本發(fā)明涉及電池充電和放電管理，尤其涉及含有串聯(lián)的長串電芯的電池充電和放電管理。

背景技術(shù)：

電池管理系統(tǒng)(BMS)典型用于控制電池動力系統(tǒng)中的單電池或多電池的充電和放電。BMS典型管理上述系統(tǒng)的運行但也能提供重要的故障安全動作，從而防止一旦發(fā)生故障時可能產(chǎn)生的危險后果。

BMS對于使用由基于插層化學(xué)(“插入電芯”)的長串電芯制成的電池的應(yīng)用較為重要。電池(有時稱為“電池包”)典型地由大個單電芯的串聯(lián)串或可選地“模組”串構(gòu)成，每個模組包括一組并聯(lián)連接的小電芯。在此述及的“電芯”應(yīng)理解為，只要文中允許即包括這樣的模組。

通常使用的電池由插入電芯構(gòu)成，插入電芯包括且不限于所有的鋰離子和鋰聚合物電芯類型。這些電池應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括電動汽車(EV)、飛機、柵極存儲以及緊急或備用電源。

典型的BMS測量電池中各個電芯的電壓并典型地具有以下各個分立功能：

a)當?shù)谝浑娦具_到其最大電壓時，停止充電；

b)當任一電芯達到最大電壓時，停止放電；

c)執(zhí)行“主動平衡”，所述主動平衡為每次充電/放電循環(huán)上的各電芯電壓的均衡化(參見以下描述)；

d)識別已失效或正在失效的電芯的電壓波動癥狀并引發(fā)異常。

BMS的日常用途主要在于確保在每次充電/放電循環(huán)中電池中的所有電芯都盡可能全部被充電或被放電，并同時確保任一電芯都沒有過度充電或過度放電。失效電池跡象的監(jiān)控是一項非常重要的輔助功能。

需要這些功能是因為：

a)任一電芯的過度充電都能造成過熱甚至起火。

b)電池中一個或多個電芯的過度放電能導(dǎo)致加速老化或能造成“電壓反轉(zhuǎn)”，在電壓反轉(zhuǎn)中，電芯的效應(yīng)電荷充得越滿，往后電芯越弱，典型地對受影響的電芯造成不可逆的損害。

c)在主動平衡BMS的電壓監(jiān)控裝置識別出故障或失效電芯之處，在電芯過熱或起火之前發(fā)出警示信號用以引發(fā)適當?shù)陌踩憫?yīng)。

主動平衡BMS使用多種技術(shù)之一來設(shè)法使電芯之間的電荷均衡化。這可能涉及電芯之間的電荷分流或從即將達到過度充電的任意電芯中溢出(draining)(“轉(zhuǎn)存(dumping)”)電荷。該過程通常朝向充電循環(huán)的末端發(fā)生，并一般被稱之為“頂部平衡”。

頂部平衡的目的在于設(shè)法確保，在充電終點上，所有電芯均等地滿充。不允許有電芯充電至電壓高于預(yù)設(shè)安全最大值。所有電芯籍此可預(yù)期或多或少均等地達到完全放電。

然而，使用主動平衡BMS有三項關(guān)鍵缺陷：

a)需要許多電連接，從而可能導(dǎo)致許多失效點。

b)電芯電壓監(jiān)控不足以充分評價各個電芯的健康狀態(tài)(SoH)。

c)頂部平衡使用測得的電芯電壓作為實現(xiàn)充分電池充電技術(shù)的一部分。然而，插入電芯的電壓在充電停止后可能一段時間不穩(wěn)定，電芯電壓很大的暫時性偏移能夠發(fā)生在位于充電頂部的平衡很好的電池中。對于鋰電芯的研究顯示電芯電壓不是SoC的較佳指示，除非電芯處于開路狀態(tài)并且“休眠”，即對于待穩(wěn)定的電芯電壓來說，自從電芯中的上一次電流流動已經(jīng)經(jīng)過充足時間。

主動平衡BMS的服務(wù)記錄反映了這些缺陷。據(jù)調(diào)查，由于充電過程中鋰離子電池的熱失控急劇產(chǎn)熱，造成使用主動平衡BMS的車輛或其它應(yīng)用中出現(xiàn)大量起火。也有起火事件產(chǎn)生于使用中正在被放電的車輛電池中。這典型與較松散的電芯連接有關(guān)；隨著放電過程中操作電流典型地高達幾百安培，電池中松散或較差的連接能迅速產(chǎn)生很高的局部溫度。

同樣，在現(xiàn)代商務(wù)飛機上即使安裝了重復(fù)了主動BMS，也發(fā)生了至少2起鋰電池起火事件。美國國家運輸安全委員會當前的部分調(diào)研工作就是對電池系統(tǒng)的設(shè)計進行評審。

盡管放電過程偶然造成的災(zāi)難性電芯損失較少，但仍然是影響電池壽命和容量的顯著問題，而且當前的BMS還不能消除這個問題。

部分因為當前BMS技術(shù)本身的風(fēng)險和不確定性，商業(yè)生產(chǎn)的電動汽車和其它應(yīng)用中使用的BMS通常僅利用了電池的部分容量。例如，其中一個當前的電動汽車產(chǎn)品僅允許使用約65％的可用電芯容量，剩余容量提供安全裕度用以避免過度充電或充電不足的風(fēng)險。因此顯著提高了電池的成本、體積和重量，并且尤其增大了一次充電電動汽車里程最大化的挑戰(zhàn)。

對于BMS失效安全的關(guān)注帶來了電池和電芯溫度監(jiān)控應(yīng)用的增加，該溫度監(jiān)控設(shè)計用來在起火發(fā)生之前檢測熱失控跡象。雖然這些方法解決了主動平衡BMS的一些內(nèi)在安全弱點問題，但這是以增加成本和復(fù)雜性為代價的。

圖1為基于電芯電壓監(jiān)控的典型主動平衡BMS的示意圖。在該示例說明中，主要耗能者為由電機控制器6控制的電機7。

電池本身由多個電芯2構(gòu)成，這心電芯2通過電芯帶或總線3交替連接正極端子4和負極端子5而連接。電池管理系統(tǒng)主設(shè)備1有一個連接到各個電芯2的專用傳感線8。主設(shè)備控制由外部電源10供電的電機控制器6和充電器9。電機控制器向電機7供電。

這種拓撲機構(gòu)的許多變化形式使用主仆構(gòu)造(master-slave configurations)或甚至使用電芯級BMS板(cell-level BMS boards)。

BMS存在許多問題，比如，如圖1所示，依賴檢測各電芯的測量電壓中的異常來確定電池故障以及充電水平。雖然電芯電壓可作為單個電池過過度充電或過度放電的指標，但這并不總是完全可靠的。此外，在其它問題的早期階段，電壓可能無法提供一個明確的指標。主要問題在于：

a)對于每個電芯來說，至少有一個接線的電壓控制電連接件8，每一個都是一個可能失效點。在+300伏的典型電動汽車電池中，有一百條以上這樣的線。如果任一電壓傳感線接地短路，相應(yīng)電芯可能被放電至損壞點；

b)還需要構(gòu)建主設(shè)備1用以接受和處理來自上述設(shè)置的大量高電壓傳感輸入。因此產(chǎn)生主設(shè)備本身的可靠性和維護問題。

c)當電芯被損壞或即將失效，可能不會立即影響相關(guān)電芯的電壓，在足夠警示BMS的電壓偏移發(fā)生之前可能存在一些延遲。因此可能太遲了而不能防止電池的顯著損耗或甚至災(zāi)難性失效。

d)如果電芯帶3松動或連接不良，能夠?qū)е嘛@著電阻力，造成電壓度數(shù)不準確并帶來電芯充電不足或過度充電的后果。

e)如果其中一個電壓傳感線形成開路，電壓度數(shù)同樣也不準確。

f)電芯之間的連接不良，比如在注液電芯帶或總線或內(nèi)部電芯失效上面，能夠?qū)е卵杆龠^熱和潛在損害。這些可能并不會一開始就顯示為電壓異常。

g)沒有機構(gòu)來檢測可能例如由外部物體進入接觸電池的外連接部而造成的短路，因為這可能看作是電池上的負載而不是作為明顯的單電芯電壓偏移。

h)如果因為任何原因主設(shè)備1本身或主設(shè)備和充電器之間的連接失效了，在充電結(jié)束時充電器可能不會接收關(guān)閉指示。因此可能造成一些前述的事故。

除了以上之外，使用電芯電壓監(jiān)控的頂部平衡的應(yīng)用具有另一潛在缺陷。

該缺陷產(chǎn)生的原因在于，電池中各個電芯不會都正好具有相同的容量。因此即使頂部平衡可以完美地執(zhí)行，具有稍微較少容量的電芯會比這些具有較大容量的電芯先達到完全放電。換句換說，在充電頂部平衡各個電芯必然意味著它們在底部是不平衡的。如果持續(xù)放電超過最弱電芯耗盡點(即，已經(jīng)放電至低于不需要進一步放電程度以下的點)，那么電芯將會繼續(xù)接收經(jīng)過的降低電壓的電流。驅(qū)使電芯越過該點能對電芯帶來不可逆的損害。進一步的強制放電能夠持續(xù)直至將電芯電壓推入電壓反轉(zhuǎn)，而電壓反轉(zhuǎn)實際上總是會破壞電芯。

典型電流產(chǎn)生BMS的其它功能之一為當任一單個電芯電壓變得過低時關(guān)閉充電。這樣的BMS因此應(yīng)當會通過在電芯損害發(fā)生之前關(guān)閉放電而防止電芯電壓過低，但是如果發(fā)生系統(tǒng)失效，非?？赡軗p失一個或多個電芯。此外，在一些事件中，在關(guān)閉之后，即當BMS為非主動的時候，自電池的小殘余溢出會持續(xù)進行。這能夠?qū)е聦τ陔姵匕钠茐模阂灿幸驯还嫉氖鹿拾l(fā)生在帶有近放電電池的電動汽車已經(jīng)長時間停放的地方。這種小殘余電流耗盡了電池并且(底部非平衡)一些電芯被驅(qū)入電壓反轉(zhuǎn)。

由于這種電壓反轉(zhuǎn)對電芯造成的損害，因此在頂部平衡BMS中很常見。相比之下，底部平衡電池包被認為是不太可能以這種方式受損害，并因此能夠經(jīng)受很深的偶然性的電池過度放電而不會損失電芯。這是因為盡管所有電芯都過度放電，因為它們是平衡的所以沒有電芯沒推入電壓反轉(zhuǎn)，因為沒有電芯比任何其它在放電底部的電芯明顯地更強或更弱。

總而言之，使用現(xiàn)有的BMS設(shè)置存在很多問題。本發(fā)明致力于克服或改善這些問題中的至少一部分。

使用借助傳統(tǒng)BMS管理的當前電池的經(jīng)驗是沒有主動平衡階段作為充電循環(huán)的部分的話，各個電池沒有相對彼此保持它們的SoC。這種隨著時間的電芯的SoC的偏移一般認為有多種因素造成。然而，也認為是難以或不可能避免的，并且一般采用的方案是使用主動平衡來使所有電芯保持相對一致的SoC。

然而，去除正常使用中損失平衡的常規(guī)誘因是可能的。

電芯的SoC偏移的一個顯著原因為在標準BMS構(gòu)造中電芯上的非平衡的存在寄生載荷。這些寄生載荷可由于在低壓儀器或輔助裝置或電芯組中布線造成，但是不太明顯可能在電壓監(jiān)控連接件本身的整個設(shè)置中具有這種效果。在大多數(shù)領(lǐng)域中可接受的實踐是將這種被電壓表使用并典型地具有20-40微安培級別的電流看作是可忽略不計的。即使電壓測量電路可能僅汲取極小電流，然而，這種消耗將會持續(xù)貫穿系統(tǒng)的大部分運行壽命。長時間下去，能夠顯示出：這種電流消耗可能達到非對稱電荷移除的顯著量級。

在100個電芯的電池中典型的電壓監(jiān)控結(jié)構(gòu)將包括測量電池包負極和各個電芯接合點之間的差異。單個電芯電壓將由減法計算。在這樣的結(jié)構(gòu)中，從第一電芯汲取的電流可能為約35微安培，并僅流經(jīng)該第一電芯。從第二電芯汲取的電流也會是35微安培，但是會流經(jīng)該第二電芯和第一電芯。如此繼續(xù)從其它每個電芯中汲取電流，造成非平衡載荷將會積累，在此例中100個電芯中的差異達到約3.5毫安培。長期連接達到12個月(8760小時)的電壓監(jiān)控裝置會使電池包失衡(第一電芯相比第100電芯)達到約30安時。假定這種尺寸的典型電池可能具有70-80安時的總?cè)萘?，該尺度上的平衡損失將顯然是可觀存在的。各電芯上帶有獨立監(jiān)控器的更精密的電壓監(jiān)控系統(tǒng)減輕了問題的嚴重性但也不能使其消除。

電池中電芯失衡的第二顯著原因在于內(nèi)部阻抗和其它因素由于SoC差異之外的其它原因能夠造成電芯之間的暫時性電壓漂移。其效果看起來是最壞情況下當電池接近滿充時即接近了充電過程的終點。不幸的是，這典型為傳統(tǒng)BMS努力平衡電池包所處的點。

在傳統(tǒng)BMS中，一般優(yōu)選頂部平衡，即當電池接近滿充時進行平衡，并與底部平衡相對(完全放電或接近完全放電時對電芯電壓進行均衡化)。如此優(yōu)選的一個主要原因是因為底部平衡的進行必須接近電池的完全放電點而可能不方便。當需要電池放電時，電池可能不總是完全放電。例如在電動汽車中，當不需要車輛當需要使其滿充以備將來使用時，電池可能僅部分放電。如果電池僅部分放電，然后進行底部平衡，將需要完成放電過程。這將消耗可能需要充電的時間并且還浪費能量。

如上所述，因為充電頂部為放電循環(huán)中的點，在此由于充電狀態(tài)之外的原因電芯電壓趨于漂移，在該點平衡電壓的BMS可能實際上造成一定程度的失衡。

造成電芯失衡的第三原因在于自放電過程，該自放電過程可以由于內(nèi)部“軟短路”而發(fā)生在故障電芯中。軟短路被認為是由制造中的雜質(zhì)缺陷引起(例如參見《Advanced Mitigating Measures for the Cell Internal Short Risk》，Darcy等著，2010年)，或有時由電池濫用引起。盡管這種放電可能是很大，長時間下去也會使這些電芯失去平衡(相比其它電池)。

單個鋰離子電芯的常見充電過程使用恒定電流/電壓(CC/CV)算法。通常包括三個步驟(如果初始電芯電壓很低則可能更多步驟)，如圖7所示。所述步驟為：

a)以恒定預(yù)定電流52(取決于電芯的尺寸或其它因素)對電池進行充電。在該階段中電芯電壓51逐步升高。此階段即已知的“恒流”或“CC”階段。

b)當電芯電壓達到預(yù)定水平時，充電器將開始降低電流從而將電芯電壓保持在恒定水平。此階段即已知的“恒壓”或“CV”階段。

c)當電流降至第二預(yù)選水平(典型地為初始充電電流的5％)時，明確地終止充電。

該方法通常被描述為CC/CV充電模式。充電器從CC階段變化到CV階段處的電壓將取決于電芯并典型地由作為充電上限電壓的生產(chǎn)商限定。

同樣的CC/CV模式通常用于對由多個串聯(lián)電芯組成的電池進行充電，但在此不太成功。即使在CV階段總電池電壓保持恒定，各個電芯電壓可能大范圍偏移。如果一個或多個電芯的電壓過度上升，即使沒有電芯滿充，典型的傳統(tǒng)BMS也可能不得不較早地發(fā)出充電終止指令。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種充電電池管理系統(tǒng)，包括：電池，所述電池包括多個串聯(lián)連接的靜態(tài)平衡的電芯，其中，所述電池設(shè)置為使得使用中所有所述電芯上被施加上基本相同的負載；以及電池充電控制器，用于通過在所述電芯達到其最大電荷狀態(tài)之前終止充電而控制所述電池的充電。

在裝配或至少在使用之前，優(yōu)選地將靜態(tài)平衡的電芯進行均衡化，而不是在使用過程中使其動態(tài)平衡。在電池制作之初提供靜態(tài)平衡的電芯允許電池以基本平衡的狀態(tài)來運行而無需對電池頻繁進行再平衡，至少不會像現(xiàn)有系統(tǒng)中需要的那樣在每次充電/放電循環(huán)上進行再平衡。通過避免對電池進行平衡的需要，能夠避免復(fù)雜的高電壓連線設(shè)置的需要(其需要進行充電電流的平衡)。仍然可以提供與各電芯連接的連接件，但大多時候是非連接的，僅用于偶然監(jiān)控或服務(wù)。這有助于降低上述的失衡寄生載荷的問題。

通過在電芯達到其最大電荷狀態(tài)之前終止充電，能夠避免使單電芯過充的風(fēng)險。如上所述，電芯中的變化以及當接近滿充時的響應(yīng)也變化，從而造成電芯充電的差異化。如果充電持續(xù)至接近滿容量(例如充電直至充電電流降至低于初始充電電流的5或10％)，這對現(xiàn)有充電設(shè)置是很典型的，增加了超出電芯電壓限制的風(fēng)險。通過較早地終止充電，降低了超出電芯電壓限的風(fēng)險。

優(yōu)選地，在并入電池中之前對所述電芯進行預(yù)檢，用以排除具有軟短路的電芯。通過排除包含軟短路的電芯，可以避免各電芯電荷狀態(tài)隨時間的變化。具有軟短路的電芯會失去電荷，可能僅以非常低的速率，但這會使它們相對電池中的其它電芯失衡，對電池中的典型進行預(yù)檢使它們的性質(zhì)更加接近從而減小電荷狀態(tài)隨時間的任何偏移。可以選擇過濾過程的容差，從而確保在一定時間段或充電/放電循環(huán)中所有電芯的電荷狀態(tài)基本彼此相近，例如服務(wù)間隔(在一些情況中可能是電池的期望壽命，即不期望有中等壽命服務(wù))。

所述電芯的所述預(yù)檢包括：使所述電芯放電、監(jiān)控隨著時間的電芯電壓、以及判定顯示出電芯電壓下降的電芯不合格。如上所述，可接受參數(shù)將反應(yīng)電芯中所需的一致性程度。較高的一致性將在電池中提供更長期的平衡，但若服務(wù)事件中進行了平衡則可以允許低容差，那么較長期的平衡就不是那么嚴格。

各電芯的電芯端子可以僅與相鄰電芯的端子連接，除了在所述電池各端的電芯端子外沒有其它連接件與所述電芯端子連接。換句話說，電芯被依次連接并僅僅是電芯的端部具有形成電池連接件的連接件。這確保了沒有電流從連接件(例如帶或總線)消耗，因此電流典型地從一個傳輸至下一個。這確保了從第一電芯至最后一個電芯在負載電流上沒有差異，從而有助于保持電芯相對彼此的平衡。

可替代地，各電芯的電芯端子可以相連，從而使用中在各電芯上施加基本相同的載荷，防止了電流在電池端部之間的中間電芯端子連接件處有任何負載電流從所述電芯中被消耗。使用該設(shè)置，電芯之間連接件可以設(shè)有外部連接件。外部連接件在正常使用中可以斷開，并僅在服務(wù)事件中連接，通常在大量充電/放電循環(huán)之后。

可替代地，電芯的外部連接可以設(shè)置使得任何從其消耗的電流被控制，從而通過各電芯的凈電荷基本相同。這可以是時間均勻載荷，即使瞬時的載荷不同，一段時間上的載荷是平衡的。例如，電壓表可以依次用于各電芯，用以測量短時間段的電壓。只要從各電芯移除的總電荷相同并且以相同的方式監(jiān)控各電芯，那么電芯將保持平衡。

優(yōu)選地，所述電池充電控制器設(shè)置為利用初始電池充電電流控制階段以及隨后的電池電壓控制階段來控制所述電池的充電，并且當所述充電電流降至低于第一閾值時在所述電池充電電壓控制階段終止充電。如上所指，這允許由于接近充電頂部的電芯充電的不同響應(yīng)而造成的電芯電壓失衡發(fā)生之前停止充電。該閾值的選擇優(yōu)選使得所有電芯保持在具有基本相同的充電響應(yīng)，例如，電芯電壓保持一致。

上述電壓閾值可以基于電池的實際電芯而確定，使得在第一閾值之上，單電芯電壓基本沒有彼此偏離。該閾值可以不是固定水平，而是可以變化的，例如，根據(jù)使用的電芯的種類及性質(zhì)或在給定電池中電信號的具體特征。這可在電池第一次使用之前確定并可在電池的整個使用壽命期間進行調(diào)節(jié)。

在現(xiàn)有系統(tǒng)中，電池典型地以恒定電流(CC)進行充電，然后再進行充電電流下降的恒壓(CV)階段(CC/CV充電模式)?，F(xiàn)有系統(tǒng)將典型地在充電電流降至恒壓階段開始時的充電電流的5％或10％時終止充電。在本發(fā)明中，第一閾值優(yōu)選在所述充電電壓控制階段開始時的充電電流的50％和95％之間。更優(yōu)選地，在所述充電電壓控制階段開始時的充電電流的70％和90％之間，以及更優(yōu)選地在所述充電電壓控制階段開始時的充電電流的75％和85％之間。

優(yōu)選地，終止充電之后，所述電池充電控制器適用于執(zhí)行一個或多個額外充電時段，其中，休眠階段之后重新開始充電，然后充電再次被終止。在重新開始充電之前，休眠階段允許電池電芯恢復(fù)。

優(yōu)選地，所述休眠階段具有在2分鐘和15分鐘之間的持續(xù)時間。優(yōu)選地，該持續(xù)時間將根據(jù)電芯的類型和性質(zhì)來選擇，并且可以在使用中調(diào)整，從而兼容其它因素，比如電芯老化等。

在所述一個或多個額外充電時段中，可以使用電池電壓控制來控制充電，并且當所述充電電流降至低于第二閾值時終止充電。優(yōu)選地，所述第二閾值與所述第一閾值相同，但可以有其它值。

當所述電池電壓降至低于休眠電壓值時，所述休眠階段終止。這允許電芯在休眠階段進行恢復(fù)直至它們達到指示充電可以繼續(xù)的休眠電壓值。

本發(fā)明還提供一種充電電池管理系統(tǒng)，包括：電池，所述電池包括多個串聯(lián)連接的電芯；電芯電壓監(jiān)控工具，用于確定所述多個電芯中的每一個各自的電芯電壓；以及電池充電控制器，設(shè)置為用于利用初始電池充電電流控制階段以及隨后的電芯電壓控制階段來控制所述電池的充電，以及用于確定最大電芯電壓值，即所述多個電芯其中之一具有最高電芯電壓的電芯上的電芯電壓，其中，所述電池充電控制其進一步設(shè)置為：在所述電芯電壓控制階段，控制所述電池的所述充電，使得所述最大電芯電壓保持在目標值。

優(yōu)選地，所述電池充電控制器設(shè)置為：在所述電芯電壓控制階段當所述充電電流降至低于第三閾值時終止充電。

所述第三閾值可以在所述充電電壓控制階段開始時的充電電流的2％和15％之間。更加優(yōu)選地，所述第三閾值在所述充電電壓控制階段開始時的充電電流的4％和6％之間。

在并入所述電池中之前對所述多個電芯進行預(yù)檢，用以排除具有軟短路的電芯。在包入所述電池中或使用之前，所述多個電芯也可以是靜態(tài)平衡的。

所述電芯的所述預(yù)檢可以包括：使所述電芯放電、監(jiān)控隨著時間的電芯電壓、以及判定顯示出電芯電壓下降的電芯不合格。

可以采用不同的充電方法，例如，在恒壓階段，電壓可以是脈沖的，但在各階段測得的電流仍然能被用來確定何時終止充電。

所述電池管理系統(tǒng)還可以包括：多個溫度傳感器，分別設(shè)置用于感測至少一個所述電芯的溫度；以及電池監(jiān)控器。在該設(shè)置中，所述溫度傳感器配置為用以給所述電池監(jiān)控器提供溫度信息信號。所述電池監(jiān)控器能配置為用以確定各個接收的溫度信息信號是否符合可接受模式，并且所述電池監(jiān)控器配置為用以：當所述接收的溫度信息信號中的多個中的一個不符合所述可接受模式，則引發(fā)異常。

如此，電池的監(jiān)控可以基于由傳感器測得的溫度特征而進行，而不是基于電壓測量的干擾。溫度可以提供在一些情況中非常有用的信息用以識別電池中的問題以及構(gòu)成該電池的電芯，而且在一些情況中比基于電壓或電流測量的監(jiān)控更快。溫度傳感器也能與主電充電執(zhí)行元件隔離。這能有助于避免由于電連接造成的潛在問題或由于這些連接失效而造成的故障。進一步的，溫度傳感器沒有在系統(tǒng)上施加電載荷，因此對電芯的平衡沒影響。

測得的溫度可以多種方式使用，用于監(jiān)控電池運行的不同方面。可接受模式可以簡單地為溫度范圍，認為電池在該范圍運行是可接受的。例如，可接受模式可以指示低于特定值(比如100℃)的溫度是可接受的，如果溫度傳感器超出該溫度，那么它將不符合可接受模式，系統(tǒng)可能采取適當動作，比如停止充電或放電。

如果監(jiān)控溫度的變化率超出第二預(yù)定范圍之外，則所述監(jiān)控溫度可能被認為是不符合可接受模式。如果電芯被損壞或其它故障情況發(fā)生，那么可能快速升高。絕對溫度可以仍然在可接受范圍內(nèi)但是超出可接受模式后溫度的快速上升可以受限，這也可能指示存在問題。各情況可以并行應(yīng)用，例如，溫度必須低于100℃，并且升溫速率不高于20℃s^-1。在參數(shù)隨其它參數(shù)而變的情況，甚至可以使用復(fù)合形式。例如，可接受變化率為在低于50℃時為20℃s^-1，高于50℃時為10℃s^-1。

可接受模式可以考慮監(jiān)控溫度與兩個以上溫度傳感器的平均溫度之間的差異，如果該差異大于第一預(yù)定量，則其是超出了可接受模式。

如果所述監(jiān)測溫度的變化率與兩個以上溫度傳感器的平均溫度變化率的差異大于第二預(yù)定量，則可確定監(jiān)測溫度不符合可接受模式。

可以使用基于溫度的其它措施，如溫度變化率的變化率。

只有在接收到的溫度信息信號中的一個或多個不符合所述可接受模式持續(xù)一預(yù)定時間后，才能引發(fā)異常。這可能是在系統(tǒng)提供一定程度的滯后或允許瞬態(tài)波動。例如，當車輛啟動時，大的初始電流可能會流動，這可能會導(dǎo)致快速的溫度變化。這或許是可以接受的，只要它會在一定時期內(nèi)平復(fù)下來。

電池監(jiān)控器可進一步配置為使是否引發(fā)異常的決定基于所述電池的預(yù)計電荷狀態(tài)或電池中的電流。它也可以單獨基于其它因素或基于上述因素的組合。

當異常被引發(fā)時，電池監(jiān)控器可以發(fā)送信號以停止電池的充電/放電。這可能是對外部設(shè)備的信號形式，如負載或控制電池上負載的負載控制器或外部充電器。同樣，充電器或負載控制器可以是系統(tǒng)的一部分。

當異常被引發(fā)時，電池監(jiān)控器可以為操作者生成警報或在日志中生成條目。即使異常沒有導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉充電或放電，在警告操作者問題出現(xiàn)以及在提供供維修人員考慮的日志方面它仍然可能是重要的。

優(yōu)選地，各電芯的溫度由至少一個溫度傳感器監(jiān)控。優(yōu)選地，溫度傳感器設(shè)置在電芯的電極上。電極一般連接到電芯的良好熱連接部，因此可以提供整體電芯溫度情況的指示。

所述溫度傳感器可設(shè)置在諸如將一個電芯連接到另一個電芯的帶或總線的連接件上。這可能是電極上的傳感器的增設(shè)或替代。

溫度傳感器可以通過各自的線連接到電池監(jiān)控器上。雖然這可能需要多條線，它提供了一種連接傳感器的簡單方式，同時使傳感器與主電系統(tǒng)電隔離。該布線都是低壓的，不同于電壓監(jiān)控或主動平衡連接件，因此減少觸電危險和電弧的風(fēng)險。

溫度傳感器可被連接到共用通信總線，用于與所述電池監(jiān)控器通信。相比于各電芯都有一個連接至主監(jiān)控點的專用連接件，這允許使用單一總線電纜從一個傳感器傳遞至下一傳感器，從而減少連接件。

溫度傳感器可以與電池監(jiān)控器進行無線通信。在這種布置中，傳感器優(yōu)選地由接收到的電磁輻射供電。這是類似于被動式RFID標簽，RF輻射被用于給溫度傳感器供能，溫度傳感器能夠在返回的RF信號中提供溫度讀數(shù)。這是有利的，因為不需要線而使它們連接進一步減少連接松動的任何問題。

優(yōu)選地，各溫度傳感器具有唯一的標識符，該標識符與溫度信息信號一起被傳輸?shù)剿鲭姵乇O(jiān)控器。這允許監(jiān)控器來識別唯一的傳感器，并可能基于傳感器的位置來調(diào)節(jié)其行為。例如，如果監(jiān)控器知道電芯上的傳感器在電池的中間，那么可以預(yù)期更高的溫度，并且可接受模式可以相應(yīng)地進行調(diào)整。同樣的，電池外側(cè)上的傳感器可能會受到外界因素(如環(huán)境溫度)的影響。

如果電池傳感器沒有接受來自所有溫度傳感器的溫度信息，電池監(jiān)控器可以被設(shè)置為引發(fā)異常。這樣，如果溫度傳感器由于任何原因失效，系統(tǒng)可以以故障安全方式進行響應(yīng)。然而，可以容納不能響應(yīng)的有限數(shù)量的傳感器。例如，一些傳感器可能有一定程度的冗余，例如通過在每個電芯上提供多個傳感器。

以上提到的各電芯可以被構(gòu)造為并聯(lián)連接的多個電芯(或子電芯)。所述電芯還可以包括串聯(lián)和/或并聯(lián)連接的子電芯組。

該充電電池管理系統(tǒng)還可包括電池充電器，設(shè)置為在多個充電循環(huán)內(nèi)自主地對電池進行充電而無需電池控制器發(fā)出終止充電的命令。換句話說，充電器可以獨立地管理充電操作，而無需與管理系統(tǒng)交互。管理系統(tǒng)可僅在異常引發(fā)時進行干預(yù)。

可選地，可以保留電壓監(jiān)測，并且可選地僅在充電過程的最后一部分進行接通。

本發(fā)明還提供了一個充電電池的運行方法，包括：將多個靜態(tài)平衡的電芯串聯(lián)連接；設(shè)置電芯連接件，使得使用中在各電芯上施加基本相同的載荷；以及通過在電芯到達其最大電荷狀態(tài)之前終止充電而控制電池的充電。

該方法優(yōu)選地包括在所述電芯被并入所述電池中之前對所述電芯進行預(yù)檢，其中所述預(yù)檢包括從多個候選電芯中對所述電芯進行篩選并排除具有軟短路的候選電池。各電芯的所述預(yù)檢優(yōu)選地包括：使所述電芯放電、監(jiān)控隨著時間的電芯電壓、以及判定顯示出電芯電壓下降的電芯不合格。

使用中在各電芯上施加基本相同的負載的所述電芯連接件的所述設(shè)置包括：使各電芯的電芯端子僅與相鄰電芯的端子連接，除了在所述電池各端的電芯端子外沒有其它連接件與所述電芯端子連接。

可選地，使用中在各電芯上施加基本相同的負載的所述電芯連接件的所述設(shè)置包括：防止在所述電池的端部之間的中間電芯端子連接件處有任何電流被消耗。

優(yōu)選地，使用中在各電芯上施加基本相同的負載的所述電芯連接件的所述設(shè)置包括：為電池提供不是連接在所述電池各端處的連接件，并將從各電芯消耗的電流控制為彼此基本相同。

通過在所述電芯達到其最大電荷狀態(tài)之前終止充電來控制所述電池的所述充電可以包括：使用初始電池充電電流控制階段以及隨后的電池充電電壓控制階段來對所述電池充電，以及當所述充電電流降至低于第一閾值時在所述電池充電電壓控制階段終止充電。

優(yōu)選地，所述電池充電電流被控制為在所述電池充電電流控制階段為基本恒定值。

優(yōu)選地，所述第一閾值的預(yù)定基于所述電池的所述電芯而預(yù)定，用以防止各個電芯電壓彼此偏離。

所述第一閾值可以在所述充電電壓控制階段開始時的充電電流的50％和95％之間。優(yōu)選地，在70％和90％之間，更優(yōu)選是在所述充電電壓控制階段開始時的充電電流的75％和85％之間。

將所述電池的所述充電控制為終止充電之后，執(zhí)行一個或多個額外充電時段，其中，休眠階段之后重新開始充電，然后充電再次被終止。優(yōu)選地，所述休眠階段具有在2分鐘和15分鐘之間的持續(xù)時間。

優(yōu)選地，該方法還包括：在所述一個或多個額外充電時段中，使用電池電壓控制來控制充電，并且當所述充電電流降至低于第二閾值時終止充電。

所述第二閾值可以與所述第一閾值相同?？商娲?，第二閾值可選擇在初始CV階段充電電流的50％-95％范圍內(nèi)。優(yōu)選地，在70％和90％之間；更優(yōu)選地，在充電電壓控制階段開始時的充電電流的75％和85％之間。

優(yōu)選地。當所述電池電壓降至低于休眠電壓值時，所述休眠階段終止。

本發(fā)明還提供一種運行充電電池的方法，包括：將多個靜態(tài)平衡的電芯串聯(lián)連接從而形成電芯；通過控制電池充電電流而在電流控制階段對所述電池充電；在所述電流控制階段之后，在電芯電壓控制階段對所述電池充電，包括：確定最大電芯電壓值，即所述多個電芯其中之一具有最高電芯電壓的電芯上的電芯電壓；以及控制所述電池的電池充電電流，用以使所述最大電芯電壓值保持在目標值。

優(yōu)選地，在所述電芯電壓控制階段當所述充電電流降至低于第三閾值時終止充電。

所述第三閾值可以在所述充電電壓控制階段開始時的充電電流的2％和15％之間。

更優(yōu)選地，所述第三閾值在所述充電電壓控制階段開始時的充電電流的4％和6％之間。

該方法可以進一步包括：提供多個溫度傳感器，分別用于傳感至少一個所述電芯的溫度，所述方法還包括通過以下步驟來運行所述電池：

監(jiān)控各溫度傳感器的溫度；確定各溫度傳感器的監(jiān)控溫度是否符合可接受模式；以及如果所述溫度傳感器中一個或多個的所述監(jiān)控溫度不符合所述可接受模式，則引發(fā)異常。

所述可接受模式可以如上所述。

優(yōu)選地，該方法包括使用至少一個溫度傳感器來監(jiān)控各電芯的溫度。優(yōu)選地，使用各電芯電極上的溫度傳感器來測量各電芯電極上的各電芯溫度。

可選地，使用設(shè)置在用于將一個電芯連接至另一個電芯的連接件上的溫度傳感器來測量各電芯溫度。

優(yōu)選地，該方法包括各溫度傳感器通過各個線來傳輸溫度信息。可選的，各溫度傳感器使用共用總線或無線地傳輸溫度信息。

對于無線傳感器，該方法可以包括發(fā)射由所述溫度傳感器接收的各個電磁輻射，用以為傳輸所述溫度信提供動力源。

各溫度傳感器可以將唯一識別符與所述溫度信息信號一起傳輸。

該方法可以進一步包括：如果接收的溫度信息不是來自所有所述溫度傳感器，則中斷所述電池的充電或放電。

引發(fā)異?？梢园ɑ?qū)е轮兄顾鲭姵氐某潆?放電。

優(yōu)選地，通過分別對所述電芯的電荷狀態(tài)進行底部平衡而實現(xiàn)所述電芯的靜態(tài)平衡。當電芯被放電時，底部平衡允許所述方法和系統(tǒng)確定出一致水平的充電。當電芯接近滿充時，電芯電荷容量的任何差異都將自我顯現(xiàn)，但在本發(fā)明中，在滿充之前終止充電從而避免了這種運行區(qū)域。如此，電芯可能進一步被完全放電，而沒有使任何電芯反轉(zhuǎn)和潛在受損的風(fēng)險。

在所述電芯被靜態(tài)平衡之后，所述方法可以包括：再次使所述電芯平衡之前，執(zhí)行多個充電和放電循環(huán)。本發(fā)明不需要在每個充電/放電循環(huán)上進行平衡，因此可以進行多次這樣的循環(huán)，而電芯的電荷狀態(tài)沒有彼此偏離。通過各電芯電荷的細致管理，這可以是上百次循環(huán)。

該方法可進一步包括：當引發(fā)異常時，中斷電池的充電/放電。

附圖說明

現(xiàn)在通過參考以下實施例和附圖對本發(fā)明進行進一步的詳細描述，其中

圖1示出了典型BMS布置的示意圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的BMS布置的示意圖；

圖3示出了一系列具有休眠階段的補充充電循環(huán)；

圖4示出了改進的BMS布置的示意圖；

圖5示出了具有改進的連接系統(tǒng)的BMS布置的示意圖；

圖6示出了具有無線連接系統(tǒng)的BMS布置的示意圖；

圖7示出了單電芯用充電模式；

圖8示出了具有不同充電機制的多電芯電池的充電模式；

圖9示出了電池放電期間的典型診斷溫度特征；

圖10示出了多個休眠電芯的電壓趨勢；以及

圖11示出了使用電芯電壓控制的BMS的操作。

具體實施方式

圖2示出了基于充電電池的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有彼此串聯(lián)連接形成電池的多個電芯2。圖2所示的電芯2可表示單個電芯或設(shè)置在電芯模組中的多個電芯，通常各電芯并聯(lián)設(shè)置。盡管不是必須的，該設(shè)置中的電芯在應(yīng)用之前是底部平衡的。如此，將從同一充電水平對各電芯進行充電，從而當電芯被放電時它們將都朝著這種初始的底部平衡的電荷水平放電，因此沒有一個電芯會被充電超出其它電芯，從而避免了損壞一個或多個電芯的可能性。

電池終端與負載(在此情況下為用于控制電機7的電機控制器27)相連接。電機控制器和電機提供負載，使用中電池放電至該負載中。充電器26給電池提供電荷，用以隨著電池的逐漸耗盡而對其再充電。充電器26給電池提供電荷，用以當電池耗盡時對其再次充電。

充電器通常配置為通過監(jiān)控總電池電壓(即電池終端上的電壓)并使用該信息來確定是否進行充電以及如何進行充電而很大程度上自主運行。充電器能夠不參照電池中的單電芯電壓而運行，因此電池中不需要連接至各電芯的連接件(connections)來監(jiān)控和管理電池的充電。

充電器的運行類似于圖7關(guān)聯(lián)所述而相對標準化。其典型地從恒流充電階段開始直至通過電池的電壓達到預(yù)定水平。接下來是恒壓充電階段。

在傳統(tǒng)主動平衡BMS中，恒壓階段將會持續(xù)直至充電電流降至低于設(shè)定閾值，并典型地為初始恒定充電電流的幾個百分點(5-10％)。然而，如圖8的第一次充電循環(huán)(循環(huán)1)中所示，這種傳統(tǒng)充電模式能導(dǎo)致電池充電過程一些電芯上的單電芯電壓開始偏移。圖8中，8個電芯的電芯電壓如上部掃描線所示。第一示例循環(huán)中，充電持續(xù)整個恒流階段，并經(jīng)過恒壓階段直至充電電流降至低于約為初始恒流充電電流的10％。在圖8的第二次循環(huán)中，使用本實施例的方法，達到恒流階段電流約80％時立即停止恒壓階段。

從圖8中的循環(huán)1可見，由于使用傳統(tǒng)充電模式，在恒壓充電階段其中一個電芯的電壓顯著偏移其它電芯電壓。這沒有反應(yīng)電荷狀態(tài)的差異，而該差異則可以從當沒有電流流過時電芯電壓在休眠階段迅速匯集這一事實看出。電芯典型地具有如論如何都不應(yīng)超越的規(guī)定電壓限。對于循環(huán)1中的漂移電壓，存在超過最大期望電壓并可能有對電池造成損害的風(fēng)險。通過在恒壓階段較早地終止充電，如循環(huán)2中，在任一單電芯上的電壓開始接近其電壓限之前停止充電。

從圖8中的充電循環(huán)2可見，充電的早期終止意味著電芯電壓之間實際上沒有漂移(相比于循環(huán)1中至少一個電芯顯著偏離其它電芯)。

有許多方式可以形成這種早期終止(以下稱為“電池充電終止點”)，并取決于使用的特定充電算法和電芯類型。一個適合的方式(如圖8所示)是利用依經(jīng)驗而定百分比例的初始恒流充電電流。在圖8的實例中，CV階段在達到初始CC階段電流約80％時結(jié)束，盡管其可典型地在70-90％的范圍內(nèi)(相比于可典型地用作傳統(tǒng)充電設(shè)備的截止電流的5-10％)。

電池充電終止點可根據(jù)使用的具體結(jié)構(gòu)以及使用的電芯類型而變。在本實例中的截止電流的選擇將使得在電芯電壓的任何顯著變化開始發(fā)生之前終止充電。如圖7所示，曲線51為充電電壓，曲線52為充電電流。直線53為電池充電終止點，約為恒流階段充電電流的80％。相比之下，主動平衡BMS中的傳統(tǒng)充電可能在點54(即為恒流階段充電電流5％左右)終止。

如前所指，在電芯之間觀察到的電壓漂移往往是暫時性現(xiàn)象，如圖8的循環(huán)1中所示，充電停止后，一旦恒壓階段結(jié)束，即使在高度漂移的電芯上，電壓都趨于恢復(fù)至與其它電芯更加一致的水平，即使高度漂移的電芯也是一樣。其中，一旦充電停止，不會發(fā)生進一步的充電直至電池被放電(至少部分放電)。

以上過程將使電池充電至可用容量的較佳水平，接近于最大容量但顯然小于如果繼續(xù)充電直至充電流降至更加典型的5％水平時所達到的容量。盡管這保證了電池不會由于電壓漂移時充電而損傷，但較高水平的充電通常還是人們所期望的。因此，可以對以上過程改進為：充電停止后重啟充電過程。這可以是單一階段的補充充電或一系列額外補充充電循環(huán)。一次或多次短補充充電中的每一次之間都將包括休眠階段(典型地為2-15分鐘)，用以在重啟之前使電芯電壓恢復(fù)。這些額外的補充充電能夠有助于在仍然確保電池穩(wěn)定性以及避免電芯損傷的同時達到更加完全的充電。

圖3示出了一系列補充充電循環(huán)的典型運行模式。首先，使用恒流階段對電池充電，這可以從圖3左側(cè)中的電流曲線大致呈水平狀態(tài)而看出。電芯電壓在此階段上升。一旦電池電壓達到預(yù)定水平，結(jié)束CC階段并開始恒壓階段。從充電電流的下降可以看出，這是較為明顯的。如前，當充電電流下降至CC階段電流的70％左右時終止充電。通過較早地終止充電，電芯電壓漂移較小。如圖3所示，盡管電芯電壓不一致，其差異卻很大程度上是恒定的。

一旦充電被終止，電流降為零并且電芯電壓也由于沒有充電電流而下降。然而，隨著時間推移，隨著電芯在休眠階段的恢復(fù)，電壓進一步下降。從而使得可能已發(fā)展或即將發(fā)展的電芯電壓的任何漂移恢復(fù)，從而使電芯漂移較少。一段時間(休眠)后，電芯得到充分休眠，各個電壓趨于穩(wěn)定。這一階段可以典型地為約5-15分鐘，但可能或多或少取決于電芯電壓恢復(fù)需多長時間。重啟充電之前的優(yōu)選延遲將取決于電芯的性質(zhì)，比如取決于尺寸和化學(xué)性質(zhì)以及還取決于電荷狀態(tài)。

然后從恒壓階段重新開始充電。隨著額外電荷的加入，電芯電壓再次升高。充電階段的持續(xù)時間將會相對較短，如圖3中所示。在休眠階段電壓將會下降，因此當以相同的目的電壓重新開始恒壓(CV)充電時，電流將會比在休眠階段之前終止充電時要高。在此階段，充電電流將會下降。如前將會以目的恒定電壓繼續(xù)進行充電，然后在達到初始恒定電流的70％時截止。然而，因為電芯已經(jīng)休眠過，所以電壓漂移的傾向相比于如果沒有停止充電進行休眠的情形有所降低。這允許額外電荷增加到電池中而沒有發(fā)生可能造成損傷的電芯電壓的非期望漂移。

本實例中的充電在達到初始(CC階段)充電電流的70％時截止。然而，在其它實施例中，也可以選擇與CV階段結(jié)束時終止電流相同，或進行獨立確定。例如，可以設(shè)在不同的電流水平，典型地在50％-95％的范圍內(nèi)。

充電再次被終止后，允許進行下一休眠階段，從而電芯電壓能夠再次恢復(fù)和穩(wěn)定。下一充電循環(huán)可能采用CV充電。從圖3可見，在這次循環(huán)中的電芯電壓將偏移更多。然而，可以看到漂移將趨于比如果沒有停止充電的情形要小。在此階段充電被終止且沒有被重啟，從而防止了會導(dǎo)致?lián)p傷或失衡的進一步電芯電壓漂移。然而，如果電芯電壓漂移不像圖3所示的那么顯著或者如果漂移水平不太可能造成損害或失衡，可能使用一個或多個額外充電時段。

圖3示出了最終電芯電壓(在充電停止之后的休眠階段中)要比如果充電沒有停止且沒有被重啟的情況要高，電荷水平將會更加接近于充至CC電流水平5％的傳統(tǒng)充電所達到的電荷水平。然而，這實現(xiàn)了由于對任一電芯過充造成損害風(fēng)險的很大降低。

雖然優(yōu)選控制頂部平衡BMS來較早地終止放電從而保護電池中最弱的電芯免于過度放電，出于類似原因優(yōu)選在底部平衡電池包中較早地終止充電。底部平衡方法的優(yōu)點在于，如前所述，可以大大降低過度放電導(dǎo)致的電芯損傷的風(fēng)險，從而允許用戶采用不太保守的方法實現(xiàn)放電的終止。

在傳統(tǒng)BMS中，各電芯的各個連接件8為主設(shè)備1提供各個電芯上的電壓的指示。在圖2的設(shè)置中，充電器僅指示通過整個電池的電壓而無需測量各個電芯電壓。這允許充電器最大程度地自主運行，并主要依賴于其與電池連接的輸出端上的電壓和電流。與圖1所述設(shè)置中充電器和主設(shè)備1必須一起工作來控制充電形成對比。主設(shè)備具有各電芯電壓的入口，通過這些電芯電壓來控制由充電器執(zhí)行的充電。如果任一單元失效然后BMS的正常運行可能失效，并且可能在故障狀態(tài)下繼續(xù)充電，從而導(dǎo)致災(zāi)難性的失效，比如電池中的起火或爆炸。

在圖2的設(shè)置中，充電器不需要來自主設(shè)備25的信息而進行正常充電操作。如果失效或異常情況發(fā)生，主設(shè)備僅需與充電器進行交互。

圖4示出了圖2所示設(shè)置的改進設(shè)置。主設(shè)備25具有與設(shè)置在各個電芯上的溫度傳感器連接的各條連接件21(圖中被束在一起但它們也可以單獨布置)，用以監(jiān)控各個電芯的終端溫度。除此之外，該設(shè)置與圖2中是類似的。應(yīng)理解的是，溫度傳感器的其它構(gòu)造也是可以的。例如，溫度傳感器可以設(shè)置在兩個電芯之間用以同步監(jiān)控兩個電芯，或者每個電芯設(shè)有多個溫度傳感器用以監(jiān)控電芯的不同部分。溫度傳感器也可以安裝在不同的位置，比如安裝在電芯本身上或在電芯帶3上。溫度傳感器也可以設(shè)在電芯之內(nèi)或在外表面上。

當電芯為包括多個單電芯的電芯模組，溫度傳感器可以設(shè)置在其中一個電芯上或與幾個電芯相接觸，或者可以有多個傳感器用以監(jiān)控所有電芯或其中很多個電芯的溫度。圖4中每個電芯2設(shè)有一個單獨的溫度傳感器20。

主設(shè)備25監(jiān)控由各溫度傳感器20測得的溫度從而決定是否溫度“特征”符合可接受模式。該決定可以包括：評價測得溫度的絕對值是否超出特定閾值；識別超出絕對溫度值(T)的特征形式以及超出可接受范圍之外的溫度變化率(dT/dt)；識別變化率的變化(d²T/dt²)等。

主設(shè)備的校準可以基于由于充電/放電循環(huán)中的點或其它因素(比如充電/放電電流)而被調(diào)節(jié)的絕對溫度值或變量值。它們可以依賴于其它因素(比如電荷狀態(tài)、環(huán)境溫度、電池中電芯的平均溫度、相鄰電芯的溫度等)而變化。如此，如果一個電芯的溫度顯著漂移以至于落入確定的公差范圍之外，可能就是異常情況的指示，需要主設(shè)備采取動作。這種異常的范圍可以包括從諸如電池包失衡的簡單問題到包括潛在災(zāi)難性失效的更加嚴重的故障。

例如，這種溫度特征的分析能夠檢測出由一些異常情況(比如外來物質(zhì)進入電池包或逃過質(zhì)檢的電芯瑕疵)造成的失衡狀態(tài)。

隨著電芯接近完全放電狀態(tài)，電芯的內(nèi)部阻抗典型地升高。由于經(jīng)過電阻的電流流動，正在被放電的電池中的電芯通常將稍微變熱：即所稱的I²R損耗。因為電芯的內(nèi)部阻抗隨著電芯接近完全放電狀態(tài)而升高，I²R損耗也將會增加。早于其它電芯先接近完全放電狀態(tài)的電芯將因此具有異常的溫度特征。

這可由圖9所示(取自三電芯電池包的放電過程的實際溫度和電壓記錄)。圖9示出了第一階段64，在第一階段64中電池被放電，放電停止后，接著是階段64。電池包電壓61在放電過程中下降直至達到放電結(jié)束時的值62。在放電階段64之后的休眠階段63中，沒有電流通過電芯，可以看到電池包電壓的逐漸恢復(fù)。

下方的圖形顯示了在電池包中三個電芯中的每個的正極端子高于環(huán)境的溫度增量。放電過程中溫度由于I²R損耗而上升。但注意在點65，即使終端溫度是不同的，所有三條溫度曲線都同時顯示出明顯的拐點：因為接近放電結(jié)束時的增加阻抗的作用，溫度增加的速度突然相對上升。拐點的時間上的任何差異都將指示失衡。

這是用于舉例說明的連續(xù)放電的一個簡單實例。即使是真實世界使用的典型的更加復(fù)雜的放電模式，也可能會識別出溫度“T”隨著時間“t”的“變化率的變化率”(數(shù)學(xué)表示為d²T/dt²)大于或小于其它電芯的電芯。

這種設(shè)置的重要特征在于如果在任何時候因為任何原因電池中的電芯失衡，但它們的SoH未受影響，充電和放電過程中受影響電芯的特定熱響應(yīng)將能發(fā)出適當?shù)木嬗靡允闺姵刂匦缕胶猓鳛橐豁椃?wù)。這種特征，區(qū)別于安全相關(guān)警告系統(tǒng)，使得BMS不必采用復(fù)雜的電池電壓監(jiān)控裝置。

可能使用多個不同標準來確定電芯中發(fā)生了溫度異常的時間。如果任何端子或電芯溫度超過一個高于或低于平均值的參數(shù)化的量，主設(shè)備25可能引發(fā)異常。如果任何端子或電芯的溫度變化率超過一個高于或低于平均值的參數(shù)化的量，主設(shè)備25也可能引發(fā)異常。

如果任何端子或電芯的溫度在一個參數(shù)化的絕對值范圍之外或者如果任何端子或電芯的溫度變化率在一個參數(shù)化的絕對值范圍之外，則也可確定出異常。在以上實例中，在使用端子溫度時，可以對陰極和陽極分別分組。

響應(yīng)于異常，主設(shè)備可以，從完全關(guān)閉充電或放電至僅僅在自動系統(tǒng)上登記故障，采取任何數(shù)量的動作。它也可以減小最大允許放電，即在EV環(huán)境中切換到低功耗模式或“跛行模式”。其它步驟可以包括不同水平的被動或主動響應(yīng)。例如，被動響應(yīng)可能包括發(fā)出警告給操作者(或EV駕駛員)，其中可能包括，例如從請求立即停止的警報到未來可能需要補救動作的溫和警告，不同程度的緊迫性。

異常檢測將觸發(fā)主設(shè)備來識別事件發(fā)生時的參數(shù)，其中可能包括測量的溫度以及其它電芯的溫度(比如相鄰電芯的溫度或所有電芯溫度的平均值)。其它參數(shù)可以包括電池的當前狀態(tài)，比如充電/放電水平、電流流動和電壓等。參數(shù)可以用來參考電池包專有的查找表和電芯化學(xué)，以確定適當?shù)膭幼?。例如，參?shù)可以用來參照電池包專有查找表以及電芯化學(xué)性，從而確定適當?shù)膭幼?。例如，查找表可以包括基于電池包的三維矩陣，其中一個軸為電池包電壓，第二維度覆蓋故障嚴重度以及在第三維度持有每個節(jié)點上的閾值溫度/溫度方差。

在一個示例性的實例中，在以200安培和300伏特運行的電池中，1級故障將是高于平均值2度的閾值，10級故障可以是100度的絕對溫度。進一步改進將在矩陣中增加反映高于閾值的時間的第四維度。在以上實例中，僅當其持續(xù)10秒時才會記錄1級故障。參數(shù)表類似于現(xiàn)代汽車中的點火映射。

這樣的特殊情況或異?？梢杂捎谌魏晤愋偷碾娦締栴}而出現(xiàn)，比如：過度充電、在電芯中引起電壓反轉(zhuǎn)的過度放電、比如由內(nèi)部短路造成的電芯失效、電池中的電芯之間或電芯本身之內(nèi)的連接松動造成的過熱等等。在許多情況中，電芯的溫度提供了一種比參考電芯電壓更加可靠的電芯問題的指示。一般情況下，電池電壓可能不會顯著變化或有可能在電芯電壓由于電池的電芯中的某種異常而發(fā)生變化之前存在顯著的延遲。相比通過監(jiān)控電池內(nèi)的電芯的電壓，通過監(jiān)控電池溫度主設(shè)備可以檢測到更廣范圍內(nèi)的異常。此外，相比監(jiān)控電壓，監(jiān)控溫度意味著往往可以更快更有效地檢測和識別異常。

由于溫度監(jiān)控傳感器與電芯和充電設(shè)置被有效地電隔離，它們在各個電芯上沒有施加電載荷(盡管主設(shè)備當然可以由整個電池的輸出端供電)。

主設(shè)備25將接收來自各個溫度傳感器20的溫度讀數(shù)。如果它沒能接收其中一個傳感器的溫度讀數(shù)，那么就可能被認為是嚴重異常以及可以采取類似于高溫讀數(shù)所采取的動作，即關(guān)閉充電器或通過移除負載停止放電。溫度傳感器不能報告溫度的故障可能是由于傳感器因過熱或機械創(chuàng)傷而被損壞，這兩者都是關(guān)閉電池的主要原因。

如此，主設(shè)備具有故障安全設(shè)置，使得除非接收到來自所有傳感器的有效溫度讀數(shù)，它都將認為將要發(fā)生異常情況并采取適當?shù)膭幼?。在主設(shè)備25和充電器26之間以及主設(shè)備25和電機控制器27之間的通信方面，可以使用類似的故障安全機制。通過這種方式，只有當充電器從主設(shè)備接收到確認主設(shè)備是可正常運行的并與充電器處于通信狀態(tài)的信號時充電器可能才運行。這種信號可以是以簡單電壓水平或定期“OK”信息或其它信號的形式，用以指示主設(shè)備是可正常運行的并且正在接收來自各個傳感器20的有效信號。

同理，電機控制器27可以從主設(shè)備25接收到提供類似確認的定期“OK”信息。如果充電器26或電機控制器27沒有接收到主設(shè)備運行的適當確認，那么它們可以被設(shè)置為分別停止電池的充電或放電。因此，除非主設(shè)備接收到每個電芯的有效溫度信號并將其指示到電機控制器和充電器26，它們能夠被設(shè)置為關(guān)閉從而防止由于繼續(xù)運行而對電池造成的可能損壞。

圖4的設(shè)置仍然需要大量的連接件21用于設(shè)置在電芯上的各個溫度傳感器20上。提供這些連接件并確保它們是可靠的增加了制造工藝的復(fù)雜性，并且如果其中一個連接件萬一后來失效了，還可能給電池帶來故障模式。這個問題也存在于每個電芯上都設(shè)有溫度傳感連接件的傳統(tǒng)的BMS中。然而，溫度傳感連接件不屬于電池的電基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，所以如果一個連接件失效或松動，其將趨向于與電芯的電連接件分離，所以不太可能導(dǎo)致電芯內(nèi)的短路。此外，連接件往往是溫度傳感元件，因此會是低功率/低電壓線，所以一個電芯端子的短路是不太可能形成潛在危害性的大電流的。

然而，還是期望盡量避免在電池內(nèi)設(shè)置大量連接件。圖5顯示了另一種可選設(shè)置，其中不是在主設(shè)備25和每個溫度傳感器20中間設(shè)置單獨的連接件，而是將各個溫度傳感器20依次連接，從而形成單一電連接件22，其從主設(shè)備25傳遞至第一傳感器然后到第二傳感器上再到第三傳感器上依次類推。如此，每個傳感器20連接至與其相鄰的傳感器，而不是每個傳感器分別由一個單獨的線連接到主設(shè)備25。

這樣設(shè)置條件下，單連接件22將作為通信總線(或微型局域網(wǎng))，沿著該通信總線各個溫度傳感器可以將讀數(shù)報告反饋至主設(shè)備25。連接件22可以是簡單的兩芯或三芯電纜。連接件22甚至可以是使用接地金屬底盤(grounded metal chassis)作為返回路徑的單芯電纜。

每個溫度傳感器20可以在連接件22上使用通信總線來報告其確定的溫度。此信息還可以伴隨有各溫度傳感器的識別，使得主設(shè)備25能夠識別出已經(jīng)從哪一溫度傳感器的哪一溫度讀數(shù)已被接收。

傳感器的識別不是必須的并且傳感器可能僅僅報告它們的溫度值，如果接收到的任一溫度值落入?yún)?shù)設(shè)定之外，主設(shè)備可以響應(yīng)，例如關(guān)閉充電器26或電機控制器27，而沒有識別是哪一具體電芯引起的。

溫度傳感器可以定期向主設(shè)備25提供它們的溫度讀數(shù)。報告溫度的速率將取決于主設(shè)備需要響應(yīng)溫度變化有多快。如果溫度傳感器20未能在預(yù)定階段內(nèi)提供溫度讀數(shù)，那么主設(shè)備25可能確定：溫度傳感單元20已經(jīng)失效并以與上述類似的方式進行響應(yīng)，例如分別給充電器或電機控制器提供停止充電或從電池上移除負載的信號。

傳感器可以是相對簡單的或可以包括額外的功能，使得除了提供溫度和識別信息之外，其還可以，例如，接收來自主設(shè)備25的關(guān)于可接受的溫度范圍的信息，從而能夠確定測得的溫度是否在可接受的公差范圍內(nèi)并簡單報告測得的溫度是否在可接受的公差范圍內(nèi)。這將簡化溫度傳感器和主設(shè)備25之間的通信，因為其將只需要傳輸傳感器測得的溫度是否在范圍內(nèi)(以及可選的傳感器識別)。同樣的，溫度閾值可以傳輸?shù)窖剡B接件22的所有傳感器而不是分別傳輸?shù)矫總€傳感器。

圖6示出了另一種可選的設(shè)置，其用無線溫度傳感器23取代了溫度傳感器20。在這種裝置中，各個溫度傳感器23能夠與主設(shè)備25進行無線通信，從而不再需要溫度傳感器和主設(shè)備25之間的通信連接件。這有助于進一步簡化電池的構(gòu)造，因為溫度傳感器可以設(shè)在電芯上(不必在電池內(nèi)設(shè)置任何連接件)并延伸到電池的外部。

溫度傳感器可以是采用類似于在RFID標簽上使用的那種射頻信號對其進行輪詢而使其工作的低功率設(shè)備。主設(shè)備25會傳輸射頻信號，并將由溫度傳感器23進行接收。接收的射頻能量被存儲用以為溫度傳感器23提供動力源。這允許溫度傳感器確定電芯的溫度并將該信息反饋至主設(shè)備，以指示測得的溫度。該單元將理想地采用識別編碼進行自我識別，使主設(shè)備能夠確定其已接收到來自各溫度傳感器的響應(yīng)，并且也避免了與附近的其它電池設(shè)備中的溫度傳感器的干擾。

在上述各種設(shè)置中，主設(shè)備能夠與充電器或電機控制器進行通信，以提供包括需要關(guān)閉并停止充電/放電的可能性的信息。在上述設(shè)置中，雖然各連接件分別設(shè)在主設(shè)備與電機控制器單元和充電器之間設(shè)置有，可以通過公共總線或類似的連接件(例如EV中的CAN或LIN總線)將所有三個設(shè)備都進行連接。這將允許主設(shè)備向其它設(shè)備傳輸信息。

主設(shè)備可以定期傳輸指示其狀態(tài)的訊息，以確認其是有效的和正在正確運行的(如上所述)。如果這些傳輸訊息停止由充電器和電機控制器接收或者訊息沒有在適當?shù)臅r間間隔內(nèi)被接收，那么它們可能被設(shè)置為關(guān)閉。

充電器或電機控制器可以周期性地交替輪詢主設(shè)備25，以確定主設(shè)備25是否仍在正常運行。換句話說，不是主設(shè)備周期性地傳輸訊息即認為其是在正常運行，而是各個單元可以向主設(shè)備發(fā)送詢問，然后主設(shè)備響應(yīng)該詢問。

在上述設(shè)置中，避免了單電芯電壓的測量，從而消除各個電芯上的大量寄生負載源。如上所述，這種寄生負載能夠?qū)е赂鱾€電芯的電荷狀態(tài)相對彼此失衡。

如前所述，在傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)中電荷平衡過程是典型地在充電最后階段進行的。在本發(fā)明中，可以避免這種電荷平衡過程。不干擾各個電芯的電荷狀態(tài)和休眠開路電壓，是很難進行平衡的。因此，安裝之前在電池中達到良好電荷平衡是比較重要的。

可以以多種方式進行平衡：主動地或靜態(tài)地以及在充電的頂部或底部。例如，當各個電芯集成到電池中之前已是滿充，可以使用靜態(tài)頂部平衡。然而，優(yōu)選靜態(tài)底部平衡(如以上實例中所使用的)，其中各電芯被放電至相同的低電荷狀態(tài)。一旦電芯已經(jīng)被底部平衡，它們可以被集成到電池中。隨著潛在失衡電壓測量連接件的去除，電芯之間的相對電荷狀態(tài)可以顯示為相對可比擬電池壽命一樣長的大量充電循環(huán)是相對恒定的。因此在整個電池壽命期間都可以正常保持平衡。

如上所述，由于制造過程中的變動或缺陷，一些電芯可能會出現(xiàn)不同的特征。這些變動可使電芯之間的性能或操作不同。軟短路能夠造成長期低水平的電荷流失，從而導(dǎo)致電芯之間的失衡。為了確保電池中的電芯在一致的標準，可以在電池組裝之前以及可能在此后的時間間隔通過識別和消除表現(xiàn)出軟短路的瑕疵電芯，而使該問題緩解。這種識別和消除瑕疵電芯的過程被稱之為“預(yù)檢”。

容易自放電的電芯并不總是立即變得明顯的，尤其當自放電的速率較慢的情況下。這樣的電芯可以多種方式在預(yù)檢期間被識別出。其中一種方式是將電芯放電至較低電壓(例如對于將磷酸鐵鋰電芯，放電至2.7V)，隨后持續(xù)1-2周檢查休眠開路電壓。圖10示意顯示了好電芯81和出現(xiàn)軟短路的瑕疵電芯(82，83)的群組的典型的相對于時間的電壓輪廓圖。好電芯81將表現(xiàn)出電壓的逐漸輕微上升(往往持續(xù)幾天的時間)，隨后保持恒定電壓。瑕疵電芯也可能表現(xiàn)出電壓的初始上升(例如83)，但是然后會表現(xiàn)出電壓的逐漸喪失。

如上所述，避免電池中電芯上的失衡負載會減少電芯漂移并因此減少進行定期再平衡的需要。連接件可以設(shè)在各個電芯(假定已采取措施保證它們基本相同，即它們不引入失衡負載，因此不會造成各個電芯SoC的漂移損害電池的性能到很大程度或者需要以不方便的短時間間隔進行靜態(tài)平衡)。

雖然傳統(tǒng)的電壓監(jiān)控使用高阻抗測量設(shè)備，它們?nèi)匀粫男×侩娏?。典型結(jié)構(gòu)是一種用來測量各電芯連接件和電池包負極之間的差異并通過減法來計算電芯電壓的電壓監(jiān)控器。

在上述設(shè)置中，測量各個電芯的電壓的各個電芯連接件被去除了，從而確保不給電芯施加失衡負載。盡管如此，但本發(fā)明也是可以和設(shè)有各個電芯連接件的電池一起使用的。正常使用中這些連接件被理想地斷開，用以避免由于測量電芯上的電壓而產(chǎn)生的寄生負載，但是可能例如被間歇性地使用用以確定各個電芯電荷的相對狀態(tài)，甚至如有必要可能作為一種維修行為用以促進電荷狀態(tài)的再平衡。此外，電壓監(jiān)控可與極高的輸入阻抗測量裝設(shè)備結(jié)合使用，用以使任何負載都保持到最小。如此，溫度傳感元件提供了用于監(jiān)控電池的狀態(tài)的主要監(jiān)控機制，但除了測量電芯電壓的能力除外。

在進一步的設(shè)置中，如果有任何單電芯電壓顯著偏離期望電壓，可以使用單電芯電壓監(jiān)控來監(jiān)控各電芯電壓，用以識別是否有任何單電芯電壓偏離期望電壓并采取相應(yīng)的措施。為了實現(xiàn)這一點，當各電芯電壓被確定，采用類似于圖1所示的設(shè)置。然而，與可能需要使用連接件來進行主動平衡并因此攜帶大電流的傳統(tǒng)BMS不同，該設(shè)置中的連接件僅用于進行電壓傳感，因此它們的電流容量可以更低。

這種設(shè)置的運行使用改進的CC/CV(恒流/恒壓)充電模式。CC階段類似于以上所述，其中對于大部分典型充電循環(huán)，以基本恒定的電流水平對電池進行充電。隨著電池接近滿容量，電池電壓將接近上述值，然后將切換到恒壓模式。

然而，改進了恒壓模式，使控制基于單電芯電壓，從而沒有單電芯電壓超出預(yù)定的閾值水平。對所有電芯的電壓進行監(jiān)控，并控制電池充電電流，使具有最高電壓的電芯保持在閾值水平或低于閾值水平。換句話說，與上述CV模式中控制整個電池的電壓不同，是在電芯電壓水平進行控制并提供一種恒定電芯電壓(CCV)充電模式。該控制是基于限制具有最大電壓的電芯超出所有電芯之外。在充電過程中，由于電芯內(nèi)部的微小差異的作用，具有最大電壓的電芯可能會轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌碾娦尽?/p>

圖11示意示出了在一個簡單的4電芯電池(A-D)中使用CCV模式的運行過程。如圖所示，在CC階段電流最初是恒定的(由于單電芯電壓不在該階段進行監(jiān)控，因此電芯電壓沒有在這部分圖表中顯示)，直至開始運行CCV模式，如圖的右手部分所示。閾值水平，在這個實例中，設(shè)置在3.5V。隨著CCV模式的啟動，一開始電芯C最初具有最高的電芯電壓，如圖11所示?？刂瞥潆婋娏魇菇?jīng)過電芯C的電壓保持在3.5V。所有其它的電芯電壓將等于或低于3.5V。隨著時間的推移，電芯B的電壓上升并開始超過電池C上的電壓?？刂破髯R別出電芯B已變成具有最高電壓的電芯并立即將電芯B的電壓控制至3.5V。這可能會導(dǎo)致電芯C的電壓降至低于3.5V，如圖11所示。從這一點開始，電芯B上的電壓將是控制參數(shù)，除非另一個電芯上的電壓升至高于電芯B的電壓。

如此，沒有電芯能夠超出閾值水平(3.5V)，從而保護它們免受過電壓，即使這樣會導(dǎo)致所有充電停止。最終，隨著所有電芯的接近滿充，電流會下降直至第二預(yù)選水平。第二預(yù)選水平可以選為在CC階段的初始充電電流的5％。此時充電已被終止。通過上述設(shè)置，可以給電芯提供高水平的電荷且沒有任何單電芯被過度充電或超過其允許的最大電壓的風(fēng)險。

雖然上述CCV充電模式監(jiān)控各電芯的電壓，但避免了傳統(tǒng)BMS系統(tǒng)中電芯失衡的問題。對于傳統(tǒng)BMS，如上所述，由于監(jiān)控施加差分負載使得電芯電壓的監(jiān)控是有問題的。然而，傳統(tǒng)BMS往往通過主動再平衡電池而不是避免電池失衡來處理這個問題。然而，通過保持低的監(jiān)控電流，如通過使用例如基于運算放大器的電壓跟蹤器，可以實現(xiàn)較低的監(jiān)控電流。這樣，電芯不會失衡到很大程度，因此可以避免進行主動再平衡。

例如，在100電芯電池包中，每個電芯的典型電芯電壓監(jiān)控載荷可能是35微安培的數(shù)量級。然而，如上所述，電壓監(jiān)控典型地測量電芯和地面之間的電壓。獨立測量各個電芯電壓將大大增加監(jiān)控設(shè)備的復(fù)雜性。因此，由于頂部電芯上的監(jiān)控設(shè)備負載電流(離地面最遠)可以是35微安培。然而，對于底部電芯(離地面最近)，所有電芯的監(jiān)控負載電流都必須通過它。這意味著，頂電芯和底部電芯之間的差分負載剛好在3.5毫安以下(99個電芯×35μA)。如此持續(xù)一年能夠?qū)е?0Ah左右的電荷失衡(8760×3.5×10^-3)。這是假定在：電芯上的監(jiān)控持續(xù)運行一年。在典型的100Ah電芯上的這種失衡(30％)將很快(在1年內(nèi))變得相當可觀，并可能會影響電池的運行。這就是傳統(tǒng)BMS使用主動平衡來緩解這種失衡的原因。

然而，通過上述設(shè)置，電芯電壓只需在充電過程結(jié)束時(CC階段之后)進行監(jiān)控并可以在其它時間關(guān)閉(即當在放電時、當電池未在使用時以及在大多數(shù)的充電循環(huán)過程(CC階段)中)。換句話說，整個充電循環(huán)(CCV階段)中可能僅有一小部分需要進行監(jiān)控，因為大部分的充電循環(huán)是被恒流階段占用的。

因此，這種設(shè)置提供了充電至高水平的最大充電的能力且沒有使任何單電芯過充的風(fēng)險。盡管這不需要CCV階段的電芯水平電壓，因為電芯電壓測量并沒有不斷地進行，任何失衡影響顯著小于使用傳統(tǒng)BMS的情況，因此能夠避免對電池進行主動平衡的需要。例如通過使用運算放大器式(op-amp type)電壓跟蹤器來降低監(jiān)控負載失衡，也能夠使由電芯電壓監(jiān)控引起的負載最小化。在這種設(shè)置中沒有主動平衡也意味著監(jiān)控線僅用于電壓監(jiān)控的目的，并具有非常低的電流且不攜帶用于主動平衡的更高電流，因此它們可以比使用傳統(tǒng)BMS的設(shè)置小得多。

需要注意的是，上述設(shè)置可彼此相互結(jié)合使用或單獨使用。這樣，靜態(tài)平衡的電池可以使用早期終止以避免單電芯的過充電以及使用CCV階段來防止任何單電芯過電壓。

在以上實例中，具體數(shù)值的使用根據(jù)實例中使用的電芯的類型而定。然而，需要注意的是，不同的電芯，尤其是具有不同化學(xué)性質(zhì)的電芯，可能具有不同的參數(shù)，比如電芯電壓以及還有充電電流。