车辆蓄电池及其充电方法

专利名称：车辆蓄电池及其充电方法
技术领域：
本发明大体上涉及车辆蓄电池，更具体地说涉及具有多个单独蓄电池单体的高电压车辆蓄电池，例如在各种类型的电动车辆和混合动力车辆中所看到的那些蓄电池。
背景技术：
在车辆蓄电池组中的蓄电池单体可以具有不同的特性。例如，位于蓄电池组的一个部分中的蓄电池单体会受到与位于该蓄电池组的不同区域中的那些蓄电池单体不同的温度。这些和其它因素继而会影响各个单体电压、电流、电阻、充电状态(SOC)、健康状况(SOH)和/或其它随着时间变化的蓄电池单体状况，并且会导致在这些蓄电池单体之间的差异性，从而它们不相同。蓄电池单体差异性的另一个潜在来源涉及在制造过程方面的限 制条件，因为这种过程不总是能够产生出具有完全相同单体的蓄电池组。通常期望维持蓄电池组使得单体电压和/或其它蓄电池单体条件被平衡并且在蓄电池组上均匀分布，为此开发了一些单体平衡技术。一种这样的技术涉及将已经过充电的蓄电池单体放电，但是这种技术会导致效率损失，因为一些电能在放电过程中浪费了。

发明内容
根据一个实施方案，提供一种给车辆蓄电池充电的方法。该方法可以包括步骤(a)提供具有多个蓄电池单体和多个单体平衡电流路径的车辆蓄电池，每个单体平衡电流路径中的每一个与相应的蓄电池单体并联，并且包括串联的电子开关和稳压二极管；(b)通过关闭电子开关来启用所述单体平衡电流路径；并且(c)通过启用的单体平衡电流路径给车辆电池充电，在充电过程期间，蓄电池单体中的一个或多个被充电，并且所述蓄电池单体中的一个或多个通过单体平衡电流路径被旁通。根据另一个实施方案，提供一种车辆蓄电池，包括多个蓄电池单体和多个单体平衡电流路径。单体平衡电流路径中的每一个与相应的蓄电池单体并联，并且包括串联的电子开关和稳压二极管。根据另一个实施方案，提供一种车辆蓄电池，包括蓄电池单体、单体平衡电流路径和蓄电池控制模块。蓄电池单体可包括第一和第二单体节点，所述单体平衡电流路径可包括串联的第一路径节点、电子开关、稳压二极管和第二路径节点，并且所述蓄电池控制模块可以包括与单体平衡电流路径的电子开关连接的输出端。本发明还提供如下方案
I.一种给车辆蓄电池充电的方法，包括以下步骤
(a)提供具有多个蓄电池单体和多个单体平衡电流路径的车辆蓄电池，每个所述单体平衡电流路径与相应的蓄电池单体并联连接并且包括串联连接的电子开关和稳压二极管；
(b)通过闭合所述电子开关来启用所述单体平衡电流路径；并且
(c)通过启用的单体平衡电流路径给所述车辆蓄电池充电，其中在充电过程期间，所述蓄电池单体中的一个或多个被充电，并且所述蓄电池单体中的一个或多个通过单体平衡电流路径被旁通。2.如方案I所述的充电方法，还包括以下步骤
确定是否存在蓄电池充电操作，如果存在蓄电池充电操作，则进行步骤(b)-(c)中的一个或多个。3.如方案2所述的充电方法，还包括以下步骤
确定所述车辆蓄电池当前是否正在经历车载充电操作或非车载充电操作，评估用于禁用所述单体平衡电流路径的一个或多个蓄电池状况，并且如果满足所述蓄电池状况，则进行步骤(b)-(c)中的一个或多个。4.如方案3所述的充电方法，其中用于车载充电操作的蓄电池状况与用于非车载充电操作的蓄电池状况不同。·
5.如方案3所述的充电方法，其中用于车载充电操作的所述蓄电池状况包括车辆蓄电池组电流。6.如方案I所述的充电方法，其中步骤(b)还包括通过从蓄电池控制模块给所述电子开关发送一个或多个开关控制信号来启用所述单体平衡电流路径。7.如方案6所述的充电方法，其中来自所述蓄电池控制模块的所述开关控制信号将所有电子开关闭合，使得所有单体平衡电流路径都被启用。8.如方案6所述的充电方法，其中来自所述蓄电池控制模块的所述开关控制信号闭合所述电子开关中的一些，使得所述单体平衡电流路径中的一些被启用，并且将所述单体平衡电流路径中的一些被禁用。9.如方案I所述的充电方法，其中步骤(C)还包括给一个或多个蓄电池单体的第一组充电，同时使得一个或多个蓄电池单体的第二组旁通，并且通过所述单体平衡电流路径使得所述第二组蓄电池单体旁通。10.如方案9所述的充电方法，其中通过单体平衡电流路径使得所述第二组蓄电池单体旁通，每条单体平衡电流路径包括处于闭合状态中的电子开关和沿着反向方向操作的稳压二极管。11.如方案I所述的充电方法，还包括以下步骤
检测所述车辆蓄电池的一个或多个蓄电池状况；并且
在一个或多个蓄电池状况改变时通过断开所述电子开关来禁用所述单体平衡电流路径。12.如方案I所述的充电方法，其中该方法在没有将任一个蓄电池单体放电的情况下平衡所述多个蓄电池单体的电压。13. 一种车辆蓄电池，包括
多个蓄电池单体；以及
多个单体平衡电流路径，每条单体平衡电流路径与相应的蓄电池单体并联连接并且包括串联连接的电子开关和稳压二极管，
其中所述单体平衡电流路径中的每一条都布置成在所述电子开关闭合并且在所述相应的蓄电池单体上的电压超过所述稳压二极管的击穿电压时使得所述相应的蓄电池单体芳通。
14.如方案13所述的车辆蓄电池，还包括
与所述多个电子开关连接的蓄电池控制模块，其中所述蓄电池控制模块通过控制信号控制所述电子开关中的每一个的状态。15.如方案14所述的车辆蓄电池，其中所述蓄电池控制模块一致地控制所述多个电子开关的状态，使得所有电子开关在蓄电池充电操作期间都闭合。16.如方案13所述的车辆蓄电池，还包括
第一单体平衡电流路径，其与第一蓄电池单体并联连接并且具有闭合的电子开关和正在以反向状态操作的稳压二极管；和
第二单体平衡电流路径，其与第二蓄电池单体并联连接并且具有闭合的电子开关和正在以向前状态操作的稳压二极管，所述第一蓄电池单体具有比所述第二蓄电池单体更高的蓄电池单体电压；
其中在蓄电池充电操作期间，所述第一单体平衡电流路径导通并且防止所述第一蓄电池单体充电，而所述第二单体平衡电流路径没有导通并且允许所述第二蓄电池单体充电。17. 一种车辆蓄电池，包括
具有第一单体节点和第二单体节点的蓄电池单体；
单体平衡电流路径，其具有串联连接的第一路径节点、电子开关、稳压二极管和第二路径节点，其中所述单体平衡电流路径的所述第一通路节点与所述蓄电池单体的第一单体节点连接，并且所述单体平衡电流路径的第二路径节点与所述蓄电池单体的第二单体节点连接，使得所述单体平衡电流路径与所述蓄电池单体并联；以及
蓄电池控制模块，其具有与所述单体平衡电流路径的所述电子开关连接的输出端，其中所述单体平衡电流路径在所述蓄电池控制模块已经闭合所述电子开关并且所述蓄电池单体的电压超过所述稳压二极管的击穿电压时使得所述蓄电池单体旁通。


下面将结合附图对优选示例性实施方案进行说明，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中
图I为示例性插入式电动车辆的示意 图2为示例性车辆蓄电池的一部分的示意性方框图，所述示例性车辆蓄电池可以随插入式电动车辆例如图I的插入式电动车辆使用；
图3显示出示例性方法的一些步骤的流程图，这些步骤可以用来给车辆蓄电池例如在图2中所示的车辆蓄电池充电；并且
图4为在图2中的车辆蓄电池的另一个视图，但是各个电子开关已经通过蓄电池控制模块接通，并且将某些单体平衡电流路径突出以便帮助说明在图3中的方法。
具体实施例方式在这里所述的车辆蓄电池和充电方法可以用来在蓄电池充电操作期间平衡单体电压，并且按照防止各个单体过充电并且改善整体操作效率的方式进行。根据一个可能的实施方案，车辆蓄电池包括多个单体平衡电流路径，其每个与单个蓄电池单体并联并且可以在其电压超过某个最大值时使得相应的单体分路或旁通。这可以使得充电不足的蓄电池单体在过充电蓄电池单体旁通的同时被充电。每个单体平衡电流路径可以包括串联的电子开关和稳压二极管组合，其中电子开关由蓄电池控制模块控制，使得单体平衡能够在蓄电池充电操作期间启用并且在其它时间禁止。在这里描述的单体平衡技术可以增大可以从车辆蓄电池中得到的能量和功率；提高蓄电池充电操作的整体效率；改善单体平衡精确度，因为其不依赖于“一次”单体读取；和/或改善单体感测精度，因为其不会受到放电电流和在平衡电阻器上的电压降的影响。参照图1，该图显示出可以随在这里描述的单体平衡方法使用的示例性插入式电动车辆10的一些部件。虽然下面的说明依据特定的插入式电动车辆给出，但是应该理解的是，该电动车辆只是示例性的，并且替代地当然可以使用其它车辆。例如，下面所述的车辆蓄电池和充电方法可以用于具有高电压蓄电池组的任意车辆类型，包括混合动力电动车辆(HEV)、插入式混合动力电动车辆(PHEV)、增程式电动车辆(EREV)或蓄电池电动车辆(BEV)，仅列出一些。另外，该充电方法可以不仅适用于蓄电池，而且还适用于接受充电的其他设备，例如超级电容器。根据示例性实施方案，插入式电动车辆10与外部电源12相互作用，并且包括电源接线20、蓄电池充电器24、蓄电池30、电动机32、逆变器/转换器34、发动机36、发电机38和控制模块40。部件20-40可以固定安装到插入式电动车辆10并且位于 其上。外部电源12通过电源耦合器22给插入式电动车辆10提供电能，并且可以为本领域所公知的多种不同电源类型中的一种。例如，外部电源12可以为借助标准电源插口(例如，IlOV AC或220V AC插口)提供电能的公用电力设施，或者它可以为便携式发电机例如用天然气、丙烷、汽油、柴油等运行的发电机类型。在一个实施方案中，外部电源12为可再生能源，例如由来自太阳能面板、风轮机、水电装置、生物材料等的能量供能的远程充电站。外部电源12不限于任意特定类型或实施方案，只要它可以通过电源耦合器22给插入式电动机10提供电能。电源接线20为电源耦合器22可被插入或嵌入的插入式电动机上的电入口件(inlet)。这使得车辆拥有者能够容易将插入式电动车辆10与普通AC壁插口例如在大多数车间和充电站中所通常看到的那些连接和断开。电源接线20不限于任意特定的设计，并且可以为任意类型的入口件、连接件、插口、插头、端口、插座等，包括基于导电、感应或其它类型的电连接的方式。这些连接类型中的一些由一个或多个国际标准(即，IEC 62196型1-2和模式1-4，IEC 60309，SAE J1772等)覆盖。在示例性实施方案中，电源接线20为位于插入式电动车辆10的外部上的电入口件，从而其能够方便地被接入(例如在铰接门或垂件(f lap)下)，并且包括用于传送电功率的到蓄电池充电器24的一个或多个连接部和用于通信的到控制模块40的一个或多个连接部。也可以采用其它布置和连接部。电源耦合器22可以用来将外部电源12连接至插入式电动车辆10。电源耦合器有时被称为电动车辆供电设备(EVSE)电线组件。在一个实施方案中，电源I禹合器22可以为专门设计用于插入式电动车辆的专用电线组件(例如在规范SAE J-1772和J-1773中所述的那些)，它包括第一端部、电缆或电线、控制单元和第二端部。电源耦合器22的第一端部为插入到标准AC墙壁插座中的三插脚接头，并且其第二端部为插入到在车辆上的电源接头20上的专门设计的接头。电缆将电能从外部电源12引导或传输给插入式电动车辆10，但是也可以在电源耦合器22的控制单元和位于车辆上的装置例如控制模块40之间传输一个或多个通信信号。电源耦合器22的控制单元可以包括任意数量的电子部件，包括但不限于传感器、发送接收器、存储装置、接触器、开关、接地故障电流中断器(GFCI)部件以及任意其它合适的部件。在示例性实施方案中，电源耦合器22的控制单元由外部电源供电，检测在电源耦合器周围的各种状况(例如，电能是否存在，电能的电压和/或电流，电源耦合器的温度等)，并且与控制模块40通信这些状况。本领域普通技术人员将理解的是，在这里所述的方法不限于任意特定的电源耦合器或电线组件，可以采用任意数量的不同的电源耦合器。充电器24可以从各种电源包括外部和/或内部电源接收电能。在外部电源的情况下，充电器24可以通过将外部电源12与充电器24连接的合适电源耦合器或充电电线组件22接收电能，如已解释的。在内部电源的情况下，充电器24可以通过在车辆内的接头从再生制动马达驱动发电机38或一些其它的部电源接收电能。本领域普通技术人员将理解的是，充电器24可以根据任意数量的不同实施方案设置，可以按照任意数量的不同结构连接，并且可以包括任意数量的不同部件，例如变压器、整流器、开关式电源、滤波装置、冷却装置、传感器、控制单元和/或本领域所公知的任意其它合适部件。
电动机32可以采用存储在车辆蓄电池30中的电能来驱动一个或多个车轮，这些车轮反过来推进该车辆。虽然图I示意性地显示出电动机32为单个独立装置，但是电动机可以与发电机组合在一起(所谓的“Mogen”)，或者它可以包括多个电动机(例如分别用于前轮和后轮的单独电机，用于每个车轮的单独电机，用于不同功能的单独电机等)，列举一些可能。车辆10不限于任一种特定类型的电动机，因为可以采用许多不同的电机类型、规格、技术等。在一个实施例中，电动机32包括AC电机(例如三相AC感应电机、多相AC感应电机等)以及可以在再生制动期间使用的发电机。电动机32可以根据任意数量的不同实施方案设置(例如，AC或DC电机，有刷或无刷电机，永磁电机等)，它可以按照任意数量的不同结构连接，并且它可以包括任意数量的不同部件，例如冷却部件、传感器、控制单元和/或本领域公知的任意其它合适部件。逆变器/转换器34可以用作在车辆蓄电池30和电动机32之间的中间部件，因为这两个装置往往设计用于根据不同操作参数工作。例如，在车辆推进期间，逆变器/转换器34可以使得来自蓄电池30的电压升高，并且将电流从DC转变成AC以便驱动电动机32，而在再生制动期间，逆变器/转换器可以使得由制动事件产生出的电压减小，并且将电流从AC转变成DC，从而它可以由蓄电池适当存储。在某种意义上，逆变器/转换器34管理着这些不同的操作参数(即AC对DC，各种电压电平等)如何一起工作。逆变器/转换器34可以包括用于DC到AC转换的逆变器、用于AC到DC转变的整流器、用于提高电压的升压转换器或变压器、用于降低电压的降压转换器或变压器、其它合适的能量管理部件或其一些组合。在所示的示例性实施方案中，逆变器和转换器单元集成为单个双向装置，但是也可以有其它实施方案。应该认识到的是，逆变器/转换器34可以根据任意数量的不同实施方案设置(例如具有单独的逆变器和转换器单元，双向或单向的等)，可以按照任意数量的不同结构连接，并且可以包括任意数量的不同部件，例如冷却系统、传感器、控制单元和/或本领域所公知的任意其它合适部件。发动机36可以采用普通内燃技术驱动发电机38，并且可以包括本领域所公知的任意合适类型的发动机。合适发动机的一些示例包括汽油、柴油、乙醇、柔性燃料、自然进气、润轮增压、机械增压(super-charged)、旋转式、奥托循环、阿特金森(Atkins)循环和米勒(Miller)循环式发动机以及本领域所公知的任意其它合适发动机类型。根据在这里所示的具体实施方案，发动机36为小型燃料高效发动机(例如，小排量涡轮增压四缸发动机)，它利用其机械输出来使得发电机38运转。本领域普通技术人员将理解的是，发动机36可以根据任意数量的不同实施方案设置，可以按照任意数量的不同结构连接(例如，发动机36可以为并联混合动力系统的一部分，其中发动机也与车轮机械连接，而不是专门用来产生电力)，并且可以包括任意数量的不同部件，例如传感器、控制单元和/或本领域所公知的任意其它合适部件。发电机38如此与发动机36机械连接，从而发动机的机械输出使得发电机产生出可以提供给车辆蓄电池30、电动机32或两者的电能。值得注意的是，发电机38可以根据任意数量的不同实施方案设置(例如，马达32的发电机和发电机38可以合并为单个组件)，可以按照任意数量的不同结构连接，并且可以包括任意数量的不同结构，例如传感器、控制单元和/或本领域所公知的任意其它合适部件。发电机38不限于任意特定的发电机类型或实施方案。 控制模块40可以用来控制、管理或以其它方式管理车辆10的特定操作或功能，并且根据一个示例性实施方案包括处理装置46和存储装置48。处理装置46可以包括任意类型的合适电子处理器(例如微处理器、微控制器、特定用途集成电路(ASIC)等)，用来执行软件、固件、程序、算法、脚本等的指令。该处理器不限于任一种部件或装置。存储装置48可以包括任意类型的合适电子存储部件，并且可以存储各种数据和信息。这例如包括感测出的蓄电池状况；查询表和其它数据结构；软件、固件、程序、算法、脚本和其它电子指令；部件特征和背景信息等。本方法一以及这些任务所需的任意其它电子指令和/或信息一也可以存储或以其它方式保持在存储装置48中。控制模块40可以通过I/O设备和合适的连接例如通信总线与其它车辆装置和模块电子连接，从而它们可以按照要求相互作用。这些当然只是控制模块40的一些可能的布置、功能和能力，也可以采用其它形式。根据该具体实施方案，控制模块40可以为独立电子模块(例如，车辆集成控制模块(VICM)、牵引功率逆变器模块(TPIM)、蓄电池功率逆变器模块(BPIM)等)，它可以结合或包括在车辆内的另一个电子模块(例如传动系控制模块、发动机控制模块、混合动力控制模块等)内，或者它可以为更大型网络或系统的一部分(例如蓄电池管理系统(BMS)、车辆能量管理系统等)，列出一些可能性。还有，示例性插入式电动车辆10的前面说明和图I中的附图不仅仅用来说明一种可能的车辆布置，而是按照通常的方式实现。可以采用任意数量的其它车辆布置和构架，包括与在图I中所示的重大不同的那些布置和构架。现在参照图2，该图显示出示例性车辆蓄电池30的一部分的示意图，它可以用来给车辆10提供能量。车辆蓄电池30可以存储电能，该电能至少部分用于车辆推进，以及满足车辆的其它电力需求。根据示例性实施方案，蓄电池30包括具有多个单独蓄电池单体52-58的高电压蓄电池组50(例如40V-60V)、多个单体平衡电流路径62-68和蓄电池控制模块70。蓄电池组50包括单独蓄电池单体52-58的集合，它可以串联、并联或两者的组合以便输送所期望的电压、电流、电容、功率密度和/或其它性能特性。在图2中所示的具体实施例中，蓄电池单体52-58相互串联连接。蓄电池组50可以采用任意合适的蓄电池化学技术，包括基于以下技术的蓄电池技术锂离子、镍金属氢化物(NiMH)、镍镉(NiCd)、氯化钠镍(NaNiCl)或一些其它的蓄电池技术。根据一个实施例，蓄电池组50包括多个锂离子蓄电池单体。蓄电池组50应设计成承受反复充电和放电循环，并且可以与其它储能装置例如电容器、超级电容器、感应器等结合使用。本领域普通技术人员将理解的是，车辆蓄电池可以根据任意数量的不同实施方案设置，可以按照任意数量的不同结构连接，并且可以包括任意数量的不同子部件，例如传感器、控制单元和/或本领域所公知的任意其它合适部件。单体平衡电流路径62-68分别与蓄电池单体52_58并联连接，并且在其电压超过某个阈值时提供将单体分流或旁通的路径。每个单体平衡电流路径包括与稳压二极管82-88串联连接的电子开关72-78。例如，单体平衡电流路径62连接在蓄电池单体52的第一和第二节点90和92之间，并且包括与稳压二极管82串联连接的电子开关72。如果电子开关72关闭并且在蓄电池单体52上的电压超过稳压二极管82的击穿电压，则来自蓄电池充电操作的电流可以通过流经开关72和二极管82而绕过单体52，这防止了蓄电池单体52进一步充电。相同的构思同样应用于其它蓄电池单体和单体平衡电流路径，从而在蓄电池充电操作期间，在使得高压单体旁通的同时可以给低电压单体充电。该选择性充电过程能够实现在蓄电池30内的单体平衡，从而单体电压变得更加均匀或一致，如将在下面更详细描述的一样。·如本领域所广泛理解的一样，电子开关72-78为用来选择地断开电路的电气部件，并且可以为任意合适类型的开关、晶体管等。开关72-78可以按照两种状态中的一种工作电在开关的端子之间流动时的“闭合”或“接通”状态，或者在没有电流动时的“打开”或“断开”状态。用于开关72-78的合适开关或晶体管类型的一些示例包括但不限于双极结晶体管(BJT)和所有类型的场效应晶体管(FET)例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和门极结场效应晶体管(JFET)。电子开关72-78不限于任意特定的开关或晶体管类型。在非限定实施例中，开关72-78中的每一个为NPN双极结晶体管(BJT)，它包括用于导电的集电极和发射极端子、与蓄电池控制模块70连接以接收控制信号的基极端子和大约为5-10安培的电流阈值(这使得能够进行IlOV或220V非车载充电)。控制信号控制着开关的状态，并且可以使之“接通”或“断开”。稳压二极管82-88为这样的电气部件，这些电气部件允许电流沿着前进方向流动，例如普通二极管，并且当二极管上的电压超过击穿或稳压电压时还允许电流沿着反向方向流动。稳压二极管的结构和操作对于本领域普通技术人员而言是公知的，并且因此这里不在重复说明。根据在图2中所示的示例性实施方案，稳压二极管82为单体平衡电流路径52的一部分，并且连接成使得在开关72闭合并且在蓄电池单体52上的电压超过稳压击穿电压时电流只是在从第一单体节点90到第二单体节点92的电流路径中流动。一旦满足这些条件，则电流自由地在单体平衡电流路径62中流动并且绕过蓄电池单体52，从而不再对它进行充电。在一个非限定实施例中，稳压二极管82-88中的每一个的电流阈值大约为5-10安培，并且击穿电压大约为3. OV-5. 0V。在单体平衡电流路径中也可以采用其它类型的电气部件，因为在这里所示的稳压二极管只是一个示例。蓄电池控制模块70可以包括任意种类的电子处理装置、存储装置、输入/输出(I/
O)设备和其它已知的部件，并且可以进行各种控制和/或通信相关的功能。例如，蓄电池控制模块70可以接收来自各种蓄电池传感器100的传感器信号，并且对这些传感器信号进行评估、分析和/或处理以便控制蓄电池30的一个或多个方面。采用传感器信号来控制电子开关72-78的状态是用于蓄电池控制模块70的合适功能的一个示例。在另一个实施例中，蓄电池控制模块70接收来自蓄电池传感器100的传感器信号并且将它们打包成传感器消息，然后通过合适的连接例如CAN总线、系统控制总线(SMBus)、专有通信链路等将该传感器消息发送给控制模块40或一些其它装置。蓄电池控制模块70可以收集蓄电池传感器读数，并且将它们与有关的蓄电池特性和与蓄电池单体化学特性、单体容量、上蓄电池电压限值、下蓄电池电压限值、蓄电池电流限值、蓄电池温度限值、温度轮廓、蓄电池电阻、充电/放电事件的次数或历史等相关的背景信息一起存储在本地存储器中。应该理解的是，蓄电池控制模块70可以为独立电子模块,它可以结合或包括在车辆内的另一个电子模块内(例如控制模块40)，它可以为更大型网络或系统的一部分，它可以位于车辆蓄电池内，或者它可以位于蓄电池外面，列出一些可能性。蓄电池控制模块70不限于上面所述并且在图2中所示的示意性说明。在一个实施方案中，蓄电池控制模块70包括一个或多个蓄电池传感器100。 蓄电池传感器100可以包括任意种类的不同感测部件或元件，并且可以监测各种蓄电池状况例如电压、电流、充电状态(S0C)、健康状态(S0H)、温度等。蓄电池传感器100可以包括集成在车辆蓄电池30(例如智能或灵巧蓄电池)内、外部地位于蓄电池外面或根据一些其它已知布置方式设置的传感器。蓄电池传感器100可以逐单体地监测、感测或以其它方式确定蓄电池状况，作为蓄电池组的区域或单体的块或集合的平均、作为整个蓄电池组的平均，或者根据本领域所公知的一些其它方法。在示例性实施方案中，蓄电池传感器100包括用于感测单独单体电压的电压传感器102-108、用于感测流经蓄电池组的电流的电流传感器110以及任意数量的其它传感器例如温度传感器等。传感器102-110可以与蓄电池控制模块70、控制模块40或任意其它合适的装置连接。现在参照图3，该图显示出用于给车辆蓄电池例如在图I和2中所示的车辆蓄电池充电的示例性方法150的一些步骤。该方法150可以用来在蓄电池充电操作期间平衡单体电压，并且可以按照防止单独单体过充电并且改善操作的整体效率的方式进行。如上所述，该方法150提供了这样的充电方案，即它通过对未充电完全的单体进行充电并且同时使得过充电单体旁通或旁路来平衡在蓄电池组上的单体电压。该方法150可以在任意蓄电池充电操作期间进行，所述操作可以包括“非车载充电操作”(例如，在将车辆插入到外部电源12中时)、“车载充电操作”(例如在车辆正在经历再生制动或正在用发电机38进行充电时)或任意其它合适的充电操作。从步骤154开始，该方法确定车辆当前是否正在经历蓄电池充电操作，并且可以按照许多不同的方式进行。根据一个实施例，步骤154在电源耦合器22电连接在外部电源12和电源连接装置20之间时检测非车载充电操作或者事件。该连接可以通过电源连接装置20、电源耦合器22或一些其它装置检测或感测出，并且可以通过适当的电子消息输送给蓄电池控制模块70。在不同的实施例中，步骤154响应于再生制动事件(例如制动控制模块等会给蓄电池控制模块70发送再生制动消息)或响应于由发动机驱动的发电机38进行的充电来检测出车载充电操作。也可以采用其它实施方案。如果该方法确定出正在进行蓄电池充电操作，则该方法前进至下一个步骤，否则该方法回到步骤154以作进一步监测。接着，步骤158确定蓄电池充电操作或事件的类型。如上所述，可以将充电事件分成几个不同的类别，包括非车载充电操作和车载充电操作。“非车载充电操作”广义上包括充电来源位于车辆外部的任意充电事件(例如从外部电源12充电)。另一方面车载充电操作”广义地包括充电来源位于车辆内部的任意充电事件(例如，从再生制动操作进行充电或从发电机38进行充电)。在步骤154中所使用的检测蓄电池充电操作的任意技术可随步骤158应用、使用或组合以便确定充电操作的类型或特性。本领域普通技术人员应该理解的是，也可以采用其它实施方案，因为步骤154和158不限于在这里所给出的实施例。根据充电操作的特性，步骤162沿着几条不同的路径中的一条进行该方法。例如，如果蓄电池充电操作为车载充电操作，则该方法前进至步骤166 ;如果蓄电池充电操作为非车载充电操作，则该方法前进至步骤170。单体平衡即使在蓄电池充电操作期间也不总是适当的或期望的。因此，步骤166和170收集并且评估各种蓄电池状况和/或参数以便确定那时候是否应该启用单体平衡特征，通常在蓄电池控制模块70将电子开关72-78闭合时“启用”单体平衡。因为蓄电池组电流会流经已经启用并且其稳压二极管正在沿着反向方向工作的任意电流路径，所以每个单体平衡电流路径62-68应该能够操控全部蓄电池组电流(例如由电流传感器110检测出的电流)。因此，本方法可以用来评价在闭合电子开关·72-78并且启用单体平衡特征之前所预期的蓄电池组电流和/或其它蓄电池状况。车载和非车载充电操作可以需要不同的蓄电池状况或标准以便作出这种判断，因此需要步骤166和 170。例如，用外部电源12进行非车载充电与再生制动相比通常是更稳定并且可预测的能量源，再生制动在所提供的电压和/或电流方面变化会非常大。如果步骤162确定当前正在进行非车载充电操作，则步骤170可以进行简单检查以确保整个蓄电池组电压没有超过某个阈值，或者它可以在该方法通过闭合电子开关72-78启用单体平衡特征之前评估一些其它蓄电池状况。如果另一方面步骤162确定当前正在进行车载充电操作，则步骤166可以在启用单体平衡之前考虑更严格的蓄电池状况和标准。一种这样的蓄电池状况可以涉及由电流传感器110测量出的流经蓄电池组50的电流量。因为再生制动事件(即车载充电操作)会导致临时的电流冲击，所以步骤166可以想要在通过开关72-78启用单体平衡之前确保蓄电池电流低于某个电流阈值(例如小于7安培)。否则，包括电开关72-78和稳压二极管82-88的单体平衡电流路径62-68中的每一个将必须被配备以操控流经蓄电池组的全部电流量。这会给该系统增加不想要的成本。在示例性实施方案中，步骤166和170采用不同的蓄电池状况来确定是否和什么时候应该启用单体平衡，其中步骤166通常采用更严格或限制性的标准。可以由步骤166和/或170采用的蓄电池状况的示例包括蓄电池组电流、蓄电池组电压、蓄电池组充电状态(SOC)、蓄电池组温度、蓄电池组估计充电事件以及基于单体水平而不是蓄电池组水平的类似标准。如上所述，该方法可以想要保持单体平衡特征在蓄电池正在经历产生超过某个阈值的蓄电池组电流的车载充电操作时禁用(即，电子开关72-78打开)。在步骤166和/或170中用来确定是否和什么时候启用系统的单体平衡特征的蓄电池状况可以是静态的(例如在蓄电池和/或车辆制造期间确定的)、动态的(例如在应对蓄电池状况变化的操作期间由蓄电池控制模块70确定的等)或者在制造期间预定的和在操作期间所调整的，列出几个例子。而且，各种标准可以考虑会影响包括滞后现象、扩散等的测量值的因素。步骤174检查在启用单体平衡特征之前是否满足蓄电池状况。在车载或非车载充电操作情况下，步骤174确定是否满足各种蓄电池状况，并且可以按照任意不同的方式进行。在一个实施方案中，步骤174评估下面蓄电池状况的一些组合整个蓄电池电流是否小于电流阈值、最小单体电压是否小于电压阈值和/或估计的充电时间是否小于充电时间阈值。如果例如对于所有这些询问的回答都为是，则步骤174可以确定针对非车载充电操作的单体平衡是适当的。在车载充电操作示例中，步骤174可以计算使得最高充电的蓄电池单体为相应的稳压击穿电压所需的电流，然后确定当前蓄电池电流是否小于计算出的电流加上滞后值。在一些情况下，步骤174可能需要满足所有蓄电池状况以便启用单体平衡，在其它情况下，该步骤可只需要满足其中一些蓄电池状况。如果步骤174确定已经满足所需的蓄电池状况，则该方法前进至步骤178以便启用单体平衡；如果步骤174确定还没有满足蓄电池状况，则该方法前进至步骤182以便禁用单体平衡(这会涉及打开开关72-78或者将它们保持在打开状态中)。应该理解的是，步骤162-174是可选的，并且可以删除或替换这些步骤中的任意组合。为了例举说明，该方法可以仅是闭合电子开关72-78，并且不论什么时候检测出充电事件则启用单体平衡，而不是如上所述在车载和非车载充电操作之间进行区分然后因此评估蓄电池状况。
步骤178闭合一个或多个电子开关使得启用单体平衡特征。该步骤可以按照许多不同的方式进行，所有这些都是可能性。例如，在步骤178中，蓄电池控制模块70可以给电子开关72-78发送开关控制信号，从而立即闭合或接通它们(这同时启用所有单体平衡电流路径)，或者控制模块可以单独地控制这些开关，从而一些接通，并且一些打开。在示例性实施方案中，电子控制模块70同时闭合所有电子开关72-78，由此启用所有单体平衡电流路径。同样，步骤182打开这些电子开关中的一个或多个，从而至少一些单体平衡电流路径被禁用。本领域普通技术人员将理解的是，仅仅因为启用了特定的单体平衡电流路径，并不意味着它将导通电流并且使得相应的蓄电池单体旁通；该单体电压首先必须超过稳压二极管的击穿电压。一旦电子开关已经闭合或打开，则步骤190给车辆蓄电池30充电。即使在所有单体平衡电流路径都启用的情况下，不论电流是否给特定蓄电池单体充电或者使之旁通很大程度上取决于蓄电池单体电压。为了说明这一点，考虑在图4中所示的实施例，其中假设蓄电池单体52、54、56和58分别具有3. 5V、3. 8V、3. 4V和3. 6V的单体电压，并且所有稳压二极管具有3. 8V的击穿电压。另外，图4已经改变为显示出示例性的箭头电流通路。蓄电池单体52、56和58所有都具有低于相应稳压二极管的击穿电压的单体电压；因此单体平衡电流路径62、66和68在其稳压二极管正在沿着向前(正向)方向操作时没有导通，并且电流流经单体52、56和58并且给它们充电。但是，因为单体54的单体电压为3. 8V即处于稳压击穿电压水平处，所以单体平衡电流路径54是导通的。该电流通路显示在图4中并且用来使得蓄电池单体54旁通或旁路，从而不能对它进行进一步充电；也就是说，蓄电池单体54的电压限制在3. 8V处。如果其它蓄电池单体52、56和58中的任一个的单体电压达到3. 8V,则单体平衡电流路径62、66和68将变得导通并且使得其相应的蓄电池单体旁通。如果在任意时刻该方法确定当前蓄电池状况对于单体平衡而言不适当，则蓄电池控制模块70可以给开关72-78发送开关控制信号以将这些开关打开并且禁用单体平衡特征。本领域普通技术人员将认识到，代替上述示例性方法或者与之结合可以采用一种或多种其它蓄电池单体平衡技术，包括将过充电的蓄电池单体放电以实现蓄电池单体平衡。
要理解的是，前面的说明不是对本发明进行限定，而是本发明的一个或多个优选示例性实施方案的说明。本发明不限于在这里所披露的具体实施方案，而是只是由下面的权利要求限定。另外，在前面说明书中所包含的表述涉及具体实施方案，并且不应该解释为对本发明的范围或在权利要求中所采用的术语进行限制，除非上面明显限定了术语或短语。本领域普通技术人员很容易想到各种其它实施方案以及对所披露的实施方案作出各种变化和变型。例如，这些步骤的特定组合和顺序仅仅是一种可能性，因为本方法可以包括具有比在这里所示的更多、更少或不同步骤的步骤组合。所有这些其它的实施方案、变化和变型都落入在所附权利要求的范围内。如在该说明书和权利要求书中所使用的一样，术语“例如”、“比如”和词语“包括”、“具有”、“包含”及其它词语形式在与一个或多个部件或其它项目结合使用时，每个都解释为开放式的，意味着列表不应该被认为排除其它额外的部件或项目。其它术语要采用其最 广义的合理含义来解释，除非它们用在在需要不同解释的上下文中。
权利要求
1.一种给车辆蓄电池充电的方法，包括以下步骤 (a)提供具有多个蓄电池单体和多个单体平衡电流路径的车辆蓄电池，每个所述单体平衡电流路径与相应的蓄电池单体并联连接并且包括串联连接的电子开关和稳压二极管； (b)通过闭合所述电子开关来启用所述单体平衡电流路径；并且 (c)通过启用的单体平衡电流路径给所述车辆蓄电池充电，其中在充电过程期间，所述蓄电池单体中的一个或多个被充电，并且所述蓄电池单体中的一个或多个通过单体平衡电流路径被旁通。
2.如权利要求I所述的充电方法，还包括以下步骤 确定是否存在蓄电池充电操作，如果存在蓄电池充电操作，则进行步骤(b)-(c)中的一个或多个。
3.如权利要求2所述的充电方法，还包括以下步骤 确定所述车辆蓄电池当前是否正在经历车载充电操作或非车载充电操作，评估用于禁用所述单体平衡电流路径的一个或多个蓄电池状况，并且如果满足所述蓄电池状况，则进行步骤(b)-(c)中的一个或多个。
4.如权利要求3所述的充电方法，其中用于车载充电操作的蓄电池状况与用于非车载充电操作的蓄电池状况不同。
5.如权利要求3所述的充电方法,其中用于车载充电操作的所述蓄电池状况包括车辆蓄电池组电流。
6.如权利要求I所述的充电方法，其中步骤(b)还包括通过从蓄电池控制模块给所述电子开关发送一个或多个开关控制信号来启用所述单体平衡电流路径。
7.如权利要求6所述的充电方法，其中来自所述蓄电池控制模块的所述开关控制信号将所有电子开关闭合，使得所有单体平衡电流路径都被启用。
8.如权利要求6所述的充电方法，其中来自所述蓄电池控制模块的所述开关控制信号闭合所述电子开关中的一些，使得所述单体平衡电流路径中的一些被启用，并且将所述单体平衡电流路径中的一些被禁用。
9.一种车辆蓄电池，包括 多个蓄电池单体；以及 多个单体平衡电流路径，每条单体平衡电流路径与相应的蓄电池单体并联连接并且包括串联连接的电子开关和稳压二极管， 其中所述单体平衡电流路径中的每一条都布置成在所述电子开关闭合并且在所述相应的蓄电池单体上的电压超过所述稳压二极管的击穿电压时使得所述相应的蓄电池单体芳通。
10.一种车辆蓄电池，包括 具有第一单体节点和第二单体节点的蓄电池单体； 单体平衡电流路径，其具有串联连接的第一路径节点、电子开关、稳压二极管和第二路径节点，其中所述单体平衡电流路径的所述第一通路节点与所述蓄电池单体的第一单体节点连接，并且所述单体平衡电流路径的第二路径节点与所述蓄电池单体的第二单体节点连接，使得所述单体平衡电流路径与所述蓄电池单体并联；以及蓄电池控制模块，其具有与所述单体平衡电流路径的所述电子开关连接的输出端，其中所述单体平衡电流路径在所述蓄电池控制模块已经闭合所述电子开关并且所述蓄电池单体的 电压超过所述稳压二极管的击穿电压时使得所述蓄电池单体旁通。
全文摘要
一种车辆蓄电池和充电方法，可用来在蓄电池充电操作期间平衡单体电压，并且按照防止各个单体过充电并且改善整体操作效率的方式进行。根据一个实施例，车辆蓄电池包括多个单体平衡电流路径，每条都与单独蓄电池单体并联连接，并可在其电压超过某个最大值时使得相应单体旁通或旁路。这可使得未充电完全的蓄电池单体能够在过充电的蓄电池单体被旁通的同时进行充电。每个单体平衡电流路径可包括串联连接的电子开关和稳压二极管组件，其中电子开关由蓄电池控制模块控制成使得单体平衡可在蓄电池充电操作期间启用并且在其它时间禁用。
文档编号H01M10/44GK102903981SQ20121026067
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月26日 优先权日2011年7月26日
发明者J.C.吉布斯, K.M.约翰逊 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司