CN108688481B - 车辆电池系统和控制该系统中的电池充电的方法 - Google Patents

车辆电池系统和控制该系统中的电池充电的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种车辆电池系统和控制该系统中的电池充电的方法。该系统包括具有彼此串联连接的多个电池单元的第一电池模块和具有彼此串联连接的多个电池单元的第二电池模块。第二电池模块串联连接至第一电池模块。然后，控制器监控第一电池模块和第二电池模块中的每一个的充电状态，使得当第一电池模块和第二电池模块中的一个的充电状态小于预定水平时，控制器进行第一电池模块的电池单元和第二电池模块的电池单元之间的主动单元平衡。

Description

车辆电池系统和控制该系统中的电池充电的方法
技术领域
本发明总体涉及一种车辆电池系统和控制该系统中的电池充电的方法，并且更具体地，涉及一种车辆电池系统和控制该系统中的电池充电的方法，其中，可以在不需要安装附加电池的情况下，有效地增加电池的可用容量，从而实现延长的电池寿命。
背景技术
通常，环境友好型车辆(例如混合动力车辆、电动车辆和燃料电池车辆)通过使用电能的电动机代替燃烧化石燃料的发动机来生成驱动力。环境友好型车辆具有可再充电电池，用于储存用来驱动电动机的电能。换句话说，环境友好型车辆具有如下系统，在该系统中，当车辆在被驱动时，储存在电池(其安装在车辆中)中的电能被供应到用于驱动车辆的驱动电动机，并且使用再生制动等对电池充电。
由于环境友好型车辆的里程取决于电池的容量，所以需要昂贵的高容量电池来增加车辆的里程。因此，当环境友好型车辆使用昂贵的高容量电池以增加里程时，环境友好型车辆的生产成本增加，并且高容量电池的体积和重量反映在产品的规格中，从而降低对最终产品的期许。
前述内容仅旨在帮助理解本发明的背景，并且不旨在意味着本发明落入本领域技术人员已知的相关技术的范围内。
发明内容
因此，本发明提供一种车辆电池系统和控制该系统中的电池充电的方法，其中，在不需要安装附加电池的情况下，有效地增加电池的可用容量，从而实现延长的电池寿命。
根据本发明的一个方面，车辆电池系统可以包括：第一电池模块，具有彼此串联连接的多个电池单元；第二电池模块，具有彼此串联连接的多个电池单元，第二电池模块串联连接至第一电池模块；以及控制器，配置为监控第一电池模块和第二电池模块中的每一个的充电状态，并且当第一电池模块和第二电池模块中的一个的充电状态小于预定水平时，配置为进行第一电池模块的电池单元和第二电池模块的电池单元之间的主动单元平衡。
在本发明的示例性实施例中，通过对第一电池模块的输出电压和第二电池模块的输出电压求和获得的电压可以对应于用于车辆高压负载的供电电压。另外，当车辆处于行驶状态下，第一电池模块的充电量小于第一参考值，并且第二电池模块的充电量大于第二参考值时，控制器可以配置为进行主动单元平衡，使得利用储存在第二电池模块中的能量对第一电池模块充电。当车辆处于行驶状态下，第一电池模块的充电量小于第一参考值，并且第二电池模块的充电量等于或小于第二参考值时，控制器还可以配置为进行主动单元平衡，使得利用外部电源对第一电池模块充电。
此外，第二电池模块的输出电压可以对应于用于车辆低压负载的供电电压。当车辆处于非行驶状态下，第二电池模块的充电量小于第三参考值，并且第一电池模块的充电量大于第四参考值时，控制器可以配置为进行主动单元平衡，使得利用储存在第一电池模块中的能量对第二电池模块充电。本发明的示例性实施例还可以包括连接在第二电池模块与低压负载之间的第二开关，其中，当第二电池模块的充电量小于第三参考值并且第一电池模块的充电量等于或小于第四参考值时，控制器可以配置为断开第二开关。
根据本发明的另一方面，提供一种控制车辆电池充电的方法并且用于车辆电池系统中，车辆电池系统包括彼此串联连接的第一电池模块和第二电池模块以及控制器，控制器配置为监控第一电池模块和第二电池模块中的每一个的充电状态。该方法可以包括：当第一电池模块和第二电池模块中的一个的充电状态小于预定水平时，通过控制器进行第一电池模块的电池单元和第二电池模块的电池单元之间的主动单元平衡。
在本发明的示例性实施例中，进行主动单元平衡还可以包括：通过控制器检测车辆的操作状态；当车辆处于行驶状态下时，通过控制器比较第一电池模块的充电量与第一参考值；当第一电池模块的充电量小于第一参考值时，通过控制器比较第二电池模块的充电量与第二参考值；以及当第二电池模块的充电量大于第二参考值时，通过进行主动单元平衡，由控制器利用储存在第二电池模块中的能量对第一电池模块充电。本发明的示例性实施例还可以包括：当第二电池模块的充电量等于或小于第二参考值时，通过控制器使用外部电源对第一电池模块充电。
另外，进行主动单元平衡还可以包括：通过控制器检测车辆的操作状态；当车辆处于非行驶状态下时，通过控制器比较第二电池模块的充电量与第三参考值；当第二电池模块的充电量小于第三参考值时，通过控制器比较第一电池模块的充电量与第四参考值；以及当第一电池模块的充电量大于第四参考值时，通过进行主动单元平衡，由控制器利用储存在第一电池模块中的能量对第二电池模块充电。
该系统还可以包括连接在第二电池模块与低压负载之间的第二开关，并且该方法还可以包括：当第一电池模块的充电量等于或小于第四参考值时，比较第二电池模块的电压与第五参考值；以及当第二电池模块的电压小于第五参考值时，断开第二开关。
根据车辆电池系统和控制该系统中的电池充电的方法，可以在不需要安装附加电池的情况下，更有效地增加电池的可用容量，从而实现延长的电池寿命。此外，可以在不附加地安装高价、高容量且重量大的电池的情况下，降低成本并有效地改善车辆的规格。
附图说明
结合附图从以下更详细的描述中将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：
图1是示出根据本发明的示例性实施例的车辆电池系统的电路图；
图2和图3是示出根据本发明的示例性实施例的主动单元平衡的视图；以及
图4和图5是示出根据本发明的示例性实施例的控制系统中的电池充电的方法的流程图。
具体实施方式
应该理解，术语“车辆”或“车辆的”或如在本文中使用的其他类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)的乘用车、公共汽车、卡车、各种商用车辆、包括各种船只和船舶的水运工具、飞行器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合电动车辆、氢动力车辆以及其他替代燃料车辆(例如，源自石油之外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如汽油动力和电动力的车辆。
虽然将示例性实施例描述为使用多个模块来进行示例性处理，但是应当理解，示例性处理也可以由一个或多个模块来进行。附加地，应当理解，术语“控制器/控制单元”是指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器配置为存储模块，并且处理器具体配置为执行所述模块以进行下面将进一步描述的一个或多个处理。
此外，本发明的控制逻辑可以在计算机可读介质上实施为非暂时性计算机可读介质，其包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光数据存储设备。计算机可读记录介质还可以分布在联网的计算机系统中，使得计算机可读介质以分布方式被存储和执行，例如通过远程信息处理服务器或控制器区域网(CAN)。
在本文中使用的术语仅用于描述特别实施例并且不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在同样包括复数形式，除非上下文以其他方式明确表明。还应当理解，当在本说明书中使用词语“包括”和/或“包含”时，指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。如在本文中使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关联的列出项目中的任何和全部组合。
除非特别说明或从上下文显而易见，否则如本文所使用的，词语“约”应理解为在本领域中的正常公差范围内，例如，在平均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外从上下文中清楚得知，否则本文中提供的所有数值均由词语“约”来修饰。
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的车辆电池系统和控制该系统中的电池充电的方法的示例性实施例。贯穿附图，相同的附图标记将表示相同或相似的部件。
图1是示出根据本发明的示例性实施例的车辆电池系统的电路图。参考图1，根据本发明的示例性实施例的车辆电池系统10可以包括第一电池模块11、第二电池模块12、控制器13、第一开关14、第二开关15、逆变器16、低直流-直流(LDC)17、高压负载18和低压负载19。控制器13包括存储器和处理器，并且可以配置为操作电池系统的其他部件。
具体地，第一电池模块11可以包括彼此串联连接的多个电池单元111。例如，如图1所示，可以以具有6.5Ah容量的八个电池单元彼此串联连接的结构来实施第一电池模块11。第二电池模块12可以包括彼此串联连接的多个电池单元121，并且串联连接至第一电池模块11。例如，第二电池模块12可以包括具有30Ah容量的八个电池单元。第二电池模块12的八个电池单元可以分成两组，每组包括四个电池单元，其中，每组的四个电池单元可以彼此串联连接，并且串联连接的电池组可以彼此并联连接。
如图1所示，通过对第一电池模块11的输出电压和第二电池模块12的输出电压求和获得的电压可以对应于用于车辆的高压负载18的供电电压(例如，在图1的示例中为48V)。另外，第二电池模块12的输出电压可以对应于用于车辆的低压负载19的供电电压(例如，在图1的示例中为12V)。例如，通过对第一电池模块11和第二电池模块12的输出电压求和获得的电压可以由逆变器16转换成交流电，以用作用于提供车辆的驱动力的电动机的供电电压。
第一开关14可以连接在第一电池模块11与高压负载18之间，并且第二开关15可以连接在第二电池模块12与低压负载19之间。例如，第一开关14和第二开关15可以被实施为本领域已知的各种开关元件，例如继电器等。附加地，第一开关14和第二开关15的ON/OFF状态可以由控制器13调节。例如，当驱动电动机以驱动车辆时，控制器13可以配置为接通第一开关14以将第一电池模块11和第二电池模块12的求和电压供应至电动机。此外，控制器13可以配置为接通第二开关15以将电力供应至驱动车辆所需的低压负载19。另外，控制器13可以配置为监控第二电池模块12的状态(例如，充电量、温度等)，并且根据需要通过断开第二开关15来进行保护第二电池模块12的操作。
此外，控制器13可以配置为监控第一电池模块11和第二电池模块12中的每一个的充电状态(SOC)。当第一电池模块11和第二电池模块12中的一个的充电状态小于预定水平时，控制器13可以配置为进行第一电池模块11的电池单元111和第二电池模块12的电池单元121之间的主动单元平衡。控制器13可以被实施为控制系统，例如电池管理系统(BMS)。具体地，主动单元平衡是指通过将具有高SOC的电池单元的能量移动至具有低SOC的电池单元，来平衡如图1所示彼此串联连接的第一电池模块11和第二电池模块12的SOC的方法。
将在图2至图5中详细描述主动单元平衡过程。图2和图3是示出根据本发明的示例性实施例的主动单元平衡的视图。具体地，图2示出车辆处于行驶状态下的情况，并且图3示出车辆处于ACC/IG/ST状态下的情况。
首先，参考图2，例如，当车辆处于行驶状态下时，可以接通第一开关14，以向驱动车辆所需的高压负载18(其为电动机)供应电力，并且电力可以供应至LDC 17，使得电力被供应至低压负载19。由于车辆定期地向高压负载18和LDC 17供应期望的电力，所以第一电池模块11可以放电。因此，控制器13可以配置为监控第一电池模块11的充电量，并且当第一电池模块11的充电量被放电至小于预定水平时，控制器13可以配置为进行主动单元平衡以将储存在第二电池模块12中的能量的一部分转移至第一电池模块11，以对第一电池模块11的电池单元111充电，从而防止第一电池模块11的过放电。
此外，参考图3，当车辆的钥匙处于ACC(附属设备)状态、IG(点火)ON/OFF状态和ST(起动)状态时，可以断开第一开关14，使得不操作LDC 17。因此，车辆可以从第二电池模块12接收供电电压，并且操作包括电阻丝(hot wire)、无线电、黑盒子和外部安装部件的低压负载19。第二电池模块12可以由于低压负载19的消耗电流而放电。
因此，控制器13可以配置为监控第二电池模块12的充电量，并且当第二电池模块12的充电量放电至小于预定水平时，控制器13可以配置为进行主动单元平衡，以将储存在第一电池模块11中的能量的一部分转移至第二电池模块12以对第二电池模块12的电池单元121充电，从而防止第二电池模块12的过放电。具体地，控制器13可以配置为进行主动单元平衡，使得储存在第一电池模块11和第二电池模块12中的充电量保持为等于或大于其期望的水平，而没有降低至等于或小于其预定的水平。
此外，图4和图5是示出根据本发明的示例性实施例的控制车辆电池充电的方法的流程图。具体地，图4示出高压电池的主动单元平衡过程，并且图5示出低压电池的主动单元平衡过程。参考图4和图5，当第一电池模块11和第二电池模块12中的一个的充电状态小于预定水平时，控制器13可以配置为进行第一电池模块11的电池单元111和第二电池模块12的电池单元121之间的主动单元平衡。
首先，参考图4，控制器13可以配置为从外部(例如，从传感器)接收车辆操作状态信号(S410)。具体地，车辆操作状态信号是指ACC、IG、ST和行驶状态信号中的任何一个的操作状态信号。当控制器13接收车辆行驶信号时(S420)，控制器13可以配置为比较储存在第一电池模块11中的充电量与第一参考值(S430)。当接收到除车辆行驶信号之外的信号时，控制器13可以配置为再次检测车辆的状态。当第一电池模块11的充电量小于第一参考值时，控制器13可以配置为比较储存在第二电池模块12中的充电量与第二参考值(S440)。当第一电池模块11的充电量等于或大于第一参考值时，控制器13可以配置为确定储存在第一电池模块11中的足够量的能量在被供应至车辆的高压负载18之后仍能保持，从而防止第一电池模块11的进一步充电。
附加地，当经过预定时间时，控制器13可以配置为再次检测车辆的状态。当第二电池模块12的充电量大于第二参考值时，控制器13可以配置为进行主动单元平衡，使得储存在第二电池模块12中的能量移动至第一电池模块11以对第一电池模块11充电(S450)。此后，当经过预定时间时，控制器13可以配置为再次检测车辆的状态并重复上述过程。
相反，当第二电池模块12的充电量等于或小于第二参考值时，控制器13可以配置为利用外部电源对第一电池模块11充电(S460)。例如，当使用电池系统的车辆是使用发动机和电动机中的每一个的驱动力的混合动力车辆时，外部电源可以是通过使用交流发电机转换发动机的旋转力而获得的电能。此后，当经过预定时间时，控制器13可以配置为再次检测车辆的状态并重复上述过程。
此外，参考图5，控制器13可以配置为从外部接收车辆操作状态信号(S510)。具体地，当由控制器13接收到车辆非行驶信号(即，ACC、IG和ST状态信号)中的至少任何一个时(S520)，控制器13可以配置为比较储存在第二电池模块12中的充电量与第三参考值(S530)。当接收到除车辆非行驶信号以外的信号时，控制器13可以配置为再次检测车辆的状态。当第二电池模块12的充电量小于第三参考值时，控制器13可以配置为比较储存在第一电池模块11中的充电量与第四参考值(S540)。
当第二电池模块12的充电量等于或大于第三参考值时，控制器13可以配置为确定储存在第二电池模块12中的足够量的能量在被供应至车辆的低压负载19之后仍能保持，从而防止第二电池模块12的进一步充电。当经过预定时间时，控制器13可以配置为再次检测车辆的状态。当第一电池模块11的充电量大于第四参考值时，控制器13可以配置为进行主动单元平衡，以将储存在第一电池模块11中的能量转移至第二电池模块12以对第二电池模块12充电(S550)。此后，当经过预定时间时，控制器13可以配置为再次检测车辆的状态并重复上述过程。
相反，当第一电池模块11的充电量等于或小于第四参考值时，控制器13可以配置为比较第二电池模块12的电压与第五参考值(S560)。当第二电池模块12的电压小于第五参考值时，可以断开第二开关15以防止第二电池模块12的进一步放电，使得第二电池模块12与低压负载19之间的电连接处于断开状态(S570)。
如上所述，根据本发明的示例性实施例，可以在不需要安装附加电池的情况下有效地增加可用电池容量，并且因此可以实现电池寿命延长。此外，在不附加地安装高价、高容量且重量大的电池的情况下，可以降低成本并更有效地改善车辆的规格。
虽然为了说明的目的描述了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加和替换都是可能的。

Claims (9)

1.一种车辆电池系统，包括：
第一电池模块，具有彼此串联连接的多个电池单元；
第二电池模块，具有彼此串联连接的多个电池单元，所述第二电池模块串联连接至所述第一电池模块；以及
控制器，配置为监控所述第一电池模块和所述第二电池模块中的每一个的充电状态，并且当所述第一电池模块和所述第二电池模块中的一个的充电状态小于预定水平时，所述控制器配置为进行所述第一电池模块的电池单元和所述第二电池模块的电池单元之间的主动单元平衡；
其中，所述第二电池模块的输出电压对应于用于车辆的低压负载的供电电压；
其中，当所述车辆处于非行驶状态下，所述第二电池模块的充电量小于第三参考值，并且所述第一电池模块的充电量大于第四参考值时，所述控制器配置为进行所述主动单元平衡，使得利用储存在所述第一电池模块中的能量对所述第二电池模块充电。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，通过对所述第一电池模块的输出电压和所述第二电池模块的输出电压求和获得的电压对应于用于车辆的高压负载的供电电压。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，当所述车辆处于行驶状态下，所述第一电池模块的充电量小于第一参考值，并且所述第二电池模块的充电量大于第二参考值时，所述控制器配置为进行所述主动单元平衡，使得利用储存在所述第二电池模块中的能量对所述第一电池模块充电。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，当所述车辆处于行驶状态下，所述第一电池模块的充电量小于第一参考值，并且所述第二电池模块的充电量等于或小于第二参考值时，所述控制器配置为进行所述主动单元平衡，使得利用外部电源对所述第一电池模块充电。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括：
第二开关，连接在所述第二电池模块与所述低压负载之间，
其中，当所述第二电池模块的充电量小于第三参考值，并且所述第一电池模块的充电量等于或小于第四参考值时，所述控制器配置为断开所述第二开关。
6.一种控制车辆电池充电的方法，其中，所述方法用于车辆电池系统中，所述车辆电池系统包括彼此串联连接的第一电池模块和第二电池模块以及控制器，所述控制器配置为监控所述第一电池模块和所述第二电池模块中的每一个的充电状态，所述方法包括以下步骤：
当所述第一电池模块和所述第二电池模块中的一个的充电状态小于预定水平时，通过所述控制器进行所述第一电池模块的电池单元和所述第二电池模块的电池单元之间的主动单元平衡；
其中，进行所述主动单元平衡还包括：
通过所述控制器检测车辆的操作状态；
当所述车辆处于非行驶状态下时，通过所述控制器比较所述第二电池模块的充电量与第三参考值；
当所述第二电池模块的充电量小于所述第三参考值时，通过所述控制器比较所述第一电池模块的充电量与第四参考值；以及
当所述第一电池模块的充电量大于所述第四参考值时，通过进行所述主动单元平衡，由所述控制器利用储存在所述第一电池模块中的能量对所述第二电池模块充电。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，进行所述主动单元平衡还包括：
通过所述控制器检测车辆的操作状态；
当所述车辆处于行驶状态下时，通过所述控制器比较所述第一电池模块的充电量与第一参考值；
当所述第一电池模块的充电量小于所述第一参考值时，通过所述控制器比较所述第二电池模块的充电量与第二参考值；以及
当所述第二电池模块的充电量大于所述第二参考值时，通过进行所述主动单元平衡，由所述控制器利用储存在所述第二电池模块中的能量对所述第一电池模块充电。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：
当所述第二电池模块的充电量等于或小于所述第二参考值时，通过所述控制器使用外部电源对所述第一电池模块充电。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述系统还包括连接在所述第二电池模块与低压负载之间的第二开关，并且所述方法还包括：
当所述第一电池模块的充电量等于或小于所述第四参考值时，通过所述控制器比较所述第二电池模块的电压与第五参考值；以及
当所述第二电池模块的电压小于所述第五参考值时，通过所述控制器断开所述第二开关。
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