TWI506918B - 建構大型電池的方法 - Google Patents

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Description

建構大型電池的方法
本揭示係有關於電池系統，特別是關於大型電池系統和組裝的方法。
併入之參考案
本申請案主張西元2009年9月1日所提出之美國臨時申請案第61/238,882號之權益。以上所述申請案之整體教示係以參照方式而納入本文。
大型電池系統在各種電動及混合式電動交通工具中被使用做為電力儲存裝置。可以用電力或混合式動力驅動的一些交通工具實例包括汽車、船、以及電車。這些電池系統的容量範圍通常介於10 kWh到100 kWh之間，且具有介於44.4 Vdc到444 Vdc之間的理論上的整體電池電壓額定值。
構建大型電池系統最常見的方式是將一些個別高容量電池單體(battery cell)以串聯和並聯的方式連接在一起，以達到預定之系統電壓及容量。每一電池系統可以是由數十個到數百個個別電池單體組配而成。由於電池單體製造流程之緣故，任何一群電池單體均可能在至少二個關鍵參數上具有變異之分佈：內部阻抗(internal impedance)以及電荷維持容量(charge holding capacity)。一群產出電池單體中阻抗及容量的變異對於大型電池系統的生產係一大挑戰，因為系統內並聯和串聯的電池單體組合在阻抗和容量上有所差異。系統內的阻抗及容量上的變異直接影響包含以下項目的整體電池系統特性：容量、能量儲存效率、循環使用壽命、熱能減損、內部溫度均勻性、平衡電子部件之成本、以及餘熱排除(冷卻)系統之成本。
以下摘要敘述本揭示所包含的一些實施例。提出該等資訊係用以提供對於本發明之特色之一基本理解。此節所提供內容基本上係一般之性質而非意欲指出實施例之最重要特徵。揭示於下之該等資訊之意圖僅係提供本揭示之簡化實例並做為更細節說明之導引。習於斯藝者應理解在包含於申請專利範圍以及說明之範疇下，尚存在其他實施例、修改、變異、以及類似形式之實施方式。
本發明之一示範性實施例包含一種識別在大型電池之製造或組裝中所使用的組件的方法。該方法包含附加一識別標記至該大型電池內所包含之複數電池單體中之每一單體以及複數由電池單體構成之區塊(block)中之每一區塊。此外，其亦維持該等電池單體和區塊之該識別標記和相關參數之一資料庫以及依據該相關參數選擇電池單體和區塊。該相關參數可以包含該等電池單體和區塊之容量或內部電阻。此外，其可以使用一虛擬隨機數產生器以選擇用以置放於該大型電池內的電池單體和區塊。該虛擬隨機數產生器可以依據可用以置放於該大型電池內之電池單體之一常態分佈(normal distribution)選擇電池單體。
該方法可以進一步包含加裝識別標記至包含於該大型電池內之複數由區塊構成之模組(module)中的每一模組並以該等模組之識別標記及相關參數更新該資料庫。該相關參數可以包含該等模組之容量或內部電阻。其亦可以使用上述之虛擬隨機數產生器以選擇用以置放於該大型電池內的模組。
本發明之另一示範性實施例包含一種電池系統以及對應之選擇電池單體以構建一電池系統的方法。該方法可以包含量測電池單體之容量並，在一資料庫之中，將每一電池單體聯結其各自之容量量測值。並且，其可以依據該量測之電池單體容量計算一統計分佈，且可以自該統計分佈中之各處選擇電池單體以置放於該電池系統之中。該等選擇之電池單體從而可以被以並聯方式置放於該電池系統內。其可以選擇該等電池單體以使得該電池系統之容量趨近於該統計分佈之一平均值(mean)。該等電池單體容量可以是位於一從4000 mAh到4500 mAh的範圍內或是從4420 mAh到4480 mAh的範圍內。此外，其可以自該統計分佈中的特定區段(習於斯藝者習稱為"箱(bin)")隨機地選擇電池單體。若該統計分佈之一特定區段內的電池單體已然用罄，則可以自一較接近該統計分佈之一平均值之鄰近區段選擇電池單體。
本發明之另一實施例包含一電池系統。該電池系統可以包含複數電性耦接之由電池單體構成之區塊，每一區塊內包含以並聯方式相連之電池單體，且每一區塊中電池單體之容量遵循自其中挑選該等電池單體之一群電池單體之一統計分佈。其可以選擇該等電池單體以使得該電池系統之容量趨近於該統計分佈之一平均值。
本發明之另一示範性實施例包含一種電池系統以及對應之選擇一電池系統之電池單體的方法。該方法可以包含量測該電池系統之組件之內部電阻、維持一包含該內部電阻量測值之資料庫、以及依據該內部電阻量測值將電池單體置放於該電池系統之中。置放電池單體可以包含將具有低內部電阻量測值之電池單體置放於由該電池系統之其他組件所貢獻而相對於電池接頭具有高內部電阻之區域。置放電池單體亦可以包含將具有高內部電阻量測值之電池單體置放於由該電池系統之其他組件所貢獻而相對於電池接頭具有低內部電阻之區域。在一電池接頭與外部接觸超過一個位置之情形，造成超過一條電流流動路徑往來於該電池接頭，則具有高阻抗之電池單體被置放於較接近該接頭接觸之位置，而具有較低內部電阻之電池單體則被置放於較遠離該接頭接觸之位置。此外，上述之資料庫可以包含該電池系統之電池單體和組件之識別標記和相關參數。該相關參數可以包含該電池系統之電池單體和組件之內部電阻或容量。
本發明之另一示範性實施例包含一種選擇電池系統組件之預定容量之方法。此方法可以包含決定該電池系統內之一溫度分佈概況(temperature profile)、估計該電池系統之組件之一溫度相關容量、以及利用該溫度相關容量及溫度分佈概況選擇該電池系統之組件。
此外，其可以選擇一參考區塊以針對該電池系統內之區塊建立一可接受之溫度。從而可以依據該參考區塊溫度及該電池系統內其他區塊之溫度決定一溫度差距。依據該溫度相關容量及溫度差距可以決定該電池系統內區塊之預定容量。此外，區塊可以依據該估算之預定容量被置放於該電池系統內。
本發明之另一示範性實施例可以包含一電池系統。此電池系統可以包含複數電性耦接之電池系統組件以及被選擇置放於最遠離一熱源之具有低容量之電池系統組件。此等電池組件可以包含複數電性耦接之電池單體區塊或者複數電性耦接由電池單體區塊構成之模組。
本發明之另一示範性實施例可以包含一種識別大型電池之組件的方法。該方法可以包含對該大型電池內所包含之複數電池單體、區塊、以及模組各自附加一識別標記。其可以維持一資料庫，該資料庫包含該等電池單體、區塊、以及模組之識別標記和相關參數。該相關參數可以包含該等電池單體、區塊、以及模組之容量或內部電阻。其可以使用一虛擬隨機數產生器以選擇用以置放於該大型電池內的電池單體、區塊、以及模組。該虛擬隨機數產生器亦可以依據可用以置放於該大型電池內之電池單體之一常態分佈挑選電池單體。
以下係本發明示範性實施例之描述。
其中引用之所有專利、公開申請案以及參考資料之教示均以參照其整體之方式併入本說明書。
現有之大型電動交通工具電池系統以及其他大型電池系統並未提供方法以選擇區塊及模組之電池單體而達成高水準之系統效能、效率以及使用壽命，同時充分使用一產出電池單體庫存。當電池單體被選擇之後，現有之大型電池系統並未提供方法將所選擇電池單體置放於區塊之內以確保均勻之有效電池單體阻抗以及一致的電池單體老化過程，同時將源於循環使用之整體區塊容量減損最小化。在區塊之間承受一已知之平均溫度梯度之現有大型電池系統並未提供方法置放所挑選之區塊以補償由於一些區塊運作於比其他區塊較高之平均溫度而造成之容量降低。
然而，本發明之實施例包含用於製造諸如一電動交通工具之大型電池系統的方法，以及對應之電池系統。更具體而言，本發明係有關於一種改良之電池系統以及選擇及配置產出電池單體於一電池系統內的方法以改善整體系統效能、使用壽命以及電池單體產出庫存之利用。
大型電池系統之製造通常係利用一階層式之共通次級單元以促成各種容量以及電壓大小、允許機械性地匹配至不同的套用外殼、以及簡化整體組裝、測試、維護、和保修流程。位於該大型電池系統製造階層之底部者係單一高容量電池單體。此種單一高容量電池單體之一商業上的實例係Boston-Power SwingTM 鋰離子電池單體。
依據本發明之一示範性實施例，每一高容量電池單體(或單體)均各自具有獨特之內部阻抗和電荷維持容量，其在電池單體製造流程結束時得知。量測之後，此等參數經由一特有電池單體識別記號被聯結至其個別電池單體。在電池組製造流程之中，電池單體被選擇並配置為群組以組裝在電池組製造階層中稱為區塊之下一級較大次級單元。
圖1A-1D中顯示一區塊100之實例，其例示具有130 Wh(瓦特*小時(Watt*hour))理論容量之單一高容量電池單體105a-h之一8p1s群組，且可以包含溫度感測電子部件112。一個區塊因此亦稱為一單一"虛擬單體"，因為區塊與一個別單體具有相同之電壓且其容量係該等個別單體容量之總和。圖1A-1D(分別)例示一依據本發明一示範性實施例之區塊100之上視圖、側視圖、前視圖、和底視圖。一區塊100可以包含多個電池單體105a-h、負母線(negative busbar)110、連至負母線110之螺絲連接113a-b、(分別)針對每一電池單體105a-h之負母線連接115a-h、正母線(positive busbar)120、連至正母線120之螺絲連接123a-b、以及(分別)針對每一電池單體105a-h之正母線連接125a-h。如圖1A所示，每一單體105a-h之頂端(負電極)接頭均利用一負母線連接(或連接片(tab strip))115a-h電性連接至一第一銅質母線(表示為負母線110)，該負母線連接115a-h跨相鄰的電池單體對之間呈對角線對齊。上述之負母線連接115a-h焊接至每一電池單體105a-h之頂端接頭，且同時亦焊接至負母線110。以類似方式，每一電池單體之底部(正電極)接頭均利用焊接至每一電池單體盒底部之連接片電性連接至一第二銅質母線(表示為正母線120)，如圖1D所示。其利用位於每一母線左側及右側兩側或一側上的螺絲連接器113a-b、123a-b製成對區塊之電性接觸。一熱感測電路板112可以縱向安置於各自包含四個單體的列與列之間。如圖1B所示，一個源自熱感測器電路板112之凸片可以由靠近負母線110的區塊右側凸出以使得感測器電路板112可以電性連接至一電池管理系統控制器(未顯示於圖中)。
繼續參見圖1A至1D，電池單體105a-h可以藉由頂端連接片115a-h和底部連接片125a-h機械式地固定於適當位置，其支承電池單體105a-h於適當位置而成為一區塊100。區塊100組態之一安全特徵在於電池單體105a-h之超壓排氣側(over-pressure vent side)可以面朝外地位於區塊100的每一個側面之上，例如，如圖1B所示，電池單體105e-h的排氣側面朝外地位於區塊100之一側面上。以此種方式，若一電池單體105a-h發生一超壓事件，則該電池單體105a-h將向外排氣至一周圍之冷卻腔穴而非向內排氣至相鄰之電池單體。
繼續參見圖1A至1D，在機械結構方面，連接片115a-h、125a-h以及母線110、120可以具有一彎曲順從性，其使得連接片115a-h、125a-h及/或母線110、120可以在源自諸如區塊100之撞擊或震動的靜態及動態機械式負載下產生彎曲。連接片115a-h、125a-h焊接點具有之焊接強度使得其在靜態及動態負載狀況期間可以分別維持對其接附點之機械性及電性接附。其可以選擇連接片115a-h、125a-h之彎曲順從性以及母線110、120之堅硬度使得主要彎曲形式發生於連接片115a-h、125a-h之內而非母線110、120之內或是焊接位置處(表示為連接片115a-h、125a-h上的波紋圖案)。此種情況下，當區塊100承受應用環境常見頻率及強度之機械撞擊或震動而彎曲之時，連接片115a-h、125a-h之彎曲順從性以及母線110、120之堅硬度確保大部分之機械應力發生於連接片115a-h、125a-h內部而非發生於焊接連結點處。此機械組態可以允許區塊100容忍較高階之靜態及動態負載；從而降低焊接位置之機械性斷裂和循環疲勞(cycling fatigue)之風險。此等斷裂或循環疲勞可能造成不安全之狀況，諸如受影響焊接點之電性斷開或其互連阻抗的實質增加。
本發明之一示範性實施例包含一種識別大型電池之組件的方法。圖1A-1D之區塊100之每一電池單體105a-h亦可以包含一識別標記於電池單體105a-h之一表面上，諸如圖1B所示之每一電池單體105a-h朝外之一側。在本說明書之中，一識別標記可以包含條碼(bar code)、序號(serial number)、射頻識別裝置(radio frequency identification device；RFID)或者是可讀取或可掃描代碼(由人眼或機械感測裝置)。此外，一識別標記可以是附加(可移除式地或是永久性地)、嵌入、或壓印於電池單體105a-h或區塊100之一表面上。附加識別標記之動作可以發生於電池單體105a-h、區塊100或模組(模組將在以下參照圖2A-2E進一步加以解釋)之製造、組裝、或生產期間。其可以維持一資料庫，該資料庫包含電池單體105a-h以及區塊100之識別標記和相關參數(諸如容量和內部電阻)。如此一來，即可以依據該等相關參數選擇電池單體105a-h以及區塊100。該資料庫亦可以包含有關電池單體105a-h、區塊100或模組製造之資訊，諸如製造步驟完成之日期/時間戳記、有關製造之製程參數量測值(例如，阻抗、斷路電壓、短路電流、和高電壓測試)。該相關參數可以包含電池單體105a-h和區塊100之容量或內部電阻。其可以使用一虛擬隨機數產生器以選擇電池單體105a-h及區塊100以放置於大型電池之內，舉例而言，依據可用以放置於大型電池內的電池單體105a-h之一常態分佈。
區塊通常是與監測及平衡電子部件(未顯示於圖中)以串聯的方式組裝而形成稱為模組之電池系統製造階層中之下一級較大次級單元。圖2A-2E(分別)例示一依據本發明一實施例之一模組200示範性實施例之上視圖、立體圖、側視圖、端視圖、和展開圖。
一模組200可以包含6個區塊(例如，如圖1A-1D所例示之區塊100)彼此串聯，共具有48個電池單體以及780 Wh之理論容量。如圖2E所示，模組200可以包含螺絲205-207、電池單體區塊組件210、電池單體區塊終端配件215、頂蓋及間隙配墊組件220、底蓋及間隙配墊組件225、塑膠隔離件230、背板電子電路板組件235、電路板定位護件240、電池單體區塊監測纜線組件245、跨單體連接器250、絕緣體(背板電路板)255、絕緣體(接頭側頂部)260、以及絕緣體(接頭側底部)265。在圖2A之中，區塊B1-B6可以配置成彼此以長度方向邊靠邊相鄰，且每一區塊之接頭凸出於模組200之頂端和底部。在此實例之中，六個區塊B1-B6藉由交替連接母線接頭而彼此以串聯方式電性連接，如圖2A上方所示。在此組態之中，底部母線接頭可以不連接。最左側及最右側之底部母線接頭形成整個模組200之正負接頭。如圖2B所示，模組200可以在二個最大的外側面使用模壓非導電塑料板而在機械結構上保持完整。模壓槽(molded groove)匹配電池單體區塊頂端及底部之輪廓線以維持預定之區塊間隔。定位螺絲從頂端穿透至底部平板以將平板與整個組件固定在一起。區塊之間的腔穴可以充當空氣冷卻通道。一電子印刷電路板背板235可以加裝至模組200未連接之接頭側。用以監測個別區塊電壓之電池管理控制電子部件(未顯示於圖中)以及熱感測器電路板(例如，圖1B之熱感測電路板112)可以包含於背板之上。模組200亦可以包含一識別標記。
依據本發明一示範性實施例，識別標記可以附加至包含於大型電池內複數由區塊(例如，圖1A-1D之區塊100)構成之模組200中的每一個模組。因此，其可以以模組之識別標記和相關參數更新一資料庫，並且可以使用一虛擬隨機數產生器以選擇用以置放於大型電池內之模組200。
其可以連接(例如，串聯)二或多個模組以形成一電池串。圖3係例示依據本發明一示範性實施例之具有十六個串聯模組310a-p之一電池串300之連接示意圖。電池串300可以包含一正接頭305、電池模組310a-p(例如，圖2A-2E之模組200)、負接頭315、通往電池管理系統(battery manage system；BMS)控制器(未顯示於圖中)之通信路徑320、以及電池串中保險絲及保修斷連裝置(mid-string fuse and service disconnect)325。每一電池模組310a-p可以包含六個彼此串聯之區塊，在圖3中表示為"6s模組"。電池串300可以經由正接頭305、負接頭315、以及通往BMS控制器之通信路徑320連接至電池組之電子部件(未顯示於圖中)。該BMS控制器(未顯示於圖中)可以連接至模組以監測包含於其中之每一複數區塊或複數個電池單體。此外，電池組之電子部件可用以控制電池系統之充電及放電。每一電池串300可以包含一用於安全性用途之電池串中保險絲及保修斷連裝置325。
其可以連接(例如，串聯或並聯)二或多個電池串以形成一電池組。圖4係例示依據本發明一示範性實施例之具有三個並聯電池串410a-c之一用於交通工具之大型電池組400之連接示意圖。電池組400可以包含一正接頭405、電阻R1-R3、電容C1-C4、電池串410a-c(例如，圖3之電池串300)、高電壓前級(high voltage front end；HVFE)411、保險絲413a-c(例如，圖3之電池串中保險絲及保修斷連裝置325)、BMS控制器415、CAN(控制器區域網路；controller area network)匯流排417、通信交通工具CPU 420。電池串410a-c可以結合一BMS控制器415(例如，如圖3所示)及一HVFE 411。該HVFE 411可以提供機電式致動接觸器(contactor)以執行整體電池組400與應用(例如，電動交通工具)主電力匯流排間的連接/斷開。此外，HVFE 411可以具有診斷功能，諸如絕緣失效錯誤感測功能。該BMS控制器415可用以管理區塊、模組、及電池串運作以及安全性控制。該BMS控制器415亦可用以執行效能最佳化演算法。該BMS控制器415同時亦可以做為電池組400與其外界裝置之通信介面(例如，BMS控制器415經由CAN匯流排417與通信交通工具CPU 420進行通信)。該BMS控制器415可以經由一光隔離式序列通信路徑416與一HVFE 411進行通信。
電池單體製造流程期間，可以針對阻抗及容量測試電池單體。通常被確認其阻抗位於一可接受範圍內之電池單體，諸如從大約13 mOhm(毫歐姆)到大約22 mOhm之範圍，被依據其容量歸類至一些貯藏箱內。當組裝期間從該等貯藏箱挑選電池單體以組成一區塊時，製造的考量之一係有關於單體之選擇以及置放至一區塊之中(例如，圖1A-1D之區塊100中之一固定位置)。舉例而言，在小型電池系統之中，諸如一筆記型電腦中的3s1p或3s2p組態，電池組中的所有單體均在容量上彼此"匹配"或者是從同一貯藏箱中選出以提供具有極類似容量之電池組。電池單體容量匹配能成立係由於串聯構件具有相仿之容量且將因此在電池組運作期間維持較接近的充電狀態(state of charge；SOC)平衡。因此，電池單體庫存可以被完全利用，因為藉由從同一貯藏箱選擇電池單體以製造每一小型電池組，以及從所有可用之貯藏箱製造小型電池組。
然而，當電池組變得較大時，例如由10s或100s電池單體構成，其變得更加難以匹配串聯構件(例如，區塊)的容量，同時又能充分利用產出之電池單體庫存。例如，在大型電池系統之中，無法接受的狀況可能發生於若每一區塊中的所有電池單體均和小型電池系統一樣從同一貯藏箱中選出，以及若選自不同貯藏箱的區塊被組合以耗用電池單體庫存。如此可能造成模組內的串聯構件(例如，區塊)在容量上不"匹配"而降低整體模組容量，從而需要增加平衡、造成效率低落且成本增加。
圖5顯示電池單體依據容量之一典型分佈之統計模型資料。本發明之另一實施例包含一種自一群依容量範圍分類而具有諸如圖5例示之產出電池單體分佈之貯藏箱(表示為圖中之長條)選擇電池單體以構建電池系統的方法。在本說明書之中，"箱"一詞係一預先定義之電池單體容量範圍，對應至其容量包含於該特別的預先定義範圍內的產出電池單體。顯示於圖中的每一長條均可以稱為一單箱。或者，相鄰長條之群組可以合稱以形成較少之單箱。
依據本發明此示範性實施例，電池單體之容量可以被量測而每一電池單體可以從而被聯結至其在一資料庫中之各別容量量測值。接著，其可以計算該等電池單體之一統計分佈。藉由自該分佈的每一箱區中隨機選擇電池單體，或者說選擇其分佈大致涵蓋所有容量範圍分類貯藏箱之電池單體，而後將所選擇之電池單體聚集於一區塊，則產生之區塊將具有較佳之容量匹配且區塊間具有較少之變異。產出之電池單體容量已知係呈現一常態分佈，其型態類似圖5中之模式。依據本發明一示範性實施例，其可以遍及該分佈選擇電池單體並以並聯方式置放於同一區塊之中。在一區塊內，較低容量之電池單體可以補償較高容量之電池單體且產生區塊之容量將趨近於統計上常態分佈之平均值。此選擇方法與用於諸如2p3s筆記型電腦組態之小型電池組中選擇電池單體的方法相反，後者是從同一貯藏箱中選擇電池單體以在電池組中的所有電池單體間維持極為接近的匹配容量。此外，依據本發明一示範性實施例做出之電池單體選擇允許自所有貯藏箱中取用電池單體，使得貯藏箱的消耗方式較為均勻。此使得生產者可以更加充分地利用可用的產出庫存。
依此觀點而言，依據本發明一示範性實施例，一電池系統可以包含複數電性耦接之電池單體區塊，每一區塊中均包含彼此並聯之電池單體。每一區塊中的電池單體之容量均可以遵循自其中選出電池單體之一群電池單體之統計分佈。其亦可以選擇該等電池單體以使得該電池系統之容量趨近於該統計分佈之一平均值。
繼續參見圖5，假設該分佈代表實際產出之一群電池單體，其容量近似常態分佈且可接受之電池單體容量介於4420 mAh(5%)和4480 mAh(95%)的界限之間。平均容量大約是4449 mAh。範圍的邊界和貯藏箱的數目可以取決於製造流程而改變，例如，理論容量4400 mAh的電池單體之典型製造範圍係從4420 mAh到4480 mAh。統計邊界可用以歸類電池單體群集，諸如所有產出電池單體的5%可以具有4420 mAh或小於4420 mAh之容量而所有產出電池單體的95%其容量係4480 mAh或小於4480 mAh。未來的預期範圍可以分散於特定電池單體產品的理論容量附近。當改良之電池單體製造技術提高其容量，未來的範圍可能叢聚於4400 mAh、4600 mAh、4800 mAh、5000 mAh、5200 mAh、5400 mAh、以及更高。其選擇貯藏箱，此例中有四個貯藏箱可選擇，以涵蓋可接受電池單體容量之範圍。貯藏箱A包含具有容量範圍從大約4420 mAh到4434 mAh的電池單體，貯藏箱B包含具有容量範圍從大約4435 mAh到4449 mAh的電池單體，貯藏箱C包含具有容量範圍從大約4450 mAh到4464 mAh的電池單體，而貯藏箱D包含具有容量範圍從大約4465 mAh到4480 mAh的電池單體。對於由八個電池單體構成之每一區塊，其從四個位於平均容量兩側附近的貯藏箱各隨機選擇二個電池單體。若一貯藏箱內的所有電池單體已用完，則可以自一較接近平均容量的鄰近貯藏箱選取電池單體。由此產生之區塊將傾向於具有較接近電池單體平均容量的較均勻容量。
另一個製造上的考量係有關於區塊內的電池單體置放。此特別的製造考量係有關電池單體阻抗之變異以及肇因於區塊內電池單體可能置放位置間的焊接片及母線的互連阻抗之變異。若區塊中的每一電池單體相對於區塊輸出接頭均承受不同的實質阻抗，且與其內部阻抗相關，則電池單體相對於其相鄰電池單體其循環利用將不均勻。因此，區塊中的某些電池單體其老化將不均勻，較其相鄰者承受較快的容量減損，且區塊內的整體容量減損將較為快速。當一區塊之容量異於其他串聯區塊，一些不利效應將降低整體模組的容量及效率。若未使用充電平衡以等化區塊電壓，則具有最低容量的區塊將首先抵達較低之截止電壓門檻並致使該模組被耗盡而需要再次充電。依此觀點而言，其餘區塊中的額外充電容量可能並未完全使用而模組效能取決於最弱的區塊。然而若使用充電平衡以等化區塊電壓，則具有較差容量的區塊將在較長時間長度上需要較高之平衡電流。因此，電池組的整體能量效率將較低。平衡電路組件將需要具有較高之額定電流而需較高成本。若經由洩放電阻(bleed resistor)使用被動式平衡，則將產生額外之熱能必須在其後自模組移除。額外熱能移除需要較大的冷卻系統而需較高成本。
本發明之另一實施例係一種將所選擇之一模組之電池單體置放入一區塊的方法，以均勻化有效單體阻抗並使電池單體老化一致，同時最小化肇因於循環使用之整體區塊容量減損。依據此方法，其可以量測電池系統之組件之內部電阻並維持一包含該內部電阻量測值之資料庫。當已經依據其內部電阻量測值選擇一區塊的電池單體之後，該等電池單體可以被置放入該區塊並從而用以形成一模組。圖6例示一模組600內的8p電池單體區塊之一內部直流(DC)電阻模型。模組600包含一些區塊，表示為區塊B1到區塊Bn。該等區塊可以經由該模組之正負接頭連接至模組600之電子部分，例如，區塊B1經由其正母線區段605a-d連接至模組600之正接頭601a(表示為圖6中的"模組+")而區塊Bn則經由負母線區段640a-d連接至模組600之負接頭601b(表示為圖6中的"模組-")。該等區塊同時亦可以經由其各自之螺絲連接與另一區塊相通連，例如，區塊B1之螺絲連接623a經由Rbus_connect 624連接至區塊B2(未顯示於圖中)之螺絲連接623b。
繼續參見圖6，正負焊接片、母線區段、匯流排連接、以及連接螺絲貢獻額外之電阻，通常在毫歐姆(milliohm)之等級。此外，每一電池單體均具有其本身之內部電阻(IR)貢獻至區塊阻抗。舉例而言，區塊B1包含正母線區段605a-d、正焊接片610a-1-610d-2、電池單體之內部電阻(表示為區塊內之電池單體位置，B1-1至B1-8)、負焊接片615a-1-615d-2、負母線區段620a-d、螺絲連接623a、以及Rbus_connect 624；區塊Bn包含正母線區段625a-d、正焊接片630a-1-630d-2、內部電阻633a-1-633d-2、負焊接片635a-1-635d-2、負母線區段640a-d、螺絲連接623b、以及Rbus_connect (未顯示於圖中)。其可以將具有低內部電阻量測值之電池單體置放於由該電池系統之其他組件所貢獻而相對於電池接頭具有高內部電阻之區域。此外，其可以將具有高內部電阻量測值之電池單體置放於由該電池系統之其他組件所貢獻而相對於電池接頭具有低內部電阻之區域。在圖6例示之區塊連接拓樸型態中，靠近區塊右側之電池單體承受較低之通往區塊接頭之串聯連接阻抗。反之，靠近區塊左側之電池單體承受較高之通往區塊接頭之串聯連接阻抗。共用同一匯流排位置之電池單體承受同一通往區塊接頭之串聯連接阻抗。區塊左側電池單體承受之額外串聯連接阻抗係源於通往區塊接頭之額外母線阻抗。注意在不同拓樸型態之中，可以在另一位置或是在同一區塊上的多個位置接取區塊接頭。通往區塊接頭之單一電流路徑或複數路徑以及母線走線路徑之總數是一個製造上的考量。與例示於圖6不同之常見拓樸型態可以包括在超過一個位置處的外部接點，例如，在類似圖6所示之區塊右側端和左側端上的二個位置。在此種於二個位置均有通往每一單一電池接頭之外部連接之拓樸型態中，將存在二條往來電池接頭之電流流動路徑。此種情況下，具有高阻抗之電池單體被置放於較接近接頭接點位置處，而具有較低內部電阻之電池單體則被置放於較遠離接頭接點之位置。在一類似圖6但於左右兩側均有接觸之拓樸型態中，區塊中央之電池單體將承受額外之互連阻抗，而依據本發明，置放於此處之電池單體應來自一組具有較低內部阻抗者。同樣地，置放於接頭區塊左右兩端之電池單體應來自一組具有較高內部阻抗者。基本上在一不同拓樸型態之接頭區塊之中，具有較低阻抗之電池單體應被置放於較遠離接頭之所有外部接點位置，而具有較高阻抗之電池單體應被置放於較接近接頭之外部接點位置。
依據本發明之另一實施例，一電池系統可以包含複數電性耦接之由複數電池單體構成之區塊，每一區塊中均包含彼此並聯之電池單體。在每一區塊之中，均可以將具有低內部電阻之電池單體置放於由該電池系統之其他組件所貢獻而相對於電池接頭具有高內部電阻之區域。此外，具有高內部電阻之電池單體可以置放於由該電池系統之其他組件所貢獻而相對於電池接頭具有低內部電阻之區域。
另一個製造上的考量係對於同一區塊內的所有電池單體相對於區塊接頭均承受相等之連接及內部電阻。加入此等製造考量使其可以具有更均勻的電池單體老化過程，同時將源於循環使用之整體區塊容量減損最小化。依據本發明一示範性實施例，所選擇之區塊單體可以依據其IR數值置放於區塊中各處。參見圖6，具有較低IR數值之電池單體被置放於較左側處，而具有較高IR數值之電池單體則被置放於較右側處。舉例而言，假設選擇一區塊B1之8個電池單體(電池單體選擇將在以下參照圖8進一步討論)。電池單體可以從而依據IR被分類，例如，介於從17.00 mOhm到19.34 mOhm之間的範圍。圖7C，其將在以下進一步說明，係一實際置放示意圖，該圖例示在一依據本發明一示範性實施例之模組內之電池單體及區塊之置放。具有最低IR的二個電池單體可以被置放於位置B1-4及B1-8處，如圖7C所示。二個次低IR數值的電池單體可以接著被置放於位置B1-7及B1-3，依此類推，直到具有最高IR數值的二個電池單體被置放於位置B1-5及B1-1為止。如此這般之後，產生的區塊可以在區塊接頭具有更加契合之電池單體阻抗，以均勻電池單體老化速度並最小化源於循環使用之整體區塊容量減損。
另一個製造上的考量係有關於一模組內的區塊置放，其包含一區塊內的電池單體置放。此製造考量相關於承受源於其運作環境之一已知溫度梯度之模組，其使得位於模組某一位置之電池單體溫度與位於模組另一位置之電池單體溫度有所不同。若一區塊中的每一電池單體，或者一模組中的每一區塊，均感受到不同的平均溫度，則該電池單體或模組可能具備不同的電荷儲存容量。因此，區塊中的某一電池單體或模組中的某一區塊可能不均勻地老化，並較其相鄰者承受較快的容量減損。在此情境之下，模組內的整體容量減損可能發生得更為迅速。舉例而言，圖7A係一圖表，其描繪充電/放電循環資料以及二個相較於其餘區塊具有輕微容量不匹配之區塊之影響。圖7A顯示在50個充電/放電循環之實驗循環資料中，在循環1、循環25以及循環50之估算區塊容量。圖7A顯示區塊2至5在容量上大致平衡，但區塊1和6則具有較低容量。在循環50，不匹配區塊之容量持續降低至匹配區塊之容量以下。
本發明之另一實施例係一種用於依據模組中一預期溫度分佈概況選擇及置放區塊之方法。首先，可以決定電池系統內之一溫度分佈概況。此一分佈概況可以是一電池模組運作於一外部熱源鄰近處之結果，如圖7B所示。圖7B例示一電池模組710承受來自一外部熱源(EHS)705之一溫度。該圖顯示每一區塊可用以決定區塊容量下降之平均溫度(例如，T1相對於區塊B1、T2相對於區塊B2、T3相對於區塊B3、T4相對於區塊B4、T5相對於區塊B5、而T6相對於區塊B6)。其從而可以估計與溫度相關之電池系統之組件之容量。離EHS 705愈遠，區塊的容量降得愈低。例如，在圖7B之中，區塊B2比區塊B1冷4℃且每一後續之區塊在該區塊與EHS 705之間的距離增加後，即多冷卻4℃。因此，其可以使用一100mAh/℃之容量下降因子以計算模組710所需之區塊容量。其從而可以利用溫度相關容量以及溫度分佈概況選擇電池系統之組件。
依據本發明之另一實施例，一電池系統可以包含複數電性耦接之電池系統組件。具有低容量之電池系統組件可以被選擇置放於距一熱源最遠處。此外，此等電池組件可以包含複數電性耦接之電池單體區塊或者複數電性耦接之電池單體區塊之模組。
依據本發明一示範性實施例之另一方法，可以使用一區塊，例如區塊B1，做為參考區塊以針對系統內之區塊建立一可接受之溫度。從而可以依據該區塊B1之溫度及該電池系統內其他區塊之溫度決定一溫度差距。其可以利用容量-溫度下降因子乘以溫度差距，-4*100=-400mAh，以選擇區塊B2之容量差異。換言之，其選擇區塊B2使其容量比區塊B1小400 mAh。其可以用類似的方式選擇區塊B3、區塊B4、區塊B5、和區塊B6之容量。此例中，若區塊B1具有一大約10000 mAh之理論上的容量，則區塊B2被選擇具有大約9600 mAh之容量，區塊B3具有大約9200 mAh之容量，區塊B4具有大約8800 mAh之容量，區塊B5具有大約8400 mAh之容量，而區塊B6具有大約8000 mAh之容量。其從而可以依據該估算之預定容量置放區塊於電池系統內。
在另一示範性實施例之中，其可以在運作期間量測或估計一模組之預期溫度分佈概況。運作溫度高度取決於應用及電池是否正在充電、正在放電、或是否斷路。基本上，模組之溫度範圍可以從室溫之上數度，例如30℃，到介於-20℃與60℃之間的極端模組運作狀態。模組中介於第一區塊與每一增加區塊間的平均溫差可以利用溫度分佈概況計算而得。其從而可以使用一溫度-容量比例因子(單位每°C mAh)以計算對於距第一區塊具有較高預期平均溫差之區塊所需之以mAh為單位之額外容量。以類似方式，其可以使用該溫度-容量比例因子降低距第一區塊具有較低預期平均溫差之區塊所需之容量。
繼續參見圖7B，溫度之量測可以是利用位於每一區塊內的溫度感測器(例如，圖1B中區塊100之溫度感測電路板112)，或者是利用外部溫度探針。其決定每一區塊之平均溫度以及決定諸如圖7B所示之分佈概況結果。此例中，對B1而言，T1可以是50℃；對B2而言，T2可以是46℃；對B3而言，T3可以是42℃；對B4而言，T4可以是38℃；對B5而言，T5可以是34℃；而對B6而言，T6可以是30℃。
此外，圖7C描繪一模組730，其具有暗灰色的三個區塊，區塊B1、區塊B3、區塊B5，以及淺灰色的三個區塊，區塊B2、區塊B4、區塊B6。假設(i)淺灰色區塊平均比暗灰色區塊冷3℃，且(ii)使用一100mAh/℃之容量下降因子計算模組730所需之區塊容量。因此，區塊B1可以被當成參考區塊而區塊B3及區塊B5與區塊B1之間預計並無平均溫差。區塊B2、區塊B4、和區塊B6預計比區塊B1冷3度。利用容量-溫度下降因子乘以溫差，-3*100=-300mAh，其選擇區塊B2、區塊B4、及區塊B6具有比區塊B1低300mAh之容量。由此等區塊構建而成之模組將具有較佳之容量及循環壽命。
本發明之另一實施例包含一種利用維持於一資料庫中之一特有識別記號(ID)以及相關參數識別電池單體、區塊及模組的方法。在區塊及模組組裝期間，分別選擇及組合具有特定參數數值或數值範圍之電池單體及區塊係有利的。此選擇可以利用該ID資料庫之查詢而達成。舉例而言，自一群庫存區塊查詢容量落入特定範圍之區塊，使其可以選擇特定區塊以置放於一預定之模組。當此等區塊被組合以形成模組之時，該模組可以具有一預期之所需特性，諸如電荷儲存容量、循環使用壽命、或溫度效能。此外，自一群ID碼選擇電池單體及區塊，使得電池單體及區塊之產出庫存可以有更充分之運用。其亦可以檢視電池單體及區塊之庫存以決定剩餘電池單體及區塊之可用組合而分別建立具有較佳效能之區塊及模組。
依據本發明此一示範性實施例，在電池單體、區塊、及模組之製造期間，可以指派每一電池單體、區塊及模組一個特有識別記號(ID)代碼。從而可以測試一電池單體、區塊或模組以決定特徵(或相關)參數，諸如電荷儲存容量、斷路電壓、以及內部阻抗。該特有ID及相關參數可以被指派及維持於一資料庫之中以供後續取用。圖8係一圖表，描繪具有模組ID 46033之模組之典型模組組成。圖8描繪依據本發明一示範性實施例之由區塊及電池單體識別記號組成之模組ID 46033之成分表，其中包含電池單體及區塊內部電阻及容量參數。模組46033包含六個區塊，各自具有一特有區塊ID代碼，其依序排列，第一區塊列於該圖表之頂側而第六區塊被列於該圖表之底部。同樣地，該六個區塊各自係由八個電池單體構成，每一電池單體亦具有一特有單體ID代碼。區塊及模組聯結之ID代碼之順序可以進一步決定電池單體在一區塊內以及區塊在一模組內的實際置放情況。舉例而言，列於圖8之中的電池單體、區塊及模組組態可以依據圖7C描繪之組態被實際置放。圖7C中之電池單體及區塊順序可以是相關聯至儲存於圖8之資料庫登錄項中之電池單體及區塊順序。例如，形成圖8中第一個區塊之八個電池單體可以對應至圖7C之最低電位電池單體B1-1、B1-2、…、B1-8。此等電池單體之順序可以與圖8所列出的相同。列於第一區塊下的第一個電池單體係電池單體B1-1，其後是電池單體B1-2，一直到第一區塊中最末一個電池單體，即圖7C中的B1-8。下一個列出的是該模組中的第二個區塊之第一個電池單體，位置B2-1，其下又緊隨著列出圖7C中位置B2-2之電池單體。
此外，電池單體之選擇可以利用一虛擬隨機數產生器進行，其輸出呈一常態分佈，且與標準電池單體之分佈有相同的算術平均值及標準差(諸如圖5，其描繪基於容量分佈之產出電池單體之一統計模型)。一產生之輸出值被置放於一涵蓋與選擇貯藏箱同一範圍之一虛擬貯藏箱之中。一"虛擬貯藏箱"可以被定義為由一電腦產生之電池單體容量之非實體集合。此處使用"虛擬貯藏箱"一詞是因為成員數值係由一數目產生器所產生，並不對應至實際產出之電池單體容量數值。產出電池單體分佈之算術平均值及標準差被定期地量測且依此修改虛擬隨機數產生器之分佈。
本發明之另一示範性實施例包含維持一產出電池單體之庫存池(或群集)，其容量落入一量測之常態分佈之中。圖9係一流程圖900，其描述維持一單體群集之庫存以及選擇其容量落入該群集之一量測常態分佈內之電池單體。
流程圖900可以開始於905，其在步驟910確認是否存在一群產出電池單體。若不存在一群集，則該方法中止於915。若存在一群集，則於步驟920維持一資料庫，其包含每一電池單體之識別標記。於步驟923，可以量測每一電池單體之容量。此外，於步驟925，可以量測每一電池單體之內部電阻。該資料庫可以從而以相關參數(例如，容量或內部電阻)於步驟930被更新。於步驟940，可以使用一虛擬隨機數產生器，其輸出呈一常態分佈，且與庫存池之分佈有相同的算術平均值及標準差。該虛擬隨機數產生器提供一輸出，其係藉由搜尋該庫存池以找出一容量最接近該隨機數產生器輸出之電池單體之單體識別記號。使用八個(或者一區塊中並聯電池單體之數目)組成一群，以此方式找出之電池單體可用以構建區塊。在步驟950，若區塊完成，則該方法終止於步驟915。在步驟950，若區塊尚未完成，則該方法返回步驟910確認產出電池單體之群集(例如，判斷該群集是否已耗盡、新電池單體是否已產出、或者電池單體是否已過期)。依據本方法之示範性實施例可以使得產出電池單體庫存之耗用較為均勻。因此，產出電池單體庫存之利用維持於一高水準。產生之區塊在容量上可以更加一致地匹配，其傾向於使得區塊間可以有較小之容量變異及/或容量趨向於電池單體分佈之幾何平均。
其應理解，圖9之流程圖僅係一範例。其他實施例中可能採用其他組構、配置、更多區塊、較少區塊，等等。舉例而言，其應理解此方法可以應用於電池系統組件，諸如由複數單體構成之區塊、由複數區塊構成之模組、以及由複數模組構成之電池串。例如，圖8詳列可以用於構建一電池系統之電池單體、區塊、及模組之資訊。圖9以示範性形式說明維持電池單體之一庫存以及自該庫存選取出一區塊。
雖然本發明係以示範性實施例之方式詳細說明如上，但習於斯藝之人士應能理解，各種結構及細節上之變更均可能於未脫離後附申請專利範圍所包含之本發明範疇下實現。例如，雖然許多例示均係有關於包含八個電池單體之區塊，但一示範性實施例可以是更加普遍化，其中電池單體之數目及配置方式可以依據大型電池所需之輸出而有所變化。
100．．．區塊
105a-h．．．電池單體
110．．．負母線
112．．．熱感測電路板
113a-b．．．螺絲連接
115a-h．．．負母線連接
120．．．正母線
123a-b．．．螺絲連接
125a-h．．．正母線連接
200．．．模組
205-207．．．螺絲
210．．．電池單體區塊組件
215．．．電池單體區塊終端配件
220．．．頂蓋及間隙配墊組件
225．．．底蓋及間隙配墊組件
230．．．塑膠隔離件
235．．．背板電子電路板組件
240．．．電路板定位護件
245．．．電池單體區塊監測纜線組件
250．．．跨單體連接器
255．．．絕緣體(背板電路板)
260．．．絕緣體(接頭側頂部)
265．．．絕緣體(接頭側底部)
300．．．電池串
305．．．正接頭
310a-p．．．電池模組
315．．．負接頭
320．．．通往BMS控制器之通信路徑
325．．．電池串中保險絲及保修斷連裝置
400．．．電池組
405．．．正接頭
410a-c．．．電池串
411．．．高電壓前級/HVFE
413a-c．．．保險絲
415．．．BMS控制器
416．．．光隔離式序列通信路徑
417．．．CAN匯流排
420．．．通信交通工具CPU
425．．．負接頭
600．．．模組
601a．．．正接頭
601b．．．負接頭
605a-d．．．正母線區段
610a-1-610d-2．．．正焊接片
615a-1-615d-2．．．負焊接片
620a-d．．．負母線區段
623a．．．螺絲連接(區塊B1)
623b．．．螺絲連接(區塊B2)
624．．．Rbus_connect
625a-d．．．正母線區段
630a-1-630d-2．．．正焊接片
633a-1-633d-2．．．內部電阻
635a-1-635d-2．．．負焊接片
640a-d．．．負母線區段
705．．．外部熱源(EHS)
710．．．電池模組
730．．．電池模組
900．．．流程圖
905-950．．．步驟
B1-B6．．．區塊
C1-C4．．．電容
R1-R3．．．電阻
經由本發明示範性實施例之具體詳盡說明，前述特點將趨於明顯，該等說明係配合所附圖式進行，不同視圖中相同之參照字元表示相同之部件。
圖式未必成比例繪製，其可能基於本發明實施例之例示所需而予以誇示強調。
圖1A-1D係例示依據本發明一示範性實施例之具有八個並聯電池單體之一區塊之示意圖；
圖2A-2E係例示可以依據本發明一示範性實施例運用之一模組之示意圖；
圖3係例示依據本發明一示範性實施例之具有十六個串聯模組之一電池串(string)之連接示意圖；
圖4係例示依據本發明一示範性實施例之具有三個並聯電池串之一大型電池組(battery pack)之連接示意圖；
圖5係例示可被使用於本發明一示範實施例之基於容量分佈之產出電池單體之一統計模型之圖表；
圖6係例示依據本發明一示範性實施例之二模組之一內部直流電阻模型之示意圖；
圖7A係一圖表，其描繪充電/放電循環資料以及二個相較於其餘區塊具有輕微容量不匹配之區塊之影響；
圖7B例示在一外部熱源鄰近處之一電池模組之一溫度梯度(temperature gradient)；
圖7C係一實際置放示意圖，其例示在一依據本發明一示範性實施例之模組內之電池單體及區塊之置放；
圖8係一圖表，其描繪依據本發明一示範性實施例之由區塊及電池單體識別記號組成之典型模組成分表，其中包含電池單體及區塊之內部電阻及容量參數；以及
圖9係一流程圖，其描述維持一電池單體群集之庫存以及選擇其容量落入該群集之一量測常態分佈內之電池單體。
900．．．流程圖
905-950．．．步驟

Claims (16)

  1. 一種建構大型電池的方法，該大型電池包含組成該大型電池的電池單體，該方法包含以下步驟：對包含於該大型電池內之複數電池單體各自附加一識別標記；在該等電池單體的製造流程期間測量該等電池單體的容量、內部電阻、斷路電壓的其中至少一個參數；在一資料庫中，將每一電池單體聯結至其各自的參數；針對該等電池單體維持一該等識別標記及參數之資料庫；依據該至少一個參數選擇電池單體；以及將所選擇的電池單體置放於該大型電池中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中相關參數包含該等電池單體之容量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中相關參數包含該等電池單體之內部電阻。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中選擇電池單體用以置放於該大型電池內包含利用一虛擬隨機數產生器。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該等虛擬隨機數產生器依據可用以置放於該大型電池內之電池單體之一常態分佈選擇電池單體。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等電池單體置放於該大型電池的複數電池區塊中，且該方法進一 步包含以下步驟：對該等複數區塊之每一個區塊附加識別標記；在該等區塊的製造流程期間測量該等區塊的容量、內部電阻、斷路電壓的其中至少一個參數；以該區塊之識別標記及參數更新該資料庫；依據該至少一個參數選擇要置放於該大型電池中的區塊；以及將所選擇的區塊置放於該大型電池內。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中相關參數包含該區塊之容量。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中相關參數包含該區塊之內部電阻。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中選擇區塊用以置放於該大型電池內包含利用一虛擬隨機數產生器而依據可用以置放於該大型電池內之區塊之一常態分佈來選擇區塊。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該等區塊被選擇以置放於該大型電池的複數模組中，且該方法進一步包含以下步驟：對該等複數模組之每一個模組附加識別標記；測量該等模組的容量、內部電阻、斷路電壓的其中至少一個參數；以該模組之識別標記及相關參數更新該資料庫；依據該至少一個參數選擇用於該大型電池的模組；以 及將所選擇的模組置放於該大型電池內。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中相關參數包含該模組之容量。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中相關參數包含該模組之內部電阻。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中選擇模組用以置放於該大型電池內包含利用一虛擬隨機數產生器而依據可用以置放於該大型電池內之模組之一常態分佈來選擇模組。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等電池單體在該大型電池中是以並聯的方式連接。
  15. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該等區塊是以串聯的方式置放於每個模組內。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該等模組是以串聯的方式連接。
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