具有公用ac母線的電容性耦合的電池均衡器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明考慮了具有公用AC母線的電容性耦合的電池均衡器。其包括被連接至一組N個(gè)電池的每一個(gè)電池的半橋或全橋，所述電池要么是非固定要么是串聯(lián)連接的。每一個(gè)半橋的中點(diǎn)和全橋的中點(diǎn)通過(guò)耦合電容器被耦合至公用AC母線。
【專利說(shuō)明】具有公用AC母線的電容性耦合的電池均衡器
[0001]參考文獻(xiàn)
[0002]1.Pascual, Cesar and Krein, Phillip.Switched Capacitor system forAutomatic battery Equalization.美國(guó)專利 5, 710, 504,1998 年 I 月 20 日
[0003]2.Schmidt, Heribert.Apparatus for Charge exchange among a plurality ofseries connected Energy accumulators or Energy converters.美國(guó)專利 5，814，970,1998年9月。
[0004]3.Lundquist, David.System and method to facilitate voltage balancing ina mult1-cell battery.美國(guó)專利 6，624，612, 2003 年 9 月。
[0005]4.Marten, Victor.Charge Balancing system.美國(guó)專利 6, 518, 725, 2003 年 2 月11日。
[0006]5.Castelaz, Jim 等,System and method for balancing charge within abattery pack.美國(guó)專利 6，624，612，2010 年 9 月。
[0007]6.Patel, Sanjay 等.Cell Equalizing Circuit.美國(guó)專利 7，061，207, 2006 年 2
月11曰。
【背景技術(shù)】
[0008]有許多用于主動(dòng)平衡串聯(lián)堆疊的電池或超級(jí)電容器的方法。這些方法中存在常被描述為開(kāi)關(guān)電容器平衡的子組。存在兩種眾所周知的使用開(kāi)關(guān)電容器式平衡的方法，其中的第一種是Pascual [I] >Schmidt [2] >Lndquist [3]和其他人所使用的。該方法本質(zhì)上是具有使用一組開(kāi)關(guān)來(lái)可交替地跨接兩個(gè)相鄰的電池的電容器。電荷經(jīng)由電容器被從一個(gè)電池移動(dòng)(shuffle)到相鄰電池。該系統(tǒng)的問(wèn)題在于如果電荷不得不從高電荷狀態(tài)(SOC)電池被轉(zhuǎn)移到低SOC電池，該高SOC電池與低SOC電池被一個(gè)或多個(gè)電池分隔開(kāi)，則電荷不得不通過(guò)它們之間的每個(gè)電池被移動(dòng)。這意味著電荷必須流過(guò)高SOC電池和低SOC電池間的所有電池開(kāi)關(guān)和電容器。對(duì)于電流來(lái)說(shuō)從一個(gè)電池流至下一個(gè)電池，在這兩個(gè)電池間必須有壓差。如果該電流不得不流過(guò)多個(gè)電池，則壓差將被乘以其不得不流過(guò)的電池的數(shù)目。例如，如果獲得兩個(gè)電池間流動(dòng)的IA的電流需要IOOmV,則如果需要IA從堆疊中位置分離隔開(kāi)的10個(gè)電池中流過(guò)，則每個(gè)電池間必須存在IOOmV的電壓降，經(jīng)過(guò)10個(gè)電池給出總計(jì)IV的電壓降。因此在均衡期間，電池兩端的電壓梯度是非理想的。電壓梯度會(huì)出現(xiàn)在高SOC電池和低SOC電池間的電池兩端，實(shí)際上不均衡這兩個(gè)電池間所有電池也不是理想的。電壓梯度可顯著地減小能在像個(gè)較遠(yuǎn)的電池間流動(dòng)的均衡電流的量。此外，每一次能量從一個(gè)電池移動(dòng)到與其相連的電池時(shí)，存在一些能量損耗并且因此通過(guò)所有互連電池的移動(dòng)電荷增大了增量損耗。然而，該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是開(kāi)關(guān)僅需要被額定在電池電壓并且僅開(kāi)關(guān)跨在其兩端的一個(gè)電池的電壓。
[0009]開(kāi)關(guān)電容器均衡的第二種方法試圖解決這些限制中的一些并被Marten [4]、Castelaz [5]和其他人所使用。該方法本質(zhì)上是使單個(gè)電容器能夠利用一排開(kāi)關(guān)而被附加至任意電池。例如，電容器可先被附加至高SOC電池并且隨后被直接附加至低SOC電池。該系統(tǒng)的缺陷是開(kāi)關(guān)必須被額定在整個(gè)電池組的電壓。此外，該系統(tǒng)將引起非常高的開(kāi)關(guān)損耗，因?yàn)樵陂_(kāi)關(guān)兩端存在平均非常高的電壓，例如在對(duì)頂電池和底電池進(jìn)行均衡的情況下，開(kāi)關(guān)將開(kāi)關(guān)跨在它們兩端的整個(gè)組的電壓。如果電容器被循環(huán)地連接至所有電容器之間，其均衡率顯著低于第一種開(kāi)關(guān)電容器方法(大約1/n，其中η=電池?cái)?shù)量，小于第一種方法)。通過(guò)做出關(guān)于哪個(gè)電池連接至電容器的智能決策能明顯提高均衡速度，但需要電池電壓監(jiān)測(cè)和計(jì)算能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明包括被連接至一組N個(gè)電池中的每一個(gè)電池的半橋或全橋，N個(gè)電池要么是非固定的(floating)要么是串聯(lián)連接的。然后，每個(gè)半橋的中點(diǎn)和全橋的中點(diǎn)每一個(gè)都通過(guò)耦合電容器被耦合至公用AC母線。
[0011]半橋具有從其中點(diǎn)至公用AC母線的第一導(dǎo)電軌的耦合電容器并且需要從每個(gè)電池的負(fù)極連接至公用AC母線的第二導(dǎo)電軌的返回電容器。被連接至每個(gè)電池的每個(gè)半橋的所有高側(cè)開(kāi)關(guān)應(yīng)該通過(guò)公用高側(cè)控制信號(hào)同步地接通和關(guān)閉。被連接至每個(gè)電池的每個(gè)半橋的所有低側(cè)開(kāi)關(guān)應(yīng)該通過(guò)公用低側(cè)控制信號(hào)同步地接通和關(guān)閉。高側(cè)控制信號(hào)和低側(cè)控制信號(hào)應(yīng)該是彼此反相的并具有大約50%的占空比。
[0012]全橋具有兩個(gè)中間點(diǎn)，兩個(gè)中間點(diǎn)通過(guò)兩個(gè)耦合電容器被耦合至公用AC母線的兩個(gè)導(dǎo)電軌。每個(gè)全橋的第一橋臂(leg)的所有高側(cè)開(kāi)關(guān)和每個(gè)全橋的第二橋臂的所有低側(cè)開(kāi)關(guān)應(yīng)該通過(guò)公用橋臂一控制信號(hào)同步地接通和關(guān)閉。每個(gè)全橋的第一橋臂的所有低側(cè)開(kāi)關(guān)和每個(gè)全橋的第二橋臂的所有高側(cè)開(kāi)關(guān)應(yīng)該通過(guò)公用橋臂二控制信號(hào)同步地接通和關(guān)閉。橋臂一控制信號(hào)和橋臂二控制信號(hào)應(yīng)該是彼此反相的并具有大約50%的占空比。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]現(xiàn)在將參考隨附的附圖僅以示例的方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述:
[0014]圖1.具有返回電容器的每個(gè)電池的半橋
[0015]圖2.半橋的電流波形
[0016]圖3.沒(méi)有返回電容器的半橋每個(gè)電池
[0017]圖4.全橋每個(gè)電池
[0018]圖5.全橋的電流波形
[0019]圖6.等價(jià)均衡電路
[0020]圖7.實(shí)踐布局配置
【具體實(shí)施方式】
[0021]半橋每個(gè)電池
[0022]圖1所示的電路具有被連接在每個(gè)電池兩端的半橋中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)。對(duì)于電池I這些開(kāi)關(guān)被標(biāo)記為S-1ow-1和S-high-Ι,同樣的對(duì)于電池N被標(biāo)記為S-1ow-N和S_high_N。低側(cè)開(kāi)關(guān)S-1ow- (I至N)都應(yīng)該通過(guò)低側(cè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)在同一時(shí)間被同步地接通和關(guān)閉。高側(cè)開(kāi)關(guān)S-high-(l至N)都應(yīng)該通過(guò)高側(cè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)在同一時(shí)間被同步地接通和關(guān)閉。高側(cè)開(kāi)關(guān)和低側(cè)開(kāi)關(guān)應(yīng)該以反相并具有大約50%占空比的方式被接通和關(guān)閉，即低側(cè)開(kāi)關(guān)應(yīng)該被接通并持續(xù)大約50%的時(shí)間，同時(shí)高側(cè)開(kāi)關(guān)關(guān)閉，反之亦然。占空比不必恰好是50%，但與該值大的偏差將降低電路性能。實(shí)際中為減小交叉?zhèn)鲗?dǎo)損耗，當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)閉時(shí)，在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)變期間也可能有較小停滯時(shí)間。開(kāi)關(guān)以被稱為開(kāi)關(guān)頻率的速率被接通和關(guān)閉。
[0023]通過(guò)認(rèn)識(shí)到開(kāi)關(guān)半橋可有效地將電池DC電壓轉(zhuǎn)換為具有與電池DC電壓相同的峰峰幅度的方波AC電壓將能了解電路操作。AC電壓與其他電池所產(chǎn)生的所有其他AC電壓也是同步的。經(jīng)由I禹合電容器(C-mid-cell-x)和C-bot-cell-x (針對(duì)電池x), AC電壓然后被稱合至包括Common-AC-bus-mid和Common-AC-bus-bot的公用AC母線。AC的峰峰母線電壓將采用約等于連接至AC母線的所有電池的平均DC電壓的值。半橋用于將DC轉(zhuǎn)化為AC，但是如果AC的波形與其自身開(kāi)關(guān)周期同步，半橋也會(huì)在其中點(diǎn)將AC轉(zhuǎn)化回DC。因?yàn)樗须姵氐陌霕蚴峭介_(kāi)關(guān)的，AC電壓將是同步的并且半橋?qū)⒅С至魅霃墓肁C母線或從公用AC母線流出的雙向電流。如果電池的DC電壓高于/低于電池的平均值，則其AC電壓也將高于/低于AC母線電壓。因此電流將從較高電池流出或流入公用AC母線或者從公用AC母線流出而流入較低電池。
[0024]該電路的操作的優(yōu)勢(shì)是:
[0025]1.電流直接經(jīng)由公用AC母線從較高電池流至較低電池，而不需流經(jīng)它們之間互聯(lián)的電池中的任意電池。
[0026]2.如果僅有一個(gè)電池高于剩余電池，則電流將從該電池流出而流入AC母線，并且隨后在剩余電池間均勻分配，使等量的電流流入剩余電池中的每一者。
[0027]3.如果僅有一個(gè)電池低于剩余電池，則等量的電流將均勻地流出其他所有較高電池并流入AC母線，并且隨后這些電流將合并都流入該較低電池。
[0028]4.如果電池是均衡的，則沒(méi)有電流流入或流出該電池。
[0029]5.如果所有電池都是均衡的，則沒(méi)有電流在均衡電路中流動(dòng)，或者電池中沒(méi)有任何電流。
[0030]該系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是半橋或全橋配置中的開(kāi)關(guān)僅需要額定在電池電壓。開(kāi)關(guān)也僅開(kāi)關(guān)跨在其兩端的一個(gè)電池的電壓，這有助于最小化開(kāi)關(guān)損耗和EMI。
[0031]圖1中所示的電池間的Rseries電阻主要是電池與電池的互連電阻。如果我們假設(shè)Rseries遠(yuǎn)大于返回稱合電容器C-bot-cell (I至N)的阻抗,則無(wú)論電池是非固定的或者電池通過(guò)大互聯(lián)阻抗被串聯(lián)連接，電路操作將是相同的。
[0032]也可通過(guò)認(rèn)識(shí)到任意兩個(gè)電池間流動(dòng)的電流將是它們之間的電壓差的線性函數(shù)來(lái)了解電路的操作。因此我們能將兩個(gè)電池間的電流流動(dòng)建立為它們具有其負(fù)極被連接在一起并且正極間有電阻。該電阻被稱為有效均衡電阻。如果相同的電路被建立在所有電池間，則完整的結(jié)果電路在圖6中示出并且被稱為等效均衡電路。有效均衡電阻在圖6中被示為Rwy對(duì)于半橋每個(gè)電池的電路，該電阻的最小值可能是為了對(duì)電池充電電流不得不流過(guò)的所有阻抗的和。從圖1中能看出電流先要流過(guò)C-mid-x、S-high-x和C_bot_x以對(duì)電池X充電，并且隨后等量的電荷必須經(jīng)過(guò)C-bot-x、S-low-x和C-mid-x流回。因此給所有這些的和
[0033][ jXc (C-mid-χ) +Ron(S-high_x) +jXc (C-bot-x) +jXc (C-bot-χ) +Ron (S-low-χ) +jXc (C-mid-χ)]
[0034]其中X。是開(kāi)關(guān)頻率為f時(shí)電容器的阻抗。(這是簡(jiǎn)化形式，是在基本的方波開(kāi)關(guān)波形是的僅僅電容器的阻抗)。如果我們假設(shè)高側(cè)和低側(cè)開(kāi)關(guān)的阻抗都等于Rm并且C-mid和C-bot都等于Crauple，則其歸納如下:
[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種用于對(duì)3個(gè)或更多的電池或電容器進(jìn)行均衡的方法和電路，所述電池或所述電容器是非固定或串聯(lián)連接的，該方法和電路包括: 串聯(lián)連接或非固定的N個(gè)電池； 包括第一導(dǎo)電軌和第二導(dǎo)電軌的公用AC母線； 連接至所述第一電池的正極和負(fù)極的第一半橋，該第一半橋包括第一高側(cè)開(kāi)關(guān)和第一低側(cè)開(kāi)關(guān)； 第一耦合電容器，所述第一耦合電容器的第一端連接至所述第一半橋的中點(diǎn)并且所述第一耦合電容器的第二端連接至所述公用AC母線的所述第一導(dǎo)電軌； 第一返回耦合電容器，所述第一返回耦合電容器的第一端連接至所述第一電池的所述負(fù)極并且所述第一返回耦合電容器的第二端連接至所述公用AC母線的所述第二導(dǎo)電軌；所述第一半橋、第一低側(cè)開(kāi)關(guān)、第一高側(cè)開(kāi)關(guān)、第一稱合電容器和第一返回電容器針對(duì)所述N個(gè)電池中的每一個(gè)電池被重復(fù)了 N次，并且都以如針對(duì)所述第一電池所描述的相同方式被連接在每一個(gè)單獨(dú)電池兩端； 所有所述I至N耦合電容器的第二端被連接至所述公用AC母線的所述第一導(dǎo)電軌； 所有所述I至N返回耦合電容器的第二端被連接至所述公用AC母線的所述第二導(dǎo)電軌； 所有所述I至N低側(cè)開(kāi)關(guān)通過(guò)公用低側(cè)控制信號(hào)被同步地驅(qū)動(dòng)來(lái)接通和關(guān)閉； 所有所述I至N高側(cè)開(kāi)關(guān)通過(guò)公用高側(cè)控制信號(hào)被同步地驅(qū)動(dòng)來(lái)接通和關(guān)閉； 所述高側(cè)控制信號(hào)和所述低側(cè)控制信號(hào)是彼此反相的并具有大約50%的占空比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，但不使用所述(I至N)返回耦合電容器并且不使用所述公用AC母線的所述第二導(dǎo)電軌。
3.一種用于對(duì)串聯(lián)連接或非固定的兩個(gè)或更多電池或電容器進(jìn)行均衡的方法和電路，該方法和電路包括: 串聯(lián)連接或非固定的N個(gè)電池； 包括第一導(dǎo)電軌和第二導(dǎo)電軌的公用AC母線； 連接至所述第一電池的正極和負(fù)極的第一半橋； 也連接至所述第一電池的正極和負(fù)極的第二半橋； 所述第一半橋和所述第二半橋共同包括連接在所述第一電池兩端的全橋； 所述第一半橋包括橋一高側(cè)開(kāi)關(guān)和橋一低側(cè)開(kāi)關(guān)； 所述第二半橋包括橋二高側(cè)開(kāi)關(guān)和橋二低側(cè)開(kāi)關(guān)； 第一橋一耦合電容器，該第一橋一耦合電容器的第一端連接至所述第一半橋的中點(diǎn)并且所述第一橋一耦合電容器的第二端連接至所述公用AC母線的所述第一導(dǎo)電軌； 第一橋二耦合電容器，該第一橋二耦合電容器的第一端連接至所述第二半橋的中點(diǎn)并且所述第一橋二耦合電容器的第二端連接至所述公用AC母線的所述第二導(dǎo)電軌； 所述第一半橋、第一橋一低側(cè)開(kāi)關(guān)、第一橋一高側(cè)開(kāi)關(guān)和第一橋一耦合電容器針對(duì)N個(gè)電池被重復(fù)N次，并且都以如針對(duì)所述第一電池所描述的相同方式被連接在每一個(gè)單獨(dú)電池兩立而； 所有所述I至N橋一耦合電容器的第二端被連接至所述公用AC母線的所述第一導(dǎo)電軌；所述第二半橋、第一橋二低側(cè)開(kāi)關(guān)、第一橋二高側(cè)開(kāi)關(guān)和第一橋二稱合電容器針對(duì)N個(gè)電池被重復(fù)N次，并且都以如針對(duì)所述第一電池所描述的相同方式被連接在每一個(gè)單獨(dú)電池兩立而； 所有所述I至N橋二耦合電容器的第二端被連接至所述公用AC母線的所述第二導(dǎo)電軌； 所有所述I至N橋一低側(cè)開(kāi)關(guān)通過(guò)公用橋一低側(cè)控制信號(hào)被同步地驅(qū)動(dòng)來(lái)接通和關(guān)閉； 所有所述I至N橋一高側(cè)開(kāi)關(guān)通過(guò)公用橋一高側(cè)控制信號(hào)被同步地驅(qū)動(dòng)來(lái)接通和關(guān)閉； 所有所述I至N橋二低側(cè)開(kāi)關(guān)通過(guò)公用橋二低側(cè)控制信號(hào)被同步地驅(qū)動(dòng)來(lái)接通和關(guān)閉； 所有所述I至N橋二高側(cè)開(kāi)關(guān)通過(guò)公用橋二高側(cè)控制信號(hào)被同步地驅(qū)動(dòng)來(lái)接通和關(guān)閉； 所述橋一低側(cè)控制信號(hào)和所述橋一高側(cè)控制信號(hào)是反相的并具有大約50%的占空比； 所述橋二低側(cè)控制信號(hào)和所述橋二高側(cè)控制信號(hào)是反相的并具有大約50%的占空比 所述橋一低側(cè)控制信號(hào)和所述橋二高側(cè)控制信號(hào)是同相的并且同步地開(kāi)關(guān)； 所述橋一高側(cè)控制信號(hào)和所述橋二低側(cè)控制信號(hào)是同相的并且同步地開(kāi)關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的電路，其中每一個(gè)電池的半橋或全橋被以所述半橋或全橋以近似于圍繞中央星點(diǎn)的圓形形式被構(gòu)建，具有近似相等的角度間隔， 每個(gè)電池具有對(duì)于一個(gè)或兩個(gè)AC母線的其自己各自的路徑，該路徑朝向圓形排列的中心行進(jìn)； 所有所述單個(gè)電池的第一 AC母線路徑在公用星點(diǎn)處被連接在一起，所述公用星點(diǎn)在所述圓形排列的中心； 所有所述單個(gè)電池的第二 AC母線路徑在公用星點(diǎn)處被連接在一起，所述公用星點(diǎn)在圓形排列的中心，空間上在所述第一 AC母線星點(diǎn)之上或之下。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其中單個(gè)電感器在所述耦合電容器的公用側(cè)被連接在所述兩個(gè)AC母線之間。
【文檔編號(hào)】G01R31/36GK103733466SQ201280029585
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月15日
【發(fā)明者】I·D·德弗里斯 申請(qǐng)人:拜倫賽有限公司, I·D·德弗里斯