用于对多个能量存储模块的充电进行均衡的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于对多个耦合的电能存储模块(10)进行主动均衡的系统和方法，模块被控制或者作为要被放电的主模块或者作为要被充电的从模块，并且通过主模块的磁存储元件(2、11、12)的充电来执行所述均衡。本发明专利技术提出了均衡和耦合功能的组合。

System and method for equalizing charging of multiple energy storage modules

The invention relates to a storage module for the plurality of electrical coupling (10) system and method for active equalization, or as a control module is to be discharged or as a main module to be charged from the module, and the module of the main magnetic storage element (2, 11, 12) to the charge perform the equalization. The invention provides a combination of equalization and coupling functions.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电池特别是用于电动或混合动力汽车的电池的均衡充电领域。
技术介绍
当电池被使用，尤其是在电动或混合动力车辆使用时，构成电池(或电能存储模块)的电池单元会经历周期性的充电和放电。各个电池特性的分散，特别是法拉第电流效率的分散，将导致在电池寿命期间的充电不均衡。现在，电池单元必须保持在一个良好定义的工作范围之内。为了保持电池容量，同时延长其使用寿命和安全使用，均衡构成电池的各电池单元是必需的。均衡包括在电池单元之间传输电荷以使得它们都具有相同的充电状态(SOC)以及相同的电压电平。当然，只要一个电池单元处于其操作范围之外，则整个电池都将受到影响。为了保持最佳的电池性能，均衡系统必须对每一个电池单元都发挥作用。知晓各电池单元的充电状态，对于均衡系统来说是有效的。有文献记载，提供了用于均衡电池单元的多种解决方案。这些解决方案可以分为两类：耗散和非耗散。在第一类的情况中，实施方式很简单：充电最多的电池单元的一部分能量被耗散掉，例如通过一个电阻来耗散，这减缓了这些电池单元的充电，由此减缓了整个电池的充电。迄今为止，大多数电池组块或模块具有被动均衡系统。这些系统包括由半导体切换的电阻器，从而基于BMS(电池管理系统)的请求，允许对充电最多的电池单元经由焦耳效应来耗散传输的能量以进行放电。这一系统致力于将充电最多的电池单元拉平至组块或模块中充电程度最浅的电池单元。该系统通常仅在组块或模块被使用之外的充电步骤激活，从而不会对供给耗电应用的能量造成不利影响。该系统还具有过热以及对于在均衡和/或不均衡能量水平方面具有很高要求的应用来说效率很低的缺陷。为了克服这些限制，并与被动系统相反，采用被称为主动或非耗散系统的系统。他们的优势在于均衡能量不会通过焦耳效应被耗散掉，而是将其存储起来并返回至组块或模块中。主动系统类还包括两种能量存储类别，被称为电容和电感系统。例如，专利申请WO-2013/035238，WO-2012/040496和WO-2008/115538描述了共享电感的均衡系统。如图1中描述的实施例涉及被称为共享电感结构的均衡结构。图1示出了三个串联的电池单元，其以功能性示意的方式示出，但应理解的是，也可应用大量的串联连接以及并联连接的电池。本领域技术人员知晓这种结构的主要优点是共享存储不均衡能量的组件。这种结构也很有利，因为它不要求非常复杂的控制电路，只要通过一个电池单元存储至电感的能量能够返回至模块的所有电池单元。该结构是由以下元件组成，如图1所示：-构成电池(或模块)的多个电化学电池单元1，-电池管理系统BMS，-串联设置的一个或多个能量存储电感2，-例如为半导体的可控开关SW，SW上，SW下，优选的是单向电流开关；开关，可控或不可控，SW，SW上和SW下例如可以由场效应管或功率二极管构成；这些可控开关的示例性实施例在图2中示出，这些可控开关SW，SW上和SW下被布置在电池单元1和电感2之间，-一个开关控制电路6，-用于测量电池单元的电压差的电路4，-用于测量电感(多个)的电流的电路3，-用于选择将要放电的电池单元的逻辑5。均衡系统操作顺序如下：-步骤1：接收来自BMS的均衡允许，-步骤2：测量电池单元1的电压差：-步骤3：确定充电最多的电池单元1，-步骤4：命令闭合所选择的充电最多的电池单元1的开关SW，-步骤5：将所选择的充电最多的电池单元放电至电感2直到选择的Imax值(可调参数)，-步骤6：命令断开所选择的充电最多的电池单元的开关SW，-步骤7：电感2完全放电至模块(或组块)的所有电池单元1，-步骤8：重复步骤2，直到检测到所有电池单元的均衡或者在由BMS发出的停止命令的情况下。在一个不同的实施例中，步骤4至7在返回到步骤2之前可被多次执行。如果一个周期(充电+放电)后被放电的电池单元的电压变化非常缓慢并且由此电池电压采集链无法察觉到，这是很有利的。在另一不同的实施例中，可以改变流过电感的最大电流Imax。这有利于该设计更稳健，特别是当达到限制操作条件时，例如当环境温度已经很高的时候。对于不同的电池应用，常见的是将多个模块或组块耦合在一起，特别是并联连接。考虑到组块或模块的并联连接，在市场上提供的系统基本上是手动或半自动切换系统，其具有很高的限制使用条件。当期望增加可获得功率和/或初始组块或模块的能量时，实施组块或模块的并联连接。由于它是由用户而非有资质的技术人员来执行该操作，因此该功能的自动化将是有利的。当若干个模块或组块设置为并联时，首先必须要均衡它们的电压电平，由此，隐含的，必须均衡它们的充电状态(SOC)以在良好的条件下执行电连接操作，尤其是通过防止损坏甚至危及模块或组块的过高瞬时放电电流来实现。但是，主动均衡系统仅允许模块中的电池单元的均衡，而不能对多个耦合的模块或者属于耦合模块的电池单元进行均衡。本专利技术涉及一种用于多个耦合模块的主动均衡的系统，该模块可被控制为主模块以进行放电或者可控制为从模块以进行充电，以及通过主模块的磁性存储元件的充电来执行均衡。本专利技术提出，通过电子结构和控制技术，一方面以较低的成本与其它的组件一起完成均衡和耦合功能，在另一方面，改善或甚至消除上述限制。
技术实现思路
本专利技术涉及一种系统，用于对至少两个耦合的电能存储模块进行充电均衡，每个模块包括至少一个电化学电池单元、具有至少一个磁存储元件的均衡装置、以及用于耦合到其它模块的装置。每个耦合装置包括控制装置，其允许控制所述模块或者作为要被放电的主模块或者作为要被充电的从模块，从而依靠所述主模块的所述磁存储元件、通过所述主模块的至少一个电池单元的放电来实现对所述从模块的至少一个电池单元的充电。根据本专利技术，每个模块控制装置包括两个开关，每个开关的闭合允许电流沿一个方向流动，从而允许所述模块的充电或放电。有利的是，所述均衡系统还包括实现所述模块之间的通信的装置。优选地，所述耦合装置包括主接触器和次接触器。此外，所述耦合装置可以包括连接端子。根据本专利技术的一个方面，每个模块还包括控制均衡充电的电池管理系统。根据本专利技术的一个实施例，所述均衡装置是包含开关装置的共享电感均衡装置，开关装置被致动以进行充电或放电，所述开关装置被设置在电池单元和所述共享电感之间。可替代地，所述磁存储元件包括至少一个变压器。本专利技术还涉及一种混合动力或电动车辆，特别是机动车辆，其包括根据本专利技术的均衡系统。此外，本专利技术涉及用于对至少两个耦合的电能存储模块进行充电均衡的方法，每个模块包括至少一个电化学电池单元、具有至少一个磁存储元件的均衡装置、以及用于耦合到另一模块的装置。对于该方法，执行以下步骤：a)标识要被充电的至少一个模块和要被放电的一个模块，b)控制所述要被放电的模块作为主模块，以及控制所述要被充电的模块为从模块，c)通过所述主模块的所述磁存储元件经由所述主模块的至少一个电池单元的放电来对所述从模块的至少一个电池单元进行充电，从而执行均衡。根据本专利技术，通过测量以及比较各模块的电压来确定被充电或放电的所述模块。优选地，确定所述主模块的至少充电最多的电池单元，并且通过所述主模块的所述充电最多的电池单元的放电来对所述从模块的至少一个电池单元进行充电，从而执行均衡。有利的是，通过致动集成在每个模块的所述耦合装置中的开关装置来控制所述模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对至少两个耦合的电能存储模块(10)进行充电均衡的系统，每个模块(10)包括至少一个电化学电池单元(1)，具有至少一个磁存储元件(2、11、12)的均衡装置，以及用于耦合到其它模块的装置，其特征在于，每个耦合装置包括控制装置(SWa)，其允许控制所述模块或者作为要被放电的主模块被放电或者作为要被充电的从模块，从而通过所述主模块的所述磁存储元件(2、11、12)经由所述主模块的至少一个电池单元的放电来实现所述从模块的至少一个电池单元的充电。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.10 FR 13623581.一种用于对至少两个耦合的电能存储模块(10)进行充电均衡的系统，每个模块(10)包括至少一个电化学电池单元(1)，具有至少一个磁存储元件(2、11、12)的均衡装置，以及用于耦合到其它模块的装置，其特征在于，每个耦合装置包括控制装置(SWa)，其允许控制所述模块或者作为要被放电的主模块被放电或者作为要被充电的从模块，从而通过所述主模块的所述磁存储元件(2、11、12)经由所述主模块的至少一个电池单元的放电来实现所述从模块的至少一个电池单元的充电。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每一个用于控制模块(10)的装置包括两个开关(MA、ES)，每个开关的闭合允许电流沿一个方向流动，以允许所述模块的充电或放电。3.根据任一前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述均衡系统还包括实现所述模块(10)之间的通信的装置(9)。4.根据任一前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述耦合装置包括主接触器(CPP、CPN)和次接触器(CS)。5.根据任一前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述耦合装置包括(+，-)连接端子。6.根据任一前述权利要求所述的系统，其特征在于，每个模块还包括控制均衡充电的电池管理系统(BMS)。7.根据任一前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述均衡装置是包含开关装置(SW、SWb)的共享电感均衡装置(2)，所述开关装置(SW、SWb)被致动以进行充电或放电，所述开关装置(SW、SWb)被设置在...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·珀格南特格罗斯，D·奥泽维斯基，
申请(专利权)人：IFP新能源公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR