专利名称：用于管理电池内存储的电能的管理单元和方法
技术领域：
本发明涉及用于管理在包括多个串联电池单元的电池内存储的电能的管理单元和方法。本发明尤其有利于在混合动力车驱动电池内使用，下文对其举例描述。
背景技术：
汽车驱动电池(或‘电池组’)包括多个电化学电池单元，其用于将累积的化学能转换成电能，并被串行连接以累积各个电池单元的电压。换句话说，将电池单元串联至电池端子产生足够高的电压以便电池提供相当高的电能，同时依然保持可接受的电流强度。例如，典型的混合动力车驱动电池在其端子上具有400伏特的额定电压，包括一百个串联电池单元，分别具有4伏特的额定电压。因为在电池单元组件的制造容限和偏差中不可避免的差别，电池单元容量(即可提供的电荷总量，通常用安培小时表示)差别很大，在当前市场销售的电池内大约额定值的士 10%。因为电池单元被串行连接，电池(即作为整体的串联电池单元)的容量限制于最低容量(即具有最低容量的电池单元的容量)。换句话说，仅性能最差的电池单元被充分使用。在包括百个串联电池单元的当前市场销售的电池内，这意味着仅一个被充分使用，其余九十九个或多或少地使用不足。为了充分使用全部的电池单元，已经提出了电能管理(或者所谓的均衡)单元在电池操作过程中在电池单元之间传输电能。例如，当电池放电时，电能管理单元将电能自性能较佳(即较高容量)电池单元传输至性能较差(即较低容量)电池单元，以便充分使用全部的电池单元。但是，当前市场销售的电能管理(或均衡)单元复杂、笨重且昂贵，而且在能量方面效率不高。W02007145463A1描述了一种用于管理在包括多个串联电池单元的电池内存储的电能的管理单元，并包括主均衡单元，其构成变压器的初级部分并具有交流电发生器；和对每个电池单元而言，次级均衡单元其构成变压器的次级部分，因而被磁耦合至主均衡单元，被并行连接至电池单元，具有仅在一个方向内向电池单元施加电流的单向电子设备，并被连接至驱动设备，该驱动设备可被启用以使由次级均衡电路施加给电池单元的电压归零。提供主均衡电路的电发生器使用电池电压，包括CSW再分配晶体管，其开启或关闭以使能或禁止自较高至较低充电的电池单元的能量传输。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于管理在包括多个串联电池单元的电池内存储的电能的管理单元和方法，设计以消除上述缺点，并且便宜和易于实现。根据本发明，提供一种用于在包括多个串联电池单元的电池内存储的电能的管理单元，该管理单元包括
主均衡单元，其构成变压器的初级部分，并具有交流电发生器；和对该电池O)的每个电池单元C3)而言，次级均衡单元(7)其构成变压器(7)的次级部分，因而被磁耦合至主均衡单元，被并行连接至电池单元，具有仅在一个方向内向电池单元施加电流的单向电子设备，并被连接至驱动设备，该驱动设备可被启用以归零由次级均衡电路施加给电池单元的电压。该管理单元的特征在于该交流电发生器是恒定交流电发生器，其由电池供电和通过主均衡电路馈送恒定强度的交流电。根据本发明，还提供一种用于管理在包括多个串联电池单元的电池内存储的电能的管理方法，该方法包括步骤构造主均衡单元，其构成变压器的初级部分，具有由电池供电的恒定交流电发生器，其通过主均衡单元馈送恒定强度的交流电；对该电池的每个电池单元而言，构造次级均衡电路，其构成变压器的次级部分，因而被磁耦合至主均衡单元，被并行连接至电池单元，具有仅在一个方向内向电池单元施加电流的单向电子设备，并被连接至驱动设备，该驱动设备可被启用以归零由次级均衡电路施加给电池单元的电压；利用连接至电池单元的至少一个相应传感器确定每个电池单元的电荷状态；启用相应驱动设备以防止能量自主均衡电路传输至连接至具有非亏空电荷状态的电池单元的每个次级均衡电路和停用相应的驱动设备以将能量自主均衡电路传输至连接至具有亏空电荷状态的电池单元的每个次级均衡电路。
将参考附图举例描述本发明的多个非限制实施例，在附图中图1图示根据本发明的用于管理在包括多个串联电池单元的电池内存储的电能的管理单元的示意图；图2和图3图示图1电能管理单元的两个替代实施例的示意图。
具体实施例方式在图1中的标号1作为整体表示用于管理在包括多个串联电池单元3(在图1中仅图示了若干个)的电池2内存储的电能的管理(或均衡)单元。管理单元1包括主均衡电路4，其构成变压器5的初级部分，并具有由电池2供电的恒定交流电发生器6，其通过主均衡电路4馈送恒定强度的交流电。对于电池2的每个电池单元3，管理单元1包括次级均衡电路7，其构成变压器5的次级部分，因此被磁耦合至主均衡电路4。每个次级均衡电路7被并行连接至电池单元3， 即次级均衡电路7的两个端子连接至相应电池单元3的两个端子，并具有单向电子设备8， 其仅在一个方向内将电流施加给电池单元3。更特别地，每个单向电子设备8将单向电流施加进入电池单元3的正端子，和从电池单元3的负端子流出(即通过电池单元3并在次级均衡电路7内生成的电流仅充电电池单元幻。最后，每个次级均衡电路7连接至驱动设备 9，其可以启动其以归零由次级均衡电路7施加给电池单元3的电压，即防止在次级均衡电路7内生成的电流环行通过电池单元3。每个次级均衡电路7包括铁磁材料的磁环10，其构成变压器5的磁芯，且同时被磁耦合至次级均衡电路7和主均衡电路4。每个次级均衡电路7包括磁耦合至相应磁环10 的单线匝；和主均衡电路4包括磁耦合至全部磁环10的单线匝。换句话说，如图1明确图示的，主均衡电路4通过全部磁环10的中心延伸，没有围绕磁环10的其它线匝；和每个次级均衡电路7通过相应磁环10的中心延伸，没有围绕磁环10的其它线匝。在未图示的替代实施例中，主均衡电路4和/或次级均衡电路7分别包括围绕磁环10的多个线匝。每个变压器5明显具有1. 0的变压系数，即通过主均衡电路4的交流电具有与通过每个次级均衡电路7的交流电相同的强度。在典型的汽车应用中，交流电发生器6生成若干(例如5)安培和频率为100至300kHz的电流。在图1的实施例中，每个驱动设备9包括控制开关11，启动其以短路单向电子设备 8上游方向的相应次级均衡电路7。每个控制开关11可以是电机械的(例如继电器)或完全电子的(例如单个MOSFET晶体管或包括至少一个MOSFET晶体管的更复杂的电子电路)。 当控制开关11被停用(打开)时，相应次级均衡电路7不被短路，因而馈送通过电池单元 3的电流以向其再充电(即提供电能)。也就是，通过由变压器5磁耦合的主均衡电路4在次级均衡电路7内感应的交流电必需流过电池单元3 (明显地，仅当其在单向电子设备8允许的方向内流动时)，因而将其再充电。相反地，当控制开关11被启用(关闭)时，相应的次级均衡电路7被短路，从而不馈送通过电池单元3的电流。也就是，通过由变压器5磁耦合的主均衡电路4在次级均衡电路7内感应的交流电流过控制开关11，对电池单元3没有影响。很重要地指出，当启用(关闭)时，控制开关11在其端子上具有几十毫伏(例如 0.05伏特)的电压降。所以，假设电流发生器6生成5安培的电流，在启用(关闭)控制开关11内的功率损失仅是几十毫瓦(例如0. 05伏特的电压降和5安培电流的0. 025毫瓦)。 不是明显的能量损失源，因此，不需要设计控制开关11以处理大量热量，且对管理单元1的效率没有显著的负面影响。在图2和图3所示的替代实施例中，每个驱动设备9包括控制电路12，其磁耦合至相应次级均衡电路7的磁环10，并具有控制开关11，其被启用以短路控制电路12。驱动设备9的图2和图3的实施例以与图1实施例相同的方式操作，唯一的区别在于在驱动设备9的图1的实施例中，控制开关11直接短路次级均衡电路7 (通过直接连接至次级均衡电路7)，而在驱动设备9的图2和图3的实施例中，控制开关11间接地短路次级均衡电路 7 (通过连接至磁耦合至次级均衡电路7的磁环10的控制电路12)。换句话说，当控制电路11被停用(打开)时，相应次级均衡电路7不被短路，所以通过电池单元3馈送电流以向其重新充电(即提供电能)。也就是，通过由变压器5磁耦合的主均衡电路4感应的交流电可以仅流过相应次级均衡电路7，因此通过电池单元3以向电池单元3重新充电(即向其提供电能)。相反地，当控制开关11被启用(关闭)时，相应次级均衡电路7被短路，从不通过电池单元3馈送电流。也就是，通过由变压器5磁耦合的主均衡电路4在次级均衡电路7内感应的交流电流过控制电路12，不影响电池单元3。在图1和图2的实施例中，由整流桥13(即包括四个四臂连接二极管的惠斯登 (Wheatstone)桥)定义每个单向电子设备8。在图3的实施例中，每个单向电子设备8由一个二极管14定义。与图1和图2的实施例相比，图3的单向电子设备8的实施例具有仅能够向电池单元3提供在次级均衡电路7内感应的半个交流电(即仅‘正’半波和没有‘负’ 半波)的缺点，但是优点在于在设计上更简单(与四个二极管相比仅一个)和仅涉及一半功耗(与两个串联二极管相比，电流仅必需流过一个二极管)。对于电池2的每个电池单元3，管理单元1包括连接至电池单元3以确定其电荷状态的至少一个传感器15。在附图中图示的优选实施例中，每个传感器15是伏特计，被并行连接至相应电池单元3，且测量在电池单元3端子上的电压。使用实验方法可获取的公式和在电池单元3端子上的电压，可以精确地确定电池单元3的电荷。在变型中，温度传感器也确定电池单元3的温度，与在电池单元3的端子上的电压测量值一起用于确定电池单元 3的电荷。管理单元1还包括控制设备16，其控制交流电发生器6和驱动设备9以通过在电池放电时将能量自性能较佳电池单元传输给性能较差电池单元3，和在电池充电时将能量传输给性能较佳电池单元3，从而均衡电池2的电池单元3的容量。为了将能量传输给给定电池单元3，交流电必需流过主均衡电路4，相应驱动设备 9必需被停用(如所陈述的，当启用驱动设备9时，没有能量可以传输至相应电池单元3)。在实际使用中，控制设备16利用连接至电池单元3的相应传感器15确定每个单元3的电荷状态。通常将电池单元3的电荷状态表示为在电池单元3内存储的电荷总量， 其可以是绝对的(即测量的，例如单位是安培小时)或者相对的(例如表示为最大或额定电荷的百分比)。通过比较电池单元3的电荷状态，控制设备16确定哪个电池单元3具有非亏空电荷(non-deficit-charge)状态(即不是远低于平均值)，和哪个具有亏空电荷 (deficit-charge)状态(即远低于平均值)。例如，给定平均电荷状态(计算为全部电池单元3的电荷状态的算术(可能加权)的平均值)，将具有不低于平均值百分之90的电荷状态的任意电池单元3视为非亏空电荷状态电池单元，将具有低于平均值百分之90的电荷状态的任意电池单元3视为亏空电荷状态电池单元。在实际使用中，控制设备16启用相应驱动设备9以防止电能自主均衡电路4传输至每个连接至非亏空电荷状态单元3的次级均衡电路7，和停用相应驱动设备9以将电能自主均衡电路4传输至每个连接至亏空电荷状态电池单元3的次级均衡电路7。通过如此操作，将电能自性能较佳电池单元3 (具有非亏空电荷状态)传输至性能较差电池单元3 (具有亏空电荷状态)。在该连接中，重要地指出，交流电发生器6由电池2供电(即通过全部的串联电池单元3)，由主均衡电路4提供的电能来自电池单元3。重要地指出通过各个次级均衡电路7可传输至电池单元3的电能直接正比于主均衡电路4内的交流电强度。因而，通过调整在主均衡电路4内的交流电强度(即调整交流电发生器6)，可以调整次级均衡电路7的效率。提高在主均衡电路4内交流电的强度增加了通过各个次级均衡电路7可传输至电池单元3的电能，但是也增加了在管理单元1内的功耗。在一种实施例中，可以与电池2的整体状况相关联地调整在主均衡电路4内的交流电强度，因此，在任意情况下，在主均衡电路4内的交流电强度表示在将能量快速传输给性能较差电池单元3的需要和维持低功耗的需要之间的理想折衷。例如，当电池单元3全部被高位充电，所以不需要在它们之间传输能量时，在主均衡电路4内的交流电强度可以是零或者在任意非常低的比率上；反之，当电池单元3未被充分充电，所以需要在它们之间传输大量能量时，在主均衡电路4内的交流电强度必须很高。因此，在主均衡电路4内的交流电强度可以反比于电池单元3的平均电荷状态(电池单元3的平均电荷状态越高，则在主均衡电路4内的交流电强度越低)。 除了非常有效和高效之外，所描述的电能管理单元1也是非常简单、强力和紧凑的。这是因为由磁环10定义的变压器5的磁路的非常简单、紧凑的设计，和与缠绕多圈匝线相比，均衡电路4和7简单延伸通过磁环10的事实。
权利要求
1.一种用于管理在包括多个串联电池单元(3)的电池O)内存储的电能的管理单元 (1)，该管理单元(1)包括主均衡单元G)，其构成变压器(5)的初级部分，并具有交流电发生器(6)；和对该电池O)的每个电池单元C3)而言，次级均衡单元(7)其构成变压器(5)的次级部分，因而被磁耦合至主均衡单元G)，被并行连接至电池单元(3)，具有仅在一个方向内向电池单元C3)施加电流的单向电子设备(8)，并被连接至驱动设备(9)，该驱动设备可被启用以归零由次级均衡电路(7)施加给电池单元(3)的电压；该管理单元(1)的特征在于该交流电发生器(6)是恒定交流电发生器，其由电池(2) 供电和通过主均衡电路(4)馈送恒定强度的交流电。
2.如权利要求1要求保护的管理单元(1)，和包括对电池O)的每个电池单元C3)而言，连接至电池单元(3)以确定该电池单元(3)的电荷状态的至少一个传感器(1 ；和控制设备(16)，其启用相应驱动设备(9)以防止能量自主均衡电路向连接至非亏空电荷状态电池单元(3)的每个次级均衡电路(7)的传输，和停用相应驱动设备(9)以将能量自主均衡电路(4)传输至连接至亏空电荷状态单元3的每个次级均衡电路(7)。
3.如权利要求1要求保护的管理单元(1)，其中每个次级均衡电路(7)包括磁环(10)， 其构成变压器(5)的磁芯，被磁耦合至次级均衡电路(7)和主均衡电路0)。
4.如权利要求3要求保护的管理单元(1)，其中每个次级均衡电路(7)包括磁耦合至相应磁环(10)的单匝线；和主均衡电路(4)包括磁耦合至全部磁环(10)的单匝线。
5.如权利要求1至4之一要求保护的管理单元(1)，其中每个驱动设备(9)包括控制开关(11)，启用其以短路单向电子设备⑶上游方向的相应次级均衡电路(7)。
6.如权利要求1至4之一要求保护的管理单元(1)，其中每个次级均衡电路(7)包括磁环(10)，其构成变压器(5)的磁芯，并被磁耦合至次级均衡电路(7)和主均衡电路⑷；每个驱动设备(9)包括控制电路(12)，其磁耦合至相应次级均衡电路(7)的磁环 (10)，且具有控制开关(11)，启用其以短路该控制电路(12)。
7.如权利要求1至4之一要求保护的管理单元(1)，其中每个单向电子设备(8)由二极管(14)定义。
8.如权利要求1至4之一要求保护的管理单元(1)，其中每个单向电子设备(8)由整流桥(13)定义。
9.如权利要求1至4之一要求保护的管理单元(1)，其中每个单向电子设备(8)仅在一个方向内将电流施加给电池单元(3)，其进入电池单元(3)的正端子和离开电池单元(3) 的负端子。
10.如权利要求1至4之一要求保护的管理单元(1)，其中通过与电池O)的整体状况相关联地调整交流电发生器(6)，控制设备(16)调整在主均衡电路内的交流电强度。
11.一种用于管理在包括多个串联电池单元C3)的电池( 内存储的电能的管理方法， 该方法包括步骤构造主均衡单元G)，其构成变压器(5)的初级部分，具有由电池( 供电的恒定交流电发生器(6)，其通过主均衡电路(4)馈送恒定强度的交流电；对该电池O)的每个电池单元(3)而言，构造次级均衡电路(7)，其构成变压器(5)的次级部分，因而被磁耦合至主均衡单元G)，被并行连接至电池单元(3)，具有仅在一个方向内向电池单元C3)施加电流的单向电子设备(8)，并被连接至驱动设备(9)，该驱动设备可被启用以归零由次级均衡电路⑵施加给电池单元(3)的电压；利用连接至电池单元(3)的至少一个相应传感器(1 确定每个电池单元(3)的电荷状态；启用相应驱动设备(9)以防止能量自主均衡电路(4)传输至连接至具有非亏空电荷状态的电池单元⑶的每个次级均衡电路(7)；和停用相应的驱动设备(9)以将能量自主均衡电路(4)传输至连接至具有亏空电荷状态的电池单元(3)的每个次级均衡电路(7)。
全文摘要
本发明是一种用于管理电池内存储的电能的管理单元和方法。用于管理在由多个串联电池单元(3)构成的电池(2)内存储的电能的管理单元(1)和方法，该管理单元(1)包括主均衡单元(4)，其构成变压器(5)的初级部分，且具有由电池(2)供电的恒定交流电发生器(6)，其通过主均衡电路(4)馈送恒定强度的交流电；和对该电池(2)的每个电池单元(3)而言，次级均衡单元(7)其构成变压器(7)的次级部分，被并行连接至电池单元(3)，具有仅在一个方向内向电池单元(3)施加电流的单向电子设备(8)，并被连接至驱动设备(9)，该驱动设备可被启用以归零由次级均衡电路(7)施加给电池单元(3)的电压。
文档编号H01M10/42GK102222805SQ20111004452
公开日2011年10月19日 申请日期2011年2月24日 优先权日2010年2月24日
发明者佛朗哥·钱波利尼 申请人:马涅蒂-马瑞利公司