CN109177814A - 电动汽车电池箱的带电切换系统、方法和电动汽车 - Google Patents

电动汽车电池箱的带电切换系统、方法和电动汽车 Download PDF

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Abstract

本发明实施方式公开了一种电动汽车电池箱的带电切换系统、方法和电动汽车。包括：m个相互并联的电池组，每个电池组包含n个相互串联的电芯单元，每个电芯单元包括x个相互并联的电芯，其中m、n和x为大于等于2的正整数；该带电切换系统包括：m个高压板，其中每个高压板与对应的电池组串联；m个组内继电器，其中每个组内继电器与对应的电池组串联；(m‑1)个限流电阻，其中每个限流电阻分别在相邻的电池组之间串联；(m‑1)个组间继电器，其中每个组间继电器分别与相应的限流电阻并联；其中所述m个组内继电器和所述(m‑1)个组间继电器与电池管理系统连接。本发明实施方式可以减缓或克服回流危险，提高安全性。

Description

电动汽车电池箱的带电切换系统、方法和电动汽车
技术领域
本发明实施方式涉及电动汽车技术领域，特别涉及电动汽车电池箱的带电切换系统、方法和电动汽车。
背景技术
能源短缺、石油危机和环境污染愈演愈烈，给人们的生活带来巨大影响，直接关系到国家经济和社会的可持续发展。世界各国都在积极开发新能源技术。电动汽车作为一种降低石油消耗、低污染、低噪声的新能源汽车，被认为是解决能源危机和环境恶化的重要途径。
电池为电动汽车的关键零部件，其技术也不断在发展。电池技术的发展是多方面的，包括电芯生产的技术、电芯的应用技术等。在电量要求较多且电压要求较低的情况下，现有技术的传统用法是将标准箱先并联后串联，然后将所有标准箱串联。
在现有技术中，并联标准箱间的切换时经常发生回流危险，具有安全隐患。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种电动汽车电池箱的带电切换系统、方法和电动汽车。
本发明实施方式的技术方案如下：
一种电动汽车电池箱的带电切换系统，所述电动汽车电池箱包括：m个相互并联的电池组，每个电池组包含n个相互串联的电芯单元，每个电芯单元包括x个相互并联的电芯，其中m、n和x为大于等于2的正整数；该带电切换系统包括：
m个高压板，其中每个高压板与对应的电池组串联；
m个组内继电器，其中每个组内继电器与对应的电池组串联；
(m-1)个限流电阻，其中每个限流电阻分别在相邻的电池组之间串联；
(m-1)个组间继电器，其中每个组间继电器分别与相应的限流电阻并联；
其中所述m个组内继电器和所述(m-1)个组间继电器与电池管理系统连接。
在一个实施方式中，每个高压板包括分流器和采集电路；
所述分流器，用于采集与所述高压板相对应的电池组的电流值，将所述电流值发送到所述采集电路；
所述采集电路，用于采集与所述高压板相对应的组内继电器的状态，发送所述电流值和所述状态。
在一个实施方式中，所述电池管理系统，用于从每个高压板分别接收所述电流值和所述状态，基于所述电流值和所述状态确定故障电池组，并断开与故障电池组串联的组内继电器。
一种电动汽车电池箱的带电切换方法，该方法适用于电动汽车电池箱的带电切换系统，所述电动汽车电池箱包括：m个相互并联的电池组，每个电池组包含n个相互串联的电芯单元，每个电芯单元包括x个相互并联的电芯，其中m、n和x为大于等于2的正整数；该带电切换系统包括：m个高压板，其中每个高压板与对应的电池组串联；m个组内继电器，其中每个组内继电器与对应的电池组串联；(m-1)个限流电阻，其中每个限流电阻分别在相邻的电池组之间串联；(m-1)个组间继电器，其中每个组间继电器分别与相应的限流电阻并联；其中所述m个组内继电器和所述(m-1)组间继电器与电池管理系统连接；该方法包括：
闭合第一组的电池组的组内继电器，断开(m-1)个组间继电器，使能第一组的电池组放电；
当所述第一组的电池组的荷电状态低于预定门限值时，断开第一组的电池组与第二组的电池组之间的组间继电器，以将所述第一组的电池组与第二组的电池组之间的限流电阻串联到第一组的电池组的放电回路中；
闭合第二组的电池组的组内继电器，使能第二组的电池组放电；
断开第一组的电池组的组内继电器，闭合第一组的电池组与第二组的电池组之间的组间继电器。
在一个实施方式中，该方法还包括：
当所述第二组的电池组的荷电状态低于预定门限值时，断开第二组的电池组与第三组的电池组之间的组间继电器，以将所述第二组的电池组与第三组的电池组之间的限流电阻串联到第二组的电池组的放电回路中；
闭合第三组的电池组的组内继电器，使能第三组的电池组放电；
断开第二组的电池组的组内继电器，闭合第二组的电池组与第三组的电池组之间的组间继电器。
在一个实施方式中，该方法还包括：
当所述第三组的电池组的荷电状态低于预定门限值时，断开第三组的电池组与第四组的电池组之间的组间继电器，以将所述第三组的电池组与第四组的电池组之间的限流电阻串联到第三组的电池组的放电回路中；
闭合第四组的电池组的组内继电器，使能第四组的电池组放电；
断开第三组的电池组的组内继电器，闭合第三组的电池组与第四组的电池组之间的组间继电器。
在一个实施方式中，每个高压板包括分流器和采集电路；该方法还包括：
使能高压板的分流器采集与所述高压板相对应的电池组的电流值，将所述电流值发送到所述采集电路；
使能所述采集电路采集与所述高压板相对应的组内继电器的状态，发送所述电流值和所述状态；
电池管理系统从每个高压板分别接收所述电流值和所述状态，基于所述电流值和所述状态确定故障电池组，并断开与故障电池组串联的组内继电器。
一种电动汽车的电池箱，包括如上所述的电动汽车电池箱的带电切换系统。
一种电动汽车，包括如上所述的电动汽车电池箱的带电切换系统。
从上述技术方案可以看出，在本发明实施方式中，m个相互并联的电池组，每个电池组包含n个相互串联的电芯单元，每个电芯单元包括x个相互并联的电芯，其中m、n和x为大于等于2的正整数；该带电切换系统包括：m个高压板，其中每个高压板与对应的电池组串联；m个组内继电器，其中每个组内继电器与对应的电池组串联；(m-1)个限流电阻，其中每个限流电阻分别在相邻的电池组之间串联；(m-1)个组间继电器，其中每个组间继电器分别与相应的限流电阻并联；其中所述m个组内继电器和(m-1)个组间继电器与电池管理系统连接。可见，本发明实施方式的成组过程中，标准箱内电芯并联数目减少，减小了激光焊接的加工难度，尤其减小了虚焊、漏焊的可能，增加了其焊接可靠性。
而且，本发明实施方式在相邻电池组之间串联设置了限流电阻以及设置了用于控制限流电阻是否串联到供电回路中的组间继电器，使得回流电流处于安全电流以下，保证了供电安全。
附图说明
以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
图1为本发明电动汽车电池箱的带电切换系统的第一示范性结构图。
图2为本发明电动汽车电池箱的带电切换系统的第二示范性结构图。
图3为本发明电动汽车电池箱的带电切换方法的流程图。
具体实施方式
为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。
为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本发明的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本发明的方案。但是很明显，本发明的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本发明的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。
现有技术中针对电芯成组的方式为：电芯之间先并联成组，然后组间再相互串联以形成电池箱。然而，在电量较多、电压要求较低的情况下，电芯容量较高，如若使用上述电芯成组方法，导致电池的并联数目过多。
在本发明实施方式中，首先将x个电芯并联成电池单元，然后将n个电池单元串联以形成电池组，再将m个电池组相互并联以形成电池箱。每一颗电芯出现故障的几率相同，因此并联数目较大的电池箱出现故障几率越大。本发明实施方式通过降低电池箱内的并联数目，可以降低故障率。
图1为本发明电动汽车电池箱的带电切换系统的第一示范性结构图。其中，该电动汽车电池箱包括：m个相互并联的电池组，每个电池组包含n个相互串联的电芯单元，每个电芯单元包括x个相互并联的电芯，其中m、n和x为大于等于2的正整数。
在图1中，H1-1、H1-2…Hm-n分别代表由x个相互并联的电芯所组成的电芯单元；n个此种电芯单元串联以组成一个电池组；m个电池组再并联组成整个电池箱。
比如，H1-1、H1-2…H1-n串联以组成第一个电池组；H2-1、H2-2…H2-N串联以组成第二个电池组…；Hm-1、Hm-2…Hm-n串联以组成第m个电池组。所有的m个电池组构成整个电池箱。
基于上述电芯成组方式，通过将x个电芯并联以形成电芯单元，再将n个电芯单元串联以组成一组电池组，然后将m组电池组并联，可以组成电池箱。因此，当要求电池容量比较多时，这种先内部并联再外部并联的方式，可以显著降低电池箱内部的并联数，而且，电芯数量降低，电芯出现故障的几率降低，增加了电池应用安全性。同时，在焊接情况下，若出现故障，故障的电池组可以全部更换，因此被更换电池数降低，减少电芯报废率，提高经济性。
而且，该带电切换系统可以降低回流危险。
具体的，带电切换系统包括：m个高压板，其中每个高压板与对应的电池组串联；m个组内继电器，其中每个组内继电器与对应的电池组串联；(m-1)个限流电阻，其中每个限流电阻分别在相邻的电池组之间串联；(m-1)个组间继电器，其中每个组间继电器分别与相应的限流电阻并联；其中m个组内继电器和(m-1)个组间继电器与电池管理系统(BMS)连接。
其中：(m-1)个限流电阻具体为R1、R2…Rm-1；m-1个组间继电器具体为A1、A2…Am-1。因此，每两个相邻且相互并联的电池组之间串入一个限流电阻，该限流电阻的阻值保证一旦接入到两个相邻的并联电池组之间，虽然其上有电压差，但是可以保证电流在安全电流以下。
在图1中，K1、K2…Km分别表示各个组的组内继电器；K0表示总负继电器。组内继电器、总负继电器和组间继电器均由BMS控制。
高压板1、高压板2…高压板m分别具有两个功能。第一个功能为分别检测K1、K2…Km等各自的组内继电器的前后电压，若无电压差，则表明各自的组内继电器闭合，若有电压差则表明各自的组内继电器断开，即确定组内继电器状态。第二个功能是用来检测第1个、第2个…第m个电池组的各自支路中的电流。
在电池箱充满电的情况下，首先闭合K0，再闭合K1，从而保证只有第一组的电池组(即由H1-1、H1-2…H1-n串联以组成的电池组)进行放电。此时，(m-1)个组间继电器A1、A2…Am均处于闭合状态，因此(m-1)个限流电阻R1、R2…Rm-1均没有串联到放电回路中。
比如，当第一组的电池组工作至只有5％的SOC时，切换至第二组的电池组继续工作。切换过程如下：
(1)、先断开组间继电器A1。当断开组间继电器A1后，第一组的电池组与第二组的电池组之间的限流电阻R1串联到第一组的电池组的放电回路。此时负载依旧由第一组电池供电，只是电流略有降低。
(2)、然后闭合K2，由于第二组的电池组处于满电状态，第二组的电池组到第一组的电池组间有电流回流出现。不过，由于限流电阻R1的存在，使得回流电流处于安全电流以下，此时负载由第二组的电池组进行供电。
(3)、接下来断开K1，回流回路断路。再将A1闭合，使得限流电阻R1退出回路，从而完成整个切换过程。
其他组间切换依上述过程完成，在此过程中均有电池组对负载进行供电，无需将电机停止工作，保证了随时随地无论何种工况均可切换电池，提高了电池应用的安全性，灵活性以及应用效率。
图2为本发明电动汽车电池箱的带电切换系统的第二示范性结构图。在图2中，A1处于断开状态，限流电阻R1可以被串联到第一组电池组的放电回路中。
在图1和图2中，m个电池箱组中的每一个电池箱组，分别串联有对应的高压板，高压板包括采集电路22和分流器21；分流器21采集相对应的电池箱组的电流值，并将电流值发送到采集电路22；采集电路22采集与高压板相对应的组内继电器的状态，发送电流值和所述状态到BMS。BMS于从每个高压板分别接收电流值和所述状态，基于电流值和状态确定故障电池组，并断开与故障电池组串联的组内继电器。
基于上述描述，本发明实施方式还提出了一种电动汽车电池箱的带电切换方法。
图3为本发明电动汽车电池箱的带电切换方法的流程图。该方法适用于图1-2所示的电动汽车电池箱的带电切换系统。具体的，电动汽车电池箱包括：m个相互并联的电池组，每个电池组包含n个相互串联的电芯单元，每个电芯单元包括x个相互并联的电芯，其中m、n和x为大于等于2的正整数；该带电切换系统包括：m个高压板，其中每个高压板与对应的电池组串联；m个组内继电器，其中每个组内继电器与对应的电池组串联；(m-1)个限流电阻，其中每个限流电阻分别在相邻的电池组之间串联；(m-1)个组间继电器，其中每个组间继电器分别与相应的限流电阻并联；其中所述m个组内继电器和所述(m-1)组间继电器与电池管理系统连接。
在初始状态下，总负继电器K0为断开；各组的组内继电器均为断开。当电池箱需要工作时候，闭合总负继电器K0。然后，如图3所示，该方法包括：
步骤301：闭合第一组的电池组(即，H1-1、H1-2…H1-n串联组成的电池组)的组内继电器K1，断开全部的(m-1)个组间继电器，使能第一组的电池组放电。
步骤302：当第一组的电池组的荷电状态低于预定门限值时，断开第一组的电池组与第二组的电池组(即，H2-1、H2-2…H2-n串联组成的电池组)之间的组间继电器A1，以将第一组的电池组与第二组的电池组之间的限流电阻(即电阻R1)串联到第一组的电池组的放电回路中。
步骤303：闭合第二组的电池组的组内继电器K2，使能第二组的电池组放电。
步骤304：断开第一组的电池组的组内继电器K1，闭合第一组的电池组与第二组的电池组之间的组间继电器A1。
至此，实现了第一组电池组和第二组电池组的切换。
然后，该方法还包括：
当第二组的电池组的荷电状态低于预定门限值时，断开第二组的电池组与第三组的电池组(即，H3-1、H3-2…H3-n串联组成的电池组)之间的组间继电器A2，以将第二组的电池组与第三组的电池组之间的限流电阻(即R2)串联到第二组的电池组的放电回路中；闭合第三组的电池组的组内继电器K3，使能第三组的电池组放电；断开第二组的电池组的组内继电器K2，闭合第二组的电池组与第三组的电池组之间的组间继电器A2。
至此，实现了第二组电池组和第三组电池组的切换。
当第三组的电池组的荷电状态低于预定门限值时，断开第三组的电池组与第四组的电池组(即，H4-1、H4-2…H4-n串联组成的电池组)之间的组间继电器A3，以将第三组的电池组与第四组的电池组之间的限流电阻(即R3)串联到第三组的电池组的放电回路中；闭合第四组的电池组的组内继电器K4，使能第四组的电池组放电；断开第三组的电池组的组内继电器K3，闭合第三组的电池组与第四组的电池组之间的组间继电器A3。
至此，实现了第三组电池组和第四组电池组的切换。
其他组间切换依上述过程完成，在此过程中均有电池对负载进行供电，无需负载停止工作，保证了随时随地无论何种工况均可切换电池，提高了电池应用的安全性，灵活性以及应用效率。
优选的，每个高压板包括分流器和采集电路；该方法还包括：使能高压板的分流器采集与高压板相对应的电池组的电流值，将电流值发送到采集电路；使能采集电路采集与高压板相对应的组内继电器的状态，发送电流值和所述状态；BMS从每个高压板分别接收电流值和状态，基于电流值和状态确定故障电池组，并断开与故障电池组串联的组内继电器。
本发明实施方式还提出一种电池箱，包括如上所述的电动汽车电池箱的带电切换系统。本发明实施方式还提出一种电动汽车，包括如上所述的电动汽车电池箱的带电切换系统。
综上所述，在本发明实施方式中，m个相互并联的电池组，每个电池组包含n个相互串联的电芯单元，每个电芯单元包括x个相互并联的电芯，其中m、n和x为大于等于2的正整数；该带电切换系统包括：m个高压板，其中每个高压板与对应的电池组串联；m个组内继电器，其中每个组内继电器与对应的电池组串联；(m-1)个限流电阻，其中每个限流电阻分别在相邻的电池组之间串联；(m-1)个组间继电器，其中每个组间继电器分别与相应的限流电阻并联；其中所述m个组内继电器和所述(m-1)个组间继电器与电池管理系统连接。可见，本发明实施方式的成组过程中，标准箱内电芯并数减少，减小了激光焊接的加工难度，尤其减小了虚焊、漏焊的可能，增加了其焊接可靠性。
而且，由于在相邻电池组之间串联设置了限流电阻以及设置了用于控制限流电阻是否串联到供电回路中的组间继电器，使得回流电流处于安全电流以下，保证了供电安全。
在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关部分，而并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”并不表示将本发明相关部分的数量限制为“仅此一个”，并且“一个”不表示排除本发明相关部分的数量“多于一个”的情形。在本文中，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等仅用于表示相关部分之间的相对位置关系，而非限定这些相关部分的绝对位置。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，而并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电动汽车电池箱的带电切换系统，其特征在于，所述电动汽车电池箱包括：m个相互并联的电池组，每个电池组包含n个相互串联的电芯单元，每个电芯单元包括x个相互并联的电芯，其中m、n和x为大于等于2的正整数；该带电切换系统包括：
m个高压板，其中每个高压板与对应的电池组串联；
m个组内继电器，其中每个组内继电器与对应的电池组串联；
(m-1)个限流电阻，其中每个限流电阻分别在相邻的电池组之间串联；
(m-1)个组间继电器，其中每个组间继电器分别与相应的限流电阻并联；
其中所述m个组内继电器和所述(m-1)个组间继电器与电池管理系统连接。
2.根据权利要求1所述的电动汽车电池箱的带电切换系统，其特征在于，每个高压板包括分流器和采集电路；
所述分流器，用于采集与所述高压板相对应的电池组的电流值，将所述电流值发送到所述采集电路；
所述采集电路，用于采集与所述高压板相对应的组内继电器的状态，发送所述电流值和所述状态。
3.根据权利要求2所述的电动汽车电池箱的带电切换系统，其特征在于，
所述电池管理系统，用于从每个高压板分别接收所述电流值和所述状态，基于所述电流值和所述状态确定故障电池组，并断开与故障电池组串联的组内继电器。
4.一种电动汽车电池箱的带电切换方法，其特征在于，该方法适用于电动汽车电池箱的带电切换系统，所述电动汽车电池箱包括：m个相互并联的电池组，每个电池组包含n个相互串联的电芯单元，每个电芯单元包括x个相互并联的电芯，其中m、n和x为大于等于2的正整数；该带电切换系统包括：m个高压板，其中每个高压板与对应的电池组串联；m个组内继电器，其中每个组内继电器与对应的电池组串联；(m-1)个限流电阻，其中每个限流电阻分别在相邻的电池组之间串联；(m-1)个组间继电器，其中每个组间继电器分别与相应的限流电阻并联；其中所述m个组内继电器和所述(m-1)组间继电器与电池管理系统连接；该方法包括：
闭合第一组的电池组的组内继电器，断开(m-1)个组间继电器，使能第一组的电池组放电；
当所述第一组的电池组的荷电状态低于预定门限值时，断开第一组的电池组与第二组的电池组之间的组间继电器，以将所述第一组的电池组与第二组的电池组之间的限流电阻串联到第一组的电池组的放电回路中；
闭合第二组的电池组的组内继电器，使能第二组的电池组放电；
断开第一组的电池组的组内继电器，闭合第一组的电池组与第二组的电池组之间的组间继电器。
5.根据权利要求4所述的电动汽车电池箱的带电切换方法，其特征在于，该方法还包括：
当所述第二组的电池组的荷电状态低于预定门限值时，断开第二组的电池组与第三组的电池组之间的组间继电器，以将所述第二组的电池组与第三组的电池组之间的限流电阻串联到第二组的电池组的放电回路中；
闭合第三组的电池组的组内继电器，使能第三组的电池组放电；
断开第二组的电池组的组内继电器，闭合第二组的电池组与第三组的电池组之间的组间继电器。
6.根据权利要求4所述的电动汽车电池箱的带电切换方法，其特征在于，该方法还包括：
当所述第三组的电池组的荷电状态低于预定门限值时，断开第三组的电池组与第四组的电池组之间的组间继电器，以将所述第三组的电池组与第四组的电池组之间的限流电阻串联到第三组的电池组的放电回路中；
闭合第四组的电池组的组内继电器，使能第四组的电池组放电；
断开第三组的电池组的组内继电器，闭合第三组的电池组与第四组的电池组之间的组间继电器。
7.根据权利要求4所述的电动汽车电池箱的带电切换方法，其特征在于，每个高压板包括分流器和采集电路；该方法还包括：
使能高压板的分流器采集与所述高压板相对应的电池组的电流值，将所述电流值发送到所述采集电路；
使能所述采集电路采集与所述高压板相对应的组内继电器的状态，发送所述电流值和所述状态；
电池管理系统从每个高压板分别接收所述电流值和所述状态，基于所述电流值和所述状态确定故障电池组，并断开与故障电池组串联的组内继电器。
8.一种电动汽车的电池箱，其特征在于，包括如权利要求1所述的电动汽车电池箱的带电切换系统。
9.一种电动汽车，其特征在于，包括如权利要求1所述的电动汽车电池箱的带电切换系统。
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