专利名称：具有多个电能发生元件的电池的制作方法
具有多个电能发生元件的电池引言本发明涉及例如可以用来推进电动车辆或混合发动机车辆的电池，其中混合发动机车辆为驱动主动轮的电动机与驱动这些主动轮或也驱动其它主动轮的内燃机结合的车
辆。 更具体地，本发明应用于可以达到动力传动系统的完全电气化的、高度混合化的车辆。在此情况下，电池不再只是用来在加速阶段辅助车辆，而且还用来提供车辆在或大或小距离上的运动。根据本发明的电池也能够应用于其它技术领域，例如其它运输方式中，特别是航空运输中的电能存储。此外，在诸如风力发动机的固定的应用中，也可以有利地利用根据本发明的电池的确保安全。为了确保正在讨论的应用所需的功率和/或能量的水平，需要制造包括安装在电产生电路中的多个电能发生元件的电池。传统地，电能发生元件包括柔性或刚性的密封封套，其配备有用于把元件连接到产生电路上的两个端子。堆叠的或卷绕的相继充当阴极和阳极的电活化层被设置在封套中，电活化层与电解液接触。特别地，可以使用锂离子或锂聚合物类型的电气化学元件来产生所需电能。电能发生元件可能会有故障，例如由磨损、有缺陷的作工或误用导致的故障，故障可能妨碍电池的良好功能，特别是对使用安全和/或所预期的电的产生。特别地，有缺陷的元件可能受到一连串的发热的化学反应，可能导致热逸散，热逸散结合在密封的封套内的气体产生，引起把元件置于爆炸危险下的发散反应过程。从现有技术可知，为了确保和维持电池处于良好的运行状况，使用二极管，这些二极管被布置为分路有缺陷的元件或元件组的电流、特别是当后者超过预定电压范围时。然而，在推进电动机车辆所必需的高功率和高能量电池的情况下，例如，在需要几百伏特(通常在300伏特和700伏特之间)的运行电压的情况下，实现这一方案近乎于不可能。实际上，二极管中的能量分路是热消散的，而当电池的尺寸更大时，有关的热产生可能迅速地变得不可处理。法国公开2803123(参见相关美国专利6，741，437)文本中提出了另一种可选的实现方案，该方案预想把有缺陷的电池元件放电到能量消耗装置上，从而使得一旦放电完成，就能够在没有危险的情况下把该有缺陷的电池元件短路。然而，这样的能量消耗装置引起明显的温度上升，以及可能超过安全保护要求的元件的延时的安全保护。此外，就被完全放电的电池元件变得永久不可用这点来说，这一方案不允许可逆操作。还知道可能是烟幕爆发式的、允许一个或若干电池元件在没有热消散的情况下以诸如毫秒量级的较短分路时间间隔被分路的激励器。因此，改进了被分路元件的不必要的短路现象的过渡特性，从而使得可以限制在元件的安全性和损害方面的后果。尽管通过极度地减少分路时间间隔而最小化了短路的危险，但是当电池更大而且它们的运行电压增加时，在电路打开期间，出现了另外的导致电弧的风险。烟幕爆发式的激励器的过渡时间的快速性使得不可能避免这些电弧形成的风险。而且，在高能电池的每个元件上都安装这些激励器的话，这些激励器仍然太昂贵了，并且体积也太大。此外，由于它们只能运行一次，所以它们的不可逆性不允许为了在维护操作期间确保电池安全而使用它们。而且，为了确保高能电池使用的安全，为了能够切断产生电路，通常把电力接触器串联连接。特别地，理论上，被称为维修插头的、能够手动操作的断路器用来确保维护操作的安全。然而，这样的接触器昂贵、体积非常大，因此只是被安装在电池端子上。从而，它们的打开既不防止电池内高电压的出现，也不防止电池内短路的风险。还有，关于安全性，注意到电池的容量相对其安全行为的重要性是很重要的。实际上，电池和元件容易发生(由隔板的缺陷、枝状晶体的出现、金属杂质存在等产生的)内部 短路，可能导致集中在这些短路区域中的温度升高，从而触发元件的热逸散。关于管理这一风险最有影响的一个因素仍然是电池容量。实际上，电池容量越大，电流密度和局部温度升高也将越大，从而促使发散反应的开始。因此，不论高容量元件是在产生电路中被串联连接为一个单元，还是被并联地分组在单元中，确保安全地在电池中实现它们都非常困难。而且，为了保证使用寿命并优化电池的自治和功能性，把串联连接的元件或单元完美地电平衡是很重要的。实际上，被过分放电或充电的元件可能被改变了，使得它们的服务寿命被缩短了，或者在极端情况下，能够导致热逸散的风险。在特定温度下，其容量被完全放掉了的元件越过电压阈值就意味着其容量已经被耗尽了。由于产品质量的变化和不同的老化动态，元件的固有容量可能被或多或少地分散。只要最弱的元件将被耗尽，也就是说，将越过低电压阈值，电池的放电就会被停止。因此，不能使用还没有被完全耗尽的元件中包含的所有能量。相反地，在再充电期间，当元件中的一个将越过高电压阈值时，过程将被停止。于是，电池将不会是完全地充满的，从而导致需要充电的车辆的路程的损失。为了继续对电池充电，为了把充得最满的元件的电压带回到其它元件的电压的水平，可以把其包含的能量消散到电阻中。这样的策略需要时间来达到平衡的水平并把能量以热的形式消散。这种温度的升高可能额外地引起可靠性问题。
发明内容
本发明旨在通过特别地提出一种高能和高功率电池，其每个元件都能够在不中断电的产生的情况下被从产生电路中非常安全地分路出去，来克服现有技术的缺点。而且，可以选择性地、可逆地进行上述分路，以在电池的充电期间以及放电期间避免与有缺陷的元件有关的风险、确保维护操作的安全、保证串联连接的元件或单元的平衡。为此，本发明提出一种包括被安装在电产生电路中的多个电能发生元件的电池，每个元件容纳于密封的封套中，密封的封套配备有用于将元件连接到产生电路的两个端子。每个元件的端子通过第一器件连接到产生电路，第一器件用于电切换元件与产生电路的连接，并且每个元件都装备有分路回路，该分路回路连接在该元件的端子的两端从而在保持产生电路的闭合的同时分路该元件，该分路回路配备有用于电切换其与产生电路的连接的第二器件。本发明在更多领域的应用将通过下面所提供的详细说明而变得明白。应该理解，这些详细的说明和具体的例子只是说明性的，而非用来限制本发明的范围。
图IA-图IB示出根据本发明的电池的产生电路中的电池单元的示例装配；图2A-图2C示出根据本发明的电池的产生电路中的电池单元的功能示意图；图3A-图3B为示例电池系统的功能框图，每个框图都包括根据本发明的电池单元的示例实现；图4为包括根据本发明的电池单元的例子实现的例子电池系统的功能框图；图5A-图5B为根据本发明的示例开关的功能示意图。应该注意到，这里给出的图是用来为了说明某些实施例而例示本发明的部件、方法和设备的一般特性的。这些图可能没有准确地反映任何给定实施例的特性，并且不必用来在本发明的范围内定义或限定具体的实施例。
具体实施例方式下面对本发明的说明本质上只是一个或多个发明的主题、制作和使用的示例性的说明，并非用来限制本申请，或其它可能递交的要求本申请优先权的其它申请，或从其发出的专利中要求的任何具体的发明的范围、应用或使用。在此具体实施方式
的末尾给出了用来帮助理解本发明的对术语和措辞的非限制性讨论。如在这里所使用的，术语“模块”可以包括或是下列的一部分专用集成电路(ASIC)、电子电路、组合逻辑电路、场可编程门阵列(FPGA)、执行代码的处理器(共用的、专用的或分组的)、其它提供所描述的功能性的合适部件、或诸如单片系统的上述中部分或所有的组合。术语“模块”可以包含存储处理器执行代码的存储器(共用的、专用的或分组的)。如上面所使用的，术语“代码”可以包括软件、固件和/或微码，也可能指程序、例程、函数、类和/或对象。如上面所使用的，术语“共用”的意指来自多个模块的某些或全部代码可以用单个(共用的)处理器执行。另外，来自多个模块的某些或全部代码可以由单个(共用的)存储器存储。如上面所使用的，术语“分组”意指来自单个模块的某些或全部代码可以用一组处理器执行。另外，来自单个模块的某些或全部代码可以用一组存储器存储。参见图1A，描述包括例如电能发生元件104和108的多个电能发生元件的电池。虽然示出并描述元件104和108，但是电池可以包括更大数目的元件。元件104和108被连接在电产生电路中。特别地,元件104和108的电化学可以为锂离子或锂聚合物。元件104和108中的每一个都被容纳于密封的封套中，该密封的封套配备有两个端子，即阳极和阴极，用于将元件连接到产生电路。仅作为例子，元件104包括阳极端子112和阴极端子116，元件108包括阳极端子120和阴极端子124。在封套中，布置有堆叠或卷绕的相继充当阳极和阴极的电活化层，电活化层与电解液接触。电活化层可以容纳于柔性 的封套中。可替代地，它们也可以容纳于刚性的容器中。根据一种实施方式，元件104和108可以被串联连接在产生电路中。根据另一种实施方式，电池包括被串联连接在产生电路中的多个单元130，每个单元130都包括并联连接的至少两个元件104和108。在附图中，单元130包括并联连接的两个元件104和108。元件104的阴极端子116可以通过第一器件134连接到产生电路，该第一器件134用于电切换产生电路的元件104的连接。元件108的阴极端子124可以通过第二器件138连接到产生电路，该第二器件138用于电切换产生电路的元件108的连接。在另一种实施方式中，例如图IB的示例，元件104的阳极端子112可以通过第一开关器件134连接到产生电路，第一开关器件134用于电切换产生电路的元件104的连接。元件108的阳极端子120可以通过第二开关器件138连接到产生电路，第二开关器件138用于电切换产生电路的元件108的连接。现在参见图IA和图1B，元件104和108装备有分路回路150。分路回路150被连接在元件(例如，元件104和108)中的每一个的端子的两侧，从而在保持产生电路闭合使得连接到产生电路的其它元件能够继续提供所需电力的同时，能够分路该元件，因此电流 不再穿过该元件。为了能够分路产生电路的元件(例如，元件104和/或108)，分路回路150装备有用于电切换元件与产生电路的连接的第三开关器件154。特别地，第一开关器件134、第二开关器件138和第三开关器件154分别允许更改元件104、元件108和/或分路回路150与产生电路的连接状态，特别是如在开关的情况下打开或闭合连接。元件104和108还可以装备有分离器，通气孔，和/或短路器，例如现有技术中已知的那些，这些器件在分路之后能够在没有电击穿风险的情况下被触发，这是因为元件被这样电隔离了。图IA-图IB示出了单元130，其中分路回路150是并联连接的元件104和108所共用的。可替代地，可以为单元130的元件104和108中的每一个提供分路回路150，以及因此所需的第三开关器件154。单元130被示出在这样的一种配置中，即在此配置中，两个元件104和108为产生电路供电，也就是第一开关器件134和第二开关器件138闭合并且第三开关器件154打开以断开分路回路150。第三开关器件154可以称作分路开关，并且是常开的，而第一开关器件134和第二开关器件138可以称作断路开关，并且是常闭的。当分路开关闭合而断路开关仍然闭合时，存在临时的短路状况。因此，在分路开关被闭合后和/或在与分路开关被闭合的时期交叠的时期内，断路开关被立刻打开。尽管闭合分路开关首先产生了临时的短路，但是打开断路开关会首先中断电流的流动，并且一旦分路开关被闭合，就产生电流冲击(可以称作弧)。一旦分路开关被闭合，所有的断路开关都被打开以消除短路状况。尽管单元中所有的元件共有的单个断路开关能够消除短路状态，但是单个断路开关不能把元件彼此隔离。这防止了元件之间的不利反应，例如从一个元件到另一个元件的放电。结果，如附图中所示，每个元件都可以包括它自己的断路开关。因此，在各种实施方式中，如果单元的断路开关中的任意一个被打开，那么单元的所有的断路开关都被打开。此外，在断路开关被打开之前，分路开关将被闭合。根据各种实施方式(例如，图2A-图5B)，第一开关器件134、第二开关器件138和第三开关器件154中的每一个都包括多于一个的开关器件，这些开关器件可以为二极管、金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、双极结晶体管(BJT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和闸流晶体管。第一开关器件134、第二开关器件138和第三开关器件154可以同类，也可以不同类。特别地，如图2A-图2C的例子中所示，第一开关器件134、第二开关器件138和第三开关器件154中的每一个都可以包括一对M0SFET。仅作为例子，第一开关器件134可以包括MOSFET 204和208。第二开关器件138可以包括MOSFET 212和216。第三开关器件154 可以包括 MOSFET 220 和 224。仅作为例子，MOSFET 204、208、212、216、220 和 224 中的每一个都可以是η沟道增强模式功率M0SFET。可替代地或另外，也可以使用P沟道M0SFET、耗尽型M0SFET、横向MOSFET等。MOSFET 204、208、212、216、220和224中的每一个都包括主体、源极端子、栅极端子和漏极端子。具体地说，MOSFET 204包括源极端子228、栅极端子232和漏极端子236。MOSFET 208包括源极端子238、栅极端子240和漏极端子244。MOSFET 212包括源极端子248、栅极端子252和漏极端子256。MOSFET 216包括源极端子260、栅极端子264和漏极端子268。MOSFET 220包括源极端子272、栅极端子276和漏极端子280。MOSFET 224包括源极端子284、栅极端子288和漏极端子292。在一种实施方式中，例如在图2Α的例子中，每对MOSFET都被连接为反向并联结构。更具体地说，每对MOSFET都可以被连接为使得MOSFET中的一个的漏极端子连接到MOSFET中的另一个的源极端子，并且MOSFET中的另一个的漏极端子连接到MOSFET中的一个的源极端子。仅作为例子，源极端子228和漏极端子236可以分别连接到漏极端子244和源极端子238。源极端子248和漏极端子256可以分别连接到漏极端子268和源极端子260。源极端子272和漏极端子280可以分别连接到漏极端子292和源极端子284。如此，MOSFET 204、208、212、216、220和224是单向的，从而在元件(例如元件104和/或108)的充电和放电期间，可以在允许电流双向通过的同时，断开元件。在图2Α的例子中，第一开关器件134和/或第二开关器件138可以包括并联连接的MOSFET和二极管(未示出)，二极管代替MOSFET以降低成本。特别地，使用的二极管可以是没有外部控制的类型，这意指二极管被配置来在超过诸如O. 6伏量级的电压阈值时打开分路回路150中的连接。在另一种实施方式中，例如图2Β的例子，每对MOSFET可以串联连接，源极端子连接到源极端子。更具体地说，每对MOSFET可以被连接为使得MOSFET中的一个的源极端子连接到MOSFET中的另一个的源极端子。仅作为例子，源极端子228可以连接到源极端子238。源极端子248可以连接到源极端子260。源极端子272可以连接到源极端子284。在又一种实施方式中，例如图2C的例子，每对MOSFET可以被串联连接，漏极端子连接到漏极端子。更具体地说，每对MOSFET可以被连接为使得MOSFET中的一个的漏极端子连接到MOSFET中的另一个的漏极端子。仅作为例子，漏极端子236可以连接到漏极端子244。漏极端子256可以连接到漏极端子268。漏极端子280可以连接到漏极端子292。现在参见图3Α-图3Β，可逆控制系统300可以包括控制模块304和包括诸如单元130的多个单元的电池。结合第一开关器件134、第二开关器件138和第三开关器件154的串联连接的成对MOSFET 204、208、212、216、220和224示出可逆控制系统300。然而，可逆控制系统300也可以应用于成对MOSFET 204、208、212、216、220和224被并联连接，源极端子被连接到漏极端子的实施方式中，以及成对MOSFET 204、208、212、216、220和224被串联、连接，漏极端子被连接到漏极端子的实施方式中。第一开关器件134、第二开关器件138和第三开关器件154分别在保持产生电路闭合的同时，使得元件104和108中的一个或多个能够被选择性地分路。特别地,元件(例如，元件104或108)的分路包括闭合第三开关器件154、然后打开第一开关器件134或第二开关器件138中的相关联的一个。根据一种实施方式，元件(例如，元件104或108)的分路可以伴随单元130的所有其它元件的分路，即打开与单元130的其它元件相关联的所有开关器件。分别利用第一开关器件134、第二开关器件138和第三开关器件154，尤其是MOSFET 204、208、212、216、220和224，可以允许非常快速地打开/闭合连接，例如持续时间为几个微秒量级，其提供用于过渡的并且非常快速的设置元件(例如，元件104和/或108)的短路。
在一种实施方式中，例如图3A的例子，控制模块304可以成对地控制MOSFET 204、208、212、216、220和224的切换。仅作为例子，控制模块304可以通过施加于MOSFET 204和208的栅极端子232和240处的切换控制信号308分别控制MOSFET 204和208的切换。控制模块304可以通过施加于MOSFET 212和216的栅极端子252和264处的切换控制信号312分别控制MOSFET 212和216的切换。控制模块304可以通过施加于MOSFET 220和224的栅极端子276和288处的切换控制信号316分别控制MOSFET 220和224的切换。在另一种实施方式中，例如图3B的例子，控制模块304可以单独地控制MOSFET204、208、212、216、220和224的切换。仅作为例子，控制模块304可以通过施加于MOSFET204的栅极端子232处的切换控制信号316控制MOSFET 204的切换。控制模块304可以通过施加于MOSFET 208的栅极端子240处的切换控制信号320控制MOSFET 208的切换。控制模块304可以通过施加于MOSFET 212的栅极端子252处的切换控制信号324控制MOSFET212的切换。控制模块304可以通过施加于MOSFET 216的栅极端子264处的切换控制信号328控制MOSFET 216的切换。控制模块304可以通过施加于MOSFET 220的栅极端子276处的切换控制信号332控制MOSFET 220的切换。控制模块304可以通过施加于MOSFET 224的栅极端子288处的切换控制信号336控制MOSFET 224的切换。在控制模块304单独地控制MOSFET 204、208、212、216、220和224的切换的实施方式中，用来分别切换MOSFET 204、208、212、216、220和224的切换控制信号316、320、324、328、332和336的幅度可以相同，也可以不同。控制模块304可以产生与成对的MOSFET204、208、212、216、220和224的相关联的切换控制信号316、320、324、328、332和336，使得成对的MOSFET 204、208、212、216、220和224中的单独MOSFET被同时或不同时地切换。仅作为例子，对于MOSFET 204和208，控制模块304可以产生切换控制信号316和320以在相同时间或不同时间完成M0SFET204和208的切换。如果产生在不同时间完成MOSFET 204和208的切换的切换控制信号316和320，那么控制模块304可以产生切换控制信号316和320从而以预定的顺序切换MOSFET 204和208。可以基于是否要执行元件104的充电或元件104的放电来选择预定的顺序。现在参见图4，根据一种实施方式，控制模块304包括可逆地将单元130的所有元件分路的功能。特别地，可以在发生一种或多种状况时，激活该功能。仅作为例子，可以激活该功能以允许通过消除任何电压源来维护电池。在要执行电池维护时，可以输入维护信号 401。另外，可以在检测到能影响电池的震动后激活这一功能。特别地，在被配置来推进机动车辆的电池的情况下，检测到的震动可能与会影响电池的机械完整性的车辆的事故，特别是碰撞有关。因此，可以降低任何因与电池的高电压接触而导致的医疗紧急响应的电死的风险，以及火灾的风险。仅作为例子，可以使用机械震动传感器402检测会影响电池的震动。机械震动传 感器402可以产生指示机械震动传感器402是否检测到了会影响电池的震动的震动信号403。仅作为例子，机械震动传感器402可以包括加速计，并且机械震动传感器402可以当加速度大于预定加速度时，产生震动信号403。根据一种实施方式，电池实现一种检测系统，用来检测以阴极连接到阳极的方式串联连接的多个单元130、130-2，. . .，130-N(合起来称作单元130，其中N为大于或等于2的整数)中的至少一个单元的过高温度的发生。单元130中的每一个都包括多个元件。仅作为例子，单元130包括元件104和108,还可以包括一个或多个另外的元件。一个或多个开关与这些元件中的每一个相关联。仅作为例子，开关404和408可以被串联连接在元件104的阴极端子116和单元130的阴极端子412之间。元件被串联连接在相关联的开关和单元130的阳极端子之间。仅作为例子，元件104在其阳极端子112处被连接到单元130的阳极端子416，并在其阴极端子116处被连接到开关404。仅作为例子，可以利用温度传感器检测单元的过高温度。单元130中的每一个都包括一个或多个温度传感器。仅作为例子，单元130可以包括分别与元件104和108相关联的温度传感器430和434。温度传感器430和434分别测量元件104和108的温度并基于测得的温度产生温度信号438和442。控制模块304可以在例如当温度传感器430测得的温度大于预定温度时，检测到过高温度。监测系统被配置为当存在过高温度时，激励控制系统以分路至少一个元件。根据一种实施方式，电池包括用于流经单元130的过大电流出现的监测系统。例如，可以利用电流传感器444检测到流经单元130的过大电流。电流传感器444测量通过单元130的电流，并基于测得的电流产生电流信号445。控制模块304可以在例如在测得的电流大于预定电流时，检测到过大电流的存在。监测系统被配置来当存在过大电流时，激励控制系统以分路至少一个元件。根据一种实施方式，控制模块304被配置来检测多个单元130中的至少一个的一个或多个元件(例如，元件104或108)的诸如短路的故障。控制模块304被配置为当至少一个元件中出现故障时，分路该元件。可以通过监视元件故障的出现来确保电池运行的安全。如果检测到了元件的故障，那么控制模块304就激励有缺陷的元件的分路，使得在保持产生电路闭合的同时，电流不再流过有缺陷的元件。故障检测使得可以迅速地激励有缺陷的元件的分路以把有缺陷的元件与产生电路电隔离开。因此，故障一出现，有缺陷的元件就不再被电偏置，从而特别地防止故障的恶化。特别地，如此避免了有缺陷的元件内的热逸散。并且，这样没有中断电池的电产生，这能够，例如，给予驱动器在电池故障后更多时间来退出交通。
根据一种安全策略，在单元(例如，单元130)的元件(例如，元件104或108)的故障情况下，激励单元的所有元件的分路，以防止这些元件过放电或单元的元件之一倒置的风险。因此，当单元的元件有缺陷时，通过在内部短路情况下分隔并联连接的元件中每个元件中包含的能量，并且通过防止当其在单元中出现时，可能引起热逸散风险的电弧、电击穿的形成而确保了电池的安全。因此，这样的策略使得可以切断并联连接的元件之间的电连接，限制当单元的元件中的元件之一上发生短路时触发发散过程的风险。根据一种实施方式，电池包括单元130中的至少一个的至少一个元件的充电状态的监测系统。仅作为例子，可以利用元件电压446、基准电压450和/或通过单元130的电流445来监测元件104的充电状态，其中电压446在元件104的阴极端子116处获得，基准电压450在给单元130的输入端子458处获得。监测系统被配置为激励控制系统以作为其充电状态的作用而分路至少一个元件，特别是串联连接的元件或单元。仅作为例子，监测系统可以在充电期间单元的元件的电荷水平(charge level)大于或等于预定最大电荷水平时，或在放电期间电荷水平小于或等于预定最小电荷水平时，激励控制系统。因此，可以使得用于分别控制第一开关器件134、第二开关器件138和第三开关器件154的可逆系统在不损失能量的情况下良好地用来平衡电池，从而使其更能自治。实际上，能够分路一个或所有元件还可以良好地用来在不通过电阻消散能量的情况下进行电池的电平衡。特别地，在再充电阶段，具有最高电压的串联连接的元件或单元可以被相继分路。这一管理策略使得可以在保证不会同时分路太大数目的元件或单元的同时，保持电池的工作电压与充电器的工作范围一致。这一元件或单元的分路可以在电池的其它元件或单元的充电期间进行，从而使得可以把平衡的持续时间保持得较短。类似地，可以在放电期间分路最弱的元件或单元，从而在所有的单元放电结束时都会聚在0%充电状态(SOC)的目标下，偏置更多包含最多能量的单元。这一管理因此使得可以在不触发因热消散效应的损失的情况下，增大电池中使用的能量。而且，可以使得用于分别控制第一开关器件134、第二开关器件138和第三开关器件154的可逆系统良好地用来通过分路产生电路的较多或较少的元件来调节电池的电压。本发明的电池顾及其运行的真正安全，尤其是与无论是维护型日常使用配置的还是故障情况下的高能锂离子电池运行的真正安全。特别地，安全保护可以是可逆的，并且选择性的分路允许在充电期间在没有热消散并且不要求在其被触发前达到元件或单元的最大充电状态的情况下进行平衡操作。本发明还在没有消散能量的情况下并且在最大化电池中可用的能量的量的同时，在使用阶段期间允许元件之间容量的不同。而且，在分路的情况下，电流不再在元件之间流动，这样有助于高容量元件使用的安全保护，于是有害事件中涉及的能量被限制为单个元件中包含的能量，从而防止了热逸散风险的恶化。 根据本发明的电池还使得可以使用满充的安全保护走下坡路，一个或几个元件的分路能够作为软件限制的补充以在不受控制的再生成情况下防止元件的过度充电。根据本发明的电池还允许在收到碰撞信息时，分路电池的所有元件使得可以消除甚至是电池内的高电压，从而降低被损坏车辆引发火灾的风险和电死的风险的意义下，在碰撞的情况下，确保电动车辆和混合动力车辆的安全。图5A和图5B分别包括图2B和图2C的第一开关器件134的不例不意。尽管将讨论第一开关器件134的切换，但是下面的概念也可以用于第二开关器件138和第三开关器件154的切换。体二极管可以是，例如当MOSFET 204和208是功率MOSFET时，MOSFET 204和208中的每一个所固有的。每个二极管都具有阴极和阳极，并可被描述为允许电流从阳极向阴极流动同时阻止电流从阴极向阳极流动。二极管的电路符号使用箭头来指示允许电流流动的方向。在η沟道功率MOSFET中，体二极管可以允许电流从MOSFET的源极流到漏极。例如，MOSFET 204的半导体结构可以固有地造成体二极管504，其允许电流从MOSFET 204的源极流到MOSFET 204的漏极。类似地，M0SFET208可以固有地包括体二极管508，其允许电流从MOSFET 208的源极流到MOSFET 208的漏极。因为MOSFET 204和208被 串联连接且方向相反，所以体二极管504和508 —起阻止电流在任一方向上流动。在仅有单个MOSFET的情况下，只能在一个方向上阻止电流，这是由于固有的体二极管不管MOSFET是导通还是断开的，都将允许电流在另外的方向上流动。而在图5Α中，MOSFET 204和208的源极是连接的，在图5Β中，M0SFET204和208的漏极是连接的。在图5Α和图5Β中，由于固有的体二极管阻止相反方向的电流，因而断开MOSFET足以在两个方向上阻止电流。参见图5Α和图5Β，控制模块304可以在把MOSFET 204和208中的一个切换为导通或断开之前，把MOSFET 204和208中的另一个切换为导通或断开。例如，当闭合第一开关器件134时，MOSFET 204和208都将被导通。然而，导通MOSFET 204和208的顺序将基于预期电流的方向来控制。例如，用于充电的电流的方向可能与用于放电的电流的方向相反。类似地，当打开第一开关器件134时，MOSFET 204和208都可以被断开。然而，断开MOSFET 204和208的顺序将基于当前电流方向来控制。同样，当前电流方向对于充电和放电来说可能是相反的。可以选择切换MOSFET 204和208的顺序以防止电流流经体二极管504和508。仅作为例子，流经体二极管504和508的电流可能分别缩短M0SFET204和208的寿命，和/或可能增加功耗。以图5Α为例，假定MOSFET 204和208是导通的，电流是在体二极管508允许的方向上流动的(即附图中从顶部到底部，或从MOSFET 204的漏极到MOSFET 208的漏极)。在各种实施方式中，因为体二极管508呈现的电阻大于MOSFET 208的导通电阻，所以有小电流或没有电流流过体二极管508。然而，如果MOSFET 208被断开(同时MOSFET 204保持导通)，那么MOSFET 208的电阻朝着无限大增加，之前流经MOSFET 208的电流现在将流经体二极管508。作为对照，如果MOSFET 204被首先断开(同时M0SFET208保持导通)，那么MOSFET 204阻止电流流动，并且体二极管504不允许电流流动。于是可以在没有电流流经体二极管508的风险的情况下断开 MOSFET 208。于是，可以归纳出以下规则当打开电流正在第一方向上流动的开关器件时，首先断开其体二极管不允许电流在第一方向上流动的晶体管。这一规则应用于图5A和图5B的结构以及在任一方向上流动的电流(充电或放电)。可以对当第一开关器件134被闭合时进行类似的分析。再次以图5A为例，假定MOSFET 204和208是断开的，但是一旦导通，电流将在体二极管508允许的方向上流动(即，顶部到底部)。如果MOSFET 204被首先导通，那么电流可以流经MOSFET 204。尽管MOSFET 208被断开，但是体二极管508允许电流在这一方向上流动，因此电流将流经MOSFET 204 和体二极管 508。作为对照，如果MOSFET 208被首先导通，那么将没有电流流动，这是因为MOSFET204被断开并且体二极管504不允许电流在该方向流动。于是，当MOSFET 204被导通时，电 流将流经MOSFET 204，然后通过MOSFET 208，而不通过体二极管508分路。于是，可以归纳出如下的另一规则当闭合一旦被闭合，电流将在第一方向上流动的开关器件时，首先导通其体二极管允许电流在第一方向上流动的晶体管，然后再导通另一晶体管。这一规则应用于图5A和图5B的结构以及在任一方向上流动的电流(充电或放电)。在各种实施方式中，闭合开关器件通常应用于分路开关，而打开开关器件通常应用于断路开关。术语的非限制性讨论这里所用的标题(例如“引言”和“发明内容”)和副标题只是用于本公开内容内主题的一般组织，而非用来限制其技术或任何方面的公开。特别地，“引言”中公开的主题可能包括新技术并且可能不构成对现有技术的引用。“发明内容”中公开的主题不是本发明或其任何实施例的整个范围的详尽或完全的公开。说明书和具体的示例，尽管示出了本发明的实施例，但是只用于说明本发明而非限制本发明的范围。此外，陈述具有指定特征的多个实施例不是用来排除具有另外特征的其它实施例或结合了指定特征的不同组合的其它实施例。具体的例子是提供来用于说明如何制作和使用本发明的组成和方法，并且除非明确指出，不是用来表示本发明的特定实施例已经或尚未被制作或测试。可以在本发明的范围内，作出实施例、材料、组成和方法的等同改变、修改和变型，获得实质上相似的结果。为了清楚，相同的编号将在附图中用来表示类似的元件。如这里所使用的，短语，A、B和C中的至少一个应该被解释为意指采用了非排他性逻辑，或，的逻辑(A，或B，或C)。应该理解，可以在不改变本发明的原理的情况下，以不同的顺序执行方法内的步骤。如这里所使用的，词语，“包括”，及其变体是非限制性的，陈述包括的项目不是排除可能也用于本发明的部件、组成、装置和方法的其它类似的项目。类似的，术语，“能够”和“可以”，及其变体是非限制性的，陈述一个实施例能够或可以包括某些元件或特征不排除其它本发明的其它实施例不包含这些元件和特征。尽管在这里使用了作为诸如包括、包含、具有的非限制性术语同义词的开放式术语“包括”来说明并要求本发明的实施例，但是可替代地，可以使用诸如“由..·组成”或“基本由...组成”的更具限制性的术语来说明实施例。因此，对于陈述材料、部件或处理步骤的任何特定的实施例来说，本发明还具体地包括由或基本由排除另外的材料、部件或处理(对于由...组成)和排除影响实施例的重要特性的另外的材料、部件或处理(对于基本由...组成)的这些材料、部件或处理组成的实施例，即使这些另外的材料、部件或处理本申请中没有明确地陈述。例如，陈述元件A、B和C的组成或处理具体地预想了排除现有技术中可能陈述的元件D的、由和基本由A、B 和C组成的实施例，即使元件D没有明确地被说明为在这里被排除出去。
权利要求
1.一种用于车辆的锂基电池系统，所述电池系统包括 提供能量来推进所述车辆的串联布置的多个锂电池单元，其中所述电池单元中的每一个包括 第一端子和第二端子； 并联布置的多个锂电池元件，其中所述电池元件中的每一个包括第一端子和第二端子，并且其中所述电池元件中的每一个的所述第一端子连接到所述电池单元的所述第一端子; 多个断路开关，其中所述电池元件中的每一个的所述第二端子通过所述断路开关中的相应一个连接到所述电池单元的所述第二端子；和 连接在所述电池单元的所述第一端子和所述第二端子之间的分路开关；以及 选择性地打开和闭合所述分路开关和所述断路开关的控制模块。
2.根据权利要求I所述的电池系统，其中所述断路开关和所述分路开关中的每一个包括第一半导体开关和第二半导体开关。
3.根据权利要求2所述的电池系统，其中，针对所述断路开关和所述分路开关中的每一个，所述控制模块同时控制所述第一半导体开关和所述第二半导体开关。
4.根据权利要求2所述的电池系统，其中所述第一半导体开关和所述第二半导体开关被串联连接，并分别包括第一晶体管和第二晶体管。
5.根据权利要求4所述的电池系统，其中，当闭合所述分路开关中的一个时，所述控制模块在导通所述分路开关中的所述一个的所述第二晶体管之前，导通所述分路开关中的所述一个的所述第一晶体管。
6.根据权利要求4所述的电池系统，其中，当打开所述断路开关中的一个时，所述控制模块在断开所述断路开关中的所述一个的所述第二晶体管之前，断开所述断路开关中的所述一个的所述第一晶体管。
7.根据权利要求4所述的电池系统，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管是各自具有主体、源极、栅极和漏极的金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)，并且其中(i)所述第一晶体管的所述源极连接到所述第二晶体管的所述源极或(ii)所述第一晶体管的所述漏极连接到所述第二晶体管的所述漏极。
8.根据权利要求7所述的电池系统，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管是n沟道功率M0SFET，并且对于所述第一晶体管和所述第二晶体管中的每个晶体管，所述晶体管的所述主体连接到所述晶体管的所述源极。
9.根据权利要求7所述的电池系统，其中所述第一晶体管包括允许电流在第一方向流动并阻止电流在第二方向流动的固有的体二极管，并且其中所述第二晶体管包括允许电流在所述第二方向流动并阻止电流在所述第一方向流动的固有的体二极管。
10.根据权利要求9所述的电池系统，其中，当闭合所述分路开关中的一个时，所述控制模块首先导通所述第一晶体管和所述第二晶体管中包括允许电流在预期电流流经所述分路开关中的所述一个的方向上流动的所述固有的体二极管的那个晶体管。
11.根据权利要求9所述的电池系统，其中，当打开所述断路开关中的一个时，所述控制模块首先断开所述第一晶体管和所述第二晶体管中包括阻止电流在当前电流流经所述断路开关中的所述一个的方向上流动的所述固有的体二极管的那个晶体管。
12.根据权利要求I所述的电池系统，其中所述控制模块控制所述分路开关和所述断路开关的打开和闭合，以减少热功耗并防止破坏性的短路状况和电弧。
13.根据权利要求I所述的电池系统，其中在打开所述电池单元中的一个的所述断路开关之前，所述控制模块闭合所述电池单元中的所述一个的所述分路开关。
14.根据权利要求13所述的电池系统，其中当下列情形中的至少一个出现时，所述控制模块打开所述电池单元中的一个的所述断路开关 在充电期间所述电池单元中的所述一个的所述电池元件的电荷水平达到上限； 在放电期间所述电池单元中的所述一个的所述电池元件的电荷水平达到下限；以及 所述电池单元中的所述一个的所述电池元件中的一个的温度超过温度阈值。
15.根据权利要求13所述的电池系统，其中，当检测到所述电池元件中的一个故障时，所述控制模块打开包括所述电池元件中的所述一个的电池单元的所述断路开关。
16.根据权利要求13所述的电池系统，其中所述控制模块选择性地打开所述电池单元中的至少一个的所述断路开关以调节所述电池单元的总输出电压。
17.根据权利要求13所述的电池系统，其中当下列情形中的至少一个出现时，所述控制模块打开所有所述电池单元的所述断路开关 通过所述电池单元的电流大于电流阈值； 接收到维护信号；和 检测到所述车辆的碰撞。
18.—种电动车辆动力系统,包括 根据权利要求I所述的电池系统；和 在检测到机械震动时产生震动信号的机械震动传感器， 其中当所述震动信号超过预定阈值时，所述控制模块闭合所述分路开关。
19.根据权利要求18所述的电动车辆动力系统，其中所述机械震动传感器包括加速计。
全文摘要
一种用于车辆的锂基电池系统，该系统包括提供能量以推进车辆的串联布置的多个锂电池单元。电池单元中的每一个包括第一端子、第二端子、多个并联布置的锂电池元件、多个断路开关以及分路开关。电池元件中的每一个包括第一端子和第二端子。电池元件的每一个的第一端子连接到电池单元的第一端子。电池元件的每一个的第二端子通过断路开关中的相应一个连接到电池单元的第二端子。分路开关连接在电池单元的第一端子和第二端子之间。控制模块选择性地打开和闭合分路开关和断路开关。
文档编号H01M10/42GK102640336SQ201080044930
公开日2012年8月15日 申请日期2010年10月8日 优先权日2009年10月8日
发明者法比·加邦 申请人:陶氏卡姆法国股份有限公司