CN110073570A - 用于对有缺陷的电池单元进行放电的系统和方法 - Google Patents

用于对有缺陷的电池单元进行放电的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于对可充电电池部(3,17)的存在内部短路的有缺陷的电池单元(2)进行放电的系统(1,16)，所述可充电电池部(3,17)具有至少两个串联连接的电池单元(2,4)，所述系统(1,16)包括：用于平衡所述电池单元(2,4)的平衡电路(5,18)，用于控制所述平衡电路(5,18)的控制部(9,21)和用于检测电池单元(2,4)中的至少一个中是否存在短路的至少一个传感器部，其中控制部(9,21)能够控制平衡电路(5,18)，使得在检测到一电池单元(2,4)中确实存在短路之后，借助于平衡电路(5,18)将该有缺陷的电池单元(2)的电荷连续地转移到其他电池单元(4)。

Description

用于对有缺陷的电池单元进行放电的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于对可充电电池部的存在内部短路的有缺陷的电池单元进行放电的系统，所述可充电电池部具有至少两个串联连接的电池单元，所述系统包括用于平衡所述电池单元的平衡电路、用于控制所述平衡电路的控制部、以及用于检测电池单元中的至少一个中是否存在短路的至少一个传感器部。
此外，本发明涉及一种用于对可充电电池部的存在内部短路的有缺陷的电池单元进行放电的方法，所述可充电电池部具有至少两个串联连接的电池单元和用于平衡所述电池单元的平衡电路。
背景技术
最近，诸如锂离子电池单元之类的可充电电池单元用于不同的应用中。例如，电池单元安装在电动车辆和混合动力电动车辆中，以向这种车辆的电力驱动部供电。通常，多个电池单元进行组合，以形成具有多个串联连接的电池单元的电池部。电池部可以是可充电电池，或者可以是用于组成模块化构造的可充电电池的电池模块。
由于各种原因，在有缺陷的电池单元内部可能发生短路。然后，大的短路电流在有缺陷的电池单元内流动，产生热量，导致有缺陷的电池单元过热。这种过热可能导致有缺陷的电池单元内部的电解质和电极的分解反应，从而在有缺陷的电池单元内部产生气体。然后，由于气体产生，有缺陷的电池单元内部的压力增加。该事件被称为有缺陷的电池单元的热失控。具有多个电池单元的可充电电池部的一个有缺陷的电池单元的热失控可能导致可充电电池部的其他电池单元的热失控。为了防止有缺陷的电池单元在热失控的情况下爆炸，电池单元可以包括用于使电池单元通风从而降低电池单元中的压力的通风设备。有缺陷的电池单元的热失控也可能导致有缺陷的电池单元的电池组件自燃。
已知可借助于所谓电池管理系统(BMS)来控制可充电电池部的操作，所述电池管理系统可以检测可充电电池部的有缺陷的电池单元中的短路。然而，到目前为止，防止存在内部短路的有缺陷的电池单元的热失控的唯一措施是通过一些负载(例如，电阻器等)对有缺陷的电池单元进行放电。例如在US2015/0211212A1中公开了这种安全措施。由于有缺陷的电池单元应快速放电，因此负载应该大而重。另外，当使用这种传统的安全措施时，有缺陷的电池单元中的发热和有缺陷的电池单元的能量消耗仍然很大。
发明内容
本发明的目的是改善对可充电电池部的电池单元的放电。
该目的由独立权利要求实现。在以下描述、从属权利要求和附图中公开了有利的实施例，这些实施例可以单独使用，或者至少两个实施例可以任意彼此组合，这些实施例可以涉及本发明的优选方面或者有利方面。系统的实施例可以是方法的实施例，反之亦然，即使下面没有明确公开。
根据本发明的一种用于对可充电电池部的存在内部短路的有缺陷的电池单元进行放电的系统，所述可充电电池部具有至少两个串联连接的电池单元，所述系统包括：用于平衡所述电池单元的平衡电路，用于控制所述平衡电路的控制部和用于检测电池单元中的至少一个中是否存在短路的至少一个传感器部，其特征在于，控制部能够控制平衡电路，使得在检测到一电池单元中确实存在短路之后，借助于平衡电路将该有缺陷的电池单元的电荷连续地转移到其他电池单元。
根据本发明，使用可充电电池部的平衡电路，对可充电电池部的存在内部短路形式的缺陷的、有缺陷的电池单元进行放电。为此目的，根据本发明的系统包括控制平衡电路的控制部。不需要用于对有缺陷的电池单元进行放电的额外的放电负载。通过控制根据本发明的平衡电路，可以将例如可能存在缓慢发展的内部短路的有缺陷的电池单元的电荷连续地转移到可充电电池部的其他电池单元。由此，有缺陷的电池单元的能量降低，从而可靠地防止了有缺陷的电池单元的热失控和通风以及电池单元部件的自燃。
如果可充电电池部不具有存在内部短路的有缺陷的电池单元(可以用根据本发明的系统的传感器部检测到这一情况)，则根据本发明的系统的平衡电路用于平衡可充电电池部的多个电池单元，即，用于从可充电电池部的充电最满的一个或多个电池单元抽取能量，并将抽取的能量转移给充电最少的一个或多个电池单元。由此，可充电电池部的电池单元可具有类似或相同的充电状态(SOC)。为此目的，平衡电路通常包括用于每个电池单元的至少一个功率开关转换器。还开关这些功率开关转换器以对可充电电池部的有缺陷的电池单元进行放电。每个功率开关转换器可以包括开关器件、二极管和至少一个电感器。开关器件可以是场效应晶体管(FET)、双极晶体管等。因此，有缺陷的电池单元的电荷可以以高功率转移到其他电池单元。
根据本发明，当在有缺陷的电池单元中确实存在短路时，借助于平衡电路将有缺陷的电池单元的电荷连续地转移到其他电池单元。这意味着有缺陷的电池单元的电荷以特定的量从有缺陷的电池单元转移到与有缺陷的电池单元直接相邻的至少一个电池单元，并且从该相邻的电池单元转移到下一个电池单元，等等。
用于控制所述平衡电路的控制部可以是单独的部件，或者可以实现在可充电电池部的电池管理系统(BMS)中。控制部控制平衡电路的功率开关转换器以对有缺陷的电池单元进行放电。
用于检测在电池单元中的至少一个中是否存在短路的传感器部可以是电压传感器、电流传感器、温度传感器等。传感器部连接到控制部，以向控制电路提供指示电池单元短路的传感器信号。传感器部可以包括用于每个电池单元的单独的电池传感器。
根据有利实施例，平衡电路包括：至少两个功率开关转换器，每个功率开关转换器专用于电池单元中的一个，并且至少两个功率开关转换器共用至少一个电感器；以及至少两个二极管，每个二极管专用于电池单元中的一个，并且每个二极管允许充电电流流过相应的电池单元，并且控制部能够控制平衡电路，使得在检测到一电池单元中确实存在短路之后，将该有缺陷的电池单元的电荷转移到具有与专用于该有缺陷的电池单元的功率开关转换器共用电感器的专用功率开关转换器的电池单元。如果检测到有缺陷的电池单元中的短路，则专用于该有缺陷的电池单元的功率开关转换器的场效应晶体管导通一特定时间段，并且与专用于该有缺陷的电池单元的功率开关转换器共用电感器的功率开关转换器的场效应晶体管保持关断状态。由此，首先将特定量的能量存储在电感器中。在所述特定时间段结束时，电感器释放其存储的能量，使得电流流过专用于正常工作的相邻电池单元的二极管并流过该电池单元。因此，对该电池单元充电。可以重复该过程以对有缺陷的电池单元进行放电。添加到正常工作的电池单元的电荷可以以相同的方式从该电池单元转移到其他电池单元。由此，有缺陷的电池单元的电荷可以分布在可充电电池部的正常工作的电池单元上。
根据另一有利实施例，控制部能够控制平衡电路，使得在检测到一电池单元中确实存在短路之后，专用于该有缺陷的电池单元的功率开关转换器以与未检测到内部短路时提供的开关占空比不同的、改变了的开关占空比工作，并且与专用于有缺陷的电池单元的功率开关转换器共用电感器的功率开关转换器保持关断。只要相应的正常工作的相邻电池单元的充电状态(SOC)不超过预定阈值，就可以执行该操作。通过改变专用于有缺陷电池的功率开关转换器的开关占空比，可以控制从有缺陷的电池单元到相应的正常工作的相邻电池单元的转移电荷量。
根据另一有利实施例，平衡电路包括至少两个功率开关转换器，每个功率开关转换器专用于电池单元中的一个，并且至少两个功率开关转换器彼此电感耦合，并且控制部能够控制平衡电路，使得在检测到一电池单元中确实存在短路之后，将该有缺陷的电池单元的电荷转移到具有与专用于该有缺陷的电池单元的功率开关转换器电感耦合的专用功率开关转换器的电池单元。如果检测到有缺陷的电池单元中的短路，则专用于该有缺陷的电池单元的功率开关转换器的场效应晶体管导通一特定时间段，并且与专用于该有缺陷的电池单元的功率开关转换器电感耦合的功率开关转换器的场效应晶体管保持关断。由此，特定量的电荷从专用于该有缺陷的电池单元的功率开关转换器的电感器转移到电感耦合的功率开关转换器的电感器，并存储在后者电感器中。在所述特定时间段结束时，电感耦合的功率开关转换器的场效应晶体管导通，使得后者电感器释放其存储的电荷，使得电流流过相应的正常工作的相邻电池单元。因此，对该电池单元充电。通过交替开关功率开关转换器，可以重复该过程以对有缺陷的电池单元进行放电。添加到相应的正常工作的电池单元的电荷可以以相同的方式从该电池单元转移到其他电池单元。由此，有缺陷的电池单元的电荷可以分布在可充电电池部的正常工作的电池单元上。
根据另一有利实施例，控制部能够控制平衡电路，使得在检测到一电池单元中确实存在短路之后，专用于该有缺陷的电池单元的功率开关转换器的开关频率在放电时间段内是恒定的或变化的。由此，专用于该有缺陷的电池单元的功率开关转换器的开关频率可以适应具体情况。
根据另一有利实施例，控制部能够控制平衡电路，使得多个功率开关转换器不同时开关。该特征对于从有缺陷的电池单元到其他电池单元的最佳电荷转移是重要的。
根据本发明的一种用于对可充电电池部的存在内部短路的有缺陷的电池单元进行放电的方法，所述可充电电池部具有至少两个串联连接的电池单元和用于平衡所述电池单元的平衡电路，所述方法包括以下步骤：
-检测电池单元中的至少一个中是否存在短路；以及
-在检测到一电池单元中确实存在短路之后，借助于平衡电路将该有缺陷的电池单元的电荷连续地转移到其他电池单元。
系统的上述优点对应于方法的优点。特别地，根据任何一个上述实施例或这些实施例中的至少两个的组合的系统可以用于执行该方法。
根据另一个有利的实施例，借助于由多个功率开关转换器共用的电感器或者借助于多个功率开关转换器的电感耦合，该有缺陷的电池单元的电荷通过专用于该有缺陷的电池单元的功率开关转换器并且通过专用于另一电池单元的功率开关转换器从该有缺陷的电池单元转移到其他电池单元。系统的相应实施例的上述优点相应地涉及方法的该实施例。
根据另一有利实施例，在检测到一电池单元中确实存在短路之后，专用于该有缺陷的电池单元的功率开关转换器以与未检测到内部短路时提供的开关占空比不同的、改变了的开关占空比工作，并且与专用于该有缺陷的电池单元的功率开关转换器共用电感器的功率开关转换器或者与专用于该有缺陷的电池单元的功率开关转换器电感耦合的功率开关转换器保持关断。系统的相应实施例的上述优点相应地涉及方法的该实施例。
根据另一有利实施例，在检测到一电池单元中确实存在短路之后，专用于该有缺陷的电池单元的功率开关转换器的开关频率在放电时间段内是恒定的或变化的。系统的相应实施例的上述优点相应地涉及方法的该实施例。
根据另一有利实施例，多个功率开关转换器不同时开关。系统的相应实施例的上述优点相应地涉及方法的该实施例。
附图说明
在以下描述和附图中公开了本发明的进一步细节、特征和优点：
图1是根据本发明的系统的实施例的电路图；
图2是施加到图1所示平衡电路实施例的场效应晶体管的栅极的驱动信号的示例；
图3是根据本发明的系统的另一实施例的电路图；以及
图4是施加到图3所示平衡电路实施例的场效应晶体管的栅极的驱动信号的示例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的系统1的实施例的电路图，该系统1用于对可充电电池部3的存在内部短路的有缺陷的电池单元2进行放电，该可充电电池部3具有串联连接的多个电池单元2和4。
系统1包括用于平衡所述电池单元2和4的平衡电路5。平衡电路5包括多个功率开关转换器6，每个功率开关转换器6专用于电池单元2和4中的一个。多对功率开关转换器6中的每一对共用电感器7。此外，平衡电路5包括多个二极管8，每个二极管8专用于电池单元2、4中的一个，并且每个二极管8允许充电电流流过相应的电池单元2、4。
此外，系统1包括用于控制所述平衡电路5的控制部9，以及用于检测电池单元2和4中的至少一个中是否存在短路的至少一个传感器部(未示出)。控制部9能够控制平衡电路5，使得在检测到一电池单元(这里是电池单元2)中确实存在短路之后，借助于平衡电路5将该有缺陷的电池单元2的电荷连续地转移到其他电池单元4。
控制部9能够控制平衡电路5，使得在检测到电池单元(这里是电池单元2)中确实存在短路之后，该有缺陷的电池单元2的电荷被转移到电池单元4，电池单元4的专用功率开关转换器6与专用于有缺陷的电池单元2的功率开关转换器6共用电感器7。如果检测到有缺陷的电池单元2中的短路，则专用于有缺陷的电池单元2的功率开关转换器6的场效应晶体管10导通一特定时间段，并且与专用于有缺陷的电池单元2的功率开关转换器6共用电感器7的功率开关转换器6的场效应晶体管11保持关断。由此，箭头12所示的电流流过场效应晶体管10，并且特定量的能量首先存储在电感器7中。在所述特定时间段结束时，场效应晶体管10关断并且电感器7释放其存储的能量，使得箭头13所示的电流流过专用于正常工作的相邻电池单元4的二极管8并流过该电池单元4。由此，对该电池单元4充电。可以重复该过程以对有缺陷的电池单元2进行放电。添加到正常工作的电池单元4的电荷可以以相同的方式从该电池单元4转移到其他电池单元4。由此，有缺陷的电池单元2的电荷可以分布在可充电电池部3的正常工作的电池单元4上。
控制部9能够控制平衡电路5，使得在检测到电池单元(这里是电池单元2)中确实存在短路之后，专用于有缺陷的电池单元2的功率开关转换器6以与在未检测到内部短路时提供的开关占空比不同的、改变了的开关占空比运行，并且与专用于有缺陷的电池单元2的功率开关转换器6共用电感器7的功率开关转换器6保持关断。
此外，控制部9能够控制平衡电路5，使得在检测到电池单元(这里是电池单元2)中确实存在短路之后，专用于有缺陷的电池单元2的功率开关转换器6的开关频率在放电时间段内是恒定的或变化的。此外，控制部9能够控制平衡电路5，使得多个功率开关转换器6不会同时开关。
图2示出了施加到图1所示的平衡电路5的实施例的、场效应晶体管10和11的栅极的驱动信号14和15的示例。图2的上部示出了施加到场效应晶体管10的驱动信号14，图2的下部示出了施加到场效应晶体管11的驱动信号15。当在电池单元2和4中未检测到短路时，场效应晶体管10和11交替地导通和关断。在任何情况下，管芯场效应晶体管10和11不同时开关，如图2所示。在时间ts，在有缺陷的电池单元2中检测到短路。在检测到短路之后，专用于有缺陷的电池单元2的场效应晶体管10以与在未检测到内部短路时提供的开关占空比不同的、改变了的开关占空比工作。另外，与专用于有缺陷的电池单元2的功率开关转换器6共用电感器7的场效应晶体管11保持关断。
图3示出了根据本发明的系统16的另一实施例的电路图，该系统16用于对可充电电池部17的存在内部短路的有缺陷的电池单元2进行放电，该可充电电池部17具有多个串联连接的电池单元2和4。
系统1包括用于平衡所述电池单元2和4的平衡电路18。平衡电路18包括多个功率开关转换器19，每个功率开关转换器19专用于电池单元2和4中的一个。专用于相邻电池单元2和4的成对功率开关转换器19彼此电感耦合。为此，每个功率开关转换器19包括电感器20。
此外，系统1包括用于控制所述平衡电路18的控制部21，以及用于检测电池单元2和4中的至少一个中是否存在短路的至少一个传感器部(未示出)。控制部21能够控制平衡电路18，使得在检测到一电池单元(这里是电池单元2)中确实存在短路之后，借助于平衡电路18将该有缺陷的电池单元2的电荷连续地转移到其他电池单元4。
控制部21能够控制平衡电路18，使得在检测到一电池单元(这里是电池单元2)中确实存在短路之后，将该有缺陷的电池单元2的电荷转移到相应电池单元4，该相应电池单元4的专用功率开关转换器19与专用于有缺陷的电池单元2的功率开关转换器19电感耦合。如果检测到有缺陷的电池单元2中的短路，则专用于有缺陷的电池单元2的功率开关转换器19的场效应晶体管22导通一特定时间段，并且与专用于有缺陷的电池单元2的功率开关转换器19电感耦合的功率开关转换器19的场效应晶体管23保持关断。由此，特定量的能量从专用于有缺陷的电池单元2的功率开关转换器19的电感器20转移到电感耦合的功率开关转换器19的电感器20并且存储在后者电感器20中。在所述特定时间段结束时，电感耦合的功率开关转换器19的相应场效应晶体管23导通，使得后者电感器20释放其存储的能量，并且电流流过相应的正常工作的相邻电池单元4。由此，对该电池单元4充电。通过交替开关功率开关转换器19，可以重复该过程以对有缺陷的电池单元2进行放电。添加到相应的正常工作的电池单元4的电荷可以以相同的方式从该电池单元4转移到其他电池单元4。由此，有缺陷的电池单元2的电荷可以分布在可充电电池部17的正常工作的电池单元4上。
控制部21能够控制平衡电路18，使得在检测到有缺陷的电池单元2中确实存在短路之后，专用于有缺陷的电池单元2的功率开关转换器19以与在未检测到内部短路时提供的开关占空比不同的、改变了的开关占空比工作，并且与专用于有缺陷的电池单元2的功率开关转换器19电感耦合的相应的功率开关转换器23保持关断。
此外，控制部21能够控制平衡电路18，使得在检测到有缺陷的电池单元2中确实存在短路之后，专用于有缺陷的电池单元2的功率开关转换器19的开关频率在放电时间段内是恒定的或变化的。
此外，控制部21能够控制平衡电路18，使得多个功率开关转换器19不会同时开关。
图4示出了施加到图3所示的平衡电路18的实施例的、场效应晶体管22和23的栅极的驱动信号24和25的示例。图4的上部示出了施加到场效应晶体管22的驱动信号24，图4的下部示出了施加到场效应晶体管23的驱动信号25。当在电池单元2和4中未检测到短路时，场效应晶体管22和23关断。在任何情况下，场效应晶体管22和23不会同时开关，如图4所示。在时间ts，在有缺陷的电池单元2中检测到短路。在检测到短路之后，专用于有缺陷的电池单元2的场效应晶体管22交替地导通和关断，并且在时间上延迟地、交替地导通和关断场效应晶体管23。

Claims (11)

1.一种用于对可充电电池部(3,17)的存在内部短路的有缺陷的电池单元(2)进行放电的系统(1,16)，所述可充电电池部(3,17)具有至少两个串联连接的电池单元(2,4)，所述系统(1,16)包括：用于平衡所述电池单元(2,4)的平衡电路(5,18)，用于控制所述平衡电路(5,18)的控制部(9,21)和用于检测电池单元(2,4)中的至少一个中是否存在短路的至少一个传感器部，其特征在于，所述控制部(9,21)能够控制所述平衡电路(5,18)，使得在检测到一电池单元(2,4)中确实存在短路之后，借助于所述平衡电路(5,18)将该有缺陷的电池单元(2)的电荷连续地转移到其他电池单元(4)。
2.根据权利要求1所述的系统(1)，其中所述平衡电路(5)包括：至少两个功率开关转换器(6)，每个功率开关转换器(6)专用于电池单元(2,4)中的一个，并且所述至少两个功率开关转换器(6)共用至少一个电感器(7)；以及至少两个二极管(8)，每个二极管(8)专用于电池单元(2,4)中的一个，并且每个二极管(8)允许充电电流流过相应的电池单元(2,4)，并且所述控制部(9)能够控制所述平衡电路(5)，使得在检测到一电池单元(2,4)中确实存在短路之后，将该有缺陷的电池单元(2)的电荷转移到具有与专用于该有缺陷的电池单元(2)的功率开关转换器(6)共用电感器(7)的专用功率开关转换器(6)的电池单元(4)。
3.根据权利要求2所述的系统(1)，其中，所述控制部(9)能够控制所述平衡电路(5)，使得在检测到一电池单元(2,4)中确实存在短路之后，专用于该有缺陷的电池单元(2)的功率开关转换器(6)以与未检测到内部短路时提供的开关占空比不同的、改变了的开关占空比工作，并且与专用于该有缺陷的电池单元(2)的功率开关转换器(6)共用电感器(7)的功率开关转换器(6)保持关断。
4.根据权利要求1所述的系统(16)，其中所述平衡电路(18)包括至少两个功率开关转换器(19)，每个功率开关转换器(19)专用于电池单元(2,4)中的一个，并且所述至少两个功率开关转换器(19)彼此电感耦合，并且所述控制部(21)能够控制所述平衡电路(18)，使得在检测到一电池单元(2,4)中确实存在短路之后，将该有缺陷的电池单元(2)的电荷转移到具有与专用于该有缺陷的电池单元(2)的功率开关转换器(19)电感耦合的专用功率开关转换器(19)的电池单元(4)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的系统(1,16)，其中，所述控制部(9,21)能够控制所述平衡电路(5,18)，使得在检测到一电池单元(2,4)中确实存在短路之后，专用于该有缺陷的电池单元(2)的功率开关转换器(6,19)的开关频率在放电时间段内是恒定的或变化的。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的系统(1,16)，其中，所述控制部(9,21)能够控制所述平衡电路(5,18)，使得多个功率开关转换器(6,19)不同时开关。
7.一种用于对可充电电池部(3,17)的存在内部短路的有缺陷的电池单元(2)进行放电的方法，所述可充电电池部(3,17)具有至少两个串联连接的电池单元(2,4)和用于平衡所述电池单元(2,4)的平衡电路(5,18)，所述方法包括以下步骤：
-检测电池单元(2,4)中的至少一个中是否存在短路；以及
-在检测到一电池单元(2,4)中确实存在短路之后，借助于所述平衡电路(5,18)将该有缺陷的电池单元(2)的电荷连续地转移到其他电池单元(4)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，借助于由多个功率开关转换器(6)共用的至少一个电感器(7)或者借助于多个功率开关转换器(19)的电感耦合，该有缺陷的电池单元(2)的电荷通过专用于该有缺陷的电池单元(2)的功率开关转换器(6,19)并且通过专用于另一电池单元(4)的功率开关转换器(6,19)从该有缺陷的电池单元(2)转移到另一电池单元(4)。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，在检测到一电池单元(2,4)中确实存在短路之后，专用于该有缺陷的电池单元(2)的功率开关转换器(6,19)以与未检测到内部短路时提供的开关占空比不同的、改变了的开关占空比工作，并且与专用于该有缺陷的电池单元(2)的功率开关转换器(6)共用电感器(7)的功率开关转换器(6,19)或与专用于该有缺陷的电池单元(2)的功率开关转换器(19)电感耦合的功率开关转换器(6,19)保持关断。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，在检测到在电池单元(2,4)中的一个中确实存在短路之后，专用于该有缺陷的电池单元(2)的功率开关转换器(6,19)的开关频率在放电时间段内是恒定的或变化的。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的系统，其中，多个功率开关转换器(6,19)不同时开关。
CN201780077200.9A 2016-12-14 2017-12-08 用于对有缺陷的电池单元进行放电的系统和方法 Pending CN110073570A (zh)

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