CN102239064A - 用于交通工具和其它大容量应用的锂离子电池组阵列 - Google Patents

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Abstract

一种尤其用于电动交通工具中的大电池组阵列由多个模块形成，每一模块含有多个电池组电池和模块管理电子元件。每一电池组模块具有在约5伏到约17伏的范围内的标称输出电压。控制器与所述阵列中的个别电池组模块通信，并控制切换以在驱动和充电配置中连接所述模块。所述模块管理电子元件监视每一电池组模块(包含其含有的所述电池)的状况，并将这些状况传送到所述控制器。所述模块管理电子元件可基于每一模块在与已知或可配置的规范相比较时的性能而将所述模块置于保护模式。所述模块可为可插拔装置，使得每一模块可在所述模块处于永久关闭保护模式的情况下或在检测到非最佳的可维修故障的情况下得以更换。

Description

用于交通工具和其它大容量应用的锂离子电池组阵列
相关申请案
本申请案主张2008年10月7日申请的第61/195,441号美国临时申请案和2009年5月8日申请的第61/176,707号美国临时申请案的优先权。以上申请案的整个教示以引用的方式并入本文中。
技术领域
无
背景技术
机动交通工具采取若干形式，包含摩托车、汽车、公共汽车、卡车或建筑/军事交通工具。当前，最常用的电动机是内燃机。内燃机是其中燃料和氧化剂(通常为空气)在限定空间(也称为燃烧腔室)中燃烧的引擎。燃烧在高温和高压下产生气体。内燃机的燃料主要是各种类型的石油衍生物。燃烧还产生废气，例如蒸汽、二氧化碳、微粒物质和其它化学物质。
对机动交通工具的依赖引起众多影响，从对石油的依赖到对环境的不利影响。对石油的依赖已促使大量的学习和研究以发现为机动车辆提供燃料的新技术。一些研究和学习已带来新的燃料资源，例如氢气、生物燃料、太阳能电力和电力。
电动交通工具将使用至少一个电动机来操作交通工具的驱动装置。电动交通工具是使用可来自例如电池组、燃料电池或发电机等装置的电力来供电。电池组供电的电动交通工具可能需要数千个电池组电池来操作，其可能占电动交通工具的总重量的大部分。当前的混合电动交通工具并入了具有可再充电电池组能量储存系统的传统的推进系统，其实现与常规机动交通工具相比的改进的燃料经济性以及汽车排放的减少，其中电池组的所需大小相对于全电动交通工具已有减小。插入式混合电动交通工具(PHEV)使用经由连接到交流(AC)电力源进行充电的电池组，但交通工具仍含有内燃机以充当额外的动力储备和电池组充电器。
当今存在许多需要使用大容量电池组的交通工具和非交通工具的应用，包含以下应用：用于例如HEV/PHEV/EV卡车、汽车和自行车等电动交通工具的牵引电池组；用于无人自主陆地、海洋和空中交通工具的电池组；用于卡车、娱乐交通工具、海洋、军事和太空应用的辅助供电单元(APU)；用于电网的负载平衡系统，包含用于根据例如太阳能和风力发电等可再生能源的固有变化来进行调整的平衡系统；不中断电源；用于飞机的启动器电池组；以及发电站的备用电池组。
发明内容
后面的概述详细说明本发明中所包含实施例中的一些。提供信息以提供对本发明的方面的基本程度的理解。细节本质上是一般的且不提供实施例的重要方面。以下详细描述的信息的唯一意图是给出本发明的简化实例并介绍较详细的描述。所属领域的技术人员将了解，在权利要求书和描述的范围内还包含其它实施例、修改、变化形式等。
实例性实施例提供通过利用在笔记本个人计算机(PC)市场中已开发的现存技术以及其中当前制造所述技术的产量来制造大电池组阵列的经济且安全手段。电池组阵列包括电池组模块阵列，其含有许多储存电池，每一储存电池可例如对应于在PC中使用的锂离子电池组。此外，通过使储存电池模块化，通过能够识别哪一个别模块需要更换或修理的控制器，可维修性和维护程序可大大简化。
当将储存电池组装为电池组阵列的每一模块时，选择具有类似阻抗和容量的储存电池。因为电池组模块中具有最低容量或最高阻抗的储存电池决定了模块的总性能，所以选择给定模块中的电池具有类似阻抗和容量特性以便从所述模块提取最大量的能量。类似地，当将模块组装为电池组阵列时，优选选择具有类似阻抗和容量的模块，进而使得用户无法从电池组阵列提取的“浪费”能量的量最少化。用于较弱或损坏模块的更换的维护程序确保新模块具有对应于所维修的电池组阵列的正确容量和阻抗特性。与容量和阻抗失衡的模块相比，以此方式选择电池增加了模块的循环寿命。
经模块化阵列支持三种主要操作模式：低电压充电、放电和隔离。在低电压充电模式中，供应电压，尤其是交流供应电压经降频转换为个别直流(DC)充电电压。将DC充电电压施加于相应的个别电池组模块以对每一电池组模块中的多个电池组电池进行充电。每一电池组模块中的多个电池可在每一模块中的模块管理电子元件的控制下充电。可通过并联转换器并行地对阵列中的所有模块同时进行充电。在充电时，模块可选择性地与其低电压充电源连接和断开以使总的充电时间最少化且使整个电池组阵列的可用寿命最长。放电模式串联地配置模块以实现到外部负载的连接。随后将能量从模块传送到负载。在隔离模式中，使每一模块与其它模块隔离以便使阵列的自放电最少化。当电池组阵列中的传感器检测到可能的不安全操作状况时也使用隔离模式。模块彼此断开以使与无意中连接到外部负载相关联的安全风险最小化。
在一个实施例中，本发明提供一种电动交通工具，其包括以下各者：电驱动装置、向所述电驱动装置供电的电池组模块阵列、控制器，和充电电路。阵列的每一电池组模块包含：多个电能储存电池；以及模块管理电子元件，其用以监视每一电池组模块，在保护模式中控制每一电池组模块，并传送每一电池组模块的状况。控制器可用以接收从所述模块管理电子元件传送的模块状况，且可控制个别电池组模块的操作。控制器可控制对个别电池组模块的充电以允许在充电期间平衡电池组模块。控制器可基于每一电池组模块的状况而断开电池组模块。控制器可通过起始贫弱或未适当工作的模块中的调节例程来尝试恢复所述模块。控制器可监视与模块相关联的健康状态(SOH)和其它参数并维持这些参数的历史记录供稍后使用。控制器可向用户提供维修请求信号以指示特定模块需要维护。在维护程序期间，控制器可向维修提供者供应例如需要修理的模块的识别和位置等信息，以及例如容量和阻抗等关于更换模块的所需的参数信息，以便使更换模块匹配于电池组阵列中的其它现存模块。
与机械式继电器相对地，用以将模块连接到串联串中并将充电电路连接到每一模块的切换元件是优选实施为场效应晶体管(FET)的固态种类。FET开关具有较高的可靠性，因为没有机械磨损。另外，FET的接通和断开时间比机械等效物要快。FET开关常常是较紧凑的装置，且良好地适合于印刷电路板上的低型面组装。
充电电路可用以从电流源对所述电池组模块进行充电，所述电流源优选是全电动或插入式混合系统中的交流源。多个个别充电器可各自耦合到一个或一个以上电池组模块。多个个别充电器可并行地一起操作以仅对需要充电的那些模块进行充电。电池组阵列控制器可选择性地将个别充电器连接到其相应模块，并使个别充电器与其相应模块断开。控制器可使用算法来选择每一模块的最佳充电时间序列，其考虑模块的当前和历史参数及其在时间上的演进。控制器算法可设法将模块之间的充电状态(SOC)、开路电压、阻抗和其它参数均衡或平衡到每一参数的某一容限范围内。此控制算法的主要目的可使对整个电池组阵列充电所必需的时间最少化，且还使电池组阵列的可用寿命最大。
每一模块可具有可供中心电池组阵列控制器使用的相关联的参数集。举例来说，当在模块中使用德州仪器bq20z90气体压力计或类似装置时，以下模块参数将可供电池组阵列控制器使用：温度、模块的电压、瞬时电流、平均电流、SOC、满充容量、充电循环计数、设计充电容量、模块制造日期、SOH、安全状态、永久故障告警、永久故障状态、设计能量容量、寿命最大和最小模块温度、寿命最大和最小电池电压、寿命最大和最小模块电压、寿命最大充电和放电电流电平、寿命最大充电和放电功率、每一电池的电压，以及每一电池的电荷。
每一电池组模块可具有在约5V到17V的范围内的标称输出电压，其对应于在PC电池组中存在的电压。优选的三电池模块将具有至少9V、优选约11V的标称电压，且优选的四电池模块将具有至少12V、优选约15V的标称电压。另一优选布置是3串联2并联电池和4串联2并联电池模块，其各自具有与三电池和四电池模块相同的相应标称电压范围。
每一电池组模块可在中心电池组阵列控制器的引导下提供个别移除和更换。模块管理电子元件可如上述用以监视每一储存电池和个别电池组模块的温度、电流、容量和电压。模块管理电子元件可用以在临时关闭保护模式或永久关闭保护模式中控制电池组模块。模块管理电子元件还可传送每一电池组模块的过充电、过放电和温度。模块管理电子元件可控制每一电池组模块的储存电池的平衡以及对每一电池中的阻抗的跟踪。模块管理电子元件在中心电池组阵列控制器的引导下可设法平衡同一模块中的电池之间的例如SOC、阻抗和开路电压等某些参数，且还平衡整个电池组阵列中的模块之间的例如SOC、阻抗和开路电压等某些类似参数。
电动交通工具的另一实例性实施例可包含外部电力储存装置，其可耦合到发电机以储存在制动期间转换的能量且通过释放储存的能量来对电池组阵列进行充电。
附图说明
从如附图中说明的以下对本发明实例性实施例的更特定描述将明白上述内容，附图中，相同参考符号在所有不同视图中指代相同的部分。图式不一定按比例，而是将重点放在说明本发明的实施例。
图1说明可在一实施例中存在的用以向机动交通工具的驱动装置供电的实例性电子电路。
图2说明经配置以使用电流源对电池组模块进行充电的图1的电子电路。
图3是可在电池组模块中存在的电子电路的示意性说明。
图4是当采用经修改的电池组模块时可使用的电子电路的示意性说明。
图5是使用再生制动系统对电池组模块进行充电的实施例的说明。
具体实施方式
本发明的实例性实施例的描述如下。
当前的笔记本PC电池组已含有控制对锂离子电池组的充电、放电、平衡和监视的电子元件。本发明并入了笔记本PC电池组中的现存技术的主要特征以提供交通工具电池组中的“电池组模块”。每一模块可含有若干锂离子电池和电子元件以控制所述电池的充电、放电、监视、平衡和保护模式。阵列还可包含必要的AC适配器以提供对其自身进行充电所需的DC电压(其大小将针对电池组模块的所需充电时间而优化)。阵列的电池模块可由模块管理电子元件控制，且由电力适配器使用低电压来充电，其全部连接到高电压电力总线。开关网络允许所述电池模块在放电时串联连接，且在充电时彼此隔离。多组串联连接的电池组模块可在阵列内并联连接以获得较高功率输出。
个别电池组模块可含有类似于现存笔记本PC电池组管理电路中所包含的电路的电路，其具有将温度、电流、容量、电压、健康状态、充电状态、循环计数和其它参数传送回到控制器的能力，所述控制器将监视每一电池组模块并控制每一电池组模块的充电和放电。为了允许控制器与每一电池组模块的模块管理电子元件之间的连续通信(即，在充电和放电状态期间)，每一电池组模块的通信总线可通过电感性、电容性或光学耦合而在电流上与控制器隔离。
控制器还可将实时负载功率限制反馈信号提供到交通工具驱动控制器，以便防止阵列内的过放电和/或过高温度状况。负载功率限制反馈信号允许交通工具驱动控制器基于阵列的当前温度和SOC状况来减少最大交通工具驱动负载。控制器还可通过交通工具内的其它系统所共用的通信总线向交通工具的用户(或操作者)通知何时电池组模块(或其中包含的储存电池)需要维护。汽车工业广泛使用的共同交通工具通信总线的实例是控制局域网(CAN)总线，其通常由许多交通工具系统使用，包含(但不限于)气候控制、安全系统和轮胎压力传感器。控制器到共同交通工具通信总线的连接可通过电感性、电容性或光学耦合而在电流上隔离，以便限制潜在电磁和射频干扰(EMI/RFI)路径。
图1说明可在一个实施例中存在的用以向机动交通工具的驱动装置供电的实例性电子电路100。电子电路100包含：交通工具驱动装置105，其视为对电池组模块115a-n(统称为115)的阵列114的负载；控制器110；交通工具驱动装置控制器107a；以及交流(AC)适配器120a-n，其允许从例如110V或220V的AC充电总线125对模块进行低电压充电。电池组模块115a-n串联连接以从模块115提供交通工具驱动装置所需的高电压，所述模块115具有如在PC中所使用的约5V到约17V的范围内的标称输出电压。额外的串联阵列可并联耦合以增加驱动装置的可用功率。
每一电池组模块115a-n可包含若干电能储存电池(图1中未图示)和模块管理电子元件(图1中未图示)。每一电池组模块115a-n的储存电池可具有在2.5V到4.2V的范围内(可能至少3V)的标称电压输出。一个实施例具有具3.7V的电压输出的储存电池。如果所述储存电池用于三储存电池电池组模块115中，那么电池组模块115将具有至少9V、优选约11.1V的标称输出电压。如果所述储存电池用于四储存电池电池组模块115中，那么电池组模块115可具有14.8V的标称输出电压。如PC电池组中，模块管理电子元件可监视每一电池组模块115，在保护模式中控制每一电池组模块115，传送每一电池组模块115的状况，以及在充电期间控制储存电池的平衡。模块管理电子元件可经编程以执行这些功能。模块管理电子元件可在需要时激活电池平衡功能以均衡所述模块中的电池之间的电压、SOC或另一参数。在充电期间，模块管理电子元件监视储存电池以防止过充电。
电池组模块115的数目取决于其中使用模块115的系统的类型。举例来说，小型摩托车可能仅需要一个电池组模块115a，但汽车可能需要十个电池组模块115。混合电动交通工具的典型电压要求是300V。因此，二十七个11.1V模块或二十个14.8V模块可能串联连接。如果需要额外功率，那么可使用更多组经串联连接的电池组模块115。可能必须连接所述并联连接的组，但串联布置单个组的电池组模块115可能对于混合系统来说便已足够。
控制器110可经配置以从每一电池组模块115a-n的模块管理电子元件接收模块状况。控制器110还可经配置以控制阵列114中的每一个别电池组模块115a-n的操作，例如将模块切换到阵列中和阵列外以及在充电期间对电池组模块的平衡的额外控制。当交通工具驱动装置105处于操作中时，电池组模块115可能不经由连接124a-n将122a-n、123a-n耦合到AC适配器120a-n或AC充电总线125。
控制器110可通过线(表示为虚线)112a-n、113a-n与每一电池组模块115的模块管理电子元件通信。通信在图1中表示为每一电池组模块的模块管理电子元件的SMBD(数据)和SMBC(时钟)端子，且将在下文进一步详细阐释。通过从每一电池组模块115收集随着时间的状况数据，控制器110可维持每一电池组模块115a-n的最新状况信息，例如温度、电流、容量和电压。最新状况信息的维持允许控制器110监视和检测每一电池组模块115a-n中的故障，例如电池组模块失衡、热熔丝激活、非最佳温度等。最新状况信息的维持还允许控制器110实时确定可用的电池组电力。控制器110还可以算法编程以基于最新最弱模块SOC信息、温度和电池组电力规范来确定可用的电池组电力。控制器110使用可用的电池组电力确定来将实时负载功率限制反馈信号107b提供到交通工具驱动装置控制器107a，交通工具驱动装置控制器107a与交通工具驱动装置105通信(108)。负载功率限制反馈信号可为线性比例脉冲宽度调制(PWM)信号，其中100％占空比表示满负载功率可用且0％占空比表示无负载功率可用。
如果模块管理电子元件检测到电池组模块115的温度太高，那么模块管理电子元件可将电池组模块115置于永久关闭保护模式。然而，如果模块管理电子元件检测到电池组模块115的温度太冷，那么模块管理电子元件可将电池组模块115置于临时关闭保护模式。如果模块管理电子元件检测到电池组模块115的非最佳温度，那么控制器110可将电池组模块115置于临时关闭保护模式。如果电池组模块115置于永久关闭保护模式，那么电池组模块115将不再被允许操作。所述信息将由模块管理电子元件传送到控制器110，且控制器110将向电动交通工具系统的操作者传达必须更换电池组模块。然而，如果模块管理电子元件将电池组模块115置于临时关闭保护模式，那么控制器110可向交通工具的操作者通知电池组模块115已存在故障但电池组模块115将不需要立即更换。每当模块关闭时，可将备用模块切换到串联电路中。如果无模块可用且如果电池组模块115a-n的组并联连接，那么控制器110还可能要求关闭并联的电池组模块以维持来自并联组的相等电压输出。
控制器110还可以算法编程以监视电池组模块的阵列114的SOC、SOH和/或循环计数，和/或以算法编程以控制电池组模块115a-n与AC适配器120a-n之间的开关(例如，开关118a-n、130a-n、131a-n)。控制器110还可用以执行以下功能：(i)协调和处理从每一电池组模块115传送的数据，(ii)将详细描述电池组模块的阵列114的状况的数据递送到机动交通工具的交通工具驱动装置控制器107a，以及(iii)监视和跟踪每一电池组模块115的SOH、SOC、循环计数和/或其它参数，其允许检测每一电池组模块115的维修功能(例如，检测将导致需要在维修站进行更换的弱电池组模块)。由此，控制器110可基于电池组模块115的性能(例如，电池组模块115是否正比其它电池组模块115低效地工作)而将电池组模块115置于保护模式。
每一电池组模块115可通过包含额外的开关或继电器而经配置以用于个别移除和更换。一旦操作者接收到电池组模块115存在故障的警告，则操作者可将交通工具带到维修站且技师(或维修提供者)将能够检索出故障的电池组模块的身份并更换出故障的电池组模块。基于所收集的关于电池组模块115的数据，例如SOH、循环计数、容量等，技师可估计更换的电池组模块的适当规范(例如，年龄、容量、电压等)。由于电池组模块115是可插拔的，因此技师将仅需要分离出故障的电池组模块并插入更换的电池组模块。控制器110还可经编程以推荐更换的电池组模块的适当规范并通过共同交通工具通信总线将推荐传送给维修提供者。
图2说明如图1说明的经配置以使用电流源对电池组模块115进行充电的电子电路100。电子电路100根据图1的描述操作，有所添加的是，为了对电池组模块115进行充电，驱动装置105可从电池组模块115a-n断开(例如，开关117处于断开位置)，且每一电池组模块115a-n可经由到每一电池组模块115a-n的正端子122a-n的连接和到负端子123a-n的连接而耦合到相应的AC适配器125a-n。AC适配器120a-n可包含例如变压器等充电电路以转换来自AC插座的电压，且如果是这样，那么AC充电总线125可为电力线。一旦AC适配器120a-n经由AC充电总线125连接到AC电源(未图示)，那么电池组模块115a-n的储存电池可通过AC源进行充电。AC适配器120a-n可为电池组模块115中的每一者提供低电压充电。AC适配器120a-n是PC中常见的。举例来说，虽然由110V AC线供电，但适配器可降频转换以将减小的DC电压提供到每一模块。
图3说明可实施本发明实施例的PC电池组中的当前实践中所使用的每一电池组模块115中的电子电路的实例示意性图式。在图3中，多个储存电池301可连接到电池组模块115的模块管理电子元件，其包含独立的过电压保护(OVP)集成电路302、模拟前端保护集成电路(AFE)304，和电池组监视集成电路微控制器306。所属领域的技术人员将了解，本发明不限于图3中示意说明的上文提到的电子电路。
独立过电压保护集成电路302可允许通过比较每一值与内部参考电压来监视电池组模块115的每一电池。如此，独立过电压保护集成电路302可在电池电压以不合意方式表现(例如，超过最佳电平的电压)的情况下起始保护机制。独立过电压保护集成电路302经设计以在超过选定预设过电压值(例如，4.35V、4.40V、4.45V或4.65V)并持续预设时期的情况下触发非复位熔丝(未图示)。
独立过电压保护集成电路302可在VC1、VC2、VC3、VC4和VC5端子(分别从最正电池到最负电池排序)上监视多个储存电池301的每一个别电池。另外，独立过电压保护集成电路302可允许控制器110测量多个储存电池301的每一电池。独立过电压保护集成电路302的内部控制电路由经调节电压(Vcc)供电并对其进行监视。
独立过电压保护集成电路302还可经配置以准许对多个储存电池301的任一个别电池进行电池控制。举例来说，可在电池串上施加所施加于模块的充电电压而同时对三个或四个电池进行充电。在一个电池到达所需电平时，可在其余电池向所需电平进一步充电时将所述一个电池从串联电路移除，以防止对所述电池的进一步充电。因此，整个阵列中的所有电池可同时充电，其中在到达所需充电状态时由模块管理电子元件将电池选择性地断开。
控制器110可使用AFE 304来监视电池组模块115的状况并提供系统的电池组状态的更新。AFE 304与电池组监视集成电路微控制器306通信以增强效率和安全性。AFE 304可使用来自电源(例如，多个储存电池301)的输入以将电力提供给电池组监视集成电路微控制器306，这将消除对外围调节电路的需要。AFE 404和电池组监视集成电路微控制器306两者可具有SR1和SR2端子，其可连接到电阻器312以允许对电池组充电和放电电流的监视。通过使用CELL端子，AFE 304可将多个储存电池301的个别电池的电压值输出到电池组监视集成电路微控制器306的VIN端子。电池组监视集成电路微控制器306经由SCLK(时钟)和SDATA(数据)端子与AFE 304通信。
电池组监视集成电路微控制器306可用以监视多个储存电池301的充电和放电。电池组监视集成电路微控制器306可使用电阻器312监视充电和放电活动，所述电阻器312置于经由SR1端子的多个储存电池301的负电池与经由SR2端子的电池组模块115的负端子之间。电池组监视集成电路微控制器306的模/数转换器(ADC)可用以通过监视SR1和SR2端子来测量充电和放电流。电池组监视集成电路微控制器306的ADC输出可用以产生控制信号，以起始对多个储存电池301的最佳或适当的安全预防措施。
虽然电池组监视集成电路微控制器306的ADC输出监视SR1和SR2端子，但电池组监视集成电路微控制器306(经由其VIN端子)可能能够使用AFE 304的CELL端子来监视多个储存电池301中的每一电池。ADC可使用计数器来准许对随着时间所接收的信号进行积分。集成的转换器可允许连续取样以通过比较多个储存电池301中的每一电池与内部参考电压来测量和监视电池组充电和放电电流。电池组监视集成电路微控制器106的显示端子(DISP)可用以运行电池组301的LED显示器308(表示为LED1、LED2、LED3、LED4和LED5)。可通过闭合开关314来起始显示。
电池组模块115的通信协议是智能电池组总线协议(SMBus)，其使用电池组监视集成电路微控制器306来监视关于电池组模块115的执行的性能和信息(例如，类型、放电速率、温度等)且在串行通信总线(SMBus)上传送信息。SMBus通信端子(SMBC和SMBD)允许控制器110与电池组监视集成电路微控制器306通信。控制器110可使用SMBC和SMBD引脚来起始与电池组监视集成电路微控制器306的通信，且允许系统有效地监视和管理储存电池301。
除了对储存电池301的充电和放电控制外，AFE 304和电池组监视集成电路微控制器306还提供一级和二级安全保护手段。当前实践的一级安全措施的实例包含电池组电池和电池组电压保护、充电和放电过电流保护、短路保护以及温度保护。当前使用的二级安全措施的实例包含监视电压、电池组电池、电流和温度。OVP集成电路302可提供第三安全保护手段。
对多个储存电池301的连续取样可允许电子电路监视或计算电池组模块115的特性，例如SOH、SOC、温度、电荷等。由电子电路控制的参数中的一者是容许的充电电流(ACC)。
优选(但不要求)储存电池301串联，原因在于电池组模块115中的电池301的不同阻抗。电池组模块115内的温度梯度和电池之间的制造可变性可引起阻抗失衡。当缓慢充电时，具有不同阻抗的两个电池可具有大致相同的容量。可了解，具有较高阻抗的电池比另一电池更早到达其测量集合中的电压上限(Vmax)(例如，4.2V)。如果这两个电池在电池组模块115中并联，那么充电电流因此将限于一个电池的性能，其过早地中断对并联的另一电池的充电。这降低了电池组模块容量以及电池组模块充电率。此优选配置在PCT/US2005/047383中描述，其以全文引用的方式并入本文中。优选的电池在菲利浦·马丁和宋凡宁在2006年6月23日申请的第2007/0298314 A1号美国申请公开案“具有外部正热系数层的锂电池组(Lithium Battery With ExternalPositive Thermal Coefficient Layer)”中揭示，其以全文引用的方式并入本文中。此外，以下专利、公开申请案和其中引用的参考的教示以全文引用的方式并入本文中。
2005年12月23日申请的PCT/US2005/047383
2006年6月23日申请的第11/474,056号美国申请案
2006年7月12日申请的第11/485,068号美国申请案
2007年6月21日申请的第11/821,102号美国申请案
2007年6月22日申请的PCT/US2007/014591
2006年7月14日申请的第11/486,970号美国申请案
2006年7月14日申请的PCT/US2006/027245
2007年6月27日申请的第11/823,479号美国申请案
2007年6月27日申请的PCT/US2007/014905
2006年6月23日申请的第11/474,081号美国申请案
2006年6月23日申请的PCT/US2006/024885
2007年6月22日申请的第11/821,585号美国申请案
2007年6月22日申请的PCT/US2007/014592
2008年6月19日申请的第12/214,535号美国申请案
2008年6月19日申请的PCT/US2008/007666
2008年4月24日申请的第61/125,327号美国临时申请案
2008年4月24日申请的第61/125,281号美国临时申请案
2008年4月24日申请的第61/125,285号美国临时申请案
2008年10月7日申请的第61/195,441号美国临时申请案
图4是当采用经修改的电池组模块420a-m时可使用的电子电路400的示意性说明。在图4中，电子电路400包含具有一次绕组404和二次绕组405a-n的变压器403、交流/直流(AC/DC)转换器410a-n、控制器415、多个电池组模块420a-m以及电动机105。变压器403可传送来自AC源的电能，且每一AC/DC转换器耦合到二次绕组；例如，AC/DC转换器410a耦合到二次绕组405a。AC/DC转换器410a-n还耦合到一个或一个以上电池组模块420a-m。每一电池组模块420a-m经修改以包含其自身的开关(或继电器)以控制对每一电池组模块420a-m的充电和放电，因此避免了对图1中的开关118a-n、130a-n、131a-n的需要。如图4中说明，每一电池组模块420a-m包含多个储存电池，本文中表示为串联连接的四个储存电池。电池组模块阵列是多维的，使得电池组模块组串联连接，且多组串联电池组模块并联连接。每一AC/DC转换器410a-n对每一组中的一个电池组模块420a-m进行充电，且控制器415独立地与每一电池组模块420a-m通信。每一阵列中所含有的模块的实际数目是基于特定机动交通工具的功率要求。虽然图4描绘每一电池组模块包含四个储存电池，但仅是为了说明目的而提供四储存电池配置。每一电池组模块可包含可串联和/或并联串布置的多个储存电池。
当将电池组装为电池组模块(包含多个电池和用以控制对所述电池的充电和放电的电子元件以及用于将例如SOC、电压、电流、温度等某些参数传送到主机处理器的电子元件)时，优选选择具有类似阻抗和容量特性的电池。电池组模块中的最弱电池(即，具有最低容量或最高阻抗的电池)将决定模块的总性能，因此优选所有电池具有类似的阻抗和容量特性，以使得用户能够从模块提取最大量的能量并实现长循环寿命。对于具有约4400mAh容量的电池，模块中任一个电池与任一其它电池的容量差异不应超过30mAh。这随着电池的大小而按比例缩放。类似地，模块中任一个电池与任一其它电池的阻抗差异也不应超过某一限制，通常在1-10毫欧姆内。
类似地，优选包含若干电池组模块的电池组阵列包含同样具有类似阻抗和容量特性的模块。当对大电池组阵列进行充电或放电时，最弱电池组模块将限制整个阵列的容量和性能。由此，选择具有类似阻抗和容量特性的模块是优选的，因为如此使用户无法从电池组阵列提取的“浪费”能量的量最少化。阵列中任一个模块与任一其它模块的阻抗和容量的差异取决于模块的大小。对于具有4400mAh的个别容量和约13200mAh和17600mAh的总容量的3电池和4电池的电池模块，模块之间的容量差异应优选小于90到120mAh且阻抗匹配在10毫欧姆内。期望具有尽可能接近的容量和阻抗匹配。
对于许多应用，由包含单个串联模块串的电池组阵列是优选的。与通过并联放置模块而构造的具有等效能量密度的阵列相比，此些阵列常常具有较高的端子电压且因此具有较低操作电流。单个串联模块阵列的优点包含由于较低的所需电流额定值而使得组件成本可较低。另外，较低电流电平在其切换和控制电路中产生较少的热耗散，且因此需要电池组阵列的较少热管理。
电池组阵列的主控制器(或主机控制器)将周期性地轮询阵列中的每一电池组模块的状态。具体来说，控制器将通过查看电池组模块的若干参数(包含模块的开路电压、阻抗、循环计数和温度)以及通过读取由电池组模块内的电子元件确定的若干参数(例如SOH和作为模块的设计容量的百分数的可用容量(或满充容量))来确定每一模块的SOH。
当任一个电池组模块的SOH下降到特定阈值(例如70％)以下时，则主机控制器将在存储器中储存越过阈值的电池组模块的地址，储存次个最弱电池组模块的SOH，且向用户告警电池组阵列需要维修。所述告警可呈以下形式：接通模块外部上的LED，接通汽车的仪表板上的警告灯，或发出无线电信号以告知用户阵列需要维修。取决于SOH值，主机控制器还可使得用户无法对模块进行充电和/或放电。
而且，当在阵列中任一个电池组模块的SOH相对任一其它电池组模块的SOH而下降到特定阈值以下时，主机控制器将告警用户电池组阵列需要维修(以与上文提到的方法类似的方法)。举例来说，如果将最大差异阈值设定为8％且第一模块处于95％SOH且第二模块处于88％SOH，那么将致使主机控制器向用户指示阵列需要维修。
当正维修电池组阵列时，维修技师将能够读取主机控制器的存储器的内容以确定哪一电池组模块需要更换及次个最弱模块的SOH。技师随后将选择具有大于或等于次个最弱模块的SOH的SOH的更换模块，以便确保在其寿命期间从阵列中最大程度地提取有用能量。
在模块的永久故障的情况下，模块将储存某些参数以使得可分析故障模式。这些参数将包含在故障时每一个别电池电压、进入或退出模块的电流，以及模块内的热敏电阻的温度，及永久故障的原因(电池过电压、电池欠电压、模块过电压、模块欠电压、充电期间的过电流、放电期间的过电流、过高温度、电池失衡、通信故障等)。在德州仪器bq20z90芯片的情况下，主机控制器将读取PF旗标1寄存器，其记录有永久故障的来源。
主机控制器将从电池组模块读取若干参数以确定每一电池组模块的SOH。这些参数中的一些参数包含电池电平参数，例如个别电池电压、Qmax充电值以及阻抗值。主机控制器将读取的其它参数是模块电平参数，例如电压、温度、电流、相对SOC、绝对SOC、满充容量、循环计数、设计容量(以mAh或mWh计)、制造日期、SOH(如果模块电子元件计算此值)、安全状态、永久故障状态、设计容量、设计能量以及电池组的Qmax电荷。主机控制器还可能够读入模块的寿命中的最小和最大值，例如模块电压、电池电压、温度、充电和放电电流，以及充电和放电功率。
当可从模块控制电子元件得到时，主机控制器可简单地从每一模块读取SOH寄存器以获得每一模块的SOH的估计。当这不可得时，主机控制器可以各种方式估计模块的SOH。一种方式将是比较当前满充容量与设计容量或设计能量，以获得模块的降级的度量。另一选择是查看模块电压对SOC，且将其与各种SOH状态下的已知电压对SOC的查找表进行比较。另一选择是查看每一电池的阻抗，且将其与阻抗对SOH的查找表进行比较。另一可能性是将模块的Qmax与设计容量进行比较。循环计数也可用以降低SOH的额度(即，一旦给定模块的循环计数到达某一阈值，则主机控制器可自动开始降低所述模块的SOH的额度)。
图5是通过再生制动来补充如图2中所说明的电池组模块115a-n的充电的实施例的电子电路500的说明。当驱动装置105在操作中时，驱动装置105与外部电力储存装置520之间的开关507断开，且电池组模块115a-n用以通过图1中所说明的连接(此图中未图示)向电动交通工具505的驱动装置105供电。
当在制动期间驱动装置105从电池组模块115a-n脱离时，开关507闭合且驱动装置105表现为发电机以对外部电力储存装置520进行充电，其转换制动能量以储存供电池组模块115a-n稍后使用的电荷。外部电力储存装置520可经设计以用于高功率充电，这意味着储存装置520的充电时间可以秒计。外部电力储存装置520可例如为铅酸电池组、镍金属氢化物电池组、锂离子电池组或电容器(例如超级电容器)。此储存装置520可用以在如相对于图2所述使用外部AC电源对电池组模块115a-n进行充电之前对电池组模块115a-n部分地再充电。一旦储存装置520与驱动装置105之间的开关527断开且外部电力储存装置520与电池组模块115a-n之间的开关527闭合，则外部电力储存装置520可对电池组模块115a-n进行充电。一旦外部电力储存装置520与电池组模块115a-n之间的连接形成，则外部电力储存装置520可分别经由DC/DC转换器525a-n将储存的能量释放，以对电池组模块115a-n进行充电。在优选实施例中，外部电力储存装置520可维持在大约10％的放电状态以允许准备好制动期间的能量转换。另外，通过AC电源进行的充电可在对外部电力储存装置520的放电期间或之后发生。
作为对图5的充电方法的替代或除其之外，储存装置520可通过引擎驱动的发电机来充电。作为又一替代，再生或引擎驱动的充电可扩及模块的整个串联连接。
为了基于电池组温度、电压、负载分布和充电速率来测量和预测性能，控制器(例如，图1的控制器110)可以多种算法编程。以下是用于低电压充电和定序的主控制器算法的伪码描述。控制器依序针对每一模块检查开路电压且随后通过乘以储存的常数值来计算完成对所述模块的充电所需的时间。将待充电的模块和需要对其进行充电的时期添加到列表。待充电的模块列表是以待充电的时间的降序排序。随后在对应的时间量内并行地对模块进行选择性地充电。
以下是用于维护检查和维修请求的主控制器算法的伪码描述。在预定义的维修检查时间间隔，检查每一模块的SOH。如果SOH低于需要维修的水平，那么将模块添加到需要维修的模块列表。一旦已经检查了所有模块，如果模块列表非空，那么向用户通知且向用户报告需要维修的模块的SOH。
Figure BPA00001382653500181
以下是用于对电池组阵列中的模块进行阻抗跟踪的主控制器算法的伪码描述。阻抗跟踪算法首先测量每一模块中的每一电池的阻抗，记录模块和电池识别符、测量的时戳和阻抗值。接着在一段时期内扫描所有电池并计算阻抗统计数据(例如平均值、中值、模、方差、标准偏差)。如果统计数据确定为异常，那么向用户报告异常模块和电池以进行维修。
Figure BPA00001382653500191
虽然已参考本发明实例性实施例而特定展示和描述本发明，但所属领域的技术人员将了解，在不脱离所附权利要求书所涵盖的本发明范围的情况下，可在其中做出形式和细节上的各种改变。举例来说，虽然许多说明涉及机动交通工具，但实例性实施例一般可用于需要能量储存电池阵列的任何应用中，包含用于补充电源和/或储存装置的应用。

Claims (40)

1.一种电动交通工具，其包括：
电驱动装置；
电池组模块串联阵列，其向所述电驱动装置供电，每一电池组模块包括：
多个电能储存电池；及
模块管理电子元件，其监视每一电池组模块，在保护模式中控制每一电池组模块，并传送每一电池组模块的状况；
控制器，其接收从所述模块管理电子元件传送的模块状况，并控制所述阵列中的个别电池组模块的操作；以及
充电电路，其从电流源对所述电池组模块的所述储存电池进行充电。
2.根据权利要求1所述的电动交通工具，其中每一电池组模块具有在约5V到约17V的范围内的标称输出电压。
3.根据权利要求1所述的电动交通工具，其中每一电池组模块适于准备好进行个别移除和更换。
4.根据权利要求1所述的电动交通工具，其中所述模块管理电子元件经配置以针对每一储存电池监视以下各者中的至少一者：温度、电流、容量和电压。
5.根据权利要求1所述的电动交通工具，其中所述控制器经配置以针对每一电池组模块监视以下各者中的至少一者：温度、电流、容量和电压。
6.根据权利要求1所述的电动交通工具，其中所述模块管理电子元件在临时关闭保护模式中控制所述电池组模块。
7.根据权利要求1所述的电动交通工具，其中所述模块管理电子元件在永久关闭保护模式中控制所述电池组模块。
8.根据权利要求1所述的电动交通工具，其中所述模块管理电子元件传送每一电池组模块的以下状况中的至少一者：过充电、过放电和温度。
9.根据权利要求1所述的电动交通工具，其中所述充电电路进一步经配置以控制每一电池组模块的所述电压，以实现在对每一电池组模块进行充电时的平衡。
10.根据权利要求1所述的电动交通工具，其进一步包括外部电力储存装置，所述外部电力储存装置经耦合以储存在制动期间转换的能量，并通过释放所述储存的能量来对所述阵列进行充电。
11.根据权利要求1所述的电动交通工具，其进一步包括电驱动装置控制器。
12.根据权利要求11所述的电动交通工具，其中每一阵列中的所述电池组模块仅串联连接。
13.一种为电动交通工具储存电荷的方法，其包括：
使用电池组模块串联阵列向电驱动装置供电，每一电池组模块包含储存电池和模块管理电子元件；
配置所述模块管理电子元件以监视每一电池组模块，在保护模式中控制每一电池组模块，并传送每一电池组模块的状况；
接收从所述模块管理电子元件传送的模块状况；
控制所述阵列中的个别电池组模块的操作；以及
从电流源对所述电池组模块的所述储存电池进行充电。
14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括配置所述电池组模块以具有从约5V到约17V的范围内的标称电压。
15.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括移除所述电池组模块并用新电池组模块更换移除的电池组模块。
16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括估计所述移除的电池组模块的充电状态和健康状态，并选择具有与所述移除的电池组模块相当的充电状态和健康状态的所述新电池组模块。
17.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括针对每一储存电池监视以下各者中的至少一者：温度、电流、容量和电压。
18.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括针对每一电池组模块监视以下各者中的至少一者：温度、电流、容量和电压。
19.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括在临时关闭保护模式中控制所述电池组模块。
20.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括在永久关闭保护模式中控制所述电池组模块。
21.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括传送所述电池组模块的以下状况中的至少一者：过充电、过放电和温度。
22.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括控制每一电池组模块的所述电压以实现在对每一电池组模块进行充电时的平衡。
23.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括将外部电力储存装置耦合到电制动器，储存在制动期间转换的能量，及通过释放所储存的能量来对所述阵列进行充电。
24.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括使用电驱动装置控制器来控制所述电驱动装置。
25.一种电池组阵列，其包括：
电池组模块阵列，每一电池组模块包括：
多个电能储存电池；及
模块管理电子元件，其监视每一电池组模块，在保护模式中控制每一电池组模块，并传送每一电池组模块的状况；
控制器，其接收从所述模块管理电子元件传送的模块状况，并控制所述阵列中的个别电池组模块的操作；以及
充电电路，其通过到所述电池组模块的个别交流到直流充电电路而从交流源对每一电池组模块的所述储存电池进行充电。
26.根据权利要求25所述的电池组阵列，其中所述电池组模块具有在约5V到约17V的范围内的标称输出电压。
27.根据权利要求25所述的电池组阵列，其中所述电池组模块适于准备好进行个别移除和更换。
28.根据权利要求25所述的电池组阵列，其中所述电池组模块具有三个储存电池。
29.根据权利要求25所述的电池组模块，其中所述电池组模块具有四个储存电池。
30.一种电动交通工具，其包括：
电驱动装置；
电池组模块阵列，其向所述电驱动装置供电，每一模块具有在约9V到约17V的范围内的标称输出电压并适于准备好进行个别移除和更换，所述电池组模块阵列包括：
多个电能储存电池；及
模块管理电子元件，其监视每一电池组模块的温度、电流、容量和电压，在临时关闭保护模式和永久关闭保护模式中控制每一电池组模块，并传送每一电池组模块的温度、电流、容量和电压状况；
控制器，其接收从所述模块管理电子元件传送的电池组模块过充电、过放电和温度状况，控制所述阵列中的个别电池组模块的操作，控制所述驱动装置、所述电池组模块与充电电路之间的个别连接，并告警电池组模块的更换；以及
充电电路，其通过到所述电池组模块的个别交流到直流充电电路而从交流源对所述电池组模块的所述储存电池进行充电。
31.根据权利要求30所述的电动交通工具，其中所述充电电路经配置以控制每一电池组模块的所述电压以实现在对每一电池组模块进行充电时的平衡。
32.根据权利要求30所述的电动交通工具，其进一步包括电驱动装置控制器。
33.一种电池组阵列，其包括：
电池组模块阵列，每一模块具有在约5V到约17V的范围内的标称输出电压并适于准备好进行个别移除和更换，所述电池组模块阵列包括：
多个电能储存电池；及
模块管理电子元件，其监视每一电池组模块的温度、电流、容量和电压，在临时关闭保护模式和永久关闭保护模式中控制所述电池组模块，并传送每一电池组模块的温度、电流、容量和电压状况；
控制器，其接收从所述模块管理电子元件传送的电池组模块过充电、过放电和温度状况，并控制所述阵列中的个别电池组模块的操作；以及
充电电路，其通过到所述电池组模块的个别交流到直流充电电路而从交流源对每一电池组模块的所述储存电池进行充电，且其经配置以控制每一电池组模块的所述电压以实现在对每一电池组模块进行充电时的平衡。
34.一种对电池组阵列进行充电的方法，其包括：
提供交流供应电压；
并联交流到直流充电电路，将所述交流供应电压降频转换为个别直流充电电压；
将所述直流充电电压施加于相应的个别电池组模块，以对每一电池组模块中的一个或一个以上电池进行充电。
35.根据权利要求34所述的方法，其中每一电池组模块在所述电池组模块中的模块管理电子元件的控制下对所述模块中的多个电池进行充电。
36.根据权利要求34所述的方法，其中并行地同时对所有电池组模块进行充电。
37.根据权利要求34所述的方法，其中在所述模块中的电池串上施加所施加到每一模块的所述直流充电电压。
38.根据权利要求34所述的方法，其中从所述个别直流充电电压同时对所有电池进行充电。
39.一种电池组阵列，其包括：
交流供应电压端子；
直流输出电压端子；
至少一个电池组模块阵列，其在所述输出电压端子之间延伸；以及
多个交流到直流充电电路，其各自将所述交流供应电压端子处的交流供应电压降频转换为所施加到所述阵列的个别模块的个别直流充电电压。
40.根据权利要求39所述的电池组阵列，其中每一阵列中的所述电池组模块仅串联连接。
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