用于平衡電力電池組元件的充電的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于平衡電力儲存裝置(2)的充電的裝置(3)，所述電力儲存裝置(2)包括數(shù)個串聯(lián)連接的電儲存元件(Et1、…Etk)，所述裝置(3)包括：具有電流限制的兩個DC/DC變換器(30i)，每個變換器都具有：用于接收變換器的輸出電壓設(shè)定值的輸入端，待連接到各個儲存元件(Eti)的端子的輸入端，待連接到電網(wǎng)絡(luò)(6)的輸出端，所述電網(wǎng)絡(luò)具有調(diào)節(jié)為電平低于儲存裝置(2)端子處的電壓的電壓；和控制模塊(4)，所述控制模塊確定連接到輸入端的元件(Eti)各自的剩余電荷，并將較高的電壓設(shè)定值施加到連接到具有最高剩余電荷的元件的變換器。
【專利說明】用于平衡電力電池組元件的充電的裝置
[0001]本發(fā)明涉及一種用于使用電化學(xué)蓄電池的動力電池的充電平衡裝置。
[0002]高性能直流電壓電氣系統(tǒng)正在經(jīng)歷重大發(fā)展。實際上，許多運輸系統(tǒng)包括直流電壓電源。
[0003]燃燒/電動混合動力車輛或電動車輛具有高功率電池組。這類電池組通過逆變器用來驅(qū)動交流電動機。這類電動機所需的電壓電平高達(dá)幾百伏，一般為400伏的等級。這類電池組通常還具有高容量，以有利于電動模式下車輛的續(xù)航。
[0004]為了獲得功率和容量的高數(shù)值，將數(shù)個蓄電池的組串聯(lián)布置。級數(shù)(蓄電池的組數(shù))和每極中并聯(lián)連接的蓄電池數(shù)根據(jù)電池組所需的電壓、電流和容量而改變。數(shù)個蓄電池的關(guān)聯(lián)被稱為蓄電池組。用于這類車輛的電化學(xué)蓄電池通常為鋰離子型蓄電池，這是由于其以有限的重量和體積儲存大量能量的能力。由于高的固有安全水平，磷酸鐵鋰(LiFePCM)型電池組正在經(jīng)歷重大發(fā)展，對有些落后的能量儲存密度不利。電化學(xué)蓄電池通常具有以下等級的標(biāo)稱電壓:
[0005]對于磷酸鐵鋰LiFeP04技術(shù)而言為3.3V,
[0006]對于基于基于氧化鈷的鋰離子型技術(shù)而言為4.2V。
[0007]本發(fā)明還可以應(yīng)用于超級電容器。
[0008]蓄電池的充電或放電分別導(dǎo)致其端子處的電壓升高或降低。認(rèn)為蓄電池在其電壓已經(jīng)達(dá)到由其電化學(xué)過程限定的電壓電平時充電或放電。在使用數(shù)個蓄電池級的電路中，流過各級的電流相同。因此級的充電或放電水平取決于蓄電池的固有特性。由于不同蓄電池之間的制造、老化、組裝和操作溫度的不同而在充電或放電期間出現(xiàn)級之間的電壓差。
[0009]對于基于鋰離子技術(shù)的蓄電池，被稱為閾值電壓的過高或過低的電壓可能損壞或破壞這種蓄電池。例如，基于氧化鈷的鋰離子蓄電池的過度充電可能導(dǎo)致其熱失控或者起火。對于基于磷酸鐵的鋰離子蓄電池，過度充電可能導(dǎo)致縮短其使用壽命或者損壞蓄電池的電解質(zhì)分解。例如，當(dāng)負(fù)極由銅制成時，導(dǎo)致低于2V電壓的過大放電主要導(dǎo)致負(fù)極集電器的氧化，從而導(dǎo)致蓄電池的退化。因此，出于安全性和可靠性的原因，需要在蓄電池充電和放電時監(jiān)控蓄電池每個級的端子處的電壓。監(jiān)控裝置由此通常在每個級上并聯(lián)布置，并且使得能夠?qū)崿F(xiàn)該功能。
[0010]監(jiān)控裝置的功能是追蹤蓄電池每個級的充電(或剩余電荷)和放電的狀態(tài)，并向控制電路發(fā)送信息，以在一個級已達(dá)到其閾值電壓時停止電池組的充電或放電。然而，在具有數(shù)個串聯(lián)連接的蓄電池級的電池組中，如果在被最多充電的級達(dá)到其閾值電壓時停止充電，則可能發(fā)生其它級尚未完全充電。相反，如果在被最多放電的級已經(jīng)達(dá)到其閾值電壓時停止放電，則可能發(fā)生其它級尚未完全放電。于是在這種情況下，沒有利用蓄電池每個級的能力。這體現(xiàn)了在具有有高續(xù)航限制的嵌入式電池組的運輸類應(yīng)用中的主要問題。為了解決該問題，監(jiān)控裝置通常與充電平衡裝置相關(guān)聯(lián)。
[0011]平衡裝置具有如下功能:優(yōu)化電池組的充電，并且由此通過使串聯(lián)連接的蓄電池的級處于相同的充電狀態(tài)和/或放電狀態(tài)來優(yōu)化電池組的續(xù)航。有兩類平衡裝置:被稱為能量耗散裝置的平衡裝置和被稱為能量傳遞裝置的平衡裝置。[0012]利用能量耗散平衡系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)移已經(jīng)達(dá)到閾值電壓的一個或更多個級的充電電流并且通過使能量在電阻器中耗散，使級端子處的電壓相同。作為變化方案，通過使已經(jīng)達(dá)到高電壓閾值的級中之一放電，使級端子處的電壓相同。
[0013]然而，這類能量耗散平衡系統(tǒng)具有以下主要缺點:消耗比對電池組充電所需的能量多的能量。實際上，需要對數(shù)個蓄電池放電或轉(zhuǎn)移數(shù)個蓄電池的充電電流，使得最后的或稍少充電的蓄電池可以完成其充電。所耗散的能量由此可能會比仍然需要進(jìn)行的充電水平的能量大得多。此外，它們以熱的形式耗散多余的能量。這與集成到運輸型嵌入式應(yīng)用中的限制不相容，且在溫度升高時導(dǎo)致蓄電池的使用壽命大大縮短。
[0014]能量傳遞平衡系統(tǒng)本身在輔助電池組或輔助能量網(wǎng)絡(luò)和蓄電池的級之間交換能量。
[0015]能量傳遞可以是單向的，從電池組到級或從級到電池組，或者是雙向的，從電池組到級并且從級到電池組或從相鄰的級到相鄰的級。
[0016]為了限制能量轉(zhuǎn)移期間的損失，本申請的申請日之前未公布的專利申請F(tuán)R11/51724描述了改善的平衡裝置。該文件提出使用基于反激變換器原理的結(jié)構(gòu)，通過充電狀態(tài)和/或容量較高級的放電以及從被稱為動力電池的蓄電池電池組到車輛的輔助網(wǎng)絡(luò)的能量傳遞來確保蓄電池的級的平衡。因此，可以避免使用需要從高壓電池組為低電壓輔助網(wǎng)絡(luò)供電的buck變換器。此外，可以只通過平衡裝置為輔助網(wǎng)絡(luò)供電，而無需使用輔助電池組。
[0017]為了簡化并聯(lián)連接的平衡裝置的調(diào)節(jié)，該裝置被單獨控制。因此，具有最高容量和/或充電狀態(tài)的蓄電池級對輔助網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)能量。單獨操作平衡裝置需要有效的平衡裝置來提供輔助裝置網(wǎng)絡(luò)上所需的所有能量。因而必須相應(yīng)地完成將平衡裝置按大小分類。
[0018]為了減小并分配由每個平衡裝置提供的電能，一些文件例如專利US4717833提出同時使用不同的平衡裝置。該文件提出使用一種調(diào)節(jié)方法的操作，所述調(diào)節(jié)方法提供在平衡裝置之間共享電流以防止特定變換器由于變換器之間的差異必須比其它變換器做更多的工作。該文件提出了一種并聯(lián)連接的變換器的互相依賴的控制方法。該控制方法通過每個變換器且在每個變換器上實施電流的測量和電壓的測量，并且利用變換器之間的互連總線。互連總線使得能夠在變換器之間交換關(guān)于分享電流的信息。
[0019]因此，調(diào)節(jié)回路互相依賴并必須同步。變換器之間的這種物理連接必須對寄生噪聲不敏感，且絕不會導(dǎo)致變換器在其處于打開狀態(tài)或短路時停止工作。此外，這種物理連接必須根據(jù)級或元件之間具有高幅度的不同電壓電平的存在按大小分類。因此，這種操作在其開發(fā)和其制造方面是復(fù)雜和昂貴的。
[0020]本發(fā)明致力于解決這些缺點中的一個或更多個。本發(fā)明因此涉及一種用于平衡電力儲存裝置的充電的裝置，所述電力儲存裝置包括數(shù)個串聯(lián)連接儲存元件，所述平衡裝置包括:
[0021]-具有電流限制的至少兩個DC/DC變換器，每個具有:
[0022]-用于接收變換器的輸出電壓設(shè)定值的輸入端；
[0023]-待連接到各個儲存元件的端子的輸入端；
[0024]-待連接到電網(wǎng)絡(luò)的輸出端，所述電網(wǎng)絡(luò)具有調(diào)節(jié)為電平低于儲存裝置端子處的電壓的電壓；[0025]-控制模塊:
[0026]-確定連接到所述輸入端的元件各自的剩余電荷；
[0027]-將較高的電壓設(shè)定值施加到連接到具有最高剩余電荷的元件的變換器。
[0028]根據(jù)一個變化方案，每個變換器包括在其輸出端處的電流傳感器和在其輸出端處的電壓傳感器。
[0029]根據(jù)又一個變化方案，每個變換器包括用于調(diào)節(jié)施加到其輸出端的電壓的調(diào)節(jié)回路，所述調(diào)節(jié)回路與通過變換器在其輸出端處提供的電流成比例地降低該電壓的設(shè)定值。
[0030]根據(jù)另一個變化方案，控制模塊配置為將相同的電壓設(shè)定值施加到至少兩個變換器。
[0031]根據(jù)又一個變化方案，控制模塊對每個變換器產(chǎn)生與其確定的剩余電荷成比例的電壓設(shè)定值。
[0032]根據(jù)一個變化方案，控制模塊產(chǎn)生有差別的且根據(jù)相同的電壓增量階躍的電壓設(shè)定值。
[0033]根據(jù)又一個變化方案，由控制模塊分配電壓設(shè)定值的分級對應(yīng)于確定的剩余電荷的分級。
[0034]根據(jù)另一個變化方案，變換器包括變壓器，其一次繞組以電橋的形式連接在由控制模塊以脈沖寬度調(diào)制控制的四個開關(guān)之間。
[0035]根據(jù)另一個變化方案，變壓器是中抽式變壓器(midpoint transformer),其二次繞組連接在由控制模塊控制的兩個開關(guān)之間，二次繞組包括連接到變換器的輸出端的中點。
[0036]本發(fā)明還涉及一種電力系統(tǒng)，其包括:
[0037]-如上文所限定的充電平衡裝置；
[0038]-電力儲存裝置，其包括數(shù)個電儲存元件，這些元件連接到充電平衡裝置的各個變換器；
[0039]-電網(wǎng)絡(luò)，其連接到充電平衡裝置的輸出端，且具有調(diào)節(jié)為電平低于儲存裝置端子處的電壓的電壓。
[0040]根據(jù)一個變化方案，電壓的設(shè)定值包括在所述網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)電壓的范圍中。
[0041]根據(jù)另一個變化方案，控制模塊配置為:
[0042]-獲取由平衡裝置向網(wǎng)絡(luò)提供的電流的測量值；
[0043]-根據(jù)獲取的電流測量值推斷儲存元件中每一個的剩余電荷。
[0044]根據(jù)又一個變化方案，儲存裝置是具有電化學(xué)蓄電池的動力電池。
[0045]根據(jù)又一個變化方案，動力電池的標(biāo)稱電壓為網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的標(biāo)稱電壓的至少六倍。
[0046]本發(fā)明還涉及一種包括如上文所限定的系統(tǒng)的機動車輛，其中，網(wǎng)絡(luò)是用于對外圍裝置供電的輔助電力網(wǎng)絡(luò)，其調(diào)節(jié)電壓的范圍為10.5V至14V。
[0047]根據(jù)以并非窮舉的說明給出的以下描述并參照附圖，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點應(yīng)變得更加清楚，在附圖中:
[0048]-圖1是實施本發(fā)明的電力系統(tǒng)的一個實例的示意圖；
[0049]-圖2示出平衡裝置的變換器所使用的測量的一個實例；
[0050]-圖3是示出平衡裝置的第一變化方案在沒有電池組連接到輔助網(wǎng)絡(luò)的端子時的工作的圖；
[0051]-圖4是其調(diào)節(jié)能夠合并到平衡裝置的第三變化方案中的變換器的示意圖；
[0052]-圖5是示出平衡裝置的第三變化方案在沒有電池組連接到輔助裝置的端子時的操作的圖，不同變換器的設(shè)定值電壓在電流強度變化期間沒有重疊；
[0053]-圖6是示出第三變化方案的工作的圖，不同變換器的設(shè)定值電壓重疊；
[0054]-圖7是連接到輔助網(wǎng)絡(luò)的電池組的等效電路圖；
[0055]-圖8是示出平衡裝置的第三變化方案在輔助網(wǎng)絡(luò)的端子處具有電池組時該電池組再充電期間的工作的圖；
[0056]-圖9是示出平衡裝置的第三變化方案在輔助網(wǎng)絡(luò)的端子處具有電池組時該電池組放電期間的工作的圖；
[0057]-圖10示出了能夠合并到變換器中的轉(zhuǎn)換電路的一個特別有利的實例。
[0058]圖1是包括動力電池2的電力系統(tǒng)I的示意圖。電池組2包括k個級Et1至Etk，形成k個串聯(lián)電連接的電儲存元件(k至少等于2，優(yōu)選至少等于3)。每個級i有利地包括η個并聯(lián)電連接的蓄電池Am至AtnOi至少等于2)。電力供應(yīng)系統(tǒng)I還包括電池組2的充電平衡裝置3。跨過電池組2的正極端子和負(fù)極端子的電壓具有通常在100V至750V的范圍的值，例如400V的等級。電池組2旨在用于例如通過連接到逆變器的端子來供應(yīng)混合或電動車輛的電動機，且有利地與這種車輛的金屬框架絕緣。
[0059]平衡裝置3包括配置為連接到每個級或元件Eti的端子的連接接口。平衡裝置3還具有配置為連接到輔助網(wǎng)絡(luò)6的連接接口，例如車載電網(wǎng)絡(luò)，其電壓通常調(diào)節(jié)為接近12V的值。該調(diào)節(jié)電壓可以在例如10.5V至14V的范圍內(nèi)變化。該調(diào)節(jié)電壓通常為電池組2端子處電壓的至多六分之一。
[0060]平衡裝置3包括變換器SO1至30k，例如電池組2的每個級一個變換器。也可以為電池組2數(shù)個串聯(lián)連接的級提供一個變換器。變換器301至30,有利地為絕緣的。變換器SO1至30k可以是單向或雙向變換器。如下文所描述的，變換器SO1至30k用于提供電池組2的級Eti的平衡和對輔助網(wǎng)絡(luò)6的供電兩者，分別施加輸出電壓vsl至vsk和輸出電流強度il至ik。變換器SO1至30k中每一個的輸出端連接到輔助網(wǎng)絡(luò)6以將同樣的電勢差Vaux施加到輔助網(wǎng)絡(luò)6的端子。
[0061]平衡裝置3還包括連接到變換器30i的控制模塊4。輔助電池組5(或電容器或超級電容器)有利地連接到網(wǎng)絡(luò)6的端子。
[0062]圖2提供了變換器SO1至30k用來實施本發(fā)明的信息的更詳細(xì)的說明。每個變換器30i獲取(通過內(nèi)部測量或通過例如由控制模塊4給出的測量)在其輸出端處的電壓值Vaux (與其輸出電壓vsi相同)和所述變換器在其輸出端處對輔助網(wǎng)絡(luò)6給出的電流強度值ii。輔助負(fù)載(61、62、63)，例如空調(diào)單元、汽車收音機等連接到網(wǎng)絡(luò)6。每個變換器還獲取由控制模塊4提供的電壓設(shè)定值Vi。
[0063]變換器SO1至30k設(shè)計為電流上受限的電壓源。變換器30i具有以Iimax表示的電流極限值。
[0064]控制模塊4確定(通過測量或以如下問所描述的計算)電池組2的不同級Eti的剩余電荷?？刂颇K4尤其可以通過確定級的充電狀態(tài)和級的容量來確定該級的剩余電荷?？刂颇K4對其級被確定為最多充電的變換器產(chǎn)生高于其它變換器的電壓設(shè)定值。[0065]本發(fā)明提出的調(diào)節(jié)方法從網(wǎng)絡(luò)6和可能的輔助電池組5的電壓電平的容差中得至|J，所述輔助電池組的標(biāo)稱電壓可以從大約10.5V到14V變化(分別對應(yīng)于圖5中所示的值 Vauxmax 和 Vauxmin)。
[0066]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，施加到變換器SO1至30k的電壓設(shè)定值Vi由根據(jù)由控制模塊4限定的優(yōu)先順序的該范圍所限定。實際上，蓄電池的級Et1至Etk根據(jù)例如是其剩余電荷函數(shù)的順序由控制模塊4分類。將電壓設(shè)定值Vi分配給每個變換器30it)級Eti的剩余電荷越高，由控制模塊4分配給該級的變換器30i的電壓設(shè)定值Vi越高。
[0067]根據(jù)第一變化方案，其控制圖在圖3中示出，變換器30i的電壓設(shè)定值Vi固定在預(yù)定電平。預(yù)定電平可以以相同的電壓增量階躍。
[0068]在所示實例中，控制模塊4對級Eti確定剩余電荷的以下分類:
[0069]Et1>Et4>Et3>Et6>.....>Et2>Etk
[0070]因此，控制模塊4根據(jù)以下分級將預(yù)定電平分配給電壓設(shè)定值Vi:
[0071]..>\>\
[0072]其中，VauxmaxXViXVauxmintj
[0073]在圖3、5、6中的圖中，電池組5未連接到網(wǎng)絡(luò)6。
[0074]從圖3中的圖中可以看出，電壓設(shè)定值Vi為最高的變換器30i自動且優(yōu)先地對網(wǎng)絡(luò)6上的電流iaux做出 貢獻(xiàn)。
[0075]在第一實例中(圓點箭頭)，由網(wǎng)絡(luò)6請求的電流Iaux小于極限值11_。變換器30!因而給出電流Iaux的總量，并將其輸出電壓Vsl (明顯對應(yīng)于其電壓設(shè)定值VI)指定為網(wǎng)絡(luò)6上的電壓Vaux。由于其它變換器的電壓設(shè)定值低于電壓Vaux，所以這些其它變換器對電流Iaux并無貢獻(xiàn)。
[0076]在第二實例(短劃線箭頭)中，由網(wǎng)絡(luò)6請求的電流Iaux大于極限值Ilmax但低于極限值11_+14_。因為Iaux大于極限值Ilmax，所以輸出電壓Vsl下降至低于電壓設(shè)定值VI，直到其達(dá)到輸出電壓Vs4的電平(明顯對應(yīng)于電壓設(shè)定值V4)為止。變換器301給出其電流Il = 11_。由于低于Vl的電壓設(shè)定值V4，變換器304給出電流14作為補償，使得Iaux= IU+Ho因為其它變換器的電壓設(shè)定值低于電壓Vaux，所以這些其它變換器對電流Iaux并無貢獻(xiàn)。
[0077]因此，每當(dāng)iaux超過電流強度的閾值(對應(yīng)于其極被最多充電和/或其容量為最高的變換器的電流強度極限值的總和)，電壓Vaux下降，新變換器自動對電流iaux做出其貢獻(xiàn)。本發(fā)明使得能夠通過優(yōu)先使最多充電的級放電在不同級之間分配電流，從而有助于平衡級之間的充電。此外，這種平衡通過對網(wǎng)絡(luò)6供電獲得，這種平衡電流的使用因而被優(yōu)化以限制由損耗造成的不必要損失。此外，這類平衡裝置3不需要在變換器處相互依賴的、復(fù)雜的調(diào)節(jié)回路。另外，它避免了必須使用適應(yīng)于不同級的電壓電平的復(fù)雜的通信接口。
[0078]控制模塊4根據(jù)確定的剩余電荷的發(fā)展來修改電壓設(shè)定值Vi。下文詳細(xì)描述監(jiān)測剩余電荷的實例。
[0079]在所示實例中，變換器3(^都具有同樣的電流強度極限值Iimax。包含不同電流強度極限值Iimax的變換器30i當(dāng)然可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)使用。
[0080]有利地，每個變換器30i具有電流傳感器301，以能夠?qū)崿F(xiàn)電流限制功能。將電流傳感器301集成到每個變換器30i中，意味著不需要提供該信息從控制模塊4到不同變換器3(^的通信。
[0081]有利地，每個變換器30i具有電壓傳感器302，以能夠?qū)崿F(xiàn)電壓調(diào)節(jié)回路。將電壓傳感器302集成到每個變換器30i中，意味著不需要提供該信息從控制模塊4到不同變換器30i的通信。變換器30i中的這類調(diào)節(jié)回路并不相互依賴。
[0082]根據(jù)未示出的第二變化方案，變換器30i的電壓設(shè)定值的數(shù)值vi與其級的剩余電荷成比例地固定。對于其端子處的電壓根據(jù)其剩余電荷而極大變化的蓄電池，變換器3(^的電壓設(shè)定值的數(shù)值vi可以有利地與在變換器輸入端處測量的電壓成比例地固定。
[0083]在第一和第二變化方案中，電壓設(shè)定值Vi都具有有差別的電平，以防止應(yīng)該具有相同電壓設(shè)定值的兩個變換器之間對網(wǎng)絡(luò)6電流貢獻(xiàn)的可能的不確定性。
[0084]圖4示出了具有能夠合并到根據(jù)第三變化方案的平衡裝置3中該調(diào)節(jié)的變換器
30,的一個實例。在該變化方案中，正的內(nèi)電阻電路集成到每個變換器中，以引起測量的輸出電壓中與變換器輸出電流成比例的電壓下降。因此，用同樣的電壓設(shè)定值控制的變換器均勻地分配其對電流iaux的貢獻(xiàn)。
[0085]變換器30i包括有利地包括電流隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換電路303。變換器SOi還包括調(diào)節(jié)電路310。調(diào)節(jié)電路310產(chǎn)生循環(huán)率a i，其數(shù)值根據(jù)分別由傳感器301和302測量的值ii和Vaux在從O到I的范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)電路310將其循環(huán)率a i的設(shè)定值應(yīng)用到轉(zhuǎn)換電路 303。
[0086]調(diào)節(jié)電路310包括調(diào)節(jié)電壓Vaux并且包括倍增器311和加法器或加法單元312的慢回路。倍增器311將倍增器系數(shù)G應(yīng)用到電流ii。加法器312計算在倍增器311輸出端處的電壓值Vaux的總數(shù)。加法器312的輸出端使得能夠根據(jù)提供的電流ii來調(diào)節(jié)輸出電壓vsi的減少。加法器312的輸出端應(yīng)用到減法器313的逆變器輸入端。設(shè)定值vi應(yīng)用到減法器313的非逆變器輸入端。減法器313因而產(chǎn)生輸出電壓誤差信號δν。
[0087]調(diào)節(jié)電路310包括調(diào)節(jié)電流強度ii并且包括校正器314、減法器315和校正器316的快回路。校正器314根據(jù)輸出電壓誤差信號δ V準(zhǔn)備電流設(shè)定值Iref。校正器314具有將值Iref的變化限制在預(yù)定范圍的限制器。校正器314可以是任何已知類型的，例如比例-積分類型的。減法器315從電流設(shè)定值Iref中減去測量的電流ii以產(chǎn)生電流誤差信號Si。校正器316根據(jù)電流誤差信號Si準(zhǔn)備循環(huán)率ai。校正器316具有將值ai的變化限制在預(yù)定范圍的限制器。校正器316可以是任何已知類型的，例如比例-積分類型的。
[0088]圖5的圖示出了第三變化方案的第一實施方案。在該實施方案中，在調(diào)節(jié)回路中由正電阻電路引起的電壓降低于電壓設(shè)定值的兩個連續(xù)電平之間的差。此處電壓設(shè)定值Vl與電壓設(shè)定值V4相同。
[0089]在第一實例(以圓點箭頭示出)中，網(wǎng)絡(luò)6請求低于Ilmax+I4max的電流Iaux。變換器SO1和304各自給出相同的電流Il和14。輔助網(wǎng)絡(luò)的電壓Vaux因為由正電阻電路引起的電壓降而略低于VI。
[0090]在第二實例(以短劃線箭頭示出)中，網(wǎng)絡(luò)6請求大于Ilmax+I4max但小于Il_+I4max+I3max的電流Iaux。變換器SO1和304各自給出相同的電流Ilmax和14_。變換器303給出補償電流13,使得此處Iaux等于Ilmax+I4max+I3。
[0091]一旦已經(jīng)達(dá)到電流強度Ilmax+I4max，其它變換器30i就在每個電流強度的閾值處相繼進(jìn)行電壓跳變。電壓電平Vaux由所示特征曲線Vaux = f (Iaux)來確定。
[0092]圖6的圖示出了第三變化方案的第二實施方案。在該實施方案中，在調(diào)節(jié)回路中由正電阻電路引起的電壓降大于電壓設(shè)定值的兩個連續(xù)電平之間的差。此處電壓設(shè)定值Vl與電壓設(shè)定值V4相同。
[0093]在重疊區(qū)域，使變換器根據(jù)電壓設(shè)定值、電壓Vaux和內(nèi)阻值來操作。例如，對于從零電流到對應(yīng)于點A電流的范圍內(nèi)的電流Iaux，變換器SO1和304各自給出相同的電流Il和14。
[0094]對于從點A到點B范圍的電流Iaux，變換器SO1和304給出根據(jù)電壓設(shè)定值、電壓Vaux和內(nèi)阻分配的電流。點A被定義為電壓Vaux等于電壓V3的點。點B被定義為電壓Vaux 等于 Vl_Ri*Ilmax 的點。變換器 3(^ 和 304 各自給出等于(Vl-Vaux)/Ri = (V4_Vaux)/Ri的電流，其中Ri是內(nèi)阻。這些電流在圖6中以Il2和142表示。變換器303給出電流補償，即I32 = Iaux-1l2-H20電流強度的值由單獨考慮的每個貢獻(xiàn)變換器的特征V = f (I)(由于可讀性的原因未示出)和給定操作點的電壓電平Vaux之間的交點進(jìn)行推斷。
[0095]對于從點B到點C范圍的電流Iaux，變換器SO1和304各自給出相同的電流I Imax和14_。點C被定義為電壓Vaux等于電壓V6的點。變換器303給出補償電流13，使得此處 Iaux 等于 Ι1ΜΧ+Ι4眶+13。
[0096]控制模塊4有利地包括流過網(wǎng)絡(luò)6的電流Iaux的傳感器。控制模塊4因而可以由施加到每個變換器30i的設(shè)定值電壓和測量的電流Iaux推斷每個變換器30i的輸出電流。電流Iaux還能夠通過由控制模塊4執(zhí)行的網(wǎng)絡(luò)6上電壓Vaux的簡單測量來推斷?？刂颇K4實際上能夠由Vaux = f (Iaux)推斷電流Iaux。 [0097]利用對每個變換器30i根據(jù)其輸出電流的效率的充分了解，可以由推斷的輸出電流計算由其級Eti給出的電流和由此的該級Eti的剩余電荷。
[0098]當(dāng)電池組2的級包括在充電方面具有非常平坦的電壓模式的電化學(xué)蓄電池時，以通過計算的這種方式確定級Eti的放電是特別有利的。例如，鋰離子LiFePCM型蓄電池在其充電方面的電壓模式是特別平坦的，且不能通過測量其端子處的電壓來精確地確定其充電。
[0099]當(dāng)輔助電池組5或輔助電儲存裝置連接到網(wǎng)絡(luò)6的端子時，調(diào)節(jié)裝置3的工作能夠相應(yīng)地適應(yīng)?？刂颇K4因此能夠使不同電平的電壓設(shè)定值vi適應(yīng)于輔助電池組5的電壓，以實施該輔助電池組的再充電或放電。在該配置中，電壓設(shè)定值vi還包括在輔助電池組5操作電壓的范圍內(nèi)。根據(jù)級Eti的剩余電荷的分級，還將設(shè)定值vi的電平分級分配給變換器30it)
[0100]電池組5通過圖7的電路圖建模。電池組5被認(rèn)為包括空載電壓vbat和串聯(lián)電阻rs。該電阻rs被視為在充電和放電中具有同樣的值。為了簡化平衡裝置3的操作結(jié)合電池組5的分析，描述會基于具有特征電壓的線性特征V = f (I)的變換器30it)
[0101]為了使平衡裝置3的操作與電池組5結(jié)合，本發(fā)明有利地使用具有正內(nèi)阻的變換器30it)變換器30i的特征曲線Vsi = f (Ii)的斜率可以根據(jù)電池組5的特征和/或該電池組5所需的充電/放電速度動態(tài)地調(diào)節(jié)。
[0102]電壓設(shè)定值Vi的電平會被讀出，使得電壓設(shè)定值中至少一個大于電池組5的電壓vbat以進(jìn)行其充電。為了借助于變換器30i的組對電池組5充電，電壓設(shè)定值中每一個都大于電壓vbat。
[0103]電壓設(shè)定值vi的電平會降低，使得所有電壓設(shè)定值都低于電池組5的電壓vbat以進(jìn)行Eti中的放電。
[0104]圖8示出了這種平衡裝置3通過僅一部分變換器30i在電池組5的再充電期間的操作模式。實線曲線對應(yīng)于沒有電池組5時變換器30i的特征。短劃線曲線對應(yīng)于具有電池組5時變換器30i的特征。圓點曲線對應(yīng)于沒有變換器30i時電池組5的特征。
[0105]對于輔助電流Iaux，由變換器30i給出的電流等于電流Iconv，由電池組吸收的電流等于Ibat (按照慣例適用于發(fā)電機)。電池組5因此被充電。當(dāng)輔助電流Iaux增大時通過電池組5的充電電流Ibat減小。當(dāng)變換器30i都已經(jīng)達(dá)到其電流極限時，輔助電池組5給出電流。
[0106]變換器之間的電流分布取決于其電壓設(shè)定值Vi。對于圖8中示出的情況，與級Et1相關(guān)聯(lián)的變換器SO1給出其最大電流11_。與級Et3相關(guān)聯(lián)的變換器303給出電流補償，即13 = Iconv-1Imax。實際上，網(wǎng)絡(luò)6上的電壓Vaux低于變換器303的電壓設(shè)定值V3。
[0107]如果期望輔助電池組5應(yīng)當(dāng)給出被網(wǎng)絡(luò)6吸收的一部分電流Iaux而不被再充電，無論給網(wǎng)絡(luò)6的電流Iaux如何(例如當(dāng)電池組5的充電狀態(tài)是最大時)，那么具有最高剩余電荷的級的變換器的電壓設(shè)定值應(yīng)當(dāng)?shù)陀诨虻扔谳o助電池組5的開路電壓或空載電壓。
[0108]這種操作在圖9中示出。實線曲線對應(yīng)于在電池組5的存在下變換器30i的特征曲線。短劃線曲線對應(yīng)于沒有電池組5時變換器3(^的特征。圓點曲線對應(yīng)于沒有變換器SOi時電池組5的特征。
[0109]與級Et1 (顯示最高剩余電荷)相關(guān)聯(lián)的變換器SO1的電壓設(shè)定值Vl已經(jīng)選擇為等于電壓vbat。因此，當(dāng)輔助電流不為零時，輔助電流Iaux由輔助電池組5和變換器共同給出。如果電壓設(shè)定值Vl選擇為大于電壓vbat，則電流Iaux會僅由輔助電池組5給出，直到網(wǎng)絡(luò)6的電壓Vaux達(dá)到電壓設(shè)定值Vl。
[0110]對于電流Iaux，由變換器30i給出的電流等于電流Iconv，且由電池組5給出的電流等于Ibat (按照慣例適用于發(fā)電機)。電池組5因此有利于給出網(wǎng)絡(luò)6上的電流Iaux的一部分。當(dāng)電流Iaux增大時，電流Ibat增大。變換器SOi之間的電流分布依賴于其電壓設(shè)定值vi。對于圖9中示出的情況，與級Et1相關(guān)聯(lián)的變換器SO1給出低于其極限值Ilmax的電流II。實際上，電壓Vaux大于變換器303的電壓設(shè)定值V3。
[0111]控制模塊4可以借助于上文詳細(xì)描述的測量和計算推斷級Eti的剩余電荷?？刂颇K4必須僅具有電池組5的可用剩余電荷，以進(jìn)行級Eti的剩余電荷的推斷。從電池組5中提取的電荷還能夠通過測量電流Iaux進(jìn)行推斷?？紤]到電池組5的剩余電荷和溫度是已知的，電壓傳感器的使用使得能夠估計電流Iaux和電流Ibat。
[0112]圖10示出了對根據(jù)本發(fā)明的平衡裝置特別有利的轉(zhuǎn)換電路303的一個實例。轉(zhuǎn)換電路303包括連接到輸入連接接口的輸入濾波器FE。濾波器FE的輸出端連接到全橋逆變器0P。全橋逆變器包括受控開關(guān)Ml、M2、M3和M4。轉(zhuǎn)換電路303還包括具有中點接地二次繞組的變壓器TPM。變壓器TPM具有連接到開關(guān)Ml至M4之間的橋的一次繞組EP。開關(guān)Ml至M4由控制模塊4以脈沖寬度調(diào)制控制，以確定輸出電壓的電平。轉(zhuǎn)換電路303還具有包括受控開關(guān)M5和M6的同步整流器。二次繞組ES連接在開關(guān)M5和M6之間。
[0113] 中點接地的變壓器TPM用于使二次繞組處的開關(guān)數(shù)量最小化以獲得信號整流。受控開關(guān)Ml至M6由控制模塊4控制。這些受控開關(guān)Ml至M6可以具有如下說明的結(jié)構(gòu):并聯(lián)連接的具有續(xù)流二極管D的nMOS晶體管型TM。這類開關(guān)M5和M6必須優(yōu)選地取代借助于二極管的整流，以使轉(zhuǎn)換電路303的效率最大化。
[0114]輸出濾波器FS具有在二次繞組的中點與開關(guān)M5和M6共有的節(jié)點之間連接的其輸出端。濾波器FS的輸出端形成轉(zhuǎn)換電路303的輸出接口。
[0115]雖然沒有示出，但是電力系統(tǒng)I有利地具有用于測量和監(jiān)測蓄電池級Eti的端子處電壓的裝置。
【權(quán)利要求】
1.一種用于平衡電力儲存裝置(2)的充電的裝置(3)，所述電力儲存裝置(2)包括數(shù)個串聯(lián)連接的電儲存元件(Etp…Etk)，其特征在于，所述裝置(3)包含: -具有電流限制的至少兩個DC/DC變換器GOi)，每個都具有: -用于接收所述變換器的輸出電壓設(shè)定值的輸入端； -待連接到各個儲存元件(Eti)的端子的輸入端； -待連接到電網(wǎng)絡(luò)(6)的輸出端，所述電網(wǎng)絡(luò)(6)具有調(diào)節(jié)為電平低于所述儲存裝置(2)端子處的電壓的電壓； -控制模塊⑷: -確定連接到所述輸入端的所述元件(Eti)各自的剩余電荷； -將較高的電壓設(shè)定值施加到連接到具有最高剩余電荷的元件的變換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于平衡充電的裝置(3)，其中，每個變換器(30J包括在其輸出端處的電流傳感器(301)和在其輸出端處的電壓傳感器(302)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于平衡充電的裝置(3)，其中，每個變換器(30J包括用于調(diào)節(jié)施加到其輸出端的電壓的調(diào)節(jié)回路(310)，所述調(diào)節(jié)回路與通過所述變換器在其輸出端處提供的電流成比例地降低該電壓設(shè)定值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的用于平衡充電的裝置(3)，其中，所述控制模塊(4)配置為將相同的電壓設(shè)定值施加到至少兩個變換器(3(^30》。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的用于平衡充電的裝置(3)，其中，所述控制模塊(4)對每個變換器產(chǎn)生與其確定的剩余電荷成比例的電壓設(shè)定值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的用于平衡充電的裝置(3)，其中，所述控制模塊(4)產(chǎn)生有差別的且根據(jù)相同的電壓增量階躍的電壓設(shè)定值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于平衡充電的裝置(3)，其中，由所述控制模塊(4)分配電壓設(shè)定值的分級對應(yīng)于確定的剩余電荷的分級。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的用于平衡充電的裝置(3)，其中，所述變換器包括變壓器(TPM)，其一次繞組(EP)以電橋的形式連接在由控制模塊(4)以脈沖寬度調(diào)制控制的四個開關(guān)之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于平衡充電的裝置，其中，所述變壓器(TPM)是中抽式變壓器，其二次繞組(ES)連接在由所述控制模塊(4)控制的兩個開關(guān)之間，所述二次繞組(ES)包括連接到所述變換器的輸出端的中點。
10.一種電力系統(tǒng)(1)，其包括: -根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的充電平衡裝置(3)； -電力儲存裝置(2)，其包括數(shù)個電儲存元件，這些元件連接到所述充電平衡裝置(3)的各個變換器； -電網(wǎng)絡(luò)出)，其連接到所述充電平衡裝置的輸出端，且具有調(diào)節(jié)為電平低于所述儲存裝置(2)端子處的電壓的電壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，電壓設(shè)定值(Vi)包括在所述網(wǎng)絡(luò)(6)的調(diào)節(jié)電壓的范圍中。
12.根據(jù)權(quán)利要求10至11中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述控制模塊(4)配置為: -獲取由所述平衡裝置(3)向所述網(wǎng)絡(luò)(6)提供的電流的測量值；-根據(jù)獲取的電流測量值推斷所述儲存元件(Eti)中每一個的剩余電荷。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述儲存裝置(2)是具有電化學(xué)蓄電池的動力電池。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述動力電池的標(biāo)稱電壓為所述網(wǎng)絡(luò)(6)調(diào)節(jié)的標(biāo)稱電壓的至少六倍。
15.一種包括根據(jù)權(quán)利要求10至14中任一項所述的系統(tǒng)的機動車輛，其中，所述網(wǎng)絡(luò)(6)是用于對外圍裝 置供電的輔助網(wǎng)絡(luò)，其調(diào)節(jié)電壓的范圍為10.5V至14V。
【文檔編號】H02J7/00GK103947066SQ201280053398
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月31日
【發(fā)明者】西爾萬·梅西埃, 達(dá)尼埃爾·沙特魯, 馬蒂厄·德斯伯-勒諾丹, 勞倫特·卡尼爾 申請人:原子能和替代能源委員會