具有公用ac母线的电容性耦合的电池均衡器的制造方法
【专利摘要】本发明考虑了具有公用AC母线的电容性耦合的电池均衡器。其包括被连接至一组N个电池的每一个电池的半桥或全桥，所述电池要么是非固定要么是串联连接的。每一个半桥的中点和全桥的中点通过耦合电容器被耦合至公用AC母线。
【专利说明】具有公用AC母线的电容性耦合的电池均衡器
[0001]参考文献
[0002]1.Pascual, Cesar and Krein, Phillip.Switched Capacitor system forAutomatic battery Equalization.美国专利 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.美国专利 5，814，970,1998年9月。
[0004]3.Lundquist, David.System and method to facilitate voltage balancing ina mult1-cell battery.美国专利 6，624，612, 2003 年 9 月。
[0005]4.Marten, Victor.Charge Balancing system.美国专利 6, 518, 725, 2003 年 2 月11日。
[0006]5.Castelaz, Jim 等,System and method for balancing charge within abattery pack.美国专利 6，624，612，2010 年 9 月。
[0007]6.Patel, Sanjay 等.Cell Equalizing Circuit.美国专利 7，061，207, 2006 年 2
月11曰。
【背景技术】
[0008]有许多用于主动平衡串联堆叠的电池或超级电容器的方法。这些方法中存在常被描述为开关电容器平衡的子组。存在两种众所周知的使用开关电容器式平衡的方法，其中的第一种是Pascual [I] >Schmidt [2] >Lndquist [3]和其他人所使用的。该方法本质上是具有使用一组开关来可交替地跨接两个相邻的电池的电容器。电荷经由电容器被从一个电池移动(shuffle)到相邻电池。该系统的问题在于如果电荷不得不从高电荷状态(SOC)电池被转移到低SOC电池，该高SOC电池与低SOC电池被一个或多个电池分隔开，则电荷不得不通过它们之间的每个电池被移动。这意味着电荷必须流过高SOC电池和低SOC电池间的所有电池开关和电容器。对于电流来说从一个电池流至下一个电池，在这两个电池间必须有压差。如果该电流不得不流过多个电池，则压差将被乘以其不得不流过的电池的数目。例如，如果获得两个电池间流动的IA的电流需要IOOmV,则如果需要IA从堆叠中位置分离隔开的10个电池中流过，则每个电池间必须存在IOOmV的电压降，经过10个电池给出总计IV的电压降。因此在均衡期间，电池两端的电压梯度是非理想的。电压梯度会出现在高SOC电池和低SOC电池间的电池两端，实际上不均衡这两个电池间所有电池也不是理想的。电压梯度可显著地减小能在像个较远的电池间流动的均衡电流的量。此外，每一次能量从一个电池移动到与其相连的电池时，存在一些能量损耗并且因此通过所有互连电池的移动电荷增大了增量损耗。然而，该系统的优势是开关仅需要被额定在电池电压并且仅开关跨在其两端的一个电池的电压。
[0009]开关电容器均衡的第二种方法试图解决这些限制中的一些并被Marten [4]、Castelaz [5]和其他人所使用。该方法本质上是使单个电容器能够利用一排开关而被附加至任意电池。例如，电容器可先被附加至高SOC电池并且随后被直接附加至低SOC电池。该系统的缺陷是开关必须被额定在整个电池组的电压。此外，该系统将引起非常高的开关损耗，因为在开关两端存在平均非常高的电压，例如在对顶电池和底电池进行均衡的情况下，开关将开关跨在它们两端的整个组的电压。如果电容器被循环地连接至所有电容器之间，其均衡率显著低于第一种开关电容器方法(大约1/n，其中η=电池数量，小于第一种方法)。通过做出关于哪个电池连接至电容器的智能决策能明显提高均衡速度，但需要电池电压监测和计算能力。
【发明内容】
[0010]本发明包括被连接至一组N个电池中的每一个电池的半桥或全桥，N个电池要么是非固定的(floating)要么是串联连接的。然后，每个半桥的中点和全桥的中点每一个都通过耦合电容器被耦合至公用AC母线。
[0011]半桥具有从其中点至公用AC母线的第一导电轨的耦合电容器并且需要从每个电池的负极连接至公用AC母线的第二导电轨的返回电容器。被连接至每个电池的每个半桥的所有高侧开关应该通过公用高侧控制信号同步地接通和关闭。被连接至每个电池的每个半桥的所有低侧开关应该通过公用低侧控制信号同步地接通和关闭。高侧控制信号和低侧控制信号应该是彼此反相的并具有大约50%的占空比。
[0012]全桥具有两个中间点，两个中间点通过两个耦合电容器被耦合至公用AC母线的两个导电轨。每个全桥的第一桥臂(leg)的所有高侧开关和每个全桥的第二桥臂的所有低侧开关应该通过公用桥臂一控制信号同步地接通和关闭。每个全桥的第一桥臂的所有低侧开关和每个全桥的第二桥臂的所有高侧开关应该通过公用桥臂二控制信号同步地接通和关闭。桥臂一控制信号和桥臂二控制信号应该是彼此反相的并具有大约50%的占空比。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]现在将参考随附的附图仅以示例的方式对本发明进行更详细的描述:
[0014]图1.具有返回电容器的每个电池的半桥
[0015]图2.半桥的电流波形
[0016]图3.没有返回电容器的半桥每个电池
[0017]图4.全桥每个电池
[0018]图5.全桥的电流波形
[0019]图6.等价均衡电路
[0020]图7.实践布局配置
【具体实施方式】
[0021]半桥每个电池
[0022]图1所示的电路具有被连接在每个电池两端的半桥中的两个开关。对于电池I这些开关被标记为S-1ow-1和S-high-Ι,同样的对于电池N被标记为S-1ow-N和S_high_N。低侧开关S-1ow- (I至N)都应该通过低侧开关控制信号在同一时间被同步地接通和关闭。高侧开关S-high-(l至N)都应该通过高侧开关控制信号在同一时间被同步地接通和关闭。高侧开关和低侧开关应该以反相并具有大约50%占空比的方式被接通和关闭，即低侧开关应该被接通并持续大约50%的时间，同时高侧开关关闭，反之亦然。占空比不必恰好是50%，但与该值大的偏差将降低电路性能。实际中为减小交叉传导损耗，当两个开关都关闭时，在开关转变期间也可能有较小停滞时间。开关以被称为开关频率的速率被接通和关闭。
[0023]通过认识到开关半桥可有效地将电池DC电压转换为具有与电池DC电压相同的峰峰幅度的方波AC电压将能了解电路操作。AC电压与其他电池所产生的所有其他AC电压也是同步的。经由I禹合电容器(C-mid-cell-x)和C-bot-cell-x (针对电池x), AC电压然后被稱合至包括Common-AC-bus-mid和Common-AC-bus-bot的公用AC母线。AC的峰峰母线电压将采用约等于连接至AC母线的所有电池的平均DC电压的值。半桥用于将DC转化为AC，但是如果AC的波形与其自身开关周期同步，半桥也会在其中点将AC转化回DC。因为所有电池的半桥是同步开关的，AC电压将是同步的并且半桥将支持流入从公用AC母线或从公用AC母线流出的双向电流。如果电池的DC电压高于/低于电池的平均值，则其AC电压也将高于/低于AC母线电压。因此电流将从较高电池流出或流入公用AC母线或者从公用AC母线流出而流入较低电池。
[0024]该电路的操作的优势是:
[0025]1.电流直接经由公用AC母线从较高电池流至较低电池，而不需流经它们之间互联的电池中的任意电池。
[0026]2.如果仅有一个电池高于剩余电池，则电流将从该电池流出而流入AC母线，并且随后在剩余电池间均匀分配，使等量的电流流入剩余电池中的每一者。
[0027]3.如果仅有一个电池低于剩余电池，则等量的电流将均匀地流出其他所有较高电池并流入AC母线，并且随后这些电流将合并都流入该较低电池。
[0028]4.如果电池是均衡的，则没有电流流入或流出该电池。
[0029]5.如果所有电池都是均衡的，则没有电流在均衡电路中流动，或者电池中没有任何电流。
[0030]该系统的另一个优势是半桥或全桥配置中的开关仅需要额定在电池电压。开关也仅开关跨在其两端的一个电池的电压，这有助于最小化开关损耗和EMI。
[0031]图1中所示的电池间的Rseries电阻主要是电池与电池的互连电阻。如果我们假设Rseries远大于返回稱合电容器C-bot-cell (I至N)的阻抗,则无论电池是非固定的或者电池通过大互联阻抗被串联连接，电路操作将是相同的。
[0032]也可通过认识到任意两个电池间流动的电流将是它们之间的电压差的线性函数来了解电路的操作。因此我们能将两个电池间的电流流动建立为它们具有其负极被连接在一起并且正极间有电阻。该电阻被称为有效均衡电阻。如果相同的电路被建立在所有电池间，则完整的结果电路在图6中示出并且被称为等效均衡电路。有效均衡电阻在图6中被示为Rwy对于半桥每个电池的电路，该电阻的最小值可能是为了对电池充电电流不得不流过的所有阻抗的和。从图1中能看出电流先要流过C-mid-x、S-high-x和C_bot_x以对电池X充电，并且随后等量的电荷必须经过C-bot-x、S-low-x和C-mid-x流回。因此给所有这些的和
[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。是开关频率为f时电容器的阻抗。(这是简化形式，是在基本的方波开关波形是的仅仅电容器的阻抗)。如果我们假设高侧和低侧开关的阻抗都等于Rm并且C-mid和C-bot都等于Crauple，则其归纳如下:
[0035]
【权利要求】
1.一种用于对3个或更多的电池或电容器进行均衡的方法和电路，所述电池或所述电容器是非固定或串联连接的，该方法和电路包括: 串联连接或非固定的N个电池； 包括第一导电轨和第二导电轨的公用AC母线； 连接至所述第一电池的正极和负极的第一半桥，该第一半桥包括第一高侧开关和第一低侧开关； 第一耦合电容器，所述第一耦合电容器的第一端连接至所述第一半桥的中点并且所述第一耦合电容器的第二端连接至所述公用AC母线的所述第一导电轨； 第一返回耦合电容器，所述第一返回耦合电容器的第一端连接至所述第一电池的所述负极并且所述第一返回耦合电容器的第二端连接至所述公用AC母线的所述第二导电轨；所述第一半桥、第一低侧开关、第一高侧开关、第一稱合电容器和第一返回电容器针对所述N个电池中的每一个电池被重复了 N次，并且都以如针对所述第一电池所描述的相同方式被连接在每一个单独电池两端； 所有所述I至N耦合电容器的第二端被连接至所述公用AC母线的所述第一导电轨； 所有所述I至N返回耦合电容器的第二端被连接至所述公用AC母线的所述第二导电轨； 所有所述I至N低侧开关通过公用低侧控制信号被同步地驱动来接通和关闭； 所有所述I至N高侧开关通过公用高侧控制信号被同步地驱动来接通和关闭； 所述高侧控制信号和所述低侧控制信号是彼此反相的并具有大约50%的占空比。
2.根据权利要求1所述的电路，但不使用所述(I至N)返回耦合电容器并且不使用所述公用AC母线的所述第二导电轨。
3.一种用于对串联连接或非固定的两个或更多电池或电容器进行均衡的方法和电路，该方法和电路包括: 串联连接或非固定的N个电池； 包括第一导电轨和第二导电轨的公用AC母线； 连接至所述第一电池的正极和负极的第一半桥； 也连接至所述第一电池的正极和负极的第二半桥； 所述第一半桥和所述第二半桥共同包括连接在所述第一电池两端的全桥； 所述第一半桥包括桥一高侧开关和桥一低侧开关； 所述第二半桥包括桥二高侧开关和桥二低侧开关； 第一桥一耦合电容器，该第一桥一耦合电容器的第一端连接至所述第一半桥的中点并且所述第一桥一耦合电容器的第二端连接至所述公用AC母线的所述第一导电轨； 第一桥二耦合电容器，该第一桥二耦合电容器的第一端连接至所述第二半桥的中点并且所述第一桥二耦合电容器的第二端连接至所述公用AC母线的所述第二导电轨； 所述第一半桥、第一桥一低侧开关、第一桥一高侧开关和第一桥一耦合电容器针对N个电池被重复N次，并且都以如针对所述第一电池所描述的相同方式被连接在每一个单独电池两立而； 所有所述I至N桥一耦合电容器的第二端被连接至所述公用AC母线的所述第一导电轨；所述第二半桥、第一桥二低侧开关、第一桥二高侧开关和第一桥二稱合电容器针对N个电池被重复N次，并且都以如针对所述第一电池所描述的相同方式被连接在每一个单独电池两立而； 所有所述I至N桥二耦合电容器的第二端被连接至所述公用AC母线的所述第二导电轨； 所有所述I至N桥一低侧开关通过公用桥一低侧控制信号被同步地驱动来接通和关闭； 所有所述I至N桥一高侧开关通过公用桥一高侧控制信号被同步地驱动来接通和关闭； 所有所述I至N桥二低侧开关通过公用桥二低侧控制信号被同步地驱动来接通和关闭； 所有所述I至N桥二高侧开关通过公用桥二高侧控制信号被同步地驱动来接通和关闭； 所述桥一低侧控制信号和所述桥一高侧控制信号是反相的并具有大约50%的占空比； 所述桥二低侧控制信号和所述桥二高侧控制信号是反相的并具有大约50%的占空比 所述桥一低侧控制信号和所述桥二高侧控制信号是同相的并且同步地开关； 所述桥一高侧控制信号和所述桥二低侧控制信号是同相的并且同步地开关。
4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的电路，其中每一个电池的半桥或全桥被以所述半桥或全桥以近似于围绕中央星点的圆形形式被构建，具有近似相等的角度间隔， 每个电池具有对于一个或两个AC母线的其自己各自的路径，该路径朝向圆形排列的中心行进； 所有所述单个电池的第一 AC母线路径在公用星点处被连接在一起，所述公用星点在所述圆形排列的中心； 所有所述单个电池的第二 AC母线路径在公用星点处被连接在一起，所述公用星点在圆形排列的中心，空间上在所述第一 AC母线星点之上或之下。
5.根据权利要求3所述的电路，其中单个电感器在所述耦合电容器的公用侧被连接在所述两个AC母线之间。
【文档编号】G01R31/36GK103733466SQ201280029585
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年6月6日 优先权日:2011年6月15日
【发明者】I·D·德弗里斯 申请人:拜伦赛有限公司, I·D·德弗里斯