CN112201866A - 智能电芯、电池系统及电动车 - Google Patents

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王华文
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Abstract

一种智能电芯，其特征在于，包括：电芯主体，所述电芯主体包括电芯顶盖、电芯外壳以及卷芯；电芯监测管理中枢，监测管理所述智能电芯，所述电芯监测管理中枢设置在所述电芯主体内部，所述电芯监测管理中枢包括监测模块、管理模块以及通信模块，所述监测模块、所述通信模块与所述管理模块电连接；以及，信息传输器，传输所述电芯监测管理中枢发出的信息，所述信息传输器设置在所述电芯顶盖外侧，所述电芯监测管理中枢与所述信息传输器连接。本公开提供的技术方案能够在电动车多种情况下对电芯进行及时、准确的检测，并能够根据电芯的不同状态及时对电池系统进行调整控制，有效提高了电池系统的可靠性及安全性。

Description

智能电芯、电池系统及电动车
技术领域
本公开涉及动力电池制造领域，具体涉及一种智能电芯、电池系统及电动车
背景技术
现有的新能源汽车通常是通过多个单体电芯组成电池模组，并由多个电池模组组成电池系统来供电运行的。目前的电池系统中的电池管理系统虽然会对单体电芯进行信息监测，但由于用于信息监测的装置，如电压传感器、温度传感器等设置在电芯外部，所采集的信息有一定的偏差，且目前的电池系统中均对部分电芯进行状态监测，未对每一个电芯的状态进行监测。
中国专利CN201520788221X中虽然提供了一种将电池监控IC集成至电芯内部的技术方案，但此电芯仅能做到将电芯的不同状态信息反馈至电池管理系统，由电池管理系统统一进行控制。而在电动汽车的不同状态下，仅仅反馈电芯状态并不能应对电池系统的多种复杂的情况，如：在电动汽车休眠时，电池管理系统也处于休眠状态，此时如果仅仅反馈电芯内部信息，电池管理系统也无法进行及时处理，因此急需一种能够在电动汽车多种状态下对电芯不同状态作出反应的技术方案。
发明内容
针对现有技术的不足，本公开提供了一种智能电芯，能够满足电动汽车多种状态下对电芯信息进行采集以及对电芯进行控制的需求，提高电动汽车的安全性能。
本公开第一方面提供了一种智能电芯，包括：
电芯主体，所述电芯主体包括电芯顶盖、电芯外壳以及卷芯；
电芯监测管理中枢，监测管理所述智能电芯，所述电芯监测管理中枢设置在所述电芯主体内部，所述电芯监测管理中枢包括监测模块、管理模块以及通信模块，所述监测模块、所述通信模块与所述管理模块电连接；以及，
信息传输器，传输所述电芯监测管理中枢发出的信息，所述信息传输器设置在所述电芯顶盖外侧，所述电芯监测管理中枢与所述信息传输器连接。
优选地，所述电芯监测管理中枢密封固定在所述电芯顶盖内侧。
优选地，所述电芯顶盖上设置有安装位，所述安装位向所述智能电芯外侧方向凸出，所述电芯监测管理中枢装配在所述安装位内，所述安装位的高度与所述电芯监测管理中枢的厚度相匹配。
优选地，所述安装位外侧设置有卡扣，所述信息传输器通过所述卡扣与所述安装位相固定。
优选地，所述通信模块与所述信息传输器通过无线传输的方式进行通信。
优选地，所述监测模块包括信息采集单元、所述管理模块包括信息存储单元以及电芯管理单元。
优选地，所述信息采集单元包括温度传感器，所述温度传感器外置于所述电芯监测管理中枢，固定在所述智能电芯内部温度待测点上，并与所述电芯监测管理中枢电连接。
优选地，所述信息采集单元包括温度采集电路，所述温度采集电路集成在所述电芯监测管理中枢内部。
优选地，所述信息采集单元包括压力传感器，所述压力传感器固定在所述电芯顶盖上，并与所述电芯监测管理中枢电连接。
优选地，所述信息采集单元包括压力采集电路，所述压力采集电路集成在所述电芯控制中枢内部。
优选地，所述信息采集单元包括电压监测电路，所述监测电路集成在所述电芯监测管理中枢内部，所述电压监测电路与所述电芯顶盖电连接。
优选地，所述电压监测电路与所述电芯顶盖通过可控开关电连接，所述可控开关由所述电芯监测管理中枢控制。
优选地，所述电芯管理单元包括电芯均衡电路，所述电芯均衡电路集成在所述电芯管理单元内，所述电芯均衡电路与所述电芯顶盖电连接，能够均衡所述智能电芯的电压。
优选地，所述信息存储单元与所述信息采集单元以及所述电芯管理单元电连接，所述信息存储单元能够存储所述信息采集单元中的信息，所述信息存储单元中的信息能够由所述电芯管理单元调用。
优选地，所述电芯管理单元包括预警电路，所述预警电路集成在所述电芯管理单元内，所述预警电路与所述信息存储单元电连接，能够在智能电芯异常时发出预警。
优选地，所述电芯管理单元与所述通信模块电连接。
本公开第二方面提供了一种电池系统，包括供电电池以及电池管理系统，所述供电电池由多个本公开第一方面提供的所述的智能电芯电连接组成，所述电池管理系统与所述信息传输器电连接，进而与所述电芯监测管理中枢通信连接；
进一步的，所述电池管理系统与所述供电电池中每一个所述智能电芯的所述信息传输器电连接。
本公开第三方面提供了一种电动汽车，包括本公开第二方面提供的所述的电池系统。
本公开提供的智能电芯、电池系统及电动车，能够在电动车多种情况下对电芯进行及时、准确的检测，并能够根据电芯的不同状态及时对电池系统进行调整控制，有效提高了电池系统的可靠性及安全性。
附图说明
图1为电芯监测管理中枢一种实施例的示意图。
图2为智能电芯立体示意图。
图3为智能电芯截面示意图。
附图标记说明
电芯主体 1 电芯顶盖 11
安装位 111 电芯外壳 12
卷芯 13 电芯监测管理中枢 2
监测模块 21 管理模块 22
通信模块 23 信息传输器 3
具体实施方式
以下将结合实施例对本公开的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本公开的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本公开的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本公开保护的范围。
在本公开实施例的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
在本公开实施例的描述中，如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。在本公开实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
参照图2、图3，本公开第一方面提供了一种智能电芯，包括电芯主体1、电芯监测管理中枢2以及信息传输器3。电芯主体1是智能电芯的主要部分，包括电芯顶盖11、电芯外壳12以及卷芯13，卷芯13设置在电芯外壳12内部；电芯监测管理中枢2包括监测模块21、管理模块22以及通信模块23，监测模块21、通信模块22与管理模块23电连接；信息传输器3设置在电芯顶盖11外侧，与电芯监测管理中枢2连接。
卷芯13的连接方式包括与仅电芯顶盖11电连接或与电芯顶盖11以及电芯外壳12电连接两种连接方式。卷芯13装配在电芯外壳12内后，需要注入电解液，并由电芯顶盖11密封，卷芯13包括正极材料、负极材料和隔离材料，在电解液的作用下正极材料和负极材料之间会出现电势差，通过将正极材料、负极材料电连接到电芯顶盖11或电芯顶盖11与电芯外壳12上能够使电芯顶盖11上的正极柱以负极柱产生电势差，进而使整个电芯具备供电能力。
由于电解液的存在，电芯监测管理中枢2设置在智能电芯内部时，需要保证密封性，主要保证电芯监测管理中枢2与电解液的密封性以及电芯监测管理中枢2与智能电芯外侧电池管理系统的连接结构的密封性。
如图2、图3所示，电芯监测管理中枢2设置在电芯顶盖11上，具体的，电芯监测管理中枢2设置在电芯顶盖11内侧。电芯顶盖11内侧设置有安装位111，安装位111向智能电芯外侧方向凸起，安装位111的高度与电芯监测管理中枢2厚度相匹配，两者可以相等，本实施例中的安装位111的高度略大于电芯监测管理中枢2的厚度，便于适配电芯监测管理中枢的尺寸公差。电芯监测管理中枢2装配在安装位111内，由密封结构密封固定，保证电芯监测管理中枢2与智能电芯内部的电解液绝缘。安装位111外侧设置有卡扣，用于固定信息传输器3。将信息传输器3固定在安装位111的背侧，使电芯监测管理中枢2与信息传输器3间的通信距离很短，降低了两者间通信连接的难度。
在将电芯监测管理中枢2与智能电芯外侧电池管理系统通信连接时，有多种选择，主要包括有线以及无线两种方式，但每一种方式均需要保证电芯监测管理中枢2与电池管理系统的连接具有高密封性。在本实施例中，选用的是无线传输的方式，即通过无线连接的方式连接电芯监测管理中枢2与信息传输装置3，具体的，是通过无线连接的方式连接通讯模块23以及信息传输装置3。本实施例中选用的NFC通信方式完成电芯监测管理中枢2与信息传输器3间的无线通信：在电芯监测管理中枢2的通信模块23以及信息传输器3上分别设置NFC通信器，由NFC通信器实现两者间的通信，NFC通信方式由于不需要在电芯顶盖上开口，故无需设置多余的密封结构，降低密封难度。
电芯监测管理中枢2需要供电后才能进入供电状态，一种方案是由智能电芯自行进行供电，由于电芯监测管理中枢2所需的供电电压通常远小于智能电芯的电压，需要变压电路调整电压。另一种方案是由智能电芯外部进行供电，即由信息传输器3进行供电。
在本实施例中，选用的NFC通信方式不仅能实现电芯监测管理中枢2与信息传输器3的通信，还能由信息传输器3对电芯监测管理中枢2供电。应当理解的是，本实施例中使用NFC进行供电仅是一种选择，同样也可在使用NFC通信方式连接电芯监测管理中枢2与信息传输器3的前提下，使用智能电芯自行供电，两种供电方式可根据实际需要进行选择。
如图1所示，在本实施例中，电芯监测管理中枢2的监测模块21负责采集智能电芯内部的各种数值，例如：智能电芯的电压值、智能电芯内部的温度值、智能电芯内部的压力值等，监测模块21将采集到各种数值传输至电芯监测管理中枢2的管理模块22中，由管理模块22进行保存及简单处理，并将处理结果由通信模块23传递至信息传输器3，再由信息传输器3传递至电池管理系统。
监测模块21包括信息采集单元，信息采集单元的数量及种类可以根据需要采集的数据进行设置。在本实施例中，包括三种信息采集单元：电压信息采集单元、温度信息采集单元以及压力信息采集单元，每个信息采集单元设置一个，能够在保证监测模块21监测功能的前提下降低监测模块21自身的体积，进而降低电芯监测管理中枢2的体积，降低内置电芯监测管理中枢2所需的空间。
电压信息采集单元包括电压监测电路，电压监测电路集成于电芯监测管理中枢2内，具体的，集成在监测模块21内，电压监测电路一方面与智能电芯的顶盖11电连接，进一步的，是分别与顶盖11上的正极柱以及负极柱电连接，采集智能电芯正极柱、负极柱间的电势差。电压监测电路另一方面与管理模块22电连接，将采集到的数据传输至管理模块22内，由管理模块22进行处理。此外，电压监测电路与顶盖11上的正极柱、负极柱之间设置有可控开关，可控开关可以控制电压监测电路是否与智能电芯正极柱、负极柱电连接，进而实现智能电芯电压采集的可控。可控开关由管理模块22进行控制，控制电压监测电路在某些情况下采集智能电芯的电压，在某些情况下不采集智能电芯的电压，如当电芯停止工作时，即可停止对智能电芯的电压采集，降低电芯监测管理中枢2的耗电量。
温度采集单元有多种设置方式，一种设置方式为：温度传感器外置于电芯监测管理中枢2主体，固定在温度采集点后，与电芯监测管理中枢2电连接。此种方式能够更加精确地采集智能电芯内部固定区域的温度，适用于当智能电芯某一定点温度对智能电芯状态监测至关重要的情况，如：智能电芯失控时泄压阀会打开进行泄压，此时泄压阀处的温度即为电芯热失控温度的临界值，其他区域的温度可能存在偏差，若采集其他区域的温度则无法最准确地对电芯状态进行监测，故将可将温度传感器设置于电芯顶盖11上的泄压阀处，能够有效提高其智能电芯温度测量精度。本实施例中采用的就是将温度传感器设置于电芯顶盖11泄压阀处的方式对智能电芯进行温度监控。
温度采集单元的另一种设置方式为：将用于采集智能电芯内部温度的温度采集电路集成在电芯监测管理中枢2内部。此种方式能够将温度采集单元集成在电芯管理中枢2内部，在对电芯监测管理中枢2进行密封时即对温度采集单元进行密封，由于不具备外置的温度传感器，电芯监测管理中枢2的密封难度小，适用于对温度定点监测要求不高的智能电芯。
压力采集单元的有多种设置方式，一种设置方式为：压力传感器外置于电芯监测管理中枢2的主体部分，固定在压力采集区域后，与电芯监测管理中枢2电连接。由于智能电芯各部分结构不一致，导致各个部位的所受的压力并不相同，此种方案能够精准监测智能电芯某一部分的压力变化状态，适合根据智能电芯内部某一区域压力来判断电芯状态的类型。如：智能电芯顶盖11上设置有在智能电芯热失控时用于排放智能电芯内部气体的泄压阀，在智能电芯热失控时，泄压阀会打开进行排气，此时泄压阀处的压力达到临界值，如将压力传感器设置在泄压阀附近，就能及时根据泄压阀压力变化情况对智能电芯进行控制，主要是智能电芯热失控预警。本实施例中采用的就是将压力传感器设置于电芯顶盖11泄压阀处的方式对智能电芯进行压力监控。
压力采集单元的另一种设置方式为：将用于采集智能电芯内部压力的压力采集电路集成在电芯监测管理中枢2内部。此种方式能够将压力采集单元集成在电芯监测管理中枢2内部，在对电芯监测管理中枢2进行密封时即对压力采集单元进行密封，由于不具备外置的压力传感器，电芯监测管理中枢2的密封难度小，适用于仅需要对智能电芯压力变化情况进行粗略监测的智能电芯。
管理模块22包括信息存储单元以及电芯管理单元。信息存储单元与电芯管理单元电连接，信息存储单元负责存储监测模块21采集到的信息，与监测模块21电连接，信息存储单元中的信息可被电芯管理单元调用。信息存储单元内还可存储一些关于智能电芯本身的信息，如智能电芯的型号、生产日期、批次等，此类信息在对智能电芯进行性能检测时能够由电芯管理单元发送至电芯外部的系统，便于对智能电芯进行溯源。电芯管理单元为电芯监测管理中枢2的核心，能够提取信息存储单元的保存信息并进行简单处理，将处理后的信息传输至智能电芯外部的电池管理系统。电芯管理单元也能接收智能电芯外部电池管理系统传输的信息，对智能电芯进行控制。根据电芯管理单元内部的电路设计可以实现多种不同的功能，如主动均衡以及电芯异常预警等。在本实施例中，在电芯管理单元内部设置了电压均衡电路以及电压预警电路。
电压均衡电路负责对智能电芯进行电压均衡，能够根据智能电芯外部的电池管理系统发送的信息对智能电芯进行电压均衡：电压均衡电路与电芯顶盖11电连接，当接收到电池管理系统的补电信号时，控制智能电芯进行与其他智能电芯相互配合，进行补电；当接收到电池管理系统的放电信号时，控制智能电芯放电，在本实施例中，在进行放电操作时，由于通信模块22与信息传输器3采用NFC通信，故放电可以选择与其他智能电芯相互配合进行放电，也可通过通信模块22向信息传输器3一侧进行放电。
电压预警电路负责在电压异常且外部电池管理系统休眠时唤醒电池管理系统，对智能电芯内部的异常电压进行预警：当电动汽车停止工作时，电池管理系统会进入休眠状态，不再对电池系统的异常进行响应，此时如有电芯出现问题，将不能及时处理或发出警报。在本实施例中，智能电芯内部设置有电压预警电路，电压预警电路与信息储存单元电连接，实时处理信息储存单元内的智能电芯电压数据，当数据异常时，立即通过通信模块22向智能电芯外部电池管理系统发送唤醒信号，唤醒电池管理系，并输送异常电压值，由电池管理系统进一步处理判断智能电芯的状态。此外，也可根据实际需求在智能电芯内部设置温度预警电路及压力预警电路，设置方案与电压预警电路相似。
通信模块23与管理模块22电连接，集成在电芯监测管理中枢2内，用于将电池监测管理中枢2的中的信息发送至信息传输器3，不同的智能电芯可选用不同的通信模块23，在确保通信模块23与信息传输器3相匹配的前提下进行选型即可，在本实施例中，选用的NFC通讯装置与信息传输器3进行通信，NFC通讯装置包括NFC驱动器以及通讯收发器。
本公开第二方面提供了一种电池系统，包括供电电池以及电池管理系统。供电电池是由多个本公开第一方面提供的智能电芯组合而成，可以由数个智能电芯组成电池模组，再由多个电池模组组成供电电池，也可由数量较多的智能电芯直接组成供电电池。电池管理系统与智能电芯通信连接，具体的，是将电池管理系统电连接到信息传输器3上，通过信息传输器与电芯监测管理中枢2通信连接。由于每一个智能电芯内部均设置有电芯监测管理中枢2，在智能电芯组成供电电池后，能够实现每一个智能电芯均与电池管理系统通讯连接，进而实现电池管理系统实时对每一个电芯进行监测和管理控制。
电池管理系统接收电芯监测管理中枢2发出的信息，对该信息进行判断处理，根据处理结果判断智能电芯的状态，并根据智能电芯的不同状态对电池系统进行调整：在需要进行电压均衡时，电池管理系统会向智能电芯发送均衡电压的信息，智能电芯可以根据接收到的信息自行进行电压均衡，由于本公开的电池系统每一个智能电芯的状态都是实时监测的，故可以实现仅仅对某个智能电芯或是某些智能电芯进行电压均衡，其他智能电芯保持不变，提高了电池系统电压均衡的精确度。电池管理系统也能根据电芯监测管理中枢2发出的信息处理结果进行预警，如当智能电芯的温度、压力超过预警值时，电池管理系统就会发出预警信号进行预警。
本公开的智能电芯的电芯监测管理中枢2同样具有简单的数据处理能力，能够简单地对智能电芯内部的检测数据进行简单处理，重点是处理温度值和压力值。此数据处理的功能主要是为了在电池管理系统在休眠时及时唤醒电池管理系统，唤醒后电芯监测管理中枢2依旧需要将异常信号发送至电池管理系统进行处理判断，进一步确认智能电芯的状态，并根据状态由电池管理系统统一控制进行相应操作。当电池管理系统未休眠时，电芯监测管理中枢2仅是根据电池管理系统的需求提供相应的数据，并不进行数据处理。此种设计原理能够大幅降低电芯监测管理中枢2的体积，进而降低智能电芯的制造难度及成本。
本公开第三方面提供了一种电动汽车，该电动汽车使用本公开第二方面挺的电池系统进行供电。
本公开所提供的技术方案，能够将电池管理系统与电池管理系统内每一个智能电芯连接起来，实现对每一个智能电芯的监测控制，大大提高了电池管理系统对智能电芯的监测控制能力。智能电芯内部集成的电芯监测控制中枢2能够更加精确的监测智能电芯所需监测的各项数值，同时还能在特定情况下启动电池管理系统，大幅提高了整个电池系统的可靠性与安全性。
上面结合附图对本公开实施例作了详细说明，但是本公开不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本公开宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (18)

1.一种智能电芯，其特征在于，包括：
电芯主体，所述电芯主体包括电芯顶盖、电芯外壳以及卷芯；
电芯监测管理中枢，监测管理所述智能电芯，所述电芯监测管理中枢设置在所述电芯主体内部，所述电芯监测管理中枢包括监测模块、管理模块以及通信模块，所述监测模块、所述通信模块与所述管理模块电连接；以及，
信息传输器，传输所述电芯监测管理中枢发出的信息，所述信息传输器设置在所述电芯顶盖外侧，所述电芯监测管理中枢与所述信息传输器连接。
2.根据权利要求1所述的智能电芯，其特征在于，所述电芯监测管理中枢密封固定在所述电芯顶盖内侧。
3.根据权利要求2所述的智能电芯，其特征在于，所述电芯顶盖上设置有安装位，所述安装位向所述智能电芯外侧方向凸出，所述电芯监测管理中枢装配在所述安装位内，所述安装位的高度与所述电芯监测管理中枢的厚度相匹配。
4.根据权利要求3所述的智能电芯，其特征在于，所述安装位外侧设置有卡扣，所述信息传输器通过所述卡扣与所述安装位相固定。
5.根据权利要求4所述的智能电芯，其特征在于，所述通信模块与所述信息传输器通过无线传输的方式进行通信。
6.根据权利要求1所述的智能电芯，其特征在于，所述监测模块包括信息采集单元、所述管理模块包括信息存储单元以及电芯管理单元。
7.根据权利要求6所述的智能电芯，其特征在于，所述信息采集单元包括温度传感器，所述温度传感器外置于所述电芯监测管理中枢，固定在所述智能电芯内部温度待测点上，并与所述电芯监测管理中枢电连接。
8.根据权利要求6所述的智能电芯，其特征在于，所述信息采集单元包括温度采集电路，所述温度采集电路集成在所述电芯监测管理中枢内部。
9.根据权利要求6所述的智能电芯，其特征在于，所述信息采集单元包括压力传感器，所述压力传感器固定在所述电芯顶盖上，并与所述电芯监测管理中枢电连接。
10.根据权利要求6所述的智能电芯，其特征在于，所述信息采集单元包括压力采集电路，所述压力采集电路集成在所述电芯控制中枢内部。
11.根据权利要求6所述的智能电芯，其特征在于，所述信息采集单元包括电压监测电路，所述电压监测电路集成在所述电芯监测管理中枢内部，所述电压监测电路与所述电芯顶盖电连接。
12.根据权利要求11所述的智能电芯，其特征在于，所述电压监测电路与所述电芯顶盖通过可控开关电连接，所述可控开关由所述电芯监测管理中枢控制。
13.根据权利要求6所述的智能电芯，其特征在于，所述电芯管理单元包括电芯均衡电路，所述电芯均衡电路集成在所述电芯管理单元内，所述电芯均衡电路与所述电芯顶盖电连接，能够均衡所述智能电芯的电压。
14.根据权利要求6所述的智能电芯，其特征在于，所述信息存储单元与所述信息采集单元以及所述电芯管理单元电连接，所述信息存储单元能够存储所述信息采集单元中的信息，所述信息存储单元中的信息能够由所述电芯管理单元调用。
15.根据权利要求6所述的智能电芯，其特征在于，所述电芯管理单元包括预警电路，所述预警电路集成在所述电芯管理单元内，所述预警电路与所述信息存储单元电连接，能够在智能电芯异常时发出预警。
16.根据权利要求6所述的智能电芯，其特征在于，所述电芯管理单元与所述通信模块电连接。
17.一种电池系统，其特征在于，包括供电电池以及电池管理系统，所述供电电池由多个权利要求1～16任意一项所述的智能电芯电连接组成，所述电池管理系统与所述信息传输器电连接，进而与所述电芯监测管理中枢通信连接；
进一步的，所述电池管理系统与所述供电电池中每一个所述智能电芯的所述信息传输器电连接。
18.一种电动汽车，其特征在于，包括权利要求17所述的电池系统。
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