[发明专利]对双电池组可再充电能量存储系统的自平衡开关控制

说明书

一种电气系统包括可再充电能量存储系统(RESS)和控制器。RESS包括连接到电压总线的第一和第二电池组，每个电池组具有相应的多个电池单元和相应的电池单元平衡电路。所述RESS还包括开关，所述开关选择性地将所述电池组彼此连接或断开以实现串联和并联模式。所述控制器通过检测所请求的串并联模式转变来执行一种方法。响应于所述电池组的充电状态或电池组电压相对于彼此存在阈值不平衡，所述控制器使用所述电池单元平衡电路的断开/闭合状态控制并且可能使用具有PWM受控开关和电路元件的开关块来平衡所述充电状态/电压。所述控制器可以在平衡时执行所述请求的模式转变。

引言

可再充电能量存储系统(RESS)是高压电气系统的关键部件。当被体现为电池电气系统时，充电模式中的RESS将电化学能量存储在电池单元串中。RESS在放电模式(诸如当RESS用作电气化动力传动系统的一部分时的驱动模式)期间将所存储的能量输送到连接的负载。可以使用车外交流(AC)充电站对电池单元进行再充电。可选地，DC快速充电站可以用于向RESS输送高压充电电流。

由于RESS内的单个电池单元的电池温度和内部电阻的差异以及其他因素，给定的电池单元可能具有比RESS中的其他电池更高或更低的电池电压或充电状态。此类电池单元不平衡可能对RESS的性能有害。结果，电池控制器可以周期性地执行电池单元平衡操作。例如，每个电池单元可以连接到相应的电池平衡开关和串联旁路电阻器。通过闭合或断开电池单元串中的单个电池单元平衡开关，电池控制器能够均衡电池单元的电池电压或充电状态，由此优化RESS性能。

发明内容

本发明涉及用于具有由一对相同电池组构成的可再充电能量存储系统(RESS)的电气系统中的电路拓扑和自动开关控制方法。电池组经由开关控制电路电互连，其中所述电路具有机械或固态开关，所述开关响应于来自控制器(例如，电池系统管理器)的开关控制信号。当开关控制电路被命令到第一状态时，电池组串联操作。响应于开关控制信号，所述电路的开关被命令到第二状态，此时所述电池组从串联操作转变到并联操作。

如果在互连电池组之间存在阈值单元不平衡的时间段期间发生上述串并联模式转变，则在RESS内可能发生非所需的电流尖峰。因此，本方法提供了用于实现自平衡开关控制的各种电路拓扑和相关的控制方法作为在本文描述的双电池组RESS的串联和并联操作模式之间转变的前奏。

本文公开了一种可以包括DC电压总线和RESS的电气系统。所述RESS具有连接到所述DC电压总线的第一和第二电池组，其中所述电池组具有相应的多个电池单元。每个电池单元具有相应的电池平衡电路。多个开关被配置为将所述第一和第二电池组彼此连接或断开以分别建立串联操作模式和并联操作模式。

所述电气系统还包括控制器，所述控制器被配置为检测从所述串联模式到所述并联模式的所请求的模式转变。响应于所述第一和第二电池组的充电状态或电池组电压相对于彼此的阈值不平衡，在执行所述请求的模式转变之前，所述控制器经由所述电池平衡电路的开关控制来自动地平衡所述充电状态或电池组电压。当所述充电状态或电池组电压平衡时，所述控制器可以执行所述请求的模式转变。

所述电气系统可以包括连接到所述DC电压总线的电感器。

具有半导体开关和电路元件的开关控制块可以连接到所述DC电压总线，其中所述半导体开关响应来自所述控制器的脉冲宽度调制(PWM)电压信号，使得当所述半导体开关处于接通/导通状态时，在所述阈值不平衡大于校准后的不平衡水平的情况下能量被传递到所述电路元件或从所述电路元件传递以平衡所述充电状态或电池组电压。

非限制性实施例中的电路元件可以是超级电容器、电阻性负载或第三电池组。

所述半导体开关可以包括：第一半导体开关，其响应于当所述第一电池组的所述充电状态超过所述第二电池组的所述充电状态时来自所述控制器的第一PWM电压信号；以及第二半导体开关，其响应于当所述第二电池组的所述充电状态超过所述第一电池组的所述充电状态时来自所述控制器的第二PWM电压信号。