专利名称：用于平衡蓄电池的电池单元的转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于平衡蓄电池的电池单元的转换器，更具体地涉及混合动力汽车蓄电池以及电动汽车蓄电池。
背景技术：
混合动力汽车蓄电池和电动汽车蓄电池的使用方式导致剧烈的充电以及放电循环。这种使用蓄电池的方式加速了组成蓄电池的不同电池单元的特性(尤其是电流效率)的弥散，造成在蓄电池寿命期间充电不平衡。该不平衡对锂蓄电池尤为限制。实际上，所述电池单元必须保持在限定得很好的运行范围内。为了维持蓄电池的容量同时延长其寿命，并且完全安全地使用，平衡组成蓄电池的不同电池单元至关重要。所述平衡包括在电池单元之间传送电荷以便它们都具有相同的荷电状态。锂蓄电池由低电压(大约为3.6V)的电池单元组装而成。为了达到更高的电压(大约为200V至300V)，所有电池单元串联组装。一旦电池单元超出其运行范围，整个蓄电池因此受损。为了维持蓄电池的最高性能，平衡系统必须应用于每一个电池单元的电平。然而，降低电压是一个不利于能量转换的因素。在文献中提出了若干平衡蓄电池的电池单元的解决方案。这些解决方案可被分为两类:耗散型的和非耗散型的。第一类中的解决方式易于实现，但能量仅仅被耗散。对于第二类，非耗散型的解决方案又可被分为三种:〇切换到电池单元的单一转换器:其包括利用开关矩阵，将绝缘转换器的输出切换到所希望的电池单元。这种解决方案总体来说既昂贵又复杂。〇串联转换器:原理是，在两个相继的电池单元之间放置一个转换器。这些结构总体来说包括大量组成部分，并且只允许在两个相继的电池单元之间的传送。但其更容易控制。〇并联转换器:其利用电镀绝缘使所有电池单元彼此直接连接。这些结构总体来说控制更为复杂。这是由于单一转换器控制多个电池单元，并且需要用到分隔变压器。并联转换器可实现比串联结构更加灵活的电荷传送。所述传送更加适合并且因此数量更少。它们主要的劣势在于需要变压器，而变压器的重量不利于车载解决方案。解决方案是升高切换频率。但是切换频率的升高，以及元件的低电压，大幅度地增加了因切换和传导造成的损耗，以及电磁干扰。
发明内容
为了弥补现有系统的劣势，提出了一 种基于并联转换器的解决方案。为达到改善的性能，所提出的解决方案利用了通过准谐振的软开关技术以及通过二极管型无源半导体元件的最小化通路的技术。的确，在这些元件上的电压降(在肖特基二极管的情况下约0.3V)代表了电池单元电压的约10%。另外，电池单元的较大的数目会使用于指导传送的晶体管的控制存在风险，复杂且昂贵。本发明的一个目的是一种蓄电池的电池单元平衡转换器，所述蓄电池包括偶数N个串联的电池单元，其特征在于，所述转换器包括:-第一电路，被称为准谐振电路，-第二电路，被称为伪控制电路，包括切换模块，其中所述蓄电池的每个电池单元都具有串联的切换1 块，-变压器，将所述准谐振电路连接到所述伪控制电路上，并且包括初级绕组以及N/2个次级绕组，初级绕组的一端连接到所述准谐振电路的第一端上，并且另一端连接到所述准谐振电路的第二端上，并且所给的次级绕组使两个电路闭合，所述两个电路中的每个电路都由串联连接的切换模块以及电池单元组成；所述准谐振电路包括:电感器，将所述第一端连接到第一支路的中间点上，所述第一支路包括组成开关的第一元件以及组成开关的第二元件，所述第二端被连接到第二支路的中间点上，所述第二支路包括第一电容器和第二电容器，所述第一支路的第一端通过第一电导体被连接到所述 第二支路的第一端上，所述第一支路的第二端通过第二电导体被连接到所述第二支路的第二端上，所述电导体通过直流电压为所述准谐振电路提供动力；组成所述准谐振电路的开关的所述元件包括:输入端，用于接收由所述准谐振电路的驱动电路发送的信号，以闭合或打开组成开关的所述元件；所述伪控制电路的所述切换模块包括:输入端，用于接收由所述伪控制电路的驱动电路发送的信号，以将所述切换模块置于“接通状态”或“断开状态”。
阅读下文的说明将更好地理解本发明，并且发现其它的优势和特点，下文的说明是结合附图以非限制性的示例给出的，附图中:图1是根据本发明的用于平衡锂电池的电池单元的系统的概览图；图2是根据本发明的用于平衡锂电池的电池单元的系统的示例的电路图；图3是代表准谐振电路的等效模型的电路图；图4是一组以同步的时间横坐标示出的图，所述图示出了该准谐振电路在充电模式中的波形图；图5是给出了代表在MOSFET晶体管(N沟道)中以及在其本征二极管中的电压降的对比图；图6是该伪控制电路的部分等效图；图7代表上电池单元和下电池单元充电并放电时伪控制电路中的波形图，以及充电模式中的准谐振电路的波形图；图8代表根据本发明的准谐振伪控制转换器的控制的概览图；图9是伪控制电路的切换模块(M0SFET晶体管)的驱动电路的部分概览图。
具体实施例方式根据本发明的平衡系统包括通过磁路(变压器)连接的两个部分。
图1是根据本发明的用于平衡锂电池的电池单元的系统的概览图。该系统包括由零电压切换(ZVS)H形半桥组成的准谐振电路I。该电路需要合适尺寸的组成部分，以便限制所使用的频率范围(无论要求的电流是什么)。该系统还包括能充任根据本发明的“伪控制”电路的电路2。电路2简化了控制，并且提供了以零电流切换(ZCS)向选中的电池单元传送电流的可能性。电路I和电路2通过变压器3连接。
从电气角度看，准谐振电路I由蓄电池模块4直接供电。多绕组变压器3使所述两个电路能连接。在变压器上，该准谐振电路施加电流，而该伪控制电路施加电压。为了减小绕组数目，正电流向奇数电池单元再次充电，负电流向偶数电池单元再次充电。该变压器是对称使用的。该伪控制电路使选中的电池单元能优先充电。图2是根据本发明的用于平衡锂电池的电池单元的系统的示例的电路示图。附图标记I指代准谐振电路，附图标记2指代伪控制电路，并且附图标记4指代包括六个电池单元的蓄电池模块。为了简化示图，该连接变压器被以分解的方式表示出。该连接变压器包括初级绕组31以及三个次级绕组32。每个次级绕组32驱动两个蓄电池电池单元。相比于已知技术的某些解决方案(其每个电池单元使用一个绕组)，本发明的平衡系统的优势在于减少了变压器中铜的用量。伪控制电路2包括位于次级绕组32上的开关21，由此允许次级绕组被连接到选定的电池单元。伪控制电路2在变压器上施加电压。所述准谐振电路的该H形半桥被连接到所有电池单元上。它的作用是在连接变压器中施加电流。准谐振电路在图2示出的示例中，准谐振电路I包括:-两个MOSFET晶体管11(或上M0SFET)和12 (或下M0SFET)，所述晶体管起到与各自并联的电容器C形成开关的元件的作用。这些电容可以是这些晶体管所固有的。它们也可能是附加的组成部分；-两个标为(；/2的电容器，以便能得到蓄电池模块4的电压的中间点；-电感器L_，与初级绕组31串联安装，该串联装配将通过电容器(；/2获得的中间点连接到晶体管11和晶体管12的中间点上，电感器Lms与电容器C 一起允许零电压切换(ZVS)。该准谐振电路使得可以在提供零电压切换的同时控制绕组Lms的电压的符号。电流被导向该变压器的初级，而次级电路根据伪控制电路的MOSFET晶体管的方向状态施加变压器的电压。可看出，该准谐振电路的等效模型即为图3的电路。通过合并标为(；/2的电容器，以及将参考电压放置在蓄电池模块的中间，得到等效电容(；以及E/2到-E/2的总线电压。考虑到该变压器是理想的，并且切换正电流到奇数电池单元，切换负电流到偶数电池单元，该变压器可由标为Vt(变压器初级绕组的端电压)的可变电压源替代。这个电压等效于该蓄电池的电池单元的电压乘以电流符号。在充电模式中该等效电压为正，并且该等效电压在放电模式中为负。变压器绕组的电阻标为r。V1是电感两端的电压。可从图3的等效图中找到当激励频率高于谐振频率时允许零电压切换(ZVS)的结构。图4是一组以同一时间横坐标示出的图，示出了在该准谐振电路中的波形图。在图4中，上图代表了两个特征:以附图标记41标记的、作为时间的函数的电流iELC(同时参照图3)，以及以附图标记42标记的、作为时间的函数的变压器初级绕组两端的电压VT。Vt的值可取为+Vrall或-Vrall，Vcell为蓄电池的电池单元两端的电压。中图代表了两个特征:以附图标记43标记的、晶体管11和12与大地之间的电压或Vkix;(见图2和图3),以及以附图标记44标记的电压V1。下图代表了晶体管11和晶体管12的端电压。曲线45代表晶体管12或下MOSFET的端电压，曲线46代表晶体管11或上MOSFET的端电压。为了正确地确定组成部分的值，必须求解方程组(I)。
权利要求
1.一种蓄电池(4)的电池单元平衡转换器，所述蓄电池包括偶数N个串联的电池单元，其特征在于，所述转换器包括: -第一电路，被称为准谐振电路(1)， -第二电路，被称为伪控制电路(2)，包括切换模块，其中所述蓄电池的每个电池单元都具有与该电池单元串联的切换模块， -变压器(3)，将所述准谐振电路(I)连接到所述伪控制电路(2)上，并且包括初级绕组(31)以及N/2个次级绕组(32)，初级绕组(31)的一端连接到所述准谐振电路的第一端上，并且另一端连接到所述准谐振电路的第二端上，并且一给定的次级绕组(32)使两个电路闭合，所述两个电路中的每个电路都由串联连接的切换模块(21)以及电池单元组成； 所述准谐振电路(I)包括:电感器(Lms)，将所述第一端连接到第一支路的中间点上，所述第一支路包括组成开关的第一元件以及组成开关的第二元件，所述第二端被连接到第二支路的中间点上，所述第二支路包括第一电容器和第二电容器，所述第一支路的第一端通过第一电导体被连接到所述第二支路的第一端上，所述第一支路的第二端通过第二电导体被连接到所述第二支路的第二端上，所述电导体通过直流电压为所述准谐振电路(I)供电； 组成所述准谐振电路的开关的所述元件包括:输入端，用于接收由所述准谐振电路的驱动电路发送的信号，以闭合或打开组成开关的所述元件； 所述伪控制电路的所述切换模块包括:输入端，用于接收由所述伪控制电路的驱动电路发送的信号，以将所述切换模块置于“接通状态”或“断开状态”， 所述平衡转换器还包括:高通滤波器，用于将由所述伪控制电路(2)的驱动电路(8)发送的信号传送至所述切换模块的接收输 入端，每个高通滤波器均为RC滤波器，所述RC滤波器包括电容器(Cf)以及与二极管并联的电阻器(Rf)，使得整个控制信号都被传送。
2.根据权利要求1所述的平衡转换器，其中所述准谐振电路的所述电导体连接到所述蓄电池⑷上。
3.根据权利要求1或2所述的平衡转换器，其中组成所述准谐振电路的开关的所述元件为MOSFET晶体管(11、12)。
4.根据权利要求3所述的平衡转换器，其中电容器(C)分别并联到每个MOSFET晶体管(11、12)上。
5.根据权利要求1到4中任意一项所述的平衡转换器，其中所述准谐振电路的所述第二支路的所述电容器具有相同的值。
6.根据权利要求1到5中任意一项所述的平衡转换器，其中所述伪控制电路(2)的所述切换模块(21)包括带有反并联安装的二极管的MOSFET晶体管。
7.根据权利要求6所述的平衡转换器，其中所述伪控制电路(2)的MOSFET晶体管以高于漏极与源极之间的电压的栅极电压运行。
全文摘要
本发明涉及一种连接到蓄电池(4)的电池单元两端的平衡转换器。该转换器包括借助于变压器(3)连接在一起的准谐振电路(1)和伪控制电路(2)，并且通过准谐振实现软切换技术。
文档编号H02J7/00GK103229384SQ201180057209
公开日2013年7月31日 申请日期2011年12月20日 优先权日2010年12月22日
发明者尤瑟夫·图赞尼, 摩根·阿尔曼萨 申请人:Ifp新能源公司