平衡装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及二次电池，更具体地，涉及用于使得能够采用用于串联连接的多个蓄电池单元的各种平衡模式的平衡装置和方法。
【背景技术】
[0002]通常，二次电池是能够通过度充电过程存储能量并在电池外部通过度放电过程使用所存储的能量的电池。由于化学问题或结构问题，构成二次电池的电池单元在电压上可能受到限制。因此，在需要高电压的应用领域中，使用二次电池，在该二次电池中，必要数量的电池单元串联连接。即使在相同的制造条件和相同的环境下制造电池单元时，电池单元的电特性也彼此不同。另外，在使用电池的同时，也会有差异，即使是在电池内部特性恶化的程度上。因此，即使电池以相同的电流进行充电和放电，也会出现电压上的不平衡或彼此连接的电池单元之间剩余带电量上的不平衡。
[0003]当电池单元的电压过高时，就会有起火或爆炸的危险。相反，当电池单元的电压过低时，就会损失电池单元的特性。为了防止这种问题，当多个电池单元中的一个被过度充电或过度放电时，全部电池单元的充电和放电都可以被控制。也就是说，当串联连接的多个电池单元中的一些比其它电池单元被过度充电时，在其它电池单元还没有被充分充电的状态下，这些电池单元的充电被中断。相反，当电池单元中的一些被过度放电时，在其他电池单元依然具有可用能量的状态下，这些电池单元的使用被限制。
[0004]当出现如上所述的电压上的不平衡或串联连接的电池单元之间的剩余带电量上的不平衡时，电池单元的可用电压范围被降低或充电周期和放电周期被缩短，从而缩短了电池单元的生命周期。为了克服这种问题，提出了用于均匀地保持电池单元的带电量和电压的平衡方法。
[0005]用于电池单元的常规平衡方法大体分为被动方法和主动方法，其中，被动方法用于在消耗能量的同时执行平衡电池单元，主动方法用于在不消耗能量的同时执行平衡电池单元。
[0006]因为过度充电的能量通过电阻被消耗掉以平衡电池单元之间的能量，所以被动平衡方法效率低下。出于该原因，对主动平衡方法上进行了更多的研宄。
[0007]主动平衡方法可以分类为使用诸如电压器或电感器的磁性元件作为能量传递媒介的方法以及使用电容器作为能量传递媒介的方法。
[0008]最近，要求电池单元的平衡使用数量少的开关元件来降低制造成本和尺寸，同时，使得能够采用各种模式。
[0009]现有技术
[0010]文献:摩尔(Moore)等人，“用于锂离子和离聚合物系统的单元平衡方法的综述(Areview of cell equalizat1n methods for lithium 1n and lithium polymer batterysystems) ”，汽车工程师学会(Society of Automotive Engineers)，2001
[0011]专利文献:US8344694 B2
【发明内容】
[0012]各种实施方式针对用于执行串联连接的能量存储单元之间的平衡功能，具体为串联连接的电池单元之间的平衡功能。
[0013]同样，各种实施方式针对用于在利用数量少的开关元件降低制造成本和尺寸的同时使得能够采用各种平衡模式的平衡装置和方法。
[0014]为了实现以上目的，根据本发明的一方面，提供了用于平衡能量存储模块的平衡装置，其中，能量存储模块包括在第一连接端子与第二连接端子之间串联连接的多个能量存储单元，该平衡装置包括:变压器和开关网络，其中，变压器包括初级绕组和次级绕组，开关网络用于将第一连接终端、多个能量存储单元与第二连接终端之间的节点分为第一组和第二组，形成对应于第一组的节点的第一共同节点，形成对应于第二组的节点的第二共同节点，选择性地将变压器的初级绕组的两个端子中的每一个都连接至第一共同节点或第二共同节点，并且将变压器的次级绕组中的两个端子都分别连接至第一共同节点和第二共同节点。
[0015]根据本发明的另一方面，提供了用于能量存储模块的平衡方法，其中，在能量存储模块中多个能量存储单元串联连接，其中，平衡装置包括开关网络和变压器，变压器包括两个绕组，并且开关网络包括多个开关，该多个开关被配置为选择性地将变压器的两个绕组的4个端子中的每个都连接至多个能量存储单元的端子中的至少一个。该平衡方法包括电感器模式操作，并包括以下步骤:允许通过两个绕组中的一个绕组将来自能量存储单元中的至少一个的能量提供给变压器；以及允许变压器通过在供给能量时使用的一个绕组将能量提供给其它能量存储单元中的至少一个。
[0016]根据本发明的另一方面，提供了用于电池模块平衡的平衡装置，其中，电池模块包括互相串联连接的多个电池单元，该平衡装置包括:变压器和开关网络，其中，变压器包括初级绕组和次级绕组，开关网络设置在电池模块以及变压器的初级绕组和次级绕组之间，并被设置为包括用于实施选择性开关的多个开关，其中，开关网络根据多个开关的选择性开关通过在以下模式中选择一个模式来执行，这些模式包括:用于将来自至少一个电池单元的能量传输到至少另一电池单元的模式、用于将来自至少一个电池单元的能量传输至电池模块的模式、以及用于将来自电池模块的能量传输到至少另一电池单元的模式。
[0017]根据实施方式，平衡装置和方法可使用数量少的开关元件实现串联连接的能量存储单元之间的平衡功能，以使得可降低制造成本和尺寸，可用各种平衡模式，并且可使用变压器的匝数比来选择各种电流增益。
[0018]由于各种平衡模式和各种电流增益可用，所以可增加用于执行全部电池单元平衡的算法设计的自由度，并且可快速执行有效平衡。
【附图说明】
[0019]图1至图4是解释用于根据本发明的主动平衡装置的示例的简单电路图。
[0020]图5是解释根据本发明的实施方式的平衡装置的配置的详细电路图。
[0021]图6至图8是解释图5中的平衡装置中从电池单元至另一电池单元的平衡模式的电路图。
[0022]图9至图11是解释图5中的平衡装置中的从电池单元至电池模块的平衡模式的电路图。
[0023]图12至图14是解释图5中的平衡装置中的从电池模块至电池单元的平衡模式的电路图。
[0024]图15是解释根据本发明的另一个实施方式的从图5中的平衡装置修改的平衡装置的配置的电路图。
[0025]图16是解释根据本发明的另一实施方式的从图5中的平衡装置修改的平衡装置的配置的电路图。
[0026]图17是解释根据本发明的另一实施方式的从图5中的平衡装置修改得到的平衡装置的配置的电路图。
[0027]图18是解释根据本发明的另一实施方式的从图17中的平衡装置修改的平衡装置的配置的电路图。
【具体实施方式】
[0028]下文将参照附图通过各种实施方案的示例来详细描述平衡装置和平衡方法示例。
[0029]图1至图4是解释用于根据本发明的主动平衡装置的示例的简单电路图。以下是关于使用变压器的主动单元平衡技术的简单描述。
[0030]参照图1，在图1示出的方案中，变压器Tl至Tn分别用于电池单元BI至Bn。当图1中的开关元件SW被打开/关闭时，能量通过变压器Tl至Tn和节点被传输至每个电池单元。在这种情况下，由于较多电流流至具有较低电压的电池单元，所以执行了平衡功能。图1中的平衡装置可通过从包括全部电池单元BI至Bn的电池模块到电池单元的能量传输执行平衡。
[0031]与图1中的平衡装置相比，图2中的平衡装置在配置上与图1中的平衡装置不同，其中，图2中的平衡装置只包括一个变压器。图2中的平衡装置还通过从电池模块至电池单元的能量传输执行平衡功能。由于对于一个变压器，次级绕组的数量必须等于电池单元的数量，所以当数量多的电池单元存在时，图2中的平衡装置在应用上可能有困难。
[0032]图3示出了包括磁性元件和变压器的平衡装置，其中，变压器只包括一个初级绕组和一个次级绕组，该平衡装置通过由开关网络Sl-Sn+Ι选择性地将每一个电池单元都连接至变压器的次级绕组选择要充电的电池单元执行平衡功能。与图1和图2中的平衡装置相比，图3中的平衡装置的优势在于变压器数量和绕组数量相对较少。然而，考虑到平衡功能，由于依然只有从电池模块在电池单元的能量传输可以控制，所以该平衡功能受限。
[0033]图4中的平衡装置使用在只使用变压器13的同时通过第一开关阵列11和第二开关阵列12选择要连接至变压器13的初级绕组和次级绕组的电池单元的方法。第一开关阵列11和第二开关阵列12中每个都被设置为选择要连接至每个绕组的电池单元以及连接方向。平衡装置使得能够采用用于从电池单元至电池单元的能量传输(单元至单元)、从电池单元至电池模块的能量传输(单元至模块)以及从电池模块至电池单元的能量传输(模块至单元)的控制，以使