CN112514199B - 一种低压冗余供电系统 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提出一种低压冗余供电系统,包括：高压电池包，用于提供第一电压，高压电池包包括依次串联的若干个供电单元；供电单元为高压电池包中的至少一个电池或若干个电池串/并联的等效电源；和继电器阵列，所述继电器阵列中的各个继电器按照设定的连接关系与所述高压电池包中的各个供电单元相连；在所述继电器阵列的至少一种开闭状态组合方式下，高压电池包中的至少一个供电单元经分时复用提供第二电压，为低压载荷供电；所述第一电压高于所述第二电压。所述系统能解决传统低压供电方案无法对电池的主动均衡和无法实现对低压载荷的冗余供电功能的问题，能够提高供电可靠性，避免由于电池SOC不均衡导致的高压动力系统功率降额。

Description

一种低压冗余供电系统
技术领域
本申请涉及电动汽车技术领域，特别是指一种低压冗余供电系统。
背景技术
当前的电动汽车低压供电系统，绝大多数沿用了传统燃油车辆的供电方案，即，配置一个独立的12V铅酸蓄电池给控制器和其他低压器件提供电能。独立的12V蓄电池不仅空间体积占用大，降低了供电系统的能量密度，且由于采用单电源供电，供电可靠性无法保障，车辆长期停滞状态下，容易造成车辆无法正常启动。
在一些现有技术中，采用2个低压蓄电池的冗余供电系统或智能补电系统虽提高了低压载荷的供电可靠性，但低压电池的空间体积占用问题并未得到解决。针对此问题，已有技术提出通过借用动力电池包中的部分电池给低压载荷供电，从而取消12V蓄电池，节省空间占用，但这些技术本质上是将低压供电电池“藏”于动力电池包，并非真正意义上取消了低压蓄电池；无主动均衡功能，用于低压供电的电池SOC过低时，将严重影响整个高压电池包对外的能量输出能力，导致整车行驶过程中限功率、限车速等；这些技术无法实现冗余供电，供电可靠性无法保障，车辆长期停滞状态下，容易造成车辆无法正常启动。
发明内容
有鉴于此，本申请的实施例提供一种低压冗余供电系统，以能解决低压蓄电池的空间体积占用大、无主动均衡功能和无法实现对低压载荷的冗余供电的问题。
本申请提供的一种低压冗余供电系统包括：高压电池包，用于提供第一电压，所述高压电池包包括依次串联的若干个供电单元；所述供电单元为所述高压电池包中的至少一个电池或若干个电池串/并联的等效电源；和继电器阵列，所述继电器阵列中的各个继电器按照设定的连接关系与所述高压电池包中的各个供电单元相连；在所述继电器阵列的至少一种开闭状态组合方式下，所述高压电池包中的至少一个供电单元经分时复用提供第二电压，为低压载荷供电；所述第一电压高于所述第二电压。
采用这种供电方式可以将高压电池包中电量冗余的电池隔离出来为低压载荷LVLoads供电，还可以避免由于该电池异常引起的高压载荷的供电系统异常。
在一种实施方式中，所述若干个供电单元包括第一供电单元和至少一个第二供电单元，在所述继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，由所述第一供电单元或第二供电单元提供第二电压，为所述低压载荷供电。
不同继电器阵列在不同的开闭状态组合方式下，由高压电池包中的单电池或多个电池的等效电源作为供电单元对低压载荷供电，均在本申请实施例的保护范围内。
在一种实施方式中，所述若干个供电单元包括第一供电单元和第二供电单元，在所述继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，由所述第一供电单元和至少一个第二供电单元串联提供第二电压，为所述低压载荷供电。
第一供电单元和至少一个第二供电单元处于串联状态并与高压系统隔离，低压载荷LVLoads的电能完全由第一供电单元和至少一个第二供电单元提供。第一供电单元和至少一个第二供电单元串联后对外供电,可以为低压载荷LVLoads提供较高的第二电压。
在一种实施方式中，所述若干个供电单元包括第一供电单元和第二供电单元，在所述继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，由所述第一供电单元和第二供电单元并联提供第二电压，为所述低压载荷供电。
第一供电单元和第二供电单元处于并联状态并与高压系统隔离，低压载荷LVLoads的电能完全由第一供电单元和第二供电单元提供。第一供电单元和第二供电单元并联后对外供电可以为低压载荷LVLoads提供较高的供电电流，还可以缓解第一供电单元和第二供电单元长时间对外供电引起的电荷不均衡的差异。
在一种实施方式中，所述系统还包括直流斩波器，所述若干个供电单元包括第一供电单元和第三供电单元；所述第一供电单元为低压载荷供电；在所述继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，所述第一供电单元中断为低压载荷供电，由所述第三供电单元为所述直流斩波器供电，由所述直流斩波器提供第二电压，为所述低压载荷供电。
利用直流斩波器DC/DC为低压载荷进行供电，可以避免为低压载荷长期供电的电池由于电荷(SOC)不均衡导致的高压动力系统功率降额。
在一种实施方式中，所述系统还包括直流斩波器，所述若干个供电单元包括第一供电单元和第三供电单元；所述第一供电单元为低压载荷供电；在所述继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，由所述第三供电单元为所述直流斩波器供电，由直流斩波器提供第二电压，为所述第一供电单元均衡,并为低压载荷供电。
采用直流斩波器DC/DC为高压电池包中的供电单元均衡可以避免由于电池电量不足对低压载荷的供电能力下降，同时避免由于供电单元或其它为低压载荷供电的电池的SOC不均衡导致的高压动力系统功率降额。
在一种实施方式中，所述系统还包括直流斩波器，所述若干个供电单元还包括第三供电单元；在所述继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，由所述第三供电单元为所述直流斩波器供电，由所述直流斩波器提供第二电压，为所述第一供电单元或第二供电单元均衡,并为低压载荷供电。
直流斩波器DC/DC在给低压载荷LVLoads提供电能的同时，通过对第一供电单元或第二供电单元进行主动均衡，可以消除第一供电单元或第二供电单元长时间对外供电引起的SOC不均衡差异。
在一种实施方式中，所述系统还包括直流斩波器，所述若干个供电单元还包括第三供电单元；在所述继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，由所述第三供电单元为所述直流斩波器供电，由所述直流斩波器提供第二电压，为所述并联的第一电池和第二电池均衡,并为低压载荷供电。
该供电模式下，第一电池和第二电池处于并联状态并且与高压载荷隔离，直流斩波器DC/DC在给低压载荷LVLoads供电的同时，对并联的第一电池和第二电池进行均衡；能够消除第一电池和第二电池长时间对外供电引起SOC不均衡。
在一种实施方式中，所述若干个供电单元包括第一供电单元、第二供电单元和第三供电单元；所述继电器阵列包括第一继电器HVS_1、第二继电器HVS_2、第三继电器LVS_1和第四继电器LVS_2；所述设定的连接关系包括：所述第一供电单元和所述第二供电单元之间连接第一继电器HVS_1；所述第二供电单元和第三供电单元之间连接第二继电器HVS_2；所述第二供电单元的第一极通过第三继电器LVS_1连接低压载荷的第一端；所述第二供电单元的第二极通过第四继电器LVS_2连接低压载荷的第二端。
该连接方式能够实现将第一供电单元和所述第二供电单元从高压电池包中隔离，使得第二供电单元可以以单独方式提供第二电压向低压载荷供电。
在一种实施方式中，所述若干个供电单元包括第一供电单元、第二供电单元和第三供电单元；所述继电器阵列包括第一继电器HVS_1、第二继电器HVS_2、第三继电器LVS_1、第四继电器LVS_2、第五继电器LVS_3和第六继电器LVS_4；所述设定的连接关系包括：所述第一供电单元和所述第二供电单元之间连接第一继电器HVS_1；所述第二供电单元和第三供电单元之间连接第二继电器HVS_2；所述第二供电单元的第一极通过第三继电器LVS_1连接低压载荷的第一端；所述第二供电单元的第二极通过第四继电器LVS_2连接低压载荷的第二端；所述第一供电单元的第一极通过第五继电器LVS_3连接低压载荷的第一端；所述第一供电单元的第二极通过第六继电器LVS_4连接低压载荷的第二端。
该连接方式能够实现将第一供电单元和所述第二供电单元从高压电池包中隔离，使得第一供电单元或所述第二供电单元可以以单独的方式提供第二电压向低压载荷供电。
在一种实施方式中，所述若干个供电单元包括第一供电单元、第二供电单元和第三供电单元；所述继电器阵列包括第一继电器HVS_1、第二继电器HVS_2、第三继电器LVS_1、第四继电器LVS_2、第五继电器LVS_3和第六继电器LVS_4；所述设定的连接关系包括：所述第一供电单元和所述第二供电单元之间连接第一继电器HVS_1；所述第二供电单元和第三供电单元之间连接第二继电器HVS_2；所述第二供电单元的第一极通过第三继电器LVS_1连接低压载荷的第一端；所述第二供电单元的第二极通过第四继电器LVS_2连接所述第一供电单元的第二极；所述第一供电单元的第一极通过第五继电器LVS_3连接低压载荷的第一端；所述第一供电单元的第二极通过第六继电器LVS_4连接低压载荷的第二端。
该连接方式能够实现将第一供电单元和所述第二供电单元从高压电池包中隔离，使得第一供电单元和所述第二供电单元可以以单独或组合的方式提供第二电压向低压载荷供电。
在一种实施方式中，所述系统还包括直流斩波器；所述继电器阵列还包括第七继电器HVS_3和第八继电器HVS_Pos；所述设定的连接关系还包括：所述第三供电单元的第一级和所述直流斩波器的输入侧的第一级之间连接第八继电器HVS_Pos；所述第三供电单元的第二级和所述直流斩波器的输入侧的第二级之间连接第七继电器HVS_3；直流斩波器的输入侧的第二级和所述第二供电单元的第一极之间连接第二继电器HVS_2；所述第七继电器HVS_3与第二继电器HVS_2串联后与所述第二供电单元的第一极连接；所述直流斩波器的输出侧的第一级和第二极之间连接所述低压载荷。
该连接方式能够实现将第一供电单元和所述第二供电单元从高压电池包中隔离，使得直流斩波器可以提供第二电压向低压载荷供电，并为第一供电单元和所述第二供电单元主动均衡。
在一种实施方式中，所述第二继电器HVS_2为联动继电器；包括第一联动单元HVS_2′和第二联动单元HVS_2〞；所述第二继电器HVS_2经过第二联动单元HVS_2〞和第一联动单元HVS_2′连接所述第一供电单元的第二极。
第二继电器HVS_2在工作时一直处于断开状态，将为直流斩波器DC/DC供电的第三供电单元和为低压载荷供电的第一供电单元和/或第二供电单元隔离。第二继电器HVS_2同时能使直流斩波器DC/DC的输入与输出隔离。第二继电器(HVS_2)确保低压供电系统的正负极与高压系统的正负极始终处于隔离状态。
本申请实施例提供的低压冗余供电系统在电池包内部添加继电器阵列，实现分时复用高压电池包中的电池为低压载荷供电，进而取消传统供电方案中的低压蓄电池；通过对继电器的组合控制，可以提供多种低压供电模式，如单电池独立供电、双电池并联供电、双电池串联供电等，使得低压供电系统更加可靠；通过对继电器的组合控制，可以实现对用于为低压载荷供电的电池进行单电池主动均衡、双电池主动均衡等，从而避免该部分电池由于长期给低压载荷供电引起的与其他电池差异过大问题。
通过对继电器的控制，分时复用高压电池包中的电池组为低压载荷供电解决了传统低压供电方案中的低压蓄电池设置所导致的空间体积占用大的问题；同时，本申请实施例提供的低压冗余供电系统能够解决传统低压供电方案无法对电池的主动均衡和无法实现对低压载荷的冗余供电功能的问题，不仅能够提高供电可靠性，同时可以避免由于电池SOC不均衡导致的高压动力系统功率降额的问题。
附图说明
图1为方案1提供的电动汽车供电系统示意图；
图2为方案2提供的一种取消低压电池的新能源汽车供电系统示意图；
图3a本申请实施例提供的低压冗余供电系统中一个供电单元为低压载荷供电的原理图；
图3b为基于图3a所示的低压冗余供电系统中高压电池包向高压载荷供电的同时，一个供电单元为低压载荷供电的继电器阵列开闭状态组合示意图；
图3c为基于图3a所示的低压冗余供电系统中的一个供电单元为低压载荷供电的继电器阵列开闭状态组合示意图；
图3d为图3c所示的电池B2作为一个供电单元单独为低压载荷供电等效电路图；
图4a为本申请实施例提供的低压冗余供电系统中两个供电单元分别为低压载荷供电的原理图；
图4b为基于4a所示的低压冗余供电系统中高压电池包为高压载荷供电，两个供电单元可以分别为低压载荷供电的开闭状态组合的示意图；
图4c为基于4a所示的低压冗余供电系统中在高压断电状态下，分时复用电池B2为低压载荷供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图；
图4d为基于4a所示的低压冗余供电系统中在高压断电状态下，分时复用电池B1为低压载荷供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图；
图5a为本申请实施例提供的低压冗余供电系统中两个供电单元组合为低压载荷供电的原理图；
图5b为基于5a所示的低压冗余供电系统中高压电池包向高压载荷供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图；
图5c为基于5a所示的低压冗余供电系统中分时复用电池B1为低压载荷供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图；
图5d为基于5a所示的低压冗余供电系统中分时复用电池B2为低压载荷供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图；
图5e为基于5a所示的低压冗余供电系统中分时复用电池B1和电池B2串联为低压载荷供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图；
图5f为基于5a所示的低压冗余供电系统中分时复用电池B1和电池B2并联为低压载荷供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图；
图6a为本申请实施例提供的低压冗余供电系统中利用直流斩波器DC/DC为低压载荷进行供电的原理图；
图6b为基于6a所示低压冗余供电系统中，直流斩波器DC/DC处于非工作状态，分时复用电池B1为低压载荷供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图；
图6c为基于6a所示低压冗余供电系统中由直流斩波器DC/DC为低压载荷LVLoads供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图；
图6d为基于6a所示低压冗余供电系统中由高压电池包向直流斩波器DC/DC供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图；
图6e为基于6a所示低压冗余供电系统中由直流斩波器DC/DC为电池B2均衡时继电器阵列的开闭状态组合的示意图；
图7a为本申请实施例提供的低压冗余供电系统中直流斩波器DC/DC对为低压载荷供电的双电池均衡的电路原理图；
图7b为基于图7a的低压冗余供电系统中直流斩波器DC/DC供电、电池B2主动均衡的继电器阵列开闭状态组合示意图；
图7c为基于图7a的低压冗余供电系统中直流斩波器DC/DC供电、电池B1主动均衡的继电器阵列开闭状态组合示意图；
图7d为基于图7a的低压冗余供电系统中直流斩波器DC/DC供电、电池B1和电池B2并联均衡的继电器阵列开闭状态组合示意图；
图7e为基于图7a的低压冗余供电系统中直流斩波器DC/DC供电、无均衡的继电器阵列开闭状态组合示意图；
图7f为基于图7a的低压冗余供电系统中直流斩波器DC/DC处于非工作状态、分时复用的高压动力包中的供电单元为低压载荷供电时继电器阵列开闭状态组合示意图。
具体实施方式
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三”等或模块A、模块B、模块C等，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
在以下的描述中，所涉及的表示步骤的标号，如S110、S120……等，并不表示一定会按此步骤执行，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
对本申请具体实施方式进行进一步详细说明之前，介绍现有的一些技术方案。
方案1提供了现有的一种电动车供电系统，该系统在动力电池包20内置小功率12V直流电源22，直接将动力电池20的高压电转为12V低压直流电，为控制器提供低压电源，取代12V蓄电池，直流斩波器DC/DC输出端连接其他低压载荷。
图1为方案1提供的电动汽车供电系统示意图。如图1所示，方案1在动力电池包20内增加一个小功率12V直流电源22为需要低压常电的控制器供电；将车内直流斩波器DC/DC输出端分出一路电源经过二极管后并联到12V直流电源22的输出端，直流斩波器DC/DC工作时同时为控制电路供电；车载均衡机的12V辅助电源的输出端并联到12V直流电源22的输出端。
方案1需要在动力电池包20内额外增加控制电路，该控制电路可以将动力电池的高电压转为低压的12V直流电；动力电池包20内电压转换控制电路的可靠性得不到保证，需要电池管理系统检测内置低压载荷；直流斩波器DC/DC不工作且未插交流均衡枪时无备份电源。
方案2提供了一种取消低压电池的新能源汽车供电系统，该系统在高压电池组中设置低压抽头，通过低压抽头为控制器及其他低压载荷提供低压电源。
图2为方案2提供的一种取消低压电池的新能源汽车供电系统示意图。如图2所示，在高压电池组中设置12V低压抽头，12V低压抽头由高压电池组的一部分电池引出，借用高压电池组的一部分电池代替传统低压蓄电池，节省原低压蓄电池所占用的空间；在高压电池组中还可以设置48V低压抽头，可直接为48V载荷供电。
方案2无法实现主动均衡功能，提供12V低压抽头的电池为高压电池组的一部分，该部分电池的荷电状态与其他模组电池差异过大时，将严重限制高压电池组对外输出电能的能力；方案2无法实现冗余低压供电，无法保证供电可靠性；其中高压供电系统与低压供电系统不能隔离，存在安全隐患。
本申请实施例提出一种低压冗余供电系统，基本原理是通过对继电器阵列的组合控制，分时复用高压电池包中的电池/电池组为低压载荷供电。该系统包括由多个继电器组成的继电器阵列，在高压载荷下电状态下，可以通过继电器组合控制分时复用高压电池包中的电池为低压载荷进行供电。本申请实施例提出一种低压冗余供电系统相比于方案1和方案2，无需额外使用的小功率12V直流电源，从而取消了传统低压供电方案中的低压蓄电池设置，同时能够提供多种的低压供电模式，如单电池独立供电、双电池并联供电、双电池串联供电等，能够实现冗余低压供电，并与高压载荷的供电系统进行隔离，使得低压载荷的供电系统更加可靠。
下面对本申请实施例提供的一种低压冗余供电系统进行详细介绍。
本申请实施例提供一种低压冗余供电系统，该系统包括：高压电池包和继电器阵列；其中高压电池包提供第一电压，高压电池包依次串联的若干个供电单元，该供电单元为高压电池包中的至少一个电池或若干个电池串/并联的等效电源；继电器阵列中的各个继电器按照设定的连接关系与高压电池包中的各个供电单元相连；在继电器阵列的至少一种开闭状态组合方式下，高压电池包中的至少一个供电单元经分时复用提供第二电压，为低压载荷供电。其中，第一电压的电压值高于第二电压的电压值。
图3a为本申请实施例提供的低压冗余供电系统中一个供电单元为低压载荷供电的原理图。
如图3a所示，高压电池包包括依次串联的电池B1、电池B2、电池B3…电池Bn；继电器阵列包括继电器HVS_1、继电器HVS_2、继电器HVS_Pos、继电器HVS_NEG、继电器LVS_1和继电器LVS_2。
上述电池和继电器阵列可以按照如下的连接关系连接：电池B1和电池B2之间设置继电器HVS_1，继电器HVS_1在断开状态下将电池B1与电池B2隔离；电池B2和电池B3之间设置继电器HVS_2，继电器HVS_2在断开状态下将电池B2与电池B3隔离；电池B2的第一极通过继电器LVS_1连接低压载荷的第一端；电池B2的第二极通过继电器LVS_2连接低压载荷的第二端。
继电器HVS_2采用联动继电器，还包括第一联动单元HVS_2′和第二联动单元HVS_2〞。从电池B3的负极分出的支路d1连接第二联动单元HVS_2〞的输入端，第二联动单元HVS_2〞的输出端通过支路d2连接第一联动单元HVS_2′的输出端，第一联动单元HVS_2′的输入端连接电池B1的负极。第二联动单元的输出端通过支路d3连接继电器HVS_NEG的输入端。
第一联动单元HVS_2′与继电器HVS_2的状态相同，第二联动单元HVS_2〞与继电器HVS_2的状态相反。当继电器HVS_2的状态为断开时，第一联动单元HVS_2′的状态为断开，第二联动单元HVS_2〞的状态为闭合；当继电器HVS_2的状态为闭合时，第一联动单元HVS_2′的状态为闭合，第二联动单元HVS_2〞的状态为断开。
图3b为基于图3a所示的低压冗余供电系统中高压电池包向高压载荷供电的同时，一个供电单元为低压载荷供电的继电器阵列开闭状态组合示意图。
如图3b所示，在继电器LVS_1、继电器LVS_2、继电器HVS_Pos和继电器HVS_NEG均为闭合状态，继电器HVS_1、继电器HVS_2均为断开状态时，高压电池包中部分电池组成的子电池包提供第一电压向高压载荷输送电能；电池B2从高压电池包中隔离，提供第二电压向低压载荷供电。
在继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，本申请实施例提供的低压冗余供电系统可以在高压断电状态下，将高压电池包中的一个电池作为一个供电单元提供第二电压，为低压载荷提供冗余供电。
图3c为基于图3a所示的低压冗余供电系统中的一个供电单元为低压载荷供电的继电器阵列开闭状态组合示意图。
如图3c所示，在继电器HVS_1和继电器HVS_2均为断开状态，继电器LVS_1和继电器LVS_2均为闭合状态时，电池B2作为一个供电单元单独提供第二电压，为低压载荷供电。
在图3c所示的低压冗余供电系统中，电池B2从高压电池包中隔离，作为一个供电单元单独为低压载荷LVLoads供电，低压载荷LVLoads的电能完全由电池B2提供。采用这种供电方式可以将高压电池包中冗余的电池隔离出来为低压载荷LVLoads供电，还可以避免由于电池B2异常引起的高压载荷的供电系统异常。
图3d为图3c所示的电池B2作为一个供电单元单独为低压载荷供电的等效电路图。如图3d所示,高压电池包中的任意一个供电单元Bi第一极与低压载荷的第一端之间设置继电器LVS_1；供电单元Bi的第二极与低压载荷的第二端之间设置继电器LVS_2。继电器LVS_1和继电器LVS_2均为闭合状态时，由供电单元Bi提供第二电压，为低压载荷供电；继电器LVS_1和继电器LVS_2均为断开时状态时，停止向低压载荷供电。供电单元Bi可以为高压电池包中的一个电池，也可以为若干个电池串/并联的等效电源。
可以理解的是本申请实施例包括在继电器阵列的不同开闭状态组合方式下，由高压电池包中的一个电池或若干个电池串/并联的等效电源作为一个供电单元为低压载荷提供冗余供电的各种实施方式。
例如，图4a为本申请实施例提供的低压冗余供电系统中两个供电单元分别为低压载荷供电的原理图。
如图4a所示，在图3a的基础上继电器阵列增加了继电器LVS_3和继电器LVS_4。电池B1的第一极与低压载荷的第一端之间设置继电器LVS_3；电池B1的第二极与低压载荷的第二端之间设置继电器LVS_4。
图4b为基于4a所示的低压冗余供电系统中高压电池包为高压载荷供电，两个供电单元可以分别为低压载荷供电的继电器阵列的开闭状态组合的示意图。
如图4b所示，在继电器LVS_3、继电器LVS_4、继电器HVS_Pos和继电器HVS_NEG均为闭合状态，继电器HVS_1、继电器HVS_2、继电器LVS_1、继电器LVS_2均为断开状态时，高压电池包中部分电池组成的子电池包提供第一电压向高压载荷输送电能；电池B1从高压电池包中隔离，提供第一电压向低压载荷供电。
图中，当继电器LVS_3、继电器LVS_4为断开状态，继电器LVS_1、继电器LVS_2闭合状态时，则和图3b是等效的，此处不在赘述。
图4c为基于4a所示的低压冗余供电系统中在高压断电状态下，分时复用电池B2为低压载荷供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图。
如图4c所示在继电器HVS_1、继电器HVS_2、继电器LVS_3和继电器LVS_4均为断开状态下，继电器LVS_1、继电器LVS_2均为闭合状态时，由高压电池包中的电池B2提供第二电压，为低压载荷供电。
图4d为基于4a所示的低压冗余供电系统中在高压断电状态下，分时复用电池B1为低压载荷供电的继电器阵列的开闭状态的示意图。
如图4d所示在继电器HVS_1、继电器HVS_2、继电器LVS_1、继电器LVS_2均为断开状态下，继电器LVS_3和继电器LVS_4均为闭合状态时，由高压电池包中的电池B1提供第二电压，为低压载荷供电。
图4c提供在高压断电状态下的电池B2单独供电、图4d所提供的在高压断电状态下电池B1单独供电的低压供电系统与图3c所示的提供的电池B2单独供电的低压供电系统其等效电路图都为图3d。三种方案是等效的，均在本申请实施例的保护范围内。
可以理解的是，不同继电器阵列在不同的开闭状态组合方式下，由高压电池包中的单电池或多个电池的等效电源作为供电单元对低压载荷供电，均在本申请实施例的保护范围内。
图5a为本申请实施例提供的低压冗余供电系统中两个供电单元组合为低压载荷供电的原理图。如图5a所示，与图4a-4d不同之处在于，继电器LVS_2与低压载荷的第二端之间串联继电器LVS_4；所述继电器LVS_2与继电器LVS_4之间的公共节点连接电池B1的第二极。
图5b为基于5a所示的低压冗余供电系统中高压电池包向高压载荷供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图。如图5b所示，在继电器HVS_Pos、继电器HVS_NEG闭合，继电器HVS_1、继电器HVS_2、继电器LVS_1、继电器LVS_2、继电器LVS_3和继电器LVS_4均为断开状态时，高压电池包中部分电池组成的子电池包提供第一电压向高压载荷输送电能；电池B1、电池B2从高压电池包中隔离，可以以单独或组合的方式提供第二电压向低压载荷供电。
图5c为基于5a所示的低压冗余供电系统中分时复用电池B1为低压载荷供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图。如图5c所示，在继电器HVS_1、继电器HVS_2、继电器LVS_1、继电器LVS_2均为断开状态，继电器LVS_3和所述继电器LVS_4均为闭合状态时，由高压电池包中的电池B1作为第一供电单元提供第二电压，为低压载荷供电。第一供电单元可以为一个电池或若干个电池串/并联的等效电源。
图5d为基于5a所示的低压冗余供电系统中分时复用电池B2为低压载荷供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图。如图5d所示，在继电器HVS_1、继电器HVS_2、继电器LVS_3均为断开状态，继电器LVS_1、继电器LVS_2和继电器LVS_4均为闭合状态时，利用高压电池包中的电池B2作为第二供电单元提供第二电压，为低压载荷供电。第二供电单元可以为一个电池或若干个电池串/并联的等效电源。
图5e为基于5a所示的低压冗余供电系统中分时复用电池B1和电池B2串联为低压载荷供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图。如图5e所示，在继电器HVS_2、继电器LVS_2和继电器LVS_3为断开状态，继电器HVS_1、继电器LVS_1和所述继电器LVS_4均为闭合状态时，由高压电池包中电池B1作为第一供电单元和电池B2作为第二供电单元串联提供第二电压，为低压载荷LVLoads供电。
图5f为基于5a所示的低压冗余供电系统中分时复用电池B1和电池B2并联为低压载荷供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图。如图5f所示，在继电器HVS_1和继电器HVS_2为断开状态，继电器LVS_1、继电器LVS_2和继电器LVS_3和所述继电器LVS_4均为闭合状态时，由高压电池包中电池B1作为第一供电单元和电池B2作为第二供电单元并联提供第二电压，为低压载荷LVLoads供电。
在图5f所示的供电模式下，电池B1和电池B2处于并联状态并与高压系统隔离，低压载荷LVLoads的电能完全由电池B1和电池B2提供。电池B1和电池B2并联后对外供电可以为低压载荷LVLoads提供较高的供电电流，还可以缓解电池B1和电池B2长时间对外供电引起的电荷不均衡的差异。
图5c-图5f所示的状态下，联动继电器HVS_2均处于断开状态，继电器HVS_Pos和继电器HVS_NEG的开闭状态对低压载荷供电没有影响，在此处可以不予讨论。
为低压载荷供电的电池由于长期给低压载荷供电，会出现电池剩余电荷(SOC)不均衡的状况，不均衡的电池与高压电池包中其他电池的输出电能存在差异，会导致高压动力系统功率降额。
针对上述问题，本申请实施例提供的一种低压冗余供电系统，在该系统中设置一个直流斩波器DC/DC，相应地增加若干继电器，例如继电器HVS_3，在继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，利用直流斩波器DC/DC为低压载荷进行供电，以避免为低压载荷长期供电的电池由于电荷(SOC)不均衡导致的高压动力系统功率降额。
上述利用直流斩波器DC/DC为低压载荷进行供电的原理是利用直流斩波器DC/DC将高压电池包部分子电池组提供的高电压转变为低电压，从而为低电压载荷供电；直流斩波器DC/DC输出侧与低压载荷相连，为低压载荷进行供电。其中，将高压电池包的部分电池组成的子电池组作为第三供电单元。第三供电单元包括第一供电单元和/或第二供电单元以外的子电池组。
图6a为本申请实施例提供的低压冗余供电系统中利用直流斩波器DC/DC为低压载荷进行供电的原理图。图6a为在图3a所示的单电池供电的低压供电原理图的基础上，设置一个直流斩波器DC/DC，相应地设置继电器HVS_3，继电器HVS_3将高压电池包中为直流斩波器DC/DC供电的第三供电单元与为低压载荷供电的第一供电单元和/第二单元隔离。
在图6a所示的实施例中，继电器HVS_Pos设置于直流斩波器DC/DC的输入侧的第一极与电池Bn的第一极之间；继电器HVS_3设置于直流斩波器DC/DC的输入侧的第二极与电池B3的第二极之间；当继电器HVS_Pos和继电器HVS_3处于断开状态时，隔离直流斩波器DC/DC的输入电源；当继电器HVS_Pos和继电器HVS_3在闭合状态时，第三供电单元为直流斩波器DC/DC供电。其中第三供电单元为电池B3～电池Bn组成的电池组。
联动继电器HVS_2设置于在继电器HVS_3与电池B2的之间；联动继电器HVS_2在工作时一直处于断开状态，将为直流斩波器DC/DC供电的第三供电单元和为低压载荷供电的第一供电单元和/或第二供电单元隔离。联动继电器HVS_2同时能使直流斩波器DC/DC的输入与输出隔离。其中第一供电单元为电池B2，第二供电单元为B1。
直流斩波器DC/DC的输出侧连接低压载荷LVLoads。
图6b为基于6a所示低压冗余供电系统中，直流斩波器DC/DC处于非工作状态，分时复用电池B2为低压载荷供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图。如图6b所示，在继电器HVS_1、继电器HVS_2、继电器HVS_3、继电器HVS_Pos、继电器HVS_NEG为断开状态，继电器LVS_1和继电器LVS_2为闭合状态时，直流斩波器DC/DC处于非工作状态，该电路的效果与图3c电路等效，以电池B2作为一个供电单元为低压载荷LVLoads供电。
图6c为基于6a所示低压冗余供电系统中由直流斩波器DC/DC为低压载荷LVLoads供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图。如图6c所示，在继电器HVS_Pos和继电器HVS_3为闭合状态，继电器HVS_1、继电器HVS_2、继电器LVS_1和继电器LVS_2均为断开状态时，由高压电池包中的第三供电单元为所述直流斩波器供电，由直流斩波器DC/DC提供第二电压为低压载荷LVLoads供电。图6c中，继电器HVS_NEG断开，HVLoads为高压断电状态，继电器HVS_NEG闭合时，高压电池包提供第二电压为高压载荷HVLoads供电，同时直流斩波器DC/DC提供第二电压为低压载荷LVLoads供电。
具有与图6c所示电路效果相同的所有可能的继电器阵列连接及开闭状态组合控制电路均为图6c的等效电路，采用该等效电路以直流斩波器DC/DC为低压载荷LVLoads供电的系统均在本申请实施例的保护范围内。
在直流斩波器DC/DC为低压载荷供电的状态下，还可以通过继电器阵列的组合控制将电池B1和电池B2串联至高压电池包，为高压载荷HVLoads供电。
图6d为基于6a所示低压冗余供电系统中由高压电池包向直流斩波器DC/DC供电时继电器阵列的开闭状态组合的示意图。如图6d所示，在继电器HVS_1、继电器HVS_2、继电器HVS_3、继电器HVS_Pos和继电器HVS_NEG均为闭合状态，继电器LVS_1和继电器LVS_2均为断开状态时，电池B1和电池B2串联接入高压电池包中，可以与高压电池包作为整体向高压载荷输送电能。
在该状态下，直流斩波器DC/DC可以将高压电池包部分子电池组提供的高压转变为低压为低压载荷LVLoads供电，电池B1和电池B2串入高压电池包，可以为高压载荷HVLoads供电，为车辆行驶提供高压电能。该实施例可以避免出现由于电池不均衡导致的高压动力系统功率降额的现象。
如果为低压载荷供电的电池的剩余荷电状态(SOC)不均衡，可以利用直流斩波器DC/DC为电池B1、电池B2或其它为低压载荷供电的电池进行均衡。
图6e为基于6a所示低压冗余供电系统中由直流斩波器DC/DC为电池B2均衡时继电器阵列的开闭状态组合的示意图。如图6e所示，在继电器HVS_3、继电器HVS_Pos、继电器LVS_1和继电器LVS_2均为闭合状态，继电器HVS_1和继电器HVS_2均为断开状态时，由直流斩波器DC/DC为电池B2均衡。其中,电池B2为高压电池包中的一个供电单元。此时，继电器HVS_NEG可以为断开状态或闭合状态，对直流斩波器DC/DC无影响。
具有与图6e所示电路效果相同的所有可能的继电器阵列连接及开闭状态组合控制电路均为图6e的等效电路，采用该等效电路以直流斩波器DC/DC为高压电池包中的一个供电单元供电的方式在本申请实施例的保护范围内。
采用直流斩波器DC/DC为高压电池包中的供电单元均衡可以避免由于电池电量不足对低压载荷的供电能力下降，同时避免由于电池B1、电池B2或其它为低压载荷供电的电池的SOC不均衡导致的高压动力系统功率降额。
直流斩波器DC/DC还可以为低压载荷供电的双电池主动均衡。对电池B1、电池B2进行主动均衡包括电池B1主动均衡模式、电池B2主动均衡模式和电池B2和电池B1并联的低压供电模式等。下面对上述各种均衡模式进行详细论述。
图7a为本申请实施例提供的低压冗余供电系统中直流斩波器DC/DC对为低压载荷供电的双电池均衡的电路原理图。如图7a所示，在图6a基础上继电器阵列增加了继电器LVS_3和继电器LVS_4。
具体地，电池B1的第一极与低压载荷的第一端之间设置继电器LVS_3；继电器LVS_2与低压载荷的第二端之间串联继电器LVS_4；所述继电器LVS_2与继电器LVS_4之间的公共节点连接电池B1的第二极。
图7b为基于图7a的低压冗余供电系统中直流斩波器DC/DC供电、电池B2主动均衡的继电器阵列开闭状态组合示意图。如图7b所示，继电器LVS_1、继电器LVS_2、继电器LVS_4、继电器HVS_3和继电器HVS_Pos闭合,继电器LVS_3、继电器HVS_1和继电器HVS_2的状态为断开，第三供电单元为直流斩波器DC/DC供电，直流斩波器DC/DC为低压载荷供电，同时为电池B2主动均衡。需注意的是，此时图中继电器HVS_Neg的状态可以为断开，也可以为闭合。各继电器开闭合状态可参照表1。
图7c为基于图7a的低压冗余供电系统中直流斩波器DC/DC供电、电池B1主动均衡的继电器阵列开闭状态组合示意图。如图7c所示，继电器LVS_3、继电器LVS_4、继电器HVS_3和继电器HVS_Pos的状态为闭合，继电器LVS_1、继电器LVS_2、继电器HVS_1、继电器HVS_2的状态为断开,第三供电单元为直流斩波器DC/DC供电，直流斩波器DC/DC为低压载荷供电，同时为电池B1主动均衡。此时图中继电器HVS_Neg的状态可以为断开，也可以为闭合。各继电器开闭合状态可参照表1。
在图7b和图7c两种继电器阵列开闭状态组合的供电模式下，联动继电器HVS_2断开，使得电池B1和电池B2与高压载荷隔离；高压载荷上电后，直流斩波器DC/DC处于上电状态，低压载荷LVLoads的电能由直流斩波器DC/DC提供。直流斩波器DC/DC在给低压载荷LVLoads提供电能的同时，对电池B1或电池B2进行均衡，通过对电池B1或电池B2进行主动均衡，可以消除电池B1或电池B2长时间对外供电引起的SOC不均衡差异。
图7d为基于图7a的低压冗余供电系统中直流斩波器DC/DC供电、电池B1和电池B2并联均衡的继电器阵列开闭状态组合示意图。如图7d所示，继电器LVS_1、继电器LVS_2和继电器LVS_3、继电器LVS_4、继电器HVS_3和继电器HVS_Pos的状态为闭合，继电器HVS_1和继电器HVS_2的状态为断开，第三供电单元为直流斩波器DC/DC供电，直流斩波器DC/DC为低压载荷供电，同时为并联的电池B1和电池B2均衡。此时图中继电器HVS_Neg的状态可以为断开，也可以为闭合。各继电器开闭状态可参照表1。
该供电模式下，电池B1和电池B2处于并联状态并且与高压载荷隔离，直流斩波器DC/DC在给低压载荷LVLoads供电的同时，对并联的电池B1和电池B2进行均衡；能够消除电池B1和电池B2长时间对外供电引起SOC不均衡。
图7e为基于图7a的低压冗余供电系统中直流斩波器DC/DC供电、无均衡的继电器阵列开闭状态组合示意图。
如图7e所示，继电器LVS_1、继电器LVS_2和继电器LVS_3、继电器LVS_4断开，继电器HVS_1、继电器HVS_2、HVS_3和继电器HVS_Neg和继电器HVS_Pos闭合，电池B1和电池B2串联接入高压电池包，高压电池包提供第一电压为高压载荷HVLoads输供电，同时为直流斩波器DC/DC提供高压动力电源，直流斩波器DC/DC输出第二电压为低压载荷LVLoads供电。各继电器开闭合状态可参照表1。
该供电模式下，电池B1和电池B2作为高压动力包的一部分与高压动力包内的其他电池串联，并与低压载荷隔离。包括电池B1和电池B2的高压动力包能够为直流斩波器DC/DC提供高压动力电源，直流斩波器DC/DC上电后，能够为低压载荷LVLoads供电。
图7f为基于图7a的低压冗余供电系统中直流斩波器DC/DC处于非工作状态、分时复用的高压动力包中的供电单元为低压载荷供电时继电器阵列开闭状态组合示意图。
如图7f所示，在继电器HVS_2、继电器HVS_3和继电器HVS_Pos断开状态下，高压动力包停止对高压载荷供电，直流斩波器DC/DC处于非工作状态，此时可以设置继电器阵列的开闭状态组合，分时复用的高压动力包中的供电单元为低压载荷供电。参照图5c～5f对继电器LVS_1、继电器LVS_2和继电器LVS_3、继电器LVS_4、继电器HVS_1的开闭状态组合设置，可以实现电池B1单独为低压载荷供电、电池B2单独为低压载荷供电、电池B1和电池B2串联为低压载荷供电及电池B1和电池B2并联为低压载荷供电，在此不再赘述。各继电器开闭状态可参照表1。
表1
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本申请实施例提出的低压冗余供电系统，通过对继电器的组合控制，分时复用高压电池包中的电池，为低压冗余供电系统进行供电，不仅取消了传统供电方案中独立蓄电池的设置，同时可以提供更多的低压供电模式，如单电池独立供电、双电池并联供电、双电池串联供电等，同时高压供电系统与低压供电系统隔离，消除安全隐患，使得低压供电系统更加可靠。
本申请实施例提出的低压冗余供电系统，在直流斩波器DC/DC上电后，可以根据电池的荷电状态，对用于为低压载荷供电的电池进行单电池主动均衡、双电池主动均衡等，从而避免该部分电池由于长期给低压载荷供电引起的与其他电池荷电状态差异过大问题。
本申请实施例提出的低压冗余供电系统，在直流斩波器DC/DC上电后，可根据需求将用于为低压载荷供电的电池“还给”给高压电池包，从而充分利用电池包的高压供电能力。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种低压冗余供电系统，其特征在于，所述系统包括：
高压电池包，用于提供第一电压，所述高压电池包包括依次串联的若干个供电单元；所述供电单元为所述高压电池包中的至少一个电池或若干个电池串/并联的等效电源；和
继电器阵列，所述继电器阵列中的各个继电器按照设定的连接关系与所述高压电池包中的各个供电单元相连；
在所述继电器阵列的至少一种开闭状态组合方式下，所述高压电池包中的至少一个供电单元经分时复用提供第二电压，为低压载荷供电；所述第一电压高于所述第二电压；
所述若干个供电单元包括第一供电单元、第二供电单元和第三供电单元；所述继电器阵列包括第一继电器(HVS_1)、第二继电器(HVS_2)、第三继电器(LVS_1)和第四继电器(LVS_2)；
所述设定的连接关系包括：所述第一供电单元和所述第二供电单元之间连接第一继电器(HVS_1)；
所述第二供电单元和第三供电单元之间连接第二继电器(HVS_2)；
所述第二供电单元的第一极通过第三继电器(LVS_1)连接低压载荷的第一端；
所述第二供电单元的第二极通过第四继电器(LVS_2)连接低压载荷的第二端。
2.根据权利要求1所述的低压冗余供电系统，其特征在于，所述若干个供电单元包括第一供电单元和至少一个第二供电单元，在所述继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，由所述第一供电单元或第二供电单元提供第二电压，为所述低压载荷供电。
3.根据权利要求1所述的低压冗余供电系统，其特征在于，所述若干个供电单元包括第一供电单元和第二供电单元，在所述继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，由所述第一供电单元和至少一个第二供电单元串联提供第二电压，为所述低压载荷供电。
4.根据权利要求1所述的低压冗余供电系统，其特征在于，所述若干个供电单元包括第一供电单元和第二供电单元，在所述继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，由所述第一供电单元和第二供电单元并联提供第二电压，为所述低压载荷供电。
5.根据权利要求1所述的低压冗余供电系统，其特征在于，所述系统还包括直流斩波器，所述若干个供电单元包括第一供电单元和第三供电单元；所述第一供电单元为低压载荷供电；在所述继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，所述第一供电单元中断为低压载荷供电，由所述第三供电单元为所述直流斩波器供电，由所述直流斩波器提供第二电压，为所述低压载荷供电。
6.根据权利要求1所述的低压冗余供电系统，其特征在于，所述系统还包括直流斩波器，所述若干个供电单元包括第一供电单元和第三供电单元；所述第一供电单元为低压载荷供电；在所述继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，由所述第三供电单元为所述直流斩波器供电，由直流斩波器提供第二电压，为所述第一供电单元均衡,并为低压载荷供电。
7.根据权利要求2所述的低压冗余供电系统，其特征在于，所述系统还包括直流斩波器，所述若干个供电单元还包括第三供电单元；在所述继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，由所述第三供电单元为所述直流斩波器供电，由所述直流斩波器提供第二电压，为所述第一供电单元或第二供电单元均衡,并为低压载荷供电。
8.根据权利要求4所述的低压冗余供电系统，其特征在于，所述系统还包括直流斩波器，所述若干个供电单元还包括第三供电单元；在所述继电器阵列的一种开闭状态组合方式下，由所述第三供电单元为所述直流斩波器供电，由所述直流斩波器提供第二电压，为所述并联的第一电池和第二电池均衡,并为低压载荷供电。
9.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述若干个供电单元包括第一供电单元、第二供电单元和第三供电单元；所述继电器阵列包括第一继电器(HVS_1)、第二继电器(HVS_2)、第三继电器(LVS_1)、第四继电器(LVS_2)、第五继电器(LVS_3)和第六继电器(LVS_4)；
所述设定的连接关系包括：所述第一供电单元和所述第二供电单元之间连接第一继电器(HVS_1)；
所述第二供电单元和第三供电单元之间连接第二继电器(HVS_2)；
所述第二供电单元的第一极通过第三继电器(LVS_1)连接低压载荷的第一端；
所述第二供电单元的第二极通过第四继电器(LVS_2)连接低压载荷的第二端；
所述第一供电单元的第一极通过第五继电器(LVS_3)连接低压载荷的第一端；
所述第一供电单元的第二极通过第六继电器(LVS_4)连接低压载荷的第二端。
10.根据权利要求1-4之一所述的系统，其特征在于，所述若干个供电单元包括第一供电单元、第二供电单元和第三供电单元；所述继电器阵列包括第一继电器(HVS_1)、第二继电器(HVS_2)、第三继电器(LVS_1)、第四继电器(LVS_2)、第五继电器(LVS_3)和第六继电器(LVS_4)；
所述设定的连接关系包括：所述第一供电单元和所述第二供电单元之间连接第一继电器(HVS_1)；
所述第二供电单元和第三供电单元之间连接第二继电器(HVS_2)；
所述第二供电单元的第一极通过第三继电器(LVS_1)连接低压载荷的第一端；
所述第二供电单元的第二极通过第四继电器(LVS_2)连接所述第一供电单元的第二极；
所述第一供电单元的第一极通过第五继电器(LVS_3)连接低压载荷的第一端；
所述第一供电单元的第二极通过第六继电器(LVS_4)连接低压载荷的第二端。
11.根据权利要求10所述的低压冗余供电系统，其特征在于，所述系统还包括直流斩波器；所述继电器阵列还包括第七继电器(HVS_3)和第八继电器(HVS_Pos)；
所述设定的连接关系还包括：
所述第三供电单元的第一级和所述直流斩波器的输入侧的第一级之间连接第八继电器(HVS_Pos)；
所述第三供电单元的第二级和所述直流斩波器的输入侧的第二级之间连接第七继电器(HVS_3)；
直流斩波器的输入侧的第二级和所述第二供电单元的第一极之间连接第二继电器(HVS_2)；
所述第七继电器(HVS_3)与第二继电器(HVS_2)串联后与所述第二供电单元的第一极连接；
所述直流斩波器的输出侧的第一级和第二极之间连接所述低压载荷。
12.根据权利要求10所述的低压冗余供电系统，其特征在于，所述第二继电器(HVS_2)为联动继电器；包括第一联动单元(HVS_2′)和第二联动单元(HVS_2〞)；所述第二继电器(HVS_2)经过第二联动单元(HVS_2〞)和第一联动单元(HVS_2′)连接所述第一供电单元的第二极。
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