用于電池組的自主充電平衡電路和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于電池組的自主充電平衡電路和方法，提供一種控制具有牽引電池的車輛的系統(tǒng)和方法，該牽引電池具有多個單元組而每個單元組具有多個串聯(lián)連接的電池單元，該方法包括通過對應(yīng)的單元自主平衡電路平衡每個單元組的每個單元，以及將與每個單元組關(guān)聯(lián)的單個輸出連接至關(guān)聯(lián)的電池監(jiān)視電路。集成的分流和開關(guān)電路適應(yīng)來自關(guān)聯(lián)的單元組的電壓以通過對應(yīng)于單個單元電壓范圍的電壓范圍驅(qū)動電池監(jiān)視集成電路，以便于使用已有的電池監(jiān)視集成電路設(shè)置并隨后輸入至基于微處理器的電池控制器。通過與每個單元組關(guān)聯(lián)的電池監(jiān)視電路在每個單元處執(zhí)行單元平衡。
【專利說明】用于電池組的自主充電平衡電路和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及對電池堆使用單元平衡電路的電池管理。
【背景技術(shù)】
[0002]用于重度混合動力、插電式混合動力和使用現(xiàn)有系統(tǒng)的電池源(battery source)車輛的鋰離子電池組的電池管理通常使用監(jiān)視并平衡每個電池單元的電池控制器。這很昂貴并且與利用其它化學(xué)電池(比如鎳金屬氫(NiMH)電池)的成本減少模式不一致。由于監(jiān)視多個單元的控制電子學(xué)的發(fā)展對現(xiàn)有化學(xué)的控制帶來的進(jìn)步，可以監(jiān)視每8個、每10個、每12個或更多單元。由于鋰單元相對不能容忍過充，并且通常需要單個單元監(jiān)視并通過電池控制器控制，這并未應(yīng)用到具有鋰單元的電池。
[0003]然而，由于單元數(shù)量增加以滿足較大的電池能量要求，對單個單元和至電池監(jiān)視IC的對應(yīng)的輸出容量的監(jiān)視變得太復(fù)雜而不能在大規(guī)模車輛生產(chǎn)中實用地、高效地并不昂貴地集成。當(dāng)選擇鋰離子電池提供較高能量單元輸出時，主控制器通過串行外圍接口(SPI)連接至專用于監(jiān)視的1C，即使單元電壓中輕微的過充也會產(chǎn)生對單元結(jié)構(gòu)極具破壞性的單元改變并減少電池壽命。相應(yīng)地，在電動車輛大規(guī)模生產(chǎn)中嘗試使用鋰離子化學(xué)電池增加了電池管理的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明通過提供分散的(decentralized)電池控制器而克服上述缺點，控制器具有連接在單元組或塊中每個單元兩端的對過充單元分流電流并且允許單元容許過充事件的單元自主平衡電路(autonomous cell balancing circuit)。本說明書中描述的分散指傳統(tǒng)的電池控制器功能與電池控制器部件的分離。類似地，自主指常規(guī)電池控制器功能獨立于其它系統(tǒng)控制。
[0005]分流和開關(guān)電路可以與單元平衡電路集成，出于減小封裝優(yōu)點優(yōu)選地在相同晶片上。分流和開關(guān)電路連接在多個塊堆的每個單元組或塊的兩端以符合滿意地控制多個單元而不需要監(jiān)視每個單元來實現(xiàn)生產(chǎn)效率的方法將單元組電壓提供至多個電池監(jiān)視集成電路中的每者。優(yōu)選地，與每個單元關(guān)聯(lián)的單個單元平衡電路是簡單且不昂貴的IC以便于電池管理控制器減小的構(gòu)架。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于控制用于車輛的牽引電池的方法，該牽引電池具有多個單元組，每個單元組具有多個串聯(lián)連接的電池單元，該方法包括:通過對應(yīng)的單元自主平衡電路平衡每個單元組中的每個單元；以及將與每個單元組關(guān)聯(lián)的單個輸出連接至關(guān)聯(lián)的電池監(jiān)視電路。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，串聯(lián)連接多個單元組以形成堆；以及將來自每個堆的單個輸出信號連接至電池控制器。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，電池控制器包含微處理器。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，進(jìn)一步包含:電壓分流電路連接至每個單元組，其中與關(guān)聯(lián)的電池監(jiān)視電路連接的單個輸出包含來自電壓分流電路的輸出。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在單個基底上形成每個單元平衡電路和關(guān)聯(lián)的電壓分流電路。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，單元平衡電路包含溫度傳感器，并且其中響應(yīng)于來自溫度傳感器的信號而控制分流電流。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在共用的集成電路基底上形成單元平衡電路和接口電路。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，單元平衡電路包含響應(yīng)于單元溫度控制分流電流的模擬反饋控制器。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，電池包含鋰離子電池。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，接口電路包含電壓分流電路。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的多個實施例提供關(guān)聯(lián)的優(yōu)點。例如，根據(jù)本發(fā)明的實施例允許組合任意數(shù)量的電池單元而單個輸出提供至電池監(jiān)視集成電路同時自主地充電平衡每個單獨的單元。自主的充電平衡電路允許通過將電池組升到較高荷電狀態(tài)(SOC)(類似于其它化學(xué)(鉛酸或鎳氫電池))但是即使多個單元連接成組或塊也允許單獨地平衡鋰離子單元并避免可能損壞單元的過充來實現(xiàn)平衡。在一個實施例中，使用自主的純模擬(APA, autonomouspure analog)單元平衡而不是之前已知的數(shù)字電池控制系統(tǒng)利用的主從關(guān)系。
[0017]基于下文對附圖中顯示的至少一個示例實施例的詳細(xì)描述，實施例的上述優(yōu)點和多個其它優(yōu)點以及特征對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員將變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有用于驅(qū)動牽引馬達(dá)的電氣系統(tǒng)的車輛的示意圖，該電氣系統(tǒng)包括電池管理系統(tǒng)；
[0019]圖2是圖1中顯示的電池管理系統(tǒng)的示意圖；
[0020]圖3是圖2中顯示的電池管理系統(tǒng)中使用的集成分流和開關(guān)電路的示意電路圖；
[0021]圖4是圖2的電路中使用的多個單元組的細(xì)節(jié)示意圖；
[0022]圖5是圖4的單元自主平衡電路的示意圖；以及
[0023]圖6是顯示根據(jù)圖5建立的單元平衡電路的示例性能參數(shù)的圖表。
【具體實施方式】
[0024]根據(jù)需要，本說明書中公開了本發(fā)明具體的實施例；然而，應(yīng)理解公開的實施例僅為本發(fā)明的示例，其可以多種替代形式實施。附圖無需按比例繪制并且可放大或縮小一些特征以顯示特定部件的細(xì)節(jié)。所以，此處所公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)解釋為限定，而僅為教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以多種形式實施本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。
[0025]參考圖1,顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于混合動力電動車輛的示例動力傳動系統(tǒng)12的框圖。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)理解，本發(fā)明的多個特征可以應(yīng)用到包括用于驅(qū)動牽引馬達(dá)的牽引電池的其它動力傳動系統(tǒng)配置，例如插電式混合動力車輛或電池電動車輛。類似地，本發(fā)明總體上不依賴于特定的動力傳動系統(tǒng)配置以及馬達(dá)和/或電池之間的連接，并且可以包括替代的動力傳動系統(tǒng)配置，例如串聯(lián)、并聯(lián)或串聯(lián)/并聯(lián)組合或動力分離配置。在圖1的示例實施例中，除了至少一個電機(比如電動馬達(dá)/發(fā)電機30(“馬達(dá)”))和牽引電池36之外，動力傳動系統(tǒng)12可以包括發(fā)動機20以及變速器50(例如具有變矩器52的自動傳動裝置51)。
[0026]發(fā)動機20和馬達(dá)30中的每者可以運轉(zhuǎn)為用于車輛的動力傳動系統(tǒng)12的驅(qū)動源。發(fā)動機20可通過分離離合器32串聯(lián)至馬達(dá)30。馬達(dá)30連接至傳動裝置51的輸入側(cè)。例如，馬達(dá)30可以經(jīng)由馬達(dá)30和變速器50的輸入側(cè)之間的變矩器52連接至變速器50。當(dāng)發(fā)動機20經(jīng)由分離離合器32連接至馬達(dá)30時變速器50的輸入側(cè)可以與發(fā)動機20和馬達(dá)30兩者連接。對于輸出側(cè)，變速器50通過差速器56連接至車輛的驅(qū)動輪60。
[0027]發(fā)動機20可以具有通過分離離合器32連接至馬達(dá)30的輸入軸24的發(fā)動機軸22。盡管分離離合器32描述和說明為液壓離合器，但是可以使用其它類型的離合器。馬達(dá)30具有連接至變速器50的輸入側(cè)的輸出軸42。
[0028]變速器50可以包括響應(yīng)于車輛工況和駕駛員選擇的驅(qū)動模式而通過車輛控制器自動選擇的多個離散的傳動比。變速器50的輸出側(cè)包括連接至差速器56的輸出軸54。驅(qū)動輪60通過各自的軸66連接至差速器56。通過這樣設(shè)置，變速器50傳輸動力傳動系統(tǒng)輸出扭矩68至驅(qū)動輪60。可替代地，變速器50可以通過車輛和/或變速器控制器控制以提供希望的輸出動力或扭矩至驅(qū)動輪60的無級變速器(CVT)來實施。
[0029]發(fā)動機20可以是內(nèi)燃發(fā)動機，例如汽油機、柴油機或天然氣驅(qū)動的發(fā)動機。當(dāng)發(fā)動機20和馬達(dá)30經(jīng)由分離離合器32連接時發(fā)動機20產(chǎn)生具有提供至變速器50的發(fā)動機扭矩76的發(fā)動機動力。發(fā)動機動力對應(yīng)于發(fā)動機扭矩76和發(fā)動機20的發(fā)動機轉(zhuǎn)速的乘積。為了通過發(fā)動機20驅(qū)動車輛，至少一部分發(fā)動機扭矩76從發(fā)動機20通過分離離合器32至馬達(dá)30并隨后從馬達(dá)30至變速器50。
[0030]牽引電池36是用于動力傳動系統(tǒng)12的另一種動力源。馬達(dá)30通過線路53連接至電池36。取決于車輛的特定運轉(zhuǎn)模式，馬達(dá)30將存儲在電池36中的電能轉(zhuǎn)換為具有馬達(dá)扭矩78的馬達(dá)動力，或者當(dāng)作為發(fā)電機運轉(zhuǎn)時發(fā)送對應(yīng)量的電力至電池36。馬達(dá)動力對應(yīng)于馬達(dá)扭矩78和馬達(dá)30的馬達(dá)轉(zhuǎn)速的乘積。為了通過馬達(dá)30驅(qū)動車輛，馬達(dá)扭矩78從馬達(dá)30傳輸至變速器50。當(dāng)產(chǎn)生電力用于存儲在電池36中時，馬達(dá)30從處于驅(qū)動模式的發(fā)動機20或者以再生制動模式運轉(zhuǎn)時馬達(dá)30作為制動器而從車輛的慣性獲取電力。
[0031]如描述的，發(fā)動機20、分離離合器32、馬達(dá)30和變速器50在圖1中說明為順序地串聯(lián)連接。這樣，動力傳動系統(tǒng)12可以代表模塊化混合動力傳動系統(tǒng)(MHT)配置，其中發(fā)動機20通過分離離合器32連接至馬達(dá)30而馬達(dá)30連接至變速器50。如上文描述的，各種其它的傳動系配置也可以利用本說明中描述的電池管理系統(tǒng)和方法的多個特征。
[0032]分離離合器32接合或分離的狀態(tài)或模式確定輸入扭矩76和78中哪者傳輸至變速器50。例如，如果分離離合器32分離，那么僅有馬達(dá)扭矩78提供至變速器50。如果分離離合器32接合/鎖止，那么發(fā)動機扭矩76和馬達(dá)扭矩78都提供至變速器50。當(dāng)然，如果僅需要發(fā)動機扭矩76用于變速器50，接合/鎖止分離離合器32但是馬達(dá)30不通電(energized),這樣僅發(fā)動機扭矩76提供至變速器50。取決于特定的應(yīng)用和實施,分離離合器32可以限制打滑模式運轉(zhuǎn)。
[0033]傳動裝置51可以包括離合器、傳動帶、齒輪等，并且可以包括通過選擇性接合摩擦元件而選擇性產(chǎn)生不同的離散傳動比的一個或多個行星齒輪組以建立扭矩流動路徑并提供對應(yīng)的希望的多個階梯傳動比(St印-ratio)。摩擦元件可以通過連接并分離行星齒輪組的特定元件以控制變速器輸入和變速器輸出之間的比率的控制器80或?qū)Ｓ玫淖兯倨骺刂破鲀?nèi)的換擋計劃控制。變速器50基于從駕駛員需求及多個其它工況和環(huán)境狀況確定的車輛需要通過控制器80從一個傳動比自動換為另一個。傳動裝置51然后提供動力傳動系統(tǒng)輸出扭矩68至最終驅(qū)動車輪60的輸出軸54。變速器50的動力細(xì)節(jié)(kinetic detail)可通過寬范圍的變速器設(shè)置來建立。傳動裝置51只是傳動布置的示例以通過本發(fā)明的實施例使用。從發(fā)動機和/或馬達(dá)接收輸入扭矩并以選擇的傳動比提供扭矩至輸出軸的多傳動比或傳動比可變的變速器是可接受的以與本發(fā)明的實施例使用。
[0034]動力傳動系統(tǒng)12進(jìn)一步包括車輛系統(tǒng)控制器80。動力傳動系統(tǒng)12進(jìn)一步包括加速器踏板92和制動器踏板94。加速器踏板92和制動器踏板94與控制器80通信。取決于特定的應(yīng)用和實施，多個額外的選擇器、傳感器和驅(qū)動器也可以與控制器80通信用于車輛控制。
[0035]車輛的駕駛員壓下加速器踏板92以推進(jìn)車輛。作為響應(yīng)，基于加速器踏板92的定位的總驅(qū)動指令提供至控制器80?？刂破?0在發(fā)動機動力和馬達(dá)動力之間分配總驅(qū)動指令以提供至變速器50用于推進(jìn)車輛。特別地，控制器80在(i)發(fā)動機扭矩信號100 (該信號代表以對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)從發(fā)動機20提供至變速器50用于推進(jìn)車輛的發(fā)動機扭矩76的量)和(ii)馬達(dá)扭矩信號98 (該信號代表以對應(yīng)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)從馬達(dá)30提供至變速器50用于推進(jìn)車輛的馬達(dá)扭矩78的量)之間分配總驅(qū)動指令。從而，發(fā)動機20產(chǎn)生具有發(fā)動機扭矩76的發(fā)動機動力而馬達(dá)30產(chǎn)生具有馬達(dá)扭矩78的馬達(dá)動力用于推進(jìn)車輛。當(dāng)發(fā)動機20經(jīng)由分離離合器32連接至馬達(dá)30時發(fā)動機扭矩76和馬達(dá)扭矩78都提供至變速器50以推進(jìn)車輛。用于推進(jìn)車輛的這種發(fā)動機扭矩76和馬達(dá)扭矩78在此稱為“正”扭矩。本【技術(shù)領(lǐng)域】中的技術(shù)人員應(yīng)理解僅出于方便描述而使用正/負(fù)的命名慣例。
[0036]車輛的駕駛員壓下制動器踏板94以減速或制動車輛。作為響應(yīng)，基于制動踏板94的定位的總制動指令提供至控制器80?？刂破?0在(i)通過發(fā)動機20和/或馬達(dá)30提供至變速器50用于制動車輛的動力傳動系統(tǒng)制動動力和(ii)通過摩擦制動器70施加至驅(qū)動輪60或其它輪用于制動車輛的摩擦制動動力之間分配總制動指令。通過發(fā)動機20和/或馬達(dá)30提供至變速器50用于制動車輛的動力傳動系統(tǒng)制動動力代表“負(fù)”動力傳動系統(tǒng)動力量?？刂破?0在(i)發(fā)動機扭矩信號100 (該信號在這種情況下代表以對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)從發(fā)動機20提供至變速器50用于制動車輛的負(fù)的發(fā)動機扭矩76的量)和(ii)馬達(dá)扭矩信號98 (該信號在這種情況下代表以對應(yīng)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)從馬達(dá)30提供至變速器50用于制動車輛的負(fù)的馬達(dá)扭矩78的量)之間分配動力傳動系統(tǒng)制動動力。發(fā)動機20產(chǎn)生具有負(fù)的發(fā)動機扭矩76的發(fā)動機動力而馬達(dá)30產(chǎn)生具有負(fù)的馬達(dá)扭矩78的馬達(dá)動力用于制動車輛。當(dāng)發(fā)動機20經(jīng)由分離離合器32連接至馬達(dá)30時發(fā)動機扭矩76和馬達(dá)扭矩78都提供至變速器50以制動車輛?？刂破?0進(jìn)一步產(chǎn)生摩擦制動扭矩信號96 (該信號代表通過摩擦制動器70獲取的扭矩量)。從而，摩擦制動器70施加摩擦制動扭矩至驅(qū)動輪60或其它輪以制動車輛。
[0037]在圖1的代表性實施例中，動力傳動系統(tǒng)12包括配置有多個六單元塊(six-cellbrick) 82的堆的電池36 (圖2)。每個單元組或塊82可以相對于電池監(jiān)視電路連接為單個元件(unit)，該監(jiān)視電路可以實施為集成電路(1C)。無論選擇多少單元形成組，每個單元提供有單元自主平衡電路86，該電路也可以通過IC實施。每個塊82將電壓輸進(jìn)框或單個端口(one-port)。每個六單元組(詳細(xì)資料見圖4)中每個單元具有充電平衡電路86 (圖4)。單元平衡電路86 (圖4)電連接至單個單元的端88和90 (圖4)以形成不需要每個單元的輸入至電池監(jiān)視電路的單元自主平衡電路。來自多單元塊82中每者的單個輸出可以傳輸至對應(yīng)的電池監(jiān)視IC142 (圖2)。
[0038]最新型的電池監(jiān)視電路或控制器(約2011年)設(shè)置成監(jiān)視單個鋰離子電池單元并且具有約為0-5v的極限輸入電壓范圍。這樣，根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的單元塊的單個端口電壓可能太高而不能使用這樣的電池監(jiān)視電路。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，當(dāng)多個單元塊82連接成至關(guān)聯(lián)的電池監(jiān)視控制器的單個輸入時利用例如圖3顯示的集成的分流和開關(guān)(ID&S)電路140。這促進(jìn)了現(xiàn)有的最新型的電池監(jiān)視IC的使用，根據(jù)本發(fā)明對于多個單元的單元/塊配置通常提供六個信道。
[0039]參考圖2-6，通過模擬電路86在六單元塊82內(nèi)自主處理單元平衡。關(guān)于圖5和6中的控制功能更好地描述模擬控制114?？刂?14增加驅(qū)動泄漏電阻122的場效應(yīng)(MOSFET)晶體管120上的占空比。當(dāng)感應(yīng)到單元上較高的電壓時，MOSFET更加完全地打開并獲得充電平衡能力。那么，為了平衡單元，電池組充電至該電池組的化學(xué)特性可接受的較高的荷電狀態(tài)(SOC)直到單元電壓增加到第一閾值電壓以上。這允許自主的純模擬平衡措施以抵消泄漏路線中寄生電阻能量損失(比如放氣(outgassing))。在之前的電池控制器中可以通過使塊關(guān)閉以避免過充的電流中斷裝置而避免過充。
[0040]市場上現(xiàn)有的電池監(jiān)視IC解決方案具有至每個單元的單個連接，用于監(jiān)視并平衡關(guān)聯(lián)的單元的電壓。本發(fā)明允許組合任意數(shù)量的單元而具有提供至關(guān)聯(lián)的電池監(jiān)視IC的單個輸出電壓同時自主地充電平衡每個單獨的單元。自主的充電平衡(CB)電路86允許通過將電池組升到較高荷電狀態(tài)(S0C)(這是其它化學(xué)(比如鉛酸或鎳氫電池)熟悉的方法)但是允許單獨地平衡單元塊中配置的多個鋰離子單元中的每者以避免可能損壞單元以及相應(yīng)的單元塊的輸出的過充來實現(xiàn)平衡。在一個實施例中，使用自主的純模擬(APA)單元平衡。結(jié)果是，單元平衡不依賴于之前已知的數(shù)字電池控制系統(tǒng)的主從關(guān)系。
[0041]電池36包含形成單元組或塊82的六鋰離子電池單元的串聯(lián)設(shè)置。塊82中單元的數(shù)量可以根據(jù)允許更高數(shù)量的單元的更高精度的電子件的控制設(shè)計的需要而改變。也可以串聯(lián)電連接多個塊82以形成堆84。取決于尺寸以及通過電池36提供的電力，塊82的數(shù)量也可以改變。然后每個塊82的輸出通過分流和開關(guān)電路140傳輸至電池監(jiān)視集成電路(IC) 142。分流和開關(guān)電路140是將來自單元組的電壓調(diào)節(jié)至用于關(guān)聯(lián)的電池監(jiān)視IC142的適當(dāng)水平的接口電路。在一個實施例中，運轉(zhuǎn)電路140以將單元組82提供的輸入電壓調(diào)節(jié)成與單個單元關(guān)聯(lián)的電壓對應(yīng)的輸出電壓以便于使用商業(yè)上可以獲取的初始設(shè)計為與單個電池單元使用的電池監(jiān)視IC142。通過菊鏈連接每個電池監(jiān)視IC142以引入串行外圍接口(SPI)鏈接用于連接至數(shù)字隔離器144。然后通過SPI總線將隔離的數(shù)字鏈接引入主微控制器146。然而，在之前的系統(tǒng)中主控制器146不再負(fù)責(zé)單元平衡指令。在電池監(jiān)視集成電路142中，VDD是用于芯片高壓部分的電力供給，該腳連接至6單元塊的頂部。VSS是用于芯片高壓部分的參考腳(reference pin)。該腳連接至6單元塊的底部。VINl是信道I輸入，該輸入連接至芯片上第一單元頂部的輸入。
[0042]現(xiàn)在參考圖4和5，小外形集成電路(SOIC)封裝用于提供單元自主平衡并適應(yīng)調(diào)節(jié)單元組82 中單元的一系列極板88a、88b、88c、88d、88e、88f 和 90a、90b、90c、90d、90e、90f兩端變化的電壓。SOIC封裝運轉(zhuǎn)為響應(yīng)于測量的單元電壓和參考電壓之間的差異而控制跨過關(guān)聯(lián)單元的分路電流的模擬閉環(huán)反饋控制器。這樣，電池監(jiān)視IC142可以對單元組82的兩端應(yīng)用較高電壓而每個自主的CB電路86控制提供至關(guān)聯(lián)單元的電流/電壓以將單元組中所有單元平衡至預(yù)定參考電壓。
[0043]如圖5中說明的，供電/靜電放電(ESD)保護電路110提供參考電壓輸出112至模擬反饋控制114。此外，模擬控制114接收測量的或探測的與對應(yīng)單元關(guān)聯(lián)的每組極板88和90兩端的電壓的輸入116。隨著極板88和90之間的參考電壓和實際電壓之間的電壓差異增加，模擬控制114增加傳輸至MOSFET晶體管120的門信號118的占空比以允許泄漏電阻122在過充發(fā)生之前分流過載電流。
[0044]還可以相對于溫度(例如圖5中顯示的溫度測量傳感器124)調(diào)整門信號118。模擬控制114還可以包含計時功能以容許短期電壓變化而避免接合分流路線。例如，計時功能可以運轉(zhuǎn)以屏蔽或過濾持續(xù)達(dá)10秒(±100毫秒)的電壓變化以避免在再生事件期間接合分流路線。SOIC在電池殼體支撐的基底上提供連接至每個單元的雙電極裝置86。如在圖6中說明的代表性傳輸函數(shù)大體上說明的，自主的模擬控制包括過濾器或延時器使得僅在電壓超過觸發(fā)電壓(例如3.80伏)達(dá)到選擇的時間(例如高于10秒(±100毫秒))導(dǎo)致分流電流流動。此外，當(dāng)單元電壓下降到3.80伏時分流電流可以在短時間內(nèi)(例如10毫秒)下降到10微安以下。過濾器還可以包括滯后極限(例如3.9伏(±10毫伏))。類似地，通過來自監(jiān)視每個單元處電壓的電壓測量(VMEAS) 130的輸入128改變門電流118，每個單元具有一組單元極板88和90。至控制114的輸入134監(jiān)視流動通過泄漏電阻122的電流。當(dāng)單元電壓下降到觸發(fā)或滯后極限以下時，兩個電極之間的分流電流在有限的時間內(nèi)(例如10毫秒)下降至電流極限(例如10微安)以下。否則，單元平衡電流以上升至保護極限的水平(例如5安(±50毫安))流動通過分流。結(jié)果是，每個單元上的單元自主平衡電路86避免由于每個塊82內(nèi)單元兩端的電壓改變而發(fā)生的過充。
[0045]ID&S140和電池監(jiān)視IC142的組合允許讀取塊(例如6單元塊)的電壓并作為單個輸入從電池控制器經(jīng)由串行外圍接口(SPI)-鏈接(例如F08微控制器(比如FreescaleStar8))通過數(shù)字隔離器144并提供至微控制器146 (例如Freescale EYSYS)，該電壓然后可以通過控制器局域網(wǎng)(CAN)總線通信至車輛的其它部分?？商娲?，電池監(jiān)視IC142的其它實施例可以是不需要接收多個信道輸入的單信道或定制芯片。
[0046]說明的實施例中的分流和開關(guān)電路140通過單元數(shù)量分流(divide-by-the-number of cell)電路而分流多個單元電壓的總和以建立所選擇的電池監(jiān)視IC142可接受的輸入范圍中的電壓。例如，5伏的輸入在現(xiàn)有平臺中可能是可接受的，不需要改變已有的控制器配置。
[0047]圖4說明了六單元塊82，其中串聯(lián)連接每個單元。每個單元在單元電極88和90兩端具有各自的自主充電平衡(CB)電路86。例如，當(dāng)單元電壓超過特定設(shè)置電壓時自主的CB電路86響應(yīng)于單個的單元水平。相反，之前的電池控制器技術(shù)利用可以用于切斷整個塊以避免過充的保護器，比如電流中斷裝置。
[0048]在圖4說明的實施例中，塊82的每個單元包括形式為集成電路組件的自主單元平衡電路。如圖5中更詳細(xì)地顯示的，基底上的小外形集成電路(SOIC)封裝可以固定在每個單兀兩端以在電極88和90兩端形成圖4中不意代表的電連接。
[0049]再次參考圖3，集成分流和開關(guān)電流140的說明的實施例包括電壓分流器150，該電壓分流器150的輸出通過電壓鉗(voltage clamp) 152傳輸以提供輸出154。開關(guān)153只有在通過微控制器146測量單元電壓時是閉合的而在所有其它時間是打開的。開關(guān)153是可選的，并且可以沒有，例如，如果電阻Rtop和電阻Rbot的電阻很大使得電流可以忽略。在單極RC濾波器(也稱為模擬濾波器)中，Rf是電阻，Cf是電容。
[0050]一種用于在具有描述的裝置的混合動力或電動車輛中控制電池堆的方法可以包括:通過自主的模擬控制電路對塊中配置的多個單元的每個單元的單元平衡，并且通過將電壓輸出引導(dǎo)至電池監(jiān)視控制器而監(jiān)視至少一個塊的輸出。方法中的實施例還可以串聯(lián)連接塊以形成將單個輸出弓I導(dǎo)至集成電路的堆。電池監(jiān)視控制器可以包括多個集成電路。
[0051]如之前集成在生產(chǎn)系統(tǒng)中一樣，多個集成電路中的每者可以在每個信道中從串聯(lián)連接的一組塊至那些電路的接收信道接收單個輸出。串聯(lián)連接組的輸出可以連接至集成分流和開關(guān)電路而減小施加在電池監(jiān)視IC的輸入電壓。
[0052]本發(fā)明還提供電力源和控制器，該控制器對于具有由多個單元形成的電池的混合動力車輛具有減少的走線(footprint),串聯(lián)連接選擇數(shù)量的單元中的每個并形成塊；自主的模擬單元平衡電路電連接在每個單元兩端，并且多個該單元形成輸出至至少一個電池監(jiān)視集成電路。可以通過集成分流和開關(guān)電路連接多個串聯(lián)連接單元的輸出，并且使每個塊的輸出連接至之前使用以形成電池監(jiān)視控制器的類型的電池監(jiān)視IC的至少一個信道。
[0053]盡管上文描述了示例性實施例，并非意味著這些實施例說明并描述了本發(fā)明的所有可能形式。相反，說明書中使用的詞語為描述性詞語而非限定，并且應(yīng)理解可作出各種改變而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。此外，可組合各種執(zhí)行實施例的特征以形成本發(fā)明進(jìn)一步的實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種用于具有牽引電池的車輛的控制系統(tǒng)，所述牽引電池具有多個單元組，每個單元組具有對應(yīng)的串聯(lián)連接的多個單元，包含: 多個單元平衡電路，每個電連接在所述多個單元中一個的兩端；以及 多個電池監(jiān)視電路，每個連接至來自所述多個單元組中至少一個的單個輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個單元平衡電路包含單元自主模擬平衡電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含: 具有連接在關(guān)聯(lián)的單元組兩端的輸入和連接至所述多個電池監(jiān)視電路中對應(yīng)一者的輸出的接口電路，所述輸出提供電壓范圍對應(yīng)于所述多個單元中單個單元的電壓范圍的電壓至所述對應(yīng)的電池監(jiān)視電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個單元平衡電路中的每者包含: 閉環(huán)反饋控制器，配置用于響應(yīng)于測量的單元電壓和參考單元電壓之間的差異而控制跨過關(guān)聯(lián)的單元的分流電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個單元平衡電路中的每者進(jìn)一步包含連接至所述閉環(huán)反饋控制器的溫度傳感器，并且其中所述閉環(huán)反饋控制器響應(yīng)于所述單元的溫度而控制所述分流電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，通過具有共用基底和關(guān)聯(lián)的電池監(jiān)視電路的集成電路實施閉環(huán)控制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含: 連接至所述多個電池監(jiān)視電路中每者的基于微處理器的電池控制器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個電池監(jiān)視電路中的每者包括多個信道，并且其中所述多個信道中的每者連接至所述多個單元組中的一者。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，串聯(lián)連接所述多個單元組，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含連接至所述多個單元組的基于微處理器的電池控制器。
10.一種用于控制車輛的系統(tǒng)，包含: 具有多個單元組的牽引電池，所述多個單元組中每者具有關(guān)聯(lián)的串聯(lián)連接的多個單元; 連接在每個單元兩端的單元平衡電路，每個單元平衡電路配置用于響應(yīng)于參考單元電壓和測量的單元電壓之間的差異而控制跨過關(guān)聯(lián)的單元的分流電流； 接口電路，所述接口電路具有連接在所述多個單元組中關(guān)聯(lián)的一者的兩端的輸入并提供范圍對應(yīng)于所述多個單元中單個單元的電壓范圍的輸出電壓； 連接至每個接口電路的電池監(jiān)視電路；以及 連接至所述電池監(jiān)視電路的電池控制器。
【文檔編號】H02J7/00GK103928956SQ201410015462
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月16日
【發(fā)明者】本杰明·A·塔巴托斯基-布什, 全頓國 申請人:福特全球技術(shù)公司