电池系统及其操作方法、车辆和固定能量存储系统与流程

本公开涉及一种电池系统。此外，本发明涉及一种具有这种电池系统的车辆和固定能量存储系统。本发明的另一方面涉及一种用于操作电池系统的方法。

背景技术：

1、近年来，已经开发了使用电力作为动力源的用于运输货物和人的车辆。这种电动车辆是使用存储在可再充电电池中的能量由电动机推进的汽车。电动车辆可以仅由电池供电，或者可以是由例如汽油发电机或氢燃料电池供电的混合动力车辆的形式。此外，车辆可以包括电动机和传统内燃机的组合。通常，电动车辆电池(electric-vehicle battery，evb)或牵引电池是用于为电池电动车辆(battery electric vehicle，bev)的推进供电的电池。因为电动车辆电池被设计成在持续的时间段内提供电力，所以电动车辆电池不同于启动电池、照明电池和点火电池。可再充电或二次电池与一次电池的不同之处在于它可以重复充电和放电，而后者仅提供化学能到电能的不可逆转换。低容量可再充电电池用作小型电子装置(诸如，蜂窝电话、笔记本计算机和便携式摄像机)的电源，而高容量可再充电电池用作电动车辆和混合动力车辆等的电源。

2、通常，可再充电电池包括电极组件、容纳电极组件的壳体和电连接到电极组件的电极端子，电极组件包括正电极、负电极和置于正电极与负电极之间的隔膜。将电解质溶液注入壳体中，以能够经由正电极、负电极和电解质溶液的电化学反应进行电池的充电和放电。壳体的形状(例如，圆柱形或矩形)取决于电池的预期目的。通过其在膝上型计算机和消费电子产品中的使用而广为人知的锂离子(和类似的锂聚合物)电池在最近开发的电动车辆组中占主导地位。

3、可再充电电池可以用作由串联结合和/或并联结合的多个单元电池单体形成的电池模块，以提供高能量含量，特别是用于混合动力车辆的电机驱动。也就是说，电池模块通过根据所需电力的量将多个单元电池单体的电极端子互连而形成，以实现高功率可再充电电池。

4、电池模块可以以块设计或以模块化设计构造。在块设计中，每个电池结合到公共集流体结构和公共电池管理系统，并且其单元布置在壳体中。在模块化设计中，多个电池单体被连接以形成子模块，并且若干子模块被连接以形成电池模块。在汽车应用中，电池系统通常由串联连接的多个电池模块组成，以用于提供期望的电压。其中，电池模块可以包括具有多个堆叠的电池单体的子模块，每个堆叠体包括串联连接的多个并联连接的单体(xpys)或并联连接的多个串联连接的单体(xsyp)。

5、电池组是一组任何数量的(优选相同的)电池模块。它们可以被配置为串联、并联或两者的混合，以传送期望的电压、容量或功率密度。电池组的组件包括单独的电池模块和在单独的电池模块之间提供导电性的互连件。

6、电池系统还包括电池管理系统(bms)，其是(诸如通过保护电池免于在其安全操作区域之外操作、监测电池的状态、计算二次数据、报告该数据、控制电池的环境、对电池进行认证和/或对电池进行平衡)管理可再充电电池、电池模块和电池组的任何电子系统。例如，bms可以监测由电压(诸如电池组或电池模块的总电压、单个单体的电压)、温度(诸如电池组或电池模块的平均温度、冷却剂入口温度、冷却剂输出温度或单个单体的温度)、冷却剂流量(诸如流速、冷却液体压力)和电流表示的电池的状态。另外，bms可以基于以上项(诸如最小和最大单体电压、充电状态(soc)或放电深度(dod))计算值，以指示电池的充电水平、健康状态(soh；作为原始容量的百分比的电池的剩余容量的各种定义的测量)、电力状态(sop；在给定当前电力使用、温度和其他条件的情况下，在限定的时间间隔内可用的电力的量)、安全状态(sos)、作为充电电流限制(ccl)的最大充电电流、作为放电电流限制(dcl)的最大放电电流以及单体的(用于确定开路电压的)内部阻抗。

7、bms可以是集中式的，使得单个控制器通过多条布线连接到电池单体。bms也可以是分布式的，其中，bms板安装在每个单体处，并且在电池与控制器之间仅具有单条通信电缆。或者bms可以是包括几个控制器的模块化构造，每个控制器处理一定数量的单体，并且控制器之间具有通信。集中式bms是最经济的、最不可扩展的，并且受到大量布线的困扰。分布式bms是最昂贵的、安装最简单的，并且提供最清洁的组件。模块化bms提供了其他两种拓扑的特征和问题的折中。

8、bms可以保护电池组免于在其安全操作区域之外操作。在过电流、过电压(在充电期间)、过温、欠温、过压以及接地故障或漏电流检测的情况下，可以指示在安全操作区域之外的操作。bms可以通过包括内部开关(诸如继电器或固态装置)(如果电池在其安全操作区域之外操作，则内部开关断开)、请求电池连接到其的装置减少或甚至终止使用电池，并且(诸如通过加热器、风扇、空调或液体冷却)主动控制环境来防止在电池的安全操作区域之外操作。

9、为了满足连接到电池系统的各种耗电器的动态电力需求，电池电力输出和充电的静态控制是不够的。因此，需要电池系统与耗电器的控制器之间的稳定的信息交换。该信息包括电池系统的实际充电状态、soc、潜在的电性能、充电能力和内部电阻以及耗电器的实际或预测的电力需求或剩余。因此，电池系统通常包括用于获得和处理这种系统级的信息的电池管理系统(bms)，并且还包括多个电池模块管理器(bmm)，其是系统的电池模块的部分并获得和处理模块级的相关信息。具体地，bms通常测量系统电压、系统电流、系统壳体内不同位置处的局部温度以及带电组件与系统壳体之间的绝缘电阻。另外，bmm通常测量电池模块中的电池单体的各个单体电压和温度。

10、因此，bms/bmu被提供用于管理电池组(诸如，通过保护电池免于在其安全操作区域之外操作、监测电池的状态、计算二次数据、报告该数据、控制电池的环境、对电池进行认证和/或对电池进行平衡而管理电池组)。

11、在异常操作状态的情况下，电池组通常应从连接到电池组的端子的负载断开。因此，电池系统还包括电连接在电池模块与电池系统端子之间的电池断开单元(bdu)。因此，bdu是电池组与车辆的电系统之间的主要接口。bdu包括断开或闭合电池组与电系统之间的高电流路径的电机开关。bdu向伴随电池模块的电池控制单元(bcu)提供反馈(诸如，电压和电流测量)。bcu基于从bdu接收的反馈使用低电流路径来控制bdu中的开关。因此，bdu的主要功能可以包括控制电池组与电系统之间的电流流动以及电流感测。bdu还可以管理如外部充电和预充电的附加功能。

12、存在针对车辆应用(即，xev应用)中的bms并且特别是其高功率/电压继电器供电的若干构思，并且还存在针对固定存储系统(ess)的若干构思。

13、根据现有技术，bms可以例如使用dc/dc转换器和具有本地5v/3.3v电源的微控制器直接供应12v或24v。继电器或者由用于优化功耗的脉宽调制(pwm)控制器控制，或者由恒定电压电源控制。

14、在另外的示例中，专用系统基础芯片sbc用于向微控制器供应本地5v/3.3v电源。其他示例教导bms直接供应12v或24v，但是具有降压/升压转换器，该降压/升压转换器为bms的继电器和其他耗电器(例如，系统基础芯片sbc、微控制器mcu等)生成恒定的12v。在另一示例中，ess通常具有恒定的工业24v电源。在这种应用中，使用直接用这种24v电源电压供电的高功率继电器。在现有技术的所有这些情况下，继电器由pwm控制器控制或被供应恒定的电源电压。

15、通常，如果pwm或恒定电压必须用于继电器控制，则在继电器内部产生大量热。至少暂时地，这些继电器处于由外部电源电流和环境温度分布(ambient temperatureprofile)引起的其最大自发热的边缘。然后，必须使用pwm控制来使由通过线圈的电流引起的自发热最小化，因为否则将必须选择更大的继电器，然而这显著增加了总成本。另一方面，pwm控制使得继电器驱动器更复杂且更昂贵。此外，在这种情况下，需要用于建立电磁兼容性emc的附加措施。在没有这种pwm控制的情况下，一定的电力在继电器内部被不必要地转换成热。此外，除了上述之外，相比于用于xev电池组的bms，用于ess的bms始终是不同的pcb。

16、因此，需要开发克服至少一些报告的缺陷的电池系统，特别是具有降低的功耗、减少不必要的发热和涉及更少成本的电池系统。

技术实现思路

1、发明由所附权利要求限定。下面的描述受到这种限制。在所述权利要求的范围之外的任何公开内容仅旨在用于说明以及比较目的。

2、根据本公开的一个方面，提出了一种电池系统。电池系统包括电源。此外，电池系统包括电池管理系统，该电池管理系统包括dc/dc转换器和系统基础芯片sbc。dc/dc转换器电连接到电源以从电源接收电力并且被配置为输出输出电压。此外，sbc与dc/dc转换器串联电连接以接收来自dc/dc转换器的输出电压。此外，微控制器连接到sbc以从sbc接收电力。此外，继电器驱动器被配置为控制至少一个继电器，其中，继电器驱动器连接到dc/dc转换器互连在sbc与dc/dc转换器之间的输出节点。微控制器电连接到继电器驱动器并且被配置为：在对至少一个继电器进行切换之前，控制dc/dc转换器将输出电压从第一电压增大到比第一电压高的第二电压；以及控制继电器驱动器在dc/dc转换器输出第二电压时对至少一个继电器进行切换。

3、在另一方面，公开了一种包括电池系统的车辆和固定能量存储系统。因此，该构思也适用于固定系统。

4、又根据本公开的另一方面，公开了一种用于操作如上所述的电池系统的方法，所述方法包括以下步骤：在对至少一个继电器进行切换之前，通过微控制器控制dc/dc转换器将输出电压从第一电压增大到比第一电压高的第二电压。在另一步骤中，该方法包括由微控制器控制继电器驱动器，以在dc/dc转换器输出第二电压时对至少一个继电器进行切换。

5、本公开的其他方面可以从从属权利要求或以下描述中获得。