CN103117418B - 单元内置电池管理装置 - Google Patents

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Abstract

各种实施例涉及一种单元内置电池管理装置，包括：集成电路(IC)，所述集成电路包括控制器、电阻均衡器、电压传感器和压力传感器；和IC封装件，所述IC封装件包封所述IC，在所述压力传感器之上具有孔，其中所述孔允许所述压力传感器测量电池单元的压力；其中所述IC封装件与所述电池单元接触。

Description

单元内置电池管理装置
技术领域
本文公开的各种示例性实施例基本涉及单元内置(in-cell)电池管理装置。
背景技术
目前的电池管理系统(BMS)可以由测量多个电池单元的电压和/或温度的集成电路(IC)构成。IC还可以包括执行电池单元均衡的电路。电池单元均衡可以包括改变电池单元的电压/电流/电荷输出以使得电池单元均衡地提供作为电池的总输出的部分的能量。一个IC可以连接至6或12个电池单元。这可能导致电池组中的大量布线，因为每个电池单元不得不被连接至BMS。
发明内容
因此，存在着对单元内置电池管理装置的需求。这种装置将提供超过现有电池管理系统的优点。
给出各种示例性实施例的简明概述。在以下的概述中可能进行一些简化和省略，其旨在突出和介绍各种示例性实施例的一些方面，而并非限制本发明的范围。将在稍后的部分中进行足以使得本领域普通技术人员实现和使用创造性概念的优选示例性实施例的详细说明。
各种实施例还可以涉及一种单元内置电池管理装置，该装置包括：集成电路(IC)，所述集成电路包括控制器、电阻均衡器、电压传感器和压力传感器；和IC封装件，所述IC封装件包封所述IC，在所述压力传感器之上具有孔，其中所述孔允许所述压力传感器测量电池单元的压力；其中所述IC封装件与所述电池单元接触。
各种实施例还可以涉及一种单元内置电池管理装置，该装置包括：第一集成电路(IC)，所述第一集成电路包括控制器、电阻均衡器、电压传感器和无线接收器；第二IC，所述第二IC包括压力传感器和无线发射器；和IC封装件，所述IC封装件包封所述IC，在所述压力传感器之上具有孔，其中所述孔允许所述压力传感器测量电池单元的压力；其中所述IC封装件与所述电池单元接触，和所述第二IC无线发射压力传感器数据至所述第一IC。
各种实施例还可以涉及一种电池系统，该系统包括：多个电池单元，每个电池单元具有第一功率端子和第二功率端子和电池管理集成电路(IC)，所述电池管理集成电路监测并控制所述电池单元，每个所述电池管理IC包括：控制器；耦合至所述控制器的传感器，所述传感器测量至少一个电池单元参数；发射器/接收器，所述发射器/接收器连接至所述控制器并且发射电池单元数据；输入端口，所述输入端口连接至所述发射器/接收器，配置为连接到另一个电池管理IC的输出端口；和输出端口，所述输出端口连接至发射器/接收器，配置为连接到另一个电池管理IC的输入端口；第一连接器和第二连接器，所述第一连接器将第一电池单元的第一功率端子连接至一个相邻电池单元中的第二功率端子，而所述第二连接器将第一电池单元的第二功率端子连接至另一个相邻电池单元中的第一功率端子；和第三连接器和第四连接器，所述第三连接器将所述第一电池单元的所述输入端口连接至一个相邻电池单元中的所述输出端口，而所述第四连接器将所述第一电池单元的所述输出端口连接至另一个相邻电池单元中的所述输入端口。
附图说明
为了更好地理解各种示例性实施例，引用附图，其中：
图1是示出本文描述的电池组件的命名的图示；
图2说明单元内置电池管理集成电路的框图；
图3说明在封装件中带有进入孔的单元内置电池管理IC，该进入孔提供至压力传感器的入口；
图4说明电池单元中单元内置管理装置的实施例；
图5是说明使用单元内置电池管理装置的电池单元之间的连接的图示；
图6说明电池单元中单元内置管理装置的另一个实施例；和
图7说明电池单元中单元内置管理装置的另一个实施例。
具体实施方式
现在参见附图，其中类似的数字指示的部件或步骤，公开了各种示例性实施例的宽泛方面。
由于电池系统变得越来越被广泛使用，所以电池管理系统变得越来越重要。电池管理系统管理电池系统的整体输出和性能。电池管理系统可以测量多数不同的参数，例如，温度、阻抗、电压和电池单元压力，从而确保最佳电池单元性能和寿命。许多现有的电池管理系统不测量电池中电池单元的内部压力。电池单元压力是描述电池单元的健康状态(SoH)的重要参数。随着电池单元老化，内部压力可能上升。在这种情况下，在内部压力积累时，袋式电池单元将会膨胀。如果压力变得太高，该袋可能破裂。因为这有可能对相邻电池单元引起灾难性效果，电池单元可以具有压力释放阀。然而，可能通过压力释放阀释放的气体可能既是可能有毒的又是可能可燃的。因此，可能需要进行各种努力以在电池单元泄放发生之前检测压力积累。
目前，测量电池单元压力积累的常用方法是在电池上胶贴应变计。替代地，如果多个电池单元用绕电池单元包裹的带保持在一起，应变计胶贴在那个带上。虽然这是一个简单的方法，但是它可能具有不利之处，即，它可能没有提供哪个电池有问题的指示，所以如果多个电池单元受到压力积累，那么不可能告知哪个电池受到影响。
在电池单元包含在金属罐或者金属圆筒中的情况下，使用应变计的方法可能是没用的或者不是足够精确，因为金属罐和圆筒非常坚固并且在压力下仅受到轻微变形。应变计的另一个不利之处在于它们需要布线以将它们连接至BMS，导致大量额外的连接，增加了电池单元的复杂性和费用。
因此，仍然需要提供一种单元内置电池管理装置，该装置测量电池单元压力，并减少电池管理系统中的连接数量，从而降低复杂性和费用。
图1是示出本文描述的电池单元部件的命名的图示。图1示出具有如下所述的部件的电池组100的简化框图。电池单元110可以是电池组100的基本部件。电池单元110可以典型地具有约2.5V至约4.2V的电压，取决于化学性质和电荷状态(SoC)。部分120可以是共用电池单元均衡和测量部件的一组电池单元。部分(section)120可以典型地包含多达12个电池单元，取决于测量部件。模块130可以是一组部分120。模块130可以具有被选为“安全电压”的电压，例如高达60V。块(slice)140可以是产生与总的电池组100相同的电压的一组串联模块130。块可以具有取决于应用的电压，并且有时可以是在约100V至约600V的范围中。电池组100可以包括构成在应用中使用的总电池的一组并联块140。并联可以提高电池组100的能值以及功率容量，而不仅是提高其电压。在许多应用中，电池组100可以仅有一个块140组成。电池组100可以具有取决于应用的电压，并且有时可以是在100V至600V的范围中。
图2说明可以构建在每个独立的电池单元中的一种单元内置电池管理集成电路(IC)的框图。电池管理IC200可以包括电阻均衡器210、电压传感器220、温度传感器230、压力传感器240、模转数转换器(ADC)250、控制器260、阻抗谱仪(spectroscope)270、以及发射器/接收器(TRx)280。电池管理IC200可以测量电压、温度和内部压力。这些测量可以由电压传感器220、温度传感器230和压力传感器240分别进行。电阻均衡器210可以包括电阻器以执行电池单元平衡。而且，阻抗谱仪270可以包括调制平衡电流的电路，这样可以执行电池阻抗的谱分析，从而将电池单元110的阻抗表征为频率函数。压力传感器240可以例如是能够集成到读出ASIC或电池管理IC200的顶部的电容式微机加工压力传感器。使用这种压力传感器240的优点可以是电容式读出实现了超低的功率消耗。由于压力传感器240集成在ASIC的顶部，可以降低寄生损耗，其有利于压力传感器的灵敏度和信噪比。此外，总的压力传感器尺寸可以减小，更易于集成到电池管理系统中并且允许制造成本的降低。电池管理IC200最好还可以包括测量电池单元中的其它有用参数的其它传感器。
ADC250可以从电压传感器220、温度传感器230和压力传感器240接收模拟信号并且将它们转换为可以被提供至控制器260的数字信号。控制器250可以接收电压、温度和压力测量并且可以采用这些测量以控制电池管理IC200以及随时间变化确定电池单元的健康状态。TRx280接收来自控制器的信息，控制器可以与其它电池管理IC200和中心电池管理控制器进行通信。中心电池管理控制器可以接收来自各种电池单元IC200的输入并且管理电池组100的整体性能。
图3说明在封装件中带有进入孔的单元内置电池管理IC，该进入孔提供至压力传感器的入口。电池管理IC200可以被封装在IC封装件310中。IC封装件310可以具有孔320，该孔320允许压力传感器240暴露，这样它可以测量电池单元110中的压力。在IC封装件310的外侧可以包括焊盘330，其允许与电池管理IC200的外部电连接。此外，焊盘330可以集成到IC封装件310中并且具有露出以允许进行与焊盘330进行电连接的表面。
图4说明电池单元中单元内置管理装置的一个实施例。图4说明采用电池管理IC200的电池单元110的可能结构。电池单元110可以包括电池管理IC200、盖410、电池电极420、TRx电极430、电池单元外壳440、以及电极板450。
在盖410内侧的空腔中，电池管理IC200可以安装并连接至电池单元110的TRx电极420和电池电极430。这一类型安装可以被称作集成到盖410之内。此外，当电池管理IC200集成到盖410中时，IC封装件310中的至少孔320可以暴露至电池单元100的内侧。替代地，电池管理IC可以安装至盖410的面向电池单元110内侧的下表面。可以连接至电池电极420和TRx电极430的焊盘330与IC封装件310可以涂覆有保护材料，以避免短路并全面防止来自电池单元110内部的可能有害气体/液体的腐蚀。
电池单元外壳440可以与盖410匹配以形成包封的电池单元110。电池单元外壳440还可以封闭可以连接至电池电极420的电极板450。
图5是说明使用单元内置电池管理装置的电池单元之间的连接的图示。图5示出三个相互连接的电池单元510a、510b和510c。每个电池单元510可以包括正极电池端子520和负极电池端子530。此外，每个电池单元510可以包括第一TRx电极540和第二TRx电极550。电池电极连接器525可以连接相邻电池单元510的正电极和负电极(例如，530a和520b)。这种连接可以允许电池单元510串联。而且，TRx电极连接器545可以连接相邻电池单元510的第一TRx电极和第二TRx电极(例如，550a和540b)。这种连接可以允许每个电池组电池510中的电池管理IC200串联，以允许所有电池管理IC200之间的通讯路径。
如图5所示，在相邻电池单元之间可能仅有短的直接连接。这可以消除在电池组100内侧布线硬度的需求。
在图2、4和5中，示出TRx具有至上面的电池单元的两个连接和至下面的电池单元的两个连接。在这种情况中，在优选的方案中，连接可以是带有内嵌时钟的差分数据信号。替代地，单个数据连接可以用作单端时钟和数据线。这会产生仅有四个电极的电池单元510，但是这可能需要采用带有内嵌时钟的单端数据信号，这可能难以在具有非常高的峰值电流的电池组中保持稳定。
图6说明电池单元中单元内置管理装置的另一个实施例。图6中的各种元件，除了电池管理IC605之外，与图4中的那些相同并且具有相同的数字标号。图6说明电池管理IC600和压力传感器IC605。图7说明电池单元中单元内置管理装置的另一个实施例。与之前的一样，电池管理IC600测量所有蓄电池功能，诸如电压、阻抗和温度，并且执行电阻电池单元均衡。在这个实施例中，压力传感器IC605可以测量电池单元压力并且无线发射压力数据至电池管理IC600。因此，压力传感器IC605可以暴露至电池单元的内侧并且无线耦合至外侧的电池管理IC600。采用感应和其它无线技术可以完成这种无线耦合。压力传感器IC605可以包括线圈615并且可以被置于盖410的与电池管理IC600的相对侧，该相对侧可以包括可能在电池管理IC600中的第二线圈610。由于压敏薄膜中的电容板之间的可变距离，由两个线圈610和615和电容式压力传感器所形成的LC谐振的谐振频率可以是内部压力的函数。这个实施例的优点可以在于需要较少的穿过盖410的连接并且没有用于压力传感器IC605的外部插脚。此外，正如上面关于电池管理IC200的描述，压力传感器IC605可以安装在盖410的下侧或者集成安装至盖410。而且，压力传感器IC605还涂覆有保护材料，以避免短路并全面防止来自电池单元110的可能有害气体/液体的腐蚀。
在上述的实施例中，超低功率消耗IC中的数据记录和压力趋势监测可以允许用于电池寿命监测和用于在电池恶性退化之前电池组替换的最佳时刻。此外，在充电或者放电期间，如果检测到瞬间压力或者温度增加并且该瞬间压力或者温度增加超出预定压力或者温度阈值，当压力变得太高时，电池管理系统可以切断电池单元/电池部分中的一个，从而保护电池/部分遭到破坏。
上述实施例提供了多种好处。第一，一个电池管理IC测量电池单元的所有重要参数：电压、温度、阻抗和压力。第二，可以提供健康状态估算的提高的精确0000度，因为慢的压力积累表示电池单元化学成分的衰退。第三，可以提供加强的安全性，因为压力的突然增加表示需要切断电池组的问题。第四，电池管理IC还可以执行电阻电池单元均衡。第五，电池单元可以包括相同的六插脚(或四插脚)电池单元，从而降低电池组中的连接的复杂性和数量。第六，在电池组中可以只使用相邻电池之间的一个直接连接。第七，可以消除电池模块/组内部的布线管理。第八，电池组的每个模块内部的印刷电路板可以极大地简化，因为它们现在仅包含一个至电池组控制器的接口。第九，上述的实施例可以减少由于在电池组的构造期间电池插脚的不正确连接而损毁电子设备的短路风险。
本领域技术人员应当理解的是，这里的任何框图表示代表本发明的原理的说明性电路图的方案视图。类似地，要理解的是，任何状态转变图等表示基本能够在机器可读媒介中呈现的各种过程，并且因此不论是否明显地示出这样的计算机或者处理器都由计算机或者处理器执行。
虽然已经特别参考各种示例性实施例的特定示例性方面详细描述了各种示例性实施例，但是应当理解的是，本发明能够具有其它实施例并且本发明的细节在各种明显的方面能够进行修改。对本领域技术人员来说明显地是，在保持本发明的精神和范围之内，还能够进行变化和修改。因此，前述的公开、描述、以及图示仅具有举例的目的并且没有以任何方式限制仅有权利要求书所限定的本发明。

Claims (13)

1.一种单元内置电池管理装置，包括：
集成电路，所述集成电路包括控制器、电阻均衡器、电压传感器和压力传感器，其中所述压力传感器位于所述集成电路的顶部；和
集成电路封装件，所述集成电路封装件包封所述集成电路，在所述压力传感器之上具有孔，其中所述孔允许所述压力传感器测量电池单元的压力；
其中所述集成电路封装件与所述电池单元接触。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述集成电路包括温度传感器和阻抗谱仪中的至少一个。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述集成电路还包括：
发射器/接收器，所述发射器/接收器连接至控制器并且发射电池单元数据；
输入端口，所述输入端口连接至发射器/接收器，配置为连接到另一个单元内置电池管理装置的输出端口；和
输出端口，所述输出端口连接至发射器/接收器，配置为连接到另一个单元内置电池管理装置的输入端口。
4.如权利要求3所述的装置，其中输入和输出端口中的每一个包括两个端子以提供差分输出信号。
5.如权利要求3所述的装置，其中所述输入和输出端口中的每一个仅包括单个端子。
6.如权利要求1所述的装置，还包括在所述压力传感器的暴露部分和所述集成电路封装件之上的保护涂层，所述保护涂层提供针对电池单元环境的防护。
7.如权利要求2所述的装置，其中所述控制器分析温度、电压和压力测量数据以确定所述电池单元的健康状态。
8.如权利要求2所述的装置，其中所述控制器分析温度、电压和阻抗测量数据以确定所述电池单元的充电状态。
9.如权利要求2所述的装置，其中所述控制器记录测量数据并且基于所记录的测量数据监测电池单元性能趋势。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述控制器基于监测的趋势切断电池单元。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述集成电路安装在所述电池单元的盖的内侧或者集成到所述电池单元的盖，其中所述集成电路中的孔被暴露至所述电池单元。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述压力传感器与读出电路集成在一起。
13.一种电池系统，包括：
多个电池单元，每个电池单元具有第一功率端子和第二功率端子和如权利要求1所述电池管理装置，所述电池管理装置监测并控制所述电池单元，每个所述电池管理装置包括：
发射器/接收器，所述发射器/接收器连接至所述控制器并且发射电池单元数据；
输入端口，所述输入端口连接至发射器/接收器，配置为连接到另一个电池管理装置的输出端口；和
输出端口，所述输出端口连接至发射器/接收器，配置为连接到另一个电池管理装置的输入端口；
第一连接器和第二连接器，所述第一连接器将第一电池单元的第一功率端子连接至一个相邻电池单元中的第二功率端子，而所述第二连接器将第一电池单元的第二功率端子连接至另一个相邻电池单元中的第一功率端子；和
第三连接器和第四连接器，所述第三连接器将所述第一电池单元的所述输入端口连接至一个相邻电池单元中的所述输出端口，而所述第四连接器将所述第一电池单元的所述输出端口连接至另一个相邻电池单元中的所述输入端口。
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