[发明专利]用于平衡电力电池组元件的充电的装置

说明书

本发明涉及一种用于使用电化学蓄电池的动力电池的充电平衡装置。

高性能直流电压电气系统正在经历重大发展。实际上，许多运输系统包括直流电压电源。

燃烧/电动混合动力车辆或电动车辆具有高功率电池组。这类电池组通过逆变器用来驱动交流电动机。这类电动机所需的电压电平高达几百伏，一般为400伏的等级。这类电池组通常还具有高容量，以有利于电动模式下车辆的续航。

为了获得功率和容量的高数值，将数个蓄电池的组串联布置。级数(蓄电池的组数)和每极中并联连接的蓄电池数根据电池组所需的电压、电流和容量而改变。数个蓄电池的关联被称为蓄电池组。用于这类车辆的电化学蓄电池通常为锂离子型蓄电池，这是由于其以有限的重量和体积储存大量能量的能力。由于高的固有安全水平，磷酸铁锂(LiFePO4)型电池组正在经历重大发展，对有些落后的能量储存密度不利。电化学蓄电池通常具有以下等级的标称电压：

对于磷酸铁锂LiFePO4技术而言为3.3V，

对于基于基于氧化钴的锂离子型技术而言为4.2V。

本发明还可以应用于超级电容器。

蓄电池的充电或放电分别导致其端子处的电压升高或降低。认为蓄电池在其电压已经达到由其电化学过程限定的电压电平时充电或放电。在使用数个蓄电池级的电路中，流过各级的电流相同。因此级的充电或放电水平取决于蓄电池的固有特性。由于不同蓄电池之间的制造、老化、组装和操作温度的不同而在充电或放电期间出现级之间的电压差。

对于基于锂离子技术的蓄电池，被称为阈值电压的过高或过低的电压可能损坏或破坏这种蓄电池。例如，基于氧化钴的锂离子蓄电池的过度充电可能导致其热失控或者起火。对于基于磷酸铁的锂离子蓄电池，过度充电可能导致缩短其使用寿命或者损坏蓄电池的电解质分解。例如，当负极由铜制成时，导致低于2V电压的过大放电主要导致负极集电器的氧化，从而导致蓄电池的退化。因此，出于安全性和可靠性的原因，需要在蓄电池充电和放电时监控蓄电池每个级的端子处的电压。监控装置由此通常在每个级上并联布置，并且使得能够实现该功能。

监控装置的功能是追踪蓄电池每个级的充电(或剩余电荷)和放电的状态，并向控制电路发送信息，以在一个级已达到其阈值电压时停止电池组的充电或放电。然而，在具有数个串联连接的蓄电池级的电池组中，如果在被最多充电的级达到其阈值电压时停止充电，则可能发生其它级尚未完全充电。相反，如果在被最多放电的级已经达到其阈值电压时停止放电，则可能发生其它级尚未完全放电。于是在这种情况下，没有利用蓄电池每个级的能力。这体现了在具有有高续航限制的嵌入式电池组的运输类应用中的主要问题。为了解决该问题，监控装置通常与充电平衡装置相关联。

平衡装置具有如下功能：优化电池组的充电，并且由此通过使串联连接的蓄电池的级处于相同的充电状态和/或放电状态来优化电池组的续航。有两类平衡装置：被称为能量耗散装置的平衡装置和被称为能量传递装置的平衡装置。

利用能量耗散平衡系统，通过转移已经达到阈值电压的一个或更多个级的充电电流并且通过使能量在电阻器中耗散，使级端子处的电压相同。作为变化方案，通过使已经达到高电压阈值的级中之一放电，使级端子处的电压相同。

然而，这类能量耗散平衡系统具有以下主要缺点：消耗比对电池组充电所需的能量多的能量。实际上，需要对数个蓄电池放电或转移数个蓄电池的充电电流，使得最后的或稍少充电的蓄电池可以完成其充电。所耗散的能量由此可能会比仍然需要进行的充电水平的能量大得多。此外，它们以热的形式耗散多余的能量。这与集成到运输型嵌入式应用中的限制不相容，且在温度升高时导致蓄电池的使用寿命大大缩短。

能量传递平衡系统本身在辅助电池组或辅助能量网络和蓄电池的级之间交换能量。

能量传递可以是单向的，从电池组到级或从级到电池组，或者是双向的，从电池组到级并且从级到电池组或从相邻的级到相邻的级。

为了限制能量转移期间的损失，本申请的申请日之前未公布的专利申请FR11/51724描述了改善的平衡装置。该文件提出使用基于反激变换器原理的结构，通过充电状态和/或容量较高级的放电以及从被称为动力电池的蓄电池电池组到车辆的辅助网络的能量传递来确保蓄电池的级的平衡。因此，可以避免使用需要从高压电池组为低电压辅助网络供电的buck变换器。此外，可以只通过平衡装置为辅助网络供电，而无需使用辅助电池组。