L2_i的电流必须抵消。

图28表示仿真结果，分别表示曲线C23和C24中电感L1₇和L2₇、曲线C25中电容C1₇、曲线C26中二极管D1₇、曲线C27中充电装置的输出以及曲线C28中具有最低充电电压的蓄电池的电流。

在装置的每一半个运行周期前，根据需要，流经电感L1_i和L2_i的电流被抵消，电路运行在断续导通模式。无论充电蓄电池的电压和蓄电池电池组的电压如何，符合断续导通模式的运行。

平均输出电流Is_7(moy)等于约2.8安培。大于1安培的最小值。电池组中的直流等于约260毫安。未充电级中的均方根电流等于电池组供应的直流。

因此，无论使用哪个实施例，可得到蓄电池电池组1的充电的有效均衡。

Claims (27)

1.一种电池组的均衡系统，该电池组包含串联的至少两个蓄电池级(Et_i)，每一蓄电池级(Et_i)包含至少一个蓄电池(A_ij)，其特征在于，所述均衡系统包含：

至少一个电压产生器，包含至少一个正极(v2)和至少一个负极(v1)，

对于每一蓄电池级(Et_i)，所述至少一个电压产生器(7)供应的一相关充电装置(5)包含：

至少一个电感器(L1_i)，

至少一个电容器(C1_i)，其第一端连接所述至少一个电压产生器(7)的正极(v2)，

至少一个二极管(D1_i)，其阳极连接所述蓄电池级的负极，其阴极连接该至少一个电感器的第一端，以及

至少一个开关(SW1_i)，其一端连接所述至少一个电感器的一端，以及

一控制装置(3)，用以控制所述至少一个电压产生器(7)以及闭合待充电的一蓄电池级相关的一充电装置的所述至少一个开关，这样所述至少一个电感器存储能量，以及将能量传送到相关的蓄电池级。

2.如权利要求1所述的电池组的均衡系统，其特征在于：

所述至少一个电容器(C1_i)的第二端连接电感器(L1_i)的第一端，

所述至少一个二极管(D1_i)的阴极连接电容器(C1_i)的第二端，以及

所述至少一个开关(SW1_i)的第一端连接电感器(L1_i)的第二端，其第二端连接相关蓄电池级的正极(P_i)。

3.如权利要求1所述的电池组的均衡系统，其特征在于：

该充电装置包含：

至少一个第一电容器(C1_i)，其第一端连接电压产生器(7)的正极(v2)，其第二端连接电感器(L1_i)的第一端，

至少一个第二电容器(C2_i)，其第一端连接电压产生器(7)的负极(v1)，其第二端连接相关蓄电池级的负极(N_i)，以及在于

所述至少一个二极管(D1_i)的阳极和阴极分别连接第二电容器(C2_i)的第二端和第一电容器(C1_i)的第二端，以及

所述至少一个开关(SW1_i)的第一端连接电感器(L1_i)的该第二端，其第二端连接相关蓄电池级的正极(P_i)。

4.如权利要求1所述的电池组的均衡系统，其特征在于：

该充电装置包含：

至少一个第一电容器(C1_i)，其第一端连接电压产生器(7)的正极(v2)，

至少一个第二电容器(C2_i)，其第一端连接电压产生器(7)的负极(v1)，其第二端连接电感器(L1_i)的第二端和相关蓄电池级的正极(P_i)，以及在于

所述至少一个开关(SW1_i)的第一端连接该第一电容器(C1_i)的一端，其第二端连接电感器(L1_i)的第一端。

5.如权利要求1所述的电池组的均衡系统，其特征在于：

所述充电装置包含：

至少一个第一电感器(L1_i)和一个第二电感器(L2_i)，

至少一个第一电容器(C1_i)，其第一端连接一电压产生器(7)的正极(v2)，其第二端连接第一电感器(L1_i)的第一端，

至少一个第二电容器(C2_i)，其第一端连接该电压产生器(7)的负极(v1)，其第二端连接第二电感器(L2_i)的第一端，

至少一个第一二极管(D1_i)，其阳极和阴极分别连接相关蓄电池级的负极(N_i)和该第一电感器(L1_i)的第一端，

至少一个第二二极管(D2_i)，其阳极和阴极分别连接相关蓄电池级的负极(N_i)和第二电感器(L2_i)的第一端，以及在于

所述至少一个开关(SW1_i)的第一端连接所述第一电感器(L1_i)和第二电感器(L2_i)的第二端，其第二端连接相关蓄电池级的正极(P_i)。

6.如权利要求2至5所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，当一电压事先被应用至供给一充电装置(5)的所述电压产生器(7)的极(v1,v2)时，该控制装置(3)被配置以控制待充电的一蓄电池级(Et_i)相关的充电装置(5)的所述至少一个开关(SW1_i)的闭合率。

7.如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，在充电阶段期间，所述充电装置(5)被配置为独立运行于相关蓄电池级(Et_i)和电池组(1)的电压电平的断续导通模式。

8.如权利要求1至7所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，包含一单个电压产生器(7)，用于供应全部的所述充电装置(5)。

9.如权利要求1至7所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，针对每一充电装置(5)包含一电压产生器(7)。

10.如权利要求1至7所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，包含至少两个电压产生器装置(7)，与充电装置(5)的各自预定个数有关。

11.如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)包含控制装置(3)控制的至少一个开关(SW2_i、SW3_i、SW4_i、SW5_i)。

12.如权利要求11所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)包含一去耦电容器(C3_i)。

13.如权利要求3或4其中的一组合权利要求12所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)包含两个控制开关(SW2_i、SW3_i)和两个电感器(L3_i、L4_i)。

14.如权利要求3或4其中的一组合权利要求12所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)包含一开关(SW2_i)和一变压器(T1_i)。

15.如权利要求5组合权利要求12所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)包含一桥，该桥包含四个开关(SW2_i、SW3_i、SW4_i、SW5_i)和一变压器(T1_i)。

16.如权利要求5组合权利要求12所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)包含两个开关(SW2_i、SW3_i)、一变压器(T1_i)和两个电容器(C4_i、C5_i)。

17.如权利要求5组合权利要求12所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)包含两个开关(SW2_i、SW3_i)和一变压器(T1_i)，该变压器(T1_i)具有中间抽头的初级。

18.如权利要求11至17所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，控制装置(3)被配置为分别用一导通周期和一打开时间闭合和打开所述至少一个电压产生器装置(7)的所述至少一个控制开关(SW2_i、SW3_i、SW4_i、SW5_i)，该导通周期和该打开时间在一充电阶段恒定。

19.如权利要求7组合权利要求18所述的电池组的均衡系统，其特征在于，计算导通周期，这样所述充电装置(5)运行于断续导通模式。

20.如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)连接电池组(1)的终端(N,P)。

21.如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统，该电池组(1)包含至少一个基本模块(9)，每一基本模块(9)包含多个串联的蓄电池级(Eti)，其特征在于，所述均衡系统进一步包含位于每一基本模块(9)两端的一附加充电装置(5)。

22.如权利要求21所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述电池组(1)包含多个串联放置的基本模块(9)，以及在于所述均衡系统(2)包含位于预定个数的基本模块(9)终端的一附加充电装置(5)。

23.如权利要求21或22所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)连接所述至少一个基本模块(9)的终端。

24.如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，包含一装置，用于测量每一蓄电池级的电压，被配置为传送电压信息到所述控制装置(3)。

25.如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，所述蓄电池(A_ij)为锂离子类型。

26.如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，该电池组包含超级电容器（supercapacitor）。

27.一种电池组蓄电池级的充电装置，其特征在于，包含如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统。

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