CN103947066A

CN103947066A - 用于平衡电力电池组元件的充电的装置

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Publication number: CN103947066A
Application number: CN201280053398.4A
Authority: CN
Inventors: 西尔万·梅西埃; 达尼埃尔·沙特鲁; 马蒂厄·德斯伯-勒诺丹; 劳伦特·卡尼尔
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2032-10-24
Also published as: FR2982090A1; JP2014533483A; US20140312844A1; EP2774240B1; CN103947066B; US9397507B2; FR2982090B1; EP2774240A1; WO2013064407A1; KR20140097286A; JP6236391B2

Abstract

本发明涉及一种用于平衡电力储存装置(2)的充电的装置(3)，所述电力储存装置(2)包括数个串联连接的电储存元件(Et₁、…Et_k)，所述装置(3)包括：具有电流限制的两个DC/DC变换器(30_i)，每个变换器都具有：用于接收变换器的输出电压设定值的输入端，待连接到各个储存元件(Et_i)的端子的输入端，待连接到电网络(6)的输出端，所述电网络具有调节为电平低于储存装置(2)端子处的电压的电压；和控制模块(4)，所述控制模块确定连接到输入端的元件(Et_i)各自的剩余电荷，并将较高的电压设定值施加到连接到具有最高剩余电荷的元件的变换器。

Description

用于平衡电力电池组元件的充电的装置

本发明涉及一种用于使用电化学蓄电池的动力电池的充电平衡装置。

高性能直流电压电气系统正在经历重大发展。实际上，许多运输系统包括直流电压电源。

燃烧/电动混合动力车辆或电动车辆具有高功率电池组。这类电池组通过逆变器用来驱动交流电动机。这类电动机所需的电压电平高达几百伏，一般为400伏的等级。这类电池组通常还具有高容量，以有利于电动模式下车辆的续航。

为了获得功率和容量的高数值，将数个蓄电池的组串联布置。级数(蓄电池的组数)和每极中并联连接的蓄电池数根据电池组所需的电压、电流和容量而改变。数个蓄电池的关联被称为蓄电池组。用于这类车辆的电化学蓄电池通常为锂离子型蓄电池，这是由于其以有限的重量和体积储存大量能量的能力。由于高的固有安全水平，磷酸铁锂(LiFePO4)型电池组正在经历重大发展，对有些落后的能量储存密度不利。电化学蓄电池通常具有以下等级的标称电压：

对于磷酸铁锂LiFePO4技术而言为3.3V，

对于基于基于氧化钴的锂离子型技术而言为4.2V。

本发明还可以应用于超级电容器。

蓄电池的充电或放电分别导致其端子处的电压升高或降低。认为蓄电池在其电压已经达到由其电化学过程限定的电压电平时充电或放电。在使用数个蓄电池级的电路中，流过各级的电流相同。因此级的充电或放电水平取决于蓄电池的固有特性。由于不同蓄电池之间的制造、老化、组装和操作温度的不同而在充电或放电期间出现级之间的电压差。

对于基于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这种蓄电池。例如，基于氧化钴的锂离子蓄电池的过度充电可能导致其热失控或者起火。对于基于磷酸铁的锂离子蓄电池，过度充电可能导致缩短其使用寿命或者损坏蓄电池的电解质分解。例如，当负极由铜制成时，导致低于2V电压的过大放电主要导致负极集电器的氧化，从而导致蓄电池的退化。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每个级的端子处的电压。监控装置由此通常在每个级上并联布置，并且使得能够实现该功能。

监控装置的功能是追踪蓄电池每个级的充电(或剩余电荷)和放电的状态，并向控制电路发送信息，以在一个级已达到其阈值电压时停止电池组的充电或放电。然而，在具有数个串联连接的蓄电池级的电池组中，如果在被最多充电的级达到其阈值电压时停止充电，则可能发生其它级尚未完全充电。相反，如果在被最多放电的级已经达到其阈值电压时停止放电，则可能发生其它级尚未完全放电。于是在这种情况下，没有利用蓄电池每个级的能力。这体现了在具有有高续航限制的嵌入式电池组的运输类应用中的主要问题。为了解决该问题，监控装置通常与充电平衡装置相关联。

平衡装置具有如下功能：优化电池组的充电，并且由此通过使串联连接的蓄电池的级处于相同的充电状态和/或放电状态来优化电池组的续航。有两类平衡装置：被称为能量耗散装置的平衡装置和被称为能量传递装置的平衡装置。

利用能量耗散平衡系统，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使能量在电阻器中耗散，使级端子处的电压相同。作为变化方案，通过使已经达到高电压阈值的级中之一放电，使级端子处的电压相同。

然而，这类能量耗散平衡系统具有以下主要缺点：消耗比对电池组充电所需的能量多的能量。实际上，需要对数个蓄电池放电或转移数个蓄电池的充电电流，使得最后的或稍少充电的蓄电池可以完成其充电。所耗散的能量由此可能会比仍然需要进行的充电水平的能量大得多。此外，它们以热的形式耗散多余的能量。这与集成到运输型嵌入式应用中的限制不相容，且在温度升高时导致蓄电池的使用寿命大大缩短。

能量传递平衡系统本身在辅助电池组或辅助能量网络和蓄电池的级之间交换能量。

能量传递可以是单向的，从电池组到级或从级到电池组，或者是双向的，从电池组到级并且从级到电池组或从相邻的级到相邻的级。

为了限制能量转移期间的损失，本申请的申请日之前未公布的专利申请FR11/51724描述了改善的平衡装置。该文件提出使用基于反激变换器原理的结构，通过充电状态和/或容量较高级的放电以及从被称为动力电池的蓄电池电池组到车辆的辅助网络的能量传递来确保蓄电池的级的平衡。因此，可以避免使用需要从高压电池组为低电压辅助网络供电的buck变换器。此外，可以只通过平衡装置为辅助网络供电，而无需使用辅助电池组。

为了简化并联连接的平衡装置的调节，该装置被单独控制。因此，具有最高容量和/或充电状态的蓄电池级对辅助网络供应能量。单独操作平衡装置需要有效的平衡装置来提供辅助装置网络上所需的所有能量。因而必须相应地完成将平衡装置按大小分类。

为了减小并分配由每个平衡装置提供的电能，一些文件例如专利US4717833提出同时使用不同的平衡装置。该文件提出使用一种调节方法的操作，所述调节方法提供在平衡装置之间共享电流以防止特定变换器由于变换器之间的差异必须比其它变换器做更多的工作。该文件提出了一种并联连接的变换器的互相依赖的控制方法。该控制方法通过每个变换器且在每个变换器上实施电流的测量和电压的测量，并且利用变换器之间的互连总线。互连总线使得能够在变换器之间交换关于分享电流的信息。

因此，调节回路互相依赖并必须同步。变换器之间的这种物理连接必须对寄生噪声不敏感，且绝不会导致变换器在其处于打开状态或短路时停止工作。此外，这种物理连接必须根据级或元件之间具有高幅度的不同电压电平的存在按大小分类。因此，这种操作在其开发和其制造方面是复杂和昂贵的。

本发明致力于解决这些缺点中的一个或更多个。本发明因此涉及一种用于平衡电力储存装置的充电的装置，所述电力储存装置包括数个串联连接储存元件，所述平衡装置包括：

-具有电流限制的至少两个DC/DC变换器，每个具有：

-用于接收变换器的输出电压设定值的输入端；

-待连接到各个储存元件的端子的输入端；

-待连接到电网络的输出端，所述电网络具有调节为电平低于储存装置端子处的电压的电压；

-控制模块：

-确定连接到所述输入端的元件各自的剩余电荷；

-将较高的电压设定值施加到连接到具有最高剩余电荷的元件的变换器。

根据一个变化方案，每个变换器包括在其输出端处的电流传感器和在其输出端处的电压传感器。

根据又一个变化方案，每个变换器包括用于调节施加到其输出端的电压的调节回路，所述调节回路与通过变换器在其输出端处提供的电流成比例地降低该电压的设定值。

根据另一个变化方案，控制模块配置为将相同的电压设定值施加到至少两个变换器。

根据又一个变化方案，控制模块对每个变换器产生与其确定的剩余电荷成比例的电压设定值。

根据一个变化方案，控制模块产生有差别的且根据相同的电压增量阶跃的电压设定值。

根据又一个变化方案，由控制模块分配电压设定值的分级对应于确定的剩余电荷的分级。

根据另一个变化方案，变换器包括变压器，其一次绕组以电桥的形式连接在由控制模块以脉冲宽度调制控制的四个开关之间。

根据另一个变化方案，变压器是中抽式变压器(midpoint transformer)，其二次绕组连接在由控制模块控制的两个开关之间，二次绕组包括连接到变换器的输出端的中点。

本发明还涉及一种电力系统，其包括：

-如上文所限定的充电平衡装置；

-电力储存装置，其包括数个电储存元件，这些元件连接到充电平衡装置的各个变换器；

-电网络，其连接到充电平衡装置的输出端，且具有调节为电平低于储存装置端子处的电压的电压。

根据一个变化方案，电压的设定值包括在所述网络的调节电压的范围中。

根据另一个变化方案，控制模块配置为：

-获取由平衡装置向网络提供的电流的测量值；

-根据获取的电流测量值推断储存元件中每一个的剩余电荷。

根据又一个变化方案，储存装置是具有电化学蓄电池的动力电池。

根据又一个变化方案，动力电池的标称电压为网络调节的标称电压的至少六倍。

本发明还涉及一种包括如上文所限定的系统的机动车辆，其中，网络是用于对外围装置供电的辅助电力网络，其调节电压的范围为10.5V至14V。

根据以并非穷举的说明给出的以下描述并参照附图，本发明的其它特征和优点应变得更加清楚，在附图中：

-图1是实施本发明的电力系统的一个实例的示意图；

-图2示出平衡装置的变换器所使用的测量的一个实例；

-图3是示出平衡装置的第一变化方案在没有电池组连接到辅助网络的端子时的工作的图；

-图4是其调节能够合并到平衡装置的第三变化方案中的变换器的示意图；

-图5是示出平衡装置的第三变化方案在没有电池组连接到辅助装置的端子时的操作的图，不同变换器的设定值电压在电流强度变化期间没有重叠；

-图6是示出第三变化方案的工作的图，不同变换器的设定值电压重叠；

-图7是连接到辅助网络的电池组的等效电路图；

-图8是示出平衡装置的第三变化方案在辅助网络的端子处具有电池组时该电池组再充电期间的工作的图；

-图9是示出平衡装置的第三变化方案在辅助网络的端子处具有电池组时该电池组放电期间的工作的图；

-图10示出了能够合并到变换器中的转换电路的一个特别有利的实例。

图1是包括动力电池2的电力系统1的示意图。电池组2包括k个级Et₁至Et_k，形成k个串联电连接的电储存元件(k至少等于2，优选至少等于3)。每个级i有利地包括n个并联电连接的蓄电池A_i,1至A_i,n(n至少等于2)。电力供应系统1还包括电池组2的充电平衡装置3。跨过电池组2的正极端子和负极端子的电压具有通常在100V至750V的范围的值，例如400V的等级。电池组2旨在用于例如通过连接到逆变器的端子来供应混合或电动车辆的电动机，且有利地与这种车辆的金属框架绝缘。

平衡装置3包括配置为连接到每个级或元件Et_i的端子的连接接口。平衡装置3还具有配置为连接到辅助网络6的连接接口，例如车载电网络，其电压通常调节为接近12V的值。该调节电压可以在例如10.5V至14V的范围内变化。该调节电压通常为电池组2端子处电压的至多六分之一。

平衡装置3包括变换器30₁至30_k，例如电池组2的每个级一个变换器。也可以为电池组2数个串联连接的级提供一个变换器。变换器30₁至30_k有利地为绝缘的。变换器30₁至30_k可以是单向或双向变换器。如下文所描述的，变换器30₁至30_k用于提供电池组2的级Et_i的平衡和对辅助网络6的供电两者，分别施加输出电压vs1至vsk和输出电流强度i1至ik。变换器30₁至30_k中每一个的输出端连接到辅助网络6以将同样的电势差Vaux施加到辅助网络6的端子。

平衡装置3还包括连接到变换器30_i的控制模块4。辅助电池组5(或电容器或超级电容器)有利地连接到网络6的端子。

图2提供了变换器30₁至30_k用来实施本发明的信息的更详细的说明。每个变换器30_i获取(通过内部测量或通过例如由控制模块4给出的测量)在其输出端处的电压值Vaux(与其输出电压vsi相同)和所述变换器在其输出端处对辅助网络6给出的电流强度值ii。辅助负载(61、62、63)，例如空调单元、汽车收音机等连接到网络6。每个变换器还获取由控制模块4提供的电压设定值v_i。

变换器30₁至30_k设计为电流上受限的电压源。变换器30_i具有以Ii_max表示的电流极限值。

控制模块4确定(通过测量或以如下问所描述的计算)电池组2的不同级Et_i的剩余电荷。控制模块4尤其可以通过确定级的充电状态和级的容量来确定该级的剩余电荷。控制模块4对其级被确定为最多充电的变换器产生高于其它变换器的电压设定值。

本发明提出的调节方法从网络6和可能的辅助电池组5的电压电平的容差中得到，所述辅助电池组的标称电压可以从大约10.5V到14V变化(分别对应于图5中所示的值Vaux_max和Vaux_min)。

根据本发明的一个实施方式，施加到变换器30₁至30_k的电压设定值v_i由根据由控制模块4限定的优先顺序的该范围所限定。实际上，蓄电池的级Et₁至Et_k根据例如是其剩余电荷函数的顺序由控制模块4分类。将电压设定值v_i分配给每个变换器30_i。级Et_i的剩余电荷越高，由控制模块4分配给该级的变换器30_i的电压设定值v_i越高。

根据第一变化方案，其控制图在图3中示出，变换器30_i的电压设定值V_i固定在预定电平。预定电平可以以相同的电压增量阶跃。

在所示实例中，控制模块4对级Et_i确定剩余电荷的以下分类：

Et₁>Et₄>Et₃>Et₆>…..>Et₂>Et_k

因此，控制模块4根据以下分级将预定电平分配给电压设定值V_i：

V₁>V₄>V₃>V₆>…..>V₂>V_k

其中，Vaux_max>V_i>Vaux_min。

在图3、5、6中的图中，电池组5未连接到网络6。

从图3中的图中可以看出，电压设定值v_i为最高的变换器30_i自动且优先地对网络6上的电流i_aux做出贡献。

在第一实例中(圆点箭头)，由网络6请求的电流I_aux小于极限值I1_max。变换器30₁因而给出电流I_aux的总量，并将其输出电压Vs1(明显对应于其电压设定值V1)指定为网络6上的电压Vaux。由于其它变换器的电压设定值低于电压Vaux，所以这些其它变换器对电流I_aux并无贡献。

在第二实例(短划线箭头)中，由网络6请求的电流I_aux大于极限值I1_max但低于极限值I1_max+I4_max。因为I_aux大于极限值I1_max，所以输出电压Vs1下降至低于电压设定值V1，直到其达到输出电压Vs4的电平(明显对应于电压设定值V4)为止。变换器30₁给出其电流I1＝I1_max。由于低于V1的电压设定值V4，变换器30₄给出电流I4作为补偿，使得I_aux＝I1_max+I4。因为其它变换器的电压设定值低于电压Vaux，所以这些其它变换器对电流I_aux并无贡献。

因此，每当i_aux超过电流强度的阈值(对应于其极被最多充电和/或其容量为最高的变换器的电流强度极限值的总和)，电压Vaux下降，新变换器自动对电流i_aux做出其贡献。本发明使得能够通过优先使最多充电的级放电在不同级之间分配电流，从而有助于平衡级之间的充电。此外，这种平衡通过对网络6供电获得，这种平衡电流的使用因而被优化以限制由损耗造成的不必要损失。此外，这类平衡装置3不需要在变换器处相互依赖的、复杂的调节回路。另外，它避免了必须使用适应于不同级的电压电平的复杂的通信接口。

控制模块4根据确定的剩余电荷的发展来修改电压设定值v_i。下文详细描述监测剩余电荷的实例。

在所示实例中，变换器30_i都具有同样的电流强度极限值Ii_max。包含不同电流强度极限值Ii_max的变换器30_i当然可以在本发明的范围内使用。

有利地，每个变换器30_i具有电流传感器301，以能够实现电流限制功能。将电流传感器301集成到每个变换器30_i中，意味着不需要提供该信息从控制模块4到不同变换器30_i的通信。

有利地，每个变换器30_i具有电压传感器302，以能够实现电压调节回路。将电压传感器302集成到每个变换器30_i中，意味着不需要提供该信息从控制模块4到不同变换器30_i的通信。变换器30_i中的这类调节回路并不相互依赖。

根据未示出的第二变化方案，变换器30_i的电压设定值的数值vi与其级的剩余电荷成比例地固定。对于其端子处的电压根据其剩余电荷而极大变化的蓄电池，变换器30_i的电压设定值的数值vi可以有利地与在变换器输入端处测量的电压成比例地固定。

在第一和第二变化方案中，电压设定值v_i都具有有差别的电平，以防止应该具有相同电压设定值的两个变换器之间对网络6电流贡献的可能的不确定性。

图4示出了具有能够合并到根据第三变化方案的平衡装置3中该调节的变换器30_i的一个实例。在该变化方案中，正的内电阻电路集成到每个变换器中，以引起测量的输出电压中与变换器输出电流成比例的电压下降。因此，用同样的电压设定值控制的变换器均匀地分配其对电流i_aux的贡献。

变换器30_i包括有利地包括电流隔离的DC/DC转换电路303。变换器30_i还包括调节电路310。调节电路310产生循环率αi，其数值根据分别由传感器301和302测量的值ii和Vaux在从0到1的范围内。调节电路310将其循环率αi的设定值应用到转换电路303。

调节电路310包括调节电压Vaux并且包括倍增器311和加法器或加法单元312的慢回路。倍增器311将倍增器系数G应用到电流ii。加法器312计算在倍增器311输出端处的电压值Vaux的总数。加法器312的输出端使得能够根据提供的电流ii来调节输出电压vsi的减少。加法器312的输出端应用到减法器313的逆变器输入端。设定值vi应用到减法器313的非逆变器输入端。减法器313因而产生输出电压误差信号δv。

调节电路310包括调节电流强度ii并且包括校正器314、减法器315和校正器316的快回路。校正器314根据输出电压误差信号δv准备电流设定值Iref。校正器314具有将值Iref的变化限制在预定范围的限制器。校正器314可以是任何已知类型的，例如比例-积分类型的。减法器315从电流设定值Iref中减去测量的电流ii以产生电流误差信号δi。校正器316根据电流误差信号δi准备循环率αi。校正器316具有将值αi的变化限制在预定范围的限制器。校正器316可以是任何已知类型的，例如比例-积分类型的。

图5的图示出了第三变化方案的第一实施方案。在该实施方案中，在调节回路中由正电阻电路引起的电压降低于电压设定值的两个连续电平之间的差。此处电压设定值V1与电压设定值V4相同。

在第一实例(以圆点箭头示出)中，网络6请求低于I1_max+I4_max的电流Iaux。变换器30₁和30₄各自给出相同的电流I1和I4。辅助网络的电压Vaux因为由正电阻电路引起的电压降而略低于V1。

在第二实例(以短划线箭头示出)中，网络6请求大于I1_max+I4_max但小于I1_max+I4_max+I3_max的电流Iaux。变换器30₁和30₄各自给出相同的电流I1_max和I4_max。变换器30₃给出补偿电流I3，使得此处Iaux等于I1_max+I4_max+I3。

一旦已经达到电流强度I1_max+I4_max，其它变换器30_i就在每个电流强度的阈值处相继进行电压跳变。电压电平Vaux由所示特征曲线Vaux＝f(Iaux)来确定。

图6的图示出了第三变化方案的第二实施方案。在该实施方案中，在调节回路中由正电阻电路引起的电压降大于电压设定值的两个连续电平之间的差。此处电压设定值V1与电压设定值V4相同。

在重叠区域，使变换器根据电压设定值、电压Vaux和内阻值来操作。例如，对于从零电流到对应于点A电流的范围内的电流Iaux，变换器30₁和30₄各自给出相同的电流I1和I4。

对于从点A到点B范围的电流Iaux，变换器30₁和30₄给出根据电压设定值、电压Vaux和内阻分配的电流。点A被定义为电压Vaux等于电压V3的点。点B被定义为电压Vaux等于V1-Ri*I1max的点。变换器30₁和30₄各自给出等于(V1-Vaux)/Ri＝(V4-Vaux)/Ri的电流，其中Ri是内阻。这些电流在图6中以I1₂和I4₂表示。变换器30₃给出电流补偿，即I3₂＝Iaux-I1₂-I4₂。电流强度的值由单独考虑的每个贡献变换器的特征V＝f(I)(由于可读性的原因未示出)和给定操作点的电压电平Vaux之间的交点进行推断。

对于从点B到点C范围的电流Iaux，变换器30₁和30₄各自给出相同的电流I1_max和I4_max。点C被定义为电压Vaux等于电压V6的点。变换器30₃给出补偿电流I₃，使得此处Iaux等于I1_max+I4_max+I3。

控制模块4有利地包括流过网络6的电流Iaux的传感器。控制模块4因而可以由施加到每个变换器30_i的设定值电压和测量的电流Iaux推断每个变换器30_i的输出电流。电流Iaux还能够通过由控制模块4执行的网络6上电压Vaux的简单测量来推断。控制模块4实际上能够由Vaux＝f(Iaux)推断电流Iaux。

利用对每个变换器30_i根据其输出电流的效率的充分了解，可以由推断的输出电流计算由其级Et_i给出的电流和由此的该级Et_i的剩余电荷。

当电池组2的级包括在充电方面具有非常平坦的电压模式的电化学蓄电池时，以通过计算的这种方式确定级Et_i的放电是特别有利的。例如，锂离子LiFePO4型蓄电池在其充电方面的电压模式是特别平坦的，且不能通过测量其端子处的电压来精确地确定其充电。

当辅助电池组5或辅助电储存装置连接到网络6的端子时，调节装置3的工作能够相应地适应。控制模块4因此能够使不同电平的电压设定值vi适应于辅助电池组5的电压，以实施该辅助电池组的再充电或放电。在该配置中，电压设定值vi还包括在辅助电池组5操作电压的范围内。根据级Et_i的剩余电荷的分级，还将设定值vi的电平分级分配给变换器30_i。

电池组5通过图7的电路图建模。电池组5被认为包括空载电压vbat和串联电阻rs。该电阻rs被视为在充电和放电中具有同样的值。为了简化平衡装置3的操作结合电池组5的分析，描述会基于具有特征电压的线性特征V＝f(I)的变换器30_i。

为了使平衡装置3的操作与电池组5结合，本发明有利地使用具有正内阻的变换器30_i。变换器30_i的特征曲线Vsi＝f(Ii)的斜率可以根据电池组5的特征和/或该电池组5所需的充电/放电速度动态地调节。

电压设定值vi的电平会被读出，使得电压设定值中至少一个大于电池组5的电压vbat以进行其充电。为了借助于变换器30_i的组对电池组5充电，电压设定值中每一个都大于电压vbat。

电压设定值vi的电平会降低，使得所有电压设定值都低于电池组5的电压vbat以进行Et_i中的放电。

图8示出了这种平衡装置3通过仅一部分变换器30_i在电池组5的再充电期间的操作模式。实线曲线对应于没有电池组5时变换器30_i的特征。短划线曲线对应于具有电池组5时变换器30_i的特征。圆点曲线对应于没有变换器30_i时电池组5的特征。

对于辅助电流Iaux，由变换器30_i给出的电流等于电流Iconv，由电池组吸收的电流等于Ibat(按照惯例适用于发电机)。电池组5因此被充电。当辅助电流Iaux增大时通过电池组5的充电电流Ibat减小。当变换器30_i都已经达到其电流极限时，辅助电池组5给出电流。

变换器之间的电流分布取决于其电压设定值Vi。对于图8中示出的情况，与级Et₁相关联的变换器30₁给出其最大电流I1_max。与级Et₃相关联的变换器30₃给出电流补偿，即I3＝Iconv-I1_max。实际上，网络6上的电压Vaux低于变换器30₃的电压设定值V3。

如果期望辅助电池组5应当给出被网络6吸收的一部分电流Iaux而不被再充电，无论给网络6的电流Iaux如何(例如当电池组5的充电状态是最大时)，那么具有最高剩余电荷的级的变换器的电压设定值应当低于或等于辅助电池组5的开路电压或空载电压。

这种操作在图9中示出。实线曲线对应于在电池组5的存在下变换器30_i的特征曲线。短划线曲线对应于没有电池组5时变换器30_i的特征。圆点曲线对应于没有变换器30_i时电池组5的特征。

与级Et₁(显示最高剩余电荷)相关联的变换器30₁的电压设定值V1已经选择为等于电压vbat。因此，当辅助电流不为零时，辅助电流Iaux由辅助电池组5和变换器共同给出。如果电压设定值V1选择为大于电压vbat，则电流Iaux会仅由辅助电池组5给出，直到网络6的电压Vaux达到电压设定值V1。

对于电流Iaux，由变换器30_i给出的电流等于电流Iconv，且由电池组5给出的电流等于Ibat(按照惯例适用于发电机)。电池组5因此有利于给出网络6上的电流Iaux的一部分。当电流Iaux增大时，电流Ibat增大。变换器30_i之间的电流分布依赖于其电压设定值vi。对于图9中示出的情况，与级Et₁相关联的变换器30₁给出低于其极限值I1_max的电流I1。实际上，电压Vaux大于变换器30₃的电压设定值V3。

控制模块4可以借助于上文详细描述的测量和计算推断级Et_i的剩余电荷。控制模块4必须仅具有电池组5的可用剩余电荷，以进行级Et_i的剩余电荷的推断。从电池组5中提取的电荷还能够通过测量电流Iaux进行推断。考虑到电池组5的剩余电荷和温度是已知的，电压传感器的使用使得能够估计电流Iaux和电流Ibat。

图10示出了对根据本发明的平衡装置特别有利的转换电路303的一个实例。转换电路303包括连接到输入连接接口的输入滤波器FE。滤波器FE的输出端连接到全桥逆变器OP。全桥逆变器包括受控开关M1、M2、M3和M4。转换电路303还包括具有中点接地二次绕组的变压器TPM。变压器TPM具有连接到开关M1至M4之间的桥的一次绕组EP。开关M1至M4由控制模块4以脉冲宽度调制控制，以确定输出电压的电平。转换电路303还具有包括受控开关M5和M6的同步整流器。二次绕组ES连接在开关M5和M6之间。

中点接地的变压器TPM用于使二次绕组处的开关数量最小化以获得信号整流。受控开关M1至M6由控制模块4控制。这些受控开关M1至M6可以具有如下说明的结构：并联连接的具有续流二极管D的nMOS晶体管型TM。这类开关M5和M6必须优选地取代借助于二极管的整流，以使转换电路303的效率最大化。

输出滤波器FS具有在二次绕组的中点与开关M5和M6共有的节点之间连接的其输出端。滤波器FS的输出端形成转换电路303的输出接口。

虽然没有示出，但是电力系统1有利地具有用于测量和监测蓄电池级Et_i的端子处电压的装置。

Claims

1.一种用于平衡电力储存装置(2)的充电的装置(3)，所述电力储存装置(2)包括数个串联连接的电储存元件(Et₁、…Et_k)，其特征在于，所述装置(3)包含：

-具有电流限制的至少两个DC/DC变换器(30_i)，每个都具有：

-用于接收所述变换器的输出电压设定值的输入端；

-待连接到各个储存元件(Et_i)的端子的输入端；

-待连接到电网络(6)的输出端，所述电网络(6)具有调节为电平低于所述储存装置(2)端子处的电压的电压；

-控制模块(4)：

-确定连接到所述输入端的所述元件(Et_i)各自的剩余电荷；

2.根据权利要求1所述的用于平衡充电的装置(3)，其中，每个变换器(30_i)包括在其输出端处的电流传感器(301)和在其输出端处的电压传感器(302)。

3.根据权利要求1或2所述的用于平衡充电的装置(3)，其中，每个变换器(30_i)包括用于调节施加到其输出端的电压的调节回路(310)，所述调节回路与通过所述变换器在其输出端处提供的电流成比例地降低该电压设定值。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于平衡充电的装置(3)，其中，所述控制模块(4)配置为将相同的电压设定值施加到至少两个变换器(30₁、30₄)。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的用于平衡充电的装置(3)，其中，所述控制模块(4)对每个变换器产生与其确定的剩余电荷成比例的电压设定值。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的用于平衡充电的装置(3)，其中，所述控制模块(4)产生有差别的且根据相同的电压增量阶跃的电压设定值。

7.根据权利要求6所述的用于平衡充电的装置(3)，其中，由所述控制模块(4)分配电压设定值的分级对应于确定的剩余电荷的分级。

8.根据上述权利要求中任一项所述的用于平衡充电的装置(3)，其中，所述变换器包括变压器(TPM)，其一次绕组(EP)以电桥的形式连接在由控制模块(4)以脉冲宽度调制控制的四个开关之间。

9.根据权利要求8所述的用于平衡充电的装置，其中，所述变压器(TPM)是中抽式变压器，其二次绕组(ES)连接在由所述控制模块(4)控制的两个开关之间，所述二次绕组(ES)包括连接到所述变换器的输出端的中点。

10.一种电力系统(1)，其包括：

-根据上述权利要求中任一项所述的充电平衡装置(3)；

-电力储存装置(2)，其包括数个电储存元件，这些元件连接到所述充电平衡装置(3)的各个变换器；

-电网络(6)，其连接到所述充电平衡装置的输出端，且具有调节为电平低于所述储存装置(2)端子处的电压的电压。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，电压设定值(Vi)包括在所述网络(6)的调节电压的范围中。

12.根据权利要求10至11中任一项所述的系统，其中，所述控制模块(4)配置为：

-获取由所述平衡装置(3)向所述网络(6)提供的电流的测量值；

-根据获取的电流测量值推断所述储存元件(Et_i)中每一个的剩余电荷。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的系统，其中，所述储存装置(2)是具有电化学蓄电池的动力电池。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的系统，其中，所述动力电池的标称电压为所述网络(6)调节的标称电压的至少六倍。

15.一种包括根据权利要求10至14中任一项所述的系统的机动车辆，其中，所述网络(6)是用于对外围装置供电的辅助网络，其调节电压的范围为10.5V至14V。