專利名稱：車輛蓄電池及其充電方法
技術領域：
本發明大體上涉及車輛蓄電池，更具體地說涉及具有多個單獨蓄電池單體的高電壓車輛蓄電池，例如在各種類型的電動車輛和混合動力車輛中所看到的那些蓄電池。
背景技術：
在車輛蓄電池組中的蓄電池單體可以具有不同的特性。例如，位于蓄電池組的一個部分中的蓄電池單體會受到與位于該蓄電池組的不同區域中的那些蓄電池單體不同的溫度。這些和其它因素繼而會影響各個單體電壓、電流、電阻、充電狀態(SOC)、健康狀況(SOH)和/或其它隨著時間變化的蓄電池單體狀況，并且會導致在這些蓄電池單體之間的差異性，從而它們不相同。蓄電池單體差異性的另一個潛在來源涉及在制造過程方面的限 制條件，因為這種過程不總是能夠產生出具有完全相同單體的蓄電池組。通常期望維持蓄電池組使得單體電壓和/或其它蓄電池單體條件被平衡并且在蓄電池組上均勻分布，為此開發了一些單體平衡技術。一種這樣的技術涉及將已經過充電的蓄電池單體放電，但是這種技術會導致效率損失，因為一些電能在放電過程中浪費了。
發明內容
根據一個實施方案，提供一種給車輛蓄電池充電的方法。該方法可以包括步驟(a)提供具有多個蓄電池單體和多個單體平衡電流路徑的車輛蓄電池，每個單體平衡電流路徑中的每一個與相應的蓄電池單體并聯，并且包括串聯的電子開關和穩壓二極管；(b)通過關閉電子開關來啟用所述單體平衡電流路徑；并且(c)通過啟用的單體平衡電流路徑給車輛電池充電，在充電過程期間，蓄電池單體中的一個或多個被充電，并且所述蓄電池單體中的一個或多個通過單體平衡電流路徑被旁通。根據另一個實施方案，提供一種車輛蓄電池，包括多個蓄電池單體和多個單體平衡電流路徑。單體平衡電流路徑中的每一個與相應的蓄電池單體并聯，并且包括串聯的電子開關和穩壓二極管。根據另一個實施方案，提供一種車輛蓄電池，包括蓄電池單體、單體平衡電流路徑和蓄電池控制模塊。蓄電池單體可包括第一和第二單體節點，所述單體平衡電流路徑可包括串聯的第一路徑節點、電子開關、穩壓二極管和第二路徑節點，并且所述蓄電池控制模塊可以包括與單體平衡電流路徑的電子開關連接的輸出端。本發明還提供如下方案
I.一種給車輛蓄電池充電的方法，包括以下步驟
(a)提供具有多個蓄電池單體和多個單體平衡電流路徑的車輛蓄電池，每個所述單體平衡電流路徑與相應的蓄電池單體并聯連接并且包括串聯連接的電子開關和穩壓二極管；
(b)通過閉合所述電子開關來啟用所述單體平衡電流路徑；并且
(c)通過啟用的單體平衡電流路徑給所述車輛蓄電池充電，其中在充電過程期間，所述蓄電池單體中的一個或多個被充電，并且所述蓄電池單體中的一個或多個通過單體平衡電流路徑被旁通。2.如方案I所述的充電方法，還包括以下步驟
確定是否存在蓄電池充電操作，如果存在蓄電池充電操作，則進行步驟(b)-(c)中的一個或多個。3.如方案2所述的充電方法，還包括以下步驟
確定所述車輛蓄電池當前是否正在經歷車載充電操作或非車載充電操作，評估用于禁用所述單體平衡電流路徑的一個或多個蓄電池狀況，并且如果滿足所述蓄電池狀況，則進行步驟(b)-(c)中的一個或多個。4.如方案3所述的充電方法，其中用于車載充電操作的蓄電池狀況與用于非車載充電操作的蓄電池狀況不同。·
5.如方案3所述的充電方法，其中用于車載充電操作的所述蓄電池狀況包括車輛蓄電池組電流。6.如方案I所述的充電方法，其中步驟(b)還包括通過從蓄電池控制模塊給所述電子開關發送一個或多個開關控制信號來啟用所述單體平衡電流路徑。7.如方案6所述的充電方法，其中來自所述蓄電池控制模塊的所述開關控制信號將所有電子開關閉合，使得所有單體平衡電流路徑都被啟用。8.如方案6所述的充電方法，其中來自所述蓄電池控制模塊的所述開關控制信號閉合所述電子開關中的一些，使得所述單體平衡電流路徑中的一些被啟用，并且將所述單體平衡電流路徑中的一些被禁用。9.如方案I所述的充電方法，其中步驟(C)還包括給一個或多個蓄電池單體的第一組充電，同時使得一個或多個蓄電池單體的第二組旁通，并且通過所述單體平衡電流路徑使得所述第二組蓄電池單體旁通。10.如方案9所述的充電方法，其中通過單體平衡電流路徑使得所述第二組蓄電池單體旁通，每條單體平衡電流路徑包括處于閉合狀態中的電子開關和沿著反向方向操作的穩壓二極管。11.如方案I所述的充電方法，還包括以下步驟
檢測所述車輛蓄電池的一個或多個蓄電池狀況；并且
在一個或多個蓄電池狀況改變時通過斷開所述電子開關來禁用所述單體平衡電流路徑。12.如方案I所述的充電方法，其中該方法在沒有將任一個蓄電池單體放電的情況下平衡所述多個蓄電池單體的電壓。13. 一種車輛蓄電池，包括
多個蓄電池單體；以及
多個單體平衡電流路徑，每條單體平衡電流路徑與相應的蓄電池單體并聯連接并且包括串聯連接的電子開關和穩壓二極管，
其中所述單體平衡電流路徑中的每一條都布置成在所述電子開關閉合并且在所述相應的蓄電池單體上的電壓超過所述穩壓二極管的擊穿電壓時使得所述相應的蓄電池單體芳通。
14.如方案13所述的車輛蓄電池，還包括
與所述多個電子開關連接的蓄電池控制模塊，其中所述蓄電池控制模塊通過控制信號控制所述電子開關中的每一個的狀態。15.如方案14所述的車輛蓄電池，其中所述蓄電池控制模塊一致地控制所述多個電子開關的狀態，使得所有電子開關在蓄電池充電操作期間都閉合。16.如方案13所述的車輛蓄電池，還包括
第一單體平衡電流路徑，其與第一蓄電池單體并聯連接并且具有閉合的電子開關和正在以反向狀態操作的穩壓二極管；和
第二單體平衡電流路徑，其與第二蓄電池單體并聯連接并且具有閉合的電子開關和正在以向前狀態操作的穩壓二極管，所述第一蓄電池單體具有比所述第二蓄電池單體更高的蓄電池單體電壓；
其中在蓄電池充電操作期間，所述第一單體平衡電流路徑導通并且防止所述第一蓄電池單體充電，而所述第二單體平衡電流路徑沒有導通并且允許所述第二蓄電池單體充電。17. 一種車輛蓄電池，包括
具有第一單體節點和第二單體節點的蓄電池單體；
單體平衡電流路徑，其具有串聯連接的第一路徑節點、電子開關、穩壓二極管和第二路徑節點，其中所述單體平衡電流路徑的所述第一通路節點與所述蓄電池單體的第一單體節點連接，并且所述單體平衡電流路徑的第二路徑節點與所述蓄電池單體的第二單體節點連接，使得所述單體平衡電流路徑與所述蓄電池單體并聯；以及
蓄電池控制模塊，其具有與所述單體平衡電流路徑的所述電子開關連接的輸出端，其中所述單體平衡電流路徑在所述蓄電池控制模塊已經閉合所述電子開關并且所述蓄電池單體的電壓超過所述穩壓二極管的擊穿電壓時使得所述蓄電池單體旁通。
下面將結合附圖對優選示例性實施方案進行說明，其中相同的附圖標記表示相同的元件，其中
圖I為示例性插入式電動車輛的示意 圖2為示例性車輛蓄電池的一部分的示意性方框圖，所述示例性車輛蓄電池可以隨插入式電動車輛例如圖I的插入式電動車輛使用；
圖3顯示出示例性方法的一些步驟的流程圖，這些步驟可以用來給車輛蓄電池例如在圖2中所示的車輛蓄電池充電；并且
圖4為在圖2中的車輛蓄電池的另一個視圖，但是各個電子開關已經通過蓄電池控制模塊接通，并且將某些單體平衡電流路徑突出以便幫助說明在圖3中的方法。
具體實施例方式在這里所述的車輛蓄電池和充電方法可以用來在蓄電池充電操作期間平衡單體電壓，并且按照防止各個單體過充電并且改善整體操作效率的方式進行。根據一個可能的實施方案，車輛蓄電池包括多個單體平衡電流路徑，其每個與單個蓄電池單體并聯并且可以在其電壓超過某個最大值時使得相應的單體分路或旁通。這可以使得充電不足的蓄電池單體在過充電蓄電池單體旁通的同時被充電。每個單體平衡電流路徑可以包括串聯的電子開關和穩壓二極管組合，其中電子開關由蓄電池控制模塊控制，使得單體平衡能夠在蓄電池充電操作期間啟用并且在其它時間禁止。在這里描述的單體平衡技術可以增大可以從車輛蓄電池中得到的能量和功率；提高蓄電池充電操作的整體效率；改善單體平衡精確度，因為其不依賴于“一次”單體讀取；和/或改善單體感測精度，因為其不會受到放電電流和在平衡電阻器上的電壓降的影響。參照圖1，該圖顯示出可以隨在這里描述的單體平衡方法使用的示例性插入式電動車輛10的一些部件。雖然下面的說明依據特定的插入式電動車輛給出，但是應該理解的是，該電動車輛只是示例性的，并且替代地當然可以使用其它車輛。例如，下面所述的車輛蓄電池和充電方法可以用于具有高電壓蓄電池組的任意車輛類型，包括混合動力電動車輛(HEV)、插入式混合動力電動車輛(PHEV)、增程式電動車輛(EREV)或蓄電池電動車輛(BEV)，僅列出一些。另外，該充電方法可以不僅適用于蓄電池，而且還適用于接受充電的其他設備，例如超級電容器。根據示例性實施方案，插入式電動車輛10與外部電源12相互作用，并且包括電源接線20、蓄電池充電器24、蓄電池30、電動機32、逆變器/轉換器34、發動機36、發電機38和控制模塊40。部件20-40可以固定安裝到插入式電動車輛10并且位于 其上。外部電源12通過電源耦合器22給插入式電動車輛10提供電能，并且可以為本領域所公知的多種不同電源類型中的一種。例如，外部電源12可以為借助標準電源插口(例如，IlOV AC或220V AC插口)提供電能的公用電力設施，或者它可以為便攜式發電機例如用天然氣、丙烷、汽油、柴油等運行的發電機類型。在一個實施方案中，外部電源12為可再生能源，例如由來自太陽能面板、風輪機、水電裝置、生物材料等的能量供能的遠程充電站。外部電源12不限于任意特定類型或實施方案，只要它可以通過電源耦合器22給插入式電動機10提供電能。電源接線20為電源耦合器22可被插入或嵌入的插入式電動機上的電入口件(inlet)。這使得車輛擁有者能夠容易將插入式電動車輛10與普通AC壁插口例如在大多數車間和充電站中所通常看到的那些連接和斷開。電源接線20不限于任意特定的設計，并且可以為任意類型的入口件、連接件、插口、插頭、端口、插座等，包括基于導電、感應或其它類型的電連接的方式。這些連接類型中的一些由一個或多個國際標準(即，IEC 62196型1-2和模式1-4，IEC 60309，SAE J1772等)覆蓋。在示例性實施方案中，電源接線20為位于插入式電動車輛10的外部上的電入口件，從而其能夠方便地被接入(例如在鉸接門或垂件(f lap)下)，并且包括用于傳送電功率的到蓄電池充電器24的一個或多個連接部和用于通信的到控制模塊40的一個或多個連接部。也可以采用其它布置和連接部。電源耦合器22可以用來將外部電源12連接至插入式電動車輛10。電源耦合器有時被稱為電動車輛供電設備(EVSE)電線組件。在一個實施方案中，電源I禹合器22可以為專門設計用于插入式電動車輛的專用電線組件(例如在規范SAE J-1772和J-1773中所述的那些)，它包括第一端部、電纜或電線、控制單元和第二端部。電源耦合器22的第一端部為插入到標準AC墻壁插座中的三插腳接頭，并且其第二端部為插入到在車輛上的電源接頭20上的專門設計的接頭。電纜將電能從外部電源12引導或傳輸給插入式電動車輛10，但是也可以在電源耦合器22的控制單元和位于車輛上的裝置例如控制模塊40之間傳輸一個或多個通信信號。電源耦合器22的控制單元可以包括任意數量的電子部件，包括但不限于傳感器、發送接收器、存儲裝置、接觸器、開關、接地故障電流中斷器(GFCI)部件以及任意其它合適的部件。在示例性實施方案中，電源耦合器22的控制單元由外部電源供電，檢測在電源耦合器周圍的各種狀況(例如，電能是否存在，電能的電壓和/或電流，電源耦合器的溫度等)，并且與控制模塊40通信這些狀況。本領域普通技術人員將理解的是，在這里所述的方法不限于任意特定的電源耦合器或電線組件，可以采用任意數量的不同的電源耦合器。充電器24可以從各種電源包括外部和/或內部電源接收電能。在外部電源的情況下，充電器24可以通過將外部電源12與充電器24連接的合適電源耦合器或充電電線組件22接收電能，如已解釋的。在內部電源的情況下，充電器24可以通過在車輛內的接頭從再生制動馬達驅動發電機38或一些其它的部電源接收電能。本領域普通技術人員將理解的是，充電器24可以根據任意數量的不同實施方案設置，可以按照任意數量的不同結構連接，并且可以包括任意數量的不同部件，例如變壓器、整流器、開關式電源、濾波裝置、冷卻裝置、傳感器、控制單元和/或本領域所公知的任意其它合適部件。
電動機32可以采用存儲在車輛蓄電池30中的電能來驅動一個或多個車輪，這些車輪反過來推進該車輛。雖然圖I示意性地顯示出電動機32為單個獨立裝置，但是電動機可以與發電機組合在一起(所謂的“Mogen”)，或者它可以包括多個電動機(例如分別用于前輪和后輪的單獨電機，用于每個車輪的單獨電機，用于不同功能的單獨電機等)，列舉一些可能。車輛10不限于任一種特定類型的電動機，因為可以采用許多不同的電機類型、規格、技術等。在一個實施例中，電動機32包括AC電機(例如三相AC感應電機、多相AC感應電機等)以及可以在再生制動期間使用的發電機。電動機32可以根據任意數量的不同實施方案設置(例如，AC或DC電機，有刷或無刷電機，永磁電機等)，它可以按照任意數量的不同結構連接，并且它可以包括任意數量的不同部件，例如冷卻部件、傳感器、控制單元和/或本領域公知的任意其它合適部件。逆變器/轉換器34可以用作在車輛蓄電池30和電動機32之間的中間部件，因為這兩個裝置往往設計用于根據不同操作參數工作。例如，在車輛推進期間，逆變器/轉換器34可以使得來自蓄電池30的電壓升高，并且將電流從DC轉變成AC以便驅動電動機32，而在再生制動期間，逆變器/轉換器可以使得由制動事件產生出的電壓減小，并且將電流從AC轉變成DC，從而它可以由蓄電池適當存儲。在某種意義上，逆變器/轉換器34管理著這些不同的操作參數(即AC對DC，各種電壓電平等)如何一起工作。逆變器/轉換器34可以包括用于DC到AC轉換的逆變器、用于AC到DC轉變的整流器、用于提高電壓的升壓轉換器或變壓器、用于降低電壓的降壓轉換器或變壓器、其它合適的能量管理部件或其一些組合。在所示的示例性實施方案中，逆變器和轉換器單元集成為單個雙向裝置，但是也可以有其它實施方案。應該認識到的是，逆變器/轉換器34可以根據任意數量的不同實施方案設置(例如具有單獨的逆變器和轉換器單元，雙向或單向的等)，可以按照任意數量的不同結構連接，并且可以包括任意數量的不同部件，例如冷卻系統、傳感器、控制單元和/或本領域所公知的任意其它合適部件。發動機36可以采用普通內燃技術驅動發電機38，并且可以包括本領域所公知的任意合適類型的發動機。合適發動機的一些示例包括汽油、柴油、乙醇、柔性燃料、自然進氣、潤輪增壓、機械增壓(super-charged)、旋轉式、奧托循環、阿特金森(Atkins)循環和米勒(Miller)循環式發動機以及本領域所公知的任意其它合適發動機類型。根據在這里所示的具體實施方案，發動機36為小型燃料高效發動機(例如，小排量渦輪增壓四缸發動機)，它利用其機械輸出來使得發電機38運轉。本領域普通技術人員將理解的是，發動機36可以根據任意數量的不同實施方案設置，可以按照任意數量的不同結構連接(例如，發動機36可以為并聯混合動力系統的一部分，其中發動機也與車輪機械連接，而不是專門用來產生電力)，并且可以包括任意數量的不同部件，例如傳感器、控制單元和/或本領域所公知的任意其它合適部件。發電機38如此與發動機36機械連接，從而發動機的機械輸出使得發電機產生出可以提供給車輛蓄電池30、電動機32或兩者的電能。值得注意的是，發電機38可以根據任意數量的不同實施方案設置(例如，馬達32的發電機和發電機38可以合并為單個組件)，可以按照任意數量的不同結構連接，并且可以包括任意數量的不同結構，例如傳感器、控制單元和/或本領域所公知的任意其它合適部件。發電機38不限于任意特定的發電機類型或實施方案。 控制模塊40可以用來控制、管理或以其它方式管理車輛10的特定操作或功能，并且根據一個示例性實施方案包括處理裝置46和存儲裝置48。處理裝置46可以包括任意類型的合適電子處理器(例如微處理器、微控制器、特定用途集成電路(ASIC)等)，用來執行軟件、固件、程序、算法、腳本等的指令。該處理器不限于任一種部件或裝置。存儲裝置48可以包括任意類型的合適電子存儲部件，并且可以存儲各種數據和信息。這例如包括感測出的蓄電池狀況；查詢表和其它數據結構；軟件、固件、程序、算法、腳本和其它電子指令；部件特征和背景信息等。本方法一以及這些任務所需的任意其它電子指令和/或信息一也可以存儲或以其它方式保持在存儲裝置48中。控制模塊40可以通過I/O設備和合適的連接例如通信總線與其它車輛裝置和模塊電子連接，從而它們可以按照要求相互作用。這些當然只是控制模塊40的一些可能的布置、功能和能力，也可以采用其它形式。根據該具體實施方案，控制模塊40可以為獨立電子模塊(例如，車輛集成控制模塊(VICM)、牽引功率逆變器模塊(TPIM)、蓄電池功率逆變器模塊(BPIM)等)，它可以結合或包括在車輛內的另一個電子模塊(例如傳動系控制模塊、發動機控制模塊、混合動力控制模塊等)內，或者它可以為更大型網絡或系統的一部分(例如蓄電池管理系統(BMS)、車輛能量管理系統等)，列出一些可能性。還有，示例性插入式電動車輛10的前面說明和圖I中的附圖不僅僅用來說明一種可能的車輛布置，而是按照通常的方式實現。可以采用任意數量的其它車輛布置和構架，包括與在圖I中所示的重大不同的那些布置和構架。現在參照圖2，該圖顯示出示例性車輛蓄電池30的一部分的示意圖，它可以用來給車輛10提供能量。車輛蓄電池30可以存儲電能，該電能至少部分用于車輛推進，以及滿足車輛的其它電力需求。根據示例性實施方案，蓄電池30包括具有多個單獨蓄電池單體52-58的高電壓蓄電池組50(例如40V-60V)、多個單體平衡電流路徑62-68和蓄電池控制模塊70。蓄電池組50包括單獨蓄電池單體52-58的集合，它可以串聯、并聯或兩者的組合以便輸送所期望的電壓、電流、電容、功率密度和/或其它性能特性。在圖2中所示的具體實施例中，蓄電池單體52-58相互串聯連接。蓄電池組50可以采用任意合適的蓄電池化學技術，包括基于以下技術的蓄電池技術鋰離子、鎳金屬氫化物(NiMH)、鎳鎘(NiCd)、氯化鈉鎳(NaNiCl)或一些其它的蓄電池技術。根據一個實施例，蓄電池組50包括多個鋰離子蓄電池單體。蓄電池組50應設計成承受反復充電和放電循環，并且可以與其它儲能裝置例如電容器、超級電容器、感應器等結合使用。本領域普通技術人員將理解的是，車輛蓄電池可以根據任意數量的不同實施方案設置，可以按照任意數量的不同結構連接，并且可以包括任意數量的不同子部件，例如傳感器、控制單元和/或本領域所公知的任意其它合適部件。單體平衡電流路徑62-68分別與蓄電池單體52_58并聯連接，并且在其電壓超過某個閾值時提供將單體分流或旁通的路徑。每個單體平衡電流路徑包括與穩壓二極管82-88串聯連接的電子開關72-78。例如，單體平衡電流路徑62連接在蓄電池單體52的第一和第二節點90和92之間，并且包括與穩壓二極管82串聯連接的電子開關72。如果電子開關72關閉并且在蓄電池單體52上的電壓超過穩壓二極管82的擊穿電壓，則來自蓄電池充電操作的電流可以通過流經開關72和二極管82而繞過單體52，這防止了蓄電池單體52進一步充電。相同的構思同樣應用于其它蓄電池單體和單體平衡電流路徑，從而在蓄電池充電操作期間，在使得高壓單體旁通的同時可以給低電壓單體充電。該選擇性充電過程能夠實現在蓄電池30內的單體平衡，從而單體電壓變得更加均勻或一致，如將在下面更詳細描述的一樣。·如本領域所廣泛理解的一樣，電子開關72-78為用來選擇地斷開電路的電氣部件，并且可以為任意合適類型的開關、晶體管等。開關72-78可以按照兩種狀態中的一種工作電在開關的端子之間流動時的“閉合”或“接通”狀態，或者在沒有電流動時的“打開”或“斷開”狀態。用于開關72-78的合適開關或晶體管類型的一些示例包括但不限于雙極結晶體管(BJT)和所有類型的場效應晶體管(FET)例如金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)和門極結場效應晶體管(JFET)。電子開關72-78不限于任意特定的開關或晶體管類型。在非限定實施例中，開關72-78中的每一個為NPN雙極結晶體管(BJT)，它包括用于導電的集電極和發射極端子、與蓄電池控制模塊70連接以接收控制信號的基極端子和大約為5-10安培的電流閾值(這使得能夠進行IlOV或220V非車載充電)。控制信號控制著開關的狀態，并且可以使之“接通”或“斷開”。穩壓二極管82-88為這樣的電氣部件，這些電氣部件允許電流沿著前進方向流動，例如普通二極管，并且當二極管上的電壓超過擊穿或穩壓電壓時還允許電流沿著反向方向流動。穩壓二極管的結構和操作對于本領域普通技術人員而言是公知的，并且因此這里不在重復說明。根據在圖2中所示的示例性實施方案，穩壓二極管82為單體平衡電流路徑52的一部分，并且連接成使得在開關72閉合并且在蓄電池單體52上的電壓超過穩壓擊穿電壓時電流只是在從第一單體節點90到第二單體節點92的電流路徑中流動。一旦滿足這些條件，則電流自由地在單體平衡電流路徑62中流動并且繞過蓄電池單體52，從而不再對它進行充電。在一個非限定實施例中，穩壓二極管82-88中的每一個的電流閾值大約為5-10安培，并且擊穿電壓大約為3. OV-5. 0V。在單體平衡電流路徑中也可以采用其它類型的電氣部件，因為在這里所示的穩壓二極管只是一個示例。蓄電池控制模塊70可以包括任意種類的電子處理裝置、存儲裝置、輸入/輸出(I/
O)設備和其它已知的部件，并且可以進行各種控制和/或通信相關的功能。例如，蓄電池控制模塊70可以接收來自各種蓄電池傳感器100的傳感器信號，并且對這些傳感器信號進行評估、分析和/或處理以便控制蓄電池30的一個或多個方面。采用傳感器信號來控制電子開關72-78的狀態是用于蓄電池控制模塊70的合適功能的一個示例。在另一個實施例中，蓄電池控制模塊70接收來自蓄電池傳感器100的傳感器信號并且將它們打包成傳感器消息，然后通過合適的連接例如CAN總線、系統控制總線(SMBus)、專有通信鏈路等將該傳感器消息發送給控制模塊40或一些其它裝置。蓄電池控制模塊70可以收集蓄電池傳感器讀數，并且將它們與有關的蓄電池特性和與蓄電池單體化學特性、單體容量、上蓄電池電壓限值、下蓄電池電壓限值、蓄電池電流限值、蓄電池溫度限值、溫度輪廓、蓄電池電阻、充電/放電事件的次數或歷史等相關的背景信息一起存儲在本地存儲器中。應該理解的是，蓄電池控制模塊70可以為獨立電子模塊,它可以結合或包括在車輛內的另一個電子模塊內(例如控制模塊40)，它可以為更大型網絡或系統的一部分，它可以位于車輛蓄電池內，或者它可以位于蓄電池外面，列出一些可能性。蓄電池控制模塊70不限于上面所述并且在圖2中所示的示意性說明。在一個實施方案中，蓄電池控制模塊70包括一個或多個蓄電池傳感器100。 蓄電池傳感器100可以包括任意種類的不同感測部件或元件，并且可以監測各種蓄電池狀況例如電壓、電流、充電狀態(S0C)、健康狀態(S0H)、溫度等。蓄電池傳感器100可以包括集成在車輛蓄電池30(例如智能或靈巧蓄電池)內、外部地位于蓄電池外面或根據一些其它已知布置方式設置的傳感器。蓄電池傳感器100可以逐單體地監測、感測或以其它方式確定蓄電池狀況，作為蓄電池組的區域或單體的塊或集合的平均、作為整個蓄電池組的平均，或者根據本領域所公知的一些其它方法。在示例性實施方案中，蓄電池傳感器100包括用于感測單獨單體電壓的電壓傳感器102-108、用于感測流經蓄電池組的電流的電流傳感器110以及任意數量的其它傳感器例如溫度傳感器等。傳感器102-110可以與蓄電池控制模塊70、控制模塊40或任意其它合適的裝置連接。現在參照圖3，該圖顯示出用于給車輛蓄電池例如在圖I和2中所示的車輛蓄電池充電的示例性方法150的一些步驟。該方法150可以用來在蓄電池充電操作期間平衡單體電壓，并且可以按照防止單獨單體過充電并且改善操作的整體效率的方式進行。如上所述，該方法150提供了這樣的充電方案，即它通過對未充電完全的單體進行充電并且同時使得過充電單體旁通或旁路來平衡在蓄電池組上的單體電壓。該方法150可以在任意蓄電池充電操作期間進行，所述操作可以包括“非車載充電操作”(例如，在將車輛插入到外部電源12中時)、“車載充電操作”(例如在車輛正在經歷再生制動或正在用發電機38進行充電時)或任意其它合適的充電操作。從步驟154開始，該方法確定車輛當前是否正在經歷蓄電池充電操作，并且可以按照許多不同的方式進行。根據一個實施例，步驟154在電源耦合器22電連接在外部電源12和電源連接裝置20之間時檢測非車載充電操作或者事件。該連接可以通過電源連接裝置20、電源耦合器22或一些其它裝置檢測或感測出，并且可以通過適當的電子消息輸送給蓄電池控制模塊70。在不同的實施例中，步驟154響應于再生制動事件(例如制動控制模塊等會給蓄電池控制模塊70發送再生制動消息)或響應于由發動機驅動的發電機38進行的充電來檢測出車載充電操作。也可以采用其它實施方案。如果該方法確定出正在進行蓄電池充電操作，則該方法前進至下一個步驟，否則該方法回到步驟154以作進一步監測。接著，步驟158確定蓄電池充電操作或事件的類型。如上所述，可以將充電事件分成幾個不同的類別，包括非車載充電操作和車載充電操作。“非車載充電操作”廣義上包括充電來源位于車輛外部的任意充電事件(例如從外部電源12充電)。另一方面車載充電操作”廣義地包括充電來源位于車輛內部的任意充電事件(例如，從再生制動操作進行充電或從發電機38進行充電)。在步驟154中所使用的檢測蓄電池充電操作的任意技術可隨步驟158應用、使用或組合以便確定充電操作的類型或特性。本領域普通技術人員應該理解的是，也可以采用其它實施方案，因為步驟154和158不限于在這里所給出的實施例。根據充電操作的特性，步驟162沿著幾條不同的路徑中的一條進行該方法。例如，如果蓄電池充電操作為車載充電操作，則該方法前進至步驟166 ;如果蓄電池充電操作為非車載充電操作，則該方法前進至步驟170。單體平衡即使在蓄電池充電操作期間也不總是適當的或期望的。因此，步驟166和170收集并且評估各種蓄電池狀況和/或參數以便確定那時候是否應該啟用單體平衡特征，通常在蓄電池控制模塊70將電子開關72-78閉合時“啟用”單體平衡。因為蓄電池組電流會流經已經啟用并且其穩壓二極管正在沿著反向方向工作的任意電流路徑，所以每個單體平衡電流路徑62-68應該能夠操控全部蓄電池組電流(例如由電流傳感器110檢測出的電流)。因此，本方法可以用來評價在閉合電子開關·72-78并且啟用單體平衡特征之前所預期的蓄電池組電流和/或其它蓄電池狀況。車載和非車載充電操作可以需要不同的蓄電池狀況或標準以便作出這種判斷，因此需要步驟166和 170。例如，用外部電源12進行非車載充電與再生制動相比通常是更穩定并且可預測的能量源，再生制動在所提供的電壓和/或電流方面變化會非常大。如果步驟162確定當前正在進行非車載充電操作，則步驟170可以進行簡單檢查以確保整個蓄電池組電壓沒有超過某個閾值，或者它可以在該方法通過閉合電子開關72-78啟用單體平衡特征之前評估一些其它蓄電池狀況。如果另一方面步驟162確定當前正在進行車載充電操作，則步驟166可以在啟用單體平衡之前考慮更嚴格的蓄電池狀況和標準。一種這樣的蓄電池狀況可以涉及由電流傳感器110測量出的流經蓄電池組50的電流量。因為再生制動事件(即車載充電操作)會導致臨時的電流沖擊，所以步驟166可以想要在通過開關72-78啟用單體平衡之前確保蓄電池電流低于某個電流閾值(例如小于7安培)。否則，包括電開關72-78和穩壓二極管82-88的單體平衡電流路徑62-68中的每一個將必須被配備以操控流經蓄電池組的全部電流量。這會給該系統增加不想要的成本。在示例性實施方案中，步驟166和170采用不同的蓄電池狀況來確定是否和什么時候應該啟用單體平衡，其中步驟166通常采用更嚴格或限制性的標準。可以由步驟166和/或170采用的蓄電池狀況的示例包括蓄電池組電流、蓄電池組電壓、蓄電池組充電狀態(SOC)、蓄電池組溫度、蓄電池組估計充電事件以及基于單體水平而不是蓄電池組水平的類似標準。如上所述，該方法可以想要保持單體平衡特征在蓄電池正在經歷產生超過某個閾值的蓄電池組電流的車載充電操作時禁用(即，電子開關72-78打開)。在步驟166和/或170中用來確定是否和什么時候啟用系統的單體平衡特征的蓄電池狀況可以是靜態的(例如在蓄電池和/或車輛制造期間確定的)、動態的(例如在應對蓄電池狀況變化的操作期間由蓄電池控制模塊70確定的等)或者在制造期間預定的和在操作期間所調整的，列出幾個例子。而且，各種標準可以考慮會影響包括滯后現象、擴散等的測量值的因素。步驟174檢查在啟用單體平衡特征之前是否滿足蓄電池狀況。在車載或非車載充電操作情況下，步驟174確定是否滿足各種蓄電池狀況，并且可以按照任意不同的方式進行。在一個實施方案中，步驟174評估下面蓄電池狀況的一些組合整個蓄電池電流是否小于電流閾值、最小單體電壓是否小于電壓閾值和/或估計的充電時間是否小于充電時間閾值。如果例如對于所有這些詢問的回答都為是，則步驟174可以確定針對非車載充電操作的單體平衡是適當的。在車載充電操作示例中，步驟174可以計算使得最高充電的蓄電池單體為相應的穩壓擊穿電壓所需的電流，然后確定當前蓄電池電流是否小于計算出的電流加上滯后值。在一些情況下，步驟174可能需要滿足所有蓄電池狀況以便啟用單體平衡，在其它情況下，該步驟可只需要滿足其中一些蓄電池狀況。如果步驟174確定已經滿足所需的蓄電池狀況，則該方法前進至步驟178以便啟用單體平衡；如果步驟174確定還沒有滿足蓄電池狀況，則該方法前進至步驟182以便禁用單體平衡(這會涉及打開開關72-78或者將它們保持在打開狀態中)。應該理解的是，步驟162-174是可選的，并且可以刪除或替換這些步驟中的任意組合。為了例舉說明，該方法可以僅是閉合電子開關72-78，并且不論什么時候檢測出充電事件則啟用單體平衡，而不是如上所述在車載和非車載充電操作之間進行區分然后因此評估蓄電池狀況。
步驟178閉合一個或多個電子開關使得啟用單體平衡特征。該步驟可以按照許多不同的方式進行，所有這些都是可能性。例如，在步驟178中，蓄電池控制模塊70可以給電子開關72-78發送開關控制信號，從而立即閉合或接通它們(這同時啟用所有單體平衡電流路徑)，或者控制模塊可以單獨地控制這些開關，從而一些接通，并且一些打開。在示例性實施方案中，電子控制模塊70同時閉合所有電子開關72-78，由此啟用所有單體平衡電流路徑。同樣，步驟182打開這些電子開關中的一個或多個，從而至少一些單體平衡電流路徑被禁用。本領域普通技術人員將理解的是，僅僅因為啟用了特定的單體平衡電流路徑，并不意味著它將導通電流并且使得相應的蓄電池單體旁通；該單體電壓首先必須超過穩壓二極管的擊穿電壓。一旦電子開關已經閉合或打開，則步驟190給車輛蓄電池30充電。即使在所有單體平衡電流路徑都啟用的情況下，不論電流是否給特定蓄電池單體充電或者使之旁通很大程度上取決于蓄電池單體電壓。為了說明這一點，考慮在圖4中所示的實施例，其中假設蓄電池單體52、54、56和58分別具有3. 5V、3. 8V、3. 4V和3. 6V的單體電壓，并且所有穩壓二極管具有3. 8V的擊穿電壓。另外，圖4已經改變為顯示出示例性的箭頭電流通路。蓄電池單體52、56和58所有都具有低于相應穩壓二極管的擊穿電壓的單體電壓；因此單體平衡電流路徑62、66和68在其穩壓二極管正在沿著向前(正向)方向操作時沒有導通，并且電流流經單體52、56和58并且給它們充電。但是，因為單體54的單體電壓為3. 8V即處于穩壓擊穿電壓水平處，所以單體平衡電流路徑54是導通的。該電流通路顯示在圖4中并且用來使得蓄電池單體54旁通或旁路，從而不能對它進行進一步充電；也就是說，蓄電池單體54的電壓限制在3. 8V處。如果其它蓄電池單體52、56和58中的任一個的單體電壓達到3. 8V,則單體平衡電流路徑62、66和68將變得導通并且使得其相應的蓄電池單體旁通。如果在任意時刻該方法確定當前蓄電池狀況對于單體平衡而言不適當，則蓄電池控制模塊70可以給開關72-78發送開關控制信號以將這些開關打開并且禁用單體平衡特征。本領域普通技術人員將認識到，代替上述示例性方法或者與之結合可以采用一種或多種其它蓄電池單體平衡技術，包括將過充電的蓄電池單體放電以實現蓄電池單體平衡。
要理解的是，前面的說明不是對本發明進行限定，而是本發明的一個或多個優選示例性實施方案的說明。本發明不限于在這里所披露的具體實施方案，而是只是由下面的權利要求限定。另外，在前面說明書中所包含的表述涉及具體實施方案，并且不應該解釋為對本發明的范圍或在權利要求中所采用的術語進行限制，除非上面明顯限定了術語或短語。本領域普通技術人員很容易想到各種其它實施方案以及對所披露的實施方案作出各種變化和變型。例如，這些步驟的特定組合和順序僅僅是一種可能性，因為本方法可以包括具有比在這里所示的更多、更少或不同步驟的步驟組合。所有這些其它的實施方案、變化和變型都落入在所附權利要求的范圍內。如在該說明書和權利要求書中所使用的一樣，術語“例如”、“比如”和詞語“包括”、“具有”、“包含”及其它詞語形式在與一個或多個部件或其它項目結合使用時，每個都解釋為開放式的，意味著列表不應該被認為排除其它額外的部件或項目。其它術語要采用其最 廣義的合理含義來解釋，除非它們用在在需要不同解釋的上下文中。
權利要求
1.一種給車輛蓄電池充電的方法，包括以下步驟 (a)提供具有多個蓄電池單體和多個單體平衡電流路徑的車輛蓄電池，每個所述單體平衡電流路徑與相應的蓄電池單體并聯連接并且包括串聯連接的電子開關和穩壓二極管； (b)通過閉合所述電子開關來啟用所述單體平衡電流路徑；并且 (c)通過啟用的單體平衡電流路徑給所述車輛蓄電池充電，其中在充電過程期間，所述蓄電池單體中的一個或多個被充電，并且所述蓄電池單體中的一個或多個通過單體平衡電流路徑被旁通。
2.如權利要求I所述的充電方法，還包括以下步驟 確定是否存在蓄電池充電操作，如果存在蓄電池充電操作，則進行步驟(b)-(c)中的一個或多個。
3.如權利要求2所述的充電方法，還包括以下步驟 確定所述車輛蓄電池當前是否正在經歷車載充電操作或非車載充電操作，評估用于禁用所述單體平衡電流路徑的一個或多個蓄電池狀況，并且如果滿足所述蓄電池狀況，則進行步驟(b)-(c)中的一個或多個。
4.如權利要求3所述的充電方法，其中用于車載充電操作的蓄電池狀況與用于非車載充電操作的蓄電池狀況不同。
5.如權利要求3所述的充電方法,其中用于車載充電操作的所述蓄電池狀況包括車輛蓄電池組電流。
6.如權利要求I所述的充電方法，其中步驟(b)還包括通過從蓄電池控制模塊給所述電子開關發送一個或多個開關控制信號來啟用所述單體平衡電流路徑。
7.如權利要求6所述的充電方法，其中來自所述蓄電池控制模塊的所述開關控制信號將所有電子開關閉合，使得所有單體平衡電流路徑都被啟用。
8.如權利要求6所述的充電方法，其中來自所述蓄電池控制模塊的所述開關控制信號閉合所述電子開關中的一些，使得所述單體平衡電流路徑中的一些被啟用，并且將所述單體平衡電流路徑中的一些被禁用。
9.一種車輛蓄電池，包括 多個蓄電池單體；以及 多個單體平衡電流路徑，每條單體平衡電流路徑與相應的蓄電池單體并聯連接并且包括串聯連接的電子開關和穩壓二極管， 其中所述單體平衡電流路徑中的每一條都布置成在所述電子開關閉合并且在所述相應的蓄電池單體上的電壓超過所述穩壓二極管的擊穿電壓時使得所述相應的蓄電池單體芳通。
10.一種車輛蓄電池，包括 具有第一單體節點和第二單體節點的蓄電池單體； 單體平衡電流路徑，其具有串聯連接的第一路徑節點、電子開關、穩壓二極管和第二路徑節點，其中所述單體平衡電流路徑的所述第一通路節點與所述蓄電池單體的第一單體節點連接，并且所述單體平衡電流路徑的第二路徑節點與所述蓄電池單體的第二單體節點連接，使得所述單體平衡電流路徑與所述蓄電池單體并聯；以及蓄電池控制模塊，其具有與所述單體平衡電流路徑的所述電子開關連接的輸出端，其中所述單體平衡電流路徑在所述蓄電池控制模塊已經閉合所述電子開關并且所述蓄電池單體的 電壓超過所述穩壓二極管的擊穿電壓時使得所述蓄電池單體旁通。
全文摘要
一種車輛蓄電池和充電方法，可用來在蓄電池充電操作期間平衡單體電壓，并且按照防止各個單體過充電并且改善整體操作效率的方式進行。根據一個實施例，車輛蓄電池包括多個單體平衡電流路徑，每條都與單獨蓄電池單體并聯連接，并可在其電壓超過某個最大值時使得相應單體旁通或旁路。這可使得未充電完全的蓄電池單體能夠在過充電的蓄電池單體被旁通的同時進行充電。每個單體平衡電流路徑可包括串聯連接的電子開關和穩壓二極管組件，其中電子開關由蓄電池控制模塊控制成使得單體平衡可在蓄電池充電操作期間啟用并且在其它時間禁用。
文檔編號H01M10/44GK102903981SQ20121026067
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月26日 優先權日2011年7月26日
發明者J.C.吉布斯, K.M.約翰遜 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司