專利名稱：具有多個電能發(fā)生元件的電池的制作方法
具有多個電能發(fā)生元件的電池引言本發(fā)明涉及例如可以用來推進電動車輛或混合發(fā)動機車輛的電池，其中混合發(fā)動機車輛為驅(qū)動主動輪的電動機與驅(qū)動這些主動輪或也驅(qū)動其它主動輪的內(nèi)燃機結合的車
輛。 更具體地，本發(fā)明應用于可以達到動力傳動系統(tǒng)的完全電氣化的、高度混合化的車輛。在此情況下，電池不再只是用來在加速階段輔助車輛，而且還用來提供車輛在或大或小距離上的運動。根據(jù)本發(fā)明的電池也能夠應用于其它技術領域，例如其它運輸方式中，特別是航空運輸中的電能存儲。此外，在諸如風力發(fā)動機的固定的應用中，也可以有利地利用根據(jù)本發(fā)明的電池的確保安全。為了確保正在討論的應用所需的功率和/或能量的水平，需要制造包括安裝在電產(chǎn)生電路中的多個電能發(fā)生元件的電池。傳統(tǒng)地，電能發(fā)生元件包括柔性或剛性的密封封套，其配備有用于把元件連接到產(chǎn)生電路上的兩個端子。堆疊的或卷繞的相繼充當陰極和陽極的電活化層被設置在封套中，電活化層與電解液接觸。特別地，可以使用鋰離子或鋰聚合物類型的電氣化學元件來產(chǎn)生所需電能。電能發(fā)生元件可能會有故障，例如由磨損、有缺陷的作工或誤用導致的故障，故障可能妨礙電池的良好功能，特別是對使用安全和/或所預期的電的產(chǎn)生。特別地，有缺陷的元件可能受到一連串的發(fā)熱的化學反應，可能導致熱逸散，熱逸散結合在密封的封套內(nèi)的氣體產(chǎn)生，引起把元件置于爆炸危險下的發(fā)散反應過程。從現(xiàn)有技術可知，為了確保和維持電池處于良好的運行狀況，使用二極管，這些二極管被布置為分路有缺陷的元件或元件組的電流、特別是當后者超過預定電壓范圍時。然而，在推進電動機車輛所必需的高功率和高能量電池的情況下，例如，在需要幾百伏特(通常在300伏特和700伏特之間)的運行電壓的情況下，實現(xiàn)這一方案近乎于不可能。實際上，二極管中的能量分路是熱消散的，而當電池的尺寸更大時，有關的熱產(chǎn)生可能迅速地變得不可處理。法國公開2803123(參見相關美國專利6，741，437)文本中提出了另一種可選的實現(xiàn)方案，該方案預想把有缺陷的電池元件放電到能量消耗裝置上，從而使得一旦放電完成，就能夠在沒有危險的情況下把該有缺陷的電池元件短路。然而，這樣的能量消耗裝置引起明顯的溫度上升，以及可能超過安全保護要求的元件的延時的安全保護。此外，就被完全放電的電池元件變得永久不可用這點來說，這一方案不允許可逆操作。還知道可能是煙幕爆發(fā)式的、允許一個或若干電池元件在沒有熱消散的情況下以諸如毫秒量級的較短分路時間間隔被分路的激勵器。因此，改進了被分路元件的不必要的短路現(xiàn)象的過渡特性，從而使得可以限制在元件的安全性和損害方面的后果。盡管通過極度地減少分路時間間隔而最小化了短路的危險，但是當電池更大而且它們的運行電壓增加時，在電路打開期間，出現(xiàn)了另外的導致電弧的風險。煙幕爆發(fā)式的激勵器的過渡時間的快速性使得不可能避免這些電弧形成的風險。而且，在高能電池的每個元件上都安裝這些激勵器的話，這些激勵器仍然太昂貴了，并且體積也太大。此外，由于它們只能運行一次，所以它們的不可逆性不允許為了在維護操作期間確保電池安全而使用它們。而且，為了確保高能電池使用的安全，為了能夠切斷產(chǎn)生電路，通常把電力接觸器串聯(lián)連接。特別地，理論上，被稱為維修插頭的、能夠手動操作的斷路器用來確保維護操作的安全。然而，這樣的接觸器昂貴、體積非常大，因此只是被安裝在電池端子上。從而，它們的打開既不防止電池內(nèi)高電壓的出現(xiàn)，也不防止電池內(nèi)短路的風險。還有，關于安全性，注意到電池的容量相對其安全行為的重要性是很重要的。實際上，電池和元件容易發(fā)生(由隔板的缺陷、枝狀晶體的出現(xiàn)、金屬雜質(zhì)存在等產(chǎn)生的)內(nèi)部 短路，可能導致集中在這些短路區(qū)域中的溫度升高，從而觸發(fā)元件的熱逸散。關于管理這一風險最有影響的一個因素仍然是電池容量。實際上，電池容量越大，電流密度和局部溫度升高也將越大，從而促使發(fā)散反應的開始。因此，不論高容量元件是在產(chǎn)生電路中被串聯(lián)連接為一個單元，還是被并聯(lián)地分組在單元中，確保安全地在電池中實現(xiàn)它們都非常困難。而且，為了保證使用壽命并優(yōu)化電池的自治和功能性，把串聯(lián)連接的元件或單元完美地電平衡是很重要的。實際上，被過分放電或充電的元件可能被改變了，使得它們的服務壽命被縮短了，或者在極端情況下，能夠?qū)е聼嵋萆⒌娘L險。在特定溫度下，其容量被完全放掉了的元件越過電壓閾值就意味著其容量已經(jīng)被耗盡了。由于產(chǎn)品質(zhì)量的變化和不同的老化動態(tài)，元件的固有容量可能被或多或少地分散。只要最弱的元件將被耗盡，也就是說，將越過低電壓閾值，電池的放電就會被停止。因此，不能使用還沒有被完全耗盡的元件中包含的所有能量。相反地，在再充電期間，當元件中的一個將越過高電壓閾值時，過程將被停止。于是，電池將不會是完全地充滿的，從而導致需要充電的車輛的路程的損失。為了繼續(xù)對電池充電，為了把充得最滿的元件的電壓帶回到其它元件的電壓的水平，可以把其包含的能量消散到電阻中。這樣的策略需要時間來達到平衡的水平并把能量以熱的形式消散。這種溫度的升高可能額外地引起可靠性問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在通過特別地提出一種高能和高功率電池，其每個元件都能夠在不中斷電的產(chǎn)生的情況下被從產(chǎn)生電路中非常安全地分路出去，來克服現(xiàn)有技術的缺點。而且，可以選擇性地、可逆地進行上述分路，以在電池的充電期間以及放電期間避免與有缺陷的元件有關的風險、確保維護操作的安全、保證串聯(lián)連接的元件或單元的平衡。為此，本發(fā)明提出一種包括被安裝在電產(chǎn)生電路中的多個電能發(fā)生元件的電池，每個元件容納于密封的封套中，密封的封套配備有用于將元件連接到產(chǎn)生電路的兩個端子。每個元件的端子通過第一器件連接到產(chǎn)生電路，第一器件用于電切換元件與產(chǎn)生電路的連接，并且每個元件都裝備有分路回路，該分路回路連接在該元件的端子的兩端從而在保持產(chǎn)生電路的閉合的同時分路該元件，該分路回路配備有用于電切換其與產(chǎn)生電路的連接的第二器件。本發(fā)明在更多領域的應用將通過下面所提供的詳細說明而變得明白。應該理解，這些詳細的說明和具體的例子只是說明性的，而非用來限制本發(fā)明的范圍。


圖IA-圖IB示出根據(jù)本發(fā)明的電池的產(chǎn)生電路中的電池單元的示例裝配；圖2A-圖2C示出根據(jù)本發(fā)明的電池的產(chǎn)生電路中的電池單元的功能示意圖；圖3A-圖3B為示例電池系統(tǒng)的功能框圖，每個框圖都包括根據(jù)本發(fā)明的電池單元的示例實現(xiàn)；圖4為包括根據(jù)本發(fā)明的電池單元的例子實現(xiàn)的例子電池系統(tǒng)的功能框圖；圖5A-圖5B為根據(jù)本發(fā)明的示例開關的功能示意圖。應該注意到，這里給出的圖是用來為了說明某些實施例而例示本發(fā)明的部件、方法和設備的一般特性的。這些圖可能沒有準確地反映任何給定實施例的特性，并且不必用來在本發(fā)明的范圍內(nèi)定義或限定具體的實施例。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的說明本質(zhì)上只是一個或多個發(fā)明的主題、制作和使用的示例性的說明，并非用來限制本申請，或其它可能遞交的要求本申請優(yōu)先權的其它申請，或從其發(fā)出的專利中要求的任何具體的發(fā)明的范圍、應用或使用。在此具體實施方式
的末尾給出了用來幫助理解本發(fā)明的對術語和措辭的非限制性討論。如在這里所使用的，術語“模塊”可以包括或是下列的一部分專用集成電路(ASIC)、電子電路、組合邏輯電路、場可編程門陣列(FPGA)、執(zhí)行代碼的處理器(共用的、專用的或分組的)、其它提供所描述的功能性的合適部件、或諸如單片系統(tǒng)的上述中部分或所有的組合。術語“模塊”可以包含存儲處理器執(zhí)行代碼的存儲器(共用的、專用的或分組的)。如上面所使用的，術語“代碼”可以包括軟件、固件和/或微碼，也可能指程序、例程、函數(shù)、類和/或?qū)ο蟆Ｈ缟厦嫠褂玫?，術語“共用”的意指來自多個模塊的某些或全部代碼可以用單個(共用的)處理器執(zhí)行。另外，來自多個模塊的某些或全部代碼可以由單個(共用的)存儲器存儲。如上面所使用的，術語“分組”意指來自單個模塊的某些或全部代碼可以用一組處理器執(zhí)行。另外，來自單個模塊的某些或全部代碼可以用一組存儲器存儲。參見圖1A，描述包括例如電能發(fā)生元件104和108的多個電能發(fā)生元件的電池。雖然示出并描述元件104和108，但是電池可以包括更大數(shù)目的元件。元件104和108被連接在電產(chǎn)生電路中。特別地,元件104和108的電化學可以為鋰離子或鋰聚合物。元件104和108中的每一個都被容納于密封的封套中，該密封的封套配備有兩個端子，即陽極和陰極，用于將元件連接到產(chǎn)生電路。僅作為例子，元件104包括陽極端子112和陰極端子116，元件108包括陽極端子120和陰極端子124。在封套中，布置有堆疊或卷繞的相繼充當陽極和陰極的電活化層，電活化層與電解液接觸。電活化層可以容納于柔性 的封套中?？商娲?，它們也可以容納于剛性的容器中。根據(jù)一種實施方式，元件104和108可以被串聯(lián)連接在產(chǎn)生電路中。根據(jù)另一種實施方式，電池包括被串聯(lián)連接在產(chǎn)生電路中的多個單元130，每個單元130都包括并聯(lián)連接的至少兩個元件104和108。在附圖中，單元130包括并聯(lián)連接的兩個元件104和108。元件104的陰極端子116可以通過第一器件134連接到產(chǎn)生電路，該第一器件134用于電切換產(chǎn)生電路的元件104的連接。元件108的陰極端子124可以通過第二器件138連接到產(chǎn)生電路，該第二器件138用于電切換產(chǎn)生電路的元件108的連接。在另一種實施方式中，例如圖IB的示例，元件104的陽極端子112可以通過第一開關器件134連接到產(chǎn)生電路，第一開關器件134用于電切換產(chǎn)生電路的元件104的連接。元件108的陽極端子120可以通過第二開關器件138連接到產(chǎn)生電路，第二開關器件138用于電切換產(chǎn)生電路的元件108的連接?，F(xiàn)在參見圖IA和圖1B，元件104和108裝備有分路回路150。分路回路150被連接在元件(例如，元件104和108)中的每一個的端子的兩側(cè)，從而在保持產(chǎn)生電路閉合使得連接到產(chǎn)生電路的其它元件能夠繼續(xù)提供所需電力的同時，能夠分路該元件，因此電流 不再穿過該元件。為了能夠分路產(chǎn)生電路的元件(例如，元件104和/或108)，分路回路150裝備有用于電切換元件與產(chǎn)生電路的連接的第三開關器件154。特別地，第一開關器件134、第二開關器件138和第三開關器件154分別允許更改元件104、元件108和/或分路回路150與產(chǎn)生電路的連接狀態(tài)，特別是如在開關的情況下打開或閉合連接。元件104和108還可以裝備有分離器，通氣孔，和/或短路器，例如現(xiàn)有技術中已知的那些，這些器件在分路之后能夠在沒有電擊穿風險的情況下被觸發(fā)，這是因為元件被這樣電隔離了。圖IA-圖IB示出了單元130，其中分路回路150是并聯(lián)連接的元件104和108所共用的?？商娲?，可以為單元130的元件104和108中的每一個提供分路回路150，以及因此所需的第三開關器件154。單元130被示出在這樣的一種配置中，即在此配置中，兩個元件104和108為產(chǎn)生電路供電，也就是第一開關器件134和第二開關器件138閉合并且第三開關器件154打開以斷開分路回路150。第三開關器件154可以稱作分路開關，并且是常開的，而第一開關器件134和第二開關器件138可以稱作斷路開關，并且是常閉的。當分路開關閉合而斷路開關仍然閉合時，存在臨時的短路狀況。因此，在分路開關被閉合后和/或在與分路開關被閉合的時期交疊的時期內(nèi)，斷路開關被立刻打開。盡管閉合分路開關首先產(chǎn)生了臨時的短路，但是打開斷路開關會首先中斷電流的流動，并且一旦分路開關被閉合，就產(chǎn)生電流沖擊(可以稱作弧)。一旦分路開關被閉合，所有的斷路開關都被打開以消除短路狀況。盡管單元中所有的元件共有的單個斷路開關能夠消除短路狀態(tài)，但是單個斷路開關不能把元件彼此隔離。這防止了元件之間的不利反應，例如從一個元件到另一個元件的放電。結果，如附圖中所示，每個元件都可以包括它自己的斷路開關。因此，在各種實施方式中，如果單元的斷路開關中的任意一個被打開，那么單元的所有的斷路開關都被打開。此外，在斷路開關被打開之前，分路開關將被閉合。根據(jù)各種實施方式(例如，圖2A-圖5B)，第一開關器件134、第二開關器件138和第三開關器件154中的每一個都包括多于一個的開關器件，這些開關器件可以為二極管、金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)、雙極結晶體管(BJT)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和閘流晶體管。第一開關器件134、第二開關器件138和第三開關器件154可以同類，也可以不同類。特別地，如圖2A-圖2C的例子中所示，第一開關器件134、第二開關器件138和第三開關器件154中的每一個都可以包括一對M0SFET。僅作為例子，第一開關器件134可以包括MOSFET 204和208。第二開關器件138可以包括MOSFET 212和216。第三開關器件154 可以包括 MOSFET 220 和 224。僅作為例子，MOSFET 204、208、212、216、220 和 224 中的每一個都可以是η溝道增強模式功率M0SFET?？商娲鼗蛄硗?，也可以使用P溝道M0SFET、耗盡型M0SFET、橫向MOSFET等。MOSFET 204、208、212、216、220和224中的每一個都包括主體、源極端子、柵極端子和漏極端子。具體地說，MOSFET 204包括源極端子228、柵極端子232和漏極端子236。MOSFET 208包括源極端子238、柵極端子240和漏極端子244。MOSFET 212包括源極端子248、柵極端子252和漏極端子256。MOSFET 216包括源極端子260、柵極端子264和漏極端子268。MOSFET 220包括源極端子272、柵極端子276和漏極端子280。MOSFET 224包括源極端子284、柵極端子288和漏極端子292。在一種實施方式中，例如在圖2Α的例子中，每對MOSFET都被連接為反向并聯(lián)結構。更具體地說，每對MOSFET都可以被連接為使得MOSFET中的一個的漏極端子連接到MOSFET中的另一個的源極端子，并且MOSFET中的另一個的漏極端子連接到MOSFET中的一個的源極端子。僅作為例子，源極端子228和漏極端子236可以分別連接到漏極端子244和源極端子238。源極端子248和漏極端子256可以分別連接到漏極端子268和源極端子260。源極端子272和漏極端子280可以分別連接到漏極端子292和源極端子284。如此，MOSFET 204、208、212、216、220和224是單向的，從而在元件(例如元件104和/或108)的充電和放電期間，可以在允許電流雙向通過的同時，斷開元件。在圖2Α的例子中，第一開關器件134和/或第二開關器件138可以包括并聯(lián)連接的MOSFET和二極管(未示出)，二極管代替MOSFET以降低成本。特別地，使用的二極管可以是沒有外部控制的類型，這意指二極管被配置來在超過諸如O. 6伏量級的電壓閾值時打開分路回路150中的連接。在另一種實施方式中，例如圖2Β的例子，每對MOSFET可以串聯(lián)連接，源極端子連接到源極端子。更具體地說，每對MOSFET可以被連接為使得MOSFET中的一個的源極端子連接到MOSFET中的另一個的源極端子。僅作為例子，源極端子228可以連接到源極端子238。源極端子248可以連接到源極端子260。源極端子272可以連接到源極端子284。在又一種實施方式中，例如圖2C的例子，每對MOSFET可以被串聯(lián)連接，漏極端子連接到漏極端子。更具體地說，每對MOSFET可以被連接為使得MOSFET中的一個的漏極端子連接到MOSFET中的另一個的漏極端子。僅作為例子，漏極端子236可以連接到漏極端子244。漏極端子256可以連接到漏極端子268。漏極端子280可以連接到漏極端子292?，F(xiàn)在參見圖3Α-圖3Β，可逆控制系統(tǒng)300可以包括控制模塊304和包括諸如單元130的多個單元的電池。結合第一開關器件134、第二開關器件138和第三開關器件154的串聯(lián)連接的成對MOSFET 204、208、212、216、220和224示出可逆控制系統(tǒng)300。然而，可逆控制系統(tǒng)300也可以應用于成對MOSFET 204、208、212、216、220和224被并聯(lián)連接，源極端子被連接到漏極端子的實施方式中，以及成對MOSFET 204、208、212、216、220和224被串聯(lián)、連接，漏極端子被連接到漏極端子的實施方式中。第一開關器件134、第二開關器件138和第三開關器件154分別在保持產(chǎn)生電路閉合的同時，使得元件104和108中的一個或多個能夠被選擇性地分路。特別地,元件(例如，元件104或108)的分路包括閉合第三開關器件154、然后打開第一開關器件134或第二開關器件138中的相關聯(lián)的一個。根據(jù)一種實施方式，元件(例如，元件104或108)的分路可以伴隨單元130的所有其它元件的分路，即打開與單元130的其它元件相關聯(lián)的所有開關器件。分別利用第一開關器件134、第二開關器件138和第三開關器件154，尤其是MOSFET 204、208、212、216、220和224，可以允許非常快速地打開/閉合連接，例如持續(xù)時間為幾個微秒量級，其提供用于過渡的并且非常快速的設置元件(例如，元件104和/或108)的短路。
在一種實施方式中，例如圖3A的例子，控制模塊304可以成對地控制MOSFET 204、208、212、216、220和224的切換。僅作為例子，控制模塊304可以通過施加于MOSFET 204和208的柵極端子232和240處的切換控制信號308分別控制MOSFET 204和208的切換?？刂颇K304可以通過施加于MOSFET 212和216的柵極端子252和264處的切換控制信號312分別控制MOSFET 212和216的切換?？刂颇K304可以通過施加于MOSFET 220和224的柵極端子276和288處的切換控制信號316分別控制MOSFET 220和224的切換。在另一種實施方式中，例如圖3B的例子，控制模塊304可以單獨地控制MOSFET204、208、212、216、220和224的切換。僅作為例子，控制模塊304可以通過施加于MOSFET204的柵極端子232處的切換控制信號316控制MOSFET 204的切換。控制模塊304可以通過施加于MOSFET 208的柵極端子240處的切換控制信號320控制MOSFET 208的切換?？刂颇K304可以通過施加于MOSFET 212的柵極端子252處的切換控制信號324控制MOSFET212的切換。控制模塊304可以通過施加于MOSFET 216的柵極端子264處的切換控制信號328控制MOSFET 216的切換。控制模塊304可以通過施加于MOSFET 220的柵極端子276處的切換控制信號332控制MOSFET 220的切換。控制模塊304可以通過施加于MOSFET 224的柵極端子288處的切換控制信號336控制MOSFET 224的切換。在控制模塊304單獨地控制MOSFET 204、208、212、216、220和224的切換的實施方式中，用來分別切換MOSFET 204、208、212、216、220和224的切換控制信號316、320、324、328、332和336的幅度可以相同，也可以不同?？刂颇K304可以產(chǎn)生與成對的MOSFET204、208、212、216、220和224的相關聯(lián)的切換控制信號316、320、324、328、332和336，使得成對的MOSFET 204、208、212、216、220和224中的單獨MOSFET被同時或不同時地切換。僅作為例子，對于MOSFET 204和208，控制模塊304可以產(chǎn)生切換控制信號316和320以在相同時間或不同時間完成M0SFET204和208的切換。如果產(chǎn)生在不同時間完成MOSFET 204和208的切換的切換控制信號316和320，那么控制模塊304可以產(chǎn)生切換控制信號316和320從而以預定的順序切換MOSFET 204和208?？梢曰谑欠褚獔?zhí)行元件104的充電或元件104的放電來選擇預定的順序。現(xiàn)在參見圖4，根據(jù)一種實施方式，控制模塊304包括可逆地將單元130的所有元件分路的功能。特別地，可以在發(fā)生一種或多種狀況時，激活該功能。僅作為例子，可以激活該功能以允許通過消除任何電壓源來維護電池。在要執(zhí)行電池維護時，可以輸入維護信號 401。另外，可以在檢測到能影響電池的震動后激活這一功能。特別地，在被配置來推進機動車輛的電池的情況下，檢測到的震動可能與會影響電池的機械完整性的車輛的事故，特別是碰撞有關。因此，可以降低任何因與電池的高電壓接觸而導致的醫(yī)療緊急響應的電死的風險，以及火災的風險。僅作為例子，可以使用機械震動傳感器402檢測會影響電池的震動。機械震動傳 感器402可以產(chǎn)生指示機械震動傳感器402是否檢測到了會影響電池的震動的震動信號403。僅作為例子，機械震動傳感器402可以包括加速計，并且機械震動傳感器402可以當加速度大于預定加速度時，產(chǎn)生震動信號403。根據(jù)一種實施方式，電池實現(xiàn)一種檢測系統(tǒng)，用來檢測以陰極連接到陽極的方式串聯(lián)連接的多個單元130、130-2，. . .，130-N(合起來稱作單元130，其中N為大于或等于2的整數(shù))中的至少一個單元的過高溫度的發(fā)生。單元130中的每一個都包括多個元件。僅作為例子，單元130包括元件104和108,還可以包括一個或多個另外的元件。一個或多個開關與這些元件中的每一個相關聯(lián)。僅作為例子，開關404和408可以被串聯(lián)連接在元件104的陰極端子116和單元130的陰極端子412之間。元件被串聯(lián)連接在相關聯(lián)的開關和單元130的陽極端子之間。僅作為例子，元件104在其陽極端子112處被連接到單元130的陽極端子416，并在其陰極端子116處被連接到開關404。僅作為例子，可以利用溫度傳感器檢測單元的過高溫度。單元130中的每一個都包括一個或多個溫度傳感器。僅作為例子，單元130可以包括分別與元件104和108相關聯(lián)的溫度傳感器430和434。溫度傳感器430和434分別測量元件104和108的溫度并基于測得的溫度產(chǎn)生溫度信號438和442?？刂颇K304可以在例如當溫度傳感器430測得的溫度大于預定溫度時，檢測到過高溫度。監(jiān)測系統(tǒng)被配置為當存在過高溫度時，激勵控制系統(tǒng)以分路至少一個元件。根據(jù)一種實施方式，電池包括用于流經(jīng)單元130的過大電流出現(xiàn)的監(jiān)測系統(tǒng)。例如，可以利用電流傳感器444檢測到流經(jīng)單元130的過大電流。電流傳感器444測量通過單元130的電流，并基于測得的電流產(chǎn)生電流信號445?？刂颇K304可以在例如在測得的電流大于預定電流時，檢測到過大電流的存在。監(jiān)測系統(tǒng)被配置來當存在過大電流時，激勵控制系統(tǒng)以分路至少一個元件。根據(jù)一種實施方式，控制模塊304被配置來檢測多個單元130中的至少一個的一個或多個元件(例如，元件104或108)的諸如短路的故障?？刂颇K304被配置為當至少一個元件中出現(xiàn)故障時，分路該元件?？梢酝ㄟ^監(jiān)視元件故障的出現(xiàn)來確保電池運行的安全。如果檢測到了元件的故障，那么控制模塊304就激勵有缺陷的元件的分路，使得在保持產(chǎn)生電路閉合的同時，電流不再流過有缺陷的元件。故障檢測使得可以迅速地激勵有缺陷的元件的分路以把有缺陷的元件與產(chǎn)生電路電隔離開。因此，故障一出現(xiàn)，有缺陷的元件就不再被電偏置，從而特別地防止故障的惡化。特別地，如此避免了有缺陷的元件內(nèi)的熱逸散。并且，這樣沒有中斷電池的電產(chǎn)生，這能夠，例如，給予驅(qū)動器在電池故障后更多時間來退出交通。
根據(jù)一種安全策略，在單元(例如，單元130)的元件(例如，元件104或108)的故障情況下，激勵單元的所有元件的分路，以防止這些元件過放電或單元的元件之一倒置的風險。因此，當單元的元件有缺陷時，通過在內(nèi)部短路情況下分隔并聯(lián)連接的元件中每個元件中包含的能量，并且通過防止當其在單元中出現(xiàn)時，可能引起熱逸散風險的電弧、電擊穿的形成而確保了電池的安全。因此，這樣的策略使得可以切斷并聯(lián)連接的元件之間的電連接，限制當單元的元件中的元件之一上發(fā)生短路時觸發(fā)發(fā)散過程的風險。根據(jù)一種實施方式，電池包括單元130中的至少一個的至少一個元件的充電狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)。僅作為例子，可以利用元件電壓446、基準電壓450和/或通過單元130的電流445來監(jiān)測元件104的充電狀態(tài)，其中電壓446在元件104的陰極端子116處獲得，基準電壓450在給單元130的輸入端子458處獲得。監(jiān)測系統(tǒng)被配置為激勵控制系統(tǒng)以作為其充電狀態(tài)的作用而分路至少一個元件，特別是串聯(lián)連接的元件或單元。僅作為例子，監(jiān)測系統(tǒng)可以在充電期間單元的元件的電荷水平(charge level)大于或等于預定最大電荷水平時，或在放電期間電荷水平小于或等于預定最小電荷水平時，激勵控制系統(tǒng)。因此，可以使得用于分別控制第一開關器件134、第二開關器件138和第三開關器件154的可逆系統(tǒng)在不損失能量的情況下良好地用來平衡電池，從而使其更能自治。實際上，能夠分路一個或所有元件還可以良好地用來在不通過電阻消散能量的情況下進行電池的電平衡。特別地，在再充電階段，具有最高電壓的串聯(lián)連接的元件或單元可以被相繼分路。這一管理策略使得可以在保證不會同時分路太大數(shù)目的元件或單元的同時，保持電池的工作電壓與充電器的工作范圍一致。這一元件或單元的分路可以在電池的其它元件或單元的充電期間進行，從而使得可以把平衡的持續(xù)時間保持得較短。類似地，可以在放電期間分路最弱的元件或單元，從而在所有的單元放電結束時都會聚在0%充電狀態(tài)(SOC)的目標下，偏置更多包含最多能量的單元。這一管理因此使得可以在不觸發(fā)因熱消散效應的損失的情況下，增大電池中使用的能量。而且，可以使得用于分別控制第一開關器件134、第二開關器件138和第三開關器件154的可逆系統(tǒng)良好地用來通過分路產(chǎn)生電路的較多或較少的元件來調(diào)節(jié)電池的電壓。本發(fā)明的電池顧及其運行的真正安全，尤其是與無論是維護型日常使用配置的還是故障情況下的高能鋰離子電池運行的真正安全。特別地，安全保護可以是可逆的，并且選擇性的分路允許在充電期間在沒有熱消散并且不要求在其被觸發(fā)前達到元件或單元的最大充電狀態(tài)的情況下進行平衡操作。本發(fā)明還在沒有消散能量的情況下并且在最大化電池中可用的能量的量的同時，在使用階段期間允許元件之間容量的不同。而且，在分路的情況下，電流不再在元件之間流動，這樣有助于高容量元件使用的安全保護，于是有害事件中涉及的能量被限制為單個元件中包含的能量，從而防止了熱逸散風險的惡化。 根據(jù)本發(fā)明的電池還使得可以使用滿充的安全保護走下坡路，一個或幾個元件的分路能夠作為軟件限制的補充以在不受控制的再生成情況下防止元件的過度充電。根據(jù)本發(fā)明的電池還允許在收到碰撞信息時，分路電池的所有元件使得可以消除甚至是電池內(nèi)的高電壓，從而降低被損壞車輛引發(fā)火災的風險和電死的風險的意義下，在碰撞的情況下，確保電動車輛和混合動力車輛的安全。圖5A和圖5B分別包括圖2B和圖2C的第一開關器件134的不例不意。盡管將討論第一開關器件134的切換，但是下面的概念也可以用于第二開關器件138和第三開關器件154的切換。體二極管可以是，例如當MOSFET 204和208是功率MOSFET時，MOSFET 204和208中的每一個所固有的。每個二極管都具有陰極和陽極，并可被描述為允許電流從陽極向陰極流動同時阻止電流從陰極向陽極流動。二極管的電路符號使用箭頭來指示允許電流流動的方向。在η溝道功率MOSFET中，體二極管可以允許電流從MOSFET的源極流到漏極。例如，MOSFET 204的半導體結構可以固有地造成體二極管504，其允許電流從MOSFET 204的源極流到MOSFET 204的漏極。類似地，M0SFET208可以固有地包括體二極管508，其允許電流從MOSFET 208的源極流到MOSFET 208的漏極。因為MOSFET 204和208被 串聯(lián)連接且方向相反，所以體二極管504和508 —起阻止電流在任一方向上流動。在僅有單個MOSFET的情況下，只能在一個方向上阻止電流，這是由于固有的體二極管不管MOSFET是導通還是斷開的，都將允許電流在另外的方向上流動。而在圖5Α中，MOSFET 204和208的源極是連接的，在圖5Β中，M0SFET204和208的漏極是連接的。在圖5Α和圖5Β中，由于固有的體二極管阻止相反方向的電流，因而斷開MOSFET足以在兩個方向上阻止電流。參見圖5Α和圖5Β，控制模塊304可以在把MOSFET 204和208中的一個切換為導通或斷開之前，把MOSFET 204和208中的另一個切換為導通或斷開。例如，當閉合第一開關器件134時，MOSFET 204和208都將被導通。然而，導通MOSFET 204和208的順序?qū)⒒陬A期電流的方向來控制。例如，用于充電的電流的方向可能與用于放電的電流的方向相反。類似地，當打開第一開關器件134時，MOSFET 204和208都可以被斷開。然而，斷開MOSFET 204和208的順序?qū)⒒诋斍半娏鞣较騺砜刂?。同樣，當前電流方向?qū)τ诔潆姾头烹妬碚f可能是相反的?？梢赃x擇切換MOSFET 204和208的順序以防止電流流經(jīng)體二極管504和508。僅作為例子，流經(jīng)體二極管504和508的電流可能分別縮短M0SFET204和208的壽命，和/或可能增加功耗。以圖5Α為例，假定MOSFET 204和208是導通的，電流是在體二極管508允許的方向上流動的(即附圖中從頂部到底部，或從MOSFET 204的漏極到MOSFET 208的漏極)。在各種實施方式中，因為體二極管508呈現(xiàn)的電阻大于MOSFET 208的導通電阻，所以有小電流或沒有電流流過體二極管508。然而，如果MOSFET 208被斷開(同時MOSFET 204保持導通)，那么MOSFET 208的電阻朝著無限大增加，之前流經(jīng)MOSFET 208的電流現(xiàn)在將流經(jīng)體二極管508。作為對照，如果MOSFET 204被首先斷開(同時M0SFET208保持導通)，那么MOSFET 204阻止電流流動，并且體二極管504不允許電流流動。于是可以在沒有電流流經(jīng)體二極管508的風險的情況下斷開 MOSFET 208。于是，可以歸納出以下規(guī)則當打開電流正在第一方向上流動的開關器件時，首先斷開其體二極管不允許電流在第一方向上流動的晶體管。這一規(guī)則應用于圖5A和圖5B的結構以及在任一方向上流動的電流(充電或放電)?？梢詫Ξ?shù)谝婚_關器件134被閉合時進行類似的分析。再次以圖5A為例，假定MOSFET 204和208是斷開的，但是一旦導通，電流將在體二極管508允許的方向上流動(即，頂部到底部)。如果MOSFET 204被首先導通，那么電流可以流經(jīng)MOSFET 204。盡管MOSFET 208被斷開，但是體二極管508允許電流在這一方向上流動，因此電流將流經(jīng)MOSFET 204 和體二極管 508。作為對照，如果MOSFET 208被首先導通，那么將沒有電流流動，這是因為MOSFET204被斷開并且體二極管504不允許電流在該方向流動。于是，當MOSFET 204被導通時，電 流將流經(jīng)MOSFET 204，然后通過MOSFET 208，而不通過體二極管508分路。于是，可以歸納出如下的另一規(guī)則當閉合一旦被閉合，電流將在第一方向上流動的開關器件時，首先導通其體二極管允許電流在第一方向上流動的晶體管，然后再導通另一晶體管。這一規(guī)則應用于圖5A和圖5B的結構以及在任一方向上流動的電流(充電或放電)。在各種實施方式中，閉合開關器件通常應用于分路開關，而打開開關器件通常應用于斷路開關。術語的非限制性討論這里所用的標題(例如“引言”和“發(fā)明內(nèi)容”)和副標題只是用于本公開內(nèi)容內(nèi)主題的一般組織，而非用來限制其技術或任何方面的公開。特別地，“引言”中公開的主題可能包括新技術并且可能不構成對現(xiàn)有技術的引用?！鞍l(fā)明內(nèi)容”中公開的主題不是本發(fā)明或其任何實施例的整個范圍的詳盡或完全的公開。說明書和具體的示例，盡管示出了本發(fā)明的實施例，但是只用于說明本發(fā)明而非限制本發(fā)明的范圍。此外，陳述具有指定特征的多個實施例不是用來排除具有另外特征的其它實施例或結合了指定特征的不同組合的其它實施例。具體的例子是提供來用于說明如何制作和使用本發(fā)明的組成和方法，并且除非明確指出，不是用來表示本發(fā)明的特定實施例已經(jīng)或尚未被制作或測試。可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)，作出實施例、材料、組成和方法的等同改變、修改和變型，獲得實質(zhì)上相似的結果。為了清楚，相同的編號將在附圖中用來表示類似的元件。如這里所使用的，短語，A、B和C中的至少一個應該被解釋為意指采用了非排他性邏輯，或，的邏輯(A，或B，或C)。應該理解，可以在不改變本發(fā)明的原理的情況下，以不同的順序執(zhí)行方法內(nèi)的步驟。如這里所使用的，詞語，“包括”，及其變體是非限制性的，陳述包括的項目不是排除可能也用于本發(fā)明的部件、組成、裝置和方法的其它類似的項目。類似的，術語，“能夠”和“可以”，及其變體是非限制性的，陳述一個實施例能夠或可以包括某些元件或特征不排除其它本發(fā)明的其它實施例不包含這些元件和特征。盡管在這里使用了作為諸如包括、包含、具有的非限制性術語同義詞的開放式術語“包括”來說明并要求本發(fā)明的實施例，但是可替代地，可以使用諸如“由..·組成”或“基本由...組成”的更具限制性的術語來說明實施例。因此，對于陳述材料、部件或處理步驟的任何特定的實施例來說，本發(fā)明還具體地包括由或基本由排除另外的材料、部件或處理(對于由...組成)和排除影響實施例的重要特性的另外的材料、部件或處理(對于基本由...組成)的這些材料、部件或處理組成的實施例，即使這些另外的材料、部件或處理本申請中沒有明確地陳述。例如，陳述元件A、B和C的組成或處理具體地預想了排除現(xiàn)有技術中可能陳述的元件D的、由和基本由A、B 和C組成的實施例，即使元件D沒有明確地被說明為在這里被排除出去。
權利要求
1.一種用于車輛的鋰基電池系統(tǒng)，所述電池系統(tǒng)包括 提供能量來推進所述車輛的串聯(lián)布置的多個鋰電池單元，其中所述電池單元中的每一個包括 第一端子和第二端子； 并聯(lián)布置的多個鋰電池元件，其中所述電池元件中的每一個包括第一端子和第二端子，并且其中所述電池元件中的每一個的所述第一端子連接到所述電池單元的所述第一端子; 多個斷路開關，其中所述電池元件中的每一個的所述第二端子通過所述斷路開關中的相應一個連接到所述電池單元的所述第二端子；和 連接在所述電池單元的所述第一端子和所述第二端子之間的分路開關；以及 選擇性地打開和閉合所述分路開關和所述斷路開關的控制模塊。
2.根據(jù)權利要求I所述的電池系統(tǒng)，其中所述斷路開關和所述分路開關中的每一個包括第一半導體開關和第二半導體開關。
3.根據(jù)權利要求2所述的電池系統(tǒng)，其中，針對所述斷路開關和所述分路開關中的每一個，所述控制模塊同時控制所述第一半導體開關和所述第二半導體開關。
4.根據(jù)權利要求2所述的電池系統(tǒng)，其中所述第一半導體開關和所述第二半導體開關被串聯(lián)連接，并分別包括第一晶體管和第二晶體管。
5.根據(jù)權利要求4所述的電池系統(tǒng)，其中，當閉合所述分路開關中的一個時，所述控制模塊在導通所述分路開關中的所述一個的所述第二晶體管之前，導通所述分路開關中的所述一個的所述第一晶體管。
6.根據(jù)權利要求4所述的電池系統(tǒng)，其中，當打開所述斷路開關中的一個時，所述控制模塊在斷開所述斷路開關中的所述一個的所述第二晶體管之前，斷開所述斷路開關中的所述一個的所述第一晶體管。
7.根據(jù)權利要求4所述的電池系統(tǒng)，其中所述第一晶體管和所述第二晶體管是各自具有主體、源極、柵極和漏極的金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)，并且其中(i)所述第一晶體管的所述源極連接到所述第二晶體管的所述源極或(ii)所述第一晶體管的所述漏極連接到所述第二晶體管的所述漏極。
8.根據(jù)權利要求7所述的電池系統(tǒng)，其中所述第一晶體管和所述第二晶體管是n溝道功率M0SFET，并且對于所述第一晶體管和所述第二晶體管中的每個晶體管，所述晶體管的所述主體連接到所述晶體管的所述源極。
9.根據(jù)權利要求7所述的電池系統(tǒng)，其中所述第一晶體管包括允許電流在第一方向流動并阻止電流在第二方向流動的固有的體二極管，并且其中所述第二晶體管包括允許電流在所述第二方向流動并阻止電流在所述第一方向流動的固有的體二極管。
10.根據(jù)權利要求9所述的電池系統(tǒng)，其中，當閉合所述分路開關中的一個時，所述控制模塊首先導通所述第一晶體管和所述第二晶體管中包括允許電流在預期電流流經(jīng)所述分路開關中的所述一個的方向上流動的所述固有的體二極管的那個晶體管。
11.根據(jù)權利要求9所述的電池系統(tǒng)，其中，當打開所述斷路開關中的一個時，所述控制模塊首先斷開所述第一晶體管和所述第二晶體管中包括阻止電流在當前電流流經(jīng)所述斷路開關中的所述一個的方向上流動的所述固有的體二極管的那個晶體管。
12.根據(jù)權利要求I所述的電池系統(tǒng)，其中所述控制模塊控制所述分路開關和所述斷路開關的打開和閉合，以減少熱功耗并防止破壞性的短路狀況和電弧。
13.根據(jù)權利要求I所述的電池系統(tǒng)，其中在打開所述電池單元中的一個的所述斷路開關之前，所述控制模塊閉合所述電池單元中的所述一個的所述分路開關。
14.根據(jù)權利要求13所述的電池系統(tǒng)，其中當下列情形中的至少一個出現(xiàn)時，所述控制模塊打開所述電池單元中的一個的所述斷路開關 在充電期間所述電池單元中的所述一個的所述電池元件的電荷水平達到上限； 在放電期間所述電池單元中的所述一個的所述電池元件的電荷水平達到下限；以及 所述電池單元中的所述一個的所述電池元件中的一個的溫度超過溫度閾值。
15.根據(jù)權利要求13所述的電池系統(tǒng)，其中，當檢測到所述電池元件中的一個故障時，所述控制模塊打開包括所述電池元件中的所述一個的電池單元的所述斷路開關。
16.根據(jù)權利要求13所述的電池系統(tǒng)，其中所述控制模塊選擇性地打開所述電池單元中的至少一個的所述斷路開關以調(diào)節(jié)所述電池單元的總輸出電壓。
17.根據(jù)權利要求13所述的電池系統(tǒng)，其中當下列情形中的至少一個出現(xiàn)時，所述控制模塊打開所有所述電池單元的所述斷路開關 通過所述電池單元的電流大于電流閾值； 接收到維護信號；和 檢測到所述車輛的碰撞。
18.—種電動車輛動力系統(tǒng),包括 根據(jù)權利要求I所述的電池系統(tǒng)；和 在檢測到機械震動時產(chǎn)生震動信號的機械震動傳感器， 其中當所述震動信號超過預定閾值時，所述控制模塊閉合所述分路開關。
19.根據(jù)權利要求18所述的電動車輛動力系統(tǒng)，其中所述機械震動傳感器包括加速計。
全文摘要
一種用于車輛的鋰基電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括提供能量以推進車輛的串聯(lián)布置的多個鋰電池單元。電池單元中的每一個包括第一端子、第二端子、多個并聯(lián)布置的鋰電池元件、多個斷路開關以及分路開關。電池元件中的每一個包括第一端子和第二端子。電池元件的每一個的第一端子連接到電池單元的第一端子。電池元件的每一個的第二端子通過斷路開關中的相應一個連接到電池單元的第二端子。分路開關連接在電池單元的第一端子和第二端子之間?？刂颇K選擇性地打開和閉合分路開關和斷路開關。
文檔編號H01M10/42GK102640336SQ201080044930
公開日2012年8月15日 申請日期2010年10月8日 優(yōu)先權日2009年10月8日
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