專利名稱：智能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池管理領(lǐng)域，特別是電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池的管理，具體涉及一種具有電壓與溫度采集、SOC估計(jì)(State of charge,電池充電狀態(tài)即電池剩余電量)、電池均衡等功能的智能控制器的智能電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
動(dòng)力電池組是電動(dòng)汽車的核心部件，提供電能以驅(qū)動(dòng)車輛行駛。由于在車輛中使用的動(dòng)力電池一般需要較高的電壓水平，所以需要將幾十到上百塊電池單體串聯(lián)而成。為了保障電池的安全使用、提高電池壽命，需要一套電池管理系統(tǒng)對(duì)電池單體進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)、安全保護(hù)和充放電控制。除此之外，一般還需要對(duì)電池單體進(jìn)行均衡，即通過(guò)設(shè)置旁通分流 回路來(lái)控制各個(gè)電池單體的充放電電流從而使各電池單體的電壓保持一致。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，目前較普遍的做法主要有兩種，第一種是將所有電池的正負(fù)極都通過(guò)導(dǎo)線連到檢測(cè)電路，還需要從一部分電池單體上安裝溫度傳感器并連接測(cè)量信號(hào)導(dǎo)線。一個(gè)電動(dòng)汽車電池組一般由至少約一百節(jié)電池單體組成，這樣整個(gè)電池組的測(cè)量信號(hào)的導(dǎo)線需要約兩百根以上。為了減少導(dǎo)線長(zhǎng)度和提高系統(tǒng)可靠性，更多采用第二種方法，即分布式結(jié)構(gòu)。分布式電池管理系統(tǒng)包含一個(gè)中心控制模塊和幾個(gè)分布式信號(hào)處理模塊。分布式信號(hào)處理模塊連接其周圍幾個(gè)電池單體的測(cè)量信號(hào)導(dǎo)線，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后通過(guò)總線將信息發(fā)送至中心控制模塊。雖然這種分布式電池管理系統(tǒng)減少了導(dǎo)線長(zhǎng)度，但仍然需要通過(guò)導(dǎo)線將電池單體與分布式信號(hào)處理模塊連接，電池組內(nèi)依然存在大量導(dǎo)線。且測(cè)量導(dǎo)線往往是通過(guò)螺栓與電池極柱連接，增加了成組工作復(fù)雜度，且存在更多的潛在故障點(diǎn)。以上兩種方法除了要使用大量導(dǎo)線，還需要較大規(guī)模的信號(hào)測(cè)量電路，這也增加了電池成組的復(fù)雜度、研發(fā)成本和生產(chǎn)成本。且模擬信號(hào)通過(guò)較長(zhǎng)的導(dǎo)線連接到測(cè)量電路，致使信號(hào)對(duì)電磁干擾較敏感，影響測(cè)量精度甚至導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤。另一方面，電池成組廠商需要一套算法來(lái)實(shí)現(xiàn)一些功能，比如通過(guò)測(cè)量結(jié)果估計(jì)電池電量、限制電流來(lái)保證電池的安全使用等。但估計(jì)電量和設(shè)置限值依據(jù)的數(shù)據(jù)往往是電池制造廠商最清楚，而不是電池成組廠商。電池制造廠商通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試掌握了電池的特性數(shù)據(jù)，雖然電池制造廠商會(huì)向電池成組廠商提供這些信息，但通常這些信息不會(huì)完整傳達(dá)和被足夠重視。
發(fā)明內(nèi)容為減少裝配空間和提高信號(hào)采集的抗干擾性，本發(fā)明提供一種智能電池系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是該智能電池系統(tǒng)包括控制器和至少一個(gè)智能電池模塊，該智能電池模塊包括至少一節(jié)電池和一個(gè)具有模擬信號(hào)采集功能和能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并和控制器進(jìn)行通信的電路系統(tǒng)，所述電路系統(tǒng)和智能電池模塊一體封裝，智能電池模塊與控制器通信連接。由于電路系統(tǒng)和智能電池模塊一體封裝，所以在空間上是緊鄰的，在裝配上是互相固定的，減少了裝配空間，提高了信號(hào)采集的抗干擾性。進(jìn)一步地，智能電池模塊與控制器的通信連接采用下列方式多個(gè)智能電池模塊之間的通信采用鏈?zhǔn)竭B接，即一個(gè)智能電池模塊和他之前和之后的智能電池模塊連接，串成一條鏈，數(shù)據(jù)在上述的鏈上傳播，最后傳給控制器，從而有效減少成組后的電池箱內(nèi)的連
線數(shù)量。進(jìn)一步地，智能電池模塊與控制器的通信連接采用下列方式多個(gè)智能電池模塊通過(guò)各自的通信接口接到同一個(gè)總線上，總線和控制器連接；同樣可以有效減少成組后的電池箱內(nèi)的連線數(shù)量。進(jìn)一步地，智能電池模塊中，設(shè)有溫度傳感器，溫度傳感器通過(guò)導(dǎo)線連接到電路系統(tǒng)，電路系統(tǒng)通過(guò)采集溫度傳感器的輸出值獲取智能電池模塊的溫度信息。進(jìn)一步地，每節(jié)電池都設(shè)有均衡電路，由電路系統(tǒng)控制均衡電路的開(kāi)關(guān)，控制每節(jié)單體電池單獨(dú)均衡。進(jìn)一步地，所述電路系統(tǒng)為專用集成電路或者為由分立元件和微處理器組成的可編程系統(tǒng)，以便減少成本并使得電池制造商能參與到電池控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中來(lái)。進(jìn)一步地,設(shè)有顯示裝置,來(lái)顯示電池的狀態(tài)。進(jìn)一步地，智能電池模塊與控制器之間的通信內(nèi)容包括電池電壓、電池剩余電量、電池溫度、和或電池狀態(tài)。進(jìn)一步地，控制器根據(jù)通信內(nèi)容控制開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)控制電池和外部終端的通斷，以便保證電池不過(guò)充、不過(guò)放。進(jìn)一步地，所述智能電池系統(tǒng)用于電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車或移動(dòng)設(shè)備，從而使得所述智能電池系統(tǒng)適應(yīng)多元化應(yīng)用。該智能電池系統(tǒng)的積極效果如下第一，簡(jiǎn)化電池單體和電池管理系統(tǒng)間的連接方法，減少所需的測(cè)量導(dǎo)線數(shù)量，提高連接可靠性；第二，在空間上離電池最近的位置進(jìn)行電壓、溫度等模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，提高信號(hào)采集的抗干擾性；第三，通過(guò)可編程的智能電池系統(tǒng)，讓電池制造商參與到電池控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中來(lái)。
圖I為電池模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為多節(jié)電池模塊的一種互連方式示意圖；圖3為多節(jié)電池模塊的另一種互連方式示意圖；圖4為帶有外部顯示的智能電池系統(tǒng)示意圖；圖中標(biāo)記如下10_通信線；11_電池模塊；12_電路系統(tǒng)；13_第一導(dǎo)線；14_電池；15_第二導(dǎo)線；16_第三導(dǎo)線；17_第四導(dǎo)線；18_第一開(kāi)關(guān)；19_電池模塊正極；20_電池模塊負(fù)極；21_第五導(dǎo)線；22_電阻；23_第二開(kāi)關(guān)；24_溫度傳感器；50_控制器；51_通信接口 ；54_第三開(kāi)關(guān)；55_電動(dòng)機(jī)；71_通信總線；80_顯示裝置。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖描述本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式。[0025]如圖I所示，一個(gè)智能電池模塊11包括至少一節(jié)電池14、一個(gè)具有模擬信號(hào)采集功能和通信功能的電路系統(tǒng)12。需要說(shuō)明的是，上述的電池14不一定是用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池，比如也可以是電動(dòng)自行車的動(dòng)力電池或者移動(dòng)設(shè)備的電池。同樣電路系統(tǒng)12也可以是任何電路系統(tǒng)，比如可以是專用集成電路(ASIC Application Specific IntegratedCircuit)或者分立元件和微處理器組成的PCB (Printed Circuit Board)系統(tǒng)。為了表述的方便，假設(shè)電池14為電動(dòng)車動(dòng)力電池，電路系統(tǒng)12為ASIC。從成本上考慮，在大批量生產(chǎn)的情況下，ASIC電路系統(tǒng)12最多花費(fèi)數(shù)美元，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的價(jià)格一般在數(shù)十至一百美元，此發(fā)明適合用于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池上。還需要說(shuō)明的是，電路系統(tǒng)12可以在智能電池模塊11的外殼的內(nèi)部，也可以在智能電池模塊11的外殼的外部，重要的是電路系統(tǒng)12和智能電池模塊11是一體的，在空間上是緊鄰的，在裝配上是互相固定的。在智能電池模塊11中，電池14的正負(fù)極分別通過(guò)第一導(dǎo)線13和第二導(dǎo)線15連接到ASIC 12上。ASIC 12可以是由電池14通過(guò)第一導(dǎo)線13和第二導(dǎo)線15來(lái)供電的，也可以是由外部供電的(由外部供電的電路未在圖I中畫出)。ASIC12通過(guò)第一導(dǎo)線13和第二導(dǎo)線15來(lái)采集電池的電壓，并可以將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。智能電池模塊的正極19和負(fù)極20可以直接連到電池14的正負(fù)極，也可以通過(guò)圖·I中的第一開(kāi)關(guān)18互相連接。需要說(shuō)明的是，第一開(kāi)關(guān)18可以是任何一種開(kāi)關(guān)，比如可以是大功率場(chǎng)效應(yīng)管。第一開(kāi)關(guān)18可以導(dǎo)通或者切斷電池14的充放電回路，控制第一開(kāi)關(guān)18的信號(hào)由ASIC 12發(fā)出，通過(guò)第三導(dǎo)線16對(duì)第一開(kāi)關(guān)18進(jìn)行控制。同時(shí)第一開(kāi)關(guān)18的B端，即智能電池模塊的負(fù)極20，通過(guò)第四導(dǎo)線17連接到ASIC 12。ASIC 12通過(guò)測(cè)量導(dǎo)線15和導(dǎo)線17之間的電壓，并且知道第一開(kāi)關(guān)18的導(dǎo)通電阻的情況下，可以計(jì)算出流過(guò)電池14的電流的大小和方向。在智能電池模塊11中，可以有一個(gè)溫度傳感器24，它可以通過(guò)導(dǎo)線連接到ASIC12上，ASIC 12通過(guò)采集溫度傳感器的輸出值獲取智能電池模塊的溫度信息。溫度傳感器24也可以集成在ASIC 12中。在智能電池模塊11中，可以有一個(gè)用于電池均衡的模塊，需要說(shuō)明的是，均衡的方法可以是任何方法，例如可以是耗散型的。圖I中的電阻22和第二開(kāi)關(guān)23可以實(shí)現(xiàn)一種耗散型的電池均衡方法。ASIC 12可以將采集的電池信息(電壓、溫度)通過(guò)通信線10發(fā)送到外部，由外部的某個(gè)控制器分析多個(gè)智能電池模塊發(fā)送來(lái)的信息，把分析得出的均衡控制的信號(hào)返回給智能電池模塊11中的ASIC 12，然后由ASIC 12通過(guò)第五導(dǎo)線21向第二開(kāi)關(guān)23進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡。也可以將第二開(kāi)關(guān)23的控制端C直接通過(guò)導(dǎo)線引出到智能電池模塊的外部，由外部的均衡控制信號(hào)直接控制。也可以是ASIC 12通過(guò)通信線10接收其他智能電池模塊發(fā)出的信息，分析這些信息來(lái)自主決定是否要進(jìn)行均衡，再通過(guò)第五導(dǎo)線21控制第二開(kāi)關(guān)23進(jìn)行均衡。一個(gè)智能電池模塊11也可以包括多節(jié)單體電池14，這些電池可以串聯(lián)也可以并聯(lián)，ASIC 12可以由這些電池14共同供電。每節(jié)電池14都有一組前面所述的均衡模塊，由ASIC 12控制均衡開(kāi)關(guān)，控制每節(jié)單體電池14單獨(dú)均衡。一般電池生產(chǎn)廠商會(huì)通過(guò)測(cè)量得到表示電池特性的數(shù)據(jù)，例如可能是一條電池放電特性曲線(電池開(kāi)路電壓隨電量大小的變化)?？梢詫⑦@些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ASIC 12中的ROM中，ASIC可以通過(guò)這些數(shù)據(jù)和采集到的電池電壓、溫度等信息，得出當(dāng)前電池的SOC信息。SOC信息可以是用百分比表示的，也可以是用安時(shí)數(shù)表示的。ASIC 12也可以通過(guò)ROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和采集到的電池電壓、電流等信息，來(lái)判斷電池工作狀態(tài)是否正常，ASIC 12可以通過(guò)通信線10向外部發(fā)送上述的狀態(tài)信息，也可以根據(jù)狀態(tài)信息決定第一開(kāi)關(guān)18的通斷，以保護(hù)電池14。智能電池模塊11通過(guò)通信線10與外部通信。由于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池通常需要至少約100節(jié)電池串聯(lián)，因此智能電池模塊之間的通信需要用相應(yīng)的方案解決。多個(gè)智能電池模塊11之間的通信可以使用鏈?zhǔn)竭B接的方式(參見(jiàn)圖2)，即一個(gè)智能電池模塊11和他之前和之后的一個(gè)模塊連接，串成一條鏈，數(shù)據(jù)在上述的鏈上傳播，最后傳給外部的某個(gè)控制器。相鄰智能電池模塊11之間的連接可以隔離，也可以不隔離(例如可以使用電容耦合或升壓降壓的方法)。多個(gè)智能電池模塊11之間的通信也可以使用總線的方式(參見(jiàn)圖3)，即數(shù)個(gè)智能電池模塊11的通信線10接到同一個(gè)總線上(總線和智能電池模塊之間的連接通常需要隔離)，然后由某個(gè)外部的控制器讀取總線上的數(shù)據(jù)?？偩€的協(xié)議可以是任何 協(xié)議，例如CAN或者IIC等。上述通信的內(nèi)容可以是電池電壓、電池剩余電量、電池溫度、電池狀態(tài)等。由于在車輛中使用的動(dòng)力電池一般需要較高的電壓水平，所以需要將幾十到上百塊電池單體串聯(lián)而成。如圖2所示，多節(jié)智能電池模塊11串聯(lián)，通過(guò)一個(gè)可控的第三開(kāi)關(guān)54連接到電動(dòng)機(jī)55的兩端。相鄰兩節(jié)電池通過(guò)通信接口 51進(jìn)行通信，最終所有電池的信息通過(guò)與控制器50相連的某節(jié)智能電池模塊11傳遞到控制器50，控制器通過(guò)對(duì)電池?cái)?shù)據(jù)的分析，做出相應(yīng)的控制，控制信息會(huì)通過(guò)連接各節(jié)電池的通信接口 51傳遞到各節(jié)智能電池模塊11。同時(shí)控制器50也會(huì)根據(jù)電池信息即通信內(nèi)容來(lái)控制第三開(kāi)關(guān)54，依據(jù)的原則是保證電池組和外接設(shè)備的安全。如圖3所示，多節(jié)電池組也可以用另一種方式連接。每節(jié)智能電池模塊11的通信接口 51連接到通信總線71上，通信總線71與控制器50連接。每節(jié)智能電池模塊11將電池信息發(fā)送到通信總線71上，控制器50從總線上讀取電池信息，做出判斷和控制，將控制信息發(fā)送到通信總線71上，再由各節(jié)智能電池模塊讀取并響應(yīng)。同時(shí)控制器50也會(huì)根據(jù)電池信息來(lái)控制第三開(kāi)關(guān)54，依據(jù)的原則是保證電池組和外接設(shè)備的安全。圖2和圖3中的連接方法都可以有效減少成組后的電池箱內(nèi)的連線數(shù)量。如圖4所示，智能電池模塊的外表面可以有一個(gè)顯示裝置80，用來(lái)顯示電池的信息如剩余電量、溫度、內(nèi)部開(kāi)關(guān)狀態(tài)等。顯示裝置80由智能電池模塊內(nèi)部的電路系統(tǒng)12控制。顯示裝置80的主要好處是當(dāng)很多節(jié)智能電池模塊成組為一個(gè)電池組后，顯示裝置80讓人方便地了解各節(jié)電池的狀況以及均衡情況，當(dāng)電池組出現(xiàn)故障時(shí)，顯示裝置80讓人能方便地排查故障位置。
權(quán)利要求1.一種智能電池系統(tǒng)，該智能電池系統(tǒng)包括控制器和至少一個(gè)智能電池模塊，該智能電池模塊包括至少一節(jié)電池和一個(gè)具有模擬信號(hào)采集功能和能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并和控制器進(jìn)行通信的電路系統(tǒng)，其特征在于所述電路系統(tǒng)和智能電池模塊一體封裝，智能電池模塊與控制器通信連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于多個(gè)智能電池模塊之間的通信采用鏈?zhǔn)竭B接，即一個(gè)智能電池模塊和他之前和之后的智能電池模塊連接，串成一條鏈，數(shù)據(jù)在上述的鏈上傳播，最后傳給控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于多個(gè)智能電池模塊通過(guò)各自的通信接口接到同一個(gè)總線上，總線和控制器連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于智能電池模塊中，設(shè)有溫度傳感器，溫度傳感器通過(guò)導(dǎo)線連接到電路系統(tǒng)，電路系統(tǒng)通過(guò)采集溫度傳感器的輸出值獲 取智能電池模塊的溫度信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于智能電池模塊中為每節(jié)電池都設(shè)有均衡電路，由電路系統(tǒng)控制均衡電路的開(kāi)關(guān)，控制每節(jié)電池單獨(dú)均衡。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于所述電路系統(tǒng)為專用集成電路或者為由分立元件和微處理器組成的可編程系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于該智能電池系統(tǒng)設(shè)有顯示 裝直。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于控制器根據(jù)通信內(nèi)容控制開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)控制電池和外部終端的通斷。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種智能電池系統(tǒng)，屬于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池技術(shù)領(lǐng)域，該智能電池包括控制器和至少一個(gè)智能電池模塊，該智能電池模塊包括至少一節(jié)電池和一個(gè)具有模擬信號(hào)采集功能和能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并和控制器進(jìn)行通信的電路系統(tǒng)，所述電路系統(tǒng)和智能電池模塊一體封裝，智能電池模塊與控制器通信連接。該智能電池裝配空間緊湊，所需的測(cè)量導(dǎo)線數(shù)量少，連接可靠性和信號(hào)采集的抗干擾性高。
文檔編號(hào)H01M10/48GK202564498SQ20112053756
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月21日
發(fā)明者朱雪洲, 華劍鋒, 田碩, 李立國(guó), 孟慶然 申請(qǐng)人:北京科易動(dòng)力科技有限公司