CN110168847B - 用于电池包的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

电池包包括组织成串联连接的电池组的单体电池的布置，每组具有并联连接的一个或多个电池单元，并且每个电池单元包括连接到电池开关的一个或多个串联连接单体电池。电池包的充电使用脉冲充电。提供给电池单元的充电脉冲可以基于包括所述电池单元的单体电池的一个或多个测得特性来确定，使得可以根据所述特性来优化所述电池单元的充电。提供给每个电池组的充电脉冲是定时的，因此始终存在通过所有电池组的不间断充电电流。

Description

用于电池包的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请涉及于2017年7月7日递交的第15/644,498号共同拥有美国专利申请，此专利申请的内容出于所有目的全文以引用方式并入本文中。
技术领域
本申请涉及电池领域，尤其涉及用于电池包的系统和方法。
背景技术
电池包通常包括一些由若干单体电池构成的构造。单体电池通常包括用于固持所述单体电池的部件的壳体。所述单体电池可以包括浸入适当电解质中的阳极（负电极）。所述阳极可以包括任何适当化合物，例如多孔碳颗粒；例如排列成片状的石墨颗粒。所述单体电池可以进一步包括浸入电解质中的阴极。所述阴极可以包含任何适当的金属氧化物化合物，例如氧化钴（CoO2）颗粒。许多类型的单体电池是已知的，但出于讨论目的，本文将使用锂离子型电池。
例如，当电池跨负载连接时，电池放电。放电期间，离子（例如，锂离子）从负电极穿过电解质流动到正电极。电子穿过所述负载从负电极流动到正电极。锂离子和电子在正电极处结合。当不再有Li离子流过施加在单体电池上的给定放电电位时，所述电池可以视作已完全放电。
在充电期间，锂离子穿过电解质从正电极流动到负电极。电子在从正电极到负电极的方向上流动通过外部充电器。电子和锂离子在负电极处结合并沉积在那里。当不再有Li离子流过施加在单体电池上的给定充电电位时，所述电池可以视作已完全充电并且可随时使用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明体方面提供了一种用于电池包的系统，该系统包括：电池包，包括多个串联连接的电池组，每个电池组包括多个并联连接的开关电池单元，每个开关电池单元包括连接到电池开关的一个或多个串联连接的单体电池；以及控制器，产生多个脉冲开关信号以控制电池包中的电池开关，每个脉冲开关信号与一个电池开关相对应，其中，在电池包的充电期间：每个脉冲开关信号包括一系列脉冲，一系列脉冲具有基于与对应电池开关相关联的电池单元的一个或多个测得特性确定的接通时间，以优化包括电池单元的单体电池的充电，其中，单体电池的充电包括电池包中的每个电池单元根据电池单元的测量特性进行优化，以及每个电池组中的一个或多个电池开关处于闭合状态，以便在电池包的充电期间始终提供穿过电池包的多个串联连接的电池组的充电电流不间断流动的路径。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于电池包的方法，电池包包括多个串联连接的电池组，每个电池组包括多个并联连接的开关电池单元，每个开关电池单元包括连接到电池开关的一个或多个串联连接的单体电池，方法包括：产生多个脉冲开关信号以控制电池包中的电池开关，每个脉冲开关信号与一个电池开关相对应；对于每个脉冲开关信号，产生控制与脉冲开关信号相对应的电池开关的一系列脉冲，一系列脉冲具有基于与对应电池开关相关联的单体电池的一个或多个测得特性的接通时间，以优化电池单元的单体电池的充电，其中，单体电池的充电包括根据电池单元的测得特性优化电池包中的每个电池单元；以及在电池包的充电期间始终提供穿过电池包的多个串联连接的电池组的充电电流不间断流动的电流路径。
一种用于电池包的系统，电池包包括多个串联连接的电池组，每个电池组包括多个并联连接的开关电池单元，每个开关电池单元包括连接到关联电池开关的一个或多个串联连接的单体电池，系统被配置成：产生多个脉冲开关信号以控制电池包中的电池开关，每个脉冲开关信号与一个电池开关相对应；对于每个脉冲开关信号，产生控制对应电池开关的一系列脉冲，一系列脉冲具有基于与对应电池开关相关联的电池单元的一个或多个测量特性的接通时间，以优化单体电池的充电，其中，单体电池的充电包括根据电池单元的测得特性优化电池包中的每个电池单元；以及在对电池包进行充电的整个时间内提供穿过电池包的多个串联连接的电池组的充电电流不间断流动的电流路径。
附图说明
对于随后的讨论，尤其是附图，要强调的是所示的细节代表出于说明性讨论目的的示例，并且是为了说明本公开的原理和概念的目的而呈现的。在此方面中，没有试图示出超出基本理解本公开所需的实施细节。结合附图进行的讨论使得所属领域中的技术人员理解如何实施根据本公开的实施例。可以使用类似或相同的附图标记来标识或以其他方式指代各个附图和中的相似或相同元素并且用来为描述提供支持。在附图中：
图1和图1A示出根据本公开的电池包的高级示意图。
图2示出根据本公开的电池组的细节。
图3示出根据本公开的控制单元的细节。
图4和图4A示出开关配置的示例。
图5示出脉冲定时图。
图6示出根据本公开的电池包的实施例。
图6A示出根据本公开的电池包的实施例。
图7示出根据本公开的电池组。
图8和图8A示出根据本公开的电池组。
图9示出了根据本公开的用于确定充电脉冲的占空比的细节。
图10示出根据本公开的用于检测穿过电池的电流的变化的细节。
图11示出根据本公开的用于频率调制充电的控制器中的处理。
具体实施方式
以下描述中出于解释目的而阐述了许多示例和具体细节，以便透彻理解本公开。但是，对于所属领域中的技术人员而言显而易见的是，权利要求中所述的本公开可以包括这些示例中的一些或全部特征，这些特性单独使用或与下文所描述的其他特征组合，并且可以进一步包括本文所述特征和概念的修改和等同物。
图1示出根据本公开的电池包1的实施例。电池包1可以包括多个单体电池（battery cell）3-11。每个单体电池3-11可以连接到对应开关元件12-20（电池开关）；例如，FET开关。单体电池3-11可以被组织成M个电池组，即组1、组2、组m。每个电池组可以具有并联连接的N个单体电池，使电池包1中总共有M x N个单体电池。在一些实施例中，例如，N可以是2-100。例如，电池组1包括N个单体电池3、4、......5。电池组2包括N个单体电池6、7、......8等。在一些实施例中，每个电池组可以具有相同数量的N个单体电池。在其他实施例中，一个电池组相对于另一个电池组的所述单体电池的数量N可以不同。电池组的数量M可以取决于电池包1的预期输出电压VBATT。例如，如果预期VBATT为400 V并且单体电池3-11为3.7 V电池，那么对于399.6 V的VBATT，将有M=108个电池组。单体电池3-11可以是锂离子单体电池。M和N也可以有其他配置。
在电池包1的充电期间，来自充电器4的充电器电压在端子21和22处连接到电池包1。此配置如图1A所示。
电池包1可以包括控制单元2。根据本公开，控制单元2可以包括用于对电池包1中的每个单体电池3-11执行测量的电路。可以对每个电池组中的每个单体电池进行单体电池测量。每个电池组可以具有一组测量线Mx，该测量线Mx被馈送到控制单元2中，以允许单独测量此电池组中的每个单体电池。例如，电池组1可以提供一组Mi个测量线，电池组2可以提供一组测量线M2，等等。单体电池测量可以按时间间隔进行，从而允许实时地对每个单体电池的测得参数的精确值和动态变化进行数字化。如下文讨论，控制单元2可以使用测量来控制开关元件12-20的ON（接通）/OFF（关断）状态。
电池包1的开关元件12-20可以被控制单元2控制。控制单元2可以经由一组开关线Sx输出每个电池组的控制信号（开关信号）。例如，提供给电池组1的一组开关线Si可以包括用于电池组1中的每个开关元件12、13......14的控制线，提供给电池组2的一组开关线S2可以包括用于电池组2中的每个开关元件15、16......17的控制线，等等。在电池包1的充电期间，电池包1的每个单体电池3-11经由其对应的开关元件12-20被脉冲充电。根据本公开，可以控制电池包1的开关元件12-20，使得从充电器4通过端子21和22流入电池包1中的充电电流在电池包正在充电时是大体上恒定的。
在一些实施例中，开关元件12-20的接通（ON）时间可以交错（或重叠）以使从充电器4流入电池包1中的总充电电流保持大体上恒定（例如，在预定水平），从而避免充电中的电流波动，因为某些充电器（例如，开关型电压调节器）中的电流波动会损坏充电器。在一些实施例中，可以操作开关元件12-20，使得从充电器4进入电池包1中的总充电电流可以在最大充电电流与最小充电电流之间的预定范围内变化。
通过在充电期间始终保持通过电池包1的充电电流大体上恒定使得既允许使用为常规充电协议例如CCCV（恒定电流/恒定电压）等设计的电池充电器，同时又允许使用高级脉冲充电协议对电池包中的每个单体电池进行充电，以优化对此单体电池的充电。例如，发明人开发的高级脉冲充电协议可以以0.5 μS到100 mS的接通（ON）时间来操作开关元件12-20。在某些情况下，脉冲充电协议要求单体电池电流的关断（OFF）持续时间在0.5 μS到1000mS的范围内。例如，参见于2017年7月7日递交的第15/644,498号共同拥有美国专利申请，此申请的内容出于所有目的全文以引用方式并入本文中。
图2示出根据本公开一些实施例的电池组例如电池组1的细节。该图中示出，该组测量线Mi可以包括成对的感测线，以感测电池组1中跨相对应单体电池3-5的电压。例如，感测线M1-4跨单体电池14连接。尽管未示出，但应理解，在一些实施例中，测量线可以包括用于每个单体电池的感测线，以测量流过此单体电池的电流。更一般地说，可以提供测量线以测量单体电池的任何特性。图2中进一步示出，此组开关线Si可以包括相应的开关控制线，以控制连接到电池组1中的对应单体电池3、4、...5的每个开关元件12、13、...14的接通/关断（ON/OFF）状态。
图3示出根据一些实施例的控制单元2的细节。控制单元2可以包括选择器302。测量线Mx馈入选择器302中。选择器302可以在所有测量线中的感测线中的一对感测线上输出信号。例如，图3中示出，选择器302在感测线M1-4（参见图2）上输出信号，感测线M1-4连接到电池组1中的单体电池14。因此，选择器302可以接入跨电池包1中的任何单体电池的电压。
控制单元2可以包括测量电路304，以测量由选择器302提供的信号；例如，跨给定单体电池的电池电压、流动通过给定单体电池的电流等。测量电路304可以将电压电平（例如，作为数字信号）提供给控制逻辑306。通常，测量电路304和感测线可以被配置成对单体电池（例如，如图中所示）、电池单元（参见图8A）、电池组或整个电池包本身进行测量。
控制逻辑306可以在其开关线S1-Sm上输出控制信号（开关信号），以控制开关元件12-20的接通/关断状态。控制逻辑306可以操作选择器302以测量单体电池（通过测量电路304）并且基于测量值操作连接到此单体电池的开关元件；例如，控制开关元件的接通时间和关断OFF时间。根据本公开，控制逻辑306可以基于对连接到开关元件12-20的单体电池3-11进行的相应测量来产生控制信号。在一些实施方式中，查找表308可以存储一个或多个单体电池的先前测得特性。由于每个开关元件的控制信号基于对应单体电池的测得特性，因此可以优化电池包中每个单体电池的充电。
为了在充电期间始终维持通过电池包1的完整电路，必须接通每个电池组（组1、组2等）中的一个或多个开关元件，以便提供从充电器流动通过每个电池组中的至少一个单体电池的充电电流路径。图4示出充电期间的开关状态的示例。此图中示出，电池组1中的开关12接通（导通，闭合），电池组2中的开关16接通，依此类推至电池组M中的开关19。此开关配置得以形成电池包1的端子21和22之间的通过充电器充电的完整电路。因此，在根据本公开的充电过程期间，控制信号可以控制每个开关元件，使得可以优化每个对应单体电池的充电，并且同时，电池组中开关元件的接通时间的定时可以选择成使其存在重叠，以确保在充电期间每个电池组中始终存在至少一个闭合（CLOSED）开关元件，以便电池包1的端子21与22之间始终存在完整电路。
在一些实施方式中，控制单元2可以从每个电池组接通单个单体电池（即，接通与单体电池对应的开关元件），以使端子21、22之间形成完整的电路路径。例如，此开关配置如图4所示。在其他实施例中，控制单元2可以使用在充电期间接通给定电池组中的两个或更多个单体电池的开关配置。例如，图4A示出一种开关配置，其中电池组1中的单体电池3和5被接通，电池组2中的单体电池7被接通，以此类推至单体电池9和11被接通的电池组M。控制单元2可以接通电池包中的所有开关元件。
图5示出电池包1的单体电池在脉冲充电期间的充电电压波形的示例。此图示出根据一些实施方式的实现电池包1中在充电期间的不同开关配置的定时。出于解释目的，将使用图4中所示的开关配置。在时间cl，控制单元2（通过其控制逻辑）可以接通开关元件13（通过此组开关线Si中的对应控制线）以提供通过电池组1中的单体电池3的充电电流。同样地，可以接通开关元件16等直到开关元件19以提供通过相应电池组2等直到电池组M中的相应单体电池7等直到单体电池10的充电电流。脉冲1可以表示接通包括第一开关配置的开关元件13、16等直到开关元件19的开关脉冲。
在时间c2，可以改变开关配置。在时间cl接通的处于当前开关配置的开关元件将断开，并且下一个开关配置的开关元件将接通。脉冲2可以表示接通下一个开关配置的开关元件的开关脉冲。
如图5中的定时图所示，当前开关配置的开关元件可以在下一个开关配置的开关元件接通的同时断开。换句话说，脉冲1的下降沿可以与脉冲2的上升沿在时间上重合。
尽管未示出，但是在其他实施例中，在当前开关配置的开关元件断开与下一个开关配置的开关元件接通之间可能存在一些重叠。换句话说，脉冲2的上升沿可以比脉冲1的下降沿更早地发生。开关配置之间的这种定时重叠确保来自充电器4的充电电流始终流过电池包1；即，至少一些单体电池正从充电器4接收充电电流。
开关元件的特定配置取决于各种考虑因素，例如充电器4的载流容量。一些充电器具有有限电流处理，因此每个电池组仅接通一个单体电池的开关配置可能是合适的。更鲁棒的充电器（例如，能够处理高峰值脉冲电流的充电器）能够处理更高电流负载，因此能够支持每个电池组接入两个或更多个单体电池的开关配置。
在一些实施方式中，电池组中接通的单体电池数量可以从一个充电脉冲到另一个充电脉冲变化。特定开关配置的考虑因素包括充电过程的状态（例如，恒定电流模式vs恒定电压模式等）、单体电池的充电状态、电池包1的不同寿命点等。
在一些实施方式中，电池组中的单体电池子组可以并行开关而不重叠。在充电器4是开关电源的一些实施方式中，开关元件的接通和断开可以与开关电源的开关定时同步。
图6示出根据本公开的电池包1'的实施例。在一些实施例中，电池组1'可以包括相应电池组1、2、......M的单独控制单元21、22、......2m。控制单元21、22、......2m可以互连，以协调开关元件的接通和断开；例如，为了确保每个电池组中至少有一个开关元件处于闭合状态，以便闭合端子21和22之间的电路。在其他实施例中，控制单元21、22、...2m中的一些可以控制电路被配置成控制多个电池组，而不是图6中所示的一个控制单元对一个电池组的配置。
图6A示出根据本公开的电池包1"的实施例。在一些实施例中，电池包1"可以包括电池组之间的旁路单元。可以激活旁路单元以绕过一个或多个电池组。图6A示出根据一些实施例的旁路单元602的一些细节。旁路单元可以用于对一个或多个电池组中的故障作出反应、提供平衡、在FET上提供过电压保护、减少单体电池开关的转换（例如，补偿反电动势）等。
图7示出根据本公开的电池包中的电池组的实施例。在一些实施例中，电池包的电池组中的单体电池可以一起开关。例如，图7示出，单体电池的电池组具有全部被开关元件74开关的单体电池子组71，以及全部被开关元件75开关的单体电池子组72。子组（例如，71）中的单体电池可以是相同种类的单体电池，或者可以是不同种类的单体电池（例如，不同容量、尺寸、形状等）。同一单体电池子组内的这种变化使得电池包能够装配在不规则形状的外壳中。电池组可以包括单体电池子组或各个单体电池与单体电池子组的组合。例如，图7中的电池组包括被自己的对应开关元件76开关的单个单体电池73。
在一些实施方式中，一个或多个电池组可以包括替代存储元件（例如，超级电容器），替代存储元件可以在某些时间（例如，峰值负载条件）期间接通，然后被禁用，直到存在更有利的再充电条件。在一些实施例中，替代存储元件可以用作旁路元件，以减少充电期间单体电池之间的切换，从而维持平均电流。
在一些实施例中，电池组中单体电池的容量、尺寸、形状、充电/放电速率可以不同。同一单体电池子组内的这种变化使得电池包能够装配在不规则形状的外壳中。电池组中使用不同单体电池可以适应部分电池包充电期间的不同充电速率。参见图8，例如，假设单体电池81、82是具有非常高充电速率的3.7 V单体电池，并且单体电池83到84是常规充电速率的3.7 V单体电池。如果需要对电池包进行部分超快速充电，则可以经由相应的开关元件85、86接通单体电池81、82，以使用单体电池81、82的超高充电速率对电池包进行部分充电。当完成电池包的足够部分充电时，可以经由相应的开关元件87-88接通其他较慢的充电单体电池（例如，83-84）。
图8A示出在一些实施例中，电池组中的单体电池可以组织成电池单元802。电池单元可以包括一个单体电池（例如，电池单元802a）或者串联连接的两个或更多个单体电池。例如，图8A中示出三个电池单元，每个电池单元具有两个串联连接的单体电池81/81a、82/82a、83/83a。在其他实施方式（未示出）中，电池单元可以包括两个以上串联连接的单体电池。电池组可包括具有不同数量单体电池的电池单元。例如，图8A示出，电池单元802包括两个单体电池83/83a，而电池单元802a具有单个单体电池84。
回想一下，根据本公开，控制器2可以使用在对电池包1充电期间获取的单体电池的测量值来确定开关元件的接通（ON）时间和关断（OFF）时间，以便以逐个单体电池为基础来提供优化充电；例如，通过控制送到开关元件的包括控制信号的开关脉冲的接通（ON）时间和关断（OFF）时间（可以表示为占空比）。
例如，图9示出用于对单体电池充电的开关脉冲502的参数。应理解，以下描述适用于电池包1中的每个单体电池。出于讨论目的，假设开关脉冲502的脉冲周期是Tperiod，在一些实施例中，脉冲周期对于每个脉冲可以是相同的。在其他实施例中，脉冲周期可以从一个脉冲到下一个脉冲变化；例如，参见于2017年7月7日递交的第15/644,498号共同拥有美国专利申请，此申请的内容出于所有目的全文以引用方式并入本文中。开关脉冲502具有接通（ON）时间（TON）和关断（OFF）时间（TOFF）。TON和TOFF的持续时间可以基于在开关脉冲502的接通时间期间进行的电池测量值504来动态地确定。
电池测量值504可以包括流过单体电池的电流的测量值。流过单体电池的电流可以从施加开关脉冲502的时间tON起逐渐增加，并且遵循图9中所示的电流曲线图。通过单体电池的电流曲线图取决于各种因素，例如电池化学、充电状态、温度等。在锂离子电池中，例如，锂离子通过电解质从正电极流到负电极。电子和锂离子在负电极结合并沉积在那里。在充电脉冲期间，可能发生充电电流饱和，即，进入单体电池的用于此切换脉冲502的额外充电电流可能不是有效的并且甚至可能是有害的（例如，导致热量积聚、产生机械应力）。
根据本公开，控制器2（例如，控制逻辑306）可以通过查找流量曲线图中的变化来分析或以其他方式跟踪电流以检测起始充电电流饱和。假设在时间TDETECT，控制器2检测到电流曲线中的这种变化。可以使用检测时间TDETECT来确定开关脉冲502的接通时间的持续时间TON，例如，以便限制进入单体电池的充电电流。toN与TDETECT之间的第一时间时段T1C可以通过从TDETECT回退一定时间裕度，例如，通过计算tl= tDETECT-Ati，来计算。可以在检测时间TDETECT周围提供包括时间裕度和Δt2的缓冲时段506，以考虑到检测电荷饱和开始时的不确定性。第一时段T1C可以是时间toN与时间t1之间的时段。
可以基于将第二时段保持在预定范围内来计算第二时段T2c。在第二时段T2C期间，电荷饱和可以是充电脉冲期间的主导因素。在一些实施例中，可以确定第二时段T2C以便保持T1c与T2c之间的特定比率R。例如，T2c可以从以下关系计算：R =T1c/T2c，其中R可以是预定比率。接通时间TON可以被计算为TON = (T1c+T2C + T3C)，其中T3C是缓冲器502的宽度。通过动态地计算每个开关脉冲502的接通时间，电池充电可以更有效，充电期间固有地产生的电池损坏（例如，热量积聚）可以减少（可以有助于安全性），并且电池寿命可以延长。
根据本公开，可以通过用选定脉冲周期Tperiod减去TON来计算开关脉冲502的关断时间TOFF（T4C）。但是，如果得到的关断时间太长，则会增加整个电池充电时间，这通常是不希望的。因此，根据本公开，如果TOFF超出预定最大时间MaxOffTime，则可以将TOFF设置为MaxOffTime。
另一方面，如果得到的关断时间过短，那么在下一个充电脉冲开始之前，单体电池中的各种化学反应可能没有足够的恢复时间来运行；可能需要更长时间。因此，根据本公开，如果TOFF变得小于预定最小时间MinOffTime，则可以将TOFF设置为MinOffTime以便在开始下一个充电脉冲之前有时间来完成化学反应。结果，开关脉冲502的实际脉冲周期将不同于选定脉冲周期Tperiod。
如上所述，根据本公开，可以控制电池包1的开关元件12-20，使得从充电器4通过端子21和22流入电池包1中的充电电流在电池包正在充电时始终是不间断的。在一些实施例中，例如，可以调整提供给电池组（组1、组2等）的开关脉冲（例如，通过延长或缩短关断时间TOFF），使得每个电池组中至少有一个开关脉冲的接通时间彼此重叠，从而可以形成通过每个电池组的完整电路（例如，图4）。
在充电过程中，充电脉冲的充电电流的幅度可以从一个充电脉冲变化到下一个充电脉冲变化。本公开的发明人已经注意到一个充电脉冲的关断时间可以影响充电电流幅度。因此，一些实施方式中的关断时间不是基于选定脉冲周期Tperiod，而是使得关断时间响应于充电电流I的幅度可以在MinOffTime与MaxOffTime之间变化。
在一些实施方式中，可以针对不同开关脉冲502选择充电器4的输出电压。这样做的原因可能是限制开关脉冲502的电流的“余量”。电池阻抗可以是高度动态的参数，它的值可以非常快速地改变。使用常规反馈回路来控制充电电流以适应不断变化的电池阻抗可能是不切实际的，并且在某些情况下可能是不可行的。根据本公开的一些方面，可以调节充电器4的输出电压以限制其输出电平，使得流入单体电池的电流不超过安全水平。例如，假设安全限制将单体电池的峰值充电电流设置为35 A。如果我们期望单体电池具有100mΩ的最小电池阻抗和3.5 V的开路电压（OCV），则充电器4的输出电压应为11V：
3.5ν+35Α χ 0.1Ω = 11V.
其他实施方式中不限制充电器4的输出电压，而是可以使用连接到单体电池的开关元件来限制流入单体电池的充电电流。例如，在FET型开关元件的情况下，控制器2可以产生模拟输出以调节FET的栅极-源极电压并因此调节FET的装置通道饱和，以控制进入单体电池的充电电流。
电池阻抗可以从一个充电脉冲到另一个充电脉冲动态变化。对于给定充电脉冲，电池阻抗可以在充电脉冲开始时处于某个初始值，并且在充电脉冲结束时处于某个较高值。脉冲周期期间的阻抗变化在时间上可以是非线性的。给定充电脉冲期间电池阻抗的最低值和最高值可在充电过程中变化。可以基于之前在电池的其他充电期间记录的阻抗值或者基于电池的数学模型来预测这些阻抗变化。
图10示出检测通过单体电池的电流的变化的示例，此电流变化可以指示充电电流饱和的开始。在一些实施方式中，例如，电流曲线可以包括指数衰减部分和线性衰减部分。可以监测电流曲线的斜率以检测指数衰减部分与线性衰减部分之间的转换。例如，可以在充电脉冲开始时监测时间toN处的斜率。在一些实施方式中，监测可以在toN之后的某个时间开始，因为饱和不会立即发生。在一些实施方式中，可以使用斜率的变化率（即，电流曲线的二阶导数）来确定通过电池的电流是何时变化的。在其他实施例中，我们可以监测充电电流的变化率的变化率（即，三阶导数）。确切地说，我们可以检测到三阶导数的符号发生变化。
应理解，可以使用其他检测技术。在一些实施方式中，例如，此变化可以与从指数电流下降转换成线性电流下降相关联。在其他实施例中，检测可以基于从一个指数下降转换到另一个慢得多的指数下降，等等。
参见图11，现在转而以高级别的描述来讨论控制器2中的处理，以用于在对根据本公开的电池包1充电时产生控制信号以操作开关元件12-20。在一些实施例中，例如，控制器2可以包括计算机可执行程序代码或等效固件（例如，现场可编程门阵列、FPGA），计算机可执行程序代码或等效固件在被执行时使控制器2执行根据图11的处理。控制器2执行的操作流程不必限于所示的操作顺序。
在框1102中，控制器2可以在电池包充电期间根据以下内容为电池包1中的每个开关元件11-20产生控制信号。控制信号包括多个控制脉冲，控制脉冲控制对应开关元件的接通/关断状态以提供包括连接到开关元件的电池单元（例如，802a，图8A）的单体电池的脉冲充电。
在框1104中，控制器2可以为给定控制脉冲选择脉冲周期。在一些实施例中，脉冲周期对于每个开关元件可以是相同的。在其他实施例中，脉冲周期可以取决于开关元件。在其他实施例中，脉冲周期从一个周期到另一个周期可以显著变化，等等。
在框1106中，控制器2可以输出控制脉冲以接通开关元件，从而在充电脉冲接通时间的持续时间内向单体电池提供充电脉冲。
在一些实施例中，在框1108中，控制器2可以感测通过连接到开关元件的电池单元的电流。
在框1110中，控制器2可以分析电池测量值以检测通过单体电池的电流的变化，电流变化例如可以指示单体电池中充电电流饱和的开始。如果尚未检测到电流曲线的变化（例如，根据图10），则控制器2可以返回到框1108。否则，处理可以继续到框1112。
在框1112中，控制器2可以确定充电脉冲的接通时间TON的持续时间，例如如上文结合图10所解释的。
在框1114中，控制器2可以确定充电脉冲的关断时间TOFF。如果充电脉冲的接通时间很短，则可能导致关断时间过长；在此情况下，TOFF可以设置为MaxOffTime。相反，如果充电脉冲的接通时间很长，则可能导致关断时间过短；在此情况下，TOFF可以设置为MinOffTime。如上所述，根据本公开，可以控制电池包1的开关元件12-20，使得从充电器4通过端子21和22流入电池包1中的充电电流在电池包正在充电时始终是不间断的。在一些实施方式中，例如，控制器2可以协调提供给电池组的脉冲（例如，通过增加或减少关断时间TOFF），使得每个电池组中至少有一个脉冲的接通时间彼此重叠，以便形成通过端子21和22之间的每个电池组的完整电路（例如，图4）。
在框1116中，控制器2可以在框1112确定的接通时间结束时断开开关元件，以通过连接到开关元件的电池单元中断来自充电器4的充电电流。
在框1118中，控制器2可以在启动下一个充电脉冲之前延迟等于TOFF的时段。在此延迟时段期间，如果开关元件完全断开（即，没有充电电流流向电池），则从充电器4通过电池单元的充电电流的中断可以是完全中断。在一些实施方式中，在此延迟时段期间，来自充电器4的一些电流可以通过电池单元提供，例如，通过部分地关断开关元件或者控制充电器4提供通过电池单元的少量涓流电流。在其他实施方式中，可以控制充电器4以产生通过电池单元的逆流电流；例如，放电电流。
上述流程在使用通过电池单元的电流的测量值作为控制开关元件的标准的情况下来描述。在其他实施方式中，测量电路（例如，304）可以被配置成测量除电流之外或者代替电流的特性（例如，电池电压），其中控制器2可以将其用作控制开关元件的基础。
以上描述示出本公开的各种实施例以及特定实施方式的各方面如何实现的示例。以上示例不应被视为唯一实施例，并且这些实施例被提供是为了说明由所附权利要求限定的特定实施例的灵活性和优点。基于以上公开内容和所附权利要求，可以采用其他布置、实施方式、实施方案和等同物而不脱离由权利要求限定的本公开的范围。

Claims (15)

1.一种用于电池包的系统，所述系统包括：
电池包，包括多个串联连接的电池组，每个电池组包括多个并联连接的开关电池单元，每个开关电池单元包括连接到电池开关的一个或多个串联连接的单体电池；以及
控制器，产生多个脉冲开关信号以控制所述电池包中的所述电池开关，每个脉冲开关信号与一个所述电池开关相对应，
其中，在所述电池包的充电期间：
每个脉冲开关信号包括一系列脉冲，所述一系列脉冲具有基于与对应电池开关相关联的所述电池单元的一个或多个测得特性确定的接通时间，以优化包括所述电池单元的所述单体电池的充电，其中，所述单体电池的充电包括所述电池包中的每个电池单元根据所述电池单元的测量特性进行优化，以及
每个电池组中的一个或多个电池开关处于闭合状态，以便在所述电池包的充电期间始终提供穿过所述电池包的所述多个串联连接的电池组的充电电流不间断流动的路径。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器包括：用于进行一个或多个测量的第一装置，以及用于产生所述多个脉冲开关信号的第二装置，其中所述第一装置用于对单体电池、电池单元或整个所述电池包进行所述一个或多个测量。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一装置包括多个测量电路，每个测量电路与所述电池组中的一者或多者相关联，其中，所述第二装置包括多个脉冲发生器，每个脉冲发生器与所述电池组中的一者或多者相关联。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所有所述电池开关的所述多个脉冲开关信号的关断时间选定成使穿过所述电池包的充电电流在预定电流范围内。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所有所述电池开关的所述多个脉冲开关信号的关断时间选定成使穿过所述电池包的充电电流为大体恒定电流。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电池单元的所述一个或多个测得特性中的一些特性在所述脉冲的接通时间期间测量。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个测得特性包括所述电池单元内部的充电电流饱和起始，其中，所述充电电流饱和起始通过查找电流曲线的变化来检测。
8.一种用于电池包的方法，所述电池包包括多个串联连接的电池组，每个电池组包括多个并联连接的开关电池单元，每个开关电池单元包括连接到电池开关的一个或多个串联连接的单体电池，所述方法包括：
产生多个脉冲开关信号以控制所述电池包中的所述电池开关，每个脉冲开关信号与一个所述电池开关相对应；
对于每个脉冲开关信号，产生控制与所述脉冲开关信号相对应的所述电池开关的一系列脉冲，所述一系列脉冲具有基于与对应电池开关相关联的所述单体电池的一个或多个测得特性的接通时间，以优化所述电池单元的单体电池的充电，其中，所述单体电池的充电包括根据所述电池单元的测得特性优化所述电池包中的每个电池单元；以及
在所述电池包的充电期间始终提供穿过所述电池包的所述多个串联连接的电池组的充电电流不间断流动的电流路径。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：将所述电池组中的每一者中的所述脉冲开关信号中的一者或多者的接通时间重叠，以提供在所述电池包的充电期间穿过所述电池包的所述多个串联连接的电池组的充电电流不间断流动的电流路径。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：跟踪与至少一些所述单体电池相关联的电流曲线，以获得每个单体电池或每个电池单元或所述电池包的一个或多个测得特性中的至少一些特性。
11.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：访问包括所述单体电池的先前测得特性的查找表，以获得每个单体电池的一个或多个测得特性中的至少一些特性。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述电池单元的所述一个或多个测得特性包括所检测到的所述电池单元内部的充电电流饱和起始，其中，所述方法进一步包括基于所述充电电流饱和起始的检测时间tDETECT来计算脉冲序列的接通时间。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述脉冲的接通时间计算为T1c+T2C+T3C，其中，
T1c包括tON与tDETECT之间的时段；
T2C从以下关系计算：R＝T1c/T2c，其中R是预定比率，以及
T3C是缓冲期。
14.一种用于电池包的系统，所述电池包包括多个串联连接的电池组，每个电池组包括多个并联连接的开关电池单元，每个开关电池单元包括连接到关联电池开关的一个或多个串联连接的单体电池，所述系统被配置成：
产生多个脉冲开关信号以控制所述电池包中的所述电池开关，每个脉冲开关信号与一个所述电池开关相对应；
对于每个脉冲开关信号，产生控制对应电池开关的一系列脉冲，所述一系列脉冲具有基于与所述对应电池开关相关联的所述电池单元的一个或多个测量特性的接通时间，以优化所述单体电池的充电，其中，所述单体电池的充电包括根据所述电池单元的测得特性优化所述电池包中的每个电池单元；以及
在对所述电池包进行充电的整个时间内提供穿过所述电池包的所述多个串联连接的电池组的充电电流不间断流动的电流路径。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述电池单元的所述一个或多个测得特性包括通过所述电池单元的所述充电电流的变化率，其中，通过所述电池单元的所述充电电流的所述变化率指示所述电池单元内部的充电电流饱和起始。
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