[發(fā)明專利]用于高能量中等功率電池系統(tǒng)的固態(tài)主動式開關(guān)矩陣

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310461648.4
• 申請日: 2013-09-30
• 公開（公告）號: CN103915656B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 拉里·迪爾;彼得·帕里斯;葉長青
• 申請（專利權(quán)）人: 西奧公司
• 主分類號: H01M10/42
• 分類號: H01M10/42;H01M10/48
• 代理公司: 北京安信方達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11262
• 代理人: 白云,王漪

相關(guān)申請的交叉引用

本申請是提交于2013年6月14日的共同未決美國專利申請13/918,815的部分繼續(xù)申請，并且還要求提交于2012年12月31日的美國臨時專利申請61/748,033的優(yōu)先權(quán)，兩者均通過引用而并入本文。

政府支持聲明

本文所描述和要求保護的發(fā)明中的一部分是根據(jù)合同號DE-OE0000223，部分利用美國能源部所提供的經(jīng)費而完成的。美國政府對本發(fā)明享有一定權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體涉及用于電池組的控制系統(tǒng)，并且更具體地涉及與常規(guī)系統(tǒng)相比具有提高的效率和減小的能量損失的先進電池組控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)

電池管理系統(tǒng)（BMS）是能夠通過各種參數(shù)來監(jiān)控電池組狀態(tài)的計算機系統(tǒng)，這些參數(shù)諸如為總電壓、單個電池單體的電壓、單個電池單體和整體電池組的溫度、荷電狀態(tài)（SOC）或放電深度（DOD）以及流入和流出電池的電流。BMS還可通過引導(dǎo)電荷以優(yōu)化每個電池單體的充電來控制電池組的再充電。BMS可通過確保電池組操作于安全操作參數(shù)內(nèi)而保護電池組。要避免的操作參數(shù)包括但不限于：過流、過壓（充電期間）和欠壓（放電期間）。良好的BMS可提高電池壽命、安全性以及可調(diào)節(jié)性，并且還可減少充電時間。

BMS可例如通過包括內(nèi)部開關(guān)而防止電池在其安全操作參數(shù)之外操作，該內(nèi)部開關(guān)在電池正進入不安全操作條件的情況下斷開并從而停用電池。

通常，電池中的單個電池單體具有略為不同的容量，并且可能在任何給定時間處于不同的荷電狀態(tài)（SOC）水平。一般而言，當具有最低容量的電池單體耗盡時放電停止（盡管其他電池單體仍未耗盡），從而限制了可從電池取得和返回電池的能量。

因此，最低容量的電池單體是“弱點”，并且其可能容易被過度充電或過度放電，而同時具有較高容量的電池單體僅經(jīng)受部分循環(huán)。但是如果電池能夠得到平衡，則具有最大容量的電池單體和具有最小容量的電池單體均可完全充電而不出現(xiàn)任何充電不足或充電過度。類似地，具有最大容量的電池單體和具有最小容量的電池單體均可完全放電而不出現(xiàn)任何放電不足或放電過度。為使較高容量電池單體經(jīng)受最大幅度的完全放電循環(huán)，平衡器向較低容量電池單體轉(zhuǎn)移電荷以便保持這些電池單體的安全操作條件。

平衡可以主動地或被動地完成。在主動平衡中，通常通過DC-DC轉(zhuǎn)換器從充電最多的電池單體汲取電荷并將該電荷轉(zhuǎn)移至充電最少的電池單體。DC-DC轉(zhuǎn)換器需要復(fù)雜的電路，從而造成成本增加和魯棒性降低。在被動平衡中，通常通過諸如電阻器等調(diào)節(jié)器從充電最多的電池單體汲取能量，而該能量作為熱量被浪費掉。

簡單的被動式調(diào)節(jié)器通過當電池單體的電壓達到某一水平時將充電電流旁通而實現(xiàn)電池單體間的平衡。但是電池單體電壓并不是電池單體SOC的良好指標，并且其對于諸如LiFePO₄等某些鋰化學根本就不是一個指標。因而，使用被動式調(diào)節(jié)器來使電池單體電壓相等并不會平衡SOC，而這成為BMS的目標。因此，雖然此類器件在特定情況下提供一些益處，但其在總體有效性上具有嚴重的局限性。

同樣為了實現(xiàn)平衡，主動式調(diào)節(jié)器智能地在適當時機接通和關(guān)斷負載。但是，如果僅使用電池單體電壓作為參數(shù)來啟用主動式調(diào)節(jié)，則上文提到的對被動式調(diào)節(jié)器的同樣限制仍會適用。

即便當僅有單一電池單體受損時，傳統(tǒng)電池組也被認為不再可用。忽視傳統(tǒng)電池組中此類受損電池單體可導(dǎo)致不安全條件，包括電池單體泄漏和熱偏差，并且可同時對諸如監(jiān)控電子器件等電池組內(nèi)部的外圍器件和諸如逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和其他高壓附件等電池組外部的外圍器件造成損壞。

所需要的是一種在不浪費寶貴能量的情況下優(yōu)化電池性能和安全性從而能夠在電池組電池單體的全壽命期間使用該電池組的全部能量的方式。

附圖說明

當結(jié)合附圖閱讀以下對說明性實施方式的描述時，上述方面和其他方面將為本領(lǐng)域技術(shù)人員所清楚理解。

圖1為示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的電池管理系統(tǒng)的布線圖。

圖2為可充電電池組中基本組件的示意圖。

圖3為示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的電池單體及其關(guān)聯(lián)開關(guān)組裝件在該電池單體連接至相鄰電池單體時的示意圖。

圖4為示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的BMS（計算機系統(tǒng)）的三個主要組件的示意圖。

圖5示出了計算機系統(tǒng)（BMS），其被編程或以其他方式配置用于基于各種測得參數(shù)將電池單體或模塊從服務(wù)中移除或者關(guān)閉電池組。

發(fā)明內(nèi)容