平衡装置和方法.pdf

本申请提供了可利用小数量开关元件实现串联连接的电能存储单元之间的平衡功能的平衡装置和方法，从而降低了制造成本和尺寸，并使得能够采用各种平衡模式。用于多个串联连接的电能存储单元与电池模块之间的平衡的装置包括：变压器和开关网络，其中，开关网络包括单元开关模块、极化开关单元以及辅助开关单元，其中，辅助开关单元包括：第一辅助开关单元和第二辅助开关单元，其中，第一辅助开关单元用于将第二共同节点连接至变压器的次级绕组的一个端子，第二辅助开关单元用于将第一共同节点连接至变压器的次级绕组的其他端子。

权利要求书1.  一种用于平衡能量存储模块的平衡装置，所述能量存储模块包括在第一连接端点与第二连接端子之间串联连接的多个能量存储单元，所述平衡装置包括：变压器，包括初级绕组和次级绕组；以及开关网络，用于将在所述第一连接端子、所述多个能量存储单元以及所述第二连接端子之间的节点分成第一组和第二组，形成第一共同节点和第二共同节点，其中，所述第一共同节点对应于所述第一组节点，所述第二共同节点对应于所述第二组节点；其中，所述开关网络还用于将所述变压器的初级绕组的两个端子中的每一个有选择地连接至所述第一共同节点或所述第二共同节点，以及用于分别将所述变压器的次级绕组的两个端子中的一个连接至所述第一共同节点，将所述变压器的次级绕组的两个端子中的另一个连接至所述第二共同节点。2.  根据权利要求1所述的平衡装置，其中，所述开关网络包括：多个单元开关模块，被设置为每个都具有单独对应连接至所述第一组和所述第二组的节点的一个端子，并且每个都具有单独对应共同连接至所述第一组和所述第二组的节点的另一端子，从而形成所述第一共同节点和所述第二共同节点；极化开关单元，被设置为包括多个极化开关，其中，所述多个极化开关被设置为选择性地将所述变压器的初级绕组的两个端子中的每一个都连接至所述第一共同节点或所述第二共同节点；以及辅助开关单元，被设置为包括第一辅助开关和第二辅助开关，其中，所述第一辅助开关和所述第二辅助开关被设置为分别将所述变压器的次级绕组的两个端子中的一个连接至所述第一共同节点，并将所述次级绕组的两个端子中的另一个连接至所述第二共同节点。3.  根据权利要求2所述的平衡装置，其中，所述极化开关单元包括：第一极化开关，设置在所述变压器的初级绕组的一个端子与所述第二共同节点之间；第二极化开关，设置在所述变压器的初级绕组的一个端子与所述第一共同节点之间；第三极化开关，设置在所述变压器的初级绕组的另一端子与所述第二共同节点之间；以及第四极化开关，设置在所述变压器的初级绕组的另一端子与所述第一共同节点之间。4.  根据权利要求2所述的平衡装置，还包括：模块开关单元，被设置为将所述能量存储模块的第一联接端子和第二联接端子连接至所述变压器的次级绕组的端子。5.  根据权利要求4所述的平衡装置，其中，所述模块开关单元包括：第一模块开关，被设置为将所述第一联接端子连接至所述变压器的次级绕组的一个端子；以及第二模块开关，被设置为将所述第二联接端子连接至所述变压器的次级绕组的另一个端子。6.  根据权利要求2所述的平衡装置，其中，所述单元开关模块、所述极化开关单元以及所述辅助开关单元包含双向可控开关。7.  根据权利要求1所述的平衡装置，其中，所述开关网络以脉宽调制(PWM)方案进行控制以执行平衡。8.  根据权利要求1所述的平衡装置，其中，所述开关网络被控制以使用绕组，所述绕组用于在存储在所述变压器中的电能被释放时使所述变压器充电。9.  根据权利要求1所述的平衡装置，其中，所述开关网络被控制以 利用绕组释放存储在所述变压器中的能量，而另一个绕组用于使所述变压器充电，并且所述开关网络还被控制以从至少一个能量存储单元传输电能到至少一个能量存储单元。10.  根据权利要求1所述的平衡装置，其中，所述开关网络被控制以利用绕组释放存储在所述变压器中的能量，而另一个绕组用于使所述变压器充电，并且所述开关网络还被控制以从至少一个能量存储单元向至少一个能量存储模块传输能量。11.  根据权利要求1所述的平衡装置，其中，所述初级绕组和所述次级绕组的匝数比为1：T，并且所述开关网络被控制以改变电流增益，所述电流增益是所述变压器的放电电流的大小与所述变压器的充电电流的大小的比率，根据用于为变压器充电的绕组以及用于为变压器放电的绕组的匝数比的选择。12.  一种用于平衡能量存储模块的方法，其中，多个能量存储单元被串联连接，其中，所述平衡装置包括开关网络和变压器，所述变压器包括两个绕组，所述开关网络包括多个开关，所述多个开关被设置为选择性地将所述变压器的两个绕组的4个端子中的每一个都连接至所述多个能量存储单元的端子中的至少一个，所述平衡方法包括电感器模式操作，并包括以下步骤：允许通过所述两个绕组中的一个从所述能量存储单元中的至少一个为所述变压器提供能量；以及允许所述变压器在供给能量时通过使用的一个绕组为其它能量存储单元中的至少一个提供能量。13.  根据权利要求12所述的平衡方法，其中，在所述电感器模式操作中，电流不流过所述变压器的两个绕组中的另一绕组。14.  根据权利要求12所述的平衡方法，其中，在所述电感器模式操 作中，将能量供给至所述变压器的能量存储单元中的至少一个是所述能量存储模块。15.  根据权利要求12所述的平衡方法，其中，在所述电感器模式操作中，被从所述变压器供给能量的能量存储单元中的至少一个是所述能量存储模块。16.  根据权利要求12所述的平衡方法，其中，从至少一个能量存储单元到至少一个能量存储单元的能量传输、从至少一个能量存储单元到所述能量存储模块的能量传输、以及从所述能量存储模块到至少一个能量存储单元的能量传输均能够通过所述电感器模式操作实现。17.  根据权利要求16所述的平衡方法，其中，从至少一个能量存储单元到至少一个能量存储单元、从至少一个能量存储单元至所述能量存储模块以及从所述能量存储模块至至少一个能量存储单元的能量传输均可通过利用所述变压器的两个绕组的匝数比的变压器模式操作来实现。18.  一种用于平衡电池模块的平衡装置，所述电池模块包括彼此串联连接的多个电池单元，所述平衡装置包括：变压器，包括初级绕组和次级绕组；以及开关网络，设置在所述电池模块与所述变压器的初级绕组和次级绕组之间，并被设置为包括用于执行选择性开关的多个开关，其中，所述开关网络通过根据所述多个开关的选择性开关在以下模式中选择一个模式执行：用于从至少一个电池单元到至少另一电池单元传输能量的模式、用于从至少一个电池单元至所述电池模块传输能量的模式、以及用于从所述电池模块到至少另一个电池单元传输能量的模式。19.  根据权利要求18所述的平衡装置，其中：所述变压器的初级绕组和次级绕组具有匝数比；以及所述开关网络被设置为通过所述变压器的初级绕组和次级绕组中的 一个传输能量，或被设置为通过根据所述变压器的初级绕组和次级绕组的匝数比的电流增益传输能量。

说明书平衡装置和方法
技术领域
本发明涉及二次电池，更具体地，涉及用于使得能够采用用于串联连接的多个蓄电池单元的各种平衡模式的平衡装置和方法。
背景技术
通常，二次电池是能够通过度充电过程存储能量并在电池外部通过度放电过程使用所存储的能量的电池。由于化学问题或结构问题，构成二次电池的电池单元在电压上可能受到限制。因此，在需要高电压的应用领域中，使用二次电池，在该二次电池中，必要数量的电池单元串联连接。即使在相同的制造条件和相同的环境下制造电池单元时，电池单元的电特性也彼此不同。另外，在使用电池的同时，也会有差异，即使是在电池内部特性恶化的程度上。因此，即使电池以相同的电流进行充电和放电，也会出现电压上的不平衡或彼此连接的电池单元之间剩余带电量上的不平衡。
当电池单元的电压过高时，就会有起火或爆炸的危险。相反，当电池单元的电压过低时，就会损失电池单元的特性。为了防止这种问题，当多个电池单元中的一个被过度充电或过度放电时，全部电池单元的充电和放电都可以被控制。也就是说，当串联连接的多个电池单元中的一些比其它电池单元被过度充电时，在其它电池单元还没有被充分充电的状态下，这些电池单元的充电被中断。相反，当电池单元中的一些被过度放电时，在其他电池单元依然具有可用能量的状态下，这些电池单元的使用被限制。
当出现如上所述的电压上的不平衡或串联连接的电池单元之间的剩余带电量上的不平衡时，电池单元的可用电压范围被降低或充电周期和放电周期被缩短，从而缩短了电池单元的生命周期。为了克服这种问题，提出了用于均匀地保持电池单元的带电量和电压的平衡方法。
用于电池单元的常规平衡方法大体分为被动方法和主动方法，其中，被动方法用于在消耗能量的同时执行平衡电池单元，主动方法用于在不消耗能量的同时执行平衡电池单元。
因为过度充电的能量通过电阻被消耗掉以平衡电池单元之间的能量，所以被动平衡方法效率低下。出于该原因，对主动平衡方法上进行了更多的研究。
主动平衡方法可以分类为使用诸如电压器或电感器的磁性元件作为能量传递媒介的方法以及使用电容器作为能量传递媒介的方法。
最近，要求电池单元的平衡使用数量少的开关元件来降低制造成本和尺寸，同时，使得能够采用各种模式。
现有技术
文献：摩尔(Moore)等人，“用于锂离子和离聚合物系统的单元平衡方法的综述(A review of cell equalization methods for lithium ion and lithium polymer battery systems)”，汽车工程师学会(Society of Automotive Engineers)，2001
专利文献：US 8344694 B2
发明内容
各种实施方式针对用于执行串联连接的能量存储单元之间的平衡功能，具体为串联连接的电池单元之间的平衡功能。
同样，各种实施方式针对用于在利用数量少的开关元件降低制造成本和尺寸的同时使得能够采用各种平衡模式的平衡装置和方法。
为了实现以上目的，根据本发明的一方面，提供了用于平衡能量存储模块的平衡装置，其中，能量存储模块包括在第一连接端子与第二连接端子之间串联连接的多个能量存储单元，该平衡装置包括：变压器和开关网络，其中，变压器包括初级绕组和次级绕组，开关网络用于将第一连接终端、多个能量存储单元与第二连接终端之间的节点分为第一组和第二组，形成对应于第一组的节点的第一共同节点，形成对应于第二组的节点的第二共同节点，选择性地将变压器的初级绕组的两个端子中 的每一个都连接至第一共同节点或第二共同节点，并且将变压器的次级绕组中的两个端子都分别连接至第一共同节点和第二共同节点。
根据本发明的另一方面，提供了用于能量存储模块的平衡方法，其中，在能量存储模块中多个能量存储单元串联连接，其中，平衡装置包括开关网络和变压器，变压器包括两个绕组，并且开关网络包括多个开关，该多个开关被配置为选择性地将变压器的两个绕组的4个端子中的每个都连接至多个能量存储单元的端子中的至少一个。该平衡方法包括电感器模式操作，并包括以下步骤：允许通过两个绕组中的一个绕组将来自能量存储单元中的至少一个的能量提供给变压器；以及允许变压器通过在供给能量时使用的一个绕组将能量提供给其它能量存储单元中的至少一个。
根据本发明的另一方面，提供了用于电池模块平衡的平衡装置，其中，电池模块包括互相串联连接的多个电池单元，该平衡装置包括：变压器和开关网络，其中，变压器包括初级绕组和次级绕组，开关网络设置在电池模块以及变压器的初级绕组和次级绕组之间，并被设置为包括用于实施选择性开关的多个开关，其中，开关网络根据多个开关的选择性开关通过在以下模式中选择一个模式来执行，这些模式包括：用于将来自至少一个电池单元的能量传输到至少另一电池单元的模式、用于将来自至少一个电池单元的能量传输至电池模块的模式、以及用于将来自电池模块的能量传输到至少另一电池单元的模式。
根据实施方式，平衡装置和方法可使用数量少的开关元件实现串联连接的能量存储单元之间的平衡功能，以使得可降低制造成本和尺寸，可用各种平衡模式，并且可使用变压器的匝数比来选择各种电流增益。
由于各种平衡模式和各种电流增益可用，所以可增加用于执行全部电池单元平衡的算法设计的自由度，并且可快速执行有效平衡。
附图说明
图1至图4是解释用于根据本发明的主动平衡装置的示例的简单电路图。
图5是解释根据本发明的实施方式的平衡装置的配置的详细电路图。
图6至图8是解释图5中的平衡装置中从电池单元至另一电池单元的平衡模式的电路图。
图9至图11是解释图5中的平衡装置中的从电池单元至电池模块的平衡模式的电路图。
图12至图14是解释图5中的平衡装置中的从电池模块至电池单元的平衡模式的电路图。
图15是解释根据本发明的另一个实施方式的从图5中的平衡装置修改的平衡装置的配置的电路图。
图16是解释根据本发明的另一实施方式的从图5中的平衡装置修改的平衡装置的配置的电路图。
图17是解释根据本发明的另一实施方式的从图5中的平衡装置修改得到的平衡装置的配置的电路图。
图18是解释根据本发明的另一实施方式的从图17中的平衡装置修改的平衡装置的配置的电路图。
具体实施方式
下文将参照附图通过各种实施方案的示例来详细描述平衡装置和平衡方法示例。
图1至图4是解释用于根据本发明的主动平衡装置的示例的简单电路图。以下是关于使用变压器的主动单元平衡技术的简单描述。
参照图1，在图1示出的方案中，变压器T1至Tn分别用于电池单元B1至Bn。当图1中的开关元件SW被打开/关闭时，能量通过变压器T1至Tn和节点被传输至每个电池单元。在这种情况下，由于较多电流流至具有较低电压的电池单元，所以执行了平衡功能。图1中的平衡装置可通过从包括全部电池单元B1至Bn的电池模块到电池单元的能量传输执行平衡。
与图1中的平衡装置相比，图2中的平衡装置在配置上与图1中的平衡装置不同，其中，图2中的平衡装置只包括一个变压器。图2中的平衡装置还通过从电池模块至电池单元的能量传输执行平衡功能。由于对于一个变压器，次级绕组的数量必须等于电池单元的数量，所以当数 量多的电池单元存在时，图2中的平衡装置在应用上可能有困难。
图3示出了包括磁性元件和变压器的平衡装置，其中，变压器只包括一个初级绕组和一个次级绕组，该平衡装置通过由开关网络S1-Sn+1选择性地将每一个电池单元都连接至变压器的次级绕组选择要充电的电池单元执行平衡功能。与图1和图2中的平衡装置相比，图3中的平衡装置的优势在于变压器数量和绕组数量相对较少。然而，考虑到平衡功能，由于依然只有从电池模块在电池单元的能量传输可以控制，所以该平衡功能受限。
图4中的平衡装置使用在只使用变压器13的同时通过第一开关阵列11和第二开关阵列12选择要连接至变压器13的初级绕组和次级绕组的电池单元的方法。第一开关阵列11和第二开关阵列12中每个都被设置为选择要连接至每个绕组的电池单元以及连接方向。平衡装置使得能够采用用于从电池单元至电池单元的能量传输(单元至单元)、从电池单元至电池模块的能量传输(单元至模块)以及从电池模块至电池单元的能量传输(模块至单元)的控制，以使得可选择各种平衡模式。图4中的平衡装置必须包括数量等于两个开关阵列11和12中的每个中的电池单元的数量“N”的两倍的开关元件，从而要求开关元件的总数等于电池单元的数量的4倍。另外，图4中的装置中使用的每个开关元件都必须为双向可控开关元件。因而，当采用使用最广泛的场效应管(TFT)时，每个开关元件都需要两个开关元件。
图5是解释根据本发明的实施方式的平衡装置的配置的详细电路图。根据本发明的实施方式的平衡装置执行平衡以解决电池模块110中包括的电池单元B1至Bn之间的带电量或能量的不平衡。平衡装置包括变压器120和开关网络170。开关网络170选择性地包括单元开关模块130、极性开关单元140、模块开关单元150以及辅助开关单元160。
电池模块110包括串联连接的多个电池单元B1至Bn。除了在电池中应用，根据本发明的平衡装置还可以应用于各种类型的能量存储单元和能量存储模块。以下将以示例来描述本发明的实施方式，在该示例中，电池单元被用作能量存储单元，并且电池模块被用作能量存储模块。在这里，“单元”是指考虑到执行平衡功能的单元元件，并且可以是一个电 池单元或包括多个电池单元的一套电池单元组。电池模块110可以通过连接端子模块+和连接端子模块-连接至另一电池模块来形成一个电池装置，或可以通过自身形成一个电池装置。当仅使用一个电池模块来形成一个电池装置时，连接端子模块+和连接端子模块-可以执行用于将电池模块连接至外部的功能。当多个电池模块被串联连接并使用时，根据本发明的平衡装置可被用于电池单元之间的平衡、电池单元与电池模块之间的平衡和/或电池模块之间的平衡。在下文中，为了便于描述，根据需要，电池单元将被简单称之为“单元”，并且电池模块将被简单称之为“模块”。
变压器120包括两个绕组，绕组121和绕组122，磁通在这两个绕组之间进行联接。被举例证明的是，初级绕组121与次级绕组122的匝数比为1：T。虽然变压器120的两个绕组被举例证明具有相互不同的方向点，但是两个绕组的缠绕方向可彼此相同，或用于绕组的点的位置可以与图5中示出的那些点的位置相反，其中，方向点是限定绕组方向的符号。变压器120的每个绕组都通过开关网络170被选择性地连接至单元、多个单元和模块，从而执行积累能量然后传输能量的平衡。根据本发明的实施方式，变压器120的两个绕组可以进行磁性连接并且作为常规变压器操作，或者可以通过作为只具有一个绕组的电感器来操作执行平衡功能，而不利用两个绕组。这种操作将在下文进行描述。另外，虽然图5中的变压器120被举例证明为包括两个绕组，但是该变压器可设置为根据需要通过增加绕组来实现额外的或必要的功能，诸如产生用于控制的电力。
开关网络170选择性地包括单元开关模块130、极性开关单元140、模块开关单元150以及辅助开关单元160中的任何一个或多个开关，并且运行以在根据控制器(未示出)的开关打开/关闭信号执行开关操作的同时将变压器120中的每个绕组电连接至期望的单元或多个单元。
单元开关模块130将连接端子模块+和连接端子模块-以及节点分为第一组和第二组，形成对应于第一组节点的共同节点1以及对应于第二组节点的共同节点2，其中，节点在多个连接端子之间串联连接的能量存储单元之间。例如，单元开关模块130可包括与单元数量相同的、在两 个方向上都可控的双向开关。图5中所示的本发明的实施方式示出了开关数量比单元数量多一个的情况。单元开关模块130中的开关S1至Sn+1中的每一个中的一个端子被连接至相应的电池端子。在单元开关模块130中的开关S1中Sn+1中的各自的其它端子中，奇数编号的开关的其它端子被共同连接作为第一组形成共同节点1，偶数编号的开关的其它端子被共同连接作为第二组形成共同节点2。
极性开关组件140可包括4个双向开关。在4个双向开关中，两个开关Sp1和Sp2被设置为选择性地将变压器120的初级绕组121的第一端子(用点标记的端子)连接至共同节点1或共同节点2，并且两个开关Sp3和Sp4被设置为选择性地将变压器120的初级绕组121的第二端子(未用点标记的端子)连接至共同节点1或共同节点2。
因此，由于变压器120的初级绕组121的两个端子中的每一个均可根据单元开关模块130和极性开关单元140的开/关操作通过共同节点1或共同节点2在任何方向上被连接至单元的任何端子，所以期望的单元、期望的多个单元以及期望的模块可以以期望的极性连接至变压器120的初级绕组121的两个端子。
模块开关单元150可包括两个单向可控开关Sm1和Sm2。模块开关单元150中的一个开关Sm1的一个端子被连接至电池模块110的“+”端子，并且开关Sm1的另一端子被连接至变压器120的次级绕组122的未用点指示的端子。模块开关单元150中的另一开关Sm2的一个端子被连接至电池模块110的“-”端子，并且开关Sm2的另一端子被连接至变压器120的次级绕组122的用点指示的端子。模块开关单元150执行电池模块110的“+”端子和“-”端子与变压器120的次级绕组122之间的选择连接功能，从而主要负责从模块到至单元的能量传输或从单元在模块的能量传输。
另外，模块开关单元150中的开关Sm1的一个端子被连接至电池模块110的连接端子模块+以及第n个电池单元Bn的“+”端子，并且开关Sm1的另一端子被连接至变压器120的次级绕组122的未用点标记的端子。模块开关单元150中的开关Sm2的一个端子被连接至电池模块110的连接端子-以及第一个电池单元B1的“-”端子，并且开关Sm2的另一端 子被连接至变压器120的次级绕组122的用点标记的端子。如上述进行连接的模块开关单元150可被用于第一个电池单元B1或第n个电池单元Bn的充电和放电。
辅助开关单元160可包括两个双向开关Sc1和Sc2。辅助开关单元160中的一个开关Sc1的一个端子被连接至共同节点2，并且开关Sc1的另一端子被连接至变压器120的次级绕组122的未用点标记的端子。这种开关Sc1执行在共同节点2与变压器120的次级绕组122的未用点标记的端子之间的选择连接功能。辅助开关单元160中的另一开关Sc2的一个端子被连接至共同节点1，并且开关Sc2的另一节点被连接至变压器120的次级绕组122的用点标记的端子。这种开关Sc2执行在共同节点1与变压器120的次级绕组122的用点标记的端子之间的选择连接功能。因此，辅助开关单元160可与单元开关模块130配合来执行选择要连接至变压器120的次级绕组122的单元或多个单元的功能。
根据图5所示的实施方式，开关网络170包括在单元开关模块130、极化开关单元140、模块开关单元150及辅助开关单元160之间的一个或多个开关，并执行选择性地将变压器120的初级绕组121和/或次级绕组122的每个端子连接至在第1个至第n个电池单元之间的期望单元端子的开关操作。因此，可以以这种方式执行单元之间的平衡，以便将能量从期望的单元或期望的多个单元提供给变压器120，或将存储在变压器120中的能量传输回期望的单元或期望的多个单元。
在下文中，将参照图6至图14来描述如图5所示的、用于执行平衡功能的平衡装置的操作。图6至图8是解释图5中的平衡装置中从电池单元至电池单元的平衡模式的电路图，图9至图11是解释图5中的平衡装置中从电池单元至电池模块的平衡模式的电路图，并且图12至图14是解释图5中的平衡装置的从电池模块至电池单元的平衡模式的电路图。
通常，在充电状态或放电状态，开关网络170不操作，并且电池模块110通过连接端子模块+和连接端子模块-为全部模块执行充电操作或放电操作。这种操作与常规电池的操作相同。当由于串联连接的电池间的特性的不同或由于其恶化程度的不同而出现电压上的不平衡和/或能量上的不平衡时，电池单元的可用电压范围被降低，或充电周期和放电周 期被缩短，以使得电池单元的生命周期被缩短。由于这种原因，有必要通过在出现电压和/或能量上不平衡的单元之间的能量传输执行平衡功能。
图6是解释通过将能量从单元Bn提供至变压器120然后将变压器120中所存储的能量传输在单元B1来执行单元B1和单元Bn之间的平衡的操作(即第一单元至单元模式)的视图。当开关Sn+1、Sp1、Sp4和Sn被导通时，单元Bn被连接至变压器120的初级绕组121，以使得在电流从单元Bn在为变压器120充电的方向上流动的同时将单元Bn的能量传输至变压器120，从而在变压器120中存储能量(参照图6的(a))。此后，开关Sp3、S2、S1和Sp2被导通，电流从变压器120沿着为单元B1充电的路径流动，以使得在变压器120的能量被释放的同时使单元B1充电(参照图6的(b))。图6示出了用于利用单元开关模块130、极化开关单元140以及变压器120的初级绕组121将能量从单元传输至另一单元的操作模式(即，第一单元至单元模式)。在第一单元至单元模式中，由于并未利用变压器120的两个绕组之间的磁通联接和匝数比，而只利用了初级绕组121利用，所以变压器120作为电感器操作，以使得变压器120的充电电流“Ic”的大小和放电电流“Id”的大小不受变压器120的匝数比影响。因此，当变压器120的放电电流“Id”的大小和充电电流“Ic”的大小的比率“Id/Ic”被限定为电流增益时，电流增益为1。同时，虽然图6中所示的实施方式示出了变压器120的初级绕组121被用作电感器的情况，但是变压器120的次级绕组122可通过利用辅助开关单元Sc1和Sc2可被用作电感器。
图7是解释用于将能量从单元Bn传输至单元B1的另一操作模式(即第二单元至单元模式)的视图。与图6的(a)相似，图7的(a)示出了当通过导通开关Sn+1、Sp1、Sp4及Sn释放单元Bn的能量的同时在变压器120中存储能量的过程。此后，如图7的(b)所示，当开关S1、Sc2、Sc1和S2被导通时，存储于变压器120中的能量通过次级绕组122被释放，以使得为单元B1充电的电流流动。在如图7所示的操作模式中，变压器120和常规变压器一样操作，利用两个绕组之间的磁通耦合。另外，在这种情况下，如图7的(a)所示的流过变压器120初级绕组121 并为变压器120充电的充电电流“Ic”的大小以及如图7的(b)所示的流过变压器120次级绕组122并释放变压器120能量的放电电流“Id”的大小的与初级绕组121和次级绕组122间的匝数比(1:T)具有关系“Id/Ic＝1/T”。因而，为变压器120的放电电流“Id”的大小和变压器120的充电电流“Ic”的大小的比率的电流增益“Id/Ic”为“1/T”。也就是说，图7所示的操作模式(第二单元至单元模式)在关于从单元在另一单元的能量传输与图6所示的操作模式相同，但是图7所示的操作模式与图6所示的操作模式的差异在于图7所示的操作模式能够利用变压器120的初级绕组121与次级绕组122的匝数比获得“1/T”的电流增益。
图8是解释用于将能量从单元Bn传输至单元B1的另一操作模式(即第三单元在单元模式)的视图。参照图8的(a)，当开关Sn+1、Sc1、Sc2及Sn被导通时，电流从单元Bn流向变压器120的次级绕组122，以使得单元Bn释放能量，并且使变压器120充能。此后，当开关S1、Sp4、Sp1及S2被导通时，如图8的(b)所示，电流从变压器120的初级绕组121在为单元B1充电的方向上流动，以使得变压器120释放能量，并且使单元B1被充能。因此，用于执行从单元Bn至单元B1的平衡的单元至单元模式可用。如图8所示的第三单元至单元模式在执行从单元至另一单元的平衡上与第一单元至单元模式和第二单元至单元模式相同，并且第三单元至单元模式与第一单元至单元模式和第二单元至单元模式的不同之处在于，在第三单元至单元模式中，能量通过变压器120的次级绕组122进行存储，然后通过初级绕组121被释放，因此，区别在于电流增益“Id/Ic”为“T”。
通过图6至图8，可以理解的是，图5所示的平衡装置包括三个使得能够进行从单元至另一单元的能量传输的操作模式。这三个操作模式包括：第一种模式(即第一单元至单元模式)，其中未利用变压器120的匝数比，但变压器120被用作电感器，从而得到电流增益“1”；第二种模式(即第二单元至单元模式)，其中利用变压器120的匝数比，从而得到电流比“1/T”；第三种模式(即第三单元至单元模式)，其中利用了变压器120的匝数比，从而得到电流比“T”。因此，由于提供了使得能够从单元或多个单元至单元或多个单元的传输能量的各种平衡模式，所以可根据 环境(诸如根据要放电的单元的数量、要充电单元的数量等)选择执行平衡的适当的模式，，以使得可提高平衡算法设计的自由度和效率。
图9至图11是解释用于从单元至模块的模式(单元至模块模式)的视图。
图9是解释用于从单元Bn至模块110传输能量的模式(即第一单元至模块模式)的视图。参照图9(a)，当开关Sn+1、Sp1、Sp4及Sn被导通时，电流从单元Bn流向变压器120的初级绕组121，以使得单元Bn释放能量，并且是变压器120充能。此后，如图9(b)所示，当开关Sp3、Sn+1、S1及Sp2被导通时，电流从变压器120的初级绕组121流出以使模块110充电，以使得释放存储在变压器120中的能量，并且将能量提供给电池模块110。因此，可执行从单元至电池模块110的传输能量的平衡操作执行。在该操作模式中，如图6中的实施方式中所示，由于变压器120没有使用次级绕组122，而是只使用了初级绕组121以作为电感器操作，所以为变压器120的放电电流大小与充电电流大小比值的电流增益为“1”。虽然图9示出了变压器120的初级绕组121作为电感器操作的情况，但是变压器120的次级绕组122可通过利用辅助开关单元160来做为电感器使用。
图10是解释用于从单元Bn至模块110传输能量的另一模式(第二单元至模块模式)的视图。参照图10的(a)，当开关Sn+1、Sp1、Sp4及Sn被导通时，电流从单元Bn流向变压器120的初级绕组121，以使得单元Bn释放能量，并且使变压器120充能。此后，如图10的(b)所示，当开关Sm1和Sm2被导通时，电流从变压器120的次级绕组122流出以使整个模块110充电，以使得变压器120释放能量，并且电池模块110存储能量。因此，可执行从单元至电池模块110的平衡操作执行。如图7中所示的实施方式，由于能量通过变压器120的初级绕组121进行存储，然后变压器120的能量通过次级绕组122被释放，所以为变压器120放电电流大小与充电电流大小的比值的电流增益“Id/Ic”为“1/T”。
图11是解释用于从单元Bn至模块110传输能量的另一模式(即第三单元至模块模式)的视图。参照图11的(a)，当开关Sn+1、Sc1、Sc2及Sn被导通时，电流从单元Bn流向变压器120的次级绕组122，以使 得单元Bn释放能量，并且使变压器120充能。此后，如图11的(b)所示，当开关Sp1、Sn+1、S1及Sp4被导通时，电流从变压器120的初级绕组121流向电池模块110，以使得存储在变压器120中的能量被释放，并且将能量提供给电池模块110。因此，能够执行用于从单元至电池模块110传输能量的平衡操作。如图8所示的实施方式，由于能量通过变压器120的次级绕组122被存储在变压器120中，然后变压器120的能量通过初级绕组121被释放，所以为变压器120放电电流大小与充电电流大小比值的电流增益“Id/Ic”为“T”。
通过图9至图11，可以理解的是，图5中的平衡装置可执行使得能够进行从单元至模块能量传输的三种操作模式。这三种操作模式包括：第一种模式(即第一单元至模块模式)，其中并未利用变压器120的匝数比，但变压器120被用作电感器，从而得到电流增益“1”；第二种模式(即第二单元至模块模式)，其中利用了变压器的匝数比，从而得到电流增益“1/T”；第三种模式(即第三模单元至模块模式)，其中利用了变压器的匝数比，从而得到电流增益“T”。因此，由于提供了使得能够进行从单元或多个单元至模块的能量传输的各种平衡模式，所以可根据执行平衡的环境(诸如要放电的单元的数量、包括模块110的单元的数量等)选择合适的模式，以使得可提高平衡算法设计的自由度和效率。
图12至图14是解释从电池模块110至单元的平衡模式(即模块至单元模式)的电路图。
图12是解释用于从模块110至单元Bn传输能量的模式(即第一模块至单元模式)的视图。参照图12的(a)，当开关Sm1和Sm2被导通时，电流从模块110流向变压器120的次级绕组122，使得模块110释放能量，并且变压器120存储能量。此后，如图12的(b)所示，当开关Sc2、S3、S2及Sc1被导通时，电流从变压器120的次级绕组122流向单元Bn，以使得存储在变压器120中的能量被释放，并且将能量提供给单元Bn。因此，能够执行用于从模块110向单元传输能量的平衡操作。在该操作模式下，如图6所示的实施方式，由于变压器120只利用了其次级绕组122以作为电感器操作，所以为变压器120的放电电流大小与其充电电流大小比值的电流增益为“1”。虽然图12示出了变压器120并未 使用初级绕组121并通过次级绕组122作为电感器操作的情况，但是变压器120的初级绕组121可通过利用单元开关模块130和极化开关单元140作为电感器进行使用。
图13是用于解释从模块110向单元Bn传输能量的另一模式(即第二模块至单元模式)的视图。参照图13(a)，当开关Sn+1、Sp1、Sp4及S1被导通时，电流从模块110流向变压器120的初级绕组121，以使得模块110释放能量，并且变压器120存储能量。此后，如图13的(b)所示，当开关Sc1、S2、S1及Sc2被导通时，电流从变压器120的次级绕组122流出以使单元B1充电，以使得变压器120释放能量，并且将能量提供给单元B1能量。因此，可执行用于从模块110向单元传输能量的平衡操作执行。如图7所示的实施方式，由于能量通过变压器120的初级绕组121被存储，然后变压器120的能量通过其次级绕组122被释放，所以为变压器120的放电电流的大小“Id”与充电电流的大小“Ic”的比例的电流增益“Id/Ic”为“1/T”。
图14是解释用于从模块110向单元Bn传输能量的另一模式(即第三模块至单元模式)的视图。参照图14的(a)，当开关Sm1和Sm2被导通时，电流从模块110流向变压器120的次级绕组122，以使得模块110释放能够，并且变压器120存储能量。此后，如图14的(b)所示，当开关Sp1、S2、S1及Sp4被导通时，电流从变压器120的初级绕组121流向单元B1，以使得存储在变压器120中的能量被释放，并且能量被提供给单元B1。因此，能够执行用于从模块110向单元传输能量的平衡操作。如图8所示的实施方式，由于能量通过变压器120的次级绕组122被存储在变压器120中，然后变压器120中的能量通过其初级绕组121被释放，所以为变压器120的放电电流的大小“Id”与充电电流的大小“Ic”的比值的电流增益为“T”。
通过图12至图14，可理解的是，图5中的平衡装置可执行使得能够进行三种模块110至单元能量传输的操作模式。这三种操作模式包括：第一种模式(即第一模块至单元模式)，其中并未利用变压器的匝数比，但变压器120被用作电感器，从而获得电流增益“1”；第二种模式(即第二模块至单元模式)，其中利用了变压器的匝数比，从而得到电流增益 “1/T”；第三种模式(即第三模块至单元模式)，其中利用了变压器的匝数比，从而得到电流增益“T”。因而，由于提供了各种使得能够进行从模块110至单元或多个单元能量传输的平衡模式，所以可根据执行平衡的环境(诸如包括于模块110中的单元的数量、要充电单元的数量等)选择适当的模式，以使得可提高平衡算法设计的自由度和效率。
虽然上述实施方式是在对于一个单元进行充电和放电的情况下进行说明的，但是通过开关的适当的开/关操作也可对在单元至单元、单元至模块以及模块至单元模式中的任何一个中的多个单元执行充电和放电。
根据按照本发明的实施方式的图5中的平衡装置，即使利用比现有技术数量更少的开关也可执行各种从单元或多个单元至单元或多个单元的平衡模式、从单元或多个单元至模块的平衡方式以及模块至单元或多个单元的平衡方式。另外，即使在每个平衡模式中，也可能执行以下模式：电感器模式，其中不受变压器120匝数比的影响，并且变压器120作为电感器操作；以及变压器模式，其中利用了变压器120匝数比。另外，在变压器模式中，可根据需要选择性地使用与变压器120的匝数比成反比的电流增益“1/T”以及与变压器120匝数比成正比的电流增益“1/T”。因此，通过根据本发明的实施方式的图5中的平衡装置，可在低制造成本下执行有效的平衡功能。
图15示出了根据本发明的实施方式的从图5中的平衡装置修改而来的平衡装置的配置。根据本发明的实施方式的图15所示的平衡装置与图5所示的平衡装置的不同之处在于图15所示的平衡装置没有使用模块开关单元150。模块开关单元150的开关Sm1运行以使模块110的“+”端子与变压器120的次级绕组122的一个端子相连接，并且开关Sm1的功能可被开关Sn+1和Sc1替代。当使用模块开关单元150的开关Sm1时，电流流过一个开关，以使得相比于电流流过两个开关Sn+1和Sc1的情况，损失被降低了。然而，当开关的数量成为负担时，开关Sm1可被去除。同样，模块开关单元150的开关Sm2也可由开关S1和Sc2替代，并且可通过考虑开关数量和损失来决定是否使用开关Sm2。根据本发明的实施方式的图15所示的平衡装置可在根据本发明实施方式的图5中的平衡装置可在其中工作的所有模式下工作。因而，即使使用数量少的开关， 图15中的平衡装置也可执行有效的平衡功能。
图16示出了根据本发明的另一实施方式的从图5中平衡装置修改而来的平衡装置的配置。根据本发明的另一实施方式的图16所示的平衡装置与图5所示的平衡装置的不同之处在于图16所示的平衡装置没有使用辅助开关单元160。根据图16中的实施方式，不能在图16的实施方式中利用使用辅助开关单元160的平衡操作模式的一部分，但可减少开关的数量。因此，当价格和尺寸由于开关的数量而成为负担时，图16所示的实施方式可能是一个替代方案。
图17是说明根据本发明的另一实施方式的从图5中平衡装置修改而来的平衡装置的配置的电路图。与图5所示的平衡装置相比，图17所示的平衡装置在辅助开关单元160中额外包括开关Sc3和Sc4。开关Sc3运行以将变压器120的次级绕组122的未用点标记的端子连接至共同节点1，并且开关Sc4运行以将变压器120的次级绕组122的用点标记的端子连接至共同节点2。由于辅助开关单元160中额外包括开关Sc3和Sc4，所以当图5所示的平衡装置允许变压器120的次级绕组122的任何一个端子只接入共同节点1和共同节点2中的一个时，图17所示的平衡装置允许变压器120的次级绕组122的每个端子接入共同节点1和共同节点2中的任何一个。因此，变压器120的次级绕组122的每个端子可以至任何方向上(诸如在充电方向上或在放电方向上)接入单元的任何端子，以使得平衡算法设计的自由度增加更多，有效的可执行有效的平衡功能。
图18示出了根据本发明的另一实施方式的从图17中平衡装置修改而来的平衡装置的配置。根据本发明的实施方式的图18所示的平衡装置与图17所示的平衡装置的不同之处在于图18所示的平衡装置没有使用模块开关单元150。模块开关单元150的开关Sm1运行以使模块110的“+”端子与变压器120的次级绕组122的一个端子相连接，并且开关Sm1的功能可由开关Sn+1和Sc1替代。当使用模块开关单元150的开关Sm1，电流流过一个开关，以使得相比于电流流过两个开关Sn+1和Sc1的情况，损失被减少了。然而，当开关的数量成为负担时，开关Sm1可被去除。同样，模块开关单元150的开关Sm2也可由开关S1和Sc2替代，并且可通过考虑开关数量和损失来决定是否使用开关Sm2。根据本发明的实 施方式的图18所示的平衡装置可在所有根据本发明实施方式的图17所示的平衡装置可在其中工作的模式中工作。因而，即使使用数量比图17所示的平衡装置少的开关，图18所示的平衡装置也可执行有效的平衡功能。
如上所述，根据按照本发明的实施方式的平衡装置和方法，即使使用数量比现有技术少的开关，也可执行所有从单元或多个单元至单元或多个单元、从单元或多个单元至模块以及从模块至单元或多个单元的平衡操作，并且可在每个平衡操作中使用得到各种大小为“1”、“1/T”及“T”的电流增益的操作模式。因而，通过根据本发明的平衡装置和方法，可在低制造成本下执行有效的平衡功能。
虽然已经用电池单元作为示例给出上述描述，但是电池单元可被示出为能量存储单元。因此，除了电池之外，要进行平衡的能量存储单元可包括一个电池单元、一组电池单元、电池模块或一个或多个能量存储单元。另外，虽然已指定或描述了用于变压器120的初级绕组121和次级绕组122的点的位置，但是用于变压器120的两个绕组的点可被设置在与以上所示不同的位置。当用于初级绕组121和次级绕组122的点的相对位置与上述说明不同时，开关网络170的操作只在通过考虑电流的方向根据当存储在变压器120的能量被释放时点的变化的位置而变化的情况下必须进行控制。
以上关于平衡操作的描述已经结合示例给出，在示例中，以这种方式执行平衡，以使得通过一个开关操作使变压器120充电并通过一个开关操作使变压器120放电。然而，当变压器120的充电和放电在一个平衡操作期间(例如在从单元Bn在单元B1的能量传输周期)以短周期重复时，能量传输可在一个方案中执行，诸如脉宽调制(PWM)方案。当使用脉宽调制方案时，可在短周期中重复充电和放电，以使得可减小变压器120的尺寸，可容易地控制所传输的能量的量。
另外，虽然没有在以下情况中给出上述描述，即在平衡操作期间被从模块110的外部获得充电电流或将放电电流供给至电池模块110的外部，但是即使在平衡操作期间，当从外部获得充电电流，或将放电电流给到外部时，根据本发明的平衡装置也可执行常规操作。然而，根据本 发明的平衡装置可被设置为在平衡操作期间不执行常规的从外部的充电操作以及至外部的放电操作。在这种情况下，用于在平衡操作期间阻止从外部流入的充电电流及流到外部的放电电流的充电/放电电流阻止单元(未示出)可被设置在电池模块110和连接端子模块+以及连接端子模块-之间。当用于电池模块110的外部控制器(未示出)被设置为集成和控制平衡操作以及至/从电池模块110的充电/放电操作时，可不单独包括充电/放电电流阻止单元。
另外，图5所示的实施方式示出了双向可控开关被用于单元开关模块130、极化开关单元140及辅助开关单元160的情况，以及单向开关被用于模块开关单元150的情况。然而，已经出于说明的目的描述了单向开关或双向开关的选择，并且可通过考虑用于根据必要操作模式所要求的方向的控制功能适当地选择和使用单向开关或双向开关。另外，虽然以上描述是在一个FET被用于单向开关并且两个FET被用于双向开关的情况下进行说明的，但是术语“开关”是指具有开关功能的单元元件。因此，各种类型的具有开关功能的元件均可使用，并且两个以上的开关元件可串联连接或并联连接并使用，诸如除了TET之外的BJT和IGBT。
虽然已经出于说明的目的描述了本发明的优选实施方式，但是本领域的技术人员应理解的是，可进行各种修改、添加和替换而不超出所附权利要求公开的本发明范围和精神。