專利名稱：電池單元平衡方法及裝置的制作方法
電池單元平衡方法及裝置
背景技術(shù)：
在(混合)電動車中，大量串聯(lián)連接的電池用于產(chǎn)生高電壓以驅(qū)動發(fā)動機。為了使電池單元壽命(以及汽車的行駛里程)最大化，充電狀態(tài)(SoC)應(yīng)該維持在電池單元之間的均衡水平。SoC是指單元中剩余電荷的百分比，在單元最后一次完全充滿時單元中具有100%的電荷。當(dāng)串聯(lián)連接成串的電池單元充電時，它們 都接收相同水平的電流。因此，原則上單元在充電后應(yīng)該具有相同SoC。但是，在電池單元之間存在失配，例如對泄漏電流的敏感性，以及將電流轉(zhuǎn)換為化學(xué)儲能的效率。因此，電池單元的SoC在充電后不會相同。如果不采取措施，這種差異會隨著每個充電/放電周期增大，導(dǎo)致電池壽命的減少。SoC的這種差異可能導(dǎo)致電池單元在使用過程中過放電或者在充電過程中過充電。對于有些化學(xué)電池來說，例如鋰離子電池，過充電或過放電可能導(dǎo)致?lián)p壞電池單元。例如，滿充電的鋰離子單元通常具有與電解質(zhì)擊穿閾值電壓(在該電壓下可能損壞單元)接近的充電電壓。如果單元過充電到電壓超過電解質(zhì)擊穿閾值電壓，單元可能損壞。為了防止這種損壞，串聯(lián)耦合單元的電池組通常包括單元平衡電路，用于在串聯(lián)耦合的單元之間均衡SoC。通過在使用或充電過程中平衡單元的SoC，可以防止單元過充電或過放電。單元平衡電路可以分為兩類無源和有源。在無源單元平衡電路中，能量從具有較高SoC的單元抽出并通過電阻性電路作為熱量耗散。在充電時，也可以通過電阻性電路將電流選擇性地路由繞過具有較高SoC的單元，以避免對該單元進(jìn)一步充電。無源單元平衡電路也可以稱為耗散單元平衡電路，并且在本文中可以交換使用這些術(shù)語。耗散單元平衡電路使用較少的硬件，通常每個單元僅需要電阻器和晶體管，但是典型地以熱量形式浪費倉tfi。有源單元平衡電路將能量從具有較高SoC的單元轉(zhuǎn)移到具有較低SoC的單元。典型地，通過儲能元件(例如電容器或電感器)間接執(zhí)行單元之間的能量轉(zhuǎn)移。有源單元平衡電路也可以稱為非耗散單元平衡電路，并且在本文中可以交換使用這些術(shù)語。有源單元平衡電路能節(jié)約能量，但是由于電感器和/或電容器的成本，以及需要額外布線以在單元之間轉(zhuǎn)移能量，該電路通常更加昂貴。隨著有源平衡電路所平衡的單元數(shù)量增加，互連這些單元所需要的布線的長度和數(shù)量也增加。由于互連布線使得電池組的結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，并且由于互連布線可能攜帶高電壓而帶來潛在的安全風(fēng)險，因此不期望使用互連布線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個或多個實施例可以解決一個或多個上述問題。在一個實施例中，設(shè)置有儲能單元裝置。所述裝置包括串聯(lián)耦合的多個電池單元，和多個第一電路，耦合到所述多個單元的相應(yīng)子集。每個第一電路配置為在單元的所述相應(yīng)子集的單元之間轉(zhuǎn)移能量以平衡所述相應(yīng)單元子集的儲能。第二電路，耦合到所述多個單元的所述子集。第二電路包括多個可開關(guān)的電阻性路徑，每個電阻性路徑可開關(guān)地并聯(lián)耦合到所述多個單元的所述子集中的相應(yīng)一個子集，以在所述多個單元的所述子集之間平衡儲能。在另一實施例中，提供了電路裝置，用于管理具有串聯(lián)耦合的多個單元的電池的儲能。所述裝置包括多個非耗散單元平衡電路，每個非耗散單元平衡電路耦合到所述多個單元的相應(yīng)子集并配置為在所述子集中的單元之間平衡儲能。耗散單元平衡電路耦合到每個非耗散單元平衡電路，并配置為在所述多個單元的相應(yīng)子集之間平衡儲能。在另一實施例中，提供了一種電池模塊。所述電池模塊包括串聯(lián)耦合的多個電池單元，以及單元平衡電路，耦合到所述多個單元的每一個。單元平衡電路配置為在單元之間對儲能進(jìn)行重新分配，以平衡單元儲能。耗散電路耦合到多個單元的序列的每個端部處的端子，并配置為響應(yīng)于控制信號在電阻性閉環(huán)中耗散串聯(lián)耦合的所有所述多個單元的能量。


·以上討論不試圖描述各個實施例或每種實現(xiàn)方式。通過閱讀下文的詳細(xì)描述以及參照附圖，可以更完整地理解多個示例性實施例，在所述附圖中圖I示出了實現(xiàn)混合單元平衡結(jié)構(gòu)的示例性電池；圖2示出了利用兩層分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元平衡的示例；圖3示出了在單元平衡前后的仿真示例的充電狀態(tài)(SoC)的分布；圖4示出了在圖3提供的有源模塊內(nèi)單元平衡前后在平均SoC與最低充電單元的SoC之間的差異的分布；圖5示出了圖3提供的有源模塊內(nèi)單元平衡的節(jié)能；圖6示出了示例性的電池單元的三層分層結(jié)構(gòu)；圖7示出了采用圖6所示的三層分層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)混合單元平衡架構(gòu)的示例性電池；圖8示出了電阻型無源單元平衡電路的示例性實現(xiàn)方式；圖9示出了電感型有源單元平衡電路的示例性實現(xiàn)方式；以及圖10示出了電容型有源單元平衡電路的示例性實現(xiàn)方式。
具體實施例方式盡管本公開可以有多種修改和可選形式，可以通過附圖中的示例示出其示例并進(jìn)行詳細(xì)描述。但是，應(yīng)當(dāng)理解，這些描述的目的不是將本公開限制于所示出和/或描述的具體實施例。相反，這些描述的目的是覆蓋落入本公開精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同物以及替換。在一個或多個實施例中，電池組實現(xiàn)為具有無源和有源單元平衡電路二者的分層結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，電池組中多個串聯(lián)耦合的單元細(xì)分為多個單元子集，并布置為單元子集和平衡電路的分層結(jié)構(gòu)。在分層結(jié)構(gòu)的較低層上，利用相應(yīng)的有源單元平衡電路在每個子集中單元之間平衡能量。在分層結(jié)構(gòu)的頂層，利用無源單元平衡電路在子集之間平衡
倉tfi。圖I示出了實現(xiàn)混合單元平衡結(jié)構(gòu)的示例性電池。在所述示例中，將電池組100的多個串聯(lián)耦合的電池單元和平衡電路配置成兩層的分層結(jié)構(gòu)。多個電池單元細(xì)分為電池單元的一些子集104。為了便于引用，每個子集可以稱為電池模塊。在分層結(jié)構(gòu)的較低層，利用有源單元平衡電路執(zhí)行模塊內(nèi)單元平衡，在分層結(jié)構(gòu)的頂層，利用無源單元平衡電路執(zhí)行模塊間平衡。除了單元子集104之外，每個模塊102還包括有源單元平衡電路106，配置為在子集104的單元之間平衡能量。無源模塊平衡電路110耦合到模塊102，并配置為在模塊之間平衡能量。無源平衡電路包括多個電阻性路徑112，每個電阻性路徑可以可開關(guān)地并聯(lián)耦合到相應(yīng)的模塊102.。模塊平衡控制電路114配置為確定每個模塊的SoC，并控制開關(guān)電阻性路徑112以在多個模塊102之間平衡能量。圖2示出了利用兩層分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元平衡的示例。在所述示例中，6個串聯(lián)耦合的單元布置成兩個模塊202和204，每個模塊包含具有3個電池單元的子集。狀態(tài)200示出了處于不平衡狀態(tài)的模塊202和204。每個單元下面相應(yīng)的長條以每個長條下面指示的數(shù)值指示出充電狀態(tài)(SoC)。狀態(tài)210示出了已經(jīng)用有源單元平衡電路對每個模塊202和204中的單元進(jìn)行平衡之后的SoC。作為單元平衡結(jié)果，模塊202中的每個單元具有相同的SoC值4，模塊204中的每個單元具有相同的SoC值5。狀態(tài)220示例性說明了在利用無源平衡電路在模塊之間平衡能量之后的完全平衡狀態(tài)。如上所述，在無源平衡中，能量從具有較高SoC的單元耗散，直到這些單元與具有 最低SoC的單元具有相同的SoC。類似地，能量從具有最高SoC的處理模塊204耗散，直到所述模塊具有與模塊202相同的充電狀態(tài)。作為無源平衡結(jié)果，兩個模塊中的每個單元具有相同的SoC值4。在以上示例中使用的SoC值可以不表示在實踐中遇到的實際值。此外，還示出了在完成有源平衡之后執(zhí)行的無源平衡。實際上，基于模塊的平均充電狀態(tài)，模塊間無源平衡可以與模塊內(nèi)有源平衡同時執(zhí)行。圖I所示的混合單元平衡系統(tǒng)表現(xiàn)出了有源單元平衡電路在減少電路復(fù)雜性和成本的同時所具有的高平衡效率。該平衡過程的功率效率遠(yuǎn)高于完全無源單元平衡電路的功率效率，并接近于有源單元平衡表現(xiàn)出的功率效率。作為說明性示例，如果采用完全無源單元平衡來平衡圖2所示的示例非平衡狀態(tài)200，能量會從單元耗散，直到所有的單元的SoC值為1，即非平衡狀態(tài)200中的最低充電狀態(tài)。如果使用純有源單元平衡系統(tǒng)，則每個單元期望得到的SoC值為4. 5，即所有單元的整體平均SoC值。由于無源平衡電路比較簡單，可以用較少的附加電路實現(xiàn)無源模塊間平衡。因為無源模塊間平衡電路不需要在所有模塊之間互連，每個模塊上的互連電路的數(shù)量和端子數(shù)量減少，導(dǎo)致更少和更便宜的組件，并且從電池組抽出的熱量更少。相反，如果對模塊進(jìn)行互連以在模塊之間實現(xiàn)有源單元平衡電路，則采用較長的高壓布線來互連模塊，從而可能帶來安全問題。通過減少互連數(shù)量，平衡電路的總成本可以顯著地減少并改善安全性。通過在模塊內(nèi)層上實現(xiàn)有源單元平衡以及在模塊間層上實現(xiàn)無源單元平衡，可以在實質(zhì)上減小實現(xiàn)成本的情況下實現(xiàn)與有源平衡表現(xiàn)出來的效率接近的效率?？梢酝ㄟ^統(tǒng)計分析來說明混合平衡系統(tǒng)的效率。假設(shè)所有單元的電容相等，則單元電壓變成SoC的線性函數(shù)。Vcell = α + β · SoC為了簡單起見，每個單元中的儲能定義為Ecell = Vcell通過使用該簡化的能量定義，單元的平均能量變?yōu)?br> 權(quán)利要求
1.一種儲能單元裝置，包括 串聯(lián)耦合的多個電池單元； 多個第一電路，每個第一電路耦合到所述多個單元的相應(yīng)子集，并配置為在單元的所述相應(yīng)子集的單元之間轉(zhuǎn)移能量，以平衡單元的所述相應(yīng)子集的儲能；以及 第二電路，耦合到所述多個單元的所述子集，該第二電路包括多個可開關(guān)的電阻性路徑，每個電阻性路徑可開關(guān)地并聯(lián)耦合到所述多個單元的所述子集中的相應(yīng)一個子集，以在所述多個單元的所述子集之間平衡儲能。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的儲能單元裝置，其中所述多個第一電路是在單元的所述相應(yīng)子集的單元之間平衡儲能的電感型電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的儲能單元裝置，其中所述多個第一電路是在單元的所述相應(yīng)子集的單元之間平衡儲能的電容型電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的儲能單元裝置，其中所述多個第一電路的每個包括 第一子電路集合，所述第一子電路集合的每個子電路耦合到所述多個單元的與所述第一電路相對應(yīng)的相應(yīng)子集的相應(yīng)第二子集，每個子電路配置為在所述相應(yīng)第二子集的單元之間轉(zhuǎn)移能量，以在所述相應(yīng)第二子集的單元之間平衡儲能；以及 第二子電路，耦合到每個第一子電路，并配置為在單元的所述第二子集之間轉(zhuǎn)移能量，以在單元的所述第二子集之間平衡儲能。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的儲能單元裝置，其中 第一子電路是在單元之間平衡儲能的第一類型電路； 第二子電路是在單元的所述第二子集之間平衡儲能的第二類型電路；以及 第一和第二類型的平衡電路中的一個類型是電容型，所述第一和第二類型中的另一類型是電感型。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的儲能單元裝置，其中第一子電路和第二子電路是在單元之間平衡儲能的電容型電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的儲能單元裝置，其中第一子電路和第二子電路是在單元之間平衡儲能的電感型電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的儲能單元裝置，其中可開關(guān)地并聯(lián)耦合到所述多個單元的所述子集中的相應(yīng)一個子集的每個電阻性路徑在該電阻性路徑上不包含所述子集中的其他子集。
9.一種電路裝置，用于管理具有串聯(lián)耦合的多個單元的電池的儲能，該電路裝置包括 多個非耗散單元平衡電路，每個非耗散單元平衡電路耦合到所述多個單元的相應(yīng)子集，并配置為在該子集中的單元之間平衡儲能；以及 耗散單元平衡電路，耦合到每個非耗散單元平衡電路，并配置為在所述多個單元的所述相應(yīng)子集之間平衡儲能。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電路裝置，其中所述多個非耗散單元平衡電路是配置為在單元的所述相應(yīng)子集的單元之間平衡儲能的電感型單元平衡電路。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電路裝置，其中所述多個非耗散單元平衡電路是配置為在單元的所述相應(yīng)子集的單元之間平衡儲能的電容型單元平衡電路。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電路裝置，其中 每個非耗散單元平衡電路和單元的相應(yīng)子集布置在包括至少第一較低層級和第二較高層級的分層結(jié)構(gòu)中； 第一較低層級包括所述相應(yīng)子集的多個第二子集和被耦合以平衡相應(yīng)第二子集的單元的多個非耗散單元平衡子電路；以及 第二較高層級包括耦合到每個非耗散單元平衡子電路的另一非耗散平衡子電路，所述另一非耗散平衡子電路配置為在所述相應(yīng)子集的所述多個第二子集之間平衡能量。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電路裝置，其中 所述多個非耗散單元平衡子電路是在單元之間平衡儲能的第一類型電路； 所述另一非耗散單元平衡子電路是在單元的所述第二子集之間平衡儲能的第二類型電路；以及 第一和第二類型的平衡電路中的一個類型是電容型非耗散單元平衡電路，所述第一和第二類型中的另一類型是電感型非耗散單元平衡電路。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電路裝置，其中所述多個非耗散單元平衡子電路和所述另一非耗散單元平衡子電路是在單元之間平衡儲能的電容型非耗散單元平衡電路。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電路裝置，其中所述多個非耗散單元平衡子電路和所述另一非耗散單元平衡子電路是在單元之間平衡儲能的電感型非耗散單元平衡電路。
16.—種電池模塊,包括 串聯(lián)耦合的多個電池單元； 單元平衡電路，耦合到所述多個單元的每個單元，并配置為在所述單元之間對儲能進(jìn)行再分配，以在所述單元之間平衡儲能；以及 耗散電路，耦合到所述多個單元的序列的每個端部處的端子，并且該耗散電路配置為響應(yīng)于控制信號來在電阻性閉環(huán)中耗散串聯(lián)耦合的所有所述多個單元的能量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池模塊，其中單元平衡電路是電感型非耗散單元平衡電路。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池模塊，其中單元平衡電路是電容型非耗散單元平衡電路。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池模塊，其中所述電池模塊配置為從耦合到多個類似的電池模塊的外部平衡控制電路接收所述控制信號。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池模塊，其中單元平衡電路配置為相對于另一類似模塊的儲能，根據(jù)所述電池模塊的儲能產(chǎn)生所述控制信號。
全文摘要
在一個實施例中，提供了一種儲能單元裝置。所述裝置包括串聯(lián)耦合的多個電池單元以及耦合到該多個單元的相應(yīng)子集的多個第一電路。每個第一電路配置為在單元的所述相應(yīng)子集之間轉(zhuǎn)移能量，以平衡單元的所述相應(yīng)子集的儲能。第二電路，耦合到該多個單元的所述子集。第二電路包括多個可開關(guān)的電阻性路徑，每個電阻性路徑可開關(guān)地并聯(lián)耦合到所述多個單元的所述子集中的相應(yīng)一個子集，以在該多個單元的所述子集之間平衡儲能。
文檔編號H02J7/00GK102761155SQ20121012399
公開日2012年10月31日 申請日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者約翰尼斯·范拉莫林 申請人:Nxp股份有限公司