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CN102137772B - 控制电池组和负载之间的开关单元的装置和方法及包括该装置的电池组和电池管理装置 - Google Patents

控制电池组和负载之间的开关单元的装置和方法及包括该装置的电池组和电池管理装置 Download PDF

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Abstract

公开了一种控制电池组和负载之间的开关单元的装置和方法及包括该装置的电池组和电池管理装置。所述装置包括：存储器，用于根据电流范围来存储用来把电池组连接到负载的第一和第二开关单元的断开次数和顺序；以及控制单元，用于参考在对应于电池的放电电流量级的电流范围内的断开次数和顺序而平衡第一开关单元和所述第二开关单元的断开顺序。因此，本发明降低了开关单元的击穿或故障的频率，增加了开关单元的使用周期。

Description

控制电池组和负载之间的开关单元的装置和方法及包括该装置的电池组和电池管理装置
技术领域
本发明涉及一种控制开关单元的装置和方法，具体涉及对安装在电池组和负载之间的开关单元进行控制的装置和方法，以及包括所述控制装置的电池组和电池管理系统。
背景技术
使用诸如汽油、柴油等化石燃料的车辆产生很多有害的排放气体且污染空气。有害的排放气体是影响地球变暖的一个因素，并且对地球环境造成有害影响。为了解决该问题，已经尝试开发能够减少化石燃料消耗或者用替代燃料运行的车辆。而且近来，主要关注于能够以从高容量电池组提供的电能进行运行的HEV（混合动力电动车辆）或者EV（电动车辆）。
HEV可以通过消耗化石燃料的引擎和由从电池组提供的电能来驱动的电机来行使。HEV包括HCU（混合动力控制单元）。在施加刹车或者降低HEV的速度时，在HCU的控制下，将动力模式转换为发电模式。随后，在与HCU相连的BMS（电池管理系统）的控制下，用与引擎相连的发电机输出的电能对电池组进行充电。在动力模式中，从电池组将电流提供给电机，接着电机驱动车辆。
电池组和对应于负载的电机通过继电器开关单元相互连接。继而，通过控制继电器开关单元来释放电池组和和负载之间的连接。
图1是从概念上说明通过继电器开关单元连接电池组和负载的电路图。
参考图1，根据传统技术的继电器开关控制方法如下所述。
为了将电池组10连接到负载40，首先，（-）侧继电器开关单元30接通。接下来，预充电开关单元22接通，以将电流施加到负载40，其中，与预充电开关单元22串联连接的限流电阻器（R）对电流的量级进行限制。在该情况下，在预定时间之后，（+）侧继电器开关单元20接通，而预充电开关单元22断开。以此方式，电池组10和负载40相互连接。
此处，使用预充电开关单元22将电池组10连接到负载40防止了在将电池组10连接到负载40时，施加到负载40的浪涌电流。
相反，通过按预置顺序断开（+）和（-）侧的继电器开关单元20和30，释放电池组10和负载40之间的连接。
当断开继电器开关单元时，因继电器的电感组件，在继电器开关单元的触件上产生电弧。产生的电弧损害了继电器开关单元的触件，结果是缩减了继电器开关单元的使用期间。
根据传统继电器开关控制方法，继电器开关单元的操作顺序是预置的，结果是电弧造成的损害相对集中于任何一个继电器开关单元上。结果是，这增加了两个继电器开关单元中任意一个产生击穿和故障的频率，缩短了开关单元的替换周期。
发明内容
设计本发明是为了解决传统技术的问题，因此本发明的一方面提供了对将电池组连接到负载的开关单元进行控制的装置和方法，其能够减少开关单元的击穿和故障的频率，增加开关单元的使用期间。
根据本发明，一种控制电池组和负载之间的开关单元的装置包括：存储器，用于根据电流范围来存储用来把所述电池组连接到所述负载的第一开关单元和第二开关单元的断开次数和顺序；以及控制单元，用于参考在存储于所述存储器之中的电流范围内的所述开关单元的断开次数和顺序，对所述第一开关单元和所述第二开关单元的断开顺序进行平衡，所述电流范围对应于电池的放电电流量级。
在本发明中，可以将所述第一开关单元安装在将所述电池组的负极连接到所述负载的高电位线上，并且可以将所述第二开关单元安装在将所述电池组的正极连接到所述负载的低电位线上。
优选地，当释放所述电池组和所述负载之间的连接时，所述控制单元检测放电电流的量级，从所述存储器读取在所述存储器中的电流范围内的对应于所述放电电流量级的电流范围内的所述开关单元的断开次数和顺序，并且使用所述读出的所述开关单元的断开次数和顺序，对所述第一开关单元和所述第二开关单元的断开顺序进行平衡。
根据本发明的一方面，在所述第一开关单元和所述第二开关单元之中，所述控制单元首先断开具有较小断开次数的开关单元。
根据本发明的另一方面，在所述第一开关单元和所述第二开关单元具有相同断开次数的情况中，所述控制单元首先断开不是最新近断开的开关单元。
根据本发明的装置可以进一步包括：安装在所述高电位线的旁路线上的预充电开关单元；以及与所述预充电开关单元串联连接的限流电阻器。
优选地，当将所述电池组连接到所述负载时，所述控制单元顺序地接通所述第二开关单元、所述预充电开关单元和所述第一开关单元，在所述第一开关单元接通并经过预定时间之后，断开所述预充电开关单元。
优选地，在所述电池组和所述负载之间的连接被释放时的时间点，所述控制单元更新在对应于放电电流量级的电流范围内的所述第一开关单元和所述第二开关单元的断开次数和顺序，并将所更新后的断开次数和顺序存储在所述存储器中。
同时，可以将根据本发明的开关单元控制装置作为组件包括在电池组或电池管理系统中。
根据本发明，一种控制电池组和负载之间的开关单元的方法，包括：（a）根据电流范围在存储器中存储和管理用来把所述电池组连接到所述负载的第一开关单元和第二开关单元的断开次数和顺序；（b）在所述电池组和所述负载之间的连接被释放时时间点，检测电池的放电电流量级；并且（c）在参考存储在所述存储器之中的电流范围内的所述第一开关单元和所述第二开关单元的断开次数和顺序而对所述第一开关单元和所述第二开关单元的断开顺序进行平衡的条件下，释放所述电池组和所述负载之间的连接，所述电流范围对应于所检测的放电电流量级。
发明效果
本发明根据在释放电池组和负载之间连接时施加到负载上的放电电流量级，对开关单元的断开次数进行平衡，从而降低了开关单元的击穿或故障的频率，增加了开关单元的使用期间。
附图说明
附图说明本发明的优选实施例，并且所附附图被包括以和本发明的具体描述一起，提供对本发明的精神和范围的进一步理解，因此，不应将本发明限制性解释为附图所示的事项。其中
图1是从概念上说明通过继电器开关单元，在电池组和负载之间进行连接的电路图。
图2是说明根据本发明优选实施例，对在电池组和负载之间的开关单元进行控制的装置的电路图。
图3是说明根据本发明优选实施例，对在电池组和负载之间的开关单元进行控制的方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，将具体参考附图，详细描述本发明的优选实施例。在描述之前，应当理解，不应当将在说明书和所附权利要求中使用的术语解释为受限于一般的和字典中的意义，而是基于允许发明人为了最佳解释来适当定义术语的原则，根据对应于本发明的技术方面的意义和概念做出解释。因此，本文提出的说明仅是用于说明目的的优选示例，不是意欲限制本发明的范围，因此应当理解，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以做出其他等效和改型。
图2是说明根据本发明优选实施例，对在电池组和负载之间的开关单元进行控制的装置的电路图。
如图2所示，根据本发明的装置50控制第一开关单元20、预充电开关单元22和第二开关单元30的操作，它们被安装在将电池组10输出的功率提供给负载40的传输线上。
第一开关单元20被安装在将电池组10的负极连接到负载40的高电位线（组+）上。第二开关单元30被安装在将电池组10的正极连接到负载40的低电位线（组-）上。而且，预充电开关单元22被安装在高电位线的旁路线1上，其与限流电阻器（R）串联连接。
优选地，第一开关单元20、预充电开关单元22、和第二开关单元30可以是继电器开关单元。然而，本发明不限制将电池组10连接到负载40的开关单元的类型。
电池组10包括具有多个串联或并联连接的能够重复充放电的单位电池单体的电池单体组件。单位电池单体是电双层电容器，包括超级电容器或者众所周知的二次电池，诸如锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池等。
负载40是接收来自电池组10的电力并产生驱动力的电机、将从电池组10施加的放电电压从一个电压等级转换为另一电压等级的DC-DC转换器等。然而，本发明不受限于负载40的类型。因此，应当理解，负载40包括用于从电池组10接收电力的任何设备或系统。
根据本发明的装置50包括存储器54和控制器52。存储器54存储从电池组10施加到负载40的放电电流量级以及第一和第二开关单元20和30的断开次数和顺序（例如，最近的操作顺序）。控制单元52通过施加操作控制信号，控制第一和第二开关单元20和30以及预充电开关单元22的操作。
当将电池组10连接到负载40时，控制单元52顺序接通第二开关单元30、预充电开关单元22和第一开关单元20，在第一开关单元20接通且经过预定时间之后，断开预充电开关单元22。该开关单元操作顺序与上述参考图1描述的传统技术相同。
当释放电池组10和负载40之间的连接时，控制单元52不是固定保持第一和第二开关单元20和30的断开顺序，而是通过参考从电池组10施加到负载40的放电电流量级，以及存储在存储器54中的对应于/放电电流量级的开关单元的过去的断开次数和顺序，来灵活调整开关单元的当前断开顺序，从而根据放电电流的量级来平衡第一和第二开关单元20和30的断开顺序。
换言之，如果电池组10和负载40之间存在连接释放请求，则控制单元52检测从电池组10施加到负载的放电电流量级，并且在存储器54中，确定对应于已检测到的放电电流量级的电流范围。接着，控制单元52从存储器54中读取在已确定电流范围内的第一和第二开关单元20和30的过去的断开次数和顺序。此处，可以从诸如电池管理系统等的外部系统输入连接释放请求。作为替代，可以根据控制单元52中预置的进度来产生连接释放。随后，考虑第一和第二开关单元20和30的过去的断开次数和顺序，控制单元52首先断开具有较小断开次数的开关单元。同时，在第一和第二开关单元20和30具有相同断开次数的情况中，控制单元52首先断开不是最新近断开的开关单元，以释放电池组10和负载40之间的连接。接着，在电池组10和负载40之间的连接被释放时的时间点，控制单元52更新在对应于电池放电电流量级的电流范围内的第一和第二开关单元20和30的断开次数和顺序，并将更新后的断开次数和顺序存储在存储器54中。以此方式，释放电池组10和负载40之间的连接。
下述表1示出了根据放电电流的电流范围，开关单元的断开次数和顺序的示例。在表1中，括号中的“0”是指开关单元不是最新近断开，而“1”是指开关单元是最新近断开的。例如，在中间电流范围内，紧跟在电池组和负载之间的连接释放之前，首先断开第二开关单元，然后断开第一开关单元。此处，本发明不受限于指示开关单元的最新近断开顺序的上述代码表示，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以做出各种修改。将开关单元的断开次数和顺序以数字数据存储在存储器54之中。
[表1]
Figure GDA00002870865300071
以下，参考上述表1和图2具体描述用于控制开关单元的断开顺序的处理。
作为示例，假定从电池组10施加到负载40的放电电流量级是5A（安培）。在该实例中，控制单元52读取在存储于存储器54中的电流范围内的对应于5A电流范围，即，低电流范围中的第一和第二开关单元20和30的断开次数。根据表1，第一开关单元20的断开次数比第二开关单元30的断开次数小1。因此，控制单元52比较第一和第二开关单元20和30的断开次数，并且首先断开较之第二开关单元30具有较小断开次数的第一开关单元20，接着断开第二开关单元30。
作为另一示例，假定从电池组10施加到负载40的放电电流量级是30A。在该实例中，控制单元52读取在存储于存储器54中的电流范围内对应于30A电流范围，即，中电流范围中的第一和第二开关单元20和30的断开次数。根据表1，第二开关单元30的断开次数比第一开关单元20的断开次数小1。因此，控制单元52比较第一和第二开关单元20和30的断开次数，并且首先断开较之第一开关单元20具有较小断开次数的第二开关单元30，接着断开第一开关单元20。
作为又一示例，假定从电池组10施加到负载40的放电电流量级是60A。在该实例中，控制单元52读取在存储于存储器54中的电流范围内对应于60A电流范围，即，高电流范围中的第一和第二开关单元20和30的断开次数。根据表1，第一开关单元20的断开次数与第二开关单元30的断开次数相同。在该实例中，控制单元52从存储器54读取第一和第二开关单元20和30的断开顺序，确定哪个单元不是最新近断开的，接着首先断开所确定的开关单元。也就是说在该示例中，由于第二开关单元30为最新近断开，因此控制单元52首先断开第一开关单元20，接着断开第二开关单元30。
示例的低、中、和高电流范围仅是用于说明的目的，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以做出各种修改。
同时，图2没有示出以下特性，即，测量从电池组10流到负载40的放电电流量级，并且将测得的量级存储在存储器54之中。然而，通过使用已知的技术，可以轻易地实施放电电流测量技术。
作为示例，可以将电流传感器安装在放电电流流动的线路上，并且控制单元52可以接收从电流传感器输出的放电电流值，并将该值存储在存储器54之中。作为另一示例，可以将电流测量电阻器安装在放电电流流动的线路上，而且控制单元52可以检测在电阻值已知的电流测量电阻器的两端之间的电压差，根据欧姆定律计算放电电流值，并将该值存储在存储器54之中。作为另一示例，控制单元54可以从具有负载40安装于其中的装置，接收放电电流值，并将该值存储在存储器54之中。例如，在负载40是车辆电机的实例之中，安装在车辆中的电池管理系统检测提供给电机的放电电流，并且连续监视放电电流值，而控制单元54可以通过通信接口，从电池管理系统接收放电电流值，并将该值存储在存储器54之中。对于本领域的技术人员来说，显然本发明不受限于通过控制单元52获取放电电流量级的特定方法，并且在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以做出各种修改。
显然，本发明不限制安装本发明装置的特定位置。例如，可以将装置安装在电池组或电池管理系统中，用于控制电池的充电和放电。
图3是说明根据本发明优选实施例，对在电池组和负载之间的开关单元进行控制的方法的流程图。
首先，如果在电池组和负载之间存在连接释放请求，则控制单元52从存储器54读取从电池组10施加到负载40的放电电流量级，并且读取在对应于所读出的放电电流量级的电流范围中的第一和第二开关单元20和30的断开次数和顺序（S100）。
接着，控制单元52确定在读出的电流范围内，第一和第二开关单元20和30是否均有相同的断开次数（S200）
如果在步骤S200中，确定第一和第二开关单元20和30不具有相同的断开次数，则控制单元52首先断开具有较小断开次数的开关单元，然后断开另外的开关单元（S300）。以此方式，完全释放电池组10和负载40之间的连接。
控制单元52可以更新在对应于放电电流量级的电流范围内的第一和第二开关单元20和30的断开次数和顺序，并将更新后的断开次数和顺序存储在存储器54之中（S400）。执行步骤S400是为了在后续步骤之中参照该断开次数和顺序，以释放在电池组10和负载40之间的连接。
同时，如果在步骤S200中确定第一和第二开关单元20和30具有相同的断开次数，则处理继续到步骤S500。在步骤S500中，控制单元52可以识别最新近断开的开关单元。而且，控制单元52可以首先断开不是最新近断开的开关单元，接着断开另外的开关单元（S500）。例如，如果第一开关单元20是最新近断开的，则首先断开第二开关单元30，接着断开第一开关单元20。以此方式，完全释放电池组10和负载40之间的连接。
在步骤S600中，控制单元52可以更新在对应于放电电流量级的电流范围内的第一和第二开关单元20和30的断开次数和顺序，并将更新后的断开次数和顺序存储在存储器54之中。执行步骤S600是为了在后续步骤之中参照该断开次数和顺序，以释放在电池组10和负载40之间的连接。
如上所述，根据放电电流的量级来平衡用来把电池组10连接到负载40的第一和第二开关单元20和30的断开次数，因此这防止了由于电弧损害相对集中而造成的特定开关单元的击穿或故障的频率的增加，和开关单元的使用期间缩短。
具体而言，本发明根据放电电流的量级，差异化管理开关单元的断开次数和顺序，从而更加有效地防止损害集中在任何一个开关单元上。也就是说，如果不考虑电流范围来管理开关单元的断开顺序，那么即使首先断开具有较小断开次数的开关单元，损害集中于任何一个开关单元也可能发生。这是因为，如果具有较小断开次数的开关单元经常在大放电电流环境下断开，则其甚至可能要比具有较大断开次数的开关单元损害得更严重。然而，本发明通过根据放电电流的量级来对开关单元的断开次数进行平衡，从根本上解决了该问题。
工业应用性
本发明根据在释放电池组和负载之间的连接时，施加到负载的放电电流量级，对电池组和负载之间的开关单元的断开次数进行平衡，从而降低了开关单元的击穿或故障的频率，增加了开关单元的使用期间。
已经具体描述了本发明。然而应当理解，在指示本发明优选实施例时，对具体描述和特定示例的提供仅仅是说明性的，因为对于本领域的技术人员来说，通过该具体描述，在本发明的精神和范围内的各种变化和修改将变得明显。

Claims (17)

1.一种控制电池组和负载之间的开关单元的装置，包括：
存储器，用于根据电流范围来存储把所述电池组连接到所述负载的第一开关单元和第二开关单元的断开次数和顺序；以及
控制单元，用于参考在对应于电池的放电电流量级的电流范围内的断开次数和顺序来平衡所述第一开关单元和所述第二开关单元的断开顺序。
2.如权利要求1所述的装置，
其中，所述第一开关单元被安装在用来把所述电池组的负极连接到所述负载的高电位线上，并且
其中，所述第二开关单元被安装在用来把所述电池组的正极连接到所述负载的低电位线上。
3.如权利要求1所述的装置，
其中，当释放所述电池组和所述负载之间的连接时，所述控制单元检测放电电流的量级，从所述存储器读取在存储于所述存储器中的电流范围内的、对应于在所述放电电流量级的电流范围内的所述开关单元的断开次数和顺序，并且使用所读取的所述开关单元的断开次数和顺序来平衡所述第一开关单元和所述第二开关单元的断开顺序。
4.如权利要求1所述的装置，
其中，所述控制单元首先断开所述第一开关单元和所述第二开关单元当中的、具有较小断开次数的开关单元。
5.如权利要求1所述的装置，
其中，在所述第一开关单元和所述第二开关单元具有相同断开次数的情况中，所述控制单元首先断开不是最新近断开的开关单元。
6.如权利要求2所述的装置，进一步包括：
安装在所述高电位线的旁路线上的预充电开关单元；以及
与所述预充电开关单元串联连接的限流电阻器。
7.如权利要求6所述的装置，
其中，当将所述电池组连接到所述负载时，所述控制单元顺序地接通所述第二开关单元、所述预充电开关单元和所述第一开关单元，在所述第一开关单元接通且经过预定时间之后，断开所述预充电开关单元。
8.如权利要求1所述的装置，
其中，在所述电池组和所述负载之间的连接被释放时的时间点，所述控制单元更新在对应于放电电流量级的电流范围内的所述第一开关单元和所述第二开关单元的断开次数和顺序，并将所更新后的断开次数和顺序存储在所述存储器中。
9.一种电池组，其包括如权利要求1至8中任意一项所述的控制电池组和负载之间的开关单元的装置。
10.一种电池管理系统，其包括如权利要求1至8中任意一项所述的控制电池组和负载之间的开关单元的装置。
11.一种控制电池组和负载之间的开关单元的方法，包括：
（a）根据电流范围来存储用来把所述电池组连接到所述负载的第一开关单元和第二开关单元的断开次数和顺序到存储器中，
（b）在所述电池组和所述负载之间的连接被释放时的时间点，检测电池的放电电流量级；并且
（c）在下述条件下释放所述电池组和所述负载之间的连接：参考存储于所述存储器之中的电流范围内的所述第一开关单元和所述第二开关单元的断开次数和顺序而平衡所述第一开关单元和所述第二开关单元的断开顺序，所述电流范围对应于所检测的放电电流量级。
12.如权利要求11所述的方法，
其中，在所述步骤（c）中，通过首先断开在所述第一开关单元和所述第二开关单元当中的具有较小断开次数的开关单元来释放所述电池组和所述负载之间的连接。
13.如权利要求11所述的方法，
其中，在所述步骤（c）中，在所述第一开关单元和所述第二开关单元具有相同断开次数的情况中，通过首先断开不是最新近断开的开关单元来释放所述电池组和所述负载之间的连接。
14.如权利要求11所述的方法，
其中，所述步骤（c）包括：
在存储于所述存储器的电流范围中，确定对应于所检测的放电电流量级的电流范围；
从所述存储器读取在所确定的电流范围内的所述第一开关单元和所述第二开关单元的断开次数和顺序；并且
在下述条件下释放所述电池组和所述负载之间的连接：参考所读取的所述第一开关单元和所述第二开关单元的断开次数和顺序而平衡所述第一开关单元和所述第二开关单元的断开顺序。
15.如权利要求11所述的方法，进一步包括：
确定所述存储器中的对应于放电电流量级的电流范围；以及
更新所确定的电流范围内的所述第一开关单元和所述第二开关单元的断开次数和顺序，并且把所更新的断开次数和顺序存储在所述存储器中。
16.如权利要求11所述的方法，
其中，所述第一开关单元被安装在用来把所述电池组的负极连接到所述负载的高电位线上，并且所述第二开关单元被安装在用来把所述电池组的正极连接到所述负载的低电位线上。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括：
在所述高电位线的旁路线上设置预充电开关单元，
其中，在所述步骤（b）之前，顺序地接通所述第二开关单元、所述预充电开关单元和所述第一开关单元，在所述第一开关单元被接通且经过预定时间之后，断开所述预充电开关单元。
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