CN107438933A - 电池堆平衡设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于在平衡时允许快速电力传输而不浪费电力的平衡设备。根据本发明的一个方面的、平衡包括串联连接的多个电池模块的电池堆的电池堆平衡设备包括：包括第一电容器和串联连接到第一电容器的第一电感器的串联谐振电路；包括第二电感器和串联连接到第二电感器并且选择性地接通或者关断的极性改变开关并且被并联连接到第一电容器的极性改变电路；具有分别地并且电连接到分别地在电池堆的低电位端处、在电池堆的高电位端处和在串联连接的多个电池模块之间形成的多个节点的一端并且具有连接到串联谐振电路的另一端的多条传输线；分别地安设在该多条传输线上并且选择性地接通或者关断的多个传输开关；和用于控制该多个传输开关和极性改变开关的控制单元。

Description

电池堆平衡设备
技术领域
本公开涉及一种电池平衡技术，并且更加具体地涉及一种用于通过使用谐振电路平衡包括两个或者更多电池模块的电池堆的设备。
本申请要求在大韩民国于2015年7月23日提交的韩国专利申请No.10-2015-0104539的优先权，其公开在此通过引用并入。
背景技术
具有诸如产品易适用性和高能量密度的电气特性的二次电池广泛地不仅用在便携式装置中而且还用在使用电力源驱动的电动车辆(EV)或者混合动力车辆(HV)中。
二次电池可以大大地减少化石燃料的使用、在使用能量之后不生产任何副产品，并且因此被视为一种能够增加能量效率的新型环境友好的能源。
在电动车辆等中使用的电池组典型地包括相互串联和/或并联连接的多个电池单体。电池单体包括正集电器、负集电器、分离器、活性材料、电解质等。并且由于在其部件之间的电化学反应是可再充电的。
电池组通常包括配置为控制供电、测量电气特性值诸如电流和电压、控制充电/放电、控制电压均衡、估计荷电状态(SOC)、估计健康状态(SOH)等的电池管理系统(BMS)。
由于各种原因，在电池组中包括的电池单体可能存在性能偏差。电池单体的性能偏差在电池单体之间引起电压失衡。
当使用存在电压失衡的电池组时，电池组的性能取决于劣化的电池单体并且因此整体上降低。另外，因为劣化的电池单体的劣化随着时间经过被加速，所以当劣化的电池单体被忽视时，电池组的寿命快速地缩短。
作为能够解决以上问题的传统技术，已经通过将电阻器选择性地连接到电池单体的两端并且对电池单体放电而执行了无源平衡，并且已经通过经由电容器向具有低电压的电池单体传输具有高电压的电池单体的电力而执行了有源平衡。
然而，传统的无源平衡技术通过使用用于平衡的电阻器而消耗电力并且因此浪费电力，并且使用电容器的、传统的有源平衡技术应该反复地执行开关操作以在电池单体和电容器之间产生电压差并且因此要求大量的时间用于平衡。
发明内容
技术问题
本公开被设计用于解决相关技术的问题，并且因此本公开涉及提供一种能够执行平衡而不浪费电力并且能够快速地传输电力的平衡设备。
本公开的这些和其它目的与优点可以根据以下详细说明得到理解并且将从本公开的示例性实施例变得更加充分地显而易见。而且，将易于理解本公开的目的和优点可以利用所附权利要求及其组合所示装置实现。
技术方案
在本公开的一个方面，提供一种用于平衡包括相互串联连接的多个电池模块的电池堆的电池堆平衡设备，该设备包括：包括第一电容器和串联连接到第一电容器的第一电感器的串联谐振电路；包括第二电感器和串联连接到第二电感器从而选择性地接通或者关断的极性改变开关并且并联连接到第一电容器的极性改变电路；具有分别地电连接到在电池堆的低电位端处、在电池堆的高电位端处和在相互串联连接的该多个电池模块之间设置的多个节点的一端和连接到串联谐振电路的另一端的多条传输线；设置在该多条传输线上从而选择性地接通或者关断的多个传输开关；和被配置为控制该多个传输开关和极性改变开关的控制单元。
该多条传输线的另一端可以交替地连接到串联谐振电路的一端和另一端。
控制单元可以以如此方式控制该多个传输开关：使得根据串联谐振电路的谐振周期的半周期执行零电流开关或者零电压开关。
控制单元可以以如此方式控制极性改变开关：使得当极性改变开关被接通时，根据由第一电容器和第二电感器形成的并联谐振电路的谐振周期的半周期执行零电流开关或者零电压开关。
控制单元可以通过比较用于向串联谐振电路供应电力的至少一个电池模块的电压的极性与在第一电容器中充注的电压的极性，而控制极性改变开关和该多个传输开关。
当用于向串联谐振电路供应电力的该至少一个电池模块的电压的极性等于在第一电容器中充注的电压的极性时，控制单元可以控制极性改变开关被接通并且控制所有的多个传输开关被关断。
控制单元可以通过比较用于接收从串联谐振电路供应的电力的至少一个电池模块的电压的极性与在第一电容器中充注的电压的极性，而控制极性改变开关和该多个传输开关。
当用于接收从串联谐振电路供应的电力的至少一个电池模块的电压的极性等于在第一电容器中充注的电压的极性时，控制单元可以控制极性改变开关被关断、控制连接到用于接收从串联谐振电路供应的电力的至少一个电池模块的两端的两个传输开关被接通，并且控制除了该两个传输开关之外的传输开关被关断。
当用于接收从串联谐振电路供应的电力的该至少一个电池模块的电压的极性不同于在第一电容器中充注的电压的极性时，控制单元可以控制极性改变开关被接通并且控制所有的多个传输开关被关断。
每一个电池模块可以是单元电池单体或者两个或更多个电池单体的组合。
在本公开的另一个方面，还提供一种包括上述电池堆平衡设备的电池组。
在本公开的另一个方面，还提供一种包括上述电池堆平衡设备的电动车辆。
有益效果
根据本公开，因为使用串联谐振电路执行平衡，并且在串联谐振电路的谐振周期的半周期执行零电压或者零电流开关，所以在电池单体和谐振电路之间的电压差可以最大化并且因此平衡可以被有效率地并且快速地执行。
进而，根据本公开，因为使用了并联连接到串联谐振电路的第一电容器的极性改变电路，所以传输线和传输开关的数量可以减小。
另外，根据本公开，通过接通极性改变电路的极性改变开关，并联谐振电路可以由第一电容器和第二电感器形成，并且由于并联谐振电路的谐振，平衡可以被更加有效率地执行。
本公开还可以具有各种其它效果，并且本公开的这些和其它效果可以根据以下详细说明得到理解并且将从本公开的示例性实施例变得更加充分地显而易见。
附图说明
附图示意本公开的优选实施例并且与前面的公开一起地用于提供本公开的技术特征的进一步的理解，并且因此本公开不被理解为限制于绘图。
图1是示出根据本公开的实施例的电池堆平衡设备被连接到电池堆的电路图。
图2是示出邻近于第一电池模块的传输开关在时刻t0接通的电路图。
图3是基于时间示出第一电容器的电压的曲线图。
图4是示出在当已经从t0流逝串联谐振电路的谐振周期的半周期的时刻邻近于第一电池模块的传输开关关断并且邻近于第三电池模块的传输开关接通的电路图。
图5是基于时间示出第一电容器的电压的曲线图。
图6是示出在当已经从t0流逝串联谐振电路的谐振周期的半周期的时刻所有的传输开关被关断并且极性改变开关被接通的电路图。
图7是基于时间示出第一电容器的电压的曲线图。
图8是示出在当已经从t1流逝并联谐振电路的谐振周期的半周期的时刻极性改变开关关断并且邻近于第二电池模块的传输开关接通的电路图。
图9是基于时间示出第一电容器的电压的曲线图。
图10是示出在第一电容器的电压的极性改变之前的状态的电路图。
图11是示出在第一电容器的电压的极性改变之后的状态的电路图。
图12是基于时间示出第一电容器的电压的曲线图。
图13是示出在第一电容器的电压的极性改变之前的状态的电路图。
图14是示出在第一电容器的电压的极性改变之后的状态的电路图。
图15是基于时间示出第一电容器的电压的曲线图。
图16是示出根据本公开另一个实施例的电池堆平衡设备被连接到电池堆的电路图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选实施例。在描述之前，应该理解在说明书和所附权利要求中使用的术语不应该被理解为限制于通常的和词典的含义，而是基于本发明人被允许为了最好的解释而适当地定义术语的原则基于对应于本公开的技术方面的含义和概念解释的。
因此，在这里给出的说明只是仅仅为了示意的优选示例，而非旨在限制本公开的范围，从而应该理解，能够在不偏离本公开的范围的情况下对此实现其它的等同和修改。
在本公开的以下说明中，当它可能使得本公开的主题不清楚时，在这里结合的已知功能和配置的详细说明将被省略。
贯穿本说明书地，将会理解术语“包括”指定存在所陈述的部件但是并不排除存在或者添加一个或者多个其它部件，除非上下文清楚地另有示意。在这里使用的术语诸如“控制单元”指的是可以作为硬件、软件或者硬件和软件组合实现的、处理至少一个功能或者操作的单元。
将进一步理解，当提到一个部件被“连接到”另一个部件时，它能够直接地连接到该另一部件，或者还可以存在居间的部件。
图1是示出根据本公开的实施例的电池堆平衡设备100被连接到电池堆10的电路图。
参考图1，电池堆10包括多个电池模块20。电池堆10是电池模块20的组合。在这里，电池模块20可以相互串联连接。虽然图1的实施例示出三个电池模块20，但是电池模块20的数量不限于此。
电池模块20包括电池单体。每一个电池模块20是单元电池单体30或者两个或更多个电池单体30的组合。在此情形中，电池单体30可以相互串联、并联、或者串联和并联连接。虽然图1的实施例示出电池模块20包括两个相互串联连接的电池单体30，但是电池单体30的数量和连接类型不限于此。
回过来参考图1，电池堆平衡设备100包括串联谐振电路110、极性改变电路120、多条传输线131、132、133和134、多个传输开关141、142、143和144，和控制单元(未示出)。
串联谐振电路110可以包括相互串联连接的电容器和电感器。在本说明书中，在串联谐振电路110中包括的电容器称作第一电容器111，并且在串联谐振电路110中包括的电感器称作第一电感器112。可以考虑到将用于充电的电力、谐振周期等地确定第一电容器111的适当电容和第一电感器112的适当电感。
极性改变电路120可以并联连接到第一电容器111。极性改变电路120包括电感器和开关。在本说明书中，在极性改变电路120中包括的电感器称作第二电感器121，并且在极性改变电路120中包括的开关称作极性改变开关122。可以基于将在下面描述的控制单元的控制信号选择性地接通或者关断极性改变开关122。极性改变开关122可以被实现为各种开关装置中的一个。根据实施例，极性改变开关122可以被实现为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。极性改变开关122可以被串联连接到第二电感器121。当极性改变开关122接通时，第二电感器121被并联连接到第一电容器111。即，当极性改变开关122接通时，第二电感器121和第一电容器111可以配置并联谐振电路。相反，当极性改变开关122关断时，在第二电感器121和第一电容器111之间的并联连接被释放。可以考虑到谐振周期等地确定第一电容器111的适当电容和第二电感器121的适当电感。期望地，第二电感器121的电感可以被设定为比第一电感器112的电感更小的值以为并联谐振电路设定比串联谐振电路110的谐振周期更短的谐振周期。
传输线131、132、133和134将设置在电池堆10上的多个节点N1、N2、N3和N4电连接到串联谐振电路110。在这里，设置在电池堆10上的节点N1、N2、N3和N4指的是设置在电池堆10的两端处的两个节点N1和N4，和设置在电池模块20之间的节点N2和N3。换言之，设置在电池堆10上的节点N1、N2、N3和N4指的是设置在电池堆10的低电位端处的节点N1、设置在电池堆10的高电位端处的节点N4，和每一个设置在两个相邻的电池模块20之间的节点N2和N3。传输线131、132、133和134的一端电连接到节点N1，N2，N3和N4。传输线131、132、133和134的另一端电连接到串联谐振电路110。换言之，任何一条传输线的一端连接到设置在电池堆10上的任何一个节点，并且传输线的另一端连接到串联谐振电路110。
在此情形中，每一条传输线的另一端均连接到串联谐振电路110的一端或者另一端。相应地，任何一个电池模块20可以通过连接到电池模块20的两端的传输线电连接到串联谐振电路110。期望地，传输线131、132、133和134的另一端可以交替地连接到串联谐振电路110的一端和另一端。即，如在图1中所示，连接到节点N1、N2、N3和N4的传输线131、132、133和134的另一端可以沿着从高电位节点到低电位节点的方向或者沿着从低电位节点到高电位节点的方向交替地连接到串联谐振电路110的一端和另一端。
在传输线131、132、133和134每一条上可以设置至少一个开关。在本说明书中，设置在传输线131、132、133和134上的开关分别地称作传输开关141、142、143和144。
即，传输开关141、142、143和144可以被设置在该多条传输线131、132、133和134上。传输开关141、142、143和144每一个可以被实现为各种开关装置中的一个。根据实施例，传输开关141、142、143和144可以被实现为MOSFET。可以基于将在下面描述的控制单元的控制信号选择性地接通或者关断传输开关141、142、143和144。以如此方式选择性地接通和关断传输开关141、142、143和144，使得至少一个电池模块20通过至少两条传输线电连接到串联谐振电路110。
控制单元可以控制极性改变开关122和传输开关141、142、143和144。控制单元可以通信连接到极性改变开关122和传输开关141、142、143和144并且可以通过向其传输控制信号而控制开关操作。根据实施例，极性改变开关122和传输开关141、142、143和144可以被实现为MOSFET，并且控制单元可以通过选择性地向MOSFET的栅极端施加电压而控制极性改变开关122和传输开关141、142、143和144。
现在将参考图2等描述根据本公开的实施例的电池堆平衡设备100的平衡操作。
为了解释方便起见，该三个电池模块20被称作第一电池模块21、第二电池模块22，和第三电池模块23。如在图2中所示，第一到第三电池模块21、22和23的电压由V1、V2和V3表示，并且V1、V2和V3全部具有正值。另外，第一电容器111的电压由Vc表示。不像V1、V2和V3，第一电容器111的电压Vc可以具有负值。V1、V2、V3和Vc的值基于时间改变。
现在将描述向串联谐振电路110传输存储在第一电池模块21中的电力的过程。
图2是示出邻近于第一电池模块21的传输开关141和142在时刻t0接通的电路图，并且图3是基于时间示出第一电容器111的电压的曲线图。换言之，图3是示出在时刻t0在由控制单元形成的电路中的第一电容器111的电压的曲线图。
参考图2，为了向串联谐振电路110传输存储在第一电池模块21中的电力，控制单元在时刻t0接通邻近于第一电池模块21的传输开关141和142，关断其它传输开关143和144，并且关断极性改变开关122。换言之，控制单元接通连接到第一电池模块21的两端的两个传输开关141和142，关断除了该两个传输开关141和142之外的传输开关143和144，并且关断极性改变开关122。
结果，在图2中示意的电路得以配置，并且因此由第一电池模块21、传输线132、串联谐振电路110和传输线131产生闭合路径。由于LC串联谐振，存储在第一电池模块21中的电力被传输到串联谐振电路110。假设当在图2中示意的电路形成时在任意时刻t0初始能量不被存储在电容器和电感器中，在t0之后第一电容器111的电压被表达为在图3的曲线图中所示。即，其中电容器、电感器和电压源相互串联连接的串联谐振电路110中的第一电容器111的电压基于如在图3中所示谐振周期振荡。在此情形中，在第一电容器111中充注的电压在串联谐振电路110的谐振周期的半周期处具有最大值。换言之，在时刻t0+Ts/2、t0+Ts+Ts/2、t0+2*Ts+Ts/2、t0+3*Ts+Ts/2等在第一电容器111中充注的电压具有最大值2*V1i，其是用作电压源的第一电池模块21的初始电压V1i的大小的两倍。第一电池模块21的初始电压V1i可以是对应于第一电池模块21在时刻t0的电压的V1(t0)。
控制单元可以以如此方式控制传输开关141、142、143和144和极性改变开关122，使得根据串联谐振电路110的谐振周期的半周期执行零电压开关或者零电流开关。期望地，控制单元可以通过控制在当已经从开始充电时的时刻t0流逝谐振周期的半周期时在最早时刻t0+Ts/2接通或者关断传输开关141、142、143和144和极性改变开关122而执行零电压开关。
现在将描述向第三电池模块23传输由串联谐振电路110从第一电池模块21接收的电力的过程。
图4是示出当串联谐振电路110的谐振周期的半周期已经从t0流逝时在时刻t0+Ts/2邻近于第一电池模块21的传输开关141和142关断并且邻近于第三电池模块23的传输开关143和144接通的电路图，并且图5是基于时间示出第一电容器111的电压的曲线图。换言之，图4是示出控制单元在图2的电路形成之后在已经流逝串联谐振电路110的谐振周期的半周期时在时刻t0+Ts/2执行零电压开关的电路图，并且图5是示出该电路中的第一电容器111的电压随着时间经过由于控制单元的开关控制而改变的曲线图。
回过来参考图3，在充电完成时的时刻t0+Ts/2，在串联谐振电路110的第一电容器111中充注了电压2*V1i，这是第一电池模块21的电压的大小的两倍。连接到串联谐振电路110以接收从那里供应的电力的第三电池模块23的电压的极性等于第一电容器111的电压的极性。具体地，假设串联谐振电路110电连接到第三电池模块23，则第三电池模块23的电压的极性等于第一电容器111的电压的极性。即，假设串联谐振电路110电连接到第三电池模块23，第三电池模块23的高电位端连接到第一电容器111的高电位端，并且第三电池模块23的低电位端连接到第一电容器111的低电位端(见图1，等)。
因为用于接收从串联谐振电路110供应的电力的第三电池模块23的电压的极性等于第一电容器111的电压的极性并且在第一电容器111中充注的电压大约是第三电池模块23的电压的大小的两倍，所以虽然串联谐振电路110无任何改变地连接到第三电池模块23，但是电力可以自然地被从串联谐振电路110传输到第三电池模块23。
相应地，控制单元控制存储在串联谐振电路110中的电力被供应到第三电池模块23而不改变在第一电容器111中充注的电压的极性。即，如在图4中所示，控制单元控制连接到第三电池模块23的两端的两个传输开关143和144被接通，控制除了该两个传输开关143和144之外的传输开关141和142被关断，并且控制极性改变开关122被关断。
结果，存储在串联谐振电路110中的电力可以被传输到第三电池模块23。如在图3中所示，第一电容器111在时刻t0+Ts/2的电压是第一电池模块21的初始电压V1i的大小的两倍，即，2*V1i。2*Vli用作在时刻t0+Ts/2形成的电路中的第一电容器111的初始电压值(见图4)。因此，当存储在串联谐振电路110中的电力被传输到第三电池模块23时，第一电容器111的电压如在图5中所示改变。在图5中，在从t0+Ts/2到t0+Ts的时段期间，存储在串联谐振电路110中的电力被传输到第三电池模块23。
现在将描述向第二电池模块22传输由串联谐振电路110从第一电池模块21接收的电力的过程。
图6是示出在当已经从t0流逝串联谐振电路110的谐振周期的半周期时的时刻t0+Ts/2所有的传输开关141、142、143和144均被关断并且极性改变开关122被接通的电路图，并且图7是基于时间示出第一电容器111的电压的曲线图。换言之，图6是示出在当在图2的电路形成之后已经流逝串联谐振电路110的谐振周期的半周期时的时刻t0+Ts/2控制单元执行零电压开关的电路图，并且图7是示出该电路中的第一电容器111的电压随着时间经过由于控制单元的开关控制而改变的曲线图。
回过来参考图3，在当充电完成时的时刻t0+Ts/2，在串联谐振电路110的第一电容器111中充注了是第一电池模块21的初始电压的大小的两倍的电压2*V1i。连接到串联谐振电路110以接收从那里供应的电力的第二电池模块22的电压的极性当前地不同于第一电容器111的电压的极性。具体地，假设串联谐振电路110电连接到第二电池模块22，第二电池模块22的电压的极性不同于第一电容器111的电压的极性。即，假设串联谐振电路110电连接到第二电池模块22，第二电池模块22的高电位端连接到第一电容器111的低电位端，并且第二电池模块22的低电位端连接到第一电容器111的高电位端(见图1等)。第一电容器111的电压的极性不同于第二电池模块22的电压的极性的原因是因为传输线131、132、133和134被交替地连接到串联谐振电路110。
因为用于接收从串联谐振电路110供应的电力的第二电池模块22的电压的极性不同于第一电容器111的电压的极性，所以当串联谐振电路110无任何改变地连接到第二电池模块22时，电力可能不同于平衡过程的意图地被从第二电池模块22传输到串联谐振电路110。因此，在第一电容器111中充注的电压的极性需要被改变以向第二电池模块22传输存储在串联谐振电路110中的电力。
相应地，替代将串联谐振电路110直接地连接到第二电池模块22地，控制单元控制在第一电容器111中充注的电压的极性通过使用极性改变电路120而被改变并且然后控制串联谐振电路110被连接到第二电池模块22。
即，如在图6中所示，控制单元控制极性改变开关122被接通，并且控制所有的传输开关141、142、143和144被关断。换言之，控制单元通过在当充电完成时的时刻t0+Ts/2接通极性改变开关122并且关断所有的传输开关141、142、143和144而使用极性改变电路120的第一电容器111和第二电感器121产生谐振电路。如在图3中所示，第一电容器111在时刻t0+Ts/2的电压是第一电池模块21的初始电压V1i的大小的两倍，即2*V1i。2*Vli用作在时刻t0+Ts/2形成的电路中的第一电容器111的初始电压值(见图6)。即，如在图6中所示，在并联谐振电路由第一电容器111和第二电感器121形成的时刻存储在第一电容器111中的电压是2*Vli。
由第一电容器111和第二电感器121形成的并联谐振电路以并联谐振电路的谐振周期反复地振荡。因为诸如电池模块的电源不连接到并联谐振电路，所以如在图7中所示，第一电容器111的电压的极性随着时间经过改变。即，第一电容器111的电压的极性在谐振周期的每一个半周期处改变。
与第一电容器111在当并联谐振电路形成时的时刻t1＝t0+Ts/2的电压的极性相比较，根据并联谐振电路的谐振周期的半周期，第一电容器111具有相反的极性。换言之，第一电容器111在时刻t1+Tp/2、t1+Tp+Tp/2、t1+2*Tp+Tp/2、t1+3*Tp+Tp/2等的电压的极性与当并联谐振电路形成时第一电容器111的电压的极性相反。相应地，控制单元可以以如此方式控制传输开关141、142、143和144和极性改变开关122，使得根据并联谐振电路的谐振周期的半周期执行零电压开关或者零电流开关。期望地，控制单元可以通过控制传输开关141、142、143和144和极性改变开关122在当从并联谐振电路形成时的时刻t1已经流逝谐振周期的半周期时的最早时刻t1+Tp/2向第二电池模块22传输存储在串联谐振电路110中的电力而执行零电压开关。
图8是示出在当从t1已经流逝并联谐振电路的谐振周期的半周期时的时刻t1+Tp/2极性改变开关122被关断并且邻近于第二电池模块22的传输开关142和143被接通的电路图，并且图9是基于时间示出第一电容器111的电压的曲线图。
在当从当并联谐振电路形成时的时刻t1已经流逝并联谐振电路的谐振周期的半周期时的时刻t1+Tp/2，如在图8中所示，控制单元以如此方式控制极性改变开关122被关断、控制连接到第二电池模块22的两端的两个传输开关142和143被接通、并且控制除了该两个传输开关142和143之外的传输开关141和144被关断，使得在串联谐振电路110被连接到第二电池模块22之前，第一电容器111的电压的极性改变。因为第一电容器111的电压的极性改变，所以第一电容器111在时刻t1+Tp/2的电压是-2*V1i。-2*Vli是当串联谐振电路110被连接到第二电池模块22时在第一电容器111中充注的电压值。
因为第一电容器111的电压的极性改变，所以存储在串联谐振电路110中的电力可以被传输到第二电池模块22。即，串联谐振电路110可以对第二电池模块22充电。在图9中示出当存储在串联谐振电路110中的电力被传输到第二电池模块22时第一电容器111的电压的改变。具体地，在从图9中的t1+Tp/2到t1+Tp/2+Ts/2的周期期间存储在串联谐振电路110中的电力被传输到第二电池模块22。
现在将描述用于解决由于在平衡过程中电荷保留在第一电容器111中因此第一电容器111未被有效率地充电的问题的操作。
回过来参考图5和9，示出了因为当电力被从串联谐振电路110传输到电池模块时某些电荷保留在第一电容器111中，所以在图5的时刻t0+Ts第一电容器111的电压不为零并且在图9的时刻t1+Tp/2+Ts/2第一电容器111的电压不为零。如上所述，当电荷保留在第一电容器111中时，因为第一电容器111具有充电电压，所以电力可能未被适当地从电池模块传输到第一电容器111。
现在将描述在图5的时刻t0+Ts之后的操作。
在时刻t0+Ts第一电容器111的电压是Va。如在图5中所示，Va是大于零的值。在这种状态中，当为了平衡过程串联谐振电路110应该被连接到第一或者第三电池模块21或者23时，因为第一或者第三电池模块21或者23的电压的极性等于第一电容器111的电压极性，所以由于保留在第一电容器111中的电荷，电力可能未被适当地传输。具体地，假设串联谐振电路110电连接到第一或者第三电池模块21或者23，因为第一或者第三电池模块21或者23的电压的极性等于第一电容器111的电压的极性，所以电力可能未被适当地从第一或者第三电池模块21或者23传输到串联谐振电路110。换言之，在第一电容器111中充注的电压可以干扰从其极性等于第一电容器111的极性的第一或者第三电池模块21或者23的电力传输。在此情形中，控制单元控制极性改变开关122和传输开关141、142、143和144以如此方式改变第一电容器111的电压的极性，使得电力被适当地从第一或者第三电池模块21或者23传输到串联谐振电路110。
图10是示出在第一电容器111的电压的极性改变之前的状态的电路图，图11是示出在第一电容器111的电压的极性改变之后的状态的电路图，并且图12是基于时间示出第一电容器111的电压的曲线图。
在时刻t0+Ts，如在图10中所示，控制单元控制极性改变开关122被接通并且控制所有的传输开关141、142、143和144被关断。因为如在图5中所示在时刻t0+Ts第一电容器111的电压是Va，所以通过维持上述开关状态直至时刻t0+Ts+Tp/2，控制单元控制第一电容器111的电压在时刻t0+Ts+Tp/2为-Va。即，控制单元以如此方式改变第一电容器111的电压的极性，使得第一电容器111的电压从Va改变成-Va。另外，控制单元以如此方式控制极性改变开关122和传输开关141、142、143和144，使得在时刻t0+Ts+Tp/2串联谐振电路110连接到第一或者第三电池模块21或者23。例如，为了向串联谐振电路110传输存储在第三电池模块23中的电力，如在图11中所示，控制单元在时刻t0+Ts+Tp/2控制连接到第三电池模块23的两端的两个传输开关143和144被接通，控制除了该两个传输开关143和144之外的传输开关141和142被关断，并且控制极性改变开关122被关断。如在图11中所示，因为第一电容器111的电压在时刻t0+Ts+Tp/2被极性改变成-Va，所以在t0+Ts+Tp/2之后，电力可以被从串联谐振电路110传输到第三电池模块23。在图12的t0+Ts之后的周期中示出在以上过程期间、即在改变第一电容器111的极性的过程和接收从第三电池模块23传输的电力的过程期间的第一电容器111的电压的改变。
当为了平衡过程串联谐振电路110应该被连接到第二电池模块22时，虽然电荷保留在第一电容器111中，因为第二电池模块22的电压的极性不同于第一电容器111的电压的极性，所以电力仍然可以被适当地传输到第二电池模块22和被从那里传输。具体地，假设串联谐振电路110电连接到第二电池模块22，因为第二电池模块22的电压的极性不同于第一电容器111的电压的极性，所以电力可以被适当地从第二电池模块22传输到串联谐振电路110。换言之，当第一电容器111的电压的极性不同于期望向第一电容器111传输电力的第二电池模块22的电压的极性时，在第一电容器111中充注的电压不干扰从第二电池模块22的电力传输。在此情形中，控制单元控制极性改变开关122和传输开关141、142、143和144以直接地将串联谐振电路110连接到第二电池模块22而不改变第一电容器111的极性。
现在将描述在图9的时刻t1+Tp/2+Ts/2之后的操作。
在时刻t1+Tp/2+Ts/2，第一电容器111的电压是-Vb。如在图9中所示，-Vb是小于零的值。在这种状态中，当为了平衡过程串联谐振电路110应该被连接到第二电池模块22时，因为第二电池模块22的电压的极性等于第一电容器111的电压的极性，所以由于电荷保留在第一电容器111中，电力可能不被适当地传输。具体地，假设串联谐振电路110电连接到第二电池模块22，因为第二电池模块22的电压的极性等于第一电容器111的电压的极性，所以电力可能不被适当地从第二电池模块22传输到串联谐振电路110。在此情形中，控制单元控制极性改变开关122和传输开关141、142、143和144以如此方式改变第一电容器111的电压的极性，使得电力被适当地从第二电池模块22传输到串联谐振电路110。
图13是示出在第一电容器111的电压的极性改变之前的状态的电路图，图14是示出在第一电容器111的电压的极性改变之后的状态的电路图，并且图15是基于时间示出第一电容器111的电压的曲线图。
在时刻t1+Tp/2+Ts/2，如在图13中所示，控制单元控制极性改变开关122被接通并且控制所有的传输开关141、142、143和144被关断。因为如在图13中所示，在时刻t1+Tp/2+Ts/2第一电容器111的电压是-Vb，所以通过维持上述开关状态直至时刻t1+Tp/2+Ts/2+Tp/2(＝t1+Tp+Ts/2)，控制单元控制第一电容器111的电压在时刻t1+Tp+Ts/2为Vb。即，控制单元以如此方式改变第一电容器111的电压的极性，使得第一电容器111的电压被从-Vb改变成Vb。另外，控制单元以如此方式控制极性改变开关122和传输开关141、142、143和144，使得在时刻t1+Tp+Ts/2串联谐振电路110被连接到第二电池模块22。即，如在图14中所示，控制单元在时刻t1+Tp+Ts/2控制连接到第二电池模块22的两端的两个传输开关142和143被接通，控制除了该两个传输开关142和143之外的传输开关141和144被关断，并且控制极性改变开关122被关断。如在图14中所示，因为第一电容器111的电压在时刻t1+Tp+Ts/2被极性改变成Vb，所以在t1+Tp+Ts/2之后电力可以被从串联谐振电路110传输到第二电池模块22。在图15的t1+Tp/2+Ts/2之后的周期中示出在以上过程期间、即在改变第一电容器111的极性的过程和接收从第二电池模块22传输的电力的过程期间第一电容器111的电压的改变。
当为了平衡过程串联谐振电路110应该被连接到第一或者第三电池模块21或者23时，虽然电荷保留在第一电容器111中，因为第一和第三电池模块21和23的电压的极性不同于第一电容器111的电压的极性，所以电力仍然可以被适当地传输到第一或者第三电池模块21或者23和被从那里传输。具体地，假设串联谐振电路110电连接到第一和第三电池模块21和23每一个，因为第一电池模块21的电压的极性不同于第一电容器111的电压的极性并且第三电池模块23的电压的极性不同于第一电容器111的电压的极性，所以电力可以被适当地从第一或者第三电池模块21或者23传输到串联谐振电路110而不改变第一电容器111的极性。在此情形中，控制单元控制极性改变开关122和传输开关141、142、143和144将串联谐振电路110直接地连接到第一或者第三电池模块21或者23而不改变第一电容器111的极性。
虽然在以上说明中使用三个电池模块，但是根据本公开的实施例的电池堆平衡设备100不受电池模块的数量限制。即，以上说明可以被同样地应用于更多的电池模块。虽然电池模块的数量增加，但是基于在本说明书中公开的说明，本领域普通技术人员将易于实现电池堆平衡设备100。
另外，虽然在以上说明中电力是在串联谐振电路110和单一电池模块之间传输的，但是根据本公开的实施例的电池堆平衡设备100不限于此。即，在上述示例中，由于在奇数个相邻的电池模块和串联谐振电路110之间的电连接，电力可以被传输到或者被从串联谐振电路110传输。例如，假设电池堆10包括第一到第七电池模块，控制单元可以以如此方式控制第一到第三电池模块21、22和23被电连接到串联谐振电路110，使得存储在第一到第三电池模块21、22和23中的电力被传输到串联谐振电路110。另外，控制单元可以以如此方式控制第四到第六电池模块被电连接到串联谐振电路110，使得存储在串联谐振电路110中的电力被传输到第四到第六电池模块。可替代地，控制单元可以以如此方式控制第五到第七电池模块被电连接到串联谐振电路110，使得存储在串联谐振电路110中的电力被传输到第五到第七电池模块，或者控制单元可以控制串联谐振电路110向其它三个相邻的电池模块传输电力。如有必要，则当电力在电池模块和串联谐振电路110之间传输时，控制单元可以通过使用极性改变电路120改变第一电容器111的电压的极性。
图16是示出根据本公开另一个实施例的电池堆平衡设备100被连接到电池堆10的电路图。
参考图16，与在图1等中示意的电池堆平衡设备100相比较，根据本公开另一个实施例的电池堆平衡设备100进一步包括并联连接到第一电容器111的消耗电路160。相应地，以上说明可以同样地应用于根据本公开另一个实施例的电池堆平衡设备100，只要在其间不存在任何矛盾。因此，在这里不提供相同部件的重复说明。
消耗电路160包括电阻器161和串联连接到电阻器161的开关162。在本说明书中，电阻器161称作消耗电阻器161，并且串联连接到电阻器161的开关162称作消耗开关162。消耗开关162可以基于控制单元(未示出)的控制信号接通或者关断，并且可以被实现为各种开关装置中的一个。消耗电路160可以是用于解决由于在平衡过程中保留在第一电容器111中的电荷因此第一电容器111不被有效率地充电的问题的另一个装置。
回过来参考图5和9，示出了因为当电力被从串联谐振电路110传输到电池模块时某些电荷保留在第一电容器111中，所以在图5的时刻t0+Ts第一电容器111的电压不为零并且在图9的时刻t1+Tp/2+Ts/2第一电容器111的电压不为零。如上所述，当电荷保留在第一电容器111中时，因为第一电容器111具有电压差，所以电力可能不被适当地从电池模块传输到第一电容器111。相应地，根据本公开另一个实施例的电池堆平衡设备100可以通过使用消耗电路160消耗保留在第一电容器111中的全部电荷。具体地，在电力被从电池模块传输到串联谐振电路110之前，控制单元通过接通消耗开关162并且关断所有的传输开关141、142、143和144而消耗保留在第一电容器111中的全部电荷。在此情形中，极性改变开关122可以被接通或者关断，但是期望地，极性改变开关122可以被关断。控制单元维持消耗开关162的接通状态和所有的传输开关141、142、143和144的关断状态直至已经流逝基准时间。在此情形中，该基准时间可以被设定为足以消耗剩余于第一电容器111中的全部电荷的时间。
根据本公开的另一个方面，可以在电池组中包括上述电池堆平衡设备100。即，根据本公开的另一个方面的一种电池组可以包括上述电池堆平衡设备100。例如，该电池组可以包括电池管理设备，并且该电池管理设备可以作为其部件包括电池堆平衡设备100。
可以在车辆中包括电池堆平衡设备100。即，根据本公开的另一个方面的车辆可以包括上述电池堆平衡设备100。例如，该车辆可以包括电池组，并且该电池组可以包括电池堆平衡设备100。可替代地，该车辆可以包括车辆控制设备，并且该车辆控制设备可以包括电池堆平衡设备100。在这里，该车辆可以不仅包括使用电能作为电源的电动车辆或者混合动力车辆，而且还包括包括接收基于电能的动力的电气部件的车辆。
已经详细描述了本公开。然而应该理解，在示意本公开的优选实施例时详细说明和具体示例是仅仅通过示意给出的，因为从该详细说明，对于本领域技术人员而言，在本公开的范围内的各种改变和修改将变得清楚。
还能够在单个实施例中一体地实现在本公开的各个实施例中描述的特征。相反，还能够在各种实施例中或者在其任何适当的子组合中单独地实现在本公开的单个实施例中描述的各种特征。

Claims (12)

1.一种电池堆平衡设备，用于平衡包括相互串联连接的多个电池模块的电池堆，所述设备包括：
串联谐振电路，所述串联谐振电路包括第一电容器和串联连接到所述第一电容器的第一电感器；
极性改变电路，所述极性改变电路包括第二电感器和串联连接到所述第二电感器以被选择性地接通或者关断的极性改变开关，并且所述极性改变电路并联连接到所述第一电容器；
多条传输线，所述多条传输线具有分别地电连接到在所述电池堆的低电位端处、在所述电池堆的高电位端处以及在相互串联连接的所述多个电池模块之间设置的多个节点的一端和连接到所述串联谐振电路的另一端；
多个传输开关，所述多个传输开关设置在所述多条传输线上以被选择性地接通或者关断；和
控制单元，所述控制单元被配置为控制所述多个传输开关和所述极性改变开关。
2.根据权利要求1所述的电池堆平衡设备，其中，所述多条传输线的所述另一端交替地连接到所述串联谐振电路的一端和另一端。
3.根据权利要求2所述的电池堆平衡设备，其中，所述控制单元以如此方式控制所述多个传输开关：使得根据所述串联谐振电路的谐振周期的半周期执行零电流开关或者零电压开关。
4.根据权利要求2所述的电池堆平衡设备，其中，所述控制单元以如此方式控制所述极性改变开关：使得当所述极性改变开关被接通时，根据由所述第一电容器和所述第二电感器形成的并联谐振电路的谐振周期的半周期执行零电流开关或者零电压开关。
5.根据权利要求2所述的电池堆平衡设备，其中，所述控制单元通过比较用于向所述串联谐振电路供应电力的至少一个电池模块的电压的极性与在所述第一电容器中充注的电压的极性，控制所述极性改变开关和所述多个传输开关。
6.根据权利要求5所述的电池堆平衡设备，其中，当用于向所述串联谐振电路供应电力的所述至少一个电池模块的电压的极性等于在所述第一电容器中充注的电压的极性时，所述控制单元控制所述极性改变开关被接通并且控制所有的所述多个传输开关被关断。
7.根据权利要求2所述的电池堆平衡设备，其中，所述控制单元通过比较用于接收从所述串联谐振电路供应的电力的至少一个电池模块的电压的极性与在所述第一电容器中充注的电压的极性，控制所述极性改变开关和所述多个传输开关。
8.根据权利要求7所述的电池堆平衡设备，其中，当用于接收从所述串联谐振电路供应的电力的所述至少一个电池模块的电压的极性等于在所述第一电容器中充注的电压的极性时，所述控制单元控制所述极性改变开关被关断、控制连接到用于接收从所述串联谐振电路供应的电力的所述至少一个电池模块的两端的两个传输开关被接通，并且控制除了所述两个传输开关之外的传输开关被关断。
9.根据权利要求7所述的电池堆平衡设备，其中，当用于接收从所述串联谐振电路供应的电力的所述至少一个电池模块的电压的极性不同于在所述第一电容器中充注的电压的极性时，所述控制单元控制所述极性改变开关被接通并且控制所有的所述多个传输开关被关断。
10.根据权利要求1所述的电池堆平衡设备，其中，所述电池模块中的每一个是单元电池单体或者两个或更多个电池单体的组合。
11.一种电池组，包括根据权利要求1到10中任何一项所述的电池堆平衡设备。
12.一种电动车辆，包括根据权利要求1到10中任何一项所述的电池堆平衡设备。
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