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CN114701397A - 一种用于车辆的集成式48v系统、车辆及控制方法 - Google Patents

一种用于车辆的集成式48v系统、车辆及控制方法 Download PDF

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CN114701397A CN202210199302.0A CN202210199302A CN114701397A CN 114701397 A CN114701397 A CN 114701397A CN 202210199302 A CN202210199302 A CN 202210199302A CN 114701397 A CN114701397 A CN 114701397A
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单长征
谢彬
于旭东
郑召可
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SAIC Volkswagen Automotive Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种用于车辆的集成式48V系统，其包括：整车控制器，电池管理系统，电池系统和电机，其中电池管理系统与整车控制器通讯连接，并与电池系统连接，所述电机与电池系统连接；其特征在于，电池系统包括：第一电池以及第二电池，第一电池与第二电池能够串联连接以形成48V电池；互锁开关，其与电池管理系统连接，所述互锁开关包括互锁的第一继电器和第二继电器；电池分配单元，其与电池管理系统连接，该电池分配单元包括：第三继电器和第四继电器；DC/DC转换器，其与电池管理系统连接；其中，所述电池管理系统监控电池系统的状态，对电池系统的SOC进行估算，并基于车辆工况和电池系统的SOC对所述互锁开关、第三继电器和第四继电器的开闭进行控制。

Description

一种用于车辆的集成式48V系统、车辆及控制方法
技术领域
本发明涉及一种车用电池系统，尤其涉及一种车用集成式电池系统。
背景技术
在当前汽车领域中，传统内燃机汽车仍然占据着市场的重要份额，因此进一步提高节能汽车在传统动力汽车中所占的比例，推广混合动力与先进节能技术在节能汽车领域的应用，仍然是我国汽车产业降低能源消耗、减轻环境污染、实现能源安全的重要目标。
由此可见，为了满足未来汽车行业平均油耗目标，混动车型的发展仍然是未来汽车领域的技术研发重点。而在混动车型的研发中，48V微混技术又是一条非常重要的技术路线。
例如，图1示意性地显示了一种传统的48V整车系统架构。图1所示的传统的48V整车系统架构通常包括有：12V铅酸电池1、12V负载2、12V电池与DC/DC转换器连接线束3、DC/DC转换器4、48V电池与DC/DC转换器连接线束5、48V锂电池6、电机控制器7、48V电机8、高功率负载9。
在现有技术中，传统的48V整车系统架构常采用DC/DC转换器4，来实现电气系统12V/48V双电压架构，以在不同电压下分别驱动不同元件。在这种 48V整车系统架构中，48V锂电池6、12V铅酸电池1和DC/DC转换器4均为独立元件，且分别布置在不同位置，其通过线束实现彼此之间的电气连通。
然而，在实际应用过程中，发明人发现这种传统的48V整车系统架构仍然存在以下几点缺陷：
(1)现有的48V整车系统架构依然保留使用着12V铅酸蓄电池，这种铅酸电池的使用寿命短，2～3年就要更换一次；另外12V铅酸电池内部所含硫酸液含有大量铅，会污染环境且对人体有害。
(2)12V铅酸电池的放电功率和放电能力有限，为了满足整车低温冷启动要求以及整车用电器负载要求，一般都会选择大容量电池，这种大容量电池的重量重、体积大。
(3)在当前的48V整车系统架构中，48V锂电池，12V铅酸电池，48V/12V DC/DC转换器分别布置在整车不同的位置，彼此之间通过高低压线束实现电气连接，其装配难度较高，装配过程复杂，且线束较长。
(4)当前的48V整车系统架构虽然是性价比最高的混动化系统架构，但相比燃油车成本依然相对较高，消费者对价格较为敏感，市场迫切需求一种低成本的48V整车系统架构。
(5)在当前的48V整车系统架构中，由于48V电池与DC/DC转换器分散布置，热管理系统也是分别设计和布置的，其不仅会占用整车空间，还会多余地消耗整车电量。
(6)在当前的48V整车系统架构中，12V电池为整车电器供电，一旦12V 电池或者连接失效，整车所有电器和控制器停止供电，无其它备份允余供电。
基于此，针对克服以上现有技术中的问题，本发明提供了一种系统集成度高、成本低、重量轻、体积小、环境友好、装配简单、系统安全性高的集成式 48V系统架构。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种用于车辆的集成式48V系统，该集成式 48V系统采用了全新的集成式电池系统，其电池系统的集成度高、成本低、重量轻、体积小、装配简单、系统安全性高、适用性广泛，其可以用于混合动力汽车中，具有良好推广前景和应用价值。
不同于现有技术的48V整车系统架构，该集成式48V系统对于内部的电池系统进行了优化设计，其将两块电池和DC/DC转化器高度集成在一起，获得一个电池系统，利用一个供能单元即可满足混合动力汽车的所有功能要求。
为了实现上述目的，本发明提出了一种用于车辆的集成式48V系统，其包括：整车控制器，电池管理系统，电池系统和电机，其中所述电池管理系统与所述整车控制器通讯连接，并与所述电池系统连接，所述电机与电池系统连接；其特征在于，所述电池系统包括：
第一电池以及第二电池，所述第一电池与第二电池能够串联连接以形成 48V电池；
互锁开关，其与电池管理系统连接，所述互锁开关包括互锁的第一继电器和第二继电器，在第一继电器闭合第二继电器断开的第一状态下，所述第一电池与第二电池串联连接以形成48V电池，此时所述电池系统形成有第一电池电压回路和48V电压回路；在第一继电器断开第二继电器闭合的第二状态下，所述电池系统形成独立的第一电池和第二电池，所述电池系统形成有第一电池电压回路和第二电池电压回路；
电池分配单元，其与电池管理系统连接，所述电池分配单元包括：串联在第一电池电压回路中的第三继电器，所述第三继电器为常闭状态；串联在48V 电压回路中的第四继电器，当所述第四继电器闭合时，48V电压回路向外输出电压或者通过所述电机进行充电；
DC/DC转换器，其接收整车控制器或电池管理系统的控制信号，以使得：将48V电压转换为第一电池电压，或者将第一电池电压转换为第二电池电压，或者将第二电池电压转换为第一电池电压；
其中，所述电池管理系统监控电池系统的状态，对电池系统的SOC进行估算，并基于车辆工况和电池系统的SOC对所述互锁开关、第三继电器和第四继电器的开闭进行控制。
在本发明上述技术方案中，本发明设计了一种全新架构的集成式48V系统，该集成式48V系统对于自身的电池系统采用了优化设计，其电池系统中的各个部件高度集成，可以有效规避当前传统48V整车系统架构所存在的缺陷。
相较于当前传统的48V整车系统架构，该集成式48V系统的成本较低、重量较轻、体积较小、装配简单、系统安全性高、适用性广泛，其可以有效应用于混合动力汽车中，并起到相当优异的实施效果。
进一步地，在本发明所述的集成式48V系统中，所述第一电池为12V电池，所述第二电池为36V电池；相应地所述第一电池电压为12V，所述第二电池电压为36V。
进一步地，在本发明所述的集成式48V系统中，所述第一电池包括磷酸铁锂电池；并且/或者所述第二电池包括三元锂电池。
在本发明所述的集成式48V系统中，在一些优选的实施方式中，第一电池可以优选地选用12V磷酸铁锂电池(LFP)，第二电池可以优选地选用36V三元锂电池(NCM)。
相较于12V铅酸电池，12V磷酸铁锂电池的寿命更长，安全性更高，对环境更加友好，且无污染，其功率密度和能量密度比铅酸电池高，在满足相同要求的前提下，体积和重量比12V铅酸电池小很多。同时，磷酸铁锂电池标称电压为3.0V，通过串联很容易实现和满足整车12V用电器的电压平台要求。
相应地，三元锂电池具有能量密度高、功率性能好的特点。在这种实施方式中，采用的36V三元锂电池能够满足大倍率充放电的使用要求，该36V三元锂电池能够与12V磷酸铁锂电池配合串联使用，参与到整车启停工况、助力工况、能量回收工况、行车充电工况、驻车工况等整车的应用场景。
进一步地，在本发明所述的集成式48V系统中，所述电池分配单元还包括：
串联在第一电池电压回路中的第一熔断器，当第一电池电压回路外部短路时，其切断第一电压回路；
串联在48V电压回路中的第二熔断器，当48V电压回路外部短路时，切断48V电压回路。
进一步地，在本发明所述的集成式48V系统中，所述电池分配单元还包括：
串联在第一电池电压回路中的第一电流传感器，其监测第一电池电压回路的电流；
串联在48V电压回路中的第二电流传感器，其监测48V电压回路的电流。
进一步地，在本发明所述的集成式48V系统中，所述第一电池、第二电池、 DC/DC转换器、互锁开关和电池分配单元集成设置在一起以形成集成模块。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种车辆，该车辆可以用于装载上述集成式48V系统，并基于本发明所述的集成式48V系统对整车在各种应用场景下的能量流动进行控制。
为了实现上述目的，本发明提出了一种车辆，其包括车辆本体和如本发明上述的集成式48V系统。
此外，本发明还提出了上述车辆的控制方法，其具体包括以下内容：
(a)当第一电池的SOC最小值和第二电池的SOC最小值的至少其中之一大于30％，车辆处于启停工况和/或助力工况下时，此时控制互锁开关处于第一状态，控制所述第四继电器闭合，48V电池为电机提供电池动力，并且向 DC/DC转换器输入48V电压，DC/DC转换器将48V转换为第一电池电压后输出给负载。
(b)在驻车工况下：
当第一电池的△SOC和第二电池的△SOC的至少其中之一≤5％时，表示第一电池和第二电池启动不均衡，此时控制互锁开关处于第一状态，第一电池电压回路单独工作，DC/DC转换器不工作；
当第一电池的△SOC和第二电池的△SOC的至少其中之一＞5％时，表示第一电池和第二电池启动均衡，此时控制互锁开关处于第二状态，DC/DC转换器工作模式为将第二电池回路电压转为第一电池回路电压，第一电池和第二电池通过DC/DC转换器进行均衡，直至第一电池的SOC等于第二电池的SOC；
(c)在第一电池的SOC最大值和第二电池的SOC最大值的至少其中之一＜80％的制动能量回收工况下：控制互锁开关处于第一状态，第四继电器闭合，所述电池系统接受电机的能量反馈，第一电池和第二电池一起充电，直至一个电池先充满至100％SOC，在此状态下DC/DC转换器将48V转换为第一电池电压；
如果第二电池先充电至100％SOC，所述电池系统继续接受电机的能量反馈，第四继电器闭合，互锁开关切换为第二状态，此时DC/DC转换器将48V 转换为第一电池电压，电机的回馈能量通过DC/DC转换器为第一电池充电；
如果第一电池先充电至100％SOC，控制第四继电器断开，互锁开关处于第二状态，在此状态下：(i)当第一电池的△SOC和第二电池的△SOC的至少其中之一≤5％时，表示第一电池和第二电池启动不均衡，此时DC/DC转换器不工作，第一电池为负载供电；(ii)当第一电池的△SOC和第二电池的△ SOC的至少其中之一＞5％时，表示第一电池和第二电池启动均衡，DC/DC转换器工作模式为将第一电池回路电压转为第二电池回路电压，第一电池和第二电池通过DC/DC转换器进行均衡，直至第一电池的SOC等于第二电池的SOC；
(d)在第一电池的SOC最大值和第二电池的SOC最大值的至少其中之一＜80％的行车充电工况下：控制互锁开关处于第一状态，第四继电器闭合，所述电池系统接受电机的能量反馈，第一电池和第二电池一起充电，直至一个电池先充满至100％SOC，在此状态下DC/DC转换器将48V转换为第一电池电压；
如果第二电池先充电至100％SOC，所述电池系统继续接受电机的能量反馈，第四继电器闭合，互锁开关切换为第二状态，此时DC/DC转换器工作模式为将48V转换为第一电池电压，电机的回馈能量直接通过DC/DC转换器为第一电池充电；
如果第一电池先充电至100％SOC，控制第四继电器断开，互锁开关处于第二状态，在此状态下：(i)当第一电池的△SOC和第二电池的△SOC的至少其中之一≤5％，表示第一电池和第二电池启动不均衡，此时DC/DC转换器不工作，第一电池为负载供电；(ii)当第一电池的△SOC和第二电池的△SOC 的至少其中之一＞5％时，表示第一电池和第二电池启动均衡，DC/DC转换器工作模式为将第一电池回路电压转为第二电池回路电压，第一电池和第二电池通过DC/DC转换器进行均衡，直至第一电池的SOC等于第二电池的SOC；
(e)在车辆发动机单独驱动工况下，控制第四继电器断开：
当第一电池的△SOC和第二电池的△SOC的至少其中之一≤5％时，控制互锁开关处于第一状态，DC/DC转换器工作模式为将48V转为第一电池电压；
当第一电池的△SOC和第二电池的△SOC的至少其中之一＞5％时，控制互锁开关处于第二状态，DC/DC转换器工作模式为将第二电池回路电压转为第一电池回路电压，第一电池和第二电池通过DC/DC转换器均衡，直至第一电池的SOC等于第二电池的SOC。
进一步地，在本发明上述车辆的控制方法中，当第一电池发生故障时，控制第三继电器断开，此时在制动能量回收工况和行车充电工况下，控制第四继电器闭合，互锁开关处于第二状态，所述电机通过DC/DC转换器为负载提供应急供电，DC/DC转换器将48V转换为第一电池电压。
更进一步地，在本发明上述车辆的控制方法中，当第一电池发生故障时，控制第三继电器断开，此时在驻车工况和发动机单独驱动工况下，控制第四继电器断开，互锁开关处于第二状态，DC/DC转换器将第二电池电压转换为第一电池电压。
相较于现有技术，本发明所述的用于车辆的集成式48V系统、车辆及控制方法具有如下所述的优点和有益效果：
(1)本发明提出了一种新的集成式48V系统，该集成式48V系统对电池系统进行了优化设计，其电池系统高度集成了两块电池以及DC/DC转换器，其中48V电池可以由第一电池和第二电池串联而成，一个供能单元即可满足混合动力汽车的所有功能要求。
(2)在本发明所述的集成式48V系统中，提出了一种全新的48V电池系统工作模式和能量分配管理，其主要有：第一电池单独工作模式；第一电池和第二电池一起工作模式；第一电池和第二电池互相均衡的工作模式。
(3)在本发明所述的集成式48V系统中，其在电池系统中进一步采取了冗余电池系统设计，这种设计不仅可以满足未来自动驾驶法规要求，还可以在第一电池失效的极端工况下，确保整车某些功能依然能够正常使用。
(4)在某些优选的实施方式中，第一电池可以优选为12V磷酸铁锂电池 (LFP)。相较于12V铅酸电池，12V磷酸铁锂电池的寿命更长，安全性更高，对环境更加友好，且无污染，其功率密度和能量密度比铅酸电池高，在满足相同要求的前提下，体积和重量比12V铅酸电池小很多。同时，磷酸铁锂电池标称电压为3.0V，通过串联很容易实现和满足整车12V用电器的电压平台要求。
(5)在某些优选的实施方式中，第二电池可以优选为36V三元锂电池 (NCM)，三元锂电池能量密度高、功率性能好，能够满足大倍率充放电的使用要求。在本发明中，36V三元锂电池与12V电池配合串联使用，可以形成一个48V电池，以参与到整车启停工况、助力工况、能量回收工况、行车充电工况等整车的应用场景。
附图说明
图1示意性地显示了一种传统的48V整车系统架构。
图2示意性地显示了本发明所述的集成式48V系统在一种实施方式下的整车架构。
图3示意性地显示了图2所示集成式48V系统的电池系统的原理图。
图4为图3所示电池系统的电池分配单元原理图。
图5为图3所示电池系统的互锁开关在一种情况下的工作状态示意图。
图6为图3所示电池系统的互锁开关在另一种情况下的工作状态示意图。
图7示意性地显示了混合动力汽车处于启停工况和/或助力工况下的能量流动示意图。
图8示意性地显示了12V电池和36V电池启动不均衡时的驻车工况能量流动示意图。
图9示意性地显示了12V电池和36V电池启动均衡时的驻车工况能量流动示意图。
图10示意性地显示了在制动能量回收工况下36V电池和12V电池共同充电的能量流动示意图。
图11示意性地显示了在制动能量回收工况下36V电池先充电至100％SOC 时的能量流动示意图。
图12示意性地显示了在制动能量回收工况下12V电池先充电至100％SOC 且12V电池与36V电池不均衡时的能量流动示意图。
图13示意性地显示了在制动能量回收工况下12V电池先充电至100％SOC 且12V电池与36V电池均衡时的能量流动示意图。
图14示意性地显示了在行车充电工况下36V电池和12V电池共同充电的能量流动示意图。
图15示意性地显示了在行车充电工况下36V电池先充电至100％SOC时的能量流动示意图。
图16示意性地显示了在行车充电工况下12V电池先充电至100％SOC且 12V电池与36V电池不均衡时的能量流动示意图。
图17示意性地显示了在行车充电工况下12V电池先充电至100％SOC且 12V电池与36V电池均衡时的能量流动示意图。
图18示意性地显示了在发动机单独驱动工况的一种情况下的能量流动示意图。
图19示意性地显示了在发动机单独驱动工况的另一种情况下的能量流动示意图。
图20示意性地显示了在混合动力汽车处于12V电池故障工况时的一种情况下的能量流动示意图。
图21示意性地显示了在混合动力汽车处于12V电池故障工况时的另一种情况下的能量流动示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的用于车辆的集成式48V系统、车辆及控制方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
在本发明中，以图2和图3所示的一种具体实施例为例，对本申请的集成式48V系统的主要架构和工作原理进行了详细的说明。其中，图2只是粗略地显示了集成式48V系统的主要架构，而图3则很详细地显示了集成式48V系统的工作原理图。
图2示意性地显示了本发明所述的集成式48V系统在一种实施方式下的整车架构。
图3示意性地显示了图2所示集成式48V系统的电池系统的原理图。
参阅图2和图3可以看出，在本实施方式中，本发明所述的集成式48V系统可以具体包括：整车控制器11，电池管理系统104，电池系统10，电机控制器7，48V电机8，高功率负载9和12V负载2。
需要说明的是，在本实施方式中，电池系统10具体包括有：36V电池101、12V电池102、DC/DC转换器103、电池分配单元105和互锁开关106。其中， 36V电池101和12V电池102能够串联连接以形成48V电池。
在本发明中，本发明上述的集成式48V系统可以设置混合动力汽车上，该集成式48V系统能够采用螺栓连接的方式实现与混合动力汽车的车身12连接，如图3所示。为了保证系统中的电池系统10的使用性能和使用寿命，在设计时还考虑了主动冷却方案，冷却方案可以为主动风冷或液冷，为此在图3所示的实施方式中，本发明在车身12与电池系统10之前还设计有热管理系统接口。
此外，需要注意的是，在该实施方式中，为了规避当前铅酸电池所存在的潜在缺陷，本发明并没有像现有的技术方案一样选用12V铅酸电池，其12V 电池102具体采用的是12V磷酸铁锂电池。同时，该电池系统10中的36V电池101具体选用的是36V三元锂电池。
与传统48V整车系统架构相比，本技术方案的集成式48V系统可以满足混合动力汽车对于12V电压和48V电压的所有功能要求。在本实施方式中，由于36V电池101、12V电池102和DC/DC转换器103集成为一个零件，其节省了传统48V系统整车架构中12V电池与DC/DC转换器连接线束以及48V 电池与DC/DC转换器连接线束，从而大大减少了装配工序，使得整个系统重量、总体积、以及成本大大降低。
从重量上评估，传统48V整车系统架构中所使用的48V电池重量约20kg， 12V铅酸电池约17kg(以60Ah铅酸电池为例)，DC/DC转换器重量约2.9kg (以3kw为例)，传统48V系统的总重约39.9kg；而本技术方案的集成式48V 电池系统总重量约32kg，相比传统48V系统的重量降低19％。
从尺寸和体积上评估，传统48V整车系统架构中所使用的48V电池的尺寸约394mm*175mm*160mm，其体积约11L；12V铅酸电池(以60Ah铅酸电池为例)的尺寸约262mm*173mm*113mm，其体积约5.12L；DC/DC转换器 (以3kw为例)的尺寸约220mm*190mm*75mm，其体积约3.13L；由此计算得到传统48V电池系统的总体积约19.25L。而本技术方案的集成式48V电池系统尺寸约360mm*270mm*160mm，其总体积约15.5L，相比传统48V系统体积降低19％。
从成本上评估，传统48V电池的成本约3500元(以19Ah，925Wh为例)， 12V铅酸电池的成本约520元(以60Ah，720Wh铅酸电池为例)，DC/DC转换器的成本约600元(以3kw为例)，由此计算得到传统48V系统总成本约为4620元；而本技术方案的集成式48V电池系统总成本约3700元，相比传统 48V系统成本降低20％。
从系统集成和可装配性上评估，传统的48V电池系统多个零部件分布在不同位置分别装配，然后通过线束连接，其装配工序相当复杂；而本技术方案则将多个零部件高度集成在一起，其装配工序少，线束简单。
从环保上评估，传统的12V铅酸电池内部所含硫酸液含有大量铅，会污染环境且对人体有害；而本技术方案所使用的12V磷酸铁锂电池和36V三元锂电池均不含有镉铅汞等对环境有污染的元素，其对环境更友好。
为了进一步说明本发明所述的集成式48V系统的工作原理，发明人基于图 3中所示的内容，对本发明所述的电池管理系统104和电池系统10中各部件的功能进行了详细的描述。
如图3所示，在本发明所述的集成式48V系统中，电池管理系统104能够与整车控制器11通讯连接，并与电池系统10连接，电池系统10能够进一步与电机8连接。
在本发明中，电池管理系统104主要功能是同时监控36V电池101和12V 电池102的电压、电流和温度，同时监控两个电池的状态，对两个电池SOC (State of Charge，电池荷电状态)和SOH(State of Health，电池健康状态) 进行估算，同时电池管理系统软件继承了磷酸铁锂和三元双体系控制算法，可以用三元的SOC标定磷酸铁锂的SOC，以使磷酸铁锂SOC估算更加准确。
同时，电池管理系统104能够与电池系统10中的互锁开关106、电池分配单元105和DC/DC转换器103分别连接。
在本发明中，电池管理系统104能够控制电池分配单元105内部12V回路继电器1051(如图4所示)和48V回路继电器1054(如图4所示)的工作状态，同时监控12V回路电流和48V回路电流。此外，电池管理系统104同时也控制互锁开关106的工作状态。另外，电池管理系统104通过低压接插件连接与整车控制器11进行通讯，可以上报电池状态和接受整车控制信息。
在本发明所述的电池系统10中，由36V电池101和12V电池102能够串联形成48V电池，并为48V电机8以及高功率负载提供能量源，以及接受48V 电机8的能量反馈。
相应地，在本实施方式中，电池系统10中的DC/DC转换器103具有多种工作模式，其可以根据实际工况需要进行切换。DC/DC转换器103能够接收整车控制器11或电池管理系统104的控制信号，并切换工作模式，例如：将 48V电压转换为12V电压，或者将36V电压转换为12V电压，或者将12V电压转换为36V电压。
图4为图3所示电池系统的电池分配单元原理图。
如图4所示，在本实施方式中，电池分配单元105包括：串联在12V电压回路中的12V回路继电器1051、12V回路熔断器1052和12V回路电流传感器 1053；串联在48V电压回路中的48V回路继电器1054、48V回路熔断器1055 和48V回路电流传感器1056。
需要说明的是，在本发明中，12V回路继电器1051为常闭状态，其能够控制12V电池102的输出和充电，当电池分配单元105的+12V端出现过压/ 欠压/开路/短路等故障时，该12V回路继电器1051断开从而保护电池。而12V 回路熔断器可以在12V电池102回路外部短路时，切断12V回路，保护电池和其他用电器。12V回路电流传感器1053能够监控12V回路的电流大小。
相应地，在本发明中，48V回路继电器1054能够控制串联形成的48V电池的输出和能量回收存储功能，当48V回路继电器1054闭合时，48V电压回路向外输出电压或者通过所述电机进行充电。而48V回路熔断器1055则可以在48V电池回路外部短路时，切断48V回路，保护电池和其他用电器。48V 回路电流传感器1056能够监控48V回路电流大小。
图5为图3所示电池系统的互锁开关在一种情况下的工作状态示意图。
图6为图3所示电池系统的互锁开关在另一种情况下的工作状态示意图。
如图5和图6所示，同时参阅图3可以看出，在本实施方式中，互锁开关 106有两个互锁的第一继电器1061和第二继电器1062组成。
在本发明所述的电池系统中，互锁开关106能够与电池管理系统104连接，且互锁开关106具有两种不同的工作状态，利用互锁开关106可以实现36V电池101和48V电池的切换。
如上述图5和图6所示，在本发明中，互锁开关106有两种状态，当互锁开关106处于图5所示的状态1时，第一继电器1061闭合，第二继电器1062 断开，此时12V电池102和36V电池101串联连接在一起，共同组成了48V 电池，整个电池系统10形成有12V电压回路和48V电压回路。
当互锁开关106处于图6所示的状态2时，第一继电器1061断开，第二继电器1062闭合，整个电池系统形成有12V电压回路和36V电压回路，12V 电池102和36V电池101可以互相均衡。
在本发明中，本发明上述图2-图6所示的集成式48V系统可以具体应用于混合动力汽车上。在实际应用时，混合动力汽车通常存在以下七种不同的工况：
启停工况、助力工况、驻车工况、制动能量回收工况、行车充电工况、发动机单独驱动工况、12V电池故障工况。
当混合动力汽车处于不同的工况时，本发明所述的集成式48V系统也会在不同的工作模式之间进行切换，以满足使用需求。
当混合动力汽车处于上述这七种工况中，设于车辆上的集成式48V系统的具体工作模式，如下所述：
(1)当混合动力汽车处于启停工况和/或助力工况时：
当混合动力汽车处于启停工况和/或助力工况时，电池系统10中的36V电池101和12V电池102串联使用，以形成48V电池，此时混合动力汽车上的能量流动如下述图7所示。图7示意性地显示了混合动力汽车处于启停工况和 /或助力工况下的能量流动示意图。
当min(SOC_12V电池，SOC_36V电池)(即12V电池的SOC最小值和36V电池的SOC最小值的至少其中之一)＞30％时，12V电池102会与36V 电池101串联形成48V电池，48V回路继电器1054闭合，允许48V电机8提供启动转矩和辅助转矩。
此时，串联形成的48V电池存在为两路输出，一路输出是为了给48V电机8提供电池动力；而48V电池的另一路则是向DC/DC转换器103输入48V 电压，以使DC/DC转换器103将工作模式由48V转换为12V，而后DC/DC 转换器103输出为12V电压，为12V负载2提供电池动力。
(2)当混合动力汽车处于驻车工况时：
当混合动力汽车处于驻车工况时，根据12V电池102和36V电池101是否启动均衡，驻车工况下的能量流动，可以进一步分区分为以下两种不同情况：
1.当△SOC_12V电池&36V电池(即12V电池的△SOC和36V电池的△ SOC的至少其中之一)≤5％时，表示12V电池102和36V电池101启动不均衡，此时能量流动如图8所示。图8示意性地显示了12V电池和36V电池启动不均衡时的驻车工况能量流动示意图。
如图8所示，12V电池102和36V电池101启动不均衡，此时集成式48V 电池系统只有12V电池回路单独工作，提供整车的静态电流需求，DC/DC转换器103不工作，互锁开关106处于图5所示的状态1。
2.当△SOC_12V电池&36V电池(即12V电池的△SOC(SOC变化值) 和36V电池的△SOC的至少其中之一)＞5％时，表示12V电池102和36V电池101启动均衡，此时能量流动如图9所示。图9示意性地显示了12V电池和 36V电池启动均衡时的驻车工况能量流动示意图。
如图9所示，12V电池102和36V电池101启动均衡，互锁开关106切换为状态2，此时电池系统10存在12V电池回路和36V电池回路；DC/DC转换器103工作模式为将36V电压转为12V电压，36V电池101和12V电池102 通过DC/DC转换器103进行均衡，直至SOC_12V电池＝SOC_36V电池，即 12V电池的SOC等于36V电池的SOC。在此状态下，DC/DC转换器103输出为12V电压，其为12V负载2提供电池动力。
(3)当混合动力汽车处于制动能量回收工况时：
当max(SOC_12V电池，SOC_36V电池)(即12V电池的SOC最大值和36V电池的SOC最大值的至少其中之一)＜80％时，12V电池102会与36V 电池101串联形成48V电池，48V回路继电器1054闭合，串联形成的48V电池接受48V电机8的能量反馈，12V电池102和36V电池101一起充电，直至一个电池先充满至100％SOC。在此状态下，混合动力汽车上的能量流动如图10所示。
图10示意性地显示了在制动能量回收工况下36V电池和12V电池共同充电的能量流动示意图。
如图10所示，当36V电池和12V电池共同充电时，在此状态下互锁开关的工作模式为状态1，DC/DC转换器103的工作模式为将48V转换为12V，而后DC/DC转换器103输出为12V电压，为12V负载2提供电池动力。
如果36V电池先充电至100％SOC，则此时电池系统10可继续接受48V 电机8的能量反馈，48V回路继电器1054闭合，互锁开关106切换为状态2， 12V电池102与36V电池101断开。此时，DC/DC转换器103的工作模式为将48V转换为12V，48V电机8的回馈能量直接通过DC/DC转换器103为12V 电池102充电，同时12V电池102能够为12V负载2提供电池动力。在此状态下，混合动力汽车上的能量流动如图11所示，图11示意性地显示了在制动能量回收工况下36V电池先充电至100％SOC时的能量流动示意图。
如果12V电池102先充电至100％SOC，则此时电池系统10不再接受48V 电机8的能量反馈，48V回路继电器1054断开，互锁开关106处于状态2。在此状态下，根据12V电池102和36V电池101是否启动均衡，制动能量回收工况下的能量流动，可以进一步分区分为以下两种不同情况：
(i)当△SOC_12V电池&36V电池(即12V电池的△SOC和36V电池的△SOC的至少其中之一)≤5％时，则表示12V电池102和36V电池101启动不均衡，此时DC/DC转换器103不工作，12V电池102为12V负载2提供电池动力。此时，混合动力汽车上的能量流动如图12所示。图12示意性地显示了在制动能量回收工况下12V电池先充电至100％SOC且12V电池与36V电池不均衡时的能量流动示意图。
(ii)当△SOC_12V电池&36V电池(即12V电池的△SOC和36V电池的△SOC的至少其中之一)＞5％时，表示12V电池102和36V电池101启动均衡，DC/DC转换器103的工作模式为将12V电压转为36V电压，12V电池 102和36V电池101通过DC/DC转换器103进行均衡，直至SOC_12V电池＝SOC_36V电池，即12V电池102的SOC等于36V电池101的SOC。在此状态下，12V电池102会为12V负载2提供电池动力，混合动力汽车上的能量流动如图13所示。图13示意性地显示了在制动能量回收工况下12V电池先充电至100％SOC且12V电池与36V电池均衡时的能量流动示意图。
(4)当混合动力汽车处于行车充电工况时：
当max(SOC_12V电池，SOC_36V电池)(即第一电池的SOC最大值和第二电池的SOC最大值的至少其中之一)＜80％，且发动机的负荷较小时，发动机不在高效工作区工作，整车可以采用行车发电的模式，发动机在为整车提供动力的同时，还会带动48V电机8以发电机的形式，为电池系统10充电，此时混合动力汽车处于行车充电工况。
在行车充电工况下，48V回路继电器1054闭合，电池系统接受48V电机 8的能量反馈，以使12V电池102和36V电池101一起充电，直至一个电池先充满至100％SOC。在此状态下，混合动力汽车上的能量流动如图14所示。
图14示意性地显示了在行车充电工况下36V电池和12V电池共同充电的能量流动示意图。
如图14所示，当36V电池101和12V电池102共同充电时，在此状态下互锁开关106的工作模式为状态1，DC/DC转换器103工作模式为将48V转换为12V，而后DC/DC转换器103输出为12V电压，为12V负载2提供电池动力。
如果36V电池101先充电至100％SOC，此时电池系统10可继续接受48V 电机8的能量反馈，48V回路继电器1054闭合，互锁开关106切换为状态2， 12V电池102与36V电池101断开。此时DC/DC转换器103的工作模式为将 48V电压转12V电压，48V电机8的回馈能量能够直接通过DC/DC转换器103 为12V电池102充电，12V电池102会为12V负载2提供电池动力。在此状态下，混合动力汽车上的能量流动如图15所示。图15示意性地显示了在行车充电工况下36V电池先充电至100％SOC时的能量流动示意图。
如果12V电池102先充电至100％SOC，则此时电池系统10不再接受48V 电机8的能量反馈，48V回路继电器1054断开，互锁开关106处于状态2。在此状态下，根据12V电池102和36V电池101是否启动均衡，行车充电工况下的能量流动，可以进一步分区分为以下两种不同情况：
(i)当△SOC_12V电池&36V电池(即12V电池的△SOC和36V电池的△SOC的至少其中之一)≤5％时，表示12V电池102和36V电池101不启动均衡，此时DC/DC转换器103不工作，12V电池102为12V负载2提供电池动力。在此状态下，混合动力汽车上的能量流动如图16所示。图16示意性地显示了在行车充电工况下12V电池先充电至100％SOC且12V电池与36V电池不均衡时的能量流动示意图。
(ii)当△SOC_12V电池&36V电池(即12V电池的△SOC和36V电池的△SOC的至少其中之一)＞5％时，表示12V电池102和36V电池101启动均衡，此时DC/DC转换器103的工作模式为12V电压转36V电压，12V电池 102和36V电池101通过DC/DC转换器103进行均衡，直至SOC_12V电池＝SOC_36V电池，即12V电池102的SOC等于36V电池101的SOC。在此状态下，12V电池102为12V负载2提供电池动力，混合动力汽车上的能量流动如图17所示。图17示意性地显示了在行车充电工况下12V电池先充电至 100％SOC且12V电池与36V电池均衡时的能量流动示意图。
(5)当混合动力汽车处于发动机单独驱动工况时：
当汽车处于中高等负荷工况下行驶且电池系统10的电量充足不需要对其充电时，此时发动机处于低油耗、高效率的工作区间，此时汽车行驶需要的动力完全由发动机提供，即混合动力汽车处于发动机单独驱动工况。
在混合动力汽车处于发动机单独驱动工况时，控制48V回路继电器1054 断开，此时电池系统10不接受回馈能量也不提供辅助动力支持，其既不充电也不供电。
当△SOC_12V电池&36V电池(即12V电池的△SOC和36V电池的△SOC 的至少其中之一)≤5％时，36V电池101和12V电池102串联成48V电池，控制互锁开关106的工作模式为状态1，DC/DC转换器103的工作模式为将 48V转为12V电压，DC/DC转换器103的输出端为12V，DC/DC转换器103 能够为12V负载2提供电池动力，此时混合动力汽车上的能量流动如图18所示。图18示意性地显示了在发动机单独驱动工况的一种情况下的能量流动示意图。
当△SOC_12V电池&36V电池(即2V电池的△SOC和36V电池的△SOC 的至少其中之一)＞5％，36V电池101和12V电池102单独使用，控制互锁开关106的工作模式为状态2，DC/DC转换器103的工作模式为将36V电压转12V电压，36V电池101和12V电池102通过DC/DC转换器103均衡，直至SOC_12V电池＝SOC_36V电池，即12V电池102的SOC等于36V电池101 的SOC。在此状态下，DC/DC转换器103的输出端为12V，DC/DC转换器103 能够为12V负载2提供电池动力，此时混合动力汽车上的能量流动如图19所示。图19示意性地显示了在发动机单独驱动工况的另一种情况下的能量流动示意图。
(6)当混合动力汽车处于12V电池故障工况时。
当12V电池102发生过压/欠压/开路/短路等故障时，电池管理系统104上报故障给整车，同时断开12V回路继电器1051，保护12V电池102及回路其他用电器。
在制动能量回收工况和行车充电工况下，48V电机8的能量可通过DC/DC 转换器103为12V负载2提供应急电源支持。此时48V回路继电器1054闭合，互锁开关106为状态2，DC/DC转换器103的工作模式为48V转12V。在此状态下，混合动力汽车上的能量流动如图20所示。图20示意性地显示了在混合动力汽车处于12V电池故障工况时的一种情况下的能量流动示意图。
在驻车工况和发动机单独驱动工况下，48V回路继电器1054断开，控制互锁开关106处于状态2，DC/DC转换器103的工作模式为将36V电压转12V 电压，36V电池101通过DC/DC转换器103为12V负载2供电，以保证整车某些功能的整车使用。在此状态下，混合动力汽车上的能量流动如图21所示。图21示意性地显示了在混合动力汽车处于12V电池故障工况时的另一种情况下的能量流动示意图。
综上所述可以看出，不同于现有技术，本发明设计的集成式48V系统采用了全新的集成式电池系统，其电池系统的集成度高、成本低、重量轻、体积小、装配简单、系统安全性高、适用性广泛，其可以用于混合动力汽车中，具有良好推广前景和应用价值。
需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种用于车辆的集成式48V系统，其包括：整车控制器，电池管理系统，电池系统和电机，其中所述电池管理系统与所述整车控制器通讯连接，并与所述电池系统连接，所述电机与电池系统连接；其特征在于，所述电池系统包括：
第一电池以及第二电池，所述第一电池与第二电池能够串联连接以形成48V电池；
互锁开关，其与电池管理系统连接，所述互锁开关包括互锁的第一继电器和第二继电器，在第一继电器闭合第二继电器断开的第一状态下，所述第一电池与第二电池串联连接以形成48V电池，此时所述电池系统形成有第一电池电压回路和48V电压回路；在第一继电器断开第二继电器闭合的第二状态下，所述电池系统形成独立的第一电池和第二电池，所述电池系统形成有第一电池电压回路和第二电池电压回路；
电池分配单元，其与电池管理系统连接，所述电池分配单元包括：串联在第一电池电压回路中的第三继电器，所述第三继电器为常闭状态；串联在48V电压回路中的第四继电器，当所述第四继电器闭合时，48V电压回路向外输出电压或者通过所述电机进行充电；
DC/DC转换器，其接收整车控制器或电池管理系统的控制信号，以使得：将48V电压转换为第一电池电压，或者将第一电池电压转换为第二电池电压，或者将第二电池电压转换为第一电池电压；
其中，所述电池管理系统监控电池系统的状态，对电池系统的SOC进行估算，并基于车辆工况和电池系统的SOC对所述互锁开关、第三继电器和第四继电器的开闭进行控制。
2.如权利要求1所述的集成式48V系统，其特征在于，所述第一电池为12V电池，所述第二电池为36V电池；相应地所述第一电池电压为12V，所述第二电池电压为36V。
3.如权利要求1所述的集成式48V系统，其特征在于，所述第一电池包括磷酸铁锂电池；并且/或者所述第二电池包括三元锂电池。
4.如权利要求1所述的集成式48V系统，其特征在于，所述电池分配单元还包括：
串联在第一电池电压回路中的第一熔断器，当第一电池电压回路外部短路时，其切断第一电压回路；
串联在48V电压回路中的第二熔断器，当48V电压回路外部短路时，切断48V电压回路。
5.如权利要求1所述的集成式48V系统，其特征在于，所述电池分配单元还包括：
串联在第一电池电压回路中的第一电流传感器，其监测第一电池电压回路的电流；
串联在48V电压回路中的第二电流传感器，其监测48V电压回路的电流。
6.如权利要求1所述的集成式48V系统，其特征在于，所述第一电池、第二电池、DC/DC转换器、互锁开关和电池分配单元集成设置在一起以形成集成模块。
7.一种车辆，其特征在于，包括车辆本体和如权利要求1-6中任意一项所述的集成式48V系统。
8.如权利要求7所述的车辆的控制方法，其特征在于：
(a)当第一电池的SOC最小值和第二电池的SOC最小值的至少其中之一大于30％，车辆处于启停工况和/或助力工况下时，此时控制互锁开关处于第一状态，控制所述第四继电器闭合，48V电池为电机提供电池动力，并且向DC/DC转换器输入48V电压，DC/DC转换器将48V转换为第一电池电压后输出给负载；
(b)在驻车工况下：
当第一电池的△SOC和第二电池的△SOC的至少其中之一≤5％时，表示第一电池和第二电池启动不均衡，此时控制互锁开关处于第一状态，第一电池电压回路单独工作，DC/DC转换器不工作；
当第一电池的△SOC和第二电池的△SOC的至少其中之一＞5％时，表示第一电池和第二电池启动均衡，此时控制互锁开关处于第二状态，DC/DC转换器工作模式为将第二电池回路电压转为第一电池回路电压，第一电池和第二电池通过DC/DC转换器进行均衡，直至第一电池的SOC等于第二电池的SOC；
(c)在第一电池的SOC最大值和第二电池的SOC最大值的至少其中之一＜80％的制动能量回收工况下：控制互锁开关处于第一状态，第四继电器闭合，所述电池系统接受电机的能量反馈，第一电池和第二电池一起充电，直至一个电池先充满至100％SOC，在此状态下DC/DC转换器将48V转换为第一电池电压；
如果第二电池先充电至100％SOC，所述电池系统继续接受电机的能量反馈，第四继电器闭合，互锁开关切换为第二状态，此时DC/DC转换器将48V转换为第一电池电压，电机的回馈能量通过DC/DC转换器为第一电池充电；
如果第一电池先充电至100％SOC，控制第四继电器断开，互锁开关处于第二状态，在此状态下：(i)当第一电池的△SOC和第二电池的△SOC的至少其中之一≤5％时，表示第一电池和第二电池启动不均衡，此时DC/DC转换器不工作，第一电池为负载供电；(ii)当第一电池的△SOC和第二电池的△SOC的至少其中之一＞5％时，表示第一电池和第二电池启动均衡，DC/DC转换器工作模式为将第一电池回路电压转为第二电池回路电压，第一电池和第二电池通过DC/DC转换器进行均衡，直至第一电池的SOC等于第二电池的SOC；
(d)在第一电池的SOC最大值和第二电池的SOC最大值的至少其中之一＜80％的行车充电工况下：控制互锁开关处于第一状态，第四继电器闭合，所述电池系统接受电机的能量反馈，第一电池和第二电池一起充电，直至一个电池先充满至100％SOC，在此状态下DC/DC转换器将48V转换为第一电池电压；
如果第二电池先充电至100％SOC，所述电池系统继续接受电机的能量反馈，第四继电器闭合，互锁开关切换为第二状态，此时DC/DC转换器工作模式为将48V转换为第一电池电压，电机的回馈能量直接通过DC/DC转换器为第一电池充电；
如果第一电池先充电至100％SOC，控制第四继电器断开，互锁开关处于第二状态，在此状态下：(i)当第一电池的△SOC和第二电池的△SOC的至少其中之一≤5％，表示第一电池和第二电池启动不均衡，此时DC/DC转换器不工作，第一电池为负载供电；(ii)当第一电池的△SOC和第二电池的△SOC的至少其中之一＞5％时，表示第一电池和第二电池启动均衡，DC/DC转换器工作模式为将第一电池回路电压转为第二电池回路电压，第一电池和第二电池通过DC/DC转换器进行均衡，直至第一电池的SOC等于第二电池的SOC；
(e)在车辆发动机单独驱动工况下，控制第四继电器断开：
当第一电池的△SOC和第二电池的△SOC的至少其中之一≤5％时，控制互锁开关处于第一状态，DC/DC转换器工作模式为将48V转为第一电池电压；
当第一电池的△SOC和第二电池的△SOC的至少其中之一＞5％时，控制互锁开关处于第二状态，DC/DC转换器工作模式为将第二电池回路电压转为第一电池回路电压，第一电池和第二电池通过DC/DC转换器均衡，直至第一电池的SOC等于第二电池的SOC。
9.如权利要求8所述的车辆的控制方法，其特征在于，当第一电池发生故障时，控制第三继电器断开，此时在制动能量回收工况和行车充电工况下，控制第四继电器闭合，互锁开关处于第二状态，所述电机通过DC/DC转换器为负载提供应急供电，DC/DC转换器将48V转换为第一电池电压。
10.如权利要求9所述的车辆的控制方法，其特征在于，当第一电池发生故障时，控制第三继电器断开，此时在驻车工况和发动机单独驱动工况下，控制第四继电器断开，互锁开关处于第二状态，DC/DC转换器将第二电池电压转换为第一电池电压。
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