专利名称：具有电荷平衡的电源系统的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及电源系统，并且特别涉及电动汽车或混合汽车中的汽车电源系统。
背景技术：
电动汽车或混合汽车包括用于驱动汽车的至少一个电动机以及用于给所述至少一个电动机提供电功率的可再充电电池(蓄电池)，比如锂离子电池，或者双层电容器装置。所述电池通常包括串联连接的多个电池模块，其中各个模块可以被布置成分布在整个汽车中并且通过输电线彼此连接。各个电池模块分别提供模块供电电压，其中所述电池的供电电压等于模块供电电 压的总和。由于各个模块的制造过程中的变化，各个电池模块的电容可能稍有不同。因此，在其中为电池充电的充电过程期间，一些电池模块可能快于其他电池模块而被充电，以及在电池向负载供电时的放电过程期间，一些电池模块可能快于其他电池模块而被放电。各个电池模块不应当高于充电上限被充电，并且不应当低于充电下限被放电。因此，除非存在电荷平衡，否则当一个模块达到上限时将不得不停止充电过程，尽管其他模块可能还没有被完全地充电；以及当一个模块达到下限时将不得不停止放电过程，尽管其他模块可能还没有被完全地放电。各个模块的不同充电状态还可能是由于模块的自放电而导致的。“电荷平衡”是指，从各个模块选择性地取得电荷或者将其选择性地提供到各个模块，以便补偿各个模块的电荷不平衡。已知的电荷平衡电路包括变压器，所述变压器具有分别连接到模块之一的多个第一绕组以及连接在电池的负载端子之间的第二绕组。在这种电路中，可以从模块之一取得电荷并且可以将其反馈到电池中，或者可以从电池取得电荷并且可以将其反馈到电池模块之一中。然而，在这种电路中，在第二绕组两端存在电池电压，其可以是几百V，比如400V。这需要高压绝缘装置，当模块被分布在汽车中时所述高压绝缘装置可能难以实施并且是昂贵的。需要一种具有高效、灵活并且易于实施电荷平衡的电源系统。
发明内容
第一方面涉及一种电源系统。所述电源系统包括第一电荷存储装置，其具有负载端子以及连接在负载端子之间的η个电荷存储模块的串联电路，其中η>1 ;以及第二电荷存储装置，其具有负载端子。所述电源系统还包括电荷转移装置，其包括耦合在其中一个电荷存储模块与第二电荷存储装置的负载端子之间的至少一个电荷转移单元。所述电荷转移单元被配置成在请求时将电荷从所述一个电荷存储模块转移到第二电荷存储装置。第二方面涉及一种包括电源系统的汽车电气系统。所述电源系统包括第一电荷存储装置，其具有负载端子以及连接在负载端子之间的η个电荷存储模块的串联电路，其中η>1 ;以及第二电荷存储装置，其具有负载端子。所述电源系统还包括电荷转移装置，其包括耦合在其中一个电荷存储模块与第二电荷存储装置的负载端子之间的至少一个电荷转移单元。所述电荷转移单元被配置成在请求时将电荷从所述一个电荷存储模块转移到第二电荷存储装置。所述汽车电气系统还包括至少一个第一负载，其被连接到第一电荷存储装置的负载端子；以及至少一个第二负载，其被连接到第二电荷存储装置的负载端子。
参照附图解释实例。附图用来说明基本原理，因此只示出对于理解基本原理所必需的方面。附图不是按比例的。在附图中，相同的附图标记表示相同的 特征。图I不意性地不出电源系统的第一实施例,其包括具有多个电荷存储模块的第一电荷存储装置、第二电荷存储装置、以及电荷转移装置；
图2示意性地示出所述电荷转移装置的一个电荷转移模块的一个实施例；
图3示意性地示出图2的电荷转移模块的控制电路的一个实施例；
图4示出所述控制电路与电荷转移模块之间的信号通信的第一实施例；
图5示出所述控制电路与电荷转移模块之间的信号通信的第二实施例；
图6示出电源系统的一个实施例，其具有布置在第一电荷存储装置与第二电荷存储装置之间的DC/DC转换器；
图7示出所述DC/DC转换器的一个实施例；
图8示出第一电荷存储装置的一个电荷存储模块的一个实施例；
图9示出电源系统的一个实施例，其包括第一电荷存储装置的各个电荷存储模块的电荷平衡电路；以及
图10更详细地示出一个电荷平衡电路到一个电荷存储模块的连接。
具体实施例方式现在将在特定情境中解释本发明的实施例，即在汽车电源系统的情境中。然而，本发明的实施例不限于结合汽车电源系统来使用，本发明的实施例而是可以被应用于包括具有多个电荷存储模块的可再充电电荷存储装置的每种应用。图I示意性地示出电源系统的第一实施例。所述电源系统包括第一电荷存储装置1，其包括串联连接在第一电荷存储装置I的负载端子11、12之间的η个电荷存储模块2i、22、2n，其中η>1。第一电荷存储装置I在负载端子11、12之间提供第一供电电压VI，其中第一供电电压Vl是提供在各个电荷存储模块2p22、2n的输出端子之间的各个模块供电电压V2i、V22、V2n的总和。根据一个实施例，当单独的模块被完全地充电时，电荷存储模块2p22、2n中的每个所提供的输出电压在40V与60V之间。串联连接的电荷存储模块的数目η取决于所期望的电荷存储装置输出电压Vl。根据一个实施例，该输出电压Vl在350V与450V之间，使得串联连接在8个与12个之间的电荷存储模块2ρ22、2η。出于说明的目的，在图I中示出仅仅三个电荷存储模块。第一电荷存储装置I例如是具有形成电荷存储模块2p22、2n的多个电池模块的锂离子电池，其中每个电池模块可以包括串联连接的多个电池单元(battery cell)。根据另一实施例，第一电荷存储装置I是具有多个电容器的装置，比如双层电容器，其中每个模块2p22、2n可以包括串联连接的多个电容器。双层电容器(超电容器、超级电容器)在给定器件体积下具有巨大的电容。所述电源系统特别是可以用在电动汽车或混合汽车中的汽车电源系统。由电荷存储装置输出电压Vl供电的负载Zl例如是包括电动机和逆变器的电动机单元。各个电荷存储模块2i、22、2n可以被布置在汽车内的不同位置处，其中各个模块通过输电线彼此电连接。可以通过将电荷存储装置充电器(未示出)连接到负载端子11来为第一电荷存储装置I充电。为电荷存储装置(比如图I中所示的第一电荷存储装置I)充电是公知的，因此在这方面不需要进一步的解释。参照图1，所述电源系统还包括具有负载端子51、52的第二电荷存储装置5。第二电荷存储装置5在其负载端子51、52之间提供第二电荷存储装置供电电压V5。根据一个实施例，第二电荷存储装置供电电压V5低于第一电荷存储装置供电电压Vl。第二电荷存储装置供电电压V5例如在IOV与15V之间。根据一个实施例，第二电荷存储装置5是常规汽车电池，其在被完全地充电时提供大约12V的供电电压。每个电荷存储模块2p22、2n具有电容。一个电荷存储模块的电容是其存储电荷的·能力。由于电荷存储模块2p22、2n的制造过程中的变化，各个模块的电容可能(稍有)不同。因此，在充电过程期间一些电荷存储模块可能快于其他电荷存储模块而被充电，以及在放电过程期间一些电荷存储模块可能快于其他电荷存储模块而被放电。在充电过程中，电荷存储装置充电器(未示出)通过负载端子11、12对第一电荷存储装置I充电。在放电过程中，第一电荷存储装置I对连接到负载端子11、12的负载或负载装置Zl提供电功率。在这一点应当注意，图I中所示的负载Zl可以代表并联连接的多个负载，并且每个负载被连接到第一电荷存储装置I的负载端子11、12。各个电荷存储模块2p22、2n不应当被放电到低于充电状态下限，并且不应当被充电到高于充电状态上限。所述下限例如由可以通过一个电荷存储模块2p22、2n提供的最小供电电压来定义，以及所述上限例如由可以通过各个电荷存储模块2p22、2n提供的最大供电电压来定义。由于所提到的电荷存储模块、22、2n的各个电容的差异，可能出现一个电荷存储模块已经达到其下限同时其他模块仍然远高于下限的情形，并且可能出现一个模块已经达到上限同时其他模块仍然远低于上限的情形。各个电荷存储模块2p22、2n的不同充电状态还有可能是由于电荷存储模块的自放电而导致的。为了能够高效地使用第一电荷存储装置I的总电容，期望平衡各个电荷存储模块2p22、2n的充电状态。一个电荷存储模块的充电状态例如由一个模块所提供的模块供电电压V2i、V22、V2n来定义，其中当一个模块所提供的供电电压减小时，该模块的充电状态减小。当各个电荷存储模块2p22、2n的充电状态平衡时，模块2p22、2n在放电过程中共同逼近其各个下限，并且在充电过程中共同逼近其各个上限。为了平衡各个电荷存储模块2p22、2n的充电状态，所述电源系统包括连接在第一电荷存储装置I与第二电荷存储装置5之间的电荷转移装置3。电荷转移装置3包括至少一个电荷转移模块+、七、^。在图I所示的实施例中，电荷转移装置3包括η个电荷转移模块，使得每个电荷存储模块2p22、2n具有分配给其的一个电荷转移模块4p42、4n。电荷转移装置3被配置成把电荷选择性地从一个电荷存储模块转移到第二电荷存储装置5，从而把从中取得电荷(电能)的该电荷存储模块放电到特定程度。电荷转移装置3例如被配置成监测各个电荷存储模块、22、2n的供电电压V2i、V22、V2n，并且将电荷从当前具有最高供电电压的电荷存储模块转移到第二电荷存储装置5。通过这样，可以平衡各个电荷存储模块的充电状态。虽然电荷转移电路3只能够从电荷存储模块21、22、2 取得能量(放电)以便平衡充电状态，并且虽然从一个电荷存储模块取得的能量既没有被反馈到第一电荷存储装置I的另一电荷存储模块中也没有通过负载端子11、12被反馈到第一电荷存储装置I中，但是没有能量被浪费。从电荷存储模块2p22、2n中的一个取得的能量被存储在第二电荷存储装置5中，并且因此被用来为连接到第二电荷存储装置5的负载或负载装置Z2供电。应当注意，在这一点，图I中所示的负载Z2可以代表连接到第二电荷存储装置5的多个负载。在汽车电源系统中，连接到第二电荷存储装置5的负载例如可以包括用于电动车窗升降器、电动座椅调节器、或者风扇的电动机；空调系统的加热或冷却元件；传感器；照明等等。另外，可以将发电机(未示出)连接到第二电荷存储装置5的负载端子51、52。该发电机可以用来对电荷存储装置5进行再充电。参照图1，电荷转移装置3可以包括通过信号通信路径与各个电荷转移模块1、42、4n进行信号通信的控制电路31。控制电路31与各个电荷转移模块4p42、4n之间的信号通 信路径可以是常规信号通信路径，其被配置成提供控制电路31与电荷转移模块4p42、4n中的每个之间的信号通信，以及提供电荷转移模块4p42、4n中的每个与控制电路之间的信号通信。该信号通信路径在图I中被仅仅示意性地示出。电荷转移模块4p42、4n中的每个例如被配置成测量对应的电荷存储模块、22、2n的供电电压V2i、V22、V2n，并且被配置成通过所述信号通信路径向控制电路31提供关于该供电电压的信息。控制电路31例如被配置成基于从电荷转移模块4p42、4n接收的信息来监测电源电压，并且被配置成请求电荷转移模块l、42、4n(比如连接到具有最高充电状态的电荷存储模块2p22、2n的电荷转移模块1、42、4n)中的一个从相关联的电荷存储模块向第二电荷存储装置5转移能量。图2不出一个电荷转移模块的一个实施例。图2中的附图标记4代表图I中所不的电荷转移模块4p42、4n中的一个。图2中的附图标记2代表连接到该电荷转移模块4的电荷存储模块。应当注意，各个电荷转移模块可以具有完全相同的拓扑，比如图2中所示的拓扑。参照图2，电荷转移模块4被实施为逆向转换器，并且包括具有第一绕组(初级绕组MS1和第二绕组(次级绕组)452的变压器45。第一绕组45i与电子开关46串联连接，其中具有电子开关46和第一绕组AS1的串联电路被连接在电荷转移模块4的输入端子41、42之间。电荷转移模块4的输入端子41p42被连接到相关联的电荷存储模块的负载端子21、22，其中第一输入端子41被连接到第一负载端子21，以及第二输入端子42被连接到第二负载端子22。电荷存储模块2p22、2n的负载端子是被用来串联连接各个电荷存储模块2p22、2n的端子，其中每个模块的第一端子被连接到另一模块的第二端子。模块之一(比如图I中的第一模块2P的第一端子形成第一电荷存储装置I的第一负载端子11，以及另一模块(t匕如图I中的第η模块2η)的第二端子形成第一电荷存储装置的第二负载端子12。参照图2，第二绕组452通过整流器元件47 (比如二极管)被耦合到第二电荷存储装置5的负载端子51、52。具体来说，具有第二绕组452和二极管47的串联电路通过第二电荷存储装置的负载端子51、52与第二电荷存储装置5并联连接。输入端子43和44被显示为连接到电荷存储装置5与具有第二绕组452和二极管47的串联电路之间的负载端子51、52。与第一绕组AS1串联连接的电子开关46可以被实施为M0SFET，特别被实施为增强型M0SFET。然而，这仅仅是实例。电子开关46也可以被实施为任何其他类型的常规电子开关，比如耗尽型MOSFET、IGBT (绝缘栅双极型晶体管)或BJT (双极结型晶体管)。电子开关46包括与第一绕组45i串联连接的负载路径和控制端子。当电子开关46被实施为MOSFET时，负载路径是MOSFET的漏极端子与源极端子之间的内部路径，以及控制端子是栅极端子。电荷转移模块4还包括控制和驱动单元6。控制和驱动单元6被配置成驱动电子开关46，这是指接通及关断电子开关46。此外，控制和驱动单元6与控制电路31 (其也在图2中被示出)通过信号通信路径进行信号通信。该信号通信路径在图2中被仅仅示意性地示出。此外，控制和驱动单元6被配置成测量由电荷存储模块2提供的供电电压V2。为此，控制和驱动单元6的输入端子61、62被连接到电荷转移模块4的输入端子41、42。为了驱动电子开关46，控制和驱动单元6包括耦合到电子开关46的控制端子的驱动端子63。·
可以由控制电路31通过信号通信路径激活及停用电荷转移模块4。在激活状态中，电荷转移模块4将电荷(能量)从电荷存储模块2转移到第二电荷存储装置5。现在解释在激活状态中电荷转移模块4的操作原理。在电荷转移模块4的激活状态中，电子开关46被循环地接通及关断。当电子开关46被接通时，电流流过第一绕组45i，使得通过磁性方式将能量存储在变压器45的第一绕组45i中。当电子开关46随后被关断时，存储在初级绕组45i中的能量被转移到第二绕组452，其中被转移到第二绕组452的该能量导致电流从第二绕组452通过整流元件47到第二电荷存储装置5中。整流元件47被连接成使得无法通过第二绕组452对第二电荷存储装置5进行放电。第一绕组45i和第二绕组452具有相反的绕组方向。在每个驱动周期中，电能从电荷存储模块2被转移到第二电荷存储装置5，其中驱动周期包括电子开关46的接通周期(导通周期)和电子开关46的关断周期(断开周期)。可以按照许多不同方式来控制导通周期和断开周期的持续时间。根据一个实施例，导通周期和后续的断开周期的持续时间是固定的。根据另一实施例，导通周期的持续时间是固定的，以及断开周期的持续时间取决于变压器45的磁化状态，其中例如每当变压器已被消磁时断开周期就结束(并且新的导通周期开始)。可以按照许多不同方式来控制一个电荷转移模块4被激活的持续时间。根据一个实施例，一个电荷转移模块4被激活的持续时间是固定的。根据另一实施例，该持续时间例如取决于供电电压V2的改变速率。根据一个实施例，控制电路31被配置成将电荷转移模块4激活使得对于给定电压值减小供电电压V2所需的时间长度。根据另一实施例，将一个模块激活使得将给定能量从一个模块2p22、2n转移到第二电荷存储装置5所需的时间长度。根据一个实施例，控制电路31仅仅基于模块供电电压V2p V22、￥2 来确定各个模块2p22、2n的充电状态。根据另一实施例，还考虑其他参数，比如各个模块2p22、2n的电容。图3示意性地示出一个电荷转移模块4的控制和驱动单元6的一个实施例。应当注意，图3中所示的框图用来说明控制和驱动单元6的操作原理而不是其实施。图3中所示的各个功能块可以按照许多不同方式来实施，比如利用专用集成电路、在其上运行软件的微控制器等等。
参照图3，控制和驱动单元6包括接口单元66，其被耦合到将控制电路31 (其也在图3中被示意性地示出)与各个电荷转移模块4连接的信号路径。接口单元66的特定实施取决于控制电路31与各个电荷转移模块4之间的信号路径的特定类型。下面参照图4和5解释信号路径的特定实施例。控制和驱动单元6还包括驱动单元64，其被耦合到接口单元66以接收激活信号Sact，并且被耦合到驱动端子66以向电子开关46 (其也在图3中被示意性地示出)提供驱动信号SDKV。此外，控制和驱动单元6还包括电压测量单元65，其被耦合在输入端子61、62之间，并且被配置成向接口单元66提供代表所测量的电荷存储模块电压的电压测量信号S65。激活信号Sact可以采取两个不同信号电平之一，即激活驱动单元64的激活信号电平和停用驱动单元64的停用信号电平。当驱动单元64被激活时，它循环地接通及关断电子开关46，以便将电荷从关联的电荷存储模块转移到第二电荷存储装置5。接口单元66根据接口单元66从控制电路31接收的信号信息生成激活信号Sact的激活信号和停用信号电平。在测量信号S65中包括的供电电压信息通过接口单元66被转发到控制电路31。·用于控制电路31与各个电荷转移模块之间的信号通信的信号路径可以是常规信号路径，或者是适于在电子系统中的各个模块之间传送信息的信号通信。在图4中示意性地示出用于实施控制电路31与电荷转移模块I、42、4n之间的信号通信的第一实施例。图4示意性地示出电源系统的电荷转移模块4p42、4n，以及具有电源系统的接口单元SeiAe2^n的控制和驱动单元6i、62、6n。在图4所示的实施例中，存在连接在控制电路31与电荷转移模块4p42、4n中的每个的接口单元Se1^e2Aen之间的信号线或信号路径。这些信号线可以是双向信号线，其允许从控制电路31到电荷转移模块+、^、宄的信号通信以便激活电荷转移模块4i、42、4n*的一个，并且允许从各个电荷转移模块4i、42、4n到控制电路31的信号通信以便将关于相应电荷存储模块电压的信息转发到控制电路。根据另一实施例，在控制电路31与电荷转移模块4p42、4n中的每个之间连接至少两个单向信号路径。控制电路31与电荷转移模块七^^宄中的每个之间的其中一个所述信号路径提供从控制电路31到电荷转移模块的信号通信，而另一个信号路径提供从电荷转移模块到控制电路31的信号通信。此外，电平移动器32ρ322、32η被连接在控制电路31与各个电荷转移模块4p42、4n之间。对于控制电路31与各个电荷转移模块4p42、4n之间的信号通信可以实施任何合适的传输协议。图5示出实施控制电路31与各个电荷转移模块I、42、4n之间的信号通信的另一实施例。在该实施例中，所述电源系统包括连接到控制电路31并且连接到电荷转移模块I、42、4n中的每个的通信总线。在图5所示的该特定实施例中，该总线将控制电路31连接到第一电荷转移模块41;并且将第一模块I与第二模块42相连，依此类推。控制电路31被连接到总线的第一末端，并且模块链中的最后一个模块4n被连接到总线的第二末端。该总线可以被实施为菊花链总线。可选的是，所述通信总线被实施为环形总线，从而所述串联电路中的最后一个模块4n通过电平移动器32被连接到控制电路31。适于通过电子系统中的电子模块之间的总线传送信息的任何常规总线协议都适合被实施在如图5所示的系统中。图6示出电源系统的另一实施例。在该电源系统中，DC/DC转换器7被连接在第一电荷存储装置I的负载端子11、12与第二电荷存储装置5的负载端子51、52之间。DC/DC转换器7被配置成通过从第一电荷存储装置I取得能量而为第二电荷存储装置5充电。DC/DC转换器7具有耦合到第一电荷存储装置I的负载端子11、12的输入端子71、72，以及耦合到第二电荷存储装置5的负载端子51、52的输出端子73、74。DC/DC转换器7可以被实施为常规DC/DC转换器，特别是在第一电荷存储装置I与第二电荷存储装置5之间具有势垒的DC/DC转换器。当第一和第二电荷存储装置1、5不具有相同的参考电位时需要所述势鱼。根据一个实施例，第一电荷存储装置5的参考电位(其是在第二端子52处的电位)是车辆的接地，而在第一电荷存储装置I的第二端子12处的电位比接地低O. 5 VI。仅仅出于说明的目的，在图7中示出具有势垒的DC/DC转换器的一个实施例。图7中所示的DC/DC转换器被实施为逆向转换器，并且包括第一电子开关75以及具有初级绕组76!和次级绕组762的变压器76。初级绕组76i和次级绕组762具有相反的绕组方向。第一电子开关75与初级绕组75i串联连接，并且具有第一电子开关75和初级绕组76i的串联电路被连接在输入端子71、72之间。电子开关75可以被实施为常规电子开关，比如M0SFET、 IGBT 或 BJT。次级绕组762通过整流器装置被耦合到转换器7的输出端子73、74。在本实施例中，所述整流器装置包括具有整流器元件77 (比如二极管(如所示)或同步整流器(未示出))与电容器78的串联电路，其中电容器78被被连接到输出端子73、74。当然，也可以使用能够在逆向转换器中采用的任何其他类型的整流器装置以替代具有二极管77和电容器78的整流器装置。所述DC/DC转换器还包括驱动电路79，其被配置成向电子开关75的控制端子提供经脉宽调制的驱动信号S75。控制电路79接收取决于第二电荷存储装置的输出电压V5的输出电压信号SV5，并且被配置成调节驱动信号S75的占空比，使得将输出电压V5调节成采取给定的设定值。可以通过测量输出电压V5按照常规方式生成输出电压SV5。控制电路79可以被实施为常规脉宽调制(PWM)控制器，其被配置成根据电压测量信号和设定值生成经脉宽调制的驱动信号S75。这些PWM控制器是公知的，因此在这方面不需要进一步的解释。图6的电源系统可以被配置成使得仅仅通过DC/DC转换器7从第一电荷存储装置I对第二电荷存储装置5进行充电。应当注意，在图6中没有示出连接到第一电荷存储装置I的负载端子11、12和第二电荷存储装置5的负载端子51、52的负载。在该电源系统中，必须在第二电荷存储装置5为连接到其负载端子51、52的负载供电时将能量从第一电荷存储装置I转移到第二电荷存储装置5，从而对第二电荷存储装置5进行放电。在该系统中，DC/DC转换器7和电荷转移装置3为电荷存储装置5提供能量，其中由电荷转移装置3提供的能量或功率可以根据各个电荷存储模块2p22、2n的充电状态是不平衡的还是平衡的而改变。当电荷存储模块2p22、2n是强烈不平衡的时，可以通过电荷转移装置3提供第二电荷存储装置5从第一电荷存储装置I接收的功率的一部分，其中第二电荷存储装置5从第一电荷存储装置I要求的功率的其余部分通过DC/DC转换器7来提供。根据另一实施例，DC/DC转换器7被省略，并且在系统中没有对第二电荷存储装置5进行充电的其他发电机。在这种情况下，第二电荷存储装置5只通过电荷转移装置3被充电。在这种情况下，电荷转移装置3接收输出电压信号SV5。在这种情况下，电荷转移装置根据输出电压信号Sv5而将电荷从第一电荷存储装置I转移到第二电荷存储装置5。例如当各个电荷存储模块2p22、2n是平衡的时，电荷转移装置3可以循环地从各个电荷存储模块2p22、2n向第二电荷存储装置5转移能量。图8示出一个电荷存储模块2的一个实施例。在该实施例中，电荷存储模块2包括串联连接的多个电荷存储单元81、82、83、8n。所述电荷存储单元中的每个可以包括并联连接的多个子单元。所述电荷存储单元例如是锂离子电池。图9示出电源系统的另一实施例。在该电源系统中，电荷存储模块2p22、2n中的至少一个具有与其相连的另一电荷平衡电路8的电荷平衡模块9l、92、9n。在图9所示的实施例中，电荷存储模块2p22、2n中的每个具有与其相连的电荷平衡模块各个电荷平衡模块9ρ92、9η被配置成平衡各个电荷存储模块2p22、2n内的各个电荷存储单元的充电状态。图10示意性地示出具有电荷存储单元81、82、83、8n的一个电荷存储模块2以及 连接到电荷存储模块2的电荷平衡模块9。电荷平衡模块9被连接到电荷存储单元81、82、83,8η中的每个，被配置成检测各个电荷存储单元81、82、83、8η的充电状态，以及被配置成平衡这些电荷存储单兀81、82、83、8η的充电状态。电荷平衡模块9可以是常规电荷平衡模块，其被配置成平衡串联连接的电荷存储单元的充电状态。电荷平衡模块9可以被配置成根据几种已知的电荷平衡原理中的至少一种来操作。根据一种电荷平衡原理，电荷平衡模块9从电荷存储单元之一(比如具有最高充电状态的电荷存储单元)取得能量，并且将能量反馈到具有各个电荷存储单元81、82、83、8η的串联电路中。根据另一种电荷平衡原理，电荷平衡模块9从具有电荷存储单元81、82、83、8η的串联电路取得能量，并且将能量反馈到电荷存储单元之一(比如具有最低充电状态的电荷存储单元)中。根据第三种电荷平衡原理，电荷平衡模块9从电荷存储单元81、82、83、8η之一(比如具有最高充电状态的电荷存储单元)取得能量，并且将能量反馈到另一电荷存储单元81、82、83、8η (比如具有最低充电状态的电荷存储单元)中。具有这种功能的电荷平衡模块是公知的，因此在这方面不需要进一步的解释。在上文中所解释的电源系统是非常灵活的。可以串联连接任何数目的电荷存储模块2ρ22、2η。高供电电压Vl仅仅存在于负载端子11、12处、连接到第一电荷存储装置I的负载处以及可选的DC/DC转换器7处。存在于电荷转移模块^、七、^处的最大电压是一个模块2p22、2n的供电电压。因此，在所述电荷转移装置中不需要高压隔离。这在电荷存储模块被分布于汽车中时是特别有帮助的。虽然已经公开了本发明的各种示例性实施例，但是下述对于本领域技术人员而言将是显而易见的，即在不背离本发明的精神和范围的情况下可以做出将实现本发明的其中一些优点的各种改变和修改。下述对于本领域技术人员而言将是显然的，即可以用执行相同功能的其他部件来合适地替代。应当提到的是，参照特定图解释的特征可以与其他图的特征相组合，甚至是在还没有明确地提到这一点的那些情况下。此外，本发明的方法可以利用适当的处理器指令通过全软件实施来实现，或者可以通过利用了硬件逻辑与软件逻辑的组合以获得相同结果的混合实施来实现。对于本发明的构思的这种修改意图由所附权利要求书来覆盖。诸如“在…下”、“以下”、“下方”、“在…上”、“上方”等等之类的空间相对术语是为
了易于描述而使用的，以解释一个元件相对于第二元件的定位。这些术语意图除了与附图中所描绘的那些不同的取向之外还包含器件的不同取向。此外，诸如“第一”、“第二”等等之类的术语还被用来描述各种元件、区域、部分等等，并且也不意图进行限制。相同的术语在整个描述中指代相同的元件。如在这里所使用的术语“具有”、“包含”、“包括”、“包括”等等是开放式术语，其表明所述元件或特征的存在，但不排除附加的元件或特征。冠词“一个”、“一”、“所述”意图包括复数以及单数，除非上下文另有清楚地指示。应当理解，在这里所描述的各种实施例的特征可以彼此组合，除非另有专门地说明。虽然在这里已经示出并描述了特定实施例，但是本领域技术人员将认识到，在不背离本发明的范围的情况下可以用多种替换的和/或等同的实施来替代所示出并描述的特定实施例。本申请意图覆盖在这里所讨论的特定实施例的任何适配或变化。因此，本发 明意图仅由权利要求书及其等同物来限定。
权利要求
1.一种电源系统,包括 第一电荷存储装置，其包括具有连接在负载端子之间的η个电荷存储模块的串联电路，其中η>1 ； 第二电荷存储装置，其包括负载端子； 电荷转移装置，其包括耦合在其中一个电荷存储模块与第二电荷存储装置的负载端子之间的至少一个电荷转移单元，所述电荷转移单元被配置成在请求时将电荷从所述一个电荷存储模块转移到第二电荷存储装置。
2.根据权利要求I所述的电源系统，其中，所述电荷转移装置包括η个电荷转移单元，其中每个电荷转移单元被耦合在其中一个电荷存储模块与第二电荷存储装置的负载端子之间。
3.根据权利要求I所述的电源系统，其中，第一电荷存储装置包括2与20个之间的电荷存储模块。
4.根据权利要求3所述的电源系统，其中，第一电荷存储装置包括8与12个之间的电荷存储模块。
5.根据权利要求I所述的电源系统， 其中，第一电荷存储装置被配置成在已充电状态中在其负载端子之间提供第一供电电压， 其中，第二电荷存储装置被配置成在已充电状态中在其负载端子之间提供第二供电电压，以及 其中，第一供电电压高于第二供电电压。
6.根据权利要求5所述的电源系统,其中，第一供电电压在350V与450V之间，以及其中第二供电电压在IOV与14V之间。
7.根据权利要求I所述的电源系统，其中，所述电荷转移装置还包括 控制电路，其与所述至少一个电荷转移单元进行信号通信，以及被配置成请求所述至少一个电荷转移单元将电荷转移到第二电荷存储装置。
8.根据权利要求7所述的电源系统，其中，所述至少一个电荷转移单元 被配置成测量其所连接到的电荷存储模块的模块供电电压，以及 被配置成向所述控制电路提供关于所述模块供电电压的幅度的信息。
9.根据权利要求8所述的电源系统，还包括 m个电荷转移单元,其中m> I,每个电荷转移单元被配置成测量其所连接到的电荷存储模块的模块供电电压，以及被配置成向所述控制电路提供关于所述模块供电电压的幅度的信息， 其中，所述控制电路被配置成评估对于电荷转移单元所接收到的关于幅度的信息，以及基于该评估来请求其中一个电荷转移单元将电荷转移到第二电荷存储装置。
10.根据权利要求9所述的电源系统，其中，所述控制电路被配置成确定具有最高模块供电电压的电荷存储模块，以及被配置成请求耦合到该电荷存储模块的电荷转移模块将电荷转移到第二电荷存储装置。
11.根据权利要求I所述的电源系统，其中，所述至少一个电荷转移单元包括 变压器，其具有初级绕组和次级绕组；与所述初级绕组串联连接的电子开关，具有所述初级绕组和所述电子开关的串联电路被耦合到所述一个电荷存储模块； 与所述次级绕组串联连接的整流器元件，具有所述次级绕组和所述整流器元件的串联电路被耦合到第二电荷存储装置；以及 驱动电路，其被配置成在请求时驱动所述电子开关。
12.根据权利要求11所述的电源系统，其中，所述至少一个电荷转移单元还包括 电压测量单元，其被配置成测量所述至少一个电荷转移单元所耦合到的电荷存储模块的模块供电电压；以及 耦合到所述驱动电路和所述电压测量单元的接口电路，所述接口电路与所述电荷转移装置的控制电路进行信号通信。
13.根据权利要求I所述的电源系统， 其中，第二电荷存储装置的各电荷存储模块分别包括串联连接的多个电荷存储子模块，以及 其中，所述电源系统还包括至少一个模块电荷平衡单元，所述至少一个模块电荷平衡单元被耦合到一个电荷存储模块，并且被配置成将电荷从一个电荷存储子模块转移到另一电荷存储子模块，从一个电荷存储子模块转移到所述电荷存储模块，和/或从所述电荷存储模块转移到一个电荷存储子模块。
14.根据权利要求I所述的电源系统，还包括 DC/DC转换器，其具有耦合到第一电荷存储装置的负载端子的输入端子，并且具有耦合到第二电荷存储装置的负载端子的输出端子。
15.根据权利要求14所述的电源系统，其中，所述DC/DC转换器是升压转换器。
16.一种汽车电气系统，包括 电源系统，其包括 第一电荷存储装置，其包括具有连接在负载端子之间的η个电荷存储模块的串联电路，其中η>1 ； 第二电荷存储装置，其包括负载端子；以及 电荷转移装置，其包括耦合在其中一个电荷存储模块与第二电荷存储装置的负载端子之间的至少一个电荷转移单元，所述电荷转移单元被配置成在请求时将电荷从所述一个电荷存储模块转移到第二电荷存储装置， 至少一个第一负载，其被连接到第一电荷存储装置的负载端子；以及 至少一个第二负载，其被连接到第二电荷存储装置的负载端子。
17.根据权利要求16所述的汽车电气系统，其中，所述至少一个第一负载是电动机。
18.根据权利要求16所述的汽车电气系统，其中，所述至少一个第二负载包括下述中的至少一个电动车窗升降器，收音机，CD播放器，DVD播放器，导航系统，电致动器，空调系统，照明系统，车辆控制系统，传感器，安全系统。
19.根据权利要求16所述的汽车电气系统，还包括耦合到第二电荷存储装置的负载端子的发电机。
全文摘要
本发明公开了具有电荷平衡的电源系统。一种电源系统包括第一电荷存储装置。具有n个电荷存储模块的串联电路被连接在负载端子之间。第二电荷存储装置包括负载端子。电荷转移装置包括耦合在其中一个电荷存储模块与第二电荷存储装置的负载端子之间的至少一个电荷转移单元。所述电荷转移装置被配置成在请求时将电荷从所述一个电荷存储模块转移到第二电荷存储装置。
文档编号H02J7/00GK102904295SQ20121026667
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月30日 优先权日2011年7月29日
发明者W.勒斯勒 申请人:英飞凌科技股份有限公司