CN111130165A - 电源装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种电源装置。提供一种电源装置，包括多个电池模块，并且其中所述电池模块根据来自控制器的栅极驱动信号彼此串联连接。所述电源装置包括被配置为不管所述栅极驱动信号如何都将所述电池模块从串联连接强制分离的断开部分，并且根据目标输出电压值来限制待由所述断开部分强制分离的所述电池模块的数量。

Description

电源装置
技术领域
本发明涉及一种电源装置，具有串联连接的电池模块并且供应电力。
背景技术
使用具有多个串联连接的电池模块并向负载供应电力(激励负载)的电源装置。当电池模块中包括的电池是二次电池时，电源装置也能够从负载侧给这些电池充电(使电力再生)。
对于这样的电源装置，已经提出了包括根据栅极驱动信号将电池模块连接到负载并从负载分离电池模块的开关电路的配置。在该电路配置中，通过经由延迟电路通过栅极驱动信号驱动每个电池模块的开关电路来执行电压控制(日本专利申请公开号2018-074709)。
发明内容
在相关技术的电源装置中，相等的电流流过串联连接的电池模块的每个电池模块。在电池模块性能变化的条件下，具有较小电池容量的电池模块的充电状态(state-of-charge，SOC)可能比其他电池模块的充电状态更快地变低。当电池模块的SOC减少到下限阈值时，该电池模块可能变得不可用。此外，已经变得不可用的电池模块的数量的增加有时导致需要停止电源装置本身的情形。
本发明的一个方面是一种电源装置，该电源装置包括各具有二次电池的多个电池模块，并且其中电池模块根据来自控制器的栅极驱动信号彼此串联连接。电源装置包括断开部分，该断开部分被配置为不管栅极驱动信号如何都将电池模块从串联连接强制分离，并且根据目标输出电压值来限制待由断开部分强制分离的电池模块的数量。
这里，当不能根据待由断开部分强制分离的电池模块的数量来输出等于或高于目标输出电压值的电压时，电源装置可以停止输出电压。
本发明的另一方面是一种电源装置，该电源装置包括各具有二次电池的多个电池模块，并且其中电池模块根据来自控制器的栅极驱动信号彼此串联连接。电源装置包括断开部分，该断开部分被配置为不管栅极驱动信号如何都将电池模块从串联连接强制分离，并且根据待由断开部分强制分离的电池模块的数量来限制输出电压值。
具有这些方面的本发明能够独立于通过栅极驱动信号的控制而通过执行强制分离电池模块的控制来调整电池模块的充电状态。此外，本发明能够为该调整适当地控制待分离的电池模块的数量。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，附图中相同的标号表示相同的元件，并且其中：
图1是示出本发明的实施例中的电源装置的配置的图；
图2是例示说明本发明的实施例中的电池模块的控制的时间图；
图3A是示出本发明的实施例中的电池模块的操作的图；
图3B是本发明的实施例中的电池模块的操作的图；
图4是例示说明本发明的实施例中的电源装置的控制的时间图；
图5是本发明的实施例中的供电状态下的强制断开控制的流程图；
图6是本发明的实施例中的再生状态下的强制断开控制的流程图；
图7是本发明的实施例中的SOC估计方法的流程图；并且
图8是示出电池模块的特性的图表。
具体实施方式
如图1所示，实施例中的电源装置100包括电池模块102和控制器104。电源装置100包括多个电池模块102(102a、102b、...102n)。电池模块102能够在控制器104的控制下彼此串联连接。电源装置100中包括的电池模块102能够向连接到端子T1、T2的负载(未示出)供应电力(激励负载)，或者能够从连接到端子T1、T2的电源(未示出)充电(使电力再生)。
电池模块102包括电池10、扼流线圈12、电容器14、第一开关元件16、第二开关元件18、栅极驱动信号处理电路20、AND(“与”)元件22，以及OR(“或”)元件24和NOT(“非”)元件26。在该实施例中，电池模块102具有相同的配置。
电池10包括至少一个二次电池。例如，电池10可以具有多个锂离子电池、镍氢电池等等串联或并联连接的配置。扼流线圈12和电容器14形成平滑来自电池10的输出并输出被平滑的输出的平滑电路(低通滤波器电路)。也就是说，二次电池被用作电池10，并且电池10随内部电阻损耗的增加而恶化。为了降低这样的恶化，通过由电池10、扼流线圈12和电容器14形成的RLC滤波器来平滑电流。然而，扼流线圈12和电容器14不是必要部件，可以省略。
第一开关元件16包括用于使电池10的输出端子短路的开关元件。在该实施例中，第一开关元件16具有作为开关元件的续流二极管并联连接到场效应晶体管的配置。第二开关元件18在电池10和第一开关元件16之间与电池10串联连接。在该实施例中，第二开关元件18具有作为开关元件的续流二极管并联连接到场效应晶体管的配置。通过来自控制器104的栅极驱动信号来控制第一开关元件16和第二开关元件18的切换。在该实施例中在第一开关元件16和第二开关元件18中使用场效应晶体管，但也可以使用其他开关元件。
栅极驱动信号处理电路20是根据从控制器104的信号产生电路104a输入到电池模块102的栅极驱动信号来控制电池模块102的电路。栅极驱动信号处理电路20包括将栅极驱动信号延迟预定的时间的延迟电路。在电源装置100中，栅极驱动信号处理电路20分别设置在电池模块102(102a、102b、...102n)中并且彼此串联连接。因此，从控制器104输入的栅极驱动信号被顺序地输入到电池模块102(102a、102b、...102n)，同时在每个电池模块102处被延迟预定的时间。稍后将描述根据栅极驱动信号的控制。
AND("与")元件22构成被配置为根据强制断开信号将电池模块102a从串联连接强制分离的断开部分。OR("或")元件24构成被配置为根据强制连接信号将电池模块102a强制连接到串联连接的连接部分。AND元件22和OR元件24由已经接收到来自控制器104的强制断开信号或强制连接信号的栅极驱动信号处理电路20来控制。来自栅极驱动信号处理电路20的控制信号输入到AND元件22的一个输入端子，并且来自栅极驱动信号处理电路20的栅极驱动信号输入到AND元件22的另一个输入端子。来自栅极驱动信号处理电路20的控制信号输入到OR元件24的一个输入端子，并且来自栅极驱动信号处理电路20的栅极驱动信号输入到OR元件24的另一个输入端子。来自AND元件22和OR元件24的输出信号输入到第二开关元件18的栅极端子。来自AND元件22和OR元件24的输出信号还通过NOT("非")元件26输入到第一开关元件16的栅极端子。
在正常控制期间，未接收到来自控制器104的强制断开信号或强制连接信号的栅极驱动信号处理电路20将高(H)电平控制信号输入到AND元件22并且将低(L)电平控制信号输入到OR元件24。因此，栅极驱动信号以原样输入到第二开关元件18的栅极端子，而栅极驱动信号的反相信号输入到第一开关元件16的栅极端子。因此，当栅极驱动信号电平为高(H)时，第一开关元件16截止并且第二开关元件18导通，并且当栅极驱动信号电平为低(L)时，第一开关元件16导通并且第二开关元件18截止。换句话说，当栅极驱动信号电平为高(H)时，电池模块102被置于与其他电池模块102串联连接的状态，并且当栅极驱动信号电平为低(L)时，电池模块102被置于从其他电池模块102分离的直通状态。
在强制断开期间，控制器104将强制断开信号发送到待强制分离的电池模块102的栅极驱动信号处理电路20。在接收到来自控制器104的强制断开信号时，栅极驱动信号处理电路20将低(L)电平控制信号输入到AND元件22并且将低(L)电平控制信号输入到OR元件24。结果，低(L)电平从AND元件22输出并且通过OR元件24，高(H)电平由NOT元件26输入到第一开关元件16的栅极端子并且低(L)电平输入到第二开关元件18的栅极端子。因此，第一开关元件16被置于常导通状态并且第二开关元件18被置于常截止状态，这不管栅极驱动信号的状态如何都将电池模块102置于从串联连接强制分离的状态(直通状态)。
这样的强制断开控制能够被用作用于降低电源装置100中的电池模块102之中SOC的不平衡的控制，或者被用来分离任何发生故障的电池模块。具体地，当电源装置100处于放电状态时，参与电源装置100的输出的电池模块102的SOC减少。将电池模块102置于强制断开状态能够维持该电池模块102的SOC。另一方面，当电源装置100处于充电状态时，参与电源装置100的充电的电池模块102的SOC增加。将电池模块102置于强制断开状态能够维持该电池模块102的SOC。
在强制连接期间，控制器104将强制连接信号发送到待强制连接的电池模块102的栅极驱动信号处理电路20。在接收到来自控制器104的强制连接信号时，栅极驱动信号处理电路20将高(H)电平控制信号输入到电池模块102的OR元件24。结果，高(H)电平从OR元件24输出，并且低(L)电平由NOT元件26输入到第一开关元件16的栅极端子，而高(H)电平输入到第二开关元件18的栅极端子。因此，第一开关元件16被置于常截止状态并且第二开关元件18被置于常导通状态，这不管栅极驱动信号的状态如何都将电池模块102置于强制链接到串联连接的状态。
这样的强制连接控制能够被用作用于降低电源装置100中的电池模块102之中SOC的不平衡的控制。具体地，当电源装置100处于放电状态时，被置于强制连接状态的电池模块102的SOC能够比根据栅极驱动信号间歇地串联连接的电池模块102的SOC更快地降低。另一方面，当电源装置100处于充电状态时，被置于强制连接状态的电池模块102的SOC能够比根据栅极驱动信号间歇地串联连接的电池模块102的SOC更快地增加。
虽然该实施例中的电源装置100具有AND元件22和OR元件24由栅极驱动信号处理电路20控制的配置，但是也可以采用AND元件22和OR元件24中的任一个或二者都由控制器104直接控制的配置。
正常控制
下面将参考图2描述电源装置100的控制。在正常控制期间，高(H)电平控制信号从栅极驱动信号处理电路20输入到电池模块102(102a、102b、...102n)的每个中的AND元件22。低(L)电平控制信号从栅极驱动信号处理电路20输入到电池模块102(102a、102b、...102n)的每个中的OR元件24。结果，来自栅极驱动信号处理电路20的输出信号通过NOT元件26以反相信号输入到第一开关元件16的栅极端子，而来自栅极驱动信号处理电路20的输出信号以原样输入到第二开关元件18的栅极端子。
图2是与电池模块102a的操作有关的时间图。图2示出驱动电池模块102a的栅极驱动信号D1的脉冲波形，表示第一开关元件16的开关状态的方波D2，表示第二开关元件18的开关状态的方波D3，以及从电池模块102a输出的电压Vmod的波形D4。
在电池模块102a的初始状态下，即，在栅极驱动信号不输出的状态下，第一开关元件16导通并且第二开关元件18截止。当栅极驱动信号从控制器104输入到电池模块102a时，电池模块102a的切换由PWM控制来控制。在该切换控制下，第一开关元件16和第二开关元件18被切换以致交替地导通和截止。
如图2所示，当从控制器104输出栅极驱动信号D1时，根据栅极驱动信号D1来驱动电池模块102a的第一开关元件16和第二开关元件18。当来自NOT元件26的信号响应于栅极驱动信号D1的上升而下降时，第一开关元件16从导通状态切换到截止状态。第一开关元件16在栅极驱动信号D1的下降之后经短时间(空载时间dt)的延迟从截止状态切换到导通状态。
另一方面，第二开关元件18在栅极驱动信号D1上升之后经短时间(空载时间dt)的延迟从截止状态切换到导通状态。在栅极驱动信号D1下降的同时，第二开关元件18从导通状态切换到截止状态。因此，控制第一开关元件16和第二开关元件18的切换，使得这些开关元件交替地导通和截止。
为了防止第一开关元件16和第二开关元件18同时被激活，第一开关元件16在栅极驱动信号D1的下降之后经短时间(空载时间dt)的延迟被激活，并且第二开关元件18在栅极驱动信号D1的上升之后经短时间(空载时间dt)的延迟被激活。因此，防止由于第一开关元件16和第二开关元件18同时导通而导致的电池短路。引起激活中的延迟的空载时间dt被设定为例如100ns，但是也可以被设定为任何适当的时间。在空载时间dt期间，电流通过二极管循环，造成与当与电流通过其循环的该二极管并联的开关元件导通时相同的状态。
在如此控制的电池模块102a中，当栅极驱动信号D1是截止时(即，第一开关元件16导通并且第二开关元件18截止)，电容器14从电池模块102a的输出端子分离。因此，没有电压从电池模块102a输出到输出端子。在该状态下，如图3A所示，电池模块102a处于其电池10(电容器14)被旁路的直通状态。
当栅极驱动信号D1是导通时(即，第一开关元件16截止并且第二开关元件18导通)，电容器14被连接到电池模块102a的输出端子。因此，电压从电池模块102a输出到输出端子。在该状态下，如图3B所示，电压Vmod通过电池模块102a的电容器14输出到输出端子。
将再次参考图1描述控制器104对电源装置100的控制。控制器104控制所有电池模块102。通过控制电池模块102a、102b、...102n，控制器104控制电源装置100整体的输出电压。
控制器104的信号产生电路104a将栅极驱动信号以方波波形输出到每个电池模块102。栅极驱动信号顺序地传输到电池模块102a中包括的栅极驱动信号处理电路20，电池模块102b中包括的栅极驱动信号处理电路20，并依此类推至后续的其他电池模块102。具体地，栅极驱动信号顺序地从最上游侧向下游侧传输到电源装置100中串联连接的电池模块102，同时在每个电池模块102处延迟预定的延迟时间。
在正常控制期间，将高(H)电平控制信号输入到AND元件22，并且将低(L)电平控制信号输入到OR元件24，使得从每个电池模块102的栅极驱动信号处理电路20输出的栅极驱动信号以原样输入到第二开关元件18的栅极端子，而该栅极驱动信号的反相信号输入到第一开关元件16的栅极端子。因此，当栅极驱动信号电平为高(H)时，第一开关元件16截止并且第二开关元件18导通，并且当栅极驱动信号电平为低(L)时，第一开关元件16导通并且第二开关元件18截止。
换句话说，当栅极驱动信号电平为高(H)时，电池模块102被置于与其他电池模块102串联连接的状态，并且当栅极驱动信号电平为低(L)时，电池模块102被置于从其他电池模块102分离的直通状态。
图4示出通过顺序地串联连接电池模块102a、102b、...102n之中的预定数量的电池模块来输出电力的控制序列。如图4所示，电池模块102a、102b、...102n根据栅极驱动信号从上游侧向下游侧一个接一个地被驱动，各经一定时间的延迟。在图4中，时期E1表示在电池模块102a、102b、...102n中第一开关元件16截止并且第二开关元件18导通的状态，并且电池模块102a、102b、...102n从输出端子输出电压(连接状态)。时期E2表示在电池模块102a、102b、...102n中第一开关元件16导通并且第二开关元件18截止的状态，并且电池模块102a、102b、...102n不从输出端子输出电压(直通状态)。因此，电池模块102a、102b、...102n被顺序驱动，各经一定时间的延迟。
将参考图4描述栅极驱动信号和延迟时间的设定。通过将各电池模块102a、102b、...102n的延迟时间累加来设定栅极驱动信号的周期T。因此，设定较长的延迟时间导致较低的栅极驱动信号频率。相反，设定较短的延迟时间导致较高的栅极驱动信号频率。可以根据电源装置100的所需规格适当地设定延迟栅极驱动信号的延迟时间。
在栅极驱动信号的周期T期间的导通时间比D(导通占空)，即栅极驱动信号处于高(H)电平的时间TON相对于周期T的比率，通过以下来计算：电源装置100的输出电压/电池模块102a、102b、...102n的总电压(电池模块102的电池电压×电池模块的数量)。因此，导通时间比D＝(电源装置100的输出电压)/(电池模块102的电池电压×电池模块102的总数量)。确切地说，导通时间比以对应于空载时间dt的量偏移，因此，优选的是通过反馈或前馈来校正导通时间比，如通常对斩波电路实施的那样。
如上所述，电源装置100的输出电压由通过将电池模块102的电池电压乘以处于连接状态的电池模块102的数量而获得的值来表示。如果电源装置100的输出电压具有能够被一个电池模块102的电池电压整除的值，则一个电池模块102从直通状态切换到连接状态的时刻，另一个电池模块102从连接状态切换到直通状态，使得电池模块102的总输出电压不变化。
然而，如果电源装置100的输出电压具有不能被电池模块102的电池电压整除的值，则电源装置100的输出电压(总输出电压)变化。在该情况下，变化的幅度对应于一个电池模块的电压，并且变化的时期对应于：栅极驱动信号的周期T/电池模块102的总数量。增加电池模块102的总数量能够使整个电源装置100中的寄生电感的值变大，使得该电压变化被滤除并且能够稳定电源装置100的输出电压。
接下来，将描述具体的例子。在图4中，例如，假设：电源装置100整体的期望输出电压为400V；每个电池模块102的电池电压为15V；电池模块102a、102b、...102n的数量为40；延迟时间为200ns。该情况对应于电源装置100的输出电压(400V)不能被电池模块102的电池电压(15V)整除的情况。
基于这些数值，栅极驱动信号的周期T由延迟时间×电池模块的总数量计算如下：200ns×40＝8μs。因此，栅极驱动信号是具有频率相当于125kHz的方波。栅极驱动信号的导通时间比D由电源装置100的输出电压/(电池模块102的电池电压×电池模块102的总数量)计算如下：400V/(15V×40)≈0.67。
当基于这些数值顺序地驱动电池模块102a、102b、...102n时，图4中具有方波波形的输出电压H1由电源装置100整体产生。该输出电压H1在390V和405V之间变化。具体地，输出电压H1以由：栅极驱动信号的周期T/电池模块的总数量，即8μs/40＝200ns(相当于5MHz)计算的周期变化。该变化被电池模块102a、102b、...102n的布线的寄生电感滤除，使得电源装置100整体产生大约400V的输出电压H2。
当电池模块102处于连接状态时，电流流过每个电池模块102的电容器14，并且电容器电流波形J1是如图4所示的方波波形。由于电池10和电容器14形成RLC滤波器，所以已被滤波和平滑的电流J2流过电源装置100。因此，电流波形在所有电池模块102a、102b、...102n中是一致的，并且电流能够从所有电池模块102a、102b、...102n均匀输出。
如上所述，为了控制电源装置100，输出到最上游的电池模块102a的栅极驱动信号经一定时间的延迟输出到下游电池模块102b，并且该栅极驱动信号进一步顺序地传输到下游电池模块102，各经一定时间的延迟，使得电池模块102a、102b、...102n顺序地输出电压，各经一定时间的延迟。这些电压被累加到从电源装置100整体输出的电压。因此，能够从电源装置100输出期望的电压。
电源装置100能够消除对升压电路的需要，从而简化电源电路的配置。此外，电源装置100能够实现规模缩小和成本降低。通过消除对引起电力损耗的平衡电路等的需要，电源装置100能够实现更高的效率。由于电压从电池模块102a、102b、...102n顺序地均匀输出，所以不太可能集中驱动特定的电池模块102，使得电源装置100中的内部电阻损耗能够被降低。
能够通过调整导通时间比D来容易地满足期望的电压，这提高了电源装置100的多功能性。特别地，即使当电池模块102a、102b、...102n中的一些发生故障并变得难以使用时，也能够通过重新设定栅极驱动信号的周期T、导通时间比D和延迟时间来获得期望的电压，同时排除发生故障的电池模块102并使用正常的电池模块102。这意味着即使当电池模块102a、102b、...102n中的一些发生故障时也能够连续输出期望的电压。
当延迟栅极驱动信号的延迟时间被设定得较长时，栅极驱动信号的频率变得较低，第一开关元件16和第二开关元件18的切换频率也是如此，这导致较小的开关损耗和较高的电力转换效率。相反，当延迟栅极驱动信号的延迟时间被设定得较短时，栅极驱动信号的频率变得较高，电压变化的频率也是如此，这使得变化容易被滤除以获得稳定的电压。由RLC滤波器平滑掉电流变化也变得容易。因此，能够通过调整栅极驱动信号被延迟的延迟时间来根据所需的规格和性能提供电源装置100。
虽然该实施例采用了在每个电池模块102中设置栅极驱动信号处理电路20并且在延迟的同时传输栅极驱动信号的配置，但是本发明不限于该配置。例如，可以采用不在每个电池模块102中设置栅极驱动信号处理电路20的配置。在该情况下，栅极驱动信号可以单独地从控制器104输出到每个电池模块102的AND元件22和OR元件24。具体地，栅极驱动信号按规则的时间间隔从控制器104输出到电池模块102a、102b、...102n。在该情况下，通过将栅极驱动信号按规则的时间间隔、不管电池模块102a、102b、...102n的位置如何都按任意顺序输出到电池模块102a、102b、...102n来控制被置于连接状态的那些电池模块102a、102b、...102n的数量。例如，可以执行该控制使得栅极驱动信号首先输出到电池模块102b以驱动电池模块102b，并且在一定时间之后，栅极驱动信号输出到电池模块102a以驱动电池模块102a。
该配置能够消除对栅极驱动信号处理电路20的需要。因此，能够进一步简化电源装置100的配置，并且能够降低制造成本和电力消耗。
强制分离控制
接下来，将描述强制分离所选择的一个或所选择的一些电池模块102(102a、102b、...102n)的控制。控制器104将强制断开信号输出到待强制分离的电池模块102的栅极驱动信号处理电路20。在接收到强制断开信号时，栅极驱动信号处理电路20将低(L)电平控制信号输出到属于对应的电池模块102的AND元件22和OR元件24的每个。结果，低(L)电平从AND元件22输出并且通过OR元件24，高(H)电平由NOT元件26输入到第一开关元件16的栅极端子，并且低(L)电平输入到第二开关元件18的栅极端子。因此，第一开关元件16被置于常导通状态并且第二开关元件18被置于常截止状态，这不管栅极驱动信号的状态如何都将对应的电池模块102置于强制分离的状态(直通状态)。
这样的强制分离控制能够被用作用于降低电源装置100中的电池模块102之中SOC的不平衡的控制，或者被用来分离任何发生故障的电池模块。图5是SOC平衡调整控制的流程图。在下文中，将参考图5描述在供电状态下用于降低电池模块102之中SOC的不平衡的控制以及任何发生故障的电池模块的分离。
在步骤S10中，估计电源装置100中包括的所有电池模块102的充电状态。控制器104的电池操作监控电路104c接收来自设置在每个电池模块102中并且检测并输出电池模块102的输出电压的电压传感器30、检测并输出电源装置100的输出电流的电流传感器32以及检测并输出电源装置100的输出电压的电压传感器34的输出。基于接收的数据，SOC控制值计算电路104b执行估计每个电池模块102的SOC的处理。基于估计的电池模块102的充电状态，SOC控制值计算电路104b设定作为用于电源装置100的SOC的目标值的SOC控制目标值。稍后将描述估计SOC的处理以及设定SOC控制目标值的处理。
在步骤S12中，比较电池模块102的充电状态并选择具有相对低SOC的电池模块102。控制器104比较在步骤S10中估计的电池模块102的充电状态，并且从所有电池模块102中选择具有相对低SOC的电池模块102。
例如，可以选择SOC等于或低于SOC控制目标值的电池模块102。或者，可以从电源装置100中包括的所有电池模块102中按SOC的递增顺序选择预定数量的电池模块102。然而，选择电池模块102的方法不限于这些例子，并且可以使用对降低SOC的不平衡有效的任何方法。
在步骤S14中，确定电源装置100的电力输出是处于供电状态还是再生状态。控制器104根据电流传感器32检测到的电流的方向，确定电源装置100是处于电力从电源装置100供应到负载的供电状态，还是处于电力从外部电源输入到电源装置100的再生状态。如果电源装置100处于供电状态，则控制器104进到步骤S16，并且如果电源装置100处于再生状态，则控制器104结束处理。
在步骤S16中，执行强制分离电池模块102的处理。控制器104将强制断开信号输出到在步骤S12中选择的电池模块102的栅极驱动信号处理电路20。在接收到强制断开信号时，栅极驱动信号处理电路20将低(L)电平控制信号输出到对应的AND元件22并且将低(L)电平控制信号输出到对应的OR元件24。结果，所选择的电池模块102被从串联连接强制分离并且停止对电源装置100的输出作出贡献。
因为电源装置100中包括的电池模块102之中具有相对低SOC的电池模块102消耗的电力量(每单位时间放电电流的积分量)被降低，所以该控制能够解决SOC的不平衡。结果，能够使电源装置100中包括的电池模块102的充电状态更接近SOC控制目标值。此外，充电到电池模块102的能量能够被有效地用完。
也可以在电源装置100处于再生状态而不处于供电状态的同时执行用于解决SOC的不平衡的控制。在该情况下，执行强制分离具有相对高SOC的电池模块102的控制，并且优选地用再生电力为具有相对低SOC的电池模块102充电，从而解决SOC的不平衡。
图6是SOC平衡调整控制的流程图。在下文中，将参考图6描述在再生状态下用于降低电池模块102之中SOC的不平衡的控制以及任何发生故障的电池模块的分离。
在步骤S20中，估计电源装置100中包括的所有电池模块102的充电状态。可以以与上述步骤S10中相同的方式执行该处理。
在步骤S22中，比较电池模块102的充电状态并选择具有相对高SOC的电池模块102。控制器104比较在步骤S20中估计的电池模块102的充电状态，并且从所有电池模块102中选择具有相对高SOC的电池模块102。
例如，可以选择SOC等于或高于SOC控制目标值的电池模块102。或者，可以从电源装置100中包括的所有电池模块102中按SOC的递减顺序选择预定数量的电池模块102。然而，选择电池模块102的方法不限于这些例子，并且可以使用对降低SOC的不平衡有效的任何方法。
在步骤S24中，确定电源装置100的电力输出是处于供电状态还是再生状态。控制器104根据电流传感器32检测到的电流的方向，确定电源装置100是处于电力从电源装置100供应到负载的供电状态，还是处于电力从外部电源输入到电源装置100的再生状态。如果电源装置100处于再生状态，则控制器104进到步骤S26，并且如果电源装置100处于供电状态，则控制器104结束处理。
在步骤S26中，执行强制分离电池模块102的处理。控制器104将强制断开信号输出到在步骤S22中选择的电池模块102的栅极驱动信号处理电路20。在接收到强制断开信号时，栅极驱动信号处理电路20将低(L)电平控制信号输出到对应的AND元件22并且将低(L)电平控制信号输出到对应的OR元件24。结果，所选择的电池模块102被从串联连接强制分离并且停止向电源装置100供应再生电力。
因为向电源装置100中包括的电池模块102之中具有相对高SOC的电池模块102供应的电力量(每单位时间充电电流的积分量)被降低，所以该控制能够解决SOC的不平衡。结果，能够使电源装置100中包括的电池模块102的充电状态更接近SOC控制目标值。此外，能够以平衡良好的方式给电源装置100中包括的所有电池模块102充电。而且，能够防止具有小充电容量的电池模块102的过度充电。
SOC估计处理
下面将描述电源装置100中的SOC估计处理。图7是该实施例中的SOC估计处理的流程图。
在步骤S50中，测量电源装置100的输出电流Iout。控制器104的电池操作监控电路104c获取由电流传感器32测量的电源装置100的输出电流Iout。
在步骤S52中，执行估计每个电池模块102的模块电流Imod的处理。电池操作监控电路104c从电压传感器30获取当前串联连接的那些电池模块102的每个的输出电压(模块电压)Vmod[i]，即，当前对输出作出贡献的那些电池模块102。这里，i表示第i个电池模块102。控制器104的SOC控制值计算电路104b基于导通占空D计算来自当前对输出作出贡献的电池模块102的每个的电流(模块电流)Imod。
导通占空D可以通过公式(1)计算。模块电流Imod可以通过公式(2)计算。
Figure BDA0002241922610000151
Imod＝Iout×D…(2)
虽然在该实施例中执行通过使用导通占空D来计算模块电流Imod的处理，但是也可以采用在每个电池模块102中设置电流传感器32并且直接测量模块电流Imod的配置。
在步骤S54中，执行计算每个电池模块102的SOC的处理。基于在步骤S52中获得的模块电流Imod，控制器104通过使用公式(3)来计算每个电池模块102的SOC。这里，Q[i]表示第i个电池模块102的完全充电电池容量，并且SOCini[i]表示电流积分开始时的初始SOC(基于在电源装置100启动时或第i个电池模块102分离时充电或放电电流为零的状态下测量的开路电压获得的SOCv)。
Figure BDA0002241922610000152
如图8所示，电池模块102的开路电压与SOC之间的关系是一对一的关系。因此，通过测量第i个电池模块102的开路电压，能够基于该开路电压获得SOCini[i]。
下面将描述在电池模块102分离时如何测量开路电压。如上所述，在正常控制期间，将到所有电池模块102的强制断开信号设定为低(L)电平。然而，例如，在导通占空D低的条件下(与负载连接的电池模块102的数量不需要大，并且即使存在处于正常分离状态的电池模块102、所需的输出电压也可以被输出的条件)，将到特定电池模块102的强制断开信号设定为高(H)电平。结果，该特定电池模块102被置于从负载分离的状态。
当特定电池模块102从负载分离时，该电池模块102的模块电流Imod变为零。因此，控制器104能够从该电池模块102的电压传感器30获取开路电压。因此，基于图8中的开路电压和SOC之间的关系，控制器104能够获得与获取的开路电压对应的SOC。
可以在从电池模块102已经从负载分离并且此后端电压已经稳定之后经过预定时间之后测量开路电压，或者可以如现有技术中那样通过使用示出充电或放电停止后的电压的行为的电压行为模型来根据稳定之前的电压估计开路电压。
因此，即使当向负载供应电力时，也能够通过将电池模块102从负载分离来测量开路电压。能够通过使用测量的开路电压获得特定电池模块102的SOC，并且能够将该SOC代入公式(3)的SOCini[i]。在该情况下，优选的是将公式(3)的电流的积分重设为零。
在估计基于由公式(3)得到的模块电流的积分值的SOC时，由于电流传感器32等的测量误差的影响，误差倾向于累积在积分值中。然而，这样的误差的影响能够通过基于开路电压适当地更新初始值SOCini[i]来降低，并且由此能够提高SOC估计精度。
设定待强制分离的电池模块的数量的处理
在该实施例中，限制待分离的电池模块102的数量，使得能够在强制分离控制下确保电源装置100的输出电压，并且使得输出电力的控制不会变得无效。
当电源装置100的输出电压值(目标输出电压值)是Vout、电源装置100中包括的电池模块102的总数是Nmod、并且电池模块102的平均输出电压值(模块电压值)是Vmod时，这些值与能够被强制分离的电池模块102的数量Npass之间的关系由下面的公式(4)表示：
Vout＜(Nmod-Npass)×Vmod…(4)
可以将公式(4)变换成下面的公式(5)：
Figure BDA0002241922610000171
因此，控制器104执行分离电池模块102的控制，使得能够被强制分离的电池模块102的数量Npass尽可能满足公式(5)。
当需要强制分离超过公式(5)的条件的数量的电池模块102时，控制器104关闭电源装置100。当不能满足公式(5)的条件时控制器104关闭电源装置100，例如，由于大量电池模块102同时发生故障或者电源装置100的一些电路部件发生故障。

Claims (3)

1.一种电源装置，所述电源装置包括各具有二次电池的多个电池模块，并且其中所述电池模块根据来自控制器的栅极驱动信号彼此串联连接，所述电源装置的特征在于包含：
断开部分，被配置为不管所述栅极驱动信号如何都将所述电池模块从串联连接强制分离，
其中，所述电源装置被配置为根据目标输出电压值来限制待由所述断开部分强制分离的所述电池模块的数量。
2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述电源装置被配置为当不能根据待由所述断开部分强制分离的所述电池模块的所述数量来输出等于或高于所述目标输出电压值的电压时，停止输出电压。
3.一种电源装置，所述电源装置包括各具有二次电池的多个电池模块，并且其中所述电池模块根据来自控制器的栅极驱动信号彼此串联连接，所述电源装置的特征在于包含：
断开部分，被配置为不管所述栅极驱动信号如何都将所述电池模块从串联连接强制分离，
其中，所述电源装置被配置为根据待由所述断开部分强制分离的所述电池模块的数量来限制输出电压值。
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