能量存儲系統中的監測單元的制作方法

專利名稱：能量存儲系統中的監測單元的制作方法
技術領域：
本發明的主題涉及功率提供電路，并且，更具體地，涉及監測串聯的能量存儲單元的電路和方法。
背景技術：
能量存儲系統,如蓄電池或者超級電容器能量存儲系統的管理,對保證該能量存儲系統及由該能量存儲系統供電的設備的長壽命，高效率和可靠性來說是必要的。適當的管理要求實時獲知單元電壓，例如，在各個能量存儲單元上的電壓應該被持續的監測。能量存儲系統包括多個串聯連結，即“堆棧”的能量存儲單元，以便在該堆棧頂部附近的各個單元可以相對于系統接地處于高的電壓。圖I圖示了代表能量存儲系統例子的電池10。該電池10由串聯連接的多個單元組成。當被設置靠近接地端的單元處在低電勢，連接在該電池堆棧的另一側的其它單元可能處在高電勢。例如，圖I中所示的81個4. 2V單元將產生大約340V的總電壓。因此，能夠測量各個單元的電壓的電壓測量裝置必須承受非常高的電壓。對于堆棧電池管理使用如此高電壓的測量裝置將會是非常昂貴并且易于出錯的。能量存儲系統的另一個示例是超級電容系統。超級電容器代表電能存儲領域的最新創新之一，并且在涉及質量能量存儲，功率分配等多種應用中占有一席之地。在混合動力車和作為電池電動車的輔助存儲的汽車應用方面，它們受到特別的關注。與典型的電容器相比，這些新的部件允許高得多的能量密度，以及更高的功率密度。超級電容器可以基于雙層電容器技術制造以增加它們的電荷密度。然而，雙層電容器具有相對低的最高電壓。為了達到可接受的功率轉換效率這使得串聯單元支持在更高電壓上的操作成為必須的。單元電壓越高，雙層電容器的預期壽命也就越短。因此，在超級電容器系統上的單元電壓應當被監測以避免在各個單元上的電壓超過最大值。并且，在充電過程中超級電容器必須被監測以避免充電電壓超過額定電壓。在高共模中測量電壓的常用方法涉及4電阻差值放大器，其具有被按照共模電壓分配器設置的電阻網絡。例如，該設置被用在由本發明的申請人，Linear TechnologyCorporation開發的LT 1990差值放大器中。然而，在電阻網絡中匹配電阻是一個難題。隨著共模電壓增加，誤匹配電阻可能損害測量精確性。同時，該電阻分配器代表在電池上的負載。另一種已知的測量電壓的方法包括容性開關。該方法被用于測量低電壓，例如，在由本申請的申請人，Linear Technology Corporation開發的LTC 1043雙開關電容器結構模塊。在該模塊中，一對開關交替將一外接電容器連接到一輸入電壓并隨后通過一輸出端口連接該充電后的電容器。然而，在高共模電壓下，該方法將需要高電壓MOSFET管，這在單片芯片中是不易于獲得的。另一個公知的方法包括直接數字化，并對數字信息電平位移。該類型的測量由Mark Thoren在題為“16位ADC簡化電流測量”的LinearTechnology設計記錄DN341中描述，雖然該設計記錄涉及的是電流測量而非電壓測量。該設計記錄描述了一種使用16位Delta-Sigma模/數轉換器(ADC)用于直流(DC)測量的-48V電信源電流監測器。該監測器使用光隔離器作為用于數據轉移的電平位移裝置。然而，該方法適合于少量的測量。在大量單元上測量電壓會需要很多光隔離器(或晶體管)并且變得笨重。因此，希望產生一種簡單并高效的用于在多個串聯連接的能量存儲單元上監測電壓的技術。

發明內容
本發明提供了用于在由串聯連接的多個單元組成的能量存儲系統中監測各個單元的電路和方法。該系統包括具有至少第一和第二監測器的一監測器串組。該第一監測器 在該能量存儲系統中監測至少一個第一單元以產生第一監測數據。該第二監測器監測在該能量存儲系統中監測至少一個第二單元以產生第二監測數據。該第一監測器被構造用于向第二監測器傳送第一監測數據。特別地，所述第一監測器可以被構造用于監測包括所述第一單元的第一組單元，且所述第二監測器可以監測包括所述第二單元的第二組單元。所述第一監測數據可以表示在所述第一組單元中的各個單元的至少一個參數，并且所述第二監測數據可以表示在所述第二組單元中的各個單元的至少一個參數。例如，所述監測數據可以表示在各個單元上的電壓，以及影響該單元的溫度。所述第一和第二監測器可以是在所述串組中相鄰的監視器，所述串組進而還包括一第三監測器，該第三監測器與所述第二監視器相鄰并被構造用于在所述能量存儲系統中監測至少一第三單元以產生第三監測數據。所述第三單元監測器可以進一步被構造為通過所述第二監測器從所述第一監測器接收所述第一監測數據并且從所述第二監測器接收所述第二監測數據。按照本發明的一個實施例，監測器可以通過相鄰監測器向控制器傳送監測數據。所述控制器可以通過相鄰的監測器生成向所述監測器傳送的控制數據。控制數據可以響應所述監測數據而生成。例如，當所述能量存儲系統正在被充電時，所述控制數據可以防止在能量存儲系統中的一個單獨的單元被過充電。為響應與特定單元相關的監測數據，該監測器可以產生一分流，該分流迫使充電電流繞過該單元。所述監測器可以具有由所述控制數據控制的開關以產生所述分流。按照本發明的方法，第一組單元可以被第一監測器監測以產生第一監測數據，第二組單元可以被第二監測器監測以產生第二監測數據。所述第一監測數據可以被傳輸給第二監測器以便傳遞給控制器。在相反的方向上，控制數據可以通過所述第二監測器從所述控制器被傳送給所述第一監測器。為響應所述第一監測數據所述控制數據可以被傳送以控制在所述第一組單元中的一個單元的條件。
從下面的詳細描述中，本發明的其它優勢和方面將對本領域技術人員更加明顯，其中本發明的實施例被示出和描述，僅作為旨在實現本發明的最佳模式的示例。如將要被描述的，本發明能夠以其它和不同的實施例來實現，并且它的各個細節在各種明顯的方面是易于修改的，均不背離本發明的精神實質。相應地，附圖和描述自然被看作是示例而非限制。


當結合以下附圖進行閱讀時，本發明實施例的以下詳細描述能夠被最好地加以理解，其中各技術特征不是為了度量而繪制，而是為了最好地圖示相關技術特征而繪制，其中圖I圖示了包括串聯連接的多個單元的電池。圖2圖示了本發明的一示例性監測系統，用于監測由串聯連接的多個單元組成的能量存儲系統。圖3示出了在本發明的系統中的監測單元的示例性應用。圖4圖示了包括控制器和以串級鏈連接的多個監測單元的一示例性設置。
具體實施方式
本發明將使用監測電路的特定實例來實現。然而明顯地，本發明的概念可用于任何電路，以監測具有多個單元的任何能量存儲系統。圖2表示本發明的一示例性監測系統100，用于監測能量存儲系統102，該能量存儲系統102由在其末端之間的η個單元Cl至Cn串聯連接組成。在圖示的實施例中，單元Cl至Cn可以是通常被用于消費電子和混合動力電動車等應用當中的鋰-離子(Li-Ion)電池。然而，本領域技術人員可以認識到，單元Cl至Cn可以是任何能量存儲元件。例如，它們可以是超級電容器單元。所述單元Cl可以被連接到接地端，而所述單元Cn可以被連接到能量存儲系統102的高電勢端，例如，連接至+350V端。監測系統100包括一串組m個電池監測單元BMl至BMm，其中每一個可以被構造用于監測預定數量的單元C。被各個單元BM監測的單元C的數量可以從I至16或更多。這一數量可由監測單元BM承受電壓的能力來決定。例如，每個單元BM的承受能力可以為大約60V。同樣，被監測單元C的數量可以由半導體芯片的管腳數量限制，在該芯片上提供一特定單元BM。例如，圖2示出監測單元BMl監測3個單元Cl至C3，單元BM2監測3個單元C4至C6,等等。最終,監測單元BMm監測2個單元Cn-I和Cn。該監測單元BM可以通過確定，例如在每個單元C上的電壓，或者影響單元C的溫度等參數來監測單元C的狀況。每個監測單元BM可以用被各個單元BM所監測的單元組來供電。另選地，監測單元BM可以使用獨立于被監測單元C的供電電源。相鄰的監測單元BM可以監測單元C的相鄰組。例如，監測單元BMl可以監測單元Cl至C3，而與BMl相鄰的單元BM2可以監測單元C4至C6。另選地，相鄰的單元BM可以監測單元C的任何預定組。每對相鄰單元BM由通信鏈路104連接，該鏈路在單元之間提供數據傳輸的路徑。如圖2所示，通信鏈路104可以被設置在單元BMl和單元BM2之間，單元BM2和單元BM3之間，單元BM3和下一個監測單元之間，最終，在單元BMm-I和單元BMm之間。通信鏈路104中的每一個都可以被構造用來提供相鄰的單元BM之間的串行和/或并行的數據傳送。盡管圖2表示每個通信鏈路104由6條線路組成，本領域技術人員可以意識到，通信鏈路104可以包括所需要的任何數量的線路，以支持按照選定的串行和/或并行數據傳輸協議進行數據傳送。例如，如下面更詳細討論的，該通信鏈路104可以支持與接口相應的數據傳輸協議，如串行外圍接口(SPI)，該接口在監測單元BMl和外部控制器之間建立，該外部控制器可以被鏈接到單元BMl用于從監測單元BMl至BMm上接收監測數據和/或向它們提供控制數據。另選地，該外部控制器可以被連接到任何其它監測單元BM。每個通信鏈路104可以以串行和/或并行方式支持相鄰單元BM之間的監測和控制數據的雙向傳輸。例如，在監測單元的串組上由監測單元BMk生成的監測數據可以從單元BMk被“向下”傳送至與單元BMk相鄰的監測單元BMk-Ι，其中單元BMk可以是在BMl和BMm之間的任意監測單元，用于監測比由單元BMk-I監測的單元C離接地端更遠，且比由單元BMk+Ι監測的單元C離接地端更近的單元C。如果單元BMk-I不被連接到控制器，它將通過下一個通信鏈路104傳送監測數據至單元BMk-2，等等。控制數據可以被以相反的方向從單元BMk-I傳送至單元BMk,然后接著,從單元BMk傳送至單元BMk+Ι。例如,控制數據可以以并行格式被傳送，而監測數據可以以串行方式被移動。另選地，監測和控制數據二者均可以以相似的方式-并行或者串行方式來傳送。 監測數據可以包括由各個監測單元BM監測的一個或一組單元的一個或多個參數，如單元電壓和溫度。控制數據可以包括用于識別一個特定單元或者一組單元的地址信息，以及/或者與一個特定單元或者一組單元相聯系用于指示將要被執行的操作的控制信
肩、O例如，監測系統100可以監測能量存儲系統102的充電。由于能量存儲系統102的各個單元C可能在不同的時刻轉為完全充電，當某個特定單元達到預定電壓時，所述監測系統100可以被控制用于停止或減慢其的充電以防止它被損壞。特別地，在充電過程中，監測單元BM可以監測在每個單元C上的電壓和影響該單元C的溫度。通過通信鏈路104，由單元BMk確定的監測數據可以被傳送給相鄰單元BMk-I，然后從單元BMk-I至下一單元BMk-2，直至該傳送數據達至被連接到控制器的單元BMl。所述監測數據從單元BMl被傳輸給該控制器，該監測數據可以確定特定單元Ci在預定溫度下達到了預定電壓。基于該信息，控制器可以產生控制數據用于識別該單元Ci并且通知監測系統100以防止該單元Ci再繼續被充電。該控制數據被傳輸給連接到所述控制器的單元BMl。通過通信鏈路104控制數據從單元BMl被傳送給下一單元BM2,接著從單元BM2至下一 BM單元,直至所述控制數據到達監測單元Ci的單元BMk。所述控制數據可以使單元BMk采取適當的動作來防止單元Ci被繼續充電。例如，如稍后詳細描述的，在單元BMk的一分立開關可以被控制以產生繞過該單元Ci的充電電流分流，以便使充電電流沿支路通過單元Ci。圖3圖示了在監測系統100中監測單元BMk的一示例性設置。監測單元BMk可以被設置在監測單元BM串組中的單元BMk+Ι和BMk-I之間，以監測由12個單元Ci，Ci+l，...，Ci+11組成的能量存儲系統102的12單元組。為了符合單元BMk的電壓承受能力，該12單元組Ci至Ci+11可以在該單元組的V+和V-端之間被選擇以提供低于60V的總電壓。該監測單元BMk可以被實現在由該單元組提供的電壓供電的芯片上。監測單元BMk可以包括復用器202，該復用器202具有連接貫穿單元Ci至Ci+11中的每一個的多個并行輸入以確定在各個單元Ci至Ci+11上的電壓。復用器202的輸出可以作為單元電壓值的單一序列來表示多個輸入單元電壓。開關Si至Si+ΙΙ可以分別連接到單元Ci至Ci+11以控制其狀況。具體地，開關Si至Si+ΙΙ可以被控制來分流各個單元。例如，在能量存儲系統102充電過程中，開關S中的任意一個均可以被轉換至ON狀態以為充電電流提供繞過各單元C的支路。因此，可以避免各個單元C被過充電。例如，場致晶體管可以被用作開關Si至Si+ΙΙ。功率電阻器Ri至Ri+ΙΙ可以被連接到各個開關Si至Si+ΙΙ以限制電流并控制功率消耗。例如，電阻器Ri至Ri+ΙΙ可以具有在10-100 Ω內的值。同樣，復用器202可以被連接到芯片溫度傳感器204，其向復用器提供輸入信號用于表示在其上形成單元BMk的芯片的內部溫度。另外，單元BMk可以使用連接到該芯片的電阻分配器R1，R2用于確定相對于所述芯片的外部溫度。電阻分配器可以包括溫度傳感電阻器R1，如具有負向溫度系數(NTC)的電阻器，和連接到提供如I. 2V的參考電壓的參考電壓源206的電阻器R2。該電阻分配器R1，R2向復用器202提供指示外部溫度的輸入信號。內部和外部芯片溫度信息可以表示在復用器202的輸出上，以及表示在單元Ci至 Ci+11上的電壓的電壓序列。模-數(A/D)轉換器208可以把復用器202的模擬輸出信號轉換為數字形式。參考電壓源206可以提供執行模數轉換所需要的參考電壓。因此，A/D轉換器208的數字輸出信號代表由監測單元BMk監測的數據，該數據包括在單元Ci至Ci+11中每個上的電壓信息和影響單元Ci至Ci+11的內部和外部芯片溫度的信息。監測數據被提供給結果寄存器和通信電路210，其可以執行電平移位并通過通信鏈路104向單元BMk-I提供監測數據的傳輸,所述單元BMk-I監測比單元BMk監測的單元Ci至Ci+11更靠近接地端連接的由單元Ci-I至Ci-12組成的下一單元組。另選地,如果電路210被設置在連接到所述控制器的“底”監測單元BM1，電路210向所述控制器傳輸監測數據。另外，電路210可以被其它通信鏈路104連接到單元BMk+Ι，所述單元BMk+Ι可以監測比單元Ci至Ci+11離接地端更遠的由單元Ci+12至Ci+24組成的單元組。通過該通信鏈路，單元BMk的電路210接收由單元BMk+Ι至BMm監測的數據，并傳送該監測數據給單元BMk-Ι。例如，電路210可以包括硬件連接以把從單元BMk+Ι接收的數據傳送給單元BMk-I。另外，單元BMk的電路210可以被構造用于通過通信鏈路104從單元BMk-I接收數據。例如，控制數據可以從單元BMk-I被傳輸給單元BMk。如果控制數據與被單元BMk監測的單元Ci至Ci+11中的任何一個相關，電路210可以產生信號來執行由控制數據指示的操作。例如，從單元BMk-I接收的控制數據可以要求避免單元Ci至Ci+11中一個或多個被充電。在這種情況下，電路210可以產生被提供給各個開關Si至Si+11的門的控制信號以便將開關置于ON狀態，從而建立繞過相應單元的充電電流分流。如果來自單元BMk-I的數據與單元Ci至Ci+11不相關，單元BMk的電路210向單元BMk+Ι傳送接收的數據。圖4示意性地圖示了在單元BMl至BMm之間的一示例性連接，其中每個單元可以具有與圖3所示的單元BMk的設置相類似的設置。具體地，單元BMl至BMm可以被連接成串級鏈，其中單元BMl被連接到單元BM2，單元BM2被連接至鏈中的下一 BM單元，等等。一個BM單元的V+端可以連接到相鄰BM單元的V-端。單元BMl的V-端可以被連接到所述能量存儲系統102的接地端。單元BMm的V+端可以被連接到所述能量存儲系統102的高電勢端，如+350V端。連接在V+和V-端之間的單元組可以向各單元BM供電。
微處理器單元(MPU) 300可以被連接到單元BMl以接收由單元BMl至BMm監測的數據，并向這些監測單元提供控制數據。所述MPU 300可以被獨立于所述能量存儲系統102的供電線供電。另選地,所述MPU 300可以被與單元BMl相同的單元組供電。例如，本發明公開的監測系統100可以被設置在電力車上以監測該車的電池。在這種情況下，所述MPU300可以與汽車的中央控制器交互。該MPU 300可以處理指示電池中各個單元狀況的電壓和溫度 η息。基于該信息，所述MPU 300可以，例如，在所述能量存儲單元系統102正被充電時，控制監測系統100以防止各個單元被過充電。具體地，每個單元可以被安全地充電直至在特定的溫度條件下達到預定的單元電壓。在超過該電壓后，單元可能會被損壞。為了避免損壞單元，當所述能量存儲系統102正被充電時，該MPU 300可以處理由監測單元BMl至BMm監測的電壓和溫度信息以確定各個單元C的狀況。當由單元BMk監測的數據指示在一單元Ci上的電壓達到在特定溫度條件下的預定水平，該MPU 300產生具有標識單元Ci和監測該單元Ci的單元BMk的地址信息的控制數據。通過在串級鏈中單元BMk之前的監測單元ΒΜ，控制數據被傳送給單元BMk以使門控制信號將與單元Ci相應的開關Si轉換到ON狀態。因而，繞過單元Ci的充電電流分流被建立以避免其被充電。 所述BMl可以通過接口 302被連接到所述MPU 300。例如，由Motorola開發的串行外圍接口(SPI)可以被用于把該MPU 300連接到監測單元BM。所述SPI提供以全雙工模式的同步串行數據傳輸。該SPI使用主-從模式，其中一個主設備與多個從設備交互。例如，該MPU 300可以作為SPI主設備，并且多個監測單元BMl至BMm可以作為SPI從設備。該SPI具有四條信號線用于從主設備向從設備傳輸數據的主輸出從輸入(MOSI)，用于從從設備向主設備傳輸數據的主輸入從輸出(MISO)，由主設備生成以同步MOSI和MISO數據的串行時鐘(CLK)，和由主設備生成以編址不同從設備的芯片選擇(CS)。該M0SI，MIS0，CLK和CS信號線可以在所述MPU 300和所述單元BMl之間加以提供。在相鄰監測單元BM之間的通信鏈路104可以被設置用來支持在所述MPU 300和各個單元BM之間的雙向SPI數據傳送。因此，本發明提供了一種監測系統，其中沒有單個監測單元BM不得不承受能量存儲系統的整個堆棧電壓。替代地，每個單元BM僅應承受由該單元監測的一個單元組的電壓。另外，通過構造每個監測單元芯片用于與它鄰近位置的芯片而不與在遠處位置的芯片通信，使通信和控制線路最小化。前面的描述圖解和描述了本發明的各方面。另外，本發明只示出并描述了優選實施例，但是如前面所涉及的，可以理解本發明能夠在各種其它組合，修正和環境中使用，并且能夠如這里所述的在本發明概念的范圍內，與上面的教導和/或相關領域的技能和知識相符合地加以改變或修正。這里以上描述的實施例進一步旨在解釋實現本發明的已知最佳模式并且使本領域技術人員使用以上或者其它實施例的方式利用本發明，并且帶有特定應用或者本發明使用所需要的各種修正。相應地，本說明書并非旨在將本發明限制在這里公開的形式。并且，所附權利要求書被認為包括可選的實施例。
權利要求
1.一種用于監測由串聯連接的多個單元組成的能量存儲系統的系統，包括 包括第一和第二監測器的一監測器串組， 所述第一監測器被構造用于監測在電池中的至少一個第一單元以產生第一監測數據， 所述第二監測器被構造用于監測在電池中的至少一個第二單元以產生第二監測數據， 所述第一監測器被進一步構造用于向所述第二監測器傳送所述第一監測數據。
2.根據權利要求I所述的系統，其中所述第一監測器被構造用于監測包括所述第一單元的第一組單元，且所述第二監測器被構造用于監測包括所述第二單元的第二組單元。
3.根據權利要求2所述的系統，其中所述第一監測數據表示在所述第一組單元中的各個單元的一個參數，并且所述第二監測數據表示在所述第二組單元中的各個單元的所述參數。
4.根據權利要求I所述的系統，其中所述第一監測數據表示在所述第一單元上的電壓，且所述第二監測數據表示在所述第二單元上的電壓。
5.根據權利要求4所述的系統，其中所述第一監測數據進一步表示所述第一單元周圍的溫度，并且所述第二監測數據進一步表示所述第二單元周圍的溫度。
6.根據權利要求I所述的系統，其中所述第一和第二監測器是在所述串組中相鄰的監視器。
7.根據權利要求6所述的系統，其中所述串組進一步包括與所述第二監視器相鄰的第三監測器，該第三監測器被構造用于監測在所述能量存儲系統中的至少一第三單元以產生第三監測數據，所述第三監測器被進一步構造用于通過所述第二監測器從所述第一監測器接收第一監測數據并且從所述第二監測器接收第二監測數據。
8.根據權利要求I所述的系統，其中所述第二監測器被進一步構造用于向控制器傳送所述第一和第二監測數據。
9.根據權利要求8所述的系統，其中所述第二監測器被進一步構造用于向所述第一監測器傳送由所述控制器產生的第一控制數據，并且用于接收由所述控制器產生的第二控制數據。
10.根據權利要求9所述的系統，其中所述第一控制數據響應所述第一監測數據而產生，并且所述第二控制數據響應所述第二監測數據而產生。
11.根據權利要求10所述的系統，其中所述第一監測器被構造用于通過提供第一分流以便當所述能量存儲系統正被充電時使充電電流繞過所述第一單元來響應所述第一控制數據，并且所述第二監測器被構造用于通過提供第二分流以便當所述能量存儲系統正被充電時使充電電流繞過所述第二單元來響應所述第二控制數據。
12.根據權利要求11所述的系統，其中所述第一監測器具有由所述第一控制數據控制的第一開關以產生所述第一分流，并且所述第二監測器具有由所述第二控制數據控制的第二開關以產生所述第二分流。
13.—種監測由串聯連接的多個單元組成的能量存儲系統中的單元的方法，該方法包括步驟 由第一監測器監測第一組單元以產生第一監測數據， 由第二監測器監測第二組單元以產生第二監測數據，并且 把所述第一監測數據傳送給所述第二監測器以便傳遞給控制器。
14.根據權利要求13所述的方法，進一步包括通過所述第二監測器從所述控制器向所述第一監測器傳送第一控制數據的步驟。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述第一控制數據控制所述單元的第一組中第一單元的狀況。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述第一控制數據被傳送給所述第一監測器以響應所述第一監測數據。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述第一監測數據指示在所述第一單元上的電壓。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述第一監測數據進一步指示在所述第一單元區域內的溫度。
19.根據權利要求16所述的方法，其中在對所述能量存儲系統充電過程中，傳送所述第一控制數據以響應于指示所述第一單元的一個參數的所述第一監測數據。
20.根據權利要求17所述的方法，其中所述第一控制數據在所述能量存儲系統的充電過程中防止所述第一單元被過充電。
全文摘要
一種用于監測由串聯連接的多個單元組成的能量存儲系統的系統，具有至少第一和第二監測器的一監測器串組。該第一監測器被構造用于監測在能量存儲系統中的至少一個第一單元以產生第一監測數據。該第二監測器被構造用于監測在能量存儲系統中的至少一個第二單元以產生第二監測數據。該第一監測器進一步被構造用于向第二監測器傳送第一監測數據以便向控制器傳送。
文檔編號G01R31/36GK102859376SQ200780052791
公開日2013年1月2日 申請日期2007年11月2日 優先權日2007年4月2日
發明者格倫詹姆斯·比斯波堡 申請人:凌力爾特有限公司