电池单元转换器管理系统技术方案

披露了一种电池单元转换器（BCC）单元，该单元包括一个或多个被耦合到一个或多个DC/DC转换器的能量储存电池单元。管理单元可以监测和控制每个电池单元的充电和放电；包括监测每个单元的电压和充电状态，以及控制DC/DC转换的开关。组合电能和单元开关算法优化了电池单元的充电和放电过程。还披露了一种混合电池单元转换器系统，该系统包括一系列的BCC堆叠以实现高效率的转化器输出电压。新提议的电池单元转换器体系结构将改善电池组使用效率，增加电池组每次充电的可使用时间，延长电池组的使用寿命并且降低电池组的制造成本。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及从多个电池单元构建一个电池组的系统和方法，所述多个电池单元耦合或结合到多个用于可充电电池的电压/电流转换器单元。2.相关技术的描述随着高能电池供电应用需求的增加，多单元电池组的需求已经急速增长。多单元被需要服务于某些电池应用的高容量/能量需求。在一个多单元电池组中，串联连接的单元通常不止一个。例如，一个由四个I. 2伏特电池单元相串联的电池组提供一个4. Sv标称电压(图I)。诸如用于膝上型轻便电脑的电池组的其他应用可能具有4个相串联的3. 6伏特电池单元(图2)以提供一个14. 4v的标称电池组输出电压。此外，两个这样的4单元串·列可以并联以将容量从2000毫安培小时(mAh)增加至4000毫安培小时。这个结构通常在业内被称为4S2P，或4单元串联2并联。目前，受欢迎的用于手持设备、电脑、电动工具等的多单元可充电电池组都相当昂贵，其价格取决于单元数量和它们各自在所述组中的容量从30美元至300美元不等，乃至达到上千美元。一个电池单元会因为过度充电至一个高电压或过度放电到一个低电压而损坏。这种情况特别适用于锂离子和基于锂聚合物的电池。高电压和低电压的分界点一般分别约为4.2v和2. 7v。图3中示出了锂离子电池的属性。在电池放电至约2. 7-3. Ov时，电池可能迅速衰亡(dies out)并且可能还会受损。因此，重要的是提供一种具有智能电池管理系统的可充电电池组，所述智能电池管理系统便于对一个电池组中的电池单元进行过充电、过放电、超温保护和SOC(充电状态)监测。进一步的好处是因为如下事实电池单元的过充电、过放电可能导致电池容量的减少，更短的电池寿命，甚至诸如火灾和爆炸之类的危险情况。对多单元电池组进行充电/放电的一个关键挑战与所述电池组中的电池单元由于制造容差导致的非均一性有关。存在一种以上的电池单元不匹配。参见图4b，电池单元组40包括电池单元41、42和43。电池单元42具有比电池单元41和43低的容量，这一点在图4b以一个用于电池单元42的较小的“桶尺寸”来象征性地表示。在完全充电后，电池单元42在运作过程中相比电池单元41以及电池单元43来说将提供更少的电荷。在一个包括单元410、420和430的电池单元组400中，单元410和430已充满电，而单元420没有完全充电。因此，在单元410、430和420之间存在SOC不匹配。一个最弱的电池往往易于限制整个电池组单位的总体容量。因此，需要特殊的制造过程来确保更严格的容差。一种这样的特殊制造过程包括根据电池单元的容量属性对其进行装仓和分组。电池组将使用来自相同仓的单元。然而，这样的额外步骤增加了生产成本。而且，单元之间的不匹配在充放电周期后增加了，这种情况减少了在工厂装仓的好处。未经历昂贵的装仓过程的工厂在电池单元的收益受到严重冲击。此外，对于不符合技术要求的单元的处置会增加制造设施的污染足迹。很明显，所述的装仓步骤是一种蛮力途径，并且只能部分缓解单元失配问题，这是因为单元不匹配在多个充放电周期之后趋于变得更糟。操作环境中不同的单元温度也可能导致不匹配。因此，在电池的制造和质量控制过程中无法轻易解决不匹配退化。此外，如果堆叠中任何特定的单元严重退化，则包括一系列堆叠的电池单元的电池组将不再起作用，这种情况如图4a中所示。换句话说，电池组的生命由于单个的受损单元而缩短。因此，一个可以保证安全，延长电池寿命和降低电池的生产成本的智能电池管理系统将是必须的。锂离子电池充电过程的第一阶段通常使用中等精度恒流(CC)充电，在第二阶段则向高精度恒压(CV)充电过渡。这是为了在防止单元被过度充电的同时使单元被完全充电至所需要的电压。对于单个电池单元而言，这样的充电控制更简单，但是对于一个匹配不太好的电池单元串列而言，却是一项复杂的任务。因此，充电中的单元平衡被用来确保每一个单元不会被过度充电，同时允许每个单元会被充电至接近其各自的容量。单元“平衡”的概念是监测和调节存储在电池组中每个单元(典型地，包括现今设计中的串联连接的单元)内的电荷的过程，从而在电压限制之内平衡每个单元的端电压和容量，并且通过电 量计量来管理这些单元的S0C。因为所述这些单元不完全相同并确实存在不匹配，为了避免 单元过度充电并且均衡所有单元的S0C，那么在某一个充电时间点中，这个平衡过程可能涉及故意消散储存在具有较高的端电压或SOC的某些特定单元中的能量。或者，电荷可以从充电程度较大的单元被移动至充电程度较少的单元以便均衡单元之间的S0C。描述充电电池方法的许多传统方法大多专注于均匀充电以确保在多单元电池组中没有单元构成一个弱单元，而忽略了在放电周期中出现的不匹配。一些传统的方法探索在多单元电池组中从更强单元向较弱单元转移电荷的方法，以便减轻弱单元导致的运作限制。请注意，电池单元平衡的电荷转移类型的实际实施典型地受限于向邻近单元转移电荷。实现一个能够允许任意两个单元之间都具有电荷转移路径的电荷转移电路矩阵是不切实际的。另外，存在与电荷平衡相关联的损耗。此外，许多的多单元电池组被配置为如图2所示的串并风格。当个别单元变得有缺陷时，整个串接堆叠(series-stacked)单元链无法使用，并且所述多单元电池组的容量立刻减半。
技术实现思路
一种新的构建可充电电池单元的方法是探索电力转换器和电荷-存储电池单元的组合、结合的解决方案的优势。通过实际上消除了 a)对在电池组制造中选择更好的匹配单元进入一个给定的电池组的特殊的单元装仓过程的需要，和b)在电池组充电和/或放电过程中对特殊的单元平衡过程的需要(这也排除了诸如单元平衡操作所需的电感、电容、或电阻等外部组件)，这个新的拓扑改善了电池一次充电使用时间，电池组的寿命，和电池组制造成本。新的BCC体系结构使得一个多单元电池组在组中驻留有严重退化的电池单元的情况下能够继续以接近正常运作的方式起作用。新的BCC体系结构使得多单元电池组中各个单元能够递交他们所有可用的存储能源，而不论其他的个体单元是否具有不同容量或降低的容量。附图说明图I-以串联结构堆叠单元的传统的多单元电池布置图2-具有串并联布置的传统的多单元电池(串联堆叠单元，并且并联布置所述堆叠)图3-锂离子电池单元的属性图4a_退化的电池单元限制了电池组寿命图4b-电池单元的不匹配 图5a-电池单元转换器框5b-建议的多单元电池单元转换器结构之一图6a，b，C-被用于一个电池单元转换器的降压/升压，降压，升压的DC/DC转换器的例子图7-使用具有共享组件的两个单元和一个DC/DC转换器的电池单元转换器的一个例子图8a_具有堆叠的电池单元的2-单元电池单元转换器的简化示意8b_具有并联电池单元的2-单元电池单元转换器的简化示意9a_ —个两相电池单元转换器示例，所述转换器使用单一单元，所述单元耦合至两DC/DC转换器或一个两相DC/DC转换器图9b_ —个具有一组耦合电感的两相电池单元转换器示例，所述电感的每一个耦合到一个两相DC/DC转换器的一个专用相位图9c- 一个具有多个并行连接的电池单元的两相电池单元转换器示例，所述转换器具有局部(local)单元冗余和全局单元冗余图10-具有冗余的电池单元转换器系统图11-堆叠电池单元转换器图12a_具有局部和中央监测控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.02.20 US 12/709,4591.一种电池转换器管理装置，包括 至少一个电能储存设备，其中，每个设备包括至少一个单元； 至少一个DC/DC转换器，其耦合到所述至少一个电能存储设备； 以及 至少一个监测与控制模块，其耦合到所述至少一个电能储存设备和所述至少一个DC/DC转换器，适合于在所述一个或多个设备充电和所述一个或多个设备放电的过程中分别监测和控制每个设备和DC/DC转换器。2.如权利要求I所述的管理装置，其中，每个单元是电池或电容。3.如权利要求I所述的管理装置，其中，每个设备内的单元以任何类型的串联和/或并联组合相互连接。4.如权利要求I所述的管理装置，其中，每个监测与控制模块适合于监测和/或控制来自以下特性群中的至少一个设备特性 电流； 充电状态； 健康状态； 电压； 电荷电量计量； 温度； 上面特性中任意一个的历史。5.如权利要求I所述的管理装置，其中，每个设备经由至少一个开关被耦合到一个DC/DC转换器。6.如权利要求5所述的管理装置，其中，每个开关是对应于单个设备的专用开关。7.如权利要求I所述的管理装置，其中，每个设备通过来自以下技术群的一个技术被充电 一个充电电路对该设备进行充电，相应的DC/DC转换器将输出电能从所述设备输送至一个负载； 一个DC/DC转换器对该设备进行充电。8.如权利要求I所述的管理装置，其中，至少一个监测与控制模块适用于通过关闭至少一个串联连接在所述第一设备和其他设备和/或一个或多个DC/DC转换器之间的开关，并且通过有选择性地激活其他开关，选择性地断开第一设备与其他设备的连接，和/或选择性地断开至少一个DC/DC转换器的连接，以完成所述其他设备与一个或多个DC/DC转换器的电路f禹合。9.如权利要求I所述的管理装置，其中，至少一个监测与控制模块适用于控制来自下面的功能群中的至少一个功能 打开和关闭在所述一个或多个设备和所述一个或多个DC/DC转换器之间的耦合开关； 耦合DC/DC转换器内的开关； 在至少一个DC/DC转换器内的切换相位。10.如权利要求I所述的管理装置，其中至少一个监测与控制模块适合于基于以下特性中的至少一个的条件，控制访问序列和访问时间长度，所述一个或多个设备基于所述访问序列以及访问时间长度被耦合到所述一个或多个DC/DC转换器 电流； 充电状态； 健康状态； 电压； 电荷电量计量； 温度； 上面特性中任意一个的历史。11.如权利要求I所述的管理装置，其中，每个DC/DC转换器具有以下类型群中一个类型 单相转换器； 多相转换器。12.如权利要求I所述的管理装置，其中，至少一个DC/DC转换器是多相转换器，并且所述监测与控制模块适合于控制和定义所述转换器的相位的开/关工作周期的相位关系。13.如权利要求I所述的管理装置，其中，存在多个设备，并且其中，至少一个转换器是多相转换器并且以下列方式中的一个耦合至所述设备 所述转换器以一组共同端子耦合至所有所述设备； 转换器的不同相位被并联耦合至相应的不同的专用设备子组； 转换器的每个相位经由开关重新配置所述转换器被连接哪些设备。14.如权利要求I所述的管理...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢子良，
申请(专利权)人：谢子良，
类型：
国别省市：