CN1949559A - 通用电池模块及与之配合使用的控制模块 - Google Patents

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Abstract

一种高动力可伸缩电池箱，由多个通用电池模块和一个主控制模块组成。通过选择适当标称和数量的通用电池模块并把他们串联和/或者并联起来就可组装成一个高性能长寿命的动力电池箱，其中主控制模块起电池箱主要控制和接口的作用。这种电池箱适用于各种高动力的应用，包括电动车等。

Description

通用电池模块及与之配合使用的控制模块
发明领域
本发明的通用电池模块和与之配合使用的控制模块，属于电能储存装置的电池模块和控制模块。
背景技术
随着高功率高性能的电动驱动技术的成熟，做为交通和运输工具的汽车越来越多的从使用内燃机驱动转为电力驱动。由于使用部件少电动车不仅高效可靠而且没有或者很少产生由于燃烧石油带来的环境污染。
高功率的电池箱是在汽车上成功实现电动驱动的关键部件。电池箱是纯电动驱动系统的主要动力来源，由一系列电池芯串联或并联连接加上控制器组成的。起初电池箱主要是使用一系列铅酸电池芯。这些铅酸电池芯之间相互串联实现电连接，为早期的电动车的驱动装置提供足够的动力。然而这些早期的铅酸电池箱又大又重，使用寿命也很短。更进一步，铅酸电池箱的充电时间长且无法为长距离行驶提供足够的动力。
为了解决上述问题，电池箱生产商采用了即轻又小的镍氢电池或锂离子电池。这些电池寿命加长，充电时间短且能为较长距离行驶提供足够的动力。因此，先进的镍氢电池或锂离子电池已经成为诸如电动车等高动力应用的首选能量存储介质。
尽管这些先进的电池箱取得了巨大的成功，它们的缺点是多为特定的应用进行专门设计的，包括受限制于特定的机械设计，特定的热量和电特性等。结果这些电池箱无法用于其他电动车或无法适应更高动力要求的改变。
这些电池箱的另一个缺点是很难更换失效了的电池箱。由于高电流放电和高温环境的影响，电池箱失效了而需要更换不是一件不寻常的事。每次更换电池箱时，电动车的系统控制器都需要重新调整参数甚至也要更换。更进一步，若电池箱中某个或几个电池芯的性能与其他电池芯偏离了，电池箱无法在运行中进行查错和及时调整个别电池芯的操作，而是任其性能下降直至很快须更换整个电池箱。
专利申请人认为上述背景信息与本发明可能有关。不认为也不应解释为上述信息构成了相对于本发明的先前技术。
发明内容
本发明的一个目的是提供一个通用的电池模块，它可用来像使用标准积木一样很容易地做成各种尺寸的电池箱，用于不同的应用如电动车，风力和太阳能发电站和通讯设备等。
本发明的另一个目的是提供一个通用的电池模块，它可以大批量生产且适合于用来构造高性能长寿命的大型动力电池箱。
本发明的另一个目的是提供一个电池箱主控制模块，可用来完成使用通用电池模块构成的动力电池箱的动力管理。
本发明的产生在于认识到普通的高动力电池箱的设计和开发均基于初始负载要求。若这一负载变化了，增加了，则整个动力电池箱就需要重新规划重新设计以满足在新的负载下产生的新的动力，温度和机械要求。本发明寻求缓和普通的高动力电池箱的设计和开发的上述缺陷，提供一个使用灵活的模块化储能平台允许互换和扩容。使用本发明提供的通用模块构造的动力电池箱只要将多个通用模块进行机械连接，电连接和热连接后即可完成。使用本发明开发的电池箱还可选择性的加入主控制模块来控制动力电池箱的开和关以满足安全要求。
本发明所提供的电池模块可用于构造尺寸灵活且易于调节容量的动力电池箱系统。模块化的设计允许在生产过程中共用动力和冷却设备，有效的降低生产成本，简化生产并提高可靠性。另外，在电动车生产过程中由于可在多种电动车上使用同一种电池模块，部件库存将显著减少。
本发明所包含的通用电池模块有一系列串联连接的电池芯，有用于探测物理参数的传感器和电池控制器。电池控制器与传感器通讯，基于来自传感器的物理参数对电池芯进行控制。将电池芯，传感器和控制器集成起来就构成了一个单一模块。
应用本发明所提供的通用电池模块构造起来的动力电池箱有至少两个或以上的通用电池模块相互连接并与主控制模块连接。主控制模块主要控制动力电池箱的开关，它有一个内部接头与每一个通用电池模块接口，可以控制电池箱内各电池模块之间的电平衡。将多个通用电池模块和一个主控制模块连接起来即可包装成一个动力电池箱。
本发明在其他方面的特性对那些在同一技术领域的普通专业人士来说只要阅读一下下面的有关描述和附图即可了解。
附图简述
为更好地了解本发明的各个方面，以下的附图用举例的方法进行说明。在这其中：
图1(a)是一电动车的应用系统方块图。其中的电池箱是由一系列通用电池模块(UBM)通过主控制器(MCM)基于本发明的相关控制组成的。
图.1(b)是另一电动车的应用系统方块图。其中的电池箱包括一系列UBM并使用本发明的另一些相关控制机制。
图2是基于本发明的UBM的透视图举例。
图3给出了UBM中进行电平衡和充电控制的流程图。
图4是基于本发明的MCM的透视图举例。
图5是MCM启动操作中各步骤流程图。
图6是UBM启动操作中各步骤流程图
图7是关于UBM各操作状态变换图。
图8是关于MCM各操作状态变换图。
图9是一个动力电池箱的顶部图解，只有两个UBM串联而没有MCM。
图10是一个动力电池箱的顶部图解，有四个UBM串联及一个MCM。
图11是一个动力电池箱的顶部图解，其中两组八个UBM串并联连接另外包括一个MCM。
具体实施方式
术语“传感器”是指可根据被测物体的特性返回可测量的参数，例如温度，电压或电流等。
术语“控制器”是指一个微控制器，它具有可编程的中央处理器(CPU)和周边外设(如A/D或D/A转换器等)，可用来监测来自连接到控制器上的传感器或其他装置的参数。其输入和输出装置使得CPU可控制或与连接到控制器上的其他装置通讯。控制器包括一个或几个存储介质，统称为内存。内存可以是可即时擦写或不可擦写的，如RAM，PROM，EPROM，EEPROM等，检测或控制连接到控制器上的其他装置的软件存储在内存中，CPU可调用和运行这些软件。一些可选择的功能包括：控制器可将用户提出的操作要求转换成控制信号控制外围设备，控制器通过用户终端如键盘或用户图形终端接受用户指令。
术语“CAN总线”定义为高速且可靠的标准串行通讯控制区域网络总线。
术语“电池平衡”是指在充电或放电过程中在同一环境下(如温度)平衡电池的电压。
术语“充电状态”定义为相对于电池标称容量下的剩余容量。除非另外定义，这里使用的所有技术和科学术语与本发明所属同一领域中的普通技术人员的通用理解具有相同的意义。
概括地讲，本发明提供了一类可伸缩动力电池箱。它由一系列通用电池模块UBM通过电连接组成，由MCM提供电池箱的控制。每一个UBM都有可充电电芯及控制单元，可以和其他UBM及MCM通过电接口和CAN总线进行通讯。主控制模块MCM是一个先进的控制模块，它为高压高动力电池箱提供高压安全和操作控制。因此，UBM就可当作通用的积木块用于构造出各种大小的动力电池箱支持各种应用。
通用电池模块UBM有能力提供简单的整车系统管理，因此一个动力电池箱也可不需要主控制模块MCM。每一个UBM可与其他UBM交换控制信号，例如温度信号，电池芯电压，模块电压，和模块平衡指令等。若电池箱中没有主控制模块MCM，每一个UBM都有能力接受电流传感器的输入而监视电池箱的充电状态，还可发出控制信号驱动系统应用装置如继电器，断路器，警告灯和充放电控制信号等。
在主控制模块MCM中有一个高级控制器来监视各UBM的性能，计算电池箱的充电状态并提供高压操作安全控制。MCM中还有动力断路器，受控制器的控制可以开关电池箱。MCM中的其他部件还包括电流传感器，电压传感器，漏电检测传感器等直接同控制器连接以提供诸如电池箱电流，电压和绝缘电阻等参数。
主控制模块MCM上有两组电子接口，分别同内部的UBM连接和与外部系统控制器连接。在内部接口上，MCM收集来自于UBM的信息而同过外部接口向系统控制器报告电池芯电压，电池箱温度分布，充电状态，电流，电池箱工作状态和出错码等。通过外部接口，MCM也能接收来自系统控制器的控制指令来开关相应的断路器等。
下面将根据附图举例说明本发明。在附图中个部件均用编码进行标示。
通用电池模块
基于可扩充性和可互换性，由UBM构成的动力电池箱可用于多种需要高电池动力的应用中。这种电池箱特别适用于电动车应用，用电动驱动动力驱动电动车。
在图1(a)中动力电池箱1a拥有多个UBM 2a到2e，用来提供电能驱动电动车。UBMs 2a到2e是构成动力电池箱1a的基础构件。UBM 2a到2e可以是标称24V DC或36V DC的电池模块，具有内置的智能控制和冷却水路。对于电动车上典型的动力系统控制系统3，动力电池箱1a中的UMB 2a到2e被串联连接起来为电动车提供足够的动力。同时UBM 2a到2e连到了主控制模块MCM 102上，由主控制模块控制动力电池箱1a的工作。
动力电池箱1a还同充电器5通过高压动力总线7连接起来，可以完成向动力电池箱的充电操作。充电器5是一个220VAC到120VDC转换器，在充电状态下通过MCM 102充电控制信号的控制完成对动力电池箱1a的充电。高压动力总线7不仅为动力电池箱1a充电提供电力传输，它还可将动力电池箱1a的放电动力传输到电动车其他装置上去。相应地，在放电过程中存储在动力电池箱1a中的电能被传输到与高压动力总线相连接的电机逆变器9上，由此驱动电机11来驱动车辆。同样，连接在高压动力总线7上的助力液压泵17可获得来自动力电池箱1a的动力为控制车辆的操作提供助力。另一个直流转换器21也连在高压动力总线7上，将动力电池箱1a输出的高压转换成14V电压为电动车用外设，如指示灯25，逆变器9和仪表盘35等供电的电池23提供充电电源。
整车控制系统3的中心是控制器27，它通过CAN总线29来监视电动车上各设备的工作状况并控制电流在高压动力总线7上的流动。控制器27还通过CAN总线29来控制整车的操作。
仪表盘35与控制器27通过CAN总线29连接并显示关于电动车和电池箱1a的状态。驾驶员可通过钥匙开关37启动和关闭电动车，通过与控制器连接的加速和刹车踏板控制电动车。
对于高功率应用如图11(a)所示的电动车控制系统，散热系统是很重要的。因此散热泵43负责将冷却水通过冷却管45，47冷却各电池模块2a到2e及使各电池模块达到热平衡。
图1(b)给出了使用低压电池箱的电动车的方块图。电池箱1b由两个通用电池模块2a和2b组成，适用于高动力低压应用。电池箱1b与图1(a)中的电池箱1a相似但没有主控制模块102(见图1(a))。通用电池模块2a和2b中都有内置的控制器可以用来控制电池箱1b。在本图的描述中，通用电池模块2b被用来控制电池箱1b。通用电池模块2b不仅监视和控制本身的操作，它还作为电池箱与几个外部设备控制和接口，如仪表盘35和钥匙开关37。
通用电池模块2b接受来自电流传感器31的信号，测量直流动力总线7上的电流。
直流动力总线7上的断路器33的控制端与通用电池模块2b连接，由通用电池模块2b控制开和关。当电池箱的工作环境参数超出安全水平时，通用电池模块2b会断开断路器33以切断直流动力总线7上的电流。
图2给出了本发明中用于可伸缩电池箱(见图1(a)中的1a)中使用的通用电池模块举例。通用电池模块2包括了与基座8连接的模块外壳4。该连接必须是密封的以防止湿气进入电池模块内部。在模块外壳4之内包含一系列电化学电池芯6，一个挨一个在导热框20之间横向放置。导热框20与电池芯6紧密接触并与基座8紧密连接将热能从电池芯6导向基座8。更进一步，导热框20还在各电池芯之间提供热平衡。如果某一个电池芯在工作中不正常地升高，导热框20就将其热量在导热框20中分布开来，避免电池模块2中出现热点。导热框20是由导热材料作成的，如金属铝等以平衡与电池芯6之间的温度。
基座8之中包括水路通道(图中未示出)连到入口10和出口12，允许冷却水在基座8中循环流动以改善散热。在另一种设计中，通用电池模块2包括了具有冷却水通路的导热框20，冷却水可直接冷却各电池芯6。
电池芯6之间通过电线50串联连接，在目前的图中，通用电池模块2是由锂离子电池芯串联连接在正极16和负极18之间输出电压为24VDC或36VDC。然而，正如同行中的技术人员所能理解的，电池芯6也可并联连接或串并联组合连接。
通用电池模块2可工作在两个不同的状态下，即充电状态和放电状态。在充电状态下，通用电池模块2的输出电压会随充电状态的升高而升高，将电能转化为化学能存储在电池芯6中。在放电状态，通用电池模块2的输出电压会随充电状态的降低而降低，将存储的能量释放出来。
在每一个电池芯6上，旁路器48连接在两极之间以实现旁路放电。在充电状态，当一个电池芯6的电压高于其他电池芯时，旁路器件48可减少对该电池芯6的充电。在放电状态，当一个电池芯6的电压低于其他电池芯时，旁路器件48可减少对该电池芯6的放电。
电池箱中的每一个通用电池模块2(如图1(a)中的电池箱1a)都具有相同的控制逻辑和功能，可以自激控制自己的物理参数。相应地，每一个通用电池模块2都有一个电池控制单元(BCU)14用来监视电池芯6的电压和模块的温度，控制电池芯6之间的电压平衡并与其他通用电池模块2和主控制模块就该模块在充电和放电过程中的状态信息进行通讯。详细的描述见这之后的图4。
在本专利的描述中电池控制单元BCU 14就是所定义的控制器。BCU14的内存中包含了通用电池模块2预先定义的温度和电压阈值。这些预先定义的阈值以可查询列表的形式存在控制单元14内存中。而控制单元14通过接插头24就通用电池模块2的工作状态信号等与主控制模块MCM或电池箱中的其他通用电池模块2进行通讯。
接插头24从模块的壳体4伸出来。各接插线26到46包括串行通讯CAN总线，如图1(a)中的CAN总线29。接插头24可以和电池箱中邻近的通用电池模块2直接连接。插线26到46还包括发送和接受控制信号，与动力控制系统中的其他外部设备接口。这些控制信号主要用来控制继电器，断路器或其他相似的器件。
在由一系列通用电池模块2组成的电池箱中，如图1(a)中通用电池模块2a至2e组成了电池箱1a，每一个控制单元BCU 14都需要一个通讯接口与电池箱中的其他控制单元BCU 14交流控制信号。图1(a)中的CAN总线51就是连接电池箱中各控制单元BCU 14的主通讯接口。各控制单元BCU 14之间可通过专用的通讯协议进行通讯。
对于只需要低压的小型应用，这些控制信号可用来提供基本的系统控制而不需要外部控制器来控制电池箱。当电池箱中使用主控制模块MCM时将由主控制模块为动力电池箱提供各种操作控制而通用电池模块上的控制信号就不需要连接了。
接插线26到46的信号线定义如下表1所示。
表1：UBM接插信号线描述
  线号   功能   控制信号
  26   CAN+   CAN总线，关于电压，电流，充电状态，
  28   CAN-   漏电电阻，出错码等通讯。
  30   启动   钥匙开关
  32   警示灯   充电时闪烁；恒亮表示低压，高压或过温出错。
  34   功率控制   充电控制
  36   序号上   自动排序输入信号
  38   序号下   自动排序输出信号
  40   地   车体信号地
  42   断路器   断路器控制
  44   差分输入+   电流传感器差分输入+
  46   差分输入-   电流传感器差分输入-
如表1所示，接插头24是控制单元BCU 14的控制接口，包括断路器信号42，警示灯信号32，功率控制信号34等可提供简单的系统操作控制和电流传感器的差分输入信号44和46，可用来测量动力电池箱(如图1(b)中的1b)的电流。例如在图1(b)的低压应用中电流传感器35将动力直流总线7上的电流反馈到通用电池模块2b的控制单元BCU 14。接插线36是控制单元BCU 14的输入信号“序号上”允许/禁止当前控制单元BCU 14在动力电池箱中进行自动排序。接插线38是控制单元BCU 14的输出信号“序号下”，允许/禁止下一个临近控制单元BCU 14在动力电池箱中进行自动排序。控制单元的序列号代表各通用电池模块在通讯中的标识。在只有两个通用电池模块2的电池箱中，若是控制单元BCU 14的输入信号“序号上”没有连接，相应的模块则最为电池箱中的首个模块为系统提供简单的控制，如图1(b)中的通用模块UBM 2b。
高功率电池，特别是如图1(a)和1(b)中所示在电动车上的应用，在工作中会产生大量热量。温度的升高不仅会减少电池芯6的寿命，还会对动力系统3的安全性产生严重影响。温度传感器22(如热电偶)可用来监视电池芯6的温度允许通用电池模块UBM 2控制工作中的热特性。温度传感器22与导热框20紧密接触同时其输出连接到BCU 14上。BCU 14连续地监视UBM 2的温度并与预先定义好存在BCU中的温度阈值进行比较。温度阈值分为两级：(i)警告级(ii)断开级。如果UBM 2的温度超过警告阈值，则BCU 14会首先通过CAN总线29发出警告标志通知控制器27(如图1(a))。只有当温度不断升高超过断开级阈值时，BCU 14才会断开电池箱的断路器切断工作电流。
BCU 14还可通过接插线32发出警告信号。一般情况下这个信号的占空因素与电池箱的充电状态成反比。例如，当充电状态超过60％时，接插线32的警告信号占空因素为2％；当充电状态减少到5％时，警告信号占空因素则增加到99％。当BCU 14检测到UBM 2的温度超过警告阈值时，警告信号占空因素将设置成60％；而当温度超过断开阈值时，警告信号占空因素将设置成99％。另外当充电状态减少到5％时，或者UBM2的电压过低或过高时警告信号占空因素都将设置成99％。因此接插线32发出警告信号可选择性地连结到警示灯52上，当UBM 2检测到电压过低或过高，温度过高或充电状态过低时，警示灯52将保持持续亮状态。
在正常的工作状态下接插线34输出的模块功率控制信号占空因素将设置成98％。如果任何一个电池芯6的电压或温度上升接近预先设置的阈值，功率控制信号占空因素将开始减少直至2％。这个信号可用来控制连接到UBM 2上的电池充电器(如图1(a)中的充电器5)，其充电功率与输入的信号占空因素成比例。当功率控制信号占空因素减少时充电器的输出功率也减少以保证没有任何一个电池芯6的电压和温度超过预先设置的阈值。在BCU 14的软件中，PID控制律不间断地监视各电池芯的电压从而使电池芯的电压或温度总是低于预先设置的阈值。
如图1(b)所示，电流传感器35与电池箱动力输出端18串联连接并将差分信号反馈到BCU 14的差分输入端44和46。因此BCU 14就可监视电池箱在冲放电过程中的电流特性以便计算电池箱的充电状态。
图3给出了，BCU 14平衡各电池芯6和充电控制的流程图。其中各步骤通过内置软件在BCU 14中实现。假设图3中的电池箱中由N个电池芯6组成，当接插线30端检测到电源开的信号时(步骤S10)，BCU 14进入工作模态开始连续的监视电池芯的平衡状态。在充电过程中当电池芯的电压开始出现离散状况时，BCU 14就会进入电平衡模态。在这一模态，当某一电池芯的电压与平均电压的误差超过给定值时电压平衡电路就开始工作。与此同时，BCU 14通过CAN总线29(见图1(a))周期性地报告模块中各电池芯的电压最大值和最小值以及模块的温度。具体地说，BCU 14会首先计算平均电池芯电压Vave(步骤S12)，然后确认充电时间是否超过2秒(步骤S14)。如果充电时间超过2秒，BCU14确认充电状态并开始计算各电池芯电压Vi与平均电压Vave的误差然后与预设的电压误差阈值进行比较(步骤S16)。
如果电压的误差超出预设的阈值BCU 14就会接通相应电池芯6上的旁路器48从而减少对该电池芯6的充电(步骤S18)。若电压的误差没有超出预设的阈值BCU 14就会断开相应电池芯6上的旁路器48(步骤S20)。接下来，BCU 14会计算各电池芯6的最高电压Vmax-i forthe cell 6(步骤S22)，然后电压差：Dv＝Vsp(T)Vmax-i，其中Dv表示电池芯6的最高电压Vmax-i与电池芯预设充电电压Vsp(T)的差值，Vsp是电池模块温度T的函数(步骤S24)。应用这一电压误差值Dv，BCU 14通过PID算法可计算出充电器的控制信号占空比。占空比的最大值和最小值限制在89％和2％之间(步骤S26)。
若电池芯6充电时间没有超过2秒，则BCU 14会转为检查电池芯6是否放电超过1秒(步骤S28)。若电池芯6放电不超过1秒则断开电池模块2中的所有旁路器48(步骤S30)而将充电器(如图1s(a)中的充电器5)控制信号的占空比设为2％(步骤S32)。
在放电状态，充电器功率控制信号给出了最大允许放电功率。因此若电池芯6放电时间超过1秒则放电状态确认而功率控制信号的占空比则代表当前放电功率在最大允许放电功率中的百分比(步骤S38)。
若电池芯6放电时间超过1秒，BCU 14确认放电状态并开始计算各电池芯电压Vi与平均电压Vave的误差然后与预设的电压误差阈值进行比较(步骤S34)。如果电压的误差值超出预设的阈值BCU 14就会接通相应电池芯6上的旁路器48从而减少对该电池芯6的放电(步骤S36)。如果电压的误差值没有超出预设的阈值BCU 14就会切断所有电池芯6上的旁路器48(步骤S40)。
电池箱主控制模块
如图4所示，电池箱主控制模块(MCM)102主要用于控制大型高压电池箱(如图1(a)中的电池箱1a)。MCM 102是大型高压电池箱对外的接口模块，监视电池箱的工作参数并管理各通用电池模块2以实现电池箱的安全工作。
如图4所示，MCM 102包括内部的正极120和负极动力端子122，外部的正极108和负极动力端子106，连接到接插头112的控制器114与电池箱内其他2(至少两个)2进行通讯(图4没有示出)。MCM 102通过串行通讯，如CAN总线，与其他通用模块2交流控制信号。
MCM 102的另一个接插头110负责与电池箱外部设备进行串行通讯并提供各种控制，如充电器控制等。因此MCM 102将连接到接插头112的内部CAN1总线113与连接到接插头110的外部CAN2总线111隔离开来。MCM 102的接口接插线定义见下表2：
表2：MCM端口描述
端口 功能 控制信号
128 CAN+ CAN总线
130 CAN- CAN总线
132 启动 钥匙开关
134 警示灯 充电时闪烁；恒亮表示低压，高压或过温出错。
136 功率控制 充电器控制
138 安全连锁+ 加电工作
140 安全连锁- 加电工作
142 信号地 系统地
MCM 102中还包括一个主断路器124，一个预充电断路器126，一个电流传感器116，一个保险丝118和一个可测量电路漏电电阻的控制器114。MCM 102主要用于电压高于72V的高压电池箱中，其内部CAN总线CAN1 113和外部CAN总线CAN2 111是隔离的。CAN2 111直接同系统控制器进行串行通讯。在电池箱外部短路的情况下，保险熔断丝118会切断动力电源。断路器124和126则可根据CAN指令或电源开关信号开关电池箱。
安全连锁端口138，140使得断路器124，126的控制与外部电路连锁，只有在外部电源连到连锁端口138，140时，断路器124，126才可以开启电池箱。这一保护允许高压电池箱在紧急情况下通过物理开关断开电池箱的输出电源。
通用电池模块UBM 2的电压在充电过程中需要保持在一定的范围之中以保护电池不会过压并尽可能多的为电池充电。在这一过程中MCM 102会监视电池箱1a中每一个通用模块中(见图1(a))的每一个电池芯6的电压，温度和充电电流，通过功率控制信号136控制充电器的充电功率来保证电池箱不会过充。
MCM 102还可以控制系统警示灯，监视电池箱的充放电电流并根据SAE推荐的电路来测量电池箱的漏电电阻。另外，MCM 102还可实时监视电池箱的电压。
图5给出了MCM 102启动工作的操作步骤。在电池箱启动之初，MCM102监视CAN2总线111看是否接受到任何指令(步骤S52)。如果接收到来自动力控制系统(如图1(a)中的系统3)的指令，MCM 102首先从内存中提取如下参数：(i)上一次关电源时的时间；(ii)上一次关电源时的充电状态；(iii)电池箱累计充放电的总能量；(iv)电池箱累计工作时间；(v)电池箱累计出错码(步骤S54)。接下来，MCM 102将计算电池箱自从上一次关电源开始的休息时间(步骤S56)，然后确认休息时间是否超过预设的时间，如3小时(步骤S58)。如果休息时间超过预设的时间MCM 102就测量电池箱的开路电压Voc(步骤S60)然后根据开路电压计算电池箱新的充电状态SOC值(步骤S64)并直接检测电池箱的漏电电阻Rdi(步骤S66)。如果休息时间没有超过预设的时间MCM102就直接使用存储的上一次关电源时的充电状态作为新的充电状态SOC值(步骤S68)。MCM 102把新的充电状态SOC值将作为初始值用来进行电量的积分计算(步骤S64)然后再检测电池箱的漏电电阻Rdi(步骤S66)。
接下来，MCM 102通过CAN总线报告电池箱的漏电电阻Rdi(步骤S70)并将监测到的漏电电阻Rdi与预设的阈值相比较(步骤S72)。如果漏电电阻Rdi小于阈值MCM 102设置警告标志并通过CAN总线报告，然后进入等待CAN2总线111的启动指令(步骤S76)。如果漏电电阻Rdi大于阈值则MCM 102直接进入等待CAN2总线111的启动指令(步骤S76，S78)。若CAN2总线111上出现动力启动指令，则MCM 102关闭预充电断路器(步骤S80)，否则继续等待CAN2总线111上的动力启动指令(步骤S76)。
为控制预充电，MCM 102连续地监视电池箱的电压和充电时间(步骤S82)。如果电池箱电压超过电池箱开路电压Voc的90％(步骤S84)，预充电结束MCM 102关闭主断路器(步骤S86)然后在CAN2总线111上设置启动成功标志(步骤S88)并将启动的时钟时间存入内存(步骤S90)。若电池箱的电压Vc低于开路电压的90％(步骤S84)，MCM 102将等待直至超出预设的等待时间(步骤S92)，然后在CAN2总线111上设置预充电失败标志(步骤S94)并打开预充电断路器(步骤S96)。
与图2相关联，图6给出了通用电池模块UBM 2的启动操作步骤。在启动之初，UBM 2等待连接在BCU 14的连接线26和28的CAN1总线指令(步骤S102)。如果收到了CAN总线指令，无论是来自MCM 102还是来自其他UBM 2，BCU 14会确定本身是否是电池箱中的首个UBM 2(步骤S104)。
如果本UBM 2不是首个模块(即：电池箱中有主控制模块MCM 2)，则BCU 14首先从内存中取得：(i)电池模块累积的工作时间，(ii)电池模块累积的出错码(步骤S126)然后完成启动操作(步骤S128)。
如果本UBM 2是首个模块(即：电池箱中没有主控制模块MCM 2)，则BCU 14需要首先初始化以提供电池箱控制功能。因此BCU 14首先从内存中取得：(i)上一次关电源时的时间；(ii)上一次关电源时的充电状态；(iii)电池箱累积放电的总能量(步骤S106)。
为了计算电池箱初始充电状态SOC，BCU 14首先计算电池箱的休息时间(步骤S108)。然后BCU 14检查电池箱是否休息超过3个小时(步骤S110)。如果休息时间没有超过3小时，BCU 14直接使用存起来的SOC值作为电池箱工作过程中SOC积分计算的初始值(步骤S118)。如果休息时间已经超过3小时，BCU 14就会计算电池箱的开路电压(步骤S112)然后应用开路电压计算新的SOC(步骤S114)作为电池箱工作过程中积分计算的初始值(步骤S116)。
在计算完初始SOC值后，BCU 14会将启动时间存入内存为以后计算工作时间做准备(步骤S120)，然后将警告灯信号关闭(占空比设为3％)同时关闭充电器(占空比设为2％)(步骤S122)。完成上述初始化操作后，BCU 14关闭断路器(步骤S124)允许电池箱为系统供电或接受充电。在完成全部初始化之前(步骤S128).，BCU 14还会从内存中提取：(i)累积的工作时间，(ii)累积的出错码(步骤S126)。
一般在典型的应用中UBM有5种工作模态，MCM有4种工作模态。在一个典型的工作周期中，电池箱的实际工作模态可根据系统控制的要求在各模态之间转换。这些模态在有经验的技术同行中很容易通过软件实现。
图7所示的模态变换图给出了图2中的UBM 2在工作中的各种模态。如图所示UBM 2可能工作在如下模态：(i)初始化模态301；(ii)工作模态302；(iii)维护模态304；(iv)休眠模态306；和(v)控制模态308。
在初始化模态301，BCU 14重新启动，重新设置各种参数，包括：CAN总线通讯比特率，信息更新周期和电池模块序列号更新等。在3种情况下UBM 2会进入初始化模态：(i)第一次加电启动300；(ii)外部维护指令304；和(iii)UBM 2在正常操作过程中超时引起的重新启动302，308。
在工作模态302，BCU 14连续地监视各电池芯6的电压和电池模块的温度。基于各电池芯6的电压分布，BCU 14决定开关旁路器以实现电压平衡。若检测到任何一个电池芯有过压或者过热等问题，BCU 14会通过CAN1总线113报告。
在工作模态302，BCU 14还将电池芯电压和温度等数据定期发送给MCM 102。当通过CAN1总线113收到同步电压测量的指令时，BCU 14同步采样各电池芯电压并立即通过CAN1总线113报告。当通过CAN1总线113收到整体平衡指令时BCU 14开启通用模块中所有的旁路器直至同步电压测量指令取消为止。
在低压电池箱中(如图1(b)中的1b)首位通用模块UBM 2b还需提供电池箱的控制功能。在下列情况下首位UBM 2的电池控制单元BCU 14会直接断开断路器33：(i)在CAN1总线113的信息更新周期里，连续3次以上从其他UBM 2收到警告标志；或(ii)连续3次以上从某一个UBM 2收到警告标志。当任何一个UBM 2过热或其中的电池芯过压时，工作在控制模态的BCU 14通过警示灯控制信号发出警告。
在维护模态304，BCU 14可以上载软件或各种参数到内存中。新上载的软件或参数在下一次UBM 2进入在初始化模态301以后才会被使用。因此在维护模态304，若接到来自CAN1总线113的重新启动指令，BCU 14就会上载新软件或参数然后进入初始化模态使得新新软件或参数生效。在维护模态304，BCU 14支持查错功能，可以通过CAN1总线113报告各种操作信息，如：电池芯6电压，UBM 2温度，目前工作参数和出错码等。
在休眠模态306，UBM 2进入休眠状态以节省能量，所有的BCU 14(包括CPU，CAN总线收发器和电压调节器等)都进入休眠直至新的启动信号出现后才复苏。
在初始化模态301，若UBM 2发现它是电池箱中的首位模块(没有序号上输入信号)也没有主控制模块MCM 102，BCU 14就会进入控制模态308。在控制模态308，BCU 14不仅需要完成工作模态302中的各种控制功能，还需要监视电池箱的电流并控制警示灯，断路器和充电器功率等。这时，BCU 14还会向其他UBM 2通过CAN1总线113发出同步电压测量指令或全局电压平衡指令等以实现电池模块间的电平衡。这些控制信号都可以连接到仪表盘上(如图1(a)中的仪表盘35)以显示电池箱充电状态和出错状态等。
图8给出了主控制模块MCM 102的各种模态，包括：初始化模态401；(ii)工作模态402；(iii)休眠模态406；和(iv)维护模态404。
在第一次加电时的开始模态400之后，MCM 102即进入初始化模态401读取各种存在内存的参数(如CAN总线波特率，CAN总线通讯更新周期，电池箱充电状态SOC，累积充放电电量，累积工作时间等等)和在上一个工作周期中的出错信息等。
在工作模态402，MCM 102控制电池箱的基本操作，如：通用模块之间的平衡，系统预充电和电池箱动力开关等。同时MCM 102还监视电池箱的电流，电压，高压总线的漏电电阻，电池箱充电状态和充放电能力等。通过CAN2总线111 MCM 102周期性地向动力控制系统(如图1(a)中控制系统3)报告电池箱工作状态以及出错信息等。
在维护模态404，MCM 102可以上传新的软件或更新内存中的参数。新的软件或参数要等到下一次MCM 102进入初始化模态401时才起作用。如果接到来自CAN2总线111的重新启动指令，MCM 102将新软件或参数调入并重新初始化执行环境。更进一步，在维护模态404，the MCM 102还可根据要求通过CAN2总线111报告通用电池模块UBM 2的操作状态(如UBM 2的电压，电流，模块温度，出错码等)来支持错误检测。
在修眠模态406，MCM 102进入睡眠状态以节省能量同时保持时钟继续工作以纪录电池休息时间。
图9给出了一个小型电池箱60，由两个通用模块UBMs 2a和2b电连接组成。这种电池箱60多适用于低压应用，如电动沙滩车ATV，高尔夫球车，残疾人用电单车等。如图9所示，电池箱60中的通用电池模块UBMs 2a，2b分别由电池控制单元BCU 14a，14b控制。BCU 14a和14b通过界插头24a和24b相连通过总线25串行通讯。其中BCU 14b做为首位模块应用标准的控制接口为UBMs 2a，2b提供基本控制。电池箱界插头62与UBM 2b的接插头24b相连接与外部设备通讯(没有示出)。对于低压应用如ATV，一般在工作中不需要外部通讯总线。外部通讯总线可与配备有CAN卡的PC机通过CAN2总线111通讯，主要在维护时使用，包括查错，软件更新，调整参数等。因此在本文件中，CAN总线接插线26和28仅在维护操作时才使用进行软件软件更新，调整参数和系统重新启动等。启动信号(包括线30和线40)是主要的操作控制信号而差分输入信号Diff IN+44和Diff IN-46主要用于读取电池箱60的电流。
尽管在低压应用中电池箱60的工作温度一般不会很高，但还是可以选择在电池箱60的外壳61底部加装散热器(没有示出)来改善散热情况。
图10给出了一个高压电池箱70的透视图，由四个通用电池模块UBMs 2a，2b，2c，2d连接组成，四个电池控制单元分别是BCU 14a，14b，14c，和14d。高压电池箱70需要增加主控制模块MCM 102来提供高压安全和电池箱开关控制等，适用于高功率应用，如纯电动汽车，混合动力电动汽车，风能或太阳能存储等。所有的BUC 14a，14b，14c，和14d通过CAN总线83，81相互通讯。
主控制器MCM 102的输入动力接线柱为120和122，分别与UBM14d的动力接线柱18d和16d连接。MCM 102的输出动力接线柱108和106是电池箱70的动力接口，同时通过接插头110与外部动力控制系统3(见图1(a))通讯，具体信号见表2。
在电池箱70内部，MCM 102通过接插头112与UBM 2d接口，控制信号包括：(i)序列上85；(ii)CAN+83；(iii)CAN-81；(iv)启动开关91；(v)信号地89。有了MCM 102管理和控制电池箱70 UBM 2a至2d的系统控制信号如表1中所包括的：警示灯信号32，功率控制信号34，断路器控制信号42，差分输入44和46都不需要因此也不用连接了。
对于高压应用，电池箱70需要水冷，通过入口45和出口47循环冷却液冷却电池箱同时提供电池模块UBMs 2a至2d之间热平衡。
在上述例子中每一电池箱只是由一列UBM串联连成。然而也可将多个UBM同时串并联连接，如图11所示。电池箱80由八个UBM 2a至2h组成，形成两列串联的UBM然后并联连接。各电池模块2a至2h的冷却水入口与出口相互连接形成冷却水循环系统。其中UBM 2a和2b，2c和2d，2e和2f，2g和2h并联连接形成四组，然后进行串联连接。主控制模块MCM 102与电池模块UBM 2d连接管理和控制整个电池箱80。
显然上面关于本发明的有关内容均为举例，也可以通过其他不同的方法实现。所有的这些变化不能视为偏离本发明的范围和精神。下述的权利要求也包括任何在相同领域有经验的人对于本发明所做出的改变。

Claims (21)

1.一个通用电池模块是由以下各部分组成：
一系列串连连接的电池芯；
与电池芯相连的传感器，感应电池芯的物理参数；
一个电池控制单元接收传感器输出并并根据所得到的物理参数对电池芯进行控制，
将电池控制单元，传感器和一系列的电池芯包装起来就成为电池模块。
2.权利要求1中的通用电池模块，还包括一个壳体将电池芯包装起来。
3.权利要求1中的通用电池模块，还包括一个导热框与电池芯紧密接触以实现电池芯之间的热平衡。
4.权利要求2中所指的通用电池模块，还进一步包括一个基座，基座与导热框也紧密接触以改善散热。
5.权利要求4中所指的通用电池模块，基座有一个冷却水入口和一个冷却水出口，基座中有一系列的通道连接到入口和出口将冷却水从入口倒向出口。
6.权利要求4中所指的通用电池模块，基座与电池壳体紧密连接并密封。
7.权利要求1中的通用电池模块，还包括电池芯电平衡电路。
8.权利要求1中的通用电池模块，还包括连接到电池控制单元的接插头，可提供接插线以实现串行通讯，动力开关控制，控制输出信号和输入信号。
9.权利要求8中的通用电池模块中的串行通讯既是CAN通讯总线。
10.权利要求1中的通用电池模块中的电池控制单元是用来产生控制输出信号可实现充电和放电功率控制和警示灯控制。
11.权利要求1中的通用电池模块中的电池控制单元还会读取差分输入信号监视模块的电流。
12.权利要求1中的通用电池模块中的电池控制单元会监视各电池芯电压和模块导热框的温度。
13.权利要求1中的通用电池模块中的电池控制单元控制电池芯的电平衡。
14.权利要求1中的通用电池模块中的电池控制单元控制电池模块在电池箱中的排序。
15.一个可伸缩的动力电池箱由以下各部分组成：
至少两个通用电池模块连成一列，每一个通用电池模块包括一系列串联连接的电池芯，连接到电池芯上的传感器和电池控制单元读取传感器输出的关于电池芯的参数以控制电池芯，
一个主控制器与通用电池模块系列相连接，控制电池箱的动力开关同时以内部接插头与电池箱内各通用电池模块相连，控制各通用模块之间的电平衡，
主控制器与通用电池模块系列通过电池壳体包装成单一的可伸缩电池箱。
16.权利要求15中的电池箱中各通用电池模块可串联连接起来。
17.权利要求15中的电池箱中各通用电池模块可并联连接起来。
18.权利要求15中的电池箱中的主控制器还有一个外部界插头与外部系统控制器接口，通过串行通讯总线传输充放电功率控制信号，警示灯控制信号和安全连锁信号。
19.权利要求15中的电池箱中的主控制器，还包括漏电检测传感器可以用来监视电池箱的漏电电阻。
20.权利要求15中的电池箱中的主控制器，还包括一个电流传感器可以监视电池箱的电流。
21.权利要求15中的电池箱中的主控制器，还包括一个过流熔断器在短路时保护电池箱。
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