電池狀況確定的制作方法

本發明涉及能量轉換裝置，諸如電池，它被配置成將化學能轉換成電能并確定該能量轉換裝置的狀況。本發明還涉及確定被配置成將化學能轉換成電能的能量轉換裝置的狀況的方法。本發明進一步涉及配置成確定能量轉換裝置的狀況的狀況確定裝置。

背景技術：

鋰離子電池單元已經廣泛用于小型消費設備中，諸如膝上型計算機和移動電話。鋰離子電池最近開始在具有較大電能需求的應用中取代常規電池，諸如電動車和靜電發生裝置。鋰離子電池由于它們通常優于常規電池(諸如鉛酸和NiMH電池)的性能(尤其是關于能量存儲密度和功率密度)而被越來越多地使用。為滿足這樣的較大能量需求應用中的電能需求，電池通常包括取決于電流和電壓要求而按串聯和并聯中的至少一者來安排的多個鋰離子電池單元。

鋰離子電池由于它們包含可燃電介質而在某些情況下可能是危險的。鋰離子電池的安全和高效使用通常需要該電池在其安全工作區(SOA)內工作。進一步考慮在SOA內工作，大多數鋰離子電池單元在放電至特定電壓之下的情況下受損，并且在以過高電流放電或過快放電的情況下它們的壽命降低。此外，如果鋰離子電池單元被過充電至特定電壓以上或者如果它們超過特定溫度則它們可能損壞，并且如果被進一步過充電則可能爆燃。另外，通常存在對正常工作區(NOA)的較少約束。違背NOA導致容量或電池單元壽命隨時間降低。這些挑戰與典型鋰離子電池的多單元配置混合，其中充電和放電的不均勻性可發生在各單元之間。因此，通常需要通過電池管理系統(BMS)來仔細管理以準許安全和高效操作。

用于鋰離子電池布置的電池管理系統是已知的。這樣的電池管理系統通常作出電池中各屬性的測量，諸如電流、電壓以及溫度，并基于這些測量作出與安全和高效操作有關的確定。各確定通常依賴于電池的分析模型來作出。

發明人了解管理鋰離子電池裝置的已知辦法中的缺點。已鑒于發明人對這樣的缺點的了解設計了本發明。因此，本發明的目標是提供一種包括各自被配置成將化學能轉換成電能的多個單元的經改進的能量轉換裝置，該能量轉換裝置被配置成確定該多個單元的狀況。本發明的另一目標是提供一種確定包括多個單元的能量轉換裝置的狀況的經改進的方法。本發明的又一目標是提供一種配置成確定包括多個單元的能量轉換裝置的狀況的經改進的狀況確定裝置。

發明概述

根據本發明的第一方面，提供了一種配置成將化學能轉換成電能的能量轉換裝置，諸如電池，所述能量轉換裝置包括：

該能量轉換裝置中包括的多個單元群，每一單元群被配置成將化學能轉換成電能；以及

配置成作出該多個單元群中的每一者處的至少一個測量裝置，

該能量轉換裝置被配置成依賴于每一單元群處作出的測量和每一單元群的模型來確定以下至少一者的狀況：多個單元群中的每一者；以及能量轉換裝置。

根據本發明的能量轉換裝置(諸如電池)包括多個單元群，該多個單元群各自被配置成將化學能轉換成電能，由此能量轉換裝置可以提供來自該多個單元群中的全部的電能。在該能量轉換裝置中，至少一個測量裝置被配置成作出該多個單元群中的每一者處的測量。測量可例如包括電壓、電流、溫度以及壓力。因此對多個單元群中的每一者作出分開的測量。該能量轉換裝置被配置成確定多個單元群中的每一者的至少一個狀況，諸如充電狀態(SOC)、健康狀態(SOH)、放電深度(DOD)、容量、內部電阻和內部阻抗。該狀況因而可包括導出的數據，即從至少一個測量裝置作出的電和/或物理屬性的測量中導出的數據。導出的數據可對應于不易直接測量的屬性。導出的數據可包括至少一個導出的電屬性，諸如內部電阻或內部阻抗。作為補充或替換，導出的數據可包括表示單元群和能量轉換裝置中的至少一者的工作狀況的狀況數據，諸如SOC、SOH或DOD。依賴于在每一單元群處作出的測量以及每一單元群的模型來確定以下至少一者的狀況：多個單元群中的每一者；以及能量轉換裝置。在分布式布置中，如下文進一步描述的，每一單元群的狀況可依賴于在單元群處作出的測量和該單元群的模型來確定。能量轉換裝置因此能用于確定每一單元群的分開的狀況。

單元群模型可依賴于在單元群上作出的測量來確定，諸如在初始測試期間。單元群模型因此可以是數值模型，與已知的分析模型(盡管是電池級模型)形成對比。在能量轉換裝置包括電池時，單元群模型可以基于足以表征電池的SOC對開路電壓(OCV)曲線的測量。每一單元群模型可被存儲在該單元群處。通常并且如下文進一步描述的，鑒于與模擬單元群模型相比使用數字單元群模型的方便性，測量裝置和模數轉換裝置也可位于單元群處。根據一種辦法，相同的單元群模型可被用于各個單元群。根據另一種辦法，不同的單元群模型可被用于各個單元群。更具體而言，每一單元群模型可針對與其一起操作的單元群來配置，諸如依賴于在初始測試/校準期間在單元群處作出的測量。然而，單元群模型可以具有相同結構。

能量轉換裝置可被進一步配置成依賴于多個單元群狀況來確定該能量轉換裝置本身的狀況。總體狀況因此可依賴于所有分開確定的單元群狀況的所確定的狀況。作為示例并且在能量轉換裝置包括電池的情況下，電池的總體SOC和總體放電深度可被確定。此外，可相關于能量轉換裝置上的操作來作出更為有見識的決定，諸如何時執行電荷平衡。能量轉換裝置可包括能量轉換裝置模型，該能量轉換裝置模型在使用時接收多個單元群狀況并依賴于此來提供能量轉換裝置數據。能量轉換裝置本身的狀況可依賴于能量轉換裝置數據來確定。根據一種辦法，能量轉換裝置模型可被存儲在一個位置處，諸如諸單元群之一處。根據另一辦法，可存在能量轉換裝置模型的至少一個副本，它被存儲在不同位置處，諸如諸單元群中的另一者處。例如，可存在能量轉換裝置模型的許多副本，因為存在每一單元群處都存儲有一副本的諸單元群。如上所述，存儲能量轉換裝置模型的至少一個副本可以降低需要在能量轉換裝置內傳遞的數據量。

如上所述，電荷平衡可以是能量轉換裝置(諸如電池)的重要功能。電荷平衡的已知辦法在以下文獻中描述：Battery Management Systems for Large Lithium-Ion Battery Packs(用于大型鋰離子電池組的電池管理系統)，Davide Andrea，2010，由Artech House發布，Norwood MA 02062，USA。如本文其他部分所描述的，根據本發明的能量轉換裝置可被配置成使得每一單元群確定其自己的SOC。此外，每一單元群接收能量轉換裝置中包括的其他單元群的SOC數據以及其他，由此能量轉換裝置的SOC可被確定。能量轉換裝置可被配置成使得每一單元群能用于依賴于單元群自己的SOC和能量轉換裝置的SOC來確定該單元群是否應當執行被動電荷平衡。因而，能量轉換裝置中的每一單元群獨立于其他單元群或與其他單元群合作地作出與電荷平衡有關的確定。然而，能量轉換裝置可被配置成使得在分布式基礎上且不依賴于中央控制器來作出與電荷平衡有關的確定。的確并且如本文其他部分所描述的，能量轉換裝置可缺少任何中央控制器。中央控制器的特點是已知集中式地控制能量轉換裝置，與本發明的分布式辦法形成對比。本發明的能量轉換裝置可被配置成依賴于由單元群作出的確定來執行電荷平衡。能量轉換裝置因此可包括電荷平衡裝置。適當的電荷平衡裝置的形式和功能在Battery Management Systems for Large Lithium-Ion Battery Packs(用于大型鋰離子電池組的電池管理系統)中描述。

作為替換或補充，能量轉換裝置可被配置用于主動電荷平衡。

已知電池管理系統依賴于電池模型，而本發明依賴于單元群模型。根據本發明的管理因此可以將各單獨單元群的特征納入考慮，例如以隨時間監視各單獨單元群。隨時間監視各單獨單元群使得能夠確定特定單元群的健康狀態的下降速度大于另一單元群的健康狀態的下降速度，等等。因此，可在替換弱或已耗盡的單元群之前更容易地標識它，而不是進行更多深入的調查以確定弱或已耗盡的單元群或替換所有單元群(而可能只有一個單元群需要替換)。此外，隨時間監視各單獨單元群可在分析之際產生輔助解決擔保問題或檢測朝潛在危險狀況(諸如熱事件，例如著火)進展的性能的信息。另外，監視各單獨的單元群可以允許在所確定的狀況超過閾值時(諸如在SOC下降至低于預定值時)生成警報數據。能量轉換裝置因此能用于將在間隔開的時間確定的多個狀況存儲在例如非易失性存儲器中。在一個時間存儲的狀況數據可包括以下至少一者：完成充電/放電周期的數目；總庫倫轉移；溫度，諸如最高和最低溫度；SOC；SOH；DOD；以及容量。更多基本狀況數據也可被存儲，諸如電壓、電流、電阻以及阻抗中的至少一者。在任何一個時間存儲的狀況數據可包括時間戳。當單元群狀況的確定和存儲是在每一單元群處時，如下文進一步描述的，隨時間監視可以允許存儲狀況數據，即使能量轉換裝置沒有被完全組裝或者即使能量轉換裝置管理系統(諸如BMS)被關機。

能量轉換裝置可進一步用于分析所存儲的多個狀況例如以確定趨勢等。作為替換或補充，分析可在能量轉換裝置以外被執行。能量轉換裝置因此可被配置成諸如通過通信端口以允許所存儲的多個狀況被傳達離開該能量轉換裝置到達另一裝置，諸如在電池充電站或遠程服務器等中包括的計算裝置，以由該另一裝置分析和報告。

存儲在間隔開的時間確定的多個狀況可允許能量轉換裝置在其初始應用之后被容易地用在第二應用中。例如，在BEV中的初始使用可能需要在原始容量的80％以上來操作電池，而在原始容量的50％以上操作該電池可能足以使第二使用是至少令人滿意的，諸如服從如所存儲的狀況所反映的服務歷史的離網存儲。能量轉換裝置因此能用于確定電能遞送容量，諸如存儲容量(在能量轉換裝置是電池時)。能量轉換裝置可進一步用于將電能遞送容量與預定值相比較，并可能還用于確定該能量轉換裝置是否應當經受第二使用。作為替換或補充，能量轉換裝置能用于依賴于所存儲的多個狀況確定服務歷史是否至少令人滿意，并可能還用于確定能量轉換裝置是否應當經受第二使用。在離網應用中將能量轉換裝置重用作本地存儲在需求和供應的平滑變化以及改進效率方面可以是有益的，尤其是當存在多個能量源的情況下，這允許供應的波動(諸如局部風力、太陽能以及CHP發電廠)。

如上所述，鋰離子電池單元由于它們包含可燃電介質而在某些情況下可能是危險的。因此需要鋰離子電池單元的適當設計來允許它們的安全使用。不正確地設計或制造的鋰離子電池單元被不知情地帶入使用并非是不為人知的，其中不正確設計的性質從電池單元的初始調查來看并不明顯。正確設計的鋰離子電池單元的驗證因此可對于減輕風險、支撐產品擔保并呈現對引入偽造電池的阻擋而言是有利的。每一單元群的模型因此可進一步包括對每一單元群而言唯一的標識碼。每一單元群因而可以是可標識的且易于驗證。此外并且在每一單元群模型包括標識碼的情況下，每一單元群可被容易地標識且與能量轉換裝置內的其他單元群區分開，以藉此允許在替換規程期間易于從能量轉換裝置移除單元群。單元群模型可進一步包括密碼簽名組件，用以藉此允許單元群認證，并且當存在在間隔開的時間確定的多個狀況的存儲的情況下，允許所存儲的狀況數據的驗證。

鋰離子電池單元的價值是相對高的。電池盜竊因此是一個風險。如上所述，能量轉換裝置可被配置成，諸如通過通信端口，以允許傳達數據離開能量轉換裝置到達電池充電站等。這樣的通信可以允許通過其唯一性標識碼來跟蹤失竊電池。標識碼可包括唯一性地址。標識碼可以是標準電子通信格式，并且可能是諸如IPv6上的TCP協議等因特網協議。使用標準電子通信格式可以允許易于在能量轉換裝置與基于因特網的數據庫等之間傳遞數據。這樣的基于因特網的數據庫可用于隨時間存儲來自多個能量轉換裝置的數據，這樣的所存儲的數據對于電池和能量轉換裝置制造商等而言是有價值的。當單元群被包括在較寬廣通信網絡(諸如在能量轉換裝置與電池充電站等通信時可提供的)時，唯一性地址可以允許對能量轉換裝置內的各單獨單元群尋址。

根據本發明的管理可以將各單獨單元群的特征納入考慮以允許對充電狀態(SOC)的經改進的確定。SOC的經改進的確定可以提供面對SOA的操作的改進。各優點包括經改進的電池使用，諸如當能量轉換裝置被包括在電池電動車中時在再充電之前增加的工作范圍或更可靠的生命結束確定。

能量轉換裝置可包括網絡且可被配置成使得多個單元群中的每一者連接到該網絡。通過該網絡的通信可以是因特網協議的形式，諸如TCP/IP。該網絡可包括隔離總線布置，由此多個單元群具有相同優先級。如上所述，每一單元群模型可包括地址，由此單元群可通過其地址而非通過其物理位置來標識。在組裝期間，能量轉換裝置的各單元群因此可按任何次序安裝。此外，單元群可被替換而無需重新指派其在網絡中的位置。與隔離節點通信相比，隔離總線辦法允許任何兩個單元群之間的基本上恒定的通信等待時間。

能量轉換裝置可包括多個測量裝置，其中每一測量裝置被配置成作出多個單元群中的相應一個單元群處的測量。多個測量裝置中的每一者可位于多個單元群中的相應一者處。能量轉換裝置內因此可存在較少通信，這具有伴隨而來的益處，諸如降低干擾(在通信通過電線進行時)的易感受性。能量轉換裝置可進一步包括模數轉換裝置，它可用于接收來自至少一個測量裝置的模擬信號并提供對應的數字信號。在能量轉換裝置包括多個測量裝置的情況下，可存在多個模數轉換裝置，其中每一模數轉換裝置能用于接收來自相應測量裝置的模擬信號。每一模數轉換裝置可位于與測量裝置不同的單元群中。到數字信號的轉換因此可發生在單元群處。具有這樣的分布式架構可降低校準和測試開銷。例如，BMS校準和測試可至少部分地與單元群測試同時執行。

每一單元群可包括多個單元，諸如兩個或四個電池單元。能量轉換裝置通常可包括多個單元，它們可被并聯地安排以形成塊，該塊使用多個單元提供增加的電流，或者塊以串聯來安排以增加電壓。單元群因此可以是塊。單元可被認為是能量轉換裝置中的能夠依賴于化學能來產生電能的最基本元件。單元群中的多個單元因此可被當作與測量有關的實體和單元群模型。或者，至少一個單元群可包括單獨一個單元。測量因此可相關于只有一個單元來作出并且單元群模型可以只針對一個單元。

多個單元群被包括在能量轉換裝置中，能量轉換裝置被配置成將化學能轉換成電能。能量轉換裝置可包括能量存儲裝置。能量存儲裝置可包括電池且因而可依賴于所存儲的化學能來操作。能量轉換裝置可用于將電能轉換成所存儲的化學能。電池因此可以是二次電池，即可再充電電池。至少一個單元可以是電化學單元，它能用于將所存儲的化學能轉換成電能并且反向轉換。更具體而言，至少一個單元可以是鋰離子(Li離子)單元。另選地，能量轉換裝置可根據來自接收到的而非所存儲的物質的化學能來操作。能量轉換裝置因此可包括燃料電池裝置。燃料電池裝置可用于將接收到的燃料(諸如氫氣)轉換成電能。至少一個單元可以是燃料電池。

測量可包括電屬性和物理屬性中的至少一者的測量。測量可包括：電壓；電流；溫度；以及壓力。至少一個測量裝置可被適當地配置成測量至少一個電屬性和物理屬性。

在能量轉換裝置包括電池的情況下，能量轉換裝置可被配置成依賴于至少一個所確定的狀況來確定電池要如何被充電。更具體而言，能量轉換裝置可被配置成相關于SOA需求來確定電池要如何被充電以提供例如快速充電，但不損害電池的完整性或安全性。能量轉換裝置因此可包括與SOA需求相關的參數。與電池被如何充電有關的確定可以依賴于所存儲的多個狀況所反映的服務歷史，如本文其他部分所描述的。能量轉換裝置在充電之后的預期使用可關系到電池是如何充電的。能量轉換裝置因此可包括操作者輸入端和數據存儲，用戶能操作該操作者輸入端來輸入與預期使用相關的數據，數據存儲能用于存儲用戶輸入的數據。在能量轉換裝置要被用在BEV中時，用戶可以例如輸入與BEV要行進的預期距離相關的數據。能量轉換裝置可用于依賴于用戶輸入的數據來確定電池被如何充電。不同能量價目可在一天中的不同時間應用。因此，控制電池在何時充電可以是有利的。控制電池何時充電可以通過以上描述的操作者輸入端來進行。能量轉換裝置可進一步包括充電裝置，它被配置成對能量轉換裝置中包括的電池充電。充電裝置可依賴于本文其他部分描述的能量轉換裝置的操作來控制。

如本文其他部分描述的，每一單元群可本身相關于各管理功能來操作，諸如：電壓、電流以及溫度等的測量；各參數的確定，諸如SOC、DOD、SOH以及內部電阻；以及各事件(諸如充電/放電周期、NOA以及SOA偏移)的記錄。每一單元群可以操作而不管能量轉換裝置是否從該單元群和其他單元群來被組裝，能量轉換裝置是否已被組裝，或者能量轉換裝置是否已被分解。每一單元群因此可被配置成執行至少一個管理功能。作為替換或補充，每一單元群可被配置成與至少一個其他單元群合作地執行至少一個管理功能。

根據本發明的第二方面，提供了包括根據本發明的第一方面的能量轉換裝置的電動車(EV)。電動車(EV)可包括電推進裝置。EV可包括電池或缺少電池。更具體而言，電動車可以是燃料電池電動車(FCEV)、電池電動車(BEV)、混合電動車(HEV)、以及插電混合電動車(PHEV)之一。在電動車包括電池的情況下，電動車可進一步包括被配置成對電池充電的充電裝置。

已知電動車包括能用于記錄與電動車的使用相關的數據的數據記錄器。通常，只有相對新近的數據被存儲在數據記錄器中，諸如在碰撞之前與電動車的最近五秒使用相關的數據。能量轉換裝置可被配置成單獨地或與數據記錄器相組合地提供增強型數據記錄。更具體而言，能量轉換裝置可被配置成除單元群狀況之外還記錄來自至少一個車內傳感器的測量，諸如與GPS位置、速度以及加速度相關的測量。

能量轉換裝置可被配置成分析所記錄的數據并將分析結果與參考數據相比較。參考數據可以例如基于在至少一個先前旅程期間記錄的數據，且分析可包括比較當前完成的旅程與參考數據之間的能量使用效率。作為進一步示例，參考數據可以基于從多個能量轉換裝置收集的數據，這是從用于接收并存儲由多個能量轉換裝置記錄的數據的服務器接收到的。能量轉換裝置的用戶因而能夠將駕駛效率與由類似旅程的大量其他車輛所建立的均值標準等相比較。

根據本發明的第三方面，提供了一種包括多個能量轉換裝置和服務器的能量轉換裝置管理裝置，每一能量轉換裝置都是根據本發明的第一方面的，每一能量轉換裝置和服務器被配置成彼此進行數據通信。更具體而言，服務器可被配置成存儲能量轉換裝置管理數據。能量轉換裝置管理數據可包括從多個能量轉換裝置中的每一者接收到的數據。能量轉換裝置管理數據對制造商和供應商而言對如下各項是有價值的：處理擔保問題；認證單元群；以及評估產品性能。作為替換或補充，能量轉換裝置可以接收從服務器接收到的能量轉換裝置管理數據且能依賴于能量轉換裝置管理數據來操作。例如，可依賴于從服務器接收到的能量轉換裝置管理數據向能量轉換裝置的用戶建議對提供能量轉換裝置或適當的旅程規劃的需求。

根據本發明的第四方面，提供了一種確定被配置成將化學能轉換成電能且包括多個單元的能量轉換裝置(諸如電池)的狀況的方法，每一單元被配置成將化學能轉換成電池，該方法包括：

作出多個單元中的每一者處的測量；以及

依賴于在每一單元處作出的測量以及每一單元的模型來確定以下至少一者的狀況：多個單元群中的每一者；以及能量轉換裝置。

本發明的第四方面的各實施例可包括本發明的任何先前方面的一個或多個特征。

根據本發明的第五方面，提供了一種狀況確定裝置，包括：

至少一個測量裝置，其被配置成作出能量轉換裝置中包括的多個單元群中的每一者處的測量，該多個單元群中的每一者被配置成將化學能轉換成電能；以及

包括用于使計算機(諸如微控制器)依賴于在每一單元群處作出的測量以及每一單元群的模型來確定以下至少一者的狀況的程序指令的計算機程序：多個單元群中的每一者；以及能量轉換裝置。

更具體而言，計算機程序可以是以下之一：被包括在記錄介質上；包括在只讀存儲器中；存儲在計算機存儲器中；以及攜帶在電載波信號上。本發明的第五方面的進一步實施例可包括本發明的第一方面的一個或多個特征。

根據本發明的又一方面，提供了一種能量轉換裝置，包括：多個單元群，每一單元群被配置成將化學能轉換成電能；以及至少一個測量裝置，其被配置成作出多個單元群中的每一者處的測量，能量轉換裝置被配置成依賴于每一單元群處的測量來確定該能量轉換裝置的狀況。能量轉換裝置可被配置成依賴于在每一單元群處作出的測量來確定至少一個單元群的狀況。本發明的又一方面的進一步實施例可包括本發明的任何先前方面的一個或多個特征。

附圖簡述

根據以下具體描述，本發明的進一步特征和優點將變得明顯，以下具體描述只是作為示例且參考附圖給出的，附圖中：

圖1示出在充電期間的包括根據本發明的能量轉換裝置的電動車；

圖2是根據本發明的能量轉換裝置的框圖表示；

圖3是位于單元塊處的能量轉換裝置的電路系統的框圖表示；

圖4是示出單元群模型和電池模型的框圖表示；以及

圖5示出電池單元的使用周期。

實施例的描述

圖1中示出了包括根據本發明的電池形式的能量轉換裝置12的、電池正被充電的電池電動車(BEV)10。如可從圖1看到的，BEV 10進一步包括電耦合到電池12且能用于控制電池的充電的充電裝置14。根據已知實踐，充電裝置14電連接到車輛充電點16。車輛充電點16與遠程服務器18處于通信中。數據在車輛充電點16與服務器18之間傳遞，如下文進一步描述的。多個進一步車輛充電點20在相應不同位置處提供，其中每一進一步車輛充電點20也與服務器18處于通信中，由此來自車輛充電點16、20中的每一者的數據被傳達給服務器18、存儲在服務器18上且由服務器18操作。圖1示出了涉及通過充電點16與能量轉換裝置12之間的線耦合來充電的布置。根據一替換辦法，充電是通過充電點16與能量轉換裝置12之間的感應耦合來無線地進行的。感應耦合的無線充電布置的設計將在本領域普通技術人員的普通設計能力之內。如可從圖1看到的，電池12包括串聯連接的鋰離子電池單元的十六個塊22(各自構成單元群)。每一個塊22包括并聯連接的多個鋰離子電池單元。在一替換形式中，每一個塊包括單獨一個電池單元，注意，在單獨一個電池單元被使用來代替多個電池單元時本發明同樣適用。電池12進一步包括電池管理裝置24，這將參考圖2到4在下文進一步描述。

圖2中示出了鋰離子電池單元的四個串聯連接的塊和相關聯的電路系統(它們一起構成能量轉換裝置)的框圖表示。圖2的布置包括第一、第二、第三以及第四單元塊30、32、32、36。圖2的布置進一步包括在每一單元塊處基本上相同的測量和處理電路系統。測量和處理電路系統在圖3中更詳細地示出。測量和處理電路系統包括與每一個塊串聯的低值電阻器38，它能用于感測從該塊吸取的電流并形成分壓器布置(未示出)的一部分，分壓器布置能用于將所吸取的電流轉換成可測量的電壓。測量要是12或14比特準確度，其中確定電流所達到的實際準確度由于自加熱效應而小于12或14比特測量所提供的準確度。第一模數轉換器40能用于將來自分壓器布置的電壓轉換成對應的數字數據。測量和處理電路系統還包括第二模數轉換器42，它能用于將跨該塊的電壓轉換成對應的數字數據。跨該塊的電壓被測量到1mV內。測量和處理電路系統還包括溫度傳感器44，諸如集成電路中包括的硅帶隙溫度傳感器(或與絕對溫度成正比的傳感器)或分立的熱敏電阻，它被布置在該塊之上或附近且因而能用于感測該塊的溫度。第三模數轉換器46能用于將來自溫度傳感器44的模擬信號轉換成對應的數字數據。溫度被測量到0.5攝氏度。

測量和處理電路系統進一步包括微控制器48、非易失性RAM 50、實時時鐘(RTC)52以及收發機電路系統54。測量和處理電路系統的除微控制器48以外的組件結合成定制集成電路，其中測量和處理電路系統被包含在該塊內或安裝在該塊上。微控制器48接收來自第一到第三模數轉換器40、42、46的對應于電流、電壓以及溫度的數字數據并且能用于處理接收到的數據且確定塊狀況和電參數，如下所述。如根據以下描述將變得明顯的，狀況確定涉及與閾值相比較。測量和處理電路系統因此包括穩定電壓參考，諸如帶隙參考，它針對已知電壓被校準。所確定的狀況和導出的電參數連同來自RTC 52的時間戳一起被存儲在非易失性RAM 50中，由此數據被存儲用于該塊的壽命。測量和處理電路系統能用于取決于系統活動以0.01Hz(即小于每分鐘一次)和1kHz之間的速率來測量電壓、電流以及溫度。當沒有充電或放電時，測量處于非常慢的速率來最小化功耗。另一方面，在存在活動(諸如充電或放電)時，測量處于較高速率。微控制器48能用于確定所存儲的數據的優先次序并周期性地刪除舊數據或較不重要的數據以從而高效地使用非易失性RAM 50。RTC 52是自主的且由石英晶體振蕩器或來自微控制器48的定時信號來驅動。可能存在的不論什么長期漂移都可通過周期性地將RTC 52同步到外部時鐘(諸如通過車輛充電點16訪問的基于因特網的時鐘服務)來解決。測量和處理電路系統能用于檢測塊何時不吸取電流，由此測量和處理電路系統進入睡眠狀態，它從睡眠狀態周期性地蘇醒以恢復測量。

數據自測量和處理電路系統的前向通信是通過收發機電路系統54到總線56。收發機電路系統54被配置成提供與總線56的電擊隔離。電擊隔離被用來解決在總線56遍歷電池中的所有塊時的累積電壓漂移。在第一形式中，收發機電路系統54被配置成通過IEEE 802.15個域網標準來通信，其中數據通過由變壓器(未示出)連接到每一收發機電路系統54的雙絞線電纜來傳達。在第二形式中，數據通過主電池總線來傳達。主電池總線通常是有噪聲的并且因此電力線通信(PLC)中使用的那一類穩健的協議被用在第二形式中來代替IEEE802.15個域網標準。

現在返回至圖2，監督微控制器58被連接到總線56。監督微控制器58被配置成執行與各塊處的測量和處理電路系統相關的監督操作。監督微控制器58是塊處的微控制器之一或者單獨的微控制器。監督微控制器58被配置成允許與外部網絡通信，該外部網絡在圖1的電動車10連接到車輛充電點16時被訪問。取決于充電是通過有線辦法還是無線辦法達成的，與外部網絡的數據通信是通過有線信道或無線信道的。如以上參考圖1所提到的，車輛充電點16與服務器18之間存在數據通信。監督微控制器58被配置成允許根據因特網協議(諸如IPv6上的TCP協議)與外部網絡通信。使用因特網協議允許在監督微控制器58與服務器18之間容易地傳遞數據。圖1的服務器18能用于隨時間存儲來自大量BEV的數據，其中這樣的所存儲的數據對于電池和能量轉換裝置制造商等而言是有價值的。監督微控制器58被進一步配置成與其他車載測量和數據記錄裝置合作，由此來自車內傳感器等的數據被監督微控制器58接收到以用于向前傳遞給服務器來提供增強型數據記錄。監督微控制器58被進一步配置成分析所記錄的數據并將分析結果與參考數據相比較。參考數據例如基于在至少一個先前旅程期間記錄的數據，且分析包括比較當前完成的旅程與參考數據之間的能量使用效率。作為進一步示例，參考數據可以基于從若干BEV收集的數據，它被存儲在服務器18中并且隨后傳遞給BEV，BEV利用一設施來將驅動效率與大量其他車輛針對類似旅程建立的均值標準等相比較。

唯一性地址被存儲在每一微控制器本地的存儲器中，由此每一個塊可被唯一地標識。唯一性地址具有根據因特網協議(諸如Ipv6上的TCP協議)的格式，以從而允許通過總線56在每一個塊與因特網連接的服務器18之間的容易的數據通信。

現在將參考圖4更詳細地考慮測量和處理電路系統內的測量處理。圖4是示出單元群模型和電池模型的框圖表示。圖4示出兩個塊中的每一者的測量和處理電路系統。與圖2和3相同的組件由相同的附圖標記來指示。圖4中還示出了第一單元群模型60、第二單元群模型62、第一電池模型64以及第二電池模型66。第一單元群模型60被存儲在一個塊的測量和處理電路系統的第一微控制器本地的存儲器中，而第二單元群模型62被存儲在另一個塊的測量和處理電路系統的第二微控制器本地的存儲器中。第一電池模型64被存儲在第一微控制器本地的存儲器中，而第二電池模型66被存儲在第二微控制器本地的存儲器中。因此，在每一電池單元塊處存在單元群模型和電池模型。相同的電池模型存在于每一電池單元塊處，使得在本示例中第二電池模型66是第一電池模型64的副本。如根據以下描述將變得明顯的，每一電池模型64、66利用由單元群模型60、62兩者產生的數據。來自每一單元群模型60、62的數據因此通過總線56傳達給電池模型64、66兩者。

現在將描述單元群模型的操作。如上所述，電壓、電流以及溫度數據被微控制器接收。微控制器隨后操作來依賴于參考單元群模型測得的電壓、電流以及溫度數據來確定塊狀況以及導出的電參數。更具體而言，塊狀況和導出的電參數包括充電狀態(SOC)、健康狀態(SOH)、放電深度(DOD)、容量、內部電阻以及內部阻抗，等等。塊狀況進一步包括諸如SOA和NOA違反以及充電/放電周期等事件。現在提供在狀況確定中采用的單元群或單獨的電池單元的模型的示例。來自單元群模型的輸出隨后被傳達給電池模型，電池模型能用于依賴于從單元群模型60、62接收到的輸出來確定電池的總體SOC、總體SOH、總體DOD、總體容量、總體內部電阻以及總體溫度等。一個塊處的微控制器隨后進一步操作來依賴于電池電平確定來動作。作為每一個塊處的測量和處理電路系統中存在電池模型的結果，每一個塊能夠相關于作為整體的電池來獨立操作。例如，每一微控制器能用于確定電荷平衡操作的需求并且隨后發起并控制電荷平衡操作。

電荷平衡通常是電池的重要功能。如上所述，每一單元群確定其自己的SOC并接收電池中包括的其他單元群的SOC數據以及其他，由此作為整體的電池的SOC被確定。電池被配置成使得每一單元群能用于依賴于該單元群自己的SOC和電池的SOC來確定該單元群是否應當執行被動電荷平衡。因而，電池中的每一單元群獨立于其他單元群或與其他單元群合作地作出與電荷平衡有關的確定。電池進一步包括依賴于相關于電荷平衡作出的確定來操作的電荷平衡裝置。在本文使用的適當的電荷平衡裝置的形式和功能在以下文獻中描述：Battery Management Systems for Large Lithium-Ion Battery Packs(用于大型鋰離子電池組的電池管理系統)，Davide Andrea，2010，由Artech House發布，Norwood MA 02062，USA。

單元群或單獨的電池單元通過以下算法來建模。該算法的輸入是：

1.額定全電池容量，CapCell。

2.當前電池放電深度(DOD)，以Ah為單位。如果電池是滿的，則DOD＝0。如果電池是空的，則DOD＝CapCell。

3.額定電池電阻，Rcell_nom。

4.在該單元的充電狀態(SOC)對單元開路電壓(OCV)曲線中的四個適當點處的OCV。例如，這四個適當點是：SOCempty 0％處的電壓＝Vempty；SOCbottom 15％處的電壓＝Vbottom；SOCtop 95％處的電壓＝Vtop；以及SOCfull 100％處的電壓＝Vfull。OCV是在沒有吸取電流時以及單元有時間松弛時的單元終端電壓。

該算法具有兩個獨立的循環，循環1和循環2。

循環1：

在所吸取的電流變化時，在Rcell＝(V1–V2)/(I2-I1)的基礎上計算單元電阻Rcell，其中V1和I1是在電流變化之前測得的電壓和電流而V2和I2是在電流變化之后測得的電壓和電流，。

瞬時OCV是通過OCV＝Vterm+Icell*Rcell來確定的，其中Vterm是測得的瞬時終端電壓而Icell是測得的瞬時電流。

循環2：

以上算法只是作為示例來給出的。在該算法的使用期間，存在由于測得電流的積分以確定DOD而造成的誤差累積，由此DOD測量不確定度通常隨時間增加。該算法因此涉及在SOC通過SOCtop或SOCbottom(這可導致測得的SOC和DOD的顯著跳變)時將DOD復位。

電池是通過如下算法來建模的：該算法提供各單獨單元塊狀況的求和、導出電參數和測量、以及基于經求和的量來確定導出的量的均值或平均值，等等。

上述單元群模型基于單元塊的充電狀態(SOC)對開路電壓(OCV)曲線。每一單元塊的單元群模型是經由使該單元塊通過至少一個完整的充電和放電周期來配置和校準的。在該至少一個完整周期期間，電壓、電流、溫度以及時間被測量到高準確度并且測得的值被用來配置和校準單元群模型。每一單元群模型因此被針對特定單元塊來具體地配置。通常，單元群模型校準是在與電池管理系統的其余部分的校準同時執行的，以藉此提供更簡單的校準規程且以其他方式避免單元群模型校準操作和電池管理系統校準操作的重復。

電池單元的使用周期在圖5中示出。在制造之后，單元80具有100％SOH且被安裝在BEV 82的電池中。在BEV 82中使用一段時間之后，該單元的SOH(如通過本發明確定的)降至80％，這是供在BEV 82中繼續使用的臨界閾值。在本發明標識了單元弱點后，該單元被從BEV移除并被安裝在離網環境中的本地電池存儲86。本地電池存儲86是根據本發明來配置的，由此繼續監視該單元。在單元88的SOH(如本發明所確定的)降至50％時，這是供在本地電池存儲86中繼續使用的臨界閾值，該單元被從本地電池存儲86移除并被退役90。

將注意，每一單元群能相關于管理功能來自己操作，諸如：電壓、電流以及溫度等的測量；各參數的確定，諸如SOC、DOD、SOH以及內部電阻；以及各事件(諸如充電/放電周期、NOA以及SOA偏移)的記錄。每一單元群能不管以下情況來操作：電池是否已從該單元群和其他單元群組裝、電池已被組裝、或電池已被分解使得該單元群不再形成電池的一部分。每一單元群因此被配置成執行上述管理功能。此外，每一單元群被配置成與至少一個其他單元群合作地執行上述管理功能。

本發明還應用于混合電動車(HEV)、插電混合電動車(PHEV)以及燃料電池電動車(FCEV)。在本發明被應用于FCEV時，對單元/單元群模型作出修改以將燃料電池的不同特性納入考慮。然而，FCEV中包括的燃料電池的模型是按與以上參考電池單元相同的方式通過在初始校準規程期間在每一燃料電池處的測量來確定的。此外，針對燃料電池確定的狀況數據的性質被選擇來迎合燃料電池的不同特性。否則，本發明是以上參考BEV描述的形式和功能。