用于電池的充電平衡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于包括一組電化學(xué)存儲單元(C1、C2、…、CR)的電池(2)的充電平衡裝置，該裝置包括能夠確保對至少一個單元的多個組合進行充電的充電裝置(R1、…、RS)，其中，對于多個組合中的每個組合，充電裝置被布置成確保對所述組合中的所有單元同時進行充電，多個組合限定了嚴(yán)格大于組合類型之一的數(shù)量N，每個組合類型對應(yīng)于該組合中的m個單元，并且充電裝置被允許以P個功率電平工作，數(shù)量P嚴(yán)格小于組合類型的數(shù)量N。
【專利說明】用于電池的充電平衡
[0001] 本發(fā)明涉及用于電池尤其鋰離子電池的充電平衡。
[0002] 盡管本發(fā)明可以應(yīng)用于汽車工業(yè)，尤其是對于電動車輛和/或混合動力車輛，但 本發(fā)明絕不限于這些應(yīng)用。例如可以設(shè)想本發(fā)明應(yīng)用于車載系統(tǒng)等。
[0003] 電池包括多個電化學(xué)存儲單元或電化學(xué)蓄電池，例如布置成串聯(lián)和/或并聯(lián)的鋰 離子單兀。
[0004] 尋求將每個單元保持在受限電壓范圍內(nèi)，以避免不可逆的降級。例如，在鋰離子電 池的情況下，當(dāng)單元的電壓超過最大閾值時，存在火災(zāi)的風(fēng)險，并且當(dāng)該電壓低于最小閾值 時，存在單元的不可逆降級的風(fēng)險。
[0005] 然而，當(dāng)大量單元被匯集在箱中時，例如用于電動車輛的電池箱中的96個單元 對，單元可能具有略有不同的特性，其中某些特性，例如自動放電電流、充電時的法拉第效 率、最大充電等，會直接影響單元的充電狀態(tài)。因此，當(dāng)電池箱被充電時，可以觀察每個單元 的充電級別的變化。
[0006] 已知的是，分別將每個單元或單元級經(jīng)由開關(guān)并聯(lián)連接到電阻，以在單元過充電 時允許可能的放電。耗散平衡所指的是多余的能量耗散成熱量。
[0007] 還已知的是，管理從充電最多的單元向其他單元的能量轉(zhuǎn)移。這種非耗散的平衡 系統(tǒng)可以是有利的，因為輻射的熱更少，從而能夠避免對于單元和相鄰電子電路的可能損 害。此外，電池放電期間執(zhí)行的這些非耗散的再平衡可以允許使單元的單獨充電的分配最 優(yōu)化，以達到幾乎同時的每個單元的最小充電狀態(tài)。因此，這可以允許更長久地使用電池。
[0008] 已知電池的充電平衡裝置包括轉(zhuǎn)換器，每個轉(zhuǎn)換器能夠一次對僅一個單元進行再 充電。為了不增加轉(zhuǎn)換器的數(shù)量，可以設(shè)置尤其基于晶體管的、待充電或放電的單元選擇系 統(tǒng)，以將轉(zhuǎn)換器的次級連接到所選單元。然而，這些選擇系統(tǒng)會引起額外的損耗。
[0009] 此外，已知同時對多個單元進行充電。已知用于電池的充電平衡裝置包括用于同 時對電池中的多個單元進行再充電的轉(zhuǎn)換器。例如，文獻FR2956260描述了這種裝置。在 該文獻中，轉(zhuǎn)換器用作電壓發(fā)生器，其電平是規(guī)則的以為每個單元提供預(yù)定的平衡電流。其 主要缺陷是，不管待再充電的單元的數(shù)量如何，轉(zhuǎn)換器都以強度恒定的充電電流對單元進 行再充電，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器工作功率電平的數(shù)量與可以同時再充電的單元的數(shù)量相同：第 一電平對應(yīng)于僅1個單元的再充電；第二電平對應(yīng)于一次2個單元的再充電；第三電平對 應(yīng)于一次3個單元的再充電，等等。在大部分情況下，這導(dǎo)致使用的轉(zhuǎn)換器遠離其最佳工作 功率，從而引起較大的能量損耗。另一缺陷是工作在恒定電流不能夠?qū)μ貏e是已經(jīng)放電的 少數(shù)單元進行更快再充電，這會限制平衡系統(tǒng)的性能。
[0010] 因此，存在對性能優(yōu)良的平衡裝置的需求。
[0011] 提出一種用于包括一組電化學(xué)存儲單元的電池的充電平衡裝置，該裝置包括能夠 確保對至少一個單元的多個組合進行再充電的充電裝置。對于至少一個（并且有利地每 個）組合，充電裝置被布置成確保對該組合中的所有單元同時進行再充電。多個組合限定 了N個組合類型，每個組合類型對應(yīng)于該組合中的m個單元，其中N嚴(yán)格大于1。充電裝置 被允許根據(jù)P個功率電平而工作，數(shù)量P嚴(yán)格小于組合類型數(shù)量N。
[0012] 因此，考慮功率電平少于形成的組合（或組）的類型，這可以允許充電裝置相比于 現(xiàn)有技術(shù)而言工作在更接近最佳工作點，在現(xiàn)有技術(shù)中，給每個單元提供預(yù)定電流。
[0013] 實際上，在現(xiàn)有技術(shù)中，由充電裝置提供的功率特別地與要同時供電的單元數(shù)量 相關(guān)聯(lián)，因為每個單元接收預(yù)定電流。通過限制可用的功率電平，可以使用更接近其最佳工 作功率的充電裝置例如轉(zhuǎn)換器，這可以允許限制能量損耗并且提高平衡裝置的性能。
[0014] 有利地，以非限制性的方式，充電裝置包括多個充電模塊，至少一個（并且有利地 每個）充電模塊與在電池的所有單元之中選擇的一組M個單元相對應(yīng)。因此，每個充電模 塊，例如轉(zhuǎn)換器，可以允許對相應(yīng)組的M個單元之中的m個單元組合進行再充電。
[0015] 有利地，數(shù)量P小于或等于M/2的整數(shù)部分，有利地小于或等于M/3的整數(shù)部分。
[0016] 可以設(shè)想限制或不限制同時可再充電的單元的數(shù)量。例如，可以設(shè)想通過3個單 元的充電模塊來限制同時可再充電的單元的數(shù)量。在這種情況下，N等于3,因為考慮三個 組合類型：組中的M個單元之中的單個單元的組合；組中的M個單元之中的兩個單元的組 合以及組中的M個單元之中的三個單元的組合。
[0017] 可替選地，可以設(shè)想充電模塊能夠?qū)?至M個單元同時進行再充電。在這種情況 下，N等于M，因為考慮M個組合類型。第一組合類型與組中的M個單元之中的單個單元的 選擇相對應(yīng)，第二組合類型與M個單元之中的量個單元的選擇相對應(yīng)，等等。第M個組合類 型對應(yīng)于組中的所有M個單元。
[0018] 有利地，以非限制性的方式，充電裝置可以被布置成使得與這些充電裝置相對應(yīng) 的單元組中的每個單元能夠獨立于該組中的其他單元而被充電。換句話說，單元能夠被單 獨選擇。
[0019] 在一個實施方式中，功率電平數(shù)目P等于1。因此，不管要同時再充電的單元數(shù)量 如何，充電裝置都以單個功率電平工作。此外，該實施方式可以是有利的，因為當(dāng)單元組中 的單個單元具有更低的充電電平時，該單元被相對快速地再充電，因為轉(zhuǎn)換器以相對大的 電流執(zhí)行再充電，使得該單元在相對有限的時期內(nèi)被證明是限制性的。
[0020] 在另一實施方式中，可以提供多個功率電平，例如兩個、三個或四個功率電平。尤 其在為了充電選擇的單元數(shù)量相對少時，這使得能夠限制充電電流。因此，在該實施方式 中，布線和線路可以相對簡單，因為充電電流受到限制。
[0021] 例如，可以提供三個功率電平：
[0022] _與單個單元的充電相對應(yīng)的16瓦特的功率電平。由于單元電壓接近于4V，因此 16瓦特的功率電平對應(yīng)于接近4A的充電電流。
[0023] -32瓦特的功率電平對應(yīng)于兩個單元的同時充電，這還對應(yīng)于約4A的充電電流。
[0024] -48瓦特的功率電平對應(yīng)于三個或更多個單元的同時充電。
[0025] 在轉(zhuǎn)換器確保三個單元正確充電的情況下，每個單元基本上接收4A的電流。如果 轉(zhuǎn)換器必須確保四個單元的充電，則分配給每個單元的電流將接近3A。對于六個單元的同 時充電，與一個單元相對應(yīng)的電流接近2A。因此，當(dāng)單元數(shù)量增加時，與一個單元相對應(yīng)的 電流減小。然而，該減小是相對的。
[0026] 本發(fā)明不受充電裝置形式的限制，盡管有利地，充電裝置可以包括能夠轉(zhuǎn)換接收 的能量的轉(zhuǎn)換器。例如可以設(shè)想集成了專用于平衡的附加電池以及用于將附加電池連接到 待平衡的電池中的單元的連接裝置的充電裝置。
[0027] 本發(fā)明不再受限于由轉(zhuǎn)換器接收的能源。
[0028] 有利地，以非限制性的方式，可以設(shè)想將充當(dāng)裝置例如轉(zhuǎn)換器連接到比由待平衡 的電池遞送的電壓更低的電壓網(wǎng)絡(luò)。
[0029] 有利地，以非限制性的方式，具有更低電壓的這個網(wǎng)絡(luò)可以由待平衡的電池供電。
[0030] 在機動車輛的情況下，14V網(wǎng)絡(luò)本身由待平衡的電池供電的高電壓網(wǎng)絡(luò)來供電。因 此，間接地從電池中的所有單元上提取能量。此外，14V網(wǎng)絡(luò)的選擇是有利的，因為由轉(zhuǎn)換器 接收的能量具有相對小的電壓，這可以限制線路和轉(zhuǎn)換器的設(shè)計約束。
[0031] 在另一實施方式中，可以設(shè)想將轉(zhuǎn)換器的輸入連接到待平衡的電池中的至少一些 單元，以直接接收來自這些單元的能量，例如電池中的一組單元或所有單元。在第一種情況 下，可以避免轉(zhuǎn)換器輸入處的電流和電壓過高。在第二種情況下，與平衡相關(guān)聯(lián)的放電不明 顯，因為放電分布在所有單元上。
[0032] 所有單元可以包括例如一百個左右的單元數(shù)量。一組單元可以包括比所有單元的 單元數(shù)量更少的單元數(shù)量，例如十個左右的單元數(shù)量。
[0033] 有利地，以非限制性的方式，充電裝置可以包括用于將轉(zhuǎn)換器可逆地連接到一組 單元組中的單元的多個開關(guān)。
[0034] 有利地，以非限制性的方式，充電裝置可以包括能夠生成用于控制開關(guān)的信號的 處理裝置。這種處理裝置可以被布置成根據(jù)其當(dāng)前充電電平來執(zhí)行待再充電的單元的檢測 并且引導(dǎo)充電裝置以選擇這些待再充電的單元。
[0035] 有利地，以非限制性的方式，這些處理裝置可以被布置成根據(jù)待供電的單元數(shù)量 來確定轉(zhuǎn)換器工作的功率電平。
[0036] 在一個實施方式中，充電裝置可以包括連接到換流器的主線圈以及針對與這些充 電裝置相對應(yīng)的一組單元中的每個單元而包括次級線圈和整流器。
[0037] 有利地，以非限制性的方式，處理裝置可以通過控制充電電流來控制換流器和/ 或整流器，以將轉(zhuǎn)換器置于在嚴(yán)格小于組合類型數(shù)量N的功率電平數(shù)目P之中選出的接收 功率電平。
[0038] 本發(fā)明不受轉(zhuǎn)換器形式的限制。例如可以提供斷路器、電荷泵轉(zhuǎn)換器等。
[0039] 此外，提出一種尤其用于機動車輛的供電系統(tǒng)，其包括如上所述的電池和平衡裝 置。
[0040] 在電動車輛和/或混合動力車輛的應(yīng)用范圍中，待平衡的電池可以能夠?qū)囕v的 牽引系統(tǒng)進行供電。
[0041] 此外，提出一種機動車輛，例如電動車輛或混合動力車輛，其包括如上所述的供電 系統(tǒng)。
[0042] 此外，提出一種用于包括一組電化學(xué)存儲單元的電池的充電平衡裝置的管理方 法，該平衡裝置包括能夠?qū)Χ鄠€單元同時進行再充電的充電裝置，該方法包括：
[0043]-在多個組合之中選擇要同時再充電的至少一個單元的組合，所述多個組合限定 了數(shù)量N嚴(yán)格大于組合類型，每個組合類型對應(yīng)于該組合中的m個單元；以及
[0044]-給轉(zhuǎn)換器施加在功率電平數(shù)目P之中選出的功率電平，數(shù)量P嚴(yán)格小于組合類型 的數(shù)量N。
[0045] 該方法可以例如應(yīng)用于上述平衡裝置中或者應(yīng)用于集成在平衡裝置中或與平衡 裝置分開的管理裝置中。
[0046] 該管理裝置可以包括信號的數(shù)字或模擬處理裝置，例如處理器，或者集成在該處 理裝置中。
[0047] 該管理裝置尤其可以引導(dǎo)：
[0048]-充電裝置的充電接收元件，例如主線圈，和/或
[0049] _充電裝置的充電發(fā)送元件，例如整流器和/或次級線圈。
[0050] 可以執(zhí)行該引導(dǎo)以在所選單元數(shù)量減少時增加選擇用于充電的每個單元的充電 電流。因此，該方法可以包括如下步驟：根據(jù)待再充電的單元組合中的單元數(shù)量而至少確定 單元的充電電流，使得充電裝置的功率電平是在電平數(shù)目P之中選出的電平，P嚴(yán)格小于組 合類型的數(shù)量N。
[0051] 當(dāng)功率電平的數(shù)目大于一時，該方法可以包括如下步驟：根據(jù)待再充電的單元數(shù) 量來確定功率電平。
[0052] 此外，提出一種管理用于包括一組電化學(xué)存儲單元的電池的充電平衡裝置的裝 置。該平衡裝置包括能夠確保對至少一個單元的多個組合進行再充電的充電裝置，其中，對 于多個組合中的每個組合，充電裝置被布置成確保所述組合中的所有單元的同時再充電， 并且其中，多個組合限定了數(shù)量N嚴(yán)格大于組合類型，每個組合類型對應(yīng)于該組合中的m個 單元。該管理裝置被布置成給充電裝置施加在P個功率電平之中選出的功率電平，數(shù)量P 嚴(yán)格小于組合類型數(shù)量N。
[0053] 有利地，該管理裝置還可以被布置成根據(jù)電池中的單元的充電電平值來選擇待再 充電的一個或更多個單元的組合。
[0054] 參照附圖將更好地理解本發(fā)明，附圖示出了非限制性的實施方式。
[0055] 圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的、用于機動車輛的供電系統(tǒng)的示例；
[0056] 圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的、電池的充電平衡裝置的示例。
[0057] 在各個附圖中可以使用相同的附圖標(biāo)記用于表示相同或相似的元素。
[0058] 參照圖1，高電壓網(wǎng)絡(luò)1由包括一組R個單元Ci、C2、…、CK的高電壓電池2供電。 這個鋰離子電池2尤其能夠給電動機3供電，并且因而能夠確保機動車輛的牽引。電池2 能夠提供例如70伏特至400伏特之間的電壓。
[0059] 此外，車輛包括低電壓網(wǎng)絡(luò)4,該低電壓網(wǎng)絡(luò)4能夠給輔助設(shè)備5、6提供10伏特 至16伏特的電壓，例如14伏特的電壓。這些輔助設(shè)備5、6可以例如包括車輛的助力轉(zhuǎn)向 裝置等。
[0060] 低電壓網(wǎng)絡(luò)4借助于轉(zhuǎn)換器DC/DC7連接到高電壓網(wǎng)絡(luò)1。為了確保低電壓網(wǎng)絡(luò) 4的低電壓電池8例如鉛酸電池的充電，借助轉(zhuǎn)換器7從高電壓電池2提取能量。
[0061] 當(dāng)對低電壓電池8進行再充電時，高電壓電池2中串聯(lián)連接的所有單元(^、(：2、…、 (^遭受相同的充電變化。
[0062] 此外，系統(tǒng)包括數(shù)量S的轉(zhuǎn)換器&、…、Rs。每個轉(zhuǎn)換器&、…、Rs能夠?qū)εc該轉(zhuǎn) 換器相對應(yīng)的一組M個單元之中的單元進行再充電。在電池2的R個單元之中選擇該組M 個單元，例如12個單元。
[0063] 例如，電池2包括96個單元CpQ、…、CK。這96個單元分別分成8組12個單元。 在該示例中，轉(zhuǎn)換器的數(shù)量S因而等于8,并且單元的數(shù)量R等于96。每組的單元數(shù)量M是 12〇
[0064] 在該實施方式中，S個轉(zhuǎn)換器札、…、Rs經(jīng)由各自的主線圈連接到14V的網(wǎng)絡(luò)4， 并且能夠?qū)⒛芰糠謩e轉(zhuǎn)移至M個單元之中的一個或多個單元，這些轉(zhuǎn)換器通過其次級線圈 而連接到所述一個或更多個單元。
[0065] 因此，這S個轉(zhuǎn)換器在低電壓網(wǎng)絡(luò)4上提取能量，該低電壓網(wǎng)絡(luò)本身由高電壓電 池2供電。換句話說，這些轉(zhuǎn)換器凡、…、Rs間接使用高電壓電池2中的所有R個單元Q、 C2、…、CK上所提取的能量。
[0066] 因此，所提取的能量分布在所有這些R個單元上，這可以允許避免各組的充電不 平衡。
[0067]此外，轉(zhuǎn)換器&、…、馬的主側(cè)電壓僅是14伏特，這些轉(zhuǎn)換器&、…、馬可以是相 對簡單的設(shè)計并且適配于低電壓。
[0068] 圖2更詳細地示出了轉(zhuǎn)換器Rs的示例。在該示例中，為了清楚起見，轉(zhuǎn)換器Rs僅 連接到4個單元CS1、CS2、CS3、CS4，但是應(yīng)當(dāng)理解，單元的數(shù)量可以不是4個，尤其可以是12 個。
[0069] 轉(zhuǎn)換器Rs包括借助于換流器11連接到14V網(wǎng)絡(luò)4的主線圈10。
[0070] 此外，轉(zhuǎn)換器Rs具有與可連接轉(zhuǎn)換器Rs的單元CS1、CS2、CS3、CS4相同數(shù)量的次級線 圈ES1、…、ES4。因此，與一組M個單元相對應(yīng)的轉(zhuǎn)換器馬包括M個次級線圈。
[0071] 除了與該單元相對應(yīng)的次級線圈之外，對于轉(zhuǎn)換器Rs連接的M個單元中的每一 個，轉(zhuǎn)換器馬包括開關(guān)IS1、…、Is4。
[0072] 在圖2上，開關(guān)IS1、…、IS4顯示在與轉(zhuǎn)換器馬相對應(yīng)的箱體的外部，但是應(yīng)當(dāng)理 解，有利地，這些開關(guān)可以集成在該箱體的內(nèi)部。
[0073] 每個開關(guān)IS1、…、134被布置成使得能夠建立相應(yīng)單元和相應(yīng)次級線圈之間的連 接。每個開關(guān)Isi、…、通過處理裝置12例如電子控制單元EOJ(ElectronicControl Unit)來被電控制。
[0074] 處理裝置12可以包括處理器，例如微控制器、微處理器等，或者集成在處理器中。
[0075] 此外，對于轉(zhuǎn)換器Rs連接的該組M個單元中的每一個，轉(zhuǎn)換器Rs包括整流器 Jsi、…、Js4。
[0076]換流器10和整流器JS1、…、JS4由處理裝置12引導(dǎo)，使得這些處理裝置12控制 由轉(zhuǎn)換器接收的電流強度It()t和單元CS1、CS2、CS3、CS4的充電電流。
[0077] 在實施方式中，每個平衡轉(zhuǎn)換器&、…、馬是單向的。換句話說，這些轉(zhuǎn)換器&、--?、 馬中的每一個使得能夠?qū)⒌碗妷壕W(wǎng)絡(luò)的能量轉(zhuǎn)移至與其連接的一個或更多個單元，但是在 相反方向上禁止能量轉(zhuǎn)移。
[0078] 在該實施方式中，每個轉(zhuǎn)換器&、…、馬工作在恒定功率，這意味著，當(dāng)至少一個單 元被選擇用于再充電時，即接通與該單元相關(guān)聯(lián)的控制開關(guān)，主側(cè)上提取的功率固定在預(yù) 定值匕。因此，通過連接到轉(zhuǎn)換器的次級線圈的每個單元的電流取決于待再充電的單元的 數(shù)量。
[0079] 更確切地說，令n為能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的整體效率，其包括與轉(zhuǎn)換器、控制和線纜相 關(guān)的損耗，可以得出如下關(guān)系式：
【權(quán)利要求】
1. 一種用于包括一組電化學(xué)存儲單元（Ci、C2、…、CK)的電池⑵的充電平衡裝置，所 述裝置包括 能夠確保對至少一個單元的多個組合進行再充電的充電裝置（Ri、…、Rs)， 其中 對于每個組合，所述充電裝置被布置成確保對所述組合中的所有單元同時進行再充 電， 所述多個組合限定了N個組合類型，其中N嚴(yán)格大于1，每個組合類型對應(yīng)于該組合中 的m個單元，以及 所述充電裝置被允許根據(jù)P個功率電平的數(shù)量P工作，數(shù)量P嚴(yán)格小于組合類型的數(shù) 量N。
2. 如權(quán)利要求1所述的平衡裝置，其中，所述充電裝置的功率電平的數(shù)量P等于一。
3. 如權(quán)利要求1所述的平衡裝置，其中，所述充電裝置的功率電平的數(shù)量P嚴(yán)格大于 1〇
4. 如權(quán)利要求1至3之一所述的平衡裝置，其中，所述充電裝置包括至少一個轉(zhuǎn)換器 (札、…、Rs)。
5. 如權(quán)利要求4所述的平衡裝置，其中，所述至少一個轉(zhuǎn)換器（&、…、Rs)被布置成接 收比由所述電池（2)遞送的電壓更低的電壓網(wǎng)絡(luò)（4)的能量，所述網(wǎng)絡(luò)由所述電池供電。
6. 如權(quán)利要求4所述的平衡裝置，其中，所述至少一個轉(zhuǎn)換器連接到所述電池中的至 少一些單元，以接收直接來自所述單元的能量。
7. 如權(quán)利要求4至6之一所述的平衡裝置，其中，所述轉(zhuǎn)換器包括： 用于接收能量的主線圈（10); 換流器（11); 用于能夠由所述轉(zhuǎn)換器進行再充電的每個單元（CS1、…、CS4)的次級線圈（ES1、…、Es4)、 開關(guān)（IS1、…、IS4)和整流器（JS1、…、JS4);以及 能夠引導(dǎo)所述開關(guān)、所述換流器和/或所述整流器的處理裝置（12)。
8. -種用于機動車輛的供電系統(tǒng)，包括 能夠?qū)λ鰴C動車輛的牽引系統(tǒng)進行供電的電池（2)，和 如權(quán)利要求1至7之一所述的平衡裝置。
9. 一種機動車輛，包括如權(quán)利要求8所述的供電系統(tǒng)。
10. -種用于包括一組電化學(xué)存儲單元的電池的充電平衡裝置的管理方法，所述平衡 裝置包括能夠?qū)Χ鄠€單元同時進行再充電的充電裝置，所述方法包括： 在多個組合之中選擇要同時再充電的至少一個單元的組合，所述多個組合限定了N個 組合類型，其中N嚴(yán)格大于1，每個組合類型對應(yīng)于該組合中的m個單元；以及 給轉(zhuǎn)換器施加從P個功率電平之中選擇的功率電平，數(shù)量P嚴(yán)格小于組合類型的數(shù)量N〇
【文檔編號】B60L11/18GK104380561SQ201380025504
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月15日
【發(fā)明者】馬克·盧恰, 勞倫特·加尼爾 申請人:雷諾有限公司, 原子能與替代能源委員會