专利名称:具有集成的电源管理系统和可伸缩电池断路组件的电池系统的制作方法
技术领域：
本发明公开涉及电池系统和用于制造电池系统的可伸缩体系结构。
背景技术：
可充电电池可以在多种应用中的陆地、海上或航空交通工具中使用。一种应用是作为起动器电池来驱动交通工具的起动器电动机。起动器电池应用会需要高电流来驱动起动器电动机，并且需要能够由交通工具的交流发电机充电。大多数目前的汽车起动器电池是铅酸结构的。但是，可以使用锂离子(Li离子)电池替代铅酸电池。Li离子电池可以提供改善的功率重量比、更长的使用寿命和由于没有铅而有益于环境。
交通工具中的Li离子电池的第二种应用是为微混合动力(起动停止)驱动系统提供电力。不同于使用相对较高电压电池来驱动用于交通工具推进的电动机的一些混合动力车，具有微混合动力系统的车辆由常规内燃机推进。但是，在微混合动力车中，当车停止时(例如在交通信号灯下停止)，该发动机自动关闭，然后当驾驶员按压加速器以行驶时，该发动机再次起动。这种起动停止技术减少排放物且无需对现有汽车设计进行重大基本构造改动。但是，微混合动力应用也需要能够耐受不断重新起动发动机所导致的频繁充电放电循环。Li离子电池具有比铅酸电池更好地匹配此类应用的性能特点。
发明内容
在一个方面中，本发明公开涉及一种具有集成的电源管理系统和可伸缩断路组件的电池系统。在一个实施例中，该电池系统包括具有第一和第二电压输出端的电池壳体、位于电池壳体内且具有第一和第二电压端的多个可充电电池单兀；用于基于多个可充电电池单元的监测的工作参数生成外部控制信号和内部控制信号的电源管理系统，所述外部控制信号用于控制外部电源和/或外部负载，所述电源管理系统形成电池系统的组成部分；以及位于电池壳体内且响应来自电池管理系统的内部控制信号以在多个电池单元的第一电压端与电池壳体的第一电压输出端之间形成和切断导电路径的断路开关电路。
在一个实施例中，这些电池单元是锂离子电池。在一些实施例中，该断路开关包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)。在一些实施例中，多个MOSFET设为并联MOSFET组。在一些实施例中，多个MOSFET包括彼此并联的第一组MOSFET和彼此并联的第二组M0SFET，以及其中第一组与第二组串联。在一些实施例中，该电池系统包括与多个可充电电池单元和MOSFET电连通的汇流条。在一些实施例中，该电池系统包括与多个MOSFET电连通的旁路电阻器。在一些实施例中，该电池系统包括与MOSFET处于热连通的温度传感器。在一些实施例中，该电池是汽车电池。在一些实施例中，该外部电源可以是交流发电机。在一些实施例中，该电池是电信电池。
本发明公开的另一个方面涉及一种操作具有集成的电源管理系统和可伸缩断路组件的电池系统的方法。该方法包括:监测电池壳体内的多个可充电电池单元的工作参数；基于多个可充电电池单元的监测的工作参数生成外部控制信号和内部控制信号，所述外部控制信号用于控制外部电源和/或外部负载；以及响应该内部控制信号在多个电池单元的第一电压端与电池壳体的第一电压输出端之间形成或切断导电路径。
在一些实施例中，这些工作参数包括电池壳体内的旁路电阻器两端的电压。在一些实施例中，这些工作参数包括电池壳体内的温度和多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)两端的电压。在一些实施例中，形成或切断导电路径包括激活包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的断路开关。
为了更充分地理解本发明公开的特性和目的，应该参考下文结合附图进行的详细描述，在这些附图中使用相同的引用数字来指示相同或相似的部件，其中
图1示出汽车电池。
图2示出去除外盒体且暴露单元电池子装配件的汽车电池。
图3示出汽车电源系统的系统级框图。
图4A示出汽车电池的电源管理系统。
图4B示出汽车电池的电源管理系统。
图5示出MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)装置的电阻-温度关系。
图6示出集成到汽车电池中的可伸缩断路组件。
具体实施方式
所公开的电池由单元电池子装配件的装配件组成，每个子装配件包括棱柱型Li离子电池单元，其中单元电池电连接到模块中的其他单元电池以形成电池。术语棱柱型是指电池单元的形状，并且它将此模块与具有圆柱形电池单元的其他模块相区别。该电池具有集成的电源管理系统，其提供防止过充电、过放电、温度过高和过电流的无源(通过控制电池外部的组件)和有源(通过内部控制)保护。该电池还包括由电源管理系统控制的可伸缩电池断路组件。该电池可以是例如汽车电池。
图1示出汽车电池100，其具有外盒体110、负极端102和正极端104以及LIN(局部互连网络)管理接口 106，LIN管理接口 106是交通工具内用于连至LIN的连接器。盒体110是模制的，以及在盒体上将无铅端子102和104模制插入到位。该盒体由包括端子的上盖和封装基座组成。
图2示出去除封装盒体的汽车电池100的内部。该电池是从相对于图1旋转180度倒转的视点示出的。该电池包含一个或多个电池子单元202。正如上文找出的相关申请中更详细地描述的，单元电池子装配件是可以构造任意规模的汽车电池的基本结构块。单元电池子装配件包含Li离子棱柱型电池单元(不可见)，并且每个电池单元提供电池的电功率和储能容量的一部分。通过压板204、上盖200和带子206将单元电池子装配件202保持在一起。单个电池单元通过汇流条(在相关申请中有所描述)并联或串联形式电连接，汇流条将这些单元电池彼此连接并将其连接到电池的端子。图2中示出一个这种汇流条208，其将四个不同电池单元的每个电池单元的一个相应端子连接在一起。汇流条208还将这四个端子连接到正极端104。
本文描述的棱柱型汽车电池具有一组完全相同的单元电池。每个模块的单元电池的数量和模块的电连接配置(并联计数对串联计数)定义了该模块的电特征和性能额定值。例如，电池100以“4S4P”配置来配置，其在四个子组中具有16个单元电池，其中这些子组以串联形式电连接，而每个子组中的四个单元电池以并联形式电连接。根据配置，汽车电池可以包含偶数或奇数个电池单元。
图3示出汽车电系统内的电池100的系统级框图。电池100包括若干个电池子单元324和断路组件322。此处每个子单元324表示构成4S4P电池的一组四个并联电池单元。电池100与起动螺线管开关304和起动器电动机306的组合并联。电池100还与用于对电池充电的交流发电机308并联。交流发电机308具有用于控制其输出功率的控制输入，该控制输入直接或间接地连接到电池的LIN接口(未示出)。电池100示出为在电池壳体内串联的四个电池单元元件。虽然电池100使用电子电源管理系统来保持单个电池单元之间的平衡以及检测单元电池电压，但是使用内部断路组件322作为保护电池防止交流发电机失控或其他滥用过充电的最后防护措施。内部断路组件322还可以用于防止因过度放电对电池的损害。
负载控制器310选择一个或多个电负载304来并联到电池100并由电池100驱动。负载控制器310可以断开一个或多个负载以在连接到所有负载的情况下电池无法提供足够高的电压时的情况中实现负载分区切断。该负载控制器可以自动地或响应经由电池LIN接口来自电池电源管理系统的请求分区切断负载。在一些实施例中，可以将一个或多个负载与电池100直接地并联而不与负载控制器串联。
电源管理系统
图4示出电池100的组件级视图，其包括电源管理系统400、电池单元装配件320、LIN接口 106、保险丝420和断路组件322。电池单元装配件320与断路组件322和保险丝420以串联形式电连接。电源管理系统400经由中间模数转换接口直接或间接地连接到电池单元装配件320，并在通信上连接到LIN接口 106和断路组件322。电源管理系统400提供若干功能，包括外部充电控制、外部负载控制和内部充电和放电控制。正如本文所使用的，“电池的组成部分”是指作为整个电池装配件的一部分的装置和/或组件，包括由壳体限定的电池封装内的组件以及附着于或附接到壳体外侧的组件。
具体来说，电源管理系统400包括微处理器402，微处理器402通过固件配置成执行如下功能，下文更详细地描述这些功能的其中一些:
1.提供输入保护和充电控制，包括过电压和过电流保护
2.通过外部负载分区切断的控制或通过内线联机断路开关的有源控制来提供欠电压保护
3.感测和监控总电池电压，包括有源控制内线联机断路开关以限制流经电池的电流和电池两端的电压
4.感测单个电池单元温度
5.感测单个电池单元电压[0037]6.控制每个电池单元至与每个单元电池并联设置的单个小电阻性负载的连接以便平衡电池单元装配件320内的单元电池的电压
7.启用/禁用电路来减少电流消耗
8.确定交流发电机的控制信号
9.作为故障防护机制处理看门狗定时信号以确保电源管理系统一直在工作以及
10.经由LIN和/或RS232接口和/或其他数字或模拟信号与外部组件交互
外部充电控制
电源管理系统400直接或间接地与汽车的交流发电机通信以在外部控制从交流发电机传递到电池的充电电流的量。以此方式，电池组能够优化电流的量以在外部控制电池的电荷状态。这通过电源管理系统来实现，所述电源管理系统在内部监测系统的电压、电流、温度和其他相关参数。微处理器402处理此信息以确定适合的充电参数，然后与交流发电机通信和/或控制交流发电机增加或减少进入电池组的充电电流的量。
外部负载控制
电源管理系统400与汽车的本体/负载控制器通信以控制放电电流的量以便控制电池的充电状态。以此方式，电池组能够优化电流的量以控制电池的充电状态。这也通过电源管理系统来实现，所述电源管理系统在内部监测系统的电压、电流、温度和其他相关参数。微处理器402处理此信息以确定适合的充电参数，然后与负载控制器通信和/或控制负载控制器以通过选择性地将某些负载连接到电池或与之断开来增加或减少从电池的放电电流。
内部电流控制
除了上文通过控制电池的外部电源和负载以对电池的状态执行外部控制外，电源管理系统400还检测并主动地防止经由电池的过量电流，以便保护电池。微处理器402在内部监测电池系统的电压、电流、温度和其他相关参数。微处理器402使用此信息来控制高功率断路开关(下文予以描述)以主动地控制经电池组的电流。
断路纟目件
作为执行上文功能的一部分，微处理器402配置成控制并监测断路组件322，断路组件322能够用于选择性地将电池与连接到其端子的负载连接或断开。断路组件322为电池系统提供过电压、欠电压、过电流和温度过高保护。断路组件322实际上是单向或双向开关，其能够用于控制电池单元装配件320中的单元电池是否电连接到用于充电的端子，以及单独地控制此连接以用于放电。断路组件322还可以配置成单向开关，仅用于控制电池充电。
正如图4A所示，断路组件322包括串联的两组并联布置的MOSFET装置432和434。电源管理系统400将每组MOSFET装置432和434作为单个开关来操作以根据MOSFET是切换到导通状态还是断开状态来选择性地允许或禁止电流往返于电池。因为MOSFET组432、434是串联布置的，所以MOSFET中，一个MOSFET组控制电流是否能够沿着对电池充电的方向流动，以及第二组控制电流是否沿着将电池放电的方向流动。因此，这两组的串联布置构成双向开关。每组内的MOSFET的并联布置将MOSFET两端的电流分流，从而允许以低于对电池充电和放电所期望的最大电流的载流额定值使用M0SFET。此应用的加固M0SFETS的示例包括 Infineon 公司的 IPB180N03S4L-H0 和 IPB180N03S4L-01，International Rectifier公司的 IRF2804SPBF 和 Fairchild 公司的 FDB8860。
每个MOSFET与其组内的其他M0SFETS以并联方式电连接，且其漏极端和源极端朝向设为在MOSFET处于导通状态时，允许电流流过以对电池充电/放电。组中的每个MOSFET的栅极端连接在一起以实现单个开关控制。这两组并联的MOSFET以彼此串联以及与电池内的电池单元串联的方式电连接。MOSFET还利用一个或多个导体紧密地热耦合到单元电池且彼此紧密地热耦合。
当仅一个MOSFET组切换到其断开状态时，实际上在一个方向上阻断电流。电流仍可以沿着相反方向流动。此情况是因为每个MOSFET实际具有允许电流沿着一个方向但是不允许沿着另一个方向流动(除非该MODFET处于其导通状态)的体二极管而出现。还可以将单独的二极管与每组MOSFET并联以在电流沿着该组控制的反方向流动时在MOSFET组周围提供附加的电流路径
断路组件322可以采用多种方式提供流经该组件的电流的指示(并因此提供流经电池的电流的指示)。根据一种方法，设置电流传感器(未示出)与这两组MOSFET装置串联以便感测流经断路组件的电流。代之使用电流传感器，设置已知电阻的较便宜的旁路电阻器436与开关串联，如图4A所示。此旁路电阻器436两端的电压将与电流成正比。微处理器只需通过将旁路电阻器两端测量的电压除以旁路电阻器436的已知电阻来计算电流。
图4B所示的另一种方法是，只需测量MOSFET两端的电压，然后通过测量MOSFET的温度来确定MOSFET处于导通状态的漏源电阻(Rliston))。这使用与MOSFET装置紧密热贴近地封装的温度测量装置438来实现，其本身彼此紧密热贴近地封装。再者，图4B示出并联的两组MOSFET 432、434。因为M0SFET432、434是并联的，所以这是单向保护方案。具体来说，图4B示出用于防护过电压或过充电的装置。
根据此第二方法，电源管理系统400使用测量的温度来确定温度校准的RDS(m)，温度校准的RDS(m)用于将漏源端两端测量的电压转换成电流而无需相对昂贵的精确电流传感器。为了测量电流，系统测量MOSFET的漏极和源极两端的电压(VDS)。如果MOSFET的电阻(Rds)是已知的，则按[Vds/Rds]计算电流。但是，一般，MOSFET的电阻将随温度变化很大。温度变化可能是由于环境温度的变化或由装置内耗散的功率(即，流经装置的电流)所致。将此纳入考虑，发现MOSFET电阻，并按如下方式计算MOSFET电阻:
电阻=Ri+ARt,其中Ri是初始电阻，以及ARt是因温度所致的电阻变化。
首先，在电池组制造过程期间通过校准发现初始电阻。具体来说，在恒定温度下施加已知电流(Ia)，并精确地测量VDS。初始电阻(Ri)发现为VDS/Ia。其次，可以多种方式确定因温度所致的电阻变化，包括:
1.通过直接测量(S卩，测量装置的温度)。
2.通过推导温度的变化。
第二种方法涉及测量环境温度的变化，确定装置内的功率耗散和推断由此产生的温度。在方便且更具成本效率的位置处测量环境温度。利用实验研究基于流经装置的电流的振幅和持续时间来确定装置内的功率耗散(p=l2t)。
一旦确定了 MOSFET的温度，则基于特定装置的数据表中列出的或通过实验研究的电阻-温度关系推断电阻。图5中示出MOSFET的电阻-温度关系500的示例。
这些计算全部由适当编程的微处理器402执行。[0063]断路组件的可伸缩体系结构
图6示出利用可伸缩体系结构构建的且集成到电池100的汇流条102的其中之一的断路组件。MOSFET装置630被定位在构成汇流条的一部分的两个长导体610、612之间。导体与MOSFET还定位于印刷电路板620或类似基板上。选择这两个导体且配置成提供MOSFET与温度传感器(不可见)之间的紧密热耦合。MOSFET装置部分地选为使得漏极端和源极端位于装置的相反两侧，其中每一侧附接到汇流条610、612的导体中相应一个导体。此配置产生断路组件322的可伸缩体系结构，其补充其余电池的可伸缩体系结构。换言之，可以通过简单地增加或减少完全相同的部件或子装配件(例如，MOSFET)来容易地更改模块的尺寸和/或性能。MOSFET的朝向容易地配置成通过MOSFET的简单朝向来提供电池的单向(例如，阻止充电)或双向(例如，阻止充电和放电)保护。可以在设计上容易地调整MOSFET的数量以便相对于MOSFET的个体载流能力来提供电池的不同电流限制。
图6所示的特定布置包括两组并联的MOSFET 632，它们的朝向设为关闭放电电流(也如图4B所示)。通过将MOSFET的朝向反转，它们将提供充电电流的关闭控制。通过使用串联的两组，如图4A所示，它们将提供对充电和放电的关闭。此后一种布置通过简单地配置适当地连接的两组并联汇流条来实现。
还可以与电池分开地来使用断路组件和/或电源管理系统。可以在例如电信应用中使用多个电池的系统，所述多个电池的系统仅使用单个串联断路组件和/或电源管理系统。虽然本说明书是针对汽车电池实施例的，但是本文公开的电源管理系统和断路开关可以用于需要电源管理和监测的任何电池应用。例如，电信应用中使用的电池可以实现所描述的电源管理系统和断路开关。
虽然示出和描述了本发明的示例，但是对于本领域技术人员来说，显然在不背离本发明的范围的前提下可以在其中进行多种更改和修改。
权利要求
1.一种电池系统,其包括: 具有第一和第二电压输出端的电池壳体； 所述电池壳体内且具有第一和第二电压端的多个可充电电池单兀； 用于基于所述多个可充电电池单元的监测的工作参数生成外部控制信号和内部控制信号的电源管理系统，所述外部控制信号用于控制外部电源和/或外部负载，所述电源管理系统形成所述电池系统的组成部分；以及 所述电池壳体内且响应来自所述电池管理系统的所述内部控制信号以在所述多个电池单元的所述第一电压端与所述电池壳体的所述第一电压输出端之间形成和切断导电路径的断路开关电路。
2.如权利要求
1所述的电池系统，其中所述电池单元是锂离子电池。
3.如权利要求
1所述的电池系统，其中所述断路开关包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
4.如权利要求
3所述的电池系统，其中所述多个MOSFET设为并联MOSFET组。
5.如权利要求
3所述的电池系统，其中所述多个MOSFET包括彼此并联的第一组MOSFET和彼此并联的第二组M0SFET，以及其中所述第一组与所述第二组串联。
6.如权利要求
3所述的电池系统，还包括与所述多个可充电电池单元和所述多个MOSFET电连通的汇流条。
7.如权利要求
3所述的电池系统，还包括与所述多个MOSFET电连通的旁路电阻器。
8.如权利要求
3所述的电池系统，还包括与所述MOSFET热连通的温度传感器。
9.如权利要求
1所述的电池系统,其中所述电池是汽车电池。
10.如权利要求
9所述的电池系统，其中所述外部电源包括交流发电机。
11.如权利要求
1所述的电池系统,其中所述电池是电信电池。
专利摘要
本实用新型公开涉及具有集成的电源管理系统和可伸缩断路组件的电池，该电池系统包括具有第一和第二电压输出端的电池壳体、位于电池壳体内且具有第一和第二电压端的多个可充电电池；用于基于多个可充电电池单元的监测的工作参数生成外部控制信号和内部控制信号的电源管理系统，所述外部控制信号用于控制外部电源和/或外部负载，所述电源管理系统形成电池系统的组成部分；以及位于电池壳体内且响应来自电池管理系统的内部控制信号以在多个电池单元的第一电压端与电池壳体的第一电压输出端之间形成和切断导电路径的断路开关电路。
文档编号H02J7/00GKCN202978302SQ201090001429
公开日2013年6月5日 申请日期2010年12月6日
发明者布莱恩·J·珀维亚 申请人:A123系统公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan