專利名稱：智能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池管理領(lǐng)域，特別是電動汽車的動力電池的管理，具體涉及一種具有電壓與溫度采集、SOC估計(State of charge,電池充電狀態(tài)即電池剩余電量)、電池均衡等功能的智能控制器的智能電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
動力電池組是電動汽車的核心部件，提供電能以驅(qū)動車輛行駛。由于在車輛中使用的動力電池一般需要較高的電壓水平，所以需要將幾十到上百塊電池單體串聯(lián)而成。為了保障電池的安全使用、提高電池壽命，需要一套電池管理系統(tǒng)對電池單體進(jìn)行狀態(tài)檢測、安全保護(hù)和充放電控制。除此之外，一般還需要對電池單體進(jìn)行均衡，即通過設(shè)置旁通分流回路來控制各個電池單體的充放電電流從而使各電池單體的電壓保持一致。為了實現(xiàn)上述功能，目前較普遍的做法主要有兩種，第一種是將所有電池的正負(fù)極都通過導(dǎo)線連到檢測電路，還需要從一部分電池單體上安裝溫度傳感器并連接測量信號導(dǎo)線。一個電動汽車電池組一般由至少約一百節(jié)電池單體組成，這樣整個電池組的測量信號的導(dǎo)線需要約兩百根以上。為了減少導(dǎo)線長度和提高系統(tǒng)可靠性，更多采用第二種方法，即分布式結(jié)構(gòu)。分布式電池管理系統(tǒng)包含一個中心控制模塊和幾個分布式信號處理模塊。分布式信號處理模塊連接其周圍幾個電池單體的測量信號導(dǎo)線，經(jīng)過信號處理后通過總線將信息發(fā)送至中心控制模塊。雖然這種分布式電池管理系統(tǒng)減少了導(dǎo)線長度，但仍然需要通過導(dǎo)線將電池單體與分布式信號處理模塊連接，電池組內(nèi)依然存在大量導(dǎo)線。且測量導(dǎo)線往往是通過螺栓與電池極柱連接，增加了成組工作復(fù)雜度，且存在更多的潛在故障點。以上兩種方法除了要使用大量導(dǎo)線，還需要較大規(guī)模的信號測量電路，這也增加了電池成組的復(fù)雜度、研發(fā)成本和生產(chǎn)成本。且模擬信號通過較長的導(dǎo)線連接到測量電路，致使信號對電磁干擾較敏感，影響測量精度甚至導(dǎo)致測量錯誤。另一方面，電池成組廠商需要一套算法來實現(xiàn)一些功能，比如:通過測量結(jié)果估計電池電量、限制電流來保證電池的安全使用等。但估計電量和設(shè)置限值依據(jù)的數(shù)據(jù)往往是電池制造廠商最清楚，而不是電池成組廠商。電池制造廠商通過反復(fù)的實驗和測試掌握了電池的特性數(shù)據(jù)，雖然電池制造廠商會向電池成組廠商提供這些信息，但通常這些信息不會完整傳達(dá)和被足夠重視。

發(fā)明內(nèi)容
為減少裝配空間和提高信號采集的抗干擾性，本發(fā)明提供一種智能電池系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:該智能電池系統(tǒng)包括控制器和至少一個智能電池模塊，該智能電池模塊包括至少一節(jié)電池和一個具有模擬信號采集功能和能將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并和控制器進(jìn)行通信的電路系統(tǒng)，所述電路系統(tǒng)和智能電池模塊一體封裝，智能電池模塊與控制器通信連接。由于電路系統(tǒng)和智能電池模塊一體封裝，所以在空間上是緊鄰的，在裝配上是互相固定的，減少了裝配空間，提高了信號采集的抗干擾性。進(jìn)一步地，智能電池模塊與控制器的通信連接采用下列方式:多個智能電池模塊之間的通信采用鏈?zhǔn)竭B接，即一個智能電池模塊和他之前和之后的智能電池模塊連接，串成一條鏈，數(shù)據(jù)在上述的鏈上傳播，最后傳給控制器，從而有效減少成組后的電池箱內(nèi)的連
線數(shù)量。進(jìn)一步地，智能電池模塊與控制器的通信連接采用下列方式:多個智能電池模塊通過各自的通信接口接到同一個總線上，總線和控制器連接；同樣可以有效減少成組后的電池箱內(nèi)的連線數(shù)量。進(jìn)一步地，智能電池模塊中，設(shè)有溫度傳感器，溫度傳感器通過導(dǎo)線連接到電路系統(tǒng)，電路系統(tǒng)通過采集溫度傳感器的輸出值獲取智能電池模塊的溫度信息。進(jìn)一步地，每節(jié)電池都設(shè)有均衡電路，由電路系統(tǒng)控制均衡電路的開關(guān)，控制每節(jié)單體電池單獨均衡。進(jìn)一步地，所述電路系統(tǒng)為專用集成電路或者為由分立元件和微處理器組成的可編程系統(tǒng)，以便減少成本并使得電池制造商能參與到電池控制系統(tǒng)設(shè)計中來。進(jìn)一步地,設(shè)有顯示裝置,來顯示電池的狀態(tài)。進(jìn)一步地，智能電池模塊與控制器之間的通信內(nèi)容包括電池電壓、電池剩余電量、電池溫度、和或電池狀態(tài)。進(jìn)一步地，控制器根據(jù)通信內(nèi)容控制開關(guān)，所述開關(guān)控制電池和外部終端的通斷，以便保證電池不過充、不過放。進(jìn)一步地，所述智能電池系統(tǒng)用于電動汽車、電動自行車或移動設(shè)備，從而使得所述智能電池系統(tǒng)適應(yīng)多元化應(yīng)用。該智能電池系統(tǒng)的積極效果如下:第一，簡化電池單體和電池管理系統(tǒng)間的連接方法，減少所需的測量導(dǎo)線數(shù)量，提高連接可靠性；第二，在空間上離電池最近的位置進(jìn)行電壓、溫度等模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，提高信號采集的抗干擾性；第三，通過可編程的智能電池系統(tǒng)，讓電池制造商參與到電池控制系統(tǒng)設(shè)計中來。


圖1為電池模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為多節(jié)電池模塊的一種互連方式示意圖；圖3為多節(jié)電池模塊的另一種互連方式示意圖；圖4為帶有外部顯示的智能電池系統(tǒng)示意圖；圖中標(biāo)記如下:10_通信線；11_電池模塊；12_電路系統(tǒng)；13_第一導(dǎo)線；14_電池；15_第二導(dǎo)線；16_第三導(dǎo)線；17_第四導(dǎo)線；18_第一開關(guān)；19_電池模塊正極；20_電池模塊負(fù)極；21_第五導(dǎo)線；22_電阻；23_第二開關(guān)；24_溫度傳感器；50_控制器；51_通信接口 ；54_第三開關(guān)；55_電動機(jī)；71_通信總線；80_顯示裝置。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明優(yōu)選的實施方式。
如圖1所示，一個智能電池模塊11包括至少一節(jié)電池14、一個具有模擬信號采集功能和通信功能的電路系統(tǒng)12。需要說明的是，上述的電池14不一定是用于電動汽車的動力電池，比如也可以是電動自行車的動力電池或者移動設(shè)備的電池。同樣電路系統(tǒng)12也可以是任何電路系統(tǒng)，比如可以是專用集成電路(ASIC Application Specific IntegratedCircuit)或者分立元件和微處理器組成的PCB (Printed Circuit Board)系統(tǒng)。為了表述的方便，假設(shè)電池14為電動車動力電池，電路系統(tǒng)12為ASIC。從成本上考慮，在大批量生產(chǎn)的情況下，ASIC電路系統(tǒng)12最多花費(fèi)數(shù)美元，電動汽車動力電池的價格一般在數(shù)十至一百美元，此發(fā)明適合用于電動汽車動力電池上。還需要說明的是，電路系統(tǒng)12可以在智能電池模塊11的外殼的內(nèi)部，也可以在智能電池模塊11的外殼的外部，重要的是電路系統(tǒng)12和智能電池模塊11是一體的，在空間上是緊鄰的，在裝配上是互相固定的。在智能電池模塊11中，電池14的正負(fù)極分別通過第一導(dǎo)線13和第二導(dǎo)線15連接到ASIC 12上。ASIC 12可以是由電池14通過第一導(dǎo)線13和第二導(dǎo)線15來供電的，也可以是由外部供電的(由外部供電的電路未在圖1中畫出)。ASIC12通過第一導(dǎo)線13和第二導(dǎo)線15來采集電池的電壓，并可以將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。智能電池模塊的正極19和負(fù)極20可以直接連到電池14的正負(fù)極，也可以通過圖1中的第一開關(guān)18互相連接。需要說明的是，第一開關(guān)18可以是任何一種開關(guān)，比如可以是大功率場效應(yīng)管。第一開關(guān)18可以導(dǎo)通或者切斷電池14的充放電回路，控制第一開關(guān)18的信號由ASIC 12發(fā)出，通過第三導(dǎo)線16對第一開關(guān)18進(jìn)行控制。同時第一開關(guān)18的B端，即智能電池模塊的負(fù)極20，通過第四導(dǎo)線17連接到ASIC 12。ASIC 12通過測量導(dǎo)線15和導(dǎo)線17之間的電壓，并且知道第一開關(guān)18的導(dǎo)通電阻的情況下，可以計算出流過電池14的電流的大小和方向。在智能電池模塊11中，可以有一個溫度傳感器24，它可以通過導(dǎo)線連接到ASIC12上，ASIC 12通過采集溫度傳感器的輸出值獲取智能電池模塊的溫度信息。溫度傳感器24也可以集成在ASIC 12中。在智能電池模塊11中，可以有一個用于電池均衡的模塊，需要說明的是，均衡的方法可以是任何方法，例如可以是耗散型的。圖1中的電阻22和第二開關(guān)23可以實現(xiàn)一種耗散型的電池均衡方法。ASIC 12可以將采集的電池信息(電壓、溫度)通過通信線10發(fā)送到外部，由外部的某個控制器分析多個智能電池模塊發(fā)送來的信息，把分析得出的均衡控制的信號返回給智能電池模塊11中的ASIC 12，然后由ASIC 12通過第五導(dǎo)線21向第二開關(guān)23進(jìn)行控制來實現(xiàn)均衡。也可以將第二開關(guān)23的控制端C直接通過導(dǎo)線引出到智能電池模塊的外部，由外部的均衡控制信號直接控制。也可以是ASIC 12通過通信線10接收其他智能電池模塊發(fā)出的信息，分析這些信息來自主決定是否要進(jìn)行均衡，再通過第五導(dǎo)線21控制第二開關(guān)23進(jìn)行均衡。一個智能電池模塊11也可以包括多節(jié)單體電池14，這些電池可以串聯(lián)也可以并聯(lián)，ASIC 12可以由這些電池14共同供電。每節(jié)電池14都有一組前面所述的均衡模塊，由ASIC 12控制均衡開關(guān)，控制每節(jié)單體電池14單獨均衡。一般電池生產(chǎn)廠商會通過測量得到表示電池特性的數(shù)據(jù)，例如可能是一條電池放電特性曲線(電池開路電壓隨電量大小的變化)?？梢詫⑦@些數(shù)據(jù)存儲在ASIC 12中的ROM中，ASIC可以通過這些數(shù)據(jù)和采集到的電池電壓、溫度等信息，得出當(dāng)前電池的SOC信息。SOC信息可以是用百分比表示的，也可以是用安時數(shù)表示的。ASIC 12也可以通過ROM中存儲的數(shù)據(jù)和采集到的電池電壓、電流等信息，來判斷電池工作狀態(tài)是否正常，ASIC 12可以通過通信線10向外部發(fā)送上述的狀態(tài)信息，也可以根據(jù)狀態(tài)信息決定第一開關(guān)18的通斷，以保護(hù)電池14。智能電池模塊11通過通信線10與外部通信。由于電動汽車動力電池通常需要至少約100節(jié)電池串聯(lián)，因此智能電池模塊之間的通信需要用相應(yīng)的方案解決。多個智能電池模塊11之間的通信可以使用鏈?zhǔn)竭B接的方式(參見圖2)，即一個智能電池模塊11和他之前和之后的一個模塊連接，串成一條鏈，數(shù)據(jù)在上述的鏈上傳播，最后傳給外部的某個控制器。相鄰智能電池模塊11之間的連接可以隔離，也可以不隔離(例如可以使用電容耦合或升壓降壓的方法)。多個智能電池模塊11之間的通信也可以使用總線的方式(參見圖3)，即數(shù)個智能電池模塊11的通信線10接到同一個總線上(總線和智能電池模塊之間的連接通常需要隔離)，然后由某個外部的控制器讀取總線上的數(shù)據(jù)。總線的協(xié)議可以是任何協(xié)議，例如CAN或者IIC等。上述通信的內(nèi)容可以是電池電壓、電池剩余電量、電池溫度、電池狀態(tài)等。由于在車輛中使用的動力電池一般需要較高的電壓水平，所以需要將幾十到上百塊電池單體串聯(lián)而成。如圖2所示，多節(jié)智能電池模塊11串聯(lián)，通過一個可控的第三開關(guān)54連接到電動機(jī)55的兩端。相鄰兩節(jié)電池通過通信接口 51進(jìn)行通信，最終所有電池的信息通過與控制器50相連的某節(jié)智能電池模塊11傳遞到控制器50，控制器通過對電池數(shù)據(jù)的分析，做出相應(yīng)的控制，控制信息會通過連接各節(jié)電池的通信接口 51傳遞到各節(jié)智能電池模塊11。同時控制器50也會根據(jù)電池信息即通信內(nèi)容來控制第三開關(guān)54，依據(jù)的原則是保證電池組和外接設(shè)備的安全。如圖3所示，多節(jié)電池組也可以用另一種方式連接。每節(jié)智能電池模塊11的通信接口 51連接到通信總線71上，通信總線71與控制器50連接。每節(jié)智能電池模塊11將電池信息發(fā)送到通信總線71上，控制器50從總線上讀取電池信息，做出判斷和控制，將控制信息發(fā)送到通信總線71上，再由各節(jié)智能電池模塊讀取并響應(yīng)。同時控制器50也會根據(jù)電池信息來控制第三開關(guān)54，依據(jù)的原則是保證電池組和外接設(shè)備的安全。圖2和圖3中的連接方法都可以有效減少成組后的電池箱內(nèi)的連線數(shù)量。如圖4所示，智能電池模塊的外表面可以有一個顯示裝置80，用來顯示電池的信息如剩余電量、溫度、內(nèi)部開關(guān)狀態(tài)等。顯示裝置80由智能電池模塊內(nèi)部的電路系統(tǒng)12控制。顯示裝置80的主要好處是當(dāng)很多節(jié)智能電池模塊成組為一個電池組后，顯示裝置80讓人方便地了解各節(jié)電池的狀況以及均衡情況，當(dāng)電池組出現(xiàn)故障時，顯示裝置80讓人能方便地排查故障位置。
權(quán)利要求
1.一種智能電池系統(tǒng)，該智能電池系統(tǒng)包括控制器和至少一個智能電池模塊，該智能電池模塊包括至少一節(jié)電池和一個具有模擬信號采集功能和能將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并和控制器進(jìn)行通信的電路系統(tǒng)，其特征在于:所述電路系統(tǒng)和智能電池模塊一體封裝，智能電池模塊與控制器通信連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于:多個智能電池模塊之間的通信采用鏈?zhǔn)竭B接，即一個智能電池模塊和他之前和之后的智能電池模塊連接，串成一條鏈，數(shù)據(jù)在上述的鏈上傳播，最后傳給控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于:多個智能電池模塊通過各自的通信接口接到同一個總線上，總線和控制器連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于:智能電池模塊中，設(shè)有溫度傳感器，溫度傳感器通過導(dǎo)線連接到電路系統(tǒng)，電路系統(tǒng)通過采集溫度傳感器的輸出值獲取智能電池模塊的溫度信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于:智能電池模塊中為每節(jié)電池都設(shè)有均衡電路，由電路系統(tǒng)控制均衡電路的開關(guān)，控制每節(jié)電池單獨均衡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于:所述電路系統(tǒng)為專用集成電路或者為由分立元件和微處理器組成的可編程系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于:該智能電池系統(tǒng)設(shè)有顯示>j-U ρ α裝直。
8.根據(jù)上述 任一項權(quán)利要求所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于:智能電池模塊與控制器之間的通信內(nèi)容包括電池電壓、電池剩余電量、電池溫度、和或電池狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于:控制器根據(jù)通信內(nèi)容控制開關(guān)，所述開關(guān)控制電池和外部終端的通斷。
10.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的一種智能電池系統(tǒng)，其特征在于:所述智能電池系統(tǒng)用于電動汽車、電動自行車或移動設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種智能電池系統(tǒng)，屬于電動汽車動力電池技術(shù)領(lǐng)域，該智能電池包括控制器和至少一個智能電池模塊，該智能電池模塊包括至少一節(jié)電池和一個具有模擬信號采集功能和能將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并和控制器進(jìn)行通信的電路系統(tǒng)，所述電路系統(tǒng)和智能電池模塊一體封裝，智能電池模塊與控制器通信連接。該智能電池裝配空間緊湊，所需的測量導(dǎo)線數(shù)量少，連接可靠性和信號采集的抗干擾性高。
文檔編號H01M10/42GK103178305SQ20111043026
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月21日
發(fā)明者朱雪洲, 華劍鋒, 田碩, 李立國, 孟慶然 申請人:北京科易動力科技有限公司