CN106575881B - 电力存储装置、电子装置、电动车辆和电力系统 - Google Patents

电力存储装置、电子装置、电动车辆和电力系统 Download PDF

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Abstract

电力存储装置设置有：串联电路，每个串联电路包括第一线圈和第一开关元件，第一线圈和第一开关元件并联连接至多个电池部；与每个第一线圈电磁耦合的第二线圈；与每个第二线圈串联连接的第二开关元件；被插在两个共用电源线之间的电容器，以向包括与多个电池部相关的多个第二线圈和第二开关元件的串联电路的两端提供共用电压；以及控制单元，其向第一开关元件和第二开关元件提供控制脉冲信号以均衡电池部的电压。通过第一开关元件和第二开关元件的开关操作，电力存储装置为了消除第一电池部和第二电池部之间的电压差传输需要移动的电荷量的十分之一或更多的电荷量。

Description

电力存储装置、电子装置、电动车辆和电力系统
技术领域
本公开涉及电力存储装置和使用来自电力存储装置的电力的电子装置、电动车辆和电力系统。
背景技术
近年来，诸如锂离子电池的二次电池的应用迅速扩展到与诸如太阳能电池和风力发电的新能源系统结合的用于存储电力的电力存储装置、汽车用蓄电池等。在使用诸如单元电池(unit batteries)(在下面的描述中，也被称为单元电池(unit cell)或电池(cell)，在适当的情况下称为电池单元(battery cell))等许多电力存储元件来生成有效电力的情况下，可采用多个电力存储模块彼此串联连接的配置。在电力存储模块中，多个电池单元，例如四个电池单元彼此并联和/或串联连接，由此构成电池块。多个电池块被容纳在外部壳体中，并因此，配置电力存储模块(也称为组合电池)。
此外，已知这样的电池系统：多个电力存储模块彼此连接并且为多个电力存储模块提供共用控制装置。在电池系统中，采用每个电力存储模块包括模块控制器并且模块控制器和控制装置经由通信装置彼此通信的配置。
在使用多个电池单元的情况下，即使当多个电池单元中的一个电池单元由于电池单元等之间的自放电的差异而在放电时达到使用下限电压，然而另一电池单元在某些情况下未达到使用下限电压。在电池单元在此状态下再次充电的情况下，发生一些电池单元未充分充电并且电池单元的性能不能充分发挥的问题。
为了校正多个电池单元的这种变化性，已经尝试控制电池单元之间的平衡。此外，在专利文献1中，描述了多个电池单元被划分为多个串联电池组，在每个电池组中设置电池间电压平衡校正电路，并且设置组间电压平衡校正电路。组间电压平衡校正电路被配置为使得通过使用变压器线圈和开关电路所形成的AC(交流)耦合对每个电池组的串联电压执行平衡校正。
专利文献1中所述的组间电压平衡校正电路可以被应用于校正电力存储模块的电池组的平衡。然而，尽管针对每个电池组来连接线圈，但是线圈却被构造成围绕共用磁芯缠绕。因此，在其连接到被容纳在单独的外壳中的多个电力存储模块的情况下，需要将线圈和磁芯容纳在分离的外壳中。因为进行星形布线(将多个电力存储模块连接到该不同的变压器装置)，所以在电力存储模块的数量增加的情况下存在复杂连接的问题。
此外，因为通过控制开关电路以在相同相位中进行导通/截止操作来获得均匀的电压，所以难以分别针对每个单元组控制开关操作。因此，存在难以将电力从具有高电压的特定电池组传送到具有低电压的特定电池组的问题。此外，在变压器的次级侧设置有共用线圈和开关元件的情况下，多个电池组的串联电路的总电压被施加到该开关元件，并且存在这样的难以确保开关元件的耐压性的问题。
本申请人已经提出了不需要将变压器配置为不同于电力存储模块的装置，并且如专利文献2中所述可以容易确保开关元件的耐压性的电力存储装置。在专利文献2中所述的电力存储装置中，通过对每个模块设置变压器和开关元件并控制开关元件的导通/断开使电荷从具有高电压的模块移到具有低电压的模块，可以很好地平衡模块。具体地，在高电压侧的电荷量和低电压侧的电荷量之间的差异被分别消除几次。
引用文献列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开号2008-035680
专利文献2：日本专利申请公开号2013-051856
发明内容
技术问题
作为锂离子二次电池，已知使用橄榄石型磷酸铁锂等橄榄石型正极材料的二次电池。橄榄石型磷酸铁锂具有坚硬的晶体结构并在高温下具有高热稳定性的优点。在使用采用了橄榄石型正极的锂离子二次电池模块的情况下，充电和放电曲线的斜率小，所以在正常充电和放电区的电池或组装池之间基本上没有电压差，并且由于容量的变化性所导致的电压差和容量差异极小。在使用采用了橄榄石型正极的锂离子二次电池的此类模块的情况下，难以识别如专利文献2所述通过电荷在相对长的周期的几次移动执行均衡的问题。
因此，本公开的目的是提供一种能够在使用其采用了橄榄石型正极的锂离子二次电池的模块之间进行均衡的电力存储装置、电子装置、电动车辆和电力系统。
为了改善此类情况，本公开为电力存储装置，包括：多个电池部，多个电池部中的每个电池部由多个电池单元或多个电池块构成；串联电路，串联电路由第一线圈和第一开关元件构成，第一线圈和第一开关元件并联连接至相应电池部；与第一线圈电磁耦合的第二线圈；与第二线圈串联连接的第二开关元件；插在共用电源线CL+和共用电源线CL-之间的电容器，该电容器用于向与多个电池部相关的第二线圈和第二开关元件的串联电路的两端共同提供电压，该电压被设置为不超过第二开关元件的耐压的值；以及控制单元，所述控制单元为了均衡多个电池部中的每个电池部的电压向第一开关元件和第二开关元件提供控制脉冲信号，其中，多个电池部包括第一电池部，第一电池部具有最高电压，通过连接到第一电池部的第一开关元件和第二开关元件从第一电池部提取电力，多个电池部包括第二电池部，该第二电池部具有最低电压，通过连接到第二电池部的第一开关元件和第二开关元件向第二电池部供应电力，以及通过将用于消除第一电池部和第二电池部之间的电压差所需的转移电荷量分成10或更多份而获得的电荷量通过第一开关元件和第二开关元件的开关操作来转移。
本公开为包括上述电力存储装置并向连接到电力存储装置的电子装置供应电力的电力存储装置。
本公开为电子装置，其接收从上述电力存储装置供应的电力。
本公开为电动车辆，包括：转换装置，其接收从上述电力存储装置供应的电力，并将该电力转换为车辆的驱动力；以及控制装置，其基于关于电力存储装置的信息执行与车辆控制相关的信息处理。
本公开为电力系统，包括：电力信息发送/接收单元，其经由网络向/从另一装置发送/接收信号，其中，基于由电力信息发送/接收单元所接收的信息来执行上述电力存储装置的充放电控制。
本公开为从上述电力存储装置接收电力或向电力存储装置供应来自发电装置或电力网络的电力的电力系统。
根据至少一个实施例，本公开中的模块间平衡电路能够实现平衡，即使在电压差小的情况下，因为转移通过将用于消除模块之间的电压差所需的转移电荷的量分成10或更多份而获得的电荷量。应注意，本公开的内容不应解释为受以下描述中的示例性效果限制。
附图说明
图1为电力存储系统的示例的框图。
图2为电力存储模块的示例的分解透视图。
图3为示出电力存储模块的示例的连接配置的连接图。
图4为示出电力存储系统的具体配置的框图。
图5为模块控制器的示例的框图。
图6为示出连接有多个电力存储模块的电力存储系统的配置的框图。
图7为示出各电力存储模块的多层布线基板上的部件的安装状态的示意图。
图8为示出绝缘部的电路配置的连接图。
图9为用于描述双层布线基板和四层布线基板的剖视图。
图10为用于描述印刷电路板天线的具体示例的示意图。
图11是用于说明底部平衡的必要性的示意图。
图12为用于描述主动底部电池平衡操作的示意图。
图13为用于说明顶部平衡的必要性的示意图。
图14为用于描述主动顶部电池平衡操作的示意图。
图15为现有的主动底部单元平衡电路的连接图。
图16为用于描述现有的主动底部电池平衡电路的操作的时序图。
图17为现有的主动顶部电池平衡电路的连接图。
图18为用于描述现有的主动顶部单元平衡电路的操作的时序图。
图19为现有的模块间平衡电路的示例的连接图。
图20为模块间平衡电路的示例的连接图。
图21为本公开中的模块间平衡电路的第一示例的连接图。
图22为示出开关的具体示例的连接图。
图23为用于描述先前提出的模块间平衡电路的第一示例的操作的连接图。
图24为用于描述先前提出的模块间平衡电路的第一示例的操作的时序图。
图25为用于描述先前提出的模块间平衡电路的第一示例的操作的时序图。
图26为用于描述本公开中的模块间平衡电路的第一示例的操作的连接图。
图27为用于描述本公开中的模块间平衡电路的第一示例的操作的时序图。
图28为用于描述本公开中的模块间平衡电路的第一示例的操作的时序图。
图29为用于描述本公开中的模块间平衡电路的第一示例的操作的时序图。
图30为示出分割数与电荷转移速率之间的关系的示例的曲线图。
图31为示出本公开中的产生不同的电压的模块间平衡电路的第一示例的配置的连接图。
图32为本公开中的模块间平衡电路的第二示例的连接图。
图33为本公开中的模块间平衡电路的第三示例的连接图。
图34为包括本公开中的模块间平衡电路的电力存储系统的示例的框图。
图35为本公开中的模块间平衡电路的第四示例的连接图。
图36为本公开中的包括模块间平衡电路的电力存储系统的应用示例的第一示例的框图。
图37为本公开中的包括模块间平衡电路的电力存储系统的应用示例的第二示例的框图。
具体实施方式
下面要描述的实施例为本发明的期望的具体示例，并且给出了技术上期望的各种限制。然而，在下面的描述中，本发明的范围不限于这些实施例，除非限制了本发明的描述。
(电力存储系统)
在使用诸如电池单元的许多电力存储元件来生成有效电力的情况下，采用以下配置：连接多个电力存储单元(以下称为电力存储模块)并且为多个电力存储模块设置共用控制装置。此类配置被称为电力存储系统。
电力存储模块为通过组合多个电池单元和控制器而获得的单元。如图1所示，N个电力存储模块MOD1至MODN被串联连接。电力存储模块MOD1至MODN经由绝缘部IS与接口总线BS连接。
此外，每个模块控制器被连接到整个控制装置(以下适当地称为控制箱)ICNT，并且控制箱ICNT执行充电管理、放电管理和降解还原等的管理。控制箱ICNT包括微型计算机。
使用作为电力存储模块中的总线和作为将电力存储模块MOD1～MODN与控制箱ICNT连接的总线BS的串行接口。具体地，将SM总线(系统管理总线)、CAN(控制器局域网)、SPI(串行外围接口)等作为串行接口来使用。例如，可以使用I2C总线。I2C总线以与SCL(串行时钟线)和双向SDA(串行数据线)的两个信号线同步的方式执行串行通信。
每个电力存储模块MOD的模块控制器CNT和控制箱ICNT彼此通信。具体地，控制箱ICNT接收关于每个电力存储模块的内部状态的信息，即，电池信息，并且管理每个电力存储模块的充电处理和放电处理。控制箱ICNT向负载提供N个电力存储模块的串联连接的输出(N×51.2V)。在N＝14的示例的情况下，输出为(14×51.2V＝716.8V)。
(电力存储模块的示例)
图2为示出电力存储模块MOD的机械构造的透视图。电力存储模块MOD的外部壳体包括由金属制成的外部下部壳体2a和外部上部壳体2b。对外部下部壳体2a和外部上部壳体2b进行钣金加工。作为外部下部壳体2a和外部上部壳体2b的材料，使用具有高热导率和辐射率的材料是有利的。可以实现优异的壳体散热性能并且降低壳体中的温度上升。例如，外部下部壳体2a和外部上部壳体2b的材料的示例包括铝、铝合金、铜和铜合金。在壳体的背面上设置有用于电力存储模块MOD的充放电的外部正极端子3和外部负极端子4。
此外，在电力存储模块MOD的背面上设置有电流断路器5。通过设置电流断路器5，可以提高安全性。此外，设置了用于与放置在壳体2中的控制电路通信的连接器单元6。设置控制电路以监测电池部中的温度并控制充电、放电等。此外，在壳体的正面上设置有显示元件，诸如显示操作状态的LED。
壳体的外部下部壳体2a具有盒状构造，并且将外部上部壳体2b设置成覆盖外部下部壳体2a的开口。在外部下部壳体2a的外壳空间中，容纳了子模块AS1至AS4。为了通过螺钉等固定子模块AS1至AS4，在外部下部壳体2a的底部表面上形成多个凸起。子模块AS1至AS4预先组装在壳体外部。
通过整体地形成多个电池块(具有作为子壳体的绝缘壳体)而获得每个子模块。作为子模块的壳体，可以使用诸如塑料的模制部件。子模块AS1至AS4中的每个子模块在壳体中容纳多个电池块，使得不暴露内部电池块的正极端子和负极端子。
通过，例如，并联连接八个圆柱形锂离子二次电池而获得一个电池块。子模块AS1和AS2均通过用上壳体和下壳体整体形成的六个电池块而获得。子模块AS3和AS4均通过用上壳体和下壳体整体形成的两个电池块而获得。因此，总共使用(6+6+2+2＝16)个电池块。这些电池块例如被串联连接。
在子模块AS1至AS4中的每个子模块中，使用诸如汇流条的用于连接的金属板来串联连接电池块。汇流条为长条形的金属。在汇流条中，形成有多个孔，用于与源自电池块的连接金属板等连接。
如图3所示，电池块B1至B16被串联连接。在每个电池块中，八个电池被并联连接。将八个电池并联连接被称为8P。将16个电池块串联连接称为16S。因此，图3所示的模块的电池部(适当地被称为电池块组)BB具有8P16S的配置。电池块B1至B16中的每个电池块被被连接到作为每个电力存储模块的控制装置的模块控制器CNT。电池块B1至B16的充放电由模块控制器CNT控制。通过外部正极端子3和外部负极端子4来进行充放电。例如，子模块AS1包括电池块B1至B6，以及子模块AS2包括电池块B11至B16。此外，子模块AS3包括电池块B7和B10，以及子模块AS4包括电池块B8和B9。
关于各电池块等的正电极和负电极之间的电压的信息经由总线10提供给模块控制器CNT。模块控制器CNT监测每个电池块的电压、电流和温度，并输出作为电池信息的监测结果。例如，一个电力存储模块MOD输出(16×3.2V＝51.2V)。
在图4中，示出了电力存储系统的更具体的连接配置。例如，四个电力存储模块MOD1至MOD4被串联连接。在此情况下，从正极端子3(VB+)和负极端子4(VB-)提取的总电压约为200V。电力存储模块MOD1至MOD4分别包括模块控制器CNT1至CNT4和电池块组BB1至BB4。例如，每个电池块组为16个电池块的串联连接。
模块控制器CNT1至CNT4经由总线连接，并且模块控制器CNT4的通信端子被连接至控制箱ICNT。例如，关于每个模块的电压的信息从每个模块控制器发送给控制箱ICNT。控制箱ICNT另外包括通信端子11，以便能够与外部通信。
(关于二次电池的示例)
用于本公开的实施例中的二次电池的示例为锂离子二次电池，其包含正极活性材料和作为负极活性材料的碳材料诸如石墨，并且包含作为正极材料的具有橄榄石结构的正极活性材料。
作为具有橄榄石结构的正极活性物质，更优选地，磷酸铁锂化合物(LiFePO4)或锂铁复合磷酸盐化合物(LiFexM1-xO4：M表示一种或一种以上的金属，x满足公式0<x<1)。在M为两种或两种以上的情况下，进行选择使得下标的总和为1-x。
M的示例包括过渡元素、IIA族元素、IIIA族元素、IIIB族元素和IVB族元素。具体地，包含钴(Co)、镍、锰(Mn)、铁、铝、钒(V)和钛(Ti)中的至少一种是有利的。
正极活性材料可为在其表面上具有覆盖层的磷酸铁锂化合物或锂铁复合磷酸盐化合物。覆盖层包含具有与氧化物等不同成分的金属氧化物(例如，选自由Ni、Mn、Li等组成的组)或磷酸盐化合物(例如磷酸锂)。
作为能够吸收和发射锂(Li)的正极材料，可使用锂复合氧化物，诸如具有层状岩盐结构的锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍氧化物(LiNiO2)或锰酸锂(LiMnO2)，以及具有尖晶石结构的锰酸锂(LiMn2O4)。
用作负极活性材料的石墨没有特别限制，并且可以广泛使用行业中所使用的石墨材料。钛酸锂、基于硅(Si)的材料、基于锡(Sn)的材料等可作为负极材料来使用。
制造电池的电极的方法没有特别限制，可以广泛使用行业中所使用的方法。
在本公开中所使用的电解质溶液没有特别限制。其可包括液体溶液和凝胶溶液，并且可以广泛使用行业中所使用的电解质溶液。
使用含有作为正极材料的具有橄榄石结构的正极活性材料的二次电池的模块的放电特性不同于使用了其采用NCM(镍钴锰)作为正极材料的二次电池的模块的放电特性。在使用含有作为正极材料的具有橄榄石结构的正极活性材料的二次电池的模块的情况下，即使在放电进行时电压的降低也很小。SOC的范围为20％至80％，并且电压差在0.2V/电池内。另一方面，在使用采用了NCM的二次电池的模块的情况下，随着放电的进行，电压降低的比例是大的。
(模块控制器的示例)
将参考图5来描述模块控制器的配置的示例。模块控制器CNT检测串联连接的n个电池块B1至Bn的两端的电压和每个电池块的电压。设置多路复用器15，其按顺序输出在电池块B1至Bn的两端处的电压和每个电池块的电压。
多路复用器15响应于预定控制信号来切换通道，并且例如从n个模拟电压数据中选择一个模拟电压数据。由多路复用器15所选的一个模拟电压数据被供应给A/D转换器(在附图中写作ADC(模数转换器))16。
A/D转换器16将从多路复用器15供应的模拟电压数据转换为数字电压数据。例如，模拟电压数据被转换为14至18位的数字电压数据。注意，A/D转换器16能够使用诸如连续比较方法和ΔΣ(delta sigma)方法的各种方法。
来自A/D转换器16的数字电压数据被供应给通信单元17。通信单元17由控制单元18控制，并且与经由通信端子19a和19b所连接的外部装置进行通信。例如，其经由通信端子19a与另一模块的模块控制器通信，并且经由通信端子19b与控制器箱ICNT通信。此外，模块控制器CNT经由通信端子19b从控制箱ICNT接收控制信号。以此方式，通信单元17执行双向通信。
此外，控制单元18控制电池块的电压均匀性。此控制称为电池平衡控制。例如，在多个电池块B1至Bn中的一个电池块达到使用下限放电电压的情况下，存在仍然具有容量的不同电池块。在接下来充电的情况下，不同的电池块仍然具有快速达到充电上限电压的容量，因此难以实现完全充电。为了避免此不平衡，仍然具有容量的电池块通过导通MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)而被强制放电。注意，电池平衡控制的方法不限于上述被动方法，并且可以应用所谓的主动方法或其它各种方法。稍后将详细描述本公开中的模块间平衡控制。
注意，上述模块控制器CNT监测每个电池块的电压、将检测到的电压转换为数字信号并将其发送给控制箱ICNT。除了电压之外，它也可检测每个电池块的温度、将温度转换为数字数据并将其发送给控制箱ICNT。
如图5所示，电池块B1至Bn提供用于模块控制器CNT的电源。然而，当电池块B1至Bn被用作电源时，由于每个模块控制器CNT的电力消耗不相等而产生模块之间的电池块B1至Bn的容量的可变性，并发生模块间不平衡。就这一点而言，不使用作为模块控制器CNT的电源的电池块B1至Bn是有利的。
在图5所示的模块控制器CNT中，A/D转换器16、通信单元17和控制单元18为低电压电源单元，其能够用低电压的电源操作，诸如通过内虚线包围它们所示的5V。在本公开中，控制箱ICNT提供用于低压电源单元的电源。当从电池块B1至Bn供应电源时，存在以下担心：由于模块控制器CNT的功耗之间的差异而使模块间平衡崩溃。在本公开中，由于从控制箱ICNT供应用于模块控制器CNT的低压电源单元的电源，所以不会发生此类问题。
(根据本公开的电力存储系统)
图6中示出了应用本公开的包括n个电力存储模块MOD1至MODn的电力存储系统的配置。电力存储模块MOD1至MODn分别包括通信单元COM1至COMn、绝缘部ISC1至ISCn、模块控制器CNT1至CNTn和电池块组BB1至BBn。n个电力存储模块和控制箱ICNT彼此连接。为了连接，使用通信线路L1和L2以及电源线Lp。经由通信线路L1和L2，在控制箱ICNT和电力存储模块MOD1至MODn之间进行双向通信。例如，使用作为通信方法的CAN。近年来，CAN被用作车载LAN。
电力存储模块的通信单元COM1至COMn对应于图5中的通信单元17。因此，与图5中的配置相比，图6中的模块控制器CNT1至CNTn具有不包括通信单元17的配置。注意，通信单元COM1至COMn和通信单元17两者可设置有具有不同的功能。例如，经由电源线Lp，提供+5V的电源电压作为每个电力存储模块的低压电源单元的电源。
绝缘部ISC1至ISCn分别具有使通信单元COM1至COMn与模块控制器CNT1至CNTn绝缘的功能。具体地，通信单元COM1至COMn的每个电源的参考电位和模块控制器CNT1至CNTn的每个电源的参考电位彼此分离并且彼此独立。此外，绝缘部ISC1至ISCn分别具有向模块控制器CNT1至CNTn供应电源电压的功能，并且在绝缘状态下各自用作为双向通信的传输介质。
例如，控制箱ICNT和通信单元COM1至COMn的电源电压为0至+5V。电力存储模块MOD1的模块控制器CNT1的电源电压为0至+5V，电力存储模块MOD2的模块控制器CNT2的电源电压为+50V至+55V，以及电力存储模块MODn的模块控制器CNTn的电源电压为(+50×n)V至(+50×n)+5V。
(绝缘部)
作为经由绝缘部ISC1至ISCn执行的双向通信的方法，可以使用CAN标准。作为经由绝缘部ISC1至ISCn传输电力的方法，可以使用电磁感应方法、磁场共振方法、无线电波接收方法等。
在本公开中，使用非接触IC卡技术。在非接触IC卡技术中，读取器/写入器的天线线圈和卡的天线线圈彼此磁通耦合，并且在读取器/写入器和卡之间进行通信和电力传输。使用ASK(幅移键控)调制13.56kHz频率的载波的方法进行通信，并且以212或424kbps的速度执行。绝缘部ISC1至ISCn的规范与上述非接触IC卡方法的规范相同。此外，设置绝缘部ISC1至ISCn使得在多层印刷电路板的不同层中形成的天线(线圈)之间进行通信和电力传输。
如图7所示，在多层印刷电路板21上，安装了构成控制箱ICNT的MPU(微处理单元)和在读取器/写入器(使用非接触IC卡方法)一侧上的LSI(大规模集成电路)22。此外，在多层印刷电路板21上安装印刷电路板天线23和24、卡(使用非接触IC卡方法)侧的LSI25和模块控制器CNT。
例如，如图8概念性所示，在非接触IC卡方法中，用于卡单元27的具有2至13Vop的载波振幅和大约10％的调制度的传输信号由读取器/写入器单元26的天线23形成。发送信号从天线23发送给卡单元27的天线24。在天线24中，接收信号为例如载波振幅为2至13Vop和调制度约为10％的高频信号。通过平滑所接收的信号，形成在卡单元27中的电源。卡单元27中的功耗足够小。
将描述印刷电路板天线的示例。作为多层印刷电路板21(其上形成作为导电图案的天线)，使用如图9的A部分所示的包括四个布线层LY1至LY4的四层印刷电路板。可替代地，如图9的B部分所示，使用包括两个布线层LY11和LY12的双层印刷电路板。
如图10的A部分所示，初级侧天线23(读取器/写入器的侧面)由螺旋图案31a、线性图案31b和线性图案31c形成。螺旋图案31a形成在四层印刷电路板的第四布线层LY4上，并且图案31a的中心部分的端部经由焊盘和通孔连接到第三布线层LY3的焊盘32a。线性图案31b形成在焊盘32a和焊盘32b之间。焊盘32b经由通孔和第三布线层LY3的焊盘连接到线性图案31c。图案31a和31c的端部连接到连接器(未示出)。
如图10的B部分所示，次级侧天线24(卡的侧面)由螺旋图案41a、线性图案41b、线性图案41c和线性图案41d形成。一端连接到连接器(未示出)的螺旋图案在四层印刷电路板的第一布线层LY1中形成。它经由焊盘42a、通孔以及第二布线层LY2的焊盘连接到线性图案41b。图案41b的一端经由焊盘42b和通孔连接到第一布线层LY1的焊盘。线性图案41c的一端与第一布线层LY1的焊盘连接。线性图案41c的另一端与连接器(未图示)连接。此外，线性图案41d的一端连接到与螺旋图案41a连接的焊盘42c。线性图案41d的另一端与基准电位点连接。
在图案彼此交叉的情况下，不同布线层的图案形成印刷电路板天线。为了将不同的布线层彼此连接，使用了通孔和焊盘。因此，如图10的A部分所示，在第四布线层中形成了不必要的焊盘32c和32d，并且在第一布线层中形成了不必要的焊盘42d。
可以使用跳线来代替在印刷电路板的另一布线层中形成上述图案。具体地，使用跳线来代替图10的A部分中的图案31b和图10的B部分中的图案41b和41d。在此情况下，可以使用双层印刷电路板，没有必要形成通孔，并且可以防止形成不必要的焊盘。通过不形成通孔，可以提高印刷电路板的介电强度。
本公开中的绝缘部利用印刷电路板使初级侧天线与次级侧天线绝缘。因此，在本公开的绝缘部中，1000V或以上的直流绝缘电压是可能的。此外，具有能够进行双向通信和电力传输并可降低成本的优点。
(关于电池平衡)
在本公开中，控制上述多个电力存储模块MOD1至MODn(下文中简称为模块平衡)之间的电压平衡。具体地，通过控制模块间平衡，实现了电力存储模块的均匀的输出电压。通常，由于每个电力存储模块包括多个电池单元，所以与电力存储模块中的电池单元之间的电压平衡(下文中简称为电池平衡)相比，电力存储模块之间的变化大。因此，在电力存储模块中的电池平衡被控制的情况下，控制模块平衡是有意义的。
在描述本公开之前，将描述一般的电池平衡控制。如图11所示，将考虑三个电池单元BT1、BT2和BT3之间的电池平衡。首先，假设所有电池单元都如图11的A部分所示被完全充电。接下来，如图11的B部分所示，假设电池单元被放电、产生放电量的变化性，并且电池单元BT1的电压达到由虚线表示的使用下限电压。由于电池单元之间的变化性，其它电池单元BT2和BT3尚未达到使用下限电压。例如，自放电量的差异是导致电池单元之间的放电量的变化的原因。
当在该状态下开始充电时，在电池单元BT1的电压达到使用下限电压时具有最大剩余容量的电池单元BT2首先达到满容量。此时，如图11的C部分所示，电池单元BT1未被充电到满容量。因此，尽管假设在完全充电时被放电的放电量为C1，但是放电量被减少到放电量C2。
为了解决此问题，如图12的A部分和图12的B部分所示，在电池单元BT1达到使用下限电压时，将电力从具有最大剩余容量(最高电位)的电池单元BT2转移到具有最小剩余容量(最小电位)的电池单元BT1使剩余容量基本相等。然后，对电池单元BT1、BT2和BT3充电。因此，可以将三个电池单元充电到基本上满充电电压。实际上，多次重复该处理。
此控制被称为主动底部电池平衡控制。通过底部电池平衡控制，可以防止放电量减少。使电池单元BT2和BT3放电以使其电位与在图12的A部分所示的状态下具有最低电位的电池单元BT1的电位相匹配的方法称为被动底部电池平衡控制。主动方法是有利的，因为与被动方法相比，其能够有效地使用容量。
将参考图13和图14来描述主动顶部平衡控制。首先，假设如图13的A部分所示，所有电池单元被完全充电。接下来，假设电池单元如图13的B部分所示被放电。
当开始充电时，电池单元BT2的电压首先达到使用上限电压，如图13的C部分所示。此时，电池单元BT1和BT3的电压尚未达到使用上限电压。因此，与电荷量C11(图13的A部分)相比，电荷量减少到由C12表示的量。
为了解决此问题，如图14的A部分和图14的B部分所示，在电池单元BT2达到使用上限电压时，将电力从具有最大容量(最高电位)的电池单元BT2转移到具有最小容量(最小电位)的电池单元BT1以使剩余容量基本相等。然后，对电池单元BT1、BT2和BT3充电。因此，可以将三个电池单元充电到基本上满充电电压。实际上，多次重复执行该处理。
此控制被称为主动顶部电池平衡控制。通过顶部电池平衡控制，可以防止电荷量减少。使电池单元BT2和BT3放电以使其电位与在图14的A部分所示的状态下具有最低电位的电池单元BT1的电位相匹配的方法称为被动顶部电池平衡控制。主动方法是有利的，因为与被动方法相比，其能够有效地使用容量。
(现有电池平衡控制电路)
将参考图15和图16来描述使用反激变压器的现有主动底部电池平衡电路的示例。每个电池单元的正极和负极被连接到相应初级侧线圈W1至W6的两端。六个电池单元BT1至BT6的串联连接的正极和负极与次级侧线圈W0的两端彼此连接。此外，设置共用磁芯M。此外，次级侧开关S0与次级侧线圈W0串联连接，以及初级侧开关S1至S6分别与初级侧线圈W1至W6串联连接。例如，开关S0至S6中的每个开关由MOS(金属氧化物半导体)FET构成。
图16为图15所示的主动底部电池平衡电路的操作的时序图。例如，电池单元BT1至BT6中的每个电池单元的电压由监测单元(未示出)检测，并且检测到电池单元BT2的电压最低。在此情况下，电力从另一电池单元转移到电池单元BT2。首先，如图15的A部分和图16的A部分所示，导通开关S0，电流I1如图16的C部分所示流过线圈W0，并且磁芯M被磁化。
接下来，如图15的B部分和图16的B部分所示，串联连接到线圈W2的初级侧开关S2被导通，并且次级侧开关S0被断开，如图16的A部分所示。如图16的部分D所示，释放磁芯M的电磁能，并且电流I2流过初级侧线圈W2。该电流I2在电池单元BT2中流动，并因此，电池单元BT2被充电。
之后，如图16的B部分所示，初级侧开关S2被断开。此外，之后是预定的暂停时间。上述的次级侧开关S0的导通时间、初级侧开关S2的导通时间以及暂停时间对应于一个周期时间段，并且以该周期时间段重复该操作。
将参考图17和图18来描述现有的主动顶部电池平衡电路的示例。每个电池单元的正极和负极被连接到相应初级侧线圈W1至W6的两端。六个电池单元BT1至BT6的串联连接的正极和负极与次级侧线圈W0的两端彼此连接。此外，设置共用磁芯M。此外，初级侧开关S1至S6分别与初级侧线圈W1至W6串联连接，次级侧开关S0与次级侧线圈W0串联连接。例如，开关S0至S6中的每个开关由MOSFET构成。
图18为图17所示的主动顶部电池平衡电路的操作的时序图。例如，电池单元BT1至BT6中的每个电池单元的电压由监测单元(未示出)检测，并且检测到电池单元BT5的电压最高。在此情况下，电力从电池单元BT5转移到另一电池单元。首先，如图17的A部分和图18的B部分所示，导通开关S5，电流I1如图18的D部分所示流过线圈W5，并且磁芯M被磁化。
接下来，如图17的B部分和图18的A部分所示导通次级侧开关S0，并且如图18的B部分所示断开初级侧开关S5。如图18的C部分所示，利用磁芯M的电磁能量，电流I2流过次级侧线圈W0。该电流I2在电池单元BT1至BT6的串联连接中流动，并且电力被分配给每个电池单元。
之后，如图18的A部分所示，断开次级侧开关S0。此外，之后是预定的暂停时间。上述的初级侧开关S5的导通时间、次级侧开关S0的导通时间以及暂停时间对应于一个周期时间段，并且以该周期时间段重复该操作。
(现有模块间平衡电路)
上述现有的平衡电路涉及电池单元。在将其应用于参考图1至图6所描述的模块间平衡的情况下，出现问题。注意，模块间平衡表示电池部(包括电力存储模块中的多个电池单元或多个电池块)的电压的平衡。通常，模块间不平衡具有一个值，该值大于模块中的不平衡的值。尽管由于每个电力存储模块的平衡控制可以消除模块间的不平衡，但是处理需要更长的时间。注意，可一起使用模块间平衡控制和上述现有的电池平衡控制。例如，在此情况下，首先执行模块间平衡控制，然后执行模块中的平衡控制。
图19中示出了将现有的电池平衡电路应用于没有变化的主动模块间平衡电路的配置。例如，执行14个模块之间的平衡控制。电池块组BB1至BB14被串联连接。每个电池块组具有如下配置：并联连接八个电池单元并且八个电池单元的16个并联连接(电池块)被串联连接(所谓的(8P16S))。例如，一个电池块组产生(3.2V×16＝51.2V)的电压。因此，14个电池块组BB1至BB14的串联连接产生(51.2V×14＝716.8V)的电压。
14个电池块组的串联连接的正极侧和负极侧被连接到次级侧线圈W0的两端。此外，设置共用磁芯M。此外，次级侧开关S0与次级侧线圈W0串联连接，并且初级侧开关S1至S14分别与初级侧线圈W1至W14串联连接。例如，开关S0至S14由MOSFET构成。
在图19所示的配置中的主动底部电池平衡操作中，导通开关S0，并且磁芯M被流过次级侧线圈W0的电流磁化。接下来，导通具有最低电压的电力存储模块的初级侧开关，并且利用传输到初级侧线圈的电磁能量对电力存储模块的电池块组充电。例如，在电池块组BB2的电压为32.0V并且另一电池块组的电压为32.6V的情况下，在开关S0被断开和电池块组BB2的初级侧开关S2被导通之前的预定时间内导通次级侧开关S0。利用流过初级侧线圈W2的电流，对电池块组BB2充电。
在图19所示的配置中的主动顶部电池平衡操作中，连接到具有最高电压的电池块组的初级侧线圈的开关被导通。接着，开关被断开并且开关S0被导通，从而使电流流过次级侧线圈W0以对电池块组BB1至BB14充电。例如，在电池块组BB2的电压为56.5V并且另一电池块组的电压为55.9V的情况下，在开关S2被断开和次级侧开关S0被导通之前的预定时间内导通初级侧开关S2。利用流过次级侧线圈W0的电流，对电池块组BB1至BB14充电。
在图19所示的配置中，由于变压器的磁芯M是共用的，所以难以将多个电力存储模块，例如14个电力存储模块容纳在分离的壳体中并且配置它们。在此情况下，包括磁芯、线圈和开关的变压器部件被容纳在与14个电力存储模块的壳体不同的另一壳体中，以构成转移装置。14个电力存储模块以该变压器装置为中心以星形连接。此类星形配置具有这样的问题，即当电力存储模块的数量大时，星形布线变得复杂。
(现有模块间平衡电路的问题)
在图19所示的配置中，通过串联连接的14个电池块组，将716.8V的电压施加到次级侧线圈W0和开关S0的串联电路。因为实际使用所需的耐压大约是所施加电压的三倍，所以构成开关S0的诸如FET的半导体开关元件的耐压为2000V或以上。难以实现如图19所示的需要具有此类耐压的半导体开关元件的配置。
如图20所示，磁芯M被分成14个磁芯M1至M14，以及次级侧线圈W0被分成14个次级侧线圈W01至W014。以此方式，可以将14个电力存储模块分离地容纳在多个壳体中。在图20所示的配置中，对初级侧开关S01至S014中的每一个施加716.8V的电压。然而，在图20所示的配置中，反激变压器是单独配置的，其初级侧开关和次级侧开关也连接到相应线圈，并且可以单独控制开关操作。因此，如后所述，能够执行诸如从多个并联电池块组提取电力并向多个并联电池块组供应电力的控制。此外，通过控制开关操作的导通时间的长度，可以控制电量。
(先前提出的模块间平衡电路)
如图21所示，在以前提出的配置中(参见日本专利申请公开号2013-051856)，初级侧线圈W1、次级侧线圈W01和磁芯M1构成反激变压器T1。初级侧线圈W1和开关S1串联连接，并且次级侧线圈W01和开关S01串联连接。类似地，初级侧线圈W2至W14、次级侧线圈W02至W014和磁芯M2至M14分别构成反激变压器T2至T14。初级侧线圈W2至W14和开关S2至S14分别串联连接。次级侧线圈W02至W014和开关S02至S014分别串联连接。
反激变压器T1的初级侧线圈W1和开关S1的串联电路被连接到电力存储模块的电池块组BB1的正极侧和负极侧。其它初级侧线圈W2至W14和开关S2至S14的串联电路分别与电力存储模块的电池块组BB2至BB14的正极侧和负极侧连接。
设置电力存储元件51，并且电力存储元件51产生共用电源电压CV。共用电源电压CV为低于串联连接的电池块组的716.8V的总电压的电压。有利地，其被设定为不超过次级侧开关的耐压的大致三分之一的电压。例如，将其设定为基本上等于电池块组的单位电压(51.2V)的值。通过控制总放电电流和总充电电流来控制共用电源电压CV的电位，使得它不会过流、不被耗尽并且是期望的电压。
例如，电力存储元件51为电池或电容器。对于电力存储元件51，一条共用电源线CL+为共用电源电压CV，以及另一条共用电源线CL-为0V。共用电源线CL-为未被连接到多个电力存储模块的串联连接的电池块组的电源(V-)的另一电源。注意，共用电源线CL-可被连接到电源V-。分割次级侧线圈W01至W014的一端与共用电源线CL+连接，以及分割次级侧线圈W01至W014的另一端分别经由开关S01至S014连接到共用电源线CL-。
例如，开关S0至S14和开关S01至S014中的每个开关由MOSFET构成。例如，如图22所示，反激变压器T1的开关S01由MOSFET Q01和连接在MOSFET Q01的漏极和源极之间的二极管D01构成，以及开关S1由MOSFET Q1和连接在MOSFET Q1的漏极和源极的二极管D1构成。开关的导通/断开由来自控制箱ICNT的控制单元的控制信号控制。控制箱ICNT从每个电力存储模块的模块控制器CNT接收关于电压监测结果的信息并且生成控制信号(脉冲信号)。注意，可使用诸如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的半导体开关元件来代替MOSFET。注意，通过开关(由MOSFET和连接到MOSFET的漏极和源极的二极管构成)，在电流从源极方向流到漏极方向的情况下，电流自动流过二极管而无需控制信号(开关的自动导通)。
将共用电源电压CV施加至次级侧线圈W01至W014和开关S01至S014的串联电路。例如，通过将共用电源电压CV设置为类似于施加到初级侧线圈和开关的电压(51.2V)，次级侧开关S01至S014的耐压可以为约154V。对于构成次级侧开关S01至S014的半导体开关而言，这种耐压值不太高，使得配置模块间平衡电路变得容易。
在反激变压器T1至T14中，初级侧线圈与次级侧线圈的绕组比不限于1，而是初级侧上的相位与次级侧上的相位相反。此外，反激变压器T1至T14能够双向地传输电力。因此，为了方便起见，给出了初级侧和次级侧的表示，并且可以执行从初级侧至次级侧的电力传输和从次级侧至初级侧的电力传输。
以反激变压器T1为例，当开关S1从开关S1和S01断开的状态导通时，电流流过线圈W1，并且磁芯M1被磁化。在开关S1导通期间，电流随着流过线圈W1的时间增加而增加。接下来，当开关S1断开并且开关S01导通时，由于磁芯被磁化，电流经由开关S01流过线圈W01。该电流为随时间而减小的电流。这同样适用于其它反激变压器的操作。反激型变压器具有作为耦合电感器的功能。
在图21所示的配置中的主动底部电池平衡操作中，通过控制初级侧开关，电流从具有最高电压的电池块组移动到电力存储元件51。此外，通过控制次级侧开关，电流移动到具有最低电压的电力存储模块的电池块组。如上所述，在根据本公开的模块间平衡电路中，使电流经由双向反激变压器的两级移动。
例如，将描述在电池块组BB3的电压最高(即32.6V)并且电池块组BB2的电压最低(即32.0V)的情况下的操作。首先，开关S3被导通，并且电流以电池块组BB3作为电流源流过反激变压器T3的初级侧线圈W3。接下来，开关S3被断开，以及开关S03被导通。通过电磁能量，电流流过次级侧线圈W03，并且对电力存储元件51充电。
接下来，开关S03被断开，开关S02被导通，并且电流通过电力存储元件51流过反激变压器T2的次级侧线圈W02。接下来，开关S02被断开，开关S2被导通，由流过初级侧线圈W2的电流对电池块组BB2充电。以此方式，执行主动底部电池平衡操作。
在图21所示的配置中的主动顶部电池平衡操作中，通过控制初级侧开关，电流从具有最高电压的电池块组移动到电力存储元件51。此外，通过控制次级侧开关，电流移动到具有最低电压的电力存储模块的电池块组。如上所述，在根据本公开的模块间平衡电路中，使电流经由双向反激变压器的两级移动。
例如，将描述在电池块组BB3的电压最高(即56.5V)并且电池块组BB2的电压最低(即55.9V)的情况下的操作。首先，反激变压器T3的开关S3被导通，并且电流以电池块组BB3为电流源流过初级侧线圈W3。接下来，开关S3被断开，以及开关S03被导通。通过电磁能量，电流流过次级侧线圈W03，并且对电力存储元件51充电。
接下来，开关S03被断开，反激变压器T2的开关S02被导通，并且电流通过电力存储元件51流过次级侧线圈W02。接下来，开关S02被断开，开关S2被导通，并且电池块组BB2由流过初级侧线圈W2的电流充电。以此方式，执行主动顶部电池平衡操作。
将参考图23和图24更详细地描述主动顶部电池平衡操作。例如，如图23所示，在14个电力存储模块的电池块组之间的电压关系中，电力存储模块MOD3的电池块组BB3的电压最高(例如，56.5V)，并且电力存储模块MOD2的电池块组BB2的电压最低(例如55.9V)。此外，如图23所示，流过反激变压器T3的线圈W3的电流由i1表示，以及流过线圈W03的电流由i2表示。电流i1的相位和电流i2的相位彼此相反。将流过反激变压器T2的线圈W02的电流设为i3，将流过线圈W2的电流设为i4。电流i3的相位和电流i4的相位彼此相反。此外，假设当操作开始时电力存储元件51被充分充电。
如图24的时序图所示，并行地执行经由反激变压器T3的电力传输和经由反激变压器T2的电力传输。首先，如图24的A部分和图24的C部分所示，开关S3和S02导通相同的时间段。通过导通开关S3，如图24的E部分所示，逐渐增加的电流i1流过线圈W3。通过导通开关S02，如图24的G部分所示，逐渐增加的电流i3流过线圈W02。电流i3在放电方向上流过电力存储元件51。
接下来，如图24的B部分和图24的D部分所示，开关S3和S02被断开，并且开关S03和S2导通相同的时间段。如图24的F部分所示，通过导通开关S03，逐渐减小的电流i2流过线圈W03。电流i2在充电方向上流过电力存储元件51。通过利用电流i2对电力存储元件51充电，使得电力从电池块组BB3移动到电力存储元件51。
如图24的H部分所示，通过导通开关S2，逐渐减小的电流i4流过线圈W2。电流i4在充电方向上流过电池块组BB2。通过利用电流i4的充电，使得电力存储元件51的电力移动到电池块组BB2。注意，实际的电力传输被执行，使得电力逐渐移动不是通过单个开关操作而是通过多个开关操作。切换操作的周期长，例如约10秒。此外，通过对用于开关的脉冲信号进行脉宽调制以控制开关的导通时间段，来将电力的移动量设定为期望的量。此外，尽管在图24中开关S3和S02以同步形式写入，但实际上，由于共用电源电压CV允许一定的宽容度(latitude)，所以不一定需要建立同步关系。
作为高阶控制器的控制箱ICNT监测每个电力存储模块的电压，并且当检测到的电力存储模块的电池彼此相等时，执行控制以停止模块间平衡控制操作。然后，在产生了电力存储模块之间的电压差的情况下，开始模块间平衡控制操作。在图25中，示出了在上述预先提出的电力存储装置的操作中的电荷的移动。
(根据本公开的实施例的模块间平衡电路)
尽管本公开的实施例具有与初步提出的电力存储装置类似的配置，但是电荷的移动周期较短，并且用于使电荷移动的开关操作的次数较大。具体而言，在初步提出的电力存储装置中，在构成电池组群的电池使用上述含有具有橄榄石结构的正极活性材料的正极材料的情况下，存在以下担心：不能令人满意地执行模块间平衡控制。
将参考图26至图29来描述本公开的实施例的操作的示例。图26示出了与图23所示的连接配置相同的连接配置。相应的部件将由相同的附图标记表示。例如，将描述在电池块组BB3的电压最高(即56.5V)并且电池块组BB2的电压最低(即55.9V)的情况下的操作。首先，反激变压器T3的开关S3被导通，并且电流以电池块组BB3为电流源流过初级侧线圈W3。接下来，开关S3被断开，以及开关S03被导通。通过电磁能量，电流流过次级侧线圈W03，并且对电力存储元件51充电。
接下来，开关S03被断开，反激变压器T2的开关S02被导通，并且电流通过电力存储元件51流过次级侧线圈W02。接下来，开关S02被断开，开关S2被导通，并且电池块组BB2由流过初级侧线圈W2的电流充电。以此方式执行主动顶部电池平衡操作。
将参考图26和图27更详细地描述主动顶部电池平衡操作。例如，如图26所示，在14个电力存储模块的电池块组之间的电压关系中，电力存储模块MOD3的电池块组BB3的电压最高(例如，56.5V)，并且电力存储模块MOD2的电池块组BB2的电压最低(例如55.9V)。此外，如图26所示，流过反激变压器T3的线圈W3的电流由i1表示，以及流过线圈W03的电流由i2表示。电流i1的相位和电流i2的相位彼此相反。将流过反激变压器T2的线圈W02的电流设为i3，将流过线圈W2的电流设为i4。电流i3的相位和电流i4的相位彼此相反。此外，假设当操作开始时电力存储元件51被充分充电。
如图27的时序图所示，并行地执行经由反激变压器T3的电力传输和经由反激变压器T2的电力传输。首先，如图27的A部分和图27的C部分所示，开关S3和S02导通相同的时间段。通过导通开关S3，如图27的E部分所示，逐渐增加的电流i1流过线圈W3。通过该电流i1，线圈吸收电荷。通过导通开关S02，如图27的G部分所示，逐渐增加的电流i3流过线圈W02。电流i3在放电方向上流过电力存储元件51。
接下来，如图27的B部分和图27的D部分所示，开关S3和S02被断开，并且开关S03和S2导通相同的时间段。如图27的F部分所示，通过导通开关S03，逐渐减小的电流i2流过线圈W03。电流i2在充电方向上流过电力存储元件51。通过该电流i2，线圈发出电荷。通过利用电流i2对电力存储元件51充电，使得电力从电池块组BB3移动到电力存储元件51。
如图27的H部分所示，通过导通开关S2，逐渐减小的电流i4流过线圈W2。电流i4在充电方向上流过电池块组BB2。通过利用电流i4的充电，使得电力存储元件51的电力移动到电池块组BB2。注意，实际的电力传输被执行，使得电力不是通过单个开关操作而是通过多个开关操作而逐渐移动。此外，通过对用于开关的脉冲信号进行脉宽调制以控制开关的导通时间段，可以将电力的移动量设定为期望的量。此外，尽管在图24中开关S3和S02以同步形式写入，但实际上，由于共用电源电压CV允许一定的宽容度，所以不一定需要建立同步关系。
作为高阶控制器的控制箱ICNT监测每个电力存储模块的电压，并且当检测到的电力存储模块的电池彼此相等时，执行控制以停止模块间平衡控制操作。然后，在产生电力存储模块之间的电压差的情况下，开始模块间平衡控制操作。在图28和图29中，示出了根据本公开的实施例的电力存储装置的操作中的电荷的移动。
通过比较图24和图27可以看出，在本公开的实施例中，与初步提出的电力存储装置相比，使电荷以更短的周期(例如约1秒)移动。然后，通过比较图25、图28和图29可以看出，与初步提出的电力存储装置的情况相比，可以增加电荷在时间方向上的移动变化的斜率。因此，可以使电荷在短时间内移动并且缩短模块间平衡所需的时间。图30为示出分割数与电荷转移速率之间的关系的示例的曲线图。可以看出，在初步提出的电力存储装置中，电荷转移速率低，因为使电荷分别移动五次或更少。在本发明中，由于分割数为10或以上，优选为30或以上，因此可以提高电荷转移速率。
图31示出了本公开的实施例中的电压值的另一示例。如图31所示，在14个电力存储模块的电池块组之间的电压关系中，电力存储模块MOD3的电池块组BB3的电压最高(例如，32.6V)，并且电力存储模块MOD2的电池块组BB2的电压最低(例如32.0V)。同样在这种电压关系的情况下，可以类似于上述来控制模块间平衡。
将更详细地描述本公开中的模块间平衡控制。在基于橄榄石正极型锂二次电池构成电池块组的电力存储模块中，充放电曲线的斜率小，在正常充电和放电区域中的电池或组合电池之间基本上没有电压差，并且由于容量的变化性导致的电压差和容量差极小。例如，电池的充电和放电曲线的变化在3.6V至3.0V的范围内，并且基本上为3.3V的平坦曲线。
因此，当通过使用电感器引起微小的电压差和容量差的电荷移动时，通常利用电容器等在高电压元件中存储少量电荷并引起电荷移动，或使用电感器元件来移动电荷。注意，在使用电容器的情况下，需要考虑蓄电池的上限电压的限制，并且其通常不用于具有橄榄石型正极的电池中，因为由于充电电压限制，它需要控制恒压充电电路。就这一点而言，根据本公开，可以在具有此类平坦充电和放电曲线的蓄电池中，消除采用用于使电感器在短时间内通过有效且合理的操作引起电荷移动的方法的必要性。
电荷被存储在电感器中，使得其在开关被导通时的初始阶段移动到电力存储模块，并且在电感器和电力存储模块之间用相同的电荷值进行平衡。因为高压侧电力存储模块和低压侧电力存储模块之间的电压差小，所以引起电荷移动所花费的时间在1至2秒内平衡。之后，电感器的开关被断开，因为没有电荷的移动。然后，通过重复执行高压侧电力存储模块的电感器的开关元件的操作，可以引起少量的电荷从高压侧电力存储模块移动到低电压侧电源模块并平衡电压。在一系列操作之后，当电压基本上相同时，停止模块平衡电路操作。
在基于橄榄石正极型的二次电池的电力存储模块中，当电压差(SOC的差)不大于1V(2％)时，需要执行模块间平衡。在利用初步提出的平衡控制执行模块间平衡的情况下，电压差为低，由于基于橄榄石正极型的电池的充电条件的限制,在一个电感器平衡操作中可以移动的电荷量为完全充电电压，并且基本上没有电流流动。因此，实际上，基本上不执行充电。由于重复这种操作，在初步提出的控制方法中，在具有平坦充电和放电曲线的二次电池的模块间平衡控制中不引起电荷移动。
另一方面，在根据本公开的模块间平衡控制方法中，可以在多次重复导通和断开电感器开关的方法中，通过重复执行以下操作可以逐渐地引起电荷移动：在短时间内多次将电流从低压侧模块电感器转移接近充电上限电压，并且即使当模块之间的电压差为小时也重复地使得少量电荷移动多次。在本公开中的模块间平衡中，通过将电容差和电压差的电荷分成多次(大约1/30至1/50)，可以实现实际操作。
如上所述，即使当引起移动的电荷量为小时，也可以基本上消除模块之间的电容差和电压差，将基于橄榄石正极型的二次电池中的模块之间的差异从1％降低到不超过0.3％，并通过执行多次操作来平衡模块。因此，即使在长时间重复该循环时，也可以实现无变化的稳定的充放电性能。另一方面，在初步提出的方法中，存在以下担心：在几百次循环之后，电压/电容可变性增加，可供使用的容量逐渐减小，并且执行错误的判断，好像它已经达到工作寿命。
当由本公开中的公式获得时，由于电压差而引起的电荷量的差ΔQ被认为是24Ah模块中的差异(1％的差异＝240mAh)。当电感器操作(开关操作)的次数N为50并且电感器的操作在1秒内完成时，由电感器L引起流动的电流I的期望值(δΔQ＝4.8mAh/时间)在1秒内转移。因此，电感器的电流值为(1.33mA/时间/电感器)。此时，假设在平衡操作中以1μH的电感器和56V的模块电压V进行操作。通过使电感器的开关操作的周期t不大于1秒，可以实现没有中断的连续操作。例如，可以使60％至70％的电荷随着10μH的电感器和1秒50次的操作而移动并实现平衡。
在本公开的实施例中，通过一次操作将平衡模块所需的转移电荷量分成10或更多份而获得的电荷的量进行转移。有利地，按顺序转移通过将电荷量分成30至50份而获得的少量电荷。事先测量开关的导通时间段和断开时间段以及电荷的转移次数，并且通过使用模拟结果将其构造为表格。具体地，当检测到模块的最大电压和最小电压之间的差时，从表中读取指示与该差对应的开关操作和开关次数的信息，并且该信息被用于开关元件的控制。
(根据本公开的模块间平衡电路的修改示例)
在根据本公开的上述模块间平衡电路中，使经由一个反激变压器提取的电力经由一个反激变压器移动。然而，可经由多个反激变压器提取电力。例如，可从具有最大电压的电力存储模块和具有第二最高电压的电力存储模块的两个电力存储模块中提取电力。此外，可经由多个反激变压器引起所提取的电力的移动。例如，可向具有最小电压的电力存储模块和具有第二最低电压的电力存储模块的两个电力存储模块供应电力。例如，在图21所示的上述配置中，经由反激变压器T14以低电流提取电力，并且经由反激变压器T3以高电流提取电力。此外，可在提取电力的同时经由反激变压器T1和T2供应具有中间电流的电力。
如图32所示，在电力存储模块的反激变压器T1至T14的次级侧，在共用电源线CL+和共用电源线CL-之间插入电容器C1至C14。电容器C1至C14降低了高频分量。因此，可将在共用电源线CL+和CL-中产生的电压输出作为直流电源。该直流电源可作为控制箱ICNT的电源来供应。
此外，如图33所示，可为所有的电力存储模块共同设置反激变压器Tx。反激变压器Tx由初级侧线圈Wy、次级侧线圈Wx和磁芯Mx构成。线圈Wx和开关Sx串联连接。线圈Wy和开关Sy串联连接。反激变压器Tx的次级侧线圈Wx的一端被连接到端子52，以及次级侧线圈Wx的另一端经由开关Sx连接到0V的线路。端子52被连接到共用电源电压CV端子。
初级侧线圈Wy的一端被连接到多个电力存储模块(例如14个电力存储模块)的电池块组BB1至BB14的串联连接的正侧(V+)，并且初级侧线圈Wy的另一端与电池块组BB1至BB14的串联连接的负侧(V-)连接。反激变压器T1至T14和电力存储元件51与图21所示的配置一样与电池块组BB1至BB14连接，并执行上述模块间平衡控制。
利用图33所示的配置，可以经由反激变压器Tx一次性地向所有电力存储模块的电池块组供应电力，并增加模块间平衡控制的操作的变化。
此外，在本公开中，可以使用采用了除反激转换器系统之外的系统的正向转换器和采用了诸如RCC(振铃扼流圈转换器)系统的电磁耦合系统的电力传输装置。
图34中示出了包括电力存储模块(例如，电力存储模块MOD1至MODn)的电力存储系统的总体配置的示例。控制箱ICNT根据每个模块的电压信息确定模块间平衡的顺序。模块间的平衡的充放电的有无被分别发送给模块的通信单元COM1至COMn中的MCU。每个MCU直接向每个反激变压器的次级侧供应控制信号，或者经由绝缘部ISC通过绝缘通信将控制信号发送给每个反激变压器的初级侧。
将控制信号从单独的电路块供应给初级侧和次级侧。这是因为控制信号的电平不同。此外，控制箱ICNT监测电源线CL+和CL-(共用电源电压CV被提供给其)之间的电压，并且与上述操作并行执行模块间平衡的总体控制，使得共用电源电压CV为期望的电压。
图35示出了本公开的应用示例，包括电力存储模块MOD101至MOD104的另一电力存储系统被连接到电力存储模块MOD1至MOD14(图21所示的配置)。只要共用电源电压CV在两个电力存储系统之间相等，共用电源线CL+和CL-也可以被连接到另一电力存储系统。具体地，容易增加待连接的电力存储模块的数量。
(根据本公开的电力存储装置的优点)
由于根据本公开的模块间平衡电路具有以下配置：单独设置模块的反激变压器，所以不需要执行星形布线并且易于进行布线，这与磁芯被共用的配置不同。
在根据本公开的模块间平衡电路中，每个电力存储模块的电池块组的两端的电压被施加到反激变压器的初级侧线圈和开关，并且共用电源电压CV被施加到次级侧线圈和开关。共用电源电压CV具有例如与每个电力存储模块的电池块组的两端处的电压值相等的值。因此，存在可以使用具有低耐压的线圈和开关的优点，因为所有电力存储模块的串联连接的电压未被施加到线圈和开关。
在本公开中，可以利用独立的控制脉冲信号来控制反激变压器的初级侧开关S1至S14和次级侧开关S01至S014。因此，可以经由多个期望的反激变压器来传输电力。此外，可以通过设置开关操作的导通时间段的长度来单独地控制经由反激变压器的要被移动的电力的量。具体地，可以通过增加与要被移动的电力量相对应的开关的导通时间段来改变要被移动的电力量。在本公开中，与初步提出的模块间平衡控制不同，将要被移动的电荷划分为10个或更多份并且被促使从高电压模块移动到低电压模块。因此，可以降低电感器的大小和电感器电路的布线的大小。具体地，可以降低电感器等的大小和容量，并且实现基板的尺寸的降低。
此外，因为大电流流过多个电力存储模块的输出端子V+和V-，所以容易产生相对大的噪声。然而，因为共用电源电压CV与输出端子V+和V-绝缘，所以可以减小由于负载电流的变化所引起的噪声的影响。
如图34所示，可以使用受噪声影响较小的共用电源电压CV来作为控制箱ICNT的电源。在使用共用电源电压CV作为控制箱ICNT的电源的情况下，可以防止控制箱ICNT的电源受到电力存储模块的电压变化的影响。
(作为应用示例的住宅中的电力存储系统)
将参考图36来描述将本公开应用于住宅的电力存储系统的示例。例如，在用于住宅101的电力存储系统100中，将来自集中式电力系统102(包括热发电102a、核能发电102b和水力发电102c)的电力经由电网109、信息网络112、智能仪表107、电力枢纽108等供应至电力存储装置103。此外，电力从诸如室内发电装置104的独立电源供应给电力存储装置103。供应给电力存储装置103的电力被存储。电力存储装置103用于供应在住宅101中使用的电力。它不限于住宅101，并且类似的电力存储系统可以被用于建筑物。
在住宅101中，设置有发电装置104、功耗装置105、电力存储装置103、控制各装置的控制装置110、智能仪表107以及获取各种信息的传感器111。该装置经由电力网络109和信息网络112彼此连接。太阳能电池、燃料电池等作为发电装置104来使用。所产生的电力被供应给功耗装置105和/或电力存储装置103。功耗装置105包括例如冰箱105a、空调105b、电视接收器105c和浴室105d。此外，功耗装置105包括电动车辆106。电动车辆106包括电动汽车106a、混合动力汽车106b和电动自行车106c。
根据本公开的上述电池单元被应用于电力存储装置103。电力存储装置103由二次电池或电容器构成。例如，其由锂离子电池构成。锂离子电池可为固定电池或用于电动车辆106中的电池。智能仪表107具有监测商用电力的使用量并将所测得的使用量发送给电力公司的功能。电力网络109的电源可为直流电源、交流电源和非接触电源中的一种或它们的组合。
各种传感器111的示例包括人类传感器、照度传感器、对象检测传感器、功耗传感器、振动传感器、接触传感器、温度传感器和红外线传感器。由各种传感器111获取的信息被发送给控制装置110。利用来自传感器111的信息，可以掌握天气、人的状况等，并且可以通过自动控制功耗装置105来最小化能量消耗。此外，控制装置110能够经由互联网向外部电力公司等发送关于住宅101的信息。
电力枢纽108执行诸如电力线的分支和直流/交流转换的处理。连接到控制装置110的信息网络112的通信系统的示例包括使用诸如UART(通用异步收发器：用于异步串行通信的发送/接收电路)的通信接口的方法以及使用符合诸如蓝牙(注册商标)、ZigBee(注册商标)和Wi-Fi的无线通信标准的传感器网络的方法。蓝牙(注册商标)系统被应用于多媒体通信，并且可以执行一对多连接通信。ZigBee(注册商标)使用IEEE(电气和电子工程师协会)802.15.4的物理层。IEEE802.15.4为被称为PAN(个人局域网)或W(无线)PAN的短距离无线网络标准的名称。
控制装置110被连接到外部服务器113。该服务器113可由住宅101、电力公司和服务提供商中的任一者来管理。向/从服务器113发送/接收的信息为例如功耗信息、生活模式信息、电力费用、天气信息、灾害信息或关于电力交易的信息。可以向/从室内功耗装置(例如，电视接收机)发送/接收信息。然而，它可被发送给户外装置(例如，移动电话)/从户外装置(例如，移动电话)接收。该信息可在具有显示功能的装置，诸如电视接收机、移动电话和PDA(个人数字助理)上显示。
控制各个单元的控制装置110包括CPU(中央处理单元)、RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)等，并且在本示例中，被存储在电力存储装置103中。控制装置110经由信息网络112被连接到电力存储装置103、室内发电装置104、功耗装置105、各种传感器111和服务器113，并且具有例如调整使用商业电量和发电量的功能。注意，例如，其可另外具有在电力市场中执行电力交易的功能。
如上所述，将不仅通过集中式电力系统102(包括热发电102a、核能发电102b和水力发电102c)而且还通过室内发电装置104(太阳能发电、风力发电)所产生的电力存储在电力存储装置103中。因此，即使在由室内发电装置104产生的电量发生变化的情况下，也可以进行控制，例如，使得传输至外部的电量保持恒定或者仅放电必要量的电力。例如，可能的方法是将通过太阳能发电获得的电力存储在电力存储装置103中，并且将便宜的午夜电力(midnight electric power)存储在电力存储装置103中，并通过在充电量高的白天将其放电来使用存储在电力存储装置103中的电力。
注意，尽管在该示例中描述了控制装置110被容纳在电力存储装置103中的示例，但是其可被容纳在智能仪表107中或者独立地配置。此外，电力存储系统100可被用于公寓中的多个房屋或多个独立住宅。
(作为应用示例的车辆中的电力存储系统)
将参考图37来描述将本公开应用于车辆的电力存储系统的示例。图37示意性地示出采用应用了本公开的串联混合动力系统的混合动力车辆的配置的示例。串联混合动力系统的车辆通过使用发电机所产生的电力或者暂时存储在电池中的电力而利用动力驱动力转换装置来行驶。
在混合动力车辆200中，安装了发动机201、发电机202、动力驱动力转换装置203、驱动轮204a、驱动轮204b、车轮205a、车轮205b、电池208、车辆控制装置209、各种传感器210和充电端口211。对于电池208，应用本公开中的上述电池部。
混合动力车辆200使用作为动力源的动力驱动力转换装置203来行驶。动力驱动力转换装置203的示例为电机。利用电池208的电力，动力驱动力转换装置203进行操作，并且动力驱动力转换装置203的转矩被传递给驱动轮204a和204b。注意，交流电机和直流电机都可以通过在必要部分处使用直流交流(DC-AC)或逆转换(AC-DC转换)来应用于动力驱动力转换装置203。各种传感器210经由车辆控制装置209、节气门(未示出)的孔径(节气门开度)等来控制发动机的转速。各种传感器210包括速度传感器、加速度传感器、发动机转数传感器等。
发动机201的转矩被传递给发电机202，并且可以将通过发电机202的转矩所产生的电力存储在电池208中。
当混合动力车辆通过制动机构(未示出)减速时，减速时的阻力作为转矩添加给动力驱动力转换装置203，并且由该转矩产生的再生电力通过动力驱动力转换装置203存储在电池208中。
通过连接到混合动力车辆外部的电源，电池208能够通过使用作为输入端口的充电端口211来接收来自外部电源的电力供应并且存储所接收到的电力。
尽管未示出，但是可设置信息处理装置，其基于关于二次电池的信息执行与车辆控制有关的信息处理。此信息处理装置的示例包括信息处理装置，其基于关于电池的剩余容量的信息显示电池剩余容量。
注意，上述示例已经描述了通过使用由发动机操作所引起的发电机所产生的电力或者暂时存储在电池中的电力来行驶串联混合动力车辆。然而，本公开也可以有效地应用于使用发动机和电机的输出作为驱动源的并联混合动力车辆和仅利用发动机行驶、仅利用电机行驶以及通过适当地切换发动机和电机利用发动机和电机来行驶的三个系统。此外，本公开可以有效地应用于不使用发动机并且仅通过驱动电机驱动行驶的所谓的电动车辆。
应注意，本公开可采取以下配置。
(1)
一种电力存储装置，包括：
多个电池部，多个电池部中的每个电池部由多个电池单元或多个电池块构成；
串联电路，串联电路由第一线圈和第一开关元件构成，第一线圈和第一开关元件并联连接至与相应的电池部；
与第一线圈电磁耦合的第二线圈；
与第二线圈串联连接的第二开关元件；
插在共用电源线CL+和共用电源线CL-之间的电容器，其用于向与多个电池部相关的第二线圈和第二开关元件的串联电路的两端共同地供应电压，该电压被设置为不超过第二开关元件的耐压的值；以及
控制单元，向第一开关元件和第二开关元件提供控制脉冲信号以均衡多个电池部中的每个电池部的电压，其中
多个电池部包括第一电池部，第一电池部具有最高电压，通过连接到第一电池部的第一和第二开关元件从第一电池部提取电力，
多个电池部包括第二电池部，第二电池部具有最低电压，通过连接到第二电池部的第一和第二开关元件向第二电池部供应电力，以及
通过将用于消除第一电池部和第二电池部之间的电压差所需的转移电荷量分成10份或10份以上而获得的电荷量通过第一开关元件和第二开关元件的开关操作来转移。
(2)
根据(1)所述的电力存储装置，其中，
多个电池部的电池单元的每个为使用橄榄石型正极的锂离子二次电池。
(3)
根据(1)或(2)所述的电力存储装置，其中，
根据转移电荷量预先获取第一和第二开关元件的相应的导通时间段和断开时间段，并且相应的导通时间段和断开时间段被形成为表格。
(4)
根据(1)至(3)中任一项所述的电力存储装置，其中
根据转移电荷量预先获取第一和第二开关元件的操作次数，并且该操作次数被形成为表格。
(5)
电子装置，其接收从根据(1)的电力存储装置供应的电力。
(6)
电动车辆，包括：
转换装置，其接收从根据(1)的电力存储装置供应的电力并将该电力转换为车辆的驱动力；以及
控制装置，其基于关于电力存储装置的信息执行与车辆控制有关的信息处理。
(7)
电力系统，包括：
电力信息发送/接收单元，其经由网络向/从另一装置发送/接收信号，其中，
基于由电力信息发送/接收单元所接收到的信息来执行根据(1)所述的电力存储装置的充电和放电控制。
(8)
电力系统，其从根据(1)所述的电力存储装置接收电力或者向该电力存储装置供应来自发电装置或电力网络的电力。
(修改实例)
注意，尽管已经具体描述了本公开的实施例，但是本公开的实施例不限于上述实施例，并且在不脱离本公开的本质的情况下可以进行各种修改。例如，在上述实施例中引用的配置、方法、过程、形状、材料和数值仅是示例性的，并且可根据需要使用不同的配置、方法、过程、形状、材料和数值。
此外，在不脱离本公开的本质的情况下，可以组合上述实施例中的配置、方法、过程、形状、材料和数值。
附图标记列表
MOD，MOD1至MODN 电力存储模块
ICNT 控制箱
CNT 每个电力存储模块的控制器
ICNT 控制箱
B1到Bn 电池块
BB1至BBn 电池块组
ISC1至ISCn 绝缘部
COM1至COMn 通信单元
21 多层布线基板
23、24 印刷电路板天线
LY1到LY4 布线层
W1至W14 初级侧线圈
S1至S14 初级侧开关
W01至W014 次级侧线圈
S01至S014 次级侧开关
T1至T14 反激变压器
CL+、CL- 共用电源线
CV 共用电源电压
51 电力存储元件。

Claims (7)

1.一种电力存储装置，用于在使用了锂离子二次电池的模块之间进行均衡，所述锂离子二次电池采用了橄榄石型正极，所述电力存储装置包括：
多个电池部，所述多个电池部中的每个电池部由多个电池单元或多个电池块构成；
串联电路，所述串联电路由第一线圈和第一开关元件构成，所述第一线圈和第一开关元件并联连接至相应的电池部；
与所述第一线圈电磁耦合的第二线圈；
与所述第二线圈串联连接的第二开关元件；
插在共用电源线CL+和共用电源线CL-之间的电容器，所述电容器用于向与所述多个电池部相关的所述第二线圈和所述第二开关元件的串联电路的两端共同地供应电压，所述电压被设置为不超过所述第二开关元件的耐压的值；以及
控制单元，向所述第一开关元件和所述第二开关元件提供控制脉冲信号以均衡所述多个电池部中的每个电池部的电压；
其中
所述多个电池部包括第一电池部，所述第一电池部具有最高电压，通过连接到所述第一电池部的所述第一开关元件和第二开关元件从所述第一电池部提取电力，
所述多个电池部包括第二电池部，所述第二电池部具有最低电压，通过连接到所述第二电池部的所述第一开关元件和第二开关元件向所述第二电池部供应电力，以及
通过将用于消除所述第一电池部和第二电池部之间的电压差所需的转移电荷量分成10份或10份以上而获得的电荷量通过所述第一开关元件和第二开关元件的开关操作来转移；
根据所述转移电荷量预先获取所述第一开关元件和第二开关元件的操作次数，并且所述操作次数被形成为表格。
2.根据权利要求1所述的电力存储装置，其中
所述多个电池部的所述电池单元的每个为使用橄榄石型正极的锂离子二次电池。
3.根据权利要求1所述的电力存储装置，其中
根据所述转移电荷量预先获取所述第一开关元件和所述第二开关元件的相应的导通时间段和断开时间段，并且相应的所述导通时间段和断开时间段被形成为表格。
4.一种电子装置，其接收从根据权利要求1所述的电力存储装置供应的电力。
5.一种电动车辆，包括：
转换装置，所述转换装置接收从根据权利要求1所述的电力存储装置供应的电力，并将所述电力转换为车辆的驱动力；以及
控制装置，所述控制装置基于关于所述电力存储装置的信息执行与车辆控制有关的信息处理。
6.一种电力系统，包括：
电力信息发送/接收单元，经由网络向/从另一装置发送/接收信号，其中
基于由所述电力信息发送/接收单元接收的信息来执行根据权利要求1所述的电力存储装置的充电和放电控制。
7.一种电力系统，从根据权利要求1所述的电力存储装置接收电力或从发电装置或电力网络向所述电力存储装置供应电力。
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