大电池组中电压均衡的电路和方法

摘要

本公开涉及大电池组中电压均衡的电路和方法。提供一种电池组均衡电路，包括：正和负电池组节点，分别连接到包含在电池组电路中所监视的电池单元的正和负端子，电池组电路包括与所监视的电池单元串联连接的多个其它电池单元；次级变压器线圈，配置为接收方波，且具有上和下变压器节点；上开关，连接在正电池组节点和上变压器节点之间；下开关，连接在负电池组节点和下变压器节点之间；以及控制电路，配置为根据正和负电池组节点之间测量的单元电压和电池组电路的总电池组电压控制上和下开关的操作。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于控制多单元电池组中的电池单元的均衡的 系统和方法。特别地，涉及用于监视大型多单元电池组中的每个电池 单元的电压，以及在作为整体的电池组中用于均衡每个单独电池单元 的电压以使它们大致相同的系统和方法。

背景技术

一些简单的电池组由具有单一电压的单个电池单元构成。例如， 常见的A型单元电池由单个1.5伏的电池单元构成。然而，很多其它 电池组由串联连接在一起的多个电池单元构成。例如，常见的车载电 池组可以由6个串联连接的2伏电池单元构成，而混合动力汽车的电 池组可能由一些串联且一些并联的大量电池单元构成。类似地，电子 器件可能采用由串联连接在一起的更小的电池组构成的电池组。

在多单元电池组中，电池单元之间的微小差异（例如，由于生产 公差或操作条件而导致）往往随每次充电或放电周期而放大。在这些 情况下，较弱的电池单元在充电期间受到过应力，导致它们变得更弱， 直到它们最终失效而导致整个电池组的过早失效。电压均衡（有时也 称为电池单元平衡）是一种通过均衡电池组中的所有电池单元上的电 荷来补偿这些较弱电池单元的方法，从而延长了电池组的寿命。它也 可以用来防止任何单独的电池单元的过充。

即使在相对稳定的电池组中，在充电、放电速率、电池参数和电 池单元老化方面的微小差异在若干充放电周期之后也可以造成个体电 池单元的不同单元电压，从而由于个体电池单元的电压开始变得不同 步而导致电池组上不期望有的应力。

因此，为了使大多数可再充电电池组诸如锂离子电池组获得良好 的性能和使用寿命，每个电池单元需要附加电路。这些电路的复杂程 度差别很大，成本也是如此。最简单且最低成本的器件通常仅提供被 动均衡。在这种器件中，如果个体电池单元的电压超过预设电平，则 附连到电池单元的简单放电电路被激活以使单元电压回到视为“正常 电平”的电压。在这种器件中，任何“过多”电荷被浪费，通常转化 为热。

因此，期望提供能够主动均衡多单元电池组中的电池单元之间的 充电的系统和方法。这样的系统可以定期监视电池组或电池组部分中 的每个电池单元的电压，并且均衡电池组的电压，使得它们全部都保 持在相同电压，或至少接近相同电压。此外，还期望如果从过充的电 池组移除电荷的话，任何电荷不被浪费，而是被移动到欠充的电池组， 从而避免任何电荷浪费。

然而，也有将电池组的尺寸、成本和复杂性保持为低的竞争利益。 因此，还期望任何主动电池均衡系统是简单、高效节能、小且成本低 的。

发明内容

示范性实施例提供一种电池组均衡电路，包括：第一正电池组节 点，配置为连接到包含在电池组电路中的第一电池单元的正端子，所 述电池组电路包括与所监视的第一电池单元串联连接的多个其它电池 单元；第一负电池组节点，配置为连接到所述第一电池单元的负端子； 第一变压器线圈，配置为接收AC发生器的输出电压，所述第一变压 器线圈具有第一上变压器节点和第一下变压器节点；第一上开关，连 接在所述第一正电池组节点和所述第一上变压器节点之间；第一下开 关，连接在所述第一负电池组节点和所述第一下变压器控制节点之间； 以及控制电路，配置为根据在所述第一正电池组节点和所述第一负电 池组节点之间测量的第一单元电压和所述电池组电路的总电池组电压 来控制所述第一上开关和所述第一下开关的操作。

示范性实施例还提供一种均衡电池组的方法。

附图说明

在附图中，相似的附图标记指示相似或功能类似的元件；附图连 同下面的详细描述被合并到说明书中并且形成说明书的一部分，用于 进一步说明根据本发明的示例实施例以及解释各种原理和优点。

图1是根据所公开的实施例的多单元电池组和电池组均衡电路的 电路图；

图2是根据所公开的实施例的源自图1的多单元电池组和电池组 均衡电路的单元部件的电路图；

图3是根据所公开的实施例的图1的方波发生器输出的方波的曲 线图，并且示出它如何被用于对个体电池单元进行充电和放电；

图4是根据所公开的替选实施例的多单元电池组和电池组均衡电 路的电路图；

图5是根据所公开的实施例的源自图1和图4的多单元电池组和 电池组均衡电路的双向开关的电路图；

图6是根据所公开的实施例的电池组均衡操作的流程图；以及

图7是根据所公开的实施例的图4的单元部件控制器的电路图。

具体实施方式

提供示例性公开从而进一步以使能方式说明执行本发明的一个或 多个实施例的最佳模式。还提供本公开以增强对本发明的原理和优点 的理解和认识，而非以任何方式限定本发明。本发明仅由所附权利要 求（包括本申请未决期间作出的任何修改以及所公布的那些权利要求 的所有等价物）定义。

还应了解，使用的关系术语，例如第一和第二等等，如果有的话， 仅用于将实体、项目或动作彼此区分开，而不一定要求或暗示这些实 体、项目或动作之间的任何关系或顺序。应注意，一些实施例可能包 括多个过程或步骤，其可以按任何顺序执行，除非被明确地和必然地 限制到特定顺序，即，不被如此限定的过程或步骤可以按任何顺序执 行。

本发明的很多功能和很多发明原理在实施时可由集成电路（IC） 支持或者位于集成电路中，诸如动态随机存取存储器（DRAM）器件、 静态随机存取存储器（SRAM）器件等等。特别地，它们可以利用CMOS 晶体管实现。虽然可能有例如被可用时间、当前技术和经济考虑驱动 的重要努力和很多设计选择，但是预期本领域普通技术人员在这里公 开的概念和原理的指引下将能够容易地用少量实验产生这种IC。因 此，为了简洁以及最小化模糊根据本发明的原理和概念的任何风险， 对这种IC的进一步论述将被限制到与示例实施例所使用的原理和概 念相关的要点。

电池组均衡电路

图1是根据所公开的实施例的多单元电池组和电池组均衡电路 100的电路图。如图1所示，多单元电池组和电池组均衡电路100包 括第一至第N单元部件110A、110B、110C，第一至第N电池单元120A、 120B、120C，方波发生器130，方波总线140，中央控制器150和通 信总线160。为了便于公开，示例性单元部件将由附图标记110来指 示，示例性电池单元将由附图标记120来指示。

中央控制器通过通信总线160与第一至第N单元部件110A、110B、 110C以及方波发生器130进行通信。特别地，它给这些元件中的每个 提供进行正常操作所需的控制信号，并且还接收由这些元件生成的数 据。

方波发生器130操作来给方波总线140提供方波信号，方波总线 140连接到第一至第N单元部件110A、110B、110C中的每个并且为 其提供方波。该方波应具有与电路100的操作频率相比较低的频率。 为了生成方波，方波发生器130接收DC电源（例如，来自组合的电 池单元120），并且将其转化成AC双向方波信号。因此，方波发生 器130充当DC/AC转换器。

此外，虽然本实施例公开了提供方波信号的方波发生器130，但 是替选实施例可以采用任何类似的双极功率信号和相应的信号发生 器。例如，方的、半方的，等等。

在一实施例中，方波总线140可以通过使用变压器来实现。在这 样的实施例中，方波发生器130将包括方波所通过的变压器上的初级 绕组，每个单元部件120将包括变压器上的次级绕组，其将接收提供 给初级绕组的方波。在替选实施例中，可以使用设计上的变化，例如， 每个单元部件单独的变压器。

第一至第N电池单元120A、120B、120C串联布置以形成提供总 电池组电压的多单元电池组。这N个电池单元120每个被设计为具有 跨其端子相同的电压输出。

在所公开的实施例中，双向方波发生器130由多单元电池组整个 的电压（即，电池单元120A、120B、120C的总电压）供电。以这种 方式，方波发生器130接收整个电池组的满电压，并且将其转换为方 波信号。此外，通过由整个电池组电压给方波发生器130供电，方波 信号的幅度与整个电池组的电压成比例。总电池组电压通过带隔离的 单独的ADC得到测量和数字化。

第一至第N单元部件110A、110B、110C每个连接到第一至第N 电池单元120A、120B、120C中相应的一个并且操作来根据通过方波 总线140从方波发生器130接收的方波以及通过通信总线160从中央 控制器150接收的指令来均衡这些电池单元120的电压。特别地，每 个单元部件110操作为如果它所连接到的电池单元120的电压在最优 电压之上，则降低该电压，如果它所连接到的电池单元120的电压在 最优电压之下，则增大该电压。

图2是根据所公开的实施例的图1的多单元电池组和电池组均衡 电路100的单元部件110的电路图。如图2所示，单元部件110连接 到电池单元120，并且包括上开关230A、下开关230B、模数转换器 （ADC）250、单元控制器260和次级变压器绕组270。单元部件具有 分别连接到电池单元120的正和负端子的上连接线和下连接线。

上面参照图1更详细地描述了电池单元120。它与其它电池单元 串联连接，构成多单元电池组。

次级变压器绕组270连接在上和下连接线之间，并且绕变压器芯 缠绕。从方波发生器130接收方波信号的初级变压器绕组280也绕变 压器芯缠绕。因此，变压器充当方波总线140，允许次级变压器绕组 270通过变压器接收由方波发生器130生成的方波信号。

次级变压器绕组280可以与其它单元部件110中的次级变压器绕 组280串联连接。此外，虽然初级变压器绕组280示于图2中，但它 不是单元部件的一部分，而是方波发生器130或方波总线140的一部 分。

上连接线形成于次级变压器绕组280的上节点与电池单元120的 正端子之间。类似地，下连接线形成于次级变压器绕组280的下节点 与电池单元120的负端子之间。

上开关230A位于次级变压器绕组280的上节点与第一电池单元 120的正端子之间的上连接线中。当上开关230A接通时，次级变压器 绕组280的上节点和第一电池单元120的正端子通过上连接线连接。 当上开关230A断开时，次级变压器绕组280的上节点从第一电池单 元110的正端子断开。

类似地，下开关230B位于次级变压器绕组280的下节点与电池单 元120的负端子之间的下连接线中。当下开关230B接通时，次级变 压器绕组280的下节点和电池单元120的负端子通过下连接线连接。 当下开关230A断开时，次级变压器绕组280的下节点从电池单元120 的负端子断开。

ADC250在电池单元120的正端子与上开关230A之间的点连接 到上连接线。ADC250的参考端子在电池单元120的负端子与下开关 230B之间的点连接到下连接线。电压测量电路240操作来确定电池单 元120的模拟电压。ADC250从电池单元120的上节点接收模拟电压， 并且将其转换为数字电压。该数字电压然后被提供给单元控制器。

单元控制器260从ADC250接收数字电压，以及经由通信总线160 从中央控制器150接收控制信号。它提供上开关控制信号以控制上开 关230A的操作，提供下开关控制信号以控制下开关230B的操作，以 及通过通信总线160提供数据给中央控制器150。

提供了一种电池组均衡电路，包括：第一正电池组节点，配置为 连接到包含在电池组电路中的第一电池单元的正端子，该电池组电路 包括与所监视的第一电池单元串联连接的多个其它电池单元；第一负 电池组节点，配置为连接到所述第一电池单元的负端子；第一变压器 线圈，配置为接收AC发生器的输出电压，所述第一变压器线圈具有 第一上变压器节点和第一下变压器节点；第一上开关，连接在所述第 一正电池组节点和所述第一上变压器节点之间；第一下开关，连接在 所述第一负电池组节点和所述第一下变压器控制节点之间；以及控制 电路，配置为根据在所述第一正电池组节点和所述第一负电池组节点 之间测量的第一单元电压和所述电池组电路的总电池组电压来控制所 述第一上开关和所述第一下开关的操作。

第一上开关和第一下开关可以都是双向MOSFET开关。

第一电池单元和所述多个其它电池单元可以都被配置为具有相同 的预设电压，电池组电路的总电池组电压可以通过测量彼此串联布置 的所有第一电池单元和多个其它电池单元的电压并且将所得电压除以 包括第一电池单元和所述多个其它电池单元的电池单元的总数来确 定。

电池组均衡电路还可包括：第一模数转换器，配置为确定第一正 电池组节点和第一负电池组节点之间的第一模拟电压，并且将第一模 拟单元电压转换为第一数字单元电压，其中所述控制电路将所述第一 数字单元电压用作所测量的第一单元电压。

电池组均衡电路还可包括：第二正电池组节点，配置为连接到选 自与第一电池单元串联连接的所述多个其它电池单元的第二电池单元 的正节点；第二负电池组节点，配置为连接到所述第二电池单元的负 节点；第二变压器线圈，配置为接收AC发生器的输出电压，所述第 二变压器线圈具有第二上变压器节点和第二下变压器节点；第二上开 关，连接在第二负电池组节点和第二上变压器节点之间；以及第二下 开关，连接在第二正电池组节点和第二下变压器节点之间，其中所述 控制电路还配置为根据在第二正电池组节点和第二负电池组节点之间 测量的第二单元电压以及所述电池组电路的总电池组电压来控制第二 上开关和第二下开关的操作。

第二上开关和第二下开关每个可包括：第一MOSFET，具有连接 到第一开关节点的第一漏电极、连接到第一中间节点的第一源电极、 以及连接到第二中间节点的第一栅电极；第二MOSFET，具有连接到 第二开关节点的第二漏电极、连接到第一中间节点的第二源电极、以 及连接到第二中间节点的第二栅电极；放电电阻器，连接在第一中间 节点和第二中间节点之间；以及中间抽头整流器，具有连接到第一中 间节点的输入线、连接到第二中间节点的抽头线、以及配置为接收控 制波形的一对输入线，其中所述控制波形控制所述第一和第二 MOSFET是否应导通电流。

电池组均衡电路还可包括：第二模数转换器，配置为确定在第二 正电池组节点和第二负电池组节点之间的第二电池单元的第二模拟电 压，并且将第二模拟单元电压转换为第二数字单元电压，其中所述控 制电路将所述第二数字单元电压用作所测量的第二单元电压。

电压均衡曲线图

图3是根据所公开的实施例的图1的方波发生器130输出的方波 的曲线图300，还示出它如何用于对个体电池单元120进行充放电。 如图3所示，方波发生器130生成方波310，其具有零伏以上的正半 周期和零伏以下的负半周期。因此，方波发生器130生成的一半“方 形”有负电压，而另一半有正电压。

此外，如图3所示，中央控制器可将时隙排序和/或对准到各个开 关，以便双向AC发生器在每个开关周期内被均匀地加载。例如，如 果第4、第25和第36电池单元需要额外的充电，适当的开关可能不 会同时导通，而是顺序导通。第4电池单元的开关可能导通，而其它 两个开关断开。当第4电池单元的开关断开时，第25电池单元的开关 可以导通。然后，当第25电池单元的开关断开时，第36电池单元的 开关可以导通。在大型电池组中，这种顺序化可以在双向DC/AC转 换器的若干开关周期上展开。

为了改善双向DC/AC转换器的加载，单元部件处的次级绕组中的 一半可具有相反的缠绕方向。这将实现电荷从较高电压的电池单元到 较低电压的电池单元的直接转移，允许减小双向DC/AC转换器以及 DC/AC转换器和单元/集群之间的变压器的大小。

方波310的一个示例周期始于时间T1，在该处电压从-A伏转换到 +A伏。方波310维持在+A伏，直到时间T2，此时电压又从+A伏转 换回到-A伏。然后，方波310维持在-A伏，直到时间T3，此时电压 又从-A伏转换到+A伏，新的周期在该点开始。以这种方式，方波310 具有每隔半个周期发生的正半部320和在相反半周期发生的负半部 330。

在操作中，方波320的正半部（即，具有正电压+A的部分）用于 对多单元电池组中的电池单元120进行充电（当它们欠充时）。类似 地，方波320的负半部（即，具有负电压-A的部分）用于对电池单元 120进行放电（当它们过充时）。这允许电池单元120的个体电压根 据需要上下调整以使其更易于维持在类似的电压。

例如，如果第一电池单元120A具有低电压并且需要被充电，第一 单元部件110A中的中央控制器150和单元控制器160将在方波310 的正半周期期间在时间T_P2激活（即，接通）第一单元部件110A中的 上和下开关230A和230B，以经由方波总线140（例如，通过变压器， 如图1和图2所示）将第一电池单元120A连接到方波发生器130。第 一电池单元120A然后将累积电荷量350，直到时间T_P3，在该点第一 单元部件110A中的中央控制器150和单元控制器160将去活（即， 断开）上和下开关230A和230B，将第一电池单元120A从方波发生 器130断开。以这种方式，第一电池单元120A将由方波310在从时 间T_P2到T_P3提供的电荷量350充电。

类似地，如果第二电池单元120B具有高电压并且需要被放电，则 第二单元部件110B中的中央控制器150和单元控制器160将在方波 310的负半周期期间在时间T_N1激活（即，接通）第二单元部件110B 中的上和下开关230A和230B，以通过方波总线140（例如，通过变 压器，如图1和图2所示）将第二电池单元120B连接到方波发生器 130。第二电池单元120B然后将失去电荷量370，直到时间T_N2，在 该点第二单元部件110B中的中央控制器150和单元控制器160将去 活（即，断开）上和下开关230A和230B，将第二电池单元120B从 方波发生器130断开。以这种方式，第二电池单元120B将由方波在 从时间T_N1到T_N2汲取的电荷量370放电。

由于单元部件110中的上和下开关230A和230B的激活和去活时 间可以发生变化，所以该系统允许从电池单元120A、120B、120C之 一增减所需电荷量。仅需要设置开关激活和去活时间，以实现从所选 择的电池单元110增减所需电荷量。

此外，由于开关激活和去活时间可以在方波310的整个正半周期 或方波310的整个负半周期上变化，所以多个电池单元120可以在方 波310的给定半周期期间被充电或放电。例如，如图3示例性所示， 三个电池单元在一个正半周期期间被充电，两个电池单元在一个负半 周期期间被放电。特别地，第一电池单元120在时间T₁和T_P1之间被 电荷量340充电；第二电池单元120在时间T_P2和T_P3之间被电荷量 350充电；第三电池单元120在时间T_P4和T_P5之间被电荷量360充电。 类似地，第四电池单元120在时间T_N1和T_N2之间被电荷量370放电； 第五电池单元120在时间T_N3和T_N4之间被电荷量380放电。根据系 统的充电和放电需要，很多变化是可能的。例如，更多或更少的电池 单元120可以在单个半周期期间被充电或放电。类似地，充电和放电 时间可以在相应的半周期的起点或终点开始或结束，充电或放电时段 可以直接彼此相邻（即，单元部件110中的一组开关230A、230B可 以在不同单元部件110中的另一组开关230A、230B闭合时断开）。

带有重叠单元部件的电池组均衡电路

图4是根据所公开的替选实施例的多单元电池组和电池组均衡电 路400的电路图。如图4所示，多单元电池组和电池组均衡电路400 包括第一至第N单元部件410A、410B、410C，第一至第N电池单元 120A、120B、120C，通信总线160，初级变压器绕组280和变压器芯 485。还可包括方波发生器和中央控制器（未显示），如图1所示。为 了便于公开，示例性单元部件将由附图标记410指示，示例性电池单 元将由附图标记120指示。

每个单元部件410连接到电池单元120，并且包括上和下开关430、 模数转换器（ADC）450、单元控制器460和次级变压器绕组470。单 元部件410具有分别连接到电池单元120的正端子和负端子的上连接 线和下连接线。此外，提供一个额外的控制器460。

初级变压器绕组280从方波发生器接收方波，并且通过变压器芯 485将其提供给第一至第N单元部件410A、410B、410C。如上所述， 在本实施例中使用方波作为示例。可以向初级变压器280提供任何合 适的双向信号。

第一至第三电池单元120A、120B、120C串联布置以形成提供总 电池组电压的多单元电池组。这三个电池单元120每个设计为具有相 同的电压输出。

第一至第三单元部件410A、410B、410C每个连接到第一至第三 电池单元的120A、120B、120C中相应的一个，并且操作来根据通过 变压器芯485从初级变压器绕组280接收到的方波来均衡这些电池单 元120的电压。特别地，每个单元部件110操作为如果它连接到的电 池单元120的电压在最优电压之上，则降低该电压，如果它连接到的 电池单元120的电压在最优电压之下，则增大该电压。

第一至第三次级变压器绕组470A、470B、470C彼此串联连接， 并且与初级变压器线圈280绕相同变压器芯485缠绕。第一至第三次 级变压器绕组470A、470B、470C中的每个充当第一至第三单元部件 410A、410B、410C中相应的一个的次级变压器绕组470。

如图4所示，第一至第三单元部件410A、410B、410C以重叠模 式形成。在这种模式中，每个单元部件410与相邻单元部件410共享 一个或两个连接线/开关。末端的单元部件410（在本实施例中，第一 和第三单元部件410A、410C）只有一个相邻单元部件410，因此仅与 相邻单元部件410共享一个开关/连接线。所有其它单元部件410（在 该实施例中，仅第二单元部件410B）具有两个相邻单元部件410，与 每个相邻单元部件410共享开关/连接线。

特别地，第一单元部件410A采用第一开关430A作为在连接于第 一次级变压器绕组470A的上节点与第一电池单元120A的正节点之间 的上连接线中的上开关。类似地，第一单元部件410A采用第二开关 430B作为在连接于第一次级变压器绕组470A的下节点与第一电池单 元120A的负节点之间的下连接线中的下开关。

然而，第二单元部件410B采用第二开关430B作为上开关，其中 形成第二开关430B的连接线充当第二单元部件410B中的上连接线。 由于第二次级绕组470B的上节点连接到第一次级绕组470A的下节 点，并且第二电池单元120B的正端子连接到第一电池单元120A的负 端子，所以第二开关430B也连接在第二次级变压器绕组470B的上节 点和第二电池单元120B的正端子之间。第二单元部件410B然后采用 第三开关430C作为在连接于第二次级变压器绕组470B的下节点和第 二电池单元120B的负端子之间的下连接线中的下开关。

然而，第三单元部件410C采用第三开关430C作为上开关，其中 形成第三开关430C的连接线充当第三单元部件410C中的上连接线。 由于第三次级绕组470C的上节点连接到第二次级绕组470B的下节 点，并且第三电池单元120C的正端子连接到第二电池单元120B的负 端子，所以第三开关430C也连接在第三次级变压器绕组470C的上节 点和第三电池单元120C的正端子之间。第三单元部件410C然后采用 第四开关430D作为在连接于第三次级变压器绕组470C的下节点和第 三电池单元120C的负端子之间的下连接线中的下开关。

以这种方式，每个单元部件410都包含上开关和下开关二者。恰 好的是，一些开关可用作一个单元部件410的上开关，并且可用作另 一个单元部件410的下开关。

第一至第三电压测量电路440A、440B、440C每个连接在第一至 第三电池单元120A、120B、120C中的相应一个的正负端子之间。第 一至第三电压测量电路440A、440B、440C分别操作来确定第一至第 三电池单元120A、120B、120C的第一至第三模拟电压。

第一至第三ADC450A、450B、450C分别从第一至第三电压测量 电路440A、440B、440C接收第一至第三模拟电压，并且将其转换成 第一至第三数字电压。这些数字电压然后被提供给第一至第四单元控 制器460A、460B、460C、460D。

第一至第四单元控制器460A、460B、460C、460D分别配置为根 据经由通信总线160从中央控制器150接收的控制信号和从第一至第 三ADC450A、450B、450C接收的数字电压来控制第一至第四开关 430A、430B、430C、430D的操作。由于总共有四个开关430A、430B、 430C、430D，所以必须总共有四个单元控制器460A、460B、460C、 460D。更一般地，N个单元部件410将需要（N+1）个开关430和（N +1）个单元控制器。在一些实施例中，单元控制器460A、460B、460C、 460D可以实现为多路复用器。

虽然图4公开了包括三个单元部件/电池单元的实施例，但是单元 部件/电池单元的数量可在不同实施例中有所不同。

提供了一种电池组均衡电路，包括：第一电池组节点，配置为连 接到包含在电池组电路中的第一电池单元的正节点；第二电池组节点， 配置为连接到第一电池单元的负节点和第二电池单元的正节点；第三 电池组节点，配置为连接到所述第二电池单元的负节点；第四电池组 节点，配置为连接到第三电池单元的负节点；第一变压器线圈，配置 为接收AC发生器的输出电压，所述第一变压器线圈连接在第一变压 器节点和第二变压器节点之间；第二变压器线圈，配置为接收AC发 生器的输出电压，所述第二变压器线圈连接在第二变压器节点和第三 变压器节点之间；第三变压器线圈，配置为接收AC发生器的输出电 压，所述第三变压器线圈连接在第三变压器节点和第四变压器节点之 间；第一开关，连接在第一电池组节点和第一变压器节点之间；第二 开关，连接在第二电池组节点和第二变压器节点之间；第三开关，连 接在第三电池组节点和第三变压器节点之间；第四开关，连接在第四 电池节点和第四变压器节点之间；第一控制电路，配置为根据在第一 电池组节点和第二电池组节点之间测量的第一单元电压以及总电池组 电压来控制第一开关的操作；第二控制电路，配置为根据所测量的第 一单元电压、在第二电池组节点和第三电池组节点之间测量的第二单 元电压以及总电池组电压来控制第二开关的操作；第三控制电路，配 置为根据所测量的第二单元电压、在第三电池组节点和第四电池组节 点之间测量的第三单元电压以及电池组电路的总电池组电压来控制第 三开关的操作；第四控制电路，配置为根据所测量的第三单元电压和 总电池组电压来控制第四开关的操作；其中第一、第二和第三电池单 元彼此串联地布置。

第一开关、第二开关、第三开关和第四开关每个可包括：第一 MOSFET，具有连接到第一开关节点的第一漏电极、连接到第一中间 节点的第一源电极、以及连接到第二中间节点的第一栅电极；第二 MOSFET，具有连接到第二开关节点的第二漏电极、连接到第一中间 节点的第二源电极、以及连接到第二中间节点的第二栅电极；放电电 阻器，连接在第一中间节点和第二中间节点之间；以及中间抽头整流 器，具有连接到第一中间节点的输出线、连接到第二中间节点的抽头 线、以及配置为接收控制波形的一对输入线，其中控制波形控制第一 和第二MOSFET是否应导通电流。

电池组均衡电路还可包括：第一模数转换器，连接在第一电池组 节点和第二电池组节点之间，并且配置为确定第一模拟单元电压和将 第一模拟单元电压转换成第一数字单元电压；第二模数转换器，连接 在第二电池组节点和第三电池组节点之间，并且配置为确定第二模拟 单元电压和将第二模拟单元电压转换成第二数字单元电压；第三模数 转换器，连接在第三电池组节点和第四电池组节点之间，并且配置为 确定第三模拟单元电压和将第三模拟单元电压转换成第三数字单元电 压，其中第一控制电路和第二控制电路使用第一数字单元电压作为所 测量的第一单元电压，第二控制电路和第三控制电路使用第二数字单 元电压作为所测量的第二单元电压，第三控制电路和第四控制电路使 用第三数字单元电压作为所测量的第三单元电压。

双向开关

图5是根据所公开的实施例的来自图1和图4的多单元电池组和 电池组均衡电路100、400的双向开关230、430的电路图。如图5所 示，双向开关230、430包括第一MOSFET510、第二MOSFET520、 放电电阻器530和开关控制电路540。开关控制电路540还包括次级 变压器绕组550、初级变压器绕组560、第一二极管570和第二二极管 580。

第一MOSFET510和第二MOSFET520彼此串联地形成于第一 和第二外部节点A和B之间。特别地，第一MOSFET510的漏极连 接到第一外部节点A，第二MOSFET510的漏极连接到第二外部节点 B，第一和第二MOSFET510、520二者的源极连接到中间节点C，第 一和第二MOSFET510、520二者的栅极连接到控制节点D。

放电电阻器530和开关控制电路540并联连接在中间节点C和控 制节点D之间。

开关控制电路540是连接到中间节点C的中间抽头整流器，其抽 头连接到控制节点D。

次级变压器绕组550和初级变压器绕组560二者都绕相同变压器 芯缠绕。初级变压器绕组560接收控制信号，将该控制信号传送给次 级变压器绕组550。次级变压器绕组550在第一端子处连接到第一二 极管570的阴极，在第二端子处连接到第二二极管580的阴极，并且 具有连接到控制节点D的抽头。

第一二极管570的阴极连接到次级变压器绕组550的第一端子， 其阳极连接到中间节点C。类似地，第二二极管580的阴极连接到次 级变压器绕组550的第而端子，其阳极连接到中间节点C。

由于这种配置，对第一和第二MOSFET510和520的栅极的控制 是基于推挽式中间抽头整流器540和放电电阻器530的原理的。

单元部件控制器

图7是根据所公开的实施例的图4的单元部件控制器460的电路 图。

电池组均衡的方法

图6是根据所公开的实施例的电池组均衡操作600的流程图。该 操作可以对整个多单元电池组执行或者对形成于多集群电池组中的多 单元电池组集群执行。该操作600的目标是均衡多个电池单元中的每 个的电压，使得它们全部都处于大致相同的电压，或者它们至少全部 都接近相同电压。

如图6所示，该操作600开始（605），N的值被设置为等于0（610）。 N是在相关电池组中形成在一起且因此必须被均衡化的电池单元的索 引。N_MAX表示相关电池组中的电池单元的总数。

N然后递增一（615）以表示继续移动到将要均衡的下一个电池单 元。在第一次经过该步骤时，N从0递增到1，表示第一电池单元将 被均衡。一旦最后一个电池单元已经被均衡，此步骤将把N从N_MAX递增到（N_MAX+1）。

操作600然后确定N是否大于N_MAX，即，是否最后一个电池单元 已经被均衡（620）。如果N大于N_MAX（即，每个电池单元已经被均 衡），那么该过程将返回到步骤610，复位到N=0，并且重复均衡过 程。如果N不大于N_MAX，（即，不是每个电池单元都已经被均衡）， 则操作600继续进行以测量电池组或电池组集群的总电池组电压V_BAT（630）。总电池组电压V_BAT是构成电池组的N_MAX个电池单元的电 压的总和，并且通过单独的ADC被测量和数字化。

然后根据总电池组电压V_BAT计算最优单元电压V_OPT（635）。在 所公开的实施例中，最优电池组电压V_OPT等于总电池组电压V_BAT除 以电池单元总数N_MAX（即，V_OPT＝V_BAT/N_MAX）。

然后，确定个体单元电压V_N（640）。此个体单元电压V_N是第N 电池单元（对于N的当前值）的电压。如图1、图2、图4和图5所 示，可以有各种不同的方法来测量个体单元电压V_N。

操作600然后确定个体单元电压V_N是否小于V_OPT（即，第N电 池单元相对于最优电压V_OPT是否欠充）（645）。

如果个体单元电压V_N小于V_OPT（即，第N电池单元欠充），则 有必要对第N电池单元进行充电以增大其电压。这是通过确定必须添 加到第N电池单元以均衡第N电池单元的电压V_N（即，使第N电池 单元的电压V_N达到或接近V_OPT）的电荷量来完成的（650）。

由于将被提供的所需电荷量与第N电池单元连接到方波信号的正 半周期的时间相关，所以仅需确定第N电池单元在方波信号的正周期 期间应多长时间连接到方波信号。这可以通过确定方波信号的正半周 期内将导致所需连接时间并且由此实现第N电池单元的所需充电量的 连接开始时间T_PS和连接结束时间T_PE来完成（655）。

一旦确定了连接开始时间T_PS和连接结束时间T_PE，系统只需从时 间T_PS到时间T_PE接通连接到第N电池单元的开关（660）。这将把第 N电池单元连接到方波信号的正周期所需时间量，因此将为第N电池 单元提供所需充电量。

操作600然后确定个体单元电压V_N是否大于V_OPT（即，第N电 池单元相对于最优电压V_OPT是否被过充）（665）。

如果个体单元电压V_N大于V_OPT（即，第N电池单元被过充）， 那么有必要对第N电池单元进行放电以降低其电压。这是通过确定必 须从第N电池单元取走以均衡第N电池单元的电压V_N（即，使第N 电池单元的电压V_N达到或接近于V_OPT）的电荷量来完成的（670）。

由于将被提供的所需放电量与第N电池单元连接到方波信号的负 半周期的时间相关，所以仅需确定第N电池单元在方波信号（在所公 开的实施例中，方波信号）的负周期期间应多长时间连接到方波信号。 这可以通过确定方波信号的负半周期内将导致所需连接时间且由此实 现第N电池单元所需放电量的连接开始时间T_NS和连接结束时间T_NE来完成（675）。

一旦已经确定了连接开始时间T_NS和连接结束时间T_NE，系统只需 从时间T_NS到时间T_NE接通连接到第N电池单元的开关（680）。这将 把第N电池单元连接到方波信号的负周期所需时间量，因此将向第N 电池单元提供所需放电量。

如果个体单元电压V_N既不大于也不小于最优电压V_OPT，则第N 电池单元具有最优电压V_OPT，无需进行校正。然后，过程返回到操作 615，N被递增一，均衡过程继续进行。

一旦执行了任何必要的电压优化（通过对第N电池单元进行充电 或放电），则操作返回到步骤615，N被递增一，移动到下一个电池 单元，并且操作继续进行。

通过这种方式，电池组或电池组集群中的每个电池单元可以被检 查和均衡。在本实施例中，总电池组电压V_BAT在给定电池单元的均衡 操作期间被新测量。这是因为电池组的总电压将由于个体电池单元的 充电和放电而略有波动。然而，在替选实施例中，总电池组电压V_BAT可以在每个电池组均衡过程开始时测量一次，V_BAT的该值可以用于接 下来从第一至第N_MAX电池单元的运行。

提供了一种均衡电池组的方法，包括：测量包含彼此串联布置的 N个电池单元的电池组的总电压；基于所测量的总电压和N值确定最 优单元电压；测量从N个电池单元中选择的电池单元的选择单元电压； 确定所测量的单元电压是否小于最优单元电压；当确定所测量的单元 电压小于最优单元电压时，在AC发生器的电压输出的正周期的一部 分期间将所选择的电池单元连接到发生器的电压输出；确定所测量的 单元电压是否大于最优单元电压；以及当确定所测量的单元电压大于 最优单元电压时，在AC发生器的电压输出的负周期的一部分期间将 所选择的电池单元连接到发生器的电压输出，其中N是大于1的整数。

最优单元电压可以等于所测量的总电压除以所述多个电池单元中 电池单元的总数。

测量电池组的总电压、确定最优单元电压、测量所选择的单元电 压、确定所测量的单元电压是否小于最优单元电压、当确定所测量的 单元电压小于最优单元电压时在AC发生器的电压输出的正周期的一 部分期间将所选择的电池单元连接到发生器的电压输出、确定所测量 的单元电压是否大于最优单元电压、以及当确定所测量的单元电压大 于最优单元电压时在AC发生器的电压输出的负周期的一部分期间将 所选择的电池单元连接到发生器的电压输出的操作可以重复N次以允 许N个电池单元中的每一个充当所选择的电池单元。

当确定所测量的单元电压小于最优单元电压时在AC发生器的电 压输出的正周期的一部分期间将所选择的电池单元连接到发生器的电 压输出的操作还可包括：确定正周期的其中所选择的电池单元应连接 到发生器的电压输出的连接持续时间；确定正周期的其中所选择的电 池单元应连接到发生器的电压输出的连接开始点和其中所选择的电池 单元应从发生器的电压输出断开的连接结束点，以便所选择的电池单 元将连接到发生器的电压输出所述连接持续时间；在所确定的连接开 始点将所选择的电池单元连接到发生器的电压输出；以及在所确定的 连接结束点将所选择的电池单元从发生器的电压输出断开。

所选择的电池单元可以通过变压器连接到发生器的电压输出。在 所确定的连接开始点将所选择的电池单元连接到发生器的电压输出的 操作还可包括：接通连接在所选择的电池单元的正端子和发生器的电 压输出的第一端子之间的第一开关，以将所选择的电池单元的正端子 连接到发生器的电压输出的第一端子；以及接通连接在所选择的电池 单元的负端子和发生器的电压输出的第二端子之间的第二开关，以将 所选择的电池单元的负端子连接到发生器的电压输出的第二端子。

在所确定的连接开始点将所选择的电池单元连接到发生器的电压 输出的操作还可包括：在所确定的连接开始点接通连接在所选择的电 池单元的正端子和发生器的电压输出的第一端子之间的第一开关，以 将所选择的电池单元的正端子连接到发生器的电压输出的第一端子； 以及在所确定的连接开始点接通连接在所选择的电池单元的负端子和 发生器的电压输出的第二端子之间的第二开关，以将所选择的电池单 元的负端子连接到发生器的电压输出的第二端子。在所确定的连接结 束点将所选择的电池单元从发生器的电压输出断开的操作还可包括： 在所确定的连接结束点断开第一开关，以将所选择的电池单元的正端 子从发生器的电压输出的第一端子断开；以及在所确定的连接结束点 断开第二开关，以将所选择的电池单元的负端子从发生器的电压输出 的第二端子断开。

第一开关和第二开关每个可包括：第一MOSFET，具有连接到第 一开关节点的第一漏电极、连接到第一中间节点的第一源电极、以及 连接到第二中间节点的第一栅电极；第二MOSFET，具有连接到第二 开关节点的第二漏电极、连接到第一中间节点的第二源电极、以及连 接到第二中间节点的第二栅电极；放电电阻器，连接在第一中间节点 和第二中间节点之间；以及中间抽头整流器，具有连接到第一中间节 点的输出线、连接到第二中间节点的抽头线、以及配置为接收控制波 形的一对输入线，其中所述控制波形控制第一和第二MOSFET是否 应导通电流。

当确定所测量的单元电压大于最优单元电压时在AC发生器的负 周期期间将所选择的电池单元连接到发生器的电压输出的操作还可包 括：确定负周期的其中所选择的电池单元应连接到发生器的电压输出 的连接持续时间；确定负周期的其中所选择的电池单元应连接到发生 器的电压输出的连接开始点以及其中所选择的电池单元应从发生器的 电压输出断开的连接结束点，以便所选择的电池单元将连接到发生器 的电压输出所述连接持续时间；在所确定的连接开始点将所选择的电 池单元连接到发生器的电压输出；以及在所确定的连接结束点将所选 择的电池单元从发生器的电压输出断开。

在所确定的连接开始点将所选择的电池单元连接到发生器的电压 输出的操作还可包括：在所确定的连接开始点接通连接在所选择的电 池单元的正端子和发生器的电压输出的第一端子之间的第一开关，以 将所选择的电池单元的正端子连接到发生器的电压输出的第一端子； 以及在所确定的连接开始点接通连接在所选择的电池单元的负端子和 发生器的电压输出的第二端子之间的第二开关，以将所选择的电池单 元的负端子连接到发生器的电压输出的第二端子。在所确定的连接结 束点将所选择的电池单元从发生器的电压输出断开的操作还可包括： 在所确定的连接结束点断开第一开关以将所选择的电池单元的正端子 从发生器的电压输出的第一端子断开；以及在所确定的连接结束点断 开第二开关以将所选择的电池单元的负端子从发生器的电压输出的第 二端子断开。

发生器的输出可通过N个变压器绕组被提供，N个变压器绕组每 个连接到N个电池单元中对应的一个，第一N/2个电池单元可配置为 使得正节点可连接到对应的变压器绕组的上节点，负节点可连接到对 应的变压器绕组的下节点，第二N/2个电池单元可配置为使得负节点 可连接到对应的变压器绕组的上节点，正节点可连接到对应的变压器 绕组的下节点。

结论

本公开旨在说明如何构建和使用根据本发明的各种实施例，而非 限制本发明的真实、预期和公正的范围和思想。前述说明无意是详尽 无遗的，也无意将本发明限制到所公开的精确形式。在以上教导的启 示下，修改和变型是可行的。选择并且描述这些实施例是为了提供对 本发明的原理及其实际应用的最佳示范，并且使本领域技术人员能够 在各种实施例中利用本发明，并且根据实际使用而构思各种合适的修 改。所有这样的修改和变型都在所附权利要求及其等价物定义的本发 明的范围内，权利要求可以在本专利申请悬而未决期间被修改，权利 要求应根据其公正、法律和公平赋予的范围来解释。上述各种电路可 以根据实现需要而实施在离散电路或集成电路中。