CN1255917C - 自动电池均衡电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于均衡至少第一和第二串联连接的电池之间的电荷的电池均衡电路包括开关电路和谐振电路。每个电池具有正端和负端，其中第二电池的正端在一公共节点连接到第二电池的负端。该开关电路可以(i)在正节点连接到第一电池的正端，以及(ii)在负节点连接到第二电池的负端；以及谐振电路可连接在开关电路和电池的公共节点之间，其中开关电路适合于交替地使该谐振电路与第一和第二电池相并联，使得直流成分通过谐振电路作为第一和第二电池之间电荷不平衡的函数在它们之间流动。

Description

自动电池均衡电路
技术领域
本发明涉及电池均衡技术，特别涉及采用谐振电路的电池均衡装置。
背景技术
电池一般被串联以获得相对较大的总电压来驱动负载。由于采用可充电电池是比较理想的，因此已经开发出同时对串联的所有电池充电的电池充电器。
必须注意对串联的每个电池进行完全地充电，而能不使其中一个电池比其他电池处于更高的充电状态。如果在串联中一个电池上相对较低的电荷与其他电池之间存在差别，则串联电池的总有效容量被减小到具有低充电状态的电池的容量。
人们已经开发出电池均衡电路来保证在串联中的所有电池基本上保持相同的充电状态。授予Brainard的美国专利第5,479,083示出一种常规的电池均衡电路10。该电路在图1中示出。
Brainard的专利示出串联连接的电池对B1、B2，其可以通过充电电路12进行充电。均衡电路包括跨接串联连接电池的一对串联连接的晶体管Q1、Q2。电感器L连接于这对晶体管Q1、Q2与电池B1、B2之间。振荡器14产生到晶体管Q1、Q2的门驱动信号，使得它们在相同的时间段内被交替偏置导通和截止。该电感器作为非消耗型分流器，其被交替切换来与每个电池相并联，使得在一个电池上的过度电荷被传送到另一个电池。
但是，在Brainard的均衡电路10中的元件公差将影响在电池之间获得的均衡度。确实，影响振荡器14的工作周期和由晶体管Q1、Q2对电池给出的合成工作周期的公差将明显地影响均衡的质量。因此，为了获得满意的均衡，必须获得对每个电池的测量，并且反馈回振荡器以按照需要改变工作周期(参见Brainard专利的图3)。
授予Pascual的美国专利第5,710,504号公开一种电池均衡电路，其不需要来自每个电池的反馈机构以获得适当的均衡。但是，Pascual专利的电路需要在该电路中的所有开关器件相互同步，而不管有多少电池串联结合。
当串联电池的数目相对较大并且导致从最高电池到最低电池的高端电压时，Pascual电路的布局可能导致不理想的故障状态。
转到Pascual‘504专利的图1，其中示出多个串联的电池，并且所有开关通过控制线路18和控制单元12相同步。假设从最高电池到最低电池的总电压足够大(例如，600伏)，通过均衡电路的布线，实际电路必须被设计为能经受从最高电池端到最低电池端的故障。通常，串联电池必须传送许多安培(接近1000安培或更多)，这使得难以设计出经受故障并且不损坏任何电池的电路。
相应地，在本领域中需要一种新的电池均衡电路，其能够自动工作(即，不需要与其他服务于串联电池的均衡电路同步)，并且不需要闭环补偿电路来获得满意的均衡。
发明内容
本发明的电池均衡电路至少均衡第一和第二串联电池之间的充电。每个电池具有正端和负端，其中第二电池的正端在一公共节点连接到第一电池的负端。开关电路可以(i)在正节点连接到第一电池的正端，以及(ii)在负节点连接到第二电池的负端；以及谐振电路可连接在开关电路和电池的公共节点之间，其中开关电路适合于交替地使该谐振电路与第一和第二电池相并联，使得直流成分通过谐振电路作为第一和第二电池之间电荷不平衡的函数在它们之间流动。
该谐振电路优选为串联的谐振电路，包括与谐振电容器相串联的谐振电感器。直流旁路电路跨接谐振电容器，使得直流成分能够流过并且流到第一和第二电池中的一个。直流旁路电路优选地包括旁路电感器，该旁路电感器所具有的电感明显大于谐振电感器的电感。
该开关电路优选地包括从正节点到负节点以半桥式结构连接的第一和第二开关晶体管，并且确定它们之间的一个输出节点。晶体管驱动电路被提供并且适合于分别产生用于使第一和第二开关晶体管导通和截止的第一和第二偏压信号。该晶体管驱动电路连接到谐振电感器，使得第一和第二偏压信号是跨过该谐振电感器的电压的一个函数。
绕在谐振电感器的公共铁芯上的第一和第二绕组优选地包含在开关电路中，该第一和第二绕组相反地缠绕，并且分别连接到第一和第二开关晶体管的偏置端。跨过谐振电感器的电压感应成比例的偏压，用于在正反馈结构中将第一和第二开关晶体管偏置导通和截止。
可以提供第一和第二旁路电容器，第一旁路电容器从正节点连接到公共节点，并且第二旁路电容器从公共节点连接到负节点。还可以提供第一和第二旁路二极管，第一二极管的正极从谐振电路的中间节点连接到正节点，并且第二二极管的负极从谐振电路的中间节点连接到负节点。
从本文结合附图的讨论，对于本领域内的专业人员来说本发明的其他目的、特点和优点将变得更加清楚。
为了阐明本发明的目的，在此以当前优选的附图形式示出，但是应当知道，本发明不限于所示的准确电路结构和手段。
附图说明
图1为根据现有技术的电池均衡电路；
图2为根据本发明的充电均衡电路；
图3a-3b为示出在图2的电路中出现的特定波形的曲线图；以及
图4为示出根据本发明的充电均衡电路的其他细节的示意图。
具体实施方式
参照附图，其中相同的标号表示相同的元件，在图2中示出说明根据本发明的充电均衡电路100的电路图。
充电均衡电路100可操作为均衡包含在各个串联电池102和104上的电荷。电池102包括连接到正节点106的正端和连接到公共节点110的负端。电池104包括连接到公共节点110的正端和连接到负节点108的负端。
本领域内的专业人员将认识到本发明的充电均衡电路100不一定只对例如电池102和104这样的两个完整的电池起作用，而且可以对在一个特定电池中的各个电池单元起作用。在这种情况下，电池102和电池104可以被认为是在一个电池中的各个串联电池单元。
根据本发明的充电均衡电路100包括可连接到正节点106的开关电路112和串联电池的负节点108，并且还包括可连接在开关电路112和电池102、104的公共节点之间的谐振电路114。
该谐振电路114优选地为串联谐振电路，其中包括串联的谐振电感器116和谐振电容器118，并且确定它们之间的一个中间节点122。该谐振电路114还优选地包括跨过谐振电容器118的直流旁路电路，使得直流电流可以从开关电路112流过谐振电路114到达电池102、104。最好，直流旁路电路包括与谐振电容器118成并联结构连接的电感器120。
本领域内的专业技术人员将从下文中得知电感器120应当具有明显比谐振电感器116的电感更大的电感，尽管接近于(或者低于)谐振电感器116的电感值的电感器120的电感值也可以被考虑为在本发明的范围之内。
开关电路112优选地包括以半桥式结构从正节点106连接到负节点108的串联晶体管对130、132，该晶体管130、132确定它们之间的一个输出节点134。开关电路112还优选地包括可操作为产生用于交替偏置晶体管130、132导通和截止的偏压信号的晶体管驱动电路。优选地，晶体管驱动电路133连接到谐振电感器116，使得到达晶体管130、132的偏压信号是谐振电感器116上的电压的一个函数。
晶体管驱动电路133优选地包括与谐振电感器116一同绕在公共铁芯上的绕组136、138，使得谐振电感器116上的电压感应各个绕组136、138上的电压。绕组136和138相反地缠绕，使得感应电压各个极性相反。
优选地，晶体管130、132是MOS门器件，最好采用MOSFET。绕组136和138分别从晶体管130、132的栅极连接到源极。
现在参照图3a，其中示出图2的充电均衡电路的特定电压与电流之间的关系。为了便于说明，所示的波形表示当在每个电池102和104上的电荷基本相同时的电路操作。
流过谐振电感器116和谐振电容器118的交流电流被标号为200。谐振电感器116的电感与谐振电容器118的电容确定谐振频率，并且交流电流200基本上匹配该谐振频率。
通常，跨过谐振电感器116两端的电压202比交流电流200超前90电角度，而跨过谐振电容器118两端的电压204比通过它的电流滞后约90电角度。
现在参照图3b，其中示出由晶体管驱动电路133所产生的电压，用于偏置晶体管130、132使其导通和截止。为了简单起见，图3b的波形为方波，但是本领域内的专业人员将认识到在实践中波形更加复杂。
在时刻t1，跨过谐振电感器116的电压基本上为负电压(跨过在图1中的电感器116的电压被定义为正电压)。相应的，跨过绕组138感应的电压是正电压，使晶体管132导通。晶体管130在时刻t1被偏置截止。在时刻t2，跨过谐振电感器116的电压202基本上为正电压，并且跨过绕组136感应的电压为正电压，使晶体管130导通。晶体管132在时刻t2被偏置截止。
参照图3a，交流电流200从时刻t1到t2流入和流出电池104，而电流200从时刻t2到t3流入和流出电池102。当电池102上的电荷基本上等于电池104上的电荷时，流入和流出电池104的电流量(时刻t1到t2)基本上相等。类似地，流入和流出电池102的电流量(时刻t2到t3)基本上相等。
当分别在电池102和104上的电荷不平衡时，将趋于产生跨过谐振电容器118的直流电压偏置；但是，旁路电感器120将把直流电流分流到一个电池上，直到电荷平衡。因此，电流200将包括与在电池102和104之间的电荷差成正比的直流成分(即，移上或移下)。一旦在电荷在电池102和104之间平衡，则电流200将基本上不包含直流偏置。
本领域内的专业人员将认识到图3a中所示的波形表示基本上理想的波形，并且在实践中将获得略有不同的波形。确实，晶体管130、132表现出各自的导通阈值电压，低于该电压晶体管将不导通。结果，当跨过谐振电感器116的电压接近0伏特时(例如，在时刻t1)，跨过绕组136的感应电压接近晶体管130的阈值电压。当晶体管130开始截止时，晶体管130趋向于限制在谐振电感器116中流动(从左到右)的电流200。谐振电感器116将阻止电流的减小，并且跨过电感器116的电压202将改变极性。跨过绕组136感应的电压也改变极性，从而快速地使晶体管130截止。
本领域内的专业人员将认识到，跨过谐振电感器116的电压202被反馈回晶体管驱动电路133(例如通过绕组136)并且导入正反馈使晶体管130截止。在时刻t2对绕组138和晶体管132获得类似的分析。
因此，在实际电路中由晶体管驱动电路133所产生的偏压信号使谐振电路114以略高于谐振频率的频率工作，其中谐振电路114将主要表现出电感特性。
现在参照图4，其中示出根据本发明另一个实施例的充电均衡电路300。充电均衡电路300包括基本上与图2中所示的电路元件相类似的元件，但是还包括二极管150、152和电容器154、156。电容器154和156用作为低阻抗交流旁路电路，使得循环谐振电流基本上流过电容器154和156而不流过电池102和104。有利地，电池102和104不因该循环谐振电流而表现出损耗和恶化。
二极管150和152从谐振电路的中间节点122分别连接到正节点106和负节点108。由于谐振电路114工作为接近于谐振，基本上没有串联阻抗，中间节点122的电压趋向于增加而没有限制。有利地，二极管150和152防止在中间节点122的电压上升到明显大于电池102上的电压或者明显小于电池104上的电压。
充电均衡电路300还包括启动电路160，它例如可以是按下启动开关。由于充电均衡电路300可以连续工作，因此启动电路160仅仅在该电路最初连接到电池102、104上时被激活。本领域内的专业人员将认识到，如果采用弛豫振荡器(例如采用RC和DIAC结构)则该启动电路160可以具有连续重新启动的能力。
最好本发明的充电均衡电路可以在接近电池102和104放置的电路插件上实现。当电池的数目超过2，例如3、4、5、6等等，则一个充电均衡电路300可以运用于每一对电池。这些电池对相重叠，使得能够获得所有电池之间的完全均衡。在要均衡n个电池时，需要9n-10个均衡电路。
有利的是在用于其他电池对的充电均衡电路之间不需要共享同步信号或其它控制信号(即，每个充电均衡电路是独立的)。因此，该充电均衡电路被分配在电池上，用于最方便和安全地操作。
尽管本发明已经参照特定的实施例进行了描述，但是许多其它改变和变化以及用途对于本领域的专业人员是显而易见的。因此，本发明不受在此公开的具体说明的限制，而仅仅由所附权利要求限制。

Claims (36)

1.一种用于均衡第一和第二串联电池之间的电荷的电池均衡电路，每个电池包括正端和负端，其中第二电池的正端在公共节点连接到第一电池的负端，该电池均衡电路包括：
开关电路，其在正节点连接到第一电池的正端，以及在负节点连接到第二电池的负端；以及
谐振电路，其连接在所述开关电路和电池的公共节点之间，
其中所述开关电路适合于交替地使该谐振电路与第一和第二电池相并联，使得直流成分通过谐振电路作为第一和第二电池之间电荷不平衡的函数在它们之间流动。
2.根据权利要求1所述的电池均衡电路，其特征在于，直流电流成分按照至少如下一种方式流动：当第一电池具有比第二电池上的电荷更大的电荷时，从第一电池流到第二电池；以及当第一电池具有比第二电池上的电荷更小的电荷时，从第二电池流到第一电池，
其中该直流电流成分趋向于均衡第一和第二电池之间的电荷。
3.根据权利要求2所述的电池均衡电路，其特征在于，该直流电流成分具有与在第一和第二电池上的各个电荷之间的幅度差成正比的幅度。
4.根据权利要求3所述的电池均衡电路，其特征在于，该谐振电路是串联谐振电路，包括与谐振电容器相串联的谐振电感器。
5.根据权利要求4所述的电池均衡电路，其特征在于，串联连接的谐振电感器和谐振电容器包括连接到开关电路的第一节点，连接到电池的公共节点的第二节点，以及把谐振电感器连接到谐振电容器的中间节点。
6.根据权利要求5所述的电池均衡电路，其特征在于，该串联谐振电路包括跨接谐振电容器的旁路电路，使得直流电流成分可以流过并且流到第一和第二电池中的一个。
7.根据权利要求6所述的电池均衡电路，其特征在于，该直流旁路电路包括旁路电感器，该旁路电感器所具有的电感明显大于谐振电感器的电感。
8.根据权利要求7所述的电池均衡电路，其特征在于，在第一和第二电池上的各个电荷之间的不平衡趋向于感应谐振电容器上的直流电压成分，该旁路电感器提供跨过谐振电容器的直流电流通道，使得直流电流成分可以流过旁路电感器并且流到第一和第二电池中的一个。
9.根据权利要求5所述的电池均衡电路，其特征在于，该开关电路包括从正节点到负节点以半桥式结构连接的第一和第二开关晶体管，并且确定它们之间的一个输出节点，谐振电路的第一节点连接到该输出节点。
10.根据权利要求9所述的电池均衡电路，其特征在于，该开关电路包括晶体管驱动电路，其适合于分别产生用于分别使第一和第二开关晶体管导通和截止的第一和第二偏置信号，该晶体管驱动电路连接到谐振电感器，使得该第一和第二偏置信号是跨过该谐振电感器的电压的一个函数。
11.根据权利要求10所述的电池均衡电路，其特征在于，该晶体管驱动电路产生第一偏压信号，以便于当跨过谐振电感器的电压通常为正时，偏置第一晶体管导通和偏置第二晶体管截止，当跨过谐振电感器的电压通常为负时，偏置第一晶体管截止和偏置第二晶体管导通。
12.根据权利要求11所述的电池均衡电路，其特征在于，该晶体管驱动电路包括绕在谐振电感器的公共铁芯上的第一和第二绕组，该第一和第二绕组相反地缠绕，并且分别连接到第一和第二开关晶体管的偏置端。
13.根据权利要求12所述的电池均衡电路，其特征在于，第一和第二开关晶体管是MOS门晶体管，其中每个具有选通端，该第一和第二绕组连接到各个选通端。
14.根据权利要求13所述的电池均衡电路，其特征在于，第一和第二开关晶体管是MOSFET，第一开关晶体管的源极在输出节点连接到第二开关晶体管的漏极，该第一和第二绕组从各个栅极连接到第一和第二开关晶体管的源极。
15.根据权利要求11所述的电池均衡电路，其特征在于，晶体管驱动电路被采用，使得谐振电感两端的电压感应成比例的偏压以将在一正反馈电路组成中的第一和第二开关晶体管偏置为导通和截止。
16.根据权利要求15所述的电池均衡电路，其特征在于，每个开关晶体管具有阈值电压，偏置电压幅度低于该阈值电压将使开关晶体管偏置截止，晶体管驱动电路的正反馈作用使得跨过谐振电感器的电压幅度接近于零，一个偏压接近于各个阈值电压，趋向于使相应的开关晶体管偏置截止，使通过谐振电感器的电流减小，使跨过谐振电感器的电压反转，以及使偏置电压下降到各个阈值电压之下，并且使相应的开关晶体管完全偏置截止。
17.根据权利要求16所述的电池均衡电路，其特征在于，谐振电感器和谐振电容器的电抗值确定谐振频率，晶体管驱动电路的正反馈使通过谐振电感器和谐振电容器的电流以及跨过谐振电感器和谐振电容器的电压表现出略高于谐振频率的频率。
18.根据权利要求8所述的电池均衡电路，其中还包括第一和第二旁路电容器，第一旁路电容器从正节点连接到公共节点，并且第二旁路电容器从公共节点连接到负节点。
19.根据权利要求18所述的电池均衡电路，其特征在于第一和第二旁路电容器具有足以避免循环电流流入各个电池的电抗值。
20.根据权利要求8所述的电池均衡电路，其中还包括具有各个正极和负极的第一和第二旁路二极管，第一二极管的正极从谐振电路的中间节点连接到正节点，并且第二二极管的负极从谐振电路的中间节点连接到负节点，第一和第二二极管避免在中间节点的电压升高到高于第一电池电压或者下降到低于第二电池电压。
21.一种用于均衡第一和第二串联电池单元之间的电荷的电池均衡电路，每个电池单元包括正端和负端，其中第二电池单元的正端在公共节点连接到第一电池单元的负端，该电池均衡电路包括：
开关电路，其在正节点连接到第一电池单元的正端，以及在负节点连接到第二电池单元的负端；以及
谐振电路，其连接在所述开关电路和电池的公共节点之间，
其中所述开关电路适合于交替地使该谐振电路与第一和第二电池单元相并联，使得直流成分通过谐振电路作为第一和第二电池单元之间电荷不平衡的函数在它们之间流动。
22.根据权利要求21所述的电池均衡电路，其特征在于，第一和第二电池单元中的每一个包括形成各个电池单元的两个或更多的子单元。
23.根据权利要求21所述的电池均衡电路，其特征在于，该谐振电路是串联谐振电路，包括与谐振电容器相串联的谐振电感器。
24.根据权利要求23所述的电池均衡电路，其特征在于，串联连接的谐振电感器和谐振电容器包括连接到开关电路的第一节点，连接到电池单元的公共节点的第二节点，以及把谐振电感器连接到谐振电容器的中间节点。
25.根据权利要求24所述的电池均衡电路，其特征在于，该串联谐振电路包括跨接谐振电容器的直流旁路电路，使得直流电流成分可以流过并且流到第一和第二电池单元的一个。
26.根据权利要求25所述的电池均衡电路，其特征在于，该直流旁路电路包括旁路电感器，该旁路电感器所具有的电感明显大于谐振电感器的电感。
27.根据权利要求26所述的电池均衡电路，其特征在于，在第一和第二电池上的各个电荷之间的不平衡趋向于感应谐振电容器上的直流电压成分，该旁路电感器提供跨过谐振电容器的直流电流通道，使得直流电流成分可以流过旁路电感器并且流到第一和第二电池单元中的一个。
28.根据权利要求25所述的电池均衡电路，其特征在于，该开关电路包括从正节点到负节点以半桥式结构连接的第一和第二开关晶体管，并且确定它们之间的一个输出节点，谐振电路的第一节点连接到该输出节点。
29.根据权利要求28所述的电池均衡电路，其特征在于，该开关电路包括晶体管驱动电路，其适合于分别产生用于分别使第一和第二开关晶体管导通和截止的第一和第二偏压信号，该晶体管驱动电路连接到谐振电感器，使得第一和第二偏压信号是该谐振电感器上的电压的一个函数。
30.根据权利要求29所述的电池均衡电路，其特征在于，该晶体管驱动电路产生第一偏压信号，以便于当跨过谐振电感器的电压通常为正时，偏置第一晶体管导通和偏置第二晶体管截止，当跨过谐振电感器的电压通常为负时，偏置第一晶体管截止和偏置第二晶体管导通。
31.根据权利要求30所述的电池均衡电路，其特征在于，该晶体管驱动电路包括绕在谐振电感器的公共铁芯上的第一和第二绕组，该第一和第二绕组相反地缠绕，并且分别连接到第一和第二开关晶体管的偏置端。
32.根据权利要求31所述的电池均衡电路，其特征在于，第一和第二开关晶体管是MOS门晶体管，其中每个具有选通端，该第一和第二绕组连接到各个选通端。
33.根据权利要求32所述的电池均衡电路，其特征在于，第一和第二开关晶体管是MOSFET，第一开关晶体管的源极在输出节点连接到第二开关晶体管的漏极，该第一和第二绕组从各个栅极连接到第一和第二开关晶体管的源极。
34.根据权利要求21所述的电池均衡电路，其中还包括第一和第二旁路电容器，第一旁路电容器从正节点连接到公共节点，并且第二旁路电容器从公共节点连接到负节点。
35.根据权利要求34所述的电池均衡电路，其特征在于第一和第二旁路电容器具有足以将循环电流分流而避免流入各个电池单元的电抗值。
36.根据权利要求21所述的电池均衡电路，其特征在于其中还包括具有各自的正极和负极的第一和第二旁路二极管，第一二极管的正极从谐振电路的中间节点连接到正节点，并且第二二极管的负极从谐振电路的中间节点连接到负节点。
CNB001179276A 1999-05-27 2000-05-29 自动电池均衡电路 Expired - Lifetime CN1255917C (zh)

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