CN113972447A - 可切换电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及可切换电池管理系统，并且涉及具有多个电池模块和电池管理系统的电池系统。多个电池模块串联布置以限定电池串。多个电池模块中的每一个包括监控电路、一个或多个单元电池组和一个或多个开关，用于将一个或多个单元电池组电气连接到电池串。电池管理系统用于针对多个电池模块中的每一个在第一位置和第二位置之间选择性地切换一个或多个开关，第一位置将一个或多个单元电池组与电池串串联电气放置，第二位置将一个或多个单元电池组从电池串中电气旁路。电池管理系统经配置以经由串开关将电池串与电池总线电气耦接。

Description

可切换电池管理系统
技术领域
本公开涉及电池电力系统和方法，诸如适用于飞行器的电池电力系统和方法。
背景技术
电动飞行器、混合动力飞行器和太阳能飞行器的概念已经在一些飞行器研究项目中得到证实。这些电力系统通常采用电池阵列(或类似电池系统)来提供和/或存储飞行器(或其他交通工具)操作所需的电力。
电池阵列可以包括一个或多个电池组，其采用一个或多个具有各种化学成分的电池，诸如锂基电池。例如，锂聚合物电池的每单位重量的比能量密度高于大多数其他化学电池；包括镍镉、铅酸、氧化银、汞和碱性干电池。此外，锂聚合物电池的每个单元电池具有比许多其他系统更高的电压输出；因此，实现给定的电池电压需要较少的单元电池。然而，在操作过程中，电池阵列中各种电池单元的健康状态和充电状态水平会随着电池单元的老化和充放电而波动。可对此类波动进行监控和处理，以确保飞行器的持续安全操作。
因此，需要电池管理系统和相关方法来解决这些波动，同时克服现有电池系统的缺陷，诸如增加的尺寸、重量和成本。
发明内容
本公开涉及电池电力系统和方法，诸如适用于飞行器的电池电力系统和方法。所公开的电力系统和方法通过根据充电状态、健康状态和电力需求(例如，负载)电气连接和断开电池阵列的部分来解决波动，同时克服现有电池系统的缺陷，诸如增加的尺寸、重量和成本。
根据第一方面，公开了一种用于控制电池系统的方法，其中电池系统包括多个电池模块和电池管理系统，多个电池模块串联布置以限定电池串，多个电池模块中的每一个包括监控电路、一个或多个单元电池组，以及一个或多个开关，一个或多个开关用于将一个或多个单元电池组电气连接到电池串，电池管理系统用于针对多个电池模块中的每一个在第一位置和第二位置之间选择性地切换一个或多个开关，第一位置将一个或多个单元电池组与电池串串联电气放置，第二位置将一个或多个单元电池组从电池串电气旁路。该方法包括从多个电池模块中识别第一电池模块以从电池串旁路，从多个电池模块中识别第二电池模块以与电池串串联放置，将第一电池模块的一个或多个开关切换到第二位置，以及将第二电池模块的一个或多个开关切换到第一位置。
在某些方面中，一个或多个单元电池组中的每一个包括电气并联布置的两个或更多个电池单元。
在某些方面中，该方法还包括经由预充电电路将电池串与电池总线连接的步骤，其中预充电电路包括与预充电电阻器串联电气耦接的预充电开关，以限制流过预充电开关的电流。
在某些方面中，该方法还包括在多个电池模块中识别缺陷电池模块的步骤，其中第一电池模块是缺陷电池模块。
在某些方面中，第二电池模块是备用电池模块。
在某些方面中，该方法还包括以下步骤：经由监控电路的模数转换器(ADC)，将表示流过一个或多个单元电池组的电流的模拟信号转换为数字信号，并且将该数字信号通信给电池管理系统。
在某些方面中，该方法还包括经由电池管理系统在先断后合(BBM)布置中切换一个或多个开关的步骤。
在某些方面中，一个或多个开关中的每一个是固态开关。
在某些方面中，固态开关是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
在某些方面中，串开关是固态开关。
在某些方面中，固态开关是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
根据第二方面，一种电池系统包括：串联布置以限定电池串的多个电池模块，多个电池模块中的每一个包括监控电路、一个或多个单元电池组、以及将一个或多个单元电池组电气连接到电池串的一个或多个开关；以及电池管理系统，用于针对多个电池模块中的每一个在第一位置和第二位置之间选择性地切换一个或多个开关，第一位置将一个或多个单元电池组与电池串串联电气放置，第二位置将一个或多个单元电池组从电池串电气旁路，其中电池管理系统经配置以经由串开关将电池串与电池总线电气耦接，并且其中电池管理系统经配置以：从多个电池模块中识别第一电池模块以从电池串旁路，从多个电池模块中识别第二电池模块以与电池串串联放置，将第一电池模块的一个或多个开关切换到第二位置，并且将第二电池模块的一个或多个开关切换到第一位置。
在某些方面中，一个或多个单元电池组中的每一个包括电气并联布置的两个或更多个电池单元。
在某些方面中，电池管理系统选择第二电池模块以基本上维持电池串的输出电压。
在某些方面中，第二电池模块是备用电池模块。
在某些方面中，电池管理系统经配置以在多个电池模块中识别缺陷电池模块。
在某些方面中，第一电池模块是缺陷电池模块。
在某些方面中，一个或多个开关中的每一个是固态开关。
在某些方面中，串开关是固态开关。
在某些方面中，电池管理系统经配置以同时切换(1)第一电池模块的一个或多个开关到第二位置和(2)第二电池模块的一个或多个开关到第一位置。
在某些方面中，监控电路包括电流传感器和模数转换器(ADC)，其中电流传感器经配置以输出表示流过一个或多个单元电池组的电流的模拟信号，并且ADC经配置以将模拟信号转换为数字信号。
在某些方面中，监控电路经配置以将数字信号通信给电池管理系统。
在某些方面中，电池系统还包括第二多个电池模块，第二多个电池模块被布置成限定第二电池串，该第二电池串限定第二输出电压，其中第二电池串经由第二串开关与电池串电气并联布置。
在某些方面中，电池管理系统经配置以经由第二串开关将第二电池串与电池总线电气耦接。
在某些方面中，电池管理系统经配置以经由预充电电路将电池串与电池总线电气耦接，该预充电电路经配置以执行预充电循环。
在某些方面中，预充电电路包括与预充电电阻器串联电气耦接的预充电开关，以限制流过预充电开关的电流。
在某些方面中，固态开关是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
在某些方面中，固态开关是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
在某些方面中，电池管理系统经配置以在先断后合(BBM)布置中切换一个或多个开关。
根据第三方面，一种电池系统包括：第一多个电池模块，其串联布置以限定具有第一输出电压的第一电池串；第二多个电池模块，其被布置成限定第二电池串，该第二电池串限定第二输出电压，其中第二电池串经由第二串开关与第一电池串电气并联布置，其中第一多个电池模块和第二多个电池模块中的每一个包括监控电路、一个或多个单元电池组以及一个或多个开关，用于将一个或多个单元电池组电气连接到其相应的第一电池串或第二电池串；以及电池管理系统，用于针对多个电池模块中的每一个在第一位置和第二位置之间选择性地切换一个或多个开关，第一位置将一个或多个单元电池组与其相应的第一电池串或第二电池串串联放置，第二位置将一个或多个单元电池组从其相应的第一电池串或第二电池串电气旁路，其中电池管理系统经配置以：从第一多个电池模块中识别第一电池模块以从第一电池串旁路，从第一多个电池模块中识别第二电池模块以与第一电池串串联放置，将第一电池模块的一个或多个开关切换到第二位置，并且将第二电池模块的一个或多个开关切换到第一位置。
在某些方面中，一个或多个单元电池组中的每一个包括电气并联布置的两个或更多个电池单元。
在某些方面中，电池管理系统经配置以在多个电池模块中识别缺陷电池模块，其中第一电池模块是缺陷电池模块。
在某些方面中，监控电路包括电流传感器和模数转换器(ADC)，其中电流传感器经配置以输出表示流过一个或多个单元电池组的电流的模拟信号，并且ADC经配置以将模拟信号转换为数字信号。
在某些方面中，电池管理系统经配置以经由预充电电路将第一电池串或第二电池串与电池总线电气耦接，该预充电电路经配置以执行预充电循环。
在某些方面中，预充电电路包括与预充电电阻器串联电气耦接的预充电开关，以限制流过预充电开关的电流。
在某些方面中，一个或多个开关中的每一个是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
在某些方面中，串开关是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
在某些方面中，第二电池模块是备用电池模块。
附图说明
本文所描述的装置、系统和方法的前述和其它目的、特征和优点从其如附图所图示的特定实施例的以下描述中将是明显的；其中相似的附图标记表示相似的结构。附图不一定按比例缩放，而是重点在于图示本文所描述的装置、系统和方法的原理。
图1图示了根据一个方面适合与电池系统一起使用的示例飞行器的透视图。
图2a图示了图1的示例飞行器的示例电力系统的框图，该电力系统包括示例电池系统。
图2b图示了图2a的电力系统的电池系统的框图。
图2c图示了根据第一方面的图2b的电池系统的电池模块的框图。
图2d图示了图2c的电池模块的监控电路的详细视图。
图2e图示了根据第二方面的图2b的电池系统的电池模块的框图。
图2f图示了图2e的电池模块的监控电路的详细视图。
图3图示了图2b的电池系统的电池管理系统的框图。
图4a和图4b图示了带有备用电池模块的电池串的框图。
图5图示了利用备用电池模块控制电池系统的示例方法。
具体实施方式
除非另有明确说明或根据文本清楚，否则对单数形式的项目的引用应理解为包括复数形式的项目，反之亦然。除非另有说明或根据上下文清楚，否则语法连词旨在表达连接从句、句子、单词等的任何和所有析取和连接组合。除非本文另有指示，否则本文中对值的范围的引用并不旨在限制，而是指单独地落入该范围内的任何和所有值，并且在这种范围内的每个单独值被并入说明书中，如同其在本文中被单独引用一样。在以下描述中，应当理解诸如“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“侧面”、“前部”、“后部”等术语是方便的词语，并且不应被解释为限制性术语。
如本文所使用的，当伴随数值时，术语“约”、“大约”、“基本上”等将被解释为指示如本领域的普通技术人员所理解的出于预期目的而令人满意地进行操作的偏差。值和/或数值的范围在本文中仅作为示例被提供，并且不构成对所描述的实施例的范围的限制。本文提供的任何和所有示例或示例性语言(“例如”、“诸如”等)的使用仅旨在更好地说明实施例，并且不是对实施例的范围构成限制。术语“例如(e.g.和for example)”引出一个或多个非限制性示例、实例或图示的列表。说明书中的任何语言都不应被解释为指示对于实施例的实践至关重要的任何未请求保护的元素。
如本文所使用的，术语“空中交通工具”和“飞行器”可互换地使用，并且指代能够飞行的机器，包括但不限于传统跑道和垂直起飞和着陆(“VTOL”)飞行器两者，并且还包括有人和无人机(“UAV”)。VTOL飞行器可以包括固定翼飞行器(例如，鹞式喷气式飞机)、旋翼飞机(例如，直升机、多旋翼等)和/或倾斜旋翼/倾斜翼飞行器。
如本文所使用的，术语“和/或”是指通过“和/或”联接的列表中的项目中的任何一个或多个。作为一个示例，“x和/或y”是指三元素集合{(x),(y),(x,y)}中的任何元素。换言之，“x和/或y”是指“x和y中的一者或两者”。作为另一个示例，“x、y和/或z”是指七元素集合{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}中的任何元素。换言之，“x、y和/或z”是指“x、y和z中的一个或多个”。
如本文所使用的，术语“电路(circuit)”和“电路系统(circuitry)”是指物理电子部件(即硬件)和任何软件和/或固件(“代码”)，该软件和/或固件可以配置硬件、由硬件执行或者以其他方式与硬件关联。如本文所使用的，例如，特定处理器和存储器当执行第一组一行或更多行代码时可以包括第一“电路”，并且当执行第二组一行或更多行代码时可以包括第二“电路”。
如本文所使用的，如本文所使用的术语“复合材料”指代包含添加剂材料和基体材料的材料。例如，复合材料可以包括纤维添加剂材料(例如，纤维玻璃、玻璃纤维(“GF”)、碳纤维(“CF”)、芳纶/对位芳纶合成纤维等)和基体材料(例如，环氧树脂、聚酰亚胺和氧化铝，包括但不限于热塑性塑料、聚酯树脂、聚碳酸酯热塑性塑料、铸造树脂、聚合物树脂、丙烯酸树脂、化学树脂)。在某些方面中，复合材料可以采用金属(诸如铝和钛)来生产纤维金属层压板(FML)和玻璃层压板铝增强环氧树脂(GLARE)。此外，复合材料可以包括混合复合材料，其经由向基本纤维/环氧树脂基体添加一些互补材料(例如，两种或更多种纤维材料)来实现。
如本文所使用的，术语“通信(communicate、communicating)”是指(1)从源到目的地传输或以其他方式传送数据，和/或(2)将数据递送到通信介质、系统、信道、网络、装置、电线、电缆、光纤、电路和/或要被传送到目的地的链路。
如本文所使用的，术语“处理器”是指处理装置、设备、程序、电路、部件、系统和子系统，无论它以硬件、有形体现的软件或两者来实现，以及无论它是否可编程。如本文所使用的术语“处理器”包括但不限于：一个或多个计算装置、硬连线电路、信号修改装置和系统、用于控制系统的装置和机器、中央处理单元、可编程装置和系统、现场可编程门阵列、专用集成电路、片上系统、包括分立元件和/或电路的系统、状态机、虚拟机、数据处理器、处理设施，以及前述的任何的组合。例如，处理器可以是任何类型的通用微处理器或微控制器、数字信号处理(DSP)处理器、专用集成电路(ASIC)。处理器可以耦接到存储器装置或与存储器装置集成。存储器装置可以是任何合适类型的计算机存储器或任何其他类型的电子存储介质，诸如，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、高速缓存存储器、紧凑光盘只读存储器(CDROM)、电光存储器、磁光存储器、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、计算机可读介质等。
如本文所使用的，每当电路系统或装置包括执行功能所必要的硬件和代码(如果任一个是必要的话)时电路系统或装置是“可操作”或“经配置”以执行该功能，无论该功能的执行是禁用还是未启用的(例如，通过用户可配置的设置、工厂修整等)。
图1图示了根据一个方面适合与电池系统一起使用的示例飞行器100的透视图。飞行器100通常包括机身102(例如机体)，机身102具有机翼组104，机翼组104具有右舷机翼104a和左舷机翼104b。虽然机翼组104被图示为具有渐缩外侧翼尖大致呈线性，但是考虑了其它机翼配置，例如后掠、非渐缩、矩形、椭圆形、前掠等。机身102还包括尾翼106，其具有一个或多个垂直稳定器106a和/或水平稳定器106b，它们可以被配置为多个尾翼配置中的一个。为了协助受控飞行，飞行器100还可以包括一个或多个可移动的控制面。例如，机翼组104和/或垂直稳定器106a中的每一个可以包括固定前段和枢转地耦接到固定前段的后缘的可移动部分，诸如一个或多个后缘襟翼、配平片和/或方向舵106c。
飞行器100可以经配置以运载乘客和/或货物。如图所示，机身102包括用于一个或多个人类操作员和/或乘客的驾驶舱/客舱114。飞行器100可以用作例如空中出租车、急救交通工具(例如救护车)、游乐艇、货物运输等。图示的驾驶舱/客舱114包括可以由例如玻璃材料和/或丙烯酸材料制成的前向透明飞行器舱盖116。飞行器100通常被图示为具有用于有人操作的驾驶舱，但是也可以被配置为无人操作(即，不需要机上飞行员)或者同时被配置为无人驾驶和完全自治(即，既不需要机上飞行员也不需要远程控制飞行员)二者。例如，飞行器100可以由人类操作员、计算机操作员(例如，远程自动驾驶仪)或基站通过无线通信链路远程控制。在无人操作布置中，可以省略驾驶舱/客舱114。
飞行器100的各种结构部件可以由金属、金属合金、复合材料、木材、塑料(或其他聚合物)或其组合制造。在某些方面中，飞行器100的部分(例如，机身102和/或机翼组104)可以使用一种或多种增材制造/3D打印技术来制造，诸如熔融沉积建模(FDM)、立体光刻(SLA)、选择性激光烧结(SLS)和/或任何其他合适类型的增材制造/3D打印。
为了促进巡航操作和VTOL操作，所图示的飞行器100包括多个推进器110(例如，VTOL推进器110a和巡航推进器110b)以生成推力。多个推进器110可以位于机身102、机翼组104、尾翼106、一个或多个动臂112或其组合上。推进器110可以绕其相应的旋转轴顺时针或逆时针方向运转，旋转轴可以为固定旋转轴或枢转旋转轴(例如，倾斜翼或倾斜旋翼配置)。在某些方面中，在机身102一侧上的推进器110可以顺时针方向运转，而在机身102的另一侧上的VTOL推进器110a可以逆时针方向运转。本领域技术人员将理解，旋翼叶片的叶片节距将依据旋转方向进行调整。图1中所示的推进器110的数量和位置仅仅是示例，并且可以根据需要改变。
推进器110中的每一个通常包括电动机118，该电动机118耦接到螺旋桨120并且经配置以驱动螺旋桨120围绕其旋转轴旋转/使螺旋桨120围绕其旋转轴旋转以生成推力。多个推进器110中的每一个可以定向为指示推力以促进受控飞行，在所图示的飞行器100的情况下，受控飞行包括VTOL和巡航操作两者。尽管每个推进器110被图示为包括具有四个旋翼叶片的螺旋桨120，但在其它实施例中，螺旋桨120可以包括不同数量的叶片。
在VTOL操作期间，耦接到机翼组104的多个VTOL推进器110a被定向以生成相对于机身102的垂直推力(提升推力)，以向机身102提供升力(例如，平行于飞行器100的偏航轴)。在巡航操作期间，耦接到机身102后端的一个或多个巡航推进器110b被定向以生成相对于机身102的水平推力(巡航推力)(例如，平行于飞行器100的滚转轴)。
尽管图示为经由一个或多个动臂112耦接到机翼组104，但多个VTOL推进器110a可以可替代地或附加地直接耦接到机翼组104或飞行器的其他结构部件以提供垂直推力，诸如机身102、尾翼106等。类似地，虽然单个巡航推进器110b被图示为在机身102后端耦接到机身102以提供水平推力，但是一个或多个VTOL推进器110a可以改为耦接到飞行器100的其他结构部件(例如，机翼组104、尾翼106等)以提供水平推力(例如，固化巡航操作)。一个或多个巡航推进器110b可以布置为推进器配置(如图所示)或牵引机配置。
在VTOL操作期间，VTOL推进器110a被驱动(例如，经由电动机118)以生成垂直推力以提供垂直升力以使飞行器100能够起飞、悬停和着陆。在巡航操作期间，机翼组104维持飞行器100的翼载飞行，从而卸载多个VTOL推进器110a。如本领域普通技术人员将理解的，翼载飞行指代经由一个或多个翼型(例如，机翼组104)向飞行器提供升力的飞行类型，从而避免了垂直推力(例如，来自VTOL推进器110a)的需要。当飞行器100从VTOL操作过渡到巡航操作时，VTOL推进器110a通常不操作(例如，不被驱动)。
飞行器100包括向飞行器100(及其各种部件)供电并且控制其操作的电力系统134。电力系统134可以特别包括电池系统、控制器(例如，电动机控制器)、飞行控制器系统等。如下文所述，电力系统134可以嵌入示例飞行器100中和/或分布在整个示例飞行器100中。换句话说，电力系统134(或其部分)可以嵌入飞行器100中。
图2a图示了图1中示例飞行器100的带有机载电池系统200的示例电力系统134的框图。飞行器100使用电池系统200为其各种电力负载供电。举例说明，飞行器100的电池系统200可以在完全充电时向飞行器100提供总计约1kWh到1MWh的总能量存储。然而，可以理解，可以通过调整电池系统200中的电池或电池单元的数量来增加或减少能量存储量，以实现期望的能量存储量。电池总线210直接或间接地将电池系统200与飞行器100的各种电负载和电源电气耦接，从而促进电池系统200的充放电。
从电池系统200接收电流消耗(IDraw)以使电池系统200放电的电负载可以包括例如电动机118(如图所示，无论是直接地还是经由电动机控制器128)、电动机控制器128、控制致动器130(例如，控制飞行表面的致动器，诸如机翼和尾部伺服机构)、飞行控制系统122(或其他航空电子装置)，以及可以用于操作飞行器100的其他负载124，诸如情报监测侦察(ISR)有效载荷。
电动机118可以是经由电机控制器128控制的有刷或无刷电动机，诸如电子速度控制器(ESC)单元。电机控制器128指代经配置以将来自电池系统200的电流消耗(IDraw)转换为可调节驱动电流(IDrive)，以改变电动机118的速度(电机速度)、其方向，并且在需要时充当动态制动器的电子电路。电机控制器128可以与飞行器100耦接(或以其他方式集成)(例如，与作为机舱吊舱一部分的电动机118一起)。一个或多个电气安全装置132(例如保险丝、e-保险丝、断路器、可复位保险丝，诸如聚合正温度系数(PPTC)装置等)可以在电池总线210和电机控制器128之间直列式(in-line)提供，以提供过流保护。
可以使用来自电源126的充电电流(ICharge)通过电池总线210对电池系统200进行充电，电源126可以位于飞行器100上、飞行器100外部或其组合。例如，电源126可以是机载发动机驱动的发电机(例如，混合动力布置)或机载可再生能源(例如，太阳能电池板)。附加地或可替代地，电源126可以是地面上的充电站，其使用线电流来产生充电电流(ICharge)以对电池系统200充电。
电池系统200通常包括彼此电气并联布置的多个电池组202。如图所示，电池组202连接在地面和电池总线210之间。虽然图2a中图示了四个电池组202，但是可以采用附加或更少的电池组202来实现目标电池容量(例如，以针对给定的飞行器、飞行计划和/或电负载提供足够的电力)。举例来说，飞行器100的电池系统200可以包括约2至12个电池组202。
多个电池组202中的每一个包括电池管理系统208和多个电池模块206，电池模块206电气地串联布置以限定两个或更多个电池串204(例如，单独的电池串204)。电池串204可以经配置(例如，设定尺寸)以使得给定电池组202中的每个电池串204提供相同的标称电压。虽然每个电池组202被图示为具有四个电池串204，这些电池串电气地并联布置，但是可以采用附加的或更少的电池串204来实现电池组202的目标容量。例如，电池组202可以包括2到10个电池串204，更优选的是2到8个电池串204，以及最优选地至少3个电池串204。此外，虽然每个电池串204被图示为具有电气地串联布置的五个电池模块206，但是可以采用附加或更少的电池模块206来实现电池串204的目标串电压(VString)。例如，电池串204可以包括2至20个电池模块206，更优选4至15个电池模块206，且最优选至少4个电池模块206。电池系统200中采用的电池串204和电池模块206的数量可以根据整个电池系统200的目标容量、目标电压和目标重量(例如，最大重量)进行选择。
电池系统200的部件，诸如电池组202、电池串204和/或电池模块206，可以位于飞行器100的中心位置(例如机身102)中，或者分布在整个飞行器100上(例如，位于机身102、机翼组104、尾翼106等上)以平衡电池系统200的重量和/或在飞行器100的一部分发生物理损坏或分离时减轻性能问题。
虽然固定电池串架构(例如，硬接线电池串)可以最小化电池系统的占用空间(例如，尺寸、重量、功率要求等)，但是随着电池单元总数的增加和/或电池单元从完全充电到完全放电的循环，输出电压在从完全充电到完全放电的循环期间表现出增加的变化。因此，通常实施附加硬件来调节电池系统的输出电压，但代价是输出转换过程中损失的总体效率降低。然而，可以智能地重新配置电池串204中的电池模块206的数量的电池系统200消除了对附加电压调节器级的需要并且提高了总体效率。
电池系统200允许在(例如，每个电池模块206、每个电池串204等的)各种级别的控制粒度进行动态重新配置。例如，电池系统200可以通过动态地选择所有可用电池模块206的子集并且动态地将电池模块206切换到电池串204(在线)或切换出电池串204(离线/旁路)来调节输出电压或容量。因此，电池系统200为飞行安全容忍单一故障，使得电池系统200在低于电池模块206(或其部分)的最佳性能的情况下将正常操作。
电池系统200还提供处理电池系统200内缺陷电池模块206的能力。传统电池系统甚至容易受到单个缺陷电池模块的影响，使得系统不可用，并且丧失了仍然存在于可行(即，良好/可用)电池中的剩余能量。相反，本文所描述的电池系统200可以根据预定的切换例程将电池串204中的缺陷电池模块206旁路，从而导致电池系统200不受电池单元的低于最佳性能的影响。因此，如果需要，电池系统200的缺陷部件可以离线切换并且替换以提供进一步的故障保护。例如，电池系统200的部件可以作为线路可更换单元(LRU)提供，其中缺陷电池模块206可以离线切换(例如，切换出/旁路)以提供进一步的故障保护。
可以选择电池系统200中的电池组202、电池串204和/或电池模块206的数量以实现期望的目标电压和/或目标容量。然而，提供备用(例如，额外或冗余)电池组202、电池串204和/或电池模块206是有利的。例如，电池系统200可以包括备用电池组202、电池串204和/或电池模块206，其可以被切入以替换缺陷电池组202、电池串204，和/或电池模块206。例如，如将结合图4a、图4b和图5讨论的，电池系统200可以检测(在操作期间)电池组202、电池串204和/或电池模块206不再维持充电、接受充电或以其他方式显示异常(例如，缺陷，诸如热失控状态)，在此状态下，备用电池组202、电池串204和/或电池模块206可以被切入以替换表现出低于最佳性能的一个或多个电池组202、表现出低于最佳性能的电池串204和/或表现出低于最佳性能的电池模块206(或在飞行计划结束时用作电力储备)。参考图2a，电池系统200被图示为包括四个电池组。在一个示例中，这四个电池组202中的一个可以用作备用电池组。此外，每个电池组202被图示为包括四个电池串。在一个示例中，这四个电池串204中的一个可以用作备用电池串。此外，图4a、图4b图示了用备用电池模块206c替换缺陷电池模块206b。
电池串204内的电池模块206可以经由一个或多个互连器彼此电气连接，以促进从一个电池模块206向另一个电池模块206(例如，相邻的电池模块206)传递电力和/或数据信号。互连器可以采用例如经配置以彼此配合的第一连接器(例如，阴连接器)和第二连接器(例如，阳连接器)。例如，当电池模块206被布置成限定电池串204时，电力和/或数据信号可以经由互连器从电池串204的一端(例如，近端)传送或以其他方式通信到电池串204的相对端(例如，远端)；它们中的每一个都可以在隔离电池模块206表现出低于最佳性能的情况下提供传递通过(pass through)功能。
在一个示例中，电池模块206可以将电源轨(例如，电力、中性点、接地等)和(一条或多条)数据通信线262以直列式连接集成，使得电池模块206可以彼此附接以形成连续的电力和数据路径，用于馈送负载和与处理器212交互。在某些方面中，电池系统200内的电池串204可以根据需要经由互连器扩展和收缩(例如，可以连接或断开附加电池模块206)。换言之，电力和/或数据信号通过互连器跨电池串204携带，从而仅需要在电池串204的一端处进行电气连接以允许快速的电气和机械集成。
参考图2b，每个电池组202的细节将变得更加明显，图2b图示了交通工具管理系统的电池系统200的框图。电池系统200的架构提供电池管理系统208，其经由一个或多个处理器212监测和控制电池模块206的可重新配置功能。虽然单个处理器212被图示为耦接到多个电流传感器216中的每一个并且经由开关信号控制多个串开关214中的每一个，但是电池管理系统208可以采用多个处理器212。例如，尽管未示出，但可以为每个电流传感器216和/或串开关214提供专用处理器212。示例电池系统200再次被图示为具有四个电池组202，每一个都具有其自己的电池管理系统208。具体地，电池管理系统208被示出为第一、第二、第三和第四电池管理系统208a、208b、208c、208d，为了本示例的目的，可以假设它们彼此基本相同。因此，为了便于说明，仅说明第一电池管理系统208a的细节。
如图所示，第一电池管理系统208a包括处理器212、多个串开关214和多个电流传感器216。例如，每个电池组202被图示为具有四个电池串204，四个电池串204电气并联布置并且经由四个不同的串开关214耦接到电池总线210。多个串开关214经配置以从电池总线210电气连接和断开每个电池串204以使电池串204(或其部分)可以充放电。
处理器212可操作地耦接到多个串开关214和多个电流传感器216中的每一个。例如，处理器212可以从电流传感器216接收每个电池串204的经测量的串电流(IString)。例如，多个电流传感器216中的每一个经配置以测量传递通过其相应的电池串204的串电流(IString)。处理器212还可操作地耦接到电池串204的每个电池模块206并且经配置以经由一条或多条数据通信线262从每个电池模块206(例如，以数字格式)接收传感器读数。数据通信线262可以被屏蔽，以减轻尤其是电池串204的电磁干扰(EMI)。虽然图2b中仅图示了电流传感器216，但是数据通信线262可以耦接到一个或多个其它传感器、仪器或其它硬件，其监测或控制例如电池串204内的每个电池模块206或单元电池组224的健康和/或操作参数(例如，温度、湿度、电压等)。
第一电池管理系统208a随时间跟踪电池串204和每个电池模块206的阻抗/电阻和容量。因此，电池系统200可以通过在最可行的电池模块206之间平衡负载来实施防止单元电池衰减(或进一步单元电池衰减)的预防措施。该实施方式确保在没有意外性能或缺陷的情况下，电池单元以相同的速率持续地平衡和衰减。因此，第一电池管理系统208a可以在其预期/可用寿命期间最大化电池组202和/或电池串204的容量，而不消耗电池单元平衡方案中的过多能量。
电池系统200可以使用硬件切换和保护元件的组合，以及基于数量标准的基于软件的模块选择过程。硬件仪表测量一个或多个参数，包括电池电压、电池温度、电池串电压、电池组电压、电池组电流、电池组组件电压、电池组组件电流、电池压力(例如单元电池组压力)，和/或用于通知电池系统200内的模块选择过程的其他参数。
第一电池管理系统208a经配置以经由处理器212，经由来自处理器212的开关命令，在第一位置和第二位置之间选择性地切换串开关214(和/或下面讨论的一个或多个电池开关238)，以在闭合的导通位置和断开的非导通位置(或在电池开关238的情况下旁路)之间切换。
一个或多个处理器212监测电池串204的一个或多个电池模块206中的每一个，并且在某些方面中，监测电源126和一个或多个电负载(例如，电动机118、电机控制器128、控制致动器130、飞行控制系统122和其他负载124等)。例如，响应于输入参数(例如，来自飞行器100的飞行控制系统122的指令)，电池管理系统208可以经由处理器212调整电负载和/或调整(或重新分配)来自一个或多个电池串204的电力以满足电负载的需要。为此，电池管理系统208和处理器212可以包含每个电池模块206或与每个电池模块206操作地耦接。电池管理系统208可以通过单工或冗余通信总线与电池系统200中的每个电池模块206通信。电池管理系统208可以采用一个或多个控制区域网络(CAN)总线进行监测、通信和/或控制，而外部总线可以用于在电池系统200(或其部件)和电负载或电源126之间传递电力。
随着电池老化(经过多次充电/放电循环)，阻抗/电阻和容量会衰减，并且电池单元特性也会发生变化。传感器信息可以是来自电池系统200中的一个或多个传感器(例如，电压传感器、电流传感器、应变传感器、热敏电阻222等)的数字数据信号的形式，因此由处理器212和电池管理系统208的相关软件(或者，如果需要，更高级别的控制系统，诸如飞行控制系统122)来评估，以确定尤其是电池组202或电池串204中的每个电池模块206的充电状态(SoC)、健康状态(SoH)和等效电阻，充电状态(SoC)、健康状态(SoH)和等效电阻可以实时(或接近实时)或定期(例如，每1到5分钟)更新。例如，电池管理系统208可以以一种或多种方式确定电池模块206的SoC。当电池模块206在电池串204外(即被旁路)时，可以通过测量电池模块206的开路电压(OCV)来确定电池模块206的SoC。当电池单元220处于电池串204中时，电池模块206的SoC可以通过测量流入和流出电流来估计。使用流入和流出电流估计电池的SoC的一种技术被称为库仑计数法(也称为安时计数和电流积分)。库仑计数法采用在使用期间进行数学积分的电池电流读数，以计算SoC值。库仑计数法然后只需通过将传递流入或流出电池中的电荷累加来计算出剩余容量。
现在将结合图2c到图2f的电池模块206来描述电池模块206的细节。图2c图示了根据第一方面的电池系统200的电池模块206的框图，其中图2d图示了图2c的电池模块的监控电路(细节B)的框图。类似地，图2e图示了根据第二方面的电池系统200的电池模块206的框图，其中图2f图示了图2e的电池模块的监控电路(细节C)的框图。
图2c到图2f的电池模块206基本相同，除了图2e和图2f的电池模块206采用多个电池开关238来提供对电池模块206的切换的更精细的控制，但是以成本、重量和相对复杂度的增加为代价。例如，为每个单元电池组224提供单独的电池开关238(图示为单刀双掷(SPDT)开关)，以允许每个单元电池组224被电气切入或切出电池模块206。
如图所示，电池模块206通常包括电路板218、由多个电池单元220组成的一个或多个单元电池组224和仪表板256。虽然电路板218和仪表板256被图示为两个单独的板，但是电路板218的一些或全部功能可以由仪表板256提供。在一个示例中，结合电路板218和仪表板256描述的功能可以由单个电路板提供。
电池模块206提供可操作地耦接到处理器212的一个或多个监控电路228和一个或多个电池开关238，以选择性地启用(激活)或旁路在电池模块206内的多个电池单元220中的一个或多个(例如，如单元电池组224)。例如，一个或多个监控电路228和一个或多个电池开关238可以经由电路板218提供。电池模块206中的每一个可以经由(一个或多个)监控电路228的一个或多个电池开关238选择性地切换在线(连接)到电池串204或从电池串204切换离线(断开)。仪表板256经由数据连接器254通过一个或多个数据通信线路262与电池管理系统208通信地耦接。
如图2c所示，电池模块206可以采用具有固定架构的电池单元220(例如，硬接线电池单元220)，以降低与为每个单元电池组224提供开关相关联的成本和复杂性。在该示例中，只需控制单个电池开关238以将整个电池模块206与电池串204连接和断开(旁路)。相反，如果需要切换单个单元电池组224的能力，则可以为每个单元电池组224提供电池开关238，如图2e中最佳图示的，在这种情况下，需要控制电池模块206中的每个电池开关238以连接和断开(旁路)该电池模块206与电池串204。
在示例中，电池管理系统208经配置以针对多个电池模块206中的每一个，在第一位置(例如，第一掷(1T)位置)和第二位置(例如，第二掷(2T)位置)之间选择性地切换一个或多个电池开关238，第一位置将一个或多个单元电池组224与电池串204串联电气放置，第二位置从电池串204电气旁路一个或多个单元电池组224。电池开关238可以提供SPDT开关功能。因此，如图所示，电池开关238可以是SPDT开关，其中极(1P)可以连接到第一掷(1T)以插入/激活电池模块206，方法是通过将其与电池串204串联来包括，或者可以连接到第二掷(2T)以从电池串204旁路电池模块206。为了将电池模块206与电池串204断开连接(例如，在低于最佳性能的情况下或为了实现期望的电力/容量)，一个或多个电池开关238可以切换到第二掷(2T)位置。例如，在具有单个电池开关238的电池模块的情况下，电池模块206的电池开关238可以切换到第二掷(2T)位置。类似地，在具有多个电池开关238的电池模块的情况下，电池模块206的每个电池开关238可以切换到第二掷(2T)位置。根据经由仪表板256从一个或多个传感器接收的传感器信息，电池管理系统208可以控制一个或多个电池开关238。传感器信息可以与电池模块206、电池组202和/或电池串204的一个或多个监测参数有关，监测参数诸如温度测量值、电压测量值、电流测量值、应变测量值等。电池管理系统208还经配置以经由串开关214将电池串204与电池总线210电气耦接。电池管理系统208可以经由一条或多条数据通信线262接收传感器信息。
一个或多个电池开关238(和/或串开关214)可以是固态开关，诸如碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。例如，碳化硅MOSFET供应比硅MOSFET显著降低的电阻，从而导致降低重量、降低冷却复杂性、更高的效率和更高的整体电池能量密度。虽然固态开关在尺寸、成本和重量方面供应了某些优势，但是其他开关是可能的，诸如其他形式的MOSFET、机械继电器、簧片开关或IGBT开关(或另一形式的固态开关)等，电池开关238可以在先断后合(BBM或非短路)布置中被控制，该布置在闭合另一个电路之前中断一个电路，从而减轻对正在切换的电池模块206短路的任何风险。
在操作中，监控电路228转换来自电池管理系统208的电池模块选择命令，以选择性地插入/旁路电池串204的各个电池模块206。多个电池开关238可以经由印刷电路板组件(PCBA)电气耦接到多个电池单元220。电池单元220可以提供为单单元电池、多单元电池或其组合。取决于多单元电池的期望标称电压，例如，电池单元220可以被电气布置和连接(例如，在硬接线的固定架构中)以限定单元电池组224以实现电池单元220的期望标称电压和/或电力，无论是在并联配置中(如图所示)、在串联配置中，或其组合中。电池单元220可以采用多种单元电池设计中的一种，包括棱柱形、圆柱形和/或袋状。
电池管理系统208监测和控制电池串204(包括每个电池模块206及其部件)的操作。电池管理系统208可以生成多个系统输出(例如，可以是模拟或数字的指令)，以控制电池组202和/或电池模块206的操作。例如，电池管理系统208可以经配置以生成模块选择命令以在电池串204内插入/旁路各个电池模块206。系统输出可以基于经由两个或更多个系统输入从两个或更多个传感器接收的传感器信息(例如，数字数据信号)。在系统输入处接收的示例传感器信息尤其包括电压测量值(例如，每个电池模块206)、各个温度测量值(例如，每个电池单元220或单元电池组224，其可以经由温度传感器(诸如热敏电阻222)被测量)、电流测量值(例如，通过电池串204，经由电流传感器216)以及电池模块206的输出电压测量值。示例系统输出尤其可以包括电池开关控制指令(例如，信号/命令)、连接负载的电力(例如，基于每个电池模块206)和总电压(例如，基于每个电池模块206)。
电池管理系统208可以(例如，经由串开关214)切入或切出电池串204或者(例如，经由一个或多个电池开关238)切入或切出电池模块206以实现期望电压期望容量，和/或从电池系统200电气地移除缺陷电池串204或缺陷电池模块206。换言之，电池管理系统208选择性地插入/旁路电池模块206以实现期望电压，用可操作的电池模块206(备用电池组)替换缺陷电池模块206，和/或用备用电池组202补充电力。
在一些方面中，电池管理系统208可以经配置以同时切换一个或多个电池开关238和/或串开关214。例如，电池管理系统208可以经配置以同时(1)将第一电池模块206的一个或多个电池开关238切换到第二掷(2T)位置和(2)将第二电池模块206的一个或多个电池开关238切换到第一掷(1T)位置。在其它方面中，电池管理系统208可以经配置以在先断后合(BBM或非短路)布置中切换各种开关。例如，一个或多个电池开关238和/或串开关214可以在BBM布置中实施，BBM布置在闭合一个电路之前中断另一个电路，从而减轻被切换的单元电池组224或电池串204短路的任何风险。一个或多个电池开关238和/或串开关214可以使用公共源配置中的背靠背FET(例如，N-MOSFET)、TRIAC(三端半导体器件)、双极结晶体管(BJT)等来提供。
电池管理系统208提供过电压和欠电压保护，以及过电流保护和短路保护。电路板218还可以包括通用输入/输出(GPIO)扩展器226和一个或多个监控电路228(例如，每个电池开关238一个)。GPIO扩展器226操作以将处理器212通信地耦接到电路板218的每个监控电路228。输入/输出扩展器IC(例如，GPIO扩展器226)允许多个控制信号将可用的I/O扩展到处理器212。当不需要多个控制信号时，可以省略GPIO扩展器226。
每个监控电路228包括单元电池欠压(UV)保护电路230、隔离器232、栅极驱动器234、一个或多个电池开关238，以将电池模块206的一个或多个单元电池组224电气连接到电池串204，以及辅助电源236。隔离器232用于隔离栅极驱动器234和一个或多个电池开关238之间的单元电池开关信号。在操作中，电路板218基于来自处理器212的指令控制一个或多个电池开关238中的每一个连接或断开一个或多个单元电池组224，从而连接或断开电池模块206。虽然电池模块206被图示为具有电气串联布置的四个单元电池组224，但是可以采用附加或更少的单元电池组224来实现电池模块206的目标电压。例如，电池模块206可以包括1至20个单元电池组224，更优选2至16个单元电池组224，且最优选至少4个单元电池组224。
仪表板256用于提供许多功能，包括数据隔离、隔离的电力调节、单元电池组224的电压和/或温度监测以及过压(OV)硬件缓解。为此，仪表板256包括OV保护电路240、差分运算放大器242、多路复用器(MUX)模数转换器(ADC)244、基准电压(Vref)246、本地存储器248、串行外围接口(SPI)数据和芯片选择(CS)隔离250、隔离稳压(VReg)252，以及数据连接器254，用于(例如，以数字格式)将信号中继回到电池管理系统208。因此，监控电路228经配置以将数字信号通信到电池管理系统208。每个电池模块206可以经由ADC 244向仪表板256提供所有电池单元电平测量值的模数转换，从而避免了将模拟信号馈送到单独的数据接口板的需要，并且允许使用简单的总线代替。
电池单元220的各种参数可以被测量并且(经由仪表板256)通信到电池管理系统208以进行处理。示例参数包括例如电池模块206的电压、电流、温度和压缩。在某些方面中，电池单元220可以被配置为2p单元电池组件，其中热敏电阻222和/或应变传感器可以位于两个p电池单元之间。替代性地，可以使用单个应变传感器来监测完整电池模块206的压缩。一个或多个单元电池组224包括电气并联布置的两个或更多个电池单元220。虽然一个或多个单元电池组224中的每一个被图示为具有电气并联布置的两个电池单元220，但是附加电池单元220可以依据电力容量要求电气并联布置。一个或多个单元电池组224中的每一个还可以包括热敏电阻222以测量单元电池组224的温度(例如，动态地；实时或近实时)。可以可选地从每个电池模块206包括应变测量以监测电池单元220的压缩。例如，一个或多个热敏电阻222和/或应变传感器可以物理地放置在电池模块206中的电池单元220附近或之间，以分别监测每个单元电池组224的温度和应变。可以基于每个电池模块206或每个单元电池组224来监测/测量参数(例如，温度)。例如，电池模块206的一个或多个电池单元220可以与热敏电阻222和/或应变传感器相关联，以允许仪表板256单独监测每个电池模块206。
参考图2d和图2f，其分别图示了电池模块206的监控电路228的第一框图和第二框图。如图所示，(例如，经由隔离器260从处理器212被通信到GPIO扩展器226的)输入开关信号，其中输入开关信号随后从GPIO扩展器226(例如，经由隔离器232)通信到每个监控电路228。隔离调节电压(VReg)252(例如，经由隔离器232和辅助电源236)向GPIO扩展器226和监控电路228供电。可以提供一个或多个二极管258以防止辅助电源236在单元电池电压低时将电流馈送到一个或多个单元电池组224。
隔离调节电压(VReg)252提供操作低压电路和高压电路的各种部件(例如，各种集成电路(IC))所需的电力。隔离调节电压(VReg)252例如可以是具有低压差(LDO)后稳压器的隔离反激μ模块DC/DC转换器，其中隔离额定值为例如725VDC。隔离调节电压(VReg)252可以在3.1V到32V的输入电压范围和2.5V到13V的输出电压范围内操作。隔离调节电压(VReg)252还可以包括线性后稳压器，其输出电压可由单个电阻器设置在1.2V到12V范围内调节。
图3图示了电池系统200的电池管理系统208的框图。电池管理系统208通常包括处理器板302和顶部开关板304。处理器板302包括处理器212，处理器212可操作地耦接到存储器装置306和调节电源308。顶部开关板304通常包括过压(OV)/欠压(UV)检测电路310、将模拟传感器信号转换为数字传感器信号的ADC 312、电流传感器216、预充电电路316、过电流(OC)检测器318、一个或多个隔离器232、用于驱动各种开关(例如，预充电开关316a和串开关214)的一个或多个栅极驱动器234以及辅助电源236。
电池管理系统208可以经配置以经由预充电电路316将电池串204与电池总线210电气耦接，预充电电路316经配置以执行预充电循环。预充电电路316包括预充电开关316a，其与预充电电阻器316b电气串联耦接以限制流过预充电开关316a的电流。预充电开关316a可以是一个双向、最大串电压阻断、输出接触器。因此，预充电电路316不是经由串开关214将电池串204直接连接到电池总线210，而是经由栅极驱动器234选择性地控制预充电开关316a，以经由预充电电阻器316b将电池串204连接到电池总线210。在预充电循环期间，当电池(例如，电池串204)最初连接到电池总线210时，预充电电阻器316b减轻来自电池总线210的电流涌入。预充电循环可以在达到预定条件时终止，此时串开关214闭合，而预充电开关316a断开。预定条件可以是，例如，当经过预定时间段时或当电池总线210的电压满足被切换的电池(被图示为电池串204)的电压的预定百分比时。如图所示，监控电路228包括电流传感器216和模数转换器(ADC)312，其中电流传感器216经配置以输出表示流过电池串204的一个或多个单元电池组224的电流的模拟信号，并且ADC 312经配置以将模拟信号转换为数字信号。具体地，电流传感器216经由运算放大器314b测量通过电阻器314a(RSense)的电流。在某些方面中，可以提供电压传感器以测量电阻器314a(RSense)两端的电压。
图4a和图4b图示了在切换前后具有备用电池模块206c的电池串204的框图。如上所述，有缺陷的电池组202、电池串204和/或电池模块206可以经由一个或多个开关(例如，串开关214、电池开关238)从电池系统200电气断开，并且被备用电池组202、电池串204和/或电池模块206替换，而不是中止飞行计划以执行维护。当使用备用电池组202或备用电池串204时，在电池单元220或电池模块206不能按预期操作的情况下，由于整个电池组或电池串随后需要从系统中移除，电池系统200的尺寸必须被设定为提供大的过剩容量。
采用备用电池模块206c代替备用电池组202或备用电池串204供应了某些优点，诸如通过避免提供整个备用电池组202或备用电池串204的需求来减轻整个电池系统200的重量、尺寸和成本。因此，采用备用电池模块206c允许减少与备用电池组202和备用电池串204相关联的过剩容量，同时减少每个电池串204所需的电力处理，从而创建重量较轻、效率较高、能量密度较高的电池系统。为每个电池串204提供备用电池模块206c还允许跨电池系统200进行多次更换(例如，每个电池串204的至少一个电池模块206可以表现出低于最佳性能并且可以被替换)，而不必替换整个电池组202(其中大部分可以仍然可用)。
在所图示的示例中，采用了六个电池模块206a、206b、206c，但是仅需要五个电池模块206来维持正常操作，从而提供备用电池模块206c，其可以根据需要切换到电池串204以替换例如缺陷电池模块206b。六个电池模块206a、206b、206c可以在结构上相同，并且每个模块包括电池开关238a、238b、238c，以将其与电池串204连接和断开。
在操作中，电池管理系统208可以经配置以从多个电池模块206中识别可能有缺陷的第一电池模块206。在一个示例中，在例如检测到热失控状况时(例如，经由来自一个或多个热敏电阻器222的读数)，缺陷电池模块206b可以被识别为有缺陷的。一旦缺陷电池模块206b被标记或以其他方式识别为有缺陷的，则电池管理系统208可以从电池串204旁路它。例如，与缺陷电池模块206b相关联的电池开关238b可以从第一掷(1T)位置(图4a)切换到第二掷(2T)位置(图4b)。电池管理系统208还可以从多个电池模块206中识别未与电池串204串联放置的第二电池模块206，(例如，备用电池模块206c)，其可以与电池串204串联放置以代替缺陷电池模块206b。在该示例中，仅图示了一个备用电池模块206c，但是可以使用多个备用电池模块206c(例如，两个或更多个)。一旦已经识别出备用电池模块206c，则电池管理系统208就可以将其添加到电池串204中。例如，与备用电池模块206c相关联的电池开关238c可以从第二掷(2T)位置(图4a)切换到第一掷(1T)位置(图4b)。在某些方面中(例如，在提供多个备用电池模块206c的情况下)，电池管理系统208可以选择备用电池模块206c以基本上保持电池串204的目标输出电压。例如，备用电池模块206c可以被选择为具有与缺陷电池模块206b所具有(或应该具有)的电压相同的测量电压，以维持电池串204的目标输出电压。
图5图示了用于控制(例如，管理)电池系统200的示例方法500。如上所述，电池系统200包括：串联布置的多个电池模块206，以限定电池串204，其中多个电池模块206中的每个包括至少一个监控电路228、一个或多个单元电池组224，以及一个或多个开关238，用于将一个或多个单元电池组224电气连接到电池串204；以及电池管理系统208，用于针对多个电池模块中的每一个在第一位置(第一掷(1T)位置)和第二位置(第二掷(2T)位置)之间选择性地切换一个或多个开关238，第一位置将一个或多个单元电池组224与电池串204串联电气放置，第二位置将一个或多个单元电池组224从电池串204电气旁路。多个电池模块206可以包括一个或多个额外电池模块(例如，备用电池模块206c)，其可以根据需要切换到电池串204以更换例如缺陷电池模块206b或提供补充电力。
在步骤502处，电池系统200经由电池管理系统208和/或处理器212从多个电池模块206中识别第一电池模块206以从电池串204旁路。可以基于SoC、SoH、温度等选择第一电池模块206。识别第一电池模块206的步骤可以涉及将多个电池模块206中的电池模块206识别为有缺陷的(即，缺陷电池模块206b)。因此，第一电池模块206可以是缺陷电池模块206b。例如，第一电池模块206可能正经历热失控状况(或其它故障)。
在步骤504处，电池系统200经由电池管理系统208和/或处理器212从多个电池模块206中识别第二电池模块206以与电池串204串联放置。可以基于SoC、SoH、温度等来选择第二电池模块206。例如，可以选择处于良好状况的电池模块206作为第二电池模块。识别第二电池模块206的步骤可以涉及将多个电池模块206中的电池模块206识别为处于良好状况(例如，良好SoC、SoH等)。第二电池模块206可以是例如备用电池模块206c。
在步骤506处，电池系统200经由第一电池模块206的至少一个监控电路228将第一电池模块206的一个或多个开关238切换到第二位置(例如，第二掷(2T)位置)，以将其从电池串204电气地断开。
在步骤508处，电池系统200经由第二电池模块206的至少一个监控电路228将第二电池模块206的一个或多个开关238切换到第一位置(例如，第二掷(2T)位置)，以将其电气连接到电池串204。在某些方面中，一个或多个开关在先断后合(BBM)布置中切换。
在步骤510处，电池系统200经由电池管理系统208和/或处理器212、将电池串204与电池总线210连接。电池串204可以经由串开关214或预充电电路316连接至电池总线210。预充电电路316包括预充电开关316a，预充电开关316a与预充电电阻器316b电气串联耦接，以限制流过预充电开关316a的电流。在某些方面中，电池串204可以经由预充电电路316连接到电池总线210达预定时间段，然后经由串开关214(例如，直接-不通过预充电电阻器316b)连接。
在步骤512处，电池系统200经由监控电路228的模数转换器(ADC)312将模拟传感器信号转换为数字信号，并且将数字信号通信给电池管理系统208。例如，模拟传感器信号可以表示由电流传感器216测量的流过一个或多个单元电池组224的电流。如果需要，步骤512的转换和通信部分可以作为两个单独的步骤提供。
此外，本公开包括根据以下条款的实施例：
条款1.一种用于控制电池系统200的方法，电池系统200包括：多个电池模块206，多个电池模块206串联布置以限定电池串204，多个电池模块206中的每一个包括监控电路228、一个或多个单元电池组224，以及用于将一个或多个单元电池组224电气连接到电池串204的一个或多个开关238；以及用于针对多个电池模块中的每一个在第一位置和第二位置之间选择性地切换一个或多个开关238的电池管理系统208，第一位置将一个或多个单元电池组224与电池串204串联电气放置，第二位置将一个或多个单元电池组224从电池串204电气旁路，所述方法包括：
从多个电池模块206中识别第一电池模块206以从电池串204旁路，
从多个电池模块206中识别第二电池模块206，以与电池串204串联放置，
将第一电池模块206的一个或多个开关238切换到第二位置，以及
将第二电池模块206的一个或多个开关238切换到第一位置。
条款2.根据条款1所述的方法，其中一个或多个单元电池组224中的每一个包括电气并联布置的两个或更多个电池单元220。
条款3.根据条款1或条款2所述的方法，还包括经由预充电电路316将电池串204与电池总线210连接的步骤，其中预充电电路316包括预充电开关316a，其与预充电电阻器316b电气串联耦接以限制流过预充电开关316a的电流。
条款4.根据条款1至条款3中任一项所述的方法，还包括在多个电池模块206中识别缺陷电池模块206b的步骤，其中第一电池模块206是缺陷电池模块206b。
条款5.根据条款4所述的方法，其中第二电池模块206是备用电池模块206c。
条款6.根据条款1至条款5中任一项所述的方法，还包括经由监控电路228的模数转换器(ADC)312将表示流过一个或多个单元电池组224的电流的模拟信号转换为数字信号，以及将数字信号通信给电池管理系统208的步骤。
条款7.根据条款1至条款6中任一项所述的方法，还包括经由电池管理系统208在先断后合(BBM)布置中切换一个或多个开关的步骤。
条款8.根据条款1至条款7中任一项所述的方法，其中一个或多个开关238中的每一个都是固态开关。
条款9.根据条款8所述的方法，其中固态开关是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
条款10.根据条款1所述的方法，其中串开关214是固态开关。
条款11.根据条款10所述的方法，其中固态开关是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
条款12.一种电池系统200，包括：
多个电池模块206，其串联布置以限定电池串204，多个电池模块206中的每一个包括监控电路228、一个或多个单元电池组224和一个或多个开关238，以将一个或多个单元电池组224电气连接到电池串204；以及
电池管理系统208，用于针对多个电池模块中的每一个在第一位置和第二位置之间选择性地切换一个或多个开关238，第一位置将一个或多个单元电池组224与电池串204电气串联放置，第二位置将一个或多个单元电池组224从电池串204电气地旁路，其中电池管理系统208经配置以经由串开关214将电池串204与电池总线210电气耦接，以及
其中电池管理系统208经配置以：
从多个电池模块206中识别第一电池模块206，以从电池串204旁路，
从多个电池模块206中识别第二电池模块206，以与电池串204串联放置，
将第一电池模块206的一个或多个开关238切换到第二位置，并且
将第二电池模块206的一个或多个开关238切换到第一位置。
条款13.根据条款12所述的电池系统200，其中一个或多个单元电池组224中的每个单元电池组包括电气并联布置的两个或更多个电池单元220。
条款14.根据条款12或条款13所述的电池系统200，其中电池管理系统208选择第二电池模块206以基本上保持电池串204的输出电压。
条款15.根据条款14所述的电池系统200，其中第二电池模块206是备用电池模块206c。
条款16.根据条款12至条款15中任一项所述的电池系统200，其中电池管理系统208经配置以在多个电池模块206中识别缺陷电池模块206b。
条款17.根据条款16所述的电池系统200，其中第一电池模块206是缺陷电池模块206b。
条款18.根据条款12至条款17中任一项所述的电池系统200，其中一个或多个开关238中的每一个都是固态开关。
条款19.根据条款12至条款18中任一项所述的电池系统200，其中串开关214是固态开关。
条款20.根据条款12至条款19中任一项所述的电池系统200，其中电池管理系统208经配置以同时(1)将第一电池模块206的一个或多个开关238切换到第二位置和(2)将第二电池模块206的一个或多个开关238切换到第一位置。
条款21.根据条款12至条款20中任一项所述的电池系统200，其中监控电路228包括电流传感器314和模数转换器(ADC)312，其中电流传感器314经配置以输出表示流过一个或多个单元电池组224的电流的模拟信号，并且ADC 312经配置以将模拟信号转换为数字信号。
条款22.根据条款21所述的电池系统200，其中监控电路228经配置以将数字信号通信给电池管理系统208。
条款23.根据条款12至条款22中任一项所述的电池系统200，还包括第二多个电池模块206，其被布置成限定第二电池串204，第二电池串204限定第二输出电压，其中第二电池串204经由第二串开关214与电池串204电气并联布置。
条款24.根据条款23所述的电池系统200，其中电池管理系统208经配置以经由第二串开关214将第二电池串204与电池总线210电气耦接。
条款25.根据条款12至条款24中任一项所述的电池系统200，其中电池管理系统208经配置以经由预充电电路316将电池串204与电池总线210电气耦接，预充电电路316经配置以执行预充电循环。
条款26.根据条款25所述的电池系统200，其中预充电电路316包括预充电开关316a，该预充电开关316a与预充电电阻器316b电气串联耦接，以限制流过预充电开关316a的电流。
条款27.根据条款18至条款26中任一项所述的电池系统200，其中固态开关是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
条款28.根据条款19至条款26中任一项所述的电池系统200，其中固态开关是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
条款29.根据条款12至条款28中任一项所述的电池系统200，其中电池管理系统208经配置以在先断后合(BBM)布置中切换一个或多个开关。
条款30.一种电池系统200，包括：
第一多个电池模块206，其串联布置以限定具有第一输出电压的第一电池串204；
第二多个电池模块206，其被布置成限定第二电池串204，第二电池串204限定第二输出电压，其中第二电池串204经由第二串开关214与第一电池串204电气并联布置，
其中第一多个电池模块和第二多个电池模块206中的每一个包括监控电路228、一个或多个单元电池组224和一个或多个开关238，以将一个或多个单元电池组224电气连接到其相应的第一电池串或第二电池串204；以及
电池管理系统208，用于针对多个电池模块中的每一个在第一位置和第二位置之间选择性地切换一个或多个开关238，第一位置将一个或多个单元电池组224与其相应的第一电池串或第二电池串204电气串联放置，第二位置将一个或多个单元电池组224从其相应的第一电池串或第二电池串204电气旁路，
其中电池管理系统208经配置以：
从第一多个电池模块206中识别第一电池模块206，以从第一电池串204旁路，
从第一多个电池模块206中识别第二电池模块206，以与第一电池串204串联放置，
将第一电池模块206的一个或多个开关238切换到第二位置，并且
将第二电池模块206的一个或多个开关238切换到第一位置。
条款31.根据条款30所述的电池系统200，其中一个或多个单元电池组224中的每个单元电池组包括电气并联布置的两个或更多个电池单元220。
条款32.根据条款30或条款31所述的电池系统200，其中电池管理系统208经配置以在多个电池模块206中识别缺陷电池模块206b，其中第一电池模块206是缺陷电池模块206b。
条款33.根据条款30至条款32中任一项所述的电池系统200，其中监控电路228包括电流传感器314和模数转换器(ADC)312，其中电流传感器314经配置以输出表示流过一个或多个单元电池组224的电流的模拟信号，并且ADC 312经配置以将模拟信号转换为数字信号。
条款34.根据条款30至条款33中任一项所述的电池系统200，其中电池管理系统208经配置以经由预充电电路316将第一电池串204或第二电池串204与电池总线210电气耦接，预充电电路316经配置以执行预充电循环。
条款35.根据条款34所述的电池系统200，其中预充电电路316包括预充电开关316a，预充电开关316a与预充电电阻器316b电气串联耦接，以限制流过预充电开关316a的电流。
条款36.根据条款30至条款35中任一项所述的电池系统200，其中一个或多个开关238中的每一个都是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
条款37.根据条款30至条款36中任一项所述的电池系统200，其中串开关214是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
条款38.根据条款30至条款37中任一项所述的电池系统200，其中第二电池模块206是备用电池模块206c。
虽然各种电池电力系统和方法通常结合飞行器来描述，但是它们可以应用于需要可重新配置电池系统的几乎任何行业。此外，方法步骤的顺序或呈现并不旨在要求执行所述步骤的顺序，除非明确要求特定顺序或以其他方式从上下文中清楚。因此，虽然已经示出和描述了特定的实施例，但是对于本领域技术人员来说明显的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对其中的形式和细节进行各种改变和修改，并且各种改变和修改旨在形成由随附权利要求所限定的本发明的一部分，随附权利要求在法律允许的最广泛意义上进行解释。应当理解，以上描述的方法和系统是通过示例而不是限制的方式来阐述的。对本领域的普通技术人员来说，许多变化、添加、省略和其他修改将是明显的。

Claims (12)

1.一种用于控制电池系统(200)的方法，所述电池系统(200)包括多个电池模块(206)和电池管理系统(208)，所述多个电池模块(206)串联布置以限定电池串(204)，所述多个电池模块(206)中的每一个包括监控电路(228)、一个或多个单元电池组(224)，以及用于将所述一个或多个单元电池组(224)电气连接到所述电池串(204)的一个或多个开关(238)，所述电池管理系统(208)用于针对所述多个电池模块中的每一个在第一位置和第二位置之间选择性地切换所述一个或多个开关(238)，所述第一位置将所述一个或多个单元电池组(224)与所述电池串(204)串联电气放置，所述第二位置将所述一个或多个单元电池组(224)从所述电池串(204)电气旁路，所述方法包括：
从所述多个电池模块(206)中识别第一电池模块(206)，以从所述电池串(204)旁路，
从所述多个电池模块(206)中识别第二电池模块(206)，以与所述电池串(204)串联放置，
将所述第一电池模块(206)的所述一个或多个开关(238)切换到所述第二位置，以及
将所述第二电池模块(206)的所述一个或多个开关(238)切换到所述第一位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个单元电池组(224)中的每一个包括电气并联布置的两个或更多个电池单元(220)。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括经由预充电电路(316)将所述电池串(204)与电池总线(210)连接的步骤，其中所述预充电电路(316)包括预充电开关(316a)，其与预充电电阻器(316b)电气串联耦接以限制流过所述预充电开关(316a)的电流。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的方法，还包括在所述多个电池模块(206)中识别缺陷电池模块(206b)的步骤，其中所述第一电池模块(206)是所述缺陷电池模块(206b)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第二电池模块(206)是备用电池模块(206c)。
6.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的方法，还包括经由所述监控电路(228)的模数转换器即ADC(312)将表示流过所述一个或多个单元电池组(224)的电流的模拟信号转换为数字信号的步骤，以及将所述数字信号通信给所述电池管理系统(208)。
7.一种电池系统(200)，其包括：
多个电池模块(206)，其串联布置以限定电池串(204)，所述多个电池模块(206)中的每一个包括监控电路(228)、一个或多个单元电池组(224)和一个或多个开关(238)，以将所述一个或多个单元电池组(224)电气连接到所述电池串(204)；以及
电池管理系统(208)，用于针对所述多个电池模块中的每一个在第一位置和第二位置之间选择性地切换所述一个或多个开关(238)，所述第一位置将所述一个或多个单元电池组(224)与所述电池串(204)串联电气放置，所述第二位置将所述一个或多个单元电池组(224)从所述电池串(204)电气旁路，其中所述电池管理系统(208)经配置以经由串开关(214)将所述电池串(204)与电池总线(210)电气耦接，并且
其中所述电池管理系统(208)经配置以：
从所述多个电池模块(206)中识别第一电池模块(206)，以从所述电池串(204)旁路，
从所述多个电池模块(206)中识别第二电池模块(206)，以与所述电池串(204)串联放置，
将所述第一电池模块(206)的所述一个或多个开关(238)切换到所述第二位置，以及
将所述第二电池模块(206)的所述一个或多个开关(238)切换到所述第一位置。
8.根据权利要求7所述的电池系统(200)，其中所述一个或多个单元电池组(224)中的每一个包括电气并联布置的两个或更多个电池单元(220)。
9.根据权利要求7所述的电池系统(200)，其中所述电池管理系统(208)选择所述第二电池模块(206)以基本上保持所述电池串(204)的输出电压。
10.根据权利要求9所述的电池系统(200)，其中所述第二电池模块(206)是备用电池模块(206c)。
11.根据权利要求7至10中任一项权利要求所述的电池系统(200)，其中所述电池管理系统(208)经配置以在所述多个电池模块(206)中识别缺陷电池模块(206b)。
12.根据权利要求7至10中任一项权利要求所述的电池系统(200)，其中所述监控电路(228)包括电流传感器(314)和模数转换器即ADC(312)，其中所述电流传感器(314)经配置以输出表示流过所述一个或多个单元电池组(224)的电流的模拟信号，并且所述ADC(312)经配置以将所述模拟信号转换为数字信号。
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