CN110168834B

CN110168834B - 高功率闪充电池系统及其方法

Info

Publication number: CN110168834B
Application number: CN201680091559.7A
Authority: CN
Inventors: T·滕纳
Original assignee: Hitachi Energy Switzerland AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2023-05-05
Anticipated expiration: 2036-12-20
Also published as: CN110168834A; US20190386494A1; US10840731B2; EP3560060B1; EP3560060A1; WO2018113924A1

Abstract

提出了高功率闪充电池系统。该高功率闪充电池系统包括路旁闪充电池(1)和半桥单元(2)。该半桥单元的电压极性与路旁闪充电池的电压极性相反，其中半桥单元被配置为当系统被卸载时处于电压补偿模式，并且被配置为当由于系统被加载而发生电压降时被切换到旁路模式。还提出了高功率充电站、车载电池供电设备以及用于闪充充电的方法。

Description

高功率闪充电池系统及其方法

技术领域

本发明涉及高功率闪充电池系统(flash battery system)、高功率充电站、车载电池供电设备及其方法。

背景技术

用于电动巴士的闪充充电使用充电站以在短暂停留期间快速为巴士上的电池充电。

在常规巴士站，车载巴士电池经由车顶上的机器人触点(rooftop roboticcontact)在15-20秒期间用600kW进行闪充充电。为了避免闪充充电站处昂贵的电网连接，在闪充充电站中安装了路旁蓄电池。DC-DC升压转换器控制从路旁闪充电池到车载巴士电池的功率流。

WO 2013/170899公开了一种电池能量存储装置，其被布置为连接到电容器链路，该电容器链路并联连接到功率转换器。

发明内容

本发明的目的是如何实现减小路旁闪充电池的尺寸，同时不损害它们在闪充充电事件期间提供足够能量和功率的能力。

根据第一方面，提出了高功率闪充电池系统。系统包括路旁闪充电池和半桥单元。半桥单元的电压极性与路旁闪充电池的电压极性相反，其中半桥单元被配置为当系统被卸载时处于电压补偿模式，并且被配置为当由于系统被加载而发生电压降时被切换到旁路模式。

通过所提出的系统，仍然可以通过高功率路旁闪充电池对负载进行充电，其中与不使用半桥单元相比，使用半桥单元可以使路旁闪充电池小得多。

半桥单元可以包括两个开关，两个开关被配置为在互补模式下工作以分别提供电压补偿模式和旁路模式。

半桥单元可以包括通过第一开关串联连接在路旁闪充电池与负载之间的电容器、超级电容器或电化学电池。负载可以是DC-DC转换器，例如，降压类型、升压类型或降压/升压类型。可替代地，负载可以是任何类型的DC-AC转换器或任何其他类型的电负载。半桥单元可以包括低功率放电电路，低功率放电电路被配置为在重复操作期间防止电容器电压漂移。

根据第二方面，提出了高功率充电站。高功率充电站包括路旁闪充电池以及与路旁闪充电池串联连接的半桥单元，并且该半桥单元的电压极性与路旁闪充电池的电压极性相反，其中半桥单元被配置为当站被卸载时处于电压减小模式，并且被配置为当由于系统被加载而发生电压降时被切换到旁路模式。

根据第三方面，提供了车载电池供电设备。设备包括电池以及与该电池串联连接的半桥单元，并且该半桥单元的电压极性与电池的电压极性相同，其中半桥单元被配置为当设备未被充电时处于电压增加模式，并且被配置为当由于设备被充电而发生电压降时被切换到旁路模式。

根据第四方面，提出了用于从高功率路旁闪充电池对车载电池进行闪充充电的方法。方法包括：启动通过半桥单元的车载电池的充电，该半桥单元的电压极性与高功率路旁闪充电池的电压极性相反；以及在半桥单元被旁路的情况下，继续车载电池的充电。

当在启动充电之后发生电压降时，半桥单元可以被旁路。

方法可以包括：当高功率路旁闪充电池的充电电压下降到DC-DC转换器的最小电压以下时，停止车载电池的充电，DC-DC转换器连接在半桥单元与车载电池之间。

通常，权利要求中所使用的所有术语要根据其在技术领域中的普通含义来解释，除非本文另有明确定义。除非另外明确说明，否则所有对“一/一个/元件、装置、部件、器件、步骤等”的引用都会被公开解释为是指元件、装置、部件、器件、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文中所公开的任一方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行。

附图说明

现在，参考附图通过示例对本发明进行描述，其中

图1是图示了闪充电池系统和负载的实施例的示意图，在这种情况下，DC-DC转换器对闪充充电巴士电池进行充电；

图2是图示了图1所示的闪充电池系统的电气等效电路的示意图；

图3是图示了具有和没有根据本发明的电池半桥单元的电池系统的电压响应的示意图；

图4是图示了根据本文中所提出的实施例的方法的流程图；以及

图5是图示了闪充电池系统和负载的实施例的示意图。

具体实施方式

现在，在下文中参考附图对本发明进行更全面的描述，其中示出了本发明的某些实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文中所阐述的实施例；相反，通过示例提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相同的附图标记在整个说明书中指代相同的元件。

例如，本发明可以被嵌入配备有相当小的车载电池的电动城市巴士中，以实现更有用的负载，即，乘客。

由于非常高的功率以及对电池电压范围的严格限制，闪充站电池系统的尺寸必须显着过大以获得足够低的DC阻抗(以在典型的20s闪充充电事件期间减少电压降)。这是不希望的，因为它增加了占地面积并且显著增加了闪充电池系统的成本。利用本发明，闪充电池系统的尺寸可以减小高达60％。

本发明的优点是在具有阻抗受限应用的这种类型的高功率电池系统中增加了设计灵活性。提供闪充站应用作为示例，但是本发明可以应用于具有高功率和对电压和电流的严格要求的许多其他应用，诸如闪充充电穿梭渡轮、粒子加速器、以及高功率激光器。

在图1中，示出了与路旁闪充电池1串联连接的半桥单元2。半桥单元的电压极性与路旁闪充电池的电压极性相反。开关S1和S2被配置为在互补模式下被切换。如果S1处于阻断模式并且S2处于导通模式，则暴露于DC-DC转换器3的电压将是V_batt，即，旁路模式。然而，如果S1导通，同时S2阻断，则DC-DC转换器将看到电压V_batt-V_{half_bridge}，即，电压补偿模式。后一种配置将在空载条件期间使用，即，与对应于开路电压(OCV)V_batt,OCV的路旁电池(1)一起使用。这允许电池系统的空载电压为V_batt,max+V_{half_bridge}＝V_max,dcdc。在施加放电负载电流的瞬间，对应于I_batt*R_batt,series的瞬时电压降将出现在路旁电池(1)上，因此电池电压降至V_OCV-I_batt*R_batt,series。一旦出现了该电压降，S1和S2状态就被配置为切换，使得V_{half_bridge}被旁路。通过这种方式，电池充电系统的尺寸可以被设计为V_{half_bridge}高于V_max,dcdc的电池电压，因此允许在路旁闪充电池1上的大得多的比例的电压降，直到它达到DC-DC转换器的最小电压(V_min,dcdc)为止。在下文的示例中，示出了这会允许显着减小电池系统的大小。DC-DC转换器在路旁电池1和车载电池4之间需要一定的电压裕量(最小升压比)。小于裕量的电压将无法保证DC-DC转换器的稳定操作。

开关S1和S2在互补模式下进行控制，使得一个始终导通。可以本地(即，基于电流和电压传感器值以及专用模拟电路、数字逻辑电路、可编程器件或其组合)完成这些开关的控制。S1和S2的控制也可以通过电池管理系统(BMS)的附加功能或通过控制负载(例如，DC-DC转换器)的控制器来管理。

图1图示了根据实施例的闪充充电系统的示意图，该闪充充电系统具有半桥单元或电池电压降补偿器。与系统电压相比较，半桥单元的额定电压可能较小。此外，半桥单元的电容器仅需要在空载场景和负载场景之间的非常短的过渡时段期间承载电流，该过渡时段在毫秒范围内测量。因此，电容可以合理地保持较小。可以与电容器并联添加低功率放电电路(例如，肖特基二极管和电阻器)，以防止电容器电压在重复操作期间漂离。低功率放电电路的另一示例是有源晶体管控制的放电电路。

图2示出了图1中所图示的电池系统的典型电气等效电路。等效电路包括路旁闪充电池的开路电压V_batt,OCV，开路电压V_batt,OCV取决于电池4的当前充电状态。等效电路还模拟了串联电阻R_batt,series，串联电阻R_batt,series包括电池供电设备的电池单元、汇流条、电缆、开关器件等中的电阻。R₁和C₁电路模拟电池单元的时间和电流相关行为，这些行为源自电池单元中的极化效应。

图3示出了当施加恒定放电电流脉冲(负载电流)时电池系统电压的典型电压响应。瞬时电压降来自I_batt*R_batt,series，同时逐渐下降的电压来自极化效应。半桥单元的补偿电压以短虚线示出，并且补偿后的总系统电压以长虚线示出。

半桥单元的开关S1和S2必须能够承载满载电流(在下文示例中为1200A)，然而，它们在闪充脉冲开始时将仅切换一次，因此不会存在开关损耗。而且，开关S1将仅在最大几毫秒期间看到满载电流，这进一步缓和了其要求。最后，开关器件S1和S2的额定电压可以是电池系统电压的一小部分，其进一步限制了半桥单元的成本和导通损耗。

图5图示了根据实施例的闪充充电系统的示意图，其中半桥单元布置在负载设备上而并非在参考图1所述的路旁充电站中。在该配置中，半桥单元与车载电池4串联布置在DC-DC转换器3与车载电池4之间。

在没有根据本发明的半桥单元的情况下用于车载电池的高功率闪充充电的示例性尺寸。

DC-DC升压器最大电压：V_max,dcdc＝600V。

DC-DC升压器最大安培：I_max＝1200A。

放电功率要求：P_required＝600kW

V_batt,min＝600kW/1200A＝500V

由于整个系统的寿命期间的高循环计数与非常高的比功率的组合，所以钛酸锂(LTO)是适用于本申请的锂离子电池化学品。在高功率闪充电池系统中，基于串联连接的220个20Ah LTO单元，在使用寿命结束时，R_batt,series＝0.76欧姆。与针对合理的放电次数的该值相比，由极化引起的电压降较小。

如果选择90％充电状态(SOC)作为路旁闪充电池的操作点，则需要V_batt,OCV＝2.55V/单元->600V/2.55＝235个串联单元。然而，每个电池模块基于一定数目的串联单元，实际上最多串联单元将是220个。这给出了V_batt,OCV为2.55*220＝550V。V_batt,min是由I_max,dcdc和P_required给出的500V。这使55V成为可接受的电压降。然后，给出最大可接受电池电阻为(550-500)/1200＝0.046欧姆。为了实现这种低阻抗，需要0.76/0.046＝17个并联电池串。然而，这17个电池串的真正功率容量可能会大大超出尺寸，添加所有这些电池的唯一原因是将电池电压维持在500V以上。

现在，考虑基于本发明的高功率闪充电池系统。使用额定电压为80V的半桥单元。V_batt,OCV保持在2.55V/单元(90％SOC)，但单元的数目从220个增加到260个，其提供V_batt,OCV＝663V。通过该修改，电池串电阻增加到260/220*0.76欧姆＝0.90欧姆。

在系统空载期间，连接半桥单元，使得整个系统电压为663-80＝583V(<V_max,dcdc)。一旦放电开始，电池电压V_batt就下降到V_batt,OCV-Ri*I＝663[V]-(1/n)*0.9[ohm]*1200[A]，其中n是并联电池串的数目。当n＝6时，V_batt＝511V，因此在使用寿命结束时满足放电功率要求。

本发明将所需的并联电池串的数目从17个减少到6个。电池串电压增加18％。因此，在没有本发明的情况下，总电池系统尺寸减小到(6/17)*1.18＝42％的尺寸。这种尺寸减小需要在维持容量的情况下显着降低成本。

在该设计示例中，S1和S2器件的额定电压需要为150-200V。合适的开关器件可以是具有低导通状态电阻的标准MOSFET器件，诸如INFINEON IPP075N15N3 G MOSFET晶体管，额定值为150V和100A。导通状态电阻为0.0062欧姆，每个位置需要并联12个器件(即，总共24个器件)以实现当前能力，因此半桥单元增加的电阻将处于范围为0.0062/12＝0.5mOhm之内，其与电池系统电阻相比可忽略不计。

负载(DC-DC转换器)从0A变为1200A所需的时间约为1ms。在一次过渡期间，600-583＝17V的半桥单元的电压漂移是可接受的。这使得电容器所需的电容达到C＝1200/(17*103)＝70mF。因此可以使用额定电压为100V(DC)的电容器。

参考图1提出了根据实施例的高功率闪充电池系统。系统包括路旁闪充电池1和半桥单元2。半桥单元的电压极性与旁路闪充电池的电压极性相反，其中半桥单元被配置为当系统被卸载时处于电压补偿模式，并且当由于系统被加载而发生电压降时被切换到旁路模式。

半桥单元可以包括两个开关S1、S2，两个开关S1、S2被配置为在互补模式下工作以分别提供电压补偿模式和旁路模式。当半桥单元布置在设备上(onboard a device)时，电压补偿模式将是电压增加模式，并且当半桥单元布置在路旁站中时，电压补偿模式将是电压减小模式。

半桥单元可以包括电容器，该电容器通过第一开关S1串联连接在路旁闪充电池与车载电池之间。半桥单元可以包括低功率放电电路，低功率放电电路被配置为在重复操作期间防止电容器电压漂移。

提出了根据实施例的高功率充电站。该站包括路旁闪充电池1以及与该路旁闪充电池串联连接的半桥单元2。半桥单元的电压极性与路旁闪充电池的电压极性相反，其中半桥单元被配置为当站被卸载时处于电压减小模式，并且被配置为当由于系统被加载而发生电压降时被切换到旁路模式。

提出了根据实施例的车载电池供电设备。该设备包括电池4以及与该电池串联连接的半桥单元2。半桥单元的电压极性与电池的电压极性相同，其中半桥单元被配置为当设备没有被充电时处于电压增加模式，并且被配置为当由于设备正在充电而发生电压降时被切换到旁路模式。

参考图4提出了根据实施例的用于从高功率路旁闪充电池1对车载电池4进行闪充充电的方法。方法包括：启动通过半桥单元2的车载电池的充电S10，该半桥单元的电压极性与高功率路旁闪充电池的电压极性相反；以及在半桥单元被旁路的情况下，继续车载电池的充电S11。

当在启动充电之后发生电压降时，半桥单元可以被旁路。

方法可以包括：当高功率路旁闪充电池的充电电压下降到连接在半桥单元与车载电池4之间的DC-DC转换器3的最小电压以下时，停止车载电池的充电S12。

上文主要参考几个实施例对本发明进行了描述。然而，如本领域技术人员容易领会的，除了上文所公开的实施例之外的其他实施例同样可以落入由所附权利要求限定的本发明的范围之内。

Claims

1.一种高功率闪充电池系统，包括：

路旁闪充电池(1)；以及

半桥单元(2)，包括：

两个开关(S1，S2)，所述两个开关(S1，S2)被配置为在互补模式下工作以分别提供所述电压补偿模式和所述旁路模式；以及

通过第一开关(S1)串联连接在所述路旁闪充电池与负载之间的电容器、超级电容器或电池，

其中所述半桥单元(2)的电压极性与所述路旁闪充电池的电压极性相反，其中所述半桥单元被配置为当所述系统被卸载时处于电压补偿模式，并且被配置为当由于所述系统被加载而发生电压降时被切换到旁路模式。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述半桥单元包括低功率放电电路，所述低功率放电电路被配置为在重复操作期间防止电容器电压漂移。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述负载是DC-DC转换器或DC-AC转换器。

4.一种高功率充电站，包括：

路旁闪充电池(1)；以及

半桥单元(2)，包括：

其中所述半桥单元与所述路旁闪充电池串联连接，并且所述半桥单元(2)的电压极性与所述路旁闪充电池的电压极性相反，其中所述半桥单元被配置为当所述站被卸载时处于电压减小模式，并且被配置为当由于所述系统被加载而发生电压降时被切换到旁路模式。

5.一种车载电池供电设备，包括：

车载电池(4)；以及

半桥单元(2)，包括：

其中所述半桥单元与所述车载电池串联连接，并且所述半桥单元(2)的电压极性与所述车载电池的电压极性相同，其中所述半桥单元被配置为当所述设备未被充电时处于增加减小模式，并且被配置为当由于所述设备被充电而发生电压降时被切换到旁路模式。

6.一种用于从高功率路旁闪充电池(1)对车载电池(4)进行闪充充电的方法，包括：

启动通过半桥单元(2)的所述车载电池的充电(S10)，所述半桥单元包括：

其中所述半桥单元的电压极性与所述高功率路旁闪充电池的电压极性相反；以及

在所述半桥单元被旁路的情况下，继续所述车载电池的充电(S11)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中当在启动充电之后发生电压降时，所述半桥单元被旁路。

8.根据权利要求6或7所述的方法，包括：

当所述高功率路旁闪充电池的充电电压下降到DC-DC转换器(3)的最小电压以下时，停止所述车载电池(4)的充电(S12)，所述DC-DC转换器(3)连接在所述半桥单元与所述车载电池之间。