专利名称：平衡储能设备的系统和方法
技术领域：
本发明涉及此类用于平衡串联的双电层电容器、锂电容器、电化学电池装置和电池组、以及锂电池装置如锂-聚合物和锂-离子电池装置的系统或方法的用途。
背景技术：
本发明涉及一种用于对储能装置进行平衡的方法和系统，更具体涉及串联储能装置。进一步地，本发明涉及一种组件，该组件包括串联储能装置和这样的平衡系统。另外， 本发明涉及此类用于平衡串联的双电层电容器、锂电容器、电化学电池装置和电池组、以及锂电池装置如锂-聚合物和锂-离子电池装置的系统或方法的用途。
背景技术：
近来，在增强储能介质特别是大量串联储能装置方面做出了许多努力。这样的串联用在例如用于公共汽车、废物收集交通工具、叉车和电动车的混合动力驱动系中。通常，用于媒体和高电压应用的串联储能装置包括大量储能装置。例如，由于在双层电容器的情况下储能装置的最大电压限于例如约2. 5V到3. 0V,因此数目在20到25范围中的储能装置需要串联从而形成输送例如60V电压的储能装置堆。串联储能装置的一般问题是由于例如自放电、电容、内阻和温度的差异，每个单独的储能装置的特性变化在单独的储能装置之间产生导致所谓不平衡堆的差异，该差异导致利用情况不佳的储能装置，除非执行充电均衡。为解决以上问题，开发了用于平衡串联储能装置的系统。最广泛使用的系统是使用耗散元件(例如电阻器)对储能装置的电荷进行分流。 由于主要缺点是平衡需要保持在非常低的速率从而减轻相对高的散热，因此这是一个简单但能效非常低的途径。能效更高并因此可在高速下操作的途径是储能装置之间充电的往复。这可通过使用中间储能元件(例如电容或电感元件)完成。例如，WO 97/44877描述了一种用于串联连接电池的自动电池均衡的开关电容器系统。系统为每对电池包括一个电容器和多个开关元件。每个电容器在预定电池对之间来回切换以便转移电荷并使该对中的每个电池的输出电压均衡。以上系统的主要缺点是能量电荷总是经相邻器件分布通过串联。换言之，平衡大量储能装置会花费大量的时间，并且在扩充储能装置的数目时，该时间量增加。在解决以上问题的尝试中，US 6，404，165描述了一种系统，其中一个电容器可以与至少两个储能装置并联，并且其中电压监控装置用来监控这些储能装置各自的电压，并选择两个有待相互平衡的器件。该现有技术系统的明显缺点是每个单独的储能装置的电压测量用于平衡每个单独的储能装置。此类系统技术复杂并因此产生高生产和实施成本。
在US2004/0M6635中描述了此类现有技术的另一实例并在图1、图加和图2b中对其进行了展示，其中开关串联Sl和S2交替切换，使电容器(37)和(38)随后分别并联放 Λ (Bi)和(Β2)与(Β2)和(Β3)。该方法的主要缺点是其不能在串联的不相邻储能装置之间有效再分布电荷。所有这种电荷再分布要求使过程缓慢且有损耗的多个顺序转移操作。考虑到以上内容，本发明的目标是即使在扩充串联到大量储能装置时或在重负荷应用要求迅速连续重复交替能量输送和存储的情况下，提供一种用于平衡串联储能装置的系统和方法，能实现效率改善并耗时更少的平衡。进一步地，本发明的目标是提供一种平衡串联储能装置的系统，该系统具有简化的结构而且允许可在任何时间启动或关闭的自动控制平衡。本发明的另一目标是提供一种用于平衡串联储能装置的低成本系统和方法，本发明可容易地扩展到大量储能装置。本发明的另一个目标是提供一种用于平衡串联储能装置的系统和方法，本发明可容易地扩展到不同类型的储能装置。本发明通过提供一种系统和方法来实现以上目标，其中中间储存元件连接在一个或数个相邻储能装置的一对不相邻区段之间，并且其中在使该对不相邻区段的更为正压的端子(A)经所述中间储存元件相互连接与使更为负压的端子(B)经所述中间储存元件相互连接之间顺序地切换。
发明内容
本发明是针对一种平衡串联储能装置的系统，该系统包括a) 一个中间储存元件，该中间储存元件连接在串联储能装置的一个或数个相邻储能装置的一对区段之间，所述区段各自在一端具有一个更为正压的端子(A)并在其另一端具有一个更为负压的端子(B)；b)以及一个切换装置，该切换装置在经所述中间储存元件对多个端子(A)进行相互连接与经所述中间储存元件对多个端子(B)进行相互连接之间顺序地切换；其特征在于所述区段是不相邻的。进一步地，本发明是针对一种组件，该组件包括串联储能装置和此类平衡系统的
直ο另外，本发明是针对一种用于对串联储能装置进行平衡的方法，该方法包括以下步骤a.提供串联储能装置，b.从所述串联中选择一个或数个相邻储能装置的一对区段，所述区段有待相互平衡并各自在一端具有一个更为正压的端子(A)并在其另一端具有一个更为负压的端子 (B),c.经一个中间储存元件连接所述区段对的端子(A)，d.解除连接端子(A)并经所述中间储存元件连接所述区段对的端子(B)，e.顺序地重复步骤c和d，其特征在于所述区段是不相邻的。
本发明也是针对以上用于对串联的双电层电容器、锂电容器、电化学电池装置和电池组、以及锂电池装置(如锂-聚合物和锂-离子电池装置)进行平衡的此类系统或方法的用途。
图1展示了一种现有技术系统的实例。图加和2b展示了一种现有技术方法的实例。图3根据本发明展示了一种系统的实施方案。图4根据本发明展示了一种系统的另一实施方案。图5根据本发明示意性地展示了一种系统的优选实施方案。图6根据本发明更详细展示了一种系统的优选实施方案。
具体实施例方式本发明基于中间储能调节，因为该途径为平衡系统的电路设计和调节用商业上容易获得的低成本组件提供了最优形成大小可能性、干涉特性和成本效率。作为本发明的一个第一实施方案并如图3所示，提供了一种用于对串联储能装置进行平衡的系统，该系统包括a) 一个中间储存元件(b)，该中间储存元件连接在串联储能装置的一个或数个相邻储能装置(al，a2，a;3)的一对区段(d)之间，所述区段各自在一端具有一个更为正压的端子(A)并在其另一端具有一个更为负压的端子(B)；b)以及一个切换装置(C)，该切换装置在经所述中间储存元件对多个端子(A)进行相互连接与经所述中间储存元件对多个端子(B)进行相互连接之间顺序地切换；其特征在于所述区段是不相邻的。在本发明的背景下，将端子(A)和端子(B)对应地理解为在一个或数个相邻储能装置的每个区段的一端的更为正压的端子和在另一端的更为负压的端子。通过使用中间储存元件和切换装置，该中间储存元件连接在一对不相邻区段之间，该切换装置在经所述中间储存元件对多个端子(A)进行相互连接与经所述中间储存元件对端子(B)进行相互连接之间顺序地切换，每个储能装置仅要求有限数目的组件，同时在整个串联或其部分上对储能装置群或单独的储能装置进行平衡是有可能的。切换装置随后交替切换将中间储存元件放置为并联于串联(al)和(a2)与并联于串联(a2)和(a3)。 因此，在稳定状态中，Val+Va2 = Va2+Va3并因此Val = Va3。在充电均衡的反复过程期间， 储存装置(a2)的电压(Va2)保持不受影响，同时储存装置(al)的电压(Val)变得等于储存装置(a3)的电压(Va3)。另一优点是即使在扩充串联到大量储能装置时或在重负荷应用要求迅速连续重复能量输送和存储的情况下，此类系统用改善的效率执行并要求较少时间来实现平衡。由于根据本发明的平衡系统和方法能够在不相邻储能装置或不相邻储能装置群之间传送电能，并由于能量电荷转移的速度与这些储能装置或群之间的电势差成正比，因此此类系统的使用在串联储能装置中导致电荷再分布，该电荷再分布比用仅允许电荷在相邻储能装置或储能装置群之间转移的系统可达到的电荷再分布一般更快。
进一步地，同样的优点是根据本发明的系统允许简化结构，同时可在任何时间启动或关闭的自动控制平衡仍然是可能的。此类系统的另一优点是制造成本和复杂性最小化，同时容易可扩展到大量储能装置和不同类型的储能装置。在本发明的背景下，储能装置可以是任何被适配为储存电荷的器件，例如双电层电容器(EDLC或所谓的超级电容器或超电容器)、铅酸或NiMH电池、锂电容器、电化学电池装置和电池堆，以及锂电池装置(如锂-聚合物和锂-离子电池装置)。在根据本发明的实施方案中，一个或数个相邻储能装置的所述不相邻区段可包括一个或相等数目的标称意义上相等大小储能装置。在本发明的背景下，标称意义上相等大小的意思是可允许储能装置特性之间的可
接受偏差。在根据本发明的另一实施方案中，可以提供一种用于对串联储能装置进行平衡的系统，该系统包括一个或数个相邻储能装置的多对不相邻区段，以及多个对应的中间储存元件。在根据本发明的另一个实施方案中并如图4展示，多个对应的中间储存元件可组成一个或多个串联的串。具体而言，通过使用总线系统装配这样的串，可显著简化串的制造以及整个系统的制造。在根据本发明的一个具体实施方案中，一个或数个相邻储能装置的两对或更多对不相邻区段可包括重叠的储能装置。在根据本发明的另一具体实施方案中，切换装置可同时将全部端子(A)并同时将全部端子(B)连接到多个中间储存元件上，这些中间储存元件的数目等于对应的连接端子数目减去一。在本发明的背景下，中间储存元件可以是被适配为在连接到端子(A)和连接到端子⑶之间中间储存电荷的任何电气组件，例如电容器、电感器和变压器。与通过耗散元件(例如电阻器)使用电荷分流相反，通过储能元件(例如电容器) 使用电荷往复具有以下优点平衡可在储能装置串联的全部可能操作模式期间(即不仅在充电时也在放电时或在空闲模式操作中)执行。在根据本发明的优选实施方案中，中间储存装置可以是电容器。通过使用可商购的而且技术成熟的电容器，由于有效对电荷运输，可以高度改善平衡系统的效率和可靠性。用作中间储存元件的电容器可具有任何电容，但优选在1纳法和1毫法之间，更优选在10纳法和100微法之间，并最优选在10微法左右。所应用的电容器可以是为低电压(通常最大储能装置电压)定义的低成本部件。切换装置可包括被适配为获得中间储存元件到端子㈧和到端子⑶的顺序连接的任何电气部件。切换装置可包括场效应晶体管(FET)从而经端子(A)将每个储能装置连接到中间储存元件上，并包括FET从而经端子(B)将每个储能装置连接到中间储存元件上。在可替代实施方案中，以上的FET可由二极管和FET的组合替代。在根据本发明的一个具体实施方案中，切换装置可包括ρ-沟道金属氧化硅场效应晶体管(MOSFET)和η-沟道MOSFET的交替配置。
在ρ-沟道MOSFET和η-沟道MOSFET的这样交替配置中，中间储存元件的正负极连接到两个P-沟道MOSFET的漏极上，它们的源极连接到一个或一群储能装置的对应不相邻区段的端子㈧上，并且中间储存元件的正负极连接到两个η-沟道MOSFET的漏极上，它们的源极连接到对应区段的端子(B)上。端子(A)的电势一般高于对应的端子(B)的电势。 MOSFET的栅极使用电阻连接到其对应的源极端子(A)并电容性地连接到一个控制信号源上。栅极端子自身也可为其它MOSFET充当控制信号源。在ρ-沟道MOSFET和η-沟道MOSFET的可替代交替配置中，中间储存元件的正负极连接到两个η-沟道MOSFET的源极，它们的漏极连接到一个或一群储能装置的对应的不相邻区段的端子㈧上，并且中间储存元件的正负极连接到两个P-沟道MOSFET的源极上，它们的漏极连接到对应区段的端子(B)上。端子(A)的电势一般高于各自端子(B)的电势。 MOSFET的栅极使用电阻连接到其对应的源极端子(A)并电容性地连接到一个控制信号源上。栅极端子自身也可为其它MOSFET充当控制信号源。可从以上描述两个实施方案任意一个的组合中获得ρ-沟道MOSFET和η-沟道 MOSFET的其它可替代交替配置，并可通过无关FET的琐碎省略导致减少的部件计数。切换装置也可包括复用器系统。根据本发明的系统可为控制切换装置包括产生控制信号或在多个串的情况下产生多个控制信号的一个时钟。可通过修改这个或这些控制信号的波形、相位、频率、占空比、 振幅和/或转换速率来完全调节平衡操作，并可在任何时间启动或关闭。根据本发明具有多个中间储能装置串和对应的切换装置的系统可使用一个单独的或多个独立的控制信号，以便谨慎控制和实现有效能量转移而没有不希望的效果。可通过引入允许在单独的储能装置电压的较大动态范围上平衡的一个或多个另外的或外部第能量源，使单独的储能装置和/或储能装置群达到期望电荷或能量级。另外，本发明提供了一种组件，该组件包括串联储能装置和如以上所述根据本发明的平衡系统。进一步地，在根据本发明的实施方案中，同样提供了用于对串联储能装置进行平衡的方法，该方法包括以下步骤a.提供串联储能装置，b.从所述串联中选择一个或数个相邻储能装置(al，a2，a;3)的一对区段(d)，所述区段有待相互平衡并每个在一端具有一个更为正压的端子(A)并在其另一端具有一个更为负压的端子(B)，c.经中间储存元件(b)连接所述区段对的端子㈧，d.解除连接端子(A)并经所述中间储存元件连接所述区段对的端子(B)，e.顺序地重复步骤c和d， 其特征在于所述区段是不相邻的。例如，有人设法用储能装置(M)来平衡储能装置(al)-首先选择由储能装置(al)构成的一个第一区段和由储能装置(a3)构成的一个第二区段，两个区段都由储能装置(a》分离；-经中间储存元件将储能装置(al)的端子㈧连接到储能装置(a3)的端子㈧ 上，导致中间储能元件在储能装置(al)和储能装置(U)上并联连接；
-解除连接端子㈧并经中间储存元件将储能装置(al)的端子⑶连接到储能装置(a!3)的端子(B)上，导致中间储能元件然后在储能装置(U)和储能装置(U)上并联连接。例如，人设法用储能装置(a4)平衡储能装置(al)-首先选择由储能装置(al)构成的一个第一区段和由储能装置(a4)构成的一个第二区段，两个区段都由储能装置(a》和(a3)分离；-经中间储存元件将储能装置(al)的端子(A)连接到储能装置(a4)的端子(A) 上，导致中间储能元件在储能装置(al)、(U)和(U)上并联连接；-解除连接端子㈧并经中间储存元件将储能装置(al)的端子⑶连接到储能装置(a4)的端子(B)上，导致中间储能元件然后在储能装置(U)、(U)和(a4)上并联连接。例如，有人设法用储能装置(a4)和(始)群平衡储能装置(al)和(^)群-首先选择由储能装置(al)和(a2)构成的一个第一区段和由储能装置(a4)和 (a5)构成的一个第二区段，两个区段都由储能装置(a3)分离；-经中间储存元件将由储能装置(al)和(a2)构成的区段的端子㈧连接到由储能装置(a4)和(a5)构成的区段的端子(A)上，导致中间储能元件在储能装置(al)、(a2) 和(a3)上并联连接；-解除连接端子㈧并经中间储存元件将由储能装置(al)和(a2)构成的区段的端子(B)连接到由储能装置(a4)和(始)构成的区段的端子(B)上，导致中间储能元件然后在储能装置(a3), (a4)和(a5)上并联连接。此类方法的第一优点是特别在扩充串联到大量储能装置时，由于电荷转移通过串联区段的改善效率，平衡会耗时更少。进一步地，此类方法仅需要一种简化的平衡系统结构，同时可在任何时间启动或关闭的自动控制平衡仍然是可能的。根据本发明的方法的另一优点是可同时对串联中的大量储能装置进行平衡。在根据本发明的方法中，一个或数个相邻储能装置的多个不相邻区段对是可选择的，并且每对的端子可经对应的中间储存元件连接，所述对应的中间储存元件组成一个或多个串联的串。在根据本发明的另一方法中，可以执行该选择步骤从而使得两对或更多对包括重叠的储能装置。在此提供了一种根据本发明用于对串联储能装置进行平衡的优选方法，其中一个或数个相邻储能装置的每个不相邻区段时可选择的从而使得其由一个储能装置构成，其中所述对应的中间储存元件可组成三个串联的串，其中对应所述串联的串第一和第二个的所述区段的对可以不包括重叠的储存装置，并且其中对应所述串联的串第三个的至少一对可包括与对应第一串的一对的储存装置重叠的储存装置，以及与对应第二串的一对的储存装置重叠的储存装置。通过选择属于通过第一串联的串的中间储存元件平衡的一对区段的一个第一储能装置，以及属于通过第二串联的串的中间储存元件平衡的一对区段的一个第二储能装置，然后经属于第三串联的串的中间储存元件顺序地连接这些储能装置的端子(A) 和端子(B)，经第一串联的串相互平衡的储能装置平衡于经第三串联的串相互平衡的储能装置。
在图5中示意性地展示了根据本发明并被适配为执行以上方法的一种平衡系统， 其中使用三个电荷再分布级使四个电能储存元件(al，a2，a3，a4)均衡。这三级分别受信号 (R1..2)、(S1..2)和(Tl.. 2)控制，这三级不需要相互间具有关系，并可独立配置从而确保有效能量转移和平衡而没有不希望的效果。基于R、S和T信号的级分别产生Va2 = Va4, Val = Va3和Val = Va4。此类系统是为在单独的储能装置级对串联储能装置进行平衡而设计，其中每个区段由一个储能装置构成，其中所述对应的中间储存元件组成三个串联的串， 其中对应所述串联的串第一和第二个的所述区段的对不包括重叠的储存装置，并且其中对应所述串联的串第三个的至少一对包括与对应第一串的一对的储存装置重叠的储存装置， 以及与对应第二串的一对的储存装置重叠的储存装置。在图6中展示了根据本发明并被适配为执行以上方法的平衡系统的一个详细实例。根据本发明的方法可用于对串联的双电层电容器、锂电容器、电化学电池装置和电池组、以及锂电池装置(如锂-聚合物和锂-离子电池装置)进行平衡。
权利要求
1.一种用于对串联储能装置进行平衡的系统，该系统包括a.一个中间储存元件(b)，该中间储存元件被连接在串联储能装置中的一个或数个相邻储能装置(al，a2，a;3)的一对区段(d)之间，所述区段各自在一端具有一个更为正压的端子(A)并在其另一端具有一个更为负压的端子(B)；b.以及一个切换装置(c)，该切换装置在经过所述中间储存元件对多个端子(A)进行相互连接与经所述中间储存元件对多个端子(B)进行相互连接之间顺序地进行切换；其特征在于，所述区段是不相邻的。
2.根据权利要求1所述的用于对串联储能装置进行平衡的系统，其中所述区段包括一个或相等数目的标称意义上相等大小的储能装置。
3.根据权利要求1到2所述的用于对串联储能装置进行平衡的系统，该系统包括多个所述对以及多个对应的中间储存元件。
4.根据权利要求3所述的用于对串联储能装置进行平衡的系统，其中该多个对应的中间储存元件组成一个或多个串联的串。
5.根据权利要求3到4所述的用于对串联储能装置进行平衡的系统，其中两个或更多个对包括多个重叠的储能装置。
6.根据权利要求3到5所述的用于对串联储能装置进行平衡的系统，其中该切换装置同时将全部端子(A)并同时将全部端子(B)与多个中间储存元件相连接，这些中间储存元件的数目等于对应连接的端子的数目减去一。
7.根据以上权利要求中任何一项所述的用于对串联储能装置进行平衡的系统，其中所述中间储存元件是一个电容器。
8.根据以上权利要求中任何一项所述的用于对串联储能装置进行平衡的系统，其中该切换装置包括多个P-沟道MOSFET与多个η-沟道MOSFET的一种交替式配置。
9.一种组件，包括串联储能装置以及一种根据权利要求1到8所述的系统。
10.一种用于对串联储能装置进行平衡的方法，该方法包括以下步骤a.提供多个储能装置(al，a2，a3)的一个串联连接，b.从所述串联连接中选择一个或数个相邻储能装置的一对区段(d)，所述区段有待进行相互平衡并各自在一端具有一个更为正压的端子(A)并在其另一端具有一个更为负压的端子⑶，c.经过一个中间储存元件(b)将所述区段对的这些端子(A)进行连接，d.将这些端子(A)解除连接并经过所述中间储存元件将所述区段对的这些端子(B)进行连接，e.顺序地重复步骤c和d，其特征在于，所述区段是不相邻的。
11.根据权利要求10所述的用于对串联储能装置进行平衡的方法，所述区段包括一个或相等数目的标称意义上相等大小的储能装置。
12.根据权利要求10或11所述的用于对串联储能装置进行平衡的方法，其中选择多个所述对，其中每对的这些端子是经过对应的中间储存元件进行连接的，所述对应的中间储存元件组成一个或多个串联的串。
13.根据权利要求12所述的用于对串联储能装置进行平衡的方法，其中对应于多个串联的串的该切换装置是受一个单一的控制信号或多个独立的控制信号控制的。
14.根据权利要求12或13所述的用于对串联储能装置进行平衡的方法，其中执行该选择步骤，这样使得两个或更多个对包括重叠的储能装置。
15.根据权利要求14所述的用于对串联储能装置进行平衡的方法，其中每个区段由一个储能装置构成，其中所述对应的中间储存元件组成三个串联的串，其中对应于所述串联的串中的第一和第二个对不包括重叠的储存装置，并且其中对应于所述串联的串中第三个的至少一个对包括与同该第一串相对应的一对储存装置相重叠的一个储存装置、以及与同该第二串相对应的一对储存装置相重叠的一个储存装置。
16.根据权利要求15所述的用于对串联储能装置进行平衡的方法，其中与这三个串联的串中的每一个相对应的切换装置是受对应的控制信号(Rl. . 2)、(Si. . 2)和(Tl. . 2)的控制。
17.根据权利要求10到16所述的方法用于平衡多个双层电容器、锂电容器、电化学电池装置和电池组、以及锂电池装置如锂-聚合物和锂-离子电池装置的串联连接的用途。
全文摘要
本发明是针对一种用于平衡串联储能装置的系统，该系统包括一个中间储存元件(b)，它被连接在串联储能装置中的一个或多个相邻储能装置的一对区段之间，所述区段各自在一端具有一个更为正压的端子(A)并在其另一端具有一个更为负压的端子(B)；以及一个切换装置(c)，该切换装置在通所述中间储存元件使多个端子(A)相互连接与通所述中间储存元件使多个端子(B)相互连接之间顺序地进行切换；其中这些区段是不相邻的。<进一步地，本发明是针对一种组件，该组件包括串联储能装置和此类的平衡系统。另外，本发明是针对用于平衡串联储能装置的相关方法。本发明还是针对将以上系统或方法用于平衡多个双层电容器、锂电容器、电化学电池装置和电池组、以及锂电池装置如锂-聚合物和锂-离子电池装置的串联连接的用途。
文档编号H02J7/00GK102577013SQ201080046846
公开日2012年7月11日 申请日期2010年10月19日 优先权日2009年10月19日
发明者埃里克·凡尔哈伦, 杰伦·凡丹齐布斯, 约翰·库塞曼斯, 鲁道夫·维达埃尔 申请人:4Esys公司