[发明专利]用于电源蓄电池组的平衡系统及对应负载平衡方法

说明书

本发明涉及一种用于电源蓄电池组的平衡系统以及一种对应电荷平衡方法。

这样的蓄电池组平衡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通电的系统的需要太低的话，几个蓄电池被串联设置。也可以与串联关联的每个蓄电池并联而设置，一个或多个蓄电池以增加有效容积，因此提供更高的电流和更高的功率。并联关联的蓄电池因此形成蓄电池阶。蓄电池阶包含至少一个蓄电池。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通过穿过其终端的电压的增长或衰退分别被显示。

当蓄电池已经获得通过电化学过程被定义的电压电平时，它被认为充电或放电。在使用几个蓄电池存储的电路中，流过这些蓄电池阶的电流是相同的。

因此蓄电池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杂散内电阻。因此由于蓄电池的制造的不同和老化的缘故造成蓄电池阶之间的电压偏差是可能的。

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，基于氧化钴锂离子电池的过度充电可能引起它的热失控，并且起火。对于磷酸盐基的锂离子蓄电池，过度充电通过电解液的分解而显示，这减少了它的寿命或者可以损害蓄电池。

例如，当负极集电器由铜所构成时，导致小于2V的电压的太深的放电除了别的之外导致负极集电器的氧化，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。与每个蓄电池阶并联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蓄电池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，如果当最大充电蓄电池阶达到它的阈值电压，充电被停止，其他的蓄电池阶可以不被完全充电。相反地，如果当最大的放电蓄电池阶达到它的阈值电压，放电被停止，其他的蓄电池阶可以不被完全放电。因此每个蓄电池阶的充电没有被利用，这是存在于具有强大连续使用时间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，监控装置往往与平衡系統关联。

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，平衡系统的功能将优化电池的充电以及因而优化它的连续使用时间（autonomy）。

存在有两个类别的平衡系統，所谓的能量耗散平衡系統，或者所谓的能量传递平衡系統。

利用能量耗散平衡装置，通过旁路已经达到阈值电压的一个或多个蓄电池阶的充电电流和通过驱散在电阻器中的能量，蓄电池阶的端电压平衡。作为一个变型，蓄电池阶的端电压通过放电已经达到阈值电压的一个或多个蓄电池阶而平衡。

但是，这样的能量耗散平衡系統存在相比需要充电电池消耗更多能量的主要缺点。的确，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。

对于蓄電池的角色，能量传递平衡系統交换在蓄电池组或辅助能量网络和蓄电池阶之间的能量。

能量传递以单向方式，或者从蓄电池组至蓄电池阶或者从蓄电池阶至蓄电池组而被执行，否则以双向方式，从蓄电池组至蓄电池阶和从蓄电池阶至蓄电池组或者从邻近蓄电池阶至邻近蓄电池阶而被执行。

关于双向传递，在邻近蓄电池阶至蓄电池阶平衡系统中，能量穿过大体等于即将平衡的电池的远隔的多个装置。这造成这些装置的两个主要缺点，即经过平衡蓄电池组的一段长时间的必要性，和因为调用的装置的损耗的聚集能量传递的低效率。

传递能量从蓄电池阶至蓄电池组和/或从蓄电池组至蓄电池阶的平衡系统可以解决这些问题。但是，由于执行的复杂性的原因，这样的系统如果真会使用的话是非常困难的。