CN104756353A - 用于将电池电压模块化的结构及其主动均衡 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有多个蓄积器的电池(1)，该电池包括多个电力存储电池单元(11，12，21，22，31，32)以及将所述电池单元彼此连接的一个电力网络(5)。根据本发明，所述电池单元被一起分组为多个合成电池单元(10，20，30)，该多个合成电池单元包括两个完全相同的支路，这些支路各自由至少一个电池单元构成，并且所述合成电池单元彼此是串联连接的，该电力网络包括：一个用于使得每个合成电池单元的电池单元以并联或串联方式相连接的装置(52)，以及一个用于对所述连接装置加以控制的装置(57)，该连接装置适用于将每个合成电池单元的电池单元以并联或串联方式相连接，以便将该多蓄积器电池的输出电压适配为所期望的值并且以便平衡这些电池单元的电量状态。

Description

用于将电池电压模块化的结构及其主动均衡

技术领域

本发明总体上涉及具有电推进或混合动力推进的机动车辆。

本发明更具体地涉及一种蓄电池，该蓄电池包括多个电能存储电池单元和一个将所述电池单元连接在一起的电力网络。

本发明还涉及一种用于控制该蓄电池电力网络的电子部件的方法。

背景技术

具有电推进的机动车辆通常配备有电动机和蓄电池，该蓄电池专用于为该电动机和连接到所谓的“高压”网络的辅助物件供应电流。

通常被称为“牵引用电池”的这种电池标准地包括容纳多个蓄电池单元的壳体，这些蓄电池单元的数量是以使得电动机可以在一个预定的持续时长上生成足够的转矩和足够的动力来推进车辆的方式来计算的。

每个电池单元通常跨其端子呈现2至5V量级的电压。这些电池单元然后串联连接以便达到应用所需的电压水平。跨牵引用电池的端子测量的电压因此可以达到400V。

然而，注意的是根据这些电池单元的电量状态，该电压可以降到300V以下。现在，针对某些动力，电压下降得越多，电动机的效率就降低得越多。还注意的是当电压下降时，针对给定的功率，蓄电池的充电效率将降低，这是由于充电电流将具有更大的幅值(不管这种充电是在静止的时候由专用充电器执行的还是在移动时由能量回收装置在制动期间执行的)。

而且观察到，牵引用电池的这些电池单元不是全部呈现相同的电量状态(也称为“平衡这些电池单元的问题”)的，这是由于以下事实，即，这些电池单元不是全部严格相同的(当这些电池单元离开工厂并且不随着时间以相同的方式演变时，这些电池单元的容量以及这些电池单元的内阻并不是完全相等的)并且这些电池单元在电池的壳体内是置于或多或少被良好地冷却的区域内的。

因此，牵引用电池的某些电池单元会比其他电池单元有更大的局限，因此降低了牵引用电池的总体容量以及这种电池的寿命。

发明内容

本发明因此提出了一种新的蓄电池架构，其中的这些电池单元被连接成避免了对这些电池单元进行平衡、避免了使得电动机和充电器的效率降低的问题。

更具体地，根据本发明提出了一种诸如在前言中定义的蓄电池，其中，进一步提供了使得这些电池单元一起分组为多个具有偶数个电池单元的合成电池单元，使得这些合成电池单元彼此串联，并且使得该电力网络包括将每个合成电池单元的这些电池单元以并联或串联来连接的装置、以及用于控制所述连接装置的装置，该连接装置适用于将每个合成电池单元的这些电池单元以并联和串联方式相连接。

因此，借由本发明，可以通过选择来使得每个合成电池单元的这些电池单元串联或并联，以便将跨电池端子的电压调整到期望的电压上。

实际上，这一期望电压是确保电动机或电池充电器的最大效率的电压。

而且，借助于这种电池架构，就有可能有规律地将其中电池单元为串联连接的那些合成电池单元变为其中电池单元为并联连接的那些合成电池单元以便重新平衡这些电池单元的电量，从而使得蓄电池的寿命和车辆在充电之间的里程受益。

根据本发明的蓄电池的其他优点和非限制性特性如下：

-所述连接装置在每个合成电池单元中都包括三个断路器开关；

-每个合成电池单元包括两个完全相同的支路，每个支路由至少一个电池单元构成；

-该连接装置适用于将这两个支路以串联或并联方式相连接；

-这些合成电池单元全部是完全相同的；

-该电力网络包括用于获取电压和电流的装置，从而使之有可能推断出每个合成电池单元和/或每个电池单元的电量状态和/或容量；

-提供了一个外壳，两个连接端子从该外壳显现出来，并且这些合成电池单元是串联连接在所述两个连接端子之间的。

本发明还提出了一种用于控制这样一种蓄电池的连接装置的方法，该方法包括以下步骤：

-获取连接到该蓄电池上的电池充电器或电动机的至少一个操作参数，

-根据所述操作参数推断有待跨该蓄电池的这些端子输送的一个最佳电压，

-获取跨该蓄电池的每个合成电池单元和/或每个电池单元的这些端子的这些瞬时电压，

-根据所获取的这些瞬时电压推断每个合成电池单元的一个电量状态参数，

-根据所获取的该最佳电压和这些瞬时电压推断出为使得跨该蓄电池的这些端子的电压基本上等于该最佳电压，其中的电池单元必须是以串联方式相连接的合成电池单元的数量“k”，

-在对该蓄电池放电的情况下确定出其电量状态参数最大的这“k”个合成电池单元，或是在对该蓄电池充电的情况下确定出电量状态参数最小的，

-对这“k”个合成电池单元的该连接装置加以控制，以便使得它们的电池单元串联连接，并且

-对这些剩余的合成电池单元的连接装置加以控制，以便使得它们的电池单元并联连接。

有利地，在推断出该最佳电压的步骤中，在一个数据库索引中进行搜索，该数据库索引的每条记录都将所述操作参数的一个确定的值与一个最佳电压相关联，从该数据库索引读取出一条与所获取的操作参数和相关联的最佳电压相对应的记录。

附图说明

参照通过非限制性实例给出的附图进行的阐述将明确地阐明本发明由什么组成以及可以如何实施本发明。

在这些附图中：

-图1是根据本发明的蓄电池的示意图；

-图2和图3是处于两种不同状态的图1的蓄电池的电池单元和电力网络的示意图。

具体实施方式

在图1中，已经展现了一个用于机动车辆的蓄电池1。

并未在此展现的机动车辆包括被设计成用于推进机动车辆的一个电动机和用于为蓄电池1充电的一个充电器。

该机动车辆还可以包括再生制动装置，从而使之有可能回收对机动车辆进行制动所产生的能量，从而对蓄电池1充电。

在此，该蓄电池是专用于为电动机和连接到车辆的所谓的“高压”网络上的许多辅助物件供应电流的牵引用电池1。

该机动车辆还常规地包括一个存储壳体4，一个正极2和一个负极3端子从该存储壳体显现出来。

该机动车辆还在存储壳体4内包括多个电能存储电池单元11、12、21、22、31、32和一个电力网络5，该电力网络具体使之有可能具体将这些电池单元11、12、21、22、31、32连接至负极3端子和正极2端子。

在此，这些电池单元11、12、21、22、31、32具有锂离子类型。一旦被充好电，这些电池单元中的每个电池单元都呈现跨其端子的2和5V之间的电压。

为了附图的清晰性，已经在附图中展现了这些电池单元中的仅六个电池单元11、12、21、22、31、32。

实际上，牵引用电池1将包括更高数量N的电池单元，其被选定的方式为使得电动机可以在一个预定的持续时长上产生足够的转矩和足够的动力来推进机动车辆。

典型地，将使用约200个电池单元，其方式为使得跨牵引用电池1的正极2端子和负极3端子的电压具有400V的量级并且具有足够的容量。

于是，本发明更确切地涉及将这些电池单元11、12、21、22、31、32彼此连接的方式。

更确切地，根据本发明，这些电池单元11、12、21、22、31、32是以具有偶数个电池单元的合成电池单元10、20、30方式来分布的。

电力网络5于是包括多个电导体51(诸如电线)，这些电导体将这些合成电池单元10、20、30彼此串联连接在正极2端子和负极3端子之间。

电力网络5进而在每个合成电池单元10、20、30内包括连接装置52，该连接装置不仅适用于使得该合成电池单元的这些电池单元11、12、21、22、31、32以串联相连接而且还适合于使它们以并联相连接。

电力网络5还进一步包括控制装置57，该控制装置适用于对所述连接装置52加以控制，以便通过选择来使每个合成电池单元10、20、30的电池单元11、12、21、22、31、32以并联或串联方式相连接。

优选地，这些合成电池单元10、20、30全部是完全相同的。

诸如在附图中所展现的，这些合成电池单元中的每个合成电池单元恰好包括两个电池单元。

在图1中，已经展现了连接装置52的优选实施例。

如果在此图1中考虑第一合成电池单元10，观察到的是其包括经由一个电导体53连接到正极端子2上的一个输入点S1以及通过一个电线51连接到第二合成电池单元20上的一个输出点S2。

在这一合成电池单元10中提供的、用于通过选择来使得两个电池单元11、12以并联或串联方式相连接的这个连接装置52于是包括：

-一个第一支路54，该第一支路包括用于对应地将电池单元11的两个端子连接到输入点S1和输出点S2上的多个电导体(诸如电线或印刷电路迹线)、以及连接在电池单元11和输出点S2之间的一个断路器开关102，

-一个第二支路55，该第二支路包括用于对应地将电池单元12的两个端子连接到输入点S1和输出点S2上与第一电池单元11并联的多个电导体、以及连接在输入点S1和电池单元12之间的一个断路器开关101，

-一个第三支路56，该第三支路包括用于将位于电池单元11和输出点S2之间的点S3连接到位于输入点S1与电池单元12之间的点S4上的多个电导体、并且包括一个断路器开关103。

能够例如具有MOSFET类型的这三个断路器开关101、102、103中的每个断路器开关因此在启用状态和禁用状态之间是可控的。

控制装置57于是被设计成用于对这组合成电池单元10、20、30的这些断路器开关101、102、103加以控制。

这些控制装置更确切地被设计成用于将每个合成电池单元10、20、30的前两个断路器开关101、102控制在同一状态上(或者都启用、或者都禁用)、将第三断路器开关103控制在相反的状态上、并且任选地允许改变为“在线”状态，也就是说，允许何时电流通过这个电池。

这些控制装置在此由微控制器57形成，该微控制器包括一个微处理器(CPU)、一个随机存取存储器(RAM)、一个只读存储器(ROM)、多个模数转换器以及各种输入输出接口。

这些输入接口允许微控制器57获取与电动机、充电器和牵引用电池1的这些电池单元有关的数据，其目的是将其存储在随机存取存储器中。

这些输入接口为此目的在此连接到用于获取操作参数的装置上，具体是连接到用于获取电动机的转速ω的值的装置上、连接到用于获取充电器可以汲取的最大强度I_max的装置上、连接到用于获取跨牵引用电池1的每个电池单元的端子的单独电压U_j的装置上、以及连接到用于获取由牵引用电池1汲取或接收的总强度I_bat的装置上。优选地，用于获取操作参数的装置包括至少一个用于获取充电器可以汲取的最大强度的装置或者一个用于获取电动机的瞬时转速的装置。

处理器就其本身而言能够执行存储在只读存储器内的各种程序。

其具体地适用于执行用于根据跨每个电池单元11、12、21、22、31、32的端子的单独电压U_j且根据强度I_bat来计算该电池单元的单独容量Q_j的程序。

该程序将能够例如基于卡尔曼过滤器类型的软件传感器算法。

微控制器57的只读存储器进一步存储了两个数据库索引。

第一索引包括多条记录，每条记录将电动机的转速ω的范围和电流的范围与最佳电压U_opt相关联，当到达该最佳电压时，该最佳电压确保了电动机在这些转速时的最佳效率。

第二索引包括多条记录，每条记录将充电器可以汲取的最大强度I_max的范围以及硬件限制与最佳电压U_opt相关联，当到达该最佳电压时，该最佳电压确保牵引用电池1的最佳充电效率。

微控制器57的这些输出接口就其部分而言连接断路器开关101、102、103，以便将其控制为启用状态或禁用状态。

微控制器57于是适用于对每个合成电池单元10、20、30的断路器开关101、102、103加以控制，以便将该合成电池单元的这些电池单元以并联或串联方式相连接。

如图2中的第一合成电池单元10所示，微控制器57因此可以将断路器开关101、102控制为禁用状态并且将断路器开关103控制为启用状态，其方式为使得这两个电池单元11、12串联连接。

于是，跨合成电池单元10的端子的总电压U₁₀将等于跨这两个电池单元11、12的端子的单独电压U₁₁、U₁₂之和。

合成电池单元10的总容量Q₁₀将就其本身而言等于这两个电池单元11、12的单独容量Q₁₁、Q₁₂中的最小容量。

如图2中的第二合成电池单元20所示，微控制器57可以在其他情况下将断路器开关201、202控制为启用状态并且将断路器开关203控制为禁用状态，其方式为使得这两个电池单元21、22并联连接。

于是，跨合成电池单元20的端子的总体电压U₂₀将等于跨这两个电池单元21、22的端子的单独电压U₂₁、U₂₂。

合成电池单元20的总容量Q₂₀将就其本身而言等于这两个电池单元21、22的单独容量Q₂₁、Q₂₂之和。

微控制器57于是被编程为将跨牵引用电池1的端子的电压U_bat维持为等于最佳电压U_opt，以便针对电动机或充电器确保最佳效率。

该微控制器还被编程为将这些不同电池单元的电量状态维持在相同的水平，从而避免这些电池单元之间的、将会对牵引用电池1的寿命和车辆在充电间的里程有害的任何不平衡。

为此目的，微控制器57实现以下方法。

在第一步骤期间，微控制器57获取牵引用电池1必须跨其端子呈现的最佳电压U_opt。

相应地，该微控制器确定牵引用电池1是否是正在为电动机供应电流还是牵引用电池是否正在充电。

如果牵引用电池1正在为电动机供电，则微控制器57获取电动机的转速ω和电流，并且微控制器然后在第一索引中搜索其速度范围和电流范围与所获取的电动机的转速ω和电流相对应的一条记录，并且最终微控制器从该条记录读取相关联的最佳电压U_opt。

相比之下，如果牵引用电池1正在充电，则微控制器57获取充电器可以汲取的最大强度I_max，并且然后微控制器在第二索引中搜索其强度范围与所获取的最大强度I_max相对应的一条记录，并且最终微控制器从该条记录读取相关联的最佳电压U_opt。

在第二步骤期间，微控制器57确定牵引用电池1的每个电池单元11、12、21、22、31、32的单独电量状态。

相应地，微控制器首先获取跨每个电池单元11、12、21、22、31、32的端子的单独电压U_j以及总强度I_bat。

借由为此目的在微控制器的只读存储器中存储的程序，微控制器57从其推断出对牵引用电池1的这些电池单元11、12、21、22、31、32的单独电量状态的一个良好近似。

在第三步骤期间，微控制器57确定为使得跨牵引用电池1的端子的电压U_bat基本上等于最佳电压U_opt，其中的电池单元必须以串联方式相连接的合成电池的数量k。

微控制器57是根据所获取的最佳电压U_opt和单独电压U_j来实施这种计算的。

在第四步骤期间，微控制器57以优选的方式选择出这k个有待连接成串联方式的合成电池。

在对蓄电池充电的情况下，这k个合成电池单元是其电池单元呈现最低单独电量状态的电池单元。

在将蓄电池放电的情况下，这k个合成电池单元是其电池单元呈现最大单独电量状态的电池单元。

接下来，微控制器对这k个合成电池单元的断路器开关加以控制以便将它们的电池单元以串联方式相连接，其余的合成电池单元的断路器开关被控制的方式为使得它们的电池单元保持并联连接。

以循环重复这四个步骤，其方式为使得跨牵引用电池1的端子的电压U_bat保持等于最佳电压U_opt，即便当最佳电压变化时也是如此。

因此，如图2所示，当这些电池单元的单独容量下降时或者当最佳电压增大时，可以将更大数量的电池单元以串联方式相连接。

这四个步骤的循环重复使之有可能进而防止所选择的这k个合成电池单元保持是同一些合成电池单元并且防止这些合成电池单元的这些电池单元更快地放电。相比之下，所选择的这k个合成电池单元保持是呈现出最极致电量状态的那些电池单元。

在电池单元被以串联方式相连接时其电量状态发生变化的这些电池单元可以于是被以并联方式相连接，从而使得这些电池单元的负载更小并且从而使得这些电池单元可以使得它们自身重新平衡在牵引用电池1的其他电池单元的水平上。

如果所使用的充电器具有在文献FR 2 964 510中描述的类型，本发明将是特别有利的。

将不在此详细描述的这种充电器包括：

-连接到三相网络上的电阻电感电容类型的一个过滤级，

-一个降压级，

-连接到牵引用电池上的一个升压级，以及

-插在降压级和升压级之间的一个感应线圈。

出于在所述文献中描述的控制原因，中性点处的电流(在降压级的输出处)必须在任何时刻都以一个安全裕度大于三相本地电力网络的电流强度并且大于总强度I_bat。

借由本发明，可以将跨牵引用电池1的端子的总电压U_bat维持在一个高值。为使得功率相等，因此可以降低分配给电池的电流的强度I_bat。因此，可以降低中性点处的强度，由此使之有可能可观地减少电力损耗。

如果所使用的电动机具有同步类型，本发明将同样是特别有利的。

对于这种电动机，跨牵引用电池1的端子的总电压U_bat限定了电动机将能够提供的动力域。

在具有磁体的同步电机的情况下，管理电动机的运行的等式如下：

$\begin{array}{c}{V}_d=R_s{I}_d+I_d{\stackrel{\·}{I}}_d-{\mathrm{\ω}}_r{L}_q{I}_q\\ V_q=R_s{I}_q+L_q{\stackrel{\·}{I}}_q-{\mathrm{\ω}}_r(L_d{I}_d+{\mathrm{\Φ}}_f)\end{array}$

其中：

-V_d和V_q是施加到电动机的帕克平面的这2个轴线上的电压(以伏特为单位)，

-I_d和I_q是在帕克平面的这2个轴线上在电动机内流动的电流强度(以安培为单位)，

-R_s表示电动机的定子的等效电阻(以欧姆为单位)，

-L_d和L_q是电动机的每个轴线上的电感(以亨利为单位)，

-ω_Γ是电动机的磁场的转速(因为该电动机是同步电机，所述速度等于转子转速乘以电动机的磁极对数)(以rads/s为单位)，

-表示转子的磁体所生成的磁通量(以Wb为单位)。

在具有平滑磁极的机器的简单情况中，电动机所提供的转矩与电流I_q成正比。因此，电流I_q仅产生焦耳损耗。

现在，与经由逆变器施加电压有关的约束被表达为：

$\sqrt{V_d^2+V_q^2}\≤\frac{U_{\mathrm{dat}}}{\sqrt{3}}$

为了将电流I_d维持为尽可能接近零，可能有用的是跨牵引用电池1的端子施加升高的电压，这籍由本发明是可能的。

本发明不以任何方式受限制于所描述和展现的实施例，而是本领域的技术人员将能够根据本发明的精神对其提出任何变体。

作为一种变体，将有可能提供的是使得每个合成电池单元包括不是两个电池单元而是两个完全相同的支路，每个支路由以串联方式连接在一起的一组电池单元构成。于是，该连接装置将适用于将这两个支路以串联或并联方式相连接。

牵引用电池的该变体实施例由于所使用的断路器开关的数量少而是更便宜的。另一方面，对跨牵引用电池的端子的电压的控制将不会如此之细微。

Claims (9)

1.一种蓄电池(1)，该蓄电池包括多个电能存储电池单元(11，12，21，22，31，32)和一个将所述电池单元(11，12，21，22，31，32)彼此连接的电力网络(5)，其特征在于，所述电池单元(11，12，21，22，31，32)被一起分组为多个具有偶数个电池单元的合成电池单元(10，20，30)并且所述合成电池单元彼此串联连接，该电力网络(5)包括：

-使得每个合成电池单元(10，20，30)的这些电池单元(11，12，21，22，31，32)以并联和串联方式相连接的装置(52)，以及

-用于对所述连接装置(52)加以控制的装置(57)，该连接装置适用于使得每个合成电池单元(10，20，30)的这些电池单元(11，12，21，22，31，32)以并联或串联方式相连接。

2.如前一权利要求所述的蓄电池(1)，其中，所述连接装置在每个合成电池单元(10，20，30)中都包括三个断路器开关。

3.如权利要求1和2之一所述的蓄电池(1)，其中，每个合成电池单元(10，20，30)都包括各自由至少一个电池单元构成的两个并联支路。

4.如前一权利要求所述的蓄电池(1)，其中，该连接装置适用于使得这两个支路以串联或并列方式相连接。

5.如前述权利要求之一所述的蓄电池(1)，其中，这些合成电池单元(10，20，30)全部是完全相同的。

6.如前述权利要求之一所述的蓄电池(1)，其中，该电力网络(5)包括用于获取每个合成电池单元(10，20，30)和/或每个电池单元(11，12，21，22，31，32)的电压和/或电量状态和/或容量的装置(54)。

7.如前述权利要求之一所述的蓄电池(1)，其中，提供了一个外壳(4)，两个连接端子(2，3)从该外壳显现出来，并且在该电池中，这些合成电池单元(10，20，30)是串联连接在所述两个连接端子(2，3)之间的。

8.一种用于控制如权利要求6所述的蓄电池(1)的连接装置(52)的方法，该方法包括以下步骤：

-获取连接到该蓄电池(1)上的一个电池充电器或一个电动机的至少一个操作参数，

-根据所述操作参数推断有待跨该蓄电池(1)的这些端子输送的一个最佳电压，

-获取跨该蓄电池(1)的每个合成电池单元(10，20，30)和/或每个电池单元(11，12，21，22，31，32)的这些端子的瞬时电压，

-根据所获取的这些瞬时电压推断每个合成电池单元(10，20，30)的一个电量状态参数，

-根据所获取的该最佳电压和这些瞬时电压推断出为使得跨该蓄电池的这些端子的电压基本上等于该最佳电压，其中的电池单元必须是以串联方式相连接的合成电池单元的数量“k”，

-在对该蓄电池(1)放电的情况下确定出其电量状态参数最大的这“k”个合成电池单元(10，20，30)，或是在对该蓄电池(1)充电的情况下确定出电量状态参数最小的这“k”个合成电池单元，

-对这“k”个合成电池单元(10，20，30)的该连接装置(52)加以控制，以便使得它们的电池单元(11，12，21，22，31，32)以串联方式相连接，以及

-对这些剩余的合成电池单元的连接装置(52)加以控制，以便使得它们的电池单元(11，12，21，22，31，32)以并联方式相连接。

9.如前一权利要求所述的控制方法，其中，在推断出该最佳电压的步骤中，在一个数据库索引中进行搜索，该数据库索引的每条记录都将所述操作参数的一个确定的值与一个最佳电压相关联，从该数据库索引读取出一条与所获取的操作参数和相关联的最佳电压相对应的记录。