br>[0198]例如利用电池单元1^，1，64，和8在接触表面5050和5040之间可形成另一串，串的输出电压也将为5*X伏。此串于图5B中以虚线曲线示出。串可在功率组合器中组合以形成一个输出。然而串的输出电压没有必要为相同以允许结合那些串。
[0199]电池单元A-M的一些接触区域或箱的接触表面504A-F，505A-F也可以旁路模式形成串如果，例如能量贮存器发生故障时，不需要所有可用功率，或要形成长串。例如，较长的串例如可通过在接触表面505A和504C之间串联连接电池单元K，I，G，D和B来形成，电池单元C，E，H，J和M可在接触表面504F和505E之间串联连接。通过进一步将接触表面504C连接到接触表面504F，在接触表面505A与505F之间可形成包括10个电池单元的串。此串于图5B中以实线曲线示出(替代其它曲线)。
[0200]接触表面504A与505F之间的另一示例性长串，在某些电池单元中采用旁路，于图5B中以虚线曲线示出(再次替代其它曲线)。当曲线第一次经过电池单元时其能量贮存器串联连接，而当它下一次经过相同的电池单元时，相应的接触表面彼此都被短路以便实现旁路连接。因此，形成连续的能量路径。
[0201]为了能够以期望的方式对每个电池单元单独地进行编程，每个单元优选地具有独特标识符，如上所述。
[0202]接着，更详细地说明箱的优选性质和操作原理。
[0203]物理方面和装填(箱)
[0204]箱包括容器，该容器限定用于容纳多个电池单元的空腔。容器的尺寸和形状可广泛变化。容器的壁材料可以是均匀的或打孔的，只要电池单元不能轻易逃脱容器以及壁足以支撑接触表面即可。
[0205]典型地，容器包括开口，优选可关闭的开口，电池单元通过所述开口可被插入到容器并从容器取出以便装填和排空箱。还可存在用于装填和排空的单独开口。例如，在容器的底部处可以具有取出开口以及在容器的顶部处可以具有插入开口。
[0206]装填和清空箱可使用各种方法，诸如重力、过压或负压或气流来完成。根据一个实施例，空气栗用于创建过压或局部真空，其能够将电池单元移动进出箱。具体地，箱的快速排空可由局部真空来完成，其将用过的电池单元从箱吸离到另一个容器，诸如再充电筒仓。纯粹地或部分地通过重力排空也是可能的，如果在箱的底部处存在开口的话。快速再装填例如可使用沿着软管的压力或气流转移或通过将电池单元从箱开口倾倒来完成。电池单元的变化也可手动完成。
[0207]箱不需要完全装填，条件是其接触表面中的至少一些仍然与至少一些电池单元接触。还可存在最小的功率需求。因此，在实践中需要电池单兀的预定最小数量。最小例如可以是电池单元最大数量的10至90%，通常20至50%。因此，电池组的尺寸针对各种需要可以调节和优化。例如在电动车辆的情况下，只有当需要最大行使里程时用户才会完全装填箱。另一方面，如果典型的日常行驶里程只有几十公里，则用户不需要电池单元的最大数量。这使得在EV更轻和更有效。某些规定可能是必要的，以限制电池单元在箱中的物理运动。实现这一点的一种可能性是用不包括电源的空电池单元装填箱的空的空间，但仍可完全、部分或非智能地内置。
[0208]箱的装填和排空系统可被设计成开放或封闭的，S卩，允许气体进入和离开电池单元空腔或使其不透气，如果不是可气密密封的话。开放系统比封闭系统更简单，但作为缺点是在开放系统中电池单元暴露于环境空气和可能的污染物。优选的是所述箱给电池单元提供环境保护至少防止受到灰尘、水和其它污染物的影响。它可另外被设计成至少在操作期间是气密的。
[0209]出于实践的原因，排空和/或装填过程应该是快速操作，导致电池单元以相对高的速度移动。出于该原因，装填和排空系统应设计成避免电池单元和箱之间的过度碰撞。当被装填时，箱必须能够紧密地包封电池单元，产生用于在电池单元之间和在电池单元与箱之间的大多数连接的足够法向力。这使得能够具有稳定的低电阻电接触。箱维持这些法向力的至少大部分，保持电池单元在典型的工作条件下固定，所述工作条件可包括几个环境压力，像热循环，动态和静态载荷，振动和冲击。
[0210]因此，非复杂的形状，诸如圆柱体，立方体，球体，半球体，圆锥体或它们的组合是优选的空腔形状。
[0211]箱优选提供足够好的冷却以便消散由电池单元和所述电池单元与所述箱之间的电接触所产生的热量。例如，对于几个电池单元的化学特性而言，优选的操作温度范围可相当窄，例如对于典型的锂离子电池而言为-20°C至+50°C。
[0212]电池单元在箱中的冷却可以用几种不同的方式来实现。电池单元在箱中的最大随机填充比通常为约70%。这意味着在箱中总是有可用于循环冷却流体(通常是空气或冷却液)的在箱中的约30%的空隙。每单位电池容量的冷却面积与电池单元尺寸成反比。因为最优的电池单元的尺寸是相对小的，可以获得优良的散热面积相对于电池容量的比率。为了避免箱污染，内部流体循环和经由某种类型的热交换器从传热流体移除热是优选的。流体循环可通过使用栗、风扇或鼓风机得到改进，这取决于所使用的流体类型和结构。冷却布置优选是完全被动式的，利用通过箱壁的被动传热和在箱内的气体对流。
[0213]根据一个实施例，提供一种主动式装置，诸如风扇，用于使得流动气体在箱内循环和/或进出箱，以提供更有效的冷却。
[0214]根据一个实施例，提供一种主动式装置，用于使得冷却流体诸如液体在封闭的流体循环系统中循环以提供更有效的冷却。
[0215]如果箱在装填后搅动则所述箱的填充比可得以改善。以这种方式改善填充比可以是数个百分比，这至少取决于所施加搅动的类型，电池单元的形状和电池单元外壳的摩擦。此外，在搅动之后，在箱中存在不太松动的电池单元，在操作过程中松动的电池单元会移动，这可能导致电池单元之间的某些连接被断裂，这可能对已经编程的能量路径有影响以及将需要重新路由。搅动可以许多方式来实现，例如通过振动容器或它的某些部分。另一种可能性是使用空气栗来搅动，通过快速改变流动方向几次。
[0216]根据一个实施例，箱包括用一体式装置于用来搅动电池单元容器。
[0217]根据一个实施例，箱能够提供和维持电池单元之间的静态超压(相对于纯粹由重力所造成的压力)。使用这种装置，在装填和可能的搅拌之后和在操作之前，附加的静压力可施加到箱以便增加电池单元的接触区域之间和电池单元的接触区域与箱的接触表面之间的法向力。此外，如果静压力与重力相比是大的时，法向力将在不同的接点之间更均匀。施加的压力也提高系统承受操作过程中的振动和冲击的能力。
[0218]根据一个实施例，箱包括能够导致静压力的一个或多个机械弹簧。根据另一个实施例，所述箱包括弹性构件，其可压靠装填之后的电池单元。根据另一个实施例，所述箱包括气体可充气的构件，在装填容器之后它可用气体加压以导致静压力。
[0219]根据一个实施例，电池单元容器本身被设计为至少部分弹性的或柔性的，因此允许箱的轻微“过量装填”(关于其静止体积)。所得的变形和弹性力将导致电池单元和箱壁之间的静压力。弹性的设计也使得通过外部装置更容易施加静压和更容易维持静压。
[0220]系统元件和电子器件(箱)
[0221]在容器的内壁上，存在多个即至少两个接触表面，其定位成使得它们中的至少一些必然与电池单元接触。接触表面用于将功率从池单元传输到外部负载，或传输到用于给它们的能量贮存器再充电的电池单元。接触表的总数通常为至少4个，特别是至少8个，和典型地至少为16个。数量可以是例如16至少128个。各个并联串即通过箱的电能路径的理论最大数量是接触表面数量的一半，由于串通常从一个接触表面开始并结束于另一接触表面。接触表面可被分成两组或多组，部分地受到单独的切换逻辑单元的控制。
[0222]接触表面优选配置成使得每个接触表面可处于断开(高阻抗)状态或限定为正或负终端。任选地，接触表面可以接地和/或设有预定电压。提供相应的切换电路，所谓的切换矩阵，其连接到接触表面以及连接到或可连接到控制单元，也称为箱管理单元。控制单元通常还能够将编程信号通过接触表面传送到所述电池单元。
[0223]根据一个实施例，也可以利用用于形成接触表面之间的低电阻连接的切换电路将接触表面连接到另一个接触表面。通过这种布置，可具有串，其例如从一个接触表面开始，并且之后若干电池单元到达第二接触表面，其在内部连接到第三接触表面，串从第三接触表面经由电池单元再次继续，直到它到达第四接触表面。因此，一旦遇到接触表面，串不必结束，而是可继续通过另一个接触表面。
[0224]根据一个优选的实施例，所述接触表面被分成两个或多个阵列，每个包括多个接触表面。例如，每个阵列可包括至少两个，优选至少四个独立的接触表面。阵列可放置在电池单元容器的不同内壁上。在典型的情况下，接触表面阵列被放置在箱的相对侧上，如图4中所示。在此，每个触点(或接触)阵列包括16个接触表面。
[0225]根据一个实施例，箱包括本文称为箱管理单元(TMU)的控制单元和功能性地连接到TMU并连接到箱的接触表面组的至少两个切换矩阵(SMX)。在一个优选的实施例中，也存在至少两个功率总线，其用于将能量传输进出SMX和用于组合由功率总线所传输功率的功率组合器。此外，可存在用户接口装置，用于允许用户控制TMU和/或用于将箱的操作和/或充电水平可视化。箱还可以包括额外的能量贮存器，以便如果功率供给被暂时中断则在一段时间下供应能量。
[0226]TMU监测和控制电池单元，串，SMX和电源总线。SMX用于将串连接到电源总线，以及在TMU和电池单元之间的通信经由SMX发生。
[0227]电源总线用于将若干串连接到外部正和负电连接。
[0228]图8示出一种可能的SMX架构。接触表面810，电源总线830和接地总线835连接到一个矩阵内，其中每个接触表面810可使用连接元件870连接到任何电源总线830或接地。矩阵由切换矩阵控制器840控制，其可以是单独单元或所述箱的主控制单元。此外，还有连接到每个电源总线830和接触表面810的功率组合器块820和电流和/或电压测量部件880。测量由测量和通信单元850控制。测量信息可被传递到切换矩阵器控制器840。在输出860提供统一电压。
[0229]切换矩阵控制器840优选包括切换电路，CPU，发送电路，接收电路，监测电路，以及朝向电源总线、所述接触表面和所述TMU的所述接口。除了将接触表面连接到电源总线或地面之外，SMX可优选将接触表面设置到高阻抗状态或者将它们连接到一定的电压。
[0230]图9示出更一般水平的系统。接触表面标以标号815，并连接到切换矩阵875。可以看到的是，来自切换矩阵875的电源总线连接到功率组合器825。功率组合器825需要将来自若干电源总线供应组合到适于负载诸如BEV的单个箱输出终端对内。功率组合器825优选能够将具有不同电压水平的串组合到单个箱输出终端对。如果需要几个箱输出，例如具有不同的输出电压，则也可有几个功率合成器。TMU在图9中表示为845，它通常给箱系统提供最最具计算能力的功率。
[0231]TMU包含必要的软件装置，用于执行所需的业务逻辑操作，诸如运行路由算法和可能的安全检查，系统指标等。也有软件装置，用于将业务逻辑操作的计算结果转换成消息并根据所使用的消息传递协议反之亦然。这些消息包含适于SMX或电池单元的系统的其它部分的指令。还存在硬件接口，其提供TMU的软件装置和系统的其它部分之间的链接。该层控制箱的硬件。
[0232]根据一个实施例，SMX的发送电路使得能够在TMU和电池单元之间进行通信。SMX转发消息意味着电池单元从TMU来到电池单元。消息可通过一定的接触表面被发送，或者它可同时在多个接触表面上传播。TMU决定用于通信的接触表面。
[0233]根据一个实施例，接收电路接收来自电池单元来的消息以及SMX将那些消息转发到TMU。消息可利用若干接触表面在同一时间下接收或利用一个特定的接触表面再次由TMU决定。
[0234]根据一个实施例，SMX的检测部分使得能够测量电源总线的电流和电压，测量接触表面的电流和电压。此外监测SMX的温度是可能的。
[0235]最后，图10示出根据箱的优选实施例的连续性启用布置。存在两个箱部段A和B，每个如图8中所示，具有独立的切换矩阵975A，975B和功率组合器925A，925B，通常连接到不同的电池单元串。所述部段被连接到在部段和负载之间的箱部段逻辑985。箱部段逻辑的目的是为了确保在箱的一个部段通信、重新路由或以其它方式不可用于功率传输的同时，另一部段可接管功率传输功能，而不会中断功率传输到负载。还可存在额外的缓冲器能量贮存器，其连接到箱部段逻辑以便在部段不可用的短时间段内确保功率传输，例如如果所有电池单元以通信或同步序列接合的话。
[0236]总体操作过程(箱)
[0237]图1lA示出箱操作过程的一个实例，其从开始1101开始，其中箱被装填电池单元，但尚未传输功率，以维持箱处于功率传输送状态1115。首先，TMU开始图1IB的发现过程1103，并且下文更详细地论述，以便搜寻在箱中可用的串。TMU存储从电池单元接收到的信息。如图1lB中所示的发现过程描述了串如何可被识别和构造。如果有多个可用的接触表面，则同样的过程可通过不同的接触表面对被重复多次，如果形成几串的话。发现过程收集或构造关于如何可在两个接触表面之间建立路由的信息。根据该信息，计算路由过程1105确定能量IC存器的终端如何连接到电池单元的接触区域使得那些串联连接。
[0238]在步骤1107中，TMU将其中能量贮存器的哪些接触区域终端将被连接通信到电池单元。电池单元存储该信息。在连接终端之前，所建立的串在步骤1109中进行验证。示例性的验证可通过以旁路模式连接在上一步中确定的接触区域来完成。然后电流从不同接触表面馈送。通过测量电流是否在一定范围内，则TMU可确定在两个接触表面之间是否存在可用路由。电池单元还监测操作过程中的电流，并且如果它超过阈值，则终端从接触区域断开。
[0239]在验证步骤1109之后，TMU命令电池单元将能量贮存器的终端连接到接触区域1111。一旦这已经完成，所述电源总线和功率组合器可在步骤1113中被启动以便提供从箱到负载的输出电压。在该步骤中TMU命令某些接触表面连接哪些电源总线，且其测量应对应于更早计算值的电源总线电压。计算的电压可在一定的精度限度内计算，如TMU知晓哪些电池单元是特定串的一部分，以及电池单元在发现过程中报告能量贮存器的电压。在操作中，系统被维持处于步骤1115的保养循环中，电源总线和串被反复监测以便能够对箱中的基本变化做出反应。
[0240]发现和路由(箱)
[0241]当箱用电池单元装填以及与电池单元建立通信链接之后，箱开始搜寻在电池单元之间以及在箱和电池单元之间存在可用的哪种类型的连接。这一过程被称为发现过程。
[0242]根据一个实施例，除了找出可用连接之外，发现过程包括收集存储在电池单元内或从电池单元测得的其它信息。这些信息例如可以是能量贮存器的电压，能量贮存器的充电水平，电池单元的温度和充电循环的数量。所收集到的信息被存储在控制单元中。
[0243]应当指出的是，没有必要为箱中的所有电池单元提供所有接触信息去运作。可建立允许箱来输送功率的一串就已足够。相比于具有较低输出电压的许多更短串，具有较高输出电压的少数长串在原则上使得功率损耗更小。长串以及与之相关的高电压的缺点是对于部分而言需要较高的电压耐受水平。它增加两个相邻电池单元之间的电压差高于所使用的半导体指定的击穿电压的可能性。许多更短串需要更多的电源总线，从而在切换电路和功率组合器需要更多的组件来管理所有的串。
[0244]参照图6A至图6D，根据一个实施例，当电池单元形成电阻网络时执行发现。每个单个电池单元的接触区域布置成虚拟星型配置。在星型配置中，在之前更详细地参照图2B所示，电阻器的一个终端连接到所述电池单元的每个接触区域以及所述电阻器的另一终端连接到所述电池单元的公共星点(图6A-6D未示出电池单元内部的各个电阻器，但示出接触区域之间的