CN104221244A - 通过切换电池的电池单元组块来平衡该电池的充电和放电水平的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于平衡电池中的多个电池单元组块中的总体电荷水平的装置。这些组块能够在充电阶段和放电阶段的过程中连接到一个电路中，在充电阶段的过程中这些相连的组块的电池单元累积电量并且在放电阶段的过程中，这些连接的组块的电池单元以电流形式返回电量。该装置包括至少一个串联开关和一个并联开关。这个串联开关能够在其闭合时并且在该并联开关断开时将一个组块以与其他组块串联的方式连接到该电路中，从而使得所述组块在充电和放电阶段的过程中是被连接的。这个并联开关在其闭合时并且在该串联开关断开时能够将所述组块从该电路中移除，从而使得如果在放电阶段过程中满足了放电断开连接条件或者如果在充电过程中满足了充电断开连接条件则所述组块被断开连接，所述组块此外包括用于在被断开连接时局部地平衡其电池单元的电量水平的器件。

Description

通过切换电池的电池单元组块来平衡该电池的充电和放电水平的方法

技术领域

本发明涉及一种通过切换电池的电池单元组块来平衡该电池的充电和放电水平的方法。特别地但并非排他性地，本发明适用于对电动或混合动力车辆的动力传动系供电的锂离子(Li离子)电池。

背景技术

Li离子电池由于其高电压及其高能量密度而特别适宜对电动或混合动力车辆的动力传动系供电。在这样的电池中，Li离子电池单元是一种包含一定量的电解质的基本部件，无论这是固体还是液体电解质，通过该电解质，锂离子可以在阴极与阳极之间迁移。在电池的充电阶段中，这种离子迁移是电荷在电池单元中累积的原因。在电池的放电阶段中，这种离子迁移是电流在电池单元的阴极与阳极之间流动的原因。根据标准术语，在Li离子电池中，多个Li离子电池单元首先组装并且串联和/或并联连接而形成一个组块，然后多个组块进行组装并且串联和/或并联连接而形成一个“组”。一个电子控制单元，根据标准术语通常称为“电池管理系统”(或BMS)，连接至这个组上而形成一个电池。

BMS的作用主要是提供对在这些电池单元内累计的电荷进行平衡的功能。确实，必须对每个电池单元的最大充电水平和最大放电水平加以控制以便最佳地利用该电池的充电和放电容量：在欠缺平衡的情况下，电池的最大充电水平将局限于首先达到其最大电量的这个电池单元的电量水平，并且其最大放电水平将局限于首先达到其最小电量的这个电池单元的电量水平。因此，通过优化对电池的充电和放电容量的利用，对充电和放电水平的平衡减少了充电-放电循环次数、将电池的寿命最大化、并且增强了可用于一个充电/放电循环的自主性。通过避免过度充电、电池单元的过热及其潜在毁坏，这种对充电和放电的平衡还有利于车辆的安全方面。

无源BMS系统是存在的，它们是基于对每个电池单元端子间的局部电压的测量通过耗散热量来平衡电量水平的。这可以涉及在每个电池单元的端子间布置电阻以便耗散能量。这种类型的系统的一个主要缺点是，它不允许在放电过程中进行平衡。这种类型的系统的另一个主要缺点是，经由电阻中的平衡电流而耗散的能量被损失掉。另一个最后的缺点是，在这种类型的系统中由于热量限制原因，用于平衡的电流局限于10至100mA作用，并且因此相关的平衡时间可能很长。这是本发明要针对其提供解决方案的一个技术问题。

有源BMS系统也是存在的，它们也是基于对每个电池单元端子间的局部电压的测量通过热量传递来平衡电量的。例如，国际专利申请WO2004/049540披露了一种有源BMS，它包括用于从一个电池单元组块内的一个电池单元到另一个电池单元或从一个电池单元组块到另一个电池单元组块、经由几安培(A)的平衡电流来传递能量的装置。这种有源系统能够在充电过程中还以及在放电过程中进行平衡并且减少了能量损失。尽管如此，这种系统的一个主要缺点是，由于这些组块具有以不同的电势的参照，因此多个组块之间的能量传递一般是通过使用“回扫(flyback)”型隔离变压器来进行的，其呈现为是昂贵的、庞大的并且大大减小了该系统的能量效率。这代表了本发明要针对其提供解决方案的另一个技术问题。

发明内容

本发明的一个具体目标是加速平衡并且尽可能多地利用这些组块的容量以便提高车辆的自主性。为此目的，本发明的一个主题是一种用于平衡多个电池单元组块的总体电荷水平的装置。这些组块被设计成在充电阶段和放电阶段的过程中连接到一个电路中，在充电阶段的过程中这些连接的组块的电池单元累积电量，并且在放电阶段的过程中这些连接的组块的电池单元以电流形式返回电量。该装置包括至少一个串联开关和一个并联开关。这个串联开关能够在其处于闭合位置中时并且在该并联开关处于断开位置中时将一个组块以与其他组块串联的方式连接到该电路中，从而使得所述组块在充电和放电阶段的过程中是被连接的。这个并联开关在其处于闭合位置中时并且在该串联开关处于断开位置中时能够将所述组块从该电路中移除，从而使得如果在放电阶段过程中满足了放电断开连接指标或者如果在充电过程中满足了充电断开连接指标则所述组块就被断开连接，所述组块此外包括用于在被断开连接时局部地平衡其电池单元的电量水平的器件。

有利地，用于局部地平衡所述组块Bi的电池单元的电量水平的这个器件可以包括用于测量所述这些电池单元的端子间电压的器件，其方式为用于推导出其电量水平。例如，这些用于测量电池单元的端子间电压的器件可以包括一个集成电路，该集成电路包括多个电压测量通道。

在一个实施例中，用于局部地平衡所述组块的电池单元的电量水平的这个器件还可以包括用于从所述组块中的处于过度充电状态的这些电池单元中耗散能量的器件。

在另一个实施例中，用于局部地平衡所述组块的电池单元的电量水平的这个器件还可以包括用于从处于过度充电状态下的这些电池单元中将能量传递给所述组块的其他电池单元的器件。

有利地，所述组块的放电断开连接指标可以包括无论何时所述组块返回的电流高于一个给定阈值，超过所述组块的一个极限放电水平。

有利地，所述组块的放电断开连接指标可以包括无论何时所述组块返回的电流低于一个给定阈值，超过所述组块的最大放电水平。

有利地，所述组块的充电断开连接指标可以包括无论何时被施加给所述组块的充电电流高于一个给定阈值，超过所述组块的极限充电水平。

有利地，所述组块的充电断开连接指标可以包括无论何时被施加给所述组块的充电电流低于一个给定阈值时，超过所述组块的最大充电水平。

例如，这些电池单元可以是锂离子电池单元。

本发明的另一个主题是用于电动或混合动力车辆的原动力电池，该原动力电池包括用于平衡其单个电池组块之间的总体电量水平的一个装置。

本发明的另一个主题是包括此原动力电池的一种电动或混合动力车辆。

本发明的又一个主题是一种对根据本发明的电池充电的方法，该方法的特征在于，该方法包括多个相继的充电阶段，其中充电电流具有从一个阶段到下一个阶段逐渐减小的强度，所有不具有基本上等于100％的电量状态的这些组块在每个阶段开始时都是被连接的。所述不具有基本上等于100％的电量状态的这些组块中的一个组块如果其端子间的电压已达到一个预定的最大阈值时则直到下一个阶段开始都暂时地断开连接，所述阈值取决于充电电流的电流强度。如果其电量状态已经达到了基本上100％则直到该充电过程的结束它都决定性地断开连接。一旦仍连接的组块的数目达到了在1与在当前阶段开始时已连接的组块的数目之间的一个预定最小数目，则触发从当前阶段到下一阶段的转变。

本发明的另外一个主题是另一种对根据本发明的电池充电的方法，该方法的特征在于，该方法包括多个相继的充电阶段，其中充电电流具有从一个阶段到下一个阶段逐渐减小的强度，来自不具有基本上等于100％的电量状态的组块中的具有最少电量的这些组块在每个阶段开始时都是被连接的。这些具有最少电量的组块是以固定的且预定的时间间隔、周期性地确定的。这些具有最少电量的组块中的一个组块如果其端子间的电压已达到一个预定的最大阈值则直到后面的充电阶段之一开始都暂时地断开连接，所述阈值取决于充电电流的电流强度。如果其电量状态达到基本上100％则直到该充电过程的结束它都决定性地断开连接。一旦仍连接的组块的数目达到了在1与在当前阶段开始时已连接的组块的数目之间的一个预定最小数目，则触发从当前阶段到下一阶段的转变。

本发明的主要优点是快速平衡多个组块之间的电量水平，这尤其适合于快速充电方法。

它还允许在电池单元或一个组块的一部分发生故障时通过隔离这个组块来确保服务连续性。

本发明还因为最佳地利用了形成电池组的这些组块而提高了车辆的自主性。实际上，如果这些组块之一已达到其最大充电或放电水平，那么该系统允许它被隔离以便继续以其他组块运行。

本发明还允许限制从一个组块到另一个组块的能量传递过程中的损失，因此优化了BMS的能量效率。

附图说明

借助于以下关于附图所呈现的说明，本发明的其他特征和优点将变得清楚，这些附图展示了：

-图1，以一个示意图展示了根据本发明的电池组的一个实例；

-图2，以一个示意图展示了根据本发明的电池组的一个示例性构型，其中所有组块都被连接；

-图3，以一个示意图展示了根据本发明的电池组的一个示例性构型，其中仅一个组块是断开连接的；

-图4至图9，通过图表展示了可以在根据本发明的电池组中实施的快速充电方法的实例。

具体实施方式

图1以一个示意图展示了根据本发明的用于电动或混合动力车辆的电池组的一个实例。所展示的电池组包括N个组块Bi，其中1≤i≤N-1，并且在所展示的实例中N>6，在图1中仅示出了标记为B1、B2、B3和B4的四个组块。这些组块B1、B2、B3和B4各自包括六个串联连接的Li离子电池单元，在组块B1中标记为C11、C12、C13、C14、C15和C16，在组块B2中标记为C21、C22、C23、C24、C25和C26，在组块B3中标记为C31、C32、C33、C34、C35和C36，并且在组块B4中标记为C41、C42、C43、C44、C45和C46。此外这些组块B1、B2、B3和B4各自包括用于测量这个组块内部的每个电池单元端子间电压的一个集成电路，这些电路分别被标记为IC1、IC2、IC3和IC4。在此非限制性实例中这些电路IC1、IC2、IC3和IC4中的每一个都能够测量在6与16个之间的电池单元电压，而在图1中仅示出了其中的6个测量的电池单元电压，电路IC1可以有利地测量在组块B1中的电池单元C11、C12、C13、C14、C15和C16各自的端子间电压，电路IC2可以有利地测量在组块B2中的电池单元C21、C22、C23、C24、C25和C26各自的端子间电压，电路IC3可以有利地测量在组块B3中的电池单元C31、C32、C33、C34、C35和C36各自的端子间电压，电路IC4可以有利地测量在组块B4中的电池单元C41、C42、C43、C44、C45和C46各自的端子间电压。这些组块B1、B2、B3和B4各自还包括用于进行局部平衡的一个模块，对应地标记为M1、M2、M3和M4。模块M1有利地允许使用由电路IC1供应给该模块的电压测量值来平衡在组块B1中的电池单元C11、C12、C13、C14、C15和C16之间的电量。模块M2有利地允许使用由电路IC2供应给该模块的电压测量值来平衡在组块B2中的电池单元C21、C22、C23、C24、C25和C26之间的电量。模块M3有利地允许使用由电路IC3供应给该模块的电压测量值来平衡在组块B3中的电池单元C31、C32、C33、C34、C35和C36之间的电量。模块M4有利地允许使用由电路IC4供应给该模块的电压测量值来平衡在组块B4中的电池单元C41、C42、C43、C44、C45和C46之间的电量。应该注意的是，在不偏离本发明的原理的情况下，这些局部平衡模块M1、M2、M3和M4可以只是简单地实施通过耗散能量进行被动平衡的解决方案、或者通过能量传递进行主动平衡的解决方案。实际上，本发明的观点是将局部平衡(无论主动式还是被动式)与组块的切换进行组合。

在图1中的当前示例性实施例中，组块的切换有利地是通过多个开关提供的，这些开关允许电池组中的N个组块以最佳方式连接在一起。另一方面，开关允许电池组中的N个组块中的所有或一部分组块进行串联连接。例如，一个处于闭合位置中的开关SS1允许组块B0的负极(在图1中未示出)连接到组块B1的正极上；一个处于闭合位置中的开关SS2允许组块B1的负极连接到组块B2的正极上；一个处于闭合位置中的开关SS3允许组块B2的负极连接到组块B3的正极上；并且一个处于闭合位置中的开关SS4允许组块B3的负极连接到组块B4的正极上。一个处于闭合位置中的开关(在图1中未示出)还允许组块B4的负极连接到一个组块B5(在图1中未示出)的正极上。为清楚起见，这些开关SSi(0<i≤N-1)在本申请的以下部分中有时被称为“串联开关”。另一方面，与该电池组的N个组块并联地组装的多个开关与这些串联开关相结合地允许该电池组的N个组块中的所有组块或一部分组块被选择性地断开连接。例如，一个开关PS1与组块B1并联组装，其方式为使得组块B1在开关SS1处于断开位置中并且开关PS1处于闭合位置中时与电池组断开连接，组块B1仅在开关SS1处于闭合位置中且开关PS1处于断开位置中时连接至该电池组上。一个开关PS2与组块B2并联组装，其方式为使得组块B2在开关SS2处于断开位置中并且开关PS2处于闭合位置中时与电池组断开连接，组块B2仅在开关SS2处于闭合位置中且开关PS2处于断开位置中时连接至该电池组上。一个开关PS3与组块B3并联组装，其方式为使得组块B3在开关SS3处于断开位置中并且开关PS3处于闭合位置中时与电池组断开连接，组块B3仅在开关SS3处于闭合位置中且开关PS3处于断开位置中时连接至该电池组上。一个开关PS4与组块B4并联组装，其方式为使得组块B4在开关SS4处于断开位置中并且开关PS4处于闭合位置中时与电池组断开连接，组块B4仅在开关SS4处于闭合位置中且开关PS4处于断开位置中时连接至该电池组上。为清楚起见，PSi(0<i≤N-1)在本申请的以下部分中有时被称为“并联开关”。这些开关受控制的方式为使得当并联开关PSi处于闭合位置中时，串联开关SSi(0<i≤N-1)是处于断开位置中，反之亦然。例如，图2展示了所有模块B1、B2、B3和B4都被连接时的构型。在图3的实例中，模块B1、B3和B4被连接，仅有模块B2断开连接。这种对串联开关和并联开关的位置的控制(其中当一者处于断开位置时另一者处于闭合位置，反之亦然)是由一个在图1中未示出的控制系统控制的，该控制系统基于所接收的关于车辆状态的信息来产生用于这些开关的控制命令。例如，该控制系统可以包括由一个电子电路、例如一个微控制器所主宰的智能，这个微控制器还能够与其他系统、例如BMS或车辆监管器相连。这个控制系统还可以包括“驱动器”，这些驱动器是根据从该智能接收到的命令来控制这些开关的电子部件。

在充电模式下，例如当车辆连接至充电器上或者在回收制动的过程中，在同一个充电循环中可以识别到若干个充电阶段。在第一充电阶段中，所有串联开关SSi(0<i≤N-1)都处于闭合位置，并且所有并联开关PSi(0<i≤N-1)都处于断开位置，如在图2的实例中：该电池组的所有组块Bi(0<i≤N-1)于是都被连接并且被再充电。这种再充电对于所有组块Bi(0<i≤N-1)而言不是均匀的，因为这些组块并不都展现相同的特征并且并不都具有相同的温度。在第二充电阶段中，已达到其在高电流(例如，在快速充电模式中)下的极限电量水平的这个或这些组块可以通过断开其串联开关并且闭合其并联开关来断开连接。取决于这些电池单元的内电阻，在高电流下的极限电量水平可以为最大电量水平的70％至80％。在图3的实例中，是组块B2通过断开串联开关SS2并且闭合并联开关PS2而被断开连接。应该注意的是，由于这些电池单元的内电阻，在高电流下的极限电量水平不是可达到的最大电量水平。这些被断开连接的组块不再被再充电、但是可以继续其局部平衡，其他仍连接的组块继续其充电。在第三充电阶段中，之前被断开连接的这个或这些组块可以通过断开其并联开关并且闭合其串联开关而重新连接至电池组上，以便继续其在强度较低的电流下的充电，这是通过逐渐减小该充电电流以达到更高的充电水平、例如通过将充电电流的强度一分为二。例如，当电池允许时，初始电流可以是在100A的等级上的高电流，直到达到80％量级的充电水平。当这些组块几乎都达到这个水平时，例如当多于50％的组块已达到这个水平时，这个过程可以用在50A等级上的较低电流继续进行，直到90％等级的电量水平。这个过程随后以25A继续并且以此类推，这个过程根据可用于再充电的时间来中断。这个循环可以重复，直到对电池组进行了最大完全充电或者恰好在此之前。这种运行模式可以用在快速充电模式和/或正常充电模式二者中。必须清楚了解的是，以上给出的电流值是作为非限制性实例给出的，因为它们取决于电池的大小、电池的内电阻并且甚至潜在地取决于对于其内电阻具有显著影响的其温度。

在放电模式中，例如当车辆正在驱动时，在同一放电循环中也可以识别到若干充电阶段。在第一放电阶段中，所有串联开关都处于闭合位置，并且所有并联开关都处于断开位置，如在图2的实例中：该电池组的所有组块Bi(0<i≤N-1)于是都被连接并且放电。这种放电对于所有组块而言不是均匀的，因为这些组块并不都展现相同的特征并且并不都具有相同的温度。在第二放电阶段中，已达到其尤其在高电流(例如，取决于电池单元的内电阻，高于50-100A)下的极限放电水平的这个或这些组块可以通过断开其串联开关并且闭合其并联开关来断开连接。在图3的实例中，是组块B2通过断开串联开关SS2并且闭合并联开关PS2而被断开连接。这些被断开连接的组块不再放电，而保持连接的其他组块继续放电。应该注意的是，由于这些电池单元的内电阻，在高电流下的极限放电水平不是可达到的最大放电水平，高电流下可以是极限放电水平的20％的等级。在第三放电阶段中，之前断开连接的这个或这些组块可以通过断开其并联开关并且关闭其串联开关而重新连接至电池组上，以便继续其在较低电流下的放电。这个循环可以重复到该电池组的最大完全放电。

这些开关，无论是串联开关SSi还是并联开关PSi，都可以是场效应晶体管，更多地以首字母缩写被称为MOSFET，因为它们在本示例性实施例中提供多个优点。首先，MOSFET在导电状态下、换言之在闭合位置中具有低电阻，在根据当前现有技术的一个非限制性实例中、典型地对于40V的最大工作电压和在约一百安培的等级上的最大额定电流而言，这个电阻能够低至0.7毫欧。为了进一步降低损失，每个MOSFET可以有利地用若干并联的MOSFET来替换，MOSFET是容易并联连接的，因为它们具有正的温度系数。并联连接MOSFET允许在这些MOSFET之间分流并且使得它们的使用(其损失受到控制)与用于平衡一个组块与另一个组块的电流的强度兼容，该电流强度可以在用于电动或混合动力车辆的原动力电池的情况下是高至几百安培的。此外，由于它们是场效应部件，MOSFET需要非常少的能量来控制导通状态和截止状态之间的切换。最后，MOSFET是在汽车行业已经广泛使用的部件。

值得注意地包含这些串联和并联开关的这个电源电路的尺寸要与用于平衡一个组块与另一个组块的、为几百安培的电流相兼容。该电源电路可以制作在一个绝缘的金属衬底内，或者对于更低成本的系统而言，被制作在多层PCB(印刷电路板)上。有利地，它可以用一种尽可能地简化组装和这些组块彼此之间的机械分离的方式来制造。在一个特别完整的实施例中，一个完整的组块可以包括这些电池单元、用于测量电压的电路、用于进行局部平衡的模块、以及在同一块板上的包含这些串联和并联开关以及用于这些开关的控制系统的这个电源电路。将这些组块连接在一起并且与车辆的其他系统相连接的通讯链路允许收集关于车辆状态的信息，基于该信息，这个控制系统得出其控制命令而发送给这些串联和并联开关。尽管存在这样高水平的集成，这样的集成的组块的质量可以小于20千克，这是有助于由维护技术员来操纵它的一个事实。

本发明的另一个主要优点是，它通过限制维护技术员可能遭遇的一个单一组块的最大电压而有利于维修人员的安全性，并且所有开关在意外事故的情况下或者甚至每当车辆停车时都自动被断开。为此目的，每个组块的端子间电压可以选择成具有低于60伏“安全”电压的一个值，于是八至十二个组块就足以达到电池的端子间400伏特的电压，这样一个电压适于电动或混合动力车辆的要求。

此外，本发明使得该电池组是可配置的，每个组块都可以容易地连接到该电池中或者从中断开连接。这种可配置性简化了电池组的组块的安装和去除操作并且允许在例如一个组块失效之后将不同技术的组块组合在该电池组内。这种可配置性还能够使该电池组更加灵活地机械整合到车辆中，因为电池的这些组块可以用一种方式分布而优化乘客隔室或行李箱内的空间。这种可配置性允许将这些组块以及接收它们的这个电池组标准化，这个电池组能够根据车辆的型号范围以及这个型号范围内的预期自主性而接受变化数量的组块并且因此允许降低开发和后勤的成本。

通过适当地调整其充电断开连接指标，根据本发明的装置允许实施用于快速充电的有利方法。

为了理解第一快速充电方法的原理，可以想到的是，图1至3中展示的电池组连接到一个例如输送在43千瓦等级上的高充电功率的快速充电器。在充电开始时，所有的组块、换言之包含B1至B4在内的这N个组块可以是连接的，如图2中所示。这N个组块因此被同时再充电。取决于充电器和电池的特征，这个充电器例如可以对于43kW的充电将电流限制为100A。当来自这N个组块中的一个组块达到其最大容许电压极限、例如25.2伏特(如果认为这N个组块中的每一个都包括6个串联连接的电池单元并且每个电池单元允许4.2伏特的最大电压)时，则所述组块可以被断开连接并且其他仍旧连接的组块在100A的相同电流下继续充电并且以此类推，被连接的组块的数目以1的增量逐渐减小。当被连接的组块的数目变得小于一个数M其中1<M<N时，充电器降低充电电流并且所有这N个组块被重新连接，从而在小于100A的减小方案下继续充电。然后，重复相同的过程。当这N个组块之一完全充电时，它决定性地被断开连接，而N-1个其他组块继续其重复充电过程。因此结果是，对于一个组块的断开连接而言两个指标是决定性的：

·第一指标用于暂时断开连接，换言之用于仅充电电流不减小的情况下的断开连接，这在这个组块的端子间电压达到其最大值时被满足；这个是在负载下的、换言之当对其端子施加了电流时的电压；

·第二指标用于绝对性断开连接，这在该组块的充电结束、换言之在它已达到100％等级的充电状态或“SOC”时被满足。

为了更好地理解在根据本发明的装置中可以如何实施该第一快速充电方法，图4至图7展示了对于N个电池单元组块(在该具体情况下N＝8)根据充电时间(在横坐标上)并且根据充电电流(在右边纵坐标上，在100A与0A之间变化)的SOC变化(在左边纵坐标上，在0％与100％之间变化)。除非另外指出，充电功率在以下实例中是在43kW的等级上。

在图4中展示的第一示例性实施例中，被连接的组块的最小数目被固定为4，这个值对应于充电器容许的最小电压。在这个示例性实施例中，每当满足前述断开连接指标之一时，电流可以提供一个参数2来减小。结果是，充电被分为两个分开的阶段：一个充电阶段具有100A的最大电流并且是用于平衡具有最多电量的组块，这个阶段允许根据电化学电池单元的特征并且根据充电电流来非常快速地达到84％等级的电量状态，然后是在低于60A的减小的电流下的一个结束充电阶段，于是充电状态非常慢地从84％变化到100％。可以注意到，在这个方法中在以最大电流的第一运行阶段的过程中，最不平衡的组块(即，组块1、2和4)被重新平衡，从而允许这8个组块在基本上84％的SOC下达到第一平稳期。而最少不平衡的组块(即，组块3、5、6、7和8)保持未平衡直到充电过程结束。

在图5中展示的另一个示例性实施例中，应用了与图4的实例中相同的参数，除了被连接的组块的最小数目被固定为1。可以观察到，所有的组块在第一充电阶段结束时在最大电流下是平衡的。由此可以得出，为了获得高品质的快速再平衡，在再充电过程中被连接的组块的数目需要能够尽可能多地减小并且理想地能够以仅1个连接的组块来运行。然而，为此该充电器需要适应这种运行模式，特别是就最小容许电压而言。

在图6中展示的另一个示例性实施例中，应用了与图4的实例中相同的参数，除了电流减小系数从2变为1.05。实际上，尽管这在图6中并不特别清楚，但恰在100A下的充电结束之后，非常快速地连续若干次应用1.05的这个减小系数，以便使电流充分减小并且以便在不达到最大电压的情况下实施这些组块的充电。通过比较图4和6中的实例可见，这个减小系数越接近于1，就越快达到完全充电，即便因此这些组块的切换操作次数显著地增加也是如此。因此观念是寻找充电电流减小的细微性与可容许切换操作的最大数目之间的最佳折中，例如因为可靠性问题。可以观察到，第二阶段短得多，因为在大致2300秒而非2700秒之后就达到了100％电量状态的完全充电。通过这种快速充电方法，对于62Ah的电池，通过对具有最多电量的M’个组块的重新平衡而获得了1500s内的84％SOC，其中M’≥1、是一个整数。数M’取决于该充电器以低电压工作的能力。另一方面，84％这个值受到这些电化学电池单元的内电阻的限制。100％SOC的完全充电(当充电电流为零时)是在之前获得的平衡没有改进的情况下通过800秒的补充充电而获得的。

在图7中展示的另一个示例性实施例中，充电功率低，即为20kW而非43kW，减小系数等于1.1。这仅仅影响了第一充电阶段，将其持续时间代替1500s而增加到3500s。这个持续时间是根据43kW/20kW＝2.15这个比率来延长的，向其增加了一个小的时间量，最终的SOC为90％而非84％。实际上，由于电流低，第一阶段要长一点。

图4至7中展示的快速充电方法可以进行改进：第二快速充电方法可以是在第一步骤中通过仅连接M’’个组块来平衡具有最少电量的M’’个组块，其中M’’>1为整数。然而，周期性地计算这些组块的电量状态并且再一次连接最少电量的这M’’个组块。如先前地，当一个组块在充电电流下其端子间电压超过了其最大容许电压，或者当一个组块达到了等于100％的电量水平时，它被断开连接。当在给定时刻的可连接的组块的数目小于数目M时，充电电流减小，直到可连接的组块的数目与该充电器的最小操作电压相容，或者直到充电电流为零，这意味着充电结束。因此图8展示了在与图4至图7的系统相同的一个代表系统中、处于与为第一方法展示的实例相似的条件下的这个第二快速充电方法的一个示例性实施例：总计有N＝8个组块，充电功率等于43kWh，同时连接的有M’’＝6个组块，充电电流减小系数等于1.5，每120秒进行电量状态的周期性重新计算。图9展示了随充电时间而变的多个组块之间的离散度，单位为安倍-小时(Ah)。可以看到，相对于图4至图7中展示的第一方法，这种离散度非常快速地减小。下降趋势是，充电时间略微增加：以最大功率的第一阶段持续2000秒而非第一方法的1600秒，充电结束点在3300秒而非第一方法的2300至2500秒后达到。然而，通过这种第二方法，对于一个62Ah的电池，快速地实现了可接受的组块平衡，这些组块之间的离散度被减小到3Ah左右。即便这种改进是以充电时间为代价来实施平衡的，但这在选择在充电完成之前中断充电的情况下是特别有利的。然而，有可能通过在这两种快速充电方法之间进行折中来减少充电时间：根据第二方法的平衡阶段、接着是根据第一方法的完全充电阶段。

Claims (14)

1.一种用于平衡N个电池单元组块的总体电荷水平的装置，其中N>2，该N个组块被设计成有待在充电阶段中并且在放电阶段中连接到一个电路中，在该充电阶段中这些被连接的组块的电池单元累积电荷并且在该放电阶段过程中这些被连接的组块的电池单元以电流的形式返回电荷，该装置的特征在于，该装置包括至少一个开关SSi和一个开关PSi，其中0<i≤N-1：

-该开关SSi能够在其处于闭合位置中时并且在该开关PSi处于断开位置中时将一个组块Bi以与其他组块串联的方式连接到该电路中，从而使得所述组块Bi在该充电和放电阶段的过程中是被连接的；

-该开关PSi在其处于闭合位置中时并且在该开关SSi处于断开位置中时能够将所述组块Bi从该电路中移除，从而使得如果在该放电阶段过程中满足了多个放电断开连接指标或者如果在该充电过程中满足了多个充电断开连接指标则所述组块Bi就被断开连接，该组块Bi此外包括用于在被断开连接时局部地平衡其电池单元的电量水平的器件。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，用于局部地平衡该组块Bi的电池单元(Cij)的电量水平的该器件包括用于测量所述这些电池单元的端子间电压的器件，其方式为用于推导出其电量水平。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，用于测量这些电池单元(Cij)的端子间电压的该器件包括一个集成电路(ICi)，该集成电路包括多个电压测量通道。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，用于局部地平衡该组块Bi的电池单元(Cij)的电量水平的该器件还包括用于从所述组块中的处于过量充电状态下的这些电池单元中耗散能量的器件(Mi)。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，用于局部地平衡该组块Bi的电池单元(Cij)的电量水平的该器件还包括用于从处于过量充电状态下的这些电池单元中将能量传递给所述组块的其他电池单元的器件(Mi)。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，用于该组块Bi的这些放电断开连接指标包括无论何时该组块返回的电流高于一个给定阈值，超过该组块Bi的一个极限放电水平。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，用于该组块Bi的这些放电断开连接指标包括无论何时该组块返回的电流低于一个给定阈值，超过该组块Bi的最大放电水平。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，用于该组块Bi的这些充电断开连接指标包括无论何时被施加给该组块的充电电流高于一个给定阈值，超过该组块Bi的一个极限充电水平。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，用于该组块Bi的这些充电断开连接指标包括无论何时被施加给该组块的充电电流低于一个给定阈值，超过了该组块Bi的最大充电水平。

10.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，这些电池单元是锂离子电池单元。

11.一种用于电动或混合动力车辆的原动力电池，其特征在于，该原动力电池具有一个如以上权利要求中任一项所述的装置。

12.一种电动或混合动力车辆，其特征在于，该车辆包括一个如前一项权利要求所述的原动力电池。

13.一种用于对如权利要求11所述的电池充电的方法，该方法的特征在于，该方法包括多个相继的充电阶段，其中充电电流具有从一个阶段到下一个阶段逐渐减小的强度，所有不具有基本上等于100％的电量状态的组块在每个阶段开始时都是被连接的，来自不具有基本上等于100％的电量状态的这些组块中的一个组块Bi是按以下方式被断开连接：

-如果其端子间电压已达到一个预定的最大阈值则直到下一个阶段开始都暂时地断开连接，所述阈值取决于该充电电流的电流强度；

-如果其电量状态已达到基本上100％则直到该充电过程的结束都决定性地断开连接；

一旦仍连接的组块的数目达到了一个预定最小数目M，则触发从当前阶段到下一阶段的转变，其中M是在1与在当前阶段开始时已连接的组块的数目之间的范围内。

14.用于对权利要求11所述的电池充电的方法，该方法的特征在于，该方法包括多个相继的充电阶段，其中充电电流具有从一个阶段到下一个阶段逐渐减小的强度，来自不具有基本上等于100％的电量状态的这些组块中的具有最少电量的M’’个组块在每个阶段开始时是被连接的，其中1<M’’<N，这M’’个组块是以固定的且预定的时间间隔周期性地确定的，来自这M’’个组块中的一个组块是按以下方式被断开连接：

-如果其端子间电压已达到一个预定的最大阈值则直到后面的充电阶段之一开始都暂时地断开连接，所述阈值取决于该充电电流的电流强度；

-如果其电量状态已达到基本上100％则直到该充电过程的结束都决定性地断开连接；

一旦仍连接的组块的数目达到了一个预定最小数目M，则触发从当前阶段到下一阶段的转变，其中M是在1与在当前阶段开始时已连接的组块的数目之间的范围内。