CN114731054A - 电池模块、电池芯以及转换器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的电池模块具备：电池组，由串联数为s及并联数为p的电池芯构成(s为1以上的整数，且p为1以上的整数)；以及双向DC/DC转换器，能够使电流向任意方向流动，转换器相对于电池组的电压V生成电压nV(n为‑1或2)。

Description

电池模块、电池芯以及转换器装置
技术领域
本发明涉及将多个电池芯串联和/或并联连接而成的电池模块、将多个电池模块连接而成的电池单元以及用于平衡的转换器装置。
背景技术
近年来，锂离子电池等二次电池的用途迅速扩大到与太阳能电池、风力发电等新能源系统组合而成的电力储存用蓄电装置、汽车用蓄电池等。在为了产生大输出功率而使用多个蓄电元件例如单元电池(在以下的说明中，适当地称为电池芯)的情况下，采用将多个电池模块串联连接的结构。在圆筒型电池的情况下，一个圆筒为电池芯，另外，在利用层压包覆的电池的情况下，一个包覆后的包为电池芯。电池模块具备电池组，该电池组是将多个例如四个电池芯并联连接而构成电池块，将多个电池块串联连接而作为整体具有正端子及负端子。此外，也可能存在并联连接数为1、串联连接数为1的结构，即电池芯数为1的电池模块。
进而，将多个电池模块串联连接而成的称为电池单元。在电池单元中，若在电池模块间产生电压的偏差，则产生无法充分发挥电池模块的能力、或者电池模块的寿命变短的问题。
目前，提出了控制电池芯间的平衡的主动平衡调整电路。例如专利文献1中记载了如下的电源系统：在经由构成电池模块的多个电池芯的连接点输出多个电压的电源系统中，设置对各电池芯的充放电状态的偏差进行校正的平衡电路。作为该平衡电路，记载了由多个电容器和多个开关构成的开关电容方式的结构。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-247145号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
专利文献1中记载的是对电池模块内的电池芯的充放电状态的偏差进行校正，并非对电池模块间的偏差进行校正。另外，在将专利文献1记载的电池芯替换为电池模块的结构的情况下，当为了在电池模块间连接主动平衡调整电路而变更电池模块的个数时，存在主动平衡调整电路的应对困难、难以灵活地运用的问题。
因此，本发明的目的在于，提供一种容易应对所连接的电池模块的个数的变更的具有灵活性的电池模块、电池单元以及转换器装置。
用于解决问题的技术方案
本发明为一种电池模块，具备：
电池组，由串联数为s及并联数为p的电池芯构成(s为1以上的整数，且p为1以上的整数)；以及
转换器，能够使电流向任意方向流动，且进行双向DC/DC转换，
转换器相对于电池组的电压V生成电压nV(n为-1或2)。
本发明为一种电池单元，将上述电池模块中多个具有生成-V的电压的转换器的电池模块串联连接，
通过某一个电池模块生成的-V的电压被供给至连接于该电池模块的负端子侧的另一个电池模块的负端子。
本发明为一种电池单元，将上述电池模块中多个具有生成2V的电压的转换器的电池模块串联连接，
通过某一个电池模块生成的2V的电压被供给至连接于该电池模块的正端子侧的另一个电池模块的正端子。
本发明为一种转换器装置，具备：正端子及负端子，与电池模块的正端子及负端子连接；以及
转换器，能够使电流向任意方向流动，且相对于电池模块的电池组的电压V生成电压nV(n为-1或2)。
发明效果
根据至少一个实施方式，能够灵活地应对电池模块的串联数的变更。此外，本发明并不一定限于此处记载的效果，也可以是本说明书中记载的任意效果或与其不同性质的效果。另外，以下说明中例示的效果并不限定解释本发明的内容。
附图说明
图1A及图1B是表示现有的平衡电路的一例的连接图及驱动波形的波形图。
图2是本发明的第一实施方式的框图。
图3是本发明中可使用的转换器的一例的连接图。
图4是本发明的模拟中使用的电路结构的连接图。
图5是表示模拟的结果的曲线图。
图6是本发明的第二实施方式的框图。
图7是本发明的第三实施方式的框图。
图8是本发明的第四实施方式的框图。
图9是本发明的第五实施方式的框图。
图10是本发明的第六实施方式的框图。
图11是本发明的第七实施方式的框图。
具体实施方式
以下说明的实施方式是本发明的优选具体例，附加了技术上优选的各种限定。但是，只要在以下的说明中没有特别记载要限定本发明，则本发明的范围并不限定于这些实施方式。
在说明本发明之前，参照图1A及图1B对现有的主动平衡调整电路的一例进行说明。图1A是表示开关电容方式的主动平衡调整电路的结构的连接图，图1B是驱动波形的一例。
例如四个电池芯B1，B2，B2及B4串联连接而构成电池模块。电池芯B1的正侧与开关SW1的上侧端子连接，电池芯B1的负侧与开关SW1的下侧端子及开关SW2的上侧端子连接。同样地，电池芯B2的正侧及负侧分别与开关SW2的上侧端子及下侧端子连接，电池芯B3的正侧及负侧分别与开关SW3的上侧端子及下侧端子连接，电池芯B4的正侧及负侧分别与开关SW4的上侧端子及下侧端子连接。
选择性地与开关SW1的上侧端子及下侧端子连接的端子(适当地称为可动端子)与电容器C1的一个电极连接。电容器C2及C3与电容器C1串联连接。开关SW2的可动端子与电容器C1及C2的连接中点连接，开关SW3的可动端子与电容器C2及C3的连接中点连接，开关SW4的可动端子与电容器C3的另一个电极连接。
通过由振荡器OSC生成的驱动波形(图1B)控制开关SW1～SW3。在驱动波形的负侧的区间中，开关SW1～SW4的可动端子与下侧端子连接，在驱动波形的正侧的区间中，开关SW1～SW4的可动端子与上侧端子连接。在开关SW1～SW4的可动端子与下侧端子连接的区间中，电池芯B2，B3，B4的电压被供给至电容器C1，C2，C3。在下一个驱动波形的负侧的区间中，开关SW1～SW4的可动端子与上侧端子连接，在区间中，电池芯B1，B2，B3的电压被供给至电容器C1，C2，C3。
因此，在驱动波形的一个周期中，以通过电容器C1使电池芯B1和B2的电压相等的方式流过电流，以通过电容器C2使电池芯B2和B3的电压相等的方式流过电流，以通过电容器C3使电池芯B3和B4的电压相等的方式流过电流。通过经过规定期间，电压B1～B4的电压变相等。
该现有的开关电容方式的主动平衡调整电路用于使电池模块内的电池芯的电压均等化，并不用于使电池模块彼此的电压均等化。另外，在变更了电池芯的个数的情况下，需要全面变更开关及电容器的连接，存在缺乏灵活性的问题。本发明如下所述能够解决这些问题。
参照图2及图3对本发明的第一实施方式进行说明。由电池组BT和转换器CNV构成电池模块M，电池组BT中多个电池芯(例如锂离子二次电池)串联和/或并联连接，且电池组BT具有正端子ta(电压为V)及负端子tb，转换器CNV与电池组BT的正端子ta连接且向转换器端子tc输出nV(n为-1或2)的电压。电池组BT的电池芯的串联数为s(s为1以上的整数)，另外，并联数为p(p为1以上的整数)。转换器CNV是能够使电流向任意方向流动的双向DC/DC转换器。
作为一例，电池组BT和转换器CNV被收纳在共同的外装壳体中。这样，通过将呈一体地具有电池组BT及转换器CNV的结构的电池模块串联连接而构成电池单元。本发明在电池单元中进行多个电池模块的主动平衡调整的情况下，能够灵活地应对电池模块的个数的变更。
参照图3对转换器CNV的一例(输出V的例子)进行说明。在端子V+和接地之间串联连接有开关SW11及SW21，在端子GND和转换器端子tc(VOUT)之间串联连接有开关SW12及SW22。在开关SW11及SW21的连接点t1与开关SW12及SW22的连接点t2之间连接有电容器Cp。
通过振荡器OSC生成控制开关SW11及SW12的控制信号，利用通过逆变器INV将控制信号反转后的控制信号控制开关SW21及SW22。在振荡器OSC的输出为高电平的期间，联动的开关SW11及SW12接通，联动的开关SW21及SW22断开。因此，端子t1与端子V+连接，端子t2与端子GND连接。其结果是，来自端子V+的电压V蓄积于电容器Cp。
接着，当振荡器OSC的输出成为低电平时，联动的开关SW11及SW12断开，联动的开关SW21及SW22接通。因此，端子t1接地，端子t2与端子tc连接。其结果是，从端子tc输出将蓄积于电容器Cp的电压反转后的电压(-V)。因此，可以通过转换器CNV生成V及-V两者的电压输出。
通过使用LTspice(注册商标)的模拟确认了通过使用该转换器CNV能够进行主动平衡调整。图4是模拟中使用的电路结构，使用串联连接的四个电池芯(或者电池模块)B1，B2，B3，B4和三个转换器CNV1，CNV2，CNV3。
从电池芯B1的正侧导出正端子ta，从电池芯B4的负侧导出负端子tb。电池芯B1的正侧与转换器CNV1的端子V+连接，电池芯B1的负侧与转换器CNV1的端子GND连接，电池芯B2的负侧与转换器CNV1的端子tc(VOUT)连接。以同样的关系，将电池芯B2及B3与转换器CNV2连接，将电池芯B3及B4与转换器CNV3连接。
在对端子V+施加电压V的情况下，各转换器的端子GND与端子tc(VOUT)的电压差为V。在该电池芯正下方的电池芯的电压与该电池芯的电压之间存在差的情况下，由于转换器是双向的，因此电流以成为相同电压的方式流动。此外，在转换器产生2V的结构的情况下，端子tc(VOUT)与端子V+的电压差为V。在该电压与正上方的电池芯的电压之间存在差的情况下，由于转换器是双向的，因此电流以成为相同电压的方式流动。
作为一例，在电池芯B1的初始电压为4.0V、电池芯B2，B3，B4的电压分别为4.0V、3.8V、4.0V的情况下，模拟的结果是这些电压如图5所示随时间变化。电池芯B1～B4记述为0.5F的电容器(相当于约0.5mAh)，模拟电池芯的电容器的内部电阻为50mΩ，并联容量为1mF。作为可以生成-V的转换器，使用了凌力尔特公司(Linear Technology Corporation)制的反转电荷泵IC(LTC660)。在该转换器中，将电容器Cp的电容设为150μF。以该条件进行了时间发展模拟，计算了截止12分钟后为止各电池芯的电压是如何变化的。
如曲线P1所示，电池芯B1的电压呈现出如下行为：暂时减小后，在约2分钟后转为增大。然后，收敛于原来的4.0V。如曲线P2所示，电池芯B2的电压呈现出如下行为：单调增大并收敛于4.0V。如曲线P3所示，电池芯B3的电压呈现出如下行为：单调减小并收敛于4.0V。如曲线P4所示，电池芯B4的电压呈现出如下行为：暂时增大后，在约2分钟后转为减小。然后，收敛于原来的4.0V。电池芯B1及B4尽管初始电压为4.0V，但在暂时减小和增大之后收敛于4.0V。这是因为，图4的结构只能与最近的电池芯均等化。
结果呈现出所有电池芯的电压都收敛于4.0V的行为。在该模拟中，若考虑到所有电池芯的容量相等、电容器中蓄积的电荷与电压成比例、各电池芯的初始电压的平均值为4.0V，则呈现出所有电池芯的电压收敛于4.0V的行为意味着进行了电荷的均等化。
根据本发明的第一实施方式，由于具备输出-V或2V的转换器端子，因此能够实现增设一台电池模块、或者减少一台电池模块这样的灵活运用。另外，具有不需要相对于电池模块另行准备与所有电池模块连接的平衡电路的优点。
图6示出本发明的第二实施方式的结构。第二实施方式在转换器CNV具有接通/断开(ON/OFF)控制端子这一点上与第一实施方式不同。转换器CNV的接通/断开通过控制转换器CNV内的振荡器OSC的接通/断开而进行。在转换器CNV接通的状态下进行平衡动作，在转换器CNV断开的状态下不进行平衡动作。根据第二实施方式，可以通过将转换器CNV断开而抑制电力消耗。
图7示出本发明的第三实施方式的结构。在第三实施例中，呈转换器CNV输出-V的结构。另外，设有电压测定器DT1和电压测定器DT2，电压测定器DT1测定电池模块的正端子与负端子的电压，电压测定器DT2测定转换器CNV的转换器端子与电池模块的负端子的电压。设有对通过该电压测定器DT1及DT2测定出的电压进行比较的电压比较器CMP。电压比较器CMP的输出被供给至转换器CNV的接通/断开控制端子。
电压比较器CMP以在通过电压测定器DT1及DT2分别测定出的电压之比ΔV为阈值以上时使转换器CNV接通、在电压之比ΔV小于阈值时使转换器CNV断开的方式控制转换器CNV。作为阈值，使用例如2％左右的值。该第三实施方式仅在需要进行平衡动作时使转换器CNV接通，因此与始终使转换器CNV接通的结构相比较，可以抑制电力消耗。
图8示出本发明的第四实施方式的结构。在第四实施方式中，呈转换器CNV输出2V的结构。另外，设有电压测定器DT1和电压测定器DT3，电压测定器DT1测定电池模块的正端子的电压与负端子的电压，电压测定器DT3测定转换器CNV的转换器端子与电池模块的正端子的电压。设有对通过该电压测定器DT1及DT3测定出的电压进行比较的电压比较器CMP。电压比较器CMP的输出被供给至转换器CNV的接通/断开控制端子。
电压比较器CMP以在通过电压测定器DT1及DT3分别测定出的电压之比ΔV为阈值以上时使转换器CNV接通，在电压之比ΔV小于阈值时使转换器CNV断开的方式控制转换器CNV。该第四实施方式与第三实施方式同样地，仅在需要进行平衡动作时使转换器CNV接通，因此与始终使转换器CNV接通的结构相比较，可以抑制电力消耗。
图9示出本发明的第五实施方式的结构。如图9所示，通过将m个(m为2以上的整数)、例如三个上述第三实施方式的电池模块(具备产生-V的转换器CNV)串联连接而构成电池单元U。电池模块M1，M2，M3分别为与图7所示的电池模块相同的结构，因此对于对应的结构要素标注相同的参照附图标记。另外，用ta1，ta2，ta3表示各电池模块的正端子，用tb1，tb2，tb3表示负端子，用tc1，tc2，tc3表示转换器端子。
电池模块M1的正端子ta1作为电池单元U的正端子被导出，电池模块M3的负端子tb3作为电池单元U的负端子被导出。负端子tb1与正端子ta2连接，负端子tb2与正端子ta3连接，电池模块M1～M3串联连接。
进而，电池模块M1的转换器端子tc1(-V的电压)与连接于电池模块M1的负端子tb1侧的另一电池模块M2的负端子tb2连接。通过该连接，当转换器CNV接通时，与电池模块M1和M2之间的电压差对应的电流从转换器CNV向电池模块M1的电池组BT流动。
进而，电池模块M2的转换器端子tc2(-V的电压)与连接于电池模块M2的负端子tb2侧的另一电池模块M3的负端子tb3连接。通过该连接，当转换器CNV接通时，与电池模块M2和M3之间的电压差对应的电流从转换器CNV向电池模块M2的电池组BT流动。该第五实施方式可以随着时间经过使三个电池模块M1～M3的电压大致相等。
图10示出本发明的第六实施方式的结构。如图10所示，通过将m个(m为2以上的整数)、例如三个上述第四实施方式的电池模块(具备产生2V的转换器CNV)串联连接而构成电池单元U。电池模块M1，M2，M3分别为与图8所示的电池模块相同的结构，因此对于对应的结构要素标注相同的参照附图标记。另外，用ta1，ta2，ta3表示各电池模块的正端子，用tb1，tb2，tb3表示负端子，用tc1，tc2，tc3表示转换器端子(输出2V)。
电池模块M1的正端子ta作为电池单元U的正端子被导出，电池模块M3的负端子tb3作为电池单元U的负端子被导出。负端子tb1与正端子ta2连接，负端子tb2与正端子ta3连接，电池模块M1～M3串联连接。
进而，电池模块M2的转换器端子tc2(2V的电压)与连接于电池模块M2的正端子ta2侧的另一电池模块M1的正端子ta1连接。通过该连接，当转换器CNV接通时，与电池模块M1和M2之间的电压差对应的电流从转换器CNV向电池模块M2的电池组BT流动。
进而，电池模块M3的转换器端子tc3(2V的电压)与连接于电池模块M3的正端子ta3侧的另一电池模块M2的正端子ta2。通过该连接，当转换器CNV接通时，与电池模块M2和M3之间的电压差对应的电流从转换器CNV向电池模块M3的电池组BT流动。该第六实施方式可以随着时间经过使三个电池模块M1～M3的电压大致相等。
图11示出本发明的第七实施方式的结构。在上述实施方式中，电池模块分别具备转换器CNV、电压比较器CMP、电压测定器DT1，DT2，但是，如图11所示，也可以为电池模块与转换器装置独立的结构。通过这样的结构，可以在之后向现有的模块连接转换器装置。
以上，对本发明的实施方式具体进行了说明，但并不限定于上述各实施方式，能够根据本发明的技术思想实施各种变形。另外，变形的方式也可以将任意选择的一个或多个适当地组合。另外，上述实施方式的结构、方法、工序、形状、材料以及数值等，只要不脱离本发明的主旨便可相互进行组合。
附图标记说明
M…电池模块、BT…电池组、CNV…转换器、ta…正端子、tb…负端子、tc…转换器端子。

Claims (9)

1.一种电池模块，具备：
电池组，由串联数为s及并联数为p的电池芯构成，其中s为1以上的整数，且p为1以上的整数；以及
双向DC/DC转换器，能够使电流向任意方向流动，
所述转换器相对于所述电池组的电压V生成电压nV，其中n为-1或2。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其中，
对所述转换器的动作进行接通/断开切换。
3.根据权利要求2所述的电池模块，其中，具备：
第一电压测定单元，测定负端子与正端子的电压；
第二电压测定单元，测定转换器端子与所述负端子的电压；以及
电压比较器，对所述第一电压测定单元测定的电压与所述第二电压测定单元测定的电压进行比较，
所述电池模块进行如下控制：当通过所述电压测定器检测出的电压之比在阈值以上时，使所述转换器的动作变为接通而生成电压-V，当通过所述电压测定器检测出的电压之比小于阈值时，使所述转换器的动作变为断开而停止生成电压-V。
4.根据权利要求2所述的电池模块，其中，具备：
第一电压测定单元，测定负端子与正端子的电压；
第三电压测定单元，测定转换器端子与所述正端子的电压；以及
电压比较器，对所述第一电压测定单元测定的电压与所述第三电压测定单元测定的电压进行比较，
所述电池模块进行如下控制：当通过所述电压测定器检测出的电压之比在阈值以上时，使所述转换器的动作变为接通而生成电压2V，当通过所述电压测定器检测出的电压之比小于阈值时，使所述转换器的动作变为断开而停止生成电压2V。
5.一种电池单元，将多个权利要求1所述的具有生成-V的电压的转换器的电池模块串联连接，
通过某一个电池模块生成的-V的电压被供给至连接于该电池模块的负端子侧的另一个电池模块的负端子。
6.根据权利要求5所述的电池单元，其中，
对所述电池模块分别具有的转换器进行接通/断开控制。
7.一种电池单元，将多个权利要求1所述的具有生成2V的电压的转换器的电池模块串联连接，
通过某一个电池模块生成的2V的电压被供给至连接于该电池模块的正端子侧的另一个电池模块的正端子。
8.根据权利要求7所述的电池单元，其中，
对所述电池模块分别具有的转换器进行接通/断开控制。
9.一种转换器装置，具备：
正端子及负端子，与电池模块的正端子及负端子连接；以及
转换器，能够使电流向任意方向流动，且相对于电池模块的电池组的电压V生成电压nV，其中n为-1或2。
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