CN112498176B - 具有多电池组电池系统的电动动力系 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有多电池组电池系统的电动动力系。一种多电池组电池系统，其具有至少第一和第二电池组，每个电池组具有正极和负极端子，并且每个电池组具有分别连接到正极端子和负极端子的上部和下部开关。电池组具有第一电压电平，并且能够串联或并联连接。控制器响应于输入信号控制开关的ON/OFF状态，以在两种串联充电模式、三种并联充电模式和一种或多种推进模式之间进行选择。一些实施例具有串联推进模式。一种电动动力系统包括第一和第二功率逆变器模块(“PIM”)、电气负载、连接到第一和第二PIM中相应的一个的前部和后部电机以及电池系统。动力系统可以在各种推进模式的每一种中选择性地提供全轮驱动、前轮驱动或后轮驱动能力。

Description

具有多电池组电池系统的电动动力系
技术领域
本公开涉及用于在电池电动车辆(“BEV”)、混合电动车辆(“HEV”)和其它高电压移动平台上推进的类型的电动动力系。
背景技术
电动动力系通常包括一个或多个多相/交流(“AC”)旋转电机，该电机由绕线定子和磁性转子构成。电机的各相引线连接到功率逆变器，功率逆变器又连接到直流(“DC”)电压总线。当电机用作牵引马达时，位于功率逆变器内的半导体开关的ON/OFF开关状态的控制被用于产生处于适于为电机通电的电平的AC输出电压。通电相绕组最终相对于定子产生旋转磁场。旋转定子磁场与转子磁场相互作用，产生电机旋转和马达输出扭矩。
多单体DC电池通常被用作现代BEV、HEV或另一种移动高压移动平台上的可再充电能量存储系统的核心部件。连接到DC电压总线的电池可以由非车载充电站选择性地充电。当充电站产生具有AC波形的充电电压时，位于被充电的特定平台上的AC-DC转换器将AC充电波形转换成适于对电池的组成电池单体充电的DC波形。备选地，DC快速充电(“DCFC”)站可以用作相对高功率/高速充电选项。
目前用于为车辆和其它移动平台的推进功能通电的多单体电池组的额定电压持续增加，以便延长最大电动行驶里程，并提高整体驱动性能。快速充电基础设施和相关联的充电方法也在不断发展，以努力跟上电池组硬件改进的步伐。然而，将较高功率的DCFC充电站与现有充电基础设施和电池组架构整合的审慎步伐应当确保至少在可预见的未来对较低功率的“传统”充电站的持续需求。另外，例如对于具有成本效益的电力电子设备，较低的电池组电压仍然是有利的，并且因此将继续使用。由于DCFC基础设施的发展趋势和低电压推进系统的持续存在，由给定的DCFC站提供的充电电压可能与给定的多单体电池组的额定电压或容量匹配或者可能不匹配。
发明内容
本文公开了一种具有可重新配置的多电池组电池系统的电动动力系。虽然为了说明的简单起见，本文将“多电池组”例示为两个电池组，但是在其它实施例中，本教导可以扩展到三个或更多个电池组，这对于本领域普通技术人员来说是容易理解的，因此本文使用的“多”意味着“两个或更多个”，而对电池系统中使用的电池组的数量没有上限。然而，尺寸、重量、包装和其它这样的考虑可能限制在给定架构中使用的电池组的实际数量，因此本文描述的电池系统代表了本教导的一个可能的实际实施例。
在一些实施例中，多个电池组在推进操作期间以并联连接(“P连接”)配置连接，并且在充电操作期间以P连接或S连接配置连接。例如，P连接配置可提供用于标称400V推进操作，S连接配置能够实现标称800V充电。在其它实施例中，推进模式可以是例如在标称800V电平下的串联推进模式。所公开的多电池组架构还使得能够灵活使用DC快速充电(“DCFC”)站，以提高该站可用充电能力的利用率。
在非限制性示例性实施例中，电动动力系包括由第一电压电平(“V1”)共同提供功率的推进系统和连接的电气负载。本公开中使用的多个电池组被配置成在第一电压电平下接收电荷，或者当更高的充电电压经由DCFC站可用时，在更高的第二电压电平(“V2”)下接收电荷。也就是说，当第二电压电平可用时，(n个)电池组串联连接，以将电池系统的电压容量从P连接配置中的V1增加到S连接配置中的。本发明的架构还支持在第一或第二电压电平下进行的多种推进模式，本文详细描述了各种充电和推进模式。虽然第一电压电平在本文中的一些示例中被描述为300V或更高，但是本教导可以无限制地扩展到更低电压的系统，例如48V系统。在其它实施例中，电池组可以在V2下串联连接以用于推进，并且在发起充电请求时，电池组可以被重新配置成P连接布置，以便接收例如来自传统充电站的在V1下的充电电压。
根据所需的操作模式，电池组被选择性地连接/断开，该动作经由控制器使用每个电池组内的上部和下部开关的ON/OFF状态控制来执行。如本文所用，术语“上部”和“下部”分别指到DC电压总线的正总线轨或负总线轨的连接，如本领域普通技术人员将理解的那样。与多电池组配置相结合的开关能够实现在上述V1或V2的电压电平(例如，在非限制性实施例中为300-500V和600-1000V)下的充电，并且还能够实现在全轮驱动(“AWD”)、前轮驱动(“FWD”)或后轮驱动(“RWD”)模式下的单电池组或双电池组推进的更灵活使用。另外，本发明的架构不限于特定的推进模式，根据诸如当前或预期的电池功率或荷电状态、温度、控制配置等的因素，AWD、FWD或RWD是可能的驱动选项。
本文描述了八种不同的操作模式，在一个可能的实施例中包括五种不同的充电模式和三种不同的推进模式。另外，每个电池组可以电连接到电气负载，例如一个或多个功率逆变器模块(“PIM”)、辅助功率模块(“APM”)和/或其它负载设备或子系统。PIM可以连接到相应的电机，该电机在各种推进模式下作为牵引马达操作。为了简单起见，术语“电气负载”在本文中是指放置在电池组上的集体电气负载，而不考虑实施这种电气负载的一个或多个具体设备的数量、位置或标识。因此，本文中未描述的其它电气负载设备可能对总电气负载有贡献，诸如但不限于压缩机、空调控制模块、动力转向模块等。
在DC快速充电期间，上述电气负载可以由对应的电池组选择性地提供功率。对于推进，用于为给定驱动轮轴提供功率的电池组的特定选择可以由控制器根据所选模式和诸如电池功率、荷电状态等的因素来进行。
在所公开的五种充电模式中，在第二电压电平V2下的两种独立的充电模式包括第一模式CV2-SA，其中“C”代表“充电”，“V2”代表第二电压电平(即充电电压)，“S”代表电池组的串联连接，并且“A”是指在充电期间用于为电气负载提供功率的特定电池组的标称标识。第二模式也称为CV2-SB，使用串联连接的电池组，其中标称“B”电池组向电气负载提供功率。因此，模式(1)和(2)的区别仅在于用于为电气负载提供功率的电池组的标识。使用任一电池组为电气负载提供功率的灵活性提供了各种益处，包括允许电池组的荷电状态保持平衡。以这种方式，本教导确保了电池组中的特定一个在操作期间相对于剩余的电池组不会受到过度的压力。
五种充电模式还包括在第一电压电平V1下进行的三种充电模式。三种V1电平充电模式包括：第三模式(3)，即CV1-p，其中电池组并联连接(“p”)，能够将电气负载与任一电池组连接/断开；第四模式(4)，缩写为CV1-A，其中电池组“A”在第一电压电平V1下充电，同时任一电池组为电气负载提供功率；以及第五模式(5)，也称为模式CV1-B，其中电池组“B”在第一电压电平V1下充电，同时与模式(4)一样，任一电池组(或两者)仍可根据需要用于为电气负载提供功率。
在一些实施例中，推进模式包括V1电平推进模式，即：第六模式(6)，其是并联模式PV1-p，其中大写“P”代表“推进”，小写“p”代表电池组的并联电连接；以及第七模式(7)和第八模式(8)，在本文中分别也称为模式PV1-A和PV1-B，其中所需的推进能量由指示的电池组“A”或“B”提供。在另一个实施例中，在V2下的串联推进模式(“PV2-s”)对于更高电压的推进是可能的。
本发明提供下列技术方案。
1. 一种用于具有电气负载、第一电机和第二电机的移动平台的多电池组电池系统，所述多电池组电池系统包括：
第一电池组和第二电池组，其各自具有多个开关，所述多个开关包括分别连接到所述第一电池组和第二电池组的正极端子和负极端子的上部开关和下部开关，其中，所述第一电池组和第二电池组各自具有第一电压电平；和
控制器，其被配置成响应于输入信号控制所述第一电池组和第二电池组的所述上部开关和所述下部开关中的每一者的ON/OFF状态，由此选择性地建立：
两种串联充电模式，其在超过所述第一电压电平的第二电压电平下进行并且其中所述第一电池组和第二电池组串联连接，所述两种串联充电模式包括所述第一电池组为所述电气负载提供功率的第一模式和所述第二电池组为所述电气负载提供功率的第二模式；
在所述第一电压电平下进行的三种并联充电模式，包括其中所述第一电池组和所述第二电池组被并联连接并同时充电的第三模式、其中所述第一电池组被单独充电的第四模式和其中所述第二电池组被单独充电的第五模式，其中，所述第一电池组或第二电池组中的任一者或两者在所述第四模式和所述第五模式期间为所述电气负载提供功率；和
在所述第一电压电平下进行的三种推进模式，其中来自所述第一电机和/或第二电机的扭矩推进所述移动平台，所述三种推进模式包括第六模式、第七模式和第八模式，在所述第六模式下，所述第一电池组和第二电池组并联连接以同时为所述电机中的一者或两者通电，在所述第七模式下，所述第一电池组单独用于为所述电机中的一者或两者通电，在所述第八模式下，所述第二电池组单独用于为所述电机中的一者或两者通电。
2. 根据技术方案1所述的电池系统，其中，所述移动平台是具有分别连接到前负重轮和后负重轮的前轮轴和后轮轴的机动车辆，并且其中，所述前负重轮和/或所述后负重轮在所述至少四种推进模式中的每一种下使用来自所述第一电机和/或所述第二电机的扭矩来提供功率。
3. 根据技术方案1所述的电池系统，其中，所述第一电压电平是300V或以上，并且所述第二电压电平是所述第一电压电平的至少两倍。
4. 根据技术方案1所述的电池系统，其中，所述第一电池组和第二电池组的所述上部开关包括与预充电电阻器串联连接的预充电开关。
5. 根据技术方案1所述的电池系统，其中，所述控制器被配置成闭合所述第一电池组和/或第二电池组的所述上部开关和/或下部开关中的一者或两者，以串联连接所述第一电池组和第二电池组，并且由此建立所述两种串联充电模式。
6. 根据技术方案1所述的电池系统，其中，所述第一电池组和第二电池组的一对或两对所述开关闭合，由此在所述两种串联充电模式和所述三种并联充电模式期间将所述电池系统连接到非车载充电站。
7. 根据技术方案1所述的电池系统，其中，所述控制器被配置成：确定所述第一电池组和第二电池组的相应荷电状态(“SOC”)和电压之间的差异，并且基于所述差异在所述充电模式中的所述第三模式、所述第四模式或所述第五模式以及所述推进模式中的所述第七模式和所述第八模式之间进行选择，由此平衡所述第一电池组和第二电池组的所述相应SOC和电压。
8. 根据技术方案1所述的电池系统，其中，所述控制器被配置成基于所述第一电池组和所述第二电池组的对应电气故障状态在所述第六模式、所述第七模式和所述第八模式之间进行选择，其中，当所述第一电池组和所述第二电池组都没有电气故障时，所述第六模式是默认模式。
9. 一种用于具有前驱动轮轴和后驱动轮轴的移动平台的电动动力系统，所述电动动力系统包括：
第一功率逆变器模块(“PIM”)和第二PIM；
电气负载；
前旋转电机和后旋转电机，其连接到所述第一PIM和所述第二PIM中相应的一个，并且各自具有分别连接到所述前驱动轮轴和所述后驱动轮轴的转子；
第一电池组，其具有正极端子和负极端子，并且具有分别连接到所述第一电池组的所述正极端子和所述负极端子的上部开关和下部开关；
第二电池组，其具有正极端子和负极端子，并且具有分别连接到所述第二电池组的所述正极端子和所述负极端子的上部开关和下部开关；其中，所述第一电池组和第二电池组中的每一者都具有第一电压电平；和
控制器，其被配置成响应于输入信号控制所述第一电池组和第二电池组的所述上部开关和所述下部开关中的每一者的ON/OFF态，由此选择性地建立：
两种串联充电模式，所述两种串联充电模式均在至少两倍于所述第一电压电平的第二电压电平下进行，并且其中所述第一电池组和第二电池组串联连接，所述两种串联充电模式包括所述第一电池组为所述电气负载提供功率的第一模式和所述第二电池组为所述电气负载提供功率的第二模式；
均在所述第一电压电平下进行的三种并联充电模式，包括其中所述第一电池组和所述第二电池组被并联连接并同时充电的第三模式、其中所述第一电池组被单独充电的第四模式和其中所述第二电池组被单独充电的第五模式，其中，所述第一电池组或第二电池组中的任一者或两者在所述第四模式和所述第五模式期间为所述电气负载提供功率；和
在所述第一电压电平下进行的三种推进模式，其中来自旋转电机中的一者或两者的扭矩推进所述移动平台，所述三种推进模式包括第六模式、第七模式和第八模式，在所述第六模式下，所述第一电池组和第二电池组并联连接以同时为所述旋转电机中的一者或两者通电，在所述第七模式下，所述第一电池组单独用于为所述电机中的一者或两者通电，在所述第八模式下，所述第二电池组单独用于为所述电机中的一者或两者通电。
10. 根据技术方案9所述的电动动力系统，其中，所述第一电压电平是300V或以上，并且所述第二电压电平是所述第一电压电平的两倍。
11. 根据技术方案9所述的电动动力系统，其中，所述控制器被配置成闭合所述第一电池组和/或第二电池组的所述上部开关和/或下部开关中的一者或两者，以串联连接所述第一电池组和第二电池组，并且由此建立所述两种串联充电模式。
12. 根据技术方案9所述的电动动力系统，其中，所述第一电池组和第二电池组的一对或两对所述开关闭合，由此在所述两种串联充电模式和所述三种并联充电模式期间将所述电池系统连接到非车载充电站。
13. 根据技术方案9所述的电动动力系统，其中，所述第一电池组和第二电池组的所述上部开关和下部开关是固态开关或继电器。
14. 根据技术方案9所述的电动动力系统，其中，所述控制器被配置成确定非车载充电站的充电电压并且至少部分地基于所述充电电压在所述串联充电模式和所述并联充电模式之间进行选择。
15. 根据技术方案9所述的电动动力系统，其中，所述控制器被配置成：确定所述第一电池组和第二电池组的相应荷电状态(“SOC”)和电压之间的差异，并且基于所述差异在所述充电模式中的所述第三模式、所述第四模式或所述第五模式以及所述推进模式中的所述第七模式和所述第八模式之间进行选择，由此平衡所述第一电池组和第二电池组的所述相应SOC和电压。
16. 根据技术方案9所述的电动动力系统，其中，所述控制器被配置成基于所述第一电池组和所述第二电池组的对应电气故障状态在所述第六模式、所述第七模式和所述第八模式之间进行选择，其中，当所述第一电池组和所述第二电池组都没有电气故障时，所述第六模式是默认模式。
17. 根据技术方案9所述的电动动力系统，其中，所述控制器被配置成基于所述输入信号在所述三种并联推进模式中的每一种中选择性地将扭矩传递到所述前驱动轮轴和/或所述后驱动轮轴，由此在所述三种并联推进模式中的每一种中选择性地提供全轮驱动、前轮驱动和后轮驱动能力。
18. 一种用于具有前驱动轮轴和后驱动轮轴的移动平台的电动动力系统，所述电动动力系统包括：
第一功率逆变器模块(“PIM”)和第二PIM；
电气负载；
前旋转电机和后旋转电机，其连接到所述第一PIM和所述第二PIM中相应的一个，并且各自具有分别连接到所述前驱动轮轴和所述后驱动轮轴的转子；
第一电池组，其具有正极端子和负极端子，并且具有分别连接到所述第一电池组的所述正极端子和所述负极端子的上部开关和下部开关；
第二电池组，其具有正极端子和负极端子，并且具有分别连接到所述第二电池组的所述正极端子和所述负极端子的上部开关和下部开关，其中，所述第一电池组和第二电池组中的每一者都具有第一电压电平；和
控制器，其被配置成响应于输入信号控制所述第一电池组和第二电池组的所述上部开关和所述下部开关中的每一者的ON/OFF状态，由此选择性地建立：
串联充电模式，其在超过所述第一电压电平的第二电压电平下进行并且其中所述第一电池组和第二电池组串联连接，并且其中所述第一电池组和所述第二电池组为所述电气负载提供功率；
均在所述第一电压电平下进行的三种并联充电模式，包括其中所述第一电池组和所述第二电池组被并联连接并同时充电的第三模式、其中所述第一电池组被单独充电的第四模式和其中所述第二电池组被单独充电的第五模式，其中，所述第一电池组或第二电池组中的任一者或两者在所述第四模式和所述第五模式期间为所述电气负载提供功率；
作为第六模式的串联推进模式，其中，所述第一电池组和第二电池组串联连接以在所述第二电压电平下同时为所述电机中的一者或两者通电，其中，在所述串联推进模式中，来自所述旋转电机中的一者或两者的扭矩推进所述移动平台；和
在所述第一电压电平下进行的两种单电池组推进模式，其中来自所述旋转电机中的一者或两者的扭矩推进所述移动平台，所述两种单电池组推进模式包括第七模式和第八模式，在所述第七模式下，所述第一电池组单独用于为所述电机中的一者或两者通电，在所述第八模式下，所述第二电池组单独用于为所述电机中的一者或两者通电。
19. 根据技术方案18所述的电动动力系，其中，所述控制器被配置成响应于所述输入信号控制所述第一电池组和第二电池组的所述上部开关和所述下部开关中的每一者的所述ON/OFF状态，由此选择性地建立所述串联推进模式；并且
响应于所述输入信号，所述控制器被配置成经由所述第一电池组和第二电池组的所述多个开关将所述电池系统从所述串联推进模式或所述单电池组推进模式中的一种转换到所述并联充电模式中的一种。
20. 根据技术方案19所述的电动动力系，其中，所述控制器被配置成响应于所述输入信号来确定非车载充电站的充电电压并且至少部分地基于所述充电电压在所述串联充电模式和所述并联充电模式之间进行选择。
以上概述并不旨在代表本公开的每个实施例或方面。相反，前面的概述例示了本文阐述的某些新颖的方面和特征。当结合附图和所附权利要求书时，本公开的上述和其它特征和优点将从用于执行本公开的代表性实施例和模式的以下详细描述中变得显而易见。
附图说明
图1是正在经历直流快速充电(“DCFC”)操作的移动平台的示意图，该移动平台具有如本文所述的由多个电池组构成的高压多电池组电池系统。
图2是可用作图1所示的示例性移动平台的一部分的电动动力系的示意性电路图。
图3是描述可以用作图2所示的电动动力系的一部分的多电池组架构的示意性电路拓扑。
图4至图6是图2和图3中所示的代表性电动动力系的可能操作模式和对应开关状态的表。
本公开易于存在修改和替换形式，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，本公开旨在覆盖落入由所附权利要求限定的公开范围内的修改、等同物、组合和替代方案。
具体实施方式
参考附图，其中在几幅图中相同的附图标记表示相同或相似的部件，在图1中示出了包括多电池组电池系统11的电动动力系10，其细节在图1中示意性地示出。电动动力系10可以用作具有主体200的移动平台20的一部分。为了说明的一致性而在本文中描述为机动车辆的移动平台20可以备选地实施为船舶、飞行器、铁路车辆、机器人等。因此本教导不限于一般的车辆应用或者特别地机动车辆。
移动平台20在图1中被描绘为正在经历直流快速充电(“DCFC”)操作。在这样的操作期间，电池系统11(也参见图2和图3)经由车辆充电端口200C电连接到非车载DCFC站30。电动动力系10使用多个电池组，在下面描述的简化实施例中使用两个这样的电池组12A和12B(参见图2和图3)。在非限制性示例性实施例中，电池组12A和12B中的每一个都具有第一电压电平(“V1”)，例如300-500V。
本文所述的架构能够提高DCFC站30在不同电压电平下的充电电压(“VCH”)的利用率。例如，移动平台20可以以第一电压电平V1推进，然后在充电时重新配置以接收远远超过第一电压电平V1的第二电压电平(“V2”)，例如600-1000V。由本文所述架构实现的各种推进模式可以包括全轮驱动(“AWD”)、前轮驱动(“FWD”)或后轮驱动(“RWD”)推进模式，具体取决于电池功率、控制配置和可能的其它相关因素。另一个实施例可以涵盖在V2下的推进和在任一电压电平V2或V1下的充电，例如取决于来自充电站30的可用最大充电电压。
在图1中，充电端口200C使用一段高压充电电缆30C内部连接到DC充电连接器(未示出)。也未在图1中描绘但在本领域中被很好地理解的是，连接到充电端口200C的充电电缆30C的终端可以实施为SAE J1772或另一种合适的充电连接器。本教导独立于最终在DCFC操作中采用的特定充电标准，并且因此上述示例仅仅是说明性的。图1的电池系统11可以不同地实施为多单体锂离子、锌-空气、镍-金属氢化物或其它合适的电池化学配置，其经由来自DCFC站30的充电电压(“VCH”)选择性地充电。充电电压VCH可以等于上述相应的第一电压电平V1或第二电压电平V2。
移动平台20可以包括前负重轮14F和后负重轮14R，本文使用的“前”和“后”是相对于正常的向前行驶方向。前负重轮14F和后负重轮14R可以连接到分开的前驱动轮轴14AF和后驱动轮轴14AR。前驱动轮轴14AF可以在AWD和FWD模式下为前负重轮14F提供功率。后驱动轮轴14AR可以根据配置在AWD和RWD模式下为后负重轮14R提供功率。图3的架构以及图4和图5的开关控制表60和160描述了实现各种充电或推进操作模式所需的相关联的硬件和开关组合，图6的表260提供了用于更高电压推进的另一个实施例。
参考图2，当图1的移动平台20在驱动/推进模式下操作时，多电池组电池系统11的开关控制由控制器(“C”)50执行，以最终产生并向负重轮14F和/或14R传递马达扭矩(箭头TF或箭头TR)，从而推进车辆20。在图1所描绘的充电操作中，图2的控制器50同样可以执行开关控制操作，以提供各种可能的充电模式之一。当充电时，控制器50因此被配置成至少部分地基于DCFC站30的充电能力在串联或并联充电模式之间进行选择，如双向箭头SS所示。
参考图2，控制器50具有处理器(“Pr”)和存储器(M)。存储器(M)包括有形的、非暂时性的存储器，例如只读存储器，无论是光存储器、磁存储器、闪存还是其它存储器。控制器50还包括足够应用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、模数和数模电路以及输入/输出电路和设备，以及适当的信号调节和缓冲电路。
控制器50被编程为执行实施开关控制方法的指令100，其中控制器50接收指示驾驶员请求或自主请求的操作模式的输入信号(箭头CCI)。响应于输入信号(箭头CCI)，控制器50输出一组开关控制信号(箭头CCO)。包括来自图1的DCFC站30的可用充电电压的输入信号(箭头CCI)可以在充电期间作为控制器50和DCFC站30之间正在进行的通信的一部分来确定，例如，在车辆20连接到DCFC站30时，诸如当DCFC站30将其最大充电电压(VCH)传送到控制器50时，如本领域普通技术人员将理解的。
如图2中示意性地示出的电动动力系10包括具有高压电池组12A和12B的上述电池系统11。分别标记为BHV-A和BHV-B的电池组12A和12B经由直流电压(“VDC”)为电气负载提供功率。非限制性示例性实施例中的代表性电气负载可以包括第一功率逆变器模块(“PIM-1”)40和第一辅助功率模块(“APM-1”)42，其它设备是电气负载的可能贡献者。电气负载还可以包括第二功率逆变器模块(“PIM-2”)140和第二辅助功率模块(“APM-2”)142。电气负载可以基于封装效率被分配到如图所示移动平台20的前面或后面，而不将电气负载限制为仅在移动平台20的特定前端或后端处使用。
应当理解，诸如PIM-1 40和PIM-2 140的功率逆变器模块包括IGBT、MOSFET或其它适合应用的半导体开关，每个开关都具有经由脉宽调制(“PWM”)、脉冲密度调制(“PDM”)或另一种开关控制技术控制的ON/OFF状态。同样，诸如相应的APM-1 42和APM-2 142的辅助功率模块是DC-DC电压转换器，其可操作用于将电源电压从高压DC总线上存在的水平降低到辅助水平，例如12-15V。辅助电池(未示出)也可以与各种辅助设备一起连接到APM-1 42和APM-2 142。
图2中描绘的电动动力系10可以包括分别连接到PIM-1 40和PIM-2 140并由交流电压(“VAC”)通电的前多相电机(“MF”) 45和后多相电机(“MR”) 145。“前”和“后”标记将电机45和145的扭矩功能与图1的特定的前驱动轮轴14AF或后驱动轮轴14AR相关联，在该特定实施例中，前电机45经由输出扭矩(箭头TF)为负重轮14F和前轮轴14AF提供功率，并且后电机145经由输出扭矩(箭头TR)为图1的负重轮14R和后轮轴14AR提供功率。因此，在电机45和145两者串联操作的情况下，图1的车辆20具有AWD能力。电机45或145之一的操作提供了FWD或RWD能力。根据操作模式，电动动力系10上的负载可以由图3的可用电池组12A或12B中的任一个提供功率，现在将参考图3进行描述。
参考图3，DCFC站30示意性地显示在多电池组电池系统11的左侧，并且在DC快速充电过程的持续时间内连接到多电池组电池系统11。电池组12A和12B具有相应的单体叠堆120A和120B，单体叠堆120A和120B的特定配置和电池化学性质如上所述是应用特定的。PIM-1 40和APM-42经由上部开关32U和下部开关32L选择性地连接到电池组12A或从电池组12A断开，上部开关32U和下部开关32L根据当前或请求的操作模式以特定组合一起形成开关电路。熔断器(“F1”)可以与APM-1 42串联定位，在其它配置中可能使用附加熔断器(未示出)。类似地，图2中最右侧所示的PIM-2 140和APM-2 142经由上部开关33U和下部开关33L选择性地连接到电池组12B或从电池组12B断开，上部开关33U和下部开关33L一起形成另一个开关电路，熔断器F2可能地与APM-2 142串联使用，类似于位于多电池组电池系统11的相对侧上的熔断器F1的定位和使用。
关于电池组12A的上部开关32U和下部开关32L，这里控制的各个上部开关32U包括开关SA1和SA3。下部开关32L包括开关SA2、SA4和SA5，其中“S”表示开关，并且“1-5”是标称开关号。另外，上部开关32U可以包括预充电开关PC1，其与预充电电阻器R1电气串联并连接到正极端子，其中“PC”表示预充电功能，如下文所解释的。电池组12B的上部开关33U和下部开关33L被类似地配置和标记，即，作为形成上部开关33U的开关SB1、SB3、SB5和PC2以及形成下部开关33U的开关SB2和SB4，预充电电阻器R2与预充电开关PC2串联。
图3所示的架构可以如图所示或以不同的方式布置，只要进行指示的电连接，并且只要根据图4或图5的开关控制表60或160单独控制上部开关32U和33U以及下部开关32L和33L。电连接块17用于在电池组12A和12B之间形成一定长度的电缆或电线的物理连接，以形成所示的电路拓扑。
参考图4，开关控制表60描绘了由图3的架构可能实现的各种车辆操作模式(“VOM”)，即，五种充电模式和四种推进模式，缩写为模式(1)-(8)的总共八种操作模式。关于开关SA1-SA5和SB1-SB5描绘了由图2的控制器50执行的开关控制。应当理解，DC电压总线通常在打开或闭合各种开关32U、32L、33U和33L之前被预充电，预充电开关(PC1和PC2)的ON/OFF状态不会影响本文所述的操作模式。因此，为了简单起见，从图4和图5中省略了预充电开关PC1和PC2。
仍然参考图4，为了说明的简单起见，开关SA1-SB5在图3中示出为二进制ON/OFF开关，其可以不同地实施为机电开关，诸如接触器或继电器，其可以阻止电流在任一方向上流动。备选地，开关可以被配置为适合应用的固态开关或继电器，例如诸如IGBT或MOSFET的半导体开关。如本领域普通技术人员所理解的，二进制ON/OFF开关状态分别表示为“1”和“0”，其中“1”或“ON”状态对应于闭合/导通开关，而“0”或“OFF”状态对应于断开/不导通开关。在示出“1/0”、“0/1”或“1/1”的情况下，如果需要(1)或不需要(0)为给定负载提供功率，该数字对表示所指示的开关SA1和SA2的状态。另外，缩写“0/0”或“1/1”是指成对开关SA1/SB2和SB1/SB2的状态，它们分别都为0或都为1。
充电模式
关于可用的充电模式，即图4的表60中的模式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)，前两种模式(1)和(2)提供了两种独立的较高电压充电模式，即经由图1和图3的DCFC站30充电，其发生在第二电压电平V2，例如在一个可能的实施例中为600-1000V。模式(3)、(4)和(5)在V1的第一电压电平下提供三种独立的充电模式，第一电压电平例如在V2标称地为800V的示例性实施例中为400V。充电模式(1)和(2)，即(CV2-SA)和(CV2-SB)，分别利用两个电池组12A和12B。在两个电池组12A和12B的非限制性实施例中，例如，各自在V1下的电池组12A和12B串联连接，以有效地形成具有2V1的电压容量的组合电池组。
在模式(1)和(2)中，图3的电池组12A或电池组12B在快速充电过程中向连接的电气负载提供所需的功率。在经由DCFC站30以接近或等于第二电压电平V2(即VCH V2)的电平充电期间，开关SA3、SA5、SB4和SB5闭合(“1”)，以将电池组12A和12B串联连接在一起。第一电池组12A和第二电池组12B的上部开关32U/33U和/或下部开关32L/33L中的至少一个被配置成在各种充电模式期间闭合，从而将电池系统连接到DCFC站30。例如，每个电池组12A和12B可以具有连接到其正极端子的开关和连接到其负极端子的开关。备选地，一个电池组12A或12B可以具有连接到其正极端子的一个开关，并且另一个电池组12B或12A可以具有连接到其负极端子的一个开关。
在以第二电压电平V2充电期间，有时可能需要给移动平台20上的电气负载提供功率，例如，对电池组12A或12B、移动平台20的驾驶舱等进行热调节。当在模式(1)下操作时，电池组12A提供这种功率。当在模式(2)下操作时，该功能由电池组12B代替执行。在充电的同时使用电池组12A或12B给电气负载供电的灵活性降低了电池组12A和12之间电荷不平衡的可能性。否则，如果电池组12A或12B中的一个在充电期间被用于此目的，而排除了另一个电池组12B或12A，则这种不平衡可能发生。
图2的控制器50可以任选地被配置成确定电池组12A和电池组12B之间的荷电状态(“SOC”)差异，并基于SOC差异选择模式(3)、模式(4)或模式(5)下的操作。对于本文所述的推进模式的第七(7)和第八(8)模式，也可能发生同样的情况。以这种方式，控制器50可以平衡第一电池组12A和第二电池组12B的相应的SOC和电压。模式(3)、(4)和(5)在第一电压电平V1下提供三种独立的充电模式。模式(3)(即(CV1-p))并联(“p”)连接电池组12A和12B，并保持从电池组12A或12B连接/断开电气负载的能力。模式(3)使得图1的移动平台20能够在第一电压电平V1下而不是在第二电压电平V2下充电，这又在DCFC站30是支持V1的充电站时提供了充电灵活性。
在模式(4)(即(CV1-A))下，电池组12A在第一电压电平V1下充电，同时电池组12A或12B为连接的电气负载提供功率。模式(4)允许使用平衡策略，例如，在并联连接电池组12A和12B之前，电池充电器可以“充电”，无论电池组12A或12B中的哪一个具有较低的荷电状态或电压容量。这种差异可能是由于老化、部件差异等原因造成的。模式(5)(即(CV1-B))类似于模式(4)，但是对电池组12B而不是电池组12A充电。与模式(4)一样，电池组12A或12B在充电期间保持可用于为电气负载提供功率。
推进模式
在一种可能的配置中，模式(6)、(7)和(8)在第一电压电平V1下提供不同的并联推进模式，其中模式(6)是并联模式(PV1-p)，其中电池组12A和12B并联连接，例如在AWD、FWD或RWD推进模式中，以及模式(7)和(8)，即(PV1-A)和(PV1-B)，其中推进能量分别由电池组12A或12B提供。控制器50可以任选地被配置成基于电池组12A和12B的相应故障状态来选择模式(6)、模式(7)或模式(8)，当电池组12A和12B都没有经历故障时，模式(6)可能是“无故障”默认模式。因此，当两个电池组12A和12B一起在AWD、FWD或RWD模式下提供功率时，模式(6)可以用作“正常”或“无故障”操作模式。通常，对于模式(6)、(7)和(8)，移动平台20可以根据电池功率电平、控制策略和硬件配置(例如电机45和/或145中的一个或两个)在AWD、FWD或RWD下操作。
模式(7)和(8)(即(PV1-A)和(PV1-B))可以分别用于在电池组12A或12B中的一个不能提供推进功率的单个电池组故障模式期间(例如在检测到短路或开路条件、低荷电状态或电压容量、温度极限等期间)提供性能灵活性。剩余的“健康”电池组仍然能够驱动电机45和/或145，尽管功率降低。因此，通过模式(7)和(8)启用“单电池组”驱动模式，模式(7)中的推进由电池组12A通电，并且模式(8)中的推进由电池组12B通电。
如图6的表260中所述，另一个实施例为第一电池组12A和第二电池组12B的更高电压串联推进配置提供了七种不同的操作模式(1)-(7)。表260描绘了图3的开关SA1、SA2、SA3、SA5、SB1、SB2、SB3和SB5的各种ON/OFF状态，并且因此图6类似于图5的表160。因此，模式(1)、(2)和(3)对应于图5的模式(3)、(4)和(5)，即在V1电平下充电。模式(4)是在电压电平V2下的串联充电模式(“CV2-s”)，即电池组12A和12B两者都在V2下充电。表260的独特之处在于处于较高电压电平V2下的串联推进(“PV2-s”)，其中第一电池组12A和第二电池组12B串联连接，同时移动平台20被电动推进。应当理解，移动平台20的必要的电力电子设备和硬件对于较高电压电平V2是重要的，因此对V1电平推进模式的需求被最小化，这种模式可能被保持为图6的任选模式(6)和(7)，以在可能排除在较高电压电平V2下的推进操作的某些故障条件下使用。
在这种模式中，控制器50可以被配置成响应于输入信号(图1的箭头CCI)，从在V2下的串联推进模式或在V1下的单电池组推进模式转换到在V1下的上述并联充电模式中的一种，例如，当来自充电站30的最大充电电压处于V1的较低电平而不是V2时。控制器50可以使用第一电池组12A和第二电池组12B的多个开关来完成这种转换。因此，可以设想这样一种情况，其中使用串联连接的电池组12A和12B在较高的第二电压电平V2下发生推进。一旦连接到DCFC站30，电池组12A和12B可以选择性地并联重新配置，以实现较低电压的充电。以这种方式，电池组12A和12B与较低电压的DCFC站30的向后兼容性得以实现。
有可能从图3的电路拓扑中消除一些开关，即一对开关SA3和SB4或者一对开关SA4和SB3。因此，在图5中示出了开关控制表160，其类似于图4的开关控制表60，并且因此描绘了对应于模式(1)-(9)的五种充电模式和四种可能的推进模式。为了进一步简化图3的拓扑，图3中的开关SA5和SB5形成串联连接的电池组12A和12B。如果串联连接被移出电池组12A和12B，则两个开关SA5和SB5可以由单个开关代替。
本领域普通技术人员应当理解，上述电路拓扑可以用于电动车辆和具有增加的高功率充电要求的其它系统。由于传统的DC快速充电基础设施通常为大约300-500V，所公开的多电池组电池系统能够使用两个或更多个电池组，例如电池组12A和12B，以根据需要向图1的移动平台20提供FWD、RWD或AWD推进能力，传统或高功率充电都是选项，同时保持在充电期间为连接的负载提供功率的能力。
虽然已经详细描述了一些最佳模式和其它实施例，但是存在用于实施所附权利要求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要素和特征的组合和子组合。详细描述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限定。

Claims (20)

1.一种用于具有电气负载、第一电机和第二电机的移动平台的多电池组电池系统，所述多电池组电池系统包括：
第一电池组和第二电池组，其各自具有多个开关，所述多个开关包括分别连接到所述第一电池组和第二电池组的正极端子和负极端子的上部开关和下部开关，其中，所述第一电池组和第二电池组各自具有第一电压电平；和
控制器，其被配置成响应于输入信号控制所述第一电池组和第二电池组的所述上部开关和所述下部开关中的每一者的ON/OFF状态，由此选择性地建立：
两种串联充电模式，其在超过所述第一电压电平的第二电压电平下进行并且其中所述第一电池组和第二电池组串联连接，所述两种串联充电模式包括所述第一电池组为所述电气负载提供功率的第一模式和所述第二电池组为所述电气负载提供功率的第二模式；
在所述第一电压电平下进行的三种并联充电模式，包括其中所述第一电池组和所述第二电池组被并联连接并同时充电的第三模式、其中所述第一电池组被单独充电的第四模式和其中所述第二电池组被单独充电的第五模式，其中，所述第一电池组或第二电池组中的任一者或两者在所述第四模式和所述第五模式期间为所述电气负载提供功率；和
在所述第一电压电平下进行的三种推进模式，其中来自所述第一电机和/或第二电机的扭矩推进所述移动平台，所述三种推进模式包括第六模式、第七模式和第八模式，在所述第六模式下，所述第一电池组和第二电池组并联连接以同时为所述电机中的一者或两者通电，在所述第七模式下，所述第一电池组单独用于为所述电机中的一者或两者通电，在所述第八模式下，所述第二电池组单独用于为所述电机中的一者或两者通电。
2.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述移动平台是具有分别连接到前负重轮和后负重轮的前轮轴和后轮轴的机动车辆，并且其中，所述前负重轮和/或所述后负重轮在所述三种推进模式中的每一种下使用来自所述第一电机和/或所述第二电机的扭矩来提供功率。
3.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述第一电压电平是300V或以上，并且所述第二电压电平是所述第一电压电平的至少两倍。
4.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述第一电池组和第二电池组的所述上部开关包括与预充电电阻器串联连接的预充电开关。
5.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述控制器被配置成闭合所述第一电池组和/或第二电池组的所述上部开关和/或下部开关中的一者或两者，以串联连接所述第一电池组和第二电池组，并且由此建立所述两种串联充电模式。
6.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述第一电池组和第二电池组的一对或两对所述开关闭合，由此在所述两种串联充电模式和所述三种并联充电模式期间将所述电池系统连接到非车载充电站。
7.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述控制器被配置成：确定所述第一电池组和第二电池组的相应荷电状态和电压之间的差异，并且基于所述差异在所述充电模式中的所述第三模式、所述第四模式或所述第五模式以及所述推进模式中的所述第七模式和所述第八模式之间进行选择，由此平衡所述第一电池组和第二电池组的所述相应荷电状态和电压。
8.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述控制器被配置成基于所述第一电池组和所述第二电池组的对应电气故障状态在所述第六模式、所述第七模式和所述第八模式之间进行选择，其中，当所述第一电池组和所述第二电池组都没有电气故障时，所述第六模式是默认模式。
9.一种用于具有前驱动轮轴和后驱动轮轴的移动平台的电动动力系统，所述电动动力系统包括：
第一功率逆变器模块和第二功率逆变器模块；
电气负载；
前旋转电机和后旋转电机，其连接到所述第一功率逆变器模块和所述第二功率逆变器模块中相应的一个，并且各自具有分别连接到所述前驱动轮轴和所述后驱动轮轴的转子；
第一电池组，其具有正极端子和负极端子，并且具有分别连接到所述第一电池组的所述正极端子和所述负极端子的上部开关和下部开关；
第二电池组，其具有正极端子和负极端子，并且具有分别连接到所述第二电池组的所述正极端子和所述负极端子的上部开关和下部开关；其中，所述第一电池组和第二电池组中的每一者都具有第一电压电平；和
控制器，其被配置成响应于输入信号控制所述第一电池组和第二电池组的所述上部开关和所述下部开关中的每一者的ON/OFF态，由此选择性地建立：
两种串联充电模式，所述两种串联充电模式均在至少两倍于所述第一电压电平的第二电压电平下进行，并且其中所述第一电池组和第二电池组串联连接，所述两种串联充电模式包括所述第一电池组为所述电气负载提供功率的第一模式和所述第二电池组为所述电气负载提供功率的第二模式；
均在所述第一电压电平下进行的三种并联充电模式，包括其中所述第一电池组和所述第二电池组被并联连接并同时充电的第三模式、其中所述第一电池组被单独充电的第四模式和其中所述第二电池组被单独充电的第五模式，其中，所述第一电池组或第二电池组中的任一者或两者在所述第四模式和所述第五模式期间为所述电气负载提供功率；和
在所述第一电压电平下进行的三种推进模式，其中来自旋转电机中的一者或两者的扭矩推进所述移动平台，所述三种推进模式包括第六模式、第七模式和第八模式，在所述第六模式下，所述第一电池组和第二电池组并联连接以同时为所述旋转电机中的一者或两者通电，在所述第七模式下，所述第一电池组单独用于为所述电机中的一者或两者通电，在所述第八模式下，所述第二电池组单独用于为所述电机中的一者或两者通电。
10.根据权利要求9所述的电动动力系统，其中，所述第一电压电平是300V或以上，并且所述第二电压电平是所述第一电压电平的两倍。
11.根据权利要求9所述的电动动力系统，其中，所述控制器被配置成闭合所述第一电池组和/或第二电池组的所述上部开关和/或下部开关中的一者或两者，以串联连接所述第一电池组和第二电池组，并且由此建立所述两种串联充电模式。
12.根据权利要求9所述的电动动力系统，其中，所述第一电池组和第二电池组的一对或两对所述开关闭合，由此在所述两种串联充电模式和所述三种并联充电模式期间将所述第一电池组和第二电池组连接到非车载充电站。
13.根据权利要求9所述的电动动力系统，其中，所述第一电池组和第二电池组的所述上部开关和下部开关是固态开关或继电器。
14.根据权利要求9所述的电动动力系统，其中，所述控制器被配置成确定非车载充电站的充电电压并且至少部分地基于所述充电电压在所述串联充电模式和所述并联充电模式之间进行选择。
15.根据权利要求9所述的电动动力系统，其中，所述控制器被配置成：确定所述第一电池组和第二电池组的相应荷电状态和电压之间的差异，并且基于所述差异在所述充电模式中的所述第三模式、所述第四模式或所述第五模式以及所述推进模式中的所述第七模式和所述第八模式之间进行选择，由此平衡所述第一电池组和第二电池组的所述相应荷电状态和电压。
16.根据权利要求9所述的电动动力系统，其中，所述控制器被配置成基于所述第一电池组和所述第二电池组的对应电气故障状态在所述第六模式、所述第七模式和所述第八模式之间进行选择，其中，当所述第一电池组和所述第二电池组都没有电气故障时，所述第六模式是默认模式。
17.根据权利要求9所述的电动动力系统，其中，所述控制器被配置成基于所述输入信号在所述三种推进模式中的每一种中选择性地将扭矩传递到所述前驱动轮轴和/或所述后驱动轮轴，由此在所述三种推进模式中的每一种中选择性地提供全轮驱动、前轮驱动和后轮驱动能力。
18.一种用于具有前驱动轮轴和后驱动轮轴的移动平台的电动动力系统，所述电动动力系统包括：
第一功率逆变器模块和第二功率逆变器模块；
电气负载；
前旋转电机和后旋转电机，其连接到所述第一功率逆变器模块和所述第二功率逆变器模块中相应的一个，并且各自具有分别连接到所述前驱动轮轴和所述后驱动轮轴的转子；
第一电池组，其具有正极端子和负极端子，并且具有分别连接到所述第一电池组的所述正极端子和所述负极端子的上部开关和下部开关；
第二电池组，其具有正极端子和负极端子，并且具有分别连接到所述第二电池组的所述正极端子和所述负极端子的上部开关和下部开关，其中，所述第一电池组和第二电池组中的每一者都具有第一电压电平；和
控制器，其被配置成响应于输入信号控制所述第一电池组和第二电池组的所述上部开关和所述下部开关中的每一者的ON/OFF状态，由此选择性地建立：
串联充电模式，其在超过所述第一电压电平的第二电压电平下进行并且其中所述第一电池组和第二电池组串联连接，并且其中所述第一电池组和所述第二电池组为所述电气负载提供功率；
均在所述第一电压电平下进行的三种并联充电模式，包括其中所述第一电池组和所述第二电池组被并联连接并同时充电的第三模式、其中所述第一电池组被单独充电的第四模式和其中所述第二电池组被单独充电的第五模式，其中，所述第一电池组或第二电池组中的任一者或两者在所述第四模式和所述第五模式期间为所述电气负载提供功率；
作为第六模式的串联推进模式，其中，所述第一电池组和第二电池组串联连接以在所述第二电压电平下同时为所述电机中的一者或两者通电，其中，在所述串联推进模式中，来自所述旋转电机中的一者或两者的扭矩推进所述移动平台；和
在所述第一电压电平下进行的两种单电池组推进模式，其中来自所述旋转电机中的一者或两者的扭矩推进所述移动平台，所述两种单电池组推进模式包括第七模式和第八模式，在所述第七模式下，所述第一电池组单独用于为所述电机中的一者或两者通电，在所述第八模式下，所述第二电池组单独用于为所述电机中的一者或两者通电。
19.根据权利要求18所述的电动动力系统，其中，所述控制器被配置成响应于所述输入信号控制所述第一电池组和第二电池组的所述上部开关和所述下部开关中的每一者的所述ON/OFF状态，由此选择性地建立所述串联推进模式；并且
响应于所述输入信号，所述控制器被配置成经由所述第一电池组和第二电池组的所述多个开关将所述第一电池组和第二电池组从所述串联推进模式或所述单电池组推进模式中的一种转换到所述并联充电模式中的一种。
20.根据权利要求19所述的电动动力系统，其中，所述控制器被配置成响应于所述输入信号来确定非车载充电站的充电电压并且至少部分地基于所述充电电压在所述串联充电模式和所述并联充电模式之间进行选择。
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