CN114312480B - 带有多电池组电池系统和相互排斥的三路接触器的电动力总成 - Google Patents
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Abstract
带有多电池组电池系统和相互排斥的三路接触器的电动力总成。用于机动车辆或其他系统的电池系统，包括带有正和负母线轨的电压母线、和第一和第二电池组。电池组布置在轨之间并连接到该轨。高压开关共同地配置为以串联或并联电池配置选择性地互相连接电池组。开关包括相互排斥的三路/二位接触器的对，其每个具有对应于相应的串联和并联电池布置的串联连接位置和并联连接位置。电动力总成包括连接到电池系统的电负载和联接到开关的控制器。响应于电池模式选择信号，控制器将接触器从串联连接位置选择性地转换到并联连接位置，或反之亦然。机动车辆包括车轮、车身、和电动力总成。
Description
技术领域
本公开涉及在电池电动车辆（“BEV”）、混合电动车辆（“HEV”）、和其他高压移动平台上用于推进功能的类型的电动力总成。电动力总成典型地包括一个或多个多相/交流（“AC”）旋转电机，其由绕组定子和磁转子构成。电机的单独的相位引线连接到功率逆变器，该功率逆变器继而连接到直流（“DC”）电压母线。当电机用作为牵引电动机时，位于功率逆变器内的半导体开关的ON/OFF开关状态的控制用于生成在适合于为电机通电的水平的AC输出电压。通电的相绕组最终产生相对于定子的旋转磁场。旋转的定子磁场与转子磁场相互作用以产生机器旋转和电动机输出转矩。
背景技术
多电芯DC电池形成在现代BEV、HEV、或其他移动高压移动平台上的可再充电能量存储系统（RESS）的核心部分。连接到DC电压母线的电池可由非车载充电站选择性充电。当充电站产生具有AC波形的充电电压时，位于在充电的特定平台上的AC-DC转换器将AC充电波形转换为适合于为电池的组成电池电芯充电的DC波形。替代地，DC快速充电（“DCFC”）站可用作为相对高功率/高速度充电选项。
未来的电动力总成应用设想高功率充电和高功率推进电负载。较高的电压提供了在不增加电流的情况下满足这些功率要求的机会，这继而使得能够使用较小的部件，诸如母线、线缆、接触器等。为了满足对功率要求的日益增长的需求，车载电气系统可配置为根据需要在并联和串联布置之间切换其组成电池组，例如，以适应较高的DC快速充电电压。
发明内容
在此公开的电动力总成包括可重新配置的多电池组电池系统。尽管在提供的示例中的“多电池组”需要两个电池组，但是在其他实施例中本教导可扩展到三个或更多电池组。尺寸、重量以及其他制造和工程考量将限制电池组的实际数量，并且因此示例性的两电池组配置旨在代表实际可行的配置。
在推进操作期间多个电池组可以并联连接配置（“P配置的”）连接，并且在充电操作期间可以P配置的或串联连接配置（“S配置的”）连接。例如，在非限制性示例实施例中，P配置可提供标称400V推进或充电操作，而在这样的构造中的S配置视情况可实现标称800V充电操作。公开的多电池组结构还使得能够灵活使用DC快速充电站用于充电站的可用充电能力的提高的利用率。
在此描述的动力总成包括具有多个电池组的电气系统，如上所述，该多个电池组选择性地可以S配置的或P配置的布置连接。在简化的实施例中，电气系统包括两个电池组，即，分开的第一和第二电池组。由此，S配置的布置允许充电操作以第一电压水平的两倍发生。本方案可将三路/二位汽车级接触器的对结合到互相连接第一和第二电池组的电路路径中，从而建立相互排斥的串联和并联连接的可能性。
也就是说，三路/二位接触器具有三个电端子：基端子、串联连接端子、和并联连接端子，其中接触器的结构确保串联和并联连接端子在物理上不能彼此连接。即，即使在电端子的一个（例如，串联连接端子）处的熔合接触器故障模式的情况下，其仍保持物理上不可能连接到另一电端子（在这种情况下是并联连接端子）。在所带来的可能的电气故障模式减少之外，本方案允许在电池组的每个中的单个三路/二位接触器执行二路/二位接触器的对的功能，从而减少部件数并最小化电路控制复杂性。
在非限制性示例性实施例中，电池系统包括具有正和负母线轨的电压母线，以及第一和第二电池组。电池组布置在正和负母线轨之间并与之连接。电池系统包括多个开关，其共同配置为以串联或并联电池布置（即，上述S配置的和P配置的布置）选择性地互相连接电池组。开关包括三路/二位接触器的对，其每个具有分别对应于串联电池布置和并联电池布置的串联连接位置和并联连接位置。
三路/二位接触器的对可包括布置在第一电池组和负母线轨之间的第一三路/二位接触器、和布置在第二电池组和正母线轨之间的第二三路/二位接触器。当第一三路/二位接触器和第二三路/二位接触器分别处于串联连接位置和并联连接位置时，第一三路/二位接触器的电端子可连接到对应的第二三路/二位接触器的电端子，或从对应的第二三路/二位接触器的电端子断开。
在一些实施例中，可使用充电联接器以在预定的快速充电事件期间将电池系统连接到非车载充电站。在这样的实施例中，开关可包括布置在第一电池组与正母线轨之间的二路/二位预充电开关、与预充电开关并联布置的第一二路/二位开关、和布置在第一电池组和充电联接器之间的第二二路/二位开关。
开关可还包括布置在第二电池组和正母线轨之间的额外的预充电开关、与第二三路/二位接触器并联布置的第三二路/二位开关、以及布置在第二电池组和负母线轨之间的第四二路/二位开关。
包括三路/二位接触器的对在内，电池系统可包括总共八个开关。
控制器可联接到开关并且配置为，响应于电池模式选择信号，将三路/二位接触器的对从串联连接位置选择性地转换到并联连接位置，或反之亦然。
在非限制性实施例中，第一和第二电池组每个具有约400-500V或更高的对应电压，使得处于P配置的电池系统具有约800-1000V或更高的电压容量。在此可想到其他电压，并且因此400V/800V的示例旨在说明仅一个可能的有益配置，该配置适用于例如车辆动力总成操作。
就此而言，在此还公开了具有电负载、电池系统、和控制器的电动力总成。控制器联接到开关并且配置为，响应于电池模式选择信号，将三路/二位接触器的对从串联连接位置选择性地转换到并联连接位置，或反之亦然。
在此还公开了机动车辆，其具有联接到机动车辆的车身的车轮、电负载、电池系统、和控制器。在该特定实施例中，电负载可包括功率逆变器模块（PIM）和多相电机，该多相电机连接到PIM和车轮中的一个或多个。可连接到电负载的电池系统包括配置为在DC快速充电事件期间连接到非车载充电站的充电联接器、具有正母线轨和负母线轨的DC电压母线、第一和第二电池组、以及上述开关，包括三路/二位接触器的对，该三路/二位接触器每个具有每个驱动多相电机的串联连接位置和并联连接位置。控制器联接到开关并且配置为，响应于电池模式选择信号，将三路/二位接触器的对从串联连接位置选择性地转换到并联连接位置，或反之亦然。
以上发明内容部分并非旨在表示本公开的每个实施例或方面。相反，前述发明内容部分举例说明了在此阐述的某些新颖方面和特征。当结合附图和所附权利要求考虑时，从用于实施本公开的代表性实施例和模式的以下详细描述，本公开的上述和其他特征和优点将变得显而易见。
本发明还提供了以下技术方案：
1. 一种电池系统，包括：
具有正母线轨和负母线轨的电压母线；
第一电池组；
第二电池组，其中，所述第一电池组和所述第二电池组布置在所述正母线轨和所述负母线轨之间并连接到所述正母线轨和所述负母线轨；以及
多个开关，所述多个开关共同配置为以串联电池配置（S配置）或并联电池配置（P配置）选择性地互相连接所述第一电池组和所述第二电池组，其中，所述多个开关包括三路/二位接触器的对，每个所述三路/二位接触器具有分别对应于所述S配置和所述P配置的串联连接位置和并联连接位置。
2. 根据方案1所述的电池系统，其中，所述三路/二位接触器的对包括布置在所述第一电池组和所述负母线轨之间的第一三路/二位接触器和布置在所述第二电池组和所述正母线轨之间的第二三路/二位接触器。
3. 根据方案2所述的电池系统，其中，当所述第一三路/二位接触器和所述第二三路/二位接触器分别处于所述串联连接位置和所述并联连接位置时，所述第一三路/二位接触器的电端子连接到对应的所述第二三路/二位接触器的电端子，或从对应的所述第二三路/二位接触器的电端子断开。
4. 根据方案1所述的电池系统，还包括直流（DC）充电联接器，所述直流充电联接器配置为在预定的DC快速充电事件期间将所述电池系统连接到非车载DC快速充电站。
5. 根据方案4所述的电池系统，其中，所述多个开关包括布置在所述第一电池组与所述正母线轨之间的二路/二位预充电开关、与所述预充电开关并联布置的第一二路/二位开关、和布置在所述第一电池组和所述DC充电联接器之间的第二二路/二位开关。
6. 根据方案5所述的电池系统，其中，所述多个开关包括布置在所述第二电池组和所述正母线轨之间的额外的预充电开关、与所述第二三路/二位接触器并联布置的第三二路/二位开关、以及布置在所述第二电池组和所述负母线轨之间的第四二路/二位开关。
7. 根据方案1所述的电池系统，其中，包括所述三路/二位接触器的所述对在内，所述多个开关包括总共八个所述开关。
8. 根据方案1所述的电池系统，还包括控制器，所述控制器联接到所述开关并且配置为，响应于电池模式选择信号，将三路/二位接触器的所述对从所述串联连接位置选择性地转换到所述并联连接位置，或反之亦然。
9. 根据方案1所述的电池系统，其中，所述第一电池组和所述第二电池组每个具有至少约400-500V的对应电池组电压，使得处于所述S配置的所述电池系统具有约800-1000V或更高的电压容量。
10. 一种电动力总成，包括：
电负载；
电池系统，其具有：
包括正母线轨和负母线轨的电压母线；
第一电池组；
第二电池组，其中，所述第一电池组和所述第二电池组每个布置在所述正母线轨和所述负母线轨之间并连接到所述正母线轨和所述负母线轨；以及
多个开关，所述多个开关共同配置为以串联电池配置（S配置）或并联电池配置（P配置）选择性地互相连接所述第一电池组和所述第二电池组，其中，所述开关包括三路/二位接触器的对，每个所述三路/二位接触器具有分别对应于所述S配置和所述P配置的串联连接位置和并联连接位置；以及
控制器，所述控制器联接到所述多个开关并且配置为，响应于电池模式选择信号，将三路/二位接触器的所述对从所述串联连接位置选择性地转换到所述并联连接位置，或反之亦然。
11. 根据方案10所述的电动力总成，其中，所述电负载包括至少一个功率逆变器模块和对应的与其连接的旋转电机。
12. 根据方案11所述的电动力总成，其中，所述至少一个PIM包括第一PIM和第二PIM，并且所述对应的多相电机包括连接到所述第一PIM的第一电机和连接到所述第二PIM的第二电机。
13. 根据方案10所述的电动力总成，其中，所述三路/二位接触器的对包括布置在所述第一电池组和所述负母线轨之间的第一三路/二位接触器、和布置在所述第二电池组和所述正母线轨之间的第二三路/二位接触器。
14. 根据方案10所述的电动力总成，其中，当所述第一三路/二位接触器和所述第二三路/二位接触器分别处于所述串联连接位置和所述并联连接位置时，所述第一三路/二位接触器的电端子连接到对应的所述第二三路/二位接触器的电端子，或从对应的所述第二三路/二位接触器的电端子断开。
15. 根据方案10所述的电动力总成，还包括充电联接器，所述充电联接器配置为在DC快速充电事件期间将所述电池系统连接到非车载充电站。
16. 根据方案15所述的电动力总成，其中，所述多个开关包括布置在所述第一电池组与所述正母线轨之间的第一预充电开关、与所述第一预充电开关并联布置的第一开关、和布置在所述第一电池组和所述DC充电联接器之间的第二开关。
17. 根据方案16所述的电动力总成，其中，所述多个开关包括布置在所述第二电池组和所述正母线轨之间的第二预充电开关，与所述第二三路/二位接触器并联布置的第三开关，以及布置在所述第二电池组和所述负母线轨之间的第四开关。
18. 根据方案10所述的电动力总成，其中，包括三路/二位接触器的所述对在内，所述多个开关包括总共八个开关。
19. 一种机动车辆，包括：
车身；
联接到所述车身的车轮的组；
电负载，包括功率逆变器模块（PIM）和多相电机，所述多相电机连接到所述PIM和所述车轮中的一个或多个；
可连接到所述电负载的多电池组电池系统，其包括：
DC充电联接器，所述DC充电联接器配置为在DC快速充电事件期间连接到非车载DC快速充电站；
具有正母线轨和负母线轨的DC电压母线；
第一电池组；
第二电池组，其中，所述第一电池组和所述第二电池组布置在所述正母线轨和所述负母线轨之间；以及
多个开关，所述多个开关配置为以串联电池配置（S配置）或并联电池配置（P配置）选择性地将所述第一电池组和所述第二电池组互相连接到或互相连接自所述电负载，其中，所述多个开关包括三路/二位接触器的对，每个所述三路/二位接触器具有分别对应于所述S配置和所述P配置的串联连接位置和并联连接位置；以及
控制器，所述控制器联接到所述多个开关并且配置为，响应于电池模式选择信号，将三路/二位接触器的所述对从所述串联连接位置选择性地转换到所述并联连接位置，或反之亦然。
20. 根据方案19所述的机动车辆，其中，三路/二位接触器的所述对包括布置在所述第一电池组和所述负母线轨之间的第一三路/二位接触器、和布置在所述第二电池组和所述正母线轨之间的第二三路/二位接触器，并且其中，当所述第一三路/二位接触器和所述第二三路/二位接触器分别处于所述串联连接位置和所述并联连接位置时，所述第一三路/二位接触器和所述第二三路/二位接触器的相应的电端子彼此连接或从彼此断开。
附图说明
图1是进行直流快速充电操作的机动车辆的示意图，其中机动车辆具有高压多电池组电池系统和三路/二位接触器，如在此描述的，该三路/二位接触器提供相互排斥的串联和并联电池布置连接。
图2是描绘图1的机动车辆的控制器的示意性流程图，该控制器与DC快速充电站和机动车辆的电动力总成通信。
图3是根据本公开的代表性的三路/二位接触器的示意性平面图。
图4是在图4中示出的三路/二位接触器的示意性透视图。
图5和图6是示意性八开关和九开关电路图，其用于实施可用作为图1的机动车辆的部分的电推进系统的部分。
图7是描绘在图4中示出的多种开关的ON/OFF状态的真值表。
本公开易于具有修改和替代形式，其中代表性实施例以示例的方式在附图中示出并且在下文中详细描述。本公开的创造性方面不限于公开的特定形式。相反，本公开旨在覆盖落入如由所附权利要求限定的本公开的范围内的修改、等同、组合、和替代。
具体实施方式
参考附图，其中在若干附图中相似的附图标记指代相同或相似的部件。在图1中示出了包括多电池组电池系统11的电动力总成10，其示例性实施例在图5和图6中更详细地呈现。电动力总成10包括至少两个三路/二位接触器40，其代表性实施例在图3和图4中描绘并在下文中描述，以在本公开的范围内实现相互排斥的串联和并联电池连接。
电动传动系10可用作具有车身200的机动车辆20的部分。在这样的实施例中，车身200连接到车轮14F和14R的组，其中在此情况下后缀“F”和“R”是指对应的驱动轴14AF和4AR的前和后位置，车轮14F和14R的分别设置在该驱动轴14AF和4AR上。机动车辆20可替代地实施为船舶、飞机、轨道车辆、机器人、或其他移动平台，并且因此本教导总体上不限于车辆应用或特别是机动车辆。
机动车辆20示出为正在进行直流快速充电（DCFC）操作。在这样的操作期间，多电池组电池系统11经由在机动车辆20内联接到电池系统11的车辆充电端口200C电连接到非车载DCFC站30。本公开的电池系统11使用多个电池组，其中在图5和图6的非限制性示例性实施例中示出了两个这样的电池组，作为相应的第一和第二电池组12A和12B。电池系统11可多样地体现为多电芯离子、锌空气、镍氢、或其他合适的电池化学配置而不受限制。
在此描述的示例性功率架构使得能够改善来自DCFC站30的以不同充电电压水平的充电电压的利用，其中充电电压缩写为“VCH”。例如，在一些实施例中，机动车辆20可以大约400-500V的较低第一电压水平推进，并且然后在充电操作期间自动地重新配置以接收以较高的第二电压水平的充电电压（VCH）。在示例性双电池组配置中，较高的第二电压水平是较低的第一电压水平的两倍，例如，在其中电池组12A和12B的每个具有大约400-500V的对应电压容量的示例性实施例中为800-1000V。可想到其他电压用于不同的应用，其中术语“高压”因此是相对于应用的。例如，假设12-15V的辅助/低压水平，则术语“高压”可需要18V或更高的电压水平，其中实际的推进应用通常为60V或更高，直到并且包括上述每电池400V或更高电压。在任何或所有设想的实施例中，图3和图4的三路/二位接触器40在该框架内工作以减少电气故障的情况，减少零件数量，并提供如下文描述的多种其他优点。
如本领域普通技术人员将理解的，由本文描述的架构实现的多种推进模式可包括全轮驱动（“AWD”）、前轮驱动（“FWD”）、或后轮驱动（“RWD”），这取决于可用的电池功率、控制配置、以及其他相关机械和电气因素。类似地，本教导可用于实现在机动车辆20的后部处的车轮14R的相对于彼此独立地推进，即，左侧/驾驶员侧的车轮14R和右侧/乘客侧车轮14R可由电动力总成10独立地提供动力。
尽管本教导不排除以串联电池配置操作的第一和第二电池组12A和12B的以较高/组合的电压水平推进，但是这样的配置将要求多种功率电子部件、电动机、功率逆变器、和连接到电池系统11的其他推进部件的特殊高压构造，并且因此本公开集中于下文描述的较多实际实施的并联推进模式。充电以较高/串联组合的或较低/并联组合的电压水平发生，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内部地连接到电池系统11的/联接到电池系统11的DC充电连接器（未示出），其中充电端口200C使用一定长度的高压充电线缆30C连接到充电站30。尽管未在图1中描绘，但是在本领域中已知的是，配置为连接到充电端口200C的充电线缆30C的终端端部可体现为SAE J1772或其他合适的充电连接器。然而，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是说明性的。
简要地参考图2，电子控制单元或控制器（C）50配置为控制在图1的机动车辆20或其他移动系统上的正在进行的功率流和充电操作。控制器50经由适当的通信框架和协议（例如，控制器局域网（CAN）总线）与电动力总成（ePT）10的多种受控制的部件通信。控制器50配置为从机动车辆20的传感器或其他控制单元（未示出）接收输入信号（箭头CCIN）和/或与其通信，以响应于输入信号（箭头CCIN）执行计算机可读代码/指令100，并且将多种信号作为对应信号输出到电动力总成10、电池系统11、或DCFC站30（箭头CC10、箭头CC11、和箭头CC30）。如本领域普通技术人员将理解的，在正在进行的充电操作期间，控制器50还可从DCFC站30接收充电反馈信号（箭头CC50）。
在可能的操作的广泛范围中，输入信号（箭头CCIN）可包括大范围的相关控制和反馈值，例如温度、命令的和估计的操作速度、要求的充电功率、当前充电状态等。作为响应，控制器50可如上所述地传输多种控制/输出信号（箭头CC10和箭头CC11）以确保电动力总成10将前和/或后扭矩（箭头TF和TRF、TRR）分配到前和/或后轴14AF或14AR，或分配到与之连接的单独的车轮14F或14R。
因此，信号的接收（箭头CC10和箭头CC11）使一个或多个（即，n个）电动机-发电机单元（MGUn）生成指示的扭矩（箭头TF、TRF、TRR），该电动机-发电机单元（MGUn）每个经由相应的功率逆变器模块（PIMn）联接到可再充电储能系统（RESS），即多电池组电池系统11。如本领域中所理解的，电动机-发电机单元（MGUn）可配置为高压电牵引或推进电动机，例如，具有同心的定子和转子（未示出）的多相/交流（AC）牵引电动机，其中转子直接或间接地连接到车轮14F和/或14R中的一个或多个。
就组成硬件配置而言，控制器50包括处理器（P）和存储器（M）。存储器（M）包括有形非暂时存储器，例如只读存储器，不论是光存储器、磁存储器、闪存或其他。控制器50还包括应用充分量的随机存取存储器、电可擦除可编程只读存储器等等，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编程为在充电和推进模式期间执行指令100，如上所述，这包括执行以下参考图4和5描述的具体开关的开关控制操作。
参考图3，相互排斥的串联和并联电池配置建立在图5和6的示例架构或其他电路内，其部分使用两个或三个二三路/二位接触器40和140的（图5），或三个这样的接触器40、140、和240（图6），其中附图标记的不同仅出于清楚的目的以反映在电池系统11内的不同安装位置。因此，图3的接触器40代表下文描述的接触器140和240。当如在此阐述地配置和使用时，接触器40消除了在多电池组电池系统11内某些常见电气故障模式（诸如接触熔合）的可能性。另外，相对于具有两个端子的简单的二进制开关，在电池系统11内建立关键电路连接所需的开关总数减少了，其中在图5中示出了总共八个高压开关并且在图6中示出了总共九个开关，其中“高压”是指电压水平显著超过典型的12-15V辅助水平。
如在图3的示意图中表示的，三路/二位接触器40包括布置在接触器壳体42内的三个电端子41，其中电端子41标记为41（1）、41（2）、和41（3）以指示在壳体42内的不同相应位置。可移动的接触器臂43布置在壳体42内，并且在电池系统11的开关操作过程中受到控制，以在串联电池配置（S-Config）和并联电池配置（P-Config）之间枢转或移动（箭头BB），在该串联电池配置（S-Config）中端子41（1）经由接触器臂43连接到端子41（2），在该并联电池配置（P-Config）中端子41（1）经由接触器臂43连接到端子41（3）。因此，在串联电池配置期间流动通过接触器40的电池电流（箭头AA）沿引导从电端子41（1）（即，基端子）、通过接触器40、通过电端子41（2）、并出去到电池系统11的其余电路的电路路径传导，如在图5和图6中示出的那样。因此，电端子41（2）和41（3）的分开的位置物理上排除了其经由接触器臂43的互相连接。
如本领域普通技术人员将理解的，汽车和其他操作要求高压电部件足够稳健，其中壳体（例如图3的壳体42）防止水、污物、和碎屑的进入，并且能够在高压操作环境中可靠且可重复地执行期望的功能。例如，可密封用于电端子41（1）、41（2）、和41（3）以及接触器臂43的构造材料以防止氧化、电弧等等。
在图4中描绘了三路/二位接触器40的示例性汽车级实施方式。在该实施例中，壳体42包括限定通孔45并具有平坦下表面44的基部49，其共同有助于将接触器40牢固地安装到平面基板，例如，在本公开的多电池组电池系统11内。圆柱形状或其他应用适合的形状的接触器本体46包含并保护电端子41（1）、41（2）、和41（3）和其中的相关联的导体，可从基部49突出。接触器本体46可连接到端盖47，端盖47继而由紧固件48的组固定到接触器主体46。紧固件48的位置可与容纳在壳体42内的电端子41（1）、41（2）、和41（3）重合。
参考图5，图3和图4的三路/二位接触器40用作为多电池组电池系统11的部分，以建立如上所述的第一和第二电池组12A和12B的相互排斥的串联和并联连接（即，相应的S配置和P配置），并且以排除可导致跛行模式或在某些情况下驱动操作停止的熔合接触故障模式。换句话说，接触器40的给定结构和功能不可能使电池电流（图3的箭头AA）同时通过电端子41（2）和41（3）。作为进一步的益处，在图5中的指示的位置处使用单个接触器40将电池系统11中的总高压开关的数量减少为少至八个（图5），其具有作为替代方法示出在图6中示出的使用三个接触器40的可选的九开关实施例。
作用为可再充电能量存储系统（RESS）的电动力总成10的多电池组电池系统11包括相应的第一和第二电池组12A（BattA）和12B（BattB），其布置在高压母线的正（+）和负（-）轨35P和35N之间并与之连接/跨之连接。电池组12A和12B具有对应的正（+）和负（-）电池电极端子13P和13N，并且一起或独自为电负载52和/或152提供动力。
代表性电负载52和152可包括一个或多个高压装置，诸如但不限于一个或多个功率逆变器模块54A、54B、和/或54C，集成电力电子设备（IEC）55，空调电压缩机（ACEC）56，车厢电加热器（CEH）57，一个或多个车载充电模块（OBCM）58和158，以及DC-DC转换器59。当使用OBCM 158（OBCM2）时，例如以选择性地增加充电速率/减少充电时间，可使用联接到正和负母线轨35P和35N的OBCM开关60和160以根据需要选择性地连接或断开OBCM 158。
关于功率逆变器模块54A-54C，本电池系统11的所示实施例实现多种动力总成构造以为联接的机械负载提供动力，在这种情况下，例如，在前轮驱动或全轮驱动模式下，为图1的前车轮14F提供动力，或者在后轮驱动或AWD模式下向后轮14R传递动力。当为后轮14R提供动力时，图4的构造使得左后车轮14R和右后车轮14R能够分开地或独立地供电。在这样的实施例中，功率逆变器模块54A用作左功率逆变器模块（LPIM），并且功率逆变器模块54B用作右功率逆变器模块（RPIM），其每个作为总体电负载52和/或152的部分连接到相应的旋转电机（图2的MGUn）。
如将理解的，多种功率逆变器模块54A、54B、和54C的操作利用IGBT、MOSFET、和/或其他适合应用的半导体开关的晶片的高速开关操作，该半导体开关每个具有由控制器50经由脉冲宽度调制（PWM）、脉冲密度调制（PDM）、或另一开关控制技术控制的开/关（ON/OFF）状态。类似地，诸如DC-DC转换器59的辅助功率模块可操作用于将供应电压从存在于高压DC母线上的水平降低。辅助电压水平电池（未示出）和其他装置也可以完全实施的方式连接到电池系统11，其中为了而说明简洁从图5中省略了这样的装置。
相应的第一和第二电池组12A和12B具有相应的电池电芯堆120A和120B，如上所述，其中电芯堆120A和120B的特定配置和电池化学性质是应用特定的。在取决于当前或请求的操作模式的特定组合中，使用高压开关的上组和下组64U和64L选择性地连接/断开电负载52。类似地，在图5的右侧远端示出的电负载152经由开关的上组和下组164U和164L选择性地连接/断开。
为了说明简洁，示意性地描绘了图3、5、和6的多种开关。在多种实施例中，开关可配置为诸如接触器或继电器的机电开关，其响应于生成的磁场操作以阻止电流在特定方向上的流动。替代地，开关可配置为应用适合的固态开关或继电器，例如，诸如IGBT或MOSFET的半导体开关。
关于第一电池组12A的相应的上和下开关64U和64L，在此控制的单独的上开关64U包括开关SA1和SA3以及预充电开关PCA。预充电开关PCA与预充电电阻RA电串联并且连接到第一电池组12A的正电极端子13P，其中“PC”表示如下文解释的预充电功能。第二电池组12B的上和下开关164U和164L类似地配置和标记，即，作为另一接触器40、开关SB3、和形成上开关164U的预充电开关PCB和形成下开关164U的开关SB2。下开关64L和上开关164U分别包括上文参考图3和4描述的三路/二位接触器40。
在图5图示的电路拓扑中，因此，上和下开关64U、64L、164U、和164L是多个高压开关，其共同配置为分别在串联电池操作模式和并联电池操作模式期间，以串联电池布置或并联电池布置选择性地互相连接第一电池组12A和第二电池组12B。在图5的实施例中，高压开关包括三路/二位接触器40的对，其每个具有如在图3中示出的串联连接位置和并联连接位置，其中该位置对应于电池系统11的相应的S配置的和P配置的操作模式。
如在图5中描绘的，第一三路/二位接触器40布置在第一电池组12A与负母线轨35N之间。与上文提到的接触器40相同配置的第二三路/二位接触器140布置在第二电池组12B与正母线轨35P之间。在串联电池配置中，根据如下文描述的图7的表70，位于第一电池组12A内的第一接触器40的基接触器端子41（1）（见图3）连接到在第二电池组12B中的第二接触器40的对应的接触器端子41（2）。在并联电池配置中，第一接触器40的相同的接触器端子41（1）从第二电池组12B内的第二接触器40的对应的接触器端子41（2）断开。
多电池组电池系统11还可包括在图5的顶部示出的DC充电联接器65，其配置为在预定的DC快速充电事件期间将电池系统11连接到非车载DC充电站（DCFC）30（见图1）。在这样的实施例中，图5的上开关64U可包括预充电开关PCA，即，2路/2位开关，其布置在第一电池组12A和正母线轨35P之间。如示出的，上开关64U还可包括与预充电开关PCA并联布置的第一路/2位开关SA1，以及布置在第一电池组12A和DC充电联接器65之间的第二2路/2位开关SA3。
在图5图示的实施例中，多个高压开关还可包括额外的预充电开关，即PCB，其布置在第二电池组12B和正母线轨35P之间与三路/二位接触器40并联布置。第三二路/二位开关SB2布置在第二电池组12B与负母线轨35N之间。在该实施例中，第四二路/二位开关SB3将DC充电联接器65连接到第二电池组12B的负电池电极端子13N，包括三路/二位接触器40的对在内，这总共包括八个高压开关。
如上所述，八个高压开关的ON/OFF状态由图2的控制器50单独地控制，该控制器50继而联接到高压开关并且配置为，响应于电池模式选择信号（图2的输入信号箭头CCIN的部分），选择性地将三路/双位接触器40的对从串联配置转换到并联配置，或反之亦然。接触器40的相互排斥的开关到开关的构造和功能因此使得不可能使第一或第二电池组12A和12B中的任何一个短路。
简要地参考图7的表70，在表70中描述了上文描述的多种高压开关的ON/闭合（X）状态和OFF/打开（O）状态，为了简洁省略了预充电开关PCA和PCB的状态。当图1的电动力总成10处于PSA（“推进系统激活”）模式，即，多电池组电池系统11未通过经由DCFC站30充电，命令开关SA1和SB2闭合（X），并且命令开关SA3和SB3打开（O）。三路/二位接触器40和140二者均设置为图3的并联电池配置，即，电端子41（1）和41（3）互相连接（“1-3”）使得图3的电池电流（箭头AA）从基电端子41（1）流动到电端子41（3）。
在DCFC过程期间，其中多电池组电池系统11以较高电压以串联电池配置（DCFC-S）充电，相应的第一和第二电池组12A和12B由指示的开关状态串联连接。即，开关SA1和SB2打开，开关SA3和SB3闭合（X），并且三路/二位接触器40和140命令为串联电池配置，其中基电端子41（1）连接到电端子41（2），从而允许图3的电池电流（箭头AA）从端子41（1）流动到端子41（2），即如在图7中标识的“1-2”。
类似地，当多电池组电池系统11以较低单电池组电压以并联配置（DCFC-P）充电时，相应的第一和第二电池组12A和12B由指示的开关状态并联连接。在该情况下，开关SA1、SA3、SB2、和SB3保持闭合，并且三路/二位接触器40和140简单地命令为并联电池配置，其中电端子41（1）连接到电端子41（3），从而允许图3的电池电流（箭头AA）从端子41（1）流动到端子41（3），即“1-2”。
简要地参考图6，图5的多电池组电池系统11的八开关配置可修改为包括在相应的第一和第二电池组12A和12B之间的第三三路/二位接触器240。所得的九开关实施例可用于提供类似的串联和并联控制选项以及故障模式保护。在该替代实施例中，当将相应的第一和第二电池组12A和12B置于串联时，接触器240的电端子41（1）和41（2）连接在一起，接触器240的端子41（1）在第二电池组12B内连接到接触器140的端子41（2），并且接触器240的端子41（2）连接到负母线轨35N。在并联模式中，接触器240的端子41（1）和41（3）互相连接。
如本领域的普通技术人员将理解的，上述电路拓扑可与具有增加的高功率充电要求的电动车辆和其他系统一起使用。通过通常在300-500V数量级的传统DC快速充电基础设施，本公开的多电池组电池系统能够使用两个或更多个电池组，例如第一和第二电池组12A和12B，以根据需要为图1的机动车辆20提供FWD、RWD、或AWD推进能力，其中传统充电或高功率充电二者均是可供选择的，并且还保留了在充电期间为连接的负载提供动力的能力。
在该背景下，三路/二位接触器40和140（图5）或40、140和240（图6）的使用有助于在并联和串联模式之间可靠地容错切换，以分别以较低或较高电压水平实施充电或推进。在这样的拓扑中图2的相互排斥的串联和并联位置因此排除了电端子41（2）和41（3）的连接，从而减少了电池系统11内的可能的故障模式。在前述公开的基础上这些及其他潜在益处对本领域技术人员来说将是显而易见的。
尽管已经详细描述了最佳模式和其他实施例中的一些，但是存在用于实施限定在所附权利要求中的本教导多种替代设计和实施例。本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本公开的范围的情况下对所公开的实施例进行修改。而且，本概念明示包括所描述的元件和特征的组合和子组合。详细描述和附图对本教导是支持性和描述性的，其中本教导的范围仅由权利要求限定。
Claims (11)
1.一种电池系统，包括：
具有正母线轨和负母线轨的电压母线；
第一电池组；
第二电池组，其中，所述第一电池组和所述第二电池组布置在所述正母线轨和所述负母线轨之间并连接到所述正母线轨和所述负母线轨；以及
多个开关，所述多个开关共同配置为以串联电池配置或并联电池配置选择性地互相连接所述第一电池组和所述第二电池组，其中，所述多个开关包括三路/二位接触器的对，每个所述三路/二位接触器具有分别对应于所述串联电池配置和所述并联电池配置的串联连接位置和并联连接位置，
其中，所述三路/二位接触器的对包括布置在所述第一电池组和所述负母线轨之间的第一三路/二位接触器和布置在所述第二电池组和所述正母线轨之间的第二三路/二位接触器，
所述电池系统还包括直流充电联接器，所述直流充电联接器配置为在预定的直流快速充电事件期间将所述电池系统连接到非车载直流快速充电站，
其中，所述多个开关包括布置在所述第一电池组与所述正母线轨之间的二路/二位预充电开关、与所述预充电开关并联布置的第一二路/二位开关、和布置在所述第一电池组和所述直流充电联接器之间的第二二路/二位开关，
其中，所述多个开关包括布置在所述第二电池组和所述正母线轨之间并且与所述第二三路/二位接触器并联布置的额外的预充电开关、布置在所述第二电池组与所述负母线轨之间的第三二路/二位开关、和将所述直流充电联接器连接到所述第二电池组的负电池电极端子的第四二路/二位开关，
其中，所述三路/二位接触器的对还包括在所述第一电池组和所述第二电池组之间的第三三路/二位接触器，用于提供串联和并联控制选项以及故障模式保护。
2.根据权利要求1所述的电池系统，其中，当所述第一三路/二位接触器和所述第二三路/二位接触器分别处于所述串联连接位置和所述并联连接位置时，所述第一三路/二位接触器的电端子连接到对应的所述第二三路/二位接触器的电端子，或从对应的所述第二三路/二位接触器的电端子断开。
3.根据权利要求1所述的电池系统，其中，包括所述三路/二位接触器的所述对在内，所述多个开关包括总共八个所述开关。
4.根据权利要求1所述的电池系统，还包括控制器，所述控制器联接到所述开关并且配置为，响应于电池模式选择信号，将三路/二位接触器的所述对从所述串联连接位置选择性地转换到所述并联连接位置，或将三路/二位接触器的所述对从所述并联连接位置选择性地转换到所述串联连接位置。
5.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述第一电池组和所述第二电池组每个具有至少400-500V的对应电池组电压，使得处于所述串联电池配置的所述电池系统具有800-1000V或更高的电压容量。
6.一种电动力总成，包括：
电负载；
电池系统，其具有：
包括正母线轨和负母线轨的电压母线；
第一电池组；
第二电池组，其中，所述第一电池组和所述第二电池组每个布置在所述正母线轨和所述负母线轨之间并连接到所述正母线轨和所述负母线轨；以及
多个开关，所述多个开关共同配置为以串联电池配置或并联电池配置选择性地互相连接所述第一电池组和所述第二电池组，其中，所述开关包括三路/二位接触器的对，每个所述三路/二位接触器具有分别对应于所述串联电池配置和所述并联电池配置的串联连接位置和并联连接位置；以及
控制器，所述控制器联接到所述多个开关并且配置为，响应于电池模式选择信号，将三路/二位接触器的所述对从所述串联连接位置选择性地转换到所述并联连接位置，或将三路/二位接触器的所述对从所述并联连接位置选择性地转换到所述串联连接位置，
其中，所述三路/二位接触器的对包括布置在所述第一电池组和所述负母线轨之间的第一三路/二位接触器、和布置在所述第二电池组和所述正母线轨之间的第二三路/二位接触器，
所述电动力总成还包括直流充电联接器，所述直流充电联接器配置为在直流快速充电事件期间将所述电池系统连接到非车载充电站，
其中，所述多个开关包括布置在所述第一电池组与所述正母线轨之间的第一预充电开关、与所述第一预充电开关并联布置的第一开关、和布置在所述第一电池组和所述直流充电联接器之间的第二开关，
其中，所述多个开关包括布置在所述第二电池组和所述正母线轨之间并且与所述第二三路/二位接触器并联布置的额外的预充电开关、布置在所述第二电池组与所述负母线轨之间的第三开关、和将所述直流充电联接器连接到所述第二电池组的负电池电极端子的第四开关，
其中，所述三路/二位接触器的对还包括在所述第一电池组和所述第二电池组之间的第三三路/二位接触器，用于提供串联和并联控制选项以及故障模式保护。
7.根据权利要求6所述的电动力总成，其中，所述电负载包括至少一个功率逆变器模块和对应的多相电机。
8.根据权利要求7所述的电动力总成，其中，所述至少一个功率逆变器模块包括第一功率逆变器模块和第二功率逆变器模块，并且所述对应的多相电机包括连接到所述第一功率逆变器模块的第一电机和连接到所述第二功率逆变器模块的第二电机。
9.根据权利要求6所述的电动力总成，其中，当所述第一三路/二位接触器和所述第二三路/二位接触器分别处于所述串联连接位置和所述并联连接位置时，所述第一三路/二位接触器的电端子连接到对应的所述第二三路/二位接触器的电端子，或从对应的所述第二三路/二位接触器的电端子断开。
10.根据权利要求6所述的电动力总成，其中，包括三路/二位接触器的所述对在内，所述多个开关包括总共八个开关。
11.一种机动车辆，包括：
车身；
联接到所述车身的车轮的组；
电负载，包括功率逆变器模块和多相电机，所述多相电机连接到所述功率逆变器模块和所述车轮中的一个或多个；
可连接到所述电负载的多电池组电池系统，其包括：
直流充电联接器，所述直流充电联接器配置为在直流快速充电事件期间连接到非车载直流快速充电站；
具有正母线轨和负母线轨的直流电压母线；
第一电池组；
第二电池组，其中，所述第一电池组和所述第二电池组布置在所述正母线轨和所述负母线轨之间；以及
多个开关，所述多个开关配置为以串联电池配置或并联电池配置选择性地将所述第一电池组和所述第二电池组互相连接到或互相连接自所述电负载，其中，所述多个开关包括三路/二位接触器的对，每个所述三路/二位接触器具有分别对应于所述串联电池配置和所述并联电池配置的串联连接位置和并联连接位置；以及
控制器，所述控制器联接到所述多个开关并且配置为，响应于电池模式选择信号，将三路/二位接触器的所述对从所述串联连接位置选择性地转换到所述并联连接位置，或将三路/二位接触器的所述对从所述并联连接位置选择性地转换到所述串联连接位置，
其中，三路/二位接触器的所述对包括布置在所述第一电池组和所述负母线轨之间的第一三路/二位接触器、和布置在所述第二电池组和所述正母线轨之间的第二三路/二位接触器，并且其中，当所述第一三路/二位接触器和所述第二三路/二位接触器分别处于所述串联连接位置和所述并联连接位置时，所述第一三路/二位接触器和所述第二三路/二位接触器的相应的电端子彼此连接或从彼此断开，
其中，所述多个开关包括布置在所述第一电池组与所述正母线轨之间的二路/二位预充电开关、与所述预充电开关并联布置的第一二路/二位开关、和布置在所述第一电池组和所述直流充电联接器之间的第二二路/二位开关，
其中，所述多个开关包括布置在所述第二电池组和所述正母线轨之间并且与所述第二三路/二位接触器并联布置的额外的预充电开关、布置在所述第二电池组与所述负母线轨之间的第三二路/二位开关、和将所述直流充电联接器连接到所述第二电池组的负电池电极端子的第四二路/二位开关，
其中，所述三路/二位接触器的对还包括在所述第一电池组和所述第二电池组之间的第三三路/二位接触器，用于提供串联和并联控制选项以及故障模式保护。
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