CN102484228A - 大型电池系统和组装的方法 - Google Patents

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Abstract

此发明中的方法允许对于诸如电动交通工具电池系统的大型电池系统内的电池单体、区块、以及模块进行识别、选择、以及配置。本发明的一示范性实施例虑及具有一特有识别记号或相关参数(例如，内部电阻贡献或容量)的电池单体、区块、以及模块的识别。此外，针对区块的形成，其可以自一群容量-范围分类贮藏箱之中选择电池单体。依据电池单体的一参数，亦可以使用一虚拟随机数产生器自维持于一电池单体数据库中的一可用电池单体库存选择电池单体。电池单体亦可以被置放入一区块以均匀化有效单体阻抗并使电池单体老化一致，同时最小化肇因于循环使用的整体区块容量减损。其亦可以依据一运作期间的已知平均温度梯度计算区块容量。

Description

大型电池系统和组装的方法
相关申请案
本申请案主张公元2009年9月1日所提出的美国临时申请案第61/238,882号的权益。以上所述申请案的整体教示是以参照方式而纳入本文。
背景技术
大型电池系统在各种电动及混合式电动交通工具中被使用做为电力储存装置。可以用电力或混合式动力驱动的一些交通工具实例包括汽车、船、以及电车。这些电池系统的容量范围通常介于10kWh到100kWh之间，且具有介于44.4Vdc到444Vdc之间的理论上的整体电池电压额定值。
构建大型电池系统最常见的方式是将一些个别高容量电池单体以串联和并联的方式连接在一起，以达到预定的系统电压及容量。每一电池系统可以是由数十个到数百个个别电池单体组配而成。由于电池单体制造流程的缘故，任何一群电池单体均可能在至少二个关键参数上具有变异的分布：内部阻抗以及电荷维持容量。一群产出电池单体中阻抗及容量的变异对于大型电池系统的生产是一大挑战，因为系统内并联和串联的电池单体组合在阻抗和容量上有所差异。系统内的阻抗及容量上的变异直接影响包含以下项目的整体电池系统特性：容量、能量储存效率、循环使用寿命、热能减损、内部温度均匀性、平衡电子部件的成本、以及余热排除(冷却)系统的成本。
发明内容
以下摘要叙述本发明所包含的一些实施例。提出该等信息是用以提供对于本发明的特色的一基本理解。此节所提供内容基本上是一般的性质而非意欲指出实施例的最重要特征。揭示于下的该等信息的意图仅是提供本发明的简化实例并做为更细节说明的导引。习于斯艺者应理解在包含于申请专利范围以及说明的范畴下，尚存在其他实施例、修改、变异、以及类似形式的实施方式。
本发明的一示范性实施例包含一种识别在大型电池的制造或组装中所使用的组件的方法。该方法包含附加一识别标记至该大型电池内所包含的多个电池单体中的每一单体以及多个由电池单体构成的区块中的每一区块。此外，其亦维持该等电池单体和区块的该识别标记和相关参数的一数据库以及依据该相关参数选择电池单体和区块。该相关参数可以包含该等电池单体和区块的容量或内部电阻。此外，其可以使用一虚拟随机数产生器以选择用以置放于该大型电池内的电池单体和区块。该虚拟随机数产生器可以依据可用以置放于该大型电池内的电池单体的一常态分布选择电池单体。
该方法可以进一步包含加装识别标记至包含于该大型电池内的多个由区块构成的模块中的每一模块并以该等模块的识别标记及相关参数更新该数据库。该相关参数可以包含该等模块的容量或内部电阻。其亦可以使用上述的虚拟随机数产生器以选择用以置放于该大型电池内的模块。
本发明的另一示范性实施例包含一种电池系统以及对应的选择电池单体以构建一电池系统的方法。该方法可以包含量测电池单体的容量并，在一数据库之中，将每一电池单体联结其各自的容量量测值。并且，其可以依据该量测的电池单体容量计算一统计分布，且可以自该统计分布中的各处选择电池单体以置放于该电池系统之中。该等选择的电池单体从而可以被以并联方式置放于该电池系统内。其可以选择该等电池单体以使得该电池系统的容量趋近于该统计分布的一平均值。该等电池单体容量可以是位于一从4000mAh到4500mAh的范围内或是从4420mAh到4480mAh的范围内。此外，其可以自该统计分布中的特定区段(习于斯艺者习称为″箱(bin)″)随机地选择电池单体。若该统计分布的一特定区段内的电池单体已然用罄，则可以自一较接近该统计分布的一平均值的邻近区段选择电池单体。
本发明的另一实施例包含一电池系统。该电池系统可以包含多个电性耦接的由电池单体构成的区块，每一区块内包含以并联方式相连的电池单体，且每一区块中电池单体的容量遵循自其中挑选该等电池单体的一群电池单体的一统计分布。其可以选择该等电池单体以使得该电池系统的容量趋近于该统计分布的一平均值。
本发明的另一示范性实施例包含一种电池系统以及对应的选择一电池系统的电池单体的方法。该方法可以包含量测该电池系统的组件的内部电阻、维持一包含该内部电阻量测值的数据库、以及依据该内部电阻量测值将电池单体置放于该电池系统之中。置放电池单体可以包含将具有低内部电阻量测值的电池单体置放于由该电池系统的其他组件所贡献而相对于电池接头具有高内部电阻的区域。置放电池单体亦可以包含将具有高内部电阻量测值的电池单体置放于由该电池系统的其他组件所贡献而相对于电池接头具有低内部电阻的区域。在一电池接头与外部接触超过一个位置的情形，造成超过一条电流流动路径往来于该电池接头，则具有高阻抗的电池单体被置放于较接近该接头接触的位置，而具有较低内部电阻的电池单体则被置放于较远离该接头接触的位置。此外，上述的数据库可以包含该电池系统的电池单体和组件的识别标记和相关参数。该相关参数可以包含该电池系统的电池单体和组件的内部电阻或容量。
本发明的另一示范性实施例包含一种选择电池系统组件的预定容量的方法。此方法可以包含决定该电池系统内的一温度分布概况、估计该电池系统的组件的一温度相关容量、以及利用该温度相关容量及温度分布概况选择该电池系统的组件。
此外，其可以选择一参考区块以针对该电池系统内的区块建立一可接受的温度。从而可以依据该参考区块温度及该电池系统内其他区块的温度决定一温度差距。依据该温度相关容量及温度差距可以决定该电池系统内区块的预定容量。此外，区块可以依据该估算的预定容量被置放于该电池系统内。
本发明的另一示范性实施例可以包含一电池系统。此电池系统可以包含多个电性耦接的电池系统组件以及被选择置放于最远离一热源的具有低容量的电池系统组件。此等电池组件可以包含多个电性耦接的电池单体区块或者多个电性耦接由电池单体区块构成的模块。
本发明的另一示范性实施例可以包含一种识别大型电池的组件的方法。该方法可以包含对该大型电池内所包含的多个电池单体、区块、以及模块各自附加一识别标记。其可以维持一数据库，该数据库包含该等电池单体、区块、以及模块的识别标记和相关参数。该相关参数可以包含该等电池单体、区块、以及模块的容量或内部电阻。其可以使用一虚拟随机数产生器以选择用以置放于该大型电池内的电池单体、区块、以及模块。该虚拟随机数产生器亦可以依据可用以置放于该大型电池内的电池单体的一常态分布挑选电池单体。
附图说明
经由本发明示范性实施例的具体详尽说明，以下所述特点将趋于明显，该等说明是配合所附图式进行，不同视图中相同的参照字符表示相同的部件。
图式未必成比例绘制，其可能基于本发明实施例的例示所需而予以夸示强调。
图1A-1D是例示依据本发明一示范性实施例的具有八个并联电池单体的一区块的示意图；
图2A-2E是例示可以依据本发明一示范性实施例运用的一模块的示意图；
图3是例示依据本发明一示范性实施例的具有十六个串联模块的一电池串(string)的连接示意图；
图4是例示依据本发明一示范性实施例的具有三个并联电池串的一大型电池组(battery pack)的连接示意图；
图5是例示可被使用于本发明一示范实施例的基于容量分布的产出电池单体的一统计模型的图表；
图6是例示依据本发明一示范性实施例的二模块的一内部直流电阻模型的示意图；
图7A是一图表，其描绘充电/放电循环数据以及二个相较于其余区块具有轻微容量不匹配的区块的影响；
图7B例示在一外部热源邻近处的一电池模块的一温度梯度(temperaturegradient)；
图7C是一实际置放示意图，其例示在一依据本发明一示范性实施例的模块内的电池单体及区块的置放；
图8是一图表，其描绘依据本发明一示范性实施例的由区块及电池单体识别记号组成的典型模块成分表，其中包含电池单体及区块的内部电阻及容量参数；以及
图9是一流程图，其描述维持一电池单体群集的库存以及选择其容量落入该群集的一量测常态分布内的电池单体。
具体实施方式
以下是本发明示范性实施例的描述。
其中引用的所有专利、公开申请案以及参考数据的教示均以参照其整体的方式并入本说明书。
现有的大型电动交通工具电池系统以及其他大型电池系统并未提供方法以选择区块及模块的电池单体而达成高水平的系统效能、效率以及使用寿命，同时充分使用一产出电池单体库存。当电池单体被选择之后，现有的大型电池系统并未提供方法将所选择电池单体置放于区块之内以确保均匀的有效电池单体阻抗以及一致的电池单体老化过程，同时将源于循环使用的整体区块容量减损最小化。在区块之间承受一已知的平均温度梯度的现有大型电池系统并未提供方法置放所挑选的区块以补偿由于一些区块运作于比其他区块较高的平均温度而造成的容量降低。
然而，本发明的实施例包含用于制造诸如一电动交通工具的大型电池系统的方法，以及对应的电池系统。更具体而言，本发明是有关于一种改良的电池系统以及选择及配置产出电池单体于一电池系统内的方法以改善整体系统效能、使用寿命以及电池单体产出库存的利用。
大型电池系统的制造通常是利用一阶层式的共通次级单元以促成各种容量以及电压大小、允许机械性地匹配至不同的套用外壳、以及简化整体组装、测试、维护、和保修流程。位于该大型电池系统制造阶层的底部者是单一高容量电池单体。此种单一高容量电池单体的一商业上的实例是Boston-PowerSwingTM锂离子电池单体。
依据本发明的一示范性实施例，每一高容量电池单体(或单体)均各自具有独特的内部阻抗和电荷维持容量，其在电池单体制造流程结束时得知。量测之后，此等参数经由一特有电池单体识别记号被联结至其个别电池单体。在电池组制造流程之中，电池单体被选择并配置为群组以组装在电池组制造阶层中称为区块的下一级较大次级单元。
图1A-1D中显示一区块100的实例，其例示具有130Wh(瓦特*小时(Watt*hour))理论容量的单一高容量电池单体105a-h的一8p1s群组，且可以包含温度感测电子部件112。一个区块因此亦称为一单一″虚拟单体″，因为区块与一个别单体具有相同的电压且其容量是该等个别单体容量的总和。图1A-1D(分别)例示一依据本发明一示范性实施例的区块100的上视图、侧视图、前视图、和底视图。一区块100可以包含多个电池单体105a-h、负母线(negativebusbar)110、连至负母线110的螺丝连接113a-b、(分别)针对每一电池单体105a-h的负母线连接115a-h、正母线(positive busbar)120、连至正母线120的螺丝连接123a-b、以及(分别)针对每一电池单体105a-h的正母线连接125a-h。如图1A所示，每一单体105a-h的顶端(负电极)接头均利用一负母线连接(或连接片(tab strip))115a-h电性连接至一第一铜质母线(表示为负母线110)，该负母线连接115a-h跨相邻的电池单体对之间呈对角线对齐。上述的负母线连接115a-h焊接至每一电池单体105a-h的顶端接头，且同时亦焊接至负母线110。以类似方式，每一电池单体的底部(正电极)接头均利用焊接至每一电池单体盒底部的连接片电性连接至一第二铜质母线(表示为正母线120)，如图1D所示。其利用位于每一母线左侧及右侧两侧或一侧上的螺丝连接器113a-b、123a-b制成对区块的电性接触。一热感测电路板112可以纵向安置于各自包含四个单体的列与列之间。如图1B所示，一个源自热传感器电路板112的凸片可以由靠近负母线110的区块右侧凸出以使得传感器电路板112可以电性连接至一电池管理系统控制器(未显示于图中)。
继续参见图1A至1D，电池单体105a-h可以通过顶端连接片115a-h和底部连接片125a-h机械式地固定于适当位置，其支承电池单体105a-h于适当位置而成为一区块100。区块100组态的一安全特征在于电池单体105a-h的超压排气侧(over-pressure vent side)可以面朝外地位于区块100的每一个侧面之上，例如，如图1B所示，电池单体105e-h的排气侧面朝外地位于区块100的一侧面上。以此种方式，若一电池单体105a-h发生一超压事件，则该电池单体105a-h将向外排气至一周围的冷却腔穴而非向内排气至相邻的电池单体。
继续参见图1A至1D，在机械结构方面，连接片115a-h、125a-h以及母线110、120可以具有一弯曲顺从性，其使得连接片115a-h、125a-h及/或母线110、120可以在源自诸如区块100的撞击或震动的静态及动态机械式负载下产生弯曲。连接片115a-h、125a-h焊接点具有的焊接强度使得其在静态及动态负载状况期间可以分别维持对其接附点的机械性及电性接附。其可以选择连接片115a-h、125a-h的弯曲顺从性以及母线110、120的坚硬度使得主要弯曲形式发生于连接片115a-h、125a-h之内而非母线110、120之内或是焊接位置处(表示为连接片115a-h、125a-h上的波纹图案)。此种情况下，当区块100承受应用环境常见频率及强度的机械撞击或震动而弯曲之时，连接片115a-h、125a-h的弯曲顺从性以及母线110、120的坚硬度确保大部分的机械应力发生于连接片115a-h、125a-h内部而非发生于焊接连结点处。此机械组态可以允许区块100容忍较高阶的静态及动态负载；从而降低焊接位置的机械性断裂和循环疲劳(cycling fatigue)的风险。此等断裂或循环疲劳可能造成不安全的状况，诸如受影响焊接点的电性断开或其互连阻抗的实质增加。
本发明的一示范性实施例包含一种识别大型电池的组件的方法。图1A-1D的区块100的每一电池单体105a-h亦可以包含一识别标记于电池单体105a-h的一表面上，诸如图1B所示的每一电池单体105a-h朝外的一侧。在本说明书之中，一识别标记可以包含条形码(bar code)、序号(serial number)、射频识别装置(radio frequency identification device；RFID)或者是可读取或可扫描代码(由人眼或机械感测装置)。此外，一识别标记可以是附加(可移除式地或是永久性地)、嵌入、或压印于电池单体105a-h或区块100的一表面上。附加识别标记的动作可以发生于电池单体105a-h、区块100或模块(模块将在以下参照图2A-2E进一步加以解释)的制造、组装、或生产期间。其可以维持一数据库，该数据库包含电池单体105a-h以及区块100的识别标记和相关参数(诸如容量和内部电阻)。如此一来，即可以依据该等相关参数选择电池单体105a-h以及区块100。该数据库亦可以包含有关电池单体105a-h、区块100或模块制造的信息，诸如制造步骤完成的日期/时间戳、有关制造的制程参数量测值(例如，阻抗、断路电压、短路电流、和高电压测试)。该相关参数可以包含电池单体105a-h和区块100的容量或内部电阻。其可以使用一虚拟随机数产生器以选择电池单体105a-h及区块100以放置于大型电池之内，举例而言，依据可用以放置于大型电池内的电池单体105a-h的一常态分布。
区块通常是与监测及平衡电子部件(未显示于图中)以串联的方式组装而形成称为模块的电池系统制造阶层中的下一级较大次级单元。图2A-2E(分别)例示一依据本发明一实施例的一模块200示范性实施例的上视图、立体图、侧视图、端视图、和展开图。
一模块200可以包含6个区块(例如，如图1A-1D所例示的区块100)彼此串联，共具有48个电池单体以及780Wh的理论容量。如图2E所示，模块200可以包含螺丝205-207、电池单体区块组件210、电池单体区块终端配件215、顶盖及间隙配垫组件220、底盖及间隙配垫组件225、塑料隔离件230、背板电子电路板组件235、电路板定位护件240、电池单体区块监测缆线组件245、跨单体连接器250、绝缘体(背板电路板)255、绝缘体(接头侧顶部)260、以及绝缘体(接头侧底部)265。在图2A之中，区块B1-B6可以配置成彼此以长度方向边靠边相邻，且每一区块的接头凸出于模块200的顶端和底部。在此实例之中，六个区块B1-B6通过交替连接母线接头而彼此以串联方式电性连接，如图2A上方所示。在此组态之中，底部母线接头可以不连接。最左侧及最右侧的底部母线接头形成整个模块200的正负接头。如图2B所示，模块200可以在二个最大的外侧面使用模压非导电塑料板而在机械结构上保持完整。模压槽(molded groove)匹配电池单体区块顶端及底部的轮廓线以维持预定的区块间隔。定位螺丝从顶端穿透至底部平板以将平板与整个组件固定在一起。区块之间的腔穴可以充当空气冷却通道。一电子印刷电路板背板235可以加装至模块200未连接的接头侧。用以监测个别区块电压的电池管理控制电子部件(未显示于图中)以及热传感器电路板(例如，图1B的热感测电路板112)可以包含于背板之上。模块200亦可以包含一识别标记。
依据本发明一示范性实施例，识别标记可以附加至包含于大型电池内多个由区块(例如，图1A-1D的区块100)构成的模块200中的每一个模块。因此，其可以以模块的识别标记和相关参数更新一数据库，并且可以使用一虚拟随机数产生器以选择用以置放于大型电池内的模块200。
其可以连接(例如，串联)二或多个模块以形成一电池串。图3是例示依据本发明一示范性实施例的具有十六个串联模块310a-p的一电池串300的连接示意图。电池串300可以包含一正接头305、电池模块310a-p(例如，图2A-2E的模块200)、负接头315、通往电池管理系统(battery manage system；BMS)控制器(未显示于图中)的通信路径320、以及电池串中保险丝及保修断连装置(mid-string fuse and service disconnect)325。每一电池模块310a-p可以包含六个彼此串联的区块，在图3中表示为″6s模块″。电池串300可以经由正接头305、负接头315、以及通往BMS控制器的通信路径320连接至电池组的电子部件(未显示于图中)。该BMS控制器(未显示于图中)可以连接至模块以监测包含于其中的每一复数区块或多个电池单体。此外，电池组的电子部件可用以控制电池系统的充电及放电。每一电池串300可以包含一用于安全性用途的电池串中保险丝及保修断连装置325。
其可以连接(例如，串联或并联)二或多个电池串以形成一电池组。图4是例示依据本发明一示范性实施例的具有三个并联电池串410a-c的一用于交通工具的大型电池组400的连接示意图。电池组400可以包含一正接头405、电阻R1-R3、电容C1-C4、电池串410a-c(例如，图3的电池串300)、高电压前级(high voltage front end；HVFE)411、保险丝413a-c(例如，图3的电池串中保险丝及保修断连装置325)、BMS控制器415、CAN(控制器局域网络；controllerarea network)总线417、通信交通工具CPU 420。电池串410a-c可以结合一BMS控制器415(例如，如图3所示)及一HVFE 411。该HVFE 411可以提供机电式致动接触器(contactor)以执行整体电池组400与应用(例如，电动交通工具)主电力总线间的连接/断开。此外，HVFE 411可以具有诊断功能，诸如绝缘失效错误感测功能。该BMS控制器415可用以管理区块、模块、及电池串运作以及安全性控制。该BMS控制器415亦可用以执行效能优化算法。该BMS控制器415同时亦可以做为电池组400与其外界装置的通信接口(例如，BMS控制器415经由CAN总线417与通信交通工具CPU 420进行通信)。该BMS控制器415可以经由一光隔离式序列通信路径416与一HVFE 411进行通信。
电池单体制造流程期间，可以针对阻抗及容量测试电池单体。通常被确认其阻抗位于一可接受范围内的电池单体，诸如从大约13mOhm(毫奥姆)到大约22mOhm的范围，被依据其容量归类至一些贮藏箱内。当组装期间从该等贮藏箱挑选电池单体以组成一区块时，制造的考虑之一是有关于单体的选择以及置放至一区块之中(例如，图1A-1D的区块100中的一固定位置)。举例而言，在小型电池系统之中，诸如一笔记本电脑中的3slp或3s2p组态，电池组中的所有单体均在容量上彼此″匹配″或者是从同一贮藏箱中选出以提供具有极类似容量的电池组。电池单体容量匹配能成立是由于串联构件具有相仿的容量且将因此在电池组运作期间维持较接近的充电状态(state of charge；SOC)平衡。因此，电池单体库存可以被完全利用，因为通过从同一贮藏箱选择电池单体以制造每一小型电池组，以及从所有可用的贮藏箱制造小型电池组。
然而，当电池组变得较大时，例如由10s或100s电池单体构成，其变得更加难以匹配串联构件(例如，区块)的容量，同时又能充分利用产出的电池单体库存。例如，在大型电池系统之中，无法接受的状况可能发生于若每一区块中的所有电池单体均和小型电池系统一样从同一贮藏箱中选出，以及若选自不同贮藏箱的区块被组合以耗用电池单体库存。如此可能造成模块内的串联构件(例如，区块)在容量上不″匹配″而降低整体模块容量，从而需要增加平衡、造成效率低落且成本增加。
图5显示电池单体依据容量的一典型分布的统计模型数据。本发明的另一实施例包含一种自一群依容量范围分类而具有诸如图5例示的产出电池单体分布的贮藏箱(表示为图中的长条)选择电池单体以构建电池系统的方法。在本说明书之中，″箱″一词是一预先定义的电池单体容量范围，对应至其容量包含于该特别的预先定义范围内的产出电池单体。显示于图中的每一长条均可以称为一单箱。或者，相邻长条的群组可以合称以形成较少的单箱。
依据本发明此示范性实施例，电池单体的容量可以被量测而每一电池单体可以从而被联结至其在一数据库中的各别容量量测值。接着，其可以计算该等电池单体的一统计分布。通过自该分布的每一箱区中随机选择电池单体，或者说选择其分布大致涵盖所有容量范围分类贮藏箱的电池单体，而后将所选择的电池单体聚集于一区块，则产生的区块将具有较佳的容量匹配且区块间具有较少的变异。产出的电池单体容量已知是呈现一常态分布，其型态类似图5中的模式。依据本发明一示范性实施例，其可以遍及该分布选择电池单体并以并联方式置放于同一区块之中。在一区块内，较低容量的电池单体可以补偿较高容量的电池单体且产生区块的容量将趋近于统计上常态分布的平均值。此选择方法与用于诸如2p3s笔记本电脑组态的小型电池组中选择电池单体的方法相反，后者是从同一贮藏箱中选择电池单体以在电池组中的所有电池单体间维持极为接近的匹配容量。此外，依据本发明一示范性实施例做出的电池单体选择允许自所有贮藏箱中取用电池单体，使得贮藏箱的消耗方式较为均匀。此使得生产者可以更加充分地利用可用的产出库存。
依此观点而言，依据本发明一示范性实施例，一电池系统可以包含多个电性耦接的电池单体区块，每一区块中均包含彼此并联的电池单体。每一区块中的电池单体的容量均可以遵循自其中选出电池单体的一群电池单体的统计分布。其亦可以选择该等电池单体以使得该电池系统的容量趋近于该统计分布的一平均值。
继续参见图5，假设该分布代表实际产出的一群电池单体，其容量近似常态分布且可接受的电池单体容量介于4420mAh(5％)和4480mAh(95％)的界限之间。平均容量大约是4449mAh。范围的边界和贮藏箱的数目可以取决于制造流程而改变，例如，理论容量4400mAh的电池单体的典型制造范围是从4420mAh到4480mAh。统计边界可用以归类电池单体群集，诸如所有产出电池单体的5％可以具有4420mAh或小于4420mAh的容量而所有产出电池单体的95％其容量是4480mAh或小于4480mAh。未来的预期范围可以分散于特定电池单体产品的理论容量附近。当改良的电池单体制造技术提高其容量，未来的范围可能丛聚于4400mAh、4600mAh、4800mAh、5000mAh、5200mAh、5400mAh、以及更高。其选择贮藏箱，此例中有四个贮藏箱可选择，以涵盖可接受电池单体容量的范围。贮藏箱A包含具有容量范围从大约4420mAh到4434mAh的电池单体，贮藏箱B包含具有容量范围从大约4435mAh到4449mAh的电池单体，贮藏箱C包含具有容量范围从大约4450mAh到4464mAh的电池单体，而贮藏箱D包含具有容量范围从大约4465mAh到4480mAh的电池单体。对于由八个电池单体构成的每一区块，其从四个位于平均容量两侧附近的贮藏箱各随机选择二个电池单体。若一贮藏箱内的所有电池单体已用完，则可以自一较接近平均容量的邻近贮藏箱选取电池单体。由此产生的区块将倾向于具有较接近电池单体平均容量的较均匀容量。
另一个制造上的考虑是有关于区块内的电池单体置放。此特别的制造考虑是有关电池单体阻抗的变异以及肇因于区块内电池单体可能置放位置间的焊接片及母线的互连阻抗的变异。若区块中的每一电池单体相对于区块输出接头均承受不同的实质阻抗，且与其内部阻抗相关，则电池单体相对于其相邻电池单体其循环利用将不均匀。因此，区块中的某些电池单体其老化将不均匀，较其相邻者承受较快的容量减损，且区块内的整体容量减损将较为快速。当一区块的容量异于其他串联区块，一些不利效应将降低整体模块的容量及效率。若未使用充电平衡以等化区块电压，则具有最低容量的区块将首先抵达较低的截止电压门坎并致使该模块被耗尽而需要再次充电。依此观点而言，其余区块中的额外充电容量可能并未完全使用而模块效能取决于最弱的区块。然而若使用充电平衡以等化区块电压，则具有较差容量的区块将在较长时间长度上需要较高的平衡电流。因此，电池组的整体能量效率将较低。平衡电路组件将需要具有较高的额定电流而需较高成本。若经由泄放电阻(bleed resistor)使用被动式平衡，则将产生额外的热能必须在其后自模块移除。额外热能移除需要较大的冷却系统而需较高成本。
本发明的另一实施例是一种将所选择的一模块的电池单体置放入一区块的方法，以均匀化有效单体阻抗并使电池单体老化一致，同时最小化肇因于循环使用的整体区块容量减损。依据此方法，其可以量测电池系统的组件的内部电阻并维持一包含该内部电阻量测值的数据库。当已经依据其内部电阻量测值选择一区块的电池单体之后，该等电池单体可以被置放入该区块并从而用以形成一模块。图6例示一模块600内的8p电池单体区块的一内部直流(DC)电阻模型。模块600包含一些区块，表示为区块B1到区块Bn。该等区块可以经由该模块的正负接头连接至模块600的电子部分，例如，区块B1经由其正母线区段605a-d连接至模块600的正接头601a(表示为图6中的″模块+″)而区块Bn则经由负母线区段640a-d连接至模块600的负接头601b(表示为图6中的″模块-″)。该等区块同时亦可以经由其各自的螺丝连接与另一区块相通连，例如，区块B1的螺丝连接623a经由Rbus_connect624连接至区块B2(未显示于图中)的螺丝连接623b。
继续参见图6，正负焊接片、母线区段、总线连接、以及连接螺丝贡献额外的电阻，通常在毫奥姆(milliohm)的等级。此外，每一电池单体均具有其本身的内部电阻(IR)贡献至区块阻抗。举例而言，区块B1包含正母线区段605a-d、正焊接片610a-1 610d-2、电池单体的内部电阻(表示为区块内的电池单体位置，B1-1至B1-8)、负焊接片615a-1 615d-2、负母线区段620a-d、螺丝连接623a、以及Rbus_connect 624；区块Bn包含正母线区段625a-d、正焊接片630a-1
630d-2、内部电阻633a-1633d-2、负焊接片635a-1 635d-2、负母线区段640a-d、螺丝连接623b、以及Rbus_connect(未显示于图中)。其可以将具有低内部电阻量测值的电池单体置放于由该电池系统的其他组件所贡献而相对于电池接头具有高内部电阻的区域。此外，其可以将具有高内部电阻量测值的电池单体置放于由该电池系统的其他组件所贡献而相对于电池接头具有低内部电阻的区域。在图6例示的区块连接拓朴型态中，靠近区块右侧的电池单体承受较低的通往区块接头的串联连接阻抗。反之，靠近区块左侧的电池单体承受较高的通往区块接头的串联连接阻抗。共享同一总线位置的电池单体承受同一通往区块接头的串联连接阻抗。区块左侧电池单体承受的额外串联连接阻抗是源于通往区块接头的额外母线阻抗。注意在不同拓朴型态之中，可以在另一位置或是在同一区块上的多个位置接取区块接头。通往区块接头的单一电流路径或多个路径以及母线走线路径的总数是一个制造上的考虑。与例示于图6不同的常见拓朴型态可以包括在超过一个位置处的外部接点，例如，在类似图6所示的区块右侧端和左侧端上的二个位置。在此种于二个位置均有通往每一单一电池接头的外部连接的拓朴型态中，将存在二条往来电池接头的电流流动路径。此种情况下，具有高阻抗的电池单体被置放于较接近接头接点位置处，而具有较低内部电阻的电池单体则被置放于较远离接头接点的位置。在一类似图6但于左右两侧均有接触的拓朴型态中，区块中央的电池单体将承受额外的互连阻抗，而依据本发明，置放于此处的电池单体应来自一组具有较低内部阻抗者。同样地，置放于接头区块左右两端的电池单体应来自一组具有较高内部阻抗者。基本上在一不同拓朴型态的接头区块之中，具有较低阻抗的电池单体应被置放于较远离接头的所有外部接点位置，而具有较高阻抗的电池单体应被置放于较接近接头的外部接点位置。
依据本发明的另一实施例，一电池系统可以包含多个电性耦接的由多个电池单体构成的区块，每一区块中均包含彼此并联的电池单体。在每一区块之中，均可以将具有低内部电阻的电池单体置放于由该电池系统的其他组件所贡献而相对于电池接头具有高内部电阻的区域。此外，具有高内部电阻的电池单体可以置放于由该电池系统的其他组件所贡献而相对于电池接头具有低内部电阻的区域。
另一个制造上的考虑是对于同一区块内的所有电池单体相对于区块接头均承受相等的连接及内部电阻。加入此等制造考虑使其可以具有更均匀的电池单体老化过程，同时将源于循环使用的整体区块容量减损最小化。依据本发明一示范性实施例，所选择的区块单体可以依据其IR数值置放于区块中各处。参见图6，具有较低IR数值的电池单体被置放于较左侧处，而具有较高IR数值的电池单体则被置放于较右侧处。举例而言，假设选择一区块B1的8个电池单体(电池单体选择将在以下参照图8进一步讨论)。电池单体可以从而依据IR被分类，例如，介于从17.00mOhm到19.34mOhm之间的范围。图7C，其将在以下进一步说明，是一实际置放示意图，该图例示在一依据本发明一示范性实施例的模块内的电池单体及区块的置放。具有最低IR的二个电池单体可以被置放于位置B1-4及B1-8处，如图7C所示。二个次低IR数值的电池单体可以接着被置放于位置B1-7及B1-3，依此类推，直到具有最高IR数值的二个电池单体被置放于位置B1-5及B1-1为止。如此这般之后，产生的区块可以在区块接头具有更加契合的电池单体阻抗，以均匀电池单体老化速度并最小化源于循环使用的整体区块容量减损。
另一个制造上的考虑是有关于一模块内的区块置放，其包含一区块内的电池单体置放。此制造考虑相关于承受源于其运作环境的一已知温度梯度的模块，其使得位于模块某一位置的电池单体温度与位于模块另一位置的电池单体温度有所不同。若一区块中的每一电池单体，或者一模块中的每一区块，均感受到不同的平均温度，则该电池单体或模块可能具备不同的电荷储存容量。因此，区块中的某一电池单体或模块中的某一区块可能不均匀地老化，并较其相邻者承受较快的容量减损。在此情境之下，模块内的整体容量减损可能发生得更为迅速。举例而言，图7A是一图表，其描绘充电/放电循环数据以及二个相较于其余区块具有轻微容量不匹配的区块的影响。图7A显示在50个充电/放电循环的实验循环数据中，在循环1、循环25以及循环50的估算区块容量。图7A显示区块2至5在容量上大致平衡，但区块1和6则具有较低容量。在循环50，不匹配区块的容量持续降低至匹配区块的容量以下。
本发明的另一实施例是一种用于依据模块中一预期温度分布概况选择及置放区块的方法。首先，可以决定电池系统内的一温度分布概况。此一分布概况可以是一电池模块运作于一外部热源邻近处的结果，如图7B所示。图7B例示一电池模块710承受来自一外部热源(EHS)705的一温度。该图显示每一区块可用以决定区块容量下降的平均温度(例如，T1相对于区块B1、T2相对于区块B2、T3相对于区块B3、T4相对于区块B4、T5相对于区块B5、而T6相对于区块B6)。其从而可以估计与温度相关的电池系统的组件的容量。离EHS 705愈远，区块的容量降得愈低。例如，在图7B之中，区块B2比区块B1冷4℃且每一后续的区块在该区块与EHS 705之间的距离增加后，即多冷却4℃。因此，其可以使用一100mAh/℃的容量下降因子以计算模块710所需的区块容量。其从而可以利用温度相关容量以及温度分布概况选择电池系统的组件。
依据本发明的另一实施例，一电池系统可以包含多个电性耦接的电池系统组件。具有低容量的电池系统组件可以被选择置放于距一热源最远处。此外，此等电池组件可以包含多个电性耦接的电池单体区块或者多个电性耦接的电池单体区块的模块。
依据本发明一示范性实施例的另一方法，可以使用一区块，例如区块B1，做为参考区块以针对系统内的区块建立一可接受的温度。从而可以依据该区块B1的温度及该电池系统内其他区块的温度决定一温度差距。其可以利用容量-温度下降因子乘以温度差距，-4*100＝-400mAh，以选择区块B2的容量差异。换言之，其选择区块B2使其容量比区块B1小400mAh。其可以用类似的方式选择区块B3、区块B4、区块B5、和区块B6的容量。此例中，若区块B1具有一大约10000mAh的理论上的容量，则区块B2被选择具有大约9600mAh的容量，区块B3具有大约9200mAh的容量，区块B4具有大约8800mAh的容量，区块B5具有大约8400mAh的容量，而区块B6具有大约8000mAh的容量。其从而可以依据该估算的预定容量置放区块于电池系统内。
在另一示范性实施例之中，其可以在运作期间量测或估计一模块的预期温度分布概况。运作温度高度取决于应用及电池是否正在充电、正在放电、或是否断路。基本上，模块的温度范围可以从室温之上数度，例如30℃，到介于-20℃与60℃之间的极端模块运作状态。模块中介于第一区块与每一增加区块间的平均温差可以利用温度分布概况计算而得。其从而可以使用一温度-容量比例因子(单位每℃mAh)以计算对于距第一区块具有较高预期平均温差的区块所需的以mAh为单位的额外容量。以类似方式，其可以使用该温度-容量比例因子降低距第一区块具有较低预期平均温差的区块所需的容量。
继续参见图7B，温度的量测可以是利用位于每一区块内的温度传感器(例如，图1B中区块100的温度感测电路板112)，或者是利用外部温度探针。其决定每一区块的平均温度以及决定诸如图7B所示的分布概况结果。此例中，对B1而言，T1可以是50℃；对B2而言，T2可以是46℃；对B3而言，T3可以是42℃；对B4而言，T4可以是38℃；对B5而言，T5可以是34℃；而对B6而言，T6可以是30℃。
此外，图7C描绘一模块730，其具有暗灰色的三个区块，区块B1、区块B3、区块B5，以及浅灰色的三个区块，区块B2、区块B4、区块B6。假设(i)浅灰色区块平均比暗灰色区块冷3℃，且(ii)使用一100mAh/℃的容量下降因子计算模块730所需的区块容量。因此，区块B1可以被当成参考区块而区块B3及区块B5与区块B1之间预计并无平均温差。区块B2、区块B4、和区块B6预计比区块B1冷3度。利用容量-温度下降因子乘以温差，-3*100＝-300mAh，其选择区块B2、区块B4、及区块B6具有比区块B1低300mAh的容量。由此等区块构建而成的模块将具有较佳的容量及循环寿命。
本发明的另一实施例包含一种利用维持于一数据库中的一特有识别记号(ID)以及相关参数识别电池单体、区块及模块的方法。在区块及模块组装期间，分别选择及组合具有特定参数数值或数值范围的电池单体及区块是有利的。此选择可以利用该ID数据库的查询而达成。举例而言，自一群库存区块查询容量落入特定范围的区块，使其可以选择特定区块以置放于一预定的模块。当此等区块被组合以形成模块之时，该模块可以具有一预期的所需特性，诸如电荷储存容量、循环使用寿命、或温度效能。此外，自一群ID码选择电池单体及区块，使得电池单体及区块的产出库存可以有更充分的运用。其亦可以检视电池单体及区块的库存以决定剩余电池单体及区块的可用组合而分别建立具有较佳效能的区块及模块。
依据本发明此一示范性实施例，在电池单体、区块、及模块的制造期间，可以指派每一电池单体、区块及模块一个特有识别记号(ID)代码。从而可以测试一电池单体、区块或模块以决定特征(或相关)参数，诸如电荷储存容量、断路电压、以及内部阻抗。该特有ID及相关参数可以被指派及维持于一数据库之中以供后续取用。图8是一图表，描绘具有模块ID 46033的模块的典型模块组成。图8描绘依据本发明一示范性实施例的由区块及电池单体识别记号组成的模块ID 46033的成分表，其中包含电池单体及区块内部电阻及容量参数。模块46033包含六个区块，各自具有一特有区块ID代码，其依序排列，第一区块列于该图表的顶侧而第六区块被列于该图表的底部。同样地，该六个区块各自是由八个电池单体构成，每一电池单体亦具有一特有单体ID代码。区块及模块联结的ID代码的顺序可以进一步决定电池单体在一区块内以及区块在一模块内的实际置放情况。举例而言，列于图8之中的电池单体、区块及模块组态可以依据图7C描绘的组态被实际置放。图7C中的电池单体及区块顺序可以是相关联至储存于图8的数据库登录项中的电池单体及区块顺序。例如，形成图8中第一个区块的八个电池单体可以对应至图7C的最低电位电池单体B1-1、B1-2、...、B1-8。此等电池单体的顺序可以与图8所列出的相同。列于第一区块下的第一个电池单体是电池单体B1-1，其后是电池单体B1-2，一直到第一区块中最末一个电池单体，即图7C中的B1-8。下一个列出的是该模块中的第二个区块的第一个电池单体，位置B2-1，其下又紧随着列出图7C中位置B2-2的电池单体。
此外，电池单体的选择可以利用一虚拟随机数产生器进行，其输出呈一常态分布，且与标准电池单体的分布有相同的算术平均值及标准偏差(诸如图5，其描绘基于容量分布的产出电池单体的一统计模型)。一产生的输出值被置放于一涵盖与选择贮藏箱同一范围的一虚拟贮藏箱之中。一″虚拟贮藏箱″可以被定义为由一计算机产生的电池单体容量的非实体集合。此处使用″虚拟贮藏箱″一词是因为成员数值是由一数目产生器所产生，并不对应至实际产出的电池单体容量数值。产出电池单体分布的算术平均值及标准偏差被定期地量测且依此修改虚拟随机数产生器的分布。
本发明的另一示范性实施例包含维持一产出电池单体的库存池(或群集)，其容量落入一量测的常态分布之中。图9是一流程图900，其描述维持一单体群集的库存以及选择其容量落入该群集的一量测常态分布内的电池单体。
流程图900可以开始于905，其在步骤910确认是否存在一群产出电池单体。若不存在一群集，则该方法中止于915。若存在一群集，则于步骤920维持一数据库，其包含每一电池单体的识别标记。于步骤923，可以量测每一电池单体的容量。此外，于步骤925，可以量测每一电池单体的内部电阻。该数据库可以从而以相关参数(例如，容量或内部电阻)于步骤930被更新。于步骤940，可以使用一虚拟随机数产生器，其输出呈一常态分布，且与库存池的分布有相同的算术平均值及标准偏差。该虚拟随机数产生器提供一输出，其是通过搜寻该库存池以找出一容量最接近该随机数产生器输出的电池单体的单体识别记号。使用八个(或者一区块中并联电池单体的数目)组成一群，以此方式找出的电池单体可用以构建区块。在步骤950，若区块完成，则该方法终止于步骤915。在步骤950，若区块尚未完成，则该方法返回步骤910确认产出电池单体的群集(例如，判断该群集是否已耗尽、新电池单体是否已产出、或者电池单体是否已过期)。依据本方法的示范性实施例可以使得产出电池单体库存的耗用较为均匀。因此，产出电池单体库存的利用维持于一高水平。产生的区块在容量上可以更加一致地匹配，其倾向于使得区块间可以有较小的容量变异及/或容量趋向于电池单体分布的几何平均。
其应理解，图9的流程图仅是一范例。其他实施例中可能采用其他组构、配置、更多区块、较少区块，等等。举例而言，其应理解此方法可以应用于电池系统组件，诸如由多个单体构成的区块、由多个区块构成的模块、以及由多个模块构成的电池串。例如，图8详列可以用于构建一电池系统的电池单体、区块、及模块的信息。图9以示范性形式说明维持电池单体的一库存以及自该库存选取出一区块。
虽然本发明是以示范性实施例的方式详细说明如上，但习于斯艺的人士应能理解，各种结构及细节上的变更均可能于未脱离权利要求范围所包含的本发明范畴下实现。例如，虽然许多例示均是有关于包含八个电池单体的区块，但一示范性实施例可以是更加普遍化，其中电池单体的数目及配置方式可以依据大型电池所需的输出而有所变化。

Claims (37)

1.一种识别大型电池的组件的方法，其特征在于，包含：
对包含于该大型电池内的多个电池单体各自附加一识别标记；
对包含于该大型电池内的多个由电池单体构成的区块各自附加一识别标记；
针对该等电池单体及区块维持一该等识别标记及相关参数的数据库；以及
依据该等相关参数选择电池单体及区块。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该等相关参数包含该等电池单体及区块的容量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该等相关参数包含该等电池单体及区块的内部电阻。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，更包含利用一虚拟随机数产生器，选择用以置放于该大型电池内的电池单体及区块。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中该等虚拟随机数产生器依据可用以置放于该大型电池内的电池单体的一常态分布选择电池单体。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，更包含：
对包含于该大型电池内的多个由区块构成的模块各自附加识别标记；以及
以该模块的识别标记及相关参数更新该数据库。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，其中该等相关参数包含该模块的容量。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，其中该等相关参数包含该模块的内部电阻。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，更包含利用一虚拟随机数产生器，选择用以置放于该大型电池内的模块。
10.一种选择电池单体以构建电池系统的方法，其特征在于，包含：
量测电池单体的容量；
在一数据库中，将每一电池单体联结至其各自的容量量测值；
计算已量测电池单体的容量的一统计分布；
自遍及该统计分布的各处，选择用以置放于该电池系统中的电池单体，以及
将选择的电池单体以并联方式置放于该电池系统之内。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，其中该等电池单体被选择以使得该电池系统的容量趋近于该统计分布的一平均值。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，其中上述的电池单体容量是位于一4000mAh到4500mAh的范围之内。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，其中上述的电池单体容量是位于一4420mAh到4480mAh的范围之内。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，其中的选择电池单体包含从该统计分布的特定区段随机选择电池单体。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，更包含若该统计分布的一特定区段内的电池单体已用尽，则自一较接近该统计分布的一平均值的邻近区段选择电池单体。
16.一种电池系统，其特征在于，包含：
多个由电池单体构成的电性耦接区块，每一区块内各自包含并联相接的电池单体；以及
其中每一区块中的电池单体的容量均遵循自其中选出电池单体的一群电池单体的一统计分布。
17.如权利要求16所述的电池系统，其特征在于，其中电池单体被选择以使得该电池系统的容量趋近于该统计分布的一平均值。
18.如权利要求16所述的电池系统，其特征在于，其中上述的电池单体容量是位于一4000mAh到4500mAh的范围之内。
19.如权利要求16所述的电池系统，其特征在于，其中上述的电池单体容量是位于一4420mAh到4480mAh的范围之内。
20.如权利要求16所述的电池系统，其特征在于，其中该区块包含从该统计分布的特定区段随机选择出来的电池单体。
21.一种选择电池系统的电池单体的方法，其特征在于，包含：
量测该电池系统的组件的内部电阻；
维持一包含内部电阻量测值的数据库；以及
依据该内部电阻量测值将电池单体置放于该电池系统之中。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，其中置放电池单体包含将具有一低内部电阻量测值的电池单体置放于由该电池系统的其他组件所贡献而相对于电池接头具有高内部电阻的区域。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，其中置放电池单体包含将具有一高内部电阻量测值的电池单体置放于由该电池系统的其他组件所贡献而相对于电池接头具有低内部电阻的区域。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，其中该数据库包含该电池系统的电池单体及组件的识别标记和相关参数，该相关参数包含内部电阻。
25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，其中该等相关参数包含该电池系统的电池单体及组件的容量。
26.一种电池系统，其特征在于，包含：
多个由多个电池单体构成的电性耦接区块，每一区块内各自包含并联相接的电池单体；以及
在每一区块之中，具有一低内部电阻的电池单体被置放于由该电池系统的其他组件所贡献而相对于电池接头具有高内部电阻的区域。
27.如权利要求26所述的电池系统，其特征在于，其中，在每一区块之中，具有一高内部电阻的电池单体被置放于由该电池系统的其他组件所贡献而相对于电池接头具有低内部电阻的区域。
28.一种选择电池系统组件的预定容量的方法，其特征在于，包含：
决定该电池系统内的一温度分布概况；
估计该电池系统的组件的一温度相关容量；以及
利用该温度相关容量和温度分布概况选择该电池系统的组件。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，更包含：
选择一参考区块以针对该电池系统内的区块建立一可接受的温度；
依据该参考区块温度及该电池系统内其他区块的温度决定一温度差距；
依据该温度相关容量及温度差距决定该电池系统内区块的预定容量；以及
依据估算出的该预定容量将区块置放于该电池系统内。
30.一种电池系统，其特征在于，包含：
多个电性耦接的电池系统组件；以及
具有低容量的电池系统组件被选择置放于距一热源最远处。
31.如权利要求30所述的电池系统，其特征在于，其中该等电池组件包含多个由电池单体构成的电性耦接区块。
32.如权利要求30所述的电池系统，其特征在于，其中该电池组件包含多个由电池单体的区块构成的电性耦接模块。
33.一种识别大型电池的组件的方法，其特征在于，包含：
对包含于该大型电池内的多个电池单体各自附加一识别标记；
对包含于该大型电池内的多个由电池单体构成的区块各自附加一识别标记；
对包含于该大型电池内的多个由区块构成的模块各自附加一识别标记；以及
维持电池单体、区块、以及模块的上述识别标记及相关参数的一数据库。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，其中该相关参数包含该电池单体、区块、以及模块的容量。
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，其中该相关参数包含该电池单体、区块、以及模块的内部电阻。
36.如权利要求33所述的方法，其特征在于，更包含利用一虚拟随机数产生器，选择用以置放于该大型电池内的电池单体、区块、以及模块。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，其中该虚拟随机数产生器依据可用以置放于该大型电池内的电池单体的一常态分布选择电池单体。
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