在没有未被注意的电池关闭的情况下的健康状态确定的制作方法

本公开大体上涉及电池的健康状态的确定，同时防止未被注意的电池关闭。

背景

电池的健康状态确定对电动自行车、电动摩托车、电动车辆、电动叉车以及需要宽范围和动力电池能量作为电源的能量存储系统很重要。在电池的健康状态的确定中的适当机构的缺乏可导致在电池系统在服务期间的未被注意的关闭(或故障)。通常，电池系统的未被注意的关闭(或故障)由拥有较小的容量或较高的电阻的串联连接的电池(或电池组)中的一个引起。这个问题对锂离子电池系统特别严重，这是由于绝对截止电压通常为串联连接的每个电池(电池组)而设置。可导致电池系统的未被注意的关闭的一种情形是当在达到电池系统的工作下限截止电压之前串联连接的电池(或电池组)中的一个达到截止条件时。在这种情况下，电池系统关闭可在没有注意的情况下产生。

另一方面，在没有复杂和长时间的过程的情况下可能不容易进行健康状态的确定。例如，探测单独的电池或电池组容量分别涉及使每个电池循环。这是不能每日进行的长且复杂的过程，且因此增加了在用户的日常操作期间电池系统的未被注意的关闭的风险。

概述

在一个实施方式中，电池控制系统包括：包括电池系统的多个电池单元；以及耦合到多个电池单元的控制器，控制器被配置成对于每个电池单元监控第一电压和第二电压，第一电压相应于关闭电压的绝对值，而第二电压相应于警告电压，第一电压小于第二电压，其中响应于电池单元中的一个达到第二电压，控制器被配置成在任一电池单元达到第一电压之前提供第一警告。

附图的简要说明

参考下面的附图可更好地理解本公开的系统和方法的很多方面。在附图中的部件不一定按比例，相反强调清楚地示出本公开的原理。而且在附图中，相似的参考数字在全部几个视图中表示相应的部件。

图1A是示出实现电池控制系统的实施方式的示例性电池系统的方框图。

图1B是示出实现电池控制系统的实施方式的另一示例性电池系统的方框图。

图2是示出电池控制方法的一个实施方式的流程图。

图3是示出电池控制方法的另一实施方式的流程图。

图4是示出在电动高尔夫车中利用的电池控制方法的一个例子的点列图。

详细描述

本文公开了发明的某些实施方式，其涉及实现电池健康状态确定同时防止未被注意的电池关闭的电池控制系统和方法。在一个实施方式中，电池控制系统包括一个或多个控制器，其监控电池系统的每个电池的多个电压，包括绝对截止电压和警告电压，并向用户警告在电池系统中的即将发生的关闭。换句话说，电池控制系统的某些实施方式警告用户(或在诸如自动控制被需要的一些实施方式中的设备)响应于一个或多个电池达到警告电压而采取某些行动，因此避免或防止一个或多个电池达到绝对截止电压。在一些实施方式中，电池控制系统还提供健康状态确定，如下面进一步描述的。

暂时偏离主题，常规系统常常以其中系统关闭未被注意的方式操作，如前面所述的。除了电池系统的未被注意的关闭以外，拥有较短缺的容量的串联连接的电池或多个电池(或电池组)的健康状态的识别也很重要。例如，假设电动摩托车每次充电通常行驶50英里。如果英里数比预期的短，则向用户警告这个状况在防止突然的未被注意的电池关闭中很重要，作为第一优先级，同时通知用户电池系统是否在健康的状态中。提供关于较低电荷容量和电池(或电池组)的健康状态的这个信息使用户能够避免未被注意的关闭风险，且同时促使用户进行适当的行动，例如得到电池维修。在本公开的某些实施方式中，为了可在没有未被的电池关闭出现的情况下在每日(定期)进行的电池健康状态监控而引入简单且可行的方法以及装置(和系统)。

在概述了本公开的电池控制系统的某些特征后，现在将详细参考如在附图中示出的本公开的描述。虽然将结合这些附图来描述本公开，但是没有将它限制到在本文公开的实施方式或多个实施方式的意图。此外，虽然本描述识别或描述一个或多个实施方式的细节，但这样的细节不一定是每个实施方式的部分，也不是必须与单个实施方式相关的任何各种所陈述的优点中的全部。相反，意图是覆盖被包括在如由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的所有可选形式、修改和等效形式。此外，在本公开的上下文中应认识到，权利要求不一定限于在描述中阐述的特定实施方式。

注意，在本文对电池的提及指单个电池单体，以及在本文对电池单体组(或电池组)的提及指并联的几个电池单体。为了便于下面的描述的理解，如在本文使用的电池单元预期的是电池单体或电池单体组。此外，需要注意的是，在本文对模块的提及指串联和/或并联连接的电池单体(例如，13.3V 40Ah锂离子电池包括由串联的四个电池单体组组成的模块，每个组由并联的四个10Ah电池单体组成)。如在本文使用的电池系统指串联和并联连接的电池模块。将在整个本公开中使用上面提到的所有术语。

现在参考图1A，其示出说明实现电池控制系统的实施方式的示例电池系统10的方框图。在本领域中的技术人员应认识到，在本公开的上下文中，在图1A(和1B)中描绘的电池系统10仅仅是例证性的，以及具有部件的不同布置的其它电池系统可被使用，并可包含电池控制系统的某些实施方式。电池系统10包括串联布置的多个电池单元，包括电池单元12-26，如在图1A中描绘的。多个电池单元12-26通常可以用参考数字28表示。为了便于对电池控制系统的各种实施方式的理解，假设电池单元28被体现为电池单体，理解到电池单元28在一些实现中可被体现为电池组。此外，多个电池单元28在这个例子中共同定义单个模块。电池系统10还包括耦合到多个电池单元28中的每个的控制器30。多个电池单元28也串联耦合到负载32。在一个实施方式中，电池控制系统包括控制器30和多个电池单元28，但是一些实施方式可包括更少或额外的部件。在一些实施方式中，模块和控制器30可被装在同一集成设备中，且在一些实施方式中，模块和控制器可以是耦合的但分开的。

在图1A中的所描绘的实施方式中，在监控串联连接的每个电池单元12-26的电压时利用控制器30。对于每个电池单元12-26，两个电压被监控：第一电压是绝对截止电压，而第二电压是高于第一电压的警告电压。注意，对于被配置为电池组的电池单元，考虑到电池组的并联布置，只需执行该组的监控。同时，对于串联连接的所有电池单元28的总电压也作为系统电压被监控。使用车辆作为其中电池系统10可被使用的示例环境，理解到其它环境可使用电池系统10，在电池系统10的放电期间，如果达到第二电压，则第一警报(例如信号)通过诸如蜂鸣器、照明或任何模拟或数字机构的机构被发送到用户或车辆。在这个时刻，用户或车辆应减小负载32(例如，减小速度或电机rpm)，用于防止第一警报被连续地生成。如果负载减小没有防止第一警报连续地生成，则这个条件被称为放电的“结束”。在这个时刻，可在确定串联连接的电池单元28的健康状态时使用(例如，在电池模块处监控的)系统电压。如果电压仍然高于系统电压，则意味着还没有达到系统电压(例如，通常系统电压高于第二电压乘以串联连接的电池单元28的数量的乘数)，那意味着串联连接的电池单元28中的一个在容量上较短缺，这迫使电池系统10结束它的工作循环。在这样的情况下，显示(或表示)“需要维修”的第二警报被生成并由诸如蜂鸣声、照明或任何模拟或数字形式中的不同声音的任何机构发送到用户或车辆。如果系统电压在连续的第一警报之前被达到，或如果系统电压在第一警报是连续的时被达到并通过(即低于系统电压)，则没有“需要维修”警报产生。

图1B是实现电池控制系统的实施方式的另一示例电池系统10A的方框图。再一次假设对于每个电池单元的单个电池单体，理解到电池单元在一些实施方式中也可以是电池单体组，示例电池系统10A部分地包括与图1A所示的类似的特征。例如，多个电池单元28被示为串联连接在一起，其中每个电池单元28由用于检测第一和第二电压的控制器30A监控。在图1B中还示出串联布置的另一多个电池单元34，其中每个电池单元34由用于第一和第二电压的控制器36监控。多个电池单元28和34串联耦合在一起，其中每个电池单元也耦合到负载38。多个电池单元28包括模块40，且多个电池单元34包括另一模块42。在一些实施方式中，模块40和控制器30A(以及模块42和控制器36)可被封装在同一集成设备中。在一些实施方式中，模块40和控制器30A可被封装在一个集成设备中，而模块42和控制器36可被封装在不同于包括模块40和控制器30A的集成设备的同一集成设备中。在一些实施方式中，模块和控制器可以是耦合的然而分开的设备。与在图1A中的第一例子中的控制器30不同，在图1B中的控制器30A和36不被配置成监控健康状态和系统电压。注意，在一些实施方式中，控制器30A和36可被配置成监控健康状态和系统电压，然而不以那种方式(例如，功能被去激活或禁用)来操作。控制器44被包括在示例电池系统10A中并被配置成监控负载38和由此的系统电压，并提供健康状态确定(例如，容量短缺问题)。控制器30A、36和44(例如，经由有线或无线介质)与彼此通信(例如，如在使用虚线描绘的)以提供当电池单元28和34中的一个或多个已经达到警告电压时警告用户或设备(例如，车辆)的功能，且在达到截止电压之前这么做(如果出现的话)可导致未被注意的关闭或故障。换句话说，使用如对图1A-1B描述的电池控制系统，将意外地没有达到第一电压。在第二电压和第一电压之间的电池单元容量信息(例如，与在本公开的背景部分中使用的容量不同，容量或容量信息指在容量中的短缺的了解或指示器)使用户或设备能够在电池系统10(或10A)关闭之间进行适当的行动。例如，在串联混合电动车辆的情况下，发电机(通常由内燃机供电)可在电池系统10或10A关闭之前被触发。

注意，控制器30、30A和36分别用于监控(例如，检测)对于多个电池单元28和34的每个电池单元的第一和第二电压，且控制器44(和30)用于监控系统电压并提供串联连接的多个电池单元28和34中的每个的健康状态确定。在一些实施方式中，控制器30A和36可被配置成监控模块电压用于与由控制器44监控的系统电压进行比较。在一些实施方式中，控制器44可耦合到电池单元的一个或多个模块或与电池单元的一个或多个模块集成在一起，其中电池控制系统可通过监控每个电池单元(例如，电池单体或组)的电压并与包含几个这样的电池模块的电池系统电压比较来在每个电池模块中实现(或在一些实施方式中，控制器44不包含一个或多个电池模块)。

在一个实施方式中，控制器30、30A、36和44(以及在一些实施方式中，一个或多个电池模块)都可集成在单个集成设备中，例如集成电路(IC)、微控制器(MCU)或可编程逻辑控制器(PLC)，除了其它封装单元之外。在一些实施方式中，每个控制器30、30A、36和44可以是分立且分开的封装单元。换句话说，总电压检测和健康状态的确定(例如，诸如由控制器44执行)可由单独的IC、MCU或PLC(即，与控制器30A和36分离的)实现。在通过电池单体电压监控和总电池系统电压监控来防止未被注意的电池关闭和健康状态确定中利用的任何设备或系统被预期在本公开的范围内。

可鉴于上面的描述做出几个观察，包括下列项：(a)在上述电池控制过程期间，电池健康状态可在每日操作期间被监控和诊断；(b)上面所述的电池控制系统和方法可在每个电池模块中局部地实现，避免了对复杂的传感器、数据传输和/或对监控电池充电状态的大量计算的需要；(c)在本文所述的电池控制系统的简单性使车辆(或设备)的电子控制单元(ECU)能够比常规系统更可靠地和有效地工作。例如，在一些实施方式中，要传输的唯一数据可以排他地是“减慢”(例如，与第一警报相关)或“需要维修”(例如，与第二警报相关)；以及(d)电池控制系统只利用电压检测，并可实现“未被注意的电池系统关闭的防止”和“健康状态确定”。通常，电池控制系统的某些实施方式是简单且可靠的，并可在需要广泛且动态的电源的任何应用中是可适用的。

如在本公开的上下文中应认识到的，电池控制系统和方法的某些实施方式可在监控每个电池单元(例如，电池单体或组)并与模块电压进行比较的每个电池模块中实现，或可在包括监控每个电池模块电压并与电池系统电压进行比较的电池控制系统的电池系统中实现。在一些实施方式中，电池控制系统和方法可通过监控每个电池单元(例如，电池单体或组)的电压并与电池系统电压进行比较而在每个电池模块中实现，该电池控制系统包含几个这样的电池模块。

鉴于上面的描述，应认识到，如在图2中描绘的和由一个或多个控制器实现的一个电池控制方法10B包括监控在多个电池单元当中的每个电池单元(例如，电池单体或电池组)(46)，以及确定多个电池单元中的任一个是否包括达到相关警告电压的电压(48)。如果不，则监控继续(例如，返回到监控(46))。如果多个电池单元中的任一个不等于警告电压(“是”)，则提供第一警报(警报#1)(50)，其可包括减小负载(例如，减小车辆的速度或RPM)的指示或与减小负载的指令相关。电池控制方法10B还确定第一警报是否响应于减小负载(52)而被移除，以及如果是，则处理返回到监控(46)，以及如果否，则条件相应于放电的结束且处理继续监控总系统健康(54)。是否已经达到系统电压的确定(56)由控制方法10B做出。例如，如前面所述的，过程(56)涉及确定电压是否落到系统电压或之下。如果是，则电池控制方法10B放弃或制止发送警报(62)，否则第二警报(例如警报#2)被提供(60)。换句话说，如果系统电压在连续的第一警报之前被达到，或如果当第一警报是连续的时系统电压被达到并通过(即，在系统电压之下)，则没有“需要维修”警报被生成。注意，警报在被发出时可伴随或包括需要维修的消息。

被表示为电池控制方法10C并在图3中示出的另一方法实施方式包括在控制器中监控在电池系统的多个电池单元当中的每个电池单元(64)，确定电池单元中的任一个是否等于警告电压，对每个电池单元设置的警告电压在对每个电池设置的绝对截止电压之上(66)；以及响应于电池单元中的一个达到警告电压，提供第一警报以在多个电池单元中的任一个达到绝对截止电压之前减小耦合到多个电池单元的负载(68)。

几个例子可帮助使用如在本文公开的电池控制系统来示出一些示例操作。应认识到，在这些例子中使用的值仅仅是例证性的，以及其它值可根据情况来实现。在被称为例子1的一个例子中，假设电池系统在高尔夫车中实现，高尔夫车配备有串联的两个模块。每个模块包含被体现为串联的电池单体组的八(8)个电池单元，且每个电池单体组包含并联布置的八个8Ah电池。在本例子中使用锂离子电池。如本领域中的技术人员应认识到的，锂离子电池指使用LiFePO₄或LiFePO₄的非化学计量形式作为阴极材料的那些电池，如在例如US7494744(B2)、US7585593(B2)、US7629084(B2)和US7718320(B2)中公开的。在每个电池模块中，控制器用于监控串联连接的八个电池单体组。对于每个电池组，第二电压(例如，警告电压)被设置为2.8V，而第一电压(截止电压)被设置为2.0V。在当前情况中，系统电压被监控并被设置为48V。图4示出在持续22km(等于13.8英里)的距离的测试运行的结果。

如从图4中注意到的，在测试运行期间观察到的连续蜂鸣声在被标记为“在放电期间的最低电压45.59”的点周围。在这个时刻，由于45.59低于预设系统电压48V，因此没有“需要维修”警报(例如，信号)被生成。这意味着电池单元在容量上实质上是相同的，因此总电压小于预设系统电压48V。换句话说，电压读数45.59被达到，这是因为电池单体中的一个达到2.8V，且电池单体组的其余部分贡献(45.59-2.8)＝42.79V。如果对其余15个电池组取42.79的平均值，则每个电池组贡献2.85V，其非常接近于触发2.8V警报的电压。如果当系统电压在50V(高于系统预设电压48V)处时单体组中的一个达到2.8V，则对于其余15个电池组的(50-2.8)＝47.2V的平均值被得到为47.2/15＝3.15V，其非常不同于2.8V，因而“需要维修”应被生成。值得注意的是，仅仅系统电压可能不反映真实的个体电池电压。使用个体电池电压(第二电压)作为第一警报的基础并使用系统电压作为电池健康状态的检查更可靠。

作为被称为例子2并在电动车辆的背景中描述的另一例子，CMOS电动车辆用于演示。在CMOS中实现的电池系统由串联的三个模块组成。每个模块包含被配置为串联的组的8个电池单元，且每个电池组包含并联的五个10Ah电池。在当前的情况下再次使用锂离子电池。在每个电池模块中，在监控串联连接的八个电池组时使用控制器。对于每个电池组，第二电压被设置为2.8V，且第一电压(截止电压)被设置为2.0V。在当前的情况下，系统电压被监控并被设置为72V。在64.7km的行驶之后，蜂鸣器开始发声。在这个实例中，行驶速度降低到20km/hr且没有声音生成。在另外4km的行驶之后，车辆开始连续地发声。此时没有“需要维修”信号生成，且电池模块电压被测量为21.3V、24.16V和23.72V，其低于72V预设系统电压。

认为相同的技术可用于监控三个模块电压并与系统电压比较。如果模块中的一个展示较低的电压(例如，20V)并生成警报且总电压高于72V(例如，75V)，则可识别出在模块之间的明显的不平衡，这是因为其它两个模块应具有(75-20)/2＝27.5V的平均电压，且因此“需要维修”警报(例如，信号)应被生成以吸引用户的注意。

在本文被称为例子III的又一例子中，不间断电源(UPS)用作电池控制系统的实施方式的示例环境。在这个例子中，3kW UPS用于演示。在UPS中实现的电池系统由仅仅一个模块组成。模块包含串联的16个电池组，且每个电池组包含并联的四个10Ah电池(2kWh模块)。在当前的情况中再次使用锂离子电池。在电池模块中，在监控串联连接的16个电池组(每个有8个通道)时使用两个控制器。对于每个电池组，第二电压被设置为2.8V，而第一电压(截止电压)被设置为2.0V。系统电压被监控并被设置为48V以用于警报。观察到，如果电池组中的一个比其它电池组提前放电20％且第二电压(2.8V)警报被禁用，则在系统关闭被第一电压(2.0V，电池组截止电压)触发之前，48V警报可以不发声。这展示在仅使用系统电压作为警报时的故障。由于常规UPS操作为：在系统电压低于48V时警报，在系统电压低于45V时关闭。因此组合用于在系统关闭之前通知用户的由第二电压生成的其它警报是理想的。如果连续的第二电压警报在达到预设系统电压警报(48V)之前发声，则电池组的健康状态被确定为NG，且“需要维修”应被生成以吸引用户的注意。

注意，可选的实现可被包括在本公开的范围内，其中功能可以按与关于图2-3示出或讨论的顺序不同的顺序来执行，包括实质上同时或以相反的顺序，这取决于所涉及的功能，如本领域中的有合理技能的人所理解的。

应强调，本公开的上述实施方式仅仅是实现的可能例子，仅仅为了电池控制系统和方法实施方式的原理的清楚理解而被阐述。可对上述实施方式作出很多变化和修改而在精神和原理方面实质上不偏离。所有这样的修改和变化在本文被规定为被包括在本公开的范围内并被下面的权利要求保护。