[发明专利]包括诊断装置的电池平衡转换器

说明书

技术领域

本发明涉及平衡电池的电荷的领域，尤其涉及电动或混合动力汽车。

背景技术

值得注意地，当在电动或混合动力汽车中使用电池时，构成电池的单元进行充电和放电周期。各个单元的特性分散，尤其是法拉第效率，导致电池寿命期间的电荷不平衡。现在，这些单元必须保持在良好定义的工作范围内。

为了维持电池容量同时延长其寿命以及安全使用，使构成电池的各个单元平衡是必要的。平衡包括在单元之间传输电荷以致它们全部具有相同的电荷状态。的确，只要一个单元处于其工作范围之外，整个电池就会受到影响。为了维持最佳的电池性能，平衡系统必须在每个单元处发挥作用。现在，对于能量转换来说，电压降低是一个负面因素。此外，为了使平衡系统有效，必须知道每个单元的电荷的状态。

在文献中，提供了数个解决方案来平衡电池单元。可以把这些解决方案分成两类：消耗和非消耗。

在第一类的情况中，实施是简单的：例如，在电阻器中，消耗了大多数带电单元的部分能量，这减少了这些单元的电荷，因此降低了电池。

在非消耗系统的情况中，通过单元的充电或放电，使电荷从一个单元传输到下一个单元。可以把这些非消耗系统分成三类，它们是一些系统具有：

ο称之为“切换（switched）”的结构：它包括把单个静态转换器的输出发送到要求的单元，使用受控制开关的矩阵（或组），还称之为开关矩阵，这种技术使用有限数量的元件，这允许减小其大小。在以下文件中特别描述这种类型的结构：

-Fast battery equalization with isolated bidirectional DC-DC converter for PHEV applications（用于PHEV应用的具有隔离双向DC-DC转换器的快速电池均衡），Ziling Nie和Chris Mi，电动和计算机工程系，Michigan Dearborn大学，Journal IEEE2009，

-Battery Cell Balancing:What to Balance and How（电池单元平衡：平衡什么和如何平衡），Yevgen Barsukov，德州仪器;

ο“串联”结构：原理包括在两个连续单元之间放置静态转换器。通常，这些结构包括大量元件，并且只允许在连续单元之间传送；

ο“并联”结构：静态转换器允许通过电隔离的所有单元彼此直接耦合。通常，这些结构的操作更复杂，因为单个转换器控制数个单元并且需要使用隔离变压器。该隔离变压器具有重量重的缺点，在汽车上难以兼容。为了克服这个缺点，已经考虑增加开关频率，但是这个方法颇大地增加切换和传导损耗以及电磁干扰。

无论是消耗的还是非消耗的，平衡系统均不能够对每个电池进行诊断。的确，当前使用的诊断工具（诸如阻抗频谱仪）不能够安装在汽车的板上，它们体积大，而且还需要与平衡系统无关的材料。

为了克服这些缺点，本发明涉及一种用于平衡电池中单元的转换器，转换器是具有切换结构的非消耗型的，并且进一步包括连接到切换结构的开关矩阵的诊断装置。因此，可以在板上使用诊断装置，并且可以使用开关矩阵来诊断和平衡所有的单元，而对于空间只有有限的要求。

发明内容

本发明涉及一种用于平衡电池中单元的转换器，所述转换器包括具有连接到所述单元的多个开关的开关矩阵，以及连接到所述开关矩阵的平衡装置，通过控制所述开关矩阵，可以使所述单元中的每一个单元充电和／或放电。转换器还包括单元诊断装置，所述诊断装置如此连接到所述开关矩阵以致开关控制能够把所述诊断装置连接到要诊断的任何单元。

根据本发明，所述诊断装置值得特别地确定所述至少一个单元的电荷状态和／或健康状态。

有利地，所述诊断装置能够执行电化学阻抗频谱测量。

较佳地，所述诊断装置包括至少一个电路，所述至少一个电路包括电流源和电压传感器。

有利地，所述电流源是通过所述电池供电的。

根据本发明的一个实施例，所述平衡装置包括单元到单元或单元到电池或电池到单元或双向型的静态转换器。

此外，所述开关可以是半导体开关，特别是MOSFET型的或静态继电器。

有利地，交替地使用所述平衡装置和所述诊断装置。

有利地，根据至少一个以前建立的诊断来执行电荷的平衡。

根据本发明的一个实施例，所述电池包括锂离子单元。

本发明还涉及电动或混合动力汽车，尤其是机动车辆，包括由多个单元构成的电池。汽车包括如上限定的平衡转换器，用于平衡所述单元的电荷。