CN101558514A - 具有均匀直流环境的电源模块 - Google Patents

具有均匀直流环境的电源模块 Download PDF

Info

Publication number
CN101558514A
CN101558514A CNA2007800428065A CN200780042806A CN101558514A CN 101558514 A CN101558514 A CN 101558514A CN A2007800428065 A CNA2007800428065 A CN A2007800428065A CN 200780042806 A CN200780042806 A CN 200780042806A CN 101558514 A CN101558514 A CN 101558514A
Authority
CN
China
Prior art keywords
battery
group
bus
battery pack
cable
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2007800428065A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101558514B (zh
Inventor
A·赫斯特
C·科恩
M·胡德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xtreme Power LLC
Original Assignee
XPOWER SOLUTIONS LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US11/549,013 external-priority patent/US7808131B2/en
Application filed by XPOWER SOLUTIONS LLC filed Critical XPOWER SOLUTIONS LLC
Priority claimed from PCT/US2007/081082 external-priority patent/WO2008045996A2/en
Publication of CN101558514A publication Critical patent/CN101558514A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101558514B publication Critical patent/CN101558514B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4207—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0481—Compression means other than compression means for stacks of electrodes and separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/42—Grouping of primary cells into batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

示出了一种电池组连接方案，其为组(400)中的每一个电池(401－405)提供同步直流环境，以使组中的相同或相似电压电平的每一个电池经历完全相同的电压和电流环境。在某些实施例中，组(100)设置有正负载连接端子(106)和与该端子并联连接的多个电池(101、102)。连接通过各自包括高功率直流精密电缆分段(7H1－10)的相应导电通路(131、132、141、142)建立，各个导电通路具有适于使电池组(100)的平均充电接受速率大于一小时或“C1”充电速率的电阻。优选精密电缆分段(7H1－10)具有匹配的阻抗或具有匹配的直流电阻。

Description

具有均匀直流环境的电源模块
技术领域
本发明涉及电源，更具体地涉及具有多个电池单元的电池组或电池电源系统、及其相关联的接线、充电、以及放电。
背景
典型的电池组以具有不止一个电池为特征。这样的电池组不会表现和具有与单个电池一样的工作特性或寿命周期。电池是单电池单元。在充电和放电周期期间，电池组中的单个电池常常会从电池组平均值或电池组目标值偏离或漂移。通常在放电和充电期间电池组性能受最弱或最强电池的限制。
为获得可接受的性能，大多数电池组需要频繁的调整周期和/或主动电池管理系统。调整周期使电池缓慢地达到充足电，这试图使电池组中电池的状态统一。使电池统一意味着减小最弱和最强电池之间的差距。主动电池管理通过在个别电池上提供小局部化的充电或放电解决此问题。主动电池管理使最强和最弱电池保持更接近平均电池。这导致电池组性能更好但仍不及个别电池的性能。调整周期仍然是需要的，但不像没有电池管理系统的电池组那样频繁。
典型的电池管理系统利用与各个电池串联或并联的诸如热敏电阻或晶体管之类的电子器件来局部地控制电池的充电和放电。这样的系统通常消耗额外的能量、限制电池组容量、以及增加电池组设计和生产的开销。这对于大型、高功率的电池组尤其如此。
需要的是将电池组合成高功率电池组或电源系统以提高容量、充电和放电速率、寿命、以及其它性能特性的电路和方法。
概述
示出了一种电池组连接方案，其为组中的每一个电池提供同步直流环境，以使组中的相同或相似电压电平的每一个电池经历相同、或非常相似的电压和电流环境。
本发明的一个方面以具有多个分别具有阳极和阴极的电池单元的电源模块为特征。电池单元并联连接以向高功率负载提供至少50安培的电流。连接通过导电组件建立，该导电组件包括多个导电通路，每一个导电通路连接至各自的电池并被动地防止多个电池单元的电压趋异。多个导电通路的每一个的有载电阻与其他导电通路的每一个的有载电阻匹配。
通过“匹配”不意味着排除其中有载电阻的差别可忽略的实施例。在某些实施例中，各个导电通路的有载电阻与其它并联的导电通路的有载电阻相差1毫欧，或在某些情况下相差少于十分之一毫欧。在某些示例中，各个导电通路的有载电阻与其它导电通路的有载电阻相差少于约1％。
优选多个导电通路的每一个的有载电感与其他通路的每一个的有载电感匹配。
在某些实施例中，多个导电通路各自包括相应电缆以及连接电缆和负载连接端子的固态端子总线的相应部分。导电组件可包括例如在与负载连接端子相等间距的各个电缆端子处附连至端子总线的高功率精密直流电缆。在某些配置中，电缆端子被设置在其中心具有负载连接端子的圆圈上。在某些示例中，固态端子总线包括镀银的软铜。
在某些实施例中，导电组件还防止多个电池单元的容量趋异。
在某些情况下，导电组件包括母线。
本发明的另一方面以能够提供至少50安培的电流且具有正负载连接端子的电池组以及各自具有阳极和阴极的多个电池单元为特征。电池的阴极通过相应的不同导电通路并联连接至正负荷连接端子。各个导电通路的有载电阻与每一个其它通路的有载电阻相差约一毫欧。
在某些配置中，多个电池的阳极通过全都具有相同电气长度的多个导电通路并联连接至负端子总线。优选每一个电池的电阻性质与其它电池的电阻性质匹配，且优选各个电池具有小于约50毫欧的阻抗。优选导电通路的加载串联阻抗至少比电池的加载输出阻抗大五倍。
优选各个电池的充电接受性质与其它电池的充电接受性质匹配。
在某些实施例中，该电池组包括连接至正端子总线的正供电电缆，以使从该电缆的第二末端到多个电池的每一个的阴极可测得相似的电阻。在某些情况下，正端子总线连接至圆形导电块的中心。该导电通路可包括精密直流电缆，且在某些情况下，焊点将精密直流电缆连接至它相应的电池阴极。优选各个焊点的焊点电阻值与其它焊点的焊点电阻值精确匹配。
本发明的另一方面以具有通过各自的导电通路并联连接至正负载连接端子的多个电池的电池组为特征，各个导电通路包括各自的高功率直流精密电缆分段。优选各个导电通路具有适于使电池组的平均充电接受速率能大于C1充电速率的电阻。
在某些情况下，该电池组包括彼此并联连接且与第一组电池串联连接的第二组电池。第二组电池优选通过各自具有相等电阻的精密导电分段彼此并联连接。
在某些示例中，各个导电通路的加载安培数容量(以安培表示)与加载阻抗(以欧姆表示)之比至少为1000∶1。在某些示例中，期望工作安培数容量(以安培表示)与加载阻抗(以欧姆表示)之比至少为1000∶1。优选各个导电通路的有载电阻相差少于约1％公差。优选各个导电通路的工作电阻与其它导电通路的工作电阻匹配，和/或工作电感与其它导电通路的工作电感匹配。
在某些实施例中，导电通路可各自包括具有匹配长度的精密电缆分段。优选各个导电通路能够承载至少5安培的充电电流。在某些示例中，精密电缆分段通过精确匹配的连接连接至正负载连接端子。精确匹配的连接优选包括低电阻焊接。
本发明的某些方面以具有正负载连接端子、负负载连接端子、以及多列电池的供电系统为特征。这些列通过连接各个列内的多个电池的精密低阻抗连接器串联连接。最靠近负极的列的电池阳极通过各自的导电通路并联连接至负的负载连接端子。最靠近正极的列的电池阴极通过第二组各自的导电通路并联连接至正的负载连接端子。优选各个导电通路的有载电阻相差少于约1％公差。
本发明的其它方面以减轻电池组内的电池特性趋异的方法为特征。一个方面包括基于各自的加载输出电阻和充电接受特性选择多个电池；将多个电池并联连接成一电池组；以及当同时对多个电池充电时，保持各个相连电池上的充电电压相等且保持各个相连电池中的充电接受速率相等。
在某些应用中，该方法包括选择分别具有匹配的放电速率特性的多个电池并将这些多个电池并联连接成一电池组。在某些情况下，该方法包括使多个电池同时对负载放电，且当使多个电池同时放电时，保持多个电池的每一个上的放电电压相等、保持多个电池的每一个中的放电速率相等、和/或保持多个电池的每一个中的放电电流相等。
在某些示例中，该方法包括将多个电池的每一个密封在压缩壳体中，和/或压缩这些电池的每一个以减轻过早的电池膨胀。
优选地所选的电池具有C1或更高的充电接受速率，和/或C1或更高的放电速率。
在某些情况下，并联连接电池包括通过高功率精密直流电缆线路组件或高功率精密直流母线组件将电池彼此连接。
本发明的一个或多个实施例的细节在以下的附图和描述中陈述。某些实施例的优点包括电池组和所包括的电池单元的容量提高。某些实施例的其它优点包括充电速率、放电速率、以及寿命的提高。本发明的其它特征、目的、和优点根据说明和附图以及权利要求将会显而易见。
附图描述
图1A示出由利用精密导体并联连接的两个电池形成的电池组。
图1B是图1A中所示的电池组的电路图。
图2是根据另一实现的电池组的一般化电路图。
图3A和3B是图2中所示的总线301、302的更具体电路图。
图4A-C示出根据另一实现的具有并联电池和精密导体的12伏电池组。
图4A示出该12伏电池组的内部。
图4B是组装好的12伏电池组的示图。
图4C是该12伏电池组的电路图。
图5A-D示出根据另一实现的使用精密导体的24伏电池组。
图5A示出该24伏电池组的内部。
图5B是组装好的24伏电池组的示图。
图5C是该24伏电池组的电路图。
图5D是上述24伏电池组的电路图。
图5E描绘电池压缩壳体。
图6A-C示出类似于以上在图5A-D中描绘的电池组的利用精密导体的36伏电池组，其中添加了另一列电池。
图6A描绘立体图。
图6B描绘精密导电梯状件的放大立体图。
图6C描绘外壳的立体图。
图6D是36伏电池组的电路图。
图7A-D示出适于向远程装置供电的高功率电池组。
图7A描绘电池互连的放大立体图。
图7B描绘优选的格状支承框。
图7C描绘交叉条总线的放大立体图。
图7D描绘输出总线的放大立体图。
图7E-G描绘在图7A-7D中示出的电池组的等效电路。
图7E是电池组电路图。
图7F是输出总线的具体电路图。
图7G是输出总线的另一具体电路图。
图7H描绘另一输出连接解决方案。
图8示出精密导体构造的示例。
图9A-C示出用于供电的系统的电路图。
图9A是该电源系统的电路图。
图9B是负总线的电路图。
图9C是正总线的电路图。
图10A-C示出具有耦合至汽车电气系统的电池组的系统的电路图。
图10A是该电源系统的电路图。
图10B是负总线的电路图。
图10C是正总线的电路图。
在各个附图中相同的附图标记指代相同的元件。
详细描述
图1A示出由利用精密导体并联连接的两个电池形成的电池组。一般而言，电池组100可具有电池101、102、正端子106、负端子108、以及电缆111、112、121、122。电池101、102可提供相似的电压和电流。电缆111、112、121、122以并联方式将电池101、102连接至端子106、108。在此实施例中，端子106、108向外部设备提供电压和组合电流。因此，在图1A-1B中描述的实施例中，连接至电池组的设备接收等于单个电池所提供电压的电压与等于各个电池电流的总和的电流。电池101和102具有相似的构造以确保它们具有相似的电气特性。例如，电池101和102可使用相同的化学物质、具有相同的尺寸等等。因为它们具有类似的构造，所以当相同负载被施加到各个电池上时，电池101和102具有几乎相同的电压和电流输出曲线。
电池101和102可以是普通类型的。例如，它们可以是高性能的密封铅酸电池。在电池组100和其它实施例中使用的电池101、102可以是单独的电池或电池组。例如，在一个实例中，电池101、102可分别是单个1.5伏的电池；在其它实例中，各个电池可以是多个电池的组合，诸如由串联连接的八个1.5伏电池组成的12伏电池。在某些实例中，电池101、102可再充电；在此情况下，该电池组可通过向电池组端子106、108施加外部电压被补充。例如，如果电池101、102是诸如在某些汽车或工业应用中出现的密封铅酸类型，则该电池组可通过将标准电池充电器连接至电池组端子充电。在某些优选实施例中，在此处采用的电池是诸如在美国专利No.6,074,774和6,027,822中描述的那些密封铅酸电池，上述专利为了所有目的通过引用整体结合在此处。此处使用的电池所使用的化学物质优选具有最低串联阻抗，其中所采用的铅酸电池的某些优选实施例具有5-10毫欧或更低的开路串联阻抗。不同的电池设计之间的串联阻抗显著不同。取决于期望的应用、工作环境、以及成本可使用其它电池化学物质。例如镍-镉、镍氢、锂聚合物、或锂离子或任意其它合适的电池。
在某些实现中，电缆111、112、121、122尽可能同样地制造以确保它们在给定的电池组内具有彼此相似的电气特性。在所描述的实施例中，电缆112和122具有彼此尽可能相同的特性。电缆111和121彼此接近相同，而且可与电缆112和122相同，从而确保电池101、102到负载端子106的相似电气特性。如果施加到两个电池的负载相似且电池本身相似，则电池可能将以相同的速率消耗而且保持相似的电压。因此，在此实施例中，在电池101、102与负载端子106和108之间不存在任何主动电池管理系统或其它主动电池管理电路的情况下，电池倾向于以相似的速率消耗。
电缆111、112、121、122优选精密地制造以减小可变性。在某些实例中，电缆111、112、121、122可由同一材料批次制造以建立单个集合。例如，用于电池组的所有电缆可由单段电缆线路制造。使用单种源材料用于构造电缆可减少由例如线路闭合变化、绝缘等等引起的电气变化的可能性。
图1B是图1A中所示的电池组的电路图。第一电缆111、第一电池101、以及第二电缆112与第三电缆121、第二电池102、以及第四电缆122构成并联电路。对各个电缆建立了电阻、电导、以及电容的模型。例如，第一电缆111具有相应的电阻111R、电导111I、以及电容111C。第二电缆112具有相应的电阻112R、电导112I、以及电容112C。第三电缆121具有相应的电阻121R、电导121I、以及电容121C。第四电缆122具有相应的电阻122R、电导122I、以及电容122C。
在所描述的实施例中，由电缆111、电池101以及电缆112组成的电路分支与由电缆121、电池102以及电缆122组成的分支极其相似且优选完全相同。所描述的电缆111、121、112、以及122优选是高功率的直流电缆，它们各自包括至少一个高功率的直流精密电缆分段。这样的高功率DC电缆优选具有相同的长度、材料、和截面积。电缆和连接的电阻优选尽可能低。它们的长度优选通过精密测量和切割技术匹配以确保精度。此外，与各个所描述的电池端子的连接也优选相同。这可通过在附连连接器时小心控制的焊接技术、以及选择电气上相同的垫圈、插销、插头、管脚、或其它电气连接件以确保各个并联连接处的电阻和其它特性相同或尽可能接近来实现。这样的连接建立从并联连接的电池101和102到输出端子108和106的统一的并联导电通路。
例如，如图1A和1B所示，如在此实施例中所包括地，存在均匀的并联导电通路，按次序包括：从电池101和102的正端子的螺栓连接；从用螺栓固定至各个电池端子的连接件到电缆112和122的每一个中的电缆导体的转换导电连接；电缆112和122；在各个电缆112、122的正端子106末端处的电缆到连接件的导电连接；在这样的末端处的连接件；以及从各个电缆到端子上的负载连接点的正端子106的导电通路部分。这些导电部分的每一个与并联导电路径中的其镜像优选相同或尽可能接近。通过“相同”意味着在此情况下，材料、大小、形状、以及电气性质相同，诸如图1B中所示的电阻、电容、以及电导相同。当相同的导电部分不可能或不可行时(诸如例如在需要不同长度的非柔性导体来横跨不同的物理距离时)，则使导电部分的电气性质尽可能相似。
可在本文中实现的构造中采用的高功率精密直流电缆、和各种连接件以及焊接的阻抗在现有的设计限制下优选尽可能低。在一个实现中，这通过使用镀银铜的连接件和母线实现，但还可使用其它合适的低电阻和低负载电感连接。银到银的连接提供低阻抗和低氧化。连接的表面优选被抛光和通过抗氧化剂处理，以有助于确保极低的电阻连接尽可能长时间地保持它们的特性。此外，在本文中使用的优选电缆被选择成对它们的功率负荷要求而言尺寸超大以减小它们的串联电阻。例如，在本文中使用的高功率精密直流电缆可被选择成在50安培电流负荷下工作。在某些实现中，高功率直流电缆被选择成具有有载时优选低至小于2毫欧的串联电阻。当表示成电流电阻比(安培/欧姆)时，此示例在1毫欧下提供50,000/1的比例，在2毫欧下提供25,000/1的比例。这些特性简言之就是高功率、低电阻的电缆。其它较低比例，诸如20,000、15000、10,000或甚至1000或更少在特定应用中可被认为是高功率的。在利用数个并联电池的实施例中，例如，“高功率”可以表示各个导电通路(各个电池)提供5安培或1安培，这取决于电池组中有多少电池。在本文中使用的连接器还可尺寸超大以减小它们的等效串联电阻并允许这样的大电流而没有过量功耗。
尽管图1A和1B描述统一的并联导电通路包括电缆和用螺栓固定的电气连接件，其它实施例可使用任意合适的导电材料和连接件来形成并联导电通路，只要各自的并联通路优选相同或尽可能相似即可。虽然长度精确匹配的高功率直流电缆包括在本文中描述的某些实施例的并联导电通路，但也可使用适合期望应用的功率负荷的固态母线、迹线、或其它导体。
通过采用匹配的精密电缆获得的性质在某些实施例中也可通过采用低电阻母线设计实现。对母线设计而言，各个母线部分必须相同和尺寸上相当，从而在电路中需要这样的相当性的地方提供相同的电阻、电容、和电感。同样，精密电缆通常是电阻、电容、和电感已知或等于相同设计和构造的其它精密电缆的电缆。精密电缆的构造通过制造匹配的电缆集合进行，匹配的电缆集合通过使用完全相同的工艺镀银和卷边以及焊接的铜连接器由同一电缆卷(批次)构造。制造工艺的小变化会导致电缆的大差别。匹配的电缆在被置入封装构造中之前进行一致性(或差异性)的台上试验。
电缆111的电阻、电导和电容值非常接近电缆121的相应值，从而产生从负端子108到电池101和102的每一个的负电池端子的同步直流环境。电缆112的电阻、电导和电容值非常接近电缆122的相应值，从而产生从正端子106到电池101和102的每一个的正电池端子的类似同步或均匀的直流环境。电池优选具有相同或尽可能接近地相似的电气特性。因此，如果负载置于端子108、106上，则从各电池得到的功率相同。
在负荷下，电池组100提供从端子106、108输出的电压和电流。因为电缆和电池的电气特性相似或相同，所以电池电压相同或尽可能接近地相似。如果电池电压相似，则电流在加载和不加载情况下不会从一个电池流向另一个电池。当连接负载时，从两个电池101、102提取相似的电流，从而使它们以相似的速率放电。这样的相似放电有助于保持电池的电气特性匹配并防止这些特性趋异。具体地，在放电过程期间，连接电路优选保持来自各个电池的放电电流相等和各个电池上的电压相等。反之，在充电过程期间，连接电路优选保持对各个电池的充电电流相等和各个电池上的电压相等。图1B中所描述的电路被动地用来匹配电池101和102的输出端子处的直流电流和电压，这可被描述为提供同步直流环境。这样的同步直流环境可用来被动地防止电池性能特性在放电(加载组)和充电(充电组)情况下的趋异。在某些实现中，电池组100可再充电。因为电路的两个分支相同或相似，所以所施加的电荷的一半存放在各个电池中。当电池组100正在充电时，电池101、102可按照相等或尽可能接近地相似的速率充电，以使在任意给定时刻电池101、102具有大致等量的存储电荷，从而保持诸如电压、容量、充电接受速率、以及温度之类的其电气特性的相似性。
图2是根据另一实现的电池组的一般化电路图200。图3A和3B进一步具体地示出电路200的元件、在图2中用虚线标示的区域3A和3B。一般而言，电路200具有与精密导体连接的电池阵列211B-2NMB，这些精密导体分别由诸如211R、211I、以及211C之类的电阻器、电感器、以及电容器表示。电池阵列具有通过精密导体串联或并联连接的多个电池。该阵列可通过外部接口提供或存储电功率。具体地，该电池阵列和精密导体以及许多并联电池(图2中的列)的安排导致具有比单行更高电流容量的电池组。具有许多串联的电池(图2中的行)的安排提供较高的电压。
所描述的电路200具有电池和导体的阵列。与阵列的元件相关联的附图标记可表示该元件的类型和它在阵列中的位置。对图2中的大多数附图标记而言，附图标记的第一位表示附图编号，第二位表示行位置，第三位表示列位置，其中“N”和“M”对应于具有N行和M列电池的阵列中的最终行或列。以“R”结尾的附图标记表示导体的等效电阻，以“I”结尾的附图标记表示导体的等效电感，以“C”结尾的附图标记表示导体的等效电容，以及以“B”结尾的附图标记表示电池。
电路200中的电池应当是相似类型的。例如，它们应当具有相同的化学物质和物理构造。在某些实现中，这些电池可以是能输出高功率的标准化铅酸型电池。因为化学物质和构造相似，所以这些电池应当具有相似的电气特性。例如，当相同的负载施加在这些电池的正端子和负端子上时，它们可提供相似电压下的相似电流。
所描述阵列中的电池利用精密导体串联连接。如果一个电池的正端子连接至另一电池的负端子，则一组电池串联连接。串联电路的输出电压等于串联电池的电压总和。例如，电路200的第一行可包括电池211B、212B、……21MB，且该串联组上的电压等于电池211B、212B、21MB的电压总和。该阵列中的第二行可包括也串联连接的电池221B、222B、…、22MB。
电路200中的电池可利用精密导体并联连接。该系统的电流容量随并联分支的数量增大。例如，具有四个并联分支的电路的电流容量将是具有两个并联分支的电路的电流容量的两倍。例如，所描述阵列中的第一列包括并联连接的电池211B、221B、231B、241B、……、2N1B；该电路的此部分的电流容量等于电池211B、221B、231B、241B、……、2N1B的电流容量的总和。
精密导体可通过电阻器、电感器、以及电容器建模。图2和3A-B中的各个电阻器、电感器、以及电容器对应于直接连接电路200中的两个元件的电通路(例如导体)的电阻、电感、以及电容。例如，链接电池211B和212B的导体212可通过电阻器212R、电感器212I、以及电容器212C建模。
在电路200内，给定列内的电池并联连接。对并联连接的电池而言，需要确保流过各个电池的电流相似以确保这些电池具有相似的性能曲线。例如，当电池放电时，它的内部电阻、电压、电流容量等会变化。如果并联电路中的一个电池以与同一电路中的另一电池不同的速率放电，则它们的电压会不再匹配，从而使电流在它们之间流过并且减小对电路输出可得到的电流量。例如，如果电池211B产生比电池221B更高的电压，则电流会流过由电池211B、导体212、2122、222、电池221B、以及导体2121组成的回路。此外，如果电路连接器和各个电池之间的电耦合不全具有相同的特性，则并联的电池不能充电到全容量。
在放电过程期间，所描述的连接电路优选保持来自各个电池的放电电流相等和各个电池上的电压相等。反之，在充电过程期间，连接电路保持对各个电池的充电电流相等和各个电池上的电压相等。此外，因为电池特性被保持为相同或尽可能相似，所以这些电池的充电接受速率被保持为相等。
将在此提供的并联连接方案与低阻抗电池和低阻抗导体相组合可提供以非常快的速率充电和放电的能力。例如，某些优选实施例的整个电池组具有这样低的串联电阻值，从而它能在15分钟内从30％容量充电至85％容量。这表示充分超过C1充电速率。许多优选实施例可在C1充电速率、2×C1充电速率、3×C1充电速率、以及甚至在4×C1充电速率下充电。此处的多种电池组设计的某些实现在1000安培的最大充电速率下充电，其中500或600安培的充电速率是典型的。此能力部分来自于并联组合的低阻抗电池的使用。并联组合将各个电池(或串联的一行电池)的串联阻抗除以并联连接的数量，从而急剧减小了电池组的串联阻抗并提高了最大充电速率。例如，这样的最大充电速率可用来实现脉冲充电方案。
在此实施例的所描述的电路200中，在毗邻的列内使电池串联链接的导体具有相同或尽可能接近地相似的电气特性。在某些实现中，链接两列电池的所有导体可具有几乎相同的电阻。例如，链接前两列电池的所有导体的电阻212R、222R、……、2N2R可以在1％范围内相同。对某些应用而言，5％的公差被认为是可接受的，但对其他应用(通常为较大的阵列)而言，优选1％或0.1％的公差。在某些实现中，链接两列电池的所有导体可具有几乎相同的电感。例如，链接前两列电池的所有导体的电感212R、222R、……、2N2R可以在0.1％或更小的范围内相同。较大的电池阵列优选具有较小公差。例如，在图7中描述的阵列优选具有0.1％或更少的公差。在某些实现中，链接两列电池的所有导体可具有几乎相同的电容。例如，链接前两列电池的所有导体的电容212C、222C、……、2N2C可以在1％范围内相同。阻抗值的相似性可应用于工作(有载)特性以及开路特性。
在同时具有串联和并联电池的电路中，存在多个同时的电流流动通路。为确保电路200中的电池以相似的速率消耗或充电，需要通过控制电池阵列中各个导体的电气特性以使它们在小公差(例如0.1％或1％)内相同以迫使各个通路中的电流相似。例如，链接电池211B和212B的导体的电阻212R、电感212I、以及电容212C可在链接电池231B和232B的导体的电阻232R、电感232I、以及电容232C的0.1％的误差范围内。
精密导体通过严格控制制造差异可被制造成具有相似的特性。单批材料可用来产生匹配的导体组。实际上，精密导体可以是电线、电缆、固态导体等等。在某些实例中，单卷电缆可用来制造一组匹配的导体；例如，导体212、222、232、……、2N2C可由同一卷电缆由同一操作者利用同一设备在同一班期间制造为一批。
诸如电池211B或21MB之类的在图2中所描述阵列的垂直边缘上的电池可被链接至主输出线310、320。导体311-31N将该阵列的正边缘上的各个电池21MB-2NMB链接至正总线301。导体321-32N将该阵列的负边缘上的各个电池211B-2N1B链接至负总线302。导体321-32N还具有相同或尽可能接近地相似的电气特性，以确保各个电池与总线301、302之间的电通路尽可能相同。导体311-31N类似地彼此相同，而且可与导体321-32N相同。类似于图1B中的实施例，此方案在电池21MB-2NMB的最高电平(最高电压电势)的列中各个电池的正端子处提供相同或相似的电压电平。
阵列的正端处的行导体311-31N分别连接至正总线301，从而导电地耦合至正主输出线310。阵列的负端处的行导体321-32N分别连接至负总线302，从而导电地耦合至负主输出320。
图3A和3B是图2中所示的总线301、302的更具体电路图。此实施例中的输出总线301、302被设计成具有与如从输出线310和320看到的电气特性相似的导电通路。例如，行导体311-31N以便于相似导电通路的方式从正总线310的端子链接至正主输出线310。在某些实现中，例如，正行导体311-31N可按照径向对称方式接合至总线310，诸如在与其中心等距的位置被夹紧至实际上为盘状的导体，且正主输出线310附连至该中心。按照相似的方式，电池阵列的负边缘上的导体321-32N可通过总线302连接至负主输出线320。
在电池阵列边缘处的行导体和主输出线310、320之间的各个通路的电气特性可如上针对链接电池的导体所述地通过电阻器、电感器、以及电容器建模。作为示例，导体311与正主输出线310之间的正总线301中的电气特性可通过电阻器311R、电感器311I、以及电容器311C建模；正线与其它导体312-31N之间的电气通路可类似地建模。诸如上述配置之类的导致电气通路几乎相同(例如在1％内)的总线还可起使流过电路200中电池的电流相等的作用。
图4A-C示出根据另一实现的具有并联电池和精密导体的12伏电池组。图4A示出该12伏电池组的内部。图4B是组装好的12伏电池组的表示。图4C是该12伏电池组的电路图。
图4A是示出示例性的12V电池组的内部的分解图。一般而言，该电池组具有高性能电池401-405、精密电缆410、以及具有数个部件的框架。电池401-405通过精密电缆410并联连接。精密电缆从电池传递能量至输出连接器423，输出连接器423可通过供电总线和附连的电缆耦合至外部负载。框架将组件固定到一起。此示例电池组可向诸如电叉车之类的电气设备提供高电平的电流。
电池401-405通过精密电缆410并联连接。电池具有相似的诸如电压和电流输出以及充电曲线之类的电气特性。精密电缆410也具有相似的诸如电阻、电感、以及电容之类的电气特性，以在本文中讨论的各个正电池端子处提供具有相等电压的同步直流环境。精密电缆410可如上所述地制造以最小化它们之间的电气差异。精密电缆410以并联方式将各个电池连接至正总线413和负供电总线417。供电总线416、417又通过正输出电缆421和负输出电缆422连接至主输出连接器423。
供电总线413、417被设计成最小化精密电缆410与输出电缆421之间的导电通路中的差异。这样的优化可通过例如将供电总线设计成输出电缆421在该总线的中心来执行。某些实现可允许输出电缆421与各个精密电缆410之间的距离仅相差特定的公差，诸如例如1毫欧、10毫欧、50毫欧、或100毫欧。在此实施例中描述的供电总线413和417是输出连接在母线的物理中心构成的直母线。优选地，使用直母线(如果没有组合使用另外的并联电缆线路)被限制成长度不超过6”的条，以最小化并联通路长度差异。
电池监控分流器426可用来监控流过电池401-405的电流。例如，可放置多个分流器以使流过单个电池的电流可被监控。所收集的这些信息可用来例如检测电池组400中的不对称性，以监控余下电量以辅助充电控制等等。
在某些实现中，例如精密电缆410之类的系统中的导体可利用螺栓固定的接线片或其它机械连接器附连至它们各自的元件。在某些实现中，可使用诸如焊接之类的用于形成连接的其它技术。
框架将组件固定到一起。在图4A中描述的实施例中，下压缩框架430位于电池401-405的叠层组件的下端，而上压缩框架433位于该叠层组件的上端。一个或多个压缩支柱435可将上压缩框架连接至下压缩框架。因此所形成的压缩框架可防止电池401-405的诸如在充电或放电期间的变形。防止电池401-405变形的一个可能的好处是保持电池的物理结构以使它们之间的电气相似性不会丢失。例如，如果一个电池因为例如在充电或放电期间释放的气体而显著膨胀，则该电池的内电阻和电压会偏离电池组中的其它电池，从而引起消耗所存储能量的内电流回路并加速有害的电池趋异，从而使电池失效或性能降低。
图4B示出以上在图4A中描述的电池组400实施例的外部视图。拉杆437可被附连至该组件以便于搬动电池组或将该电池组例如附连至诸如叉车之类的被供电的另一设备。拉杆437可突出到盖子440之外，该盖子440可提供额外的支承或防止电池组内部的不必要暴露。
电池监控系统445可利用电池监控分流器426以例如显示剩下的电量水平或提醒操作者任意问题。
图4C是上述12伏电池组的电路图。电池组400实现图2中所述的电路的一个版本。在此情况下，使用了单列的五个12伏的电池以使没有电池串联(即N＝5、M＝1)。
图5A-D示出使用精密导体的24伏电池组。图5A示出该24伏电池组的内部。图5B是该24伏电池组的互连梯状件的详细示图。图5C是组装好的24伏电池组的示图。图5C是该24伏电池组的电路图。
图5A是示出示例性24V电池组的内部的分解图。一般而言，该电池组具有高性能电池、精密电缆、以及框架。电池通过精密互连梯状件互连。精密电缆将能量从电池通过供电总线和输出电缆传递至输出连接器外部负载。框架将组件固定到一起。所得的电池组可提供单个12伏电池的约2倍的电压和5倍的电流。
电池511-525能够存储和释放电能。电池511-525均具有相似的电气特性，诸如在充电和放电周期期间的相似电压和电流曲线。电池511-525通过互连梯状件540(图5B)、精密电缆550、正供电总线560、以及负供电总线562在电池组500内电链接。
在此实施例中，各个电池通过精密互连梯状件540和供电总线560、562连接至所有其它电池。位于电池组500一端的互连梯状件540以串联方式链接各行中的电池。互连梯状件540以及精密电缆550和供电总线560、562还以并联方式连接各列中在相似电压电势位置的电池，从而形成一般类似于图2和图3A-B中描绘的电路(如上进一步具体描述地)并形成在图5D中具体描绘的电路。
诸如通过控制设计、材料、以及制造，精密电缆550、精密互连梯状件540、以及供电总线560、562优选具有统一的诸如电阻、电感、以及电容之类的电气特性，以确保流过各个电池的电流相同或尽可能接近地匹配。精密电缆50以并联方式将各行电池连接至正总线560和负供电总线562。供电总线560、562又通过正输出电缆570和负输出电缆572连接至主输出连接器574。精密电缆50、精密互连梯状件540、以及供电总线560、562被设计成使精密电缆550与输出电缆之间的电气通路中的差异最小化。在某些实现中，输出电缆521与多个精密电缆550之间的距离可相差不超过指定的公差。如上所述，供电总线560和562是圆形的，其中端子连接在其中心构成而并联连接沿其圆周构成以提供到端子连接的匹配导电通路。
虽然在本文的某些实施例中使用了圆形和直的母线，但其它实现可使用其它连接策略来提供所需的匹配并联连接，或利用该特定策略的尽可能接近的匹配。例如，可使用安德森连接器(Anderson connector)代替圆形供电总线来将多个并联的精密电缆一起耦合至共同的供电引线。
电池监控分流器580可与电池监控系统582一起使用以监控流过电池511-525的电流。例如，可放置多个分流器以使流过单个电池的电流可被监控。所收集的这些信息可用来例如检测电池组500中的不对称性，以监控余下电量以辅助充电等等。
在某些实现中，例如精密电缆550之类的系统中的导体可利用螺栓固定的接线片或其它机械连接器附连至它们各自的元件。在某些实现中，可使用诸如焊接之类的用于形成连接的其它技术。
框架将组件固定到一起。下压缩框架590可位于电池515-525的下端，而上压缩框架593可位于电池515-525的上端。一个或多个压缩支柱595可将上压缩框架593连接至下压缩框架590。因此所形成的压缩框架可防止电池515-525诸如在充电或放电期间的变形。这样的方案具有如上所述的有益的电气结果。
图5E描述电池压缩壳体。某些实现可对单个电池采用电池压缩壳体，其理由与此处所讨论的压缩框架类似。在图5E中所描述的电池5E1因为循环工作和温度变化会膨胀。电池压缩壳体5E2和5E3在电池5E1的外壳周围用螺栓固定以形成减轻膨胀的“电池包裹”外壳。虽然所描述的压缩壳体示出通过螺栓5E4和5E5固定到一起的两个部件，但还可采用其它设计。虽然某些实施例可将已膨胀的电池压缩以使其符合其额定尺寸或更接近地匹配这样的尺寸，但其它实施例可采用单电池压缩壳体以防止或消除膨胀。壳体可作为售后改进添加至购买时已存在外壳的电池，即使这样的电池具有被设计成使电池的机械尺寸稳定的内建框架也是如此。电池组的某些实现可对电池组的全部或部分电池采用所描述的单个壳体。该壳体还可向电池组提供机械支承和稳定性。
图5C示出如上在图5A中描述的电池组500的附加示图。拉杆597可附连至该组件以便于搬动该电池组或将该电池组例如附连至诸如叉车之类的被供电的另一设备。该拉杆597可突出到盖子598之外。盖子598可向组件提供另外的支承或防止电池组内部的不必要的暴露。例如，电池监控系统582可利用电池监控分流器580来监控余下电量水平。
图5D是上述24伏电池组的电路图。电池组500实现图2中所述的电路的一个版本。在此情况中，使用了两列和五行的12伏电池(即N＝5、M＝2)。描述了具有相等阻抗的精密电缆550，所讨论的阻抗优选相同或尽可能相似。所描述的电路图还包括等效阻抗5D1-4，它代表尽可能接近地连接至电池511-15的负端子的另外的任选母线。类似的任选母线可沿正电池端子连接(未示出)。此母线结合精密电缆550用作另一导电组件，其可在所连接的电池端子处提供均匀的直流环境。
图6A-C示出使用精密导体的36伏电池组。电池组600类似于上述图5A-5D中的电池组500，添加了另一列电池。相比于图5A-D中描绘的两列12V电池，三列并联的12V电池(611、621、和631)串联连接以提供36V电池组。图6A-C中所描绘的实施例还提供沿电池组600侧边物理地安排的诸如负输出总线662之类的输出总线。互连梯形件640的替代设计在图6B中示出。图6D中所描述的电池组600的电路示意图是图2-3B中所示电路的特定示例，其中N＝6且M＝3。在图6D中示出了电池组600的等效电路，并共有以上讨论的各列中的相似匹配的阻抗关系。
图7A-D示出适用于大规模负载均衡或不间断电源系统(UPS)的高功率电池组。负载均衡系统可用来例如使峰值功率需求或成本最小化，或在本地电网能力有限的情形下提供峰值功率。其中电网不可用或不够可靠以满足要求的远程研究站或关键任务工厂装配线可使用UPS作为主要或辅助供电系统。这样的系统还可用来提供与主电网的隔离。在这样的情况下，电力可全部或部分来自诸如电池或不间断电源系统之类的其它源。在UPS中可有益地采用电池组700。一般而言，电池组700具有电池、支承框架、以及精密导体。优选地电池是具有相似电气特性的统一类型。精密导体将电池链接成具有并联和串联部分的栅格，并将电池组链接至外部负载。框架以有组织的方式支承电池和精密导体。所得的电池组能够提供和存储大量的电能。
多个电池702被安排在框架704上。如上所述，那些电池具有相似电气特性的统一性质。该框架具有带有水平和垂直分隔物706、708的栅格结构(图7B)。分隔物706、708所限制的空间可用来保持电池。
当该单元仍在工作中时，电池组中的单个电池可被替换或保养。因为在替换单个电池时交叉总线将负载重新分配至其它电池，所以提供了这样的热插拔能力。例如，如果电池将呈现出失效的信号，诸如腐蚀或泄漏，则它可从电池组断开并用另一个替换。
图7C中的放大图描述了长交叉总线710的实施例。这样的总线在所描述的电池组700中使用以连接共享相似电压电平的所有端子。例如，所描述的电池组700具有10层，每一层具有并排的10个电池。交叉总线710将各层中的电池并联连接。交叉总线710优选由软铜或另一合适的具有低电阻的导体(诸如铝或铜以及它们的多种合金)组成，且优选具有相等间距的螺孔712以便通过螺栓连接。
描述了沿交叉总线710连接的十个较短的导电杆714，导电杆714实现所描述的各层电池之间的连接。在此实施例中，那些电池是具有在电池外壳的侧面上呈现为具有导电车端面的导电螺孔的电池端子的电池。导电块716两面均设置有螺孔，以将各个导电杆714通过导电螺栓718和垫圈720组装至它的交叉总线710且通过导电螺栓722和垫圈724连接至两个电池，各个导电杆714垂直地横跨在两个电池之间。
还可使用其它合适的导电连接方案。在选择这样的导电连接时存在的限制是工作状态下的电池的电流输出将流过导电杆714，而通常仅最小电流沿交叉总线710的长度水平地流动。这是因为优选存在的交叉总线710被动地使各个电压电平的电池端电压精确一致，所以在理想工作状态下没有横向电流流动，而与理想电池会聚的偏差会在交叉总线710中引起最小调节电流。这种和其它类似配置的高功率母线连接方案可称为高功率精密直流母线组件。
图7E-G描绘在图7A-7D中描绘的电池组的等效电路。该电路类似于图2电路的实施例，其中N＝10且M＝10，但具有稍有不同的输出连接方案，即添加了负输出总线726和正输出总线728。参考图7C和7E-G，在物理立体图(图7C)中示为所描述的最下面一行十个电池的多个电池以电路形式(图7E)表示为电池元件7E1-7E10。同样，图7C中的物理上顶行的电池在图7E中由电路元件7E11-7E20表示。
负输出和正输出母线726和728被示为图7C中的物理母线，且在图7E-G中描绘为等效电路。在此实施例中，导电连接7E21-30优选通过将负输出母线726耦合至最下面一行电池7E1-7E10的导电块716或类似零件建立。这样的导电连接7E21-30由它们的等效串联阻抗表示，如通过电阻器7E31、电感器7E32、以及电容器7E33所描述地。如本文中所讨论地，这样的并联连接是统一的精确匹配的连接。它们仅必须在各个电压电平彼此匹配(即7E21-7E30全都匹配)。图7F和G表示各个输出母线的等效电路。各个用螺栓固定的电池连接之间的母线726的导电部分的长度相同或相似，从而它们的电路等效阻抗7F1-7F9应当相同或尽可能相似。针对图7G中的正输出母线所描述的等效电路优选共有相同的关系。
再次参考图7C，描述了沿交叉总线710连接的十个较短的导电杆714，导电杆714实现所描述的各层电池之间的连接。这样的连接在图7E的电路中被描述为标示为710的垂直列中的导线(各个由等效R、I、以及C元件表示)。此实施例中的各个导电杆714是在图7E中由R、I、以及C等价物表示的单个连接导电块，比如标示为7E34的那些。
所描绘的电池组700中的各个电压电平具有至少一个交叉总线710。同样，从图7C中所描绘的电池组的下边缘开始，负输出母线726(在图7D中具体示出)将组700中最靠近负极的电池端子并联连接到一起，因此它是组700的电压最低(通常为0V)的母线。在具有12V电池的组700中，下一较高电势的母线是在所描述的下一层十个电池的正端子上设置的12V交叉总线710。此12V交叉总线在所描绘组700的背侧上且未示出(所描述的电池具有朝向与负端子相反的纵向末端的正端子)。下一交叉总线710(在图7C中示为710(1))位于24V电势，而且被示出导电耦合至所描述的第二层电池的正端子和所描述的第三层电池的负端子。相似地建立这些连接以提高电压电平，以使正输出总线728(图7D)处于120V电势。交叉总线710和导电杆组合以用作与上述互连梯状件类似的功能。
图7D描绘正输出总线728的放大图，其连接至组700中最靠近正极的十个电池端子。到组700的输入和输出的供电连接可按照多种方式建立。例如，通过将供电电缆导电地耦合至输入和输出母线的中间可提取功率。到电缆或其它母线的连接可在输出母线726和728的末端处建立。不过这样的安排是不理想的，因为从供电电缆到各个电池端子将呈现出不相等的直流电阻。(组700的各个末端上的电池的导电通路会更长。)某些实现可使用超大尺寸的母线以使直流电阻的不相等最小化。一个优选实施例采用至少五倍容量大小的母线，其能提供在期望系统公差内的端对端电阻，诸如例如低于0.5或0.1毫欧。
图7H描绘另一输出连接解决方案。此解决方案将高功率电缆7H1-10连接至正输出母线728。这些电缆的另一端连接至主输出线端7H12，其例如连接至主输出线或电力负载。根据在本文中描述的方法，电缆7H1-10优选具有统一的精密阻抗。即在图7H中示出的它们的等效串联阻抗优选相同或尽可能相似。负输出端子726具有根据此方案的类似连接。这呈现出从负载看到的更均匀或同步的直流环境。
图8示出精密导体构造的示例。在此实例中，精密导体800是“U”形的。此精密导体800具有槽806A-D，电池端子可连接至这些槽以形成并联或串联电路。这种样式的导体可例如便于将电池按照一种构造安排，该构造被设计成配合受限的体积或更容易接近电池组的要服务部分。如上所述，该导体被设计成使连接至精密导体800的任意两个毗邻的端子之间的电气特性统一。
图9A-C示出用于供电的系统的电路图。一般而言，系统900具有发电机组902、电池组906、逆变器908、以及充电器910。发电机组指的是与诸如汽油驱动的引擎之类的发电装置耦合的发电机。在此实施例中，发电机组902产生直流电以便提供用来对电池组906充电的便携式直流电源。在某些实施例中，发电机组902还在发电机组902的输出处直接提供交流电(未示出)。所描述的组合可用于发电机具有比预期负载大得多的容量从而连续使发电机运行会浪费燃料的情形，或具有对预期负载而言太小的容量。在后一种情形下，发电机组902可运行多个小时以对电池组906充电，电池组906然后以比发电机组更高的速率对负载供电。电池组906可供电或蓄电。逆变器908可将发电机组902或电池组906提供的直流电转换成交流电以便对外部设备供电。充电器910可用来从外部电源对电池组906充电。因此，系统900可直接从发电机组902或从电池组906中存储的电力向外部设备提供交流电，该存储的电力在非高峰情况期间由外部源或发电机组902产生。
电池组906可具有图2-3B中所描绘的类似结构。优选电池912是具有统一电气特性的相似类型。电池912可通过精密导体920-92N并联连接至正端子940，且通过精密导体930-93N连接至负端子942。精密导体920-92N具有统一的诸如电阻、电感、以及电容之类的电气特性，而且可通过图9A中的相应电路元件建模(例如电阻器945、电感器947、以及电容器949建模精密导体920)。精密导体930-93N相似地统一，而且优选与导体920-92N统一。
发电机组902、逆变器908、以及充电器910全都通过导体914-919与电池组906并联连接。在某些实施例中，一个或多个导体914-919也可具有统一的性质以允许与它们连接的设备无有害横向电流地同时并联工作。而且，优选实施例与供电组件902、908、和910的每一边上的导体阻抗匹配。例如，导体914和917的电阻优选相等。电容和电感优选也相等。虽然示出了一个逆变器908和充电器910，但其他实施例可使用并联或串联组合连接的多个充电器或逆变器、或其他这样的组件。发电机组902所产生的电能可用来对电池组906充电，或可由逆变器908转换成交流电以供其他设备(未示出)使用。在某些实例中，发电机组902可连续运行，在少于最大使用的时候期间对电池组906充电；然后电池组906可在功率使用超过发电机组902可用功率的时间周期期间补充发电机组。在某些实例中，在发电机组因为诸如保养、缺燃料、环境限制等等之类的其他限制而不可用的情况下，电池组906可向逆变器908提供后备电力。
充电器910可用来从外部电源对电池组902充电。在某些实例中，在比如发电机组902的燃料比来自电网的等效电力更贵的情况下，期望或必须使用外部电源。
如同放电周期一样，期望在充电周期期间将电流均匀地分配到所连接的电池中。使用具有相似电气特性的电池和精密导体的上述系统使流入电池的电流平整，以使它们因为内电流被最小化而在电池组906内具有相似的电荷和损耗。
在图9B中更具体地示出了正端子940，而在图9C中更具体地示出了负端子。这些图示出对精密导体920-92N、930-93N之间的端子(优选为圆形母线)内的电气通路950-95N的特性建模的电路图。如同精密导体一样，通路950-95N的电气特性在指定公差(例如1％)内统一以确保流入或流出各个电池的电流统一(参见以上内容)。从供电组件902、908、以及910来看这些匹配的公差对电池提供相等阻抗的通路。
图10A-C示出具有耦合至汽车电气系统的电池组的系统的电路图。一般而言，系统1000类似于以上在图9A-C中描述的系统900，但利用车辆引擎和交流发电机代替发电机组。例如，这样的系统1000可结合到车辆中，诸如施工工地处承包商的卡车中或野营地处的移动住房中。
一般而言，系统1000具有交流发电机1002、电池组1006、逆变器1008、以及充电器1010。当附连引擎运行时，交流发电机1002可产生直流电。电池组1006可供电或蓄电。逆变器1008可将交流发电机1002或电池组1006提供的直流电转换成交流电以便对外部设备供电。充电器1010可用来从外部电源对电池组1006充电。因此，系统1000可直接从交流发电机1002或从电池组1006中存储的电力向外部设备提供交流电，所存储的电力在非高峰状况期间由外部源或交流发电机1002产生。
电池组1006可具有图2-3B中所描述的类似结构。优选电池1012是具有统一电气特性的相似类型。电池1012可通过精密导体1020-1023并联连接至正端子1040，且通过精密导体1030-1033连接至负端子1042。精密导体1020-1023、1030-1033具有统一的诸如电阻、电感、以及电容之类的电气特性，而且可通过图9A中相应的电路元件建模(例如电阻器1045、电感器1047、以及电容器1049建模精密导体1020)。
交流发电机1002、逆变器1008、以及充电器1010全都通过导体1014-1016和1017-1019与电池组1006并联连接。在某些实施例中，这些导体可以是具有相同阻抗以便于并联工作的统一的精密导体。如关于图9A所讨论地，在各个供电组件的正极侧和负极侧到各个附连的供电组件的导电通路优选匹配。交流发电机1002产生的电能可用来对电池组1006充电，或可由逆变器1008转换成交流电以供其他设备(未示出)使用。在某些实例中，交流发电机1002可连续运行，从而在少于最大使用的时候期间对电池组1006充电；然后电池组1006可在功率使用超过交流发电机1002可用功率的时间周期期间补充发电机组。在某些实例中，在发电机组因为诸如保养、缺燃料、环境限制等等之类的其他限制而不可用的情况下，电池组1006可向逆变器1008提供后备电力。充电器1010可用来从外部电源对电池组1002充电。在某些实例中，在比如交流发电机1002的燃料比来自电网的等效电力更贵的情况下，期望或必须使用外部电源。
已经描述了本发明的多个实施例。然而，应当理解在不背离本发明的精神和范围的情况下可作出多种修改，且可提供基于所公开的实施例的变化。例如，可使用不同的电池化学物质和构造材料。作为另一示例，不同的电路可用来实施本文中描述的方法。因此，所附权利要求书限定本发明的范围。

Claims (20)

1.一种电源模块(100)，包括：
一组多个电池单元(101、102)，所述电源模块适于将所述组的多个电池单元并联连接以向高功率负载(1050)提供至少50安培的电流；以及
将所述组的多个电池单元(101、102)并联连接的导电组件(150、160)，所述导电组件适于被动地防止所述多个电池单元的电压趋异；
其中所述导电组件(150、160)包括各自连接至相应电池单元(101、102)的多个导电通路(131、132、141、142)，所述多个导电通路的每一个的有载电阻与所述其它导电通路的每一个的有载电阻匹配。
2.如权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述多个导电通路(131、132、141、142)的每一个的有载电感与所述其它导电通路的每一个的有载电感匹配。
3.如权利要求1或2所述的电源模块，其特征在于，所述多个导电通路(131、132、141、142)的每一个的有载电阻与所述其它并联的导电通路的每一个的有载电阻相差少于约1毫欧，特别地少于约0.1毫欧，和/或其中所述多个导电通路的每一个的有载电阻与所述其它并联的导电通路的每一个的有载电阻相差少于约1％公差，特别地少于约0.1％公差。
4.如以上权利要求任一项所述的电源模块，其特征在于，所述导电通路(131、132、141、142)各自包括相应的电缆(111、112、121、122)和连接所述电缆和负载连接端子(574)的固态端子总线(560、562)的相应部分。
5.如以上权利要求任一项所述的电源模块，其特征在于，所述导电组件(150、160)包括高功率直流电缆(7H1-10)和/或所述固态端子总线(560、562)包括镀银的软铜。
6.如权利要求5所述的电源模块，其特征在于，所述高功率直流电缆(7H1-10)在与所述负载连接端子(574)等距的相应电缆端子(562A-E)处附连至所述固态端子总线(562)，和/或其中所述高功率直流电缆具有匹配的长度。
7.如权利要求6所述的电源模块，其特征在于，所述电缆端子(562A-E)在圆形总线(562)上设置，所述圆形总线具有在所述圆形总线中心的负载连接端子(562F)。
8.如以上权利要求任一项所述的电源模块，其特征在于，所述导电组件(150、160)被动地防止容量趋异。
9.如以上权利要求任一项所述的电源模块，其特征在于，所述导电组件(150、160)包括以下部分的一个或多个：母线(726、728)、正端子总线(413、560)和负端子总线(417、562)。
10.如以上权利要求任一项所述的电源模块，其特征在于，所述多个电池单元(211B-2N1B)的组是第一组多个电池单元，且所述电源模块还包括：
第二组多个电池单元(21MB-2NMB)，所述电源模块适于将所述第二组的多个电池单元彼此并联连接且与所述第一组的多个电池单元(211B-2N1B)串联连接，以向高功率负载(1050)提供至少50安培的电流；以及
将所述第二组的多个电池单元(21MB-2NMB)并联连接的导电组件(150、160)，所述导电组件适于被动地防止所述多个电池单元的电压趋异；
其中所述导电组件(150、160)包括各自连接至相应电池单元(21MB-2NMB)的多个导电通路(131、132、141、142)，所述多个导电通路的每一个的有载电阻与所述其它导电通路的每一个的有载电阻匹配。
11.一种减轻电池组(100)内的电池特性趋异的方法，所述方法包括：
选择具有匹配的负载电阻和匹配的充电速率或放电速率特性的一组多个电池单元；
在电池组(100)中将所选组的多个电池单元(101、102)并联连接；以及
当同时向或从所述组的多个电池单元(101、102)转移电荷时，
既保持所述组的多个电池单元(101、102)的每一个上的电压相等又保持所述组的多个电池单元的每一个中的充电接受或放电速率相等。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括将所述多个电池单元(101、102)的每一个密封在压缩壳体(5E2、5E3)中。
13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，还包括压缩所述多个电池单元(101、102)的每一个以防止或减轻电池膨胀。
14.如权利要求11至13中的任一项所述的方法，其特征在于，所述充电接受速率和/或所述放电速率等于或快于所述电池组容量的一小时充电或放电。
15.如权利要求11至14中的任一项所述的方法，其特征在于，并联连接所述多个电池单元(101、102)包括通过高功率直流电缆线路组件(7H)或高功率直流母线组件(726、728)将所述多个电池单元彼此连接。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，通过高功率直流电缆线路组件(7H)将所述多个电池单元(101、102)彼此连接包括将各个直流电缆焊接至其相应电池，所述各个焊点(106A、106B)的焊点电阻值与所述其它焊点的每一个的电阻值精确匹配。
17.如权利要求11至16中的任一项所述的方法，其特征在于，所选电池(101、102)的每一个的有载输出阻抗小于约50毫欧。
18.如权利要求11至17中的任一项所述的方法，其特征在于，所选的多个电池单元(211B-2N1B)的组是第一组；所述方法还包括：
选择具有匹配的负载电阻和匹配的充电速率或放电速率特性的第二组多个电池单元(21MB-2NMB)；
将所选的第二组多个电池单元(21MB-2NMB)彼此并联连接并与电池组(100)中的所述第一组多个电池单元(211B-2N1B)串联连接；以及
当同时向或从所述第二组的多个电池单元(21MB-2NMB)转移电荷时，
既保持所述第二组的多个电池单元(21MB-2NMB)的每一个上的电压相等又保持所述第二组的多个电池单元的每一个中的充电接受或放电速率相等。
19.如权利要求11至18中的任一项所述的方法，其特征在于，各个导电通路(131、132、141、142)具有串联电阻和安培数容量，所述安培数容量(以安培表示)与所述串联电阻(以欧姆表示)的比例至少是1000比1，特别地至少是10,000比1。
20.如权利要求11至19中的任一项所述的方法，其特征在于，各个导电通路(131、132、141、142)能够承载至少5安培的充电电流。
CN2007800428065A 2006-10-12 2007-10-11 具有均匀直流环境的电源模块 Expired - Fee Related CN101558514B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/549,006 2006-10-12
US11/549,006 US8237407B2 (en) 2006-10-12 2006-10-12 Power supply modules having a uniform DC environment
US11/549,013 US7808131B2 (en) 2006-10-12 2006-10-12 Precision battery pack circuits
US11/549,013 2006-10-12
PCT/US2007/081082 WO2008045996A2 (en) 2006-10-12 2007-10-11 Power supply modules having a uniform dc environment

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101558514A true CN101558514A (zh) 2009-10-14
CN101558514B CN101558514B (zh) 2013-03-13

Family

ID=39302503

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2007800428065A Expired - Fee Related CN101558514B (zh) 2006-10-12 2007-10-11 具有均匀直流环境的电源模块

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8237407B2 (zh)
CN (1) CN101558514B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102255064A (zh) * 2010-05-20 2011-11-23 Sb锂摩托有限公司 电池组
CN106030914A (zh) * 2014-02-24 2016-10-12 威德米勒界面有限公司及两合公司 用于在低电压系统中分配电流的组件
CN106415887A (zh) * 2014-05-22 2017-02-15 索尼公司 电池组、电力存储设备、电力存储系统、电子器械、电动车辆以及电力系统

Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9030173B2 (en) 2006-07-18 2015-05-12 Global Energy Innovations, Inc. Identifying and amerliorating a deteriorating condition for battery networks in-situ
US20110189507A1 (en) * 2010-02-03 2011-08-04 International Battery, Inc. Extended energy storage unit
JP5618359B2 (ja) * 2010-08-02 2014-11-05 Ｎｅｃエナジーデバイス株式会社 二次電池パック接続制御方法、および、蓄電システム
US8710847B2 (en) 2010-10-28 2014-04-29 Donald Marvin Self-correcting amplifier system
US8738310B2 (en) 2010-12-08 2014-05-27 Paul Swanton Automatic determination of baselines for battery testing
WO2012099052A1 (ja) * 2011-01-18 2012-07-26 日産自動車株式会社 充電装置及び導通状態判定方法
US8786261B2 (en) * 2011-03-03 2014-07-22 Davide Andrea Cell modules for detecting temperature and voltage of cells
KR101553945B1 (ko) * 2011-08-16 2015-09-17 엘에스산전 주식회사 고체절연 스위치기어
US20130241491A1 (en) * 2012-03-19 2013-09-19 Jianguo Hu Balanced battery pack system based on two-way energy transfer
JP6286438B2 (ja) 2012-10-16 2018-02-28 アンブリ・インコーポレイテッド 電気化学エネルギー蓄積デバイスおよびハウジング
US10541451B2 (en) 2012-10-18 2020-01-21 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
US9312522B2 (en) 2012-10-18 2016-04-12 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
US9520618B2 (en) 2013-02-12 2016-12-13 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
US11387497B2 (en) 2012-10-18 2022-07-12 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
US11721841B2 (en) 2012-10-18 2023-08-08 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
US9735450B2 (en) 2012-10-18 2017-08-15 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
US11211641B2 (en) 2012-10-18 2021-12-28 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
JP5573932B2 (ja) * 2012-12-14 2014-08-20 株式会社豊田自動織機 電池パック
US10270139B1 (en) 2013-03-14 2019-04-23 Ambri Inc. Systems and methods for recycling electrochemical energy storage devices
US9502737B2 (en) 2013-05-23 2016-11-22 Ambri Inc. Voltage-enhanced energy storage devices
US9525195B2 (en) * 2013-07-30 2016-12-20 Johnson Controls Technology Corporation Remanufacturing methods for battery module
KR101574969B1 (ko) * 2013-09-24 2015-12-21 주식회사 엘지화학 충방전기의 충전 전류 정밀도 검출 장치
EP3058605B1 (en) 2013-10-16 2023-12-06 Ambri Inc. Seals for high temperature reactive material devices
US10181800B1 (en) 2015-03-02 2019-01-15 Ambri Inc. Power conversion systems for energy storage devices
WO2016141354A2 (en) 2015-03-05 2016-09-09 Ambri Inc. Ceramic materials and seals for high temperature reactive material devices
US9893385B1 (en) 2015-04-23 2018-02-13 Ambri Inc. Battery management systems for energy storage devices
US9780588B2 (en) 2015-06-26 2017-10-03 Intel Corporation Electronic device to be directly charged by a charging device
US9837843B2 (en) * 2015-11-13 2017-12-05 General Electric Company Voltage grouping of energy storage units
US11929466B2 (en) 2016-09-07 2024-03-12 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
CN110731027A (zh) 2017-04-07 2020-01-24 安保瑞公司 具有固体金属阴极的熔盐电池
US11769935B1 (en) * 2022-10-12 2023-09-26 Lunar Energy, Inc. Wiring harness for energy storage system

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4655561A (en) * 1983-04-19 1987-04-07 Canon Kabushiki Kaisha Method of driving optical modulation device using ferroelectric liquid crystal
US4865933A (en) * 1984-08-22 1989-09-12 Blanyer Richard J Battery grid structure made of composite wire
US5925470A (en) * 1984-08-22 1999-07-20 Blanyer; Richard J. Coated elongated core material
US5010637A (en) * 1984-08-22 1991-04-30 Blanyer Richard J Method and apparatus for coating a core material with metal
US4658623A (en) * 1984-08-22 1987-04-21 Blanyer Richard J Method and apparatus for coating a core material with metal
US5173652A (en) * 1985-02-13 1992-12-22 Henkel John R Battery chargers for secondary cells of batteries, which control the thermo response of the charge acceptor
US4964878A (en) * 1988-06-01 1990-10-23 Electrosource, Inc. Lead-acid rechargeable storage battery
US4909955A (en) * 1988-11-04 1990-03-20 Electrosource, Inc. Lead-oxide paste mix for battery grids and method of preparation
US5409787A (en) * 1993-02-17 1995-04-25 Electrosource, Inc. Battery plate compression cage assembly
TW269727B (en) * 1995-04-03 1996-02-01 Electrosource Inc Battery management system
US5993992A (en) * 1997-06-25 1999-11-30 Norvik Traction Inc. Battery pack with connecting battery modules
JP3576767B2 (ja) * 1997-09-18 2004-10-13 タイコ エレクトロニクス レイケム株式会社 パック電池とこのパック電池に内蔵されるｐｔｃ素子
US6074774A (en) * 1998-06-03 2000-06-13 Electrosource, Inc. Sealed recharge battery plenum stabilized with state changeable substance
JP3485162B2 (ja) * 1998-10-09 2004-01-13 矢崎総業株式会社 バッテリ用接続プレートおよびその製造方法
CA2291831A1 (en) * 1998-12-11 2000-06-11 Chaz G. Haba Battery network with compounded interconnections
US6683522B2 (en) * 1999-02-24 2004-01-27 Milli Sensor Systems & Actuators, Inc. Planar miniature inductors and transformers
JP4717990B2 (ja) * 2000-09-13 2011-07-06 パナソニック株式会社 電池パック
US6577099B2 (en) * 2001-05-04 2003-06-10 Delphi Technologies, Inc. Method and apparatus for providing and storing power in a vehicle
US20050156564A1 (en) * 2003-06-23 2005-07-21 Michael Krieger Tool box power center
JP4036805B2 (ja) * 2003-08-05 2008-01-23 三洋電機株式会社 パック電池
US6932651B2 (en) * 2003-09-16 2005-08-23 Honda Motor Co., Ltd. Connecting structure for electric cells
WO2005114810A1 (en) * 2004-05-17 2005-12-01 Railpower Technologies Corp. Automated battery cell shunt pypass
EP1689009A1 (en) 2005-02-04 2006-08-09 Yao, Li-ho Battery pack
WO2007121445A2 (en) * 2006-04-18 2007-10-25 Securaplane Technologies, Inc. Battery busing scheme
US7808131B2 (en) * 2006-10-12 2010-10-05 Xtreme Power Inc. Precision battery pack circuits

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102255064A (zh) * 2010-05-20 2011-11-23 Sb锂摩托有限公司 电池组
CN102255064B (zh) * 2010-05-20 2015-04-08 三星Sdi株式会社 电池组
CN106030914A (zh) * 2014-02-24 2016-10-12 威德米勒界面有限公司及两合公司 用于在低电压系统中分配电流的组件
CN106030914B (zh) * 2014-02-24 2019-05-07 威德米勒界面有限公司及两合公司 用于在低电压系统中分配电流的组件
CN106415887A (zh) * 2014-05-22 2017-02-15 索尼公司 电池组、电力存储设备、电力存储系统、电子器械、电动车辆以及电力系统
CN106415887B (zh) * 2014-05-22 2019-12-10 株式会社村田制作所 电池组、电力存储设备、电力存储系统、电子器械、电动车辆以及电力系统
US10953763B2 (en) 2014-05-22 2021-03-23 Murata Manufacturing Co., Ltd. Battery pack, power storage device, power storage system, electronic appliance, electric vehicle, and power system

Also Published As

Publication number Publication date
US8237407B2 (en) 2012-08-07
CN101558514B (zh) 2013-03-13
US20080088276A1 (en) 2008-04-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101558514B (zh) 具有均匀直流环境的电源模块
US7808131B2 (en) Precision battery pack circuits
US8198759B2 (en) Portable power packs having a uniform DC environment
WO2008045996A2 (en) Power supply modules having a uniform dc environment
CN102255064B (zh) 电池组
US6465986B1 (en) Battery network with compounded interconnections
US8564244B2 (en) Battery with battery cells and method for monitoring and controlling the battery cells of the battery
RU2490755C1 (ru) Блок батарей и способ изготовления блока батарей
US8633671B2 (en) Photo-voltaic charging of high voltage traction batteries
CN103165946A (zh) 电池组
US20110117408A1 (en) Battery Assembly
CN102299392B (zh) 采用锂离子电池构成的充电电池及控制方法
CN101682019A (zh) 具有防错接功能的储能组件
Yildirim et al. Evaluation and comparison of battery cell balancing methods
US20200411831A1 (en) Connector and battery module including the same
CN202142621U (zh) 采用锂离子电池构成的充电电池
US5993993A (en) Unregulated spacecraft electrical bus
CN108346769B (zh) 具有多个子模块的电池模块
Perepelitsyn et al. Method of creation of power sources for home appliances under constraints of limited resources
CN208111554U (zh) 电箱及其电池组
CN219938013U (zh) 一种电芯电压控制电路、电池包和动力装置
Artal et al. Ulises: Autonomous mobile robot using ultracapacitors-storage energy system
US20240055873A1 (en) Energy Storing Cable with Hybrid Energy Storage Management System
EP4254592A1 (en) A battery pack for an electric vehicle
Garnier et al. Battery System and Battery Management System (BMS)

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: XTREME POWER LLC

Free format text: FORMER OWNER: XPOWER SOLUTIONS, LLC

Effective date: 20120626

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20120626

Address after: texas

Applicant after: Xtreme Power LLC

Address before: texas

Applicant before: Xpower Solutions, LLC

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20130313

Termination date: 20141011

EXPY Termination of patent right or utility model