双向主动电池单元均衡器和双向单元均衡的方法与流程

1.本发明涉及单元均衡，更具体地，涉及主动电池单元均衡器，该主动电池单元均衡器均衡串联连接的两个电池单元的电压电平，并且是多单元电池组的部件。


背景技术：

2.除非本文另有指示，否则本章节中描述的材料不是本技术中的权利要求的现有技术，并且不因包括在本章节中而被承认是现有技术。
3.单元均衡是这样一种技术，其中串联连接以形成电池组的每一个个体单元的电压电平被维持为基本相等，以实现电池组的最大效率。当不同的电池单元被组合在一起以形成电池组时，最初实现的电池单元可以具有相同的化学成分和初始电压值。一旦电池组被安装并且经受不同的充电和放电循环，个体电池单元的电压值可能由于各种因素变化，例如，诸如充电状态(soc)不均衡、内部电阻变化以及电池单元的温度。


技术实现要素：

4.在一些示例中，一般地描述了用于电池单元均衡的设备。设备可以包括电路，该电路耦合到以串联布置连接的第一电池单元和第二电池单元。该电路可以包括第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件。第一开关元件的端子可以连接到第一电池单元的端子。第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件可以以串联布置连接，并且第四开关元件的端子可以连接到第二电池单元的端子。电路还可以包括电容器，其中电容器的第一端子可以连接到位于第一开关元件与第二开关元件之间的第一节点。电容器的第二端子可以连接到位于第三开关元件与第四开关元件之间的第二节点。该电路还可以包括电感器，其中电感器的第一端子可以连接到位于第二开关元件与第三开关元件之间的第三节点，并且电感器的第二端子可以连接到第一电池单元与第二电池单元之间的第四节点。第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件可以被配置为：接收来自控制器的多个驱动器信号，以在第一电池单元与第二电池单元之间执行电池单元均衡。
5.在一些示例中，一般地描述了用于电池单元均衡的系统。系统可以包括耦合到第一电池单元和第二电池单元的电路。该电路可以包括第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件。第一开关元件的端子可以连接到第一电池单元的端子。第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件可以以串联布置连接，并且第四开关元件的端子可以连接到第二电池单元的端子。该电路还可以包括电容器，其中电容器的第一端子可以连接到位于第一开关元件与第二开关元件之间的第一节点。电容器的第二端子可以连接到位于第三开关元件与第四开关元件之间的第二节点。该电路还可以包括电感器，其中电感器的第一端子可以连接到位于第二开关元件与第三开关元件之间的第三节点。电感器的第二端子可以连接到第一电池单元与第二电池单元之间的第四节点。系统还可以包括连接到该电路的控制器。控制器可以被配置为生成多个驱动器信号来控制第一开关元
件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件，以在第一电池单元与第二电池单元之间执行电池单元均衡。
6.在一些示例中，一般地描述了一种用于均衡电池单元对的方法。方法可以包括：检测第一电池单元的第一电压和第二电池单元的第二电压。第一电池单元和第二电池单元可以以串联布置连接。方法还可以包括：基于第一电压和第二电压确定至少一个电压差。方法还可以包括：检测耦合到第一电池单元和第二电池单元的电路中的电感器的电流。电感器的第一端子可以连接到位于第一电池单元与第二电池单元之间的节点。方法还可以包括：确定电感器的电流与电感器的电流限制之间的电流差。方法还可以包括：基于该至少一个电压差和电流差，生成控制信号。方法还可以包括：利用预定信号对控制信号执行脉冲宽度调制，以生成多个脉冲宽度调制信号。方法还可以包括：基于多个脉冲宽度调制信号，生成多个驱动器信号。方法还可以包括：使用多个驱动器信号，控制耦合到第一电池单元和第二电池单元的电路中的多个开关元件。多个开关元件可以包括第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件。第一开关元件可以连接到第一电池单元。第二开关元件可以以串联布置连接到第一开关元件。电路中的电容器的第一端子可以连接到位于第一开关元件与第二开关元件之间的节点。第三开关元件可以以串联布置连接到第二开关元件。电感器的第二端子可以连接到位于第二开关元件与第三开关元件之间的节点。第四开关元件可以以串联布置连接到第三开关元件。电容器的第二端子连接到位于第三开关元件与第四开关元件之间的节点。第四开关元件可以连接到第二电池单元。
7.上述概述仅是说明性的，并不旨在以任何方式进行限制。除了上述说明性方面、实施例和特征之外，通过参考附图和以下详细描述，其他方面、实施例和特征将变得明显。在附图中，相似的附图标记指示相同或功能相似的元件。
附图说明
8.图1是图示根据本发明的实施例的可以实现双向主动电池单元均衡器的系统的图。
9.图2是图示根据本发明的实施例的双向主动电池单元均衡器的控制框图。
10.图3是图示根据本发明的实施例的双向主动电池单元均衡器的另一个控制框图。
11.图4是图示由根据本发明的实施例的双向主动电池单元均衡器的实现产生的一个或多个信号的图。
12.图5是图示根据本发明的实施例的图1的系统的示例实现的图。
13.图6是图示根据本发明的实施例的可以实现一个或多个双向主动电池单元均衡器的模块化系统的图。
14.图7是图示根据本发明的实施例的实现双向主动电池单元均衡的过程的流程图。
具体实施方式
15.在以下描述中，阐述了许多具体细节，诸如特定结构、组件、材料、尺寸、处理步骤和技术，以便提供对本技术的各种实施例的理解。然而，本领域技术人员应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本技术的各种实施例。在其他情况下，为了避免混淆本技术，众所周知的结构或处理步骤未被详细描述。
16.在一个示例中，电池组中的个体电池单元的电压值可以由于各种因素变化，例如，诸如充电状态(soc)不均衡、内部电阻变化和单元的温度。电池单元的这些变化的电压电平可能导致单元不均衡。不均衡的单元可能导致诸如热失控、单元劣化、电池组充电不完全和/或电池组能量使用不完全的问题。可以实现各种单元均衡技术，以在电池组中的电池单元之间均衡这些变化的电压电平。这些单元均衡技术可以在许多应用中被实现，包括例如消费电子产品和电动交通工具，电动交通工具使用更昂贵并且有点不易获得的替换电池。
17.单元均衡可以分为多个类别，诸如被动单元均衡、主动单元均衡、无损单元均衡和氧化还原梭(redox shuttle)。被动单元均衡和主动单元均衡涉及用于实现单元均衡的硬件设计。无损单元均衡使用硬件和软件的组合来实现单元均衡。氧化还原梭涉及改变电池单元本身的化学成分(通常是电解质化学成分)来实现单元均衡。被动单元均衡技术可以包括例如电荷分流和电荷限制，与上述其他单元均衡类别相比，被动单元均衡技术可以是相对简单的技术。在成本和尺寸是主要约束的情况下，可以使用被动单元均衡。在被动单元均衡中，可以在不使用电池单元中的一个电池单元的过量电荷的情况下，均衡串联连接的两个电池单元的电压电平。
18.主动单元均衡使用串联连接的两个电池单元中的一个电池单元的过量电荷，来实现电压电平均衡。即，在主动单元均衡中，来自一个电池单元的过量电荷被转移到电荷较低的另一个电池单元，以使两个电池单元均等。这可以通过利用电荷存储元件(例如，诸如电容器和电感器)来被实现。然而，主动电池单元均衡架构会消耗相对较大的空间面积，并且电荷只能在一个方向上转移——从较高电压的电池单元转移到较低电压的电池单元。
19.为了在下面更详细地描述，电池单元均衡技术可以由根据本公开描述的系统100(图1中示出)实现。系统100可以提供相对紧凑的主动电池单元均衡器(例如，具有耦合到电池组的控制器和电路)，从而允许本文描述的电池单元均衡技术适合具有有限的板空间和轮廓的应用。例如，用于促进主动电池单元均衡器的电感器可以是相对较小的电感器(例如，更细的线和/或更少的圈数)，使得主动单元平衡器可以以微型尺寸被设计，以便适合于相对较小的应用和设备，诸如手持式设备、便携式设备、可穿戴设备或其他小型或微型设备。系统100还可以实现双向电荷转移能力，诸如将电荷从较高电压的电池单元移动到较低电压的电池单元，或者从较低电压的电池单元移动到较高电压的电池单元。此外，系统100可以利用可控均衡电流来提供可控电压均衡速度，并且可以通过在电池单元之间移动电荷而不是耗散电荷来提供改进的效率。此外，系统100可以从包含两个(一对)电池单元的电池组扩展到包含多个电池单元对的电池组。此外，可以将组件添加到主动电池单元均衡器以在电池组中容纳附加电池单元对。在主动电池单元均衡器中利用相对较小的电感器，可以允许将较小的组件(例如，小电感器)与其他组件(例如，晶体管)一起被添加，以在电池组中容纳附加电池单元对。系统100可以在例如诸如消费电子、工业应用和电动交通工具等应用中实现电池组的电池单元均衡。
20.图1是图示根据本发明的实施例的可以实现双向主动电池单元均衡器的系统的图。系统100可以包括控制器102、电路112和电池模块(例如，电池组)110。控制器102可以被耦合或连接到电路112，并且电路112可以被耦合或连接到电池模块110。电池模块110可以包括多个电池单元，诸如电池单元116a和电池单元116b。在一些示例中，电池模块110可以是可再充电电池组。电池模块110中的电池单元可以是相同的电池，并且可以以串联布置连
接。在一些示例中，控制器102和/或电路112可以被实现为用于电池模块110的电池均衡器设备101。在一些示例中，电池模块110可以是用于各种应用或设备(诸如消费者电子、工业应用和电动交通工具等)的电池组。
21.关注图1中所示的电路112的部分114，部分114可以包括多个组件，该多个组件可以用于促进电池单元116a与电池单元116b之间的电池单元均衡。在图1所示的示例中，部分114可以包括被标记为q1、q2、q3和q4的四个开关元件(switching element)、被标记为l的电感器、被标记为c
fly
的电容器、被标记为c1的电容器和被标记为c2的电容器。开关元件q1、q2、q3和q4可以以串联布置连接。开关元件q1、q2、q3和q4中的每个开关元件可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。在图1所示的示例中，开关元件q1、q2、q3和q4中的每个开关元件可以是n沟道mosfet。在另一个示例中，开关元件q1、q2、q3和q4中的每个开关元件可以是p沟道mosfet。电路112可以包括部分114的多个复制，其中部分114的每个复制可以被连接到电池模块110中的一个电池单元对。例如，如果电池模块110包括2n个电池单元对，则电路112可以包括部分114的至少n个复制。
22.开关元件q1可以连接到电池单元116a。在开关元件q1是n沟道mosfet的示例中，开关元件q1的漏极端子可以连接到电池单元116a的正极端子(例如，阴极)。开关元件q4可以连接到电池单元116b。在开关元件q4是n沟道mosfet的示例中，开关元件q4的源极端子可以连接到电池单元116b的负极端子(例如，阳极)。电容器c
fly
的第一端子可以连接到位于开关元件q1与开关元件q2之间的第一节点，并且电容器c
fly
的第二端子可以连接到位于开关元件q3与开关元件q4之间的第二节点。在开关元件q1和q2是n沟道mosfet的示例中，开关元件q1的源极端子和开关元件q2的漏极端子可以连接到第一节点。在开关元件q3和q4是n沟道mosfet的示例中，开关元件q3的源极端子和开关元件q4的漏极端子可以连接到第二节点。电感器l的第一端子可以连接到位于开关元件q2与开关元件q3之间的节点，并且电感器l的第二端子可以连接到电池单元116a的负极端子与电池单元116b的正极端子之间的节点。在开关元件q2和q3是n沟道mosfet的示例中，开关元件q2的源极端子和开关元件q3的漏极端子可以连接到与电感器l相连接的节点。
23.电容器c1的第一端子可以连接到位于开关元件q1与电池单元116a之间的节点。在开关元件q1是n沟道mosfet的示例中，开关元件q1的源极端子和电池单元116a的阴极可以连接到与电容器c1相连接的节点。电容器c1的第二端子可以连接到电感器l的第二端子。电容器c2的第一端子可以连接到位于开关元件q4与电池单元116b之间的节点。在开关元件q4是n沟道mosfet的示例中，开关元件q4的漏极端子和电池单元116b的阳极可以连接到与电容器c2相连接的节点。电容器c2的第二端子可以连接到电感器l的第二端子。在示例实施例中，电容器c1和c2可以是可操作以通过分别吸收进入或离开电池单元116a和116b的频率切换电流纹波来滤除这些电流纹波的组件。
24.控制器102可以被配置为检测电池模块110中的电池单元的电压电平118。控制器102可以被进一步配置为检测电感器l的电流水平。控制器102可以被配置为使用检测到的电压电平118和检测到的电感器l的电流水平，来生成多个驱动器信号104。驱动器信号104可以是栅极驱动器信号，其可以被施加到开关元件q1、q2、q3和q4的栅极端子，来操作开关元件q1、q2、q3和q4。开关元件q1、q2、q3和q4的不同组合的激活和/或去激活(deactivation)，可以产生不同的闭合回路来促进电池单元均衡器101的各种操作，如下文
更详细地解释的。
25.电容器c
fly
可以被电池单元116a或电池单元116b充电。来自电容器c
fly
的电荷可以被放电到电池单元116a或电池单元116b。控制器102可以检测电池单元116a和116b中的哪个电池单元具有较高的电压，并且作为响应，确定开关元件q1、q2、q3和q4中的哪些开关元件应当被激活，以促进电荷从较高电压的电池单元转移到较低电压的电池单元。例如，如果电容器c
fly
没有被充电并且电池单元116a具有比电池单元116b更高的电压，则控制器102可以生成驱动器信号104，以激活开关元件q1和q3并且去激活(deactivate)开关元件q2和q4。开关元件q1和q3的激活以及开关元件q2和q4的去激活形成闭合回路，该闭合回路允许电流通过激活的开关元件q1，从电池单元116a流到电容器c
fly
，以对电容器c
fly
充电。电流还可以流过电容器c
fly
和开关元件q3，以对电感器l进行激励或充电。
26.响应于电容器c
fly
被充电，控制器102可以修改驱动器信号104，以激活开关元件q2和q4并且去激活开关元件q1和q3。在一个示例中，控制器102可以检测到，激励电感器l的电流大于电流限制，并且基于该检测，确定电容器c
fly
被充电。在一个示例中，可以调整电流限制，以控制均衡速度来均衡电池单元116a和116b。例如，增加电流限制可以允许增加的电流量流过电感器l。流过电感器l的这种增加的电流量可以增加电池单元电压的移动以增大单元均衡速度。相反，减小电流限制可以减小流过电感器l的电流量，引起均衡速度的降低。因此，可以基于期望的单元均衡速度来设置电流限制，并且电流限制的选择可以考虑期望的均衡速度和/或其他约束，诸如系统100的允许的热能力和/或组件能力。当c
fly
被充电时，开关元件q2和q4的激活以及开关元件q1和q3的去激活可以形成闭合回路，该闭合回路允许电容器c
fly
放电到电池单元116b。通过顺序地激活开关元件q1、q2、q3和q4的不同组合(例如，两个或两个以上的开关元件)，由电池单元116a提供给电容器c
fly
的电荷可以被转移到电池单元116b。
27.类似地，在另一个示例中，如果电容器c
fly
没有被充电并且电池单元116b具有比电池单元116a更高的电压，则控制器102可以生成驱动器信号104，以激活开关元件q2和q4并且去激活开关元件q1和q3。开关元件q2和q4的激活以及开关元件q1和q3的去激活形成闭合回路，该闭合回路允许电流通过电感器l和激活的开关元件q2，从电池单元116b流到电容器c
fly
，以对电容器c
fly
充电。流过电感器l的电流可以对电感器l进行激励或充电。响应于电容器c
fly
被充电，控制器102可以修改驱动器信号104，以激活开关元件q1和q3并且去激活开关元件q2和q4。在一个示例中，控制器102可以检测到，激励电感器l的电流大于电流限制，并且基于该检测，确定电容器c
fly
被充电。当c
fly
被充电时，开关元件q1和q3的激活以及开关元件q2和q4的去激活可以形成闭合回路，该闭合回路允许电容器c
fly
放电到电池单元116a。通过顺序地激活开关元件q1、q2、q3和q4的不同组合(例如，两个或两个以上的开关元件)，电荷可以从电池单元116a被转移到电池单元116b，或者从电池单元116b被转移到电池单元116a，这提供了电荷的双向转移以均衡电池单元对116a和116b。
28.连续的单元均衡(例如，重复地将电荷从电池单元116a转移到116b，然后反之亦然)可以允许流过电感器l的电流以相对高的频率切换。该高切换频率可以减小纹波电流，使得由纹波电流引起的芯损耗减小。由于减小的纹波电流，相对小的电感器(例如，更细的导线和/或更少的线圈)可以足以导致由本文公开的单元均衡操作引起的减小的纹波电流量。因此，使用相对小的电感器可以减小部分114和电路112占据的电路板面积，从而减小电
池均衡器设备101的尺寸。
29.图2是图示根据本发明的一个实施例的双向主动电池单元均衡器的控制框图。在图2所示的示例实施例中，控制器102可以包括差分放大器202、补偿器204、差分放大器212、补偿器214、信号生成器206、脉冲宽度调制器208和一个或多个栅极驱动器210。控制器102可以接收或检测电池单元116a的电压v1，并且可以接收或检测电池单元116b的电压v2。差分放大器202可以被配置为：确定电压v1与v2之间的电压差，并且将该电压差放大以生成经放大的电压差δv。此外，差分放大器202的输出可以指示v1还是v2具有更大的值。例如，如果电压v1进入差分放大器212的负极输入端子并且电压差为负，则v1大于v2。经放大的电压差δv可以被发送到补偿器204。补偿器204可以被配置为：对经放大的电压差δv执行补偿技术(诸如，减小稳态误差、减小谐振峰值、减少上升时间等)，来生成补偿信号220。
30.控制器102还可以接收或检测电感器l的电流il，可以接收与电感器l相关联的电流限制il
lim
。电流il可以是流过电感器l的电流。电流限制il
lim
可以是预定值，其被编程到控制器102中并且被存储在控制器102的本地存储器中。差分放大器212可以被配置为：确定电流il与电流限制il
lim
之间的电流差，并且放大电流差以生成经放大的电流差δi。差分放大器214可以确定电流il是否大于电流限制il
lim
。例如，如果电流il进入差分放大器212的负极输入并且电流差为负，则电流il大于电流限制il
lim
。电流il大于电流限制il
lim
可以指示电感器l被充电或者被激励。此外，被充电或被激励的电感器l可以指示电容器c
fly
被充电。经放大的电流差δi可以被发送到补偿器214。补偿器214可以被配置为：对经放大的电流差δi执行补偿技术(诸如，减小稳态误差、减小谐振峰值、减少上升时间等)，并且输出补偿信号222。
31.信号生成器206可以被配置为：基于经放大的电流差δi或补偿信号222以及电压差δv或补偿信号220，来生成控制信号240。以下示例对应于其中电压v1进入差分放大器212的负极输入端子的配置。在一个示例中，信号生成器206可以检测到经放大的电流差δi为负，这指示电流il大于电流限制il
lim
。信号生成器206还可以检测到经放大的电压差δv为负，这指示v1大于v2。电流差δi和电压差这两者都为负可以指示电容器c
fly
被充电，并且可以需要将电容器c
fly
放电到电池单元116b。响应于检测到电流差δi和电压差两者都为负，信号生成器206可以生成具有一种波形的控制信号240，该波形可以促进开关元件q2和q4的激活以及开关元件q1和q3的去激活。例如，当利用预定波形对控制信号240进行脉冲宽度调制时，控制信号240可以产生脉冲宽度调制信号，该脉冲宽度调制信号激活开关元件q2和q4并且去激活开关元件q1和q3。
32.在另一个示例中，信号生成器206可以检测到经放大的电流差δi为正，这指示电流il小于电流限制il
lim
。信号生成器206还可以检测到经放大的电压差δv为负，这指示v1大于v2。电流差δi为正并且电压差为负可以指示电容器c
fly
未被充电，并且可以需要使用来自电池单元116a的电荷对电容器c
fly
充电。响应于检测到电流差δi为正并且电压差为负，信号生成器206可以生成具有一种波形的控制信号240，该波形可以促进开关元件q1和q3的激活以及开关元件q2和q4的去激活。例如，当利用预定波形对控制信号240进行脉冲宽度调制时，控制信号240可以产生脉冲宽度调制信号，该脉冲宽度调制信号激活开关元件q1和q3并且去激活开关元件q2和q4。
33.在另一个示例中，信号生成器206可以检测到经放大的电流差δi为负，这指示电
流il大于电流限制il
lim
。信号生成器206还可以检测到经放大的电压差δv为正，这指示v1小于v2。电流差δi为负并且电压差为正可以指示电容器c
fly
被充电，并且可以需要将电容器c
fly
放电到电池单元116a。响应于检测到电流差δi为负并且电压差为正，信号生成器206可以生成具有一种波形的控制信号240，该波形可以促进开关元件q1和q3的激活以及开关元件q2和q4的去激活。例如，当利用预定波形对控制信号240进行脉冲宽度调制时，控制信号240可以产生脉冲宽度调制信号，该脉冲宽度调制信号激活开关元件q1和q3并且去激活开关元件q2和q4。
34.在另一个示例中，信号生成器206可以检测到经放大的电流差δi为正，这指示电流il小于电流限制il
lim
。信号生成器206还可以检测到经放大的电压差δv为正，这指示v1小于v2。电流差δi和电压差为正可以指示电容器c
fly
未被充电，并且可以需要使用电池单元116b对电容器c
fly
充电。响应于检测到电流差δi和电压差两者都为正，信号生成器206可以生成具有一种波形的控制信号240，该波形可以促进开关元件q2和q4的激活以及开关元件q1和q3的去激活。例如，当利用预定波形对控制信号240进行脉冲宽度调制时，控制信号240可以产生脉冲宽度调制信号，该脉冲宽度调制信号激活开关元件q2和q4并且去激活开关元件q1和q3。
35.脉冲宽度调制器208可以接收来自信号生成器206的控制信号240。脉冲宽度调制器208可以使用预定信号242对控制信号240进行脉冲宽度调制，以生成多个脉冲宽度调制信号244。多个脉冲宽度调制信号244可以包括四个脉冲宽度调制信号，被表示为pwm1、pwm2、pwm3和pwm4。预定信号242可以是具有三角波形或锯齿波形的信号。在一个示例中，预定信号242的频率可以限定开关元件q1、q2、q3和q4被切换以激活或去激活的速度。在一个示例实施例中，控制器102可以接收来自信号生成器241的预定信号242，其中信号生成器241可以位于控制器102中或位于控制器102外部。
36.脉冲宽度调制器208可以将脉冲宽度调制信号pwml、pwm2、pwm3和pwm4发送到栅极驱动器210。栅极驱动器210可以被配置为：使用脉冲宽度调制信号244来生成多个驱动器信号104。例如，栅极驱动器210可以放大脉冲宽度调制信号pwm1、pwm2、pwm3和pwm4以产生驱动信号104，其中驱动信号104可以包括栅极-源极电压v
gs1
、v
gs2
、v
gs3
和v
gs4
。栅极-源极电压v
gs1
、v
gs2
、v
gs3
和v
gs4
可以分别是足以切换开关元件q1、q2、q3和q4的电压。例如，电压v
gs1
可以大于开关元件q1的阈值电压，以便接通或激活开关元件q1。
37.图3是图示根据本发明的一个实施例的双向主动电池单元均衡器的另一个控制框图。在图3所示的示例实施例中，控制器102可以包括平均器301、差分放大器302、补偿器304、差分放大器312、补偿器314、差分放大器332、补偿器334、信号生成器306、信号生成器307、脉冲宽度调制器308和一个或多个栅极驱动器310。控制器102可以接收或检测电池单元216a的电压v1，并且可以接收或检测电池单元216b的电压v2。平均器301可以是一种被配置为确定电压v1与电压v2之间的平均电压v
avg
的电路。
38.差分放大器302可以被配置为：确定电压vl与v
avg
之间的电压差，并且放大该电压差以生成经放大的电压差δvl。电压v1与v
avg
之间的电压差可以指示电池单元116a的电压电平是高于平均还是低于平均。例如，如果电压v1进入差分放大器302的负极输入端子并且电压差为负，则电压v1高于平均电压v
avg
，这指示电池单元116a的电压电平高于平均。如果电压v1进入差分放大器302的负极输入端子并且电压差为正，则电压v1小于平均电压v
avg
，
这指示电池单元116a的电压电平低于平均。经放大的电压差δv1可以被发送到补偿器304。补偿器304可以被配置为：对经放大的电压差δv1执行补偿技术(诸如，减小稳态误差、减小谐振峰值、减少上升时间等)，来生成补偿信号320。
39.差分放大器332可以被配置为：确定电压v2与v
avg
之间的电压差，并且放大该电压差以生成经放大的电压差δv2。电压v2与v
avg
之间的电压差可以指示，电池单元116b的电压电平是高于平均还是低于平均。例如，如果电压v2进入差分放大器332的负极输入端子并且电压差为负，则电压v2高于平均电压v
avg
，这指示电池单元116b的电压电平高于平均。如果电压v2进入差分放大器332的负极输入端子并且电压差为正，则电压v2小于平均电压v
avg
，这指示电池单元116b的电压电平低于平均。经放大的电压差δv2可以被发送到补偿器334。补偿器334可以被配置为：对经放大的电压差δv2执行补偿技术(诸如，减小稳态误差、减小谐振峰值、减少上升时间等)，来生成补偿信号323。
40.控制器102还可以接收或检测电感器l的电流il，可以接收与电感器l相关联的电流限制il
lim
。电流il可以是流过电感器l的电流。电流限制il
lim
可以是预定值，其被编程到控制器102中并且被存储在控制器102的本地存储器中。差分放大器312可以被配置为：确定电流il与电流限制il
lim
之间的电流差，并且放大电流差以生成经放大的电流差δi。差分放大器314可以确定电流il是否大于电流限制il
lim
。例如，如果电流il进入差分放大器312的负极输入并且电流差为负，则电流il大于电流限制il
lim
。电流il大于电流限制il
lim
可以指示电感器l被充电或被激励。此外，被充电或被激励的电感器l可以指示电容器c
fly
被充电。经放大的电流差δi可以被发送到补偿器314。补偿器314可以被配置为：对经放大的电流差δi执行补偿技术(诸如，减小稳态误差、减小谐振峰值、减少上升时间等)，并且输出补偿信号322。
41.信号生成器306可以被配置为：基于经放大的电流差δi和补偿信号320或δvl来生成控制信号340。下面的示例对应于电压v1进入差分放大器302的负极输入端子的配置。在一个示例中，信号生成器306可以检测到经放大的电流差δi为负，这指示电流il大于电流限制il
lim
。信号生成器306还可以检测到经放大的电压差δv1为负，这指示v1大于v
avg
。电流差δi和电压差δv1为负可以指示电容器c
fly
被充电，并且电池单元116a正在以高于平均电平的电平运行。因此，可以不需要将电容器c
fly
放电到电池单元116a。响应于检测到可以不需要将电容器c
fly
放电到电池单元116a，信号生成器306可以空闲(例如，不输出控制信号)，或生成与先前生成的控制信号340的版本相同的控制信号340，以维持电池单元116a的当前性能水平。
42.在另一个示例中，信号生成器306可以检测到经放大的电流差δi为负，这指示电流il大于电流限制il
lim
。信号生成器306还可以检测到经放大的电压差δv1为正，这指示v1小于v
avg
。电流差δi为负并且电压差δv1为正可以指示：电容器c
fly
被充电并且电池单元116a正以低于平均电平的电平运行。因此，可以需要将电容器c
fly
放电到电池单元116a。响应于检测到可以需要将电容器c
fly
放电到电池单元116a，信号生成器306可以生成具有一种波形的控制信号340，该波形可以促进开关元件q1和q3的激活。例如，当利用预定波形对控制信号340进行脉冲宽度调制时，控制信号340可以产生将开关元件q1和q3激活的脉冲宽度调制信号。
43.在另一个示例中，信号生成器306可以检测到经放大的电流差δi为负，这指示电
流il大于电流限制il
lim
。信号生成器306还可以检测到经放大的电压差δv1为负，这指示v1大于v
avg
。电流差δi和电压差δv1为负可以指示：电容器c
fly
被充电并且电池单元116a正在以高于平均电平的电平运行。因此，可以不需要将电容器c
fly
放电到电池单元116a。响应于检测到可以不需要将电容器c
fly
放电到电池单元116a，信号生成器306可以空闲(例如，不输出控制信号)，或生成与先前生成的控制信号340的版本相同的控制信号340，以维持电池单元116a的当前性能水平。
44.信号生成器307可以被配置为：基于经放大的电流差δi以及补偿信号323或δv2来生成控制信号345。下面的示例对应于电压v2进入差分放大器332的负极输入端子的配置。在一个示例中，信号生成器307可以检测到经放大的电流差δi为负，这指示电流il大于电流限制il
lim
。信号生成器307还可以检测到经放大的电压差δv2为负，这指示v2大于v
avg
。电流差δi和电压差δv2为负可以指示：电容器c
fly
被充电并且电池单元116b正在以高于平均电平的电平运行。因此，可以不需要将电容器c
fly
放电到电池单元116b。响应于检测到可以不需要将电容器c
fly
放电到电池单元116b，信号生成器307可以空闲(例如，不输出控制信号)，或者生成与先前生成的控制信号340的版本相同的控制信号345，以维持电池单元116b的当前性能水平。
45.在另一个示例中，信号生成器307可以检测到经放大的电流差δi为负，这指示电流il大于电流限制il
lim
。信号生成器307还可以检测到经放大的电压差δv2为正，这指示v2小于v
avg
。电流差δi为负并且电压差δv2为正可以指示：电容器c
fly
被充电并且电池单元116b正在以低于平均电平的电平运行。因此，可以需要将电容器c
fly
放电到电池单元116b。响应于检测到可以需要将电容器c
fly
放电到电池单元116b，信号生成器307可以生成具有一种波形的控制信号345，该波形可以促进开关元件q2和q4的激活。例如，当利用预定波形对控制信号345进行脉冲宽度调制时，控制信号345可以产生将开关元件q2和q4激活的脉冲宽度调制信号。
46.脉冲宽度调制器308可以接收分别来自信号生成器306和307的控制信号340和345。脉冲宽度调制器308可以使用一个或多个预定信号342，对控制信号340和/或345执行脉冲宽度调制，以生成多个脉冲宽度调制信号344。多个脉冲宽度调制信号344可以包括四个脉冲宽度调制信号，被表示为pwm1、pwm2、pwm3和pwm4。预定信号342可以是具有三角波形或锯齿波形的信号。在一个示例中，预定信号342的频率可以限定开关元件q1、q2、q3和q4被切换以激活或去激活的速度。在一个示例实施例中，控制器102可以接收来自信号生成器341的预定信号342，其中信号生成器341可以位于控制器102中或位于控制器102外部。在一个示例中，控制信号340和345可以具有相同的信号振幅或值，但具有相反的极性。因此，脉冲宽度调制器308可以使用控制信号340和345中的任何一个控制信号，来生成脉冲宽度调制信号pwm1、pwm2、pwm3和pwm4。
47.脉冲宽度调制器308可以将脉冲宽度调制信号pwm1、pwm2、pwm3和pwm4发送到栅极驱动器310。栅极驱动器310可以被配置为：使用脉冲宽度调制信号344来生成多个驱动器信号104。例如，栅极驱动器310可以放大脉冲宽度调制信号pwm1、pwm2、pwm3和pwm4以产生驱动信号104，其中驱动信号104可以包括栅极-源极电压v
gs1
、v
gs2
、v
gs3
和v
gs4
。栅极-源极电压v
gs1
、v
gs2
、v
gs3
和v
gs4
可以是足以切换开关元件q1、q2、q3、q4的电压。例如，电压v
gs1
可以大于开关元件q1的阈值电压，以便接通或激活开关元件q1。
48.图4是图示由根据本发明的一个实施例的双向主动电池单元均衡器的实现生成的一个或多个信号的图。时序图400图示了多个信号，该多个信号表示在图1中所示系统的实现期间的各种活动。时序图400中的信号il代表流过电感器l(在图1-图3中示出)的电流。信号pwm1、pwm2、pwm3和pwm4是图1-图3中所示的脉冲宽度调制信号。在时序图400中，在时间1.8微秒(μs)与2μs之间，当信号pwm3和pwm1为“高”并且信号pwm2和pwm4为“低”时，电感器电流il增加。这指示：当开关元件q1和q3(图1-图3中示出)被激活并且开关元件q2和q4被去激活时，电流流过电感器l。当开关元件q1和q3被激活时，流过电感器l的电流可以由电池单元116a(在图1-图3中示出)或由电容器c
fly
提供。
49.在时序图400中，在时间2μs与2.3μs之间，当信号pwm3和pwm4为“高”并且信号pwm1和pwm2为“低”时，电感器电流il减小。这指示：在开关元件q3和q4被激活并且开关元件q1和q1被去激活时，电感器l被放电。当开关元件q3和q4被激活时，电感器l可以放电到电池单元116b(在图1-图3中示出)。在时间2.3μs与2.5μs之间，当信号pwm2和pwm4为“高”并且信号pwm1和pwm3为“低”时，电感器电流il略微增加。这指示：当开关元件q2和q4被激活并且开关元件q1和q3被去激活时，电流流过电感器l。当开关元件q2和q4被激活时，流过电感器l的电流可以由电池单元116b或由电容器c
fly
提供。在时间2.5μs与2.8μs之间，当信号pwm3和pwm4为“高”并且信号pwm1和pwm2为“低”时，电感器电流il减小。这指示：当开关元件q3和q4被激活，并且开关元件q1和q2被去激活时，电感器l被放电。当开关元件q3和q4被激活时，电感器l可以放电到电池单元116b。
50.图5是图示根据本发明的一个实施例的图1的系统100的示例实现的图。系统100可以被实现为在各种负载和充电条件下均衡电池单元116a和116b。在图5所示的示例中，系统100可以连接到电流源502、504和506。电流源502可以被配置为对电池单元116a和116b充电，并且电流源或负载504、506可以分别从电池单元116a、116b汲取电流。电流源502、504和506可以同时连接到系统100，或者电流源502、505和506中的一个或多个电流源可以连接到系统100。当电流源502对电池单元116a、116b充电时或者当电流源从电池单元116a、116b汲取时，系统100可以被实现以确保电池单元116a、116b被均衡(例如，具有基本相等的电压)。
51.图6是图示可以实现根据本发明的一个实施例的一个或多个双向主动电池单元均衡器的模块化系统的图。模块化系统(“系统”)600可以包括多个单元均衡器电路(例如，图1-图3中所示的114)。单元均衡器电路可以以层次结构被布置，具有不同级别并且通向邻近的电池单元对。例如，单元均衡器电路611、612、613和614可以分别连接到邻近的电池单元对601、602、603和604。单元均衡电路611、612、613和614可以连接到邻近的电池单元对602。单元均衡器电路611、612、613和614可以连接到相应的控制器(例如，图1-图3中所示的控制器104)，控制器被配置为控制单元均衡器电路611、612、613和614中的开关元件。
52.单元均衡器电路620可以连接到单元均衡器电路611和612，其中单元均衡器电路620可以连接到它自己的控制器(例如，图1-图3中所示的控制器104)，该控制器被配置为控制单元均衡器电路620中的开关元件。单元均衡器电路621可以连接到单元均衡器电路613和614，其中单元均衡器电路621可以连接到它自己的控制器(例如，图1-图3中所示的控制器104)，该控制器被配置为：控制单元均衡器电路621中的开关元件。另一个单元均衡器电路630可以连接到单元均衡器电路620和621，其中单元均衡器电路630可以连接到它自己的控制器(例如，图1-图3中所示的控制器104)，该控制器被配置为：控制单元均衡器电路630
中的开关元件。
53.系统600可以被实现为均衡相对较大数目的电池单元。在一个示例中，两个邻近的电池单元对601和602的总体电压可以大于两个邻近的电池单元对603和604的总体电压。单元均衡器电路630的控制器可以激活单元均衡器电路630的开关元件q2和q4，以允许电荷从单元均衡器电路630的飞跨电容器(例如，图1-图3中所示的c
fly
)分配到两个邻近的电池单元对603和604。单元均衡器电路621的控制器可以检测邻近的电池单元对是603还是604具有较低的电压。例如，如果邻近的电池单元对604具有较低的电压，则单元均衡器电路621的控制器可以激活单元均衡器电路621的开关元件q2和q4，以将来自单元均衡器电路621的飞跨电容器(例如，图1-图3中所示的c
fly
)的电荷以及来自单元均衡器电路630的电荷分配到邻近的电池单元对604。
54.图7图示了流程图，其与实现根据本文呈现的至少一些实施例布置的双向主动电池单元均衡器的过程有关。可以使用例如上面讨论的系统100来实现图7中的过程。示例过程可以包括如由框702、704、706、708、710、712、714和/或716中的一个或多个框图示的一个或多个操作、行动或功能。虽然被图示为分立的块，但是根据所期望的实现，各个框可以被分成附加的框、被组合成更少的框、被消除或并行执行。
55.过程700可以开始于框702，其中控制器可以检测第一电池单元的第一电压和第二电池单元的第二电压。第一电池单元和第二电池单元可以以串联布置连接。过程700可以从框702继续到框704。在框704处，控制器可以基于第一电压和第二电压来确定至少一个电压差。在一个示例中，至少一个电压差可以包括第一电压与第二电压之间的电压差。在另一个示例中，至少一个电压差可以包括第一电压差和第二电压差。至少一个电压差的确定可以包括：确定第一电压与第二电压之间的平均电压，确定平均电压与第一电池单元的第一电压之间的第一电压差，以及确定平均电压与第二电池单元的第二电压之间的第二电压差。
56.过程700可以从框704继续到框706。在框706处，控制器可以检测耦合到第一电池单元和第二电池单元的电路中的电感器的电流。电感器的第一端子可以连接到位于第一电池单元和第二电池单元之间的节点。过程700可以从框706继续到框708。在框708处，控制器可以确定电感器的电流与电感器的电流限制之间的电流差。过程700可以从框708继续到框710。在框710处，控制器可以基于该至少一个电压差和电流差来生成控制信号。过程700可以从框710继续到框712。在框712处，控制器可以利用预定信号，对控制信号执行脉冲宽度调制以生成多个脉冲宽度调制信号。过程700可以从框712继续到框714。在框714处，控制器可以基于多个脉冲宽度调制信号来生成多个驱动器信号。
57.过程700可以从框714继续到框716。在框716处，控制器可以使用多个驱动器信号，来控制耦合到第一电池单元和第二电池单元的电路中的多个开关元件。多个开关元件可以包括第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件。第一开关元件可以连接到第一电池单元。第二开关元件可以以串联布置连接到第一开关元件。电路中的电容器的第一端子可以连接到位于第一开关元件与第二开关元件之间的节点。第三开关元件可以以串联布置连接到第二开关元件。电感器的第二端子可以连接到位于第二开关元件与第三开关元件之间的节点。第四开关元件可以以串联布置连接到第三开关元件。电容器的第二端子可以连接到位于第三开关元件与第四开关元件之间的节点。第四开关元件可以连接到第二电池单元。第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件可以是金属氧化
物半导体场效应晶体管(mosfet)。
58.在一个示例中，控制器可以激活第一开关元件和第三开关元件，以使电流从第一电池单元流到电容器和电感器，并且使电荷从电容器和电感器流到第一电池单元。在另一个示例中，控制器可以激活第二开关元件和第四开关元件，以使电流从第二电池单元流到电容器和电感器，并且使电荷从电容器和电感器流到第二电池单元。
59.本文中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。除非上下文另有明确指示，否则如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”和/或“包括”指定所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组的存在或添加。
60.所附权利要求中的所有部件或步骤加功能元素的对应结构、材料、动作和等同物(如果有的话)旨在包括用于与具体要求保护的其他要求保护的元素结合来执行功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述是为了说明和描述的目的而被提出，但并不旨在穷举或限制于所公开形式的本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域技术人员来说将是明显的。选择并被描述的实施例是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使本领域技术人员能够理解本发明，以获得适于预期的特定用途的、具有各种修改的各种实施例。