АККУМУЛЯТОРНАЯ СИСТЕМА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2016 года по МПК H02J7/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в общем, относится к системам управления аккумуляторными батареями.

Уровень техники

На фиг.1 показан пример традиционной аккумуляторной системы 100 (включающей в себя функции управления и контроля), такой как для гибридных транспортных средств с подзарядкой от электросети (PHEV) или гибридных транспортных средств (HEV). Элементы аккумуляторной батареи соединены параллельно для получения аккумуляторной батареи. Например, каждый элемент имеет напряжение 3,3В в случае литий-железо-фосфорных аккумуляторных элементов. Шестнадцать (16) аккумуляторных батарей, соединенных последовательно, составляют аккумуляторный модуль, такой как аккумуляторные модули 102 (например, в примере на фиг.1 предполагается, что каждый из них имеет величину 52,8 вольт В). Шесть (6) аккумуляторных модулей 102, соединенных последовательно (с двигателем 110), составляют, в этом примере, часть аккумуляторной системы 100, которая имеет общее напряжение 316,8В (например, 52,8×6). Обычно контроль и управление каждой аккумуляторной батарей каждого аккумуляторного модуля 102 осуществляется непосредственно электронным блоком (ECU) 104 управления транспортного средства. ECU 104 соединен через интерфейс 106 шины локальной сети контроллеров (CAN) с контрольно-измерительным устройством и контроллером 108, связанным с каждым аккумуляторным модулем 102. В этом примере огромное количество данных передается для контроля (например, напряжения на каждой аккумуляторной батарее) и, по мере необходимости, управления (например, балансировкой элементов аккумуляторной батареи, такой, например, которая выполняется известными устройствами балансировки элементов, которые поддерживают баланс емкости аккумуляторных батарей). Полученная в результате аккумуляторная система 100 может быть экономически неэффективной (например, из-за затруднений при контроле) и/или уязвимой к условиям окружающей среды (например, электромагнитным помехам (EMI)), что может сделать электрическое транспортное средство (EV), HEV или PHEV ненадежным.

Более усовершенствованная аккумуляторная система 200 показана на фиг.2, где управление и контроль аккумуляторной системы 200 разделены на главный 202 и подчиненные уровни 204. Интерфейс между ECU 104 и главным уровнем 202 содержит интерфейс 106 шины CAN, тогда как интерфейс между главным 202 и подчиненными уровнями 204 содержит интерфейс 206 RS 485, в качестве одного примера среди прочих. В этой примерной системе, большая часть функций контроля относится к управлению на подчиненном уровне. Однако передача данных все равно неизбежна через RS 485 206 и/или CAN 106 между главным уровнем/подчиненным уровнем и главным уровнем/ECU транспортного средства, что может создавать проблемы, связанные с надежностью, особенно после продолжительного срока службы.

Раскрытие изобретения

В одном варианте осуществления система управления аккумулятором содержит первую цепь, содержащую первое множество элементов цепи, соединенных последовательно, причем первое множество элементов цепи содержит: источник напряжения постоянного тока (DC) и первые многочисленные переключающие устройства, причем каждое из первых многочисленных переключающих устройств соединено с, и переключается в рабочем состоянии с помощью, первым устройством обнаружения, связанным с аккумуляторным модулем для того, чтобы вызвать изменение напряжения в ответ на обнаружение события, соответствующего режиму аккумуляторного модуля.

Краткое описание чертежей

Многочисленные аспекты систем и способов раскрытия будут более поняты из подробного описания изобретения со ссылкой на следующие чертежи. Компоненты на чертежах не обязательно выполнены в масштабе, а вместо этого сделан акцент на иллюстрацию принципов изобретения. Более того, на чертежах одинаковые ссылочные позиции обозначают соответствующие элементы на всех различных видах.

Фиг.1 - блок-схема примерной традиционной аккумуляторной системы, которая включает в себя управление и контроль рабочих параметров гибридных транспортных средств с подзарядкой от электросети (PHEV) или гибридных транспортных средств (HEV).

Фиг.2 - блок-схема более усовершенствованной примерной традиционной аккумуляторной системы, разработанной для электрических транспортных средств (EV), HEV или PHEV.

Фиг.3А-3С - блок-схемы некоторых вариантов системы управления аккумулятором (УА), которая содержит функциональные возможности для обнаружения аварийного сигнала при чрезмерном заряде/чрезмерном разряде (OC/OD).

Фиг.4 - блок-схема другого варианта осуществления УА-системы, которая содержит функциональные возможности как для аварийного обнаружения аварийного сигнала OC/OD, так и для контроля температуры, причем в последнем случае согласно второму контуру используется тот же самый источник питания, который используется для обнаружения аварийного сигнала OC/OD.

Фиг.5А - блок-схема другого варианта осуществления УА-системы, которая включает в себя функциональные возможности как для аварийного обнаружения аварийного сигнала OC/OD, так и для контроля температуры с использованием того же самого переключающего устройства при условии, что электрические контуры являются различными и изолированными.

Фиг.5В - блок-схема, которая обеспечивает более детальный вид части УА-системы, показанной на фиг.5А.

Фиг.6 - блок-схема другого варианта осуществления УА-системы, в которой переключающие устройства размещены в обратном направлении по сравнению с некоторыми другими раскрытыми вариантами осуществления.

Фиг.7А и 7В - блок-схемы другого варианта УА-системы с кабелями, соединенными между каждым из переключающих устройств и блоком управления, что позволяет блоку управления обнаружить, какое переключающее устройство разомкнуто, путем контроля разности напряжений между всеми переключающими устройствами.

Фиг.8 - блок-схема другого варианта осуществления УА-системы, где блок управления выполнен в виде вспомогательной печатной платы (РСВ), которая работает так же, как и ECU, описанный в других вариантах осуществления, что позволяет УА-системе представлять собой локальную сеть контроллеров (CAN), готовую к работе.

Фиг.9 - блок-схема варианта примерного способа УА.

Осуществление изобретения

Далее приводится описание некоторых вариантов осуществления системы управления аккумулятором (УА) и способа (которые вместе или по отдельности в дальнейшем также называются как УА-система), где передача данных посредством протоколов связи, таких как RS 485, или локальной сети контроллеров (CAN), заменена на аналоговое средство, такое как обнаружение напряжения. Один или более вариантов осуществления УА-системы, раскрытых в данном документе, обладает высокой устойчивостью к шуму, поскольку все обнаружение сигналов локализовано в основной цепи передачи высокой мощности (например, в замкнутом контуре) с помощью одного или более переключающих устройств (например, реле с самоблокировкой и т.д.). Следовательно, один или более вариантов осуществления УА-системы образуют аккумуляторную систему высокого напряжения, которая может характеризоваться простотой (например, быть легкой для технического обслуживания, и может быть доступной как архитектура ′′включай и работай′′ в связи с отсутствием сложных коммуникаций), надежностью (например, долговечностью при эксплуатации) и/или доступностью (например, экономической эффективностью).

Хотя некоторые варианты осуществления УА-систем описаны здесь в связи с использованием литий-ионных аккумуляторов (например, литий-железо-фосфорных аккумуляторов), специалистам в данной области техники должно быть понятно, что применимость УА-систем, раскрытая здесь, не ограничивается каким-либо конкретным типом аккумуляторной системы, и, следовательно, предполагается, что другие типы аккумуляторных систем находятся в пределах объема настоящего изобретения.

Обращаясь к фиг.3А, показан один вариант осуществления примерной УА-системы 300. УА-система 300 содержит первую цепь 302 с элементами цепи, которые размещены последовательным образом, причем элементы цепи содержат контроллер, такой как электрический блок (ECU) 304 управления транспортным средством, отдельный источник 306 напряжения постоянного тока (DC) (например, источник 12В, который также называется здесь источником питания или аккумулятором 12В, хотя следует понимать, что можно использовать и другие значения напряжений), и многочисленные переключающие устройства, такие как переключающие устройства 308 (которые обозначены здесь по отдельности или вместе ссылочной позицией 308). ECU 304 может содержать резистор или резистивное устройство для обнаружения разности напряжений (например, падение напряжения или повышение напряжения). В одном варианте осуществления каждое переключающее устройство 308 может быть реализовано в виде реле с самоблокировкой, которое можно приводить в действие с помощью импульса тока, который вызывает размыкание или замыкание связанного с ним контакта. Например, когда проходит ток положительной полярности, реле размыкается (или в некоторых вариантах осуществления замыкается), а когда проходит ток отрицательной полярности, реле замыкается (или в некоторых вариантах размыкается). Разомкнутое или замкнутое положение сохраняется, если направление тока остается неизменным или ток отсутствует.

С каждым из переключающих устройств 308 связан аккумуляторный модуль, такой как аккумуляторные модули 310. Аккумуляторные модули 310 могут иметь аналогичную конфигурацию, например, которая описана в связи с фиг.1 и 2, и в примере, изображенном на фиг.3А, могут иметь напряжение 52,8В, хотя предполагаются и другие значения напряжений. Каждый из аккумуляторных модулей 310, изображенных на фиг.3А, имеет одинаковую или аналогичную конфигурацию и соединен последовательно друг с другом и с двигателем 314 в последовательном контуре 316.

Каждый аккумуляторный модуль 310 обеспечивает питание (например, исключительно) одного или более устройств обнаружения, таких как устройства 312 обнаружения. Каждое устройство 312 обнаружения соединено с соответствующим переключающим устройством 308. В одном варианте осуществления устройство 312 обнаружения может представлять собой устройство обнаружения чрезмерного заряда/чрезмерного разряда (OC/OD), которое, как следует из названия, обеспечивает обнаружение аварийного сигнала при чрезмерном заряде/ чрезмерном разряде. В некоторых вариантах осуществления устройство 312 OC/OD можно заменить на другие типы или типы устройств обнаружения. Каждое устройство 312 обнаружения OC/OD используется для контроля напряжения каждой аккумуляторной батареи, подсоединенной (например, последовательно) в пределах каждого аккумуляторного модуля 310. Например, в одном варианте осуществления четыре (4) или 8 (восемь) каналов могут быть доступны функции контроля, хотя в некоторых вариантах осуществления могут быть предусмотрено другое количество. В случае восьми (8) каналов, для восьми (8) каналов используется в общей сложности девять (9) кабелей (например, хотя в некоторых вариантах осуществления можно использовать беспроводную конфигурацию) для обнаружения напряжений восьми (8) элементов или восьми (8) аккумуляторных батарей, соединенных последовательно. Если любой из каналов превышает (или падает ниже) заданный порог (например, порог чрезмерного заряда или чрезмерного разряда), напряжение подается с помощью устройства 312 обнаружения OC/OD на переключающее устройство 308 для возбуждения переключающего устройства и инициирования размыкания или замыкания переключающего устройства. В некоторых случаях может использоваться ток сброса для сброса платы чрезмерного заряда/чрезмерного разряда (например, устройства 312 обнаружения OC/OD), если переключающее устройство 308 было ранее разомкнуто. В других случаях, если доступна известная функция автоматического возобновления, то действие сброса (подачи тока сброса) не должно быть обязательным.

Управление каждым из переключающих устройств 308 в цепи 302 (например, в контуре) осуществляется с помощью связанного с ними ′′паразитного′′ устройства обнаружения, такого как устройство 312 обнаружения OC/OD, и каждый аккумуляторный модуль 310 можно реализовать в некоторых вариантах осуществления с одним или более паразитными устройствами. Термин ′′паразитный′′ относится в данном случае к отсутствию управления блоком ECU (т.е. не требуется управление блоком ECU), и в одном варианте осуществления такие паразитные устройства питаются только с помощью аккумуляторов в аккумуляторном модуле 310. Паразитные устройства могут вырабатывать аварийные сигналы для ECU 304. Как будет более подробно объяснено ниже, примеры паразитных устройств включают в себя, без ограничения, устройства 312 обнаружения OC/OD, устройства баланса элементов и устройства контроля температуры. Поскольку переключающее устройство 308 ведет себя как электрический изолятор, замкнутый контур 302 12В изолирован от аккумуляторных модулей 310, соединенных последовательно, и, таким образом, становится возможным отсутствие шумовой помехи через каждый из аккумуляторных модулей 310. В примере, изображенном на фиг.3А, ECU 304 обнаруживает падение напряжения цепи 302. Другими словами, если любое из устройств 312 обнаружения OC/OD обнаруживает чрезмерный заряд или чрезмерный разряд одной из аккумуляторных батарей в пределах одного или более модулей 310, подключение переключающего устройства 308 инициируется на размыкание детектирующим устройством 312 обнаружения OC/OD. ECU 304 обнаруживает, соответственно, падение напряжения, в этом примере от 12В до 0В, источника 306 напряжения, если инициировано размыкание любого из переключающих устройств 308.

На фиг.3В представлен более подробный вид, по меньшей мере, части УА-системы 300, показанной на фиг.3А, и одинаковыми ссылочными позициями обозначены одинаковые или аналогичные элементы на фиг.3А и, следовательно, повторное описание будет опущено здесь за исключением случаев отмеченных ниже. В частности, устройство 312 OC/OD обнаружения можно осуществить в виде логической платы, которая подключена параллельно выводам (показанным значками ′′+′′ и ′′-′′) в переключающем устройстве 308 на фиг.3В (аккумуляторный модуль 310 опущен ради ясности). Кроме того, переключающее устройство 308 может содержать реле с самоблокировкой с двумя выводами, как показано, при этом каждое переключающее устройство 308, соединено с другим через эти выводы. Следует отметить, что в некоторых вариантах осуществления можно использовать другие конфигурации для переключающего устройства 308.

На фиг.3С изображен другой вариант осуществления УА-системы, который является разновидностью варианта осуществления, показанного на фиг.3В. В случае УА-системы 300А, показанной на фиг.3С, источник 306 питания, переключающие устройства 308 и резистор 318 соединены последовательно в цепи 302. Питание на ECU 304 подается отдельно от аккумулятора 306 12В согласно цепи 320. Соединения 322 и 324 между переключающими устройствами 308 и ECU 304 (например, между ECU 304 и первым переключающим устройством 308, показанным крайним слева фиг.3С, и между ECU 304 и последним переключающим устройством 308, показанным крайним справа на фиг.3С), таким образом, используются только для обнаружения напряжения. В этом случае, когда все переключающие устройства 308 замкнуты, ECU 304 не должен обнаруживать разность напряжений (все будут находиться под напряжением 12В). Только когда одно из переключающих устройств 308 разомкнуто, ECU 304 обнаруживает разность напряжений 12В. Разность напряжений, обнаруженная ECU 304, отличается в этом случае от более ранних случаев, описанных на фиг.3 и 3В (падение напряжения от 12В до 0В).

Обратимся теперь к фиг.4, на котором показан другой вариант осуществления УА-системы 400. Аналогично варианту осуществления, описанному на фиг.3А-3В, УА-система 400 содержит цепь 302 (например, контур), содержащую множество элементов цепи, размещенных последовательно, включая ECU 304, источник 306 напряжения и многочисленные переключающие устройства 308. Каждое переключающее устройство 308 соединено с устройством 312 обнаружения OC/OD и функционально переключается с его помощью. Устройство 312 запитано (например, исключительно в некоторых вариантах осуществления) с помощью связанного с ним аккумуляторного модуля 310. Работа этих компонентов описана в связи с фиг.3А-3В, и, следовательно, повторное обсуждение будет опущено здесь за исключением случаев, отмеченных ниже. УА-система 400 дополнительно содержит вторую цепь 402 (например, контур), содержащую множество элементов цепи, также размещенных последовательно, включающее ECU 304, источник 306 напряжения и многочисленные переключающие устройства 408 с той же самой или аналогичной конфигурацией, как переключающие устройства 308. Каждое переключающее устройство 408 соединено с устройством 410 и функционально переключается с помощью устройства 410 обнаружения, причем устройство 410 обнаружения запитано (например, исключительно) с помощью связанного с ним аккумуляторного модуля 310. В варианте осуществления, изображенном на фиг.4, устройство 410 обнаружения выполнено в виде устройства контроля температуры. В некоторых вариантах осуществления можно использовать другой тип устройства обнаружения вместо устройств 312 и 410 обнаружения, и/или можно использовать дополнительные устройства обнаружения (например, в некоторых вариантах осуществления соответствующим увеличением цепей, сконфигурированных аналогично цепи 402). Устройство 410 контроля температуры работает подобным или аналогичным образом, как и устройство 312 обнаружения OC/OD, за исключением того, что устройство контроля температуры измеряет температуру аккумуляторного модуля 310.

Используя способ, аналогичный тому, который использовался для контроля OC/OD, устройство 410 контроля температуры можно реализовать в виде отдельной цепи (например, цепи 402 по сравнению с цепью 302), используя при этом тот же самый источник 306 напряжения. Если любое из переключающих устройств 408 цепи 402 запускается с помощью устройства 410 контроля температуры, ECU 304 обнаруживает изменение напряжения, соответствующее напряжению на источнике 306 (например, в этом примере 12В). Используя цепи 302 и 402 и соответствующие элементы цепи, ECU 304 позволяет идентифицировать событие (например, чрезмерный заряд или чрезмерный разряд, чрезмерную температуру), которое обнаруживается с помощью устройств 312 обнаружения OC/OD или устройств 410 контроля температуры. Следует отметить, что хотя две цепи (например, контуры), иллюстрированные на фиг.4, следует понимать, что дополнительные цепи (например, аналогичные цепи 402) можно добавить для обнаружения дополнительных событий (например, дисбаланс и т.д.), соответствующих работе аккумуляторного модуля или других (например, условий окружающей среды) условий. Например, в некоторых вариантах осуществления, можно использовать устройства баланса элементов (например, вместо контроля температуры или в дополнение к контролю температуры), причем устройства баланса элементов используются в аккумуляторных батареях для поддержания баланса по емкости.

Следует отметить, что в некоторых вариантах осуществления ECU 304 (или другой контроллер, такой как плата контроллера, которая описано ниже) можно сконфигурировать для выполнения одной или более следующих функций: прием аварийного сигнала при чрезмерном заряде/чрезмерном разряде аккумуляторных батарей; прием аварийного сигнала при чрезмерной температуре аккумуляторных модулей; обеспечение управления переключающими устройствами, реализованными в цепи, которая передает высокую мощность (при этом число необходимых переключающих устройств зависит, например, от требований обеспечения безопасности и может быть равно одному или более, например, одно переключающее устройство для каждого аккумуляторного модуля 310); и, при необходимости, управление вентиляторами, реализованными для каждого из аккумуляторных модулей 310.

Кроме того, в одном варианте осуществления, выходные сигналы, вырабатываемые аккумуляторными модулями 310, могут включать одно или более из следующего: аварийный сигнал при чрезмерном заряде или чрезмерном разряде; аварийный сигнал при чрезмерной температуре.

Обратимся теперь к фиг.5А-5В, на которых показан вариант осуществления УА-системы 500 с конфигурацией, аналогичной УА-системе 300, показанной на фиг.3А. УА-система 500 содержит цепь 302, содержащую множество элементов цепи, размещенных последовательно, включающих в себя ECU 304, источник 306 напряжения и многочисленные переключающие устройства 508, выполненные в одном варианте осуществления в виде реле с самоблокировкой. Каждое переключающее устройство 508 соединено как с устройством 312 обнаружения OC/OD, так и устройством 410 контроля температуры, причем устройства 312 и 410 запитаны с помощью связанного с ними аккумуляторного модуля 310. Другими словами, устройство 312 обнаружения OC/OD и устройство 410 контроля температуры соединены с (и приводятся в действие) тем же самым переключающим устройством 508 (например, при условии, что электрические контуры являются различными и изолированными - другими словами, устройство 410 контроля температуры и устройство 312 обнаружения OK/OD подсоединяются к переключающему устройству 508 по отдельности). В некоторых вариантах осуществления, таких как вариант осуществления 500А, изображенный частично на фиг.5В (с пониманием того, что другие компоненты, аналогичные тем, которые показаны на фиг.5А), переключающее устройство 508 можно заменить на два переключающих устройства 510A, 510В (например, реле с самоблокировкой). Таким образом, переключающее устройство 510А подсоединено к устройству 312 обнаружения OC/OD и переключающее устройство 510В подсоединено к устройству (TD) 410 контроля температуры, причем выводы переключения переключающих устройств 510A, 510В (на фиг.5А не показаны) соединены последовательно, как показано на фиг.5В. В одной примерной работе, если любое из переключающих устройств 508, как показано на фиг.5А (или устройства 510A, 510В, которые иллюстрированы на фиг.5В), размыкается с помощью устройства 312 обнаружения OC/OD или устройства 410 контроля температуры, ECU 304 обнаруживает падение напряжения на 12В. Таким образом, ECU 304 ′′знает′′, что события (например, проблемы) обнаруживаются с помощью аккумуляторной системы 500, хотя точная причина может оставаться неизвестной.

Теперь внимание направлено на фиг.6, на котором иллюстрирован вариант осуществления УА-системы 600, где переключающие устройства одной цепи соединены в обычном порядке (например, таким образом, который описан ранее) и переключающие устройства другой цепи соединены в обратном порядке. В частности, УА-система 600 содержит последовательную цепь 302, содержащую множество элементов цепи, как описано выше, включающих в себя ECU 304, источник 306 напряжения и многочисленные переключающие устройства 308. Каждое переключающее устройство 308 подсоединено к устройству 312 обнаружения OC/OD, которое запитывается с помощью связанного с ним аккумуляторного модуля 310. УА-система 600 содержит другую последовательную цепь 602, имеющую нормально разомкнутую конфигурацию цепи, причем цепь 602 содержит ECU 304, источник 306 напряжения и многочисленные переключающие устройства 604 (например, реле с самоблокировкой), при этом каждое переключающее устройство 604 подсоединено к устройству 312 обнаружения OC/OD. Таким образом, в отличие от предыдущих вариантов, порядок работы переключающего устройства 604 меняется на противоположный за счет размещения переключающих устройств 604 в обратном направлении (которые должны запускаться с помощью ECU 304). Когда цепь 602 замкнута с помощью ECU 304 (или в некоторых вариантах осуществления замыкается вручную), все переключающие устройства 604 становятся замкнутыми на рабочих концах. Такую работу, как иллюстрировано на фиг.6, можно использовать, например, для сброса устройств 312 обнаружения OC/OD (или устройств 410 контроля температуры в случае, когда они используются так, как в конфигурации, показанной на фиг.4, 5А или 5В), когда (только) одно из переключающих устройств 308 было ранее разомкнуто с помощью устройства 312 обнаружения OC/OD или устройства 410 контроля температуры.

На фиг.7А иллюстрирован другой вариант осуществления УА-системы 700 с элементами цепи, аналогичными тем, которые были ранее описаны в связи с и показаны на фиг.3С, как обозначено одинаковыми ссылочными позициями, и, следовательно, ради краткости изложения их повторное обсуждение будет опущено. Другими словами, блок 304 управления используется при обнаружении разности напряжений, вырабатываемой в ответ на размыкание переключающего устройства 308. Кроме того, блок 304 управления запитан по отдельной цепи (например, цепи 320, а не по цепи 302). Таким образом, тогда как на фиг.3А блок 304 управления запитан и осуществляет контроль с помощью той же самой цепи 302, на фиг.3С (и это применимо в данном случае к фиг.7А) блок управления 304 запитывается с помощью одной цепи 320 и используется при измерении другой цепи 302. Кроме того, там, где на фиг.3С иллюстрирован вариант осуществления, где изменение напряжения (например, падение напряжения) обнаруживается путем обнаружения изменения напряжения от напряжения, соответствующего источнику 306 напряжения, до (приблизительно) нуля, соответствующего обнаружению разности напряжений между первым и последним переключающими устройствами, на фиг.7А изображено дальнейшее развитие этой идентификации переключающего устройства 308, как будет объяснено ниже.

УА-система 700 содержит кабели 702 (например, 702A-702G), подсоединенные между каждым из переключающих устройств 308 и ECU 304. В такой конфигурации ECU 304 получает возможность обнаружить то, какое переключающее устройство 308 является разомкнутым путем контроля разности напряжений между каждым переключением устройством. В примере, изображенном на фиг.7, 6 (шесть), переключающих устройств 308 используют семь (7) кабелей, в общем, для дифференциации того, какой аккумуляторный модуль 310 является чрезмерно заряженным или чрезмерно разряженным. ECU 304 является частью цепи 320, которая отделена от цепи 302. На фиг.7В изображен более детальный вид варианта осуществления, показанного на фиг.7А (с пропущенным описанием аккумуляторного модуля 310 ради краткости изложения), причем последовательные соединения между выводами соседних переключающих устройств 308 иллюстрированы наряду с соединениями с ECU 304 через кабели 702. Следует отметить, что в некоторых вариантах осуществления конфигурацию отдельных кабелей 702, как показано на фиг.7А, можно использовать в связи с УА-системами, имеющими архитектуру, как показано на фиг.3А и 3В.

На фиг.8 иллюстрирован другой вариант 800 осуществления УА-системы с размещением цепи, аналогичным тому, который показан на фиг.3А, включая последовательное размещение цепи 302 элементов цепи, которые включают в себя источник 306 напряжения и переключающее устройство 308, причем каждое переключающее устройство 308 соединено устройством 312 обнаружения OC/OD, которое связано с аккумуляторным модулем 310. Кроме того, цепь 302 содержит плату 802 контроллера, которая соединена по интерфейсу 804 шины CAN с ECU 304. Другими словами, ECU 304 можно заменить на вспомогательную печатную плату (РСВ), которая работает подобным (или аналогичным) образом, как и ECU 304, описанный выше. Одно преимущество этого размещения состоит в том, что аккумуляторная система 800 может представлять собой интерфейс CAN, готовый к работе, и, следовательно, готовый к подсоединению к любым существующим ECU.

Следует отметить, что в некоторых вариантах осуществления, источник 306 напряжения 12В, который используется в качестве примера на всем протяжении раскрытия, можно заменить на аккумуляторы, которые имеют другое напряжение, чем 12В, если ток, протекающий через цепь (например, 302), которая соединяет переключающие устройства (например, 308), является постоянным. В некоторых вариантах осуществления источник 306 напряжения 12В можно подсоединить к преобразователю, который преобразует высокое напряжение (например, 316,8В) с понижением до 12В, при условии, что это не влияет на нормальную работу ECU 304 (например, в любой значительной степени).

В некоторых вариантах осуществления светоизлучающий диод (СИД) может быть включен последовательно с резистором и соединен параллельно каждому из выводов светоизлучающих устройств (например, поз.308, два вывода, иллюстрированные наиболее ясно на фиг.3В, или фиг.3С, или фиг.7В). Когда любое из светоизлучающих разомкнуто, СИД начинает излучать свет (например, включается) из-за разности напряжений, которая возникает между выводами переключающего устройства. СИД можно использовать в качестве индикации того, какой аккумуляторный модуль 310 вырабатывает события (например, проблему). Если еще один СИД выполнен параллельно переключающему устройству для устройства 410 контроля температуры (например, см. фиг.4, фиг.5А, фиг.5В), то обеспечивается идентификация того, какой модуль 310 имеет проблему (например, либо чрезмерная температура, либо чрезмерный заряд/чрезмерный разряд). В некоторых вариантах осуществления СИД можно заменить на аудиоустройство (например, зуммер) или любые устройства, которые можно использовать при идентификации того, какая возникает проблема у какого модуля 310.

В некоторых вариантах осуществления УА-систем, описанных в данном документе, следует отметить, что ECU 304 не должен знать обо всех деталях работы каждой аккумуляторной батареи. Например, ECU 304 участвует в работе таким образом, чтобы реагировать на аварийные сигналы, вырабатываемые аккумуляторными модулями 310. С этой точки зрения, сложную передачу сигналов между аккумуляторными модулями можно заменить на простые механические сигналы, такие как напряжения, и, таким образом, они могут быть очень надежными в течение продолжительного срока службы, а также свободными от шумов, возникающих от инвертора, двигателя или преобразователя высокого напряжения в низкое напряжения, среди других источников шума. Другими словами, функции для ECU 304 и аккумуляторных модулей 310, описанных выше, являются важными для аккумуляторной системы высокого напряжения. Однако в некоторых вариантах осуществления можно также использовать более сложные функции. Аналогичным образом, в вариантах осуществления УА-системы, можно опустить некоторые функции, описанные выше, и/или в некоторых вариантах осуществления, можно сочетать и подбирать особенности, показанные и описанные в связи с вышеописанными фигурами.

Описав различные варианты УА-систем, некоторые примерные реализации описаны ниже для иллюстрации полезности некоторых УА-систем. В примере, в котором используется УА-система в электрическом транспортном средстве (EV), предполагается следующее: (а) три (3) элемента емкостью 18 Ачас соединены параллельно для образования аккумуляторной батареи емкостью 54 Ачас; (b) шестнадцать (16) батарей соединены последовательно для образования аккумуляторного модуля (например, модуля 310); (с) шесть (6) аккумуляторных модулей соединены последовательно для образования аккумуляторной системы (аналогично размещению, иллюстрированному, например, на фиг.4); (d) для каждого из аккумуляторных модулей, два 8-канальных устройства (например, платы) обнаружения OC/OD, четыре 4-канальные балансировочные платы и одно 8-канальное устройство (например, плата) контроля температуры установлены (как упомянуто выше, все эти устройства обнаружения считаются паразитными); (е) все переключающие устройства, подсоединенные к платам обнаружения OC/OD, соединены последовательно, образуя первую цепь или контур (например, со всеми двенадцатью (12) переключающими устройствами); и (f) все переключающие устройства, подсоединенные к платам контроля температуры, соединены друг с другом последовательно, образуя второй контур (все шесть (6) переключающих устройств). В этом примере можно использовать УА-систему, аналогичную УА-системе 400 (фиг.4).

Теперь, обращаясь к примерной работе, во время возбуждения, когда любая из аккумуляторных батарей одного или более модулей (например, 310) имеет низкий уровень напряжения, сигнал чрезмерного разряда вырабатывается с помощью связанной с ним платой обнаружения OC/OD. В результате, переключающее устройство, подсоединенное к плате обнаружения OC/OD, размыкается и, соответственно, ECU обнаруживает изменение напряжения от 12В до 0В, и ECU начинает ограничивать ток в двигатель до тех пор, пока транспортное средство не будет припарковано безопасным образом.

Во время заряда, когда любая из аккумуляторных батарей имеет высокий уровень напряжения, сигнал чрезмерного заряда вырабатывается с помощью платы обнаружения OC/OD. В результате, переключающее устройство, подсоединенное к плате обнаружения OC/OD, размыкается, и, соответственно, ECU обнаруживает изменение напряжения от 12В до 0В, и ECU начинает ограничивать ток заряда до тех пор, пока плата обнаружения OC/OD не возобновит свою работу, и переключающее устройство, подсоединенное к плате обнаружения OC/OD, не перейдет снова в замкнутое состояние. Те же самые действия повторяются до тех пор, пока не достигнет предварительно установленное напряжение заряда (например, 340В). Например, зарядное устройство может возобновить свою работу при более низком напряжении (например, 318В) до тех пор, пока зарядное устройство не будет удалено из транспортного средства.

В другом примере, таком как для УА-системы, которая применяется в PHEV, предполагается следующее: (а) три (3) элемента емкостью 18 Ачас соединены параллельно для образования аккумуляторной батареи емкостью 54 Ачас; (b) шестнадцать (16) батарей соединены последовательно для образования аккумуляторного модуля; (с) шесть (6) аккумуляторных модулей соединены последовательно для образования аккумуляторной системы; (d) в каждом из аккумуляторных модулей установлены две 8-канальных платы обнаружения OC/OD, четыре 4-канальные балансировочные платы и одна 8-канальная плата контроля температуры (как упомянуто ранее, все эти устройства являются паразитными); (е) все переключающие устройства, подсоединенные к платам обнаружения OC/OD, соединены последовательно для образования первого контура (например, все двенадцатью (12) переключающих устройства); и (f) все переключающие устройства, подсоединенные к платам контроля температуры, соединены друг с другом последовательно, образуя второй контур (например, все шесть (6) реле (переключающих устройств)). В этом примере можно использовать УА-систему, аналогичную УА-системе 700 (фиг.7А-7В) для обнаружения событий (например, проблем), вырабатываемых аккумуляторным модулем.

В одной примерной работе во время езды, когда любая из аккумуляторных батарей имеет низкий уровень напряжения, сигнал чрезмерного разряда вырабатывается с помощью платы обнаружения OC/OD. В результате, переключающее устройство, подсоединенное к плате обнаружения OC/OD, размыкается и, соответственно, ECU обнаруживает изменение напряжения от 0В до 12В, и таким образом, запускается генераторная установка (например, дизельный электрический генератор) для подзарядки аккумуляторной системы. ECU можно дополнительно сконфигурировать таким образом, чтобы воспроизводить для отображения ′′требуется техническое обслуживание′′ на экране устройства отображения, как только возникает такая проблема, часто, когда в целом вся аккумуляторная система имеет все еще высокий уровень напряжения, но тот же самый модуль продолжает показывать проблемы чрезмерного разряда.

Во время заряда, когда любая из аккумуляторных батарей имеет высокий уровень напряжения, сигнал чрезмерного заряда вырабатывается с помощью платы обнаружения OC/OD. В результате размыкается переключающее устройство, подсоединенное к плате обнаружения OC/OD. В этот момент ECU обнаруживает изменение напряжения от 0В до 12В, и ECU начинает ограничивать ток заряда, поступающий от генераторной установки или зарядного устройства до тех пор, пока не возобновит свою работу плата обнаружения OC/OD, и снова не замкнется переключающее устройство, подсоединенное к плате обнаружения OC/OD.

Если транспортное средство находится в режиме ′′включено′′, это означает, что заряд поступает от генераторной установки, поэтому генераторная установка не запустится до тех пор, пока в следующий раз не будет выполнено условие, касающееся низкой емкости аккумулятора (которое можно контролировать посредством контроля за состоянием заряда (SOC) или путем определения напряжения на аккумуляторной системе). Если транспортное средство находится в режиме ′′выключено′′, та же самая операция заряда может повторяться до тех пор, пока не достигнет предварительно установленного напряжения заряда (например, 340В). Например, зарядное устройство возобновляет свою работу при более низком напряжении (например, 318 В) до тех пор, пока зарядное устройство не будет удалено из транспортного средства. ECU можно дополнительно выполнить с возможностью показа ′′требуется техническое обслуживание′′ сразу после того, как возникает такая проблема, часто, когда в целом вся аккумуляторная система имеет все еще низкий уровень напряжения, но тот же самый модуль продолжает показывать проблемы, связанные с чрезмерным зарядом. Следует отметить, что все функции можно выполнять с помощью ECU, что в некоторых вариантах осуществления может непосредственно не относится к самой аккумуляторной системе.

Примеры, описанные выше, полезны при демонстрации того, что некоторые варианты осуществления УА-системы могут работать хорошо для приложений, связанных с высоким напряжением, таких как в EV, PHEV или HEV. Следует понимать, что некоторые варианты осуществления УА-системы можно применять в любых приложениях, в которых требуются высокие напряжения, которые имеют несколько аккумуляторных модулей, соединенных последовательно и которые требуют управления ECU или PLC (или прочее) для приложений.

Принимая во внимание приведенные выше описания некоторых вариантов осуществления УА-систем, следует понимать, что один вариант осуществления способа, изображенный на фиг.9, и который называется как способ 900 ВМ, содержит этапы, на которых обнаруживают в первом устройстве обнаружения событие, соответствующее работе аккумуляторного модуля, причем аккумуляторный модуль выполнен с возможностью подачи питания в первое устройство (902) обнаружения, в ответ на обнаружение, размыкают первое переключающее устройство, причем первое переключающее устройство содержит элемент цепи, последовательно размещенный среди множества элементов цепи, размещенных последовательно, причем множество элементов цепи содержит источник (904) напряжения постоянного тока (DC), обнаруживают в блоке управления изменение напряжения, соответствующее разомкнутому первому переключающему устройству (906), и обеспечивают аварийный сигнал, реагирующий на обнаружение в блоке управления, причем аварийный сигнал соответствует событию (908).

Следует отметить, что альтернативные осуществления можно включить в объем раскрытия, в котором функции могут выполняться в порядке, который отличается от того, который показан или обсужден в связи с фиг.9, включая, по существу, параллельный или обратный порядок в зависимости от предусмотренных функциональных возможностей, как будет понятно специалистам в данной области техники.

Следует подчеркнуть, что вышеописанные варианты осуществления настоящего раскрытия являются только возможными примерами реализаций, изложенных только для ясного понимания принципов вариантов осуществления УА-системы и способа. Многочисленные изменения и модификации можно выполнить в вышеописанном варианте осуществления (в вышеописанных вариантах осуществления) без отклонения, по существу от сущности и принципов. Предполагается, что все такие модификации и изменения будут включены в данном документе в пределах объема этого раскрытия и защищены с помощью следующей формулы изобретения.

Изобретение относится к системам контроля и управления работой аккумуляторных батарей. Технический результат - повышение надежности и упрощение технического обслуживания. В одном варианте осуществления система управления аккумуляторной батареей содержит первую схему, содержащую первое множество элементов цепи, размещенных последовательно, причем первое множество элементов цепи содержит: источник напряжения постоянного тока (DC) и множество первых переключающих устройств, причем каждое из первых переключающих устройств соединяется с, и в рабочем состоянии переключается с помощью, первым устройством обнаружения, связанным с аккумуляторным модулем, для того чтобы вызвать изменение напряжения при обнаружении события, соответствующего режиму аккумуляторного модуля. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система управления аккумуляторной батареей, содержащая:
первую цепь, содержащую первое множество элементов цепи, размещенных последовательно, причем первое множество элементов цепи содержит:
блок управления,
источник напряжения постоянного тока (DC), и
множество первых переключающих устройств, причем каждое из первых переключающих устройств подключено к первому устройству обнаружения, связанному с аккумуляторным модулем, и выполнено с возможностью функционально переключаться посредством первого устройства обнаружения, так чтобы вызывать изменение напряжения от указанного источника напряжения постоянного тока в ответ на обнаружение события, соответствующего режиму аккумуляторного модуля,
причем первое устройство обнаружения выполнено с возможностью обнаружения первого события, соответствующего режиму связанного с ним аккумуляторного модуля, и в ответ на указанное обнаружение приводить в действие связанное с ним переключающее устройство из множества первых переключающих устройств, вызывая изменение напряжения от указанного источника напряжения постоянного тока, в результате чего блок управления быстро обнаруживает указанное изменение напряжения от источника напряжения.

2. Система по п. 1, в которой первые переключающие устройства электрически изолируют источник напряжения постоянного тока (DC) от аккумуляторных модулей.

3. Система по п. 1, в которой указанное множество элементов цепи содержит указанный блок управления и дополнительно содержит вторую цепь, причем вторая цепь содержит второе множество элементов цепи, размещенных последовательно, второе множество элементов цепи содержит указанный источник напряжения, указанный блок управления и множество вторых переключающих устройств, при этом каждое из вторых переключающих устройств подключено ко второму устройству обнаружения, связанному с аккумуляторным модулем, и выполнено с возможностью переключения посредством второго устройства обнаружения, так чтобы вызывать изменение напряжения от указанного источника напряжения постоянного тока в ответ на обнаружение второго события, соответствующего режиму аккумуляторного модуля.

4. Система по п. 3, в которой второе устройство обнаружения выполнено с возможностью обнаруживать второе событие, соответствующее режиму связанного с ним
аккумуляторного модуля, и в ответ на указанное обнаружение приводить в действие связанное с ним второе переключающее устройство из множества вторых переключающих устройств, посредством чего блок управления быстро обнаруживает указанное изменение напряжения от источника напряжения постоянного тока.

5. Система по п. 1, в которой каждое из множества первых переключающих устройств дополнительно выполнено с возможностью переключения с помощью второго устройства обнаружения, с тем чтобы вызвать изменение напряжения от указанного источника напряжения постоянного тока в ответ на обнаружение другого события.

6. Система по п. 1, в которой первое множество элементов цепи содержит множество вторых переключающих устройств, причем каждое из вторых переключающих устройств подключено ко второму устройству обнаружения, связанному с указанным аккумуляторным модулем, и выполнено с возможностью переключения посредством второго устройства обнаружения, с тем чтобы вызвать изменение напряжения от указанного источника напряжения постоянного тока в ответ на обнаружение другого события.

7. Система по п. 1, в которой блок управления соединен с каждым из множества первых переключающих устройств, обеспечивая возможность идентификации с помощью блока управления одного из множества первых переключающих устройств, которое функционально переключается с помощью соответствующего первого устройства обнаружения.

8. Система по п. 1, в которой блок управления содержит электронный блок управления (ECU) транспортным средством.

11. Система по п. 1, в которой блок управления содержит плату контроллера, соединенную с электронным блоком управления (ECU) транспортным средством, при этом первая цепь представляет собой локальную сеть контроллеров (CAN).

10. Система по п. 1, в которой первая цепь дополнительно содержит преобразователь, соединенный с источником напряжения, при этом преобразователь выполнен с возможностью преобразования первого напряжения во второе напряжение.

11. Система по п. 1, дополнительно содержащая индикатор аварийного сигнала, подключенный между выводами первого переключающего устройства, причем индикатор аварийного сигнала обеспечивает визуальную индикацию, звуковую индикацию или их комбинацию.

12. Система по п. 1, в которой блок управления выполнен с возможностью приема аварийного сигнала, соответствующего указанному событию, при этом аварийный сигнал генерируется с помощью аккумуляторного модуля.

13. Система по п. 1, в которой питание первого устройства обнаружения обеспечивается аккумуляторным модулем.

14. Система по п. 1, в которой блок управления, включенный во вторую цепь, содержит источник напряжения постоянного тока, при этом первая цепь дополнительно включает в себя резистор, указанный блок управления соединен исключительно с первым и с последним переключающими устройствами из множества первых переключающих устройств, при этом указанное изменение напряжения обнаруживается путем обнаружения изменения напряжения от величины напряжения, соответствующей указанному источнику напряжения постоянного тока, до приблизительно нуля, при детектировании указанного изменения напряжения между первым и последним переключающими устройствами.

15. Система по п. 1, в которой блок управления, включенный во вторую цепь, содержит указанный источник напряжения постоянного тока, при этом первая цепь дополнительно включает в себя резистор, а блок управления соединен с каждым из множества первых переключающих устройств, причем указанное изменение напряжения обнаруживается путем обнаружения изменения напряжения от величины напряжения, соответствующей источнику напряжения постоянного тока, до приблизительно нуля, при обнаружении указанного изменения напряжения между одним из множества первых переключающих устройств.

16. Система управления аккумуляторной батареей, содержащая:
первую цепь, содержащую первое множество элементов цепи, размещенных последовательно, причем первое множество элементов цепи содержит:
блок управления;
источник напряжения постоянного тока (DC); и
множество первых переключающих устройств, причем каждое из первых переключающих устройств соединено с первым устройством обнаружения, связанным с аккумуляторным модулем; причем первое устройство обнаружения выполнено с возможностью обнаружения первого события, соответствующего режиму связанного с ним аккумуляторного модуля, и в ответ на указанное обнаружение приводить в действие связанное с ним переключающее устройство из множества первых переключающих устройств, вызывая изменение напряжения от указанного источника напряжения постоянного тока, в результате чего блок управления быстро обнаруживает указанное изменение напряжения от источника напряжения, и
вторую цепь, содержащую второе множество элементов цепи, размещенных последовательно, причем вторая цепь имеет конфигурацию нормально разомкнутый цепи, при этом второе множество элементов цепи содержит указанный блок управления, указанный источник напряжения постоянного тока (DC) и множество вторых переключающих устройств, при этом каждое из множества вторых переключающих устройств соединено с одним из соответствующих первых переключающих устройств, причем замыкание второй цепи вызывает срабатывание первых переключающих устройств при возврате в исходное положение.

17. Система по п. 16, в которой в ответ на замыкание второй цепи множество первых переключающих устройств замыкаются исключительно при возврате в исходное положение.

18. Система по п. 17, в которой замыкание происходит в ответ на инициирование контроллера или ручное включение.

19. Способ управления батареей, содержащий этапы, на которых:
обнаруживают в первом устройстве обнаружения событие, соответствующее режиму аккумуляторного модуля, причем аккумуляторный модуль выполнен с возможностью подачи питания на первое устройство обнаружения;
в ответ на указанное обнаружение размыкают первое переключающее устройство, причем первое переключающее устройство содержит элемент цепи, последовательно размещенный среди множества элементов цепи, размещенных последовательно, при этом указанное множество элементов цепи включает в себя источник напряжения постоянного тока (DC);
обнаруживают в блоке управления изменение напряжения от указанного источника напряжения постоянного тока, соответствующее разомкнутому первому переключающему устройству; и
подают аварийный сигнал в ответ на указанное обнаружение в блоке управления, причем аварийный сигнал соответствует указанному событию.