CN102377215B - 用于推进蓄电池的组合加热及预充电功能和硬件 - Google Patents

用于推进蓄电池的组合加热及预充电功能和硬件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于推进蓄电池的组合加热及预充电功能和硬件。一种用于电动车辆的蓄电池电路，其采用既在系统启动时提供预充电功能又提供蓄电池加热的电阻器。该蓄电池电路包括电联接到蓄电池的正端子的高压总线正线和电联接到蓄电池负端子的高压总线负线。电阻器的第一端电联接到高压总线正线，第一开关电联接在电阻器的第二端与高压总线正线之间，并且第二开关电联接在电阻器的第二端与高压总线负线之间。当第一开关闭合以及第二开关断开时提供预充电操作，并且当第二开关闭合以及第一开关断开时，提供加热功能。

Description

用于推进蓄电池的组合加热及预充电功能和硬件
技术领域
本发明总体上涉及一种用于电动车辆的蓄电池电路，并且更具体地，涉及一种用于电动车辆的使用既提供预充电功能又提供蓄电池加热功能的单电阻器的蓄电池电路。
背景技术
电动车辆正变得越来越流行。这些车辆包括混合动力车辆，例如增程电动车辆（EREV），其兼有蓄电池和主动力源，例如内燃机、燃料电池系统等，以及纯电动的车辆，例如蓄电池电动车辆（BEV）。所有这些类型的电动车辆都采用高压蓄电池，其包括多个蓄电池单格电池。这些蓄电池可以是不同的蓄电池类型，例如锂离子、镍金属氢化物、铅酸等。用于电动车辆的典型高压蓄电池可以包括196个蓄电池单格电池，其提供大约400伏的电力。该蓄电池可以包括多个单独的蓄电池模块，其中每个蓄电池模块可以包括一定数量的蓄电池单格电池，例如12个单格电池。单独的蓄电池单格电池可以串联地电联接，或一系列单格电池可以并联地电联接，其中在模块中的许多单格电池串联连接，并且每个模块与其他模块并联联接。不同的车辆设计包括不同的蓄电池设计，该蓄电池设计采用用于特定应用的各种折中和优点。
在电动车辆中的高压蓄电池由蓄电池触头选择性地联接到车辆的高压总线。当车辆熄火时，触头断开，并且蓄电池从高压总线断开。当车辆点火时，触头闭合，并且蓄电池联接到高压总线。
多个其他高压部件电联接到高压总线，包括牵引马达逆变器模块（TPIM），其将DC高压总线信号逆变为适于在车辆中的AC推进马达的AC信号。TPIM和联接到高压总线的其他模块以及电路通常包括横跨高压总线的正和负线联接的相对较大电容器，其过滤了总线电压噪音，否则该噪音会对模块的性能有降低作用。然而，当蓄电池触头正在被闭合并且蓄电池电压被联接到高压总线时，这些电容器充当横跨这些总线的线的直接短路，直到电容器已经有机会充电，其大体上仅几个微秒。作为高压的结果，这个有限时间的直接短路对在系统中的许多电部件有退化作用，包括电容器本身和触头，其限制了它们的寿命。
为了消除或减少在系统启动时来自直接短路的这个电流尖峰，已知的是在蓄电池电路中提供预充电电阻器，其作为负载工作以在若干电容器正在被充电时限制电流。换句话说，在车辆启动期间，在闭合主总线触头之前，预充电电阻器对车辆的高压总线预充电，以便避免高起动电流尖峰，不然该电流尖峰会损坏高压电容器。在一个具体设计中，在启动时闭合负蓄电池触头，并且预充电电阻器被横跨总线正线触头地联接，总线正线触头保持断开直到完成预充电功能。
在工业中公知的是，高温对车辆蓄电池是有害的，并且当在车辆驱动操作期间被放电时，大多数类型的蓄电池组产生热量。还已知的是，锂离子蓄电池组的寿命是蓄电池组的温度和充电状态的函数，其中高温会有害于蓄电池组的寿命，如果那些温度发生在蓄电池组处于高的充电状态时。因此，电动车辆通常采用热量管理系统来将蓄电池组温度维持在某个水平，其对于延长蓄电池组寿命是已知的。蓄电池热量管理系统通常包括提供在冷却流体中的电加热器，其在冷操作条件期间加热冷却流体以升高蓄电池的温度到最佳温度以实现更好的性能。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于电动车辆的蓄电池电路，其采用既在系统启动时提供预充电功能又在需要时提供蓄电池加热的单个电阻器。该蓄电池电路包括电联接到蓄电池的正端子的高压总线正线和电联接到蓄电池负端子的高压总线负线。电阻器的第一端电联接到高压总线正线，电阻器的第二端电联接到高压总线负线，第一开关电联接在电阻器的第二端与高压总线正线之间，并且第二开关电联接在电阻器的第二端与高压总线负线之间。当第一开关闭合以及第二开关断开时提供预充电操作，并且当第二开关闭合以及第一开关断开时，提供加热功能。
结合附图，根据下面的描述以及从属权利要求，本发明的附加特征将将变得显而易见。
本发明还提供了如下方案：
方案1. 一种蓄电池电路，包括：
包括正端子和负端子的蓄电池；
电联接到蓄电池正端子的高压总线正线；
电联接到蓄电池负端子的高压总线负线；
包括电联接到高压总线正线的第一端和电联接到高压总线负线的第二端的电阻器；
电联接在电阻器的第二端与高压总线正线之间的第一开关；以及
电联接在电阻器的第二端与高压总线负线之间的第二开关，所述电阻器单独地既提供预充电操作又提供加热操作用于加热蓄电池，其中电阻器是电加热器的一部分，闭合所述第一开关以及断开第二开关来提供预充电操作，并且闭合所述第二开关以及断开第一开关来提供加热操作。
方案2. 根据方案1所述的蓄电池电路，还包括提供在高压总线正线中的高压正触头开关和提供在高压总线负线中的高压负触头开关；其中当断开第一开关来提供预充电操作时，高压正触头开关被断开以及高压负触头开关被闭合。
方案3. 根据方案1所述的蓄电池电路，其中所述电阻器具有选择为对于加热操作最佳的电阻。
方案4. 根据方案1所述的蓄电池电路，其中所述电阻器具有选择为对于预充电操作最佳的电阻，并且由电阻器提供的加热量由脉宽调制信号控制。
方案5. 根据方案1所述的蓄电池电路，其中电阻器是可变电阻器，其中电阻器的一部分用于预充电操作，而比电阻器的这部分更多的部分用于加热操作。
方案6. 根据方案1所述的蓄电池电路，其中蓄电池是锂离子蓄电池。
方案7. 根据方案1所述的蓄电池电路，其中电阻器被定位在用于蓄电池热量管理系统的冷却流体中。
方案8. 根据方案1所述的蓄电池电路，其中蓄电池电路是电动车辆的一部分。
方案9. 一种用于电动车辆的蓄电池电路，所述蓄电池电路包括：
蓄电池；
电联接到蓄电池的高压总线；
电联接到高压总线的电阻器；
电联接在电阻器与高压总线之间的第一开关；以及
电联接在电阻器与高压总线之间的第二开关，所述电阻器单独地既提供预充电操作又提供用于加热蓄电池的加热操作，其中电阻器是电加热器的一部分。
方案10. 根据方案9所述的蓄电池电路，其中闭合所述第一开关以及断开第二开关来提供预充电操作，并且闭合所述第二开关以及断开第一开关来提供加热操作。
方案11. 根据方案9所述的蓄电池电路，其中高压总线包括总线正线和总线负线，并且其中电阻器的第一端电联接到总线正线，而电阻器的第二端电联接到总线负线，第一开关电联接在电阻器的第二端与总线正线之间，并且第二开关电联接在电阻器的第二端与总线负线之间。
方案12. 根据方案11所述的蓄电池电路，还包括提供在高压总线正线中的高压正触头开关和提供在高压总线负线中的高压负触头开关；其中当断开第一开关来提供预充电操作时，高压正触头开关被断开以及高压负触头开关被闭合。
方案13. 根据方案9所述的蓄电池电路，其中所述电阻器具有选择为对于加热操作最佳的电阻。
方案14. 根据方案9所述的蓄电池电路，其中所述电阻器具有选择为对于预充电操作最佳的电阻，并且由电阻器提供的加热量由脉宽调制信号控制。
方案15. 根据方案9所述的蓄电池电路，其中电阻器是可变电阻器，其中电阻器的一部分用于预充电操作，而比电阻器的这部分更多的部分用于加热操作。
方案16. 根据方案9所述的蓄电池电路，其中电阻器被定位在用于蓄电池热量管理系统的冷却流体中。
方案17. 一种用于电动车辆的蓄电池电路，所述电路包括：
包括正端子和负端子的蓄电池；
电联接到蓄电池正端子的高压总线正线；
提供在高压总线正线中的高压正触头开关；
电联接到蓄电池负端子的高压总线负线；
提供在高压总线负线中的高压负触头开关；
包括电联接到高压总线正线的第一端和电联接到高压总线负线的第二端的加热器电阻器；
电联接在加热器电阻器的第二端与高压总线正线之间的第一开关；以及
电联接在加热器电阻器的第二端与高压总线负线之间的第二开关，所述电阻器单独地既提供预充电操作又提供用于加热蓄电池的加热操作，闭合所述第一开关以及断开第二开关来提供预充电操作，并且闭合所述第二开关以及断开第一开关来提供加热操作，其中当断开第一开关来提供预充电操作时，高压正触头开关被断开以及高压负触头开关被闭合。
方案18. 根据方案17所述的电路，其中所述加热器电阻器具有选择为对于加热操作最佳的电阻。
方案19. 根据方案17所述的电路，其中所述加热器电阻器具有选择为对于预充电操作最佳的电阻，并且由电阻器提供的加热量由脉宽调制信号控制。
方案20. 根据方案17所述的电路，其中所述电阻器是可变电阻器，其中电阻器的一部分用于预充电操作，而比电阻器的这部分更多的部分用于加热操作。
附图说明
图1为用于电动车辆的已知蓄电池电路的示意图，其包括预充电电阻器和加热器；
图2为用于电动车辆的蓄电池电路的示意图，其采用既提供预充电功能又提供加热功能的单个电阻器；以及
图3为用于电动车辆的另一个蓄电池电路的示意图，其采用既提供预充电功能又提供加热功能的单个电阻器。
具体实施方式
本发明致力于采用提供预充电功能和加热功能的单个电阻器的蓄电池电路的实施例的下面描述本质上仅为示例性地，并且决不旨在限制本发明或者它的应用或使用。例如，本文将本发明的蓄电池描述为用于电动车辆，包括电动混合动力车辆。然而，本领域的技术人员将会认识到，该蓄电池电路可以应用于其他应用。
图1为包括蓄电池12和蓄电池断开单元（BDU）14的已知蓄电池电路10的示意图。蓄电池12可以是适于本文描述目的的任何蓄电池，例如镍金属氢化物蓄电池、锂离子蓄电池、铅酸蓄电池等。蓄电池12包括串联和/或并联接电联接的多个蓄电池单格电池，以给特定的应用提供期望的高压。蓄电池12电联接到如这里显示为组合的总线正线16和总线负线18的高压总线。各种高压部件将被电联接到总线正线16和总线负线18以用于特定应用。在电路10中，这些部件的其中一个是TPIM 20，其将在总线的线16和18上的高压耦合到AC牵引马达（未示出）。其他高压电部件将被联接到总线的线16和18，虽然没有特别示出。如上面提及的，联接到高压总线的线16和18的电部件通常包括过滤总线噪声的电容器，作为其示例，其中电容器22提供在TPIM 20中。
总线正线16包括正蓄电池触头或开关24，例如继电器，并且总线负线18包括负触头或开关26，其中开关24和26以本领域的技术人员很好理解的方式选择性地连接和断开蓄电池12与在车辆上的高压总线。
蓄电池电路10还包括预充电电阻器34，其以允许它在加热器开关32闭合时旁路开关24的方式电联接到总线正线16。预充电电阻器 34可以通过FET开关36选择性地联接到总线正线16，FET开关在它的门端通过适当高压隔离电子设备（未示出）接收逻辑信号，以闭合开关36。在系统操作期间当闭合开关24时，高压阻塞二极管38阻止电流从总线正线16流到电阻器34。如上面讨论的，当电容器22或其他电容器提供横跨总线的线16和18的直接短路时，预充电电阻器 34在系统启动时提供负载以防止对电容器22、开关24和26、以及其他电部件的损坏。
如上面提及的，一些蓄电池热量管理系统采用加热器来提升蓄电池12的温度到期望的工作温度。电路10包括电阻电加热器40，其包括用于此目的的电阻器42，其当闭合加热器开关32时，电联接为横跨总线的线16和18。电阻器42通常将比预充电电阻器34具有显著更高的电阻。FET开关30当它在它的门端通过合适的高压隔离电路（未示出）接收到闭合开关30的信号时选择性地开启加热器40，这对本领域的技术人员是很好理解的。保险丝28提供用于蓄电池电路元件的过电流保护。
图2为与加热器电路10相似的加热器电路50的示意图，其中相同元件以相同的参考标记来识别。根据本发明，取消了预充电电阻器34，并且电阻器42既提供用于提升蓄电池12温度的加热功能又提供预充电功能。电阻器42将仍然定位在热量蓄电池系统的冷却流体中以在期望时加热冷却流体，但也选择性地被用作负载来执行预充电功能。
在这方面，开关36将仍然被用来开启预充电功能，其中如在电路10中一样，当闭合开关32时，它将加热器40电联接到总线正线16。当闭合开关32时，开关30将仍然将加热器40连接到总线正和负线16和18。开关36和30不能同时被闭合。如果同时期望加热和预充电，那么预充电功能将优先，其中开关30将断开。这是因为预充电操作将是非常快的，通常在小于300微秒的量级上。一旦完成预充电操作，如果需要时，那么开关36将被断开以及开关30将被闭合来再提供加热功能。
在这个实施例中，电阻器42的电阻被选择用于期望和恰当的加热，其通常将是比预充电功能需要的电阻更高的电阻。然而，可增加用于提供预充电功能的时间长度来提供期望加热电阻的恰当预充电。可选地，如果期望保持预充电时间相同，那么可以减少加热器电阻器42的电阻，其将减少它的加热能力。并且，开关30提供加热的控制通常由具有某种占空比的脉宽调制（PWM）信号来提供。为了更小的电阻提供相同的加热量可降低该占空比脉冲。
在替代实施例中，加热器可以是两级加热器。这个实施例示出在图3中，其示出与加热器电路50相似的加热器电路60的示意图，其中相同元件以相同参考标记来识别。加热器40用具有可变电阻器64的两级加热器62代替。在预充电操作期间仅使用电阻器64的期望部分，而在加热操作期间使用整个电阻器64，以便可以为预充电操作和加热操作提供最佳电阻。
通过减少在电路50中的电阻器的数量，可以减少部件的数量，其影响系统的成本和重量。并且，通过为预充电功能提供更大的电阻器，可以提高预充电的可靠性。
前面讨论仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域的技术人员将从这个讨论和从附图以及权利要求中认识到，在不脱离如下面权利要求限定的本发明的精神和范围情况下，可以作出其中的各种改变、修改和变形。

Claims (20)

1.一种蓄电池电路，包括：
包括正端子和负端子的蓄电池；
电联接到蓄电池正端子的高压总线正线；
电联接到蓄电池负端子的高压总线负线；
包括电联接到高压总线正线的第一端和电联接到高压总线负线的第二端的电阻器；
电联接在电阻器的第二端与高压总线正线之间的第一开关；以及
电联接在电阻器的第二端与高压总线负线之间的第二开关，所述电阻器单独地既提供预充电操作又提供加热操作用于加热蓄电池，其中电阻器是电加热器的一部分，闭合所述第一开关以及断开第二开关来提供预充电操作，并且闭合所述第二开关以及断开第一开关来提供加热操作。
2.根据权利要求1所述的蓄电池电路，还包括提供在高压总线正线中的高压正触头开关和提供在高压总线负线中的高压负触头开关；其中当闭合第一开关来提供预充电操作时，高压正触头开关被断开以及高压负触头开关被闭合。
3.根据权利要求1所述的蓄电池电路，其中所述电阻器具有选择为对于加热操作最佳的电阻。
4.根据权利要求1所述的蓄电池电路，其中所述电阻器具有选择为对于预充电操作最佳的电阻，并且由电阻器提供的加热量由脉宽调制信号控制。
5.根据权利要求1所述的蓄电池电路，其中电阻器是可变电阻器，其中电阻器的一部分用于预充电操作，而比电阻器的这部分更多的部分用于加热操作。
6.根据权利要求1所述的蓄电池电路，其中蓄电池是锂离子蓄电池。
7.根据权利要求1所述的蓄电池电路，其中电阻器被定位在用于蓄电池热量管理系统的冷却流体中。
8.根据权利要求1所述的蓄电池电路，其中蓄电池电路是电动车辆的一部分。
9.一种用于电动车辆的蓄电池电路，所述蓄电池电路包括：
蓄电池；
电联接到蓄电池的高压总线；
电联接到高压总线的电阻器；
电联接在电阻器与高压总线之间的第一开关；以及
电联接在电阻器与高压总线之间的第二开关，所述电阻器单独地既提供预充电操作又提供用于加热蓄电池的加热操作，其中电阻器是电加热器的一部分。
10.根据权利要求9所述的蓄电池电路，其中闭合所述第一开关以及断开第二开关来提供预充电操作，并且闭合所述第二开关以及断开第一开关来提供加热操作。
11.根据权利要求9所述的蓄电池电路，其中高压总线包括总线正线和总线负线，并且其中电阻器的第一端电联接到总线正线，而电阻器的第二端电联接到总线负线，第一开关电联接在电阻器的第二端与总线正线之间，并且第二开关电联接在电阻器的第二端与总线负线之间。
12.根据权利要求11所述的蓄电池电路，还包括提供在高压总线正线中的高压正触头开关和提供在高压总线负线中的高压负触头开关；其中当闭合第一开关来提供预充电操作时，高压正触头开关被断开以及高压负触头开关被闭合。
13.根据权利要求9所述的蓄电池电路，其中所述电阻器具有选择为对于加热操作最佳的电阻。
14.根据权利要求9所述的蓄电池电路，其中所述电阻器具有选择为对于预充电操作最佳的电阻，并且由电阻器提供的加热量由脉宽调制信号控制。
15.根据权利要求9所述的蓄电池电路，其中电阻器是可变电阻器，其中电阻器的一部分用于预充电操作，而比电阻器的这部分更多的部分用于加热操作。
16.根据权利要求9所述的蓄电池电路，其中电阻器被定位在用于蓄电池热量管理系统的冷却流体中。
17.一种用于电动车辆的蓄电池电路，所述电路包括：
包括正端子和负端子的蓄电池；
电联接到蓄电池正端子的高压总线正线；
提供在高压总线正线中的高压正触头开关；
电联接到蓄电池负端子的高压总线负线；
提供在高压总线负线中的高压负触头开关；
包括电联接到高压总线正线的第一端和电联接到高压总线负线的第二端的加热器电阻器；
电联接在加热器电阻器的第二端与高压总线正线之间的第一开关；以及
电联接在加热器电阻器的第二端与高压总线负线之间的第二开关，所述电阻器单独地既提供预充电操作又提供用于加热蓄电池的加热操作，闭合所述第一开关以及断开第二开关来提供预充电操作，并且闭合所述第二开关以及断开第一开关来提供加热操作，其中当闭合第一开关来提供预充电操作时，高压正触头开关被断开以及高压负触头开关被闭合。
18.根据权利要求17所述的电路，其中所述加热器电阻器具有选择为对于加热操作最佳的电阻。
19.根据权利要求17所述的电路，其中所述加热器电阻器具有选择为对于预充电操作最佳的电阻，并且由电阻器提供的加热量由脉宽调制信号控制。
20.根据权利要求17所述的电路，其中所述电阻器是可变电阻器，其中电阻器的一部分用于预充电操作，而比电阻器的这部分更多的部分用于加热操作。
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