CN110816300A - 具有双电池模块的车辆和电气系统 - Google Patents

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Abstract

一种电气系统包括电缆、DC充电连接器、第一和第二电池模块、接合装置和控制器。每个电池模块具有接收相应的一个电缆的第一、第二、第三和第四电连接器。电池模块经由电缆彼此连接，并且进一步具有将电池单元串连接到一个或多个连接器的第一、第二、第三和第四开关。充电连接器连接到第一电连接器之间的电缆中的一个。接合装置将充电连接器连接到第一电池模块的第一连接器和一对电缆。可以在电池模块之间分配充电电流。控制器选择性地为每个电池模块建立并联充电、并联驱动以及单独驱动和充电模式。系统可以具有单独驱动模式。

Description

具有双电池模块的车辆和电气系统
引言
电动动力系包括一个或多个多相/交流(AC)电机。每个电机的各个相绕组使用功率逆变器模块和高压、多单元直流(DC)电池组供电。位于功率逆变器模块内的半导体开关的开关状态控制最终产生适合于激励相绕组的AC输出电压。通电的相绕组最终引起产生扭矩的机器旋转和相关的电动机扭矩。
高压电池组形成了现代电动或混合动力电动车辆以及其他移动或固定高压电气系统中的可再充电能量存储系统(RESS)的核心部分。可以使用由车外电源提供的充电功率在某些系统配置中选择性地对电池组进行再充电。当车外电源产生具有AC波形的充电电压时，位于车辆或其他被充电的系统上的AC-DC转换器将AC波形转换为适合于对电池组的各个电池单元充电的DC波形。DC快速充电系统可以用作AC充电站的替代物，作为相对高功率/高速充电选项。
发明内容
本公开涉及用于电动或混合动力电动车辆的电路拓扑结构，其中相同配置的高压电池模块一起用在电池组中以提供双RESS方法。在各种实施例中，电池模块并联放电或充电，所公开的拓扑结构的特征在于不存在串联充电模式。换句话说，本公开不是以相同的充电电流对两个电池模块或双RESS充电，而是考虑分配充电方法，其中两个电池模块用相同的充电电压(例如400伏)充电。还启用了全轮驱动(AWD)配置，前驱动单元和后驱动单元分别连接到相关联的电池模块并且主要由它们供电。
所公开的实施例使得能够使用车外DC快速充电器对电池模块进行并联充电。一个实施例使流过电池组的部件的快速充电电流最小化，并且适合于高电流DC快速充电。另一个AWD实施例使得能够在放电期间独立操作前推进系统和后推进系统。
所公开的拓扑经由每个RESS内的接触器的开关状态控制在推进/驱动和充电模式期间实现完全操作模式的灵活性。本方法使得驱动操作能够由单个RESS供电，并且还提供经由并联充电/放电或独立RESS操作来平衡或均衡电池模块的电荷状态(SOC)的多种方法。有利地，单个RESS配置可以用作构建块，并且具有足够的灵活性以通过简单的外部电缆连接实现各种操作模式。因此，在DC快速充电操作期间输送高电流(例如，500A或更高)是可能的，而不一定需要重新设计RESS以包括高电流硬件。
在一个可能的实施例中，与车外DC充电站一起使用的电气系统包括多个电缆、配置为连接到车外DC快速充电站的DC充电连接器，以及第一和第二电池模块。每个电池模块具有三个或更多个电连接器，它们配置为接收相应的一个电缆。第一和第二电池模块经由第一和第二电池模块的第二电连接器之间的电缆彼此电互连，并且进一步具有选择性地将电池单元串选择性连接到一个或多个电连接器的第一、第二、第三和第四开关。DC充电连接器电连接到第一和第二电池模块的第一电连接器之间的电缆中的一个。
作为所公开实施例的一部分，接合装置将来自快速充电站的充电电流在电池模块之间分配。接合装置可以是三个电缆之间的接合点，或者集成到DC充电连接器中，使得两个电缆或连接器(每个电池模块一个)连接到接合装置。控制器与每个电池模块的开关通信。控制器配置为接收指示电池组的所请求的操作模式的输入信号。响应于输入信号，控制器经由一组开关控制信号命令两个电池模块的开关的断开/闭合状态，从而选择性地建立包括以下的操作模式：并联充电模式、并联驱动模式，以及第一和第二电池模块中的每一个的单独的驱动和充电模式。
电池模块可具有至少400-500伏的相应电压容量。
当处于闭合状态时，两个电池模块的第一和第二开关将第一和第二电池模块中的相应一个的电池单元串分别连接到第一和第二电池模块的第二和第三电连接器。当处于闭合状态时，第一和第二电池模块的第三和第四开关分别将第一和第二电池模块中的相应一个的电池单元串分别连接到第一和第二电池模块的第一电连接器。
电气系统可包括第一和第二高压辅助模块，它们分别直接连接到第一和第二电池模块的第三电连接器。在并联充电模式中，相应的第一和第二电池模块的第一和第二开关在闭合状态下将第一和第二电池模块连接到相应的高压辅助模块。
电气系统可包括分别直接连接到第一和第二电池模块的第三电连接器的第一和第二牵引功率逆变器模块(TPIM)，以及分别连接到第一和第二TPIM的第一和第二电机。因此可以独立操作前和后TPIM。
电气系统可以用在机动车辆上，其具有分别连接到前和后驱动轴的前和后驱动轮。在这样的实施例中的控制器配置为单独地或并联地对第一和第二电池模块放电，来为车辆提供全轮驱动推进能力。
第一和第二电池模块具有相应的第一表面和第二表面，相应的第一和第二电池模块的电连接器连接到第一表面，第二表面与第一表面相对定位并且特征在于没有电连接器，并且其中第一和第二电池模块布置在电池组中，使得第二表面彼此紧邻定位。
控制器可以配置为检测故障模式，其中故障存在于第一或第二电池模块中，并且使用未经历故障的第一或第二电池模块进入默认驱动或充电模式。
在一些实施例中，第一和第二电池模块的第一、第二、第三和第四开关中的至少一个开关可以是机电接触器。
还公开了一种电气系统，其具有电池组、DC充电连接器和控制器。电气系统包括经由电缆彼此电互连的第一和第二电池模块，第一和第二电池模块具有相应的电池单元串、第一、第二和第三电连接器，以及第一、第二、第三和第四开关，它们选择性地将相应的电池单元串连接到第一、第二和第三电连接器中的一个或多个。第一电池模块的第一电连接器经由其中一根电缆连接第二电池模块的第二电连接器，并且第二电池模块的第一电连接器经由另一根电缆连接第一电池模块的第二电连接器。DC充电连接器电连接到第一和第二电池模块的第一电连接器之间的电缆之一，并且DC充电连接器配置为将电池组电连接到车外DC快速充电站。
该实施例中的控制器与第一和第二电池模块中的每一个的第一、第二、第三和第四开关通信，并且配置为接收指示电池组的所请求的操作模式的输入信号。响应于输入信号，控制器经由一组开关控制信号选择每个开关的断开/闭合状态，从而选择性地建立：并联充电模式、并联驱动模式、对于第一和第二电池模块中的每个的驱动和充电模式，以及单独驱动模式，其中第一和第二电池模块可操作用于在相应的第二或第一电池模块发生故障的情况下独立地为相应的第二和第三电连接器供电。
还公开了一种机动车辆
其具有可绕各自的前和后驱动轴旋转的前和后驱动轮、前和后TPIM、前和后电机(分别连接到并由前和后TPIM驱动)，以及模块化电池组。电池组包括电池组外部的电缆，以及经由电缆彼此电互连的第一和第二电池模块，其中每个模块具有相应的电池单元串、第一、第二和第三电连接器，以及第一、第二、第三和第四开关。开关选择性地将相应的电池单元串连接到第一、第二和第三电连接器中的一个或多个，其中前和后TPIM分别直接连接到第一和第二电池模块的第三电连接器。
附图说明
图1是经历DC快速充电操作的示例性机动车辆的示意图，其中车辆具有由一对较低电流可再充电能量存储系统(RESS)和相关电池模块构成的高压电池组，并且具有开关控制电路，如本文所述。
图2是双RESS电气系统和可用作图1中所示的示例性车辆的一部分的控制器的示意电路图，根据分配充电实施例其中向两个RESS施加相同的电压。
图3是用于控制图2中所示的电气系统的可能的操作模式和相应的开关状态的表格。
图4是双RESS电气系统和控制器的示意电路图，根据替代实施例其中图1中示出的车辆的前和后驱动轴经由相应的RESS单独供电。
图5是用于控制图4中所示的电气系统的可能的操作模式和相应的开关状态的表格。
本公开易于进行修改和用替代形式替代，其中代表性实施例在附图中以示例的方式示出并在下面详细描述。本公开的发明方面不限于所公开的特定形式。相反地，本公开旨在覆盖落入由所附权利要求书限定的本公开的范围内的修改、等同物、组合和替代。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记表示若干附图中的相同或相似的部件，在图1中示意性地示出了模块化、多单元、双可再充电能量存储系统(RESS)高压电池组10。电池组10可以用作具有车身200的示例性机动车辆20的动力系的一部分。车辆20示出为经历直流(DC)快速充电操作，其中电池组10经由车辆充电端口200C电连接到车外DC快速充电站30。
车辆充电端口200C使用一定长度的高压充电电缆30C在内部连接到DC充电连接器40(参见图2和图4)。尽管未在图1中示出，高压充电电缆30C与充电端口200C的端部连接可以是SAE J1772或CHAdeMO充电连接器，或其他合适的区域或国家标准的充电插头或连接器。本教导独立于最终在涉及DC快速充电站30的DC快速充电操作中采用的特定充电标准，并因此上述示例仅仅是说明性的。
电池组10(其内部结构和其开关控制在下面参考图2-图5进行详细描述)可以用作机动车辆20的高压电气系统的一部分，或者作为其他电气系统的一部分，诸如固定或移动动力装置、机器人或平台。对于车辆类应用，诸如飞机、船舶和铁路车辆的非机动车辆可享有类似的益处。同样地，电池组10可以用作移动系统(诸如示例性车辆20)的动力系的一部分，或者用于其中DC快速充电站30是移动的配置和其中保持静止地使用电池组10的系统中。为了说明的一致性，下面将描述在机动车辆上下文中用作车辆20的电气系统的组成部分的电池组10的示例应用，而不是将本公开限制于这样的实施例，并且因此除非另有说明，否则车辆20和其电气系统可互换使用。
图1的车辆20分别包括：前驱动轮14F和后驱动轮14R。在车辆20的全轮驱动(AWD)配置中，驱动轮14F和14R分别围绕单独的前驱动轴11F和后驱动轴11R旋转。如下面参考图2和图4所述，在这种AWD实施例中，驱动轴11F和11R对应于单独的驱动轴(未示出)的旋转轴，并且可以由经由相应的牵引功率逆变器模块25和125供能来作为牵引电动机的电机60(MA)和160(MB)单独提供动力。特别地，图4的实施例进一步允许前和后推进系统(即功率逆变器模块25和125以及相关的电机60和160)的独立操作。
图1中所示的车身200可以限定或包括在用户可到达的外部位置处的充电端口200C。车辆20可以不同地实现为具有电池组10的插电式电动车辆，例如可以经由来自车外DC快速充电站30的DC快速充电电压V1选择性地再充电的多单元锂离子、锌-空气、镍-金属氢化物或铅酸电池组10。当车辆20运行时，通过控制器50(参见图2)执行电池组10的开关控制，以最终产生并将电动机扭矩传递到驱动轮14F和/或14R，并从而推进车辆20，或执行其他有用的工作。因此，电池组10和控制器50一起形成模块化电池组系统。
参考图2，图1中示意性地示出的电池组10可以包括两个电池模块12A和12B，它们可以用作相应的第一和第二可再充电能量存储系统RESS#1和RESS#2的核心部分。在所描绘的示例性实施例中，电池模块12A和12B基本相同，即具有相同的内部部件和相等的电压容量，例如400-500伏，但是可以设想其他电压等级。电池模块12A和12B可以可选地如图2中所示背对背地连接在一起，并然后分别使用如图3和图5所示的逻辑表35和135中所示的开关控制逻辑由控制器50控制，以从相应的前牵引功率逆变器模块(F-TPIM)25或后牵引功率逆变器模块(R-TPIM)125接收或输出动力，它们都连接到电机60或160上的图1的驱动轴11F或11R中的相应一个。
如下面参考图3所述，公开的图2的电池组10的配置使得能够通过控制器50选择并联充电模式、两个电池模块12A和12B的单独充电模式、并联驱动模式，以及使用相应电池模块12A和12B的每个驱动轴11F和11R的单独驱动模式。
图2中的电池组10的开关状态控制通过具有处理器(P)和存储器(M)的控制器50的操作来执行，即经由传输一组开关控制信号(箭头CCO)。存储器(M)包括有形的非暂时性存储器，例如只读存储器，无论是光学的、磁性的、闪存还是其他。控制器50还包括应用足够量的随机存取存储器、电可擦除可编程只读存储器等，以及高速时钟、模数和数模转换电路，以及输入/输出电路和装置，以及适当的信号调节和缓冲电路。
控制器50编程为执行体现开关控制方法的指令100，其中控制器50接收指示电池组10的驾驶员请求或自主请求的操作模式的输入信号(箭头CCI)，并且作为响应，输出开关控制信号(箭头CCO)。输入信号(箭头CCI)可以在充电期间确定，作为在将车辆20连接到图1的站30时的图1的控制器50和DC快速充电站30之间的持续通信的一部分，诸如当站30将其最大充电电压(V1)通信到控制器50时。
单独的电池模块12A和12B可以电连接到车辆20的单独的前和后驱动部件/推进系统，它们部分在图2中示出作为相应的F-TPIM 25和R-TPIM 125。为此，电池模块12A和12B配备有相应的高压电连接器组17和170。电连接器组17和170包括相应的多个电连接器，诸如为清楚起见标记为A、B、C和D的四个电连接器。连接器A、D和C可以替代地分别标识为第一、第二和第三连接器，并且可选的连接器B是第四连接器。牵引功率逆变器模块25和125分别经由电连接器C连接到电池模块12A和12B。另外，高压辅助电路18和180(分别在图2中标记为“HV Accy 1”和“HV Accy 2”)可以经由电连接器B连接到相应的电池模块12A和12B。
如本文所用的，术语“前”和“后”指的是相对于图1中所示的车辆20的前端和后端的相对驱动位置，其中相应的驱动轴的前驱动轴11F和后驱动轴11R连接到相应的前驱动轮14F和后驱动轮14R。因此，F-TPIM 25及其相应的电机60可以为前驱动轮14F提供动力，并且R-TPIM 125及另一个相应的电机160可以为后驱动轮14R提供动力。辅助电路18和180可以类似地设置以执行前或后指定的辅助功能，诸如辅助电源模块、高压电机控制模块或执行相应电池模块12A和12B的热调节功能的电池冷却模块。
图2中所示的电池模块12A和12B可包含在各自的电池壳体22内。每个电池壳体22分别具有第一面22F和第二面22S。第一面22F是含有连接器组17和170的电池壳体22的侧面。第二面22S与第一面22F径向相对，并且特征在于没有电连接器组17和170。在图2和图4的示例配置中，电池模块12A和12B背靠背布置，即第二面22S彼此紧邻定位，并且第一面22F在电池组10的组装期间当互连电池模块12A和12B时为操作者提供通路。可以设想其他实施例，其中第一和第二电池模块12A和12B，或RESS#1或#2具有倾斜表面或突起，和/或一些连接器组17或170位于壳体22的顶部或底部。因此，示例性“背对背”配置是非限制性的，并且其他封装实施例是可能的，例如相对于图2和图4的示意图，电池模块12B旋转180°的一个实施例。
仍然参考图2，使用适合电压的绝缘和适合电流的仪表结构的第一电缆15、第二电缆19、第三电缆21和第四电缆23，以经由电连接器组17和170将电池模块12A和12B进行互连。具体地，第一电缆15和第二电缆19直接在电连接器D之间延伸，使得电连接器D相对于壳体22向外延伸。类似地，电连接器A经由第三电缆21和第四电缆23彼此直接连接。HV辅助电路18和180直接插入电连接器B。以相同的方式，连接到相应的前TPIM 25和后TPIM 125的电缆直接插入电连接器C。
如图所示，DC充电连接器40的输出(即配置为接收图1中所示的充电电缆30C的物理多针插座，如图2中的[30]所示)经由接合装置300分配，以分配输送到电池组10的充电电流。理想地，电流均匀地分配，但是基于电池模块12A和12B的电阻或电荷状态是否不匹配，实际分配与理想有变化。这种接合装置300可以集成到充电入口中，靠近DC充电连接器40或在图1的车辆20内。如果集成到充电插口中，则电池组10可以放弃在车辆20或电池模块12A和12B内使用高电流(例如，500A)硬件部件。
在内部，电池模块12A和12B如上所述相同地配置。也就是说，电池模块12A和12B具有相应的多个具有正(+)和负(-)端子的电池单元13，下文统称为电池单元串13，以及保险丝F和具有预充电电阻(R)的预充电电路16。另外，电池模块12A包括分别标记为SA1、SA2、SA3、SA4和SA1P的第一多个开关，其中开关SA1P是指定的预充电开关。类似地，电池模块12B包括分别标记为SB1、SB2、SB3、SB4和SB1P的相同的第二多个开关，其中SB1P是预充电开关。
电池模块12A和12B可以向图1中所示的车辆20提供推进动力。所描绘的配置旨在提供用于在使用两个功率逆变器(即，F-TPIM 25和R-TPIM 125)、HV辅助电路18和180以及DC充电连接器40的AWD配置中将电池组10连接到车辆20的必要电连接，以及这些部件与图1中所示的DC快速充电站30的最终连接。
使用图2的公开的方法，在电池模块12A或12B内发生的接触器故障不会妨碍驱动模式可用性，因为与推进相关的接触器不用于并联充电，如下面参考图3所解释的。此外，单个电池模块配置可实现多级电池输出功率和能量。由相应的第一电缆15、第二电缆19、第三电缆21和第四电缆23实现的布线(所有这些都延伸到电池壳体22的外部以便于电池组10的制造和组装)使得能够实现电池模块12A和12B的相同配置。所描绘的图2的布线电路还允许控制器50实时配置电池模块12A和12B，用于电池组10的模式特定充电或图1中所示的车辆20的放电/推进。
参考图3，逻辑状态表35包括车辆模式列(VM)和多个开关状态列SA1/SA2、SA3、SA4、SB1/SB2、SB3和SB4。每列标有对应于图2中使用的标签的开关标识符，即SA1-SA4和SB1-SB4。图3中省略了预充电开关SA1P和SB1P，但是图2的预充电开关SA1P和SB1P的对应状态在下面相关处描述。
开关SAl-SA4、SB1-SB4、SA1P和SB1P可以实现为机电开关，诸如接触器或继电器，其可以阻止任一方向上的电流流动。替代地，开关SA1-SA4、SB1-SB4、SA1P和SB1P可以配置为半导体开关，诸如IGBT或MOSFET，具有或不具有反并联连接的二极管，单独使用或组合使用。在充电期间仅用于仅在一个方向上传递电流的开关SA3-SA4和SB3-SB4也可以配置为二极管。如本领域普通技术人员所理解的，许多类型的商用半导体开关能够阻止一个方向上的电流流动，这种特性可能需要这种开关背对背连接以用于双向电流阻塞，并且在某些情况下，使用上述反并联连接的二极管。逻辑状态表35填充有相应的模式特定开关断开/闭合状态，其中“0”对应于其中形成开路的断开/非导通开关状态，并且“1”对应于其中开关正在导电的闭合开关状态。
根据图3的逻辑状态表35可由图2的控制器50实时选择的可能的操作模式，包括断电模式(为清楚起见省略)、并联充电模式(P-Ch)、电池模块12A和12B的单独充电模式(分别为A-Ch和B-Ch)、并联驱动模式(PD)和单独驱动模式(A-D和B-D)。现在将依次描述每种操作模式。
断电模式：当图1的车辆20处于实际关闭状态时，诸如当控制器50检测到车辆20已经停止在熄火状态并且没有充电或以其他方式运行时，控制器50经由图2的开关控制信号(箭头CCO)命令开关SA1-SA4和SB1-SB4断开。由此，电池模块12A和12B彼此断开电连接，以及与F-TPIM25和R-TPIM 125和与HV辅助电路18和180断开电连接。在请求驱动或充电模式之前，开关保持在断开状态。
并联充电模式(P-Ch)：具有从DC快速充电站30(图1)提供的示例400伏充电电压，图2的开关SA3、SA4、SB3和SB4被命令闭合。控制器50的这个动作允许图1的车外DC快速充电站30来对电池模块12A和12B并联快速充电。另外，推进系统电路(包括F-TPIM 25和R-TPIM125，以及HV辅助电路18和180)可以并联连接到DC快速充电站30。该状态允许高压辅助电源电路18或180在充电期间提供操作风扇、泵、控制器等所需的辅助电源。根据是否需要这种辅助电源，开关SA1、SA2、SB1和SB2的状态可以是闭合或断开的，如图3中的“0或1”所示。
单独充电模式(A-Ch、B-Ch)：电池模块12A和12B可以使用图2中所示的拓扑结构单独充电，即电池模块12A可以在不对充电电池模块12B充电的情况下进行充电，并且反之亦然。例如，当给电池模块12A充电时，图2的开关SA3和SA4闭合，开关SB3和SB4断开。在对电池模块12B充电时，控制器50指令相反的开关状态，即开关SB3和SB4被指令闭合，并且开关SA3和SA4被指令断开。与并联充电模式一样，开关SA1、SA2、SB1和SB2的状态取决于是否需要辅助电源。
并联驱动模式(PD)：在并联驱动模式中，图2的控制器50闭合开关SA1、SA2、SB1和SB2。剩下的开关SA3、SA4、SB3和SB4被命令断开。该控制动作将电池模块12A电连接到F-TPIM 25和HV辅助电路18，并且还将电池模块12B连接到R-TPIM 125和HV辅助电路180。
预充电开关SA1P和/或SB1P(均在图2中以断开状态示出)可以用于在闭合开关SA1和/或SB1之前对外部电容进行预充电。另外，在电池模块12A和12B处于显著不同的电荷状态的情况下，使得高电流将倾向于在电池模块12A和12B之间流动，闭合预充电开关SA1P和/或SB1P将有助于限制这种电流，从而允许均衡。
在开关SA1、SA2、SB1和SB2闭合/导通的情况下，电池模块12A和12B以及相应的HV辅助电路18和180经由在图2的电力连接器D之间延伸的电缆15和19电并联。该外部连接提供跨越电缆15和19的电流流动路径，用于平衡电流同时确保电池模块12A和12B保持在相同的电荷状态，而不管F-TPIM 25和R-TPIM 125之间的功率平衡如何。作为并联驱动模式的一部分，控制器50断开开关对SA3、SA4和SB3、SB4，以隔离DC充电连接器40的连接器引脚。
单独驱动模式(A-D、B-D)：电池模块12A和12B可以单独/分开使用，来分别在驱动模式A-D和B-D中为图1的前轮14F和后轮14R提供动力。例如，对于驱动模式A-D，控制器50闭合开关SA1和SA2并断开其余的开关。同样，当实现驱动模式B-D时，控制器50闭合开关SB1和SB2并断开其余的开关。
图2的拓扑结构因此使得图3的多操作模式成为可能。使用电池模块12A或电池模块12B中的任一个，或者通过并联同时使用两个电池模块12A和12B来启用AWD推进。类似地，拓扑结构能够对电池模块12A、电池模块12B或并联地对两个电池模块12A和12B同时进行DC快速充电。如果电池模块12A或12B中的一个经历故障模式，则使用电池模块12A或12B中的另一个启用图1中车辆20的操作。由于DC快速充电电流由电池模块12A和12B共享，即经由接合装置300分配，所以可以在电池组10内使用较低额定电流的硬件部件。
在一些应用中可能需要使用电池模块12A和12B来彼此独立地同时为耦接的负载供电。利用图4的替代拓扑实现该益处。相对于图2，图4的拓扑结构为每个电池模块12A和12B的连接器D的具有一个没有连接到外部的引脚。而且，每个相应电池模块12A和12B的连接器A的一个引脚电连接到另一个电池模块12B或12A的相应连接器D，即电池模块12A的连接器A连接到电池模块12B的连接器D，并且反之亦然。下面参考图5描述由替代拓扑结构启用的各种模式。
在图4的拓扑中，与图2所示不同，电池模块12A和12B的与推进相关的接触器用于建立并联充电模式(P-Ch)。因此，直流快速充电期间的接触器故障会对驱动模式选项产生不利影响。然而，电池模块12A和12B的并联或单独操作被启用，并且图2实施例中的单独操作不可用。通过独立操作，可以使用前/后负载功率分配来平衡电池模块12A和12B的SOC。电池模块12A和12B的这种独立操作和充电还在电池模块12A或12B的单点故障的情况下提供冗余推进系统，由于给定模块12A或12B可操作但不匹配，使得模块12A或者12B不能与另一个模块12B或12A并联，从而增加了图4的电池组10A的鲁棒性。由硬件权衡带来图4的这种益处：没有图2的接合装置300，启用的高电流充电需要电池模块12A和12B内的相关的高电流开关和导体。例如，内部电缆可以是液体冷却的，以便相对于风扇冷却的电缆减少包装。
图5示出了图2的控制器50可实时选择的可能的操作模式，根据逻辑状态表135。与图3的逻辑状态表35一样，为了清楚起见省略了断电模式，但是包括断电模式，如上所述。先前描述的并联充电模式(P-Ch)、电池模块12A和12B的单独充电模式(分别为A-Ch和B-Ch)和并联驱动模式(PD)，以及单独驱动模式(A-D和B-D)也在图4拓扑结构中可用，具有下面提到的逻辑状态差异。还启用了单独推进模式(IND-D)。
并联充电模式(P-Ch)：具有从DC快速充电站30(图1)提供的示例400伏充电电压，开关SA2、SA3、SA4、SB1、SB3和SB4被命令闭合。根据是否需要这种辅助电源，开关SA1和SB2的状态可以是闭合或断开的，如图5中的“0或1”所示。如上面参考图3所述，该状态允许高压辅助电源电路18或180在充电期间提供操作风扇、泵、控制器等所需的辅助电源。
单独充电模式(A-Ch、B-Ch)：电池模块12A和12B可以使用图4中所示的拓扑结构单独充电，即电池模块12A可以在不对充电电池模块12B充电的情况下进行充电，并且反之亦然。例如，当在模式A-Ch中给电池模块12A充电时，图4的开关SA3、SA4、SB1和SB3闭合，并且开关SB2和SB4断开。开关SA1和SA2的状态可以是0或1，这取决于是否需要辅助电源。对于模式B-Ch，开关SA2、SA4、SB3和SB4闭合，并且开关SA1和SA3断开。开关SB1和SB2的状态可以是0或1，这取决于是否需要辅助电源。
并联驱动模式(PD)：在并联驱动模式中，图4的控制器50闭合开关SA1、SA2、SA3、SB1、SB2和SB4。剩下的开关SA4和SB3被命令断开。该控制动作将电池模块12A电连接到F-TPIM 25和HV辅助电路18，并且还将电池模块12B连接到R-TPIM 125和HV辅助电路180。电池模块12A和12B通过电缆19和23并联连接。
单独驱动模式(A-D、B-D)：电池模块12A和12B可以单独使用，来分别在驱动模式A-D和B-D中为图1的前驱动轮14F和后驱动轮14R提供动力，如图2的实施例。例如，对于驱动模式A-D，控制器50闭合开关SA1、SA2、SA3、SB2和SB4，并断开其余的开关SA4、SB1和SB3。同样，当实现驱动模式B-D时，控制器50闭合开关SA1、SA3、SB1、SB2和SB4，并断开其余的开关SA2、SA4、和SB3。在推进模式A-D中，即使用电池模块12A而不是电池模块12B，可以将另外的预充电接触器(未示出)与开关SA3一起使用。这样的实施例可用于在故障模式期间驱动电池模块12B上的负载。
单独驱动模式(IND-D)：使用电池模块12A和12B可以在AWD模式下进行单独驱动。也就是说，电池模块12A为前驱动轴11F提供动力，并且电池模块12B为驱动轴11R提供动力。在单独驱动模式中，控制器50命令开关SA1、SA2、SB1和SB2闭合。剩下的开关SA3、SA4、SB3和SB4被命令断开。该模式与单独驱动模式A-D和B-D的不同之处在于前和后TPIM 25和125以及相应的辅助电路18和180没有并联连接，这允许前TPIM 25和辅助18仅由前RESS供电，即电池模块12A，并且后TPIM 125和辅助180仅由后RESS，即电池模块12B供电。
图2和图4的电池组10和10A分别可用于图1的车辆20以使分别在图3和图5中所示的各种操作模式启用。所公开的拓扑结构经由通过控制器50对图2和图4的各种开关SA1-4和SB1-4的开关状态的协调控制，在推进和充电操作期间使得能够实现完全操作模式的灵活性。因此，在电池模块12A或12B中的一个故障期间使用电池模块12A或12B可以进行有限的操作，同时还提供了多种方法，用于经由并联充电/放电或单独操作来重新平衡或均衡电池组10的SOC。结果，相同配置的电池模块12A和12B的单个配置提供了通过简单外部电缆连接实现多种操作模式的灵活性，如上所述。此外，图3的配置允许控制器50检测故障模式，其中故障存在于第一或第二电池模块12A或12B中，并且使用未经历故障的第一或第二电池模块12A或12B进入默认驱动或充电模式。
虽然已经详细描述了一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实践所附权利要求书中限定的本教导的各种替代设计和实施例。本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对所公开的实施例进行修改。此外，本概念明确地包括所描述的元素和特征的组合和子组合。具体实施方式和附图是对本教导的支持和描述，本教导的范围仅由权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种与车外DC充电站一起使用的电气系统，所述电气系统包含：
多个电缆；
直流(DC)充电连接器，其配置为连接到所述车外DC快速充电站；
第一和第二电池模块，它们每个都具有配置为接收所述多个电缆中的相应一个的至少三个电连接器，所述第一和第二电池模块经由所述多个电缆彼此电互连，并且进一步具有相应的电池单元串和第一、第二、第三和第四开关，它们选择性地将所述电池单元串连接到一个或多个所述电连接器；
其中所述直流(DC)充电连接器电连接到所述第一和第二电池模块的所述第一电连接器之间的所述多个电缆中的一个；
接合装置，其配置为在所述第一和第二电池模块之间分配来自所述车外DC快速充电站的充电电流；以及
控制器，其与所述第一和第二电池模块中的每一个的所述第一、第二、第三和第四开关通信，配置为接收指示电池组的请求的操作模式的输入信号，并且响应于所述输入信号，经由开关控制信号组命令所述第一和第二电池模块的所述第一、第二、第三和第四开关中的每一个的断开/闭合状态，从而选择性地建立包括以下的操作模式：并联充电模式、并联驱动模式，以及所述第一和第二电池模块中的每一个的单独的驱动和充电模式。
2.根据权利要求1所述的电气系统，其中所述至少三个电连接器包括第一、第二和第三电连接器，并且其中：
当处于闭合状态时，所述第一和第二电池模块的所述第一和第二开关将所述第一和第二电池模块中的相应一个的所述电池单元串分别连接到所述第一和第二电池模块的所述第一电连接器；并且
当处于闭合状态时，所述第一和第二电池模块的所述第三和第四开关将所述第一和第二电池模块中的相应一个的所述电池单元串分别连接到所述第一和第二电池模块的所述第一电连接器。
3.根据权利要求2所述的电气系统，其中所述至少三个电连接器包括第四电连接器，进一步包含：第一和第二高压辅助模块，分别直接连接到所述第一和第二电池模块的所述第四电连接器，其中在所述并联充电模式中，所述相应的第一和第二电池模块的所述第一和第二开关在闭合状态下将所述第一和第二电池模块连接到所述相应的高压辅助模块。
4.根据权利要求2所述的电气系统，其中所述第一和第二电池模块经由所述电缆经由所述第一和第二电池模块的所述相应第二电连接器彼此电互连。
5.根据权利要求1所述的电气系统，进一步包含：分别直接连接到所述第一和第二电池模块的所述第三电连接器的第一和第二牵引功率逆变器模块(TPIM)，以及分别连接到所述第一和第二TPIM的第一和第二电机。
6.根据权利要求5所述的电气系统，其中所述电气系统用在机动车辆上，其具有分别连接到前和后驱动轴的前和后驱动轮，并且所述控制器配置为单独地或者并联地对所述第一和第二电池模块放电来为所述车辆提供全轮驱动推进能力。
7.根据权利要求1所述的电气系统，其中所述第一和第二电池模块具有相应的第一表面和第二表面，所述相应的第一和第二电池模块的所述电连接器连接到所述第一表面，并且所述第二表面与所述第一表面相对定位并且特征在于没有所述电连接器，并且其中所述第一和第二电池模块布置在所述电池组中，使得所述第二表面彼此紧邻定位。
8.根据权利要求1所述的电气系统，其中所述控制器配置为检测故障模式，其中在所述第一或第二电池模块中存在故障，并且使用未经历所述故障的所述第一或第二电池模块进入默认驱动或充电模式。
9.根据权利要求1所述的电气系统，其中所述第一和第二电池模块的所述第一、第二、第三和第四开关中的至少一个开关是机电接触器。
10.根据权利要求1所述的电气系统，其中所述第一和第二电池模块的所述第一、第二、第三和第四开关中的至少一个开关是半导体二极管。
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