CN103199576A - 新型电池均衡电路及其调节方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种新型电池均衡电路及其调节方法、以及电池堆叠均衡电路，电池均衡电路包括：电池组，包括N个串联的电池单元；电感，用于储存和释放能量；均衡控制电路，进行控制，以选择N个电池单元中需要均衡调节的电池单元或者电池组，并通过控制电感存储和释放能量，在所选电池单元与电池组或其他电池单元之间或者在所选电池组与电池单元之间转移能量。根据本发明的电池均衡电路可以在电池组和任一电池单元之间转移能量，相比于传统技术中的有源均衡电路，本发明提出的技术方案更灵活，效率也更高。

Description

新型电池均衡电路及其调节方法

本申请是2011年2月21日递交的题为“新型电池均衡电路及其调节方法”专利申请201110042752.0的分案申请。 

技术领域

本发明的实施例涉及电池电源，更具体地，本发明的实施例涉及电池均衡电路及其调节方法。 

背景技术

当今，一个电池组通常包括几个相互串联的电池单元，由于每个电池单元在充电状态、阻抗和温度特性等方面的差异，会造成电池单元之间的不均衡。这种不均衡现象将使得整个电池组的容量减小、寿命缩短。因此，在电池组中需要运用电池均衡电路对其进行调节，以保持电池组的容量，延长电池组的寿命。 

现有技术中常见的电池均衡电路包括无源电阻均衡电路和包含电容、电感或变压器的有源均衡电路。无源电阻均衡电路通过电阻消耗多余的能量，效率低，发热量大。而常见的包含电容、电感或变压器的有源均衡电路由于存在电路复杂，缺乏稳定性等缺陷亦无法为客户所接受。 

图1示出了现有技术中的无源电阻均衡电路10。如图1所示，无源电阻均衡电路10包括和电池并联的旁路电阻器和旁路场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)。在无源电阻均衡电路10中，通过旁路电阻器和旁路FET对电压较高的电池单元放电，从而使得电池组各个电池单元之间的电压可以得到均衡。该技术方案虽然较简单，但它只能调节电压较高的电池单元，且多余的能量只能以热形式被耗散掉，均衡效率低。 

图2示出了现有技术中的包含电容的有源均衡电路20。如图2所 示，在有源均衡电路20中，电容在两个相邻电池单元之间不断切换，以使得电池组中各个电池单元之间的容量可以得到均衡。该技术方案虽然效率较无源电阻均衡高，但在电容充电过程中仍然会耗散掉大量的能量，且能量只能在相邻电池单元之间进行转移。 

图3示出了现有技术中的包含变压器的的有源均衡电路30。如图3所示，在均衡电路30中，能量可以在电池组和电池组中的每个电池单元之间进行转移。该技术方案均衡速度较快，但由于采用了变压器而增加了电路成本和电路尺寸。 

图4示出了现有技术中的包含电感器的有源均衡电路40。如图4所示，均衡电路40以升降压变换器模式进行能量转移。该技术方案中，能量只能在两相邻电池单元之间进行转移，均衡速度较慢，均衡效率不高。 

发明内容

鉴于现有技术中的问题，提出了本发明。 

根据本发明实施例，一种电池均衡电路，包括： 

电池组，包括N个串联的电池单元，其中，N为大于1的整数； 

电感，用于储存和释放能量； 

均衡控制电路，用于进行控制，以选择N个电池单元中需要均衡调节的电池单元，并通过控制电感存储和释放能量，在所选电池单元与电池组或其他电池单元之间转移能量。 

根据本发明实施例，一种电池堆叠均衡电路，包括： 

M个电池均衡电路，其中，M为大于1的整数，每一个电池均衡电路包括： 

电池组，所述电池组包括N个串联的电池单元，其中，N为大于1的整数； 

电感，所述电感用于储存和释放能量；以及 

均衡控制电路，所述均衡控制电路用于进行控制，以选择N个电池单元中需要均衡调节的电池单元，并通过控制电感存储和释放能量，在所选电池单元与电池组或其他电池单元之间转移能 量；以及 

堆叠连接电路，用于依次将M个电池均衡电路中的每个电池均衡电路与其下一电池均衡电路连接 

根据本发明实施例，一种针对包括多个串联电池单元的电池组的电池均衡调节方法，包括： 

选择多个电池单元中需要均衡调节的电池单元； 

利用电感存储均衡调节所需的能量；以及 

释放电感中存储的能量，从而在所选电池单元与电池组或其他电池单元之间转移均衡调节所需的能量。 

附图说明

图1示出了现有技术中的无源电阻均衡电路10。 

图2示出了现有技术中的包含电容的有源均衡电路20。 

图3示出了现有技术中的包含变压器的有源均衡电路30。 

图4示出了现有技术中的包含电感器的有源均衡电路40。 

图5示出依据本发明一个实施例的均衡电路50。 

图6(a)～6(c)示出图5所示均衡电路50将能量由电池单元转移至电池组的工作波形和工作原理电路。 

图7(a)～7(c)示出图5所示均衡电路50将能量由电池组转移至电池单元的工作波形和工作原理电路。 

图8示出依据本发明一个实施例的具有N个电池单元的均衡电路。 

图9示出依据本发明一个实施例的改进的均衡电路90。 

图10示出图9所示均衡电路90的一种具体实施电路100。 

图11示出图9所示均衡电路90的一种改进的具体实施电路110。 

图12(a)～12(c)示出图11所示均衡电路90将能量由电池组转移至电池单元的工作原理电路。 

图13(a)～13(b)示出图11所示均衡电路90将能量由电池单元转移至电池组的工作原理电路。 

图14(a)～14(b)示出图11所示均衡电路90将能量在电池单元之间 转移的工作原理电路。 

图15示出了依据本发明一个实施例的补充充电电路150。 

图16示出了依据本发明一个实施例的改进的补充充电电路160。 

图17(a)～17(b)示出图16所示均衡电路160进行补充充电的工作原理电路。 

图18示出了依据本发明一个实施例的具有堆叠连接电路的均衡电路180。 

图19示出了依据本发明一个实施例的改进的具有堆叠连接电路的均衡电路190。 

图20(a)～20(d)示出了图19所示均衡电路190将能量在分电池组中进行转移的工作原理电路。 

图21示出了依据本发明一个实施例的改进的具有堆叠连接电路的均衡电路210。 

图22(a)～22(d)示出了图21所示均衡电路210将能量在分电池组中进行转移的工作原理电路。 

图23示出了根据本发明一个实施例的电池均衡调节方法230。 

具体实施方式

图5示出依据本发明一个实施例的均衡电路50。如图5所示，均衡电路50包括电池组，均衡控制电路以及电感L1。其中，电池组包括相互串联的电池单元C1～C4。均衡控制电路用于进行控制，以选择需要均衡调节的电池单元或者电池组，并通过控制电感L1存储和释放能量，在所选电池单元与电池组或者所选电池组与电池单元之间转移能量，实现能量均衡。均衡控制电路包括电池单元选择电路和电感能量控制电路，其中，电池单元选择电路用于选择电池单元。电感能量控制电路用于控制电感存储和释放能量。电池单元选择电路包括开关S1～S8；电感能量控制电路包括开关M1～M4以及分别与开关M1～M4对应并联的二极管D(M1)～D(M4)。其中，电池单元选择电路用于选择需要进行均衡调节的电池单元，电感能量控制电路用于在电池组与电池单元之间转移能量，电感L1用于转移过程中能量的储存 和释放。在本实施例中，电池单元选择电路通过使开关S1～S8中对应于需要均衡调节的电池单元的开关导通，并使其他开关关断，来选择该电池单元。电感能量控制电路通过导通和关断开关M1～M4，来控制电感L1存储和释放能量。 

如图5所示，开关S1～S4的第一端子分别耦接至电池单元C1～C4的正极，其第二端子耦接在一起。开关S5～S8的第一端子分别耦接至电池单元C1～C4的负极，其第二端子耦接在一起。开关M1的第一端子以及二极管D(M1)的阴极端耦接至电池单元C1的正极，开关M1的第二端子以及二极管D(M1)的阳极端耦接至电感L1的第二端子。开关M2的第一端子以及二极管D(M2)的阴极端耦接至开关S1～S4的第二端子，开关M2的第二端子以及二极管D(M2)的阳极端耦接至电感L1的第一端子。开关M3的第一端子以及二极管D(M3)的阳极端耦接至开关S5～S8的第二端子，开关M3的第二端子以及二极管D(M3)的阴极端耦接至电感L1的第二端子。开关M4的第一端子以及二极管D(M4)的阳极端耦接至电池单元C4的负极，开关M4的第二端子以及二极管D(M4)的阴极端端耦接至电感L1的第一端子。 

下面将结合附图5和6详细说明均衡电路50的工作原理。 

(1)当能量由电池单元转移至电池组时 

如果某一电池单元的电压高于其它电池单元的电压，则均衡电路50开始工作，将该电池单元的能量转移至电池组。以电池单元C2的电压高于其它电池单元的电压为例。此时，开关S2和S6导通，开关S1、S3、S4以及S5关断，以选择电池单元C2。同时，保持开关M1和M4关断，而开关M2和M3同步地以一固定频率和固定占空比工作，其工作波形如图6(a)所示。 

当开关M2和M3导通时，均衡电路50的工作电路如图6(b)所示。此时，电流从电池单元C2正极流出，流经开关M2，然后再流经电感L1，然后再流经开关M3，最后流回电池单元C2的负极，电感L1开始储能。如图6(a)所示，电感L1上的电流iL1开始增加，设开关M2和M3的工作周期为T，导通占空比为D，电池单元C2的电压为VC2， 则有：

。电感L1的电压VL1等于电池单元C2的电压VC2，即VL1＝VC2。 

当开关M2和M3关断时，均衡电路50的工作电路如图6(c)所示。此时，电感L1开始放电，其电流流经二极管D(M1)后再流经电池组，最后流经二极管D(M4)后回到电感，形成电流回路。如图6(a)所示，电感L1上的电流iL1开始减小，有：

。电感L1上的电压VL1和电池组上的电压VPACK大小相等，方向相反，即VL1＝-VPACK。 

可见，通过利用电池单元C2将电感储能，然后再将电感存储的能量释放到电池组，使得电池单元C2的能量转移至电池组。 

(2)当能量由电池组转移至电池单元时 

如果某一电池单元的电压低于其它电池单元的电压，则均衡电路50开始工作，将电池组的能量转移至该电池单元。以电池单元C2的电压低于其它电池单元的电压为例。此时，开关S2和S6导通，开关S1、S3、S4以及S5关断，以选择电池单元C2。同时，保持开关M2和M3关断而开关M1和M4同步地以一固定频率和固定占空比开始工作，其工作波形如图7(a)所示。 

当M1和M4导通时，如图7(b)所示，电流从电池组正端流向开关M1在流经电感L1，然后流经开关M4，最后流回电池组负端。如图7(a)所示，电感电流iL1增大，有：

。电感L1上的电压VL1等于电池组上的电压VPACK，即VL1＝VPACK。 

当M1和M4关断时，如图7(c)所示，电流从电感流经二极管 D(M2)，然后流经电池单元C2，再流经二极管D(M3)，如图7(a)所示，电感电流iL1减小，有：

。而电感L1上的电压VL1和电池组上的电压单元C2的电压大小相等，方向相反，VL1＝-VC2。 

可见，通过利用电池组将电感储能，然后再将电感存储的能量释放到电池单元C2，使得电池组的能量转移至电池单元C2。 

由上述分析可见，根据本发明实施例的均衡电路可以在电池组和任一电池单元之间转移能量。和传统技术中的有源均衡电路相比，本发明提出的技术方案更灵活，效率也更高。 

上述实施例描述了电池组包括4节电池单元，且第2节电池单元的电压高于或低于其它电池单元的情形，以详细说明本发明提出的均衡电路的工作原理。对于电池组中任意一节电池单元的电压高于或低于其它电池单元的情形，均衡电路50亦以相同方式对其进行调节。另外，本技术领域的普通技术人员应当理解，电池单元的数目不限于上述实施例中的具体示例，而是如图8所示，在其它实施例中，电池组可以包括N个电池单元，其中，N≥2。此时，均衡电路包括2N个开关S(1)～S(2N)、4个开关M(1)～M(4)以及与M(1)～M(4)对应并联的二极管D(M1)～D(M4)，还包括一个电感器L1。 

从图8可以看出，根据本发明实施例的均衡电路包括均衡控制电路以及电池单元选择电路，且均衡控制电路包括多个开关以及与该开关分别对应并联的二极管，电池单元选择电路亦包括多个开关。当电池单元数目较大时，根据本发明实施例的均衡电路结构变得较复杂。另外，利用本发明实施例的均衡电路可以将能量在电池单元与电池组之间进行转移，然而无法将能量直接在电池单元之间进行转移。为了实现能量直接在电池单元之间进行转移，使均衡电路的效率将更高，本发明提出了如下改进的均衡电路。 

图9示出依据本发明一个实施例的改进的均衡电路90。如图9所示，均衡电路90包括6个串联的电池单元C1～C6、14个开关支路S1～S14以及一个电感L1。其中，支路S1～S6的第一端分别耦接至电 池单元C1～C6的正极，支路S7的第一端耦接至电池单元C6的负极，支路S1～S7的第二端耦接在一起并连接至电感L1的第一端。支路S9～S14的第二端分别耦接至电池单元C1～C6的负极，支路S8的第二端耦接至电池单元C1的正极，支路S8～S14的第一端耦接在一起并连接至电感L1的第二端。 

图10示出依据本发明一个实施例的用金属氧化物半导体场效应晶体管(Mental Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)和二极管的串联支路以实现图9所示开关支路的一个具体实施电路100。如图100所示，二极管D1的阳极耦接至MOSFET M1的源极，而D1的阴极对应于图9所示开关S1的第二端且MOSFET M1的漏极对应于开关S1的第一端。类似地，开关支路S2，……，S7分别由二极管D2和MOSFET M2组成的支路，……，二极管D7和MOSFET M7组成的支路实现，此处不再累述。二极管D8的阴极耦接至MOSFETM8的漏极，而D8的阳极对应于图9所示开关S8的第二端且MOSFETM1的源极对应于开关S8的第一端。类似地，开关支路S9，……，S14分别由二极管D9和MOSFET M9组成的支路，……，二极管D14和MOSFET M14组成的支路实现，此处不再累述 

图11示出依据本发明一个实施例的改进的均衡电路110。如图11所示，和图10所示的电路相比，均衡电路110去掉二极管D1及D14，同时还去掉MOSFET M7和M8。均衡电路110同样能够实现图10所示电路100的功能，且用的器件更少，可以有效的节约成本，减小电路尺寸并提高电路效率。本领域技术人员可以理解，均衡电路90、100和110的工作原理实质上是相同的，在此将以图11所示均衡电路110为例，具体介绍根据本发明这种实施例的均衡电路的工作原理。 

均衡电路110能够实现四种均衡模式，包括将能量由电池组转移至电池单元；将能量由电池单元转移至电池组；将能量在电池单元之间转移；以及补充充电。 

一个实施例以电池单元C3的电压低于其它电池单元电压的情形为例，对均衡电路110将能量由电池组转移至电池单元的工作过程作详细介绍。如图12(a)所示，保持MOSFET M4和M10导通，而MOSFET M1和M14同步地以一固定频率和一固定占空比导通和关断，而其余MOSFET保持断开。当MOSFET M1和M14导通时，均衡电路110的工作电路如图12(b)所示。此时，电感L1上的电流iL1开始增加，其电流从电池组的正极流经M1，然后再流经电感L1，然后再流经M14，最后流回电池组的负极。电感L1上的电压VL1等于电池组的电压VPACK，即VL1＝VPACK。当MOSFET M1和M14关断时，均衡电路110的工作电路如图12(c)所示。此时，电感L1上的电流iL1开始减小。电感L1中的电流从电感流经二极管D10后流经电池单元C3，然后再流经二极管D4，最后流回电感L1。电感L1上的电压VL1和电池单元C3的电压VC3大小相等，方向相反，即VL1＝-VC3。可见，经过上述过程，电池组先给电感储能，然后电感再将能量释放至电池单元C3，从而实现能量由电池组到电池单元的转移。 

一个实施例以电池单元C2的电压高于其它电池单元电压的情形为例，对均衡电路110将能量由电池单元转移至电池组的工作过程作详细介绍。在该实施例中，MOSFET M2和M10同步地以一固定频率和一固定占空比导通和关断，而其它MOSFET保持断开。当MOSFETM2和M10导通时，均衡电路110的工作电路如图13(a)所示。此时，电感L1上的电流iL1开始增加。电流由电池单元C2的正极流经开关M2和二极管D2，然后再流经电感L1，然后再流经二极管D10和MOSFET M10，最后流回电池单元C2的负极。电感L1上的电压VL1等于电池单元C2的电压VC2，即VL1＝VC2。当MOSFET M2和M10关断时，均衡电路110的工作电路如图13(b)所示。此时，电感L1上的电流iL1开始减小，电感L1中的电流iL1流经二极管D8然后流经电池组，最后经二极管D7流回电感L1。电感L1上的电压VL1和电池组的电压VPACK大小相等，方向相反，即VL1＝-VPACK。可见，经过上述过程，电池单元C2先给电感充电，然后电感将能量再释放至电池组，实现了能量由电池单元转移到电池组的目的。 

一个实施例以电池单元C2的电压高于其它电池单元电压而电池单元C5的电压低于其它电池单元电压的情形为例，对均衡电路110将能量直接由一个电池单元转移至另一电池单元的工作过程作详细介 绍。如图14(a)所示，MOSFET M2和M10导通，以选择电池单元C2。此时，电感L1上的电流iL1开始增加。电流由电池单元C2的正极流经MOSFET M2和二极管D2，然后再流经电感L1，然后再流经二极管D10和MOSFET M10，最后流回电池单元C2的负极。电感L1上的电压VL1等于电池单元C2的电压VC2，即VL1＝VC2。接下来，如图14(b)所示，MOSFET M2和M10关断，MOSFET M6和M12导通。此时，电感L1上的电流iL1开始减小。电流由电感L1流经二极管D12和MOSFET M12，然后流经电池单元C5，然后再流经MOSFETM6和二极管D6，最后流回电感L1。电感L1上的电压VL1和电池单元C5的电压VC5的大小相等，方向相反，即VL1＝-VC5。可见，经过上述过程，电池单元C2先对电感进行充电，然后电感再将能量释放至电池单元C5，从而实现能量由一个电池单元转移到另一电池单元的目的。 

在一些实际应用中，若在充电阶段可使各电池单元的能量达到均衡，则无需在后续过程中再对电池单元进行均衡调节。为使各个电池单元在充电阶段就已获得均衡，可将各个电池单元分别充电至相同的充满电压，即进行补充充电。利用图10所示的改进的均衡电路100可实现补充充电。如图15所示，在图10所示的均衡电路100中，将电源VC和MOSFET MC串联后再与电感L1并联，便得到补充充电电路150。其中，VC为补充充电电路150的电源；MOSFET MC用于通过电源VC对每个电池单元进行充电；MOSFET与二极管的串联支路用于选择需要进行补充充电的电池单元。 

图16示出根据本发明一个实施例的改进的补充充电电路160。和图15所示的补充冲电路150相比，图16所示的改进的补充充电电路160去掉了M1、M7、M8和M14，还去掉了二极管D1和D14。图16所示的改进的补充充电电路160同样能够实现图15所示补充充电电路的功能，且用的元器件更少，因而节约了成本，减小了电路尺寸且提高了电路工作效率。 

本领域技术人员可以理解，图15和16所示电路的工作原理实质上是相同的，在此将以图16所示电路160为例，具体介绍根据本发明 这种实施例的补充充电电路的工作原理。 

以电池单元C1未达到充电充满电压为例，下面将详细描述补充充电电路160的补充充电过程。此时，M2保持导通以选择电池单元C1，而MC以一固定频率和固定占空比导通和关断，而其余MOSFET保持断开。当MC导通时，补充充电电路160的工作原理如图17(a)所示。此时，电流从电源VC流经电感L1，再流经MOSFET MC，最后回到电源VC，从而对电感L1进行充电。然后，MOSFET MC关断。此时，电流从电感L1流经二极管D8，再流经电池单元C1，然后再流经MOSFET M2以及二极管D2，最后流回电感L1，从而电感L1将能量释放至电池单元C1。可见，经过上述过程，先对电感L1进行储能，然后再将电感L1中的能量释放至电池单元C1，从而实现了对电池单元C1补充充电的目的。 

同样，可以对电池组中其它未达到充满电压的电池单元进行相同的补充充电，以使所有电池单元均达到充满电压，从而实现了在充电阶段使电池组达到均衡的目的。 

综上所述，在上述实施例中，改进后的均衡电路90可以采用MOSFET和二极管进行均衡调节，采用的器件更少，灵活性更高，而且可实现多种均衡调节模式。 

在一些实际应用中，需要将大量的电池单元串联在一起使用。例如，电池单元的数量可以多至100个。而大量的电池单元串联，将会使均衡电路的使用出现困难。首先，由于在均衡电路中仅使用一个电感用于均衡调节，将会使均衡调节的速度降低。另外，采用的MOSFET和二极管需具有较高的额定电压，这将会使得成本增加。例如，假设均衡电路中有24个电池单元串联，每个电池单元的电压为3.8伏特，则最大的额定电压值为(24-1)*3.8＝87.4V。 

由于存在上述问题，本发明对均衡电路提出了一种改进的技术方案，将均衡电路的电池组分成若干个不同的分电池组，并通过堆叠连接的方式将各个分电池组连接起来。 

图18示出了依据本发明一个实施例的具有堆叠连接电路的均衡电路180。如图18所示，该均衡电路180包括图3个图10所示分电 池组P1、P2和P3，MOSFET M(A1)～M(A4)以及二极管D(A1)～D(A4)。其中，M(A1)的源极耦接至二极管D1-(N)的阳极，其漏极耦接至电池单元C(N)的负极；M(A2)的源极耦接至电池单元C(N+1)的正极，其漏极耦接至二极管D2-(N+1)的阴极；M(A3)的源极耦接至二极管D2-(N)的阳极，其漏极耦接至电池单元C(2N)的负极；M(A4)的源极耦接至电池单元C(2N+1)的正极，其漏极耦接至二极管D3-(N+1)的阴极；二极管D(A1)的阳极耦接至分电池组P2的电感L2的第二端子，其阴极耦接至分电池组P1的电池组的正极，用于将能量由分电池组P2转移至分电池组P1；二极管D(A2)的阳极耦接至分电池组P2的电池组的负极，其阴极耦接至电感L1的第一端子，用于将能量由分电池组P1转移至分电池组P2；二极管D(A3)的阳极耦接至分电池组P3的电池组的负极，其阴极耦接至电感L2的第一端子，用于将能量由分电池组P2转移至分电池组P3；二极管D(A4)的阳极耦接至分电池组3的电感L3的第二端子，其阴极耦接至分电池组P2的电池组的正极，用于将能量由分电池组P3转移至分电池组P2。 

图19示出了依据本发明一个实施例的对图18改进了的均衡电路190。和图18所示的均衡电路180相比，图19所示的均衡电路去掉了MOSFET M1-(N+1)、M3-(N)以及二极管D1-1、D1-(2N)、D2-1、D2-(2N)、D3-1和D3-(2N)。改进的均衡电路190同样能够实现均衡电路180的功能，且使用的器件更少，因而电路尺寸更小，成本更低，效率更高。本领域技术人员可以理解，均衡电路180和190的工作原理实质上是相同的，在此将以图19所示均衡电路190为例，具体介绍根据本发明这种实施例的均衡电路的工作原理。 

下面将以分电池组P2中的能量转移至分电池组P1和分电池组P3为例对该均衡电路190的工作原理进行详细说明。 

当分电池组P2将能量转移至分电池组P1时，M2-1保持导通，而M2-(2N)以一固定频率和固定占空比导通和关断，而其余MOSFET保持断开。如图20(a)所示，当M2-(2N)导通时，电流由分电池组P2的正极流经MOSFET M2-1，然后再流经电感L2，然后再流经MOSFETM2-2(N)，最后流回分电池组P2的电池组的负极，从而对电感L2储 能。如图20(b)所示，当M2-(2N)关断时，电流由电感L2流经二极管D(A1)，然后再流经分电池组P1的电池组，然后再流经MOSFET M2-1，最后流回电感L2，从而能量由电感L2释放至分电池组P1的电池组。可见，经过上述过程，能量先存储于电感L2，然后再由电感L2释放至分电池组P1的电池组，实现了能量由分电池组P2至分电池组P1的转移。 

当分电池组P2将能量转移至分电池组P3时，M2-(2N)保持导通，而M2-1以一固定频率和固定占空比导通和关断，而其余MOSFET保持断开。如图20(c)所示，当M2-1导通时，电流由分电池组P2的电池组的正极流经MOSFET M2-1，然后再流经电感L2，然后再流经MOSFET M2-(2N)，最后流回分电池组P2的电池组的负极，从而对电感L2储能。如图20(d)所示，当M2-1关断时，电流由电感L2流经MOSFET M2-(2N)，然后再流经分电池组P3的电池组，然后再流经二极管D(A3)，最后流回电感L2，从而能量由电感L2释放至分电池组P3的电池组。可见，经过上述过程，能量先存储于电感L2，然后再由电感L2释放至分电池组P3的电池组，实现了能量由分电池组P2至分电池组P3的转移。 

上述改进的均衡电路190虽然解决了大量电池单元串联时存在的问题，但在均衡电路190中，对MOSFET的额定电压要求提高。例如，当能量由分电池组P2转移至分电池组P1时，二极管D(A1)导通，图20(b)中B点的电压等于分电池组1正端电压VPACK1+。B点与二极管D2-(N+1)，D2-(N+2)，......，D2-(2N-1)的阳极相连，VPACK1+高于二极管D2-(N+1)，D2-(N+2)，......，D2-(2N-1)的阴极电压。故此时，二极管D2-(N+1)，D2-(N+2)，......，D2-(2N-1)不承受电压应力，MOSFET M(A2)，M2-(N+1)，M2-(N+2)，......，M2-(2N)则承受了较大的电压应力。同理，当能量由分电池组P2转移至分电池组P3时，二极管D(A3)导通，图20(d)中A点的电压等于分电池3的负端电压VPACK3-。A点与二极管D2-2，D2-3，......，D2-(N)的阴极相连，VPACK3-低于二极管D2-2，D2-3，......，D2-(N)的阳极电压。故此时，二极管D2-2，D2-3，......，D2-(N)不承受电压应力，MOSFET M2-1， M2-2，......，M2-(N)，M(A3)承受了较大的电压应力。因此，要求MOSFET的额定电压较高。 

图21示出了依据本发明一个实施例的改进的具有堆叠连接电路的均衡电路210。在均衡电路210中，采用的二极管的额定电压较高，而MOSFET的额定电压较低。由于具有相同额定电压的二极管比MOSFET的价格更低，因此，均衡电路210节约了电路成本。同均衡电路190相比，均衡电路210亦包括3个分电池组P1～P3以及4个二极管D(A1)～D(A4)，以及还包括6个MOSFET M(A1)～M(A6)。其中，MOSFET M(A1)和M(A6)用于释放分电池组P1的能量，M(A3)和M(A2)用于释放分电池组P2的能量，M(A5)和M(A4)用于释放分电池组P3的能量。二极管D(A1)用于将能量由分电池组P2转移至分电池组P1，D(A2)用于将能量由分电池组P3转移至分电池组P2，D(A3)用于将能量由分电池组P1转移至分电池组P2，D(A4)用于将能量由分电池组P2转移至分电池组P3。 

当分电池组P2将能量转移至分电池组P1时，M(A2)保持导通，而M(A3)以一固定频率和固定占空比导通和关断，而其余MOSFET保持断开。如图22(a)所示，当M(A3)导通时，电流从分电池组P2的电池组正端流经MOSFETM(A2)，再流经分电池组P2的电感L2，然后再流经MOSFETM(A3)，最后回到电池组负端，从而对电感L2储能。当M(A3)关断时，如图22(b)所示，电流从电感L2流经二极管D(A1)，再流经分电池组P1的电池组，然后再流经MOSFET M(A2)，最后回到电感L2，从而电感L2将能量释放至分电池组P1。 

当分电池组P2将能量转移至分电池组P3时，M(A3)导通，而M(A2)以一固定频率和固定占空比导通和关断，而其余MOSFET保持断开。如图22(c)所示，当M(A2)导通时，电流从分电池组P2的电池组正端流经MOSFET M(A2)，再流经电感L2，然后再流经MOSFETM(A3)，最后回到电池组负端，从而对电感L2储能。当M(A2)关断时，如图22(d)所示，电流从电感L2流经MOSFET M(A3)，再流经分电池组P3的电池组，然后再流经二极管D(A4)，最后回到电感L2，从而电感L2将能量释放至分电池组P3。 

当能量由分电池组P2转移至分电池组P1，则图22(b)中A点的电压等于分电池组P1正端的电压VPACK1+，而A点与二极管D2-1，D2-2，......，D2-(N)的阴极相连，VPACK1+高于二极管D2-1，D2-2，......，D2-(N)的阳极电压，此时二极管D2-1，D2-2，......，D2-(N))会承受电压应力。而当能量由分电池组P2转移至分电池组P3，则图22(d)中B点的电压等于分电池组P3负端电压VPACK3-，而B点与二极管D2-(N+2)，D2-(N+3)，......，D2-(2N)的阳极相连，VPACK3-低于二极管D2-(N+2)，D2-(N+3)，......，D2-(2N)阴极电压，此时二极管D2-(N+2)，D2-(N+3)，......，D2-(2N)承受电压应力。可见，在均衡电路210中，二极管承受的电压应力较大。而MOSFET中除MOSFET M(A4)、M(A3)、M(A2)以及M(A5)外，其它MOSFET的额定电压值都可以较低。 

由以上实施例可见，采用改进的均衡电路，对电池组的均衡调节可分为两步进行。首先，对每个分电池组中的电池单元进行均衡调节；然后，对每个分电池组进行均衡调节。利用上述均衡调节电路，经过均衡调节的电池单元具有更高的效率而且均衡速度也更快。另外，在具有大量电池单元的电池组的应用中，该均衡电路具有更大的灵活性。 

以上描述了根据本发明实施例的电池均衡电路以及电池堆叠均衡电路。下面参照图23，其示出了一种针对包括多个串联电池单元的电池组的电池均衡调节方法230，包括：在步骤S232，选择多个电池单元中需要均衡调节的电池单元；在步骤S234，利用电感存储均衡调节所需的能量；以及在步骤S236，释放电感中存储的能量，从而在所选电池单元与电池组或其他电池单元之间转移均衡调节所需的能量。 

根据本发明实施例，通过将多个电池单元两侧布置的多个开关支路中与所述电池单元对应的开关支路导通，并使其他开关支路关断，来选择所述电池单元。 

根据本发明实施例，通过与电感的两端电耦接的多个开关的导通和关断，将来自所选电池单元或电池组的需要转移的能量存储到电感中。此外，通过与电感的两端电耦接的多个开关的导通和关断，将电感中存储的能量存转移到电池组或另一电池单元，或者转移到所选电池单元。 

Claims (20)

1.一种电池均衡电路，包括：

电池组，所述电池组包括N个串联的电池单元，其中，N为大于1的整数；

电感，所述电感用于储存和释放能量；

均衡控制电路，所述均衡控制电路用于进行控制，以选择N个电池单元中需要均衡调节的电池单元或者电池组，并通过控制电感存储和释放能量，在所选电池单元与电池组或其他电池单元之间或者在所选电池组与电池单元之间转移能量，

其特征在于，所述均衡控制电路包括两组开关支路，其中，每组开关支路包括N+1条开关支路，且所述均衡控制电路通过使第一组开关支路中的第n条开关支路与第二组开关支路中的第n+1条开关支路导通，并使其他开关支路关断，来选择第n个电池单元，n为大于等于1且小于等于N+1的整数；

其中，所述均衡控制电路通过开关支路的导通和关断，控制电感存储或释放能量，以在所选电池单元与其他电池单元或电池组之间转移能量。

2.如权利要求1所述的电池均衡电路，其特征在于，第一组开关支路中的N+1条支路均具有第一端子和第二端子，其中，第一至第N条开关支路的第一端子对应连接至第一至第N个电池单元的正极，第N+1条开关支路的第一端子对应连接至第N个电池单元的负极，第一至第N+1条开关支路的第二端子连接在一起形成第一公共端；第二组开关支路中的N+1条支路均具有第一端子和第二端子，其中，第二至第N+1条开关支路的第二端子对应连接至第一至第N个电池单元的负极，第一条开关支路的第一端子对应连接至第一电池单元的正极，第一至第N+1条开关支路的第一端子连接在一起形成第二公共端。

3.如权利要求2所述的电池均衡电路，其特征在于，所述第一公共端连接至第一电感的第一端子，第二公共端连接至第二电感的第二端子。

4.如权利要求1所述的电池均衡电路，其特征在于，每条开关支路由金属氧化物场效应晶体管和二极管串联组成。

5.如权利要求1所述的电池均衡电路，其特征在于，还包括与所述电感并联的补充充电电路。

6.如权利要求5所述的电池平衡电路，其特征在于，所述补充充电电路由电源和金属氧化物场效应晶体管串联组成。

7.如权利要求1所述的电池均衡电路，其特征在于，每组开关支路中的第二至第N条开关支路均由金属氧化物场效应晶体管和二极管串联组成；第一组开关支路中的第一条开关支路由金属氧化物场效应晶体管构成，第N+1条开关支路由二极管组成；第二组开关支路中的第一条开关支路由二极管构成，第N+1条开关支路由金属氧化物场效应晶体管组成。

8.如权利要求1所述的电池均衡电路，其特征在于，每组开关支路中的第二至第N条开关支路均由金属氧化物场效应晶体管和二极管串联组成；第一组开关支路中的第一条开关支路被省略，第N+1条开关支路由二极管组成；第二组开关支路中的第一条开关支路由二极管构成，第N+1条开关支路被省略；

所述电池均衡电路还包括与所述电感并联的补充充电电路。

9.一种电池堆叠均衡电路，包括：

M个电池均衡电路，其中，M为大于1的整数，每一个电池均衡电路包括：

电池组，所述电池组包括N个串联的电池单元，其中，N为大于1的整数；

电感，所述电感用于储存和释放能量；以及

均衡控制电路，所述均衡控制电路用于进行控制，以选择N个电池单元中需要均衡调节的电池单元，并通过控制电感存储和释放能量，在所选电池单元与电池组或其他电池单元之间或者在所选电池组与电池单元之间转移能量；以及

堆叠连接电路，用于依次将M个电池均衡电路中的每个电池均衡电路与其下一电池均衡电路连接。

10.如权利要求9所述的电池堆叠均衡电路，其特征在于，所述堆叠连接电路包括2(M-1)个二极管。

11.如权利要求10所述的电池堆叠均衡电路，其特征在于，在每一个电池均衡电路中，

均衡控制电路包括布置在电池组两侧的两组开关支路，每组开关支路包括N条开关支路，第一组开关支路中的N条支路均具有第一端子和第二端子，其中，第一至第N条开关支路的第一端子对应连接至第一至第N个电池单元的正极，第一至第N条开关支路的第二端子连接在一起形成第一公共端；第二组开关支路中的N条支路均具有第一端子和第二端子，其中，第一至第N条开关支路的第二端子对应连接至第一至第N个电池单元的负极，第一至第N条开关支路的第一端子连接在一起形成第二公共端；

电感的第一和第二端子分别耦接至第一公共端和第二公共端。

12.如权利要求11所述的电池堆叠均衡电路，其特征在于，

对于第一至第M-1个电池均衡电路中的每一个，当前电池均衡电路与其下一电池均衡电路均通过两个二极管连接，其中，第一二极管的阳极与所述下一电池均衡电路的电感的第二端子耦接，阴极与该当前电池均衡电路的电池组的正极耦接，第一二极管用于将能量从所述下一电池均衡电路的电池组转移至该当前电池均衡电路的电池组，第二二极管的阳极与所述下一电池均衡电路的电池组的负极耦接，阴极与该当前电池均衡电路的电感的第一端子耦接，第二二极管用于将能量从该当前电池均衡电路的电池组转移至所述下一电池均衡电路的电池组。

13.如权利要求12所述的电池堆叠均衡电路，其特征在于，

通过保持所述下一电池均衡电路的第一组开关支路中第一条开关支路导通，而将第二组开关支路中第N条开关支路以固定频率和固定占空比导通和关断，同时保持其他开关支路均关断，将能量经由第一二极管从所述下一电池均衡电路的电池组转移至该当前电池均衡电路的电池组。

14.如权利要求12所述的电池堆叠均衡电路，其特征在于，

通过保持所述下一电池均衡电路的第二组开关支路中第N条开关支路导通，而将第一组开关支路中第一条开关支路以固定频率和固定占空比导通和关断，同时保持其他开关支路均关断，将能量经由第二二极管从该当前电池均衡电路的电池组转移至所述下一电池均衡电路的电池组。

15.如权利要求11所述的电池堆叠均衡电路，其特征在于，

对于第一至第M-1个电池均衡电路中的每一个，当前电池均衡电路与其下一电池均衡电路均通过两个二极管连接，其中，第一二极管的阳极与所述下一电池均衡电路的电感的第一端子耦接，阴极与该当前电池均衡电路的电池组的正极耦接，第一二极管用于将能量从所述下一电池均衡电路的电池组转移至该当前电池均衡电路的电池组，第二二极管的阳极与所述下一电池均衡电路的电池组的负极耦接，阴极与该当前电池均衡电路的电感的第二端子耦接，第二二极管用于将能量从该当前电池均衡电路的电池组转移至所述下一电池均衡电路的电池组。

16.如权利要求15所述的电池堆叠均衡电路，其特征在于，

通过保持所述下一电池均衡电路的第二组开关支路中第一条开关支路导通，而将第一组开关支路中第N条开关支路以固定频率和固定占空比导通和关断，同时保持其他开关支路均关断，将能量经由第一二极管从所述下一电池均衡电路的电池组转移至该当前电池均衡电路的电池组。

17.如权利要求15所述的电池堆叠均衡电路，其特征在于，

通过保持所述下一电池均衡电路的第一组开关支路中第N条开关支路导通，而将第二组开关支路中第一条开关支路以固定频率和固定占空比导通和关断，同时保持其他开关支路均关断，将能量经由第二二极管从该当前电池均衡电路的电池组转移至所述下一电池均衡电路的电池组。

18.一种针对包括多个串联电池单元的电池组的电池均衡调节方法，包括：

选择多个电池单元中需要均衡调节的电池单元；

利用电感存储均衡调节所需的能量；以及

释放电感中存储的能量，从而在所选电池单元与电池组或其他电池单元之间或者在所选电池组与电池单元之间转移均衡调节所需的能量。

19.如权利要求18所述的电池均衡调节方法，其中，选择电池单元包括：

通过将多个电池单元两侧布置的多个开关支路中与所述电池单元对应的开关支路导通，并使其他开关支路关断，来选择所述电池单元。

20.如权利要求18所述的电池均衡调节方法，其中，利用电感存储能量包括：

通过与电感的两端电耦接的多个开关的导通和关断，将来自所选电池单元或电池组的需要转移的能量存储到电感中；

其中，释放电感中存储的能量包括：通过与电感的两端电耦接的多个开关的导通和关断，将电感中存储的能量存转移到电池组或另一电池单元，或者转移到所选电池单元。

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