CN103765720A - 用于平衡蓄电电池组的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使蓄能电池组平衡的方法和装置。根据该方法，在此提供的是包括串联地连接在一起的多个蓄能器的一个电池组，以及用于对所述多个蓄能器充电的一个充电电流，所述多个蓄能器表现出一个最大充电状态，并且所述多个蓄能器在一个充电步骤中被充电以便使所述多个蓄能器的电量增加直至其最大充电状态。所述充电步骤包括按顺序以下子步骤：a)以所述充电值将所述充电电流送入所述多个串联的蓄能器直至所述电池组的所述多个蓄能器中的一个蓄能器达到所述最大充电状态；b)同时所述多个蓄能器中的所述一个蓄能器被联接到一个相对应的电阻器的这些端子上，而该充电电流被同时减小；以及c)返回到子步骤a)。

Description

用于平衡蓄电电池组的方法和装置

本发明涉及一种用于平衡蓄电电池组的方法和装置。

一个想像的应用领域值得注意而并非排他地是管理多个锂离子电池的充电。这种类型的电池组具有多个蓄电器或电池单元，这些蓄电器或电池单元包括一个旨在提供标称电压的、可再充电的电化学系统。

对这些蓄能器进行充电或放电对应地使跨蓄能器端子的电压增大或减小。当蓄能器已经达到一个由该系统的电化学平衡状态限定的电压水平时，该蓄能器处于充好电的状态或放完电的状态。在包括串联的多个蓄能器的电路中，在所有这些蓄能器中流过相同的电流值。因此，这些蓄能器的充电水平或放电水平取决于所述多个蓄能器的固有特性，即该电化学系统的电解液的和/或电极的固有电容以及内部寄生电阻。因此，由于制造的不一致性以及老化的不一致性而在这些蓄能器之间会出现电压差。

此外，同一个电化学系统中的这些蓄能器表现出一个给定最大充电状态，在对蓄能电池组进行充电时并不建议超过这个给定最大充电状态而对这些蓄能器产生损坏的风险。

现在，就上述而言，在对蓄能电池组进行充电时，不是所有这些蓄能器都在同一时间达到这个给定的最大充电量。这样，就有必要对蓄能电池组中的每个蓄能器提供单独充电，其方式为在达到这个给定的最大充电量时使对于各蓄能器的充电停止，并且因此使这些蓄能器的电量平衡。

应指出的是放电问题也同样关键。此外，同一个电池组中的不所有这些储能器都是同时达到其最小电量水平的。

可以值得注意地参见文件US6377024，该文件披露了一种装置，该装置针对同一个电池组中的每个蓄能器都包括一个充电器。

在这个文件中描述的这种装置考虑了每个蓄能器的最大电量阈值和最小电量阈值以便启动每个蓄能器的单独充电以及然后停止每个蓄能器的单独充电。

这种装置的缺陷在于其成本，这是因为该装置需要使用与所述电池组的蓄能器一样多的充电器。

因此产生的并且本发明旨在解决的一个问题是提供廉价的平衡方法和平衡装置。

就此目的而言，本发明根据第一主题提出了一种用于平衡蓄电电池组的方法，所述方法是具有的类型是根据其来首先提供一个蓄电电池组并且其次提供一个充电电流，该蓄电电池组包括串联地连接在一起的多个蓄能器并且该充电电流表现出一个用于对所述多个蓄能器充电的充电值，所述多个蓄能器表现出一个最大充电状态，并且所述多个蓄能器在一个充电步骤中被充电以便使所述多个蓄能器的电量增加直至其最大充电状态。根据本发明，所述充电步骤按顺序包括以下多个子步骤：a)以所述充电值将所述充电电流送入所述多个串联的蓄能器直至所述电池组的所述多个蓄能器中的一个蓄能器达到所述最大充电状态；；b)所述多个蓄能器中的所述一个蓄能器被联接到一个相对应的放电元件的这些端子上，其方式为使得所述多个蓄能器中的所述一个蓄能器放电，而所述充电电流被同时降低；并且，c)该过程在小于或等于所述联接阶段的一个时间段之后返回到子步骤a)。

这样，本发明的特征在于，如将在本说明的其余部中说明的通过一个单一充电装置来对所有这些串联连接的蓄能器送电，并且在于在预定的联接阶段上将已经首先达到最大充电状态的蓄能器与一个放电元件置于并联。这个放电元件有利地是一个电阻器。虽然如此，这个放电元件可以由一种使之不可能耗散能量而是将能量转移到那些还未达到最大充电状态的其他蓄能器的装置组成。

通过这种方式，在联接阶段中，这个蓄能器的电量降低，于是在这个联接阶段之后，所述电池组的所有这些蓄能器被再次充电直至一个蓄能器再次达到最大充电状态。通过这种方式，当这个循环自身重复时，该蓄能电池组的所有这些蓄能器朝该最大充电状态会聚。另外，它们的对应充电状态在最大充电状态与一个平衡的蓄能器会在所述联接阶段中再次落入的这种充电状态之间振荡。因此，所有这些蓄能器仅通过一个单一充电装置就被相继充满电和平衡，该单一充电装置是不太昂贵的。

在实施本发明的一个特别有利的模式中，在步骤b)，一个平衡电流穿过该放电元件、或相对应的电阻器，并且所述充电电流的值被降低至小于或等于所述平衡电流。通过这种方式，其他蓄能器的充电没有被全部中断。当该充电电流的值等于这个平衡电流时，该充电电流则是通过“比例模式”驱动的并且需要一个额外的驱动元件。有利的是，所述充电电流被降低至零值，并且这种驱动是通过“全部或无的模式”实现的，这样实质上减小了蓄能电池组的充电速度，但另一方面使组件简化。

在实施本发明的一个特别有利的模式中，定义了一个较高充电状态，所述较高充电状态低于所述最大充电状态，并且此外，在子步骤b)，那些充电状态处于所述较高充电状态与所述最大充电状态之间的蓄能器被联接到多个相对应的放电元件上，其方式为使这些蓄能器放电。这个较高充电状态尽管低于最大充电状态但非常接近最大充电状态。通过这种方式，不仅被充电最多的蓄能器的电量被降低，而且同时其充电状态接近所述最大充电状态的那些蓄能器的电量也是如此。通过这种方式，接下来的循环较长并且因此在这些循环上，电池组的这些蓄能器的充电速度更快。

此外，优选的是，在子步骤c)，在且仅在至少一个蓄能器表现出低于所述较高充电状态的充电状态的条件下，该过程才返回到子步骤a)。通过这种方式，当所有这些蓄能器表现出位于最大充电状态与较高充电状态之间的一个充电状态时，对电池组的这些蓄能器进行的充电才会被中断。这样，当不再需要对这些蓄能器送电和平衡时，这些蓄能器的送电和平衡均被中断。

根据另一个主题，本发明提出一种旨在对蓄电电池组进行充电的平衡装置，所述蓄电电池组包括串联地连接在一起的多个蓄能器，所述多个蓄能器表现出一个最大充电状态，所述平衡装置包括多个充电器件以用于提供展现一个充电值的充电电流，所述充电电流旨在在一个充电步骤中对所述多个蓄能器进行充电以便使所述多个蓄能器的电量增加直至其最大充电状态。根据本发明，该平衡装置包括：控制器件和监测器件，该控制器件和监测器件用于控制所述多个充电器件从而使得所述多个充电装置以所述充电值将所述充电电流送入所述多个串联的蓄能器直至所述多个监测装置监测到所述电池组的所述多个蓄能器中的一个蓄能器处于其最大充电状态；联接器件，该联接器件能够由所述多个控制器件来控制以便在一个联接阶段过程中将所述多个蓄能器中的所述一个蓄能器联接到一个相对应的放电元件的这些端子上，其方式为使得所述多个蓄能器中的所述一个蓄能放电，而所述控制器件同时使所述充电电流降低；并且所述控制器件能够在小于或等于所述联接阶段的一个时间段之后对以所述充电值来对所述多个蓄能器进行的所述充电电流的送入进行控制。在本说明的其余部分中，将更详细地说明根据本发明的平衡装置的操作模式。

此外，所述联接器件包括多个开关和多个放电元件以便用于所述多个蓄能器中的每一个蓄能器，所述多个开关被连接到所述多个控制器件上。优选的是，这些相对应的放电元件是电阻器。

有利的是，所述监测器件包括连接到所述控制器件上的、针对于所述多个蓄能器中的每一个蓄能器的第一监测器件。这样，这些第一监测器件将这些蓄能器的充电状态通信给控制器件，并且一旦这些蓄能器之一达到最大充电状态，控制器件就控制该开关来连接相对应的放电元件，或者例如，将这个电阻器连接到这些蓄能器中的所述一个蓄能器的这些端子上。

在实施本发明的一个特别有利的模式中，所述监测器件另外包括针对于所述多个蓄能器中的每一个蓄能器的第二监测器件，所述第二监测器件能够监测一个较高充电状态，所述较高充电状态低于所述最大充电状态。由于这些第一监测器件和这些第二监测器件，使所述电池组的这些蓄能器更快地会聚接近其最大充电状态。

优选的是，每个监测器件都是由一个电压比较器构成。这些电压比较器提供的优点是与一个允许提供精确电流值的模数转换器相比要便宜较多。

本发明的其他具体特征和优点将通过阅读以下本发明的一个特殊实施模式的说明（通过展示但非限定形式的方式给出）并参照这些附图而显现，在附图中：

-图1是根据本发明的并且在一个第一变体实施例中的一个平衡装置的第一基本单元的框图；

-图2是展示了第一变体实施例中的平衡装置的操作模式的图形；

-图3是根据本发明的并且在一个第二变体实施例中的一个平衡装置的第二基本单元的框图；并且

-图4是展示了第二变体实施例中的平衡装置的操作模式的图形。

图1展示了具有串联地组装在两个端子A、B之间的n个蓄能器12或电池单元的电池组10，以及部分地示出的第一变体实施例的一个平衡装置14。这些蓄能器12例如是锂离子类型的。这些蓄能器各自表现出一个最大充电状态，该最大充电状态例如对于基于铁磷酸盐的锂离子电化学系统而言是3.6，并且它们的标称电压是3.3V。将进一步指出的是，对蓄能器进行充电或放电分别对应于跨这个蓄能器的这些端子在标称电压附近的一个高电压和一个低电压。作为结果，有可能通过对跨蓄能器端子的电压进行监测来测量其充电状态或放电状态。此外，在考虑基于铁磷酸盐的锂离子类型蓄能器时，过度充电会使电解液分解，这使电解液寿命减少并且会损坏蓄能器。相反，过多放电会使电压低于2V，例如，在所述集电器由铜制成时主要导致负电极的电流集电器氧化，并且因此导致蓄能器退化。结果，当电池组处于充电阶段时有必要使电池组10的这些蓄能器12平衡，以便防止达到其最大充电状态的这些蓄能器在其他蓄能器之前退化。还可以有利的是防止这些蓄能器在低于最小充电状态时放电，如将在本说明的其余部分中将进行解释的。

图1示出了与第i个蓄能器12并联地组装的一个基本平衡单元16。这个基本平衡单元16实质上包括一个第一监测器或比较器18以及作为对应放电元件的一个电阻器20，这二者都被联接到蓄能器12的端子上。电阻器20是能够由可控开关24闭合的一个平衡电路22的一部分，这些构成了联接器件。

图1还示出了：首先多个控制元件26被连接到可控开关24并且被连接到第一比较器18，并且其次一个充电器28被连接至电池组10的两个端子A、B，所述充电器本身也被连接至这些控制元件26。这些控制元件26例如包括一个微型控制器。第一比较器18通过第一接线30以及第二接线32二者来连接至这些控制元件26，该第一接线旨在当达到例如3.6V的最大充电状态时传输一个高阈值信号，并且该第二接线旨在当达到例如2V的最大放电状态时传输一个低阈值信号。

电池组10的每一个蓄能器12都装备有基本平衡单元16，这些基本平衡单元被并联地组装，同时该平衡装置14具有一个单一充电器28并且所有这些基本平衡单元16都被连接到这些单一控制元件26上。

该平衡装置的操作模式的目的在于通过单一充电器28对电池组10的所有这些蓄能器12串联地充电，并且这些蓄能器各自的充电状态不同而不会使这些蓄能器12中的任何一个超过最大充电状态。

以下将在这个第一变体实施例中对根据本发明的平衡方法进行说明。

这样，在第一步骤中，这些控制元件26控制该充电器28从而使得该充电器对具有多个蓄能器12的电池组10送入一个给定充电值的充电电流。这样，所有这些蓄能器12都接收相同的充电电流，而它们自身的充电状态不必等同，并且除此之外，它们的充电电容也不同。这样，在充电过程中，这些蓄能器12中的一个必然在其他蓄能器之前达到这个最大充电状态。这个蓄能器12（例如，图1中的第i个蓄能器）一旦达到其最大充电状态，第一比较器18就通过其第一接线30将一个高阈值信号传输给这些控制元件26。微型控制器26一接收到这个信号就同时对该开关24进行控制并且使得电路22闭合，并且使充电电流降低。这个联接操作是针对一个给定的联接阶段来预先编程的。在这个步骤中，蓄能器12跨电阻器20的端子而放电，例如，在1/10的最大充电状态与1/100的最大充电状态之间，同时该充电电流被降低的方式为使得其他蓄能器12在这个联接阶段不会达到它们自身的最大充电状态。

在第一实施模式、所谓的“全或无”实施模式中，使得该充电电流在这个联接阶段为零，这就简化了该装置的组件并且最重要的是使之尤其在联接阶段相对较长时有可能防止另一个蓄能器达到其最大充电状态。在第二实施模式、所谓的“比例”实施模式中，使得充电电流为与穿过电阻器的平衡电流的值相等的一个值。

这个联接阶段一旦期满，微型控制器26就控制该电路22开路并且控制该充电器28从而使得该充电器回到所述给定的充电值上。

这样，这些蓄能器12被相继充满电从而进入接近它们最大充电状态的一个充电状态。

请读者参阅图2，该图示出了随充电循环的变化而变化的一个第一图形，该第一图形展示了电池组（这个电池组包括十个蓄能器）的这些蓄能器中的四个蓄能器的充电状态的进程。最大充电状态在此是4.2V。这样，能够观察到，9号蓄能器在开始应用该方法时处于其最大充电状态4.2V。10号蓄能器也接近最大充电状态，而2号蓄能器是在与4.12V相对应的充电状态并且8号蓄能器是在4.06V。

这样，当电池组充电开始时，9号蓄能器第一个达到最大充电状态。这样，在其他蓄能器在该联接阶段中继续以比例模式来充电或者在这个阶段中以全或无模式而未被充电时其被部分地放电。10号蓄能器第二个达到最大充电状态。它进而在联接阶段中被部分放电。这样，在该联接阶段中已经达到其最大充电状态的9号蓄能器和10号蓄能器在被接到到电阻上之后在它们的最大充电状态与它们的充电状态之间振荡，而其他的2号蓄能器和8号蓄能器朝它们的最大充电状态会聚。2号蓄能器在将近第七循环时达到最大充电状态而8号蓄能器在将近第30循环时达到最大充电状态。

因此，这种平衡是通过一个采样系统的方式从逐个电量进行的，这个系统的采样阶段对应于该联接阶段。当所有这些蓄能器都已经达到其最大充电状态时，这些蓄能器的充电状态或者这些相对应的电压会在最大充电状态与一个平衡的蓄能器会在联接阶段中再次落入的充电状态之间振荡。

此外，由于第二接线32旨在当达到例如2V的最大放电状态时传输一个低阈值信号，微型控制器26控制这个充电器28。通过这种方式，没有蓄能器可以使得其充电状态低于某一个阈值，而低于该阈值将产生损坏蓄能器的危险。

在图3中展示的本发明的第二变体实施例中，再次遇到的基本平衡单元16另外具有一个第二监测器或比较器36，该第二监测器或比较器也被并联地组装在蓄能器12上并且被连接到微型控制器26。整个平衡装置与前面变体实施例的平衡装置相同，并且所有这些基本平衡单元16都具有一个第二比较器36。这个第二比较器36通过一个第三接线38而被连接至这些控制元件26，该第三接线旨在当达到较高充电状态时（在这种情况下是3.5V）传输一个阈值信号。因此，这个较高充电状态实质上是低于这个最大充电状态的。

现在将对这个第二变体实施例中的平衡装置的操作模式进行说明。

因此，在同样的第一操作步骤中，这些控制元件26控制该充电器28以便对有多个蓄能器12的电池组10送入一个给定充电值的充电电流。一旦一个蓄能器12达到其最大充电状态，在这种情况下是图3中的第i个蓄能器，第一比较器18就借助其第一接线30始终传输一个高阈值信号给这些控制元件26。在接收到这个信号时，微型控制器26不仅对该开关24进行控制和同时使第i个蓄能器12的充电电流降低，而且也对于所有的第二比较器36通过信号传输了一种例如针对与3.5V与3.6V之间的电压相对应的充电状态的阈值的这些蓄能器12也这样做。这样，电池组10的那些充电状态接近最大充电状态的蓄能器也会被部分放电。这就允许电池组10的这些蓄能器12更快地平衡，因为与第一变体实施例相对比，那些充电状态接近最大充电状态的蓄能器会被同时放电。

此外，一旦所有这些蓄能器都表现出一种与在3.6V与3.5V之间的电压相对应的充电状态时、或者当所有这些蓄能器的充电状态都处于最大充电状态与高充电状态之间时，该微型控制器26就使充电循环停止。由于这种第二比较器36，这种充电会是在充电变得不必要时停止下来。

现有我们参见图4，该图示出了随充电循环的变化而变化的第二图形，该第二图形展示了电池组（这个电池组包括十个蓄能器）的四个蓄能器的充电状态的进程。于是观察到，这些蓄能器的充电在这些循环上是比较线性的，并且尤其是仅仅在四个运行循环之后就达到了所考虑的这些蓄能器的最大充电状态。

这样，由于这种第二比较器36，就产生了良好限定的停止器件，这样就避免了在不需要平衡时执行平衡而损失能量。除此之外，这种平衡更快。

用于控制这种平衡的算法可以是更高级的。虽然如此，它仍然依赖于相同的原理，即将这些蓄能器的电压与一个单一阈值或两个阈值进行比较。上述算法更通常地称为“开关控制”、“宽增益控制”或者“滑动模式控制”。

上述平衡装置可适用于其他部件，如多个电容器。

Claims (12)

1.一种用于平衡蓄电电池组的方法，所述方法所具有的类型是根据其来首先提供一个蓄电电池组并且其次提供一个充电电流，该蓄电电池组包括串联地连接在一起的多个蓄能器并且该充电电流表现出一个用于对所述多个蓄能器充电的充电值，所述多个蓄能器表现出一个最大充电状态，并且所述多个蓄能器在一个充电步骤中被充电以便使所述多个蓄能器的电量增加直至其最大充电状态，

其特征在于所述充电步骤按顺序包括以下子步骤：

a)以所述充电值将所述充电电流送入所述多个串联的蓄能器直至所述电池组的所述多个蓄能器中的一个蓄能器达到所述最大充电状态；

b)在一个联接阶段中，所述多个蓄能器中的所述一个蓄能器被联接到一个相对应的放电元件的这些端子上，其方式为使得所述多个蓄能器中的所述一个蓄能器放电，而所述充电电流被同时降低；并且，

c)该过程在小于或等于所述联接阶段的一个时间段之后返回到子步骤a)。

2.如权利要求1所述的平衡方法，其特征在于在步骤b)，一个平衡电流穿过所述对应的放电元件，并且其特征在于所述充电电流被降低至小于或等于所述平衡电流的一个值。

3.如权利要求1或2所述的平衡方法，其特征在于所述充电电流被降低至一个零值。

4.如权利要求1至3中任何一项所述的平衡方法，其特征在于定义了一个较高充电状态，所述较高充电状态低于所述最大充电状态，并且其特征在于，此外，在子步骤b)，那些充电状态处于所述较高充电状态与所述最大充电状态之间的蓄能器被联接到多个相对应的放电元件上，其方式为使这些蓄能器放电。

5.如权利要求4所述的平衡方法，其特征在于在子步骤c)，在且仅在至少一个蓄能器表现出低于所述较高充电状态的充电状态的条件下，该过程才返回到子步骤a)。

6.如权利要求1至5中任何一项所述的平衡方法，其特征在于所述放电元件是一个电阻器。

7.一种旨在用于对蓄电电池组充电的平衡装置，所述蓄电电池组包括多个串联地连接在一起的蓄能器，所述多个蓄能器表现出一个最大充电状态，所述平衡装置包括多个充电器件以用于提供展现一个充电值的充电电流，所述充电电流旨在在一个充电步骤中对所述多个蓄能器进行充电以便使所述多个蓄能器的电量增加直至其最大充电状态，其特征在于该平衡装置包括：

-控制器件和监测器件，该控制器件和监测器件用于控制所述多个充电器件从而使得所述多个充电装置以所述充电值将所述充电电流送入所述多个串联的蓄能器直至所述多个监测装置监测到所述电池组的所述多个蓄能器中的一个蓄能器处于其最大充电状态；

-联接器件，该联接器件能够由所述多个控制器件来控制以便在一个联接阶段过程中将所述多个蓄能器中的所述一个蓄能器联接到一个相对应的放电元件的这些端子上，其方式为使得所述多个蓄能器中的所述一个蓄能放电，而所述控制器件同时使所述充电电流降低；

并且其特征在于所述控制器件能够在小于或等于所述联接阶段的一个时间段之后对以所述充电值来对所述多个蓄能器进行的所述充电电流的送入进行控制。

8.如权利要求7所述的平衡装置，其特征在于所述监测器件包括连接到所述控制器件上的、针对于所述多个蓄能器中的每一个蓄能器的第一监测器件。

9.如权利要求7或8所述的平衡装置，其特征在于所述监测器件另外包括针对于所述多个蓄能器中的每一个蓄能器的第二监测器件，所述第二监测器件能够监测一个较高充电状态，所述较高充电状态低于所述最大充电状态。

10.如权利要求8和9所述的平衡装置，其特征在于所述第一监测器件和第二监测器件各自是由一个比较器构成。

11.如权利要求7至10中任何一项所述的平衡装置，其特征在于所述联接器件包括多个开关和多个放电元件以便用于所述多个蓄能器中的每一个蓄能器，所述多个开关被连接到所述多个控制器件上。

12.如权利要求7至11中任何一项所述的平衡装置，其特征在于所述放电元件是一个电阻器。

Images