无功率输出中断的电池串并联切换主电路及系统、方法技术方案

本发明专利技术涉及用于电池组供电的电路装置领域，提出了一种无功率输出中断的电池串并联切换主电路及系统、方法。两个电池模组在向包括电机控制器和电机的电驱动系统输出功率时，该主电路及方法可无功率中断地进行串并联切换，解决了以三个继电器为主的切换电路切换时功率中断的问题，该主电路包括第一电池正极端口、第一电池负极端口、第二电池正极端口、第二电池负极端口、电性耦接于第一电池正极端口与第二电池正极端口之间的第一开关、电性耦接于第二电池负极端口与第一电池负极端口之间的第二开关、电性耦接于第一电池正极端口与第二电池负极端口之间的二极管以及电性耦接于第一电池负极端口与第二电池正极端口之间的半导体无触点开关。导体无触点开关。导体无触点开关。

【技术实现步骤摘要】
无功率输出中断的电池串并联切换主电路及系统、方法


[0001]本专利技术涉及用于电池组供电的电路装置，特别是涉及一种无功率输出中断的电池串并联切换的电路和方法以及使用该电路或方法的电池组、电推进系统及车辆。

技术介绍

[0002]电动汽车为了实现快充功能，就需要更大的充电功率，但更大的充电功率受限于400V电压平台的最大充电电流而不能满足快充时间的需求，所以800V电压平台的电动汽车应运而生并且满足了快充的需求。但因800V快充基础充电设施建设的滞后，造成覆盖网点还不能满足需求，所以800V电压平台的电动汽车在无800V电压平台快充桩时需要400V电压平台的充电桩也要能对其充电。因此搭载两个400V电压平台电池模组的电动汽车通过两个电池模组串并联的方式灵活配置该车为400V或800V电压平台以适配800V快充及上述400V电压平台充电桩充电的需求。800V电压平台固定电池电压输出的电池用400V电压平台的充电桩还需车载一个400V转800V的升压直流变换器，而上述两个电池模组串并联的方案则无需该升压直流变换器，故该电池模组串并联方案有较大的成本竞争优势。
[0003]电动汽车电池组的主要负载是包括电机控制器和电机的电驱动系统，为降低该电驱动系统的损耗，一种比较理想的电池供电方式是当电机工作在不同转速区域时配以不同的电池电压的输出。通常电机低速区域运转时需要更低的电池电压，高速区域运转时需要更高的电池电压，所以用两个400V电压平台的电池模组通过串并联切换实现的800V电压平台的电动汽车就有了在驱车行进中电池组输出电压改变的需求，低速区域时两个电池模组并联输出400V电压平台电压，加速到高速区域时两个电池模组通过串并联切换电路将两个电池模组切换成串联连接输出800V电压平台电压。
[0004]现有串并联切换电路的技术方案是以三个继电器作为串并联切换开关来实现切换主电路，并且主要目的是为了解决400V电压平台充电桩对800V电压平台电池充电的问题，还少有将串并联切换电路在驱车行进时应用的案例。要满足该应用的需求，需要解决在驱车行进时两个电池模组的串并联切换操作不能中断电池组输出至电驱动系统的功率。现有的三继电器主电路技术方案有如下问题。一、并联连接状态切换到串联连接过程中，当支持并联连接的开关断开后，电池与电机控制器间的电源正负极线上的自感电流无续流回路，导致断开瞬间各开关两端产生较高的过冲电压，容易造成触点间电弧闪络灼蚀或半导体无触点开关的过压击穿；二、继电器从接受到闭合指令信号到触点闭合需要时间较长，在支持并联连接的开关断开后导致支持串联的开关需要较长时间才能完成触点的闭合，若此时电动汽车正处于由低速到最高速的加速工况，即对应为电机由低速到高速的带载加速阶段，在支持并联连接的开关断开后到支持串联连接的开关闭合前的这段时间内电池组功率的输出是中断的，该期间电机控制器的直流母线支撑电容电压迅速跌落到欠压状态，并造成无功率输出至电机控制器，进而电驱动系统或整车加速时动力中断，这对整车动力性能及驾乘感受都带来极大的负面影响；三、现有的三继电器主电路技术方案不能解决在电池组向电机控制器输出驱动功率时由并联切换到串联过程中有大电流冲击的问题。当支持串
联连接的开关闭合时，由于上述直流母线支撑电容电压和串联连接的电池组电压之间存在巨大电压差，一旦强行闭合支持串联连接的开关，将在电池组到上述直流母线支撑电容之间的回路中产生大的冲击电流，在支持串联连接的开关闭合瞬间尤其对继电器的两个接触触点产生接触区局部高热甚至电弧闪络灼蚀，极大影响了触点接触的可靠性及寿命，同时过大的冲击电流对上述直流母线支撑电容及电池都有不利的影响，并且高的电流变化率或电弧会对周边电路产生电磁干扰。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术从五个方面提出了技术方案，包括：第一方面技术方案，提出了一种电路，该电路的核心为两个电池模组串并联切换主电路，该电路还包括控制电路单元以及电池组到电机控制器之间的供电电路。所述电路体现在下面的技术方案1至技术方案3。
[0006]技术方案1. 一种电路，包括：主电路，其用于两个电池模组串并联切换，所述两个电池模组包括第一电池模组和第二电池模组，每个所述电池模组各有一个正极和一个负极，所述两个电池模组可由所述主电路配置为串联连接或并联连接，所述两个电池模组串联或并联后的正极和负极经由主正继电器、主负继电器、熔断器、正极电源线以及负极电源线电性耦接至包括电机控制器和电机的电驱动系统进行能量传递，所述主电路包括：第一电池正极端口，其电性耦接至所述第一电池模组的正极；第一电池负极端口，其电性耦接至所述第一电池模组的负极；第二电池正极端口，其电性耦接至所述第二电池模组的正极；第二电池负极端口，其电性耦接至所述第二电池模组的负极；第一开关，其具有第一端、第二端和至少一个控制端，所述第一开关的第一端和所述第一开关的第二端电性耦接于所述第一电池正极端口与所述第二电池正极端口之间，所述第一开关的控制端可配置所述第一开关为双向电流导通状态或双向电流阻断状态；以及第二开关，其具有第一端、第二端和至少一个控制端，所述第二开关的第一端和所述第二开关的第二端电性耦接于所述第二电池负极端口与所述第一电池负极端口之间，所述第二开关的控制端可配置所述第二开关为双向电流导通状态或双向电流阻断状态；其中，所述主电路还包括：二极管，其电性耦接于所述第一电池正极端口与所述第二电池负极端口之间，所述二极管阴极电性耦接至所述第一电池正极端口，所述二极管阳极电性耦接至所述第二电池负极端口；和半导体无触点开关，其具有第一端、第二端和至少一个控制端，所述半导体无触点开关的第一端和所述半导体无触点开关的第二端电性耦接于所述第一电池负极端口与所述第二电池正极端口之间，所述半导体无触点开关包括一个晶体管或多个串联或并联的晶体管，所述半导体无触点开关的控制端可配置所述半导体无触点开关为双向电流导通状态或双向电流阻断状态。
[0007]技术方案2. 根据技术方案1所述的电路，其中，进一步包括控制电路单元，所述控制电路单元所实现的功能包括：
提供所述主电路所需的驱动输出；电压采样监测，其包括所述第一电池正极端口与所述第一电池负极端口之间的电压采样监测、所述第二电池正极端口与所述第二电池负极端口之间的电压采样监测、所述第一电池正极端口与所述第二电池负极端口之间的电压采样监测；电流采样监测，其包括所述第一电池正极端口或者所述第二电池负极端口与所述电机控制器之间的电流采样监测，开关状态采样监测，其包括所述第一开关的开关状态采样监测、所述第二开关的开关状态采样监测以及所述半导体无触点开关的开关状态采样监测；以及接收包括所述电机的实际当前转速和串并联切换指令的信息，并且基于所述电压采样监测的各电压值和所述开关状态采样监测的各开关状态，做出所述两个电池模组配置为串联或并联的选择，并输出对应的所述驱动输出信号到所述主电路；所述控制电路单元包括：驱动输出端口1，其电性耦接至所述第一开关的所述控制端；驱动输出端口2，其电性耦接至所述第二开关的所述控制端；驱动输出端口3，其电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电路，包括：主电路，其用于两个电池模组串并联切换，所述两个电池模组包括第一电池模组和第二电池模组，每个所述电池模组各有一个正极和一个负极，所述两个电池模组可由所述主电路配置为串联连接或并联连接，所述两个电池模组串联或并联后的正极和负极经由主正继电器、主负继电器、熔断器、正极电源线以及负极电源线电性耦接至包括电机控制器和电机的电驱动系统进行能量传递，所述主电路包括：第一电池正极端口，其电性耦接至所述第一电池模组的正极；第一电池负极端口，其电性耦接至所述第一电池模组的负极；第二电池正极端口，其电性耦接至所述第二电池模组的正极；第二电池负极端口，其电性耦接至所述第二电池模组的负极；第一开关，其具有第一端、第二端和至少一个控制端，所述第一开关的第一端和所述第一开关的第二端电性耦接于所述第一电池正极端口与所述第二电池正极端口之间，所述第一开关的控制端可配置所述第一开关为双向电流导通状态或双向电流阻断状态；以及第二开关，其具有第一端、第二端和至少一个控制端，所述第二开关的第一端和所述第二开关的第二端电性耦接于所述第二电池负极端口与所述第一电池负极端口之间，所述第二开关的控制端可配置所述第二开关为双向电流导通状态或双向电流阻断状态；其特征在于，所述主电路还包括：二极管，其电性耦接于所述第一电池正极端口与所述第二电池负极端口之间，所述二极管阴极电性耦接至所述第一电池正极端口，所述二极管阳极电性耦接至所述第二电池负极端口；和半导体无触点开关，其具有第一端、第二端和至少一个控制端，所述半导体无触点开关的第一端和所述半导体无触点开关的第二端电性耦接于所述第一电池负极端口与所述第二电池正极端口之间，所述半导体无触点开关包括一个晶体管或多个串联或并联的晶体管，所述半导体无触点开关的控制端可配置所述半导体无触点开关为双向电流导通状态或双向电流阻断状态。2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述主电路的所述半导体无触点开关包括一个金属氧化物半导体场效应晶体管或多个串联或并联的金属氧化物半导体场效应晶体管，所述金属氧化物半导体场效应晶体管至少包括N沟道碳化硅基金属氧化物半导体场效应晶体管。3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述主电路的所述半导体无触点开关包括一个绝缘栅双极性晶体管或多个串联或并联的绝缘栅双极性晶体管。4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述主电路的所述二极管由一个晶体管或多个串联或并联的晶体管替代，并实现所述二极管的功能。5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述主电路的所述第一开关和所述第二开关均为继电器或接触器。6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述继电器或接触器具有主触点开闭状态检测和状态反馈输出功能，以及对应的所述状态反馈输出端口。7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述主电路的所述第一开关和所述第二开关均为无触点开关，所述无触点开关包括一个晶体管或多个串联或并联的晶体管，所述无
触点开关的控制端可配置所述无触点开关为双向电流导通状态或双向电流阻断状态。8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述主电路由一个功率模块实现，所述功率模块包括：多个功率端子，所述多个功率端子包括所述主电路的所述第一电池正极端口端子、所述第一电池负极端口端子、所述第二电池正极端口端子以及所述第二电池负极端口端子；多个裸芯片组，其集成在所述功率模块内部，所述多个裸芯片组包括所述主电路的所述第一开关裸芯片组、所述第二开关裸芯片组、所述二极管裸芯片组以及所述半导体无触点开关裸芯片组，所述多个裸芯片组按所述主电路的电性耦接关系与所述多个功率端子电性耦接，所述裸芯片组包括一个裸芯片或多个串联或并联的裸芯片；以及多个门极驱动端子，其包括所述第一开关的至少一个驱动端子、所述第二开关的至少一个驱动端子以及所述半导体无触点开关的至少一个驱动端子。9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述第一开关裸芯片组包括一个金属氧化物半导体场效应晶体管裸芯片或多个串联或并联的金属氧化物半导体场效应晶体管裸芯片，或者所述第一开关裸芯片组包括一个绝缘栅双极性晶体管裸芯片或多个串联或并联的绝缘栅双极性晶体管裸芯片；所述第二开关裸芯片组包括一个金属氧化物半导体场效应晶体管裸芯片或多个串联或并联的金属氧化物半导体场效应晶体管裸芯片，或者所述第二开关裸芯片组包括一个绝缘栅双极性晶体管裸芯片或多个串联或并联的绝缘栅双极性晶体管裸芯片；所述半导体无触点开关裸芯片组包括一个金属氧化物半导体场效应晶体管裸芯片或多个串联或并联的金属氧化物半导体场效应晶体管裸芯片，或者所述半导体无触点开关裸芯片组包括一个绝缘栅双极性晶体管裸芯片或多个串联或并联的绝缘栅双极性晶体管裸芯片，所述金属氧化物半导体场效应晶体管裸芯片至少包括N沟道碳化硅基金属氧化物半导体场效应晶体管裸芯片。10.根据权利要求8或9所述的电路，其特征在于，所述功率模块进一步包括：基板，其包括顶面金属导电层、绝缘层以及底面金属传热层，所述顶面金属导电层与所述多个裸芯片组焊接；散热金属板，其用于将所述多个裸芯片组产生的热量传递到所述功率模块外，所述散热金属板的一面与所述基板的底面金属传热层焊接；壳体，其用于固定或连接所述散热金属板、所述多个功率端子、所述多个门级驱动端子。11.根据权利要求1至10任一项所述的电路，其特征在于，进一步包括第一电容单元和第二电容单元，所述第一电容单元电性耦接于所述第一电池正极端口与所述第一电池负极端口之间，所述第二电容电性耦接于所述第二电池正极端口与所述第二电池负极端口之间，所述电容单元至少包括一个电容。12.根据权利要求1至11任一项所述的电路，其特征在于，进一步包括第三电容单元，所述第三电容单元电性耦接于所述第一电池负极端口与所述第二电池正极端口之间，所述第三电容单元至少包括一个电容。13.根据权利要求1至12任一项所述的电路，其特征在于，进一步包括控制电路单元，所述控制电路单元所实现的功能包括：
提供所述主电路所需的驱动输出；电压采样监测，其包括所述第一电池正极端口与所述第一电池负极端口之间的电压采样监测、所述第二电池正极端口与所述第二电池负极端口之间的电压采样监测、所述第一电池正极端口与所述第二电池负极端口之间的电压采样监测；电流采样监测，其包括所述第一电池正极端口或者所述第二电池负极端口与所述电机控制器之间的电流采样监测，开关状态采样监测，其包括所述第一开关的开关状态采样监测、所述第二开关的开关状态采样监测以及所述半导体无触点开关的开关状态采样监测；以及接收包括所述电机的实际当前转速和串并联切换指令的信息，并且基于所述电压采样监测的各电压值和所述开关状态采样监测的各开关状态，做出所述两个电池模组配置为串联或并联的选择，并输出对应的所述驱动输出信号到所述主电路；所述控制电路单元包括：驱动输出端口1，其电性耦接至所述第一开关的所述控制端；驱动输出端口2，其电性耦接至所述第二开关的所述控制端；驱动输出端口3，其电性耦接至所述半导体无触点开关的所述控制端；电压采样输入端口1，其电性耦接至所述第一电池正极端口和所述第一电池负极端口；电压采样输入端口2，其电性耦接至所述第二电池正极端口和所述第二电池负极端口；电流采样输入端口，其电性耦接至电流检测装置的输出端口，所述电流检测装置检测所述第一电池正极端口或者所述第二电池负极端口与所述电机控制器之间的电流；以及通讯端口，其通过外部的通信总线接收包括所述电机的实际当前转速和串并联切换指令的信息，并且所述两个电池模组串并联切换的过程状态及切换完成的结果状态经由所述通讯端口输出到所述通信总线上。14.根据权利要求1至13任一项所述的电路，其特征在于，进一步包括：第一电池模组，其为所述第一电池模组， 所述第一电池模组的正极电性耦接至所述第一电池正极端口， 所述第一电池模组的负极电性耦接至所述第一电池负极端口；第二电池模组，其为所述第二电池模组， 所述第二电池模组的正极电性耦接至所述第二电池正极端口， 所述第二电池模组的负极电性耦接至所述第二电池负极端口；第一电感，其包括所述正极电源线的自感，所述第一电感电性耦接于所述第一电池正极端口与所述电机控制器的直流母线支撑电容的正极之间；第二电感，其包括所述负极电源线的自感，所述第二电感电性耦接于所述第二电池负极端口与所述电机控制器的所述直流母线支撑电容的负极之间；第四电容，其为所述电机控制器的所述直流母线支撑电容，所述电机控制器将所述两个电池模组的直流电逆变为多相交流电驱动所述电机，所述第四电容的正极经由所述第一电感电性耦接至所述第一电池模组的正极，所述第四电容的负极经由所述第二电感电性耦接至所述第二电池模组的负极；以及第一电流检测装置，所述第一电流检测装置检测所述第一电池正极端口或者所述第二电池负极端口与所述电机控制器之间的电流。15.根据权利要求14所述的电路，其特征在于，进一步包括：第三电感，其电性耦接于所述第一电池正极端口与所述第四电容的正极之间，且与所
述第一电感串联电性耦接，或者所述第三电感电性耦接于所述第二电池负极端口与所述第四电容的负极之间，且与所述第二电感串联电性耦接。16.一种电力推进系统，包括：权利要求1至15任一项的所述电路；电机，其被配置为向其机械负载施加扭矩；电机控制器，其连接到所述电机，所述电机控制器的直流母线支撑电容正极电性耦接至所述第一电池正极端口，所述电机控制器的直流母线支撑电容负极电性耦接至所述第二电池负极端口；通信总线，所述电机控制器和所述电路通过所述通信总线连接进行信息交互。17.一种车辆，包括权利要求16所述的电力推进系统，所述电机控制器的并联状态支撑电容电压和串联状态支撑电容电压为第一关联配置或第二关联配置；所述并联状态支撑电容电压为所述两个电池模组在并联连接状态下的输出电流经由闭合的所述主正继电器和所述主负继电器、所述熔断器、所述正极电源线及所述负极电源线在所述第四电容上的稳态电压值；所述串联状态支撑电容电压为所述两个电池模组在串联连接状态下的输出电流经由闭合的所述主正继电器和所述主负继电器、所述熔断器、所述正极电源线及所述负极电源线在所述第四电容上的稳态电压值；所述第一关联配置为所述电机控制器的并联状态支撑电容电压为至少250V至450V，并且所述电机控制器的串联状态支撑电容电压为至少500V至900V；所述第二关联配置为所述电机控制器的并联状态支撑电容电压为至少125V至225V，并且所述电机控制器的串联状态支撑电容电压为至少250V至450V。18.一种操作电路的方法，所述电路包括主电路，所述主电路用于两个电池模组串并联切换，所述两个电池模组包括第一电池模组和第二电池模组，每个所述电池模组各有一个正极和一个负极，所述两个电池模组可由所述主电路配置为串联连接或并联连接，所述两个电池模组串联或并联后的正极和负极经由主正继电器、主负继电器、熔断器、正极电源线以及负极电源线电性耦接至包括电机控制器和电机的电驱动系统进行能量传递，所述主电路包括：电性耦接至所述第一电池模组的正极的第一电池正极端口；电性耦接至所述第一电池模组的负极的第一电池负极端口；电性耦接至所述第二电池模组的正极的第二电池正极端口；电性耦接至所述第二电池模组的负极的第二电池负极端口；具有第一端、第二端和至少一个控制端的第一开关，所述第一开关的第一端和所述第一开关的第二端电性耦接于所述第一电池正极端口与所述第二电池正极端口之间，所述第一开关的控制端可配置所述第一开关为双向电流导通状态或双向电流阻断状态；具有第一端、第二端和至少一个控制端的第二开关，所述第二开关的第一端和所述第二开关的第二端电性耦接于所述第二电池负极端口与所述第一电池负极端口之间，所述第二开关的控制端可配置所述第二开关为双向电流导通状态或双向电流阻断状态；电性耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺洪芝，
申请(专利权)人：贺洪芝，
类型：发明
国别省市：