CN110696639B - 用能量存储元件和两层开关进行有源单元平衡的电池模块 - Google Patents

用能量存储元件和两层开关进行有源单元平衡的电池模块 Download PDF

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Abstract

一种电池系统包括电池模块、有源单元平衡电路和电池控制器。每个单元具有径向相对的正和负单元接头。该电路包括电压传感器，以及第一和第二层开关以及能量存储元件(在电池模块的每一端处)。每个电压传感器位于相邻单元的不同对之间。控制器接收来自传感器的测量的电压，其指示相邻电池单元之间的电势。响应于测量的电压，控制器命令第一层选择性地将单元的指定对连接到相应的第二层或断开连接。控制器还命令第二层选择性地将指定的单元连接到相应的能量存储元件或断开连接。这个动作在电池单元的指定对之间穿梭输送能量，以平衡电荷状态。

Description

用能量存储元件和两层开关进行有源单元平衡的电池模块
引言
电化学电池为各种机电系统中的扭矩产生电机和其他电气装置提供电能。电池模块包括以堆叠方式布置的多个互连电池单元。在给定的电池单元内，薄的隔离层可以设置在带相反电荷的电极箔之间。隔板材料，诸如聚乙烯或聚丙烯薄膜，用作绝缘体以帮助防止电气短路。将电极箔和隔板材料密封在含有电解质溶液的箔袋内，电解质溶液允许电极之间的电子自由转移。
技术领域
本发明涉及电池领域，特别涉及用能量存储元件和两层开关进行有源单元平衡的电池模块。
背景技术
在一些实施例中，使用上述箔袋结构的电池单元可具有对称的单元接头配置。对称的电池接头配置是其中每个电池单元的正电池接头和负电池接头从袋的相对的周缘突出的配置。多个类似构造的电池单元的单元接头经由导电构件或母线帽串联或并联电连接，以构造具有特定应用电压容量的电池模块。
电池模块可以包括电池控制器和实现为柔性电路或刚性印刷电路板的一个或多个单元感测板(CSB)。CSB可用于读取各个电池单元电压，即阴极和阳极之间的总电势，以及其他相关的电池数据，诸如单元温度。然后，CSB将测量的电池数据报告给电池控制器，作为整体电池控制和电源管理策略的一部分。因此，为了正确地测量各个单元电压，现有的电池管理技术可以包括在每个电池单元的电池接头之间延伸电缆或线束。
发明内容
本文公开了一种电池系统，其具有电池模块和控制器。电池模块包括单元平衡电路和多个电池单元，每个电池单元具有上面一般描述的类型的对称电池单元配置。控制器使用单元平衡电路执行有源单元平衡方法，以在受控方式中在电池单元的指定对之间穿梭输送能量。本方法旨在当执行单元电压测量和平衡操作以及其他电池管理功能时，消除对各种电池单元的电池接头之间的延长线的需要。另外，相对于某些类型的无源平衡操作，使用所公开的单元平衡电路可以减少能量损失。
单元平衡电路采用两层有源单元平衡机械化。本文使用的术语“层”是指开关相对于堆叠或互连电池单元串的定位。第一层开关，例如单极开关，将电池单元的指定对连接到第二层开关。第二层开关可以是双极开关，将电池单元的指定对连接到能量存储元件(例如电容器或电感器)或断开连接。在堆叠内的每两个相邻电池单元之间进行电压测量，对开关进行总体控制最终平衡电池单元的电荷状态。
本文公开了一种电池系统，其在一个示例性实施例中包括电池模块、有源单元平衡电路和电池控制器。电池模块具有第一端、第二端和电池单元串。每个相应的电池单元具有在径向相对的正和负单元接头，即是对称的。该电路包括电压传感器，以及第一和第二层开关和能量存储元件(在电池模块的第一和第二端中的每一个处)。每个电压传感器分别位于串的不同对的相邻电池单元之间。
控制器从电压传感器接收测量的电压，其指示每对相邻电池单元之间的电势。响应于测量的电压，控制器命令在第一或第二端的第一层开关以选择性地将电池单元的指定对连接到在第一或第二端的相应一端的第二层开关或断开连接。控制器还命令第二层开关选择性地将电池单元的指定对连接到能量存储元件中的相应一个或断开连接，从而在电池单元的指定对之间穿梭输送能量，并从而平衡串的电荷状态。
在两个可能的实施例中，能量存储元件可以是电容器或电感器。
电池控制器可以使用测量的电压计算串的每个相应电池单元的电池单元电压，将计算的每个电池单元的电池单元电压与校准的阈值单元电压进行比较，并响应于计算的电池单元电压中的一个或多个超过校准的阈值单元电压命令第一和第二端的第一和第二层开关断开或闭合。
电池控制器可以响应于具有串中的最高单元电压的串中的电池单元中的一个邻近于具有串中的最低电池电压的串中的电池单元中的一个命令第一和/或第二层开关的不同开关断开或闭合。
第一层开关的开关可以是单极开关，并且第二层开关的开关可以是双极开关。
还公开了一种用于有源平衡电池模块中的电池单元串的电荷状态的方法。该方法可以包括分别在电池模块的第一和第二端布置有源单元平衡电路，该有源单元平衡电路包括能量存储元件和多个电压传感器。每个电压传感器分别位于串的不同对的相邻电池单元之间。该电路还包括位于电池模块的第一和第二端中的每一个处的第一和第二层开关。
该方法包括经由电池控制器从电压传感器接收测量的电压。测量的电压表示相邻电池单元的每个不同对之间的电势。响应于测量的电压，该方法包括使用电池控制器命令第一或第二端的第一层开关闭合或断开，并从而分别将电池单元的指定对连接到到第二层开关中相应的一个或断开连接。该方法还包括经由电池控制器命令第二层开关选择性地将电池单元的指定对连接到能量存储元件中的一个或断开连接，使得能量在电池单元的指定对之间穿梭输送，并平衡电池单元串的电荷状态。
在另一实施例中，提供有源单元平衡电路以与上述电池模块一起使用。该电路包括分别位于第一和第二端的第一和第二能量存储元件，分别位于串的相邻电池单元的不同对之间的电压传感器，以及位于电池模块的第一端的第一和第二层开关，并如上所述进行配置。
以上发明内容并不旨在代表本公开的每个实施例或方面。相反地，前述发明内容举例说明了本文所述的某些新颖方面和特征。从以下结合附图和所附权利要求书的用于执行的本公开的代表性实施例和模式的具体实施方式中，本公开的上述和其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是使用了使用根据本文所述的有源单元平衡方法的多单元电池模块的示例性机动车辆的示意图。
图2是图1中所示的电池模块的对称电池单元的示意性透视图。
图3是电池模块的实施例的示意性局部分解视图，其描绘了配置为执行本文所述的有源单元平衡方法的对称电池单元和电池感测电路。
图4是可用于图1和图2中所示的示例性电池模块的有源单元平衡电路的示意性电路图。
图5是描述使用图4中所示的有源单元平衡电路来实现本公开的实施例的流程图。
本公开易于进行修改和以替代形式替代，其中代表性实施例在附图中以示例的方式示出并在下面进行详细描述。本公开的发明方面不限于所公开的特定形式。相反地，本公开旨在覆盖落入由所附权利要求书限定的本公开的范围内的修改、等同物、组合和替代。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记在若干视图中指代相同的部件，图1中示出了电池模块10和电池控制器(C)50，作为机电系统14的一部分。机电系统14可以实现为如图所示的机动车辆14V，或者可选地实现为动力装置、移动平台或机器人、轨道或航空航天器，或船舶。在图示的机动车辆14V中，一组驱动轮16可相对于车身18布置。当电池模块10给这种机器供电时，来自电机(未示出)的扭矩可用于给驱动轮16或另一个耦接的负载供电。
在非限制性示例实施例中，电池模块10可以不同地配置为可再充电锂离子或镍镉电池组。可以设想电池模块10的其他实施例具有不同的模块形状和/或额定功率，或者采用除锂或镍镉之外的活性材料。图1中所示的电池模块10的特定配置和应用因此旨在帮助说明本教导，而不是将这种教导限制于特定的机动车辆14V。
简要地参考图2，图1的电池模块10使用具有对称配置的电池单元20。也就是说，在构造电池模块10中使用的每个电池单元20具有带有边缘21的箔袋22，在所示的矩形配置中边缘21沿细长侧面23之间延伸。正(+)和负(-)单元接头24和25，即阴极接头和阳极接头分别电连接到位于箔袋22内的正和负电极箔(未示出)。如上所述，从边缘21向外突出一小段距离的单元接头24和25彼此径向相对地定位。尽管为了说明清楚从图2中省略，但是边缘21可以与电池模块10的外表面齐平地布置，使得电池模块10的给定侧或端部的单元接头24和25布置在单个列中，如图3中所示。
尽管为了说明简单从图2中省略，电池模块，诸如图1的电池模块10可以使用“重复框架”配置来构造，其中各个单元框架形成冷却剂歧管，同时为电池单元20提供结构刚性。在可能的配置中，含有正和负电极箔、限定内部冷却剂通道的散热片和泡沫分隔器的图2的电池单元20对可以在整个电池模块10中以重复布置夹在相邻单元框架之间。电池冷却剂可以经由冷却剂端口进入电池模块10，并且穿过电池单元20或围绕电池单元20循环以用于热调节。
再次参考图1，电池控制器50可以实现为主电池控制单元，并且可以包括一个或多个处理器(P)和足够量的存储器(M)，例如，只读存储器、随机存取存储器和电可擦除可编程只读存储器。电池控制器50被配置为执行体现有源单元平衡方法100的指令，其示例在下面参考图5进行描述。作为方法100的一部分，电池控制器50向电池模块10发送并从电池模块10接收电池控制数据(双头箭头11)，包括测量或计算的电压、电流、温度和开关断开/闭合状态控制信号，如下面特别参考图3和图4详细说明的那样。
图3示意性地描绘了使用单元堆叠28的电池系统40。单元堆叠28包括图2中所示的多个电池单元20，诸如在示出的示例性实施例中的12个这样的电池单元20。如上所述，电池单元20在其接头配置中是对称的。也就是说，给定电池单元20的相应正单元接头24和负单元接头25在单元堆叠28的相对端部E1和E2处从箔袋22的边缘21向外突出(参见图2)。整个单元堆叠28可以封装在电池壳体15内，为了说明简单和清楚，图3中仅示出了电池壳体15的一部分。电池壳体15的定向可以根据预期的应用而变化，即可以是如图所示的水平的或垂直的。结果，术语“端部”可以包含电池壳体15的侧面，或者可选地包括电池壳体的顶部和底部。
单元感测板(CSB)42，即容纳或支撑所公开的图4的有源单元平衡电路60的硬件元件的印刷电路板组件，可以在每个端部E1和E2处电连接到正单元接头24和负单元接头25。单元(1)的正单元接头在E1处连接到单元(2)的负单元接头，单元(2)的正单元接头在E2处连接到单元(3)的负单元接头，等等。图3的示例单元堆叠28包括所有的十二个电池单元20，并因此包括所有的十二个正单元接头24、十二个负单元接头25和两个CSB42。结果，为相应的单元接头24和25测量六个不同的电压加上在端部E2处从单元(1)到单元(12)的块电压，并且为十二个单元接头24和25的相应对测量五个不同的电压加上在端部E1处从电池(2)到电池(11)的电压。
不是在给定电池单元20的单元接头24和25之间延长高压布线或布线电缆的长度，而是使用图4和图5中的替代方法，测量单元间电压(即电池单元20的相邻对之间的电势)，在每个端部E1和E2处都这样进行。之后，电池控制器50使用单元间测量值计算每个电池单元20的单元电压，并然后响应于推断的数据控制电池模块10的单元平衡操作。
为此，图3的CSB42例如经由传输导体或通过无线连接，与电池控制器50通信。位于端部E1和E2的CSB42在电池系统40的持续操作期间将电池控制输入数据(箭头CCI)传送到电池控制器50。反过来，控制器50执行方法100以有源地平衡电池单元20的电荷状态，其中电池控制器50最终将二进制开关控制信号(箭头CCO)输出到一组开关硬件，其示例在图4中示出。
图4描绘了上面提到的有源单元平衡电路60，其中电路60可与图1的电池模块10一起使用。图5中所示的方法100的实施例可由电池控制器50使用在有源单元平衡电路60的整体控制中。图4的电路60示出了图3的端部E1和E2，其中一些电池单元20在每个端部E1和E2处被连接，如图所示。也就是说，给定电池单元20的对称配置，相邻电池单元20的正单元24和负单元25可在端部E1和E2处连接，如图3中最佳示出的。
在所示实施例中，能量存储元件62(诸如存储静电场能量的电容器C1和C2)可以在结合电池单元20的相应端部E1和E2处使用，其中十二个示例电池单元20标记为20-1、20-2、...、20-12。在其他实施例中，能量存储元件62可以是存储电磁场能量形式的能量的电感器L1和L2，因此电容器C1和C2的使用是非限制性的。
对于每个端部E1和E2，有源单元平衡电路60包括电开关的两个对应的层，其中开关响应于来自电池控制器50的二进制开关控制信号。对于相应的端部E1和E2，两层包括第一层T1A和T1B以及第二层T2A和T2B。第一层T1A和T1B可以实现为单极开关，而第二层T2A和T2B的开关可以是双极开关。另外，第一层T1A中使用的开关在图4中被奇数编号，如S1、S3、S5、S7、S9和S11。第一层T1B的开关是被偶数编号的，即S0、S2、S4、S6、S8、S10和S12，其中数字0-12唯一地标识开关所连接的电池单元20。例如，开关S1连接到标记为“20-1”的电池单元20和标记为“20-2”的相邻单元，开关S0是也连接到单元20-1的末端单元。类似地，开关S12连接到电池20-12，并且由于在所示实施例中没有第13电池单元20，电池20-12也是单元堆叠28中的最后一个单元。
第二层开关T2A和T2B同样分别具有奇数和偶数编号的开关，即SO1和SO3是第二层T2A的指定开关，并且SE0和SE2是层T2B的指定开关。在各种实施例中，第一层T1A、T1B和第二层T2A、T2B的物理开关可以实现为接触器或继电器，或者为半导体或固态开关。根据方法100的顺序逻辑框对有源单元平衡电路60中的各种开关进行控制，其示例性实施例在图5中示出。
参考图5并且在框S101处开始控制器50的初始化，例如在启动图1的示例性车辆14V时，方法100通过在框S102处测量单元间电压来进行。为此，如图3中示意性地示出的电压传感器65可以设置在相邻电池单元20之间并且用于此目的，其中电压传感器65连接到CSB42的电路迹线(未示出)，并且CSB42与电池控制器50有线或无线地通信，如上所述。
经由电压传感器65获取的电压测量值表示部分电压测量值，即在本方法中不直接测量每个相应电池单元20的单元电压。相反地，电压测量值是图3的电压V1-V12。如图3中所示，例如，电压“V1和V2”是图4中标记为20-1和20-2的电池单元20之间的电压，“V2和V3”是单元20-2和20-3之间的电压等。电池控制器50将这样的单元间电压临时记录在存储器(M)中。此后，电池控制器50可以使用单元间电压数据计算各个电池单元20的对应单元电压。也就是说，通过测量相邻电池单元20之间的电势而不是直接测量每个电池单元20的单元电压，可以避免在每个电池单元20的电极接头24和25之间需要延长的线束。然后，方法100进行到框S104。
框S104需要将在框S102处导出的单元电压与校准的阈值单元电压进行比较。电池控制器50在框S106处确定是否需要有源单元平衡操作，即是否一些或所有单元电压低于还是高于校准的电压阈值。当电池控制器50确定需要有源单元平衡时，方法100进行到框S108。当电池控制器50确定不需要有源单元平衡时，重复框S102。
框S107包括识别具有最高和最低计算的单元电压的电池单元20，其中电池控制器50标称上将具有最高电压的电池单元20识别为“N”单元，并且将具有最低电压的电池单元20识别为“M”单元，其中N和M是电池单元20的数字标识符，即图3的具有十二个这种电池单元的示例单元堆叠28中的1-12。然后，方法100进行到框S108。
当电池控制器50在框S106处确定需要有源单元平衡时，到达框S108。在框S108处，电池控制器50确定在框S107处识别的N和M单元是否在图3的单元堆叠28内彼此相邻。当N和M单元相邻时，方法100进行到框S120。否则，方法100进行到框S110。
在框S110处，电池控制器50接下来评估与从框S107所识别的N单元(即，最高电压电池单元20)相邻的电池单元20，以检查一个相邻电池单元20的电压水平(VN-1)是否高于另一相邻电池单元20的电压水平(VN+1)。即，如果(N)电池单元20是图3中的电池单元20-5，则(N-1)电池单元20是电池单元20-4，并且(N+1)电池单元20是电池单元20-6。当VN-1>VN+1时，方法100进行到框S112。当VN-1≤VN+1时，方法100进行到框S113。
框S112包括闭合对应于电池单元(N)和(N-2)的层1开关T1A或T1B。图4的实施例中的层1开关T1A或T1B标号为S1-S10。然后，方法100进行到框S114。
框S113包括闭合对应于(N-1)和(N+1)电池单元20的层1开关T1A或T1B，即位于具有最高单元电压的电池单元20两侧的电池单元20。然后，方法100进行到框S114。
框S114包括在与进行有源平衡的电池单元20相同的端部E1或E2处闭合层2开关T2A或T2B。闭合开关T2A或T2B导致能量存储元件62充电，在该例中为电容器C1或C2。然后，方法100进行到框S116。
在框S116处，电池控制器50断开连接到(N)电池单元20的层1开关，然后进行到框S118。
框S118包括闭合(M)和(M-2)电池单元20的层1开关，或者闭合(M-1)和(M+1)电池单元20的层1开关，即闭合任何组对应于充电的能量存储元件62的开关，并然后返回到框S102。
当在框S108处确定(N)和(M)电池单元20彼此相邻时，再次利用在单元堆叠28中具有最高单元电压的(N)单元和单元堆叠28中具有最低单元电压的(M)单元，到达框S120。框S120包括确定(N)或(M)电池单元20是否是单元堆叠28中的第一个或最后一个电池单元20。也就是说，在电池单元20布置成如图4中所示的电串联串时，用作“最后”电池的电池单元20仅具有一个相邻的电池单元20(即其不夹在两个相邻电池单元20之间)。在这种情况下，没有(N+1)或(N-1)电池单元20。当(N)电池单元20和(M)电池单元20都不是单元堆叠28中的最后一个电池单元20时，方法100进行到框S110。当(N)或(M)电池单元20是单元堆叠28中的最后一个电池单元20时，方法100同时进行到框S122和S123。
框S122包括在进行到框S124之前经由电池控制器50为(N)和(N-2)电池单元20闭合层1开关。
框S123包括为(N-1)和(N+1)的电池单元20闭合层1开关，并进行到框S124。
在框S124处，电池控制器50在与正被平衡的电池单元20相同的端部E1或E2处闭合层2开关T2A或T2B。闭合开关T2A或T2B对能量存储元件62进行充电，即图4的示例性实施例中的电容器C1或C2。然后，方法100进行到框S126。
在框S126处，电池控制器50断开连接到(N)电池单元20的层1开关，即具有最高单元电压的电池单元20，并然后进行到框S128。
框S128需要经由电池控制器50闭合对应于充电的能量存储元件62的在端部E1或E2处的层1开关，并然后返回到框S102。
因此，上面详述的方法使用两层有源单元平衡机械化来在电池模块(例如图1的电池模块10)中实现有源单元平衡，如图2和图3中所示其具有具有对称的电池单元配置的电池单元20，其中所公开的电池控制器50使用图4的电池单元平衡电路60在这种电池单元20的指定对之间以受控的方式穿梭输送能量。当根据图5的方法100执行电池管理功能时，本方法消除了对图3的各个电池单元20的单元接头24和25之间的延长线束的需求。另外，相对于某些类型的无源平衡操作，使用所公开的图4的单元平衡电路60可以减少能量损失。根据本公开，这些和其他附带的益处对于本领域普通技术人员将是显而易见的。
虽然已经详细描述了一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实践所附权利要求书中限定的本教导的各种替代设计和实施例。本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对所公开的实施例进行修改。此外，本概念明确地包括所描述的元素和特征的组合和子组合。具体实施方式和附图是对本教导的支持和描述，本教导的范围仅由权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种电池系统，包含：
电池模块，其具有第一端、第二端和电池单元串，其中所述串的每个相应的电池单元具有径向相对的正和负单元接头；
有源单元平衡电路，其包括多个电压传感器，并且在所述电池模块的所述第一和第二端中的每一个处包括：第一和第二层开关，以及能量存储元件；其中所述多个电压传感器中的每个相应的电压传感器分别位于所述串的相邻电池单元的不同对之间，其中所述第一层开关的开关是单极开关，并且所述第二层开关的开关是双极开关；以及
电池控制器，其配置为从所述电压传感器接收测量的电压，其指示每对所述相邻电池单元的不同对之间的电势；响应于所述测量的电压，命令在所述第一或第二端的所述第一层开关，以选择性地将所述电池单元的指定对连接到在所述第一或第二端的相应一端的到所述第二层开关或断开连接；并且命令所述第二层开关选择性地将所述电池单元的指定对连接到所述能量存储元件中的相应一个或断开连接，以使得能量在所述电池单元的指定对之间穿梭输送，并从而平衡所述串的电荷状态。
2.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述第一端的所述能量存储元件是第一电容器，并且所述第二端的所述能量存储元件是第二电容器。
3.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述第一端的所述能量存储元件是第一电感器，并且所述第二端的所述能量存储元件是第二电感器。
4.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述电池控制器配置为使用所述测量的电压计算所述串的每个相应电池单元的电池单元电压，将每个所述电池单元的所述计算的电池单元电压与校准的阈值单元电压进行比较，并响应于所述计算的电池单元电压中的一个或多个超过所述校准的阈值单元电压命令所述第一和第二端的所述第一和第二层开关断开或闭合。
5.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述电池控制器配置为响应于具有所述串中的最高单元电压的所述串中的所述电池单元中的一个邻近于具有所述串中的最低电池电压的所述串中的所述电池单元中的一个命令所述第一和/或第二层开关的不同开关断开或闭合。
6.一种用于电池模块的有源单元平衡电路，所述电池模块具有第一和第二端以及电池单元串，所述电池单元串中的每个相应电池单元具有径向相对的正和负单元接头，所述有源单元平衡电路包含：
分别设置在所述第一和第二端的第一和第二能量存储元件；
多个电压传感器，每个相应的电压传感器分别位于所述串的相邻电池单元的不同对之间；
位于所述电池模块的所述第一端的第一和第二层开关，其中所述第一层开关是单极开关，并且所述第二层开关是双极开关，所述第一和第二端的所述第一层开关选择性地将所述电池单元的指定对连接到所述第二层开关中的相应一个或断开连接，并且所述第二层开关经由所述第一层开关中的相应一个选择性地将电池单元的各个对连接到所述第一或第二能量存储元件中的一个或断开连接，以在所述电池单元的指定对之间穿梭输送能量，并从而平衡所述电池单元串的电荷状态。
7.根据权利要求6所述的有源单元平衡电路，其中所述第一和第二能量存储元件是第一和第二电容器。
8.根据权利要求6所述的有源单元平衡电路，其中所述第一和第二能量存储元件是第一和第二电感器。
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