包括诊断装置的电池平衡转换器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于平衡电池中单元（C）的电荷的转换器，所述转换器是非消耗型的，具有切换结构（MC）和平衡装置。转换器还包括连接到切换结构的开关矩阵（MC）的诊断装置（DIA）。
【专利说明】包括诊断装置的电池平衡转换器
【技术领域】
[0001]本发明涉及平衡电池的电荷的领域，尤其涉及电动或混合动力汽车。
【背景技术】
[0002]值得注意地，当在电动或混合动力汽车中使用电池时，构成电池的单元进行充电和放电周期。各个单元的特性分散，尤其是法拉第效率，导致电池寿命期间的电荷不平衡。现在，这些单元必须保持在良好定义的工作范围内。
[0003]为了维持电池容量同时延长其寿命以及安全使用，使构成电池的各个单元平衡是必要的。平衡包括在单元之间传输电荷以致它们全部具有相同的电荷状态。的确，只要一个单元处于其工作范围之外，整个电池就会受到影响。为了维持最佳的电池性能，平衡系统必须在每个单元处发挥作用。现在，对于能量转换来说，电压降低是一个负面因素。此外，为了使平衡系统有效，必须知道每个单元的电荷的状态。
[0004]在文献中，提供了数个解决方案来平衡电池单元。可以把这些解决方案分成两类:消耗和非消耗。
[0005]在第一类的情况中，实施是简单的:例如，在电阻器中，消耗了大多数带电单元的部分能量，这减少了这些单元的电荷，因此降低了电池。
[0006]在非消耗系统的情况中，通过单元的充电或放电，使电荷从一个单元传输到下一个单元。可以把这些非消耗系统分成三类，它们是一些系统具有:
[0007]O称之为“切换(switched)”的结构:它包括把单个静态转换器的输出发送到要求的单元，使用受控制开关的矩阵(或组)，还称之为开关矩阵，这种技术使用有限数量的元件，这允许减小其大小。在以下文件中特别描述这种类型的结构:
[0008]-Fast battery equalization with isolated bidirectional DC-DC converterfor PHEV applications (用于PHEV应用的具有隔离双向DC-DC转换器的快速电池均衡)，Ziling Nie 和 Chris Mi,电动和计算机工程系，Michigan Dearborn 大学，JournalIEEE2009,
[0009]-Battery Cell Balancing:What to Balance and How (电池单兀平衡:平衡什么和如何平衡)，Yevgen Barsukov,德州仪器；
[0010]0 “串联”结构:原理包括在两个连续单元之间放置静态转换器。通常，这些结构包括大量元件，并且只允许在连续单元之间传送；
[0011]0 “并联”结构:静态转换器允许通过电隔离的所有单元彼此直接耦合。通常，这些结构的操作更复杂，因为单个转换器控制数个单元并且需要使用隔离变压器。该隔离变压器具有重量重的缺点，在汽车上难以兼容。为了克服这个缺点，已经考虑增加开关频率，但是这个方法颇大地增加切换和传导损耗以及电磁干扰。
[0012]无论是消耗的还是非消耗的，平衡系统均不能够对每个电池进行诊断。的确，当前使用的诊断工具(诸如阻抗频谱仪)不能够安装在汽车的板上，它们体积大，而且还需要与平衡系统无关的材料。[0013]为了克服这些缺点，本发明涉及一种用于平衡电池中单元的转换器，转换器是具有切换结构的非消耗型的，并且进一步包括连接到切换结构的开关矩阵的诊断装置。因此，可以在板上使用诊断装置，并且可以使用开关矩阵来诊断和平衡所有的单元，而对于空间只有有限的要求。
【发明内容】
[0014]本发明涉及一种用于平衡电池中单元的转换器，所述转换器包括具有连接到所述单元的多个开关的开关矩阵，以及连接到所述开关矩阵的平衡装置，通过控制所述开关矩阵，可以使所述单元中的每一个单元充电和/或放电。转换器还包括单元诊断装置，所述诊断装置如此连接到所述开关矩阵以致开关控制能够把所述诊断装置连接到要诊断的任何单元。
[0015]根据本发明，所述诊断装置值得特别地确定所述至少一个单元的电荷状态和/或健康状态。
[0016]有利地，所述诊断装置能够执行电化学阻抗频谱测量。
[0017]较佳地，所述诊断装置包括至少一个电路，所述至少一个电路包括电流源和电压传感器。
[0018]有利地，所述电流源是通过所述电池供电的。
[0019]根据本发明的一个实施例,所述平衡装置包括单元到单元或单元到电池或电池到单元或双向型的静态转换器。
[0020]此外，所述开关可以是半导体开关，特别是MOSFET型的或静态继电器。
[0021]有利地，交替地使用所述平衡装置和所述诊断装置。
[0022]有利地，根据至少一个以前建立的诊断来执行电荷的平衡。
[0023]根据本发明的一个实施例，所述电池包括锂离子单元。
[0024]本发明还涉及电动或混合动力汽车，尤其是机动车辆，包括由多个单元构成的电池。汽车包括如上限定的平衡转换器，用于平衡所述单元的电荷。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]阅读了下面作为非限制性例子而给出的实施例的说明，并且参考附图后，根据本发明的方法的其它特征和优点将变得清楚，在附图中:
[0026]图1是示出根据本发明的平衡转换器的图；
[0027]图2示出根据本发明的设备使用的DCDC转换器。
[0028]图3示出根据本发明第一实施例的用于平衡转换器的开关矩阵以及平衡装置；
[0029]图4示出根据本发明第二实施例的用于平衡转换器的开关矩阵以及平衡装置；
[0030]图5示出根据本发明第三实施例的用于平衡转换器的开关矩阵以及平衡装置；
[0031]图6示出根据本发明用于平衡转换器的诊断装置；
[0032]图7示出根据本发明第一实施例的平衡转换器；
[0033]图8示出根据本发明第二实施例的平衡转换器；以及
[0034]图9示出根据本发明第四实施例的平衡转换器。【具体实施方式】
[0035]图1图示地示出根据本发明的平衡转换器。根据本发明的转换器允许电池(BAT)中单元的电荷平衡。转换器包括由多个受控制的开关构成的并且连接到单元(C)的开关矩阵(MC);以及连接到开关矩阵(MC)的、可以使每个单元(C)充电和/或放电的平衡装置(EQU)0根据本发明，转换器是非消耗型的，并且把它的结构称为切换的。开关矩阵(MC)的开关是受控的，为的是使单元(C)充电或放电。此外，根据本发明的转换器包括诊断装置(DIA)，用于诊断电池(BAT)的至少一个单元(C)。根据本发明的组件包括单个隔离的静态转换器，该转换器通过开关矩阵(MC) “滑动”到要平衡的单元上，对于要诊断的单元，操作是相似的。通过开关装置的这个池(pooling)，可以把诊断装置集成在板上，所使用的部件数量是有限的，并且减小了平衡转换器的大小。
[0036]可以理解诊断装置(DIA)是能够测试电池(BAT)中单元(C)的状态的装置，特别是通过确定由SoC表示的它们的电荷状态，以及由SoH表示的它们的健康状态,健康状态表示单元的老化。较佳地，为了确定该电荷状态和该健康状态，借助电化学阻抗频谱测量(EIS)技术来确定阻抗。将单元的电化学阻抗定义为单元终端处电位差和流过的电流之间的传递函数。这是复数量，通常通过激励信号的响应的频率分析来确定。原则上，可以使用任何类型的激励。文献中提到适合于根据本发明的诊断装置的三个特别感兴趣的激励类型，这些是:
[0037]a)不同频率的正弦激励信号。我们计算A I=ImaxSin(2 Jift)以及A V=VfflaxSin(2^1^+^)以确定阻抗，使用下面类型的公式:=
max
[0038]b)脉冲信号，则把测量称为脉冲阻抗测量。下面的文件描述使用这类激励的方法:“Diagnostic de batteries Lithium-1on dans des applications embarquees, Dinh VinhDo, Laboratoire d' electromecanique de Compiegne, 2010，，?
[0039]c)基于单元中存在的噪声的随机激励信号。专利申请FR-2，956，743A描述使用这个技术的一种方法。
[0040]图6示出可以用来平衡根据本发明的转换器的诊断装置(DIA)。如所示，诊断装置(DIA)能够使用作为激励的电流源(例如，通过产生正弦或脉冲信号)以及测量电压的电压传感器或电压表(V)来执行电化学阻抗频谱测量。较佳地，由电池提供电流源。然后通过分析信号来确定阻抗，并从其推导出电荷状态SoC以及健康状态SoH。
[0041]允许平衡和诊断功能的结合，因为开关矩阵能够“时空”多路复用:一方面，空间多路复用允许交替地得到两个功能，另一方面，使用时间多路复用，因为不需要同时得到两个功能。
[0042]根据本发明，平衡装置(EQU)可以实施四种平衡技术中的一种如下:单元到单元、单元到电池、电池到单元或双向。根据所选的平衡技术，定义适合于能量传递的静态转换器。要提醒，图2所示的静态转换器是一个系统，该系统允许把一个电功率源(Se)适配于给定的接收机或输出源(Ss)。任选地具有电隔离的DCDC静态转换器允许从固定电压源得到可调节平均值的纹波电压。还把这类静态转换器称为斩波器。
[0043]根据要连接的输入(Se)和输出(Ss)源的类型(见图2)，存在四种D⑶C转换器:
[0044]串联斩波器，用于把输入电压源连接到输出电流源；[0045] 并联斩波器，用于把输入电流源连接到输出电压源；
[0046] 电容存储斩波器，用于连接两个电流源；以及
[0047] 电感存储斩波器，用于连接两个电压源。
[0048]静态转换器的特性与平衡技术有关，表1中总结出其特性。
[0049]表1静态转换器的特性
[0050]
【权利要求】
1.一种用于平衡电池中单元的转换器，所述转换器包括具有连接到所述单元(C)的多个开关的开关矩阵(MC)，以及连接到所述开关矩阵(MC)的平衡装置(EQU)，通过控制所述开关矩阵(MC)，可以使所述单元(C)中的每一个单元(C)充电和/或放电，其特征在于，还包括单元(C)诊断装置(DIA)，所述诊断装置(DIA)如此连接到所述开关矩阵(MC)以致开关控制能够把所述诊断装置(DIA)连接到要诊断的任何单元。
2.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述诊断装置(DIA)特别地确定所述至少一个单元的电荷状态和/或健康状态。
3.如前面权利要求中任何一项所述的转换器，其特征在于，所述诊断装置(DIA)能够执行电化学阻抗频谱测量。
4.如权利要求3所述的转换器，其特征在于，所述诊断装置(DIA)包括至少一个电路，所述电路包括电流源(S )和电压传感器(V )。
5.如权利要求4所述的转换器，其特征在于，所述电流源(S)是通过所述电池供电的。
6.如前面权利要求中任何一项所述的转换器，其特征在于，所述平衡装置(EQU)包括单元到单元或单元到电池或电池到单元或双向型的静态转换器。
7.如前面权利要求中任何一项所述的转换器，其特征在于，所述开关是半导体开关，特别是MOSFET型的或静态继电器。
8.如前面权利要求中任何一项所述的转换器，其特征在于，交替地使用所述平衡装置(EQU)和所述诊断装置(DIA)。
9.如前面权利要求中任何一项所述的转换器，其特征在于，根据至少一个以前建立的诊断来执行电荷的平衡。
10.如前面权利要求中任何一项所述的转换器，其特征在于，所述电池包括锂离子单元(C)。
11.一种电动或混合动力汽车,特别是机动车,包括由多个单元构成的电池。其特征在于，它包括前面权利要求中任何一项所述的平衡转换器，用于平衡所述单元的电荷。
【文档编号】H02J7/00GK103779888SQ201310507502
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2012年10月25日
【发明者】H·奥札柔, M·阿尔曼扎 申请人:Ifp新能源公司