WO2023231491A1 - 一种动力电池充电切换系统、动力车辆 - Google Patents

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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present disclosure provides a power vehicle, including a power battery charging switching system as described in any one of the above.
  • Figure 2 is a schematic structural diagram of a power battery charging switching system provided by an embodiment of the present disclosure
  • the battery control module 7 is used to control the DC conversion module 2 to convert the voltage of the power bus SS into the first charging voltage of the battery module 1 based on the first battery information, and based on the first battery The information controls the first switch 3 to be turned on and off.
  • the first switch 3 is turned on, and the power bus SS passes through the DC conversion module 2 to connect the first battery unit 11 and the second
  • the battery cells 12 connected in series form a total package of battery modules 1 that are charged.
  • the first switch 3 and the second switch 4 may be, but are not limited to: single-pole single-throw switches, relays, circuit breakers, contactors, and the like.
  • the first switch 3 and the second switch 4 are reverse linkage switches. When the first switch 3 is closed, the second switch 4 is opened, and vice versa.
  • the DC conversion module 2 can output voltages of two different formats. In order to avoid the impact of the DC conversion module 2 on the second battery unit 12 when switching, a reverse linkage switch is used to avoid control failure, and the DC conversion module 2 can be realized. The interlocking between the conversion module 2 and the battery improves the battery life.

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

一种动力电池充电切换系统、动力车辆，其中，系统包括电池控制模块（7）以及与电池控制模块（7）通讯连接的：电池模块（1），包括串联设置的第一电池单元（11）和第二电池单元（12）；直流变换模块（2），直流变换模块（2）与电源母线（SS）连接；第一开关（3）和第二开关（4），直流变换模块（2）通过第一开关（3）与电池模块（1）的总正端电连接，直流变换模块（2）通过第二开关（4）与第二电池单元（12）的输入端电连接。

Description

一种动力电池充电切换系统、动力车辆
相关申请的交叉引用
本公开要求于2022年05月31日提交的申请号为202221349697.X，名称为“一种动力电池充电切换系统、动力车辆”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本公开中。
技术领域
本公开一般涉及车辆技术领域，具体涉及一种动力电池充电切换系统、动力车辆。
背景技术
牵引供电系统是城市轨道交通的重要组成部分，在前期设计建设、后期运营中虽然保证了足够的安全性和可靠性，但仍不可避免的因供电系统故障、弓网故障、自然灾害等因素，引起城轨车辆供电短时中断或长时间瘫痪问题，继而造成线路停运、区间疏散，特别是对于隧道运行线路来说，对线路正常运营、人员及时疏散造成较大影响。
相关技术中，车辆应急电池包起到在应急工况下为车辆提供应急供电的作用，然而，在不同应急工况下，供电需求是不同的，然而现有的应急电池包一般采用的方式是电池包进行整体充电及放电。
另外，应急电池包在应用过程中不可避免的存在使用差异，导致电池包内部电量情况的不均衡，因此，在为电池包充电时会产生电池单元的电压不均衡情况，例如整组电池内部，部分电池单元的电压还未达到充满条件、但是另一部分电池单元的电压已经达到满充电压时，此时对整组电池继续进行充电，会造成这些已达到满充电压的电池单元过充，极易使其损坏，甚至引发充电安全事故。
公开内容
鉴于相关技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种动力电池充电切换系统、动力车辆，可以根据电池的用电情况对电池进行充电。
第一方面，本公开提供了一种动力电池充电切换系统，包括电池控制模块以及与所述电池控制模块通讯连接的：
电池模块，包括串联设置的第一电池单元和第二电池单元；
直流变换模块，所述直流变换模块与电源母线连接；
第一开关和第二开关；
其中，所述直流变换模块通过第一开关与所述电池模块的总正端电连接，所述直流变换模块通过所述第二开关与所述第二电池单元的输入端电连接。
可选地，所述电池模块包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器与所述第一电池单元和所述电池控制模块通讯连接，所述第二传感器与所述第二电池单元和所述电池控制模块通讯连接。
可选地，所述第一开关和所述第二开关为反向联动开关。
可选地，所述电池模块的总正端和总负端用于向整车高压负载提供第一运行电压，所述第二电池单元的输入端和输出端用于向整车低压负载提供第二运行电压。
可选地，所述电池控制模块用于基于所述第一电池信息控制所述直流变换模块将所述电源母线的电压转换为电池模块的第一充电电压，以及基于所述第一电池信息控制第一开关导通和断开。
可选地，所述电池控制模块用于基于所述第二电池信息控制所述直流变换模块将所述电源母线的电压转换为电池模块的第二充电电压，以及基于所述第二电池信息控制第二开关导通和断开。
可选地，所述直流变换模块包括变压器，所述变压器包括原边绕组和次边绕组，所述原边绕组与所述电源母线电连接，所述次边绕组与所述第一开关和所述第二开关电连接。
可选地，所述直流变换模块包括全桥单元，所述原边绕组通过所述全桥单元与所述电源母线电连接。
可选地，所述次边绕组包括第一端、第二端以及位于第一端和第二端中间的抽头，所述次边绕组的第一端电连接第一二极管的正极，所述次边绕组的第二端电连接第二二极管的正极，所述第一二极管的负极和第二二极管的负极电连接后与所述第一开关和所述第二开关电连接；所述次边绕组的抽头与电池模块的总负端连接。
第二方面，本公开提供了一种动力车辆，包括如以上任一所述的动力电池充电切换系统。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本公开中提供的动力电池充电切换系统，可以根据电池单元的电量使用情况对电池包进行整体充电或者对于电池单元进行单独充电，并通过直流变换单元提供独立的充电电流，可以使得电池单元在充电时既不会受到另一电池单元或者电池模块的影响，也不会去影响到其他电池单元或者电池模块，避免了电池模块因其中的电池单元或者电池模块出现过充电或过放电而缩短工作寿命的现象。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本公开的实施例提供的一种动力电池充电切换系统的结构示意图；
图2为本公开的实施例提供的一种动力电池充电切换系统的结构示意图；
图3为本公开的实施例提供的一种动力电池充电切换系统的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
请详见图1，本公开提供了一种动力电池充电切换系统，包括电池控制模块7以及与所述电池控制模块7通讯连接的：
电池模块1，包括串联设置的第一电池单元11和第二电池单元12；
直流变换模块2，所述直流变换模块2与电源母线SS连接；
第一开关3和第二开关4，所述直流变换模块2通过第一开关3与所述电池模块1的总正端电连接，所述直流变换模块2通过所述第二开关4与所述第二电池单元12的输入端电连接。
本公开中提供的动力电池充电切换系统，可以根据电池单元的电量使用情况对电池包进行整体充电或者对于电池单元进行单独充电，并通过直流变换单元提供独立的充电电流，可以使得电池单元在充电时既不会受到另一电池单元或者电池模块1的影响，也不会去影响到其他电池单元或者电池模块1，避免了电池模块1因其中的电池单元或者电池模块1出现过充电或过放电而缩短工作寿命的现象。
在本公开实施例中，所述电池模块1的总正端和总负端用于向整车高压负载Lv1提供第一运行电压，所述第二电池单元12的输入端和输出端用于向整车低压负载Lv2提供第二运行电压。
其中，所述电池控制模块7用于控制所述第一开关3导通与断开所述直流变换模块2与所述电池模块1的总正端的电连接；以及用于控制所述第二开关4导通与断开所述直流变换模块2与所述第二电池单元12的输入端的电连接。在本公开实施例中，电池控制模块7可以为电池管理系统(Battery Management System，BMS)。
所述电池模块1包括第一传感器5和第二传感器6，所述第一传感器5与所述第一电池单元11和所述电池控制模块7通讯连接，所述第二传感器6与所述第二电池单元12和所述电池控制模块7通讯连接。
在本公开实施例中，所述第一传感器5和所述第二传感器6与所述电池控制模块7通讯连接，所述电池控制模块7用于基于所述第一电池信息和所述第二电池信息对所述第一开关3、所述第二开关4和所述直流变换模块2进行控制。通过传感器可以对电池充电过程和电池放电过程进行监测，采用不同的放电策略或者充电策略，防止电池过充已经电池过放电而缩短工作寿命的现象。
本公开实施例中，电池模块1的总包为高压负载Lv1提供应急供电，即，第一电池单元11和第二电池单元12串联后为高压负载Lv1提供应急供电。另外，第二电池单元12可以单独为低压负载Lv2提供应急供电。
本公开的一个实施例中，如图2所示，通过将电池模块1形成两种不同的电压制式，电池总包可以通过第三开关8为整车上的高压负载Lv1供电，第二电池单元12可以为通过第四开关9为整车上的低压负载Lv2供电，可以适用不同应急场景，满足不同的供电需求。通过电池整包为高压负载Lv1供电，可以实现整包电池上的能量转移，提高电池利用率。
可以理解的是，在本公开实施例中，第一电池单元11的第二端02和第二电池单元12的第一端01电连接，示例性的描述为第二电池单元12单独为低压负载Lv2提供应急供电，在其他实施例中，第一电池单元11和第二电池单元12可以互换，第二电池单元12的第二端02和第一电池单元11的第一端01电连接，本公开并不限制。
需要说明的是，在本公开实施例中，示例性地传感器的类型采用电流霍尔传感器，并将传感器整合到了电池单元内部。本公开不限制传感器的类型和设置方式，在其他实施例中，传感器可以用于采集电压等其他电池信息，传感器的位置可以设置在电芯位置、电池组内部、电池组外部，无论哪种方式的设置，均属于本公开的保护范围。
所述第一电池单元11的荷电状态SOCA：
SOCA＝(Cap1A-∫I2*dt)/Cap0A
Cap0A为电池包第一电池单元11满电时可用的总剩余容量。Cap1A为电池包第一电池单元11此时刻的剩余容量。
所述第二电池单元12的荷电状态SOCB：
SOCB＝(Cap1B-∫I1*dt)/Cap0B
Cap0B为电池包第二电池单元12满电时可用的总剩余容量。Cap1B为电池包第二电池单元12此时刻的剩余容量。
本公开实施例中提到的电池单元的电量用荷电状态SOC表征，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的电池所具有的电量与电池完全充电状态时具有的电量的比值，取值范围为0～1，当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝1时表示电池完全充满。
在本公开实施例中，通过第一开关3和第二开关4形成两条充电支路，以电源母线SS、直流变换单元、第一开关3、第一电池单元11和第二电池单元12形成的第一充电支路，以电源母线SS、直流变换单元、第二开关4和第二电池单元12形成的第二充电支路。
其中，所述电池控制模块7用于基于所述第一电池信息控制所述直流变换模块2将所述电源母线SS的电压转换为电池模块1的第一充电电压，以及基于所述第一电池信息控制第一开关3导通和断开。
所述电池控制模块7用于基于所述第二电池信息控制所述直流变换模 块2将所述电源母线SS的电压转换为电池模块1的第二充电电压，以及基于所述第二电池信息控制第二开关4导通和断开。
在具体工作时，当所述第一电池单元11的电量低于第一预设值时，导通第一开关3，所述电源母线SS经直流变换模块2为第一电池单元11和第二电池单元12串联形成的电池模块1的总包充电。
当所述第一电池单元11的电量不低于第一预设值且第二电池单元12的电量低于第二预设值时，导通第二开关4，所述电源母线SS经所述直流变换模块2为所述第一电池单元11充电。
需要说明的是，当导通第一开关3对于电池模块1的总包进行充电时，当第一传感器5采集到的第一电池信息表明第一电池单元11充满，而第二传感器6采集到的第二电池信息表明第二电池单元12未充满时。电池控制模块7控制第一开关3关闭，第二开关4导通，控制直流变化模块继续为第二电池单元12充电，实现电量的均衡。另外需要说明的是，本公开实施例中，对于第一预设值和第二预设值并不限定，在不同的应用场景中，可以根据需求进行设置。
在本公开实施例中，第一开关3和第二开关4可以是，但不限于：单刀单掷开关、继电器、断路器、接触器等等。优选地，所述第一开关3和所述第二开关4为反向联动开关。在第一开关3闭合时，第二开关4断开，反之同理。本公开实施例中，通过直流变换模块2可以输出两种不同制式的电压，为避免直流变换模块2在切换时对于第二电池单元12的冲击，通过反向联动开关避免控制失效，可以实现直流变换模块2与电池之间的互锁，提高电池使用寿命。
在本公开的一个实施例中，所述直流变换模块2用于将所述电源母线SS的电压转换为电池模块1的第一充电电压或第二电池单元12的第二充电电压。如图3所示，所述直流变换模块2包括变压器21，所述变压器21包括原边绕组W1和次边绕组W2，所述原边绕组W1与所述电源母线SS电连接，所述次边绕组W2与所述第一开关3和所述第二开关4电连接。
所述直流变换模块2包括全桥单元22，所述原边绕组W1通过所述全桥单元22与所述电源母线SS电连接。电源母线SS上连接的外接充电电源可以是交流电源，也可以是直流电源、DC-AC、AC-DC电源等。
在本公开的实施例中，通过电池控制模块7控制全桥单元22产生 PWM(脉冲宽度调制)驱动信号，以匹配不同充电支路上电流单元的SOC。在本公开实施例中，第一充电支路上对于直流变换模块中PWM驱动信号的控制以第一电池单元的SOCA为基准，第二充电支路上对于直流变换模块中PWM驱动信号的控制以第二电池单元的SOCB为基准。
本公开中示例出了一种全桥单元22，包括晶体管Q1,Q2,Q3,Q4、二极管V1,V2,V3,V4、限流电感L1、电容器C1，其中所述的晶体管和二极管每一组反并联构成一个功率开关23，每两个功率开关23串联构成一个桥臂，两个桥臂并联构成一个功率开关23组4QS，功率开关23组4QS的输入端串联限流电感L1、输出端并联中间直流环节支撑电容器C1共同构成全桥单元22。
所述次边绕组W2包括第一端01、第二端02以及位于第一端01和第二端02中间的抽头00，所述次边绕组W2的第一端01电连接第一二极管VT1的正极，所述次边绕组W2的第二端02电连接第二二极管VT2的正极，所述第一二极管VT1的负极和第二二极管VT2的负极电连接后与所述第一开关3和所述第二开关4电连接；所述次边绕组W2的抽头00与电池模块1的总负端连接。
需要说明的是，本公开实施例中，通过直流变换模块2可以适应宽范围的直流电压，可以输出宽范围的不同电压等级的直流电压，也可以输入宽范围的不同电压等级的直流电源，还可以将宽范围变化的不恒压的直流能量回馈输入交流电网；具备直流升压、直流降压、直流稳压和直流恒流功能，适应于高直流电压、大直流电流和大容量等需求。
本公开实施例中原边绕组W1和次边绕组W2还可以包括其他均流、滤波、谐振、电抗、防护元件等，以实现其他辅助功能。例如，设置在所述直流变换模块2的直流输出母线侧的保险丝。但本公开实施例中并不限于此，在不同的实施例中根据应用场景的不同，可以采用现有中其他直流变换模块2以实现对于两个充电支路的充电电压变化需求。
可以理解的是，在为电池模块1或者第二电池单元12充电过程中，控制原边绕组W1上变流单元中有源开关的通断频率、调节辅助变流模块原边绕组W1电压，可以对于充电电流进行调整。
例如，首先对于电池进行限流充电过程，在这个阶段中充电时间非常短，利用电池的浮充特性使电池产生容性，并且对电池电压进行钳位；在 初始充电过程中为了防止产生过高的电流，选用初始充电限流电阻来进行限流，其初始充电限流大小可以根据电池初始充电电流大小来确定。在完成限流通电后，调整为恒功率充电模式，在这个阶段中利用直流变换模块2根据电池信息调整充电功率。
示例性地，本公开实施例中，电源母线SS上的电压可以为380V/50Hz、400V/50Hz或440V/60Hz的交流电，还可以为电压范围为DC1500V-3600V的直流电，电池模块1的电压为一般为500V～1000V，第二电池单元12的电压为110V/100V/48V/24V。在具体应用时，视应用场景或者车辆类型的不同，可以进行调整。本公开对此并不限制。
本公开还提供了一种动力车辆，包括如以上任一所述的动力电池充电切换系统。示例性的，动力车辆可以为电动汽车(EV)、插电式混合动力汽车(PHV)，还可以城市铁路、市郊铁路、地下铁道、轻轨电车、独轨交通、磁悬浮等城轨车辆。
应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元，并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本公开的示例实施例的范围。
应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
应当理解，在本文中若将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，在本文中若将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，表示不存在中间单元。另外，应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”，“相邻”对“直接相邻”等等)。
应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本公开的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在 包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时，指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性，并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
本公开已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本公开限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本公开的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本公开所要求保护的范围以内。

Claims (10)

  1. 一种动力电池充电切换系统，包括电池控制模块以及与所述电池控制模块通讯连接的：
    电池模块，包括串联设置的第一电池单元和第二电池单元；
    直流变换模块，所述直流变换模块与电源母线连接；
    第一开关和第二开关；
    其中，所述直流变换模块通过第一开关与所述电池模块的总正端电连接，所述直流变换模块通过所述第二开关与所述第二电池单元的输入端电连接。
  2. 根据权利要求1所述的动力电池充电切换系统，其中，所述电池模块包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器与所述第一电池单元和所述电池控制模块通讯连接，所述第二传感器与所述第二电池单元和所述电池控制模块通讯连接。
  3. 根据权利要求1所述的动力电池充电切换系统，其中，所述第一开关和所述第二开关为反向联动开关。
  4. 根据权利要求1所述的动力电池充电切换系统，其中，所述电池模块的总正端和总负端用于向整车高压负载提供第一运行电压，所述第二电池单元的输入端和输出端用于向整车低压负载提供第二运行电压。
  5. 根据权利要求2所述的动力电池充电切换系统，其中，所述电池控制模块用于基于第一电池信息控制所述直流变换模块将所述电源母线的电压转换为电池模块的第一充电电压，以及基于所述第一电池信息控制第一开关导通和断开。
  6. 根据权利要求2所述的动力电池充电切换系统，其中，所述电池控制模块用于基于第二电池信息控制所述直流变换模块将所述电源母线的电压转换为电池模块的第二充电电压，以及基于所述第二电池信息控制第二 开关导通和断开。
  7. 根据权利要求1所述的动力电池充电切换系统，其中，所述直流变换模块包括变压器，所述变压器包括原边绕组和次边绕组，所述原边绕组与所述电源母线电连接，所述次边绕组与所述第一开关和所述第二开关电连接。
  8. 根据权利要求7所述的动力电池充电切换系统，其中，所述直流变换模块还包括全桥单元，所述原边绕组通过所述全桥单元与所述电源母线电连接。
  9. 根据权利要求7所述的动力电池充电切换系统，其中，所述次边绕组包括第一端、第二端以及位于第一端和第二端中间的抽头，所述次边绕组的第一端电连接第一二极管的正极，所述次边绕组的第二端电连接第二二极管的正极，所述第一二极管的负极和第二二极管的负极电连接后与所述第一开关和所述第二开关电连接；所述次边绕组的抽头与电池模块的总负端连接。
  10. 一种动力车辆，包括如权利要求1-9任一所述的动力电池充电切换系统。
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