CN103818265A

CN103818265A - 用于动力交通工具上的电池管理装置

Info

Publication number: CN103818265A
Application number: CN201210469146.1A
Authority: CN
Inventors: 程小猛; 陈亦伦; B·路; F·吴; Y·邓; K·张; H·王; J·徐; 陈炯
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: CN103818265B

Abstract

本发明公开一种用于动力交通工具上的电池管理装置，所述动力交通工具至少部分地以电动机进行驱动，该电池管理装置包括多个电池模块；稳压模块，被构造成适于稳定在至少二个所述电池模块之间切换时的电压输出；开关模块，被构造成适于切换至少一个所述电池模块与所述稳压模块导电连接，从而该电池模块可以对所述动力交通工具上的电动机供电；和控制模块，被构造成适于控制所述开关模块的切换作用。

Description

用于动力交通工具上的电池管理装置

技术领域

本发明涉及电动车或混合动力车领域，尤其涉及一种用于增程器、电动车或插电式混合动力车的电池管理装置。

背景技术

为了保证行驶里程，增程器（range extender）、插电式混合动力车（PHEV）和电动车（EV）的车载电池的额定功率设计经常远大于牵引电机的额定功率。所以与混合动力汽车（HEV）相比，增程器、PHEV和EV中电池的体积都较大。由于电池尺寸大，导致电池寿命、成本和可靠性等以下方面的缺陷：

（1）电池的安全性和寿命：导致电池故障的最重要的原因之一是电池内部多个电池单元的不一致问题和均衡问题，而电池的寿命也随着其中电池单元数量的增加单调递减。愈大的电池会导致愈多的问题，这是妨碍增程器、PHEV和EV大规模使用的技术障碍。

（2）成本问题：在增程器、PHEV和EV中，电池一般都是最昂贵的组件，电池的尺寸越大，电池的成本愈高。如果可以缩小电池尺寸，就能相当程度地解决电动车的成本问题。一般来说，车载电池尺寸的设计以全电动行驶里程或其他规格为准，对于具有固定行驶路线的车辆来说，可以根据该路线优化设计电池尺寸，因此使用单块电池在成本问题上尚可接受。但是对于其他没有固定行驶路线的车辆来说，如果只采用一块电池的形式，其尺寸只能设计为满足最差条件下的行驶要求，无法利用上述路线进行优化设计来缩小电池尺寸，此时，电池的成本问题构成挑战。

（3）可靠性：车载电池一般由多个单体电池串联形成，每一个单体电池都可能出现故障，一个单体电池出现问题将导致整个车载电池的故障。而且，一个单体电池的故障将导致整个车载电池的替换或维修，成本非常高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于电动车或插电式混合动力车的电池管理装置，通过改善电动车或插电式混合动力车的安全性、寿命、成本和可靠性以提升此类动力交通工具的可行性和可欲性。为解决此技术问题，本发明提供一种用于动力交通工具上的电池管理装置，所述动力交通工具至少部分地以电动机进行驱动。该电池管理装置包括多个电池模块。该电池管理装置还包括稳压模块，被构造成适于稳定在至少二个所述电池模块之间切换时的电压输出。该电池管理装置还包括开关模块，被构造成适于切换至少一个所述电池模块与所述稳压模块导电连接，从而该电池模块可以对所述动力交通工具上的电动机供电。该电池管理装置还包括控制模块，被构造成适于控制所述开关模块的切换作用。

作为本发明的一种改进，前述动力交通工具上的电池管理装置中的开关模块被构造成还适于切换至少一个所述电池模块与所述动力交通工具上的发电机导电连接，从而该电池模块可以接受所述动力交通工具上的发电机对其充电。作为与此相关连的进一步改进，前述动力交通工具上的电池管理装置中的开关模块被构造成还适于切换所述动力交通工具上的发电机与所述稳压装置导电连接，从而该动力交通工具上的发电机可以对所述动力交通工具上的电动机供电。

作为本发明的又一种改进，前述动力交通工具上的电池管理装置中的稳压模块是DC/DC转换器。作为与此相关连的进一步改进，前述动力交通工具上的电池管理装置中的稳压模块的DC/DC转换器复用所述动力交通工具上的充电器中的DC/DC转换部分。

作为本发明的进一步改进，前述动力交通工具上的电池管理装置中的多个电池模块中少一个电池模块的额定功率足以单独驱动所述动力交通工具上的电动机。

作为本发明的又一种改进，前述动力交通工具上的电池管理装置中的开关模块是接触器，可接受来自所述控制模块的控制指令。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的模块图。

图2是本发明的一个实施例的模块图。

图3是本发明的一个实施例的模块图。

图4是本发明的一个实施例的模块图，以及稳压模块的内部展开图。

图5是运用本发明的一个实施例的插电式混和动力车的动力总成示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

发明人经研究发现，在增程器、插电式混合动力车（PHEV）和电动车（EV）中，车载电池一般是从满足能量存储需求的角度来设计的，而不是从满足电机功率需求的角度来设计；所以一般情况下，车载电池（牵引用蓄电池）的额定功率都是过设计的。

以MGL（中信国安盟固利公司）的一款电池为例，其功率密度为1~3kw/kg，而其能量密度只有0.1kwh/kg；以增程式汽车为例，如果要求其以纯电力行驶50km（速度为50km/hr），大概需要电池存储50kwh的能量，这就需要车载电池的额定功率为超过500-1500kw（基于荷电状态）。但是牵引电机的峰值功率才只用100-200kw左右，所以车载电池被大幅度过设计。由于这种功率的过设计，也导致其重量/体积的过设计。为了既能满足行驶里程，又能避免电池尺寸增大导致的缺点，可以采用模块化电池的方案。

基于上述设想，根据本发明的一个实施例，提供一种用于动力交通工具上的电池管理装置，此动力交通工具至少部分地以电动机驱动，例如电动车或插电式混合动力车。参考图1，本实施例中的电池管理装置100包括多个电池模块110a-110n、稳压模块102、开关模块101、控制模块103和电动机200。在电动车的场合，本实施例不包括发电机300。在插电式混合动力车的场合，则本实施例还包括发电机300。在本实施例中，每个电池模块110a-110n包括一个单体电池或多个单体电池，多个单体电池由单体电池串联形成，各电池模块110a-110n透过个别的端口与开关模块101连接。在不同的电池模块110a-110n间切换时，由于待连接的两部分电压不同，若无稳压模块102，将在接触点产生很大的电流冲击。因此，本实施例中的稳压模块102被构造成适于稳定在至少二个所述电池模块110a-110n之间切换时的电压输出。在这个实施例中，稳压模块102一方面与开关模块101上的一个端口连接，一方面与控制模块103连接，另方面以串联方式与电动机200和电感104连接，以并联方式与电动机200和电容105相连接。本实施例中的电池管理装置100还包括开关模块101，被构造成适于切换至少一个所述电池模块110a-110n与所述稳压模块102导电连接，从而该电池模块110a-110n可以对所述动力交通工具上的电动机200供电。所述开关模块101切换各个电池模块110a-110n轮流为电动机200供电，当前使用的电池模块110a-110n用完后，由控制模块103控制开关模块101切换到另一个电池模块110a-110n继续驱动电动机200供电。例如，当开关a1状态为ON，电池模块1同时处于供电和接受充电的状态。当电池模块1电量不足时，控制模块103下令a1断开成为OFF。此时控制模块103知道电池模块2的电量适于供电，于是使a2进入ON的状态，此时，电池模块1不再供电和接受充电，转由电池模块2同时实施供电并接受充电。在本实施例中，开关模块101一方面透过个别的端口与每个电池模块110a-110n连接，一方面透过个别端口与稳压模块102连接，另方面与控制模块103连接。本实施例中的电池管理装置100还包括控制模块103，被构造成适于控制所述开关模块110a-110n的切换作用。控制模块103一方面与开关模块101连接，另方面与稳压模块102连接。本实施例的发明思想使模块化的电池管理系统变得可行，透过强化电池系统的安全性和寿命、降低电池模组的成本和使电池系统不致成为稳定性的隐患，增加了电动车或插电式混合动力车的可欲性。

在前述实施例包括发电机300的场合中，当某一电池模块110a-110n电量耗尽时，控制模块103会控制开关模块101，将电量耗尽的电池模块110a-110n断开，并且将另一个电量充足的电池模块110a-110n连接上。但是，前述实施例中，某一电池模块110a-110n要不同时与发电机300和稳压模块102同时连接，要不与发电机300和稳压模块102同时断开。也就是说，特定电池模块110a-110n要不就是处于既不供电也不接受充电的状态，要不就是一边接受充电一边供电的状态。本发明的另一个实施例引入一种新的模式，使某一电池模块110a-110n可以在发电机300和电动机200之间择一连接；也就是说，特定电池模块110a-110n可以只接受充电而不同时供电，也可以只供电而不同时接受充电。参考图2，在这个实施例中，开关模块501被构造成还适于切换至少一个所述电池模块110a-110n与所述动力交通工具上的发电机300导电连接，从而该电池模块110a-110n可以接受所述动力交通工具上的发电机300对其充电。与前述实施例相比，本实施例中的开关模块501除了开关a1,a2...an之外，还增加了相应的b1,b2...bn来控制每个电池模块110a-110n与发电机300的连接。本实施例的发明思想的优点至少如下。由于电池模块110a-110n的放电和充电与时间通常不是单纯的线性关系，本发明思想使电池模块110a-110n的运用更具有可控性和灵活性。假设地说，电池模块110a-110n从20%充电到80%比从80%充电到99%或1%到20%快。在这种假设特性之下，当本实施例中的控制模块103侦测到正在放电的电池模块1所馀电量不足百分之20%时，可以控制开关模块501断开a1，并接上a2以转由另一个电量充足的电池模块2来驱动电动机200。在多个有待充电的电池模块110a-110n中间，控制模块103可以优先选择所馀电量在20%到80%之间的模块与发电机300连接并予以充电，等到这些电池模块110a-110n充电完毕之后，再对电量不足20%和超过80%的电池模块110a-110n予以充电。此时控制模块103知道不再供电的电池模块1和正在供电的电池模块2都不适于接受充电，并决定电池模块3适于接受充电，则控制模块103会下令b1、b2断开成为OFF，并且接上b3成为ON，使电池模块3进入接受充电状态。本领技术人员可以想到，依照电池模块110a-110n的充放电特性和动力交通工具的动力特性，可以运用本实施例的发明思想更细致地优化电池模块110a-110n的充电程序，从而提升了电动车和插电式混和动力车的可欲性。

当多个电池模块110a-110n被用作增程器（range extender）的一部份的时候，宜有一开关能断开所有的电池模块110a-110n与稳压模块102的连接，此时由发电机300直接驱动电动机200，也就是此时完全不使用增程器来驱动车辆。在本发明的另一个实施例中，电池管理装置600中的开关模块601被构造成还适于切换所述动力交通工具上的发电机300与所述稳压装置102导电连接，从而该动力交通工具上的发电机300可以对所述动力交通工具上的电动机200供电。参考图3，与前述二个实施例相比，本实施例中的开关模块601中除了a1,a2...an和b1,b2...bn之外，还增加了c1和c2。当c1状态为ON，c2为OFF时，发电机300连接DC/DC独力驱动电动机200，此时所有电池模块110a-110n-也就是增程器-都不参与供电。当c1为OFF且c2为ON时，电动机200全由电池模块110a-110n驱动，而发电机200不参与供电。不论c1或c2的开关状态，发电机仍200能依照控制模块103的指令对特定电池模块110a-110n进行充电。

参考图4，在本发明的另一个实施例中，电池管理装置400中的稳压模块402，可以是线性稳压器。优选地，所述稳压模块402可以是DC/DC转换器402。不可避免地，对电动车添加电池管理装将增加成本、占用空间，侵蚀了模块化电池带来的优点。为了解决这个问题，进一步降低成本，可以利用复用的思想，以车载充电器作为DC/DC模块402使用。作为对本实施例的改进，构成所述稳压模块的DC/DC转换器402复用动力交通工具上的充电器中的DC/DC转换部分。根据本发明一个实施例，提供一种集成式功率变换器。如图4所示，其中，车载充电器10用于对电池20充电，为了让车载充电器集成功率变换器的功能，在充电电路中添加三个直流接触器（DCContactor）S1、S2和S3。

直流接触器S 1、S2、S3的连接关系如图4所示，接触器S1的一端接电池正极、另一端接AC/DC变换单元105的负极，S2的一端接电池正极，另一端接DC总线输出的正极，S3的一端接AC/DC变换单元105的正极，另一端接DC总线输出的正极，同时电池的负极接DC总线输出的负极。但本领域技术人员能够明白采用与图示相反的极性接法也是可行的。例如，也可以采用接触器S1的一端接电池负极、另一端接AC/DC变换单元105的正极的连接方式，此时S2、S3的接触器两端所连接的极性也相应调整。

该集成式功率变换器的工作方式如下：

（1）第一模式（对车载电池充电模式）：当其用于充电功能时（车辆处于静止状态），至少S 1、S3被关断，S2优选是关断的，但不是必须的，以确保高压电路与车辆底盘之间具有足够的隔离性（根据行业标准要求）。

在第一模式下，充电器的控制方式与传统的控制方式相同，AC交流电源首先经过AC/DC变换单元103变换成直流电，再经过AC/DC变换单元105逆变为高频交流电，经变压器变压后，由AC/DC变换单元106再整流为直流电，作用于电池20上，为电池20充电。可选的，在该模式下，能量传递方向也可以是相反的方向，从而将电池多余的电能反馈回外部的市电网络。

（2）第二模式（仅电池工作模式）：在电动机低转速（车辆低速行驶）或电动机低牵引力情况下，即电池的功率可以满足车辆行驶的需要，接触器S2导通，S 1和S3不导通，充电器10被短路，电池20直接对电动机提供电压。

（3）第三模式（对电动机提供电压模式）：在电动机高转速（车辆高速行驶）或电动机高牵引力情况下，可以对电动机提供高于电池额定电压的电压。此时接触器S2断开，S 1和S3导通。电池20与AC/DC变换单元105的输出正向串联，使得AC/DC变换单元105输出的直流电压与电池20的电压一起向电动机提供增高的电压。

为了避免前述电池模块为了配合巡航里程被过设计的弊害，在一个实施例中，每个电池模块110a-110n的额定输出功率都足以单独驱动电动机200。也就是说，每个电池模块110a-110n都只有恰好足够独力驱动电动机200的功率，对电量的要求则由多个电池模块110a-110n各别的电量加总达成。也就是说，满足较高的巡航里程的需求时不必再如向来的方式加大电池，而以挂载足够数量的电池模块110a-110n达成。在本实施例中，由于电池模块110a-110n变小，相对于向来使用的较大电池而言，本发明所需的电池模块110a-110n内部电池单元较少，相当程度地缓解了各电池单元之间不一致、不均衡和寿命单调递减的问题，从而亦增加了电动车和插电式混合动力车的实用性

前述各实施例中的开关模块101,501,601，可以是任何电子电力开关，如晶阐管。优选地，本发明中的开关模块101,501,601可以是接触器，以接受来自控制模块103的控制指令。

图5是本发明的一个实施例运用在插电式混合动力车的动力总成示意图。图中的电池管理装置仅以四个电池模块510示出。在这个实施例中，来自电网的电源经过DC/DC/AC转换器520或DC/AC转换器520对电池模块510充电。当车辆以纯内燃机530模式运作时，发电机540可以依照电池管理装置的控制对其内的电池模块510充电。当车辆以纯电力运作时，电池模块510可以对电力动力系统专属的第一电动机550供电，还可以把原本属于内燃机530系统的发电机540作为第二电动机540对其供电，作为车辆的动力之一。当车辆以油电混合模式运作时，电池管理装置仍依照控制模块的控制，控制发电机对电池模块510的充电和供电。

应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims

1.一种用于动力交通工具上的电池管理装置，所述动力交通工具至少部分地以电动机进行驱动，该电池管理装置包括：

多个电池模块；

稳压模块，被构造成适于稳定在至少二个所述电池模块之间切换时的电压输出；

开关模块，被构造成适于切换至少一个所述电池模块与所述稳压模块导电连接，从而该电池模块可以对所述动力交通工具上的电动机供电；和

控制模块，被构造成适于控制所述开关模块的切换作用。

2.权利要求1中的电池管理装置，其中所述开关模块被构造成还适于切换至少一个所述电池模块与所述动力交通工具上的发电机导电连接，从而该电池模块可以接受所述动力交通工具上的发电机对其充电。

3.权利要求2中的电池管理装置，其中所述开关模块被构造成还适于切换所述动力交通工具上的发电机与所述稳压装置导电连接，从而该动力交通工具上的发电机可以对所述动力交通工具上的电动机供电。

4.权利要求1-3之一中的电池管理装置，其中所述稳压模块是DC/DC转换器。

5.权利要求4中的电池管理装置，其中构成所述稳压模块的DC/DC转换器复用所述动力交通工具上的充电器中的DC/DC转换部分。

6.权利要求1-3之一中的电池管理装置，其中至少一个所述电池模块的额定功率足以单独驱动所述动力交通工具上的电动机。

权利要求1-3之一中的电池管理装置，其中所述开关模块是接触器，可接受来自所述控制模块的控制指令。