电池单元集成电路、动力电池包、电动汽车及方法与流程

1.本公开属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及电池单元集成电路、动力电池包、电动汽车及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.近年来，电动汽车得到了较快的发展，但是动力电池包成为电动汽车发展的重要障碍。动力电池包一般由很多块电池单元串联与并联而成，以获得足够高的电压等级以及足够大的输出电流，虽然该方法足够简单，成本在众多的方法中也最低，但是当一个电池单元出现故障，整个动力电池包就不能够正常工作。此外，由于串联的每个电池单元的内部参数、自放电率等参数不一致导致电池单元的输出电压不一致、储存的能量也存在差异，从而在动力电池包的充电过程中就可能出现某些电池单元尚未充满，而部分电池单元却出现过充现象，导致电池寿命降低；在动力电池包的放电过程中就可能出现某些电池单元尚存在能量，而部分电池单元却放电完全，导致整个动力电池包在尚未完全放电时就不能工作。
4.为解决汽车动力电池包的充电、放电时的均压问题，目前常用的方法有无源均压法与有源均压法。
5.无源均压法在每个电池单元上并联一个耗能电阻，通过检测电池的电压确定耗能电阻的接入与断开，该方法有效且低成本，但对整个系统而言，其效率较低，对系统造成的热应力也较大。
6.有源均压法常采用专门的电力电子电路实现每个单元之间的电压均衡，如开关电容法、开关电感法、能量回馈法等，但这些方法都是基于电池单元的串联结构，一旦任一电池单元故障，整个电池包将仍不能正常工作。
7.电动汽车的动力电池包由多个电池单元串联而成，在反复充放电过程中，部分电池单元会出现过充电或过放电的现象，大大制约了动力电池包的寿命；此外在任一电池单元故障时，动力电池包不能正常运行。
8.因此，传统电池包结构中存在电压不均现象，在任一电池单元出现故障时，不能及时切断该故障单元的运行，无法实现了动力电池包的安全、可靠运行。


技术实现要素：

9.为克服上述现有技术的不足，本公开提供了电池单元集成电路、电池包、电动汽车及方法，每个电池单元之间不直接进行串联连接，可有效避免传统电池包结构中的电压不均现象；在任一电池单元出现故障时，可切断该故障单元的运行，从而实现了动力电池包的安全、可靠运行。
10.为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
11.第一方面，公开了电池单元集成电路，包括：双向反激变换器、检测单元与数字控
制器；
12.所述双向反激变换器连接至电池单体；
13.所述检测单元分别检测双向反激变换器的电压数据及电池单体的电压、电流数据并传输至数字控制器；
14.所述数字控制器根据接收到的电压、电流以及运行模式外部信号确定电池单元集成电路的运行模式，以充电模式、放电模式、故障模式或旁路模式进行工作。
15.进一步的技术方案，所述双向反激变换器包含输入侧电容、第一继电器、第一开关管、变压器、第二继电器；
16.输入侧电容的正极、第一继电器的第一端子、第二继电器的第一端子、变压器原边绕组的同名端连接在一起，并作为电池单元集成电路的正极；
17.输入侧电容的负极、第一继电器的第二端子、第二继电器的第三端子、第一开关管的源极连接在一起，并作为电池单元集成电路的负极；
18.第一开关管的漏极与变压器原边绕组的异名端连接在一起。
19.进一步的技术方案，所述双向反激变换器还包括：第二开关管、输出侧电容；
20.变压器副边绕组的异名端与第二开关管的源极连接在一起；
21.第二开关管的漏极、第二继电器的第二端子、输出侧电容的正极、电池单元的正极连接在一起；
22.变压器副边绕组的同名端、第二继电器的第四端子、输出侧电容的负极、电池单元的负极连接在一起。
23.进一步的技术方案，所述第一继电器包含一组常开触点，第二继电器包含两组常开触点；
24.进一步的技术方案，所述检测单元包括：第一电压传感器、第二电压传感器及电流传感器；
25.第一电压传感器的第一输入端、第二输入端分别与电池单元集成电路的正极、电池单元集成电路的负极进行连接；
26.第二电压传感器的第一输入端、第二输入端分别与电池单元的正极、电池单元的负极进行连接；
27.电流传感器的输入端与电池单元相串联。
28.进一步的技术方案，所述数字控制器包含电池放电控制器、电池充电控制器、选择开关、信号调理器、运行模式识别器；
29.第二方面，公开了电池单元集成电路的控制方法，包括：
30.根据电池单元的电压、电池电流以及运行模式外部信号共同决定电池单元集成电路的运行模式，共计4种运行模式，分别是放电模式、充电模式、故障模式、旁路模式。
31.进一步的技术方案，所述充电模式下，电池充电控制器输出的信号作为信号调理器的输入信号，第一继电器的1组常开触点断开，第二继电器的2组常开触点断开，第二开关管处于关断状态，第一开关管高频工作，进行充电。
32.进一步的技术方案，所述放电模式下，电池放电控制器输出的信号作为信号调理器的输入信号，第一继电器的1组常开触点断开，第二继电器的2组常开触点断开，第二开关管高频工作，第一开关管处于关断状态。
33.进一步的技术方案，所述故障模式下，第一继电器的1组常开触点闭合，第二继电器的2组常开触点断开，电池放电控制器、电池充电控制器均不工作，第一开关管、第二开关管均处于截止状态。
34.进一步的技术方案，所述旁路模式，第一继电器的1组常开触点断开，第二继电器的2组常开触点闭合，电池放电控制器、电池充电控制器均不工作，第一开关管、第二开关管均处于截止状态。
35.第三方面，公开了动力电池包，由n个上述电池单元集成电路组成，第i电池单元集成电路的正极与第i 1电池单元集成电路的负极连接，第1电池单元集成电路的负极作为电动汽车集成动力电池包的负极，第n电池单元集成电路的正极作为电动汽车集成动力电池包的正极，i＝1，2，
…
,n
‑
1。
36.第四方面，公开了一种电动汽车，所述电动汽车采用上述动力电池包供电。
37.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
38.本公开技术方案公开的动力电池包及其控制策略以后，电池单元之间没有直接连接，通过双向反激变换器的4种运行模式，可保证集成动力电池包在任何状况下都可正常运行，从而避免了传统串联电池包中的电池单元的均压问题以及任一电池单元故障导致电池包不能运行的问题。
39.本公开技术方案在每个电池单元之前集成一个双向反激变换器，该双向反激变换器可以使电池单元运行于充电模式、放电模式、故障模式以及旁路模式，解决了电池单元的充放电电压均衡问题以及任一电池单元故障时电池包的正常运行。
40.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
41.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
42.图1为本发明公开的一种基于反激变换器的电动汽车集成动力电池包结构及控制装置结构图；
43.图2为电池单元运行于充电模式主电路等效电路示意图；
44.图3为电池单元运行于放电模式主电路等效电路示意图；
45.图4为电池单元运行于故障模式主电路等效电路示意图；
46.图5为电池单元运行于旁路模式主电路等效电路示意图；
47.图6为4个电池单元组成的集成动力电池包中3个单元运行于充电模式、1个单元运行于故障模式时的主电路等效电路示意图；
48.图7为充电模式时，4个电池单元集成电路的连接情况示意图；
49.图8为放电模式时，4个电池单元集成电路的连接情况示意图；
50.图9为旁路模式时，4个电池单元集成电路的连接情况示意图；
51.图10
‑
图11为放电与充电过程中，电池单元b3出现故障，继电器k31闭合，其余3个电池单元经反激变换器放电与充电的示意图；
52.图中符号名称：u
bus
——电池包母线电压；c
11
——双向反激式变换器输入侧电容；
c
12
——双向反激式变换器输出侧电容；k
11
——双向反激式变换器中第1继电器；k
12
——双向反激式变换器中第2继电器；s
11
——双向反激式变换器中第1开关管；k
12
——双向反激式变换器中第2开关管；t1——双向反激式变换器中变压器；b1——电池单元；u
inr
——电池单元集成电路输入电压的基准值；u
inf
——电池单元集成电路输入电压值；u
ine
——电池单元集成电路输入电压误差值；i
fr
——电池单元放电电流基准值；i
ff
——电池单元放电电流值；i
fe
——电池单元放电电流误差值；u
r1
——电池单元放电模式的调制信号；u
bf
——电池单元电压值；u
br
——电池单元电压基准值；u
be
——电池单元电压误差值；i
cr
——电池单元充电电流基准值；i
cf
——电池单元充电电流值；i
ce
——电池单元充电电流误差值；u
r2
——电池单元充电模式的调制信号；u
r
——双向反激变换器的调制信号；u
out
——运行模式外部信号；u
s11
——第1开关管驱动信号；u
s12
——第2开关管驱动信号；u
k1
——选择开关驱动信号；u
k11
——第1继电器驱动信号；u
k12
——第2继电器驱动信号。
具体实施方式
53.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
54.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，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，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
55.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
56.实施例一
57.如图1所示，本实施例公开了电池单元集成电路，包括一个双向反激变换器与数字控制器，其中数字控制器有电池充电控制器、电池放电控制器、选择开关、信号调理器、运行模式识别器组成，以下将就其相互连接关系及组成部件进行详细说明。
58.第i(i＝1，2，
…
,n
‑
1)电池单元集成电路的正极与第i 1(i＝1，2，
…
,n
‑
1)电池单元集成电路的负极连接，第1电池单元集成电路的负极作为电动汽车集成动力电池包的负极，第n电池单元集成电路的正极作为电动汽车集成动力电池包的正极；第i(i＝1，2，
…
,n)电池单元集成电路中包含双向反激式变换器、数字控制器以及第1电压传感器、第2电压传感器，电流传感器组成；双向反激式变换器包含输入侧电容、第1继电器、第1开关管、变压器、第2开关管、第2继电器、输出侧电容，其中，第1继电器包含一组常开触点，第2继电器包含2组常开触点；输入侧电容的正极、第1继电器的第1端子、第2继电器的第1端子、变压器原边绕组的同名端连接在一起，并作为电池单元集成电路的正极；第1开关管的漏极与变压器原边绕组的异名端连接在一起；输入侧电容的负极、第1继电器的第2端子、第2继电器的第3端子、第1开关管的源极连接在一起，并作为电池单元集成电路的负极；变压器副边绕组的异名端与第2开关管的源极连接在一起；第2开关管的漏极、第2继电器的第2端子、输出侧电容的正极、电池单元的正极连接在一起；变压器副边绕组的同名端、第2继电器的第4端子、输出侧电容的负极、电池单元的负极连接在一起。
59.第1电压传感器的第1输入端、第2输入端分别与电池单元集成电路的正极、电池单
元集成电路的负极进行连接；第2电压传感器的第1输入端、第2输入端分别与电池单元的正极、电池单元的负极进行连接；电流传感器的输入端与电池单元相串联。
60.数字控制器包含电池放电控制器、电池充电控制器、选择开关、信号调理器、运行模式识别器；电池放电控制器中，第1减法器的正输入端连接电池单元集成电路输入电压的基准值，第1减法器的负输入端连接第1电压传感器的输出端，第1减法器的输出端连接输入电压调节器的输入端，输入电压调节器的输出端连接第2减法器的正输入端；电流传感器的输出端连接到反相器的输出端，反相器的输出端连接到第2减法器的负输入端；第2减法器的输出端连接到电池放电电流调节器的输入端；电池充电控制器中，第3减法器的正输入端连接电池单元电压的基准值，第3减法器的负输入端连接第2电压传感器的输出端，第3减法器的输出端连接电池电压调节器的输入端，电池电压调节器的输出端连接第4减法器的正输入端；电流传感器的输出端连接到第4减法器的负输入端；第4减法器的输出端连接到电池充电电流调节器的输入端；选择开关的第2端子、第3端子分别连接到电池放电电流调节器的输出端、电池充电电流调节器的输出端；选择开关的第1端子连接到信号调理器的第1端子；运行模式识别器的第1输入端、第2输入端、第3输入端分别连接第2电压传感器的输出端、电流传感器的输出端、运行模式外部信号；运行模式识别器的第1输出端信号、第2输出端信号、第3输出端信号分别作为选择开关、第1继电器、第2继电器的驱动信号；信号调理器第2端子连接到运行模式外部信号；信号调理器的第3端子输出信号、第4端子输出信号分别作为第1开关管、第2开关管的驱动信号。
61.实施例子二
62.本实施例公开了电池单元集成电路的控制方法，包括：
63.根据电池单元的电压、电池电流以及运行模式外部信号共同决定电池单元集成电路的运行模式，共计4种运行模式，分别是充电模式、放电模式、故障模式、旁路模式。运行模式识别器的第1输出端信号为u
k1
，运行模式识别器的第2输出端信号为u
k11
，运行模式识别器的第3输出端信号为u
k12
。
64.当电池包充电时，模式识别器确定充电模式时，u
k1
＝1，u
k11
＝0，u
k12
＝0，对应选择开关的第1端子与第3端子连接，电池充电控制器输出的信号作为信号调理器的输入信号，第1继电器的1组常开触点断开，第2继电器的2组常开触点断开，第2开关管处于关断状态，第1开关管高频工作，对应的等效电路如图2所示。
65.当电池包放电时，模式识别器确定放电模式时，u
k1
＝
‑
1，u
k11
＝0，u
k12
＝0，对应选择开关的第1端子与第2端子连接，电池放电控制器输出的信号作为信号调理器的输入信号，第1继电器的1组常开触点断开，第2继电器的2组常开触点断开，第2开关管高频工作，第1开关管处于关断状态，对应的等效电路如图3所示。
66.当电池单元出现故障，不管此时电池包处于充电或放电模式，出现故障电池单元对应的集成电路由模式识别器确定为故障模式，此时u
k1
＝0，u
k11
＝1，u
k12
＝0，对应选择开关的第1端子悬空，第1继电器的1组常开触点闭合，第2继电器的2组常开触点断开，电池放电控制器、电池充电控制器均不工作，第1开关管、第2开关管均处于截止状态，对应的等效电路如图4所示。
67.当电池包处于放电，电池单元电压接近于集成电路的输入电压，那么电池单元放电时再通过双向反激变换器就变得低效，因此增加了旁路模式。此时，u
k1
＝0，u
k11
＝0，u
k12
＝
1，对应选择开关的第1端子悬空，第1继电器的1组常开触点断开，第2继电器的2组常开触点闭合，电池放电控制器、电池充电控制器均不工作，第1开关管、第2开关管均处于截止状态，对应的等效电路如图5所示。
68.需要说明的是，双向反激变换器的工作原理与普通反激变换器工作原理一样，电池单元充电或放电时，仅有1个开关管高频工作，另一个开关管的体二极管高频导通与截止交替，此处不再赘述。
69.为更好的说明电池包的工作原理，图6给出了一个由4个电池单元集成电路构成的电池包主电路在充电时的等效电路，其中，第3电池单元集成电路出现故障，那么第3电池单元集成电路中的第1继电器常开触点闭合，将第3电池单元集成电路整个旁路，不再参与工作；另外，第1、第2、第4电池单元集成电路运行于充电模式，从直流母线吸收电能，经反激变换器给各自电池单元进行充电。
70.实施例三
71.本实施例公开了动力电池包，由n个上述电池单元集成电路组成，第i电池单元集成电路的正极与第i 1电池单元集成电路的负极连接，第1电池单元集成电路的负极作为电动汽车集成动力电池包的负极，第n电池单元集成电路的正极作为电动汽车集成动力电池包的正极，i＝1，2，
…
,n
‑
1。
72.进一步说明的时，该电池包包含了n个电池单元集成电路，每个电池单元集成电路均包含双向反激变换器、切换开关、电池单元以及数字控制装置。每个电池单元集成电路中各双向反激变换器互相连接，电池单元通过数字控制器切换，可让电池单元集成电路运行在充电模式、放电模式、旁路模式以及故障模式，下面以4个电池单元集成电路为例分别说明反激变换器的运行情况。
73.本公开实施例子的每个电池单元之间不直接进行串联连接，可有效避免传统电池包结构中的电压不均现象；在任一电池单元出现故障时，可切断该故障单元的运行，从而实现了动力电池包的安全、可靠运行。
74.数字控制装置可控制电池单元运行于充电模式、放电模式、旁路模式以及故障模式，保证电池单元之间运行相互独立，避免了传统串联电池包中的电池单元的均压问题以及任一电池单元故障导致电池包不能运行的问题。
75.电池单元之间没有直接连接，通过双向反激变换器的4种运行模式，可保证集成动力电池包在任何状况下都可正常运行，从而避免了传统串联电池包中的电池单元的均压问题以及任一电池单元故障导致电池包不能运行的问题。
76.充电模式时，4个电池单元集成电路的连接情况如图7所示，此时，继电器ki1(i＝1,2,3,4)、ki2(i＝1,2,3,4)所有的触点开关都处于断开状态，因此在图7中未画出ki1(i＝1,2,3,4)、ki2(i＝1,2,3,4)；能量由直流母线即图7中的ubus经反激变换器流向各电池单元；电池侧的开关管在此阶段不控制，仅作为二极管使用；各反激变换器的工作原理属于现有技术，此处不再展开说明。
77.放电模式时，4个电池单元集成电路的连接情况如图8，此时，继电器ki1(i＝1,2,3,4)、ki2(i＝1,2,3,4)所有的触点开关都处于断开状态，因此在图7中未画出ki1(i＝1,2,3,4)、ki2(i＝1,2,3,4)；能量由电池单元流向之路母线。
78.旁路模式时，4个电池单元集成电路的连接情况如图9，电池放电过程中，当4个电
池单元的电压足够高，可以保证直流母线正常供电时，接通继电器ki2(i＝1,2,3,4)，各电池单元直接经继电器ki2(i＝1,2,3,4)直接串联，形成的母线电压即为各电池单元电压之和。
79.故障模式：当电池单元中有1个出现故障时，将该单元以及对应的反激变换器直接短路，图10
‑
图11对应电池包分别在放电与充电过程中，电池单元b3出现故障，继电器k31闭合，其余3个电池单元经反激变换器放电与充电的示意图。
80.实施例四
81.本实施例公开了一种电动汽车，所述电动汽车采用上述动力电池包供电。
82.本公开上述技术方案通过继电器的控制将电池集成单元运行于充电、放电、旁路以及故障4种模式，最大限度的利用电池单元的潜力，保证了：每个电池单元单独充电或放电，避免了串联电池包中个别电池单元的过充或过放引起的电池单元损坏的问题；旁路模式保证了电池包运行的高效；故障模式保证了电池包在个别单元出现故障时仍能继续工作，避免了串联电池包中个别电池单元损坏引起的电池包不能运行的问题。
83.上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。