包括控制系统的电池系统的制作方法

描述

本发明涉及一种电池系统，例如用于电动或混合动力的电动车辆(ev)。

背景技术：

一种例如用于ev的电池系统需要在加速情况下提供高性能，在初始冷或热的条件下在负载下启动，提供持久耐用的服务寿命，提供高能量密度以最小化整体重量，并且在适当的保修期内保持无故障，以及具有尽可能低廉的价格。目前市场上的ev电池组由选定的电池单元化学物质的多个电池单元构成，具有作为上述所有特性的最佳折衷方案的定制性能。

通常，每一类电池单元化学物质具有特定的内部阻抗或者电器串联电阻(esr)，其根据充电/放电速度、电池的温度或年龄而变化，这些通常因电池单元化学物质之间存在差异。

单一的电池单元化学物质不可能各方面都优秀，且在范围、寿命和成本方面努力提高电池性能的电池制造商可能会为充电效率妥协。为了帮助改善单一电池单元化学物质的缺点，us2013/0141045公开了具有主电池的电池组，该主电池具有适用于大功率输送的化学物质，以及具有提供高能量密度存储的化学物质的补充电池。主电池和补充电池之间切换，并且主电池优先于补充电池。

尽管，优先于补充电池对主电池进行切换，可能会导致主电池消耗殆尽，但要求使用补充电池代替主电池并暂时失去主电池的优点，直到电池组可以被充电。例如，一旦主电池被耗尽，车辆快速加速的能力将会明显受到影响，即使补充电池中仍存在着大量电荷。

本发明的目的是提供一种用于全面的电池工作条件的更有效的电池系统，例如，提供一种能够在冷热结合的条件下运行良好的电池系统，在高功率需求下，其具有高能量密度，其可以提供高的循环寿命，其允许对寿终电池单元和/或缺陷电池单元进行电池局部置换，并且针对电池单元成本优化电池性能。本文所用术语“寿终电池”指的是随着时间的推移其性能显著降低并且需要更换的电池。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，提供了一种电池系统，包括:控制系统和多个子电池，子电池具有彼此不同的电池单元化学物质，从而导致彼此不同的放电特性，其中多个子电池彼此并联以向输出端传输功率，其中每个子电池包括多个用于彼此串联以形成串联电路的电池模块，并且其中控制系统被配置为将一些电池模块切换入和切换出串联电路以控制每个串联电路中连接多少个电池模块，从而控制哪些子电池对输出端贡献最大功率。

相应地，每个子电池的电压电位趋向于彼此均衡，因为它们是并联的，并且子电池的不同放电特性意味着一些子电池比另一些子电池向输出端供应更多的电流(以及功率)。例如，如果具有13v的负载电压和1欧姆的内电阻的第一子电池与具有13v的负载电压和0.5欧姆的内电阻的第二子电池并联，然后将负载连接至从子电池中抽取1a电流的子电池，由于从第一电池供应0.33a电流，并且从第二电池供应0.66a电流的内电阻，将会导致子电池的电压降低到12.66v，这对本领域技术人员来说是显而易见的。为了避免疑惑，负载电压指的是当没有电流从子电池中抽出时子电池的电压。

每个子电池的电池模块的进出切换调节子电池的负载电压，以控制整体功率的比例，该整体功率是由子电池输送的。继续上述示例，如果要增加第一子电池的贡献，则可以通过将另一个电池模块切换到第一子电池的串联电路来提高第一子电池的负载电压，从而将第一子电池的负载电压从13v升高到，例如13.5v。从而，由于当连接1a的负载，从第一子电池供应0.66a电流，并且从第二子电池供应0.33a时的内电阻，子电池的电压将会降低到12.833v。

因此，电池模块的切换允许每个子电池通过将更多电池模块切换入子电池的串联电路中占据更多的主导地位，或者通过从子电池的串联电路中切换出电池模块变得不那么主导。相应地，该切换允许控制来自每个子电池的功率的相对比例。优选地，控制系统包括电池控制单元，其被配置为监控电池系统的总体充电状态和单个子电池的充电状态，以及基于上述控制电池模块的切换。

选择哪一个子电池主宰对输出端的功率控制的能力允许电池系统在最适合该放电特性的操作状态或环境下利用特定类型的子电池的放电特性，进行更高效的运作。因此，可以实施彼此具有不同放电特性的多个子电池，将具有最适用于当前需求的放电特性的子电池切换为主导向输出端供应功率。不同的放电特性对应于不同的电池单元化学物质。可以对一个或多个电池单元化学物质类型实施多个子电池。

在不利用本发明的切换的情况下，简单地并联具有相同的初始电压电位但是不同的电池单元化学物质的两个电池，通常会导致其中一个电池成为主导，并且将不会有效地加载不同电池技术的其他电池的共享。相应地，通常不能完成将具有不同化学物质的电池彼此并联，并且电池制造商常常警告不要使用彼此不同类型的组合的电池单元。例如，在包括两个子电池的电池系统中，一个具有针对高放电率的电池单元化学物质的电池和另一个具有针对高容量的电池，如果子电池之间并联并且置于高负载下，那么由该系统输送的功率将主要来自于高放电率电池，来自高容量电池间的共享将会逐渐增加，直到高放电率电池完全放电，在这种情况下，高容量电池将不能保持高负载，并且过早地关闭。

然而，利用根据本发明的切换，能够通过将电池模块从具有高放电率电池的子电池中切换出来，限制来自高放电率电池间的共享，从而在需要时保留电池输送高放电电流的能力。例如，在高放电电流下，高放电率的子电池将会减少串联的电池模块的数量，从而减少其有效负载电压。随后，两种子电池技术的内电阻中的错误匹配允许两种子电池具有更均衡的放电，与其容量成比例地向负载供电。由高放电率子电池断开的串联电池越多，高容量电池被迫提供的功率越高。

根据本发明的第二方面，提供了一种管理电池系统的方法，电池系统包括控制系统和多个子电池，其具有彼此不同的电池单元化学物质，从而导致不同的放电特性。多个子电池彼此并联以向输出端传输功率，其中每个子电池包括多个用于彼此串联以形成串联电路的电池模块，并且其中控制系统被配置为将一些电池模块切换进和切换出串联电路以控制每个串联电路中连接多少个电池模块，从而控制哪些子电池对输出端贡献最大功率。该方法包括测量电池的输出功率和切换电池模块使得具有最适合于测量过的输出功率的化学物质的子电池向输出端贡献最多的功率。

该方法包括：响应于检测到第一子电池具有比第二子电池更低的充电状态，切换电池模块以从第二子电池向上充电第一子电池。例如，如果移除负载，可以完成高容量子电池的增加的负载电压用于再充电高放电率子电池，随着高放电率子电池的充电增加更多串联电池模块。

可以控制切换以确定在子电池中串联有多少个电池模块，因此任何子电池的贡献级别可能必须接收或交付费用。例如，在寒冷天气下，电池系统可以安装子电池使得具有适用于寒冷气温的化学物质的子电池相比于其他子电池具有更多串联电池模块并且供应主要部分的功率。可选地，具有适用于长循环寿命的电池单元化学物质的子电池模块可以被配置为提供主要部分的功率，可选化学物质的子电池被切换以在高需求期间或电池将被耗尽时提供更高比例的功率。

具有高能量密度的子电池或者子电池间的组合可以被切换以向其他子电池供应充电电流，以及潜在地向负载供电。例如，电池控制单元可以检测其中一个子电池何时具有低充电状态，并且响应地切换电池系统的电池模块以向具有低充电状态的子电池充电。这可以通过将至少一个电池模块切换出具有低充电状态的子电池的串联电路来实现，或者通过将至少一个电池模块切换入至少一个其他子电池的串联电路来实现，从而使得具有低充电状态的子电池可以从其他子电池抽取电流。

子电池内的任何电池模块可以被切换并且将模块进出循环也将是保持电池模块内电池平衡的过程。电池模块的切换还可以提供电池组隔开有故障的电池而不需要显著地影响电池整体性能的能力。

有利地，电池控制单元可以被配置为指定将与每个子电池的串联电路连接的电池模块的数量，并且每个子电池可以包括配置为接收电池模块的数量指定的子电池控制单元，并且确定哪些电池模块将连接至串联电路以组成指定的数量。相应地，控制哪些特定的电池模块连接到串联电路中可以被委托给子电池控制单元。

子电池控制单元可以被配置为连续且顺序地从电池模块的总体数量中重新选择电池模块的指定数量，以将所有的电池模块保持在彼此相似的电荷水平。有故障的电池模块还可以通过子电池控制单元检测并被排除在待选择之外。

每个电池模块包括控制系统的电池控制单元，被配置为从相关子电池控制单元中接收指令并根据指令将电池模块切换入和切换出相应串联电路的电池控制单元。

具体实施方式

现在将仅通过非限制性示例并参照附图描述本发明的实施例，其中：

图1示出了根据本发明的实施例的电池系统的框图；

图2示出了形成部分图1实施例的子电池的框图；

图3示出了根据图1实施例的一个示例的电池系统中使用的电池单元化学物质的成分比例的饼形图；以及

图4示出了在图3的电池系统放电时子电池充电状态的图表。

这些附图不是按比例绘制的，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1的框图示出了具有电池控制单元100的电池系统。电池控制单元100包括控制处理器102，其连接至数据收集单元101、使用/充电预测单元103、以及电源可用/控制单元104。控制处理器102还连接至通信总线106，并且将电池系统的当前状态信息发送至通信总线106，以通知任何连接的装置电池系统的状态。例如，在一个实施例中，图1示出的电池系统形成ev的一部分，并且通信总线106发送电池系统的整体充电状态的信息，以便显示给车辆驾驶员。

电池控制单元100连接至子电池通信总线215，并且子电池通信总线215连接至n个子电池130中的每一个子电池的子电池控制单元131。电池系统包括大量子电池130，例如在一个示例中不同的子电池，n＝12，尽管n最低可以为2，用于简单的电池系统。

电池系统具有用于从电池系统输出电功率的输出端107。电池控制单元100的控制处理器102连接至电池电源隔断单元105。电池电源隔断单元105是主要接触器或者其他适当的功率切换装置；由此，如果需要，输出端107可以与电池隔断。

电池电源隔断单元105连接至电源总线120，并且子电池130彼此并联连接在电源总线120和电源返回总线150之间，使得子电池130全部被迫具有彼此相似的电压电平。

每个子电池的子电池控制单元131是由微控制器、存储单元、以及电源隔断单元形成。除了连接至子电池通信总线215，每个子电池控制单元131还连接至电池模块通信总线214。电池模块通信总线214连接至子电池的每个电池模块的电池模块控制单元141，因此子电池控制单元131可以与电池模块140通信。

每个子电池的电池模块彼此串联，形成从电源总线120电源返回总线150的串联电路。每个电池模块连接至子电池的相应开关142，用于将电池模块切换入和切换出串联电路。明显地，将附加的电池模块140切换入串联电路将会导致由子电池130呈现至电源总线120的负载电压更大，当输出端107被加载时增加与其他子电池相比由子电池供应的电流的比例。

子电池控制单元131处理从电池模块140接收到的例如是放电状态信息的数据，以及校验该信息，并通过子电池通信总线215将信息发送至电池控制单元100。

数据收集单元101通过子电池通信总线215从每个子电池130收集数据110、以及ev和操作环境的操作数据，其包括外部温度、近期电力需求信息、车辆加速/减速、为了确定/预测每个子电池电力需求/充电的需要的充电供应。

控制处理器102处理所收集的数据101，并提供电源可用性计算，包括计算电池系统的整体充电状态。

虽然图1示出了具有三个子电池130的电池系统，但是子电池n能表示电池系统内待实施的子电池的任意实际数量。至少两个子电池由不同的技术或化学物质彼此组成，使得它们具有彼此不同的放电特性。

虽然图1示出了每个都具有三串子电池模块140的子电池130，但是电池模块n能表示每个子电池内待实施的电池模块的任意实际数量。电池模块的数量越大，微调电池组负载电压的灵活性越大，以微调子电池对电池的整体功率输出贡献的功率份额。电池模块数量越多还有助于限制鼓掌的电池模块的子电池的影响。

图2为每个子电池130及其电池模块140的更详细的视图。子电池控制单元131包括子电池通信模块211、子电池控制器212和子电池电源隔断控制件213。子电池通信模块211连接至子电池通信总线215以与其相互通信，还连接至子电池控制器212。子电池控制器212连接至电池模块通信总线214，还连接至子电池电源隔断控制件213。

子电池电源隔断控制件213控制连接在电源总线120和子电池的串联电路230的第一端231之间的开关216。如果需要的话，开关216可以用于从电源总线120断开子电池的串联电路，例如，如果子电池故障，或者如果子电池完全不需要向电源总线120供应任何功率。开关216可以是如接触器的机械装置，或如功率场效应管或类似的电子功率隔断装置。

子电池控制器212通过子电池通信模块211和子电池通信总线215从电池控制单元100收集信息或接受命令。子电池控制器212还可以通过电池模块通信总线214从每个电池模块140收集信息或接收命令。基于从电池控制单元100和电池模块140接收的信息，子电池控制器212控制子电池电源隔断213、216。

子电池包括许多个电池模块140，其可以被切换入和切换出串联电池模块，切换入串联电池模块的电池模块的数量越多，子电池130的负载电压越高。电池模块大体上彼此相同，因此在图2中仅详细示出了顶部电池模块“电池模块a”。

每个电池模块具有两个电力终端t1和t2，其将电池模块串联在串联电路内因此电池模块可以将电功率传输至串联电路230。串联电路230具有第一端231和第二端232，可以在这两端之间切换入或切换出电池模块。第一端231通过开关216连接至电源总线120，并且第二端232连接至电源返回总线150。

为了实现电池模块的进出切换，每个电池模块连接至在串联电路230和电池模块之间的电源隔断开关247，用于从串联电路连接或隔断电池模块。每个电池模块还可以连接至电源旁路开关246，其电连接至电池模块上方和下方的串联电路230。在电源隔断开关247打开以将电池模块与串联电路隔断的情况下，电源旁路开关246闭合以绕开电池模块，从而保持第一端231和第二端232之间的串联电路的连续性。开关246和247共同形成开关142，并且如果需要的话可以被实施为一个双掷开关而不是两个单独的开关。

开关142由电池模块根据子电池的需要来控制，或者作为故障检测的结果且是合适的技术(场效应管、双级结式晶体管、接触器或任何其他机械或电子电源开关装置)。电源旁路开关247允许电池模块从串联的模块隔断其电池，并且以串联配置将模块上下连接，以保持连续性并绕过切换出的电池模块。可以并入电子防范技术，以允许在切换入和切换出电池模块发生期间不间断地从子电池供应。

顶部电池模块“电池模块a”可以通过关闭电源隔断开关247被切换入串联电路230以将其连接至串联电路230的第一端231，并通过打开电源旁路开关246。如果通过打开电源隔断开关247和关闭电源旁路开关246将顶部电池模块切换出串联电路，那么下一个电池模块将会通过电源旁路开关246连接至串联电路的第一端231，以此类推。可以绕过任意数量的电池模块。可以通过关闭电源隔断开关247_1并打开电源旁路开关246_1将底部模块“电池模块a”切换进去，或者通过打开电源隔断开关247_1并关闭电源旁路开关246_1将其切换出去，以将串联电路连接至电源返回总线150。

每个电池模块140包括串联/并联的电池单元堆叠243，其存储由电池模块保持的电荷。串联/并联电池单元堆叠243是由单电池单元技术或单一化学物质的电池单元组成，例如但不限于；锂离子、锂硫、锂锰钴、钛酸锂。串联和/或并联的电池单元的数量是1个以上，取决于电池系统的需求和子电池的实际配置，由实际电池应用的需要确定。

每个串联/并联的电池单元堆叠243包括多个彼此并联的链，每个链包括多个彼此连接的电池。串联的电池越多，当从串联串移除电池模块时，子电池上的电压降越大。并联的电池越多，保持电池组容量需求所需要的电池模块的数量越少。

每个电池模块控制单元141包括电池模块控制器242、连接至电池模块通信总线214的电池模块通信单元245、以及电源隔断241和控制开关246、247的电源旁路244控制器。电池模块控制器242是监控电池单元堆叠243内的电池的状态和健康的处理器，并且该处理器还可以从其接收命令并通过通信单元245和总线214将数据发送至子电池控制器212。

电池模块控制器242控制电源隔断241和电源旁路244以对开关246、247切换。实施电子控制以确保当隔断开关247以防止电源模块串断路或电池模块断路情况的方式打开时，旁路开关246关闭。可选地，当实施切换时，子电池控制器212可以使用开关216从电源总线120隔断子电池以防止在负载下切换。

相应地，每个子电池能够通过隔断其电源并有限地将电池模块短路来将单个电池模块切换出电池模块串联串，以连接上面的电池模块的负极t2，并连接下面的电池模块的正极t1。可以在电池模块和子电池中实施合适的电子保护装置以防止潜在的部件故障和失效。如果检测到电池模块内的故障，可以隔断该电池模块且使子电池继续运作，尽管是以较低的电压运作。当需要从故障子电池中抽取电力时，电池组控制模块可以在命令其他子电池时减少子电池的数量来进行补偿。

子电池控制器212通过总线215从电池控制单元100接收命令以将指定数量的电池模块连接至串联电路230。可以根据子电池要提供的负载电压来明确电池模块的指定数量。然后，子电池控制器选择要被切换入串联电路230的电池模块140的指定数量，并通过操作与其连接的开关246、247来命令选定的电池模块通过总线214切换入串联电路230。

已经从电池模块串联串移除的电池模块可以与能够被移除的其他电池模块循环地交换，目的是保持所有电池模块的充电状态平衡。例如，通过将串联子电池模块的数量从10降低到9来操作的子电池可以看到电池模块1移除了比如说5秒，然后当电池模块2移除了5秒时切换进入，然后模块3继续，直到返回重复循环的模块1，或者子电池被命令为连接所有10个电池模块。如果需要切换出两个或更多模块，那么相同的数量每5秒切换一次。相应地，可以连续且顺序地从电池模块的整体数量中重新选择指定数量的电池模块，以将电池模块都保持在彼此相似的电荷水平。显然上述给出的替代时间安排可以在替代实施例中实现。

如果在电池模块内检测到故障，子电池控制单元就将该电池模块标记为故障电池模块，然后仅从非故障电池模块中选择指定数量的电池模块。

电池系统可以管理任意子电池的供电，使得确定的子电池类型可以在使用时优先被耗尽，从而确保用于该任务的最佳子电池首先被耗尽。具有良好的低温性能的电池可以在冷时占据主导，具有高比功率(highspecificpower)的电池可以在加速时占据主导，具有高能量密度的电池可以作为储备电池，以及具有良好耐力的电池可以在正常运行条件下占据主导。

图3描述了可用的电池布置，包括12个子电池130，其中1个子电池包含适用于低温的电池单元化学物质，2个子电池包含适用于传输大功率的电池单元化学物质，4个子电池包含可以提供高能量密度的电池单元化学物质，以及5个子电池包含适用于高耐力和长循环寿命的电池单元化学物质。

取决于当前功率需求或者环境条件，电池控制单元100发送命令至单独的子电池以切换入或出功率模块，有效地控制任意子电池单元化学物质类型的支配。

例如，在汽车应用中，大多数电动汽车拥有者在再充电之前仅仅使用了电池容量的40％，因此电池控制单元可以控制每个子电池中电池模块的切换，使得当整体电池电量大于60％时具有长久寿命的电池的子电池占据主导，因此优先于其他类型的电池而耗尽。

图4表示在汽车电池使用期间特定的电池单元技术可能怎样占优势地放电。冷启动可能需要适用于低温和大功率的电池单元化学物质的优势，因此前10％放电的电池单元可能会比因为冷、功率和耐用而定制的电池单元占据更多比例。对于接下来的30％的电池放电，可能会看到高耐力电池单元产生的功率要高得多(可能会消耗60％以上)。如果电池单元在此时充电，高耐力电池将可能被消耗超过60％，反之大功率电池单元可能已经消耗了30％，冷启动电池消耗了15％以及高能量密度电池消耗了20％。由于电池单元进一步被消耗，其他电池技术的需求将会赶上，使得当该电池完全被耗尽时，切换所有技术类型的电池单元以确保它们已经完全被利用。

落入本发明范围内的所描述的实施例的许多其它变型对于本领域技术人员将是显而易见的。