用于电池的充电平衡的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于包括一组电化学存储单元(C1、C2、…、CR)的电池(2)的充电平衡装置，该装置包括能够确保对至少一个单元的多个组合进行充电的充电装置(R1、…、RS)，其中，对于多个组合中的每个组合，充电装置被布置成确保对所述组合中的所有单元同时进行充电，多个组合限定了严格大于组合类型之一的数量N，每个组合类型对应于该组合中的m个单元，并且充电装置被允许以P个功率电平工作，数量P严格小于组合类型的数量N。
【专利说明】用于电池的充电平衡
[0001] 本发明涉及用于电池尤其锂离子电池的充电平衡。
[0002] 尽管本发明可以应用于汽车工业，尤其是对于电动车辆和/或混合动力车辆，但 本发明绝不限于这些应用。例如可以设想本发明应用于车载系统等。
[0003] 电池包括多个电化学存储单元或电化学蓄电池，例如布置成串联和/或并联的锂 离子单兀。
[0004] 寻求将每个单元保持在受限电压范围内，以避免不可逆的降级。例如，在锂离子电 池的情况下，当单元的电压超过最大阈值时，存在火灾的风险，并且当该电压低于最小阈值 时，存在单元的不可逆降级的风险。
[0005] 然而，当大量单元被汇集在箱中时，例如用于电动车辆的电池箱中的96个单元 对，单元可能具有略有不同的特性，其中某些特性，例如自动放电电流、充电时的法拉第效 率、最大充电等，会直接影响单元的充电状态。因此，当电池箱被充电时，可以观察每个单元 的充电级别的变化。
[0006] 已知的是，分别将每个单元或单元级经由开关并联连接到电阻，以在单元过充电 时允许可能的放电。耗散平衡所指的是多余的能量耗散成热量。
[0007] 还已知的是，管理从充电最多的单元向其他单元的能量转移。这种非耗散的平衡 系统可以是有利的，因为辐射的热更少，从而能够避免对于单元和相邻电子电路的可能损 害。此外，电池放电期间执行的这些非耗散的再平衡可以允许使单元的单独充电的分配最 优化，以达到几乎同时的每个单元的最小充电状态。因此，这可以允许更长久地使用电池。
[0008] 已知电池的充电平衡装置包括转换器，每个转换器能够一次对仅一个单元进行再 充电。为了不增加转换器的数量，可以设置尤其基于晶体管的、待充电或放电的单元选择系 统，以将转换器的次级连接到所选单元。然而，这些选择系统会引起额外的损耗。
[0009] 此外，已知同时对多个单元进行充电。已知用于电池的充电平衡装置包括用于同 时对电池中的多个单元进行再充电的转换器。例如，文献FR2956260描述了这种装置。在 该文献中，转换器用作电压发生器，其电平是规则的以为每个单元提供预定的平衡电流。其 主要缺陷是，不管待再充电的单元的数量如何，转换器都以强度恒定的充电电流对单元进 行再充电，从而导致转换器工作功率电平的数量与可以同时再充电的单元的数量相同：第 一电平对应于仅1个单元的再充电；第二电平对应于一次2个单元的再充电；第三电平对 应于一次3个单元的再充电，等等。在大部分情况下，这导致使用的转换器远离其最佳工作 功率，从而引起较大的能量损耗。另一缺陷是工作在恒定电流不能够对特别是已经放电的 少数单元进行更快再充电，这会限制平衡系统的性能。
[0010] 因此，存在对性能优良的平衡装置的需求。
[0011] 提出一种用于包括一组电化学存储单元的电池的充电平衡装置，该装置包括能够 确保对至少一个单元的多个组合进行再充电的充电装置。对于至少一个（并且有利地每 个）组合，充电装置被布置成确保对该组合中的所有单元同时进行再充电。多个组合限定 了N个组合类型，每个组合类型对应于该组合中的m个单元，其中N严格大于1。充电装置 被允许根据P个功率电平而工作，数量P严格小于组合类型数量N。
[0012] 因此，考虑功率电平少于形成的组合（或组）的类型，这可以允许充电装置相比于 现有技术而言工作在更接近最佳工作点，在现有技术中，给每个单元提供预定电流。
[0013] 实际上，在现有技术中，由充电装置提供的功率特别地与要同时供电的单元数量 相关联，因为每个单元接收预定电流。通过限制可用的功率电平，可以使用更接近其最佳工 作功率的充电装置例如转换器，这可以允许限制能量损耗并且提高平衡装置的性能。
[0014] 有利地，以非限制性的方式，充电装置包括多个充电模块，至少一个（并且有利地 每个）充电模块与在电池的所有单元之中选择的一组M个单元相对应。因此，每个充电模 块，例如转换器，可以允许对相应组的M个单元之中的m个单元组合进行再充电。
[0015] 有利地，数量P小于或等于M/2的整数部分，有利地小于或等于M/3的整数部分。
[0016] 可以设想限制或不限制同时可再充电的单元的数量。例如，可以设想通过3个单 元的充电模块来限制同时可再充电的单元的数量。在这种情况下，N等于3,因为考虑三个 组合类型：组中的M个单元之中的单个单元的组合；组中的M个单元之中的两个单元的组 合以及组中的M个单元之中的三个单元的组合。
[0017] 可替选地，可以设想充电模块能够对1至M个单元同时进行再充电。在这种情况 下，N等于M，因为考虑M个组合类型。第一组合类型与组中的M个单元之中的单个单元的 选择相对应，第二组合类型与M个单元之中的量个单元的选择相对应，等等。第M个组合类 型对应于组中的所有M个单元。
[0018] 有利地，以非限制性的方式，充电装置可以被布置成使得与这些充电装置相对应 的单元组中的每个单元能够独立于该组中的其他单元而被充电。换句话说，单元能够被单 独选择。
[0019] 在一个实施方式中，功率电平数目P等于1。因此，不管要同时再充电的单元数量 如何，充电装置都以单个功率电平工作。此外，该实施方式可以是有利的，因为当单元组中 的单个单元具有更低的充电电平时，该单元被相对快速地再充电，因为转换器以相对大的 电流执行再充电，使得该单元在相对有限的时期内被证明是限制性的。
[0020] 在另一实施方式中，可以提供多个功率电平，例如两个、三个或四个功率电平。尤 其在为了充电选择的单元数量相对少时，这使得能够限制充电电流。因此，在该实施方式 中，布线和线路可以相对简单，因为充电电流受到限制。
[0021] 例如，可以提供三个功率电平：
[0022] _与单个单元的充电相对应的16瓦特的功率电平。由于单元电压接近于4V，因此 16瓦特的功率电平对应于接近4A的充电电流。
[0023] -32瓦特的功率电平对应于两个单元的同时充电，这还对应于约4A的充电电流。
[0024] -48瓦特的功率电平对应于三个或更多个单元的同时充电。
[0025] 在转换器确保三个单元正确充电的情况下，每个单元基本上接收4A的电流。如果 转换器必须确保四个单元的充电，则分配给每个单元的电流将接近3A。对于六个单元的同 时充电，与一个单元相对应的电流接近2A。因此，当单元数量增加时，与一个单元相对应的 电流减小。然而，该减小是相对的。
[0026] 本发明不受充电装置形式的限制，尽管有利地，充电装置可以包括能够转换接收 的能量的转换器。例如可以设想集成了专用于平衡的附加电池以及用于将附加电池连接到 待平衡的电池中的单元的连接装置的充电装置。
[0027] 本发明不再受限于由转换器接收的能源。
[0028] 有利地，以非限制性的方式，可以设想将充当装置例如转换器连接到比由待平衡 的电池递送的电压更低的电压网络。
[0029] 有利地，以非限制性的方式，具有更低电压的这个网络可以由待平衡的电池供电。
[0030] 在机动车辆的情况下，14V网络本身由待平衡的电池供电的高电压网络来供电。因 此，间接地从电池中的所有单元上提取能量。此外，14V网络的选择是有利的，因为由转换器 接收的能量具有相对小的电压，这可以限制线路和转换器的设计约束。
[0031] 在另一实施方式中，可以设想将转换器的输入连接到待平衡的电池中的至少一些 单元，以直接接收来自这些单元的能量，例如电池中的一组单元或所有单元。在第一种情况 下，可以避免转换器输入处的电流和电压过高。在第二种情况下，与平衡相关联的放电不明 显，因为放电分布在所有单元上。
[0032] 所有单元可以包括例如一百个左右的单元数量。一组单元可以包括比所有单元的 单元数量更少的单元数量，例如十个左右的单元数量。
[0033] 有利地，以非限制性的方式，充电装置可以包括用于将转换器可逆地连接到一组 单元组中的单元的多个开关。
[0034] 有利地，以非限制性的方式，充电装置可以包括能够生成用于控制开关的信号的 处理装置。这种处理装置可以被布置成根据其当前充电电平来执行待再充电的单元的检测 并且引导充电装置以选择这些待再充电的单元。
[0035] 有利地，以非限制性的方式，这些处理装置可以被布置成根据待供电的单元数量 来确定转换器工作的功率电平。
[0036] 在一个实施方式中，充电装置可以包括连接到换流器的主线圈以及针对与这些充 电装置相对应的一组单元中的每个单元而包括次级线圈和整流器。
[0037] 有利地，以非限制性的方式，处理装置可以通过控制充电电流来控制换流器和/ 或整流器，以将转换器置于在严格小于组合类型数量N的功率电平数目P之中选出的接收 功率电平。
[0038] 本发明不受转换器形式的限制。例如可以提供断路器、电荷泵转换器等。
[0039] 此外，提出一种尤其用于机动车辆的供电系统，其包括如上所述的电池和平衡装 置。
[0040] 在电动车辆和/或混合动力车辆的应用范围中，待平衡的电池可以能够对车辆的 牵引系统进行供电。
[0041] 此外，提出一种机动车辆，例如电动车辆或混合动力车辆，其包括如上所述的供电 系统。
[0042] 此外，提出一种用于包括一组电化学存储单元的电池的充电平衡装置的管理方 法，该平衡装置包括能够对多个单元同时进行再充电的充电装置，该方法包括：
[0043]-在多个组合之中选择要同时再充电的至少一个单元的组合，所述多个组合限定 了数量N严格大于组合类型，每个组合类型对应于该组合中的m个单元；以及
[0044]-给转换器施加在功率电平数目P之中选出的功率电平，数量P严格小于组合类型 的数量N。
[0045] 该方法可以例如应用于上述平衡装置中或者应用于集成在平衡装置中或与平衡 装置分开的管理装置中。
[0046] 该管理装置可以包括信号的数字或模拟处理装置，例如处理器，或者集成在该处 理装置中。
[0047] 该管理装置尤其可以引导：
[0048]-充电装置的充电接收元件，例如主线圈，和/或
[0049] _充电装置的充电发送元件，例如整流器和/或次级线圈。
[0050] 可以执行该引导以在所选单元数量减少时增加选择用于充电的每个单元的充电 电流。因此，该方法可以包括如下步骤：根据待再充电的单元组合中的单元数量而至少确定 单元的充电电流，使得充电装置的功率电平是在电平数目P之中选出的电平，P严格小于组 合类型的数量N。
[0051] 当功率电平的数目大于一时，该方法可以包括如下步骤：根据待再充电的单元数 量来确定功率电平。
[0052] 此外，提出一种管理用于包括一组电化学存储单元的电池的充电平衡装置的装 置。该平衡装置包括能够确保对至少一个单元的多个组合进行再充电的充电装置，其中，对 于多个组合中的每个组合，充电装置被布置成确保所述组合中的所有单元的同时再充电， 并且其中，多个组合限定了数量N严格大于组合类型，每个组合类型对应于该组合中的m个 单元。该管理装置被布置成给充电装置施加在P个功率电平之中选出的功率电平，数量P 严格小于组合类型数量N。
[0053] 有利地，该管理装置还可以被布置成根据电池中的单元的充电电平值来选择待再 充电的一个或更多个单元的组合。
[0054] 参照附图将更好地理解本发明，附图示出了非限制性的实施方式。
[0055] 图1示意性地示出了根据本发明实施方式的、用于机动车辆的供电系统的示例；
[0056] 图2示意性地示出了根据本发明实施方式的、电池的充电平衡装置的示例。
[0057] 在各个附图中可以使用相同的附图标记用于表示相同或相似的元素。
[0058] 参照图1，高电压网络1由包括一组R个单元Ci、C2、…、CK的高电压电池2供电。 这个锂离子电池2尤其能够给电动机3供电，并且因而能够确保机动车辆的牵引。电池2 能够提供例如70伏特至400伏特之间的电压。
[0059] 此外，车辆包括低电压网络4,该低电压网络4能够给辅助设备5、6提供10伏特 至16伏特的电压，例如14伏特的电压。这些辅助设备5、6可以例如包括车辆的助力转向 装置等。
[0060] 低电压网络4借助于转换器DC/DC7连接到高电压网络1。为了确保低电压网络 4的低电压电池8例如铅酸电池的充电，借助转换器7从高电压电池2提取能量。
[0061] 当对低电压电池8进行再充电时，高电压电池2中串联连接的所有单元(^、(：2、…、 (^遭受相同的充电变化。
[0062] 此外，系统包括数量S的转换器&、…、Rs。每个转换器&、…、Rs能够对与该转 换器相对应的一组M个单元之中的单元进行再充电。在电池2的R个单元之中选择该组M 个单元，例如12个单元。
[0063] 例如，电池2包括96个单元CpQ、…、CK。这96个单元分别分成8组12个单元。 在该示例中，转换器的数量S因而等于8,并且单元的数量R等于96。每组的单元数量M是 12〇
[0064] 在该实施方式中，S个转换器札、…、Rs经由各自的主线圈连接到14V的网络4， 并且能够将能量分别转移至M个单元之中的一个或多个单元，这些转换器通过其次级线圈 而连接到所述一个或更多个单元。
[0065] 因此，这S个转换器在低电压网络4上提取能量，该低电压网络本身由高电压电 池2供电。换句话说，这些转换器凡、…、Rs间接使用高电压电池2中的所有R个单元Q、 C2、…、CK上所提取的能量。
[0066] 因此，所提取的能量分布在所有这些R个单元上，这可以允许避免各组的充电不 平衡。
[0067]此外，转换器&、…、馬的主侧电压仅是14伏特，这些转换器&、…、馬可以是相 对简单的设计并且适配于低电压。
[0068] 图2更详细地示出了转换器Rs的示例。在该示例中，为了清楚起见，转换器Rs仅 连接到4个单元CS1、CS2、CS3、CS4，但是应当理解，单元的数量可以不是4个，尤其可以是12 个。
[0069] 转换器Rs包括借助于换流器11连接到14V网络4的主线圈10。
[0070] 此外，转换器Rs具有与可连接转换器Rs的单元CS1、CS2、CS3、CS4相同数量的次级线 圈ES1、…、ES4。因此，与一组M个单元相对应的转换器馬包括M个次级线圈。
[0071] 除了与该单元相对应的次级线圈之外，对于转换器Rs连接的M个单元中的每一 个，转换器馬包括开关IS1、…、Is4。
[0072] 在图2上，开关IS1、…、IS4显示在与转换器馬相对应的箱体的外部，但是应当理 解，有利地，这些开关可以集成在该箱体的内部。
[0073] 每个开关IS1、…、134被布置成使得能够建立相应单元和相应次级线圈之间的连 接。每个开关Isi、…、通过处理装置12例如电子控制单元EOJ(ElectronicControl Unit)来被电控制。
[0074] 处理装置12可以包括处理器，例如微控制器、微处理器等，或者集成在处理器中。
[0075] 此外，对于转换器Rs连接的该组M个单元中的每一个，转换器Rs包括整流器 Jsi、…、Js4。
[0076]换流器10和整流器JS1、…、JS4由处理装置12引导，使得这些处理装置12控制 由转换器接收的电流强度It()t和单元CS1、CS2、CS3、CS4的充电电流。
[0077] 在实施方式中，每个平衡转换器&、…、馬是单向的。换句话说，这些转换器&、--?、 馬中的每一个使得能够将低电压网络的能量转移至与其连接的一个或更多个单元，但是在 相反方向上禁止能量转移。
[0078] 在该实施方式中，每个转换器&、…、馬工作在恒定功率，这意味着，当至少一个单 元被选择用于再充电时，即接通与该单元相关联的控制开关，主侧上提取的功率固定在预 定值匕。因此，通过连接到转换器的次级线圈的每个单元的电流取决于待再充电的单元的 数量。
[0079] 更确切地说，令n为能量转移系统的整体效率，其包括与转换器、控制和线缆相 关的损耗，可以得出如下关系式：
【权利要求】
1. 一种用于包括一组电化学存储单元（Ci、C2、…、CK)的电池⑵的充电平衡装置，所 述装置包括 能够确保对至少一个单元的多个组合进行再充电的充电装置（Ri、…、Rs)， 其中 对于每个组合，所述充电装置被布置成确保对所述组合中的所有单元同时进行再充 电， 所述多个组合限定了N个组合类型，其中N严格大于1，每个组合类型对应于该组合中 的m个单元，以及 所述充电装置被允许根据P个功率电平的数量P工作，数量P严格小于组合类型的数 量N。
2. 如权利要求1所述的平衡装置，其中，所述充电装置的功率电平的数量P等于一。
3. 如权利要求1所述的平衡装置，其中，所述充电装置的功率电平的数量P严格大于 1〇
4. 如权利要求1至3之一所述的平衡装置，其中，所述充电装置包括至少一个转换器 (札、…、Rs)。
5. 如权利要求4所述的平衡装置，其中，所述至少一个转换器（&、…、Rs)被布置成接 收比由所述电池（2)递送的电压更低的电压网络（4)的能量，所述网络由所述电池供电。
6. 如权利要求4所述的平衡装置，其中，所述至少一个转换器连接到所述电池中的至 少一些单元，以接收直接来自所述单元的能量。
7. 如权利要求4至6之一所述的平衡装置，其中，所述转换器包括： 用于接收能量的主线圈（10); 换流器（11); 用于能够由所述转换器进行再充电的每个单元（CS1、…、CS4)的次级线圈（ES1、…、Es4)、 开关（IS1、…、IS4)和整流器（JS1、…、JS4);以及 能够引导所述开关、所述换流器和/或所述整流器的处理装置（12)。
8. -种用于机动车辆的供电系统，包括 能够对所述机动车辆的牵引系统进行供电的电池（2)，和 如权利要求1至7之一所述的平衡装置。
9. 一种机动车辆，包括如权利要求8所述的供电系统。
10. -种用于包括一组电化学存储单元的电池的充电平衡装置的管理方法，所述平衡 装置包括能够对多个单元同时进行再充电的充电装置，所述方法包括： 在多个组合之中选择要同时再充电的至少一个单元的组合，所述多个组合限定了N个 组合类型，其中N严格大于1，每个组合类型对应于该组合中的m个单元；以及 给转换器施加从P个功率电平之中选择的功率电平，数量P严格小于组合类型的数量N〇
【文档编号】B60L11/18GK104380561SQ201380025504
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年5月13日 优先权日:2012年5月15日
【发明者】马克·卢恰, 劳伦特·加尼尔 申请人:雷诺有限公司, 原子能与替代能源委员会