CN114844167A - 一种电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电池系统及其控制方法，其中，电池系统包括：主电池模组、主功率变换器、输出开关矩阵及若干换电模组，其中，换电模组包括第一电池模组和与其对应的换电功率变换器，第一电池模组的输出端与换电功率变换器的输入端连接，换电功率变换器的输出端与输出开关矩阵输入端相连；输出开关矩阵内包括若干与换电模组连接的输出开关，通过控制各输出开关的开关状态调整各换电模组间的连接关系；输出开关矩阵的输出端及主电池模组的输出端与主功率变换器的输入端连接，主功率变换器的输出端与供电对象连接。通过灵活调节各换电模组的连接关系，对各换电模组间电量不均匀性进行调节的同时，进一步地增加了电池系统的供电灵活性。

Description

一种电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车领域，具体涉及一种电池系统及其控制方法。
背景技术
为了提高电动汽车的续航能力，最常见的方法就是提高电动汽车电池模组的容量，但是这也意味着需要更大的电池包，导致整车的造价大幅升高，此外，进行电池包的整体更换也是众多电动汽车厂商大力发展的一种技术。目前常见的电池系统结构中，虽然电池模组(或电池包)和电池管理系统(Battery Management System，BMS)有集中式和分布式结构设计，但是与电池系统相连的功率变换器多为单一的大功率设计，通过控制大功率变换器，可以调节电池系统整体的输出电流或电压，但是电池内部各模组之间的控制(如平衡控制等)却难以实现，尤其是当电池包内部包含多个电池模组时候，模组间的平衡控制需要额外电路来实现。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的没有考虑换电模组之间电量的不均匀性，需要增加额外电路平衡换电模组间的不平衡的缺陷，从而提供一种电池系统及其控制方法。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种电池系统，所述电池系统包括：
主电池模组、主功率变换器、输出开关矩阵及若干换电模组，其中，
所述换电模组包括第一电池模组和与其对应的换电功率变换器，所述第一电池模组的输出端与所述换电功率变换器的输入端连接，所述换电功率变换器的输出端与所述输出开关矩阵输入端相连；
所述输出开关矩阵内包括若干与所述换电模组连接的输出开关，通过控制各输出开关的开关状态调整各所述换电模组间的连接关系；
所述输出开关矩阵的输出端及所述主电池模组的输出端与所述主功率变换器的输入端连接，所述主功率变换器的输出端与供电对象连接。
可选地，所述第一电池模组的输出端通过连接器与所述换电功率变换器输入端相连，并通过卡扣机械固定。
可选地，所述换电功率变换器的输出端设置有隔离保护开关。
可选地，所述换电模组还包括：
输入开关，所述输入开关设置于所述第一电池模组与所述换电功率变换器之间，所述输入开关为MOSFET开关。
可选地，所述电池系统还包括：
主控制器，用于检测所述电池系统的运行状态，并根据所述运行状态对主功率变换器、各所述换电功率变换器和各所述输出开关进行调节控制。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种电池系统控制方法，应用于如第一方面，或者第一方面任意一种可选实施方式中所述电池系统中的主控制器，所述方法包括：
分别获取主电池模组和各换电模组的电量；
基于主电池模组电量和换电模组电量与预设电量阈值的关系，确定所述电池系统的目标供电方式；
按照所述目标供电方式控制输出开关矩阵中的各输出开关动作，以向供电对象进行供电。
可选地，所述基于主电池模组电量和换电模组电量与预设电量阈值的关系，确定所述电池系统的目标供电方式，包括：
当所述主电池模组电量和所述换电模组电量均超过预设电量阈值时，采用主电池模组和换电模组共同供电的方式作为目标供电模式；
当所述主电池模组电量未超过所述预设电量阈值且所述换电模组电量超过所述预设电量阈值时，采用换电模组供电的方式作为目标供电模式；
当所述主电池模组电量超过所述预设电量阈值且所述换电模组电量未超过所述预设电量阈值时，采用主电池模组供电的方式作为目标供电模式。
可选地，所述方法还包括：
当所述主电池模组电量和所述换电模组电量均未超过所述预设电量阈值时，进行换电提醒。
可选地，所述方法还包括：
分别获取各第一电池模组电流；
基于各所述第一电池模组电流，分别对各所述第一电池模组对应的换电功率变换器的运行参数进行调节，以使各所述换电模组间电流平衡。
可选地，所述方法还包括：
分别获取主电池模组电压和/电流以及各换电模组电压和/电流；
将所述主电池模组电压和各所述换电模组输出的总电压进行比较；
基于比较结果控制所述输出开关矩阵对所述换电模组的连接关系进行调整；以使所述换电模组的总电压与所述主电池模组电压相等；
和/或，基于所述主电池模组电流和各换电模组电流，控制所述输出开关矩阵对所述换电模组的连接关系进行调整；以使所述主电池模组电流和各换电模组电流之和满足负载要求。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的电池系统，所述电池系统包括：主电池模组、主功率变换器、输出开关矩阵及若干换电模组，其中，所述换电模组包括第一电池模组和与其对应的换电功率变换器，所述第一电池模组的输出端与所述换电功率变换器的输入端连接，所述换电功率变换器的输出端与所述输出开关矩阵输入端相连；所述输出开关矩阵内包括若干与所述换电模组连接的输出开关，通过控制各输出开关的开关状态调整各所述换电模组间的连接关系；所述输出开关矩阵的输出端及所述主电池模组的输出端与所述主功率变换器的输入端连接，所述主功率变换器的输出端与供电对象连接。通过将所述第一电池模组与所述换电功率变换器进行对应相连，每个所述换电功率变换器均可分担电能传输功能，当所述第一电池模组之间存在健康情况不一致时，通过其各自对应的换电功率变换器进行调节，保证了各所述换电模组之间的健康平衡，此外，相较于使用一个大功率变换器控制所有换电模组的传统方式，在实现灵活控制输出功率的同时，大幅减少对占用空间和散热设计的要求；通过所述换电功率变换器对所述第一电池模组的单独调节，可以分别控制各所述换电模组的输出电流并实现所述换电模组之间的主动平衡控制；通过控制各输出开关的开关状态灵活调节调整各所述换电模组间的连接关系，从而与主电池模组电压相匹配，通过所述换电模组经输出开关矩阵与所述主电池模组并联，可保证所述换电模组输出的总电压与所述主电池模组电压相一致，避免出现电流回流情况；通过将所述换电模组与所述主电池模组并联之后再与所述主功率变换器串联，即可满足电池系统的供电需求。通过灵活调节各所述换电模组的连接关系，对各换电模组间电量不均匀性进行调节的同时，不需要增加额外电路，再与所述主电池模组进行并联，实现电池系统的冗余功能，进一步地增加了电池系统的供电灵活性。
本发明提供的电池系统，所述第一电池模组的输出端通过连接器与所述换电功率变换器输入端相连，并通过卡扣机械固定，实现了所述换电模组与所述换电功率变换器的机械连接，避免出现滑脱。
本发明提供的电池系统，通过在所述换电功率变换器的输出端设置有隔离保护开关，当所述换电功率变换器的输出端与车载端口成功相连且完成通讯连接时，所述隔离保护开关才会被打开，保证了换电时的安全性。
本发明提供的电池系统，通过设置MOSFET开关，控制充电和放电过程中换电模组电流的双向流通。
本发明提供的电池系统，通过主控制器检测所述电池系统的运行状态，并根据所述运行状态对主功率变换器、各所述换电功率变换器和各所述输出开关进行调节控制，在灵活调节各所述换电模组的连接关系的同时，进一步地增加了电池系统的供电灵活性。
本发明提供的电池系统控制方法，应用于如第一方面，或者第一方面任意一种可选实施方式中所述电池系统中的主控制器，通过分别获取主电池模组和各换电模组的电量；基于主电池模组电量和换电模组电量与预设电量阈值的关系，确定所述电池系统的目标供电方式；按照所述目标供电方式控制输出开关矩阵中的各输出开关动作，以向供电对象进行供电。通过基于主电池模组电量、换电模组电量与预设电量阈值的关系，确定目标供电方式，并通过输出开关矩阵中各输出开关灵活调整各换电模组的连接关系，在充分实现各换电模组之间电量均匀的同时，不需要额外增加电路对各换电模组进行平衡，进而实现电池系统的冗余功能，进一步地增加了电池系统的供电灵活性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的电池系统的整体结构图；
图2a为本发明实施例的集中式电池系统结构示意图；
图2b为本发明实施例的混合式电池系统结构示意图；
图2c为本发明实施例的分布式电池系统结构示意图；
图3为本发明实施例的电池系统的布置示意图；
图4为本发明实施例的电池系统的换电模组的结构示意图；
图5为本发明实施例的电池系统的输出开关矩阵的串联连接示意图；
图6为本发明实施例的电池系统的输出开关矩阵的并联连接示意图；
图7为本发明实施例的电池系统的输出开关矩阵的串并联混合连接示意图；
图8为本发明实施例的电池系统的电池管理系统结构示意图；
图9为本发明实施例的主控制器的结构示意图；
图10为本发明实施例的电池系统控制方法的整体流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供了一种电池系统，如图1所示，电池系统包括：主电池模组1、主功率变换器2、输出开关矩阵5及若干换电模组3，其中，
所述换电模组3包括第一电池模组6和与其对应的换电功率变换器4，所述第一电池模组6的输出端与所述换电功率变换器4的输入端连接，所述换电功率变换器4的输出端与所述输出开关矩阵5输入端相连；
所述输出开关矩阵5内包括若干与所述换电模组3连接的输出开关，通过控制各输出开关的开关状态调整各所述换电模组3间的连接关系；
所述输出开关矩阵5的输出端及所述主电池模组1的输出端与所述主功率变换器2的输入端连接，所述主功率变换器2的输出端与供电对象连接。
具体地，在实际应用中，“里程焦虑”一直是制约电池汽车发展的关键问题。为了提高电动汽车的续航能力，研发人员提出了不同的解决方法。最常见的方法就是提高电动汽车电池模组的容量，但是这也意味着需要更大的电池包，提高了整车的造价，其次，快速充电(快充)也是近段时间反复提及的一种方法，这种方法可以利用大电流对电池进行快速充电，但是其对充电桩和布线提出了更高的要求，此外，利用无线充电方式在汽车运行过程中动态充电也是一种有效的方法，但是这种方法造价较高，充电效率也是亟需解决的问题，目前还多处于实验室试验阶段。除了上述方法之外，换电方式可以很快的更换整个电池包，这种换电方式是众多电动汽车厂商大力发展的一种技术。
传统的电动汽车电池系统包括了电池部分(电池芯，电池模组，电池包)和电池管理部分(即BMS)，按照其结构设计可以分为集中式和分布式，如图2a-图2c所示，其中，图2a为集中式电池系统结构(集中式电池包+集中式BMS)；图2b为混合式电池系统结构(分布式电池模组+集中式BMS)；图2c为分布式电池系统结构(分布式电池模组+分布式BMS)。
在图2a中，电池系统包含一个集中式的电池包和集中式BMS系统，这种结构最为简单，电芯空间利用率最高，但是，当电池系统发生故障时，需要断开电池连接，整个系统会同时失去动力。在换电过程中，需要更换整个电池包，在控制方面，电池包内的电芯多采用被动式平衡控制，被动式的平衡时间长效率低，无法对内部电芯个体分别控制，因此对电芯的一致性要求非常严格。
图2b中电池系统包含若干个分布式的电池模组，和一个集中式BMS。这种结构中，BMS需要同时控制多个电池模组，因此对其性能要求较高。当某个电池模组需要更换时，不需要更换整个电池包，仅需更换其中特定模组。但是BMS系统和更换电池模组之间的连线需额外注意，以防止在更换过程中因挤压等原因造成绝缘层脱落，进而引起短路等严重事故。
为了解决这一问题，图2c为一种分布式电池模组和分布式BMS系统的电池结构，在该结构中，每个BMS模块被集成在电池模组内部，因此在更换电池模组过程中，可以有效避免BMS的连线问题，而且，相对比图2b中集中式BMS系统，这种分布式设计可以利用多个BMS模块分担整体功能需求，因此单个BMS设计要相对容易。
可以看出，目前常见的电池系统结构中，虽然电池模组(或电池包)和BMS系统有集中式和分布式结构设计，但是与电池系统相连的功率变换器多为单一的大功率设计。通过控制大功率变换器，可以调节电池系统整体的输出电流或电压，但是电池内部各模组之间的控制(如平衡控制等)却难以实现，尤其是当电池包内部包含多个电池模组时候，模组间的平衡控制需要额外电路来实现。
此外，在现有电动汽车电池系统结构中，更换电池包或者电池模组都需要特殊的换电工具(或在换电站)来进行，无法实现随时随地的换电操作。
因此，在保证安全的情况下，提出一种不同的换电模式及拓扑结构，实现一种可以人工自行换电的方法(不需要去特定的换电地点，不需要特定的换电设备，不需要特殊技能培训)，同时能保证电动汽车正常运行，是目前亟待解决的问题。
具体地，在实际应用中，如图3所示，本发明实施例可以将整车电池分成大功率主电池模组1和小功率换电模组3(内部包括可人工更换的第一电池模组6)。车辆正常行驶时，两者可以同时供电；在主电池模组1电量不足时，切换到小功率换电模组3单独供电；当换电模组3电量不足时，可以将换电模组3中的第一电池模组6替换为备用电池模块(即备用第一电池模组6)，备用第一电池模组6可通过人工进行手动快速换电。
具体地，本发明实施例为保证换电的可操作性，每个第一电池模组6的在健康成人的承受范围，示例性地，一个模组的重量不超过10kg，这样不需要借助额外的工具，就可以完成换电流程。
本发明实施例提供的电池系统，通过将所述第一电池模组6与所述换电功率变换器4进行对应相连，每个所述换电功率变换器4均可分担电能传输功能，当所述第一电池模组6之间存在健康情况不一致时，通过其各自对应的换电功率变换器4进行调节，保证了各所述第一电池模组6之间的健康平衡，即可视为实现换电模组3之间的健康平衡，此外，相较于使用一个大功率变换器控制所有换电模组3的传统方式，在实现灵活控制输出功率的同时，大幅减少对占用空间和散热设计的要求；通过所述换电功率变换器4对所述第一电池模组6的单独调节，可以分别控制各所述换电模组3的输出电流并实现所述换电模组3之间的主动平衡控制；通过控制各输出开关的开关状态灵活调节调整各所述换电模组3间的连接关系，从而与主电池模组1电压相匹配，通过所述换电模组3经输出开关矩阵5与所述主电池模组1并联，可保证所述换电模组3输出的总电压与所述主电池模组1电压相一致，避免出现电流回流情况；通过将所述换电模组3与所述主电池模组1并联之后再与所述主功率变换器2串联，即可满足电池系统的供电需求。通过灵活调节各所述换电模组3的连接关系，对各换电模组3间电量不均匀性进行调节的同时，不需要增加额外电路，再与所述主电池模组1进行并联，实现电池系统的冗余功能，进一步地增加了电池系统的供电灵活性。
具体地，所述第一电池模组6的输出端通过连接器(图中未示出)与所述换电功率变换器4输入端相连，并通过卡扣机械固定。
具体地，在实际应用中，如图4所示，本发明实施例以一个换电模组3为例进行说明，在换电模组3中包括若干串联或并联的电芯组成的第一电池模组6、模组电池管理系统(Module BMS，图中未示出)、背靠背的输入开关7以及连接器，第一电池模组6的输出端通过连接器与换电功率变换器4输入端相连，与传统方案中一个大功率变换器连接数个换电模组3不同，本发明实施例中每个第一电池模组6均与一个换电功率变换器4连接，从而提高每个换电模组3的控制灵活性，实现第一电池模组6之间荷电平衡的同时，即可实现换电模组3间的荷电平衡控制。
本发明实施例提供的电池系统，所述第一电池模组6的输出端通过连接器与所述换电功率变换器4输入端相连，并通过卡扣机械固定，实现了所述换电模组3与所述换电功率变换器4的机械连接，避免出现滑脱。
具体地，所述换电功率变换器4的输出端设置有隔离保护开关。
具体地，在实际应用中，为保证换电时的安全性，本发明实施例设置换电模组3电压要在安全电压之内(示例性地，每个换电模组3电压小于36V)，并且设置有隔离保护措施，换电模组3车载端口通过隔离型DC-DC与母线Busbar隔离，换电连接口和汽车母线经过隔离保护，即使人触碰到连接口，也不会造成危险。此外，小功率换电模组3输出端有保护开关，只有输出端口和车载端口成功相连，并且模组电池管理系统和主控制器8建立通讯之后，保护开关才被打开。
具体地，本发明实施例的小功率的换电模组3通过换电功率变换器4和母线Busbar相连，示例性地，换电功率变换器4可为隔离型全桥DC-DC变换器，但实际情况不限于此，也可以采用其他类型隔离型变换器，例如反激变换器(flyback converter)，正激变换器(forward converter)等。
具体地，在实际应用中，在传统电池系统中，大功率的换电功率变换器4为了降低损耗，多采用零电流开关(Zero-current switching)或零电压开关(Zero-voltageswitching)的控制方法，控制方法较为复杂，而且这两种控制方法多适应于全桥结构(FullBridge)，对变换器结构设计有一定限制，而本发明实施例所提出的换电功率变换器4，理论上可以采用任何隔离型变换器结构，在低功率情况下，换电功率变换器4损耗也相对较低，通过省略零电流开关或零电压开关控制还可以极大简化整个控制系统复杂度。
本发明实施例提供的电池系统，通过在所述换电功率变换器4的输出端设置有隔离保护开关，当所述换电功率变换器4的输出端与车载端口成功相连且完成通讯连接时，所述隔离保护开关才会被打开，保证了换电时的安全性。
具体地，所述换电模组3还包括：
输入开关7，所述输入开关7设置于所述第一电池模组6与所述换电功率变换器4之间，所述输入开关7为MOSFET开关。
所述输入开关7为MOSFET开关。
具体地，在实际应用中，如图4所示，本发明实施例以一个换电模组3为例进行说明，在该换电模组3中，输入开关7由背靠背的MOSFET开关SAbat1和SBbat1连接组成(两个MOSFET源极连接)。由于传统电池模组多采用机械式继电器，其开关速度相对较慢，且体积较大，不利于集成在空间范围有限的小功率的换电模组3中，而本发明实施例中每个分布式的换电模组3相对于传统电池模组，其功率有所降低，因此可以采用MOSFET作为开关，以提高开关的通断速度、减少元器件空间，降低成本。而且MOSFET作为开关，其所需驱动电流远小于继电器所需驱动电流，对于换电模组BMS驱动能力和供电功率要求会大大降低的同时，极大降低了驱动电路设计难度。
本发明实施例提供的电池系统，通过设置MOSFET开关，控制充电和放电过程中换电模组3电流的双向流通。
具体地，所述电池系统还包括：
主控制器8，用于检测所述电池系统的运行状态，并根据所述运行状态对主功率变换器2、各所述换电功率变换器4和各所述输出开关进行调节控制。
本发明实施例提供的电池系统，通过主控制器8检测所述电池系统的运行状态，并根据所述运行状态对主功率变换器2、各所述换电功率变换器4和各所述输出开关进行调节控制，在灵活调节各所述换电模组3的连接关系的同时，进一步地增加了电池系统的供电灵活性。
具体地，在实际应用中，如图4所示，换电模组3接入母线系统包括三部分：机械接入、电气接入和通讯接入。
当换电模组3电量低于预设电量阈值时，示例性地，预设电量阈值可为10％，即当换电模组3电量低于10％时，需将原有换电模组3中的第一电池模组6拔出，并将新第一电池模组6插入，从而组成新换电模组3，其中，第一电池模组6输出端通过连接器和换电功率变换器4输入端相连，并使用卡扣机械固定。此处完成机械连接，车载主控制器8检测到新插入的换电模组3，将连接信号Bon1置1。
然后，主控制器8与新插入的换电模组3建立通信，模组电池管理系统(BMS)采集模组的电池电压Vbat1、电流Ibat1和温度Tbat1等信息，并计算得到电池的容量Cbat1，当前荷电参数SOCbat1(即当前剩余电量)以及电池健康SOHbat1等参数，通过无线或有线通讯方式将这些信号传输到车载主控制器8。每个主控制器8可以和多个换电模组3通讯，换电模组3之间不需要通讯，此处完成通讯连接。
最后，当主控制器8判断新换入的换电模组3机械和通讯连接成功后，主控制器8发送一个使能信号En，模组BMS接收此信号并打开输入开关7，电池模组实现电气化接入系统，输入开关7由背靠背的MOSFET开关SAbat和SBbat连接组成(两个MOSFET源极连接)，每组输入开关7均与每个换电模组3进行一一对应，SAbat1、SBbat1；SAbat2、SBbat2；…；SAbatN、SBbatN分别与各自对应的换电模组3进行匹配使用，这样可以灵活控制充电和放电过程中换电模组3电流的双向流通。
具体地，在实际应用中，车载主控制器8无线通讯方式可以采用Wi-Fi、蓝牙、Zig-Bee、5G等。
为保证换电时的安全性，本发明实施例设置换电模组3电压要在安全电压之内(示例性地，每个模组电压小于36V)，并且设置有隔离保护措施，换电模组3中的第一电池模组6的车载端口通过隔离型DC-DC与母线Busbar隔离，换电连接口和汽车母线经过隔离保护，即使人触碰到连接口，也不会造成危险。此外，小功率换电模组3输出端有保护开关，只有输出端口和车载端口成功相连，并且模组电池管理系统和主控制器8建立通讯之后，保护开关才被打开。
具体地，在实际应用中，结合图5-图7所示，本发明实施例进行了输出开关矩阵5设计。在输出开关矩阵5中，包含有S11，S12，S21，…，SN1，SN2，以及SA，SB…，开关，通过控制S11，S12,…开关通断可以将不同换电模组3并联后接入母线，通过控制SA，SB…开关通断可以将不同换电模组3串联后接入母线。
当换电模组3和主电池模组1并接在母线时，要保证换电模组3及大功率电池模组输出电压相同，当换电模组3电量充足时，其输出电压可以通过隔离变换器控制(抬升)到母线电压期望值，但是随着换电模组3电量不断消耗，即使通过隔离变换器提升电压，其输出电压也可能无法达到母线电压(例如达到变换器控制阈值，无法进一步提高输出电压值)，因此，本发明实施例利用输出开关矩阵5，通过控制器控制开关通断，可以改变换电模组3输出连接方式，使得换电模组3可以在不同负载或者用电模式下，以提供负载大电流(并联连接)或者大电压(串联连接)。输出开关矩阵5的控制可以通过车载主控制器8实现。
在传统的分布式电池系统中，电池模组的输出连接结构一般在设计完成之后就无法改变，而本发明实施例所提出的输出开关矩阵5可以有效自适应改变换电模组3以何种连接方式并联到母线上，尤其是当第一电池模组6的额定容量和额定输出电压等标定值不同时(例如，采用了不同厂商或不同型号的电池模组)，换电模组3依然能够正常工作，这种结构给换电模组3的实际操作带来了更高的灵活性，而不仅仅局限于相同厂商、相同型号的电池模组。
示例性地，在图7中，如果新换入的第N个换电模组3的容量相对于第1个换电模组3和第2个换电模组3更大，通过将开关S11、SN1、SN2和SA导通，将开关S12、S21、S22和SB关断，可以实现第1个换电模组3与第2个换电模组3的串联，然后和第N个换电模组3并联一起连接到母线上。这样相当于第N个换电模组3所提供的输出电流是第1个换电模组3和第2个换电模组3之和，也更加利于换电模组3之间、换电模组3与主电池模组1之间的平衡控制。
具体地，在实际应用中，如图8所示，本发明实施例提供的电池系统内的控制系统中，主要包括了若干个分布式换电模组BMS系统，一个主电池模组BMS系统，和一个主控制器系统，其中，换电模组BMS系统用来采集换电模组3的电池电压、电流和温度等信息，并计算得到电池的容量，当前荷电参数、(即当前剩余电量)以及电池健康等参数，将这些参数传输给主控制器8，同时接受主控制器8信号，打开或关闭换电模组3内部的输入开关7；主电池模组BMS系统用来采集主电池模组1的参数信息，并将这些参数传输给主控制器8，同时接受主控制器8信号，打开或关闭主电池模组1内部继电器开关；主控制器8则同时接收换电模组BMS和主控制器BMS传输来的信号，根据响应控制算法，分别控制输出开关矩阵5和主功率变换器2的开关。
可以看出，主控制器8相当于一个集中点，主电池模组BMS和换电模组BMS都和主控制器8相连，而它们之间不需要互相通信，这简化了不同控制器之间的连接构架。
和传统BMS控制系统相比，本发明实施例提供的电池系统的BMS控制系统有几点不同：
1.传统BMS系统仅包含主电池BMS与主控制器8连接，而没有换电模组BMS系统与主控制BMS系统连接。同时每个控制器所负责的驱动开关也和传统方案不同。传统方案中，主控制器8仅控制主功率变换器2，BMS系统控制主继电器。而本发明实施例中则有更多的控制开关，这也使得电池系统电能传输路径和方式更加灵活；
2.传统BMS系统和主控制器8之间通讯多采用有线通讯的方式，而本发明实施例中换电模组BMS系统与主控制器8通讯除了可以采用传统有线通讯方式之外，也可采用无线通讯方式，提高了通讯连接的便利性。这是因为在换电模组3插拔过程中，其通讯接口更容易出现连接不稳定等情况。如果采用无线通信方式，则可以避免此类问题。这样在插拔时，仅有换电模组3与隔离变换器的强电信号(即电池电流、电压)采用物理连接，可以采用铜排母线，其机械强度远远大于通讯接口(弱电接口)，更利于换电便捷性。
3.传统的电动汽车中，除大功率电池包之外，还有一个小电池低压系统(通常为48V或12V)来为BMS等控制器供电，但是，对于本发明实施例所提出的换电模组3因为插拔需要，无法时刻连接在低压系统上，而如果采用换电模组3内部电池供电，在换电模组3没电情况下，则换电模组BMS系统无法正常运行。因此，本发明实施例通过采用双套冗余供电方式为换电模组BMS供电：在换电模组3电量充足时，换电模组BMS通过内部电池供电；当换电模组3电量不足以支持BMS系统供电需求时，可以利用无线电能传输方式，其中，一种实现方式包括在隔离功率变换器驱动电路连接一个发送线圈Tx，在换电模组BMS电路上连接一个接收线圈Rx，接收来自汽车内部无线充电，换电模组BMS所需功率较小(通常几瓦)，无线充电损耗可以忽略，当换电模组3被插入到汽车内部之后，接收线圈可以自动感应发送线圈，并无线接受能量，这样最大的好处是，避免了换电模组3的外部低压供电线接口，换电模组3和隔离变换器之间的接口依然只有电气连接(仅有强电流连接，通讯信号和供电信号都可以采用无线方式)，进一步有利于进行换电模组3的集成封装设计。
具体地，在实际应用中，如图9所示，本发明实施例的电池系统的主控制器8包括处理器901和存储器902，所述存储器902和所述处理器901之间互相通信连接，其中处理器901和存储器902可以通过总线或者其他方式连接，图9中以通过总线连接为例。
处理器901可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器901还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
存储器902作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中方法所对应的程序指令/模块。处理器901通过运行存储在存储器902中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器901的各种功能应用以及数据处理，即实现下述方法实施例中的方法。
存储器902可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器901所创建的数据等。此外，存储器902可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器902可选包括相对于处理器901远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器901。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
一个或者多个模块存储在存储器902中，当被处理器901执行时，执行下述方法实施例中的方法。
上述主控制器具体细节可以对应参阅上述电池系统实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
本发明实施例提供的电池系统，通过将所述第一电池模组与所述换电功率变换器进行对应相连，每个所述换电功率变换器均可分担电能传输功能，当所述第一电池模组之间存在健康情况不一致时，通过其各自对应的换电功率变换器进行调节，保证了各所述换电模组之间的健康平衡，此外，相较于使用一个大功率变换器控制所有换电模组的传统方式，在实现灵活控制输出功率的同时，大幅减少对占用空间和散热设计的要求；通过所述换电功率变换器对所述第一电池模组的单独调节，可以分别控制各所述换电模组的输出电流并实现所述换电模组之间的主动平衡控制；通过控制各输出开关的开关状态灵活调节调整各所述换电模组间的连接关系，从而与主电池模组电压相匹配，通过所述换电模组经输出开关矩阵与所述主电池模组并联，可保证所述换电模组输出的总电压与所述主电池模组电压相一致，避免出现电流回流情况；通过将所述换电模组与所述主电池模组并联之后再与所述主功率变换器串联，即可满足电池系统的供电需求。通过灵活调节各所述换电模组的连接关系，对各换电模组间电量不均匀性进行调节的同时，不需要增加额外电路，再与所述主电池模组进行并联，实现电池系统的冗余功能，进一步地增加了电池系统的供电灵活性。
本发明实施例提供了一种电池系统控制方法，如图10所示，应用于上述电池系统实施例中的主控制器，所述方法包括：
步骤S101：分别获取主电池模组和各换电模组的电量。
步骤S102：基于主电池模组电量和换电模组电量与预设电量阈值的关系，确定所述电池系统的目标供电方式。
具体地，在实际应用中，本发明实施例，通过主控制器对主电池模组和换电模组的相关运行参数进行获取，根据各自对应的电量与预设电量阈值的关系，确定电池系统的目标供电方式。
步骤S103：按照所述目标供电方式控制输出开关矩阵中的各输出开关动作，以向供电对象进行供电。
具体地，在实际应用中，本发明实施例通过判断主电池模组和换电模组的可用电量，对供电模式实行自适应切换。
具体地，在实际应用中，本发明实施例中的主电池模组和换电模组并联连接到母线，两者可以独立工作，也可以同时工作，通过改变输出开关矩阵中开关通断方式，可以改变小功率换电模组连接到母线的拓扑结构，包括串联、并联或串并联混合连接方式，具体连接方式参见上述电池系统的相关实施例，在此不再进行赘述。
本发明提供的电池系统控制方法，通过分别获取主电池模组和各换电模组的电量；基于主电池模组电量和换电模组电量与预设电量阈值的关系，确定所述电池系统的目标供电方式；按照所述目标供电方式控制输出开关矩阵中的各输出开关动作，以向供电对象进行供电。通过基于主电池模组电量、换电模组电量与预设电量阈值的关系，确定目标供电方式，并通过输出开关矩阵中各输出开关灵活调整各换电模组的连接关系，在充分实现各换电模组之间电量均匀的同时，不需要额外增加电路对各换电模组进行平衡，进而实现电池系统的冗余功能，进一步地增加了电池系统的供电灵活性。
具体地，在一实施例中，上述步骤S102具体包括如下步骤：
步骤S201：当所述主电池模组电量和所述换电模组电量均超过预设电量阈值时，采用主电池模组和换电模组共同供电的方式作为目标供电模式。
步骤S202：当所述主电池模组电量未超过所述预设电量阈值且所述换电模组电量超过所述预设电量阈值时，采用换电模组供电的方式作为目标供电模式。
步骤S203：当所述主电池模组电量超过所述预设电量阈值且所述换电模组电量未超过所述预设电量阈值时，采用主电池模组供电的方式作为目标供电模式。
具体地，在实际应用中，本发明实施例采用BMS系统对主电池模组以及换电模组的运行参数进行采集，并通过无线或有线方式将相关信号发送到车载主控制器上，具体实现过程参见上述电池系统实施例中的相关描述，在此不再进行赘述。
具体地，在一实施例中，上述步骤S102具体还包括如下步骤：
步骤S204：当所述主电池模组电量和所述换电模组电量均未超过所述预设电量阈值时，进行换电提醒。
具体地，在实际应用中，本发明实施例的大功率主电池模组支持换电站换电，也可以通过传统充电方式进行充电；小功率换电模组可以通过车载充电器和主电池模组一起充电，也可以将其第一电池模组拔出进行单独充电，可进行某个或整体第一电池模组的更换，更具备灵活性。
具体地，本发明实施例中的小功率换电模组可以通过简单插拔进行手工换电，设计符合安全电压要求(<36V)，其重量也能够被健康成人承受(<10Kg)，因此，成年人即使没有经过专业培训，依然可以轻松完成换电操作，同时，由于换电模组车载端口通过隔离型DC-DC与母线Busbar隔离，人如果不小心触碰连接器，也不会有危险，可以不受时间和场所限制，甚至可以在系统运行中换电(支持热插拔)。
具体地，由于小功率换电模组输出端有保护开关，只有输出端口和车载端口成功相连，并且模组电池管理系统和主控制器建立通讯之后，保护开关才被打开，此时，小功率换电模组可以进行单独供电或者与主电池模组配合进行混合供电。
具体地，在一实施例中，上述步骤S103具体还包括如下步骤：
步骤S301：分别获取各第一电池模组电流。
步骤S302：基于各所述第一电池模组电流，分别对各所述第一电池模组对应的换电功率变换器的运行参数进行调节，以使各所述换电模组间电流平衡。
具体地，在实际应用中，由于第一电池模组的型号、标定容量以及健康程度等状态参数可能存在差异性，在混合供电方式时，可能会影响整体电池系统的正常运行，存在异常损耗的情况。本发明实施例中的换电模组中每个第一电池模组均有一个隔离换电功率变换器相配合，从而实现对其对应的换电模组输出电流的控制，有助于各换电模组间的平衡控制，即使使用不同型号、不同标定容量、不同健康程度的电池，通过控制隔离换电功率变换器和输出开关矩阵，依然可以高效的和主电池模组并联，并不影响系统正常运行，本发明实施例对于采用换电模组进行供电的过程同样适用，在此不再进行赘述。
具体地，在一实施例中，在执行上述步骤S103之后，具体还包括如下步骤：
步骤S401：分别获取主电池模组电压和/电流以及各换电模组电压和/电流。
步骤S402：将所述主电池模组电压和各所述换电模组输出的总电压进行比较。
步骤S403：基于比较结果控制所述输出开关矩阵对所述换电模组的连接关系进行调整；以使所述换电模组的总电压与所述主电池模组电压相等；
和/或，基于所述主电池模组电流和各换电模组电流，控制所述输出开关矩阵对所述换电模组的连接关系进行调整；以使所述主电池模组电流和各换电模组电流之和满足负载要求。
具体地，在实际应用中，当采用混合供电或换电模组供电方式时，可能存在第一电池模组的型号、标定容量以及健康程度等状态参数的差异性，直接进行连接关系改变后对汽车进行供电，可能造成第一电池模组的损坏，并对整体电池系统造成破坏。本发明实施例通过将每个第一电池模组与与一个小功率的换电功率变换器相连，而不是如传统方式使用一个大功率变换器控制全部换电模组，在保证每个换电功率变换器可以分担电能传输功能的同时，大幅降低换电功率变换器的占用空间和散热设计要求。
此外，这种小功率的换电模组还可以为控制带来更大便利，通过控制每个和第一电池模组相连的功率变换器，可以分别控制每个换电模组的输出电流，并且可以实现换电模组之间的主动平衡控制，而传统的电池系统结构利用单一的功率变换器无法实现换电模组间的主动平衡控制。
换电模组通过换电功率变换器的输出和主电池模组并联，这样可以通过功率变换器调节换电模组整体输出电压和主电池模组电压保持一致，不会出现电流回流情况(电压不一致时，低电压电池会被高电压电池充电，而无法向负载供电)，相较于传统电池系统，传统的电池系统如果几个模组之间并联，则无法避免这种情况，因此需要传统电池系统的模组之间电压一致性要求较为严格，本发明实施例通过设置多个换电功率变换器，实现了对电压的灵活调节，进一步提高了整体供电效率。
具体地，在实际应用中，本发明实施例在换电功率变换器的控制中，还包含了一个电压环用于控制输出电压；一个电流环，用来控制不同换电模组之间电流，在实现换电模组之间的平衡的同时，还可达到换电模组与主电池模组之间的平衡。具体地，当换电模组的总电压与主电池模组电压一致后，进行并联连接，可以避免因电压差过大导致的大电流冲击。
具体地，在实际应用中，如果每个第一电池模组的健康状态不一致，本发明实施例可根据各第一电池模组健康状况，自适应调节对应的换电功率变换器控制算法，可以保证各换电模组之间的健康平衡。
示例性地，传统的换电模式下，每个模组的健康程度要保证一致，而本发明实施例通过利用健康程度较好的电池(即有效容量较大)可以被控制来提供更高的输出功率，而健康程度较差的电池(即有效容量较小)可以被控制来提供相对较低的输出功率，以保证健康程度较差的电池不会被过度放电引起安全隐患，同时低功率放电也可以缓解健康程度较差电池的衰减速率，选择性更丰富。
具体地，在实际应用中，本发明实施例的换电功率变换器输出与一个输出开关矩阵相连后，并联到主电池模组输出母线上，输出开关矩阵内部可以使用串联、并联或者串并联混合的结构，并且可以根据换电模组电压、电流情况自适应改变。例如，当换电模组电压不足之后，其内部的换电功率变换器输出可以采用串联模式，以提高输出电压，并与主电池模组电压匹配，而传统的电池系统，其结构设计完成之后，一般无法改变。如果换电模组和主电池模组电压差距过大，则两者无法并联在同一母线工作。
在传统电池系统中，如果两个电池模组直接并联，当电压不一致时，会导致高电压电池向低电压电池充电，且电流不受控(充电电流和电压差呈正相关)，这是因为电池内阻相对较小，即使不大的电压差依然会导致很大的电流流过，对系统稳定性和安全性造成不良影响，而本发明实施例通过基于比较结果控制所述输出开关矩阵对所述换电模组的连接关系进行调整，以使所述换电模组的总电压与所述主电池模组电压相等，可以保证每个换电模组的电压一致；当采用混合供电方式时，还可保证换电模组输出的总电压和主电池模组电压一致，而通过合适的控制方法，本发明实施例可以避免这类电流失控情况发生。
本发明实施例通过输出开关矩阵调节各换电模组之间的连接关系，通过主控制器获取主电池模组以及各换电模组的运行参数，对目标供电方式进行确定，并利用各换电模组内的换电功率转换器，实现不同厂家、不同规格、不同健康状态等第一电池模组的连接，从而在不损害各换电模组以及整体电池系统的同时，实现对换电模组间以及整体电池系统的灵活供电调节。
上述的电池系统控制方法的更进一步描述参见上述电池系统实施例的相关描述，在此不再进行赘述。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种电池系统，其特征在于，所述电池系统包括：主电池模组、主功率变换器、输出开关矩阵及若干换电模组，其中，
所述换电模组包括第一电池模组和与其对应的换电功率变换器，所述第一电池模组的输出端与所述换电功率变换器的输入端连接，所述换电功率变换器的输出端与所述输出开关矩阵输入端相连；
所述输出开关矩阵内包括若干与所述换电模组连接的输出开关，通过控制各输出开关的开关状态调整各所述换电模组间的连接关系；
所述输出开关矩阵的输出端及所述主电池模组的输出端与所述主功率变换器的输入端连接，所述主功率变换器的输出端与供电对象连接。
2.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，所述第一电池模组的输出端通过连接器与所述换电功率变换器输入端相连，并通过卡扣机械固定。
3.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，所述换电功率变换器的输出端设置有隔离保护开关。
4.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，所述换电模组还包括：
输入开关，所述输入开关设置于所述第一电池模组与所述换电功率变换器之间，所述输入开关为MOSFET开关。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电池系统，其特征在于，所述电池系统还包括：
主控制器，用于检测所述电池系统的运行状态，并根据所述运行状态对主功率变换器、各所述换电功率变换器和各所述输出开关进行调节控制。
6.一种电池系统控制方法，其特征在于，应用于如权利要求5所述电池系统中的主控制器，所述方法包括：
分别获取主电池模组和各换电模组的电量；
基于主电池模组电量和换电模组电量与预设电量阈值的关系，确定所述电池系统的目标供电方式；
按照所述目标供电方式控制输出开关矩阵中的各输出开关动作，以向供电对象进行供电。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于主电池模组电量和换电模组电量与预设电量阈值的关系，确定所述电池系统的目标供电方式，包括：
当所述主电池模组电量和所述换电模组电量均超过预设电量阈值时，采用主电池模组和换电模组共同供电的方式作为目标供电模式；
当所述主电池模组电量未超过所述预设电量阈值且所述换电模组电量超过所述预设电量阈值时，采用换电模组供电的方式作为目标供电模式；
当所述主电池模组电量超过所述预设电量阈值且所述换电模组电量未超过所述预设电量阈值时，采用主电池模组供电的方式作为目标供电模式。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述主电池模组电量和所述换电模组电量均未超过所述预设电量阈值时，进行换电提醒。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
分别获取各第一电池模组电流；
基于各所述第一电池模组电流，分别对各所述第一电池模组对应的换电功率变换器的运行参数进行调节，以使各所述换电模组间电流平衡。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
分别获取主电池模组电压和/电流以及各换电模组电压和/电流；
将所述主电池模组电压和各所述换电模组输出的总电压进行比较；
基于比较结果控制所述输出开关矩阵对所述换电模组的连接关系进行调整；以使所述换电模组的总电压与所述主电池模组电压相等；
和/或，基于所述主电池模组电流和各换电模组电流，控制所述输出开关矩阵对所述换电模组的连接关系进行调整；以使所述主电池模组电流和各换电模组电流之和满足负载要求。
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