CN103477530A

CN103477530A - 用于电池的充电平衡系统

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Publication number: CN103477530A
Application number: CN2012800124342A
Authority: CN
Inventors: 劳伦特·卡尼尔; 达尼埃尔·沙特鲁; 马蒂厄·德布瓦-勒诺丹
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2032-03-07
Also published as: WO2012120030A1; KR20140014226A; EP2684274A1; CN103477530B; KR101893045B1; FR2972581B1; JP2014512788A; US9130391B2; FR2972581A1; US20140035531A1; EP2684274B1

Abstract

本发明涉及用于动力电池（101）的充电平衡系统，动力电池（101）包括串联连接的至少两个蓄电池级（111），蓄电池级（111）包括至少一个蓄电池（9）。所述系统包括：多个隔离的变换器（123），其配置成一方面与预定数量的相关联的蓄电池级（111）并联连接，另一方面与用于向机动车的电气辅助设备供电的低电压电力系统并联连接；以及用于所述变换器（7）的控制单元（14），其配置成控制至少一个变换器（7）以使预定数量的相关联的蓄电池级达到相似的充电或放电电平，以及控制经由所述变换器（7）从所述动力电池（1）至所述低电压供电系统的能量传递，以便向所述辅助设备供电。

Description

用于电池的充电平衡系统

本发明涉及一种用于电池的充电平衡系统。

本发明涉及一种可以特别地用在电动和混合动力运输工具领域以及车载系统中的电池。本发明特别涉及锂离子（Li-ion）型电池，由于锂离子型电池以低质量存储高能量的可能性，所以适用于这些种类的应用。本发明还能够应用于超级电容器。

电化学蓄电池具有几伏特量级的标称电压，更精确地，对于包含磷酸铁的锂离子电池而言为3.3V，对于基于氧化钴的锂离子技术而言为4.2V。

如果该电压相对于要被供电的系统的需求而言过低，则串联放置若干蓄电池。

还可以与串联连接的每个蓄电池并联地布置一个或更多个蓄电池，以增加可用容量，从而提供更大的电流和功率。因此，并联关联的蓄电池形成级（stage）。级包括最少一个蓄电池。级被串联布置以达到期望的电压电平。

蓄电池的联合称为蓄电池组。

对蓄电池的充电或放电分别导致跨越其端子的电压增加或减小。蓄电池在跨越其端子的电压已经达到由电化学过程确定的电压电平时被认为要充电或放电。

在使用若干蓄电池的级的电路中，流经各级的电流相同。

因此，级的充电或放电电平取决于蓄电池的固有特性，即电极与电解质之间的接触或者电解质的固有容量以及不理想的内部串联和并联电阻。因此，级之间的电压差可能是归因于蓄电池的制造和老化方面的差异。

对于使用锂离子技术的蓄电池，被称为阈值电压的过高或过低的电压可能损坏或破坏蓄电池。

例如，包含氧化钴的锂离子蓄电池的过充电可能导致其热耗散以及起火。对于基于磷酸盐的锂离子蓄电池，过充电导致电解质的分解，电解质的分解缩短其寿命或者可能损坏蓄电池。

过激的放电导致低于2V的电压，例如在其它现象中，导致在负电极由铜制成的情况下其集电器的氧化，从而导致蓄电池性能的降低。

因此，出于安全性和可靠性的原因，需要在蓄电池充电和放电时监控蓄电池的每个级的跨越端子的电压。于是，信息可以发送至控制电路，以在级已经达到其阈值电压时停止电池的充电或放电。

然而，在具有串联布置若干蓄电池的级的电池上，如果在被最多充电的级达到其阈值电压时停止充电，则其他级可能没有完全充电。相反，如果在被最多放电的级达到其阈值电压时停止放电，则其他级可能没有完全放电。因此，蓄电池的每个级的充电没有被充分开发，这体现了在运输工具和车载类型的应用中对续航具有挑战性约束的主要问题。

根据已知的解决方案，设计了充电平衡系统，例如被称为能量耗散系统的系统或者被称为能量传递系统的系统，通过使串联连接的蓄电池的级进入同样的充电和/或放电状态，从而使电池的充电最优化，从而使其续航最优化。

利用能量耗散充电平衡系统，通过转移已经达到阈值电压的一个或更多个级的充电电流并且通过将能量耗散到电阻中，使各级的跨越端子的电压相同。作为变体，通过使已经达到阈值电压的一个或更多个级放电，使级的跨越端子的电压相同。

然而，利用能量耗散的这种充电平衡系统具有的主要缺点是消耗比对电池充电所需的能量更多的能量。原因在于，必须对若干蓄电池放电，或者使充电电流从若干蓄电池转向具有充电稍少的最后的蓄电池以完成其充电。因此，所耗散的能量会比充电的能量或需要完成的充电的能量大的多。

此外，多余能量以热的形式耗散，这一事实与集成到运输工具和车载类型的应用中的限制以及蓄电池的寿命在温度增加时大大缩短的事实不相容。

另一方面，利用能量传递的充电平衡系统在蓄电池组或者辅助能量提供系统与蓄电池的级之间交换能量。

能量传递可以以单向方式从电池到级或者从级到电池进行，或者以双向方式从电池到级并且从级到电池或者从级到相邻的级进行。

至于在充电平衡系统中从级到相邻的级的双向传递，能量遍及大量设备，基本上等于待平衡的蓄电池之间的距离。结果出现这些设备的两个主要缺点，即平衡电池所需的长的时间以及由所请求的设备中的损耗的累加引起的能量传递的低的效率。

至于单向传递，根据已知的解决方案，电池充电的结束由达到阈值电压的最后的级来确定。为了完成电池的充电，从一个或更多个级取得能量，并且将其返回给所有的级。当蓄电池的一个或更多个级充电稍不足时，能量并不优先地传递至需要其的这个或这些级，但是也不传递至从中取得能量的级。因此，充电平衡要求在充电的结束时从所有的级取得能量，以避免将其充电至过高的电压。因此，由于大量工作着的变换器，充电平衡以高水平的损耗进行。此外，已经完全充电的蓄电池具有流经它们的无用的AC或DC电流分量。

因此，本发明的目的是提供一种没有表现出现有技术的这些缺点的改进的充电平衡系统。

为此，本发明的主题是一种用于动力电池的充电平衡系统，该动力电池包括串联连接的至少两个蓄电池级，蓄电池级包括至少一个蓄电池，其特征在于，所述系统包括：

-多个隔离的变换器，其配置成一方面与预定数量的相关联的蓄电池级并联连接，另一方面与用于向机动车的电气辅助设备供电的低电压电力系统并联连接，以及

-用于所述变换器的控制单元，其配置成用于控制至少一个变换器以使所述预定数量的相关联的蓄电池级达到相似的充电或放电电平，以及用于控制经由所述变换器从上述动力电池至所述低电压供电系统的能量传递以便向所述辅助设备供电。

此外，所述系统可以以单独或组合的方式包括以下特征中的一个或更多个：

-对于每个蓄电池级，所述系统包括相关联的隔离的变换器，

-所述变换器是双向的。

根据本发明的一个方面，所述动力电池包括串联连接的预定数量的模块，模块包括至少两个蓄电池级，蓄电池级包括至少一个蓄电池，并且所述系统包括：

-多个隔离的变换器，其配置成一方面与预定数量的相关联的蓄电池级并联连接，另一方面与用于机动车的电气辅助设备的低电压供电系统并联连接，所述多个隔离的变换器包括一方面跨越模块的端子连接，另一方面与低电压供电系统连接的多个第一单向变换器，和一方面与所述低电压供电系统连接，另一方面跨越所述模块的蓄电池级的端子连接的多个第二单向变换器，以及

-用于所述变换器的控制单元，其配置用于控制至少第一变换器以使预定数量的相关联的模块达到相似的充电或放电电平，以及用于控制经由所述第一变换器从所述动力电池至所述低电压供电系统的能量传递，以及用于控制至少第二变换器以使模块的所述相关联的蓄电池级达到相似的充电或放电电平。

-用于所述变换器的控制单元配置成用于控制经由所述第一变换器沿第一方向从所述动力电池至所述低电压供电系统的能量传递，以及用于控制经由至少所述第二变换器沿第二方向从所述低电压供电系统至所述动力电池的能量传递，

-所述系统配置成用于经由所述第一变换器和所述第二变换器从一个模块至所述模块的所述级传递能量，

-控制单元配置成用于控制至少第一变换器来沿第一方向传递来自一个模块的能量，确定所述模块的待充电的至少一个级，以及用于控制与待充电的级并联的所述第二变换器来沿所述第二方向传递能量，以便经由所述第二变换器将传递至所述第一变换器的所述模块的能量传递至所述模块的所述待充电的级，

-所述系统配置成用于经由所述第一变换器和所述第二变换器从第一模块至第二模块传递能量，

-控制单元配置成用于控制第一变换器将来自第一模块的能量沿所述第一方向传递至所述第一变换器，确定待充电的至少第二模块，以及控制与所述第二模块相关联的至少第二变换器来沿所述第二方向传递能量，以便经由所述第二变换器将传递至所述第一变换器的所述模块的能量传递至所述第二模块，

-第二变换器包括多个充电装置，所述多个充电装置并联连接并且分别与蓄电池级相关联，以便对所述相关联的蓄电池级充电，

-所述系统包括保护装置以防短路，所述保护装置包括在所述变换器与所述动力电池之间的多个保险丝，

-所述系统包括在所述动力电池侧、在所述充电装置的输出端的多个保险丝，

-所述系统包括在所述低电压供电系统侧分别与所述变换器串联连接的多个二极管，

-所述系统包括在所述低电压供电系统侧分别与所述变换器串联连接的多个双向开关，

-所述双向开关分别包括相对配置的两个晶体管，

-所述系统包括：在所述第一变换器的输出端分别与所述第一变换器串联连接的多个第一单向开关，和在所述第二变换器的输入端分别与所述第二变换器串联连接的多个第二单向开关。

结合附图阅读以示例性的非限制性的示例呈现的以下描述，本发明的其他特征和优点将变得更加清楚，在附图中：

-图1示意性地示出了利用动力电池与辅助电气系统之间的能量传递的、用于动力电池的充电平衡系统的一种实施方案；

-图2示出了包括图1中的充电平衡系统以及四个蓄电池级的模块的动力电池的一个实例；

-图3示出了动力电池以及用于该动力电池的充电平衡系统的局部视图，所述动力电池具有跨越动力电池的模块的端子的双向变换器；

-图4示出了双向变换器连同在短路情况下用于保护的装置的局部示意图；

-图5a示出了图4中的保护装置的开关的一个变体实施方案；

-图5b示出了图4中的保护装置的开关的另一变体实施方案；

-图6是示出了模块的电压电平的分级以确定模块间充电平衡的示意性表；

-图7a示意性地示出了包括至少一个蓄电池级的模块的动力电池、用于该动力电池的充电平衡系统以及辅助电池的动力电池；

-图7b示出了根据一个示例性实施方案的具有充电平衡系统的图7a中的电池，所述充电平衡系统包括跨越电池的模块的端子的两个单向变换器；

-图8示出了具有跨越电池的模块的端子的两个单向变换器的用于动力电池的充电平衡系统的一个示例性实施方案以及跨越电池的一个级的端子的充电装置的一个示例性实施方案的局部示意图；

-图9示出了第一变换器和第二变换器连同短路情况下的保护装置的局部示意图；

-图10示出了根据一个变体实施方案的第一变换器和第二变换器连同短路情况下的保护装置的局部示意图；以及

-图11示出了根据另一变体实施方案的第一变换器和第二变换器连同短路情况下的保护装置的局部示意图。

在这些附图以及说明书的以下部分中，基本上相同的元件具有相同的附图标记。

图1至图6示意性地示出了根据本发明的第一实施方案，图7至图11示意性地示出了根据本发明的第二实施方案。

与第一实施方案的元件基本上相同的第二实施方案所描述的元件具有与第一实施方案的元件的附图标记相同的附图标记，但是加上了100。

第一实施方案

参考图1描述第一实施方案，图1中示出了：

-具有在例如48V至750V之间的高电压的动力电池（powerbattery）1，例如用于向混合动力车辆或电动车辆的电动机供电，并且与车辆的底盘隔离，

-具有低于动力电池1的电压的电压、例如具有12V的电压的辅助电池3，用于例如向车辆中的辅助设备A1至An供电，以及

-用于动力电池1的充电平衡系统5，包括在两个电池1和3之间并联连接的多个变换器7，以使得能够通过动力电池1向辅助电池3供电。每个变换器7构造有电隔离，以确保辅助设备A1至An的安全。

示意性地示出了变换器7。

动力电池1是一个或更多个蓄电池9的电池。该动力电池1可以包括串联连接的若干蓄电池9。

该动力电池1还可以包括与串联连接的蓄电池9并联放置的一个或更多个另外的蓄电池，以便形成蓄电池级11。因此，每个级11可以包括一个蓄电池9或者并联连接的若干蓄电池9。

动力电池1可以包括串联连接的若干模块13，每个模块13包括预定数量的蓄电池的级11。

根据图示的例子，可以提供电压为325V和容量为60Ah的19.6kWh的电池。例如，该动力电池1包括8个模块13，每个模块13包括12个蓄电池的级11。因此，每个模块13具有40.6V的电压。

通过模块13的这样的串联结合，可以很容易地替换损坏的模块13。

此外，根据一个未示出的变体，每个模块13此外可以与另一个模块13并联连接。

变换器7可以跨越蓄电池9的端子而被连接，或者跨越蓄电池级11的端子而被连接，或者替选地跨越蓄电池级的模块13的端子而被连接。

多个变换器7替代根据现有技术已知的跨越电池的端子进行连接的单个DC/DC变换器。

此外，这些变换器7为电池提供充电平衡功能。

用于充电平衡系统5的变换器7的功率处理能力被设计成用于这样的从动力电池1至辅助电池3的能量传递。

例如，对于如上文确定的具有8个模块13、每个模块13具有12个蓄电池的级11的动力电池1，可以设置跨越8个模块13的端子的具有40.6V/12V的电压的8个变换器7。变换器7因此设计为处理从具有40.6V的电压的模块13到低电压12V供电系统的能量传递。

此外，与现有技术的单个变换器相比，多个变换器7为较低功率的变换器。实际上，例如对于低电压供电系统中1kW的总功率而言，每个变换器7为125W。

因此，仅利用一组用于充电平衡系统5的电子单元，来自动力电池1的蓄电池9的能量传递至辅助电池3，并且该传递到辅助电气系统的能量用于平衡动力电池1的蓄电池9并且也用于向低电压供电系统供电。

在平衡功能之外，充电平衡系统5还因此向车辆的附属设备（accessory）提供12伏特。

此外，由于存在多个变换器7，因此可以省略12V电池。实际上，变换器7的冗余确保了变换器7的可用性。

因此，即使在一个变换器7发生故障的情况下，其他可工作的变换器7仍然能够保证向低电压系统的电力供应。

根据一个变体实施方案，可以根据附属设备的电流需求以在接通/断开模式中进行控制的方式使用变换器7。

因此，可以通过接通跨越具有最大能量、更加精确地比其他模块13具有更高电压的模块13的端子的变换器7来实现充电平衡。变换器7的启用使得被最多充电的这个（这些）模块通过向12V的低电压供电系统传递能量来进行部分放电。

当然，可以想象使用其他变换器7，如反激式变换器。

此外，在模块13没有全部表现出相同的老化状态的情况下，例如，在替代一个或更多个模块13之后，使用新的模块13可以比使用旧的模块13更有利。

为了示出模块13间充电平衡的原理，参考图2，图2示出了分别具有电压V₁、V₂、V₃、V₄并且分别与变换器7₁、7₂、7₃、7₄相关联（associated）的4个模块131至134。

例如，考虑以下情况，其中：

-第一模块13₁具有2.6V的电压V₁，

-第二模块13₂具有3.3V的电压V₂，

-第三模块13₃具有3.4V的电压V₃，以及

-第四模块13₄具有2.8V的电压V₄。

第二模块13₂和第三模块13₃分别具有3.3V的电压和3.4V的电压，因此，具有最高充电。分别与这些具有最高充电的第二模块13₂和第三模块13₃相关联的变换器7₂和7₃被接通以使第二模块13₂和第三模块13₃部分放电。

因此，来自模块13的充电平衡能量经由变换器7沿着箭头所示的第一方向F1传递至低电压12V供电系统，该能量使得电力能够供应到车辆的辅助设备A1至An。

此外，在该放电期间，如果例如由于车辆停止而导致低电压供电系统的功耗不足，则可以接通另外的功耗系统以增加12V供电的功耗，如加热或空调系统。

在此给出了对模块13之间的充电平衡的描述。当然，可以借助于分别跨越蓄电池级11的端子进行连接的多个变换器7的优点以类似的方式在蓄电池级11之间实现充电平衡。

此外，充电平衡系统5还可以包括（参考图3）用于测量每个级11或模块13的电压并且用于将电压信息发送至控制单元14的电压测量装置12。

使用该电压信息，该控制单元14可以确定是级11还是模块13需要放电并且因此控制并联的变换器7的启用，通过将能量传递至低电压供电系统来使模块13平衡。

为此，控制单元14包括用于以下处理的至少一个处理设备：

-接收电压信息，

-分析电压信息，

-确定待放电的一个或更多个级11，以及

-控制与已经确定的所述级11并联的一个或更多个变换器7。

双向充电平衡系统

此外，充电平衡系统5可以是双向的。

于是，可以沿着两个方向传递能量（参见图3），换言之：

-沿箭头所示的第一方向F1从动力电池1至低电压供电系统，以向辅助设备A1至An供电，以及

-沿箭头所示的第二方向F2从辅助供电系统至动力电池1。

因此，可以在蓄电池级11放电或充电时实现充电平衡。

如图3所示，为此，根据第一实施方案，可以设置关于电流为双向的单个变换器7，其一方面使得被最多充电的模块13利用充电平衡能量进行放电以向低电压系统供电，另一方面使得模块13的级11能够从低电压供电系统进行充电。

因此，可以使模块13的级11平衡，而不需要外部电源。

此外，通过该解决方案，充电平衡甚至可以在低电压12V供电系统上没有功耗的情况下实现。这是因为，沿着第一方向F1放电的充电平衡能量然后可以沿着第二方向F2送回蓄电池级11。

辅助电池3可以省略，尤其因为其已经失去了其作为能量存储缓冲器的功能。

于是获得了对于其自己的充电平衡而言自主的模块。

在动力电池1充电中或之后并且在对动力电池1放电中或之后，该充电平衡能够消除各个级11的充电电平的差异。

此外，如图4所示，可以提供用于保护以防短路的装置15。

为此，保护装置15可以包括：

-布置在变换器7的输入端，例如在变换器7的正（+）端子上，换言之在图示实例中在动力电池1侧的保险丝17，以及

-在变换器7的输出端，例如在变换器7的正（+）端子上，换言之在图示实例中在低电压供电系统侧的开关19。

保险丝17使得变换器7能够在短路的情况下被隔离，开关19使得变换器7能够继续工作。保险丝和开关可以放置在变换器的+极或-极上。

根据图示实例，开关19在电压和电流方面是双向的。

该开关19包括例如相对配置的2个MOS晶体管，其中，第一MOS晶体管为N型，第二MOS晶体管为P型。

图5a和图5b中示出了这样的开关19的变体；其中，图5a示出了具有相对配置的2个N型晶体管的第一变体，图5b示出了具有相对配置的2个P型晶体管的第二变体。

再参考图4，开关19布置在变换器7的输出端。开关19可以布置在变换器7的正（+）端子或负（-）端子上。

根据开关19的一种替选方案，可以在变换器7的输出端、在变换器7的正（+）端子或负（-）端子上设置二极管19'。

因此，可以增加双向变换器7的可用性，以使得能够在一个或更多个变换器7发生故障的情况下通过借助于保护装置15增加容差来省略辅助电池3。

实际上，由于多个变换器7和保护装置15的冗余，即使在变换器7损坏的情况下，仍然能够避免所述充电平衡系统使其他变换器7短路，使得可以持续地向低电压12V系统供电。

双向充电平衡系统的操作

动力电池的充电阶段

现在，描述在动力电池1充电的情况下用于平衡电压电平的双向平衡系统5的操作的一个实例，以便将所有的级11带入标称电压电平。

模块13的级11之间以及模块13之间的这种平衡都可以与动力电池1的充电在同一时间实现。

对于模块13的级11之间的平衡，从模块13取得能量（沿着电流流动的第一方向F1），然后朝着被最少充电的级11重新分配该能量（沿着电流流动的第二方向F2）。

为了确定待充电的一个或更多个级，可以定义阈值，当级11的电压电平低于该阈值时，能量朝着该级11重新分配。例如，可以与模块13的级11的电压电平的平均值相对应地定义平均阈值。

因此，当级11具有低于模块13的级11的充电电平的平均值的电压时，从模块13取得的能量分配给该级11。

为了执行该测量，电压测量装置12可以测量每个级11的电压，并且可以将电压信息传递至控制单元14。

使用该电压信息，该控制单元14可以例如通过与模块13内的充电电平的平均值相比较来确定级11是否需要充电，并且可以因此控制并联的变换器7的启用来对因而确定的级11充电。

此外，至于模块13之间的充电平衡，电压测量装置12可以配置成用于测量每个模块13的电压并将电压信息发送至控制单元14，控制单元14可以基于该电压信息来确定可以从哪个模块13提取能量以及将能量重新注入到哪个模块13中。

测量装置12可以以规则的间隔来进行这些测量。

控制单元14可以包括用于分析每个模块13的电压电平并且例如以升序或者降序对这些电压电平分级的至少一个处理设备。被最多充电的模块13于是用于对被最多放电的模块13重新充电。

充电平衡的一个实例可以是从被最多充电的模块13获取能量并且将该能量传递至被最多放电的模块13，从被第二多充电的模块获取能量并且将该能量传递至被第二多放电的模块，以此类推。

为了图示该原理，参照图2所示的实例，该实例示出了分别具有的电压V₁、V₂、V₃、V₄并且分别与变换器7₁、7₂、7₃、7₄相关联的4个模块13₁至13₄，

例如，采用以下情况，其中：

-第一模块13₁具有2.6V的电压V₁，

-第二模块13₂具有3.3V的电压V₂，

-第三模块13₃具有3.4V的电压V₃，以及

-第四模块13₄具有2.8V的电压V₄。

该信息可以如图6中的表示意性地示出的方式进行分级，使得以升序V₁、V₄、V₂、V₃对电压电平分级。

于是，如箭头A和B分别所示，控制单元14可以进行控制，利用从被最多充电的模块13₃取得的能量对被最少充电的第一模块13₁充电，以及利用第二模块13₂对模块13₄充电。

控制单元14可以配置成用于在模块之间的电压差小于预定值时停止从更多充电的模块13向更少充电的模块13的能量传递。

电池的放电阶段

现在，描述在动力电池1放电之后，双向充电平衡系统5的操作的一个实例。

模块13的级11之间以及模块13之间的充电平衡也都可以与动力电池1的放电在同一时间实现。

首先并且首要地，例如在其中装有电池的车辆正在被驱动时，被最多充电的模块13用于向低电压12V供电系统供电。在放电的结束时，电压电平能够接近在每个模块13的放电的结束所允许的最小电压。

在该放电期间，如果12V供电系统上的功耗不足，则可以接通另外的消耗系统以增加12V系统的消耗，如车辆的加热或空调。

相反地，如果功耗太高，则可以限制辅助设备的操作。

例如，当车辆空转时，通过将从模块取得的能量重新注入最少充电的级来进行充电平衡。

充电平衡也可以根据从模块13取得能量的简单事实来进行。

第二实施方案

具有2个单向变换器的充电平衡系统

参考图7a，所描述的第二实施方案与第一实施方案的不同之处在于双向充电平衡系统105包括用于每个模块113的第一单向变换器107和第二单向变换器121。

图7a中示意性地示出了变换器107和121。

第一变换器107跨越模块113的端子进行连接。

参考图7b，第二变换器121包括分别与蓄电池级111相关联的预定数量的充电装置123。充电装置123因此并联连接。

图7b中示意性地示出了充电装置123。

因此，既能够借助于第一变换器107沿箭头所示的第一方向F1从动力电池101至低电压供电系统实现模块113之间的充电平衡，并且能够借助于第二变换器121的充电装置123沿箭头所示的第二方向F2从低电压供电系统至动力电池101实现模块113的蓄电池级111之间的充电平衡。

因此，变换器107和121不传递相同的电力的数量级。每个单向变换器107、121配置为响应于对每个变换器特定的电力需求。

实际上，第一变换器107对辅助电气系统供电，并且使模块113平衡；需要几百瓦特的电力来提供该功能。

第二变换器121使模块113内的级111平衡；需要几十瓦特的电力来提供该功能。

这些电力的数量级的之间的比率大约为10。

此外，这两个功能必须能够在同一时间提供。

使用能够传递不同数量级的电力并且能够在同一时间使用的这两个变换器107和121，相对于使用单个双向变换器是优选的。

图8中示意性地示出了充电装置123的一个示例性实施方案。

根据该示例性实施方案，充电装置123一方面连接至蓄电池级111的用N表示的负极和用P表示的正极，另一方面连接至电压发生器125的用v+表示的正极和用v-表示的负极。

电压发生器125可以是单个单元并且连接至所有的充电装置123。

也可以按每个充电装置123设置一个电压发生器125，或者，对若干充电装置123设置一个电压发生器125。

电压发生器125向充电装置123提供正的、负的电压脉冲或者正负极性的具有可变化的波形的电压脉冲，例如方波或正弦波。

电压发生器125被控制装置（未示出）控制。

电压发生器125可以跨越模块13的端子而被连接，或者跨越动力电池101的端子而被连接，或者跨越辅助电池103的端子而被连接。

该电压发生器125包括例如变压器T和逆变器O。

逆变器O例如被在接通/断开模式中控制。

根据图示实例，变压器T具有初级绕组和次级绕组。

作为变体，变压器可以具有一个初级绕组和例如分别连接至模块13的若干次级绕组。

此外，电压发生器125具有正极v ₊和负极v _-。

例如，充电装置123包括：

-具有第一端La和第二端Lb的电感器L，

-第一电容器C1，其一端连接至电感器L的第一端La，其另一端连接至电压发生器125的负极v _-。

-连接至电压发生器125的正极v ₊的第二电容器C2，

-第一二极管D1，其阳极和阴极分别连接至相关联的级11的极N和第一电容器C1的第二端，

-第二二极管D2，其阳极和阴极分别连接至相关联的级11的极N和第二电容器C2的第二端，

-第三二极管D3，通过其阴极连接至电感器L的第一端La，通过其阳极连接至第一二极管D1的阴极，

-第四二极管D4，通过其阴极连接至电感器L的第一端La，通过其阳极连接至第二二极管D2的阴极，

-第五二极管D5，通过其阴极连接至电感器L的第一端La，通过其阳极连接至相关联的级11的负极N，

-开关SW，例如，MOSFET晶体管，一方面连接至第二二极管D2的阳极，另一方面连接至相关联的级的负极N。

用于控制电压发生器125的装置也允许开关SW能够断开和接通。

当然，可以想象用于充电装置123的其他类型。

此外，以与第一实施方案类似的方式，也可以提供用于保护以防短路的装置121。

如图9所示，为此，保护装置115可以包括：

-保险丝117，其布置在第一变换器的输入端，例如，在第一变换器107的正（+）端子上，以及

-开关119，其在第一变换器107的输出端，例如，在第一变换器107的正（+）端子上。

保险丝117和开关119类似于之前所描述的保险丝17和开关19，并且可以类似地放置在+极或-极上。

保险丝117也可以放置在第二变换器121的输出端，在模块113的每个级111的平衡线路上。

术语“输入端”和“输出端”关于电流的流动方向在此被定义。根据所描述的实例，第二变换器121的输入端因此位于低电压12V供电系统侧，第二变换器121的输出端位于模块13的级111侧。

根据开关119的一个替选方案，可以在第一变换器107的输出端、在变换器7的正（+）端子上或者在变换器7的负（-）端子上设置二极管119'（图10）。

根据图11所示的另一变体，保护装置115可以包括以下部件作为开关119的替选：

-在第一变换器107的输出端的第一单向开关127，以及

-在第二变换器121的输入端的第二单向开关129。

这两个开关因此在低电压12V供电系统侧。

例如，第一开关127布置在第一变换器的107的输出端的正（+）端子上。

例如，第二开关129布置在第二变换器的121的输入端的负（-）端子上。

这些开关127、129可以是P型或N型MOS晶体管。

因此，即使在第一变换器107或第二变换器121中任一个发生故障的情况下，仍然能够确保充电平衡系统105的正确操作。

充电平衡系统的操作

第一变换器107的用于在模块113之间进行充电平衡的操作类似于第一实施方案中所述的当从模块113取得能量（箭头所示的电流流动的方向F1）以便例如在动力电池101的充电阶段将其向级111或朝着被较少充电的模块113重新分配时，或者例如在动力电池101的放电阶段用于向低电压供电系统供电时变换器7的操作。

另一方面，第二变换器121的操作基本上类似于第一实施方案中所述的变换器7的用于向级111分配能量（电流流动的第二方向F2）的操作，能量从模块113取得。

换言之，用于变换器107、121的控制单元因此配置成用于：

-控制经由第一变换器107沿第一方向F1从动力电池101至低电压供电系统的能量传递，以及

-控制经由第二变换器121沿第二方向F2从低电压供电系统至动力电池101的能量传递。

更准确地说，以类似于第一实施方案的方式，为了模块113的级111之间的充电平衡，从模块113取得能量（沿电流流动的第一方向F1），接着向被最少充电的级111重新分配该能量（沿电流流动的第二方向F2）。

如之前所述，基于电压信息，控制单元可以例如通过与模块113内的平均充电电平相比较来确定级111是否需要充电，并且因此控制并联的第二变换器121的启用以对被确定为需要充电的级111充电。

此外，至于模块113之间的充电平衡，如之前所述，基于电压信息，控制单元14可以确定可以从哪个模块113提取能量以及将能量重新注入到哪个模块113。

因此，利用该电压信息，该控制单元可以确定模块113是否需要放电，并且因此可以控制并联的第一变换器107的启用以通过沿第一方向F1向低电压供电系统传递能量来使模块113平衡。

控制单元可以配置成用于确定待充电的至少第二模块113，以及用于控制与第二模块113相关联的至少第二变换器121来沿着第二方向F2传递能量，以便经由所述第二变换器121将传递至第一变换器107的模块113的能量传递至第二模块113。

更准确地说，描述了当控制装置114'控制向级111的能量传递时充电装置123的操作，与相应的级111并联的充电装置123的开关SW通过控制装置114'来闭合。

向充电装置123供电的电压发生器125也通过控制装置来激活。

当充电装置123接通并且电压发生器125已经处于工作状态时，可以控制开关SW的闭合速度以避免向级111供应过高的电流。

理想的是这些开关在它们处于断开状态时并且因此在该状态下不允许任何电流通过。

在给定的导通时间期间，在电压发生器125的端子之间施加正电压。能量存储在电感器L中，通过电感器L的电流与跨越其端子施加的电压、近似等于变压器T的次级上的电压减去充电状态下的级111的电压成比例地增加。

电流仅流经与激活的充电装置123并联的待充电的级111。与该待充电的级111串联的级111不充电，只要与这些级111并联的充电装置123的开关SW保持断开状态。

通过处于工作状态的充电装置123的电容器C1和C2的电流等于通过电感器L的电流。电容器C1和C2的值足够高以便发送为了跨越电感器L的端子施加实际上恒定的电压所需的电流。

在该导通时间的期间，充电装置123的第二二极管D2导通，第一二极管D1未导通。第四二极管D4也未导通。

因此，电流存储在电感器L中，直到其达到峰值，该峰值近似等于当电压发生器供能时跨越电感器L的端子施加的电压乘以导通时间的值再除以电感器L的值。该公式认为电感器中的电流在充电装置123的每个操作周期之前为零。

于是，电压发生器125跨越充电装置123的端子施加零电压或者不施加任何电压，该充电装置123设置为跨越待充电的级111的端子进行工作。

当电压发生器125在变压器T的输入端施加零电压或者不施加任何电压时，利用第五二极管D5来确保通过电感器L的电流的连续性。

通过电感器L的电流与跨越其端子施加的电压成比例地减小。电压为零的时间段设计为足够长以消除电感器中的电流，即使在跨越级的端子的电压最小的情况下，该电压对应于充电结束时的电压。例如，电压发生器125在变压器T的输入端在比与充电结束时的最小电压相对应的最短时间长的固定时间段内施加零电压或者不施加任何电压。

来自电压发生器125的输出电压的极性之后可以反转：在电压发生器125的端子v₊与v_-之间施加负电压。

电流仅流经处于充电状态的级111。

通过处于工作状态的充电装置的电容器C1和C2的电流等于通过电感器L的电流。

在这个阶段，第一二极管D1导通，第二二极管D2未导通。第三二极管D3也未导通。

如之前的情况，能量存储在电感器L中。通过电感器L的电流与跨越其端子施加的电压成比例地增加，直到其达到峰值。

该峰值近似等于当电压发生器125供能时跨越电感器L的端子施加的电压乘以导通时间的值再除以电感器L的值。如之前的情况，该公式认为电感器中的电流在充电装置123的每个操作周期之前为零。

此时，电压发生器125跨越级111的充电装置123的端子不施加任何电压。

通过电感器L的电流与跨越其端子施加的电压成比例地减小。电压为零的时间设计为足够长以消除电感器中的电流，即使在跨越级的端子的电压最小的情况下，该电压对应于充电结束时的电压。例如，电压发生器125在变压器T的输入端在比与充电结束时的最小电压相对应的最短时间长的固定时间段内施加零电压或者不施加任何电压。

因此，可以理解，利用双向变换器7的组或者单向变换器107的组，实现了模块13、113之间的有效且快速的充电平衡，同时，实现了向低电压12V系统供电的第二功能。

借助于多个变换器7、107的冗余，保证了向低电压系统供电，尤其向机动车的某些重要的功能供电，此外，可以省略辅助电池3、103。确保了车辆的辅助设备的供电的可用性和安全性的良好水平。

此外，双向变换器7的组或单向变换器121的组还可以执行用于蓄电池级11的充电平衡的第三功能。

最后，单向变换器107和121的组使得能够传递不同的电力的数量级，并且可以同时使用。

为此，第一单向变换器107和第二单向变换器121相对于双向变换器7而言是优选的。

Claims

1.一种用于动力电池（101）的充电平衡系统，该动力电池（101）包括串联连接的预定数量的模块（113），模块（113）包括至少两个蓄电池级（111），蓄电池级（111）包括至少一个蓄电池（109），所述系统的特征在于包括：

-多个隔离的变换器（107、121），其配置成一方面与预定数量的相关联的蓄电池级（111）并联连接，另一方面与用于向机动车的电气辅助设备（A1、A2、A3、An）供电的低电压电力系统并联连接，在所述多个隔离的变换器（107、121）中，存在：

·多个第一单向变换器（107），其一方面跨越模块（113）的端子连接，另一方面与所述低电压供电系统连接，以及

·多个第二单向变换器（121），其一方面与所述低电压供电系统连接，另一方面跨越所述模块（113）的所述蓄电池级（111）的端子连接，以及

-用于所述变换器（107、121）的控制单元（14），其配置成用于：

·控制至少第一变换器（107）以使所述预定数量的模块（113）以相似的充电或放电电平相关联，以及控制经由所述第一变换器（107）从所述动力电池（101）至所述低电压供电系统的能量传递，以及

·控制至少第二变换器（121）以使模块（113）的所述相关联的蓄电池级（111）达到相似的充电或放电电平。

2.根据权利要求1所述的充电平衡系统，其特征在于，用于所述变换器（107、121）的所述控制单元（14）配置成用于：

-控制经由所述第一变换器（107）沿第一方向（F1）从所述动力电池（101）至所述低电压供电系统的能量传递，以及

-控制经由至少所述第二变换器（121）沿第二方向（F2）从所述低电压供电系统至所述动力电池（101）的能量传递。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的充电平衡系统，其特征在于，所述充电平衡系统配置成用于经由所述第一变换器（107）和所述第二变换器（121）从模块（113）至所述模块（113）的所述至少一个级传递能量。

4.根据结合权利要求2的权利要求3所述的充电平衡系统，其特征在于，所述控制单元配置成用于：

-控制至少第一变换器（107）来沿所述第一方向（F1）传递来自模块（113）的能量，

-确定所述模块（113）的待充电的至少一个级（111），以及

-控制与所述待充电的级（111）并联的所述第二变换器（121）来沿所述第二方向（F2）传递能量，以便经由所述第二变换器（121）将传递至所述第一变换器（107）的所述模块（113）的能量传递至所述模块（113）的所述待充电的级（111）。

5.根据权利要求1和2中任一项所述的充电平衡系统，其特征在于，所述充电平衡系统配置成用于经由所述第一变换器（107）和所述第二变换器（121）从第一模块（113）至第二模块（113）传递能量。

6.根据结合权利要求2的权利要求5所述充电平衡系统，其特征在于，所述控制单元配置成用于：

-控制第一变换器（107）将来自第一模块（113）的能量沿所述第一方向（F1）传递至所述第一变换器（107），

-确定待充电的至少第二模块（113），以及

-控制与所述第二模块（113）相关联的至少第二变换器来沿所述第二方向（F2）传递能量，以便经由所述第二变换器（121）将传递至所述第一变换器（107）的所述模块（113）的能量传递至所述第二模块（113）。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的充电平衡系统，其特征在于，第二变换器（121）包括多个充电装置（123），所述多个充电装置（123）配置成并联并且分别与蓄电池级（111）相关联，以便对所述相关联的蓄电池级（111）充电。

8.根据上述权利要求中任一项所述的充电平衡系统，其特征在于，所述充电平衡系统包括保护装置（15、115）以防短路，所述保护装置（15、115）包括在所述变换器（107、121）与所述动力电池（1、101）之间的多个保险丝（17、117）。

9.根据结合权利要求7的权利要求8所述的充电平衡系统，其特征在于，所述充电平衡系统包括在所述动力电池（101）侧、在所述充电装置（123）的输出端的多个保险丝（117）。

10.根据权利要求8和9中任一项所述的充电平衡系统，其特征在于，所述充电平衡系统包括在所述低电压供电系统侧分别与所述变换器（107）串联连接的多个二极管（119'）。

11.根据权利要求8和9中任一项所述的充电平衡系统，其特征在于，所述充电平衡系统包括在所述低电压供电系统侧分别与所述变换器（107）串联连接的多个双向开关（19、119）。

12.根据权利要求11所述的充电平衡系统，其特征在于，所述双向开关（19、119）分别包括相对配置的两个晶体管。

13.根据权利要求8和9中任一项所述的充电平衡系统，其特征在于，所述充电平衡系统包括：

-多个第一单向开关（127），其在所述第一变换器（107）的输出端分别与所述第一变换器（107）串联连接，以及

-多个第二单向开关（129），其在所述第二变换器（121）的输入端分别与所述第二变换器（121）串联连接。