CN110168842B - 蓄电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种蓄电池系统，包括正和负充电‑放电端子，第一和第二蓄电池，第一和第二单向开关，以及桥接开关。第一蓄电池和第一单向开关跨充电‑放电端子串联连接，使得第一单向开关提供从正充电‑放电端子到第一蓄电池的正端子的传导路径。第二蓄电池和第二单向开关跨充电‑放电端子串联连接，使得第二单向开关提供从第二蓄电池的负端子到负充电‑放电端子的传导路径。蓄电池和桥接开关跨充电‑放电端子串联连接，其中桥接开关定位在第一蓄电池的正端子和第二蓄电池的负端子之间。开关可在第一配置和第二配置之间配置，其中在第一配置，第一和第二单向开关被闭合且桥接开关被断开，且在第二配置，第一和第二单向开关被断开且桥接开关被闭合。在第一配置中，蓄电池跨充电‑放电端子并联连接，而在第二配置中，蓄电池跨充电‑放电端子串联连接。

Description

蓄电池系统
技术领域
本发明涉及一种蓄电池系统，特别是适用于电动车辆的。
背景技术
联合充电系统或CCS是关于电动车辆充电的开放标准。当前的标准CCS2.0规定在高至500V的电压下充电。然而，未来的标准，CCS 3.0，建议在高至1000V的电压下充电。为了使得未来支持CCS 3.0的电动车辆可以使用CCS 2.0充电器，需要支持在500V和1000V两者下充电的蓄电池系统。
发明内容
本发明提供了一种一种蓄电池系统，包括正和负充电-放电端子，第一和第二蓄电池，第一和第二单向开关，以及桥接开关，其中：第一蓄电池和第一单向开关跨充电-放电端子串联连接，其中第一单向开关提供从正充电-放电端子到第一蓄电池的正端子的传导路径；第二蓄电池和第二单向开关跨充电-放电端子串联连接，其中第二单向开关提供从第二蓄电池的负端子到负充电-放电端子的传导路径；蓄电池和桥接开关跨充电-放电端子串联连接，其中桥接开关定位在第一蓄电池的正端子和第二蓄电池的负端子之间；以及所述开关可在第一配置和第二配置之间配置，其中在第一配置，第一和第二单向开关被闭合且桥接开关被断开使得蓄电池跨充电-放电端子并联连接，且在第二配置，第一和第二单向开关被断开且桥接开关被闭合使得蓄电池跨充电-放电端子串联连接。
通过设置开关到第一或第二配置，蓄电池系统可以以两种不同电压被充电，而不会超过蓄电池的最大额定电压。例如，当500V充电电压施加到充电-放电端子时，开关可以被设置为第一配置，使得蓄电池跨充电-放电端子并联连接。当1000V充电电压施加到充电-放电端子时，开关可以被设置为第二配置，使得蓄电池跨充电-放电端子串联连接。结果，无论是500V还是1000V的充电电压被施加到充电-放电端子，跨每个蓄电池的电压不超过500V。
可以想象两个蓄电池在充电之前可以处于稍微不同的电压。因此，如果第一和第二开关是双向的，则当并联连接时(即当开关处于第一配置时)一个蓄电池将放电到另一个蓄电池。得到的电流于是将很可能损坏开关和/或蓄电池系统的其它部件。使用单向开关确保电池不能放电到另一电池。
蓄电池可通过跨充电-放电端子串联连接蓄电池(即设置开关到第二配置)来放电。当开关被设置到第二配置时，蓄电池可以被充电和放电两者，而无需改变任意开关的状态。
除了在串联连接时放电蓄电池，可能期望在并联连接时放电蓄电池。因此，蓄电池系统包括第三单向开关和第四单向开关。第一蓄电池和第三单向开关于是跨充电-放电端子串联连接，使得第三单向开关提供从第一蓄电池的正端子到正充电-放电端子的传导路径。第二蓄电池和第四单向开关也跨充电-放电端子串联连接，使得第四单向开关提供从负充电-放电端子到第二蓄电池的负端子的传导路径。开关于是可在三个配置之间配置。在第一配置，第一和第二单向开关被闭合，且第三和第四单向开关和桥接开关被断开。结果，蓄电池可被并联充电。在第二配置，桥接开关被闭合，且第一、第二、第三和第四单向开关被断开。结果，蓄电池可被串联充电和/或放电。最终，在第三配置，第三和第四单向开关被闭合，且第一和第二单向开关和桥接开关被断开。结果，蓄电池可被并联放电。蓄电池系统由此提供用于当并联或串联连接时蓄电池的充电和放电两者。
取决于意图应用，可有利地或切实需要的是使得蓄电池系统允许蓄电池的充电和放电两者而不需要改变开关的状态。在前述段落中描述的蓄电池系统，可以在开关处于第二配置的时候充电和放电，即可以在串联连接的时候充电和放电而没有改变任意开关的状态。然而，当开关处于第一配置时，蓄电池系统仅允许蓄电池的充电，且当开关处于第三配置时，蓄电池系统仅允许蓄电池的放电。结果，当并联连接时不能在没有改变开关的状态的情况下对蓄电池进行充电和放电两者。为了处理这个，蓄电池系统可包括跨充电-放电端子与蓄电池串联连接的桥接二极管。桥接二极管与桥接开关并联连接，且提供从第二蓄电池的负端子到第一蓄电池的正端子的传导路径。因此，当开关在第三配置时，蓄电池可并联放电且蓄电池可串联充电。
每个单向开关可包括串联连接的接触器和二极管。接触器相对于半导体开关具有几个益处。例如，接触器控制简单，相对易于互锁且通常比半导体开关更加鲁棒。
然而，接触器易受到机械振动影响，例如由于冲击，其可导致接触器意外闭合。当本发明的蓄电池系统用于电动车辆时，在电动车辆驾驶时可能会受到这样的机械冲击，例如当蓄电池跨充电-放电端子串联连接时。在每个单向开关包括串联连接的接触器和二极管时，当蓄电池串联连接时接触器的意外闭合可能会导致短路。为了减轻该风险，每个单向开关可包括受控半导体二极管，例如晶闸管。晶闸管可在蓄电池跨充电-放电端子并联连接时被激活，使得电流可仅沿一个方向通过晶闸管。当蓄电池跨充电-放电端子串联连接时，晶闸管可被“关闭”，由此移除任何可能导致短路的电流路径。晶闸管可以被附加到或替换二极管和接触器中的任一个或两者。桥接开关可包括受控半导体开关，例如晶闸管、MOSFET或IGBT。替代地，桥接开关可包括接触器。
每个单向开关可包括串联连接的二极管、受控半导体器件和接触器，其中受控半导体器件包括晶闸管、IGBT或MOSFET中的一个。这可以是有益的，因为当蓄电池跨充电-放电端子串联连接时，半导体器件可被“关闭”，由此移除任何可能导致短路的电流路径。
开关的断开和闭合可以被互锁，使得无论何时只要第一和第二单向开关被闭合则桥接开关被断开，且无论何时只要桥接开关被闭合则第一和第二单向开关被断开。这于是避免桥接开关与第一和第二单向开关中的一个或两者一起闭合的潜在不完全状态。尽管开关可被互锁，仍可能在故障状态下桥接开关可以与单向开关中的一个或两者同时闭合。这于是将使得蓄电池中的一个或两者被短路。因此，为了减少潜在不安全状态的数量，桥接开关与第一和第二单向开关中的任一个可形成单刀双掷开关。结果，桥接开关不能与第一或第二单向开关中的任一个同时闭合。
潜在不安全状态可以通过设置另一桥接开关一起被避免。蓄电池，所述桥接开关和所述另一桥接开关于是跨充电-放电端子串联连接，其中所述桥接开关和所述另一桥接开关定位在第一蓄电池的正端子和第二蓄电池的负端子之间。第一单向开关和桥接开关于是形成第一单刀双掷开关,且第二单向开关和另一桥接开关形成第二单刀双掷开关。结果，不可能具有短路任意蓄电池的开关配置。
本发明还提供了一种蓄电池系统，包括正和负充电-放电端子，第一和第二蓄电池，第一和第二二极管，以及第一和第二开关，其中：每个开关包括单刀双掷接触器，其具有第一端子、第二端子和公共端子；第一蓄电池、第一二极管和第一开关跨充电-放电端子串联连接，第一开关的第一端子被连接到第一二极管的阴极，且第一开关的公共端子被连接到第一蓄电池的正端子；第二蓄电池、第二二极管和第二开关跨充电-放电端子串联连接，第二开关的第一端子被连接到第二二极管的阳极，且第二开关的公共端子被连接到第二蓄电池的负端子；第一开关的第二端子连接到第二开关的第二端子；以及所述开关可在第一配置和第二配置之间配置，其中在第一配置，每个开关的第一端子被闭合使得蓄电池跨充电-放电端子并联连接，且在第二配置，每个开关的第二端子被闭合使得蓄电池跨充电-放电端子串联连接。
通过设置开关到第一或第二配置，蓄电池系统可以以两种不同电压被充电，而不会超过蓄电池的最大额定电压。特别地，当以较低电压充电时，开关可以被设置为第一配置，使得蓄电池跨充电-放电端子并联连接。当以较高电压充电时，开关可以被设置为第二配置，使得蓄电池跨充电-放电端子串联连接。
二极管确保当蓄电池并联连接时，没有蓄电池能够放电到另一蓄电池。
开关可以互锁，使得闭合一个开关的第一或第二端子导致另一开关的相同端子被闭合。然而，开关中的一个或两者的故障将有可能导致一种情况，其中一个开关的第一端子和另一个开关的第二端子被闭合。通过使用单刀双掷开关，闭合一个开关的第一端子且闭合另一个开关的第二端子将简单导致一种情况，其中一个蓄电池跨充电-放电端子连接，且另一个蓄电池开路。因此，在开关中的一个或两者故障的情况下，没有开关配置会导致蓄电池被短路或一个蓄电池放电到另一个。
根据本发明的另一方面，提供了一种一种蓄电池系统，包括正和负充电-放电端子，第一和第二蓄电池，单向开关，开关连接的单向电路部件，选择性连接部件和桥接开关，其中：第一蓄电池和单向开关跨充电-放电端子串联连接，其中单向开关提供从正充电-放电端子到第一蓄电池的正端子的传导路径；第二蓄电池和开关连接的单向电路部件跨充电-放电端子串联连接，其中开关连接的单向电路部件提供从正充电-放电端子到第二蓄电池的正端子的传导路径；第二蓄电池和选择性连接部件跨充电-放电端子串联连接，其中选择性连接部件提供从第二蓄电池的负端子到负充电-放电端子的传导路径；蓄电池和桥接开关跨充电-放电端子串联连接，其中桥接开关定位在第一蓄电池的正端子和第二蓄电池的负端子之间；所述开关可在第一配置和第二配置之间配置，其中在第一配置，单向开关和选择性连接部件被闭合且桥接开关和开关连接的单向电路部件被断开，使得蓄电池跨充电-放电端子并联连接，且在第二配置，单向开关、选择性连接部件和开关连接的单向电路部件被断开且桥接开关被闭合，使得蓄电池跨充电-放电端子串联连接。
通过设置开关到第一或第二配置，蓄电池系统可以以两种不同电压被充电，而不会超过蓄电池的最大额定电压。例如，当500V充电电压施加到充电-放电端子时，开关可以被设置为第一配置，使得蓄电池跨充电-放电端子并联连接。当1000V充电电压施加到充电-放电端子时，开关可以被设置为第二配置，使得蓄电池跨充电-放电端子串联连接。结果，无论是500V还是1000V的充电电压被施加到充电-放电端子，跨每个蓄电池的电压不超过500V。
可以想象两个蓄电池在充电之前可以处于稍微不同的电压。单向开关和单向电路部件用于当并联连接时(即当开关处于第一配置时)防止一个蓄电池将放电到另一个蓄电池。这防止电流在并联连接的蓄电池之间流动，损坏开关或蓄电池系统的其他部件。
开关可具有第三配置，其中单向开关和选择性连接部件被断开，且开关连接的单向电路部件的开关和桥接开关被闭合，使得蓄电池跨充电-放电端子串联连接。这于是使得第一和第二蓄电池能串联放电。
单向开关是指仅允许电流沿一个方向流动的电路部件。单向电路部件可包括非受控半导体设备，例如二极管，受控半导体设备，例如晶闸管、MOSFET或IGBT，其可以在电路中连通或断开。
选择性连接部件可包括选择性提供电流路径的电路部件，例如使得传导路径选择性地限定在第二蓄电池的负端子和负充电-放电端子之间。该选择性连接部件可包括开关，例如接触器或受控半导体设备，譬如晶闸管，或非受控半导体设备，例如二极管，及前述部件的任意组合。
本发明的各方面的有益特征在合适的情况下，可等同地适用于本发明的其它方面。
附图说明
为了使本发明可能更容易理解，现在将通过示例参照附图描述本发明的实施例，附图中：
图1是根据本发明的第一蓄电池系统的电路图；
图2是根据本发明的第二蓄电池系统的电路图；
图3是根据本发明的第三蓄电池系统的电路图；
图4是根据本发明的第四蓄电池系统的电路图；
图5是图4中的两个开关的可能状态的表；
图6是根据本发明的第五蓄电池系统的电路图；
图7是根据本发明的第六蓄电池系统的电路图；以及
图8是示出电动车辆的电力系统的主要部件的示意图，其中该电动车辆适于包括根据本发明的蓄电池系统。
具体实施方式
图1的蓄电池系统包括正和负充电-放电端子2、3，第一和第二蓄电池4、5，第一和第二单向开关6、7，以及桥接开关8。
每个蓄电池4、5包括多个电池单元41、51，正端子42、52和负端子43、53。每个单向开关6、7包括串联连接的双向接触器61、71和二极管62、72。桥接开关8包括双向接触器。
第一蓄电池4和第一单向开关6跨充电-放电端子2、3串联连接。第一单向开关6于是提供从正充电-放电端子2到第一蓄电池4的正端子42的传导路径。第二蓄电池5和第二单向开关7同样跨充电-放电端子2、3串联连接。第二单向开关7提供从第二蓄电池5的负端子53到负充电-放电端子3的传导路径。蓄电池4,5和桥接开关8跨充电-放电端子2、3串联连接。更具体地，桥接开关8定位在第一蓄电池4的正端子42和第二蓄电池5的负端子53之间。
开关6、7、8可在第一配置和第二配置之间配置。在第一配置，第一和第二单向开关6、7被闭合且桥接开关8被断开。结果，第一蓄电池4和第二蓄电池5跨充电-放电端子2、3并联连接。在第二配置，第一和第二单向开关6、7被断开且桥接开关8被闭合。结果，第一蓄电池4和第二蓄电池5跨充电-放电端子2、3串联连接。
蓄电池系统1由此具有两个配置，其中蓄电池4、5被并联连接(第一配置)或串联连接(第二配置)。结果，蓄电池系统1可以以两种不同电压被充电，而不会超过蓄电池4、5的最大额定电压。特别地，当第一电压被施加到充电-放电端子2、3时，开关6、7、8可以被设置到第一配置，使得蓄电池4、5被并联充电。当第二、较高电压被施加到充电-放电端子2、3时，开关6、7、8可以被设置到第二配置，使得蓄电池4、5被串联充电。结果，蓄电池系统1可以以两种不同电压被充电，而不会超过蓄电池4、5的最大额定电压。例如，每个蓄电池的最大额定电压可以是410V。蓄电池系统1于是可以以400V或800V充电。当充电电压是400V时，开关6、7、8被设置到第一配置且蓄电池4、5被并联连接。结果，跨每个电池4、5的电压是400V。当充电电压是800V时，开关6、7、8被设置到第二配置且蓄电池4、5被串联连接。结果，跨每个电池4、5的电压还是400V。因此，不管充电电压是400V还是800V，跨每个电池4、5的电压不超过最大额定电压。
蓄电池系统1能以两个不同电压充电的能力对于当使用不同的充电器(例如遗留的或未来的充电器)时是特别重要的。特别地，当使用在电动车辆中时，蓄电池系统1可以使用符合CCS 2.0的充电器，其规定在高至500V的电压下充电，或符合CCS 3.0的充电器，其规定在高至1000V的电压下充电。
可以想象两个蓄电池4、5在充电之前可以处于稍微不同的电压。如果第一和第二开关6、7是双向的，则当并联连接时(当开关6、7、8处于第一配置时)两个蓄电池4、5中的一个将放电到蓄电池4、5中的另一个。得到的电流于是将很可能损坏开关6、7、8和/或蓄电池系统1的其它部件。通过使用单向开关，一个蓄电池到另一个蓄电池的放电被防止。
蓄电池系统1通过跨充电-放电端子2、3串联连接蓄电池4、5(即设置开关6、7、8到第二配置)来放电。当开关6、7、8被设置到第二配置时，蓄电池4、5可以被充电和放电两者，而无需改变开关6、7、8的状态。取决于意图的应用，这可以是有益的，或切实需要的。
除了在串联连接时放电蓄电池4、5，可能期望在并联连接时放电蓄电池4、5。不幸的是，对于图1的蓄电池系统1这是不可能的。然而，对于图2的蓄电池系统100这是可能的。
图2的蓄电池系统100与图1的相同，除了增加了第三单向开关110和第四单向开关120。
第三和第四单向开关110、120，类似于第一和第二单向开关6、7，包括串联连接的双向接触器111、121和二极管112、122。
第一蓄电池4和第三单向开关110跨充电-放电端子2、3串联连接。第三单向开关110与第一单向开关6并联连接，且提供从第一蓄电池4的正端子42到正充电-放电端子2的传导路径。第二蓄电池5和第四单向开关120跨充电-放电端子2、3串联连接。第四单向开关120与第二单向开关7并联连接，且提供从负充电-放电端子3到第一蓄电池5的正端子53的传导路径。
开关6、7、8、110、120可在第一配置、第二配置和第三配置之间配置。在第一配置，第一和第二单向开关6、7被闭合，且第三和第四单向开关110、120和桥接开关8被断开。在第二配置，桥接开关8被闭合，且第一、第二、第三和第四单向开关6、7、110、120被断开。在第三配置，第三和第四单向开关110、120被闭合，且第一和第二单向开关6、7和桥接开关8被断开。
蓄电池系统100由此具有三个配置，其中蓄电池4、5被并联连接用于充电(第一配置)，串联连接用于充电和放电两者(第二配置)，或并联用于放电(第三配置)。蓄电池系统100由此提供用于当并联或串联连接时蓄电池4、5的充电和放电两者。结果，蓄电池系统100可以以两个不同电压充电，且蓄电池系统100可以以两个不同电压放电。
如上所述，取决于意图应用，有利地或切实需要的是使得蓄电池系统允许蓄电池的充电和放电两者而不需要改变开关的状态。当图2的蓄电池系统100的开关6、7、8、110、120处于第二配置时，可以为串联的蓄电池4、5充电和放电两者，而无需改变开关的状态。然而，当开关6、7、8、110、120在第一配置时，仅可以给蓄电池4、5充电，且当开关6、7、8、110、120在第三配置时，仅可以给蓄电池4、5放电。由此，当并联连接时并不能在没有改变开关6、7、8、110、120的状态的情况下对蓄电池4、5进行充电和放电两者。然而，图3的蓄电池系统200允许并联的蓄电池4、5的放电和串联的蓄电池4、5的充电，而没有改变开关6、7、8、110、120的状态。
图3的蓄电池系统200与图2的相同，除了增加了桥接二极管201。
桥接二极管201与蓄电池4、5跨充电-放电端子2、3串联连接。桥接二极管201与桥接开关8并联连接，且提供从第二蓄电池5的负端子53到第一蓄电池的正端子42的传导路径。
蓄电池系统200仍具有与图2的蓄电池系统100相同的三个配置。然而，由于由桥接二极管201提供的传导路径，现在可以在开关6、7、8、110、120处于第三配置时对串联的蓄电池4、5充电。结果，蓄电池系统200具有三个配置，其中蓄电池4、5可并联连接用于充电(第一配置)，蓄电池4、5可串联连接用于充电和放电两者(第二配置)，且蓄电池4、5可被串联充电和并联放电(第三配置)。
在上述每个蓄电池系统1、100、200中，开关的断开和闭合可被互锁以避免潜在的不安全状态。特别地，第一和第二单向开关6、7和桥接开关8可以被互锁，使得无论何时只要桥接开关8被闭合则单向开关6、7被断开，且无论何时只要单向开关6、7被闭合则桥接开关8被断开。这于是避免潜在的不安全状态，其中桥接开关8与单向开关6、7中的一个或两者一起被闭合，其将导致蓄电池4、5中的一个或两者短路。尽管开关6、7、8理想地被互锁，很可能在故障情形中，第一和第二单向开关6、7被与桥接开关8同时闭合。因此，为了减少潜在不安全状态的数量，桥接开关8的接触器与第一和第二单向开关6、7的任一个的接触器61、71一起可形成单刀双掷接触器。结果，桥接开关8不能与第一或第二单向开关6、7中的任一个同时闭合。此外，蓄电池4、5的短路可通过使用两个单刀双掷接触器一起避免，如将参考图4描述。
图4的蓄电池系统300包括正和负充电-放电端子2、3，第一和第二蓄电池4、5，第一和第二二极管301、302，以及第一和第二开关311,312。
充电-放电端子2、3和蓄电池4、5与图1到3的蓄电池系统1、100、200没有不同。
每个开关311、312包括单刀双掷接触器，其具有三个端子：第一端子A和第二端子B，其择一与第三公共端子C连接。
第一蓄电池4、第一二极管301和第一开关311跨充电-放电端子2、3串联连接。更具体地，第一开关311的第一端子A被连接到第一二极管301的阴极，且第一开关311的公共端子C被连接到第一蓄电池4的正端子42。因此，当第一开关311的第一端子A闭合时，提供从正充电-放电端子2到第一蓄电池4的正端子42的传导路径。第二蓄电池5、第二二极管302和第二开关312同样跨充电-放电端子2、3串联连接。更具体地，第二开关312的第一端子A被连接到第二二极管302的阳极，且第二开关312的公共端子C被连接到第二蓄电池5的负端子53。因此，当第二开关312的第一端子A闭合时，提供从第二蓄电池5的负端子53到负充电-放电端子3的传导路径。第一开关311的第二端子B于是被连接到第二开关312的第二端子B。
开关311,312可在第一配置和第二配置之间配置。在第一配置，每个开关311、312的第一端子A被闭合。结果，第一蓄电池4和第二蓄电池5跨充电-放电端子2、3并联连接。在第二配置，每个开关311、312的第二端子B被闭合。结果，第一蓄电池4和第二蓄电池5跨充电-放电端子2、3串联连接。
蓄电池系统300由此具有两个配置，其中蓄电池4、5被并联连接(第一配置)或串联连接(第二配置)。蓄电池4、5于是可并联充电(第一配置)或串联充电和放电(第二配置)。
尽管开关311、312意图采用两个配置中的仅一个，实际上存在开关311、312可采用的四种可能配置。图5详细介绍了四种配置。开关311、312可以互锁，使得闭合一个开关的第一或第二端子导致另一开关的相同端子被闭合。结果，开关311、312倍约束为仅采用第一配置或第二配置。然而，开关311、312中的一个或两者的故障将有可能导致一种情况，其中一个开关的第一端子A闭合且另一个开关的第二端子B闭合。无论如何，从图4和图5中可见，闭合一个开关的第一端子A且闭合另一个开关的第二端子B导致一种情况，其中一个蓄电池4、5跨充电-放电端子2、3连接，且另一个蓄电池4、5开路。因此，即使在开关311、312一个或两者故障的情况下，没有可能损坏蓄电池4、5的不安全状态。特别地，没有一种状态其中蓄电池4、5倍短路或一个蓄电池4、5放电到另一个。
很明显，图4的蓄电池系统300非常类似于图1的那个。实际上，与图1的蓄电池系统1从图上相对比，图4的蓄电池系统300可以被认为具有第一单向开关、第二单向开关、第一桥接开关和第二桥接开关。第一单向开关于是包括第一二极管301和第一开关311的第一和公共端子A、C，且第二单向开关包括第二二极管302和第二开关312的第一和公共端子A、C。第一桥接开关于是包括第一开关311的第二和公共端子B、C，且第二桥接开关包括第二开关312的第二和公共端子B、C。
相应地，上述每个蓄电池系统1、100、200、300可以被认为具有第一单向开关、第二单向开关和至少一个桥接开关。第一蓄电池4和第一单向开关于是跨充电-放电端子2、3串联连接，其中第一开关提供从正充电-放电端子2到第一蓄电池4的正端子42的传导路径。第二蓄电池5和第二单向开关于是同样跨充电-放电端子53、3串联连接，其中第二开关提供从第二蓄电池5的负端子53到负充电-放电端子3的传导路径。最终，蓄电池4、5和桥接开关跨充电-放电端子2、3串联连接，其中桥接开关定位在第一蓄电池4的正端子42和第二蓄电池5的负端子53之间。开关于是可在至少第一配置和第二配置之间配置。在第一配置，第一和第二单向开关被闭合，且桥接开关被断开，使得蓄电池4、5被跨充电-放电端子2、3并联连接。在第二配置，第一和第二单向开关被断开，且桥接开关被闭合，使得蓄电池4、5被跨充电-放电端子2、3串联连接。
类似于图1中的蓄电池系统1，不能在蓄电池4、5并联连接的情况下给图4的蓄电池系统300放电。然而，如图1的蓄电池系统1，并联放电可以通过包括图2的蓄电池系统100的第三和第四单向开关110、120和如果期望的话图3的桥接二极管201来实现。
在上述每个蓄电池系统1、100、200、300中，单向开关6、7、110、120每个包括串联连接的双向接触器61、71、111、121和二极管62、72、112、122。可设想，一个或多个单向开关6、7、110、120可包括与二极管串联连接的替代类型的双向开关。此外，一个或多个单向开关6、7、110、120可包括半导体开关，其仅沿一个方向导通，由此避免对二极管的需要。因此，更普遍意义地说，每个单向开关6、7、110、120可以被认为包括一个或多个电气部件，当闭合时其全体仅沿一个方向导通。
尽管每个开关6、7、110、120，包括桥接开关8，可包括半导体开关，使用接触器具有显著的益处。例如，接触器控制相对简单。接触器还相对容易互锁。例如，很多接触器可以具有辅助触点，用于监控电力触点的位置。一个接触器的辅助触点的输出于是可以被用于控制一个或多个其它接触器的电力触点的位置。此外，与半导体开关相比，接触器更加鲁棒且由此不容易失效。然而，接触器在不同状态之间切换相对较慢。半导体开关由此在需要较高切换频率时时有益的。例如，桥接开关8可包括半导体开关，其启动时产生脉冲以限制浪涌电流。
依照本发明的其它方面的蓄电池系统被示出在图6中。在并联和串联配置之间重配置蓄电池以允许在两个不同电压处充电而没有超过最大额定电压的原理还被用在图6的蓄电池系统中，但是以稍微不同的方式实施。
蓄电池系统400包括正和负充电-放电端子2、3，第一和第二蓄电池4、5，单向开关6，开关连接的二极管9，双向开关10和桥接开关8。
每个蓄电池4、5包括多个电池单元41、51，正端子42、52和负端子43、53。单向开关包括串联连接的双向接触器61和二极管62。开关连接的二极管9包括并联连接的双向接触器91和二极管92。双向开关10和桥接开关8每个包括双向接触器。
第一蓄电池4和单向开关6跨充电-放电端子2、3串联连接。单向开关6于是提供从正充电-放电端子2到第一蓄电池4的正端子42的传导路径。开关连接的二极管9和第二蓄电池5跨充电-放电端子2、3串联连接。开关连接的二极管9于是提供从正充电-放电端子2到第二蓄电池5的正端子52的传导路径。第二蓄电池5和双向开关10跨充电-放电端子2、3串联连接。双向开关10提供从第二蓄电池5的负端子53到负充电-放电端子3的传导路径。蓄电池4,5和桥接开关8跨充电-放电端子2、3串联连接。更具体地，桥接开关8定位在第一蓄电池4的正端子42和第二蓄电池5的负端子53之间。
开关6、8、9、10可在第一配置、第二配置和第三配置之间配置。
在第一配置，单向开关6和双向开关10闭合，且桥接开关8和开关连接的二极管9的双向开关91断开。结果，第一蓄电池4和第二蓄电池5跨充电-放电端子2、3并联连接。
在第二配置中，单向开关6，双向开关10和开关连接的二极管9的双向开关91断开，且桥接开关8闭合。结果，第一蓄电池4和第二蓄电池5跨充电-放电端子2、3串联连接。
在第三配置中，单向开关6和双向开关10断开，且开关连接的二极管9的双向开关91和桥接开关8闭合。结果，第一蓄电池4和第二蓄电池5跨充电-放电端子2、3串联连接。
蓄电池系统400由此具有三个配置，其中蓄电池4、5被并联连接(第一配置)或串联连接(第二和第三配置)。
第一和第二配置允许蓄电池系统400以两种不同电压被充电，而不会超过蓄电池4、5的最大额定电压。特别地，当第一电压被施加到充电-放电端子2、3时，开关6、8、9,10可以被设置到第一配置，使得蓄电池4、5被并联充电。当第二、较高电压被施加到充电-放电端子2、3时，开关6、8、9,10可以被设置到第二配置，使得蓄电池4、5被串联充电。结果，蓄电池系统400可以以两种不同电压被充电，而不会超过蓄电池4、5的最大额定电压。例如，每个蓄电池的最大额定电压可以是410V。蓄电池系统400于是可以以400V或800V充电。当充电电压是400V时，开关6、8、9,10被设置到第一配置且蓄电池4、5被并联连接。结果，跨每个电池4、5的电压是400V。当充电电压是800V时，开关6、8、9,10被设置到第二配置且蓄电池4、5被串联连接。结果，跨每个电池4、5的电压还是400V。因此，不管充电电压是400V还是800V，跨每个电池4、5的电压不超过最大额定电压。
可以想象两个蓄电池4、5可以处于稍微不同的电压。单向开关6的二极管62和开关连接的二极管9的二极管92防止当并联连接时(当开关6、8、9,10处于第一配置时)两个蓄电池4、5中的一个将放电到蓄电池4、5中的另一个。
蓄电池系统400通过跨充电-放电端子2、3串联连接蓄电池4、5(即设置开关6、8、9,10到第三配置)来放电。开关连接的二极管9的双向开关91用于在第三配置中旁路开关连接的二极管9的二极管92，由此当串联连接时允许蓄电池4、5的放电。尽管蓄电池系统400需要相对于图1的蓄电池系统1额外的开关状态，在400V和800V两者下充电可仍被实现，且当蓄电池并联连接且处于稍微不同电压时一个蓄电池到另一个蓄电池的放电可以被避免。
根据本发明的替代蓄电池系统600显示在图7中。蓄电池系统600与图1的蓄电池系统1大体相同，蓄电池系统600提供了相似的功能，但是不同之处在于，第一6和第二7单向开关包括晶闸管(thyristor)601、602，代替串联连接的双向接触器61、71和二极管62、72。蓄电池系统600以类似于蓄电池系统1的方式运作，在于当桥接开关8被断开时，晶闸管601、602可以起动，使得蓄电池4、5被跨充电/放电端子2、3并联连接。在这样的并联配置中，晶闸管601、602以与二极管相同的方式运作，以防止在一个蓄电池4、5处于与另一个蓄电池不同电压处的情况下，电流在蓄电池4、5之间流动。
晶闸管601、602可以在桥接开关8被闭合时关闭，使得蓄电池4、5被跨充电/放电端子2、3串联连接。在这样的串联连接配置中，晶闸管601、602不受机械振动影响，且因此当蓄电池系统600被用于被驱动的电动车辆时晶闸管601、602的意外闭合可被防止，且潜在的短路被避免。
尽管没有示出在图中，还可设想桥接开关8可以从接触器改变为受控半导体开关，例如晶闸管、MOSFET或IGBT。
图8是示出示例性电动车辆700的电气系统的主要部件的示意图。该电气系统包括蓄电池系统701，其可以为如上所述根据本发明的蓄电池系统。
在图8所示的情况下，电动车辆700为纯电动车辆，譬如蓄电池电动车辆(BEV)。在其它实施例中，电动车辆700可以是燃料-电池车辆(FCV)，或传统的内燃机混合动力车辆，在任何情况下使得的材料包括一个或多个电机，其在至少一些配置中为蓄电池驱动，以提供动力到车辆。
蓄电池系统701经由配置电路702连接到一个或多个用于电动车辆的高压总线。该配置电路702可以适于允许总线取决于当前车辆状态而被选择性地供电，且还可以在适当车辆状态下提供特定系统的隔离。此处所示总线为主总线710，用于驱动用于操作电动机712的牵引逆变器711，和较低功率总线720，用于驱动诸如HVAC压缩器721和加热器722这样的系统。主总线710可设计为在高至1000V的电压下操作(较高电压)且较低功率总线720在高至500V的电压下操作(较低电压)。辅助总线730被示出，其可根据蓄电池系统701的配置而操作在较高或较低HV，用于可在较高功率模式或较低功率模式下操作的系统。外部充电连接740也被示出，其可以在较高或较低HV处操作，这也可以通过适当配置的总线提供。该总线配置仅为示例性，其它电动车辆的电气系统构架可以被使用，其也可使用根据本发明的蓄电池系统。
在使用外部充电连接740的充电配置中，蓄电池系统701将通常从电动机712断开，且可以使用根据本发明的蓄电池系统的适当实施例在较低HV、较高HV或以在不同时间在较低和较高HV充电的充电策略下充电。在所示配置中，蓄电池系统701还可以适用于以较高HV或较低HV为至少一个总线供电，譬如辅助总线730。在其它具体电动车辆实施例中，蓄电池系统701可以仅在某些特定情况下被重新配置，例如仅用于充电。

Claims (9)

1.一种用于电动车辆的蓄电池系统，所述蓄电池系统包括正和负充电-放电端子，第一蓄电池和第二蓄电池，第一单向开关和第二单向开关，以及桥接开关，其中：
第一蓄电池和第一单向开关跨充电-放电端子串联连接，其中第一单向开关提供从正充电-放电端子到第一蓄电池的正端子的单向传导路径；
第二蓄电池和第二单向开关跨充电-放电端子串联连接，其中第二单向开关提供从第二蓄电池的负端子到负充电-放电端子的单向传导路径；
蓄电池和桥接开关跨充电-放电端子串联连接，其中桥接开关定位在第一蓄电池的正端子和第二蓄电池的负端子之间；以及
所述开关能够在第一配置和第二配置之间配置，其中在第一配置，第一单向开关和第二单向开关被闭合且桥接开关被断开使得蓄电池跨充电-放电端子并联连接以进行充电，且在第二配置，第一单向开关和第二单向开关被断开且桥接开关被闭合使得蓄电池跨充电-放电端子串联连接以进行充电和放电，
其中，当第一电压被施加到所述充电-放电端子时，所述开关被设置到所述第一配置，使得所述蓄电池跨所述充电-放电端子并联连接以进行充电，并且其中，当第二电压被施加到所述充电-放电端子时，所述开关被设置到所述第二配置，使得所述蓄电池跨所述充电-放电端子串联连接以进行充电，其中所述第二电压高于所述第一电压。
2.根据权利要求1所述的蓄电池系统，其中蓄电池系统包括第三单向开关和第四单向开关，且其中：
第一蓄电池和第三单向开关跨充电-放电端子串联连接，其中第三单向开关提供从第一蓄电池的正端子到正充电-放电端子的传导路径；
第二蓄电池和第四单向开关跨充电-放电端子串联连接，其中第四单向开关提供从负充电-放电端子到第二蓄电池的负端子的传导路径；
开关能够在第一配置、第二配置和第三配置之间配置；
当在第一配置，第一单向开关和第二单向开关闭合，且第三和第四单向开关和桥接开关断开；
当在第二配置，桥接开关闭合，且第一单向开关、第二单向开关、第三单向开关和第四单向开关被断开；以及
当在第三配置，第三和第四单向开关闭合，且第一单向开关和第二单向开关和桥接开关断开。
3.根据权利要求1或2所述的蓄电池系统，其中蓄电池系统还包括桥接二极管，蓄电池和桥接二极管跨充电-放电端子串联连接，桥接二极管与桥接开关并联连接，且桥接二极管提供了从第二蓄电池的负端子到第一蓄电池的正端子的传导路径。
4.根据权利要求1或2所述的蓄电池系统，其中至少一个单向开关包括串联连接的接触器和二极管，或晶闸管，或串联连接的晶闸管和接触器，或串联连接的晶闸管和二极管，或串联连接的晶闸管和接触器和二极管。
5.根据权利要求1或2所述的蓄电池系统，其中第一单向开关和第二单向开关包括串联连接的接触器和二极管，且桥接开关包括接触器，且第一或第二单向开关的接触器和桥接开关的接触器形成单刀双掷接触器。
6.根据权利要求1或2所述的蓄电池系统，其中：
蓄电池系统包括另一桥接开关；
蓄电池，所述桥接开关和所述另一桥接开关跨充电-放电端子串联连接，其中所述桥接开关和所述另一桥接开关定位在第一蓄电池的正端子和第二蓄电池的负端子之间；
第一单向开关和第二单向开关每个包括串联连接的接触器和二极管；
桥接开关和另一桥接开关每个包括接触器；
第一单向开关的接触器和所述桥接开关的接触器形成第一单刀双掷接触器；以及
第二单向开关的接触器和所述另一桥接开关的接触器形成第二单刀双掷接触器。
7.一种用于电动车辆的蓄电池系统，所述蓄电池系统包括正和负充电-放电端子，第一蓄电池和第二蓄电池，第一二极管和第二二极管，以及第一开关和第二开关，其中：
每个开关包括单刀双掷接触器，其具有第一端子、第二端子和公共端子；
第一蓄电池、第一二极管和第一开关跨充电-放电端子串联连接，第一开关的第一端子被连接到第一二极管的阴极，且第一开关的公共端子被连接到第一蓄电池的正端子；
第二蓄电池、第二二极管和第二开关跨充电-放电端子串联连接，第二开关的第一端子被连接到第二二极管的阳极，且第二开关的公共端子被连接到第二蓄电池的负端子；
第一开关的第二端子连接到第二开关的第二端子；以及
所述开关能够在第一配置和第二配置之间配置，其中在第一配置，每个开关的第一端子被闭合使得蓄电池跨充电-放电端子并联连接以进行充电，且在第二配置，每个开关的第二端子被闭合使得蓄电池跨充电-放电端子串联连接以进行充电和放电，
其中，当第一电压被施加到所述充电-放电端子时，所述开关被设置到所述第一配置，使得所述蓄电池跨所述充电-放电端子并联连接以进行充电，并且其中，当第二电压被施加到所述充电-放电端子时，所述开关被设置到所述第二配置，使得所述蓄电池跨所述充电-放电端子串联连接以进行充电，其中所述第二电压高于所述第一电压。
8.一种用于电动车辆的蓄电池系统，所述蓄电池系统包括正和负充电-放电端子，第一蓄电池和第二蓄电池，单向开关，开关连接的单向电路部件，选择性连接部件和桥接开关，其中：
第一蓄电池和单向开关跨充电-放电端子串联连接，其中单向开关提供从正充电-放电端子到第一蓄电池的正端子的单向传导路径；
第二蓄电池和开关连接的单向电路部件跨充电-放电端子串联连接，其中开关连接的单向电路部件提供从正充电-放电端子到第二蓄电池的正端子的传导路径；
第二蓄电池和选择性连接部件跨充电-放电端子串联连接，其中选择性连接部件提供从第二蓄电池的负端子到负充电-放电端子的传导路径；
蓄电池和桥接开关跨充电-放电端子串联连接，其中桥接开关定位在第一蓄电池的正端子和第二蓄电池的负端子之间；
所述开关能够在第一配置和第二配置之间配置，其中在第一配置，单向开关和选择性连接部件被闭合且桥接开关和开关连接的单向电路部件的开关被断开，使得蓄电池跨充电-放电端子并联连接，用于以第一电压进行充电，且在第二配置，单向开关、选择性连接部件和开关连接的单向电路部件的开关被断开且桥接开关被闭合，使得蓄电池跨充电-放电端子串联连接，用于以高于第一电压的第二电压进行充电。
9.根据权利要求8所述的蓄电池系统，其中所述开关具有第三配置，其中单向开关和选择性连接部件被断开，且开关连接的单向电路部件的开关和桥接开关被闭合，使得蓄电池跨充电-放电端子串联连接。
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