使用固态和接触器开关的用于可重新配置电池组的充电架构

摘要

本发明涉及一种电池系统，该电池系统包括：连接到正和负DC电压总线轨的第一电池组和第二电池组；连接在电池组之间的接触器开关；与接触器开关串联的固态开关；以及控制器。控制器确定开关的特征值，包括针对每个开关的相应温度、电压和电流值。控制器还使用特征值来检测接触器开关的预定电气故障状况，并响应于电气故障状况执行控制动作。控制动作包括打开半导体开关，从而中断第一电池组与第二电池组之间的电流流动。移动平台包括：连接到主体的车轮；被配置为向车轮提供动力并由此推进移动平台的旋转电机；以及电池组；开关；和控制器。

说明书

技术领域

本公开涉及一种用于电力传动系的串联充电架构，该电力传动系用于推进可再充电的移动平台，例如机动车辆。电力传动系通常包括由缠绕的定子和磁转子构成的一个或多个多相/交流（“AC”）旋转电机。定子绕组连接到功率逆变器的AC侧，而功率逆变器的直流（“DC”）侧连接到DC电压总线的正和负轨。当电机用作牵引马达时，功率逆变器的各个半导体开关的ON/OFF状态的开关控制生成适合于给定子绕组通电的电平的AC输出电压。顺序通电的定子绕组产生旋转磁场，该磁场最终与转子场相互作用，以产生机械旋转和马达输出转矩。

背景技术

DC电压总线电连接到电压源，该电压源在移动应用中通常被体现为多单元电池组。当前用于供电推进功能的电池组类型的额定电压持续增加，以满足对扩展电驱动范围的需求。电池充电基础设施和相关的充电方法同样在继续发展。例如，一些新兴的DC快速充电（“DCFC”）站能够提供800 V或更多的充电电压，而较旧的“传统”DCFC站可能够提供较低的充电电压，例如400 V。为适应各种可能的充电电压，某些电池系统利用多个电池组来代替单体电池。例如，某些电池系统的单个电池组可以在推进操作期间选择性地并联连接，并且在高压充电操作期间可以重新配置为串联连接，而这种电池系统配置的串联连接实现了更高的充电电压利用。

发明内容

本文中描述了一种电池系统，该电池系统被配置用于为移动平台上的旋转电机提供动力。该电池系统包括多组式电池组，该电池组连接到直流（“DC”）电压总线的正总线轨和负总线轨。开关控制电路具有多个电气开关，包括机械接触器开关，该机械接触器开关自动闭合以串联连接电池组，例如，从而使得能够经由DC快速充电（“DCFC”）站进行快速充电。当电池组并联操作时，接触器开关打开。

另外，电池系统包括体现为单向或双向半导体开关的固态开关。固态开关与接触器开关串联连接，并根据如下所述的方法进行控制。该方法的执行为电池系统提供了故障检测能力，并在电池组之间的串联连接路径中提供了开关冗余。因此，对固态开关的控制可在短路状况或过电流状况期间保护电池组，该短路状况可由于接触器开关的接触器引线的焊接而引起，该过电流状况如果不加以减弱则可导致此短路状况。

作为本控制方法的一部分，控制器执行体现该方法的指令。这允许控制器自动检测故障状况并快速中断电池组之间的电流，同时经由上述固态开关的操作实现两种控制动作。通过检测跨接触器开关的电压，本方法和相关的电路拓扑结构可用于在过电流状况期间先取得的不期望的接触器焊接。控制器使用这种检测到的电压来识别故障状况，并随后开始必要的保护措施，包括打开固态开关。

在说明性实施例中，电池系统包括：连接到正和负DC电压总线轨的第一电池组和第二电池组；连接在第一电池组与第二电池组之间的接触器开关；与接触器开关串联的固态开关，以及控制器。与接触器开关和固态开关通信的控制器被配置为确定接触器和固态开关中的每个的特征值，包括相应的温度、电压和电流值。控制器还被配置为使用特征值来检测接触器开关的电气故障状况，并响应于电气故障状况执行控制动作。控制动作包括打开半导体开关，从而中断第一电池组和第二电池组之间的电流流动。

固态开关可具有栅极端子以及第一电压端子和第二电压端子。固态开关的特征值可以包括栅极端子电压、栅极端子电流、跨电压端子的电压，以及通过固态开关的电流。

固态开关可包括温度传感器，该温度传感器被配置为测量固态开关的温度，该温度作为半导体开关的特征值的一部分。

固态开关的可能实施例包括硅、碳化硅、氮化镓或氧化镓开关。固态开关可以可选地配置为双向开关。

控制器可被配置为通过将跨接触器开关的电压与参考电压进行比较来检测电气故障状况。电气故障状况可以是短路或过电流状况。

电池组中的一个或两个可以经由功率逆变器模块连接到旋转电机。在此实施例中，控制器可以在打开半导体开关之后将转矩从旋转电机命令到从动负载。

在一些实施例中，从动负载为机动车辆的车轮。

在本文还公开了一种移动平台，其包括：连接到主体的车轮；包括旋转电机的电气负载，该旋转电机被配置为向车轮提供动力并由此推进该移动平台；连接到正总线轨和负总线轨的电池组，并且该电池组具有多个可选择性地连接到电气负载的电池组。该移动平台还包括连接在第一电池组与第二电池组之间的接触器开关，与接触器开关串联的固态开关以及如上所述配置的控制器。

还公开了一种用于上述电池系统的方法。该方法的实施例包括：经由控制器确定在第一电池组与第二电池组之间彼此串联定位的固态开关和接触器开关的特征值，包括分别确定固态开关和接触器开关的温度、电压和电流值。该方法还包括使用特征值经由控制器来检测接触器开关的预定电气故障状况。在该实施例中，电气故障状况为短路状况或过电流状况。响应于电气故障状况，该方法包括经由控制器打开半导体开关，从而中断第一电池组与第二电池组之间的电流流动。

以上发明内容并非旨在代表本公开的每个实施例或方面。更准确地说，上述发明内容例示了如本文所述的某些新颖方面和特征。结合附图和所附权利要求书，从以下实施本公开的代表性实施例和模式的详细描述中，本公开的上述和其他特征以及优点将变得明显。

本发明还包括以下技术方案：

方案1. 一种电池系统，包括：

正和负直流（“DC”）电压总线轨；

第一和第二电池组，所述第一和第二电池组各自连接到所述正和负DC电压总线轨；

接触器开关，所述接触器开关连接在所述第一与第二电池组之间；

固态开关，所述固态开关与所述接触器开关串联；以及

控制器，所述控制器与所述接触器开关和所述固态开关通信，其中，所述控制器被配置为确定所述固态开关和所述接触器开关的特征值，包括相应的温度、电压和电流值，以使用所述特征值来检测所述接触器开关的电气故障状况，并且响应于所述电气故障状况执行控制动作，包括打开所述半导体开关，从而中断所述第一与第二电池组之间的电流流动。

方案2. 根据方案1所述的电池系统，其中，所述固态开关具有栅极端子以及第一电压端子和第二电压端子，并且其中，所述固态开关的所述特征值包括栅极端子电压、栅极端子电流、跨所述电压端子的电压，以及通过所述固态开关的电流。

方案3. 根据方案1所述的电池系统，其中，所述固态开关包括温度传感器，所述温度传感器被配置为测量所述固态开关的所述温度，所述温度作为所述半导体开关的所述特征值的一部分。

方案4. 根据方案1所述的电池系统，其中，所述固态开关为硅、碳化硅、氮化镓或氧化镓开关。

方案5. 根据方案4所述的电池系统，其中，所述固态开关为双向开关。

方案6. 根据方案1所述的电池系统，其中，所述控制器被配置为通过将跨所述接触器开关的所述电压与参考电压进行比较来检测所述电气故障状况，并且其中，所述电气故障状况为短路或过电流状况。

方案7. 根据方案1所述的电池系统，其中，所述电池模块中的一个或两个经由功率逆变器模块连接到旋转电机，并且其中，所述控制器被配置为在打开所述半导体开关后将转矩从所述旋转电机命令到从动负载。

方案8. 根据方案7所述的电池系统，其中，所述从动负载为机动车辆的车轮。

方案9. 一种移动平台，包括：

主体；

车轮，所述车轮连接到所述主体；

电气负载，所述电气负载包括旋转电机，所述旋转电机被配置为所述车轮提供动力，并且从而推进所述移动平台；

电池组，所述电池组连接到正和负总线轨，并且具有多个可选择性地连接到所述电气负载的电池组，其中，所述电池组中的每个具有带模块电压的电池模块；

接触器开关，所述接触器开关连接在所述第一电池组与所述第二电池组之间；

固态开关，所述固态开关与所述接触器开关串联；以及

控制器，所述控制器与所述接触器开关和所述固态开关通信，其中，所述控制器被配置为确定所述固态开关和所述接触器开关的特征值，包括相应的温度、电压和电流值，以使用所述特征值来检测所述接触器开关的电气故障状况，并且响应于所述电气故障状况执行控制动作，包括打开所述半导体开关，从而中断所述第一电池组与所述第二电池组之间的电流流动。

方案10. 根据方案9所述的移动平台，其中，所述移动平台为机动车辆。

方案11. 根据方案10所述的移动平台，其中，所述电池组中的每个的电池电压大于400 V。

方案12. 根据方案9所述的移动平台，其中，所述固态开关具有栅极端子以及第一电压端子和第二电压端子，并且其中，所述固态开关的所述特征值包括栅极端子电压、栅极端子电流、跨所述电压端子的电压，以及通过所述固态开关的电流。

方案13. 根据方案9所述的移动平台，其中，所述固态开关包括温度传感器，所述温度传感器被配置为测量所述固态开关的所述温度，所述温度作为所述半导体开关的所述特征值的一部分。

方案14. 根据方案9所述的移动平台，其中，所述固态开关为硅、碳化硅、氮化镓或氧化镓开关。

方案15. 根据方案14所述的移动平台，其中，所述固态开关为双向开关。

方案16. 根据方案9所述的移动平台，其中，所述控制器被配置为通过将跨所述接触器开关的所述电压与参考电压进行比较来检测所述电气故障状况，并且其中，所述电气故障状况为短路或过电流状况。

方案17. 一种用于电池系统的方法，所述电池系统具有正和负直流（“DC”）电压总线轨，连接到所述正和负DC电压总线轨的第一电池组和第二电池组，所述方法包括：

经由控制器确定在所述第一电池组与所述第二电池组之间彼此串联定位的固态开关和接触器开关的特征值，包括分别确定所述固态开关和所述接触器开关的温度、电压和电流值；

使用所述特征值经由所述控制器检测所述接触器开关的预定电气故障状况，其中，所述电气故障状况为短路状况或过电流状况；以及

响应于所述电气故障状况，经由所述控制器打开所述半导体开关，从而中断所述第一电池组与所述第二电池组之间的电流流动。

方案18. 根据方案17所述的方法，其中，所述固态开关具有栅极端子以及第一电压端子和第二电压端子，所述固态开关的所述特征值包括栅极端子电压、栅极端子电流、跨所述电压端子的电压，以及通过所述固态开关的电流，并且所述固态开关包括温度传感器，所述温度传感器被配置为测量所述固态开关的所述温度，所述温度作为所述半导体开关的所述特性值的一部分。

方案19. 根据方案17所述的方法，其中，检测所述预定电气故障状况包括：将跨所述接触器开关的所述电压与参考电压进行比较，并且其中，所述电气故障状况为短路或过电流状况。

方案20. 根据方案17所述的方法，还包括：

在打开所述半导体开关后，使用所述电池组中的一个或两个经由旋转电机为从动负载提供动力。

附图说明

图1为正在进行直流快速充电（“DCFC”）操作的示例性机动车辆的示意图。

图2A和图2B为分别并联和串联连接的一对电池组的示意性现有技术电路图，其中在电池组之间串联连接有接触器和固态开关。

图3为具有图2B的串联连接的电池组并且在DCFC操作期间具有连接的电气负载的电池系统的示意性电路图。

图4A、图4B和图4C为图3的固态开关的另选实施例的示意性电路图。

图5为根据另一实施例的图3中所示的电池系统的一部分的示意性电路图。

图6为描述根据本公开的用于控制图2至图5的固态开关的方法的流程图。

本公开易受修改和替代形式的影响，其中代表性实施例在附图中以示例方式示出并在下文中详细描述。本公开的创造性方面不限于所公开的特定形式。更准确地说，本公开旨在涵盖落入由所附权利要求书限定的本公开范围内的修改、等同形式、组合和替代形式。

具体实施方式

参考附图，其中在几幅图中相似的附图标记指代相同或相似的部件，移动平台20的电力传动系10包括多组电池系统11。在所描绘的代表性实施例中，电力传动系10为移动平台20的电力推进功能提供动力，该移动平台在所描绘的示例性实施例中为机动车辆。如本文中所使用，术语“示例性”描述非限制性示例配置，其示出本教导的可能的实施方式，所述实施方式不一定比其他可能的实施方式有利或优选。所描述的解决方案可用于可再充电的电气系统中，诸如但不限于移动发电厂、机器人、输送机或运输平台等。当用于车辆应用中时，本教导可以扩展到各种类型的车辆，包括但不限于航空器、轮船和轨道车辆。为了说明一致性，下面将在机动车辆的上下文中描述图1的移动平台20，而不将本教导局限于一般的车辆应用或特别地机动车辆。

所示移动平台20正在经历直流快速充电（“DCFC”）操作，其中，电池组11例如经由连接到移动平台20的主体200的车辆充电端口200C电连接到车外的DCFC站30，该车辆充电端口使用一段长度的高压充电电缆30C在内部连接到DC充电连接器（未示出）。尽管在图1中未示出，但充电电缆30C的端部连接可以是SAE J1772或其他合适的国家专用或应用专用的充电耦合器或插头。

所示实施例中的移动平台20分别包括前车轮14F和后车轮14R。前车轮14F和后车轮14R可以连接到分开的前驱动轴14A

可以使用锂离子、锌-空气、镍-金属氢化物、铅酸或其他适合应用的电池化学物质的电池组11经由DCFC充电电压（“V

控制器50包括处理器（P）和存储器（M），其中存储器（M）包括适合应用的数量的有形非暂时性存储器，例如只读存储器，无论是光学存储器、磁性存储器、闪速存储器还是其他存储器。控制器50还包括对应用足够数量的随机存取存储器、电可擦除可编程只读存储器等，以及高速计时器、模数和数模电路与输入/输出电路和装置，以及适当的信号调节和缓冲电路。控制器50被编程为执行体现短路/过电流故障检测和处理方法100的指令，其中控制器50接收指示电池组11的驱动请求或自主请求的充电模式的输入信号（箭头CC

作为在图1的控制器50与DCFC站30之间正在进行的通信的一部分，可以在DCFC操作期间确定输入信号中的一些（箭头CC

参考图2A，在简化的实施例中，电池系统11可以是可再充电能量存储系统的一部分，该系统由两个或更多个电池组12A和12B构成，每个电池组具有以互连的电池单元、单元感测电路等的形式的相关联的电池模块12M。在其他实施例中可以使用附加电池组，在下文中仅出于说明一致性和简明性使用两个电池组12A和12B。电池组12A和12B以P连接配置示出，其中每个电池组12A和12B中的电池模块12M具有对应的模块电压V

在说明性且非限制性的实施例中，模块电压V

开关控制电路15由多个开关构成。为了说明电池系统11的可重新配置的P连接/S连接能力，此开关以简化形式示出为开关S1、S2、S3和S4。所描绘的开关中的每个在实际的实施方式中可以被体现为多个开关，例如，如图3中所示，并且因此图2A和图2B的拓扑结构仅旨在说明电池组11的可重新配置的性质。

开关S1、S2和S3通常被配置为机械开关，即在闭合时具有ON/导通状态并且在打开时具有OFF/非导通状态的弹簧偏置的接触器。开关S1连接在电池组12A的电池模块12M的负（-）端子与负DC总线轨17

当开关S3打开并且开关S1和S2闭合时，这是图2A中所示的情况，电池组12A和12B并联电连接。同样，如图2B中所示，当开关S3闭合并且开关S1和S2打开时，电池组12A和12B串联电连接。因此，图2B中的电池电压V

某些机械开关的特征，并且特别是用于在电池组12A与12B之间实现串联开关S3的串联接触器的特征是，由于接触器的导电引线在与电压总线的导体建立良好的导电接触之前从电压总线的导体偏斜而在打开时易于瞬间“弹跳”。由于弹跳效应或由于机械冲击、振动和其他环境因素，完全打开或关闭机械接触器所需的时间可相对较慢，并且在过电流条件下接触器引线可焊接到一个或两个电压总线轨的导体，并且因此保持闭合/短路。因此，开关S4被配置为固态开关（在图4A至图4C中示出了其可能的示例）并且与开关S3串联放置。开关S4在其各种实施例中可以被配置为在处于OFF状态时阻断900 V或更高，例如900 V-1200 V，并且在处于ON状态时传导500 A或更多，并且因此用于构造开关S4的硬件应该足够稳健以应对此电平。现在将参考其余附图描述开关S4的功能。

固态继电器开关S4的操作

开关S4是固态继电器，以下简称为固态开关S4，该开关S4根据方法100进行控制，方法100的示例在图6的流程图中示出。使用方法100，图1和图3的控制器50能够自动检测电池组12A与12B之间的串联路径中的短路或过电流故障状况。响应于此检测到的故障状况，控制器50被配置为快速打开固态开关S4，即在2-3微秒（μs）内，而不是开关S3（以下称为接触器开关S3）的情况下几毫秒或更多的打开时间。因此，本方法将开关功能冗余添加到电池模块12A和12B之间的串联路径。

固态开关S4提供更快的控制响应，其特征在于没有活动零件，而固态开关S4也不易焊接。与接触器开关S3不同，固态开关S4在打开后也不需要复位。例如，在短路状况下，控制器50通过禁用其控制输入来简单地关闭固态开关S4，并在再次启用控制输入时再次迅速地将固态开关S4打开。固态开关S4与接触器开关S3串联使用还可以在焊接的接触器开关S3的情况下实现有限的推进，因为电池组11保持可重新配置为图2A的P连接配置，尽管接触器开关S3的焊接状况可以其他方式排除此操作模式。

参考图3，在图2A和图2B中示意性地示出的电池组12A和12B可以用作电池系统11的一部分。电池系统11电连接到DCFC站30和电气负载，诸如但不限于功率逆变器模块（“PIM-A”）25和（“PIM-B”）125、辅助电源模块（“APM-A”）26和（“APM-B”）126，空调控制模块（未示出）等。电气负载也可以包括一个或更多个旋转电机，诸如在最左侧示意性示出并连接到PIM-A 25的电机（“M

如本领域普通技术人员将理解的，功率逆变器、诸如PIM-A 25或PIM-B 125使用脉冲宽度调制、脉冲密度调制或其他合适的技术通过内部开关控制来产生多相/AC电压（“VAC”）。AC电压给电机25或125的相绕组供电，从而在转子28R上产生马达转矩（箭头T

各种开关可用于控制电池系统11并体现图2A和图2B的开关S1、S2和S3的功能。例如，如从左到右看的那样，在电池组12A中，开关PCA、SA1和SA3可以连接到用于电池组12A的电池模块12M的正总线轨17

在本文使用的标记命名中，“S”通常是指“开关”，而不管构造如何，而“1”、“2”和“3”用作标称开关标识符。“A”和“B”分别指电池组12A和电池组12B。“PC”是指“预充电”，其中两个预充电开关PCA和PCB用于确保在打开预充电开关PCA和PCB之前电压总线已被充分充电，如本领域普通技术人员将理解的那样。尽管为简化说明而省略，但是每个预充电开关PCA和PCB均与预充电电阻器串联，以帮助限制在预充电开关PCA和PCB最初闭合时的浪涌电流。

在图3的示例性电路拓扑结构内，并且尤其在电池组12A和12B之间延伸的串联路径内，接触器开关S3与固态开关S4串联，如上所述。经由控制器50或另外的控制装置来控制固态开关S4的ON/OFF状态，以确保接触器开关S3不用作串联路径中的单点故障。固态开关S4是高度可控且可快速复位的半导体器件，可以体现为可能由硅、碳化硅、氮化镓（GaN）、氧化镓（GaO）等构成的单向器件（图4A）或双向器件（图4B和图4C），其中图4A和图4B示出固态开关S4的可能的硬件实施方式。

简要地参考图4A至图4C，使用栅极信号（V

图3和图5示出接触器开关S3和固态开关S4的可选位置，例如，图3示出作为电池组12A和12B的组成部分的电池模块12M和电池断开单元（未示出）的开关PCA、SA1、SA2、SA3、PCB、SB1、SB2和SB3。不同地体现为图4A的单向配置或图4B和图4C的双向配置的开关S4可以串联地定位在电池组12A与12B之间，例如，在电池组12A与12B之间延伸的一段长度的电缆40上，使得开关S3和S4均不位于电池组12A或12B的给定一个电池组内。图5描绘另选配置，其中，接触器开关S3与电池组12A成一体/完全位于电池组12A内，而固态开关S4与电池组12B成一体/完全位于电池组12B内。

在任一配置中，在短路或过电流状况期间，固态开关S4用于帮助检测和中断在电池组12A与12B之间的串联路径中流动的电流，并在几微秒内关闭固态开关S4。如将理解的，图5的另选实施例消除了在P连接使用情况期间电池组11中的高压线打开的可能性，并且因此在某些配置中可以是有利的。

图6描绘描述根据示例性实施方式的方法100的流程图，其中方法100分别实现上述图3和图4A的固态开关S4或图4B和图4C的其双向另选实施例S4

从图6的框B102开始，控制器50将固态开关S4设置到ON状态，即，闭合/导通状态，并且然后进行到框B104。

与框B102类似，框B103包括将接触器开关S3设置到ON状态，即，闭合/导通，并且然后进行到框B105。

在框B104处，控制器50读取或接收固态开关S4的特征值，包括其温度（T

在框B105处，控制器50接下来读取或接收接触器开关S3的特征值，包括其温度（T

框B106包括经由控制器50、例如使用比较器电路将来自框B104的栅极信号（V

框B107包括将跨接触器开关S3的电压（V

框B108包括经由控制器50将跨固态开关S4的电压（V

图6的框B109包括将接触器电压（V

框B110包括将通过固态开关S4的电流（I

框B112包括经由控制器50将递送到固态开关S4的栅极的电流（I

在框B114处，控制器50记录指示通过或正常（“NORM”）测试结果的诊断代码。此结果在本文中被认为指示无故障状况，或者至少不存在短路或过电流状况。方法100可以利用框B102重新开始，其中方法100在电池组11的操作期间循环执行。

在框B116处，图1的控制器50记录指示异常（“ABN”）测试结果的诊断代码，该结果可指示短路或过电流状况。然后，方法100进行到框B118。

框B118包括响应于框B116中的异常诊断代码的设置而执行控制动作。作为此控制动作的一部分，控制器50可以将控制信号发送到固态开关S4的栅极端子，这又引起固态开关S4立即打开。考虑到固态开关S4的半导体结构，开关S4在小于2 μs内打开，并且这样做不会引起上述活动部件的弹跳。因此，即使在接触器开关S3的焊接接触器引线的情况下，由于固态开关S4的操作，电池组12A和12B也不再串联连接。此后，控制器50可以中断充电操作，并且可以经由图2A的示意性开关S1和S2，例如，图3的开关SA1、SA2、SA3、SB1、SB2和SB3连接电池组12A和12B。

因此，方法100用于在可以其他方式导致推进功能丧失的情况下（例如由于图3的串联接触器开关S3中的焊接接触器）控制电池组12A与12B之间的串联路径中的固态开关S4。固态开关S4提供一层冗余，其中使用简单的二进制ON/OFF机械继电器、接触器或其他机械开关无法达到可控制的水平。因此，控制器50能够检测短路或过电流状况，并且此后迅速中断电池组12A与12B之间的电流流动。由于固态开关S4不像机械接触器那样需要复位，因此控制器50能够在故障消除之后迅速恢复正常操作。鉴于前述公开，本领域普通技术人员将容易理解这些和其他益处。

虽然已经详细描述了一些最佳模式和其他实施例，但是还存在各种另选设计和实施例，用于实践所附权利要求书中限定的本教导。本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本公开范围的情况下对所公开的实施例进行修改。而且，本构思明确地包括所描述的元件和特征的组合和子组合。详细描述和附图是对本教导的支持和描述，本教导的范围仅由权利要求书限定。