专利名称：可堆叠的双向的多电池的电池组平衡器的制作方法
技术领域：
总的来说，本发明涉及电气领域，更特别地涉及平衡电源的概念和技术。
背景技术：
包含多个串联电池的大的、高压电池组通常用于各种应用，包括电动车辆、大的工业备用电池和电网负荷平衡应用。电池组(battery pack)的安全和寿命维护需要该电池组内的所有电池被监控和平衡以使得每一个电池运行在电池的运行寿命的固定的“充电状态”(State of Charge, S0C)范围。如果电池过量充电、放电太多或太快，或者单纯的过热，都会容易造成电池退化、着火或者甚至爆炸。由于电池典型地是不一致的，就存在电池间的不平衡的担忧。例如，在S0C、电池放电率、阻抗、容量和温度特性中可以存在差别。即使电池来自同一条生产线，也可以存在这 些差别。弱电池(weak cell)(即具有固有的低容量、退化的容量或高内部阻抗的电池)比强电池(strong cell)充电和放电快。因此，在充电期间，弱电池会更快地达到一个预定的高电压。同样地，在放电期间，弱电池会更快地达到一个预定的低电压。在这方面，通过相对长的充电和放电周期，弱电池会进一步弱化。对串联电池来说，电池组(battery)(即串联电池)的总的有用的电池容量是受最弱的电池限制的。可执行电池平衡，以使每个电池的电压或充电状态随着时间的推移而相等，以解决前述担忧中的一些。典型地，使用被动或主动平衡执行电池平衡。图I示出了具有被动平衡的电路。在被动平衡中，可需要平衡的电池(即比普通电池的SOC高的电池)被放电以使得该需要平衡的电池和其它电池的充电一致。然而，放电的能量以热量消散。据此，被动平衡是一种浪费能量的方法，尤其是当电池电压彼此显著不同的时候。在主动平衡中，每一电池电压(例如它的S0C)可以被分别测量。电容式的或电感式的电荷转移被用来平衡每一个电池的电荷(而不是以热量消散电荷)。因此，电源效率得以提高。在这方面，图2a和2b分别示出了具有电容式和电感式电荷往复运动的(shuttling)主动平衡的电路。无论图2a还是2b的电路都不是可堆叠的或交错(interleaved)的。进一步的，主动平衡系统可以是单向的。在图3的单向系统中，来自特定电池的电荷可以被增加或收回，但不能两者都进行，这使得平衡系统的平衡效率低下。进一步的，现有技术中的主动平衡系统不允许多个电池同时平衡，这使得它们的时间效率低下。在这方面，图4示出了一种与典型的现有技术的方法一致的不可堆叠的、不同时的双向平衡。因此，现有技术的方法典型地包括了零容量恢复、高平衡功率消散、长平衡时间和非最佳的能量恢复的局限性。进一步的，大串的串联电池存在I/o控制隔离的要求。考虑到前文所述，希望具有串联电池的时间和能量高效的双向的平衡方法和系统。也希望能够将多个电池组堆叠在一起而仍然能够通过单个的串行端口对该多个电池组寻址。
附图是阐释实施例的。它们没有阐释所有实施例。可以增加性地或替换性地使用其它实施例。省略了明显的或者不需要的细节以节省空间或为了更有效率的阐述。一些实施例可能涉及额外的元件或步骤和/或没有涉及阐释到的所有元件或步骤。当同一数字出现在不同的附图中时，它表示同一或相似的元件或步骤。 图I示出了具有被动平衡的电路；图2a为不可堆叠的、非交错的电容式电荷往复运动的主动平衡电路；图2b为不可堆叠的、非交错的电感式电荷往复运动的主动平衡电路；图3示出了具有单向的隔离的回扫平衡的两个电路；图4示出了具有不同时的、双向的平衡电路；·图5示出了与本发明的一个实施例相一致的具有6个电池的双向的平衡器电路；图6示出了与本发明的一个实施例相一致的用于平衡多个交错的电池组的具有变压器连接的电路；图7为与本发明的一个实施例相一致的示出了可堆叠的串行联通的系统框图。
具体实施例方式现在描述阐释性的实施例。可以增加性地或替换性地使用其它实施例。省略了明显的或者不需要的细节以节省空间或为了更有效的描述。一些实施例可能涉及额外的元件或步骤和/或没有涉及阐释到的所有元件或步骤。图5示出了与本发明的一个实施例一致的、用于平衡多个电池堆叠的具有变压器连接的电路。多个电池(即502-508)可以以串联的形式一个堆叠在另一个上面。平衡模块510可包括多个双向电池平衡器。例如，所述平衡模块可包括六个这样的电池平衡器。每一个平衡器使用预定的变压器变比以在电池和相邻的子堆(sub-stack)(在任一方向)之间转移电荷。例如，变压器变比可以简单地为I : I。无论电池组是正在充电还是正在放电，双向平衡电路500能提供高效能的电池到子堆和子堆到电池的电荷转移。进一步的，子堆内的每一个电池(例如电池1-6)能够同时被平衡。同时操作减少了平衡时间。的确，在平衡单个电池所花费的时间内，子堆内的多个电池能够被平衡。在一个实施例中，同时平衡也能发生在其它子堆(例如电池6-12)中。在一个实施例中，每一电池的变压器(例如520)的初级侧的第一端可以直接连接需被平衡的电池(例如502)。变压器的初级侧的第终端串联一个晶体管(例如功率FET522)和一个电流检测电阻(例如524)。每个变压器(例如521)的次级侧可与相邻的电池连接。例如，相邻的电池还可以在电池堆的再上面，与晶体管(例如功率FET 523)和次级侧电流检测电阻(例如525)串联。每一次级侧变压器(例如521)绕组的电流检测电阻(例如525)可参考子堆中的最低电压的电池。连接次级侧的最大电压仅受次级侧晶体管523的击穿电压的限制。进一步的，每一平衡器的开/关状态和电荷电流方向控制互相独立。状态和方向可以通过一个共同的可堆叠的串行端口 530传送给每一集成电路。例如，菊花链式堆叠接口可允许通过单个的I/O端口 530控制所有平衡器而不受电池组中串联的电池数量的限制。这种特征在后面将会更详细的讨论。图7为阐释与本发明的一个实施例相一致的、可堆叠的串行通信的简化的系统框图。为了确定电荷转移需求，至少一个与微处理器706连接的监测模块(例如702和704)，可首先确定对应于每一子堆(即710-716)的每一电池的平均充电状态(SOC)。例如，电池的电压可提供电池的充电状态的测量。假设所有电池具有相似的容量，具有最低的充电状态的电池(即最弱的电池)可接收来自它的子堆的多余电荷作为一次校正。例如，整个子堆可用来提供电荷给该子堆内的弱电池。因此，整个子堆无需多余的调整即可正常循环。然而，如果电池具有不同于正常电池的容量(例如被损坏的或者退化的)，该电池可以不同于正常电池的速率充电。那是因为具有少容量的电池比正常电池更快充电(比正常电池更快达到更高电压和更快达到更低电压)。例如，利用平衡，在子堆的充电周期内，更弱电池比正常电池接收到更少的电荷，因而允许子堆内的所有电池在充电周期结束时达到同样的电压。在一个实施例中，为了保存电池组寿命，电池在70%的容量时被认为是充足电，在·30%的容量时被认为是放掉了足够的电。据此，在充电周期内，子堆的正常电池和有缺陷的电池将同时充电至70%的容量。同样地，在放电周期内，正常电池和有缺陷的电池将同时放电至30%的容量。如上面所讨论的，监测模块702和704可监测每一电池的充电状态。系统中的每一平衡器(即710-716)可以由微处理器706通过单一可堆叠的通信接口 720控制。这种菊花链式可堆叠的接口允许平衡器710-716通过单个通信接口(I/O接口 720)被控制，不考虑串联的电池组中的电池数量。据此，无需额外的数字隔离器，单个通信端口可支持理论上的无数量限制的电池。图6示出了与本发明的一个实施例相一致的、用于平衡多个电池子堆的具有变压器连接的电路。每一电池子堆(例如电池1-6)与相邻的子堆(例如电池7-12)串联。子堆内的每一电池具有对应的、与其相连的变压器的初级侧。借助示例，变压器601-606的初级侧连接穿过最低电压的子堆内的六个电池的每一个，其中，变压器601的初级侧穿过(across)电池I,变压器602的初级侧穿过电池2,等等。进一步的,变压器连接的每一对应的次级侧以交错的结构交错穿过相同的子堆(即电池1-6)以及穿过相邻的更高电压的子堆(即电池7-12)。因此，在该示例中，电池7-12分别与变压器607-612相连。变压器607-612的次级侧的线圈与电池7-12和电池13-18相连。在该示例中，假设电池25-30的平均充电状态强而电池7-12的平均充电状态弱，电池25-30(即强子堆)的电荷将通过以下步骤转移到电池7-12(即弱子堆)I、给电池19-24充电变压器619-624的次级侧通过它的初级线圈从强子堆转移电荷至电池19-24(即第一中间子堆)。2、给电池13-18充电变压器613-618的次级侧从第一中间子堆转移电荷至电池13-18(即第二中间子堆)。3、给电池7-12充电变压器607-612的次级侧从第二中间子堆转移电荷至弱子堆。据此，通过变压器的初级侧以交错方式跨式组合每一子堆内的电池和通过次级侧以交错方式跨式组合多个(例如2个)子堆，任一子堆能共享另一子堆的电荷，即使其它子堆不与弱(或强)子堆相邻。关于交错子堆，这里提供的示例阐释了变压器的次级侧与两个子堆跨过连接。借鉴说明书，本领域技术人员应该懂得，变压器的次级侧能与所期望多的、相邻的子堆跨过连接。例如，与多个子堆跨过连接可提高在每一平衡器基础上的电荷的重新分配。在这方面，来自放电电池的电荷回流电流重新分配给更多数量的次级侧电池。同样地，被充电的电池的电荷供应电流源自更多数量的相邻的电池。据此，第二侧子堆的“放电”得以被最小化。因此，当平衡某一电池时，其它电池受到的影响尽可能的小。在一个例子中，这是通过增加次级侧的电池的数量达到的。进一步的，尽管每一子堆示例有六个电池，电池的数量能为任一数字N，在这里N彡2。
上面描述的关于平衡多个子堆的概念能应用到平衡单个子堆内的电池。借助示例，假设图5中的电池1 (502)在子堆内是一个弱电池，该子堆包含电池1-6，正常电池2-6能通过它们各自的变压器提供它们的部分电荷给弱电池I。通过交替打开和关闭连接在变压器初级侧和次级侧的电源开关(例如522，523)完成电荷转移。当变压器相串联的电源开关打开时，这允许变压器(电荷供应侧)的绕组内的电流斜坡(ramp)上升，然后，由于变压器磁芯内储存的能量，当电荷供应侧的开关关闭时，另一绕组(电荷回收侧)内的电流斜坡下降。在这一点上，变压器(连接电池或子堆)的电荷回流侧的电源开关打开以提供回流电流流动的低阻抗路径。回流电流也可通过回流侧电源开关内部的体二极管导流。因此，即使回流侧的开关没有打开，电流也可流动。这个循环按需要重复直至监测系统确定转移了足够的电荷。每一平衡器的循环周期的电荷转移控制通过借助串联的检测电阻(例如524，525)直接检测变压器绕组电流完成。一旦斜坡通过检测电阻电流升高达到一个预定的峰值电压(即流经电荷供应侧变压器绕组电源开关和检测电阻的电流达到一个预定的最大值)，电荷供应侧的电源开关关闭。电荷回流侧电流允许流动直至回流侧电流减少到O (可以通过经过回流侧检测电阻的零电压降指示)，然后该循环可以重复。可替换的，允许电流在一个预定的时间内流经供应侧电源开关。在这种情况下峰值电流由供应侧的打开时间和供应侧的绕组的电感确定。和前面一样，回流侧电流允许流动直至它衰减到O或者允许在一个足够使电流衰减到O的预定量的时间内流动。尽管以上的示例中讨论了单个有缺陷的电池，根据本发明，本领域的技术人员应该认识到这里揭露的同样的概念能够应用到同一子堆的多个有缺陷的电池上。讨论的元件、步骤、特征、对象、益处和优势仅仅是示例性的。它们中的任意一个，以及有关它们的讨论都不是意图于以任何方式限制保护范围。也可考虑到许多其它实施例。那些实施例具有更少的、额外的、和/或不同的元件、步骤、特征、对象、益处和优势。这些也包含元件和/或步骤不同组合和/或排列的实施例。
权利要求
1.一种电池组平衡系统包括 至少一个子堆，每一个子堆包括多个串联的电池； 平衡模块，用于每个子堆，所述平衡模块包括独立的双向平衡器，用于所述子堆内的每一个电池； 监测模块，用于监测每一个子堆内的每一个电池的充电状态； 微处理器，用于确定每一个子堆内的电池的平均充电状态；以及菊花链式可堆叠的串行端口，用于传输信息给每一个平衡模块，其中，每一个平衡模块用于 在电池组放电期间，提供来自一个子堆的额外的电荷给该子堆的任一弱电池，以及在电池组充电期间从任一弱电池移除额外的电荷并提供给该弱电池的子堆；以及 在电池组放电期间，移除任一强电池的额外的电荷并提供给该强电池的子堆，以及在电池组充电期间，提供来自子堆的额外的电荷给任一强电池。
2.根据权利要求I所述的电池组平衡系统，其中，任意数量的子堆能够串行堆叠并利用一个共同的可堆叠的串行控制进行控制。
3.根据权利要求I所述的电池平衡系统，其中，每一个子堆包括6个串联的电池。
4.根据权利要求I所述的电池组平衡系统，其中，子堆内的每一个强电池或弱电池被同时平衡。
5.根据权利要求4所述的电池组平衡系统，其中，每一个强子堆或弱子堆被同时平衡。
6.根据权利要求I所述的电池组平衡系统，其中，任意数量的子堆被同时平衡。
7.根据权利要求I所述的电池组平衡系统，进一步包括 至少一个具有初级侧和次级侧的变压器，其中，每一个变压器包括在所述初级侧的用于每一个电池的分离的线圈和在所述次级侧的对应于多个相邻的子堆的单个线圈； 每一个线圈包括第一端和第二端， 其中，在所述初级侧的每一个线圈具有与所述第二端串联的晶体管和电阻； 其中，在所述次级侧的每一个线圈具有与第二端串联的晶体管和电阻； 其中，每一个变压器的所述初级侧的每一个线圈的所述第一端与一个电池相连； 其中，每一个变压器的所述次级侧的线圈的所述第一端与相邻的独立的双向平衡器的变压器的次级侧的第一端相连；以及 其中，与每一个晶体管的次级侧的第二端串联的所述电阻与所述电阻的子堆的最低电压连接。
8.根据权利要求7所述的电池组平衡系统，其中 每一个变压器用于在所述变压器的子堆和相邻的子堆之间转移电荷； 每一个变压器的所述初级侧与所述变压器的子堆内的各自的电池相连，以及所述次级侧与所述变压器的子堆和相邻的子堆相连；以及 每一个变压器与所述变压器的各自的相邻的子堆的连接是交错的。
9.根据权利要求7所述的电池组平衡系统，其中，穿过每一个线圈的所述次级侧的最大电压受所述次级侧各自的串联的晶体管的击穿电压的限制。
10.根据权利要求I所述的电池组平衡系统，其中，所述平衡模块用于允许一个子堆内的每一个电池在充电周期内的第一预定的点和在放电周期内的第二预定的点达到同一电压。
11.根据权利要求10所述的电池组平衡系统，其中 所述第一预定的点为所述子堆内的所述电池的容量为70% ;以及所述第二预定的点为所述子堆内的所述电池的容量为30%。
12.—种平衡电池组的方法，包括 检测每一个子堆内的每一个电池的充电状态； 计算每一个子堆的平均的充电状态； 确定每一个子堆内的每一个电池的强度，所述强度与每一个子堆内所述平均充电状态相关； 在电池组的放电期间，同时提供来自弱电池各自的子堆的额外的电荷给弱电池； 在电池组的充电期间，同时移除弱电池的额外的电荷给所述弱电池各自的子堆； 在电池组的放电期间，同时移除强电池的额外的电荷给所述强电池各自的子堆；以及 在电池组的充电期间，同时提供来自强电池各自的子堆的额外的电荷给强电池。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括 以交错方式通过至少一个中间的子堆在电池组的一个子堆到另一个子堆之间转移电荷。
14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括允许子堆内的每一个电池在充电周期内的第一预定的点和在放电周期内的第二预定的点达到同一电压。
15.根据权利要求14所述的方法，其中 所述第一预定的点为所述子堆内的所述电池的容量为70% ;以及所述第二预定的点为所述子堆内的所述电池的容量为30%。
全文摘要
一种包含至少一个子堆的电池平衡系统，每一个子堆包括多个串联的电池。该系统也包括每一个子堆的平衡模块，平衡模块包括子堆里的每一个电池的独立的双向平衡器。该系统包括菊花链式可堆叠串联端口。平衡系统检测每一个子堆里的每一个电池的充电状态(SOC)。子堆的平均SOC得以确定。对于弱电池，在电池放电期间，额外的电荷来自各自的子堆。对于强电池，在电池放电期间，额外的电荷被移除，并提供给各自的子堆。任意数量的子堆能够被串联堆叠而保持同一串联控制，允许单个通信端口无需额外的数字隔离器支持理论意义上没有数量限制的电池。
文档编号H02J7/00GK102891507SQ201210201929
公开日2013年1月23日 申请日期2012年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者塞缪尔·H·诺克, 马克·R·维图尼克 申请人:凌力尔特有限公司