电池系统
2020-01-05

电池系统

在本发明的电池系统中,串联连接的电池模块(3a,3b)的各自具有串联、并联或者串并联连接的一个以上单个单元(3a1~3an,3b1~3bn);检测一个以上单个单元的各电压的单电池电压开关(7a,7b);监视检测到的一个以上单个单元的各电压的模块监视控制部(9a,9b);通信用电平变换电路(14a,14b),具有经由通信用电平变换电路从模块监视控制部接收一个以上单个单元的各电压信息的主部(8a),通信用电平变换电路具有将下位电位的电池模块的信号传递到上位电位的电池模块的开关元件(Q32),在上位电位的电池模块内的最高电位的单个单元的正极和下位电位的电池模块内的最低电位的单个单元的负极之间连接由电阻R1’、R2’、电阻R5、开关元件组成的串联电路。

接着,说明图12所示的电池模块间的通信处理。在此,说明电池模块In内M0SFETQ34〜Q37的动作,但电池模块1(η+l)内的M0SFETQ34,〜M0SFETQ37,的动作也一样。此外,串行通信输入的逻辑是有效为高(activehigh),上位电位的电池模块在未连接时是非有效。

图10是本发明的实施例6的电池系统的构成框图。

模块监视控制部9a-7、9b_7在具有图1所示的模块监视控制部9a、9b的功能的同时,对监视控制部IOa作为从属模块进行动作。保护信号用电平变换驱动器lla-7、llb-7具有:来自上位模块的放电禁止输入以及对下位模块或者主部8a的电平变换放电禁止输出功能;来自上位模块的充电禁止输入以及对下位模块或者主部8a的电平变换充电禁止输出功能。

本发明的目的在于提供一种能够使用低耐压的半导体元件的电池系统。

放电禁止开关13和充电禁止开关15串联连接,由MOSFET组成,并且设置在电池模块北和一端子之间。而且,放电禁止开关13和充电禁止开关15可以使用晶闸管或GT0、IGBT等。放电禁止开关13根据来自保护信号用电平变换电路lib的放电禁止用的保护信号断开,禁止1个及以上的单个单元的过放电。充电禁止开关15根据来自保护信号用电平变换电路lib的充电禁止用的保护信号断开,禁止1个及以上的单个单元的过充电。

本发明的电池系统串联连接一个以上电池模块而构成,上述一个以上电池模块中的各个电池模块具有:串联、并联或者串并联连接的一个以上单个单元;检测上述一个以上单个单元的各电压的电压检测部;监视用上述电压检测部检测到的上述一个以上单个单元的各电压的模块监视控制部;在相邻的电池模块之间进行通信的通信电路,具有经由上述通信电路从上述模块监视控制部接收上述一个以上单个单元的各电压信息的主部,上述通信电路具有将下位电位的电池模块的信号传递到上位电位的电池模块中的第1开关元件,在上述上位电位的上述电池模块内的最高电位的上述单个单元的正极和上述下位电位的上述电池模块内的最低电位的上述单个单元的负极之间,连接由上述上位电位的上述电池模块内的第1电阻、上述下位电位的上述电池模块内的第2电阻和上述第1开关元件组成的第1串联电路。

但是,将由锂离子电池组成的单个单元串联连接多个的2次电池作为电池模块构成,当串联连接多个该电池模块构成了电池系统的情况下,如果重复进行单个单元的充电和放电,则发生单个单元的电压的离散。因此,需要进行这样的管理,即,监视每单个单元的电压,无论在哪个单个单元都不发生过充电或过放电。

另一方面,当图4的开关Sl接通或者来自下位模块的放电禁止输入DLI是L电平时,在电阻r26、r27上流过偏置电流,开关Q13〜Q15全部变成接通。在电阻r33上流过偏置电流,模块的放电禁止开关2¾变成导通。

首先,在从模块监视控制部9k_4发送(TX)数据时,由于数据的输入,开关Q25接通,在电阻r41和电阻r42上流过电流。开关Q27、断开,向下位模块发送数据。此外,开关Q21接通并且开关Q22断开,向上位模块发送数据。接着,在模块监视控制部9k_4接收(RX)数据时,通过来自下位模块的发送输入开关Q21接通,开关Q23断开,接收来自下位模块的发送输入。

保护信号用电平变换电路Ila与本发明的发送单元对应,进行电平变换,使得让电池模块Ia的电压与电池模块Ib的电压匹配。S卩,电池模块Ib的电压例如是0〜12V,在电池模块Ib内的多个单个单元的最下位的负极端子是基准电位0时,电池模块Ia的电压是12〜MV。因此,应该让来自电池模块Ia的信号电平与电池模块Ib的信号电平匹配,保护信号用电平变换电路Ila从12〜24V电平变换到0〜12V。

图13是在本发明的实施例6的电池系统中进行过充电禁止保护信号的电池模块间通信的保护信号用电平变换驱动器lla_7、llb-7的构成框图。图13所示的变换驱动器将自己的电池模块的过充电禁止保护信号和来自上位电位的电池模块的过充电禁止保护信号的逻辑和输出到下位电位的电池模块。

图14是在本发明的实施例6的电池系统中进行过放电禁止保护信号的电池模块间通信的保护信号用电平变换驱动器的构成框图。图14所示的变换驱动器向下位电位的电池模块输出自己的电池模块的过放电禁止保护信号和来自上位电位的电池模块的过放电禁止保护信号的逻辑和。

电池系统

本发明提供一种能够实现可靠性的提高的车辆用电池系统。车辆用电池系统具有:电池模块(9A),其串联连接多个电池单元(BC1~BC6)而构成;集成电路(CC3A~CC3N),其将电池单元每多个进行组化,且在各组单位内对电池单元(BC1~BC6)进行处理;第一传送路(602、604),其通过第一绝缘电路(PH1、PH2)将命令信号从控制集成电路(CC3A~CC3N)的上位控制电路(20)向集成电路的最上位的集成电路(3A)传送;第二传送路(602、604),其从最上位集成电路(CC3A)向最下位继承电路(CC3N)传送由集成电路(CC3A~CC3N)收集到的数据信号;第三传送路(602、604),其通过由电池模块(9A)的总电压产生的电力所驱动的第二绝缘电路(PH3、PH4)将数据信号从最下位集成电路(CC3N)向上位控制电路(20)传送。

如图11所示,传送输出电路140通过控制电路246控制开关244、245的开闭,由此将图12图中左上方所示的波形的信号从发送端子TX输出。如图I所示,传送方向上位的电池单元控制器的端子GND(接地)与传送方向下位的电池单元控制器的端子VCC连接。因此,传送输出电路140以电池单元控制器CCM的接地,即电池单元控制器CCN的VCC为基准而输出电压VDD的振幅的信号。如果打开开关245并关闭开关244,则输出高电平(电位VCC+VDD)的信号,相反如果关闭开关245并打开开关244则输出低电平(电位VCC)的信号(参照图12的左侧12L的波形)。

230马达

(a)由于在连接蓄电池控制器20与单元控制器80的传送路60设置有用于电绝缘的绝缘电路(光耦合器PHl〜PH4),所以能够实现可靠性的提高。

蓄电池控制器20通过端子PORTIN的输入电位能够检测开闭器6的开闭检测用开关的开闭状态。蓄电池控制器20如果检测到开闭器6打开,则把开闭器6的打开状态传递给相关的控制装置例如逆变器装置220,并以维持系统整体安全的方式进行控制。例如,当打开开闭器6时禁止基于逆变器装置220的电池模块9A、9B的充电。此外,在所述的说明中,对于电池模块9A涉及的结构进行了说明,但是对具有相同的结构的电池模块9B的传送路60也同样奏效。 总结图I所示的电池系统的效果如下所述。

在电池单元控制器CC3N的内部电路中至少使用有两种电源电压VCC、VDD(3V)。在图10所示例子中,电压VCC是由串联连接的电池单元BCl〜BC6构成的电池单元组的总电压,而电压VDD由主稳压电源134及启动输出电路135的启动用稳压电源136生成。多路转接器120及用于信号传送的传送输入电路138、142在高电压VCC下动作。此外,模拟数字变换器122A、IC控制电路123、诊断电路130、用于信号传送的传送输出电路140、143在低电压VDD(3V)下动作。

附图说明

(c)通过用高电压电源(VCC)驱动用于信号传送的传送输入电路138、142,并用低电压VDD驱动传送输出电路140、143,在电池单元控制器CC3A〜CC3N的串联连接(雏菊链连接)中具有如下优点。即,通过用低电压VDD驱动传送输出电路140、143,输入传送目的的电池单元控制器的信号的峰值变低,且能够降低传送目的的电池单元控制器的耐压。而且,即使不能降低传送目的的电池单元控制器的耐压时,与耐压相关的余量也变大且可靠性也变高。

由此,在串联连接的多个电池单元内,例如相对于超过平均状态的处于充电状态的多个电池单元,使与这些电池单元连接的平衡用半导体开关成为导通状态,并通过串联连接的电阻R30、R20流动放电电流。由此,沿相互接近的方向来控制串联连接的多个电池单元的充电状态。此外作为另一种方法,是将正处于放电状态的电池单元作为基准单元,并基于与基准单元的充电状态的差异来决定放电时间的方法。也有其他调整充电状态的各种方法。充电状态能够基于电池单元的端子电压通过运算求出。由于电池单元的充电状态与该电池单元的端子电压有相互关系,因此通过以使各电池单元的端子电压接近的方式控制平衡用半导体开关,能够使各电池单元的充电状态接近。

电池系统

电池管理系统包括多个电化学电池,每个电化学电池具有至少一个端子,以及多个部件,其连接在一起以形成将电化学电池固定在合适位置的框架。至少一个部件包括用于接收多个电池端子的开口。电池管理系统与框架第一端连接,以及设备与框架第二端连接,用于同时向电池和电池管理系统提供冷却气体。

图16A示出了根据典型实施例的安装到具有交替的正和负端子的多个电池上的图15A的梁。多个电池由梁后侧接收,且由图15A中所示腹板部和凸棱85间隔和支撑。电池的端子被显示通过连接器的孔。图16B示出了图15A的梁、以及特殊的引线孔89和引线88的透视特写图。

为便于中心梁36与端盖34和电池管理系统70的连接,中心梁36包括用于接收从端盖和电池管理系统开始延伸或者贯穿端盖和电池管理系统的螺栓的一系列间隔孔隙。根据其它的典型实施例,中心梁可以包括附加孔隙,以便于将中心梁与其它元件(例如,顶平面,汽车,等等)连接。根据另外其它的实施例,中心梁可以通过其它方法(例如,搭扣配合,铆钉,过盈配合)与其它元件连接。

另外,因为电池管理系统被设置邻近或者接触电池系统或者模块,所以用于冷却电池系统电池的冷却气体(例如,空气)还可以被用于冷却电池管理系统(例如,在电池上方经过的空气可以在至少一部分电池管理系统上输入)。进一步地,电池管理系统的壳体可以通过其中的附件提供用于电池系统的结构刚度。

通常参考图1-10,示出的是电池组件或者电池模块20。电池组件20用来装配、连接和调节一组电化学电池,且将被设置在交通工具里。根据典型的实施例,电池组件被安放在托盘或者壳体10中。电池组件20包括电化学电池或者电池组22、框架30、隔离件60、连接器64、盖68、电池管理系统70和螺栓90。电池组件20是可调比例的,且能够被延长或者缩短,以通过增加电池数量来适应不同的汽车。

参考图11A,示出了根据典型实施例的、通过电池系统的电流流动示意图。通过交通工具电源系统界面111,可以输出电流至交通工具的其它部分,且接收来自交通工具其它部分的电流。电流可以流过装配在框架中的多个电池和电池管理系统70。参考图11B,示出了根据典型实施例、沿着电池组件一侧的电流流动的示意图。假如电池被按照例如如图6B所示的电池进行排列,其中,端子25和M在相邻电池中反向排列,电流将从正端子向负端子流过相邻电池,等等。根据不同的典型实施例,电池的方向和通过电池的电流流动可以与图IlA和IlB所示不相同。

发明内容

对本公开内容来说,术语“连接的”意味着将两个部件彼此直接或者间接地结合。上述结合可以实质上是固定的或者实质上是可移动的。上述结合可以在两个部件或者两个部件和任何附加的中间部件被相互一体成型为单个整体时实现,或者在两个部件或者两个部件和任何附加的中间部件被相互固定时实现。上述结合可以实质上是永久的,或者实质上是可动的或者可拆卸的。

根据典型的实施例,电化学电池22通常是棱柱形的锂离子电池,其用于存储电荷。根据其它的典型实施例,电池可以采取其它形状或者形式(例如,椭圆形,圆形,矩形,等等)。根据另外其它的可替换实施例,电池可以是镍氢,镍镉或者另外其它合适的电化学电池。

图17A是根据典型实施例的电池组件的壳体的透视图。

连接器87通常是薄且扁平的金属部件或者零件,其用来连接相邻电池22的端子对,25,且允许电流在相邻电池22之间流动。连接器87具有用来允许电池22端子M,25通过连接器87的孔。图15B示出了连接器87和凸棱85的特写剖开透视图。连接器87通常设置在相邻的平行凸棱85之间。根据不同的其它典型实施例,凸棱85和连接器87可以被不同地定向或者间隔,且可以具有其它的形状和类型。

图1示出了根据典型实施例的托盘或壳体10中电池系统、电池组件或者模块的透视图。图2示出了根据典型实施例的壳体10中电池系统、电池组件、或者模块的平面图。壳体10典型地可以被安装到的交通工具后部,比如可以位于行李箱部分内。壳体10可以与交通工具的结构合为一体,或者可以被安装到交通工具内。壳体10可以与交通工具轮廓配合,且给包括框架30的电池系统的各个元件提供稳定性。当框架30被安装到壳体10内时,壳体10的表面还可以用作框架30的盖或者表面(例如,底盖,等等)。框架30还为各个元件(诸如强制空气系统31和电池管理系统70等)提供分界面。根据其它的不同实施例,电池管理系统70和/或强制空气系统31的零件可以用作框架30的端盖或者部分端盖。

电池系统

当判断存在需要充电的电池单元时,ECU将地址信息输出给电池监视AFE(6)。电池监视AFE(6)使根据地址信息确定的晶体管(T2)导通,向均衡电路(4)输出有效的接通/断开信号。在均衡电路(4)中设置有与各电池单元(2a)分别连接的DC转换器(30),通过输入接通/断开信号的DC转换器(30)进行动作,选择性地对电池单元进行充电。DC转换器(30)由磁放大器方式的正向转换器构成,当接通/断开信号有效时,如果电池单元的电压低于4.2V左右,则选择性地对单元电压低的电池单元进行充电,最终单元电压保持为4.2V左右,防止了对电池单元(2a)的过充电。

缓冲器BI的输入部连接成经由脉冲信号输入端子IN输入由脉冲信号产生电路3 Ia产生的脉冲信号。在该缓冲器BI的输出部上分别连接有晶体管Τ3的栅极。

19 SPI

另外,作为DC转换器25的特性,电池单元的电压与所控制的恒定电压的差越大,流过的电流越多,因此即使选择了所有单元,各电池单元的电压差也会减小。

图3是减小充电时的电池单元的电力的机理的说明图。

21 电平移位器

27 变压器

ZDl 齐纳二极管