用於平衡蓄電池組電池的裝置及方法
2023-08-22 11:32:21 2
用於平衡蓄電池組電池的裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於平衡電動汽車的一個蓄電池組（1）的多個電池（2a，2b，2c）的裝置，該裝置（3）包括與一個初級開關（5）串聯安排的一個初級繞組（4）；和每個電池一個電路，該電路包括處於串聯的與該初級繞組一起形成一個變壓器的一個次級繞組（6b，6c）、一個次級開關（7b，7c）、一個線圈（8b，8c）、以及與該線圈和該電池並聯安裝的一個二極體（9b，9c）；以及用於控制該初級開關和每個次級開關的控制器件（10）。
【專利說明】用於平衡蓄電池組電池的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力或混合動力牽引汽車車輛，並且更確切地說涉及這些車輛的蓄電池組。
【背景技術】
[0002]電力或混合動力牽引汽車車輛的蓄電池組通常包括串聯布置的多個電池。當一個蓄電池組對一個電動機提供動力時,或當對這個蓄電池組進行充電時,每個電池的端子處的電壓被修改。對每個電池的端子處的電壓的這種修改可以變化,從而導致這些電池之間出現電壓不平衡。這些電壓不平衡對應於這些電池之間的充電狀態(SOC)的不平衡。因此，一些電池可能先於其他電池被完全充電或完全放電，並具有與劣化的危險。一旦至少一個電池被完全充電，該蓄電池組的充電就被停止；一旦至少一個電池被完全放電，該蓄電池組就是放電了的；因此這些不平衡限制了蓄電池組的使用。
[0003]因此，必要的是平衡蓄電池組的每個電池的端子處的電壓或該蓄電池組的每個電池的充電狀態。為此，已提議使得過度充電的電池對多個電阻放電。通過這樣的方法所得到的平衡是在與對一個電動車輛蓄電池組進行充電所花費的時間相比的太長時間之後得到的，並且這種方法具有產生能量損耗的缺點。
[0004]還提議通過將來自過度充電的電池的能量轉移到最少充電的電池來實現一個蓄電池組的電池的主動平衡。
[0005]可以參考美國專利申請US 2008/0272735，該申請描述了反激拓撲開關模式供電電路的使用，其中利用具有多個次級繞組的一個變壓器來平衡這些電池的端子處的電壓。這個解決方案具有的缺點是費用高和發射電磁幹擾，並且所產生來對這些電池進行充電和放電的多種電流可能損害這些電池。
[0006]還可以參考申請WO 2004/049540，該申請描述了一個單一直流-直流(DC-DC)變換器和一個用於電池選擇的半導體開關矩陣的使用。這個開關矩陣具有費用高的缺點。
[0007]最後，在美國專利申請US 2005/00 17682中已提議了為每個電池使用一個直流-直流變換器。這種為每個電池使用一個變換器具有費用高的缺點。
【發明內容】
[0008]本發明的一個目的是通過平衡這些電池的端子處的電壓、或通過平衡它們各自的充電狀態來改進一個蓄電池組的電池的平衡，並且特別是來降低其費用。
[0009]根據一個方面，在此提議了一種用於平衡一個電力牽引汽車車輛的蓄電池組的多個電池的裝置，該裝置包括與一個初級開關串聯布置的一個初級繞組；和每個電池一個電路，該電路包括處於串聯的與該初級繞組一起形成一個變壓器的一個次級繞組、一個次級開關、一個線圈、以及與該線圈和該電池並聯安裝的一個二極體；以及該初級開關和每個次級開關的控制器件。
[0010]以這種方式得到了一種裝置，該裝置利用了用於多個次級繞組的一個單一初級繞組，能夠平衡一個蓄電池組的電池的端子處的電壓、或這些電池的充電狀態。一個具有多個次級繞組的單一變壓器的使用還使得降低該裝置的費用成為可能。
[0011]應注意的是，該裝置使得平衡一個電力牽引汽車車輛的蓄電池組的電池的充電狀態成為可能。
[0012]控制器件被有利地適配成產生旨在用於該初級開關以及用於這些次級開關的多種脈衝寬度調製信號。
[0013]該裝置可以包括一個濾波器電路，該濾波器電路包括一個電容器、一個線圈、以及一個二極體，該濾波器電路旨在串聯布置在該蓄電池組與該初級繞組之間。
[0014]這個濾波器電路使得對耦合到由開關控制器件所產生的信號、特別是這些脈衝寬度調製信號中的諧波進行過濾成為可能。
[0015]該初級開關和這些次級開關有利地是MOSFET。
[0016]可替代地，這些次級開關包括處於反並聯的兩個M0SFET。
[0017]因此，該裝置僅使用小數量的M0SFET，這使得降低該裝置的費用成為可能。
[0018]根據另一個方面，在此提議了一種用於藉助於一種裝置來平衡一個電力牽引汽車車輛的蓄電池組的電池的方法，該裝置包括與一個初級開關串聯布置的一個初級繞組；和每個電池一個電路，該電路包括處於串聯的與該初級繞組一起形成一個變壓器的一個次級繞組、一個次級開關、一個線圈以及與該線圈和該電池並聯安裝的一個二極體，所述方法包括旨在用於該初級開關或用於至少一個次級開關的一種脈衝寬度調製信號的產生。
[0019]這個方法還使得平衡一個電力牽引汽車車輛的蓄電池組的電池的端子處的電壓或其蓄電池組的電池的充電狀態成為可能。
[0020]有利地，產生了旨在用於該初級開關的一種脈衝寬度調製信號並且閉合了有待充電的至少一個電池的次級開關。
[0021 ] 可替代地，產生了旨在用於有待放電的至少一個電池的次級開關的一種脈衝寬度調製信號。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]根據以下通過非限制性實例的方式給出並通過附圖加以說明的描述，本發明的其他優點和特徵將變得明顯，在附圖中:
[0023]-圖1示出了根據本發明的一個實施例的一種裝置，
[0024]-圖2示出了根據本發明的一個第二實施例的一種裝置，其中這些開關是M0SFET，並且
[0025]-圖3示出了根據本發明的一個第三實施例的一種裝置，其中這些次級開關包括兩個 MOSFET。
【具體實施方式】
[0026]在圖1中描繪了電力或混合動力牽引汽車車輛的一個蓄電池組I。
[0027]蓄電池組I常規上包括串聯聯接的多個電池2a、2b、2c，在此數量為三個。當然，蓄電池組I可以包括更多數量的電池，為簡明起見這在此未描繪出。
[0028]將用於平衡這些電池2a、2b、2c的端子處的電壓的一種裝置3連接到這些電池的端子上。還可以利用這個裝置來平衡這些電池的充電狀態，一個電池的充電狀態特別取決於那個電池的電壓。
[0029]平衡裝置3包括與一個初級開關5串聯布置的一個初級繞組4。對於蓄電池組I的每個電池，一個次級繞組與初級繞組4形成了一個變壓器。特別描繪的是電池2b和電池2c的次級繞組6b和次級繞組6c ;在此未描繪的電池2a和其他電池也包括這樣的一個次級繞組、以及下面所描述的電路。
[0030]次級繞組6b和次級繞組6c被布置在一個電路中，該電路還包括與這些次級繞組處於串聯的次級開關7b和次級開關7c、線圈8b和線圈8c、以及最後的電池2b和電池2c。二極體9b和二極體9c被分別與線圈8b和電池2b、以及與線圈8c和電池2c並聯安裝。
[0031]因此，對於每個電池得到了一個拓撲，該拓撲通常稱為正激拓撲，除了使用每個電池共用的一個初級繞組的拓撲之外。
[0032]初級開關5和這些次級開關由控制器件10進行控制。控制器件10能夠產生旨在閉合一個開關的脈衝寬度調製信號或直流信號。
[0033]此外，包括並聯的一個電容器12、一個線圈13、以及一個二極體14的一個濾波器電路11被串聯布置在蓄電池組I的第一電池2a與初級繞組4之間。因此，當產生用於控制這些開關的多種脈衝寬度調製信號時，(例如)由控制器件10所產生的諧波被濾波器電路11所過濾。
[0034]平衡裝置3還可以包括用於測量蓄電池組I的這些電池的端子處的電壓的器件。這些測量器件被例如聯接到控制器件10上，並使得有可能確定這些電池是否為過度充電的或放電的。
[0035]例如，對電池2b的充電包括由控制器件10產生旨在用於初級開關5的一種脈衝寬度調製信號。在這個步驟期間，控制器件10使次級開關7b閉合。當該脈衝寬度調製信號使得初級開關5閉合時，電流穿過次級開關7b通到次級繞組6b。因此線圈Sb被充電。當該脈衝寬度調製信號斷開初級開關5時，儲存在線圈Sb中的能量被轉移到電池2b上，電流流過二極體％。二極體9b是一種通常稱作的飛輪(free-wheel) 二極體。
[0036]當電池2b的端子處的電壓太低時，即當這個電池的電量狀態太低時、並且尤其當其他電池是過度充電的並且可以對這個電池提供電力時，實現了電池2b的充電。
[0037]例如，如果電池2c是過度充電的，那麼對電池2b的充電就伴隨著對電池2c的放電。在這個放電過程中，控制器件10產生一種被饋送到次級開關7c的脈衝寬度調製信號並使得初級開關5閉合。當該脈衝寬度調製信號使得次級開關7c閉合時，儲存在線圈Sc中的能量被轉移到由次級繞組6c和初級繞組4組成的變壓器上。
[0038]以這種方式獲得了有效平衡，這種有效平衡的效率取決於每個電路的這些繞組並且取決於這種脈衝寬度調製。
[0039]此外，一種正激拓撲的使用使得蓄電池組I的這些電池的端子處的電壓獲得快速平衡成為可能。
[0040]在圖2中描繪了本發明的一個第二實施例，其中初級開關4被更換為一個MOSFET15。這些次級開關已被更換為多個M0SFET，例如，一個MOSFET 16b更換開關7b。
[0041]在圖3中描繪了本發明的一個第三實施例，其中MOSFET 16b已被替換為兩個MOSFET 17b和18b。這兩個MOSFET 17b和18b是以反並聯連接。[0042]在這個實施例中，藉助於一個脈衝寬度調製信號控制兩者之一的電晶體使得電流能夠在一個方向或另一個方向上通過，即，對該電池進行充電或放電。這個實施例還使得與其他電池的電壓水平無關地選擇有待充電的電池成為可能，並且改進了這些蓄電池組的端子處的電壓的平衡。
[0043]歸功於本發明，快速地並以低費用獲得了一個蓄電池組的電池的端子處的電壓的
主動平衡。
[0044]最後應注意的是，各種復位模式是與本發明兼容的，特別是通過共振、通過一個附加繞組、或通過一種主動箝位。
【權利要求】
1.一種用於平衡電力牽引汽車車輛的一個蓄電池組(I)的多個電池(2a，2b，2c)的裝置(3),該裝置包括與一個初級開關(5)串聯布置的一個初級繞組(4);和每個電池一個電路，該電路包括處於串聯的與該初級繞組一起形成一個變壓器的一個次級繞組(6b，6c)、一個次級開關(7b，7c)、一個線圈(8b，8c)、以及與該線圈和該電池並聯安裝的一個二極體(9b,9c);以及該初級開關和每個次級開關的控制器件(10)。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於該控制器件(10)被適配成產生旨在用於該初級開關(5)以及用於這些次級開關(7b，7c)的多種脈衝寬度調製信號。
3.如權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於它包括一個濾波器電路(11)，該濾波器電路包括一個電容器(12)、一個線圈(13)、以及一個二極體(14)，該濾波器電路旨在被串聯布置在該蓄電池組(I)與該初級繞組(4)之間。
4.如以上權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於該初級開關(15)和這些次級開關(16b)是MOSFET。
5.如權利要求4所述的裝置，其特徵在於這些次級開關包括處於反並聯的兩個MOSFET(17b,18b)。
6.用於藉助於一個裝置(3)來平衡一種電力牽引汽車車輛的一個蓄電池組(I)的多個電池(2a, 2b, 2c)的一種方法,該裝置包括與一個初級開關(5)串聯布置的一個初級繞組(4);和每個電池一個電路，該電路包括處於串聯的與該初級繞組一起形成一個變壓器的一個次級繞組(6b, 6c)、一個次級開關(7b, 7c)、一個線圈(8b, 8c)、以及與該線圈和該電池並聯安裝的一個二極體(9b，9c)，所述方法包括旨在用於該初級開關或用於至少一個次級開關的一種脈衝寬度調製信號的產生。
7.如權利要求6所述的方法，其中產生了旨在用於該初級開關(5)的一種脈衝寬度調製信號，並且閉合了有待充電的至少一個電池的該次級開關(7b，7c)。
8.如權利要求6或7所述的方法，其中產生了旨在用於有待放電的至少一個電池的該次級開關(7b，7c)的一種脈衝寬度調製信號，並且閉合了該初級開關(5)。
【文檔編號】H02J7/00GK103597701SQ201280028474
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年4月11日 優先權日:2011年4月11日
【發明者】M·阿姆齊亞尼, J·烏伊維 申請人:雷諾股份公司