CN111758200A - 具有局部感测和切换的单体平衡 - Google Patents

具有局部感测和切换的单体平衡 Download PDF

Info

Publication number
CN111758200A
CN111758200A CN201880079980.5A CN201880079980A CN111758200A CN 111758200 A CN111758200 A CN 111758200A CN 201880079980 A CN201880079980 A CN 201880079980A CN 111758200 A CN111758200 A CN 111758200A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cell
module
battery
parameter
controllers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201880079980.5A
Other languages
English (en)
Inventor
唐纳德·伦波斯基
杰奎琳·德多
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ivell Mobile Ltd
Neapco Intellectual Property Holdings LLC
Original Assignee
Ivell Mobile Ltd
Neapco Intellectual Property Holdings LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ivell Mobile Ltd, Neapco Intellectual Property Holdings LLC filed Critical Ivell Mobile Ltd
Publication of CN111758200A publication Critical patent/CN111758200A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4207—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0018—Circuits for equalisation of charge between batteries using separate charge circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0019—Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00302—Overcharge protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00304—Overcurrent protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00306—Overdischarge protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00309—Overheat or overtemperature protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/0048—Detection of remaining charge capacity or state of charge [SOC]
    • H02J7/0049—Detection of fully charged condition
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/005—Detection of state of health [SOH]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/14—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle
    • H02J7/16—Regulation of the charging current or voltage by variation of field
    • H02J7/24—Regulation of the charging current or voltage by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

用于电池模块内的单体平衡的系统和方法包括在每个电池单体处的局部感测和切换。切换电路(30)与每个电池单体(22)相关联，以将电池单体与电池模块连接或在功能上断开连接。对于每个电池单体，模块控制器(40)生成一个或多个参数阈值作为最大操作值。每个单体具有与其相关联的单体控制器，以监控一个或多个单体参数，该一个或多个单体参数经由共享监控线(54)被传送到求和模块(52)，被求平均并且被传送到模块控制器。单体控制器各自经由共享控制线接收参数阈值，并且如果单体参数超过对应的参数阈值，则命令相关联的切换电路在功能上断开连接并且绕过电池单体。还提供检查电池模块的方法。

Description

具有局部感测和切换的单体平衡
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年11月14日提交的美国临时专利申请序列号62/585,824和2018年11月13日提交的美国实用新型专利申请序列号16/188,551的权益，这些申请的内容通过引用被完全结合在本文中。
背景技术
1.发明的领域
用于在多单体电池模块中使用局部感测和切换来平衡单体的系统。
2.现有技术的描述
众所周知，单独的单体的电性能变化可能限制电池的整体性能。在具有高单体数量的电池中尤其如此。通常，电池的性能被限制到最弱单体的性能。每个单体的性能可以用诸如负载下的总电压、负载下的温度、电荷存储能力、内部阻抗、动态电荷迁移等参数来测量。
例如，在串联连接的单体组中的峰值电流受到由于热量累积而具有最高内部阻抗的单体的内部阻抗的限制。在另一示例中，串联连接的单体组中的可用总电荷受到最弱单体的电荷存储的限制。在这些情况和其他情况(并联连接的单体和电压匹配……的结果类似)下，可以通过平衡电池或电池模块中所有单体的电流和电压来改进电池的整体性能。
用于平衡电池模块内的电池单体的传统方法包括分流电阻(也被已知为电阻泄放平衡)、响应于单独单体电压的再充电电流调制以及将电荷从一个单体移动到另一单体的切换电流泵。然而，那些传统方法中的每个方法具有相关联的缺点。电阻泄放平衡消散高性能单体中的额外电荷，直到低性能单体被充电为止。在该方法中，大量的能量可能作为分流电阻中的热量被消散。再充电电流调制可能更有效，但是电流实施方式需要将数个导线连接到每个单体。电荷泵可能非常有效，但是由于过多的接线要求，无法按比例放大到具有高单体数量的电池。
发明内容
本发明提供用于具有局部感测和切换的单体平衡的系统和方法。系统包括电池模块，该电池模块包括串联配置的多个电池单体，其中，每个电池单体具有切换单体端子和非切换单体端子。
本公开的系统包括一个或多个切换电路，每个切换电路被配置为切换电池模块中的相关联的一个电池单体。每个切换电路在第一模式和第二模式之间可切换，第一模式使相关联的电池单体与电池模块一起处于服务状态，第二模式使相关联的电池单体在功能上与电池模块中的服务断开连接。每个切换电路包括第一开关，该第一开关在第一模式中被配置为闭路，以允许相关联的电池单体的切换单体端子和模块节点之间的电流流动。第一开关还在第二模式中被配置为开路，以阻止切换单体端子和模块节点之间的电流流动。每个切换电路还包括与相关联的电池单体的非切换单体端子电接触的单体旁路导体。每个切换电路还包括第二开关，该第二开关在第一模式中被配置为开路，以阻止单体旁路导体和模块节点之间的电流流动。第二开关还在第二模式中被配置为闭路，以允许单体旁路导体和模块节点之间的电流流动。
本公开的系统还包括与每个切换电路相关联的单体控制器。每个单体控制器被配置为监控相关联的电池单体的单体参数，并且响应于单体参数超过对应的参数阈值，使切换电路从第一模式改变为第二模式。
根据本公开的一方面，电池模块中的每个电池单体可以是具有与其相关联的切换电路的相关联的电池单体。
根据本公开的另一方面，每个单体控制器可以包括阈值输入端子，用于接收与参数阈值对应的输入信号。每个单体控制器还可以包括与模块控制器以及与每个单体控制器的阈值输入端子电连通的共享控制线，以在它们之间传送参数阈值。
根据本公开的另一方面，参数阈值可以是两个或更多个参数阈值中的一个参数阈值。每个单体控制器的阈值输入端子可以是每个单体控制器的两个或更多个阈值输入端子中的一个阈值输入端子。此外，共享控制线可以是两个或更多个共享控制线中的一个共享控制线，其中，每个共享控制线与模块控制器以及与每个单体控制器的对应的一个阈值输入端子电连通，并且其中，每个共享控制线传送对应的一个参数阈值。
根据本公开的另一方面，系统可以包括每个单体控制器上的参数输出端子，用于提供与至少一个单体参数对应的输出信号。系统还可以包括与每个单体控制器电连通的共享监控线，以从每个单体控制器向公共目的地传送一个或多个单体参数。
根据本公开的另一方面，共享监控线可以是两个或更多个共享监控线中的一个共享监控线，其中，每个共享监控线与每个单体控制器和公共目的地电连通。
根据本公开的另一方面，共享监控线可以被配置为传送多个单体参数。在一个实施例中，多个单体参数可以在不同的时间通过共享监控线被传送。在一些实施例中，多个单体参数可以同时通过共享监控线被传送。在一个实施例中，多个单体参数中的每个单体参数可以与不同的载波频率相关联。
根据本公开的另一方面，单体参数可以选自包括以下内容的组：单体热通量、单体电流、单体荷电状态、单体温度和单体电压。
根据本公开的另一方面，提供一种用于单体平衡的系统，其中，系统包括电池模块以及一个或多个切换电路，该电池模块包括串联配置的多个电池单体，每个切换电路被配置为在第一模式和第二模式之间切换多个电池单体中的相关联的电池单体，第一模式使相关联的电池单体与电池模块一起处于服务状态，第二模式使相关联的电池单体在功能上与电池模块断开连接。系统还包括单体控制器，该单体控制器与一个或多个切换电路中的每个切换电路相关联，并且被配置为监控与其相关联的相关联的电池单体的单体参数，并且响应于单体参数超过对应的参数阈值，使切换电路从第一模式改变为第二模式。系统进一步包括每个单体控制器上的阈值输入端子，用于接收与至少一个参数阈值对应的输入信号。系统还包括与模块控制器以及与每个单体控制器的阈值输入端子电连通的共享控制线，以在它们之间传送参数阈值。
根据本公开的一方面，用于单体平衡的系统还可以包括每个单体控制器上的参数输出端子，用于提供与至少一个单体参数对应的输出信号。系统还可以包括与每个单体控制器电连通的共享监控线，以从每个单体控制器向公共目的地传送一个单体参数。
一种用于单体平衡的方法，包括以下步骤：由单体控制器测量串联连接的多个电池单体中的每个电池单体的一个或多个单体参数的值，该单体控制器在功能上与每个电池单体相关联；由每个单体控制器将单体参数的测量的值与和一个或多个单体参数中的每个单体参数相关联的参数阈值进行比较；以及响应于任何一个单体参数的测量的值超过与对应的一个单体参数相关联的参数阈值，由一个单体控制器向对应的切换电路发出命令信号，以将相关联的一个电池单体从电池模块内的服务移除。
用于单体平衡的方法进一步包括以下步骤：响应于来自相关联的单体控制器的命令信号，由第一开关禁止相关联的一个电池单体和模块节点之间的电流路径，以使相关联的一个电池单体在功能上与电池模块中的服务断开连接；以及响应于来自相关联的单体控制器的命令信号，由第二开关建立通过绕过相关联的一个电池单体的旁路导体的电流路径，以允许电池模块在相关联的一个电池单体在功能上与电池模块中的服务断开连接的情况下起作用。
根据本公开的一方面，一个或多个单体参数可以选自包括以下内容的组：单体热通量、单体电流、单体荷电状态、单体温度和单体电压。
用于单体平衡的方法可以进一步包括：在每个单体控制器上的阈值输入端子处接收与参数阈值对应的输入信号；以及通过共享控制线从模块控制器向每个单体控制器传送参数阈值。
用于单体平衡的方法可以进一步包括：在每个单体控制器上的输出端子上提供与一个或多个单体参数中的一个单体参数的测量的值对应的输出信号；以及通过共享监控线从每个单体控制器向公共目的地传送一个或多个单体参数中的一个单体参数的测量的值。
用于单体平衡的方法可以进一步包括：由每个单体控制器通过共享监控线向求和模块传送一个或多个单体参数中的一个单体参数的测量的值；以及对于多个电池单体，确定一个或多个单体参数中的一个单体参数的平均值。
根据本公开的一方面，用于单体平衡的方法可以进一步包括，用于确定电池模块内的一个或多个电池单体的状况的第一检查方法。第一检查方法可以包括：将参数阈值设置为相对较高的值，以使大多数或所有电池单体在功能上被连接到电池模块；监控模块电压，以确定在任何给定时间在功能上被连接到电池模块的电池单体的数量；以及逐步降低参数阈值，同时监控在功能上被连接到电池模块的电池单体的数量，以确定参数阈值对电池单体的影响。
根据本公开的另一方面，用于单体平衡的方法可以进一步包括，用于确定电池模块内的一个或多个电池单体的状况的第二检查方法。第二检查方法可以包括：将参数阈值设置为预定值；监控模块电压，以确定在参数阈值被设置为预定值的情况下在功能上被连接到电池模块的电池单体的数量；以及基于在参数阈值被设置为预定值的情况下在功能上被连接到电池模块的电池单体的数量，判断电池模块的相对健康状况。
本公开的系统和方法的目标包括，通过在具有高单体数量的电池之间最佳地分布测量、数据共享、计算和决策的功能来实现精确的单体平衡，最小化到单独单体的连接以及最小化每单体的成本。
换句话说，本公开的系统和方法通过局部感测、基于共享的/平均的/计算的参数的阈值设置、使用局部决策和局部单体切换，来提供平衡单体。在该方法中，根据指示单体状态的一个或多个参数，动态地将单体切入(switch in)服务或切出(switch out)服务。例如，在再充电时，如果单体的电压、温度或热通量指示它充满电，则单体可以在功能上被断开连接或“切出”。在放电时，如果单体的电压、温度或热通量指示它过载/过流或放完电，则单体可以被切出。
本公开的系统和方法提供优于当今使用的其他系统的多个优点。它允许降低用于单体平衡的成本和打包尺寸。随着该成本和尺寸的降低，单体平衡在高单体数量的电池中很实用。该概念扩展到具有连接层次结构的电池，包括串联、并联和串联/并联连接方案。
附图说明
当结合附图考虑时，因为通过参考以下详细描述，本发明变得更好理解，所以也将容易地理解本发明的其他优点，其中：
图1是示出具有用于局部感测和切换的电路的电池模块的示意图；
图2是示出电池模块的切换电路的示意图；
图3A是示出根据本公开的一方面的用于具有局部感测和切换的单体平衡的实施例的方法步骤的流程图；
图3B是图3A的流程图的延续；
图3C是图3A的流程图的进一步延续；
图4是示出根据本公开的一方面的检查方法的方法步骤的流程图；以及
图5是示出根据本公开的一方面的替代检查方法的方法步骤的流程图。
具体实施方式
参考附图，其中，多个视图中相同的附图标记指示对应的部分，提供用于具有局部感测和切换的单体平衡的系统。如图1中示出的，系统包括电池模块20，该电池模块20具有以串联配置布置的多个电池单体22，在电池单体22的串的每个末端具有模块端子28，用于对电池模块20充电或放电。如本公开中阐述的每个电池单体22可以指的是单个电化学单体，或者指的是作为一组被连接在一起并且被一起监控的两个或更多个电化学单体的组。
每个电池单体22包括切换单体端子24和非切换单体端子26。在图1和2中示出的示例实施例中，切换单体端子24是电池单体22的正极端子，并且非切换单体端子26是电池单体22的负极端子。然而，应该理解的是，切换单体端子24和非切换单体端子26也可以与具有相反极性的电池单体22的端子相关联。换句话说，切换单体端子24可以是电池单体22的负极端子，并且非切换单体端子26可以是电池单体22的正极端子。
切换电路30与每个电池单体22相关联，并且在第一模式和第二模式之间可切换，第一模式使相关联的电池单体22与电池模块20一起处于服务状态，第二模式使相关联的电池单体22在功能上与电池模块20中的服务断开连接。换句话说，在第一模式中，相关联的电池单体22被连接在电池模块20的串联电路中，并且能够与电池模块20一起充电和放电。在第二模式中，相关联的电池单体22在功能上与电池模块20的串联电路断开连接，并且不与电池模块20一起充电或放电。
如图1中示出并且图2中详细描述的，切换电路30包括与切换单体端子24电连通的第一开关32。第一开关32在第一模式中被配置为闭路，以允许电流在切换单体端子24和模块节点34之间流动，该模块节点34与模块端子28中的一个或另一个电池单体22的单体端子24、26中的一个电接触。第一开关32还在第二模式中被配置为开路，以阻止电流在切换单体端子24和模块节点34之间流动。因此，第一开关32操作为选择性地将相关联的电池单体22与电池模块20连接或断开连接。
切换电路30还包括与非切换单体端子26电接触的单体旁路导体38，以及在第一模式中被配置为开路以阻止电流在单体旁路导体38和模块节点34之间流动的第二开关36。第二开关36在第二模式中被配置为闭路，以允许电流在单体旁路导体38和模块节点34之间流动。因此，第二开关36操作为选择性地使单体旁路导体38能够传导在第二模式中绕过相关联的电池单体22的电流，从而允许电池模块20继续起作用并且被充电和/或放电，其中，相关联的电池单体22在功能上与该电池模块20断开连接。
如图2中示出的，开关32、36可以采用P沟道和N沟道增强模式的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的形式；然而，可以使用其他类型的开关设备，包括不同类型的晶体管，诸如场效应晶体管(FET)，包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的双极结型晶体管(BJT)，或诸如机电继电器中的触点。优选地，并且为了避免引起电池单体22的短路状况，开关32、36应该具有先开后合布置，该先开后合布置可以被实施为如图1中示出的C型触点。两个开关32、36与共享控制输入的组合，以将输出置于两个不同限定状态中的一个，每个限定状态基于与对应电路节点的电连通，可以被称为“图腾柱配置”。
如图1中示出的，系统还包括电池模块20共有的模块控制器40，并且可操作为提供一个或多个参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH，包括热通量阈值ΦqTH、电流阈值ITH、荷电状态阈值SoCTH、温度阈值TTH和电压阈值VTH，作为电池模块20内的电池单体22的操作的最大操作值。模块控制器40可以包括测量模块中的电流、模块电压，即模块端子28之间的电压和/或其他参数的电路。
根据一方面，模块控制器40还可以通过观察模块电压和/或电流的变化来提供整个电池模块20的管理，该变化指示一个或多个电池单体22已经被切出。在再充电或离线状况期间，可以通过缓慢地调制共享参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH中的一个并且观察单体切换活动来评估电池单体22的群体。这产生单体群体对感兴趣的参数的直方图。
根据一方面，系统可以提供电池模块20的初始校准。例如，在初始组装之后，计算框41可以计算和存储或者可以被给予单独单体性能的直方图，用于与电池在使用中的结果进行比较。这对于观察电池单体22在使用中的变化或退化是有用的。
根据另一方面，系统可以提供辅助系统诊断。例如，当被适当地组合时，单独单体参数Φq、I、SoC、T、V的测量可以用于监控、预测和诊断诸如热管理系统、模块电压测量系统、模块电流测量系统的辅助系统中的问题。
系统还包括与每个电池单体22相关联的单体控制器42，以监控包括单体热通量Φq、单体电流I、单体荷电状态SoC、单体温度T和单体电压V的多个单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个或多个，并且响应于任何单体参数Φq、I、SoC、T、V超过对应的参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH，使切换电路30从第一模式改变为第二模式。单体控制器42可以包括在使切换电路30从第一模式改变为第二模式之前的时间延迟，以允许诸如异常读数的事情或允许单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个值中的瞬态尖峰，诸如是例如由于将非线性负载切换到使用中而导致的电流尖峰。换句话说，单体控制器42监控单体参数Φq、I、SoC、T、V中的至少一个，并且如果监控的单体参数Φq、I、SoC、T、V超过相关联的参数阈值的值，则引导切换电路30在功能上将相关联的电池单体22与电池模块20断开连接。例如，如果温度阈值TTH是90摄氏度，则单体控制器42将允许相关联的单体被电连接在电池模块20的串联电路中，直到并且除非单体温度T超过90摄氏度的温度阈值TTH。如果单体温度T超过90摄氏度的温度阈值TTH，则单体控制器42将使切换电路30将单体与电池模块20的串联电路断开连接，并且引导电流通过单体旁路导体38，从而允许电池模块20继续起作用(但是因为电池单体22在功能上被断开连接而导致容量降低)。
在电池单体22是串联电路的一部分的情况下，在功能上被断开连接和旁路的电池单体22将导致整个串联电路的电压降低。换句话说，对于布置为串联电路的电池模块20，将组成电池单体22中的一个切换到在功能上被断开连接和旁路的状况将导致电池模块20具有降低的模块电压，该模块电压将由该组成电池单体22已经提供的电压降低。根据一方面，响应于单体参数Φq、I、SoC、T、V各自低于对应的参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH，单体控制器42可以起作用以使切换电路30从第二模式改变回第一模式。这可以包括使用一些分离，诸如死区和/或延迟定时器，以防止在单体参数Φq、I、SoC、T、V中的任何一个等于或围绕它们对应的参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH的情况下快速切换。替代地，单体控制器42可以使切换电路30保持在第二模式中，直到满足预定状况，诸如接收到复位信号或者发生诸如再充电循环或通过预定时间段的事件。单体控制器42还可以使用死区值和/或时间延迟来防止切换电路30在模式之间快速循环。
可以使用模拟分立组件、模拟IC、数字IC或它们的组合来实施每个单体控制器42。因为系统需要数个单体控制器42，所以最有利的是，它们被廉价地制造。换句话说，最小化单体控制器42的复杂度和成本在经济上是有利的。
单体热通量Φq可以是，例如，跨越电池单体22的部分的温度差、跨越被热连接到电池单体22的冷却器板的冷却水的温度差、或者热电热管理设备中的电流和电压的乘积。单体热通量Φq可以以多个不同方式中的一个或多个来测量，包括例如，使用电池单体22和冷却器板之间的薄的热电堆型热通量传感器(诸如Hukseflux FHF01)；作为冷却器板处的电池单体22的表面温度和电池单体22的核心温度之间的差异(处于平衡状态)；作为进/出冷却器板的输入冷却液温度对输出冷却液温度之间的差异(处于平衡状态)；或者使用热电热管理设备的电压和/或电流来建立温度平衡。对于涉及大量热质量的热通量测量(上面的“处于平衡状态”)，总体温度测量以及温度测量之间的热质量的数学模型可以计算非平衡状况期间的热通量。
在电池模块20是电池单体22的串联组合的情况下，对于在功能上被连接到电池模块20的每个电池单体22，单体电流I等于模块电流。因此，对于整个电池模块，只需要单个电流传感器43。对于具有两个或更多个并联连接的分支的电池模块20，将需要对应数量的电流传感器43来感测通过每个分支中的电池单体22的电流。
单体荷电状态SoC，也可以被称为累积电荷，可以通过对单体内或外的电荷积分以创建累积电荷指示符来确定。这可以通过模拟或数字电路来完成。积分器复位可以由全局或局部状况来触发，以重新校准单体荷电状态SoC。
单体温度T可以由单体控制器42使用诸如二极管正向偏置或二极管漏(暗)电流的设备特征的偏移来测量。还可以使用其他温度测量设备和电路，诸如是例如被安装到电池单体或电池单体附近的热电偶或电阻温度检测器(RTD)。单体电压V优选地由单体控制器42使用隔离栅极或反向偏置设备来测量，该设备具有非常低的电流消耗以引起设备特征的可测量变化。
如图1中示出的，每个单体控制器42包括阈值输入端子44，用于接收对应于参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH中的至少一个的输入信号。每个单体控制器42还包括参数输出端子46，用于提供对应于单体参数Φq、I、SoC、T、V中的至少一个的输出信号。
系统还包括与模块控制器40和每个单体控制器42的阈值输入端子44电连通的共享控制线48，以从模块控制器40向每个单体控制器42传送参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH和AC时钟信号。第一隔直电容(blocking capacitor)50设置在共享控制线48和每个阈值输入端子44之间，用于阻挡DC电流在它们之间流动，同时允许AC信号通过。
如图1中示出的，求和模块52与模块控制器40和多个单体控制器42电连通，以基于来自连接的多个单体控制器42的单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个的多个值，向模块控制器40提供单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个的平均值。系统可以包括两个或更多个求和模块52，其中，每个求和模块52提供单体参数Φq、I、SoC、T、V中的相关联的一个的平均值。求和模块52可以采用可以位于模块控制器40内的硬件、软件或者硬件和软件的组合的形式。替代地，单个求和模块52可以提供单体参数Φq、I、SoC、T、V中的两个或更多个的平均值，诸如是例如其中，单体参数Φq、I、SoC、T、V中的两个或更多个在不同的时间被传送。换句话说，模块控制器40可以进行求和和/或平均单体参数中的一个或多个的值的任务。
模块控制器40包括计算框41，以计算一个或多个参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH。计算框41可以将由求和模块52提供的单体参数Φq、I、SoC、T、V的一个或多个平均值作为输入。计算框41还可以将诸如是例如模块电压或模块电流的其他值作为输入。可以使用具有足够的I/O、计算能力和环境操作范围的微控制器来实施计算框41。替代地或另外地，可以使用诸如专用集成电路(ASIC)的专用设备来实施计算框41。计算框41可以是另一设备的组件或模块，诸如是多模块电池组中的多个电池模块20的组合的控制器。
计算框41和求和模块52可以在功能上被组合并且可以各自以软件来实施。计算框41和求和模块52的这种软件实施方式可以在诸如模块控制器40的相同的处理器或控制器上运行。替代地，计算框41和求和模块52的软件实施方式可以在不同的处理器或控制器上运行。模块控制器40可以包括实施计算框41和求和模块52中的一个或两个的不同处理器或控制器中的一个。另外地或替代地，计算框41和/或求和模块52中的一个或多个可以与进行通信
系统还包括与每个单体控制器42电连通的共享监控线54，以从每个单体控制器42向公共目的地传送单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个。在图1中示出的实施例中，公共目的地是求和模块52，该求和模块52从每个单体控制器42接收单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个。第二隔直电容56设置在共享监控线54和每个单体控制器42之间，用于阻挡DC电流在它们之间流动，同时允许AC信号通过。信号电阻Rs设置在每个单体控制器42和共享监控线54之间，用于限制电流在它们之间流动。使用求和模块52在相同的共享监控线54上一起接受单体参数Φq、I、SoC、T、V中的两个或更多个可以被称为确定单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个的平均的“共线求和”方法。隔直电容50、56一起向单体模块42提供DC隔离，以防止高压DC被传送到相应的共享线48、54。必须选择隔直电容50、56的值和额定值以进行该隔离，同时允许AC信号以最小的衰减通过。
在图1中示出的实施例中，求和模块52包括运算放大器58，该运算放大器58被配置为反相运算放大器，其中，非反相输入60被连接到接地参考电压，并且其中，反相输入62与共享监控线54电接触，并且其中，求和电阻RG被连接在反相输入62和该运算放大器58的输出端子64之间，以生成与共享监控线54进行通信的每个参数输出端子46的电压之和成比例的输出电压Vout。以该方式，求和模块52还用作对来自每个单体控制器42的相关联的单体参数的值进行平均。
根据一方面，模块控制器40可以响应于对应的单体参数Φq、I、SoC、T、V的平均值来生成参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH中的一个或多个。例如，模块控制器40可以被配置为生成比平均单体温度T高10％的温度阈值TTH，因此60摄氏度的平均单体温度T将使温度阈值TTH为66摄氏度。这些基于平均的参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH可以被限制为预定的绝对最大或最小阈值。例如，温度阈值TTH可以被设置为比测量的单体温度T的平均高10％或90摄氏度中的较小者，其中，90摄氏度是示例最大阈值温度。
根据一方面，可以基于经受相同电流负载和热管理的相邻电池单体22的测量的参数的平均，设置参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH中的一个或多个。对于电压阈值VTH，这可以通过整体堆电压除以在任何给定时间在功能上被连接到该堆的电池单体22的数量来确定。对于温度阈值TTH，这可以是组温度指示符，诸如出口冷却液流量或整体散热器温度。对于热通量阈值ΦqTH，这可以根据流体冷却的热管理系统中的冷却剂流量和温升来计算。对于热通量阈值ΦqTH，这也可以根据热电冷却设备的阻抗或者电流和电压来计算。
根据一方面，可以使用多个不同编码方案中的一个来传送单体参数Φq、I、SoC、T、V和/或参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH，诸如是例如通过使用变化的幅度、相位或频率来调制载波频率。也可以通过改变信号的占空比来传送单体参数Φq、I、SoC、T、V和/或参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH。根据优选实施例，模块控制器40可以生成一个阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH，作为具有预定频率并且幅度与信号的值对应的AC波形。例如，可以使用30MHz的预定频率，以及与0-100摄氏度的温度阈值TTH范围对应的0-10VAC的编码。对于85摄氏度的温度阈值TTH，模块控制器40将在共享控制线48上提供30MHz和8.5V(RMS)的AC信号。
根据另一方面，单体控制器42可以响应于相关联的单体参数Φq、I、SoC、T、V的测量值来调制或以其他方式修改公共阈值信号，以在共享监控线54上传送相关联的单体参数Φq、I、SoC、T、V的值。这种布置将具有使来自被连接到相同的共享监控线54的每个单体控制器42的单体参数Φq、I、SoC、T、V值信号同步的有利结果，允许相对简单的求和模块52，诸如图1中示出的那样。换句话说，单体控制器42可以根据单体参数Φq、I、SoC、T、V的测量值来调制接收到的阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH的幅度。求和模块52用于确定来自电池模块20中的电池单体22的测量的单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个或多个的平均值。那些平均值被提供到计算框41，用于生成阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH。
使用阈值AC信号作为时钟，单体切换可以与电池模块20中的其他事件同步。例如，切换电路30的切换事件可以与AC阈值信号的过零同步。
系统可以包括与每个单体参数Φq、I、SoC、T、V相关联的分离的共享监控线54，以及与每个参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH相关联的分离的共享控制线48。替代地，系统还可以被配置为通过在不同时间传送单体参数Φq、I、SoC、T、V值，在共享监控线54上传送单体参数Φq、I、SoC、T、V中的两个或更多个。替代地，系统可以被配置为诸如是例如通过使用与每个单体参数相关联的不同的AC载波频率，在共享监控线54上同时传送单体参数Φq、I、SoC、T、V中的两个或更多个。同样，系统可以在公共共享控制线48上传送参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH中的两个或更多个。
用于传送单体参数Φq、I、SoC、T、V和/或参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH的一个或多个AC载波频率可以是任何合适的频率或频率范围。对于任何给定的应用，以相对无噪声的频率来操作通常是有利的。AC信号的频率被选择为远离电池中的初级电流切换的频带。这样做是为了最小化初级电流切换与单体阈值和单体参数信号之间的干扰。变频驱动器和其他这种电力电子设备，诸如通常用于驱动车辆应用中的电动机的那些电力电子设备，可能产生30kHz至1.0MHz范围中的大量RF噪声。在这种应用中，使用该范围之外的载波频率将是有利的。根据优选实施例，载波频率可以在30MHz的范围中。
总的来说，系统由单体控制器42在每个电池单体22处提供局部决策，该单体控制器42将一个或多个单体参数Φq、I、SoC、T、V与一个或多个共享参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH进行比较，以确定何时应该切入(在功能上连接)或切出(旁路)任何给定的电池单体22。换句话说，电池单体22的单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个的值与对应的共享参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH之间的比较确定应该在功能上连接还是旁路该电池单体22。该比较可能涉及上述参数中的一个或多个。系统还提供由切换电路30在每个电池单体22处的局部切换，以使用先开后合切换布置将任何电池单体22与串联连接的堆局部隔离，该先开后合切换布置在单体被切出时维持串联堆电流导通。此外，系统使用开关32、36将电池单体22与串联连接的堆局部隔离。例如，如图2中示出的，这可以使用图腾柱MOSFET配置来实施。
还公开用于使用局部感测和切换来平衡电池单体的方法100。方法100开始于步骤102，由在功能上与每个电池单体22相关联的单体控制器42测量串联连接的多个电池单体22中的每个电池单体22的一个或多个单体参数Φq、I、SoC、T、V。
方法100包括104，由单体控制器42通过共享监控线54将单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个的测量值作为AC信号传送到求和模块52。
方法100还包括106，由共享监控线54和每个单体控制器42之间的第二隔直电容56阻塞DC电流，同时允许AC信号在它们之间通过。
方法100前进到步骤108，由求和模块52对与给定的单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个对应的测量值进行平均，以产生给定的单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个的平均值。
方法100还包括110，向模块控制器40提供给定的单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个的平均值。对于电池模块20内的所有电池单体22，模块控制器40可以收集单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个或多个的平均值。替代地，对于电池模块20内的少于所有电池单体22的子集，模块控制器40可以收集单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个或多个的平均值。给定的单体参数中的一个的平均值可以由任何合适的手段来传送，包括例如经由数字或模拟信号。单体参数Φq、I、SoC、T、V中的两个或更多个的平均值可以被传送到电池模块20。单体参数Φq、I、SoC、T、V中的两个或更多个的平均值可以被一起或分开传送。
方法100进一步包括112，由模块控制器40确定与给定的单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个对应的参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH。参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH中的一个或多个可以是静态的或不变的。例如，参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH中的一个或多个可以是永远不被超过(never to be exceeded)的预定阈值，诸如已知与电池单体22的损坏的高可能性相关联的电压、电流或荷电状态。替代地或另外地，参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH中的一个或多个可以是可变的。例如，参数阈值中的一个或多个可以根据一个或多个状况或模式而改变，或者实施用于确定电池模块内的电池单体的状况的检查方法。下面描述这种检查方法200、300的两个不同示例。
方法100前进到步骤114，由模块控制器40生成AC信号，该AC信号携带与给定的单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个对应的参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH。
方法100还包括116，由AC信号通过共享控制线48从模块控制器40向每个单体控制器42传送与给定的单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个对应的参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH。
方法100进一步包括118，由共享控制线48和每个单体控制器42之间的第一隔直电容50阻塞DC电流，同时允许AC信号在它们之间通过。通过将那些设备与电池模块20中可能存在的高DC电压隔离，DC电流的阻塞可以防止对单体控制器42和/或切换电路30中的一个或多个的损坏。
方法100前进到步骤120，由每个单体控制器将给定的单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个的测量值与和给定的单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个对应的参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH进行比较。
方法100包括122，响应于给定的单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个的测量值超过与给定的单体参数Φq、I、SoC、T、V中的一个对应的参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH，由单体控制器42中的一个向对应的切换电路30发出命令信号，以在电池模块20内移除处于服务状态的相关联的一个电池单体22。
方法100包括124，将单体端子24、26中的一个指定为由第一开关32选择性地连接到电池模块的模块节点34的切换单体端子，并且将单体端子24、26中的另一个指定为非切换单体端子。切换单体端子可以是正极单体端子24或负极单体端子26中的任一个。同样，非切换单体端子可以是正极单体端子24或负极单体端子26中的任一个，但是非切换端子必须是极性与切换单体端子相反的单体端子24、26中的一个。
方法100还包括126，响应于来自相关联的单体控制器42的命令信号，由第一开关32禁止相关联的一个电池单体22和模块节点34之间的电流路径，以使相关联的一个电池单体22将在功能上与电池模块20中的服务断开连接。更具体地，步骤126包括将第一开关32置于断开状况，以禁止电流在相关联的一个电池单体22的切换单体端子和模块节点34之间流动。
方法100进一步包括128，响应于来自相关联的单体控制器42的命令信号，建立通过绕过相关联的一个电池单体22的旁路导体38的电流路径，以使相关联的一个电池单体22被旁路，并且允许电池模块20在相关联的一个电池单体22在功能上与电池模块20中的服务断开连接的情况下起作用。更具体地，该步骤128包括闭合第二开关36，以允许电流在模块节点34和旁路导体38之间流动，该旁路导体38与非切换单体端子电接触。换句话说，该步骤128提供建立通过旁路导体38的替代电流路径，以允许电流流过电池模块20，尽管相关联的电池单体22在功能上与该电池模块20断开连接。
还提供用于确定电池模块20内的一个或多个电池单体22的状况的第一检查方法200。该检查方法200包括，使电池单体中的一个或多个与电池模块20断开连接，从而判断电池模块20内的电池单体22的状况。因此，优选仅在电池模块20不活跃使用时进行。
第一检查方法200包括步骤202，将每个参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH设置为相对较高的值，以使大多数或所有电池单体22在功能上被连接到电池模块20，从而对模块电压做出贡献，该模块电压是模块端子28之间的电压。
第一检查方法200还包括204，由模块控制器40监控模块电压，以确定在任何给定时间在功能上被连接到电池模块20的电池单体22的数量。
第一检查方法200前进到步骤206，逐步降低参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH中的至少一个，并且同时监控在功能上被连接到电池模块20的电池单体22的数量，以确定电池模块20内的电池单体22的状况或健康状况。该步骤206逐步降低参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH中的至少一个可以例如包括，记录与处于服务状态的预定数量的电池单体22对应的参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH，该处于服务状态的预定数量的电池单体22例如可以是一些预定目的所需的最小数量的电池单体22。它可以包括顺序地降低参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH中的两个或更多个中的每个，以确定不同的响应。
还提供用于确定电池模块20内的电池单体22的状况的第二检查方法300。第二检查方法300可以用作第一检查方法200的替代或另外的验证。第二检查方法300包括步骤302，将参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH中的一个或多个设置为预定值，以及304，在参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH中的一个或多个被设置为预定值的情况下，确定在功能上被连接到电池模块20的电池单体22的数量。替代检查方法300前进到步骤306，基于在参数阈值ΦqTH、ITH、SoCTH、TTH、VTH中的一个或多个被设置为预定值的情况下的在功能上被连接的电池单体22的数量，判断电池模块20的相对健康状况。
电池模块20的相对健康状况或状况可以用于多个操作目的，诸如是例如限制相对较弱的电池模块20的使用或降低其容量以防止进一步退化。相对健康状况也可以用于发出维护信号，诸如更换或重建电池模块20。电池模块20的相对健康状况也可以用作电池模块20的预期寿命的指示符。
实施例的上述描述已经被提供以用于说明和描述。其不旨在穷举或限制本公开。即使未具体示出或描述，特定实施例的单独元件或特征通常不限于该特定实施例，而是在适用的情况下可互换并且可被用在选定实施例中。同样也可以以多种方式被变型。这样的变型不被认为是背离本公开，并且所有这样的变型旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种用于单体平衡的系统，其特征在于，包括：
电池模块，所述电池模块包括串联配置的多个电池单体；
所述多个电池单体中的每个电池单体具有与其相关联的切换单体端子和非切换单体端子；
一个或多个切换电路，每个切换电路被配置为在第一模式和第二模式之间切换所述多个电池单体中的相关联的电池单体，所述第一模式使所述相关联的电池单体与所述电池模块一起处于服务状态，所述第二模式使所述相关联的电池单体在功能上与所述电池模块断开连接；
所述一个或多个切换电路中的每个切换电路包括第一开关，所述第一开关在所述第一模式中被配置为闭路，以允许所述相关联的电池单体的所述切换单体端子和模块节点之间的电流流动，并且所述第一开关在所述第二模式中被配置为开路，以阻止所述相关联的电池单体的所述切换单体端子和所述模块节点之间的所述电流流动；
所述一个或多个切换电路中的每个切换电路包括与所述相关联的电池单体的所述非切换单体端子电接触的单体旁路导体；
所述一个或多个切换电路中的每个切换电路包括第二开关，所述第二开关在所述第一模式中被配置为开路，以阻止所述单体旁路导体和所述模块节点之间的电流流动，并且所述第二开关在所述第二模式中被配置为开路，以允许所述单体旁路导体和所述模块节点之间的所述电流流动；
单体控制器，所述单体控制器与所述一个或多个切换电路中的每个切换电路相关联，并且被配置为监控与其相关联的所述相关联的电池单体的单体参数，并且响应于所述单体参数超过参数阈值，使所述切换电路从所述第一模式改变为所述第二模式。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个电池单体中的每个电池单体是具有与其相关联的所述一个或多个切换电路中的一个切换电路的相关联的电池单体。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：
所述单体控制器中的每个单体控制器上的阈值输入端子，用于接收与所述参数阈值对应的输入信号；以及
与模块控制器以及与所述单体控制器中的每个单体控制器的所述阈值输入端子电连通的共享控制线，以在它们之间传送所述参数阈值。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述参数阈值是两个或更多个参数阈值中的一个参数阈值；
其中，所述单体控制器中的每个单体控制器的所述阈值输入端子是所述单体控制器中的每个单体控制器的两个或更多个阈值输入端子中的一个阈值输入端子；以及
其中，所述共享控制线是两个或更多个共享控制线中的一个共享控制线，每个共享控制线与所述模块控制器以及与所述单体控制器中的每个单体控制器的所述两个或更多个阈值输入端子中的对应的一个阈值输入端子电连通，以传送所述两个或更多个参数阈值中的对应的一个参数阈值。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：
所述单体控制器中的每个单体控制器上的参数输出端子，用于提供与所述单体参数中的至少一个单体参数对应的输出信号；以及
与所述单体控制器中的每个单体控制器电连通的共享监控线，以从所述单体控制器中的每个单体控制器向公共目的地传送所述单体参数中的所述至少一个单体参数。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述共享监控线是两个或更多个共享监控线中的一个共享监控线，其中，所述两个或更多个共享监控线中的每个共享监控线与所述单体控制器中的每个单体控制器和所述公共目的地电连通。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述共享监控线被配置为传送多个所述单体参数。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述多个所述单体参数在不同的时间通过所述共享监控线被传送。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述多个所述单体参数同时通过所述共享监控线被传送。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述多个所述单体参数中的每个单体参数与不同的载波频率相关联。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单体参数选自包括以下内容的组：单体热通量、单体电流、单体荷电状态、单体温度和单体电压。
12.一种用于单体平衡的系统，其特征在于，包括：
电池模块，所述电池模块包括串联配置的多个电池单体；
一个或多个切换电路，每个切换电路被配置为在第一模式和第二模式之间切换所述多个电池单体中的相关联的电池单体，所述第一模式使所述相关联的电池单体与所述电池模块一起处于服务状态，所述第二模式使所述相关联的电池单体在功能上与所述电池模块断开连接；
单体控制器，所述单体控制器与所述一个或多个切换电路中的每个切换电路相关联，并且被配置为监控与其相关联的所述相关联的电池单体的单体参数，并且响应于所述单体参数超过对应的参数阈值，使所述切换电路从所述第一模式改变为所述第二模式；
所述单体控制器中的每个单体控制器上的阈值输入端子，用于接收与所述参数阈值中的至少一个参数阈值对应的输入信号；以及
与模块控制器以及与所述单体控制器中的每个单体控制器的所述阈值输入端子电连通的共享控制线，以在它们之间传送所述参数阈值。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，进一步包括：
所述单体控制器中的每个单体控制器上的参数输出端子，用于提供与所述单体参数中的至少一个单体参数对应的输出信号；以及
与所述单体控制器中的每个单体控制器电连通的共享监控线，以从所述单体控制器中的每个单体控制器向公共目的地传送所述单体参数中的所述一个单体参数。
14.一种用于单体平衡的方法，其特征在于，包括：
由单体控制器测量串联连接的多个电池单体中的每个电池单体的一个或多个单体参数的值，所述单体控制器在功能上与所述电池单体中的每个电池单体相关联；
由所述单体控制器中的每个单体控制器将所述一个或多个单体参数中的每个单体参数的测量的所述值与和所述一个或多个单体参数中的每个单体参数相关联的参数阈值进行比较；
响应于所述一个或多个单体参数中的任何单体参数的测量的所述值超过与所述一个或多个单体参数中的对应的一个单体参数相关联的所述参数阈值，由所述单体控制器中的一个单体控制器向对应的切换电路发出命令信号，以将所述电池单体中的相关联的一个电池单体从所述电池模块内的服务移除；
响应于来自相关联的所述单体控制器的所述命令信号，由第一开关禁止所述电池单体中的所述相关联的一个电池单体和模块节点之间的电流路径，以使所述电池单体中的所述相关联的一个电池单体在功能上与所述电池模块中的服务断开连接；
响应于来自相关联的所述单体控制器的所述命令信号，由第二开关建立通过绕过所述电池单体中的所述相关联的一个电池单体的旁路导体的电流路径，以允许所述电池模块在所述电池单体中的所述相关联的一个电池单体在功能上与所述电池模块中的服务断开连接的情况下起作用。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述一个或多个单体参数选自包括以下内容的组：单体热通量、单体电流、单体荷电状态、单体温度和单体电压。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述单体控制器中的每个单体控制器上的阈值输入端子处接收与所述参数阈值对应的输入信号；以及
通过共享控制线从模块控制器向所述单体控制器中的每个单体控制器传送所述参数阈值。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述单体控制器中的每个单体控制器上的输出端子上提供与所述一个或多个单体参数中的一个单体参数的测量的所述值对应的输出信号；以及
通过共享监控线从所述单体控制器中的每个单体控制器向公共目的地传送所述一个或多个单体参数中的所述一个单体参数的测量的所述值。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括：
由所述单体控制器中的每个单体控制器通过共享监控线向求和模块传送所述一个或多个单体参数中的一个单体参数的测量的所述值；以及
对于所述多个电池单体，确定所述一个或多个单体参数中的所述一个单体参数的平均值。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括：
将所述参数阈值设置为相对较高的值，以使大多数或所有所述电池单体在功能上被连接到所述电池模块；
监控模块电压，以确定在任何给定时间在功能上被连接到所述电池模块的所述电池单体的数量；以及
逐步降低所述参数阈值，同时监控在功能上被连接到所述电池模块的所述电池单体的所述数量，以确定所述参数阈值对所述电池单体的影响。
20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括：
将所述参数阈值设置为预定值；
监控模块电压，以确定在所述参数阈值被设置为所述预定值的情况下在功能上被连接到所述电池模块的所述电池单体的数量；以及
基于在所述参数阈值被设置为所述预定值的情况下在功能上被连接到所述电池模块的所述电池单体的所述数量，判断所述电池模块的相对健康状况。
CN201880079980.5A 2017-11-14 2018-11-14 具有局部感测和切换的单体平衡 Pending CN111758200A (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762585824P 2017-11-14 2017-11-14
US62/585,824 2017-11-14
US16/188,551 2018-11-13
US16/188,551 US10833512B2 (en) 2017-11-14 2018-11-13 Cell balancing with local sensing and switching
PCT/US2018/060871 WO2019099422A1 (en) 2017-11-14 2018-11-14 Cell balancing with local sensing and switching

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111758200A true CN111758200A (zh) 2020-10-09

Family

ID=66432456

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880079980.5A Pending CN111758200A (zh) 2017-11-14 2018-11-14 具有局部感测和切换的单体平衡

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10833512B2 (zh)
CN (1) CN111758200A (zh)
DE (1) DE112018005834T5 (zh)
WO (1) WO2019099422A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2759580C1 (ru) * 2021-05-18 2021-11-15 Алексей Игоревич Шастун Устройство контроля технического состояния элементов последовательной аккумуляторной батареи

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018134827A1 (en) * 2017-01-23 2018-07-26 B.G. Negev Technologies And Applications Ltd., At Ben-Gurion University System for balancing a series of cells
US11267342B2 (en) * 2017-02-24 2022-03-08 Vehicle Energy Japan Inc. Battery control system
US10833512B2 (en) * 2017-11-14 2020-11-10 Neapco Intellectual Property Holdings, Llc Cell balancing with local sensing and switching
JP7096193B2 (ja) * 2019-04-04 2022-07-05 矢崎総業株式会社 電池制御ユニット及び電池システム
US11722026B2 (en) 2019-04-23 2023-08-08 Dpm Technologies Inc. Fault tolerant rotating electric machine
CN110460137B (zh) * 2019-09-12 2021-04-06 展讯通信（深圳）有限公司 控制装置及电子设备
US11167661B2 (en) 2019-10-01 2021-11-09 Ford Global Technologies, Llc Battery cell rebalancing method
US20220029431A1 (en) * 2020-07-23 2022-01-27 Aurora Flight Sciences Corporation, a subsidiary of The Boeing Company Switchable Battery Management System
JP6912744B1 (ja) * 2020-08-28 2021-08-04 ミツミ電機株式会社 制御システム、制御方法及び二次電池保護集積回路
FR3114163B1 (fr) * 2020-09-15 2022-08-26 Commissariat Energie Atomique Procédé et dispositif de gestion du comportement thermique d'une batterie
US11545704B2 (en) * 2020-11-19 2023-01-03 Ford Global Technologies, Llc Module detection in battery pack
EP4064506A1 (en) * 2021-03-24 2022-09-28 CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA - Recherche et Développement Battery system and battery management method
WO2022199771A1 (en) * 2021-03-25 2022-09-29 Nerve Smart Systems Aps Method for battery management and battery system
CA3217299A1 (en) * 2021-05-04 2022-11-10 Tung Nguyen Battery control systems and methods
CA3159864A1 (en) 2021-05-13 2022-11-13 Exro Technologies Inc. Method and apparatus to drive coils of a multiphase electric machine
KR102369224B1 (ko) * 2021-07-16 2022-03-18 주식회사 모큐라텍 배터리 관리 시스템 및 그 동작방법
DE102022120570B3 (de) 2022-08-16 2024-01-04 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Verfahren und Schaltung zu einer modularen Multilevelbatterie mit integriertem Nebenanschluss und Ladungsausgleich

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5666040A (en) * 1996-08-27 1997-09-09 Bourbeau; Frank Networked battery monitor and control system and charging method
JP2011076777A (ja) * 2009-09-29 2011-04-14 Denso Corp 電池監視装置
CN102457083A (zh) * 2010-10-14 2012-05-16 通用汽车环球科技运作有限责任公司 单元故障模式串联旁通电路的蓄电池故障容错结构
CN102723758A (zh) * 2012-06-21 2012-10-10 北京理工大学 电池柔性组合控制系统
CN103314477A (zh) * 2010-12-28 2013-09-18 株式会社Lg化学 用于控制电池组系统的设备和方法
CN103503223A (zh) * 2011-03-02 2014-01-08 原子能及能源替代委员会 具有单独电池管理的电池组
CN104253469A (zh) * 2014-09-24 2014-12-31 于志章 二次电池组充放电管理系统
CN104362695A (zh) * 2014-11-10 2015-02-18 中南民族大学 一种串联蓄电池组均衡系统及其控制方法
CN104600799A (zh) * 2015-01-09 2015-05-06 深圳市理邦精密仪器股份有限公司 一种串联电池组均衡电路及均衡方法
CN104734236A (zh) * 2013-12-19 2015-06-24 北汽福田汽车股份有限公司 电池组充放电装置及方法
JP2016140156A (ja) * 2015-01-26 2016-08-04 トヨタ自動車株式会社 蓄電装置の制御装置
CN106356927A (zh) * 2016-09-19 2017-01-25 华中科技大学 一种锂电池组soc均衡系统及方法
CN206023278U (zh) * 2016-08-08 2017-03-15 刘峰岭 一种具有转换开关保护功能的锂电池组电源管理系统
CN106972583A (zh) * 2017-06-08 2017-07-21 安徽康力节能电器科技有限公司 一种电池组充放电控制系统
US20190148952A1 (en) * 2017-11-14 2019-05-16 Neapco Intellectual Property Holdings, Llc Cell balancing with local sensing and switching

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5670861A (en) 1995-01-17 1997-09-23 Norvik Tractions Inc. Battery energy monitoring circuits
KR100778414B1 (ko) 2006-10-12 2007-11-22 삼성에스디아이 주식회사 배터리 관리 시스템 및 그의 구동 방법
WO2011025937A2 (en) * 2009-08-28 2011-03-03 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. High-efficiency battery equalization for charging and discharging
US20120119709A1 (en) 2010-11-17 2012-05-17 Tenergy Corporation Battery pack balancing circuit
EP2490315A1 (en) 2011-02-15 2012-08-22 austriamicrosystems AG Cell balancing module, voltage balancer device, and method for voltage balancing, particularly for voltage balancing of a stack of batteries
CN104348199B (zh) 2013-08-01 2017-03-01 通用电气公司 电池管理系统和方法
CN103683396B (zh) 2013-11-29 2016-02-03 捷普科技（上海）有限公司 一种具有翻转保护功能的自适应电池均衡充电装置及方法

Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5666040A (en) * 1996-08-27 1997-09-09 Bourbeau; Frank Networked battery monitor and control system and charging method
JP2011076777A (ja) * 2009-09-29 2011-04-14 Denso Corp 電池監視装置
CN102457083A (zh) * 2010-10-14 2012-05-16 通用汽车环球科技运作有限责任公司 单元故障模式串联旁通电路的蓄电池故障容错结构
CN103314477A (zh) * 2010-12-28 2013-09-18 株式会社Lg化学 用于控制电池组系统的设备和方法
CN103503223A (zh) * 2011-03-02 2014-01-08 原子能及能源替代委员会 具有单独电池管理的电池组
CN102723758A (zh) * 2012-06-21 2012-10-10 北京理工大学 电池柔性组合控制系统
CN104734236A (zh) * 2013-12-19 2015-06-24 北汽福田汽车股份有限公司 电池组充放电装置及方法
CN104253469A (zh) * 2014-09-24 2014-12-31 于志章 二次电池组充放电管理系统
CN104362695A (zh) * 2014-11-10 2015-02-18 中南民族大学 一种串联蓄电池组均衡系统及其控制方法
CN104600799A (zh) * 2015-01-09 2015-05-06 深圳市理邦精密仪器股份有限公司 一种串联电池组均衡电路及均衡方法
JP2016140156A (ja) * 2015-01-26 2016-08-04 トヨタ自動車株式会社 蓄電装置の制御装置
CN206023278U (zh) * 2016-08-08 2017-03-15 刘峰岭 一种具有转换开关保护功能的锂电池组电源管理系统
CN106356927A (zh) * 2016-09-19 2017-01-25 华中科技大学 一种锂电池组soc均衡系统及方法
CN106972583A (zh) * 2017-06-08 2017-07-21 安徽康力节能电器科技有限公司 一种电池组充放电控制系统
US20190148952A1 (en) * 2017-11-14 2019-05-16 Neapco Intellectual Property Holdings, Llc Cell balancing with local sensing and switching
WO2019099422A1 (en) * 2017-11-14 2019-05-23 Neapco Intellectual Property Holdings, Llc Cell balancing with local sensing and switching

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2759580C1 (ru) * 2021-05-18 2021-11-15 Алексей Игоревич Шастун Устройство контроля технического состояния элементов последовательной аккумуляторной батареи

Also Published As

Publication number Publication date
DE112018005834T5 (de) 2020-08-13
WO2019099422A1 (en) 2019-05-23
US20190148952A1 (en) 2019-05-16
US10833512B2 (en) 2020-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10833512B2 (en) Cell balancing with local sensing and switching
US11070072B2 (en) Battery fuel gauge apparatus
KR101901680B1 (ko) 병렬 연결된 배터리용 차동 전류 모니터링
EP3429056B1 (en) Systems and methods for managing a battery pack
US5631537A (en) Battery charge management/protection apparatus
CA2297739C (en) Equalizer system and method for series connected energy storing devices
US7514905B2 (en) Battery management system
US20110049977A1 (en) Safety and performance optimized controls for large scale electric vehicle battery systems
CN103427452A (zh) 电池管理系统以及能量存储系统
US10062927B2 (en) System of power batteries for determining the impedance of a stage
CN107843842B (zh) 电池状态监测系统和方法
JP2008027658A (ja) 電池パックおよびその断線検知方法
CN105203958B (zh) 电池状态监视电路和电池装置
US20150035490A1 (en) Battery management system and method
JP2018157746A (ja) バッテリパック及びバッテリパックを外部バッテリシステムに並列に接続する方法
CN211018294U (zh) 充电控制装置，电池管理系统和电池组
KR20210040704A (ko) 충전 제어 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템
JP5521795B2 (ja) 電池制御装置
US11588336B2 (en) Methods and apparatus for a battery system
US20210328272A1 (en) Battery cell with an integrated control circuit
US10955481B2 (en) Methods and apparatus for determining a resistance value of a resistor in a battery system
KR102401539B1 (ko) 셀 밸런싱 장치 및 방법
US20230025900A1 (en) Battery modules for determining temperature and voltage characteristics of electrochemical cells, and associated methods
JP6356518B2 (ja) バッテリ管理システムおよび方法
US20230223767A1 (en) Battery connection status detection circuit and method, battery, device, and system

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination