特别是用于机动车的能量存储设备的制作方法

专利名称：特别是用于机动车的能量存储设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括串联连接的能量存储单元的组件的能量存储设备。 本发明特別适合于用在机动车辆的领域中，该能量存储设备被配置为例
如在机动车的恢复制动阶段期间充电以及在机动车的起动和加速阶段期间放电。
背景技术：
一般说来，对于一行串联连接的能量存储单元，例如每个单元包括超级
电容器，由于以下原因，在单元之间可能出现一些充电电压差 画单元的生产过程中固有的电容值之间的差， -不同强度的漏电流的存在。
这些差随时间的持续可能引起承受最高充电电压的单元的老化加速，或 者甚至损坏。
已经提出不同的方法来校正这些不平衡。
例如，US专利申请2003/0214267公开了 一种由串联装配的一行单元(例 如电容性单元)组成的能量存储系统。此系统对于每个单元都包括平衡电路， 用以平衡与单元有关的漏电流。该平衡电路由一个电阻器和一个二极管形 成。该申请US 2003/0214267还描述了 一种合并有运算放大器的平衡电路。
还从US专利5,659,237中了解到一种用于平衡一行串联连接的能量存储 单元内的电荷的设备。该设备包括回扫类型的变压器，使得在MOSFET晶 体管的每个开关周期中可以向该行中呈现最低电压的那些单元传送特定量 的能量。该设备从本身连接到AC电源的充电器汲取要被传送的能量。
US专利申请2005/0269988描述了一种实现两级(即，^^块内和^t块间) 平衡的能量存储设备。
US专利6,771 ，045描述了 一种用于使用处理器为电池组件充电以及平衡 电池组件的设备。
US专利6,150,795描述了通过使用具有两个初级和次级绕组的变压器来对电池充电的同时平衡电池。这些绕组具有相同的匝数。
US专利5,594,320描述了利用包含与单元数相同的绕组数的变压器来平 衡单元中的电荷。
本发明具体目的在于进一 步改善串联连接的能量存储单元的平衡。

发明内容
因此，本发明的目的是能量存储设备，具体地是用于机动车的能量存储 设备，包括
-串联连接的能量存储单元的组件，
-平衡电路，被配置为使得能够从所述单元中的至少一个汲取能量以及 从而将如此汲取的能量分配给所述单元的至少一个其它单元。
在本发明的一个实施例中，该平衡电路被配置为，在该能量存储设备的 放电阶段期间，使得仅仅利用从该设备的能量存储单元中的至少 一个汲取的 能量来提高该单元中的至少一个的充电电压。
具体地，本发明通过将能量增加到具有最低充电电压的那些单元中，来 在伴随着单元的组件的自然放电的同时使得补偿能量存储单元的漏电流之 间的差，从而确保放电期间的自动平衡。
由于实现平衡单元的电压的能量是从单元的组件本身获得的，而没有任 何外部能量源，因此根据本发明的能量存储设备能够与其充电状态无关地保 持对称地充电，包括对于非常低的充电电压值。
当机动车在工作时，该串联的单元的组件可以永久地用于积累电荷或者 使其自身放电以提供电力。在机动车工作的同时利用单元组件时，不必要断 开或切断平衡电路。该平衡电路可以被配置为使得它可以永久连接到机动车 的电源网纟各。
本发明还可以保证能量存储设备能够消耗尽可能少的来自于单元的能 量，特别是在利用电阻器来实现平衡的情况下。 因而，单元的方丈电时间可以相对较长。
有利地，该平衡电路被配置为使得将单元对称放电到至少低于该单元的 最大可用电压的1/3的电压，具体地至少低于1/10的电压，优选地至少低于 1/20的电压。
例如，对于串^:的十个单元的组件，在充电状态下其外部端子处的电压大约为20伏，在一些情况下，该单元的放电可以导致该组件的端子处的充
电电压的值接近2V。在这种情况下，在深放电状态下(例如，当机动车保 持在停车场停止很长时间时)单元之间的电压差可以小于0.2 V。
即使当存在深度放电时，并且因为单元之间的这些低的电压差，也可以 由机动车的电源电子设备以非常高的电流快速地将电池再充电到高电压值， 而不存在某些单元中过电压的风险。
在本发明的另 一个实施例中，该平衡电路被配置为使得可以由外部能量 源为它供电，具体地由机动车的电池为它供电，目的是将单元的放电限制到 预定的电压阈值，保持单元的组件的端子处的电压，具体地保持在大约电池 的电压。
现在的电池可以使此电压阈值能够被保持大约一年量级的时间段。 如果期望的话，这可以避免能量存储单元变得过度放电。 在本发明的一个实施例中，以这样的方式配置该平tf电i^各乂人该单元中
的至少一个汲取的能量在被传送到一个或多个其它单元之前被以电感性能
量的形式存储。
有利地，该平衡电路被配置为从单元的组件的外部端子汲取能量。 优选地，该平衡电路包括一个或多个变压器，具体地为回扫类型的变压
哭
"0口 o
如果需要的话，该变压器可以与开关相关联，具体地与诸如MOSFET 晶体管之类的晶体管相关联，并且该平衡电路可以包括被配置为控制所述开 关的转换的振荡器。
形，该初级和次级绕组可以具有相同的臣凄丈。
在本发明的一个实施例中，该变压器包括与能量存储单元的数目加一相 等的数目的绕组。
该振荡器可以例如被配置为产生矩形控制信号。
优选地，该振荡器由从单元的组件汲取的电流供电。这使得该设备能够 与外部电源独立。
作为变形，该振荡器可以连接到外部电源。
在本发明的另 一个实施例中，该平衡电路被配置为使得从该单元中的至 少一个汲取的能量在被传送到一个或多个单元之前被以电容性能量的形式存储。
有利地，该平衡电路被配置为在该单元中的至少一个的两端处汲取能 量，具体地在仅仅一个单元的两端汲取能量。
如果需要的话，该平衡电路可以包括至少一个多路器，具体地为模拟多 路器。
如果需要的话，该设备可以包括诊断系统，以确定单元之间的任何电压 差和/或确定每个单元的端子处的最大电压，具体地目的是执行单元的健康诊断。
根据单元的老化模型和对每个单元的漏电流和电容的估计，可以选4奪以 稍有不同的电压值平衡单元，具体地如果单元的容量变为单元间互不相同的 话。
优选地，能量存储单元中的至少 一个包括至少 一个超级电容器。
在本发明的一个实施例中，该平^f軒电鴻4皮配置为以{更#4居单元的组件的 端子处的温度和电压中的至少一个来控制单元的平衡电流值。
这使得可以补偿温度和/或电压对单元的漏电流的值的影响。
该能量存储设备可以用在机动车中，并且可以被配置为在机动车的恢复 制动阶段期间充电以及在机动车的起动和/或加速阶段期间放电。
本发明的另 一个目的是用于平衡串联连接的能量存储单元的组件的充 电电压的方法，该方法具体地用在机动车中，该方法包括以下步骤
-从该单元中的至少一个汲取能量，
-将如此汲取的能量分配给所述单元中的至少一个其它单元。
在本发明的一个实施例中，在不使用该单元的放电阶段期间，分配给能 量存储单元的能量唯一地来自于从所述组件的一个或多个单元汲取的能量。
在本发明的另一个实施例中，当不使用能量存储单元时，通过在单元之 间汲取并分配能量以及从除了该单元之外的能源(具体地从机动车电池)汲 取补充能量来平衡单元，从而将单元的放电限制到预定电压阈值。
此外，当能量存储单元的组件长期保持不活动时，需要保持能量存储单 元(具体地由超级电容器形成)的组件的平^f。
期)停车的情况。
因而，本发明的目的是独立于上述或与上述组合的能量存储设备，具体
9地用于机动车的能量存储设备，包括 -串联连接的能量存储单元的组件，
-平衡电路，被配置为，在第一阶段，在该能量存储单元的端子处将该 单元放电并且至少平衡到低的预定电压阈值，以及在第一阶段后的第二阶 段，将该单元加速放电到所述低的预定阔值以下。
优选地，该平衡电路被以这样的方式配置在第二阶段的结尾，每一个
单元的端子处的电压基本为零。
在本发明中，在第一阶段期间，该放电可以是緩慢的，结果是，当该设
备相对较长时间不用时，该单元本身尽可能少地放电以便限制能量损耗。 优选地，在第一阶段期间，将放电补充到可能的最低电压阚值。 在整个第一阶段期间，该单元本身对称地放电，确保它们是平衡的。 在该设备的特别长时间的不活动期间，可能的结果是，由于存在不充分
的可用电压的事实，而导致不能保证单元的平衡。
通过借助本发明，在第二阶段期间，当电压变为该低的预定阈值以下且
变得不足以实现单元的平衡时，该平衡电路命令单元使用具有比在第一阶段
期间该单元的放电电流的强度高的强度的单元的放电电流来加速单元的放电。
在第二阶段中由于此强的放电电流而引起的单元的快速放电，保证了在 比第一阶段短得多的时间流逝中，该组件的所有单元实现全部放电到大约0 伏(例如，在单元的端子处，放电到该低的预定电压阈值的大约五分之一或 十分之一)。
在第二阶段期间，强制的快速放电加速了单元的自然放电，由于单元之 间的不同漏电流，自然放电可能导致单元之间的不平衡。
换句话说，在第二阶段期间施加的快速放电使得该单元在单元之间发生 4壬何不平tj"之前完全地;改电。
因而，即使在第二阶段期间没有应用单元的特定平衡，也可以将该单元 放电同时仍然保持它们的平衡。
当用外部能量源对该单元再充电时，例如从机动车中的DC/DC转换器 再充电时，该再充电可以在已一皮平ff到大约0 V的7>共值的单元上开始。
在本发明的一个实施例中，该平衡电路被以这样的方式配置第一阶段 的持续时间大于第二阶段的持续时间，具体地至少IO倍或20倍大，例如至
10少50或100倍大。
如果需要的话，该平衡电路在第一阶段的结尾停止该单元的强制平衡。该平衡电路可以包括加速放电模块，被配￡为在第二阶段中，使能具有
比在第一阶段期间单元的放电电流的强度高的强度的单元的放电电流的发生。
有利地控制第二阶段中的放电电流的强度，以使得在此第二阶段的结尾时该单元保持大体上平tf。
该平衡电路优选地包括振荡器和该振荡器的辅助电源模块，该振荡器被配置为在第 一 阶段中控制单元的平衡，此辅助电力模块具体地包含诸如回扫变压器的变压器。
有利地，当达到低的预定电压阈值时，该辅助电源模块停止运行。此时，使得该单元平衡的振荡器切断，以及第二阶段开始。
在本发明的一个实施例，该加速》文电才莫块包括晶体管，具体地为N沟道耗尽型MOSFET晶体管。该MOSFET晶体管例如是英飞凌投放市场的BSP149型号晶体管。
优选地，该加速放电模块包括连接到该耗尽型晶体管的特别是具有二极管的电荷泵，以使得当辅助电源模块停止运行时，该晶体管导通，从而保证在该单元的组件中的强放电电流的循环。
有利地，该加速放电模块包括至少一个电阻器，其至少在第二阶段的结尾时连接到该能量存储单元，并且被配置为防止它们潜在地通过电化学效应被再充电。
事实上，该单元可以呈现通过电化学效应自身地再充电的性质，其可能产生单元之间的不平衡。
优选地，只有当加速放电模块被设置为运行并且该单元的深度放电已经结束时，前述电阻器才实际上连接到该单元。
在本发明的一个实施例中，该平tf电鴻4皮以这样的方式配置当该单元的组件的端子处的电压变为大于高电压阈值时，第二阶段的放电被禁止。
如果需要的话，该平衡电路被配置为使得，在第一阶段期间，可以从该组件的至少一个单元中汲取能量，并且可将如此汲取的能量分配给该组件的至少一个其它单元，以便平衡该单元。
该平衡电路可以被配置为使得，在第一阶段期间，将从至少一个单元汲
ii取的能量在特别是使用诸如回扫变压器的变压器传送到一个或多个其它单元之前以电感性能量的形式存储。
本发明的目的还有用于补充(特别是意欲装备机动车上的)串联连接的
能量存储单元的组件的放电的方法，该方法包括以下步骤
-在第一阶段，在该能量存储单元的端子处将该单元放电并平衡到至少
低的预定电压阈值，
-在第一阶段之后的第二阶段，将该单元加速放电到所述低的预定阈值以下。
本发明的另一目的是独立于上述或与上述组合的能量存储设备，具体地用于机动车的能量存储设备，包括-串联连接的能量存储单元的组件，
-平衡电路，被配置为通过在该组件的一个或多个单元中循环一个或多个平衡电流来使得在将该单元放电的同时平衡该单元，
-可选i貪断系统，^皮配置为传递与该组件的至少一个单元相关联的至少一条信息，
该平衡电路被配置为，至少根据独立于能量存储单元的组件的外部信息和/或由该可选诊断系统传递的、与至少一个单元有关的信息来控制平衡电流和/或平衡的持续时间。
通过借助本发明，当机动车开动时，可以有效地平tf该单元。事实上，当机动车开动时(例如由外部信息给定的状态)，该平衡电路的电消耗可以无论是低或是高，因而相对易于激活辅助功能以便以最适当的方式平衡。例如，可以利用调整的电流，例如通过对该电流或平4軒脉冲的适当频率的控制，来实现该平衡。当该平衡消耗强电流时，这是有效的，因为与单元之间交换的电流相比，不同的能量存储单元的漏电流是可以忽略的。
另一方面，当机动车停止时，强电流的平衡导致单元的快速放电的风险。
该诊断系统有利地被配置为传递选自以下项的信息与至少一个单元有关的温度信息、与一个单元有关的电压信息、与该组件的几个单元有关的电压信息、该组件本身的端子处的电压信息。
该平衡电路可以具体地被配置为，具体地根据前述信息，使得一个或多个平衡电流的强度从0安培到预定的最大值之间变化。此最大电流具体地是该平衡电路的电源部分的尺寸允许的最大电流。
12如果必要的话，只要与至少一个单元有关的温度在预定阈值(具体地等
于大约30或40°C )之上，该平衡电路就保持工作。
如果需要的话，在此温度阈值以下，该平衡电路被切断。在本发明的一个实施例中，该诊断系统可以被配置为控制该平衡电路的启动和/或中断。
前述外部信息具体地选自为机动车的车载网络供电的电池的电压信息、由电池管理系统(BMS)发出的信息、特别是由发动机控制系统或机载计算机发出的用于激活该平衡电路的信息、与位置+APC "在接触后"中的引火开关的^r测有关的信息。
在本发明的一个实施例中，该平衡电路被配置为能够以两种模式运行，第一模式和第二模式，在第一模式中，能量存储单元的平衡由一个或多个低的平衡电流补充，特别是当机动车静止时；在第二模式中，该单元的平衡由一个或多个强的平衡电流补充，特别是当机动车移动时。
有利地， 一旦机动车的电池的端子处或单元的组件的端子处的电压超过预定阈值(例如等于12或13伏)，则该平衡电路从第一模式切换到第二模式。
因而，本发明能够根据机动车是静止的还是移动的来较好地管理平衡。
该设备有利地包括振荡器，被配置为断续地(intermittently)控制该平衡电路的启动和/或中断，特别是通过诊断系统来控制。
例如，该振荡器被配置为控制该诊断系统的启动和中断。
在本发明的一个实施例中，该平衡电赠4皮配置为在由该振荡器启动之后运行预定时间段，然后如果必要的话，在此预定时间段之后切断其自身。
由于该设备外或内的信息或者由于该振荡器引起的该平衡电路的断续的激活能够减少电消耗，这在机动车静止时是有益的。
该平衡电路包括例如回扫类型的一个或多个变压器。
在本发明的一个实施例中，如果该诊断系统测量每个单元的电压，则当该单元的电压差下降到阈值(例如等于0.1伏的阈值)之下时，此诊断系统控制停止平衡。平衡或者由内部振荡器或者由外部设备重新启动。
本发明的目的还有独立于上述或与上述组合的能量存储设备，具体地是用于机动车的能量存储设备，包括
-串联连接的能量存储单元的组件，-平衡电路，被配置为在该单元放电的同时使能单元的平衡，-振荡器，被配置为使能该平衡电路的断续的启动和/或停止。本发明具有的另 一个目的是一种当机动车静止或移动时在能量存储设备的放电期间平衡的方法，该能量存储设备包括串联连接的能量存储单元的
组件，该方法包括以下步骤
-通过在该组件的 一个或多个单元中循环 一个或多个平衡电流来使得在该单元放电的同时平^f该单元，
-至少根据独立于能量存储单元的组件的外部信息和/或与至少一个单元有关的信息来控制一个或多个平衡电流，具体地激励平衡的触发。
该平衡电路有利地被配置为使得一个或多个平衡电流的强度根据一个
或多个单元的老化状态而变化，具体地根据以下信息中的至少 一个而变化一个或多个能量存储单元的内阻的值(ESR或等效串联电阻)、 一个或多个能量存储单元的电容值、 一个或多个单元的充电状态(SOC)、 一个或多个单元的能量状态(SOE)。
由于平衡是断续地实现的，因此平衡阶段的持续时间和/或平衡的两次连续启动之间的持续时间可以与一个或多个单元的老化状态相关联，具体地与以下信息中的至少一个相关联 一个或多个能量存储单元的内阻的值(ESR或等效串联电阻)、 一个或多个能量存储单元的电容值、 一个或多个单元的充电状态(SOC)、 一个或多个单元的能量状态(SOE)。
一个或多个平衡电流的强度以及平衡的持续时间以及平衡的频率的变化有利地表现为互相依赖和/或依赖于观测的一个或多个能量存储单元的老化状态。
如果需要的话，平衡的两个激活信号之间的持续时间是根据一个或多个能量存储单元的老化状态选择的，具体地根据以下多条信息中的至少 一条选择的 一个或多个能量存储单元的内阻的值(ESR或等效串联电阻)、 一个或多个能量存储单元的电容值、 一个或多个单元的充电状态(SOC)、 一个或多个单元的能量状态(SOE)。
在本发明的一个实施例中，该设备被配置为根据该平衡电路的激活频率和一个或多个平衡电流的强度中的至少一个来传递有关一个或多个能量存储单元的寿命的结束的信息，具体地以警告信号的形式来传递。


通过阅读下面对本发明的实施例的非限制的示例的详细描述以及对附
图的审阅，可以更好地理解本发明，其中
-图l以图示的形式以及部分地表示根据本发明的一个实施例的能量存 储设备，
-图2示出了对于图1中的设备的两个单元的不同的连续平衡步骤， -图3以图示形式以及部分地表示对图1中的设备的一部分的修改， -图4示出了对于图3中的设备的两个单元的不同的连续平衡步骤， -图5以图示的形式以及部分地表示根据本发明的另一个实施例的能量 存储设备，
-图6以图示的形式以及部分地表示根据本发明的另一个实施例的能量 存储设备，
-图7是以图示形式示出图6中的单元的组件的端子处的电压根据时间 的变化的曲线图，
-图8以图示形式以及部分地表示图6的设备的加速放电模块， -图9到11是示出根据本发明的实施例的不同的设备的框图， -图12是漏电流作为温度的函数的曲线图，以及 -图13表示电流Ip根据时间以及平衡激活信号随时间的变化。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明的能量存储设备1，包括串联连接的能量存储单 元Cl, C2, ...， Ci的组件2。单元Ci的数目例如等于10。
在考虑的示例中，每个单元C1， C2,…，Ci由单个超级电容器形成。
设备1被配置为用在机动车中，并且在机动车的恢复制动阶段期间充电 以及在机动车的起动和/或加速阶段期间放电。
组件2包括两个外部端子4以及5,例如其中一个外部端子4连接到接 地线。
组件2的端子4和5处的电压用E表示，每个单元Ci的端子处的电压 用Vci表示。
Ip指定在组件2的端子4和5之间流动的电流。 Idi是指与每个单元Ci有关的放电电流。
15设备1包括平衡电路10,平衡电路10被配置为使得能够从单元CI, C2,…，Ci中的至少一个汲取能量以及将如此汲取的能量分配给所述单元 中的至少一个其它单元。
在所述示例中，平衡电路10被配置为，在设备l的放电阶段期间，使 得单元Cl, C2,…，Ci中的至少一个的充电电压仅仅利用从其它能量存储 单元中的至少一个汲取的能量来提高。
平衡电路10包括回扫类型的变压器11，装备有芯12、初级电感绕组 Lp 13和次级绕组14。
初级绕组13与由晶体管形成的开关Q串联安装。
在所考虑的示例中，晶体管Q是MOSFET晶体管，其漏极连接到初级 绕组13，源极连接到端子4。
初级绕组13和开关Q连接到组件2的外部端子4和5。
每个次级绕组14形成连接到组件2的单元Ci的端子的回路15的一部分。
每个回路15包括与次级绕组14串联的二极管Di，此回路15由平衡电 流Isi流过(traverse )。
旁路电容器Cd与初级绕组13和开关Q并联安装。
设备1包括振荡器20,使得产生信号并且发送给晶体管Q的栅极以开 关此晶体管Q。
在考虑的示例中，振荡器20产生的信号具有矩形，具有选择的循环率 (cyclic ratio ) D以便产生总输出电流(Isi电流的和)，其是组件2的端子处 的电压E的函数。
控制振荡器20产生的信号的频率Fd根据在组件2的级别测量的温度来 控制。
例如通过使用装配在组件2内的温度传感器来测量温度。 在考虑的示例中，振荡器20由在绕组13的端子处以及在开关Q的端子 处汲取的电流来供电。
振荡器20例如净皮配置为自发工作于2V和30V之间。
在一个变形(未示出)中，振荡器20可以由设备1之外的电源供电。
平4軒电流Isi的近似值由下式给出
16其中k是组件2中的单元Ci的数目，并且Vd是二极管Di的导通压降 电压(dropout voltage )。
放电电流Idi的近似值由下式给出(排除振荡器20和来自于单元Ci的 泄露):
， 「翩、
现在参考图2描述在平衡组件2的两个单元CI和C2中不同的连续步骤。
假定在时刻t0，单元C1的端子处的电压大于单元C2的端子处的电压。 换句话说，单元CI比C2更高地充电。
借助于平衡电路10通过汲取组件2的端子处的能量来平衡单元CI和 C2，然后由变压器11通过初级绕组13和次级绕组14将如此汲取的能量分 配给充电较少的单元，例如分配给单元C2。
因此，在时刻tO和tl之间，单元C1的端子处的电压减小，单元C2的 端子处的电压增大，直到它达到与单元C1大体上相同的电荷电平。
然后，在tl和t2之间，单元CI和C2以基本上相同的速率放电，以达 到基本上相同的放电电平，例如在深度放电的情况下，每一单元接近于0.2V。
因而，平衡电路10通过将能量增加到具有最低充电电压的单元中，来 使得能够补偿能量存储单元Ci的漏电流之间的差，同时补充单元的组件2 的自然放电，这确保了放电期间的自动平衡。
当组件2处于平衡时，放电电流Idi基本上与单元Ci的漏电流相等，并 且与平衡电路10的损耗以及振荡器20的损耗成比例。
考虑导通压降电压Vd,平衡电路10的损耗的主要部分来源于二极管Di。
在刚才描述的示例中，在放电阶段平衡单元Ci,而不需要由除了单元之 外的能源提供的能量。
因而，如果必要的话，单元Ci的放电可以相对充分(intensive )。 作为变形，如图3所示，平衡电路IO可以被配置为由外部能量源(例如电池30)供电。
此电池30连接到初级绕组13 ，在这二者之间插入有二4及管31 。 二极管32可以与初级绕组13串联提供。
在图3的示例中，单元Ci的平tf基本上与前一示例相同(参见图4的 十n "5fo "夕间、
tvy ,j' t丄 —^-^ ,…j /0
但是，在图3的示例中，通过从电池30增加能量，单元C1和C2的充 电电压维持在预定电平Uo，如图4中的时刻t2的图所示。
在刚才描述的示例中，平衡电路10被配置为使得从单元Ci中的至少一 个汲取的能量在被传送到一个或多个其它单元之前被以电感性能量的形式 存储。
图5示出了能量存储设备40，包括与参考图l描述的类似的能量存储单 元Ci的组件2,还包括平衡电路41,被配置为使得从单元Ci中的至少 一个 汲取的能量在被传送到一个或多个单元之前被以电容性能量的形式存储。
为此，平衡电路41包括电容器42,通过两个多路器44 (具体地为模拟 型)连接到单元Ci的组件2。
如果必要的话，这些多路器44可以由从单元Ci汲取的电流供电。因而 多路器44可以是浮动型的。
多路器44连接到振荡器45,振荡器45被配置为使得，当它操作时，多 路器44从单元Ci中的一个汲取能量以对电容器42进行再充电。
然后多路器44将存储在电容器42中的能量分配给放电最多的一个或多 个单元Ci。
在一个变形中(未示出)，可以将感应电阻器与电容器42串联连接，以 便通过使用LC电路的谐振来限制电流脉冲或使得更有效地平衡。
如果必要的话，设备40可以并入到集成电路或Asic (专用集成电路)中。
如果必要的话，设备40可以包括诊断系统(未示出)，用于确定单元 Ci之间的电压差和/或确定每个单元的端子处的最大电压，具体地用于对单 元^Vf于健康^r查。
如果需要的话，当机动车静止时，设备40的诊断可以周期性地实现， 例如每天几分钟，以及当机动车使用时，设备40的诊断可以经常地实现， 从而使得可以根据诊断来限制能量消耗。显然，本发明不局限于刚才描述的实施例。
图6示出了根据本发明的另 一个实施例的能量存储设备r。 除了平衡电路之外，此设备l'类似于先前描述的设备1。
设备l'的平衡电路10'包括振荡器20、为振荡器20供电的辅助电源模块 s i d 73 t占《r>々l、，'主i主？i1 ;后汰哭？n AAs令由.i達地s
模块52连接到单元的组件2的端子4和5并且携带电流laux。 平衡电路10'被配置为，在第一阶段Phl中，在能量存储单元的端子处 将单元Ci放电并且平衡到低的预定电压阈值Einf，以及在第一阶段Phl后 的第二阶段Ph2，将该单元加速放电到所述低的预定阔值Einf以下。
在阶^敬Phl和Ph2中单元的组件2的端子4和5处的电压E的变化如图 7所示。
电压E的变化的曲线大体上可以是直线(rectilinear )。
当机动车停止时，阶段Phl可以持续例如对应于例如长时间的好几天或 好几星期，并且阶^殳Ph2可以持续几小时，例如大约两个小时。
在描述的示例中，低的阈值Einf在1.5和2伏之间。
平衡电路10'被配置为使得，在第二阶段Ph2的结尾，单元的端子处的 电压E基本上为零。
在第一阶段Phl期间，该放电可以是緩慢的，以使得当该设备相对较长 时间保持不用时，单元Ci尽可能少地放电以便限制能量损耗。
通过使用变压器11和它的控制系统、以参考图1描述的方式平衡单元 Ci来补充阶段Phl期间的放电。
作为变形，补充单元Ci的放电的平衡可以按照任何其它适当的方式来 实现，例如使用多路器。
在第一阶段Phl期间，电流1腿为零。
在第二阶段Ph2期间，当电压下降到该低的预定阈值Einf以下且变得不 足以实现单元的平衡时，平衡电路10'使用具有比在第一阶段Phl期间单元 Ci的放电电流的强度高的强度的单元的放电电流laux来控制单元Ci的加速放 电。
由于强的放电电流laux，因此第二阶段Ph2中单元的快速放电保证了组 件的所有单元都在比第一阶段Phl的时间短得多的时段内实现完全放电到 大体上0伏。在第二阶段Ph2期间施加的快速放电使得单元Ci在这些单元之间发生
任何不平衡之前能够被完全放电。
当用外部能量源对单元Ci再充电时，例如由机动车中的DC/DC转换器 再充电时，这些单元从大约等于O伏的电压开始充电，这确保了平衡的再充 由
辅助电源模块51包括变压器，诸如回扫类型的变压器(未示出)。
当达到低阈值电压Einf时，此辅助电源模块51停止运行。
如图8所示，加速放电模块52包括N沟道耗尽型MOSFET晶体管53。
此MOSFET晶体管53例如是英飞凌控j文市场的BSP149型号的晶体管。 加速放电模块52还包括连接到晶体管53的二极管泵55,以使得当辅助
电源模块51和振荡器20停止运行时(电流Ia的强度接近于0 mA )，此晶体
管53可变为导通(晶体管53的栅极的电压变为0伏)。
电流Ux然后可以例如在阶段Ph2的开始时达到大约45mA，然后在阶
段Ph2的结尾时减少到大约0mA。
加速放电模块52还包括至少一个电阻器56，其在第二阶段Ph2的结尾
时连接到单元Ci，并且被配置为防止由于能量存储单元的电化学效应引起的
任何再充电。
平衡电路IO'被以这样的方式配置当单元的组件2的端子处的电压E 变为大于高电压阈值Esup (例如大约7伏)时，第二阶段的放电被禁止。 图9示出了根据本发明的另一个实施例的能量存储设备60，包括 -串联连接的能量存储单元Ci的组件2，
-平^f电^各10; 41， -陂配置为通过在该组件的一个或多个单元中循环一个 或多个平tf电流Isi来允许在单元》文电的同时平衡该单元，如上所述，
-诊断系统61, ^皮配置为传递与该组件2的至少一个单元有关的至少一 条信息。
该平衡电路10; 41被配置为，至少根据独立于能量存储单元的组件2 的外部信息和/或由诊断系统61传递的与至少一个单元有关的信息来控制一 个或多个平tf电流Isi。
诊断系统61连接到被配置为控制它的启动的振荡器62。 振荡器62被配置为，当机动车静止时，例如在长期停车的情况下，每 隔一定时间间隔(例如每小时)激励诊断系统61的触发。
20振荡器62具有低的能量消耗以使得平衡消耗的能量尽可能低。
平衡电路10; 41连接到机动车的模块63 ，例如发动机控制系统或机载计 算机，该模块63被配置为根据设备60之外的信息控制平衡电路10; 41。 该外部信息选自为机动车的车载网络供电的电池的电压信息、由电池
芬i萝g缺f RMS 、右始4*泉.ffl手-:針法汰卓4軒由,S夂r^ 4玄身、(且汰W, rh劳劫
机控制系统或机载计算机发出)、与位置+APC "在接触后"中的引火开关的 检测有关的信息。
根据模块63处理的外部信息，平衡电路10; 41在两种模式之间切换，
第一模式和第二模式，在第一模式中，能量存储单元的平衡由一个或多个低
的平衡电流补充，特别是当机动车静止时；在第二模式中，该单元的平纟軒由
一个或多个强平衡电流补充，特别是当机动车移动时。
一旦机动车的电池的端子处或单元的组件2的端子处的电压超过预定阈
值(例如等于12或13伏)，则平衡电路10; 41从第一模式切换到第二模式。 在描述的示例中，当诊断系统61就平衡而言检测到单元的令人满意的
状态时，诊断系统61激励平衡电路10; 41的停止。
诊断系统61 一皮配置为传递选自以下项的信息与单元Ci中的至少一个
有关的温度信息、与一个单元有关的电压信息、与组件的几个单元有关的电
压信息、该组件本身的端子处的电压信息。
在刚才描述的示例中，该设备包括振荡器62并且连接到外部模块63。 如果该设备没有振荡器62,则仍然在本发明的范围内。 例如，图10示出了由外部模块63直接控制的平衡电路10; 41。 为了在机动车静止时限制消耗的目的，外部模块63可以被配置为重新
激活平衡电路，这可以免除与平衡电路本身有关的振荡器的需要。
图11示出了根据本发明的另一个实施例的设备75,包括由振荡器62
控制的平衡电路，而没有利用外部信息。
平衡电路10; 41的重新激活和停止仅仅由振荡器62来控制。
例如，当机动车停止在停放位置时，平衡电路10; 41每小时运行10分
钟，或者作为变形，每天运行一小时。
仍然考虑最小化能量消耗，可以仅在有效时、具体地当单元之间存在大
的电压差时，才操作平衡电路。其余的时间，优选地使得平衡电路不活动，
并且在适当的时刻再启动它。两次连续的重新激活之间的时间作为时间和平衡电路的速度(rapidity)的函数，具体地与能量存储单元的行为有关。
一旦选择了两次重新激活之间的时间，则重新激活时间可以与能量存储
单元本身以及平衡它们的难度有关。此重新激活时间值可以用来获得代表某
些单元的使用寿命结束的该单元的任何偏差。
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两个单元的漏电流之间的差可以随温度的升高而增加。
因此，在阈值以上(例如在40。C以上)的相对较高的温度时，指令平衡 电路10; 41运行以便平衡单元。
如果需要的话， 一旦温度下降到4(TC以下，则平衡电路可以被切断。
图13示出了电流Ip随时间的变化，以及用于重新激活平衡的信号随时 间的变化，例如针对参考图9描述的设备60。
平衡电路10; 41被配置为使得根据一个或多个单元Ci的老化状态来改 变一个或多个平衡电流的强度，具体地根据以下信息中的至少一个 一个或 多个能量存储单元Ci的内阻的值(ESR或等效串联电阻)、 一个或多个能量 存储单元的电容值、 一个或多个单元的充电状态(SOC)、 一个或多个单元 的能量状态(SOE)。
两个平衡重新激活信号之间的时间段Dr2以及可能包括平衡阶段Dr3的 持续时间是根据一个或多个单元Ci的老化状态选择的，具体地根据以下信 息中的至少一个选择 一个或多个能量存储单元的内阻的值(ESR或等效串 联电阻)、 一个或多个能量存储单元的电容值、 一个或多个单元的充电状态 (SOC)、 一个或多个单元的能量状态(SOE)。
由于平衡是断续地实现的，因此平衡阶段的持续时间Dr3和/或平衡的 两次连续的触发之间的持续时间Dr4与一个或多个单元Ci的老化状态有关， 具体地与以下信息中的至少一个有关 一个或多个能量存储单元的内阻的值 (ESR或等效串联电阻)、 一个或多个能量存储单元的电容值、 一个或多个 单元的充电状态(SOC)、 一个或多个单元的能量状态(SOE)。
持续时间Dr2例如为大约一小时，平衡重新激活信号的持续时间Drl例 3口为大约100 ms。
持续时间Dr3的平衡阶段有利地根据能量存储单元Ci之间的电压差而 触发。
比率Drl/Dr2和Dr3/Dr4的优化以及强度Ip的优化，首先使得单元Ci的组件的自发放电被最小化以便根据服务曲线和它的老化状态来优化单元Ci的组件的可用率，其次，使得具有单元Ci的组件的健康状态的景象
(image ),该景象可被用于单元Ci的组件的使用寿命的结束的预测策略。
单元Ci的组件的老化的制图(cartography )和/或自学习系统可以用来乂#乂>巫;(^泉来+
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设备60被配置为根据平衡电路的激活频率和一个或多个平衡电流的强
度中的至少一个来传递有关一个或多个能量存储单元a的使用寿命的结束的信息，具体地以警告信号的形式来传递。
例如，当时间段Dr4小于或等于预定时间阈值(具体地选择为等于24小时)时，和/或当电流Ip大于预定电流阈值(具体地选择为等于50 mA)时，传递关于一个或多个能量存储单元Ci的使用寿命的结束的信息。
权利要求
1.一种能量存储设备，具体地用于机动车的能量存储设备，包括-串联连接的能量存储单元(Ci)的组件(2)，-平衡电路，被配置为通过在该组件(2)的一个或多个单元中循环一个或多个平衡电流来使得在将单元(Ci)放电的同时平衡该单元，-可选地，诊断系统(61)，被配置为传递与该组件的至少一个单元有关的至少一条信息，该平衡电路被配置为，至少根据独立于能量存储单元的组件的外部信息和/或由该可选诊断系统传递的、与至少一个单元有关的信息来控制平衡一个或多个电流和/或平衡的持续时间(Dr3)。
2. 根据前一权利要求所述的设备，其特征在于以下事实诊断系统被配 置为传递选自以下项的信息与所述单元中的至少一个有关的温度信息、与 所述单元中的一个有关的电压信息、与组件的几个单元有关的电压信息、该 组件本身的端子处的电压信息。
3. 根据前一权利要求所述的设备，其特征在于以下事实该平衡电路被 配置为使得一个或多个平衡电流的强度从0安培到最大预定值之间变化。
4. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其特征在于以下事 实当与至少一个单元有关的温度在预定阈值之上时，平衡电路(10;41) 维持操作，具体地阈值等于大约40。C。
5. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其特征在于以下事 实该诊断系统(61)被配置为控制该平衡电路的启动和/或中断。
6. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其特征在于以下事实该外部信息选自为机动车的车载网络供电的电池的电压信息、由电池 管理系统(BMS)发出的信息、具体地由发动机控制系统或车载计算机发出 的用于激活该平衡电路的信息、通过位置+APC "在接触后"中的引火开关 的测的与该车载网络电源有关的信息。
7. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其特征在于以下事 实该平衡电路被配置为以便能够以便两种模式运行，第一模式和第二模式， 在第一模式中，能量存储单元的平衡由一个或多个低的平衡电流补充，特别是当机动车静止时；在第二模式中，该单元的平衡由一个或多个强平衡电流 补充，特别是当机动车移动时。
8. 根据前一权利要求所述的设备，其特征在于以下事实 一旦机动车的13伏的预定阈值，则平衡电路从第一模式切换到第二^^莫式。
9. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其特征在于以下事 实它包括振荡器(62)，被配置为断续地控制该平衡电路的启动和/或中断， 特别是通过诊断系统(61)来控制。
10. 根据前述权利要求所述的设备，其特征在于以下事实该振荡器(62 ) 被配置为控制该诊断系统(61)的启动和中断。
11. 根据权利要求9所述的设备，其特征在于以下事实该振荡器直接 控制该平衡电路。
12. 根据权利要求9到11中任一权利要求所述的设备，其特征在于以下 事实该平衡电路被配置为在由该振荡器(62)启动之后运行预定时间段， 然后根据条件，在此预定时间段之后切断其自身。
13. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其特征在于以下事 实该平衡电路包括一个或多个回扫类型的变压器。
14. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其特征在于以下事 实该平衡电路被配置为使得根据一个或多个单元的老化状态来改变一个或 多个平衡电流的强度，具体地才艮据以下信息中的至少一个 一个或多个能量 存储单元的内阻的值(ESR或等效串联电阻)、 一个或多个能量存储单元的 电容值、 一个或多个单元的充电状态(SOC)、 一个或多个单元的能量状态(SOE )。
15. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，该平衡被断续地实 现，其特征在于以下事实平衡阶段的持续时间(Dr3)和/或平衡的两次连 续的触发之间的持续时间(Dr4)与一个或多个单元(Ci)的老化状态有关， 具体地与以下信息中的至少一个有关 一个或多个能量存储单元的内阻的值(ESR或等效串联电阻)、 一个或多个能量存储单元的电容值、 一个或多个 单元的充电状态(SOC)、 一个或多个单元的能量状态(SOE)。
16. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，该平衡被断续地实 现，其特征在于以下事实根据一个或多个单元的老化状态来选择用于平衡的重新激活的两个信号之间的持续时间(Dr2)，具体地根据以下信息中的至少一个 一个或多个能量存储单元的内阻的值(ESR或等效串联电阻)、一个或多个能量存储单元的电容值、 一个或多个单元的充电状态(SOC)、 一个或多个单元的能量状态(SOE)。
17. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其特征在于以下事实它被配置根据平衡电路的激活频率和一个或多个平衡电流的强度中的至少一个来传递用于一个或多个能量存储单元的使用寿命结束的信息，具体地以警告信号的形式。
18. —种能量存储设备，具体地用于机动车的能量存储设备，包括-串联连接的能量存储单元(Ci)的组件(2),-平衡电路，被配置为在该单元(Ci)放电的同时使能单元(Ci)的平衡，-振荡器(62)，被配置为使能该平衡电路的断续的触发和/或停止，
19. 一种当机动车静止或移动时在能量存储设备的放电期间平衡的方法，该能量存储设备包括串联连接的能量存储单元的组件(2)，该方法包括以下步骤-通过在该组件(2)的一个或多个单元中循环一个或多个平衡电流来使得在将单元(Ci)放电的同时平衡该单元，-至少根据独立于能量存储单元的组件的外部信息和/或与至少一个单元有关的信息来控制一个或多个平衡电流，具体地控制激励平衡的触发。
20. 根据前一权利要求所述的方法，其特征在于以下事实选择比率(Drl/Dr2)和(Dr3/Dr4 )的优化以及强度(Ip )的优化，以^更首先，最小化单元(Ci)的组件的自发放电以根据服务曲线和它的老化状态优化单元(Ci)的组件的可用率，以及第二，具有单元(Ci)的组件的健康状态的景象，该景象可以应用在用于预测单元(Ci)的组件的使用寿命的结束的策略中。
21. —种能量存储设备(l'),具体地用于机动车中的能量存储设备，包括-串联连接的能量存储单元(Ci)的组件(2),_平4軒电路(10')，被配置为，在第一阶段(Phl),在该能量存储单元的端子处将该单元(Ci)放电并且平衡到至少一低的预定电压阔值(Einf)，以及在第一阶段后的第二阶段(Ph2),将该单元加速^:电到所述低的预定阈值以下。
22. 根据前一权利要求所述的设备，其特征在于以下事实该平衡电路被配置为使得，在第二阶段(Ph2)的结尾，每一个单元(Ci)的端子处的电压基本为零。
23. 根据前述两个权利要求中任一权利要求所述的设备，其特征在于以下事实该平衡电路(IO')被配置为使得第一阶段(Phl)的持续时间大于第二阶段(Ph2)的持续时间，具体地至少10倍或20倍大，例如至少100倍大。
24. 根据权利要求21到23中任一权利要求所述的设备，其特征在于以下事实该平衡电路(10，)在第一阶段的结尾处停止该单元的强制平衡。
25. —种能量存储设备(l)，具体地用于机动车的能量存储设备，包括-串联连接的能量存储单元(Ci)的组件(2)，-平衡电路(10;41),被配置为使得能够从所述单元中的至少一个汲取能量以及将如此汲取的能量分配给所述单元中的至少一个其它单元。
26. 根据前一权利要求所述的设备，其特征在于以下事实该平衡电路(IO)被配置为使得，在该能量存储设备的一个放电阶段期间，仅仅利用从该设备的能量存储单元中的至少一个汲取的能量来提高该单元中的至少一个的充电电压。
27. 根据前一权利要求所述的设备，其特征在于以下事实该平衡电路(10)被配置为使得能够将单元(Ci)对称放电到比至少该单元的最大可用电压的1/3弱的电压，具体地比至少该单元的最大可用电压的1/10弱的电压，优选地比至少该单元的最大可用电压的1/20弱的电压。
28. 根据前述两个权利要求中的任一权利要求所述的设备，其特征在于以下事实该平衡电路(10)被配置为使得它可以永久地连接到机动车的电源网络。
全文摘要
本发明涉及能量存储设备，特别是用于机动车的能量存储设备，包括串联连接的能量存储单元的组件(2)；平衡电路，被适配为通过使得在该组件(2)的一个或多个单元中流过一个或多个平衡电流来使得在单元的放电期间平衡该单元；可选的诊断系统(61)，用于提供与该组件中的至少一个单元有关的至少一条信息；其中平衡电路(10；41)被适配为至少基于独立于能量存储单元组件的外部信息和/或与该单元中的至少一个有关且由该可选诊断系统提供的信息来控制平衡电流。
文档编号H02J7/00GK101669263SQ200880012686
公开日2010年3月10日 申请日期2008年4月7日 优先权日2007年4月18日
发明者休格斯·多芬, 布鲁诺·德希雷尔, 皮埃尔·萨德特, 让-克劳德·马特 申请人:法雷奥电机设备公司