能量存儲單元裝置、電池組和單元平衡方法
【專利說明】
[0001] 本申請是2011年6月24日申請的，名稱為"201110173001. 2"發(fā)明專利申請的分 案申請
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及多單元（multiple-cell)電源應用中的電感性單元平衡（inductive cell balancing)。這些單元（cell)可為電池單元（battery cell)或電容器（超級電容 器）單元。尤其感興趣的一個例子是用于電動車電池組（battery pack)中的單元。
【背景技術(shù)】
[0003] 在（混合）電動車中，大量串聯(lián)連接的電池被用于產(chǎn)生高壓來驅(qū)動電動機。為了 電池單元（以及車輛的驅(qū)動范圍）的最優(yōu)使用壽命，所有電池單元的充電狀態(tài)（SoC)通常 應是相同的。當串聯(lián)連接串中的單元充電時，它們?nèi)烤邮障嗤碾娏鳎栽瓌t上它們 在充電后應該處于相同的SoC。然而，電池單元之間始終存在失配，比如，泄漏電流以及將電 流轉(zhuǎn)化為化學儲能的效率。因此，電池單元的SoC在充電后將不會相同。如果不采取任何 措施，則差異會隨著每次充電/放電周期而增加。
[0004] 為了保持所有的電池單元的SoC盡可能等同，單元平衡電路通常被添加到（混合） 電動車的高壓電池組中。
[0005] 在這個應用中，以下詞用于描述高壓電池組中的各個部分。圖1示出了電池組的 簡化框圖，組件定義如下：
[0006] "單元（cell) " 10或"電池單元" 10為基本組件。依據(jù)化學性和SoC，電壓典型地 為 2. 5-4. 2V。
[0007] "分部（section) " 12為共享多個電子單元平衡組件的一組單元10。示出了兩個 分部12a，12b-一僅分部12b示出了組成單元10。依賴分部12中單元10的數(shù)目、單元化 學性和SoC，電壓典型地為5-17V。
[0008] "模塊（module) " 14為一組分部12。示出了兩個模塊14a，14b--僅模塊14b示 出了組成分部12a，12b。電壓通常選為"安全電壓"，即，高達60V。
[0009] "分片（slice) " 16為一組串聯(lián)連接的模塊，其產(chǎn)生與整個電池組相同的電壓。示 出了兩個分片16a，16b--僅分片16a不出了組成模塊14a，14b。電壓依賴應用，范圍在 100V 到 600V 中。
[0010] "組（pack) "或"電池組" 18為一組并聯(lián)連接的分片16,其構(gòu)成用于應用中的整個 電池。并聯(lián)連接提高了電池組的能量容量和電力性能，而非它的電壓。在很多應用中，電池 組18僅包括單個分片16。根據(jù)應用，電壓在范圍100V到600V中（與分片電壓相同）。
[0011] 圖2到4示出了目前使用的單元平衡的三個不同的方法。
[0012] 圖2示出了無源單元平衡器。在這種方法中，通過在具有最高電荷的單元10上開 關(guān)電阻器20,來簡單地（部分地）對單元10放電。因為這不是能量高效的，所以這個方法 主要用于混合電動車中，這是由于發(fā)動機能向電池組提供足夠的能量來保持驅(qū)動范圍在可 接受的水平上。
[0013] 對于沒有內(nèi)部內(nèi)燃機的電動車，圖3和圖4的方法更加有效。
[0014] 圖3示出了電容性系統(tǒng)。通過電容器30使電荷在兩個相鄰的單元10之間移動。如 果所有的電容器在它們的單元之間移動得足夠頻繁，那么所有單元中的電荷將變得相等。
[0015] 圖4為基于電感器和變壓器的一類系統(tǒng)的例子。最高充電單元10通過開關(guān)42連 接到電感器40。電感器中的電流將隨著時間上升。在預定量的時間之后，斷開開關(guān)42。由于 電感器中的電流不能即時改變時，所以電流將發(fā)現(xiàn)一條經(jīng)過二極管的路，該二極管與（較 低電壓單元的）其他開關(guān)并聯(lián)?，F(xiàn)在電流將為其它電池單元充電，直到電流衰減到（幾乎 為）零并且二極管停止導通。
[0016] 圖5示出了電感性單元平衡分部必須如何組合以形成長鏈。
[0017] 兩個分部12a，12b共享一個電池單元50, 一個分部12b的最高單元用作下一分部 12a的最低單元（"下一"分部意為處于較高電壓的下一分部）。其它的組件在分部之間不 共享。
[0018] 總體上，分部M最低單元也是分部M-I的最高單元。通過應用這種規(guī)則，可以創(chuàng)建 任意長的鏈。對于N個電池單元的鏈，圖5的系統(tǒng)需要N-I個電感器，因此，在長鏈中（比 如100個單元），大致上每個電池單元需要一個電感器。
[0019] 圖2的系統(tǒng)具有的最大優(yōu)點在于，由于它不需要任何的電容器、電感器或變壓器， 所以它具有非常低的成本。圖3和圖4的系統(tǒng)中電池單元的串聯(lián)鏈的每一分部大體上需要 一個電抗性組件，因此更昂貴。但是，它們卻具有較高效率的優(yōu)點。由于電阻性方法消耗 掉除了最低充電單元之外的其他所有單元的所有過量電能，所以電阻性方法具有〇%的效 率。電容性系統(tǒng)消耗掉其平衡的單元的能量差異的50%。電感性系統(tǒng)的效率幾乎可以是 100%〇
[0020] 與電阻性解決方案相比，電感性解決方案的具體問題是組件的成本。
[0021] 因此，需要尋求電路成本和效率之間的平衡的單元平衡方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能量存儲單元裝置、電池組和單元平衡方 法。
[0023] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是一種能量存儲單元裝置，包括： 單元串聯(lián)裝置，包括至少三個單元；單個電感器具有兩個端，其配置為在所述至少三個單元 中的第一單元和第二單元間傳遞能量；以及開關(guān)裝置配置為在控制在所述第一單元和第二 單元間傳遞能量；其中所述開關(guān)裝置是可控的，使得當所述能量存儲單元裝置操作時，所述 開關(guān)裝置能將所述電感器出〇)的一端連接到單元端子的第一集合中的任一單元端子，以 及將所述電感器出〇)的另一端連接到單元端子的第二集合中的任一單元端子，其中所述 第一集合和第二集合共同構(gòu)成所述單元串聯(lián)裝置的所有單元端子；其中所述第一集合的單 元端子均不同于所述第二集合的單元端子；所述第一集合中每個單元端子經(jīng)由所述開關(guān)裝 置可連接至所述電感器的一端，并且所述第二集合中每個單元端子經(jīng)由所述開關(guān)裝置可連 接至所述電感器的另一端。
[0024] 在一實施例中，所述開關(guān)裝置包括在每個單元端子和電感器端子之一之間的相應 開關(guān)、以及與每個開關(guān)并聯(lián)的相應二極管。
[0025] 在一實施例中，所述開關(guān)裝置包括在每個單元端子和電感器端子之一之間的相應 開關(guān)，在每個電感器端子和頂部單元端子之間的相應二極管、以及在每個電感器端子和底 部單元端子之間的相應二極管。
[0026] 在一實施例中，所述開關(guān)裝置包括到電感器端子之一的輸入處的第一三路開關(guān)、 到電感器另一端子的輸入處的第二三路開關(guān)、以及在每個單元端子和兩個三路開關(guān)之間的 相應開關(guān)，其中，所述第一、第二三路開關(guān)被控制以使每個相應開關(guān)被連接到電感器端子中 的一個或另一個。
[0027] 在一實施例中，所述開關(guān)包括在所述電感器端子之一和頂部單元端子之間的第 一二極管、以及在所述電感器另一端子和底部單元端子之間的第二二極管。
[0028] 在一實施例中，上述裝置還包括控制器，適于：識別電荷要被移除的一個單元或多 個單元；控制所述開關(guān)裝置以從識別的一個單元或多個單元傳遞能量到電感器；以及控制 所述開關(guān)裝置以從電感器傳遞能量到另外的一個單元或多個單元。
[0029] 本發(fā)明還提出一種電動車電池單元組，包括如上所述的一個或多個電池單元裝 置。
[0030] 本發(fā)明還提出一種在包括單元串聯(lián)裝置的能量存儲單元裝置中執(zhí)行單元平衡的 方法，所述能量存儲單元裝置包括至少三個單元、在所有單元之間