用于均衡由N个电能单位串联成一串的装置及其制造方法制造方法及图纸

用于均衡由N个电能单位串联成一串的装置及其制造方法。本发明专利技术涉及制造用于均衡N个电能单位(如电池单体或模块)串联成一串的装置和方法，包括：一个带磁芯和N个绕组的变压器；N个开关电路；N个驱动电路，每个驱动电路以充电配置或放电配置或空载配置打开/关闭相应的开关电路；及一个控制器电路。控制器电路以一种新颖的方式选择每个电能单位用于充电或用于放电或用于空载，并在第一个时间段控制所有被选择用于放电的电能单位以放电配置同时耦合至相应的绕组并同时通电，然后立即或在一个短暂的延迟之后，可在第二个时间段控制所有被选择用于充电的电能单位以充电配置同时耦合至相应的绕组并被充入相应的感应电流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】均衡串联的电能单位
本专利技术涉及串联的电能单位之间的电荷均衡。更具体地说，本专利技术涉及均衡电池串、超级电容器串或等效电能单位串的装置和方法。
技术介绍
本专利技术所指的电能单位通常是可再充电的，并具有直流(DC)电压。同时电能单位还可以包括一个或多个子单位；子单位们可串联或并联或混联成电能单位。例如,电能单位可以是一个电池单体，或者是由多个电池单体串联或并联或联混组成的一个电池模块。对串联的电能单位串进行重新充电需要向整串增加电荷；而均衡电能单位串需要在串中的一些电能单位之间进行电荷的再次分配，但不从外部对串添加任何电荷。“电荷均衡”这一技术术语有时也可被称为“电荷平均”或“电荷再分配”或简称为“均衡”。一个很好的例子是均衡电动汽车或混合动力汽车的锂离子电池串/电池组，因为电池单体的电压、荷电状态(SOC)、容量、内部阻抗等之间的不匹配程度会随着使用次数、温度和时间的增加而增加。电池均衡是电池管理系统(BMS)的关键功能之一。电池均衡器是能够执行电池均衡任务的专用设备。均衡技术有两种基本类型，即耗散均衡和非耗散均衡。耗散均衡有时被称为被动均衡。耗散均衡不能在电能单位之间转移电荷、而只能把多余的电荷以不受欢迎的发热方式耗散掉，一般在对串重新充电时使用。非耗散均衡有时被称为主动均衡。由于本专利技术是基于变压器的一种新颖、高效、低成本的非耗散均衡技术，下面的讨论主要集中在几种基于变压器的非耗散均衡的现有技术方案上。美国专利号8598844(Densham等人)公开了一种均衡多个电池单元的的方法、适于重新充电时采用，其中每个电池单体被耦合至变压器的多个次级绕组中的一个；但是当电池组正在放电时该方法不能均衡这些电池单体。美国专利号8310204(Lee等人)公开了一种通过反激变压器将一个电池单体与其余电池组均衡的方法；但是该方法既不允许将电荷从电池组转移到电池单体，也不允许将电荷从一个电池单体转移到其他一个或多个特定的电池单体。美国专利号7400114(Anzawa等人)公开了一种通过一个共用的变压器来均衡电池串的方法，该变压器包含对应于多个电池单元的多对初级和次级绕组；所有的初级绕组同时被接通和断开，然后通过次级绕组对电压较低的一个或多个电池单元充电。然而，即使电压较高的单体被放电较多、而电压较低的单体被充更较多，但是因为每个单体都会先被放电后被充电，所以效率低。而且可观的电荷能量会通过所有的整流二极管、所有的绕组和其他零件以热的方式耗散掉。该方法也不允许将电荷从一个或多个特定的单体转移到一个或多个其它特定的单体。美国专利号5821729(Schmidt等人)和美国专利号8269455(Marten)公开了类似的方法，每种方法都是通过使用一个共用的变压器来均衡电池串，该变压器包含对应于多个电池单体的多个绕组。通过全桥或半桥配置对每个绕组进行双向驱动。通过一种正激转换器的方式对所有的绕组同时通电，使电荷从具有较高电压的一个或多个单体转移到具有较低电压的一个或多个单体。这些方法不允许选择将电荷从一个或多个特定的单体转移到其他一个或多个特定的单体。电池单体之间的电压差可能是微不足道的(例如，一些锂离子电池的放电曲线的中间部分非常平坦，使得在电池单体之间产生足够的电压差变得不切实际)，因此这些方法对于大多数的实际应用是不切实际的。因为对多个已大致均衡的电能单位进行充电和/或放电时会产生各种不必要的能量损失，需要所有电能单位都参与的非耗散均衡是低效的。因为易操作性和低成本性，串联的超级电容器(亦称为超电容器)最常用的均衡方法是使用泄放电阻器。美国专利号8198870(Zuercher)公开了这种方法；然而，该方法在本质上是被动/耗散均衡方法、不能将多余的电荷转移到需要的地方去。
技术实现思路
[技术问题]均衡电能单位串最有效的方式是同时并直接将电荷从任何一个或多个电能单位转移至另一个或多个电能单位，而不是通过整个串、或串的一个部分、或相邻的电能单位作为中介来转移。然而，没有一个现有的均衡技术方案能通过一个变压器、有选择性地同时将电荷从任何一个或多个电能单位转移至另一个或多个电能单位。现有的非耗散/主动均衡方法不能有效、经济地均衡长串的电能单位，例如，电动汽车或混合动力汽车的电池组经常由100节或更多节的电池串联组成。通常情况下，一个长串被分成多个模块，然后每一个现有的均衡器只能均衡其中一个模块；但是这不能解决模块之间的任何电荷不均衡问题。[问题的解决方案]在本专利技术的一个实施例中，一种用于均衡由N个(其中N＞2)电能单位串联成一串的装置，该装置包括：一个变压器，该变压器包含一个磁芯和对应于N个电能单位的N个绕组；对应于N个电能单位的N个开关电路，每个开关电路包含多个电子开关，以将相应的电能单位以放电配置耦合至相应的绕组，或将相应的电能单位以充电配置耦合至相应的绕组，或将相应的电能单位以空载配置与相应的绕组断开；被分别耦合至N个开关电路的N个驱动电路，每个驱动电路可打开/关闭相应开关电路的电子开关；被耦合至N个驱动电路的控制器电路，可选择每个电能单位用于充电或用于放电或用于空载，可在第一个时间段控制所有被选择用于放电的电能单位以放电配置同时耦合至相应的绕组并同时通电，然后立即或在一个短暂的延迟之后，可在第二个时间段控制所有被选择用于充电的电能单位以充电配置同时耦合至相应的绕组并被充入相应的感应电流。与所有现有技术相比，如上述实施例中所述，本专利技术的新颖性是基于以下各项的组合：基于一个变压器进行均衡；通过该变压器，可以选择性地将电荷从任何一个或多个电能单位转移至另一个或多个电能单位；能够在一个时间段同时对多个绕组(不是所有的N个绕组)进行通电，然后在另一个时间段通过另一个或多个绕组释放所储存的能量(这是一种新颖而独特的能带有多个初级绕组的反激转换器拓扑，而传统的反激转换器只有一个初级绕组)。在本专利技术的另一个实施例中，一种用于均衡由N个(其中N＞2)电能单位串联成一串的装置，该装置包括：一个变压器，该变压器包含一个磁芯，和对应于N个电能单位的N个充电绕组和N个放电绕组；对应于N个电能单位的N个开关电路，每个开关电路包含多个电子开关，以将相应的电能单位以放电配置耦合至相应的放电绕组，或将相应的电能单位以充电配置耦合至相应的充电绕组，或将相应的电能单位以空载配置与相应的充电绕组和放电绕组断开；被分别耦合至N个开关电路的N个驱动电路，每个驱动电路可打开/关闭相应开关电路的电子开关；被耦合至N个驱动电路的控制器电路，可选择每个电能单位用于充电或用于放电或用于空载，可在第一个时间段控制所有被选择用于放电的电能单位以放电配置同时耦合至相应的放电绕组并同时通电，然后立即或在一个短暂的延迟之后，可在第二个时间段控制所有被选择用于充电的电能单位以充电配置同时耦合至相应的充电绕组并被充入相应的感应电流。与所有现有技术相比，如上述实施例中所述，本专利技术的新颖性是基于以下各项的组合：基于一个变压器进行均衡；通过该变压器，可以选择性地将电荷从任何一个或多个电能单位转移至另一个或多个电能单位；能够在一个时间段同时对多个放电绕组(不是所有的N个放电绕组)进行通电，然后在另一个时间段通过一个或多个充电绕组释放所储存的能量(这是一种新颖而独特的能带有多个初级绕组的反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于均衡由N个电能单位串联成一串的装置，其中N＞2，该装置包括：一个变压器，该变压器包含一个磁芯和对应于N个电能单位的N个绕组；对应于N个电能单位的N个开关电路，每个开关电路包含多个电子开关，以将相应的电能单位以放电配置耦合至相应的绕组，或将相应的电能单位以充电配置耦合至相应的绕组，或将相应的电能单位以空载配置与相应的绕组断开；被分别耦合至N个开关电路的N个驱动电路，每个驱动电路能打开/关闭相应开关电路的电子开关；被耦合至N个驱动电路的控制器电路，能选择每个电能单位用于充电或用于放电或用于空载，能在第一个时间段控制所有被选择用于放电的电能单位以放电配置同时耦合至相应的绕组并同时通电，然后立即或在一个短暂的延迟之后，能在第二个时间段控制所有被选择用于充电的电能单位以充电配置同时耦合至相应的绕组并被充入相应的感应电流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.17 US 62/025,4921.一种用于均衡由N个电能单位串联成一串的装置，其中N＞2，该装置包括：一个变压器，该变压器包含一个磁芯和对应于N个电能单位的N个绕组；对应于N个电能单位的N个开关电路，每个开关电路包含多个电子开关，以将相应的电能单位以放电配置耦合至相应的绕组，或将相应的电能单位以充电配置耦合至相应的绕组，或将相应的电能单位以空载配置与相应的绕组断开；被分别耦合至N个开关电路的N个驱动电路，每个驱动电路能打开/关闭相应开关电路的电子开关；被耦合至N个驱动电路的控制器电路，能选择每个电能单位用于充电或用于放电或用于空载，能在第一个时间段控制所有被选择用于放电的电能单位以放电配置同时耦合至相应的绕组并同时通电，然后立即或在一个短暂的延迟之后，能在第二个时间段控制所有被选择用于充电的电能单位以充电配置同时耦合至相应的绕组并被充入相应的感应电流。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：为了启动一个均衡过程，控制器电路在N个电能单位中选择M个单位用于放电，其中1≤M<N；在剩余的N–M个电能单位中，选择K个单位用于充电，其中1≤K≤N–M；如果N-M-K≥1，选择所有剩余的N-M-K个电能单位用于空载；为了对M个被选择用于放电的电能单位进行放电，控制器电路在一个时间段控制M个相应的驱动电路同时以放电配置接通M个相应的开关电路，使得M个相应的绕组被耦合至M个被选择用于放电的电能单位并同时被通电；然后立即或在短暂延迟之后，为了对K个被选择用于充电的电能单位进行充电，控制器电路在另一个时间段控制K个相应的驱动电路同时以充电配置接通K个相应的开关电路，使得K个被选择用于充电的电能单位被耦合至K个相应的绕组以被充入相应的感应电流；如果需要从M个被选择用于放电的电能单位向K个被选择用于充电的电能单位转移更多的电荷，控制器电路重复上述先放电后充电的循环。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：在其中进行一个或多个均衡过程，直到控制器电路或外部控制器电路确定一个均衡目标已经实现。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：均衡目标从以下一个或多个目标中选择，包括：N个电能单位之间电压的近似均衡；N个电能单位之间荷电状态的近似均衡；N个电能单位之间某一所选参数的近似均衡。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：每个电能单位都从以下任一单位中选择，包括：电池单体；超级电容器单体；由多个电池单体串联或并联或混联而成的电池模块；由多个超级电容器单体串联或并联或混联而成的超级电容器模块；其他形式的电能单体；由多个其他形式的电能单体串联或并联或混联而成的电能模块。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：对于所有的N个电能单位而言，电能单位的额定电压与相应绕组的匝数的比率是相同的。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所有N个电能单位在标称上是相同或等效的。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：每个开关电路的每个电子开关是一个晶体管或一个二极管或一个等效器件。9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个开关电路包括：第一个场效应晶体管；第二个场效应晶体管，当相应的驱动电路仅打开第一个场效应晶体管和第二个场效应晶体管时会形成放电配置，从而将相应的绕组耦合至相应的电能单位以被通电；第三个场效应晶体管，当相应的驱动电路关闭第一个场效应晶体管、第二个场效应晶体管和第三个场效应晶体管时会形成空载配置，从而使相应的电能单位与相应的绕组断开以导致相应的电能单位空载；一个二极管，当相应的驱动电路仅打开第三个场效应晶体管时会与这个二极管一起形成充电配置，从而将相应的电能单位耦合至相应的绕组以充入感应电流。10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个开关电路包括：第一个场效应晶体管；第二个场效应晶体管，当相应的驱动电路仅打开第一个场效应晶体管和第二个场效应晶体管时会形成放电配置，从而将相应的绕组耦合至相应的电能单位以被通电；第三个场效应晶体管；第四个场效应晶体管，当相应的驱动电路关闭第一个场效应晶体管、第二个场效应晶体管、第三个场效应晶体管和第四个场效应晶体管时会形成空载配置，从而使相应的电能单位与相应的绕组断开以导致相应的电能单位空载；第四个场效应晶体管仅在第二个时间段中的部分时间内被来自相应的驱动电路的伪同步整流器驱动信号所打开；当相应的驱动电路仅打开第三个场效应晶体管时会与部分打开的第四个场效应晶体管一起形成充电配置，从而将相应的电能单位耦合至相应的绕组以充入感应电流；可选的第一个肖特基二极管，与第三个场效应晶体管的体二极管并联耦合以回收更多存储在相应绕组漏电感中的能量；可选的第二个肖特基二极管，与第四个场效应晶体管的体二极管并联耦合以提高均衡效率。11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：每个驱动电路包括：多个场效应晶体管的栅极驱动器；一个或多个电平转换器；一个充电/放电/空载选择电路；一个或多个电源；可选...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文伟，
申请(专利权)人：贝能思科技有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US