CN108233459A - 蓄电池***及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种蓄电池***及其控制方法。蓄电池***包括蓄电池单元和控制器。蓄电池单元具有多个蓄电池模块、多个第一继电器和多个第二继电器。每一个蓄电池模块都具有串联连接的多个单电池。多个第一继电器连接在多个蓄电池模块之间的相同极性端子之间且配置为在闭合时使多个蓄电池模块之间并联连接。多个第二继电器连接在多个蓄电池模块的不同极性端子之间且配置为在闭合时使多个蓄电池模块之间串联连接。蓄电池***的控制器配置为基于多个蓄电池模块之间的电压偏差来控制多个第一继电器和多个第二继电器的闭合/打开状态。

Description

蓄电池***及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种蓄电池***和用于控制蓄电池***的方法。
背景技术
一般来说，蓄电池包括串联连接的多个单电池。用于消除单电池之间的电压偏差以最大化蓄电池性能的电压平衡电路可应用于蓄电池。
作为常规电压平衡方法，被动方法消耗串联连接的多个单电池中电压比具有最低电压的另一单电池的电压高的单电池的能量。另一种电压平衡方法，主动方法通过将电荷从一个电池转移到具有更低电压的另一单电池来消除电压偏差。
使用被动方法的电压平衡方法通过电阻器将单电池中存储的电能消耗为热能。因此，由于在进行平衡后蓄电池充电状态(SoC)和蓄电池的输出减小，所以这种方法存在问题。附加地，由于通过电阻器消耗的能量低，所以平衡过程需要很长时间。
另外，使用主动方法的电压平衡方法需要对电池单元充电。因此，这种方法在复杂电路配置和高平衡费用方面存在问题。
在该部分中公开的事项仅用于增强对本发明的总体背景的理解，而不应视为承认或以任何形式暗示该事项形成本领域技术人员已知的现有技术。
发明内容
因此，鉴于上述问题做出本发明。本发明的目的在于提供蓄电池***以最大化包括多个单电池的蓄电池的电压平衡效果。本发明的另一目在于提供控制蓄电池***的方法。
根据本发明的一方面，可通过提供包括蓄电池单元的蓄电池***实现上述和其它目的。蓄电池单元包括多个蓄电池模块且每一个蓄电池模块都包括串联连接的多个单电池。蓄电池单元还包括连接在多个蓄电池模块间相同极性端子之间的多个第一继电器。多个第一继电器配置为在第一继电器闭合时使多个蓄电池模块之间并联连接。蓄电池单元还包括连接在多个蓄电池模块的不同极性端子之间的多个第二继电器。多个第二继电器配置为在第二继电器闭合时使多个蓄电池模块之间串联连接。蓄电池***还包括控制器，该控制器配置为基于多个蓄电池模块之间的电压偏差来控制多个第一继电器和多个第二继电器的闭合/打开状态。
控制器可计算多个蓄电池模块之间具有最高电压的蓄电池模块的电压与具有最低电压的蓄电池模块的电压之间的电压偏差。
控制器可计算每两个蓄电池模块的电压偏差，每两个蓄电池模块的端子直接连接至多个蓄电池模块的多个第一继电器中的一个的两个接触点。
对于每两个蓄电池模块，当电压偏差大于预设基准值时，通过打开多个第二继电器并依次闭合两个蓄电池模块之间的继电器，控制器经由两个蓄电池模块之间的能量移动来进行电压平衡，每两个蓄电池模块的端子直接连接至多个蓄电池模块的多个第一继电器中的一个的两个接触点。
蓄电池***还可包括电池平衡单元，该电池平衡单元配置为根据包括在多个蓄电池模块中的多个单电池之间的电压偏差来进行包括在多个蓄电池模块中的多个单电池之间的被动电压平衡。
通过基于多个蓄电池模块之间的电压偏差选择性地闭合多个第一继电器并打开多个第二继电器，控制器可进行多个蓄电池模块之间的电压平衡。然后，当包括在多个蓄电池模块中的多个单电池之间的电压偏差大于预设基准值时，控制器可进行包括在多个蓄电池模块中的多个单电池之间的被动电压平衡。
根据本发明的另一方面，可通过提供控制蓄电池***的方法来实现上述和其它目的。该方法包括通过控制器检查多个蓄电池模块之间的电压偏差。当多个蓄电池模块之间的电压偏差大于预设基准值时，该方法还包括通过控制多个第一继电器选择性闭合并控制多个第二继电器打开，经由蓄电池模块之间的能量移动来进行电压平衡。由控制器进行上述控制。
检查可包括计算多个蓄电池模块中具有最高电压的蓄电池模块的电压与具有最低电压的蓄电池模块的电压之间的电压偏差。可由控制器进行上述检查。
检查可包括计算每两个蓄电池模块的电压偏差，每两个蓄电池模块的端子直接连接至多个蓄电池模块的多个第一继电器中的一个的两个接触点。可由控制器进行上述检查。
进行可包括，对于每两个蓄电池模块，当电压偏差大于预设基准值时，通过打开多个第二继电器并依次闭合两个蓄电池模块之间的继电器，经由两个蓄电池模块之间的能量移动来进行电压平衡，每两个蓄电池模块的端子直接连接至多个蓄电池模块的多个第一继电器中的一个的两个接触点。可由控制器进行上述进行。
该方法还可包括，在进行之后，控制电池平衡单元，并进行包括在多个蓄电池模块中的多个单电池之间的被动电压平衡，该电池平衡单元配置为根据包括在多个蓄电池模块中的多个单电池之间的电压偏差来进行包括在多个蓄电池单元中的多个单电池之间的被动电压平衡。可由控制器进行上述控制和进行。
蓄电池单元可安装在由电动机驱动的车辆中并且可在车辆行驶期间连接至高压直流(DC)链路。可在车辆开始发动之后且在蓄电池单元与高压DC链路电连接之前进行上述检查和进行。
蓄电池单元可安装在由电动机驱动的车辆中并且可在车辆行驶期间连接至高压直流(DC)链路。可在车辆行驶期间车辆的车速等于或小于预设水平时或者当车辆的车辆变速器处于空档且从蓄电池单元输出的电流等于或小于预设水平时进行上述检查和进行。
蓄电池单元可安装在由电动机驱动的车辆中并且可在车辆行驶期间连接至高压直流(DC)链路。可在车辆行驶结束且蓄电池单元与高压DC链路电断开之后进行上述检查和进行。
附图说明
从结合附图进行的以下详细描述中，将更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征及其它优点，在附图中：
图1是示出根据本发明的实施例的蓄电池***的结构的示图；
图2是详细示出根据本发明的实施例的蓄电池***的蓄电池单元的示图；以及
图3是根据本发明的实施例的控制蓄电池***的方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，参考附图描述根据本发明的实施例的蓄电池***和控制蓄电池***的方法。
图1是示出根据本发明的实施例的蓄电池***的结构的示图。
参考图1，根据本发明的实施例的蓄电池***可广泛地包括蓄电池单元10和控制器100。
蓄电池单元10可作为用于存储电能的装置并且可在蓄电池***应用于车辆时用于存储车辆电动机的驱动力。根据本发明的各种实施例，蓄电池单元10可包括多个单电池，每一个都为用于存储能量的最小单元，并且预定数量的单电池可成组以构成模块。蓄电池单元10还可包括经由继电器电连接的多个蓄电池模块。
图2是详细示出根据本发明的实施例的蓄电池***的蓄电池单元10的示图。
参考图2，蓄电池单元10可包括多个蓄电池模块11、12和13，每一个都包括串联连接的多个单电池。蓄电池单元还可包括多个第一继电器R11、R12、R13和R14，其连接在多个蓄电池模块11、12和13的相同极性端子之间并且当第一继电器闭合(即，处于闭合状态)时使多个蓄电池模块11、12和13之间并联连接。蓄电池单元还可进一步包括多个第二继电器R21和R22，其连接在多个蓄电池模块11、12和13的不同极性端子之间并且当第二继电器闭合(即，处于闭合状态)时使多个蓄电池模块11、12和13之间串联连接。
虽然图2示出蓄电池单元10包括三个蓄电池模块11、12和13的示例，但是蓄电池模块11、12和13的数量可通过各种方式确定，例如2种、4种或更多种，并且因此蓄电池模块的数量可变化。
根据本发明的各种实施例，蓄电池单元10中的继电器R11至R14、R21和R22的闭合/打开状态可由控制器100控制。例如，当继电器R11、R12、R13和R14闭合并且继电器R21和R22打开时，蓄电池模块11、12和13中的每一个都可并联电连接。当继电器R11、R12、R13和R14打开并且继电器R21和R22闭合时，蓄电池模块11、12和13中的每一个都可串联电连接。当将蓄电池单元10应用于车辆时，在车辆行驶期间，继电器R11、R12、R13和R14可打开并且继电器R21和R22可闭合以便使用通过对所有蓄电池模块11、12和13的电压求和得到的电压来驱动车辆。当进行下面描述的蓄电池模块之间的电压平衡时，继电器R21和R22可打开并且继电器R11、R12、R13和R14可选择性地闭合，以进行两个相邻蓄电池模块之间的电压平衡。
控制器100可控制电池单元10中的继电器R11至R14、R21和R22的闭合/打开状态。包括在蓄电池模块11、12和13中的每一个中的单电池之间的电压平衡可通过也在下面描述的电池平衡单元200的操作来进行。在考虑到应用蓄电池单元10的车辆的行驶状态的情况下，控制器100可控制继电器R11至R14、R21和R22的闭合/打开状态以及电池平衡单元200的操作。
图1示出将蓄电池单元10应用于车辆的示例。附图标记“20”是指用于形成/阻断具有高电压的蓄电池单元10与高压直流(DC)链路30之间的电连接的功率继电器组件(PRA)。
PRA 20可包括第一主继电器21，该第一主继电器的相对两端分别直接连接至蓄电池单元10的正(+)端子和高压DC链路30的DC链路电容器C的一端。PRA 20还可包括第二主继电器22，该第二主继电器的相对两端分别直接连接至蓄电池单元10的负(-)端子和DC链路电容器C的另一端。PRA 20还可包括使用电阻器24作为介质连接在蓄电池单元10的正(+)端子与高压DC链路电容器的一端之间的预充电继电器23。虽然图1示出预充电继电器23连接至蓄电池单元10的正(+)端子的情况，但是在另一示例中，预充电继电器23可连接至蓄电池单元10的负(-)端子。
当车辆开始发动时，控制器100可控制预充电继电器23和第二主继电器22闭合。可将由电阻器24降低的电压施加至DC链路电容器C以对DC链路电容器C进行预充电。当DC链路电容器C被完全预充电并保持预定电压时，控制器100可打开预充电继电器23并闭合第一主继电器21，以便将蓄电池单元10的电压施加至高压DC链路30。可进行这样的控制以在第一主继电器21和第二主继电器22闭合时防止过电流流过并损坏DC链路电容器C，使得在车辆发动时蓄电池单元10的高电压直接施加至DC链路电容器C。
根据本发明的实施例，蓄电池***还可包括电池平衡单元200，用于包括在电池单元10中的蓄电池模块11、12和13中的每一个中包括的单电池之间的电压平衡。电池平衡单元200可由控制器100控制，并且可使用并联连接至蓄电池模块11、12和13的每一个中的单电池的电阻器和开关来进行被动平衡，用于通过电阻器消耗单电池的电力，以对应于蓄电池模块11、12和13中的单电池中具有最低电压的另一单电池的电压。由于被动平衡方法是本领域技术人员所熟知的，所以在此将省略其详细描述。
图3是根据本发明的实施例的控制蓄电池***的方法的流程图。下面描述通过图3进行的根据本发明的实施例的控制蓄电池***的方法，以有助于理解根据本发明的实施例的蓄电池***的操作和效果。
如图3所示，根据本发明的实施例的控制蓄电池***的方法可从检查包括在蓄电池单元10中的蓄电池模块11、12和13之间的电压偏差的操作S11开始。
在操作S11中，控制器100可检测包括在蓄电池单元10中的多个蓄电池模块11、12和13的每一个电压。控制器100可检查多个蓄电池模块11、12和13之间的电压偏差是否大于预设基准值X，以检查是否需要多个蓄电池模块11、12和13之间的电压平衡。
可针对每两个蓄电池模块来进行操作S11中的电压偏差的检查，每两个蓄电池模块的端子直接连接至用于并联连接的继电器R11至R14的两个接触点。换句话说，如图1和图2所示，控制器100可检查蓄电池模块11与蓄电池模块12之间的电压偏差和蓄电池模块12与蓄电池模块13之间的电压偏差。在操作S11中，控制器100还可检查所有蓄电池模块11、12和13中具有最高电压的蓄电池模块的电压与具有最低电压的蓄电池模块的电压之间的电压偏差。
在操作S11中，当确定蓄电池模块11、12和13之间的电压偏差大于预设基准值时，控制器100可控制用于在蓄电池模块11、12和13之间形成并联连接的继电器R11至R14闭合。然后，在操作S12中，控制器可控制用于形成串联连接的继电器R21和R22打开，以在蓄电池模块11、12和13之间进行电压平衡。
例如，当蓄电池模块11与蓄电池模块12之间的电压偏差大于预设值时，控制器100可通过闭合继电器R11和R12以使蓄电池模块11与蓄电池模块12并联连接，并利用存储在具有更高电压的蓄电池模块中的能量对具有更低电压的蓄电池模块再充电，来进行两个蓄电池模块11和12之间的电压平衡。然后，当蓄电池模块12与蓄电池模块13之间的电压偏差大于预设值时，控制器100可通过闭合继电器R13和R14以使蓄电池模块12与蓄电池模块13并联连接，并利用存储在具有更高电压的蓄电池模块中的能量对具有更低电压的蓄电池模块再充电，来进行两个蓄电池模块12和13之间的电压平衡。当所有蓄电池模块11、12和13中具有最高电压的蓄电池模块的电压与具有最低电压的蓄电池模块的电压之间的电压偏差大于基准值时，控制器100可依次在两个蓄电池模块之间进行电压平衡，该两个蓄电池模块的端子通过用于并联连接的继电器R11至R14直接连接。
当蓄电池模块11、12和13之间的这种电压平衡结束时，在操作S13中，控制器100可检查包括在蓄电池模块11、12和13的每一个中的单电池之间的电压偏差。在操作S13中，控制器100可确定包括在一个蓄电池模块中的单电池中具有最高电压的单电池的电压与具有最低电压的单电池的电压之间的电压偏差是否大于预设基准值Y。
然后，在操作S14中，控制器100可控制电池平衡单元200进行包括在蓄电池模块11、12和13中的单电池的电压偏差被确定为大于预设基准值Y的对应一个蓄电池模块中的单电池的被动电压平衡。
当操作S14的电池间被动平衡结束时，控制器100可控制用于串联连接的继电器R21和R22闭合。控制器100还可控制用于并联连接的继电器R11至R14打开，以便输出蓄电池单元10所需的电压。当在操作S11中确定蓄电池模块11、12和13之间的电压偏差小于预设基准值X且不进行操作S12中的蓄电池模块11、12和13之间的电压平衡时，不控制用于并联连接的继电器R11至R14闭合。因此，在操作S15中，用于串联连接的继电器R21和R22可保持闭合，并且用于并联连接的继电器R11至R14可保持打开。
当将蓄电池***应用于车辆时，可在车辆开始发动之前执行根据本发明的实施例的控制蓄电池***的前述方法，并且开始用于连接蓄电池单元10与高压DC链路30的PRA 20的操作。还可在车辆行驶结束和PRA 20的主继电器打开之后执行控制蓄电池***的方法。另外，可在车辆行驶期间车辆的车速等于或小于预设水平或者车辆的车辆变速器处于空档且从蓄电池单元10输出的电流等于或小于预设水平时，执行根据本发明的实施例的控制蓄电池***的方法。
如上所述，在根据本发明的各种实施例的蓄电池***和控制蓄电池***的方法中，可经由包括在蓄电池单元中的多个蓄电池模块之间的电压平衡来最小化蓄电池模块之间的电压偏差。经由蓄电池模块之间的能量交换来进行电压平衡。因此，与消耗单电池的电压的被动电压平衡相比，可经由电压平衡来减少放电能量。
在根据本发明的各种实施例的蓄电池***和控制蓄电池***的方法中，可整合多个蓄电池模块之间的电压平衡和包括在蓄电池模块中的多个单电池之间的平衡以最大化蓄电池性能和耐久性。
在根据本发明的各种实施例的蓄电池***和控制蓄电池***的方法中，可进行多个蓄电池模块之间的电压平衡，使得存储相对充足的能量的蓄电池模块的能量移动至存储相对不足的能量的蓄电池模块。然后，进行多个单电池之间的被动电压平衡以最小化根据被动电压平衡的功率消耗。
另外，在根据本发明的各种实施例的蓄电池***和控制蓄电池***的方法中，即使用于多个单电池之间的被动电压平衡的电路发生故障，也可经由蓄电池模块之间的电压平衡消除等于或大于预设水平的单电池电压偏差。
从以上描述显而易见的是，根据所公开的蓄电池***和控制蓄电池***的方法，可经由包括在蓄电池单元中的多个蓄电池模块之间的电压平衡来最小化多个蓄电池模块之间的电压偏差，并且经由蓄电池模块之间的能量交换来进行电压平衡。因此，与消耗单电池的电压的被动电压平衡相比，可经由电压平衡来减少放电能量。
根据所公开的蓄电池***和控制蓄电池***的方法，可整合蓄电池模块之间的电压平衡和包括在蓄电池模块中的单电池之间的平衡以最大化蓄电池性能和耐久性。
根据所公开的蓄电池***和控制蓄电池***的方法，可进行多个蓄电池模块之间的电压平衡，使得存储相对充足的能量的蓄电池模块的能量移动至存储相对不足的能量的蓄电池模块。然后，进行多个单电池之间的被动电压平衡以最小化根据被动电压平衡的功率消耗。
根据所公开的蓄电池***和控制蓄电池***的方法，即使用于多个单电池之间的被动电压平衡的电路发生故障，也可经由多个蓄电池模块之间的电压平衡消除等于或大于预设水平的单电池电压偏差。
虽然上面已经参考附图描述了本发明的实施例，但本领域技术人员应当理解，可在不改变本发明的技术构思或特征的情况下，以各种其它实施例来实施本发明。

Claims (14)

1.一种蓄电池***，包括：
蓄电池单元，具有：
多个蓄电池模块，每一个都具有串联连接的多个单电池，
多个第一继电器，连接在所述多个蓄电池模块之间的相同极性端子之间，并且其中，所述多个第一继电器配置为在闭合时使所述多个蓄电池模块之间并联连接，和
多个第二继电器，连接在所述多个蓄电池模块的不同极性端子之间，并且其中，所述多个第二继电器配置为在闭合时使所述多个蓄电池模块之间串联连接；以及
控制器，配置为基于所述多个蓄电池模块之间的电压偏差来控制所述多个第一继电器和所述多个第二继电器的闭合/打开状态。
2.根据权利要求1所述的蓄电池***，其中，所述控制器计算所述多个蓄电池模块中具有最高电压的蓄电池模块的电压与具有最低电压的蓄电池模块的电压之间的电压偏差。
3.根据权利要求1所述的蓄电池***，其中，所述控制器计算每两个蓄电池模块的电压偏差，每两个蓄电池模块的端子直接连接至所述多个蓄电池模块的多个第一继电器中的一个的两个接触点。
4.根据权利要求1所述的蓄电池***，其中，对于每两个蓄电池模块，当所述电压偏差大于预设基准值时，通过打开所述多个第二继电器并依次闭合两个蓄电池模块之间的继电器，所述控制器经由两个蓄电池模块之间的能量移动来进行电压平衡，每两个蓄电池模块的端子直接连接至所述多个蓄电池模块的多个第一继电器中的一个的两个接触点。
5.根据权利要求1所述的蓄电池***，还包括：电池平衡单元，配置为根据包括在所述多个蓄电池模块中的多个单电池之间的电压偏差，进行包括在所述多个蓄电池模块中的多个单电池之间的被动电压平衡。
6.根据权利要求5所述的蓄电池***，其中，通过基于所述多个蓄电池模块之间的电压偏差选择性地闭合所述多个第一继电器并且打开所述多个第二继电器，所述控制器进行所述多个蓄电池模块之间的电压平衡，并且然后当包括在所述多个蓄电池模块中的多个单电池之间的电压偏差大于预设基准值时，进行包括在所述多个蓄电池模块中的多个单电池之间的被动电压平衡。
7.一种控制根据权利要求1所述的蓄电池***的方法，所述方法包括以下步骤：
检查步骤，通过所述控制器检查所述多个蓄电池模块之间的电压偏差；以及
进行步骤，当所述多个蓄电池模块之间的电压偏差大于预设基准值时，通过由所述控制器控制所述多个第一继电器选择性地闭合并且控制所述多个第二继电器打开，经由所述蓄电池模块之间的能量移动来进行电压平衡。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述检查步骤包括：通过所述控制器计算所述多个蓄电池模块中具有最高电压的蓄电池模块的电压与具有最低电压的蓄电池模块的电压之间的电压偏差。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述检查步骤包括：通过所述控制器计算每两个蓄电池模块的电压偏差，每两个蓄电池模块的端子直接连接至所述多个蓄电池模块的多个第一继电器中的一个的两个接触点。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述进行步骤包括：对于每两个蓄电池模块，当所述电压偏差大于预设基准值时，通过打开所述多个第二继电器并依次闭合两个蓄电池模块之间的继电器，由所述控制器经由两个蓄电池模块之间的能量移动来进行电压平衡，每两个蓄电池模块的端子直接连接至所述多个蓄电池模块的多个第一继电器中的一个的两个接触点。
11.根据权利要求7所述的方法，还包括：在所述进行步骤之后，通过所述控制器控制电池平衡单元，并进行包括在所述多个蓄电池模块中的多个单电池之间的被动电压平衡，所述电池平衡单元配置为根据包括在所述多个蓄电池模块中的多个单电池之间的电压偏差来进行包括在所述多个蓄电池单元中的多个单电池之间的被动电压平衡。
12.根据权利要求7所述的方法，其中：
所述蓄电池单元安装在由电动机驱动的车辆中并且在车辆行驶期间连接至高压直流(DC)链路；以及
在所述车辆开始发动之后且在所述蓄电池单元与所述高压DC链路电连接之前进行所述检查步骤和所述进行步骤。
13.根据权利要求7所述的方法，其中：
所述蓄电池单元安装在由电动机驱动的车辆中并且在车辆行驶期间连接至高压直流(DC)链路；以及
当在车辆行驶期间所述车辆的车速等于或小于预设水平时或者所述车辆的车辆变速器处于空档且从所述蓄电池单元输出的电流等于或小于预设水平时进行所述检查步骤和所述进行步骤。
14.根据权利要求7所述的方法，其中：
所述蓄电池单元安装在由电动机驱动的车辆中并且在车辆行驶期间连接至高压直流(DC)链路；以及
在车辆行驶结束并且所述蓄电池单元与所述高压DC链路电断开之后进行所述检查步骤和所述进行步骤。
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