专利名称：蓄电池组充电及放电平衡的电路的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种充电及放电平衡的电路，特别有关于一种蓄电池组充电及放电平衡的电路。
背景技术：
单个蓄电池(例如镍氢电池、铅酸电池或锂电池等)的电压与容量有限，在很多电器装置的应用上，需要使用串联的蓄电池来组成蓄电池组。但蓄电池组的每一蓄电池的电气特性(如电压、电流及容量(安培小时)等)都有些许的差异，因此经串联的每一个蓄电池并无法提供相同的输出电压、电流，而存在每一蓄电池供电的均衡性问题，且每一蓄电池的电气特性不同，在经过许多次的充电、放电后亦造成使用寿命不同，可是蓄电池组的使用寿命却取决于使用寿命最短的蓄电池。为了使蓄电池组的使用寿命增加，采用对蓄电池组的每一蓄电池进行无损均充放 方法，目前有以下几种方法。一种方法系在蓄电池组的每一蓄电池并联一均衡电路，以达到分流的作用。此种方法系当某一个蓄电池首先达到满充时，均衡电路能阻止其过充，而将多余的能量转换为热能，而其他未充满的蓄电池将继续充电。此种方法的均衡电路虽然简单，但会造成过多能量的耗损，不适合蓄电池的快充系统。另一种方法系在蓄电池组充电前，每一蓄电池逐一对同一负载放电至同一位准，然后再进行定电流充电，以此保证每一蓄电池之间较为准确的均衡状态。但对蓄电池组而言，由于每一蓄电池的电气特性不同，每一蓄电池的放电难以达到完全一致的理想效果。即使放电可达到同一效果，但在充电过程也会出现新的不均衡现象。又另一种方法系运用分时原理，藉由开关组件的控制与切换，使额外的电流流入电压对较低的蓄电池中，以达到均衡充电的目的。此种方法的充电效率较高，但充电的控制比较复杂。还有一种方法系蓄电池组是由单晶片控制，每一个蓄电池都有独立的模组。模组根据设定程序对各自的蓄电池进行充电，充电完成后自动断电。该方法比较简单，但在蓄电池的数量比较多时会增加系统成本，而且不利于减少系统的体积。
发明内容
本发明提供一种蓄电池组充电及放电平衡的电路，利用切换开关组的简单控制，并利用蓄电池与储电元件之间的充电与放电，而使每一蓄电池达到均衡的充电与放电，进而增加蓄电池组的使用寿命。本发明提供第一种蓄电池组充电及放电平衡的电路，该蓄电池组并联连接一负载，该蓄电池组由η个蓄电池以串联方式连接，其中η为大于等于2的整数，该电路包含一切换开关组，由η个切换开关构成，每一个切换开关具有一第一切换节点、一第二切换节点及一共同节点，前一切换开关的该第二切换节点与后一切换开关的该第一切换节点电连接，每一个切换开关的该第一切换节点及第二切换节点依序并联连接蓄电池的两端;一储电元件组，由η-I个储电元件以串联方式连接，每一个储电元件的两端依序并联连接两个切换开关的该等共同节点；以及一脉冲产生器，以一频率控制每一个切换开关的该共同节点于该第一切换节点及该第二切换节点之间的切换。本发明提供第二种蓄电池组充电及放电平衡的电路，该蓄电池组并联连接一负载，该蓄电池组由η个蓄电池以串联方式连接，其中η为大于等于3的整数，该电路包含一切换开关组，由η个切换开关构成，每一个切换开关具有一第一切换节点、一第二切换节点及一共同节点，前一切换开关的该第二切换节点与后一切换开关的该第一切换节点电连接，每一个切换开关的该第一切换节点及第二切换节点依序并联连接蓄电池的两端; 一储电元件组，由η-I个储电元件以串联方式连接，每一个储电元件的两端依序并联连接两个切换开关的该等共同节点；至少一并联切换开关组，由m个切换开关构成，m大于等于2，m小于n，前一切换开关的该第二切换节点与后一切换开关的该第一切换节点电连接，每一个切换开关的该第一切换节点及第二切换节点依序与至少两个储电元件并联连接；至少一并联储电元件组，由m-Ι个储电元件以串联方式连接,该至少一并联储电元件组的每一个储电元件的两端依序并联连接该至少一并联切换开关组的两个切换开关的该等共同节点；以及一脉冲产生器，以一第一频率控制每一个切换开关的该共同节点于该第一切换节点及该第二切换节点之间的切换，以一第二频率控制该至少一并联切换开关组的每一个切换开关的该共同节点于该第一切换节点及该第二切换节点之间的切换。根据本发明第一或第二种蓄电池组充电及放电平衡的电路，其中，该储电元件为一电容及一超电容的其中一者。根据本发明第一种蓄电池组充电及放电平衡的电路，其中，该脉冲产生器的控制每一个切换开关的该频率系依据每一并联的蓄电池与储电元件的充电与放电的电压为彼此相同的情况。根据本发明第二种蓄电池组充电及放电平衡的电路，其中，该脉冲产生器的控制每一个切换开关的该第一频率系依据每一并联的蓄电池与储电元件的充电与放电的电压为彼此相同的情况，该脉冲产生器的控制每一个切换开关的该第二频率系依据该储电元件组的至少两个储电元件与该至少一并联储电元件组的至少两个储电元件的充电与放电的电压为彼此相同的情况，该脉冲产生器对该第一频率进行除频以得到该第二频率。
图I为本发明的第一实施例的蓄电池组充电及放电平衡的电路的电路图；以及图2为本发明的第二实施例的蓄电池组充电及放电平衡的电路的电路图。主要附图标记说明12负载
14脉冲产生器24脉冲产生器Bi、B2、B3、-,Bn蓄电池SSpSSySSy …、SSn切换开关SSPpSSPy…、SSPm并联切换开关SI\、ST2、…、STlri储电元件STP1,…、STPlrt并联储电元件
具体实施方式
参考以下附图以说明本发明的数个较佳实施例。图I为本发明的第一实施例的蓄电池组充电及放电平衡的电路的电路图。在图I的电路中，η个蓄电池…、BnW串联方式连接(其中η为大于等于2的整数)而构成一蓄电池组。蓄电池组与负载12并联连接，而由蓄电池组供电给负载12。η个切换开关SSpSS2、SS3、…、SSn的每一者具有切换节点S1、切换节点S2及共同节点C，第一切换开关SS1的切换节点S2与第二切换开关SS2的切换节点S1电连接，而第二切换开关SS2的切换节点S2与第三切换开关SS3的切换节点S1电连接，依此类推，第n-ι切换开关SSlri的切换节点S2与第η切换开关SSn的切换节点S1电连接。如此η个切换开关
551,SS2, SS3、…、SSn串联构成一切换开关组。第一切换开关SS1的切换节点S1及切换节点S2并联连接蓄电池B1的两端，第二切换开关SS2的切换节点S1及切换节点S2并联连接蓄电池B2的两端，依此类推，第η切换开关SSn的切换节点S1及切换节点S2并联连接蓄电池Bn的两端。由η-I个储电元件SI\、ST2、…、STlri以串联方式连接构成一储电元件组。储电元件ST1的两端并联连接两个切换开关SSp SS2各自的共同节点C，储电元件ST2的两端并联连接两个切换开关ss2、ss3各自的共同节点C，以此类推，储电元件STlri的两端并联连接两个切换开关SSn_i(未图示)、55 各自的共同节点C。其中，储电元件SI\、ST2、…、STlri系一电容或一超电容。一脉冲产生器14以一频率来控制每一个切换开关SSi、SS2、SS3、…、SSn的共同节点C于切换节点S1及切换节点S2之间的切换。脉冲产生器14的控制每一个切换开关SSp
552、SS3、…、SSn的频率系依据每一并联的蓄电池Bi、B2、B3、…、Bn与储电元件SI\、ST2、…、STlri的充电与放电的电压为彼此相同的情况。当蓄电池组(即串联的蓄电池Bi、B2、B3、…、Bn)供电给负载12时，脉冲产生器14在例如一个频率的正周期中控制每一个切换开关SSp SS2, SS3、…、SSn的共同节点C与切换节点S1接通，使得蓄电池B1经由切换开关SSpSS2的共同节点C与切换节点S1而与储电元件ST1并联，蓄电池B2经由切换开关SS2、SS3的共同节点C与切换节点S1与储电元件ST2并联，以此类推，蓄电池Blri经由切换开关SSlri (未图示)、SSn的共同节点C与切换节点S1而与储电元件STlri并联；脉冲产生器14在一个频率的负周期中控制每一个切换开关SSpSS2、SS3、…、SSn的共同节点C与切换节点S2接通，使得蓄电池B2经由切换开关SSpSS2的共同节点C与切换节点S2而与储电元件ST1并联，蓄电池B3经由切换开关SS2、SS3的共同节点C与切换节点S2而与储电元件ST2并联，以此类推，蓄电池Bn经由切换开关SSlri (未图示)、SSn的共同节点C与切换节点S2而与储电元件STlri并联。在蓄电池与储电元件并联的两者之间由电压较高的一者对电压较低的另一者进行充电，反之则进行放电。举例说明，在第一周期的正周期中，蓄电池^与储电元件ST1并联，而由蓄电池B1对储电元件ST1进行充电，使得储电元件ST1的电压与蓄电池B1的电压相
坐寸ο在第一周期的负周期中，蓄电池B2与储电元件ST1并联，如果蓄电池B2的电压高于储电元件ST1的电压，则由蓄电池B2对储电元件ST1进行充电，使得储电元件ST1的电压与蓄电池B2的电压相等。在第二周期的正周期中，蓄电池B1再次与储电元件ST1并联，由于蓄电池B1的电压低于储电元件ST1的电压，则由储电元件ST1放电至蓄电池B1，使得储电元件ST1的电压 与蓄电池B1的电压相等。在第二周期的负周期中，蓄电池B2与储电元件ST1并联，由于蓄电池B2的电压高于储电元件ST1的电压，则由蓄电池B2对储电元件ST1再次进行充电，使得储电元件ST1的电压与蓄电池B2的电压相等。如上所述,藉由脉冲产生器14控制每一个切换开关SSpSS^SSp…、SSn的切换，并藉由储电元件SI\、ST2、.'STlri来对相邻的蓄电池Bi、B2、B3、…、Bn进行充电与放电，以如此能量的充放方式，直到串联的每一蓄电池B2、B3、…、Bn的电压趋于一致为止，以改善蓄电池中每一蓄电池的电压不平衡问题。图2为本发明的第二实施例的蓄电池组充电及放电平衡的电路的电路图。在图2的电路中的组件与图I的电路中的组件相同者，在此以相同元件符号标示，并省略其结构与操作的描述。在图2中,脉冲产生器24的控制每一个切换开关SSp SS2、SS3、…、SS1^A一第一频率系依据每一并联的蓄电池!V B2、B3、…、Bn与储电兀件SI\、ST2、…、STlri的充电与放电的电压为彼此相同的情况。其中，η大于等于3。m个并联切换开关SSP^ SSP2,…、SSPm的每一者具有切换节点S1、切换节点S2及共同节点C，第一并联切换开关SSP1的切换节点S2与第二并联切换开关SSP2的切换节点S1电连接，依此类推，未图示的第m-Ι并联切换开关SSPnrl的切换节点S2与第m并联切换开关SSPm的切换节点S1电连接。如此m个并联切换开关SSPp SSP2,…、SSPm串联构成一并联切换开关组。第一并联切换开关SSP1的切换节点S1及切换节点S2与两个串联连接的储电元件STpST2并联连接，第二并联切换开关SSP2的切换节点S1及切换节点S2与两个串联连接的储电元件ST3及未图示的储电元件ST4并联连接，以下以此类推。在另一实施例中，每一并联切换开关的切换节点S1及切换节点S2可与两个以上串联连接的储电元件并联连接。由m-Ι个并联储电元件STP1、…、STPnrl以串联方式连接构成一并联储电元件组。并联储电元件STP1的两端并联连接两个并联切换开关SSPp SSP2的共同节点C，以此类推，并联储电元件STPnrl的两端并联连接两个并联切换开关SSPm及未图示的并联切换开关SSPnrl的共同节点C。其中，并联储电元件STPp…、STPnrl系一电容或一超电容。脉冲产生器24以一第二频率来控制每一个并联切换开关SSPi、SSP2,…、SSPm的共同节点C于切换节点S1及切换节点S2之间的切换。脉冲产生器24的控制每一个并联切换开关SSPp SSP2、…、SSPm的第二频率系依据并联的两个储电元件SI\、ST2与并联储电元件STP1的充电与放电的电压为彼此相同的情况，以下以此类推，并省略其描述。其中，脉冲产生器24的第一频率为第二频率的整数倍，脉冲产生器24对第一频率进行除频以得到第
二频率。举例说明，脉冲产生器24在第二频率的正周期中控制每一个并联切换开关SSPpSSP2,…、SSPm的共同节点C与切换节点S1接通，使得两个储电元件STpST2经由并联切换开关SSPp SSP2的共同节点C与切换节点S1而与并联储电元件STP1并联，以下以此类推，并省略其说明。脉冲产生器24在第二频率的负周期中控制每一个并联切换开关SSPp SSP2、…、SSPm的共同节点C与切换节点S2接通，使得两个储电元件ST3及未图示的储电元件ST4经由并联切换开关SSPpSSP2的共同节点C与切换节点S2而与并联储电元件STP1并联，以下以此类推，并省略其说明。在两个串联的储电元件与并联储电元件并联的两者之间由电压较高的一者对电 压较低的另一者进行充电，反之则进行放电。举例说明，在第一周期的正周期中，两个串联的储电元件SI\、ST2与并联储电元件STP1并联，而由两个串联的储电元件STpSTj^并联储电元件STP1进行充电，使得并联储电元件STP1的电压与两个串联的储电元件STpST2的电压相等。在第一周期的负周期中，两个串联的储电元件ST3及未图示的储电元件ST4与并联储电元件STP1并联,如果两个串联的储电元件ST3及未图示的储电元件ST4的电压高于并联储电件STP1的电压，则由两个串联的储电元件ST3及未图示的储电元件ST4对并联储电元件STP1进行充电，使得并联储电元件STP1的电压与两个串联的储电元件ST3及未图示的储电元件ST4的电压相等。在第二周期的正周期中，两个串联的储电元件SI\、ST2再次与并联储电元件STP1并联，由于两个串联的储电元件STpST2的电压低于并联储电元件STP1的电压，则由并联储电元件STP1放电至两个串联的储电元件SI\、ST2，使得并联储电元件STP1的电压与两个串联的储电元件ST1、ST2的电压相等。在第二周期的负周期中，两个串联的储电元件ST3及未图示的储电元件ST4再次与并联储电元件STP1并联，由于两个串联的储电元件ST3及未图示的储电元件ST4的电压高于并联储电元件STP1的电压，则由两个串联的储电元件ST3及未图示的储电元件ST4对并联储电元件STP1再次进行充电，使得并联储电元件STP1的电压与两个串联的储电元件ST3及未图示的储电元件ST4的电压相等。如上所述，藉由脉冲产生器24控制每一个切换开关SSi、SS2、SS3、…、SSn以及并联切换开关SSPi、SSP2、…、SSPm的切换，并藉由储电元件ST1、ST2、…、STlri来对相邻的蓄电池Bi、B2、B3、…、Bn进行充电与放电以及并联储电元件STPp…、STPnrl来对相邻的两个串联的储电元件SI\、ST2、…、STlri进行充电与放电。对于数量较多的蓄电池Bi、B2、B3、…、Bn而言，仅靠切换开关组(即切换开关SSp SS2, SS3、…、SSn)及储电元件组(即储电元件SI\、ST2、…、STlri)使每一蓄电池IVB2、B3、…、Bn的电压趋于一致,需要耗费较长的时间，如加入并联切换开关组(即并联切换开关SSPp SSP2,…、SSPffl)及并联储电元件组(即并联储电元件STPp…、STPnrl)于充电与放电的平衡电路中，如此能量的反复充电与放电，可缩短串联的每一蓄电池BpByB3'…、Bn的电压趋于一致的时间，以改善蓄电池中每一蓄电池的电压不平衡问题。在另一实施例中，如增加串联的蓄电池的数量，可在充电与放电的平衡电路中增加并联切换开关组及并联储电元件组并联的数量，亦即第一并联切换开关组(例如图2的SSP1, SSP2,…、SSPm)与储电元件组(例如图2的SI\、ST2,…、STlri)并联，第一并联储电元件组(例如图2的STPp…、STPnri)与第一并联切换开关组并联，第二并联切换开关组(类似图2的SSPi、SSP2、…、SSPm的串联切换开关)与第一并联储电元件组并联，第二并联储电元件组(类似图2的STPp…、STPnrl的串联储电元件)与第二并联切换开关组并联，以下以此类推，如此更可缩短串联的每一蓄电池的电压趋于一致的时间。本发明系提供一种蓄电池组充电及放电平衡的电路，其优点是利用切换开关组的简单控制，并利用蓄电池与储电元件之间的充电与放电，而使每一蓄电池达到均衡的充电与放电，进而增加蓄电池组的使用寿命。虽然本发明已参照较佳具体例及举例性附图叙述如上，惟其应不被视为系限制性 者。本领域技术人员对其形态及具体例的内容做各种修改、省略及变化，均不离开本发明的权利要求书所主张的范围。
权利要求
1.一种蓄电池组充电及放电平衡的电路，该蓄电池组并联连接一负载，该蓄电池组由η个蓄电池以串联方式连接，其中η为大于等于2的整数，该电路包含 一切换开关组，由η个切换开关构成，每一个切换开关具有一第一切换节点、一第二切换节点及一共同节点，前一切换开关的该第二切换节点与后一切换开关的该第一切换节点电连接，每一个切换开关的该第一切换节点及第二切换节点依序并联连接蓄电池的两端； 一储电元件组，由η-I个储电元件以串联方式连接,每一个储电元件的两端依序并联连接两个切换开关的该共同节点；以及 一脉冲产生器，以一频率控制每一个切换开关的该共同节点与该第一切换节点及第二切换节点之间的切换。
2.—种蓄电池组充电及放电平衡的电路，该蓄电池组并联连接一负载，该蓄电池组由η个蓄电池以串联方式连接，其中η为大于等于3的整数，该电路包含 一切换开关组，由η个切换开关构成，每一个切换开关具有一第一切换节点、一第二切换节点及一共同节点，前一切换开关的该第二切换节点与后一切换开关的该第一切换节点电连接，每一个切换开关的该第一切换节点及第二切换节点依序并联连接蓄电池的两端； 一储电元件组，由η-I个储电元件以串联方式连接,每一个储电元件的两端依序并联连接两个切换开关的该共同节点； 至少一并联切换开关组，由m个切换开关构成，m大于等于2，m小于η，前一切换开关的该第二切换节点与后一切换开关的该第一切换节点电连接，每一个切换开关的该第一切换节点及第二切换节点依序与至少两个储电元件并联连接； 至少一并联储电元件组，由m-Ι个储电元件以串联方式连接,该至少一并联储电元件组的每一个储电元件的两端依序并联连接该至少一并联切换开关组的两个切换开关的该共同节点；以及 一脉冲产生器，以一第一频率控制每一个切换开关的该共同节点与该第一切换节点及第二切换节点之间的切换，以一第二频率控制该至少一并联切换开关组的每一个切换开关的该共同节点与该第一切换节点及第二切换节点之间的切换。
3.如权利要求I或2所述的电路，其中，该储电元件为一电容及一超电容的其中一者。
4.如权利要求I所述的电路，其中，该脉冲产生器的控制每一个切换开关的该频率系依据每一并联的蓄电池与储电元件的充电与放电的电压为彼此相同的情况。
5.如权利要求2所述的电路，其中，该脉冲产生器的控制每一个切换开关的该第一频率系依据每一并联的蓄电池与储电兀件的充电与放电的电压为彼此相同的情况，该脉冲产生器的控制每一个切换开关的该第二频率系依据该储电元件组的至少两个储电元件与该至少一并联储电元件组的储电元件的充电与放电的电压为彼此相同的情况，该脉冲产生器对该第一频率进行除频以得到该第二频率。
全文摘要
一种蓄电池组充电及放电平衡的电路，蓄电池组系由n个蓄电池以串联方式连接，该电路包含一切换开关组，由n个切换开关构成，每一个切换开关具有第一与第二切换节点及一共同节点，前一切换开关的第二切换节点与后一切换开关的第一切换节点电连接，每一个切换开关的第一切换节点及第二切换节点依序并联连接蓄电池的两端；一储电元件组，由n-1个储电元件以串联方式连接，每一个储电元件的两端依序并联连接两个切换开关的共同节点；以及一脉冲产生器，以一频率控制每一个切换开关的共同节点于第一切换节点及第二切换节点之间的切换。
文档编号H02J7/00GK102882242SQ20121016030
公开日2013年1月16日 申请日期2012年5月22日 优先权日2011年7月12日
发明者汪濂, 谢达理 申请人:唯电科技股份有限公司