CN107978810A - 一种牵引蓄电池包 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种牵引蓄电池包,包括n个电池单元,每个电池单元通过正负极串联连接组成了电池组;还包括n‑1个运算放大器以及电荷平衡电路,每个运算放大器配置为电压跟随器,其中n至少为3,并且其中n‑1个运算放大器的第m个运算放大器由对应于串联连接的n个电池单元的第m个电池单元和第(m+1)个电池单元,本发明牵引蓄电池包在使用过程中每次都能最大值地充放电,提高了电池包的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及蓄电池包,更具体地说,本发明涉及应用于电动汽车或混合动力车辆的能量管理系统中的一种牵引蓄电池包。
背景技术
蓄电池(Storage Battery)是将化学能直接转化成电能的一种装置,是按可再充电设计的电池,通过可逆的化学反应实现再充电,通常是指铅酸蓄电池,它是电池中的一种,属于二次电池。它的工作原理:充电时利用外部的电能使内部活性物质再生,把电能储存为化学能,需要放电时再次把化学能转换为电能输出。一般情况下,它用填满海绵状铅的铅基板栅(又称格子体)作负极,填满二氧化铅的铅基板栅作正极,并用密度1.26--1.33g/mlg/ml的稀硫酸作电解质。电池在放电时,金属铅是负极,发生氧化反应,生成硫酸铅;二氧化铅是正极,发生还原反应,生成硫酸铅。电池在用直流电充电时,两极分别生成单质铅和二氧化铅。移去电源后,它又恢复到放电前的状态,组成化学电池。
混合电动汽车的牵引电池包为车辆牵引系统和配件提供动力和电源。为了满足电压和电流要求,牵引电池通常是以多个电池单元通过串联和并联组合连接的。在车辆运行期间,基于工作条件牵引蓄电池包括充电、放电状态、内燃机工作或再生制动的操作条件来对牵引电池组进行充电或放电。电池组中的各个电池单元的充电状态可能由于制造工艺个不同,电池寿命、电池温度或电池技术的变化等许多因素而不一样,但一般情况下电池寿命都比较低,电池温度过高。
发明内容
本发明的发明目的,发明一种牵引蓄电池包可以在使用过程中每次都能最大值地充放电,提高了电池包的使用寿命,并降低电池包的工作温度。
本发明的发明人利用电池单元平衡的方式来重新平衡电池组中的各个电池单元的充电状态并改善电池组的工作。
为了实现根据本发明的目的和其它优点,提供了一种牵引蓄电池包,包括:n个电池单元通过串联连接形成的电池组。该电池包还包括具有至少n-1个运算放大器的电荷平衡电路,每个运算放大器被作为电压跟随器配置。n至少为3,并且其中n-1个运算放大器的第m个运算放大器由对应于串联连接的n个电池单元的第m个电池单元和第(m+1)个电池单元。
本发明所述的牵引蓄电池包,其中可进一步包括至少串联在一起的的n个电阻器,以形成一串电阻器,并且其中所述这一串电阻器与所述电池组并联连接以产生每个所述n个电池单元的参考电压。
本发明所述的牵引蓄电池包,其中所述运算放大器包括施密特触发器输入,所述运算放大器是差分输入运算放大器。
本发明所述的牵引蓄电池包,其中所述运算放大器被配置为基于所述第m个电池单元的正端子的反相电路;所述运算放大器被配置为基于与所述第m个电池单元的正端子相关联的参考电压的非反相电路。
本发明所述的牵引蓄电池包,其中n个蓄电池单元,每个蓄电池单元具有正极端子和负极端子串联连接以形成蓄电池组;以及配置为电压跟随器的n-1个运算放大器,其中n-1个运算放大器的第m个运算放大器的负端子连接到n个蓄电池单元的对应的第m个蓄电池单元的负极,并且第m个运算放大器的正端子连接到n个蓄电池单元的第(m+1)个蓄电池单元的正端子。
本发明所述的牵引蓄电池包,其中还包括至少串联在一起的n个电阻器,以形成一串电阻器,并且其中所述电阻串与所述蓄电池组并联连接以产生每个电池单元的参考电压。
本发明所述的牵引蓄电池包,其中所述运算放大器被配置为基于所述第m个电池单元的正端子的反相电路。
本发明的牵引蓄电池包,其中所述运算放大器被配置为基于与所述第m个电池单元的正端子相关联的参考电压的非反相电路。
本发明所述的牵引蓄电池包,其中所述所述蓄电池单元至少是一个可再充电的电池单元。
本发明所述的牵引蓄电池包,其中蓄电池包包括:串联连接的n个蓄电池单元,以形成电池组;以及充电平衡电路,其包括至少n-1个运算放大器配置为电压跟随器,其中n至少为3;连接在一起的n个电阻器,以形成一串电阻器,并且其中所述电阻串与所述电池并联连接以形成每个电池单元的参考电压。
本发明至少包括以下有益效果:
本发明所述的牵引蓄电池包,生产公差或操作条件的变化可能会在每个充电或放电循环中放大单个电池或电池组之间产生的微小差异。为了优化电池操作,本发明使用电池平衡系统来均衡串联链中的所有电池的电荷来延长电池寿命。充电均衡对于电源组的充电状态和电源组的操作寿命起到了非常重要的作用。充电系统被配置为能够提高总充电电压以补偿电阻,则较弱的电池将开始升温并进一步恶化。较弱的电池将含有较少的电荷,其他电池将会来补偿较低的电荷。
本发明所述的牵引蓄电池包,每个电池单元充当积分器。系统任何一个单元的容量变化可能会导致系统运行方式的变化增加。如果电池组的几个电池单元或电池具有较低的电压,电流可能会从几个电池单元或电池中排出。电池寿命主要体现在电池的充电/放电次数,更好的电池电压调节可提高系统寿命。本发明通过充电的时候并联和放电的时候串联,来有效的提高电池的使用寿命。
本发明所述的牵引蓄电池包,中使用的主动电池平衡一般情况下电池单元的轻微过充电使得电池单体的温度升高,发明人通过与每个电池并联连接的外部电路将过剩电荷作为热能释放,主动电池平衡可以将电池的整体能量从一个单独的电池转移到整个电池组,从整个电池组转移到单个的电池,或者从一个单个电池到另一个电池。通常,能量从具有高充电状态的电池转移到具有低充电状态的电池。同样地,电荷可以转移到具有低充电状态的单个电池。
附图说明
图1是传动部件和能量存储部件的混合动力车辆的示意图。
图2是牵引电池包的一个示例图。
图3是电荷平衡电路的示意图。
具体实施方式
在说明书中描述了本公开的实施例。所公开的实施例仅仅是示例,并且其他实施例可以采取各种和替代形式。数字不一定按比例;某些功能可能被夸大或最小化,以显示特定组件的细节。因此,公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制性的,而是仅作为教导本领域技术人员各种应用实施例的代表性基础。
本发明公开提出了一种牵引蓄电池包,包括n个串联的蓄电池单元组成的蓄电池组和蓄电池平衡系统,其中与蓄电池单元相关联的每个电池平衡元件自主运行并从相邻电池单元获取功率。
第一实施例,在一个充电平衡电路中,每一个运算放大器与2个电池单元或多个电池单元关联。n个单元或单元组的系统就需要n-1个运算放大器的。此每个运算放大器由两个相邻的单元或单元组供电。每个运算放大器与4个单元组或单元相关联,n个单元或单元组的系统需要((n/2)-1)运算放大器。
图1所示牵引蓄电池包10给车辆电气设备和牵引电机供电。牵引蓄电池包10通常提供高压电给DC/DC变流器12。牵引电机14电连接到一个或多个电力电子模块13。一个或多个接触器可以在打开时将牵引电池10与功率电子模块13隔离,并且在关闭时将牵引蓄电池包10连接到功率电子模块13。功率电子模块13连接到电机14,并且提供在牵引蓄电池包10和电机14之间双向传递能量的能力。
除了为车辆的牵引电机提供能量之外,牵引蓄电池包10可以为车辆的其他电气系统提供电源。蓄电池包通过DC/DC变流器12将牵引电池10的高压DC输出转换成与其它负载需要的低压DC电源。也可以直接连接到电气负载11,给需要高压的设备提供电源。例如:高压设备有压缩机、电加热器的其它负载。低压系统有辅助蓄电池、车载电子设备等。
其中牵引蓄电池包10可以由外部电源20充电。外部电源20连接到接收电力的电源插座上,再连接到电动车辆供应设备21,连接到牵引蓄电池包10上,给牵引蓄电池充电。外部电源20可以向车辆供应设备21提供DC或AC电力,车辆供应设备21具有用于插入车辆的充电端口22的充电连接器。充电端口22可以是被配置为从车辆供应设备21传送电力的任何类型的端口充电端口22可以电连接到车载电源转换模块32。车载电源转换模块32可以调节从车辆供应设备21提供的电力,以提供与牵引蓄电池包相匹配的电压和电流。
电气负载11包括电池冷却风扇,电动空调单元,电池冷却器,电加热器,冷却泵,冷却风扇,窗户除霜单元,电动助力转向系统,AC动力逆变器和内燃机水泵等。
上述讨论的各种组件可以具有一个或多个相关联的控制器来控制和监视组件的操作。控制器可以经由串行总线(例如,控制器局域网(CAN总线)或以太网进行控制信号传输。可以由系统控制器30以协调各种部件的操作。
牵引电池包10可以由各种化学配方构成。典型的电池组化学物质可以是铅酸,镍-金属氢化物(NIMH)或锂离子。图2所示为牵引电池包的一个实施例,为N个电池单元52通过串联连接组成的电池组,再连接其他设备组成牵引电池包10。电池组10也可以由其他任何数量个电池单元通过串联或并联连接组合而成。电池管理系统可以具有一个或多个控制器,例如监视和控制牵引电池包10性能的电池能量控制模块56。电池能量控制模块56可以包括传感器和电路用于监测多个电池组的特性,例如:为包电流传感器58,电压传感器60和温度传感器52。
电池能量控制模块56除了对电池包的特性监视和控制之外,还可以测量和监测电池单元的特性。例如,可以测量52的每个电池单元的端子电压,电流和温度。电池管理系统可以使用传感器模块64来测量电池单元特性。传感器模块64可以包括传感器和电路来测量一个或多个电池单元52的特性。电池管理系统可以利用多个传感器模块64,例如电池监视器集成用于测量所有电池单元52特性的电路模块。每个传感器模块64可以将测量值传送到电池能量控制模块56,用于进一步的处理和协调。传感器模块54可将模拟或数字形式的信号传送到电池能量控制模块56。在一些实施例中,传感器模块64的功能可以内部结合到电池能量控制模块56。也就是说,传感器模块硬件可以集成为在电池能量控制模块56的电路中,由电池能量控制模块56处理原始信号。
电池能量控制模块56可以包括与一个或多个接触器15相接的电路。牵引电池10的正极和负极端子可以被接触器15保护。
当电池单元52或电池组10中电量不足,需要充电时。可以输出牵引电池包剩余电量来通知驾驶员。电池组充电也可通过控制电动或混合电动车辆来操作。电池组需充电状态的计算可以通过各种方法来实现。电池组需充电状态的一种可能的方法是计算电池组电流随时间的积分。电池组需充电状态也可以其他参数计算来实现。电池电压测量,电池电流测量以及电池和组件温度测量来提供计算数据。
电池能量控制系统56带电随时工作。包括一个定时器,以便可按照时间表来定时唤醒调度工作。唤醒定时器可以唤醒电池能量控制系统56,从而可以执行预定的功能。电池能量控制系统56还包括非易失性的存储器,当电池能量控制系统56断电时可以自动存储数据。非易失性的数据存储器可以包括带电可擦可编程只读存储器(EEPROM)或非易失性随机访问存储器(NVRAM)。非易失性存储器还包括微控制器的闪速存储器。
当操作车辆时,积极地改变电池充电状态的管理方式可以产生更高的燃料经济性或更远的车辆电动推进距离。车辆控制器必须在高充电状态和低充电状态时进行下列修改。在低电池充电状态时,控制器可以检查最近的运行数据,并决定通过发动机充电来提高电池的电量,这样做可以在发动机关闭时提供更长的电推动模式操作。相反,在高电池容量充电时,控制器可以检查最近的运行数据和其他数据(位置,温度等),以通过电驱动模式推进,减少发动机输出或辅助电气负载来降低电池充电。这样做是为了提供更高的电池容量,在再生制动(例如高速减速或降坡)期间最大化能量补充。
图3是示出电荷平衡电路的示意图。该电路的一个方面是电池单元基本上是非线性积分器。积分器的调节可以通过运算放大器,比较器,差分输入运算放大器或等效电路来实现。图3所示为一组5个电池串联的电池组。电池(310,312,314,316和318)通过正常充电/放电电路串联连接。该图示出了单个电池单元(310,312,314,316和318),但是它也可以是电池单元组,超级电容器或其它蓄电装置。例如,电池310可以是单个电池单元或并联连接的多个电池单元。连接可以是直接或间接连接。
如图3所示,一个分压器并联在图中电池组的两端330和332。分压器可以使电阻、固态器件、半导体或其他类似的结构。在图3中,电阻器(320,322,324,326和328)被视为与正常充电/放电电路并联连接。例如,电阻可以是100K欧姆电阻。运算放大器(302,304,306和308)连接在电池单元(310,312,314,316和318)之间,使得每个运算放大器基于每个电池的状态来更好地调节相邻单元之间的电压。例如,如果在充电期间,单元312具有大的电阻,在简单的串联电路中的情况,单元312接收到较大比例的电压;而运算放大器302和304调节单元312的每个端子处的电压,则电池312将接收较小的电压。如果一个单元的温度发生变化或发生一些其他事件以改变一个单元的电压,则另一个单元可能开始接收较低的电压和对另一个电池的较低的电压可能增加。类似地,在放电期间,如果一个电池不能相对于其他电池输出相等的电压份额,则其他电池能够弥补差异。输出是以单元为依据的。
运算放大器的电气和运行特性根据应用情况而变化,以及每个电池的电气特性,包括电流电压,工作电压范围,电池技术和容量。例如,可以无限期上电的小型便携式设备可能具有更严格的工作泄漏电流要求,甚至几毫安的漏电流都可以产生差异。同样,能够处理大电流(例如,超过100安培)的大型电池组可能需要更大的运算放大器来传送运行期间所需的适当电流。由于每个单元上的电压实际上是为运算放大器、单元或单元组合供电,所以可以容纳非常小的电压。类似地,对于运算放大器需求的电压要比两个相邻单元的电压更大的电池技术,可以通过修改电路,使得每个电池单元(310,312,314,316或318)可以是串联连接的多个单元或者串联与并联组合。电阻(320,322,324,326和328)的比率确定电压将如何精确地被控制;需要精密电阻或使用精密分压器。此外,分压器的比率,例如电阻器(320,322,324,326和328)可以用补偿定制或混合的单元。例如,电源组件可以包括4个电池,每个电池的电压为1.2V,单个电池可以串联连接,电池电压为4.8V,可以选择电压分配以适应电源组设计。
虽显而易见的是,本领域的技术人员可以从根据本发明的实施方式的各种结构中获得根据不麻烦的各个实施方式尚未直接提到的各种效果。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种牵引蓄电池包,其特征在于,包括:
通过n个电池单元串联连接的电池组;
以及电荷平衡电路,其包括至少n-1个运算放大器,每个运算放大器配置为电压跟随器,其中n至少为3,并且其中n-1个运算放大器的第m个运算放大器由对应于串联连接的n个电池单元的第m个电池单元和第(m+1)个电池单元。
2.根据权利要求1所述的牵引蓄电池包,其特征在于,进一步包括至少串联在一起的的n个电阻器,以形成一串电阻器,并且其中所述这一串电阻器与所述电池组并联连接以产生每个所述n个电池单元的参考电压。
3.根据权利要求1所述的牵引蓄电池包,其特征在于,其中所述运算放大器包括施密特触发器输入,所述运算放大器是差分输入运算放大器。
4.根据权利要求1所述的牵引蓄电池包,其特征在于:
所述运算放大器被配置为基于所述第m个电池单元的正端子的反相电路;
所述运算放大器被配置为基于与所述第m个电池单元的正端子相关联的参考电压的非反相电路。
5.根据权利要求1所述的牵引蓄电池包,其特征在于,
其中n个蓄电池单元,每个蓄电池单元具有正极端子和负极端子串联连接以形成蓄电池组;
以及配置为电压跟随器的n-1个运算放大器,其中n-1个运算放大器的第m个运算放大器的负端子连接到n个蓄电池单元的对应的第m个蓄电池单元的负极,并且第m个运算放大器的正端子连接到n个蓄电池单元的第(m+1)个蓄电池单元的正端子。
6.根据权利要求5所述的牵引蓄电池包,其特征在于,其中还包括至少串联在一起的n个电阻器,以形成一串电阻器,并且其中所述电阻串与所述蓄电池组并联连接以产生每个电池单元的参考电压。
7.根据权利要求6所述的牵引蓄电池包,其特征在于,其中所述运算放大器被配置为基于所述第m个电池单元的正端子的反相电路。
8.根据权利要求6所述的牵引蓄电池包,其特征在于,其中所述运算放大器被配置为基于与所述第m个电池单元的正端子相关联的参考电压的非反相电路。
9.根据权利要求5所述的牵引蓄电池包,其特征在于:其中所述所述蓄电池单元至少是一个可再充电的电池单元。
10.根据权利要求1所述的牵引蓄电池包,其特征在于,蓄电池包包括:
串联连接的n个蓄电池单元,以形成电池组;
以及充电平衡电路,其包括至少n-1个运算放大器配置为电压跟随器,其中n至少为3;连接在一起的n个电阻器,以形成一串电阻器,并且其中所述电阻串与所述电池并联连接以形成每个电池单元的参考电压。
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