CN104380561A - 用于电池的充电平衡 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于包括一组电化学存储单元(C₁、C₂、…、C_R)的电池(2)的充电平衡装置，该装置包括能够确保对至少一个单元的多个组合进行充电的充电装置(R₁、…、R_S)，其中，对于多个组合中的每个组合，充电装置被布置成确保对所述组合中的所有单元同时进行充电，多个组合限定了严格大于组合类型之一的数量N，每个组合类型对应于该组合中的m个单元，并且充电装置被允许以P个功率电平工作，数量P严格小于组合类型的数量N。

Description

用于电池的充电平衡

本发明涉及用于电池尤其锂离子电池的充电平衡。

尽管本发明可以应用于汽车工业，尤其是对于电动车辆和/或混合动力车辆，但本发明绝不限于这些应用。例如可以设想本发明应用于车载系统等。

电池包括多个电化学存储单元或电化学蓄电池，例如布置成串联和/或并联的锂离子单元。

寻求将每个单元保持在受限电压范围内，以避免不可逆的降级。例如，在锂离子电池的情况下，当单元的电压超过最大阈值时，存在火灾的风险，并且当该电压低于最小阈值时，存在单元的不可逆降级的风险。

然而，当大量单元被汇集在箱中时，例如用于电动车辆的电池箱中的96个单元对，单元可能具有略有不同的特性，其中某些特性，例如自动放电电流、充电时的法拉第效率、最大充电等，会直接影响单元的充电状态。因此，当电池箱被充电时，可以观察每个单元的充电级别的变化。

已知的是，分别将每个单元或单元级经由开关并联连接到电阻，以在单元过充电时允许可能的放电。耗散平衡所指的是多余的能量耗散成热量。

还已知的是，管理从充电最多的单元向其他单元的能量转移。这种非耗散的平衡系统可以是有利的，因为辐射的热更少，从而能够避免对于单元和相邻电子电路的可能损害。此外，电池放电期间执行的这些非耗散的再平衡可以允许使单元的单独充电的分配最优化，以达到几乎同时的每个单元的最小充电状态。因此，这可以允许更长久地使用电池。

已知电池的充电平衡装置包括转换器，每个转换器能够一次对仅一个单元进行再充电。为了不增加转换器的数量，可以设置尤其基于晶体管的、待充电或放电的单元选择系统，以将转换器的次级连接到所选单元。然而，这些选择系统会引起额外的损耗。

此外，已知同时对多个单元进行充电。已知用于电池的充电平衡装置包括用于同时对电池中的多个单元进行再充电的转换器。例如，文献FR2956260描述了这种装置。在该文献中，转换器用作电压发生器，其电平是规则的以为每个单元提供预定的平衡电流。其主要缺陷是，不管待再充电的单元的数量如何，转换器都以强度恒定的充电电流对单元进行再充电，从而导致转换器工作功率电平的数量与可以同时再充电的单元的数量相同：第一电平对应于仅1个单元的再充电；第二电平对应于一次2个单元的再充电；第三电平对应于一次3个单元的再充电，等等。在大部分情况下，这导致使用的转换器远离其最佳工作功率，从而引起较大的能量损耗。另一缺陷是工作在恒定电流不能够对特别是已经放电的少数单元进行更快再充电，这会限制平衡系统的性能。

因此，存在对性能优良的平衡装置的需求。

提出一种用于包括一组电化学存储单元的电池的充电平衡装置，该装置包括能够确保对至少一个单元的多个组合进行再充电的充电装置。对于至少一个(并且有利地每个)组合，充电装置被布置成确保对该组合中的所有单元同时进行再充电。多个组合限定了N个组合类型，每个组合类型对应于该组合中的m个单元，其中N严格大于1。充电装置被允许根据P个功率电平而工作，数量P严格小于组合类型数量N。

因此，考虑功率电平少于形成的组合(或组)的类型，这可以允许充电装置相比于现有技术而言工作在更接近最佳工作点，在现有技术中，给每个单元提供预定电流。

实际上，在现有技术中，由充电装置提供的功率特别地与要同时供电的单元数量相关联，因为每个单元接收预定电流。通过限制可用的功率电平，可以使用更接近其最佳工作功率的充电装置例如转换器，这可以允许限制能量损耗并且提高平衡装置的性能。

有利地，以非限制性的方式，充电装置包括多个充电模块，至少一个(并且有利地每个)充电模块与在电池的所有单元之中选择的一组M个单元相对应。因此，每个充电模块，例如转换器，可以允许对相应组的M个单元之中的m个单元组合进行再充电。

有利地，数量P小于或等于M/2的整数部分，有利地小于或等于M/3的整数部分。

可以设想限制或不限制同时可再充电的单元的数量。例如，可以设想通过3个单元的充电模块来限制同时可再充电的单元的数量。在这种情况下，N等于3，因为考虑三个组合类型：组中的M个单元之中的单个单元的组合；组中的M个单元之中的两个单元的组合以及组中的M个单元之中的三个单元的组合。

可替选地，可以设想充电模块能够对1至M个单元同时进行再充电。在这种情况下，N等于M，因为考虑M个组合类型。第一组合类型与组中的M个单元之中的单个单元的选择相对应，第二组合类型与M个单元之中的量个单元的选择相对应，等等。第M个组合类型对应于组中的所有M个单元。

有利地，以非限制性的方式，充电装置可以被布置成使得与这些充电装置相对应的单元组中的每个单元能够独立于该组中的其他单元而被充电。换句话说，单元能够被单独选择。

在一个实施方式中，功率电平数目P等于1。因此，不管要同时再充电的单元数量如何，充电装置都以单个功率电平工作。此外，该实施方式可以是有利的，因为当单元组中的单个单元具有更低的充电电平时，该单元被相对快速地再充电，因为转换器以相对大的电流执行再充电，使得该单元在相对有限的时期内被证明是限制性的。

在另一实施方式中，可以提供多个功率电平，例如两个、三个或四个功率电平。尤其在为了充电选择的单元数量相对少时，这使得能够限制充电电流。因此，在该实施方式中，布线和线路可以相对简单，因为充电电流受到限制。

例如，可以提供三个功率电平：

-与单个单元的充电相对应的16瓦特的功率电平。由于单元电压接近于4V，因此16瓦特的功率电平对应于接近4A的充电电流。

-32瓦特的功率电平对应于两个单元的同时充电，这还对应于约4A的充电电流。

-48瓦特的功率电平对应于三个或更多个单元的同时充电。

在转换器确保三个单元正确充电的情况下，每个单元基本上接收4A的电流。如果转换器必须确保四个单元的充电，则分配给每个单元的电流将接近3A。对于六个单元的同时充电，与一个单元相对应的电流接近2A。因此，当单元数量增加时，与一个单元相对应的电流减小。然而，该减小是相对的。

本发明不受充电装置形式的限制，尽管有利地，充电装置可以包括能够转换接收的能量的转换器。例如可以设想集成了专用于平衡的附加电池以及用于将附加电池连接到待平衡的电池中的单元的连接装置的充电装置。

本发明不再受限于由转换器接收的能源。

有利地，以非限制性的方式，可以设想将充当装置例如转换器连接到比由待平衡的电池递送的电压更低的电压网络。

有利地，以非限制性的方式，具有更低电压的这个网络可以由待平衡的电池供电。

在机动车辆的情况下，14V网络本身由待平衡的电池供电的高电压网络来供电。因此，间接地从电池中的所有单元上提取能量。此外，14V网络的选择是有利的，因为由转换器接收的能量具有相对小的电压，这可以限制线路和转换器的设计约束。

在另一实施方式中，可以设想将转换器的输入连接到待平衡的电池中的至少一些单元，以直接接收来自这些单元的能量，例如电池中的一组单元或所有单元。在第一种情况下，可以避免转换器输入处的电流和电压过高。在第二种情况下，与平衡相关联的放电不明显，因为放电分布在所有单元上。

所有单元可以包括例如一百个左右的单元数量。一组单元可以包括比所有单元的单元数量更少的单元数量，例如十个左右的单元数量。

有利地，以非限制性的方式，充电装置可以包括用于将转换器可逆地连接到一组单元组中的单元的多个开关。

有利地，以非限制性的方式，充电装置可以包括能够生成用于控制开关的信号的处理装置。这种处理装置可以被布置成根据其当前充电电平来执行待再充电的单元的检测并且引导充电装置以选择这些待再充电的单元。

有利地，以非限制性的方式，这些处理装置可以被布置成根据待供电的单元数量来确定转换器工作的功率电平。

在一个实施方式中，充电装置可以包括连接到换流器的主线圈以及针对与这些充电装置相对应的一组单元中的每个单元而包括次级线圈和整流器。

有利地，以非限制性的方式，处理装置可以通过控制充电电流来控制换流器和/或整流器，以将转换器置于在严格小于组合类型数量N的功率电平数目P之中选出的接收功率电平。

本发明不受转换器形式的限制。例如可以提供断路器、电荷泵转换器等。

此外，提出一种尤其用于机动车辆的供电系统，其包括如上所述的电池和平衡装置。

在电动车辆和/或混合动力车辆的应用范围中，待平衡的电池可以能够对车辆的牵引系统进行供电。

此外，提出一种机动车辆，例如电动车辆或混合动力车辆，其包括如上所述的供电系统。

此外，提出一种用于包括一组电化学存储单元的电池的充电平衡装置的管理方法，该平衡装置包括能够对多个单元同时进行再充电的充电装置，该方法包括：

-在多个组合之中选择要同时再充电的至少一个单元的组合，所述多个组合限定了数量N严格大于组合类型，每个组合类型对应于该组合中的m个单元；以及

-给转换器施加在功率电平数目P之中选出的功率电平，数量P严格小于组合类型的数量N。

该方法可以例如应用于上述平衡装置中或者应用于集成在平衡装置中或与平衡装置分开的管理装置中。

该管理装置可以包括信号的数字或模拟处理装置，例如处理器，或者集成在该处理装置中。

该管理装置尤其可以引导：

-充电装置的充电接收元件，例如主线圈，和/或

-充电装置的充电发送元件，例如整流器和/或次级线圈。

可以执行该引导以在所选单元数量减少时增加选择用于充电的每个单元的充电电流。因此，该方法可以包括如下步骤：根据待再充电的单元组合中的单元数量而至少确定单元的充电电流，使得充电装置的功率电平是在电平数目P之中选出的电平，P严格小于组合类型的数量N。

当功率电平的数目大于一时，该方法可以包括如下步骤：根据待再充电的单元数量来确定功率电平。

此外，提出一种管理用于包括一组电化学存储单元的电池的充电平衡装置的装置。该平衡装置包括能够确保对至少一个单元的多个组合进行再充电的充电装置，其中，对于多个组合中的每个组合，充电装置被布置成确保所述组合中的所有单元的同时再充电，并且其中，多个组合限定了数量N严格大于组合类型，每个组合类型对应于该组合中的m个单元。该管理装置被布置成给充电装置施加在P个功率电平之中选出的功率电平，数量P严格小于组合类型数量N。

有利地，该管理装置还可以被布置成根据电池中的单元的充电电平值来选择待再充电的一个或更多个单元的组合。

参照附图将更好地理解本发明，附图示出了非限制性的实施方式。

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的、用于机动车辆的供电系统的示例；

图2示意性地示出了根据本发明实施方式的、电池的充电平衡装置的示例。

在各个附图中可以使用相同的附图标记用于表示相同或相似的元素。

参照图1，高电压网络1由包括一组R个单元C₁、C₂、…、C_R的高电压电池2供电。这个锂离子电池2尤其能够给电动机3供电，并且因而能够确保机动车辆的牵引。电池2能够提供例如70伏特至400伏特之间的电压。

此外，车辆包括低电压网络4，该低电压网络4能够给辅助设备5、6提供10伏特至16伏特的电压，例如14伏特的电压。这些辅助设备5、6可以例如包括车辆的助力转向装置等。

低电压网络4借助于转换器DC/DC 7连接到高电压网络1。为了确保低电压网络4的低电压电池8例如铅酸电池的充电，借助转换器7从高电压电池2提取能量。

当对低电压电池8进行再充电时，高电压电池2中串联连接的所有单元C₁、C₂、…、C_R遭受相同的充电变化。

此外，系统包括数量S的转换器R₁、…、R_S。每个转换器R₁、…、R_S能够对与该转换器相对应的一组M个单元之中的单元进行再充电。在电池2的R个单元之中选择该组M个单元，例如12个单元。

例如，电池2包括96个单元C₁、C₂、…、C_R。这96个单元分别分成8组12个单元。在该示例中，转换器的数量S因而等于8，并且单元的数量R等于96。每组的单元数量M是12。

在该实施方式中，S个转换器R₁、…、R_S经由各自的主线圈连接到14V的网络4，并且能够将能量分别转移至M个单元之中的一个或多个单元，这些转换器通过其次级线圈而连接到所述一个或更多个单元。

因此，这S个转换器在低电压网络4上提取能量，该低电压网络本身由高电压电池2供电。换句话说，这些转换器R₁、…、R_S间接使用高电压电池2中的所有R个单元C₁、C₂、…、C_R上所提取的能量。

因此，所提取的能量分布在所有这些R个单元上，这可以允许避免各组的充电不平衡。

此外，转换器R₁、…、R_S的主侧电压仅是14伏特，这些转换器R₁、…、R_S可以是相对简单的设计并且适配于低电压。

图2更详细地示出了转换器R_S的示例。在该示例中，为了清楚起见，转换器R_S仅连接到4个单元C_S1、C_S2、C_S3、C_S4，但是应当理解，单元的数量可以不是4个，尤其可以是12个。

转换器R_S包括借助于换流器11连接到14V网络4的主线圈10。

此外，转换器R_S具有与可连接转换器R_S的单元C_S1、C_S2、C_S3、C_S4相同数量的次级线圈E_S1、…、E_S4。因此，与一组M个单元相对应的转换器R_S包括M个次级线圈。

除了与该单元相对应的次级线圈之外，对于转换器R_S连接的M个单元中的每一个，转换器R_S包括开关I_S1、…、I_S4。

在图2上，开关I_S1、…、I_S4显示在与转换器R_S相对应的箱体的外部，但是应当理解，有利地，这些开关可以集成在该箱体的内部。

每个开关I_S1、…、I_S4被布置成使得能够建立相应单元和相应次级线圈之间的连接。每个开关I_S1、…、I_S4通过处理装置12例如电子控制单元ECU(Electronic Control Unit)来被电控制。

处理装置12可以包括处理器，例如微控制器、微处理器等，或者集成在处理器中。

此外，对于转换器R_S连接的该组M个单元中的每一个，转换器R_S包括整流器J_S1、…、J_S4。

换流器10和整流器J_S1、…、J_S4由处理装置12引导，使得这些处理装置12控制由转换器接收的电流强度I_tot和单元C_S1、C_S2、C_S3、C_S4的充电电流。

在实施方式中，每个平衡转换器R₁、…、R_S是单向的。换句话说，这些转换器R₁、…、R_S中的每一个使得能够将低电压网络的能量转移至与其连接的一个或更多个单元，但是在相反方向上禁止能量转移。

在该实施方式中，每个转换器R₁、…、R_S工作在恒定功率，这意味着，当至少一个单元被选择用于再充电时，即接通与该单元相关联的控制开关，主侧上提取的功率固定在预定值P₀。因此，通过连接到转换器的次级线圈的每个单元的电流取决于待再充电的单元的数量。

更确切地说，令η为能量转移系统的整体效率，其包括与转换器、控制和线缆相关的损耗，可以得出如下关系式：

$\begin{array}{c}\mathrm{\η}=\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i\·I_i\·{\mathrm{\δ}}_i}{V_{14V}\·I_{\mathrm{tot}}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i\·I_i\·{\mathrm{\δ}}_i}{P_0}\\ \⇔\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i\·I_i\·{\mathrm{\δ}}_i=P_0\·\mathrm{\η}\end{array}$

其中：

V_14v是低电压网络的电压，通常为14伏特；

I_tot是转换器的主侧的低电压网络上所提取的总电流；

V_i是下标为i的单元的电压，其中i在1和M之间；

I_i是当对单元i进行再充电时通过该单元i的平衡电流；

如果单元i在再充电，也就是说，如果与该单元相关联的开关接通，则δ_i是布尔信号1，否则δ_i是布尔信号0。

因此，当与该转换器相关联的M个单元之中的单个单元进行再充电时，通过该单元的电流是所有M个单元进行再充电时的约M倍，近似尤其基于的事实是，该组M个单元中的所有单元不必确切地是相同电压。

因此，单元再充电速度比待再充电的单元数量减小更加重要。

非耗散平衡系统更令人关注的是，在对电池4中的所有单元进行放电时，其使得能够确保最多的(有利地所有)单元同时达到其最小充电电平，以更好地利用电池4中包含的能量。

在单元上存在电量分散的情况下，电池4的所有单元中电量较小的单元是最早达到其低阈值的单元，从而禁止对电池4的所有额外使用。转换器R₁、…、R_S使得能够在第一时间对具有最小充电的该单元进行快速再充电。因此，这些转换器使得能够更好地使用电池，因为这个限制性单元可以更迟地达到其低阈值。

在具有最小充电的单个单元的情况下，通过设置单个功率电平P₀，相对大的平衡电流通过这个具有最小充电的单元，这允许在控制对这两个单元同时再充电之前，将该限制性单元快速地带到与充电最少的第二单元相同的充电电平，并且然后直到使该组所有M个单元平衡。

换句话说，通过设置单个功率电平，可以比现有技术更快速地趋向平衡状态，其中平衡转换器用作电压生成器，该电压生成器的电平被调节成提供预定平衡电流。其中转换器用作电流生成器的所描述的装置，相比少量单元处于平衡过程中而言，为每个单元带来更大的平衡电流。

与工作在恒定功率相关联的的另一优点是每个转换器的设计可以被优化在单个工作点附近，这允许获得能量转移的更好效率。因此，可以调解对多个单元同时进行再充电并且接近工作点工作。

用于对各个相应多组单元中的一个或多个单元进行再充电的转换器，是由电动车辆的辅助网络供电的。因此，对一个或多个单元进行再充电伴随着所有单元的轻微放电，因为借助图1上标记为7的转换器来实现低电压网络4的供电，转换器7在高电压电池2的所有单元C₁、C₂、…、C_R上提取其功率。这可以允许进一步增加单元组2的平衡速度，因为比其他单元具有更高充电状态的未再充电单元随着对最少充电的单元进行再充电而轻微放电。因此，可以使所有单元平衡，而无需转换器的第二阶段，这能够确保从一组单元到另一组单元的转移。

在另一实施方式中，所提出的系统可以工作在伪恒定功率。换句话说，每个转换器可以能够工作在多个功率电平，例如三个功率电平。

例如，当一组M个单元中的单个单元充电时，转换器R_S的主侧上所提取的功率固定于值P₁。该值P₁小于与上述实施方式的唯一功率电平相对应的值P₀。

当两个单元充电时，转换器组的主侧上所提取的功率固定于包括在P₁和P₀之间的值P₂，并且严格不同于这其他两个功率值。当至少三个单元充电时，转换器的主侧上所提取的功率固定于等于值P₀的值P₃。

提供三个功率电平可以允许选择用于平衡装置的标准组件，尤其是转换器的次级侧的组件，并且特别地，用于整流的晶体管和/或二极管、线缆和位于功率路径上的各种组件、转换器线圈等。

例如，对于一组M等于12个单元，等于P₀的功率P₃可以选择为等于36瓦特，功率P₁可以选择为等于12瓦特，并且功率P₂可以选择为等于24瓦特。因此，对于4伏特左右的单元电压，当一个、两个或三个单元充电时，平衡电流将接近3安倍，然后对于单元数量大于三，平衡电流将减小，直到当12个单元充电时达到约0.75安倍。当然，仅作为指标给出这些数量级。

在另一实施方式中，可以设想转换器是在主侧被供电的，该主侧不在机动车辆的低电压网络上而是直接在高电压电池的所有单元上。因此，转换器同时在主侧和次级侧上连接到该电池。该变型能够执行重新平衡，即使对于没有提供任何低电压网络的应用，尤其工业中或车载系统上的应用，例如，对于手提电脑的电池转移、太阳能板等。因此，该变型可以允许系统自动工作。

转换器可以例如在主侧连接到一组M个单元的端子或电池2的端子，并且在次级侧连接到待平衡的M个单元中每一个的端子。

当转换器在主侧连接到该组M个单元的端子并且在次级侧单独连接到M个单元时，在该组M个单元内执行平衡。由转换器生成的电压保持相同的数量级。

当转换器在主侧连接到电池2的端子并且在次级侧仅连接到12个单元的组时，主侧电压可以更高，但是相反地，该架构能够使M个单元组中的平均充电彼此平衡。

Claims (10)

1.一种用于包括一组电化学存储单元(C₁、C₂、…、C_R)的电池(2)的充电平衡装置，所述装置包括

能够确保对至少一个单元的多个组合进行再充电的充电装置(R₁、…、R_S)，

其中

对于每个组合，所述充电装置被布置成确保对所述组合中的所有单元同时进行再充电，

所述多个组合限定了N个组合类型，其中N严格大于1，每个组合类型对应于该组合中的m个单元，以及

所述充电装置被允许根据P个功率电平的数量P工作，数量P严格小于组合类型的数量N。

2.如权利要求1所述的平衡装置，其中，所述充电装置的功率电平的数量P等于一。

3.如权利要求1所述的平衡装置，其中，所述充电装置的功率电平的数量P严格大于1。

4.如权利要求1至3之一所述的平衡装置，其中，所述充电装置包括至少一个转换器(R₁、…、R_S)。

5.如权利要求4所述的平衡装置，其中，所述至少一个转换器(R₁、…、R_S)被布置成接收比由所述电池(2)递送的电压更低的电压网络(4)的能量，所述网络由所述电池供电。

6.如权利要求4所述的平衡装置，其中，所述至少一个转换器连接到所述电池中的至少一些单元，以接收直接来自所述单元的能量。

7.如权利要求4至6之一所述的平衡装置，其中，所述转换器包括：

用于接收能量的主线圈(10)；

换流器(11)；

用于能够由所述转换器进行再充电的每个单元(C_S1、…、C_S4)的次级线圈(E_S1、…、E_S4)、开关(I_S1、…、I_S4)和整流器(J_S1、…、J_S4)；以及

能够引导所述开关、所述换流器和/或所述整流器的处理装置(12)。

8.一种用于机动车辆的供电系统，包括

能够对所述机动车辆的牵引系统进行供电的电池(2)，和

如权利要求1至7之一所述的平衡装置。

9.一种机动车辆，包括如权利要求8所述的供电系统。

10.一种用于包括一组电化学存储单元的电池的充电平衡装置的管理方法，所述平衡装置包括能够对多个单元同时进行再充电的充电装置，所述方法包括：

在多个组合之中选择要同时再充电的至少一个单元的组合，所述多个组合限定了N个组合类型，其中N严格大于1，每个组合类型对应于该组合中的m个单元；以及

给转换器施加从P个功率电平之中选择的功率电平，数量P严格小于组合类型的数量N。