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1. CN107521441 - BATTERY MANAGEMENT SYSTEM OF VEHICLE

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车辆的电池管理系统


技术领域
本发明涉及车辆的电池管理系统,并且更具体而言,涉及这样的电池管理系统:其在锂电池被用作车辆中的低压电池时,防止锂电池过度充电或过度放电,并且安全地保护锂电池免受会损坏锂电池的各种情况。
背景技术
作为环保车辆的电动车辆或燃料电池车辆包括低压电池(其又被称作“辅助电池”),所述低压电池用于提供接通车辆所需的电力,并且向在低压工作的电场负载提供电力。另外,利用化石燃料驱动发动机的一般的内燃机车辆也包括用于提供接通车辆所需的电力或者向电场负载提供电力的可充电电池。对此种电池而言,目前已使用的是造价低廉的铅酸蓄电池,但是预计将使用具有更长的使用寿命和改善的电气特性的锂电池作为替代品。
锂电池由于其特性而需要完全充电,并且因此,当辅助电池的充电状态减小到少于预设的阈值电压(例如,放电低电压限制)时,锂电池被安装为利用继电器来关断与车辆系统的电连接。为了在电气连接经由继电器而关断的情况下再起动车辆,手动地接通继电器以再次形成电气连接。就此而言,典型地,使用配置成直接地将电池电压施加至继电器的线圈的重新连接开关。换句话说,典型地,当使用者按压重新连接开关时,随着电池电压施加至用于驱动继电器的线圈,继电器接通以将电池电气连接至车辆系统。
这种典型的电池继电器重新连接方法具有多种问题。例如,当重新连接开关由于重新连接开关的误操作等而在预定时间周期或更久保持接通状态时,会发生由于电池电压持续地施加至继电器线圈而导致继电器线圈损坏的问题。另外,会发生由于在常规操作期间,电池继电器长时间周期保持在接通状态而导致电池过度放电的问题。此外,当外部电源具有预定水平或更高的电压时,会在将外部电源连接至继电器的车辆的终端以用于跨接起动(jump-starting)的情况下,发生电池过度充电,或施加过电压从而迅速地损坏电池的问题。
公开于本部分的上述信息仅仅用于加深对发明背景的理解,因此其可以包含的信息并不构成在本国已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
因此,本发明提供一种车辆的电池管理系统,用于在锂电池被用作车辆中的低压电池时防止锂电池过度充电和过度放电,并且用于安全地保护锂电池免受可能会损坏锂电池的各种状况。
根据本发明的一个方面,通过提供这样的车辆的电池管理系统而能够实现上述和其他目的,所述电池管理系统可以包括:继电器,其配置成将从电池供应至负载的电力电连接和断开电连接;重新连接开关,其配置成基于使用者的操作而确定连接状态,并根据该连接状态来产生用于接通继电器和关断继电器的信号;以及控制器,其配置成根据重新连接开关的连接状态来操作继电器。
控制器可以包括备用电力输入器,所述备用电力输入器连接至电池以接收驱动电力。所述控制器可以包括唤醒输入器,所述唤醒输入器配置成接收重新连接开关的连接信号或基于车辆的钥匙输入的通电-接通或点火-接通信号,并产生唤醒信号,并且当产生唤醒信号时,可以唤醒控制器。控制器可以包括继电器控制器,所述继电器控制器配置成根据重新连接开关的连接信号来执行继电器的接通和关断操作,并且继电器控制器可以配置成基于脉冲波形的控制来接通和关断继电器。
在重新连接开关接通的情况下,随着电池电压被施加至重新连接开关的另一端部,控制器可以被唤醒,且在被唤醒之后接收车辆的行驶里程,并且当该行驶里程小于预设的参考值时输出用于关断继电器的控制信号。控制器可以进一步包括电压传感器,所述电压传感器配置成感测继电器的后侧端部的电压,而当重新连接开关接通时,随着电池电压施加至重新连接开关的另一端部,控制器可以被唤醒,并且当电压传感器感的感测电压在预设的正常电压范围内时,所述控制器可以配置成在被唤醒之后输出用于接通继电器的控制信号。
在本发明的另一方面,车辆的电池管理系统可以包括:继电器,其配置成将从电池供应至负载的电力电连接和断开电连接;以及控制器,其直接地连接至电池,并且配置成接收备用电力,设定时间周期并被唤醒,并且当电池的电压等于或小于预设阈值时输出用于关断继电器的控制信号,其中所述控制器可以配置成在继电器关断之后改变时间周期。
控制器可以进一步配置成将时间周期设定为比在继电器关断之前设定的时间周期更长,或者不设定时间周期,从而在继电器关断之后不被唤醒。电池管理系统可以进一步包括重新连接开关,所述重新连接开关配置成基于使用者的操作来确定连接状态,并基于该连接状态来产生用于接通继电器和关断继电器的信号,其中,所述控制器可以基于重新连接开关的连接信号或根据车辆的钥匙输入的通电-接通或点火-接通信号而被唤醒。
电池管理系统可以进一步包括电压传感器,所述电压传感器配置成感测继电器的后侧端部的电压,其中,所述控制器可以配置成,当车辆停车时,在输出用于关断继电器的控制信号之后接收电压传感器的第一感测电压,在输出用于接通继电器的控制信号之后接收电压传感器的第二感测电压,并且当第一感测电压和第二感测电压大致相同时确定发生继电器的熔接。控制器可以进一步配置成将时间周期设定为比在继电器关断之前设定的时间周期更长,或者不设定时间周期,从而在确定出继电器熔接发生时不被唤醒。
附图说明
通过下文结合附图所呈现的详细描述,将会更为清楚地理解本发明的以上和其它目的、特征以及其它优点,在这些附图中:
图1是示出根据本发明的示例性实施方案的车辆的电池管理系统的配置的框图。
图2至图4为用于解释根据本发明的示例性实施方案的车辆的电池管理系统的操作的流程图。
具体实施方式
应当理解,此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括一般机动车辆,例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、大货车、各种商用车辆的乘用汽车,包括各种舟艇、船舶的船只,航空器等,并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如,源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的,混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆,例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
尽管示例性实施方案被描述为使用多个单元来执行示例性处理,但是应当理解的是,该示例性处理也可以通过一个或多个模块来执行。此外,应当理解的是,术语控制器/控制单元涉及包括存储器和处理器的硬件设备。存储器配置成存储模块,而处理器特定地配置成执行所述模块,以执行在下文进一步描述的一个或多个处理。
本文所使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的,并非旨在限制本发明。正如本文所使用的,单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式,除非上下文另有清楚的说明。还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,指明所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在,但是不排除存在或添加一个或多个其他的特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其集合。如在此所使用的,术语“和/或”包括相关的列出项目的一个或多个的任意和全部组合。
除非特别声明或者从上下文显而易见的,如在本文中所使用的,术语“大约”应理解为在本领域的正常公差的范围内,例如在平均值的2个标准差之内。“大约”可被理解为在指定值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01%之内。除非在上下文中另有明确的说明,本文提供的所有数值均受到术语“大约”修饰。
在下文中,将参考所附附图对根据本发明的各个示例性实施方案的电池管理系统进行描述。
图1是示出根据本发明的示例性实施方案的车辆的电池管理系统的配置的框图。参考图1,根据本发明的示例性实施方案的用于车辆的电池管理系统可以包括:电池10;继电器20,其具有连接至电池10的前侧端部和基于控制信号而与前侧端部电连接和断开电连接的后侧端部;重新连接开关30,其具有连接至电池10的第一端部和基于外部输入而与第一端部连接和断开连接的第二端部;以及控制器100,其直接地连接至电池10以接收备用电力B+,控制器100配置成基于车辆的钥匙输入(key input)或重新连接开关30的第二端部的电气状态而被唤醒,并且配置成输出用于调节继电器20的连接状态的控制信号。
电池10可以是用于存储电能的部件,所述电能用于输出低电压(例如,约12V)的电力。电池10可以提供起动车辆所需的电力,并且根据需要,可以用于在车辆行驶期间提供用于低电压负载所需的电力。根据本发明的各个示例性实施方案,电池10可以被称作为低电压电池或辅助电池,以与用于驱动环保车辆的电机的高压电池形成区别,所述高压电池利用高压电力来驱动电机;而对于一般的内燃机车辆,电池10可以被称作电池。
特别地,铅酸蓄电池或锂电池可以用作电池10。在现有技术中,目前为止使用的是相当廉价的铅酸蓄电池,但是具有高可靠性和更长寿命的锂电池已经取代了铅酸蓄电池。特别地,锂电池具有这样的特性:当锂电池以预定电压或更低的电压放电时,其性能迅速下降,因此,需要当电压减小至预定电压电平或更低时用于与车辆系统断开电连接的继电器20。根据本发明的各个示例性实施方案,对于被使用的车辆,将锂电池应用为电池10的必然性非常高,但是电池10并不限于锂电池,并且本发明的示例性实施方案也可以应用于将铅酸蓄电池用作电池10的情况。
继电器20可以是用于电池10(特别地,锂电池)与车辆系统之间的电连接和断开电连接的部件。继电器20可以具有电连接至电池10的前侧端部和连接至车辆系统侧的后侧端部,并且继电器20可以配置成通过前侧端部和后侧端部之间的电连接和断开电连接的操作来确定电池10的电连接状态。
继电器20可以进一步配置成基于外部输入的控制信号来确定接通/关断状态。例如,当具有指定电压的控制信号施加至继电器20中的线圈以将继电器20改变成接通状态时,继电器20中的前侧端部和后侧端部可以彼此电连接,而当具有指定电压的控制信号施加至继电器20中的线圈以将继电器20改变成关断状态时,继电器20中的前侧端部和后侧端部可以断开电连接。因此,继电器20可以包括两个输入端子,所述两个输入端子分别配置成接收用于接通状态的控制信号和用于关断状态的控制信号。
例如,当电池10在用于正常操作的条件(例如,当电池10的电压具有在预设的高电压限制和低电压限制之间的值时)下操作时,继电器20可以操作为保持连接状态(即,接通状态),而当电池10的电压是预设阈值(例如,低电压限制)或更小时,继电器20可以操作为断开连接状态(即,关断状态)。用于确定继电器20的接通/关断状态的控制信号可以由控制器100提供。
重新连接开关30可以配置成从外部接收输入,从而当继电器20处于关断状态时重新连接(例如,接通)继电器20。重新连接开关30可以具有相对的端部,所述相对的端部基于外部提供的输入而彼此电连接或断开电连接。重新连接开关30的第一端部可以连接至电池10,而第二端部可以连接至控制器100。根据本发明的各个示例性实施方案,当重新连接开关30基于外部输入而接通时,连接至重新连接开关30的第二端部的控制器可以配置成识别重新连接开关30的接通,并且将用于接通继电器20的控制信号提供至继电器20。
控制器100可以直接地连接至电池10以接收备用电力B+,可以配置成自主地设定时间周期,并且可以配置成基于该时间周期来执行唤醒操作。此外,控制器100可以配置成基于车辆的钥匙输入(ACC,IG1)或者重新连接开关30的第二端部的电气状态来执行唤醒操作。一旦被唤醒并且改变至用于正常操作的状态,控制器100就可以配置成基于电池10的电压来调节继电器20的连接状态。换句话说,控制器100可以配置成监控电池10的电压,并且当电池10的电压小于预设阈值时,控制器100可以配置成将用于关断继电器20的控制信号输出至继电器20,以关断继电器20。控制器100可以进一步地配置成直接地接收电池电压作为备用电力,并且因而可以总是配置成监控备用电力的量。
根据本发明的各个示例性实施方案,控制器100可以实现为车辆中采用的电池管理系统(battery management system,BMS)控制器。特别地,根据环保车辆中对高压电池和低压电池(辅助电池)进行整体封装的趋势,控制器100可以通过同时管理高压电池和低压电池的一个电池管理系统控制器来实现。在本说明书或附图中,术语“BMS”可以代替术语“控制器”来指示控制器。特别地,控制器100可以包括:备用电力输入器110、继电器控制器120、唤醒输入器130和实时时钟(RTC)140。
备用电力输入器110可以直接地连接至电池10,并且可以配置成从电池10接收备用电力B+。当控制器100被唤醒时,备用电力输入器110可以配置成将电力提供至包括在控制器100中的所有部件。根据本发明的示例性实施方案,控制器100可以配置成直接地从电池10接收备用电力,并且因此,即便当继电器20关断时,控制器100也可以被唤醒。
继电器控制器120可以配置成将用于调节继电器20的电连接状态的控制信号输出至继电器20。如上所述,当通过电压传感器40检测的电池电压为预设阈值或更小时,继电器控制器120可以配置成将用于关断继电器20的控制信号输出至继电器20。当重新连接开关30接通以接收电池电压时,继电器控制器120可以配置成将用于接通继电器20的控制信号输出至继电器20。特别地,继电器控制器120可以配置成输出脉冲波形作为用于操作继电器20的控制信号。换句话说,继电器控制器120可以配置成经由脉冲波形的控制来执行继电器的接通和关断。因此,当重新连接开关30接通很长时间时,也可以防止重新连接开关30的内部线圈被损坏。
唤醒输入器130可以配置成接收用于唤醒控制器100的信号。当在唤醒输入器130中产生用于唤醒的输入时,控制器100可以配置成将电力供应至被包括在控制器100中的每个部件,以启动正常操作。换句话说,在车辆停车(turn off)的情况下,控制器100可以处于睡眠状态或睡眠模式,其中仅执行最少操作。在睡眠状态期间,电力不供应至继电器控制器120,并且因此,控制器100可以不配置成接通和关断继电器20。当唤醒输入器130接收用于唤醒的输入时,控制器100可以配置成向每个部件提供备用电力以启动操作,而继电器控制器120也可以配置成接收电力以执行操作。
输入至唤醒输入器130的唤醒信号可以是车辆的钥匙输入和来自重新连接开关的输入等。例如,唤醒输入器130可以配置成接收通电-接通(ACC-on)或点火-接通(IG1-on)的钥匙输入,以唤醒控制器100。唤醒输入器130可以进一步配置成从实时时钟(RTC)以预定周期接收唤醒信号输入(将在下文进行描述)来操作。RTC 140可以配置成设定用于唤醒控制器100的时间周期,并且基于设定的时间周期来提供唤醒信号以唤醒控制器100(例如,将控制器从睡眠模式中改变)。根据本发明的示例性实施方案,RTC 140可以配置成基于周边情况来改变用于产生唤醒信号的时间周期。例如,根据本发明的各个示例性实施方案,控制器100可以配置成直接地从电池10接收备用电力并执行操作,并且因此,当持续使用恒定电流时,电池10的功率消耗会增大。为了防止这种情况发生,控制器100可以配置成操作继电器20关断,并随后RTC 140可以配置成相比于当继电器20接通时的情况而增大用于产生唤醒信号的周期,以减少唤醒次数,或者可以不产生用于产生唤醒信号的时间周期(或设定无限周期),从而不执行周期性的唤醒。因此,在通过关断继电器20而断开电池10与车辆系统电连接之后,直接地从电池10接收备用电力的控制器100所消耗的电流可以减小至电池10的最小电流消耗。
在图1中,附图标记“40”表示电压传感器,所述电压传感器配置成检测继电器20的后侧端部的电压,附图标记“50”表示接线盒,而附图标记“60”表示低电压直流-直流(DC-DC)转换器(LDC)。通过电压传感器40感测到的继电器20的后侧端部的电压可以被用作传输至继电器控制器120并用于操作继电器20的因素。另外,接线盒50可以连接至继电器20的后侧端部,可以连接至车辆的各个低电压电场负载(图中未示出),并且可以在被连接的部件之间形成电连接。另外,LDC 60可以配置成将高压电池(图中未示出)的高压电力变换成低电压,并且可以具有连接至接线盒50的输出端子。
将更具体地描述基于具有前述结构的车辆的电池管理系统的功能的各种功能和优点。图2至图4是示出根据本发明的示例性实施方案的车辆的电池管理系统的操作的流程图。
图2是示出根据本发明的示例性实施方案的车辆的电池管理系统的操作的图,其适用于在常规操作期间由于误操作或操作错误而导致重新连接开关被接通的情况。当在车辆停车的情况下,重新连接开关30接通时(S11),电池10的电压可以施加至重新连接开关30的第二端部,并且施加至重新连接开关30的第二端部的电压可以施加至控制器100的唤醒输入器130。因此,唤醒输入器130可以配置成唤醒控制器100,并启动继电器控制器120的操作(S12)。
继电器控制器120可以配置成识别重新连接开关30被接通,并且确定车辆是否处于在生产线的情况(in-line condition)(S13)。为了确定在生产线的情况,继电器控制器120可以配置成从车辆控制系统(例如,安装在车内的各个传感器)接收车辆的行驶里程信息,并且当车辆行驶里程信息等于或小于预设的常量行驶里程时,继电器控制器120可以配置成确定出当前状况为在生产线的情况,并且立即关断继电器20,或者在从重新连接开关30接通的时间点起经过预定时间周期之后关断继电器20(S14)。
当通过继电器控制器120接收到的车辆行驶里程信息大于或等于预设的常量行驶里程时,继电器控制器120可以配置成确定当前车辆是已下线车辆(field vehicle),确定重新连接开关30的输入正常进行(例如,没有错误),以在继电器20由于过度放电而关断的情况下接通继电器20(S15),并且操作继电器20接通(S16)。
控制方案可以在车辆在生产线的情况下执行,并且可以在车辆完成制造之后不执行。根据本发明的示例性实施方案,当重新连接开关30接通时,控制器100可以配置成基于车辆的行驶里程来确定在生产线的情况,并且在被唤醒的同时操作继电器20,从而防止重新连接开关30由于使用者的错误而接通,由于车辆负载的消耗而使电池过度放电。此外,电池电压可以通过重新连接开关而直接地施加至继电器的线圈以接通继电器,并且因此,当在常规操作期间由于使用者的错误而接通重新连接开关时,由于持续地消耗电池电流,所以会发生电池的过度放电。
图3是示出根据本发明的示例性实施方案的车辆的电池管理系统的用于利用在继电器20的后侧端部的电压的感测结果来操作继电器20的图。当重新连接开关30接通时(S21),电池10的电压可以施加至重新连接开关30的第二端部,并且施加至重新连接开关30的第二端部的电压可以施加至控制器100的唤醒输入器130。因此,唤醒输入器130可以配置成唤醒控制器100,而继电器控制器120可以配置成启动操作(S22)。
此外,继电器控制器120可以配置成接收通过设置在继电器20的后侧端部的电压传感器40感测的电压(S23),并且当通过电压传感器40感测的电压在预设正常电压范围内时(S24),继电器20可以接通。因此,电池10可以进入充电状态,或者可以在车辆尝试接通的正常模式中操作(S26)。
当通过电压传感器40感测的电压超过预设正常电压范围时(S24),并且特别地,当过电压感测(其中,感测到的电压大于预设正常电压范围)发生时(S27),即便在重新连接开关30接通时,继电器控制器120可以配置成防止继电器20被接通(S28),并且输出警告:由于过电压,电池不会充电(S29)。当外部电源(例如,充电器)连接至继电器20的后侧端部以对电池10充电时,图3所示的控制方案可以执行,并且该控制方案可以是用于当重新连接开关30接通以接通继电器20用于电池充电时,根据外部电源的电压的幅度来确定继电器20是否接通。
一般而言,电池电压可以通过重新连接开关而直接地施加至继电器的线圈以接通继电器,并且因此,当外部电源的电压是过电压时,过电压会不经改变而施加至电池,而电池会由于过度充电和过电压而损坏。根据本发明的示例性实施方案,当重新连接开关30接通时,控制器100可以接通,可以检测外部电源所施加至的继电器的后侧端部的电压,并且随后,继电器20可以接通,从而克服在电池10的充电期间施加过电压或过度充电的问题。
图4是示出根据本发明的示例性实施方案的车辆的电池管理系统的用于确定在车辆停车时继电器20的熔接(fusion)是否发生的图。当车辆停车时(S31),控制器100的继电器控制器120可以配置成输出用于关断继电器20的控制信号(S31),并且接收通过电压传感器40感测到的感测电压(S33)。随后,继电器控制器120可以配置成再次输出用于接通继电器20的控制信号(S34),并且接收通过电压传感器40所感测到的感测电压(S35)。
另外,继电器控制器120可以配置成输出用于关断继电器20的控制信号,输出所接收到的感测电压和用于接通继电器20的控制信号,并随后比较接收到的感测电压(S36)。当两个值大致相同时,继电器20可能不能基于控制信号而正常地执行接通/关断操作,并且因此,继电器控制器120可以配置成确定继电器熔接的发生,在所述继电器熔接中,电池10的电压持续地施加至继电器20的后侧端部(S37)。当两个值相差达到电池10的电压这么多时,继电器控制器120可以配置成确定继电器20是正常地(例如,没有错误地操作)(S39)。
响应于确定出继电器20的熔接发生,RTC 140可以配置成进一步增加用于产生被提供至唤醒输入器130的唤醒信号的周期,以减少唤醒次数,或者可以不产生用于产生唤醒信号的周期(或设定无限的周期),以防止周期性唤醒。换句话说,当继电器20的熔接发生时,继电器20需要在操作前进行修复,因而防止从电池10直接地接收备用电力的控制器100被频繁地唤醒,从而最小化电池10的电流消耗。
如上所述,根据本发明的各个示例性实施方案的电池管理系统可以配置成从控制器接收有关重新连接开关(其接收用于继电器重新连接的输入)是否接通的信息,并且控制器可以配置成确定电池周围的各种电气环境,并且以接通/关断状态来操作继电器,从而防止电池过度放电或过度充电,并防止过电压的施加。
特别地,根据本发明的各个示例性实施方案的电池管理系统可以配置成设定并不同地改变各个唤醒条件,而不将电池电压作为备用电力直接地提供至控制器从而在车辆停车时也通过控制器执行继电器的接通/关断控制,由此最小化在车辆停车时控制器的电池电流消耗。
前述车辆的电池管理系统可以配置成从控制器接收有关接收用于继电器重新连接的输入的重新连接开关是否接通的信息,并且控制器可以配置成确定电池周围的各种电气环境,并且以接通/关断的状态来操作继电器,从而防止电池被过度放电或过度充电,并且防止过电压的施加。特别地,车辆的电池管理系统可以设定并不同地改变各个唤醒条件,而不将电池电压作为备用电力直接地提供至控制器从而在车辆停车时也通过控制器执行继电器的接通/关断调节,由此最小化在车辆停车时控制器的电池电流消耗。
尽管以上已参照附图对本发明的示例性实施方案进行了描述,但是本领域技术人员应当理解的是,在不改变其技术理念或特征的情况下,本发明可以采用各种其它实施方案来实现。