CN110249498B

CN110249498B - 电池装置和电池单元均衡电路

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Publication number: CN110249498B
Application number: CN201680082058.2A
Authority: CN
Inventors: 姚赤东
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2023-06-16
Anticipated expiration: 2036-02-23
Also published as: WO2017143514A1; EP3420623A4; EP3420623A1; JP6691729B2; EP3420623B1; US20190148953A1; US20170244258A1; US10218190B2; JP2019508002A; US10615612B2; CN110249498A

Abstract

所公开的示例包括电池装置和均衡电路(200)，该均衡电路(200)用于在多个第一电池单元中的一个或更多个和第二电池之间传送电荷，其中第一电池单元与变压器(300)的第一绕组(W1)耦合，并且第二电池与第二绕组(W2)耦合。接通第一晶体管(Q1)以允许在第一绕组(W1)中的电流流动，以使第一电池单元放电，然后关断第一晶体管(Q1)。在第二绕组(W2)中产生的感应电压接通第二晶体管(Q2)以提供反激式主动电荷均衡，以使第二电池充电。来自第三绕组(W3)的信号允许检测第二绕组(W2)中的低的或零电流流动，用于控制器(314)开始用于第一和第二电池之间的全隔离的随后的电荷传送循环。

Description

电池装置和电池单元均衡电路

技术领域

本公开一般涉及电池充电和均衡系统，并且更具体地涉及电池装置和均衡电路。

背景技术

电池广泛用于各种产品和系统中，并且许多电池是可再充电的。例如，锂离子(Li-ion)电池用于各种产品，并且与其他现有的移动和备用电源解决方案相比，锂离子电池提供了高能量密度和经济性。然而，锂离子电池技术的化学性质在电动势(EMF)方面受到限制。结果，多个锂离子单元电池通常在阵列或电池组中彼此串联连接，以支持高电压应用，例如混合动力或纯电动汽车(BEV)、能量存储系统等。在操作中，串联连接的单元电池集合或堆叠经受放电以驱动负载以及充电操作。此外，已经开发了电压均衡操作和系统以均衡各个单元电池的电压以延长电池组的使用寿命。电池单元均衡(cell balancing)可以通过将电荷从堆叠中的一个单元电池传送到堆叠的另一个单元电池来实现，或者通过专用于针对电池单元均衡或其他目的的充电和放电操作在单元电池和外部电池之间传送电荷来实现。

已经开发了各种电池单元均衡方法，包括被动均衡和主动均衡解决方案。被动均衡涉及使具有更高或最高电压的电池单元放电，并且与主动解决方案相比，被动均衡通常是有成本效益的。然而，与主动方法相比，被动均衡的效率和性能通常较差。一些主动均衡解决方案使用DC-DC转换器和变压器将能量从一个电池传送到另一个电池。对于多个电池的堆叠，由于大量电池单元串联连接用于高电压应用，因此通常需要庞大的主动均衡电路系统。因此，与被动均衡解决方案相比，主动均衡系统通常具有更高的成本。

发明内容

所公开的示例包括电池装置和用于在电池之间传送电荷的均衡电路。在一个示例中，开关电路选择性地将多个单元电池中的一个或更多个连接到均衡电路，用于在所选择的第一电池和第二电池之间进行电荷传送。一种示例均衡电路包括变压器，其具有与第一电池耦合的第一绕组，与第二电池耦合的第二绕组，以及第三绕组。第一晶体管耦合在第一电池和第一绕组之间，并且第二晶体管耦合在第二电池和第二绕组之间。控制电路接通第一晶体管以允许在第一绕组中的电流流动并在第二绕组和第三绕组中引起感应电压。在一个示例中，当在第一绕组中流动的电流达到阈值时，控制电路关断第一晶体管。关断第一晶体管在第二绕组中感应出电压。第二晶体管响应于第二绕组中的感应电压而操作，以允许在第二绕组和第二电池之间的电流流动以使第二电池充电。第三绕组提供指示第二绕组中的电流流动的信号。控制电路通过响应于来自第三绕组的信号达到预定值而再次接通第一晶体管来开始新的电荷传送循环。所公开的示例有助于用于电池单元均衡的双向电荷传送。在某些示例中，第二控制电路控制耦合在第二电池和第二变压器绕组之间的第三晶体管，以允许来自第二电池的电流流动，这在第一绕组中引起感应电压以接通第四晶体管从而允许电流从第一绕组流动到第一电池。

附图说明

图1是包括连接到主处理器和共同公共电池的多个电池模块的电池系统的图。

图2是图1的系统中的电池模块的图，电池模块包括串联连接的电池单元的堆叠、开关电路、均衡电路和从处理器。

图3是说明图2的模块中的在所选择的电池单元和公共电池之间传送电荷的均衡电路的示意图。

图4是说明充电或均衡方法的流程图。

图5是说明图3的均衡电路将电荷从一个或更多个所选择的电池单元传送到公共电池的示意图。

图6是说明图3的均衡电路将电荷从公共电池传送到一个或更多个所选择的电池单元的示意图。

具体实施方式

在附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件，并且各种特征不一定按比例绘制。在以下讨论和权利要求中，术语“包括(including)”、“包括(includes)”、“具有(having)”、“具有(has)”、“具有(with)”或其变体旨在以与术语“包括(comprising)”类似的方式包括，因此，应该解释为“包括但不限于......”。此外，术语“耦合(couple)”或“耦合(couples)”旨在包括间接或直接电连接或其组合。例如，如果第一设备耦合到第二设备或与第二设备耦合，则该连接可以通过直接电连接，或通过经由一个或更多个中间设备和连接件的间接电连接。

图1示出了一种系统，其包括经由网络或通信连接件104连接到主处理器102(图中指定为主MCU(MAIN MCU))的整数N个电池模块100-1,100-2，......100-N。可以使用任何合适的通信连接件104，例如，隔离的控制器局域网络总线(CAN总线)。电池模块100各自包括正电池单元电压连接件106和负电池单元电压连接件108(图中标记为VC2+和VC2-)，分别用于到共同或“公共”电池110的正极端子和负极端子的连接。共同电池110可以是如图1中示意性示出的单个电池，或者可以是以任何合适的串联、并联或组合串联/并联布置(未示出)的方式连接的两个或更多个单个电池的集合，在此称为第二电池。

图2示出了可以在图1的系统中使用的电池装置或模块100的进一步细节。电池装置100包括整数K个彼此串联连接的第一电池单元B-1，B-2，B-3，......B-K，以及均衡电路200、开关电路210和从处理器(图中标记为从MCU(SLAVEMCU))。开关电路210包括K+1个电池单元输入连接件CIN-0，CIN-1，CIN-2，CIN-3，......CIN-K，提供到单个电池单元B-1到B-K的正极(+)端子和负极(-)端子的连接。开关电路210包括分别连接到均衡电路200的正极第一电池单元电压输入VC1+和负极第一电池单元电压输入VC1-的第一开关电路节点202和第二开关电路节点204(图中标记为COUT+和COUT-的电容器输出连接件)。开关电路210根据经由通信连接件222接收自从处理器220的控制信号或消息传送(messaging)来操作，以选择性地将第一开关电路节点202和第二开关电路节点204与所选择的电池单元B或所选择的第一电池单元组群B-1，B-2，......B-K耦合。可以使用任何合适的通信连接件222，例如串行外围接口(SPI)连接。所连接的一个单元电池或多个单元电池在本文中称为第一电池。

使用通信连接件222，从处理器220可以致使开关电路210将一个或更多个所选择的电池单元B互连到第一电池单元电压输入VC1+和VC1-，用于第一电池/多个第一电池B和第二电池110之间的受控电荷传送。从处理器220经由总线或网络104与主处理器100可操作地耦合(图1)。在一个示例中，主处理器102实现电池充电、放电和/或均衡算法或过程，包括与各个电池模块100的从处理器220通信，并且从处理器200向相关联的开关电路210提供控制信号或消息传送，以选择电池单元B中的一个或更多个用于充电或放电。在所说明的示例中，均衡电路200包括经由连接件106和108连接到第二电池110的第二电池单元电压输入VC2+和VC2-。在其他可能的实施方式中，单个均衡电路200的第二电池单元电压输入VC2+和VC2-可以连接到另一个电池模块100的电池单元电压输出，以允许用于模块100之间的电池单元的均衡的充电或放电。用于与均衡电路200互连的一个电池单元或多个电池单元B的选择可以根据任何合适的充电、放电和/或均衡方案或程序来完成。

在一个示例中，均衡电路200提供单向电荷传送能力。在所说明的示例中，模块100的均衡电路200在从处理器220的控制下提供双向电荷传送能力。图2中的均衡电路200包括正极第一使能信号输入EN1+和负极第一使能信号输入EN1-，其经连接以沿线路205和206接收来自从处理器220的第一使能信号EN1。在该示例中，从处理器220沿线路205和206提供第一使能信号EN1，以便能够在第一开关电路节点202和第二开关电路节点204(VC1+和VC1-)与第二电池110之间进行电荷传送。在一个示例中，这允许使所选择的一个单元电池或多个单元电池B对公共电池110放电。在这种情况下，均衡电路200还包括第二使能信号输入EN2+和EN2-，其经连接以沿线路207和208接收来自从处理器220的第二使能信号EN2。从处理器220可以沿线路207和208选择性地提供第二使能信号EN2，以提供从第二电池110到所选择的第一电池单元或多个第一电池单元B的电荷传送。

图3说明了图2的电池装置100中的示例均衡电路200的进一步细节。均衡电路200在所选择的电池单元B和第二电池110之间传送电荷，并且该示例提供双向传送能力。在上述系统中，例如，主处理器102(图1)可以引导从所选择的电池模块100的一个或更多个单元电池B(图2)到公共第二电池110的电荷传送，其中本地从处理器220在线路205和206上向相关联的均衡电路200提供相应的第一使能信号EN1。可替代地，通过断言第二使能信号EN2，主处理器102可以指示所选择的电池模块100的从处理器220将电荷从第二电池110传送到所选择的一个电池单元或多个电池单元B。以这种方式，所说明的示例示出了均衡系统通过从第二电池110充电或对第二电池110放电来均衡单元电池B。在其他实施方式中，第二电池可以是另一电池组群的一个或更多个所选择的单元电池B，例如，系统包括用于两个所选择的均衡电路200的相应电容器电压端子的互连的开关电路系统(未示出)，以通过电池组之间的电荷交换来促进电池单元均衡，而不使用专用公共电池110。

图3中的均衡电路200包括第一对电池连接件321和322，以经由第一开关电路节点202和第二开关电路节点204(例如，通过图2的开关电路210)与第一电池B耦合。均衡电路200还包括第二对电池连接件331和332，以经由线路106和108与第二电池110耦合。均衡电路200还包括变压器300，其具有(例如，通过至少部分地缠绕在共同变压器铁芯(未示出)的相应部分周围)彼此磁耦合的绕组W1-W4。在其他示例中，可以使用三个绕组W1-W3来构造单向均衡电路200。绕组W1-W4彼此电隔离，并且彼此磁耦合。变压器300在初级侧和次级侧之间提供电流/伽伐尼(galvanic)隔离屏障，该初级侧包括绕组W1和W3以及图3中左侧所示的电路部件，该次级侧包括绕组W2和W4以及在图3中右侧所示的电路系统。

第一变压器绕组W1包括第一端301、第二端303和中心抽头连接件302，并且绕组W1与第一对电池连接件321和322耦合，用于与第一电池B耦合。第三绕组W3包括第一端304和第二端306，以及中心抽头连接件305。绕组W3经耦合以向第一整流器电路提供输入信号，该第一整流器电路包括整流二极管D1和D3、电阻器R3和R4以及电容器C1和C2。第一整流器电路包括输出节点316和317，其响应于接收来自第三绕组W3的信号而向第一控制电路314的电压感测输入VS1+和VS1-提供第一整流器输出电压信号。在均衡电路200的次级侧，第二绕组W2包括第一端312、第二端310和中心抽头311。W2与第二对电池连接件331和332耦合，用于与第二电池110耦合。第四绕组W4包括第一端307和第二端309，以及中心抽头连接件308，并向第二整流器电路提供输入信号，该第二整流器电路包括整流二极管D2和D4、电阻器R5和R6以及电容器C3和C4。一对第二整流器输出节点318和319响应于接收来自第四绕组W4的信号而向第二控制电路315的电压感测输入VS2+和VS2-提供第二整流器输出电压信号。

第一晶体管Q1耦合在第一电池B和第一绕组W1之间，并且在一个示例中包括连接到第一电池连接件321的源极端子和连接到第一绕组W1的中心抽头302的漏极端子。晶体管Q1的控制端子(例如，栅极)由来自第一控制电路314的脉冲信号(在图中标记为PULSE 1)控制。电阻器R7连接在Q1的栅极和第一电池连接件321之间。在一个示例中，第一晶体管Q1是P沟道场效应晶体管，其由来自第一控制电路314的低PULSE 1信号接通。第一电阻器R1连接在电池连接件322与变压器绕组W1的下部或第二端303之间，并且R1用作电流感测电阻器，以感测在第一绕组W1中流动的电流IS1。得到的电流感测信号IS1作为输入经由输入连接件IS1+和IS1-被提供给第一控制电路314。

次级侧电路系统包括第二晶体管Q2，在一个示例中，其由一对串联连接的N沟道晶体管Q2A和Q2B形成，其栅极控制端子连接到第二绕组W2的第二端312。第二晶体管Q2接收响应于第一绕组W1中的电流流动的来自第二绕组W2的端312的信号，以便允许在第二绕组W2和第二对电池连接件331、332之间的电流流动。此外，第三晶体管Q3连接在W2的中心抽头连接件311和电池连接件311之间。电阻器R8连接在Q3的栅极控制端子和电池连接件331之间。第三晶体管Q3由第二控制电路315根据第二脉冲控制信号(在附图中标记为PULSE2)操作。第二电阻器R2耦合在变压器绕组W2的下部端310和负极电池连接件332之间。R2作为电流感测电阻器操作，以在第二控制电路315的输入IS2+和IS2-处提供电流感测信号IS2。

第四晶体管Q4耦合在第一电池连接件321和第一绕组W1的中心抽头302之间。在所说明的示例中，第四晶体管Q4被实现为两个P沟道晶体管Q4A和Q4B的串联连接组合，其栅极控制端子连接到绕组W1的第一端301。在其他示例中，晶体管对Q2A、Q2B和晶体管对Q4A、Q4B可以由单个晶体管Q2和单个晶体管Q4代替。然而，使用两个串联连接的晶体管减轻了通过单个MOSFET的体二极管的不希望的传导。例如，如果Q4B被移除，则当在通过R1的电流流动已经转变到阈值以上之后关断Q1时，剩余晶体管Q4A的体二极管可能引起不希望的电流流动。因此，所说明的使用晶体管对Q4A、Q4B和晶体管对Q2A、Q2B的示例有利地避免了这种情况。在操作中，第四晶体管Q4A、Q4B接收响应于第二绕组W2中的电流流动的来自第一绕组W1的第一端301的信号，以允许在第一绕组W1和第一对电池连接件321、322之间的电流流动。如图3所示，第一晶体管Q1和第四晶体管Q4A、Q4B彼此并联耦合在电池连接件321和第一绕组中心抽头连接件302之间。类似地，第二晶体管Q2A、Q2B和第三晶体管Q3彼此并联连接在绕组W2的中心抽头连接件311和电池连接件331之间。

均衡电路200包括第一光耦合器341和第二光耦合器342，以便于在图2中的从处理器220的控制下进行操作。第一光耦合器341经由线路205和206接收来自从处理器220的第一使能信号EN1，并向第一控制电路314提供第一隔离使能信号。在一个示例中，隔离的第一使能信号在第一状态下作为电阻器R9两端上的高电平有效(active high)电压被提供到第一控制电路314的输入EN1。在次级侧，第二光耦合器342接收在第一状态下的来自从处理器220的第二使能信号，并且将高电平有效的第二使能信号作为电阻器R10两端的电压提供给第二控制电路315的输入EN2。第一控制电路314和第二控制电路315均包括接地或参考输入“GND”。第一控制电路314包括经由VC1+电池连接件321被供电的电源输入VCC1。第二控制电路315包括经由第二电池连接件331被供电的电源输入VCC2。在所说明的示例中，控制电路314和315彼此电气和电流隔离，并且相应的接地连接彼此隔离。

在将电荷从连接到第一对电池连接件321、322的第一电池B传送至连接到第二对电池连接件331、332的第二电池110的操作中，第一控制电路314由从处理器220启用，并且第二控制电路315保持禁用。相反，为了将电荷从第二电池110传送到第一电池B，从处理器220(例如，经由高电平有效的第二使能信号EN2)启用第二控制电路315，并且第一控制电路314保持禁用。

现在参考图3和图4，图4示出了用于电池充电、放电和/或电池均衡的过程或方法400，其可以使用电池模块或装置100中的均衡电路200来实现。均衡电路200的操作在下面从电池单元B中的一个向公共电池110传送电荷的上下文中被描述。在图4中的402处，主处理器102(图1)选择电池模块100，并命令该模块100的从处理器220(图2)选择一个或更多个模块电池单元B用于充电或放电，以便促进或实现一个或更多个电池单元均衡目标，包括充电、放电等。在图4中的404处，在一个示例中，从MCU 220通过在线路205和206处将第一使能信号提供给第一光耦合器341(图3)来启用均衡电路200的左侧，以启动从所选择的一个电池单元或多个电池单元B到第二电池110的放电。在此示例中，均衡电路200的左侧称为放电侧，且第一控制电路314称为放电控制电路。

图5示出了均衡电路200将电荷从所选择的电池单元B中的一个或更多个传送到公共电池110的操作，其中电荷或能量从左向右被传送，如图5所示。在图4的406处，第一(放电)控制电路314响应于第一隔离使能信号EN1转变到第一状态(例如，EN1输入处的高电压)而接通第一晶体管Q1。在一个示例中，第一控制电路314将Q1的栅极拉低以接通Q1并且开始电荷传送循环以允许第一绕组W1中的电流流动IS1。所得到的电流IS1沿着图5中的第一路径501流动，从正极电池连接件321通过第一晶体管Q1进入第一绕组W1的中心抽头302。电流IS1在下部端303处流出变压器300，并且通过电流感测电阻器R1返回到负极电池连接件322。由于绕组W1的电感，放电侧电流流动随时间增加，而Q1被接通以使Wl的电感充电。在图4中的408处，第一控制电路314监测电流感测信号IS1(例如，R1两端的电压)以确定放电侧电流流动是否超过阈值。如果不是(408处为否)，则控制电路314将Q1保持在接通状态。

当电流IS1达到或超过阈值时(408处为是)，则放电控制电路314在410处关断Q1。关断Q1在变压器300的右侧的第二绕组W2中感应出电压。一旦该感应电压超过第二晶体管Q2A和Q2B的阈值栅极-源极电压，这些晶体管响应于W2中的感应电压而接通。接通Q2A和Q2B允许相关联的感应电流IS2沿图5中的第二电流路径502流出中心抽头311，通过Q2A和Q2B，并在线路106处进入第二电池110的正极端子，在线路108处从电池110的负极端子返回，通过R2，并进入绕组W2的下部端310。当Q2在时间t被接通时的充电侧电流IS2由下面的等式(1)给出：

IS2|t＝Q2on＝(L1/L2)ISl|t-Qloff(1)

L1是变压器300的线路302和303之间的电感，L2表示变压器300的线路311和310之间的电感，IS1是在Q1刚关断之前的放电侧电流的立即值，并且IS2是在Q2A和Q2B刚接通后充电侧电流的立即值。变压器线路311和310之间的电压V2近似等于VC2+/VC2-之间的放电电池电压减去沿充电侧电流IS2的导电路径502的任何电压降。基于每个绕组相对于线路310和311之间的线圈匝数的匝数比，由电压V2确定其他变压器端子上的电压。充电侧电流IS2随时间逐渐减小，并最终以按照下面的等式(2)的速率达到0：

dIS2/dt＝-V2/L2(2)

以这种方式，初级侧上的第一电池B被放电，并且次级侧公共电池110在通过在图3和图5的均衡电路200中从左到右的电荷传送操作的电荷传送循环内被充电。

当第一使能信号EN1保持在第一有效状态时，第一控制电路314通过第三绕组W3和第一整流器电路的操作继续进行一个或更多个另外的电荷传送循环。响应于来自第三绕组W3的信号指示第二绕组W2中的电流流动IS2是、或者转变为、或低于预定值(例如零和一示例)，(当EN1保持有效时)由控制电路314启动第二和任何随后的电荷传送循环。在这种情况下，当IS2逐渐减小到零或某个其他预定值时，VC2+、VC2-处的电压被第二晶体管Q2A、Q2B和第三晶体管Q3阻断。结果，V2下降到0，并且变压器300的其他线圈和绕组两端的电压也下降到0。

沿图5中的路径501和502流动的电流IS1和IS2在第三绕组W3中感应出电压，并且第一整流器电路二极管D1和D3使用低通滤波对感应电压进行整流(所述低通滤波由C1、C2、R3和R4提供)，以相对于线路317在线路316处(在第一控制电路314的VS1+和VS1-输入端)提供第一整流器输出电压信号。第一控制电路314监测第一整流器输出信号，并在412处确定该信号是否指示第二绕组W2中的零电流流动。例如，在接通Q1以开始给定的电荷传送循环之后，第一控制电路314在线路316处监测第一整流器输出信号，并将其与零或另一合适的预定值进行比较。当线圈W2的次级侧电压保持在预定值以上(412处为否)时，第一控制电路314保持Q1关断。

一旦整流电压信号转变到低于预定值，这指示第二绕组W2的电压也已经转变到对应的预定值以下。响应于第一整流器输出信号指示W2中的电流流动低于预定值(412处为是)，第一控制电路314在414处确定第一使能信号EN1是否保持在第一状态。如果是(414处为是)，则第一控制电路314提供另外的脉冲信号(例如，下降(low going)信号PULSE1)以再次接通第一晶体管Q1。如上所述，接通Q1重复406-414处的过程。以这种方式，使所选择的一个电池单元或多个电池单元B放电并对第二电池110充电的电荷传送在一系列电荷传送循环中继续进行。一旦达到所需的电荷传送量，从处理器220(图2)通过中断使能信号EN1(图4中的414处的否)而停用第一控制电路314，并且过程400如前所述返回到402。

如图3和图5所示，第一控制电路314使用经由第三绕组W3的信号获得的信息，并且因此控制电路314保持与由变压器300提供的隔离屏障的次级侧电气和电流隔离，同时从次级侧获得信息以用于单独地启动通过接通Q1而启动的一系列电荷传送循环。在所说明示例中使用第一整流器电路D1、D3、R3、R4、C1和C2获得来自绕组W3的信号。可以使用其他形式的信号调节电路系统，通过该信号调节电路系统，控制电路314可以基于来自变压器绕组W3的信号确定次级侧电流流动IS2是否已经达到零或某个其他预定值。所说明的示例包括使用中心抽头变压器绕组W3的双二极管整流器。然而，其他实施例也是可能的，其中第三绕组W3不需要具有中心抽头，并且单个整流二极管可以与或不与诸如电容器和/或电阻器的滤波组件一起使用。

还参考图6，所说明的均衡电路200提供双向电荷传送能力。在图6中，从控制器220经由被施加到第二光耦合器342的第二使能信号EN2来去激活第一控制电路314并激活第二控制电路315。将隔离的第二使能信号EN2提供给第二控制电路315的EN2输入，以启动在图6中从右向左(例如，从连接的第二电池110到所选择的一个电池单元或多个电池单元B)的电荷或能量的传送。如图6所示，第二控制电路接通Q3以允许电流流动IS2沿着第一路径601从正极电池连接件331，通过Q3，并进入第二绕组W2的中心抽头311。该电流继续，流出下部端310并通过第二感测电阻器R2，经由电池连接件332返回到第二电池的负极端子。一旦电流流动IS2达到阈值，第二控制电路315关断Q3，Q3在第一绕组W1的绕组线路301和302之间感应出电压。第一绕组W1中的感应电压接通第四晶体管Q4A和Q4B。这允许电流IS1沿着第二路径602从第一绕组中心抽头302流动，通过晶体管Q4A和Q4B并进入正极电池连接件321。该电流通过负极电池连接件322、电阻器R1返回，并进入下部绕组端303。第二控制电路315监测来自第四绕组W4通过第二整流器电路的感应信号(例如，线路318和319之间的第二整流器输出电压信号)。一旦第二整流器输出信号下降到预定值(例如，0)，如果第二使能信号EN2保持激活，则第二控制电路315启动随后的电荷传送循环。

因此，所说明的均衡电路200提供双向电荷传送能力。在另一示例中，可以如上所述提供单向均衡电路200，其中省略第四绕组W4、第二整流器电路、第二控制电路315、第二光耦合器342、Q3和R2，或者将他们保持停用。

均衡电路200和所描述的示例性电池装置100有利地使用变压器300的线圈(例如，W3或W4)的感应电压作为隔离信号源来确定连续均衡循环的起始点。在某些示例中，在变压器300的两侧之间不需要硅连接，其有助于维持被放电电池和被充电电池之间的高电压隔离屏障。所公开的示例在不使用DC-DC转换器电路系统的情况下提供主动充电、放电和/或均衡功能，并且与现有主动均衡方法相比，实现了有利的成本和尺寸节省，同时与被动均衡电路相比有助于提高效率和性能。

以上示例仅说明了本公开的各个方面的若干可能实施例，其中本领域技术人员在阅读和理解本说明书和附图时将想到等同的改变和/或修改。在权利要求的范围内，在所描述的实施例中修改是可能的，并且其他实施例也是可能的。

Claims

1.一种电池装置，包括：

多个第一电池单元，其彼此串联连接；

开关电路，其被配置为选择性地将第一开关电路节点和第二开关电路节点与所述多个第一电池单元中的选择的电池单元耦合；以及

均衡电路，其被配置为在所述选择的电池单元和第二电池之间传送电荷，所述均衡电路包括：

第一对电池连接件，其与所述第一开关电路节点和所述第二开关电路节点耦合，

第二对电池连接件，其适于与第二电池耦合，

变压器，其包括：

第一绕组，其缠绕在变压器铁芯周围并与所述第一对电池连接件耦合，

第二绕组，其缠绕在所述变压器铁芯周围并与所述第二对电池连接件耦合，以及

第三绕组，其缠绕在所述变压器铁芯周围，

第一整流器电路，其耦合到所述第三绕组并且被配置为接收来自所述第三绕组的信号，所述第一整流器电路可操作以根据来自所述第三绕组的所述信号提供第一整流器输出信号，

第一晶体管，其耦合在所述第一对电池连接件和所述第一绕组之间，所述第一晶体管包括第一控制端子，

第二晶体管，其耦合在所述第二对电池连接件和所述第二绕组之间，所述第二晶体管包括第二控制端子，所述第二控制端子耦合到所述第二绕组并且被配置为接收响应于所述第一绕组中的电流流动的来自所述第二绕组的信号，以允许在所述第二绕组和所述第二对电池连接件之间的电流流动，以及

第一控制电路，其响应于第一使能信号转变到第一状态，来向所述第一晶体管的所述第一控制端子提供第一脉冲信号以接通所述第一晶体管，以允许在所述第一绕组中的电流流动，所述第一控制电路响应于所述第一整流器输出信号指示所述第二绕组中的电流流动低于阈值，同时所述第一使能信号保持在所述第一状态，来向所述第一晶体管的所述第一控制端子提供另外的脉冲信号，以再次接通所述第一晶体管。

2.根据权利要求1所述的电池装置，其中所述第一控制电路可操作以响应于第一电流感测信号指示所述第一绕组中的电流流动超过第一阈值而关断所述第一晶体管。

3.根据权利要求2所述的电池装置，其中所述均衡电路包括第一电阻器，其耦合在所述第一对电池连接件和所述第一绕组之间，以将所述第一电流感测信号提供给所述第一控制电路。

4.根据权利要求1所述的电池装置，其中所述均衡电路包括第一光耦合器，所述第一光耦合器被配置为接收所述第一使能信号并向所述第一控制电路提供第一隔离使能信号，所述第一控制电路可操作以响应于所述第一隔离使能信号转变到第一状态而接通所述第一晶体管。

5.根据权利要求1所述的电池装置，其中所述变压器包括缠绕在所述变压器铁芯周围的第四绕组；并且其中所述均衡电路包括：

第三晶体管，其耦合在所述第二对电池连接件和所述第二绕组之间，所述第三晶体管包括第三控制端子；

第四晶体管，其耦合在所述第一对电池连接件和所述第一绕组之间，所述第四晶体管包括第四控制端子，所述第四控制端子耦合到所述第一绕组并且被配置为接收响应于所述第二绕组中的电流流动的来自所述第一绕组的信号，以允许在所述第一绕组和所述第一对电池连接件之间的电流流动；

第二整流器电路，其耦合到所述第四绕组并且被配置为接收来自所述第四绕组的信号，所述第二整流器电路可操作以根据来自所述第四绕组的所述信号提供第二整流器输出信号；以及

第二控制电路，其响应于第二使能信号转变到第一状态，来向所述第三晶体管的所述第三控制端子提供第二脉冲信号以接通所述第三晶体管，以允许在所述第二绕组中的电流流动，所述第二控制电路响应于所述第二整流器输出信号指示所述第一绕组中的电流流动低于第二阈值，同时所述第二使能信号保持在所述第一状态，来向所述第三晶体管的所述第三控制端子提供另外的脉冲信号，以再次接通所述第三晶体管。

6.根据权利要求5所述的电池装置，其中所述第二控制电路响应于第二电流感测信号指示所述第二绕组中的电流流动超过第二阈值而关断所述第三晶体管。

7.根据权利要求6所述的电池装置，其中所述均衡电路包括第二电阻器，其耦合在所述第二对电池连接件和所述第二绕组之间，以将所述第二电流感测信号提供给所述第二控制电路。

8.根据权利要求5所述的电池装置，其中所述均衡电路包括第二光耦合器，所述第二光耦合器被配置为接收所述第二使能信号并向所述第二控制电路提供第二隔离使能信号，所述第二控制电路响应于所述第二隔离使能信号转变到第一状态而接通所述第二晶体管。

9.根据权利要求5所述的电池装置，其中所述第一控制电路经由所述第一对电池连接件被供电；并且其中所述第二控制电路经由所述第二对电池连接件被供电。

10.根据权利要求1所述的电池装置，其中所述第一控制电路经由所述第一对电池连接件被供电。

11.一种均衡电路，包括：

第一对电池连接件，其与第一电池耦合；

第二对电池连接件，其与第二电池耦合；

变压器，其包括：

第三绕组，其缠绕在所述变压器铁芯周围；

第一晶体管，其耦合在所述第一对电池连接件和所述第一绕组之间，所述第一晶体管包括第一控制端子；

第二晶体管，其耦合在所述第二对电池连接件和所述第二绕组之间，所述第二晶体管包括第二控制端子，所述第二控制端子耦合到所述第二绕组并且被配置为接收响应于所述第一绕组中的电流流动的来自所述第二绕组的信号，以允许在所述第二绕组和所述第二对电池连接件之间的电流流动；以及

第一控制电路，其响应于第一使能信号转变到第一状态，来向所述第一晶体管的所述第一控制端子提供第一脉冲信号以接通所述第一晶体管，以允许在所述第一绕组中的电流流动，所述第一控制电路响应于信号指示所述第二绕组中的电流流动低于预定值，同时所述第一使能信号保持在所述第一状态，来向所述第一晶体管的所述第一控制端子提供另外的脉冲信号，以再次接通所述第一晶体管。

12.根据权利要求11所述的均衡电路，其中所述第二晶体管包括一对串联连接的场效应晶体管，每个场效应晶体管具有耦合到第二控制信号的栅极端子并且每个场效应晶体管具有体二极管，所述一对串联连接的场效应晶体管被设置为使得所述体二极管抵抗所述第二对电池连接件和所述第二绕组之间的不希望的电流。

13.根据权利要求11所述的均衡电路，其中所述第一控制电路可操作以响应于第一电流感测信号指示所述第一绕组中的电流流动超过第一阈值而关断所述第一晶体管。

14.根据权利要求13所述的均衡电路，包括第一电阻器，其耦合在所述第一对电池连接件和所述第一绕组之间，以将所述第一电流感测信号提供给所述第一控制电路。

15.根据权利要求11所述的均衡电路，包括第一光耦合器，所述第一光耦合器被配置为接收所述第一使能信号并向所述第一控制电路提供第一隔离使能信号，所述第一控制电路可操作以响应于所述第一隔离使能信号转变到第一状态而接通所述第一晶体管。

16.根据权利要求11所述的均衡电路，包括第一整流器电路，所述第一整流器电路经耦合以接收来自所述第三绕组的信号，所述第一整流器电路可操作以响应于来自所述第三绕组的所述信号向所述第一控制电路提供第一整流器输出信号，其中所述第一控制电路响应于所述第一整流器输出信号指示所述第二绕组中的电流流动低于预定值，同时所述第一使能信号保持在所述第一状态，来向所述第一晶体管的所述第一控制端子提供所述另外的脉冲信号，以再次接通所述第一晶体管。

17.根据权利要求11所述的均衡电路，其中所述变压器还包括缠绕在所述变压器铁芯周围的第四绕组；所述均衡电路还包括：

第二控制电路，其响应于第二使能信号转变到第一状态，来向所述第三晶体管的所述第三控制端子提供第二脉冲信号以接通所述第三晶体管，以允许在所述第二绕组中的电流流动，所述第二控制电路响应于来自所述第四绕组的第二整流器输出信号指示所述第一绕组中的电流流动低于阈值，同时所述第二使能信号保持在所述第一状态，来向所述第三晶体管的所述第三控制端子提供另外的脉冲信号，以再次接通所述第三晶体管。

18.根据权利要求17所述的均衡电路，其中所述第一控制电路经由所述第一对电池连接件被供电；并且其中所述第二控制电路经由所述第二对电池连接件被供电。

19.根据权利要求17所述的均衡电路，

其中所述第一绕组包括第一端、第二端和中心抽头；

其中所述第一晶体管连接在所述第一绕组的所述中心抽头和所述第一对电池连接件的第一电池连接件之间；

其中所述第四晶体管与所述第一晶体管并联连接在所述第一绕组的所述中心抽头和所述第一对电池连接件的所述第一电池连接件之间；

其中所述第四晶体管的所述第四控制端子连接到所述第一绕组的所述第一端；

其中所述第一对电池连接件的第二电池连接件与所述第一绕组的所述第二端耦合；

其中所述第二绕组包括第一端、第二端和中心抽头；

其中所述第三晶体管连接在所述第二绕组的所述中心抽头和所述第二对电池连接件的第一电池连接件之间；

其中所述第二晶体管与所述第三晶体管并联连接在所述第二绕组的所述中心抽头和所述第二对电池连接件的所述第一电池连接件之间；

其中所述第二晶体管的所述第二控制端子连接到所述第二绕组的所述第一端；并且

其中所述第二对电池连接件的第二电池连接件与所述第二绕组的所述第二端耦合。

20.根据权利要求11所述的均衡电路，

其中所述第一绕组包括第一端、第二端和中心抽头；

其中所述第二绕组包括第一端、第二端和中心抽头；

其中所述第二晶体管连接在所述第二绕组的所述中心抽头和所述第二对电池连接件的第一电池连接件之间；

21.一种用于电池之间传送电荷的电路，包括：

变压器，其包括与第一电池耦合的第一绕组，与第二电池耦合的第二绕组，以及第三绕组，所述第一绕组、所述第二绕组和所述第三绕组彼此磁耦合；

第一晶体管，其耦合在所述第一电池和所述第一绕组之间；

控制电路，其可操作以响应于处于第一状态的使能信号而接通所述第一晶体管以开始电荷传送循环，以允许在所述第一绕组中的电流流动，来使所述第一电池放电，并且在所述第二绕组和所述第三绕组中引起感应电压；以及

第二晶体管，其耦合在所述第二电池和所述第二绕组之间，所述第二晶体管可操作以响应于所述第二绕组中的所述感应电压而允许在所述第二绕组和所述第二电池之间的电流流动，以对所述第二电池充电；

所述控制电路响应于来自所述第三绕组的信号指示所述第二绕组中的电流流动低于预定值，同时所述使能信号保持在所述第一状态，来再次接通所述第一晶体管以开始第二电荷传送循环。

22.根据权利要求21所述的电路，进一步包括：

整流器电路，其经耦合以接收来自所述第三绕组的信号并且响应于来自所述第三绕组的信号而输出第一整流器输出信号，其中所述控制电路响应于所述第一整流器输出信号而再次接通所述第一晶体管以开始所述第二电荷传送循环。

23.一种均衡电路，其包括：

第一端子和第二端子，其被配置为选择性地耦合到第一电压源；

第三端子和第四端子，其被配置为耦合到第二电压源；

变压器，其具有初级绕组和次级绕组，每个绕组包括第一端、第二端和所述第一端与所述第二端之间的中心抽头；

耦合在所述第一端子和所述初级绕组的所述中心抽头之间的第一开关，所述第一开关包括第一控制端子；

耦合在所述第一端子和所述初级绕组的所述中心抽头之间的第二开关，所述第二开关包括耦合到所述初级绕组的所述第一端的第二控制端子；

耦合在所述第三端子和所述次级绕组的所述中心抽头之间的第三开关，所述第三开关包括第三控制端子；以及

耦合在所述第三端子和所述次级绕组的所述中心抽头之间的第四开关，所述第四开关包括耦合到所述次级绕组的所述第一端的第四控制端子。

24.根据权利要求23所述的均衡电路，还包括：

耦合在所述第二端子和所述初级绕组的所述第二端之间的电阻器。

25.根据权利要求23所述的均衡电路，还包括：

耦合在所述第四端子和所述次级绕组的所述第二端之间的电阻器。

26.根据权利要求23所述的均衡电路，其中所述第二开关包括：

第一N沟道晶体管，其具有耦合到所述第一端子的源极，耦合到所述初级绕组的所述第一端的栅极以及漏极；以及

第二N沟道晶体管，其具有耦合到所述第一N沟道晶体管的漏极的漏极，耦合到所述初级绕组的所述第一端的栅极以及耦合到所述初级绕组的所述中心抽头的源极。

27.根据权利要求26所述的均衡电路，其中所述第一开关包括P沟道晶体管，其具有耦合到所述第一端子的源极，被配置为接收脉冲信号的栅极，以及耦合到所述初级绕组的所述中心抽头的漏极。

28.根据权利要求23所述的均衡电路，其中所述第四开关包括：

第一N沟道晶体管，其具有耦合到所述第一端子的源极，耦合到所述次级绕组的所述第一端的栅极以及漏极；以及

第二N沟道晶体管，其具有耦合到所述第一N沟道晶体管的所述漏极的漏极，耦合到所述次级绕组的所述第一端的栅极以及耦合到所述次级绕组的所述中心抽头的源极。

29.根据权利要求28所述的均衡电路，其中所述第三开关包括P沟道晶体管，其具有耦合到所述第三端子的源极，被配置为接收脉冲信号的栅极，以及耦合到所述次级绕组的所述中心抽头的漏极。

30.根据权利要求23所述的均衡电路，还包括：

第一控制电路，其被配置为基于第一使能信号向所述第一开关的所述第一控制端子输出第一脉冲信号；以及

第二控制电路，其被配置为基于第二使能信号向所述第二开关的所述第二控制端子输出第二脉冲信号。

31.根据权利要求30所述的均衡电路，其中：

所述第三开关在所述第一脉冲信号期间被去激活；以及

所述第一开关在所述第二脉冲信号期间被去激活。

32.根据权利要求30所述的均衡电路，其中：

所述第四开关在所述第一脉冲信号期间被激活；以及

所述第二开关在所述第二脉冲信号期间被激活。

33.一种电池模块，其包括：

两个或更多串联耦合的电池单元；

开关电路，其被配置为选择性地将至少一个所述电池单元耦合在第一端子和第二端子之间；

第三端子和第四端子，其被配置为耦合到次级电池；以及

均衡电路，其包括；

变压器，其具有初级绕组和次级绕组，每个绕组包括第一端、第二端和中心抽头；

所述第一端子和所述初级绕组的所述中心抽头之间的第一开关，所述第一开关包括第一控制端子；

所述第一端子和所述初级绕组的所述中心抽头之间的第二开关，所述第二开关包括耦合到所述初级绕组的所述第一端的第二控制端子；

所述第三端子和所述次级绕组的所述中心抽头之间的第三开关，所述第三开关包括第三控制端子；以及

所述第三端子和所述次级绕组的所述中心抽头之间的第四开关，所述第四开关包括耦合到所述次级绕组的所述第一端的第四控制端子。

34.根据权利要求33所述的电池模块，其中：

所述第一开关包括P沟道晶体管，其具有耦合到所述第一端子的源极，被配置为接收脉冲信号的栅极，以及耦合到所述初级绕组的所述中心抽头的漏极；以及

所述第二开关包括：

第二N沟道晶体管，其具有耦合到所述第一N沟道晶体管的所述漏极的漏极，耦合到所述初级绕组的所述第一端的栅极以及耦合到所述初级绕组的所述中心抽头的源极。

35.根据权利要求33所述的电池模块，其中：

所述第三开关包括P沟道晶体管，其具有耦合到所述第三端子的源极，被配置为接收脉冲信号的栅极，以及耦合到所述次级绕组的所述中心抽头的漏极；以及

所述第四开关包括：

第二N沟道晶体管，其具有耦合到所述第一N沟道晶体管的漏极的漏极，耦合到所述次级绕组的所述第一端的栅极以及耦合到所述次级绕组的所述中心抽头的源极。

36.根据权利要求33所述的电池模块，其中所述均衡电路包括：

37.根据权利要求36所述的电池模块，其中：

所述第三开关在所述第一脉冲信号期间被去激活；

所述第一开关在所述第二脉冲信号期间被去激活；

所述第四开关在所述第一脉冲信号期间被激活；以及

所述第二开关在所述第二脉冲信号期间被激活。

38.一种车辆电池系统，其包括：

控制器；

公共电池；以及

多个电池模块，其经由控制器区域网络总线即CAN总线耦合到所述控制器，并且所述多个电池模块的每个包括：

多个串联耦合的电池单元；

第三端子和第四端子，其被耦合到所述公共电池；以及

均衡电路，其包括；

39.根据权利要求38所述的车辆电池系统，其中：

所述第二开关包括：

40.根据权利要求38所述的车辆电池系统，其中：

所述第四开关包括：

41.根据权利要求38所述的车辆电池系统，其中所述均衡电路包括：

42.根据权利要求41所述的车辆电池系统，其中：

所述第三开关在所述第一脉冲信号期间被去激活；

所述第一开关在所述第二脉冲信号期间被去激活；

所述第四开关在所述第一脉冲信号期间被激活；以及

所述第二开关在所述第二脉冲信号期间被激活。