[发明专利]电池单元转换器管理系统

说明书

背景技术

1.技术领域

本发明通常涉及从多个电池单元构建一个电池组的系统和方法，所述多个电池单元耦合或结合到多个用于可充电电池的电压/电流转换器单元。

2.相关技术的描述

随着高能电池供电应用需求的增加，多单元电池组的需求已经急速增长。多单元被需要服务于某些电池应用的高容量/能量需求。在一个多单元电池组中，串联连接的单元通常不止一个。例如，一个由四个1.2伏特电池单元相串联的电池组提供一个4.8v标称电压(图1)。诸如用于膝上型轻便电脑的电池组的其他应用可能具有4个相串联的3.6伏特电池单元(图2)以提供一个14.4v的标称电池组输出电压。此外，两个这样的4单元串列可以并联以将容量从2000毫安培小时(mAh)增加至4000毫安培小时。这个结构通常在业内被称为4S2P，或4单元串联2并联。目前，受欢迎的用于手持设备、电脑、电动工具等的多单元可充电电池组都相当昂贵，其价格取决于单元数量和它们各自在所述组中的容量从30美元至300美元不等，乃至达到上千美元。

一个电池单元会因为过度充电至一个高电压或过度放电到一个低电压而损坏。这种情况特别适用于锂离子和基于锂聚合物的电池。高电压和低电压的分界点一般分别约为4.2v和2.7v。图3中示出了锂离子电池的属性。在电池放电至约2.7-3.0v时，电池可能迅速衰亡（dies out）并且可能还会受损。

因此，重要的是提供一种具有智能电池管理系统的可充电电池组，所述智能电池管理系统便于对一个电池组中的电池单元进行过充电、过放电、超温保护和SOC(充电状态)监测。进一步的好处是因为如下事实：电池单元的过充电、过放电可能导致电池容量的减少，更短的电池寿命，甚至诸如火灾和爆炸之类的危险情况。

对多单元电池组进行充电/放电的一个关键挑战与所述电池组中的电池单元由于制造容差导致的非均一性有关。存在一种以上的电池单元不匹配。参见图4b，电池单元组40包括电池单元41、42和43。电池单元42具有比电池单元41和43低的容量，这一点在图4b以一个用于电池单元42的较小的“桶尺寸”来象征性地表示。在完全充电后，电池单元42在运作过程中相比电池单元41以及电池单元43来说将提供更少的电荷。在一个包括单元410、420和430的电池单元组400中，单元410和430已充满电，而单元420没有完全充电。因此，在单元410、430和420之间存在SOC不匹配。

一个最弱的电池往往易于限制整个电池组单位的总体容量。因此，需要特殊的制造过程来确保更严格的容差。一种这样的特殊制造过程包括根据电池单元的容量属性对其进行装仓和分组。电池组将使用来自相同仓的单元。然而，这样的额外步骤增加了生产成本。而且，单元之间的不匹配在充放电周期后增加了，这种情况减少了在工厂装仓的好处。未经历昂贵的装仓过程的工厂在电池单元的收益受到严重冲击。此外，对于不符合技术要求的单元的处置会增加制造设施的污染足迹。

很明显，所述的装仓步骤是一种蛮力途径，并且只能部分缓解单元失配问题，这是因为单元不匹配在多个充放电周期之后趋于变得更糟。操作环境中不同的单元温度也可能导致不匹配。因此，在电池的制造和质量控制过程中无法轻易解决不匹配退化。

此外，如果堆叠中任何特定的单元严重退化，则包括一系列堆叠的电池单元的电池组将不再起作用，这种情况如图4a中所示。换句话说，电池组的生命由于单个的受损单元而缩短。

因此，一个可以保证安全，延长电池寿命和降低电池的生产成本的智能电池管理系统将是必须的。锂离子电池充电过程的第一阶段通常使用中等精度恒流(CC)充电，在第二阶段则向高精度恒压(CV)充电过渡。这是为了在防止单元被过度充电的同时使单元被完全充电至所需要的电压。对于单个电池单元而言，这样的充电控制更简单，但是对于一个匹配不太好的电池单元串列而言，却是一项复杂的任务。因此，充电中的单元平衡被用来确保每一个单元不会被过度充电，同时允许每个单元会被充电至接近其各自的容量。单元“平衡”的概念是监测和调节存储在电池组中每个单元(典型地，包括现今设计中的串联连接的单元)内的电荷的过程，从而在电压限制之内平衡每个单元的端电压和容量，并且通过电量计量来管理这些单元的SOC。因为所述这些单元不完全相同并确实存在不匹配，为了避免单元过度充电并且均衡所有单元的SOC,那么在某一个充电时间点中，这个平衡过程可能涉及故意消散储存在具有较高的端电压或SOC的某些特定单元中的能量。或者，电荷可以从充电程度较大的单元被移动至充电程度较少的单元以便均衡单元之间的SOC。