TWI483507B - 用於電池組電池平衡及充電之裝置及方法 - Google Patents

用於電池組電池平衡及充電之裝置及方法 Download PDF

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Description

用於電池組電池平衡及充電之裝置及方法
本發明係關於自充電系統，且更特定言之，係關於多電池平衡或充電系統。
電池平衡及充電系統提供使用單一電源對串聯連接之電池組充電的能力。使用多個鋰離子或超級電容器電池之系統需要使個別電池平衡，以便最大化可得自電池組之能量且延長系統之壽命。在一種常見解決方案中，用於對電池充電之電阻性平衡系統將過量電荷耗散為熱量。然而，此等類型之系統浪費大量能量。基於「最近鄰(nearest neighbor)」電感性或電容性能量轉移之能量轉移系統減少所浪費能量之量，但其係複雜的且當在若干電池之距離上轉移電荷時通常提供不太令人滿意的結果。因此，需要一種解決以下雙重問題之電池平衡及充電系統：使一電池組電池堆疊內之電池之充電狀態平衡，而不在相關聯之電阻器中耗散能量；及進一步提供向堆疊中之任何電池之有效率電荷轉移，而無距離懲罰(penalty)。使多電池電池組內之電池平衡的常見方式係藉由經由導通元件而對電量最高之電池(highest cell)放電，或者，藉由將電荷自導通元件傳遞至鄰近電池。
如本文中所揭示及描述，本發明在其一態樣中包含一種用於對複數個串聯連接的電池組電池充電之裝置。第一輸入端子及第二輸入端子將一充電電壓提供至該複數個串聯連接的電池組電池。一變壓器包括一與該充電電壓相關聯之一次側，及一包括複數個部分之二次側。該複數個部分中之每一者跨接於複數個串聯連接的電池組電池中之一者兩端。一串聯於該二次側之該複數個部分中之每一者與該等串聯連接的電池組電池中之該至少一者之間的開關在一第一狀態下增加該二次側之該部分與該複數個串聯連接的電池組電池中之該至少一者之間的一阻抗，且在一第二狀態下減小該二次側之該部分與該複數個串聯連接的電池組電池中之該至少一者之間的該阻抗。
為了達成更完整之理解的目的，現參考結合隨附圖式之以下描述。
現參看圖式(其中相似參考數字在本文中始終用以表示相似元件)，說明及描述一種用於電池平衡及充電之系統及方法的各種視圖及實施例，且描述其他可能實施例。諸圖未必按比例繪製，且在一些情況下，僅出於說明性目的而在某些地方誇示及/或簡化該等圖式。具有通常知識者將瞭解基於可能實施例之以下實例的許多可能應用及變化。
電池平衡及充電系統提供使用單一電源而對串聯連接之電池組電池充電的能力。使用多個鋰離子或超級電容器 電池之系統需要使個別電池平衡，以便最大化可得自電池組之能量且延長系統之壽命。用於對電池充電之電阻性平衡系統將過多電荷耗散為熱量，其為一種常見解決方案，但此等類型之系統浪費能量。基於「最近鄰」電感性或電容性能量轉移之能量轉移系統減少所浪費能量之量，但其係複雜的且當在若干電池之距離上轉移電荷時通常提供不太令人滿意的結果。因此，需要一種解決以下雙重問題之電池平衡及充電系統：使一電池組電池堆疊內之電池之充電狀態平衡，而不在相關聯電阻器中耗散能量；及進一步提供向該堆疊中之任何電池之有效率電荷轉移，而無距離懲罰。使多電池電池組內之電池平衡的常見方式係藉由經由導通元件而對電量最高之電池放電，或者，藉由將電荷自導通元件傳遞至鄰近電池。
現參看圖式，且更特定言之，參看圖1，說明與串聯連接之電池組電池104連接之電池平衡電路102的組態。可使特定電池組電池104上之電荷位準自一電池移動至另一電池，以便使電池104中之每一者上的電荷負載平衡。電池平衡電路102可負責執行此電池平衡/充電功能性。如在上文中所論述，存在用於將電荷自電池堆疊內之一電池轉移至一鄰近電池的各種類型之系統。然而，此等系統係過度複雜且昂貴的，且當經由若干電池(諸如，自電池堆疊之一末端至另一末端)轉移電荷時遭受不良的效率。
現參看圖2，說明作為充電狀態百分比之函數的在兩個電池之間的電壓差。當具有不同阻抗或電壓之電池組串聯 連接時，整個電池組(pack)之充電狀態受限制。在低充電狀態百分比下，電壓偏差極高且可接近500毫伏特之偏差。隨著充電狀態接近20%，電壓偏差顯著地減小且接近0。因此，在充電週期期間，包括較高電荷電壓之電池組可最終被過量充電及損壞，或者，包括較低電荷位準之電池組可最終被充電不足，以便保護較高電荷之電池組。在任一狀況下，電池組之電池皆不會達到其最大電荷電壓。在放電期間，較低電荷之電池組可將該串聯連接之總容量拉至低位準且防止自系統獲取最大電荷。
現參看圖3，說明用於提供串聯連接之電池組電池302之充電及負載平衡之電路的第一實施例。串聯連接之電池組電池302連接於節點304與節點306之間。經由設在節點304與節點306之間的電壓源308將充電電壓供應至電池組電池302。節點306包含接地節點，而節點304包含輸入電壓節點。高壓側切換電晶體310(MOSFET)之源極/汲極路徑連接於節點304與節點312之間。低壓側切換電晶體314(MOSFET)之汲極/源極路徑連接於節點312與接地節點306之間。
由電感器316及電容器320組成之共振槽電路連接於節點312與節點322之間。電感器316連接於節點312與節點318之間。電容器320係與電感器316串聯，連接於節點318與節點322之間。變壓器325之一次側324連接至節點322且連接至接地節點306。變壓器325之二次側包括若干二次側部分326，該等二次部分中之每一者跨接於相 關聯電池組電池302之端子兩端。變壓器之鄰近二次側部分326之極性彼此反向。MOSFET開關328之汲極/源極路徑連接於變壓器325之二次側部分326與相關聯電池組電池302之負端子之間。MOSFET開關328將自亦控制切換電晶體310及314之控制電路(圖中未示)接收控制信號。
在充電週期期間，針對每一切換週期，圖3之系統係基於共振轉換器，且由電壓源308放入共振槽之能量之量接著被轉移至二次側部分326。最低充電電壓之電池接著將自共振槽獲取傳輸至二次側部分326之大多數能量，且最高充電電壓之電池獲取最少能量。因此，與相關聯電池組電池上之電荷成比例地將電荷轉移至二次側部分326。為了添加更多保護及控制，添加與每一個二次側部分326串聯之MOSFET開關328以增加或減小電池組電池302之總阻抗。此允許對電池組電池進行選擇性充電，諸如，當一電池要被充電至比其他電池高的電壓時可能需要的。因此，在充電期間使電池平衡。
如在圖4中可看出，最低電壓之電池正獲取由共振槽所提供之所有能量，而較高電壓之電池組電池正閒置，直至電壓較低之電池組電池在電荷值方面趕上較高值之槽為止。因此，波形402表示較低電荷之電池組電池的充電電池組電壓，而波形404表示較高電壓之電池組。
在放電週期期間，至變壓器325之一次側324的輸入將包含所有電池組電池302之總串聯電壓。能量自所有電池組電池302循環回至最低充電之電池。圖5說明每一週 期中自每一電池獲取之安培小時為相同的，而對於較低電壓之電池組而言送回系統中之能量較高。因此，波形502表示最高電壓之電池組電池，波形504表示次高電壓之電池組電池，而波形506表示最低電壓之電池組電池。
先前解決方案與在上文中關於圖3所描述之實施之間的主要差異在於：自電池組電池302之整個堆疊獲取能量，且接著基於比其他電池組電池需要更多能量之電池組電池而重新分配回能量。此方案准許自動地分配電荷之極簡單系統而無需精緻控制機制。更精緻的實施係可能的，其中可使用複雜演算法而以在整個系統壽命中藉由多種系統維持最佳效能之方式來執行平衡。該系統可同等地實施為充電器、平衡器或兩者。
現參看圖6，說明圖3之電路的替代實施方式，其中變壓器之二次側部分326與電池組電池302之間的MOSFET開關328係由二極體602替換。在圖7所說明之另一實施中，可移除對槽饋電之開關，且使槽輸入接地。在此系統中，變壓器二次線圈與電池之間的開關係由開關及導電元件之適當配置替換。藉由選擇性使用二次側開關而將能量傳遞至槽電路及自槽電路傳遞能量。舉例而言，視開關元件之組態而定，圖2中之二次側變成一次線圈及二次線圈兩者。或者，如圖8所說明，較低驅動MOSFET 314可由二極體802替換。在一替代控制方案中，可感測通過變壓器之一次側324之電流以判定提供電路之接通時間終止點之電流極限，且感測開關終止時序以判定何時斷開切換電 晶體310及314。
現參看圖9，說明圖3之充電/平衡電路之另外實施例。串聯連接之電池組電池902連接於節點904與節點906之間。經由設在節點904與節點906之間的電壓源908將充電電壓供應至電池組電池902。節點906包含接地節點，而節點904包含輸入電壓節點。高壓側開關910連接於節點904與節點912之間。低壓側開關914連接於節點912與接地節點906之間。由電感器916及電容器920組成之共振槽電路連接於節點912與節點922之間。電感器916連接於節點912與節點918之間。電容器920係與電感器916串聯，連接於節點918與節點922之間。
變壓器925之一次側924連接至節點922且連接至接地節點906。變壓器925之二次側包括若干二次部分926，該等二次部分中之每一者跨接於相關聯電池組電池902之端子兩端。開關928連接於變壓器925之二次側之二次部分926與相關聯電池組電池902之負端子之間。開關928將自亦控制開關915及914之控制電路(圖中未示)接收控制信號。除了連接於變壓器二次部分926與電池組電池902之間的開關928以外，電容器930亦與開關928並聯連接。在此方案中，可經由選擇性使用二次側開關928而將電流引導至個別電池902，從而允許可程式化的電荷平衡或電荷重新導向以故意地產生不平衡條件。
現亦參看圖10，說明巢式平衡系統。巢式配置係可能的，其中電池組電池中之每一者係由先前關於圖3所描述 之平衡電路1002及一系列電池組電池1004替換。圖10之電路包含串聯連接之電池組電池1004，其連接於節點1005與節點1006之間。經由設在節點1005與節點1006之間的電壓源1008將充電電壓供應至電池組電池1004。節點1006包含接地節點，而節點1005包含輸入電壓節點。高壓側開關1016連接於節點1005與節點1012之間。低壓側開關1014連接於節點1012與接地節點1006之間。
由電感器1013及電容器1021組成之共振槽電路連接於節點1012與節點1022之間。電感器1013連接於節點1012與節點1018之間。電容器1021係與電感器1013串聯，連接於節點1020與節點1022之間。變壓器1025之一次側1024連接至節點1022且連接至接地節點1006。變壓器1025之二次側包括若干二次側部分1026，該等二次部分中之每一者跨接於相關聯電池組電池1004堆疊之端子兩端。開關1028連接於變壓器1025之二次側部分1026之二次部分1026與相關聯電池組電池1004堆疊之負端子之間。開關1028將自亦控制開關1016及1014之電路接收控制信號。
如先前所提及，一系列電池組電池1004(而非單一電池)跨接於變壓器之二次側之二次側部分1026中之每一者兩端。先前關於圖3所描述之平衡電路跨接於此等電池組電池1004兩端。因此，電池組電池1004將包含源308，且平衡電路1002將在節點304及306處與該源連接。因此，電池組電池1004之每一堆疊包括其自有平衡電路1002，使得可生產最佳化複雜性/效能取捨之巢式平衡系統。
在圖10之電路之替代實施例中，可移除對共振槽饋電之開關1016及1014，且使槽輸入接地。在此實施方式中，變壓器之二次側部分1026與電池組電池1004堆疊之間的開關1028係由開關及導電元件之適當配置替換。藉由選擇性使用二次側開關1028將能量傳遞至共振槽電路及自共振槽電路傳遞能量。因此，視切換元件之組態而定，二次側變成一次線圈及二次線圈兩者。
在圖11中所說明之又一實施例中，電路係以與關於圖3所描述之方式實質上相同的方式加以組態。然而，二次側部分326上之極性被更改，使得二次繞組中之一些(理想地，一半)具有一極性且二次繞組中之剩餘繞組具有相反極性。二次繞組內之反向極性之間的實際序列並不重要。此組態所提供之益處在於：可在變壓器之兩個半週期中轉移電荷。第一個半週期對具有一極性之二次線圈饋電，且第二個半週期對具有相反極性之二次線圈饋電。
現參看圖12，說明包含堆疊式組態之另一實施例，該組態包括經置放成與第一變壓器1225串聯之額外變壓器1233。串聯連接之電池組電池1202連接於節點1204與節點1206之間。經由設在節點1204與節點1206之間的電壓源1208將充電電壓供應至電池組電池1202。節點1206包含接地節點，而節點1204包含輸入電壓節點。高壓側開關1210連接於節點1204與節點1212之間。低壓側開關1214連接於節點1212與接地節點1206之間。由電感器1216及電容器1220組成之共振槽電路連接於節點1212與節點 1222之間。電感器1216連接於節點1212與節點1218之間。電容器1220係與電感器1216串聯，連接於節點1218與節點1222之間。
第一變壓器1225之一次側1224連接至節點1222且連接至接地節點1206。變壓器1225之二次側包括若干二次側部分1226，該等二次部分中之每一者跨接於相關聯電池組電池1202之端子兩端。開關1228連接於變壓器1225之二次側之二次側部分126與相關聯電池組電池1202之負端子之間。開關1228將自亦控制開關1215及1214之控制電路(圖中未示)接收控制信號。除了連接於變壓器之二次側部分1226與電池組電池1202之間的開關1228以外，電容器1230亦與開關1228並聯連接。在此方案中，可經由選擇性使用二次側開關1228而將電流引導至個別電池1202，從而允許可程式化的電荷平衡或電荷重新導向以故意地產生不平衡條件。
在堆疊式組態之第二變壓器1223中，變壓器1223之一次側1235係與第一變壓器1225之一次側1224串聯連接。另外，另外一系列變壓器之二次側部分1236跨接於與變壓器1225之二次側部分1226串聯的額外電池組電池1202兩端。如在電路之第一部分中，開關1228將自控制電路(圖中未示)接收控制信號。除了連接於變壓器之二次側部分1236與電池組電池1202之間的開關1228以外，電容器1230亦與開關1228並聯連接。堆疊式組態完全可按比例縮放。可串聯添加所需數目的區段。因此，可進一步 添加任何數目，而非圖12所說明之兩個。單對開關1215及1214以及由電感器1216及電容器1220組成之單一槽電路接著對串聯連接的變壓器繞組饋電。
現參看圖13，說明包含改良組態之充電/平衡電路之又一實施例，該組態用於減少變壓器二次線圈之數目。串聯連接之電池組電池1302連接於節點1304與節點1306之間。經由設在節點1304與節點1306之間的電壓源1308將充電電壓供應至電池組電池1302。節點1306包含接地節點，而節點1304包含輸入電壓節點。高壓側開關1310連接於節點1304與節點1312之間。低壓側開關1314連接於節點1312與接地節點1306之間。由電感器1316及電容器1320組成之共振槽連接於節點1312與節點1322之間。電感器1316連接於節點1312與節點1318之間。電容器1320係與電感器1316串聯，連接於節點1318與節點1322之間。
變壓器1325之一次側1324連接至節點1322且連接至接地節點1306。變壓器1325之二次側包括若干二次側部分1326。每一二次側部分1326經由一組相關聯開關1328及1330而與兩個單獨的電池組電池1302相關聯。開關1328連接於變壓器1325之二次側部分1326之第一部分與相關聯電池組電池1302之第一端子之間。對於電路內的二次側之每一二次側部分1326，開關1328類似地相關聯。類似地，開關1330連接於變壓器1325之二次側之二次側部分1326與第二電池之第二端子之間。開關1330係與二次側之二次側部分1326中之每一者相關聯。在每一半週期施加期間， 施加至電池組電池1302的二次側部分1326之極性反向。
變壓器1325之每一二次側部分1326經由開關1328及1330而連接至兩個鄰近電池組電池1302。在一次側1324之繞組中的電流之相反半週期期間，開關1328及1330使充電電流能夠轉移至兩個連接的電池組電池1302中之每一者。舉例而言，在工作週期之一半週期期間，二次側部分1326之繞組經由開關1328而連接至電池組電池1302a及1302c，且在工作週期之另一半週期期間，變壓器之二次側部分1326經由開關1330而連接至第二群電池組電池1302b及1302d。接著將在每一半週期期間重複該序列，使得藉由二次側部分1326之繞組的動作而對兩群電池充電。
現參看圖14，說明充電/平衡電路之又一實施例，其中說明用於減少變壓器二次線圈之數目的替代組態。串聯連接之電池組電池1402連接於節點1404與節點1406之間。經由設在節點1404與節點1406之間的電壓源1408將充電電壓供應至電池組電池1402。節點1406包含接地節點，而節點1404包含輸入電壓節點。高壓側開關1410連接於節點1404與節點1412之間。低壓側開關1414連接於節點1412與接地節點1406之間。由電感器1416及電容器1420組成之共振槽連接於節點1412與節點1422之間。電感器1416連接於節點1412與節點1418之間。電容器1420係與電感器1416串聯，連接於節點1418與節點1422之間。
變壓器1425之一次側1424連接至節點1422且連接至接地節點1406。變壓器1425之二次側包括若干二次側部分 1426。每一二次側部分1426經由一組相關聯二極體1428及1430而與兩個單獨的電池組電池1402相關聯。二極體1428連接於變壓器1425之二次側部分1426之第一部分與相關聯電池組電池1402之第一端子之間。對於電路內的二次側之每一二次側部分1426，二極體1428類似地相關聯。類似地，二極體1430連接於變壓器1425之二次側之二次側部分1426與第二電池之第二端子之間。二極體1430係與二次側之二次側部分1426中之每一者相關聯。在每一半週期施加期間，施加至電池組電池1402的變壓器1425之二次側部分1426的極性反向。
變壓器1425之每一二次側部分1426經由二極體1428及1430而連接至兩個鄰近電池組電池1402。在一次側1424之繞組中的電流之相反半週期期間，二極體1428及1430使充電電流能夠轉移至兩個連接的電池1402中之每一者。舉例而言，在工作週期之一半週期期間，二次側部分1426之繞組經由二極體1428而連接至電池組電池1402a及1402c，且在工作週期之另一半週期期間，變壓器之二次側部分1426經由二極體1430而連接至第二群電池組電池1402b及1402d。接著將在每一半週期期間重複該序列，使得藉由二次側部分1426之繞組的動作而對兩群電池充電。在圖14之實施中，圖13之實施例的開關1328及1330已由二極體1428及1430替換。在額外組態中，二極體或開關可由二極體與開關之組合替換以准許對系統之簡單控制。
現參看圖15，說明描述圖13之電路之操作的流程圖。一旦在步驟1502處起始電路之操作，就閉合第一群開關1328，而斷開第二群開關1330。當出現此情形時，接著在步驟1506處對第一群電池組充電。詢問步驟1508判定在一次側1324之繞組中的電流之第一半週期是否已完成。若否，則控制傳回至步驟1506。若詢問步驟1508判定半週期完成，則在步驟1510處閉合第二群開關1330，而斷開第一群開關1328。此起始在步驟1512處對第二群電池組之充電。詢問步驟1514接著判定在一次側1326之繞組中的電流之最後半週期是否已完成，且若否，則繼續在步驟1512處對電池組充電。一旦該半週期完成，控制就傳回至步驟1504，且閉合第一群開關，而斷開第二群開關，以開始對第一群電池組之充電。如在上文中所描述，繼續重複該週期。
因此，先前解決方案與本發明之間的主要差異在於：自整個電池堆疊獲取能量，且基於比其他電池需要更多能量之電池而重新分配能量。該方案准許自動地充電之極簡單系統而無需精緻控制機制。更精緻的實施係可能的，其中可使用複雜演算法而以藉由多種系統且在整個系統壽命中維持最佳效能之方式來執行平衡。另外，上述方法及系統可用以將系統內的變壓器二次線圈之數目減少為原來的1/2。此將極大地減少系統內之組件成本且提供顯著的成本節約。
受益於本發明之熟習此項技術者應瞭解，用於電池平 衡及充電之此系統及方法提供了對電池組電池堆疊充電/使電池組電池堆疊平衡之改良方式。應理解，本文中之圖式及詳細描述應被視作說明性而非限制性的，且不意欲限於所揭示之特定形式及實例。相反地，包括對於具有通常知識者顯而易見的任何另外修改、改變、重新配置、取代、替代、設計選擇及實施例，而不脫離其由以下申請專利範圍界定之精神及範疇。因此，以下申請專利範圍意欲被解釋為涵蓋所有此等另外修改、改變、重新配置、取代、替代、設計選擇及實施例。
102‧‧‧電池平衡電路
104‧‧‧電池組電池
302‧‧‧電池組電池
304‧‧‧節點
306‧‧‧節點
308‧‧‧電壓源
310‧‧‧切換電晶體MOSFET
312‧‧‧節點
314‧‧‧切換電晶體MOSFET
316‧‧‧電感器
318‧‧‧節點
320‧‧‧電容器
322‧‧‧節點
324‧‧‧一次側
325‧‧‧變壓器
326‧‧‧二次側部分
328‧‧‧切換MOSFET
402‧‧‧波形
404‧‧‧波形
502‧‧‧波形
504‧‧‧波形
506‧‧‧波形
602‧‧‧二極體
802‧‧‧二極體
902‧‧‧電池組電池
904‧‧‧節點
906‧‧‧節點
908‧‧‧電壓源
910‧‧‧高壓側開關
912‧‧‧節點
914‧‧‧低壓側開關
915‧‧‧開關
916‧‧‧電感器
918‧‧‧節點
920‧‧‧電容器
922‧‧‧節點
924‧‧‧一次側
925‧‧‧變壓器
926‧‧‧二次部分
928‧‧‧開關
930‧‧‧電容器
1002‧‧‧平衡電路
1004‧‧‧電池組電池
1005‧‧‧節點
1006‧‧‧節點
1012‧‧‧節點
1013‧‧‧電感器
1014‧‧‧低壓側開關
1016‧‧‧高壓側開關
1018‧‧‧節點
1020‧‧‧節點
1021‧‧‧電容器
1022‧‧‧節點
1024‧‧‧一次側
1025‧‧‧變壓器
1026‧‧‧二次側部分
1028‧‧‧開關
1202‧‧‧電池組電池
1204‧‧‧節點
1206‧‧‧節點
1208‧‧‧電壓源
1210‧‧‧高壓側開關
1212‧‧‧節點
1214‧‧‧低壓側開關
1215‧‧‧開關
1216‧‧‧電感器
1218‧‧‧節點
1220‧‧‧電容器
1222‧‧‧節點
1224‧‧‧一次側
1225‧‧‧變壓器
1226‧‧‧二次側部分
1228‧‧‧開關
1230‧‧‧電容器
1233‧‧‧變壓器
1235‧‧‧一次側
1236‧‧‧二次側部分
1302‧‧‧電池組電池
1304‧‧‧節點
1306‧‧‧節點
1308‧‧‧電壓源
1310‧‧‧高壓側開關
1312‧‧‧節點
1314‧‧‧低壓側開關
1316‧‧‧電感器
1318‧‧‧節點
1320‧‧‧電容器
1322‧‧‧節點
1324‧‧‧一次側
1325‧‧‧變壓器
1326‧‧‧二次側部分
1328‧‧‧開關
1330‧‧‧開關
1402‧‧‧電池組電池
1404‧‧‧節點
1406‧‧‧節點
1408‧‧‧電壓源
1410‧‧‧高壓側開關
1412‧‧‧節點
1414‧‧‧低壓側開關
1416‧‧‧電感器
1418‧‧‧節點
1420‧‧‧電容器
1422‧‧‧節點
1424‧‧‧一次側
1425‧‧‧變壓器
1426‧‧‧二次側部分
1428‧‧‧二極體
1430‧‧‧二極體
1502‧‧‧步驟
1504‧‧‧步驟
1506‧‧‧步驟
1508‧‧‧詢問步驟
1510‧‧‧步驟
1512‧‧‧步驟
1514‧‧‧詢問步驟
圖1為說明電池平衡電路與串聯連接之電池組電池之連接的方塊圖；圖2說明作為電池之充電狀態百分比之函數的在兩個電池之間的電壓差；圖3說明用於電池之充電及平衡之電路的示意圖；圖4說明在過渡期間之電池組充電週期；圖5說明在過渡期間之電池組放電週期；圖6說明圖3之替代實施例；圖7說明圖3之電路之又一實施例；圖8說明圖3之電路之又一替代實施例；圖9說明電池組充電及平衡電路之另一實施例；圖10說明充電及平衡電路之巢式組態；圖11為圖3之電路之替代實施例的方塊圖，其中在二 次繞組部分中之一些二次繞組部分上極性反向；圖12說明包括複數個串聯連接的變壓器部分之替代實施例，其允許實現可按比例縮放之堆疊式組態；圖13說明一系統之又一實施例，其用於減少用於電池平衡及充電之變壓器二次線圈之數目；圖14說明圖13之替代實施例，其中使用二極體以代替開關；及圖15為描述圖13之實施例之操作的流程圖。
302‧‧‧電池組電池
304‧‧‧節點
306‧‧‧節點
308‧‧‧電壓源
310‧‧‧切換電晶體(MOSFET)
312‧‧‧節點
314‧‧‧切換電晶體MOSFET
316‧‧‧電感器
318‧‧‧節點
320‧‧‧電容器
322‧‧‧節點
324‧‧‧一次側
325‧‧‧變壓器
326‧‧‧二次側部分
328‧‧‧MOSFET開關

Claims (32)

  1. 一種用於對複數個串聯耦合的電池組電池進行平衡之裝置，該裝置包含：第一輸入節點及第二輸入節點，其經組態以被耦合而跨接於第一複數個串聯耦合的電池組電池；一電感器和一電容器之一串聯組合，該串聯組合係具有被耦合至該第二節點之一第三節點並具有一第四節點；一變壓器，其具有被耦合在該第二節點和該第四節點之間的一第一一次側及包括複數個部分之一第一二次側，該複數個部分中之每一者跨接於該複數個串聯耦合的電池組電池中之相應的至少一個電池組電池，該變壓器及該電感器和該電容器之該串聯組合經組態使該等電池組電池中之該至少一個電池組電池上的一電荷相對於該等電池組電池中之至少一個其它電池組電池上的一電荷來平衡；一相應的第一電子裝置，其串聯於該二次側之該複數個部分中之每一者與該複數個串聯耦合的電池組電池中之該相應的至少一個電池組電池之間，該相應的電子裝置經組態以在該變壓器及該電感器和該電容器之該串聯組合使該複數個串聯耦合的電池組電池中之至少一個電池組電池上的該電荷平衡時，來減小在該二次側之該部分與該複數個串聯耦合的電池組電池中之該至少一個電池組電池之間的一阻抗。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其進一步包括被耦合在該第二節點和該第三節點之間的一低壓側開關或一二極體。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其進一步包括一切換電路，該切換電路包含：一高壓側開關，其耦合於該第一節點與該第三節點之間；及一低壓側開關，其耦合於該第二節點與該第三節點之間。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其進一步包括：一第一二極體，其耦合於該第一節點與該第三節點之間；及一第二二極體，其耦合於該第二節點與該第三節點之間。
  5. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該高壓側開關及該低壓側開關包含相應的MOSFET電晶體。
  6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其進一步包含並聯於該等電子裝置之每一者的一相應的電容器，該等電子裝置串聯於該二次側之該複數個部分中之每一者與該複數個串聯耦合的電池組電池中之該至少一個電池組電池之間。
  7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其進一步包含：其中該第一節點和該第二節點經組態被耦合而跨接於該第一複數個串聯耦合的電池組電池和一第二複數個串聯耦合的電池組電池之一串聯組合；其中該第一變壓器具有被串聯耦合於該第一一次側之一第二二次側，並具有包括複數個部分之一第二二次側，該複數個部分中之每一者跨接於該第二複數個串聯耦合的 電池組電池中之相應的至少一個電池組電池，該變壓器及該電感器和該電容器之該串聯組合經組態使該第二複數個電池組電池中之至少一個電池組電池上的一電荷相對於該第二複數個電池組電池中之至少一個其它電池組電池上的一電荷來平衡；一相應的第二電子裝置，其串聯於該第二二次側之該複數個部分中之每一者與該第二複數個串聯耦合的電池組電池中之該相應的至少一個電池組電池之間，該相應的第二電子裝置經組態以在該變壓器及該電感器和該電容器之該串聯組合使該第二複數個串聯耦合的電池組電池中之至少一個電池組電池上的一電荷平衡時，來減小在該第二二次側之該部分與該第二複數個串聯耦合的電池組電池中之該至少一個電池組電池之間的一阻抗。
  8. 一種用於對第一複數個串聯耦合的電池組電池充電及平衡之裝置，該裝置包含：第一輸入端子及第二輸入端子，其用於將一第一充電電壓提供至該第一複數個串聯耦合的電池組電池；一第一變壓器，其包括與該第一充電電壓相關聯之一一次側，及包括複數個部分之一二次側，該複數個部分中之每一者跨接於該第一複數個串聯耦合的電池組電池中之至少一者；一串聯共振槽電路，其耦合於該變壓器之該一次側與該第一輸入端子及該第二輸入端子中至少一者之間；一第一開關，其串聯於該二次側之該複數個部分中之 每一者與該第一複數個串聯耦合的電池組電池中之該至少一者之間，以用於在一第一狀態下增加在該二次側之該部分與該第一複數個串聯耦合的電池組電池中之該至少一者之間的一阻抗，且用於在一第二狀態下減小該阻抗；其中在一充電模式下，在該一次側上之電荷被轉移至該二次側之該複數個部分，來自該一次側之電壓係與關聯於該二次側之該部分的該至少一電池組電池所需要之一電荷量成比例地在該二次側之該複數個部分中加以劃分，且在一放電模式下，該變壓器之該一次側被耦合至該第一複數個串聯耦合的電池組電池的一總串聯電壓；該第一複數個串聯耦合的電池組電池之該至少一電池組電池中的每一者係包含相應的第二複數個串聯耦合的電池組電池；至少一對第二和第三輸入終端，其每一者相關於該第二複數個串聯耦合的電池組電池中之一者，以用於將一第二充電電壓提供至該第二複數個串聯耦合的電池組電池；至少一第二變壓器，其每一者相關於該第二複數個串聯耦合的電池組電池中之一者，其包括與該第二充電電壓相關聯之一第二一次側，及包括複數個第二部分之一第二二次側，該第二複數個部分中之每一者跨接於該第二複數個串聯耦合的電池組電池中之一相關電池組電池；以及至少一第二開關，其每一者被串聯耦合於該二次側之該第二複數個部分中之每一者與該相關電池組電池之間，以用於在一第一狀態下增加在該二次側之該第二部分與該 電池組電池之間的一阻抗，且在一第二狀態下減小在該二次側之該第二部分與該相關電池組電池之間的該阻抗。
  9. 如申請專利範圍第8項之裝置，其進一步包括一切換電路，該切換電路包含：一高壓側開關，其耦合於該第一輸入端子與該共振電路之間；及一低壓側開關，其耦合於該第二輸入端子與該共振電路之間。
  10. 如申請專利範圍第8項之裝置，其進一步包括：一第一二極體，其耦合於該第一輸入端子與該共振電路之間；及一第二二極體，其耦合於該第二輸入端子與該共振電路之間。
  11. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中該第一開關包含一MOSFET電晶體。
  12. 如申請專利範圍第8項之裝置，其進一步包含並聯於該第一電子裝置之一電容器，該第一電子裝置串聯於該二次側之該複數個部分中之每一者與該第一複數個串聯耦合的電池組電池中之該至少一者之間。
  13. 一種用於對複數個串聯耦合的電池組電池充電及平衡之裝置，該裝置包含：第一輸入端子及第二輸入端子，其用於將一充電電壓提供至該複數個串聯耦合的電池組電池；一變壓器，其包括與該充電電壓相關聯之一次側，及 包括複數個部分之二次側，該複數個部分中之每一者跨接於該複數個串聯耦合的電池組電池中之至少兩者；複數個第一開關，其每一者耦合於該二次側之相應的單一部分與該複數個串聯耦合的電池組電池之該至少兩者中對應的第一電池組電池之間，且經組態以在該變壓器之該一次側中的一電流之一第一半週期期間將一充電電流提供至該第一電池組電池；複數個第二開關，其每一者耦合於該二次側之該相應的單一部分與該複數個串聯耦合的電池組電池之該至少兩者中對應的第二電池組電池之間，且經組態以在該變壓器之該一次側中的該電流之一第二半週期期間將一充電電流提供至該第二電池組電池；及其中該二次側之該複數個部分中每一者係經組態以在該電流之該第一半週期期間具有第一極性，且在該電流之該第二半週期期間具有與該第一極性相反之第二極性。
  14. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中在一充電模式下，該一次側係經組態以將該一次側上之電荷轉移至該二次側之該複數個部分，使得來自該一次側之該電壓係與關聯於該二次側之該部分的該等第一或第二電池組電池所需要之一電荷量成比例地在該二次側之該複數個部分之中加以劃分，且在一放電模式下，至該變壓器之該一次側的一輸入係經組態以接收該複數個串聯耦合的電池組電池之一總串聯電壓。
  15. 如申請專利範圍第13項之裝置，其進一步包括一共 振槽電路，該共振槽電路耦合於該變壓器之該一次側與該第一輸入端子及該第二輸入端子之間。
  16. 如申請專利範圍第13項之裝置，其進一步包括一切換電路，該切換電路包含：一高壓側開關，其耦合於該第一輸入端子與該共振槽電路之間；及一低壓側開關，其耦合於該第二輸入端子與該共振槽電路之間。
  17. 如申請專利範圍第15項之裝置，其進一步包括：一第一二極體，其耦合於該第一輸入端子與該共振槽電路之間；及一第二二極體，其耦合於該第二輸入端子與該共振槽電路之間。
  18. 如申請專利範圍第16項之裝置，其中該高壓側開關及該低壓側開關包含相應的MOSFET電晶體。
  19. 如申請專利範圍第16項之裝置，其係進一步包括與該高壓側裝置及該低壓側裝置相關聯之一二極體，且經組態以將一充電電流提供至該第一電池組電池和該第二電池組電池。
  20. 一種用於對複數個串聯耦合的電池組電池充電及平衡之裝置，該裝置包含：第一輸入端子及第二輸入端子，其經組態以將一充電電壓提供至該複數個串聯耦合的電池組電池；一變壓器，其包括與該充電電壓相關聯之一次側，及 包括複數個部分之二次側，該複數個部分中之每一者跨接於該複數個串聯耦合的電池組電池中之相應的至少兩者；複數個第一二極體，其各者耦合於該二次側之相應的單一部分與該複數個串聯耦合的電池組電池之該至少兩者中對應的第一電池組電池之間，且經組態以在該變壓器之該一次側中的一電流之一第一半週期期間將一充電電流提供至該第一電池組電池；複數個第二二極體，其各者耦合於該二次側之該相應的單一部分與該複數個串聯耦合的電池組電池之該至少兩者中相應的第二電池組電池之間，且經組態以在該變壓器之該一次側中的該電流之一第二半週期期間將一充電電流提供至該第二電池組電池；及其中該二次側之該複數個部分中每一者係經組態以在該電流之該第一半週期期間具有第一極性，且在該電流之該第二半週期期間具有與該第一極性相反之第二極性。
  21. 如申請專利範圍第20項之裝置，其中在一充電模式下，該一次側經組態以將該一次側上之電荷轉移至該二次側之該複數個部分，來自該一次側之電壓係與關聯於該二次側之該部分的該等第一或第二電池組電池所需要之一電荷量成比例地在該二次側之該複數個部分之中加以劃分，且在一放電模式下，至該變壓器之該一次側的輸入經組態以接收該複數個串聯耦合的電池組電池的一總串聯電壓。
  22. 如申請專利範圍第20項之裝置，其進一步包括一共振槽電路，該共振槽電路耦合於該變壓器之該一次側與該 第一輸入端子及該第二輸入端子之間。
  23. 如申請專利範圍第22項之裝置，其進一步包括切換電路，該切換電路包含：一高壓側開關，其耦合於該第一輸入端子與該共振槽電路之間；及一低壓側開關，其耦合於該第二輸入端子與該共振槽電路之間。
  24. 如申請專利範圍第22項之裝置，其進一步包括：一高壓側二極體，其耦合於該第一輸入端子與該共振槽電路之間；及一低壓側二極體，其耦合於該第二輸入端子與該共振槽電路之間。
  25. 一種用於對複數個串聯耦合的電池組電池充電和平衡之方法，其包含以下步驟：接收用於該複數個串聯耦合的電池組電池之一充電電壓；在一充電模式下，藉由響應於該充電電壓以產生對於一變壓器之一一次側的一共振輸入，將來自該變壓器之該一次側的電荷轉移至一二次側之複數個部分；與關聯於該二次側之該部分的至少一電池組電池所需要之一電荷量成比例地在該二次側之該複數個部分之中劃分來自該一次側之電壓；在一放電模式下，將該複數個串聯耦合的電池組電池之一總串聯電壓耦合至該變壓器之該一次側； 在一第一狀態下，增加在該二次側之該部分與該複數個串聯耦合的電池組電池中之該至少一者之間的一阻抗；及在一第二狀態下，減小在該二次側之該部分與該複數個串聯耦合的電池組電池中之該至少一者之間的該阻抗。
  26. 如申請專利範圍第25項之方法，其進一步包括將該充電電壓切換至一提供該共振輸入之共振槽電路的步驟。
  27. 如申請專利範圍第25項之方法，其中該轉移之步驟進一步包括下述步驟：在該複數個串聯耦合的電池組電池之一部分處接收該充電電壓；在一充電模式下，從一第二變壓器之一第二一次側轉移至一第二二次側之複數個部分，該複數個部分之每一者具有來自該第二二次側中之一鄰近部分的一反向極性；與關聯於該第二二次側之該部分的至少一電池組電池所需要之一電荷量成比例地在該第二二次側之該複數個部分之中劃分來自該第二一次側之電壓；在一放電模式下，將該複數個串聯耦合的電池組電池之一總串聯電壓耦合至該變壓器之該第二一次側；在一第一狀態下，增加在該第二二次側之該部分與該複數個串聯耦合的電池組電池中之該至少一者之間的一阻抗；及在一第二狀態下，減小在該第二二次側之該部分與該複數個串聯耦合的電池組電池中之該至少一者之間的該阻 抗。
  28. 一種用於對複數個串聯耦合的電池組電池充電和平衡之方法，該方法包含以下步驟：接收用於該複數個串聯耦合的電池組電池之一充電電壓；將來自一變壓器之一一次側的該充電電壓轉移至該變壓器之一二次側的複數個部分；在該變壓器之該一次側中的一電流之一第一半週期期間，將來自該二次側之該複數個部分中每一者的該充電電壓以一第一極性提供至該複數個串聯耦合的電池組電池之一第一部分；將用於該變壓器之該複數二次側的電壓之極性從該第一極性切換至與該第一極性相反之一第二極性；及在該變壓器之該一次側中的該電流之一第二半週期期間，將來自該二次側之該複數個部分中每一者的該充電電壓以與該第一極性相反之該第二極性提供至該複數個串聯耦合的電池組電池之一第二部分。
  29. 如申請專利範圍第28項之方法，其中該提供至該複數個串聯耦合的電池組電池之該第一部分的步驟進一步包括下述步驟：在該變壓器之該一次側中的該電流之該第一半週期期間，將該複數個串聯耦合的電池組電池之該第一部分耦合至該二次側之該複數個部分；在該變壓器之該一次側中的該電流之該第一半週期期 間，將該複數個串聯耦合的電池組電池之該第二部分解耦合自該二次側之該複數個部分；及在該變壓器之該一次側中的該電流之該第一半週期期間，對該複數個串聯耦合的電池組電池之該第一部分充電。
  30. 如申請專利範圍第28項之方法，其中該提供至該複數個串聯耦合的電池組電池之該第二部分的步驟進一步包括下述步驟：在該變壓器之該一次側中的該電流之該第二半週期期間，將該複數個串聯耦合的電池組電池之該第二部分耦合至該二次側之該複數個部分；在該變壓器之該一次側中的該電流之該第二半週期期間，將該複數個串聯耦合的電池組電池之該第一部分解耦合自該二次側之該複數個部分；及在該變壓器之該一次側中的該電流之該第一半週期期間，對該複數個串聯耦合的電池組電池之該第一部分充電。
  31. 如申請專利範圍第28項之方法，其進一步包括回應於該充電電壓而產生至該變壓器之該一次側的一共振輸入之步驟。
  32. 如申請專利範圍第31項之方法，其進一步包括將該充電電壓切換至一提供該共振輸入之共振槽電路的步驟。
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