CN103545863B - 用于混合动力电动车辆的外部参考可调自动放电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于混合动力电动车辆的外部参考可调自动放电方法。一种使高压车辆电池放电的系统和方法。该系统包括放电电路，所述放电电路具有参考电压源，其提供参考电压，以及用于使电池放电的负载。电压源的负极端子电力地连接到电池的负极端子上，从而在放电程序启动时，电池通过负载放电至参考电压。放电电路可以电力地构造成使得电池，电压源和负载电力地串联，或电池，电压源和负载电力地并联。

Description

用于混合动力电动车辆的外部参考可调自动放电方法
技术领域
本发明总体上涉及一种用于对高压电池放电的系统和方法，尤其涉及一种在车辆损坏事件或通过电池对外部参考源放电的其它放电情况之后对高压车辆电池放电的系统和方法。
背景技术
电动车辆变得越来越多普及。这些车辆包括诸如增程电动车辆（EREV）的混合动力车辆，和诸如电池电动车辆（BEV）的纯电动车辆，所述混合动力车辆结合了电池和诸如内燃发动机，燃料电池系统等的主动力源。这些电池可以是不同的电池类型，例如锂-离子，镍金属氢化物，铅-酸等。用于电动车辆的典型的高压电池系统可以包括几个电池组或模块以提供车辆动力和能量需要，其中每个电池模块可以包括一些数目的电池组，例如十二个电池单元。不同的车辆设计包括采用了用于具体应用的各种权衡和优点的不同电池设计。
在车辆碰撞或其它车辆损坏事件期间，各个车辆部件等的重新布置和/或损坏会产生不需要的电连接并且会产生来自车辆的各种流体的排出。由于可能存储在车辆电池中的大量电力，这些东西可能产生潜在的危险情况，例如车辆部件的通电，化学危险，火灾危险等。车辆电池系统的设计需要考虑这些可能的损害事件。
有时在电路中使用了故障隔离检测系统以提供电气故障检测。电动车辆是一个电气系统，其典型地采用了故障隔离检测系统以防止人受到车辆上的高压的伤害。
为了提供电气故障隔离，一些车辆配备了电池断开单元（BDU），其通过断开电池接触器在碰撞或其它事件之后自动地从车辆断开或除去电池电源。同样，本领域公知的是采用手动维修断开（MSD），其是将电池分隔为两部分的装置，其中响应于车辆碰撞的受过训练的应答器可以移除MSD以隔离电池。然而，这些公知的隔离技术不能从电池中移走电荷，只能包含它。
如上所述，当混合动力电动车辆经历碰撞或其它类似事件时，无论车辆损坏程度如何，总是关心车辆电池或其它可再充电的能量存储系统（RESS）的完整性。在这样的事件期间需要使电池放电，例如，减少一半的电池电压。公知的电池放电系统会是昂贵的，例如，几千美元，并且典型地很重并且需要相当大的空间。一个公知的电池放电系统是独立的，具有包括液体冷却的负载组和半高级控制系统的DC/DC升降压转换器的嵌入的高级监测系统。同样，由于各种电压，化学性质和电流电平，市面上的各种形式的能量存储装置之间的兼容性使得电池放电是很复杂的任务。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种使高压车辆电池放电的系统和方法。该系统包括放电电路，所述放电电路具有参考电压源，其提供参考电压，以及用于使电池放电的负载。电压源的负极端子电力地连接到电池的负极端子上，从而在放电程序启动时，电池通过负载放电至参考电压。放电电路可以电力地构造成使得电池，电压源和负载电力地串联，或电池，电压源和负载电力地并联。
结合附图，从以下描述和所附权利要求中，本发明的附加特征将会变得显而易见。
本发明还提供了以下方案：
1. 一种用于使电池放电的放电电路，所述电池包括正极端子和负极端子，所述电路包括：
参考电压源，其提供参考电压，所述电压源包括负极端子和正极端子，所述电压源与电池电力地串联，其中电压源的负极端子电力地连接到电池的负极端子上；以及
与电池和电压源电力地串联的负载，其中由电池产生的通过负载的电流使电池放电至参考电压。
2. 根据方案1所述的电路，其中电压源是可变电压源，从而参考电压可以变化。
3. 根据方案1所述的电路，其中电压源和负载是可以有选择地电力连接到电池上的便携单元的一部分。
4. 根据方案1所述的电路，还包括开关，所述开关闭合以开始电池的放电。
5. 根据方案1所述的电路，其中负载是一个或多个电阻。
6. 根据方案1所述的电路，其中电池是具有400伏特或以上电压的高压电池。
7. 根据方案6所述的电路，其中电池是车辆电池。
8. 一种用于使电池放电的放电电路，所述电池包括正极端子和负极端子，所述电路包括：
参考电压源，其提供参考电压，所述电压源包括负极端子和正极端子，所述电压源与电池电力地并联，其中电压源的负极端子电力地连接到电池的负极端子上；以及
与电池和电压源电力地并联的负载，其中由电池产生的通过负载的电流使电池放电至参考电压。
9. 根据方案8所述的电路，其中电压源是可变电压源，从而参考电压可以变化。
10. 根据方案8所述的电路，其中电压源和负载是可以有选择地连接到电池上的便携单元的一部分。
11. 根据方案8所述的电路，还包括开关，所述开关闭合以开始电池的放电。
12. 根据方案8所述的电路，其中负载是一个或多个电阻。
13. 根据方案8所述的电路，还包括二极管，其电力地连接在电压源与电池之间，并防止来自电池的电流进入电压源。
14. 根据方案8所述的电路，其中电池是具有400伏特或以上电压的高压电池。
15. 根据方案14所述的电路，其中电池是车辆电池。
16. 一种用于使电池放电的放电电路，所述电池包括正极端子和负极端子，所述电路包括：
参考电压源，其提供参考电压，所述电压源包括负极端子和正极端子，所述电压源与电池电力地连接，其中电压源的负极端子电力地连接到电池的负极端子上；以及
与电池和电压源电力地连接的负载，其中由电池产生的通过负载的电流使电池放电至参考电压。
17. 根据方案16所述的电路，其中电池是车辆电池，并且其中电池，电压源和负载电力地串联。
18. 根据方案16所述的电路，其中电池是车辆电池，并且其中电池，电压源和负载电力地并联。
19. 根据方案16所述的电路，其中电压源是可变电压源，从而参考电压可以变化。
20. 根据方案16所述的电路，其中电压源和负载是可以有选择地连接到电池上的便携单元的一部分。
附图说明
图1是包括高压电池的车辆的简单示例；
图2是串联布置的外部参考可调自动放电电路的示意图；
图3是示出了用于图2中所示的自动放电电路的电池的电压放电的曲线图，其中横轴是时间以及纵轴是电压；
图4是示出了用于图2中所示的自动放电电路的电池的电流放电的曲线图，其中横轴是时间以及纵轴是电流；
图5是并联布置的外部参考可调自动放电电路的示意图；
图6是示出了用于图5中所示的自动放电电路的电池的电压放电的曲线图，其中横轴是时间以及纵轴是电压；
图7是示出了用于图5中所示的自动放电电路的电池的电流放电的曲线图，其中横轴是时间以及纵轴是电流；
图8是示出了使用图2和5中任一所示的自动放电电路的车辆电池的放电过程的流程图；
图9是采用软开关结构的内部参考可调自动放电电路的示意图；
图10是采用硬开关结构的内部参考可调自动放电电路的示意图；
图11是示出了用于图9和10中任一所示的自动放电电路的电池的电压放电的曲线图，其中横轴是时间以及纵轴是电压；
图12是示出了用于图9和10中任一所示的自动放电电路的电池的电流放电的曲线图，其中横轴是时间以及纵轴是电流；
图13是示出了使用图9所示的自动放电电路的车辆电池的放电过程的流程图；以及
图14是示出了使用图10所示的自动放电电路的车辆电池的放电过程的流程图。
具体实施方式
涉及使用外部参考电压源对高压车辆电池进行放电的系统和方法的本发明的实施例的以下讨论实质上仅仅是示例性的，并且并不旨在以任何方式限制本发明或其应用或使用。例如，本发明的电池放电技术对车辆电池进行放电具有特别的应用。然而，如本领域技术人员将要理解的是，本发明的放电技术可以应用到除车辆电池系统外的其它电池系统。
图1是表示任意电动车辆或电动混合动力车辆的车辆10的简单示例。车辆10包括安装到车辆10内的适当支承上的高压电池12，其中电池12包括多个电池单元14。电池12可以是适于电动车辆的任意电池，例如铅酸电池，锂离子电池，镍金属氢化物电池等。车辆10还可以包括用于电动混合动力车辆的单独的动力源16，例如内燃发动机，燃料电池系统等。车辆10还包括控制车辆10的工作的各个方面的电子控制单元（ECU）18。
如将在下文中详细讨论的，本发明提出了一种当需要时，例如碰撞事件，或其它车辆损坏事件后，通过适当的碰撞应答器（例如拖车驾驶员在维修期间），由适当的维修人员，由废料场人员等，用于对车辆电池放电的各种自动放电电路。在一个实施例中，电路是特定人员将带至车辆并且使用适当的导线，例如跨接式电缆，电连接到电池端子上的单元的一部分。各个电路中的每一个都相对便宜并且在结构上相对简单以允许其容易地可用于全部感兴趣的部分。
图2是用于对高压车辆电池组32进行放电的外部参考可调自动放电电路30的示意图。如将在下文中详细地讨论的，电路30提供了使用串联布置结构的电池组32的外部参考放电。电路30是外部参考的，因为电池放电至的参考电压是在车辆外部的。此外，电路30是可调的，因为参考电压是变量并且可以变化。电路30是自动放电电路，因为一旦电路连接并且打开，电池组32将自动地放电至参考电压。
电路30包括不是电动车辆的一部分的放电单元34，例如便携单元，其中当用于对电池组32放电的情况或需要按照在此所述的发生时，单元34在端子36和38连接到电池组32。放电单元34包括与电池组32电力地串联并且提供电池组32放电至的DC参考电压的DC参考电压源40。在一个实施例中，DC电压源40是变量源并且可以由操作者控制以设定电池组32的放电参考电压。
电池组32通过与源40和电池组32电力地串联连接的负载42放电至由源40提供的参考电压。负载42可以是适于在此讨论的目的的任意负载，例如电阻器组。负载42可以具有适于用于将被放电至DC参考电压的电池组32的所需放电时间和所需放电速率的任意电阻值或阻抗。电阻值将设置负载42的大小和重量，这是设计所关心的。在该电力结构中，电池组32的负极端子38电力地连接到电压源40的负极端子并且电池组32的正极端子36电力地连接到负载42的正极端子以提供电池组32的放电。提供了起动开关44以当需要时开始放电过程。因此，当开关44闭合时，电池组32以取决于电路30的电力结构和负载42的大小的某速率通过负载42的电流流动放电至参考电压。电池组32将放电至参考电压并且一旦其放电将以该电压浮动。
图3是示出了使用电路30对电池组32放电的曲线图，其中横轴是时间以及纵轴是电压。曲线50表示电池组32的电压电势，曲线52表示参考电压电势，其是负的，因为源40的负极端子电力地连接到电池组32的负极端子38上，并且曲线54表示负载42上的电压电势。在该非限制的示例中，电池组32在其放电之前的电压是400伏特并且参考电压是200伏特，其提供了负载42上的200伏特电势。当开关44在时间等于0时闭合的时候，电池组32在约300毫秒内指数地放电至负载42的电压电势并且由源40的参考电压保持在电压电势。由于当电池组电压和参考电压相同时负载42上没有电势，一旦其达到电压源40的电势，没有来自电池组32的放电电流。这由图4中的曲线图示出，其中从时间0开始，电池组32在约300毫秒内指数地放电至0安培。
如上所述，电路30的串联结构使用约300毫秒内的示例值使电池组32放电至参考电压。这是相对长的放电时间，其因为在放电期间负载42上的相对较低的电压电势而产生。该放电时间可以通过增加负载42上的电压电势而增加，即，通过负载42的电流越大，其需要更大的负载装置。为了以较低的参考电压提供较快的放电速率，可以使用并联布置的放电电路。
图5是包括用于使电池组32放电的放电单元62的外部参考可调自动放电电路60，其中电路60与30之间共同的电路元件用相同的附图标记表示。在该电气结构中，负载42电力地与电池组32并联并且这样具有与电池组32相同的电压电势。由于负载42具有与电池组32相同的电压电势，通过负载42的电流比在电路30中负载42电力地与电池组32串联时的高。尤其地，在电路30的串联结构中，参考电压与电池电压之间的差作用在负载42上。在电路60的并联结构中，电池组32的全部电压作用在负载42上。
正如以上的讨论，由于负载42接收较大的电流，其是较大的装置，这对装置增加了成本，但提供了较快电压消耗的优点。而且，由负载42消耗的电力越大，需要的散热条件越高。此外，由于电路60的并联结构中的电压源40不像电路30的串联结构中的电压源40那样传导电流，源40在电路60中可以非常小。在并联电路60中，只要源40上的电势比电池组32上的电势低，电池组32的电压将自动地放电至参考电压。电路60包括DC源40与负载42之间的二极管64以防止电流流入源40的正极端子。
因此，使用电池组32的相同的参考电压和相同的初始电压，由于更高的电流流过负载42，电池组32将在并联结构中更迅速地放电至由源40提供的参考电势。这由图6和7所示的曲线图示出，其类似于图3和4所示的曲线图。在图6的曲线图中，参考电势由曲线70示出为正200伏特并且电池组32和负载42上的两个电压电势由曲线72示出。如所示，从400伏特到200伏特的放电在约25毫秒内线性地发生。在图7的曲线图中，通过负载42的电流由曲线74示出并且示出为在约25毫秒内从10安培至0线性地消耗。
图8是示出了用于操作如上所述的电路30和60的总体过程的流程图80。在方框84，操作者将单元34或62连接至电池组32。在方框86，操作者将确定电池组电池组32应放电至的期望电压。这可以基于各个参数确定，例如电池组类型，电池组大小等。在方框88，操作者设定电压源40至电池组32的预期放电电压并且然后在方框90闭合开关44。控制电路30或60的控制算法监控在决定菱形框92处的电池组32的端子电压以及预期放电电压，并且一旦端子电压达到放电电压，在方框94处完成放电，其中单元34或62可以与电池组32断开。否则，放电过程在方框96处继续。
如上所述的电路30和60是由单元34和62中的电压源40提供外部参考电压的电路。在其它实施例中，可能需要提供车辆内部的参考电压，尤其是，使用电池组32本身作为电池组32放电至的参考电压。这可以通过提供与电池组32电力并联的电压分配电路完成。
图9是包括可以携带并且使用软开关结构的放电单元102的内部参考可调自动放电电路100的示意图，其中与电路30和60相同的元件用相同的附图标记表示。如所述的，在电路100中，电池组32提供电池组32放电至的参考电压。尤其地，包括电力地连接在电池组32上并且在放电单元102内提供的电阻104和106的电压分配网络分配电池组32的电压以提供参考电压。负载42与电压分配网络和电池组32电力地并联连接。按照在此所讨论的，电阻104和106中的一个或两个可以作为变量从而电阻104和106的阻抗的控制可以有选择设置参考电压。
如在下文中更详细地论述的，诸如MOSFET，IBGT等的半导体开关108提供了软开关结构。电阻106上的电压电势提供了参考电势，当足够高的电压作用时，该参考电势控制开关108的栅极端子以使得开关108在相对低的电流水平打开。电阻104和106的值被合适地选择从而它们具有高的阻抗，这防止了大的电流通过电阻104和106。相对于电阻104选择电阻106的阻抗从而在放电期间当电池组32的电压降低时，参考电压降低。当参考电压降低时，作用到开关108的栅极端子的电压降低，其中最后电压将达到开关108的使得其关闭的阈值电压。电路100的电力结构使得当电池组32放电并且开关108最终断开时，其设置电池组32的电压至当开关108断开时的参考电势的电压，反弹电压将在电池组32中产生，这使得其电压增加，这将使得开关108断开。在放电过程结束时，开关108可以循环打开和关闭多次，直至最终系统中的电力被足够消耗，其中开关108将保持断开。
图10是类似于电路100的、包括放电单元112的内部参考可调自动放电电路110的示意图，其中同样的元件由相同的附图标记表示。在电路110中，软开关108替换为包括提供硬开关结构的弹簧（未示出）和线圈116的机械继电器型开关114，其中弹簧保持开关114断开。当开关44闭合并且放电操作开始时，其中电池组32的电压电势在其正常电势较高，电阻106上分配的电压提供了通过抵抗弹簧力作用的线圈116的电流。然而，参考电压开始不足以克服弹簧力，并且因此，当放电顺序开始时，来自补充电力源118的附加电力通过闭合按钮开关120而提供在线圈116上。当开关120按下时，来自源118的电流和通过线圈116来自参考电压的电流的组合闭合开关114，其中移除来自按钮120的压力将其返回到断开电力源118的其断开位置。一旦开关114闭合，参考电压足够高以将开关114保持在闭合位置，直到电池组32放电至所需水平。
当电流通过负载42时电池组32放电的时候，最终由电阻106提供的参考电压将减小，其中其将不足以克服弹簧力。一旦已经达到该电压水平，开关114断开，这使得电池组32放电至所需电压。在该实施例中，当开关114断开时可产生反弹电压，但其将不足以克服开关114中的弹簧力以使得其闭合。
图11是类似于图3和6的曲线图并且在曲线122中示出了电池组32上的电压和负载42上的电压，其中电压在大约50毫秒中从400伏特线性地消耗下降至刚好在曲线124中的200伏特的参考电势之上。同样地，图12是类似于图4和7中曲线的曲线图，其示出了用于电路100和110的曲线126上的电流消耗，其中在大约50毫秒中通过负载42的电流从-5安培消耗至0。
图13是示出了使用100对电池组32进行放电的过程的流程图130。在方框132，操作者将单元102连接至电池组32。在方框134，操作者将确定电池组32应放电至的期望电压。这可以基于各个参数确定，例如电池组类型，电池组大小等。在方框136，操作者设定电阻104和106的阻抗值以提供电池组32的所需放电电压并且然后在方框90闭合开关44以开始放电过程。控制电路100的控制算法监控电池组32的端子电压，并且一旦端子电压达到放电电压，在方框114处完成放电，其中单元102可以与电池组32断开。否则，放电过程在方框142处继续。
图14是示出了使用110对电池组32进行放电的过程的流程图150。在方框152，操作者将单元112连接至电池组32。在方框154，操作者将确定电池组32应放电至的期望电压。这可以基于各个参数确定，例如电池组类型，电池组大小等。在方框156，操作者设定电阻104和106的阻抗值以提供电池组32的所需放电电压并且然后在方框90闭合开关44以开始放电过程。而且，操作者在方框158按下按钮120。控制电路110的控制算法监控电池组32的端子电压，并且一旦端子电压达到放电电压，在方框160处完成放电，其中单元112可以与电池组32断开。否则，放电过程在方框162处继续。
如本领域技术人员将会理解的，为了描述本发明在此讨论的几个和各个步骤和过程可以是指由使用电学现象操作和/或转换数据的计算机，处理器，或其它电子计算装置执行的操作。那些计算机和电子装置可以使用各种易失性和/或非易失性存储器，其包括非瞬时性计算机可读介质，非瞬时性计算机可读介质具有存储在其上的可执行程序，可执行程序包括可以由计算机或处理器执行的各种代码或可执行指令，其中存储器和/或计算机可读介质可以包括全部形式和类型的存储器和其它计算机可读介质。
以上的讨论仅仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将从这样的讨论和从附图和权利要求中容易地认识到，在不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，在此可以作出各种变化、修改和改变。

Claims (20)

1.一种用于使电池放电的放电电路，所述电池包括正极端子和负极端子，所述电路包括：
参考电压源，其提供参考电压，所述电压源包括负极端子和正极端子，所述电压源与电池电力地串联，其中电压源的负极端子电力地连接到电池的负极端子上；以及
与电池和电压源电力地串联的负载，其中由电池产生的通过负载的电流使电池放电至参考电压。
2.根据权利要求1所述的电路，其中电压源是可变电压源，从而参考电压可以变化。
3.根据权利要求1所述的电路，其中电压源和负载是可以有选择地电力连接到电池上的便携单元的一部分。
4.根据权利要求1所述的电路，还包括开关，所述开关闭合以开始电池的放电。
5.根据权利要求1所述的电路，其中负载是一个或多个电阻。
6.根据权利要求1所述的电路，其中电池是具有400伏特或以上电压的高压电池。
7.根据权利要求6所述的电路，其中电池是车辆电池。
8.一种用于使电池放电的放电电路，所述电池包括正极端子和负极端子，所述电路包括：
参考电压源，其提供参考电压，所述电压源包括负极端子和正极端子，所述电压源与电池电力地并联，其中电压源的负极端子电力地连接到电池的负极端子上；以及
与电池和电压源电力地并联的负载，其中由电池产生的通过负载的电流使电池放电至参考电压。
9.根据权利要求8所述的电路，其中电压源是可变电压源，从而参考电压可以变化。
10.根据权利要求8所述的电路，其中电压源和负载是可以有选择地连接到电池上的便携单元的一部分。
11.根据权利要求8所述的电路，还包括开关，所述开关闭合以开始电池的放电。
12.根据权利要求8所述的电路，其中负载是一个或多个电阻。
13.根据权利要求8所述的电路，还包括二极管，其电力地连接在电压源与电池之间，并防止来自电池的电流进入电压源。
14.根据权利要求8所述的电路，其中电池是具有400伏特或以上电压的高压电池。
15.根据权利要求14所述的电路，其中电池是车辆电池。
16.一种用于使电池放电的放电电路，所述电池包括正极端子和负极端子，所述电路包括：
参考电压源，其提供参考电压，所述电压源包括负极端子和正极端子，所述电压源与电池电力地连接，其中电压源的负极端子电力地连接到电池的负极端子上；以及
与电池和电压源电力地连接的负载，其中由电池产生的通过负载的电流使电池放电至参考电压。
17.根据权利要求16所述的电路，其中电池是车辆电池，并且其中电池，电压源和负载电力地串联。
18.根据权利要求16所述的电路，其中电池是车辆电池，并且其中电池，电压源和负载电力地并联。
19.根据权利要求16所述的电路，其中电压源是可变电压源，从而参考电压可以变化。
20.根据权利要求16所述的电路，其中电压源和负载是可以有选择地连接到电池上的便携单元的一部分。
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