专利名称：智能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池管理领域，特别是电动汽车的动力电池的管理，具体涉及一种具有电压与温度采集、SOC估计(State of charge,电池充电状态即电池剩余电量)、电池均衡等功能的智能控制器的智能电池系统。
背景技术：
动力电池组是电动汽车的核心部件，提供电能以驱动车辆行驶。由于在车辆中使用的动力电池一般需要较高的电压水平，所以需要将几十到上百块电池单体串联而成。为了保障电池的安全使用、提高电池寿命，需要一套电池管理系统对电池单体进行状态检测、安全保护和充放电控制。除此之外，一般还需要对电池单体进行均衡，即通过设置旁通分流 回路来控制各个电池单体的充放电电流从而使各电池单体的电压保持一致。为了实现上述功能，目前较普遍的做法主要有两种，第一种是将所有电池的正负极都通过导线连到检测电路，还需要从一部分电池单体上安装温度传感器并连接测量信号导线。一个电动汽车电池组一般由至少约一百节电池单体组成，这样整个电池组的测量信号的导线需要约两百根以上。为了减少导线长度和提高系统可靠性，更多采用第二种方法，即分布式结构。分布式电池管理系统包含一个中心控制模块和几个分布式信号处理模块。分布式信号处理模块连接其周围几个电池单体的测量信号导线，经过信号处理后通过总线将信息发送至中心控制模块。虽然这种分布式电池管理系统减少了导线长度，但仍然需要通过导线将电池单体与分布式信号处理模块连接，电池组内依然存在大量导线。且测量导线往往是通过螺栓与电池极柱连接，增加了成组工作复杂度，且存在更多的潜在故障点。以上两种方法除了要使用大量导线，还需要较大规模的信号测量电路，这也增加了电池成组的复杂度、研发成本和生产成本。且模拟信号通过较长的导线连接到测量电路，致使信号对电磁干扰较敏感，影响测量精度甚至导致测量错误。另一方面，电池成组厂商需要一套算法来实现一些功能，比如通过测量结果估计电池电量、限制电流来保证电池的安全使用等。但估计电量和设置限值依据的数据往往是电池制造厂商最清楚，而不是电池成组厂商。电池制造厂商通过反复的实验和测试掌握了电池的特性数据，虽然电池制造厂商会向电池成组厂商提供这些信息，但通常这些信息不会完整传达和被足够重视。
发明内容为减少装配空间和提高信号采集的抗干扰性，本发明提供一种智能电池系统。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该智能电池系统包括控制器和至少一个智能电池模块，该智能电池模块包括至少一节电池和一个具有模拟信号采集功能和能将模拟信号转换为数字信号并和控制器进行通信的电路系统，所述电路系统和智能电池模块一体封装，智能电池模块与控制器通信连接。由于电路系统和智能电池模块一体封装，所以在空间上是紧邻的，在装配上是互相固定的，减少了装配空间，提高了信号采集的抗干扰性。进一步地，智能电池模块与控制器的通信连接采用下列方式多个智能电池模块之间的通信采用链式连接，即一个智能电池模块和他之前和之后的智能电池模块连接，串成一条链，数据在上述的链上传播，最后传给控制器，从而有效减少成组后的电池箱内的连
线数量。进一步地，智能电池模块与控制器的通信连接采用下列方式多个智能电池模块通过各自的通信接口接到同一个总线上，总线和控制器连接；同样可以有效减少成组后的电池箱内的连线数量。进一步地，智能电池模块中，设有温度传感器，温度传感器通过导线连接到电路系统，电路系统通过采集温度传感器的输出值获取智能电池模块的温度信息。进一步地，每节电池都设有均衡电路，由电路系统控制均衡电路的开关，控制每节单体电池单独均衡。进一步地，所述电路系统为专用集成电路或者为由分立元件和微处理器组成的可编程系统，以便减少成本并使得电池制造商能参与到电池控制系统设计中来。进一步地,设有显示装置,来显示电池的状态。进一步地，智能电池模块与控制器之间的通信内容包括电池电压、电池剩余电量、电池温度、和或电池状态。进一步地，控制器根据通信内容控制开关，所述开关控制电池和外部终端的通断，以便保证电池不过充、不过放。进一步地，所述智能电池系统用于电动汽车、电动自行车或移动设备，从而使得所述智能电池系统适应多元化应用。该智能电池系统的积极效果如下第一，简化电池单体和电池管理系统间的连接方法，减少所需的测量导线数量，提高连接可靠性；第二，在空间上离电池最近的位置进行电压、温度等模拟信号到数字信号的转换，提高信号采集的抗干扰性；第三，通过可编程的智能电池系统，让电池制造商参与到电池控制系统设计中来。
图I为电池模块内部结构示意图；图2为多节电池模块的一种互连方式示意图；图3为多节电池模块的另一种互连方式示意图；图4为带有外部显示的智能电池系统示意图；图中标记如下10_通信线；11_电池模块；12_电路系统；13_第一导线；14_电池；15_第二导线；16_第三导线；17_第四导线；18_第一开关；19_电池模块正极；20_电池模块负极；21_第五导线；22_电阻；23_第二开关；24_温度传感器；50_控制器；51_通信接口 ；54_第三开关；55_电动机；71_通信总线；80_显示装置。
具体实施方式
以下结合附图描述本发明优选的实施方式。[0025]如图I所示，一个智能电池模块11包括至少一节电池14、一个具有模拟信号采集功能和通信功能的电路系统12。需要说明的是，上述的电池14不一定是用于电动汽车的动力电池，比如也可以是电动自行车的动力电池或者移动设备的电池。同样电路系统12也可以是任何电路系统，比如可以是专用集成电路(ASIC Application Specific IntegratedCircuit)或者分立元件和微处理器组成的PCB (Printed Circuit Board)系统。为了表述的方便，假设电池14为电动车动力电池，电路系统12为ASIC。从成本上考虑，在大批量生产的情况下，ASIC电路系统12最多花费数美元，电动汽车动力电池的价格一般在数十至一百美元，此发明适合用于电动汽车动力电池上。还需要说明的是，电路系统12可以在智能电池模块11的外壳的内部，也可以在智能电池模块11的外壳的外部，重要的是电路系统12和智能电池模块11是一体的，在空间上是紧邻的，在装配上是互相固定的。在智能电池模块11中，电池14的正负极分别通过第一导线13和第二导线15连接到ASIC 12上。ASIC 12可以是由电池14通过第一导线13和第二导线15来供电的，也可以是由外部供电的(由外部供电的电路未在图I中画出)。ASIC12通过第一导线13和第二导线15来采集电池的电压，并可以将其转化为数字量。智能电池模块的正极19和负极20可以直接连到电池14的正负极，也可以通过图·I中的第一开关18互相连接。需要说明的是，第一开关18可以是任何一种开关，比如可以是大功率场效应管。第一开关18可以导通或者切断电池14的充放电回路，控制第一开关18的信号由ASIC 12发出，通过第三导线16对第一开关18进行控制。同时第一开关18的B端，即智能电池模块的负极20，通过第四导线17连接到ASIC 12。ASIC 12通过测量导线15和导线17之间的电压，并且知道第一开关18的导通电阻的情况下，可以计算出流过电池14的电流的大小和方向。在智能电池模块11中，可以有一个温度传感器24，它可以通过导线连接到ASIC12上，ASIC 12通过采集温度传感器的输出值获取智能电池模块的温度信息。温度传感器24也可以集成在ASIC 12中。在智能电池模块11中，可以有一个用于电池均衡的模块，需要说明的是，均衡的方法可以是任何方法，例如可以是耗散型的。图I中的电阻22和第二开关23可以实现一种耗散型的电池均衡方法。ASIC 12可以将采集的电池信息(电压、温度)通过通信线10发送到外部，由外部的某个控制器分析多个智能电池模块发送来的信息，把分析得出的均衡控制的信号返回给智能电池模块11中的ASIC 12，然后由ASIC 12通过第五导线21向第二开关23进行控制来实现均衡。也可以将第二开关23的控制端C直接通过导线引出到智能电池模块的外部，由外部的均衡控制信号直接控制。也可以是ASIC 12通过通信线10接收其他智能电池模块发出的信息，分析这些信息来自主决定是否要进行均衡，再通过第五导线21控制第二开关23进行均衡。一个智能电池模块11也可以包括多节单体电池14，这些电池可以串联也可以并联，ASIC 12可以由这些电池14共同供电。每节电池14都有一组前面所述的均衡模块，由ASIC 12控制均衡开关，控制每节单体电池14单独均衡。一般电池生产厂商会通过测量得到表示电池特性的数据，例如可能是一条电池放电特性曲线(电池开路电压随电量大小的变化)。可以将这些数据存储在ASIC 12中的ROM中，ASIC可以通过这些数据和采集到的电池电压、温度等信息，得出当前电池的SOC信息。SOC信息可以是用百分比表示的，也可以是用安时数表示的。ASIC 12也可以通过ROM中存储的数据和采集到的电池电压、电流等信息，来判断电池工作状态是否正常，ASIC 12可以通过通信线10向外部发送上述的状态信息，也可以根据状态信息决定第一开关18的通断，以保护电池14。智能电池模块11通过通信线10与外部通信。由于电动汽车动力电池通常需要至少约100节电池串联，因此智能电池模块之间的通信需要用相应的方案解决。多个智能电池模块11之间的通信可以使用链式连接的方式(参见图2)，即一个智能电池模块11和他之前和之后的一个模块连接，串成一条链，数据在上述的链上传播，最后传给外部的某个控制器。相邻智能电池模块11之间的连接可以隔离，也可以不隔离(例如可以使用电容耦合或升压降压的方法)。多个智能电池模块11之间的通信也可以使用总线的方式(参见图3)，即数个智能电池模块11的通信线10接到同一个总线上(总线和智能电池模块之间的连接通常需要隔离)，然后由某个外部的控制器读取总线上的数据。总线的协议可以是任何 协议，例如CAN或者IIC等。上述通信的内容可以是电池电压、电池剩余电量、电池温度、电池状态等。由于在车辆中使用的动力电池一般需要较高的电压水平，所以需要将几十到上百块电池单体串联而成。如图2所示，多节智能电池模块11串联，通过一个可控的第三开关54连接到电动机55的两端。相邻两节电池通过通信接口 51进行通信，最终所有电池的信息通过与控制器50相连的某节智能电池模块11传递到控制器50，控制器通过对电池数据的分析，做出相应的控制，控制信息会通过连接各节电池的通信接口 51传递到各节智能电池模块11。同时控制器50也会根据电池信息即通信内容来控制第三开关54，依据的原则是保证电池组和外接设备的安全。如图3所示，多节电池组也可以用另一种方式连接。每节智能电池模块11的通信接口 51连接到通信总线71上，通信总线71与控制器50连接。每节智能电池模块11将电池信息发送到通信总线71上，控制器50从总线上读取电池信息，做出判断和控制，将控制信息发送到通信总线71上，再由各节智能电池模块读取并响应。同时控制器50也会根据电池信息来控制第三开关54，依据的原则是保证电池组和外接设备的安全。图2和图3中的连接方法都可以有效减少成组后的电池箱内的连线数量。如图4所示，智能电池模块的外表面可以有一个显示装置80，用来显示电池的信息如剩余电量、温度、内部开关状态等。显示装置80由智能电池模块内部的电路系统12控制。显示装置80的主要好处是当很多节智能电池模块成组为一个电池组后，显示装置80让人方便地了解各节电池的状况以及均衡情况，当电池组出现故障时，显示装置80让人能方便地排查故障位置。
权利要求1.一种智能电池系统，该智能电池系统包括控制器和至少一个智能电池模块，该智能电池模块包括至少一节电池和一个具有模拟信号采集功能和能将模拟信号转换为数字信号并和控制器进行通信的电路系统，其特征在于所述电路系统和智能电池模块一体封装，智能电池模块与控制器通信连接。
2.根据权利要求I所述的一种智能电池系统，其特征在于多个智能电池模块之间的通信采用链式连接，即一个智能电池模块和他之前和之后的智能电池模块连接，串成一条链，数据在上述的链上传播，最后传给控制器。
3.根据权利要求I所述的一种智能电池系统，其特征在于多个智能电池模块通过各自的通信接口接到同一个总线上，总线和控制器连接。
4.根据权利要求I所述的一种智能电池系统，其特征在于智能电池模块中，设有温度传感器，温度传感器通过导线连接到电路系统，电路系统通过采集温度传感器的输出值获 取智能电池模块的温度信息。
5.根据权利要求I所述的一种智能电池系统，其特征在于智能电池模块中为每节电池都设有均衡电路，由电路系统控制均衡电路的开关，控制每节电池单独均衡。
6.根据权利要求I所述的一种智能电池系统，其特征在于所述电路系统为专用集成电路或者为由分立元件和微处理器组成的可编程系统。
7.根据权利要求I所述的一种智能电池系统，其特征在于该智能电池系统设有显示 装直。
8.根据权利要求8所述的一种智能电池系统，其特征在于控制器根据通信内容控制开关，所述开关控制电池和外部终端的通断。
专利摘要本实用新型涉及一种智能电池系统，属于电动汽车动力电池技术领域，该智能电池包括控制器和至少一个智能电池模块，该智能电池模块包括至少一节电池和一个具有模拟信号采集功能和能将模拟信号转换为数字信号并和控制器进行通信的电路系统，所述电路系统和智能电池模块一体封装，智能电池模块与控制器通信连接。该智能电池装配空间紧凑，所需的测量导线数量少，连接可靠性和信号采集的抗干扰性高。
文档编号H01M10/48GK202564498SQ20112053756
公开日2012年11月28日 申请日期2011年12月21日 优先权日2011年12月21日
发明者朱雪洲, 华剑锋, 田硕, 李立国, 孟庆然 申请人:北京科易动力科技有限公司