CN102007664A - 可再充电的分组电池系统 - Google Patents

Abstract

一种电池系统，被分组为第一和第二电池子系统。当第一电池子系统达到第一放电水平时，第一电池子系统与电池系统的输出端断开连接，且第二电池子系统连接至电池系统的输出端。

Description

可再充电的分组电池系统

技术领域

本发明涉及一种可再充电的电池系统。

背景技术

可再充电的电池系统在单次放电循环中的有效期限难以预测，这是因为其受到很多因素影响。使用年限、工作温度、放电条件以及电池化学性质是一些主要的因素。尽管电压监测是最容易和最常使用的确定在单次放电循环中可再充电的电池的剩余容量的方法，但是不同的电池化学性质在不同条件下提供不同的电压曲线。图1示出了锂离子可再充电电池在不同工作条件下的两种典型的电压曲线。实线是在最佳工作条件(即，较低的放电速率、较高的工作温度以及较新的单电池(cell))下的电压曲线。虚线是在较差的工作条件(即，较高的放电速率、较低的工作温度以及较旧的单电池)下的电压曲线。如图所示，在这两条曲线中，在电池的单次放电循环的有效期限期间，电压相对恒定；在该循环的结束处，电压则突然降低。

因为恰好在系统失效103之前电压降很小，因此难以预测放电循环期间实际的失效点位于何处。因此，电池系统可能被太快地中断或者意外失效。意外失效可导致不便或者严重的后果。例如，在计算机装置中，意外的电池失效可导致重要数据的丢失；在电动汽车中，乘车者会陷入困境；在医疗装置中，这可能是生死攸关的问题。

发明内容

附图说明

通过附图的图式中的实施例示出了本发明，但是这些实施例并非是限制性的，附图中，相同的参考标号表示相同的元件，附图中：

图1示出了在不同工作条件下的锂离子可再充电电池的典型电压曲线；

图2示出了包括两个可再充电电池子系统的分组可再充电电池系统的一个实施方式；

图3更详细地示出了分组可再充电电池系统的实施方式，其示出了工作电池系统、受控-关断电池系统以及用于显示整个电池系统在特定时刻的剩余容量的“燃料”量表；

图4是由一个实施方式中的工作电池系统的电池控制单元所执行的操作的流程图；

图5示出了分组可再充电电池系统的可替换的实施方式，在该分组可再充电电池系统中，通过将至少一个工作电池系统分为多个电池子系统，并在工作循环的各部分中交替或顺次地使用它们和/或在需要更多电力时将一个或多个另外的子系统接入，进一步扩展了图2中的分组电池思想。

具体实施方式

在本文所公开的实施方式中，可再充电电池系统被分为两个或多个电池子系统，可相继地使用该两个或多个电池子系统来向负载供电。在第一实施方式中，使用工作电池子系统供电，直到其达到预定的或动态确定的放电点，之后使用受控-关断电池系统供给储备电力。通过提供电池系统的真正的单次充电工作循环终点附近的有效期限转折的精确终点，接续使用两个电池子系统使得从对整个电池系统的可用工作时间的预测中去除了大量推测，同时使电池系统的总的有效期限的终点更加可预测。如所讨论的，由于分组电池系统创造了单电池被充放电至更恒定的和确定的电压的环境，因此还可获得改进的校准统计(例如，用于确定电池损耗)。重申，至少可获得以下优点：

●用于可再充电电池的更加可预测的燃料量表，特别是在电池系统的使用期限的终点处，其中该终点是最关键的；

●使能够估计真正的电池工作有效期限并能够对电池充电进行校准；以及

●确保在电池系统完全关断之前存在一个安全的可预测的受控-关断期间。

在第二实施方式中，可再充电电池系统被分为多个电池系统，该多个电池系统可被接续使用来向负载供电(从一个子系统级联至下一子系统，直到所有的子系统均被耗尽)或被组合以提供超过一个单独的电池子系统的容量的电力水平。

总之，本文中的实施方式通过将电池分为可根据需要被接入或切断的两个或多个独立的电池系统，能够更精确地预测在单次充电循环中电池系统的有效期限的终点。在第一实施方式中，第一(工作)电池系统是主供电电池，因此比第二电池系统(即，受控-关断电池子系统)大很多。第二电池系统提供了第一电池系统的备用，并且仅在第一电池系统失效或越过预定义的低电压阈值时接管。图1的示图中给出了很好的模拟，其中第一电池系统使装置达到最大运行时间竖线105，且第二电池系统仅当第一系统达到该点时被接入，以将工作状态保存至光盘/闪存，或进行其他适于电池系统应用的动作。考虑到左手侧作为工作状态而右手侧作为受控-关断状态，在达到最大运行时间时采取的具体动作可更多样。系统设计者可基于最坏情形下所需要的受控-关断期间来调整工作状态电池子系统(系统1)和受控-关断电池子系统(系统2)的电池尺寸比。在高电压电动汽车或混合动力汽车方面，这可以是例如汽车能够切换至系统2的电池的点，以提供充足储备电力来使汽车安全驶回再充电站而不会使汽车操作者陷入困境。在第二实施方式中，随条件需要，单独地(从而相继地)使用电池子系统，或者响应于增加的电力需求组合地使用电池子系统的能力提供了两种构造的益处。

图2示出了分组可再充电电池系统150的一个实施方式，其包括两个可再充电电池子系统：工作电池系统151(OBS)以及受控-关断电池系统153(CSBS)。OBS是主工作子系统，因此比CSBS大很多。在一个实施方式中，例如，OBS提供系统电池总容量的90％，而CSBS提供10％的储备容量。当OBS在放电循环中达到有效期限的终点时，在本文中被称为“切换”的操作中，OBS经由开关152与“主”输出端可切换地断开连接(从而与负载断开连接)，且CSBS经由开关154可切换地连接至输出端。切换点由例如图1中的竖线105指示，竖线105标注例如OBS的“最大运行时间”。因为电池剩余容量的估计通常在放电循环的开始比接近放电循环的结束更精确，因此在发生切换后，CSBS使主系统(即，电动汽车、工业负载、电池供电医疗装置、计算机等)能够安全地执行受控-关断。例如，在计算机系统中，数据能够在受控-关断期间被保存；在电动汽车中，驾驶员可将汽车驶至附近的再充电站；或者医疗装置操作者可被警告处于低电力状态，以保证剩余的可依赖的电力水平能够结束任何关键行为。OBS和CSBS的相对尺寸可由最坏情形下需要的受控-关断期间和/或由当OBS驱动负载时的正常工作条件下的最大电力需求来确定。并且，OBS和CSBS可包括在单个电池组内或分离的电池组内，且可包括具有相同或不同电池化学性质和/或型号的单电池。

可利用多种不同技术来触发从OBS至CSBS的切换。例如，在一个实施方式中，可在电池监测系统内设计或编程预定义电压阈值，并使用其作为分组电池系统内的各个单电池或单电池组的电压合格/不合格的阈值。在检测到单电池或单电池组的最小电压下降至低于阈值(或者表示所有或部分单电池或单电池组的电压的统计值(例如平均或中间电压)下降至低于阈值)时，监测系统可触发切换。可替换地，可使用动态确定的切换阈值。例如，相对于运行时间确定电压(例如满充时电池系统的电压)的电压偏移量可被用作切换阈值。在此情形下，电压偏移量可相对于运行时间确定电压而固定，或由各种因素进行补偿，各种因素包括但不限于负载(或放电速率)、温度、电池年限(例如通过连续运行的时钟、或检测到的放电循环次数、驱动轴或其他机械负载的旋转等测量得到的)。并且，切换阈值本身可为静态电压和/或电压摆动速率(即电压变化速率)，或更一般地，可为单电池或单电池组的放电水平的任何有用的度量。最后，可根据工作条件、电池年限和/或应用需要，在运行时间选择或通过编程选择任一上述用于触发切换的技术，包括在检测到工作条件或负载的变化时从一个切换触发至另一个的转变。

因为可再充电电池的放电分布随着电池年限趋于改变，因此期望随着电池损耗不定期地再校准在单次放电循环中电池的最大运行时间，从而提供更精确的容量估计。在一个实施方式中，这样的容量校准可以以规律的事件间隔或时间间隔执行，例如，在预定的放电循环次数或逝去时间之后。总之，容量校准伴随有电池从满充状态放电到相对完全放电状态，在该相对完全放电状态中，输出电压显著下降至低于正常工作电压(例如，超出图1的最大运行时间线105的预定电压)。因为在容量校准期间电池系统在某点将最终不能驱动负载，因此在通常的电池系统中，这样的校准操作通常在电池未处于有效工作状态时执行。在电动汽车的情形下，例如，这样的校准实质上相对于燃料耗尽；通常会在服务站采取操作以避免使汽车操作者陷入困境。该局限性通过本文中提出的分组电池系统克服。更具体地，即使在OBS进行放电之后，CSBS也保持可使用状态，因此能够使OBS不定期地被完全放电(或者至少放电至确定的水平)，从而在正常工作状态期间被校准。在电动汽车的情形下，例如，校准事件可信号通知汽车操作者，或者在完全未告知操作者的情况下进行。

图3更详细地示出了分组可再充电电池系统175的实施方式，示出了工作电池系统177、受控-关断电池系统179以及用于显示整个电池系统(OBS和CSBS全体)在特定时刻的剩余容量的“燃料”量表195。在给定应用中，如果不需要的话，可省略燃料量表。并且，可为每个电池子系统提供单独的量表或其他指示器。

为便于解释，OBS 177和CSBS 179被示为具有相同的实现形式，包括多(N)个可再充电单电池185的块(例如，每个块包含一定数量并联的可再充电单电池，如符合18650或其他型号的锂离子单电池)，负载开关188a/188b以及电池控制单元186。在可替换的实施方式中，OBS或CSBS或这两者可具有不同的构造、单电池的块的数量或每个块中单电池的数量。并且，可提供单个电池控制单元(有或无备份)来监测所有电池子系统。

参照OBS 177，单电池块185串联连接在负载开关(例如，半导体或继电器投掷元件，或能够实现开关刀处断开与闭合连接之间的信号控制转变的任意其他元件)之间，该负载开关根据来自控制单元的输出又被(间断或连续地)切换至断开或闭合状态。当负载开关闭合时，OBS单电池块能够经由输出端V+、V-(其对应于图2中的“主”端)向负载供电；而当开关断开时，OBS被关闭或者使之不能驱动负载。通过这种配置，且因为CSBS具有至负载的相同的可切换连接，因此OBS可在其放电循环期间的某点被切断(从负载断开连接)，且CSBS经由其自身的负载开关被接入，以提供可依赖的储备电力量。

在所示的实施方式中，OBS(以及CSBS)内的控制单元186包括微控制器193、模数转换器191、多路复用器(或选择器)189以及信号调节元件187。任意的或全部的这些组件可集成在单个集成电路装置上(例如，专用集成电路)或在控制单元内实现为分立元件。微控制器执行预加载的程序(例如，烧写在微控制器自身内的非易失性存储器、或烧写在控制单元内的或与控制单元分离的另一存储器)，从而以循环方式读取单电池的每个块的各自的电压电势，并基于这些读取结果(或测量结果)确定是否已达到切换阈值，如果是，则实施至CSBS的切换。为此，微控制器输出选择信号190，该选择信号通过依次选择每个预调节单电池块电压来按顺序组织多路复用器189，从而(经由使能信号192)触发模数转换器191内的一系列模拟-至-数字操作以获得每个单电池块的电压的数字化表示。应注意，预调节完全是可选的，但调节元件187可包括例如任何种类的放大或滤波。

如果微控制器193确定已达到切换阈值，则微控制器断开OBS负载开关，并经由系统接口196通知CSBS的控制单元进行切换。CSBS控制单元通过闭合其负载开关使CSBS单电池驱动负载来对该切换作出响应。CSBS控制单元还开始(或继续)监测CSBS电压并(例如经由系统接口196)向OBS控制单元报告这些电压，OBS控制单元还驱动燃料量表195。在一个实施方式中，OBS控制单元还可信号通知操作者已进行切换(例如，通过在燃料量表195上显示指示器指示系统低于储备电力或下降至剩余百分容量(例如，在此实施例中为10％))。

仍参照图3，OBS和CSBS内的电池控制单元可还监测负载电流(或者电池放电的其他指标)以能够确定供给负载的能量的总量，从而根据燃料量表来估计电量消耗。如下所要讨论的，这样的放电测量结果还可用于容量校准操作中。

图4是由一实施方式中的OBS控制单元执行的操作的流程图。如图所示，在221处，OBS控制单元首先采样负载电流和所有的OBS块电压，之后在223处更新累计的电力消耗(本文中被称为安培-小时(AH：amp-hour)消耗)，并在225处通过从先前校准的总容量值减去AH消耗来更新燃料量表。只要没有单电池块电压为欠压(在判定块227中确定)，OBS控制单元就继续执行在221、223和225处所示的监测和更新操作。在所示的实施方式中，如果任一单电池块的电压被确定为欠压，则接下来在判定块229处控制单元确定是否需要进行容量校准。如上讨论，可使用多个预定的或动态确定的欠压阈值，且欠压可基于一组块或者甚至所有全部块而不是基于单独的块的电压来整体地或部分地确定。类似地，对于容量校准的需要，OBS控制单元可以例如追踪OBS内已达到欠压状态的次数(即，放电循环的数量)和/或自最近一次执行容量校准逝去的时间，如果这些度量中的任一个超过预定义的或所编程的阈值，则确定需要进行校准。经过监测-更新环路(即，如在221、223、225、227处所示的)的每次操作(pass)可以以规律的间隔(例如，通过微控制器193内的计时器的终止或其他定时电路的操作)触发，以能够确定增加的电力消耗。

在一个实施方式中，如果需要进行容量校准，则OBS将欠电压阈值降至深放电水平，并且之后继续由操作221、223、225、227所实现的监测-更新环路。通过此操作，OBS控制单元有效地维持OBS作为系统电源，直到达到深放电阈值，并且在该点使用在整个放电循环期间所消耗的总的安培-小时来更新OBS的容量，从而更新整个电池系统的容量。

如果不需要进行容量校准，则在231处，OBS控制单元断开OBS和电池系统输出端的连接，并在233处信号通知至CSBS的切换(即，通知CSBS控制器，从而使CSBS连接至输出端以驱动负载)，之后在235处，OBS控制单元开始从CSBS控制单元接收单电池块电压和负载电流测量结果并相应地更新燃料量表(以及总安培-小时消耗)。

图5示出了分组可再充电电池系统250的可替换实施方式，在该分组可再充电电池系统中，通过将工作电池系统(OBS)分为N个电池子系统，并在工作循环中交替使用它们和/或当需要更多电力时(例如，使用HV二极管来均衡电压)接入子系统，进一步扩展了图2中的分组电池思想。为此目的，开始的N-1个相同尺寸的电池系统可被指定为工作电池系统1(OBS1)至工作电池系统N-1(OBSN-1)，而余下的较小的第N个、工作循环终点的电池子系统被指定为受控-关断电池系统(CSBS)。图5的具体实施方式提供了用于由OBS1、OBS2和CSBS(即251₁、251₂和251₃)构成的三部分可再充电分组电池系统(RSBS)的高级参考设计结构，其中，OBS1、OBS2和CSBS中的每一个通过各自的开关元件252₁、252₂和252₃连接至电池(“主”)输出端。

在工作期间，可接续地使用每一个可再充电电池子系统来向负载供电，随着各子系统达到耗尽点(即切换点)进行从OBS1至OBS2，之后至CSBS的切换。可扩展此方法，将电池系统分组(或划分，或分隔)为任意实用数量的电池子系统，每个电池子系统可在之前的子系统达到切换点时被接续地使用。进一步地，除了用作要被使用的电池子系统的最后一个从而作为总工作容量中的最后储备之外，CSBS与工作电池子系统可以无差别。最后，并不特定要求全部或任意电池子系统尺寸相同。

图5的分组电池系统的一个潜在缺点在于，各电池子系统的更小的工作尺寸导致每个子系统的更快的放电。如从上述图1的电压/容量示图可见，该增加的放电速率可使估计剩余电量的能力出现偏斜。图1中未示出的是频繁的高放电还缩短电池系统的寿命。因此，分组电池思想的突出优势在于，每个电池系统可从已知放电状态被更频繁地充电，而不会经常处于电池在大多数时间仅被名义上操作的情形。为此，电池系统可被设计为以三个电池系统的任意组合来工作，以允许用户或电池系统控制器能够根据需要向装置智能地提供电力，而不需要高放电，同时仍允许电池电量校准。即，所有的电池子系统可被组合而实现一体的电池系统，或部分电池子系统可被组合而实现图2的分组电池子系统，或电池子系统可被单独地使用，所有这些均响应于动态确定的电力需求。

在一个实施方式中，与参照图3描述的电池控制单元相同的电池控制单元被提供给每一电池子系统(OBS1-OBSN以及CSBS)，并能够进行从一个子系统到下一子系统的协调切换。控制单元中负责监控的控制单元(例如，OBS1的控制单元)还可确定操作者(或负载)所需要的瞬时电力何时超过单个子系统的供电能力，并指示一个或多个其他电池子系统的子系统控制单元加入(即，使它们各自的电池连接至负载，例如，通过如上所述的闭合负载开关)，从而组合两个或多个电池子系统来满足电力需求。为避免从一个电池子系统到另一个子系统出现的浪涌电流，在两个电池子系统开始切换为并联至负载端时，可使用高压二极管来均衡电压。其后，随着电力需求降低，负责监控的控制单元可指示被组合的电池子系统的控制单元相应地进行脱离。继续以电动汽车作为实例，当汽车未加速且以中等或低速行驶时(即，在相对低电力需求期间)，控制电路可仅使用一个电池子系统，但当操作者要求加速(例如，按压“油门”踏板)或汽车高速行驶时，控制电路可使用一个或多个另外的电池子系统。

具有多个电池子系统的分组电池系统提供了另一优势。因为频繁的深放电倾向于缩短可再充电电池的总的有效期限(即，深放电倾向于加速总容量的循环至循环衰减)，因此常常期望在达到最大运行时间之前，从预定放电状态(例如由图1中竖直虚线107指示的状态)对电池进行适当地充电。在具有多个部分的分组电池系统中，总电池控制单元(或者各电池子系统的电池控制单元的组合)可使不同的电池子系统被交替地使用。例如，控制单元可顺次使每个电池子系统加入，在当前使用的子系统达到预定的放电状态时切换至下一个电池子系统。

尽管已参照本发明的具体实施方式描述了本发明，但是显而易见的是，在不背离本发明的较宽泛的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和变化。因此，说明书和附图应被认为是示例性的而非限制性的含义。

Claims (20)

1.一种电池系统，包括：

输出端；

第一电池子系统，可切换地连接至所述输出端，并具有一个或多个单电池；

第二电池子系统，可切换地连接至所述输出端，并具有一个或多个单电池；以及

控制单元，确定所述第一电池子系统何时达到第一放电水平，并做出响应以使所述第一电池子系统与所述输出端断开连接，并将所述第二电池子系统连接至所述输出端。

2.根据权利要求1所述的电池系统，进一步包括电池组，其中，所述第一电池子系统和所述第二电池子系统包含在所述电池组内。

3.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述控制单元通过测量所述第一电池子系统的电压来部分地监测所述第一电池子系统的放电。

4.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述第一放电水平选自由(A)电压电平、(B)相对于动态确定的电压电平的电压偏移量以及(C)电压变化速率组成的组。

5.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述第一放电水平是可编程的。

6.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述控制单元包括可编程处理器。

7.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述控制单元包括用以监测所述第一电池子系统的第一电池控制单元和用以监测所述第二电池子系统的第二电池控制单元。

8.根据权利要求1所述的电池系统，进一步包括可切换地连接至所述输出端的第三电池子系统，其中，所述控制单元包括电路，所述电路用以确定所述第二电池子系统何时达到第二放电水平，并做出响应以使所述第二电池子系统与所述输出端断开连接，并将所述第三电池子系统连接至所述输出端。

9.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述控制单元包括电路，所述电路用以确定向所述电池系统索取的电力的量超过电力阈值，并做出响应以将所述第二电池子系统以与所述第一电池子系统并联的形式可切换地连接至所述输出端。

10.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述控制单元包括电路，所述电路用以根据所述第一电池子系统的完全放电循环的数量来调节所述第一放电水平。

11.一种电池系统内的工作方法，所述方法包括：

将第一电池子系统可切换地连接至所述电池系统的输出端，以向负载供电；

确定所述第一电池子系统已达到第一放电水平；

响应于确定所述第一电池子系统已达到所述第一放电水平，断开所述第一电池子系统和所述输出端的连接；以及

响应于确定所述第一电池子系统已达到所述第一放电水平，将第二电池子系统连接至所述输出端。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一电池子系统和所述第二电池子系统包含在电池组内。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，确定所述第一电池子系统已达到第一放电水平包括通过测量所述第一电池子系统的电压来部分地监测所述第一电池子系统的放电。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过测量所述第一电池子系统的电压来部分地监测所述第一电池子系统的放电包括在可编程处理器中执行一系列程序指令。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一放电水平包括电压电平、相对于动态确定的电压电平的电压偏移量以及电压变化速率中的至少一个。

16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：接收表示所述第一放电水平的值，并将所述值存储在所述电池系统的可编程寄存器中。

17.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：

确定所述第二电池子系统已达到第二放电水平；

响应于确定所述第二电池子系统已达到所述第二放电水平，断开所述第二电池子系统和所述输出端的连接；以及

响应于确定所述第二电池子系统已达到所述第二放电水平，将第三电池子系统连接至所述输出端。

18.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：

确定向所述电池系统索取的电力的量超过电力阈值；以及

将所述第二电池子系统以与所述第一电池子系统并联的形式可切换地连接至所述输出端。

19.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：根据所述第一电池子系统的完全放电循环的数量来调节所述第一放电水平。

20.一种电池系统，包括：

第一单电池组和第二单电池组，每一单电池组至少包括一个单电池；

用于将所述第一单电池组可切换地连接至所述电池系统的输出端以向负载供电的装置；

用于确定所述第一单电池组已达到第一放电水平的装置；

用于响应于所述第一单电池组已达到所述第一放电水平的确定，断开所述第一单电池组与所述输出端的连接的装置；以及

用于响应于所述第一单电池组已达到所述第一放电水平的确定，将所述第二单电池组连接至所述输出端的装置。

Images