具有單獨電池管理的電池組的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電池組，包括串聯(lián)地設置的多個模塊（12；112），其特征在于模塊（12；112）包括電池（11；50；111）和與該電池串聯(lián)地設置的電池開關（13；63；113），用于控制電池開關（13；63；113）的控制電路（27；67；127）由電池組的模塊的至少一個電池（11；50；111）直接供電。
【專利說明】具有單獨電池管理的電池組
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電池組。其特別地涉及包括由多個單元電池組成的多個級的電池組。
[0002]本發(fā)明還涉及管理電池組的方法。
【背景技術】
[0003]圖1和2表示也稱為“電池組包”的現(xiàn)有技術電池組。在下文中將簡單地稱為電池組的此類電池組包由大量單元電池組包成。此類單元電池組具有圓筒形形狀，例如，包括大量的正和負電極，采取被電解液和薄膜層分離的以螺旋形式纏繞的交錯同心圓筒或?qū)拥男问健＿@些元件代表單元電池組的結構的活性部分，即其形成直接對儲存和輸送電能的功能有所貢獻的組件。在本示例中，此活性部分本質(zhì)上是化學的。請注意，也稱為單元電池的此類單元電池組可以包括基于其它化合物的活性部分或電容性質(zhì)的活性部分。此外，單元電池組的活性部分被設置在外殼中，該外殼的第一外表面形成電池組的正端子或第一匯流排且第二外表面形成負端子或第二匯流排。此外殼的功能是保持并支撐電池組的活性部分并針對外部環(huán)境將其密封。其包圍了形成固定、不可分離整體的物理組件，其電連接不能被單元電池組的用戶修改，該用戶在其兩個端子處看到等于輸入電流的輸出電流。由活性部分形成的此組件和具有兩個端子的外殼因此將被簡單地稱為單元電池，并且甚至更簡單地稱為電池。在圖1和2中表示的電池組更確切地包括串聯(lián)地設置的多個級或模塊2，并且每個模塊包括并聯(lián)地設置的多個電池1，如圖1中用圖所示的。
[0004]圖2表示此類電池組的一般架構，其中，每個電池具有圓筒形狀且其是例如鋰離子型電池組。在本示例中，每個模塊2包括兩排的十個電池1，其中相鄰電池的圓筒形側面進行接觸。此外，電池組包括十一個疊加模塊2，其被設置成使得不同模塊的圓筒形電池的軸對準，使得電池因此在其縱向上被對準。此對準放置因此使得可以獲得最小的總尺寸。
[0005]使用此類現(xiàn)有技術電池組來對電動機5供電迫使需要設置在電池組與電動機5之間的AC或DC/DC轉(zhuǎn)換器式中間器件6,如圖3中所表不的。器件6的功能是將電池組的輸出電壓調(diào)整至電動機5的要求，以便適應于電動機所需的速度和轉(zhuǎn)矩。請注意，該原理適用于由電池組供電的任何負載。此外，在電池組的充電期間，必須在電網(wǎng)與電池組之間使用等效器件以跟隨電網(wǎng)的輸入電壓。被連接到電池組的這些中間器件的使用具有許多缺點，包括晶體管和所使用的其它部件處的損耗的產(chǎn)生，這總體上導致附加的能量消耗。此外，這表示附加的體積。
[0006]此類現(xiàn)有技術電池組的管理一般地包括觀察輸出電參量以由此推導出其運行的診斷。這種方法已證明是不夠的，因為其并未使得可以準確地確定電池組的區(qū)域，例如，諸如有故障的模塊或某些電池群組。在實踐中，其結果是電池組運行的不良優(yōu)化和一旦其具有故障部分時的其性能的非?？焖俚南陆担３０殡S有其狀況的快速惡化和過早老化。
[0007]為了對這種總體方案進行改進，存在某些診斷方法，其在于觀察電池組模塊處的某些參量。這第二種方法使得能夠更確切地實現(xiàn)電池組的某些模塊的特定性質(zhì)的局部觀察。然而其實施方式是復雜的，并且迫使需要使用許多電線來將中央診斷設備連接到每個模塊，這可能導致高電氣危險，因為導線容易由于摩擦被加熱或裸露，并且然后例如在相對遠地分開并具有高電位差的兩個級之間產(chǎn)生短路。此外，這種解決方案迫使需要中間電隔離以保護中央診斷設備，與其電源相關聯(lián)的電位可能與存在于電池組中的電位大大地不同。最后，其使得只能實現(xiàn)對電池組的總體運行的并不令人滿意的作用。
[0008]除如上所述的這種常規(guī)電池組之外，文獻FR2926168描述了一種電路，其包括與能量發(fā)生器裝置相關聯(lián)的多個可開關儲能元件，以便供應可變輸出電壓以適應于電動機的要求。此類方法與上述常規(guī)電池組相比帶來使用的靈活性，但是并未提供上述任何其它缺點的任何解決方案。
[0009]因此要求一種使得可以消除現(xiàn)有解決方案的缺點中的至少某些的改進儲能解決方案，并且本發(fā)明設法實現(xiàn)以下目的中的某些或全部。
[0010]本發(fā)明的第一目的是提出一種使得可以確保長期的可靠運行的儲能解決方案。
[0011]本發(fā)明的第二目的是提出一種容易地適應于不同使用要求，諸如電動機的可變要求的儲能解決方案。
[0012]為此，本發(fā)明提供了一種包括串聯(lián)地設置的多個模塊的電池組，每個模塊包括適合于被連接到下模塊的下端子和適合于被連接到上模塊的上端子，每個模塊包括在其下端子與其上端子之間的包括電池的至少一個支路，其特征在于包括設置在給定模塊處的開關和直接由給定模塊或相鄰模塊的至少一個電池供電的所述開關的控制電路。
[0013]所述至少一個開關可以是以下各項中的一個:
[0014]一電池開關，用于將電池組的特定電池連接或斷開連接；
[0015]一并聯(lián)開關，用于旁路或不旁路電池組的特定電池；
[0016]一模塊開關，用于旁路或不旁路電池組的模塊；
[0017]一用于同時地旁路或不旁路電池組的多個模塊的開關；
[0018]一用于使電池組輸出電壓反相或不反相的開關；
[0019]一用于將電池組的某些子部分串聯(lián)地或并聯(lián)地安置的串聯(lián)/并聯(lián)轉(zhuǎn)換開關；
[0020]一用于串聯(lián)地或并聯(lián)地設置兩個電池的附加開關。
[0021]本發(fā)明還涉及一種管理如上所述的電池組的方法，其特征在于包括從給定模塊或相鄰模塊的至少一個電池對設置于電池組的給定模塊處的開關的控制電路供電的步驟。
[0022]本發(fā)明更確切地由權利要求來限定。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]在參考附圖以非限制性示例的方式給出的特定實施例的以下描述中，詳細地描述了本發(fā)明的這些目的以及特征和優(yōu)點，在所述附圖中:
[0024]圖1以圖解方式示出了現(xiàn)有技術電池組的結構。
[0025]圖2以透視圖示出了此類現(xiàn)有技術電池組的實際架構。
[0026]圖3以圖解方式示出了將此類現(xiàn)有技術電池組用于其供電的電動機的電路。
[0027]圖4以圖解方式示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電池組。
[0028]圖5以圖解方式示出了根據(jù)本發(fā)明的本實施例的電池組的模塊。
[0029]圖6更確切地示出了用于實施圖5中所示的模塊的電路。
[0030]圖7示出了根據(jù)變體實施例的用于使用圖5中所示的模塊的電路圖。[0031]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電池組的架構中的本發(fā)明的電功能的物
理實施方式。
[0032]圖9更確切地示出了本發(fā)明的本實施例的存在于每個電子卡上的部件。
[0033]圖1Oa和IOb示出了本發(fā)明的本實施例的變體。
[0034]圖11更詳細地示出了根據(jù)本發(fā)明的本實施例的本變體的電子卡的架構。
[0035]圖12示出了本發(fā)明的本實施例的第二變體。
[0036]圖13更詳細地示出了根據(jù)本發(fā)明的本實施例的本第二變體的與模塊相關聯(lián)的電子卡的架構。
[0037]圖14a和14b示出了本發(fā)明的本實施例的第三變體。
[0038]圖15示出了本發(fā)明的本實施例的電子卡的變體。
[0039]圖16示出了現(xiàn)有技術鋰離子型電池的內(nèi)部結構。
[0040]圖17示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的鋰離子型電池的內(nèi)部結構。
[0041]圖18至20示出了本發(fā)明的第二實施例的變體。
[0042]圖21示出了結合了根據(jù)本發(fā)明的電池的機架的一個實施例。
[0043]圖22示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的被集成到機動車輛中的上述機架。
[0044]圖23示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的控制并聯(lián)晶體管的原理。
[0045]圖24示出了根據(jù)本發(fā)明的電池組的控制系統(tǒng)的一個實施例。
[0046]圖25示出了可以由根據(jù)本發(fā)明的電池組供應的電壓的示例。
[0047]圖26示出了以H橋為特征的根據(jù)本發(fā)明的電池組的實施例。
[0048]圖27更詳細地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的包括H橋的電池組的架構。
[0049]圖28示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于對電池組充電的系統(tǒng)。
[0050]圖29以圖解方式示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電池組內(nèi)的載波電流通信的原理的使用。
[0051]圖30至32示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有多個單獨的并聯(lián)開關的電池組的三個變體。
[0052]圖33示出了其中電池組被分離成多個部分的本發(fā)明的實施例。
[0053]圖34更詳細地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的被分離成多個部分并包括H橋的電池組的架構。
[0054]圖35更詳細地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的被分離成多個部分并包括H橋的電池組的變體架構。
[0055]圖36示出了將多個單元電池重新聚合成組的根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電池組。
[0056]圖37示出了用于基于從電池獲得的相對低的電壓控制串聯(lián)和并聯(lián)晶體管的解決方案。
[0057]圖38示出了適合于輸送具有可能的符號反相的三個獨立電壓的根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的三個列的電池組。
[0058]圖39示出了適合于輸送三相電壓的來自圖38的電池組的變體。
[0059]圖40詳細地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的輸送三相電壓的電池組的架構。
[0060]圖41示出了輸送三相電壓的來自圖40的電池組的操作的示例。[0061]圖42以圖解方式示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電阻抗的測量。
【具體實施方式】
[0062]根據(jù)本發(fā)明的有利方面，至少一個開關被結合到電池組的某些或所有電池處以使得能夠借助于此至少一個開關的控制設備來根據(jù)需要使用或不使用某些電池，此控制設備包括由電池組的至少一個電池本地供電的至少一個部分。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)電池組的最優(yōu)化以及其性能及其耐久性的改善。
[0063]在以下圖中，為了簡化描述，在本發(fā)明的每個實施例中，將相同的參考標號用于相同或類似的元件。
[0064]圖4以圖解方式示出了本發(fā)明的實施例，其中，電池組包括如在現(xiàn)有技術中一樣被組織成多個模塊12的大量電池11。然而，每個電池11與串聯(lián)地設置的為之專用的開關13相關，這使得可以通過打開開關將電池與電池組的其余部分斷開連接:因此，在下文中將其稱為“電池開關”13。此外，每個模塊12還包括與模塊12的電池11并聯(lián)的開關14，因此，使得可以使整個模塊短路:因此，在下文中將其稱為“模塊開關”14。使用此類電池組來對諸如電動機的負載15進行供電使得可以省去在現(xiàn)有技術中使用的中間轉(zhuǎn)換器，如在圖4中能夠看到的。下面解釋此操作。
[0065]圖5更詳細地示出了根據(jù)本發(fā)明的本實施例的電池組的模塊12。其包括被連接到在其下面的相鄰模塊的下端子17和用于到在其上面的相鄰模塊的串聯(lián)連接的上端子18。根據(jù)本實施例，此模塊包括并聯(lián)地設置的六個電池11。其自然地可以替代地包括任何其它數(shù)目的電池。更確切地，模塊首先包括設置在其上端子18與其下端子17之間的六個并聯(lián)支路，在其上面設置有電池11和適合于將電池從兩個端子17、18中的一個斷開連接或不斷開連接的電池開關13。其還包括第七支路，在其上面設置有與電池并聯(lián)的適合于分流這些電池的模塊開關14。在所示的示例中，只有第三和第四電池在使用，因為其各自的電池開關13被閉合，并且所有其它電池開關是打開的。此外，模塊開關14被打開以將模塊12置于儲存或返回能量的其正常配置。
[0066]圖6更確切地示出了用于實現(xiàn)上文參考圖5所解釋的布置的電路圖。
[0067]在此圖6中，為了簡化該圖，僅表示了兩個電池開關13。不同開關13、14是借助于功率晶體管23、24、優(yōu)選地NMOS型晶體管實現(xiàn)的，其與可以替代地使用的PMOS晶體管相比表現(xiàn)為在其導通狀況下的增加的傳導性。替換地，還可以使用其它類型的晶體管，諸如雙極晶體管、FET、JFET、IGBT等。還可以將多個晶體管并聯(lián)地放置以更好保證電流通過。當然存在與電池開關13 —樣多的電池晶體管23，以及形成模塊開關14模塊的一個晶體管24。所有這些晶體管23、24與并聯(lián)連接的二極管25、26相關聯(lián)，這些二極管被集成到晶體管中(如果其為NMOS離散功率晶體管的話)或者是單獨二極管，用于表示允許反向電流流動的特性。最后，一般地稱為“驅(qū)動器”的控制電路27被經(jīng)由連接28供電，使得其能夠補償基本上對應于最高充電電池電壓略微減去設置于連接28上的二極管40處的電壓降(例如接近于0.6V)的電壓差。此控制電路的功能是生成用于對不同晶體管23、24進行致動的控制信號41，因此實現(xiàn)開關控制功能。以為了使圖清楚未示出的類似方式，模塊的所有電子部件可以根據(jù)相同的解決方案而被供電，諸如用于估計開關狀況的計算機、通信系統(tǒng)等。
[0068]接下來解釋此設備的操作。當在與來自圖4的電路類似的電路中使用時，在普通操作配置中，電池晶體管23中的至少一個被閉合，并且模塊晶體管24是打開的，這使得與閉合電池晶體管23相關聯(lián)的電池11能夠供電和傳送通過閉合晶體管并最終對向負載15供電有所貢獻的電流。電流從下端子17流到上端子18。另一方面，如果所有電池晶體管23是打開的且模塊晶體管24被閉合，則電流將通過此模塊晶體管且模塊的電池被隔離，對供電電流的產(chǎn)生沒有貢獻。如果所有晶體管23、24是打開的，則消耗的電流、即電池放電電流通過與模塊24相關聯(lián)的反并聯(lián)二極管26，并且模塊的端子17、18處的電壓仍等于約-0.6V(上端子18的電壓在下端子17的電壓以下約0.6V:此電壓降是由與模塊晶體管26相關聯(lián)的反并聯(lián)二極管26引起的)。最后，出于安全原因，避免了在模塊晶體管24被閉合時將電池晶體管23閉合，以免使電池11短路。相應地，針對被閉合的電池晶體管23朝向其中模塊晶體管24被閉合的任何變化或者相反情況，優(yōu)選地存在將所有晶體管短時間段打開例如幾毫微秒的中間步驟。
[0069]此外，在此圖6中所表示的設備適合于在電池充電模式下操作，其中，電流被反向并從上端子18流到下端子17。在正常情況下，電池晶體管23被閉合且模塊晶體管24是打開的，這允許電流流過電池晶體管23以對電池11充電。另一方面，如果所有電池晶體管23是打開的且模塊晶體管24被閉合，則電流通過此模塊晶體管，并且整個模塊被隔離且不會被充電。如果所有晶體管23、24是打開的，則電流通過與電池晶體管23相關聯(lián)的反并聯(lián)二極管25且模塊的端子17、18處的電壓保持等于電池的電壓(例如3.3V)加上二極管25的端子處的電壓(例如+0.6V)。最后，在此充電階段期間，出于安全原因同樣地避免了在模塊晶體管24被閉合時將電池晶體管23閉合，以免使電池11短路。
[0070]有趣的是請注意模塊的電壓仍是低的，即使當所有晶體管都打開時，這使得可以使用耐受相對低電壓和相對低成本的晶體管，其電阻在導通狀況下是非常低的，這導致低損耗。如果電池11具有小于40V的電壓，情況尤其如此。
[0071]圖7示出了用于不同地實現(xiàn)相同原理的前一電路圖的變體，特別地使得可以從由相關模塊或者甚至相鄰模塊的電池存儲的電壓獲得電路的電子部件140的本地電源。出于簡化的原因，未詳細地示出電子部件，但是其包括如上文所解釋的至少一個控制電路和多個開關。在此變體中，雙極PNP晶體管141與模塊的每個電池11相關聯(lián)。所有這些晶體管141由來自控制器件145的端子142的同一電流來控制。這由此在每個晶體管的輸出端143處導致取決于每個電池11的電壓的電流，即取決于每個電池11的充電狀況和健康狀況。這些電流被相加以便由結果得到的電流144對電子部件供電。晶體管141被以最終供電電流144達到所需值的方式控制。該解決方案使得可以根據(jù)其狀況、其可用電壓來對模塊的各種電池進行請求。
[0072]這種解決方案此外避免了由于二極管的使用而在模塊處的可用電壓與電子部件能夠?qū)嶋H使用的電壓之間具有電壓降，如在上文參考圖6所述的實施例中。此電壓降在其中電池是低壓電池、例如1.5V電池的實施例中可能特別地是個問題。
[0073]控制器件145包括放大器器件，其在本實施例中包括兩個放大級146和147以使得可以在不需要過高功率的情況下控制上述電源設備，所述過高功率將在模塊處產(chǎn)生電壓降，這在本實施例中被避免。為此，從第一晶體管Tdiff處的模塊獲取第一非常低的電流，并且然后由放大器級聯(lián)將其放大以在端子142處達到所需控制電壓。端子142處的控制電流被根據(jù)電阻部件140的電流需求自動地調(diào)整，這使后一電流局限于嚴格所需的電流，并且是實時的，并且因此限制了與此控制功能有關系的平均消耗。
[0074]數(shù)值表明了使得可以使用125nA的控制電流來實現(xiàn)40A的供電電流的實施例。
[0075]根據(jù)本發(fā)明的本實施例，每個電池還包括用于測量電池狀況的特征參量的至少一個傳感器。此測量傳感器可以例如測量相關電池處的電壓和/或電流和/或溫度。每個測量傳感器此外被通信設備連接到本地和/或遠程智能設備，諸如微控制器型計算機，其接收測量值并實現(xiàn)稍后更詳細地描述的電池組管理方法，以確定電池組的最優(yōu)化操作模式，將實現(xiàn)的測量結果考慮在內(nèi)。此最優(yōu)化操作模式事實上在于確定需要打開或閉合的開關
13、14。可以實時地修改電池組的各種開關的此配置。這種解決方案因此使得可以例如繞過有缺陷或過熱電池，引導每個模塊內(nèi)的電流并實時地平衡電池組的每個電池。請注意，由電池組供電的負載的平均電流需求一般地比消耗尖峰中所需的峰值電流低得多，這使得電池組能夠在相對大量電池被斷開連接的情況下、即在關聯(lián)電池開關13打開的情況下或者甚至在模塊被斷開連接的情況下、即在關聯(lián)模塊開關14被閉合的情況下(例如，如果整個模塊被認為有缺陷或過熱的話)在大部分時間令人滿意地運行。
[0076]圖8至10示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電池組的架構中的由本發(fā)明添加的電功能的可能物理實現(xiàn)的實施例。
[0077]圖8和9示出了其中為電池組的每個模塊添加了包括上述部件的電子卡20的第一實施例。此電子卡采取位于每個模塊的下或上面上的印刷電路的形式。因此，電池組在每個模塊之間包括電子卡20。
[0078]然后，根據(jù)圖8和9中所示的實施例，每個電子卡被通信總線21連接到中央計算機22，其接收在電池組的模塊中本地地實現(xiàn)的測量結果并實現(xiàn)電池組管理方法，其特別地包括用于打開和/或閉合電池組的開關的命令的傳輸。經(jīng)由通信總線21的此數(shù)據(jù)傳輸可以迫使需要數(shù)據(jù)的復用和數(shù)字化以及電隔離(借助于變壓器或光耦合器)。此外，控制電路27被放置在每個電子卡上并組成計算機22與開關之間的中間元件，使得能夠?qū)崿F(xiàn)被傳送至實現(xiàn)了用于執(zhí)行來自計算機的命令的開關功能的晶體管23、24的電壓的自適應。這些控制電路27此外能夠集成安全功能以防止在電池開關13被閉合時將模塊開關14閉合，例如以防止短路。
[0079]圖9更確切地示出了存在于每個電子卡上的部件，其包括用于測量溫度、電壓和電流的測量傳感器29、用于估計每個電池的充電水平的一個或多個處理電路30，例如確定是否使用每個電池的恰當性等。電子卡20還包括使得能夠致動形成開關13、14的各種晶體管23、24的控制電路27。最后，其包括被連接到通信設備以便與中央計算機22通信的通信接口。控制單元27和處理電路30特別地直接由模塊的至少一個電池經(jīng)由電子卡20上的配電布置來供電，如上文詳細地描述的。
[0080]圖1Oa和IOb示出了其中上述實施例的每個電子卡的電子功能在單個電子卡20上被重新成組、在該單個電子卡20上各電池被設置使得其軸垂直于電子卡20的變體實施例。圖1Oa是頂視圖，使得可以看到卡20上的模塊12的分布，而圖1Ob是從后面看的透視圖，使得可以辨別不同的電池11以及諸如電池中晶體管23的某些電子部件，以非排他性方式草繪以簡化電子電路卡20的表示。然而，后者包括上述所有部件。通信總線21延伸卡的全長至中央計算機22，朝著電子卡20的自由邊緣定位。此通信總線21能夠通過建立專用于通信總線的與不同模塊的電子部件分離的印刷電路帶、隔離例如接地和/或保持兩個部分之間的安全距離，而在物理上與模塊的電子裝置隔離。只有在這兩個部分之間的通信部件、諸如變壓器或光耦合器繼續(xù)跨這兩個部分以使得能夠在保證電隔離的同時實現(xiàn)此通信。與每個模塊12相關聯(lián)的各種部件通過來自電池組的至少一個電池的功率的分配而被本地地供電。此功率分配優(yōu)選地是基于在相關模塊處可用、即來自模塊的至少一個電池的電壓而為每個模塊提供的。
[0081]圖11更詳細地示出了與兩個模塊12相關聯(lián)的電子卡20的架構，在本示例中每個模塊包括七個電池。針對每個電池，與電池串聯(lián)地提供了電池晶體管23，并且為每個模塊12提供了并聯(lián)的模塊晶體管24，如上所述。此外，為每個電池提供了溫度傳感器33、電壓傳感器35和電流傳感器36。由這三個傳感器33、35、36實現(xiàn)的測量結果分別地通過三個通信信道43、45、46經(jīng)由復用器32被傳送至本地處理電路30。請注意，連接在圖中已經(jīng)為了明了起見而被簡化，但實際上存在用以提供到每個傳感器和每個電壓的一束導線。此外，還有利地測量了模塊的電壓以由此推導出在晶體管處存在的電壓。處理電路30在通信輸入端31處接收此數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“ADC輸入”型的模數(shù)轉(zhuǎn)換潛換地，這些信號已被數(shù)字化，此數(shù)字化是在復用器32處實現(xiàn)的。根據(jù)一個可能的實施例，處理電路30可以是具有足夠數(shù)目的輸入端/輸出端以詢問所有傳感器的微控制器。所有晶體管23、24由應處理電路30的命令向其發(fā)送控制信號41的功率控制電路27控制。最后，處理電路30經(jīng)由通信總線21和提供電隔離的接口 37被連接到中央計算機22。與單一模塊12相關聯(lián)的所有這些部件都是由模塊的電池中的至少一個的電壓供電的。如已描述的，電池組的每個模塊12由于其處理電路30而具有其自己的智能，并且因此通過與控制所有模塊的中央計算機22協(xié)作對電池組管理過程有所貢獻。稍后參考圖24來更詳細地描述該中央計算機。
[0082]此外，與模塊相關聯(lián)的所有功率部件直接由在相應模塊處可用的電壓供電。由模塊的至少一個電池進行的此本地供電涉及到需要供電的所有部件，如上文以示例的方式參考圖11所述，特別地諸如晶體管控制電路27。由其關聯(lián)模塊供電的此類控制電路然后被與在模塊外部的其它模塊和/或電位電隔離。此類實施例具有優(yōu)點，即消除了用該級的相差懸殊的電位來控制某些晶體管的風險，那可能導致其毀壞或使其短路。此外，這種解決方案具有使得可以減少控制電路的部件與電源之間的連接的附加優(yōu)點，因為可以以相互之間的和與電壓源的短距離將其重新分組，特別地通過將晶體管定位成盡可能接近于要連接的電池。最后，非常短的連接的使用也大大地降低了例如在兩個模塊之間短路的風險。
[0083]同樣地，由該級供電的通信設備能夠使得可以經(jīng)由高度隔離的連接與其它級和/或中央系統(tǒng)通信以防止電氣危險(各級之間的短路、被置于與電池組的級相差懸殊(例如幾kV)的電位的中央系統(tǒng)的劣化、對修理工人的電氣危險)。與將使得可以經(jīng)由電隔離來控制功率晶體管的脈沖變換器相反，由模塊供電的通信設備的使用使得可以解釋接收到的信號(地址、數(shù)據(jù)的解碼)、編碼將要發(fā)射的信號和共享通信線路，而脈沖變換器僅僅使得可以用用于每個晶體管的單獨連接線路將功率晶體管“接通”或“關斷”。通信設備可以例如是存在于許多微控制器中的I2C接口，其經(jīng)由電隔離裝置被連接到每級中的共享通信總線。其還由電池組的至少一個電池本地地供電。
[0084]在上述示例中，通過設置在每個模塊處的本地處理電路30和中央計算機22的協(xié)作來實現(xiàn)電池組管理方法。因此可以由其組合來實現(xiàn)所有電池組管理功能。因此可以設想各種實施例，某些管理功能從本地層級移動至中央層級或者相反。[0085]圖12至14示出了其中僅本地地、在每個模塊處或者甚至在每個電池處實現(xiàn)電池組管理方法的第二變體。這具有優(yōu)點，即使得能夠?qū)崿F(xiàn)各種開關的更具響應性的控制、避免提供電子卡20與中央計算機22之間的電隔離和要傳輸?shù)男畔⒌膹碗s編碼。圖12示出了此類變體，其中，每個電子卡20包括用于測量溫度、電壓和電流的測量傳感器29、用于估計每個電池的充電水平的一個或多個處理電路30，例如以確定是否使用每個電池的恰當性等。電子卡還包括用于對形成電池和模塊開關的各種晶體管23、24進行致動的控制電路27，其被本地地從其模塊或相鄰模塊的至少一個電池供電。
[0086]圖13更詳細地示出了與模塊12相關聯(lián)的電子卡的架構，在本示例中包括六個電池。針對每個電池，提供了與電池串聯(lián)地設置的電池晶體管23，如上文所解釋的。此外，還在每個電池處提供了溫度傳感器33、電壓傳感器35和電流傳感器36。由三個傳感器33、35,36實現(xiàn)的測量結果被分別地通過三個通信信道43、45、46或者替換地單個共享信道經(jīng)由復用器32傳送至處理電路30。處理電路30因此在通信輸入端31處接收此數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“ADC輸入”型的模數(shù)轉(zhuǎn)換。根據(jù)一個可能實施例，處理電路30可以是具有足夠數(shù)目的輸入端/輸出端以便詢問所有傳感器的微控制器。請注意，在本實施例中用由晶體管34形成的多個并聯(lián)開關來替換單個模塊晶體管24:在此變體中，并聯(lián)晶體管34被與每個電池并聯(lián)地設置，從而使這些晶體管34被激活時的功率路徑的長度最小化。因此顯而易見的是在所有實施例及其變體中，可以用模塊的每個電池上的并聯(lián)開關來替換模塊開關14。所有這些晶體管23、24由控制電路27應處理電路30的命令來控制。
[0087]圖14a和14b示出了類似于圖1Oa和IOb的第三變體，其中，電子功能在單個電子卡20上被重新分組，電池在電子卡20上被設置使得其軸垂直于電子卡20，只有每個模塊處的本地處理，沒有到中央計算機的連接。圖14a是頂視圖，示出了卡20上的模塊12的分布，并且圖14b是從后面看的透視圖，使得能夠辨別不同的電池11，以及諸如電池晶體管23的某些電子部件，以非排他性方式草繪以簡化電子電路卡20的表示。然而，卡包括參考圖13所述的所有部件。
[0088]請注意，在最后分析中，可以實現(xiàn)具有不同數(shù)目的電子卡20的實施例，卡能夠針對一個、兩個或任何數(shù)目的模塊承載本發(fā)明的電子電路。此外，還可以提供其它實施例，其中僅存在先前所述的某些電子部件，在電子卡上或者不在，或者其中某些部件在電池和/或模塊之間被共享。例如，開關控制電路能夠被多個相鄰模塊共享，從而保持可接受的電壓供應。
[0089]在所有情況下，電子卡20被有利地設置成從而將被連接到電池11的其端子設置成最接近于電池的端子，從而使連接的長度和因此的關聯(lián)損耗最小化。同樣地，在電子卡的印刷電路上，功率路徑盡可能短，具有最大可能的導體段。
[0090]為了增加導體段，可以通過在其上面焊接導線或條紋來加強印刷電路的軌跡。圖15示出了此類解決方案，其中，印刷電路型的電子卡20被疊加在包括多個電池11的模塊上。在此圖中，僅表示了兩個電池的兩個模塊，以使圖清楚，但是電池組包括不止兩個模塊，每個具有不止兩個電池。請注意，此類加強能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)生熱量的消散的輔助功能，尤其是由功率晶體管消散；為此，其形狀還可以具有以對流或輻射體的方式提升此功能的表面。在此卡上提供有連接器16以便將電池電連接到卡上的電子裝置(例如具有通過卡并經(jīng)由擰緊到電池端子上的螺母而夾持卡和加強功率路徑的正和負端子的電池)?？梢栽诳ㄅc螺母之間添加相對彈性的墊圈以補償熱膨脹效應并確保長期的良好電接觸。替換地，簡單的焊接法能夠?qū)崿F(xiàn)電池的端子與PCB卡的功率路徑之間的電接觸。如在圖中能夠看到的，導電加強件19被添加到印刷電路的軌跡。被焊接和/或粘貼到軌跡的這些加強件還表示潛在的熱輻射器功能。另外，未示出的孔可以通過電子卡20制造以促進空氣的循環(huán)及電池11和電子部件的冷卻。
[0091]圖16示出了常規(guī)地在現(xiàn)有技術中所使用的鋰離子型電池的內(nèi)部結構。此類電池具有圓筒形狀，如上所述，并且包括大量的正電極51和負電極52，其采取具有同一軸、被電解液層53分離的交錯纏繞層的形式。外部第一面形成電池組的正端子54或第一匯流排且第二外面形成負端子55或第二匯流排。
[0092]圖17示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的鋰離子型電池，其中，附加功能也被集成到電池的結構的中。相應地，本發(fā)明的儲能電池50包括與圖16中所表示的現(xiàn)有技術電池組相同的部件。為了促進部件到電池組50中的集成，添加內(nèi)部正端子54’，其被直接地連接到單元電池組的活性儲能部分。電池組因此包括與電池組的活性部分串聯(lián)地設置的晶體管形式的電池開關63以及與電池組并聯(lián)地設置、即與與電池晶體管63串聯(lián)的活性部分并聯(lián)的第二晶體管64。其還包括用于控制這些開關的器件，具有輸入接口 61的微控制器60和從微控制器接收指令并向開關發(fā)射打開和/或閉合命令的控制電路67。最后，電池組結合了溫度傳感器62、一個或多個電壓傳感器65和電流傳感器66。所有這些部件因此被安裝在電池的上部中，在上述內(nèi)部正端子54’與外部正端子54之間。這些部件當然可以替代地被不同地布置，在電池50的外部殼體68的內(nèi)部，或者電池可以僅集成這些部件的一部分。例如，電池可以是矩形的，類似于用于移動電話的扁平電池。此外，可以連同電池的端子一起(串聯(lián)晶體管將被放置在-端子而不是+端子旁邊)使活性部分的端子的極性反相。另一方面，由電池的活性部分直接對這些部件供電。
[0093]圖18至20示出了前述實施例的變體，其中，電池50中的各種部件被定位于印刷電路型的電子卡70上，以便減少所需導線的數(shù)目并促進此類電池的批量生產(chǎn)。圖18示出了一個此類實施例，其中電子卡70位于電池的兩個正端子54’、54之間并被直接連接到那兩個端子。電子卡的橫向部分被密封層71覆蓋，該密封層71例如包括粘合劑，這使得可以在以密封方式來保護并固定電子卡的同時將電池的兩個端子54、55分離。此外,位于電子卡70上的部件直接被電池的活性部分供電并受到清漆型絕緣保護層的保護。
[0094]圖19和20詳細地示出了電子卡70的一個實施例。其包括與電池的內(nèi)部正端子54’的下連接。卡在其下表面上集成了以下部件:控制電路67，其使用來自微控制器60或邏輯電路的低功率或低壓信號來驅(qū)動(控制)功率晶體管。在本實施例中，微控制器60經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和輸入接口 61被連接到各種傳感器，即溫度傳感器62、用于測量內(nèi)部正端子54’和外部正端子54處的各電壓的兩個電壓傳感器65以及電流傳感器66。電子卡70還集成了被串聯(lián)連接的電池晶體管63和被并聯(lián)連接的第二晶體管64。此外，在此變體中，微控制器60提供有被通過電池的外部殼體68的通道連接至可從電池外面達到的通信端子72的通信接口 69。此通信端子72使得能夠?qū)崿F(xiàn)與同一模塊的并聯(lián)的電池或與外部控制系統(tǒng)的電池的通信。在這種情況下，可以提供通信設施的電隔離。
[0095]在使用被集成到電池中的電子卡的所有情況下，可以使用并聯(lián)的多個晶體管來實現(xiàn)開關功能，以便減小用單個晶體管獲得的閉合狀況下的總電阻，以促使較高的電流循環(huán)或使熱效應分布在電子卡70上的多個點處以促進熱量的消散。
[0096]相應地，在本發(fā)明的第二實施例的背景下，可以使用直接在其殼體內(nèi)部結合了上述功能的電池來修改本發(fā)明的第一實施例及其變體，這避免了必須結合本發(fā)明的第一實施例所述的獨立電子卡20。在第二實施例中，卡適合于電池，但不適合于電池組中的電池的組織，與其中卡20必須適合于電池組中的電池的物理組織的第一實施例相反，所述物理組織對于不同的應用可以不同。
[0097]這樣描述的電池組結構是模塊化類型的，并且使得能夠?qū)崿F(xiàn)不同的獨立且可移動殼體形式的物理實施方式，其可以經(jīng)由適當機架或框架中的電力總線和通信總線被相互連接。每個殼體可以包括電池組的任何子部分從一個模塊至多個模塊。
[0098]圖21示出了其中各種殼體150被設置在機架型模塊化架構中的這種方法。每個殼體被以獨立抽屜式部件的形式固定，并被鎖定/解鎖器件保持。在其固定位置上，殼體經(jīng)由具有高電隔離的連接器153被連接到通信總線152并被使得能夠?qū)崿F(xiàn)到相鄰殼體的串聯(lián)連接的電力連接器154連接到電力總線151。鎖定/解鎖器件158與開關系統(tǒng)相關聯(lián)以便在其被致動以去除(ritirer)殼體150時自動地切斷到通信總線和電力總線的連接。當殼體被去除時，連接被短路替換，例如經(jīng)由機械或電開關155，從而中斷其余殼體之間的連接。為此，檢測通過鎖定/解鎖器件的杠桿或把手的致動實現(xiàn)的鎖定或解鎖的開始并向整個電池組管理系統(tǒng)，諸如中央計算機發(fā)射信息。在將殼體解鎖的情況下，計算機立即將其與電池組的整體操作隔離并在其端子處施加零電壓，這確保安全的操縱且啟用安全儲存。到電力和通信總線的連接然后自動地被開關機械地或以電學方式切斷。先前的操作在將殼體插入機架中的情況下按照相反的順序執(zhí)行。
[0099]相應地，電池組包括串聯(lián)地設置的多個殼體和具有用于以可去除方式來容納殼體的位置的機架，該位置包括用于殼體經(jīng)由電力總線與電池組端子的電連接的電接點，所述位置與機架開關相關聯(lián)，從而能夠經(jīng)由設置在機架中的另一位置中的至少一個其它殼體在某個位置中的某個殼體不存在的情況下保持電恢復。
[0100]此構造具有簡化電池組的物理管理的優(yōu)點。每個殼體中的每個子組件由于上述實施例的架構而被獨立地或半獨立地管理。因此可以精確地知道每個殼體的充電狀況、健康和老化狀況、劣化、電流和電壓容量，并且能夠在故障的情況下對給定殼體進行干預以改變模塊或者甚至電池或者能夠在不整體地損害電池組的情況下在必要時對其進行改變。
[0101]因此能夠?qū)⒋宋锢斫M合件集成到機動車輛中，如圖22中所示,其中，例如各種殼體被分布在機動車輛的下部中、所有其長度上，并且被包括電力總線151和通信總線152的連接156相互連接,此組合件被連接到中央計算機157。
[0102]本發(fā)明還涉及一種管理如上所述的電池組的方法。這種方法包括從電池組的至少一個電池對電池開關的控制電路進行供電的步驟。
[0103]該電池組管理方法還可以包括對電池組的需要來自電池組的至少一個電池供電的所有其它內(nèi)部部件供電的步驟。
[0104]該電池組管理方法可以包括以下附加步驟:
[0105]一在電池組的電池處測量表示電池狀況的至少一個參量；
[0106]一確定電池開關和/或模塊開關和/或并聯(lián)開關的打開或閉合位置，將測量參量考慮在內(nèi)；[0107]一根據(jù)上述確定來命令電池開關和/或模塊開關和/或并聯(lián)開關的打開或閉合。
[0108]該電池組管理方法因此使得可以在任何時間確定多個電池和/或模塊開關的打開或閉合位置從而平衡電池組的每個模塊并引導每個模塊中的電流以平衡模塊的每個電池。該方法可以特別地包括中間步驟，其在于基于在電池處測量的參量來識別有缺陷電池、過熱電池等來診斷電池的故障和/或風險狀態(tài)，以便將相關電池斷開連接以將其與電池組的總體操作隔離，例如通過打開其電池開關和/或閉合相關的模塊開關。
[0109]相應地，返回至圖5中所示的示例，顯而易見的是電池1、2、5和6已被隔離。在包括大量電池和模塊的電池組中，很容易將其中的很多電池隔離,例如電池總數(shù)的10%，而不損害電池組的使用，因為電流需求一般地小于最大可用電流，其僅在消耗峰值情況下使用。此外，在消耗尖峰的情況下，將始終可以臨時地調(diào)用被隔離電池以滿足增加的需求。由于這些電池將在大部分時間保持不使用，所以其將不會危及電池組的總體健康狀況。
[0110]該電池組管理方法因此包括診斷電池的步驟，包括估計電池的狀況的步驟，電池狀況可以以非限制性示例的方式包括在電池組的至少一個電池、所有或某些電池處的電流、電壓、溫度、阻抗能譜測量等的一個或多個測量結果。為此，能夠?qū)y量的參量與預定義閾值相比較。每個電池晶體管的控制然后取決于電池的此估計狀況，并且例如使得可以在其顯示出異常電流或溫度的情況下或者在其向其它電池供應反向電流的情況下將電池斷開連接，如在正在通過有故障電池放電的鄰接電池的情況下那樣。
[0111]診斷電池的步驟特別地包括估計電池的存儲狀況和健康狀況的步驟。同樣地，每個電池晶體管的控制取決于這些估計。特別地可以建立電池的估計充電狀況與放電閾值和/或充電閾值的比較。
[0112]診斷電池的步驟包括例如電池復電阻抗的測量。為此，當電流在電池中流動時，例如在到與電池相關聯(lián)的串聯(lián)開關的特定命令時，諸如將其打開或閉合，在電池處測量電流和電壓。對白噪聲、階躍變化或脈沖的響應使得能夠以已知方式來實現(xiàn)復阻抗測量，由此可以推導出關于電池的充電狀況或健康狀況的信息。
[0113]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例來診斷電池的步驟還包括借助于電流變換器來測量電池中的電流。思想是增加電流的頻率以促進測量，特別是在直流的情況下，不使用直流傳感器。為了增加此頻率，第一解決方案在于使在模塊處所使用的電池交替(alterner )并使用來生成電池組的輸出電壓的模塊交替。第二解決方案在于在電池的電流被測量的時刻快速地將電池連接和斷開連接。這些解決方案最終采用電池處的電流的斬波，這使得可以有益于對此電流的測量。然后使用簡單的電流變換器作為電流傳感器就足夠了，其可以位于承載有在描述的所示實施例中提到的各種電子部件的電子卡上。
[0114]診斷電池的步驟還包括估計電池的充電狀況。為此，第一解決方案依賴于測量電池的輸出電壓。另一解決方案在于將來自已放電狀況的電流積分以確定所積累的安培小時數(shù)且然后用其與電池電容的比來確定充電狀況。此后一種解決方案迫使需要通過完全的充電和放電操作實現(xiàn)的定期校準以補償與電流積分有關系的漂移并隨著電池老化而更新電池的容量?？梢栽谄渌姵卣５夭僮鞯耐瑫r在一個或多個電池上執(zhí)行此校準，這具有并不迫使需要完全關斷電池組的優(yōu)點。為了保持電池組的平衡，使所有電池都經(jīng)受基本上相同數(shù)目的校準。
[0115]此外，電池組管理方法可以采用電池使用的循環(huán)改變，使得電池組的所有或部分電池根據(jù)可以固定或可變的確定循環(huán)比而從正常操作狀況轉(zhuǎn)到斷開連接狀況且反之亦然。此循環(huán)比使得可以固定電池組的每個電池的使用時間的比例，例如有故障或過熱電池的使用時間的比例低于未過熱的電池。根據(jù)總電流和電壓需求，此類循環(huán)能夠被用于部分或所有電池，甚至用于健康電池。
[0116]各種電池的操作循環(huán)可以在時間上偏移以在任何時間獲得基本上等價數(shù)目的活性的電池，例如在任何時間保證足夠數(shù)目的活性電池以滿足電流需求。
[0117]相應地，電池組管理方法采用以下步驟:
[0118]一通過對在電池組被連接到負載時使用具有最高電荷的模塊和/或電池和在電池充電時使用具有最低電荷的模塊和/或電池給以優(yōu)先權，使模塊和/或電池相互平衡；
[0119]一通過修改模塊和/或電池的平均使用率但不始終使用相同的模塊和/或電池來平衡模塊和/或電池，使得模塊和/或電池的充電被平衡；實際上，如果例如一個模塊與其它模塊相比被非常高度地充電，并且始終被使用，使得其充電盡快地達到其它模塊的充電，則存在其過熱的風險。優(yōu)選地在電池組的充電或使用期間一直執(zhí)行平衡，并且因此強烈地不需要對一個模塊充電以快速地達到平衡。通過簡單地將此模塊的平均使用率與其它模塊相比改變幾個百分比，能夠在沒有電池組包的模塊的過熱和應力方面過大的不平衡的情況下實現(xiàn)模塊的充電平衡。此平衡以相同的方式適用于同一或不同模塊的電池；
[0120]一根據(jù)模塊能夠供應的電流來選擇模塊并在其能夠供應大于或等于電流需求的電流時調(diào)用它們；在其中電流需求較低的階段期間使用具有較低容量用以供應較低電流的模塊；
[0121]一如果電流需求較低，則限制具有最高溫度的模塊和/或電池的使用或?qū)崿F(xiàn)其優(yōu)先使用；一般地避免模塊和/或電池的溫度超過閾值；可預料超過閾值的此風險。最佳的是電池組中的溫度被保持得相對均勻以使電池的老化均勻并增強其耐久性。
[0122]替換地，能夠想象其它策略，并且該電池組管理方法可以包括以下步驟，例如:
[0123]一電池組的一部分的優(yōu)先使用，從而必須在需要第一改變時僅改變電池組的此部分；可設想的是電池組的一部分可以更容易地可互換；
[0124]一被最優(yōu)化電池的更多使用以抵抗密集使用和電池組的其余部分的有限加載，其能夠被最優(yōu)化以提供能量容量。更一般地，在使用異構電池技術的電池組的情況下，即將不同種類的電池組和，異構使用可能有益于通過考慮每個電池的優(yōu)點來使總體性能最優(yōu)化。
[0125]請注意，電池組管理方法采用為了減緩其老化而對一個或多個電池的充電和/或放電電流進行斬波的步驟。此斬波可容易地通過根據(jù)某個循環(huán)比將電池連接和斷開連接或通過使模塊的激活交替、同時保證電池組輸出端處的正確電壓水平來實現(xiàn)。對電流進行斬波使得可以實現(xiàn)更高的“峰值”電流，這在電池中由高于正常電壓的最大電壓反映出來，其促進電池中的離子遷移并減少其存儲容量的損失。
[0126]此外，可以使電池組管理方法實現(xiàn)以下步驟:
[0127]一在模塊電壓穿過高閾值(此閾值對應于當用連接的電池充電時在模塊處能夠?qū)崿F(xiàn)的最大電壓加安全裕度:這是檢測在充電電流通過電池組的同時所有電池被斷開連接的方式)之后的短時間延遲之后將模塊晶體管閉合，在出現(xiàn)通過模塊晶體管的放電電流的情況下重新打開模塊晶體管；在模塊的其它電池中也檢測到此電流:相應地，可以將電流傳感器放置在電池和晶體管模塊所共用的電力路徑上；如果電池不是有故障或充電不足的，則將電池晶體管閉合；
[0128]一在模塊電壓穿過低閾值(此閾值對應于當用所連接的電池放電時在模塊處可實現(xiàn)的最小電壓減去安全裕度)之后的短時間延遲之后將模塊晶體管閉合，以檢測在放電電流流過電池組的同時所有電池被斷開連接，如果在模塊晶體管處出現(xiàn)同樣在模塊電池處檢測的充電電流，則重新打開模塊晶體管，當模塊的電壓趨向于朝著電池的電壓上升時將用于并非有故障或過量充電的電池的電池晶體管閉合；確保模塊的電壓上升，保證在模塊處沒有模塊晶體管仍被閉合；
[0129]一在模塊的電壓穿過低閾值之后的短時間延遲之后將模塊晶體管閉合，如果出現(xiàn)在閾值以下的放電電流，則在短時間延遲之后重新打開模塊晶體管，并且如果剛好在將模塊晶體管閉合之前模塊晶體管已由于過高的放電電流而被打開，則將模塊晶體管閉合(將電池晶體管閉合必須產(chǎn)生在并聯(lián)的電池中將被保持閉合的模塊晶體管中的電流的減少或者甚至電流的反向，這應加速其打開)；如果模塊晶體管保持被閉合，則這將在模塊晶體管中產(chǎn)生過電流，其將導致它們重新打開；
[0130]一如果電池趨向于被過量充電，例如以在某個閾值以上的電壓或者以超過某個閾值的存儲的最大安培小時數(shù)，則將電池晶體管打開，在這種情況下，如果存在放電電流且相應的模塊晶體管是打開的，則模塊晶體管再次被閉合；如果前一晶體管被閉合，則應用上述操作；
[0131]一如果電池趨向于充電不足，例如以小于某個閾值的電壓或以在某個閾值以下的安培小時數(shù)，則將電池晶體管打開；如果存在充電電流且相應的模塊晶體管是打開的，則電池晶體管再次被閉合；如果前一晶體管被閉合，則應用上述操作；
[0132]一如果電池變得過熱，則打開電池晶體管，后面是只要相應的模塊晶體管是打開的、就將電池晶體管打開和閉合的操作的循環(huán)重復，以使電池的溫度局限于可接受水平；如果電池的溫度達到過高的值，則電池晶體管保持打開；當溫度已經(jīng)下降至預定義可接受閾值以下時，如果相應的模塊晶體管已保持打開，則晶體管被再次閉合；如果溫度然后以過度且異常的方式非?？焖俚厣仙?，則電池被認為有故障，并且其電池晶體管然后保持打開；
[0133]一如果電池中的電流超過最大閾值，則打開電池晶體管，該閾值對于電池充電和放電階段中的操作而言可以是不同的，后面是如果該級的電壓接近于電池的電壓且當然如果模塊晶體管已保持打開，則重新閉合電池晶體管，這意味著閉合此晶體管將不會產(chǎn)生將迫使需要其理解重新打開的過電流；
[0134]一如果電池被診斷為有故障，則其關聯(lián)電池晶體管將自然地保持打開直至電池被替換。
[0135]最后，電池組診斷方法更一般地包括測量電池狀況的至少一個特征參量的步驟，例如電壓、電流、溫度、每小時安培數(shù)或者甚至任何其它有意義參量，后面是將此測量考慮在內(nèi)判定電池開關和/或關聯(lián)模塊開關的狀況的步驟。如上文所解釋的，此判定可以導致在于在電池有故障的情況下的電池開關的全部打開或關聯(lián)模塊開關的閉合以將其從電池組的其余部分斷開連接的動作，或者根據(jù)最佳循環(huán)比使打開和/或閉合交替以將電池保持在可接受狀況的中間方式。在一個實施例中，因此能夠針對某個測量參量來預定義多個閾值，以便根據(jù)達到的閾值來確定不同的動作。在測量與給定電池有關系的參量之后所采取的動作被確定為從而使開關打開和閉合的操作最小化，以避免過度頻繁的切換，那是功耗大的，以避免不及時的切換，并控制電池組的各種電池之間的切換的切換同步。
[0136]上述電池組管理方法可以由本地和/或遠程計算機來實現(xiàn)，如上文所解釋的。此計算機可以包括一個或多個微處理器。
[0137]請注意，該方法的本地實施方式在不依靠中央計算機的情況下具有以下優(yōu)點:
[0138]一由于測量及其分析能夠本地地且獨立于其它模塊來執(zhí)行，所以反應可以是非?？焖俚模黄湓诒緦嵤├斜扔弥醒胗嬎銠C更快，中央計算機將迫使需要經(jīng)由用電隔離的連接進行的通信，首先利用將導致第一時間延遲的串行編碼，后面是通過總線以低比特率來傳輸，這將涉及到第二時間延遲；
[0139]一如果模塊包括其自己的計算機，則能夠執(zhí)行測量結果的密集處理，從而實現(xiàn)每個電池、其健康狀況及其充電狀況的準確診斷。
[0140]如果電池的管理完全是本地的，該電池組管理方法可以包括以下特定步驟:
[0141]一一旦同一級中的電池的故障率達到閾值，就命令所有電池的打開和潛在地放置在每個電池中的旁路的激活，從而使該級不工作；
[0142]一如果電池有故障，例如如果存在電流漏泄或過熱，則當其被過度地放電(例如，這是由電壓下降至電壓閾值以下而檢測的)或過量充電時(例如，這是由電壓超過電壓閾值或可接受安培-小時數(shù)而檢測的)，其通過將其串聯(lián)晶體管打開而被斷開連接；
[0143]一如果電池被加熱，則其能夠根據(jù)循環(huán)比被連接/斷開連接，從而限制其溫度上升；此目的能夠通過根據(jù)在電池處測量的溫度來控制循環(huán)比而實現(xiàn)；
[0144]一如果斷開連接的電池經(jīng)歷該級的電壓充分地下降至OV以下(例如以-1OOmV的幾倍)，則其將其并聯(lián)晶體管閉合(不存在使并聯(lián)的電池短路的風險，因為電壓主動地通過零:通常是當同一級的所有電池被斷開連接且電流在電池組被消耗時)；可以在電壓下降至閾值以下的檢測與命令并聯(lián)晶體管之間提供短時間延遲，使得相鄰電池還具有用以檢測穿過閾值的時間；
[0145]一在向電池組包施加充電電流期間，如果斷開連接的電池經(jīng)歷外部電壓上升至電池在充電期間能夠達到的最大電壓以上，則其將其并聯(lián)晶體管閉合(不存在使并聯(lián)的電池短路的風險，因為為了使電壓能夠超過此閾值，該級的所有電池必須是打開的)；
[0146]一如果電池經(jīng)歷過高的電流，這特別地在不存在足夠的并聯(lián)的電池以滿足電流需求或接受輸入電流的情況下可能發(fā)生，則電池的串聯(lián)晶體管被打開，這消除了電池劣化的風險；如果在此類斷開連接之后，保持并聯(lián)的活動電池經(jīng)歷過高的電流，則其也將主動地斷開連接；
[0147]一當一個級的所有電池都被斷開連接且正在從電池組獲取充電電流時，然后該級處的電壓將下降并趨向于變成負的；這時，每個電池將激活其并聯(lián)晶體管，其將出于電池組中的電流循環(huán)的目的而接替；
[0148]一當一個級中的所有電池被斷開連接且充電電流被施加于電池組時，然后該級的電壓將上升并超過電池的最大充電電壓；在這種情況下，電池將觸發(fā)其并聯(lián)晶體管的閉合；
[0149]一為了確定所有電池已經(jīng)檢測到已經(jīng)超過了電壓閾值，可以有意地施加短時間延遲以命令每個電池處的并聯(lián)開關以在通過此閉合將電壓減小至零之前允許電壓前進；
[0150]一如果電池在過度放電(電壓下降至電壓閾值以下)之后已被斷開連接，則其可以判定一旦該級的電壓上升至電池的電壓之上(在其中并聯(lián)開關未被激活的情況下)就將其本身重新激活；如果并聯(lián)開關已被激活，則用以去激活的判定可以基于在充電電流方向上的旁路中的電流檢測；將并聯(lián)開關打開然后必須允許電壓上升，除非并聯(lián)的電池由于某種其它原因而保持其并聯(lián)開關閉合；如果電壓在某個時間結束時未能上升，則并聯(lián)開關被重新激活以防止并聯(lián)的電池的并聯(lián)開關太長時間獲取整個電流；如果另一方面，電壓上升至電池的電壓或超過，則串聯(lián)電池開關被激活且電池被充電；
[0151]一如果電池在過量充電之后(在電壓閾值以上的電壓的通過)被斷開連接，其可以判定一旦該級的電壓下降至電池的電壓以下(在其中并聯(lián)開關未被激活的情況下)就將其本身重新激活；如果并聯(lián)開關已被激活，則進行去激活的判定可以基于在放電電流方向上的并聯(lián)旁路中的電流方向；打開并聯(lián)開關然后后面是將電池開關閉合，并且可以提供打開并聯(lián)開關與激活串聯(lián)電池開關之間的短時間延遲以便允許所有電池有時間檢測放電電流；
[0152]如果電池在過高電流之后已被斷開連接且并聯(lián)開關未被激活，則這意味著并聯(lián)的電池能夠耐受電流并保持電壓，電池然后可以嘗試一旦該級的電壓充分地接近于電池電壓、就重新連接；
[0153]如果電池在過高的電流之后已被斷開連接且并聯(lián)開關已被激活，則可能相鄰的電池被過量充電或者過度放電，并且不再對電流存儲有所貢獻；在這種情況下，一旦在并聯(lián)開關中流動的電流變成與引起電池(按照推測以及相鄰電池)的去激活的電流符號相反，則其被打開；如果充電電流存在，則一旦電壓接近電池的電壓，電池開關就被激活，并且如果電壓未能在某個時間結束時上升，則并聯(lián)開關被重新激活(假設并聯(lián)的電池尚未被并聯(lián)開關重新打開且在其中不能允許過高的電流太長時間)；如果放電電流存在且該級的電壓開始下降(即一旦確定所有并聯(lián)電池的并聯(lián)開關是打開的，則電壓將不能下降)，則串聯(lián)開關被閉合，可以提供打開并聯(lián)開關(后面是電壓降的檢測)與激活電池開關之間的短時間延遲，以便留下用于所有電池檢測放電電流和然后的電壓降的時間；
[0154]一如果電池在不能補救的故障之后被斷開連接，則電池開關絕不會被重新激活；另一方面，在某些情況下必須閉合的并聯(lián)開關也必須能夠打開；如果并聯(lián)開關在該級的電壓穿過小于閾值(-1OOmV的幾倍)的值的檢測之后已被激活，則后一開關可以被重新打開，如果從其中通過的電流是充電電流的話；如果其在該級的電壓穿過在閾值(電池在充電期間能夠達到的最大電壓)以上的值之后被激活，則其可以重新打開，如果從其中通過的電流是放電電流的話；實際上假設無論是由什么造成的，并聯(lián)開關的一般閉合是由并聯(lián)的電池已達到完全充電或放電或過大電流且如果在電池組中將出現(xiàn)相反電流、則并聯(lián)的電池將被重新激活的事實而引起的；如果并聯(lián)的相鄰電池絕不會被重新連接，則將重新建立該級的電壓，在正常最大電壓以上或正常最小電壓以下，并且再次觸發(fā)該級的電池的并聯(lián)開關；
[0155]一如果電池在不能補救的故障之后已被斷開連接，則當故障已被清除時(例如當溫度已充分地下降或者電池已被替換時)電池能夠被重新連接；如果并聯(lián)開關被激活，則遵循與前一段落中相同的過程。
[0156]可以以類似的方式將上述原理應用于集中式管理。
[0157]管理電池組的方法的所有這些操作都是基于由一個或多個微控制器的分析而實現(xiàn)的。替換地，由于要實現(xiàn)的動作是簡單的，所以為了限制該解決方案能量消耗，可以使用異步電子電路的全部或一部分，而不需要高頻率時鐘。在此類變體中，將經(jīng)由比較器執(zhí)行根據(jù)模擬測量結果來實現(xiàn)閾值的檢測，并且在越過閾值之后所引發(fā)的動作可以使用例如除法器、寄存器經(jīng)由邏輯電路來異步地執(zhí)行。
[0158]圖23示出了啟用并聯(lián)晶體管34的控制的根據(jù)此類方法的一個可能實施例。在本實施例中，使用未示出的傳感器來測量模塊的電壓Vmod、電池的端子處的電壓Vcel和流過電池的電流I。這些測量值被與三個閾值值、用于模塊的電壓的高和低閾值值VsI和Vs2及用于電流的閾值值Isl相比較。使用四個運算放大器(或比較器)90來將這些測量值與這些閾值相比較，以便借助于多個邏輯算子91和延遲電池92，得出是否打開模塊晶體管34的最終判定。此電路的“延遲”電池92除其延遲對給定事件的反應的功能之外還可以確保比較的結果在某個時間段內(nèi)是穩(wěn)定的，并且只有當比較結果的穩(wěn)定性在預定義時間段內(nèi)已被重復時才考慮過渡，以便消除例如由于相鄰電池或模塊的開關造成的噪聲而引起的混亂的測量結果。
[0159]控制模塊晶體管的這種方式的一個優(yōu)點是不需要使測量信號數(shù)字化且反應能夠非?？焖俚氖聦嵉慕Y果，而這并未迫使需要信號的甚高頻采樣。此外，可以并行地執(zhí)行所有操作，如果所有電池被要求能夠同步地進行反應、基于為該級的所有電池所共用的該級的電壓而不是由于同一時鐘在沒有到電池的附加輸出的情況下不能被共享而將不會為該級的每個電池所共用的時鐘前沿來打開或閉合晶體管，這是非常有益的。此類同步因此能夠使得可以降低或者甚至消除電池晶體管23和并聯(lián)晶體管34的閉合之間的重疊的風險。
[0160]此外，如果電池組將不會被長時間使用，則電池組管理方法還使用將所有可能電池斷開連接的附加步驟。此步驟賦予相當可觀的安全性，特別是在諸如事故或火災之后的特定情況下。如果許多電池且優(yōu)選地所有電池被斷開連接，則電池之間的主短路的風險保持非常低，即使在嚴重事故的情況。此外，在停止時將電池隔離防止電池經(jīng)由具有最高漏電流或有故障的某些電池而放電。
[0161]根據(jù)一個有利實施例，本發(fā)明的控制方法包括命令電池和/或模塊開關以獲得預定義值的輸出電壓和/或根據(jù)預定義設定值的交變輸出電壓。以類似方式，本發(fā)明的控制方法包括在充電階段期間控制電池和/或模塊開關，從而獲得要充電的每個電池中的預定義充電電壓和/或電流。
[0162]相應地，電池組管理方法還使得能夠根據(jù)要求的使用、例如電負載的要求而實現(xiàn)輸出電壓的自適應。此自適應包括例如將被串聯(lián)地使用的一定數(shù)目的模塊的受限選擇，當所需的總電壓小于電池組能夠輸送的最大電壓時，其它模塊保持不使用。在進行此選擇時，可以不顧最多放電模塊而支持最多充電模塊和/或留下有故障模塊不使用，如上文所解釋的。另外，該方法還可以在電池本身的層級操作，并且通過將某些所選模塊的某些所選電池斷開連接來產(chǎn)生所需電壓，例如優(yōu)先選擇使用最高充電電池。
[0163]本發(fā)明的電池組的輸出電壓的自適應甚至可以采取復雜的形式。事實上，本發(fā)明能夠為汽車的同步或異步電動機供應正弦輸出電壓。圖24示出了用以獲得例如在圖11實施例的中央計算機22內(nèi)使用的此類輸出電壓的電池組調(diào)節(jié)的一個示例。此調(diào)節(jié)是基于用于計算在電池組輸出端處所需的電參量的設定值的單元80，所述電參量包括設定電壓Vcons和設定電流Icons，其與單元81中的考慮汽車駕駛員的任何需求有關，特別是經(jīng)由加速踏板傳送的，并且與由單元82傳送的汽車電動機的操作值有關，例如速度(Vit)和轉(zhuǎn)矩(Cou) ο
[0164]請注意，該設定值可以在于電流和電壓的這些值的組合，例如其乘積Icons、Vcons。用于確定至少一個設定值的單元80可以依賴于矢量控制，根據(jù)要供電的電動機的類型而將電流/電壓參量的振幅、頻率和(在適用的情況下)相位的調(diào)整考慮在內(nèi)。此原理當然在較簡單的情況下也是可操作的，諸如對DC電壓的要求。調(diào)節(jié)單元則包括校正單元83，其使用設定值Icons、Vcons與相應實際值Ir6el、Vr6el之間的差,其將要求傳送至單兀84,該單元84確定電池組中所需模塊的數(shù)目和(在適當?shù)那闆r下)要使用的那些模塊中的特定電池。根據(jù)優(yōu)選實施例，基于本地地測量的參量在模塊處執(zhí)行將在模塊中使用的電池的選擇。為此，此單元84還接收部通過測量處于模塊和電池組的電池處的參量而產(chǎn)生的信息，并且特別是模塊的電池的充電狀況SoC和健康狀況S0H。最后，最終單元85實現(xiàn)了由單元84確定的選擇，并且特別地向電池組的各種開關發(fā)送所需命令。這導致被汽車的電動機接收到的電流Irbel和電壓Vreel的實際輸出值，其使得可以實現(xiàn)由單元82傳送的操作值，諸如速度(Vit)和轉(zhuǎn)矩(Cou)。最后，可以在校正單元83或返回環(huán)路中施加變化頻率限制器和/或低通濾波器以獲得適當?shù)钠骄?，限制電池開關頻率，例如根據(jù)用于頻率500Hz的輸出電壓的200kHz的頻率。
[0165]調(diào)節(jié)電池組的輸出電壓的此功能使得其能夠起到開關電池組型轉(zhuǎn)換結構的作用，其避免了在電池組包的輸出端處使用DC/DC轉(zhuǎn)換器以關于應用的要求來調(diào)整電壓，并且使得能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)圖4的簡化方案的電池組的使用，而不是像圖3的現(xiàn)有技術方案那樣。
[0166]圖25示出了能夠在受控制時由電池組供應的電壓波的示例，如上文所解釋的，用于峰值振幅40V的IOOHz且以40V為中心的正弦型電壓設定值，并且用于由20個模塊組成的電池組，每個模塊產(chǎn)生4V，并且其切換頻率局限于IOkHz (即每周期100次切換操作)。
[0167]為了能夠生成以OV為中心的單相電壓，必須可以使用兩列或差分電壓或添加H橋，如圖26中所示，這使得可以借助于四個開關86、87、88、89、第一端子處的兩個開關86、87和第二端子處的兩個開關88、89來使電池組端子處的電壓反相。如果兩個開關86、88被閉合且其它兩個開關打開，則輸出電壓Vout是正的。相反，如果兩個開關87、89被閉合且其它兩個開關是打開的，則輸出電壓Vout是負的。
[0168]圖27更詳細地示出了基于如圖11中所示的電池組結構的參考圖26所述的原理的實施方式，包括例如每個包括兩個電池的五個模塊。針對每個電池11，提供了與電池串聯(lián)的電池晶體管23，并且為每個模塊提供了并聯(lián)的模塊晶體管24，如上文所解釋的。此外，在模塊處存在用于測量電池的特征參量的至少一個傳感器，由于簡化原因而未示出。在模塊12處的本地控制電路27借經(jīng)由提供電隔離的通信總線21和接口 37按照中央計算機22的命令借助于控制信號41來驅(qū)動晶體管23、24，如上文所解釋的。電池組還包括如上所述的四個開關86、87、88、89，其在本實施例中是電池組的頂端和低端模塊的各控制電路27經(jīng)由控制連接90而驅(qū)動的晶體管。
[0169]請注意，管理電池組的方法采用開關86、87、88、89的最佳切換。例如，如果輸出電壓必須是正弦電壓，所以當電壓穿過OV時執(zhí)行晶體管的切換，以限制切換損耗。如果在電池組的輸出端處要求50Hz的頻率，則必須將H橋50的晶體管打開/閉合每秒50次。
[0170]此外，管理電池組的方法有利地還以與針對串聯(lián)晶體管或模塊的管理設想的步驟類似的方式采用H橋的晶體管的智能管理。例如，還可以使溫度或電流測量結果與其相關聯(lián)并判定如果測量參量超過某個閾值則打開晶體管，例如在過高溫度的情況下。此測量參量當然可以被傳送至本地和/或遠程處理電路以便以這種方式來實現(xiàn)智能管理。
[0171]電池組的頂端和低端模塊集成了比其它模塊更多的電子部件。所有這些部件有利地被供應模塊處可用的電壓。在這種情況下，末端模塊比其它的被更多地加載。為了響應更大的需求，可以有以下解決方案:
[0172]一放電模式下的電池組的管理對末端模塊的電池加載較少以使得其能夠保持用于對H橋的開關進行切換的足夠電荷直至電池組被完全放電；和/或
[0173]一末端模塊包括比其它的更多的電池和/或更高存儲容量的電池；和/或
[0174]一末端模塊的部件還被從相鄰的其它模塊供電，這是能夠設想的，因為其電位仍是非常接近的。
[0175]此外，以上操作原理還以類似方式適用于對電池組充電的階段中，其使得電池組能夠經(jīng)由其到標準電網(wǎng)的連接而直接地充電。更確切地說，在充電期間，電池組被連接到電壓源，并且由于電池和晶體管具有內(nèi)電阻，所以電池組中的電流的循環(huán)產(chǎn)生電阻電壓降，其對應于由源施加的電壓和由電池組的串聯(lián)的各種模塊產(chǎn)生的空載電壓之間的差。能夠調(diào)節(jié)此差使得可以管理電池組充電電流。相應地，電池組還采用包括打開和/或閉合開關以在所選電池處獲得所需充電電流的步驟的充電方法。可以采用類似于上述的調(diào)節(jié)，使得可以確定將被置于串聯(lián)的模塊的數(shù)目和那些，以獲得電池組內(nèi)的充電電流設定值。如上文所解釋的，這種方法包括選擇要充電的電池的步驟，特別是考慮其充電狀況及其健康狀況。請注意，可以在源與電池組之間放置電感以使在其之間循環(huán)的電流平滑化。這以類似的方式適用于電池組與負載之間。相應地，電池組使得能夠在不迫使需要任何電壓/電流式電轉(zhuǎn)換器的情況下以簡化方式從電網(wǎng)進行充電。
[0176]請注意，如果電池組不能生成或吸收負電壓，則其仍然可以接受來自電網(wǎng)的充電而不迫使需要電壓/電流式電/電轉(zhuǎn)換器，其使用被插在干線與電池組之間的整流器橋38以在電池組處獲得正電壓U，如圖28中所示。
[0177]最后，上述解決方案具有許多優(yōu)點，包括:
[0178]一其基于大量單元開關，即優(yōu)選實施例中的大量晶體管，相互遠離，這使得易于消散由其操作耗散的能量，因為其耗散能量采取通過電池組的結構散射的大量小數(shù)量的能量的形式；
[0179]一其使得能夠通過電流的動態(tài)路由來實時地實現(xiàn)電池組的電池的平衡；
[0180]一其使得能夠通過使其中的每一個的使用率最優(yōu)化來實現(xiàn)電池組的模塊的平衡；
[0181]一其使得能夠?qū)崿F(xiàn)有故障電池的斷開連接；
[0182]一其使得能夠通過完全地或根據(jù)循環(huán)比將電池斷開連接來實現(xiàn)過高溫度下的電池中的電流的限制，使得可以實現(xiàn)來自電池的可接受的平均電流；
[0183]一其使得能夠以溫和的方式來實現(xiàn)電池組的輸出電壓的調(diào)整(低頻(< 1000Hz)切換和小電壓階躍，例如4V)，而不迫使需要全電池組電壓的高頻斬波；其使得能夠?qū)崿F(xiàn)用于控制DC電動機或從DC源進行充電所需的DC電壓的調(diào)整；其還使得能夠?qū)崿F(xiàn)用于控制同步或異步電動機等或用于從電網(wǎng)直接充電的AC電壓的生成；
[0184]一其使得能夠?qū)崿F(xiàn)模塊的電池的單獨隔離，特別是使得能夠?qū)崿F(xiàn)其空載電壓的測量，即使電池組正在進行操作；
[0185]一其使得能夠?qū)崿F(xiàn)所有電池的隔離，例如當車輛被停止時或者在檢測到主要故障之后，使得能夠規(guī)避用于被叫來對車輛進行工作的用戶或人員，例如在火災的情況下的消防人員的所有電氣風險。
[0186]通過同時地測量電池的電壓和電池組的模塊的電壓，可以從這些測量結果來推斷功率晶體管的端子處的電壓。在某些配置中，可以從這些電壓和流過電池或模塊晶體管的電流檢測晶體管是否是有故障的。相應地，電池組還采用診斷實現(xiàn)必不可少的開關功能的晶體管中的某些或全部的操作的方法，其可以包括以下步驟中的某些或全部:
[0187]一如果在電池晶體管打開時，該級的電壓在電流流動的同時保持基本上等于電池的電壓，則這是因為電池晶體管中的至少一個不再打開；為了找出是哪一個，確定電流流過哪個電池就足以；相應地，該診斷方法包括命令模塊的所有電池晶體管的打開、測量模塊的電壓以及在非常接近于電池電壓的值的情況下測量流過每個電池的電流且如果電流在其中流動則將電池晶體管分類為“故障”的步驟；在下文中，與其中電池中的至少一個有故障(保持閉合)的模塊相關聯(lián)的模塊晶體管不再被激活，以免產(chǎn)生短路；該方法可以包括向本地和/或中央單元傳送關于有故障開關的身份和/或每個模塊能夠輸送的最大電流的數(shù)據(jù)的附加步驟。用戶必須能夠找出應改變哪個晶體管；
[0188]一如果在用以打開并聯(lián)晶體管的命令的情況下，至少一個級的電壓在電流流動的同時保持基本上為零，則至少一個并聯(lián)晶體管未打開且有故障；測量通過每個模塊的電流使得可以確定有故障的并聯(lián)晶體管；該診斷方法因此包括命令并聯(lián)晶體管的打開、測量電壓和電流以及如果在電流流動的同時電壓是零則識別有故障模塊晶體管的步驟；在下文中，與其并聯(lián)晶體管有故障(保持閉合)的模塊相關聯(lián)的電池晶體管不再被激活，以免產(chǎn)生短路；相關模塊在其模塊晶體管或并聯(lián)開關已被替換之前不會再次被使用；
[0189]一如果在用以閉合電池晶體管的命令的情況下，在關聯(lián)電池中的電流是零的情況下在晶體管處出現(xiàn)電壓降，則電池晶體管是有故障的，并且不再閉合；這種情況限制了能夠供應給模塊的電流；電池組的中央計算機被告知信息，并且告訴模塊仍能夠耐受的最大電流；此外，用戶被通知要更換晶體管；
[0190]一以類似方式，如果用以閉合模塊晶體管的命令在其中的電流為零的同時導致晶體管處的電壓降，則這意味著晶體管是有故障的且不再閉合；這限制了在電池被斷開連接時模塊能夠通過的電流；中央計算機被通知并告訴模塊能夠仍能夠耐受的最大電流；此夕卜，用戶被通知要更換晶體管。
[0191]一如果支路中的電流具有與在其它支路中循環(huán)的電流相反的符號，超過某個閾值，則診斷來自此分支的來自常開晶體管的漏電流；中央計算機被告知并告訴模塊仍能夠耐受的最大電流；此外，用戶被通知要更換晶體管。
[0192]本發(fā)明當然不限于以上示例?？梢蕴貏e地實現(xiàn)每個電池多個測量傳感器，但是替換地，可以消除這些測量傳感器或者可以選擇其它數(shù)目的測量傳感器。此外，可以使用除所述那些之外的其它類型的測量傳感器，以測量出電壓、電流或溫度之外的電池狀況的特征參量。每個電池能夠采取任何形式且基于任何儲能技術，而不限于針對本發(fā)明的實施例更詳細地描述的鋰離子技術。此外，每個儲能電池可以與本地能量源相關聯(lián)，諸如光伏電池或任何形式的太陽傳感器、熱傳感器、機械/電轉(zhuǎn)換器等。[0193]此外，已經(jīng)用針對電池組的每個電池實現(xiàn)的電池開關描述了以上實施例。然而將可以通過根據(jù)本發(fā)明的概念來僅管理其電池中的某些并因此在電池組上的僅某些電池上提供電池開關并因此在同一模塊的至少兩個電池上有利地提供至少一個開關以使得能夠?qū)崿F(xiàn)此類管理中的某些靈活性來獲得改進的電池組。某些模塊可以不實現(xiàn)上述方法，并且可以設想將常規(guī)模塊與根據(jù)本發(fā)明改進的模塊組合的電池組。此外，已描述了用于電池組的每個模塊的模塊開關或者替換地與每個電池相關聯(lián)的并聯(lián)開關。此類開關仍是可選的，并且在本發(fā)明的簡化型式中可以被省去。此外，本發(fā)明覆蓋集成了用于模塊中的僅某些的一個或多個模塊開關和/或并聯(lián)開關的所有中間實施例。
[0194]最后，為了使圖清楚，所示的示例包括很少的電池。然而，設想的實施例適合于實現(xiàn)能夠供應高輸出電壓、達到幾百伏、例如250伏或更多的電池組。其因此適合于包括許多模塊、特別是八個或更多模塊的電池組。
[0195]為此，圖30至32示出了用于實現(xiàn)使電池組的多個模塊旁路的功能的變體，其是基于與多個模塊并聯(lián)地設置、使得可以在多個模塊被去激活時添加電流路徑、因此限制損耗的補充開關。
[0196]相應地，圖30添加了第一系列的開關214，每個使得能夠?qū)崿F(xiàn)四個連續(xù)模塊的分路(旁路)、第二系列的開關314，每個使得能夠?qū)崿F(xiàn)六個連續(xù)模塊的分路、第三系列的開關414，每個使得能夠?qū)崿F(xiàn)相對于第二系列偏移的六個連續(xù)模塊的分路、第四系列的開關514，每個也使得能夠?qū)崿F(xiàn)相對于前兩個系列偏移的六個連續(xù)模塊的分路、第五系列的開關614，每個使得能夠?qū)崿F(xiàn)八個連續(xù)模塊的分路、以及第六系列的開關714，每個也使得能夠?qū)崿F(xiàn)相對于第五系列偏移的八個連續(xù)模塊的分路。
[0197]這些不同系列的所有開關被相互并聯(lián)地設置在不同模塊的下和上端子之間。其管理當然與避免產(chǎn)生短路情況相關，如針對先前的示例所解釋的。
[0198]兩個圖31和32示出了基于同一方法的兩個其它變體。
[0199]這各種實施例的優(yōu)點是在由于同時使多個級分路(旁路)的開關而將多個模塊去激活(這引起低得多的損耗)時添加更多電流路徑。相應地，根據(jù)所需的模塊的數(shù)目，始終采用基本上最佳的配置來使電池組的總電阻最小化。
[0200]借助于晶體管實現(xiàn)所提及的不同電池和/或模塊和/或并聯(lián)開關。已經(jīng)在很大程度上表示了 NMOS和PMOS晶體管，但仍然可以使用雙極NPN和PNP晶體管，其具有優(yōu)點，即其能夠用相對低壓、FET、JFET, IGBT, GaN晶體管、繼電器等來控制。替換地，能夠?qū)崿F(xiàn)除所述那些之外的任何類型的開關，如果當要求將其打開時電流被固有地反向的晶閘管。
[0201]能夠用智能單元、計算機或可經(jīng)由本地通信設備來訪問的本地和/或遠程處理電路來管理本發(fā)明的電池組，該計算機可以包括用于管理電池組、特別是用于確定其開關的配置的任何軟件和/或硬件。為此，電池組可以集成任何致動裝置、任何控制電路，以用于其開關。然而，此開關控制電路直接由電池組的至少一個電池供電、優(yōu)選地由控制電路在其上面操作的模塊或相鄰模塊的電池供電；該解決方案被有利地應用于被集成在電池組處并需要電力供電的所有部件。相應地，電池組集成了在一個或多個模塊處可用的在由一個或多個電池供應的電壓下的一個或多個電力供電電路。此電力供電電路可以直接在電池中或在電池組中或用任何其它手段在電子卡上布置。
[0202]通過簡單地將上述實施例和/或其變體組合，可以容易地設想本發(fā)明的許多其它變體。
[0203]請注意，電池組內(nèi)和/或與外部單元的通信可以基于載波電流原理，條件是負載所需要的或由源供應的電流不要過高而允許某些電池斷開連接。事實上，此原理是基于電池組的某些電池的連接和斷開連接的故意交替，以便在模塊處產(chǎn)生感應電流調(diào)制和功率調(diào)制，其傳播至整個電池組并超出。此功率調(diào)制因此被電池組的其它模塊且被外部負載看到，這使得可以將其用來根據(jù)現(xiàn)有和規(guī)范化與否的任何通信協(xié)議、來傳送信息?？梢韵薅赴咫娐罚浣柚陔姵氐牡刂份喠鞯卦儐査须姵?，每個電池然后在專用時隙中進行響應。例如，該母板電路可以請求諸如某個模塊的電壓、電流和/或溫度的測量結果的信息，在此之后，所述模塊能夠發(fā)送所請求的信息，可能用用于報告故障的代碼。此原理因此使得電池組的不同電池能夠簡單地相互通信或與電池組的中央計算機或處理電路或外部單元通信。請注意，可以在不完全將電池斷開連接、而是簡單地通過調(diào)制電池晶體管的導通狀況下的電阻、即關于晶體管的偏置點來調(diào)制其柵極電壓來調(diào)制電流。這避免了電池被完全斷開連接并使接替以使電流循環(huán)的該級的其它電池過載。導通狀況下的此電阻調(diào)制還能夠在模塊晶體管被激活時被應用于模塊晶體管。這然后使得即使該級通過打開電池晶體管而被去激活也能夠進行通信。載波電流通信使得可以在不產(chǎn)生高電損耗的情況下在該級處對高電流進行調(diào)制。事實上，此電流調(diào)制是通過調(diào)制被簡單地存儲并借助于屬于電池組而被返回的電流的消耗而執(zhí)行的，這意味著不存在類似于在諸如按照慣例被用于載波電流系統(tǒng)的線性模式下的電阻器或晶體管的耗散元件中存在的損耗的損耗。
[0204]因此，圖29以圖解方式示出了該原理的實現(xiàn)，其中，電池組的第一模塊121通過對至少一個電池開關13進行致動來生成通信信號100，并且然后在電池組的第二模塊122處接收相應信號101。
[0205]圖33示出了本發(fā)明的實施例的變體，其中，電池組被分離成四個部分或包括由多個電池組成的多個模塊的等效存儲子組件。這些模塊的結構綜合了上述概念，并且在這里每個電池包括電池開關且每個模塊包括模塊開關。這些不同部分可以是串聯(lián)的，閉合將其連接的第一開關103并打開第二開關104，其然后代表著如上文參考圖4所述的幾何結構，或者另一方面是并聯(lián)的，打開第一開關103且閉合第二開關104。替換地，可以有任何中間組合，諸如將各部分兩個兩個地串聯(lián)地分組，后面是將兩個部分的這些組并聯(lián)地設置。此變體使得可以具有高輸出電壓Vs或較低輸出電壓但是高于在所有部分串聯(lián)的情況下將獲得的電流的輸出電流Is之間的選擇。相應地，此結構在期望輸出電壓小于能夠向一半模塊供應的電壓時就變得可用。如果此電壓小于能夠向串聯(lián)的所有模塊供應的電壓的四分之一，則所示的四個部分可以被并聯(lián)地使用。
[0206]替換地，可以用任何其它數(shù)目的部分來實現(xiàn)該方法；每個模塊甚至可以表示適合于與電池組的其余部分串聯(lián)或并聯(lián)的組合的部分。此外，這些不同部分可以相互不同，不包括相同的電池數(shù)目。管理電池組的方法因此可以包括根據(jù)預定時間段基于輸出端處的電壓和電流需求自動計算將被置于并聯(lián)的部分的數(shù)目的步驟，后面是對開關103、104進行致動以便獲得最適合當時所需的電池組幾何結構的步驟。
[0207]圖34因此示出了上文參考圖33所述的原理的實施方式。在本示例中，為了獲得清楚的表示，電池組僅包括每個三個模塊的兩個部分。此原理當然可以針對約100個模塊、可劃分成大量部分的電池組被復制。所示的電池組對應于參考圖11所述的電池組。所有模塊包括已經(jīng)詳細地描述的電子部件，并且經(jīng)由通信總線21和電隔離裝置37被連接到中央計算機22。該電池組此外裝配有由四個開關86至89實現(xiàn)的H橋，如上文所解釋的。最后，通過添加形成開關103、104、104’的三個晶體管來獲得電池組的兩個部分的劃分，如上文所解釋的。如所示，兩個晶體管103、104位于電池組的中心部分中，從而被在物理上布置在這些晶體管的任一側的相鄰模塊的控制電路27控制。此外，晶體管104’朝著電池組的下端定位，并且被來自電池組的下模塊的控制電路的信號90控制。這些開關103、104、104’當然可以被不同地布置在電池組的結構內(nèi)。
[0208]圖35示出了另一實施例，其中，電池組包括每個兩個電池的八個模塊，被劃分成具有各輸出電壓Vl和V2的每個四個模塊的兩個部分。此電池組還包括十個MOS晶體管，包括被連接到第一部分的五個晶體管Kll至K15和被連接到第二部分的五個晶體管K21至K25。這十個晶體管直接由相鄰模塊控制。其使得可以實現(xiàn)電池組的兩個部分的電壓反相和串聯(lián)或并聯(lián)連接的兩個功能。這的確是等價于以上方案的解決方案。電池組的總輸出電壓Vs事實上由以下公式定義:
[0209]-當晶體管K13、K14和Κ21被閉合、其它的打開時，Vs=Vl+V2
[0210]-當晶體管K11、K23和K24被閉合、其它的打開時，Vs=-V1-V2
[0211]-當晶體管K12、K22、K15、K25、K14和K21被閉合、其它的打開時，Vs=Vl=V2
[0212]-當晶體管K12、K22、K15、K25、K11和Κ24被閉合、其它的打開時，Vs=-(V1=V2)
[0213]本實施例包括從未經(jīng)受大于Vl或V2的電壓的晶體管K14、K15、K24和K25，該電壓使得可以選擇能夠在不產(chǎn)生過大損耗的情況下接收較高電流的低壓晶體管。如前所述，那十個晶體管經(jīng)由能夠被電池組的兩個部分的頂部和底部模塊供電并放置在其上面的電子裝置被控制。由于這些晶體管的電源電位被相對于這些模塊進行參考，所以這簡化了對其進行控制。
[0214]在電池組包括N個模塊的情況下，如果計算確定需要串聯(lián)的η個模塊以獲得所需電壓，則可以執(zhí)行以下計算:
[0215]如果η < Ν/2，則兩個部分的并聯(lián)連接，將電池組劃分成兩個部分；
[0216]如果η < Ν/3,電池組劃分為三個部分，等。
[0217]替換地，可以選擇滯后型調(diào)節(jié)，以避免在電壓需求在例如Ν/2的極限值周圍改變時過于頻繁地對開關進行切換。為此，當η < N/p-q時，可以判定將電池組劃分成P個部分，其中，q是整常數(shù)。
[0218]替換地，管理電池組的方法可以采用關于輸出電流和/或電壓值的任何形式的調(diào)節(jié)。如果輸出電壓小于設定值，則增加串聯(lián)模塊的數(shù)目n，并且如果其大于設定值，則減小數(shù)目η。為了防止數(shù)目η在兩個值之間震蕩以求達到用η的整數(shù)值不能達到的設定值，可以使用變化頻率限制器和/或校正器或返回環(huán)路處的低通濾波來實現(xiàn)相對于平均值的調(diào)節(jié)。
[0219]如果電池組必須以給定的周期供應在時間上可變的AC電壓或任何電壓，則必須基于應用于要供應的正弦曲線或可變電壓的振幅的類似標準來判定電池組的不同部分的并聯(lián)連接，以防止在每個周期中太過頻繁地從一個模式切換至另一個。總體上，電流需求可以隨著電壓需求的振幅較低而較高。
[0220]相應地，本發(fā)明的此變體使得可以在基本上恒定的功率下修改輸出電壓和電流值。這種解決方案完全地適合于對諸如汽車電動機的電動機供電，其可以迫使需要低速下的更多轉(zhuǎn)矩和因此的較高供電電流，例如爬陡坡。相應地，本發(fā)明還涉及同樣地裝配有如所述的電池組，可拆除與否以用于其快速更換的汽車。
[0221]已經(jīng)相對于其中每個級或模塊由單元電池組成、全部與由控制電路驅(qū)動的開關相關聯(lián)的實施例描述了本發(fā)明。然而，可以設想其中并不是所有單元電池都包括電池開關和/或并不是所有模塊都被以這種方式來控制的變體，如上所述。相應地，另一簡化變體在于類似于圖35的架構，但是沒有電池開關，這使得可以將該架構減少至僅有各種模塊的串聯(lián)或并聯(lián)連接的功能。
[0222]為此，圖36示出了其中單元電池11被重新分組以形成較大電池或成組電池111的本發(fā)明的另一變體。本發(fā)明的架構然后被應用于這些成組電池111，其被分組成模塊112且其全部與晶體管123形式的電池群組開關相關聯(lián)，每個級包括晶體管124形式的級開關。相應地，本發(fā)明涵蓋其中在以上實施例中被認為是單元電池的電池事實上對應于一組電池的任何實施方式，其可以采取單獨組合件的形式，該單獨組合件的連接是固定的且不可修改的，可能甚至采取在形式上具有至少兩個外部端子且最終與如上文定義的單元電池的那些類似的使用的外殼。遍及本描述，術語“電池”因此必須被理解為適用于任何儲電元件實體，從諸如鋰離子電池組的單元電池到大量單元電池組的組合。請注意，在圖36變體中，電子控制設備被兩個級112共享。
[0223]此控制設備相對于底部級的低電位控制形成開關113、114的晶體管123、124。其包括各種傳感器133，諸如溫度傳感器、電壓傳感器和電流傳感器，其經(jīng)由三個通信信道與處理電路130通信。處理單元130因此在實現(xiàn)“ADC輸入”型模數(shù)轉(zhuǎn)換的通信輸入端131處接收此數(shù)據(jù)。在一個可能實施例中，處理電路可以是具有足夠數(shù)目的輸入端/輸出端以便詢問所有傳感器的微控制器。所有晶體管123、124被功率控制電路127在處理電路130的命令下控制。最后，處理電路130經(jīng)由通信總線125和形成電隔離裝置的接口 37被連接到未示出的中央計算機。
[0224]圖37示出了用于通過使先前通過閉合在其任一側的PMOS晶體管136和NMOS晶體管137而被充電的電感135放電來控制晶體管123、124的電路的實施例。當電感135被充分地充電時，NMOS晶體管137打開，但是PMOS晶體管136仍閉合。電流然后流過二極管138至模塊晶體管124的柵極，并且足以導致其狀況改變。
[0225]另一方面，本發(fā)明還與三相實施方式兼容。圖38簡單地示出了包括用于對三相電動機115供電的三個功率儲存列116的電池組，每個具有與如上所述的根據(jù)本發(fā)明的電池組類似的架構。
[0226]圖39示出了其中電池組適合于向三相電動機115輸送三相電壓且由于電池組的每列116裝配有開關86至89 (有利地由晶體管組成)以便產(chǎn)生如參考圖26所解釋的H橋的事實而不同于前述實施例的變體。此H橋使得可以使電動機的峰峰控制電壓加倍，并且從而將用于相同輸出功率的輸出電流減半(Ueff*Ieff =常數(shù))。這些開關每個周期切換兩次，即在輸出電壓的每次符號改變時。與圖38的相比，此架構使得可以避免由列供應的電流在周期的某些時刻以反向電流的形式流入另一列中，產(chǎn)生使電池充電和放電的非故意循環(huán)。在這種解決方案中，可以獨立地對三相電動機115的三個繞組進行供電。此隔離能夠使得可以將電池組的每個列116電隔離。此隔離在三個列116例如由于車輛中的電氣安全的原因而被分離成在物理上位于不同位置處的三個電池組塊的情況下可能是特別有用。[0227]圖40示出了使得可以提供三相電源的另一變體。所使用的設備包括兩個電池組列或兩個結構的串聯(lián)組合，如參考圖27所述。如已示出的，每個列適合于產(chǎn)生正弦AC輸出電壓。通過將2 π/3的相移施加于兩個列的輸出電壓，可以在電池組的輸出端處恢復三相電壓。請注意，每列被各通信總線21、21’連接到其中央計算機22、22’，并且這兩個計算機22,22'被連接到主計算機222，其整體地管理電池組且特別是協(xié)調(diào)其兩個列。
[0228]三個計算機因此共享管理此類電池組的方法的實現(xiàn)。舉例來說，主計算機222確定將在電池組的各列中使用的級的數(shù)目nl和n2。其一個解決方案是根據(jù)以下規(guī)則來選擇數(shù)目nl和n2:
[0229]-nl =[(模塊的設定峰值電壓的振幅/電壓)*sin(2Jift)]四舍五入至最近整數(shù)
[0230]-n2 =[(模塊的設定峰值電壓的振幅/電壓)*sin(2Jift)]四舍五入至最近整數(shù)
[0231]計算機定義包括信號的頻率f及其振幅的所需輸出設定值。在使用電池組來對電動機供電的情況下，能夠用伺服控制環(huán)路來管理電動機的輸出電壓和電流及速度。在任何時間t調(diào)整數(shù)目nl和n2以實現(xiàn)由此伺服控制環(huán)路定義的設定值。
[0232]另外，專用于電池組的各列的兩個計算機22、22’更精確地確定將在實現(xiàn)電壓和電流需求值的同時被用來遵守這樣定義的數(shù)目nl和n2的模塊(在適用的情況下，和電池)。進行此選擇從而遵守平衡不同模塊之間的電荷。為此，每個計算機22、22’從其列的每個模塊接收充電狀況和電流容量信息，這使得可以確定在任何時間哪些nl和n2模塊具體地被使用。相應地，使得可以在短期內(nèi)獲得所需電流的電池被選擇且保持被連接，直至電流通過峰值，這避免了模塊的過多的連接和斷開連接。能夠僅供應較低電流的模塊則只有當所需峰值電流小于這些模塊的電流容量時才使用。
[0233]此外，主計算機222還傳送所需電壓的符號的信息，使得每個列能夠相應地設置其H橋工作。根據(jù)一個有利實施例，此信息通過修改數(shù)目nl和n2的符號而被傳送至每個列。
[0234]此外，該管理方法還包括向主計算機222傳送關于兩個列的每個模塊的充電狀況和電流容量的信息的步驟。因此可以計算電池組能夠供應的電流和最大電壓，從而在管理電池組時考慮這一點:如果需要，在主計算機222因此能夠施加所需峰值電流或被吸收峰值電流的限制，或者甚至在對電動機供電的情況下對電動機速度的限制。
[0235]最后，如上所述的電池組的所有實施例表明可以使用不同類型的開關來實現(xiàn)如下各種和補充功能，包括:
[0236]一電池開關，用于將電池組的特定電池連接或斷開連接；
[0237]一并聯(lián)開關，用于旁路或不旁路電池組的特定電池；
[0238]一模塊開關，用于旁路或不旁路電池組的模塊；
[0239]一用于同時地旁路或不旁路電池組的多個模塊的開關；
[0240]一用于使電池組輸出電壓反相或不反相的開關；
[0241]一用于將電池組的某些子部分串聯(lián)地或并聯(lián)地安置的串聯(lián)/并聯(lián)轉(zhuǎn)換開關；
[0242]一最后，可以實現(xiàn)用于串聯(lián)地或并聯(lián)地設置兩個電池的附加開關。
[0243]根據(jù)有利實施例，如已描述的，所有這些開關被由電池組本身的至少一個電池供電、即被本地地供電而不是用外部電源供電的控制電路控制。此外，優(yōu)選地由被最近或附近模塊的至少一個電池供電的足夠近的控制電路來驅(qū)動開關，從而在控制電路與例如被控制晶體管的被控制開關之間采用相同數(shù)量級的電壓。為此，有利地進行選擇以控制開關，該開關的端子中的一個、例如在NMOS晶體管的情況下為源極或漏極，被由同一模塊或相鄰模塊、更確切地由這些模塊中的一個的至少一個電池供電的控制電路連接到某個模塊上的電壓。更一般地，可以選擇任何控制電路，該控制電路的電源連接是到其與開關端子的電位差不超過預定義閾值的模塊，超過預定義閾值將存在損壞開關、產(chǎn)生電氣事故情況的風險。此閾值由安全標準定義并取決于所實現(xiàn)的開關的類型。此本地、附近供電具有使得能夠?qū)崿F(xiàn)使用控制電路與開關之間的短控制連接的第二優(yōu)點。
[0244]應注意的是控制電路必須然后使得能夠?qū)崿F(xiàn)各種開關的可靠致動。如果不同模塊具有3V的電位差且開關是NMOS型的，則控制電路優(yōu)選地集成用于增加在其輸入端子處存在的3V的電壓的電荷泵并使用較高輸出電壓根據(jù)開關來對開關進行致動。在NMOS晶體管的情況下，例如將進行選擇以向其柵極饋送電壓，使得其柵極與其源極之間的電壓差約為20V，以保證可靠的致動。
[0245]圖41因此示出了應用于電阻負載的此類電池組的使用示例，具有關于某些模塊的老化和容量損失的某些假設。在未示出的變體中，可以將電池組連接到三相電源以對其進行充電。
[0246]此外，上述電池組解決方案的架構使得可以實現(xiàn)其它有益功能。
[0247]第一此類功能在于電阻抗測量。為此，可以閉合和/或打開與電池11相關聯(lián)的串聯(lián)開關13以使得能夠選擇性地實現(xiàn)電流的一部分在電池組包中循環(huán)以通過電池。通過控制電流在電池中流動的時間和測量電池11處的電流和電壓,可以推導出電池的復數(shù)電阻抗。如在圖42中所表示的諸如用于識別電部件的電特性的對白噪聲160、對階躍變化161或?qū)γ}沖162的響應的標準方法是眾所周知的。此復數(shù)電阻抗測量潛在地使得可以提供電流、電壓和溫度測量結果以外的附加信息以用于電池的充電狀況和健康狀況的改善估計。
[0248]基于串聯(lián)開關的很好地定義的控制的此復數(shù)阻抗測量有利地在模塊的其它電池在此串聯(lián)開關打開時中繼電流的同時執(zhí)行。替換地，還可以基于電池組的正常操作來執(zhí)行此測量，這在電池(或模塊)被激活時當然在電池中產(chǎn)生電流階躍。
[0249]如果在電池組中消耗的電流或多或少是DC的或處于低頻，則可能必須使用傳遞DC以對其進行測量的電流傳感器(測量在流動電流附近的磁場的傳感器、霍爾效應傳感器或分流電阻器的使用)。這些傳感器具有相對昂貴且耗能大的特定特征。為了規(guī)避此限制，可能得益于被用來相對于在負載中循環(huán)的電流人為地增加在電池中消耗的電流的頻率的架構。事實上，可以使在模塊處所使用的電池交替并使用來產(chǎn)生輸出電壓的模塊交替。還可以采用在要測量電池的電流的時刻的電池的快速連接/斷開連接。電池或模塊處的此電流斬波(hachage)促進了電流的測量，因為增加了電流的頻率。例如，可以使用簡單的電流變換器，其能夠被直接集成到承載測量電子裝置的PCB卡上。通過將電池斷開連接，通過電池的電流被抵消，并且電流變換器的磁性材料被去飽和(與例如直流或甚低頻下的電流的循環(huán)有關系的飽和)。當電池被重新連接時，電流變換器起到實際電流變換器的作用，直至材料再次飽和。這在此類飽和之前被用來測量變換器的次級線圈中的電流。最后，每當要測量電流時，電池被臨時地斷開連接。
[0250]第二個此類功能是電流測量。該電池此外可以被臨時地斷開連接(在適當?shù)那闆r下避免電流不通過反向二極管)以便對其它類型的電流傳感器進行校準；已知的是當電池被斷開連接時，通過它的電流為零，這使得可以對傳感器的零進行校準。如果已知的已校準電流在電池組包中循環(huán)(例如當對該包進行再充電時)或者用電池組包處的已校準或準確電流傳感器來測量電流，則還可以對傳感器特性的其它點進行校準。其后，通過在每級處將電池逐個地連接而將電流從一個電池切換至另一電池，能夠相對于此電流點且同樣地針對其它電流點對每個電池的電流傳感器進行校準。最后，如果將該概念略微進一步外推，則在單個已校準、穩(wěn)定且準確的電流傳感器被放置在電池組包(在電池或該包處)中的情況下，可以用該組開關來對電池組包的所有其它電流傳感器進行校準。電流傳感器的實時校準的這種可能性特別是在電池組包在操作時使得可以使用成本非常低的傳感器(因為其不需要是長期穩(wěn)定的)。
[0251]第三個此類功能在于電池組的充電狀況或健康狀況的測量結果的校準。為了計算電池的充電狀況，最常見的解決方案是測量電池端子處的電壓。對于鋰離子磷酸鐵型的其活性部分依賴于高級化學原理的單元電池組而言，電壓的測量結果不是非常準確的，因為后者取決于溫度而不是充電狀況，尤其是當遠離充電或放電結束時。已知的是要獲得充電狀況的更準確的測量結果，可以對通過電池的電流求積分。從放電狀況開始并對電流求積分(積分多個安培-小時)，并且如果電池的容量是已知的(單元電池組能夠存儲的安培-小時的數(shù)目)，則通過計算這兩個值的比，可以推導出電池的充電率。這種解決方案是相當可靠的，但是其需要定期校準，因為電流積分計算趨向于由于電流測量結果的不準確、未被考慮在內(nèi)的漏電流以及由于隨著其老化、電池損失容量(能夠存儲的安培-小時數(shù)下降)的事實而在短期內(nèi)漂移，因此校準是必要的。目前所使用的一個解決方案在于在一定數(shù)目的循環(huán)或一定的使用時間結束時完全對電池組包進行充電和/或放電。完全充電后面的完全放電使得可以例如更新電池的存儲容量(安培-小時數(shù))。此操作花費相對長的時間，比電池組的正常充電的簡單情況的持續(xù)時間長兩倍或三倍。此外，此操作消耗被部分損耗(在完全放電期間)的能量。
[0252]為了避免這些缺點，根據(jù)這種解決方案的電池組架構使得可以不對整個電池組包、而是簡單地對電池組包的某些電池執(zhí)行這些操作，以便能夠在這些校準階段期間繼續(xù)使用該電池組包，總可用容量僅減小幾個百分比。校準然后在于將電池組的一個電池或幾個電池完全放電和充電并更新該電池的容量及其安培-小時計數(shù)。根據(jù)幾個電池的此分析，可以部分地通過外推法來推導出整個電池組包的狀況。為了避免使由每個電池實現(xiàn)的充電/放電循環(huán)的數(shù)目不平衡，改變在每次校準時被用于校準的電池足以:在每次校準時，對不同系列的電池進行采樣。
[0253]第四此類功能在于改善的電池操作。某些電池包含如果其充電或放電電流被斬波、則更緩慢地老化的化學活性部分。事實上，針對在電池中耗散的相同功率，如果僅在某個時間比例內(nèi)以被斬波方式來施加電流，則可以實現(xiàn)較高的“峰值”電流，因為損耗減少。此較高峰值電流還被略高于電池的正常電壓的峰值電壓反映在電池中，并且這趨向于使電池中的離子以更多的能量移動，這趨向于促進其從一個電極到另一個的遷移并在一定程度上改善其到接收電極中的插入。此原理使得電池能夠限制從一個充電/放電循環(huán)至另一個的其存儲容量的損失，并且因此減緩其老化。在所選架構的背景下，通過例如利用以某個循環(huán)比將電池連接(在一級的各種電池的連接/斷開連接中具有相移)而從一個電池到另一個地交替總體可用電流，或者，通過利用激活相關的開關來交替模塊的激活，同時確保輸出端處的正確電壓水平，可以很容易斬波電池組的電池中的電流。
[0254]請注意，如上所述的電池組的某些或所有電池可以與例如太陽傳感器、熱傳感器、機械/電轉(zhuǎn)換器等類型的本地電源相關聯(lián)，以將此源用于例如對其進行充電和/或提供用于由電池組進行的能量供應的附加可能性。
【權利要求】
1.一種電池組，包括串聯(lián)地設置的多個模塊(12 ;112)，每個模塊包括適合于被連接到下模塊的下端子(17)和適合于被連接到上模塊的上端子(18)，每個模塊在其下端子與其上端子之間包括至少一個包括電池的支路，其特征在于該電池組包括設置在給定模塊(12 ;112)處的開關和所述開關的控制電路(27 ；67 ;127)，該控制電路(27 ；67 ；127)由該給定模塊或相鄰模塊的至少一個電池(11 ;50 ;111)直接供電。
2.根據(jù)權利要求1所述的電池組，其特征在于所述至少一個開關選自: 一電池開關，用于將電池組的特定電池連接或斷開連接； 一并聯(lián)開關，用于旁路或不旁路電池組的特定電池； 一模塊開關，用于旁路或不旁路電池組的模塊； 一用于同時地旁路或不旁路電池組的多個模塊的開關； 一用于使電池組輸出電壓反相或不反相的開關； 一用于將電池組的某些子部分串聯(lián)地或并聯(lián)地安置的串聯(lián)/并聯(lián)轉(zhuǎn)換開關； 一用于串聯(lián)地或并聯(lián)地設置兩個電池的附加開關。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的電池組，其特征在于包括串聯(lián)地設置的多個模\塊(12；112)，其特征在于所述模塊(12;112)包括電池(11 ；50 ;111)和與該電池串聯(lián)地設置的電池開關(13 ；63 ;113)，電池開關(13 ；63 ；113)的控制電路(27 ；67 ；127)由所述模塊或相鄰模塊的至少一個電池(11 ；50 ;111)直接供電。
4.根據(jù)權利要求3所述的電池組，其特征在于包括多個電池(11；50 ;111)，每個電池(11 ；50 ;111)和與其串聯(lián)地設置的由一個或多個控制電路控制的電池開關(13 ；63 ;113)相關聯(lián)，所述一個或多個控制電路的每一個在給定模塊處由給定模塊或相鄰模塊的至少一個電池(11 ；50 ;111)直接供電。
5.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的電池組，其特征在于包括經(jīng)由二極管(40)被連接到電池組的模塊(12 ；112)的至少一個電池(11 ；50 ；111)以便對其供應電能的控制電路(27 ；67 ;127)。
6.根據(jù)權利要求1至43中的任一項所述的電池組，其特征在于包括經(jīng)由由在所述模塊(12、112)處可用的電壓或電流控制的晶體管被連接到電池組的模塊(12 ；112)的至少一個電池(11 ；50 ；111)的控制電路(27 ；67 ;127)。
7.根據(jù)權利要求6所述的電池組，其特征在于晶體管(41)由在所述模塊(12、112)處可用的電壓或電流經(jīng)由放大器器件控制。
8.根據(jù)權利要求5至7中的任一項所述的電池組，其特征在于所述控制電路(27；67 ；127)被連接到電池組的模塊(12 ；112)的所有電池(11 ;50 ;111)。
9.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的電池組，其特征在于包括用于測量與電池(13 ；63 ；113)相關聯(lián)的電池狀況的特征參量的至少一個傳感器(33、35、36 ;62、65、66 ；133)，并且在于控制電路(27 ；67 ;127)根據(jù)電池狀況的特征參量來控制所述電池(13 ；63 ；113)的電池開關(13；63 ;113)。
10.根據(jù)權利要求9所述的電池組，其特征在于包括用于測量電池(11；50 ；111)處的電流的傳感器和/或用于測量電池(11 ;111)的端子處和/或其電池開關的端子處的電壓的傳感器(35 )和/或用于測量電池(11 ; 111)的溫度和/或用于測譜法測量阻抗的傳感器(33)。
11.根據(jù)權利要求9或10所述的電池組，其特征在于包括由電池組的給定模塊的至少一個電池(11 ；50 ; 111)直接供電的在給定模塊處的一個或多個處理電路(30)和/或經(jīng)由控制電路(27 ；67 ;127)根據(jù)電池狀況的特征參量的至少一個測量結果來驅(qū)動電池組的開關(13 ；14 ；34 ；63 ；64 ；113 ；114)的中央計算機(22)。
12.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的電池組，其特征在于還包括至少一個給定模塊(12 ;112)，該給定模塊(12 ；112)與和所述模塊并聯(lián)連接的模塊開關(14 ；114)相關聯(lián)；或包括至少一個這樣的給定模塊(12)，它的每個電池和與該電池并聯(lián)連接的并聯(lián)開關(34)相關聯(lián)；和/或多個給定模塊的并聯(lián)放置的至少一個開關(214 ；314 ；414 ；514 ；614 ；714);這些開關(14 ；34 ；64 ；214 ；314 ；414 ；514 ；614 ；714)由控制電路(27 ；67 ；127)控制，該控制電路(27 ；67 ；127)由該給定模塊或相鄰模塊的至少一個電池(11 ；50 ；111)直接供電。
13.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的電池組，其特征在于還包括與給定模塊相關聯(lián)的通信模塊，包括用于與中央服務器(22)和/或與至少一個其它模塊(12 ；112)和/或由給定模塊或相鄰模塊的至少一個電池(11 ;50 ;111)直接供電的與給定模塊相關聯(lián)的處理電路(30)通信的接口(37)。
14.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的電池組，其特征在于包括電子卡(20)，該電子卡包括 一用于連接到電池組的電池(11)的端子(16 )，以及 一用于一個或多個模塊(12)的電池開關(13)，以及 一電池開關(13)的控制電 路(27 ；67 ;127)，以及 一用于從電池組的至少一個電池對控制電路(27 ；67 ；127)進行供電的電路。
15.根據(jù)權利要求14所述的電池組，其特征在于包括設置在電池組的每個模塊(12)之間的電子卡(20)、或電池組的所有電池(11)被設置在其上面的單個電子卡(20)、或其中每一個與多個模塊(12)相關聯(lián)的多個電子卡。
16.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的電池組，其特征在于包括至少一個電池(50),該電池包括從電池(50)直接供電并被集成在電池(50)的外殼(68)內(nèi)部的電池開關(63)和控制電路(67)。
17.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的電池組，其特征在于包括用于使由四個開關(86、87、88、89)提供的電池組的輸出電壓反相的H橋，這四個開關是由一方面設置在上端模塊處并被設置在所述上端模塊處或附近的控制電路控制的兩個晶體管和另一方面設置在下端模塊處并被設置在所述下端模塊處或附近的控制電路控制的兩個晶體管提供的。
18.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的電池組，其特征在于包括修改電池組的子組件的串聯(lián)或并聯(lián)組合件的開關(103、104)，并且在于這些開關由設置在電池組的模塊處的至少一個控制電路(27 ；67 ;127)控制。
19.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的電池組，其特征在于所述電池開關(13；63 ；113)是晶體管。
20.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的電池組，其特征在于包括串聯(lián)地設置的多個外殼(150)，且包括具有用于可移動地容納外殼的位置、包括用于外殼經(jīng)由電力總線與電池組端子的電連接的電接觸器的位置的機架，該位置與機架開關相關聯(lián)，從而能夠在某個位置上不存在某個外殼的情況下經(jīng)由設置于機架的另一位置中的至少一個其它外殼保持電輸出。
21.一種根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的電池組的管理方法，其特征在于包括從給定模塊或相鄰模塊的至少一個電池(11 ;50 ;111)對設置在電池組的給定模塊(12 ；112)處的開關的控制電路(27 ；67 ；127)進行供電的步驟。
22.根據(jù)權利要求21所述的電池組管理方法，其特征在于包括對在電池組內(nèi)部的需要由電池組的至少一個電池供電的所有其它電子部件進行供電的步驟。
23.根據(jù)權利要求21或22所述的管理根據(jù)權利要求3所述的電池的方法，其特征在于包括以下步驟: 一測量電池組的給定模塊(12 ；112)的電池(11 ；50 ；111)處的至少一個表示電池狀況的參量； 一將所測量的參量傳送到至少一個處理電路(30)或計算機(22)； 一考慮所測量的參量來確定電池開關(13 ；63 ；113)的位置； 一經(jīng)由由給定模塊或相鄰模塊供電的控制電路(27 ；67 ;127)來控制電池開關(13 ；63 ；113)的打開或閉合。
24.根據(jù)權利要求23所述的電池組管理方法，其特征在于包括將所測量的參量與閾值相比較以診斷電池(11 ;50 ；111)的狀況、估計電池的充電狀況和/或估計其健康狀況的步驟。
25.根據(jù)權利要求24所述的`電池組管理方法，其特征在于包括當電池正在保持低于閾值的電荷或被過充電或有故障或過熱時打開電池開關(18 ；63 ；113)的步驟。
26.根據(jù)權利要求21至25中的任一項所述的電池組管理方法，其特征在于包括與電池(11 ；50 ;111)相關聯(lián)的電池開關(13 ；63 ；113)的循環(huán)打開/閉合的步驟，循環(huán)比是根據(jù)所述電池(11 ；50 ；111)的總使用時間而確定的，該總使用時間又是根據(jù)來自電池組的總電流和電壓需求且根據(jù)相關電池的診斷而確定的。
27.根據(jù)權利要求21至26中的任一項所述的電池組管理方法，其特征在于包括以下步驟中的一些或全部: 一使模塊和/或電池相互平衡，對在電池組被連接到負載時使用承載最高電荷的模塊和/或電池和在對電池充電時使用承載最低電荷的模塊和/或電池給以優(yōu)先權； 一通過修改模塊和/或電池的平均使用率來平衡模塊和/或電池，但是不連續(xù)地使用相同的模塊和/或電池，使得模塊和/或電池的充電是平衡的； 一根據(jù)模塊能夠供應的電流來選擇要使用的模塊； 一限制模塊和/或電池在其最高溫度下的使用或優(yōu)先選擇在電流需求較低時使用它們； 一保持電池組內(nèi)的均勻溫度。
【文檔編號】H02J7/00GK103503223SQ201280019619
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年3月2日 優(yōu)先權日:2011年3月2日
【發(fā)明者】G·德佩斯 申請人:原子能及能源替代委員會