CN110679055B - 单体模块均衡和预充电设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对单体模块进行均衡和预充电的设备和方法，更具体地，涉及一种用于对单体模块进行均衡和预充电的设备和方法，其通过基于转换器意图执行的操作控制开关单元的传导状态，通过选择性地连接转换器单元与一个或多个单体模块，可以形成用于由转换器单元执行相应操作的电路。

Description

单体模块均衡和预充电设备和方法
技术领域
本申请要求于2017年11月6日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2017-0146828的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
本发明涉及一种用于对单体模块进行均衡和预充电的设备和方法，更具体地，涉及一种用于对单体模块进行均衡和预充电的设备和方法，其通过基于转换器意图执行的操作控制开关单元的传导状态，通过选择性地连接转换器单元和一个或多个单体模块，可以形成用于由转换器单元执行相应操作的电路。
背景技术
通常，在二次电池中，在诸如电动车辆、能量存储***和可中断电源的需要高容量的环境中，能够通过连接多个单元二次电池单体来使用一个电池模块，在一些情况下，可以连接和使用多个电池模块。
当一起使用多个电池模块时，由于包括在制造电池模块时发生的生产偏差、电池模块的温度偏差等的各种因素，多个电池模块的电压可能不平衡。
同时，当组合并使用电压不平衡的电池模块时，多个电池模块的可用容量和功率减小，并且电池模块的老化加速，从而缩短电池模块的寿命。为了解决这样的问题，当连接和使用多个电池模块时，基于诸如各个单独模块的电压、电流和温度的各个状态信息来诊断模块间不平衡，并且作为结果，需要通过平衡操作去除电池模块之间的偏差。
此外，在相关技术的电池管理***中，诸如用于测量、监视和诊断电池状态以及平衡电池的***的各种***以复杂的方式构造，从而增加了用于配置***的成本或***的容积。
因此，为了解决相关技术中的电池管理***的问题，本发明人已开发了一种用于对单体模块进行均衡和预充电的设备和方法，其通过基于转换器单元意图执行的操作控制开关单元的传导状态，通过选择性地连接转换器单元和一个或多个单体模块，通过控制一个开关单元来允许转换器单元执行各种功能。
发明内容
[技术问题]
本发明旨在解决上述问题，并且本发明提供了一种用于对单体模块进行均衡和预充电的设备和方法，其通过基于转换器意图执行的操作控制开关单元的传导状态，通过选择性地连接转换器单元和一个或多个单体模块，可以形成用于由转换器单元执行相应操作的电路。
[技术方案]
根据本发明实施例的单体模块均衡和预充电设备可以包括：转换器单元，其被定位在包括一个或多个单体模块的电池和负载之间，并执行预充电操作和均衡操作；开关单元，其连接所述一个或多个单体模块中的每一个与转换器单元；控制单元，其基于转换器单元意图执行的操作控制开关单元的传导状态，来选择性地形成用于执行预充电操作的预充电电路或用于执行均衡操作的均衡电路。
在实施例中，转换器单元可包括与电池连接的输入端子、与负载连接的第一输出端子、以及与开关单元连接的第二输出端子。
在实施例中，当转换器单元意图执行预充电操作时，控制单元可以通过控制开关单元切断第二输出端子和开关单元之间的连接，来形成包括电池、输入端子、和第一输出端子的预充电电路。
在实施例中，控制单元可以从一个或多个单体模块获取单体模块信息，并基于单体模块信息诊断一个或多个单体模块的不平衡异常。
在实施例中，当转换器单元意图执行均衡操作时，控制单元可以通过控制开关单元连接被诊断出不平衡异常的一个或多个单体模块与第二输出端子，来形成包括被诊断出不平衡异常的一个或多个单体模块、输入端子、和第二输出端子的均衡电路。
在实施例中，当需要从被诊断出不平衡异常的一个或多个单体模块回收能量时，控制单元可以控制转换器单元的操作，以便将被诊断出不平衡异常的一个或多个单体模块的能量从第二输出端子传递到输入端子。
在实施例中，当需要将能量传递到被诊断出不平衡异常的一个或多个单体模块时，控制单元可以控制转换器单元的操作，以便将从电池输出的能量从输入端子传递到第二输出端子。
根据本发明的实施例的单体模块均衡和预充电方法可以包括：通过被定位在包括一个或多个单体模块的电池和负载之间的转换器单元，执行预充电操作和均衡操作；通过开关单元，连接一个或多个单体模块中的每一个与转换器单元；以及，基于转换器单元意图执行的操作控制开关单元的传导状态，以便选择性地形成用于执行预充电操作的预充电电路或用于执行均衡操作的均衡电路。
在实施例中，转换器单元可包括与电池连接的输入端子、与负载连接的第一输出端子、以及与开关单元连接的第二输出端子。
在实施例中，控制可以包括，当转换器单元意图执行预充电操作时，通过控制开关单元切断第二输出端子和开关单元之间的连接，来形成包括电池、输入端子、和第一输出端子的预充电电路。
在实施例中，控制可以包括：从一个或多个单体模块获取单体模块信息，并基于单体模块信息诊断一个或多个单体模块的不平衡异常。
在实施例中，控制还可以包括：当转换器单元意图执行均衡操作时，通过控制开关单元连接被诊断出不平衡异常的一个或多个单体模块与第二输出端子，来形成包括被诊断出不平衡异常的一个或多个单体模块、输入端子、和第二输出端子的均衡电路。
在实施例中，控制还可以包括：当需要从被诊断出不平衡异常的一个或多个单体模块回收能量时，控制转换器单元的操作，以便将被诊断出不平衡异常的一个或多个单体模块的能量从第二输出端子传递到输入端子。
在实施例中，控制还可以包括：当需要将能量传递到被诊断出不平衡异常的一个或多个单体模块时，控制转换器单元的操作，以便将从电池输出的能量从输入端子传递到第二输出端子。
[有益效果]
根据本发明，基于通过转换器意图执行的操作控制开关单元的传导状态，通过选择性地连接转换器单元和一个或多个单体模块，可以选择性地形成用于预充电操作的预充电电路或用于均衡操作的均衡电路，并且通过使用一个转换器单元执行各种操作，从而减小***的容积和价格。
附图说明
图1是示意性地说明根据本发明的实施例的单体模块均衡和预充电设备100的组件的示意图。
图2是示意性地说明根据本发明的实施例的单体模块均衡和预充电设备100中的预充电电路的示意图。
图3和4是示意性地说明根据本发明实施例的单体模块均衡和预充电设备100中的均衡电路的示意图。
图5是用于描述通过使用根据本发明实施例的单体模块均衡和预充电设备100来执行单体模块的均衡操作的一系列过程的流程图。
图6是用于描述通过使用根据本发明实施例的单体模块均衡和预充电设备100来执行单体模块的预充电操作的一系列过程的流程图。
具体实施方式
[最佳模式]
在下文中，呈现优选实施例以便帮助理解本发明。然而，提供以下实施例仅是为了更容易理解本发明，并且本发明的内容不受实施例的限制。
图1是示意性地说明根据本发明的实施例的单体模块均衡和预充电设备100的组件的示意图。
参考图1，根据本发明实施例的单体模块均衡和预充电设备100可以被配置为包括转换器单元110、开关单元120、和控制单元130。
这里，用于对图1中所示的单体模块进行均衡和预充电的设备100遵循实施例，并且应该注意，其组件不限于图1中所示的实施例并且如果需要，可以替换、添加、修改或删除组件。
首先，转换器单元110可以位于包括单体模块10-1至10-n中的一个或多个的电池10与负载20之间，并且可以执行预充电操作或均衡操作。例如，当一个或多个单体模块10-1至10-n串联连接时，转换器单元110可以位于被定位在最前端的单体模块10-n和负载20之间。此外，转换器单元110可以与阳极开关40a并联连接。
这里，预充电操作可以意指通过在操作主开关40a和40b之前对DC链路电容器30进行充电，使DC链路电容器30的电压等于电池10的电压，以便防止主开关40a和40b的熔断的操作。
这里，均衡操作可以意指为了均衡一个或多个单体模块10-1至10-n所具有的能量而执行的操作。例如，均衡操作可以是对一个或多个单体模块10-1至10-n中的与其他单体模块相比能量不足的单体模块供应能量的操作，以及从与其他单体模块相比能量过剩的单体模块中回收能量的操作。
在实施例中，转换器单元110可以从电池10接收电力并将接收的电力传递到DC链路电容器30或具有异常的单体模块10-1到10-n。为了这样做，转换器单元110可包括连接到电池10并从电池10接收电力的输入端子110a、连接到负载20侧并将能量供应给DC链路电容器30的第一输出端子110b、以及与下面将描述的开关单元连接并将电力提供给单体模块10-1至10-n的第二输出端子110c。作为示例，转换器单元110可以是多输出绝缘双向转换器，其可以将一个输入值输出为多个输出值。
多输出绝缘双向转换器可以由一个输入端子和两个输出端子构成，并且输入端子和输出端子彼此绝缘以双向传递能量。因此，从电池10供应的能量可以被提供给与其他单体模块10-1至10-n相比具有相对不足的能量的单体模块10-1至10-n，并且可以从能量过剩的单体模块10-1至10-n中回收能量。
开关单元120可以连接一个或多个单体模块10-1至10-n中的每一个与转换器单元110。例如，如图1所说明，开关单元120的一侧可以与一个或多个单体模块10-1至10-n中的每一个的阳极端子和阴极端子连接，并且另一侧与转换器单元110的第二输出端子110c连接，以连接一个或多个单体模块10-1至10-n中的每一个与转换器单元110。
在实施例中，开关单元120可以是开关矩阵，并且选择性地连接通过下面将描述的控制单元130选择的单体模块10-1至10-n的阳极端子和阴极端子，以连接一个或多个单体模块10-1至10-n与转换器单元110。
在实施例中，当根据本发明的实施例的单体模块均衡和预充电设备100的操作开始时，并且当未诊断出一个或多个单体模块10-1至10-n的不平衡异常时，开关单元120保持关断状态以切断一个或多个单体模块10-1至10-n与连接器单元110之间的连接。
控制单元130可以基于转换器单元110意图执行的操作，通过控制开关单元120的传导状态来选择性地形成用于执行预充电操作的预充电电路或用于执行均衡操作的均衡电路。在下文中，参照图2至图4，将详细描述控制单元130形成预充电电路和均衡电路的配置。
图2是示意性地说明根据本发明的实施例的单体模块均衡和预充电设备100中的预充电电路的示意图，并且图3和4是示意性地说明根据本发明实施例的单体模块均衡和预充电设备100中的均衡电路的示意图。
首先，参考图2，当转换器单元110意图执行预充电操作时，控制单元130可以通过控制开关单元120来形成预充电电路。例如，当转换器单元110意图执行预充电操作时，控制单元130将主开关40a和40b中的阴极开关40b的传导状态改变为接通状态，并控制开关单元120的传导状态以切断第二输出端子110c与开关单元120之间的连接。因此，控制单元130可以形成作为包括电池10、输入端子110a、第一输出端子110b、DC链路电容器30和阴极开关40b的闭合电路的预充电电路。这里，从电池10施加的电力可以通过转换器单元110的第一输出端子110b施加到DC链路电容器30，并且可以通过使用所施加的电池10的电力来对DC链路电容器30进行充电。此后，当在DC链路电容器30中充电的电压变得等于电池10的电压时，控制单元130将阴极开关40b的传导状态改变为关断状态以使预充电电路切断，从而停止转换器单元110的预充电操作。
接下来，参考图3，当转换器单元110意图执行均衡操作时，控制单元130可以通过控制开关单元120来形成均衡电路。例如，控制单元130可以从一个或多个单体模块10-1至10-n获取单体模块信息，并基于所获取的单体模块信息诊断一个或多个单体模块10-1至10-n的不平衡异常。
这里，单体模块信息可以意指指示一个或多个单体模块10-1到10-n的状态的信息。例如，单体模块信息可以包括电流、电压、温度、剩余容量(SOC)、和剩余寿命(SOH)中的至少任何一个。
控制单元130可以基于单体模块信息诊断一个或多个单体模块10-1至10-n的不平衡异常。这里，当在如图3所示的第n个单体模块10-n中诊断出不平衡异常时，控制单元130可以通过控制开关单元120来连接第n个单体模块10-n的阳极端子和阴极端子与转换器单元110的第二输出端子110c。因此，控制单元130可以形成作为包括第n个单体模块10-n、开关单元120、转换器单元110的第二输出端子110c、和转换器单元110的输入端子110a的闭合电路的均衡电路。
接下来，参考图4，控制单元130可以通过与该方法相同的方法形成均衡电路。例如，当在第二单体模块10-2中发生不平衡异常时，控制单元130可以通过控制开关单元120连接第二单体模块10-2的阳极端子和阴极端子与转换器单元110的第二输出端子110c。因此，控制单元130可以形成作为包括第二单体模块10-2、开关单元120、转换器单元110的第二输出端子110c、和转换器单元110的输入端子110a的闭合电路的均衡电路。
在实施例中，当需要将能量传递到被诊断出平衡异常的单体模块10-1至10-n时，控制单元130可以控制转换器单元110的操作，使得从电池输出的能量从输入端子110a传递到第二输出端子110c。例如，参考图3，当第n个单体模块10-n的能量与其他单体模块10-1至10-3的能量相比不足时，控制单元130通过控制转换器单元110的操作将电池10输入到输入端子110a的能量传递到第二输出端子110c，并将传递到第二输出端子110c的电池10的能量提供给第n个单体模块10-n，以对能量不足的第n个单体模块10-n进行充电，从而解决了不平衡异常。
在实施例中，当需要从被诊断出平衡异常的一个或多个单体模块10-1至10-n回收能量时，控制单元130可以控制转换器单元110的操作，使得被诊断出不平衡异常的一个或多个单体模块10-1至10-n的能量从第二输出端子110c传递到输入端子110a。例如，参考图4，当第二单体模块10-2的能量大于其他单体模块10-1以及10-3至10-n的能量时，控制单元130通过控制转换器单元110的操作将第二单体模块10-2的能量传递到第二输出端子110c，并将所传递的第二单体模块10-2的能量通过输入端子110a传递到电池10，以消耗第二单体模块10-2的过剩能量，从而解决不平衡异常。以下，参考图5和图6，将描述根据本发明实施例的单体模块均衡和预充电方法。
图5是用于描述通过使用根据本发明实施例的单体模块均衡和预充电设备100执行单体模块的均衡操作的一系列过程的流程图，并且图6是用于描述通过使用根据本发明实施例的单体模块均衡和预充电设备100执行单体模块的预充电操作的一系列过程的流程图。
首先，参考图5，开关单元的传导状态被保持为关断状态，并且从一个或多个单体模块获取单体模块信息(S110)。基于在步骤S110中获取的单体模块信息，针对一个或多个单体模块诊断不平衡(S120)。在这种情况下，当不存在不平衡异常时，通过返回到步骤S110来持续监视一个或多个单体模块的不平衡异常。然而，当发生不平衡异常时，通过控制开关单元连接被诊断出不平衡异常的单体模块与第二输出端子，通过连接形成包括被诊断出不平衡异常的单体模块、开关单元、第二输出端子、输入端子、和电池的均衡电路。通过使用在步骤S130和S140中形成的均衡电路，将能量传递到被诊断出不平衡异常的单体模块或从被诊断出不平衡异常的单体模块回收能量(S150)。
接下来，参考图6，当意图执行预充电操作时，阴极开关的传导状态被改变为接通状态(S210)。此后，通过控制开关单元切断开关单元和第二输出端子之间的连接，并产生预充电电路，其包括电池、转换器单元的输入端子、第一输出端子、DC链路电容器、和阴极开关(S220和S230)。通过在步骤S220和S230中形成的预充电电路执行预充电操作，电池的能量被传递到DC链路电容器，以对DC链路电容器进行充电(S240)。
参考附图中给出的流程图描述上述单体模块均衡和预充电方法。为了便于描述，已经通过一系列框图示出和描述了该方法，但是应该理解，本发明不限于框的顺序，并且可以以不同的顺序产生一些框并且同时具有如本说明书中所示和所述的其他框，并且各种其他分支、流路路径和框的顺序可以被实施以实现相同或相似的结果。另外，可能不需要所有示出的框来实施本说明书中描述的方法。
已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求中定义的本发明的精神和范围的情况下，能够对本发明进行各种修改和改变。

Claims (12)

1.一种单体模块均衡和预充电设备，包括：
转换器单元，所述转换器单元被定位在包括一个或多个单体模块的电池和负载之间，并执行预充电操作和均衡操作；
DC链路电容器，所述DC链路电容器位于所述负载和所述电池之间；
开关单元，所述开关单元连接所述一个或多个单体模块中的每一个与所述转换器单元；以及
控制单元，所述控制单元通过基于所述转换器单元意图执行的操作控制所述开关单元的传导状态，来选择性地形成用于执行所述预充电操作的预充电电路或用于执行所述均衡操作的均衡电路，
其中，所述预充电操作包括利用所述电池对所述DC链路电容器进行充电，使所述DC链路电容器的电压等于所述电池的电压；
其中，所述转换器单元包括：
输入端子，所述输入端子与所述电池连接，
第一输出端子，所述第一输出端子与所述负载连接，以及
第二输出端子，所述第二输出端子与所述开关单元连接，以及
其中，所述控制单元控制所述开关单元以将所述一个或多个单体模块与所述第二输出端子连接以形成所述均衡电路。
2.根据权利要求1所述的单体模块均衡和预充电设备，其中，当所述转换器单元意图执行所述预充电操作时，所述控制单元通过控制所述开关单元切断所述第二输出端子和所述开关单元之间的连接，来形成包括所述电池、所述输入端子、和所述第一输出端子的所述预充电电路。
3.根据权利要求1所述的单体模块均衡和预充电设备，其中，所述控制单元从所述一个或多个单体模块获取单体模块信息，并基于所述单体模块信息诊断所述一个或多个单体模块的不平衡异常。
4.根据权利要求3所述的单体模块均衡和预充电设备，其中，当所述转换器单元意图执行所述均衡操作时，所述控制单元通过控制所述开关单元连接被诊断出不平衡异常的所述一个或多个单体模块与所述第二输出端子，来形成包括被诊断出不平衡异常的所述一个或多个单体模块、所述输入端子、和所述第二输出端子的所述均衡电路。
5.根据权利要求4所述的单体模块均衡和预充电设备，其中，当需要从被诊断出不平衡异常的所述一个或多个单体模块回收能量时，所述控制单元控制所述转换器单元的操作，以便将被诊断出不平衡异常的所述一个或多个单体模块的能量从所述第二输出端子传递到所述输入端子。
6.根据权利要求4所述的单体模块均衡和预充电设备，其中，当需要将能量传递到被诊断出不平衡异常的所述一个或多个单体模块时，所述控制单元控制所述转换器单元的操作，以便将从所述电池输出的能量从所述输入端子传递到所述第二输出端子。
7.一种单体模块均衡和预充电方法，包括：
通过被定位在包括一个或多个单体模块的电池和负载之间的转换器单元，执行预充电操作和均衡操作；
通过开关单元，连接所述一个或多个单体模块中的每一个与所述转换器单元；以及
通过控制单元，基于所述转换器单元意图执行的操作控制所述开关单元的传导状态，以便选择性地形成用于执行所述预充电操作的预充电电路或用于执行所述均衡操作的均衡电路，
其中，所述转换器单元包括：
输入端子，所述输入端子与所述电池连接，
第一输出端子，所述第一输出端子与所述负载连接，以及
第二输出端子，所述第二输出端子与所述开关单元连接；并且
其中，所述预充电操作包括利用所述电池对DC链路电容器进行充电，使所述DC链路电容器的电压等于所述电池的电压；
其中，所述DC链路电容器位于所述负载和所述电池之间；
其中，所述控制单元控制所述开关单元以将所述一个或多个单体模块与所述第二输出端子连接以形成所述均衡电路。
8.根据权利要求7所述的单体模块均衡和预充电方法，其中，所述控制包括：当所述转换器单元意图执行所述预充电操作时，通过控制所述开关单元切断所述第二输出端子和所述开关单元之间的连接，来形成包括所述电池、所述输入端子、和所述第一输出端子的所述预充电电路。
9.根据权利要求7所述的单体模块均衡和预充电方法，其中，所述控制包括：从所述一个或多个单体模块获取单体模块信息，并基于所述单体模块信息诊断所述一个或多个单体模块的不平衡异常。
10.根据权利要求9所述的单体模块均衡和预充电方法，其中，所述控制进一步包括：当所述转换器单元意图执行所述均衡操作时，通过控制所述开关单元连接被诊断出不平衡异常的所述一个或多个单体模块与所述第二输出端子，来形成包括被诊断出不平衡异常的所述一个或多个单体模块、所述输入端子、和所述第二输出端子的所述均衡电路。
11.根据权利要求10所述的单体模块均衡和预充电方法，其中，所述控制进一步包括：当需要从被诊断出不平衡异常的所述一个或多个单体模块回收能量时，控制所述转换器单元的操作，以便将被诊断出不平衡异常的所述一个或多个单体模块的能量从所述第二输出端子传递到所述输入端子。
12.根据权利要求10所述的单体模块均衡和预充电方法，其中，所述控制进一步包括：当需要将能量传递到被诊断出不平衡异常的所述一个或多个单体模块时，控制所述转换器单元的操作，以便将从所述电池输出的能量从所述输入端子传递到所述第二输出端子。
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