电源及保护其中蓄电池的方法 本发明一般涉及由若干串联连接的蓄电池构成的电源。尤其，本发明涉及用于防止蓄电池串中的各个蓄电池在充电时被过量充电和放电时被过度地消耗的方法和电路。
在原动和备用应用中，蓄电池模块或单体串联连接以为应用提供所需的电压电平。例如，蓄电池供电的车辆中就有大量蓄电池或模块串联连接为蓄电池串而形成的电源。有时将一个以上的这些串联连接蓄电池串并联连接以提高电流输送能力。目前使用的这些蓄电池系统中大多数是在没有对单个蓄电池模块管理的情况下操作的。这种常规的无管理无控制的电源导致蓄电池串中各个蓄电池模块不均衡的充电状态，即过度充电或欠充电。过度充电的模块损失使用寿命而欠充电的模块丧失电能存储容量。
蓄电池串中各个蓄电池的这种不均衡的充电状态问题已被提及。例如，美国专利US5,438,250中对单个模块的电压进行监测。控制主充电器电流，以使任一个蓄电池模块的电压都不高于其极限。用一个相对较小的独立地充电器单独地对未完全充电的模块再次充电。另一蓄电池管理系统监测单个模块的电压，其提供相对较慢的充电以在浮充状态中均衡各模块的电压，当蓄电池串中的任一模块的过充电或欠充电超过预设值时提供激活浮充状态的警示信号。在美国专利No.4,719,401中一个特定的齐纳(zenor)二极管被用作旁路。但是，它不能控制电压电平而基本只是在充电模式或模块完全失效到开路状态的情况下有用。
这些已有的监测和保护蓄电池串中的单个蓄电池的电路具有的主要局限使其不能商业化。因此目前的大部分蓄电池串仍不带有单个蓄电池监测和电流管理装置。这些持久的问题和局限还包括能够从蓄电池串中切换出单个蓄电池的电路的成本问题。有些电路只是能够管理整串充电。还有的监测放电的一些电路只是在某个蓄电池一旦实际达到开路状态时能有效地从蓄电池串中去除该过度消耗的蓄电池。
因此可看到仍需要一种方法和装置来监测蓄电池串中的单个蓄电池，并防止蓄电池串充电期间任一个蓄电池达到过度充电状态和放电期间任一个蓄电池放电到低于选定的最小电势。这就是本发明的主要目的。
简单讲，通过监测蓄电池串的单个蓄电池的充电电势，防止单个蓄电池在蓄电池串充电期间被过度充电或在放电期间被过度放电消耗。一旦探测到电势已到充电极限，在该蓄电池旁将产生一个有效数值大约等于蓄电池串的电流级的旁路电流。这将引起流过该蓄电池的电流级下降到基本为零，从而不需用开关将其从蓄电池串断开就实际上从蓄电池串有效除去了该蓄电池。这是通过循环地对电感器充电和放电而实现的，该电感器响应于蓄电池的充电状态的检测值达到上限或下限而被切换进蓄电池的旁路电路中。
图1是表示了本发明的蓄电池串操作的蓄电池串充电模式的基本原理的简图。
图2是表示了本发明的蓄电池串操作的蓄电池串加载或放电模式的操作原理的简图。
图3是以优选形式体现本发明原理的用于保护蓄电池串中单个蓄电池的电路的电路图，其包括保护蓄电池不被过量充电或过量放电的电路装置。
图4是与蓄电池串充电器耦合和加载了箱式蓄电池的蓄电池串的电路图。
图5是扩展并更加充分地表示了图3所示的电路的电路图。
图6A和6B进一步表示了图5所示电路的元件的细节。
图7是表示了与蓄电池串充电器耦合和加载了箱式蓄电池的蓄电池串的另一电路图。
图8是本发明另一优选实施例的电路图。
接着可参考图1-2对发明的原理有基本理解。图1表示了由3个蓄电池9，10，11以串联电路的形式组成的需要充电的电源，假定完全充电电平为12.8VDC。现假设蓄电池10被完全充电到12.8V，蓄电池9只充电到12.2V，蓄电池11只充电到12.5V。如果充电电流是10A，理想情况是10A的电流应流过蓄电池9(i1＝10)，0A流过完全充电的蓄电池10(i2＝0)，10A流过蓄电池11(i3＝10)。如果有效平均电流为10A的控制电流源提供在所示与蓄电池10并联的保护电路的15处，就能存在理想的情况。注意这种情况并不能通过仅用一个并联导线与蓄电池并联而实现，因为那将导致蓄电池短路。
此前这已经通过如在Thomas et al.的美国专利No.4061955中公开的昂贵的电路系统和网络达到了。这种方法使用了检测蓄电池的电压并响应于所检测的满电压充电以把被充电的蓄电池从蓄电池串中切换出的电路。但图1中的电路，其中14代表续流二极管，理论上可以完成这一点而不必从蓄电池串移去蓄电池。相似地，图2理论地图示了16作为电流源的蓄电池串中的放电操作模式，使得在蓄电池10失效时或接近于失效时，i6，i4和电流源16的电流都是10A，并且i5为0A。这里13又表示续流二极管。因此在图1所示的理论串充电模式和图2所示的理论串放电模式中，在15和16有效地产生实际上分别等于i1，i3和i4，i6的电流源。这里表示了发明的基本原理。
然后参考图3，示出了针对蓄电池10的串充电和串放电操作模式都有效的执行电路。尽管示出的电路只是关于单个蓄电池10，应该可以理解对蓄电池串中的每一个都可以提供这种电路。
在图3中与蓄电池10一同示出的执行电路包括经与二极管13并联的开关12与蓄电池10连接的电感器33。在开关12和电感器33之间以及蓄电池串的下一个蓄电池11侧的位置处也提供连接。该连接有一个与二极管14并联的开关32。如果在串充电模式下蓄电池串中的蓄电池10在其它蓄电池之前被完全充电，则达到闭合开关12的阈值电压电平从而激活保护电路。开关12的控制电路因容易理解在这里未作表示。开关12还由跨接在蓄电池10的电感器中的峰值电流控制，这一点也在后面描述。以循环的方式电感器33被充电直至达到峰值电流，假定15A，其将引起开关12瞬间断开。现存储在电感器的能量于是随充电电流i。(15)的流动被释放出来。当这一电流随电感器的放电减小到低阈值电平时，开关12再次闭合。重复这一循环在回路中产生大约与流经蓄电池9和11的电流匹配的平均电流。以这种方式流经蓄电池10的电流保持在或接近于0。在操作的放电模式中，电路反向操作以从同一电感器33产生放电电流id。
然后参考图4，简略地表示了与蓄电池充电器1和负载2耦合的5个蓄电池7的电源串。这些蓄电池7中的每一个以图3所示的电路保护。但是，应注意还有一个连接在电池串负极最外侧的被称为箱式蓄电池的蓄电池8，它和蓄电池串串联但没有跨过充电器1或负载2。该箱式蓄电池在蓄电池串的负极最外侧蓄电池7过度充电的偶然情况下使用。那种情况下箱式蓄电池8用于接收负极最外侧蓄电池7被旁路的多余能量。6处代表的能量分散负载和充电控制器与箱式蓄电池8跨接。再生DC激励或电压调节器可用作该充电控制器。箱式蓄电池用作总的电源和整个蓄电池串的受控电流源的贮箱。
图7所示的电路是图4的对应，其中箱式蓄电池8连接到蓄电池串的正极最外侧。此处所进行的充放电是对于正极最外侧蓄电池7(其它图中为蓄电池9)而不是负极最外侧蓄电池7(其它图中为蓄电池11)。因此，电荷可被传送到上面一个或下面一个蓄电池，但在同一蓄电池串中不能混淆。注意这里的执行电路3的连接不同于图4，因此仅有执行电路的编号以3A代替3。
然后根据图5，更详细地表示了保护电路3用于在蓄电池串充电模式中把电荷从过量充电的蓄电池传送走以及为电荷耗尽的蓄电池提供电荷。这一简图包括用来控制开关12和32的电路，该控制电路未在图3表示。
在图5中看到开关12和32由开关驱动器19操作。该开关驱动器19在图6B中有详细显示，其由从线路20和21传送过来的逻辑信号控制的晶体管网络组成。反馈放大器22检测蓄电池10的电压。其细节在图6A表示。如图所示它与端子T1，T2和T3连接。反馈控制器通过线路23发出代表所检测电压的模拟信号。这一信号输入到电压调节器24和25及它们的集成电路6和7，如图6B所示。这些电压调节器，优选为摩托罗拉(Motorola)IC芯片MC33060A，用来在充电模式下维持被保护的蓄电池的电压电平在其完全充电的控制电平以下。在放电循环中，调节器24和25保持蓄电池电压在操作所允许电平的最低值以上。
调节器24控制所保护蓄电池电压的高电平而调节器25则控制其低电平。在执行过程中，调节器24和25发出的逻辑数字信号经信号接口19到达开关12和32。尽管有其他类型的晶体管如BJT或IGBT，开关12和32优选为适用于低电压高电流的MOSFET型开关。如图5所示，电路还包括与电感器相邻的耦合于调节器24和25的电流检测器27来检测峰值电流。这里电路还包括温度检测器39，其信号也被输入调节器以更精确地选择过度充电电压和耗尽电压。
如果需要，电压调节器24和25可省去而其功能由图8所示的微控制器37执行。这里看到电流源15和16，其在图1和2中已作了理论上的描述和讨论，现从外部经变压器40被提供给保护电路。微控制器比图3的电路更有效，但以牺牲操作速度为代价。在操作中假设充电循环中蓄电池10接近于过度充电，所以多余的充电能量传送到蓄电池11。最终蓄电池11也将接近过度充电状态。图3的电路相当简单，可看出多余的电荷会传送给下一个蓄电池，从而形成对应图4的箱式蓄电池的装置。图8的电路不需要这种箱式蓄电池，因为它有外部电流源且不存在从一个蓄电池向下一个蓄电池传送电荷的问题。但该实施例确实需要外部电流源，而且其许多电感器不仅要传输数字信号还要传输电流。因此可看到图1和图2的理论的电流源15，16是外部提供的，而图3的电路中电流源通过一个蓄电池从下一个蓄电池抽出或旁路电流而在蓄电池串内部提供。
当假定蓄电池串的全部的蓄电池被充电到比12.8V相差百分之几时，因蓄电池串的每个蓄电池平均充电至完全充电状态，没有蓄电池被过度充电。因为保护电路只在蓄电池串的任一个蓄电池被过度充电时工作，当蓄电池串被平均充电到完全充电状态时没有任何保护电路工作。因此它保持了系统的最高效率。如果整个蓄电池串被过度充电，这是主充电器的问题，保护电路将尽其最大能力工作尽量把电荷传送到箱式蓄电池以从外部消耗。
当在完全放电状态下，蓄电池串的每个蓄电池平均放电到比10.8V相差百分之几时，系统应停止向蓄电池串加载。保护电路无需作什么来从蓄电池串除去主要的负载。只要蓄电池串中没有一个蓄电池处于过度消耗状态，就没有保护电路被激活。但是，如果蓄电池串中任一蓄电池被放电到假定10V以下，保护电路将试图从下一个蓄电池吸引电荷来支持处于危险消耗状态的蓄电池。最终，当然，保护电路将尽其最大能力工作试图通过从依靠外部能源获取能量的箱式蓄电池发送电荷来维持每个蓄电池的电压。
这里提供了保护蓄电池串中单个蓄电池不被过量充电或放电的方法和装置，从而基本克服了长期以来与现有的蓄电池串管理方法和装置相关的问题。当然应该理解对这里描述的特定的优选实施例可在不脱离如下权利要求提出的发明的精神和范围的情况下进行多种修改。