CN107005066A - 电池模块短路保护 - Google Patents

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Abstract

本公开包含一种汽车电池系统，所述汽车电池系统包含耦接到电气系统的第一电池。此外，第一电池包含第一电池化学成分。此外，汽车电池系统包含与第一电池并联并耦接到电气系统的第二电池。此外，汽车电池系统包含耦接到第二电池的正端子的第一开关，所述第一开关将第二电池电耦接到电气系统或将第二电池与电气系统断开。此外，汽车电池系统包含电池控制单元，所述电池控制单元检测第一电池、第二电池或两者的短路状况，并且在检测到短路状况之后通过断开第一开关而将第二电池与电气系统断开。

Description

电池模块短路保护
背景技术
本公开总的来说涉及电池和电池模块的领域。更具体来说，本公开涉及可用于车辆情形下以及其它能量存储/消耗应用中的高电压电池连接器。
本章希望向读者介绍可与下文所述的本公开的各方面相关的技术的各方面。此论述内容被认为有助于向读者提供背景信息以便于较好地理解本公开的各方面。因此，应理解，这些陈述将有鉴于此而被解读，而并不认为是现有技术。
使用一个或更多个电池系统来为车辆提供全部或一部分动力的车辆可被称为xEV，其中术语“xEV”在本文中被定义为包含所有以下车辆或其任何变化或组合，这些车辆使用电力来提供其车辆动力的全部或一部分。例如，xEV包含利用电力来提供全部动力的电动车辆(EV)。如本领域的技术人员应了解的是，也被称为xEV的混合电动车辆(HEV)将内燃机推进系统和电池供电电动推进系统(例如，48伏或130伏系统)组合在一起。术语HEV可包含混合电动车辆的任何变化。例如，全混合动力系统(FHEV)可使用一个或更多个电动机、仅使用内燃机或使用两者而将动力和其它电力提供给车辆。相比之下，轻度混合动力系统(MHEV)在车辆怠速运转时停用内燃机，并利用电池系统来继续对空调单元、无线电或其它电子器件供电并在需要推进时重新起动发动机。轻度混合动力系统也可例如在加速期间施加某一程度的动力辅助，以对内燃机进行补充。轻度混合动力系统通常是96V到130V，并且经由与皮带或曲柄集成的起动机发电机而回收制动能量。此外，微混合电动车辆(mHEV)还使用类似于轻度混合动力系统的“停止-起动”系统，但mHEV的微混合动力系统可以向内燃机提供动力辅助或者不那样，并在低于60V的电压下操作。出于本论述内容的目的，应注意，mHEV通常在技术上不使用直接提供给曲柄轴或传动装置的电力作为车辆的动力的任何部分，实际上，mHEV可仍被视为xEV，这是因为当车辆怠速运转而内燃机停用时，mHEV不使用电力来对车辆的动力需求进行补充，并且经由集成式起动机发电机来回收制动能量。此外，插电式电动车辆(PEV)是可从外部电源(例如，壁式插座)充电的任何车辆，并且可再充电电池组中所存储的能量驱动或有助于驱动车轮。PEV是一种亚范畴的EV，其包含全电动或电池电动车辆(BEV)、插电式混合电动车辆(PHEV)以及混合电动车辆与常规内燃机车辆的电动车辆变型。
与仅使用内燃机以及通常作为由铅酸电池供电的12V系统的传统电气系统的较传统的燃气动力车辆相比，如上所述的xEV提供许多优点。例如，与常规内燃车辆相比，xEV可产生较少的不良排放物并且可展现较高燃料效率，并且在一些状况下，这些xEV可完全省去汽油的使用，如同某些类型的EV或PEV的状况。
xEV中的电池供电电气系统可能包含这样的机构：当在电气系统中任何地方发生短路状况时从车辆的电气系统电移除锂离子电池模块。即使在从车辆的电气系统移除锂离子电池模块的情况下，锂离子电池模块的端子仍有可能经受短路状况。因此，短路保护电路可在发生短路状况的情形下绝缘锂离子电池模块。短路保护电路的一个问题在于，在检测到短路状况的发生时，短路保护电路消耗电力。因此，在电池可能长时间没有再充电的情形下，短路保护电路的电力汲取可将电池放电。
发明内容
下文阐述本文所公开的某些实施例的概述。应理解，呈现这些方面仅是为了向读者提供这些实施例的简要概述，并且这些方面不希望限制本公开的范围。实际上，本公开可涵盖下文可能没有阐述的各方面。
本公开涉及电池和电池模块。更具体来说，本公开涉及所有电化学的以及静电的能量存储技术(例如，超级电容器、镍-锌电池、镍-金属氢化物电池和锂电池)。特定实施例涉及可用于车辆情形(例如，混合电动车辆)下以及其它能量存储/消耗应用(例如，针对电网的能量存储)中的锂离子电池单体。
更具体来说，本公开涉及用于电池模块的短路检测与保护系统。当车辆进入休眠模式或熄火位置时，使用最少能量来检测电池模块中的短路可能是有利的。为了减少能量消耗，检测电路可警告电池控制单元中的休眠处理器可能的短路状况，这是通过提供可唤醒所述处理器的信号来实现的。在接收到信号之后，处理器可指示电池控制单元断开继电器并将一个或更多个电池模块从电池系统电移除。
因此，在第一实施例中，一种汽车电池系统可包含耦接到电气系统的第一电池，并且第一电池可包含第一电池化学成分。此外，汽车电池系统还可包含与第一电池并联并耦接到电气系统的第二电池。此外，汽车电池系统可包含耦接到第二电池的正端子的开关，并且所述开关可将第二电池电耦接到电气系统或将第二电池与电气系统电气断开。此外，汽车电池系统可包含检测第一电池、第二电池或两者的短路状况的电池控制单元，并且电池控制单元可在检测到短路状况之后通过断开开关而将第二电池与电气系统断开。
在另一实施例中，一种用于操作汽车电池系统的短路检测与保护系统的方法可包含：将车辆系统电子器件断电，而唤醒控制单元除外。此外，所述方法可包含：将电池模块的电压输出的瞬时改变速率与预定阈值电压作比较。此外，所述方法可包含：在电压输出的瞬时改变速率大于预定阈值电压时，将唤醒信号提供给短路检测电子器件，并且经由短路检测电子器件而确定是否存在短路状况。此外，所述方法可包含：在存在短路状况时，将耦接在电池模块内的个别电池与电池模块的端子之间的开关断开。
在又一实施例中，一种用于车辆中的电池模块可包含：外壳；第一端子和第二端子；第一电池，设置在外壳中并耦接在第一端子和第二端子两端；以及第二电池，设置在外壳中，与第一电池并联并耦接到第一端子和第二端子。此外，电池模块可包含：开关，设置在第一电池的正端子与第一端子之间；以及电池控制单元，可控制第一电池、第二电池和开关的操作。此外，电池模块可包含电耦接到第一端子的唤醒控制单元，当车辆处于车辆休眠模式中时，唤醒控制单元可检测潜在的短路状况，并且在检测到潜在的短路状况之后将唤醒信号提供给电池控制单元以唤醒电池控制单元。此外，电池模块可包含电容器组，其中电容器组设置在外壳内以在唤醒控制单元唤醒电池控制单元之后将电力提供给电池控制单元和开关。
附图简单说明
可在阅读具体实施方式之后并在参照附图之后更好地理解本公开的各方面，在附图中：
图1是根据本发明的实施例的车辆(xEV)的立体图，其中车辆(xEV)具有贡献车辆的全部或一部分电力的电池系统；
图2是根据本发明的实施例的呈混合电动车辆(BEV)形式的图1的xEV的剖视图；
图3是根据本发明的实施例的电池系统的示意图，其中电池系统具有第一电池、第二电池和电池控制单元；
图4是根据本发明的实施例的图3的电池系统的唤醒控制单元的示意图；
图5是描述根据实施例的用于检测短路状况并从电池系统电移除电池的方法的过程流程图；以及
图6是根据本发明的实施例的用于锂离子电池中的棱柱状电池单体的立体图。
具体实施方式
下文将描述一个或更多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简明描述，在本说明书中并未描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任何此类实际实施方案的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出众多专门针对实施方案的决策来取得开发者的特定目标，例如，符合系统相关和商业相关的约束条件，所述约束条件在不同的实施方案中可以是不同的。此外，应了解，此类开发工作可能是复杂和费时的，但是仍然将是可受益于本公开的一般技术人员进行设计、构造和制造的例行工作。
如上文所论述，双电池xEV车辆系统可相比传统燃气动力车辆技术提供诸多优点。此外，相比较传统的燃气动力车辆，双电池xEV技术已导致燃料经济性的提高和/或不良排放物的减少。例如，再生制动车辆捕获并存储在车辆制动或平稳运动时产生的电能。然后可利用所捕获的电能将电力供应给车辆的电气系统。作为另一实例，根据本发明的实施例的电池模块可纳入有固定电力系统(例如，非汽车系统)或将电力提供给所述固定电力系统。
基于相比于传统燃气动力车辆的优点，通常生产传统燃气动力车辆的制造商可能希望在其车辆生产线内利用改进的车辆技术(例如，再生制动技术)。通常，这些制造商可将其传统车辆生产平台之一作为起点。因此，因为传统燃气动力车辆被设计成利用12伏电池系统，所以12伏锂离子电池可用于对12伏铅酸电池进行补充。更具体来说，12伏锂离子电池可用于较有效地捕获在再生制动期间产生的电能，并随后供应电能以对车辆的电气系统供电。
然而，随着车辆技术的发展，高电压电气装置可包含在车辆的电气系统中。例如，锂离子电池可将电能供应给轻度混合动力车辆中的电动机。通常，这些高电压电气装置利用高于12伏的电压，例如，高达48伏。因此，在一些实施例中，12伏锂离子电池的输出电压可使用DC-DC转换器而升压以将电力供应给高电压装置。作为附加或替代，48伏锂离子电池可用于对12伏铅酸电池进行补充。更具体来说，48伏锂离子电池可用于较有效地捕获在再生制动期间产生的电能，并随后供应电能以对高电压装置供电。
因此，关于利用12伏锂离子电池还是48伏锂离子电池的设计选择可直接取决于包含在特定车辆中的所使用的电气装置。然而，虽然电压特性可能不同，但12伏锂离子电池和48伏锂离子电池的操作原理大体上类似。更具体来说，如上所述，12伏锂离子电池和48伏锂离子电池均可用于在再生制动期间捕获电能并随后供应电能以对车辆中的电气装置供电。
因此，为了简化下面的论述，将关联于具有12伏锂离子电池和12伏铅酸电池的电池系统来描述本发明的技术。然而，本领域的一般技术人员应能够使本发明的技术适用于其它电池系统，例如，具有48伏锂离子电池和12伏铅酸电池的电池系统。
有鉴于前述内容，本公开描述了用于控制电池系统的操作以检测短路状况并保护车辆和电池不受短路状况影响的技术。例如，实施例检测短路状况，并将一个或更多个电池从车辆的电气系统移除。更具体来说，当电池的电压输出的瞬时改变速率达到预定水平时，可将信号提供给电池控制单元以确定是否存在短路。在确定电池系统中存在短路之后，一个或更多个电池可与电气系统电绝缘。因此，本文所述的技术使短路检测与保护系统能够提高检测效率并限制短路检测与保护系统所消耗的电力。
为了帮助说明，图1是车辆10的实施例的立体图，其中车辆10可利用再生制动系统。虽然关联于具有再生制动系统的车辆而给出下文的论述，但本文所述的技术可应用到其它车辆，包含xEV和燃气动力车辆。
如上文所论述，希望电池系统12在很大程度上与传统车辆设计兼容。因此，电池系统12可被放置在车辆10中本应容纳传统电池系统的位置中。例如，如图示，车辆10可包含电池系统12，其位置类似于典型内燃机车辆的铅酸电池的位置(例如，在车辆10的发动机盖之下)。此外，如下文更详细地描述，电池系统12可被定位成便于管理电池系统12的温度。例如，在一些实施例中，将电池系统12定位在车辆10的发动机盖之下可使空气管道能够在电池系统12上导引气流并冷却电池系统12。
图2中描述电池系统12的较详细视图。如图所描绘，电池系统12包含能量存储部件14，其中能量存储部件14耦接到点火系统16、交流发电机18、车辆操纵台20并可选择地耦接到电动机22。通常，能量存储部件14可捕获/存储车辆10中所产生的电能，并输出电能以对车辆10中的电气装置供电。
更具体来说，能量存储部件14可捕获/存储所产生的电能并输出电能以对这些部件中的每一个以及其它部件供电。换句话说，电池系统12可将电力供应给车辆的电气系统的部件，其中所述部件可包含散热冷却风扇、气候控制系统、电力转向系统、活动悬架系统、自动泊车系统、电动油泵、电动增压器/涡轮增压器、电动水泵、加热挡风玻璃/除霜器、门窗升降电动机、阅读灯、胎压监视系统、天窗电动机控制机构、电动座椅、警报系统、信息娱乐系统、导航特征、车道偏离警告系统、电动驻车制动器、外部灯或其任何组合。如图示地，图2所描绘的能量存储部件14将电力供应给车辆操纵台20和点火系统16以起动(例如，曲柄起动)内燃机24。在一些实施例中，点火系统16可包含传统起动机和/或皮带起动机发电机(BSG)。
此外，能量存储部件14可捕获交流发电机18和/或电动机22所产生的电能。在一些实施例中，交流发电机18可在内燃机24正在运行时产生电能。更具体来说，交流发电机18可将通过内燃机24的旋转而产生的机械能转换为电能。作为附加或替代，当车辆10包含电动机22时，电动机22可通过将通过车辆10的移动(例如，车轮的旋转)而产生的机械能转换为电能而产生电能。换句话说，能量存储部件14可捕获再生制动期间所产生的电能。
为了便于捕获并供应电能，能量存储部件14可经由总线26而耦接到车辆的电气系统。例如，总线26可使能量存储部件14能够接收交流发电机18和/或电动机22所产生的电能。此外，总线26可使能量存储部件14能够将电能输出给点火系统16和/或车辆操纵台20。因此，当使用12伏电池系统12时，总线26可携载通常介于8伏与18伏之间的电力。
此外，能量存储部件14可包含多个电池模块。例如，在所描绘的实施例中，能量存储部件14包含第一电池模块28和第二电池模块30，其中第一电池模块28和第二电池模块30各自包含一个或更多个电池单体。在其它实施例中，能量存储部件14可包含任何数量的电池模块。此外，虽然第一电池模块28和第二电池模块30被描绘为相互邻近，但它们可定位在车辆周围的不同区域中。例如，第二电池模块30可定位在车辆的内部中或车辆周围，而第一电池模块28可定位在车辆10的发动机盖之下。
更具体来说，在一些实施例中，能量存储部件14可包含多个电池模块以利用多种不同电池化学成分。例如，第一电池模块28可利用铅酸电池化学成分，并且第二电池模块30可利用锂离子电池化学成分。在此实施例中，电池系统12的性能可提高，这是因为相比铅酸电池化学成分，锂离子电池化学成分通常具有较高的库伦效率和/或较高的充能接受速率(例如，较高的最大充电电流或充电电压)。因此，电池系统12的捕获、存储和/或配电效率可提高。
为了便于将电力从电池系统12供应给车辆的电气系统中的各种部件(例如，HVAC系统和车辆操纵台20)，能量存储部件14(即，电池模块)包含第一端子32和第二端子34。在一些实施例中，第二端子34可提供接地连接，并且第一端子32可提供介于7伏与18伏之间的正电压。图3中描绘被表示为电池模块14的能量存储部件14的实施例的更详细视图。如上所述，电池模块14可具有与典型铅酸电池的尺寸相当的尺寸，以限制对车辆10设计的修改来适应电池系统12。例如，电池模块14的尺寸可类似于H6电池的尺寸，其中H6电池可以是大约13.9英寸×6.8英寸×7.5英寸。如图所描绘，电池模块14可包含在单个连续外壳内。在其它实施例中，电池模块14可包含耦接在一起的多个外壳(例如，包含第一电池28的第一外壳以及包含第二电池30的第二外壳)。在其它实施例中，如上所述，电池模块14可包含位于车辆10的发动机盖之下的第一电池模块28，并且第二电池模块30可位于车辆10的内部内。
如图所描绘，电池模块14包含第一端子32、第二端子34、第一电池(例如，铅酸电池)28、第二电池30(例如，锂离子电池)和电池控制单元36。如本文所使用，电池控制单元36通常表示控制电池系统12的操作的控制部件，例如，电池模块内的继电器或交流发电机18中的开关。电池模块14的操作可受电池控制单元36控制。例如，电池控制单元36调节每一电池模块28或30所捕获/供应的电能的量(例如，降低电池系统12的额定值和重新设定电池系统12的额定值)，在电池之间执行负载平衡，控制电池的充电和放电(例如，经由继电器或DC/DC转换器)，确定每一电池和/或整个电池模块14的充电状态，激活主动冷却机构，激活短路保护系统等。
因此，电池控制单元36可包含一个或更多个存储器38以及被编程为执行用于执行这些任务的控制算法的一个或更多个处理器40。更具体来说，一个或更多个处理器40可包含一个或更多个专用集成电路(ASIC)、一个或更多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或更多个通用处理器或其任何组合。此外，一个或更多个存储器38可包含易失性存储器(例如，随机存取存储器(RAM))和/或非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)、光学驱动器、硬盘驱动器或固态驱动器)。在一些实施例中，电池控制单元36可包含车辆控制单元(VCU)的一些部分和/或独立的电池控制模块。此外，如图所描绘，可包含与电池模块14分离的电池控制单元36，例如，独立模块。在其它实施例中，如图3所描绘，电池控制单元36可被包含在电池模块14内。
此外，如图2所描绘，第一电池28和第二电池30并联连接在第一端子32和第二端子34两端以实现电池的充电和放电。如上所述，电池端子32和34可输出电池模块14中所存储的电力以将电力提供给车辆的电气系统。此外，电池端子32和34也可例如在交流发电机18通过再生制动而产生电力时，将电力输入到电池模块14以使第一电池28和第二电池30能够进行充电。
此外，电池模块可包含唤醒控制单元42。如下文更详细地论述，唤醒控制单元42可在车辆休眠模式期间从第一端子32接收电压信号，其中车辆休眠模式可包含当车辆10处于熄火位置中时的车辆10模式。当唤醒控制单元42接收到指示电池28和30中的一个或两个的潜在的短路状况的信号时，唤醒控制单元42可将唤醒信号提供给电池控制单元36的处理器40以开始短路检测与保护过程。短路检测与保护过程可测试电池28和30的短路状况，并保护电池28和30不受短路状况影响。
为了提供关于电池模块14的更多细节，图3图示电池模块14的部件的示意图。如图所描绘，第一电池28和第二电池30在电池模块14内是分开的，这使得第一电池28和第二电池30各自能够基于期望特性(例如，输出电压)来配置。例如，第一电池28和第二电池30的输出电压可取决于相应第一电池28和第二电池30内的个别电池单体的配置(例如，串联或并联)以及所选择的电池化学成分。此外，电池单体的配置和所选择的电池化学成分可导致多种电池化学成分和电池单体布置特有的某些优点。例如，优点可包含增大的充电电压范围，或优点可包含电池模块14内的变化的电力和充电容量。
此外，如上文所论述，第一电池28和第二电池30可按并联方式耦接到第一端子32和第二端子34。换句话说，第一电池28的正端子44可电耦接到电池模块14的第一端子32，并且负端子46可电耦接到电池模块14的第二端子34。以类似方式，第二电池30的正端子48可电耦接到电池模块14的第一端子32，并且第二电池30的负端子50可电耦接到电池模块14的第二端子34。以此方式，两个电池28、30可相互并联地电耦接到总线26以将电力提供给车辆10的电气系统的各部件。
此外，唤醒控制单元42可从正端子48、正端子44或两者接收电压信号以确定第二电池30、第一电池28或两者的可能的短路状况。在从第一电池28和/或第二电池30接收到电压信号之后，唤醒控制单元42可在车辆处于休眠模式或熄火模式中时提供“唤醒”电池控制单元36的信号。因为电池控制单元36直到电池控制单元36接收到“唤醒”信号为止才活动，所以使用最少的能量来监视电池28、30的潜在的短路状况。当电池控制单元36重新供能时，电池控制单元36可较准确地确定是否存在短路状况，并且在确认存在短路状况之后，电池控制单元36可指示开关52断开。如本文所使用，“开关”希望描述可选择性地连接和切断电池28、30的任何机构，例如，硬件开关、接触器、继电器或双稳态继电器。
当电池控制单元36从唤醒控制单元42接收到可能的短路状况指示时，电池控制单元36可对电池系统12进行另一次读取以较准确地确定是否存在短路状况。此额外读取和确定可能消耗比唤醒控制单元42更多的电力。因此，当车辆处于休眠模式或熄火模式中并且不产生电力来对电池28、30充电时，电池系统12可仅在唤醒控制单元42检测到潜在的短路时利用电池控制单元36的额外读取和确定。
此外，可了解，在所说明的实施例中，开关52可处于作为系统的默认位置的闭合位置。开关52可在检测到短路状况之后移动到断开位置，以将电池28、30中的一个或两个与车辆10的电气系统电绝缘。此外，如图3所图示，开关52的位置是沿着从第二电池30到第一端子32的路径。在此特定实施例中，开关52可将第二电池30与电气系统电绝缘。然而，开关52也可位于位置53或55处。在位置53处，开关52可起作用以在短路状况检测之后在开关52断开之后，将第一电池28与车辆10的电气系统绝缘。此外，在位置55处，开关52可起作用以在短路状况检测之后在开关52断开之后，将两个电池28和30与车辆10的电气系统绝缘。还应了解，取决于电池控制单元36可检测到的短路状况的各种类型，也可预期在多个位置处的多个开关52。例如，一个开关52可位于图3所图示的位置处，而另一开关52位于位置53处。以此方式，电池控制单元36可在检测到短路状况之后将电池28、30中的一个或两个电绝缘。
有鉴于前述内容，图4是唤醒控制单元42的示意图。如上文所论述，唤醒控制单元42可提供用于初步检测电池28和30处的潜在的短路状况的低电力系统。在所说明的实施例中，唤醒控制单元42可从电池模块14的第一端子32接收电压信号54(即，电池组电压信号)。一旦在唤醒控制单元42处接收到电压信号54，电阻器56、电容器58、电阻器60和运算放大器62便可按一种方式操纵电压信号54，以便使运算放大器62的输出64表示电池模块14的第一端子32处的电压输出的瞬时改变速率(即，dv/dt)。耦接在运算放大器62周围的电子部件的配置产生运算放大器微分器65(即，高通滤波器)。运算放大器微分器65操纵电压信号54所提供的输入以根据下式来确定电池模块14的电压输出的瞬时改变速率：
其中R是电阻器60，C是电容器58，Vout是输出64，并且是第一端子32处的电压输出的瞬时改变速率。因此，运算放大器微分器65可提供表示电池模块14的dv/dt的测量值的电压输出。
此外，电池模块14的dv/dt在车辆10处于休眠模式或熄火模式中时通常较低。例如，dv/dt可由于极少量的电池能量泄漏而接近零值。dv/dt的增大可指示电池模块14的短路状况，所述短路状况导致电池28和30中的能量的损耗增加。因此，输出64处所提供的dv/dt的增大可表示电池模块14内的短路状况的可能性。
在操纵电压信号54之后，比较器66的正端子可接收输出64。比较器66可以是阈值比较单元67的部件。因此，比较器66可将输出64与提供给比较器66的负输入的预定阈值电压值作比较。预定阈值电压值可表示某一值，在该值下输出64可能表示短路状况。例如，可通过将已知电压输入68提供给包括电阻器70和72的分压器来选择阈值电压值。通过操纵电阻器70和72的值，可选择阈值电压值以与输出64进行比较。如果输出64超过阈值电压值(即，dv/dt超过被认为可接受的预定值)，那么比较器66可在输出74处提供高信号(即，大于零的电压)。另一方面，如果输出64不超过阈值电压值(即，dv/dt落入可接受的范围内)，那么比较器66可在输出74处提供低信号(即，实质上为零的电压)。
此外，输出74可提供激活信号以指示将电池控制单元36“唤醒”。例如，输出74可被提供给电池控制单元36的处理器40的时钟输入。一旦高信号由输出74提供给时钟输入，那么电池控制单元36可开始短路检测与保护过程。此外，因为电池控制单元36可使用7V或更高电压来断开开关52并使电池28、30中的一个或更多个绝缘，并且因为电池28、30内所存储的能量可因短路状况而耗尽，所以可提供电容器组76，所述电容器组76耦接到电池控制单元36。电容器组76可提供一组电容器，其大小足以将电力提供给电池控制单元36以执行短路检测与保护过程。例如，500μF的电容器组76可将足够电力提供给电池控制单元36以检测低至0Ω的短路，并提供足够电力以断开开关52。此外，500μF的电容器组可用极少成本来安装，并提供最小的静态电流汲取影响(例如，约50μΑ到300μΑ)。
如上文所论述，唤醒控制单元42可用于提供电池模块14处的短路状况的初步指示。为了说明此功能，图5是描述用于检测短路状况并从电池系统12电移除电池28、30中的一个或更多个电池的方法78的过程流程图。首先，方法78可始于框80，其中通过在车辆10进入休眠模式或熄火模式时在将电池断电之前确保开关闭合，电池控制单元36使开关52做好准备。
在框82中，在使开关52做好准备之后，电池模块14可处于适当位置以使电池控制单元36和车辆10将车辆10除唤醒控制单元42之外的所有电子器件断电。虽然在将电子器件关断之后，电池模块14可从车辆10的电气系统电移除，但在理论上电池模块14的端子32、34任然有可能经受短路状况。因此，即使在车辆10的其它电子部件的移除之后，唤醒控制单元42仍可保持耦接到第一端子32。
在框83中，在将车辆10除唤醒控制单元42之外的所有电子器件断电之后，车辆可进入休眠模式。进入休眠模式可以是在电池模块14处接收到车辆10的熄火指示的结果。在休眠模式期间，内燃机24也可与车辆10的电子器件一起断电。此外，休眠模式也可充当使唤醒控制单元42的唤醒检测电子器件监视电池模块14的潜在的短路状况的开始点。
随后，在框84中，唤醒控制单元42可监视第一端子32处所提供的电压以指示潜在的短路状况。如上文所论述，监视电池模块14的dv/dt并将其与阈值比较以确定dv/dt是否超过可接受的范围。这可经由低成本且低能耗的电子器件来实现。如果dv/dt值没有超过阈值，那么方法78可返回到框83的休眠模式以做出是否存在潜在的短路状况的另一判断。
另一方面，如果在框84中指示潜在的短路状况，那么在框86中，唤醒控制单元42可将“唤醒”信号提供给电池控制单元36以“唤醒”电池控制单元36的短路检测电子器件。如上文所论述，唤醒控制单元42可将高信号提供给电池控制单元36的处理器40的时钟输入。在时钟输入处接收到高信号的上升边沿之后，电池控制单元36内的短路检测电子器件可开始执行检测指令。
在框88中，一旦短路检测电子器件开始在电池控制单元36中执行检测指令，那么短路检测电子器件可较准确地确定是否存在实际短路状况。这可通过从电池模块14的第一端子32获取准确的电流测量值来实现。如果在框90中测量到高电流以指示真实短路状况(即，高于电池系统12的预期短路电流值的电流)，那么在框92中，电池控制单元36可立即断开开关52以从车辆10的电气系统移除电池28、30中的一个或更多个。否则，如上文所论述，方法78可在框83中返回到休眠模式，以作出是否存在潜在的短路状况的另一判断并在检测到潜在的短路状况之后提供唤醒信号。
如果在框90中检测到真实短路状况并在框92中断开开关52，那么在框94中，电池控制单元36可向车辆10警告事件，并将事件记录在电池控制单元36的存储器38内或车辆10内的任何其它存储器单元内。通过向车辆10警告事件并记录事件，车辆10的驾驶员可被警告车辆10可能需要维修。此外，技术人员可有效地诊断问题以加快维修过程。
图6中图示本文所述的电池单体的一个实施例。本文所述的电池单体可以是棱柱状电池单体96，其中如本文所定义的棱柱状电池单体96包含形状大体上是长方形的棱柱状壳体。与软包电池相反，棱柱状壳体由相对不可挠的硬质(例如，金属)材料形成。然而，应注意，除棱柱状电池单体之外或代替棱柱状电池单体，下文所述的某些实施例可纳入有软包电池。根据本发明的实施例，每一棱柱状电池单体可包含顶部壳体部分98，一组电池单体端子48、50(例如，正电池单体端子和负电池单体端子)可位于其上。一个或更多个电池单体排气孔100也可位于顶部壳体部分98上。棱柱状电池单体壳体也包含与顶部壳体部分98相对地定位的底部壳体部分102。第一侧104和第二侧106(它们可以是平直的或圆形的)在对应于电池单体端子48、50的相应位置中在底部壳体部分102与顶部壳体部分98之间延伸。第一面108和第二面110(它们可以是平坦的(如图示)或圆形的)在每一电池单体96的相对端部处耦接第一侧104和第二侧106。
所公开的实施例中的一个或更多个可单独或结合地提供一个或更多个技术效果，包含在车辆10不对电池28和30再充电时，在将电池电力汲取最小化的同时检测短路状况。本说明书中的技术效果和技术问题是示范性的，而不是限制性的。应注意，本说明书所述的实施例可具有其它技术效果，并且可解决其它技术问题。
虽然仅说明并描述了某些特征和实施例，但对于本领域的技术人员来说，可进行许多修改和改变(例如，各元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数(例如，温度、压力等)的值、安装布置、材料的使用、颜色、取向等的变化)而不实质上偏离所公开的主题的新颖教示和优点。根据替代实施例，任何过程或方法步骤的次序或序列可变化或重新排序。因此，应理解，随附权利要求书希望涵盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和改变。此外，为了提供对示范性实施例的简明描述，可能没有描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任何此类实际实施方案的开发中，如在任何工程或设计项目中，可做出许多专门针对实施方案的决策。此类开发工作可能是复杂和费时的，但是仍然将是可受益于本公开的一般技术人员进行设计、构造和制造的例行工作，而无需过多的实验。

Claims (22)

1.一种汽车电池系统，包括：
第一电池，被配置成耦接到电气系统，其中所述第一电池包括第一电池化学成分；
第二电池，与所述第一电池并联并被配置成耦接到所述电气系统；
第一开关，耦接到所述第二电池的正端子，并且被配置成将所述第二电池电耦接到所述电气系统或将所述第二电池与所述电气系统断开；以及
电池控制单元，被配置成检测所述第一电池、所述第二电池或两者的短路状况，并且在检测到所述短路状况之后通过断开所述第一开关而将所述第二电池与所述电气系统断开。
2.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述电池控制单元包括唤醒控制单元，其中所述唤醒控制单元被配置成在所述电池控制单元处于休眠模式中时，在检测到潜在的短路状况之后唤醒所述电池控制单元。
3.根据权利要求2所述的电池系统，其中所述唤醒控制单元从所述第一电池和所述第二电池的输出接收电压信号，确定所述电压信号的瞬时改变速率，并当所述电压信号的所述瞬时改变速率大于预定阈值时将唤醒信号提供给所述电池控制单元的短路检测电子器件。
4.根据权利要求3所述的电池系统，其中所述唤醒控制单元包括运算放大器微分器，所述运算放大器微分器被配置成操纵来自所述第一电池和所述第二电池的输出的电压信号，以使其成为所述电压信号的所述瞬时改变速率的电压表示。
5.根据权利要求4所述的电池系统，其中所述唤醒控制单元还包括比较器以将所述电压表示与所述预定阈值作比较，并将所述唤醒信号输出给所述短路检测电子器件。
6.根据权利要求1所述的电池系统，包括电容器组，所述电容器组被配置成提供足够电力以在所述短路状况期间操作所述电池控制单元和所述第一开关。
7.根据权利要求6所述的电池系统，其中所述电容器组包括约500μF的总电容。
8.根据权利要求6所述的电池系统，其中所述电容器组汲取小于约300μA的静态电流。
9.根据权利要求6所述的电池系统，其中所述电池控制单元被配置成检测低至0Ω的短路的所述短路状况。
10.根据权利要求1所述的电池系统，包括第二开关，所述第二开关耦接到所述第一电池的正端子并被配置成将所述第一电池电耦接到所述电气系统或将所述第一电池与所述电气系统断开，并且其中所述电池控制单元被配置成在检测到所述短路状况之后通过断开所述第二开关而将所述第一电池与所述电气系统断开。
11.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述第二电池包括第二电池化学成分，所述第二电池化学成分具有比所述第一电池化学成分更高的库伦效率。
12.根据权利要求11所述的电池系统，其中所述第一电池化学成分是铅酸，并且所述第二电池化学成分是锂离子化学成分。
13.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述第一开关是双稳态继电器。
14.一种用于操作汽车电池系统的短路检测与保护系统的方法，包括：
将除唤醒控制单元之外的车辆系统电子器件断电；
将电池模块的电压输出的瞬时改变速率与预定阈值电压作比较；
当所述电压输出的所述瞬时改变速率大于所述预定阈值电压时，将唤醒信号提供给短路检测电子器件；
经由所述短路检测电子器件而确定是否存在短路状况；以及
当存在所述短路状况时，将耦接在所述电池模块内的个别电池与所述电池模块的端子之间的开关断开。
15.根据权利要求14所述的方法，包括经由电容器组而将电力提供给所述短路检测电子器件并将电力提供给所述开关。
16.根据权利要求14所述的方法，其中确定是否存在所述短路状况包括经由所述短路检测电子器件而获取指示所述短路状况的准确电流测量值。
17.根据权利要求14所述的方法，其中将所述电压输出的所述瞬时改变速率与所述预定阈值电压作比较包括：
通过运算放大器微分器操纵所述电压输出以输出所述电压输出的所述瞬时改变速率的电压表示；以及
经由比较器将所述电压表示与所述预定阈值电压作比较，所述比较器输出所述唤醒信号。
18.根据权利要求14所述的方法，其中将所述唤醒信号提供给所述短路检测电子器件包括将高信号提供给所述短路检测电子器件的处理器的时钟输入。
19.一种用于车辆中的电池模块，包括：
外壳；
第一端子和第二端子；
第一电池，设置在所述外壳中，并被配置成耦接在所述第一端子和所述第二端子两端；
第二电池，设置在所述外壳中，与所述第一电池并联，并被配置成耦接到所述第一端子和所述第二端子；
开关，设置在所述第一电池的正端子与所述第一端子之间；
电池控制单元，被配置成控制所述第一电池、所述第二电池和所述开关的操作；
唤醒控制单元，电耦接到所述第一端子并被配置成检测潜在的短路状况，并且当所述车辆处于车辆休眠模式中时，在检测到所述潜在的短路状况之后将唤醒信号提供给所述电池控制单元以唤醒所述电池控制单元；以及
电容器组，设置在所述外壳内并被配置成在所述唤醒控制单元唤醒所述电池控制单元之后将电力提供给所述电池控制单元和所述开关。
20.根据权利要求19所述的电池模块，其中所述唤醒控制单元包括运算放大器微分器以检测所述第一端子处的电压的瞬时改变速率。
21.根据权利要求20所述的电池模块，其中所述唤醒控制单元在所述运算放大器微分器的输出大于预定阈值时将所述唤醒信号提供给所述电池控制单元。
22.根据权利要求19所述的电池模块，其中所述第一电池包括与所述第二电池的电池化学成分不同的电池化学成分。
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