电池模块监测板EMI减小的制作方法

电池模块监测板emi减小
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2018年11月13日提交的美国临时专利申请第62/760825号的权益，该临时专利申请的公开内容据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
3.本公开涉及电池模块，并且更具体地讲，涉及电池模块内的测量电池参数。


背景技术：

4.电池模块监测板提供电池模块内的电池单元的电压和温度测量值。然而，这些测量值可能因行进通过耦接到电池单元的母线的电流所生成的emi而失真。减小电池模块监测板信号中的emi以允许准确的电压和温度测量值对于电池模块的安全操作而言至关重要。双堆叠电池模块中的电池模块监测板emi减小可通过布线将电池模块监测板连接到母线的线路来实现，使得测量信号具有同相的干扰并且所计算的电压结果是准确的。


技术实现要素：

5.本公开的一个方面涉及电池模块系统。该电池模块具有顶侧、底侧、在一端处连接顶侧和底侧的第一侧壁，以及在相对端处连接顶侧和底侧的相对侧壁。该电池模块包括第一多条母线，该第一多条母线沿着顶侧从第一侧壁到相对侧壁间隔开。至少一个第一电池单元电耦接在第一多条母线的每个相邻对之间。该电池模块包括第二多条母线，该第二多条母线沿着底侧从第一侧壁到相对侧壁间隔开。至少一个第二电池单元电耦接在第二多条母线的每个相邻对之间。该第一多条母线和第二多条母线中的一条母线靠近相对端，跨越该电池模块的顶侧和底侧，并且电耦接到位于该电池模块的顶侧上的至少一个电池单元和位于该电池模块的底侧上的至少一个电池单元。该电池模块包括第一组传感器线，该第一组传感器线沿着顶侧延伸。该第一多条母线中的每条母线耦接到该第一组传感器线的相应传感器线。该电池模块包括第二组传感器线，该第二组传感器线沿着底侧延伸。该第二多条母线中的每条母线耦接到该第二组传感器线的相应传感器线。跨越该电池模块的顶侧和底侧的一条母线在该电池模块的顶侧上耦接到第一组的一条传感器线并且在电池模块的底侧上耦接到第二组的一条传感器线。
6.在一些实施方案中，该电池模块系统包括捆绑第一组传感器线的第一线路线束和捆绑第二组传感器线的第二线路线束。在一些实施方案中，该电池模块系统包括第一处理电路，该第一处理电路耦接到第一组传感器线。该第一处理电路可被配置为从第一组传感器线接收相应电压信号。
7.在一些实施方案中，该电池模块系统包括第二处理电路，该第二处理电路耦接到第二组传感器线。该第二处理电路可被配置为从第二组传感器线接收相应电压信号。在一些实施方案中，该第一处理电路被配置为从与该电池模块的顶侧相关联的第一母线接收第一电压读数，从与该电池模块的顶侧相关联并且邻近第一母线的第二母线接收第二电压读
数，以及计算第一电压读数和第二电压读数之间的第一电压差。该第一电压差和第二电压差可被提供给电池管理系统。在一些实施方案中，该第二处理电路被配置为从与该电池模块的底侧相关联的第三母线接收第三电压读数，从与该电池模块的底侧相关联并且邻近第三母线的第四母线接收第四电压读数，并且计算第三电压读数和第四电压读数之间的第二电压差。在一些实施方案中，该第二母线和第四母线一起构成跨越电池模块的顶侧和底侧的一条母线。
8.在一些实施方案中，该第一电压差包括在包括第一相位的第一噪声信号和包括第二相位的第二噪声信号之间的差值。该第一相位与第二相位基本上同相。在一些实施方案中，该第一处理电路由该电池模块的顶侧供电，并且该第二处理电路由该电池模块的底侧供电。在一些实施方案中，该第一处理电路被配置为确定跨模块的顶侧上的每个相邻母线对的电压。在一些实施方案中，该第二处理电路被配置为确定跨该电池模块的底侧上的每个相邻母线对的电压。
9.该第一多条母线可包括至少五条母线，并且其中该第二多条母线可包括至少五条母线。在一些实施方案中，该电池模块电耦接到负载。在一些实施方案中，电流在远离第一侧壁的第一空间方向上流过第一多条母线，并且在朝向第一侧壁的第二空间方向上流过第二多条母线。在一些实施方案中，该第一组传感器线沿着顶侧从第一侧壁朝向相对侧壁延伸。在一些实施方案中，该第二组传感器线沿着底侧从第一侧壁朝向相对侧壁延伸。第一电磁场可由在第一空间方向上流过第一多条母线的电流感应。第二电磁场可由在第二空间方向上流过第二多条母线的电流感应。
10.本公开的另一个方面涉及一种操作电池模块的方法，该电池模块包括第一母线、第二母线、第三母线、电耦接在第一母线和第二母线之间的至少一个第一电池单元，以及电耦接在第二母线和第三母线之间的至少一个第二电池单元。使用耦接到第一母线的第一传感器线来测量第一母线的电压读数。使用靠近至少一个第一电池单元中的一者耦接到第二母线的位置耦接到第二母线的第二传感器线来测量第二母线的第一电压读数。使用靠近至少一个第二电池单元中的一者耦接到第二母线的位置耦接到第二母线的第三传感器线来测量第二母线的第二电压。使用耦接到第三母线的第四传感器线来测量第三母线的电压读数。使用第一母线的测量电压和第二母线的测量第一电压来确定第一母线和第二母线之间的电压差。使用第二母线的测量第二电压和第三母线的测量电压来确定第二母线和第三母线之间的电压差。
11.应当指出的是，上述系统、方法、装置和/或方面可应用于本公开中描述的其他系统、方法、装置和/或方面，或根据本公开中描述的其他系统、方法、装置和/或方面使用。
附图说明
12.通过结合附图考虑以下具体实施方式，本公开的上述和其他目的和优点将显而易见，在附图中，类似的附图标记表示类似的部分并且其中：
13.图1示出了根据本公开的至少一些实施方案的随时间推移的跨电池单元的电压的曲线图；
14.图2示出了根据本公开的至少一些实施方案的示意性电池模块以及由跨越电池模块中的电池单元的相邻母线上的传感器线承载的噪声信号；
15.图3示出了根据本公开的至少一些实施方案的具有附加传感器线的图2的示意性电池模块；
16.图4示出了根据本公开的至少一些实施方案的电耦接到电池模块的电池模块监测板的示意性布置；并且
17.图5描绘了根据本公开的至少一些实施方案的用于操作电池模块的示意性过程的流程图。
具体实施方式
18.只要可能，在整个附图中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。
19.本公开涉及一种双堆叠电池模块，该双堆叠电池模块具有顶侧、底侧、在一端处连接该顶侧和该底侧的第一侧壁，以及在相对端处连接该顶侧和该底侧的相对侧壁。电母线连接在一起以延伸电流跨过模块的顶侧，从模块的顶侧到底侧，并且返回跨过模块的底侧的路径。母线可沿着模块的顶侧从一个侧壁到相对侧壁并且沿着底侧间隔开，使得它们位于顶部母线下方。母线由导电材料制成，诸如铜、铝，具有期望导电性的任何其他合适的金属、合金、材料，或它们的任何组合。
20.传感器线(在本文中也称为“信号线”)用于获得模块内的每个电池单元的电压测量值。由线路线束固定的传感器线从处理电路延伸到电池模块中的相应测量位置。处理电路被配置为接收传感器线信号(在本文中也称为“测量信号”)并且确定每个电池单元的测量值(例如，电压测量值)。电池单元的电压测量值可通过获取相邻母线对的电压测量值之间的差值来获得，其中至少一个电池单元电耦接在该母线对之间。
21.在一些实施方案中，电池模块表现出类似于感应线圈的行为，由此当电流流过其时生成电磁场(emf)。电磁场可与传感器线耦接，从而将噪声引入传感器线中。在该示例中，emf可使作为安全关键测量值的电池模块的测量值失真。
22.对于双堆叠电池模块，电磁干扰(emi)可以是彼此异相的电磁场的结果。在此类模块中，电流可在电池模块的顶侧上沿一个方向并且在模块的底侧上沿相反方向流过母线。一条母线可跨越电池模块的顶侧和底侧以在模块的顶侧的端部处收集电流并且向电池模块的底侧提供电流。传感器线从电池模块的一侧跨电池模块的顶侧和底侧延伸到顶侧和底侧上的相应测量位置。测量位置通常位于母线上。因为电流在电池模块的顶侧和底侧上沿相反方向流动，所以顶侧和底侧上的电磁干扰彼此异相。
23.当获取来自电池模块的相对侧的信号之间的差值时(例如，在一侧上测量跨越顶侧和底侧的母线的电压，并且使用该信号来获得从其获取测量值的相对侧上的跨电池单元的电压测量值)，电压测量值可失真。由通过母线的电流生成的emf产生了emi，该emi影响与电池模块的顶侧耦接的传感器线，使得由顶部传感器线承载的测量信号具有彼此同相的噪声。同样，由底部传感器线承载的测量信号具有彼此同相的噪声。然而，由顶部传感器线和底部传感器线承载的测量信号之间的噪声的相位差为非零的(例如，影响顶部传感器线的噪声与影响底部传感器线的噪声异相)。在一些实施方案中，顶侧上的emf可具有与底侧上的emf异相180度的相位。当通过异相180度的emf感应噪声信号来获取电压差测量值时，由emf引起的干扰的量值可加倍。
24.为了减小由感应emf引起的干扰，传感器线可被布置成使得电压测量值不被视为
由位于电池模块的相对侧上的传感器线承载的信号之间的差值。可进行电压测量以使得处理电路减去来自电池模块的相同侧的同相噪声信号，从而在emi的影响减小的情况下计算准确的电压测量值。通过减去类似噪声信号(例如，同相噪声信号)来减小或消除emi可用适当的传感器线布置来实现。
25.一种此类布置是包括附加传感器线，使得跨越电池模块的顶侧和底侧的母线的电压被测量两次—从顶侧测量一次并且从底侧测量一次。例如，耦接到跨越顶部和底部的母线的上半部的传感器线可承载与顶部传感器线的其他噪声信号同相的噪声信号，并且耦接到母线的下半部的附加传感器线可承载与底部传感器线的其他噪声信号同相的噪声信号。此外，在该示例中，影响电池模块的顶侧上的传感器线的噪声信号可非常类似。因此，跨位于模块顶侧上的电池单元获取的电压测量值将包括非常小的噪声信号，因为在具有非常类似的同相噪声信号的两个信号之间获取差值，这将致使噪声信号大部分消除。对于电池模块的底侧上的电压测量值，发生相同的结果。
26.图1示出了在双堆叠电池模块的电压测量期间产生的电压过冲问题。双堆叠模块可总共具有12个电池单元，其中六个串联布置在模块的顶侧上，并且另外六个类似地布置在模块的底侧上。该双堆叠模块中的电池单元通过母线连接，该母线允许电流从电池模块上半部上的第一单元流过第二单元、第三单元并且朝向模块底侧上的第十二单元向前流动的路径。具体地讲，来自与电池模块相关联的负载的电流将首先与和第一电池单元相关联的母线接触，通过其负端子进入第一电池单元，通过其正端子离开第一电池单元，并且电流然后将接触位于第一电池单元和第二电池单元之间的母线。该过程可针对所有电池单元和相关联的母线重复，直到电流流回到负载。在电流行进的路径中，可存在跨越模块的顶侧和底侧两者的母线，该母线与第六电池单元的正端子和第七电池单元的负端子相关联。
27.图1示出了根据本公开的至少一些实施方案的随时间推移的跨电池单元的电压的曲线图。在具有前述结构的双堆叠电池模块的热性能测试期间，电池管理系统可报告在放电状态和充电状态之间的转变期间的跨第七电池单元的电压的相对较高增加。表1示出了跨第七单元的报告的720mv的电压增加，而其他单元的在放电至充电转变期间的电压增加被报告为在102mv内。这种电压增加在图1中被描绘为电压过冲101。电压过冲被定义为跨电池单元的稳态电压和峰值测量电压之间的差值。在相同示例中，处理电路可报告在与第七单元相关联的充电至放电转变期间的
‑
700mv过冲，其中该过冲远大于其他单元的过冲。
[0028][0029]
表1跨电池单元的过冲电压测量
[0030]
对于大多数传感器线放置，从处理电路到母线的布线距离可导致对通过线承载的测量信号的干扰。然而，当噪声与由传感器线承载到相邻母线的噪声信号同相时，在计算跨电池单元的电压时将消除或减小干扰。图2示出了相邻母线上的由传感器线承载的噪声信号260
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263，该相邻母线跨越电池模块200中的电池单元205至电池单元208。传感器线可被称为“单元抽头”。例如，单元抽头250与接触连接电池单元208的正端子和电池单元209的负端子的母线的传感器线相关联，单元抽头251与接触连接电池单元207的正端子和电池单元208的负端子的母线的传感器线相关联，单元抽头252与接触连接电池单元206的正端子和电池单元207的负端子的母线的传感器线相关联，并且单元抽头253与接触连接电池单元205的正端子和电池单元206的负端子的母线的传感器线相关联。在一些实施方案中，跨电池单元201
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212的电压测量值221
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232分别通过减去跨单元抽头的电压读数来确定。图2中描绘的在电池模块上方和下方的水平线表示跨电池模块延伸到各种单元抽头或母线的传感器线。例如，为了获得电池单元206的电压测量值226，将从单元抽头252上的信号减去单元抽头253上的信号。噪声信号260
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263分别影响从单元抽头250
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253获取的电压测量信号。在该减法期间，可消除或大部分消除分别在单元抽头250和单元抽头251上承载的噪声信号260和261，因为噪声信号是同相的。然而，使用单元抽头252上的信号(在电池模块的顶侧240上测量)和单元抽头251上的信号(在电池模块的底侧241上测量)来测量电池单元207上的电压(即，电压测量值227)可导致噪声干扰加倍，因为噪声信号262和261是异相的。
[0031]
用于维持分别由顶侧和底侧的相邻母线承载的同相噪声信号的一种方法是在双堆叠电池模块的顶侧和底侧之间分离电压读数。可通过添加将与跨越顶侧和底侧的母线相关联的第二传感器线来获得单独的电压读数。该附加传感器线将位于与跨越电池模块的顶侧和底侧两者的母线相关联的传感器线的相对侧上。图3示出了添加到图2的布置的附加传感器线单元抽头351。从电耦接到跨越电池单元206和207的母线的附加传感器线获取电压测量值327。单元抽头351与跨越电池模块300的顶侧240和底侧241的母线的底侧相关联，并且单元抽头252与跨越电池模块300的顶侧240和底侧241的母线的顶侧相关联。通过附加传感器线，使用单元抽头351和单元抽头251上的信号的跨电池单元207的电压测量值327可不受通过比较电池模块300的相对侧上的信号而引起的异相emi的影响。
[0032]
附加emi源可能来自线束中捆绑的线的串扰干扰。线束用于组织电池模块的紧凑空间内的布线。将这些传感器线放在一起以通过单个处理电路单元处理将致使顶部传感器线和底部传感器线的噪声信号在彼此之间泄出或泄漏，由此导致将不会消除的噪声。因此，通过分别处理顶部传感器线和底部传感器线来进一步减小噪音。
[0033]
图4示出了电耦接到电池模块420的电池模块监测板的示意性布置400。布置400示出了电池模块监测板410内的用于进一步减小噪声的分离处理电路411和412的示例。因为顶侧的传感器线在行进到电池模块监测板中的一个处理单元时不与底侧的传感器线捆绑在一起，所以减小了顶部信号和底部信号之间的串扰emi的影响。在一些实施方案中，与处理电路411相关联的传感器线通过连接器430电耦接，并且与处理电路412相关联的传感器线通过连接器431电耦接。与电池模块420的顶侧相关联的传感器线与专用于电池模块420的顶侧的处理电路411交接。处理电路411被配置为从电池模块420的顶侧上的相邻母线对接收电压读数，并且计算电压差以确定与相邻母线对相关联的电池单元的电压测量值。类似地，处理电路412被配置为从电池模块420的底侧上的相邻母线对接收电压读数，并且计算电压差以确定与相邻母线对相关联的电池模块420的底部上的电池单元的电压测量值。
[0034]
由处理电路411接收的传感器信号可具有与来自顶侧的与线束中捆绑的其他传感器线相关联的噪声基本上同相的噪声。同样，处理电路412可具有与来自电池模块的底侧的与线路线束中的其他线相关联的噪声基本上同相的噪声。因为单独的处理电路，所以针对电池模块的顶侧的线路线束和针对电池模块的底侧的线路线束可能不彼此会合或靠近，从而与其中线的两侧被捆绑在通向电池模块监测板中的单个处理电路的单个线束中的情况相比，实现更少串扰干扰的益处。由处理电路计算的电压差可被提供给电池管理系统。
[0035]
电池堆叠监测专用集成电路(asic)可监测多达6个电池单元。在一些实施方案中，电池堆叠监测asic接收与具有多至六个电池单元的双堆叠模块的顶侧相关联的传感器线信号，并且另一个电池堆叠监测asic可用于接收与底侧相关联的信号。如本文所用，线包括单独的独立线和/或电路板上的单独迹线。如本文所用，线束包括一束线和/或电路诸如柔性印刷电路板或“柔性pcb”上的多个迹线。
[0036]
图5描绘了根据本公开的至少一些实施方案的用于操作电池模块的示意性过程500的流程图。过程500的步骤可由耦接到电池模块(诸如在图3中描绘的电池模块300)的控制电路执行。控制电路可基于任何合适的处理电路。如本文所提及的，处理电路应当被理解为意指基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、可编程逻辑设备、现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)的电路，并且可包括多核处理器。在一些实施方案中，处理电路可分布在多个单独的处理器或处理单元上，例如，多个相同类型的处理单元中或多个不同的处理器。在一些实施方案中，控制电路执行针对存储在存储器中的应用程序的指令。例如，电池模块监测板应用程序可向控制电路提供指令以确定跨电池单元的电压测量值。
[0037]
在步骤502处，控制电路使用耦接到第一母线的第一传感器线来测量第一母线的电压读数。例如，第一传感器线可以是与图3的单元抽头253相关联的传感器线。在该示例中，第一母线为连接电池单元205的正端子和电池单元206的负端子的母线。因此，电压读数可以是跨越电池单元205和206的母线的电压。
[0038]
在步骤504处，控制电路使用靠近至少一个第一电池单元中的一者耦接到第二母
线的位置耦接到第二母线的第二传感器线来测量第二母线的第一电压读数。例如，第二传感器线可以是与单元抽头252相关联的传感器线。在该示例中，第二母线为连接电池单元306的正端子和电池单元207的负端子的母线。因此，电压读数可以是跨越电池单元206和207(即，跨越电池模块300的顶侧和底侧)的母线的电压。与单元抽头252相关联的传感器线用于测量跨越电池模块300的顶部和底部两者的该母线的电压读数(例如，电池模块300的顶部处的电压读数)。
[0039]
在步骤506处，控制电路使用靠近至少第二电池单元中的一者耦接到第二母线的位置耦接到第二母线的第三传感器线来测量第二母线的第二电压。例如，第三传感器线可以是与单元抽头351相关联的传感器线。因此，电压读数可以是跨越电池单元206和207的母线的电压读数。该电压读数不一定与步骤504中获得的电压读数相同，因为如图3所示，与单元抽头252和351处的电压读数相关联的噪声信号不是同相的。与单元抽头351相关联的传感器线用于测量跨越电池模块300的顶部和底部两者的该母线的电压读数。
[0040]
在步骤508处，控制电路使用耦接到第三母线的第四传感器线来测量第三母线的电压读数。例如，第四传感器线可以是与单元抽头251相关联的传感器线。在该示例中，第三母线为连接电池单元207的正端子和电池单元208的负端子的母线。因此，电压读数可以是跨越电池单元207和208的母线的电压。
[0041]
在步骤510处，控制电路使用第一母线的测量电压和第二母线的测量第一电压来确定第一母线和第二母线之间的电压差。例如，确定步骤502的第一母线的测量电压和步骤504的第二母线的测量电压之间的电压差。在一些实施方案中，该电压差为具有减小的emi干扰的跨电池单元206的电压，因为相关联的噪声信号262和263同相。
[0042]
在步骤512处，控制电路使用第二母线的测量第二电压和第三母线的测量电压来确定第二母线和第三母线之间的电压差。例如，确定步骤506的第二母线的测量电压和步骤508的第三母线的测量电压之间的电压差。在一些实施方案中，该电压差为具有减小的emi干扰的跨电池单元307的电压，因为相关联的噪声信号261和361同相。在一些实施方案中，控制电路使用电压差来监测电池模块的操作。这样，控制电路识别电池故障或不安全状况。
[0043]
出于说明而非限制的目的提供了本公开的上述实施方案，并且本公开仅受所附权利要求的限制。此外，应当指出的是，在任何一个实施方案中描述的特征和限制可应用于本文的任何其他实施方案，并且与一个实施方案相关的流程图或示例可以合适的方式与任何其他实施方案组合、以不同顺序进行或并行进行。例如，步骤508可在步骤510之后进行以按不同顺序测量母线之间的电压差。在一些实施方案中，步骤502
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506可以任何顺序(例如，步骤504，然后是步骤506，并且然后是步骤502)进行以按不同顺序使用传感器线来测量电压读数。此外，本文所述的系统和方法可实时执行。还应当指出的是，上述系统和/或方法可应用于其他系统和/或方法或根据其他系统和/或方法使用。