CN102442220A

CN102442220A - 在混合动力车或电动车中管理多个电池组的方法和设备

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Publication number: CN102442220A
Application number: CN2011103015823A
Authority: CN
Inventors: 小爱德华.D.泰特; 阿兰.G.霍尔姆斯
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: DE102011115628A1; US8532854B2; US20120083948A1; CN102442220B

Abstract

在混合动力车或电动车中管理多个电池组的方法和设备。一种车辆包括第一和第二电池组，它们具有各自的第一和第二组接触器。电池组电并联。推进***用来自电池组的电功率驱动。控制器判断哪个电池组具有最高的充电状态(SOC)，并通过控制接触器的打开/闭合状态来平衡电池组的SOC。接触器打开。接触器打开以断开具有最高SOC的电池组，且在电池组之间的电压差大致为零时再次关。一种用在车辆中的***，包括电池组、接触器和控制器。一种方法，用于控制车辆中的功率流，包括判断哪个电池组具有最高SOC，在接近零电流的事件中打开指定的接触器以断开具有最高SOC的电池组，和在电池组之间的电压差大约为零时闭合指定的接触器。

Description

在混合动力车或电动车中管理多个电池组的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于在车辆中管理去往多个电池组功率流(power flow)的方法和设备，该车辆可以用从多个电池组提供的电能而被选择性地推进。

背景技术

不论车辆的实施方式，可充电高压电池组可用于将驱动车辆推进***的一个或多个牵引电动机所需的主要电能进行交替存储和输送。取决于设计，电池组可以在车辆不使用时通过将车辆***到离车电源输出部而充电。大多数能运行在EV模式的车辆的电池组也可以在车辆处于运行时用在再生制动事件或其他再生事件过程中获得的能量来充电。

发明内容

因而本文披露了一种车辆，其能在多个彼此电并联的可充电电池组上平衡SOC状态。这种车辆可实施为混合动力电动车(HEV)、插电式HEV、增程式电动车、或电池电动车车辆，如上所述。并联电池组共同将电功率馈送到推进***，该推进***具有一个或多个牵引电动机。每个电池组包括一组(a bank of)固态继电器或接触器，在车辆的各种运行状态中接触器的打开/闭合状态通过/控制器选择，以自动地平衡各电池组的SOC。

具体地，本文所述的车辆包括第一和第二电池组，它们具有各自的第一和第二组接触器。电池组如上所述彼此电并联导线连接。车辆包括用来自电池组的电功率驱动的推进***和与电池组电通讯的控制器。该控制器自动地判断哪个电池组具有最高的SOC，并随后按照需要通过控制第一或第二组接触器的打开/闭合状态来平衡各并联电池组的SOC。例如在车辆的再生事件过程中或在另一接近零或零电流事件中，控制器选择性地打开指定的一组接触器，由此暂时地将具有最高SOC的电池组与推进***断开。控制器在电池组之间的电压差处于或接近零时闭合同一组接触器，例如在车辆加速时。

还提供一种用在车辆中的***，该车辆具有用电功率驱动的推进***。该***包括第一电池组，具有第一组接触器；第二电池组，具有第二组接触器；和控制器。第二电池组相对于第一电池组电并行导线连接。控制器电池组电通讯，且器适于判断第一和第二电池组哪一个具有最高SOC。在车辆的再生事件过程中，控制器选择性地打开指定的一组接触器，以由此在零或接近零电流事件中将具有最高SOC的电池组与推进***断开。指定的一组接触器在电池组之间电压差为零或接近零时闭合。

还提供一种方法用于控制车辆中的功率流，该车辆具有彼此电并联导线连接多个电池组。该方法包括判断电池组中哪个电池组相对于另一池组具有最高的SOC，并在再生事件或其他接近零电流的事件过程中打开相应第一和第二电池组的第一和第二组接触器中指定的一组，以暂时地从推进***断开具有最高SOC的电池组。该方法包括在电池组之间的电压差处于或接近于零时闭合指定的一组接触器。

在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。

附图说明

图1是具有如本文所述的多个平行电池组的车辆的示意图；

图2是图1所示并联电池组的各运行参数的时间图；和

图3是用于控制去到图1所示的并联电池组的功率流的方法流程图。

具体实施方式

参见附图，以图1开始，显示了车辆10，其可以替换地构造为混合动力电动车(hybrid electric vehicle：HEV)、插电式HEV(plug-in PHEV)、增程式电动车(extended-range electric vehicle：EREV)、或电池电动车(batteryelectric vehicle：BEV)。从而，车辆10可以从可充电车载能量存储***(energy storage system：ESS)12获得电能和将电动输送到该能量存储***。ESS 12适于存储推进车辆10所需的高压电能。ESS 12可以额定为约60到300VDC或更大，这取决于从ESS获得电力的各种装置的功率额定情况。

ESS 12包括多个高压独立可充电电池组11、111。尽管为了清楚在图1仅显示了两个电池组，但是可以在车辆10上使用任意多个并联电池组。电池组11、111可经由高压汇流条15彼此电并联连接。电池组11、111可包括电池单元(例如锂离子电池单元、镍氢电池单元或其他可充电电化学电池单元，它们提供足够高的功率密度)的相应堆叠结构(stack)17、117，以及任何所需的导电互连轨道和电池支持结构。

来往于电池组11、111的所需电功率流的控制通过控制器24提供，且参照图2和3详述如下。电池组11、111每一个包括各自的一对固态继电器或接触器22、23。接触器22、23与控制器24通讯，且对来自控制器的信号独立地做出响应，描述如下。接触器22、23适于在电载荷下闭合，以便确保在需要时瞬时或接近瞬时地将电功率传送到推进***14。

导线电并联的多个电池组可遭遇每个电池组的不同充电状态(states ofcharge：SOC)而造成电控制问题。为了正确地管理诸如图1的电池组11和111这样的多个电池组，通常使用相对复杂且昂贵的DC-DC转换装置和相关的控制硬件，以在各个电池组之间让能量往来流动。通过对比，本文披露的控制器24、功率流控制算法100和接触器22、23消除了这种DC-DC转换器的使用。替代地，通过接触器22、23的操作，电池组11、111的SOCs被自动地相对于彼此平衡。可以为车辆上的多个电池组的封装提供更大的自由度。当电池组电用导线并联时这种自由度带来去到各个电池组的功率流进行管理的成本减少。

上述推进***14可以包括变速器16，例如电无级变速器(electricallyvariable transmission)、行星齿轮组等。推进***14包括一个或多个牵引电动机18。每个电动机18在一个可行实施例中配置为多相AC感应式电机。尽管未在图1中示出，但是本领域技术人员应理解，内燃发动机可以选择性地连接到推进***14，例如在HEV和PHEV实施例中。车辆10可以替换地构造为EREV，其中，可以使用减小尺寸的发动机来为发电机(未示出)提供动力，并由此增加车辆的EV行程。

仍参见图1，控制器24执行功率流控制算法100或其他合适的控制逻辑，以随车辆运行模式改变的方式控制去到电池组11、111的电能的流动。控制器24可以配置为数字计算机，具有微处理器或中央处理单元、只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM)、高速时钟、模拟-数字(A/D)和数字-模拟(D/A)电路和输入/输出电路和装置(I/O)以及合适的信号调制和缓冲电路。存在于控制器中或可被其访问的任何算法(包括算法100)存储于ROM中且可被控制器自动地执行，以建立各种运行模式。

车辆10包括在多个驱动轮28每一个处的摩擦制动部件25。摩擦制动部件25对从控制器24传递而来的制动扭矩信号30做出响应，且通过摩擦制动部件提供的制动力可得到来自电池组11、111的电力的辅助。但是，摩擦制动部件25适于对车辆10制动而不需要这种电辅助，如下所述，这在各个电池组11、111上进行SOC平衡时允许指定的电池组选择性地且暂时地与推进***14断开。

控制器24还按需要计算再生/加速扭矩命令32并将其传递到推进***14，以及计算接触器打开/闭合状态命令34并将其传递到一个或多个接触器22、23。进而，通过直接测量以这种信号编码的值或通过接收由相应传感器21、121传递的信号，控制器24从相应的电池组11和111接收状态信号31、131。在一个实施例中状态信号31、131每一个包括电池组11和111的SOC、电流水平和电压水平，并可以包括取决于车辆10和控制器24设计的其他值。

当车辆10主动制动时，这可以经由通讯到控制器24的信号20来确定(例如测量或感测车辆10的当前运行条件或状态)，能量在称为再生制动事件的过程中被捕获并输送到电池组11、111。并非制动的其他再生事件可用于收集可能会被极大地浪费的能量并将能量转至ESS 12。摩擦制动部件25被设计为在没有电辅助的情况下管理基本制动需求，如上所述。例如，摩擦制动部件25应具有足够的液压施加力，用于停止车辆10，即使在来自电池组11、111中给定的一个的电能缺乏暂时不可用性时也是如此。因为摩擦制动部件25能在没有来自ESS 12的电辅助的情况下制动车辆10，例如经由从被来自ESS能量所驱动的电动机(一个或多个)18而来的电动机扭矩，ESS的一个或多个电池组11、111可以暂时地被控制器24断开，以便平衡ESS上的SOC，如下所述。这可以在不会不利地影响制动性能的情况下实现

如上所述，电池组11、111每一个包括相应的接触器22、23。在低载荷状况下接触器22、23选择性地从高压汇流条15断开电池组11、111中相应的一个，且随后在高载荷状态将电池组11、111重新连接到高压汇流条。每个电池组11、111的SOC被控制器24监测。在事件中，在再生事件过程中各电池组11、111之间的能量和/或热平衡变得不平衡，控制器24可自动地打开接触器22、23中指定的一个，以在两个电池组被使用时隔离给定的电池组，或当多于两个的电池组被使用时隔离多个电池组。

通过在再生事件过程中非对称地隔离选定的电池组11、111，电荷或热能的平衡可被重新存储，而不会不利地影响车辆制动性能。期望的是这种平衡应仅是间歇地需要，且因此接触器22、23的可用寿命可被延长。接触器22、23被设计为是固态装置，且可在电载荷下接合，因此可以几乎瞬时地从电池组11、111获得完全的电池电力用于为车辆加速提供动力。

参见图2，一组性能迹线40被显示以描述在执行算法100时的控制器24的运行情况。性能迹线40是各个状态信号31、131的独立迹线，参见图1如上所述。参照仅一种可能的示意性情况描述图2，即其中电池组111的SOC相对于电池组11的SOC更高的情况。实际的具有最高SOC的电池组将在实际运行时改变。

电压迹线42代表电池组11的电势。同样，电压迹线44代表电池组111的电势。电流迹线46、48分别代表传递到电池组11和111的电流。SOC迹线70、72分别代表电池组11和111的SOC。状态线50代表电池组11的一组接触器22的打开/闭合状态。

在t＝1和t＝2时间点之间(分别为图2中的点60和62所代表的时间点)，电池组11具有的SOC比电池组111的更低。即，电池组11的SOC迹线70的值小于电池组111的SOC迹线72的值。在车辆10的正常运行过程中，即当车辆在电动机和/或发动机动力下巡航时，电池组11和111二者都电连接到推进***14并由此准备好使用。

在t＝2或点62开始，例如以零或接近零的电流状态开始对电池组11和111进行充电的再生事件，电流迹线46和48的值都处于或非常接近于零，且最高SOC电池组的接触器23被打开，在该例子中是电池组111。如上所述，摩擦制动部件25被配置为处理由于打开接触器23而造成的暂时下降的再生能力。

在t＝3(点64)，车辆加速继续，或在断开的电池组开始放电时，且经由通过控制器24产生并传递过来的接触器信号34接触器23再次闭合。这发生在电池组11和111之间的电压差处于或接近于零时。该接近于零的电压差可以在图2中大约t＝3处被看到其并入电压迹线42和44。因为电池组11接收t＝2和t＝3之间(即点62和64之间)的所有再生脉冲，所以电池组11的SOC上升，如SOC迹线70的向上轨迹所示。电池组111的SOC在同一过程中改变非常小，如SOC迹线72的基本恒定一段所示。电池组11和111之间的SOC差由此在点t＝3(点64)处相对于t＝2(点62)的同一值减少得更多。

如性能迹线40所示，仅在零或接近零/非常低的电流状态过程中接触器22、23被打开。这有助于延长接触器22、23的寿命。在转变到再生制动过程中，仅在用于该特定电池组的电流迹线经过零时接触器22、23中选择的一些被打开。在从再生制动过渡到加速的过程中，接触器的闭合被协调，以使得由于各电池组之间的电压差造成的能量传递最小化。由于再生事件可提供比对电池组之间SOC进行平衡所需的能量更多的能量，所以多余的能量可经由摩擦制动部件25消散掉。

参见图3，在具有电并联连接的多个电池组的车辆运行过程中算法100自动地通过控制器24执行，例如具有电池组11、111的图1的车辆10。算法100以步骤102开始，其中在车辆10的运行过程中(例如在当电池组11、111被连接且可使用时的巡航过程中)确定各电池组的SOC。步骤102可包括感测、测量、计算或其他的确定每个图1的电池组11、111每一个的SOC。状态信号31、131可用于该目的。为了保持参见图2如上所述的情况，将使用电池组11的SOC小于电池组111的SOC的例子在后文对图3进行描述。

在步骤104，控制器24判断再生事件或其他充电事件或接近零电流的事件是否已经开始。如果是，则算法100前进到步骤106。如果否，则算法100以回路重复步骤102和104直到再生事件被控制器24判断为存在。

在步骤106，在再生事件开始时，且当接近零的电流状况在图2的t＝1(点60)发生时，控制器24打开电池组111的接触器23，在当前所述的情况下该电池组111具有最高SOC。图1的摩擦制动部件25被配置为处理由于打开接触器23而造成的下降的再生能力，如上所述。当接触器23处于打开状态时算法100前进到步骤108。

在步骤108，控制器24判断车辆10的加速是否必须继续或将要继续，例如使用电的和/或机械的节流命令。如果是，则算法100前进到步骤110。如果迫近的或当前的加速没有被确定，则步骤106和108以回路重复，直到确定出加速。

在步骤110，在加速开始且电池组11、111之间的电压差处于或接近于零时控制器24闭合接触器23。因为在当前情况中电池组11接收所有再生脉冲，所以电池组11和111之间的SOC差被减小。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims

1.一种车辆，包括

第一电池组，具有第一组接触器；

第二电池组，具有第二组接触器，其中，第二电池组相对于第一电池组电并联导线连接；

推进***，用来自第一和第二电池组中的至少一个的电功率驱动；和

控制器，与第一和第二电池组电通讯，其中，控制器适于确定第一和第二电池组中哪一个具有最高充电状态(SOC)，和适于通过控制第一或第二组接触器的状态而自动地平衡SOC；

其中，当具有最高SOC的电池组中电流大约为零时，控制器选择性地打开第一和第二组接触器中指定的一组，由此从推进***暂时断开具有最高SOC的电池组，和当第一和第二电池组之间的电压差大约为零时，闭合第一和第二组接触器中所述指定的一组。

2.如权利要求1所述的车辆，其中控制器能操作为在车辆的再生制动事件过程中打开第一和第二组接触器中所述指定的一组。

3.如权利要求2所述的车辆，还包括摩擦制动部件，其中控制器使用摩擦制动部件将由再生制动事件过程中产生的多余能量消散掉。

4.如权利要求3所述的车辆，其中摩擦制动部件能操作为用于制动车辆而不需要来自从第一电池组或第二电池组中任一个的电辅助。

5.如权利要求1所述的车辆，还包括多相AC感应式牵引电动机，其电连接到第一和第二电池组，其中牵引电动机适于在仅电模式下推进车辆。

6.一种用在车辆中的***，该车辆具有用来自ESS的电动率来驱动的推进***，该***包括：

第一电池组，具有第一组接触器；

第二电池组，具有第二组接触器，其中第二电池组相对于第一电池组电并联导线连接；和

控制器，与第一和第二电池组电通讯，并适于判断第一和第二电池组中哪一个相对于另一电池组具有最高的充电状态(SOC)；

7.如权利要求6所述的***，其中控制器能操作为在车辆的再生制动事件过程中打开第一和第二组接触器中所述指定的一组。

8.如权利要求7所述的***，其中车辆包括摩擦制动部件，其中控制器使用摩擦制动部件将再生制动事件过程中的多余能量消散掉。

9.如权利要求6所述的***，其中控制器被设置为通过处理对每一个电池组的电流水平、电压水平和SOC做出描述的一组信号来自动地判断第一和第二电池组中哪一个具有最高的SOC。

10.如权利要求6所述的***，其中接触器适于在电载荷下接合，以由此确保当车辆加速时来自电池组的电功率立即可用。