具有串联连接的单元、内部继电器和内部电池管理系统的蓄电池模块技术方案

公开了蓄电池单元监控和调节电路，用于促进包括任意数量的串联连接的单元的蓄电池模块的低成本制造。公开了利用多个串联连接的单元监控和调节电路的电池管理系统。提供了用于操作所公开电路的方法。操作所公开电路的方法。操作所公开电路的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有串联连接的单元、内部继电器和内部电池管理系统的蓄电池模块
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2021年2月22日提交的序号为17182972的共同未决申请“具有串联连接的单元、内部继电器和内部电池管理系统的蓄电池模块(BATTERY MODULE WITH SERIES CONNECTED CELLS,INTERNAL RELAYS AND INTERNAL BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)”的优先权，该申请是于2021年1月4日提交的序号为17141125的共同未决申请“具有串联连接的单元、内部继电器和内部电池管理系统的蓄电池模块(BATTERY MODULE WITH SERIES CONNECTED CELLS,INTERNAL RELAYS AND INTERNAL BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)”的部分延续案，它们均通过引用整体并入本文。

技术介绍

[0003]将各种车辆类型转换为电力推进的需求正在迅速增长。为了提供最佳性能和效率，此类车辆的电动传动系统需要在直流(DC)高压下运行。在标称400V DC下运行的系统现在很常见，使用800V DC及更高电压的更高性能设计正在投入使用。
[0004]为此类系统供电的蓄电池组容量不断增加。超过70KWh的蓄电池组现在很常见，有些可以输送超过2,000A的电流。在普通组装和维修操作期间，以及在电动车辆发生碰撞或其他不良事件时应急人员的救援操作中，这种功率水平可能会带来许多危及生命的危险。
[0005]因冷凝、降水或意外浸入而暴露在湿气中会导致蓄电池组短路并导致火灾或爆炸。
[0006]大容量蓄电池组通常需要多个单独的小单元，将其中的几组并联连接以实现所需的电流能力，然后将多组串联连接以实现所需的电压。由于通常需要大量单元，导致重量和体积都很大，因此车辆蓄电池组通常由模块构成。典型的已知蓄电池模块设计是蓄电池组的一小部分，大小便于处理，并且通常具有被认为与人体皮肤接触无危险的模块电压，低于大约50V，尽管一些更高电压的模块是已知。
[0007]以特斯拉和其他公司为例，汽车蓄电池设计的一个新趋势是摆脱模块化结构并创建单片蓄电池组，直接由单元构成并且意味着不可维修。虽然这在主流汽车应用中可能是实用的，但在将严格使用视为日常操作一部分的高性能车辆中，这种方法是不可取的。这样的车辆经常经受冲击载荷并且经常碰撞损坏。作为日常使用的一部分，它们需要频繁的维修、修理和主要零件更换。不可维修的单片蓄电池组与这些要求背道而驰。
[0008]在本领域已知的模块化蓄电池组中，较低电压模块通常在蓄电池组内串联连接，以实现所需的蓄电池组电压。蓄电池组通常具有外壳和包含在外壳内的安全装置，例如继电器、保险丝、蓄电池管理系统、电流感测装置、隔离监控装置等。通常，安全装置位于模块外部，并且只有一组安全装置由蓄电池组中的所有模块共享，以降低成本和制造复杂性。只要不打开维修，这些功能就能确保整个蓄电池组的安全，并且其完整性不会因事故或其他不利情况(如进水)而受到损害。
[0009]虽然本领域已知的单个模块可能具有比整个蓄电池组更低的电压，但它们具有并
联连接的单元组，因此具有大电流能力，通常等于整个蓄电池组的所需电流能力。这种特性使得向每个模块添加继电器是不切实际的，因为大电流继电器的费用和增加的电阻会在多个模块串联连接时聚沙成塔。因此，本领域已知的模块具有始终连接到构成该模块的单元的外部端子。具有大电流能力，外部端子之间的短路会导致释放大量能量并带来火灾、严重伤害以及模块潜在损坏的高风险。
[0010]虽然在车辆蓄电池组中并不常见，但并联连接高压模块在本领域中是已知的。在授予Hom等人的美国专利10,333,328中，Hom教导了一种多蓄电池充电站，并联连接多个蓄电池。Hom教导了每个蓄电池内的二极管或电气开关来管理每个蓄电池与公共电源总线的选择性连接以进行充电。Hom教导的本专利技术的目的是提供一种将具有不同充电状态的多个蓄电池连接到公共电源总线的方法。Hom没有考虑各个蓄电池的安全处理，因此没有预期将两个外部端子与蓄电池内的单元隔离。Hom并没有从安全的角度考虑每块蓄电池的内部结构。然而，Hom教导的管理并联连接的蓄电池的不同充电状态的方法是本领域中用于管理此类状况的已知方法的示例。
[0011]使用并联连接的单元组的模块或蓄电池组构造的另一个缺点是以下事实：如果此类组中的一个单元发生内部短路，这是由枝晶生长引起的已知故障模式。该组中所有其他单元的全部电流将流过故障单元。这会导致快速过热并导致爆炸或火灾。为了减轻这种风险，各个单元通常通过熔断丝连接到公共母线。熔断丝具有电阻，当电流增加时会产生热量。一旦产生足够的热量使丝熔化，连接就会断开，流入故障单元的电流将永久中断。这种方法的一个主要缺点是，在正常使用中，熔断丝的固有电阻会导致在高电流水平下运行时蓄电池组产生不必要的热量和整体能量损失。
[0012]在一个模块内并联连接多个单元的另一个不良影响是，如果其中一个单元发生过度自放电，这是一个已知的缺陷，那么与其并联的所有单元都会随着时间的推移而通过有缺陷的单元放电。这将极大程度地降低整个组的充电状态。由于多个并联组通常串联连接而形成一个蓄电池组，因此在任何给定时间总蓄电池组可用容量最大程度地受最低组的充电状态限制。这是因为能量以相同的速率从所有串联连接的并联单元组中移除。
[0013]对最低组过度放电将导致该组乃至整个蓄电池组的永久损坏。因此，当达到最低组的最低允许充电状态时，必须停止放电，即使其他组可能仍保持较高的充电状态。以这种方式，根据本领域目前实践的方法构造的蓄电池组中的单个有缺陷的单元可能导致整个蓄电池组的容量有效降低。维修此类蓄电池组很危险，需要专门的培训和设备，通常不切实际。
[0014]如本领域通常实践的那样，车辆蓄电池组设计是成本、制造效率和安全性的工程权衡。由于成本和制造效率是重中之重，因此在安装在车辆中和日常使用时，安全性主要是在蓄电池组的背景下考虑的。本领域已知的车辆蓄电池组在打开维修或在碰撞或其他不利事件中损坏时是极其危险的。在那些情况下，处置蓄电池组需要训练有素的人员和专用设备，以防止潜在的广泛损坏、伤害甚至死亡。
[0015]需要为范围广泛的高性能车辆(例如越野车、休闲车、轻型船舶和轻型飞机)提供电力推进。此类车辆在日常操作中使用极端，涉及频繁的碰撞并需要广泛的服务。因此，主流汽车蓄电池组构造中采用的设计和优先级在此类应用中并不实用。
[0016]车辆蓄电池领域需要的是一种车辆蓄电池模块设计，无需专门培训或设备即可安
全处置，在发生不利事件时不会造成危险，允许经济实用的高压大电流蓄电池组的构造，可使组装好的蓄电池组平稳退化，无需专门的培训和设备即可轻松经济地进行蓄电池组维修，并最大限度地降低运行中的火灾和能量损失风险。
[0017]除了处置安全之外，这种车辆蓄电池模块还必须坚固耐用并且易于使用常用材料和制造技术进行生产。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.蓄电池单元组件，包括：蓄电池单元和电路板组件，所述电路板组件耦合到所述蓄电池单元的正极端子和所述蓄电池单元的负极端子，所述电路板组件还包括蓄电池单元监控和调节电路，所述蓄电池单元监控和调节电路监控所述蓄电池单元，所述蓄电池单元监控和调节电路还包括：控制器；上行链路端口，用于通过所述控制器接收命令消息和发送响应消息；下行链路端口，用于通过所述控制器发送命令消息和接收响应消息，所述下行链路端口与所述上行链路端口不同且分离；其中，所述上行链路端口通信地耦合到所述正极端子和所述负极端子中的一个；以及其中，所述下行链路端口通信地耦合到所述正极端子和所述负极端子中的另一个。2.如权利要求1所述的蓄电池单元组件，其中，所述上行链路端口通信地耦合到蓄电池单元正极端子和蓄电池单元负极端子中的一个并且所述下行链路端口通信地耦合到蓄电池单元正极端子和蓄电池单元负极端子中的另一个为AC耦合。3.蓄电池模块，包括：外壳，模块正极端子，模块负极端子，包含在所述外壳内的多个串联连接的蓄电池单元组件，以及模块控制器，所述模块控制器通信地耦合到所述多个串联连接的蓄电池单元组件；所述多个串联连接的蓄电池单元组件中的每一个还包括蓄电池单元和电路板组件，其中所述多个串联连接的电路板组件中的至少一个耦合到所述蓄电池单元的正极端子和所述蓄电池单元的负极端子，所述多个串联连接的电路板组件中的所述至少一个还包括监控所述蓄电池单元的蓄电池单元监控和调节电路，所述蓄电池单元监控和调节电路还包括：控制器；上行链路端口，用于通过所述控制器接收命令消息和发送响应消息，所述上行链路端口通信地耦合到所述蓄电池单元的所述正极端子和所述蓄电池单元的所述负极端子中的一个；下行链路端口，用于通过所述控制器发送命令消息和接收响应消息，所述下行链路端口与所述上行链路端口不同且分离，所述下行链路端口通信地耦合到所述蓄电池单元的所述正极端子和所述蓄电池单元的所述负极端子中的另一个；所述控制器还包括非易失性存储器，所述非易失性存储器被编程有第一唯一标识符(ID)，所述第一唯一ID与所述上行链路端口相关联，所述非易失性存储器被进一步编程有第二唯一ID，所述第二唯一ID与所述下行链路端口相关联。4.如权利要求3所述的模块，所述模块控制器还通过交流(AC)耦合通信地耦合到所述模块正极端子和所述模块负极端子中的第一个。5.如权利要求4所述的模块，所述模块控制器还通过AC耦合通信地耦合到所述模块正极端子和所述模块负极端子中的第二个。
6.如权利要求3所述的模块，还包括电压转换器，所述转换器被配置为从所述模块正极端子和所述模块负极端子汲...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：帕拉托夫集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：