[发明专利]优化的双向平衡方法和系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是美国专利申请13/242,836的连续申请，13/242,836于2011年9月23日提出，其在35USC 119(e)下主张于2011年6月15日提出的标题为“可堆叠的双向的多电池电池组平衡器”的美国临时申请61/497,381的利益，13/242,836和61/497,381的内容整体引用至此。本申请也主张于2011年10月21日提出的美国临时申请61/550,128的优先权，61/550,128的内容整体引用至此。

技术领域

总的来说，本公开涉及电气领域，更特别地涉及用于平衡电源的概念和技术。

背景技术

包含多个串联电池组电池(battery cell)的大的、高压电池组(battery)通常用于各种应用，包括电动车辆、大的工业备用电池和电网负荷平衡应用。电池组(battery pack)的安全和寿命维护需要该电池组内的所有电池被监控和平衡，以使得每一个电池运行在电池组的运行寿命的固定的“充电状态”(SOC)范围。如果电池过量充电、放电太多或太快，或者单纯的过热，都会容易造成电池退化、着火或者甚至爆炸。

由于电池典型地是不一致的，就存在电池间的不平衡的担忧。例如，在SOC、电池放电率、阻抗、容量和温度特性中可以存在差别。即使电池来自同一条生产线，也可以存在这些差别。弱电池(weak battery)(即具有固有的低容量、退化的容量或高内部阻抗的电池)可比强电池(strong cell)充电和放电快。据此，在充电期间，弱电池会更快地达到一个预定的高电压。同样地，在放电期间，弱电池会更快地达到一个预定的低电压。在这方面，通过相对长的充电和放电周期，弱电池会进一步弱化。对串联电池来说，电池组(即串联电池)的总的有用的容量是受最弱的电池限制的。

可执行电池平衡，以使每个电池的电压或充电状态随着时间的推移而相等，以解决前述担忧中的一些。典型地，使用被动或主动平衡执行电池平衡。

图1示出了具有被动平衡的电路。在被动平衡中，可需要平衡的电池(即比普通电池的SOC高的电池)被放电，以使得该需要平衡的电池和其它电池的充电一致。然而，放电的能量以热量消散。据此，被动平衡是一种浪费能量的方法，尤其是当电池电压彼此显著不同的时候。

在主动平衡中，每一电池电压(例如它的SOC)可以被分别测量。电容式的或电感式的电荷转移被用来平衡每一个电池的电荷(而不是以热量消散电荷)。据此，电源效率得以提高。在这方面，图2a和2b分别示出了具有电容式和电感式电荷往复运动的(shuttling)主动平衡的电路。无论图2a还是2b的电路都不是可堆叠的或交错的。

进一步的，主动平衡系统可以是单向的。在图3的单向系统中，来自特定电池的电荷可以被增加或收回，但不能两者都进行，这使得平衡系统的平衡效率低下。进一步的，现有技术中的主动平衡系统不允许多个电池同时平衡，这使得它们的时间效率低下。在这方面，图4示出了一种与典型的现有技术的方法一致的不可堆叠的、不同时的双向平衡。

据此，现有技术的方法典型地包括了零容量恢复、高平衡功率消散、长平衡时间和非最佳的能量恢复的局限性。进一步的，大串的串联电池存在隔离的I/O控制的要求。

考虑到前文所述，希望具有用于串联电池的时间和能量高效的双向的平衡的方法和系统。也希望有一种方法和系统能够通过电池组堆叠实现充电状态(SOC)平衡同时减少平衡器能量消耗和整个的平衡器运行时间。

附图说明

附图是阐释实施例的。它们没有阐释所有实施例。可以增加性地或替换性地使用其它实施例。省略了明显的或者不需要的细节以节省空间或为了更有效率的阐述。一些实施例可能涉及额外的元件或步骤和/或没有涉及阐释到的所有元件或步骤。当同一数字出现在不同的附图中时，它表示同一或相似的元件或步骤。

图1示出了具有被动平衡的电路；

图2a为不可堆叠的、非交错的电容式电荷往复运动的主动平衡电路；

图2b为不可堆叠的、非交错的电感式电荷往复运动的主动平衡电路；

图3示出了具有单向的隔离的回扫平衡的两个电路；

图4示出了具有不同时的、双向的平衡电路；

图5示出了与本发明的一个实施例相一致的具有6个电池的双向的平衡器电路；

图6示出了与本发明的一个实施例相一致的用于平衡多个交错的电池组的具有变压器连接的电路；

图7为与本发明的一个实施例相一致的示出了可堆叠的串行联通的系统框图；