CN105390768B - 车辆牵引电池的热调节 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及车辆牵引电池的热调节。一种车辆牵引电池包括多个电池单元以及用于对所述多个电池单元进行充电平衡的电池能量控制模块(BECM)。BECM被设置在车辆牵引电池内，并且包括电路，所述电路具有至少一个连接到所述多个电池单元中的至少一个的正温度系数组件(诸如，热敏电阻器或半导体可变电阻器)，以用于所述多个电池单元的热调节。

Description

车辆牵引电池的热调节
技术领域
本公开涉及使用电池组内的组件来进行车辆电池调节，从而改善在低环境温度下电池电流的输送。
背景技术
例如，极低环境温度(诸如-30℃(-22℉)及以下)削弱车辆牵引电池将电流输送到电动车辆或混合动力车辆的马达的能力。电池的热调节提高在低环境温度下的性能。
各种策略已经被用于提供电池的热调节，其中的许多策略需要外部接口(电气、流体或空气)来加热电池组。一种这样的方法使用被设置在靠近电池外侧的位置的正热系数(PTC)电阻元件来加热电池。该方法需要被布置以加热电池的单独的加热器以及用于每个电池单元的PTC电阻元件。另一种用于加热车辆电池的策略使用具有外壳的二次电池模块，所述外壳围绕电池以允许传热介质流进和流出外壳。该方法需要大的电池模块并使用传热介质。另一种策略包括具有附着在电池的一侧的正温度系数装置的电池加热器。又一种方法包括控制用于加热元件的电流流动的内部电池温度传感器，所述加热元件固定到电池内部的冷却板上。
发明内容
一种车辆牵引电池包括多个电池单元和用于控制牵引电池的各种功能的电池能量控制模块(BECM)。BECM被设置在车辆牵引电池内，并且包括具有至少一个正温度系数组件(诸如，热敏电阻器或半导体可变电阻器)的电路，所述电路连接到所述多个电池单元中的至少一个，以用于所述多个电池单元的热调节。
在一个实施例中，一种车辆(诸如，电动车辆、混合动力车辆或插电式混合动力电动车辆)包括由车辆牵引电池供电的电动马达。车辆牵引电池包括连接到设置在牵引电池内的控制模块的多个电池单元。控制模块包括与所述多个电池单元相关联的电池单元充电平衡电路。所述充电平衡电路包括正温度系数装置，以响应于施加到充电平衡电路的电流为所述多个电池单元提供热调节。例如，所述正温度系数装置可以通过适当地选择的热敏电阻器或半导体可变电阻器来实现。电池控制模块可以被配置为：响应于环境温度或电池单元温度在关联的阈值之下，启动充电平衡电路，以提供电池热调节。
实施例还可以包括一种具有与牵引电池进行通信的电动马达/发电机的车辆。所述牵引电池包括多个电池单元、与牵引电池设置在一起的多个热敏电阻器、以及设置在牵引电池内并且与所述多个电池单元和所述多个热敏电阻器进行通信的电池控制模块。所述电池控制模块被配置为：将电流从所述多个电池单元供应到所述多个热敏电阻器，以提供电池热调节。在各种实施例中，热敏电阻器通过开关型热敏电阻器来实现。所述热敏电阻器可以在相应的充电平衡电路内被连接，每个充电平衡电路与所述多个电池单元中的相应的电池单元相关联。所述多个热敏电阻器中的每个被设置在相应的充电平衡电路内，所述充电平衡电路与所述多个电池单元中的相应的电池单元相关联。所述电池控制模块在所述多个电池单元的充电平衡期间将电流供应给所述多个热敏电阻器。所述热敏电阻器包括开关型热敏电阻器。所述热敏电阻器包括半导体可变电阻器。所述电池控制模块基于电池单元温度和所述多个热敏电阻器的电阻-温度特性来补偿电池单元充电平衡。所述多个热敏电阻器中的每个跨接于所述多个电池单元中的相应一个电池单元。
一种车辆牵引电池包括多个电池单元和用于对所述多个电池单元进行充电平衡的电池能量控制模块(BECM)。所述BECM被设置在车辆牵引电池内，并且具有电路，所述电路包括至少一个连接到所述电池单元中的至少一个的正温度系数组件，以用于所述多个电池单元的热调节。所述电路包括跨接于所述多个电池单元中的关联的电池单元的充电平衡电路。所述正温度系数组件包括热敏电阻器。所述正温度系数组件包括半导体可变电阻器。所述电路包括用于所述多个电池单元中的每个的正温度系数热敏电阻器。
各种优点与本公开的各种实施例相关联。例如，本公开的实施例利用与电池组内的正温度系数(PTC)装置相结合的现有充电平衡电路，来实现牵引电池的温度依赖性热调节。用PTC装置(诸如，PTC热敏电阻器或硅电阻器(半导体可变电阻器))替换在电池能量控制模块(BECM)中被用于充电平衡的电阻器中的一些或所有，允许更多充电平衡电流在极低温度下流动，因此通过在BECM中I2R功率损失产生更多热。各种实施例可以包括并联布置的PTC装置或与其他的电阻装置和/或二极管并联和串联的电阻电路，以实现用于充电平衡和热调节的电阻和电流的期望的范围。为了在极低温度下调节电池组，BECM可以启动充电平衡电路中的一个或更多个。PTC装置的使用与由BECM提供的温度控制相结合提供温度的自调节。
附图说明
图1是根据本公开的用于具有用于电池热调节的PTC装置的牵引电池组的实施例的代表性车辆应用的方框图；
图2是根据本公开的实施例的具有BECM的牵引电池组的方框图，BECM具有用于电池热调节的PTC装置；
图3是示出了热敏电阻器和半导体可变电阻器的代表性特性的曲线图；以及
图4是根据本公开的各种实施例的示出与电池组的每个电池单元相关联以提供电池热调节的PTC装置的使用的BECM的方框图。
具体实施方式
根据需要，在此公开本发明的具体实施例；然而，应当理解的是，虽然所公开的实施例可能没有被明确地描述或示出，但是所公开的实施例仅为在本公开范围内的示例性实施例和其他实施例。附图无需按比例绘制；可放大或缩小一些特征以显示特定组件的细节。因此，具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为教导本领域技术人员在公开的范围内以多种形式应用实施例的代表性基础。
图1描绘了在插电式混合动力电动车辆(HEV)中包含使用PTC装置的牵引电池热调节的代表性应用。本领域的普通技术人员将认识到，使用电池组内的PTC装置的电池热调节可以被用在可能在低环境温度环境中被操作的各种电动车辆、混合动力车辆和插电式混合动力车辆中。插电式混合动力电动车辆12可以包括一个或更多个机械连接到混合动力变速器16的电机14。电机14可以具有作为马达或发电机运行的能力。对于混合动力车辆，变速器16机械连接到内燃发动机18。变速器16还机械连接到驱动轴20，驱动轴20机械连接到车轮22。当发动机18被开启或关闭时，电机14能提供推进和减速能力。电机14还用作发电机，并且能通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热量损失掉的能量而提供燃料经济性效益。电机14还可以通过允许发动机18在更有效率的速度下运行并允许混合动力电动车辆12在特定条件下关闭发动机18以电动模式运行，来减少车辆排放。不包括内燃发动机18的电动车辆也可以获得相似的优点。
牵引电池或电池组24存储能被电机14使用的能量。车辆电池组24通常提供高电压DC输出。牵引电池24电连接到一个或更多个电力电子模块。当一个或更多个接触器被打开时，所述一个或更多个接触器(未示出)可以将牵引电池24与其他组件隔离，而当所述一个或更多个接触器被关闭时可以将牵引电池24与其他组件连接。电力电子模块26还电连接到电机14，并且在牵引电池24和电机14之间提供双向传递能量的能力。例如，示例性的牵引电池24可以提供DC电压，而电机14可能需要三相AC电流。电力电子模块26可以如电机14所需求的将DC电压转换为三相AC电流。在再生模式下，电力电子模块26可以将来自用作发电机的电机14的三相AC电流转换为牵引电池24所需的DC电压。在此描述的方法，同样适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合动力变速器16可以是连接到电机14的齿轮箱，并且如前所述发动机18可以被省略。
牵引电池24除了为推进力提供能量以外，还可以为其他车辆电气系统提供能量。示例性的系统可以包括DC/DC转换器模块28，DC/DC转换器模块28将牵引电池24的高电压DC输出转换为与其他车辆负载兼容的低电压DC供电。其他高电压负载(诸如压缩机和电车厢或组件加热器)可以不使用DC/DC转换器模块28而直接连接到高电压。低电压系统可以电连接到辅助电池30(例如，12V或24V电池)。
本公开的实施例可以包括车辆(诸如，车辆12)，所述车辆可以是在其中牵引电池24可以通过外部电源36进行再充电的混合动力车辆或增程式混合动力车辆、或电动车辆或插电式混合动力车辆。外部电源36可以是到电插座的连接。外部电源36可以电连接到电动车辆供电设备(EVSE)38。EVSE 38可以提供电路和控制，以调节和管理在电源36和车辆12之间的能量的传递。外部电源36可以将DC或AC电力提供到EVSE 38。EVSE 38可以具有用于插入车辆12的充电端口34的充电连接器40。充电端口34可以是被配置为将电力从EVSE 38传递到车辆12的任何类型的端口。充电端口34可以电连接到充电器或车载电力转换模块32。电力转换模块32可以调节从EVSE38供应的电力，以将适当的电压和电流水平提供给牵引电池24。电力转换模块32可以与EVSE 38进行接口连接，以协调对于车辆12的功率的输送。EVSE连接器40可以具有与充电端口34的对应的凹处紧密配合的插脚。可选择地，被描述为电连接的各种组件可以使用无线感应耦合来传递电力。
在图1中示出的各种组件可以具有一个或更多个关联的控制器，以控制和监测组件的运行。所述控制器可以经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或经由分立的导体进行通信。一个或更多个控制器还可以按照独立的方式运行，而不与一个或更多个其他控制器进行通信。例如，如参照图2和3更详细地描述的，控制器中的一个可以通过电池能量控制模块(BECM)46来实现，以控制各种充电和放电功能以及电池单元电荷均衡。BECM可以被布置在牵引电池24内，并且包括位于充电平衡电路内的一个或更多个PTC组件，以在充电平衡期间提供电池热调节。例如，PTC组件可以包括PTC热敏电阻器(有时被称为正温度系数热敏电阻器)和/或半导体可变电阻器(silistor)。PTC组件或装置具有作为增加的温度的函数的增加的电阻。当电流流过PTC装置时，电阻损耗产生可以提高装置和邻接组件的温度的热，所述热会引起增加的电阻和关联的减弱的电流流动，使得PTC装置具有自调节的特性。大多数PTC热敏电阻器是“开关”类型，这意味着它们的电阻在特定临界温度突然上升。半导体可变电阻器被类似地构造并且基于与其他热敏电阻器一样的原理运行，但是采用硅作为半导体组件材料。
车辆牵引电池组可以根据各种化学配方被构建。示例性的电池组化学成分包括铅酸、镍金属氢化物(NIMH)或锂离子。图2示出了N个电池单元42简单串联配置的示例性电池组24。然而，其他电池组可以由串联连接、并联连接或它们的某种组合的任意数量的电池单元组成。如前所述，示例性系统可以具有监测和控制电池组24的性能的一个或更多个控制器(诸如，电池能量管理模块(BECM)46)。BECM 46可以监测几个电池组整体特性(诸如，电池组电流48、电池组电压52和电池组温度54)。BECM 46可以具有非易失性存储器，使得当BECM处于关闭状态时数据可以被保存。
例如，BECM 46可以包括控制各种电池功能(诸如电池单元充电平衡和电池热调节)的硬件和/或软件。如本领域的普通技术人员通常所理解的，充电平衡对于一些电池化学成分相比于其他电池化学成分可能更重要，但是通过对被充电超过期望阈值水平的电池单元进行放电和对具有低于期望阈值水平的充电的电池单元进行充电来执行充电平衡，以平衡每个电池单元的各自的充电。如在下面参照图3和图4更详细描述的，BECM 46可以包括PTC组件，以在电池单元充电平衡期间或在在通过BECM 46控制的其他功能期间提供电池热调节。
除了监测电池组整体特性之外，BECM 46还可以监测和/或控制电池单元水平的特性(诸如，在充电平衡期间可以被使用的单个的或分组的电池单元的电压)。例如，可以测量每个电池单元的端子电压、电流和温度。电池控制器46可以包括测量横跨电池组24的N个电池单元42中的每一个的端子的电压的电压监测电路或传感器模块44。电压监测电路44可以通过电阻器和电容器的网络来实现，所述电阻器和电容器的网络被配置为提供电池单元电压信号的适当的缩放和滤波。在本公开的各种实施例中，电压监测电路44中的一个或更多个可以包括用于电池热调节的PTC组件。电压监测电路44还可以提供隔离，使得高电压将不会损坏其他电路以及BECM 46。
图3示出了在本公开的各种实施例的电池热调节中使用的代表性的PTC装置的运行特性。图3示出了用于如由线60表示的大体上线性的半导体可变电阻器和如由线62表示的开关类型PTC热敏电阻器的作为温度的函数的电阻特性。电阻(R)被绘制在对数刻度上，作为被绘制在线性刻度上的温度(T)的函数。如图所示，虽然超过温度阈值(例如，150℃)之后半导体可变电阻器的特性60可开始展示减小的电阻，但是随着温度增加，半导体可变电阻器的特性60大体上线性地增大。开关类型PTC装置特性62可以展示稍微减小的电阻，直到它达到与最小电阻66关联的最小电阻温度64，在这一点PTC热敏电阻器开始展示稍微的正温度系数，直到临界温度(Tc)68(具有在70指示的关联的电阻)，在所述临界温度处正温度系数显著增大。超过临界温度Tc，电阻(R)可能因为温度(T)小的增大而增大几个数量级。增大的电阻减少电流流动，使得所述装置展示出自调节特性。PTC装置可以用PTC装置在特定温度72(通常为25℃)下的电阻74来详细说明。对于PTC装置的功率输入可以被表示为：
PE＝IV＝I2RFn(T)
其中，I表示电流，V表示横跨所述装置的电压降，R表示电阻，其作为温度T的函数而变化。功率损失被变换为热，如参照图4所描述的，其中一些热被传递到电池单元。
现参照图4，根据本公开的实施例的具有用于电池热调节的PTC组件或装置的代表性的电池组24的方框图被示出。电池组24包括多个电池单元42。虽然只有三个电池单元被示出，但是本领域的普通技术人员将认识到，牵引电池组常常包括几十个或数百个电池单元。同样地，虽然电池单元42被示出为串联连接的单独的电池单元82，并且具有电压感测引线84、86和充电平衡开关连接88，但是取决于特定的应用与实施也可以提供其他布置。因此，根据本公开的实施例的电池热调节可以应用于单独电池单元82的各种其他类型的布置或分组。
BECM 46或者一个或更多个类似的控制器可以位于电池组24内。可选择地，BECM46可以位于电池组24外，但是控制设置在电池组24内的一个或更多个PTC装置90。当促使PTC装置的起作用以提供除了电池单元充电平衡以外的热调节时，相对于减少总的组件数量、重量等，利用PTC装置90替换设置在电池组24内的一个或更多个传统的充电平衡电阻器可以提供各种优点。每个电池单元82可以包括关联的电压感测装置86和充电平衡开关88，充电平衡开关88通过晶体管或由电池单元监测集成电路(IC)96内的硬件和/或软件控制逻辑启动的类似装置来实现。电池单元监测IC 96测量单独的电池单元电压，将电池单元电压报告给BECM 46内的控制逻辑，并且周期性地执行电池单元的充电平衡和/或热调节。如前所述，可以经由通过由关联的PTC装置(诸如PTC装置90)提供的电阻负载使电池单元能量(通过电流ICB)消散，来执行电池单元充电平衡。如参照图3所述的PTC装置特性的适当的选择可以用于提供电池组24内的关联的电池单元82的期望的加热。因为充电平衡电流的实际量随温度而变化，所以在得知PTC装置的电阻-温度特性情况下，BECM策略可通过对温度进行补偿来调整通常的充电平衡算法。
尽管传统的电池组可以包括用于充电平衡的电阻器，但是任何关联的作为热消散的能量损失通常通过设计被最小化。因此，这些设计使更少的热消散，并且加热的发生远远慢于通过根据本公开的实施例的PTC装置消散的热。
如在图1到图4中总体上示出的，使用布置在车辆牵引电池内的PTC组件进行电池热调节的系统或方法被示出。如前所述，PTC组件可以被布置在电池控制器内的充电平衡电路中，所述充电平衡电路被设置在车辆电池组内。可选择地，PTC热敏电阻器或半导体可变电阻器可以在电池控制器外部，但是被布置以将热传递到电池组内的邻近的电池单元。在运行中，一个或更多个控制器可以响应于环境温度低于关联的阈值而处理热调节命令。控制器将信号提供给一个或更多个开关，以使电流从关联的电池单元流动穿过PTC装置，以加热关联的电池单元。基于电池单元温度、电池单元电荷或其他运行参数，控制器可以选择用于热调节的特定的电池单元。
如本领域的普通技术人员将认识到的，本公开的各种实施例具有关联的优点。例如，尤其是在极低的温度下，相比于由传统的充电平衡电路提供的加热，使用牵引电池内的PTC组件的电池热调节有助于更快速的电池单元加热。内部PTC组件或集成PTC组件的使用不取决于外部热调节(电气、流体、空气)来调节电池组。此外，当任何特定电池单元或电池单元的组的温度超过关联的PTC装置的开关温度或临界温度时，PTC装置为电池单元提供自调节热保护。使用嵌入式PTC装置的牵引电池组的热调节提供在极低温度下组(电池单元和组件)的自加热，并且提高的温度补偿电池单元充电平衡性能。对于用PTC组件替换传统电阻器的实施例，不需要另外的电路或组件用于热调节，这可以降低成本和复杂性。
尽管上面描述了示例性实施例，但不意味着这些实施例描述了在本公开的范围内的所有可能的实施例。相反，说明书中使用的词语为描述性词语而非限定性，并且应理解为，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以作出各种改变。此外，即使特定的组合没有被明确地描述或示出，也可以组合各种实施例的特征，以形成进一步的实施例。
尽管各种实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，一个或多个特点或特性可被折衷，以实现取决于具体的应用和实施方式的期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可以被期望用于特定的应用。

Claims (8)

1.一种车辆牵引电池，包括：
多个电池单元；
电池能量控制模块，与所述多个电池单元进行通信；以及
充电平衡电路，与所述多个电池单元相关联，所述充电平衡电路包括被布置在牵引电池内的正温度系数热敏电阻器，以响应于施加到所述充电平衡电路的电流来为所述多个电池单元提供热调节。
2.如权利要求1所述的车辆牵引电池，其中，所述充电平衡电路被设置在电池能量控制模块内。
3.如权利要求1所述的车辆牵引电池，其中，所述正温度系数热敏电阻器包括半导体可变电阻器。
4.如权利要求1所述的车辆牵引电池，其中，所述正温度系数热敏电阻器包括开关型热敏电阻器。
5.如权利要求1所述的车辆牵引电池，其中，所述电池能量控制模块被配置为：响应于温度在关联的阈值之下来启动充电平衡电路。
6.如权利要求1所述的车辆牵引电池，其中，所述电池能量控制模块被配置为：响应于在电池单元充电期间的电池单元的温度来调整充电平衡电流。
7.如权利要求1所述的车辆牵引电池，其中，所述多个电池单元中的每个与所述正温度系数热敏电阻器中的对应一个热敏电阻器并联连接。
8.如权利要求1所述的车辆牵引电池，其中，所述多个电池单元中的每个具有相应的充电平衡电路，所述充电平衡电路包括至少一个正温度系数装置。
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