专利名称：电池组的充电均衡系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电化学蓄电池(electrochemical accumulators)组的充电均衡系统，尤其可用于电气领域与混合运输以及板载(onboard)系统。因为能够以小体积存储大量能量，本发明尤其涉及适合这种应用的锂离子(lithium-ion ;Li_ion)类型的电池组。本发明同样可应用于超级电容器(supercapacitors)。
背景技术：
电化学蓄电池的标称电压的量级为几伏特，对于基于磷酸铁(iron phosphate)的锂离子电池更精确为3. 3伏特，对于基于氧化钴(cobalt oxide)的锂离子技术更精确为
4.2伏特。如果此电压相对于待供应电力的系统的要求过低时，则多个蓄电池串联。同样可为每一串联的蓄电池并联一或多个蓄电池，从而增加可用容量以及提供更高的电流和更高的电力。本文中，并联的蓄电池所形成的于是称为一级。一级由最少一个蓄电池组成。这些级串联以达到所需的电压电平。蓄电池的联合被称为蓄电池组。蓄电池的充电和放电分别反映在其两端电压的增加或降低。当蓄电池达到电化学过程所定义的电压电平时，则考虑充电或放电。在利用多个蓄电池级的电路中，各级中的电流相同。因此，各级的充电或放电的水平取决于蓄电池的本征特性，即电解质(electrolyte)或者电极和电解质间的接触的本征电容以及串联和并联寄生内阻(internal resistance)。由于制造差异和老化的缘故,则级与级之间于是可能出现电压差。对于锂离子技术的蓄电池，被称为阈值电压的过高或过低的电压可能损害或破坏蓄电池。例如，对基于氧化钴的锂离子蓄电池过度充电可能导致热失控(thermal runaway )以及开始着火。对于基于磷酸铁的锂离子蓄电池，过度充电反映在电解质的分解，会减少其使用寿命或者可损害蓄电池。如果负电极的集流器(current collector)由铜制成,例如导致电压低于2伏特的过度放电，则主要导致其氧化，由此损害蓄电池。因此，出于安全与可靠性的原因，在充电和放电期间必须对每一蓄电池级两端的电压进行监控。与每一级并联的所谓监控装置能够提供此功能。监控装置具有跟踪每一蓄电池级的充电和放电状态的功能，以及如果某一级达到其阈值电压，则将此信息传送至控制电路，从而停止对电池组充电或者放电。然而，在电池组具有串联放置的多个蓄电池级的情况下，如果当充电最高的级达到其阈值电压时则停止充电，其他级可能没有充分充电。反之，如果当放电最多的级达到其阈值电压时则停止放电，其他级可能未完全放电。因此每一蓄电池级中的电荷没有最佳使用，在具有严重自主限制的传输和板载型应用中表现出主要问题。为了减轻这个问题，监控装置通常与均衡装置关联。均衡装置的功能是，通过将依序串联的蓄电池组实现同样的充电和/或放电状态，从而优化电池组的充电及自主性。均衡装置的分类有两种，所谓的能量耗散均衡装置以及所谓的能量转移均衡装置。、
对于能量耗散均衡装置，当已经达到阈值电压，通过将一或多级的充电电流分路以及在电阻器中耗散能量，各级终端的电压呈现一致。或者，将已经达到阈值电压的一或多级放电，各级两端的电压呈现一致。然而，这种能量耗散均衡装置的主要缺点在于消耗比电池组充电所需更多的能量。这种电路必须对多个蓄电池放电或者将多个蓄电池的充电电流转移，这样使得最后具有略微低电荷的一个或多个蓄电池完成充电。因此，能量耗散可远远大于待完成的一处或多处充电。此外，多余的能量作为热量耗散，这点与传输和板载式应用中的集成限制不兼容，并且如果温度升高，则蓄电池的使用寿命迅速下降。能量转移均衡装置在蓄电池组或辅助电力网络与蓄电池级之间交换能量。例如，从美国专利US5659237中可知，使用耦合电感作为存储元件，能够实现从辅助网络向各级转移能量的装置借助具有多个输出的“回扫(flyback)”结构。存储元件因为专用于这种应用，为专业部件。这种部件的成本对于待实施的功能来说过高。 从中国专利CN1905259中可知，能够实现从各级向电池组转移能量的装置本身针对每一蓄电池使用一个电感作为存储元件。然而，这种装置不能选择用于传输与板载式应用中电池组的均衡的能量转移优化。电池组充电的结束真正由最后一级达到阈值电压来判断。为了终止电池组的充电，能量从一或多级取出并且返回这些级的集合。如果一或多个蓄电池级略微充电不足，那么能量不会优先被转移到需要能量的后面的级中，而是还被转移到取出能量的各级中。由此，充电结束时，均衡有必要从全部级中取出能量，从而避免将这些级充电到过高的电压。因为大量转换器运行，所以损耗高，均衡受到影响。此外，已经结束充电的蓄电池其中通过了没有用处的直流电或交流电。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种改善的均衡装置，没有现有技术的这些缺点。为此，本发明提供一种电池组的均衡系统，电池组包含串联的至少两个蓄电池级，每一蓄电池级包含至少一个蓄电池，其特征在于，该均衡系统包含至少一个电压产生器，包含至少一个正极和至少一个负极，对于每一蓄电池级，借助至少一个电压产生器供应的相关充电装置包含至少一个电感器，至少一个电容器，其第一端连接至少一个电压产生器的正极，至少一个二极管，其阳极连接蓄电池级的负极，其阴极连接至少一个电感器的第一端，以及至少一个开关，其一端连接至少一个电感器的一端，以及控制装置，用以控制至少一个电压产生器以及闭合待充电的蓄电池级相关的充电装置的至少一个开关，这样至少一个电感器存储能量，以及将能量传送到相关的蓄电池级。均衡系统进一步单独地或组合地包含一或多个以下特征至少一个电容器的第二端连接电感器的第一端，该至少一个二极管的阴极连接电容器的第二端，以及至少一个开关的第一端连接电感器的第二端，其第二端连接相关蓄电池级的正极；充电装置包含至少一个第一电容器，其第一端连接电压产生器的正极，其第二端连接电感器的第一端，至少一个第二电容器，其第一端连接电压产生器的负极，其第二端连接相关蓄电池级的负极至少一个二极管的阳极和阴极分别连接第二电容器的第二端和第一电容器的第二端，至少一个开关的第一端连接电感器的第二端，其第二端连接相关蓄电池级的正极；充电装置包含至少一个第一电容器，其第一端连接电压产生器的正极，至少一个第二电容器，其第一端连接电压产生器的负极，其第二端连接电感器的第二端和相关蓄电池级的正极，以及至少一个开关的第一端连接该第一电容器的第二端，其第二端连接该电感器的第一端；充电装置包含至少一个第一电感器和一个第二电感器，至少一个第一电容器，其第一端连接一电压产生器的正极，其第二端连接该第一电感器的第一端，至少一个第二电容器，其第一端连接电压产生器的负极，其第二端连接第二电感器的第一端，至少一个第一二极管，其阳极和阴极分别连接相关蓄电池级的负极和第一电感器的第一端，至少一个第二二极管，其阳极和阴极分别连接相关蓄电池级的负极和第二电感器的第一端，以及至少一个开关的第一端连接该这些电感器的第二端，其第二端连接相关蓄电池级的正极；
当一个电压事先被应用至回馈充电装置的电压产生器的极时，控制装置被配置为控制待充电的蓄电池级相关的一个充电装置的至少一个开关的闭合率；在充电阶段期间，充电装置被配置为独立运行于相关蓄电池级和电池组的电压电平的断续导通模式；均衡系统包含单个电压产生器，用于供给全部的该充电装置；电池组均衡系统针对每一充电装置包含一个电压产生器；电池组均衡系统包含至少两个电压产生器装置，与充电装置的各自预定个数有关;至少一个电压产生器装置包含控制装置所控制的至少一个开关；至少一个电压产生器包含一个去耦电容器；至少一个电压产生器包含两个控制开关和两个电感器；至少一个电压产生器包含一个开关和一个变压器；至少一个电压产生器包含一个桥，此桥包含四个开关和一个变压器；至少一个电压产生器包含两个开关、一个变压器和两个电容器；至少一个电压产生器包含两个开关和一个变压器，变压器的初级具有中间抽头；控制装置被配置为分别用一个导通周期和一个打开时间分别闭合和打开至少一个电压产生器装置的至少一个控制开关，在充电阶段期间导通周期和打开时间恒定；计算导通周期，这样充电装置运行于断续导通模式；至少一个电压产生器连接电池组的终端；电池组包含至少一个基本模块，每一基本模块包含多个串联的蓄电池级，均衡系统进一步包含位于每一基本模块两端的一个附加充电装置；电池组包含多个串联放置的基本模块，均衡系统包含位于预定个数的基本模块终端的一个附加充电装置；至少一个电压产生器连接该至少一个基本模块的终端；电池组均衡系统包含一个装置，用于测量每一蓄电池级的电压，被配置为传送电压信息到控制装置；
蓄电池为锂离子类型；电池组包含超级电容器。本发明还提供一种充电装置，用于以上定义的充电均衡系统。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图I为包含串联的蓄电池级的电池组以及包含每一蓄电池级的充电装置和电压产生器的电池组均衡系统的方框图；图2为图I的均衡系统的变体的方框图，针对每一充电装置包含一个电压产生器；
图3为图I的均衡系统的另一变体的方框图，针对每一基本模块包含一个电压产生器，基本模块包含预订数目串联的蓄电池级；图4为图3的均衡系统的另一变体的方框图，针对每一基本模块包含一个附加充电装置；图5为均衡系统的充电装置的第一实施例的方框图；图6为连续导通模式中图5的充电装置关联的电压产生器的一个代表性实施例的方框图；图7为断续导通模式中图5的充电装置关联的电压产生器的一个代表性实施例的方框图；图8a为包含图5的充电装置和图6的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了导通周期期间的电流流动；图Sb为包含图5的充电装置和图6的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了导通周期结束以及直到充电装置的二极管截止时的电流流动；图Sc为包含图5的充电装置和图6的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了一旦充电装置的二极管被截止的电流流动；图9为图5的充电装置以及并联的蓄电池级中的各种电流随时间变化的示意图；图10表示图5的充电装置以及关联蓄电池级中的各种电流针对第一仿真的变化曲线图；图11表示图5的充电装置以及关联蓄电池级中的各种电流针对第二仿真的变化曲线图；图12表示均衡系统的充电装置的第二实施例的方框图；图13为图12的充电装置关联的电压产生器的第一代表性实施例的方框图；图14为图13的电压产生器的变体实施例的方框图；图15A为包含图12的充电装置和图13的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了导通周期期间的电流流动；图15B为包含图12的充电装置和图13的电压产生器的电路的方框图，其中指出了导通周期结束直到运行周期时的电流流动；图16为图12的充电装置以及并联的蓄电池级中的各种电流随时间变化的示意图17表示图12的充电装置以及关联蓄电池级中的各种电流的变化曲线图；图18为均衡系统的充电装置的第三实施例的方框图；图19A为包含图18的充电装置和图13的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了导通周期期间的电流流动；图19B为包含图18的充电装置和图13的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了导通周期结束直到运行周期的电流流动；图20表示图18的充电装置以及关联蓄电池级中的各种电流的变化曲线图；图21为均衡系统的充电装置的第四实施例的方框图；图22A为图21的充电装置的第一变体实施例的方框图；
图22B为图21的充电装置的第二变体实施例的方框图；图23为图21、22A以及22B的充电装置关联的电压产生器的一个实施例的方框图；图23’为图23的电压产生器的变体实施例的方框图；图24A为图23的电压产生器的变体实施例的方框图；图24B为图23的电压产生器的另一变体实施例的方框图；图25A为包含图21的充电装置和图24A的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了导通周期期间的电流流动；图25B为包含图21的充电装置和图24A的电压产生器的均衡系统的方框图，其中指出了导通周期结束直到半个运行周期的电流流动；图26为图21的充电装置中各种电流随时间变化的示意图；图27表示图21的充电装置以及关联蓄电池级中的各种电流针对第一仿真的变化曲线图；图28表示图21的充电装置以及关联蓄电池级中的各种电流针对第二仿真的变化曲线图。
具体实施例方式这些附图中，实质上相同的标号表示相同的元件。图I表示蓄电池电池组I。这个电池组I由串联的N个级Eti组成。每一级Eti由一个蓄电池或者多个蓄电池Au并联组成。这里下标i表示级数，并且图I中所示例子中的这个下标i从I到N变化。下标j表示给定级中每一蓄电池的编号，这个例子中表示此下标j从I到M变化。相同级Eti的蓄电池Aij的终端借助电连接共同连接，正如每一级Eti也借助电连接与邻接级Eti连接一样。本发明的主题为充电均衡系统2，用于这种包含至少两个串联的级Eti的蓄电池电池组I。均衡系统2进一步包含控制装置3、针对每一蓄电池级多个相同的充电装置5以及图I所示的至少一个电压产生器7。控制装置3控制充电装置5和电压产生器7。均衡系统2进一步包含电压测量装置(图中未表示)，用于测量每一级Eti的电压以及传送电压信息至控制装置3，控制装置3能够在此电压信息的基础上判断蓄电池级Eti是否必须被充电，以及由此控制与蓄电池级并联的充电装置5以及关联的电压产生器7。
例如，每一蓄电池级Eti关联充电装置5的一以及某一单个电压产生器7。充电装置5 —方面连接每一蓄电池级Eti的负极Ni和正极Pi,另一方面连接一或多个电压产生器7的标记为v2的正极和标记为vl的负极。在单个的电压产生器7 (图I)的情况下，后者连接充电装置5的集合。在多个电压产生器7的情况下，如果电压产生器7的数目等于级Eti的数目，采用图2中例子的方式，一个电压产生器7连接一个充电装置5。图3所示的替代方案中，如果电压产生器7的数目少于级Eti的数目，则一个电压产生器7连接多个充电装置5。
例如，如果使用大量串联的蓄电池级Eti,正如具有一百个串联的蓄电池的电子设备(electric vehicles)的情况,例如电池组I由基本模组9 (图3)的串联组成,各自包含例如十到十二个串联的蓄电池级Etit5因此，电压产生器7连接十到十二个元件的终端。根据锂离子电池组技术，二极管和控制开关的耐压被限制为近似45伏特到60伏特，这在半导体领域中是标准化的耐压值。正如电子设备的情况一样，便于维护大量的基本模块9。此外，除用于蓄电池级Eti的充电装置5以外，如图4所示，同样的充电装置5可以通过依序连接N个级被使用。这种变体能够在N个邻接级之间以及由此在连续的关联基本模块9之间转移能量。这种情况下，一个或多个附加电压产生器7向与N个级的终端连接的充电装置5供应能量。电压产生器7为充电装置5供应正、负或者正与负极性以及各种形状例如方波或者正弦曲线的电压脉冲。第一实施例接下来描述均衡系统2的充电装置5和电压产生器7的第一实施例。充电装置请参考图5，第一实施例的充电装置5包含一个电感 Lli,一个电容Cli,其第一端连接电压产生器7的极(pole) v2，其第二端连接电感Lli
的第一端，一个二极管Dli,其阴极和阳极分别连接级的极Ni和电容Cli的第二端，一个开关SWli,例如为金属氧化物半导体场效应晶体管，其第一端连接电感Lli的第二端，其第二端连接级的极Pi。控制装置3能够打开和关闭开关SWl i。如果电压产生器7的极vl连接电池组I的负极N (图I至4)，第一实施例的充电装置5具有独特的特性，经由充电装置5连接的蓄电池级Eti以及还经由位于此级Eti下方的蓄电池级连接电压产生器7的极vl。这种充电装置5或者运行于连续导通模式或者断续导通模式。因为具有成本较低以及比较便于实施的优点，所以断续导通模式中的运行较佳。断续导通模式中，在充电装置5运行的每一周期T之前，电感Lli的电流的确通过定义被取消。当电压产生器7供应能量时，从应用至电感Lli终端的电压、电感Lli中能量的存储时间以及后者的值，可推出电感Lli的电流值。此后，由固定的导通周期命令控制电压产生器7。
另一方面，连续导通模式中(图6)，针对连续的每一蓄电池级，将会有必要使用与调节回路11和电流参考变量13相关的电流传感器10，以及一种监视电流12的装置，例如在开关模式中使用运行的晶体管作为开关。在连续导通模式中，对于每一充电装置5需要一个电压产生器7。然后，以脉冲宽度调制方式控制电压产生器7。在断续导通时，由于电容Cli阻挡了直流电，本发明能够使得全部充电装置5与一个电压产生器7的输出并联。一个变体实施例中，在每一充电装置5的输出处增加一个电容(图中未表示)。这个电容连接在终端Ni和开关SWli的第一端之间。这种电容被配置为过滤来自充电装置5的电流上的波纹(ripple)。由此，当充电装置5运行时，平滑的直流被供应至每一蓄电池级。开关SWli的位置还可以修改为将其与电容Cli串联。开关SWli还可能位于两个其他位置开关SWli或者连接电压产生器7的输出v2和电容Cli的第一端，或者连接电容Cli的第二端和二极管Dli的阴极。 另一变体实施例在于针对每一充电装置5使用一个控制开关以代替二极管。于是所谓的同步整流成为可能。由于部件的开状态下压降减少，可提高充电装置5的效率。电压产牛器电压产生器7具有多种结构。例如，一个实施例适用于例如电压产生器7仅仅供应正电压脉冲。图6表示第一实施例的充电装置5所关联的电压产生器7的一个实施例。电压产生器7包含两个开关SW2i和SW3i，例如为金属氧化物半导体场效应晶体管，连接电池组I的终端N和P。所谓的去耦电容C3i连接两个开关SW2i和SW3i的终端。电压产生器7连接基本模块9的终端，但是同样连接电池组I的终端或者甚至连接辅助供应器(例如，运载12伏特的供应器)的终端。运也以下结合图8a至8c以及9描述第一实施例的运作。充电装置5能够使得充电下的特定级的充电连续。由于上述原因，断续导通模式的运作更可取。例如，如果控制装置3命令转移能量到级Eti例如级Et1,则控制装置3闭合与对应级Eti并联的充电装置5的开关SWl1。控制装置3还启动电压产生器7，以供应电力至充电装置5。与级Et1串联的各级则不被充电，而每一级的并联充电装置5的开关SWl1保持打开状态。如果充电装置5开始运作，并且电压产生器7事前正在运作，则必须控制开关SWl1的闭合速度，从而避免供应至级的电流过高。当这些开关处于阻挡状态时被认为是完美的，因此当开关处于这种状态时，没有电流允许流动。第一变体没有去耦电容的电压产生器考虑到图6的电压产生器7在开关SW3i和SW2i的终端没有去耦电容C3it)请参考图8a至8c以及9，在导通周期tl期间，正电压被应用到电压产生器7的终端v2和vl之间。开关SW2i被闭合，开关5胃31被打开。因此，电压产生器7供应一个正电压脉冲，而开关SW2i被闭合，开关SWS1打开。时间tl期间的电流流动如图8a中点划线(dotted line)箭头所示。能量被存储在电感Ll1中。需要足够高数值的电容Cl1，以传送足够的电流以及在电感Ll1两端施加准恒电压(quasi-constant voltage)。电感Ll1中的电流与应用至其两端的电压成比例增加，其电压近似等于电池组I的电压减去充电下的级Et1的电压。电流流经位于级Et1上方的各级。这个阶段期间，二极管Dl1被截止。二极管Dl1两端的电压等于负的(minus)电池组I的电压。时间tl的结束处，电压产生器7的输出电压变为零。电压产生器7的开关SW2i打开。当开关SW2i完全打开时，开关SWS1闭合。电感Ll1中的电流在此时达到峰值Ipic(图9)，当电压产生器7供应能量时，近似 等于应用至电感终端的电压，乘以tl并且除以电感的值。这个公式为近似，缘于考虑到在充电装置5的每一运行周期前，电感中的电流为零。充电装置5的独特之处在于，在充电装置5的每一运行周期T之前，电感Ll1中的电流成为负值，此后当二极管Dl1被截止时，在正负值之间振荡。这个独有特点是必须的，因为对于长久机制中充电装置5的每一运行周期T来说，通过电容的平均电流必须为零。在时间tl结束时以及直到二极管Dl1被截止时，电压产生器在终端v2和vl处施加一个零电压。开关SWS1闭合，开关SW2i打开。这个阶段期间电流的流动如图Sb中链线箭头所示。电感Ll1中的电流与应用到其两端的电压成比例降低，等于负的蓄电池级Et1的电压，减去二极管Dl1的开状态下的压降。这个阶段期间二极管Dl1为开，直到其中的电流被抵消为止。一旦二极管Dl1被截止，电流的流动如图8c中的短划线(dashed-line)箭头所
/Jn ο根据以上解释，二极管Dl1导通以后，电感Ll1中的电流变为负值，此后在负值和正值之间振荡(图9)。这个阶段期间的电流的振荡频率近似由电容Cl1和电感Ll1的固有谐振频率定义。电流流经充电下的级Et1、位于级Et1下方的各级、电容Cl1、电感Ll1以及开关SW310周期T结束时，如果开关SWl1仍然处于闭合状态时，开始新序列的运作。电压产生器7被如此控制，这样两个开关SW2i和SWS1不同时打开，从而避免电池组短路。在开关SffS1打开和开关SW2i闭合之间，电感Ll1中的电流必须为零或者为正，以使得二极管Dl1中的电流连续。当量化(dimensioning)装置时,必须考虑到电容Cl1和电感Ll1的固有谐振频率。如果电感Ll1中的电流为负，鉴于电流流动那么开关SW2i有必要为双向，例如借助使用与开关SWZ1反并联(antiparallel)的二极管。第二变体具有去耦电容的电压产生器在开关SW3i和SW2i的终端处使用去耦电容C3i的情况下(图6)，当开关Smi被闭合时，电流的流通被修正。果真电容031还供应流经电感Lli的部分电流。此电流在充电情况下借助充电下的级Eti以及借助位于充电下的级Eti下方的各级被回路。供应的电流值取决于充电下的级Eti相对N个级的位置。级Eti越接近电池组的终端N，相对流经位于充电下的级Eti上方的各级的电流，电容C3i供应的电流值越大。
量化方程充电装置5 (图5)的量化借助使用表示上述其运行的方程被判定。这些方程对相关的电压产生器7 (图6)有效。以下描述的方程的使用被一般化。为此，输入和输出电压分别被标记为Ve和Vs。电压Ve是电池组I的终端N和P之间的电压。电压Vs是蓄电池级Eti的终端Ni和Pi之间的电压。为了简化量化，电容Cli终端的电压如果存在，则在充电装置5的运作周期T上被认为恒定。时间tl期间，电感Lli中的电流QLli)增加。每一运行周期T中，此电流被认为是零。忽略开关SW2i和SWli处于开状态的压降，考虑开状态中二极管Dli的压降Vd,电流(ILli)被写为
.…、Ve-Vs-Vd tIl-Ij(t) =-—-Xt (方程 I)时间tl结束时，开关SW2i被打开。电感中的电流达到以下峰值
-I λ ila\ I Vg — Vs — Vd λlL1,(t1) = Ipic=---Xt1 (方程 2)时间tl结束以及直到电感Lli中的电流被抵消时，二极管Dli导通。电感Lli中的电流依照以下法则下降。iL1；(t) 二 - vsJj Vd X t + Ipic (方程 3)
j方程3可定义值(tl(max))不会超出断续导通模式中充电装置5运行的导通周期tl。对于每一运作周期T，电感中的电流必须为零或者为正。方程4的定义中考虑电容Cli和电感Lli的振荡的自然周期。时间tl(max)取决于两个术语(terms)A和B。考虑最差的情况方案，针对最大输入电压Ve和最小输出电压Vs评估术语A。术语B取决于输入和输出电压以及平均输出电流(Isi0roy))。术语B为常数，因此或者可针对最大输入电压和最小输出电压以及最大输出平均电流，或者相反地针对最小输入电压和最大输出电压以及最小输出平均电流评估术语B。
1
tl =Tx<max) ~ 1 D (方程 4)
--h D
A
「 厂廿山Λ Vs+ Vd其中Α = ~
VeΒ = πχ ；—!—X—~---x(Ve-Vs-Vd)
y2xT (VS+ Vd) X IS(<nioy)充电装置的输出电流等于电感Lli中的电流。由方程5计算充电装置5的平均输出电流。假定长期机制中电容Cli中的平均电流为零，平均输出电流(Isi0roy))等于二极管Dli中的平均电流。电流Isi(胃)与输入电压Ve的平方成正比，与输出电压Vs成反比。为了供应期望的平均电流，无论蓄电池级的电压如何，对于时间tl，必须考虑最大输出电压和最小输入电压。,1 1 Lli , . 2 1 1 (Ve-Vs-Vd)2XtI2 ,Is；, . ^ = — X — X -,-r X Ipic = — X — X-；-r-(方矛王 5)
,(moy) 2 T (Vs - Vd)2 T (VSH-Vd)XLIi 、刀任…充电级Eti中的电流iEh⑴取决于运作的充电装置5的数目及它们相对级Eti的位置。如果仅仅与级Eti并联的充电装置5运作，由此级Et中的电流在tl和T之间等于电感Lli中的电流,在其余时间为零。图9的实线(solid line)表示这种变体。考虑到位于级Eti上方运行的充电装置5的数目L，当对应充电装置的二极管Dli 被截止时，额外的电流流经级Etit5这个阶段期间，考虑到充电装置相同，电流iEtJt)等于电容Cli中的电流乘以运行的装置的数目L加一。对于L=I的情况，图9中的点划线(dottedline)表示这种变体。考虑到位于级Eti下方运行的充电装置的数目M，在时间tl期间，额外的电流流经级Etit5这个阶段期间，考虑到充电装置相同，电流iEtJt)与电感Lli中的电流等于且相反乘以运行的装置的数目M。对于M=l，图9中的虚线(dashed line)表示这种变体。由方程6得到充电级中的电流的平均值(IEt0iw))。IEtKmoy) =^xAxIpicx ^i^-tlxd + L + M)(方程 6)例子例如，每一充电装置5能够跟踪蓄电池级Eti的充电，以及连接到十级的终端。考虑用单个电压产生器7供应全部的充电装置。后者的产生器连接十级的串联组合的终端。量化过程被分为两步。首先，针对断续导通模式中充电装置的运行，计算电压产生器7的开关SW2i的最大导通周期tl。其次，定义在充电装置的输出处用于供应期望平均电流的电感Lli的最大值。以下假定应用平均输出电流(最小值，Isi(moy)) 1安培-典型运行频率(F)=50000赫兹，即T=l/F=20微秒(μ s)-一个蓄电池的电压(基于磷酸铁的锂离子) 最小电压2. 5伏特 最大电压3. 6伏特二极管的开状态的压降(Vd) :0. 3伏特-O. 7伏特。电容Cli被量化以传送足够的电流以及在充电装置5的电感Lli的终端施加一个准恒电压。考虑到3伏特量级的压降，对于6安培量级的峰值电流以及2. O微秒的时间tl，电容值为2微法的量级。电容值通常为I微法至10微法的量级。以下计算时间tl和电感Lli的电感值的最大数值。使用二极管Dli的最小压降、充电装置的最大输入电压和最小输出电压计算术语A，使用最小平均输出电流、最小输入电压以及最大输出电压计算术语B，计算时间tl (max)，以及截止电容值设定在2微法。采用用于计算tl(max)的术语B的相同条件计算最大电感Llit5时间tl(max)用于计算电感Lli的电感值，以最小化电感、开关以及二极管中的峰值电流和均方根(root mean square ;rms)电流。然而，出于稳健性的原因，使用较低的值。在充电装置的输出处使用滤波电容器不会更改时间tl(_)和电感Lli的电感值的判断过程。
权利要求
1.一种电池组的均衡系统，该电池组包含串联的至少两个蓄电池级(Eti),每一蓄电池级(Eti)包含至少一个蓄电池(Au)，其特征在于，所述均衡系统包含 至少一个电压产生器，包含至少一个正极(v2)和至少一个负极(vl)， 对于每一蓄电池级(Eti),所述至少一个电压产生器(7)供应的一相关充电装置(5)包含 至少一个电感器(Lli), 至少一个电容器(Cli),其第一端连接所述至少一个电压产生器(7)的正极(v2)， 至少一个二极管(Dli),其阳极连接所述蓄电池级的负极，其阴极连接该至少一个电感器的第一端，以及 至少一个开关(SWli)，其一端连接所述至少一个电感器的一端，以及一控制装置(3)，用以控制所述至少一个电压产生器(7)以及闭合待充电的一蓄电池级相关的一充电装置的所述至少一个开关，这样所述至少一个电感器存储能量，以及将能量传送到相关的蓄电池级。
2.如权利要求I所述的电池组的均衡系统，其特征在于 所述至少一个电容器(Cli)的第二端连接电感器(Lli)的第一端， 所述至少一个二极管(Dli)的阴极连接电容器(Cli)的第二端，以及 所述至少一个开关(SWli)的第一端连接电感器(Lli)的第二端，其第二端连接相关蓄电池级的正极(Pi)。
3.如权利要求I所述的电池组的均衡系统，其特征在于 该充电装置包含 至少一个第一电容器(Cli),其第一端连接电压产生器(7)的正极(V2)，其第二端连接电感器(Lli)的第一端， 至少一个第二电容器(C2D，其第一端连接电压产生器(7)的负极(vl)，其第二端连接相关蓄电池级的负极(Ni)，以及在于 所述至少一个二极管(Dli)的阳极和阴极分别连接第二电容器(C2J的第二端和第一电容器(Cli)的第二端，以及 所述至少一个开关(SWli)的第一端连接电感器(Lli)的该第二端，其第二端连接相关蓄电池级的正极(P)。
4.如权利要求I所述的电池组的均衡系统，其特征在于 该充电装置包含 至少一个第一电容器(Cli),其第一端连接电压产生器(7)的正极(v2)， 至少一个第二电容器(C2D，其第一端连接电压产生器(7)的负极(vl)，其第二端连接电感器(Lli)的第二端和相关蓄电池级的正极(Pi),以及在于 所述至少一个开关(SWli)的第一端连接该第一电容器(Cli)的一端，其第二端连接电感器(Lli)的第一端。
5.如权利要求I所述的电池组的均衡系统，其特征在于 所述充电装置包含 至少一个第一电感器(Lli)和一个第二电感器仏2汐， 至少一个第一电容器(Cli),其第一端连接一电压产生器(7)的正极(v2)，其第二端连接第一电感器(Lli)的第一端， 至少一个第二电容器(C2D，其第一端连接该电压产生器(7)的负极(vl)，其第二端连接第二电感器(IA)的第一端， 至少一个第一二极管(Dli),其阳极和阴极分别连接相关蓄电池级的负极(Ni)和该第一电感器(Lli)的第一端， 至少一个第二二极管(D2D，其阳极和阴极分别连接相关蓄电池级的负极(Ni)和第二电感器OA)的第一端，以及在于 所述至少一个开关(SWli)的第一端连接所述第一电感器(Lli)和第二电感器(IA)的第二端，其第二端连接相关蓄电池级的正极(PJ。
6.如权利要求2至5所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，当一电压事先被应用至供给一充电装置(5)的所述电压产生器(7)的极(vl，v2)时，该控制装置(3)被配置以控制待充电的一蓄电池级(Eti)相关的充电装置(5)的所述至少一个开关(SWli)的闭合率。
7.如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，在充电阶段期间，所述充电装置(5)被配置为独立运行于相关蓄电池级(Eti)和电池组(I)的电压电平的断续导通模式。
8.如权利要求I至7所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，包含一单个电压产生器(7)，用于供应全部的所述充电装置(5)。
9.如权利要求I至7所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，针对每一充电装置(5)包含一电压产生器(7)。
10.如权利要求I至7所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，包含至少两个电压产生器装置(7)，与充电装置(5)的各自预定个数有关。
11.如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)包含控制装置(3)控制的至少一个开关(SWZpSWSpSW^SWSi)。
12.如权利要求11所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)包含一去I禹电容器(C3J。
13.如权利要求3或4其中的一组合权利要求12所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)包含两个控制开关(SW2PSW3J和两个电感器0Λ、ΙΛ)。
14.如权利要求3或4其中的一组合权利要求12所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)包含一开关(SW2J和一变压器(Tli)。
15.如权利要求5组合权利要求12所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)包含一桥，该桥包含四个开关(SW2PSW3PSWtSWSi)和一变压器(1^)。
16.如权利要求5组合权利要求12所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)包含两个开关(SWZpSWSi)、一变压器(Tli)和两个电容器(WpCSi)。
17.如权利要求5组合权利要求12所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)包含两个开关(SW2i、SW3D和一变压器(Tli),该变压器(Tli)具有中间抽头的初级。
18.如权利要求11至17所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，控制装置(3)被配置为分别用一导通周期和一打开时间闭合和打开所述至少一个电压产生器装置(7)的所述至少一个控制开关(SW2i、SW3i、SW4i、SWSi)，该导通周期和该打开时间在一充电阶段恒定。
19.如权利要求7组合权利要求18所述的电池组的均衡系统，其特征在于，计算导通周期，这样所述充电装置(5)运行于断续导通模式。
20.如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)连接电池组⑴的终端(N，P)。
21.如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统，该电池组(I)包含至少一个基本模块(9)，每一基本模块(9)包含多个串联的蓄电池级(Eti)，其特征在于，所述均衡系统进一步包含位于每一基本模块(9)两端的一附加充电装置(5)。
22.如权利要求21所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述电池组(I)包含多个串联放置的基本模块(9)，以及在于所述均衡系统(2)包含位于预定个数的基本模块(9)终端的一附加充电装置(5)。
23.如权利要求21或22所述的电池组的均衡系统，其特征在于，所述至少一个电压产生器(7)连接所述至少一个基本模块(9)的终端。
24.如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，包含一装置，用于测量每一蓄电池级的电压，被配置为传送电压信息到所述控制装置(3)。
25.如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，所述蓄电池 Aij)为锂离子类型。
26.如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统，其特征在于，该电池组包含超级电容器(supercapacitor)。
27.一种电池组蓄电池级的充电装置，其特征在于，包含如先前权利要求所述任意其一的电池组的均衡系统。
全文摘要
本发明公开了一种电池组的均衡系统，包含至少两个串联的蓄电池级(Eti)，每一蓄电池级(Eti)包含至少一个蓄电池(Aij)。依照本发明，本系统包含至少一个电压产生器(7)，包含至少一个正极(v2)和至少一个负极(v1)；至少一个电压产生器(7)为每一蓄电池级(Eti)的相关充电装置(5)供电，充电装置(5)包含至少一个电感器、至少一个电容器、至少一个二极管以及至少一个开关，至少一个电容器的第一端连接至少一个电压产生器(7)的正极(v2)，阳极连接蓄电池级的负极，至少一个二极管的阴极连接至少一个电感器的第一端，至少一个开关的一端连接至少一个电感器的一端；以及控制装置(3)，用以控制至少一个电压产生器(7)以及闭合待充电的蓄电池级相关的充电装置(5)的至少一个开关，这样至少一个电感器存储能量，以及将能量传送到相关的蓄电池级。
文档编号H02J7/00GK102792548SQ201180012578
公开日2012年11月21日 申请日期2011年2月4日 优先权日2010年2月5日
发明者丹尼尔·查卓克斯, 希尔泛·梅希尔, 朱利安·道齐, 艾瑞克·费南德兹 申请人:法国原子能源和替代能源委员会