CN103490461A - 电池并联平衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池并联平衡电路。一种用于调节经过电池组的充电电流和放电电流的方法。两个或更多个电池组与逆变器并联，使得逆变器能使用电网电力来给电池组充电或者电池组能通过逆变器来提供交流电。电流平衡电路装置被放置成与每个电池组串联并且用于调节经过电池组的电流使得电池组都不被过度充电或放电。电流平衡电路包括串联并且相反方向布置的两个场效晶体管（FET），其中一个FET控制充电电流，而另一个FET控制放电电流。平衡电路还包括电流传感器，并且使用比例-积分控制来向FET提供信号使得流过电路的实际电流被调节为目标电流值。

Description

电池并联平衡电路

技术领域

本发明大体而言涉及电流调节电路，更特定而言涉及用于在具有变化的健康状态或荷电状态的两个或多个并联电池组之间调节充电电流和放电电流的方法和设备，其中该设备不包括机械开关或继电器并且使用场效应管、电流传感器和控制级来实现经过并联电池组中每一个的所希望的电流。

背景技术

电动车辆和汽油或柴油电动混合车辆在目前的汽车市场上变得越来越流行。电动和混合车辆提供若干所希望的特征,例如减少的排放/减少的基于石油的燃料的使用以及可能更低的运行成本。电动和混合车辆的关键部件是电池组。在这些车辆中的电池组通常包括多个互连的电池单体，其能根据推进车辆的需求来递送大量电力。

由于多种原因，包括车辆寿命终结时，电池组或电池组部段可从车辆内服务移除。这些电池组或电池组部段可相对于它们投入车辆内服务时的容量（健康状态）具有减小的能量容量。然而，即使是略微欠佳的健康状态，电动车辆电池组仍可存储大量能量，并且可用于除了给车辆供电之外的其它应用中。提出了这样的电池组的多种不同的车辆寿命后用途，包括在社区储能（CES）系统中使用电池组。

CES系统对于小社区，例如住宅分区或商业或工业中心存储能量。CES系统通常用于增加从公用电网可获取的电力，存储从例如太阳能和风能等源在本地生成的能量以及在从公用电网断电的情况下提供备用能源。自电动车辆的车辆寿命后电池组可用于CES系统中，但由于电池组的部段的健康状态的差异使得并联的多个电池组连接较为复杂。这种差异是有问题的，因为如果电池组具有不同的容量，在车辆后使用的情形下它们可能会具有不同容量，并联的多个电池组将以不同的速率充电和放电。如果不调节电流，在电池组之间的充电与放电速率之间的差别可能会造成某些电池组或电池单体过度充电或放电，导致损坏。

各种电流调节装置为本领域中已知的，从简单的电阻平衡器到在授予Fisher等人的美国专利No. 4,290,007中所公开的带晶体管的电路。虽然Fisher等人的装置克服了电阻平衡器和早期晶体管电路的某些缺点，但通过晶体管的电流流动预期是单向的。需要使用DPDT开关来适当地连接在电池与电源/荷载之间的晶体管以保持晶体管在使用期间正向偏压，以使得晶体管可控制的电流量最大。如果晶体管反向偏压，在很大程度上限制了其能控制的电流量。需要一种无缝地调节经过多电池组并联系统中的每个电池组的充电电流和放电电流的方法和装置。

发明内容

根据本发明的教导内容，本发明公开了一种用于调节经过电池组的充电电流和放电电流的方法。可具有不同能量存储能力的两个或更多个电池组与逆变器并联，使得逆变器能使用电网电力来给电池组充电或者电池组能通过逆变器来提供交流电。电流平衡电路装置被放置成与每个电池组串联并且用于调节经过电池组的电流使得电池组都不被过度充电或放电。电流平衡电路包括串联且反方向布置的两个场效晶体管（FET），使得一个FET控制充电电流并且另一个FET控制放电电流。平衡电路还包括电流传感器，并且使用比例-积分控制来向FET的栅极提供信号使得流过电路的实际电流被调节为目标电流值，其中为每个电池组确定目标电流值以便在多个电池组之中提供平衡的充电和放电。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1. 一种用于调节到或自附连的电池组的电流的电池并联平衡装置，所述装置包括：

充电场效晶体管（FET）和放电FET，它们串联连接并且沿相反方向定向；

电流传感器，其与所述FET串联，用于测量经过所述FET的实际电流；以及

控制级，用于调整所述充电FET的电阻和所述放电FET的电阻，其中当所述电池组充电时，所述充电FET调节所述实际电流为充电目标电流值并且当所述电池组放电时所述放电FET调节所述实际电流为放电目标电流值。

技术方案2. 根据技术方案1所述的装置，其中，所述控制级包括用于所述充电FET的比例-积分控制回路和用于所述放电FET的第二比例-积分控制回路。

技术方案3. 根据技术方案2所述的装置，其中，所述控制回路中的每一个基于在所述目标电流值与所述实际电流值之间的误差来计算控制信号并且向其所控制的所述FET的栅极端子提供控制信号。

技术方案4. 根据技术方案3所述的装置，其中，由所述第二控制回路使用的所述实际电流值为由所述第一控制回路使用的所述实际电流的负值。

技术方案5. 根据技术方案3所述的装置，其中，所述充电FET对放电电流提供最小限制，并且所述放电FET对充电电流提供最小限制。

技术方案6. 根据技术方案1所述的装置，其中，由监管电池控制器提供所述充电目标电流值和所述放电目标电流值，所述监管电池控制器监视多个电池组中的条件。

技术方案7. 根据技术方案6所述的装置，其中，所述电池并联平衡装置、所述监管电池控制器、所述多个电池组和逆变器整合于自动化能量存储系统中。

技术方案8. 根据技术方案1所述的装置，其还包括：脉冲宽度调制（PWM）转换模块，用于将充电PWM占空比信号转换为充电目标电流值并且将放电PWM占空比信号转换为所述放电目标电流值。

技术方案9. 根据技术方案8所述的装置，其中，10%或更小的占空比被转换为零的目标电流值，和90%或更大的占空比被转换为不受限制的目标电流值。

技术方案10. 根据技术方案8所述的装置，还包括：电压隔离模块，其使用光学隔离来电隔离所述占空比信号。

技术方案11. 一种能量存储系统，包括：

并联的两个或更多个电池组；

逆变器，使用交流（AC）电作为输入来给所述电池组充电，或者使用来自所述电池组的能量来向消费者提供交流电输出；

监管电池控制器，用于监测所述电池组中的条件并且确定所述电池组中每一个的充电和放电目标电流值；以及

电池并联平衡装置，与所述电池组中的每一个串联并且与所述监管电池控制器通信，其中所述电池并联平衡装置在所述逆变器向所述电池组充电的情况下调节实际充电电流到所述充电目标电流值并且在所述逆变器使所述电池组放电的情况下将实际放电电流调节为所述放电目标值。

技术方案12. 根据技术方案11所述的系统，其中，所述两个或更多个电池组具有不同的健康状态，不同的存储能力或者不同的化学性质。

技术方案13. 根据技术方案11所述的系统，其中，所述电池并联平衡装置包括串联布置的充电场效晶体管（FET）、放电FET以及电流传感器，并且还包括控制级，用于调整所述充电FET的电阻以控制充电电流或者所述放电FET的电阻以控制放电电流。

技术方案14. 根据技术方案13所述的系统，其中所述控制级使用比例-积分控制。

技术方案15. 一种用于调节经过电池组的充电电流和放电电流的方法，所述方法包括：

提供充电和放电目标电流值；

使用电流传感器来测量通过电流调节装置的实际电流值；

基于所述充电目标电流值和所述实际电流值来计算充电控制信号；

使用所述充电控制信号由在所述电流调节装置中的充电场效晶体管（FET）来调节所述充电电流；

基于所述充电目标电流值和所述实际电流值来计算放电控制信号；以及

使用所述放电控制信号由在所述电流调节装置中的放电FET来调节所述放电电流。

技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其中，所述充电FET对所述放电电流提供最小限制，并且所述放电FET对充电电流提供最小限制。

技术方案17. 根据技术方案15所述的方法，其中，所述充电电流值和所述放电电流值在用于计算所述控制信号之前从脉冲宽度调制（PWM）占空比百分比被转换为安培数值。

技术方案18. 根据技术方案15所述的方法，其中，计算充电控制信号和放电控制信号包括使用比例-积分控制回路。

技术方案19. 根据技术方案15所述的方法，其中，所述电池组中的两个或更多个用于能量存储系统中，并且针对所述电池组中的每一个个别地调节充电电流和放电电流。

技术方案20. 根据技术方案19所述的方法，其中所述两个或更多个电池组具有不同的健康状态，不同的存储能力或者不同的化学性质。

结合附图理解，通过下文的描述和所附权利要求，本发明的额外特点将会变得显然。

附图说明

图1是系统的框图，其中并联平衡电路用于调节经过连接到逆变器的多个电池组中每一个的充电电流和放电电流的流动；

图2是在图1中示出的并联平衡电路的框图；以及

图3是使用数字控制器来调节经过电池组的充电电流和放电电流的方法的流程图。

具体实施方式

下文针对于电池并联平衡电路的本发明实施例的讨论在性质上只是示例性的，并且绝不以任何方式限制本发明或其应用或用途。

电动车辆和发动机/电动混合车辆（在下文中被简单地称作电动车辆）变得越来越流行并且由于各种使能技术的改进而变得可行。所有这样的车辆共有的一个因素在于对于用于能量存储的高容量电池组的需要。最终，在电动车辆中电池组必须被替换，因此车辆行驶范围能维持在可接受的水平。车辆寿命后电池组可能不再适用于电动车辆中，但仍保持显著的能量存储能力。为了在例如社区储能等车辆后应用中有效地使用这样的电池组，能管理包含一定健康状态范围的多个电池组的电池系统中的充电电流和放电电流将是有益的。

图1是系统10的框图，其中并联平衡电路用于调节经过多个电池组中每一个的充电电流和放电电流的流动。逆变器12经由交流（AC）线路14和16连接到公用电网或等效物。在直流（DC）侧，逆变器12连接到负总线18和正总线20。在总线18与20之间，两个或多个电池组22并联布置，使得逆变器能使用整流成DC的电网电力来给电池组22充电，或者电池组22能给逆变器提供电力，逆变器12能将电力逆变成AC并且将AC电力提供给电力网或其它消费者。电池组22经由接触器24和26连接到总线18和20。

如先前讨论的，在这种用户电力或CES系统中使用的电池组22可能在电动车辆中已经服务了数年。因此，电池组22中的每一个可具有不同的健康状态(反映为不同的能量储存能力)和不同的充电和放电速率。电池组22可甚至具有不同的化学性质并且因此具有不同的充电或放电特性。如果电池组22直接连接到总线18和22，其中电池组22中的每一个经受相同的电压电位，则不同的电池组特性将导致某些电池组22充电或放电快于其它电池组。因此，需要在系统10中进行电流调节以便防止电池组22中任一个过度充电或放电。

如图1所示，电池组22中的每一个可伴有并联平衡电路28，其中并联平衡电路28这样命名并不是因为其将电池组28中的每一个的电流平衡为相同的值，而是因为其基于电池组22中的每一个的健康状态来平衡电流到适当值。即，如果某些电池组22能提供比其它电池组更高的放电电流，并联平衡电路28用来相应地调节电流。监管电池控制器30与电池组22和并联平衡电流28连通，监测电池组22中每一个的条件且将适当充电或放电目标电流命令提供到每一个并联平衡电路28，如将在下文详细的讨论。

图2是并联平衡电路28的框图和局部示意图。并联平衡电路28分别地经由线路32和34连接到接触器26和电池组22。在线路36和38上，并联平衡电路28也从监管电池控制器30接收目标电流命令。

并联平衡电路28包括电源模块40，其包括两个场效应管（FET）42和44以及电流传感器46。FET 42和44被串联放置且彼此相反方向定向，使得一个能控制充电电流而另一个能控制放电电流。根据下文所讨论的，并联平衡电路28还包括控制电路以经由FET 42和44调节电流。

电流传感器46在线路48上提供信号，指示流经电源模块40（即，流经FET 42和44）的实际电流和电流方向。在线路48上的电流信号由电流信号调节模块50接收，其过滤和调整电流信号，并且在线路52上提供已调节的电流信号。电流信号调节模块50也在线路54上作为输出提供已调节的电流信号，其为在线路52上的已调节电流信号的负值（negative）。在线路52和54上这两个已调节的电流信号（量值相同但符号相反），用于控制FET 42和44的控制回路。

在线路36上的目标电流命令表示充电模式的目标电流值（电流从正总线通过并联平衡电路28流入到电池组22），而在线路38上的目标电流命令表示放电模式的目标电流值。由于电池能以比它们充电速率更高的速率放电的事实，充电目标电流将通常不同于目标放电电流。在线路36和38上的目标电流命令呈脉冲宽度调制（PWM）占空比的形式，其中低占空百分比指示较低电流或无电流的命令，而高占空百分比指示较高电流的命令。在线路36和38上PWM电流命令由电压隔离模块60接收，电压隔离模块60分别地在线路62和64上提供充电和放电的PWM电流命令输出。电压隔离模块60并不修改PWM电流命令信号，其仅仅提供线路36和38与线路62和64电隔离。电压隔离技术是本领域已知的，包括广泛使用的光学隔离技术。

也可能仅单个PWM电流命令信号提供到并联平衡电路28，其中单个PWM电流命令信号表示并联平衡电路28当前操作模式（无论是正在充电还是正在放电）的目标电流值。为了清楚和普遍起见，这里示出和讨论了在线路36和38上的两个PWM电流命令信号。

在线路62和64上的PWM电流命令信号由PWM转换模块70接收。PWM转换模块70将PWM电流命令信号从占空百分比转换成以安培为单位的目标电流值。在一实施例中，PWM转换模块70可配置为如下：在线路62或64上10%或更低的占空比导致目标电流值为零（FET断开）；在线路62或64上90%或更高的占空比导致最大可用电流（无调节——FET完全接通）；并且在10%与90%之间的占空比导致在大约100毫安（mA）与大约12安培（A）之间的目标电流。监管电池控制器30可被设计使得并联平衡电路28尽可能地向全接通操作或全断开状态偏置，因为在那些情况下，在FET 42和44两端存在最小损耗。

充电和放电的目标电流值在线路72和74上分别被设置为PWM转换模块70的输出。比例-积分（P-I）控制模块80接收自PWM转换模块70的目标电流值和自电流信号调节模块50的实际电流信号并且在线路82和84上提供信号来调整FET 42和44以便调节实际电流来匹配目标电流。其它控制策略可用于控制模块80，诸如比例-积分差分或简单比例。

P-I控制模块80包括充电P-I回路86和放电P-I回路88。充电P-I回路86在线路72上接收目标充电电流值和在线路52上接收实际电流值。基于目标充电电流值与实际电流值之间的差或“误差”，充电P-I回路86计算控制信号。在线路82上的控制信号导向到FET 42的栅极，因此控制FET 42以根据需要提供更多或更少的电阻来最小化误差。在充电情形下，充电P-I回路86比较目标充电电流值（例如，5安培）与实际电流值（例如，4.8安培）。如果实际电流值太低（或在积分中存在累积的负误差），那么充电P-I回路86增加在线路82上的电压信号，因此使得FET 42减少电阻并且允许增加的电流流动。在放电情形下，充电P-I回路86比较目标充电电流值（例如，5安培）与实际电流值（其在放电时将会为负值，例如，-4.8安培）。因为实际电流值远低于目标，充电P-I回路86增加在线路82上的电压信号到最大允许值，因此强制FET 42到最小电阻状态使得FET 42提供无限制的放电电流（FET 44可限制放电电流）。

放电P-I回路88在线路74上接收目标放电电流值和在线路54上接收实际电流值的负值。基于目标放电电流值与实际电流值的负值之间的差或“误差”，放电P-I回路88计算控制信号。在线路84上的控制信号导向到FET 44的栅极，因此控制FET 44以提供所需的更多或更少的电阻来减少误差。在放电情形下，放电P-I回路88比较目标放电电流值（例如，5安培）与实际电流值的负值（放电电流的负值为正数，例如，4.8安培）。如果实际电流值太低（或在积分中存在累积的负误差），那么放电P-I回路88增加在线路84上的电压信号，因此使得FET 44减少电阻并且允许增加的电流。在充电情形下，放电P-I回路88比较目标放电电流值（例如，5安培）与实际电流值的负值（例如，-4.8安培）。因为实际电流值远低于目标， 放电P-I回路88增加在线路84上的电压信号到最大允许值，因此强制FET 44到最小电阻状态使得FET 44提供无限制的充电电流（FET 42可限制充电电流）。

最后，在任一充电情形中，FET 42控制充电电流（从不限制到高度限制或阻塞的任何程度）并且FET 44表现出其最小电阻。或者，在任一放电情形下，FET 42表现出其最小电阻并且FET 44控制放电电流（从不限制到高度限制或阻塞的任何程度）。因此，并联平衡电路28提供控制充电电流和放电电流的能力，包括从充电控制到放电控制的无缝改变，而无需开关或继电器。

图3是使用数字控制器来调节经过电池组22之一的充电电流和放电电流的方法的流程图100。流程图100描述了由并联平衡电路28的模块40-80执行的步骤，以及信号进出所述模块的传递。

在框102，提供充电电流和放电电流的目标值。目标电流值可呈PWM占空比信号的形式。在框104，若需要，使用光学隔离技术，PWM占空比信号与它们的源电隔离。在框106，PWM占空比信号被转换成以安培为单位的目标电流值。预定义的逻辑能被用于将占空比百分比转换成电流值，其中电流值能在零到不受限制的范围，如先前所讨论的那样。

在框108，使用电流传感器46来测量实际电流值，在并联平衡电路28中该电流传感器46被布置与充电FET 42和放电FET 44串联。在框110，充电控制信号由充电控制电路确定。在放电情形中，充电控制信号被设置为高值，使得充电FET 42被命令到低电阻操作模式。在充电情形中，基于自框108的实际测量的电流值与自框106的目标充电电流值之间的误差来设置充电控制信号。在框112，充电控制信号被提供到充电FET 42的栅极端子，该FET 42相应地调整充电电流。

在框114，放电控制信号由放电控制电路确定。在充电情形中，放电控制信号被设置为高值，使得放电FET 44被命令到低电阻操作模式。在放电情形中，基于来自框108的实际测量的电流值的负值与来自框106的目标放电电流值之间的误差来设置放电控制信号。在框114，放电控制信号被提供到放电FET 44的栅极端子，该FET 44相应地调整放电电流。

使用其中电池组22中的每一个并联布置的并联平衡电路28，例如图1所示的能量储存系统，最小化电池组分类和容量匹配的需要。以此方式，不同能量存储容量的电池组能在一起使用，因此提供车辆后寿命电池组的生产使用。

前文的讨论公开和描述了本发明的仅示例性实施例。本领域技术人员将易于从这样的讨论和从附图和管理权利要求了到在不偏离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可对本发明做出各种变化、修改和变型。

Claims (10)

1.一种用于调节到或自附连的电池组的电流的电池并联平衡装置，所述装置包括：

充电场效晶体管（FET）和放电FET，它们串联连接并且沿相反方向定向；

电流传感器，其与所述FET串联，用于测量经过所述FET的实际电流；以及

控制级，用于调整所述充电FET的电阻和所述放电FET的电阻，其中当所述电池组充电时，所述充电FET调节所述实际电流为充电目标电流值并且当所述电池组放电时所述放电FET调节所述实际电流为放电目标电流值。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制级包括用于所述充电FET的比例-积分控制回路和用于所述放电FET的第二比例-积分控制回路。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述控制回路中的每一个基于在所述目标电流值与所述实际电流值之间的误差来计算控制信号并且向其所控制的所述FET的栅极端子提供控制信号。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，由所述第二控制回路使用的所述实际电流值为由所述第一控制回路使用的所述实际电流的负值。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述充电FET对放电电流提供最小限制，并且所述放电FET对充电电流提供最小限制。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，由监管电池控制器提供所述充电目标电流值和所述放电目标电流值，所述监管电池控制器监视多个电池组中的条件。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述电池并联平衡装置、所述监管电池控制器、所述多个电池组和逆变器整合于自动化能量存储系统中。

8.根据权利要求1所述的装置，其还包括：脉冲宽度调制（PWM）转换模块，用于将充电PWM占空比信号转换为充电目标电流值并且将放电PWM占空比信号转换为所述放电目标电流值。

9.一种能量存储系统，包括：

并联的两个或更多个电池组；

逆变器，使用交流（AC）电作为输入来给所述电池组充电，或者使用来自所述电池组的能量来向消费者提供交流电输出；

监管电池控制器，用于监测所述电池组中的条件并且确定所述电池组中每一个的充电和放电目标电流值；以及

电池并联平衡装置，与所述电池组中的每一个串联并且与所述监管电池控制器通信，其中所述电池并联平衡装置在所述逆变器向所述电池组充电的情况下调节实际充电电流到所述充电目标电流值并且在所述逆变器使所述电池组放电的情况下将实际放电电流调节为所述放电目标值。

10.一种用于调节经过电池组的充电电流和放电电流的方法，所述方法包括：

提供充电和放电目标电流值；

使用电流传感器来测量通过电流调节装置的实际电流值；

基于所述充电目标电流值和所述实际电流值来计算充电控制信号；

使用所述充电控制信号由在所述电流调节装置中的充电场效晶体管（FET）来调节所述充电电流；

基于所述充电目标电流值和所述实际电流值来计算放电控制信号；以及

使用所述放电控制信号由在所述电流调节装置中的放电FET来调节所述放电电流。

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