CN105009405B - 包括由电池模块构成的电池的系统及用于该系统的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种系统和相应的方法，包括由被布置为串联的多个电池模块(BAT 1，BATN‑1，BATN)构成的电池(1)，每个模块都具有布置为串联的并且并联连接到模块的开关(8)和二极管(9)，该系统还包括一方面通过电气连接直接连接到位于每个模块的二极管与开关之间的点，并且另一方面直接地连接到电池的负端子的电容器(3)，以及并联连接到该电容器的负载(2)，还包括用于使用占空比(δ)在0％和100％之间变化的脉冲宽度调制信号来控制每个模块开关的装置。

Description

包括由电池模块构成的电池的系统及用于该系统的方法
技术领域
本发明涉及提供有由串联布置的电池模块构成的电池的系统，特别涉及电动汽车或混合动力系汽车。
背景技术
这些系统可以包括由电源供电的负载，例如，在车辆的情况中，电气动力系通过电池供给电力。这种电池通常由多个布置为串联的电池模块组成，并且这些模块可以对应于激活或去激活被独立地串联连接或断开。换言之，激活的电池模块的数目取决于希望供给负载的电压而不同。
电容器被布置在电池与负载之间以便平滑高频电流，而且也平滑由转换器级吸收的瞬时电流，转换器级可以是布置在动力系输入的逆变器。当电池(即模块组)通过继电器被连接到动力系时，例如，在车辆的起动期间，高的瞬时电流出现并可能损坏组件，例如电容器，所使用的继电器或功率开关。
此外，被布置于动力系输入的逆变器级的端子处的快速的电压变化无法通过逆变器级而被置于足够快速的控制之下，这可以产生被行驶车辆的架驶员感知到的颠簸。这种颠簸可以损坏动力系中的机械元件。
在车辆中，建议仅在车辆的起动期间使用包括两个接触器和与电容串联的电阻器的电路来对电容器进行预充电。第一接触器使得通过电阻器以减小的电流为电容器充电成为可能，并且第二接触器使得为了正常工作而旁路电阻器成为可能。这种解决方法的缺点是需要包括昂贵而笨重的接触器的电路，并且这些接触器在暴露于过高电流时有保持关闭的危险。
可以参考欧洲专利申请EP 2 361 799，其描述了一种用于在连接动力系之前增加电容器端子处的电压的系统，即用于预充电电容器的系统。特别是，该文献提出使用电阻器以形成用于为电容器充电的RC型电路。这种系统的缺点是不能使人们获得电容器的完全充电，充电时间太长。这种系统的缺点还在于增加了串联到系统的电阻器。因此由于该电阻器这种系统不能被用于车辆的起动期间。因此不适于在车辆的工作期间激活或去激活电池模块。
还可以参考美国专利申请US 2012/0025768，其描述了一种用于预充电电容器的具有低值电阻器的系统，以及用于改进电容器的预充电的开关单元。这种系统也无法车辆的工作期间使用。
国际专利申请WO 2009/077668描述了一种用于预充电电容器的系统，其中开关被串联连接到电容器，并且该开关被占空比变化的脉冲宽度调制信号控制。这种解决方案的缺点是增加了包含电容器的支路的阻抗。
最后，还可以参考法国专利申请FR 2 923 962，其描述了另一用于预充电电容器的使用“升压”型功率转换器的系统，但同样具有增加包含电容器的支路阻抗的缺点。因此由于阻抗增加带来过量损耗而无法在车辆工作期间使用该系统。
本发明的一个目的是允许电池模块在任意时间的激活或去激活，例如，在汽车的情况中，在车辆的起动期间和工作期间。
本发明的目的还在于通过减少产生能够损坏组件的电流来改进电容器的预充电。
发明内容
根据一个方面，提出了一种系统，包括由多个被布置为串联的电池模块构成的电池，每个模都块具有被布置为串联且并联连接到模块的开关和二极管，所述系统还包括电容器(3)和与所述电容器并联连接的负载(2)，所述电容器(3)一方面通过电气连接直接连接到位于每个模块的二极管与开关之间的点，并且另一方面直接连接到所述电池的负端子。
换言之，对于每个电池模块，半-H桥被并联连接到模块，支路的中点对应于二极管和开关之间的所述点。
根据总的特征，该系统包括用于使用占空比在0％和100％之间变化的脉冲宽度调制信号来控制每个模块开关的装置。
优选地，该系统包括用于使用脉冲宽度调制信号来控制每个模块开关的装置，该脉冲宽度调制信号的占空比在0％和100％之间变化，0％和100％被排除在外，或者在5％和95％之间变化。因此该技术方案可以获得对开关的更佳控制，过短的脉冲无法实现开关的适当控制。
因此，可以使用能够或多或少快速切换的开关。然而，应当注意为了延长占空比变化的间隔，可以采用能够快速切换的开关(例如使用氮化镓(GaN)的开关)。
由开关，二极管，电气连接(具有被称为线路电感的固有电感)和负载构成的组形成了本领域技术人员公知的“降压”电路。在这个例子中，电容在其支路中单独存在，负载连接到该支路；因此不存在由于阻抗增加产生的损耗。电池模块因此可在任意时间被连接或断开。
此外，该系统实现了更加快速地为电容器充电并控制充电时间以便防止高的瞬时电流。
可以注意到从占空比为0％(开关断开)到占空比为100％(开关闭合)的例子，例如，在附加模块连接的情况下：一旦占空比变化高达100％，将要连接的模块的电压将被附加到已经连接的模块的电压上。
在一个模块断开的情况下从占空比为100％到占空比为0％的例子：当占空比变化降至0％时，将减去被断开的模块的电压。当然，装置例如开关并联的二极管或者开关的本征二极管可被提供用于确保串联的模块组中的模块的断开，而不妨碍该组的运行。
用于控制每个模块开关的装置可以以每个脉冲中的相同百分比，例如，每个脉冲中的1％来改变脉冲宽度调制信号的占空比。
此外，该控制装置可以改变脉冲宽度调制信号的频率，例如，根据占空比。
特别有利的是改变该频率以便减少对应于特定占空比的时间段的持续时间。特别地，在此邻近50％的占空比对应于最大电流变量，并由此优选地减少其持续时，即增大开关频率。
此外该系统还可以包括针对每个模块的与该模块的二极管并联连接并且与该模块的开关连接的附加的电容器。
每个附加电容器可以提供瞬时电流，其被附加到那些由并联连接到负载的主电容器提供的电流上，这降低了由于开关的切换而产生的功率损耗，并且还允许了人们使用具有较低电容值的电容器。
对于每个模块，开关可以是MOSFET晶体管，并且二极管是MOSFET晶体管的本征二极管。换言之，两个MOSFET晶体管被布置为串联，并且电容器被连接在这两个MOSFET之间。对于二极管而言，通过阻塞两个MOSFET晶体管之一来实施，例如，两个MOSFET晶体管之一被连接到电池模块的负端子。
该系统可以包括用于使用控制每个开关的反相信号来控制与每个模块的二极管相对应的MOSFET晶体管的附加的装置。当然，还可以考虑延迟时间，例如，死区时间，以防止切换期间的电池短路。
当开关断开时，还可以使电流流通与所述二极管相对应的晶体管，并且允许负信号的电流的流动(二极管通常阻止该方向的流动)。因此防止了在电流的流动中出现不连续的情况。
该系统可以具有用于调节每个电气连接(例如附加的电气连接部分)的电感的装置，或者具有用于调节该电感的铁氧体元件。
根据另一方面，提供了一种电动汽车或混合动力系汽车，包括所述系统，所述负载为车辆的动力系。
本发明能够实现在行驶期间被驾驶员感知的颠簸的减少。
根据另一方面，提供了一种用于对系统的负载的输入电容器的端子处的电压进行调整的方法，系统具有由多个电池模块构成的电池，每个电池模块提供有开关，所述方法包括将电池模块连接到电容器和/或将电池模块与电容器断开连接。
根据一个总的特征，该方法包括确定占空比在0％和100％之间变化的脉冲宽度调制信号，以控制所述电池模块的开关。
脉冲宽度调制信号的占空比可以在每个脉冲中变化相同的百分比。
脉冲宽度调制信号的频率可以变化。
该方法可以包括对连接电容器与电池模块的电气连接的电感的调节。
占空比可以在0％和100％之间变化并且不包括0％和100％，或者在5％和95％之间变化。
附图说明
其他目的，特征和优点在参考附图阅读作为非限制示例给出的以下描述之后将变得显而易见，在附图中：
-图1图解地例示了连接到动力系的电池，
-图2至4图解地示出了根据本发明的实施例的电路和实施方式的方法，以及
-图5示出了在电池模块连接的情况下，电容器的端子处的电压的变化和流过将电池连接到电容器的电感的电流的变化。
具体实施方式
在图1中示出的是电池1，例如，电动汽车或混合动力系汽车的电池，该电池由多个串联的电池模块构成。电池1通过电容器3被连接到动力系2。电容器3被适当地预充电以保护其自身以及其他组件，例如，在车辆(连接电池1)起动期间或电池模块的连接期间。
传统形式的动力系2包括具有多个开关5的逆变器级4，旨在控制具有机械部件的电机6，所述机械部件可能在电池或电池模块连接期间出现过高电流的情况下被损坏。
在图2中更加详细地示出了电池1，其具有标记为BAT1至BATN的多个电池模块。此处示出了三个电池模块BAT1，BATN-1和BATN。每个模块具有布置为串联和并联的多个电池单元7。为了简化，图2中没有标记出所有的单元7。
单元模块BATN与被串联布置在电池模块BATN的+端子和-端子之间的开关8和二极管9一起示出。由其固有电感10表示的电气连接一方面被连接至位于开关8与二极管9之间的点，并且另一方面被连接至电容器3，电容器3连接至动力系2，动力系2在此通过负载来表示。
应当注意到包含电容器3的支路并不包含开关，这与现有技术的某些已知解决方案的情形相反。因此会产生损耗的电源电路的阻抗不会增加。
当然，其他电池模块BAT1至BATN-1也可包括开关8和二极管9，以及到电容器的连接，该连接可被置于断开状态，例如，一旦模块的连接完成。还应当注意到每个已连接模块中的开关8位于闭合位置：对于这些开关，将占空比控制为100％。
图2的电路可以以如图3所示的简化方式表示。可见这是本领域技术人员所公知的“降压”转换器型电路。
模块BATN的端子处的电压通过标记为V2的电压源来表示，并且模块组BAT1至BATN-1的端子处的电压通过标记为V1的电压源来表示。
在模块BATN连接的情况下，希望在电容器的端子处获得的电压等于电压V1和V2之和，并且因此动力系2的电压等于电压V1和V2之和。
可以计算当开关8闭合以及当开关8断开时流经电感10的电流值的变化。电流值变化的这两个值是相等的，并且δ表示由控制装置(未示出)施加到开关8的脉冲宽度调制信号的占空比，可以由此通过下面公式采用电压V1和V2推导出在每个时刻被连接的电压Vs：
VS＝V1+δ×V2
该控制装置可被包括在车辆的电子控制单元(ECU)中或者在任何其他能够产生脉冲宽度调制信号的设备中。
而且，其中，L表示电感10的值并且T表示脉冲宽度调制信号的周期，可以获得以ΔI表示的电流变化的表达式：
由此获得对于占空比为50％的电流变化的最大值(ΔImax)：
电路的参数可被修正，包括施加到开关8的脉冲宽度调制信号的频率或周期，占空比的变化量，以及寄生元件(电感10)。
为了保护组件，优选减小ΔImax的值。因此可以例如通过延长电气连接或通过使用铁氧体来增加电感10的值L。
还可以增加脉冲宽度调制信号的频率。如所述的，开关(其可为MOSFET晶体管)中的损耗限制了频率的增加。这些损耗可能由于通过取决于开关的内部电阻的开关的导通，或者由于该开关的切换产生的损耗。
在传统方法中，可能在开关的导通期间，闭合期间和断开期间计算损耗。通过考虑开关(或者是MOSFET晶体管例子中的结)的最高温度，可以获得最大开关频率fmax：
其中：
Eswitchingmax是切换能量的最大值，
EON是断开开关的能量，
EOFF是闭合开关的能量，以及
Tcharging是取决于占空比变化的总充电时间。
图4中示出的是本发明的变形，其中开关8是MOSFET晶体管并且二极管9是MOSFET晶体管11的本征二极管。晶体管8也提供有本征二极管12。
所有电池模块BAT 1至BATN都可以提供有两个MOSFET晶体管。
应当注意，通过施加附加的控制信号给晶体管8和11，通常被二极管9阻挡的电流在负极方向的流动是允许的。因此，不会出现电流的不连续。
在另一未示出的变形中，可以在支持该两个MOSFET晶体管的支路上并联连接附加的电容器。
在图5中，在曲线13上示出了流过电感10的电流随时间的变化，在曲线14上示出了在电容器3的端子处的电压随时间的变化，并且在曲线15上示出了施加到开关15的控制信号随时间的变化，例如，在连接有附加的电池模块的情况下。
应当注意，对应于连接有附加模块的电压增加(箭头16)大约为30伏。此外，如曲线13，14和15所示，当占空比增加时，在电容器的端子处存在几乎线性的电压增加，以及电流的震荡。如上所示的，对于占空比在50％附近，可以获得电流的最大变化。此外，通过电感10的电流循环在此没有被抵消；因此处于连续导通模式。
根据本发明，可以在降低损耗的情况下实现电容器的预充电，并且可以通过改变例如脉冲宽度调制信号的频率或占空比来控制其持续时间。
通过相对于动力系的响应时间足够慢地从占空比值0％变化到占空比值100％(或者相反)，能够允许动力系控制电机而没有损坏危险。
本发明还适用于任何类型的开关和二极管，例如，本领域技术人员公知的IGBT型部件，或者还可以是氮化镓(GaN)基板上的部件。
本发明还可被用于任何类型的电池。

Claims (16)

1.一种用于逐渐增大输入电容器的端子处的电压的系统，所述系统包括：
由串联布置的多个电池模块(BAT1，BATN-1，BATN)构成的电池(1)，每个模块包括开关、二极管和多个电池单元，其中所述开关(8)和所述二极管(9)被布置为串联并与所述多个电池单元并联连接，每个模块包括连接在所述开关和所述二极管的阴极之间的正端子以及连接到所述多个电池单元和所述二极管的阳极的负端子，所述模块被串联连接以使得最后的模块的正端子连接到所述电池的正端子，第一模块的负端子连接到所述电池的负端子，并且所述模块被连接成使得一个模块的正端子连接到下一个模块的负端子，
输入电容器(3)，所述输入电容器(3)通过电气连接直接连接到所述电池的端子，
与所述电容器并联连接的负载(2)，
用于使用占空比(δ)在0％和100％之间变化的脉冲宽度调制信号来控制每个模块开关的控制装置，
用于命令所述控制装置顺序控制每个模块以使得每个模块的开关一个接一个地逐渐闭合的逻辑装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，用于控制每个模块开关的所述控制装置将所述脉冲宽度调制信号的所述占空比(δ)在每个脉冲中改变相同百分比。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述控制装置改变所述脉冲宽度调制信号的频率。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括针对每个模块的、与所述模块的所述二极管(9)并联连接并与所述模块的所述开关(8)连接的附加电容器。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，对于每个模块，所述开关是第一MOSFET晶体管(8)，并且所述二极管(9)是第二MOSFET晶体管(11)的本征二极管。
6.根据权利要求5所述的系统，还包括用于使用控制每个开关的信号的反相信号来控制与每个模块的所述二极管相对应的所述第二MOSFET晶体管的附加的装置。
7.根据权利要求1所述的系统，具有用于调节每个电气连接的电感(L)的调节装置。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述脉冲宽度调制信号的占空比(δ)不包括0％和100％。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述逻辑装置命令所述控制装置以使得：
所述控制装置最初命令每个模块的开关断开，然后
所述控制装置命令第一模块的开关以使得所述占空比从0％逐渐增大到100％，同时其他的模块的开关保持断开；
所述控制装置命令每个模块的开关以使得一旦前一个模块的开关达到100％的占空比就将其占空比从0％逐渐增大到100％，直到每一个模块的开关都达到100％的占空比。
10.一种电动汽车或混合动力系汽车，包括根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述负载(2)是所述汽车的动力系。
11.一种用于逐渐增大系统的输入电容器的端子处的电压的方法，所述系统包括：
由串联布置的多个电池模块构成的电池，每个模块包括开关、二极管和多个电池单元，所述开关和所述二极管被布置为串联并与所述多个电池单元并联连接，每个模块包括连接在所述开关和所述二极管的阴极之间的正端子以及连接到所述多个电池单元和所述二极管的阳极的负端子，所述模块被串联连接以使得最后的模块的正端子连接到所述电池的正端子，第一模块的负端子连接到所述电池的负端子，并且所述模块被连接成使得一个模块的正端子连接到下一个模块的负端子，
输入电容器，所述输入电容器通过电气连接直接连接到所述电池的端子，
与所述电容器并联连接的负载，
所述方法包括：
对占空比(δ)在0％和100％之间变化的脉冲宽度调制信号进行确定，从而控制所述电池模块的所述开关，
一个接一个地逐渐闭合每个模块的开关。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述脉冲宽度调制信号的所述占空比(δ)在每个脉冲中改变相同百分比。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述脉冲宽度调制信号的频率是变化的。
14.根据权利要求11所述的方法，包括对连接所述电容器与所述电池模块的电气连接的电感(L)的调节。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述占空比(δ)在0％和100％之间变化并且不包括0％和100％。
16.根据权利要求11所述的方法，其中最初断开每个模块的开关，然后
控制第一模块的开关以使得所述占空比从0％逐渐增大到100％，同时其他的模块的开关保持断开，
控制每个模块的开关以使得一旦前一个模块的开关达到100％的占空比就将其占空比从0％逐渐增大到100％，直到每一个模块的开关都达到100％的占空比。
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