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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201310378993.1(22)申请日 2013.08.27H02J 7/00(2006.01)H02M 3/335(2006.01)(71)申请人通用电气公司地址美国纽约州(72)发明人毛赛君(74)专利代理机构北京市柳沈律师事务所 11105代理人封新琴(54) 发明名称电池管理系统和方法(57) 摘要电池管理系统和方法。一种系统包括多个单元，每一单元包括串联的能量存储装置、支路开关、和支路二极管。该系统还包括变压器，该变压器包括原边和副边，用作均衡器，使所述能量存储装置通过充电和放电中的至少一种来达到电荷均衡。其中所述多个单元通。
2、过控制开关连接到所述原边，与连接在所述副边的次级电路隔离开来。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书4页 附图4页(10)申请公布号 CN 104426175 A(43)申请公布日 2015.03.18CN 104426175 A1/2页21.一种系统，其包括：多个单元，每一单元包括能量存储装置、支路开关和支路二极管；以及变压器，包括原边和副边，用作均衡器，使所述能量存储装置通过充电和放电中的至少一种来达到电荷均衡；其中，所述多个单元通过控制开关连接到所述原边，与连接在所述副边的次级电路隔离开来。2.如权利要求1所述的系统，其中所述。
3、多个单元的支路二极管通过所述控制开关串联在所述原边，每一所述单元的能量存储装置和支路开关互相串联，再与对应的支路二极管并联。3.如权利要求1所述的系统，其中所述支路开关用来与所述控制开关相互作用，以让所述变压器一次对所述多个单元中的一个单元的能量存储装置进行充电和放电中的至少一种。4.如权利要求1所述的系统，其中所述变压器为回扫变压器。5.一种系统，其包括：变压器，包括原边和副边；以及多个支路二极管，通过控制开关串联在所述原边，与连接于所述副边的次级电路隔离开来；其中，每一所述支路二极管并联有支路开关；且当每一所述支路二极管进一步并联一个串联于其对应的支路开关的能量存储装置时，所述变压器可使所。
4、述分别并联于多个支路二极管的多个能量存储装置通过充电和放电中的至少一种来达到电荷均衡。6.如权利要求5所述的系统，其中所述分别并联于多个支路二极管的多个支路开关与所述控制开关相互作用，以让所述变压器一次对所述多个能量存储装置中的一个进行充电和放电中的至少一种。7.一种系统，其包括：多个能量存储装置，其中，每一所述能量存储装置连接有电源转换装置，其与所述系统的输出直接作用，并对所述能量存储装置的充电或放电进行管理。8.如权利要求7所述的系统，其中所述电源转换装置整合了一个用来在电池和整个电池系统的输出之间调节双向能流的电力电子电路、和一个通过管理电池的充电或放电过程来实现电荷平衡的电池平衡电路。。
5、9.如权利要求7所述的系统，其中所述电源转换装置包括至少四个晶体管，该等晶体管选自金属氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管和双极结合晶体管。10.如权利要求7所述的系统，其中所述多个能量存储装置分别并联有一个包括至少四个开关元件的开关组件，所述能量存储装置和开关组件通过变压器与一个用来将交流电转变成直流电的初级电路隔离开来。11.如权利要求7所述的系统，其中所述多个能量存储装置分别并联有一个包括至少四个开关元件的开关组件，所述多个能量存储装置的开关组件通过桥臂中点互相串联，以提供一个高于单个所述能量存储装置的电压的交流电压。权 利 要 求 书CN 104426175 A2/2页312.。
6、一种系统，其包括：多个电源转换装置，分别整合了：用来在电池和整个电池系统的输出之间调节双向能流的电力电子电路；以及通过管理电池的充电或放电过程来实现电荷平衡的电池平衡电路；其中，所述多个电源转换装置相连，且当每一所述电源转换装置连接一个能量存储装置时，其可以与所述系统的输出直接作用，并对所述能量存储装置的充电或放电进行管理。13.如权利要求1、5、7或12所述的系统，其中的有源电子元件，包括电力半导体元件、门驱动器集成电路、传感器和控制电子装置，可整合在同一个有源专用集成电路上。14.如权利要求13所述的系统，其中所述有源电子元件通过硅或硅衬底上生长氮化镓的封装技术进行整合。15.如权利要求1。
7、、5、7或12所述的系统，其中的无源元件，包括共享同一个磁芯的两个或以上的独立电感元件和电容元件，通过电磁技术整合在一起。16.如权利要求15所述的系统，其中所述无源元件用嵌入式电介质材料整合在一起。17.如权利要求1、5、7或12所述的系统，其中的有源电子元件，包括电力半导体元件、门驱动器集成电路、传感器和控制电子装置，可整合在同一个有源专用集成电路上；其中的无源元件，包括共享同一个磁芯的两个或以上的独立电感元件和电容元件，通过电磁技术整合在一起。18.如权利要求17所述的系统，其中，所述有源电子元件通过硅或硅衬底上生长氮化镓的封装技术进行整合，所述无源元件用嵌入式电介质材料整合在一起。权 。
8、利 要 求 书CN 104426175 A1/4页4电池管理系统和方法技术领域0001 本发明涉及电池管理系统和方法。背景技术0002 在电动车、医疗器械、不间断电源、以及其他工业应用中，电池是最为常见的电能储备设备。在使用中，当所需要的电位高于单个电池的基本电位时，常将多个电池串联起来使用。然而，即便这些串联的电池是用同样的阳极、阴极和电解质材料，并采用了相同的方法生产出来的具有相同结构的产品，各电池的充电或放电（及自放电）性能之间仍然会存在差异，因此这些串联的电池之间会存在电位差。比如，由于所述串联的电池的电位各不相同，在一些电池还没有达到预定的电压值时，一些电池可能已经先达到了预定的电压。
9、值，因此，在给串联的一串电池充电时，可能出现电池过充或充电不足的情形，甚至可能同时出现电池过充和充电不足的情形。0003 若电池的化学特性不能承受过充的状态，过充的电池可能会产生爆炸的危险，而充电不足的电池可能会降低串联电池组的使用寿命，因此需要解决串联电池组的充电不平衡的问题。一个常用方法是利用电荷均衡装置来让串联电池组达到电荷均衡。0004 然而，为了平衡大量串联的电池，可能要用到体积大且成本高的平衡装置。因此，需要提供一种体积和成本较小的方法来实现大量串联电池的平衡。发明内容0005 根据本发明一个实施例，一种系统包括多个单元，每一单元包括串联的能量存储装置、支路开关、和支路二极管。该系。
10、统还包括变压器，该变压器包括原边和副边，用作均衡器，使所述能量存储装置通过充电和放电中的至少一种来达到电荷均衡。其中所述多个单元通过控制开关连接到所述原边，与连接在所述副边的次级电路隔离开来。0006 根据本发明另一个实施例，一种系统包括变压器和多个支路二极管。其中所述变压器包括原边和副边。所述多个支路二极管通过控制开关串联在所述原边，与连接于所述副边的次级电路隔离开来，每一所述支路二极管并联有支路开关。当每一所述支路二极管进一步并联一个串联于其对应的支路开关的能量存储装置时，所述变压器可使所述分别并联于多个支路二极管的多个能量存储装置通过充电和放电中的至少一种来达到电荷均衡。0007 根据本。
11、发明又一个实施例，一种系统包括多个能量存储装置，其中每一所述能量存储装置连接有电源转换装置，其与所述系统的输出直接作用，并对所述能量存储装置的充电或放电进行管理。0008 根据本发明另又一个实施例，一种系统多个电源转换装置，其分别整合了用来在电池和整个电池系统的输出之间调节双向能流的电力电子电路、以及通过管理电池的充电或放电过程来实现电荷平衡的电池平衡电路。所述多个电源转换装置相连。当每一所述电源转换装置连接一个能量存储装置时，其可以与所述系统的输出直接作用，并对所述能量存储装置的充电或放电进行管理。说 明 书CN 104426175 A2/4页5附图说明0009 通过结合附图对于本发明的实施。
12、例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：0010 图1显示了本发明一个实施例的一种包括多个电池单元且该多个电池单元连接于同一个变压器的原边的电池系统的示例。0011 图2显示了本发明一个实施例的一种包括多个电池且每个电池单元连接有整合型电源转换装置，输出直流电压的电池系统的示例。0012 图3显示了本发明一个实施例的一种包括多个电池且每个电池单元连接有整合型电源转换装置，输出交流电压的电池系统的示例。0013 图4显示了电池系统的无源元件整合到嵌入式介电材料的一种情况。具体实施方式0014 除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的。
13、人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。0015 本发明的实施例提供了紧凑型电子系统。在一些实施例中，多个能量存储装置，如电池等。
14、，可连接到一个多输入回扫变压器上，使得所述变压器起到均衡器的作用，通过给所述能量存储装置充电和放电中的至少一种来实现电荷均衡。在一些实施例中，多个能量存储装置，如电池等，可以各连接一个电源转换装置，其既可调节所述能量存储装置和整个系统的输出之间的双向能流，又可通过管理所述能量存储装置的充电和放电过程来实现电荷平衡。这些实施例为多个能量存储装置的系统提供了一种成本低效率高的实现电荷均衡的解决方案。由于这些解决方案特别适用于电池系统，如具有多个串联的电池的系统中，下文中将主要结合电池系统进行描述，但应理解本发明的解决方案也可用于电池之外的其他能量存储装置，如超级电容器组等。0016 在一些实施例中。
15、，如图1所示，一种电池系统100包括多个电池单元（U1、U2、UN），每一所述电池单元包括互相串联的一个电池（B1、B2、或BN），一个支路开关（S1、S2、或SN）和一个支路二极管（D1、D2、或DN）。所述电池系统100进一步包括变压器102，用作均衡器，通过给所述能量存储装置充电和放电中的至少一种来实现电荷均衡。所述变压器102有原边（NP）和副边（NS）。所述多个电池单元U1、U2、UN通过控制开关（SN+1）连接到所述变压器102的原边NP，与连接于变压器102的副边NS上的次级电路104隔离。0017 所述电池单元U1、U2、UN可通过控制开关SN+1串联到变压器102的原边NP。。
16、如图所示，在各电池单元中，电池和支路开关互相串联后再与对应的支路二极管并联。所述多个电池单元的支路二极管D1、D2、DN通过控制开关SN+1串联到变压器102的原边NP。所说 明 书CN 104426175 A3/4页6述支路开关与控制开关配合作用，可使得一次有一个电池单元通过所述变压器102充电或放电。0018 所述变压器可以是回扫变压器。在一些实施例中，所述变压器102为多输入回扫变压器，其具有多个输入端口，可让多个电池单元连接到其原边NP。变压器102的副边NS为一个可连接到次级电路104的单绕组输出。在一些实施例中，所述次级电路104为电池模组。在一个如图所示的具体实施例中，所述次级电。
17、路104包括二极管DR1、电容CF、和电阻RL。所述电容CF和电阻RL并联后再连接到变压器102的副边NS上。0019 所述支路开关和控制开关中的任一个、或者它们两个都可以是负一正一负型晶体管（NPN-type transistor）。0020 在具体实现中，所述系统100中的电池和其它部分可以分别独立地进行生产和供应。比如，在一些具体实现中，可提供一种不包括电池，但可连接到一个或多个电池上以实现所述功能的系统，其可以包括电池系统100中的除了电池以外的全部或部分。比如，该系统可包括具有原边和副边的变压器、以及多个支路二极管，这些支路二极管通过控制开关串联到所述变压器的原边，与连接在变压器副边。
18、的次级电路隔离开来。每一所述支路二极管并联有支路开关。当所述各支路二极管再分别并联到与其支路开关串联的电池等能量存储装置时，所述变压器可使得所述分别并联于多个支路二极管的多个能量存储装置通过充电和放电中的至少一种方式来达到电荷平衡。0021 在另一些实施例中，提供了另一种电池系统，其包括多个电池，每一电池连接有电源转换装置，该电源转换装置可直接作用于电池系统的输出，且可对电池的充电或放电进行管理。0022 如图2所示，提供了一种电池系统的示例200，其包括三个电池（B1、B2、B3），输出的为直流电。在系统200中，每一电池连接有一个电源转换装置210。所述电源转换装置210整合了一个用来在电。
19、池和整个电池系统的输出之间调节双向能流的电力电子电路、和一个通过管理电池的充电和放电过程来实现电荷平衡的电池平衡电路，其可直接与电池系统的输出相互作用，还可管理电池的充电和放电。这样，所述电源转换装置210整合了能量管理系统（Energy management system，EMS）和电池管理系统（Battery management system，BMS）的功能。此处所称的“能量管理系统”涉及用来监控、控制和优化发电和（或）输电系统的参数的计算机辅助设计工具系统，“电池管理系统”涉及用来管理可充电的电池（电池单元或电池组）的电子系统，其通过监控的状态，计算次级数据，报告数据，控制电池环境和（。
20、或）平衡电池等方法来管理电池。0023 所述各电池的电源转换装置210可包括与该电池并联的开关组件211、和用来将电池和所述开关组件211与一个次级电路213隔离的变压器212，其中所述次级电路213用来将交流电转换成直流电。在一些实施例中，所述开关组件211包括至少四个开关元件，每一开关元件有一个晶体管（T1、T2、T3或T4）和一个并联于该晶体管的二极管（D1、D2、D3或D4）。所述晶体管T1、T2、T3和T4可选自金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-oxide-semiconductor field effect transistors）、绝缘栅双极型晶体管（Insulated 。
21、gate bipolar transistors，IGBTs）和双极结合晶体管（Bipolar-junction transistors）。如图所示，电池B1、B2、B3及其对应的开关组件211连接到了全桥变压器212的原边上，该变压器212的副边上连接有一个次级电路213。所述全桥变压器212的输出说 明 书CN 104426175 A4/4页7可以串联起来提供一个相对更高的直流电压输出，比如，输出300-400V的电压可用于电动车，输出700-800V的电压可用于给医疗装置，如计算机断层扫描（Computed Tomography，CT）、磁共振成像(Magnetic Resonance 。
22、Imaging，MRI)和X射线等装置存储能量。在图示的具体实施例中，所述次级电路213包括四个二极管D5、D6、D7和D8、电容CO和电阻RO。其中所述四个二极管D5、D6、D7和D8形成一个二极管电桥，与电容CO和电阻RO并联。0024 所述变压器212不仅起到电池管理系统的平衡电池充放电的功能，还起到能量管理系统的电力调节器的功能。所述电池管理系统的平衡功能和能量管理系统的电力调节功能可通过所述全桥变压器212的相移控制（Phase shift control）或频率控制或二者的结合来实现。0025 如图3所示，提供了一种电池系统的示例300，其包括三个电池（B1、B2、B3），输出的为。
23、交流电。在系统300中，每一电池连接有一个电源转换装置310。所述电源转换装置210整合了能量管理系统和电池管理系统的功能，可直接与电池系统的输出相互作用，还可管理电池的充电和放电。在图示的具体实施例中，所述各电池的电源转换装置310包括开关组件311。与上述系统200中的类似，所述开关组件311包括至少四个开关元件，每一开关元件有一个晶体管（T1、T2、T3或T4）和一个并联于该晶体管的二极管（D1、D2、D3或D4）。如图所示，每一所述电池并联有一个开关组件311，且所述多个电池的开关组件通过桥臂中点互相串联，输出高于单个电池电压的交流电压。0026 类似地，在具体实现中，所述电池和系统2。
24、00或300中的其余部分可各自独立地进行生产和供应。比如，在一些具体实现中，可提供一种不包括电池，但可以连接到一个或多个电池上以实现所述功能的系统，其可以包括电池系统100中的除了电池以外的全部或部分。0027 在如前所述的各电池系统中，所述电池可以是单个的电池单元，也可以是两个或两个以上的并联的电池单元的组合（电池组），所述二极管可以是单个二极管，也可以是两个或两个以上的并联的二极管的组合（二极管组）。0028 在一些实施例中，所述电池系统中的有源电子元件，包括但不限于电力半导体元件、门驱动器集成电路（Gate driver integrated circuit）、传感器、和控制电子装置，可。
25、整合在同一个有源专用集成电路上，比如，可通过硅或硅衬底上生长氮化镓的封装技术进行整合。在一些实施例中，所述电池系统的无源元件，包括但不限于共享同一个磁芯的两个或以上的独立电感元件和电容元件，可通过电磁技术，比如，用嵌入式电介质材料整合在一起。所述无源元件可通过将电感元件和电容元件以串联或并联的方式绕组整合在一起。比如，如图4所示，在系统400中，包括电感401和电容402的无源元件用嵌入式电介质材料整合在一起，从而可以共用同一个铁氧体磁芯。0029 虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。说 明 书CN 104426175 A1/4页8图1说 明 书 附 图CN 104426175 A2/4页9图2说 明 书 附 图CN 104426175 A3/4页10图3说 明 书 附 图CN 104426175 A10。