CN109963738B - 电池模块并联开关装置系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开包括一种使用开关装置来提高运行性能和可靠性的汽车电池系统。电池系统包括电池单元、电耦接到电池单元的端子的初级开关装置、以及电耦接到电池单元的端子并与初级开关装置并联的次级开关装置。初级开关装置包括机电开关装置，其能够使电池充电或放电并产生升高的电压。次级开关装置包括串联电耦接的固态开关装置和二极管，其以节电的方式检测短路状况并通过使用升高的电压来致动电枢来消除短路状况。此外，并联的开关装置一起工作以输送电气装置所需的适当电量，从而提高电池系统的性能、可靠性和寿命。

Description

电池模块并联开关装置系统及方法

相关申请的交叉引用

本申请是非临时申请，要求于2016年10月25日提交的名称为“电池模块并联开关装置系统及方法(BATTERY MODULE PARALLEL SWITCHING DEVICE SYSTEMS AND METHODS)”的美国临时专利申请第62/412,735号的优先权和权益，该申请出于所有目的其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

本公开总体上涉及电池系统，并且更具体地，涉及在电池系统中实现的开关装置。

本部分旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求保护的本技术的各个方面有关的技术的各个方面。相信该讨论有助于向读者提供背景信息以促进更好地理解本公开的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应当由此角度来阅读，而非作为对现有技术的承认。

电气系统通常包括电池系统以捕获(例如存储)所产生的电能和/或供应电力。实际上，电池系统可以包括在用于各种应用的电气系统中。例如，固定式动力系统可包括电池系统，该电池系统接收由发电机输出的电力并将电力存储为电能。以这种方式，电池系统可以使用存储的电能向电气负载供应电力。

另外，机动车辆中的电气系统可以包括电池系统，该电池系统供应电力，例如，以提供和/或补充机动车辆的动力(例如功率)。出于本公开的目的，此类机动车辆被称为xEV并且可以包括以下类型的机动车辆中的任何一种、任何变型和/或任何组合。例如，电动车辆(EV)可以利用电池供电的电力推进系统(例如一个或多个电动机)作为车辆动力的主要来源。由此，电动车辆中的电池系统可以被实现为向电池供电的电力推进系统供应电力。另外，混合动力电动车辆(HEV)可以利用电池供电的电力推进系统和内燃机推进系统的组合来产生车辆动力。由此，可以实现电池系统，以便于通过向电池供电的电力推进系统供应电力来直接提供至少一部分车辆动力。

微混合动力电动车辆(mHEV)可使用内燃机推进系统作为车辆动力的主要来源，但是可以利用电池系统来实现“停止-启动”技术。特别地，当随后需要推进时，mHEV可以在内燃机怠速运转和曲柄起动(例如重新启动)的同时停用其内燃机。为了便于实现这些技术，电池系统可以在内燃机被停用时继续供应电力，并且供应电力以曲柄起动内燃机。以这种方式，电池系统可以间接地补充提供车辆动力。

为了便于控制其运行，电池系统通常包括开关装置，该开关装置电耦接到电池系统中的电池(例如电池模块、电池组或电池单元)。例如，当电耦接在电池和电气装置之间时，可以通过控制开关装置的位置来控制电池的充电和/或放电。在一些情况下，多种不同类型的开关装置可适于在电池系统中实现。然而，至少在某些情况下，不同类型的开关装置通常呈现不同的权衡，例如，这些权衡影响与电池系统相关的运行可靠性和/或电力消耗。

发明内容

本文公开的某些实施例的概述如下。应当理解，提供这些方面仅仅是为了向读者提供这些特定实施例的简要概述，并且这些方面不旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可涵盖可能未在下面阐述的各个方面。

在一个实施例中，机动车辆包括电池单元、电耦接到电池单元的端子的初级开关装置、以及电耦接到电池单元的端子以使得其与初级开关装置电气并联的次级开关装置。初级开关装置包括机电开关装置，当处于第一闭合位置时，该机电开关装置使得电流能够沿第一方向流过初级开关装置，以便于电池单元的充电，或使得电流能够沿第二方向流过初级开关装置，以便于使电池单元放电。另外，次级开关装置包括固态开关装置和二极管，二极管与固态开关装置串联电耦接。当固态开关装置处于第二闭合位置时，二极管使电流能够仅沿第一方向和第二方向中的一个方向流过次级开关装置。

在另一实施例中，一种用于实现汽车电池系统的方法包括实现电池模块，该电池模块包括多个电池单元，该多个电池单元电耦接在电池模块的正端子和负端子之间。该方法还包括实现机电开关装置，该机电开关装置包括电枢和线圈电路。该方法包括实现线圈电路，实现线圈电路包括将闭合继电器线圈电耦接在高侧闭合晶体管和低侧闭合晶体管之间，当通过高侧闭合晶体管以第一电压供应电力时，使闭合继电器线圈能够产生第一磁场，该第一磁场致动电枢。此外，实现线圈电路包括将开路继电器线圈电耦接在高侧开路晶体管和低侧开路晶体管之间，当通过高侧开路晶体管以第二电压供应电力时，使开路继电器线圈能够产生第二磁场，该第二磁场致动电枢。此外，实现线圈电路包括将第一二极管的阳极电耦接到闭合继电器线圈和低侧闭合晶体管。另外，实现线圈电路包括将第一二极管的阴极电耦接到电容器和高侧开路晶体管，当以第一电压向闭合继电器线圈供应电力时，使得能够以第二电压将电能存储在电容器中。

在另一实施例中，电池模块包括电池模块壳体上的正端子和负端子、以及与负端子串联耦接的多个电池单元。此外，电池模块包括初级开关装置和次级开关装置，它们并联电耦接在多个电池单元和电池模块的正端子之间。初级开关装置包括电枢和线圈电路，该线圈电路以升高的电压存储电能，并且在检测到短路状况时以升高的电压供应电力以将电枢从第一闭合位置驱动到第一断开位置。次级开关装置还包括固态开关装置和第一二极管，当固态开关装置处于第二闭合位置时，第一二极管限制通过次级开关装置的电流流动方向。

附图说明

通过阅读以下详细描述并参考附图，可以更好地理解本公开的各个方面，其中：

图1是根据实施例的包括电池系统的机动车辆的立体图；

图2是根据实施例的包括图1的电池系统的电气系统的框图；

图3是根据实施例的图2的电气系统的示意图，该电气系统包括并联耦接的初级开关装置和次级开关装置；

图4是根据实施例的图3的初级开关装置的示意图，该初级开关装置包括线圈电路；

图5是根据实施例的图3的次级开关装置的示意图；

图6是根据实施例的用于实现图3的电气系统的过程的流程图；

图7是根据实施例的图4的线圈电路的示意图；

图8是根据实施例的用于实现图7的线圈电路的过程的流程图；

图9是根据实施例的用于实现图5的次级开关装置的过程的流程图；

图10是根据实施例的图3的次级开关装置的另一示意图；

图11是根据实施例的用于实现图10的次级开关装置的过程的流程图；

图12是根据实施例的用于运行图2的电气系统的过程的流程图；

图13是根据实施例的用于运行图7的线圈电路的过程的流程图；和

图14是根据实施例的用于运行图7的线圈电路的另一过程的流程图。

具体实施方式

下面将描述本公开的一个或多个具体实施例。这些描述的实施例仅是本公开的技术的实例。此外，为了提供这些实施例的简明描述，说明书中可能未描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何此类实际实施方式的部署中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多专门针对实施方式的决策以实现开发者的特定目标，诸如遵守与系统相关的和与业务相关的约束条件，这些约束条件可能因实施而异。此外，应当理解，此类部署工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本发明的普通技术人员来说仍然可以是设计、制备和制造的常规任务。

当介绍本公开的各种实施例的要素时，冠词“一种”、“一个”和“该”旨在表示存在一个或多个这样的要素。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是含括性的，并且意味着可能存在除所列要素之外的其他要素。另外，应当理解，对本公开中的“一个实施例”或“一实施例”的引用不旨在被解释为排除也包含所述特征的另外的实施例。

通常，电池系统可以被实现为捕获(例如存储)由一个或多个发电机产生的电能和/或使用存储的电能向一个或多个电气负载供应电力。利用这些益处，电气系统中通常包括一个或多个电池系统。实际上，电池系统可以用在为各种目标应用而实现的电气系统中，例如，从固定式电力系统到车辆(例如汽车)电气系统。

在任何情况下，为了便于控制其运行，电池系统通常包括开关装置，该开关装置电耦接到电池系统中的电池(例如电池模块、电池组或电池单元)。因此，至少在某些情况下，可以通过控制开关装置的位置来控制电池的运行(例如充电和/或放电)。例如，开关装置可以在闭合(例如连接)位置时传导电流，从而使电池能够充电和/或放电。另一方面，当处于断开(例如断开连接)位置时，开关装置可以阻断电流流动，从而禁止电池的充电和/或放电。

在一些情况下，多种不同类型的开关装置可能适合于便于提供这样的运行控制。然而，至少在某些情况下，不同类型的开关装置可能呈现不同的权衡。例如，与固态(例如半导体)开关装置相比，机电开关装置(例如继电器或接触器)可具有更高的电力(例如电压和/或电流)额定值。另一方面，与机电开关装置相比，固态开关装置可以实现对传导电力的更精细控制。因此，至少在一些情况下，在电池系统中实现的开关装置的类型可能影响与电池系统相关联的运行可靠性和/或电力消耗。

因此，本公开提供了用于实现和/或控制电池系统中的开关装置的运行的技术，例如，以便于提高电池系统的运行可靠性和/或减少电池系统的电力消耗。在一些实施例中，电池系统可包括多个开关装置，该多个开关装置并联电耦接在电池系统中的电池(例如电池模块、电池组或电池单元)的端子之间。例如，电池系统可以包括初级开关装置和次级开关装置，其并联电耦接在电池的端子(例如正端子或负端子)与电气装置(例如源和/或负载)之间。

为了便于提高运行可靠性和/或减少电力消耗，在一些实施例中，可以使用不同类型的开关装置来实现电池系统中的一个或多个并联开关装置。另外，在一些实施例中，可以在电池系统中实现一个或多个并联开关装置，以便于控制电流流过其电池的方向。例如，次级开关装置可以包括二极管，该二极管被实现为使得电流能够从电池流到电气装置，从而能够仅通过次级开关装置使电池放电。可替代地，次级开关装置可以包括二极管，该二极管被实现为使得电流能够从电气装置流到电池，从而仅能够通过次级开关装置对电池充电。

此外，在一些实施例中，可以在电池系统中实现一个或多个并联开关装置，以便于控制通过其电池的电流的大小。例如，可以实现次级开关装置，使得当闭合时，次级开关装置与初级开关装置相比限制电流的大小。换言之，在一些实施例中，当需要较大的电流在电池和电气装置之间流动时(例如曲柄起动内燃机)，可以闭合初级开关装置，并且当电池和电气装置之间的较小电流被预期是足够(例如在车辆熄火期间为无线电设备供电)时，可以闭合次级开关装置。因此，在一些实施例中，初级开关装置可包括机电开关装置(例如继电器或接触器)和/或次级开关装置可包括半导体开关装置，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或双极结型晶体管(BJT)。

在任何情况下，如上所述，可以运行初级开关装置和次级开关装置以控制电池和电气装置之间的电流流动。特别地，当次级开关装置闭合时，即使在初级开关装置断开时，次级开关装置也可以使电流在电池和电气装置之间流动。实际上，当初级开关装置包括双稳态继电器时，次级开关装置可以便于保持初级开关装置长时间断开。例如，次级开关装置可以在车辆熄火期间闭合，从而能够在初级开关装置断开时向处于熄火状态下的电气负载供应电力。在一些实施例中，这可以使电池控制系统(例如电池管理单元)能够从活动模式切换到休眠模式，这可以便于减少电力消耗。另外，由于限制电流流动，次级开关装置可以降低影响电池、电气装置、电池控制系统和/或电池系统的长期运行(例如寿命)的短路状况的可能性。

实际上，在一些实施例中，可以用便于自动检测是否预计存在短路状况的电路来实现并联开关装置中的一个或多个。例如，次级开关装置可以包括电耦接在其固态开关和二极管之间的电流镜支路(例如电路)。另外，次级开关装置可以包括电耦接在电流镜支路和固态开关的栅极之间的短路保护电路。以这种方式，次级开关装置可以便于至少部分地基于电池电流自主地确定是否预计存在短路状况，并且当预计存在短路状况时将电池与电气装置断开。

此外，当在车辆熄火期间预计存在短路状况时，次级开关装置可以唤醒电池控制系统，例如，以执行进一步的检测和/或诊断。由于限制电流流动，在一些实施例中，次级开关装置可以提高电池电流确定的准确性，从而降低无意中唤醒电池管理系统的可能性(例如误报短路状况)，并因此进一步便于减少电力消耗。

另外，在一些实施例中，可以用便于确定电池的运行参数的电路来实现并联开关装置中的一个或多个。例如，次级开关装置可以包括便于确定电池电压的电压测量支路(例如电路)。此外，在一些实施例中，次级开关装置可以包括电路(例如自检开关)，该电路便于检测短路检测能力和/或次级开关装置对短路状况的反应。此外，在一些实施例中，可以在初级开关装置断开时闭合次级开关装置以便于检测(例如执行诊断)。例如，在制造期间，这可以便于初级开关装置的诊断检测操作。另外，在运输期间，这可以便于降低电池输出高电流的可能性，而输出高电流可能对其周围环境有害。此外，这可以通过预置电池而便于提高车辆完整性(例如在制造工厂或现场)，例如，减少使用额外的工具或装置。

如上所述，在一些实施例中，可以在电池系统中实现机电开关装置。例如，当使用机电开关装置实现时，初级开关装置可包括电枢和线圈电路，电枢和线圈电路产生磁场，该磁场致动电枢以断开或闭合初级开关装置。为了便于提高运行可靠性，在一些实施例中，线圈电路可以被实现为产生升高的电压，该升高的电压可以被存储并用于致动电枢，例如，当存在短路状况时。

特别地，线圈电路可以包括继电器线圈，该继电器线圈可以用作电感器以便于以升高的电压将电能存储在电容器中。由于存储在电容器中的电能的量通常至少部分地基于电压，因此将电能以升高的电压存储可以便于减小电容器的尺寸(例如额定值和/或物理尺寸)，并因此减少与实施相关联的成本，诸如包装和/或部件成本。此外，在一些实施例中，降低额定值可便于减少通过电容器的泄漏(例如静态)电流，从而减少电池的电力消耗和/或保存期限。

如上所述，在一些实施例中，升高的电压可用于致动(例如断开或闭合)开关装置。例如，当存在短路状况时，电池电压可下降。在一些情况下，电池电压可下降到不足以致动开关装置的电压，而升高的电压可足以致动开关装置。由此，使用升高的电压致动开关装置可以提高开关装置的可靠性，特别是当存在短路状况时。此外，在一些实施例中，可以反馈升高的电压以保持电池电压，从而例如为电池管理系统和/或其他电气装置供电。以这种方式，可以实现本公开的技术以便于提高运行可靠性和/或减少电池系统的电力消耗，并因此减少该电池系统实现在其中的电气系统的电力消耗。

为了帮助说明，图1中示出了具有电气系统的机动车辆10，其包括电池系统12。关于机动车辆10的讨论仅旨在帮助说明本公开的技术而非对技术范围构成限制。机动车辆10可包括电池系统12和附加的车辆电气系统，该车辆电气系统可控制车辆控制台、电动机和/或发电机。在一些情况下，电池系统12可包括汽车电气系统中的一些或全部。为了便于讨论，电池系统12电耦接到所讨论的汽车电气系统。在一些实施例中，机动车辆10可以是xEV，其利用电池系统12来提供和/或补充车辆动力，例如，用于使机动车辆10加速和/或减速。在其他实施例中，汽车车辆10可以是例如使用内燃机产生车辆动力以进行加速和/或使用摩擦制动器以进行减速的传统机动车辆10。

图2中示出了机动车辆10中的电池系统12和汽车电气系统的更详细视图。如图所示，电池系统12包括电池控制系统14以及一个或多个电池模块16。另外，汽车电气系统可以包括车辆控制台18和暖气、通风及空调(HVAC)系统20。在一些实施例中，汽车电气系统可以另外地或可替代地包括以电机模式运行的机械能来源22(例如电动机)。

另外，在所描绘的机动车辆10中，汽车电气系统可包括电源。如图所示，汽车电气系统的该实施例中的电源是交流发电机24。交流发电机24可以将机械能来源22(例如内燃机和/或旋转的车轮)产生的机械能转换成电能。在一些实施例中，电源可以另外地或可替代地包括以发电机模式运行的机械能来源22(例如电动机)。

如图所示，机动车辆10包括车辆控制系统26。在一些实施例中，车辆控制系统26可以总体上控制包括汽车电气系统的机动车辆10的运行。因此，在所描绘的机动车辆10中，车辆控制系统26可以监管电池控制系统14、电池模块16、HVAC 20、交流发电机24、车辆控制台18和/或机械能来源22，从而使得车辆控制系统26类似于监管控制系统。然而，车辆控制系统26可以另外控制除汽车电气系统的部件之外的其他部件(诸如内燃机推进系统)的运行。

在一些实施例中，电池控制系统14可以另外地或可替代地控制电池系统12的运行。例如，电池控制系统14可以确定电池模块16的运行参数、协调多个电池模块16的运行、传送控制命令，从而指示电池系统12执行控制动作、和/或与车辆控制系统26通信。

为了便于控制电池系统12的运行，电池控制系统14可以包括处理器28和存储器30。在一些实施例中，存储器30可以包括存储数据的有形的非暂时性计算机可读介质，该数据例如是可由处理器28执行的指令、由处理器28确定的结果(例如运行参数)、和/或将由处理器28分析/处理的信息(例如运行参数)。因此，在此类实施例中，存储器30可包括：随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可重写非易失性存储器(例如闪存)、硬盘驱动器、光盘等。另外，处理器28可以包括一个或多个通用处理单元、处理电路和/或逻辑电路。例如，处理器28可以包括一个或多个微处理器、一个或多个专用集成电路(ASIC)、和/或一个或多个现场可编程逻辑阵列(FPGA)。

另外，为了便于存储和供应电力，电池系统12可以包括一个或多个电池模块16。在一些实施例中，电池系统12的存储容量可以至少部分地基于电池模块16的数量。另外，在一些实施例中，电池系统12与汽车电气系统的运行兼容性可以至少部分地基于电池模块16的配置(例如，串联和/或并联)以在目标电压域中运行。因此，在一些实施例中，电池模块16以及因此电池系统12的实施方式(例如数量和/或配置)可以至少部分地基于汽车电气系统的配置和/或目标应用而变化。

在一些实施例中，电池系统12的电池模块16的数量和/或配置可以至少部分地基于目标应用而变化。例如，在所描绘的机动车辆10中，电池系统12包括一个电池模块16。注意，电池系统12可包括多个电池模块16，以便于与多个电压域具有运行兼容性。例如，第一电池模块16可以使用第一(例如高的或48伏)电压域中的电力来运行(例如接收和/或供应电力)。另一方面，第二电池模块(未示出)可使用第二(例如低的或12伏)电压域中的电力来运行。换言之，在其他实施例中，电池系统12可包括两个或更多个电池模块16。

在任何情况下，每个电池模块16可包括与电池模块16的端子(例如正端子和负端子)串联和/或并联连接的一个或多个电池单元32。特别地，电池单元32可以通过一种或多种电化学反应来存储电能和/或输出电力。例如，在一些实施例中，电池单元32可包括锂离子电池单元、铅酸电池单元、或上述两者。

在一些实施例中，电池控制系统14可以通过一个或多个传感器34监测电池模块16的运行。传感器34可以将传感器数据传输到电池控制系统14，所述传感器数据指示电池模块16的实时(例如测得的)运行参数。因此，在一些实施例中，电池系统12可包括一个或多个电压传感器、一个或多个温度传感器和/或各种另外的或可替代的传感器。例如，在所描绘的实施例中，电池控制系统14可以从传感器34接收传感器数据，该传感器数据指示电池模块16的电压(例如端子电压)。电池控制系统14可以基于存储在存储器30中的指令处理传感器数据。

至少部分地基于电池运行参数，在一些实施例中，电池控制系统14可以执行控制应用以确定电池模块16的状态和/或电池系统12的状态。例如电池控制系统14可以执行功能状态(SoF)控制应用以至少部分地基于由接收自传感器34的传感器数据指示的端子电压来确定放电电流限值和/或充电电流限值。基于控制应用，电池控制系统14可以指示电池系统12执行一个或多个控制动作和/或以不同的方式运行。例如，如果确定的放电电流超过存储在存储器30中的阈值，则电池控制系统14可以指示开关装置电气断开。换言之，在一些实施例中，电池系统12可以包括一个或多个开关装置以便于控制其电池的运行。

为了帮助说明，图3中示出了电气系统36的实例，该电气系统36包括电池系统12以及一个或多个电气装置38。电气装置38使用由电流提供的能量并将其转换到其他能量形式上。电气装置38通常与电池系统12物理隔离并且电耦接到电池系统12，并且可以分别作为电源或负载而起作用，这分别取决于电气装置38是向电池系统12提供电力还是从电池系统12汲取电力。例如，电气装置38可包括传感器34、HVAC系统20和/或车辆控制台18。

另外，电池系统12包括电池40、初级开关装置42和次级开关装置56。在一些实施例中，电池40可以是电池单元32。因此，在此类实施例中，初级开关装置42和次级开关装置56可以并联电耦接在电池单元32的(例如正或负)端子与电气装置38之间。另外地或可替代地，电池40是电池模块16。在此类实施例中，初级开关装置42和次级开关装置56可以并联电耦接在电池模块16中的电池单元32与电池模块16的(例如正或负)端子之间。

在任何情况下，电池40可以通过在其端子之间经历化学反应来充电，从而在其中存储电能。当负载正确地连接到电池40端子时，充电期间发生的化学反应可以逆转，从而产生可以作为电力输出到一个或多个电气装置38的电子流。因此，初级开关装置42和/或次级开关装置56可便于控制电池40的运行(例如充电和/或放电)。

如上所述，可以在电池系统12中实现不同类型的开关装置。实际上，为了便于提高运行可靠性和/或运行效率，初级开关装置42和次级开关装置56使用不同类型的开关装置。例如，可以使用固态(例如半导体)开关装置来实现次级开关装置56，并且可以使用机电开关装置来实现初级开关装置42。

为了帮助说明，图4中示出了机电开关装置43的实例，其可以实现为初级开关装置42或独立开关装置。如图所示，机电开关装置43包括在电枢44上形成的可动触点46以及在机电开关装置43的端子45上形成的静触点52。另外，机电开关装置43包括线圈电路，该线圈电路通过例如致动电枢44以电连接和/或断开静触点52和可动触点46，来便于控制机电开关装置43的运行。

为了便于致动电枢，线圈电路48可包括一个或多个继电器线圈50，该继电器线圈50至少部分地基于例如从电池控制系统14接收的开关控制信号54产生磁场。例如，开关控制信号54可以指示线圈电路48向继电器线圈50供应电力，这使继电器线圈50产生磁场，该磁场吸引电枢44以使机电开关装置43从断开位置转换到闭合位置。

返回图3，如上所述，可以使用与初级开关装置42不同类型的开关装置来实现次级开关装置56。例如，当使用机电开关装置43实现初级开关装置42时，可以使用固态开关装置59来实现次级开关装置56。在一些实施例中，固态开关装置59可以包括固态(例如半导体)开关，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或双极结型晶体管(BJT)。

为了帮助说明，图5中示出了固态开关装置59的实例，其可以实现为次级开关装置56或独立开关装置。如图所示，固态开关装置59包括电耦接在开关装置端子61之间的固态开关58和二极管60。具体地，固态开关58的源极66电耦接到固态开关装置59的输入端子61A，并且固态开关58的漏极58电耦接到二极管60的阳极。另外，二极管60的阴极电耦接到固态开关装置59的输出端子61B。

为了便于控制固态开关装置59的运行，可以将开关控制信号62提供给固态开关58的栅极64。在一些实施例中，固态开关58可以是正沟道金属氧化物半导体(PMOS)。因此，当开关控制信号62的电压超过阈值电压(Vth)时，固态开关58可以阻止其源极66与栅极68之间的电流流动，从而使固态开关装置59保持在断开位置。另一方面，当开关控制信号62的电压不超过阈值电压(Vth)时，固态开关58可以允许其源极66与栅极68之间的电流流动，从而使固态开关装置59保持在闭合位置。此外，通过将固态开关58与二极管60串联电耦接，固态开关装置59可以实现单向电流流动，例如，根据二极管60的取向仅允许充电或仅允许放电。

图6中描述了用于实现电池系统12的过程100的实例。总的来说，过程100包括实现初级开关装置42(过程框102)、实现次级开关装置56(过程框104)、以及将初级开关装置42和次级开关装置56并联电耦接在电池40的端子之间(过程框106)。在一些实施例中，过程100可以至少部分地由电池系统12的制造商和/或电气系统36的系统集成商实现。

如上所述，在一些实施例中，可以使用机电开关装置43来实现初级开关装置42(过程框102)。另外，如上所述，机电开关装置43可包括耦接到其端子45的静触点52、耦接到电枢44上的可动触点46、以及具有一个或多个继电器线圈50的线圈电路48，该继电器线圈50产生磁场，所述磁场致动电枢44以例如断开和/或闭合机电开关装置43。因此，实现初级开关装置42可以包括实现线圈电路48(过程框108)。

为了帮助说明，图7中示出了可以在初级开关装置42或独立的机电开关装置43中实现的线圈电路48的实例。如图所示，线圈电路48包括二极管110，该二极管110电耦接在输入端子109和第一总线111之间。另外，线圈电路48包括电耦接在第一总线111和闭合继电器线圈50A之间的高侧闭合晶体管118，闭合继电器线圈50A电耦合到低侧闭合晶体管122。通过以这种方式实现线圈电路48，电池控制系统14可以通过将闭合控制信号120提供给低侧闭合晶体管122的栅极和/或通过将闭合控制信号114提供给高侧闭合晶体管118的栅极来控制机电开关装置43的闭合，例如，所述闭合控制信号是经由电耦接在第一总线111和第三总线113之间的双极结型晶体管

(BJT)提供的，所述第三总线113电耦合到线圈电路48的输出端115。

此外，线圈电路48包括电耦接在第二总线112和开路继电器线圈50B之间的高侧开路晶体管134，开路继电器线圈50B电耦接到低侧开路晶体管130。通过以这种方式实现线圈电路48，通过将断开控制信号132提供给高侧开路晶体管134的栅极和/或通过将断开控制信号130提供给低侧开路晶体管130的栅极，电池控制系统14可以控制机电开关装置43的断开。

此外，线圈电路48包括电耦接在闭合继电器线圈50A和第二总线112之间的二极管140。线圈电路48还包括电耦接在第二总线112和第三总线113之间的电容器142。通过以这种方式实现线圈电路48，当从第一总线111接收电力时，闭合继电器线圈50A可以作为电感器运行以产生升高的电压，所述升高的电压可以作为电能存储在电容器142中。为了便于控制升高的电压的产生，在一些实施例中，电池控制系统14可以通过闭合控制信号120控制低侧闭合晶体管122的开关。

利用存储在电容器142中的电能，线圈电路48可以控制从第二总线112到开路继电器线圈50B的电力供应，并因此控制机电开关装置43的断开。换言之，为了便于控制机电开关装置43的断开，电池控制系统14可以控制高侧开路晶体管134的开关，并因此通过断开控制信号134将升高的电压提供给开路继电器线圈50B。如上所述，例如与使用电池40(例如较低或升高之前的)电压相比，使用升高的电压断开机电开关装置43可以便于降低线圈电路48的与实施相关的成本，因为这样做能够使电容器142的电容减少。

因此，图8中示出了用于在机电开关装置43中实现线圈电路48的过程108的实例。通常，该过程包括将二极管140的阳极耦接到闭合继电器线圈并耦接到低侧闭合晶体管的漏极(过程框152)并将电容器142电耦接到二极管140的阴极和高侧开路晶体管的源极(过程框154)。在一些实施例中，过程100可以至少部分地由电池系统12的制造商和/或电气系统36的系统集成商实现。

返回到图6的过程100，如上所述，可以使用与二极管60电耦接的固态开关装置59来实现次级开关装置56(过程框104)。例如，可以使用图5中所示的固态开关装置59来实现次级开关装置56。因此，图9中描述了用于实现固态开关装置59的过程105的实例(例如作为次级开关装置56或独立开关装置)。通常，过程105包括将二极管60耦接到初级开关装置端子(过程框202)以及将固态开关59电耦接在二极管60和次级开关装置端子之间(过程框204)。在一些实施例中，过程105可以至少部分地由电池系统12的制造商和/或电气系统36的系统集成商实现。

为了便于提高运行效率和/或运行可靠性，在一些实施例中，固态开关装置59可以包括附加电路。为了帮助说明，图10中示出了可以实现为次级开关装置56或独立开关装置的固态开关装置59的另一实例。如图所示，固态开关装置59包括电耦合在固态开关58和二极管60之间的电流镜支路210、自检支路206以及电压测量支路214。另外，固态开关装置59包括电耦接在电流镜支路210和固态开关58的栅极之间的短路保护电路212。

在一些实施例中，自检支路206可以接收自检控制信号208，自检控制信号208可以使自检支路206尝试并强制短路。该电流可以在电流镜210中复制，电流镜210包括电阻器，复制的电流可以流过该电阻器。产生的电压可以馈入短路保护电路212，在那里将产生的电压与阈值电压进行比较。如果满足短路状况，则电池40可以与电气系统36断开，并且可以将源自短路保护电路212的时钟信号提供给电池控制系统14中的休眠处理器28，使其醒来。处理器28可以通过向电压测量支路电路214发送信号216来进行更严格的比较，该电压测量支路电路214便于确定电池40的电压。以这种方式，通过使用检测电路以便于在预计短路状况发生时自动确定是否存在短路状况并断开电气系统36中的电池40但却不唤醒消耗能量的处理器28，固态开关装置59可便于减少能量消耗。

图11中描述了用于实现固态开关装置59(例如作为次级开关装置56或独立开关装置)的过程107的另一实例。总的来说，过程107包括将二极管60电耦接到初级开关装置端子(过程框224)、将固态开关58电耦接在二极管60和次级开关装置56端子之间(过程框226)、将电压测量支路214电耦接在固态开关58和二极管60之间(过程框228)、将电流镜支路210电耦接在固态开关58和电压测量支路214之间(过程框230)、将短路保护电路212电耦接在电流镜支路210和固态开关58的栅极之间(过程框232)、以及将自检支路206电耦接在电流镜支路210和电压测量支路214之间(过程框234)。在一些实施例中，过程107可以至少部分地由电池系统12的制造商和/或电气系统36的系统集成商实现。

返回到图6的过程100，可以将初级开关装置42和次级开关装置56并联电耦接在电池40的端子之间(过程框106)。例如，初级开关装置42可以在电池40的正极端处和在电池40外部与次级开关装置54并联耦合。在一些实施例中，耦接可以发生在电池模块16的内部或外部。此外，可以在正端子或负端子处进行耦接。在实现电池系统12后，电池系统12可以便于提高电气系统36的运行效率和/或运行可靠性。

为了帮助说明，在图12中描述了用于运行电池系统的过程300的实例。通常，过程300包括确定目标放电电力如何(过程框302)、确定目标放电电力是否大于电力阈值(判定框304)、以及当目标放电电力大于电力阈值时使初级开关装置42保持在闭合位置(过程框306)。当目标放电电力不大于电力阈值时，过程300包括使初级开关装置42保持在断开位置(过程框316)、以及使次级开关装置56保持在闭合位置(过程框318)。在一些实施例中，可以至少部分地通过使用处理电路(诸如处理器28)执行存储在有形的非暂时性计算机可读介质(诸如存储器30)中的指令来实现过程300。

因此，在一些实施例中，电池控制系统14可以确定目标放电电力(例如电流和/或电压)(过程框302)。在一些实施例中，可以基于电耦接的电气装置38的电力要求来确定目标放电电力。另外地或可替代地，可以由更高级别的控制系统(例如车辆控制系统36)指示目标放电电力。以这种方式，目标放电电流可以在多次运行之间变化。

可以将目标放电电力与电力阈值进行比较(过程框304)。在一些实施例中，电力阈值可以是预定的并且存储在有形的非暂时性计算机可读介质中，诸如存储器30。因此，在此类实施例中，电池管理系统可以从有形的非暂时性计算机可读介质中检索电力阈值，并将电力阈值与目标放电电力进行比较。另外，在一些实施例中，可以至少部分地基于次级开关装置56的电力容量(例如额定值)来设置电力阈值，例如，使得电力阈值大于次级开关装置56的电力容量。

因此，当目标放电电力大于电力阈值时，电池控制系统14可以指示初级开关装置42保持在闭合位置(过程框306)。当需要时(例如需要曲柄起动内燃机时)，闭合的初级开关装置42可以允许更大的电流在电池40和电气装置38之间流动。在一些实施例中，次级开关装置56也可以保持在闭合位置。

图13中描述了用于运行机电开关装置43(例如实现为初级开关装置42或独立开关装置)的过程306的实例。总的来说，过程306包括向闭合继电器线圈供应电力(过程框310)、使用供应的电力产生升高的电压(过程框312)、以及将升高的电压作为电能存储在电容器142中(过程框314)。在一些实施例中，可以至少部分地通过使用处理电路(诸如处理器28)执行存储在有形的非暂时性计算机可读介质(诸如存储器30)中的指令来实现过程306。

因此，在一些实施例中，电池控制系统14可以指示电池系统12向闭合的继电器线圈124供应电力(过程框310)。可以接收适当的高侧闭合信号128和低侧闭合信号120以允许电流流过闭合继电器线圈124，由此产生可以使触点46和52闭合的磁场。例如，到高侧闭合晶体管116的高信号可以允许触点切换到闭合位置或保持在闭合位置，而到低侧闭合晶体管122的低信号可以增加在触点46、52处于闭合位置后使触点46、52断开所需的时间量。因此，继电器的低侧电路可用于致动电枢44，而高侧电路可用于为电负载供电。

由电力产生的磁场可以被提供给闭合继电器线圈124，该闭合继电器线圈124可以产生可由电气系统36使用的升高的电压(过程框312)。当高侧信号施加到高侧闭合晶体管116时，电能可以存储在磁场内。当信号被移除时，闭合继电器线圈124的磁场瓦解，从而产生反向电压，该反向电压增加并从而逐级升高负载可用的电压。可以保留所得到的升高电压供以后使用。

升高的电压可以作为电能存储在电容器142中，从而提高电气系统36的可靠性和性能。由闭合继电器线圈124的磁场瓦解产生的逐级升高的电压可以使二极管140正向偏置以允许电流流过二极管并流到电容器142。电流使电容器142充电，从而将升高的电压存储为电能供以后使用。例如，在短路状况期间，电池40的电压可下降，使得它不足以致动电枢44。存储在电容器142中的升高的电压可以通过充当高侧开路晶体管134的电源来代替地致动电枢44。触点46和52断开连接，从而防止电池40耗尽。此外，可以减小电容器112的尺寸和/或通过电容器的泄漏(例如静态)电流，从而增加电池40的保存期限。升高的电压因此可以提高电气系统36的运行可靠性和性能。

返回到图12的过程300，当目标放电电流不大于阈值电流时，电池控制系统14可以指示电池系统12将初级开关装置42保持在断开位置(过程框316)。该配置可以在休眠模式期间提供益处。例如，当电气装置38和电池40之间的较小电流可能足够时(例如在车辆熄火模式期间为无线电供电)，不会提取大量的电流。由此减少了电力消耗并且增加了电池的寿命。

另外，电池控制系统14可以指示电池系统12使次级开关装置56保持在闭合位置(过程框318)。图14中描述了用于运行固态开关装置59(例如实现为次级开关装置56或独立开关装置)的过程318的实例。总的来说，过程318包括确定电池50的运行参数(过程框320)、确定运行参数是否指示短路(判定框322)、以及当运行参数指示短路时使用存储在电容器中的电力向开路继电器线圈50B供应升高的电压(判定框324)。在一些实施例中，可以至少部分地通过使用处理电路(诸如处理器28)执行存储在有形的非暂时性计算机可读介质(诸如存储器30)中的指令来实现过程318。

因此，在一些实施例中，电池控制系统14可以确定电池40的运行参数(过程框322)。电池控制系统14可以接收并解读传感器数据以评估电池参数，例如电压、电流和温度。例如，次级开关装置56可以包括便于确定电池电压的电压测量支路214。

在一些实施例中，升高的电压可用于致动继电器线圈138(过程框324)。当初级开关装置42断开而次级开关装置56闭合时，电气系统36处于熄火模式。自检支路电路206可以通过硬件自动强制短路来检测是否存在短路状况。如果指示短路，则可以将信号馈送到短路保护电路212，以使得存储在初级开关装置42中的升高的电压被提供给开路继电器线圈138，从而断开初级开关装置42。然后可以将信号发送到休眠处理器28以唤醒它。处理器28可以使用电压测量支路214对电池电压进行进一步检测，以对是否存在短路状况进行更严格的评估。

并联开关装置可以用在电气系统36中，尤其是包括电池系统12的电气系统中，以提高运行性能和可靠性。机电开关可用于闭合或断开触点46和52并且还用于产生升高的电压。次级开关装置56可用于检测可降低电池性能的短路状况。次级开关装置56还可以使用升高的电压来消除短路状况。这可以在不唤醒处理器28的情况下完成，从而减少电力消耗。此外，并联开关装置可以一起工作以在不对电池40施加负载的情况下输送电气装置38所需的适当电量。

已经通过实例示出了上述具体实施例，并且应当理解，这些实施例可以容许各种修改和替代形式。还应当理解，权利要求不旨在限于所公开的特定形式，而是覆盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。

Claims (19)

1.一种汽车电池系统中的电池模块，包含：

正端子和负端子，所述正端子和负端子形成在所述电池模块的壳体上；

多个电池单元，所述多个电池单元电耦接在所述电池模块的所述正端子和所述负端子之间；

初级开关装置和次级开关装置，其并联电耦接在所述多个电池单元和所述电池模块的所述正端子之间，其中：

所述初级开关装置将机电开关装置电耦接在所述电池模块的所述多个电池单元和所述正端子之间，以使电流能够沿第一方向流过所述初级开关装置，以便于对所述多个电池单元进行充电，并在所述机电开关装置处于第一闭合位置时，使电流沿第二方向流过所述初级开关装置，以便于使所述多个电池单元放电；

所述机电开关装置包含电枢和线圈电路，所述线圈电路包含：

电耦接在高侧闭合晶体管和低侧闭合晶体管之间的闭合继电器线圈，其中所述闭合继电器线圈被配置为当通过所述高侧闭合晶体管供应电力时产生第一磁场，所述第一磁场将所述电枢从第一断开位置致动到第一闭合位置；

电耦接在高侧开路晶体管和低侧开路晶体管之间的开路继电器线圈，其中所述开路继电器线圈被配置为当通过所述高侧开路晶体管供应电力时产生第二磁场，所述第二磁场将所述电枢从所述第一闭合位置致动到所述第一断开位置；以及

第一二极管，其中所述第一二极管的阳极电耦接到所述闭合继电器线圈和所述低侧闭合晶体管，并且所述第一二极管的阴极电耦接到电容器和所述高侧开路晶体管，以当向所述线圈电路供应第一电压下的电力时存储第二升高电压下的电能，以将所述电枢从所述第一断开位置致动到所述第一闭合位置时，并且当检测到短路状况时，供应所述第二升高电压下的电力以将所述电枢从所述第一闭合位置致动到所述第一断开位置；和

所述次级开关装置包含固态开关装置和第二二极管，所述第二二极管被配置为当所述固态开关装置处于第二闭合位置时限制通过所述次级开关装置的电流的流动方向。

2.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述闭合继电器线圈进一步被配置为当通过所述高侧闭合晶体管供应电力时：

通过增加被供应到所述闭合继电器线圈的电力的电压来产生所述第二升高的电压，其中所述电容器被配置为存储所述第二升高电压下的电能，以便随后能够输出所述第二升高电压下的电力。

3.根据权利要求1所述的电池模块，其中：

所述初级开关装置被配置为当所述电枢处于所述第一闭合位置时能够实现第一大小的双向电流；

所述第二二极管被配置为当所述固态开关装置处于所述第二闭合位置时能够使单向电流流过次级开关装置；和

所述固态开关装置被配置为当所述固态开关装置处于所述第二闭合位置时使电流能够具有小于所述第一大小的第二大小。

4.根据权利要求1所述的电池模块，包含通信地耦接到所述初级开关装置和所述次级开关装置的电池控制系统，其中所述电池控制系统被配置为：

确定从所述电池模块输出的目标电力；

当所述目标电力不小于电力阈值时，指示所述机电开关装置保持在所述第一闭合位置；

当所述目标电力小于所述电力阈值时：

指示所述固态开关装置保持在所述第二闭合位置；和

指示所述机电开关装置保持在所述第一断开位置，以便于限制从所述电池模块输出的电力的大小。

5.根据权利要求1所述的电池模块，其中：

所述初级开关装置被配置为在电气系统中部署所述电池模块之前保持在所述第一断开位置；和

所述次级开关装置被配置为在所述电气系统中部署所述电池模块之前保持在所述第二闭合位置以便于检测所述电池模块。

6.根据权利要求1所述的电池模块，其中：

所述正端子被配置为电耦接到机动车辆的正总线；和

所述负端子被配置为电耦接到所述机动车辆的负总线。

7.一种机动车辆，包含：

根据权利要求1-6之一所述的电池模块，其中所述次级开关装置的所述二极管被配置为当所述固态开关装置处于第二闭合位置时使电流仅沿所述第一方向和所述第二方向中的一个方向流过所述次级开关装置。

8.根据权利要求7所述的机动车辆，包含通信地耦接到所述初级开关装置和所述次级开关装置的电池控制系统，其中：

所述次级开关装置被配置为当所述机动车辆熄火时确定何时预计存在短路状况；和

所述电池控制系统被配置为：

当所述机动车辆从点火转换到熄火时，从活动模式切换到休眠模式，以便于减少电力消耗；

当从所述次级开关装置接收到指示预计存在所述短路状况的信号时，从所述休眠模式切换到所述活动模式；和

当所述电池控制系统确认实际存在所述短路状况时，指示所述初级开关装置以所述升高的电压将电力从所述电容器供应到所述开路继电器线圈。

9.根据权利要求7所述的机动车辆，其中所述次级开关装置包含：

电流镜支路，其电耦接在所述固态开关装置和所述二极管之间；和

短路保护电路，其电耦接在所述电流镜支路和所述固态开关装置的栅极之间，其中所述短路保护电路被配置为：

至少部分地基于通过所述电流镜支路的电流确定何时预计存在短路状况；和

当预计存在所述短路状况时：

指示所述固态开关装置从所述第二闭合位置转换到第二断开位置；和

输出时钟信号以唤醒所述电池控制系统，以使所述电池控制系统能够确认是否实际存在所述短路状况。

10.根据权利要求9所述的机动车辆，包含通信地耦接到所述次级开关装置的电池控制系统，其中：

所述次级开关装置包含自检支路，所述自检支路电耦接在所述电流镜支路和所述二极管之间；和

所述电池控制系统被配置为当所述短路状况实际不存在时指示所述自检支路产生受控短路，所述受控短路能够检测所述短路保护电路的运行。

11.根据权利要求7所述的机动车辆，包含通信地耦接到所述初级开关装置和所述次级开关装置的电池控制系统，其中所述电池控制系统被配置为：

确定从所述电池单元供应到电气装置的目标电流，所述电气装置电耦接到所述初级开关装置和所述次级开关装置；和

当所述目标电流小于第一电流阈值时：

指示所述固态开关装置保持在所述第二闭合位置，以便于从所述电池单元向所述电气装置供应目标电流下的电力；和

指示所述机电开关装置保持在第一断开位置以便于限制向所述电气装置供应电力。

12.根据权利要求11所述的机动车辆，其中所述电池控制系统被配置为：

当所述目标电流不小于所述第一电流阈值时，指示所述机电开关装置保持在所述第一闭合位置；

当所述目标电流小于第二电流阈值时，所述第二电流阈值大于所述第一电流阈值，指示所述固态开关装置保持在第二断开位置，以便于限制向所述电气装置供应电力；和

当所述目标电流不小于所述第二电流阈值时，指示所述固态开关装置保持在所述第二闭合位置，以便于从所述电池单元向所述电气装置供应所述目标电流下的电力。

13.一种用于实现汽车电池系统的方法，包含：

实现电池模块，所述电池模块包含多个电池单元，所述多个电池单元电耦接在所述电池模块的正端子和负端子之间；和

实现并联地电耦接在所述电池模块的所述多个电池单元和所述正端子之间的初级开关装置和次级开关装置；

通过将机电开关装置电耦接在所述电池模块的所述多个电池单元和所述正端子之间来实现所述初级开关装置，以使电流能够沿第一方向流过所述初级开关装置，以便于对所述多个电池单元进行充电，并在所述机电开关装置处于第一闭合位置时，使电流沿第二方向流过所述初级开关装置，以便于使所述多个电池单元放电；

实现所述机电开关装置，所述机电开关装置包含电枢和线圈电路，其中实现所述线圈电路包含：

将闭合继电器线圈电耦接在高侧闭合晶体管和低侧闭合晶体管之间，当通过所述高侧闭合晶体管向所述闭合继电器线圈供应第一电压下的电力时，使所述闭合继电器线圈能够产生第一磁场，所述第一磁场致动所述电枢；

将开路继电器线圈电耦接在高侧开路晶体管和低侧开路晶体管之间，当通过所述高侧开路晶体管向所述开路继电器线圈供应大于所述第一电压的第二电压下的电力时，使所述开路继电器线圈能够产生第二磁场，所述第二磁场致动所述电枢；

将第一二极管的阳极电耦接到所述闭合继电器线圈和所述低侧闭合晶体管；和

将所述第一二极管的阴极电耦接到电容器和所述高侧开路晶体管，当向所述闭合继电器线圈供应所述第一电压下的电力时，使得能够将所述第二电压下的电能存储在所述电容器中，并且当向所述开路继电器线圈供应所述第一电压下的电力时，使得能够从所述电容器供应所述第二电压下的电能。

14.根据权利要求13所述的方法，包含：

通过将固态开关装置和第二二极管串联电耦接在所述多个电池单元和所述电池模块的所述正端子之间来实现所述次级开关装置，以在所述固态开关装置处于第二闭合位置时，使电流能够仅沿所述第一方向和所述第二方向中的一个方向流过所述次级开关装置。

15.根据权利要求14所述的方法，其中实现所述次级开关装置包含：

将电流镜支路电耦接在所述固态开关装置和所述第二二极管之间；

将短路保护电路电耦接在所述电流镜支路和所述固态开关装置的栅极之间，以使所述短路保护电路能够：

至少部分地基于流过所述电流镜支路的电流来检测何时预计存在短路状况；和

当预计存在所述短路状况时，自主地指示所述固态开关装置保持在断开位置。

16.根据权利要求15所述的方法，其中实现所述次级开关装置包含：将自检支路电耦接在所述电流镜支路与所述第二二极管之间，以能够产生受控短路，所述受控短路便于检测所述短路保护电路的短路反应。

17.根据权利要求13所述的方法，其中实现所述机电开关装置包含：

将第一静触点电耦接到所述多个电池单元；

将第二静触点电耦接到所述电池模块的所述正端子；和

在所述机电开关装置的所述电枢上实现第一可动触点和第二可动触点。

18.根据权利要求13所述的方法，包含：

将电池控制系统通信地耦接到所述高侧闭合晶体管的第一栅极，以使所述电池控制系统能够控制从所述多个电池单元向所述闭合继电器线圈供应第一电压下的电力；

将所述电池控制系统通信地耦接到所述低侧闭合晶体管的第二栅极，以使所述电池控制系统能够控制所述第一电压升高到所述第二电压；和

将所述电池控制系统通信地耦接到所述高侧开路晶体管的第三栅极，以使所述电池控制系统能够控制从所述电容器向所述开路继电器线圈供应所述第二电压下的电力。

19.根据权利要求13所述的方法，其中实现所述线圈电路包含将所述电容器电耦接到电气装置，以使得能够向所述电气装置供应所述第二电压下的电力。

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