CN117227526A - 可再充电能量存储系统平衡 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及可再充电能量存储系统平衡。具体地，公开了一种用于在一对串联连接的电池之间传递电能的方法和装置，所述一对串联连接的电池联接在功率逆变器的正和负DC母线之间，所述功率逆变器可操作地连接到马达的定子绕组的多个定子相绕组，所述方法和装置可以包括将所述一对串联连接的电池的中点联接到马达的定子绕组，以及控制功率逆变器以将功率逆变器和定子绕组作为开关模式功率转换器来操作，以从该一对串联连接的电池中的一个对定子相绕组中的至少一个进行充电，并且将该至少一个定子相绕组放电到该一对串联连接的电池中的另一个。

Description

可再充电能量存储系统平衡
技术领域
本主题公开涉及电动车辆充电。更具体地，本主题公开涉及对具有可重新配置的可再充电能量存储系统的电动车辆进行再充电。
背景技术
可再充电储能系统内的电池组、电池模块和电池单元(cell)的单个容量、充电状态、放电深度、健康状态和电压可能是不等效的。由于诸如负载不平衡、短期或长期放电历史差异、温度梯度、高压总线布线等因素，即使匹配的电池组、电池模块和等效寿命的电池单元、化学性质和设计容量，也会出现差异。这种差异可能在再充电循环之前、期间或之后表现出来，给模块化可再充电能量存储系统的再充电和重新配置带来挑战。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种用于在一对串联连接的电池之间传递电能的方法，所述一对串联连接的电池联接在功率逆变器的正负DC母线(rail)之间，所述功率逆变器可操作地连接到马达(motor)定子绕组的多个定子相绕组，所述方法可以包括将所述一对串联连接的电池的中点联接到马达的定子绕组，以及控制功率逆变器以将功率逆变器和定子绕组作为开关模式功率转换器来操作，以从该一对串联连接的电池中的一个对定子相绕组中的至少一个进行充电，并且将该至少一个定子相绕组放电到该一对串联连接的电池中的另一个。
除了在此描述的一个或多个特征，该方法可以在DC快速充电循环期间周期性地执行。
除了在此描述的一个或多个特征之外，该方法可以在DC快速充电循环完成时执行。
除了在此描述的一个或多个特征之外，将该一对串联连接的电池的中点联接到马达的定子绕组可以包括闭合该一对串联连接的电池的中点和定子相绕组的中性端子之间的开关。
除了在此描述的一个或多个特征之外，将该一对串联连接的电池的中点联接到马达的定子绕组包括闭合该一对串联连接的电池的中点和定子相绕组之一的相应相端子之间的开关。
除了在此描述的一个或多个特征之外，控制功率逆变器以将功率逆变器和定子绕组作为开关模式功率转换器来操作可以包括功率逆变器的同步脉宽调制控制。
除了在此描述的一个或多个特征之外，控制功率逆变器以将功率逆变器和定子绕组作为开关模式功率转换器来操作可以包括功率逆变器的交错(interleave)脉宽调制控制。
除了在此描述的一个或多个特征之外，控制功率逆变器以将功率逆变器和定子绕组作为开关模式功率转换器来操作可以包括功率逆变器的同步脉宽调制控制。
除了在此描述的一个或多个特征之外，控制功率逆变器以将功率逆变器和定子绕组作为开关模式功率转换器来操作可以包括功率逆变器的交错脉宽调制控制。
在另一个示例性实施例中，一种用于在一对电池之间穿梭充电(shuttlingcharge)的装置可以包括串联配置的一对电池，包括定子绕组的马达，所述定子绕组具有通常联接在中性端子处并具有相应相端子的多个定子相绕组，具有联接在正负DC母线之间的多个相脚(leg)的功率逆变器，所述正负DC母线联接在串联配置的一对电池两端，并且每个相脚包括相应的上部和下部固态开关，其间的相应相极在其相应的相端子处联接到相应的一个定子相绕组，串联配置的一对电池的中点节点和定子绕组之间的开关，以及控制器，其操作开关闭合以将串联配置的一对电池的中点节点联接到多个定子相绕组中的至少一个相绕组，并且控制功率逆变器的相脚的导通(conduction)以将功率逆变器和定子绕组操作为开关模式功率转换器操作，该开关模式功率转换器包括至少一个定子相绕组和至少一个相脚的上部和下部固态开关之一。
除了在此描述的一个或多个特征之外，串联配置的一对电池的中点节点和定子绕组之间的开关可以包括串联配置的一对电池的中点节点和定子相绕组之一的相应相端子之间的开关。
除了在此描述的一个或多个特征之外，串联配置的一对电池的中点节点和定子绕组之间的开关可以包括串联配置的一对电池的中点节点和多个定子相绕组的中性端子之间的开关。
除了在此描述的一个或多个特征之外，控制功率逆变器的相脚的导通可以包括控制至少一个相脚的相应上固态开关的导通，以将功率逆变器和定子绕组作为开关模式功率转换器来操作，其中能量从中点节点和正DC母线之间的一对电池中的一个转移到中点节点和负DC母线之间的一对电池中的另一个。
除了在此描述的一个或多个特征之外，控制功率逆变器的相脚的导通可以包括控制至少两个相脚的相应上固态开关的交错导通，以将功率逆变器和定子绕组作为开关模式功率转换器来操作，其中能量从中点节点和正DC母线之间的一对电池中的一个转移到中点节点和负DC母线之间的一对电池中的另一个。
除了在此描述的一个或多个特征之外，控制功率逆变器的相脚的导通可以包括控制至少两个相脚的相应上固态开关的同步导通，以将功率逆变器和定子绕组操作为开关模式功率转换器操作，其中能量从中点节点和正DC母线之间的一对电池中的一个转移到中点节点和负DC母线之间的一对电池中的另一个。
除了在此描述的一个或多个特征之外，控制功率逆变器的相脚的导通可以包括控制至少一个相脚的相应下固态开关的导通，以将功率逆变器和定子绕组作为开关模式功率转换器来操作，其中能量从中点节点和负DC母线之间的一对电池中的一个转移到中点节点和正DC母线之间的一对电池中的另一个。
除了在此描述的一个或多个特征之外，控制功率逆变器的相脚的导通可以包括控制至少两个相脚的相应下固态开关的交错导通，以将功率逆变器和定子绕组作为开关模式功率转换器来操作，其中能量从中点节点和负DC母线之间的一对电池中的一个转移到中点节点和正DC母线之间的一对电池中的另一个。
除了在此描述的一个或多个特征之外，控制功率逆变器的相脚的导通可以包括控制至少两个相脚的相应下固态开关的同步导通，以将功率逆变器和定子绕组操作为开关模式功率转换器操作，其中能量从中点节点和负DC母线之间的一对电池中的一个转移到中点节点和正DC母线之间的一对电池中的另一个。
在又一个示例性实施例中，电动车辆可以包括电力推进系统，该电力推进系统包括可再充电能量存储系统、具有定子绕组的多相马达和牵引功率逆变器模块，该定子绕组具有多个定子相绕组，该牵引功率逆变器模块包括马达控制器和功率逆变器，该可再充电能量存储系统包括串联配置的一对相似或不相似的电池，该功率逆变器具有联接在正负DC母线之间的多个相脚，所述正和负DC母线联接在串联配置的所述一对电池两端，并且每个相脚包括相应的上部和下部固态开关，其间的相应相极在其相应的相端子处联接到相应的一个定子相绕组，串联配置的电池的中点节点和定子绕组之间的开关，并且马达控制器操作开关闭合以将串联配置的一对电池的中点节点联接到至少一个定子相绕组，并且控制功率逆变器的相脚的导通以将功率逆变器和定子绕组操作为开关模式功率转换器操作，该开关模式功率转换器包括至少一个定子相绕组和至少一个相脚的上部和下部固态开关之一。
除了在此描述的一个或多个特征之外，控制功率逆变器的相腿的导通以将功率逆变器和定子绕组作为开关模式功率转换器来操作的马达控制器可以包括交错脉宽调制控制。
当结合附图时，从以下详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
其他特征、优点和细节仅通过示例的方式出现在以下详细描述中，详细描述参考附图，在附图中:
图1示出了根据一个或多个实施例的车辆上的电力推进系统；
图2示出了根据一个或多个实施例的车辆上的电力推进系统和控制系统；
图3A、3B和3C示出了根据本公开的示例性可重新配置的可再充电能量存储系统的各种配置；
图4A和4B示出了根据本公开的充电穿梭装置的实施例；
图5A和5B示出了根据本公开的充电穿梭装置的实施例；
图6A和6B示出了根据本公开的充电穿梭装置的实施例；
图7A和7B示出了根据本公开的充电穿梭装置的实施例；和
图8示出了根据一个或多个实施例的与可再充电能量存储系统的再充电和充电穿梭相关的多个任务的流程图例程。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
图1示意性地示出了车辆100上的电力推进系统101的实施例。车辆和运载工具被理解为指任何运输工具(means)，包括但不限于摩托车、汽车、卡车、公共汽车、挖掘机、运土设备、建筑和农业设备、像火车和有轨电车这样的有轨车辆以及像轮船和小船这样的水上交通工具。电力推进系统101可包括各种控制部件、电气系统和机电系统，包括例如可再充电能量存储系统(RESS)104和电力驱动单元(EDU)102。电力推进系统101可以用在动力系统上以产生推进扭矩，分别作为各种电动车辆(EV)应用和混合电动车辆(HEV)应用中的内燃机的替代或结合内燃机。
EDU102可以具有不同的复杂度、部件和集成度。示例性高度集成的EDU102可包括例如交流(AC)马达(马达)120和牵引功率逆变器模块(TPIM)106，牵引功率逆变器模块106包括马达控制器105和功率逆变器110。马达120可包括定子和转子，转子连接到马达输出轴125和位置传感器182，例如可变磁阻分解器或编码器。位置传感器182可以信号方式直接连接到马达控制器105，并用于监控马达120的转子的角位置(θe)。马达控制器105采用马达120的转子的角位置(θe)来控制控制马达120的逆变器模块110的操作。
马达输出轴125可以在马达120和传动系统部件(未示出)之间传递扭矩，例如可以包括减速和差速齿轮组以及一个或多个车轴输出的最终传动。最终传动可以简单地包括减速齿轮和联接到差速齿轮组的传动轴输出。如果与主减速器或差速齿轮组分离，一个或多个轴可以联接到最终传动或差速齿轮组。车轴(axle)可以联接到车轮上，用于在车轮和路面之间传递牵引力。本领域普通技术人员将认识到传动系统部件的替代布置。推进扭矩请求或命令136(Tcmd)可以由车辆控制器103提供给马达控制器105。
马达控制器105可以包括一个或多个控制模块。如这里所使用的，控制模块、模块、控件、控制器、控制单元、电子控制单元、处理器和类似的术语表示一个或多个专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(优选微处理器)和相关的存储器和存储装置(只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM)、硬盘驱动器等)中的任何一个或各种组合或执行一个或多个软件或固件程序或例程的微控制器、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备(I/O)以及适当的信号调节和缓冲电路、高速时钟、模数(A/D)和数模(D/A)电路以及提供所述功能的其他部件。控制模块可以包括各种通信接口，包括点到点或离散线路以及到网络的有线或无线接口，所述网络包括广域网和局域网，以及包括用于空中下载(OTA)软件更新的厂内和服务相关网络。在本公开中阐述的控制模块的功能可以在几个联网的控制模块之中的分布式控制架构中执行。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语是指任何控制器可执行指令集，包括校准、数据结构和查找表。控制模块可以具有一组被执行以提供所述功能的控制例程。例程例如由中央处理单元执行，并且可操作以监控来自感测设备和其他联网控制模块的输入，并执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。在正在进行的发动机和车辆操作期间，可以定期执行程序。替代地，例程可以响应于事件的发生、软件调用或者经由用户界面输入或请求按需来执行。
在一个实施例中，RESS 104可以包括一个或多个电化学电池组112，例如用于经由HV直流(DC)总线108向车辆提供电力的高容量、高电压(HV)可再充电锂离子电池组。RESS104还可以包括电池管理器模块114。RESS 104可以包括一个或多个电池组，允许配置的灵活性和适应应用需求。电池组可以由多个电池组模块构成，允许配置的灵活性和适应应用需求。电池组模块可以由多个电池单元构成，允许配置的灵活性和适应应用需求。例如，在车辆使用中，RESS 104可以是模块化的，使得电池组、电池组模块和电池单元的数量和布置可以变化，以适应特定车辆平台的能量密度或范围目标、市场需求、预期用途、成本目标、包装约束等。电池组、电池组模块和电池单元可以根据期望的推进架构和充电功能进行不同的和选择性的配置。应当理解，RESS 104可以在任何集成水平上重新配置，包括电池组、电池组模块和电池单元。
马达120可以是多相AC马达，其通过联接到功率逆变器110的多相马达控制功率总线(AC总线)111接收多相AC功率。在一个实施例中，马达120是三相马达，功率逆变器110是三相逆变器。功率逆变器110可以包括多个固态开关。功率逆变器110通过HV DC总线108从RESS 104联接到DC功率(DC输入电压(Vdc))，例如在400伏下。马达控制器105联接到功率逆变器110以对其进行控制。功率逆变器110经由AC总线111电连接到马达120的三相定子绕组的定子相绕组，在其两个或三个相引线上监控电流。功率逆变器110可配置有合适的控制电路，包括成对的功率晶体管(例如，IGBT)，用于将HV DC总线108上的高压DC电压转换成AC总线111上的高压三相AC电压(Vabc),并将AC总线111上的高压三相AC电压(Vabc)转换成HV DC总线108上的高压DC电压。功率逆变器110可采用任何合适的脉宽调制(PWM)控制，例如正弦脉宽调制(SPWM)或空间矢量脉宽调制(SVPWM)，以产生开关矢量信号(Sabc)109，从而将源自RESS 104的电池组112的存储的DC电力转换成AC电力，以驱动马达120产生扭矩。类似地，逆变器110可将传递到马达120的机械功率转换成DC电功率，以产生可存储在RESS104的电池组112中的电能，包括作为再生制动控制策略的一部分。功率逆变器110可被配置成从马达控制器105接收开关矢量信号(Sabc)109，并控制逆变器状态以提供马达驱动和再生功能。开关矢量信号(Sabc)109在这里也可以称为导通命令。
功率逆变器110的控制可以包括根据PWM控制的固态开关的高频开关。许多设计和应用考虑和限制决定了逆变器开关频率和PWM控制。用于AC马达应用的逆变器控制可以包括固定的开关频率，例如大约10-12kHz的开关频率，以及使功率逆变器110的IGBT或其他功率开关的开关损耗最小化的PWM控制。
另外参照图2，车辆100上的电力推进系统101可包括控制系统208，该控制系统208包括一个或多个电子控制单元(ECU)，例如车辆控制器103、电池管理器模块114和马达控制器105。控制系统208可基于多个输入负责执行与电力推进系统101监控、控制和诊断相关的功能，包括RESS充电控制或监督。车辆控制器103可以包括一个或多个ECU，并且可以负责监督、解释各种用户和环境输入、信息仲裁、以及向各种其他ECU发出控制命令和请求和从各种其他ECU接收控制命令和请求，包括电池管理器模块114和马达控制器105，如通信线路242、246和248所示。电池管理器模块114可以接收与RESS 104相关的多个输入240，包括例如各种模块和电池组配置的电池单元、模块、电池组和RESS水平的电压、电流和温度，并且可以确定各种模块和电池组配置的电池单元、模块、电池组和RESS水平的充电状态(SOC)、放电深度(DOD)健康状态(SOH)和其他度量。电池管理器模块114可以主要负责RESS 104的充电和放电控制、监控和诊断。马达控制器105可以接收用于马达120和功率逆变器110的监控、控制和诊断的各种输入252，包括来自相应电流传感器260、261和263的相电流Ia、Ib和Ic以及来自位置传感器182的转子位置信息。马达控制器105可以通过向逆变器固态开关S1205、S2 237、S3 215、S4 207、S5 235和S6 217发出导通命令254来控制马达120。各个导通命令以来自马达控制器105的PWM信号的形式发布给每个开关S1-S6。任何合适的固态器件都可以用作开关S1-S6，包括例如固态继电器和晶体管，例如Si IGBT、Si MOSFET、SiCMOSFET、GaN HEMT、SiC JFET、金刚石、氧化镓和其他基于宽带隙(WBG)半导体的功率开关器件。每个开关S1-S6也可以具有相关的反并联二极管，或者作为分立部件，或者与每个开关S1-S6集成在一起。根据一个实施例，电池管理器模块114可负责RESS 104的监控和诊断、包括推进操作期间的放电和充电控制以及来自和去往车外电源的电力传输。
功率逆变器110包括正DC母线218、负DC母线222和其间的多个相脚。示例性三相功率逆变器110中的相脚包括联接在节点227(相极A)处的开关S1和S4(相脚A)，联接在节点228(相极B)处的开关S3和S6(相脚B)，以及联接在节点229(相极C)处的开关S5和S2(相脚C)。开关S1 205、S3 215和S5 235可以被称为上固态开关，因为它们联接到正DC母线218。开关S2237、S4 207和S6 217可以被称为下固态开关，因为它们联接到负DC母线222。相极A(节点227)经由线路250联接到马达120的定子绕组123的相绕组LA。相极B(节点228)经由线路251联接到马达120的定子绕组123的相绕组LB。以及相极C(节点229)经由线路253联接到马达120的定子绕组123的相绕组LC。所有相绕组LA、LB和LC都联接在定子绕组123的公共中性点N处。与公共中性点N相对的相绕组LA、LB和LC的端子可以被称为相端子(terminal)。每条线路250、251和253可以分别具有相关联的电流传感器260、261和263，用于感测相电流。HVDC总线108(图1)可以通过相应的高电流断开单元(disconnect switch)选择性地联接在正DC母线218和负DC母线222两端。高电流断开单元SW1 216是可控的，以通过HV DC总线108联接和脱开正DC母线218和RESS 104正端子。同样，高电流断开单元SW2212是可控的，以通过HV DC总线108联接和脱开负DC母线222和RESS104负端子。高电流断开单元SW1和SW2在本文中可被称为DC接触器216、212，以将它们与功率逆变器110的固态开关S1-S6区分开，并且可以是机电继电器或固态开关。
这里的实施例是在电池组水平的应用中描述的，其中电池组被理解为包括一个或多个电池组模块，该电池组模块可以包括一个或多个电池单元。然而，这些实施例是通过非限制性示例来描述的。本公开的主题可以在任何集成水平上实施，包括电池组、电池模块和电池单元。因此，术语“电池”可以指电池组、电池组模块或电池单元或其组合或分组。
参考图3A-3C，以各种配置示出了示例性RESS 104。RESS 104可以包括一对电池组P1和P2。电池组P1和P2可能具有等效的标称电压，例如400伏。电池组P1和P2也可能具有等效的标称容量。可控制开关SWP1、SWP2和SWS可以为RESS 104的电池组P1和P2提供各种配置。例如，在SWP1和SWP2闭合且SWS断开的情况下，电池组P1和P2可以并联配置(图3B),用于推进期间的400伏RESS 104电压(VRESS)。在SWP1和SWP2断开且SWS闭合的情况下，在直流快速充电(DCFC)期间，电池组P1和P2可以串联配置(图3C)用于800伏RESS 104电压(VRESS)。在开关SWS闭合将电池组P1和P2串联时，中点节点310建立在电池组P1的负端子和电池组P2的正端子之间。在SWP1、SWP2和SWS断开的情况下，电池组P1和P2可能相互隔离(图3A)。RESS 104也可通过可控制开关(例如，在此描述和图2所示的SW1和SW2)选择性地联接到HV DC总线108和充电端口。一些或所有这样的可控制开关和其他开关可以集成到一个或多个可控制电池断开单元(BDU)(未示出)中，或者不同地分布在诸如RESS 104的部件或子系统中。这种开关的控制可以来自一个或多个控制模块，包括例如车辆控制器103和电池管理器模块114。
当RESS 104配置有串联的电池组P1和P2时，可以执行DCFC(图3C)。然而，单个电池组的容量、SOC、DOD、SOH和电压可能不等效。由于诸如负载不平衡、短期或长期放电历史差异、温度梯度、HV总线布线等因素，即使年龄、化学成分和设计容量等效的匹配电池组P1和P2也可能出现这种情况。当已知电池组具有容量不匹配时，可以预料到电池组等效性问题，这可能发生在一些电池组、电池模块或电池单元在使用中被替换时，或者如果RESS 104配置有混合化学成分的电池组、电池模块或电池单元时。因此，在串联的电池组P1和P2的DCFC充电期间，一个电池组可能在另一个之前达到充电容量(SOC＝100％)，并且可能是继续DCFC的限制因素。这可能导致充电终止，以防止电池组在100％ SOC时过度充电。因此，一个电池组可以被充电到100％ SOC和400伏，而另一个电池组可以被充电到SOC小于100％和电压小于400伏。因此，RESS 104的总容量可能受到损害，并且电池组P1和P2之间可能存在不期望的电压差。当电池组P1和P2被重新配置为并联时，电池组之间的电压差可能导致从具有较高电压的电池组到具有较低电压的电池组的大量涌入电流，以及开关SWP1和SWP2的电弧放电。
为了解决这些问题，通过充电穿梭方案来实现电池组平衡，以在并行重新配置之前使电池组P1和P2的电压等效。此外，电池组平衡是在电池组P1和P2保持串联配置时完成的。此外，电池组平衡可能会在整个DCFC或DCFC终止后被持续调用。进一步参考图4A、4B、5A、5B、6A、6B、7A和7B，功率逆变器110和定子绕组123提供开关模式功率转换器的功率部件，用于在电池组P1和P2之间穿梭充电。开关SWM联接在中点节点310和定子绕组123之间。图4A示出了一实施例，其中开关SWM位于中点节点310和定子绕组123的中性点N之间。图5A、6A和7A示出了实施例，其中开关SWM位于中点节点310和定子绕组123的相绕组LA、LB或LC之一的相端子之间。应当理解，为了清楚起见，图4A、5A、6A和7A中的功率逆变器110以简化形式示出，包括固态开关S1-S6。图4B、5B、6B和7B是分别对应于图4A、5A、6A和7A的简化等效电路图。马达控制器105可以控制到逆变器固态开关S1-S6的导通命令254，如本文进一步描述的。在操作中，通过开关SWM和逆变器固态开关S1-S6的各种组合的受控操作，定子绕组123的相绕组LA、LB和LC在各种配置中被用于存储来自电池组P1和P2之一的能量，并将存储的能量释放到电池组P1和P2中的另一个中，从而穿梭充电并平衡电池组P1和P2。
特别参考图4A和4B中示出的实施例和这里对应的表1，应当理解，可以通过闭合的SWM开关和闭合的逆变器固态开关S1-S6的组合来建立各种等效电感(LEQ)。逆变器固态开关S1、S3和S5被指定为上部开关，因为它们联接在正DC母线218和相应的相极A、B和C以及定子绕组123的相绕组LA、LB和LC之间。逆变器固态开关S4、S6和S2被指定为下部开关，因为它们联接在负DC母线222和相应的相极A、B和C以及定子绕组123的相绕组LA、LB和LC之间。随着SWM开关闭合以将中点节点310联接到定子绕组123的公共中性点N，如图4A所示，逆变器110的上部和下部开关可以以预定的组合被控制，以实现各种等效电感LEQ和充电穿梭目标。这里的表1对应于图4A和4B，其中上部开关S1、S3和S5可以被指定为SU，而下部开关S4、S6和S2可以被指定为SL。上部开关S1、S3和S5的各种组合可以被指定为SU状态，下部开关S4、S6和S2的各种组合可以被指定为SL状态。从图4B和表1中，其中0表示断开的开关，1表示闭合的开关，可以理解，上部开关S1、S3和S5中的任何一个或多个的闭合将建立通过电池组P1和相应等效电感LEQ的电流路径。类似地，下部开关S4、S6和S2中的任何一个或多个的闭合将建立通过电池组P2和相应的等效电感LEQ的电流路径。当上部开关S1、S3或S5中只有一个闭合时(SU状态I、II或III)，LEQ主要与对应于联接到闭合的上部开关S1、S3或S5的相应相极A、B或C的相绕组LA、LB或LC的电感相关。类似地，当下部开关S4、S6或S2中只有一个闭合时(SL状态I、II或III)，LEQ主要与对应于联接到闭合的上部开关S1、S3或S5的相应相极A、B或C的相绕组LA、LB或LC的电感相关。当上部开关S1、S3和S5中的两个闭合时(SU状态IV、V或VI)，LEQ主要与对应于联接到S1、S3和S5的两个闭合的上部开关的A、B和C的相应两相极的LA、LB和LC的两相绕组的并联组合电感相关。类似地，当两个下部开关S4、S6和S2闭合时(SL状态IV、V或VI)，LEQ主要与对应于联接到S4、S6和S2的两个闭合的下部开关的A、B和C的相应两相极的LA、LB和LC的两相绕组的并联组合电感相关。当所有上部开关S1、S3和S5闭合时(SU状态VII)，LEQ主要与所有相绕组LA、LB和LC的并联组合电感相关。类似地，当所有下部开关S4、S6和S2闭合时(SL状态VII)，LEQ主要与所有相绕组LA、LB和LC的并联组合电感相关。在表1中仅示出了导通的SU和SL状态，但是应当理解，非导通的断开SU状态对应于所有上部开关S1、S3和S5断开，非导通的断开SL状态对应于所有下部开关S4、S6和S2断开。
表1
具体参考图5A和5B中所示的实施例和本文中对应的表2，应当理解，可以通过闭合的SWM开关和闭合的逆变器固态开关S1-S6的组合来建立各种等效电感(LEQ)。逆变器固态开关S1、S3和S5被指定为上部开关，因为它们联接在正DC母线218和相应的相极A、B和C以及定子绕组123的相绕组LA、LB和LC之间。逆变器固态开关S4、S6和S2被指定为下部开关，因为它们联接在负DC母线222和相应的相极A、B和C以及定子绕组123的相绕组LA、LB和LC之间。随着开关SWM闭合以将中点节点310联接到定子绕组123的相极A和相绕组LA的相端子，如图5A所示，逆变器110的上部和下部开关可以以预定的组合被控制，以实现各种等效电感LEQ和充电穿梭目标。这里的表2对应于图5B，其中上部开关S1、S3和S5可以被指定为SU，而下部开关S4、S6和S2可以被指定为SL。上部开关S1、S3和S5的各种组合可以被指定为SU状态，下部开关S4、S6和S2的各种组合可以被指定为SL状态。从图5B和表2中，其中0表示断开的开关，1表示闭合的开关，可以理解，相脚A(PLA)的上部和下部开关S1和S4保持断开，并且上部开关S3和S5中的一个或两个的闭合将建立通过电池组P1和相应的等效电感LEQ的电流路径。类似地，下部开关S6和S2中的一个或两个的闭合将建立通过电池组P2和相应的等效电感LEQ的电流路径。当上部开关S3或S5中只有一个闭合时(SU状态I或II)，LEQ主要与相绕组LA和对应于联接到闭合的上部开关S3或S5的相应相极B或C的相绕组LC或LB之一的串联组合电感相关。类似地，当下部开关S6或S2中只有一个闭合时(SL状态I或II)，LEQ主要与相绕组LA和对应于联接到闭合的下部开关S6或S2的相应相极B或C的相绕组LC或LB之一的串联组合电感相关。当上部开关S3和S5都闭合时(SU状态III)，LEQ主要与相绕组LA同两相绕组LB和LC的并联组合电感的的串联组合电感相关。类似地，当下部开关S6和S2都闭合时(SL状态III)，LEQ主要与相绕组LA同两相绕组LB和LC的并联组合电感的的串联组合电感相关。在表2中仅示出了导通的SU和SL状态，但是应当理解，非导通的断开SU状态对应于所有上部开关S1、S3和S5断开，非导通的断开SL状态对应于所有下部开关S4、S6和S2断开。
表2
具体参考图6A和6B中示出的实施例和这里对应的表3，应当理解，可以通过闭合的SWM开关和闭合的逆变器固态开关S1-S6的组合来建立各种等效电感(LEQ)。逆变器固态开关S1、S3和S5被指定为上部开关，因为它们联接在正DC母线218和相应的相极A、B和C以及定子绕组123的相绕组LA、LB和LC之间。逆变器固态开关S4、S6和S2被指定为下部开关，因为它们联接在负DC母线222和相应的相极A、B和C以及定子绕组123的相绕组LA、LB和LC之间。随着开关SWM闭合以将中点节点310联接到相极B和定子绕组123的相绕组LB的相端子，如图6A所示，逆变器110的上部和下部开关可以以预定的组合被控制，以实现各种等效电感LEQ和充电穿梭目标。这里的表3对应于图6B，其中上部开关S1、S3和S5可以被指定为SU，而下部开关S4、S6和S2可以被指定为SL。上部开关S1、S3和S5的各种组合可以被指定为SU状态，下部开关S4、S6和S2的各种组合可以被指定为SL状态。从图6B和表3中，其中0表示断开的开关，1表示闭合的开关，可以理解，相脚B(PLB)的上部和下部开关S3和S6保持断开，并且上部开关S1和S5中的一个或两个的闭合将建立通过电池组P1和相应的等效电感LEQ的电流路径。类似地，下部开关S4和S2中的一个或两个的闭合将建立通过电池组P2和相应的等效电感LEQ的电流路径。当上部开关S1或S5中只有一个闭合时(SU状态I或II)，LEQ主要与相绕组LB和对应于联接到闭合的上部开关S1或S5的相应相极A或C的相绕组LA或LC之一的串联组合电感相关。类似地，当下部开关S4或S2中只有一个闭合时(SL状态I或II)，LEQ主要与相绕组LB和对应于联接到闭合的下部开关S4或S2的相应相极A或C的相绕组LA或LC之一的串联组合电感相关。当上部开关S1和S5都闭合时(SU状态III)，LEQ主要与相绕组LB同两相绕组LA和LC的并联组合电感的串联组合电感相关。类似地，当下部开关S4和S2都闭合时(SL状态III)，LEQ主要与相绕组LB同两相绕组LA和LC的并联组合电感的串联组合电感相关。在表1中仅示出了导通的SU和SL状态，但是应当理解，非导通的断开SU状态对应于所有上部开关S1、S3和S5断开，非导通的断开SL状态对应于所有下部开关S4、S6和S2断开。
表3
具体参考图7A和7B中所示的实施例和本文中对应的表4，应当理解，可以通过闭合的SWM开关和闭合的逆变器固态开关S1-S6的组合来建立各种等效电感(LEQ)。逆变器固态开关S1、S3和S5被指定为上部开关，因为它们联接在正DC母线218和相应的相极A、B和C以及定子绕组123的相绕组LA、LB和LC之间。逆变器固态开关S4、S6和S2被指定为下部开关，因为它们联接在负DC母线222和相应的相极A、B和C以及定子绕组123的相绕组LA、LB和LC之间。随着开关SWM闭合以将中点节点310联接到相极C和定子绕组123的相绕组LC的相端子，如图7A所示，逆变器110的上部和下部开关可以以预定的组合被控制，以实现各种等效电感LEQ和充电穿梭目标。这里的表4对应于图7B，其中上部开关S1、S3和S5可以被指定为SU，而下部开关S4、S6和S2可以被指定为SL。上部开关S1、S3和S5的各种组合可以被指定为SU状态，下部开关S4、S6和S2的各种组合可以被指定为SL状态。从图7B和表4中，其中0表示断开的开关，1表示闭合的开关，可以理解，相脚C(PLC)的上部和下部开关S5和S2保持断开，并且上部开关S1和S3中的一个或两个的闭合将建立通过电池组P1和相应的等效电感LEQ的电流路径。类似地，下部开关S4和S6中的一个或两个的闭合将建立通过电池组P2和相应的等效电感LEQ的电流路径。当上部开关S1或S3中只有一个闭合时(SU状态I或II)，LEQ主要与相绕组LC和对应于联接到闭合的上部开关S1或S3的相应相极A或B的相绕组LA或LB之一的串联组合电感相关。类似地，当下部开关S4或S6中只有一个闭合时(SL状态I或II)，LEQ主要与相绕组LC和对应于联接到闭合的下部开关S4或S6的相应相极A或B的相绕组LA或LB之一的串联组合电感相关。当上部开关S1和S3都闭合时(SU状态III)，LEQ主要与相绕组LC同两相绕组LA和LB的并联组合电感的串联组合电感相关。类似地，当下部开关S4和S6都闭合时(SL状态III)，LEQ主要与相绕组LC同两相绕组LA和LB的并联组合电感的串联组合电感相关。在表1中仅示出了导通的SU和SL状态，但是应当理解，非导通的断开SU状态对应于所有上部开关S1、S3和S5断开，非导通的断开SL状态对应于所有下部开关S4、S6和S2断开。
表4
在操作中，每个实施例可以有效地将电荷从电池组P1和P2中的一个传送到电池组P1和P2中的另一个，从而根据平衡SOC或平衡电压的目标来平衡电池组P1和P2。从电池组P1到电池组P2的穿梭充电可以包括闭合开关SWM，随后在逆变器固态开关S1-S6发出导通命令，以实现闭合的SU状态，这闭合了电池组P1和相应的等效电感LEQ之间的电路，从而给LEQ充电或通电。然后，在建立互补的SL状态之前，由导通命令在某个有限的停滞时间内建立断开的SU状态，以防止正DC母线218和负DC母线222短路。短的停滞时间可以被认为是闭合的SU状态持续时间的一部分。借助于与互补SL状态的下部开关相关联的反并联二极管，通过LEQ的电流可以在停滞时间期间继续，直到发出建立互补闭合SL状态的导通命令，该互补闭合SL状态闭合电池组P2和相应的等效电感LEQ之间的电路，从而使LEQ放电并将存储在LEQ中的能量转移到电池组P2。然后，在建立随后的SU状态以开始另一个LEQ充电事件从而开始通过定子绕组123的另一个能量存储和释放循环之前，由导通命令在某个有限的停滞时间内建立断开SL状态，以防止正DC母线218和负DC母线222短路。短停滞时间可以被认为是闭合SL状态持续时间的一部分。上述方式的操作采用较低的开关作为放电LEQ中的同步整流器。然而，应当理解，放电LEQ可以仅通过与下部开关相关联的反并联二极管来实现。应当理解，从电池组P2到电池组P1的穿梭充电可以类似地通过闭合SL状态来实现，该闭合SL状态闭合电池组P2和相应的等效电感LEQ之间的电路，从而对等效电感LEQ充电，随后建立互补闭合SU状态，该闭合SU状态闭合电池组P1和相应的等效电感LEQ之间的电路，从而将存储在LEQ的能量转移到电池组P1。
PWM控制可用于根据预定频率和相应的开关周期(Ts)来控制导通命令。在这里用于从电池组P1到电池组P2穿梭充电的示例中，PWM控制的占空比(D)对应于SU的接通时间(即，闭合SU状态)，Ts的剩余部分(即，(1-D)Ts)对应于SU的断开时间(即，断开SU状态)。通过在周期Ts内改变占空比D，可以控制电池组P2的输出电压，并且可以控制开关模式功率转换器处于连续导通模式(CCM)或不连续导通模式(DCM)。这里的表5示出了在此描述的PWM控制的相对顺序。在表5中，停滞时间可以标记为DT。
表5–PWM
在一个实施例中，参考图4A和4B以及表1，SU状态可以是状态VII，其中通过同步导通命令，上部开关导通是同步的或同时的。在一个实施例中，SL状态是状态VII，其中上部开关导通是同步或同时的。功率逆变器的这种PWM控制在这里可以称为同步脉宽调制控制。有利的是，可用的SU状态和互补的SL状态包括状态I、II和III，其中每个状态的LEQ基本上等效于其他状态(即LA＝LB＝LC),并且它们的状态完全独立并且不共享公共的上部或下部开关闭合。因此，状态I、II和III中的任何两个或所有三个可以通过相移PWM导通命令交替或交错。这种交错操作可以减少通过定子绕组123和通过电池组P1和P2的纹波电流。功率逆变器的这种PWM控制在这里可以称为交错脉宽调制控制。
在一个实施例中，参考图5A和5B以及表2，SU状态可以是状态III，其中通过同步导通命令，上部开关导通是同步的或同时的。在一个实施例中，SL状态是状态VII，其中上部开关S3和S5的导通是同步或同时的。功率逆变器的这种PWM控制在这里可以称为同步脉宽调制控制。有利地，可用的SU状态和互补的SL状态包括状态I和II，其中每个状态的LEQ基本上等效于其他状态(即LA+LB＝LA+LC),并且它们的状态完全独立并且不共享公共的上部或下部开关闭合。因此，状态I和II中的每一个可以通过相移PWM导通命令交替或交错。这种交错操作可以减少通过定子绕组123和通过电池组P1和P2的纹波电流。图6A、图6B和表3以及图7A、图7B和表4的实施例类似于图4A、图4B和表1的实施例，其中相应的SU状态可以是状态III，其中上部开关导通通过同步导通命令同步或同时，相应的SL状态可以是状态III，其中下部开关导通通过同步导通命令同步或同时，并且状态I和II可以通过相移PWM导通命令交错。
图8中阐述了通过控制如在此描述的系统来平衡电动车辆100中的一对电池组的示例性方法。图8表示流程图例程800中的多个任务，这些任务可以至少部分地通过控制系统208来执行，控制系统208包括一个或多个ECU，例如结合图1和图2描述的车辆控制器103、马达控制器105和电池管理器模块114。图8的至少一些任务可以用存储在一个或多个ECU的非易失性存储器中的计算机可读代码或指令集来实现。在本示例中，车辆100可具有包括一对400伏电池组P1和P2的RESS 104，该一对400伏电池组可在800伏下串联配置用于推进和DCFC，或者在400伏下并联配置用于推进和在800伏下串联配置用于DCFC。从803处开始，车辆操作者可将车辆100带入邻近800伏DCFC充电站的充电间，并控制车辆100停止。可以在809处执行诊断检查，以在进一步进行之前检查失败的故障。失败的故障将导致例程在810处退出。在809处检查的故障可以包括例如与车辆的高压系统和车辆的任何低压系统的适当隔离相关的隔离故障。在没有失败故障的情况下，例程800将继续到811。在811处，例程800可以验证适当的充电端口连接，包括验证车辆100和充电站之间经由充电端口连接的握手和通信。直到在811处充电端口连接被验证，例程在809处继续诊断检查，如上所述。当在811处验证充电端口连接时，例程800继续到813，在813处，如果需要，控制系统208串联配置电池组P1和P2。如果RESS 104配置有用于推进的串联电池组P1和P2，则可能不需要该任务。接下来，在815处，可检查车辆100上或充电站处的链路或大容量电容器的适当预充电电压电平，并在需要时预充电。在816处，可根据车辆充电控制来执行DCFC充电，该车辆充电控制包括根据包括SOC、DOD、SOH等的监控的RESS 104指标建立的RESS要求。例程800继续至817，在817处，在正在进行的DCFC充电循环期间，可周期性地确定是否执行电池组平衡。例如，电池组P1和P2的容量不匹配可能导致电池组P1和P2中的一个达到充电接受限制条件，例如在RESS的总容量达到目标或达到充电电压极限之前达到DCFC SOC目标(例如，80％)。在这种情况下，在818处，在DCFC充电循环期间暂停充电并对电池组P1和P2执行平衡例程可能是有利的。818处的电池组P1和P2的平衡根据如本文详细描述的合适的硬件和控制配置来执行。作为818处平衡例程的一部分，与功率逆变器110和马达120相关的附加诊断(例如，短路、开路、电流、电压和温度限制等。)可以被执行，并且当发现失败的故障时，可以退出平衡例程。在818处平衡电池组P1和P2之后(或者由于失败的故障退出)，例程800返回到819，在此确定DCFC是否完成。例如，包括SOC、DOD、SOH和其他的各种RESS度量可以指示已经达到DCFC充电目标或极限(例如，总计RESS SOC),指示DCFC充电循环的终止。当DCFC充电未完成时，例程800返回到816以继续DCFC充电循环。当DCFC充电完成时，例程继续至821，在此处可确定是否执行电池组平衡。例如，在819处确定的DCFC充电循环结束之后，在818处，电池组P1和P2可以经历最终平衡，以获得单独的电池组电压，其差异不会在电池组重新配置成并联时出现开关接触器(例如，SWP1和SWP2)的电弧放电和损坏。当DCFC充电完成(819)并且电池组P1和P2不需要进一步平衡(821)时，例程800继续至822，在那里控制系统208可在需要时并联配置电池组P1和P2。如果RESS 104配置有用于推进的串联电池组P1和P2，则可能不需要该任务。在822处的任何重新配置之后，例程800在823处结束。
这里使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例，而不是为了限制。如这里所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。还将理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件组件和/或其组合的存在或添加。
无论是否明确指出，本文中的所有数值都被假定为由术语“大约”修饰。为了本公开的目的，范围可以表示为从“大约”一个特定值到“大约”另一个特定值。术语“大约”通常是指一数值范围，本领域技术人员会认为该数值范围等效于所述数值，具有相同的功能或结果，或者通常合理地在所述数值的制造公差内。类似地，本文中阐述的数值是作为非限制性示例，并且可以是标称值，应当理解，实际值可以根据环境、设计和制造公差、年龄和其他因素而不同于标称值。
除非明确描述为“直接的”，否则当在以上公开中描述第一和第二元件之间的关系时，该关系可以是第一和第二元件之间不存在其他介入元件的直接关系，但是也可以是第一和第二元件之间存在一个或多个介入元件(空间上或功能上)的间接关系。
在不改变本公开的原理的情况下，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时)执行。此外，虽然每个实施例在上面被描述为具有某些特征，但是关于本公开的任何实施例描述的那些特征中的任何一个或多个可以在任何其他实施例的特征中实现和/或与任何其他实施例的特征组合，即使该组合没有被明确描述。换句话说，所描述的实施例不是互斥的，并且一个或多个实施例彼此的置换仍在本公开的范围内。
虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且等效物可以替代其元件。此外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于在一对串联连接的电池之间传递电能的方法，所述一对串联连接的电池联接在功率逆变器的正和负DC母线之间，所述功率逆变器可操作地连接到马达的定子绕组的多个定子相绕组，所述方法包括:
将该一对串联连接的电池的中点联接到马达的定子绕组；和
控制所述功率逆变器以将所述功率逆变器和所述定子绕组作为开关模式功率转换器来操作，以从所述一对串联连接的电池中的一个对所述定子相绕组中的至少一个进行充电，并且将所述定子相绕组中的至少一个放电到所述一对串联连接的电池中的另一个。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法在DC快速充电循环期间周期性地执行。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法在DC快速充电循环完成时执行。
4.根据权利要求1所述的方法，其中将所述一对串联连接的电池的中点联接到所述马达的定子绕组包括闭合所述一对串联连接的电池的中点和所述定子相绕组的中性端子之间的开关。
5.根据权利要求1所述的方法，其中将所述一对串联连接的电池的中点联接到所述马达的定子绕组包括闭合所述一对串联连接的电池的中点和所述定子相绕组之一的相应相端子之间的开关。
6.根据权利要求4所述的方法，其中控制所述功率逆变器以将所述功率逆变器和所述定子绕组作为开关模式功率转换器来操作包括所述功率逆变器的同步脉宽调制控制。
7.根据权利要求4所述的方法，其中控制所述功率逆变器以将所述功率逆变器和所述定子绕组作为开关模式功率转换器来操作包括所述功率逆变器的交错脉宽调制控制。
8.根据权利要求5所述的方法，其中控制所述功率逆变器以将所述功率逆变器和所述定子绕组作为开关模式功率转换器来操作包括所述功率逆变器的同步脉宽调制控制。
9.根据权利要求5所述的方法，其中控制所述功率逆变器以将所述功率逆变器和所述定子绕组作为开关模式功率转换器来操作包括所述功率逆变器的交错脉宽调制控制。
10.一种用于在一对电池之间穿梭充电的装置，包括:
串联配置的该一对电池；
马达，该马达包括定子绕组，该定子绕组具有共同联接在中性端子处的多个定子相绕组，并且具有各自的相端子；
功率逆变器，该功率逆变器具有联接在正和负DC母线之间的多个相脚，正和负DC母线联接在串联配置的一对电池两端，并且每个相脚包括相应的上部和下部固态开关，其间的相应相极联接到相应一个定子相绕组的其相应相端子处；
串联配置的该一对电池的中点节点和定子绕组之间的开关；和
控制器:
操作开关闭合以将串联配置的一对电池的中点节点联接到多个定子相绕组中的至少一个相绕组；和
控制功率逆变器的相脚的导通，以将功率逆变器和定子绕组作为开关模式功率转换器来操作，该开关模式功率转换器包括至少一个定子相绕组和至少一个相脚的上部和下部固态开关之一。
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