[发明专利]用于监控和平衡电池组中的电池的方法和系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求下面专利申请的优先权：

2006年7月19日提交的美国临时专利申请60/807,821。

技术领域

本发明涉及用于操作电池组的方法和系统，更具体地，涉及以增 强性能、寿命和安全性的方式来操作在电动车应用中被深度循环的电 池组。

背景技术

在本领域中操作电池组的方式能够明显地影响其性能、寿命和安 全性。这个所关注的点尤其与要求高的应用(例如，在电动车中的使 用)有关。

举例来说，考虑由串联连接在一起的许多锂电池形成的电池组。 如果其中的一个电池的两端的电压在放电期间降到预定阈值(典型地 为三伏)以下或者在充电期间上升到预定阈值(典型地为4.2伏)以上 的话，锂电池组的寿命急剧下降。为此，仔细地监控电池电压并且进 行测量以便将电池电压维持在特定范围内是非常重要的。

进一步使问题复杂化的是，锂电池中的制造缺陷导致一些电池不 能保持与其它表面上同样的电池一样多的电荷。为此，当许多锂电池 被串联连接在一起时，有缺陷的电池比其它电池放电更快并且因此是 在放电期间第一个达到上述下阈值的。这样的有缺陷的电池通常也是 在充电期间第一个达到上阈值的。电池之间这样的不均衡限制了电池 组工作的有效范围，除非在电池组工作期间电荷被再平衡。

发明内容

本发明涉及用于监控一个或多个电池组的电池电压和用于平衡 电池组内的电池的方法和系统。这样的功能可以被合适地提供在单个 监控和平衡系统中，该系统适于与现有的外部控制系统通过接口连 接，而同时将该外部控制系统与被监控和平衡的电池隔离。用单个装 置组件(例如，印刷电路板)来监控和平衡减少了电学系统内所需的 互连的数量。

根据本发明的一个方面，提供了一种通过可利用模拟输入和数字 输入的主系统控制器来监控和平衡由电池(例如，锂电池)串联连接 所形成的电池组的方式。在一个实施例中，这样的控制器包括已经在 电动车中被使用的主系统控制器。

通常，具有2ⁿ个电池的电池组能够利用n个数字控制信号在单个 模拟输入上被监控。这可以通过引导2ⁿ个电池电压中的每一个经过由 n个数字输入所控制的多路复用器来实现。类似地，能够用在系统控 制器上为每一个附加的电池组添加一个自由模拟输入来监控附加的 电池组。

在一个实施例中，代表各个电池温度的信号也被提供到系统控制 器。在示例性实施例中，热敏电阻被用来产生温度相关的信号，然而 也可以使用本领域中已知的其它温度到电学的转换器。来自多个电池 的温度信号可以例如通过时分复用，在车辆控制器上的单个模拟输入 上被传送。

在所述实施例中，在车辆主系统控制器与电池组之间需要非直接 的、不被隔离的连接。

根据一个示例性实施例，提供了一种电池平衡和被隔离的监控的 系统，用于由被串联地串在一起的多个电池的多个模块形成的电池 组。在系统的监控一侧上的每一个通道(channel)都监控例如八个电 池模块并且由在双(分离)电源(split supply)上工作的低导通电阻 的差分多路复用器、电阻分压器、隔离放大器、被隔离的DC到DC的 转换器以及用于阻抗匹配的输出运算放大器组成。每一个平衡模块都 执行使两个串联连接的电池块平衡、允许多至500mA的电流移动 (shuffling)，并且具有两个齐纳二极管、运算放大器、两个晶体管 和四个电阻器。

在一些实施例中，监控系统与电池组隔离使得电池电压能够被安 全地发送到外部控制单元而不用将该控制单元连接到电池的地 (ground)。这样的隔离可以例如用光隔离器、光敏晶体管或用于改 进的精确度和线性的基于电流的隔离放大器、或者其组合来实现。

在一些实施例中，电池平衡电路被配置为阻挡最接近被断开电池 的电池放电并且通常提供防止过充电和放电的保护。

在一些实施例中，监控系统包括作为精确装置的低导通电阻的差 分多路复用器，以监控电压并且允许在监控中从电池到电池的快速转 换，用于快速识别被短路或被断开的电池。

在一些实施例中，该系统包括热敏电阻输入，使得能够监控临界 温度。

在一些实施例中，该系统还包括机载定时器电路来为用于电池电 压监控的差分多路复用器以及用于温度监控的多路复用器产生选择 信号。