CN107968450A - 开关组件的保护方法、装置和电池管理系统 - Google Patents

开关组件的保护方法、装置和电池管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关组件的保护方法、装置和电池管理系统，用以有效避免开关组件被损坏。所述开关组件的保护方法，包括：在所述第一开关支路中的开关组件处于闭合状态，所述第二开关支路中的开关组件处于打开状态的条件下，采集所述容性负载两端的电压值；根据采集到的所述容性负载两端的电压值，计算所述容性负载中电容的电容值；若确定所述电容值大于或等于预设电容阈值，则保持所述第二开关支路中的开关组件处于打开状态。

Description

开关组件的保护方法、装置和电池管理系统
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种开关组件的保护方法、装置和电池管理系统。
背景技术
目前，电动汽车作为新能源领域的重要组成部分得到了快速的发展。在电动汽车快速发展的过程中，电动汽车的安全问题也备受关注，尤其是电动汽车中动力电池组的用电安全。
以使用容性负载(例如，充电桩)对动力电池组充电为例，在使用容性负载对动力电池组充电时，一般用预充支路来保护主充支路中的开关组件。具体来说，先闭合预充支路中的开关组件一段时间，以对容性负载中的电容进行充电，而后再闭合主充支路中的开关组件。
然而，在上述过程中，由于主充支路的开关组件其电阻通常为毫欧姆级别，若在容性负载中的电容未充满电的情况下闭合主充支路中的开关组件，则主充支路中会产生较大的脉冲电流，此脉冲电流可能损坏主充支路中的开关组件。
发明内容
本发明实施例提供一种开关组件的保护方法、装置和电池管理系统，用以有效避免开关组件被损坏。
根据本发明实施例的一方面，提供一种开关组件的保护方法，应用于包含容性负载的开关电路中，开关电路包括电池组、容性负载、以及并联连接在电池组和容性负载之间的第一开关支路与第二开关支路，开关组件的保护方法包括：
在第一开关支路中的开关组件处于闭合状态，第二开关支路中的开关组件处于打开状态的条件下，采集容性负载两端的电压值；
根据采集到的容性负载两端的电压值，计算容性负载中电容的电容值；
若确定电容值大于或等于预设电容阈值，则保持第二开关支路中的开关组件处于打开状态。
根据本发明实施例的另一方面，提供一种开关组件的保护装置，应用于包含容性负载的开关电路中，开关电路包括电池组、容性负载、以及并联连接在电池组和容性负载之间的第一开关支路与第二开关支路，开关组件的保护装置包括：
采集模块，用于在第一开关支路中的开关组件处于闭合状态，第二开关支路中的开关组件处于打开状态的条件下，采集容性负载两端的电压值；
计算模块，用于根据采集到的容性负载两端的电压值，计算容性负载中电容的电容值；
控制模块，用于在确定电容值大于或等于预设电容阈值时，保持第二开关支路中的开关组件处于打开状态。
根据本发明实施例的又一方面，提供一种电池管理系统，包括本发明上述实施例提供的开关组件的保护装置。
根据本发明实施例中的开关组件的保护方法、装置和电池管理系统，在第一开关支路中的开关组件处于闭合状态，第二开关支路中的开关组件处于打开状态的条件下，也即在由第一开关支路对容性负载中的电容充电时，通过采集容性负载两端的电压值，根据采集到的容性负载两端的电压值，计算容性负载中电容的电容值，并在确定计算得到的电容值大于或等于预设电容阈值时，也即在确定容性负载中的电容未充满电时，保持第二开关支路的开关组件处于打开状态，从而有效避免因容性负载中电容未充满电闭合第二开关支路中开关组件导致的开关组件损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是示出根据本发明实施例的充电电路的结构示意图；
图2是示出根据本发明实施例的开关组件的保护方法的示意流程图；
图3是示出根据本发明实施例的开关组件的保护装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明实施例提供的开关组件的保护方法，应用于包含容性负载的开关电路中，也即在负载中包含容性负载，且需要通过闭合开关组件对负载进行充放电时，均可使用本发明实施例提供的开关组件的保护方法。需要说明的是，本发明实施例提供的开关组件的保护方法，主要应用于电动汽车领域，尤其是对电动汽车动力电池组充电的充电电路或者放电电路中。
为了更好的理解本发明，下面结合图1-图3，以对电动汽车动力电池组充电的充电电路为例，详细描述根据本发明实施例的开关组件的保护方法，应注意，这些实施例并不是用来限制本发明公开的范围。
如图1所示，对电动汽车动力电池组充电的充电电路，包括：动力电池组11、容性负载12、以及并联连接在动力电池组11和容性负载12之间的预充支路13(也即第一开关支路)与主充支路14(也即第二开关支路)。其中，预充支路13中包括第一电阻R1和开关组件S1，主充支路14中包括开关组件S2，容性负载12中包括并联连接的第二电阻R2和电容C。当然，充电电路中还可以包括开关组件S3，在使用容性负载(例如，充电桩)对动力电池组充电时，开关S3始终处于闭合状态。
在本发明实施例中，从电池种类而言，动力电池组可以是锂离子电池、锂金属电池、铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂硫电池、锂空气电池或者钠离子电池，在本发明实施例中不做具体限定。从电池规模而言，动力电池组可以是电芯单体，也可以使电池模组或电池包，在本发明实施例中不做具体限定。
本发明实施例提供的开关组件的保护方法，可以应用于图1示出的充电电路中，如图2所示，本发明实施例提供的开关组件的保护方法，可以包括如下步骤：
步骤S201，在第一开关支路中的开关组件处于闭合状态，第二开关支路中的开关组件处于打开状态的条件下，采集容性负载两端的电压值。
结合图1示出的充电电路，在对动力电池组11充电时，开关组件S3始终处于闭合状态，此种情况下，若预充支路13中的开关组件S1处于闭合状态，主充支路14中的开关组件S2处于打开状态，则在充电电路中，由预充支路13对容性负载12中的电容C充电。
在一个示例中，在由预充支路13对容性负载12中的电容C充电的条件下，采集容性负载12两端的电压值，即在由预充支路13对容性负载12中的电容C充电的条件下，采集容性负载12中电容C两端的电压值。
在一个示例中，采集容性负载12两端的电压值，可以由电压采集设备(例如，电压表)以固定的采样频率进行采集，也可以由电压采集设备进行连续采集，然后从采集结果中抽取获得某一时刻的电压值，本发明实施例对此不做限定。当然，在采集容性负载12两端的电压值时，电压采集设备还需要对采集到的电压值进行模数(Analog-to-Digital，AD)转换，以显示采集到容性负载12两端的电压值。
步骤S202，根据采集到的容性负载两端的电压值，计算容性负载中电容的电容值。
在一个示例中，在采集容性负载12两端的电压值之后，由于容性负载12中的第二电阻R2与电容C并联，因此，第二电阻R2和电容C两端的电压值均等于采集到的电压值，记为UC，假设容性负载12中第二电阻R2所在支路的电流为I3，电容C所在支路的电流为I4，动力电池组11的电压值为US，则根据基尔霍夫电压定律(Kirchhoff Voltage Laws，KVL)，可知动力电池组11的电压值US为采集到的容性负载12两端的电压值UC与第一电阻R1两端的电压值之和。而根据基尔霍夫电流定律(Kirchhoff Current Laws，KCL)，第一电阻R1所在支路的电流为第二电阻R2所在支路的电流I3与电容C所在支路的电流I4之和。
由电容的充电微积分方程可知电容C所在支路的电流I4为电容C的电容值C1与电容C两端电压(也即采集到的容性负载12两端的电压UC)UC在时刻t导数的乘积。
根据第二电阻R2所在支路上的电压电流关系，可知第二电阻R2所在支路的电流I3为采集到的容性负载12两端的电压值UC与第二电阻R2阻值之商。
由上述关系可得到电容两端的电压微分方程，如下公式(1)。
其中，US为动力电池组11的电压值，UC(t)为t时刻采集到的容性负载12两端的电压值，R1为预充支路13中第一电阻R1的电阻值，C1为对电容C充电过程中的电容值，R2为第二电阻R2的电阻值。
通过解微分方程(1)，得到电容C两端的电压表达式(2)。
其中，
对上述公式(2)中的UC(t)求导，得到电容C的电压变化率，记为M(t)，则可得到如下公式(3)。
其中，τ为时间常数。
由于相邻采样时刻的电压倒数的比值为一个定值，且该定值与时间常数τ相关，因此，进而通过计算相邻采样时刻的电压导数的比值来求得时间常数τ。
假设记tn+1时刻的倒数为M(tn+1)，tn时刻的电压的倒数为M(tn)，且tn+1时刻与tn时刻为相邻采样时刻，则有相邻采样时刻之差等于采样频率的倒数。
则可得M(tn)与M(tn+1)之间的比值如下公式(4)所示。
其中，fsamp为采集容性负载12两端电压值的采样频率。
通常，认为一个点的导数是该点的曲线的切线斜率，而在(x，y)与(x+Δx，y+Δy)两点Δx足够小时，可近似认为这两点的割线与(x，y)点的导数值相同。基于此，可将上述公式(4)转换为如下公式(5)。
根据公式(5)，可以求得时间常数τ如下公式(6)。
假设记预充支路13中的电流为I1，则预充支路13中的电流为I1为第二电阻R2所在支路的电流I3与电容C所在支路的电流I4之和，根据KCL可得到如下公式(7)。
同时电流I1的值还可以根据第一电阻R1两端的电压值和第一电阻R1的电阻值进行计算，也即第一电阻R1的电流I1为第一电阻R1两端电压值与第一电阻R1的电阻值R1之比，其中，第一电阻R1两端电压值为动力电池组11的电压值US和采集到的容性负载12两端的电压值UC之差。
在具体计算时，由于电压的倒数约等于相邻时刻电压采样值之差与采样频率的乘积。因此，可将公式(7)转化为如下公式(8)。
而时间常数τ是可以通过测量值得到，可以作为已知量，如下公式(9)所示。
结合上述公式(6)、公式(8)和公式(9)，可通过如下公式(10)计算出电容C的电容值C1。
其中，K1与所述第一电阻的电阻值R1成正比关系，K2与采样频率fsamp和时间常数τ成正比关系，K3与时间常数τ成正比关系，C1为所述容性负载中电容的电容值，UC(tn+1)为tn+1时刻采集到的电压值，UC(tn)为tn时刻采集到的电压值，n为自然数。
步骤S203，若确定电容值大于或等于预设电容阈值，则保持第一开关支路中的开关组件处于打开状态。
在一个实施方式中，在根据采集到的容性负载12两端的电压值，计算得到容性负载12中电容C的电容值之后，即可根据容性负载12中电容C的电容值与预设电容阈值的关系，判断电容C是否充满电。其中，预设电容阈值可以根据经验值设定。例如，预设电容阈值为20微法(μF)，再例如，预设电容阈值为25μF。
在一个示例中，结合图1示出的充电电路，在确定容性负载12中电容C的电容值大于或等于预设电容阈值时，确定电容C还未充满电，此时若闭合主充支路14中的开关组件S2，则开关组件S2仍可能会被电路中产生的脉冲电流损坏，因此，此种条件下，保持主充支路14的开关组件S2处于打开状态。
在一个示例中，在确定容性负载12中电容C的电容值小于预设电容阈值时，确定电容C已充满电，此种条件下，可以闭合主充支路14的开关组件S2。
下面结合图1对本发明实施例对动力电池组11充电的整个过程进行说明。
在对动力电池组11充电时，首先闭合开关组件S1和S3，由预充支路13对容性负载12中的电容C充电，同时采集容性负载12两端的电压值，并基于采集到的容性负载12两端的电压值，计算容性负载12中电容C的电容值。
在确定电容C的电容值大于或等于预设电容阈值时，保持主充支路14中开关组件S2处于打开状态，直至确定电容C的电容值小于预设电容阈值时，闭合主充支路14中开关组件S2，使得容性负载12可以对动力电池组进行充电。
本发明实施例中，通过采集容性负载两端的电压值，进而能够根据采集到的容性负载两端的电压值，计算容性负载中电容的电容值，并在确定计算得到的电容值大于或等于预设电容阈值时，也即在确定容性负载中的电容未充满电时，保持所述主充支路的开关组件处于打开状态，从而有效避免因容性负载中电容未充满电闭合主充支路中开关组件导致的开关组件损坏。
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种开关组件的保护装置。如图3所示，本发明实施例提供的开关组件的保护装置，包括：
采集模块301，用于在第一开关支路中的开关组件处于闭合状态，第二开关支路中的开关组件处于打开状态的条件下，采集容性负载两端的电压值。
计算模块302，用于根据采集到的容性负载两端的电压值，计算容性负载中电容的电容值。
控制模块303，用于在确定电容值大于或等于预设电容阈值时，保持第二开关支路中的开关组件处于打开状态。
在一个实施方式中，控制模块303还用于：在确定电容值小于预设电容阈值时，闭合第二开关支路中的开关组件。
在一个实施方式中，计算模块302，具体用于：根据采集到的容性负载两端的电压值，采用公式(10)计算容性负载中电容的电容值。
在一个实施方式中，第一开关支路中包括串联连接的开关组件和第一电阻。
在一个实施方式中，容性负载中包括并联连接的第二电阻与电容。
本发明实施例还提供了一种电池管理系统，包括本发明上述实施例提供的开关组件的保护装置。
根据本发明实施例的开关组件的保护方法、装置和电池管理系统，在第一开关支路中的开关组件处于闭合状态，第二开关支路中的开关组件处于打开状态的条件下，也即在由第一开关支路对容性负载中的电容充电时，通过采集容性负载两端的电压值，根据采集到的容性负载两端的电压值，计算容性负载中电容的电容值，并在确定计算得到的电容值大于或等于预设电容阈值时，也即在确定容性负载中的电容未充满电时，保持第一开关支路的开关组件处于打开状态，从而有效避免因容性负载中电容未充满电闭合第一开关支路中开关组件导致的开关组件损坏。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种开关组件的保护方法，应用于包含容性负载的开关电路中，其特征在于，所述开关电路包括电池组、容性负载、以及并联连接在所述电池组和所述容性负载之间的第一开关支路与第二开关支路，所述开关组件的保护方法包括：
在所述第一开关支路中的开关组件处于闭合状态，所述第二开关支路中的开关组件处于打开状态的条件下，采集所述容性负载两端的电压值；
根据采集到的所述容性负载两端的电压值，计算所述容性负载中电容的电容值；
若确定所述电容值大于或等于预设电容阈值，则保持所述第二开关支路中的开关组件处于打开状态。
2.根据权利要求1所述的开关组件的保护方法，其特征在于，所述开关组件的保护方法还包括：
若确定所述电容值小于所述预设电容阈值，则闭合所述第二开关支路中的开关组件。
3.根据权利要求1所述的开关组件的保护方法，其特征在于，所述根据采集到的所述容性负载两端的电压值，计算所述容性负载中电容的电容值，包括：
根据采集到的所述容性负载两端的电压值，采用如下公式计算所述容性负载中电容的电容值：
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>K</mi> <mn>3</mn> </msub> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>U</mi> <mi>C</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>U</mi> <mi>C</mi> </msub> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>U</mi> <mi>C</mi> </msub> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，K1与所述第一开关支路中电阻的电阻值成正比关系，K2与采样频率和时间常数成正比关系，K3与时间常数成正比关系，C1为所述容性负载中电容的电容值，UC(tn+1)为tn+1时刻采集到的电压值，UC(tn)为tn时刻采集到的电压值，n为自然数。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的开关组件的保护方法，其特征在于，所述第一开关支路中包括串联连接的开关组件和第一电阻。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的开关组件的保护方法，其特征在于，所述容性负载中包括并联连接的第二电阻与电容。
6.一种开关组件的保护装置，应用于包含容性负载的开关电路中，其特征在于，所述开关电路包括电池组、容性负载、以及并联连接在所述电池组和所述容性负载之间的第一开关支路与第二开关支路，所述开关组件的保护装置包括：
采集模块，用于在所述第一开关支路中的开关组件处于闭合状态，所述第二开关支路中的开关组件处于打开状态的条件下，采集所述容性负载两端的电压值；
计算模块，用于根据采集到的所述容性负载两端的电压值，计算所述容性负载中电容的电容值；
控制模块，用于在确定所述电容值大于或等于预设电容阈值时，保持所述第二开关支路中的开关组件处于打开状态。
7.根据权利要求6所述的开关组件的保护装置，其特征在于，所述控制模块还用于：
在确定所述电容值小于所述预设电容阈值时，闭合所述第二开关支路中的开关组件。
8.根据权利要求6所述的开关组件的保护装置，其特征在于，所述计算模块，具体用于：根据采集到的所述容性负载两端的电压值，采用如下公式计算所述容性负载中电容的电容值：
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>K</mi> <mn>3</mn> </msub> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>U</mi> <mi>C</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>U</mi> <mi>C</mi> </msub> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>U</mi> <mi>C</mi> </msub> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，K1与所述第一开关支路中第一电阻的电阻值成正比关系，K2与采样频率和时间常数成正比关系，K3与时间常数成正比关系，C1为所述容性负载中电容的电容值，UC(tn+1)为tn+1时刻采集到的电压值，UC(tn)为tn时刻采集到的电压值，n为自然数。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的开关组件的保护装置，其特征在于，所述第一开关支路中包括串联连接的开关组件和第一电阻。
10.根据权利要求6-8中任一项所述的开关组件的保护装置，其特征在于，所述容性负载中包括并联连接的第二电阻与电容。
11.一种电池管理系统，其特征在于，所述电池管理系统包括如权利要求6-10中任一项所述的开关组件的保护装置。
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