CN110783974A - 用于电池组电池的无线平衡的单元和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种安装在电池组电池(C2)上的平衡单元(U2)，包括：用于测量电池(C2)的状态参数的装置(MM2)；无线通信装置(MD2)，能够发送和接收状态参数；以及无线电力传输装置(ME2)。

Description

用于电池组电池的无线平衡的单元和系统
技术领域
本发明涉及包括电池组的电池平衡系统的技术领域。
背景技术
电池组由串联连接的多个电池形成。这些电池在生产、温度分布或者甚至生命周期方面具有标准的不同特性，它们通常具有不同的荷电状态，这劣化了电池组并降低了它的操作效率。因此，为了优化电池组的容量和寿命，使用BMS(电池管理系统)作为标准，其是可以控制电池组电池的荷电状态的电子系统。这种元件通过使某些电池短路或者通过在电池之间重新分配电力来确保电池的电荷的平衡。
在图1中，示出了串联布置的多个电池C1-C3，每个电池通过有线链路连接到集中式BMS BMS_C。因此，BMS可访问每个电池的状态参数，使得可以决定是否需要平衡，并在需要时实现平衡。该系统的缺点是需要大量的连接电缆，这使得系统安装复杂、体积庞大，并且难以添加新的电池，BMS通常能够仅处理预定数量的电池。
为了限制这些缺点，已知使用具有分布式拓扑的BMS，诸如在本申请的图2中所示的。在这种情况下，每个电池CX(X＝1..3)连接到印刷电路板BMS_X(称为“BMS板”)，并且这些板通过有线链路彼此连接并连接到控制器CTRL。
尽管相对于集中式拓扑减少了连接电缆的数量，但仍然需要许多有线连接，这使得系统的安装和维护变得复杂。此外，即使简化了辅助电池的添加，但它仍然是繁琐的，因为需要将板彼此断开并重新连接，还需根据所添加的电池的数量适配控制器，这使得需要将平衡系统返回到工厂。
因此，需要一种用于平衡形成电池组的电池的系统，其具有比现有技术的系统更好的可升级性并且需要更少的有线连接。
发明内容
本发明涉及一种安装在电池组电池上的平衡单元，包括：
-用于测量电池的状态参数的装置，
-用于无线通信的装置，可发送和接收状态参数，
-用于无线电力传输的装置。
本发明同样涉及一种用于平衡串联连接的电池组电池的系统，包括多个平衡单元，诸如如上所述的平衡单元，每个平衡单元被安装在电池组电池上，每个平衡单元的通信装置可向相邻的平衡单元发送状态参数以及从相邻的平衡单元接收状态参数，电力传输装置可向相邻的平衡单元发送电力或接收来自相邻的平衡单元的电力。
平衡单元可根据它自己的状态参数和经由无线通信装置从相邻的平衡单元接收的状态参数来确定电池是否相对于相邻的电池被充电太多或太少。然后，电力传输装置可将电力的一部分从电池传输到一个或两个相邻的电池，或者相反地从相邻的电池接收电力。
应当注意，电力传输在电池的充电、放电和非活动状态期间是可操作的，因为平衡单元由电池永久供电。
此外，在各种平衡单元之间不需要电缆。而且，每个平衡单元自主运行，因此，不需要将它们连接到中央单元以便激活平衡。所有这些限制了连接、系统的复杂性、空间要求、重量等。
此外，平衡系统是完全灵活的：足以将两个平衡单元并排放置，以便可以进行数据通信或电力传输，这有利于电池的添加或取出。
在一个非限制性实施例中，通信装置和电力传输装置是相同的。这使得可以限制平衡单元的组件数量，这在复杂性、空间要求、重量、成本和电力消耗方面具有优势。
有利地，这些是电感装置，特别地，由设置在电池的两个侧面上的两个线圈形成。每个线圈使得可以与分配给相邻的电池的一个平衡单元通信。有利地，可对线圈校准以用于最优数据通信和电力传输。当平衡单元之间的距离小时，数据通信和单元间平衡电力传输都更优化。
在一个非限制性实施例中，一个电池的状态参数包括电池的电压和温度的测量以及电池的操作状态。
在一个非限制性实施例中，状态参数包括电池的操作持续时间。
在一个非限制性实施例中，平衡单元包括存储器，该存储器包括用于调节电池的参数和与电池有关的事件历史。平衡单元可访问该存储器以便记录和保存事件历史。可以经由无线数据通信装置例如从电池外部的维护装置访问电池的事件历史和安装的控制参数。
有利地，平衡单元考虑调节参数和事件历史，以便决定传输或接收电力。
在一个非限制性实施例中，平衡系统包括多个耗能元件，每个耗能元件被分配给电池并且并联连接到所述电池，安装在所述电池上的平衡单元包括用于控制耗能元件的装置。耗能元件在电池充电结束时使用。耗能元件使得可以消耗电池不需要的一部分电力，因为电池是整体充电的。
在非限制性实施例中，状态参数包括耗能元件中的电流的测量。
在一个非限制性实施例中，每个耗能元件由金属氧化物栅极半导体场效应晶体管(MOSFET)形成，其漏极和源极分开在相关联的电池的两个侧面上，其栅极连接到相关联的平衡单元。然而，耗能元件可以是能够在电池充电时使电池短路的任何元件(例如，电阻、断路器、换向器、双极晶体管......)。
附图说明
根据以下参考附图作为示例而非限制地进行的描述，其它特征和优点将清楚地显现，其中：
图1(已描述)表示根据现有技术的串联布置的多个电池，其平衡由集中式拓扑BMS确保，
图2(已描述)表示根据现有技术的串联布置的多个电池，其平衡由分布式拓扑BMS确保，
图3表示根据本发明的串联布置的多个电池，其平衡由平衡系统通过无线电力传输确保，
图4表示根据本发明的通过无线电力传输的平衡系统的平衡单元，
图5表示具有根据本发明的安装的平衡单元的电池。
具体实施方式
图3表示根据本发明的包括串联安装并形成电池组的电池C1-C3的电池组以及所述电池组的平衡系统SE。平衡系统包括多个耗能元件D1-D3和多个平衡单元U1-U3。每个电池连接有耗能元件和平衡单元。应当注意，在所描述的示例中，电池、耗能元件和平衡单元的数量均为三个，但是当然，这个数量不是限制性的。
每个耗能元件由MOSFET组成，其漏极和源极分开在相关联的电池的两个侧面上，其栅极连接到相关联的平衡单元。然而，耗能元件可以是当电池充电时能够使电池短路的任何元件(例如电阻、断路器、换向器、双极晶体管......)。
每个平衡单元在分配给电池的期间自主运行。根据本发明的平衡系统是完全分散的。作为示例，图4表示平衡单元U2，应当理解其它单元是相同的。平衡单元U2包括：
用于控制相关联的耗能元件D2的装置MC2，
用于测量相关联的电池C2的状态参数的装置MM2，
用于与分配给相邻的电池C1、C3的平衡单元U1、U3进行无线通信的装置MD2，使得尤其可以发送和接收状态参数，
用于与分配给相邻的电池C1、C3的平衡单元U1、U3进行无线电力传输的装置ME2，
存储器MU2，包括用于调节电池C2的参数和与电池有关的事件历史。
控制装置MC2可通过是否将相关联的电池C2短路来控制相关联的耗能元件D2。
测量装置MM2可测量状态参数，状态参数尤其包括相关联的电池C2的电压、流经耗能元件D2的电流、和电池C2的温度。
通信装置MD2使得平衡单元U2可以向相邻的电池C1、C3的平衡单元U1、U3发送状态参数，并且还接收它们的状态参数。因此，通信装置MD2是双向的。在一个实施例中，通信装置MD2也可接收或发送状态报告(例如指示电池是否处于平衡过程中)和命令。
电力传输装置ME2使得电池C2可以向相邻的电池C1、C3发送来自电池C2的电力，或者接收来自相邻的电池C1、C3的电力。因此，电力传输装置ME2是双向的。电力传输是无线的，并由平衡单元管理。在电池C2和相邻的电池C1、C3之间发送的状态参数可以调节将要发送的电量。
在所示的示例中，通信装置MD2和电力传输装置ME2是电感型的，并且由两个线圈B21、B23形成，两个线圈B21、B23中的一个线圈B21用于与两个相邻的单元U1、U3中的一个U1通信，两个线圈B21、B23中的另一个线圈B23用于与两个相邻单元U1、U3中的另一个U3通信。不同的频率用于数据通信和电力传输。应当注意，平衡单元之间的耦接可以是除了电感耦合之外的任何类型的耦合。Fei Lu的文章“关于电容式无线电力传输技术的最新发展的综述(A review on the recent development of capacitive wireless power transfertechnology)”，尤其是参考它的图2，描述了各种类型的可能耦合。
存储器MU2包括用于调节电池C2的参数。调节参数包括电池组生产所固有的工厂参数(例如识别号)以及用于平衡的参数(例如，最小和最大充放电电压，或者甚至是根据电池的电压的荷电状态的对应表)。存储器MU2还包括电池C2在其寿命期间经历的事件历史，例如，电池的使用持续时间、告警、电池的不良电处理等。存储器是受保护区域，可考虑它涉及数据安全。只有平衡单元U2本身和制造商可以访问存储器MU2并且可以修改其中包含的数据。平衡单元U2可例如可被放置在专用无线支架上，这使得它可以经由通信装置MD2访问存储器MU2。
具有电池C2、耗能元件D2和平衡单元U2的组装件形成紧凑型组装件，如图5所示。平衡单元U2被安装在电池C2中。图5表示电池C2，在电池C2的两个侧面上放置了两个线圈B21、B23，两个线圈被连接到安装在柔性印刷电路上的平衡单元U2。这一布置确保结构的对称性，这使得可以在安装或更换期间忽略组装件的方向。系统的小型化使其可以最小化在体积和重量方面的影响。线圈B21、B31被机械地定位，以便确保最优的电力传输产出。
根据本发明的平衡系统具有许多优点，其中：
-它很灵活，即，它允许串联地添加未限定数量的电池，
-它允许在电池的活动状态(充电和放电)和不活动状态中使用，
-它允许相邻的电池之间的通信，以适配电力电平和交换数据，
-它允许通过所有串联的电池之间的链接的无线通信来将命令或信息传输到多个电池，
-它允许通过电池组的电池的机械对准来优化电力传输，
-电池之间的距离相对较短，改善了电力传输的产出，
-它允许远程访问每个电池，以便知道(并可能修改)它的特性和有关参数的信息，
-它通过耦合来优化平衡电池之间的通信，以及
-它允许电力传输元件的机械稳定性和定位。
当然，本发明不限于所示的示例，并且接受对于本领域技术人员显而易见的不同变型和修改。

Claims (10)

1.一种安装在电池组电池(C2)上的平衡单元(U2)，包括：
-用于测量所述电池(C2)的状态参数的装置(MM2)，
-无线通信装置(MD2)，能够发送和接收状态参数，以及
-无线电力传输装置(ME2)，
其特征在于，所述平衡单元(U2)自主地运行，连接到所述电池组电池(C2)，并且由所述平衡单元(U2)管理的所述电力传输装置(ME2)能够将一部分电力从所述电池组电池(C2)传输到一个或两个相邻的电池组电池(C1，C3)，或相反地，从相邻的电池(C1，C3)接收电力。
2.根据权利要求1所述的平衡单元(U2)，其特征在于，所述通信装置(MD2)和所述电力传输装置(ME2)是相同的。
3.根据权利要求2所述的平衡单元(U2)，其特征在于，所述通信装置(MD2)和所述电力传输装置(ME2)是电感型的，特别是由两个线圈(B21，B23)形成，所述两个线圈被设置在所述电池(C2)的两个侧面上并连接到安装在柔性印刷电路上的所述平衡单元(U2)。
4.根据权利要求1所述的平衡单元(U2)，其特征在于，电池(C2)的所述状态参数包括所述电池的电压和温度的测量以及所述电池的操作状态。
5.根据权利要求1所述的平衡单元(U2)，其特征在于，电池(C2)的所述状态参数包括所述电池的操作持续时间。
6.根据权利要求1所述的平衡单元(U2)，其特征在于，它包括存储器(MU2)，所述存储器包括用于调节所述电池(C2)的参数和与所述电池(C2)相关的事件历史。
7.一种串联连接的电池组电池(C1，C2，C3)的平衡系统(SE)，包括根据权利要求1所述的多个平衡单元(U1，U2，U3)，每个平衡单元(U1，U2，U3)被安装在所述电池组的相应电池(C1，C2，C3)上，每个平衡单元(U2)的所述通信装置(MD2)自主地操作并能够向所述相邻的平衡单元(U1，U3)发送状态参数和从所述相邻的平衡单元(U1，U3)接收所述状态参数，每个平衡单元(U2)的所述电力传输装置(ME2)能够向所述相邻的平衡单元(U1，U3)发送电力或接收从所述相邻的平衡单元(U1，U3)发出的电力。
8.根据权利要求7所述的平衡系统(SE)，其特征在于，它包括多个耗能元件(D1，D2，D3)，每个耗能元件(D1，D2，D3)被分配给电池(C1，C2，C3)并与所述电池并联连接，安装在所述电池(C2)上的所述平衡单元(U2)包括用于控制所述耗能元件(D2)的装置(MC2)。
9.根据权利要求8所述的平衡系统(SE)，其特征在于，电池(C1，C2，C3)的所述状态参数包括与所述电池并联连接的所述耗能元件(D1，D2，D3)中的电流的测量。
10.根据权利要求8所述的平衡系统(SE)，其特征在于，每个耗能元件(D1，D2，D3)由金属氧化物栅极场效应晶体管形成，其漏极和源极分开在所述电池(C1，C2，C3)的两个侧面上，其栅极连接到所述平衡单元(U1，U2，U3)。
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