用于智能电池管理的无线电池区域网络的制作方法

用于智能电池管理的无线电池区域网络发明人：李在植(JAESIKLEE)、李寅燮(INSEOPLEE)、李玟揆(MINKYULEE)以及安德鲁·M·肖恩(ANDREWCHON)相关申请案的交叉参考本申请案涉及并主张2010年11月2日由李载植、李英秀、李民奎和安德鲁·全申请且题为“用于智能电池管理系统的无线电池区域管理(WiBaAN)(WirelessBatteryAreaManagement(WiBaAN)forSmartBatteryManagementSystem)”的第61/409,290号美国临时专利申请案的优先权，该案的整个内容和主旨特此以全文引用的方式并入本文中。技术领域本发明涉及一种电池管理系统，其包含电池包中的多个电池单元，其中在基站(M-BMU)与多个从属电池单元传感器节点(S-BMU)之间自动建立无线电池区域网络。

背景技术：
锂离子(Li离子)电池正作为用于工业和汽车应用、高电压能量使用(智能电网)(例如风力涡轮机)、光伏电池以及混合电动车的能量储存库而越来越受欢迎，且这已经刺激了对较安全、性能较好的电池监视和保护系统的需求。与NiMH(镍金属氢化物)电池管理系统(例如，见第6,351,097号美国专利)相比，锂离子电池具有较佳的能量重量比，在多个充电-放电循环内提供较高效的储存容量，且在不使用时遭受较少的电荷泄露。不同于高电压应用中传统使用的NiMH电池，使用Li离子技术的电池堆叠可包括总数达数百个处于不同电压的电池单元的大量个别电池单元。必须恰当地监视和平衡每一电池单元以确保用户安全、改进电池性能并延长电池寿命。因此，电池管理系统(BMS)是小型和大型电池应用的关键组件之一。Li离子电池包的实例在第5,602,460号；第5,631,537号和第5,646,508号美国专利中揭示。BMS的主要目的是：(1)保证电池的适当使用，(2)保证电池的最大性能，(3)监视必要的电池状态数据，以及(4)准许诊断。BMS架构应克服现有技术水平Li离子电池的三个主要障碍：寿命周期、成本和可扩展性。举例来说，在智能电网和电厂应用中，电池容量需要大至几百kWh到几MWh。然而，当前BMS架构不可扩展到处置这么大数目的电池单元。更重要的是，用于处置大型电池应用的线束的复杂性和成本通常是不可接受的。并且，常规电池管理系统需要数据总线隔离器，例如基于光耦合器的垂直总线，且遭受高成本和高电力消耗的问题。大多数的研究努力已集中在改进电池单元化学方面上。考虑到电池包成本的大约30％是针对BMS，且此百分比随着电池容量变大而增加，因此BMS可为显著成本降低的来源，尤其是对大型Li离子电池包来说。现有技术电池管理系统很少使用无线通信，而是使用有线媒体，或有线与无线的组合。第6,351,097号美国专利描述一种用于Ni-Cd和NiMH的电池管理系统，而以下美国专利论述用于Li离子或Li聚合物电池的可能相关的电池管理系统：第5,963,019号；第7,619,417号；第7,888,912号；第8,022,669号以及第US2007/0029972号。在第7,710,073号美国专利中找到对二次电池再用和保护的有用论述。最后，以下美国专利因为其关于电池管理系统中的当前技术水平无线通信的有用论述而被引用：第7,598,880号；第7,774,151号以及第US2006/0152190号。

技术实现要素：
本发明揭示一种用于智能地监视和控制大型电池应用内的个别电池的系统和方法。所述系统可通过在电池包内建立无线电池区域网络来将多个电池链接到主电池管理单元(M-BMU)。所述方法可包含针对电压、电流、温度或阻抗来监视个别电池操作，且通过平衡或旁路所述电池来控制其操作。每一电池操作的监视和控制优选由直接安装在每一电池单元上的从属电池管理单元(S-BMU)执行。在M-BMU处执行电荷状态(SoC)和健康状态(SoH)算法。用于监视和控制电池单元的数据协议以预定义周期性速率在S-BMU与M-BMU之间发射。此无线电池区域网络可容易地提供针对大型电池应用的可扩展性。另外，一种无线电池区域网络可直接为对应电池单元准确地配置电池操作，从而延长了电池包的寿命周期。将参考以下图式进一步理解本发明。附图说明图1是示意性地说明常规现有技术电池管理系统的架构的一部分的集中化BMS拓扑。图2是示意性地说明展示从属单元的使用的常规现有技术电池管理系统的架构的一部分的分布式BMS拓扑。图3说明根据本发明优选实施例的无线电池区域网络(WiBaAN)的方法和系统拓扑。图4说明本发明的无线接入方法，其揭示用于基于WiBaAN中的预定周期和序列来接入S-BMU节点的时分半双工方法。图5是说明WiBaAN中的S-BMU与M-BMU之间的通信的时序图。图6说明基于混合多路复用通信网络的WiBaAN的分层架构，其中WiBaAN由若干电池组组成，且其中对于大型电池应用，一电池组包括一个M-BMU以及多个S-BMU。图7说明使用RF中继器的本发明的替代实施例。图8说明使用连接到电池包的传感器的本发明的另一替代实施例。图9(a)在WiBaAN的上下文中说明二次电池保护装置。图9(b)是说明M-BMU正常操作的电压范围以及SPD接管了控制的失效区的电压图。图10(a)说明直接附接到电池单元的S-BMU的框图。图10(b)是上文在图10(a)中展示的电池控制逻辑电路以及平衡和旁路电路的详细框图。图11是根据本发明的电池管理系统的操作模式的流程图。具体实施方式在此描述的过程期间，将根据说明本发明的不同图，使用相同编号来识别相同元件。一般来说，使用电子电路板来实施所有电池管理系统(BMS)。BMS监视每一电池单元的电压、电流、阻抗和温度。由于BMS必须监视每一和每个Li离子电池单元，因此典型的现有技术BMS板需要连线到每个Li离子电池单元。如果待监视的Li离子电池单元的数目需要增加，那么这可能成问题。根据现有技术，通常使用分层BMS架构，然而，BMS架构的使用也需要增加BMS板的数目以及总成本。当Li离子电池单元的数目增加到几百或多达数千(这种情况通常是针对电动车(EV)或电厂应用的)时，线束成为严重的问题。因此，BMS实施方案的最大问题之一是布线。为了减少此问题，已引入了星形拓扑、环形拓扑或菊链拓扑。这些拓扑可减少布线问题，但它们导致优化问题，因为所有电池均是不可配置的。对于电池寿命和性能的最佳优化，控制个别电池是理想的。图1展示根据现有技术的完全集中化现有技术有线BMS架构。每一BMS控制器30包含微处理器32、IO接口33、存储器34以及BMA35。这是最简单的架构，其中存在单个BMS控制器板30，且线20-1、…、20-8连接到电池单元10-1、…、10-7中的每一者。然而，对于大容量或高电压电池包来说，布线可成问题。举例来说，具有串联的100个电池单元的电池包必须具有在电池单元10与集中化BMS30之间铺设的101条线。所有那些线20可能都难以路由。更糟的是，电池10中的线越多，其中一者将成为电池10的两个极之间的等离子体放电路径的风险越大。图2展示另一现有技术完全分布式架构，其中BMS板40安装在电池单元10上，且BMS板40在单个菊链20-1、20-2、20-3中一起连接到中央BMS控制器30。在此拓扑中，布线问题是解决了，但单个BMS板40失效将导致整个电池包失效，且测量时间随堆叠电池10的数目而成比例地增加。图3说明根据本发明优选实施例的所提议无线电池区域网络(WiBaAN)，其中安装在每一电池单元10上的从属电池管理单元(S-BMU)210以无线方式(300)连接到单个主电池管理单元(M-BMU)100。所提议的架构具有优于所有常规现有技术BMS架构的主要优点。对于个别电池单元10，WiBaAN400由单个M-BMU100(对于具有少于500个电池单元的大电池包大小)和多个S-BMU200组成。每一M-BMU100包含RF无线电110、天线150、微处理器120、存储器140以及各种接口130。或者，RF无线电110、微处理器120以及存储器140的部分、电力管理单元，以及接口130可集成在单个硅芯片或裸片上。每一S-BMU210包含模拟传感器240、RF无线电220、板上天线230以及电池控制逻辑250。或者，模拟传感器240、RF无线电220、和电池控制逻辑250可在单个硅芯片上实施。并入有WiBaAN的智能BMS400能够与每一个别电池单元10通信，并监视实际操作条件，例如其电压、电流、阻抗以及环境温度。监视个别电池单元10的条件是BMS400的重要部分。WiBaAN中的有效通信带宽完全取决于电池包10的大小(即，包中的电池的数目)以及应用的系统刷新速率(即，EV中的CAN总线更新速率)。WiBaAN提供个别电池单元(S-BMU)210与BMS控制器(M-BMU)100之间的便利接口，且通过添加更多包且执行无线接口的重新配置来提供有效通信带宽的灵活扩展。关于个别电池单元10的实时操作条件的信息与来自制造商的关于电池规格的信息合并，且允许系统控制每一电池单元10的电荷状态(SoC)和容许条件，并最终延长电池寿命或增加电池循环时间或两者。另外，其允许BMS智能地均衡电池单元包10中的电池单元平衡251，使得其可显著减少电池单元平衡时间。由于无线链路固有地提供与电压无关的数据发射，那么WiBaAN不需要隔离器来在S-BMU200与M-BMU100之间传送数据。不可接入且无人管理的S-BMU210(其易发生频繁失效)的庞大数量使拓扑维护成为具挑战性的任务。可在整个WiBaAN场500上部署数百到数千个S-BMU200。它们通常部署在彼此的十英尺内，使得节点密度可高达100个S-BMU/m3，或甚至更高。部署较高数目的稠密填充节点需要谨慎处置以及特殊的拓扑维护。然而，虽然装置失效归因于无线传感器节点中的能量耗尽或破坏是定期或常见的事件，但WiBaAN500内的S-BMU200很少失效，因为其直接由所安装的电池供电。由于在任何WiBaAN应用中具有高移动节点是具挑战性的，因此WiBaAN通常不会经历不同的任务动态。另外，对于故意干扰来说，这不是一个好目标。所揭示的WiBaAN拓扑在部署之后不易发生频率改变。WiBaAN可为双工无线通信系统，但图4将半双工系统描绘为优选的可能WiBaAN拓扑之一。WiBaAN由具有到第二节点的单个点到点链路的一个节点组成。对中央节点的选择是M-BMU100，且其它节点是S-BMU200。网络可使用非广播多址通信，其中网络的M-BMU100以每一通信仅寻址个别S-BMU210。WiBaAN含有“n”个S-BMU200，以及单个M-BMU100作为集线器。通过考虑通信包大小、有效WiBaAN带宽以及所需的系统刷新速率来确定WiBaAN中“n”的最大数目。在给定电动车(EV)的实例的情况下，假定下游/上游数据的包大小为PS位，那么WiBaAN最大数据速率为DR位/秒，且CAN总线刷新速率为RR秒，那么WiBaAN域中的S-BMU200的最大数目应小于DR*RR/PS。图5说明基于所建立的时分多路复用协议(TDM)在WiBaAN内的M-BMU100与若干S-BMU200之间进行通信的数据发射(接入)方法。TDM在WiBaAN中具有优势，因为上行链路与下行链路数据速率之间存在不对称性，且上行链路和下行链路路径可能非常类似。TDM使用单个频谱来在下游和上游两个方向上发射信号。TDM系统需要发射(下行链路)与接收(上行链路)流之间的保护时间。Tx/Rx转变间隙(TTG)是下行链路与上行链路发射之间的间隙。此间隙允许M-BMU100有时间从发射模式切换到接收模式，且S-BMU210有时间从接收模式切换到发射模式。图6描绘基于混合多路复用通信网络的分层WiBaAN架构500。所述架构由三个不同层级的电池控制器组成：T-BMU510、M-BMU100以及S-BMU200。单个最高层级电池管理单元(T-BMU)510是电池管理系统500的最高层级节点，且包含RF无线电、天线、微处理器、控制器、外围接口单元以及类似于M-BMU100的电力管理单元。T-BMU510控制多个M-BMU100的操作，收集来自M-BMU100的数据，且通过例如控制器区域网络(CAN或CAN总线)等外部接口520与主系统通信520。T-BMU510与多个M-BMU100之间的无线通信网络优选通过频分多路复用(FDM)技术建立，其中每一信道使用不同的载波频率信号(fCi)(340)。架构的每一较高节点以比其紧接的下层长的控制和执行时间间隔操作。每一分支以一M-BMU100以及若干S-BMU200来组织，从而形成电池管理“组”400。每一组400建立与邻近电池管理组的FDM网络(fBi)330，以便抑制邻近RF通信之间的干扰，而使用时分多路复用(TDM)来在电池管理组内的每一M-BMU100与多个S-BMU200之间进行通信，如图5中所示。电池管理组的大小由例如S-BMU200的数目、数据速率、更新电池数据速率的规范等参数确定。举例来说，如果存在有限数目的S-BMU200，例如少于700个，那么在100msec的更新数据速率下，数据速率为1Mb/s，我们将在下文看到。在所述条件下，将仅需要一个电池组来管理所有的WiBaAN实体，且M-BMU100可计算每一S-BMU200的SoC/SoH，且基于其监视数据控制全部实体。如果整个系统包含一个以上电池组且需要分层架构，如图6中所示，那么每一M-BMU100包含微处理器来计算电池组中的每一S-BMU的SoC/SoH，且将SoC/SoH数据传送到T-BMU510以控制BMS操作。否则，所述T-BMU可用微处理器来计算所有S-BMU的SoC/SoH，在此情况下，M-BMU100扮演数据传送网关的角色。图7展示用于WiBaAN的经修改和实际拓扑，其中网络400具有在M-BMU100与外围S-BMU节点200之间的一个或一个以上无线中继器(或RF网关)610。使用RF网关610来使M-BMU100与S-BMU节点210之间的点到点链路的最大发射距离延长超过M-BMU100的发射器功率所支持的距离，或超过上面部署有WiBaAN的物理封装所支持的距离。图8说明经修改WiBaAN拓扑的另一替代实施例，其中物理传感器单元240安装在电池单元10上，且电池单元10可在一个串中一直堆叠到预定数目(m)个电池单元10。传感器单元240上的两组串行端口使传感器单元240能够由类似CAN的其它数字接口进行菊链连接或连接。与M-BMU100的通信是通过RF无线电250在最低层级上进行的。此拓扑可用以简化无线通信链路，且减少所需的RF无线电的数目。其可也对克服电池包结构的物理复杂性有用，其中形成电池包400的模块化260。图9(a)是用于BMS100的无线二次电池保护(SPD)方案的框图。二次保护指代用于在通过电池管理系统(BMS)100进行的一次保护机制未能操作时保护电池包的机制。为了实现二次保护，需要监视电池包10中的每一电池单元的电压和温度。当操作条件在安全区之外时，将适当的故障信号递送到保护电路，其独立于主BMS或控制微处理器而操作。在WiBaAN中，如图9(b)中所示，当单元电池10在不认为是安全的条件下操作时，主BMS100采取行动以防止对电池单元造成进一步损坏(这是其一次保护)。举例来说，主BMS100可与主保护电路或断路器通信以断开电池电路。因此，在本发明的替代实施例中，保护电路600还配备有无线通信能力。出于任何原因，当主BMS100无法响应来自从属单元200的故障信号时，从属单元200通过无线信道直接与二次保护装置(SPD)600传送其旗标信号(过压或欠压旗标)，以保护电池单元10。所揭示的SPD600包含RF基站610、决策装置620、控制器630以及RF天线640。SPD600能够控制主继电器或断路器660，以切断到电池包10的主充电/放电缆线。虽然常规电池包架构有时使用具有额外线束的二次保护装置，但所揭示的WiBaAN仅需要SPD600而无额外线束负担。此外，S-BMU210单元可用于WiBaAN中的SPD600。图10(a)是展示安装在电池单元10上的S-BMU210的框图。S-BMU210包括：电池传感器单元240、完整RF无线电220、板上天线230、电力管理单元222、数字信号处理单元226以及电池控制逻辑250。S-BMU210可用单个硅芯片解决方案220实施，所述单个硅芯片解决方案220包含所有关键功能单元，除了板上天线230以及晶体之外。电池传感器单元240包含用于测量电池单元10的电压、电流、阻抗或温度的模拟传感器，以及模拟数据多路复用器和高分辨率模/数转换器227。S-BMU210的关键特征之一是提供电池的平衡和旁路251的可控性。图10(b)是电池控制逻辑电路250以及平衡和旁路电路251的框图。电池控制逻辑电路250包含过压和欠压旗标产生单元252以及平衡操作控制单元253，其用于产生以下控制信号：被动平衡(PBAL)；主动平衡(ABAL)；或旁路控制(BPAL)。平衡和旁路的控制命令从M-BMU100传送到对应的S-BMU210，在从属基带调制解调器226处解译，且递送到控制逻辑250。可以包含以下各项中的任一者的若干方式来实施被动平衡：1.在芯片级下，借助功率MOSFET254和被动电阻器255；2.在板级下，借助外部电力开关装置和被动元件；或内部和外部方法的组合。可基于唯一优选选择性电池单元均衡技术251在板上实施主动平衡功能。使用M-BMU100的SoC数据来执行选择性电池单元均衡技术。首先，M-BMU100将主动平衡命令递送到具有最高充电电压的S-BMU210。其次，经由开关256和二次变压器257将来自S-BMU210的额外电荷递送到一次变压器。再者，M-BMU100选择具有最低电荷的电池单元，且通过接通开关256来实现主动平衡，接通开关256致使电荷重新分布以从一次变压器流向二次变压器257。控制单元253还能够通过控制超低导通电阻中继开关258来对一系列电池堆叠中的任何失效电池设旁路。由于S-BMU210安装在电池单元10上，因此直接测得的温度和电流数据可映射到电池环境和操作中。存在此项技术中已知的用于短程无线数据通信的各种标准，例如近场通信(NFC)、射频识别(RFID)、紫蜂或蓝牙。它们已因较低的制造成本和较小的占用面积而成功地部署在许多区域中。然而，WiBaAN需要上述标准上的应用驱动的特定设计和规范，因为其需要可变高速率数据通信以及网络传感器200的非常稠密的群体(分布)的处置。即使WiBaAN驻存在由金属外壳覆盖的电池包内，从而防止潜在的电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)，但仍存在很重要的问题。另外，应为WiBaAN考虑以下特征：可变RF功率输出、全向内建天线、超低电力操作、安全QoS、较宽温度范围上的稳健操作、电池分布的自动识别以及自动模式控制。图11说明操作优选WiBaAN技术所需的步骤的基本功能流程。这是五模式过程。WiBaAN的工厂模式610通过自动或扫描方法通过每一S-BMU的标识(I.D.)的配置来定义，且接着其将所有S-BMU的I.D.以及电池拓扑存储在M-BMU的存储器查找空间上。当电池包10配备在系统中时，WiBaAN装置将模式从工厂转换为待机模式620。试图致使多个S-BMU200以及一M-BMU100两者均进入待机模式620，这将执行基本系统检查和诊断、基本RF通信信道检查，以及例如载波频率、LO频率、信号带宽和增益等等RF无线电参数的初始设定。在主动模式630下，所有的S-BMU200均监视其电池操作条件，并与M-BMU100通信，以传送电池监视数据，或通过平衡或旁路来控制电池操作。M-BMU100基于预定周期和序列循序地收集每一电池的数据，并计算每一电池及其包的SoC和SoH。在一个S-BMU210完成与M-BMU100的通信之后，其自动进入休眠模式640，同时下一相邻S-BMU210准备好移入主动模式630中。在休眠模式640下，S-BMU210以及RF无线电中的未用建立块掉电以节约电力。在由看门狗定义的预定时间周期之后，S-BMU210开始收听来自M-BMU100的包，以便再次唤醒。当断开电池包的主电力开关时，电池包进入掉电模式650，其停用所有的S-BMU210功能。在所述周期期间，由专用电池供电的M-BMU100执行系统的诊断。由M-BMU100产生的加电信号660将所有S-BMU210从掉电模式650驱动到待机模式620。总之，本发明的WiBaAN与其它无线电池监视系统之间存在若干重要且独特的差异。第一，本发明的WiBaAN涉及独特的时分半双工无线数据通信技术，其使用频率灵活、数据速率可变、自维持的RF无线电架构。第二，BMS控制器与多个电池传感器之间的交互可容易地监视和收集每一电池单元的条件的数据，控制每一电池单元的电荷平衡和旁路，且维持与闭合控制环路的无线链路。并且，根据本发明，WiBaAN可扩展到分层树形架构，以便处置特定应用中的数千个电池单元。此外，虽然用于其它无线系统的成本对于对成本敏感的大型电池应用来说将是不可容许的，但本发明提供非常成本有效的单芯片解决方案。因此，本发明的无线电池区域网络(WiBaAN)架构将实质上降低Li离子电池包的成本，同时可靠地改进可扩展性。虽然已参考本发明的优选实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将了解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下，对包括本发明的部分和方法作出各种修改。