CN102612793A - 电存储器单元的电压均衡 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于均衡至少两个串联的电存储器单元(202，206，212，218)的电压的方法。借助于一个存储器单元(202，212)对一个线圈(231，259)进行充电，以被充电的线圈(231，259)的能量对另外的存储器单元(202，206，218)进行充电，其中，可选择地仅仅对所述另外的存储器单元(202，206，218)进行充电。此外，本发明还涉及一种相应的电存储器(201)。

Description

电存储器单元的电压均衡
技术领域
本发明涉及一种用于均衡至少两个串联的电存储器单元的电压的方法。此外，本发明还涉及一种相应的电存储器。
背景技术
可以看出，将来不仅在固定应用中(如风力设备中)而且在非固定应用中(如在机动车中，例如在混合驱动车辆和电动车辆中)越来越多地使用新的电池***，对这些电池***在可靠性方面提出了非常高的要求。这些高要求的背景是，电池***的失效会导致与应用相关的整个***的失效或者导致安全性相关的问题。作为失效的示例可想象一个电动车辆，其在其牵引电池失效时会出现所谓的“抛锚”，因为它不能再继续向前运动。作为安全性相关的问题可想象一个风力设备，在所述风力设备中使用电存储器，以便在强风时通过转子叶片调整来保护所述设备以免出现不允许的运行状态。所述电存储器的失效会导致安全性相关的问题。
在使用多个串联的单个存储器单元——例如电池单元时，不会自动地出现各个存储器单元的等同性。尤其是在存储器单元的使用寿命期间，这在没有相应的应对措施的情况下会导致各个存储器单元彼此不同的电压。尤其是在锂离子电池的情况下，各个存储器单元的过充电或深度放电会导致不可逆的损坏。这样的过充电或深度放电可以由以下情况导致：电池管理***根据存储器单元中不代表所有存储器单元的一个存储器单元来调节充过程或放电过程。基于所述原因，必须以规则的时间间隔进行电存储器单元彼此间的电压均衡。这种均衡称作“电池平衡(Zell-Balancing)”。为此目的，通过外部的接线措施使各个存储器单元如此放电，使得它们在均衡之后均具有相同的电压。
已知，为此目的实施所谓的电阻平衡。为此目的，通过开关为每个存储器单元分配一个欧姆电阻或一个电阻组合。借助于所述电阻使这些存储器单元放电，直到这些存储器单元具有所述电压。在此不利的是，存储在电存储器中的能量通过电阻转换成热量并且未经利用地散发，以便达到所期望的电荷平衡。因此，需要一种可能性，其中以较小的能量损失实现多个存储器单元彼此间的电压均衡以及实现整个电存储器***效率的明显改善。
发明内容
根据本发明，借助于一个存储器单元对一个线圈进行充电，以被充电的线圈的能量对另外的存储器单元进行充电，其中，可选择地仅仅对所述另外的存储器单元进行充电。这意味着，在多于两个存储器单元的情况下，可以由所述线圈对所述另外的存储器单元中的一个、多个另外的存储器单元或者所有另外的存储器单元进行充电。通过所述方式能够实现，存储在存储器单元中的能量不仅转换成热量，而且从一个存储器单元再充电到另外的存储器单元，从而使存储器单元的电压彼此间均衡。在此，“对线圈进行充电”理解为激励所述线圈。对于“对另外的存储器单元进行充电”理解为，线圈去激励并且通过可通过所述方式提供的电能对另外的存储器单元继续充电。即“充电”不理解为对整个电存储器进行完全充电，而是电荷为了电压均衡的目的在存储器单元与线圈之间转移。
根据所述方法的一个扩展构型，两个存储器单元彼此相邻。“彼此相邻”理解为，这些存储器单元直接彼此串联，其中，这些存储器单元中的一个的正极直接通过导线与另外的存储器单元的负极连接。
根据本发明的一个扩展构型，借助于具有较高电压的存储器单元对线圈进行充电。通过所述操作方式，可以实现一个存储器单元与另外的存储器单元的电压彼此接近。
根据本发明的一个扩展构型，分别使用存储单元、尤其是电池单元作为存储器单元。
根据本发明的一个扩展构型，通过闭合至少一个开关对线圈进行充电。使用开关能够实现对至少一个线圈有针对性地进行充电。通过所述方式可以有针对性地将所述方法应用于各个存储器单元，而不必总是将全部存储器单元包含到所述方法中。
根据本发明的一个扩展构型，通过打开开关，线圈对另外的存储器单元进行充电。通过相应的布线存在以下可能性：通过打开开关来结束对线圈进行充电，并且线圈通过反向感应(Rückinduktion)、即去激励提供存储在其中的能量。在所述情形中，线圈释放所存储的电能，所述电能由被充电的另外的存储器单元接收。在此，尤其是闭合开关以对线圈进行充电和打开开关以对另外的存储器单元进行充电的组合是有利的，因为通过开关的仅仅两个开关位置可以通过简单的方式依次不仅引起线圈的充电而且引起存储器单元的充电。
根据本发明的一个扩展构型，由线圈通过至少一个二极管对另外的存储器单元进行充电。当由此充分利用了在充电时流入到线圈中的电流发生反转并且为了对存储器单元进行充电而以相反的方式重新从线圈中流出的效应时，这是特别有利的。因此，线圈自动地与待充电的存储器单元连接，其中，对另外的存储器单元进行充电取决于线圈是否被充电以及所分配的开关是否***作。
根据本发明的一个扩展构型，使用多个被充电的存储器单元和多个开关，通过打开至少一个相应的开关，被充电的线圈对至少一个分配给所述开关的存储器单元进行充电。给各个存储器单元分配开关能够实现：通过简单的电路技术方式，从一个存储器单元出发使其与一个或多个另外的存储器单元均衡。这尤其可以链式地进行，使得两个存储器单元(一个相应于链的开始而一个相应于链的结束)可以分别通过一个线圈对仅仅一个相邻的存储器单元进行充电，所有另外的存储器单元可以分别可选择地对一个或两个相邻的存储器单元进行充电。
此外，本发明还涉及一种具有至少两个串联的电存储器单元和一个电均衡电路的电存储器，尤其是用于实施以上描述的方法，其中，所述均衡电路具有至少一个用于通过存储器单元充电并且用于对另外的存储器单元进行充电的线圈，其中，可选择地仅仅对所述另外的存储器单元进行充电。
根据本发明的存储器的一个扩展构型，所述均衡电路具有至少一个二极管和/或至少一个开关。
根据本发明的一个扩展构型，所述开关被构造为半导体开关、尤其是晶体管、晶闸管或类似开关。通过使用半导体元件，能够借助于电子组件、例如集成电路实现非常简单的自动化。此外，通过所述方式可以节省空间地实施以及通过经济的方式制造根据本发明的装置。
根据本发明的一个扩展构型，存储器单元中的每一个是一个存储单元、尤其是电池单元。
附图说明
附图根据一个实施例说明了本发明并且示出：
图1：具有均衡电路的电存储器，
图2：第一方法步骤中具有图1中的均衡电路的存储器，
图3：第二方法步骤中具有图1中的均衡电路的存储器，
图4：在另一第二方法步骤中具有图1中的均衡电路的存储器。
具体实施方式
图1局部地示出具有多个串联的存储器单元202的电存储器201。各个存储器单元202实现为存储单元203。电存储器201被构造为电池204，由此存储单元203被构造为电池单元205。第一存储器单元206通过负极206’与导线207连接，所述导线通到节点208，所述节点借助于导线209与另一个节点210连接。节点210借助于导线211与存储器单元212连接。第二存储器单元212具有正极212’和负极212”。正极212’与导线211连接。负极212”通过导线213借助节点214与导线215连接，所述导线通到另一个节点216。从节点216开始，另一个导线217延伸至第三存储器单元218。存储器单元218在其方面具有正极218’和负极218”，其中，正极218’与导线217连接。从负极218”开始，导线219延伸至节点220。第一存储器单元206还具有正极206’，所述正极通过导线221与节点222连接。因此在节点220与222之间得到相邻的存储单元203的串联电路，所述节点220与222不是最后的节点220和222，而是可以通过所示的方式合乎逻辑地继续，这借助于通过虚线表示的导线223示出。电存储器201分配有均衡电路224，所述均衡电路借助于导线225与节点222电连接，借助于导线226与节点208电连接，借助导线227与节点210电连接，借助导线228与节点214电连接，借助导线229与节点216电连接并且借助导线230与节点220电连接。均衡电路224在图1中局部地示出并且具有线圈231、二极管232和开关233。均衡电路224被如此构成，使得每个存储器单元202分配有一个线圈231。此外，其分配有两个开关233和两个二极管232。导线225结束于节点234，所述节点通过导线235延伸至第一开关236。从开关236开始，导线237延伸至节点238，所述节点与第一线圈239连接。线圈239与另一个节点240连接，所述另一个节点通过导线241与第二开关242连接，所述第二开关在其方面与导线226连接。从节点240开始，另一个导线243延伸至第一二极管244，所述第一二极管在其另一侧与通过虚线表示的导线245连接，这意味着，均衡电路224在所述位置上可以合乎逻辑地继续。在此，二极管244的导通方向从导线243向着导线245定向。从节点238开始，导线246延伸至第二二极管247，所述第二二极管通过导线248与节点249连接，所述节点通到导线228。二极管247在此如此定向，使得其导通方向从导线248向着导线246延伸。导线227结束于节点254，所述节点通过导线255延伸至第三开关256。从开关256开始，导线257延伸至节点258，所述节点与第二线圈259连接。线圈259与另一个节点260连接，所述另一个节点通过导线241与第四开关262连接，所述第四开关在其方面与通到节点249的导线253连接。从节点260开始，另一个导线263延伸至第三二极管264，所述第三二极管在其另一侧上与导线265连接，所述导线延伸至节点234。二极管264的导通方向在此从导线263向着导线265定向。从节点258开始，导线266延伸至第四二极管267，所述第四二极管通过导线268与节点269连接，所述节点通到导线230。二极管267在此如此定向，使得其导通方向从导线268向着导线266延伸。导线229结束于节点274，所述节点通过导线275延伸至第五开关276。从开关276开始，导线277延伸至节点278，所述节点与第三线圈279连接。线圈279与另一个节点280连接，所述另一个节点通过导线281与第六开关282连接，所述第六开关在其方面与导线273连接，所述导线通到节点269。从节点280开始，另一个导线283延伸至第五二极管284，所述第五二极管在其另一侧上与导线285连接，所述导线285延伸至节点254。二极管284的导通方向在此从导线283向着导线285定向。从节点278开始，导线286延伸至第六二极管287，所述第六二极管可以通过虚线表示的导线288继续。二极管287在此如此定向，使得其导通方向从导线288向着导线286延伸。附加地，对于均衡电路224的继续可考虑与导线226连接的导线和与节点274连接的导线。这两个附加的导线出于简明的原因在图1中没有示出。此外，均衡电路224配置给一个未示出的控制单元，并且开关233被构造为晶体管292形式的半导体开关291。
图2示出具有其所有特征的图1中的电存储器201和图1中的均衡电路224。与图1不同地，存储器单元212具有比其他存储器单元206和/或218更高的电压，此外对于第一方法步骤开关256和开关262是闭合的，从而形成电流回路245。所述电流回路245在图2中加粗地示出并且设有电流方向箭头296。电流回路295开始于第二存储器单元212并且从正极212’通过导线211、227、255和257延伸至第二线圈259。第二线圈259被激励，电流回路245从第二线圈259开始继续通过导线261、253、228和213延伸至负极212”。当第二存储器单元212具有比其他存储器单元206和218更高的充电量和(因此)更高的电压时，通过所述方式借助于第二存储器单元212激励第二线圈259。在确定的时间之后或者在确定的时间上超过确定的电流水平之后，打开开关中的一个256或262。通过打开两个开关中的一个256或262，分别形成不同的新的电流回路，其在以下附图中进行阐述。
图3示出具有其所有特征的图1中的电存储器201和均衡电路224。与图1不同地，对于第二方法步骤开关256是闭合的并且第二线圈259是被激励的。因为不再继续激励线圈259，所以得到电流回路297，第二线圈259可以通过所述电流回路去激励，其方式是，它对电存储器单元206进行充电。电流回路297在图3中加粗地示出并且设有电流方向箭头296。因此电流回路297从第二线圈259开始通过导线263延伸至第三二极管264并且从第三二极管264通过导线265、225和221延伸至第一存储器单元206的正极206’。从第一存储器单元206的负极206’开始，电流回路297通过导线207、209、227、256和258闭合回到第二线圈259。
图4示出具有其所有特征的图1的电存储器201和均衡电路224。与图1不同地，对于另一个第二方法步骤第四开关262是闭合的并且第二线圈259是被激励的。由于第二线圈259的去激励，得到电流回路298，所述电流回路能够实现线圈259的去激励，其方式是，线圈259对第三存储器单元218进行充电。电流回路298在图4中加粗地示出并且设有电流方向箭头296。因此，电流回路298从第二线圈259开始通过导线261、253、228、215和217延伸至第三存储器单元218。从第三存储器单元218开始，电流回路298继续通过导线219、230和268延伸至第四二极管267。从所述二极管267开始，电流回路298借助于导线266闭合至线圈259。
图2至4的所示方法步骤描述了以第二存储器单元259的电荷或者对第一存储器单元239进行充电或者对第三存储器单元279进行充电。所述过程是非常节能高效的，因为无需使用耗电器，而是存储器单元202内部的电荷被再充电。
此外可考虑，两个开关256和262保持闭合并且在线圈259饱和之后同时对与存储器单元212相邻的两个存储器单元206和218进行充电。为了支持所述操作方式可考虑在导线227和228中设置附加的开关。

Claims (12)

1.用于均衡至少两个串联的电存储器单元(202，206，212，218)的电压的方法，其特征在于，借助于一个存储器单元(202，212)对一个线圈(231，259)进行充电，以被充电的线圈(231，259)的能量对另外的存储器单元(202，206，218)进行充电，其中，可选择地仅仅对所述另外的存储器单元(202，206，218)进行充电。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两个存储器单元(202，206，212，218)彼此相邻。
3.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于具有较高电压的存储器单元(202，212)对所述线圈(231，259)进行充电。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，分别使用存储单元(203)、尤其是电池单元(205)作为所述存储器单元(202，206，212，218)。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过闭合至少一个开关(233，256，262)对所述线圈(231，259)进行充电。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过打开所述开关(233，256，262)，所述线圈(231，259)对所述另外的存储器单元(202，206，218)进行充电。
7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由所述线圈(231，259)通过至少一个二极管(232，247，267)对所述另外的存储器单元(202，206，218)进行充电。
8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用多个被充电的存储器单元(202，206，212，218)和多个开关(233，236，242，256，262，276，282)，通过打开至少一个相应的开关(232，256，262)，所述被充电的线圈(231，259)对至少一个分配给所述开关(232，256，262)的存储器单元(202，206，218)进行充电。
9.具有至少两个串联的电存储器单元(202，206，212，218)和一个电均衡电路(224)的电存储器(201)，尤其是用于实施根据以上权利要求中任一项或多项所述的方法，其特征在于，所述均衡电路(224)具有至少一个用于通过一个存储器单元(202，212)充电并且用于对另外的存储器单元(202，206，218)进行充电的线圈(231，259)，其中，可选择地仅仅对所述另外的存储器单元(202，206，218)进行充电。
10.根据权利要求9所述的存储器(201)，其特征在于，所述均衡电路(224)具有至少一个二极管(232)和/或至少一个开关(233)。
11.根据以上权利要求中任一项所述的存储器(201)，其特征在于，所述开关(233)被构造为半导体开关(291)、尤其是晶体管(292)，晶闸管或类似开关。
12.根据以上权利要求中任一项所述的存储器(201)，其特征在于，所述存储器单元(202)中的每一个是存储单元(203)，尤其是电池单元(205)。
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