CN103597701A - 用于平衡蓄电池组电池的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于平衡电动汽车的一个蓄电池组（1）的多个电池（2a，2b，2c）的装置，该装置（3）包括与一个初级开关（5）串联安排的一个初级绕组（4）；和每个电池一个电路，该电路包括处于串联的与该初级绕组一起形成一个变压器的一个次级绕组（6b，6c）、一个次级开关（7b，7c）、一个线圈（8b，8c）、以及与该线圈和该电池并联安装的一个二极管（9b，9c）；以及用于控制该初级开关和每个次级开关的控制器件（10）。

Description

用于平衡蓄电池组电池的装置及方法
技术领域
本发明涉及电力或混合动力牵引汽车车辆，并且更确切地说涉及这些车辆的蓄电池组。
背景技术
电力或混合动力牵引汽车车辆的蓄电池组通常包括串联布置的多个电池。当一个蓄电池组对一个电动机提供动力时，或当对这个蓄电池组进行充电时，每个电池的端子处的电压被修改。对每个电池的端子处的电压的这种修改可以变化，从而导致这些电池之间出现电压不平衡。这些电压不平衡对应于这些电池之间的充电状态（SOC）的不平衡。因此，一些电池可能先于其他电池被完全充电或完全放电，并具有与劣化的危险。一旦至少一个电池被完全充电，该蓄电池组的充电就被停止；一旦至少一个电池被完全放电，该蓄电池组就是放电了的；因此这些不平衡限制了蓄电池组的使用。
因此，必要的是平衡蓄电池组的每个电池的端子处的电压或该蓄电池组的每个电池的充电状态。为此，已提议使得过度充电的电池对多个电阻放电。通过这样的方法所得到的平衡是在与对一个电动车辆蓄电池组进行充电所花费的时间相比的太长时间之后得到的，并且这种方法具有产生能量损耗的缺点。
还提议通过将来自过度充电的电池的能量转移到最少充电的电池来实现一个蓄电池组的电池的主动平衡。
可以参考美国专利申请US 2008/0272735，该申请描述了反激拓扑开关模式供电电路的使用，其中利用具有多个次级绕组的一个变压器来平衡这些电池的端子处的电压。这个解决方案具有的缺点是费用高和发射电磁干扰，并且所产生来对这些电池进行充电和放电的多种电流可能损害这些电池。
还可以参考申请WO 2004/049540，该申请描述了一个单一直流-直流（DC-DC）变换器和一个用于电池选择的半导体开关矩阵的使用。这个开关矩阵具有费用高的缺点。
最后，在美国专利申请US 2005/00 17682中已提议了为每个电池使用一个直流-直流变换器。这种为每个电池使用一个变换器具有费用高的缺点。
发明内容
本发明的一个目的是通过平衡这些电池的端子处的电压、或通过平衡它们各自的充电状态来改进一个蓄电池组的电池的平衡，并且特别是来降低其费用。
根据一个方面，在此提议了一种用于平衡一个电力牵引汽车车辆的蓄电池组的多个电池的装置，该装置包括与一个初级开关串联布置的一个初级绕组；和每个电池一个电路，该电路包括处于串联的与该初级绕组一起形成一个变压器的一个次级绕组、一个次级开关、一个线圈、以及与该线圈和该电池并联安装的一个二极管；以及该初级开关和每个次级开关的控制器件。
以这种方式得到了一种装置，该装置利用了用于多个次级绕组的一个单一初级绕组，能够平衡一个蓄电池组的电池的端子处的电压、或这些电池的充电状态。一个具有多个次级绕组的单一变压器的使用还使得降低该装置的费用成为可能。
应注意的是，该装置使得平衡一个电力牵引汽车车辆的蓄电池组的电池的充电状态成为可能。
控制器件被有利地适配成产生旨在用于该初级开关以及用于这些次级开关的多种脉冲宽度调制信号。
该装置可以包括一个滤波器电路，该滤波器电路包括一个电容器、一个线圈、以及一个二极管，该滤波器电路旨在串联布置在该蓄电池组与该初级绕组之间。
这个滤波器电路使得对耦合到由开关控制器件所产生的信号、特别是这些脉冲宽度调制信号中的谐波进行过滤成为可能。
该初级开关和这些次级开关有利地是MOSFET。
可替代地，这些次级开关包括处于反并联的两个MOSFET。
因此，该装置仅使用小数量的MOSFET，这使得降低该装置的费用成为可能。
根据另一个方面，在此提议了一种用于借助于一种装置来平衡一个电力牵引汽车车辆的蓄电池组的电池的方法，该装置包括与一个初级开关串联布置的一个初级绕组；和每个电池一个电路，该电路包括处于串联的与该初级绕组一起形成一个变压器的一个次级绕组、一个次级开关、一个线圈以及与该线圈和该电池并联安装的一个二极管，所述方法包括旨在用于该初级开关或用于至少一个次级开关的一种脉冲宽度调制信号的产生。
这个方法还使得平衡一个电力牵引汽车车辆的蓄电池组的电池的端子处的电压或其蓄电池组的电池的充电状态成为可能。
有利地，产生了旨在用于该初级开关的一种脉冲宽度调制信号并且闭合了有待充电的至少一个电池的次级开关。
可替代地，产生了旨在用于有待放电的至少一个电池的次级开关的一种脉冲宽度调制信号。
附图说明
根据以下通过非限制性实例的方式给出并通过附图加以说明的描述，本发明的其他优点和特征将变得明显，在附图中：
-图1示出了根据本发明的一个实施例的一种装置，
-图2示出了根据本发明的一个第二实施例的一种装置，其中这些开关是MOSFET，并且
-图3示出了根据本发明的一个第三实施例的一种装置，其中这些次级开关包括两个MOSFET。
具体实施方式
在图1中描绘了电力或混合动力牵引汽车车辆的一个蓄电池组1。
蓄电池组1常规上包括串联联接的多个电池2a、2b、2c，在此数量为三个。当然，蓄电池组1可以包括更多数量的电池，为简明起见这在此未描绘出。
将用于平衡这些电池2a、2b、2c的端子处的电压的一种装置3连接到这些电池的端子上。还可以利用这个装置来平衡这些电池的充电状态，一个电池的充电状态特别取决于那个电池的电压。
平衡装置3包括与一个初级开关5串联布置的一个初级绕组4。对于蓄电池组1的每个电池，一个次级绕组与初级绕组4形成了一个变压器。特别描绘的是电池2b和电池2c的次级绕组6b和次级绕组6c；在此未描绘的电池2a和其他电池也包括这样的一个次级绕组、以及下面所描述的电路。
次级绕组6b和次级绕组6c被布置在一个电路中，该电路还包括与这些次级绕组处于串联的次级开关7b和次级开关7c、线圈8b和线圈8c、以及最后的电池2b和电池2c。二极管9b和二极管9c被分别与线圈8b和电池2b、以及与线圈8c和电池2c并联安装。
因此，对于每个电池得到了一个拓扑，该拓扑通常称为正激拓扑，除了使用每个电池共用的一个初级绕组的拓扑之外。
初级开关5和这些次级开关由控制器件10进行控制。控制器件10能够产生旨在闭合一个开关的脉冲宽度调制信号或直流信号。
此外，包括并联的一个电容器12、一个线圈13、以及一个二极管14的一个滤波器电路11被串联布置在蓄电池组1的第一电池2a与初级绕组4之间。因此，当产生用于控制这些开关的多种脉冲宽度调制信号时，（例如）由控制器件10所产生的谐波被滤波器电路11所过滤。
平衡装置3还可以包括用于测量蓄电池组1的这些电池的端子处的电压的器件。这些测量器件被例如联接到控制器件10上，并使得有可能确定这些电池是否为过度充电的或放电的。
例如，对电池2b的充电包括由控制器件10产生旨在用于初级开关5的一种脉冲宽度调制信号。在这个步骤期间，控制器件10使次级开关7b闭合。当该脉冲宽度调制信号使得初级开关5闭合时，电流穿过次级开关7b通到次级绕组6b。因此线圈8b被充电。当该脉冲宽度调制信号断开初级开关5时，储存在线圈8b中的能量被转移到电池2b上，电流流过二极管9b。二极管9b是一种通常称作的飞轮（free-wheel）二极管。
当电池2b的端子处的电压太低时，即当这个电池的电量状态太低时、并且尤其当其他电池是过度充电的并且可以对这个电池提供电力时，实现了电池2b的充电。
例如，如果电池2c是过度充电的，那么对电池2b的充电就伴随着对电池2c的放电。在这个放电过程中，控制器件10产生一种被馈送到次级开关7c的脉冲宽度调制信号并使得初级开关5闭合。当该脉冲宽度调制信号使得次级开关7c闭合时，储存在线圈8c中的能量被转移到由次级绕组6c和初级绕组4组成的变压器上。
以这种方式获得了有效平衡，这种有效平衡的效率取决于每个电路的这些绕组并且取决于这种脉冲宽度调制。
此外，一种正激拓扑的使用使得蓄电池组1的这些电池的端子处的电压获得快速平衡成为可能。
在图2中描绘了本发明的一个第二实施例，其中初级开关4被更换为一个MOSFET 15。这些次级开关已被更换为多个MOSFET，例如，一个MOSFET 16b更换开关7b。
在图3中描绘了本发明的一个第三实施例，其中MOSFET 16b已被替换为两个MOSFET 17b和18b。这两个MOSFET 17b和18b是以反并联连接。
在这个实施例中，借助于一个脉冲宽度调制信号控制两者之一的晶体管使得电流能够在一个方向或另一个方向上通过，即，对该电池进行充电或放电。这个实施例还使得与其他电池的电压水平无关地选择有待充电的电池成为可能，并且改进了这些蓄电池组的端子处的电压的平衡。
归功于本发明，快速地并以低费用获得了一个蓄电池组的电池的端子处的电压的主动平衡。
最后应注意的是，各种复位模式是与本发明兼容的，特别是通过共振、通过一个附加绕组、或通过一种主动箝位。

Claims (8)

1.一种用于平衡电力牵引汽车车辆的一个蓄电池组（1）的多个电池（2a，2b，2c）的装置（3），该装置包括与一个初级开关（5）串联布置的一个初级绕组（4）；和每个电池一个电路，该电路包括处于串联的与该初级绕组一起形成一个变压器的一个次级绕组（6b，6c）、一个次级开关（7b，7c）、一个线圈（8b，8c）、以及与该线圈和该电池并联安装的一个二极管（9b，9c）；以及该初级开关和每个次级开关的控制器件（10）。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于该控制器件（10）被适配成产生旨在用于该初级开关（5）以及用于这些次级开关（7b，7c）的多种脉冲宽度调制信号。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于它包括一个滤波器电路（11），该滤波器电路包括一个电容器（12）、一个线圈（13）、以及一个二极管（14），该滤波器电路旨在被串联布置在该蓄电池组（1）与该初级绕组（4）之间。
4.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于该初级开关（15）和这些次级开关（16b）是MOSFET。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于这些次级开关包括处于反并联的两个MOSFET（17b，18b）。
6.用于借助于一个装置（3）来平衡一种电力牵引汽车车辆的一个蓄电池组（1）的多个电池（2a，2b，2c）的一种方法，该装置包括与一个初级开关（5）串联布置的一个初级绕组（4）；和每个电池一个电路，该电路包括处于串联的与该初级绕组一起形成一个变压器的一个次级绕组（6b，6c）、一个次级开关（7b，7c）、一个线圈（8b，8c）、以及与该线圈和该电池并联安装的一个二极管（9b，9c），所述方法包括旨在用于该初级开关或用于至少一个次级开关的一种脉冲宽度调制信号的产生。
7.如权利要求6所述的方法，其中产生了旨在用于该初级开关（5）的一种脉冲宽度调制信号，并且闭合了有待充电的至少一个电池的该次级开关（7b，7c）。
8.如权利要求6或7所述的方法，其中产生了旨在用于有待放电的至少一个电池的该次级开关（7b，7c）的一种脉冲宽度调制信号，并且闭合了该初级开关（5）。
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