[发明专利]用于电池的充电均衡系统

说明书

本发明涉及用于电化学蓄电池组的充电均衡系统，该充电均衡系统尤其可以被使用在电运输系统、混合运输系统和随车携带系统的领域中。本发明由于它们利用低质量块储存大能量的可能性，特别涉及使适用于此种类型的应用的锂电池（Li-ion）类型蓄电池。本发明也被适用于超级电容器。

电化学蓄电池具有大约几伏特等级的额定电压，以及对于基于磷酸铁的锂离子电池更精确为3.3V，对于基于氧化钴的锂离子技术更精确为4.2V。如果该电压是相对于即将被供电的系统的需要太低的话，几个蓄电池被串联放置。也可以与串联关联的每个蓄电池并联而设置，并联的一个或多个蓄电池以增加有效容积，以及提供更大的电流和功率。并联关联的蓄电池因此形成阶。阶包含至少一个蓄电池。阶被串联排列以获得期望的电压电平。蓄电池的关联被称为蓄电池组。

蓄电池的充电或放电穿过其终端通过电压的增长或衰退分别被显示。当它已经获得通过电化学过程被定义的电压电平时，蓄电池被认为充电或放电。在一个循环中使用几个蓄电池存储，流过这些阶的电流是相同的。因此阶的充电或放电的水平取决于蓄电池的固有特性，即电解液的或在电极和电解液之间的接触的固有电容以及串联和并联寄生内电阻。在阶之间的电压差因此可能由于制造的不同和老化的缘故所造成。

对于锂离子技术蓄电池，被叫做阈值电压的太高或太低的电压，可以损害或破坏蓄电池。例如，基于氧化钴过度充电锂离子电池可能引起它的热失控，并且起火。对于基于磷酸铁的锂离子蓄电池，过度充电通过电解液的分解而显示减少了它的寿命或者可以损害蓄电池。例如，当后者由铜所构成时，导致小于2V的电压的太大的放电主要引起负极集电器的氧化，因此损害蓄电池。因此，在充电和放电期间为了安全和可靠性，每个蓄电池阶的端电压的监控是强制的。与每个阶平行的所谓的监控装置可以确保该功能。

监控装置的功能是密切关注每个蓄电池阶的充电和放电的状态，并将传输该信息给驱动电路以当一个阶已经达到它的阈值电压时，停止电池的充电或放电。但是，在串联设置的具有几个蓄电池阶的电池上，如果当最大充电阶达到它的阈值电压，充电被停止，其他的阶可以不被完全充电。相反地，如果当最大的放电阶达到它的阈值电压，放电被停止，其他的阶可以不被完全放电。因此每个蓄电池阶的充电没有以一个最佳的方式被利用，这代表在具有强大自主约束的运输和随车携带类型的应用中的一个主要问题。为了缓和这个问题，监控装置往往与均衡装置关联。

因此通过使串联排列的蓄电池阶处于充电和/或放电的同一状态，均衡装置的功能将优化电池的充电以及因而优化它的自主权。存在有两个类别的均衡装置，所谓的能量耗散均衡装置，或者所谓的能量传递均衡装置。

利用能量耗散均衡装置，通过旁路已经达到阈值电压的一个或多个阶的充电电流和通过驱散在电阻器中的能量，阶的端电压被提供一致。作为一个变型，阶的端电压通过放电已经达到阈值电压的一个或多个阶而被提供一致。但是，这样的能量耗散均衡装置显示相比需要充电电池消耗更多能量的主要缺点。的确，这个电路有必要放电几个蓄电池或转移几个蓄电池的充电电流，进而被略微少充电的最后一个蓄电池或几个蓄电池终止它们的充电。因此耗散的能量可以大于不得不被终止的充电的能量。而且，它们耗散额外能量为热，这与在运输和随车携带类型的应用中集成的限制不匹配，以及与当温度上升时，蓄电池的寿命大大减少的事实不匹配。

能量传递均衡装置交换在蓄电池组或辅助能量网络和蓄电池阶之间的能量。

例如，专利US5659237揭露了一种允许通过具有几个输出的一种“回扫”结构从辅助网络至阶传递能量并使用耦合线圈作为存储元件的装置。后者为致力于于该申请的特定部件。这样的部件的成本相对于即将被履行的功能过高。

而且，专利CN1905259揭露了一种允许从阶至电池传递能量的装置以及就其本身而言，此装置每一个蓄电池使用一个感应器作为存储元件。但是，该装置不选择在运输和随车携带类型的应用中为了电池的均衡而被优化的能量传递。的确，电池的充电的结束由达到阈值电压的最后阶而决定。为了终止电池的充电，能量从一个或多个阶中被分接，并且它被返回到所有的阶。当一个或多个蓄电池阶被略微较少充电时，能量因此不仅优先传递至需要它的阶，并且被传递至能量被分接的阶。因此均衡需要在充电的结束时能量从所有阶被分接以避免给它们充电太高的电压。因此均衡由于在操作上大数量的转换而具有高损耗。而且，蓄电池在充电结束时已经被电流的非有用的交流部分或直流部分所穿过。

因此，本发明的目的提供了一种不存在之前技术状况的这些缺点的改进的均衡装置。