CN115735294A - 模块化串联电池组（BlMoSe） - Google Patents

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Abstract

本发明的主题是一种模块化串联电池组(BlMoSe)，它由具有相同特性的锂电池组成，他们沿着与电流方相对应的给定方向(S)的连接串联连接，以便获得必要的电压。

Description

模块化串联电池组(BlMoSe)
技术领域
本发明涉及锂电池和由锂电池电芯组成的模块化串联电池组(BlMoSe)。
背景技术
现有技术，例如申请WO 2010/145230 A1中已知有外部模块化架构，其中X电池耦合到外部总线，从而允许将数据上传到监控器。
根据另一现有技术，专利申请WO2020064221 A1教导了一种电池系统，该电池系统使用一种用于检测电池系统中异常自放电的方法，该电池系统包括多个锂离子电芯和电池管理系统(BMS，在图中称为BCU)，其中每个电芯配备有电芯监控电路(CSC)或电芯模块，以单独或成组地监控平衡，并且电池管理装置配置为使得在一个电芯或一组电芯的预定时刻，其电芯电压与至少一个其他电芯或电芯组进行比较并增加时，将平衡电路驱动到要支持的该电芯或电芯组，并且可选地从另一个电芯汲取电荷或为一组电芯提供降低的电池电压，直到电芯电压相等。
如果出现偶然或零星的偏差，只能在BCU的故障存储器中输入一个条目，这标志着电池系统下次维护时要检查的电芯。
在出现频繁较强偏差的情况下，例如可以将电芯标记为即将进行更换，并且BMS通过通信通道，例如CAN总线，将相应的消息传输到安装有电池系统的系统中，例如传输到电动汽车中。
在出现最坏的情况时，如果与设定值的偏差非常大和/或偏差变得越来越大，BMS还可以关闭电芯或其中安装有电芯的模块，以防止进一步恶化和发生内部短路。
然而，该文献没有教导在检测到高温时停止一组电芯。此外，每个电芯均单独或成组地设置有平衡电路，但不提供管理电路的其他功能，最终决策和存储单元BCU是远程的。
专利申请CA 3044454 A1教导了一组电池，该组电池包括串联连接的几组电芯，仅包括一个控制机构，其中切断机构在其通电时处于操作位置，而在未通电时处于一组电芯的旁路位置。该专利申请还教导了通过电流传感器检测短路、检测电芯中的温度升高、检测过压或欠压或温度超过温度阈值以执行触点的断开，从而产生一组电池的旁路。BMS配置为接收外部电源、传送模数信号以及与外部服务进行通信。
该设备的缺点是需要用到电流传感器。此外，切断机构在通电时处于操作位置，而在未通电时处于旁路位置。这种设备的缺点是，如果切断机构因电路故障而停止供电并且没有检测到温度超限，它会导致一组电芯被绕过。
此外，设备处于操作位置时不通电；此外，它仅涉及串联模块的分组，以根据某些条件从组中引入或删除模块。
还已知的是美国专利申请2016185251A1，其教导了一种用于通过电流加热电池的设备，该设备通过产生充电和放电阶段在电池中产生双向电流，这会导致电池温度升高。
然而，这样的设备存在的缺点是具有必须处于能够创建充电阶段的位置。事实上，可以通过将电池与耗电设备连接起来来得到放电阶段，但要想得到充电阶段，则需要一台发电机，该发电机只有在车辆或飞机的发动机工作时才能运行。该系统不允许在电池变冷时进行预热，然后再开始获得最大功率。
还有专利申请WO 2018095039 A1，描述了一种远程智能电池管理系统，包括：至少两个电池组、一个数据分析中心和一个终端监控器。每个电池组配备一组锂电池、一个电池管理系统(BMS)模块、一个GPS通信模块和一个4G通信模块。BMS模块用于获取锂电池组数据和管理锂电池组；GPS模块用于获取锂电池组地理信息的位置数据；4G通信模块用于通过基站将锂电池组数据和地理信息位置数据传输至数据分析中心；数据分析中心设有数据测试中心、数据存储中心和基于云的人工智能电池分析中心。远程智能电池管理系统可以实时调整BMS的管理策略，控制锂电池组的充放电情况，大大提高了电池的安全性。通过确定锂电池组的运行状况，降低售后沟通成本，提高锂电池组的利用率和维修率。
在该设备中，电池管理模块仅用于收集测量结果并将收集到的测量结果发送给数据分析中心，从而检测并决定电池的管理。
还已知专利申请CN 110600641 A，其教导了一种48V锂电池系统模块，该模块包括12电芯模块、BMS、水冷却板和在至少一个胶合板中形成的条，该胶合板具有与电芯大小和形状相同的开口。
这种的设备教导了具有胶合板和水冷却板的模块化系统。恰恰相反，它不提供电芯的加热。
现有技术还包括专利申请CN 109659990 A，其公开了一种电动汽车锂电池安全监控管理系统，包括BMS、云服务器和移动终端APP。BMS包括微控制单元、采集模块、充放电控制模块和无线传输管理模块。采集模块、充放电控制模块和无线传输管理模块与微控制单元电连接；采集模块包括电压传感器、电流传感器和温度传感器，用于在使用过程中采集电池电压、电流和温度。充放电控制模块根据采集模块采集的电池信息进行充放电控制；BMS通过无线传输管理模块与云服务器正式连接；移动终端APP与云服务器正式连接。BMS还包括安全保护模块；安全保护模块与微控制单元电连接，微控制单元用于出现在电池组中。在异常过充、过放、过流、过热、低温等情况下，报警并切断电池组对负载的输出。这样的设备需要终端和云端的服务器才能运行。它还需要一个电流传感器。
还已知专利申请CN 110048178 A，它涉及一种在电池均衡状态下多次记录电池中每个电芯的累积均衡功率，以及记录电池每次均衡的开始时间来检测电池短路的方法。通过连续记录n次均衡过程数据，检测内部短路。这样的设备需要足够的存储容量和计算能力。
最后，专利申请KR 102065679 A教导了一种电池外部的保护电路以及一种使用MOS晶体管、比较器和电阻桥来提供参考电压Vref的过放电和过充电限制检测电路。
然而，现有技术的解决方案具有缺点，因为它们不允许电池通过提供较低的最大电流但不改变串并联电池的电压来保持功能。此外，所提出的解决方案描述了增加布线的外部模块化架构，而不是电池内部的架构。
因此，本发明旨在通过提出一种模块化串联电池组(BlMoSe)来解决这些缺点中的一个或多个缺点，该电池组结构简单经济，同时集成了电池组的操作安全功能。
发明内容
为了实现这一结果，本发明涉及一种模块化串联电池组(BlMoSe)，该电池组由沿竖直方向(V)排列的锂电芯组成；这些具有相同特性的电芯通过与电流方向相对应的给定方向(S)的连接串联连接以获得必要的电压，
模块化串联电池组包括在同一方向(V)上的一对上下保持元件，用于保持相邻的电芯并与方向(S)垂直；
宽舌片在模块的每个上或下表面上连接每对相邻的电芯，每对相邻的电芯通过它们的相反极性的极在方向(S)上一个接一个串联安装，并确保电池电芯之间的连接，每个上、相应的下、面的所述宽舌片通过另一个下、相应的上、面的一个电芯产生偏移；
该连接还连接到用于测量每个电芯的电势的处理电路，该电路安装在印刷电路组件上，形成排列成U形的三个表面，也就是说，两个上表面和下表面彼此平行，并且在一端通过垂直于它们的中心表面相互连接，所述表面基本上是平面的并且表面之间的接合部是圆形的或不是圆形的。该U形组件在三个侧面围绕模块化电池组件。所述U形组件布置成使得U的中心部分的垂线(或法线)垂直于方向(S)和方向(V)，并且
U的中心部分的上部(即U之外的中心部分的面，称为外表面)包含模块化电池组管理系统(BlMoSe)的电子设备；
形成U的中心部分的卡垂直布置，包括模块化电池组的加热电阻器，这些电阻器根据管理电路的命令连接到模块化电池组的一个或多个电芯以实现其供电；
布置在电芯下方的U的下部，以及U的上部，作用为至少恢复模块化电池组的每个电芯的电势，以便将它们提供给模块化电池组的管理系统的电压管理电路。
在一个实施例中，中心部分包括温度传感器和恒温器。
根据一个实施例，开关器件的开/关触点一方面与模块化电池组的每个最后一个电芯的正极或负极连接，另一方面分别与电池的正极或负极接线片连接，开关器件为MOSFET或电磁元件。
因此，本实施例改进了容错策略。实际上，本领域的技术人员知道，任何系统即使具有很高的操作安全性也有可能有一天出现故障。具有多个模块的电池的模块化架构的一个有趣之处在于能够将显示故障的模块电气隔离，从而使车辆能够以最小的损坏完成其行程；如果缺少电池线，驾驶员会看到电池故障，但车内仍然有电。
单个模块对于模块之间的数据交换(安全级别信息以及命令和数据监控级别)是有问题的。
因此，本发明的另一个目的是提出该问题的解决方案。
根据该目标，每个模块化块的每个BMS卡包括连接到连接器的数字总线和模拟总线，允许属于多个模块化电池组(BlMoSen)的多个卡BMSn的总线连接在一起，然后使用所有多个模块化电池组的监控系统(SU)。
根据另一个实施例，一条线上的串联电芯的数量将根据所需电压从1到x中选择，所需最大电压由开关器件或BMS卡中使用的组件支持。
在另一个实施例中，保持元件是由间隔件保持的边框，并限定了一组圆柱形外壳，该圆柱形外壳具有圆形或正方形或多边形截面，在每个上或下边框上限定一排外壳，每个外壳容纳电芯；
舌片与弹性销，例如弹簧式弹性销(称为弹簧销)一起形成一个T形，其中心条构成电芯和处理电路之间的连接，用于通过上下卡恢复电势。
因此，通过将上卡和下卡固定在间隔件上，舌片通过弹性销保持在电芯上。
因此，模块化电池组的组装可以省去使用锡焊技术，锡焊技术会在模块化电池组受到振动时造成触点的可靠性问题。
本发明还涉及一种使用如上所述的模块化串联电池组的串并联电池，多个模块化串联电池组BlMoSe并排组装成一排并通过两个电源条互连，其中一个电源条与每个模块电池组的正极和电池盒的负极外接线片连接，卡间连接可以将每个卡的总线连接在一起，形成串并联电池，该串并联电池与电池盒中的内部监控器连接，其由微处理器和应用程序组成，此外该串并联电池还通过连接器与其他设备连接。
在一个实施例中，当模块化电池组的BMS卡检测到模块温度过高时，BSM卡通过打开开关器件来控制相关电池排的断开，从而为串-并联电池组件创建降级电流工作模式，监控器向用户(车辆驾驶员或飞行员)发送警报消息；然后，如果模块在开路后温度下降，则会将温度下降的信息发送给用户。这允许电池在过热的情况下发挥功能，而不会改变串并联电池电压，并且可能表明事件是暂时的，以便更好地分析事件。
根据另一实施例，开关器件与连接到与组件的正极相邻的极线的条连接，该条用作无源辐射器，用于通过其相应选择的尺寸从电芯排出热量。
根据另一实施例，对于12V、15Ah的电池，串并联电池由m行并联的模块化串联电池组组成，每个模块化电池组由n个锂电芯组成，n个锂电芯串联组装(nSmP)，其中nS表示串联蓄电池的数量，mP表示并联线路的数量。
本发明还涉及如上所述的一组串并联电池，所选择的电芯为每个3.3V和2.5Ah的锂元素。
在一个实施例中，模块化串联电池组的每个模块包括一组三个互连的电子卡，确保BMS功能，用于管理模块化电池组的元件，其扩展为在所谓的正常操作中具有以下一个或多个特征：
电芯电压平衡；
每个电池的电压阈值比较；
在负温度的情况下供应电池加热器；
BMS卡管理的模块温度测量；
通过短路检测来防止短路，通过缓慢和深度放电检测来防止缓慢和深度放电，以及打开由至少一个MOSFET或电磁元件组成的开关器件；
通过打开充电电路来限制充电电流，以保持电池的使用寿命；
计算电池的充电状态和健康状况；
与电路对话，向其发送以下信息：
警报；
SOH；
ON；
OFF；
或执行从监控器收到的以下命令：
ON；
OFF；
启动加热器。
因此，单个全局BMS卡可以监控、检测和触发监控器的操作或信息，或同时监控、检测和触发监控器的操作和信息。
在另一个实施例中，当监控器通过监控器对电流超出限制的电池线的观察检测到模块之间的电流平衡出现故障时，相对于其他电池线的过度差异表明该线已疲劳，串并联电池触发监控器从电池向车辆驾驶员或飞行员发送“维护”消息，从而可以检查电池的状态，避免故障发生。
在另一个实施例中，模块化串联电池组的BMS卡具有以下反应时间特性：
短路检测：断开时间为75毫秒；
检测最大允许电流：开启时间为10秒；
对应10℃的放电检测：10倍电池容量C，即10Ah电池放电100Ah，断开时间为5分30秒；
对应1℃的放电检测：在这种情况下，电路断开时间为60分钟。
根据另一个实施例，每个BMS卡都集成了温度监控，即使电池处于“关闭”状态，温度监控也始终保持活动状态，通过监控器分析电池外壳中的温度，该温度由安装在每个模块的卡中心部分的探针测量得到，即使电池在架子上，也会通过LCD屏幕上的消息或可听见的哔哔声进行警告。
根据另一实施例，为了限制充电电流，每个BMS卡使用电阻器类型的组件，该组件在电池放电方向上导电并且在充电方向上像相反连接的二极管一样具有电阻性。
根据另一实施例，BMS卡使用：
用于在每个模块之间传输信号的数字数据总线：
一种或多种通信协议，其允许：
各模块数据监控(平衡电压、温度、电流)；
警报报告；
监控健康状态，充电状态。
根据最后一个实施例，在可能的情况下，通过在每个模块中使用微控制器和监控器(其在模块之一中或在电池内部的单独卡上实现)来替换组件电路，以允许：
创新算法的实现，甚至是“机器学习或深度学习”(故障管理)的实现。
附图说明
本发明的其他特征和优点将在阅读本发明实施例的详细描述时显现，这些实施例仅作为示例给出，并参考附图，其显示：
图1示出了使用由汇流条3和2平行放置的几个模块化电池组的架构图。
图2示出了混合串并联架构的示意图。
图3a示出了围绕根据本发明的四电芯模块化串联电池组的三卡管理电路的示意图。
图3b示出了根据本发明的四电芯模块化串联电池组的截面。
图3c示出了根据本发明的四电芯模块化串联电池组的一个面的立体图的截面。
图3d示出了根据本发明的四电芯模块化串联电池组的相对面的立体图的截面。
图4a示出了根据本发明的具有八个电芯的模块化电池组的立体图。
图4b示出了根据本发明的由三个模块化串联电池组的并联组装形成的电池的立体图。
图5示出了根据本发明的模块化电池组的立体图。
图6示出了根据本发明的模块化串联锂电池的管理功能电路图。
图7a示出了检测电路的一个实施例，通过电压测量条件(短路、过流和深度放电)以触发模块化电池组与其他电池组的关联切断(断开)。
图7b示出了检测电路的另一个实施例，通过电压测量条件(短路、过流和深度放电)来触发模块化电池组与其他电池组的关联切断(断开)。
图8示出了切断电路的实施例，该切断电路在放电低于阈值的情况下或在检测电路检测到的短路期间实现切断。
图9示出了在由管理功能的检测电路检测到的过冲、电压或温度的情况下实现负载切断的电路的实施例。
图10a、图10b、图10c和图10d分别示出了根据一个实施例的24.4伏电池和16伏触发电压Td在过电流(4A)的情况下比较器U1和U2的端子处电压变化的显示。
具体实施方式
现在将参考附图来描述本发明的各种实施例，这些附图是说明性的而不是限制本申请。
迄今为止提出的解决方案描述了外部模块化架构，其中若干个电池耦合到外部数据总线，允许将信息升级到监控器。
相反，本发明提出的架构在电池内部，并且可以是并行模块化架构，例如如图1中所示，或可以是串行模块化架构，例如如图2所示。
在某些实施例中，模块化串联电池组由具有相同特性的锂电池的电芯(10、11、12、13、14、15、16、17、图5)组成，它们沿着与电流方向相对应的给定方向(S)串联在一起以获得必要的电压，例如如图1至图5中所示。
在某些实施例中，模块化串联电池组沿相同方向S包括的一对上(81)和下(71)保持元件，用于保持相邻电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)和垂直于从材料的下至上的竖直方向(V)的方向(S)，例如如图4a、图4b和图5所示。
在一些实施例中，宽舌片(31-40)沿方向(S)在模块的每个上或下表面上连接串联安装的每对相邻电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)，其中一个电芯与下一个相邻电芯的电极的极性相反，确保电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)之间的连接，每个上表面和各自下表面通过在另一下表面、各自上表面上的电芯所偏移，例如如图5所示。在该图中，右侧的第一个电芯的正极向上靠近上边框(81)，而串联组件左侧的最后一个电芯的正极向下，即朝向下边框(71)。因此，如图所示，模块化串联电池组的每个相邻电芯的电极安装成电极的方向交替。
在某些实施例中，该连接还与用于测量每个电芯的电势的处理电路连接，该电路安装在印刷电路组件上，形成以U形排列的三个表面。如在本申请中之前所解释的，所述U形组件(由三个表面形成)布置成使得所述三个表面中的中心表面或U的中心部分的法线垂直于方向(S)和竖直方向(V)(参见图4a)。所述U形组件将模块化电池组件三面包围起来。U的中心部分的上部(外表面)包括模块化电池组(BlMoSe)的管理系统(BMSn)的电子设备。例如，但没有限制，可以组装几个模块化电池组以形成电池，其中每个U形组件的中心表面或中心部分通过连接器(92-94)相互连接，例如如图4b所示。
(沿V方向)竖直布置的U的中心部分包括模块化电池组的加热电阻器，这些电阻器根据管理电路的命令与模块化电池组的一个或多个电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)连接以为其供电。
布置在电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)下方的U的下部与U的上部一起有助于恢复模块化电池组的每个电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)，以便将它们提供给模块化电池组管理系统的电压管理电路。
线路上的电池数量从1至X中进行选择，X是能够从每个蜂窝元件的电压中获得模块化电池组所需电压的数量。电子元件必须承受的最大电压仍有待讨论，例如如图7至图9所示。
作为一个例子，如图1所示，几个模块化串联电池组BM1到BM3可以并联连接。在电路之间的通信协议允许的情况下，可以并联放置尽可能多的模块化串联电池组(BlMoSe)。模块化电池组的每个管理电路(64)控制电池组的一组电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)的断开电路(51至53)并通过连接(31至38)接收模块化电池组中每个电芯的图6和图7的电压检测和控制电路上的每个电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)的端子上的电压。
只要组件支持电压，也可以根据需要将尽可能多的BlMoSe串联起来，例如如图2所示。
图2示出了混合串并联架构的示例图，它使用了几对串联关联的模块化电池组(分别为BM3与BM6；BM1与BM4)来各自形成一个级，每个级通过电源触点条(3、2)并联连接，从而构成具有不同技术特性的电池。读者会明白，通过一个单元元件数量可以变化的模块化串联电池组，可以生产出各种不同电压的模块化串联电池组，并且通过组装多个相同电压的并联的模块化串联电池组，可以获得传输不同电流值的电池。
在一些实施例中，除了加热电阻器(62)之外，模块化电池组的中心部分(64)还包括温度探头和恒温器(102)。温度探头和恒温器与图6的温度测量电路连接。加热电阻器(62)与图6的BMS管理功能的加热控制电路连接。
管理功能允许至少根据电压和温度测量进行模块监控、电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)的平衡和放电断路装置(5b)或负载断开装置(5a)上的跳闸断路动作。
在某些实施例中，开关器件(5)的开/关触点一方面与模块化电池组的每个最后一个电芯的正极或负极连接，另一方面与分别与电池的正极或负极接线片连接，开关器件(5)为MOSFET或电磁元件，例如如图1至图4b所示。
在某些实施例中，每个BMS管理卡包括与连接器连接的数字总线(94n)和模拟总线(94a)，允许属于多个模块化电池组(BlMon)的多个管理卡BMSn的总线连接到一起，然后与所有多个模块化电池组的监控系统(1)连接，例如如图1和图2所示。
在某些实施例中，在线上串联的电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)数量将根据所需电压从1到X中选择，在BMS卡的开关器件(5)中使用的组件(103)支持所需最大电压。
在某些实施例中，保持元件(71、81)是由间隔件(100)保持的边框，并界定了一组圆柱形外壳，其具有方形或多边形截面，在每个上或下边框上限定一排外壳，每个外壳容纳一电芯；
在某些实施例中，舌片与弹簧销(101)形成T形，其中心条通过处理电路构成之间的连接，用于通过上下卡恢复电势，例如如图1和图3a至图3d所示。
本发明还涉及一种使用模块化串联电池组的串并联电池，多个模块化串联电池组并排组装成一排，并通过两个电源条相互连接，其中一个电源条连接到每个模块电池组的每个正极和电池盒的负极外接线片，以及卡间连接(分别为91到94)，可以将每个卡的总线连接在一起，形成串并联电池，该串并联电池与电池盒中的内部监控器(1)连接，该电池盒由微处理器和通过连接器与其他设备连接的应用程序组成。
在某些实施例中，当模块化电池组的BMS管理卡(64)检测到模块温度过高时，BMS管理卡(64)通过打开开关器件(5)来控制相关电池组的断开以产生串并联电池组件的当前运行模式的降级，并且监控器(1)向用户(车辆驾驶员或飞行员)发送警报消息；然后，如果在断开电路后模块的温度下降，则会将有关温度下降的信息发送给用户，以使电池发挥功能，而不会改变串并联电池电压。
在某些实施例中，开关器件(5)与连接到极线的条连接，该条与组件的正极相邻，该条充当无源辐射器，用于根据其相应选择的尺寸从电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)中排放出热量。
在某些实施例中，断开器件(5)，例如如图8和图9所示，一方面与每组电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)或每个电池的负极或正极连接，另一方面分别与正极或负极接线片连接并使用至少两个MOSFET M1、M2；一个，M1，通过一个用于限制其开关速度的组件，并通过在栅极和源极之间反向连接的齐纳二极管保护其栅极，在放电低于阈值或管理电路(64)检测到短路时进行切断；另一个，M2，当管理电路(64)检测到一个元件的电压或温度过冲时执行切断，M2周围的组件也在负载处执行电流限制。
在某些实施例中，第一MOSFET M1通过其源极与一组电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)或单一元件的负极端连接。所述MOSFET M1在其栅极上接收驱动M1的电压源(V2)，所述源提供选定的电压(例如6到10V)以使M1导通，齐纳二极管D3反向连接在M1的栅极和源极之间，电容器C2保护MOSFET的栅极免受过高或高频电压的影响，齐纳二极管D1反向安装在M1的栅极和漏极之间，并沿漏极至栅极方向上的正向与电阻器R3和二极管D2串联，D1、D2和R3限制M1的开关速度和由二极管(常规)或肖特基二极管D4组成的电路限制负载电流，这个肖特基二极管D4在充电方向上反向安装在M1的漏极上，并与电容器C1和电阻器R1串联，其与电池的正极端子连接，以在打开M1时也限制过压，肖特基二极管D4a上并联安装有固定电阻器I1，固定电阻器I1一方面与二极管的阴极连接，另一方面与第二个MOSFET M2的漏极连接，第二个MOSFET M2的源极与肖特基二极管D4的阳极连接，M2的栅极由检测电路的输出控制，以防止或切断负载。
在某些实施例中，第二个MOSFET M2(图9)通过其栅极与光耦合器的光电晶体管的基极连接，该光耦合器的发射极与M2的源极连接；两点之间通过BMS卡连接齐纳二极管D5和电容器C5；光耦合器的发光二极管通过其阴极与电池或模块化电芯组(10、11、12、13、14、15、16、17)的负极端子连接，并在它的阳极接收来自BMS检测电路的命令，在检测到元件的电压或温度过冲时将电流发送给LED。
在某些实施例中，对于12V、15Ah电池，串并联电池由m排并联的模块化串联电池组组成，每个模块化电池组由n个锂电芯(10,11,12,13,14,15,16,17)组成，这些锂电池串联组装(nSmP)，其中nS表示串联蓄电池的数量，mP表示并联线路的数量，例如如图1所示。
需要注意的是，BMS功能的测量原理是不进行电流测量。因此，该原理在于从每个电芯或串联的电芯块(10、11、12、13、14、15、16、17)的端子处获取每个电芯或每个串联的电芯组(10、11、12、13、14、15、16、17)的总电压V的一部分。因此，每个电芯或串联连接的电池组电极一方面与由电阻器(R1、R2)组成的分压桥的一端连接，另一端与另一个电池或块极模块化串联电池组连接。取自电阻器公共点的比例电压由参考电压在其另一端提供的比较器模拟地使用，或者由积分器组件以数字方式使用，如下所述。
本申请中描述的通过积分器电路进行测量的原理是测量总电压的原理，使得可以追溯到电流值。这个原理只有在电压发生器的内阻已知的情况下才适用于电池领域。在这种情况下并且仅在这种情况下，所述积分器电路可通过模拟(如图7所示)或数字(未示出)方式使用。
例如但不限于，数字积分器的响应或输出可以计算如下：
考虑由x＝(-0.25*Vglobal+2.5)*加权表示的电压变化，其中Vglobal是通过使用分压器桥(R1-R2或R9-R4)从电池电压中获得的电压，“加权”是一变量，允许积分常数变化。上述等式可以根据所使用的电池进行修改。
具有一般形式y＝Integration(x)的数值数字积分器的输出或响应y，其中Integration()表示积分微积分，可以使用以下任一作为第一渐近方程来计算，其中包括取x的值，如上定义，并将其提高到偶数幂(2、4、6、8等)，例如y＝x2。
为了更接近模拟积分器，可以使用例如且非限制性地由y＝Rate*(-ln(x))定义的第二渐进方程，其中Rate是以秒表示的积分常数。这个方程可以模拟电容器的行为，其端电压像指数一样演变，例如如图10a和图10c所示。
例如在图10d中示出了解释根据具有并行模拟实施例的实施例的用于计算数字积分器组件的响应的程序的流程图，其显示根据第二渐进方程计算数字积分器的响应的示意图。每个计算步骤表示可以参与计算操作的检测设备的组件。该图可以分为三个阶段：测量(PM)和比较阶段，积分阶段(PI)和断开阶段(PD)。
在测量阶段(PM)，分压器电桥R1-R2(或R9-R4，图7b)可以根据电池的电压V1确定检测设备的输入端的测量V＝Vglobal。
“Refintegration”变量是积分参考，对应于电压值，低于该电压值将积分输入信号V。如果电压V大于“Refintegration”变量，则电池处于正常工作状态。如果V小于“Refintegration”变量，则电池运行异常，并触发可能导致所述电池断开的过程。因此，该变量Refintegration等效于参考电压V2。然后进入积分阶段，必须计算积分器的响应。
如果电压V低于“Refintegration”变量，程序将触发在执行的计算中使用正常积分常数，或对积分常数使用加权。如果电压低于称为“RapidThreshold”的第二个比较变量，则使用PI框中表示的加权，这使得可以定义一个电压阈值，在计算电压变化与否中使用其“加权”变量(如上定义)。例如且非限制性地，电压变化具有类型x＝(斜率*Vglobal+ordered)*加权的一般形式。
如果由dV＝|V(t2)-V(t1)|定义的时间t1和时间t2之间(或电压V的两次连续测量之间)的输入电压V、dV的差异或变化大于“RapidThreshold”变量，则“加权”变量例如取值5。相反，如果电压V、dV的所述差异或变化小于“RapidThreshold”变量，则“加权”变量取值1。这对应于使用正常积分常数。
电压测量时间间距可以介于，例如但非限制性地，在1毫秒到100毫秒之间。“RapidThreshold”变量的值可以根据测量时间间距来定义，并通过监测对应于所述时间间距的两次t1和t2之间的电压变化，用于执行电压测量，改善检测异常条件的条件。例如，非限制性地，对于图4B，使用的测量时间间距为10毫秒，“RapidThreshold”值为0.01伏。这对应于每10毫秒压降dV＝0.01Volt。
通过记忆测量点并例如通过拟合记忆的电压数据或使用两次时间t1和t2之间的记忆的电压曲线的两个点计算推导出“斜率”(对于线性电压变化)然后是“纵坐标”得到的“纵坐标”和“斜率”，可以定义电压变化。在x＝(-0.25*Vglobal+2.5)*加权的示例中，斜率为-0.25，纵坐标为2.5。
比较电压变化dV的步骤相当于将计算得到的斜率与存储的“Rapid Threshold”值进行比较的步骤，即如果斜率超过“Rapid Threshold”值，则应用加权系数(例如，5)增加积分演化的加速度，使其更快地越过触发电压阈值Td，或者如果未超过，则增加无加速效应的加权系数(例如，1)。
一旦获得电压变化，即可例如根据第二渐进方程对信号进行积分。因此，输出信号对应于输入信号的积分。
“Progressivenss coeff”变量对应于积分常数(第二渐进方程中的速率)。
在数字积分器的实施例中，本领域的技术人员可以理解，使用比较器U1和U2的组件被微处理器代替，起到数字比较器(Un)的作用。所述微处理器配备有存储器，允许存储“Refintegration”和“Rapid Threshold”阈值变量以及根据这些阈值定义的“纵坐标”和“斜率”计算变量。
例如如图10b所示，根据使用16伏电池和12伏触发电压Td的实施例，数字积分器组件的响应根据流程图，例如图10b中所示的流程图进行操作。
存储器还包含计算程序，允许收集电压曲线点(Vglobal，...)、比较和决策、方程的解析、积分和决策表示在图10b的流程中。作为输入，数字电路仅从电阻器R1和电阻器R2之间的分压电桥的公共点接收电压Vglobal，并根据确定的频率进行测量以观察电压Vglobal曲线，然后从检测到“Refintegration”阈值交叉，在图10b所示的示例中，选择的阈值为每电芯元件小于3V或与该参考电压V2串联的4个电芯元件的电池的12V，微处理器程序触发计算以获得两个连续时刻t1和t2之间(或两个连续测量之间)的电压Vglobal的变化dV的“RapidThreshold”变量的比较，以确定是否使用“加权”变量。因此，在启动导致电压从14伏大幅下降至几乎6伏的情况下，“RapidThreshold”变量例如且非限制性地在图10b所示的示例中设置为0.01伏。“Rapidthreshold”变量将被交叉，积分将通过加权完成，以避免过快的切断阻止启动。在图10b的图表中，我们观察到电池电压已迅速下降到几乎6伏并保持恒定约18秒，数字电路将恒定值积分为一条直线，该值保持在选择为1V的检测或触发电压Td下。积分器或输出电压的响应可以例如且非限制性地通过诸如在本申请的附录中定义的程序获得，其中“GeneralVoltage”变量对应于时刻t1＝t的电压Vglobal，而“LastGeneralVoltage”变量表示在时刻t2＝t-1的电压Vglobal的值。“ORDINATE_ORIGIN”变量对应于上面定义的“纵坐标”变量，“lastIntegratedValue”变量对应于积分计算或积分器的响应。
积分或积分器响应的计算可以包括将“斜率和/或纵坐标”变量考虑在内，通过微处理器根据记录的电压曲线Vglobal数据计算得到该“斜率和/或纵坐标”变量。
一旦总电压Vglobal降至V2＝Refintegration＝9V以下，就会触发积分。
然后，在使用过程中，电池的电压会突然从14V下降到9V左右，然后随着时间的推移沿着直线缓慢下降到6V。线的纵坐标约为2.3V，斜率比以前低，两次连续测量之间的电压变化dV可能大于(取决于斜率的值)“Rapidthreshold”变量(例如，在图10b所示的示例中为0.01V)。
当积分输出的值达到与1伏的检测或触发电压Td对应的阈值时，触发切断。
最后，在数字版本或变体中，在短路期间，电压Vglobal非常快速地下降到非常低的值，存储短路检测阈值，并且一旦处理器执行的程序检测到该阈值的交叉，它就会激活断开信号。
图10b图示了根据上述示例的数字积分器的响应或输出信号。数字积分器在t＝40s和大约t＝120s之间的时间间隔内表现出与模拟积分器相似的行为，例如如图10c所示，电池为16V，触发电压Td为12V。
在断开连接阶段，响应的计算用于检查是否应该触发(或激活)断开连接。当积分器的响应大于对应于检测或触发电压Td的给定阈值时，断开连接被激活。在上述图10b、图10c和图10d示出的上述例子中，该阈值设定为约1V或1.24V。例如且非限制性地，该阈值可以归一化为1。
因此，BMS在电池的每个单一元件或模块化组件中包括至少一个深度放电、过流和短路检测装置，并且包括至少一个BMS装置，该检测装置是唯一的并且包括比较器U1，该比较器U1在不使用电阻分流器的情况下以确定的比率将比例电压与单一元件或模块化组件的电压进行比较，以便将其与参考电压V2进行比较，从而根据单一元件或模块化组件的电压变化激活或不激活电池的断开连接；测量电压和参考电压之间的比例比对应于参考电压V2和断开装置被启动的触发电压Td之间的比值。
在BMS的一种变型中，配备有至少一个存储器的微处理器允许存储至少一个“Refintegration”阈值变量和存储的检测电压值Td；存储器还包含由微处理器执行的程序，允许收集电压曲线Vglobal的点、电压Vglobal与“Refintegration”的比较以及计算的电压积分(Vinteg)与Td和决策的比较，实现方程允许积分，微处理器接收来自连接在电芯或电芯组(10、11、12、13、14、15、16、17)的两个电极之间的电阻器分压电桥的公共点的作为输入电压Vglobal，根据确定的频率存储测量值以观察电压曲线Vglobal，并在检测到“Refintegration”阈值交叉时将电压曲线Vglobal的值与“Refintegration”值进行比较，所述阈值为由存储在存储器中的值定义，触发曲线Vglobal的积分计算，并将计算出的积分曲线(Vinteg)的值与存储的检测电压值Td进行比较以激活断开装置执行切断。
根据一个变型，存储器还包括存储的“RapidThreshold”变量的值，以便通过将瞬时电压Vglobal与“RapidThreshold”进行比较来确定电压曲线Vglobal的积分的计算是否必须考虑将加权系数在内。
根据另一个变型，积分的计算可以考虑由微处理器根据记录的电压曲线Vglobal的数据计算的“斜率和/或纵坐标”变量。
在某些实施例中，BMS管理功能包括检测设备，例如在图7中所示，这种检测设备是唯一的，包括比较器U1，该比较器以确定的比率直接将比例电压与单一元件或模块化组件的电压进行比较，而不使用电阻分流器，以将其与参考电压V2进行比较，根据单个元件或模块化组件的电压变化，通过电芯或电芯组(10、11、12、13、14、15、16、17)的断开电路(5)激活或不激活断开连接；测量电压和参考电压之间的比例比对应于参考电压V2和触发电压Td之间的比率，根据该触发电压Td来选择要激活的断开装置。
在另一个实施例中，检测设备，例如如图7a、图7b所示，包括至少一个比较器U1、一个分压电桥(R1、R2或R9、R4)，该分压电桥(R1、R2或R9、R4)安装在电池的模块化组件或电池的单元电芯的端子之间，其具有电阻器的共同的点与比较器U1的负端的输入端连接，以提供一个电压，该电压的值以一比率与电池端子处的电压值V1成正比，该比率由两个电阻器(R1、R2或R9、R4)的值定义，比较器的正端与二极管或供电电芯(未示出)连接以定义参考电压V2。
在另一实施例中，积分器组件，例如如图7a所示，包括连接在分压电桥R1、R2的公共点和比较器U1的负输入端之间的电阻器R5，以及电阻器R8，电容器C1，电容器C1由公共端串联连接，C1的另一端连接比较器U1的输出端，R8的另一端连接两个电阻器R5、R8的公共点，以及连接U1的负输入端；调整R5和C1的值，以设置在检测到过电流时在电池劣化之前断开的干预时间。
在另一实施例中，检测装置包括电容器C3，例如如图7所示，与R2并联安装，与R1结合形成滤波器，滤除高频干扰并设置最短断开时间。
在另一实施例中，滞回比较器电路U2，例如在图7a中示出，设置在比较器电路U1下游，包括围绕放大器U2的迟滞组件，该迟滞组件在其负端子的输入端接收放大器U1的输出电压值。
本发明还涉及一组串并联电池，其中的电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)是选择的每个3.3V和2.5Ah的锂元素。
在某些实施例中，模块化串联电池组的每个模块包括一组三个互连的电子卡，确保BMS管理功能扩展为在所谓的正常操作中具有以下至少一个或多个特征：
电芯电压平衡(10、11、12、13、14、15、16、17)；
每个电池的电压阈值比较；
在负温度的情况下供应电池加热器(62n)；
BMS卡管理的模块温度测量；
通过短路检测来防止短路，通过缓慢和深度放电检测来防止缓慢和深度放电，以及断开由至少一个MOSFET或电磁元件组成的开关器件(5)；
通过断开参与充电电路的MOSFET来限制充电电流，以保持电池的使用寿命；
计算电池的充电状态和健康状况；
与电路对话，向其发送以下信息：
警报；
SOH；
ON；
OFF；
或执行从监控器收到的以下命令：
ON；
OFF；
启动加热器(62n)。
在某些实施例中，当监控器(1)通过监控器(1)对电流超出限制的电池线(17)的观察检测到模块之间的电流平衡出现故障时，相对于其他电池线的过度差异表明该线已疲劳，监控器触发从电池向车辆驾驶员或飞行员发送“维护”消息，从而检查电池的状态，避免故障发生。
在某些实施例中，实现管理功能(BMS)的卡具有以下反应时间特性：
短路检测：断开时间为75毫秒；
检测最大允许电流：开启时间为10秒；
对应10℃的放电检测：10倍电池容量，即10Ah电池放电100Ah，电路断开时间为5分30秒；
对应1℃的放电检测：电路断开时间为60分钟。
在某些实施例中，每个BMS卡都集成了温度监控，即使电池处于“关闭”状态，温度监控也始终保持活动状态，通过监控器分析电池外壳中的温度，该温度由安装在支持加热电阻器(62)的，每个模块的卡中心部分(62n)的探针(未示出)测量得到，该探针与电子组件(未示出)相关联，即使电池在架子上，该电子组件也用于通过LCD屏幕上的消息或可听见的哔哔声进行警告，
在某些实施例中，为了限制充电电流，每个BMS卡使用电阻器类型的组件，该组件在电池放电方向上导电并且在充电方向上像相反连接的二极管一样具有电阻性。
因此，本发明以模块化架构提供电池内部的一个或多个BMS管理电路，根据电压同时监控所有电池，而无需增加布线。
附件：
这与实现图10b中积分器响应的数字积分器程序的非限制性示例相对应：
Figure BDA0003989064450000191

Claims (18)

1.一种模块化串联电池组(BlMoSe)，由沿竖直方向(V)排列的锂电池电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)组成；这些具有相同特性的电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)通过与电流方向相对应的给定方向(S)的连接进行串联连接以获得必要的电压，其特征在于，
所述模块化串联电池组包括，在同一方向(V)上包括一对上(81)和下(71)保持元件，用于保持相邻的电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)并与所述方向(S)垂直；
宽舌片(30n)，在所述模块的每个上表面或下表面上连接每对相邻的电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)，每个电芯通过它们的极性相反的极在所述方向(S)上串联安装，确保所述电池电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)之间的连接，每个上、相应下、面的所述宽舌片通过另一个下、相应上、面的一个电芯产生偏移；
所述连接还连接到用于测量每个电芯的电势的处理电路，所述电路安装在印刷电路组件上，形成布置成U形的三个表面，所述U形组件在三个侧面围绕所述模块化电池组件，所述U形组件布置成使U的所述中心部分的法线垂直于所述方向(S)和所述竖直方向(V)，并且
U的所述中心部分的所述外表面包括所述模块化电池组(BlMoSe)管理系统的电子设备；
形成U的所述中心部分的至少一个BMS(电池管理系统)垂直布置，包括所述模块化电池组的加热电阻器(62)，这些电阻器根据所述管理电路的命令连接到所述模块化电池组的一个或多个电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)为其供电；
U的所述下部布置在所述电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)下方，与U的所述上部一起，至少有助于恢复模块化电池组每个电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)的电势，以便将它们提供给所述模块化电池组管理系统的所述电压管理电路。
2.根据权利要求1所述的模块化串联电池组，其特征在于，所述中心部分包括温度传感器和恒温器。
3.根据权利要求1或2所述的模块化串联电池组，其特征在于，所述开关器件(5)的开/关触点一方面与模块化电池组的每个最后一个电芯的正极或负极连接，另一方面，分别与所述电池的正极或负极接线片连接，所述开关器件(5)为MOSFET或电磁元件。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的模块化串联电池组，其特征在于，每个模块化块的每个BMS卡包括，连接到连接器的数字总线和模拟总线，允许属于多个模块化电池组(BlMoSen)的多个(n)卡BMSn的总线连接在一起，然后与所述所有多个模块化电池组的监控系统(SU)(1)连接。
5.根据权利要求3至4中任一项所述的模块化串联电池组，其特征在于，一条线上的串联电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)的数量将根据所需电压从1到x中选择，所述所需最大电压由所述开关器件(5)或所述BMS卡中使用的组件支持。
6.根据权利要求1所述的模块化串联电池组，其特征在于，所述保持元件是由间隔件保持的边框，并限定一组圆柱形外壳，所述圆柱形外壳具有方形或多边形截面，在每个上或下边框上限定一排外壳，每个外壳容纳一电芯；
舌片与弹性销，例如弹簧式弹性销(称为弹簧销)一起形成一个T形，其中心条构成与所述处理电路之间的连接，用于通过所述上下卡恢复电势。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的模块化串联电池组，其特征在于，每个模块包括一组三个互连的电子卡，确保BMS功能，用于管理模块化电池组的元件，其扩展为在所谓的正常操作中具有以下一个或多个特征：
电芯电压平衡(10、11、12、13、14、15、16、17)；
每个电池的电压阈值比较；
在负温度的情况下供应电池加热器；
BMS卡管理的模块温度测量；
通过短路检测来防止短路，通过缓慢和深度放电检测来防止缓慢和深度放电，以及断开由至少一个MOSFET或电磁元件组成的所述开关器件；
通过断开所述充电电路来限制所述充电电流，以保持电池的使用寿命；
计算所述电池的充电状态和健康状况；
与所述电路对话，向其发送以下信息：
警报；
SOH(健康状态，即电池能量的可用性)；
ON；
OFF；
或执行从所述监控器收到的以下命令：
ON；
OFF；
启动所述加热器。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的模块化串联电池组，其特征在于，所述BMS卡具有以下反应时间特性：
短路检测：断开时间为75毫秒；
检测最大允许电流：开启时间为10秒；
对应10℃的放电检测：10倍电池容量C，即10Ah电池放电100Ah，电路断开时间为5分30秒；
对应1℃的放电检测：电路断开时间为60分钟。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的模块化串联电池组，其特征在于，为了限制所述充电电流，每个BMS卡使用电阻器类型的元件，该组件在电池放电方向上导电，并且像在充电方向上相反连接的二极管一样具有电阻性。
10.根据权利要求9所述的模块化串联电池组，其特征在于，通过在每个模块中使用微控制器和监控器(在模块之一中实现或在电池内部的单独卡上实现)来替换可更换组件电路，以允许：
创新算法的实施，甚至是“机器学习或深度学习”的实现。
11.使用如权利要求1至10中任一项所述的模块化串联电池组的方法，其特征在于，每个BMS卡都集成了温度监控，即使电池处于“关闭”状态，温度监控也始终保持活动状态，通过所述监控器分析电池外壳中的温度，该温度由安装在每个模块的卡中心部分(62n)的探针(102)测量得到，从而即使所述电池在架子上，也能通过LCD屏幕上的消息或可听见的哔哔声进行警告。
12.根据权利要求11所述的使用模块化串联电池组的方法，其特征在于，所述BMS卡使用：
用于在各个模块之间传输信号的数字数据总线；
一种或多种通信协议，其允许：
各模块数据监控(平衡电压、温度、电流)；
警报报告；
监控健康状态，充电状态。
13.使用如权利要求1至10中任一项所述的模块化串联电池组的串并联电池，其特征在于，多个模块化串联电池组(BlMoSe)并排组装成一排，并通过两个电源条相互连接，其中一个电源条连接到每个模块电池组的正极和电池盒的负极外接线片，以及卡间连接(分别为91到94)，可以将每个卡的总线连接在一起，形成串并联电池，该串并联电池与所述电池盒中的内部监控器连接，该电池盒由微处理器和通过连接器与其他设备连接的应用程序组成。
14.根据权利要求13所述的串并联电池，其特征在于，所述开关器件(5)与连接到极线的条连接，该条与所述组件的正极相邻，该条充当无源辐射器，用于根据其相应选择的尺寸从所述电池(10、11、12、13、14、15、16、17)中排放出热量。
15.根据权利要求14所述的串并联电池，其特征在于，对于12V、15Ah电池，所述串并联电池由m排并联的模块化串联电池组组成，每个模块化电池组由n个锂电池电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)组成，这些锂电池电芯串联组装(nSmP)，nS表示串联蓄电池的数量，mP表示并联线路的数量，m和n是大于或等于零的整数。
16.根据权利要求14或15所述的串并联电池组，其特征在于，所选择的电芯(10、11、12、13、14、15、16、17)是每个3.3V和2.5Ah的锂元素。
17.一种使用包括如权利要求13所述的串并联电池的串并联电池的方法，其特征在于，当模块化电池组的BMS卡检测到模块温度过高时，BSM卡通过打开所述开关器件(5)来控制相关电池组的断开，从而为所述串并联电池组件创建降级电流工作模式，所述监控器向用户(车辆驾驶员或飞行员)发送警报消息；然后，如果所述模块在开路后温度下降，则会将温度下降的信息发送给所述用户，允许电池发挥功能，而不会改变所述串并联电池电压。
18.根据权利要求17所述的使用如权利要求13、14和15所述的串并联电池的方法，其特征在于，当所述监控器通过所述监控器对电流超出限制的电池线的观察检测到模块之间的电流平衡出现故障时，相对于其他电池线的过度差异表明该线已疲劳，所述串并联电池触发所述监控器从所述电池向车辆驾驶员或飞行员发送“维护”消息，从而可以所述检查电池的状态，避免故障发生。
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