CN103430420A - 平衡校准装置及蓄电系统 - Google Patents

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CN103430420A CN2012800115790A CN201280011579A CN103430420A CN 103430420 A CN103430420 A CN 103430420A CN 2012800115790 A CN2012800115790 A CN 2012800115790A CN 201280011579 A CN201280011579 A CN 201280011579A CN 103430420 A CN103430420 A CN 103430420A
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Abstract

抑制过电流流经蓄电单元，包括：电感器，一端电连接于第一蓄电单元的一端与第二蓄电单元的一端的连接点；第一开关元件，电连接于电感器的另一端与第一蓄电单元的另一端之间；第二开关元件，电连接于电感器的另一端与第二蓄电单元的另一端之间；以及电流限制元件，与电感器串联连接，当流经电感器的电流大小超过预定值时，限制流经电感器的电流。

Description

平衡校准装置及蓄电系统
技术领域
本发明涉及一种平衡校准装置及蓄电系统。
背景技术
当使用串联连接的多个蓄电单元时，如果蓄电单元间的电压产生偏差，则会使蓄电单元的寿命变短。因此，提出一种平衡校准电路，该平衡校准电路包括电感器、开关元件及开关元件的驱动电路，使蓄电单元间的电压均等化（参照专利文献1～3）。
专利文献1：特开2006─067748号公报
专利文献2：特开2008─017605号公报
专利文献3：特开2009─232660号公报
发明内容
发明要解决的问题
在上述平衡校准电路中，当由于某些原因而开关元件始终闭合时，会在蓄电单元上流经过电流。因此，本发明的一个侧面的目的是提供一种能够解决上述问题的平衡校准装置及蓄电系统。该目的通过权利要求书中的独立权利要求所记载的特征组合实现。另外，从属权利要求限定了本发明进一步的较佳具体例。
用于解决问题的方案
在本发明第一方式中提供一种平衡校准装置，使串联连接的第一蓄电单元与第二蓄电单元的电压均等化，包括：电感器，一端电连接于第一蓄电单元的一端与第二蓄电单元的一端的连接点；第一开关元件，电连接于电感器的另一端与第一蓄电单元的另一端之间；第二开关元件，电连接于电感器的另一端与第二蓄电单元的另一端之间；以及电流限制元件，与电感器串联连接，当流经电感器的电流大小超过预定值时，限制流经电感器的电流。
在上述平衡校准装置中，电流限制元件可以在第一蓄电单元的一端和第二蓄电单元的一端的连接点与第一开关元件和第二开关元件的连接点之间与电感器串联连接。在上述平衡校准装置中，电流限制元件可以包括：第一电流限制元件，在第一蓄电单元的另一端与第一开关元件之间与电感器串联连接；第二电流限制元件，在第二蓄电单元的另一端与第二开关元件之间与电感器串联连接。
在上述平衡校准装置中，电流限制元件可以为保险丝。在上述平衡校准装置中，保险丝可以为过电流阻断型保险丝或温度保险丝。
在本发明第二方式中提供一种蓄电系统，包括：串联连接的第一蓄电单元及第二蓄电单元；以及上述平衡校准装置，使第一蓄电单元与所述第二蓄电单元的电压均等化。
另外，上述发明内容并未列举出本发明的全部可能特征，所述特征组的子组合也有可能构成发明。
附图说明
图1示意性地显示了具有蓄电系统110的装置100的一例。
图2示意性地显示了蓄电系统210的一例。
图3示意性地显示了蓄电系统210的动作的一例。
图4示意性地显示了蓄电系统410的一例。
具体实施方式
以下通过发明实施方式对本发明的一个侧面进行了说明，但以下实施方式并非对权利要求书所涉及的发明进行限定。并且，实施方式中说明的特征组合也并非全部为本发明的解决方案所必要。另外，虽然参照附图对实施方式进行了说明，但在附图的记载中，为相同或近似的部分标注相同的参考标记，并可能会省略重复的说明。
图1示意性地显示了具有蓄电系统110的装置100的一例。装置100包括：电动机102和蓄电系统110。装置100可以是电动汽车、混合动力汽车、电动摩托车、铁道车辆、升降机等输送装置。装置100也可以为PC、手机等电器。电动机102与蓄电系统110电连接，使用由蓄电系统110供应的电力。电动机102也可以用作再生制动器。电动机102可以为电力负载的一例。
蓄电系统110与电动机102电连接，为电动机102供应电力（有时称为蓄电系统的放电）。蓄电系统110与图中未示出的充电装置电连接并蓄积电能（有时称为蓄电系统的充电）。
蓄电系统110包括：端子112、端子114、包含蓄电单元122、蓄电单元124、蓄电单元126及蓄电单元128的串联连接的多个蓄电单元、以及包含平衡校准电路132、平衡校准电路134及平衡校准电路136的多个平衡校准电路。平衡校准电路132、平衡校准电路134及平衡校准电路136可以为平衡校准装置的一例。
此处，“电连接”并不限于某个元件与另一元件直接连接的情形。某个元件与另一元件之间也可以间隔有第三元件。另外，也并不限于某个元件与另一元件物理连接的情形。例如，变压器的输入绕组与输出绕组虽然没有物理连接，但也是电连接。进一步地，并不仅仅是某个元件与另一元件实际已电连接的情形，也包含当蓄电单元与平衡校准电路电连接时，某个元件才与另一元件电连接的情形。另外，“串联连接”是指某个元件与另一元件串联电连接。
端子112及端子114将电动机102、充电装置等系统外部的装置与蓄电系统110电连接。蓄电单元122、蓄电单元124、蓄电单元126及蓄电单元128串联连接。蓄电单元122、蓄电单元124、蓄电单元126及蓄电单元128可以为二次电池或电容器。蓄电单元124、蓄电单元126及蓄电单元128可以为锂离子电池。蓄电单元122、蓄电单元124、蓄电单元126及蓄电单元128中的每一个也可以包含多个蓄电单元。
例如，当在蓄电单元122与蓄电单元124之间制造质量、老化程度等不同时，有时会在蓄电单元122及蓄电单元124的电池特性上产生差异。电池特性例如可以举出：电池容量、或者表示电池电压相对于放电时间的关系的放电电压特性。例如，随着蓄电单元的老化，电池电压会以更短的放电时间下降。
当蓄电单元122与蓄电单元124的电池特性不同时，即便在蓄电系统110的充电结束时蓄电单元122与蓄电单元124的电压大致相同，但随着蓄电系统110的放电的进行，会在蓄电单元122与蓄电单元124之间产生电压差。而且，即便在蓄电系统110的充电开始时蓄电单元122与蓄电单元124的电压大致相同，但随着蓄电系统110的充电的进行，在蓄电单元122与蓄电单元124之间产生电压差。
由于蓄电单元122及蓄电单元124可利用的充电电平（有时称为荷电状态，State of Charge，SOC）的范围是预先确定的，因此当在蓄电单元122与蓄电单元124之间产生电压差时，蓄电系统110的利用效率就会恶化。因此，通过使蓄电单元122与蓄电单元124的电压均等化，便能够提高蓄电系统110的利用效率。
平衡校准电路132使蓄电单元122与蓄电单元124的电压均等化。平衡校准电路132电连接于：蓄电单元122的位于端子112侧的一端（有时称为正极侧）、以及蓄电单元122的位于端子114侧的一端（有时称为负极侧）与蓄电单元124的正极侧的连接点143。平衡校准电路132电连接于：连接点143、以及蓄电单元124的负极侧与蓄电单元126的正极侧的连接点145。
图中虽然没有显示，但平衡校准电路132可以具有与连接点143电连接的电感器。通过将平衡校准电路132、蓄电单元122以及蓄电单元124以如上方式进行电连接，便形成了包含蓄电单元122和上述电感器的第一电路、以及包含蓄电单元124和上述电感器的第二电路。平衡校准电路132使电流交替地流经第一电路与第二电路。从而在蓄电单元122与蓄电单元124之间，通过电感器来收发电能。这样一来，便能够使蓄电单元122与蓄电单元124的电压均等化。
平衡校准电路134使蓄电单元124与蓄电单元126的电压均等化。平衡校准电路134电连接于：连接点143、连接点145、以及蓄电单元126的负极侧与蓄电单元128的正极侧的连接点147。平衡校准电路136使蓄电单元126与蓄电单元128的电压均等化。平衡校准电路136电连接于：连接点145、连接点147、以及蓄电单元128的负极侧。平衡校准电路134及平衡校准电路136可以具有与平衡校准电路132相同的结构。
图2示意性地显示了蓄电系统210的一例。蓄电系统210包括：端子212、端子214、串联连接的蓄电单元222和蓄电单元224、以及平衡校准电路232。平衡校准电路232可以为平衡校准装置的一例。蓄电单元222可以为第一蓄电单元的一例。蓄电单元224可以为第二蓄电单元的一例。
端子212及端子214可以分别具有与蓄电系统110的端子112及端子114相同的结构。蓄电单元222及蓄电单元224可以具有与蓄电单元122、蓄电单元124、蓄电单元126或蓄电单元128相同的结构。另外，蓄电系统110可以具有与蓄电系统210相同的结构。平衡校准电路132、平衡校准电路134及平衡校准电路136可以具有与平衡校准电路232相同的结构。
平衡校准电路232使蓄电单元222与蓄电单元224的电压均等化。平衡校准电路232包括：电感器250、开关元件252、开关元件254、控制信号发生部272、二极管282、二极管284、以及保险丝290。开关元件252可以为第一开关元件的一例。开关元件254可以为第二开关元件的一例。保险丝290可以为电流限制元件的一例。
平衡校准电路232电连接于蓄电单元222的正极侧以及蓄电单元222的负极侧与蓄电单元224的正极侧的连接点243。从而形成包含有蓄电单元222、开关元件252、保险丝290以及电感器250的第一开关电路。平衡校准电路232电连接于连接点243以及蓄电单元224的负极侧。从而形成包含有蓄电单元224、电感器250、保险丝290以及开关元件254的第二开关电路。连接点243可以为第一蓄电单元的一端与第二蓄电单元的一端的连接点的一例。
电感器250的一端电连接于连接点243。电感器250的另一端可以电连接于开关元件252与开关元件254的连接点263。当开关元件252及开关元件254交替地反复进行闭合（ON）动作及断开（OFF）动作（有时称为闭合·断开动作）时，在电感器250上产生电感器电流IL。
开关元件252电连接于电感器250的另一端与蓄电单元222的正极侧之间。开关元件252从控制信号发生部272接收控制信号φ22，并基于控制信号φ22执行闭合动作或断开动作。从而将第一开关电路进行开闭。开关元件252可以为MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）。
开关元件254电连接于电感器250的另一端与蓄电单元224的负极侧之间。开关元件254从控制信号发生部272接收控制信号φ24，并基于控制信号φ24执行闭合动作或断开动作。从而将第二开关电路进行开闭。开关元件254可以为MOSFET。
控制信号发生部272产生用于控制开关元件252的闭合·断开动作的控制信号φ22以及用于控制开关元件254的闭合·断开动作的控制信号φ24。控制信号发生部272将控制信号φ22提供给开关元件252。控制信号发生部272将控制信号φ24提供给开关元件254。
控制信号发生部272可以产生控制信号φ22及控制信号φ24，以使开关元件252及开关元件254交替地反复执行闭合·断开动作。从而能够使开关元件252及开关元件254交替地执行闭合·断开动作。控制信号φ22及控制信号φ24分别可以为占空比为50%的方形波。占空比可以作为闭合期间相对于方形波周期的比例进行计算。
控制信号发生部272可以为产生预定周期的脉冲列的脉冲发生器。控制信号发生部272也可以为可变地控制控制信号φ22及控制信号φ24的至少一方的占空比的可变脉冲发生器。控制信号发生部272可以与开关元件252及开关元件254形成于同一基板上。
二极管282与开关元件252并行设置，使电流沿着从电感器250的另一端向蓄电单元222的正极侧的方向流动。二极管284与开关元件254并行设置，使电流沿着从蓄电单元224的负极侧向电感器250的另一端的方向流动。二极管282及二极管284可以为等效地形成于MOSFET的源漏极之间的寄生二极管。
通过设置二极管282及二极管284，即使在开关元件252及开关元件254都处于断开状态的期间残留有电感器电流IL时，该电感器电流IL仍然能够经由二极管282或二极管284进行持续流动。从而能够对电感器250上曾经产生的电感器电流IL毫无浪费地加以利用。并且能够抑制当阻断电感器电流IL时所产生的浪涌电压。
保险丝290与电感器250串联连接。在本实施方式中，保险丝290的一端电连接于电感器250的另一端。保险丝290的另一端电连接于开关元件252与开关元件254的连接点263。当流经电感器250的电流大小超过预定值时，保险丝290对流经电感器250的电流进行限制。通过在电感器250上串联连接保险丝290，即使开关元件252、开关元件254及控制信号发生部272中的至少一个发生故障，以致开关元件252及开关元件254中的至少一个始终闭合时，也能够防止在蓄电单元222及蓄电单元224中的至少一个上流经过电流。
从而能够保护蓄电单元222及蓄电单元224。例如，在平衡校准电路232的出货前，为了确认即使半导体元件万一发生故障，也能够确保蓄电系统210的安全性，抽出任意的平衡校准电路232实施开路·短路测试。在开路·短路测试中，即使开关元件252及开关元件254中的至少一个始终闭合，由于电感器250上串联连接有保险丝290，因此也能够保护蓄电单元222及蓄电单元224。因此能够确保蓄电系统210的安全性。
在本实施方式中，针对保险丝290设置于电感器250的另一端与连接点263之间的情形进行了说明。然而，保险丝290的个数或设置位置并不限于此。保险丝290也可以在连接点243与电感器250的一端之间与电感器250串联连接。从而通过单个保险丝便能够保护蓄电单元222及蓄电单元224的双方。
保险丝290可以为过电流阻断型保险丝或温度保险丝。在本实施方式中，针对将保险丝用作电流限制元件的情形进行了说明。然而，电流限制元件并不限于此。电流限制元件也可以是随着温度上升而内部电阻增大的PTC（Positive Temperature Coefficient，正温度系数）热敏电阻。电流限制元件也可以为电流断路器（electric current breaker）。
图3示意性地显示了蓄电系统210的动作的一例。图3与控制信号φ22及控制信号φ24的波形的一例相对应地显示了曲线图302、曲线图304及曲线图306。在曲线图302、曲线图304及曲线图306中，横轴表示时间的经过。而纵轴表示电感器电流IL的大小。在图3中，电感器电流IL的大小以从连接点263向连接点243流动的电流（在图2中由实线箭头表示）为正进行表示。
曲线图302示意性地显示了当蓄电单元222的电压E2大于蓄电单元224的电压E4时的电感器电流IL随时间变化的一例。曲线图304示意性地显示了当蓄电单元222的电压E2小于蓄电单元224的电压E4时的电感器电流IL随时间变化的一例。曲线图306示意性地显示了当蓄电单元222的电压E2与蓄电单元224的电压E4大致相同时的电感器电流IL随时间变化的一例。
在图3中，控制信号φ22及控制信号φ24是占空比为50%的方形波。如图3所示，控制信号φ22及控制信号φ24具有彼此互补的逻辑或相位极性，以使当开关元件252及开关元件254的一方处于闭合状态的期间，另一方处于断开状态。
如曲线图302所示，在蓄电单元222的电压E2大于蓄电单元224的电压E4的情况下，当开关元件252处于闭合状态时，电流沿着蓄电单元222的正极侧─开关元件252─连接点263─保险丝290─电感器250─连接点243─蓄电单元222的负极侧这样的电流路径进行流动。此时，电感器电流IL沿图2中的实线箭头方向对电感器250充电。
然后，当开关元件252变为断开状态而开关元件254变为闭合状态时，对电感器250充电的电感器电流IL沿电感器250的一端─连接点243─蓄电单元224─开关元件254─连接点263─保险丝290─电感器250的另一端这样的电流路径进行放电。该放电与对蓄电单元224的充电同时进行。如图3所示，电感器电流IL通过放电而随着时间减少，当放电电流变为0时，与放电电流反方向的充电电流会流经电感器250。
此处，当由于开关元件252及控制信号发生部272的至少一方的故障而开关元件252始终闭合时，连接点243与连接点263之间会流经过电流。然而，根据本实施方式，当连接点243与连接点263之间流经的电流大小超过预定值时，保险丝290熔断，从而限制流经电感器250的电流。从而能够保护蓄电单元222。
如曲线图304所示，在蓄电单元222的电压E2小于蓄电单元224的电压E4的情况下，当开关元件254为闭合状态时，电流沿着蓄电单元224的正极侧─连接点243─电感器250─保险丝290─连接点263─开关元件254─蓄电单元224的负极侧这样的电流路径流动。此时，电感器电流IL沿图2中的虚线箭头方向对电感器250充电。
然后，当开关元件254变为断开状态而开关元件252变为闭合状态时，对电感器250充电的电感器电流IL沿着电感器250的另一端─保险丝290─连接点263─开关元件252─蓄电单元222─连接点243─电感器250的一端这样的电流路径进行放电。该放电与对蓄电单元222的充电同时进行。
此处，当由于开关元件254及控制信号发生部272的至少一方的故障而开关元件254始终闭合时，连接点243与连接点263之间会流经过电流。然而，根据本实施方式，当在连接点243与连接点263之间流经的电流大小超过预定值时，保险丝290熔断，从而限制流经电感器250的电流。从而能够保护蓄电单元224。
如上所述，通过由平衡校准电路232使电流交替地流经第一开关电路和第二开关电路，从而能够通过电感器250在蓄电单元122与蓄电单元124之间收发电能。因此能够使蓄电单元122与蓄电单元124的电压均等化。
如曲线图306所示，当蓄电单元222的电压E2与蓄电单元224的电压E4大致相同时，在开关元件252或开关元件254处于闭合状态的期间，电感器电流IL的放电和充电大致等量地实施。因此能够维持电压大致平衡的状态。
在本实施方式中，为了简化说明，针对控制信号φ22及控制信号φ24的占空比为50%的情形进行了说明。然而，控制信号φ22及控制信号φ24并不限于此。控制信号φ22及控制信号φ24的占空比可以对应于蓄电单元222及蓄电单元224的电压差进行更改。
图4示意性地显示了蓄电系统410的一例。蓄电系统410包括：端子212、端子214、串联连接的蓄电单元222及蓄电单元224以及平衡校准电路432。平衡校准电路432可以为平衡校准装置的一例。
平衡校准电路432在图2相关说明中的第一开关电路及第二开关电路的每一个均具有电流限制元件这一点上与平衡校准电路232不同。在其他方面，可以具有与平衡校准电路232相同的结构。对与平衡校准电路232的各部分相同或类似的部分标注相同的参考符号并去除重复说明。另外，蓄电系统110可以具有与蓄电系统410相同的结构。平衡校准电路132、平衡校准电路134及平衡校准电路136可以具有与平衡校准电路432相同的结构。
平衡校准电路432使蓄电单元222与蓄电单元224的电压均等化。平衡校准电路432包括：电感器250、开关元件252、开关元件254、控制信号发生部272、二极管282、二极管284、保险丝492及保险丝494。保险丝492及保险丝494可以为电流限制元件的一例。
保险丝492可以设置于蓄电单元222的正极侧与开关元件252之间。据此，当开关元件252执行闭合动作时，保险丝492与电感器250串联连接。当由于开关元件252及控制信号发生部272的至少一方的故障而开关元件252始终闭合时，会在蓄电单元222的正极侧与开关元件252之间流经过电流。然而，根据本实施方式，当在蓄电单元222的正极侧与开关元件252之间流经的电流大小超过预定值时，保险丝492熔断，从而限制流经电感器250的电流。从而能够保护蓄电单元222。
保险丝494可以设置于蓄电单元224的负极侧与开关元件254之间。因此，当开关元件254执行闭合动作时，保险丝494与电感器250串联连接。当由于开关元件254及控制信号发生部272的至少一方的故障而开关元件254始终闭合时，会在蓄电单元224的负极侧与开关元件254之间流经过电流。然而，根据本实施方式，当在蓄电单元224的负极侧与开关元件254之间流经的电流大小超过预定值时，保险丝494熔断，从而限制流经电感器250的电流。从而能够保护蓄电单元224。
保险丝492及保险丝494的至少一方可以为过电流阻断型保险丝或温度保险丝。在本实施方式中，针对将保险丝用作电流限制元件的情形进行了说明。然而，电流限制元件并不限于此。电流限制元件可以为随着温度上升而内部电阻增大的PTC热敏电阻。电流限制元件可以为电流断路器。
在本实施方式中，针对保险丝492设置于蓄电单元222的正极侧与开关元件252之间的情形进行了说明。然而，保险丝492的个数或设置位置并不限于此。保险丝492也可以设置于电感器250的另一端与开关元件252之间。据此，当开关元件252执行闭合动作时，保险丝492与电感器250串联连接。
在本实施方式中，针对保险丝494设置于蓄电单元224的负极侧与开关元件254之间的情形进行了说明。然而，保险丝494的个数或设置位置并不限于此。保险丝494也可以设置于电感器250的另一端与开关元件254之间。据此，当开关元件254执行闭合动作时，保险丝494与电感器250串联连接。
以上，使用实施方式说明了本发明，但本发明的技术范围不限于上述实施方式所记载的范围。另外，本领域技术人员应当清楚，在上述实施方式的基础上可加以增加各种变更或改进。此外，由权利要求的记载可知，这种加以变更或改进的实施方式也包含在本发明的技术范围内。
应当注意的是，权利要求书、说明书及附图中所示的装置、系统、程序以及方法中的动作、顺序、步骤及阶段等各个处理的执行顺序，只要没有特别明示“更早”、“早于”等，或者只要前面处理的输出并不用在后面的处理中，则可以以任意顺序实现。关于权利要求书、说明书及附图中的动作流程，为方便起见而使用“首先”、“然后”等进行了说明，但并不意味着必须按照这样的顺序实施。
附图标记说明
100 装置、102 电动机、110 蓄电系统、112 端子、114 端子、122 蓄电单元、124 蓄电单元、126 蓄电单元、128 蓄电单元、132 平衡校准电路、134 平衡校准电路、136 平衡校准电路、143 连接点、145 连接点、147 连接点、210 蓄电系统、212 端子、214 端子、222 蓄电单元、224 蓄电单元、232 平衡校准电路、243 连接点、250 电感器、252 开关元件、254 开关元件、263 连接点、272 控制信号发生部、282 二极管、284 二极管、290 保险丝、302 曲线图、304 曲线图、306 曲线图、410 蓄电系统、432 平衡校准电路、492 保险丝、494 保险丝

Claims (6)

1.一种平衡校准装置，使串联连接的第一蓄电单元与第二蓄电单元的电压均等化，包括：
电感器，一端电连接于所述第一蓄电单元的一端与所述第二蓄电单元的一端的连接点；
第一开关元件，电连接于所述电感器的另一端与所述第一蓄电单元的另一端之间；
第二开关元件，电连接于所述电感器的另一端与所述第二蓄电单元的另一端之间；以及
电流限制元件，与所述电感器串联连接，当流经所述电感器的电流大小超过预定值时，限制流经所述电感器的电流。
2.根据权利要求1所述的平衡校准装置，其中：
所述电流限制元件在所述第一蓄电单元的一端和所述第二蓄电单元的一端的连接点与所述第一开关元件和所述第二开关元件的连接点之间与所述电感器串联连接。
3.根据权利要求1或2所述的平衡校准装置，其中，所述电流限制元件包括：
第一电流限制元件，在所述第一蓄电单元的另一端与所述第一开关元件之间与所述电感器串联连接；
第二电流限制元件，在所述第二蓄电单元的另一端与所述第二开关元件之间与所述电感器串联连接。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的平衡校准装置，其中，所述电流限制元件为保险丝。
5.根据权利要求4所述的平衡校准装置，其中，所述保险丝为过电流阻断型保险丝或温度保险丝。
6.一种蓄电系统，包括：
串联连接的第一蓄电单元及第二蓄电单元；
根据权利要求1～5中任一项所述的平衡校准装置，使所述第一蓄电单元与所述第二蓄电单元的电压均等化。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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