專利名稱：電池組動態(tài)均衡裝置及均衡方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池組動態(tài)均衡裝置及電池組動態(tài)均衡方法。更具體的說是通過將單體電池或子模塊動態(tài)的接入電池組的不同層級來實現(xiàn)層級間容量均衡的方法，主要應(yīng)用于動力電池技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
單體電池的電壓和容量一般不能滿足做動力電源的需要，所以多個單體電池要通過串并聯(lián)構(gòu)成電池組來提供電能。有時若干個單體電池在制造過程中就被連接包裝在一起構(gòu)成一個子模塊。這些子模塊可以像單體電池一樣被進一步的串并聯(lián)。假設(shè)一個電池組含有η乘m個單體電池或子模塊，其中每m個單體電池或子模塊先并聯(lián)在一起，這樣構(gòu)成的一個并連體我們稱之為一個層級，然后各層級串連在一起構(gòu)成一個η層級的電池組。由于制造工藝中不可避免的差異單體電池間在容量上一開始就會有一定的不均衡。對于蓄電池， 隨充放循環(huán)的次數(shù)的增加，單體電池之間的不均衡性還將進一步加大。所以在充電或放電中各層級的電壓將不相同。為保護電池組延長其壽命并保證安全，單體電池都有一個放電截止電壓?？沙潆姵剡€有一個充電截止電壓。由于不均衡性的存在，放電時，容量小的層級將首先達到放電截止電壓，這時電池組必須停止放電，充電時，容量小的層級將首先達到充電截止電壓，這時電池組必須停止充電。因此電池組的容量和壽命等于各層級中最差的層級。為了提高電池組的容量，有多種均衡方式被提出。比如方式一，放電時串聯(lián)充電時并聯(lián)從而保持充電均衡；方式二，在充電時，使容量小的層級的并聯(lián)旁路電阻導(dǎo)通從而可以使容量大的層級也能充滿；方式三，采用飛渡電容在充放電過程中把電量從高電壓的層級向低電壓的層級轉(zhuǎn)移。方式四是采用繼電器或機電開關(guān)和DCDC變換器使電壓最高的層級向電池組充電或使電壓最低的層級被電池組充電。這些均衡方式都有其局限性，一是對不均衡的調(diào)節(jié)能力較弱，難于將嚴重不均衡的電池組調(diào)節(jié)到均衡狀態(tài)，二是調(diào)節(jié)過程涉及較大功率的能量轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)移從而帶來能量損失。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有均衡方法均衡能力弱，能量損失較大的缺點，本發(fā)明設(shè)計了串并聯(lián)混合電池組充電放電過程中實現(xiàn)單體電池或子模塊之間動態(tài)均衡的裝置并提供了控制均衡該均衡裝置的方案；該裝置可以在充放電過程中動態(tài)調(diào)整單體電池或子模塊之間的電聯(lián)接方式，從而可以將電池組調(diào)整至接近理想均衡狀態(tài)；本發(fā)明不需要在單體電池或子模塊之間轉(zhuǎn)移能量，所以效率高并且可以對嚴重失衡的電池組進行均衡；電池組中并聯(lián)的單體電池或子模塊越多，使用本發(fā)明設(shè)計的裝置后均衡效果越好。本發(fā)明可應(yīng)用于蓄電池組和超級電容器的充放電均衡。也可用于原電池組和燃料電池組的放電均衡。本發(fā)明通過如下的技術(shù)方案實現(xiàn)。假設(shè)一個沒有均衡裝置的電池組含有η乘以m個單體電池或子模塊，其中m個單體電池或子模塊并聯(lián)在一起構(gòu)成一個層級，η個層級串連在一起構(gòu)成一個電池組。這時因為沒有均衡裝置，電池組的容量和壽命等于各層級中最差的層級。當把本發(fā)明設(shè)計的均衡裝置用于該電池組時，電池組中各單體電池或子模塊之間的電連接將不再固定，各層級所含的單體電池或子模塊的數(shù)目取決于它的容量。比如容量小的層級所含單體電池或子模塊的數(shù)目可能為m+1個或更多，而容量大的層級所含單體電池或子模塊的數(shù)目可能為m-1個或更少。這種數(shù)目變化所要達到的目標是使各層級之間的容量差異盡可能小。本發(fā)明設(shè)計的均衡裝置可以在充放電過程中進行動態(tài)實時調(diào)整。要實現(xiàn)這種調(diào)整的需要有一個可控的電聯(lián)接矩陣，矩陣包含一橫排導(dǎo)線 和一縱列導(dǎo)線，這兩組導(dǎo)線之間不直接連接，但在交叉的節(jié)點有可控的電聯(lián)接可以連接交叉的導(dǎo)線，橫排導(dǎo)線是層級間的匯流連線，一對縱列導(dǎo)線連接到一個單體電池或子模塊的正負極?？煽氐碾娐?lián)接的開閉可以決定單體電池或子模塊所處的層級。動態(tài)均衡的過程就是控制該電聯(lián)接矩陣的每個節(jié)點的開閉狀態(tài)的過程。這中均衡裝置及其控制方案有多種具體的實現(xiàn)方式。各種實現(xiàn)方式都包含兩個主要內(nèi)容一是確定控制動作的算法，即如何根據(jù)系統(tǒng)運行時的測量到參數(shù)來確定每一個節(jié)點是應(yīng)該打開還是關(guān)閉；二是控制動作的實現(xiàn)方式，即如何完成特定目標節(jié)點的開閉控制。確定控制動作的最簡單算法可以是這樣的放電時控制系統(tǒng)(圖中未畫出)采集每一層級的電壓。當電壓最高的層級和電壓最低的層級之間的電壓差超過設(shè)定值，對應(yīng)的容量差大于一個單體電池或子模塊的一半容量時，將一個單體電池從電壓最高的層級推到電壓最低的層級。當然為了避免系統(tǒng)的頻繁往返調(diào)整，要保留一定的回差。由于電池組中單體電池或子模塊的容量變化是一個緩慢的過程，所以這種控制算法所產(chǎn)生的控制動作數(shù)量少，適于機電控制系統(tǒng)，可以使移動部件的磨損較小。充電時控制方式相反，即將單體電池從電壓最低的層級推到電壓最高的層級。放電時當電壓最高的層級和電壓最低的層級之間的電壓差較小，對應(yīng)的容量差小于一個單體電池或子模塊的一半容量時，上述控制算法將不產(chǎn)生調(diào)整動作。要解決這一問題可以采用上述簡單控制算法再加上分時控制算法。簡單控制算法可以保證各單體電池或子模塊的容量差處于一個較小的范圍。對這一小幅容量差的均衡就可以采用分時控制算法。也就是從電壓最高的幾個層級取出幾個單體電池或子模塊讓它和不同的層級并聯(lián)不同的長度的時間并一直循環(huán)。使電壓高的層級和它并聯(lián)的時間短，電壓低的層級和它并聯(lián)的時間長，并聯(lián)時間的長短可以根據(jù)電壓所反映出的容量來粗略計算。這就相當于，讓容量大小不同的層級得到不同時間長度的幫助從而減小層級間的電壓差。在運行過程中，和各層級的并聯(lián)時間可以根據(jù)各層級的電壓變化進行比例積分和微分調(diào)整，目標是使各層級的電壓差趨向于零。同理，充電時控制方式相反，即使分時連接的單體電池或子模塊與電壓較高的層級并聯(lián)的時間較長。表面上看，分時控制算法和飛渡電容法類似，因為它們都包含一個儲能元件和不同層級輪流并聯(lián)，但是它們之間有如下本質(zhì)的不同電容自身初始攜帶的能量很少，它主要是在不同層級間轉(zhuǎn)移能量。而分時控制算法用于輪流并聯(lián)的單體電池或子模塊攜帶能量較多，它要將自身的能量按比例分配給不同的層級。控制動作的實現(xiàn)可以通過如下若干種有代表性的方式。方式1是滑動連接塊方式。用有一定剛度的導(dǎo)線來制作前述可控的電聯(lián)接矩陣中縱列的導(dǎo)線組。在分別和一個單體電池或子模塊的正負極相連接的一對縱列導(dǎo)線上配置一個滑動連接塊，一對導(dǎo)線當做 一個滑動連接塊的導(dǎo)軌。電池組中有多少單體電池或子模塊就需要多少滑動連接塊。在選擇極性方向是使橫排的層級組中越靠左的，電位越高。那么滑動連接塊就必須總是將單體電池或子模塊的正極連線和較靠左的(也就是電位較高的) 匯流連線導(dǎo)通，同時它也總是將單體電池或子模塊的負極連線和較靠右的(也就是電位較低的)匯流連線導(dǎo)通。由此可見，多個滑動連接塊處于相同的兩個匯流連線之間時，和這些滑動連接塊相對應(yīng)的單體電池子模塊在電學(xué)上就是并聯(lián)的。推動滑動連接塊到不同的相鄰 2根橫排匯流連線之間就相當于將對應(yīng)的單體電池或子模塊接入不同的層級。最簡單的滑動連接塊推動方式是定期由人工調(diào)整推動。在每一次系統(tǒng)維護時由人工根據(jù)控制系統(tǒng)在過去一個維護周期中所采集到的不同層級的充放電電壓數(shù)據(jù)決定調(diào)整方案。由于電池組中單體電池或子模塊的容量變化是一個緩慢的過程，人工調(diào)整可以滿足需要。但顯然，人工調(diào)整無法做到實時，也無法采用分時均衡算法。高級的系統(tǒng)可以采用驅(qū)動元件來自動推動滑動連接塊。每一個滑動連接塊在兩根導(dǎo)軌上的橫向滑動是一維的。但如果給每一個滑動連接塊配置一個一維驅(qū)動元件造價將太高。所以合理的方案是采用二維定位系統(tǒng)，橫向定位系統(tǒng)固定在縱向定位系統(tǒng)的移動元件上，由縱向定位系統(tǒng)將橫向定位系統(tǒng)拖到合適的位置，由橫向定位系統(tǒng)的移動元件來推動滑動連接塊到合適位置。控制動作的實現(xiàn)方式2是繼電器矩陣方式。在前述電聯(lián)接矩陣中配置η乘以m個雙刀單擲繼電器。即在一對縱列導(dǎo)線連接η個雙刀單擲繼電器，這η個雙刀單擲繼電器任一時刻只有一個閉合。通過選擇這η個雙刀單擲繼電器中的哪一個閉合，就可以選擇對應(yīng)的單體電池或子模塊在電池組的η個層級所處的層級。當然，每個繼電器也可以由兩個場效應(yīng)管或其它功率半導(dǎo)體器件來代替。繼電器均衡裝置與滑動連接塊均衡裝置相比互有優(yōu)劣，滑動連接塊均衡裝置機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜主電路簡單，繼電器均衡裝置主電路復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)簡單。控制動作的實現(xiàn)方式3是集成電路方式。將前述的電聯(lián)接矩陣中的縱列導(dǎo)線組、 橫排導(dǎo)線組、和交叉節(jié)點處可控的電聯(lián)接全部制作在一個半導(dǎo)體晶片上即構(gòu)成集成電路均衡裝置。每個可控的電聯(lián)接可以由集成的場效應(yīng)管或集成的其它功率半導(dǎo)體器件來構(gòu)成。集成電路均衡裝置同繼電器均衡裝置相比，集成電路均衡裝置集成度高可靠性高，但集成電路均衡裝置需要制造專用集成電路，一次性投資大。以上只是列出了本發(fā)明的3類典型控制動作的實現(xiàn)方式，事實上，可以對本發(fā)明中控制動作的實現(xiàn)方式做多種等效變換，比如用可復(fù)位的按鍵開關(guān)來組成可控電聯(lián)接矩陣，用兩軸定位系統(tǒng)帶動電磁鐵去按動各按鍵開關(guān)；也可以將匯流連線組包括正負極匯流連線嵌入管道內(nèi)表面排列成環(huán)形，這時前述滑動連接塊可以用旋轉(zhuǎn)選擇開關(guān)來代替；也可以將縱列導(dǎo)線用彈性薄片金屬條做成，薄片金屬條上方配置一個可以旋轉(zhuǎn)的凸輪軸，凸輪軸上有一系列成一定角度配置的凸輪，隨凸輪軸的旋轉(zhuǎn)，凸輪壓迫薄片金屬條的不同位置從而達到將縱列導(dǎo)線所對應(yīng)的單體電池或子模塊接入不同的層級。類似的其他等效變換還可以有很多，但只要均衡方法中出現(xiàn)將單體電池或子模塊動態(tài)接入不同的層級，就不超出本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的有益效果是，通過動態(tài)的改變各單體電池或子模塊所處的層級，可以實現(xiàn)電池組充放電過程中的完全平衡；同時不需要在單體電池或子模塊之間的進行能量轉(zhuǎn)移。本發(fā)明所設(shè)計的均衡裝置消耗能量小，用于不均衡性高的電池組時效率優(yōu)點尤其突出。 本發(fā)明有效提高了電池組的容量，降低了對單體電池一致性的要求。從而放寬了電池生產(chǎn)中對原料和工藝參數(shù)一致性的要求，進而可以降低電池的生產(chǎn)成本。


圖1、電池組機電動態(tài)均衡系統(tǒng)2、橫向定位系統(tǒng)原理3、縱向定位系統(tǒng)原理4、電極陣列和滑動連接5、電池組繼電器矩陣動態(tài)均衡系統(tǒng)6、電池組動態(tài)均衡集成電路原理7、可控開閉接點原理圖
具體實施例方式下面通過附圖和實施例對本發(fā)明進一步詳細描述。實施例1通過推動滑動連接塊來實現(xiàn)電池組的動態(tài)均衡。圖1是實施例1電池組機電動態(tài)均衡系統(tǒng)圖。該裝置包括絕緣底板(101)，橫向定位系統(tǒng)(102)，縱向定位系統(tǒng)(103)，電磁鐵(104)，匯流連線(105)，單體電池或子模塊連線(106)，和滑動連接塊(107)。絕緣底板(101)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部件，其他部件直接或間接靠它支撐、固定。圖2所示為圖1中的橫向定位系統(tǒng)，由步進電機(201)，聯(lián)軸器(202)，軸承(203)， 安裝在軸承(203)上的絲桿(204)，受橫向系統(tǒng)承載板(305)上的滑槽制約不能轉(zhuǎn)動只能滑動的電磁鐵(104)。圖3所示為圖1中的縱向定位系統(tǒng)，由步進電機(301)，聯(lián)軸器(302)，軸承(303)， 安裝在軸承(303)上的絲桿(304)，滑動軸承(306)，安裝在滑動軸承(306)上的橫向系統(tǒng)承載板(305)，滑動導(dǎo)軌(307)，滑動導(dǎo)軌固定塊(308)。圖4所示為圖1中的電極陣列和滑動連接塊，由絕緣底板(101)，匯流連線(105)， 正極連線(401)，負極連線(402)，備用連線(403)，單體電池或子模塊正極連線(106)，單體電池或子模塊負極連線(404)，和滑動連接塊(107)。(401)，(105)，(402)，和(403)是橫排的導(dǎo)線組，(106)，和(404)是縱列的導(dǎo)線組。兩組導(dǎo)線之間交差的地方用絕緣材料隔離， 所以除非通過滑動連接塊(107)否則兩組導(dǎo)線并不導(dǎo)通。滑動連接塊(107)具有這樣的效果，它將對應(yīng)的單體電池或子模塊的兩極分別和相鄰兩條匯流連線相連?；瑒舆B接塊(107) 總是將單體電池或子模塊的正極連線(106)和圖中較靠左的(也就是電位較高的)匯流連線(105)導(dǎo)通，同時它也總是將單體電池或子模塊的負極連線(404)和圖中較靠右的(也就是電位較低的)匯流連線(105)導(dǎo)通。單體電池或子模塊連線(106)和(404)采用剛性導(dǎo)體，它們同時作為滑動連接塊(107)的滑動導(dǎo)軌。圖1及其細節(jié)圖2，圖3，和圖4所示系統(tǒng)的工作過程如下。將系統(tǒng)所要控制的單體電池或子模塊(圖中未畫出)的兩極分別連接單體電池或子模塊正極連線(106)和單體電池或子模塊負極連線(404)。一個實際的電池組所含單體電池或子模塊可能很多，所以一個實際的均衡系統(tǒng)所需要預(yù)留的連線數(shù)目是最大單體電池或子模塊數(shù)目的兩倍。每個滑動連接塊(107)對應(yīng)一個單體電池或子模塊。為避免圖形擁擠，圖1和圖4中所畫出的連線數(shù)較少。將圖1和圖4中的連線和部件按比例增加即可滿足大型電池組的需要。假設(shè)一個電池組含有η乘m個單體或子模塊，其中每m個單體或子模塊先并聯(lián)在一起，這樣構(gòu)成的一個并連體我們稱之為一個層級，然后各層級串連在一起構(gòu)成一個η層級的電池組。匯流連線(105)在電路上就是位于層級與層級之間的匯流線。 當若干個滑動連接塊(107)都處于相鄰兩條匯流連線(105)、(401)、或(402)之間時，與這些滑動連接塊(107)相對應(yīng)的單體電池或子模塊在電學(xué) 上就是并聯(lián)的，也就是說這些單體電池或子模塊是處于同一層級的。所以推動滑塊(107)沿導(dǎo)線和導(dǎo)軌(106)和(404)滑動就相當于把一個單體電池或子模塊推到不同的層級中。推動的滑動連接塊(107)滑動的具體過程如下所述。橫向定位系統(tǒng)(102)和縱向定位系統(tǒng)(103)協(xié)同工作可以把電磁鐵(104)定位到任意一個滑動連接塊(107)上方。然后電磁鐵(104)通電對含有軟磁材料的滑動連接塊 (107)產(chǎn)生足夠的吸力并在橫向定位系統(tǒng)(102)的帶動下推動滑動連接塊(107)沿同時起到導(dǎo)軌作用的單體電池或子模塊連線(106)滑動到合適位置。然后電磁鐵(104)斷電，滑動連接塊(107)被釋放?？刂葡到y(tǒng)(圖中未畫出)采集每一層級的電壓(也就是每兩個相鄰匯流連線之間的電壓)。然后可以采用前述簡單算法進行均衡，即當電壓最高的那一個層級和電壓最低的那一個層級的電壓差超過設(shè)定值的時候，將一個單體電池或子模塊從電壓最高的那一個層級推到電壓最低的那一個層級。按照這種算法進行動態(tài)均衡，各層級之間的容量不均衡量將不超過一個單體電池或子模塊的容量。容易看出，電池組每一層級所包含的單體電池或子模塊越多，動態(tài)均衡之后越接近理想均衡狀態(tài)。控制系統(tǒng)在先進行簡單算法均衡的基礎(chǔ)上，進一步進行分時算法均衡，以使電池組趨近于完全均衡狀態(tài)。必須指出，受頁面尺寸的限制，圖1和圖4中只畫出了 3個層級的滑動連接塊和單體電池或子模塊連線。事實上滑動連接塊和單體電池或子模塊的數(shù)目必須足夠使正極匯流連線(401)和負極匯流連線(402) 之間形成串聯(lián)回路。上面所描述的是圖1所示系統(tǒng)的基本功能。事實上我們很容易給它添加一些附屬的功能?？梢蕴砑拥母郊庸δ? 檢測修復(fù)功能。備用連線(403)不接入功率輸出主回路。 所以將單體電池或電池模塊推入(402)和(403)之間的層級就可以在不影響功率輸出。因此將不同的單體輪流推到(402)與(403)之間，就可以通過(402)和(403)兩根連線對該單體或子模塊進行電壓、內(nèi)阻、容量等測量，對容量較低的單體或子模塊可以及時進行脈沖充電等方式進行現(xiàn)場修復(fù)?？梢蕴砑拥母郊庸δ? 失效退出功能。如果某一單體電池或子模塊在輪流檢測過程中顯示電壓、內(nèi)阻、容量等偏離額定值過多并且無法現(xiàn)場修復(fù)。則可將該單體電池或子模塊推到圖4中備用連線(403)右面不和任何匯流連線相連的閑置區(qū)域，這相當于讓失效單體電池或子模塊退出系統(tǒng)，避免了失效單體電池或子模塊在系統(tǒng)中過熱、燃燒、甚至爆炸的危險。
可以添加的附加功能3 低負載閑置功能。燃料電池在負載很低的情況下運行時單體輸出電壓較高。但高的單體電壓會導(dǎo)致高的陰極電化學(xué)電位并使電極材料的氧化損壞加速。所以對于燃料電池組可以在負載較低的時候把部分單體電池或子模塊推到閑置區(qū)域并停止氧化劑的供應(yīng)從而使閑置部分的陰極電化學(xué)電位不致過高。同時處于負載回路
(401)和(402)之間的單體由于平均輸出功率增大了所以也避免了高電位氧化問題。對需要長時間使用的原電池組，也可以使用類似的閑置功能，將單體分批投入負載回路。因為新的原電池自放電率較小。利于儲存?？梢蕴砑拥母郊庸δ? 輸出變換功能。電池組的使用中首先要滿足負載功率的要求，其次還要滿足負載電壓和電流的要求。在功率可以達到要求而電壓和電流不符合要求的時候一般要通過電力電子電路對電池組的輸出進行升壓降流或降壓升流的變換。但這種變換會損耗相當一部分功率。使用本發(fā)明設(shè)計的裝置可以實現(xiàn)輸出變換而幾乎不耗費功率。需要輸出變換功能時要對圖4所示電路做如下修改。在備用連線(403)右邊的閑置區(qū)域配置一些短路滑塊。這些短路滑塊在電學(xué)上不和任何單體電池或子模塊相連，當將短路滑塊推入兩條匯流連線之間時，短路滑塊即將相鄰兩匯流連線短接。所以假如(401)和
(402)之間有η個層級，每層級有m個并聯(lián)單體?，F(xiàn)在將這些單體推入η除以2個層級，每個層級由m乘以2個并聯(lián)單體組成。然后在其余2分之η個空置層級上推入短路滑塊。這時對外的等效輸出能力是電壓減半，電流加倍從而實現(xiàn)了輸出變換。當然我們也可以每一條匯流連線都同外電路連接然后由外電路中的繼電器或功率管來選擇哪一條匯流連線作為輸出端。這樣效果相同但不需要短路滑塊。上面描述了圖1所示裝置的主功能和部分附加功能的動作過程。但還有一個問題需要說明，那就是電磁鐵4如何準確的定位到目標滑塊上方并移動它。定位過程可以用以下幾種方式來完成。定位方式1 開環(huán)定位。本定位方式?jīng)]有滑動連接塊和電磁鐵位置檢測反饋功能。 電磁鐵和所有滑動連接塊的初始位置固定并在控制系統(tǒng)的程序中作為初始條件。在以后的動態(tài)平衡過程中程序在控制圖1所示裝置移動電磁鐵和滑動連接塊的同時隨時將新位置存入非易失性存儲器。下一次需要定位時就可以從存儲器中讀出所需的位置并發(fā)出相應(yīng)的移動指令。開環(huán)定位適用于用步進電機來驅(qū)動圖1所示裝置的情況。只要步進電機不失步就不會定位出錯。定位方式2:半開環(huán)定位。半開環(huán)是指系統(tǒng)可以通過反饋糾正步進電機的失步誤差。反饋可以通過在縱橫兩電機軸上裝上裝上兩相轉(zhuǎn)動編碼器來完成。反饋也可以通過在與兩電機軸平行的位置分別裝上直線光柵來完成。反饋還可以這樣完成，在電磁鐵 (104)的橫向滑動行程和承載板(305)的縱向滑動行程的中間位置分別裝上光電對管，并使(104)和(305)在經(jīng)過縱橫兩方向的中間位置時光電對管的光路分別被小的障礙物阻斷，從而使控制系統(tǒng)可以通過光電對管的信號修正誤差。半開環(huán)定位方式仍然要預(yù)知各滑動連接塊的初始位置同時也需要存儲讀出各滑動連接塊的實時位置。定位方式2 閉環(huán)定位。必環(huán)定位是指系統(tǒng)可以檢測電磁鐵(104)和各滑動連接塊(107)的位置。從而不必知道它們的初始位置也不必存儲它們的中間位置。閉環(huán)定位中的位置檢測可以通過如下不同方式來 完成。在有紅外或可見光照明的條件下，可以通過光電耦合攝像頭捕獲圖像然后用單片機對圖像進行運算處理來獲得各個部件的位置。各移動部件可以涂上和背景之間反差大的顏色或熒光粉來提高圖像的對比度。承載板(101)上可以印刷上特定圖案來幫助圖像運算定位。在沒有照明的條件下，移動部件上可以涂上夜光粉或固定一個發(fā)光二極管并通電點亮它，這樣光電耦合攝像頭可以通過檢測特定光點的位置來獲得移動部件的位置信息。因為滑動連接塊(107)上有軟磁性材料，所以閉環(huán)定位還可以通過檢測電磁鐵(104)的線圈電感量的變化來確定(104)是否位于某個(107)的正上方。 在半開環(huán)定位或閉環(huán)定位條件下，可以使用直流伺服電機、交流伺服電機、液壓元件、或氣動元件來取代步進電機驅(qū)動圖1所示裝置。伺服電機或液壓元件等運動更平穩(wěn)。氣動元件的優(yōu)點是動作比較迅速。電磁鐵(104)和滑動連接塊(107)的結(jié)合和分離可以通過電磁力來完成。也可以通過如下方式來完成。在電磁鐵(104)上安裝一個可以隨電路通斷伸縮的軸。在滑動連接塊(107)上鉆一個直徑略大于該伸縮軸的盲孔。(104)和(107)的結(jié)合分離過程是(104) 通電，伸縮軸縮回，(104)到達目標(107)正上方，(104)斷電，伸縮軸伸出并進入(107)上的盲孔，然后(104)和(107) —起被移動到目標位置，(104)通電，伸縮軸縮回，移動該滑動連接塊(107)過程完成。實施例2通過矩陣開關(guān)開閉來實現(xiàn)電池組的動態(tài)均衡。圖5是實施例2電池組繼電器矩陣動態(tài)均衡系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)包括絕緣底板(101)， 匯流連線(105)，正極連線(401)，負極連線(402)，備用連線(403)，單體電池或子模塊正極連線(106)，單體電池或子模塊負極連線(404)，和雙刀單擲繼電器(501)。相同數(shù)字標號的部件和實施例1中所述相同或相似。雙刀單擲繼電器(501)具有這樣的效果，當它閉合時它將對應(yīng)的單體電池或子模塊的兩極分別和相鄰兩條匯流連線相連并且總是將單體電池或子模塊的正極連線(106)和圖中較靠左的(也就是電位較高的)匯流連線(105)導(dǎo)通，同時它也總是將單體電池或子模塊的負極連線(404)和圖中較靠右的(也就是電位較低的) 匯流連線(105)導(dǎo)通。當雙刀單擲繼電器(501)開路時，它所對應(yīng)的單體電池或子模塊退出串并聯(lián)組合。(401)，(105)，(402)，和(403)是橫排的導(dǎo)線組，(106)，和(404)是縱列的導(dǎo)線組。兩組導(dǎo)線之間交差的地方用絕緣材料隔離，所以除非通過繼電器(501)否則兩組導(dǎo)線并不導(dǎo)通。圖5所示系統(tǒng)的工作過程如下。將系統(tǒng)所要控制的單體電池或子模塊(圖中未畫出)的兩極分別連接單體電池或子模塊正極連線(106)和單體電池或子模塊負極連線(404)。一個實際的電池組所含單體電池或子模塊可能很多，所以一個實際的均衡系統(tǒng)所需要預(yù)留的連線數(shù)目是最大單體電池或子模塊數(shù)目的兩倍。每橫排繼電器(501)或每對連線(106)和(404)對應(yīng)一個單體電池或子模塊。為避免圖形擁擠，圖5中所畫出的連線數(shù)較少。將圖5的連線和部件按比例增加即可滿足大型電池組的需要。假設(shè)一個電池組含有η乘m個單體或子模塊，其中每m個單體或子模塊先并聯(lián)在一起，這樣構(gòu)成的一個并連體我們稱之為一個層級，然后各層級串連在一起構(gòu)成一個η層級的電池組。匯流連線(105)在電路上就是位于層級與層級之間的匯流線。當若干個處于相鄰兩條匯流連線(105)、(401)、或(402)之間的繼電器(501)閉合時，與這些閉合的繼電器(501)相對應(yīng)的單體電池或子模塊在電學(xué)上就是并聯(lián)的，也就是說這些單體電池或子模塊是處于同一層級的。同一橫排的繼電器(501)最多只能有一個閉合，這意味著一個單體電池或子模塊只能處于一個層級中。閉合同一橫排中不同的繼電器(501)就相當于把一個單體電池或子模塊接入到到不同的層級中。
所以在實施例1中通過將滑動連接塊(107)推到特定位置完成的功能都可以在實施例2中通過閉合該特定位置的繼電器(501)來完成。所以在實施例1中通過使用短路滑塊所完成的功能可以在實施例2中通過使用短路繼電器來完成。短路繼電器不與任何單體電池子模塊連線連接，短路繼電器閉合時將相鄰兩條匯流連線短路。實施例2同實施例1相比互有優(yōu)劣，實施例1機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜主電路簡單，實施例2 主電路復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)簡單。圖5中每個繼電器(501)都需要電流來驅(qū)動它的電磁線圈。所需要的電流可以由控制系統(tǒng)供給?？刂葡到y(tǒng)可以向每一個繼電器線圈給出一個電流連線同時每一個繼電器線圈的另一極接入公共地。這樣做連線數(shù)目會比較多。也可以將所有的繼電器中植入可尋址芯片，并將所有芯片連接在同一對電源線和同一對通訊線上?？刂葡到y(tǒng)中的上位單片機通過通訊線發(fā)送包含地址信息的指令給所有芯片，可尋址芯片接收到和自身地址符合的指令后即按照指令完成開或閉的動作。包含可尋址芯片的繼電器可以直接從和它連接的單體電池或子模塊上獲得操作的能量。這樣所有包含可尋址芯片的繼電器就可以不用外接電源線。但因為不同的單體電池或子模塊不共地，所以或者繼電器從單體電池或子模塊上獲取電能是要采用電磁隔離， 或者繼電器芯片和上位單片機通訊時要采用光電隔離。對繼電器的操作只需要上位單片機單向發(fā)出指令即可，所以一種可行的方法是在所有繼電器上安裝一個紅外接收頭，上位單片機上接一個紅外發(fā)射頭即可完成對所有繼電器的單向通訊。繼電器直接從和它連接的單體電池或子模塊上獲得操作的能量可以帶來一個額外的安全好處，控制程序可以順序的將每一個單體電池或子模塊短暫開路脫離電池組，然后再發(fā)出指令讓該單體或子模塊連接回原位。這一過程中如果該單體或子模塊電壓過低，它所屬繼電器將失去操作能量從而無法接回原位。這就使電壓低于危險數(shù)值的單體或子模塊自動脫離電池組。繼電器也可以用沒有電磁線圈的固態(tài)半導(dǎo)體繼電器或場效應(yīng)管等功率器件來替代。實施例3通過集成電路來實現(xiàn)電池組的動態(tài)均衡。圖6是實施例3電池組動態(tài)均衡集成電路模塊圖。該電路包括負載正極匯流連線(601)，負載負極匯流連線(602)，備用連線(603)，層級間匯流連線(604)，可控開閉節(jié)點 (605)，單體電池或子模塊正極連線(606)，單體電池或子模塊負極連線(607)，通訊端口連線(608)和(609)，電壓監(jiān)測電路(610)，解碼電路(611)(控制所有可控開閉節(jié)點(605))， 芯片電源(612)，接地端(613)，和電源電路(614)。圖7是每個可控開閉節(jié)點(605)的一種典型結(jié)構(gòu)。它包含場效應(yīng)管(701)，漏極連線(703)，源極連線(704)，柵極連線(705)，和場效應(yīng)管的寄生二極管(702)。當可控開閉節(jié)點(605)和單體電池或子模塊正極連線(606)在同一橫排時，(703)和(607)連接，(704) 和匯流連線連接。當可控開閉節(jié)點(605)和單體電池或子模塊負極連線(607)在同一橫排時，(703)和匯流連線連接，(704)和(607)連接。
圖6和圖7所示集成電路工作方式如下。柵極連線(705)受解碼電路(611)的控制。當(611)接受指令給出一個較高電位到(705)時，可控開閉節(jié)點(605)閉合，當(611)接受指令給出一個較低電位到(705)時， 可控開閉節(jié)點(605)打開。每兩個相鄰的匯流連線(601)、(602)、或(604)之間是一個層級。單體電池或子模塊的連線(606)和(607)通過可控開閉節(jié)點(605)接入選定的兩條匯流連線之間從而加入特定的層級向外電路供電。因為正極匯流連線(601)的電位最高，所以沒有任何單體或子模塊的負極(607)需要與(601)連接。所以只需要在(601)與(606)的節(jié)點上配置可控開閉節(jié)點。相似的原因，(602)只需要(607)相連的可控節(jié)點，(603)也只需要與(606)相連的可控節(jié)點?？煽亻_閉節(jié)點(605)的開閉遵循這樣的規(guī)律，即總是將單體電池或子模塊的正極連線(606)和圖中較靠左的(也就是電位較高的)匯流連線(604)導(dǎo)通，同時它也總是將單體電池或子模塊的負極連線(607)和圖中較靠右的(也就是電位較低的)匯流連線(604) 導(dǎo)通。當和某一單體電池子模塊相連的所有可控節(jié)點(605)都處于開路狀態(tài)時，該單體電池或子模塊退出串并聯(lián)組合。當和某一單體電池子模塊相連的正負極連線分別只和(602)、 (603)接通時，該單體電池或子模塊也不再主負載回路中。這時可以通過(602)和(603)對該單體電池或子模塊進行測量和修復(fù)等。(601)，(604)，(602)，和(603)是橫排的導(dǎo)體組， (606)，和(607)是縱列的導(dǎo)體組。兩組導(dǎo)體之間交差的地方用 絕緣材料隔離，所以除非通過可控節(jié)點(605)否則兩組導(dǎo)體并不導(dǎo)通。圖6所示系統(tǒng)對電池組均衡的工作過程如下。將系統(tǒng)所要控制的單體電池或子模塊(圖中未畫出)的兩極分別連接單體電池或子模塊正極連線(606)和單體電池或子模塊負極連線(607)。一個實際的電池組所含單體電池或子模塊可能很多，所以一個實際的均衡系統(tǒng)所需要預(yù)留的連線數(shù)目是最大單體電池或子模塊數(shù)目的兩倍。每2橫排可控節(jié)點(605)或每組連線(606)和(607)對應(yīng)一個單體電池或子模塊。為避免圖形擁擠，圖6中所畫出的連線數(shù)較少。將圖6的連線和部件按比例增加即可滿足大型電池組的需要。假設(shè)一個電池組含有η乘m個單體或子模塊，其中每 m個單體或子模塊先并聯(lián)在一起，這樣構(gòu)成的一個并連體我們稱之為一個層級，然后各層級串連在一起構(gòu)成一個η層級的電池組。匯流連線(604)在電路上就是位于層級與層級之間的匯流線。當若干個處于相鄰兩條匯流連線(601)、(604)、或(602)之間的兩兩相鄰的可控節(jié)點(605)閉合時，與這些閉合的節(jié)點(605)相對應(yīng)的單體電池或子模塊在電學(xué)上就是并聯(lián)的，也就是說這些單體電池或子模塊是處于同一層級的。閉合節(jié)點(605)時必須滿足一個單體電池或子模塊只能以正確極性接入一個層級中。閉合同相應(yīng)兩行中不同位置的兩個節(jié)點(605)就相當于把一個單體電池或子模塊接入到到不同的層級中。所以在實施例1中通過將滑動連接塊(107)推到特定位置完成的功能都可以在實施例3中通過閉合該特定位置的兩個節(jié)點(605)來完成。所以在實施例1中通過使用短路滑塊所完成的功能可以在實施例3中通過設(shè)置若干行可控短路節(jié)點(圖中未畫出)來完成?？煽囟搪饭?jié)點每兩行一組，不與任何單體電池子模塊連線連接，可控短路節(jié)點閉合能將任意兩條匯流連線導(dǎo)通。實施例3同實施例2相比，實施例3集成度高可靠性高，但實施例3需要制造專用集成電路，一次性投資大。以上實施例中所描述的內(nèi)容僅為本發(fā)明構(gòu)思下的一些有代表性的實現(xiàn)方式。事實上，了解本領(lǐng)域的人會知道，這些實現(xiàn)方式可以有多種變化但并不脫離本發(fā)明的實質(zhì)。比如具體實現(xiàn)方式可以有但并不僅限于如下變化變化1，在實施例1中，由于單體電池或子模塊的容量衰減通常是一個緩慢的過程，所以在該實施例中隊滑動連接塊的調(diào)整也可以定期人工完成，這樣系統(tǒng)中的運動定位部件可以省略，從而降低成本，這樣所付出的代價是均衡的實時性降低。變化2，多個實施例1、實施例2、和實施例3的均衡模塊的主功率輸出回路可以直接進行硬連接的串并聯(lián)組合也可以組成多級控制系統(tǒng)，即下一級均衡模塊的輸出連接到上一級均衡模塊的輸入。這樣做的好處是一個大的電池組可以用若干個小的均衡模塊來控制，從而便于將標準模塊用于不同大小的系統(tǒng)。依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案還可以做出多種類似變換，這些變換均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.電池組動態(tài)均衡裝置，其特征在于其所控制的電池組中各單體電池或子模塊除通過該均衡裝置外不直接發(fā)生電聯(lián)接；該均衡裝置可以在充放電過程中動態(tài)調(diào)整各單體電池或子模塊之間的電聯(lián)接方式，也就是改變電池組中的單體電池或子模塊的串并聯(lián)狀態(tài)從而達到使電池組趨于均衡的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組動態(tài)均衡裝置，其特征在于該均衡裝置包括單體電池或子模塊正極連線(106)，單體電池或子模塊負極連線(404)，滑動連接塊(107)，匯流連線 (105)，正極匯流連線(401)，負極匯流連線(402)，和備用連線(403)；相鄰匯流連線之間是一個層級；同一層級的單體電池或子模塊處于并聯(lián)狀態(tài)；滑動連接塊(107)通過滑動將對應(yīng)的單體電池或子模塊接入不同的層級；在電池組放電過程中控制系統(tǒng)采集每一層級的電壓，當電壓最高的層級和電壓最低的層級之間的電壓差超過設(shè)定值的時候，將一個單體電池或子模塊從電壓最高的層級接入到電壓最低的層級；當電壓最高的層級和電壓最低的層級之間的電壓差不超過設(shè)定值的時候，將若干個單體電池或子模塊分時和不同的層級并聯(lián)并使它們與電壓較低的層級并聯(lián)的時間較長，具體時間可以根據(jù)各層級電壓進行比例積分和微分調(diào)節(jié)以使電池組趨向于完全均衡；滑動連接塊(107)的滑動可以自動完成也可以由人工定期調(diào)整；放電時均衡的電池組，充電時也是接近均衡的，充電時可以維持放電時的連接方式；在必須進行充電動態(tài)均衡時，調(diào)節(jié)方向與放電時相反，即將單體電池或子模塊從電壓最低的層級推到電壓最高的層級或使分時連接的單體電池或子模塊與電壓較高的層級并聯(lián)的時間較長；多個均衡模塊的主功率輸出回路可以直接進行串并聯(lián)或?qū)⑾乱患壘饽K的輸出連接到上一級均衡模塊的輸入從而組成多級控制系統(tǒng)來控制大的電池組；將匯流連線組包括正負極匯流連線嵌入管道內(nèi)表面排列成環(huán)形并將滑動連接塊用旋轉(zhuǎn)選擇開關(guān)代替均衡效果不變。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電池組動態(tài)均衡裝置，其特征在于，采用兩軸定位系統(tǒng)來推動滑動連接塊(107)，該裝置包括橫向定位系統(tǒng)(102)，縱向定位系統(tǒng)(103)，電磁鐵(104)， 和橫向系統(tǒng)承載板(305)；定位系統(tǒng)的驅(qū)動元件可以是轉(zhuǎn)動的電機、直線電機、或液壓氣動元件；兩軸定位系統(tǒng)將電磁鐵(104)定位到特定的滑動連接塊(107)正上方，然后電磁鐵 (104)和滑動連接塊(107)結(jié)合并一起移動到新的位置然后分離；可以在滑動連接塊(107) 上嵌入軟磁性材料，電磁鐵(104)和滑動連接塊(107)的結(jié)合和分離純粹可以通過電磁力來完成；也可以在電磁鐵(104)上安裝一個隨磁場變化伸縮的軸，在滑動連接塊(107)上鉆一個直徑略大于該伸縮軸的盲孔，電磁鐵(104)和滑動連接塊(107)的結(jié)合分離通過該軸伸入退出該盲孔達成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電池組動態(tài)均衡裝置，其特征在于，橫向定位系統(tǒng)(102)包括步進電機(201)，聯(lián)軸器(202)，軸承(203)，安裝在軸承(203)上的絲桿(204)，受橫向系統(tǒng)承載板(305)上的滑槽制約不能轉(zhuǎn)動只能平移的電磁鐵(104)；縱向定位系統(tǒng)包括步進電機(301)，聯(lián)軸器(302)，軸承(303)，安裝在軸承(303)上的絲桿(304)，滑動軸承(306)，安裝在滑動軸承(306)上的橫向系統(tǒng)承載板(305)，滑動導(dǎo)軌(307)，滑動導(dǎo)軌固定塊(308)； 驅(qū)動定位系統(tǒng)的步進電機可以由直流或交流伺服電機取代，這時需要在縱橫兩電機軸上安裝兩相轉(zhuǎn)動編碼器或在與電機軸平行方向安裝直線光柵來反饋位置信息；在滑動連接塊 (107)上嵌入軟磁性材料，控制系統(tǒng)可以通過檢測電磁鐵(104)的線圈電感量的變化來確定電磁鐵(104)是否位于某個滑動連接塊(107)的正上方從而幫助定位；控制系統(tǒng)也可以通過獲得所有滑動連接塊(107)和電磁鐵(104)的初始位置信息并將每次完成移動后的新位置信息寫入非易失存儲器來幫助定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電池組動態(tài)均衡裝置，其特征在于，使用光電耦合攝像頭捕獲圖像然后用單片機對圖像進行運算處理來獲得各個部件的位置；可以使用紅外或可見光源提供照明以獲得圖像；各移動部件上可以涂上和背景之間反差大的顏色或熒光粉來提高圖像的清晰度；承載板(101)上可以印刷上特定圖案來幫助單片機運算定位；也可以不使用紅外或可見光源照明，而在各移動部件上涂上發(fā)射不同波長光波或構(gòu)成不同形狀圖案的夜光粉或分別固定上一個特定顏色或特定形狀的發(fā)光二極管并通電點亮它，這樣可以通過光電耦合攝像頭來檢測特定光點或圖案的位置對移動部件進行定位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組動態(tài)均衡裝置，其特征在于該均衡裝置包括絕緣底板 (101)，匯流連線(105)，正極匯流連線(401)，負極匯流連線(402)，備用連線(403)，單體電池或子模塊正極連(106)，單體電池或子模塊負極連線(404)，和雙刀單擲繼電器(501)；雙刀單擲繼電器(501)通過開閉將對應(yīng)的單體電池或子模塊接入不同的層級；可以采用場效應(yīng)管等功率半導(dǎo)體器件來代替雙刀單擲繼電器(501)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池組動態(tài)均衡裝置，其特征在于，在每個繼電器(501)中植入一個控制芯片，每個控制芯片中預(yù)先寫入獨特的地址信息；可以將所有該控制芯片連接在同一對電源線和同一對通訊線上，上位單片機通過共用通訊線發(fā)送包含地址信息的指令給所有該控制芯片，該控制芯片接收到和自身地址符合的指令后即按照指令完成開或閉的動作；也可以在每個繼電器(501)的內(nèi)置可尋址控制芯片上安裝一個紅外接收頭并去掉共用通訊線，這時上位單片機可通過紅外發(fā)射頭向所有該控制芯片發(fā)送指令。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電池組動態(tài)均衡裝置，其特征在于，繼電器(501)及其內(nèi)置的可尋址控制芯片直接從相連的單體電池或子模塊上獲得操作的能量?？刂瞥绦蛳蛎恳粋€單體電池或子模塊輪流發(fā)出短暫開路脫離電池組的指令然后指令其接回原位；這樣電壓過低的單體電池或子模塊脫離電池組之后相應(yīng)的繼電器(501)及其內(nèi)置的可尋址控制芯片將失去操作能量無法接收并執(zhí)行接回原位的指令從而避免了電壓過低的單體電池或子模塊留在電池組中造成的危險。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組動態(tài)均衡裝置，其特征在于該均衡裝置包括正極匯流連線(601)，負極匯流連線(602)，備用連線(603)，層級間匯流連線(604)，可控開閉節(jié)點 (605)，單體電池或子模塊正極連線(606)，單體電池或子模塊負極連線(607)，通訊端口連線(608)和(609)，電壓監(jiān)測電路(610)，解碼電路(611)(控制所有可控開閉節(jié)點(605))， 芯片電源連線(612)，接地端(613)，和電源電路(614)；通過可控開閉節(jié)點(605)的開閉可以將對應(yīng)的單體電池或子模塊接入不同的層級；可控開閉節(jié)點(605)可以由集成的場效應(yīng)管或其它集成的功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1，權(quán)利要求6，或權(quán)利要求9所述的電池組動態(tài)均衡裝置，其特征在于，該裝置除具有電池組容量平衡的主要功能外，還可以在幾乎不增加系統(tǒng)復(fù)雜性的條件下實現(xiàn)如下若干附加功能；檢測修復(fù)功能，將單體電池或子模塊輪流接入負極匯流連線 (402)和備用連線(403)之間或負極匯流連線(602)和備用連線(603)的層級，在該層級對該單體或子模塊進行電壓、內(nèi)阻、容量等測量，對容量較低的單體或子模塊可以及時進行脈沖充電等方式進行現(xiàn)場修復(fù)；失效退出功能，如果某一單體電池或子模塊在輪流檢測過程中顯示電壓、內(nèi)阻、容量等偏離額定值過多并 且無法現(xiàn)場修復(fù)，則斷開該單體電池或子模塊與任何匯流連線的連接從而使其退出負載回路；低負載閑置功能，對燃料電池等低負載有害的系統(tǒng)，總負載低時，斷開部分單體電池或子模塊與主負載回路的連接并停止氧化劑的供應(yīng)從而避免低負載工作造成的損壞；輸出變換功能，將某一或某幾層級的單體電池或子模塊全部分配到其他層級，然后將空置的層級短路或選擇新的匯流連線作為輸出，這種變換可以使電池組的電壓和電流輸出特性與具體的應(yīng)用環(huán)境相匹配。
全文摘要
一種動態(tài)均衡裝置用于對電池組進行充電或放電時的均衡。該裝置解決了現(xiàn)有均衡裝置消耗能量多，均衡能力弱的缺點。該裝置所采用的技術(shù)方案是動態(tài)的改變電池組中各單體電池或子模塊之間的電聯(lián)接方式，也就是改變電池組中的單體電池或子模塊的串并聯(lián)狀態(tài)從而達到使電池組趨于均衡的目的。放電時采集電池組中每一層級的電壓。當電壓差大的時候，將一個單體電池從電壓最高的層級推到電壓最低的層級，當電壓差小的時候，將若干個單體電池或子模塊分時和不同的層級并聯(lián)并使它們與電壓較低的層級并聯(lián)的時間較長，具體時間可以根據(jù)各層級電壓進行比例積分和微分調(diào)節(jié)以使電池組趨向于完全均衡。
文檔編號H02J7/00GK102315658SQ20101022088
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月6日
發(fā)明者谷濤 申請人:谷濤