技术领域
[0001] 本发明涉及电池充电和放电管理，尤其涉及含有串联的长串电芯的电池充电和放电管理。
相关背景技术
[0002] 电池管理系统(BMS)典型用于控制电池动力系统中的单电池或多电池的充电和放电。BMS典型管理上述系统的运行但也能提供重要的故障安全动作，从而防止一旦发生故障时可能产生的危险后果。
[0003] BMS对于使用由基于插层化学(“插入电芯”)的长串电芯制成的电池的应用较为重要。电池(有时称为“电池包”)典型地由大个单电芯的串联串或可选地“模组”串构成，每个模组包括一组并联连接的小电芯。在此述及的“电芯”应理解为，只要文中允许即包括这样的模组。
[0004] 通常使用的电池由插入电芯构成，插入电芯包括且不限于所有的锂离子和锂聚合物电芯类型。这些电池应用于各个领域，包括电动汽车(EV)、飞机、栅极存储以及紧急或备用电源。
[0005] 典型的BMS测量电池中各个电芯的电压并典型地具有以下各个分立功能：
[0006] a)当第一电芯达到其最大电压时，停止充电；
[0007] b)当任一电芯达到最大电压时，停止放电；
[0008] c)执行“主动平衡”，所述主动平衡为每次充电/放电循环上的各电芯电压的均衡化(参见以下描述)；
[0009] d)识别已失效或正在失效的电芯的电压波动症状并引发异常。
[0010] BMS的日常用途主要在于确保在每次充电/放电循环中电池中的所有电芯都尽可能全部被充电或被放电，并同时确保任一电芯都没有过度充电或过度放电。失效电池迹象的监控是一项非常重要的辅助功能。
[0011] 需要这些功能是因为：
[0012] a)任一电芯的过度充电都能造成过热甚至起火。
[0013] b)电池中一个或多个电芯的过度放电能导致加速老化或能造成“电压反转”，在电压反转中，电芯的效应电荷充得越满，往后电芯越弱，典型地对受影响的电芯造成不可逆的损害。
[0014] c)在主动平衡BMS的电压监控装置识别出故障或失效电芯之处，在电芯过热或起火之前发出警示信号用以引发适当的安全响应。
[0015] 主动平衡BMS使用多种技术之一来设法使电芯之间的电荷均衡化。这可能涉及电芯之间的电荷分流或从即将达到过度充电的任意电芯中溢出(draining)(“转存(dumping)”)电荷。该过程通常朝向充电循环的末端发生，并一般被称之为“顶部平衡”。
[0016] 顶部平衡的目的在于设法确保，在充电终点上，所有电芯均等地满充。不允许有电芯充电至电压高于预设安全最大值。所有电芯籍此可预期或多或少均等地达到完全放电。
[0017] 然而，使用主动平衡BMS有三项关键缺陷：
[0018] a)需要许多电连接，从而可能导致许多失效点。
[0019] b)电芯电压监控不足以充分评价各个电芯的健康状态(SoH)。
[0020] c)顶部平衡使用测得的电芯电压作为实现充分电池充电技术的一部分。然而，插入电芯的电压在充电停止后可能一段时间不稳定，电芯电压很大的暂时性偏移能够发生在位于充电顶部的平衡很好的电池中。对于锂电芯的研究显示电芯电压不是SoC的较佳指示，除非电芯处于开路状态并且“休眠”，即对于待稳定的电芯电压来说，自从电芯中的上一次电流流动已经经过充足时间。
[0021] 主动平衡BMS的服务记录反映了这些缺陷。据调查，由于充电过程中锂离子电池的热失控急剧产热，造成使用主动平衡BMS的车辆或其它应用中出现大量起火。也有起火事件产生于使用中正在被放电的车辆电池中。这典型与较松散的电芯连接有关；随着放电过程中操作电流典型地高达几百安培，电池中松散或较差的连接能迅速产生很高的局部温度。
[0022] 同样，在现代商务飞机上即使安装了重复了主动BMS，也发生了至少2起锂电池起火事件。美国国家运输安全委员会当前的部分调研工作就是对电池系统的设计进行评审。
[0023] 尽管放电过程偶然造成的灾难性电芯损失较少，但仍然是影响电池寿命和容量的显著问题，而且当前的BMS还不能消除这个问题。
[0024] 部分因为当前BMS技术本身的风险和不确定性，商业生产的电动汽车和其它应用中使用的BMS通常仅利用了电池的部分容量。例如，其中一个当前的电动汽车产品仅允许使用约65％的可用电芯容量，剩余容量提供安全裕度用以避免过度充电或充电不足的风险。因此显著提高了电池的成本、体积和重量，并且尤其增大了一次充电电动汽车里程最大化的挑战。
[0025] 对于BMS失效安全的关注带来了电池和电芯温度监控应用的增加，该温度监控设计用来在起火发生之前检测热失控迹象。虽然这些方法解决了主动平衡BMS的一些内在安全弱点问题，但这是以增加成本和复杂性为代价的。
[0026] 图1为基于电芯电压监控的典型主动平衡BMS的示意图。在该示例说明中，主要耗能者为由电机控制器6控制的电机7。
[0027] 电池本身由多个电芯2构成，这心电芯2通过电芯带或总线3交替连接正极端子4和负极端子5而连接。电池管理系统主设备1有一个连接到各个电芯2的专用传感线8。主设备控制由外部电源10供电的电机控制器6和充电器9。电机控制器向电机7供电。
[0028] 这种拓扑机构的许多变化形式使用主仆构造(master-slave configurations)或甚至使用电芯级BMS板(cell-level BMS boards)。
[0029] BMS存在许多问题，比如，如图1所示，依赖检测各电芯的测量电压中的异常来确定电池故障以及充电水平。虽然电芯电压可作为单个电池过过度充电或过度放电的指标，但这并不总是完全可靠的。此外，在其它问题的早期阶段，电压可能无法提供一个明确的指标。主要问题在于：
[0030] a)对于每个电芯来说，至少有一个接线的电压控制电连接件8，每一个都是一个可能失效点。在+300伏的典型电动汽车电池中，有一百条以上这样的线。如果任一电压传感线接地短路，相应电芯可能被放电至损坏点；
[0031] b)还需要构建主设备1用以接受和处理来自上述设置的大量高电压传感输入。因此产生主设备本身的可靠性和维护问题。
[0032] c)当电芯被损坏或即将失效，可能不会立即影响相关电芯的电压，在足够警示BMS的电压偏移发生之前可能存在一些延迟。因此可能太迟了而不能防止电池的显著损耗或甚至灾难性失效。
[0033] d)如果电芯带3松动或连接不良，能够导致显著电阻力，造成电压度数不准确并带来电芯充电不足或过度充电的后果。
[0034] e)如果其中一个电压传感线形成开路，电压度数同样也不准确。
[0035] f)电芯之间的连接不良，比如在注液电芯带或总线或内部电芯失效上面，能够导致迅速过热和潜在损害。这些可能并不会一开始就显示为电压异常。
[0036] g)没有机构来检测可能例如由外部物体进入接触电池的外连接部而造成的短路，因为这可能看作是电池上的负载而不是作为明显的单电芯电压偏移。
[0037] h)如果因为任何原因主设备1本身或主设备和充电器之间的连接失效了，在充电结束时充电器可能不会接收关闭指示。因此可能造成一些前述的事故。
[0038] 除了以上之外，使用电芯电压监控的顶部平衡的应用具有另一潜在缺陷。
[0039] 该缺陷产生的原因在于，电池中各个电芯不会都正好具有相同的容量。因此即使顶部平衡可以完美地执行，具有稍微较少容量的电芯会比这些具有较大容量的电芯先达到完全放电。换句换说，在充电顶部平衡各个电芯必然意味着它们在底部是不平衡的。如果持续放电超过最弱电芯耗尽点(即，已经放电至低于不需要进一步放电程度以下的点)，那么电芯将会继续接收经过的降低电压的电流。驱使电芯越过该点能对电芯带来不可逆的损害。进一步的强制放电能够持续直至将电芯电压推入电压反转，而电压反转实际上总是会破坏电芯。
[0040] 典型电流产生BMS的其它功能之一为当任一单个电芯电压变得过低时关闭充电。这样的BMS因此应当会通过在电芯损害发生之前关闭放电而防止电芯电压过低，但是如果发生系统失效，非常可能损失一个或多个电芯。此外，在一些事件中，在关闭之后，即当BMS为非主动的时候，自电池的小残余溢出会持续进行。这能够导致对于电池包的破坏：也有已被公布的事故发生在带有近放电电池的电动汽车已经长时间停放的地方。这种小残余电流耗尽了电池并且(底部非平衡)一些电芯被驱入电压反转。
[0041] 由于这种电压反转对电芯造成的损害，因此在顶部平衡BMS中很常见。相比之下，底部平衡电池包被认为是不太可能以这种方式受损害，并因此能够经受很深的偶然性的电池过度放电而不会损失电芯。这是因为尽管所有电芯都过度放电，因为它们是平衡的所以没有电芯没推入电压反转，因为没有电芯比任何其它在放电底部的电芯明显地更强或更弱。
[0042] 总而言之，使用现有的BMS设置存在很多问题。本发明致力于克服或改善这些问题中的至少一部分。
[0043] 使用借助传统BMS管理的当前电池的经验是没有主动平衡阶段作为充电循环的部分的话，各个电池没有相对彼此保持它们的SoC。这种随着时间的电芯的SoC的偏移一般认为有多种因素造成。然而，也认为是难以或不可能避免的，并且一般采用的方案是使用主动平衡来使所有电芯保持相对一致的SoC。
[0044] 然而，去除正常使用中损失平衡的常规诱因是可能的。
[0045] 电芯的SoC偏移的一个显著原因为在标准BMS构造中电芯上的非平衡的存在寄生载荷。这些寄生载荷可由于在低压仪器或辅助装置或电芯组中布线造成，但是不太明显可能在电压监控连接件本身的整个设置中具有这种效果。在大多数领域中可接受的实践是将这种被电压表使用并典型地具有20-40微安培级别的电流看作是可忽略不计的。即使电压测量电路可能仅汲取极小电流，然而，这种消耗将会持续贯穿系统的大部分运行寿命。长时间下去，能够显示出：这种电流消耗可能达到非对称电荷移除的显著量级。
[0046] 在100个电芯的电池中典型的电压监控结构将包括测量电池包负极和各个电芯接合点之间的差异。单个电芯电压将由减法计算。在这样的结构中，从第一电芯汲取的电流可能为约35微安培，并仅流经该第一电芯。从第二电芯汲取的电流也会是35微安培，但是会流经该第二电芯和第一电芯。如此继续从其它每个电芯中汲取电流，造成非平衡载荷将会积累，在此例中100个电芯中的差异达到约3.5毫安培。长期连接达到12个月(8760小时)的电压监控装置会使电池包失衡(第一电芯相比第100电芯)达到约30安时。假定这种尺寸的典型电池可能具有70-80安时的总容量，该尺度上的平衡损失将显然是可观存在的。各电芯上带有独立监控器的更精密的电压监控系统减轻了问题的严重性但也不能使其消除。
[0047] 电池中电芯失衡的第二显著原因在于内部阻抗和其它因素由于SoC差异之外的其它原因能够造成电芯之间的暂时性电压漂移。其效果看起来是最坏情况下当电池接近满充时即接近了充电过程的终点。不幸的是，这典型为传统BMS努力平衡电池包所处的点。
[0048] 在传统BMS中，一般优选顶部平衡，即当电池接近满充时进行平衡，并与底部平衡相对(完全放电或接近完全放电时对电芯电压进行均衡化)。如此优选的一个主要原因是因为底部平衡的进行必须接近电池的完全放电点而可能不方便。当需要电池放电时，电池可能不总是完全放电。例如在电动汽车中，当不需要车辆当需要使其满充以备将来使用时，电池可能仅部分放电。如果电池仅部分放电，然后进行底部平衡，将需要完成放电过程。这将消耗可能需要充电的时间并且还浪费能量。
[0049] 如上所述，因为充电顶部为放电循环中的点，在此由于充电状态之外的原因电芯电压趋于漂移，在该点平衡电压的BMS可能实际上造成一定程度的失衡。
[0050] 造成电芯失衡的第三原因在于自放电过程，该自放电过程可以由于内部“软短路”而发生在故障电芯中。软短路被认为是由制造中的杂质缺陷引起(例如参见《Advanced Mitigating Measures for the Cell Internal Short Risk》，Darcy等著，2010年)，或有时由电池滥用引起。尽管这种放电可能是很大，长时间下去也会使这些电芯失去平衡(相比其它电池)。
[0051] 单个锂离子电芯的常见充电过程使用恒定电流/电压(CC/CV)算法。通常包括三个步骤(如果初始电芯电压很低则可能更多步骤)，如图7所示。所述步骤为：
[0052] a)以恒定预定电流52(取决于电芯的尺寸或其它因素)对电池进行充电。在该阶段中电芯电压51逐步升高。此阶段即已知的“恒流”或“CC”阶段。
[0053] b)当电芯电压达到预定水平时，充电器将开始降低电流从而将电芯电压保持在恒定水平。此阶段即已知的“恒压”或“CV”阶段。
[0054] c)当电流降至第二预选水平(典型地为初始充电电流的5％)时，明确地终止充电。
[0055] 该方法通常被描述为CC/CV充电模式。充电器从CC阶段变化到CV阶段处的电压将取决于电芯并典型地由作为充电上限电压的生产商限定。
[0056] 同样的CC/CV模式通常用于对由多个串联电芯组成的电池进行充电，但在此不太成功。即使在CV阶段总电池电压保持恒定，各个电芯电压可能大范围偏移。如果一个或多个电芯的电压过度上升，即使没有电芯满充，典型的传统BMS也可能不得不较早地发出充电终止指令。
具体实施方式
[0141] 图2示出了基于充电电池的系统，该系统具有彼此串联连接形成电池的多个电芯2。图2所示的电芯2可表示单个电芯或设置在电芯模组中的多个电芯，通常各电芯并联设置。尽管不是必须的，该设置中的电芯在应用之前是底部平衡的。如此，将从同一充电水平对各电芯进行充电，从而当电芯被放电时它们将都朝着这种初始的底部平衡的电荷水平放电，因此没有一个电芯会被充电超出其它电芯，从而避免了损坏一个或多个电芯的可能性。
[0142] 电池终端与负载(在此情况下为用于控制电机7的电机控制器27)相连接。电机控制器和电机提供负载，使用中电池放电至该负载中。充电器26给电池提供电荷，用以随着电池的逐渐耗尽而对其再充电。充电器26给电池提供电荷，用以当电池耗尽时对其再次充电。
[0143] 充电器通常配置为通过监控总电池电压(即电池终端上的电压)并使用该信息来确定是否进行充电以及如何进行充电而很大程度上自主运行。充电器能够不参照电池中的单电芯电压而运行，因此电池中不需要连接至各电芯的连接件(connections)来监控和管理电池的充电。
[0144] 充电器的运行类似于图7关联所述而相对标准化。其典型地从恒流充电阶段开始直至通过电池的电压达到预定水平。接下来是恒压充电阶段。
[0145] 在传统主动平衡BMS中，恒压阶段将会持续直至充电电流降至低于设定阈值，并典型地为初始恒定充电电流的几个百分点(5-10％)。然而，如图8的第一次充电循环(循环1)中所示，这种传统充电模式能导致电池充电过程一些电芯上的单电芯电压开始偏移。图8中，8个电芯的电芯电压如上部扫描线所示。第一示例循环中，充电持续整个恒流阶段，并经过恒压阶段直至充电电流降至低于约为初始恒流充电电流的10％。在图8的第二次循环中，使用本实施例的方法，达到恒流阶段电流约80％时立即停止恒压阶段。
[0146] 从图8中的循环1可见，由于使用传统充电模式，在恒压充电阶段其中一个电芯的电压显著偏移其它电芯电压。这没有反应电荷状态的差异，而该差异则可以从当没有电流流过时电芯电压在休眠阶段迅速汇集这一事实看出。电芯典型地具有如论如何都不应超越的规定电压限。对于循环1中的漂移电压，存在超过最大期望电压并可能有对电池造成损害的风险。通过在恒压阶段较早地终止充电，如循环2中，在任一单电芯上的电压开始接近其电压限之前停止充电。
[0147] 从图8中的充电循环2可见，充电的早期终止意味着电芯电压之间实际上没有漂移(相比于循环1中至少一个电芯显著偏离其它电芯)。
[0148] 有许多方式可以形成这种早期终止(以下称为“电池充电终止点”)，并取决于使用的特定充电算法和电芯类型。一个适合的方式(如图8所示)是利用依经验而定百分比例的初始恒流充电电流。在图8的实例中，CV阶段在达到初始CC阶段电流约80％时结束，尽管其可典型地在70-90％的范围内(相比于可典型地用作传统充电设备的截止电流的5-10％)。
[0149] 电池充电终止点可根据使用的具体结构以及使用的电芯类型而变。在本实例中的截止电流的选择将使得在电芯电压的任何显著变化开始发生之前终止充电。如图7所示，曲线51为充电电压，曲线52为充电电流。直线53为电池充电终止点，约为恒流阶段充电电流的80％。相比之下，主动平衡BMS中的传统充电可能在点54(即为恒流阶段充电电流5％左右)终止。
[0150] 如前所指，在电芯之间观察到的电压漂移往往是暂时性现象，如图8的循环1中所示，充电停止后，一旦恒压阶段结束，即使在高度漂移的电芯上，电压都趋于恢复至与其它电芯更加一致的水平，即使高度漂移的电芯也是一样。其中，一旦充电停止，不会发生进一步的充电直至电池被放电(至少部分放电)。
[0151] 以上过程将使电池充电至可用容量的较佳水平，接近于最大容量但显然小于如果继续充电直至充电流降至更加典型的5％水平时所达到的容量。尽管这保证了电池不会由于电压漂移时充电而损伤，但较高水平的充电通常还是人们所期望的。因此，可以对以上过程改进为：充电停止后重启充电过程。这可以是单一阶段的补充充电或一系列额外补充充电循环。一次或多次短补充充电中的每一次之间都将包括休眠阶段(典型地为2-15分钟)，用以在重启之前使电芯电压恢复。这些额外的补充充电能够有助于在仍然确保电池稳定性以及避免电芯损伤的同时达到更加完全的充电。
[0152] 图3示出了一系列补充充电循环的典型运行模式。首先，使用恒流阶段对电池充电，这可以从图3左侧中的电流曲线大致呈水平状态而看出。电芯电压在此阶段上升。一旦电池电压达到预定水平，结束CC阶段并开始恒压阶段。从充电电流的下降可以看出，这是较为明显的。如前，当充电电流下降至CC阶段电流的70％左右时终止充电。通过较早地终止充电，电芯电压漂移较小。如图3所示，尽管电芯电压不一致，其差异却很大程度上是恒定的。
[0153] 一旦充电被终止，电流降为零并且电芯电压也由于没有充电电流而下降。然而，随着时间推移，随着电芯在休眠阶段的恢复，电压进一步下降。从而使得可能已发展或即将发展的电芯电压的任何漂移恢复，从而使电芯漂移较少。一段时间(休眠)后，电芯得到充分休眠，各个电压趋于稳定。这一阶段可以典型地为约5-15分钟，但可能或多或少取决于电芯电压恢复需多长时间。重启充电之前的优选延迟将取决于电芯的性质，比如取决于尺寸和化学性质以及还取决于电荷状态。
[0154] 然后从恒压阶段重新开始充电。随着额外电荷的加入，电芯电压再次升高。充电阶段的持续时间将会相对较短，如图3中所示。在休眠阶段电压将会下降，因此当以相同的目的电压重新开始恒压(CV)充电时，电流将会比在休眠阶段之前终止充电时要高。在此阶段，充电电流将会下降。如前将会以目的恒定电压继续进行充电，然后在达到初始恒定电流的70％时截止。然而，因为电芯已经休眠过，所以电压漂移的倾向相比于如果没有停止充电进行休眠的情形有所降低。这允许额外电荷增加到电池中而没有发生可能造成损伤的电芯电压的非期望漂移。
[0155] 本实例中的充电在达到初始(CC阶段)充电电流的70％时截止。然而，在其它实施例中，也可以选择与CV阶段结束时终止电流相同，或进行独立确定。例如，可以设在不同的电流水平，典型地在50％-95％的范围内。
[0156] 充电再次被终止后，允许进行下一休眠阶段，从而电芯电压能够再次恢复和稳定。下一充电循环可能采用CV充电。从图3可见，在这次循环中的电芯电压将偏移更多。然而，可以看到漂移将趋于比如果没有停止充电的情形要小。在此阶段充电被终止且没有被重启，从而防止了会导致损伤或失衡的进一步电芯电压漂移。然而，如果电芯电压漂移不像图3所示的那么显著或者如果漂移水平不太可能造成损害或失衡，可能使用一个或多个额外充电时段。
[0157] 图3示出了最终电芯电压(在充电停止之后的休眠阶段中)要比如果充电没有停止且没有被重启的情况要高，电荷水平将会更加接近于充至CC电流水平5％的传统充电所达到的电荷水平。然而，这实现了由于对任一电芯过充造成损害风险的很大降低。
[0158] 虽然优选控制顶部平衡BMS来较早地终止放电从而保护电池中最弱的电芯免于过度放电，出于类似原因优选在底部平衡电池包中较早地终止充电。底部平衡方法的优点在于，如前所述，可以大大降低过度放电导致的电芯损伤的风险，从而允许用户采用不太保守的方法实现放电的终止。
[0159] 在传统BMS中，各电芯的各个连接件8为主设备1提供各个电芯上的电压的指示。在图2的设置中，充电器仅指示通过整个电池的电压而无需测量各个电芯电压。这允许充电器最大程度地自主运行，并主要依赖于其与电池连接的输出端上的电压和电流。与图1所述设置中充电器和主设备1必须一起工作来控制充电形成对比。主设备具有各电芯电压的入口，通过这些电芯电压来控制由充电器执行的充电。如果任一单元失效然后BMS的正常运行可能失效，并且可能在故障状态下继续充电，从而导致灾难性的失效，比如电池中的起火或爆炸。
[0160] 在图2的设置中，充电器不需要来自主设备25的信息而进行正常充电操作。如果失效或异常情况发生，主设备仅需与充电器进行交互。
[0161] 图4示出了图2所示设置的改进设置。主设备25具有与设置在各个电芯上的温度传感器连接的各条连接件21(图中被束在一起但它们也可以单独布置)，用以监控各个电芯的终端温度。除此之外，该设置与图2中是类似的。应理解的是，温度传感器的其它构造也是可以的。例如，温度传感器可以设置在两个电芯之间用以同步监控两个电芯，或者每个电芯设有多个温度传感器用以监控电芯的不同部分。温度传感器也可以安装在不同的位置，比如安装在电芯本身上或在电芯带3上。温度传感器也可以设在电芯之内或在外表面上。
[0162] 当电芯为包括多个单电芯的电芯模组，温度传感器可以设置在其中一个电芯上或与几个电芯相接触，或者可以有多个传感器用以监控所有电芯或其中很多个电芯的温度。图4中每个电芯2设有一个单独的温度传感器20。
[0163] 主设备25监控由各温度传感器20测得的温度从而决定是否温度“特征”符合可接受模式。该决定可以包括：评价测得温度的绝对值是否超出特定阈值；识别超出绝对温度值(T)的特征形式以及超出可接受范围之外的温度变化率(dT/dt)；识别变化率的变化(d2T/dt2)等。
[0164] 主设备的校准可以基于由于充电/放电循环中的点或其它因素(比如充电/放电电流)而被调节的绝对温度值或变量值。它们可以依赖于其它因素(比如电荷状态、环境温度、电池中电芯的平均温度、相邻电芯的温度等)而变化。如此，如果一个电芯的温度显著漂移以至于落入确定的公差范围之外，可能就是异常情况的指示，需要主设备采取动作。这种异常的范围可以包括从诸如电池包失衡的简单问题到包括潜在灾难性失效的更加严重的故障。
[0165] 例如，这种温度特征的分析能够检测出由一些异常情况(比如外来物质进入电池包或逃过质检的电芯瑕疵)造成的失衡状态。
[0166] 随着电芯接近完全放电状态，电芯的内部阻抗典型地升高。由于经过电阻的电流流动，正在被放电的电池中的电芯通常将稍微变热：即所称的I2R损耗。因为电芯的内部阻2
抗随着电芯接近完全放电状态而升高，IR损耗也将会增加。早于其它电芯先接近完全放电状态的电芯将因此具有异常的温度特征。
[0167] 这可由图9所示(取自三电芯电池包的放电过程的实际温度和电压记录)。图9示出了第一阶段64，在第一阶段64中电池被放电，放电停止后，接着是阶段64。电池包电压61在放电过程中下降直至达到放电结束时的值62。在放电阶段64之后的休眠阶段63中，没有电流通过电芯，可以看到电池包电压的逐渐恢复。
[0168] 下方的图形显示了在电池包中三个电芯中的每个的正极端子高于环境的温度增量。放电过程中温度由于I2R损耗而上升。但注意在点65，即使终端温度是不同的，所有三条温度曲线都同时显示出明显的拐点：因为接近放电结束时的增加阻抗的作用，温度增加的速度突然相对上升。拐点的时间上的任何差异都将指示失衡。
[0169] 这是用于举例说明的连续放电的一个简单实例。即使是真实世界使用的典型的更加复杂的放电模式，也可能会识别出温度“T”随着时间“t”的“变化率的变化率”(数学表示为d2T/dt2)大于或小于其它电芯的电芯。
[0170] 这种设置的重要特征在于如果在任何时候因为任何原因电池中的电芯失衡，但它们的SoH未受影响，充电和放电过程中受影响电芯的特定热响应将能发出适当的警告用以使电池重新平衡，作为一项服务。这种特征，区别于安全相关警告系统，使得BMS不必采用复杂的电池电压监控装置。
[0171] 可能使用多个不同标准来确定电芯中发生了温度异常的时间。如果任何端子或电芯温度超过一个高于或低于平均值的参数化的量，主设备25可能引发异常。如果任何端子或电芯的温度变化率超过一个高于或低于平均值的参数化的量，主设备25也可能引发异常。
[0172] 如果任何端子或电芯的温度在一个参数化的绝对值范围之外或者如果任何端子或电芯的温度变化率在一个参数化的绝对值范围之外，则也可确定出异常。在以上实例中，在使用端子温度时，可以对阴极和阳极分别分组。
[0173] 响应于异常，主设备可以，从完全关闭充电或放电至仅仅在自动系统上登记故障，采取任何数量的动作。它也可以减小最大允许放电，即在EV环境中切换到低功耗模式或“跛行模式”。其它步骤可以包括不同水平的被动或主动响应。例如，被动响应可能包括发出警告给操作者(或EV驾驶员)，其中可能包括，例如从请求立即停止的警报到未来可能需要补救动作的温和警告，不同程度的紧迫性。
[0174] 异常检测将触发主设备来识别事件发生时的参数，其中可能包括测量的温度以及其它电芯的温度(比如相邻电芯的温度或所有电芯温度的平均值)。其它参数可以包括电池的当前状态，比如充电/放电水平、电流流动和电压等。参数可以用来参考电池包专有的查找表和电芯化学，以确定适当的动作。例如，参数可以用来参照电池包专有查找表以及电芯化学性，从而确定适当的动作。例如，查找表可以包括基于电池包的三维矩阵，其中一个轴为电池包电压，第二维度覆盖故障严重度以及在第三维度持有每个节点上的阈值温度/温度方差。
[0175] 在一个示例性的实例中，在以200安培和300伏特运行的电池中，1级故障将是高于平均值2度的阈值，10级故障可以是100度的绝对温度。进一步改进将在矩阵中增加反映高于阈值的时间的第四维度。在以上实例中，仅当其持续10秒时才会记录1级故障。参数表类似于现代汽车中的点火映射。
[0176] 这样的特殊情况或异常可以由于任何类型的电芯问题而出现，比如：过度充电、在电芯中引起电压反转的过度放电、比如由内部短路造成的电芯失效、电池中的电芯之间或电芯本身之内的连接松动造成的过热等等。在许多情况中，电芯的温度提供了一种比参考电芯电压更加可靠的电芯问题的指示。一般情况下，电池电压可能不会显著变化或有可能在电芯电压由于电池的电芯中的某种异常而发生变化之前存在显著的延迟。相比通过监控电池内的电芯的电压，通过监控电池温度主设备可以检测到更广范围内的异常。此外，相比监控电压，监控温度意味着往往可以更快更有效地检测和识别异常。
[0177] 由于温度监控传感器与电芯和充电设置被有效地电隔离，它们在各个电芯上没有施加电载荷(尽管主设备当然可以由整个电池的输出端供电)。
[0178] 主设备25将接收来自各个温度传感器20的温度读数。如果它没能接收其中一个传感器的温度读数，那么就可能被认为是严重异常以及可以采取类似于高温读数所采取的动作，即关闭充电器或通过移除负载停止放电。温度传感器不能报告温度的故障可能是由于传感器因过热或机械创伤而被损坏，这两者都是关闭电池的主要原因。
[0179] 如此，主设备具有故障安全设置，使得除非接收到来自所有传感器的有效温度读数，它都将认为将要发生异常情况并采取适当的动作。在主设备25和充电器26之间以及主设备25和电机控制器27之间的通信方面，可以使用类似的故障安全机制。通过这种方式，只有当充电器从主设备接收到确认主设备是可正常运行的并与充电器处于通信状态的信号时充电器可能才运行。这种信号可以是以简单电压水平或定期“OK”信息或其它信号的形式，用以指示主设备是可正常运行的并且正在接收来自各个传感器20的有效信号。
[0180] 同理，电机控制器27可以从主设备25接收到提供类似确认的定期“OK”信息。如果充电器26或电机控制器27没有接收到主设备运行的适当确认，那么它们可以被设置为分别停止电池的充电或放电。因此，除非主设备接收到每个电芯的有效温度信号并将其指示到电机控制器和充电器26，它们能够被设置为关闭从而防止由于继续运行而对电池造成的可能损坏。
[0181] 图4的设置仍然需要大量的连接件21用于设置在电芯上的各个温度传感器20上。提供这些连接件并确保它们是可靠的增加了制造工艺的复杂性，并且如果其中一个连接件万一后来失效了，还可能给电池带来故障模式。这个问题也存在于每个电芯上都设有温度传感连接件的传统的BMS中。然而，温度传感连接件不属于电池的电基础设施的一部分，所以如果一个连接件失效或松动，其将趋向于与电芯的电连接件分离，所以不太可能导致电芯内的短路。此外，连接件往往是温度传感元件，因此会是低功率/低电压线，所以一个电芯端子的短路是不太可能形成潜在危害性的大电流的。
[0182] 然而，还是期望尽量避免在电池内设置大量连接件。图5显示了另一种可选设置，其中不是在主设备25和每个温度传感器20中间设置单独的连接件，而是将各个温度传感器20依次连接，从而形成单一电连接件22，其从主设备25传递至第一传感器然后到第二传感器上再到第三传感器上依次类推。如此，每个传感器20连接至与其相邻的传感器，而不是每个传感器分别由一个单独的线连接到主设备25。
[0183] 这样设置条件下，单连接件22将作为通信总线(或微型局域网)，沿着该通信总线各个温度传感器可以将读数报告反馈至主设备25。连接件22可以是简单的两芯或三芯电缆。连接件22甚至可以是使用接地金属底盘(grounded metal chassis)作为返回路径的单芯电缆。
[0184] 每个温度传感器20可以在连接件22上使用通信总线来报告其确定的温度。此信息还可以伴随有各温度传感器的识别，使得主设备25能够识别出已经从哪一温度传感器的哪一温度读数已被接收。
[0185] 传感器的识别不是必须的并且传感器可能仅仅报告它们的温度值，如果接收到的任一温度值落入参数设定之外，主设备可以响应，例如关闭充电器26或电机控制器27，而没有识别是哪一具体电芯引起的。
[0186] 温度传感器可以定期向主设备25提供它们的温度读数。报告温度的速率将取决于主设备需要响应温度变化有多快。如果温度传感器20未能在预定阶段内提供温度读数，那么主设备25可能确定：温度传感单元20已经失效并以与上述类似的方式进行响应，例如分别给充电器或电机控制器提供停止充电或从电池上移除负载的信号。
[0187] 传感器可以是相对简单的或可以包括额外的功能，使得除了提供温度和识别信息之外，其还可以，例如，接收来自主设备25的关于可接受的温度范围的信息，从而能够确定测得的温度是否在可接受的公差范围内并简单报告测得的温度是否在可接受的公差范围内。这将简化温度传感器和主设备25之间的通信，因为其将只需要传输传感器测得的温度是否在范围内(以及可选的传感器识别)。同样的，温度阈值可以传输到沿连接件22的所有传感器而不是分别传输到每个传感器。
[0188] 图6示出了另一种可选的设置，其用无线温度传感器23取代了温度传感器20。在这种装置中，各个温度传感器23能够与主设备25进行无线通信，从而不再需要温度传感器和主设备25之间的通信连接件。这有助于进一步简化电池的构造，因为温度传感器可以设在电芯上(不必在电池内设置任何连接件)并延伸到电池的外部。
[0189] 温度传感器可以是采用类似于在RFID标签上使用的那种射频信号对其进行轮询而使其工作的低功率设备。主设备25会传输射频信号，并将由温度传感器23进行接收。接收的射频能量被存储用以为温度传感器23提供动力源。这允许温度传感器确定电芯的温度并将该信息反馈至主设备，以指示测得的温度。该单元将理想地采用识别编码进行自我识别，使主设备能够确定其已接收到来自各温度传感器的响应，并且也避免了与附近的其它电池设备中的温度传感器的干扰。
[0190] 在上述各种设置中，主设备能够与充电器或电机控制器进行通信，以提供包括需要关闭并停止充电/放电的可能性的信息。在上述设置中，虽然各连接件分别设在主设备与电机控制器单元和充电器之间设置有，可以通过公共总线或类似的连接件(例如EV中的CAN或LIN总线)将所有三个设备都进行连接。这将允许主设备向其它设备传输信息。
[0191] 主设备可以定期传输指示其状态的讯息，以确认其是有效的和正在正确运行的(如上所述)。如果这些传输讯息停止由充电器和电机控制器接收或者讯息没有在适当的时间间隔内被接收，那么它们可能被设置为关闭。
[0192] 充电器或电机控制器可以周期性地交替轮询主设备25，以确定主设备25是否仍在正常运行。换句话说，不是主设备周期性地传输讯息即认为其是在正常运行，而是各个单元可以向主设备发送询问，然后主设备响应该询问。
[0193] 在上述设置中，避免了单电芯电压的测量，从而消除各个电芯上的大量寄生负载源。如上所述，这种寄生负载能够导致各个电芯的电荷状态相对彼此失衡。
[0194] 如前所述，在传统电池管理系统中电荷平衡过程是典型地在充电最后阶段进行的。在本发明中，可以避免这种电荷平衡过程。不干扰各个电芯的电荷状态和休眠开路电压，是很难进行平衡的。因此，安装之前在电池中达到良好电荷平衡是比较重要的。
[0195] 可以以多种方式进行平衡：主动地或静态地以及在充电的顶部或底部。例如，当各个电芯集成到电池中之前已是满充，可以使用静态顶部平衡。然而，优选静态底部平衡(如以上实例中所使用的)，其中各电芯被放电至相同的低电荷状态。一旦电芯已经被底部平衡，它们可以被集成到电池中。随着潜在失衡电压测量连接件的去除，电芯之间的相对电荷状态可以显示为相对可比拟电池寿命一样长的大量充电循环是相对恒定的。因此在整个电池寿命期间都可以正常保持平衡。
[0196] 如上所述，由于制造过程中的变动或缺陷，一些电芯可能会出现不同的特征。这些变动可使电芯之间的性能或操作不同。软短路能够造成长期低水平的电荷流失，从而导致电芯之间的失衡。为了确保电池中的电芯在一致的标准，可以在电池组装之前以及可能在此后的时间间隔通过识别和消除表现出软短路的瑕疵电芯，而使该问题缓解。这种识别和消除瑕疵电芯的过程被称之为“预检”。
[0197] 容易自放电的电芯并不总是立即变得明显的，尤其当自放电的速率较慢的情况下。这样的电芯可以多种方式在预检期间被识别出。其中一种方式是将电芯放电至较低电压(例如对于将磷酸铁锂电芯，放电至2.7V)，随后持续1-2周检查休眠开路电压。图10示意显示了好电芯81和出现软短路的瑕疵电芯(82，83)的群组的典型的相对于时间的电压轮廓图。好电芯81将表现出电压的逐渐轻微上升(往往持续几天的时间)，随后保持恒定电压。瑕疵电芯也可能表现出电压的初始上升(例如83)，但是然后会表现出电压的逐渐丧失。
[0198] 如上所述，避免电池中电芯上的失衡负载会减少电芯漂移并因此减少进行定期再平衡的需要。连接件可以设在各个电芯(假定已采取措施保证它们基本相同，即它们不引入失衡负载，因此不会造成各个电芯SoC的漂移损害电池的性能到很大程度或者需要以不方便的短时间间隔进行静态平衡)。
[0199] 虽然传统的电压监控使用高阻抗测量设备，它们仍然会消耗小量电流。典型结构是一种用来测量各电芯连接件和电池包负极之间的差异并通过减法来计算电芯电压的电压监控器。
[0200] 在上述设置中，测量各个电芯的电压的各个电芯连接件被去除了，从而确保不给电芯施加失衡负载。尽管如此，但本发明也是可以和设有各个电芯连接件的电池一起使用的。正常使用中这些连接件被理想地断开，用以避免由于测量电芯上的电压而产生的寄生负载，但是可能例如被间歇性地使用用以确定各个电芯电荷的相对状态，甚至如有必要可能作为一种维修行为用以促进电荷状态的再平衡。此外，电压监控可与极高的输入阻抗测量装设备结合使用，用以使任何负载都保持到最小。如此，温度传感元件提供了用于监控电池的状态的主要监控机制，但除了测量电芯电压的能力除外。
[0201] 在进一步的设置中，如果有任何单电芯电压显著偏离期望电压，可以使用单电芯电压监控来监控各电芯电压，用以识别是否有任何单电芯电压偏离期望电压并采取相应的措施。为了实现这一点，当各电芯电压被确定，采用类似于图1所示的设置。然而，与可能需要使用连接件来进行主动平衡并因此携带大电流的传统BMS不同，该设置中的连接件仅用于进行电压传感，因此它们的电流容量可以更低。
[0202] 这种设置的运行使用改进的CC/CV(恒流/恒压)充电模式。CC阶段类似于以上所述，其中对于大部分典型充电循环，以基本恒定的电流水平对电池进行充电。随着电池接近满容量，电池电压将接近上述值，然后将切换到恒压模式。
[0203] 然而，改进了恒压模式，使控制基于单电芯电压，从而没有单电芯电压超出预定的阈值水平。对所有电芯的电压进行监控，并控制电池充电电流，使具有最高电压的电芯保持在阈值水平或低于阈值水平。换句话说，与上述CV模式中控制整个电池的电压不同，是在电芯电压水平进行控制并提供一种恒定电芯电压(CCV)充电模式。该控制是基于限制具有最大电压的电芯超出所有电芯之外。在充电过程中，由于电芯内部的微小差异的作用，具有最大电压的电芯可能会转变为不同的电芯。
[0204] 图11示意示出了在一个简单的4电芯电池(A-D)中使用CCV模式的运行过程。如图所示，在CC阶段电流最初是恒定的(由于单电芯电压不在该阶段进行监控，因此电芯电压没有在这部分图表中显示)，直至开始运行CCV模式，如图的右手部分所示。阈值水平，在这个实例中，设置在3.5V。随着CCV模式的启动，一开始电芯C最初具有最高的电芯电压，如图11所示。控制充电电流使经过电芯C的电压保持在3.5V。所有其它的电芯电压将等于或低于3.5V。随着时间的推移，电芯B的电压上升并开始超过电池C上的电压。控制器识别出电芯B已变成具有最高电压的电芯并立即将电芯B的电压控制至3.5V。这可能会导致电芯C的电压降至低于3.5V，如图11所示。从这一点开始，电芯B上的电压将是控制参数，除非另一个电芯上的电压升至高于电芯B的电压。
[0205] 如此，没有电芯能够超出阈值水平(3.5V)，从而保护它们免受过电压，即使这样会导致所有充电停止。最终，随着所有电芯的接近满充，电流会下降直至第二预选水平。第二预选水平可以选为在CC阶段的初始充电电流的5％。此时充电已被终止。通过上述设置，可以给电芯提供高水平的电荷且没有任何单电芯被过度充电或超过其允许的最大电压的风险。
[0206] 虽然上述CCV充电模式监控各电芯的电压，但避免了传统BMS系统中电芯失衡的问题。对于传统BMS，如上所述，由于监控施加差分负载使得电芯电压的监控是有问题的。然而，传统BMS往往通过主动再平衡电池而不是避免电池失衡来处理这个问题。然而，通过保持低的监控电流，如通过使用例如基于运算放大器的电压跟踪器，可以实现较低的监控电流。这样，电芯不会失衡到很大程度，因此可以避免进行主动再平衡。
[0207] 例如，在100电芯电池包中，每个电芯的典型电芯电压监控载荷可能是35微安培的数量级。然而，如上所述，电压监控典型地测量电芯和地面之间的电压。独立测量各个电芯电压将大大增加监控设备的复杂性。因此，由于顶部电芯上的监控设备负载电流(离地面最远)可以是35微安培。然而，对于底部电芯(离地面最近)，所有电芯的监控负载电流都必须通过它。这意味着，顶电芯和底部电芯之间的差分负载刚好在3.5毫安以下(99个电芯×35μA)。如此持续一年能够导致30Ah左右的电荷失衡(8760×3.5×10-3)。这是假定在：电芯上的监控持续运行一年。在典型的100Ah电芯上的这种失衡(30％)将很快(在1年内)变得相当可观，并可能会影响电池的运行。这就是传统BMS使用主动平衡来缓解这种失衡的原因。
[0208] 然而，通过上述设置，电芯电压只需在充电过程结束时(CC阶段之后)进行监控并可以在其它时间关闭(即当在放电时、当电池未在使用时以及在大多数的充电循环过程(CC阶段)中)。换句话说，整个充电循环(CCV阶段)中可能仅有一小部分需要进行监控，因为大部分的充电循环是被恒流阶段占用的。
[0209] 因此，这种设置提供了充电至高水平的最大充电的能力且没有使任何单电芯过充的风险。尽管这不需要CCV阶段的电芯水平电压，因为电芯电压测量并没有不断地进行，任何失衡影响显著小于使用传统BMS的情况，因此能够避免对电池进行主动平衡的需要。例如通过使用运算放大器式(op-amp type)电压跟踪器来降低监控负载失衡，也能够使由电芯电压监控引起的负载最小化。在这种设置中没有主动平衡也意味着监控线仅用于电压监控的目的，并具有非常低的电流且不携带用于主动平衡的更高电流，因此它们可以比使用传统BMS的设置小得多。
[0210] 需要注意的是，上述设置可彼此相互结合使用或单独使用。这样，静态平衡的电池可以使用早期终止以避免单电芯的过充电以及使用CCV阶段来防止任何单电芯过电压。
[0211] 在以上实例中，具体数值的使用根据实例中使用的电芯的类型而定。然而，需要注意的是，不同的电芯，尤其是具有不同化学性质的电芯，可能具有不同的参数，比如电芯电压以及还有充电电流。
