CN107112768B - 用于电能存储器的主动电池平衡的方法和电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于平衡电池组支路的电池组电池（11）、特别是电池组模块的电池组电池（11）的装置（10），所述电池组支路具有多个串联的电池组电池（11），其中所述装置（10）具有用于存储电能的电感（9），所述装置（10）具有用于将第一电池组电池（11）的极通过第一连接点（13）和第二连接点（14）与电感（9）连接的馈电侧的开关设备（17），并且所述装置能够被控制装置控制，使得电能能够从至少第一电池组电池（11）传输到电感（9）中并且从电感（9）传输到至少一个第二电池组电池（11）上。根据本发明，在此规定，所述装置（10）具有用于电荷平衡的第三连接点（15）和第四连接点（16）以及两个输送侧的开关设备（17），其中所述电感（9）通过两个输送侧的开关设备（17）与第三连接点（15）和第四连接点（16）连接。

Description

用于电能存储器的主动电池平衡的方法和电路装置

技术领域

本发明涉及用于具有多个存储电池的电能存储器的主动电池平衡的电路装置和方法。

背景技术

存在对能量存储器系统的增长需求，所述能量存储器系统大量地用于静止应用和移动应用。作为相应的示例尤其可以提及应急电源系统或电动/混合动力车辆。

在此，电能存储器例如包括多个被构造为可重复充电的电池组的具有被构造为电池组电池的存储电池的存储元件。电池组的各个电池组电池串联和/或并联，以便获得适配于相应应用的功率和/或能量数据。

在此，特别是由于在各个电池组电池中关于电特性（例如电压、容量、内部阻抗）的生产波动而观察到差别。在一个电池组中，因此各个电池组电池通常关于其老化状态和其电功率是不相同的。

通常在电池组中串联的电池组电池中，一旦电池组电池之一达到其放电电压极限，就停止放电过程。相应的适用于电池组的充电过程。一旦电池组电池之一达到充电电压极限，就停止充电过程。因此，具有最小容量的电池（经常也称为最弱的电池）是第一个完全充电或放电的电池。因此电池组或电池组模块始终仅仅如其最弱的电池那样好。

为了能够提供具有可一样负载的电池的电池组，并且此外也为了防止各个电池组电池由于不同的电压状态而附加地不同地强烈老化，已知用于所谓的电池平衡的方法，所述方法旨在平衡各个电池组电池的电压。

在没有这样的电压和电荷平衡的情况下，不同电池的充电状态在运行中由于电池或模块彼此间的轻微不同的容量和轻微不同的自放电而漂移。

关于用于电池平衡的方法，在主动和被动电池平衡之间进行区分，其中在主动电池平衡中借助电池组管理系统进行存储器模块下的电荷平衡，使得过高充电的具有最高电池电压的电池的能量分布到过低充电的具有较低电池电压的电池上。在被动电池平衡中，那些具有最高电池组电压的电池有针对性地一直放电，直至所有电池具有相同电压。放电通常通过电阻进行，其中要放电的电能转化为热。

EP 2400622描述了一种能量存储器的电池之间的感应式电池平衡，其中能量存储器具有电感，通过该电感借助由开关和二极管构成的装置能够在电池之间交换能量。

EP 2385605描述了一种主动电荷平衡电路。电荷平衡电路包括感应式存储元件和开关装置，该开关装置能够根据控制信号将感应式存储元件与多个电池端子连接以用于电荷平衡。

US 2012/0194134描述了一种用于在电荷存储装置中进行电荷平衡的方法以及一种电荷平衡电路，该电荷存储装置具有多个串联的电荷存储电池。此外，描述了一种感应式电荷平衡电路，其被配置用于从存储电池中提取能量并且将所述能量选择性地引回到存储电池或总充电存储装置中。

发明内容

根据本发明设置一种用于平衡电池组支路的电池组电池、特别是电池组模块的电池组电池的装置，该电池组支路具有多个串联的电池组电池。此外，根据本发明设置一种电池组电池装置，该电池组电池装置具有电池组电池和与其连接的根据本发明的用于平衡电池组支路的电池组电池的装置的设计方案以及用于控制该电池组支路的设计方案的开关设备的电池组支路控制装置。

根据本发明还设置一种用于利用这样的电池组支路控制装置来平衡这样的电池组支路的设计方案的电池组电池的方法。

根据本发明规定，用于平衡电池组支路的电池组电池、特别是具有多个串联的电池组电池的电池组模块的电池组电池的装置具有用于存储电能的电感，其中该装置具有用于将第一电池组电池的极通过第一连接点和第二连接点与电感连接的馈电侧的开关设备，其中该装置能够被控制装置控制，使得电能能够从至少第一电池组电池传输到电感中并且从电感传输到至少一个第二电池组电池上，该装置具有用于电荷平衡的第三连接点和第四连接点以及两个输送侧的开关设备，其中电感通过两个输送侧的开关设备与第三和第四连接点连接。

这样的装置从其结构上能够简单地控制并且能够利用少的器件实施。该装置能够在两个方向上、即双向地运行，使得电荷输送不仅能够在馈电侧从电池组电池并且在输送侧到能够与第三和第四连接点连接的网络中地进行，而且相反地，电荷输送能够从可这样连接的网络或电荷源或能量源经过连接点至电池组电池地进行。在此，在第二情况下，输送侧的连接点、即第三和第四连接点用于馈电，并且第一以及第二连接点用于输送电荷至电池组电池。

有利地，装置的开关设备分别包括被实施为半导体器件、特别是实施为二极管、晶闸管、双极型晶体管、MOSFET或IGBT的开关。这样的器件不遭受机械焊接，能够便宜地制造并且能够以高的频率控制。当然，所述器件具有最大截止电压，直至该截止电压，所述器件能够运行。在连接输送侧的连接点时应该考虑所述限制。

有利地，该装置被实施成，使得该装置被实施成将第三连接点与电池组支路的最高电位连接并且将第四连接点与电池组支路的最低电位连接，并且电感通过输送侧的开关设备能够以两个极化或流动方向与电池组支路的最高和最低电位连接。这样的设计方案提供以下优点，即该装置被设计用于以电池组支路的电压来运行并且例如能够由电池组支路提供的电荷能够用于有针对性地将电荷传递到馈电侧布置的电池组电池中，使得例如电池组支路的所有电池组电池能够用于支持电池组支路的最弱的电池组电池。

如果电池组支路具有很高的电压，则该电池组支路能够有利地被划分成多个串联的区段，特别是划分成模块，其中所述很高的电压需要使用很贵的半导体器件。通过模块划分的电池组支路的区段在此同样是本发明意义上的电池组支路。

因为该装置被设计用于双向运行，所以用于电流的开关设备能够在两个流动方向上运行。有利地，开关设备包括开关和二极管的并联电路。这样的开关设备明显地减小了为了运行该装置所需的控制装置的复杂性，因为该开关设备对于构造仅仅针对与二极管的截止方向相反的电流方向的导通状态需要控制信号。此外，这样的设计方案比将开关设计成半导体开关的情况下提供更大的回旋余地，因为该半导体开关仅针对一个电流方向来设计。有利地，开关设备具有MOSFET或IGBT作为开关。这些部件提供以下优点，即所述部件与通过所述部件提供的晶体管开关并联地具有集成的二极管。

有利地，用于与第一电池组电池的负极连接的馈电侧的第二连接点能够通过由两个沿截止方向布置的二极管构成的串行连接与电池组支路的最高电位连接，用于与第一电池组电池的正极连接的馈电侧的第一连接点能够通过由两个沿截止方向布置的二极管构成的串行连接与电池组支路的最低电位连接，并且电感布置在各两个串行布置的二极管之间。这样的设计方案提供以下优点，即根据本发明的装置能够利用少的器件、即四个开关、四个二极管和一个电感来实施。

根据本发明设置一种电池组电池装置，其中电池组电池装置具有电池组电池和与电池组电池连接的根据本发明的用于平衡电池组支路的电池组电池的装置。这样的电池组电池装置提供以下优点，即该电池组电池装置具有电池组电池，该电池组电池的极能够直接与其他电池组电池的极连接以用于构造串联电路或电池组支路，并且该电池组电池装置同时具有第三和第四连接点形式的端子以用于电荷平衡，通过所述端子，电池组电池能够与电池组电池装置在串联电路中的定位无关地、即与电池组电池装置在电池组支路之内的电位位置无关地有针对性地充电或放电。

在本发明的一种有利的设计方案中，电池组电池装置具有电池组电池和与电池组电池连接的并且结构上集成的用于平衡电池组电池的装置。通过该方式能够有利地构造模块化单元。

根据本发明还设置一种具有多个这样的电池组电池装置的电池组支路，其中该装置针对每个电池组电池装置结构相同地、特别是一样地实施，并且电池组电池装置的电池组电池串联成一个支路。电池组支路的电池组电池装置的结构相同的、特别是一样的实施允许制造过程的合理化以及电池组电池装置的模块化。

有利地，该装置的第三连接点与电池组支路的最高电位连接并且第四连接点与电池组支路的最低电位连接，其中电能可以通过能够由电感吸收并且输出的平衡电流在电池组电池之间传输。这样的设计方案允许一个电池组电池的电荷到整个电池组支路的电池组电池上的有针对性的传输，或相反地，允许整个电池组支路的电荷到单个电池组电池上的传输。

根据本发明还设置一种用于控制根据本发明的电池组支路中的开关设备的电池组支路控制装置，其中电池组支路控制装置被实施用于控制开关设备，使得电感能够从与其在电池组电池装置中连接的电池组电池或从至少一个与该电池组电池相邻的电池组电池吸收平衡电流，使得流经至少第二电池组电池的平衡电流的方向是可调节的。

有利地，分配给电池组电池的电感在馈电侧不仅仅能够由该电感所分配的电池组电池馈电，而是也能够由相邻的电池组电池或相邻电池组电池的串联电路馈电，所述相邻电池组电池在电池组支路中布置在电感所分配的电池组电池之下或之上。如果电池组支路例如具有多个电池组电池组装置i、j、k、l的串联电路，其中电池组电池装置i与电池组支路的最高电位连接并且电池组电池装置l与电池组支路的最低电位连接，则电池组电池装置j的电感例如在根据本发明控制开关设备时也可以通过电池组电池装置k和l的电池组电池的串联电路或通过电池组电池装置i的电池组电池来馈电。对此，在该示例中能够使用装置j的第二和第四连接点，或第一和第三连接点。

电池组支路的装置或开关设备的这样的控制允许电池组支路的不同电感由不同数量串联的电池组电池装置来馈电。根据进行馈电的电池组电池的数量进而根据输入侧的电压大小，在电感中能够构造不同大的平衡电流。

有利地，可预先给定的平衡电流的大小能够通过电池组支路控制装置来调节，其中为了调节平衡电流，进行馈电的电池组电池的数量是可调节的。电池组支路控制装置的这样的设计方案允许控制电荷输送的速度。进行馈电的电池组电池的数量的调节在此也可以通过合适选择用于形成平衡电流的电感来实现。

能够由装置的电感吸收并且又输出的平衡电流的方向能够通过开关设备结合电池组支路控制装置来控制。在此，流经电感的平衡电流的方向在以下情况下被称为正的，即当电感在馈电侧与分配给其的电池组电池连接并且电感的第一连接点与所属的电池组电池的正极连接并且其第二连接点与电池组电池的负极连接时而出现平衡电流。以相反的方向流动的平衡电流被称为负的平衡电流。

根据本发明还设置一种用于利用根据本发明的电池组支路控制装置的设计方案来平衡这样的电池组支路的设计方案的电池组电池的方法，其中平衡电流的方向在每个电池组电池装置中被调节成，使得：

-如果应该从第一电池组电池提取能量并且将能量输送给电池组支路，则调节正的平衡电流；

-如果应该从电池组支路提取能量并且将能量输送给第一电池组电池，则调节负的平衡电流；

这样的方法允许单个电池组电池的电荷到电池组电池支路的所有电池组电池上的有针对性的重新分布以及电池组电池支路的电荷到单个电池组电池上的有针对性的重新分布。

附图说明

随后参照附图借助优选的实施例来详细解释本发明。

其中：

图1示出根据本发明的用于平衡电池组支路的电池组电池的装置的一个示例；

图2示出根据本发明的具有多个电池组电池的电池组支路的一个示例，所述电池组电池分别具有分配给所述电池组电池的根据本发明的用于平衡电池组电池的装置。

具体实施方式

图1示出根据本发明的用于平衡电池组支路的电池组电池11的装置10的一个优选的实施例。

从图1中可见一种用于平衡电池组支路的电池组电池11的装置10，该电池组支路具有多个串联的电池组电池11。在此，该装置10具有用于存储电能的电感9。此外，该装置10具有馈电侧的开关设备17，其用于将第一电池组电池11的极通过第一连接点13和第二连接点14与电感9连接。开关设备17能够由在此未示出的控制装置来控制，使得电能能够从至少第一电池组电池11传输到电感9中并且从电感9传输到至少一个第二电池组电池11上。该装置10还具有用于电荷平衡的第三连接点15和第四连接点16以及两个输送侧的开关设备17。电感9通过两个输送侧的开关设备17与第三连接点15和第四连接点16连接。

装置10由于开关设备17的足够的耐压强度而适合于通过第三连接点15与电池组支路的最高电位V_smax连接并且通过第四连接点16与电池组支路的最低电位V_smin连接。在此，电感9通过输送侧的开关设备17能够以两个极化或流动方向18与电池组支路的最高和最低电位连接以用于借助平衡电流进行电荷平衡。在此，流经电感9的平衡电流沿所示出的流动方向18被称为正的平衡电流。

开关设备17分别包括开关1、2、3、4和二极管5、6、7、8的并联电路。此外，用于将装置10与第一电池组电池11的负极连接的馈电侧的第二连接点14能够通过由两个沿截止方向布置的二极管5、8构成的串行连接12与电池组支路的最高电位V_smax连接，并且用于将装置10与第一电池组电池11的正极连接的馈电侧的第一连接点13能够通过由两个沿截止方向布置的二极管6、7构成的串行连接12与电池组支路的最低电位V_smin连接。电感9布置在各两个串行布置的二极管5和8或者6和7之间，即电感9以其端子中的一个与二极管5和8的串行连接12连接并且以另一个端子与二极管6和7的串行连接12连接。

从图2中可见四个电池组电池装置20，其中每个电池组电池11具有与其连接的装置10。为了进一步区分，四个电池组电池装置20配备有标记i、j、k和l。电池组电池装置20的电池组电池11串联成一个支路并且构成一个电池组支路，其中每个电池组电池装置20结构相同地、特别是一样地实施。

此外，装置10的第三连接点15与电池组支路的最高电位V_smax连接并且第四连接点16与电池组支路的最低电位V_smin连接，使得电能可以通过能够由电感9吸收并且输出的平衡电流在电池组电池11之间传输。

控制装置10中的开关设备17，使得电感9能够从与该电感在电池组电池装置20中连接的电池组电池11或从至少一个与该电池组电池11相邻的电池组电池11吸收平衡电流，使得流经至少第二电池组电池11的平衡电流的方向是可调节的。

随后描述开关设备17的控制选择中的一些。这以具有标记j的电池组电池装置20为例进行。

在第一控制选择中闭合电池组电池装置20的开关1，j和2，j。然后，在电感9中出现沿流动方向18正的平衡电流，该平衡电流由电池组电池11，j馈送。在断开开关1，j和2，j之后，在电感9中存储的平衡电流通过二极管5，j流经电池组电池11 i、j、k和l以及通过二极管6，j流回至电感9。在此，电池组电池11，j的电荷分布到电池组支路的所有电池组电池11，i、j、k、l上。

在第二控制选择中闭合电池组电池装置20的开关3，j和4，j。然后，在电感9中出现沿流动方向18负的平衡电流，该平衡电流由电池组电池11，i、j、k、l馈送。在断开开关3，j和4，j之后，在电感9中存储的平衡电流通过二极管7，j流经电池组电池11，i以及通过二极管8，j流回至电感9。在此，电池组支路的所有电池组电池11，i、j、k、l的电荷分布到电池组电池11，j上。

在第三控制选择中闭合电池组电池装置20的开关2，j和4，j。然后，在电感9中出现沿流动方向18负的平衡电流，该平衡电流由电池组电池11，k、l馈送。在断开开关3，j和4，j之后，在电感9中存储的平衡电流通过二极管7，j流经电池组电池11，i以及通过二极管8，j流回至电感9。在此，电池组支路的电池组电池11，k、l的电荷分布到电池组电池11，j上。

在第四控制选择中闭合电池组电池装置20的开关1，j和3，j。然后，在电感9中出现沿流动方向18正的平衡电流，该平衡电流由电池组电池11，i馈送。在断开开关1，j和3，j之后，在电感9中存储的平衡电流通过二极管5，j流经电池组电池11，i、j、k、l以及通过二极管6，j流回至电感9。在此，电池组电池11，j的电荷分布到电池组支路的所有电池组电池11，i、j、k、l上。

第五控制选择借助具有标记l的电池组电池装置20来描述。

在第五控制选择中闭合电池组电池装置20的开关1，l和3，l。然后，在电感9中出现沿流动方向18正的平衡电流，该平衡电流由电池组电池11，i、j、k馈送。在断开开关1，l和3，l之后，在电感9中存储的平衡电流通过二极管5，l流经电池组电池11，i、j、k和l以及通过二极管6，l流回至电感9。在此，三个电池组电池11，i、j、k的电荷分布到电池组支路的所有电池组电池11，i、j、k、l上。

从上述控制选择中可见，通过合适控制开关设备17能够调节进行馈电的电池组电池11的数量并且因此通过电池组支路控制能够调节平衡电流的大小。因此不仅能够调节平衡电流的大小而且能够调节平衡电流的方向。特别是根据第一控制选择能够构造正的平衡电流，在该正的平衡电流的情况下从第一电池组电池11提取能量并且将能量输送给电池组支路，并且利用第二控制选择能够构造负的平衡电流，在该负的平衡电流的情况下从电池组支路提取能量并且将能量输送给第二电池组电池11。

Claims (11)

1.用于平衡电池组支路的电池组电池（11）的装置（10），所述电池组支路具有多个串联的电池组电池（11），其中所述装置（10）具有用于存储电能的电感（9），所述装置（10）具有用于将第一电池组电池（11）的极通过第一连接点（13）和第二连接点（14）与电感（9）连接的馈电侧的开关设备（17），并且所述装置能够被控制装置控制，使得电能能够从至少第一电池组电池（11）传输到电感（9）中并且从电感（9）传输到至少一个第二电池组电池（11）上，其特征在于，

所述装置（10）具有用于电荷平衡的第三连接点（15）和第四连接点（16）以及两个输送侧的开关设备（17），其中所述电感（9）通过两个输送侧的开关设备（17）与第三连接点（15）和第四连接点（16）连接，并且

所述装置（10）被实施成将第三连接点（15）与电池组支路的最高电位连接并且将第四连接点（16）与电池组支路的最低电位连接，并且电感（9）通过输送侧的开关设备（17）能够以两个极化或流动方向（18）与电池组支路的最高和最低电位连接。

2.根据权利要求1所述的装置（10），其特征在于，所述电池组电池（11）是电池组模块的电池组电池（11）。

3.根据权利要求1所述的装置（10），其特征在于，开关设备（17）包括第一开关（1）和第三二极管（7）的并联电路、第二开关（2）和第四二极管（8）的并联电路、第三开关（3）和第一二极管（5）的并联电路以及第四开关（4）和第二二极管（6）的并联电路。

4.根据权利要求1至3之一所述的装置（10），其特征在于，用于与第一电池组电池（11）的负极连接的馈电侧的第二连接点（14）能够通过由两个沿导通方向布置的第一和第四二极管（5）、（8）构成的串行连接（12）与电池组支路的最高电位连接，用于与第一电池组电池（11）的正极连接的馈电侧的第一连接点（13）能够通过由两个沿截止方向布置的第二和第三二极管（6）、（7）构成的串行连接（12）与电池组支路的最低电位连接，并且电感（9）布置在各两个串行布置的二极管之间。

5.一种电池组电池装置（20），其特征在于，所述电池组电池装置（20）具有电池组电池（11）和与电池组电池（11）连接的根据权利要求1至4之一的装置（10）。

6.具有多个根据权利要求5所述的电池组电池装置（20）的电池组支路，其特征在于，所述装置（10）针对每个电池组电池装置（20）被结构相同地实施，并且电池组电池装置（20）的电池组电池（11）串联成一个支路。

7.根据权利要求6所述的电池组支路，其特征在于，所述装置（10）针对每个电池组电池装置（20）被一样地实施。

8.根据权利要求6或7所述的电池组支路，其特征在于，所述装置（10）的第三连接点（15）与电池组支路的最高电位连接并且第四连接点（16）与电池组支路的最低电位连接，其中电能可以通过能够由电感（9）吸收并且输出的平衡电流在电池组电池（11）之间传输。

9.用于控制根据权利要求6至8之一所述的电池组支路中的开关设备（17）的电池组支路控制装置，其特征在于，所述电池组支路控制装置被实施用于控制开关设备（17），使得电感（9）能够从与所述电感（9）在电池组电池装置（20）中连接的电池组电池（11）或从至少一个与所述电池组电池（11）相邻的电池组电池（11）吸收平衡电流，使得流经至少第二电池组电池（11）的平衡电流的方向是可调节的。

10.根据权利要求9所述的电池组支路控制装置，其特征在于，可预先给定的平衡电流的大小能够通过电池组支路控制装置来调节，其中为了调节平衡电流，进行馈电的电池组电池（11）的数量是可调节的。

11.用于利用根据权利要求9至10之一的电池组支路控制装置来平衡电池组支路的电池组电池（11）的方法，其中平衡电流的方向在每个电池组电池装置（20）中被调节成，使得：

-如果应该从第一电池组电池（11）提取能量并且将能量输送给电池组支路，则调节正的平衡电流；

-如果应该从电池组支路提取能量并且将能量输送给第一电池组电池（11），则调节负的平衡电流。

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