CN110834567A

CN110834567A - 平衡电池状态下的电动化车辆dc功率转换

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Publication number: CN110834567A
Application number: CN201910756595.6A
Authority: CN
Inventors: 段晓红; 理查德·戴奇·安德森
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-08-16
Filing date: 2019-08-16
Publication date: 2020-02-25
Also published as: US10793019B2; US20200055405A1; DE102019121918A1

Abstract

本公开提供了“平衡电池状态下的电动化车辆DC功率转换”。一种高压电池组包括串联连接的电池单元，每个单独为相应的DC/DC转换器供电。转换器输出端并联耦合以供应低压DC总线。一种中央模块具有：1)外部回路控制器，其产生目标电流以调节总线电压；以及2)分配器，其经由分配的电流命令为相应转换器分布所述目标电流。本地控制器各自调节相应转换器的输出电流。与其他单元相比具有极低或极高状态的电池单元被快速平衡，从而改善所述电池组的整体性能。

Description

平衡电池状态下的电动化车辆DC功率转换

技术领域

本发明总体上涉及用于电动车辆的电力系统，并且更具体地，涉及用于控制DC/DC转换器以将来自电池组的高压转换为用于电动车辆中的低压总线的较低电压的方法和设备。

背景技术

诸如电池电动车辆和混合动力电动车辆的电动化车辆通常利用由DC电源驱动的高压电力总线，所述DC电源可以包括存储和/或转换装置，诸如多电池单元电池组。所述电池组可以具有多个串联连接的电池单元，以便提供必要的电力和/或电压电平。电池单元需要实时监测以便最大化效率和性能，以及确定电池的荷电状态(SOC)以预测电池电量下的剩余行驶范围。诸如锂离子(Li-Ion)的常见电池类型使用大量堆叠在一起(串联和/或并联连接的)的各个电池单元，并且电池单元组可以通过分层次地分组连接，监测组而不是各个电池单元。如本文所使用，电池单元是指单个电池单元或一起处理的一组电池单元。

除了与电动化车辆中的驱动牵引马达相关联的高压部件之外，车辆还包含低压电气部件和附件(例如，控制模块、照明、通信和娱乐装置)以及用于支持低压部件的较低电压电池。为了从主高压电池组向低压部件供电和/或对低压电池再充电，已经使用DC/DC转换器来将高压降压转换到适当的较低电压以驱动低压电力总线。

虽然可以接入电池组的一小部分以获得较低电压，但是由电池组产生的不平衡的电力消耗将是不希望的。为了获得必要的电压转换并平衡多个电池单元之间的电气负载，已经使用了一组DC/DC转换器，其中每个转换器的输入端连接到不同的电池单元(或单位电池单元)，并且转换器输出端并联连接，例如，如Piccard等人的美国专利8,115,446中所示，该项美国专利的公开内容通过引用的方式并入本文中。

电池组中的典型电池单元可以产生约4V。例如，低压总线的目标或设定点电压可以是大约14V。如果每个DC/DC转换器覆盖一个电池单元，则其被控制来将电压从4V增加到14V。如果每个转换器覆盖六个串联的电池单元，则其被控制来将其输入端两端的24V降低到所需的14V。(HV电池单元的)转换器输入电压与转换器输出电压(到LV总线)的比率越接近1，转换效率越高。无论您是根据来自电网(BEV)、汽油(HEV)还是两者的组合(PHEV)的能量测量燃料经济性，这都产生更高的燃料经济性。

美国专利申请公布US2015/0214757A1公开了多个DC/DC旁路转换器，其输出端同样并联连接，其中每个转换器的操作根据其相应电池单元的电池状态进行单独调整，从而降低电池状态从参考状态发散的比率。因此，电池单元的荷电状态更相等地，这改善了电池组的整体性能。然而，独立地改变来自每个DC/DC转换器的电力的不良影响是从转换器的并联连接导出的共同输出电压可能不会恒定地保持在期望值或值范围。在低压DC总线上产生的电压不稳定性对部件操作可能不利并且可能导致低压电池的寿命快速损失，尤其是因为在车辆使用期间总的低压电力负载可能快速变化。

美国专利申请公布US2018/0050597A1(其全部内容通过引用的方式并入本文中)公开了一种控制策略，其中第一控制器接收实际总线电压并响应于所述总线电压产生目标总电流，所述目标总电流适于将实际总线电压调节到目标电压。第二控制器根据连接到转换器的电池单元的相应荷电状态将目标电流分配到用于相应转换器的多个分配的电流命令中。因此，以平衡电池单元的荷电状态的方式从电池单元汲取电力，同时在低压总线上保持稳定的电压。所分配的电流命令被传输到每个DC/DC转换器，其中控制器负责调节转换器的输出，使得其实现分配的电流。美国专利申请公布US2018/0050603A1(其全部内容通过引用方式并入本文中)公开了一种分布式/级联式控制方法，其中外部控制回路提供对所需总电流的缓慢、粗略控制以及电流的分布以实现电池单元平衡。本地控制器提供更新更快的内部控制回路，所述内部控制回路使用电流命令以及对输出电压的本地反馈来指定汲取到每个转换器中的最终电流。

期望提高识别电池单元的适当电池状态并且更快速地调整具有极低或极高状态(即，与参考状态发散较大)的电池单元的状态的能力。

发明内容

本发明提供了适用于处于不同电池寿命阶段的不同类型的车辆并且处理各种车辆工作条件的架构和电流分布控制策略。它能够快速平衡与其他电池单元相比具有极低或极高状态的电池单元，以便改善电池组的整体性能并保护任何较弱的电池单元。

在本发明的一个方面，一种电动化车辆设备包括电池组，所述电池组具有提供主电压的串联连接的电池单元。多个DC/DC转换器各自具有由相应电池单元供电的输入。DC/DC转换器具有并联耦合到低压总线的相应输出端。中央模块具有外部回路控制器，所述外部回路控制器产生适于将低压总线上的总线电压调节到预定电压的目标电流，并且具有分配器，所述分配器将目标电流分布到用于相应DC/DC转换器的多个分配的电流命令中。多个本地控制器各自调整相应DC/DC转换器的输出电流。分配器1)识别与表征电池组的参考度量具有预定偏差的电池单元，2)向用于所述识别的电池单元的相应DC/DC转换器分配反向电流，并且3)通过所述分配的反向电流增加被命令用于未被分配为具有反向电流的DC/DC转换器的目标电流。

附图说明

图1是本发明中使用的类型的电力系统的实施例的框图。

图2是示出用于控制DC功率转换器的架构的框图。

图3是示出分布式/级联式架构的框图。

图4是示出用于一个DC/DC转换器的本地控制器的框图。

图5是示出根据本发明的控制策略的各种功能的多次步进的框图。

图6是示出用于使控制系统适用于各种不同条件下的各种不同车辆的模块化架构的框图。

图7是示出具有比电池组的平均状态低得多的荷电状态的电池单元对性能的影响的曲线图。

图8是多个DC/DC转换器的框图，其中转换器可以产生正向或反向电流。

图9是具有波形图的曲线图，所述波形图示出了用于确定DC/DC转换器的电流流动方向的荷电状态偏差。

图10是示出用于在用于确定电流流动方向的继电器式控制器(bang-bangcontroller)中定义滞后的阈值的曲线图。

图11是示出一种用于确定电流流动方向的优选方法的流程图。

图12是示出一种用于确定反向电流幅度的优选方法的流程图。

图13是示出用于确定将由转换器传递的正向电流的幅度的荷电状态范围的曲线图。

图14是示出用于确定应用于分布式电流命令的加权因子的方法的流程图。

具体实施方式

如本文所使用的术语“电动化车辆”包括具有用于车辆推进的电动马达的车辆，诸如电池电动车辆(BEV)、混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)。BEV包括电动马达，其中马达的能量源是可从外部电网再充电的电池。在BEV中，电池或其他DC电源为车辆推进提供能量。HEV包括内燃发动机和电动马达，其中发动机的能量源是燃料，而马达的能量源是DC存储单元，诸如电池。在HEV中，发动机是用于车辆推进的主要能量源，其中电池为车辆推进提供补充能量(例如，电池缓冲燃料能量并以电动形式恢复动能)。PHEV如同HEV，但是PHEV可以具有可从外部电网再充电的更大容量的电池。在PHEV中，电池可以是用于车辆推进的主要能量源，直到电池消耗到低能量水平，此时PHEV如同HEV一样操作来进行车辆推进。

典型的电池系统可以包括主电池组和至少一个电池能量控制器模块(BECM)，用于整体监测各个电池单元和电池组两者。通常可以有一个主BECM，其带有具附加感测和处理的卫星模块。电池组的输出端经由高压总线连接到逆变器，所述逆变器将由电池组提供的直流(DC)电力转换成交流(AC)电力，以根据来自例如变速器控制模块(TCM)的命令操作牵引马达。例如，BECM与和电池组相关联的各种传感器一起监测电池单元电压、电流、温度和荷电状态。所监测的参数可以用于控制电力系统的各个方面。

现在参考图1，用于机动车辆11的电力系统10包括电池组12，电池组12具有多个串联连接的电池单元13，以产生数百伏的主输出电压。每个电池单元13可以包括串联和/或并联连接的一个或多个电池单元(例如，锂离子电池单元)。主输出电压施加在正高压总线14和负高压总线15之间，以供高压负载16(例如，逆变器和牵引马达)使用。多个DC/DC功率转换器17各自具有其跨越电池单元13中的相应电池单元耦合的相应输入端。转换器17的输出端全部并联连接在正低压总线18和负低压总线19之间，用于对低压(例如，铅酸)电池20充电并供低压负载21使用。

DC/DC功率转换器17的典型配置可以包括输入逆变器桥、谐振电路(例如，变压器)和输出整流器。如本领域中已知的，可以根据可变占空比和/或频率来切换逆变器中的MOSFET或其他开关装置，以便调节从整流器输出的输出电压或电流。因此，控制器22耦合到每个转换器17，以便命令每个转换器的期望操作。多个传感器阵列23、24和25连接到控制器22，以便提供允许控制器22适当地调节转换器17所必需的参数测量。传感器阵列23可以由至少一个BECM组成，所述至少一个BECM用于监测各个电池单元或电池单元以及整个电池组的荷电状态、电压和电流。传感器阵列24是可选元件，其监测流到转换器17的每个的输入电流。

传感器阵列25监测低压总线18/19处的总线电压(以及可选地，总线电流)。使用实际总线电压，控制器22能够提供对转换器17的改善的调节，使得避免低压总线上的不希望的电压波动。这种波动是现有技术的缺点。

来自并联DC/DC功率转换器17的共同输出电压是各个转换器输入电压的平均值、输出电流的总和以及输入电流的总和的函数。由于输出电流和输入电压不可控制，所以控制共同输出电压的唯一方法是通过调节输入电流的总和。因此，本发明采用一种控制策略，所述控制策略允许通过直接考虑输入电流来控制其输出端并联连接的多个DC/DC转换器的系统以达到目标输出电压。所述策略独立于总电流分布在转换器之间的方式工作。换句话说，调节电流的总和可以由来自策略的平衡各个电池单元的荷电状态的单独控制回路组成。然后，根据下面描述的分布方法在转换器之间分布该总的输入电流。

控制器22优选地由反馈控制器组成，以便基于目标电压(即，低压总线的设定点电压)和来自DC/DC转换器的测量的共同输出电压来指定总的输入电流目标。图2示出了使用总的电流调节框26和电流分布框27的控制器22的实施例。电流调节框26用作外部回路控制器，其接收电压设定点(例如，用于低压总线的15V目标电压)和测量的参数值，所述测量的参数值包括实际总线输出电压和实际总线输出电流。电流调节框26还接收转换器的平均输入电压的测量值(即，来自用于为转换器供电的相应电池单元的平均输出电压)。例如，可以从BECM系统获得平均电池单元电压。电流调节框26优选地连接到查找表28，查询表28根据所采用的调节策略存储各种控制值。

电流分布框27用作控制回路，其从电流调节框26接收目标总电流，并根据(例如，按比例)连接到DC/DC转换器的电池单元的相应荷电状态(或电池单元电压)将目标电流分布到用于相应DC/DC转换器17的多个分配的电流命令中。例如，从SOC框29获得荷电状态(SOC)，SOC框29可以由BECM系统组成。目标总电流信号是要分布的标量值。为了避免布线过载和其他问题，通过调节框26将目标总电流限于某个预定的最大值。分布的(即，分配的)电流信号是电流命令的矢量，其被发送到各种功率转换器。

在一个实施例中，控制器22可以是比例-积分-微分(PID)控制器，其中控制器的P、I或D项中的任一项可以设置为0。在这种架构中，调节的输出由设定点(即目标)电压和测量电压之间的误差驱动，尽管微分项可以替代地仅由测量电压驱动。

图3示出了使用分布式控制方法的本发明的替代实施例，其中主“外部回路”模块30包括外部回路电流确定框31(其可以具有与图2中的框26相同的功能)和电流分布框32。外部回路框31确定维持输出电压所需的总目标输入电流，并且然后框32基于每个相应电池单元的剩余荷电状态，以与图2中的框27相同或相似的方式确定相应DC/DC转换器之间的电流分布(例如，分派电流值，使得以恢复平衡即均衡荷电状态的方式从电池单元汲取能量)。替代地，可以使用测量的电池单元电压代替荷电状态。所得到的n个分配的电流命令值中的每一个被发送到相应的内部或本地控制器框33，其中每个内部控制器框33作为本地控制节点驻留在具有转换器17中的相应转换器的相应电路模块中。内部控制器框33利用电流命令值以及对输出电压的反馈控制来确定要产生的最终电流。

图4更详细地示出了本地控制器48。前馈部段34从外部回路模块接收相应的分配的电流命令，以根据传递函数35产生前馈控制变量，传递函数35被表示为f(i_分配的)，其可以包括例如校准或定标函数。所得到的前馈控制变量耦合到加法器36的正输入。反馈控制部段37优选地包括PID控制器，以产生反馈控制变量，所述反馈控制变量被输入到加法器36的第二正输入。将求和的控制变量提供给逻辑框38，逻辑框38可以执行已知的控制功能，诸如饱和避免(例如，通过在某个任意值处饱和)，对输出应用速率限制，和/或将所需电流变换为实际输入命令(例如，占空比)。从逻辑框38向相应DC/DC转换器39提供修改的控制信号，所述DC/DC转换器39的输出端连接到所有功率转换器的共同输出端。电压传感器40感测来自转换器39的输出电压，并将测量的输出电压信号提供给反馈部段37中的减法器41的一个输入端。减法器41的第二输入端接收电压设定点或目标(例如，14V)。因此，减法器41产生误差信号，所述误差信号可以输入到比例处理框42、积分处理框43和微分处理框44，它们的输出都在加法器45中组合以产生反馈控制变量。框44的输入端可以替代地接收输出电压V_输出。通过将前馈控制变量与反馈控制变量组合，图4所示的本发明具有快速实现和维持DC功率转换器输入电流的能力，所述DC功率转换器输入电流被调节到所分配的电流命令，同时基本上维持所需的输出低电压。

为了与电池单元的荷电状态的平衡一起维持稳健的电压控制，图2至图4的控制架构提供了如图5所示的多次步进。中央控制模块46具有：部段47，其用于确定要从DC/DC转换器输送的总电流，其将共同转换器输出电压调节到设定点电压；以及部段48，其用于根据电池组的整体参考状态和电池单元的各个状态确定每个相应电池单元的分布比率，使得每个电池单元的分布比率将降低各个状态与整体参考状态的发散。中央控制模块46还具有部段49，所述部段49使用总的目标电流和分布比率来计算对应的各个电流命令，然后通过通信总线50将所述电流命令传输到DC/DC转换器的本地控制器51。

本发明用于平衡的“电池状态”(即，电池组的参考状态和电池单元的个体状态)可以是电池的任何期望的性能特性，诸如荷电状态(SOC)、功率能力、电池单元健康状况或其他电池性质。例如，用于表征状态的值可以是电池单元内或电池组内的平均值、中间值或最大值或最小值。

任务调度器或定时器52向部段47至49和本地控制器51提供定时信号，以协调相应控制回路的更新。最慢的更新速度用于确定分布比率。中间(即中等)速度用于确定总的目标电流和用于确定分配的电流命令。在本地控制器51中使用最快的速度，使得非常快速地响应低压DC负载的任何变化。

基于电池单元的各种测量状态和参考状态计算分配的电流的最佳关系都取决于许多变量，诸如电池类型、车辆类型、电池寿命、电池操作模式(例如，充电、在电荷消耗模式下放电、在电荷维持模式下操作)等。为了将控制系统配置成针对许多这样的情况进行操作，可以使用模块化选择系统，如图6所示。

图6中所示的硬件架构可以用于不同类型的车辆，诸如FHEV、PHEV或BEV。在车辆上，电池需要在所有车辆工况下工作，并且电池性能性质随着其从新到旧老化而变化。对于所有车辆工况、在不同电池寿命阶段以及所有种类的车辆都需要平衡电池状态，但是对于不同的车辆工况、不同的电池寿命阶段以及不同种类的车辆，所使用的最佳平衡目标、方法和规则可能是不同的。因此，可能需要若干不同的电流分布公式和方法，以便在不同的车辆工作条件、不同的电池健康状况和不同类型的车辆中有效地实现电池平衡。对于个别车辆，总的电流分布目标、方法和规则也可能需要随着电池老化而改变。在该模块化方法中，在控制系统内提供框55，用于使用车辆内可用的各种信号来选择用于定义最佳分布规则(例如，公式)的适当模块。选择可以基于车辆类型的识别(例如，混合电动或纯电动)、车辆操作模式(例如，电荷消耗)、电池单元健康状况(例如，年龄)和电池单元发散(例如，不平衡的严重性)。来自框55的选择被输入到库或查找表56，所述库或查找表56将预定关系存储为单独的模块(模块1、模块2、......、模块n)，以用于根据不同的工况进行平衡。每个模块可以用作分布/分配模型57。所选模块产生电流命令，所述电流命令传递通过多路复用器58以传输到DC/DC转换器控制器。

模块可以包括以下示例。模块1是在电动驾驶循环(例如，电荷消耗或电荷维持)期间使用的能量平衡模块，其中电池单元的电荷衰减接近相等。在模块1中，电池是平衡的，用于电池组的最大容量使用。模块2是在电池充电期间使用的能量平衡模块，其中电池单元接近相等地衰减。模块3是在电动驾驶循环期间用于不相等地衰减的电池单元的能量平衡模块。在模块3中，经由电池组的最大容量使用来平衡电池，其中电池单元的衰减状态的差异在受限范围之外。模块4是在电池充电期间用于不相等地衰减的电池单元的能量平衡模块。

模块5是在电动驾驶循环(例如，电荷消耗或电荷维持)期间使用的电力平衡模块，其中电池单元的衰减接近相等。在模块5中，电池是平衡的，用于电池组的最大电力使用。模块6是在电池充电期间用于相等地衰减的电池单元的电力平衡模块。模块7是在电动驾驶循环期间用于不相等地衰减的电池单元的电力平衡模块。在模块7中，经由电池组的最大电力使用来平衡电池，其中电池单元的衰减状态的差异在受限范围之外。模块8是在电池充电期间用于不相等地衰减的电池单元的电力平衡模块。其他潜在模块包括模块n，其是LV电池充电HV电池模型(例如，在车辆起动之前通过使用LV电池对HV电池充电而使用)。

图7示出了存在电池单元的缺点，所述电池单元的SOC比电池组其余部分中普遍存在的SOC低得多。电池组的放电能力受具有最低SOC的电池单元(电池单元)的限制。在电动牵引马达由电池组供电的电动驾驶循环期间，大多数电池单元的各个SOC接近平衡并沿轨迹60一起减小。具有较低SOC的极不平衡的电池单元遵循轨迹61。当SOC高于预定阈值(表示为SOC_cs)时，利用电荷消耗(CD)操作。在阈值SOC_cs处或低于阈值SOC_cs时，进入电荷维持(CS)操作(例如，在混合动力车辆中起动内燃发动机以产生电力和/或推进车辆)。期望尽可能长时间地维持纯电动操作，否则减小在电力下行驶的范围(即，距离)。然而，当单个不平衡电池单元的SOC下降到低于阈值时，即使在其他电池单元中存在大量电荷，电池组也不再能够支持纯电动驾驶循环。

电荷消耗和电荷维持模式之间的边界不一定是静态的。一旦车辆进入电荷维持模式，即使SOC漂回到阈值以上以避免某些驾驶性能问题，它也通常将在驾驶循环的持续时间内停留在那里。而且，PHEV可以具有“EV稍后”模式(可由用户选择)，其中可以在更高的SOC下触发电荷维持模式。例如，可能将车辆驶入“纯电动的”区域，所述区域被创建以在某些环境中限制废气或噪音。无论在电荷消耗模式和电荷维持模式之间进行选择的策略如何，电池单元之间的电荷平衡对于优化电池组的性能仍然是重要的。

对主要从具有较高SOC的电池单元汲取电力以供应LV总线的依赖可能不足以消除具有较低的不平衡SOC的电池单元的偏差。为了提高DC/DC转换器系统平衡电池单元状态的能力，本发明允许转换器内的双向流动。在图8中，电池组具有串联连接在高压(HV)总线之间的各个电池单元63至67。每个相应电池单元63至67耦合到电池监测器68，用于确定各个电池参数，诸如各个电池单元和整个电池组的荷电状态、电流和电池健康状况。通信线路69将监测器68与控制器70连接，控制器70尤其控制多个DC/DC功率转换器71至75。转换器71至75的输出端并联连接到具有正轨76和负轨77的低压(LV)总线。每个转换器71至75优选地能够具有从对应的HV电池单元到LV总线的正向电流流动或从LV总线到对应的电池单元的反向电流流动。例如，箭头78指示转换器73中的负电流流动，其中电池单元65的SOC的发散可以相对于其他电池单元快速减小。来自功率转换器的所有正电流流动的总和减去所有负电流流动的总和等于调节LV总线两端上的电压所需的总电流流动。

本发明优选地使用继电器式控制器来确定每个转换器中的流动方向，如图9所示。对于每个电池单元，相对于参考状态确定其电池状态的发散，并且发散的大小用于确定电流流动方向。为了平衡电池荷电状态，例如，从每个电池单元的SOC中减去整个电池组的参考SOC。例如，参考SOC可以是所有被监测的电池单元的平均SOC。如果差值大于上限阈值T_U，则电流流动是沿正方向。如果差值低于下限阈值T_L，则电流方向应该是负的，以便为异常的电池单元充电。当差值在阈值之间时，则使用滞后来确定是否切换流动方向。在系统初始化时，可以将所有流动方向设置为正方向或正向。如图9中的迹线78所示，荷电状态差值(dSOC)可以逐渐变为越来越负，直到其在80处下降到低于下限阈值T_L，从而导致流动方向信号79从正切换到负。流动方向继续为负，直到差值信号在81处上升到高于上限阈值T_U，从而导致流动方向信号切换到正值。此后，流动方向信号保持为正，直到差值信号在82处再次下降到低于下限阈值T_L。图10示出了阈值的布置，其中上限阈值T_U和下限阈值T_L都是负数。每当dSOC比下限阈值T_L更负时，则选择负流动。同样地，每当dSOC大于上限阈值T_U时，通过电池单元的电流流动方向为正。当荷电状态偏差dSOC下降到阈值之间时，则使用滞后(即，流动方向维持其最近的设置)。

图11中示出了一种用于实施具有滞后的继电器式控制器的方法。在步骤83中，将所有转换器的流动方向各自初始设定为正。在步骤84中，为每个电池单元和电池组计算诸如荷电状态、电压、电流和其他变量的电池参数。在步骤85中将索引i初始化为值1。索引i从1变为n，其中n是转换器的总数。对于第一转换器，确定荷电状态差值(dSOC)并且然后在步骤86中将其与上限阈值TU进行比较。如果差值大于上限阈值T_U，则在步骤87中将第一转换器的电流方向设置为正，并且然后将索引i的值增加1。如果不大于上限阈值T_U，则在步骤88中将差值dSOC与下限阈值T_L进行比较。如果小于下限阈值T_L，则在步骤89中将电流流动方向设置为负，并且将索引i增加1。如果不小于下限阈值T_L，则在步骤90中电流流动方向保持不变，并且索引i增加1。在增加索引i的值之后，在步骤91中执行检查以确定索引是否已增加到高于值n。如果不是，则返回到步骤86以确定下一个转换器的流动方向。当步骤91确定已经检查了所有转换器时，则返回到步骤84以重新表征电池单元和电池组并重新评估电流流动方向。

在识别哪些转换器(如果有的话)应该接收负的电流流动之后，需要为每个转换器确定电流分布比率。对于接收负电流流动的转换器，首先分配各个反向电流的幅度。然后确定所有负流动电流的总和，使得连同分布调节LV总线上的电压所需的电流一起，将额外的电流负荷分布在具有正的电流流动的转换器之间。

图12中示出了一种用于确定反向电流的值的优选方法。在步骤92中，将索引i设置为1。在步骤93中检查第i个转换器的流动方向，以确定其流动是否被指定为负。如果是，则在步骤94中将转换器i的分布电流值设置为等于转换器的最大绝对电流I_最大(由其设计确定)乘以比例比k，如下：

I_分布(i)＝-k·I_最大

其中0<k<1。k的值可是校准常数、具有取决于荷电状态差值的值的变量、或者基于相应电池单元的其他性质的变量。在步骤95中，将被命令用于转换器的目标正电流I_目标增加分派给转换器i的反向电流的幅度(即，绝对值)。在步骤96中将索引i增加1，并且然后在步骤97中执行检查以确定是否已经考虑了所有转换器。如果不是，则返回到步骤93，否则所述方法前进到步骤98，以在被分派为具有正流动方向的转换器之间分布修改的(即，增加的)目标电流。正的电流流动的分布可以在如上述专利公布中所公开的那样进行。例如，电流分布比率可以是每个相应转换器的荷电状态的函数。

在本发明的进一步改善中，根据考虑到每个相应电池单元的多个预定的SOC值(或其他状态)范围的加权因子分派提供正的电流流动的转换器的分布比率。例如，图13示出了从0到100％SOC的标度，其中第一阈值T₁定义SOC值小于T₁的低区域。第二阈值T₂定义SOC值大于T₂的高区域。所述阈值定义SOC值在T₁与T₂之间的中区域。通过考虑如图所示的区域，可以通过增加被充电最多的电池单元的分配的电流负荷来实现对电池单元的荷电状态的更有效平衡。

例如，可以根据电池类型来选择用于设置阈值的值。对于HEV电池，低和高区域将通常比PHEV或BEV电池更大(并且中区域更小)。HEV电池单元趋于更小，因此相同量的电流可以更快地升高或降低荷电状态。而且，HEV电池设计通常寻求提供导致高功率的电池单元大小，这限制了SOC操作的范围。为了确保“车辆寿命”电池(诸如10年/150,000英里的监管要求)，必须限制这些电池的最大SOC范围附近的操作。相对于PHEV和BEV中的电池单元大小的较低电流允许更宽的“全功率”操作。如本文所用，“电池单元”是指电池单元。如果多个电池单元如现代BEV电池中常见的那样以串联/并联布置放置，则“电池单元”的容量是所有互连电池单元的容量的总和。

在图14所示的优选实施例中，参考荷电状态(SOC_参考)被确定为电池组中的电池单元的中值SOC、算术平均SOC或者最大或最小SOC。每个电池单元的SOC与参考SOC之间的差值被计算为dSOC(i)＝SOC_转换器(_i)-SOC_参考，并且如上所述识别应当从其DC/DC转换器接收反向(负的)电流流动的那些电池单元。对于提供正向电流流动的每个电池单元，使用dSOC的函数获得初始分布比率，所述函数被表示为f(dSOC(i))。电池单元具有较高SOC值的转换器将通常具有比电池单元具有较低SOC值的转换器更高的f(dSOC(i))值(即，f(dSOC(i))∝dSOC(i))。例如，可以从如图6所示的适当模块获得f(dSOC(i))的具体数值关系。一旦在步骤100中使用f(dSOC(i))来确定初始分布比率，则在步骤101中根据电池单元的SOC区域对电池单元进行分类。在步骤102中，执行检查以确定电池单元是否都在相同区域中。如果它们都在相同区域中，则所述方法跳到步骤104，其中初始比率用于更新所分配的电流命令，所述分配的电流命令被传输到每个DC/DC转换器控制器。如果所有电池单元不是全部在相同区域中，则在于步骤104中传输分配的电流命令之前，根据SOC区域在步骤103中应用加权因子。

更具体地，具有正的电流流动的所有转换器的分布比率被定义为：

Ratio(i)＝w(i)f(dSOC(i))对于i＝1,2,….m

其中，m是总的n个转换器中满足条件flow_方向(i)＝1(即，正的流动方向)的转换器的数量，其中m≤n且对于i＝1,2,….m，f(dSOC(i))＞0。因此，m不是常数，但始终是正整数，因为必须有至少一个转换器通过非零电流。然后确定加权因子，如下：

如果所有电池单元的SOC在相同区域，那么

对于i＝1,2,….m，w(i)＝1

否则

根据SOC值属于每个SOC区域的电池单元的数量来确定W_高和W_中的值。W_高和W_中满足条件W_高≥1，0≤W_中≤1，和

换句话说，加权因子乘以相应的电流命令的总和导致总电流不变。为了确保SOC处于高区域的电池单元比不同区域中的其他电池单元更快地放电，比率

随着每次迭代(即，每个时间值t)而变化并且基本上等于

以等效方式表示，每次迭代的加权因子提供了关于以下的比率：

其中I_最大是每个DC/DC转换器的最大允许电流，并且I_总是总的正向电流。

可以结合电流流动方向的分派使用SOC区域的额外使用。如果特定电池单元满足具有反向电流流动的条件(即，dSOC<T_L)，但其SOC使其处于高区域中，则其替代地被分派为具有正的(正向)或零电流流动。

上述发明表明，可以使用多个DC/DC旁路转换器来个别地调整通过转换器的电流，以实现减小连接到转换器的电池单元之间的状态发散的功能。使用双向转换器并根据电池单元的SOC区域对分配的电流进行加权，可以减小SOC发散并快速平衡电池单元，以避免电池单元具有极高或极低的荷电状态。

根据实施例，本发明的特征还在于根据加权因子在未被分配反向电流的转换器之间分布增加的总正向电流的步骤，所述加权因子是根据每个相应电池单元的绝对荷电状态的多个范围确定。

根据实施例，所述范围由低区域、中区域和高区域组成，并且其中当存在在所述范围中的多于一个范围内的电池单元时，则根据以下公式确定加权因子：

其中w(i)是相应的加权因子，i是从1到m的索引，m是未被分配反向电流的转换器的数量，W_高大于或等于1，并且W_中在0和1之间，其中加权因子乘以相应的电流命令的总和导致增加的总正向电流不变。

根据实施例，加权因子提供如下比率：

其中I_最大是每个转换器的最大允许电流，并且I_总是增加的总正向电流。

Claims

1.一种电动化车辆设备，其包括：

电池组，其包括提供主电压的串联连接的电池单元；

多个DC/DC转换器，每个具有由相应电池单元供电的输入；

低压总线，其中所述DC/DC转换器具有并联耦合到所述低压总线的相应输出端；

中央模块，其具有外部回路控制器，所述外部回路控制器产生适于将所述低压总线上的总线电压调节到预定电压的目标电流；并且具有分配器，所述分配器将所述目标电流分布到用于相应DC/DC转换器的多个分配的电流命令中；以及

多个本地控制器，每个调整相应DC/DC转换器的输出电流；

其中所述分配器1)识别与表征所述电池组的参考度量具有预定偏差的电池单元，2)向用于所述识别的电池单元的相应DC/DC转换器分配反向电流，并且3)通过所述分配的反向电流增加被命令用于未被分配为具有反向电流的所述DC/DC转换器的所述目标电流。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述参考度量由平均电池单元容量组成，并且所述预定偏差由所述平均电池单元容量与相应电池单元的容量之间的预定差值组成。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述参考度量由荷电状态组成。

4.如权利要求1所述的设备，其中在所述相应DC/DC转换器不再呈现所述预定偏差之后，所述分配器解除分配所述反向电流。

5.如权利要求4所述的设备，其中所述反向电流的分配和解除分配受到所述预定偏差的滞后的影响。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述反向电流的幅度包括所述相应DC/DC转换器的最大电流的固定比例。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述反向电流的幅度与所述参考度量和所述识别的电池单元的对应度量之间的差值成比例。

8.如权利要求1所述的设备，其中分布在未被分配反向电流的DC/DC转换器之间的所述增加的目标电流是根据加权因子分派，所述加权因子是根据每个相应电池单元的绝对荷电状态的多个范围来确定。

9.如权利要求8所述的设备，其中所述范围由低区域、中区域和高区域组成，并且其中当存在在所述范围中的多于一个范围内的电池单元时，则根据以下公式确定所述加权因子：

其中w(i)是相应的加权因子，i是从1至m的索引，m是未被分配反向电流的转换器的数目，W_高大于或等于1，并且W_中介于0和1之间；

其中所述加权因子乘以所述相应的电流命令之总和导致总电流不变。

10.如权利要求9所述的设备，其中所述加权因子提供以下比率：

11.一种从由高压电池组的相应电池单元供电的并联DC/DC转换器馈送低压总线的方法，其包括：

调节总线输入电流；

识别与表征所述电池组的参考度量具有预定偏差的电池单元；

向用于所述识别的电池单元的相应转换器分配反向电流；以及

对应地增加被命令用于未被分配为具有反向电流的转换器的总的正向电流；

其中在所述相应的DC/DC转换器不再呈现所述预定偏差之后，解除分配所述反向电流；并且

其中所述反向电流的分配和解除分配受到所述预定偏差的滞后的影响。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述参考度量由平均电池单元容量组成，并且所述预定偏差由所述平均电池单元容量与相应电池单元的容量之间的预定差值组成。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述参考度量由荷电状态组成。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述反向电流的幅度包括所述相应转换器的最大允许电流的固定比例。

15.如权利要求11所述的方法，其中所述反向电流的幅度与所述参考度量和所述识别的电池单元的对应度量之间的差值成比例。