用于直流快速充电的高电压电池接触器布置的制作方法

本公开涉及用于向高电压(HV)电池提供直流(DC)快速充电的系统和方法。

背景技术：

电气化车辆中的高电压电池可使用交流(AC)充电或直流充电进行再充电。车辆可连接到AC电网并且分别经由使用120伏特(V)连接的AC水平1充电或经由240V连接的AC水平2充电来接收电能。连接到能够DC充电的充电站可允许高电压电池以多种电流等级(诸如，DC水平1 200-450V/80安培(A)、DC水平2 200-450V/200 A、DC水平3 200-450V/400 A等)进行再充电。因此，与AC充电过程(session)传输能量消耗的时间相比，DC充电过程传输相同的能量耗费更少的时间。

技术实现要素：

一种用于高电压电池的充电系统包括一对接触器和控制器，所述一对接触器分别电连接至所述电池的正极端子和负极端子中的一个(即，所述一对接触器中的一个电连接至所述电池的正极端子和负极端子中的一个，所述一对接触器中的另一个电连接至所述电池的正极端子和负极端子中的另一个)，且被配置为当所述一对接触器闭合时使所述电池能够进行充电，所述控制器被配置为：在充电完成之后，基于在向所述一对接触器发出预定序列的断开命令和闭合命令时获得的端口电压值，来产生指示所述一对接触器中的一个被紧密闭合(welded closed)的通知。

一种用于对高电压电池进行充电的方法包括：命令闭合一对接触器，所述一对接触器中的每一个分别电连接至所述电池的正极端子和负极端子中的一个且被布置为使所述电池能够进行充电；当向所述一对接触器发出预定序列的断开命令和闭合命令时，监测与所述一对接触器关联的正极端子和负极端子之间的端口电压值；基于所述端口电压值，产生指示所述一对接触器中的一个被紧密闭合的通知。

根据本发明的一个实施例，所述监测响应于接收到充电过程完成的通知而开始。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：基于端口电压值与电池组电压值之间的差以及响应于断开所述一对接触器的命令而获得的端口电压值，来产生指示所述一对接触器均被紧密闭合的通知。

根据本发明的一个实施例，产生指示所述一对接触器均被紧密闭合的通知还是基于电动车辆供电设备(EVSE)的状态的。

根据本发明的一个实施例，产生指示所述一对接触器均被紧密闭合的通知还是基于响应于电动车辆供电设备断开连接而获得的端口电压值的。

根据本发明的一个实施例，产生指示所述一对接触器均被紧密闭合的通知还是基于端口电压值与电池组电压值之间的差、响应于断开所述一对接触器的命令而获得的端口电压值以及响应于闭合所述一对接触器中的一个的命令而获得的端口电压值的。

一种用于高电压电池的充电系统包括一对接触器和控制器。所述一对接触器中的每一个分别电连接至所述电池的正极端子和负极端子中的一个，所述控制器被配置为：在充电完成之后，基于当充电完成时获得的端口电压值与电池组电压值之间的差以及响应于断开接触器的命令而获得的端口电压值，来产生指示所述一对接触器均被紧密闭合的通知。

根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：基于电动车辆供电设备的状态，产生所述通知。

根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：基于响应于电动车辆供电设备断开连接而获得的端口电压值，产生所述通知。

根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：在充电完成之后，基于当向所述一对接触器发出预定序列的断开命令和闭合命令时获得的端口电压值，来产生指示所述一对接触器中的一个被紧密闭合的通知。

根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：响应于接收到充电过程完成的通知，开始发出所述预定序列。

附图说明

图1是示出了典型的动力传动系统和能量存储组件的插电式混合动力电动车辆(PHEV)的框图；

图2是示出了用于DC快速充电的接触器布置的框图；

图3A是示出了用于向HV电池提供DC快速充电的算法的流程图；

图3B是示出了用于在DC快速充电期间执行电压匹配的算法的流程图；

图4是示出了用于执行DC快速充电接触器故障检测的算法的流程图。

具体实施方式

在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种和替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征进行组合以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。

图1描绘了典型的插电式混合动力电动车辆(PHEV)。插电式混合动力电动车辆12(在下文中，车辆12)可包括至少一个牵引电池或电池组14，所述至少一个牵引电池或电池组14被配置为在连接到电网(未示出)的充电站(未示出)处经由充电过程接收电荷。例如，车辆12可与充电站的电动车辆供电设备(EVSE)16协作以调整从电网到电池组14的电荷传输。电网可包括利用可再生能源的装置(诸如，光伏(PV)太阳能板或风力涡轮机(未示出))。

EVSE 16可包括用于调节和管理电网和车辆12之间的能量传输的电路和控制。例如，EVSE 16可具有用于插入车辆12的充电端口18的充电连接器，诸如，经由与充电端口18的对应凹入紧密配合的连接器引脚。充电端口18可以是被配置为从EVSE 16向车辆12传输电力的任何类型的端口。如将参照图2更详细地解释的，与充电端口18通信的电池充电器控制模块(BCCM)38可控制充电端口18与电池组14之间的电荷流动。类似地，EVSE16可包括控制模块(未示出)，所述控制模块调节从EVSE 16供应的电力，以向车辆12提供适当的电压水平和电流水平。

EVSE 16可被设计为向车辆12提供单相或三相的AC或DC电力。AC功能的EVSE、DC功能的EVSE和AC/DC功能的EVSE之间可在充电连接器以及充电协议上存在差异。EVSE 16还能够提供不同水平的AC电压和DC电压，包括但不限于，水平1 120伏特(V)的AC充电、水平2 240V的AC充电、水平1 200-450V和80安培(A)的DC充电、水平2 200-450V和达200A的DC充电、水平3 200-450V和达400A的DC充电等。

在不同的充电方法中，接收给定量的电荷所需要的时间可能不同。使用单相AC充电过程对给定的电池组进行充电可能耗费几个小时。使用DC充电可在几分钟内获得在相似的情况下的相同量的电荷。后一种充电方法也被称作DC快速充电。

在一个示例中，充电端口18和EVSE 16两者均可被配置为遵守与电气化车辆充电有关的工业标准(诸如但不限于，汽车工程师学会(SAE)J1772、J1773、J2954，国际标准化组织(ISO)15118-1、15118-2、15118-3，德国DIN规范70121等)。在一个示例中，充电端口18的凹入可包括7个端子(一般用双箭头指示)，端子1和端子2被指定用于水平1AC电力交换和水平2AC电力交换，端子3被指定用于接地连接，端子4和端子5被指定用于控制信号，端子6和端子7被指定用于DC充电(诸如但不限于，水平1DC充电、水平2DC充电或水平3DC充电)。

通过示例，端子4可被用于引导控制导频信号(control pilot signal)，端子5可被用于引导接近检测信号。接近检测信号可以是指示充电端口18与EVSE 16的连接器之间的接合状态的信号。控制导频信号(例如，低电压脉冲宽度调制(PWM)信号)可被用于控制充电过程。

车辆12还可包括机械地连接到混合动力传动装置22的一个或更多个电机20。电机20能够作为马达或发电机进行操作。另外，混合动力传动装置22机械地连接到发动机24。混合动力传动装置22还机械地连接到驱动轴26，驱动轴26机械地连接到车轮28。

电机20可在发动机24被启动或关闭时使用存储在电池组14中的能量来提供推进和减速的能力。电机20还充当发电机，且可通过回收通常将在摩擦制动系统中可能作为热量损失掉的能量来提供燃料经济效益。由于在特定条件下车辆12可以以电动模式进行操作，所以电机20还可提供减少的污染物排放。

电池组14通常提供高电压DC输出。电池组14可电连接到逆变器系统控制(ISC)30。ISC 30电连接到电机20，并提供在电池组14和电机20之间双向传输能量的能力。在马达模式下，ISC 30可将由电池组14提供的DC输出转换为电机20的正常功能可能需要的三相交流电。在再生模式下，ISC 30可将从充当发电机的电机20输出的三相AC转换为电池组14需要的DC电压。虽然图1描绘了典型的插电式混合动力电动车辆，但是在此的描述同样适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆(例如，电池电动车辆(BEV))而言，混合动力传动装置22可以是连接到电机20的齿轮箱，发动机24可以不存在。

电池组14除了提供用于推进的能量以外，还可提供用于其它车辆电力系统的能量。例如，电池组14可将能量传输到高电压负载32(诸如，压缩机和电加热器)。在另一示例中，电池组14可向低电压负载34(诸如，辅助的12V电池)提供能量。在这样的示例中，车辆12可包括DC/DC转换器模块(未示出)，所述DC/DC转换器模块将电池组14的高电压DC输出转换为与低电压负载34兼容的低电压DC供电。所讨论的各种组件可具有一个或更多个关联的控制器，以控制和监测所述组件的操作。控制器可经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或者经由离散导体进行通信。

参照图2，示出了用于高电压电池的DC快速充电的接触器布置。充电端口18可包括与EVSE 16进行通信的DC网关模块(DC gateway module，DCGM)36。DCGM 36可被配置为接收指示用于经由AC或DC充电过程在EVSE 16与电池组14之间传输电能的请求的信号。

DCGM 36还可与BCCM 38进行通信。DCGM 36可向BCCM 38发送请求以发起充电过程。例如，DCGM 36可经由控制导频信号端子向BCCM 38发送指示EVSE 16请求的特定的充电过程类型的信号。在一个示例中，BCCM38可被配置为：将PWM信号的特定占空比(例如，10％)解释为指示用于发起DC快速充电过程的请求。

电池组14可包括一个或更多个电池单元40、总线型电中心(bussed electric center，BEC)42和电池能量控制模块(BECM)44。电池单元40(例如，电化学单元)可具有任何适当的构造并且可用于接收和存储电能以用于车辆12中的操作。每个电池单元可提供相同的或不同的标称电压水平。电池单元40可被布置成进一步串联或并联连接的一个或更多个阵列、部分或模块。

电池单元40可经由正极端子46和负极端子48电连接到BEC 42。端子46和端子48可由导电材料(诸如，金属)制成，且可具有任何适当的构造。如下面将更详细地描述的，BEC 42可包括多个连接器和开关，所述多个连接器和开关允许经由与正极端子46和负极端子48的连接将电能供应到电池单元40和从电池单元40提取电能。尽管电池组14被描述为包括例如电化学电池单元，但是也考虑其它类型的能量存储装置实施方式(诸如，电容器)。

BECM 44与BEC 42相连接并且控制BEC 42与电池单元40之间的能量流。例如，BECM 44可被配置为监测和管理每个电池单元40的温度和荷电状态。在另一示例中，BECM 44可响应于给定电池单元的温度或荷电状态达到预定阈值而命令BEC 42断开或闭合多个开关。BECM 44还可与其它车辆控制器(未示出)(诸如，发动机控制模块(ECM)和传动装置控制模块(TCM))进行通信，并且可响应于来自其它车辆控制器的预定信号来命令BEC 42断开或闭合多个开关。

BECM 44还可与BCCM 38进行通信。例如，BCCM 38可向BECM 44发送指示DC快速充电过程请求的信号。BECM 44随后可命令BEC 42断开或闭合多个开关，以允许电能经由DC快速充电过程在EVSE 16和电池组14之间传输。如将参照图3更详细地描述的，BECM 44可在命令BEC 42断开或闭合多个开关以允许传输电能之前执行电压匹配。

BEC 42可包括正极主接触器50和负极主接触器52，正极主接触器50电连接到电池单元40的正极端子46，负极主接触器52电连接到电池单元40的负极端子48。在一个示例中，闭合正极主接触器50和负极主接触器52允许电能流向电池单元40以及从电池单元流出电能。在该示例中，BECM 44可响应于接收到来自BCCM 38的指示用于启动或终止充电过程的请求而命令BEC 42断开或闭合主接触器50和主接触器52。在另一示例中，响应于接收到来自另一车辆控制器(例如，ECM、TCM等)的指示启动或终止向电池组14发送电能或者从电池组14接收电能的信号，BECM 44可命令BEC 42断开或闭合主接触器50和主接触器52。

BEC 42还可包括预充电电路54，预充电电路54被配置为控制正极端子46的通电过程(energizing process)。在一个示例中，预充电电路54可包括预充电电阻器56，预充电电阻器56与预充电接触器58串联连接。预充电电路54可以以电的方式与正极主接触器50并联连接。当预充电接触器58闭合时，正极主接触器50可断开且负极主接触器52可闭合，以允许电能流过预充电电路54并控制正极端子46的通电过程。

在一个示例中，响应于检测到跨越正极端子46和负极端子48两端的电压水平已达到预定阈值，BECM 44可命令BEC 42闭合正极主接触器50并断开预充电接触器58。随后可经由正极主接触器50和负极主接触器52继续向电池组14发送电能和从电池组14接收电能。例如，在马达模式或发电机模式期间，BEC 42可经由到正极主接触器50和负极主接触器52的导体的直接连接来支持电池组14与ISC 30之间的电能传输。

在另一示例中，BECM 44可使能量能够经由到正极主接触器50和负极主接触器52的直接连接而传输到高电压负载32(诸如，压缩机和电加热器)。在另一示例中，BECM 44可命令经由连接到正极主接触器50和负极主接触器52的DC/DC转换器(未示出)将能量传输到低电压负载34(诸如，辅助的12V电池)。

为了简洁和清楚，充电端口18与电池组14之间的AC充电过程连接已被省略。在一个示例中，与预充电电路54组合的主接触器50和主接触器52可被用于在EVSE 16与电池组14之间传输AC能量。例如，BECM 44可被配置为：响应于接收到指示用于发起AC充电过程的请求的信号，命令断开和闭合主接触器50和主接触器52。

BEC 42还可包括电连接到正极端子46的DC快速充电接触器60。BEC 42可响应于指示用于DC快速充电过程的请求的信号而闭合负极主接触器52并闭合DC快速充电接触器60。例如，响应于接收到来自BCCM 38的指示用于DC快速充电过程的请求的信号，BECM 44可命令BEC 42闭合负极主接触器52并闭合DC快速充电接触器60。BECM 44可响应于接收到DC快速充电过程完成的通知而选择性地命令BEC 42断开负极主接触器52并断开DC快速充电接触器60。如将参照图3B和图4描述的，BECM 44还可被配置为：基于端口电压V_port(例如，在正极节点75和负极节点77处测量的电压)，命令BEC 42选择性地断开和闭合负极主接触器52、DC快速充电接触器60和其它开关。

参照图3A，示出了用于经由DC快速充电对高电压电池进行充电的控制策略64。控制策略64可在框66处开始，在框66，BECM 44从BCCM 38接收指示用于发起DC快速充电过程的请求的信号。例如，BCCM 38可被配置为：将DCGM PWM信号的特定占空比(例如，10％)解释为指示用于发起DC快速充电过程的请求，并将所述请求中继到BECM 44。

如将参照图3B更详细地描述的，在框68，BECM 44确定是否存在电压匹配故障。例如，BECM 44可响应于确定EVSE输出电压与电池组电压之间的差大于预定值而确定存在电压匹配故障。在框74，BECM 44随后可终止DC快速充电过程。

在框70，BECM 44响应于确定电压匹配处理已经完成且没有故障而许可EVSE 16与电池组14之间的DC快速充电传输。例如，BECM 44可命令BEC 42闭合负极主接触器52且闭合DC快速充电接触器60，以允许能量流向电池组14。

在框72，BECM 44确定DC快速充电过程是否应该继续。例如，BECM44可确定是否已存在停止充电请求(例如，用户发出的手动停止请求、EVSE16发出的自动停止请求等)。控制策略64可响应于确定应该继续DC快速充电过程(例如，还没有停止充电请求)而返回到框68，在框68，BECM 44确定是否存在电压匹配处理故障。

在框74，BECM 44响应于在框72确定DC快速充电过程不应继续而终止DC快速充电过程。例如，BECM 44可确定停止充电请求(诸如，手动或自动停止请求)已被接收。此时，控制策略64可结束。在一些实施例中，图3A中描述的控制策略64可响应于接收到指示用于发起DC快速充电过程的请求或另一请求的信号而被重复执行。

参照图3B，示出了用于执行电压匹配的控制策略76。控制策略可在框78处开始，在框78，BECM 44接收指示用于发起DC快速充电过程的请求的信号。在框80，BECM 44请求EVSE 16将输出电压设置为预定电压V_set。在一个示例中，BECM 44可请求EVSE 16将输出电压水平设置为近似等于电池组14的电压水平(在下文中，电池组电压V_pack(例如，400V))。BECM 44可被配置为从连接到电池单元40的传感器(未示出)接收电池组电压V_pack。

在框82，BECM44确定端口电压V_port与预定电压V_set之间的差的绝对值是否小于预定值。在一个示例中，BECM44可被配置为通过测量正极节点75和负极节点77之间的电压来确定端口电压V_port。在框84，BECM44响应于确定端口电压V_port与预定电压V_set之间的差的绝对值大于预定值(例如，20V)而终止DC快速充电过程。在一个示例中，响应于在框82确定了端口电压V_port与预定电压V_set之间的差的绝对值大于预定值且在框84终止DC快速充电过程之前，BECM 44可使用防反跳计时器(debouncing timer)。在该示例中，在终止DC快速充电过程之前，BECM44可在预定时间段之后重新在框82确定端口电压V_port与预定电压V_set之间的差的绝对值是否小于预定值。

在框86和框88，响应于在框82确定了端口电压V_port与预定电压V_set之间的差的绝对值小于预定值，BECM44分别将用于闭合DC快速充电接触器60的请求和用于闭合负极主接触器52的请求发送到BEC 42。尽管框86和框88示出了负极主接触器52在DC快速充电接触器60之后被闭合，但是DC快速充电接触器60和负极主接触器52闭合的顺序可基于BECM44采用的给定的诊断策略而变化。在框90，BECM44执行DC快速充电。此时，控制策略76可结束。在一些实施例中，图3B中描述的控制策略76可响应于接收到指示用于发起DC快速充电过程的请求或另一请求的信号而被重复执行。

参照图4，示出了用于检测DC快速充电接触器故障的控制策略100。控制策略100可在框102处开始，在框102，BECM44接收指示DC快速充电过程已完成的信号(例如，接收充电过程完成的通知)。在框103，BECM 44请求EVSE 16停止转换电力。例如，BECM44可经由BCCM38和DCGM 36将指示用于停止转换电力的请求的信号发送到EVSE 16。

在框104，BECM44确定端口电压V_port与电池组电压V_pack之间的差的绝对值是否小于预定值。例如，BECM44可被配置为接收作为正极节点75与负极节点77之间的电压水平的端口电压值，并且可被配置为接收作为电池单元40的电压水平的电池组电压V_pack。在框106，BECM44响应于确定端口电压V_port与电池组电压V_pack之间的差的绝对值大于预定值而执行诊断。在一个示例中，BECM44可报告端口电压V_port与电池组电压V_pack之间的差的绝对值大于预定值(例如，20V)，并且可设置诊断故障代码(DTC)。

在框108，响应于在框104确定了端口电压V_port与电池组电压V_pack之间的差的绝对值小于预定值，BECM 44命令BEC 42断开DC快速充电接触器60和负极主接触器52两者。在框110，BECM 44随后确定端口电压V_port是否小于预定值。例如，响应于断开DC快速充电接触器60和负极主接触器52两者的命令，BECM44确定端口电压V_port是否小于50V。

在框112，响应于在框110确定了端口电压V_port大于预定值(例如，50V)，BECM 44确定EVSE 16是否已经与充电端口18断开连接(即，EVSE 16的状态)。例如，BECM 44可确定EVSE 16的充电连接器是否已经从充电端口18的对应凹入拔出。如果BECM 44确定EVSE 16尚未断开连接，则在框114，BECM 44等待预定时间段以用于EVSE 16断开连接。在一个示例中，如果EVSE 16在预定时间段之后尚未断开连接，则BECM44可执行诊断。控制策略100随后可结束。

在框116，响应于在框112确定了EVSE 16已经断开连接，BECM 44确定端口电压V_port是否小于预定值。例如，响应于确定了EVSE 16已经断开连接，BECM44确定端口电压V_port是否小于50V。在框118，BECM 44响应于确定端口电压V_port大于预定值而执行诊断。在一个示例中，BECM 44可确定DC快速充电接触器60和负极主接触器52存在故障(例如，焊接故障)。控制策略100随后可结束。

在框120，响应于确定在EVSE 16已经断开连接之后端口电压V_port小于预定值，BECM44执行诊断。在一个示例中，BECM44可确定EVSE 16继续转换电力，而不管BECM 44是否请求停止转换。控制策略100随后可结束。

在框124，响应于确定端口电压V_port小于预定值，BECM44命令BEC 42闭合DC快速充电接触器60而使负极主接触器52保持断开。在框126，响应于闭合DC快速充电接触器60而使负极主接触器52保持断开的命令，BECM44确定端口电压V_port是否小于预定值(例如，50V)。在框128，BECM 44响应于确定端口电压V_port大于预定值而执行诊断。例如，BECM 44可确定负极主接触器52存在焊接故障或另一故障类型。控制策略100随后可结束。

在框130，响应于在框126确定端口电压V_port小于预定值，BECM 44命令BEC 42闭合负极主接触器52并断开DC快速充电接触器60。在框132，BECM 44确定端口电压V_port是否小于预定值。BECM 44可响应于确定端口电压V_port小于预定值而退出控制策略100。

在框134，BECM 44响应于确定端口电压V_port大于预定值(例如，50V)而执行诊断。例如，BECM 44可确定DC快速充电接触器60存在焊接故障或另一类型的故障，并且随后可退出控制策略100。此时，控制策略100可结束。在一些实施例中，图4中描述的控制策略100可响应于接收到指示DC快速充电过程已经完成的信号或另一信号而被重复执行。

在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机或者，通过处理装置、控制器或计算机来实现，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或者专用的电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可被存储为数据以及可由控制器或计算机以多种形式执行的指令，所述多种形式包括但不限于永久存储在非可写存储介质(诸如，ROM装置)上的信息以及可变地存储在可写存储介质(诸如，软盘、磁带、CD、RAM装置以及其它磁性和光学介质)上的信息。所述处理、方法或算法还可在软件可执行对象中实现。可选地，所述处理、方法或算法可使用适合的硬件组件(诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其它硬件组件或装置)或者硬件、软件和固件组件的组合被全部或部分地实现。

说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被组合，以形成可能未被明确描述或示出的本发明的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或更多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，一个或更多个特征或特性可被折衷，以实现期望的整体系统属性，期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。