CN106233562B - 用于对多个能量存储模块的充电进行均衡的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对多个耦合的电能存储模块(10)进行主动均衡的***和方法，模块被控制或者作为要被放电的主模块或者作为要被充电的从模块，并且通过主模块的磁存储元件(2、11、12)的充电来执行所述均衡。本发明提出了均衡和耦合功能的组合。

Description

用于对多个能量存储模块的充电进行均衡的***和方法
技术领域
本发明涉及电池特别是用于电动或混合动力汽车的电池的均衡充电领域。
背景技术
当电池被使用，尤其是在电动或混合动力车辆使用时，构成电池(或电能存储模块)的电池单元会经历周期性的充电和放电。各个电池特性的分散，特别是法拉第电流效率的分散，将导致在电池寿命期间的充电不均衡。现在，电池单元必须保持在一个良好定义的工作范围之内。
为了保持电池容量，同时延长其使用寿命和安全使用，均衡构成电池的各电池单元是必需的。均衡包括在电池单元之间传输电荷以使得它们都具有相同的充电状态(SOC)以及相同的电压电平。当然，只要一个电池单元处于其操作范围之外，则整个电池都将受到影响。为了保持最佳的电池性能，均衡***必须对每一个电池单元都发挥作用。知晓各电池单元的充电状态，对于均衡***来说是有效的。
有文献记载，提供了用于均衡电池单元的多种解决方案。这些解决方案可以分为两类：耗散和非耗散。
在第一类的情况中，实施方式很简单：充电最多的电池单元的一部分能量被耗散掉，例如通过一个电阻来耗散，这减缓了这些电池单元的充电，由此减缓了整个电池的充电。迄今为止，大多数电池组块或模块具有被动均衡***。这些***包括由半导体切换的电阻器，从而基于BMS(电池管理***)的请求，允许对充电最多的电池单元经由焦耳效应来耗散传输的能量以进行放电。这一***致力于将充电最多的电池单元拉平至组块或模块中充电程度最浅的电池单元。该***通常仅在组块或模块被使用之外的充电步骤激活，从而不会对供给耗电应用的能量造成不利影响。该***还具有过热以及对于在均衡和/或不均衡能量水平方面具有很高要求的应用来说效率很低的缺陷。
为了克服这些限制，并与被动***相反，采用被称为主动或非耗散***的***。他们的优势在于均衡能量不会通过焦耳效应被耗散掉，而是将其存储起来并返回至组块或模块中。
主动***类还包括两种能量存储类别，被称为电容和电感***。例如，专利申请WO-2013/035238，WO-2012/040496和WO-2008/115538描述了共享电感的均衡***。
如图1中描述的实施例涉及被称为共享电感结构的均衡结构。图1示出了三个串联的电池单元，其以功能性示意的方式示出，但应理解的是，也可应用大量的串联连接以及并联连接的电池。本领域技术人员知晓这种结构的主要优点是共享存储不均衡能量的组件。这种结构也很有利，因为它不要求非常复杂的控制电路，只要通过一个电池单元存储至电感的能量能够返回至模块的所有电池单元。
该结构是由以下元件组成，如图1所示：
-构成电池(或模块)的多个电化学电池单元1，
-电池管理***BMS，
-串联设置的一个或多个能量存储电感2，
-例如为半导体的可控开关SW，SW上，SW下，优选的是单向电流开关；开关，可控或不可控，SW，SW上和SW下例如可以由场效应管或功率二极管构成；这些可控开关的示例性实施例在图2中示出，这些可控开关SW，SW上和SW下被布置在电池单元1和电感2之间，
-一个开关控制电路6，
-用于测量电池单元的电压差的电路4，
-用于测量电感(多个)的电流的电路3，
-用于选择将要放电的电池单元的逻辑5。
均衡***操作顺序如下：
-步骤1：接收来自BMS的均衡允许，
-步骤2：测量电池单元1的电压差：
-步骤3：确定充电最多的电池单元1，
-步骤4：命令闭合所选择的充电最多的电池单元1的开关SW，
-步骤5：将所选择的充电最多的电池单元放电至电感2直到选择的Imax值(可调参数)，
-步骤6：命令断开所选择的充电最多的电池单元的开关SW，
-步骤7：电感2完全放电至模块(或组块)的所有电池单元1，
-步骤8：重复步骤2，直到检测到所有电池单元的均衡或者在由BMS发出的停止命令的情况下。
在一个不同的实施例中，步骤4至7在返回到步骤2之前可被多次执行。如果一个周期(充电+放电)后被放电的电池单元的电压变化非常缓慢并且由此电池电压采集链无法察觉到，这是很有利的。
在另一不同的实施例中，可以改变流过电感的最大电流Imax。这有利于该设计更稳健，特别是当达到限制操作条件时，例如当环境温度已经很高的时候。
对于不同的电池应用，常见的是将多个模块或组块耦合在一起，特别是并联连接。考虑到组块或模块的并联连接，在市场上提供的***基本上是手动或半自动切换***，其具有很高的限制使用条件。当期望增加可获得功率和/或初始组块或模块的能量时，实施组块或模块的并联连接。由于它是由用户而非有资质的技术人员来执行该操作，因此该功能的自动化将是有利的。当若干个模块或组块设置为并联时，首先必须要均衡它们的电压电平，由此，隐含的，必须均衡它们的充电状态(SOC)以在良好的条件下执行电连接操作，尤其是通过防止损坏甚至危及模块或组块的过高瞬时放电电流来实现。但是，主动均衡***仅允许模块中的电池单元的均衡，而不能对多个耦合的模块或者属于耦合模块的电池单元进行均衡。
本发明涉及一种用于多个耦合模块的主动均衡的***，该模块可被控制为主模块以进行放电或者可控制为从模块以进行充电，以及通过主模块的磁性存储元件的充电来执行均衡。本发明提出，通过电子结构和控制技术，一方面以较低的成本与其它的组件一起完成均衡和耦合功能，在另一方面，改善或甚至消除上述限制。
发明内容
本发明涉及一种***，用于对至少两个耦合的电能存储模块进行充电均衡，每个模块包括至少一个电化学电池单元、具有至少一个磁存储元件的均衡装置、以及用于耦合到其它模块的装置。每个耦合装置包括控制装置，其允许控制所述模块或者作为要被放电的主模块或者作为要被充电的从模块，从而依靠所述主模块的所述磁存储元件、通过所述主模块的至少一个电池单元的放电来实现对所述从模块的至少一个电池单元的充电。
根据本发明，每个模块控制装置包括两个开关，每个开关的闭合允许电流沿一个方向流动，从而允许所述模块的充电或放电。
有利的是，所述均衡***还包括实现所述模块之间的通信的装置。
优选地，所述耦合装置包括主接触器和次接触器。
此外，所述耦合装置可以包括连接端子。
根据本发明的一个方面，每个模块还包括控制均衡充电的电池管理***。
根据本发明的一个实施例，所述均衡装置是包含开关装置的共享电感均衡装置，开关装置被致动以进行充电或放电，所述开关装置被设置在电池单元和所述共享电感之间。
可替代地，所述磁存储元件包括至少一个变压器。
本发明还涉及一种混合动力或电动车辆，特别是机动车辆，其包括根据本发明的均衡***。
此外，本发明涉及用于对至少两个耦合的电能存储模块进行充电均衡的方法，每个模块包括至少一个电化学电池单元、具有至少一个磁存储元件的均衡装置、以及用于耦合到另一模块的装置。对于该方法，执行以下步骤：
a)标识要被充电的至少一个模块和要被放电的一个模块，
b)控制所述要被放电的模块作为主模块，以及控制所述要被充电的模块为从模块，
c)通过所述主模块的所述磁存储元件经由所述主模块的至少一个电池单元的放电来对所述从模块的至少一个电池单元进行充电，从而执行均衡。
根据本发明，通过测量以及比较各模块的电压来确定被充电或放电的所述模块。
优选地，确定所述主模块的至少充电最多的电池单元，并且通过所述主模块的所述充电最多的电池单元的放电来对所述从模块的至少一个电池单元进行充电，从而执行均衡。
有利的是，通过致动集成在每个模块的所述耦合装置中的开关装置来控制所述模块以作为从模块和主模块。
根据本发明的一个方面，步骤c)被重复，直到实现所述电池单元的均衡。
附图说明
通过参考附图、阅读以非限制性示例给出的实施例的以下说明，根据本发明的方法的其它特征和优点将是清楚的，其中：
-已经被描述的图1示出了根据现有技术的共享电感模块均衡***，
-已经被描述的图2示出了图1的均衡***的开关类型，
-图3示出了根据本发明的用于两个耦合模块的均衡***的示例，
-图4示出了图3的均衡***的开关类型，
-图5和6示出了根据本发明的用于均衡***的一个模块的具有变压器的两个均衡***。
详细说明
本发明涉及由以密封或者非密封的方式封装在腔室中的电化学电池单元、电能和信号电路板以及电工和冷却管理设备构成的电能存储***的均衡充电。这种类型的电能存储***根据车载能量和/或电压电平被称为电池组块或电池模块。组块通常由多个模块组成。
该发明尤其关注用于电池组块或模块的电子均衡和耦合(并联连接)***。在接下来的描述中，术语模块将以通用的方式来表示模块或组块。
每个模块包括：
-至少一个电池单元，优选为多个用于电能存储的电化学电池单元，
-用于耦合到另一模块的装置，
-电池管理***(BMS)，以及
-主动均衡装置(例如根据图1中示出的结构)。
根据本发明，每个连接装置包括模块控制装置。该模块控制装置允许控制该模块以作为主模块或从模块。优选地，单一模块被控制为主模块，并且其它模块控制为从模块。主模块是放电的模块，其能够对充电较少的模块进行充电。从模块是那些由主模块充电的模块。因此，模块的耦合和均衡被整合而不会对模块进行显著的改变。
该模块控制装置可以包括可控开关装置，以允许模块作为主模块或从模块。根据本发明的一个实施例，开关装置尤其包括两个可控开关，每个开关允许单个方向的电流通道，其或者为允许模块充电的方向(在从模块的情况下)，或者为允许模块放电的方向(在主模块的情况下)。
根据本发明，允许模块的主动均衡的装置包括至少一个磁存储元件。磁存储元件可以为在随后放电给至少一个电池单元(属于将被充电的模块)之前能够暂时存储电能(来自将被放电的模块)的线圈形式。磁存储元件可具体是电感、变压器等。根据第一示例性实施例，主动均衡装置具有如图1所示的共享电感结构。根据本发明的第二个方面，主动均衡装置具有如图5和6所示的变压器结构。
图3示出了根据本发明的用于具有共享电感均衡结构的两个耦合模块(模块的数量并不限于此)的均衡***的非限制性示例。对于该示例，每个模块10通常包括：
-布置为串联连接的三个电化学电池单元1(这个数量是非限制性的，根据本发明的均衡***可包括两个或三个以上的电池单元，并且一个模块的电池单元的数目可以不同于另一模块的电池单元的数目)，
-如图1所示的共享电感均衡装置，包括：
至少一个共享能量存储电感2，
可控开关SW和SWb，例如为半导体，优选为单向电流开关；实现这种可控开关的示例可以例如由场效应管和功率二极管构成，可控开关SW和SWb被布置在电池单元1和共享电感2之间。
用于测量共享电感2中的电流的电路3，
用于测量电池单元1的电压的电路4，
均衡控制装置，尤其是包括用于可控开关SW、SWa、SWb的控制电路6，以及用于选择将被放电的电池单元的逻辑5，以及
-电池管理***BMS。
共享电感结构对于本领域技术人员来说是已知的，它涉及共享存储不均衡能量的组件的主体。这种结构也很有利，因为它不需要非常复杂的控制电路，这是由于通过电池单元存储在电感中的能量会释放至模块的所有电池单元。但是，本发明也关注其它均衡装置结构，尤其是变压器结构。
为了根据本发明的耦合和均衡的整合，每个模块还包括：
-在模块之间，尤其是在模块的电池管理***BMS之间的通信装置9，
-耦合装置，尤其包括主接触器CPP和CPN，以及用于对该模块预充电的次接触器CS。接触器CPP和CPN允许模块与电网电绝缘，以满足模块的功能和功能异常的要求，以及预充电接触器CS允许电网电容的缓慢充电以便不会对其加压。此预充电操作是在主接触器的闭合以及+和-连接端子的闭合之前执行的，通过主接触器以及+和-连接端子，模块被安装为并联连接，并且其上能够安装尤其为电机的电子设备7；主接触器CPP和CPN被连接到串联连接的端子，分别在正负两极，次接触器设置为与主接触器CPP并联，并且+和-连接端子与主接触器CPP和CPN串联连接，以及
-控制装置，包括用于控制该模块以作为从模块或主模块的开关装置SWa。
由此，共享电感均衡装置允许在一个模块内以及在模块之间进行均衡。
图4示出的根据本发明实施例的可控开关SWa和SWb的电路。可控开关SWa包括两个电路部分，第一部分MA通过闭合该开关来允许将该模块控制为主模块，以及通过二极管的方式允许电流在一个方向上流动，以及第二部分ES通过闭合该开关来允许控制该模块为从模块，以及通过二极管的方式允许电流在一个方向上流动。可以注意到，连接到模块的-端子的开关SWa具有指定反向的MA和ES，其是出于电流在模块的+和-端子之间的电流流动的该显而易见的原因。此外，根据本发明，如在图2中示出的共享电感均衡装置的开关SW上和SW下可替代为图4所示开关SWb。
该实施例是非限制性的，其可以包括第三组块或模块，其可以不包括接触器CPN等。
主模块控制其模块只是为了确保能源的传输。从模块在其被配置为该模式后处于被动状态；它并不需要被控制以接收能量。
图5和6示出了本发明的两个变型的实施例，其中主动均衡装置包括至少一个变压器。在这些附图中，仅示出了一个模块并且与图4的实施例相同的控制装置、测量装置、通信装置和BMS未被示出。对于这些的变型实施例，主模块中的至少一个电池单元放电至变压器，然后被存储在变压器中的能量可以允许从模块被充电。
对于图5的实施例，通过开关SW将电池单元1为连接到单个变压器11。如图4的实施例，均衡***包括模块控制装置SWa(特别是使用可控开关)，主接触器CPP和CPN，以及次接触器CS。
对于图6的实施例，每个电池单元通过开关SW被连接到变压器12。如图4的实施例，均衡***包括模块控制装置SWa(特别是使用可控开关)，主接触器CPP和CPN，以及次接触器CS。
根据本发明的均衡转换器可被用于任何类型的电池，但它们尤其适用于锂离子电池。当然，对于本技术的不良控制充电可能会导致电池的损坏。
本发明可以被集成至包括电池的电动或混合动力车辆车载***中，车辆尤其为机动车、两轮车、飞机、船舶或气垫船类型的交通工具。
此外，本发明涉及用于对至少两个耦合的模块进行均衡充电的方法，每个模块包括至少一个电化学电池，均衡装置具有磁存储元件(电感，变压器等)，以及用于耦合至其它模块的装置。对于该方法，执行以下步骤：
a)确定将被充电的至少一个模块和将被放电的一个模块，例如，通过检测和比较每个模块的电压来确定将被充电或将被放电的所述模块，
b)控制所述将被放电的模块作为主模块，以及所述将被充电的模块为从模块，例如，通过启动被集成在每个模块中的所述耦合装置中的开关装置来控制所述模块为从模块和主模块，以及
c)依靠所述主模块的所述磁存储元件(例如共享电感)、通过所述主模块的至少一个电池单元的放电来对所述从模块的至少一个电池单元进行充电，从而执行均衡。
这个步骤可以被重复执行，以便对所有模块的所有电池单元进行充电均衡，或者被重复执行直到该主模块不再是充电程序最深的模块或者直到接收到来自主模块的电池管理***的停止请求。
优选地，主模块的单个电池单元放电至多个或所有从模块的电池单元。根据本发明的一个实施例，确定所述主模块的至少为充电最多的电池单元，并且通过所述主模块的充电最多的电池单元的放电来对所述从模块的至少一个电池单元进行充电，从而来执行均衡。
根据本发明的方法可以适用于如上所述的***，尤其是图3中所示出的***。
根据本发明的具有共享电感结构的均衡及耦合/并联连接***的操作顺序的一个示例可以包括以下步骤：
步骤1：通过通信装置9接收来自电池管理***BMS的耦合多个模块的请求，
步骤2：接收来自电池管理***BMS的改变主或从模块的请求，主模块的确定可以通过确定将被放电的模块，例如通过确定充电最多的模块来实现：根据一个示例，每个模块的BMS将其电压测量发送至多路转换网络，接着如果该检测到的电压小于第二组块的电压，则BMS确定将其模块切换为从模块，或者如果该检测到的电压大于第二组块或模块的电压，则BMS确定将其模块切换为主模块，
步骤3：通过控制电路6命令断开开关“SWb”以阻碍再充电电流在该模块中的电池单元中的流动。例如，如果该模块被配置为主，则其不希望电感中存储的能量被放电至其模块自身。
步骤4：命令闭合被确定为从的模块或组块的开关“SWa ES”，并且命令闭合被确定为从的模块或组块的开关“SWa MA”，由控制电路6实现该命令，
步骤5：禁止控制被确定为从的模块或组块的“SW”，
步骤6：测量被确定为主的组块或模块的电池单元的电压差，
步骤7：确定被确定为主的组块或模块的充电最多的电池单元，
步骤8：命令闭合确定为主的组块或模块的将被放电的电池单元(例如充电最多的电池单元)的开关“SW”，该命令由控制电路6实现，
步骤9；将选择的电池单元放电至电感，一直到所选择的Imax电流值(可调参数)，从而不会饱和该电感(其具可饱和磁电路)，其有可能会导致危险的不可挽回的***故障，
步骤10：通过控制电路6命令断开所选择的充电最多的电池单元的开关“SW”，
步骤11：将主模块的电感完全放电至被确定为从的组块或模块的所有电池单元，
步骤12：从步骤6开始重复直到检测到所有电池单元的均衡或者直到接收到来自主模块的BMS的停止请求。
根据该方法的一个方法的变型实施例，步骤6和7可被抑制。接着其可控制该组块或模块的最上游的电池单元的开关“SW”以及最下游的电池单元的开关“SW”。在这种情况下，电感器不再充电到电池的电压，而是充电到整个组块或模块的电压。在该操作模式下，电池单元电压测量功能可抑制。

Claims (15)

1.一种用于对至少两个耦合的电能存储模块(10)进行充电均衡的***，每个模块(10)包括至少一个电化学电池单元(1)，具有至少一个磁存储元件(2、11、12)的均衡装置，以及用于耦合到其它模块的耦合装置，其特征在于，每个耦合装置包括控制装置(SWa)，其允许控制所述模块或者作为要被放电的主模块被放电或者作为要被充电的从模块，从而通过所述主模块的所述磁存储元件(2、11、12)经由所述主模块的至少一个电池单元的放电来实现所述从模块的至少一个电池单元的充电，其中所述控制装置(SWa)包括两个电路部分，第一部分通过闭合开关来允许将所述模块控制为主模块以及通过二极管的方式允许电流在一个方向上流动，且第二部分通过闭合开关来允许控制所述模块为从模块以及通过二极管的方式允许电流在一个方向上流动，其中所述均衡装置是包含开关装置(SW、SWb)的共享电感均衡装置(2)，所述开关装置(SW、SWb)被致动以进行充电或放电。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，每一个用于控制电能存储模块(10)的装置包括两个开关(MA、ES)，每个开关的闭合允许电流沿一个方向流动，以允许所述电能存储模块的充电或放电。
3.根据任一前述权利要求所述的***，其特征在于，还包括实现所述电能存储模块(10)之间的通信的装置(9)。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述耦合装置包括主接触器(CPP、CPN)和次接触器(CS)。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述耦合装置包括+，-连接端子。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，每个模块还包括控制均衡充电的电池管理***(BMS)。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述开关装置(SW、SWb)被设置在电池单元(1)和所述共享电感之间。
8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述磁存储元件包括至少一个变压器(11、12)。
9.一种混合动力或电动车辆，其特征在于，其包括任一前述权利要求所述的***。
10.根据权利要求9所述的混合动力或电动车辆，其特征在于，所述混合动力或电动车辆是机动车辆。
11.一种用于对至少两个耦合的电能存储模块(10)进行充电均衡的方法，每个模块包括至少一个电化学电池单元(1)、具有至少一个磁存储元件(2、11、12)的均衡装置、以及用于耦合到另一模块的耦合装置，其特征在于，所述均衡装置是包含开关装置(SW、SWb)的共享电感均衡装置，所述方法包括以下步骤：
a)标识要被充电的至少一个模块和要被放电的一个模块，
b)控制所述要被放电的模块作为主模块，以及控制所述要被充电的模块为从模块，以及
c)致动所述开关装置(SW、SWb)通过所述主模块的所述磁存储元件(2、11、12)经由所述主模块的至少一个电池单元(1)的放电来对所述从模块的至少一个电池单元(1)进行充电，从而执行均衡。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过测量以及比较每个模块的电压来确定被充电或放电的模块。
13.根据权利要求11或12中任一所述的方法，其特征在于，至少标识所述主模块的充电最多的电池单元(1)，并且通过所述主模块的充电最多的电池单元的放电来对所述从模块的至少一个电池单元(1)进行充电，从而执行均衡。
14.根据权利要求11至12中任一所述的方法，其特征在于，通过致动集成在每个电能存储模块的所述耦合装置中的控制装置(SWa)来控制所述电能存储模块以作为从模块和主模块。
15.根据权利要求11至12中任一所述的方法，其特征在于，步骤c)被重复，直到实现所述电池单元(1)的均衡。
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