CN102457084A - 单元故障模式并联旁通电路的蓄电池故障容错结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于蓄电池系统的旁通电路，所述旁通电路将并联连接的单元或模块从蓄电池电路断开或者控制通过并联连接的单元或模块的电流。如果系统中的单元发生故障或者可能发生故障，那么旁通电路能够将所述单元或模块从并联电联接的其它单元或模块断开。如果单元或模块具有比其它单元或模块更低的性能，那么旁通电路能够控制至所述单元或模块的电流，以使得系统性能最大化且防止系统产生步行回家状况。

Description

单元故障模式并联旁通电路的蓄电池故障容错结构
技术领域
本发明总体上涉及用于并联连接蓄电池模块或单元的可控旁通电路，且更具体地涉及能够旁通较大蓄电池系统的一部分的被连接蓄电池单元或模块且控制放电和充电电流的控制电路。
背景技术
电动车辆变得日益流行。这些车辆包括将蓄电池与主功率源（例如，内燃机、燃料电池系统等）结合的混合动力车辆（例如扩展里程电动车辆（EREV））和纯电动车辆（例如，蓄电池电动车辆（BEV））。所有这些类型的电动车辆都采用包括多个蓄电池单元的高电压蓄电池。这些蓄电池可以是不同蓄电池类型，例如锂离子、镍金属氢化物、铅酸等。用于电动车辆的典型高电压蓄电池系统可包括大数量的蓄电池单元或模块以满足车辆功率和能量要求。蓄电池系统可以包括独立蓄电池模块，其中，每个蓄电池模块可包括一定数量的蓄电池单元，例如12个单元。独立蓄电池单元可以串联电联接，或者串联的单元可以并联电联接，其中，模块中的多个单元串联连接且每个模块与其它模块并联电联接。不同车辆设计包括不同蓄电池设计，针对特定应用采用各种折衷和优势。
由于多种原因，例如内部短路、容量丧失、高电阻、高温等，蓄电池中的蓄电池单元可以发生故障或者可能以其它方式性能受限制。车辆蓄电池组通常包括各种传感器和其它诊断装置，其可以确定蓄电池性能是否受限制、正在发生故障或者可能在近来发生故障。由于蓄电池单元可串联电联接，因而串联中的一个单元的故障可能防止串联中的其它单元的使用，且可导致车辆关闭。因而，在重大蓄电池故障发生之前，蓄电池可以从电路断开，且可以提供指示这种故障的警示灯。
取决于蓄电池类型，这种故障可导致步行回家状况（walk-home condition），其中，车辆需要被拖行且不能驾驶。将期望提供蓄电池的独立单元能够被切换出电路从而可避免步行回家状况和其它情形的电路。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于蓄电池系统的旁通电路，所述蓄电池系统由多个单元或模块构成，所述旁通电路将单元或模块从所述电路断开或者控制至所述单元或模块或来自于所述单元或模块的电流。如果系统中的单元或模块发生故障或者可能发生故障，那么旁通电路能够将所述单元或模块从并联电联接的其它单元或模块断开。如果单元或模块具有受限性能，那么旁通电路能够调节至所述单元或模块或来自于所述单元或模块的电流，以防止其发生故障或者减慢其故障速率。
方案1. 一种蓄电池电路，包括并联电联接的多个蓄电池模块，每个蓄电池模块包括串联电联接的多个蓄电池单元，每个蓄电池模块还包括控制装置，所述控制装置能操作响应于蓄电池单元故障或可能故障而将蓄电池模块从其它蓄电池模块断开。
方案2. 根据方案1所述的电路，其中，控制电路是开关。
方案3. 根据方案2所述的电路，其中，所述开关是固态开关。
方案4. 根据方案2所述的电路，其中，所述开关是继电器。
方案5. 根据方案2所述的电路，其中，所述开关是机械断路器。
方案6. 根据方案1所述的电路，其中，所述控制装置包括电路部件，所述电路部件控制放电电流从该模块流动和充电电流流向该模块的时间。
方案7. 根据方案6所述的电路，其中，所述控制装置包括：逻辑电路；具有第一开关的第一电流路径；和具有第二开关的第二电流路径，其中，第一电流路径允许电流流入该模块，第二电流路径允许电流流出该模块，且其中，当该模块充电时，逻辑电路断开第二开关且控制第一开关的断开和闭合，其中，第一开关闭合的时间基于该模块的荷电状态范围与蓄电池电路中的较高性能模块的荷电状态范围相比，且其中，当该模块放电时，逻辑电路断开第一开关且控制第二开关的断开和闭合，其中，第二开关闭合的时间也基于该模块的荷电状态范围与蓄电池电路中的较高性能模块的荷电状态范围相比。
方案8. 根据方案1所述的电路，其中，所述蓄电池单元是锂离子蓄电池单元。
方案9. 根据方案1所述的电路，其中，蓄电池是车辆蓄电池。
方案10. 根据方案9所述的电路，其中，所述车辆是混合动力车辆。
方案11. 一种蓄电池电路，包括并联电联接的多个蓄电池模块，每个蓄电池模块包括串联电联接的多个蓄电池单元，每个蓄电池模块还包括控制装置，所述控制装置包括电路部件，所述电路部件控制放电电流从该模块流动和充电电流流向该模块的时间，其中，所述电路部件能操作将蓄电池模块从其它蓄电池模块断开。
方案12. 根据方案11所述的电路，其中，所述控制装置包括：逻辑电路；具有第一开关的第一电流路径；和具有第二开关的第二电流路径，其中，第一电流路径允许电流流入该模块，第二电流路径允许电流流出该模块。
方案13. 根据方案12所述的电路，其中，当该模块充电时，逻辑电路断开第二开关且控制第一开关的断开和闭合，其中，第一开关闭合的时间基于该模块的荷电状态范围与蓄电池电路中的较高性能模块的荷电状态范围相比，且其中，当该模块放电时，逻辑电路断开第一开关且控制第二开关的断开和闭合，其中，第二开关闭合的时间也基于该模块的荷电状态范围与蓄电池电路中的较高性能模块的荷电状态范围相比。
方案14. 根据方案11所述的电路，其中，所述蓄电池单元是锂离子蓄电池单元。
方案15. 根据方案11所述的电路，其中，蓄电池是车辆蓄电池。
方案16. 根据方案15所述的电路，其中，所述车辆是混合动力车辆。
方案17. 一种用于混合动力车辆中的蓄电池的蓄电池电路，所述蓄电池电路包括并联电联接的多个蓄电池模块，每个蓄电池模块包括串联电联接的多个蓄电池单元，每个蓄电池模块还包括控制装置，所述控制装置包括电路部件，所述电路部件控制放电电流从该模块流动和充电电流流向该模块的时间，其中，所述电路部件能操作将蓄电池模块从其它蓄电池模块断开，其中，所述控制装置包括：逻辑电路；具有第一开关的第一电流路径；和具有第二开关的第二电流路径，其中，第一电流路径允许电流流入该模块，第二电流路径允许电流流出该模块。
方案18. 根据方案17所述的电路，其中，当该模块充电时，逻辑电路断开第二开关且控制第一开关的断开和闭合，其中，第一开关闭合的时间基于该模块的荷电状态范围与蓄电池电路中的较高性能模块的荷电状态范围相比，且其中，当该模块放电时，逻辑电路断开第一开关且控制第二开关的断开和闭合，其中，第二开关闭合的时间也基于该模块的荷电状态范围与蓄电池电路中的较高性能模块的荷电状态范围相比。
方案19. 根据方案17所述的电路，其中，所述蓄电池单元是锂离子蓄电池单元。
本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。
附图说明
图1是车辆电气系统的框图；
图2是包括旁通电路的车辆蓄电池的多个单元的示意图；
图3是蓄电池旁通电路的示意图；
图4是车辆蓄电池的并联连接蓄电池单元的示意图；和
图5是并联接口模块的示意图。
图6是包括串联连接蓄电池单元串的蓄电池电路的示意性框图。
具体实施方式
涉及去除与其它单元或模块并联连接的单元或模块的旁通电路的本发明实施例的以下阐述本质上仅仅是示例性的且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。
图1是包括高电压蓄电池12的车辆系统10的框图。高电压蓄电池12包括多个蓄电池模块14，每个包括串联电联接的多个蓄电池单元。在一个非限制性示例中，蓄电池12可包括8个模块14，其中，每个模块14可包括12个单元，总计96个单元。总电压可以在350-400伏范围内。蓄电池12电联接到由线路16和18表示的高电压总线。在该非限制性设计中，车辆系统10是混合动力车辆的一部分，混合动力车辆包括主功率源20（例如，内燃机、燃料电池系统等）。功率源20也电联接到高电压总线线路16和18。蓄电池12和功率源20以特定应用的任何合适控制配置将功率提供给总线线路16和18，其中，蓄电池12和功率源20与总线线路16和18匹配。车辆负载22电联接到总线线路16和18且表示从车辆功率系统（即，蓄电池12和功率源20）接收功率的任何车辆负载，例如车辆推进系统、电动马达、附件负载等。将设置合适电气部件，以降低电压，用于低电压负载的那些负载。
图2是蓄电池电路30的示意图，可以是例如一个模块14内的电路。蓄电池电路30包括与电路30中的每个蓄电池单元34相关的蓄电池单元旁通电路32，其中，蓄电池单元34串联电联接。每个旁通电路32包括与蓄电池单元34串联电联接的第一开关36和在旁通线路40中与蓄电池单元34并联电联接的第二开关38。开关36和38可以是适合于本文所述目的的任何开关，例如固态开关、继电器、机械断路器等。机械断路器的示例包括背板和母线设计。确定使用哪种开关考虑特定蓄电池设计、尺寸和重量因素、成本因素、寄生损失因素等。控制器42根据本文所述控制每个旁通电路32中的开关36和38的位置。在该非限制性实施例中，控制器42从电路30中的温度传感器44接收温度信号。
在正常操作期间，开关36闭合且开关38断开，从而电流经过单元34。如果对于电路30中的特定单元34检测到单元故障模式或可能单元故障模式，那么控制器42将断开开关36且闭合开关38，从而允许电流经过旁通线路40且绕过单元34。因而，在该情况下，电路30或蓄电池12的总功率将减少单元34的大小或者特定单元34所提供的功率百分比。
控制器42能够以适合于本文所述目的的任何方式检测故障、可能发生故障和/或低性能单元，其中许多是本领域技术人员熟知的。例如，本领域中当前存在蓄电池诊断，其中，每个蓄电池单元34的电压被测量且与期望电压电平进行比较以确定单元性能。此外，温度传感器44可以用于测量每个单元34或多个单元的温度，以确定这些单元34的温度是否超过表示高电阻的预定最大温度阈值。确定可能单元故障的实际技术不重要，只要可能单元故障能够被检测且开关36和38能够相应开关即可。
当前车辆技术允许车辆控制系统确定蓄电池12适当地操作且不需要采取动作，提供受限制蓄电池功率模式（其响应于可能蓄电池单元故障模式提供受限制蓄电池功率），在发生蓄电池故障时完全关闭蓄电池且系统将蓄电池12与车辆系统本身断开。本发明给这三种诊断模式提供附加模式，其中，已经检测单元故障或可能单元故障且该单元从单元的串联连接去除，从而蓄电池12能够在没有该单元的情况下正常操作。
上文针对蓄电池电路30所述的实施例包括用于每个蓄电池单元34的旁通电路。然而，取决于蓄电池12中的单元34的数量，由于与每个开关有关的插入损失、部件寄生损失等，可能不希望为每个单元提供两个开关。此外，存在由于将开关36和38置于蓄电池外壳中而必须解决的体积和重量考虑。此外，当前蓄电池设计采用针对电压和温度监测预定数量单元的专用电路，以用于特定设计。然而，由于单元损失，在可能故障状况期间被旁通的单元越多，蓄电池12能够产生的功率越少。换句话说，如果单个单元已经发生故障或正在发生故障且在作为一组的多个单元中的一个发生故障时旁通电路旁通所述多个单元，那么将损失由这些单元产生的所有功率，尽管该组中仅仅一个单元具有可能的问题。因而，期望旁通配置可以或者可以不旁通多个单元34。
图3是旁通电路50的示意图，示出了多个蓄电池单元52可以如何由两个开关均旁通。具体地，第一开关54与所述多个单元52串联电联接，第二开关56设置在绕过所述多个单元52的旁通线路58中。如上所述，在正常操作期间，开关54闭合且开关56断开，从而所有单元52均在蓄电池电路中串联电联接。如果对于所述多个单元52中的任一个检测到可能单元问题，那么开关54断开且开关56闭合以旁通所有单元52，其中，蓄电池损失由单元52组提供的功率。
上述旁通电路是用于串联连接的蓄电池单元。然而，在其它蓄电池设计中，蓄电池模块14可每个包括多个串联连接单元，且模块14可并联电连接。在该配置中，由于并联连接，最低性能蓄电池模块将限定整个蓄电池的性能，因为较低性能模块将从较高性能模块吸取功率。因而，具有较低性能的蓄电池模块将决定蓄电池性能，而与较高性能蓄电池模块的性能无关。
通过将一些单元与其它单元串联且然后将串联的单元组彼此并联设置，不同设计可受益于不同的蓄电池单元的电配置。例如，对于具有可以增加以获得期望能量或功率的串联连接蓄电池单元模块的模块化设计，可受益于将标准串联单元组或模块并联电联接，其中，增加另一个单元或模块将增加蓄电池组的总功率。通过将相同数量的蓄电池单元的附加蓄电池组并联电联接，整个蓄电池电路的输出电压将保持相同，但是蓄电池的千瓦小时能量将增加所增加的模块数，从而用于各种推进马达和其它电路的电路对蓄电池电路而言将相同。
图4是包括串联连接蓄电池单元64的并联连接串62的蓄电池组60的示意图，其中，每个串62包括相同数量的单元64。在该并联连接设计中，通过在合适位置设置开关，可以实现旁通电路的相同益处。如上所述，每个串62中的每个独立单元64可以包括其自身旁通电路，其中，如果该单元发生故障，其可以被切换出该具体串62。然而，更可行或成本有效的方法可能是：如果该串62内的具体单元64中的一个或多个发生故障或可能发生故障，那么将整个串62切换出蓄电池组60。例如，每个串62可包括在沿串62任何合适位置的电气装置66，其中，如果检测到串62内的可能单元问题，那么装置66可以电断开以从蓄电池组电路去除该串62。因而，由该串62中的所有单元64提供的电压将去除。在该实施例中，装置66将可能是单个开关，且可以是上述开关类型中的任一种，即固态开关、继电器或机械断路器。
如上所述，每个串62在其能力方面可具有不同程度的性能，以提供具体荷电状态。具有较低性能的那些串62通常从具有较高性能的串62吸取功率，使得较低性能单元或模块决定蓄电池组60的性能。这也适用于充电模式，其中，较弱单元将吸取不成比例的充电能量，且不允许较强单元完全充电。因而，可期望包括如装置66的控制模块，其中，该模块能够在并联电联接的串62之间提供单元电压和荷电状态平衡。该模块还可设计成提供断路，从而还操作为开关以从蓄电池电路去除串62，如上所述。
图5是蓄电池组并联接口（BPPI）模块70的示意图，其可以提供每个串62的荷电状态控制以控制每个串62中的电流。模块70包括控制模块70操作的输入和逻辑电路72。模块70还包括由电子电流调节装置74和76（例如，IGBT）控制的两个电流路径，其中，在开关模式期间通过每个路径的电流方向分别由可控硅整流器（SCR）78和80控制。电路72在SCR78和80的输出处接收电流信号。通过断开装置74和76两者，特定串62将从蓄电池组60电气地去除。模块70提供针对每个独立串62在最大组额定电流和零电流之间控制电流的能力，从而允许各种容量和电阻的串并联连接且一起操作。
联接到特定串62端部的模块70基于其性能限制系统性能，而不使得可能具有较高性能的其它串62的系统性能降级。例如，当特定串62的电阻由于任何原因变化时，例如在其寿命内恶化，模块70的开关特性使得串62以某一占空比切换进出电路。通过以由电路72控制的方式切换装置74和76，通过特定串62的电流被选择性地控制，其中，其将接通一定百分比的时间且断开一定百分比的时间。
蓄电池控制器（未示出）将基于电阻、电压、温度等确定每个串62的性能，如上所述，且该性能将确定特定串操作限制。使用所有串62的荷电状态信息，控制器将确定哪个串62具有最大操作范围，且基于该范围给其它串62充电和放电。例如，如果控制器确定串62中的一个具有的荷电状态范围是具有最大荷电状态范围的串62的80％，那么装置74和76将根据蓄电池组60是处于充电还是放电模式来控制，以确定该串62多久将切换进入蓄电池电路中。对于该示例，如果蓄电池组60处于放电模式，那么电路72将断开装置74且以一定占空比接通和断开装置76，所述占空比设定串62放电的时间量为总放电时间的80％。类似地，如果蓄电池组60处于充电模式，那么装置76断开且装置74以一定占空比接通和断开，所述占空比与被闭合充电时间的80％相对应。由此，蓄电池组60的性能基于具有最高性能水平的串62，而不是最低性能的串62。
图6是蓄电池电路90的示意性框图，包括串联连接蓄电池单元串92，本文定义为蓄电池单元组94。每个串包括以上述方式操作的BPPI模块96。在某些蓄电池组设计中，需要单元平衡以使得蓄电池单元组94的电压保持相同。因而，电路90包括用于该目的的电压平衡电路98，其以本领域技术人员熟知的方式操作。装置74和76的开关特性和单元平衡电路98的控制通过单元平衡控制器100确定，单元平衡控制器100提供信号用于单元平衡和单元监测。双向逆变器和荷电控制器102设定每个串92的充电电流量。
前述说明仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和附图以及权利要求书将容易认识到，能够对本发明进行各种变化、修改和变型，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种蓄电池电路，包括并联电联接的多个蓄电池模块，每个蓄电池模块包括串联电联接的多个蓄电池单元，每个蓄电池模块还包括控制装置，所述控制装置能操作响应于蓄电池单元故障或可能故障而将蓄电池模块从其它蓄电池模块断开。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，控制电路是开关。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述开关是固态开关。
4.根据权利要求2所述的电路，其中，所述开关是继电器。
5.根据权利要求2所述的电路，其中，所述开关是机械断路器。
6.根据权利要求1所述的电路，其中，所述控制装置包括电路部件，所述电路部件控制放电电流从该模块流动和充电电流流向该模块的时间。
7.根据权利要求6所述的电路，其中，所述控制装置包括：逻辑电路；具有第一开关的第一电流路径；和具有第二开关的第二电流路径，其中，第一电流路径允许电流流入该模块，第二电流路径允许电流流出该模块，且其中，当该模块充电时，逻辑电路断开第二开关且控制第一开关的断开和闭合，其中，第一开关闭合的时间基于该模块的荷电状态范围与蓄电池电路中的较高性能模块的荷电状态范围相比，且其中，当该模块放电时，逻辑电路断开第一开关且控制第二开关的断开和闭合，其中，第二开关闭合的时间也基于该模块的荷电状态范围与蓄电池电路中的较高性能模块的荷电状态范围相比。
8.根据权利要求1所述的电路，其中，所述蓄电池单元是锂离子蓄电池单元。
9.一种蓄电池电路，包括并联电联接的多个蓄电池模块，每个蓄电池模块包括串联电联接的多个蓄电池单元，每个蓄电池模块还包括控制装置，所述控制装置包括电路部件，所述电路部件控制放电电流从该模块流动和充电电流流向该模块的时间，其中，所述电路部件能操作将蓄电池模块从其它蓄电池模块断开。
10.一种用于混合动力车辆中的蓄电池的蓄电池电路，所述蓄电池电路包括并联电联接的多个蓄电池模块，每个蓄电池模块包括串联电联接的多个蓄电池单元，每个蓄电池模块还包括控制装置，所述控制装置包括电路部件，所述电路部件控制放电电流从该模块流动和充电电流流向该模块的时间，其中，所述电路部件能操作将蓄电池模块从其它蓄电池模块断开，其中，所述控制装置包括：逻辑电路；具有第一开关的第一电流路径；和具有第二开关的第二电流路径，其中，第一电流路径允许电流流入该模块，第二电流路径允许电流流出该模块。
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