用于串联电池组的两级式充电均衡方法和装置 【技术领域】
本发明涉及用于串联电池组的充电均衡方法和装置，更具体地，涉及利用两级式DC/DC转换器的充电均衡方法和装置。
背景技术
在需要比单元电池(电池)的基本电势更高的电势的情况下(如使用锂离子电池作为电源的混合动力车辆)，通常使用串联的多个单元电池。
但是，即使通过使用相同的阳极、阴极和电解质材料的典型生产方法，电池都被制造为相同的结构，在串联的各个电池之间也会存在充电特性或放电(和自放电)特性的差异。
因此，当使用串联的电池时，在单元电池之间可以存在电势差。
即使不论其它电池的电势，对串联的单元电池中的一个电池进行完全放电，总电压(串联的电池的总电压)也会变为零，使得需要对电池进行再充电。在对电池进行再充电时，由于电池的电势互不相同，因此就存在过充电的问题(其中电池可能提前达到规定电压)和充电无效的问题(其中即使存在过充电，一些电池可能也达不到规定电压)。
进一步地，如果充电/放电次数比较多，则在组成电池的材料中造成劣化(degradation)，由此改变了电池的属性，因此，这样的劣化情况是进一步增加单个电池差异的原因。
为了解决这样的问题，提出了可以实现串联电池的充电均衡的各种充电均衡装置。
作为一个示例，韩国特开专利申请No.2003‑0096978涉及一种由多个单元电池、充电装置、放电装置和串并转换开关组成的系统，其中，通过均匀地对多个单元电池中的各个单元电池进行放电，然后使用串并转换开关串联连接放电后的单元电池来执行充电。韩国特开专利申请2007‑0064244号涉及一种系统，该系统包括电池单元、连接到电池单元的场效应晶体管单元、连接到场效应晶体管单元的放大单元、控制放大单元的输出信号的复用器单元、比较电池单元的电压信号之间的差的比较单元、将比较器的输出转换成数字信号的A/D转换器、输入由A/D转换器输出的信号并且输出对应于充电/放电条件的信号的微型计算机单元、根据微型计算机单元的信号而操作以提供电池均衡电流的切换单元、和已知的充电/放电电路。
此外，日本特开专利申请No.1998‑032936涉及一种系统，该系统由多个单元电池、用于检测各单元电池的剩余容量的装置、用于执行各单元电池的充电和放电的充电放电替换装置、控制各单元电池的充电和放电的控制器、和独立执行各单元电池的充电和放电的直流/直流转换器组成。日本特开专利申请No.2004‑194410涉及一种系统，该系统由至少两个单元电池组、用于检测流过第一电池组和第二电池组中的各个组的电流之间的差的装置、和用于基于电流差控制电池组的充电/放电电流的装置组成。
但是，在现有的充电均衡装置中，由于串联的各个电池装备有充电均衡装置，以执行单个电池的充电或放电，因此存在的问题在于增加了充电均衡装置的复杂性和体积，由此降低了生产率并提高了生产成本，并且组成充电均衡装置的元件或开关模块必须经受更高的电压应力。
根据本发明的两级式充电均衡装置和方法的特征在于，全部的电池被分为电池模块，并且各个电池模块共用DC/DC转换器，由此降低了充电均衡装置的复杂性而且还获得了有效的充电均衡，两级式DC/DC转换器被构造为使得单个DC/DC转换器连接到各模块所共用的DC/DC转换器的输入端，由此降低了通常具有高电压应力的DC/DC转换器和控制开关的电压应力，并且各模块所共用的DC/DC转换器并联连接到单个电池，由此提高了充电效率。
【发明内容】
技术问题
本发明的目的是提供一种用于执行有效的充电均衡，同时降低了为串联电池组执行充电均衡的充电均衡装置的复杂性的充电均衡装置和方法，并且提供一种充电均衡装置和方法，其可以使用通过降低用于控制均衡和操作的元件的电压应力而具有低耐电压的元件。
技术方案
一种用于串联电池组的两级式充电均衡装置包括：电池模块，其具有多个串联连接的电池；电池组，其具有M(M≥2)个串联连接的电池模块；M个充电控制开关模块，它们分别并联连接到所述M个电池模块中的各个电池模块；M个第二DC/DC转换器，它们分别连接到所述M个充电控制开关模块中的各个充电控制开关模块；单个第一DC/DC转换器，其连接到所述M个第二DC/DC转换器；以及微处理器，其控制所述充电控制开关模块，其中，所述第一DC/DC转换器被输入有所述电池组的总电势并且输出比输入的电势低的电势，并且组成所述电池模块的各个电池利用所述充电控制开关模块来共用所述第二DC/DC转换器。
优选地，所述M个第二DC/DC转换器的输入端分别并联连接到所述第一DC/DC转换器的输出端，并且利用所述充电控制开关模块将所述第二DC/DC转换器的输出端并联连接到组成所述电池模块的各个电池。
优选地，所述第一DC/DC转换器是装备有负反馈电路的DC/DC转换器。所述负反馈电路由恒定电流控制或恒定电压控制组成。
优选地，所述两级式充电均衡装置装备有开关元件，该开关元件用于控制所述第一DC/DC转换器和所述第二DC/DC转换器中的各个转换器的导通/截止操作，使得由在所述微处理器处生成的PWM信号来控制所述开关元件。
优选地，所述充电控制开关模块包括双向金属氧化物半导体场效应晶体管(MOFET)开关或者与二极管一起的单向MOFET开关。此时，当组成所述电池模块的所述串联电池的数目是K时，所述充电控制开关模块包括2K(即，K乘以2)个开关元件，各个开关元件连接到包括所述电池模块的各电池的阳极和阴极。
优选地，当导通组成所述双向MOSFET开关或单向MOSFET开关的所述MOSFET时所施加的Vgs是作为所述电池模块的一部分的至少两个串联电池的电势。而且，在组成所述双向MOSFET开关或单向MOSFET开关的所述MOSFET的栅极中设置有电子继电器。
所述电子继电器是固态继电器或光耦合器，并且其优选地包括发光二极管和光接收元件。所述发光二极管通过所述微处理器的用于控制所述充电控制开关模块的控制信号而进行发光。光接收元件可以是BJT，并且BJT接收处于低阻抗状态(导通)的发光二极管的光，使得向组成开关元件的MOSFET的栅极施加作为电池模块的一部分的至少两个串联电池的电势。
所述充电均衡装置还包括复用器和电压传感器，该复用器以组成所述电池组的各电池的电势作为输入，该电压传感器连接到所述复用器的输出端，并且由所述微处理器来控制所述复用器，并且向所述微处理器输入由所述电压传感器检测到的、组成所述电池组的各电池的电势。
一种用于两级式充电均衡装置的充电均衡方法，其中该两级式充电均衡装置包括：电池模块，其具有多个串联连接的电池；电池组，其具有M(M≥2)个串联连接的电池模块；M个充电控制开关模块，它们分别并联连接到所述M个电池模块中的各个电池模块；M个第二DC/DC转换器，它们分别连接到所述M个充电控制开关模块中的各个充电控制开关模块；单个第一DC/DC转换器，其连接到所述M个第二DC/DC转换器；电压传感模块，其包括复用器、电压传感器和A/D转换器；和微处理器，其控制所述充电控制开关模块、所述复用器、所述第一DC/DC转换器和所述M个第二DC/DC转换器，该充电均衡方法包括以下步骤：(a)使用所述电压传感模块来测量组成所述电池组的各电池的电势；(b)基于所检测出的电势来选择欠充电电池；(c)控制所述充电控制开关模块以使所述欠充电电池和所述第二DC/DC转换器的输出端并联连接；(d)操作所述第二DC/DC转换器；以及(e)操作所述第一DC/DC转换器以对所述欠充电电池进行充电。优选地，所述步骤(a)测量组成所述电池组的各电池的电势，并且对于各电池模块互相独立地执行所述步骤(b)至(e)。
优选地，所述M个第二DC/DC转换器的输入端并联连接到所述第一DC/DC转换器的输出端，并且所述第二DC/DC转换器的输出端由所述充电控制开关模块并联连接到组成所述电池模块的各电池。而且，所述第一DC/DC转换器的输入是所述电池组的总电势，并且所述步骤(e)中的所述充电是由所述电池组的总电势而导致的。
优选地，所述第一DC/DC转换器的输出电势低于所述电池组的总电势。
优选地，如果所述电池属于同一电池模块，则由同一个第二DC/DC转换器对所述电池进行充电。
有益效果
两级式充电均衡装置和方法的特征在于，全部的电池被分为电池模块，并且各个电池模块共用DC/DC转换器，由此降低了充电均衡装置的复杂性而且还获得了有效的充电均衡，两级式DC/DC转换器被构造为使得单个DC/DC转换器连接到各模块所共用的DC/DC转换器的输入端，由此降低了通常具有高电压应力的DC/DC转换器和控制开关的电压应力，并且各模块所共用的DC/DC转换器并联连接到单个电池，由此提高了充电效率。
【附图说明】
从与附图一起给出的优选实施方式的下面描述中，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得显而易见，附图中：
图1是根据本发明的两级式充电均衡装置的一个结构图；
图2是根据本发明的两级式充电均衡装置的另一个结构图；
图3是根据本发明的两级式充电均衡装置的一个电路图的局部图；
图4是根据本发明的两级式充电均衡装置的充电控制开关模块的电路图；
图5是示出根据本发明的两级式充电均衡方法的顺序图。
[主要元件的详细描述]
1140：电池组
1141‑1146：电池模块
1130：开关模块
1131‑1136：充电控制开关模块
1120：第二级DC/DC转换器
1121‑1126：DC/DC转换器
1110：第一级DC/DC转换器
2100：电压传感模块
2200：微处理器
2110：复用器
2120：电容器
2130：模数转换器
【具体实施方式】
下面将参照附图详细描述根据本发明的充电均衡装置和方法。提供附图作为足以向本领域技术人员传达本发明的概念的示例。
因此，本发明未受下面示出的附图的限制，而是可以按另一种形式被指定。此外，相同的标号在本发明的下面详细描述中自始至终表示相同的元件。
此时，如果此处所使用的技术术语和科学术语没有其它任何定义，则它们具有本领域技术人员通常理解的含义。此外，将在下面的描述和附图中省略可能不必要地使本发明的主题模糊的已知功能和结构。
此外，在装置中串联的总电池组是指电池组，具有串联的多个电池的电池组的一部分是指电池模块，并且组成单个电池模块的给定单个电池是指电池单元。
图1是根据本发明的两级式充电均衡装置的一个结构图。
下面将参照图1描述本发明的主要特征。
图1示出了根据本发明的使用开关模块1130和两级式DC‑DC转换器1100的两级式充电均衡装置。电池组1140由M个电池模块1141‑1146组成，各个电池模块具有串联的K个电池。作为一个示例，第三电池模块BM
3由电池B
3.1至电池B
3.K组成。M个电池模块1141‑1146分别连接到充电控制开关模块1131‑1136，并且同样地，M个开关模块1131‑1136分别连接到组成第二级DC/DC转换器1120的DC/DC转换器1121‑1126。因此，在M个电池模块的情况下，装备了M个开关模块和M个DC/DC转换器。
第二级DC/DC转换器1120的所有输入端并联到第一级DC/DC转换器1110的输出端，如图1所示。与第二级DC/DC转换器相比，第一级DC/DC转换器1110由单个DC/DC转换器组成，该单个DC/DC转换器具有连接到输入端的电池组的总电势。此时，虽然为了便于解释，认为组成电池模块的电池单元的数目对于每个电池模块是相同的(K)，但是对于各电池模块，电池单元的数目可能是不同的。
开关模块1130由充电控制开关模块1131‑1136组成，并且充电控制开关模块1131‑1136提供电流通路，用于允许电池单元共用第二级DC/DC转换器。更具体地，考虑到对于电池单元B
3.3执行充电均衡，以属于第三电池模块BM
3的电池单元B
3.1至B
3.K的充电均衡为例，相应的电池单元B
3.3通过充电控制开关模块1133连接到第二级DC/DC转换器1123的输出端，以提供电荷转移路径，并且电池单元B
3.3的充电均衡由连接到第一级DC/DC转换器1110的电池组的总电势来实现。
此时，第一级DC/DC转换器1110优选地是输出比输入电势更低的电势的DC/DC转换器。通过实现电池模块(而非电池组)的概念上的充电均衡，组成第一级DC/DC转换器1110和充电控制开关模块1130的开关元件可以被构造有低电压的双向开关元件或低电压的单向开关元件。
即，通过使用电压组的总电势作为输入，第一级DC‑DC转换器1110负责生成低输出电压，并且通过使用第一级DC‑DC转换器1110的输出作为输入，第二级DC‑DC转换器1120负责实际上对欠充电电池单元(low‑charged battery cell)进行充电。通过充电控制开关来执行欠充电电池单元的选择。
如图1所示，本发明的主要特征在于其采用充电控制开关模块1131‑1136，使得电池单元可以共用DC‑DC转换器以减少第二级DC‑DC转换器1120的数目，提供第一级DC/DC转换器以输出低于输入电势的电势，来减小组成充电控制开关模块和第二级DC‑DC转换器的开关元件的电压应力，并获得有效的充电均衡，并且通过将全部电池分为M个电池模块，为各电池模块获得充电均衡。
更具体地，根据本发明的两级式充电均衡通过控制电池单元的充电可以实现充电均衡，以解决当对电池组中的电池进行充电和放电时造成的电池之间的电势差。此时，为了在单独地控制电池单元的同时向电池有效地施加电荷，可以通过向具有相对较低的电势的电池单元施加总电池能，来执行电池之间的充电均衡，并且降低总能耗。此外，直接连接到电池组的控制装置被简单地构造以最小化当串联连接多个电池时各电池单元内的电路数目，并且同样地，使用共同的DC‑DC转换器以有效地向电池传递充电能量。此外，电池组的电池被分为用于各模块的规定数量的电池，并且在电池模块中使用共同的DC‑DC转换器，并且经由充电控制开关向电池单元输入从共同的DC‑DC转换器输出的电流，以利用简单的开关控制方式来形成电流通路，因此实现了充电均衡。
如上所述，根据本发明的两级式充电均衡装置，通过使用一个共同的DC‑DC转换器时仅将充电控制开关连接到各电池单元，可以大大降低其复杂性、成本和体积，并且有效地控制进入电池单元的电荷量，而不需要对各电池单元使用单独的电路来控制多个电池(这会造成复杂性)。
图2是基于图1的两级式充电均衡装置的优选结构图。参照图2，将描述根据本发明的控制充电均衡装置的方法。
装置1110‑1140具有与图1中类似的装置和结构。虽然测量组成电池组的单个电池的电势的电压传感模块2100可以使用典型的电压传感模块，但是其优选地装备有复用器MUX 2110和电容器2120，该复用器MUX 2110具有组成电池组的单个电池的电势作为输入，并且该电容器2120连接到复用器的输出端。优选地，通过电容器2120测量的单个电池的电势通过模数转换器ADC 2130而被转换为数字值，并且将其输入到微处理器2200。
用于各模块的第一级DC‑DC转换器1110和第二级DC‑DC转换器1121‑1126分别装备有主开关，并且主开关负责各DC‑DC转换器1110、1121至1126的导通/截止(on/off)，并且优选地由在微处理器2220生成的PWM信号或PWM专用的控制芯片(未示出)来控制。当使用在微处理器生成的PWM信号时，必须优选地提供附加电路，因为在微处理器生成的PWM信号的电流容量是有限的，因此强迫电源开关被驱动。
微处理器2200在复用器2110的控制下测量单个电池的电势，基于单个电池的电势确定欠充电电池，并且控制开关模块1130、用于第二级的各模块的各DC‑DC转换器1121‑1126的主开关和第一级DC‑DC转换器1110的主开关，由此执行欠充电电池单元的充电均衡。此时，开关模块1130、用于第二级的各模块的DC‑DC转换器1121‑1126的主开关、和DC‑DC转换器1110的主开关按该顺序进行控制，以执行充电均衡。
图3示出根据本发明的两级式充电均衡装置的一个电路图，该图聚焦于第三电池模块1143，BM
3的第二电池单元B
3.2。
如上所述，第一级DC‑DC转换器1110是具有负反馈电路的DC‑DC转换器，并且通过充电控制开关模块1133连接第三电池模块1143，BM
3和第二级DC‑DC转换器1123。由于充电控制开关模块1133装备有低电压双向充电控制开关元件，并且根据微处理器的导通/截止信号来操作，因此必须连接可以向充电控制开关的输入端(栅极)传输导通/截止信号的电子继电器。
电子继电器是固态继电器或光耦合器，并且其优选地包括发光二极管和作为光接收元件的双极结型晶体管。BJT接收处于低阻抗状态(导通)的发光二极管的光，使得向组成开关元件的MOSFET的栅极施加作为电池模块的一部分的至少两个串联电池的电势。
更具体地，在微处理器2220的控制下，使发光二极管发射，以控制充电控制开关模块1133，并且由于发光二极管的发射而导通BJT，使得向组成充电控制开关的MOSFET的栅极施加导通电压。此时，Vgs(Vgs是以MOSFET的源电压作为基础的栅极电压)是作为电池模块的一部分的至少两个串联电池的电势，以导通MOSFET，如图3所示。在图3的情况下，在导通MOSFET之后，串联的3个电池的电势就变为Vgs。电池模块的部分电压用作电源，以驱动组成充电控制开关模块1133的各个开关。
如上所述，充电控制开关模块1133可以通过使用电池电压作为电源来优选地执行更高可靠性的导通和截止的转换，如图3所示。
如图3所示，如果确定了欠充电电池单元B
3.2，则对应于电池单元的充电控制开关模块1133导通，并且电池单元所属的电池模块1143，BM
3的DC‑DC转换器1123导通。接着，如果第一级DC‑DC转换器1110的主开关导通，则由于全部电池的电压，在第一级变压器的初级绕组中感应电流，并且因此，在变压器中存储相同量的磁能。
随后，如果第一级DC‑DC转换器的主开关截止，则在变压器中存储的磁能通过次级绕组和二极管移动到第二级DC‑DC转换器1123，其中，由于第一级DC‑DC转换器的输出电压用作第二级DC‑DC转换器1123的输入，因此必须通过负反馈电路来保持均一电压。当开关截止时，通过具有固定占空比的开关操作，第二级DC‑DC转换器1123将导通开关时存储的变压器的初级能量传到次级能量，其中传到次级侧的能量仅向电池单元移动，在该电池单元中，充电控制开关模块1133的开关导通，由此完成向期望电池提供充电。
由于无论使用的DC‑DC转换器的类型是什么，都可以实施本发明的概念，因此根据本发明的两级式充电均衡装置可以被配置为与各种类型的现有的DC‑DC转换器相结合。例如，在第一级中使用的DC‑DC转换器可以与和第二级DC‑DC转换器相同的类型一起使用，并且还可以与其它类型一起使用。本发明通过将低电压的充电控制开关连接到各电池单元而使用两级式DC‑DC转换器，以实现更高可靠性的电池单元电压控制，由此从第一级共同的DC‑DC一次传递电池组的总电压，并且向连接到下一级的各电池模块的DC‑DC转换器输入比第一级DC‑DC转换器的电压更低的电压。由于通过从第一级DC‑DC转换器向各电池模块的DC‑DC转换器的输入端施加低电压，各电池模块的DC‑DC转换器的各元件具有在第一级降低的电压，作为耐电压，因此第二级的各电池模块的DC‑DC转换器可以被设计为低容量的转换器。此外，通过将电池组分为由K个电池组成的M个电池模块，可以使用仅具有K个电池的电压的低电压的充电控制开关，而不是使用具有电池组的总电压的充电控制开关，作为耐电压。
图4是根据本发明的两级式充电均衡装置中的连接到第M个电池模块1146，BM
M的充电控制开关模块1136的电路图。能够被用作充电控制开关模块1136的控制器可以与双向MOSFET开关(图4(a))或与二极管一起的单向MOSFET开关(图4(b))一起使用。此时，如果使用双向开关或与二极管一起的单向开关，则根据操作，控制器的电流控制方向仅被设置在一个方向。当充电控制开关模块具有串联的K个电池以组成电池模块时，充电控制开关模块包括2K个开关元件，各开关元件连接到组成电池模块的各电池的阳极和阴极。图4示出了由K/2个电池组成的电池模块，其中充电控制开关模块包括K个开关元件。
将参照图5描述根据本发明的充电均衡方法。一种用于两级式充电均衡装置的充电均衡方法，其中该两级式充电均衡装置包括：电池模块，其具有多个串联的电池；电池组，其具有M(M≥2)个串联的电池模块；M个充电控制开关模块，其并联连接到所述M个电池模块的各个电池模块；M个第二DC/DC转换器，其连接到所述M个充电控制开关模块的各个模块；单个第一DC/DC转换器，其连接到所述M个第二DC/DC转换器；电压传感模块，其包括复用器、电压传感器和A/D转换器；和微处理器，其控制所述充电控制开关模块、所述复用器、所述第一DC/DC转换器和所述M个第二DC/DC转换器，该方法包括以下步骤：(a)通过使用所述电压传感模块来测量组成所述电池组的各电池的电势；(b)基于所检测的电势来选择欠充电电池；(c)控制所述充电控制开关模块以使所述欠充电电池和所述第二DC/DC转换器的输出端并联连接；(d)操作所述第二DC/DC转换器；以及(e)操作所述第一DC/DC转换器以对所述欠充电电池进行充电。
此时，在步骤(a)中，可以测量组成电池组的所有电池中的各个电池的电势，可以测量组成电池组的部分电池的电势，并且可以测量组成电池组的至少一个电池的电势。
同样地，对于各电池模块可以互相独立地执行步骤(b)至(e)。
本领域技术人员应当理解，在上面描述中公开的概念和特定实施方式可以容易地被用作用于修改或设计其它实施方式的基础，以实现本发明的相同目的。本领域技术人员还应当理解，这样的等同实施方式未偏离所附权利要求书中所述的本发明的精神和范围。