CN110281814B - 用于车辆的高压电气系统和控制该系统的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆的高压电气系统(1)，该系统包括：高压电池单元(2)，其具有第一高压电池(3)和第二高压电池(4)，第一高压电池(3)与第二高压电池(4)串联连接，使得电池单元(2)的标称工作电压是第一高压电池(3)的电压与第二高压电池(4)的电压的总和；与第一高压电池并且与第二高压电池并联连接的双向高压DC/DC转换器(5)，DC/DC转换器(5)被设置成从高压入口(8)或从连接到电机(7)的推进转换器(6)接收充电电压；其中，DC/DC转换器被构造为控制第一和第二高压电池的充电，以平衡第一和第二高压电池的充电状态。

Description

用于车辆的高压电气系统和控制该系统的方法
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的高压电气系统。此外，本发明涉及使该电气系统的第一高压电池和第二高压电池平衡。
背景技术
电动车辆通常涉及具有存储能量的电池或电池单元的车辆，其中电池被设计为提供电力，以用于推进和加速车辆并且用于给车辆中使用的电气系统提供电力。当电动车辆被驱动时，存储的能量被消耗，然后电池需要充电以便通过与外部电源的连接来补充存储的能量的水平。
具有较长行驶里程和较大电池的高性能电动车辆通常使用专用的快速充电器给车辆电池充电。这种专用充电站设置有通过特定充电连接器连接到车辆的DC电源，并且充电器放置在充电站中。
高性能车辆需要更长的行驶里程并且需要更高的功率输出。大多数高性能车辆使用大约400伏的高压系统，以用于车辆的推进并且还可能用于车辆的一些高功率部件，诸如气候控制压缩机或加热系统。车辆的大多数电子器件由12伏和/或48伏的低电压供电。这种车辆设置有12伏电池或48伏电池或者400到48伏DC/DC转换器。
当对于高性能车辆而言需求增加时，400伏系统可能不是最佳的。电气系统的更高的电压电平将减少功率损耗和电缆重量，但需要新部件以用于更高的电压电平。此外，还必须能够从现有充电站给这种车辆充电，而无需额外的功率转换器。在一个示例中，车辆可以设置有使用800伏的电气系统，但是充电站可以供应400或500伏的充电电流。在这种情况下，需要额外的功率转换器。高功率充电器的常见示例是CHAdeMO、SAE组合充电系统和Tesla超级充电器。它们大多限于400-500伏的电压。虽然存在具有更高额定电压的充电站，但它们并不常见。
因此，存在改善车辆的电池电气系统的空间。
发明内容
总体上，公开的主题涉及用于车辆的高压电气系统。该系统包括高压电池单元，该高压电池单元具有第一高压电池和第二高压电池，第一高压电池与第二高压电池串联连接，使得电池单元的标称工作电压是第一高压电池的电压与第二高压电池的电压的总和。因此，高压电气系统能够在两种单独的电压下运行，诸如400V和800V。该系统还包括与第一高压电池并且与第二高压电池并联连接的双向高压DC/DC转换器。
通过从外部充电站或者从连接到电机的推进转换器中的任一个给DC/DC转换器提供充电电压，DC/DC转换器可以给第一和第二高压电池充电以平衡第一和第二高压电池的充电状态。
公开的系统尤其有利于，可以针对不同的充电电压并且针对不同的源(即，来自外部充电器和来自推进转换器二者)以方便的方式并且使用很少的部件来实现充电和电池平衡。
当研究随附权利要求和以下描述时，本发明的特征和优点将变得明显。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以得到除了下面描述的实施方式之外其它的实施方式。
附图说明
现在将参考示出本发明的示例性实施方式的附图更详细地描述本发明的这些和其它方面，其中：
图1示意性地示出了根据本发明实施方式的电气系统；以及
图2示意性地示出了包括根据本发明实施方式的电气系统的车辆。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的当前优选实施方式。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文中阐述的实施方式；相反，这些实施方式被提供用于完全性和完整性，并且向技术人员充分传达了本发明的范围。相同的附图标记贯穿全文表示相同的元件。
图1示意性地例示说明了根据本发明的示例性实施方式的用于车辆30的高压电气系统1。高压电气系统1包括高压电池单元2，高压电池单元2具有第一高压电池3和第二高压电池4，第一高压电池3与第二高压电池4串联连接，使得电池单元2的标称工作电压是第一高压电池3的电压与第二高压电池4的电压的总和。该系统还包括连接到第一高压电池3和第二高压电池4二者的双向高压DC/DC转换器5。
DC/DC转换器5被设置成从高压入口8或从连接到电机7的推进转换器6接收充电电压。另外，DC/DC转换器5被构造为控制第一高压电池3和第二高压电池4的充电以平衡第一高压电池3和第二高压电池4的充电状态。电机7通过推进转换器6连接到电气系统1，推进转换器6适用于将高压电池单元的电压转换为适合电机的电压。在所示的示例中，使用三相电机。因此，当车辆正在行驶时，推进转换器6将高压电池单元的DC电压转换为三相AC电压。此外，推进转换器将从电机供应的三相AC电压转换为DC电压，以用于在回收能量时(例如当车辆减速时)给高压电池单元充电。
将参考其中第一高压电池3和第二高压电池4具有相同的标称电压并且优选地具有相同的标称容量的系统来描述本发明的各种实施方式。在一个示例中，第一高压电池3具有400V的标称电压。该电压可能会有所不同，但具有适合从输出高达500V的常规高压DC充电器充电的常规高压电平。这同样适用于第二高压电池4。在本说明书中，400V的标称电压将用于第一高压电池3和第二高压电池4。因此，高压电池单元2的标称工作电压将是800V。由此，推进转换器6被设置成接收800V DC，该800V DC被转换成0V到800V AC之间的可控AC电压，以用于给电机7供电。
可以自由选择第一高压电池3和第二高压电池4的电压，但如果第一高压电池对应于适于从输出高达500伏的常规高压DC充电器充电的常规高压电平，则是有利的。尤其是，使用400V电池允许使用现有的400V部件。
也可以使第一高压电池的电压是400V，并且使第二高压电池的电压例如是600V。在这种情况下，高压电池单元2的电压是1000V。设置400V的第一高压电池3的优点在于，无论第二高压电池4的电压如何，都可以使用现有的高压部件并从第一高压电池3给其供电。通过在系统中使用现有的400V部件，在维持质量和可靠性的情况下，系统的总体成本将降低。
如图1中例示说明的，第一高压电池3和第二高压电池4在高压电池单元2中串联连接。由此，高压电池单元2将能够提供三种电压电平或总线电压电平。第一种电压电平是接地总线12的零电压电平，其是具有0V电压的低电压参考。第二种电压电平是400V总线13的高电压电平，400V总线是第一高压电池3和第二高压电池4在此彼此连接的高压电池单元的中间连接线。第三种电压电平是800V总线14的高电压电平，其是高压电池单元2的标称电压。
双向高压DC/DC转换器5与第一高压电池3和第二高压电池4二者并联连接，并且还与高压电池单元2并联连接。双向高压DC/DC转换器5的接地端子20连接到接地总线12。第一输入/输出(I/O)端子21连接到400V总线13，第二I/O端子22连接到800V总线14。在本示例中，双向高压DC/DC转换器适用于将400伏DC电压转换至800伏，或将800伏DC电压转换至400伏。由此，DC/DC转换器5被设置成在接地端子20和第一输入/输出端子21之间与第一高压电池3并联，在第一输入/输出端子21和二输入/输出端子22之间与第二高压电池4并联，并且在接地端子20和第二输入/输出端子22之间与高压电池单元2并联。
因此，通过所描述的DC/DC转换器的布置结构和构型，DC/DC转换器能够将能量分配给第一高压电池3和第二高压电池4。例如，可以在第一高压电池3和第二高压电池4上提供400V，并且在高压电池单元上提供800V。
系统1还包括测量电路(未示出)，其被构造为监测和控制高压电池单元2的状态。具体地，监测第一高压电池3和第二高压电池4的充电状态(SOC)。当高压电池单元2正在由外部充电器充电以及当车辆正在行驶时，针对第一高压电池3和第二高压电池4监测SOC。SOC值被用于控制DC/DC转换器以平衡流向第一高压电池3和流向第二高压电池4的充电电流，从而达到SOC的平衡，对于两个相同类型的电池而言，这意味着两个电池中的SOC相同。
电气系统还包括设置在车辆的高压DC入口8处的高压DC开关9，其中高压入口8被构造为连接到外部充电站以接收DC电压。电气开关9被设置在高压入口8与第一高压电池3和第二高压电池4之间，并且被构造为将高压入口8连接到第一高压电池3的输入端子23并且连接到DC/DC转换器的第一I/O端子21，或者将高压入口8连接到高压电池单元2的输入端子24并且连接到DC/DC转换器5的第二I/O端子22。
因此，开关9适用于基于充电站的电压，将高压入口8连接到800V总线14，即高压电池单元2的输入端子24，或连接到400V总线13，即第一高压电池3的输入端子23。更具体地，该开关被构造为将高压入口8连接到第一高压电池3的输入端子23并且连接到DC/DC转换器的第一I/O端子21，以用于对应于第一高压电池3的标称工作电压的充电电压，并将高压入口8连接到高压电池单元2的输入端子24并且连接到DC/DC转换器5的第二I/O端子22，以用于对应于高压电池单元2的标称工作电压的充电电压。
优选地，开关9将在两个总线13、14之间自动切换。在该示例中，开关9由车辆的电子控制单元(ECU)18控制，ECU 18控制并监测高压电池单元的充电。当充电连接器连接到车辆的高压入口8时，ECU 18通过与充电站通信来与充电站交换数据。原则上，如果针对800伏总线和400伏总线使用单独的充电连接器，则可以省略该开关。
ECU还可以被构造为控制电气系统1的整体功能。然而，也可以使用多个ECU来控制系统的不同部分和/或功能。控制单元可包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一个可编程设备。控制单元还可以或替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑设备或数字信号处理器。在控制单元包括可编程设备(诸如上述微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器)的情况中，处理器还可包括控制可编程设备的运行的计算机可执行代码。
如图1中进一步例示说明的，电气系统适用于供应附加的负载，其在本文中示为与第一高压电池3并联连接。第一负载15可包括不同的高压部件，诸如气候控制压缩机或、加热器元件等，其可以在400V下运行。第一负载15还可包括一个或多个附加的DC/DC转换器，其适用于将高压转换为较低的电压。所示电气系统包括可选的400/48伏DC/DC转换器16，其用于给48伏部件供电，48伏部件可以是来自包括内燃机的常规车辆或来自插电式混合动力车辆的现有或潜在的携带(carry-over)部件，例如动力转向泵或大灯驱动器；以及400/12伏DC/DC转换器17，其用于给常规的12伏部件供电并且给连接到车辆的常规低压电气系统的12伏电池19充电。
根据一个示例性实施方式，DC/DC转换器被构造成，当接收到低于电池单元2的标称工作电压的充电电压时以升压模式运行，以使用与高压电池单元2的标称电压相对应的电压给高压电池单元2充电。
在第一充电示例中，高压入口8连接到输送400伏DC的充电站。在这种情况下，开关将高压入口8连接到400伏总线13。现在以400伏给第一高压电池3充电，并且双向高压DC/DC转换器5设定为升压模式，在这种模式中双向高压DC/DC转换器5将400V电平转换成800V电平。因此，双向高压DC/DC转换器将800V馈送到800V总线14，从而给第二高压电池4充电。双向高压DC/DC转换器5的输出电压可以在某种程度上变化，以便控制第一高压电池3和第二高压电池4之间的平衡，这是因为第一负载15、第二负载16或第三负载17中的一些可能是激活的(active)并且需要电流。以这种方式，整个高压电池单元2被充电。第一高压电池3直接从外部充电器站充电，第二高压电池4通过双向高压DC/DC转换器5充电。
即使推进转换器6优选地给DC/DC转换器提供等于高压电池单元2的标称电压的电压，例如800V，但如果DC/DC转换器5从推进转换器6接收低于电池单元2的标称工作电压的充电电压，上述情况也适用。
根据一个示例性实施方式，DC/DC转换器5还被构造为，当接收到高于第一高压电池3的标称工作电压的充电电压时以降压模式运行，以向第一高压电池3提供与第一高压电池3的标称工作电压相对应的电压。
举例来说，高压DC入口8可以连接到输送800V的充电站。在这种情况下，开关9将高压入口8连接到800V总线14。现在使用800V给整个高压电池单元2充电，即使用相同的电流给第一高压电池和第二高压电池充电。如果负载15、16、17中的一些在充电过程中是激活的，则在这种情况下，第一高压电池3将向负载供应电流，这意味着在第一高压电池3和第二高压电池4的充电中将存在不平衡。为了补偿这种不平衡，通过以降压模式运行的双向高压DC/DC转换器5给第一高压电池3补充充电，从而向400V总线供应额外的电流。以这种方式，能够使第一高压电池3和第二高压电池4的SOC平衡。在这种情况下，双向高压DC/DC转换器5的输出电压设定为充电站的电压的一半。
当电机7例如通过制动回收能量时，在车辆的运行期间也适用同上所述。现在通过推进转换器6向800V总线14供应高压，例如800V，并且使用双向高压DC/DC转换器5给高压电池单元2充电。双向高压DC/DC转换器5也可用于平衡流向第一高压电池3和第二高压电池4的电流。
允许第一高压电池3和第二高压电池4的SOC中是暂时不平衡也是可能的，即，如果只是暂时的，则允许第一高压电池3和第二高压电池4的SOC不同。这可以例如是车辆正在加速或高速行驶的情况。在这种情况下，电机7将需要来自高压电池单元2的高电流。如果高压部件15、16、17中的一些同时也需要高电流，例如如果气候控制装置正在努力工作，则可以允许第一高压电池3的SOC比第二高压电池4的SOC下降更多，直到运行条件恢复正常并具有更平衡的电流需求。如果第一高压电池3的SOC下降到预定值以下，则可以通过双向高压DC/DC转换器给第一高压电池3充电。
所示电气系统还包括集成在车辆中并且适用于通过AC入口10给第一高压电池3充电的AC充电器11。AC充电器11的出口连接到400伏总线，因此当外部AC电源连接到车辆的AC入口10时，AC充电器11将给第一高压电池3充电。在这种情况下，双向高压DC/DC转换器5将设定为升压模式并给第二高压电池4充电。由于内置AC充电器通常提供相对有限的充电电流，所以充电电流基本上分摊在第一高压电池3和给第二高压电池4充电的双向高压DC/DC转换器5之间。
图2示出了包括根据本发明实施方式的电气系统1的示意性车辆30。电气系统1可以定位在车辆的任何位置处，但是有利地设置在高压电池单元2和/或电机7附近。电机7可以设置在车辆的前部或后部，在其中一个轮轴处。电机也可以分成两个或更多个电机，其中可以在每个轮轴处或每个轮处设置一个电机。
所描述的发明的实施方式还涉及控制电气系统的方法。该控制方法优选地由车辆的一个或多个ECU执行。
一个示例性方法包括控制与第一高压电池3并且与第二高压电池4并联连接的双向高压DC/DC转换器5，以平衡从高压入口8或从连接到电机7的推进转换器6接收充电电压的第一高压电池3和第二高压电池4的充电状态。
另一个示例性方法包括，针对接收到的充电电压低于电池单元2的标称工作电压，以升压模式运行双向高压DC/DC转换器5，以便使用与高压电池单元2的标称电压相对应的电压给高压电池单元2充电。
一个示例性方法包括，当从推进转换器6接收到高于第一高压电池3的标称工作电压的充电电压时，以降压模式运行双向高压DC/DC转换器5，以便给第一高压电池3提供与第一高压电池3的标称工作电压相对应的电压。
一个示例性方法包括，当从推进转换器6接收充电电压时，运行双向高压DC/DC转换器5以控制流向第一高压电池3和第二高压电池4的电流，以基于第一高压电池3和第二高压电池4的工作电压来平衡第一高压电池3和第二高压电池4的充电状态。
一个示例性方法包括，基于连接到第一高压电池3和第二高压电池4中的任一个的负载来运行双向高压DC/DC转换器5。
一个示例性方法包括，控制设置在高压入口8与第一高压电池3和第二高压电池4之间的电开关9，以将高压入口8连接到第一高压电池3的输入端子23并连接到双向高压DC/DC转换器5的第一I/O端子21，或者将高压入口8连接到高压电池单元2的输入端子24并连接到双向高压DC/DC转换器5的第二I/O端子22。
一个示例性方法包括，控制开关9以将高压入口8连接到第一高压电池3的输入端子23并连接到双向高压DC/DC转换器5的第一I/O端子21，以用于对应于第一高压电池3的标称工作电压的充电电压。
一个示例性方法包括，控制开关9以将高压入口8连接到高压电池单元2的输入端子24并连接到双向高压DC/DC转换器的第二I/O端子22，以用于对应于高压电池单元2的标称工作电压的充电电压。
尽管已经参考本发明的具体示例性实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，许多不同的改变、修改等将变得明显。而且，应该注意，可以通过各种方式省略、互换或设置系统的若干个部分，系统仍然能够执行本发明的功能。
另外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施方式的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中陈述某些措施的这一单纯事实并不表示这些措施的组合不能用于有利方面。

Claims (15)

1.一种用于车辆的高压电气系统(1)，所述系统包括：
高压电池单元(2)，所述高压电池单元具有第一高压电池(3)和第二高压电池(4)，所述第一高压电池(3)与所述第二高压电池(4)串联连接，使得所述电池单元(2)的标称工作电压是所述第一高压电池(3)的电压与所述第二高压电池(4)的电压的总和；
与所述第一高压电池并且与所述第二高压电池并联连接的双向高压DC/DC转换器(5)，所述DC/DC转换器(5)被设置成从高压入口(8)或从连接到电机(7)的推进转换器(6)接收充电电压；
其中，所述DC/DC转换器被构造为当从所述高压入口或从所述推进转换器接收充电电压时，控制所述第一高压电池和所述第二高压电池的充电，以平衡所述第一高压电池和所述第二高压电池的充电状态。
2.根据权利要求1所述的高压电气系统，其特征在于，所述DC/DC转换器还被构造为，当接收到低于所述电池单元(2)的标称工作电压的充电电压时以升压模式运行，以使用与所述高压电池单元的标称电压相对应的电压给所述高压电池单元充电。
3.根据权利要求1或2所述的高压电气系统，其特征在于，所述DC/DC转换器还被构造为，当接收到高于所述第一高压电池的标称工作电压的充电电压时以降压模式运行，以向所述第一高压电池提供与所述第一高压电池的标称工作电压相对应的电压。
4.根据权利要求1所述的高压电气系统，其特征在于，所述DC/DC转换器还被构造为，当从所述推进转换器接收充电电压时，控制流向所述第一高压电池和所述第二高压电池的电流，以基于所述第一高压电池和所述第二高压电池的工作电压来平衡所述第一高压电池和所述第二高压电池的充电状态。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括电开关(9)，所述电开关设置在所述高压入口(8)与所述第一高压电池和所述第二高压电池之间，并且被构造为将所述高压入口连接到所述第一高压电池的输入端子(23)并连接到所述DC/DC转换器的第一I/O端子(21)，或者将所述高压入口连接到所述电池单元(2)的输入端子(24)并连接到所述DC/DC转换器的第二I/O端子(22)。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述开关被构造为，针对与所述第一高压电池的标称工作电压相对应的充电电压，将所述高压入口连接到所述第一高压电池(3)的输入端子并连接到所述DC/DC转换器的所述第一I/O端子(21)。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述开关被构造为，针对与所述高压电池单元的标称工作电压相对应的充电电压，将所述高压入口连接到所述高压电池单元(2)的输入端子并连接到所述DC/DC转换器的所述第二I/O端子(22)。
8.一种用于平衡车辆的高压电气系统(1)中的高压电池单元(2)的充电状态的方法，所述高压电池单元具有第一高压电池(3)和第二高压电池(4)，所述第一高压电池(3)与所述第二高压电池(4)串联连接，使得所述电池单元(2)的标称工作电压是所述第一高压电池(3)的电压与所述第二高压电池(4)的电压的总和，所述方法包括：
针对来自高压入口(8)或者来自连接到电机(7)的推进转换器(6)的接收到的充电电压，控制与所述第一高压电池并且与所述第二高压电池并联连接的双向高压DC/DC转换器(5)，以平衡所述第一高压电池和所述第二高压电池的充电状态。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：针对低于所述电池单元(2)的标称工作电压的接收到的充电电压，以升压模式运行所述双向高压DC/DC转换器，以使用与所述高压电池单元的标称电压相对应的电压给所述高压电池单元充电。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：当从所述推进转换器接收到高于所述第一高压电池的标称工作电压的充电电压时，以降压模式运行所述双向高压DC/DC转换器，以向所述第一高压电池提供与所述第一高压电池的标称工作电压相对应的电压。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：当从所述推进转换器接收充电电压时，运行所述双向高压DC/DC转换器以控制流向所述第一高压电池和所述第二高压电池的电流，以基于所述第一高压电池和所述第二高压电池的工作电压来平衡所述第一高压电池和所述第二高压电池的充电状态。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于连接到所述第一高压电池(3)和所述第二高压电池(4)中的任一个的负载来运行所述双向高压DC/DC转换器(5)。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括控制设置在所述高压入口(8)与所述第一高压电池和所述第二高压电池之间的电开关(9)，以将所述高压入口连接到所述第一高压电池(3)的输入端子(23)并连接到所述双向高压DC/DC转换器的第一I/O端子(21)，或者将所述高压入口连接到所述高压电池单元(2)的输入端子(24)并连接到所述双向高压DC/DC转换器的第二I/O端子(22)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，针对与所述第一高压电池的标称工作电压相对应的充电电压，控制所述开关以将所述高压入口连接到所述第一高压电池(3)的输入端子并连接到所述双向高压DC/DC转换器的所述第一I/O端子(21)。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，针对与所述高压电池单元的标称工作电压相对应的充电电压，控制所述开关以将所述高压入口连接到所述高压电池单元(2)的输入端子并连接到所述双向高压DC/DC转换器的所述第二I/O端子(22)。
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