CN117791770A - 改进的电池平衡 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对电池(B)的主动平衡的设备(200、800)，该电池(B)包括在多个节点(N1‑NN‑1)处串联连接的多个单元(U1‑UN)，该设备包括至少一个DC/DC转换器(210、610、710、8101‑810N)，该DC/DC转换器被配置为在多个单元(U1‑UN)的第一组(G1)与多个单元(U1‑UN)的第二组(G2)之间转移电荷，第一组(G1)和第二组(G2)中的至少一个包括多个单元(U1‑UN)。

Description

改进的电池平衡
技术领域
本发明总体上涉及用于电池堆(battery stack)平衡的方法和装置，其基于将电池堆分区在各组中并将电荷在各组之间转移。
背景技术
电动车辆电池组(battery packs)，以及在多种应用(诸如电网存储、家用能量存储系统和移动轻型车辆)中使用的其他类型的电池组正变得越来越普遍。
那些电池组通常由多个电池电芯(cell)形成。电芯可以包括单节物理电池电芯，或者多节并联的电芯。在本申请的上下文中，对电芯的引用可以适用于这两种情况。
电池组通常由多节串联连接的电芯获得以形成高压电池堆。这种连接通常是必要的，因为单节电芯电池通常具有较低的电压。例如，锂离子电池的典型值取决于其化学特性而范围从3.3V至3.8V。另一方面，电池供电的装置通常需要更高的电压以避免高电流值。对于高功率应用诸如电动车辆而言，情况更是如此。例如，已知用于电动车辆的电池组是由96节这样的电芯串联形成。那些电池组通常被称为400V电池。相似地，具有800V的电池组可以通过串联连接192节电芯来实现。
具有多节串联连接的电芯要求这些电芯必须保持基本相等，特别是在容量和/或电流输送能力方面。
事实上，在串联连接中，最弱的电芯将确定整个电池组的性能。例如，即使当单节电芯完全耗尽时，整个电池组的放电也会停止，尽管在其他电芯中仍有能量可用。相似地，在充电期间，当单节电芯达到满容量时，充电过程也会停止，尽管在其他电芯中仍可以存储额外的能量。
为了避免这个问题，电池管理系统(Battery Management Systems，通常被称为BMS)采用了平衡技术，这种技术可以平衡电池，使其尽可能地处于相似状态，特别是在相同的电压电平和/或相同的充电状态(State of Charge，SoC)。为此，平衡技术通常测量每节电芯的电压和/或流过每节电芯的电流。然后，这样的测量可以用于控制功率流，例如，最强的电芯将放电更多，最弱的电芯将放电更少。已知平衡技术在充电和放电两者期间都是可操作的。
根据现有技术的平衡技术通常以两种已知的方式操作。
第一种技术，被称为被动平衡，其工作原理通常是将较强的电池放电，使其与最弱的电池对齐。这通常是由无源负载诸如电阻器实现的。多余能量被耗散，使得系统效率低下。由于这个原因，被动平衡通常仅在非常低的速率下工作，使电池组在许多次充电和放电循环内保持平均平衡，并且通常受限于当负载被间歇地交替施加长休息时段时的应用。
另一种技术，被称为主动平衡，则是通过将能量从较强的电芯移动到最弱的电芯来主动工作。以这种方式，能量没有被浪费掉，而是从一节电芯移动到另一个。为此，主动平衡通常使用DC-DC转换器。因此，即使在高功率充电或长时间放电时段期间，能量交换率也可以高得多，从而允许整个电池组的实时平衡。
传统的主动平衡设备已知有例如，Analog Devices(亚德诺半导体公司)的DC2100B-D、Linear Technology(凌力尔特公司)的LT8584或Texas Instruments(德州仪器公司)的EM1402EVM。
图1示意性地示出了用于对电池堆B的主动平衡的设备，该电池堆B包括多节电芯C1-CN。
该电路包括感测装置，例如，被连接到每节电芯C的电压感测单元，用于测量各节电芯的电压。相似地，开关矩阵被连接到每节电芯C，以便能够将任意两节电芯连接到DC/DC转换器。基于来自感测装置的输入，开关矩阵和DC/DC转换器被操作为按需要将电荷从任何给定电芯转移到任何其他电芯。例如，如果电芯CN被确定为具有最多电荷的电芯，并且电芯C1被确定为具有最少电荷的电芯，则这两节电芯可以被连接到DC/DC转换器，并且电荷可以从电芯CN被转移到电芯C1。
可以看出，独立地感测每节电芯中的电压以及能够将每节电芯独立地连接到DC/DC转换器的需求导致电池组内部的高布线复杂性。此外，导线还需要连接器，该连接器由于老化和机械振动而降低了电池组的鲁棒性。
另外，开关矩阵中必须存在多个开关，这允许任何电芯与DC/DC转换器的独立连接。一般地，已知的开关矩阵要求每节电芯最少两个开关，一个在其正极，一个在其负极，从而增加了成本和复杂性。那些开关需要其各自的导线和连接器。
增加布线复杂性的另一个因素是，电池C1-CN通常相对于控制模块被放置得较远，其中通常放置感测装置、开关矩阵和DC/DC转换器中的任何一个。因此，需要力与感测布线方案，从而有效地使连接数量翻倍。
此外，因为每节电芯在不同的电压下，并且所有的电芯都被串联连接，所以通常需要电流隔离(未示出)以允许通过DC/DC转换器对电池进行充电和放电。在上面提到的现有技术的一些解决方案中，这种被实施为DC/DC转换器与电芯之间的变压器。这样的实施方式要求庞大的部件。
所有这些都会增加成本，降低可靠性，因为这些元素中的任何一个都是可能的故障点。
因此，需要提供一种克服上述缺点的平衡系统。
发明内容
这种需要通过由独立权利要求限定的本发明的教导来解决。从属权利要求提供了进一步的有利特征。
本发明的优选实施例特别地允许获得用于对电池的主动平衡的设备，该设备减少了成本和/或复杂性，这会避免对电流隔离的需要，和/或降低所需的开关和/或电流。
一般地，本发明依据的概念在于，对各种电芯的平衡通过将电池堆划分在至少两个组中并在一个组与另一个组之间执行电荷的转移来实现。通过适当地控制每个组中的电芯的选择方式，并优选地按需要通过重复转移，可以使所有电芯收敛。
因此，本发明的实施例可以涉及一种用于对电池的主动平衡的设备，该电池包括在多个节点处串联连接的多个单元。该设备可以包括至少一个DC/DC转换器，该DC/DC转换器被配置为在多个单元的第一组与多个单元的第二组之间转移电荷。第一组和第二组中的至少一组包括多个单元。
由于这种布置，可以有利地在两个以上的单元之间同时转移电荷。这使得这样的转移所需的电路更加有效，因为它比在多个单元中的任何单个单元与任何其他单个单元之间转移电荷所需的电路要求更少的部件。此外，通过在两个以上的单元之间同时转移电荷，收敛可以比在给定时间仅在两个单元之间转移电荷更快和/或更简单的方式来实现。
在一些实施例中，多个单元中的至少一个可以对应于物理电池电芯。
由于这种布置，可以有利地将本发明应用于由多个电池电芯组成的已知电池。对于用于更高电压应用的电池诸如用于电动车辆的电池，情况尤其如此。
在一些实施例中，多个单元中的至少一个可以对应于彼此并联和/或串联连接的多个物理电池电芯。
由于这种布置，可以有利地将本发明应用于由电池电芯的组实施的单元，从而平衡在彼此之间的各组。
在一些实施例中，该设备还包括：多个感测装置，该感测装置中的每一个被配置为测量多个单元中的相应单元的至少一个特性，并输出相应的多个被测量的特性。
在一些实施例中，至少一个特性可以包括以下一个或多个：
-电压，
-电流，
-充电状态，
-健康状态，
-电荷量，
-温度。
由于这种布置，有利地可以应用基于各种输入数据的本发明。优选地，至少一个特性还可以是旨在单元之间进行平衡的特性。因此，本发明可以有利地允许对各种特性的平衡。
在一些实施例中，多个感测装置可以被配置为无线地传送多个被测量的特性。
由于这种布置，可以有利地减少电缆、开关和其他部件的数量，这些固件易于发生故障并增加电池的成本和复杂性。
在一些实施例中，该设备还包括：控制器，该控制器被配置为基于多个被测量的特性来控制DC/DC转换器的操作。
由于这种布置，可以有利地基于由多个感测装置提供的输入数据来控制DC/DC转换器的操作以便使单元收敛。
在一些实施例中，控制器可以被配置为针对多个单元而执行平衡方法。该平衡方法可以包括控制多个感测装置以测量多个单元的至少一个特性的步骤。该平衡方法还可以包括计算针对多个单元中的每一个的误差值的步骤。该平衡方法还可以包括识别多个误差值中的最大误差的步骤。该平衡方法还可以包括控制DC/DC转换器以在第一组与第二组之间转移电荷的步骤，该第一组和第二组基于与最大误差相关联的节点来定义。
由于这种布置，可以有利地基于对误差值的计算来明确地定义这两个组。
在一些实施例中，误差值可以被定义成使得最大误差允许对节点的识别，其中识别出的节点将多个单元划分在第一组和第二组中，使得当多次执行测量、计算、识别和转移的步骤时，多个单元被使得收敛到平衡值。
由于这种布置，可以有利地实施误差的各种定义，只要该定义允许单元在多次重复那些步骤时收敛。
在一些实施例中，误差值可以是第二组的至少一个特性的平均值和多个单元的至少一个特性的平均值之差。可替选地或附加地，误差值可以是第二组的至少一个特性的平均值和第一组的至少一个特性的平均值。
由于这种布置，可以有利地以两者简单的方式定义误差值。
在一些实施例中，转移的步骤可以在预定时间内被执行，然后可以被停止。
由于这种布置，可以有利地允许通过实施定时器以简单的方式多次执行测量、计算、识别和转移的步骤。
在一些实施例中，转移的步骤被执行，直到最大误差低于预定值。
由于这种布置，可以有利地允许通过实施比较器以简单的方式多次执行测量、计算、识别和转移的步骤。
在一些实施例中，DC/DC转换器可以包括第一端子和第二端子。DC/DC转换器可以特别被配置为将在第一端子处提供的第一DC电压转换成在第二端子处提供的第二DC电压，反之亦然。此外，DC/DC转换器可以被配置成使得当被连接到多个单元时，第一端子被连接到多个单元的正极端子，并且第二端子可以被连接到多个节点中的任何一个。
由于这种布置，可以有利地以简单的方式实施DC/DC转换器以及相应的开关矩阵。
附图说明
图1示意性地示出了用于对包括多个电池电芯C1-CN的电池堆B的主动平衡的设备。
图2示意性地示出了用于对包括多个单元U1-UN以及相应的多个感测装置的S1-SN的电池B的主动平衡的装置200。
图2B-2D示意性地示出了用于多个单元U1-UN的可能实施方式。
图3A、图3B、图4和图5示意性地示出了用于对电池B的主动平衡的方法300、400和500。
图6和图7示意性地示出了可操作为电池组对电池单元或电池单元对电池组DC/DC转换器的DC/DC转换器610、710。
图8示意性地示出了用于对电池B的主动平衡的方法的收敛特性。
具体实施方式
本公开的一些示例通常提供用于多个电路或其他电气设备。对电路和其他电气设备以及由其各自提供的功能的所有引用并不旨在受限于仅包含本文中示出和描述的内容。虽然特定的标签可以被分配给所公开的各种电路或其他电气设备，但是这样的标签不旨在限制用于电路和其他电气设备的操作的范围。这样的电路和其他电气设备可以基于期望的特定类型的电气实施方式以任何方式相互组合和/或分离。
认识到，本文中公开的任何电路或其他电气设备可以包括任意数量的微控制器、集成电路、存储器设备(例如，闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或其其他合适的变型)，以及彼此协作以执行本文中公开的操作的软件。此外，电气设备中的任何一个或多个可以被配置为执行程序代码，该程序代码体现在被编程为执行所公开的任意数量的功能的非暂时性计算机可读介质中。
在下文中，本发明的实施例将参照附图详细地描述。应当理解，以下对实施例的描述不应被采取限制性意义。本发明的范围不旨在由下文中描述的实施例或附图限制，这些实施例或附图仅被认为是说明性的。
附图被认为是示意性表示，并且附图中示出的元件不一定按比例显示。相反，各种元件被表示成使得其功能和一般目的对于本领域技术人员而言变得显而易见。附图中显示的或本文中描述的功能块、设备、部件或其他物理或功能单元之间的任何连接或耦合也可以通过间接连接或耦合来实施。部件之间的耦合也可以通过无线连接来建立。功能块可以被实施在硬件、固件、软件或其组合中。
图2A示意性地示出了用于对电池B的主动平衡的设备200。
如图2A中可见，电池B可以包括在多个节点N1-NN-1处串联连接的多个单元U1-UN。多个单元U1-UN可以至少包括第一单元U1和第二单元U2。
一般地，多个单元U1-UN中的每一个可以被理解为包括一个或多个能够存储电荷的物理单元，或者由一个或多个能够存储电荷的物理单元实施。在每个单元U1-UN都有一个以上的物理单元的情况下，一个以上的物理单元可以彼此之间串联和/或并联连接。在优选实施例中，多个单元U1-UN是单一类型的。也就是说，多个单元U1-UN中的每一个优选地以相同的方式实施，并具有相同的标称(nominal)特性。
对于本领域技术人员而言将清楚的是，单个单元可以以多种方式实施。
特别地，在一些实施例中，如图2B中可见，多个单元U1-UN中的至少一个，优选地多个单元U1-UN中的大部分，甚至更优选地多个单元U1-UN中的全部可以包括或对应于单节物理电池电芯C，诸如例如袋形电芯、棱柱形电芯或圆柱形电芯中的任何一种。
可替选地或附加地，在一些实施例中，如图2B中可见，多个单元U1-UN中的至少一个，优选地多个单元U1-UN中的大部分，甚至更优选地多个单元U1-UN中的全部可以包括或对应于彼此串联连接的多节物理电池电芯C1-C2。很明显，尽管图2B仅示出了两节电芯，但是本发明不限于此，并且可以实施任意数量的电芯。对于本领域技术人员而言将显而易见的是，这种实施方式仅允许对单元的平衡，并且不确定单元内的电芯是否以及如何在它们之间平衡。在一些实施例中，单个单元内的这种电芯可能会简单地变得不平衡，如果这可以被应用容忍的话。可替选地或附加地，已知的平衡方法可以被实施为单元内的电芯。仍然可替选地或附加地，给定单元U内的电芯C1-C2可以以针对给定电池B内的单元U1-UN描述的相同方式来平衡。也就是说，由本发明的各种实施例描述的方法可以以其应用于电池的串联连接的单元的基本相同的方式被应用于单元的串联连接的电池。
仍然可替选地或附加地，在一些实施例中，如图2C中可见，多个单元U1-UN中的至少一个，优选地多个单元U1-UN中的大部分，甚至更优选地多个单元U1-UN中的全部可以包括或对应于彼此并联连接的多个物理电池电芯C1-C2。很明显，尽管图2C仅示出了两节电芯，但是本发明不限于此，并且可以实施任意数量的电芯。
仍然可替选地或附加地，在一些实施例中，多个单元U1-UN中的至少一个，优选地多个单元U1-UN中的大部分，甚至更优选地多个单元U1-UN中的全部可以包括或对应于彼此串联连接以形成第一组的多个物理电池单元C1-C2，第一组并联连接到一个或多个相似的组。进一步可替选地或附加地，在一些实施例中，多个单元U1-UN中的至少一个，优选地多个单元U1-UN中的大部分，甚至更优选地多个单元U1-UN中的全部可以包括或对应于彼此并联连接以形成第一组的多个物理电池单元C1-C2，第一组串联连接到一个或多个相似的组。
在多个单元U1-UN中，可以定义至少两组单元G1和G2。这例如在图6中示出。优选地，在一些实施例中，可以仅定义包括所有单元U1-UN的两个组。
在下文中，为了描述清楚，组G1将被称为第一组，而组G2将被称为第二组。对于本领域技术人员而言将清楚的是，本发明的实施例也可以用相反的定义来操作，即G1是第二组，并且G2是第一组。
在下文中，将提供如何配置这些组的一般描述，随后是更具体的示例。由本领域技术人员将理解的是，本发明不限于那些具体的示例，并且特别地，关于那些示例描述的方法也可以应用于组的其他定义，可能地是通过基于以下描述，以对于本领域技术人员而言将清楚的方式对方法进行调整。
因此，一般地，在一些实施例中，第一组G1可以包括从电池的一个端子到给定节点Nk的多个单元。例如，如图6所示，第一组G1可以包括从节点Nk到正极端子的单元，即单元Uk+1到UN。第二组G1可以包括从电池的相对端子到相同的给定节点Nk的多个单元。例如，如图6所示，第二组G2可以包括从负极端子到节点Nk的单元，即单元U1到Uk。
仍然可替选地或附加地，第一组G1可以包括单元U1-UN中的至少一个，优选地至少两个单元，并且第二组G2可以包括单元U1-UN中的与第一组的那些不同的至少一个，优选地至少两个单元。
仍然可替选地或附加地，第二组G2可以包括不被包括在第一组G1中的所有单元U1-UN。
进一步可替选地或附加地，第一组G1和第二组G2的任何一个可以包括一个或多个单元。在包括更多单元的情况下，那些单元可以被彼此串联连接。也就是说，在多个单元的情况下，给定组中的所有单元可以被串联连接以形成串联连接的组。
进一步可替选地或附加地，组G1和G2可以通过参照端子611-613DC/DC转换器610来定义，这将在下文中描述。
因此，在一些实施例中，第一组G1可以包括被连接在DC/DC转换器610的端子612和正极端子611之间的单元。可替选地或附加地，第二组G2可以包括被连接在DC/DC转换器610的负极端子613和端子612之间的多个单元。在一些实施例中，如将在下文中描述的，DC/DC转换器610的端子612可以被连接到电池B的给定节点Nk，该给定节点Nk被包括在被连接到负极端子613和正极端子611的节点之间，但不同于这些节点。在这里，包括在之间的表述可以被理解为意味着节点Nk沿着分别连接到端子613和611的节点之间的串联连接而连接。
这种实施方式是特别有利的，因为它允许DC/DC转换器610用两个端子611和613操作，这两个端子611和613分别被固定地连接到单元U1和单元UN，或者被连接到电池B的两个端子，而端子612可以通过开关矩阵640被连接到给定的节点Nk。尽管如此，对于本领域技术人员而言将清楚的是可以实施替代实施例。
再次参照图2A，设备200包括至少一个DC/DC转换器210，其被配置为在第一组G1与第二组G2之间转移电荷。
在以下描述中，将描述电荷从第一组G1被转移到第二组G2的各种示例。然而，很明显，本发明也可以在相反的方向上操作。然而，为了解释清楚和简明起见，本发明将参照以第一种方式操作的示例来描述。对于本领域技术人员而言清楚的是，镜面操作也是可能的，如果需要的话。
由于这种配置，DC/DC转换器210可以将电荷从例如多个带更多电荷的单元(诸如例如第一组G1的单元Uk+1至UN)转移到多个带更少电荷的单元(诸如例如第二组G2的单元U1至Uk)。
更一般地说，表述“更多电荷的”可以被理解为意味着电池的物理特性(诸如例如电压、电流、绝对电荷或SoC)的值，在“更多电荷的”组中比在“更少电荷的”组中更高。在下文中，为了解释清楚和简明起见，将使用术语“更多电荷的”和“更少电荷的”，然而，可以理解，它们可以分别被替换为“具有更高的特性值”和“具有更低的特性值”。
此外，尽管这将从以下示例中变得显而易见，但是要注意的是，表述“更多电荷的”和“更少电荷的”不一定涉及组的每个单元。也就是说，假设第一组的单元是更多电荷的，而第二组的单元是更少电荷的，则不需要第一组的每个单元都比第二组的每个单元带更多电荷。相反，从以下描述中将变得明显的是，第一组的平均电荷高于第二组的平均电荷就足够了。因此，术语“更多电荷的”和“更少电荷的”可以分别被替换为“具有更高的特性平均值”和“具有更低的特性平均值”。
也就是说，本发明不关注每个具体单元的状态，而是允许通过在单元的分组方面进行操作以及通过对这些组进行平衡来平衡这些单元。这种方法，特别是当重复多次时，允许使单元收敛到平衡状态。
换言之，假设例如平衡是基于电荷量来进行的，作为旨在被平衡的电池的特性，可能会存在一个单元(诸如单元Uk)带有较低的电荷量，而另一个单元(诸如单元UN)带有较高的电荷量。
在现有技术中，这将凭借通过DC/DC转换器将电荷特别地从UN转移到Uk的方式来实现。
另一方面，在本发明的一些实施例中，第二组G2可以被定义为包括单元Uk，例如通过在该组中包括单元U1至Uk。同时，第一组G1可以被定义为包括单元UN，例如通过在该组中包括单元Uk+1至UN。这允许电荷从第一组G1中的所有单元(包括UN)转移到第二组G2中的所有单元(包括Uk)。然后，这导致单元Uk被充电，以及单元UN被放电，如预期的那样。
这种方法导致第二组的剩余单元也被充电，以及第一组的剩余单元也被放电。尽管如此，通过用适当的组计算来重复过程，可以使所有单元收敛到平衡状态。优选地，在一些实施例中，控制器被配置成使得在电荷转移期间以及作为电荷转移的结果，没有一个单元过充电或过放电。
也就是说，从以下描述中将变得更加清楚，本发明的实施例可以在组之间转移电荷，而不是利用与另一个单个单元的连接对单个单元进行充电/放电。最终，这导致至少一个单元被放电和至少一个单元被充电，然而它允许用比现有技术更少的硬件这样做
对于本领域技术人员而言将清楚，可以实施若干种类型的DC/DC转换器以获得这种特性。在以下描述中，讨论了特别有利的一些具体实施例。然而，本发明不限于这样的具体实施例，原则上可以实施能够执行上面描述的功能的任何类型的DC/DC转换器。
如图2A中进一步可见的，设备200还可以包括多个感测装置230，单数形式表示为S1-SN。多个感测装置230中的每一个可以被配置为测量多个单元U1-UN中的相应单元的至少一个特性。因此，多个感测装置230可以输出相应多个被测量的特性。
对于本领域技术人员而言将清楚的是，感测装置可替选地被配置为测量多个节点N1-NN-1或节点N1-NN中的相应节点的至少一个特性。也就是说，感测装置可以测量一个或多个单元或者一个或多个节点的特性。对于本领域技术人员而言清楚的是，这两个测量结果可以相互转换。例如，节点Nk处的电压可以直接测量，或者从单元U1至Uk处的电压之和中确定。在一些优选实施例中，优选地在每个单个单元上进行测量，因为这允许测量更低的电压，这简化了所需的部件。此外，这允许对单元的特性的直接测量，这简化了确定哪一个或多个单元需要接收电荷，以及哪一个或多个单元可以用于提供电荷。例如，参照图2A，感测装置S1可以测量单元U1的至少一个特性，感测装置SN可以测量单元UN的至少一个特性，等等。在优选实施例中，感测装置230的数量等于或大于单元U1-UN的数量。
在一些实施例中，每个单个感测装置可以包括多个感测设备。例如，如果感测装置要测量相应单元的两个特性，诸如温度和电压，则感测装置可以包括两个设备，诸如温度计和电压传感器。
在优选实施例中，至少一个特性可以包括以下一个或多个：
-电压，
-电流，
-充电状态，
-健康状态，
-电荷量，
-温度。
很明显，可能存在不能直接测量特性的情况，诸如单元的健康状态SoH。在那些情况下，感测装置230可以测量实际上能够直接测量的单元的一个或多个特性，诸如电压、电流、温度，并且以本身已知的方式推导出不能通过适当的算法和/或计算来直接测量的特性。
如图2A中可见的，在一些实施例中，多个感测装置230可以被配置为将多个被测量的特性传送到控制器220。
这可以通过一根或多根电缆来实施。例如，多个感测装置230中的每一个可以被连接到控制器220。可替选地，多个感测装置230可以通过单根电缆(诸如例如总线)被连接到控制器220。
可替选地或附加地，可以无线地实施多个被测量的特性到控制器220的传送。由于这种实施方式，现有技术中要求的电流隔离不再是必要的。此外，这大大降低了设备200的布线要求，从而降低了复杂性和成本。此外，这提高了可靠性，因为每根电缆都是潜在的故障点。本发明的优选实施例可以用BLE或Zigbee无线标准以及任何所需的定制来实施，包括但不限于协议栈和加密的变化。
如图2A中进一步可见的，在一些实施例中，设备200还可以包括控制器220，该控制器220被配置为基于多个被测量的特性来控制DC/DC转换器210的操作。
例如，如上所述，控制器220可以基于一个或多个被测量的特性来识别两组G1和G2，优选地使得对于一个或多个被测量的特性，组G2具有比组G1更低的平均值。然后，控制器可以被操作以控制DC/DC转换器，使得电荷可以在组G1与组G2之间转移。
假设这些组被定义成使得G2比G1带更少的电荷，则这种方法将电荷从组G1转移到组G2。通过多次这样做，优选地每次重定义组G1和G2，这些单元可以被平衡。
对于本领域技术人员而言将清楚的是，可能存在用于确保组的定义以及相应的电荷转移的多种方式被多次实施，以便允许收敛。图3、图4和图5示意性地示出了用于对电池B的主动平衡的方法300、400和500，这些方法全都确保了该方法的多次重复。这些方法特别地可以由控制器220实施。
特别地，如图3中可见的，控制器220可以被配置为针对多个单元U1-UN而执行平衡方法300。
平衡方法300包括：控制多个感测装置230以测量多个节点N1-NN-1的至少一个特性的步骤S310。以下实施例是基于多个节点N1-NN-1的被测量的特性来描述的。对于本领域技术人员而言将清楚的是，那些测量可以直接执行，或者可以如先前描述的从多个单元U1-UN的测量特性中推导出。
对于本领域技术人员而言将清楚，这可以用多种方法来实施。例如，感测装置可以连续地或以预定的频率测量至少一个特性，并且测量步骤S310可以优选地响应于来自控制器220的请求而通过输出最后可用的被测量数据来实施。可替选地或附加地，感测装置可以响应于来自控制器220的请求开始测量，然后向控制器提供相应输出。一般地，测量步骤S310的目的是使控制器220可获得多个被测量的特性，以便控制器可以评估是否需要平衡单元，以及哪个或哪些单元需要与其他的一个或多个单元平衡。
平衡方法300还可以包括：计算针对多个节点N1-NN-1中的每一个的误差值E的步骤S320。下文中将定义允许计算误差值的各种方式。一般地，误差值E的目的是允许识别节点Nk，这反过来允许定义第一和第二组。也就是说，第一组G1和第二组G2可以被定义为给定节点Nk的函数。
特别地，在一些实施例中，误差值可以被定义成使得多个误差值中的最大误差EMAX允许对节点Nk的识别，并且该节点将单元U1-UN划分在两组G1和G2中，使得当在G1与G2之间转移电荷时，单元U1-UN收敛到平衡值。
对于本领域技术人员而言将清楚，这种一般方法可以以多种方式实施，并且不可能在该描述中全部定义它们。尽管如此，以下描述将提供符合该定义的两种可能的具体实施方式，其基于对平均值之差的计算。
特别地，可以计算第二组G2的至少一个特性的平均值和多个单元U1-UN的至少一个特性的平均值之间的差。可替选地或附加地，可以计算第二组G2的至少一个特性的平均值和第一组G1的至少一个特征的平均值之间。误差值可以作为差值的函数来计算。
因此，更正式地，用于将G1与G2分隔开的节点Nk的误差E(k)可以被定义如下：
E(k)＝avg(Phys_char)G2-avg(Phys_char)all units
E(k)＝avg(Phys_char)G2-avg(Phys_char)G1
其中，
-avg(Phys_char)G1是第一组G1的至少一个特性的平均值，
-avg(Phys_char)G2是第二组G2的至少一个特性的平均值，
-avg(Phys_char)all units是所有单元U1至U的至少一个特性的平均值。
首先将描述第一种情况，随后将描述后一种情况。对以下示例的描述将基于图6的配置，在该配置中第一组G1包括单元Uk+1至UN，而第二组G2包括U1至Uk。
在第一种情况下，在一些其他实施例中，误差值E可以被正式地定义为：
其中，
-Phys_char(i)是对于给定counter(i)值的单元Ui的被测量的特性，
-k指示节点N1-NN-1中的节点Nk，
-N是单元U1-UN的数量。
例如，假设十个单元U1-UN串联连接在九个节点N1-NN-1处，其中如图6中可见的，第十个节点NN在单元UN的正极上，并且假设用于单元U1-UN和节点N1-NN-1的特性的示例性值如下：
使用上面指示的单元的示例性Phys_char(i)，误差值E(1)可以被计算如下：
误差值E(2)可以被计算如下：
以此类推，
以及
直到
导致
E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9
0.120 0.070 0.020 -0.030 -0.080 -0.080 -0.051 -0.030 -0.013
如图3A中进一步可见的，平衡方法300还可以包括：识别多个误差值中的最大误差EMAX，以及与最大误差EMAX相关联的单元和/或节点的步骤S330。
在一些实施例中，最大误差EMAX可以被定义为具有最高的最大绝对值的误差。在上面的数值示例中，这对应于E1，以指示校正可以有利地应用在节点N1处。也就是说，节点N1可以被识别为将两个组分隔开的节点。在两个节点具有相同的最高绝对值的情况下，这两个节点中的任何一个都可以被认为是具有最大误差EMAX的节点。
此外，在一些实施例中，最大误差EMAX的正负号可以指示电荷要被转移的方向。也就是说，如果最大误差EMAX具有正号或负号之间的一个，则电荷将在第一组G1和第二组G2之间的一个方向上转移。相反地，如果最大误差EMAX具有正号或负号之间的另一个，则电荷将在第一组G1和第二组G2之间的另一个的方向上转移。本领域技术人员将会清楚的是，具体的符号和具体的方向是误差的具体定义的函数。在上面的示例中，对于正号，电荷将从第二组G2转移到第一组G1。也就是说，在这个具体的数字示例中，电荷的第一次转移将从单元U1操作到单元U2-UN。
如前所述，所考虑的特性可以是多个先前描述的特性中的任何一个。
因此，在优选实施例中，误差值E可以通过使用作为被测量的特性的电压值V来计算，以实现电压在单元之间的平衡。使用与上面相同的等式，这可以被实施为：
可替选地或附加地，在进一步的优选实施例中，误差值E可以通过使用作为被测量的特性的电荷状态SoC来计算，以实现SoC在单元之间的平衡，诸如
仍然可替选地或附加地，在又进一步的优选实施例中，误差值E可以通过使用作为被测量的特性的可用电荷量Q(i)来计算，以实现电荷在单元之间的平衡，诸如
因为单个单元的容量可能跨不同的单元而有所不同，给定单元i中包含的总电荷Q(i)为Q(i)＝SoC(i)×C(i)。
上面的实施例已经相对于误差的定义被描述为，
E(k)＝avg(Phys_char)G2-avg(Phys_char)all units
如前所述，误差E的替代定义也可以是，
E(k)＝avg(Phys_char)G2-avg(Phys_char)G1
在这种情况下，与之前描述的内容相似，误差E可以被正式表述为，
例如，在上面的示例性条件下，
单元 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U10
Phys_char(i) 3 2.9 2.8 2.7 2.6 2.8 3 3 3 3
使用各单元的Phys_char(i)，误差值E(1)可以被计算如下，
至
/>
导致
E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9
0.133 0.088 0.029 -0.050 -0.160 -0.200 -0.171 -0.150 -0.133
在这种情况下，通过选择具有最高绝对值的一个作为最大误差EMAX，最大误差EMAX可以被识别为E(6)。虽然这不同于先前识别出的最大误差EMAX，但是本发明可以如上面指示的进行，并且仍然会在多次循环之后导致所有单元之间的收敛。
由此可见，用于指示具有最大误差EMAX的节点的多种方式是可能的，但是它们全都将允许电荷的转移，这最终将使单元收敛。也就是说，基于最大误差EMAX识别出的节点Nk将多个单元U1-UN划分在第一组G1和第二组G2中，使得当在第一组G1与第二组G2之间转移电荷时，优选地通过执行多次最大误差EMAX的计算和随后相应的电荷的转移，使多个单元U1-UN收敛到平衡值。
如前所述，最大误差EMAX的正负号可以用于识别电荷要被转移的方向。在这种情况下，关于误差的具体定义，负号表示电荷将从第一组G1被转移到第二组G2。
一般地，已经描述了平衡方法300能够包括在第一组G1和第二组G2之间转移电荷的步骤S350，由于给定节点Nk的标识而识别出。如图3A所示，在一些实施例中，步骤S350的执行可以取决于可选步骤S340的结果，在该步骤中，确定最大误差EMAX是否高于预定阈值。
参照图6，如何实施步骤S350是显而易见的。特别地，电池B可以在其两极处流过电流IBATTERY。该电流的一部分(即IIN)可以通过电池的正极端子与DC/DC转换器的端子611的连接而被引导到DC/DC控制器，以便第一组G1中的一个或多个单元被电流IBATTERY-IIN穿过。
电流IIN可以被输入到DC/DC转换器中，从而产生输出电流IBAL。很明显，DC/DC转换器可以在IIN和IBAL之间应用任何给定的转换。
开关矩阵640可以被控制为将端子612连接在电池的任何节点处，特别是电池的节点N1至NN-1中的任何一个。这已经表明，与现有技术相比，数量减少的开关，即相当于N-1个开关，足以操作本发明。
更具体地，开关矩阵640可以被控制以便端子612被连接到给定节点Nk。因此，这导致端子612处输出的电流IBAL被提供给第二组G2，其将因此流过电流IBATTERY-IIN+IBAL。
与先前讨论的数字示例一致，假设电荷要从G1被转移到G2，这将导致IIN是正值。为了简单起见，还假设IBATTERY等于零，尽管本发明不限于此，这将导致第一组的单元Uk+1至UN通过电流IIN进行放电，第二组的单元U1至Uk通过电流IIN+IBAL进行充电。
换言之，通过将DC/DC转换器连接到给定节点Nk，有可能在组G1与G2之间转移电荷。
从图3A中可见，在步骤S350之后，可以停止电荷的转移，并且方法300可以再次开始。这导致单元的收敛。特别地，对步骤S310、S320、S330和S350的重复执行导致单元的收敛，而与其初始配置无关。
一般地，这从上面的描述中是可理解的。通过将电荷从具有较高电荷平均值的单元组转移到具有较低电荷平均值的单元组，该方法将最终使单元收敛。
图8示意性地示出了以不同电压VBAT1、VBAT2、VBAT3、VBAT4开始的具有四个单元的示例性配置如何收敛到基本公共的电压。纵轴表示电压值，而横轴表示时间。
特别显而易见的是，在该示例中，能量如何在第一循环中首先从具有最高电压的三个单元被转移到最低电压的单元。在大约300ms时，由于具有最大误差EMAX的节点的改变，组的定义改变，并且相应地电荷的转移改变，从最高电荷的单元到具有较低电荷的三个单元，直到收敛为止。值得注意的是，这只是单元值的许多可能演变中的一种，这取决于用于该示例的具体数值。图8的目的仅仅是显示组的定义如何随时间推移而改变，以及上面描述的方法如何导致收敛。
图8进一步示意性地示出了步骤S340的示例性实施方式，其中该示例在最大误差低于某个阈值时停止转移电荷，从而指示出已经达到被认为充分收敛的状态。
在上面的方法300的描述中，已经假设步骤S350在给定的持续时间和/或给定的转移电荷量内执行。对于本领域技术人员而言将清楚，如何实现这方面。这在图8中也是可见的，在图8中可以清楚地辨认出，电荷的转移是逐步地操作的。
作为用以实施这方面的可能方式的示例，参照方法400和500。
特别地，如图4中可见的，方法400还可以被总体配置成使得在预定时间内执行转移电荷的步骤S350，然后，在方法400再次开始于步骤S310处的对特性的测量和步骤S320处的新的误差值集合的计算之前停止。
对于本领域技术人员而言将清楚的是，对步骤S350的时间限制可以以多种方式获得，通常基于由定时器给出的指示。在图4的实施例中，这是通过在步骤S460处启动定时器来实现的，在步骤S350之前的任何点，并且优选地在步骤S340和步骤S350之间。然后可以在定时器运行的同时执行校正，并且在步骤S470处，可以检查定时器是否已经达到预定值。如果是，在步骤S480处，可以停止校正，并且优选地可以重置时间。如果不是，校正可以继续，直到定时器达到预定值为止。
定时器的值可以是预定值。在优选实施例中，预定值可以至少为1ms，优选至少为10ms。可替选地或附加地，预定值可以是最多1s，优选最多100ms。发明人已经发现，这些值是特别有利的，在于它们允许单元的可靠和快速收敛，同时还确保电荷的转移不会导致单元充电过度或充电不足。
可替选地，定时器的值可以作为最大误差EMAX的函数和/或作为校正值的函数来计算。优选地，在一些实施例中，定时器的预定值与最大误差EMAX和/或校正值呈双射(bijective)对应。甚至更优选地，如果最大误差EMAX和/或校正值增加，定时器的预定值可以增加，和/或如果最大误差EMAX和/或校正值减少，定时器的预定值可以减少。
定时器的存在确保该方法重复多次，从而导致单元的收敛平衡。特别地，方法400的重复执行导致对误差的重复计算，这可能在不同的周期之间是不同的。因此，这也可能导致不同周期之间的不同校正，然而，如下所述，这使得单元收敛到平衡状态。这也适用于所描述的其他方法，特别是方法300和500。
可替选地或附加地，如图5所示，可以执行转移电荷的步骤S350，直到最大误差EMAX值低于预定值。特别地，可以在步骤S570执行检查，以确定最大误差EMAX值是否低于预定值。如果是，该方法可以继续到步骤S480，在该步骤中停止校正。
对于本领域技术人员而言将清楚的是，本发明的方法也可以包括步骤S470和S570。在优选实施例中，这两个检查都可以被实施，以便在允许该方法到达步骤S480之前两者都需要满足。可替选地，在一些实施例中，这两个检查都可以被实施，以便在允许该方法到达步骤S480之前，只需要满足其中的一个
在具体的示例性实施例中，参照先前讨论的误差E的定义，优选地如果误差E基于电压来计算，则校正可以被实施为电压平衡。在这种情况下，可以控制DC/DC转换器210向给定节点施加电压或电流，以便给定单元或节点处的电压误差低于预定阈值和/或持续预定时间。
在另一个具体的示例性实施例中，参照先前讨论的误差E的定义，优选地如果误差E基于SoC来计算，则校正可以被实施为SoC平衡。在这种情况下，可以控制DC/DC转换器210向给定节点施加电压或电流，以便给定单元或节点处的SoC误差低于预定阈值和/或持续预定时间。
在又另一个具体的示例性实施例中，参照先前讨论的误差E的定义，优选地如果误差E基于电荷的绝对值来计算，则校正可以被实施为绝对电荷平衡。在这种情况下，可以控制DC/DC转换器210向给定节点施加电压或电流，以便给定单元或节点处的电荷误差低于预定阈值和/或持续预定时间。
在所有情况下，将意识到方法300、400、500如何能够重复多次，有利地导致单元平衡的收敛。
在上面的实施例中，通常已经指示DC/DC转换器将电荷从一组转移到另一组。电荷总量和/或每单位时间转移多少电荷，即电流IIN和IBAL的值可以由DC/DC转换器以各种方式控制。例如，可以控制DC/DC转换器，以便每个循环转移预定量的电荷，即，每次应用步骤S350。
可替选地或附加地，在一些实施例中，如图3B中可见的，步骤S350还可以包括：计算校正因子的步骤S351，以及配置DC/DC转换器以便基于校正因子执行电荷转移的步骤S352。
特别地，在一些实施例中，校正因子可以基于最大误差值EMAX来计算。优选地，校正因子可以表述为f(EMAX)，其中f可以是双射函数，更优选地是单调双射函数。甚至更优选地，随着最大误差值EMAX的增加，校正因子可以增加，反之亦然。
一旦计算出，校正因子可以用于驱动IBAL的值和/或定时器的持续时间(步骤S460、S470)。
特别地，在一些实施例中，IBAL的值可以表述为f(correction factor)，其中f可以是双射函数，甚至更优选地是单调双射函数。甚至更优选地，随着校正因子的增加，IBAL的值可以增加，反之亦然。
相似地，在一些实施例中，定时器持续时间可以表述为f(correction factor)，其中f可以是双射函数，甚至更优选地是单调双射函数。甚至更优选地，随着校正因子增加，定时器持续时间可以增加，反之亦然。
在上面的实施例的描述中，DC/DC转换器通常已被描述为双向DC/DC转换器，包括取决于转换的操作方向，分别充当第一输入或输出的两个端子611和613，以及充当第二输出或输入的两个端子612和613。
端子611和613优选地以固定方式连接到电池，优选地分别连接到正极端子和负极端子，而端子612可以通过开关矩阵640连接到正极端子与负极端子之间的任何节点Nk。
对于本领域技术人员将清楚的是，可以选择若干种配置以用于实施DC/DC转换器210。图7示意性地示出了DC/DC转换器的可能实施方式710。
在这种实施方式中，DC/DC转换器710包括两个开关装置714、715，例如在公共节点串联连接的两个晶体管。在该公共节点处，DC/DC转换器710包括到电感器716的连接。以本身已知的方式，DC/DC转换器710的操作可以基于流过开关装置714的电流的指示(表示为IIN)，和/或基于流过电感器716的电流的指示(表示为IBAL)。在实施例中，这些指示通过两个相应的感测装置717和718分别被提供给控制器220作为IIN_SENSE和IBAL_SENSE。然而，对于本领域技术人员而言清楚的是，替代实施方式是可能的。
这种实施方式的一个优点在于，仅使用一个电感器716，并且当在图6所示的配置中实施时，针对任何给定节点Nk，开关矩阵640仅具有一个开关SWk。因此，这种实施方式特别简单且成本低廉。
另一个优点在于，输出电流受控，以对给定节点Nk进行校正。这样做的优点是不需要物理地感测节点Nk处的输出电压，这可能需要附加感测线。
虽然已经讨论和/或示出了具有各种特征的若干实施例，但是对于本领域技术人员而言将清楚的是，本发明不限于那些具体的特征组合。相反，在权利要求的范围内，进一步的实施例可以通过将一个或多个实施例的特征单独组合来获得。
附图标记列表
B：电池
C1-CN：电芯
200：用于对电池的主动平衡的设备
210：DC/DC转换器
220：控制器
230，S1-SN：感测装置
U1-UN：电池单元
300：用于对电池的主动平衡的方法
S310：特性测量步骤
S320：误差计算步骤
S330：最大误差识别步骤
S340：最大误差检查步骤
S350：电荷转移步骤
S351：校正因子计算步骤
S352：电荷转移步骤
400：用于对电池的主动平衡的方法
S460：定时器开始步骤
S470：定时器检查步骤
S480：校正停止步骤
400：用于对电池的主动平衡的方法
S570：校正检查步骤
610：DC/DC转换器
611：正极端子
612：端子
613：负极端子
640：开关装置
N1-NN：节点
G1-G2：组
710：DC/DC转换器
714、715：开关装置
716：电感器
717、718：感测装置

Claims (13)

1.一种用于对电池(B)的主动平衡的设备(200、800)，
所述电池(B)包括多个单元(U1-UN)，所述多个单元(U1-UN)在多个节点(N1-NN-1)处串联连接，
所述设备包括至少一个DC/DC转换器(210、610、710、8101-810N)，所述DC/DC转换器被配置为在所述多个单元(U1-UN)的第一组(G1)和所述多个单元(U1-UN)的第二组(G2)之间转移电荷，
其中，所述第一组(G1)和所述第二组(G2)中的至少一组包括多个单元(U1-UN)。
2.根据权利要求1所述的设备(200、800)，
其中，所述多个单元(U1-UN)中的至少一个对应于物理电池电芯(C1-CN)。
3.根据权利要求1所述的设备(200、800)，
其中，所述多个单元(U1-UN)中的至少一个对应于彼此并联和/或串联连接的多个物理电池电芯(C1-CN)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(200、800)，还包括：
多个感测装置(230，S1-SN)，所述感测装置中的每一个被配置为测量所述多个单元(U1-UN)中的相应单元的至少一个特性，并输出相应的多个被测量的特性。
5.根据权利要求4所述的设备(200、800)，
其中，所述至少一个特性包括以下一个或多个：
-电压，
-电流，
-充电状态，
-健康状态，
-电荷量，
-温度。
6.根据权利要求4或5所述的设备(200、800)，其中，所述多个感测装置(230，S1-SN)被配置为无线地传送所述多个被测量的特性。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的设备(200、800)，还包括：
控制器(220)，所述控制器(220)被配置为基于所述多个被测量的特性来控制所述DC/DC转换器(210、610、710)的操作。
8.根据权利要求7所述的设备(200、800)，其中，所述控制器(220)被配置为针对多个单元而执行平衡方法(300、400、500)，所述平衡方法(300、400、500)包括以下步骤：
控制所述多个感测装置(230)以测量(S310)所述多个单元(U1-UN)的至少一个特性，
计算(S320)针对所述多个单元(U1-UN)中的每一个的误差值，
识别(S330)多个误差值中的最大误差(EMAX)，
控制所述DC/DC转换器(210、610、710)以在所述第一组(G1)与所述第二组(G2)之间转移(S350)电荷，所述第一组(G1)和所述第二组(G2)基于与所述最大误差(EMAX)相关联的节点(Nk)来定义。
9.根据权利要求8所述的设备(200、800)，
其中，所述误差值被定义成使得所述最大误差(EMAX)允许对节点(Nk)的识别，
其中，识别出的节点(Nk)将所述多个单元(U1-UN)划分在所述第一组(G1)和所述第二组(G2)中，从而当多次执行测量(S310)、计算(S320)、识别(S330)和传送(S350)的步骤时，使得所述多个单元(U1-UN)收敛到平衡值。
10.根据权利要求8或9所述的设备(200、800)，其中，所述误差值是以下两者之差的函数：
-所述第二组(G2)的至少一个特性的平均值和所述多个单元(U1-UN)的至少一个特性的平均值，和/或
-所述第二组(G2)的至少一个特性的平均值和所述第一组(G1)的至少一个特性的平均值。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的设备(200、800)，其中
转移(S350)的步骤在预定时间内被执行，然后被停止。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的设备(200、800)，其中
转移(S350)的步骤被执行，直到所述最大误差(EMAX)低于预定值。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设备(200、800)，其中
所述DC/DC转换器(610、710)包括第一端子(611)和第二端子(612)，
所述DC/DC转换器(610、710、8101-810N)被配置为将在所述第一端子(611)处提供的第一DC电压转换成在所述第二端子(612)处提供的第二DC电压，反之亦然，
所述DC/DC转换器(610、710、8101-810N)被配置成当被连接到所述多个单元(U1-UN)时，使得所述第一端子(611)被连接到所述多个单元(U1-UN)的正极端子，并且所述第二端子(612)能被连接到所述多个节点(N1-NN-1)中的任何一个。
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