专利名称：电池单元转换器管理系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及从多个电池单元构建一个电池组的系统和方法，所述多个电池单元耦合或结合到多个用于可充电电池的电压/电流转换器单元。2.相关技术的描述随着高能电池供电应用需求的增加，多单元电池组的需求已经急速增长。多单元被需要服务于某些电池应用的高容量/能量需求。在一个多单元电池组中，串联连接的单元通常不止一个。例如，一个由四个I. 2伏特电池单元相串联的电池组提供一个4. Sv标称电压(图I)。诸如用于膝上型轻便电脑的电池组的其他应用可能具有4个相串联的3. 6伏特电池单元(图2)以提供一个14. 4v的标称电池组输出电压。此外，两个这样的4单元串·列可以并联以将容量从2000毫安培小时(mAh)增加至4000毫安培小时。这个结构通常在业内被称为4S2P，或4单元串联2并联。目前，受欢迎的用于手持设备、电脑、电动工具等的多单元可充电电池组都相当昂贵，其价格取决于单元数量和它们各自在所述组中的容量从30美元至300美元不等，乃至达到上千美元。一个电池单元会因为过度充电至一个高电压或过度放电到一个低电压而损坏。这种情况特别适用于锂离子和基于锂聚合物的电池。高电压和低电压的分界点一般分别约为
4.2v和2. 7v。图3中示出了锂离子电池的属性。在电池放电至约2. 7-3. Ov时，电池可能迅速衰亡(dies out)并且可能还会受损。因此，重要的是提供一种具有智能电池管理系统的可充电电池组，所述智能电池管理系统便于对一个电池组中的电池单元进行过充电、过放电、超温保护和SOC(充电状态)监测。进一步的好处是因为如下事实电池单元的过充电、过放电可能导致电池容量的减少，更短的电池寿命，甚至诸如火灾和爆炸之类的危险情况。对多单元电池组进行充电/放电的一个关键挑战与所述电池组中的电池单元由于制造容差导致的非均一性有关。存在一种以上的电池单元不匹配。参见图4b，电池单元组40包括电池单元41、42和43。电池单元42具有比电池单元41和43低的容量，这一点在图4b以一个用于电池单元42的较小的“桶尺寸”来象征性地表示。在完全充电后，电池单元42在运作过程中相比电池单元41以及电池单元43来说将提供更少的电荷。在一个包括单元410、420和430的电池单元组400中，单元410和430已充满电，而单元420没有完全充电。因此，在单元410、430和420之间存在SOC不匹配。一个最弱的电池往往易于限制整个电池组单位的总体容量。因此，需要特殊的制造过程来确保更严格的容差。一种这样的特殊制造过程包括根据电池单元的容量属性对其进行装仓和分组。电池组将使用来自相同仓的单元。然而，这样的额外步骤增加了生产成本。而且，单元之间的不匹配在充放电周期后增加了，这种情况减少了在工厂装仓的好处。未经历昂贵的装仓过程的工厂在电池单元的收益受到严重冲击。此外，对于不符合技术要求的单元的处置会增加制造设施的污染足迹。很明显，所述的装仓步骤是一种蛮力途径，并且只能部分缓解单元失配问题，这是因为单元不匹配在多个充放电周期之后趋于变得更糟。操作环境中不同的单元温度也可能导致不匹配。因此，在电池的制造和质量控制过程中无法轻易解决不匹配退化。此外，如果堆叠中任何特定的单元严重退化，则包括一系列堆叠的电池单元的电池组将不再起作用，这种情况如图4a中所示。换句话说，电池组的生命由于单个的受损单元而缩短。因此，一个可以保证安全，延长电池寿命和降低电池的生产成本的智能电池管理系统将是必须的。锂离子电池充电过程的第一阶段通常使用中等精度恒流(CC)充电，在第二阶段则向高精度恒压(CV)充电过渡。这是为了在防止单元被过度充电的同时使单元被完全充电至所需要的电压。对于单个电池单元而言，这样的充电控制更简单，但是对于一个匹配不太好的电池单元串列而言，却是一项复杂的任务。因此，充电中的单元平衡被用来确保每一个单元不会被过度充电，同时允许每个单元会被充电至接近其各自的容量。单元“平衡”的概念是监测和调节存储在电池组中每个单元(典型地，包括现今设计中的串联连接的单元)内的电荷的过程，从而在电压限制之内平衡每个单元的端电压和容量，并且通过电 量计量来管理这些单元的S0C。因为所述这些单元不完全相同并确实存在不匹配，为了避免 单元过度充电并且均衡所有单元的S0C，那么在某一个充电时间点中，这个平衡过程可能涉及故意消散储存在具有较高的端电压或SOC的某些特定单元中的能量。或者，电荷可以从充电程度较大的单元被移动至充电程度较少的单元以便均衡单元之间的S0C。描述充电电池方法的许多传统方法大多专注于均匀充电以确保在多单元电池组中没有单元构成一个弱单元，而忽略了在放电周期中出现的不匹配。一些传统的方法探索在多单元电池组中从更强单元向较弱单元转移电荷的方法，以便减轻弱单元导致的运作限制。请注意，电池单元平衡的电荷转移类型的实际实施典型地受限于向邻近单元转移电荷。实现一个能够允许任意两个单元之间都具有电荷转移路径的电荷转移电路矩阵是不切实际的。另外，存在与电荷平衡相关联的损耗。此外，许多的多单元电池组被配置为如图2所示的串并风格。当个别单元变得有缺陷时，整个串接堆叠(series-stacked)单元链无法使用，并且所述多单元电池组的容量立刻减半。
发明内容
一种新的构建可充电电池单元的方法是探索电力转换器和电荷-存储电池单元的组合、结合的解决方案的优势。通过实际上消除了 a)对在电池组制造中选择更好的匹配单元进入一个给定的电池组的特殊的单元装仓过程的需要，和b)在电池组充电和/或放电过程中对特殊的单元平衡过程的需要(这也排除了诸如单元平衡操作所需的电感、电容、或电阻等外部组件)，这个新的拓扑改善了电池一次充电使用时间，电池组的寿命，和电池组制造成本。新的BCC体系结构使得一个多单元电池组在组中驻留有严重退化的电池单元的情况下能够继续以接近正常运作的方式起作用。新的BCC体系结构使得多单元电池组中各个单元能够递交他们所有可用的存储能源，而不论其他的个体单元是否具有不同容量或降低的容量。
图I-以串联结构堆叠单元的传统的多单元电池布置图2-具有串并联布置的传统的多单元电池(串联堆叠单元，并且并联布置所述堆叠)图3-锂离子电池单元的属性图4a_退化的电池单元限制了电池组寿命图4b-电池单元的不匹配
图5a-电池单元转换器框5b-建议的多单元电池单元转换器结构之一图6a，b，C-被用于一个电池单元转换器的降压/升压，降压，升压的DC/DC转换器的例子图7-使用具有共享组件的两个单元和一个DC/DC转换器的电池单元转换器的一个例子图8a_具有堆叠的电池单元的2-单元电池单元转换器的简化示意8b_具有并联电池单元的2-单元电池单元转换器的简化示意9a_ —个两相电池单元转换器示例，所述转换器使用单一单元，所述单元耦合至两DC/DC转换器或一个两相DC/DC转换器图9b_ —个具有一组耦合电感的两相电池单元转换器示例，所述电感的每一个耦合到一个两相DC/DC转换器的一个专用相位图9c- 一个具有多个并行连接的电池单元的两相电池单元转换器示例，所述转换器具有局部(local)单元冗余和全局单元冗余图10-具有冗余的电池单元转换器系统图11-堆叠电池单元转换器图12a_具有局部和中央监测控制单元的叠加电池单元转换器图12b_具有监测、控制单元的堆叠电池单元转换器图13-在电池单元转换器堆叠中对个体电池单元的充电
具体实施例方式在此，在具体实施例中披露的是一系列的新系统结构和新的方法，其包括将一个或多个DC/DC转换器耦合至一个或多个电池单元。这些系统结构，这里被称为电池单元转换器(BCC)，提供接近恒定的一个电压输出、或接近恒定的多个电压输出，或者以可编程的固定或时变电平方式的若干输出电压；系统拓扑结构和算法还优化了单个电池单元的使用以及可靠性，总的来说也优化了电池组系统的使用以及可靠性。一个多单元BCC系统的框图显示于图5a。BCC单元50a由一个或多个储能电池单元51a以及一个或多个DC/DC转换器52a组成，每个DC/DC转换器52a都具有输入和输出端；所述储能电池单元的端口经由53a中一个或多个电气连接耦合或连接到一个或多个的所述DC/DC (直流/直流)转换器的输入端。存在一个或多个BCC系统输出(VI，V2，...)，这些BCC系统输出也是DC/DC转换器的输出；还存在一个监测与控制单元54a。一个外部充电源55a被用于对BCC单元50a充电。为了对BBC系统单元充电，一个例子是当监测和控制单元检测到存在活动的外部充电源，所述DC/DC变换器的输入将被切换至该输入的外部充电源。所以，所述DC/DC转换器(或所述BCC)的输出继续可用。同时，来自外部源的部分的输入能量通过监测与控制单元被转移，以便对每个电池单元充电。可选地，一个电源可以应用到一个或多个DC/DC转换器52a的一个或多个输出。然后，这些DC/DC转换器就可以运行在负正向功率以将电能输送到51a中的一个或多个电池单元，从而对它们进行再充电。图5b显示了一个多单元BCC单元50的系统结构。在本说明书和附图中例示的储能设备是电池单元，但是电容(如超级电容或超电容)可以用来代替所述电池，或与所述电池相结合使用。电池或电容单元56通过开关55 ( “单元”被视为单个的单元或一组直接相互串联或并联的电池单元)连接到导线51和52。注意，开关55可以与连接到低压导线51的电池单元56串联在一起，或者可以与连接到高压线的电池单元56串联在一起；与高压线52的连接图释于图5b中。所述开关受控于一个控制单元57，其象征性地用虚线箭头描绘于图5b。在图5b中，只有一个开关关闭而其他开关打开。在一个替换实施方案中，多于一个的开关可以在同一时间关闭。所述开/关的切换机制受控于适用于特定应用的所述BCC控制算法或者受控于一个负载相关的自适应算法。跨越电池单元的电压Vb可以逐单元而改变，并且能随着每一个电池放电状态而改变。DC/DC转换器54将电压Vb转换至一个·可编程的，预先确定的或随时间变化的电压Vout，从而提供一个多单元电池转换器单元50的接近恒定的输出电压或者很好地调整的，可编程的时变输出电压。Vout可以大于或小于Vb。对于如图5b所示的电池转换器结构，有大量可能的操作模式，所述操作模式由开关55的切换排序控制算法决定。例如，a) 一个单元56在某时连接电压Vb经控制单元57被监测；当电池电压降到一个预先设定的阈值之下时，被连接单元56将被视为由控制单元57 “已放电”。然后相应的开关55打开,然后另一个开关将一个“未放电”单兀连接至电线52;b)与每一个电池单元相关联的开关55以一个顺序循环(round robin)配置被打开。一种可能的安排是开关55中的每一个在每个开关周期被顺序打开。每个单元56的电压Vb被监测，并且当电池电压降到一个预先设定的阈值之下时，被连接单元56将被控制单元57视为“已放电”。相应的开关55打开，断开“已放电”单元的连接，直到电池被再次充电。随着一个或多个“已放电”单元被断开连接，剩余的单元继续被顺序打开和关闭，直到他们中的每个都“被放电”或者直到电池被再次充电为止。c)每一个电池相关联的开关55按照单元的SOC并与之成比例地被打开。这有助于均衡在放电过程中不同单元的SOC。d)与所有单元相关联的开关55在一段时间内以相同时间间隔被打开，然后独个的开关55被关闭以停止从其各自的单元中抽取电能或者停止对其各自的单元进行再充电。请注意开关安排的通用性和灵活性。不同切换算法可用于优化不同的应用场合和目标。单元端电压和SOC之间的关系是单元电流和工作温度的函数，强调这一点是重要的。单元SOC可以通过单元端电压用某些取决于单元电流和温度的校正因子推断出来。或者，通过测量单元电流对时间的积分，SOC可以使用“库仑计算”来测量。监测、控制和充电管理单元可以应用各种方法来衡量和评估单元SOC。此外，各个体单元可以让开关55在单元电压测量中打开以便测量开路单元电压。出于示意目的，这里的一些描述是基于简化的DC/DC转换器电路图并且具有特定的开关顺序控制波形。基于本说明书所提供的信息披露和教导，对于任何本领域人员而言显而易见的是存在许多可能的将提供各种系统效益的DC/DC切换拓扑和切换顺序选项。电池单元和电源转换器相结合的新概念将提高电池组的使用效率，增加每次充电的电池可用时间，扩展电池组寿命并且降低电池组制造成本。一个升压/降压(step-up/step_down)DC/DC转换器60例不于图6a。DC/DC转换器包括电感61、电容62,连接开关63以及均衡开关(equalizing switch) 64。开关63和64开关使用非重叠时钟操作，这种时钟的工作周期决定了输出电压Vout与输入电压Vin的比率。图6a的DC/DC转换器以及其他转换器的详细的操作可以发现于电力电子教科书，如罗伯特· w ·埃里克森和马克思莫维奇 甘(Robert ff. Erickson and Dragan Maksimovic)所著的“电力电子基础”(Fundamentals of Power Electronics)。一个降压的DC/DC转换器显示于图6b，并且一个升压的DC/DC转换器显示在图6c，两者均类似于图6a的转换器。 对于任何本领域技术人员，在理解了降压转换器只能输出小或等于输入电压的电压，而升压转换器只能输出大于或等于输入电压的前提下，就会很清楚本发明可以使用来自图6a-c的所有类型的DC/DC转换器。BCC的独特特色在于，耦合于电池和DC/DC转换器之间的开关可以服务于双重功能，即它们被用于连接和断开电池单元，也能够作为DC/DC转换器的部分。换句话说，DC/DC转换器和电池单元的开关被集成到一个构建块。此外，一个BCC单元可以被推广成具有与一个或多个直流/直流转换器耦合的一个或多个电池单元，所述一个或多个直流/直流转换器具有一个或多个电压输出。BCC的另一个特点是，取决于直流/直流转换器中的电流和电能流的方向，同一个直流/直流转换器或其一部分不仅可以输送来自若干电池单元的电能，而且还可以通过将电能输送给这些电池单元以对其进行再充电。正如本公开中前面提到的，耦合于电池单元与直流/直流转换器之间的开关的开关顺序非常灵活。通过应用这种灵活性，一个在BCC单元中共享一个直流/直流转换器的方法被显示在图7。图7显示一个包含电感71和电容72的系统70。图7显示了共享一个直流/直流转换器的系统70的一个例子，该直流/直流转换器包括电感71，电容72和开关73、74、75、76。所述直流/直流转换器由两个电池单元77和78共享。开关控制单元79确保开关被正确地操作，从而确保所希望的输出电压Vout。在图7显示的一个示例中，开关73-76操作于四个时钟-相位序列，其中开关74每隔一个时钟-相位序列就闭合。图7所示的时钟波形相对应于升压变换器的开关序列。对于任何本领域技术人员而言很明显的是，所述开关可以以其他的时钟-相位安排运行，比如操作所述电源转换器作为降压转换器或具有其他的时钟-相位序列。注意，其后紧随74高电平的75/73高电平利用了从电池单元77的电荷提取，而且其后跟着74高电平的序列76/73高电平利用了从电池单元78的电荷提取。替换地，开关75及76可以被结合以使用相同的时钟73。在本发明的另一个例子中，控制单元79可以测量两个电池的SOC并决定哪个电池的电荷被提取到输出。例如，假如电池单元77的SOC小于电池单元78的S0C，则控制单元将在连续的时钟序列中提供76/73高电平并且跟随以74高电平以提取电池单元78的电荷，而不用确认(assert) 75/73-高电平。然后，电池单元78的SOC将一直减少到其SOC变得基本上等于电池单元77的SOC为止，此时控制单元79将从两个电池单元轮流交替提取电荷。因此，这个方法确保电池单元放电更均匀，并且没有一个电池单元的SOC实质性地小于包中其他单元的S0C。均匀的单元放电能力是重要的，这是因为通过时常对电池单元进行充电并且通过避免诸如锂离子电池之类的某些可再充电电池的完全放电周期，所述电池单元的寿命可以被延长。此外，结合DC/DC转换器开关使用的开关算法不需要放电过程中的具体的单元平衡程序、以及单独的、特定的外部组件。基于这里所提供的信息披露和教导，对于任何本领域技术人员这是清楚的系统70的讨论可以推广至超过两个电池单元的情况。而且，系统70的讨论也可以就以下情况被推广电池单元77和/或78包括超过一个的相互串联的电池单元。电池单元转换器单元的充电也可以被安全地完成，如图8b中所示，图8b描绘了一个由电感81、电容82、开关83，84a/b，85，86，以及电池单元87，88组成的多单元电池单元80。这是因为电池单元87，88中的每一个均没有串联于任何其他的单元，因此在最后的充电阶段的CV充电模式中，电池单元87，88中的每一个都能被施加精确的电压。因此，所述BCC拓扑不需要特定的片上和芯片外组件以及用于充电过程中单元平衡的特定程序。替换地，BCC可以使用自己的开关调节器从Vout抽取电能以提供电池单元的受控再充电。另一个BBC结构是使用一个更传统的堆叠电池单元拓扑，不同之处在于一个常开开关与每个电池单元并联放置。图8a给出了一个2-堆叠-电池单元BCC的示例。单元87a的正端通过开关85a耦合至DC/DC变换器的输入。开关86a和86b各自分别并联连接于单元87a和88a。当所述2_堆叠-电池单元中的一个单元已经显著退化时，其相应的并联开关将被关闭(将单元的正负端短路)。例如，如果单元87a退化而且不能再被正确地充电，那么监测与控制单元(没有显示在图8a)将接通86a。因为所述电池单元被耦合至所述DC/DC转换器，所以BCC的输出将保持在期望的Vout值。可以看到，这个方法可以延长多单元电池组的实际寿命；并且即使每个单元老化，所述BCC结构仍然提供了所需的输出电压。这一特点消除了对由BCC单元的(一个或多个)输出供电以容忍供电电压有较大变化的电子电路的需要，从而缓解了电力需求。相比其他的并行连接的单元拓扑结构而言，所述单元堆叠结构将面临和单元不匹配问题有关的通常不期望的特性，以及需要额外的电路以便在充电和放电周期中允许单元平衡。图9c描绘了一个两相BCC系统90。该系统90包括两个DC/DC转换器或是单个的两相转换器，所述转换器分别具有电感91a和电感91b，电池单元92a和92b、开关93a和93b，94a和94b，95a和95b，96a和96b，耦合至BCC系统90输出的一个公共的共享电容97，和一个多相控制单元98。多相控制单元98控制开关时钟的相位以保证系统运行在正确的二相周期。单元98控制BCC系统90中的开关操作这一事实象征性地用一个箭头显示。示例性的开关时钟图也描述于图9c，同时要理解开关的时钟是高位时其处于“短路”状态，开关的时钟是低位时其处于“断路”状态。一个两相BCC系统90的一个变体在图9a中示出，其中，两相DC/DC转换器耦合到相同的电池单元92。并且两相BCC系统90的另一个变体在图9b中示出。在此与图9c进行比较，这两个独立的电感被一个耦合的电感单元91取而代之，这允许一个具有更快的启动时间的更高效的DC/DC转换器。注意，针对图9a/9b/9c例示的实施方式可以被简单推广。例如，一个共享的电池也可以用于耦合电感系统。借助与多相DC/DC转换器的实现有关的额外硬件，一个两相系统还可以推广到具有任意数量相位的BCC系统。一个多相BCC系统还提供了额外的电池寿命延长灵活性和能力。例如，假设在4相BCC系统中的一个电池单元变得有缺陷，系统控制单元将获知这一信息，并且如果该单元以并联模式被连接，系统控制单元会断开该缺陷单元与系统的连接。或者可选地，如果所述单元被单独连接到电力转换器的每相输入，所述控制单元也可以将所述4相系统重新配置成3相系统。因此，我们可以看到BCC系统的能力即 使一些单元变得有缺陷，BCC能够使得电池组继续运作。此外，开关算法用于支持加载-依赖和SOC-依赖的自适应自动配置多单元、多相BCC系统。这使系统能够优化系统电力消耗量，并且进一步加强了延长电池组的每次充电使用时间的能力。图10显示了一个示例，该示例说明了两相BCC系统100中不同类型的充电单元冗余性。单元102a和102ab同时耦合至DC/DC转换器，所述转换器包括电感101a，开关103a，104a，105a和106a，所述转换器将电荷输送至输出电容107。将单元102ab并联于单元102a减少了单元102a运作中的放电率。局部冗余在被耦合到第二 DC/DC转换器或DC/DC转换器第二相的单元中被描述，所述转换器包括电感101b、开关103b，103bb，104b，105b和106b，输送电荷至输出电容107。电池单元102b和102bb连接到单独的开关103b和103bb,因而可以一次操作一个(不像〃直接〃并联的单元102a和102b)。例如，假如电池单元102b耗光了电荷，单元102bb可以用于进一步操作，使得BCC系统仍能工作。另外，开关103b和103bb可以被时分多路复用从而允许电荷基于循环工作时钟序列被分别取自单元102b和单元102bb。既然很明显电池单元102bb只能“帮助”单元102b，而不能帮助单元102a/102ab，因而使用了“局部”冗余的命名。最后，连接到开关108a和108b的电池单元102c提供全局冗余，这是因为如果特定的单元失败的话，102c可以代替包中的任何电池单元。一个多相时钟和冗余控制单元109控制两相BCC系统100中的时钟以确保执行已经结合图9a/9b/9c描述的操作。此外，它控制冗余单元连接，即当电荷被送到电感IOlb时，它决定103b，103bb，或108b中哪个开关要关闭，而当电荷被送到电感IOla时，决定开关103a和108a中哪一个被关闭。在一个示例性的实施例中，时钟和冗余控制单元通过监测电压输出以及电荷电量计量(charge fuel gauging)来监测电池的S0C,并且以最强单元首先递交电荷的方式控制相关开关的操作，也就是说，单元的等效SOC放电率被平衡了。任何本领域人员都清楚，所述并行单元连接，局部冗余和全局冗余的概念以及冗余控制可以应用到BCC系统，所述BCC系统以多相操作工作、具有共享的电池单元，和/或具有耦合电感，如结合图9a/9b/9c所描述的那样。如果期望诸如48v或更高的高输出电压，传统解决方案是简单地堆叠一系列电池单元。随着串联单元数量的增加，很明显，涉及充电和放电过程中单元失配的问题会被显著地放大。那就是，如果一个单元变糟，整个串联堆叠的单元链将变得有缺陷。堆叠的BCC结构将消除传统的方法中的很多不受欢迎的特性(在本文中，将在后面进一步讨论)。一种通过简单地通过使用DC/DC转换器去成倍增加输出电压的堆叠BCC方法是所期望的，因为DC/DC转换器的效率会因为大的转换率而降低。例如，对不超过2的转换率，达到约95%的效率是切合实际的。然而，如果转换率增加到10，效率可能会降低到80%或更少。图11显示了一个BCC单元110，其中包括4个堆叠BCC子单元111-114，每一个子单元分别具有恒定的输出电压V1-V4伏特。这些数字VI，......，V4不一定彼此相等。很明显，BCC系统的输出
电压是V1+V2+V3+V4。此外，如果一个特定的BCC子单元中所有单元的电荷过早耗尽(比如说，子单元112)，它就可以简单地通过一个并联开关被旁路，同时其余的VI，V3，V4可以被调整，以便V1+V3+V4是等于原始预先确定的值。采用堆叠BCC拓扑的一个附带好处是不需要用一个极高压娃工艺来支持高电压输出，因为每个BCC产生一个大幅度地低于总输出电压的电压。这拓宽了工艺技术的可选性并且允许设计的高度集成和高效的电源转换器。图12b显示了 BCC单元120的另一个实施例，所述BCC单元120具有分别具有输出电压V1-V4的四个堆叠BCC子单元。一个控制单元125通过控制121-124中DC/DC转换器的设置参数来控制电压V1-V4。通过测量单元121-124中的工作电池单元的S0C，控制单元125调整输出电压以便输出电压被设置成正比于BCC单元的S0C。然而，V1+V2+V3+V4之和可以被控制保持不变。这样的行动会使最弱的电池单元减少电力损耗并且延长整体堆叠单元电池系统120的寿命。此外，在DC/DC转换器中的脉冲开关在多单元电池单元的输出端产生寄生噪声。在堆叠单元中，电压噪声呈线性增加。 图12a示出BBC单元121a_124a中的每一个分别有它自己的局部监视器(未显示于简化11和图12b)和控制&充电管理单元125a-l，125-2，125a-3和125a_4。单元125a-l到125a-4被连接到一个集中控制器125a。请注意，通过接口信号的适当定义；只有控制器125a可能需要能够支持高电压。这种架构使堆叠BCC单元的设计具有模块化基础，并能够与主控制器125a进行通信。对于如图12b和12a所示的堆叠BCC架构，下列情况是可能的在每个堆叠以不同相位运行DC/DC转换器，通过每个堆叠级的控制器之间的相位同步，可以获得与最终堆叠输出等效的多项转换器的解决方案，并且消除了输出脉动电压。基于这里所提供的信息披露和教导，很明显，任何本领域普通技术人员都清楚图
11、12b和12a的讨论可以推广到任何数量的堆叠BCC子单元。在另一个实施例中，控制单元125或125a将堆叠中的每个单独的DC/DC转换器的脉冲相位失配或使之脉动，以便将整个堆叠的输出电压噪声扩展(spread)至更高的频率，或者扩展到更宽的频率范围上。正如前面提到的，多单元或单一单元的堆叠BCC拓扑缓解了本文描述的电池单元的充电和放电挑战。这是因为堆叠BCC结构中的每个单元仍然可以独立充电。一个例子显示在图13。一个BCC系统130包括两个堆叠BCC子单元，其具有DC/DC转换器耦合的多单元电池130a和130b，每个子单元相应地具有电感131a，b，电容132a，132b，开关133a, 133b,134aa, 134ab, 134ba, 134bb, 135a, 135b, 136a, 136b 和电池单元 137a, 137b 和 138a、138ab,138b。每个堆叠BBC单元的充电机制类似于如本文在前所述的未堆叠BCC单元的充电机制。任何本领域人员都清楚，所述电池单元的单个充电可以推广到任意数量堆叠BCC单元，每个单元具有任意适当数量的单元。单个的BCC或BCC堆叠也可以并联放置，其中，每个堆叠的电流输出被控制，以便根据它们的电池单元的状态和容量来提供从每个模块抽取的合适的期望电力。多种不同控制算法可以被用来在调节输出电压时维持来自每个堆的合适电流。例如，每个模块可以被命令通过可编程等效输出电阻产生所需电压。虽然本发明已经通过参考其优选实施例被特别展示和说明，然而本领域人员应当理解的是，可以在不背离本发明的精神和范围的前提下做出各种形式和细节的变 化。
权利要求
1.一种电池转换器管理装置，包括 至少一个电能储存设备，其中，每个设备包括至少一个单元； 至少一个DC/DC转换器，其耦合到所述至少一个电能存储设备； 以及 至少一个监测与控制模块，其耦合到所述至少一个电能储存设备和所述至少一个DC/DC转换器，适合于在所述一个或多个设备充电和所述一个或多个设备放电的过程中分别监测和控制每个设备和DC/DC转换器。
2.如权利要求I所述的管理装置，其中，每个单元是电池或电容。
3.如权利要求I所述的管理装置，其中，每个设备内的单元以任何类型的串联和/或并联组合相互连接。
4.如权利要求I所述的管理装置，其中，每个监测与控制模块适合于监测和/或控制来自以下特性群中的至少一个设备特性 电流； 充电状态； 健康状态； 电压； 电荷电量计量； 温度； 上面特性中任意一个的历史。
5.如权利要求I所述的管理装置，其中，每个设备经由至少一个开关被耦合到一个DC/DC转换器。
6.如权利要求5所述的管理装置，其中，每个开关是对应于单个设备的专用开关。
7.如权利要求I所述的管理装置，其中，每个设备通过来自以下技术群的一个技术被充电 一个充电电路对该设备进行充电，相应的DC/DC转换器将输出电能从所述设备输送至一个负载； 一个DC/DC转换器对该设备进行充电。
8.如权利要求I所述的管理装置，其中，至少一个监测与控制模块适用于通过关闭至少一个串联连接在所述第一设备和其他设备和/或一个或多个DC/DC转换器之间的开关，并且通过有选择性地激活其他开关，选择性地断开第一设备与其他设备的连接，和/或选择性地断开至少一个DC/DC转换器的连接，以完成所述其他设备与一个或多个DC/DC转换器的电路f禹合。
9.如权利要求I所述的管理装置，其中，至少一个监测与控制模块适用于控制来自下面的功能群中的至少一个功能 打开和关闭在所述一个或多个设备和所述一个或多个DC/DC转换器之间的耦合开关； 耦合DC/DC转换器内的开关； 在至少一个DC/DC转换器内的切换相位。
10.如权利要求I所述的管理装置，其中至少一个监测与控制模块适合于基于以下特性中的至少一个的条件，控制访问序列和访问时间长度，所述一个或多个设备基于所述访问序列以及访问时间长度被耦合到所述一个或多个DC/DC转换器 电流； 充电状态； 健康状态； 电压； 电荷电量计量； 温度； 上面特性中任意一个的历史。
11.如权利要求I所述的管理装置，其中，每个DC/DC转换器具有以下类型群中一个类型 单相转换器； 多相转换器。
12.如权利要求I所述的管理装置，其中，至少一个DC/DC转换器是多相转换器，并且所述监测与控制模块适合于控制和定义所述转换器的相位的开/关工作周期的相位关系。
13.如权利要求I所述的管理装置，其中，存在多个设备，并且其中，至少一个转换器是多相转换器并且以下列方式中的一个耦合至所述设备 所述转换器以一组共同端子耦合至所有所述设备； 转换器的不同相位被并联耦合至相应的不同的专用设备子组； 转换器的每个相位经由开关重新配置所述转换器被连接哪些设备。
14.如权利要求I所述的管理装置，其中，至少一个转换器是多相转换器，并且至少一个监测与控制模块适用于执行下面的功能群中的至少一个 改变转换器的相位控制； 改变转换器的工作周期； 改变转换器的相位的数量； 改变期望的转换器的输出电压； 改变期望的变换器的输出电流； 改变期望的转换器的各相位的电流。
15.如权利要求14所述的管理装置，其中，监测与控制模块适合于响应于各个设备的状态执行的所述一个或多个功能，其中，所述状态是以下状态中的至少一个 健康状态； 充电状态； 电荷电量计量； 温度; 上面特性中任意一个的历史。
16.一个电池转换器管理系统，其中，多个如权利要求I所述的电池转换器管理装置被串联堆叠，以使得所述系统的输出电压等于各个装置输出电压之和。
17.如权利要求16的系统，其中，至少一个电压控制单元适合于设置每个装置的输出电压，以使得装置的输出电压之和等于所述系统期望的输出值。
18.如权利要求17的系统，其中，电压控制单元基于每个设备的状态为每个装置设置输出电压，其中，所述状态为以下状态中的至少一个 健康状态； 充电状态； 电压； 电荷电量计量； 温度； 上面特性中任意一个的历史。
19.如权利要求16的系统，还包括通信连接通道，其被耦合到来自装置的至少一个监测与控制模块。
20.如权利要求19的系统，还包括主系统控制单元，所述主系统控制单元经由所述通信连接通道耦合到每个装置中的至少一个监测与控制模块，其中 所述主系统控制单元基于所述装置中每一个的所述设备的状态，为每个装置设置输出电压。
21.如权利要求16的系统，其中，所述装置的所述DC/DC转换器开关相位以受控制的相位关系相互同步。
22.一种用于延长如权利要求I中所述的装置中电池寿命的方法，所述方法包括下面的步骤中的至少一个步骤 最小化任何单个设备被过度放电； 减少或增加设备的放电深度； 减少或增加设备的充电率； 减少或增加设备再充电后的最后充电状态； 平衡设备的放电率和充电状态； 优化设备的放电率和充电状态。
23.一种用于延长如权利要求I中所述的装置中电池寿命的方法，所述方法包括下面的步骤中的至少一个步骤 并联连接至少两个单元； 通过关闭串联于所述设备与至少一个DC/DC转换器或至少另一个设备之间的开关，或者通过禁用耦合到所述严重退化的设备的多相DC/DC转换器的相关联的相位，断开一个严重退化设备的连接， 通过创建与其他设备的新连接，用一个或多个被断开连接的设备来替换连接。
24.如权利要求I所述的装置，其中 至少两个单元被串联连接； 开关与设备并联连接，以便当所述设备严重退化时旁路该设备。
25.一个用于延长如权利要求I中所述的装置中电池寿命的方法，所述方法包括经由与一个退化设备并联连接的旁路开关来旁路所述退化设备。
26.一种用于延长如权利要求I中所述的装置中电池寿命的方法，所述方法包括在退化单元替换中经由开关来添加冗余单元的步骤。
27.—种电池转换器管理系统，包括多个如权利要求I所述的装置；其中，所述装置以任何类型的串联和/或并联组合相互连接。
28.如权利要求27所述的系统，其中，每个装置被编程用于提供总的系统输出电流和/或电压的可编程共享，以便控制从每个装置抽取的电能以及从各个设备抽取的电能。
全文摘要
披露了一种电池单元转换器(BCC)单元，该单元包括一个或多个被耦合到一个或多个DC/DC转换器的能量储存电池单元。管理单元可以监测和控制每个电池单元的充电和放电；包括监测每个单元的电压和充电状态，以及控制DC/DC转换的开关。组合电能和单元开关算法优化了电池单元的充电和放电过程。还披露了一种混合电池单元转换器系统，该系统包括一系列的BCC堆叠以实现高效率的转化器输出电压。新提议的电池单元转换器体系结构将改善电池组使用效率，增加电池组每次充电的可使用时间，延长电池组的使用寿命并且降低电池组的制造成本。
文档编号H02M3/155GK102948033SQ201180010251
公开日2013年2月27日 申请日期2011年2月18日 优先权日2010年2月20日
发明者谢子良 申请人:谢子良