CN109552109A - 双重功能蓄电池系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种用于支持车辆(10)的双重电功能的能量存储系统(100)，包括能量存储单元(400)，其具有串联连接的多个能量存储模块(418、420、424)，多个感测单元，其用于感测多个能量存储模块的电荷状态，以及一对主电压端(404、405)。串联连接的多个能量存储模块(418、420、424)在车辆(10)的开启状态过程中可跨一对主电压端(404、405)连接，以第一电压水平提供能量存储电能，以支持车辆(10)的主电功能。能量存储系统(100)进一步配置成在车辆(10)的熄火状态过程中选择多个能量存储模块(418、420、424)的子集，以跨一对次电压端(415、416)连接，使用开关网络(BMS 104)以第二电压水平提供能量存储电能。

Description

双重功能蓄电池系统与方法

本申请是申请日为2013年12月20日、国际申请号为PCT/US2013/077037、国家申请号为201380063933.9、发明名称为“双重功能蓄电池系统与方法”的发明专利申请的分案申请。

相关申请

本申请在35U.S.C.119(e)之下要求了2012年12月28日申请的序列号为61/746,818，标题为“双重功能蓄电池系统设计”的临时专利申请以及2012年3月15日申请的序列号为61/800,103，标题为“双重功能蓄电池系统设计”的临时专利申请的权益，上述两篇文献通过引用合并在此。

技术领域

本发明通常涉及电池与电池模块领域。尤其，本发明涉及蓄电池电池单元，其可以用于车辆环境，以及其他能量存储/消耗应用。

背景技术

本部分旨在向读者介绍可能与本发明的各个方面相关的技术的各个方面，其在以下说明和/或要求保护。相信本论述有利于向读者提供背景信息，以便于更好的理解本发明的各个方面。因此，应该理解的是，这些说明应从这个角度阅读，而不是作为对现有技术的承认。

使用用于支持驱动、启停、和/或再生制动功能的一个或多个电池系统的车辆可以称之为xEV，其中，此处将术语“xEV”定义为包括所有以下说明的电动汽车，或其任意变形或组合。

将“启停车辆”定义为当车辆停止时，可以禁用内燃机，并且使用电池(能量存储)系统继续向包括娱乐系统、导航、灯光、或其他电子设备的车载电器消耗设备提供电能以及当需要驱动时使用电池(能量存储)系统重新启动发动机的车辆。再生制动或电力驱动的缺少将“启停车辆”与其他形式的xEV相区别。

如本领域技术人员应该知道的是，混合动力电动汽车(HEVs)结合了内燃机(ICE)驱动系统与电池供电的电力驱动系统，例如48V、130V、或300V系统。术语HEV可以包括混合动力电动汽车的任意变形，例如再生制动、电力驱动、以及启停的特征均包括在其中。

特定类型的xEV为微混汽车(“mHEV”或“micro-HEV”)。微混汽车典型地以低电压运行，该电压定义成在60V以下。微混汽车典型地提供启停，并且通过它们使用的再生制动而将它们与“启停汽车”相区别。再生制动功率通常可以在从2kW至12kW峰值内，尽管也可以为其他值。微混汽车还为车辆提供一定程度的电力驱动。如果可用的话，驱动量将通常不足以提供车辆的全部原动力。

全混系统(FHEVs)与中混系统(Mild-HEVs)可以使用一个或多个电机、仅使用ICE、或两种同时使用为车辆提供原动力与其他电力。FHEV典型地为高压(>60V)，并且通常在200V与400V之间。中混汽车典型地在60V与200V之间运行。根据车辆的尺寸，中混可以提供10-20kW之间的再生制动或驱动，而FHEV提供15-100kW的再生制动或驱动。中混系统还可以在例如加速过程中施加一定级别的动力辅助，以补充ICE，而FHEV可以经常使用电机作为短期内唯一驱动源，并且相比于中混，其通常使用电机作为更重要的驱动源。

此外，插电式电动汽车(PEV)是可以从例如壁式插座的外部电源充电，并且存储在可充电电池组中的能量驱动或有助于驱动车轮的任意车辆。PEV为xEV的子分类，其包括全电力或电池电动汽车(BEVs)、插电式混合动力电动汽车(PHEVs)，以及混合动力电动汽车与传统ICE车辆的电动车辆转换。BEV完全由电力驱动，并且缺少内燃机。PHEV具有内燃机与电动力源，其电动力源能够提供车辆驱动所需的全部或几乎全部的动力。PHEV可以使用一个或多个纯电动模式(“EV模式”)、纯内燃机模式以及混合模式。

如上所述的xEV可以提供大量相比于仅使用ICE和传统的电气系统的的传统的汽油动力汽车的优势，其典型地为由铅酸电池提供动力的12V系统。例如，xEV可以产生更少的不需要的排放产物，并且相比于传统汽车可以显示更好的燃油效率，在某些情况下，这种xEV可以完全消除对汽油的使用，如在某些类型的BEV的情况中。

当xEV技术持续发展时，需要为这种汽车提供改进的电源(例如电池系统或模块)。例如，需要在无需为电池再充电的情况下，增加这种车辆的行驶距离。此外，其还可以理想的改进这种电池的性能，并且减少与电池系统相关的成本。

传统的xEV被发现由于它们的向电机/发电机以及车辆附件提供动力的电能系统而受到功能上的限制。典型地，电机是由需要存储适合于大功率放电的能量以及由各种驱动条件产生的电力需求的能量的能量源为其提供动力。

而且，在传统xEV中，两个或更多个不同存储的配电网络需要不同电压水平，以将存储的电能提供给不同的车辆用电负荷。典型的中混或全混通常包含双重电池系统。不幸地是，两个电池的使用显著地增加了混合动力汽车的复杂性与成本。

因此，存在对一种电池系统的需要，该系统在不包括多个电池的情况下可以处理能量存储系统的不同电压水平的要求。

发明内容

此处公开了一种用于微混、中混与全混电动汽车的双重功能能量存储系统以及方法。

在一个方面中，车辆的能量存储系统包括能量存储装置，其具有串联连接的多个能量存储模块、用于感测多个能量存储模块的电荷状态的多个感测单元，一对主电压端，其中，串联连接的多个能量存储模块可跨该对主电压端连接，以第一电压水平提供能量存储电能，以支持车辆的主电功能，一对次电压端，以及能量存储管理系统与控制器。该控制器配置成选择多个能量存储模块的第一子集，该多个能量存储模块的第一子集跨该对次电压端连接，以低于第一电压水平的第二电压水平提供能量存储电能，以支持车辆的次电功能。基于由多个感测单元提供的感测到的状态，控制器确定是否多个能量存储模块的第一子集应当从该对次电压端断开，并且是否需要跨该对次电压端连接多个能量存储模块的第二子集跨接以继续支持车辆的次电功能。

在另一方面中，用于实现车辆中能量存储系统的双重功能的计算机执行的方法包括提供存储的电能，用于在开启状态过程中，在能量存储系统的一对主电压端支持车辆的主电功能，该能量存储系统具有跨该对主电压端串联连接的多个能量存储模块，探测何时车辆关停，并且提供来自减少数量的多个能量存储模块的存储的电电能，用于支持车辆的次电功能，从而通过跨一对次级端连接减少数量的多个能量存储模块来在该对次端处运行车辆的熄火负载。

在又一方面中，计算系统包括至少一个处理单元以及至少一个存储单元，存储单元存储可操作指令，当其由至少一个处理单元执行时，以使得至少一个处理单元实现上面介绍的方法。

通过阅读以下详细说明，参照合适的附图，这些以及其他方面、优势与可替换物对本领域技术人员将变得显而易见。而且，应该理解的是，在该发明内容部分提供的公开内容以及本文件的其他部分旨在仅通过示例，而不通过限制论述实施例。

附图说明

当参照附图阅读以下详细说明时，本发明的这些与其他特征、方面以及优势将变得更加易于理解，其中，贯穿附图，相同的符号表示相同的零部件，其中：

图1为根据本方法的实施例，具有向车辆提供全部或部分动力的电池系统的车辆(xEV)的透视图；

图2为根据本方法的实施例，混合动力电动汽车(HEV)形式的图1的xEV实施例的剖面示意图；

图3为根据本方法的实施例，微混电动汽车(Micro-HEV)形式的图1的xEV的实施例的剖面示意图；

图4为根据本方法的实施例，示例贯穿微混动力分配的图3的微混实施例的示意图；

图5为示例能量存储系统(ESS)与连接至ESS的混合动力汽车的元件的框图；

图6为示例如由微混或中混电动汽车实现的驱动循环的典型实施例的示意图；

图7为示例包括多个存储模块与电池管理系统的能量存储系统的典型实施例的示意图；

图8为在一对主电压端处提供53V电能，在一对次电压端处提供13V电能的图5的能量存储系统的特别实施例的示意图；

图9为在该对主电压端处提供48V电能，在该对次电压端处提供12V电能的图5的能量存储系统的另一特别实施例的示意图；

图10为电池管理系统的功能框图；

图11为示例了双重功能能量存储系统的操作过程/方法的流程图；

图12为示例电池管理系统元件的框图；以及

图13为示例了典型计算机程序产品的概念性局部视图的示意图。

具体实施方式

在以下详细说明中，参考形成说明的一部分的附图。在附图中，同样的标记通常地表示同样的元件，除非上下文另有说明。在详细说明中说明的示例性实施例、附图、以及权利要求并不意味着限制。在不脱离此处提供的主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以做出其它改变。易于理解的是，如本文中所一般描述的，本发明公开的各个方面和附图中示出的内容能够以多种不同结构布置、替代、组合、分开、以及设计，这些都是明显地预期在本文中。

如上所述，存在几种不同类型的xEV。尽管一些车辆制造商，例如特斯拉，仅生产xEV，并且因此可以从头做起如xEV车辆的设计，大部分车辆制造商主要生产传统ICE。因此，当这些制造商之一还想要生产xEV时，其通常利用其传统车辆平台之一作为起点。如可以知道的，当最初设计车辆，以使用由单个铅酸电池提供动力的传统电子系统，并且仅使用ICE作为原动力时，将这种车辆转化为其HEV版本可以造成很多封装问题。例如，FHEV不仅使用这些传统元件，而且必须增加一个或多个电机以及其他相关联的元件。如另一示例，微混还不仅使用这些传统元件，而且还必须在车辆中设置更高电压的电池(例如，48V锂离子电池模块)，以补充或替代12V铅酸电池以及其他元件，例如带集成起动-发电机，有时候也称之为如下将进一步详细说明的带式交流发电机起动机(BAS)。因此，如果可以设计电池系统，以减少这种封装问题，其将使得将传统车辆平台转化为xEV更加便宜与更加高效。如本文使用的，BAS并不旨在限制为带驱动交流发电机起动机，也可以使用其他类型的驱动器。

本文说明的电池系统可以用于向许多不同类型的xEV以及其他能量存储应用(例如，输电网络能量存储系统)提供电能。这种电池系统可以包括一个或多个电池模块，每个电池模块均具有许多电池单元(例如，锂离子电化学电池单元)，这些电池单元被布置成提供特定电压和/或电流，以用于向例如xEV的一个或多个元件提供电力。此处公开的实施例包括锂离子电池模块，其能够提供多于一个的电压。具体地，特定公开的电池系统可以提供第一电压(例如，12V)，例如，为使用传统起动电机的内燃机的点火提供电能和/或支持传统12V附件负载，并且可以提供第二电压(例如，48V)，例如，当内燃机不运行时，为BAS提供电能，并且为一个或多个车辆附件提供电能，以用于微混系统。实际上，在某些实施例中，不仅单个电池系统可以提供两个电压(例如，12V与48V)，而且其可以由具有等同于传统铅酸12V电池的形状系数的封装提供两个电压，因此，使得封装以及将传统车辆转化为微混变得更加简单、更加便宜以及更加高效。

本实施例还包括物理电池模块的特征，装配元件、制造与装配技术等，这有助于提供具有所需形状系数(例如，对应于传统铅酸电池的尺寸)的公开的电池模块与系统。而且，如以下详细陈述的，公开的电池模块实施例包括许多传热装置(例如，散热器、液体冷却块、传热泡沫、相变材料(PCM)等等)，其在操作过程中可以用于被动或主动地保持一个或多个电池模块温度。

考虑到前述，如上所述，图1为根据本实施例的具有用于为车辆10提供全部或部分动力(例如，电力和/或原动力)的电池系统20的汽车(例如轿车)形式的xEV 10的透视图。尽管xEV 10可以是上述任意类型的xEV，通过具体示例，xEV 10可以是微混汽车，包括装配有包括启停系统的微混系统的ICE，该启停系统可以利用电池系统20(能量存储系统(ESS))20，以为至少一个或多个附件(例如，AC、灯、控制台等)以及在启停循环中为ICE的点火提供动力。

而且，尽管在图1中xEV 10示例为轿车，但车辆的类型在其他实施例中可以不同，所有这些类型的车辆旨在落入本发明的范围内。例如，xEV 10可以表示包括卡车、公共汽车、工业车辆、摩托车、游艺车、船、或可以从使用电力受益的任意其他类型车辆的车辆。此外，根据其他实施例，虽然电池系统20在

图1中示例为定位于车辆的行李箱或后部，但电池系统20的位置可以不同。例如，可以基于车辆内可用的空间、车辆所期望的重量平衡、与电池系统20一起使用的其他元件(例如，电池管理系统、通风口或冷却设备等)的位置以及各种其他考虑而选择电池系统20的位置。

图2示例了图1的xEV 10的实施例的剖面示意图，提供了具有电池系统20的HEV的形式，该电池系统20包括一个或多个电池模块22。尤其，图2中所示的电池系统20被设置为朝向车辆10的后部靠近燃油箱12。在其他实施例中，电池系统20可以被提供为紧邻燃油箱12，被设置在车辆10的后部的分隔舱(例如行李箱)中，或设置在xEV 10中其他合适的位置。而且，如图2示例的，有时可以在xEV 10利用汽油提供动力以驱动车辆10时提供ICE 14。车辆10还包括电机16、动力分配装置17、以及作为驱动系统一部分的发电机18。

图2中示例的xEV车辆10可以由电池系统20单独、内燃机14单独、或电池系统20与发动机14同时提供动力或驱动。值得一提的是，在本方法的其他实施例中，可以使用其他类型的车辆以及车辆驱动系统的结构，并且图2的示意性示例不被视为限制本申请中描述的主题的范围。根据各种实施例，在其他特征中，电池系统20的尺寸、形状、以及位置、车辆的类型、xEV的技术类型、以及电池化学成份可以不同于那些示出的或说明的。

电池系统20通常可以包括一个或多个电池模块22，每个电池模块均具有多个电池单元(例如，锂离子电化学电池单元)，其在以下更加详细地论述。电池系统20可以包括用于将多个电池模块22彼此连接和/或连接至车辆电子系统的其他元件的特征或元件。例如，电池系统20可以包括负责监测与控制一个或多个电池模块22的电子与热性能的特征。

图3示例了图1的xEV的另一实施例的剖面示意图，设置为具有电池系统20的微混汽车10形式。如上所述，与微混汽车10的微混系统一起使用的电池系统20可以包括单个电池，其提供第一电压(例如12V)与第二电压(例如48V)，并且在尺寸上基本等同于在传统ICE中使用的传统12V铅酸电池。因此，这种电池系统20可以设置在微混汽车10中在转化为微混汽车之前容纳传统电池的位置上。例如，如图3中示例的，微混汽车10可以包括电池系统20A，其相似于典型内燃机汽车的铅酸电池被定位(例如，在车辆10的发动机罩下)。通过进一步示例，在某些实施例中，微混汽车10可以包括电池系统20B，其靠近微混汽车10的重心定位，例如在驾驶员或乘客座椅下面。通过又一示例，在某些实施例中，微混汽车10可以包括电池系统20C，其定位在后部乘客座椅下面或车辆行李箱附近。应该知道的是，在某些实施例中，将电池系统20(如电池系统20B或20C)定位在车辆的内部或内部周围可以使得使用来自车辆内部的空气冷却电池系统20(例如，使用散热器或强制风冷设计，如在以下详细陈述的)。

图4为图3的微混汽车10的实施例的示意图，并且包括电池系统20，该微混汽车10具有布置于车辆10的发动机罩之下的能量系统21的实施例。如前所述的，并且如以下详细论述的，电池系统20可以进一步具有可与典型铅酸电池的尺寸相比较的尺寸，以限制或消除对微混汽车10设计的修改，以容纳电池系统20。而且，图4中示例的电池系统20为三端电池，其能够提供两个不同的输出电压。例如，第一端24可以提供接地线，第二端26可以提供12V输出，并且第三端30可以提供48V输出。如示例的，电池模块22的48V输出可以连接至BAS29，其可以用于在启停循环中启动ICE 33，并且电池模块22的12V输出可以连接至传统点火系统(例如，起动电动机28)，以在BAS 29不用于启动的情况下启动ICE 33。还应该理解的是，BAS 29还可以俘获来自再生制动系统或类似物(未示出)的能量，以为电池模块22再次充电。

应该知道的是，电池模块22的48V与12V输出还可以提供给微混汽车10的其他元件。根据本实施例的可以利用48V输出的元件的例子包括散热器冷却风扇、温度控制风扇、电动助力转向系统、主动悬挂系统、电空调系统、自动驻车系统、冷却座椅、电动油泵、电动超级/涡轮增压器、电动水泵、加热座椅、加热挡风玻璃/除霜装置、以及发动机点火。根据本实施例可以利用12V输出的元件的示例包括车窗升降电机、阅读灯、胎压监测系统、天窗电机控制、电动座椅、警报系统、资讯娱乐在线功能、导航功能、车道偏离警报系统、电子驻车制动、以及外部灯。以上陈述的示例并非穷举，在所列举的示例之间可能存在重叠。实际上，例如，在某些实施例中，以上列举的与48V负载相关的功能可以利用12V替代，反之亦然。

在示例的实施例中，电池模块22的48V输出可以用于为微混汽车10的一个或多个附件提供动力。例如，如图4中示例的，电池模块22的48V输出可以连接至微混汽车10的加热、通风、以及空调(HVAC)系统32(例如，包括压缩机、加热线圈、风扇、泵、等等)，以使得驾驶员在车辆运行过程中控制微混汽车10的内部温度。当ICE 33停止，并且因此不经由发动机充电提供任何电力的怠速期间，这在于对于微混汽车10尤其重要。还如图4中示例的，电池模块22的48V输出可以连接至车辆控制台34，其可以包括娱乐系统(例如，收音机、CD/DVD播放器、显示屏幕等)、报警灯与指示器、操作微混汽车10的控制器，等等。因此，应该知道的是，48V输出在某些情况下可以提供更加有效的电压，以该电压操作微混汽车10的附件(例如，相比于12V)，尤其当ICE 33停止时(例如，在启停循环过程中)。还应该知道的是，在某些实施例中，还可以将电池模块22的48V输出提供给微混汽车10的任意其他合适的元件和/或附件(例如，灯、开关、门锁、车窗电机、挡风玻璃雨刷、等等)。

而且，图4中示例的微混汽车10包括车辆控制单元/模块(VCM)36，其可以控制车辆10的各种元件的一个或多个操作参数，并且VCM 36可以包括至少一个存储器与至少一个编程以完成这些任务的处理器。与微混汽车10的其他元件一样，电池模块22可以经由一个或多个通讯线38连接至VCM 36，以使得VCM 36可以接收来自电池模块22，而且尤其是电池模块22的电池控制模块(BCM)(以下详细说明)的输入。例如，VCM 36可以接收来自电池模块22有关各种参数的输入，例如，电荷状态与温度，并且VCM 36可以使用这些输入确定何时对电池模块22充电和/或放电，何时中止为电池模块22充电，何时起动与停止微混汽车10的ICE33，是否使用BAS 29或起动机28，等等。

如上所述，传统中混、微混、或全混电动汽车包括ESS，其中，提供两个或多个电池，以满足不同电压水平的需求，以将存储的电能提供给车辆的不同功率消耗负载。例如，一个电池可以是典型的铅酸(Pb-acid)电池，以管理车辆的熄火负载，例如防盗报警器等，或其他开启附件。其他电池，例如镍金属氢电池或锂离子电池，提供主电功能，例如加速过程中的动力辅助，减速过程等中的电能再生。不幸的是，两个电池的使用明显增加了车辆的复杂性与成本。这在一定程度上是由于在很多应用中电压/电流/功率调节装置，例如DC-DC转换器的需要。而且，对于用于车辆电气附件的电池，例如熄火附件，存在可能损坏所分配电池的深度放电的风险。

因此，本发明涉及单个电池系统，其配置成同时提供车辆的开启电功能与车辆发动机关闭时的熄火电功能，开启电功能例如车辆加速模式过程中的动力辅助，车辆减速模式以及起动模式过程中的电能再生，熄火电功能例如车辆报警、计算装置，等等。如将在其后进一步详细说明的，根据一个实施例，将单个电池系统连接至能量存储(电池)管理系统，其选择性地将单个电池连接至用于开启电功能的高电压供给，以及用于熄火电功能的低电压供给。

为了本发明的目的，值得一提的是，能量存储装置、电池模块、以及本文示例与说明的系统尤其涉及提供和/或存储xEV电动汽车中能量的应用。

如上所述，微混汽车或启停轿车可以具有ICE，其在车辆将要停止，例如十字路口时关闭。微混汽车有时依靠ESS提供一些或全部电能到电力网络，其向车辆的电器和附件，例如空调、收音机以及其他车辆中操作的电子设备提供电能。在一个实施例中，如图5所示，可通过集成的起动机发电机(ISG)114提供至ESS 100的电力，ISG 114配置成连接至ICE 33的两象限交流发电机。ISG 114提供起动、发电与再生的功能。这样，在再生制动事件过程中，ISG 114作为动力再生装置，通过将汽车的动能转换成提供至ESS 100的电能。通过将一些或全部电力提供至为车辆电器和附件提供电力的电网，并且通过主要依靠来自可再生能量生成装置的电能，微混汽车中的ESS 100可以增加车辆的燃油经济性。

术语电池、能量存储装置、或能量存储系统的使用表示所有旨在包括任意类型电能存储装置，例如铅酸电池、超级电容器存储电容器以及所有其他任意类型的能量存储装置。

现参照图5，ESS 100包括单个电池系统102、以及电池管理系统104。如图所示，单个电池系统102连接至包括低压负载105与高压负载107的电气附件，并且连接至ISG 114。可替换地，可以将电池管理系统104集成在单个电池系统102中。

如图所示，ISG 114连接至ICE 33，并且单个电池系统102被连接以从ISG 114接收在再生动力事件过程中，例如车辆10减速时由传动系统35俘获的动能转化的电能。再生是通过由ISG 114大量产生能量而实现，这实际上通过蛇形带将负转矩增加至ICE 33，减慢ICE 33，并且将该能量转化为电能。而且，将电池管理系统104连接至VCM 36，其配置成与ISG 114相通讯，以要求电力水平供给或产生，以实现制动与加速事件过程中平滑的驾驶性能。VCM 36还接收来自多个其他来源的其他数据，例如环境数据源(未示出)。电池管理系统104使用来自传动系统35的数据与由VCM 36获得的其他来源的数据，以完成电池控制功能，如其后说明的。

现参照图6，示出了如由中混或微混电动汽车完成的驱动循环302的典型实施例300。驱动循环302包括6个操作模式，其为重启发动机模式304、加速模式306、巡航模式308、减速模式310、发动机关闭模式312、以及停车模式314。在一个实施例中，在减速模式310过程中，ESS 100配置成通过电能的再生而俘获制动能量，以提升单个电池系统102的电荷状态(SOC)。在发动机关闭模式312中，ESS 100配置成支持车辆附件，例如内部与外部灯、资讯娱乐、风扇与风机，以及基于当前SOC的电子设备。在加速模式306过程中，ESS 100配置成使用ISG 114提供增压电能。尽管典型地，可以基于气候控制需求与电池条件禁止发动机关闭模式312，因为减速事件(即，制动事件)过程中俘获的再生能量，ESS 100配置成使得电A/C的激活成为可能。

现参照图7，双重功能单个电池系统102的典型实施例包括连接至主电压端404与405的模块化能量存储单元400。模块化能量存储单元400还具有多个中间抽头或输出，其连接至BMS 104的输入406、408、410、412与414，其依次具有与一对次电压端415与416连接的一对输出。

因此，两对端子404与405，以及415与416连接至模块化能量存储单元400。在一个实施例中，端子405与416为正极端，并且端子404与415为负极端。在一个实施例中，模块化能量存储单元400包括三个或更多个基本相同的能量存储模块418、420与424，每个均具有至少一个，并且优选地至少一对基本相同的串联连接的电池单元430。还存在与电池单元430并联连接的其他电池单元。所有模块418、420与424彼此连接，并且连接任意其他更多可以跨主电压端404与405而串联设置的模块(由虚线432表示)。

在一个实施例中，每个能量存储模块418、420与424均具有至少一个以下的特性：全部产生大约相同电压的电能的同等数量的能量存储电池单元；串联连接的多个能量存储电池单元，并联连接的多个电池单元；具有(a)NCA、(b)NMC、(c)LiMn2O4、(d)(a)、(b)、(c)的化学成份的混合之一的化学成份的至少一个能量存储电池单元；具有阴极材料的电池单元，该阴极材料具有橄榄石基材料的电池单元化学成份；具有阴极材料的电池单元，该阴极材料由LiFe1-xPO4制成，其中x大于或等于零，并且小于或等于1；具有阴极材料的电池单元，该阴极材料由掺杂有橄榄石材料Zx的LiFePO4制成，其中x大于或等于零，并且小于或等于1。

术语模块、或电池模块应该理解为表示具有一个或多个这种电池的串联或并联组合连接的电化学电池单元或静电电池单元的能量存储模块，其中，并联组合被串联连接。能量存储模块还是能量存储装置，其具有接近装置外侧的相对电极，以便其可以单独接入与中断服务。例如，仅具有一个带有可用电极的能量存储电池单元的能量存储装置被认为是模块，然而，与两个其他电池单元串联接连，但除这些连接外不可用于与其他电子元件的连接的单个电池单元不被认为是能量存储模块。当以下给出示例的例子时，给定双重功能能量存储装置中的所有模块的总电池单元数是灵活的，并且不受这些示例的限制。

不同端，主端404与405，以及次端415与416提供不同电压水平的电能，该电能是车辆10处于熄火模式时使用的不同负载以及车辆10处于开启模式时使用的其他负载所需的。主电压端404与405连接至一个或多个开启高电压负载440，以使得主电压端404与405提供车辆10的主要功能所需的高压电源，例如提供加速过程中的动力辅助，接收减速过程中的电能再生，提供起动电能，提供原动力等。

另一方面，次电压端415与416连接至一个或多个熄火低压负载442，例如非法入侵警报系统、防盗GPS追踪装置、计算机等，其在车辆处于熄火、非运行模式时仅需要低压电源。此外，或可替代的，次电压端415与416连接至一个或多个车辆10的开启相对低压负载444，例如空调、加热器等。

熄火低电压负载442的电压可以在大约7伏至大约18伏的范围内，同时，高压负载所需的电压可以是用于重型混合动力应用的660伏，以及用于微混应用的大约36伏至54伏。

模块418与420之间以及模块424与相邻的任何模块，例如模块420(如果只存在三个模块)之间的连接是独立的，分别连接至输入408、410与412各自的一个。此外，与连接至输入408的内部的连接相对的，端部模块418的外部或端部侧面被连接至BMS 104的另一外部输入406。同样的，其他端模块424的其他外侧面，与连接到输入412的连接相对的，被连接到BMS 104的其他外部输入414。虚线432可以理解为表示1-N模块，其中N为任意整数。在这些N模块之间，存在N-1个连接，并且每个这些连接分别与BMS 104相连接。在一个实施例中，模块化能量存储单元400可以包括三个模块、四个模块、或任意更多数量的模块。这些模块的每一个可以具有相同或不同数量的电池单元。

在一个实施例中，BMS 104配置成选择性地控制何时、哪些，以及有多少模块418、420和424与次电压端415和416相连接。另一方面，供给至主电压端404与405的电能被脱离端部模块418和424的端部电极或外部电极，以使得供给至主电压端404与405的电能从能量存储模块的整个群提供，该整个群包括模块化能量单元400，其例如包括模块418、420与424，并且如果存在，根据电池单元430的数量，一个或多个模块与模块418、420以及424可以相同或不同的。

在一个实施例中，当电力通过BMS 204连接至次电压端415与416时，从至少一个但少于用于在主电压端404与405处提供高压电力的模块化能量存储单元400的所有模块获得电力。而且，用于次电压端415与416的电力可以仅从例如模块424的模块之一获得。如上所述，低压范围从大约7伏至8伏，以向熄火电压负载442，例如车辆警报器、计算机等提供电力。根据本发明，所需的准确电压可通过改变能量存储电池单元430的总数量与类型而调节，例如用于次电压水平的12V工业标准。然而，优选地，双重功能ESS 100的容量范围可以从小于4安时(Ah)如果使用超级电容器为能量存储装置，到高于80Ah如果使用铅酸电池。

可获得的相对高电压的范围还取决于所使用的能量存储装置的类型与尺寸。名义上，微混系统的高电压范围大约为36V至54V。在重型混合动力应用的情况中，主端404与405处提供的电压可以为600V。通常，应该知道的是，术语相对高电压仅表示电压比相对低电压相对更高，反之亦然。固有地，来自所有能量存储模块的主端404与405处提供的电压将高于由一个能量存储模块提供的电压或由少于模块化能量存储单元400中的能量存储模块的总数量的能量存储模块的数量提供的电压。

现参照图8，包括四个模块(即，N等于4)，并且由所有4个模块在主电压端404与405处产生的高电压大约为53V的双重功能电池系统102的特定情况的实施例。为了简化，各种负载440、442与444未示出，但这些负载的连接与图7中所示的相同。

在该实施例中，四个电池模块518、520、522与524的每个均包括总的十六个电池单元中的四个，每个均产生大约3.3V电压。所有电池模块优选地基于LiFePO4化学成份。主电压端404与405将53V的电力提供至高电压负载440。这种相对的高电压负载可以包括电机，如果车辆10为混合动力汽车，则在加速过程中提供用于车辆10的发动机的电力增压。主电压端404与405还连接成在减速过程中通过电再生而充电。主电压端404与405处可获得的53V电力还可以用于提供起动电能，以发动并起动ICE 33。

仍参照图8，次电压端415与416处提供的低电压电力可以每次仅从四个模块518、520、522与524中的单个获取，例如模块524。当模块518、520、522与524的每个均产生大约3.3V的电压时，因此在次电压端415与416处提供大约13V电压。这些次电压端处的低电压连接至一个或多个熄火电压负载442、一个或多个开启电压负载444、或两种都。

现参照图9，双重功能电池系统102的另一典型实施例配置成具有在高电压供给端404与405处提供的大约48V的高电压，以及在低电压供给端415与416处提供的约12V的低电压。在一个实施例中，第一模块618包括四个相同的电池单元430，并且三个其他电池模块620、622与624中的每一个均包括串联连接的三个相同的电池单元632。电池单元630可以与电池单元632不同或相同。在一个实施例中，这十三个电池单元中的每一个均具有带有大约3.65V平均电池电压的NCA阴极材料。可替换地，电池化学成份可为NMC、LiMn2O4、或任意三种化学成份的混合。

在该典型实施例中，模块618使用四个电池单元630提供大约14.6V电力。其他三个模块620、622与624使用它们各自的三个相同电池单元632产生大约11V的平均电压输出。因此，以介于大约11V与15V之间范围的大约12V提供供给的低电压。有利地，不像图7与8的实施例，在图9的该实施例中，仅仅通过在不同尺寸与容量的两个电池模块之间，例如在能量存储模块618与能量存储模块620、622及624任意一个之间的改变而选择性地改变提供的低电压水平。

按照本发明的一个方面，图7、8与9的所有实施例的BMS 104均配置成监控每一个相关联模块的SOC，并且基于测量的SOC选择性地将不同的模块连接至次电压端415与416。完成这个，以便防止四个电池模块的任意一个，例如模块618-624变得过度放电，超出预先选择的最小值。例如，起初当车辆10关断时，BMS 104配置成例如，将电池模块620连接至次电压端415与416。

仍参照图9，根据本发明，当车辆10首次关断时，所有四个电池模块618、620、622与624可以具有大约全部或最大充电量60％的SOC。随着时间流逝，模块622通过其对负载的连接而缓慢放电，并且SOC逐渐下降。当SOC下降至预先选择的最小SOC限制值，例如全SOC的40％时，BMS 104断开第一电池模块618至次电压端415与416的连接，并且随后接通第二电池模块620至次电压端415与416的连接。当电池模块620的SOC接近预先选择的SOC最小值(例如，全SOC的40％)时，然后BMS 104将来自第二模块620的连接切换至第三电池模块622。同样地，当第三电池模块622的SOC降低至40％时，BMS 104将至次电压端415与416的连接从第三电池模块622替代至第四电池模块624。因此，随后，当再次操作车辆10，并且在车辆加速过程或再生过程中为单个电池系统102充电时，四个电池模块618、620、622与624将自动地以大约相等的电荷平衡。

可替换地，提供次电压的从一个能量存储模块至另一个的循环，可以更加快速地实现，例如当SOC水平在模块之间为大约10-30％的差异时，通过从一个能量存储模块切换至另一个。在这种情况中，从一个能量存储模块切换至下一个将以秒至分的时间表执行。

在熄火模式中，随时间变化，模块化能量存储单元400可能变得完全耗尽，但根据本发明，可以防止其发生。在一个实施例中，当模块化能量存储单元400的所有能量存储模块达到它们各自的低限制SOC时(即，当从预先选择的低电压限制值几乎耗尽时)，BMS 104配置成使得所有能量存储模块与次电压端415及416断开，并且进入电池电量耗尽模式，以防止全部耗尽，以及对能量存储模块的继发故障。当车辆10的操作恢复时，模块化能量存储单元400将再次成为充电至预先选择的水平，双重功能单个电池系统102的正常操作。

现参照图10，示出了配置成管理单个电池系统102的双重功能的BMS 104的框图的典型实施例。根据本发明，BMS 104包括多个电子可控开关SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7与SW8 730，其与能量存储模块718、720、722与724以及次端415与416相互连接，以共同地限定开关网络。在一个实施例中，能量存储模块718、720、722与724分别包括感测单元742、744、746与748，其配置成估算对应能量存储模块的SOC，或为BMS 104提供相关电池单元状态数据，以确定相应的SOC。而且，应该知道的是，术语“开关网络”并不旨在限制于这种仅具有八个开关的网络，以为如图10中所示的仅具有四个模块的模块化能量存储单元400的需要，但是将会具有任意合适数量的开关，其被需要分别将各个能量存储模块的每一个连接至次端415与416。通常，对于将要分别连接至次端415与416的N个模块的每一个，BMS 204可以需要2N开关，其中N为整数。应该理解的是，此处使用的术语“开关”旨在不是限制，而是包括任意能够选择性地在导电状态与非导电状态之间变化的装置，例如硅可控整流器、功率晶体管、继电器开关或任意其他可能的装置。尽管为了简化而未示出连接，但所有开关730均与控制器750连接。

在一个实施例中，一旦探测到熄火模式，则VCM 36配置成触发控制器750，以基于由感测单元742、744、746与748接收的输入信号控制开关730，以相继、分别地将能量存储模块718、720、722与724连接至次电压端415与417，如上所述。可替换地，BMS 104包括熄火探测器，其配置成探测何时车辆10的钥匙返回至熄火位置。

如图所示，将SW1、SW2、SW4与SW6在一侧上连接至第一、第二、第三与第四电池模块718、720、722和724的正极，以及连接至低电压正极端415。开关SW3、SW5、SW7与SW8在一侧上连接至第一、第二、第三与第四电池模块718、720、722和724的负极，并且连接至负极低电压端416。如上所述，可选择性地控制这些开关每次一个，选择性地、分别地跨次电压端415与416连接四个电池模块718、720、722与724的每一个。

例如，当将存储在第一电池模块718中的能量提供至负载时，可以通过激活单元(例如，控制器750)将开关SW1与SW3致动为导通状态，并且将所有其他开关去激活为非导电状态。当是时候用第二电池模块720代替第一电池模块718时，可以关闭开关SW1与SW3，并且开启开关SW2与SW4。

现参照图11，流程图示出了计算机执行方法(过程)的典型实施例，其在步骤802发起，用于管理能量存储装置的双重功能。如上所述，BMS 104配置成在单个电池系统102的主能量存储端404与405提供存储的电能，用于操作车辆10，并且用于在车辆10的熄火状态过程中向低电压负载供给次能量存储端415与416存储的电能。VCM 36配置成监控车辆10的操作模式。这样，在步骤804处，基于由VCM 36接收的数据，BMS 104配置成确定车辆10是否处于开启状态。正面而言，在步骤806处，BMS 104配置成保持主电压端404与405连接至一个或多个开启高电压负载440，以提供车辆10的主要功能所需的高电压电源。另外，在步骤808处，BMS 104配置成使用由与模块电池单元相关联的感测器收集/感测的数据确定每个能量存储模块的SOC。随后，在步骤810处，BMS 104确定哪个低电压负载需求需要电源。在步骤812处，一旦哪个低电压负载需求需要电源确定了(即，熄火附件负载)，则BMS 104选择具有合适SOC(即，SOC在预定低SOC限制之上)的能量存储模块的第一子集(一个或多个)，用于连接至次电压端415与416，在步骤814处，确定的低电压负载与之相连接。伴随该连接，在步骤816处，BMS 104配置成追踪能量存储模块的连接的第一子集的SOC水平。随后，在步骤818处，BMS 104确定能量存储模块的连接的第一子集的SOC是否下降至靠近相应低SOC限制的水平。反面而言，在步骤816处，BMS 104保持追踪其SOC水平。另外，在步骤820处，BMS 104确定是否存在能量存储模块的第二子集(一个或多个)，其具有合适的SOC，以保持向确定的低电压负载提供能量。正面而言，在步骤822处，BMS 104使连接之前连接的能量存储模块、目前具有不理想SOC水平的第一子集的开关停用，并且致动开关，将能量存储模块的第二子集连接至确定的低电压负载已经与之连接的次电压端415与416。负面而言，BMS 104进入电池电量耗尽模式，以防止全部耗尽以及对能量存储模块的继发故障。因此，根据本发明，BMS104配置成跨次电压端415与416相继连接多个能量存储模块的子集，每个子集依次变成消耗至预先选择的最小SOC水平。也就是说，BMS 104建立多个能量存储模块先后连接的预先选择的顺序。

有利地，使用该方法，用于当车辆10以开启模式运行时以相对高电压提供电力的模块化能量存储单元400的总存储能量可以用于以相对低的电压提供附件所需的电力。在使用四个能量存储模块的情况中，熄火负载可以支持四倍于作为独立附件电池使用的单个能量存储装置所实现的时间。

向一对次电压端提供相对低的电压，当然还可以向其他开启附件444提供相对低的电压，但在这种情况中，如果在运行过程中通过再生动力源，例如再生制动等为模块化能量存储单元400再充电，则存在更少的定期更换能量存储模块的需求。用于附件的另一特定电池的需求以及由此产生的成本与复杂性被消除了。而且，没有一个能量存储模块比任意其他能量存储模块更快消耗尽，并且以次电压提供电力，以使得当再充电时，所有电池单元充电至大约相同水平。

应该理解的是，以上表示的电压水平仅是典型的，并不旨在限制。例如，在提供动力的情况中，仅向熄火低电压负载提供动力，并且熄火低电压负载仅是电子装置，以增加效率，该对次端上的电压可以低为5V。而且，当本发明取消了对DC-DC转换器的需求时，DC-DC转换器仍连接至该对次电压端，以提供除由双重功能提供的电压之外的另外的电压，能量存储控制器设置在该对次电压端处。

如图12所示，由电池管理系统104完成的处理包括SOC模块902、切换控制模块904、能量存储模块选择模块906。电池管理系统104包括处理单元908、以及连接至处理单元908的存储单元910。可以在单芯片、多芯片或多个电子元件上实现处理单元908。例如，可以使用各种架构，包括专用或嵌入式处理器或微处理器(μP)、单用途处理器、控制器或微控制器(μC)、数字信号处理器(DSP)、或其任意组合。在大多数情况中，每个处理单元908与操作系统一起操作，以执行计算机代码，并且产生与使用数据。存储单元910可以是现在已知或以后开发的任意类型的存储器，包括并不限于易失存储器(例如RAM)、非易失存储器(例如ROM、闪存等)或其任意组合，例如，其可以存储由例如处理单元908分别访问与执行的软件。

在某些实施例中，本公开的方法可以作为在计算机可读存储介质上以机器可读形式编码的计算机程序指令实施。图13为示例了典型计算机程序产品1000的概念上的局部视图的示意图，该计算机程序产品1000包括用于执行计算机装置上的计算机处理的计算机程序，其根据本文所述的至少某些实施例布置。在一个实施例中，使用信号轴承介质1001提供示例的计算机程序产品1000。信号轴承介质1001可以包括一个或多个程序指令1002，当由处理单元执行时，该程序指令可以提供根据图5-11的上述功能或功能的一部分。因此，例如，参照图11中所示的实施例，方框802-824的一个或多个特征可以由一个或多个与信号轴承介质1001相关联的指令承担。

在某些示例中，信号轴承介质1001可以包括永久性计算机可读介质1003，例如，但并不限于硬盘驱动器、存储器等。在某些实施例中，信号轴承介质1001可以包括计算机可记录的介质1004，例如，但并不限于存储器、读/写(R/W)CD、R/W DVD等。在某些实施例中，信号轴承介质1001可以包括通信介质1005，例如，但并不限于数字和/或模拟信号介质(例如，光纤、波导、有线通信连接等)

如此处使用的，术语“大约”、“约”、“基本上”以及相似的术语旨在具有与本发明所属主题领域的普通技术人员通常并且被接受的用法相一致的广泛含义。浏览过本发明的所属领域技术人员应该理解的是，这些术语旨在在不将这些说明并且要求保护的特定特征的范围限制至提供的精确数值范围的情况下对其进行描述。因此，这些术语应该解释为表示说明的与要求保护的主题的非实质的或不重要的修改或替换都被认为是落在如在所附权利要求中列举的本发明的范围中。

一个或多个公开的实施例，单独或组合，可以提供在能量存储系统的双重功能中有用的一个或多个技术效果。说明书中的技术效果与技术问题是典型的，但并不是限制性的。应该注意的是，说明书中描述的实施例可以具有其他技术效果，并且可以解决其他技术问题。

尽管仅示例和说明了本发明的特定特征与实施例，但所属领域技术人员在不实质上脱离权利要求列举的主题的新颖性技术与优势的情况下，可以做出很多修改与改变(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状以及比率、参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料使用、颜色、定位等的变化)。可以根据可替换的实施例改变或重新排序任意处理或方法步骤的次序或顺序。因此，应该理解的是，所附权利要求旨在覆盖落入本发明真实精神内的所有这些修改与改变。而且，为了提供对典型实施例的简明描述，并不对具体实施的所有特征(即，与目前预期的实施本发明的最佳模式不相关的内容，或与使得要求保护的发明能够实现不相关的内容)进行描述。应该知道的是，在任意这种具体实施的开发中，例如在任意工程或设计项目中，可以做出许多特定于实施的决定。这种开发工作可能是复杂与耗时的，但对于所属领域技术人员而言仍然是具有本发明利益的设计、制造和加工的常规任务，无需过度的实验。

Claims (11)

1.电池或能量存储系统，其特征在于包括：

至少两个输出端。

2.如权利要求1所述的电池或能量存储系统，其特征在于：

所述至少两个输出端，用于提供至少两种不同的输出。

3.如权利要求1所述的电池或能量存储系统，其特征在于：

所述至少两个输出端是三个输出端。

4.如权利要求1所述的电池或能量存储系统，其特征在于包括：

开关装置。

5.如权利要求4所述的电池或能量存储系统，其特征在于包括：

数个能量存储模块；以及

所述开关装置用于切换所述数个能量存储模块。

6.如权利要求5所述的电池或能量存储系统，其特征在于：

所述开关装置根据阈值来切换所述数个能量存储模块。

7.如权利要求6所述的电池或能量存储系统，其特征在于：

所述开关装置根据所述数个能量存储模块的电荷状态来切换所述数个能量存储模块。

8.如权利要求7所述的电池或能量存储系统，其特征在于：

所述开关装置根据所述数个能量存储模块的电荷状态之间的差值来切换所述数个能量存储模块。

9.如权利要求8所述的电池或能量存储系统，其特征在于：

所述开关装置根据所述差值和所述阈值的比较来切换所述数个能量存储模块。

10.如权利要求9所述的电池或能量存储系统，其特征在于：

所述数个能量存储模块能被再充电。

11.电池或能量存储系统，其特征在于：

所述电池或能量存储系统是权利要求1-10中技术特征的任一组合。