专利名称：电池组以及用于为电池组充电的方法
技术领域：
本发明涉及电池组以及用于为电池组充电的方法。
背景技术：
电子设备例如笔记本电脑或移动电话以及车辆从电池接收能量。这样的电池可被制造为包括电池单体和各种电路的电池组。关于电池组，电池单体由外部充电器充电,且电池组被重复放电来为外部负载例如电子设备或车辆供应电压和电流。在传统的电池组中，电池单体被串联耦合，并通过使用外部充电器来充电。在本实例中，单体电池可能不能均匀地充电或放电，并且充电偏差或放电偏差可能出现。电池组执行单体电池平衡过程以便校正偏差，这占用了很多时间且增加了用于为电池组充电的时间。 在背景部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景的理解，且因此它可包含不形成在这个国家对本领域的普通技术人员已知的现有技术的信息。发明概述技术问题本发明努力提供一种电池组以及用于为电池组充电的方法，该电池组用于通过使用电池管理系统来监测和控制单体电池模块、通过使用外部充电器给电池组快速充电使其具有预定能量以及通过使用单体电池模块的单体电池充电器为每个电池单体充电，以从而在没有单体电池之间的偏差的情况下为电池单体快速地完全充电。解决问题的手段本发明的示范性实施方式提供了一种电池组，其包括多个单体电池模块，其包括多个电池单体；以及电池管理系统，其用于基于由单体电池模块发送的电池单体的状态信息来将关于充电的控制信号发送到多个单体电池模块中的至少一个，并且基于状态信息控制由外部充电器供应到单体电池模块的电流，其中单体电池模块结合外部充电器被充电到电池单体的预定容量，且根据控制信号被充电到电池单体的全容量。单体电池模块还包括控制器和电池单体充电器，控制器用于监测电池单体的状态、将监测到的状态信息发送到电池管理系统以及接收控制信号，电池单体充电器用于通过控制器的控制为电池单体充电。控制器监测电池单体的电压、电流和温度。电池组还包括位于根据极性串联耦合的电池单体的一端和外部充电器的一端之间的开关，其中电池管理系统控制开关的接通/关断。当多个单体电池模块中的一个达到参考电压时，电池管理系统基于状态信息控制开关，以停止由外部充电器供应到电池单体的电流。当由外部充电器供应到电池单体的电流停止时，电池管理系统基于状态信息分析单体电池模块的状态并将控制信号发送到单体电池模块，以便从外部充电器被单独地充电
至全容量。
电池管理系统基于电压、电流和温度中的至少一个设定单体电池模块的正常操作范围，且当单体电池模块中的至少一个基于状态信息不能满足正常操作范围时，电池管理系统控制开关以停止由外部充电器供应到电池单体的电流。电池管理系统管理由单体电池模块提供的状态信息，并检查单体电池模块的性能以确定更换。状态信息包括温度信息，而且电池管理系统基于状态信息比较单体电池模块的温度与参考温度，并将用于操作加热垫的控制信号发送到具有低于参考温度的温度的单体电池模块，以及当存在具有高于参考温度的温度的单体电池模块时操作冷却装置。本发明的另一个实施方式提供了一种用于电池组的电池管理系统为包括多个电池单体的多个单体电池模块充电的方法，其包括通过使用由外部充电器供应的电流为电池单体充电；监测单体电池模块的状态并确定单体电池模块中的一个是否达到参考电压；当有一个单体电池模块达到参考电压时，停止充电过程；以及分析单体电池模块的状态信息，并将控制信号发送到单体电池模块，使得单体电池模块可被单独充电到电池单体的全 容量。基于由单体电池模块提供的电池单体的电压信息来执行该确定。所述停止包括通过控制外部充电器来减小电流供应，以及通过控制外部充电器和单体电池模块之间的开关来停止由外部充电器供应到电池单体的电流。发明效果根据本发明的实施方式，通过连接包括电池单体和单体电池充电器的单体电池模块来制造电池组，因此每个单体电池模块可以被更换，并且更换电池组中的坏的单体电池是容易的。另外，电池管理系统和单体电池模块监测单体电池模块的状态，并彼此发送和接收信息，而且单体电池模块通过使用包括在单体电池模块中的单体电池充电器而不是通过使用外部充电器来为单独的电池单体充电。因此，无需执行用于降低当在外部充电或放电时出现的单体电池间的偏差的单体电池平衡，而且电池组在短时间内被完全充电。附图简述图I示出了根据本发明的示范性实施方式的电池组的框图。图2示出了根据本发明的示范性实施方式的单体电池模块的框图。图3和图4示出了根据本发明的示范性实施方式的单体电池模块的配置图。图5示出了根据本发明的示范性实施方式的电池组的透视图。图6示出了根据本发明的示范性实施方式的电池组的功率和控制信号的示意图。图7示出了根据本发明的另一示范性实施方式的电池组的功率和控制信号的示意图。图8和图9示出了根据本发明的示范性实施方式的电池组的连接状态。
图10示出了根据本发明的示范性实施方式的用于为电池组充电的方法的流程图。本发明的优选实施方式在如下详细描述中，只有某些示范性实施方式仅作为例证被示出和描述。如本领域的技术人员将认识到的，所描述的实施方式可以以各种不同的方式被修改，而都不偏离发明性概念的精神或范围。因此，附图和描述应被视为在本质上是说明性的而非限制性的。在整个说明书中，相似的参考数字指示相似的元件。在整个说明书中，除非明确地被相反地描述，词“包括(comprise)”及其变体例如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”将被理解为暗示所陈述的元件的包括但不是任何其它元件的排除。现将参照附图描述根据示范性实施方式的电池组以及用于为电池组充电的方法。图I示出了根据本发明的示范性实施方式的电池组的框图。参照图1，电池组100包括多个单体电池模块200和一个电池管理系统(BMS)300。电池组100串联地、并联地或以串联和并联的组合连接单体电池模块200，且相应的单体电池模块被连接到电池管理系统300。电池组100从外部充电器400接收电流来为电池单体充电，而且它将电流供应到外部负载(未示出)，且然后被放电。电池组100还包括在外部充电器400和单体电池模块200之间的开关500、用于冷却电池组100的冷却装置600以及用 于感测流到电池组100的电流的电流传感器700。单体电池模块200包括电池单体210、控制器230、单体电池充电器250、温度传感器270和加热垫280。单体电池模块200与电池管理系统300通信以将信号发送到电池管理系统300以及从电池管理系统300接收信号。单体电池模块200接收功率以驱动控制器230和单体电池充电器250，而且在本实例中，它可从外部充电器400接收功率。电池单体210是可再充电的。电池单体210可由从外部充电器400供应的电流充电，并且它可由适合于电池单体210的状态的、由单体电池充电器250供应的电流单独地充电。电池单体210可以以各种方式充电，并且例如，它可通过恒定电流/恒定电压(CC/CV)方法或由电池管理系统300指定的方法充电。控制器230监测电池单体210的状态，且周期性地将状态信息发送到电池管理系统300。在本实例中，控制器230监测电池单体210的电压、电流和温度。控制器230基于由电池管理系统300发送的控制信号来控制单体电池充电器250。当从电池管理系统300接收到用于为电池单体210充电的控制信号时，控制器230控制单体电池充电器250来为其余的电池单体210充电。在本实例中，根据电池单体210的状态，控制器230控制单体电池充电器250以为电池单体210完全地充电。单体电池充电器250通过控制器230的控制为电池单体210充电。单体电池充电器250根据电池单体210的状态为电池单体210完全地充电。在本实例中，单体电池充电器250使用从外部充电器400供应的功率来为电池单体210充电。温度传感器270和加热垫280用来在预定参考范围内操作电池单体210的温度。温度传感器270测量电池单体210的温度并将其发送到控制器230。加热垫280由控制器230操作，而且升高电池单体210的温度。在本实例中，温度传感器270可以是负温度系数(NTC)的温度传感器——一种具有与温度有关的电阻的装置。电池管理系统300包括与单体电池模块200通信的单体电池模块接口 310、管理器330和外部接口 350。单体电池模块接口 310与单体电池模块200通信以从单体电池模块200接收电池单体210的状态信息，并将各种控制信号发送到单体电池模块200。管理器330基于由单体电池模块接口 310提供的信息来管理单体电池模块200和各种连接装置。
管理器330控制开关500以控制由外部充电器400供应的电流。例如，当多个单体电池模块中的一个达到作为充电停止电压的参考电压时，管理器330停止从外部充电器400到多个电池单体的电流供应。管理器330基于单体电池模块的状态信息、电压和电流确定单体电池模块的充电方法。而且管理器330将用于为其余的单体电池单独充电的控制信号发送到单体电池模块。管理器330基于从单体电池模块200发送的电池单体210的信息来监测单体电池模块200。管理器330将关于充电的控制信号发送到多个单体电池模块中的至少一个。在本实例中，当电池单体210的温度高于参考温度时，管理器330可以操作冷却装置600以冷却电池组100。当电池单体210的温度低于参考温度时，管理器330可以将用于操作加热垫280的控制信号发送到相应的单体电池模块。管理器330通过电流传感器700知道电池组100被过放电、过充电或不在适当的温度下。也就是说，当从外部充电器400流到电池组100的电流或者从电池组100流到外部负载(未示出)的电流偏离安全范围时，管理器330控制开关500以保护电池组100。 另外，管理器330使用组装的单体电池模块的标识号来管理相应的单体电池模块的历史。管理器330在用于制造电池组100的过程期间执行老化过程，基于电池单体的充电和放电容量评估电池单体，并确定低于预定标准的坏的电池单体。管理器330基于使用中的电池单体的可用容量的变化、内部电阻以及充电和放电的次数来计算电池单体的剩余寿命，然后显示寿命期满的电池单体的单体电池模块的更换指示。外部接口 350可与电池组100的外部装置通信。例如，外部接口 350可包括TCP/IP端口、USB端口、控制器区域网络(CAN)通信端口和外部存储器连接器。开关500基于电池管理系统300的控制被断开或闭合。开关500是功率可控元件，且它可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)或功率场效应晶体管(FET)。开关500可被实现为磁接触器(MC)类型。电流传感器700可以是霍尔传感器或分流电阻器。图2示出了根据本发明的示范性实施方式的单体电池模块的框图。参照图2，单体电池模块200包括电池单体210、控制器230、单体电池充电器250、温度传感器270和加热垫280。单体电池模块200通过正电极连接端子290和负电极连接端子291连接到另一个电池单体或外部充电器。单体电池模块200还包括用于与电池管理系统300通信的通信连接端子294、以及电源连接端子295，单体电池模块200的电源连接到电源连接端子295。电池单体210可通过经由正电极连接端子290和负电极连接端子291从外部充电器400接收电流来被充电，且它也可以通过从单体电池充电器250接收适合于电池单体210的状态的电流来被单独充电。控制器230测量电池单体210的充电的电压和电流，并通过温度传感器270监测温度。控制器230周期性地将所监测的状态信息发送到电池管理系统300。在本实例中，当电池单体210的温度低于参考温度时，控制器230操作加热垫280以升高电池单体210的温度。控制器230基于从电池管理系统300接收到的控制信号控制单体电池充电器250。当从电池管理系统300接收到用于为电池单体210充电的控制信号时，控制器230控制单体电池充电器250来为电池单体210充电到全容量。单体电池充电器250根据控制器230的控制为电池单体210充电。单体电池充电器250根据电池单体210的状态为电池单体210完全地充电。在本实例中，单体电池充电器250通过单体电池充电电源为电池单体210充电。单体电池充电器250通过电源连接端子295接收单体电池充电功率，并且单体电池充电功率可以是交流功率或直流功率。图3和图4示出了根据本发明的示范性实施方式的单体电池模块的配置图。参照图3，单体电池模块200包括实现有控制器230和单体电池充电器250的控制板292、电池单体210、温度传感器270以及设置在电池单体210上方或下方的、安装在单体电池托盘293中的加热垫280。单体电池托盘293还包括正电极连接端子290、负电极连接端子291、通信连接端子294和电源连接端子295。参照图4，单体电池模块200包括实现有控制器230和单体电池充电器250的控制板292、电池单体210、温度传感器270以及设置在电池单体210上方或下方的、安装在单体电池托盘293中的加热垫280。图5示出了根据本发明的示范性实施方式的电池组的透视图。 参照图5，电池组100包括多个单体电池模块200，其可以以串联、并联以及串联和并联的组合中的一种被连接，并且堆叠的单体电池模块分别连接到电池管理系统300。单体电池模块200可以以各种方式堆叠，且例如，如图5所示，它们可以通过在一层中放一个单体电池模块或通过在一层中堆叠至少两个单体电池模块来堆叠。当现有技术电池组被制造时，电池单体被组装成各种电路连接到的一个组,所以更换坏的电池单体是困难的。然而，关于使用单体电池模块200的电池组100，更换坏的单体电池是容易的。因此，通过更换坏的单体电池，用户可以使用电池组100很长时间。另外，由于单体电池模块200被单独地完全充电，所以电池组100不需要经历用于通过使用具有低电压的电池单体执行平衡过程来减小电池组的电压的单体电池平衡过程。因此，电池组100用外部充电器400充电，且在不降低电压的情况下，它被完全充电一直到电池组100的最大充电电压，从而增加了电池组的可用容量。图6示出了根据本发明的示范性实施方式的电池组的功率和控制信号的示意图。
参照图6，电池组100通过单体电池模块堆800和电池管理系统300来使电池单体充电和放电，单体电池模块堆800通过堆叠单体电池模块200来形成。电池管理系统300通过开关510和530控制单体电池模块堆800和外部充电器400之间的电流流动。在本实例中，开关530可以省略，取决于电路。当外部充电器400连接到电池组100时，电流从外部充电器400供应到单体电池模块堆 800 (S510)。单体电池模块堆800的相应的单体电池模块将电池单体的电压、电流和温度信息发送到电池管理系统300 (S520)。当多个单体电池模块中的一个达到参考电压时，电池管理系统300将控制信号发送到开关510，以便停止从外部充电器400供应到电池单体的电流(S530)。在另一种方式中，在关断开关510之前，电池管理系统300可以将控制信号发送到外部充电器400，以便外部充电器400可减少所供应的电流(S540)。电池管理系统300将控制信号发送到单体电池模块堆800，以便基于单体电池模块的状态将电池单体单独充电到全容量(S550)。电池管理系统300可以发送控制信号，以便根据CC/CV方法为其充电。
在本实例中，电池管理系统300接通开关530以从外部充电器400为单体电池模块供应功率(S560)。单体电池模块可串联、并联或以串联和并联的组合连接以通过开关530接收功率。图7示出了根据本发明的另一个示范性实施方式的电池组的功率和控制信号的示意图。参照图7，当外部负载900连接到电池组100时，电流从单体电池模块堆800流到外部负载900 (S610)。电池管理系统300通过电流传感器700监测从单体电池模块堆800流到外部负载900 的电流(S620)。当由电流传感器700感测到的电流偏离安全范围时，电池管理系统300将控制信号发送到开关510以控制电流(S630)。 单体电池模块堆800的相应单体电池模块将电池单体的电压、电流、温度信息发送到电池管理系统300 (S640)。电池管理系统300基于由单体电池模块堆800发送的信息分析单体电池模块的状态，并将控制信号发送到单体电池模块堆800 (S650)。图8和图9示出了根据本发明的示范性实施方式的电池组的连接状态。参照图8，电池组100包括连接到外部装置的多个端子110、120、130、140和150。端子110和120是电池组100的输入端和输出端，并被连接到外部充电器400或外部负载(未不出)。端子130与外部充电器400通信。电池管理系统300可通过端子140从外部接收功率，或从单体电池模块堆800接收功率。根据本设计，电池管理系统300可从电池组100的内部接收功率。电池管理系统300与外部装置通信，并通过端子150将控制信号发送到外部装置以及从外部装置接收控制信号。电池管理系统300通过端子150与各种装置例如外部逆变器通信，以发送和接收信号。此外，电池管理系统300将电池管理系统300的操作状态和单体电池模块的状态发送到外部装置。例如，电池管理系统300可将充电状态(SOC)和健康状态(S0H)、电池相关的信息发送到连接到端子150的外部装置。电流传感器700被设置在至少一条线路上，端子110和120及单体电池模块连接到该线路。N (N是自然数)个单体电池模块200被连接，且单体电池模块分别包括电池单体210和实现有控制器230和单体电池充电器250的控制板292。N个电池单体根据极性串联耦合，串联耦合的电池单体的负电极通过开关510连接到端子110，而且串联耦合的电池单体的正电极通过开关510连接到端子120。另外，单体电池模块被并联耦合到端子110和120以接收功率。开关530可以设置在单体电池模块和端子(110/120)之间。单体电池模块连接到电池管理系统300。单体电池充电器250接收功率来为电池单体210充电，模块的单体电池充电功率是交流功率或直流功率，直流功率通过开关530供应到单体电池模块，且单体电池充电器可通过交流功率(未示出)为电池单体完全地充电。电池管理系统300连接到N个单体电池模块200、开关510和530、电流传感器700以及端子130、140和150并与N个单体电池模块200、开关510和530、电流传感器700以及端子130、140和150通信。参照图9，电池组100包括连接到外部装置、电池管理系统300和电流传感器700的多个端子 110、120、130、140 和 150。NCN是自然数)个单体电池模块200被连接，并且单体电池模块分别包括电池单体210、控制器230和单体电池充电器250。N个电池单体根据极性串联耦合，串联耦合的电池单体的负电极通过开关510连接到端子110，且串联耦合的电池单体的正电极通过开关510连接到端子120。另外，单体电池模块串联耦合，串联耦合的单体电池模块的一端连接到端子110，且串联耦合的单体电池模块的另一端连接到端子120以接收功率。开关530可设置在单体电池模块和端子(110/120)之间。单体电池模块连接到电池管理系统300。电池管理系统300连接到N个单体电池模块200、开关510和530、电流传感器700以及端子130、140和150，并与N个单体电池模块200、开关510和530、电流 传感器700以及端子130、140和150通信。在图8和图9中，并联和串联连接被描述，并且根据本设计，多个单体电池模块可以按串联和并联的组合来连接。图10示出了根据本发明的示范性实施方式的用于为电池组充电的方法的流程图。参照图10，电池组100的电池管理系统300通过由外部充电器400供应的电流为多个电池单体充电(S810)。在本实例中，电池单体同时被充电。电池管理系统300接通开关510，使得电流可以从外部充电器400供应到电池单体。电池管理系统300可通过CC/CV方法为电池单体充电。电池管理系统300从单体电池模块接收状态信息(S820)。状态信息包括电池单体的电压、电流和温度信息。电池管理系统300确定多个单体电池模块中的一个是否达到参考电压(S830)。当有一个单体电池模块达到参考电压时，电池管理系统300控制外部充电器400以减少所供应的电流(S840)。电池管理系统300可以设定不同量的供应的电流，其根据单体电池模块的最大充电电流来减少。因此，电池管理系统300防止首次被充电的电池单体的电压被增大到大于参考电压的值，且因此保护电池单体。电池管理系统300关断外部充电器400和多个单体电池模块之间的开关510，以停止从外部充电器400供应到电池单体的电流(S850)。在另一种方式中，当有一个单体电池模块达到参考电压时，电池管理系统300可控制外部充电器400以减少所供应的电流或关断开关510以阻止从外部充电器400供应到电池单体的电流。电池管理系统300将控制信号发送到单体电池模块，使得相应的单体电池模块可以基于由单体电池模块发送的状态信息单独地对电池单体的剩余容量充电(S860)。电池管理系统300分析单体电池模块的电压、电流和温度信息，以确定适合于单体电池模块的充电方法，并将控制信号发送到相应的单体电池模块。单体电池充电器250根据由电池管理系统300提供的控制信号为电池单体单独充电。在本实例中，单体电池模块监测电池单体的电压、充电电流和温度，并且它根据电池单体的状态被完全地充电。因此，电池组100不需要经历用于通过使用低电压电池单体执行平衡过程来减小电池组的电压的单体电池平衡过程，并且它被完全地充电一直到电池组100的最大充电电压以因而增加电池组的可用容量。 虽然已结合目前被认为是实际的示范性实施方式描述了本发明，应理解，本发明不限于所公开的实施方式，而相反旨在涵盖包括在所附的权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效形式。
权利要求
1.一种电池组，包括 多个单体电池模块，其包括多个电池单体；以及 电池管理系统，其用于基于由所述单体电池模块发送的电池单体的状态信息来将关于充电的控制信号发送到所述多个单体电池模块中的至少一个，并基于所述状态信息控制由外部充电器供应到所述单体电池模块的电流，其中 所述单体电池模块结合所述外部充电器被充电到所述电池单体的预定容量，且根据所述控制信号被单独充电到所述电池单体的全容量。
2.如权利要求I所述的电池组,其中 所述单体电池模块还包括 控制器，其用于监测所述电池单体的状态、将监测到的状态信息发送到所述电池管理系统以及接收所述控制信号，以及 单体电池充电器，其用于通过所述控制器的控制为所述电池单体充电。
3.如权利要求2所述的电池组，其中 所述控制器监测所述电池单体的电压、电流和温度。
4.如权利要求I所述的电池组，还包括 开关，其位于根据极性串联耦合的所述电池单体的一端和所述外部充电器的一端之间，其中 所述电池管理系统控制所述开关的接通或关断。
5.如权利要求4所述的电池组，其中 当所述多个单体电池模块中的一个达到参考电压时，所述电池管理系统基于所述状态信息控制所述开关以停止由所述外部充电器供应到所述电池单体的电流。
6.如权利要求5所述的电池组，其中 当由所述外部充电器供应到所述电池单体的电流被停止时，所述电池管理系统基于所述状态信息分析所述单体电池模块的状态并将控制信号发送到所述单体电池模块，以便被单独充电至全容量。
7.如权利要求4所述的电池组，其中 所述电池管理系统基于所述电压、所述电流和所述温度中的至少一个设定所述单体电池模块的正常操作范围，且当所述单体电池模块中的至少一个基于所述状态信息不能满足所述正常操作范围时，所述电池管理系统控制所述开关以停止由所述外部充电器供应到所述电池单体的电流。
8.如权利要求I所述的电池组，其中 所述电池管理系统管理由所述单体电池模块提供的所述状态信息，并检查所述单体电池模块的性能以确定更换。
9.如权利要求I所述的电池组，其中 所述状态信息包括温度信息，以及 所述电池管理系统基于所述状态信息比较所述单体电池模块的温度与参考温度，并将用于操作加热垫的控制信号发送到具有低于所述参考温度的温度的所述单体电池模块，以及当存在具有高于所述参考温度的温度的单体电池模块时操作冷却装置。
10.一种用于电池组的电池管理系统以为包括多个电池单体的多个单体电池模块充电的方法，包括 通过使用由外部充电器供应的电流为所述电池单体充电； 监测所述单体电池模块的状态并确定所述单体电池模块中的一个是否达到参考电压； 当有一个单体电池模块达到所述参考电压时，停止充电过程；以及分析所述单体电池模块的状态信息，并将控制信号发送到所述单体电池模块，使得相应的单体电池模块能够被单独充电到所述电池单体的全容量。
11.如权利要求10所述的方法，其中 所述确定基于由所述单体电池模块提供的所述电池单体的电压信息而被执行。
12.如权利要求10所述的方法，其中 所述停止包括 通过控制所述外部充电器来减少电流供应；以及 通过控制所述外部充电器和所述单体电池模块之间的开关来停止由所述外部充电器供应到所述电池单体的电流。
全文摘要
本发明提供了一种电池组，其包括多个单体电池模块，多个单体电池模块中的每一个嵌有多个电池单体；以及电池维护系统，其基于关于从多个单体电池模块接收到的电池单体的状态的信息来将关于充电的控制信号发送到多个单体电池模块中的至少一个，并且基于电池状态信息来控制从外部充电器供应到多个单体电池模块的电流，其中多个单体电池模块连接到外部充电器，外部充电器根据控制信号来为嵌入的电池单体的预定部分同时充电并为嵌入的电池单体的剩余部分单独充电，以便在没有单体电池平衡过程的情况下快速且完全地为电池组充电。
文档编号G01R31/36GK102859784SQ201180021037
公开日2013年1月2日 申请日期2011年5月30日 优先权日2010年6月3日
发明者郑润珥 申请人:郑润珥