專利名稱：可再充電的分組電池系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可再充電的電池系統。
背景技術：
可再充電的電池系統在單次放電循環中的有效期限難以預測，這是因為其受到很 多因素影響。使用年限、工作溫度、放電條件以及電池化學性質是一些主要的因素。盡管電 壓監測是最容易和最常使用的確定在單次放電循環中可再充電的電池的剩余容量的方法， 但是不同的電池化學性質在不同條件下提供不同的電壓曲線。圖1示出了鋰離子可再充電 電池在不同工作條件下的兩種典型的電壓曲線。實線是在最佳工作條件(即，較低的放電 速率、較高的工作溫度以及較新的單電池(cell))下的電壓曲線。虛線是在較差的工作條 件(即，較高的放電速率、較低的工作溫度以及較舊的單電池)下的電壓曲線。如圖所示， 在這兩條曲線中，在電池的單次放電循環的有效期限期間，電壓相對恒定；在該循環的結束 處，電壓則突然降低。因為恰好在系統失效103之前電壓降很小，因此難以預測放電循環期間實際的失 效點位于何處。因此，電池系統可能被太快地中斷或者意外失效。意外失效可導致不便或 者嚴重的后果。例如，在計算機裝置中，意外的電池失效可導致重要數據的丟失；在電動汽 車中，乘車者會陷入困境；在醫療裝置中，這可能是生死攸關的問題。
發明內容
通過附圖的圖式中的實施例示出了本發明，但是這些實施例并非是限制性的，附 圖中，相同的參考標號表示相同的元件，附圖中圖1示出了在不同工作條件下的鋰離子可再充電電池的典型電壓曲線；圖2示出了包括兩個可再充電電池子系統的分組可再充電電池系統的一個實施 方式；圖3更詳細地示出了分組可再充電電池系統的實施方式，其示出了工作電池系 統、受控-關斷電池系統以及用于顯示整個電池系統在特定時刻的剩余容量的“燃料”量 表；圖4是由一個實施方式中的工作電池系統的電池控制單元所執行的操作的流程 圖；圖5示出了分組可再充電電池系統的可替換的實施方式，在該分組可再充電電池 系統中，通過將至少一個工作電池系統分為多個電池子系統，并在工作循環的各部分中交 替或順次地使用它們和/或在需要更多電力時將一個或多個另外的子系統接入，進一步擴 展了圖2中的分組電池思想。
具體實施例方式在本文所公開的實施方式中，可再充電電池系統被分為兩個或多個電池子系統， 可相繼地使用該兩個或多個電池子系統來向負載供電。在第一實施方式中，使用工作電池 子系統供電，直到其達到預定的或動態確定的放電點，之后使用受控-關斷電池系統供給 儲備電力。通過提供電池系統的真正的單次充電工作循環終點附近的有效期限轉折的精確 終點，接續使用兩個電池子系統使得從對整個電池系統的可用工作時間的預測中去除了大 量推測，同時使電池系統的總的有效期限的終點更加可預測。如所討論的，由于分組電池系 統創造了單電池被充放電至更恒定的和確定的電壓的環境，因此還可獲得改進的校準統計 (例如，用于確定電池損耗)。重申，至少可獲得以下優點 用于可再充電電池的更加可預測的燃料量表，特別是在電池系統的使用期限的 終點處，其中該終點是最關鍵的； 使能夠估計真正的電池工作有效期限并能夠對電池充電進行校準；以及 確保在電池系統完全關斷之前存在一個安全的可預測的受控_關斷期間。在第二實施方式中，可再充電電池系統被分為多個電池系統，該多個電池系統可 被接續使用來向負載供電(從一個子系統級聯至下一子系統，直到所有的子系統均被耗 盡)或被組合以提供超過一個單獨的電池子系統的容量的電力水平。總之，本文中的實施方式通過將電池分為可根據需要被接入或切斷的兩個或多個 獨立的電池系統，能夠更精確地預測在單次充電循環中電池系統的有效期限的終點。在第 一實施方式中，第一(工作)電池系統是主供電電池，因此比第二電池系統(即，受控-關 斷電池子系統)大很多。第二電池系統提供了第一電池系統的備用，并且僅在第一電池系 統失效或越過預定義的低電壓閾值時接管。圖1的示圖中給出了很好的模擬，其中第一電 池系統使裝置達到最大運行時間豎線105，且第二電池系統僅當第一系統達到該點時被接 入，以將工作狀態保存至光盤/閃存，或進行其他適于電池系統應用的動作。考慮到左手側 作為工作狀態而右手側作為受控-關斷狀態，在達到最大運行時間時采取的具體動作可更 多樣。系統設計者可基于最壞情形下所需要的受控-關斷期間來調整工作狀態電池子系統 (系統1)和受控-關斷電池子系統(系統2)的電池尺寸比。在高電壓電動汽車或混合動 力汽車方面，這可以是例如汽車能夠切換至系統2的電池的點，以提供充足儲備電力來使 汽車安全駛回再充電站而不會使汽車操作者陷入困境。在第二實施方式中，隨條件需要，單 獨地(從而相繼地)使用電池子系統，或者響應于增加的電力需求組合地使用電池子系統 的能力提供了兩種構造的益處。圖2示出了分組可再充電電池系統150的一個實施方式，其包括兩個可再充電電 池子系統工作電池系統151 (OBS)以及受控-關斷電池系統153 (CSBS)。OBS是主工作子 系統，因此比CSBS大很多。在一個實施方式中，例如，OBS提供系統電池總容量的90%，而 CSBS提供10%的儲備容量。當OBS在放電循環中達到有效期限的終點時，在本文中被稱為 “切換”的操作中，OBS經由開關152與“主”輸出端可切換地斷開連接(從而與負載斷開連 接)，且CSBS經由開關154可切換地連接至輸出端。切換點由例如圖1中的豎線105指示， 豎線105標注例如OBS的“最大運行時間”。因為電池剩余容量的估計通常在放電循環的開 始比接近放電循環的結束更精確，因此在發生切換后，CSBS使主系統(S卩，電動汽車、工業 負載、電池供電醫療裝置、計算機等)能夠安全地執行受控_關斷。例如，在計算機系統中，數據能夠在受控-關斷期間被保存；在電動汽車中，駕駛員可將汽車駛至附近的再充電站； 或者醫療裝置操作者可被警告處于低電力狀態，以保證剩余的可依賴的電力水平能夠結束 任何關鍵行為。OBS和CSBS的相對尺寸可由最壞情形下需要的受控-關斷期間和/或由當 OBS驅動負載時的正常工作條件下的最大電力需求來確定。并且，OBS和CSBS可包括在單 個電池組內或分離的電池組內，且可包括具有相同或不同電池化學性質和/或型號的單電 池。可利用多種不同技術來觸發從OBS至CSBS的切換。例如，在一個實施方式中，可在 電池監測系統內設計或編程預定義電壓閾值，并使用其作為分組電池系統內的各個單電池 或單電池組的電壓合格/不合格的閾值。在檢測到單電池或單電池組的最小電壓下降至低 于閾值(或者表示所有或部分單電池或單電池組的電壓的統計值(例如平均或中間電壓) 下降至低于閾值)時，監測系統可觸發切換。可替換地，可使用動態確定的切換閾值。例如， 相對于運行時間確定電壓(例如滿充時電池系統的電壓)的電壓偏移量可被用作切換閾 值。在此情形下，電壓偏移量可相對于運行時間確定電壓而固定，或由各種因素進行補償， 各種因素包括但不限于負載(或放電速率)、溫度、電池年限(例如通過連續運行的時鐘、或 檢測到的放電循環次數、驅動軸或其他機械負載的旋轉等測量得到的)。并且，切換閾值本 身可為靜態電壓和/或電壓擺動速率(即電壓變化速率)，或更一般地，可為單電池或單電 池組的放電水平的任何有用的度量。最后，可根據工作條件、電池年限和/或應用需要，在 運行時間選擇或通過編程選擇任一上述用于觸發切換的技術，包括在檢測到工作條件或負 載的變化時從一個切換觸發至另一個的轉變。因為可再充電電池的放電分布隨著電池年限趨于改變，因此期望隨著電池損耗不 定期地再校準在單次放電循環中電池的最大運行時間，從而提供更精確的容量估計。在一 個實施方式中，這樣的容量校準可以以規律的事件間隔或時間間隔執行，例如，在預定的放 電循環次數或逝去時間之后。總之，容量校準伴隨有電池從滿充狀態放電到相對完全放電 狀態，在該相對完全放電狀態中，輸出電壓顯著下降至低于正常工作電壓(例如，超出圖1 的最大運行時間線105的預定電壓)。因為在容量校準期間電池系統在某點將最終不能驅 動負載，因此在通常的電池系統中，這樣的校準操作通常在電池未處于有效工作狀態時執 行。在電動汽車的情形下，例如，這樣的校準實質上相對于燃料耗盡；通常會在服務站采取 操作以避免使汽車操作者陷入困境。該局限性通過本文中提出的分組電池系統克服。更具 體地，即使在OBS進行放電之后，CSBS也保持可使用狀態，因此能夠使OBS不定期地被完全 放電(或者至少放電至確定的水平)，從而在正常工作狀態期間被校準。在電動汽車的情形 下，例如，校準事件可信號通知汽車操作者，或者在完全未告知操作者的情況下進行。圖3更詳細地示出了分組可再充電電池系統175的實施方式，示出了工作電池系 統177、受控-關斷電池系統179以及用于顯示整個電池系統(0BS和CSBS全體)在特定 時刻的剩余容量的“燃料”量表195。在給定應用中，如果不需要的話，可省略燃料量表。并 且，可為每個電池子系統提供單獨的量表或其他指示器。為便于解釋，OBS 177和CSBS 179被示為具有相同的實現形式，包括多(N)個可 再充電單電池185的塊(例如，每個塊包含一定數量并聯的可再充電單電池，如符合18650 或其他型號的鋰離子單電池)，負載開關188a/188b以及電池控制單元186。在可替換的實 施方式中，OBS或CSBS或這兩者可具有不同的構造、單電池的塊的數量或每個塊中單電池的數量。并且，可提供單個電池控制單元(有或無備份)來監測所有電池子系統。參照OBS 177，單電池塊185串聯連接在負載開關(例如，半導體或繼電器投擲元 件，或能夠實現開關刀處斷開與閉合連接之間的信號控制轉變的任意其他元件)之間，該 負載開關根據來自控制單元的輸出又被(間斷或連續地)切換至斷開或閉合狀態。當負載 開關閉合時，OBS單電池塊能夠經由輸出端V+、V-(其對應于圖2中的“主”端)向負載供 電；而當開關斷開時，OBS被關閉或者使之不能驅動負載。通過這種配置，且因為CSBS具有 至負載的相同的可切換連接，因此OBS可在其放電循環期間的某點被切斷(從負載斷開連 接)，且CSBS經由其自身的負載開關被接入，以提供可依賴的儲備電力量。在所示的實施方式中，OBS (以及CSBS)內的控制單元186包括微控制器193、模數 轉換器191、多路復用器(或選擇器)189以及信號調節元件187。任意的或全部的這些組 件可集成在單個集成電路裝置上(例如，專用集成電路)或在控制單元內實現為分立元件。 微控制器執行預加載的程序(例如，燒寫在微控制器自身內的非易失性存儲器、或燒寫在 控制單元內的或與控制單元分離的另一存儲器)，從而以循環方式讀取單電池的每個塊的 各自的電壓電勢，并基于這些讀取結果(或測量結果)確定是否已達到切換閾值，如果是， 則實施至CSBS的切換。為此，微控制器輸出選擇信號190，該選擇信號通過依次選擇每個 預調節單電池塊電壓來按順序組織多路復用器189，從而(經由使能信號192)觸發模數轉 換器191內的一系列模擬-至-數字操作以獲得每個單電池塊的電壓的數字化表示。應注 意，預調節完全是可選的，但調節元件187可包括例如任何種類的放大或濾波。如果微控制器193確定已達到切換閾值，則微控制器斷開OBS負載開關，并經由系 統接口 196通知CSBS的控制單元進行切換。CSBS控制單元通過閉合其負載開關使CSBS單 電池驅動負載來對該切換作出響應。CSBS控制單元還開始(或繼續)監測CSBS電壓并(例 如經由系統接口 196)向OBS控制單元報告這些電壓，OBS控制單元還驅動燃料量表195。 在一個實施方式中，OBS控制單元還可信號通知操作者已進行切換(例如，通過在燃料量表 195上顯示指示器指示系統低于儲備電力或下降至剩余百分容量(例如，在此實施例中為 10% ))。仍參照圖3，OBS和CSBS內的電池控制單元可還監測負載電流(或者電池放電的 其他指標)以能夠確定供給負載的能量的總量，從而根據燃料量表來估計電量消耗。如下 所要討論的，這樣的放電測量結果還可用于容量校準操作中。圖4是由一實施方式中的OBS控制單元執行的操作的流程圖。如圖所示，在221 處，OBS控制單元首先采樣負載電流和所有的OBS塊電壓，之后在223處更新累計的電力消 耗(本文中被稱為安培-小時(AH :amp-h0Ur)消耗)，并在225處通過從先前校準的總容量 值減去AH消耗來更新燃料量表。只要沒有單電池塊電壓為欠壓(在判定塊227中確定)， OBS控制單元就繼續執行在221、223和225處所示的監測和更新操作。在所示的實施方式 中，如果任一單電池塊的電壓被確定為欠壓，則接下來在判定塊229處控制單元確定是否 需要進行容量校準。如上討論，可使用多個預定的或動態確定的欠壓閾值，且欠壓可基于一 組塊或者甚至所有全部塊而不是基于單獨的塊的電壓來整體地或部分地確定。類似地，對 于容量校準的需要，OBS控制單元可以例如追蹤OBS內已達到欠壓狀態的次數(即，放電循 環的數量)和/或自最近一次執行容量校準逝去的時間，如果這些度量中的任一個超過預 定義的或所編程的閾值，則確定需要進行校準。經過監測-更新環路(即，如在221、223、225、227處所示的)的每次操作(pass)可以以規律的間隔(例如，通過微控制器193內的 計時器的終止或其他定時電路的操作)觸發，以能夠確定增加的電力消耗。在一個實施方式中，如果需要進行容量校準，則OBS將欠電壓閾值降至深放電水 平，并且之后繼續由操作221、223、225、227所實現的監測-更新環路。通過此操作，OBS控 制單元有效地維持OBS作為系統電源，直到達到深放電閾值，并且在該點使用在整個放電 循環期間所消耗的總的安培_小時來更新OBS的容量，從而更新整個電池系統的容量。如果不需要進行容量校準，則在231處，OBS控制單元斷開OBS和電池系統輸出端 的連接，并在233處信號通知至CSBS的切換(即，通知CSBS控制器，從而使CSBS連接至輸 出端以驅動負載)，之后在235處，OBS控制單元開始從CSBS控制單元接收單電池塊電壓和 負載電流測量結果并相應地更新燃料量表(以及總安培_小時消耗)。圖5示出了分組可再充電電池系統250的可替換實施方式，在該分組可再充電電 池系統中，通過將工作電池系統(OBS)分為N個電池子系統，并在工作循環中交替使用它們 和/或當需要更多電力時(例如，使用HV 二極管來均衡電壓)接入子系統，進一步擴展了 圖2中的分組電池思想。為此目的，開始的N-I個相同尺寸的電池系統可被指定為工作電 池系統1 (OBSl)至工作電池系統N-I (0BSN-1)，而余下的較小的第N個、工作循環終點的電 池子系統被指定為受控-關斷電池系統(CSBS)。圖5的具體實施方式
提供了用于由0BS1、 0BS2和CSBS(即2512514^2513)構成的三部分可再充電分組電池系統(RSBS)的高級參 考設計結構，其中，OBSl、0BS2和CSBS中的每一個通過各自的開關元件252:、2522和2523連 接至電池(“主”)輸出端。在工作期間，可接續地使用每一個可再充電電池子系統來向負載供電，隨著各子 系統達到耗盡點(即切換點)進行從OBSl至0BS2，之后至CSBS的切換。可擴展此方法，將 電池系統分組(或劃分，或分隔)為任意實用數量的電池子系統，每個電池子系統可在之前 的子系統達到切換點時被接續地使用。進一步地，除了用作要被使用的電池子系統的最后 一個從而作為總工作容量中的最后儲備之外，CSBS與工作電池子系統可以無差別。最后， 并不特定要求全部或任意電池子系統尺寸相同。圖5的分組電池系統的一個潛在缺點在于，各電池子系統的更小的工作尺寸導致 每個子系統的更快的放電。如從上述圖1的電壓/容量示圖可見，該增加的放電速率可使 估計剩余電量的能力出現偏斜。圖1中未示出的是頻繁的高放電還縮短電池系統的壽命。 因此，分組電池思想的突出優勢在于，每個電池系統可從已知放電狀態被更頻繁地充電，而 不會經常處于電池在大多數時間僅被名義上操作的情形。為此，電池系統可被設計為以三 個電池系統的任意組合來工作，以允許用戶或電池系統控制器能夠根據需要向裝置智能地 提供電力，而不需要高放電，同時仍允許電池電量校準。即，所有的電池子系統可被組合而 實現一體的電池系統，或部分電池子系統可被組合而實現圖2的分組電池子系統，或電池 子系統可被單獨地使用，所有這些均響應于動態確定的電力需求。在一個實施方式中，與參照圖3描述的電池控制單元相同的電池控制單元被提供 給每一電池子系統(0BS1-0BSN以及CSBS)，并能夠進行從一個子系統到下一子系統的協調 切換。控制單元中負責監控的控制單元(例如，OBSl的控制單元)還可確定操作者(或負 載)所需要的瞬時電力何時超過單個子系統的供電能力，并指示一個或多個其他電池子系 統的子系統控制單元加入(即，使它們各自的電池連接至負載，例如，通過如上所述的閉合負載開關)，從而組合兩個或多個電池子系統來滿足電力需求。為避免從一個電池子系統到 另一個子系統出現的浪涌電流，在兩個電池子系統開始切換為并聯至負載端時，可使用高 壓二極管來均衡電壓。其后，隨著電力需求降低，負責監控的控制單元可指示被組合的電池 子系統的控制單元相應地進行脫離。繼續以電動汽車作為實例，當汽車未加速且以中等或 低速行駛時(即，在相對低電力需求期間)，控制電路可僅使用一個電池子系統，但當操作 者要求加速(例如，按壓“油門”踏板)或汽車高速行駛時，控制電路可使用一個或多個另 外的電池子系統。具有多個電池子系統的分組電池系統提供了另一優勢。因為頻繁的深放電傾向于 縮短可再充電電池的總的有效期限(即，深放電傾向于加速總容量的循環至循環衰減)，因 此常常期望在達到最大運行時間之前，從預定放電狀態(例如由圖1中豎直虛線107指示 的狀態)對電池進行適當地充電。在具有多個部分的分組電池系統中，總電池控制單元(或 者各電池子系統的電池控制單元的組合)可使不同的電池子系統被交替地使用。例如，控 制單元可順次使每個電池子系統加入，在當前使用的子系統達到預定的放電狀態時切換至 下一個電池子系統。盡管已參照本發明的具體實施方式
描述了本發明，但是顯而易見的是，在不背離 本發明的較寬泛的精神和范圍的情況下，可對其進行各種修改和變化。因此，說明書和附圖 應被認為是示例性的而非限制性的含義。
權利要求
1.一種電池系統，包括輸出端；第一電池子系統，可切換地連接至所述輸出端，并具有一個或多個單電池；第二電池子系統，可切換地連接至所述輸出端，并具有一個或多個單電池；以及控制單元，確定所述第一電池子系統何時達到第一放電水平，并做出響應以使所述第 一電池子系統與所述輸出端斷開連接，并將所述第二電池子系統連接至所述輸出端。
2.根據權利要求1所述的電池系統，進一步包括電池組，其中，所述第一電池子系統和 所述第二電池子系統包含在所述電池組內。
3.根據權利要求1所述的電池系統，其中，所述控制單元通過測量所述第一電池子系 統的電壓來部分地監測所述第一電池子系統的放電。
4.根據權利要求1所述的電池系統，其中，所述第一放電水平選自由(A)電壓電平、(B) 相對于動態確定的電壓電平的電壓偏移量以及(C)電壓變化速率組成的組。
5.根據權利要求1所述的電池系統，其中，所述第一放電水平是可編程的。
6.根據權利要求1所述的電池系統，其中，所述控制單元包括可編程處理器。
7.根據權利要求1所述的電池系統，其中，所述控制單元包括用以監測所述第一電池 子系統的第一電池控制單元和用以監測所述第二電池子系統的第二電池控制單元。
8.根據權利要求1所述的電池系統，進一步包括可切換地連接至所述輸出端的第三電 池子系統，其中，所述控制單元包括電路，所述電路用以確定所述第二電池子系統何時達到 第二放電水平，并做出響應以使所述第二電池子系統與所述輸出端斷開連接，并將所述第 三電池子系統連接至所述輸出端。
9.根據權利要求1所述的電池系統，其中，所述控制單元包括電路，所述電路用以確定 向所述電池系統索取的電力的量超過電力閾值，并做出響應以將所述第二電池子系統以與 所述第一電池子系統并聯的形式可切換地連接至所述輸出端。
10.根據權利要求1所述的電池系統，其中，所述控制單元包括電路，所述電路用以根 據所述第一電池子系統的完全放電循環的數量來調節所述第一放電水平。
11.一種電池系統內的工作方法，所述方法包括將第一電池子系統可切換地連接至所述電池系統的輸出端，以向負載供電；確定所述第一電池子系統已達到第一放電水平；響應于確定所述第一電池子系統已達到所述第一放電水平，斷開所述第一電池子系統 和所述輸出端的連接；以及響應于確定所述第一電池子系統已達到所述第一放電水平，將第二電池子系統連接至 所述輸出端。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，所述第一電池子系統和所述第二電池子系統 包含在電池組內。
13.根據權利要求11所述的方法，其中，確定所述第一電池子系統已達到第一放電水 平包括通過測量所述第一電池子系統的電壓來部分地監測所述第一電池子系統的放電。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，通過測量所述第一電池子系統的電壓來部分 地監測所述第一電池子系統的放電包括在可編程處理器中執行一系列程序指令。
15.根據權利要求11所述的方法，其中，所述第一放電水平包括電壓電平、相對于動態確定的電壓電平的電壓偏移量以及電壓變化速率中的至少一個。
16.根據權利要求11所述的方法，進一步包括接收表示所述第一放電水平的值，并將 所述值存儲在所述電池系統的可編程寄存器中。
17.根據權利要求11所述的方法，進一步包括 確定所述第二電池子系統已達到第二放電水平；響應于確定所述第二電池子系統已達到所述第二放電水平，斷開所述第二電池子系統 和所述輸出端的連接；以及響應于確定所述第二電池子系統已達到所述第二放電水平，將第三電池子系統連接至 所述輸出端。
18.根據權利要求11所述的方法，進一步包括確定向所述電池系統索取的電力的量超過電力閾值；以及將所述第二電池子系統以與所述第一電池子系統并聯的形式可切換地連接至所述輸 出端。
19.根據權利要求11所述的方法，進一步包括根據所述第一電池子系統的完全放電 循環的數量來調節所述第一放電水平。
20.一種電池系統，包括第一單電池組和第二單電池組，每一單電池組至少包括一個單電池；用于將所述第一單電池組可切換地連接至所述電池系統的輸出端以向負載供電的裝置；用于確定所述第一單電池組已達到第一放電水平的裝置；用于響應于所述第一單電池組已達到所述第一放電水平的確定，斷開所述第一單電池 組與所述輸出端的連接的裝置；以及用于響應于所述第一單電池組已達到所述第一放電水平的確定，將所述第二單電池組 連接至所述輸出端的裝置。
全文摘要
一種電池系統，被分組為第一和第二電池子系統。當第一電池子系統達到第一放電水平時，第一電池子系統與電池系統的輸出端斷開連接，且第二電池子系統連接至電池系統的輸出端。
文檔編號H02J7/04GK102007664SQ200980113518
公開日2011年4月6日 申請日期2009年4月11日 優先權日2009年2月17日
發明者凱麗·戴維斯 申請人:美商源捷有限公司