CN102549877B - 多电池组的联锁机制 - Google Patents

Abstract

一种用于操作具有多个电池组的电池系统的方法。该方法包括将放完电的电池组的输出端与车辆负载断开；在将充满电电池组的输出端耦接至车辆负载之前将充满电的电池组的输出端与车辆负载之间的电压降低。

Description

多电池组的联锁机制

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年11月11日提交的题为“多电池组的联锁机制”的美国临时申请第61/260,393号的优先权，其内容通过引证结合于本申请中。

技术领域

本发明涉及电池系统。

背景技术

对于使用电池并需要高功率的电子设备，例如电动车辆或混合动力车辆，电池系统通常包含多个电池组，仅其中一个电池组在任何时候都会向系统供电。因此电池系统需要能够以保护电池组和接触器(开关，contactor)的方式从一个组切换到另一个组，特别是在车辆运行时。具有多个电池组的普通系统通常通过将负载完全断开而不管运行状态并等待长时段进行切换而切换到不同电池组。这可导致潜在的危险问题，包括使车辆长时间持续不运行的长的切换时间或车辆处于加速时进行切换。

具有N个电池组的电动车的电池系统的示例示于图1中，其中N是2以上。在该系统中，每次仅一个电池组连接至车辆负载。当电池组1中的电荷耗尽时，系统可切换至具有可用充电的下一个电池组。

附图说明

在附图的各图中，以示例的方式示出了本发明，但本发明并不局限于此，附图中，相同的参考标号指的是相同的元件，附图中：

图1示出了现有的多个电池组系统的示例示图；

图2A示出了电池组切换延时减少的多个电池组系统的示例示图；

图2B示出了电池管理系统的示例系统示图；

图3示出了多个电池组系统中电池组之间切换的示例操作顺序；

图4示出了在电池组切换期间电压和时间之间的关系的示例曲线图；

图5A、图5B示出了确定开关是处于闭合状态还是断开状态的示例操作顺序；

图6示出了确定开关是处于闭合状态还是断开状态的示例电路；以及

图7示出了确定开关是处于闭合状态还是断开状态的其他示例操作顺序。

具体实施方式

在本文中公开的各个实施方式中，与现有技术中所要求的延时相比，使用预充电装置和开关测试装置减少多个电池组系统中的电池组之间切换的延时。切换延时的减少会提供很多重要的益处，包括：例如，由于关键时期发生断电的可能性很小使得具有改进的电动/混合动力车辆的驾驶性能和安全性。此外，因为以下原因延长了电池寿命：a)防止多个电池组同时连接；以及b)防止车辆负载的固有电容放电，这两点都能够造成过电流流动以及对电池系统的损坏。虽然前述益处具体地应用于电动/混合动力车辆，但是需要在电池组之间进行切换的任何系统或设备都可受益于本文中所描述的技术。

图2A示出了具有用于减少在电池组之间进行切换所花费的时间的开关测试240装置和预充电220装置的电池组系统的一个实施方式。系统由电池管理系统(BMS)270控制。车辆管理系统(VMS)280经由控制器区域网络(CAN)总线与BMS通信并监控和/或控制车辆负载260。图2B中示出的BMS包括处理器、存储器和与互连总线耦接一起的I/O块。BMS能够执行本文所公开的操作顺序。预充电装置的一个实施方式是具有由BMS控制的继电器的电阻器。计算电阻的目的在于a)允许在期望时限内可对车辆负载260的固有电容进行充电的电流，以及b)限制来自电池组210的电流低于最大限度。预充电装置的可选实施方式可为电流源。开关测试装置240用于确定连接至电池组的一个或两个开关是断开的还是闭合的。在一个实施方式中，该信息用于防止多个电池组同时连接至车辆负载。二极管230和二极管开关225用于在电池组之间切换的预充电时段使耗尽的电池组提供低电力电平。开关可以是任何类型的开关元件，包括例如但不限于继电器(或任何其他机械开关)、半导体器件或电绝缘开关元件。

图3示出了用于在多个电池组系统中的电池组之间进行切换的示例操作顺序。在步骤315中，处理等待直至当前电池组(在该示例电池组1中)中的电荷变得足够低而需要进行电池组切换。在步骤325中，闭合开关NB(从图2A中所见)以连接两个电池组的负端子。在步骤330中，使当前使用的电池组上的二极管保护的阳极开关DC1闭合。这允许电流继续从耗尽的电池组流出，并防止任何反向电流。在335中，BMS监控车辆电力需求，且当其降低为低于阈值(基于开关的特性和其他因素是可编程的)时，在步骤340中断开开关1A。这将使电力汲取立即切换至开关DC1225(通过二极管)。接下来在345中，开关测试装置240用于确定开关1A是否已经成功断开。开关测试装置的一个实施方式示于以下描述的图6中。

在步骤350中，车辆完全靠通过开关DC1(其可防止任何电流通过二极管Dl流入电池1中)供应的电力来运行。使能待使用的下一个电池组(在这种情况下为电池组N)的预充电以使得有电流流动。这将允许电池组的电压增加直至其达到电池组N的电压。

只要车辆继续汲取低电力水平，预充电将会成功；然而，如果车辆开始汲取比预充电电路可容纳的电力多的电力，将重置预充电，且车辆将返回至使用电池组1来运行。不同实施方式可具有不同的预充电电路，其能够以车辆汲取的不同电力水平级(较高或较低)来运行。将继续该顺序，直至车辆保持在低电力状态足够长时间而对电池组完全预充电至电池组N的预充电水平(见以下描述的图4)。当在步骤355中电池组N的预充电水平达到预定阈值(其可存储于BMS中的多个可编程寄存器)，在该示例中，被定义为电压Vload+达到电池组N电压的90％(虽然其他方法能够用于确定成功的预充电)时，闭合开关NA，且在步骤360中，禁能电池组N的预充电，从而使电池组从电池组N中汲取满电力。在步骤365中，开关测试装置再次用于确定开关NA实际上是否已经闭合。如果确定开关NA尚未闭合，则顺序继续回到步骤350，以重复预充电和开关闭合操作。二极管D1防止能量从电池组N流入电池组1。接下来，在步骤370中，断开开关1B和DC1。在步骤375中，再次使用开关测试装置检查开关1B和DC1的状态。如果检查(或确认)两个开关是断开的，则车辆完全从电池组1切换至电池组N。否则，顺序循环回以试图再次断开开关。

图4为切换过程进行时车辆负载260两端的电压变化以及在预充电过程期间增加车辆负载的影响的曲线图。在所示的示例中，当Vload电压达到预定阈值(在该示例中为电池组N电压的90％)时，完成至电池组N的连接。

图5A和图5B提供了用以确定(确认或证实)开关是断开的还是闭合的步骤的一些示例性顺序。参照图5A，从步骤505开始。首先，断开开关(在这种情况下为1A)。接下来，在步骤515中，使能对该开关的预充电。如在步骤520中检查到车辆负载(Vload)两端的电压升高，则可推断开关是断开的，这是因为否则的话耗尽的电池组将保持电压为低而不能进行预充电。该推断可被当作对电池组切换目的进行的确认或证实。类似地，可进行如图5B中所示的开关已经闭合的确认或证实。首先，在步骤545中，禁能预充电。然后在步骤550中，闭合开关(在该示例中为开关NA)。接下来，随时间(随着负载变化)测量Vload，并在步骤555中评估Vload的稳定性。如果Vload是稳定的，则闭合开关，且充电电池为系统供电。

图6示出了检测开关是处于断开状态还是闭合状态的电路的一个实施方式。电路由负载A和负载B、测试开关A和测试开关B以及电压传感器610组成，以用于临时连接电池组的两个端子之间的负载，并检测流过负载的电流。一个实施方式可为负载使用电阻器以及为开关使用MOSFET，但可以使用具有类似功能的其他部件。

图7示出了可用于确定开关是否闭合并因此实施开关测试240的示例性操作顺序。参照图6和图7，在操作720中，通过闭合测试开关B来开始该顺序。如果电压传感器610指示负载B的电压降大于预定或可编程阈值，则可推断开关A和B都闭合，这是因为如果开关A和B都断开，则没有电流从电池组中流出。反之，如果电压传感器610指示没有或微量电流流过负载B，则处理继续进行到步骤740，在步骤740，测试开关A闭合。然后在步骤750检测负载A的电压降是否大于预定或可编程阈值，如果是，则开关A是闭合的。否则，开关A是断开的。

本文所描述的实施方式可应用于可储存能量、可充电的或不可充电的任何类型的装置，包括但不限于碱、锂离子、镍-镉、铅-酸、液流电池和原子电池、燃料电池和电容器。

在前述描述和附图中，已经阐述了具体的术语和附图符号来提供对本发明的详尽理解。在一些情况下，术语和符号可意指实践本发明不需要的具体细节。例如，本文中使用术语“耦接”来表达直接连接以及经由一个或多个中间电路或结构进行的连接。装置或系统“编程”可包括例如但不限于，将控制值加载到寄存器、一次性可编程电路(例如，在生产装置期间在配置电路中熔断保险丝)或主机系统(或主机装置)的集成电路装置中的其他存储电路，并因此控制主机系统的可操作方面或建立主机系统配置。术语“示例性”和“实施方式”用于表示示例，而不是优选的或要求的。呈现为单根导线的信号路径可包括多根导线，反之亦然，且被示为包括在其他组件中或构成其他组件的一部分的组件可与这种其他组件分离地设置。关于流程图等，操作顺序可与所示出的那些不同，且其中可省略实际描述的操作，且/或增加其他操作。

尽管已经参照本发明的具体实施方式描述了本发明，很显然，在不背离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和改变。例如，在至少可实践的前提下，任一实施方式的特征或方面都可与任一其他实施方式组合应用，或代替其相似特征或方面来应用。因此，说明书和附图被视为是示例性的而不是限制性含义。

Claims (21)

1.一种具有多个电池组的电池系统中的操作方法，所述方法包括：

将第一电池组的输出端与第一负载端子断开；

在将第二电池组的输出端耦接至所述第一负载端子之前，降低所述第二电池组的输出端和所述第一负载端子之间的电压；以及

响应于确定所述电压已经降低到低于预定阈值，经由开关将所述第二电池组的输出端耦接至所述第一负载端子，

在所述第一负载端子与所述第二电池组的另一输出端之间耦接负载，其中基于所述负载的电压降是否大于预定或可编程阈值来检测所述开关是否闭合，而不管所述第二电池组的另一输出端与第二负载端子是耦接还是断开。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述第一电池组的输出端与所述第一负载端子断开包括：

改变开关控制信号的状态以断开设置在所述第一电池组和所述第一负载端子之间的开关元件；以及

响应于改变所述开关控制信号的状态，确认所述开关元件已经断开。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，确认所述开关元件已经断开包括：至少部分地测量流过临时耦接所述第一负载端子和所述第二负载端子的电力负载的电流。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，降低所述第二电池组的输出端和所述第一负载端子之间的电压包括：至少部分地建立所述第二电池组的输出端和所述第一负载端子之间的耦接，以使受限的电流能够在所述第二电池组的输出端和所述第一负载端子之间流动。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，使受限的电流能够流动包括在所述第二电池组的输出端和所述第一负载端子之间可切换地耦接电阻负载。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述电压已经降低至低于预定阈值的水平包括测量设置在所述第一负载端子和所述第二电池组的输出端之间的开关元件两端的电压。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述第二电池组的输出端耦接至所述第一负载端子包括：

改变开关控制信号的状态以使设置在所述第二电池组和所述第一负载端子之间的开关元件闭合；以及

响应于改变所述开关控制信号的状态，确认所述开关元件已经闭合。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括测量所述开关元件两端的电压以确认所述第一电池组的输出端已经与所述第一负载端子断开。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括改变开关控制信号的状态，以使将设置在所述第二电池组的所述输出端和所述第一负载端子之间的电流的单向传导路径耦接的开关元件闭合。

10.一种电池管理系统，包括：

第一开关元件，用于将第一电池组的输出端与第一负载端子断开；

预充电电路，用于在将第二电池组的输出端耦接至所述第一负载端子之前，降低所述第二电池组的输出端和所述第一负载端子之间的电压；以及

第二开关元件，用于响应于确定所述电压已经降低到低于预定阈值，将所述第二电池组的输出端耦接至所述第一负载端子；以及

第三开关元件，用于在所述第一负载端子与所述第二电池组的另一输出端之间耦接负载，其中所述负载的电压降是否大于预定或可编程阈值指示所述第二开关元件是否闭合，而不管所述第二电池组的另一输出端与第二负载端子是耦接还是断开。

11.根据权利要求10所述的电池管理系统，其中，所述第一开关元件包括：

第一电路，用于改变开关控制信号的状态以断开设置在所述第一电池组和所述第一负载端子之间的所述第一开关元件；以及

第二电路，用于响应于改变所述开关控制信号的状态，确认所述第一开关元件已经断开。

12.根据权利要求11所述的电池管理系统，其中，确认所述第一开关元件已经断开包括：至少部分地测量流过临时耦接所述第一负载端子和第二负载端子的电力负载的电流。

13.根据权利要求10所述的电池管理系统，其中，所述预充电电路包括限制所述第二电池组的输出端和所述第一负载端子之间的电流的耦接器。

14.根据权利要求13所述的电池管理系统，其中，限制电流的所述耦接器包括电阻器和继电器。

15.根据权利要求10所述的电池管理系统，其中，用于确定所述电压已经降为低于预定阈值的水平的电路包括设置在所述第一负载端子和所述第二电池组的输出端之间的电压测量装置。

16.根据权利要求10所述的电池管理系统，其中，所述第二开关元件包括：

第一电路，用于改变开关控制信号的状态以闭合设置在所述第二电池组和所述第一负载端子之间的开关元件；以及

第二电路，响应于改变所述开关控制信号的状态，确认所述开关元件已经闭合。

17.根据权利要求16所述的电池管理系统，其中，用于测量所述第二开关元件两端的电压的电路包括设置在所述第一负载端子和所述第一电池组的输出端之间的电压测量装置。

18.根据权利要求10所述的电池管理系统，还包括用于使能从所述第二电池组的输出端至所述第一负载端子的单向电流传导路径的电路。

19.根据权利要求18所述的电池管理系统，其中，用于使能单向电流传导路径的所述电路包括二极管。

20.根据权利要求10所述的电池管理系统，其中，所述第一负载端子耦接至客运车辆的电动机。

21.一种设备，包括：

用于将第一电池组的输出端与第一负载端子断开的装置；

用于在将第二电池组的输出端耦接至所述第一负载端子之前，降低所述第二电池组的输出端和所述第一负载端子之间的电压的装置；以及

响应于确定所述电压已经降低到低于预定阈值，将所述第二电池组的输出端耦接至所述第一负载端子的装置；以及

用于在所述第一负载端子与所述第二电池组的另一输出端之间耦接负载并且检测所述负载的电压降是否大于预定或可编程阈值以确定所述第二电池组的所述输出端是否耦接至所述第一负载端子而不管所述第二电池组的另一输出端与第二负载端子是耦接还是断开并且以确定所述第二电池组的所述输出端是否与所述第一负载端子断开而不管所述第二电池组的所述另一输出端与所述第二负载端子是耦接还是断开。