CN112259829A - 锂电池系统及高空作业车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工程机械技术领域，公开一种锂电池系统及高空作业车。锂电池系统包括：电池及回馈电流控制装置。回馈电流控制装置包括：多个电流捕获模块组，每个模块组包括：加热模块，配合电池模组的位置设置，用于捕获回馈电流；及第一开关模块，用于导通该开关模块所处于的电流捕获支路，及控制模块，用于：接收主电路上的第一电压与第二电压及电池的平均温度；以在第一电压与第二电压的差值大于预设电压且电池的平均温度小于或等于预设温度的情况下，通过控制每个电流捕获模块组中的第一开关模块，来导通其处于的电流捕获支路，以由加热模块将回馈电流转化为热能来对相应模组进行加热。本发明可极大地降低电池析锂的概率和电池出现热失控的风险。

Description

锂电池系统及高空作业车
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，具体地涉及一种锂电池系统及高空作业车。
背景技术
由于电驱动高空作业车(自行走式)通常没有机械摩擦制动器，故该高空作业车减速和停车均依赖能量回馈型再生制动技术。然而，所述再生制动技术具有以下两个特点：1、行走电机驱动器既是逆变器又是整流器，高空作业车减速或者下坡时，将动能转化电能，然后将所转换的电能回馈给动力电池；2、高空作业车的减速和制动时间通常较短，而最大速度通常6KM/H左右，制动产生的瞬时的脉冲回馈电流通常较大。因此，对于需要走走停停的作业工况(如喷刷作业、工地内转场作业)，会产生频率较高的脉冲回馈电流。
对于使用锂离子动力电池的电驱动高空作业车，大量实验结果表明，当动力电池的温度低于0℃时，脉冲回馈电流会导致电池的负极片大面积析锂。析锂会导致动力的电池容量降低，严重析锂会生成锂枝晶，刺穿隔膜，进而引起电池内部短路。如果电池出现大面积短路，则会有热失控的风险。因此，有必要采取强有力的措施，避免低温时脉冲充电带来的风险。
为避免低温脉冲充电带来的风险，通常在电池内部配置加热器件。在对电池进行充电时，若温度较低则BMS(Battery Management System，电池管理系统)利用充电器给加热器件供电，通过所述加热器加热电池至合适温度。由此，电驱动高空作业车减速或者下坡时，利用再生制动技术进行制动，所产生的回馈电流可在合适温度下直接流入电池。然而，受多种因素限制加热器件的功率不太，温升速率通常在10℃/h左右。在温度较低时，加热所需的时间较长，影响客户使用设备。另外，由于高空作业车通常是间歇工作，停机间隔较长，电池温度难以保持(不能保证放电时电池温度一直维持在0℃以上)，所以这种方式效果不好，且用户体验差，因此现有技术对于降低低温时脉冲充电带来的风险的效果极其有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂电池系统及高空作业车，其可将捕获的回馈能量转换为热能并采用该热能对电池进行加热，既满足了设备的制动要求，又有效地避免了低温充电时脉冲回馈电流对电池产生的析锂风险，从而可极大地提升电池的安全性。
为了实现上述目的，本发明提供一种锂电池系统，所述锂电池系统包括：电池，该电池包括：多个模组，且该电池与驱动器之间的动力电路包括：所述电池与所述驱动器之间的主电路；以及用于对所述驱动器所输送的回馈电流进行分流的电流捕获电路，其中所述电流捕获电路包括相互并联的多个电流捕获支路；以及回馈电流控制装置，所述回馈电流控制装置包括：多个电流捕获模块组，该多个电流捕获模块组处于所述多个电流捕获支路上且与所述多个电流捕获支路一一对应，该多个电流捕获模块组中的每个电流捕获模块组包括：加热模块，该加热模块配合所述电池的模组的位置进行设置，用于捕获所述回馈电流，并将所述回馈电流转化为热能以对与该加热模块相对应的模组进行加热；以及第一开关模块，用于导通或断开该第一开关模块所处于的电流捕获支路，以及控制模块，该控制模块包括：第一接收单元，用于接收所述主电路上的所述驱动器一端的第一电压与所述电池一端的第二电压及所述电池的平均温度；以及第一控制单元，用于根据所述第一电压与所述第二电压的差值及所述电池的平均温度执行以下操作：在所述第一电压与所述第二电压的差值大于预设电压且所述电池的平均温度小于或等于预设温度的情况下，通过控制所述每个电流捕获模块组中的第一开关模块，来导通该第一开关模块所处于的电流捕获支路，以由所述每个电流捕获模块组中的加热模块将所述回馈电流转化为热能并通过所转化的热能对与该加热模块相对应的模组进行加热。
优选地，所述加热模块的功率大于预设功率。
优选地，所述加热模块为加热膜或换热器。
优选地，所述加热模块被布置在与所述加热模块相对应的所述电池的模组的外围。
优选地，所述加热模块还用于捕获所述驱动器提供的充电电流，并将所述充电电流转化为热能以对与该加热模块相对应的模组进行加热，相应地，所述控制模块还包括：第二接收单元，用于接收所述电池的电量，第二控制单元，用于在所述电池处于充电唤醒状态且所述预设温度与所述电池的平均温度的差值大于预设温差的情况下，通过分时控制策略控制所述每个电流捕获模块组中的第一开关模块导通相应电流捕获支路，以通过该相应电流捕获支路上的加热模块将所述驱动器提供的充电电流转化为热能并通过所转化的热能对与该加热模块相对应的模组进行加热。
优选地，所述分时控制策略为按照所述每个电流捕获模块组中的所述加热模块的功率，确定用于控制所述每个电流捕获模块组中的所述第一开关模块导通相应电流捕获支路的预设周期。
优选地，所述每个电流捕获模块组还包括：温度传感器，用于采集与所述加热模块相对应的模组的温度，相应地，所述第二控制单元还用于，在所述电池的电量小于所述预设电量且所述预设温度与所述电池的平均温度的差值大于0且小于或等于所述预设温差的情况下，根据所述电池的各个模组的温度，控制所述多个电流捕获模块组中的各个第一开关模块的通断时间，以通过所述多个电流捕获模块组中的加热模块对所述电池进行均衡加热。
优选地，所述回馈电流控制装置还包括：第二开关模块，该第二开关模块位于所述主电路上，用于导通所述主电路；或者单向截止所述主电路，以仅允许由所述电池向所述驱动器进行供电，相应地，所述第一控制单元还用于，在所述第一电压与所述第二电压的差值大于所述预设电压且所述电池的平均温度大于所述预设温度的情况下，执行以下操作：通过控制所述第二开关模块来导通所述主电路；以及通过控制所述每个电流捕获模块组中的所述第一开关模块来导通相应的电流捕获支路，并根据所述第一电压与所述第二电压的差值调控所述每个电流捕获模块组中的所述第一开关模块的通断时间，来保证由所述驱动器以回馈电流向所述电池充电。
优选地，所述第二开关模块为并联连接的二极管与接触器的组合，相应地，所述第一控制单元还用于，控制所述接触器闭合以导通所述主电路；或者控制所述接触器闭合以通过所述二极管单向截止所述主电路。
优选地，所述第二开关模块为具有芯片的第一场效应晶体管，相应地，所述第一控制单元还用于，控制所述第一场效应晶体管的所述芯片来导通所述主电路或单向截止所述主电路。
通过上述技术方案，本发明创造性地在主电路上的驱动器一端的第一电压与电池一端的第二电压大于预设电压且电池的平均温度小于预设温度(例如0℃)的情况下，通过各个电流捕获模块组中的第一开关模块来导通各个电流捕获电路，以由所有加热模块来捕获回馈电流，其中所述加热模块可将所述回馈电流转换为热能，通过该热能可对电池进行加热，由此，在低温充电时加热模块可捕获所有的回馈电流，并借助回馈电流所产生的热能对电池进行加热，从而既满足了设备的制动要求，又有效地避免了低温充电时脉冲回馈电流对电池产生的析锂风险，进而可极大地降低电池析锂的概率和电池出现热失控的风险，可提升电池的安全性。
所述多个模组中的每一者包括至少一个电芯，其中所述至少一个电芯之间的间隔大于预设间隔。
本发明第二方面提供一种高空作业车，所述高空作业车包括：所述的锂电池系统。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一实施例提供的锂电池系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的锂电池系统的结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的锂电池系统的结构示意图；
图4是本发明一实施例提供的锂电池系统的结构示意图；
图5(a)是本发明一实施例提供的电池的模组M1的正视结构示意图；
图5(b)是本发明一实施例提供的电池的模组M1的俯视结构示意图；以及
图6是本发明一实施例提供的对电池的充电控制过程的流程图。
附图标记说明
10 电芯 20 驱动器
30 电池 40、50 电流捕获模块组
42、52 加热模块 44、54 第一开关模块
46 温度传感器 60 电池箱
70 第二开关模块 72 二极管
74、442、542 接触器 80 电动机
90 接触器 100 预充电阻
110 预充继电器 120 分流器
420、520 加热膜 440、540、700 MOS管
800 回馈电流控制装置
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在介绍本发明的具体实施例之前，先对两个概念进行简单的说明。
再生制动：电动车制动时，(行走)电动机可被控制作为发电机运行，从而将车辆的动能或势能变换为电能，并储存在能量储存模块中。
回馈电流：再生制动过程中，驱动器将(行走)电动机产生的电能转化成可供储能模块或者其他耗能元件使用的电流，此电流被称之为回馈电流。
考虑高空作业车不含机械摩擦制动器以及作业工况的特点，电动机产生频率较高的脉冲回馈电流，该脉冲回馈电流远远大于乘用车的脉冲回馈电流，采用现有技术远远无法将脉冲充电电流降低到符合高空作业车使用的要求。因此，本发明实施例采用抑制脉冲回馈电流对(高空作业车的)电池充电的策略，结合加热的方式高效解决较高脉冲充电对高空作业车带来的风险。
图1是本发明一实施例提供一种锂电池系统的结构图。如图1所示，所述锂电池系统可包括：电池(即锂电池)30；以及及回馈电流控制装置800。电池30与驱动器20之间的动力电路可包括：所述电池30与所述驱动器20之间的主电路；以及用于对所述驱动器20所输送的回馈电流进行分流的电流捕获电路，其中所述电流捕获电路包括相互并联的多个电流捕获支路(例如，电流捕获支路P、电流捕获支路Q……)。所述回馈电流控制装置800可包括：多个电流捕获模块组(例如电流捕获模块组40、电流捕获模块组50)与控制模块(未示出)(例如，BMS)。其中，所述多个电流捕获模块组(例如电流捕获模块组40、电流捕获模块组50)处于所述多个电流捕获支路上且与所述多个电流捕获支路一一对应(即电流捕获模块组40处于电流捕获支路P；以及电流捕获模块组50处于电流捕获支路Q)。
所述电池30可包括：多个模组(例如，模组M1、M2)，其中所述多个模组中的每一者(例如模组M1)包括至少一个电芯10，如图5(a)或图5(b)所示。其中，所述至少一个电芯10之间的间隔大于预设间隔。该种布局的模组优势可见上文的描述。此外，还可设置相应的电池箱60来保护电池，如图5(a)或图5(b)所示。需要注意的是，本发明各个实施例中的电池均可指锂电池。
其中，所述多个电流捕获模块组中的每个电流捕获模块组(例如电流捕获模块组40或电流捕获模块组50)可包括：加热模块(例如，图2中的加热模块42或加热模块52)，该加热模块配合所述电池的模组的位置进行设置(即加热模块与电池的模组一一对应)，用于捕获所述回馈电流，并将所述回馈电流转化为热能以对与该加热模块相对应的模组进行加热；以及第一开关模块(例如，图2中的第一开关模块44或第一开关模块54)，用于导通或断开该第一开关模块所处于的电流捕获支路。
其中，所述第一开关模块可为场效应晶体管或接触器。例如，所述第一开关模块44为场效应晶体管440(可简称为MOS管440，如图4所示)或接触器442(如图3所示)；或者所述第一开关模块54可为场效应晶体管540(可简称为MOS管540，如图4所示)或接触器542(如图3所示)。
其中，所述控制模块可包括：第一接收单元(未示出)，用于接收所述主电路上的所述驱动器20一端的第一电压与所述电池30一端的第二电压及所述电池的平均温度；以及第一控制单元(未示出)，用于根据所述第一电压与所述第二电压的差值及所述电池30的平均温度执行以下操作：在所述第一电压与所述第二电压的差值大于预设电压且所述电池30的平均温度小于或等于预设温度的情况下，通过控制所述每个电流捕获模块组中的所述第一开关模块，来导通该第一开关模块所处于的电流捕获支路，以由所述每个电流捕获模块组中的加热模块将所述回馈电流转化为热能并通过所转化的热能对与该加热模块相对应的模组进行加热。其中，所述电池的平均温度可由各个电流捕获模块组中的温度传感器采集的温度得到。
从电路连接的方式来看，所述主电路的第一端与驱动器20的正极相连接且其另一端与电池30的正极相连接。所述电流捕获电路的一端与所述主电路上的B点(即驱动器的正极)相连接，以及所述电流捕获电路的另一端与所述驱动器的负极相连接，其用于抑制电池低温时脉冲回馈电流对电池充电以防止电池析锂，从而提升设备的续航能力。并且，由于各个加热模块配合相应的电池模组的位置被设置，故本发明实施例可快速且均衡地对电池进行加热，从而不仅不会出现电池局部温度过高的问题，还能吸收一些热能。
具体地，当所述主电路上的所述驱动器20一端的第一电压UB与所述电池30一端的第二电压UA的差值大于预设电压(表明电动机产生电动势，例如所述预设电压为0V)且电池温度低于预设温度(例如，0℃)时，所产生的回馈能量(回馈电流)通过加热模块全部转化成热能消耗掉，不会被输送给电池30(不会对电池30进行充电)；同时所转化的热能可直接用于对各个加热模块所对应的电池模组进行加热。由此，本实施例在电池30处于低温(例如，电池温度小于0℃)时，在不影响用户操作体验的情况下有效地截获电动机产生的回馈电流，从而有利于提升高空作业车的续航能力。由于无需加热电池，故用户无需等待电池预热即可操作设备，提升了设备的操控体验。另外，设备工作时，不需要依靠消耗电池能量维持电池温度在0℃以上，因此减少了电能消耗，有利于节能和提升设备的续航能力。
其中，所述加热模块的功率大于所述预设功率。所述加热模块可为加热膜(例如图3或图4中的加热膜420、加热膜520，其分别配合模组M1与M2的位置进行设置)或换热器(未示出，例如气体换热器或液体换热器)。例如，加热膜的功率至少是预设功率的10倍以上。其中，所述预设功率可基于现有技术中的加热单元的功率确定(例如所述预设功率可等于所述现有技术中的加热单元的功率)。与采用制动电阻捕获回馈电流的方案(低温天气设备下长坡，势能转化成热能消耗在制动电阻上，有可能导致制动电阻超过其设计温度)相比，由于加热模块的功率大，在下坡过程中势能转化的热能可快速帮电池温度提高至预设温度(例如0℃)，不仅避免了制动电阻过热的问题，还能吸收部分下坡的势能。
为了避免加热膜所吸收的热量集中在局部区域，而导致电池局部温度过高，所述加热模块被布置在与所述加热模块相对应的所述电池的模组的外围。例如，所述加热膜(例如，图3或图4中的加热膜420)被配置为包裹在所述电池的模组M1的外围，如图5(a)或图5(b)所示。在一实施例中，设计了如下电池的模组M1和加热膜420的布局方式：加热膜420布置在电池模组M1的四个侧面；相邻电芯10之间留有一定的间隙，中心位置布置有温度传感器46。这种布局方式的优点是：环境温度较低时，加热时从加热膜传递至各个电芯的热量较为均匀(各个电芯之间的温差较小，详见下文描述)；环境温度较高时，也不会导致模组内部电芯温度过于集中而无法散热。并且，该布置结构简单，便于安装。
当高空作业车处于未工作状态且所述电池的平均温度较低时，可在每个时刻控制一个电流捕获支路导通，由此可降低整个电流捕获电路上的加热模块的加热功率(由于在上述捕获回馈电流过程中，整个电流捕获电路上的多个加热模块共同发挥加热作用，故所有加热模块的加热功率较大)，由于在充电的过程中需要在充电机的辅助作用下才可完成充电过程，故可相应地降低充电机的容量，从而提高电池的安全性。
具体地，所述加热模块(例如，图2中的加热模块42或加热模块52)还用于捕获所述驱动器20提供的充电电流，并将所述充电电流转化为热能以对与该加热模块相对应的模组进行加热。相应地，所述控制模块还可包括：第二接收单元(未示出)，用于接收所述电池20的电量，第二控制单元(未示出)，用于在所述电池处于充电唤醒状态(表明高空作业车处于未工作状态)且所述预设温度与所述电池的平均温度的差值大于预设温差的情况下，通过分时控制策略控制所述每个电流捕获模块组中的第一开关模块导通相应电流捕获支路，以通过该相应电流捕获支路上的加热模块将所述驱动器提供的充电电流转化为热能并通过所转化的热能对与该加热模块相对应的模组进行加热。
其中，所述预设温差可设置为接近但大于预设温度的数值(例如，所述预设温差为3℃)。当所述预设温度为0℃时，所述预设温度与所述电池的平均温度的差值大于所述预设温差表明所述电池的平均温度小于-3℃(即平均温度较低)所述电池处于充电唤醒状态且所述预设温度与所述电池的平均温度的差值大于预设温差表明此时需要对电池进行正常充电。
其中，所述分时控制策略为按照所述每个电流捕获模块组中的所述加热模块的功率，确定用于控制所述每个电流捕获模块组中的所述第一开关模块导通相应电流捕获支路的预设周期。用于控制所述每个电流捕获模块组中的所述第一开关模块导通相应电流捕获支路的预设周期与所述每个电流捕获模块组中的所述加热模块的功率成反比。例如，在加热模块42的功率为加热模块52的功率的两倍的情况下，用于控制第一开关模块44导通的预设周期等于用于控制第一开关模块54导通的预设周期的一半；以及在加热模块42的功率等于加热模块52的功率的情况下，用于控制第一开关模块44导通的预设周期等于用于控制第一开关模块54导通的预设周期。
在本实施例中，若所述多个电流捕获支路为两个电流捕获支路P、Q，相应地，则所述多个电流捕获模块组为两个电流捕获模块组40、50，如图3所示。在加热模块42与加热模块52的功率相等的情况下，按照固定的预设周期交替性地控制第一开关模块44与第一开关模块54来导通相应的单个电流捕获支路。例如，在第一个周期T内，控制第一开关模块44导通其所在的电流捕获支路，同时通过加热模块42将部分充电电流转化为热能，所转化的热能可用于对与加热模块42相对应的模组进行加热；在第二个周期T内，控制第一开关模块54导通其所在的电流捕获支路，同时通过加热模块52将部分充电电流转化为热能，所转化的热能可用于对与加热模块52相对应的模组进行加热；以此类推，在第奇数个周期T内，控制第一开关模块44导通其所在的电流捕获支路，在第偶数个周期T内，控制第一开关模块54导通其所在的电流捕获支路。由此，在对电池进行正常充电的同时，还可在每个周期T内由单个电流捕获支路上的加热模块对电池进行加热。
为了避免电池局部过热(即各个模组的温差相差较大)的现象出现，在对所述电池进行正常充电的过程中，当所述电池30的平均温度接近但小于所述预设温度(例如0℃)时，可根据电池30的各个模组的温度调整与各个模组相对应的各个第一开关模块的通断时间。由此，可有效地对温度较低的模组进行较长时间的加热，以补偿与其他模组之间的较大温差，从而提高电池的安全性。
具体地，所述每个电流捕获模块组还可包括：温度传感器(如图5所示的电流捕获模块组40中的温度传感器46)，用于采集与所述加热模块(如图5所示的加热膜420)相对应的模组(例如模组M1)的温度。相应地，所述第二控制单元还用于，在所述电池30的电量小于所述预设电量且所述预设温度与所述电池30的平均温度的差值大于0且小于或等于所述预设温差的情况下，根据所述电池30的各个模组的温度，控制所述每个电流捕获模块组中的第一开关模块的通断时间，以通过所述多个电流捕获模块组中的加热模块对所述电池30进行均衡加热。
在本实施例中，若所述各个模组所的温度越大，则控制相应各个第一开关模块的导通时间越小。在模组M1的温度为与模组M2的温度相等的情况下，相应的第一开关模块44与第一开关模块54的通断时间相等；或者在模组M1的温度为-2℃及模组M2的温度为-1℃的情况下，第一开关模块44的导通时间可为20s及第一开关模块54的导通时间可为8s。当然，在另一实施例中，还可根据所述电池30的各个模组的温度与所述预设温度的差值，控制所述每个电流捕获模块组中的第一开关模块的通断时间。
在本发明各个实施例中，采用多路并联的电流捕获支路的好处有如下两点：(1)在捕获回馈电流的过程中，同时导通多路支路可降低通过单个支路上的MOS管的电流，从而提高MOS管的可靠性；(2)在电池处于充电唤醒状态(正常充电)的情况下，BMS可以采用分时控制导通单个支路，以降低充电加热的功率，从而降低对充电机的容量，进而提高电池安全性。
所述回馈电流控制装置800还可包括：第二开关模块70，该第二开关模块70位于所述主电路上，用于导通所述主电路；或者单向截止所述主电路，以仅允许由所述电池30向所述驱动器20进行供电。在上述捕获回馈电流的过程中，需要通过第一控制单元控制所述第二开关模块70单向截止所述主电路；或者在上述对电池进行正常充电的过程中，需要通过第二控制单元控制所述第二开关模块70导通所述主电路。
所述第一控制单元还用于，在所述第一电压与所述第二电压的差值大于所述预设电压且所述电池30的平均温度大于所述预设温度的情况下，执行以下操作：通过控制所述第二开关模块70来导通所述主电路，以由所述驱动器20对所述电池30进行充电(详见下文)；以及通过控制所述每个电流捕获模块组中的所述第一开关模块来导通相应的电流捕获支路，并根据所述第一电压与所述第二电压的差值分别调控所述每个电流捕获模块组中的所述第一开关模块的通断时间，来保证由所述驱动器向所述电池充电。此时，所述第二开关模块70相当于一根导线，其用于导通主电路。也就是说，电流可以从B流向A(向电池充电)。
在一实施例中，所述第二开关模块70可为并联连接的二极管72与接触器74(可为低温接触器)的组合，如图3所示。
在所述第一电压与所述第二电压的差值大于预设电压且所述电池的温度小于或等于预设温度的情况下，所述第一控制单元用于通过控制所述第二开关模块70来单向截止所述主电路可包括：控制所述接触器74断开以通过所述二极管72单向截止所述主电路。此时，所述第一开关模块50相当于一个二极管，其用于单向截止主电路。也就是说，电流可以从A流向B(允许电池放电)，但电流不能从B流向A(禁止向电池充电)。
在所述第一电压与所述第二电压的差值大于所述预设电压且所述电池的平均温度大于所述预设温度的情况下，所述第一控制单元用于控制所述接触器74断开来导通所述主电路，以由所述驱动器20对所述电池30进行充电(详见下文)。此时，所述第二开关模块70相当于一根导线，其用于导通主电路。也就是说，电流可以从B流向A(向电池充电)。
在该实施例中，所述第二开关模块70的优势是成本低。
在另一实施例中，所述第二开关模块70可为具有芯片的第一场效应晶体管(如图4所示的MOS管700)。
所述第一控制单元用于通过控制所述第二开关模块70来单向截止所述主电路可包括：控制所述第一场效应晶体管的所述芯片来单向截止所述主电路。此时，所述第一场效应晶体管(即MOS管700))相当于一个二极管，其用于单向截止主电路。也就是说，电流可以从A流向B(允许电池放电)，但电流不能从B流向A(禁止向电池充电)。
在所述第一电压与所述第二电压的差值大于所述预设电压且所述电池的平均温度大于所述预设温度的情况下，第一控制单元用于通过控制所述第一场效应晶体管的所述芯片来导通所述主电路，以由所述驱动器对所述电池进行充电(详见下文)。此时，所述第二开关模块70相当于一根导线，其用于导通主电路。也就是说，电流可以从B流向A(向电池充电)。
在该实施例中，所述第二开关模块70的优势是体积较小，有利于电路板布置；并且其内阻较小，当主电路的电流较大时，压降较小(由此发热少)，故回馈能量耗散少。
在经所述加热模块转化的热能等因素的作用下，电池30的温度逐渐升高。当电池温度大于所述预设温度且主电路上的所述驱动器20一端的第一电压UB与所述电池30一端的第二电压UA的差值大于预设电压(表明电动机产生电动势，例如所述预设电压为0V)时，由于此时对电池充电不会产生析锂的危险，故可通过第二开关模块70导通主电路，从而可利用电动机所产生的回馈电能对电池进行充电。
具体地，在以回馈电流对电池进行充电的过程中，可根据回馈电动势的大小(即UB)与所述第二电压(即UA)的差值调控脉冲宽度调制(PWM)信号，来控制所述第一开关模块的通断时间，以保证在充分吸收回馈能量的同时，又能最小限度减少“偷电现象”(“偷电现象”是指在吸收回馈能量过程中，电池的充电功率大于回馈功率，从而导致UA＞UB，进而电池出现放电的现象)。具体地，在一实施例中，所述第一控制单元还用于，根据所述第一电压(UB)与所述第二电压(即UA)的差值调控所述第一开关模块的通断时间，来保证由所述驱动器20向所述电池30充电。
在该实施例中，可根据所述主电路上的所述驱动器20一端的第一电压UB与第二电压UA的差值，通过控制模块(例如BMS)采用PI控制算法控制脉冲宽度调制(PWM)占空比，从而控制每个第一开关模块的通断时间，实现对回馈电动势的精确分压的控制，以保证主电路上的电压UB大于UA(即主电路上的吸收功率小于回馈功率)。具体地，一旦检测到UB与UA的差值小于另一预设电压(例如0.2V)，采用PI控制算法控制脉冲宽度调制(PWM)占空比变小，以将UB与UA的差值维持在0.2V左右。因此，本实施例可根据UB对电池进行充电，多余的回馈能量通过电流捕获电路上的加热模块消耗掉，避免出现“偷电现象”，从而有利于设备的续航能力。
为了在满足最小制动距离的要求下，尽可能降低脉冲回馈电流的最大值，以压平脉冲回馈电流的波形，从而减小对电池的冲击。在本发明实施例中，可对电动机的发电电流进行控制，具体内容详见下文的描述。
在另一实施例中，所述控制模块还可包括：确定单元(未示出)，用于根据电动机80的目标转速与实际转速及高空作业车的制动时间，确定所述电动机80的发电电流；以及发送单元(未示出)，用于将所确定的所述发电电流发送给所述驱动器20，以允许该驱动器20以所述发电电流来控制所述电动机80进行发电。
所述确定单元(未示出)用于确定所述发电电流可包括：在所述目标转速、所述实际转速及所述制动时间满足预设条件的情况下，确定所述发电电流为最大发电电流，其中所述预设条件为所述制动时间小于预设制动时间或者所述目标转速与所述实际转速的差值大于预设转速差值；或者在所述目标转速、所述实际转速及所述制动时间不满足所述预设条件的情况下，根据最小发电电流、最大允许制动时间及最大发电电流确定所述发电电流。
其中，所述最小发电电流是指以此电流发电在非极端情况下(例如，在平地以6km/h的速度行驶。)能满足最小制动距离的要求。所述最小发电电流通常可采用最大发电电流的百分比来表示。
其中，所述确定单元(未示出)用于根据最小发电电流、最大允许制动时间及最大发电电流确定所述发电电流可包括：根据所述最小发电电流Imin、所述最大允许制动时间Tmax、所述最大发电电流Imax及下式(1)，确定所述发电电流，
Figure BDA0002704781630000161
其中，Imax、Imin、Tmax的取值需要结合具体的车型和工况调试确定，t为制动时间(可提前根据实际需求进行设置)。
具体地，可根据下列规则计算发电电流。
当制动时间小于1s(例如预设制动时间)时，发电电流＝100％Imax。急停操作时通常要求制动距离短，因此制动功率要求最高，通常急停操作的发电电流设置为100％Imax。
当目标转速与实际转速的差值较大(比如差值可为500rpm，预设转速差值可为200rpm(但该预设转速不限于200rpm))时，发电电流＝100％Imax。此时阻力较大，有可能在爬坡，能转化成电能的动能减少，由于发电功率不大，故回馈电流峰值不高。
而在其他情况下，发电电流可按照上述公式(1)进行计算。
在计算出发电电流后，控制模块通过CAN总线发送给驱动器20，该驱动器20以所述发电电流来控制所述电动机80进行发电。由此，本实施例可在不影响制动性能的情况下，控制回馈能量平稳输出，降低冲击回馈电流，从而可有效地减小对电池的冲击。
当主电路上的所述驱动器20一端的第一电压UB与所述电池30一端的第二电压UA的差值小于或等于所述预设电压(例如所述预设电压为0V，当UB小于或等于UA表明电动机未产生电动势)时，可控制所有第一开关模块断开电流捕获电路，并且控制第二开关模块70单向截止主电路，从而可禁止驱动器对电池进行充电。
具体地，所述第一控制单元还用于，在所述第一电压与所述第二电压的差值小于或等于所述预设电压的情况下，执行以下操作：通过控制所述每个第一开关模块来截止电流捕获电路；以及通过控制所述第二开关模块70来单向截止所述主电路，以仅允许由所述电池20对所述驱动器30进行供电。
需要注意的是，所述加热模块的功率既要满足制动距离的需要，又要保证再生电动势小于驱动器的保护电压，其大小可根据现有的算法来确定。
为了防止在第二开关模块70故障的情况下，对于处于正常作业工况下的高空作业车而言，由于所述电池30无法正常对其进行供电，故无法将所述高空作业车移动到紧急故障点，以供相关维修人员进行检修工作。
在本发明实施例中，还可设置与第二开关模块70并联连接的旁路开关，通过闭合该旁路开关来维持由电池30对驱动器20进行供电。具体地，所述回馈电流控制装置800还可包括：旁路开关(未示出)，该旁路开关与所述第二开关模块70并联连接。相应地，所述控制模块还可包括：第三控制单元(未示出)，用于在所述第二开关模块70故障的情况下，控制所述旁路开关闭合以由所述电池30为所述驱动器20供电。
当然，上述实施例中的各个控制单元(例如，第一控制单元、第二控制单元、第三控制单元)可为相互独立的控制单元，也可为集成在同一控制单元。
所述回馈电流控制装置800还可包括：第一电压传感器(未示出)，用于采集所述主电路上的所述驱动器20一端的所述第一电压；以及第二电压传感器(未示出)，用于采集所述主电路上的所述电池30一端的所述第二电压。其中，所述第一电压传感器(未示出)与所述第二电压传感器(未示出)可为电压表。
具体而言，下面以图3所示的锂电池系统为例对电池的充电控制过程进行解释和说明，如图6所示。其中，加热膜420、520分别配合模组M1与M2的位置进行设置。
如图6所示，所述对电池的充电控制过程可包括以下步骤S601-612。
步骤S601，对高空作业车进行上电。
步骤S602，BMS获取电池的模组M1与M2的温度、MOS管500两端的电压UA与UB及电池的状态信号。
BMS经A/D转换器获取MOS管500前端电压(UA)、MOS管500后端电压(UB)；其他各个数据BMS可直接获取。
步骤S603，BMS判断电池的状态信号是否表明电池处于充电唤醒状态，若是，则执行步骤S604；否则，执行步骤S609。
步骤S604，BMS根据模组M1与M2的温度计算电池的平均温度，并判断电池的平均温度是否小于-0.3℃，若是，则执行步骤S605；否则，执行步骤S606。
本实施例中，可设置预设温度为0℃，以及预设温差为0.3℃。
步骤S605，BMS按照固定的预设周期控制MOS管440与MOS管540交替导通相应的电流捕获支路。
通过步骤S605可实现分时控制两个加热膜进行加热的目的，从而可实现以较小的加热功率对模组M1与M2进行均衡加热的目的。
步骤S606，BMS根据模组M1与M2的温度计算电池的平均温度，并判断电池的平均温度是否等于-0.3℃，若是，则执行步骤S607；否则，执行步骤S608。
步骤S607，BMS执行正常充电控制。
正常充电控制：BMS控制接触器74(双向)导通主电路，并控制MOS管440断开其所在的电流捕获支路与控制MOS管540断开其所在的电流捕获支路(即断开整个电流捕获电路)，通过驱动器20对电池30进行充电，与现有技术中的常规充电方式相类似。
步骤S608，BMS按照模组M1与M2的温度，调整MOS管440与MOS管540的通断时间。
通过步骤S608实现对不同模组的补充加热，以实现对各个模组的均衡加热的目的。
步骤S609，BMS判断电压UB与电压UA的差值是否大于预设电压；若是，则执行步骤S610；否则，重新执行步骤S602。
若电压UB与电压UA的差值大于所述预设电压(例如，0V)，表明电动机产生较大的回馈电流，则需要进一步执行步骤S610来根据电池的温度来判断是否能够对电池进行非正常充电；否则，表明电动机并未产生较大的回馈电流，返回执行步骤S602。
步骤S610，BMS根据模组M1与M2的温度计算电池的平均温度，并判断电池的平均温度是否小于或等于0℃，若是，则执行步骤S611；否则，执行步骤S612。
若电压UB与电压UA的差值大于所述预设电压(例如，0V)且所述电池的温度小于或等于所述预设温度(例如，0℃)，表明此时对电池充电会产生析锂的危险。此时，通过执行步骤S611来执行制动控制，也就是说，将较大的回馈电流引流到电流捕获电路，以例如通过加热膜420与加热膜520来消耗所述回馈电流，即不对电池30进行非正常充电。
若电压UB与电压UA的差值大于所述预设电压(例如，0V)且所述电池的温度大于所述预设温度(例如，0℃)，表明此时对电池充电不会产生析锂的危险。此时，通过执行步骤S612来执行非正常充电控制，也就是说，通过限制充电功率来对电池进行充电。
步骤S611，BMS执行制动控制。
当电压UB与电压UA的差值大于所述预设电压(例如，0V)且电池的温度小于或等于所述预设温度(例如，0℃)时，开启制动控制。
制动控制：BMS断开接触器74以单向截断由驱动器20向电池30充电的电路，并控制MOS管440导通其所在的电流捕获支路与控制MOS管540其所在的电流捕获支路(即导通制动回路)，此时所有回馈电流通过加热膜420与加热膜520消耗掉，从而避免给电池充电。制动控制的目的是防止因电池低温时脉冲回馈电流导致电池析锂的风险。与此同时，加热膜420与加热膜520所转化的热能可对相应的模组M1与M2进行加热。
BMS具有快速充电加热功能，但由于传统锂电池的充电加热功率通常较小，充电加热时间较长。以一款48V315AH的锂电池为例，其加热片功率约为300W，加热速率10℃/h。同样规格的锂电池，配置回馈电流控制功能后，加热功率将不小于5KW，充电加热速率可提高至1℃/min。
步骤S612，BMS执行非正常充电控制。
当电压UB与电压UA的差值大于所述预设电压(例如，0V)且电池的温度大于所述预设温度(例如，0℃)时，开启非正常充电控制。
非正常充电控制：BMS控制接触器74(双向)导通主电路，并控制MOS管440导通其所在的电流捕获支路与控制MOS管540导通其所在的电流捕获支路，同时根据UB与UA的差值采用PI控制算法控制PWM占空比来分别控制MOS管440与MOS管540的通断时间，从而调控回馈电流在电流捕获电路上的分压大小，即实现制动电压的精准控制，最终保证主电路上的电压UB大于UA。该充电控制的目的是避免出现“偷电现象”。
与采用制动电阻捕获回馈电流的方案相比，由于本实施例可通过加热膜将回馈电流的能量转化为热能以对相应的模组进行加热，故能量利用率更高，有利于延长电池续航里程，同时缓解了锂电池低温容量衰减的现象，提升设备的低温工况适应性。
综上所述，本发明创造性地在主电路上的驱动器一端的第一电压与电池一端的第二电压大于预设电压且电池的平均温度小于预设温度(例如0℃)的情况下，通过第一开关模块来导通电流捕获电路，以由第一加热模块来捕获所述回馈电流；接着，所述加热模块可将所述回馈电流转换为热能，通过该热能可对电池进行加热，由此，在低温充电时所述第一加热模块可捕获所有的回馈电流，并借助回馈电流所产生的热能对电池进行加热，从而既满足了设备的制动要求，又有效地避免了低温充电时脉冲回馈电流对电池产生的析锂风险，进而可极大地降低电池析锂的概率和电池出现热失控的风险，可提升电池的安全性。
所述锂电池系统还可包括：接触器90、预充电阻100、预充继电器110及分流器120等装置，如图1所示。其中所述各个装置的设置不是本发明的改进点，于此不在对其功能进行一一阐述，现有技术中的相应功能描述可引用于此。
本发明一实施例还提供一种高空作业车，所述高空作业车包括：所述的锂电池系统。
有关本发明实施例提供的高空作业车的具体细节及益处可参阅上述针对锂电池系统的描述，于此不再赘述。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (12)

1.一种锂电池系统，其特征在于，所述锂电池系统包括：
电池，该电池包括：多个模组，且该电池与驱动器之间的动力电路包括：所述电池与所述驱动器之间的主电路；以及用于对所述驱动器所输送的回馈电流进行分流的电流捕获电路，其中所述电流捕获电路包括相互并联的多个电流捕获支路；以及
回馈电流控制装置，所述回馈电流控制装置包括：
多个电流捕获模块组，该多个电流捕获模块组处于所述多个电流捕获支路上且与所述多个电流捕获支路一一对应，该多个电流捕获模块组中的每个电流捕获模块组包括：
加热模块，该加热模块配合所述电池的模组的位置进行设置，用于捕获所述回馈电流，并将所述回馈电流转化为热能以对与该加热模块相对应的模组进行加热；以及
第一开关模块，用于导通或断开该第一开关模块所处于的电流捕获支路，以及
控制模块，该控制模块包括：
第一接收单元，用于接收所述主电路上的所述驱动器一端的第一电压与所述电池一端的第二电压及所述电池的平均温度；以及
第一控制单元，用于根据所述第一电压与所述第二电压的差值及所述电池的平均温度执行以下操作：在所述第一电压与所述第二电压的差值大于预设电压且所述电池的平均温度小于或等于预设温度的情况下，通过控制所述每个电流捕获模块组中的所述第一开关模块，来导通该第一开关模块所处于的电流捕获支路，以由所述每个电流捕获模块组中的加热模块将所述回馈电流转化为热能并通过所转化的热能对与该加热模块相对应的模组进行加热。
2.根据权利要求1所述的锂电池系统，其特征在于，所述加热模块的功率大于预设功率。
3.根据权利要求2所述的锂电池系统，其特征在于，所述加热模块为加热膜或换热器。
4.根据权利要求2所述的锂电池系统，其特征在于，所述加热模块被布置在与所述加热模块相对应的所述电池的模组的外围。
5.根据权利要求1所述的锂电池系统，其特征在于，所述加热模块还用于捕获所述驱动器提供的充电电流，并将所述充电电流转化为热能以对与该加热模块相对应的模组进行加热，
相应地，所述控制模块还包括：
第二接收单元，用于接收所述电池的电量，
第二控制单元，用于在所述电池处于充电唤醒状态且所述预设温度与所述电池的平均温度的差值大于预设温差的情况下，通过分时控制策略控制所述每个电流捕获模块组中的第一开关模块导通相应电流捕获支路，以通过该相应电流捕获支路上的加热模块将所述驱动器提供的充电电流转化为热能并通过所转化的热能对与该加热模块相对应的模组进行加热。
6.根据权利要求5所述的锂电池系统，其特征在于，所述分时控制策略为按照所述每个电流捕获模块组中的所述加热模块的功率，确定用于控制所述每个电流捕获模块组中的所述第一开关模块导通相应电流捕获支路的预设周期。
7.根据权利要求5所述的锂电池系统，其特征在于，所述每个电流捕获模块组还包括：温度传感器，用于采集与所述加热模块相对应的模组的温度，
相应地，所述第二控制单元还用于，在所述电池的电量小于所述预设电量且所述预设温度与所述电池的平均温度的差值大于0且小于或等于所述预设温差的情况下，根据所述电池的各个模组的温度，控制所述多个电流捕获模块组中的各个第一开关模块的通断时间，以通过所述多个电流捕获模块组中的加热模块对所述电池进行均衡加热。
8.根据权利要求1所述的锂电池系统，其特征在于，所述回馈电流控制装置还包括：第二开关模块，该第二开关模块位于所述主电路上，用于导通所述主电路；或者单向截止所述主电路，以仅允许由所述电池向所述驱动器进行供电，
相应地，所述第一控制单元还用于，在所述第一电压与所述第二电压的差值大于所述预设电压且所述电池的平均温度大于所述预设温度的情况下，执行以下操作：
通过控制所述第二开关模块来导通所述主电路；以及
通过控制所述每个电流捕获模块组中的所述第一开关模块来导通相应的电流捕获支路，并根据所述第一电压与所述第二电压的差值调控所述每个电流捕获模块组中的所述第一开关模块的通断时间，来保证由所述驱动器以回馈电流向所述电池充电。
9.根据权利要求8所述的锂电池系统，其特征在于，所述第二开关模块为并联连接的二极管与接触器的组合，
相应地，所述第一控制单元还用于，控制所述接触器闭合以导通所述主电路；或者控制所述接触器闭合以通过所述二极管单向截止所述主电路。
10.根据权利要求8所述的锂电池系统，其特征在于，所述第二开关模块为具有芯片的第一场效应晶体管，
相应地，所述第一控制单元还用于，控制所述第一场效应晶体管的所述芯片来导通所述主电路或单向截止所述主电路。
11.根据权利要求1所述的锂电池系统，其特征在于，所述多个模组中的每一者包括至少一个电芯，
其中所述至少一个电芯之间的间隔大于预设间隔。
12.一种高空作业车，其特征在于，所述高空作业车包括：根据权利要求1-11中任一项权利要求所述的锂电池系统。
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