CN103000963B - 用于保护电池的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于保护电池的装置和方法。本发明提供了一种用于保护电池(1；41)的电池保护装置，包括被布置成生成或抑制通过所述电池的纹波电流的电路。所述电路包括：被布置成产生纹波电流的纹波生成器；被布置在连接到电池的正电力线上的第一注入器(21；48)，所述第一纹波注入器被布置成将所述纹波电流传输到所述正电力线；被布置在连接到电池的负电力线上的第二注入器(22；49)，所述第二纹波注入器被布置成将所述纹波电流传输到所述负电力线。所述第一纹波注入器和所述第二纹波注入器被布置成运行在差分模式中，例如注入的电流符号相反。

Description

用于保护电池的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于保护电池的保护装置和方法。本发明还涉及包括电池和这样的保护装置的电气动力装置。
背景技术
现今，诸多装置使用锂电池。锂电池越来越多地用于大功率应用中，诸如用于为电动车辆提供动力(诸如电池电动车辆(BEVs)等)。锂离子电池通常可以提供400V和40Ah。
在低的电池温度，即在低于大约+10℃时，由于电池的高阻抗和锂电镀的风险，这些锂离子电池表现出退化的性能并且具有有限的使用寿命。因此为了保护电池，需要对电池加热，尤其是在大功率应用中。经由电力耗散元件(加热器)产生的热量被用于直接加热电池，或用于经由用于对电池温度进行热管理的液体或气体来加热电池。然而由于需要加热整个电池系统的热质量，因此这并不是很有效。
另一方法是使用通过电动机逆变器生成的纹波(ripple)。由于逆变器的限制或由于这可能造成EMC(电磁流)问题，因此这可能是不可能的，而在充电期间这也是不可能的。
发明内容
本发明的目的是要以改进的方式增加电池的使用寿命。
可以通过用于保护电池的电池保护装置实现此目的，所述电池保护装置包括用于生成或抑制通过所述电池的纹波电流的电路，其中所述电路包括：
-纹波生成器，被布置成产生纹波电流；
-第一纹波注入器，要被布置在连接到电池的正电力线上，所述第一纹波注入器被布置成将所述纹波电流传输至所述正电力线；
-第二纹波注入器，要被布置在连接到电池的负电力线上，所述第二纹波注入器被布置成将所述纹波电流传输至所述负电力线，
其中，所述第一纹波注入器和所述第二纹波注入器中的每一个是变压器或电容器，所述第一纹波注入器和所述第二纹波注入器被布置成运行在差分模式，所述电池保护装置被布置成在两个基本功能模式下工作，所述两个基本功能模式为：纯纹波注入模式，在该模式中，通过所述电路生成纹波电流，并且将所述纹波电流施加在所述电池上；纹波抑制模式，在该模式中，测量进入所述电池的不必要的引入纹波电流，并且在所述电池中注入具有相反符号的电流，电池管理单元或中央混合控制器被布置成控制电池保护装置在纯纹波注入模式和纹波抑制模式两者下工作以及还控制电池保护装置的设置。
通过在电池中生成纹波电流，使用电池的内阻从内部加热电池。这是很高能效的加热方式。在电池芯的内部产生热量。因此可以减少需要的加热能量和/或加热时间。通过抑制引入纹波，将会增加电池的使用寿命。而且，与现有系统相比，可以使用更简单的冷却系统。产生的热量近似为电流平方函数。
通过经由纹波消除使输出峰值(即纹波)达到平均数，将会减少均方根(RMS)电流，其结果是产生了较少的热量，所以减少了对于冷却系统的冷却需求。
在一个实施例中，纹波发生器包括两个由电源供电的半桥电路。所述半桥电路中的每一个包括两个开关装置，诸如MOSFET。可以替代地使用其它开关。对于和危险电压(HV)一同工作的电池(即工作在60至1500VDC范围中，更具体地在120-180VDC的范围中的电池)的保护，本发明尤其适用。
在一个实施例中，纹波发生器包括被布置成产生电脉冲的脉宽调制(PWM)驱动电路。PWM驱动电路被布置成驱动开关装置。
在一个实施例中，保护装置包括被布置成将控制信号输出至纹波发生器的信号处理器。
在另一个实施例中，信号处理器被布置成接收来自指示电池温度的温度传感器的第一输入，并且使用第一输入控制所述PWM驱动电路。
在一个实施例中，保护装置包括被布置成测量在所述正和/或负电力线中的电流的电流传感器，其中所述信号处理器被布置成接收来自电流传感器的第二输入，并且使用第二输入控制所述PWM驱动电路。
在一个实施例中，电流传感器包括变压器(transformer)。使用变压器的优点是其会以电感耦合的方式检测AC电流，借此将不会影响在电流中的任何DC成分。
在一个实施例中，第一纹波注入器和第二纹波注入器中的每一个包括变压器和电容器中的至少一个。这些类型的组件相对容易安装和装载。可以经由非接触电感耦合进行连接。
在一个实施例中，纹波发生器被布置成产生与施加在所述电池的电压异相的无功纹波电流。因此可以将损耗(热量)集中在电池内的电阻部分。在一个实施例中纹波生成器被布置成吸收在电力线上的纹波电流，并且将此能量释放到电源中。此电源可以是车辆中的标准的12或24V电源。这将会增加车辆的总体的效率。作为结果，可以从HV至12或24V按比例缩小普通的DC/DC转换器。
本发明还涉及包括如上所述的电池和保护装置的电气动力装置。
最后，本发明涉及保护电池的方法，所述方法包括通过下面的步骤来生成或抑制通过电池的纹波电流，通过：
-经由变压器或电容器，在连接到电池的正电力线上注入第一纹波电流；
-经由另外的变压器或另外的电容器，在连接到电池的负电力线上注入第二纹波电流；
其中所述第一纹波电流和所述第二纹波电流具有相反的符号，所述方法包括：在两个基本功能模式下工作，所述两个基本功能模式为：纯纹波注入模式，在该模式中，通过电路生成纹波电流，并且将所述纹波电流施加在所述电池上；纹波抑制模式，在该模式中，测量进入所述电池的不必要的引入纹波电流，并且在所述电池中注入具有相反符号的电流，电池管理单元或中央混合控制器被布置成控制电池保护装置在纯纹波注入模式和纹波抑制模式两者下工作以及还控制电池保护装置的设置。
附图说明
将以示例的方式并且参照附图在以下进一步描述本发明。
图1是本发明的第一实施例的示意图。
图2是本发明的第二实施例的示意图。
具体实施方式
图1示意地示出了经由正电力线3和负电力线4连接到端子单元2的电池1。通过保护装置预防电池1过高或过低的温度。在实施例中，保护装置包括纹波生成器5和可以连接到电池1的温度传感器7的数字信号处理器6。
请注意，如果电池1不具有合适的传感器，则可以将合适的温度传感器添加到保护装置以测量温度。温度传感器可以是例如温感电阻，参见图1中的R1。在本实施例中，纹波生成器5包括四个MOSFET 11、22、13、以及14。生成器5还包括被布置成控制MOSFET 11、12、13、14的脉冲宽度调制(PWM)驱动电路15。四个MOSFET被布置在由外部12或24伏特电源供电的两个半桥中。此电源可以是已经存在于车辆中的12/24V电池。如在图1中所见，将齐纳二极管16、17、18、以及19并联到每个MOSFET 11、12、13、14。
在图1的实施例中的保护装置还包括是变压器21的第一纹波注入器21和是变压器22的第二纹波注入器22。变压器21的连接点21-3连接到MOSFET 11与MOSFET 12之间的线。变压器21的连接点21-4连接到变压器22的连接点22-2。变压器22的连接点22-1连接到在MOSFET 13与MOSFET 14之间的线。
在图1的实施例中的保护装置还包括用作测量通过电力线3、4的电流的电流传感器的第三变压器23，典型地为Rogowski线圈。变压器23的连接点23-3和连接点23-4连接到数字信号处理器6的输入。
以上描述的保护装置可以运行在两个基本功能模式下：
模式1：纯纹波注入。在此模式下，通过生成器5生成纹波电流，并且将纹波电流施加在电池1上。通过有源地将纹波电流施加在电池上，使用电池的内电阻从内部加热电池。因此，可以减小所需要的加热能量和/或加热时间。优选地，将无功纹波电流施加到电池1。无功意味着电压和电流是异相的。以这样的方式，可以将损耗(即热量)集中到电池1内部的电阻部分，从而增加加热处理的效率。
模式2：纹波消除。也称作纹波抑制。通过测量进入电池1的不必要的引入纹波电流，并且通过注入具有相反符号的电流，可以抵偿干扰。使用例如变压器23测量引入纹波，然后由信号处理器6使用变压器23的输出以控制PWM驱动装置15。PWM驱动装置15将产生合适的脉冲以激活用于产生合适纹波的MOSFET开关11-14。通过抑制不必要的引入纹波，可以显著地增加电池的使用寿命。在电池中产生的热量近似为电流平方函数。通过经由纹波消除将输出峰值进行平均，将会降低RMS电流，该结果是产生较少的热量。减少了对于冷却系统的冷却需求并且因此可以使用更简单的/更小的冷却系统。
在电池1的正常的操作中，将会预热电池1。一旦达到了优选的运行温度(例如+10℃)，则应当保持此温度，因为过高的温度会缩短电池的寿命。如果不充分滤波，则诸如逆变器和DC/DC等外部负载和源会产生纹波。这会导致在电池中产生不必要的热量。由于这些负载和源的大功率无源滤波器可能昂贵并且体积大。因此通过由电流传感器23检测引入的纹波电流，纹波生成器5可以生成具有相反符号的电流，从而消除纹波。
请注意，任何时候需要加热电池1时，即使没有连接HV总线，也可以使用使用根据实施例的装置的模式1。在此情况下，加热可能从电池中的存储能量中获取电力。
在实施例中，纹波生成器5被布置成吸收在电力线3、4上的纹波电流，并且将能量释放到电源12或24V电源，因此增加了车辆的总效率。对于BEV其导致更长的驱动范围。此外，可以从HV到12或24V按比例缩小普通的DC/DC转换器。“吸收的”能量可以设置为被释放回电力线或释放回12或24V电源。也可以引入偏移值，该偏移值引起了从电力线到12或24V电源或相反方向的能量流动。
根据情况，在不同的时间，保护装置可以被布置成运行在模式1或模式2或在两个模式中。BMU(电池管理单元)或中央混合控制器可以控制保护装置的模式和设置。请注意，仍然可以自发地激活纯脉冲消除模式(即模式2)。
根据本发明的装置是容易安装并且装载的。尤其是在当经由非接触电感耦合执行到电力线的连接的情况下。该装置可以由标准的电源例如已经存在于多数车辆中的12或24V供电。由于其相对简单的电子组件，该装置的生产成本是相对低的。
图2示意地示出了本发明的第二实施例，电池41经由正电力线43和负电力线44连接到端子单元42。此外，示出了保护装置，该装置包括纹波生成器45、电流传感器46以及温度传感器47。替代地，温度传感器47可以是电池47的一部分。保护装置47还包括两个纹波注入器48、49，并且两个纹波注入器48、49分别地连接到正电力线43和负电力线44。注入器48、49分别由在LV(低电压)与HV(危险电压)电路之间传输能量的电容器48、49构成。如在图1的实施例中，LV电路包括连接到12或24V的电源(未示出)的两个半桥电路。第一桥式电路包括两个MOSFET 51、52并且第二桥式电路包括MOSFET 53、54。电容器中的每个连接到桥式电路中的一个。
两个电容器48、49以差分模式电连接到一起，例如，注入电流符号相反。纹波生成器还包括逻辑和驱动模块55，逻辑和驱动模块55可以包括如以上参照图1描述的PWM驱动电路和信号处理器。而且，放大器56当前被布置在AC电流传感器46与逻辑和驱动模块55之间。AC电流传感器46测量进入电池41的电流。检测到的AC电流由放大器56放大并且在逻辑和驱动模块55中进行处理。依赖于本发明需要的运行模式，放大器56的参考输入信号REF是模式1中的正弦波形或模式2中的0。计算出的误差信号然后被馈送至模块55的PWM驱动电路，PWM驱动电路根据所请求的操作驱动晶体管51-54。
如在变压器21、22的情况中，电容器48、49充当电池电源上的电压隔离器。因为LV电路非常有效并且与电池电压电(galvanically)隔离，因此其可以由标准的+12V或+24V的车辆DC电源供电。
以上，提到了脉冲生成器生成纹波电流。本领域专业人员是清楚，纹波电流可以是正弦型AC电流或至少接近于正弦电流。依赖于电池特性，可能需要改变电路的频率。电池的阻抗随着频率、SOC、电池的温度和老化而变化。优选地选择频率以获得最优的加热性能。电池的阻抗可以在电池表征时测量并且存储在查询表格中，或可以经由优化的算法在运行期间计算得到。
尽管参照本发明的优选实施例阐明并且描述了本发明，但是本领域中的技术人员能够理解，可以从形式上和细节上执行不同的改变而不背离本发明的精神和范围。还应注意的是，本发明不限于锂电池的保护，还可以使用其它类型的电池。

Claims (13)

1.一种用于保护电池(1；41)的电池保护装置，所述电池保护装置包括用于生成或抑制通过所述电池的纹波电流的电路，其中所述电路包括：
-纹波生成器，被布置成产生纹波电流；
-第一纹波注入器(21；48)，要被布置在连接到所述电池的正电力线上，所述第一纹波注入器被布置成将所述纹波电流传输到所述正电力线；
-第二纹波注入器(22；49)，要被布置在连接到所述电池的负电力线上，所述第二纹波注入器被布置成将所述纹波电流传输到所述负电力线上，
其中，所述第一纹波注入器和所述第二纹波注入器中的每一个是变压器或电容器，所述第一纹波注入器和所述第二纹波注入器被布置成在差分模式下工作，
所述电池保护装置被布置成在两个基本功能模式下工作，所述两个基本功能模式为：
-纯纹波注入模式，在该模式中，通过所述电路生成纹波电流，并且将所述纹波电流施加在所述电池(1；41)上；
-纹波抑制模式，在该模式中，测量进入所述电池(1；41)的不必要的引入纹波电流，并且在所述电池(1；41)中注入具有相反符号的电流，以及
电池管理单元或中央混合控制器被布置成控制所述电池保护装置在所述纯纹波注入模式和所述纹波抑制模式两者下工作以及还控制所述电池保护装置的设置。
2.根据权利要求1所述的电池保护装置，其中所述纹波生成器包括两个由电源供电的半桥电路。
3.根据权利要求2所述的电池保护装置，其中所述的半桥中的每一个包括两个开关装置。
4.根据权利要求3所述的电池保护装置，其中纹波生成器包括用于生成电脉冲的脉宽调制驱动电路，所述脉宽调制驱动电路被布置成驱动所述开关装置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池保护装置，其中所述电池保护装置包括用于将控制信号输出至所述纹波生成器的信号处理器。
6.根据权利要求4所述的电池保护装置，其中所述电池保护装置包括用于将控制信号输出至所述纹波生成器的信号处理器，并且其中所述信号处理器被布置成接收来自指示电池温度的温度传感器的第一输入，并且使用所述第一输入控制所述脉宽调制驱动电路。
7.根据权利要求4或权利要求6所述的电池保护装置，其中所述电池保护装置包括用于将控制信号输出至所述纹波生成器的信号处理器，并且其中所述电池保护装置包括用于测量在所述正和/或负电力线中的电流的电流传感器，其中所述信号处理器被布置成接收来自所述电流传感器的第二输入并且使用所述第二输入来控制所述脉宽调制驱动电路。
8.根据权利要求7所述的电池保护装置，其中所述电流传感器包括变压器(23)。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的电池保护装置，其中所述纹波生成器被布置成产生无功纹波电流，所述无功纹波电流与在所述电池上施加的电压异相。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的电池保护装置，其中所述纹波生成器被布置成吸收在所述电力线(3，4；43，44)上的纹波电流，并且将此能量释放到电源中。
11.根据权利要求1所述的电池保护装置，其中所述第一纹波注入器和所述第二纹波注入器被布置成在注入电流符号相反的模式下工作。
12.一种电气动力装置，包括根据前述权利要求中任一项所述的电池保护装置和电池。
13.一种保护电池的方法，所述方法包括通过下面的步骤来生成或抑制通过所述电池的纹波电流：
-经由变压器或电容器，在连接到所述电池的正电力线上注入第一纹波电流；
-经由另外的变压器或另外的电容器，在连接到所述电池的负电力线上注入第二纹波电流，
其中，所述第一纹波电流和所述第二纹波电流具有相反的符号，所述方法包括：
在两个基本功能模式下工作，所述两个基本功能模式为：
-纯纹波注入模式，在该模式中，通过电路生成纹波电流，并且将所述纹波电流施加在所述电池(1；41)上；
-纹波抑制模式，在该模式中，测量进入所述电池(1；41)的不必要的引入纹波电流，并且在所述电池(1；41)中注入具有相反符号的电流，以及
电池管理单元或中央混合控制器被布置成控制电池保护装置在所述纯纹波注入模式和所述纹波抑制模式两者下工作以及还控制所述电池保护装置的设置。
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