专利名称：电感性单元平衡的制作方法
技术领域：
本发明涉及多单元(multiple-cell)电源应用中的电感性单元平衡(inductive cell balancing)。这些单元(cell)可为电池单元(battery cell)或电容器(超级电容器)单元。尤其感兴趣的一个例子是用于电动车电池组(kitteiTpack)中的单元。
背景技术：
在(混合)电动车中，大量串联连接的电池被用于产生高压来驱动电动机。为了电池单元(以及车辆的驱动范围)的最优使用寿命，所有电池单元的充电状态(SoC)通常应是相同的。当串联连接串中的单元充电时，它们全部均接收相同的电流，所以原则上它们在充电后应该处于相同的SoC。然而，电池单元之间始终存在失配，比如，泄漏电流以及将电流转化为化学储能的效率。因此，电池单元的SoC在充电后将不会相同。如果不采取任何措施，则差异会随着每次充电/放电周期而增加。为了保持所有的电池单元的SoC尽可能等同，单元平衡电路通常被添加到(混合) 电动车的高压电池组中。在这个应用中，以下词用于描述高压电池组中的各个部分。图1示出了电池组的简化框图，组件定义如下“单元(cell)，，10或“电池单元” 10为基本组件。依据化学性和SoC，电压典型地为 2. 5-4. 2V。“分部(section)，，12为共享多个电子单元平衡组件的一组单元10。示出了两个分部12a，12b—仅分部12b示出了组成单元10。依赖分部12中单元10的数目、单元化学性和SoC，电压典型地为5-17V。“模块(module)，，14为一组分部12。示出了两个模块14a，14b——仅模块14b示出了组成分部12a，12b。电压通常选为“安全电压”，即，高达60V。“分片(slice)” 16为一组串联连接的模块，其产生与整个电池组相同的电压。示出了两个分片16a，16b—仅分片16a示出了组成模块14a，14b。电压依赖应用，范围在 100V 到 600V 中。“组(pack) ”或“电池组” 18为一组并联连接的分片16，其构成用于应用中的整个电池。并联连接提高了电池组的能量容量和电力性能，而非它的电压。在很多应用中，电池组18仅包括单个分片16。根据应用，电压在范围100V到600V中(与分片电压相同)。图2到4示出了目前使用的单元平衡的三个不同的方法。图2示出了无源单元平衡器。在这种方法中，通过在具有最高电荷的单元10上开关电阻器20，来简单地(部分地)对单元10放电。因为这不是能量高效的，所以这个方法主要用于混合电动车中，这是由于发动机能向电池组提供足够的能量来保持驱动范围在可接受的水平上。对于没有内部内燃机的电动车，图3和图4的方法更加有效。图3示出了电容性系统。通过电容器30使电荷在两个相邻的单元10之间移动。如果所有的电容器在它们的单元之间移动得足够频繁，那么所有单元中的电荷将变得相等。图4为基于电感器和变压器的一类系统的例子。最高充电单元10通过开关42连接到电感器40。电感器中的电流将随着时间上升。在预定量的时间之后，断开开关42。由于电感器中的电流不能即时改变时，所以电流将发现一条经过二极管的路，该二极管与(较低电压单元的)其他开关并联。现在电流将为其它电池单元充电，直到电流衰减到(几乎为)零并且二极管停止导通。图5示出了电感性单元平衡分部必须如何组合以形成长链。两个分部12a，12b共享一个电池单元50，一个分部12b的最高单元用作下一分部 12a的最低单元(“下一”分部意为处于较高电压的下一分部)。其它的组件在分部之间不总体上，分部M最低单元也是分部M-I的最高单元。通过应用这种规则，可以创建任意长的链。对于N个电池单元的链，图5的系统需要N-I个电感器，因此，在长链中(比如100个单元)，大致上每个电池单元需要一个电感器。图2的系统具有的最大优点在于，由于它不需要任何的电容器、电感器或变压器， 所以它具有非常低的成本。图3和图4的系统中电池单元的串联链的每一分部大体上需要一个电抗性组件，因此更昂贵。但是，它们却具有较高效率的优点。由于电阻性方法消耗掉除了最低充电单元之外的其他所有单元的所有过量电能，所以电阻性方法具有0%的效率。电容性系统消耗掉其平衡的单元的能量差异的50%。电感性系统的效率几乎可以是 100%。与电阻性解决方案相比，电感性解决方案的具体问题是组件的成本。因此，需要寻求电路成本和效率之间的平衡的单元平衡方法。
发明内容
根据本发明，提供了一种能量存储单元装置，包括单元串联装置，包括至少两个单元；电感器；以及开关装置，其中开关装置是可控的，使得它能将电感器的一侧连接到单元端子的第一集合中的任一单元端子，以及将电感器的另一侧连接到单元端子的第二集合中的任一单元端子， 其中单元端子的第一和第二集合共同包括串联装置的所有单元端子。该装置使得能够在单元之间共享用于在单元之间进行能量传递的电感器。在第一组实施例中，第一集合的单元端子与第二集合的单元端子不同。这提供了最小数目的连接以使得任一单元端子能被连接到电感器的一个或另一端子。在一个装置中，开关装置可以包括在每个单元端子和电感器端子之一之间的相应开关、以及与每个开关并联的相应二级管。这提供了针对每个单元端子具有开关和二极管的装置，因此，提供了少量的附加电路。在另一装置中，开关装置包括在每个单元端子和电感器端子之一之间的相应开关、在每个电感器端子和顶部单元端子之间的相应二极管、以及在每个电感器端子和底部单元端子之间的相应二极管。这个装置仅需要四个二极管。
在另一装置中，开关装置包括到电感器端子之一的输入处的第一三路开关、到电感器另一端子的输入处的第二三路开关、以及在每个单元端子和两个三路开关之间的相应开关，其中，三路开关被控制以使每个相应开关连接到电感器端子中一个或另一个。在这种情况下，开关装置能包括在一个电感器端子和顶部单元端子之间的第一二极管、以及在另一个电感器端子和底部单元端子之间的第二二极管。以电路中具有更多个开关为代价，这个装置仅需要两个二极管。在第二组实施例中，第一集合的单元端子可以包括所有的单元端子，以及第二集合的单元端子可以包括所有的单元端子。这提供了最大的灵活性，因为所有的单元端子可以连接到任一电感器端子。在一个装置中，开关装置包括在每个单元端子和电感器端子之一之间的相应开关、在每个单元端子和另一电感器端子之间的相应开关、在电感器端子之一和顶部单元端子之间的相应二极管、以及在另一电感器端子和底部单元端子之间的相应二极管。该装置仅需要两个二极管，但是具有与每个单元端子相关联的两个开关。在另一装置中，开关装置包括在每个电感器端子和顶部单元端子之间的相应二极管、以及在每个电感器端子和底部单元端子之间的相应二极管。该装置还包括控制器，适于识别电荷要被移除的一个单元或多个单元；控制开关装置以从识别的一个单元或多个单元传递能量到电感器；以及控制开关装置以从电感器传递能量到另外的一个单元或多个单元。上述对开关的控制使得能够在单元之间进行期望的能量传递。本发明也提供了一种电动车电池单元组，包括本发明的一个或多个电池单元装置。本发明也提供了一种在包括单元串联装置的能量存储单元装置中执行单元平衡的方法，能量存储单元装置包括至少两个单元以及在所有单元之间共享的电感器，该方法包括识别电荷要被移除的一个单元或多个单元；控制开关装置以从识别的一个单元或多个单元传递能量到共享的电感器；以及控制开关装置以从电感器传递能量到另外的一个单元或多个单元。
参见附图，详细描述本发明的实施例，附图中图1示出了电池组的简化框图以展示不同的组件；图2示出了已知的无源单元平衡系统；图3示出了已知的电容性单元平衡系统；图4示出了已知的基于电感器和变压器的单元平衡系统；图5示出了图4中的电感性单元平衡分部必须如何组合以形成长链；图6示出了本发明单元平衡电路的第一示例；图7示出了图6电路中的电流路径。图8示出了本发明单元平衡电路的第二示例；
图9示出了本发明单元平衡电路的第三示例；图10示出了本发明单元平衡电路的第四示例；图11示出了本发明单元平衡电路的第五示例；图12示出了图11和图4的电路的比较；以及图13示出了用MOS晶体管实现的图11的电路；图14示出了时序图以说明图12电路的操作。
具体实施例方式不同附图中相同的附图标记代表相同组件。图中的电路图表示了与先前描述的电路相比的修改，由于这个原因，相同组件的描述不再重复。本发明提供了一种使用共享电感器的能量存储单元装置。开关装置是可控的，使得它能将电感器的一侧连接到第一集合的任一单元端子，以及将电感器的另一侧连接到第二集合的任一单元端子，其中第一和第二集合的单元端子一起包括串联装置的所有单元端子。以这种方式，使用共享的电感器，能量可以可配置的方式在单元之间传递。图6示出了一个装置，其中(理论上)一个电感器60可以平衡任意长的单元链。 实际上，比如具有三个或者四个单元的相对短的分部以及一个电感器60将被组合为较长的链。较短分部的使用保持开关和二极管的规范是现实的。在图6中，每个单元端子(因为单元10是串联连接的，所以对于三个单元示出了四个电单元端子)通过相应的开关62连接到电感器的一个端子64a，以及通过另一相应的开关62连接到了电感器的另一端子64b。因此，存在2N个开关，其中N=单元的数目+1。相应的二极管66a连接在一个电感器端子6 和顶部单元端子68之间。相应的二极管66b连接在另一电感器端子64b和顶部单元端子68之间。相应的二极管66c连接在一个电感器端子6 和底部单元端子70之间。相应的二极管66d连接在另一电感器端子64b和底部单元端子70之间。二极管提供至串联的单元的电流路径，使得即使所有的开关都断开，电感器电流也保持流动。二极管的取向使得单元无法通过二极管放电。因此，由二极管和单元构成的该电路具有回路中的二极管和单元，其中由单元电压对二极管进行反向偏置。图6中电感器可以看作是“飞行(flying)，，电感器。它能从任意单元(子组)中获取能量以及将该能量转储到另外的任意单元(子组)中。重要的是要注意，能量，而非电荷，必须从一个单元泵动到另一个单元。如果泵动电荷，则电路的效率等于电容性单元平衡器的效率(即单元的初始能量差的50%丢失)。为了确保能量被泵动，电感器必须连接到充电的单元，直到电流已经降低到零。如果不允许电流降低到零，则电路开始像能量泵和电荷泵的组合那样进行操作。 如果开关频率较高使得DC电流流过线圈，那么电路作为纯的电荷泵而操作。图7示出了当从顶部单元泵动能量到底部单元时图6电路中的电流路径。路径80示出了充电最多的单元的放电，在这种情况下，充电最多的单元为顶部单元。这在电感器中建立通量(flux)。为了这个目的，一个开关将顶部单元端子连接到电感器端子64a，以及另一开关将在下的第二单元端子连接到电感器端子64b。
当路径80中的开关断开时，电感器通过迫使电流通过路径82来作出反应。路径 82示出了在从放电切换到充电期间的溢出(spill-over)，以及它驱动电流经过二极管。路径84示出了电感器电流流经底部单元的路径。为此，一个开关将底部单元端子连接到电感器端子64a，以及另一开关将在上的第二单元端子连接到电感器端子64b。一旦路径84中的开关闭合，电感器电流就流经底部单元。由于电流路径82推动所有单元中的电荷，所以在断开路径80中的开关和关闭路径84中的开关之间的时间通常选择得尽可能地短。由于目标是从顶部单元传递能量到底部单元，所以这可以看作是一种类型的溢出。红色路径82中的能量不会丢失，因为它传递到所有的三个单元，但是这降低了从顶部单元到底部单元的能量传递的效率。然而，并不存在为什么溢出路径不能专门用于从电感器传递电荷到所有单元的这一目的原因。设计者能选择从一个、两个或三个单元中获取能量以及将该能量转储到一个、 两个或三个单元中。该电路提供了实现这种方式所需的所有灵活性。图8示出了修改，其使得比图6中的电路节约两个二极管。在这种情况下，在一个电感器端子6 和顶部单元端子68之间仅存在一个二极管 85 (或二极管链)，以及在另一电感器端子64b和底部单元端子70之间仅存在一个二极管 86(或二极管链)。在可以将下一个批能量从一个单元移动到另一个单元之前，电感器中的电流必须回到零。因此，有可能在每次新的能量传递周期开始时选择电感器中电流的方向。如果电感器60的电流始终沿相同方向流动，则相同的两个二极管始终负载溢出电流(spill-over current)。这样，可以从电路中去除另外两个二极管，而不会导致任何性能损失。可以通过以正确极性来连接电感器，保证期望的电流流动。图8的电路需要2*(N+1)个开关，N是单元数目。图9示出了开关数目减少的电路。开关布置包括到电感器端子之一 64a的输入处的第一三路开关90、到电感器另一端子64b的输入处的第二三路开关92、以及在每个单元端子和两个三路开关之间的相应开关94。三路开关90，92被控制，以使每个开关94连接到电感器端子中的一个或另一个。这意味着在单元端子和三路开关90，92之间仅需要一个开关94。第一二极管在一个电感器端子6 和顶部单元端子68之间，以及第二二极管在另一电感器端子64b和底部单元端子70之间。在图9的电路中，单元的选择和经过电感器的电流的方向是彼此独立的。在这个电路中，开关数目等于N+5(拨动开关(toggle switch)实际上是两个开关，所以存在N+l 个普通开关94和4个拨动开关)。对于多于三个单元的电路，图9的电路比图8的电路需要更少的开关。拨动开关90，92以及开关94是串联的，因此图9示出了(尤其对于多于三个单元的分部)可以通过将串联连接的开关用于单元选择和线圈电流方向，来节省开关。从以上描述中清晰可见，图8和9是从图6的电路中导出的。图6的电路在之间传递能量的单元的选择以及电流方向方面提供了很多灵活性。如图8和9所示，放弃一些灵活性的结果是电路中组件的数目减少。
图10进一步发展了这个方法。在这个电路中电感器电流的方向不能自由地选择。 结果，开关的数目能减少为图6所示的一半。因为不再能够固定电感器电流的方向，所以不可能移除二极管。在图10中，第一单元端子集合(第一和第三单元端子)经由相应的开关100连接到一个电感器端子64a，以及第二单元端子集合(第二和第四单元端子)经由相应的开关 102连接到另一电感器端子64b。相应的二极管在每个电感器端子和顶部单元端子之间，以及相应的二极管在每个电感器端子和底部单元端子之间(即如图6所示的相同的二极管布置)。这具有降低的灵活性——例如一对相邻的单元不能作为单个单元来开关。然而， 开关数目减少。在图11中，移动二极管使得它们与开关100，102并联。在实际的电路中，开关是NMOS和PMOS晶体管。图11的二极管可以简单地是MOS晶体管的(寄生)漏到体 (drain-to-bulk) 二极管。这意味着虽然它们对于电路的操作是重要的，但是它们在布局中不作为单独的组件而出现。这样，图11的电路将小于图10的电路。图10和图11的电路操作几乎相同，但是存在一个重要的不同图10的分部可以任意长，而图11的分部优选应限制到每分部三个单元的长度。如果图11的分部制造得较长，则二极管辉引起短路。图6的电感器可以看作是“飞行”电感器，因为它能从任任意单元传递能量到任意其它单元。图11的电感器更像“滚动(rolling)”电感器，它仅能从奇数编号的单元传递能量到偶数编号的单元，反之亦然。下表给出了对于上述各种不同的实施例，用来平衡具有N个单元的电池组所需的组件数目的总览
权利要求
1.一种能量存储单元装置，包括单元(10)串联装置，包括至少两个单元(10)；电感器(60)；以及开关装置(62)，其中开关装置(6 是可控的，使得它能将电感器(60)的一侧连接到单元端子的第一集合中的任一单元端子，以及将电感器(60)的另一侧连接到单元端子的第二集合中的任一单元端子，其中单元端子的第一和第二集合共同构成所述串联装置的所有单元端子。
2.根据权利要求1所述的装置，其中第一集合的单元端子均不同于第二集合的单元端子。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，开关装置包括在每个单元端子和电感器端子之一之间的相应开关(100，102)、以及与每个开关并联的相应二极管。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，开关装置包括在每个单元端子和电感器端子之一之间的相应开关(100，102)，在每个电感器端子(64a，64b)和顶部单元端子(68)之间的相应二极管、以及在每个电感器端子和底部单元端子(70)之间的相应二极管。
5.根据权利要求2所述的装置，其中，开关装置包括到电感器端子之一(64a)的输入处的第一三路开关(90)、到电感器另一端子(64b)的输入处的第二三路开关(9 、以及在每个单元端子和两个三路开关之间的相应开关(94)，其中，三路开关被控制以使每个相应开关被连接到电感器端子中的一个或另一个。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，开关装置(94)包括在所述电感器端子之一 (64a)和顶部单元端子(68)之间的第一二极管、以及在所述电感器另一端子(64b)和底部单元端子(70)之间的第二二极管。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，第一集合的单元端子包括所有的单元端子，以及第二集合的单元端子包括所有的单元端子。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，开关装置(6 包括在每个单元端子和电感器端子之一(64a)之间的相应开关、在每个单元端子和电感器另一端子(64b)之间的相应开关、 在所述电感器端子之一(64a)和顶部单元端子(68)之间的相应二极管(85)、以及在所述电感器另一端子(64b)和底部单元端子之间的相应二极管(86)。
9.根据权利要求8所述的装置，其中开关装置(6 包括在每个电感器端子(64a，64b) 和顶部单元端子(68)之间的相应二极管(66a，66b)、以及在每个电感器端子(64a，64b)和底部单元端子之间的相应二极管(66b，66c)。
10.根据前述任一权利要求所述的装置，还包括控制器(19)，适于识别电荷要被移除的一个单元或多个单元(10)；控制开关装置(62)，以从识别的一个单元或多个单元传递能量到电感器(6 ；以及控制开关装置(6 ，以从电感器传递能量到另外的一个单元或多个单元。
11.一种电动车电池单元组(18)，包括如前述任一权利要求所述的一个或多个电池单装置。
12.—种在包括单元(10)串联装置的能量存储单元装置中执行单元平衡的方法，能量存储单元装置包括至少两个单元以及在所有单元之间共享的电感器(60)，该方法包括识别电荷要被移除的一个单元或多个单元(10)；控制开关装置(6 ，以从识别的一个单元或多个单元传递能量到共享的电感器；以及控制开关装置(6 ，以从电感器传递能量到另外的一个单元或多个单元。
13.根据权利要求12的方法，其中，控制开关装置(6 包括将电感器(60)的一侧连接到单元端子的第一集合中的一个选定单元端子，以及将电感器的另一侧连接到单元端子的第二集合中的一个选定单元端子。
14.根据权利要求12的方法，其中，控制开关装置(6 以从识别的一个单元或多个单元传递能量到共享的电感器包括使电流经过开关和电感器，以及控制开关装置(6 以从电感器传递能量到另外的一个单元或多个单元包括使电流经过二极管装置。
全文摘要
一种具有共享电感器(60)的能量存储单元装置。开关装置(62)可控，使得它能将电感器的一侧连接到单元端子的第一集合的任一单元端子，以及将电感器(60)的另一侧连接到单元端子的第二集合的任一单元端子，其中单元端子的第一和第二集合共同包括串联装置的所有单元端子。这样，通过使用共享电感器，可以可配置的方式在单元之间传递能量。
文档编号H02J15/00GK102299565SQ20111017300
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月24日 优先权日2010年6月28日
发明者约翰尼斯·范拉莫林 申请人:Nxp股份有限公司