电压可控的电池组件及其相关方法与流程

1.本文的实施例涉及电池组件，诸如电池系统、电池包等领域。连接在电网等中的电池组件可以用于例如驱动车辆的一个或多个电机。具体地，公开了一种用于在充电或放电期间输出目标电压的电池组件和控制单元，以及一种用于在充电或放电期间维持电池组件的目标电压的方法、电池组件和控制单元。


背景技术：

2.电池包用于许多不同的应用，包括为车辆的电动机、各种电子设备等提供动力，以及为电网提供能量存储等。
3.已知的电池包通常包括多个电池模块，或者有时称为电池模块串。多个电池模块通常串联连接，由此它们相应的电压相加为电池包的输出电压。
4.电池包通常不包括额定切换整个电池电流的电力电子元件。此类电力电子元件的目的可以是控制电池包的输出电压或优化电池包中电芯的利用率，以避免电池包中容量最弱的电芯限制电池包的总容量，例如就ah而言。有一些解决方案，即在电池包中包含电力电子元件，目的是为电池包提供这些功能中的一个。
5.de102013209383公开了一种具有至少一个电池串的电池，该电池包括多个电池模块，这些电池模块可以连接并桥接以驱动到电池串，每个电池模块具有多个电池电芯。电池包括驱动装置，该驱动装置适用于通过脉宽调制信号驱动电池模块，使得相应电池模块的平均接通时间由脉宽调制信号的占空比确定。
6.一个缺点是这种电池包比标准电池包更复杂，例如包括许多电子元件，诸如向每个电池模块提供脉宽调制(pwm)信号所需的多个控制器和电力电子元件。另一个缺点可能是，通过在pwm模式下操作每个模块，将同时存在额外的传导损耗和开关损耗，这将增加电池包中现有的损耗。另一个缺点是，使用pwm操作，通常包含在每个电池包中的电芯电压监测功能可能会受到脉冲宽度调制方案的干扰。高精度监测电芯电压是电池管理系统执行的一项常见任务。此外，可能需要一个或多个滤波器来减少每个模块电压的脉宽调制产生的谐波。这些滤波器增加了电池包的成本。
7.此外，对于现有的电池包解决方案，诸如在上述de102013209383中，问题可能是添加以高开关频率工作的电力电子器件以切换高电流会产生电磁干扰和额外的损耗。此外，难以有效地使用包括在电池包中的电池模块。


技术实现要素：

8.因此，一个目的可以是提供一种减轻或至少减少上述问题和/或缺点中的至少一个的电池组件。
9.根据一个方面，该目的通过一种旨在在电池组件的充电或放电期间输出目标电压的电池组件来实现。电池组件包括：一组电池模块。该组电池模块中的电池模块串联连接，其中，电池组件的特征在于，该组电池模块包括：被配置为接收第一信号的第一电池模块，
该第一信号表示将在第一电池模块上输出的第一电压。第一信号可配置为表示能够在第一电池模块上输出的电压范围。第一电压对目标电压和多个第二电池模块起作用。多个第二电池模块中的每个第二电池模块被配置为接收相应的第二信号，该信号表示所述每个第二电池模块的相应配置。相应的配置指示所述每个第二电池模块相对于所述每个第二电池模块的相应第二电压是接通还是旁路。取决于相应的配置，相应的第二电压对目标电压有贡献或没有对目标电压起作用。
10.第一电池模块可以是第一类型的电池模块，而第二电池模块可以是第二类型的电池模块。优选地，第一类型可以不同于第二类型。然而，在一些示例中，第一类型和第二类型可以是相同的，即一种相同的类型，其中例如第一信号可以被多个第二模块忽略而第二信号可以被第一电池模块忽略，或者第一和第二信号甚至没有被分别发送到多个第二电池模块和第一电池模块。术语“第一类型电池模块”和“第二类型电池模块”可以指的是可以控制电池模块上的电压以取电池模块从零到最大电压的范围内的值，以及电池模块上的电压分别基本上为零或处于电池模块的极限电压。范围可以是连续的或量化的，例如因为量化范围由一系列离散值组成。电池模块的极限电压可以是最大电压和/或最小电压，其中最小电压可以是最大电压的负值。如本文所用，术语“模拟电池模块”可用于指代第一类型的电池模块，而术语“离散电池模块”可用于指代第二类型的电池模块。一个或多个模拟电池模块可以被配置为由作为第一信号的示例的脉宽调制(pwm)信号控制。鉴于以上所述，第一信号因此可以能够携带表示连续或量化范围的值。同样地，第一信号可以是模拟信号、具有与范围的离散值相对应的一组离散幅度的离散信号、如前所述被脉宽调制的二进制数字信号等。
11.因此，在一个示例中，电池组件，或有时也称为“电池包”、“电池系统”等，可以说包括至少一个模拟电池模块和多个离散电池模块的组合。
12.在一些实施例中，该组电池模块中的每个电池模块包括相应的一组电池电芯，或简称为电芯。通常，电芯的数量为3-6个电芯，但电芯的数量可能会根据使用情况而有所不同。在一些实施例中，相应组电池电芯的电池电芯可以串联连接、并联连接或是串联连接的电池电芯和并联连接的电池电芯的组合。
13.利用本文的实施例，可以实现完全可控的输出电压输出，并且利用一些实施例，电池组件的最弱电芯将不再确定电池组件的容量，即整个电池组件的容量。可以通过监测参数来找到最弱的电芯，诸如每个电芯的作为时间、电压、温度等的函数的流过电池电芯的电流，并且如果发现电芯容量低，即不能与其他电芯存储相同量的电荷和由此产生的能量的电芯，该电芯所属的电池模块可以被更少地利用。当电芯被较少利用时，这意味着它仅在该电芯的容量允许的范围内对目标电压起作用。
14.与一些现有技术的解决方案相比，至少一些实施例的优点可能是需要更少的部件并且电池组件的控制被简化。
15.此外，第一电池模块和第二电池模块因此既用于控制目的又作用于电池组件的电压，即第一电池模块用作能量存储介质。在常规系统中，可以使用单独的所谓的电力电子单元来控制电压。电力电子单元缺乏储存能量的可能性。
16.对于至少一些实施例，进一步的优点是与如果每个电池模块被配置为将以模拟模式操作或以模拟模式操作相比，可以减少损失，即意味着电池组件的每一个和每个电池模
块都是第一类电池模块。
17.对于至少一些实施例，另一个优点是电芯电压监测是稳健的，即没有或更少第一类型的一个或多个电池模块由于电流和电压纹波(这可能由pwm引起)而干扰电芯电压监测的风险。由于在模拟模式下仅使用一个或几个模块，例如通过pwm实现，这些模块可以配备非常好的滤波器来减少谐波，以避免对离散电池模块的电芯电压监测造成干扰。
18.另外，根据一些实施例，通过接通/旁路大多数电池模块，可以在电池运行时测量开路电压和电流应用到电芯的电压。在部分时间，电池模块将被旁路，并且在该部分时间期间，可以测量被旁路电池模块的每个电芯的开路电压。这实际上给出了比根据现有技术的电池包中可用的信息更多的信息。因此，这可能是本文中的一些实施例的进一步优点。
19.对于至少一些实施例，目的可能是控制电池包的输出电压，并提高电池组件中电芯的利用率，以避免电池组件中容量最弱的电芯限制电池组件的总容量，优选地，同时进行限制，例如就ah而言。
20.电池组件包括多个串联连接的电池模块，其中，每个电池模块的输出电压均以动态方式可控，目的是控制来自电池组件的电压。在一些情况下，来自电池组件的电流也可以同时是可控的，以控制诸如优化、增加、减少等每个电池模块的利用率。利用率可能意味着例如如果特定电池模块在放电期间具有相对较低的充电状态，则可能希望该特定电池模块被较少利用，即在放电期间从该特定电池模块汲取的电流较少。此外，如果另一个特定电池模块在放电期间具有相对较高的充电状态，则可能需要更多地利用该特定电池模块，即从该特定电池模块汲取更大的电流，例如与从电池组件的其他电池模块汲取的电流相比。此外，利用率可能意味着例如如果特定电池模块在充电期间具有相对较高的充电状态，则可能希望该特定电池模块被较少利用，即较少电流被传递到该特定电池模块。此外，如果其他特定电池模块在充电期间具有相对较低的充电状态，则可能希望更多地利用该特定电池模块，即更大的电流被传递到该特定电池模块，例如与传递到电池组件的其他电池模块的电流相比。此外，利用率可能意味着例如如果特定电池模块具有相对低的容量，则可能希望较少利用该特定电池模块，即在充电和/或放电期间从该特定电池模块汲取或传递到该特定电池模块的电流较少。此外，如果其他特定电池模块具有相对高的容量，则可能希望更多地利用该特定电池模块，即在充电和/或放电期间从该特定电池模块汲取或传递更大的电流，例如与从电池组件的其他电池模块汲取或传递的电流相比。
21.在下文中，总结了电池组件的实施例。在技术上可行的情况下，每个特征都可以与任何其他特征相结合。
22.对于本文的实施例，第一信号不同于相应的第二信号。
23.在一些实施例中，第一信号以诸如1-100khz等的固定频率和可变占空比被脉宽调制。
24.在一些实施例中，相应的配置仅指示来自所述每个第二电池模块的一组状态中的一个状态。该组状态包括第一状态，该状态指示所述每个第二电池模块相对于所述每个第二电池模块的相应第二电压将被接通，以及第二状态，该状态指示所述每个第二电池模块相对于所述每个第二电池模块的相应第二电压将被旁路。
25.在一些实施例中，相应的第二信号表示该组状态中的状态。
26.在一些实施例中，包括所述第一电池模块和多个第二电池模块的每个电池模块被
配置为接收第三信号，也称为启用/禁用信号，将所述每个电池模块设置为禁用状态，从而防止电流流经所述每个电池模块。参考上述组状态，在一些示例中，第三状态可能表示禁用状态。然后，该组状态可以包括第三状态。
27.电池组件可以包括控制单元。
28.对于包括控制单元的电池组件的实施例，控制单元被配置为基于测得的通过电池组件的电流是否大于电流的上限阈值来调整第一电压以限制通过电池组件的电流。
29.控制单元可以进一步被配置为应用第一电压，例如将第一信号发送至第一电池模块。因此，调整后的第一电压被应用到第一电池模块。充电时，调整第一电压意味着提高第一电压，放电时，调整第一电压意味着降低第一电压。
30.此外，对于包括控制单元的电池组件的实施例，控制单元被配置为基于测得的通过电池组件的电流是否大于电流的上限阈值来确定至少一个第二电池模块的相应配置。
31.类似地，如上所述，控制单元可以进一步被配置为应用相应的配置，例如将相应的配置发送到所述每个第二电池模块。因此，将相应的调整电压应用到所述每个第二电池模块。充电时，调整相应的调整电压是指提高相应的调整电压，放电时，调整相应的调整电压是指降低相应的调整电压。以这种方式，可以实现在更大范围内对电池组件的电压和/或电流的控制。
32.在一些实施例中，电池组件包括控制单元，被配置为：
33.将第一信号发送到第一电池模块，其中，第一信号是脉宽调制的并且具有占空比，至少基于目标电压确定至少一个第二电池模块的相应配置。
34.将相应的第二信号至少发送到相应配置改变的哪些第二电池模块，获得对电池组件上的实际电压的测量，至少基于目标电压和实际电压之间的差异来执行占空比的确定，并且对第一信号施加占空比。
35.在一些实施例中，该组电池模块的电池模块串联连接以形成电池模块串联连接。该组电池模块中的每个电池模块包括：
36.相应的开关电路，该开关电路用于基于相应的驱动信号将所述每个电池模块包括在电池模块串联连接中或从电池模块串联连接中排除所述每个电池模块，相应的驱动电路，该驱动电路被配置为通过提供基于相应第二信号的相应驱动信号来驱动开关电路。
37.相应的开关电路可以以半桥、全桥等的形式实施。相应的驱动电路可以是专用集成电路(asic)，该专用集成电路被配置为提供相应的驱动信号，该信号用于a)旁路，b)在一个方向上连接，c)断开连接或d)可能在另一个方向上连接，连接到驱动电路的电池模块。
38.因此另一个目的可以是提供一种减轻或至少减少上述问题和/或缺点的方法。
39.根据另一方面，该目的通过一种方法来实现，例如由本文公开的电池组件和/或控制单元执行，以用于在电池组件的充电或放电期间维持电池组件的目标电压。电池组件被配置为旨在输出目标电压。电池组件包括一组电池模块。该组电池模块的电池模块串联连接。该组电池模块包括第一电池模块和多个第二电池模块。发送表示要在第一电池模块上输出的第一电压的第一信号。第一信号可配置为表示能够在第一电池模块上输出的电压范围。第一电压对目标电压有作用。执行通过表示用于所述每个第二电池模块的相应配置的相应第二信号来控制多个第二电池模块中的每个第二电池模块的动作。相应的配置指示所述每个第二电池模块相对于所述每个第二电池模块的相应第二电压是接通还是旁路。取决
于相应的配置，相应的第二电压对目标电压有作用或没有对目标电压作用。基于目标电压确定多个第二电池模块中的至少一个第二电池模块的相应配置。将确定的相应配置应用于所述至少一个第二电池模块。第一电压是目标电压和相应的一组第二电压根据相应的配置基于目标电压与一组相应的对目标电压有作用的第二电压的差值确定的，从而使第一电压与该组相应的第二电压的总和为等于目标电压。施加第一信号所表示的第一电压。此外，重复执行一组动作。这组动作包括：
40.在多个第二电池模块中选择第一组第二电池模块和第二组第二电池模块，将第一组的每个第二电池模块的相应配置设置为接通，将第二组的每个第二电池模块的相应配置设置为旁路，将第一组的每个第二电池模块的相应配置设置为旁路，将第二组的每个第二电池模块的相应配置设置为接通，并且重新应用第一组和第二组第二电池模块的相应配置。
41.在下文中，总结了该方法的实施例。在技术上可行的情况下，每个特征都可以与任何其他特征相结合。
42.在一些实施例中，在第一电压的确定和第一电压的应用之前执行相应配置的确定和相应配置的应用。
43.在一些实施例中，相应配置的确定在第一电压的确定之前执行，并且相应配置的应用在例如第一电压的应用时同时执行。一个优点可以是电池组件的实际输出电压可以比在首先确定和应用相应的配置然后如在前述段落中确定和应用第一电压时更快地接近或甚至达到目标电压。
44.在一些实施例中，选择第一组和第二组是在包括第一组的每个第二电池模块的相应第二电压的第一量对应于包括第二组的每个第二电池模块的相应第二电压的第二量的条件下执行。一个优点可能是，当第一组第二电池模块被切换为第二组第二电池模块时，即，使用不同的措辞交换或替换为第二组第二电池模块时，第一组电压可能不需要调整太多，或者根本不需要调整。
45.在一些实施例中，选择第一组和第二组是在包括第一组的每个第二电池模块的相应第二电压的第一量不同于包括第二组的每个第二电池模块的相应第二电压的第二量的条件下执行。
46.在一些实施例中，基于目标电压和每个第二电池模块的相应第二电压重新确定第一电压，该相应第二电压根据相应配置对目标电压有作用。
47.在一些实施例中，基于多个第二电池模块中的每个第二电池模块的相应剩余容量来选择第一组和第二组第二电池模块。
48.在一些实施例中，该组电池模块中的每个电池模块包括相应的一组电池电芯。
49.在一些实施例中，相应组电池电芯的电池电芯可以串联连接、并联连接或是串联连接的电池电芯和并联连接的电池电芯的组合。
50.根据另一方面，该目的通过一种控制单元来实现，该控制单元被配置为执行本文公开的方法的一个或多个实施例。
51.根据又一方面，该目的通过包括本文公开的控制单元的电池组件来实现。
附图说明
52.本文公开的实施例的各个方面，包括其特定特征和优点，在以下详细描述和附图中进行解释。
53.图1是方框图，图示了电池组件的示例性实施例的简化示意。
54.图2是电路示意图，图示了电池组件的示例性实施例。
55.图3a是另一个电路示意图，图示了图2的示例性实施例。
56.图3b图示出了图3a中已经显示的模拟电池模块。
57.图3c是本发明的另一个实施例，其中模拟电池模块是双极型而不是单极型。
58.图4是流程图，图示了与图1的电池组件相关的示例性方法。
59.图5是方框图，图示出了用于执行图4的方法的示例性电池组件或控制单元。
60.图6是方框图，图示出了电池组件的示例性实施例图。
61.图7是方框图，图示出了根据现有技术如何将两个并联电池组件连接到公共负载或充电电路。
62.图8是示意图，图示出了根据现有技术的两个内阻不同且开路电压不同的电池组件如何不均等共享电流。
63.图9a是方框图，图示出了根据本发明的连接到公共负载或充电电路的两个并联电池组件。
64.图9b是类似于图9a的本发明的另一实施例，其中电池组件仅具有一个控制单元。
65.图9c是类似于图9b的本发明的另一个实施例，其中电池组件内的控制单元具有主从功能。
66.图9d是类似于图9c的本发明的另一个实施例，图示出了控制单元120可以控制模拟电池模块和离散电池模块两者来调节通过电池组件的电压和电流。
67.图10a是示意图，图示出了根据本发明的电池组件如何可以用于在电池组件之间平均共享电流。
68.图10b是示意图，图示出了根据本发明的电池组件如何也可以用于在考虑到许多参数的情况下以另一种更优化的方式在电池组件之间共享电流。
69.图11是控制图，图示出了在并联连接的电池组件的情况下，控制单元如何使用嵌套控制回路来控制电池组件的电流和电压。
70.图12是控制图，图示出了根据本发明的电池组件与电池组件内的控制单元一起如何使用嵌套控制回路来控制电压和限制通过电池组件的电流。
71.图13a示出了与根据本发明的控制单元结合的两个电池组件，该控制单元用于控制流过两个较大的常规电池组件的电流，目的是调节电压并控制在整个电池系统中流动的电流。
72.图13b是本发明的另一实施例，其中一个电池组件与根据本发明的控制单元相结合以用于控制流过两个较大的常规电池组件的电流，目的是调节电压并控制在整个电池系统中流动的电流。
具体实施方式
73.在下面的整个描述中，如果适用的话，相似的附图标记已用于表示相似的特征，诸
如模块、零件、项目、元件、单元等。
74.本文使用了以下术语和表达方式。
75.电池组件的容量在本文中定义为在指定运行条件下可从完全充电的电池组件释放的可用安培小时数。有时也使用术语有用容量来确定容量受到限制以避免电池组件内的单个电芯过度充电或充电不足。当电池变旧或经过多次放电/充电循环后，电池组件的容量通常会随着时间的推移而降低。
76.任何时候的充电状态通常在电池组件的电芯级别上定义，并以百分比值表示可放电电芯容量。当充电状态(soc)为100％时，表示电芯已完全充电，而0％表示电芯已完全放电或达到被认为是安全的定义水平。术语“充电状态”也可用于电池组件级别，在这种情况下，充电状态是指电池组件的当描述为百分比值时的可放电容量。100％的充电状态意味着电池组件已完全充电，而0％的充电状态意味着电池组件已完全放电或达到被认为是安全的定义水平。
77.当电池(诸如电池电芯)退化时，例如由于老化，以安培小时为单位的容量通常会降低，但充电状态仍可能在100％和0％之间变化，具体取决于给定时刻电池组件的放电/充电量。
78.模拟电池模块可以指代被配置为接收第一信号的电池模块，该第一信号表示要在模拟电池模块上输出的第一电压。第一信号可配置为表示能够在模拟电池模块上输出的电压范围。该范围可以包括四个不同值中的至少三个，优选地是更大数量的值或者甚至是连续的值范围。模拟电池模块被配置为由第一信号控制，诸如由脉宽调制pwm信号控制。pwm信号的占空比确定了模拟电池模块110的输出电压达到其最大输出电压的程度。
79.离散电池模块可以指被配置为接收第二信号或配置信号的电池模块。第二信号可以表示“接通”或“旁路”。如果第二信号是“接通”，则接收或接收到第二信号的电池模块上的电压为高，例如考虑到其充电状态，电池模块允许的最高值。如果第二信号是“旁路”，则电流将旁路电池模块内的电芯，该电池模块的电压将为零，或几乎为零。上面提到了“接通”和“旁路”两种状态。可以设想，如本文所述，还存在另外的状态“关闭”。然而，离散电池模块通常可以具有最多三种状态，即三种不同状态。
80.如贯穿本公开所使用的，术语控制单元可以指主控制单元、从控制单元、电池管理系统、能量存储系统控制器、它们的组合等。
81.基本电池模块也可以称为常规电池模块、另一个电池模块、不可控电池模块，例如只有一个永远接通的级别或状态的不可控电池模块。
82.目标值与模拟电池模块上的电流和/或电压相关。在一些情况下，可以将与电流相关的目标值替换为与电压相关的目标值，而在其他一些情况下，可以将与电压相关的目标值替换为与电流相关的目标值。
83.图1描绘了用于在电池组件100的充电或放电期间输出目标电压的示例性电池组件100。这可以指例如电池组件100被配置为将电池组件100上的实际电压控制在目标电压。电池组件100包括一组电池模块bm 110和bm160-180。电池模块110和160-180串联连接。
84.该组电池模块110、160-180包括被示为“模拟bm”的第一电池模块110。第一电池模块110，或一个或多个第一电池模块110，被配置为接收表示要在第一电池模块110上输出的第一电压的第一信号。因此，第一电池模块可以是模拟电池模块。第一信号可配置为表示能
够在第一电池模块110上输出的电压范围。第一电压对目标电压有作用。在一些实施例中，第一信号以诸如1-100khz等的固定频率和可变占空比被脉宽调制。在一个示例中，称为“第一电池模块”或“模拟电池模块”的一个或至少一个电池模块110被配置为由第一信号控制，诸如由脉宽调制pwm信号控制。pwm信号的占空比确定电池模块110的输出电压对电池组件的总输出电压的作用程度。同时，占空比确定将通过电池模块110内的电池电芯的电荷相对于在每个pwm周期期间通过电池组件端子的总电荷的量是多少。pwm信号可以微调电池组件的输出电压，使其接近目标电压。要用作目标电压的特定值通常可以从外部设备传递到控制单元120。可替代地或附加地，特定值可以被硬编码或存储在电池组件和/或控制单元120的存储器中。当第一信号是pwm信号时，第一信号(或本文称为开关频率)可以具有1-100khz的开关频率。在一些另外的示例中，pwm信号可以具有可变频率。
85.此外，该组电池模块110、160-180包括多个被示为“离散bm”的第二电池模块160-180。多个第二电池模块160-180中的每个第二电池模块160、170、180被配置为接收相应的第二信号，该信号表示所述每个第二电池模块160、170、180的相应配置。相应的配置指示所述每个第二电池模块160、170、180相对于所述每个第二电池模块160、170、180的相应第二电压是接通还是旁路。取决于相应的配置，相应的第二电压对目标电压有作用或没有作用。因此，当配置指示“接通”时，相应的第二电压对目标电压有作用，并且类似地，当配置被“旁路”或“关闭”时，相应的第二电压对目标电压没有作用。在一个示例中，称为“第二电池模块”或“离散电池模块”的一组电池模块160-180由作为第二信号的示例的接通/旁路信号控制。如果信号为“接通”，则接收或接收到信号的电池模块上的电压将对电池组件的输出电压完全有作用，并且通过电池组件端子的相同电流也将通过电池模块内的电池电芯。如果信号是“旁路”，则电流将旁路模块内的电芯，并且该电池模块的电压不会对总电池组件电压，即电池组件上的总电压，即在端子105、106之间测得的电压有作用。从控制的角度来看，这使得控制单元120可以在多个离散步骤中控制电池组件的输出电压。这种离散步长的大小对应于所考虑的第二电池模块的电压。对于某些用例，可能希望如果信号为“接通”，则相关电池模块的电压可能仅几乎完全作用于输出电压，如果信号为“旁路”，则该电池模块的电压将仅对总电池组件电压的作用很小。作为一个示例，相应的第二信号可以携带诸如零、几乎为零等的低值以指示“旁路”，并且相应的第二信号可以携带诸如一、几乎一等的高值以指示“接通”。
86.如图1所示，第一和第二信号可以-原则上取决于实施方式，由一条相同的通信线携带，但是如参考图3更详细地所示，第一和第二信号可以使用不同的通信线。
87.在一些实施例中，相应的配置仅指示来自所述每个第二电池模块160、170、180的一组状态中的一个状态。该组状态包括第一状态，诸如以上示例中的“接通”，该状态指示所述每个第二电池模块160、170、180相对于所述每个第二电池模块160、170、180的相应第二电压将被接通，以及第二状态，诸如“旁路”或“关闭”，在上面的示例中，该状态指示所述每个第二电池模块160、170、180相对于所述每个第二电池模块160、170、180的相应第二电压将被旁路。
88.在一些实施例中，相应的第二信号表示该组状态中的状态。对于该组状态中的每个状态，相应的第二信号可以具有相应的幅度或电平。在只有两种状态的情况下，第二信号可以是二进制数字信号。
89.如所提到的，对于本文的实施例，第一信号不同于相应的第二信号和/或第二信号。
90.此外，图1所示的电池组件100通常具有两个端子，一个正端子105和一个负端子106。端子105、106可以连接到电动车辆或各种电力系统中的直流(dc)电压母线。直流电压母线可用于多种用途，诸如经由逆变器向交流电动机或交流电网传递电力或从其接收电力，向其他电池组件传递电力或从其接收电力，向直流电动机传递电力或从其接收电力，从太阳能电池、从燃料电池等接收电力。
91.如上所述，电池组件可以包括控制单元120。
92.对于包括控制单元的电池组件的实施例，控制单元120被配置为基于测得的通过电池组件100的电流是否大于电流的上限阈值来调整第一电压以限制通过电池组件100的电流。
93.控制单元120可以进一步被配置为应用第一电压，例如将第一信号发送至第一电池模块110。因此，调整后的第一电压被应用到第一电池模块110。充电时，调整第一电压意味着提高第一电压，放电时，调整第一电压意味着降低第一电压。
94.此外，对于包括控制单元的电池组件的实施例，控制单元120被配置为基于测得的通过电池组件100的电流是否大于电流的上限阈值来确定至少一个第二电池模块160、170、180的相应配置。
95.类似地，如上所述，控制单元120可以进一步被配置为应用相应的配置，例如将相应的配置发送到所述每个第二电池模块160、170、180。因此，将相应的调整电压应用到所述每个第二电池模块。充电时，调整相应的调整电压是指提高相应的调整电压，放电时，调整相应的调整电压是指降低相应的调整电压。以这种方式，可以实现在更大范围内对电池组件的电压和/或电流的控制。作为一个示例，可以通过以下方式确定配置：
96.·
为满足一定的输出电压，同时为模拟电池模块提供合适的控制余量，主要用于快速微调输出电压，以使并联电池组件之间的电流平衡成为可能，
97.·
将离散电池模块内的电芯的soc保持在大致相同的水平，以便最好地利用每个离散电池模块的容量，
98.·
将模拟电池模块的soc保持在安全水平，
99.·
控制电池组件内的温度分布，
100.·
限制离散电池模块的温度纹波，
101.·
增加或优化每个离散电池模块中的电芯寿命，电芯寿命可以是每个离散电池模块被旁路或接通的频率的函数。
102.在一些实施例中，电池组件100包括控制单元120。控制单元120被配置为：
103.将第一信号发送到第一电池模块110，其中，第一信号是脉宽调制的并且具有占空比，并且至少基于目标电压确定至少一个第二电池模块160、170、180的相应配置。
104.控制单元120进一步被配置为：将相应的第二信号至少发送到相应配置改变的那些第二电池模块160、170、180，获得对电池组件100上的实际电压的测量，至少基于目标电压和实际电压之间的差异来执行占空比的确定，并且对第一信号执行占空比的应用。
105.当控制单元120发送相应的第二信号时，可能意味着相应的配置被应用或激活。因此，电池组件100上的实际电压发生变化。
106.电池组件100上的实际电压可以以许多不同的方式来测量。例如，可以将实际电压确定为电池组件100的端子105、106之间的测量值。可替代地或附加地，实际电压可以被确定为每个电池电芯或电池模块上的测量值的总和。
107.控制单元120可用于控制串联连接的电池模块110、160-180。以这种方式，可以控制正极端子105和负极端子106之间的电池组件100的输出电压，并且可选地，同时控制有多少电荷通过不同的电池模块110、160-180中的每一个(平均而言)，以便有效地利用每个电池模块110、160-180。参见图3，该组电池模块110、160-180中的每个电池模块110、160-180通常包括相应的一组电池电芯113、163、173。相应组电池电芯113、163、173的电池电芯可以串联连接、并联连接或是串联连接的电池电芯和并联连接的电池电芯的组合。电池电芯，或简称电芯，可以是电化学电芯、锂离子电芯等。
108.控制单元120可进一步包括在电池组件100中。在一些示例中，电池组件100具有共同的外壳，控制单元120和电池模块110、160-180都包含在该外壳中。在其他示例中，每个电池模块可以有一个单独的外壳，而控制单元120可以有另一个单独的外壳。用于电池模块的单独外壳可以使电池模块容易添加到电池组件100或从电池组件100移除。例如，添加或移除电池模块以增加总电压，更换新电池模块。
109.在一些实施例中，包括所述第一电池模块110和多个第二电池模块160-180的每个电池模块110、160-180被配置为接收将所述每个电池模块110、160-180设置为禁用状态以防止电流流过所述每个电池模块110-113的第三信号。在禁用状态下，可以停止通过相应的第二电池模块160-180的电流，或至少在经过一段时间后停止。这在故障的情况下可能是有利的，诸如短路、电芯/模块过热等。由于禁用状态停止或最终停止，通过电池组件100的电流，可以避免对持有或靠近电池组件100的人造成可能伤害。
110.图2图示了示例性电池组件100的更详细表示。如图1所示，电池组件100包括电池模块(bm)110、160、170。为了不影响附图的清晰性，重点一直放在描述如何实施实施例上。该组电池模块110、160、170的电池模块110、160、170串联连接以形成电池模块串联连接。该组电池模块110、160、170中的每个电池模块110、160、170因此可以包括相应的开关电路(sc)112、162、172，以用于基于相应的驱动信号将所述每个电池模块110、160、170包括在电池模块串联连接中或从电池模块串联连接排除所述每个电池模块110、160、170，以及相应的驱动电路(drc)111、161、171，该驱动电路被配置为基于相应的第二信号通过提供相应的驱动信号来驱动开关电路112、162、172。
111.如前所述，根据本文一些实施例的电池组件100可以包括两种类型的电池模块：
112.·
离散电池模块，例如可以用离散信号诸如(-1,0,1)，或二进制信号诸如例如0、1进行控制。
113.·
模拟电池模块，可以用模拟信号，例如用信号范围为-1到1或0到1的模拟信号进行控制。
114.离散电池模块和模拟电池模块都包括一组电池电芯，其中至少一个电芯串联，但通常使用几个串联的电芯，诸如3-6个串联的电芯甚至更多串联的电芯。每个电池模块中的串联电池的数量取决于电池组件100的应用和电池组件的总输出电压。一般来说，从成本的角度来看，将具有更多串联电芯的模块用于具有大输出电压的电池组件可能是有利的。每个电池电芯还可以包括至少一个或多个并联的电池电芯，以使模块能够处理以ah为单位的
特定容量。
115.电池电芯是电化学电芯。目前，锂离子型电化学电芯是许多应用的主要电芯类型，但也可以使用其他类型的电化学电芯。
116.两种类型的模块都可以包括电力电子元件。电力电子拓扑通常采用半桥或全桥的形式，有时也称为h桥，但不限于此。全桥的优点是电流方向和通过电池模块的电力可以反向，从而提供了更大的灵活性。在下文中，我们将可以使通过电池电芯的电流方向反向而与电池端子中的电流无关的电池模块(例如使用全桥)称为双极电池模块而将通过电芯的具有相同电流方向(如在电池端子中)的电池模块称为单极电池模块(例如使用半桥)。
117.如果使用双极电池模块，
118.·
双极离散电池模块可以利用离散信号[-1,0,1]进行控制。
[0119]
·
双极模拟电池模块可以利用模拟信号，例如利用信号范围从-1到1，优选地从-1连续到1的模拟信号进行控制。
[0120]
如果使用单极电池模块而不是双极电池模块，则以下内容有效：
[0121]
·
单极离散电池模块可以利用离散信号[0,1]，诸如数字二进制信号进行控制。
[0122]
·
单极模拟电池模块可以利用模拟信号，例如利用信号范围从0到1，优选地从0连续到1的模拟信号进行控制。
[0123]
作为一个示例，电池组件100中的大多数电池模块是离散电池模块类型，即本文也称为第二类型。一个或仅几个电池模块是模拟电池模块类型，即本文也称为第一类型，其主要功能是微调来自电池组件100的输出电压并控制或限制从电池组件传递的电流。由于大多数电池模块属于第二种类型，因此设置控制单元以配置这些模块以提供合理接近目标电压的输出电压，同时也为了有效使用这些电池模块，例如在电池组件生命周期内的容量、温度和充电状态方面。
[0124]
因此，电池组件100的输出电压可以由以下一般等式定义：
[0125]vbattery assembly
＝n1xv1+n2xv2+
…nn
xvn+a1xu1+
…am
xum，其中n是离散电池模块的数量，m是模拟电池模块的数量，vi是电池模块i上的最大电压，ni＝[-1,0,1]或ni＝[0,1]，且-1《aj《1或0《aj《1。
[0126]
在一些示例中，仅使用单极电池模块，而在其他示例中，使用单极和双极电池模块的组合。
[0127]
从以上一般等式推导出，仅使用单极电池模块的电池组件100的输出电压将由以下等式定义：
[0128]vpack
＝n1xv1+n2xv2+
…nn
xvn+a1xu1+
…am
xum，其中n为离散电池模块的数量，m为模拟电池模块的数量，ni＝[0,1]并且0《aj《1。
[0129]
从以上一般等式推导出，使用双极电池模块的电池组件100的输出电压将由以下等式定义：
[0130]vpack
＝n1xv1+n2xv2+
…nn
xvn+a1xu1+
…am
xum，其中n是离散电池模块的数量，m是模拟电池模块的数量，ni＝[-1,0,1]和-1《aj《1。
[0131]
在一些实施例中，可以使用单极和双极电池模块两者。然而，大多数电池模块通常是离散类型，以节省损失和成本。
[0132]
由于成本原因，电池组件100通常包括与单极模拟电池模块或双极模拟电池模块
组合的单极离散电池模块。
[0133]
根据本文的至少一些实施例，在具有可控直流输出电压的电池组件100中使用的离散电池模块的特征可以在于传递到这些电池模块的第二信号可以定期或不定期地更新。因此，可以不定期地或定期地更新第二信号，诸如发送、配置等。如果定期更新第二信号，则可以例如以在0.01-10hz的范围内的更新频率更新第二信号。第二信号的更新或发送可以由多种条件触发，诸如由测量值达到阈值等触发，参见下文中的“主要原因”。换句话说，如果定期更新，它的平均频率可能会很慢，通常不超过每秒10次，或者更常见的是每分钟只有几次，例如工作时在0.01-10hz的频率范围内，诸如传递目标电压时放电。如果电池组件100没有被使用或者如果它以非常低的功率电平使用，频率甚至可以低于0.01hz，并且如果它根本不使用，它可以下降到接近0hz的值，或者甚至0赫兹。这意味着可以发送第二信号，例如以0.01-10hz的频率从控制单元120发送到多个第二模块160、170。
[0134]
在某些用例中，可能需要以高于10hz的频率更新配置。例如，如果来自电池组件的电压应在特定时间内从零电压上升到特定电压，例如启动设备操作，则可能出现这种情况。另一种情况是电池组件的电压是否需要快速升高或降低以限制流入或流出电池组件的电流。在这种或类似的情况下，更新频率可以远高于10hz，至少在短时间间隔期间，诸如100ms到1s等。
[0135]
从控制单元发送到所有离散电池模块的离散信号的组合称为“配置”或配置信号，其中每个离散电池模块接收相应的配置或相应的配置信号。作为一个示例，可以存在一个配置信号，包括用于每个电池模块的相应信号部分。人们还可以设想，每个电池模块可能有相应的配置信号。很可能，一个且相同的配置信号到达所有多个第二电池模块，其中配置信号包括用于多个第二电池模块中的每个第二电池模块的相应配置信号。如所提到的，配置信号的相应配置确定所述每个第二电池模块160、170是否被接通或被旁路或甚至被断开，例如使用禁用信号，以提高故障时的安全性。
[0136]
在具有可控直流输出电压的电池组件100中，控制单元120通常可以在某个固定频率下，通常在0.01-10khz的频率下评估是否需要新配置。向离散电池模块发送新配置的频率将取决于向或从电池模块传递多少电流或功率。功率越高，需要新配置的频率就越高。更改配置的一些主要原因包括但不限于：
[0137]
·
保持电池组件输出电压合理接近目标值；
[0138]
·
平衡每个电池模块的利用率，使电池模块根据模块的可用容量使用；
[0139]
·
尽量减少模块之间的温度偏差，并限制每个电池模块的温度纹波；
[0140]
·
避免电池模块中的任何单个电池电芯具有过高或过低的充电状态或过高的温度，因为这可能会降低电池电芯的性能；
[0141]
·
以适当的余量将一个或多个模拟电池模块保持在控制范围内。
[0142]“配置”是动态更改的。在具有可控直流输出电压的电池组件100中，配置经常被改变，使得作为相应第二信号和/或第二信号的示例的两个或更多个离散信号将同时或接近同时改变。通常，接通一个离散电池模块，同时旁路另一个离散电池模块。这可以通过同时向这些离散电池模块发送新配置来完成。如果使用通信总线，这也可以通过首先向即将需要更改配置的模块发送新配置、然后发送触发新配置的触发信号来实现。因此，触发信号会激活每个电池模块，例如在多个第二电池模块中的每个电池模块的一个或多个配置。
[0143]
一个或多个模拟电池模块的特征在于，发送到一个或多个模拟电池模块的第一信号，诸如模拟控制信号，由控制单元连续控制。控制单元更新第一信号有两个主要原因，但不限于：
[0144]
·
将电池组件输出电压保持接近目标电压或在一定电压范围内；
[0145]
·
微调目标电压，使得流入或流出电池组件100的电流接近限制在特定电流范围内的特定目标电流。
[0146]
同时，控制单元还需要保持模拟电池模块安全并处于正确的充电状态。控制单元还可以更新第一信号以实现以下项目：
[0147]
·
平衡一个或多个模拟电池模块的利用率，使得根据模块的当前容量使用电池模块；
[0148]
·
避免模拟电池模块中的任何单个电池电芯具有过高或过低的充电状态或过高的温度，因为这可能会降低电池电芯的性能；
[0149]
·
以适当的余量将一个或多个模拟电池模块保持在控制范围内。
[0150]
从控制单元传递第一信号的一种常见方式是具有可变占空比的pwm信号的形式。因此，占空比携带模拟信息，例如指定模拟电池模块上的总电压的一部分，该部分应对电池组件的目标电压有贡献，并对模拟电池模块有贡献。在这种情况下，pwm信号可以直接用于控制模拟电池模块bm 110中的开关电路sc 112。典型的开关频率可以在1-100khz的范围内。具有更高开关频率的好处有两个：首先，滤波器-参见图3，滤波器119-可以做得更小，其次，它使控制单元120能够以更短的延迟时间和更高的精度完成上述控制任务。缺点是使用非常高的开关频率会增加开关电路的开关损耗。
[0151]
离散电池模块和模拟电池模块两者都可以由第三信号(称为启用/禁用信号)控制。启用/禁用信号可以向电池模块发信号通知它应该“禁用”，意味着发送禁用信号，或者应该启用，意味着发送启用信号。例如，禁用信号可以指示低值，诸如零，而启用信号可以指示高值，诸如一。在正常运行期间，所有电池模块均被启用。如果电池组件100未在使用中，则可以禁用电池模块。在所有电池模块从启用状态变为禁用状态的情况下，意味着电池模块内的所有晶体管都关闭，电池组件100中的作为一个整体的所有电池模块中的电流将非常快速地下降到一个低值，通常至少在大多数应用中，这取决于电池组件100连接到哪个外部电路，或者甚至为零。因此，禁用信号还可以用于在各种故障情况下保护电池组件100，诸如过流、短路电流、过热、电池外壳的隔离失败以及在车辆事故的情况下，以限制各种风险。
[0152]
禁用信号也可用于关闭电池组件的输出电压，包括电池组件100内部的电池模块上的电压和朝向电池组件100外部的端子处的电压。这在使用等期间是有利的。因此，在许多情况下，电压可以保持在电气安全水平(《60vdc)，例如出于人身安全原因。
[0153]
在典型的应用中，在例如400-800v的电池输出电压的情况下，会有大量的第二电池模块160、170，它们将由第二信号，诸如二进制数字信号控制。例如，如果每个第二电池模块包括4个串联连接的电芯，其标称电压为14-15v，典型电压范围为12-17v，则第二电池模块160、170的数量可以是例如36-72个模块，因为电池组件100通常还包括一些冗余模块。这也意味着在所有第二电池模块160、170都是相同类型的情况下，控制单元120可以以12-17v的步长控制输出电压。这意味着步长可以从12v变化到17v，并且实际可用的一个或多个步长当然由第二电池模块160、170上的实际电压给出。包括或不包括实际电压为14v的第二电
池模块，即步长为14v。优选地，测量所考虑的第二电池模块160、170上的闭路电压。
[0154]
控制电池组件100的一种典型方式是控制电池组件100在放电时，即在放电期间具有恒定的输出电压。假设电池组100充满电且每个模块的输出电压接近最大电压。在这种情况下，通常会控制65％-70％的模块接通，其余模块将被旁路。为了在电池电芯放电时维持输出电压，旁路电芯的数量将缓慢减少，直到电池放电时旁路电芯的数量可以低至5-10％。为了控制每个模块的充电状态，被旁路的模块将作为时间的函数缓慢变化，因此每个电池模块的剩余充电状态是平衡的。控制单元通常会选择一个新的电池模块被旁路，同时接通一个被旁路的模块。旁路的模块将在电池组件中缓慢环绕。为了补偿电芯电压的下降，将使用模拟电池模块，直到需要再接通一个或多个第二模块。
[0155]
由用于微调电池组件100的输出电压的第一信号(诸如pwm信号)控制的第一电池模块110(最小一个)需要具有足够大的控制范围，以便能够补偿在选择离散电池模块的新配置时将发生的输出电压阶跃。优选地，电池组件100被设计成使得输出电压可以被连续控制，至少在电池组件的正常工作范围内。在一些示例中，可能不需要完全连续地控制输出电压，可以以小步长控制输出电压就足够了，其中步长的电压差取决于电池组件100的使用情况。
[0156]
确保第一电池模块或可能是“第一电池模块”的控制范围的一种方式是在电池组件100中具有例如由第一信号，或者更确切地说由相应的第一信号控制的两个第一电池模块，且每个第一电池模块的模拟输出范围与第二电池模块的离散输出电压相近。这提供了一个几乎是最低要求的两倍的工作范围。因此，通常可以实现足够的控制范围。
[0157]
另一种方法是使用一个pwm可控电池模块，其中输出电压也可以改变方向，从-v改变为+v。这可以通过使用全桥电路控制电池模块来实现，其中电池电流可以在任一方向通过电池电芯或旁路该电池模块的电芯。
[0158]
在一个实施例中，第二电池模块160、170不是同一类型。例如，这些第二电池模块可以是两种类型，一种包括串联的n个电池，另一种包括串联的m个电池，其中m和n为正整数且m》n。由于m-n》0，将是这两种类型的第二电池模块之间存在等于一个电芯电压的整数倍的输出电压差。如果电芯是锂离子电芯类型，这是一种广泛使用的电芯类型，则模块电压的差异通常在3-4v之间。在这种情况下，控制单元120可以以3-4v的离散步长控制输出电压。这不能从零电压上升到最大输出电压完成，但可以在电池正常运行的输出电压的特定范围内利用这种类型的控制。通过将类型数量增加到三种类型，例如使用2节、3节或4节电池串联或3节、4节和5节电池串联的电池模块的组合，可以通过这种方式覆盖很大一部分控制范围。对于本实施例，通常使用一个半桥配置的pwm型电池模块就足以提供足够的控制范围。
[0159]
也可以禁用或断开至少一些电池模块。这可能意味着开关电路断开电池模块的电芯。更详细地，在半桥的情况下，两个晶体管都关闭，只有晶体管中的内部二极管可以传导电流。这提供了完全断开电池模块的机会，这意味着在大多数情况下，输出电压将快速变为低值，甚至为零，并且电池组件100不能提供任何电力。只要充电器在最大输出电压方面具有与电池组件100的标称电压相协调的限制，就可以以这种方式停止电池组件100的充电。
[0160]
在充电期间，控制单元120可接收不同的目标电压。
[0161]
·
当电池组件100从逆变器充电时，这发生在再生制动时的车辆中，维持电池的输出电压恒定通常是有益的。
[0162]
·
如果电池组件100在车辆中并且如果它从直流快速充电站充电，则可以对目标电压使用不同的控制策略。可以模拟恒流-恒压(cc-cv)充电方法，其中充电电流在升到特定电压电平时保持恒定，并且充电电压允许随时间变化，直至升到该最大电压。当电压达到电压限制时，可以减小充电电流，保持电压恒定。这是通常用于为电池组件充电的方法。
[0163]
·
然而，也可以从等于或低于电池组件100的标称输出电压的恒定直流电压源为这种类型的电池充电。在这种情况下，电池组件100将通过微调电池电压来控制充电电流。
[0164]
·
也可以从可变电压源(例如太阳能光伏(pv)装置)或从具有可变输出电压的燃料电芯为这种类型的电池充电。在这种情况下，可以应用不同的控制策略来提高甚至最大化太阳能光伏装置或燃料电芯的效率。
[0165]
这种类型的电池模块也可以用于充电站或执行车辆对车辆的充电。由于可以在放电期间控制输出电压，因此电池模块可以使用cc-cv充电方法为另一个电池充电。
[0166]
图3图示了本文公开的电池组件100的更详细的示例。
[0167]
在这两个图中，离散电池模块(bm 160、bm 170)的数量限制为两个，以使图更易于查看，但通常会有更多这些模块。
[0168]
每个电池模块(bm 110、bm 160、bm 170)都有一个驱动电路drc 111、drc 1611、drc 171。
[0169]
驱动电路有多种用途。通常驱动电路包括一个ic电路，用于测量每组电池电芯113、163、173内的每个电芯的电芯电压。该ic电路通常还监测该组电池电芯113、163、173或该组内的每个电芯的温度。ic电路通常还为每个电芯配备开关电阻器，以用于在每组电池电芯内执行主动电芯平衡。具有高充电状态或高电芯电压的电芯可以使用开关电阻器稍微“放电”，以便在每组电池电芯中更好地平衡电池。这种类型的ic电路通常还具有集成的通信链路，以用于与控制单元120进行通信。图3所示的通信链路类型是所谓的菊花链通信链路，包括用于通信信号的电隔离的电路117、118、167、177和用于传输信息的两条线路136、137。隔离电路117、167、177通常使用串联电容器与一些滤波器部件一起进行隔离。隔离电路118是特殊的，因为该电路需要将电池组件100的一侧与另一侧隔离，并且这里可以例如使用信号变压器来支持更高的隔离电压。一个驱动电路drc 111具有另一个双向通信链路123。驱动电路drc 111用作网关以将信息传输到控制单元120内部的微控制器121和从微控制器121传输到菊花链通信链路。通信链路123向微控制器121提供每个电池电芯的电芯电压和每组电芯或每个电芯的温度的信息。微控制器还可以基于此信息命令在需要时每组电芯内的主动电芯平衡。以上本节中提到的有关驱动电路drc 111、drc 161、drc 171的内容是根据当今的技术水平，并且这种类型的功能和电路已经在现有的电池组件中使用。
[0170]
在此上下文中，可以重复的是，在一些实施例中，该组电池模块110、160-170中的每个电池模块110、160-170包括相应的一组电池电芯113、163、173。在一些实施例中，相应组电池电芯113、163、173的电池电芯可以串联连接、并联连接或是串联连接的电池电芯和并联连接的电池电芯的组合。
[0171]
上面讨论的通信链路是如何在电池组件中实现通信的一个示例。还有其他几种已经建立的执行此类通信的方法，诸如隔离的控制器局域网(can)通信或隔离的串行外设接口(spi)通信(通常两个链路并行以提供冗余链路)。然而，在其他示例中可以使用其他类型的通信链路。也可以使用光通信或无线电通信作为通信链路。
[0172]
现在，根据图3的示例，驱动电路drc 111、drc 161、drc 171还包括用于驱动开关电路sc 112、sc 162、sc 172的驱动器。开关电路sc 112，以及sc 162和sc 172，每个都包括半桥配置的两个相应的晶体管175、176。晶体管通常是低压mosfet，但也有其他类型的晶体管，例如可以使用jfet。晶体管的典型阻断电压可以是20-60v，这具体取决于每组电池电芯中连接的电池电芯的数量。取决于电池组件100的额定电流，典型的额定电流可以是20a到500a。在较高电流范围的情况下，每个晶体管符号可以表示并联连接的多个晶体管，以处理具有足够低损耗的电流。晶体管可以在两个方向上传导电流，但它们通常只能阻断一个方向上的电压。
[0173]
驱动电路drc 311和drc 312控制相应开关电路sc 211和sc 212的状态。
[0174]
开关电路sc 212、sc 211具有两种正常状态，分别为“旁路”、“接通”，这被称为离散电池模块的配置。
[0175]
·
在“旁路”状态下，电流将从一组电池电芯中旁路。在这种情况下，下晶体管175将接通，而上晶体管176将断开。
[0176]
·
在“接通”状态下，电流将通过一组电池电芯。上晶体管176将接通而下晶体管175将断开。
[0177]
下一个要使用的配置将使用通信链路123从微处理器121传输，并使用通信链路136、137通过多个驱动电路drc 111、drc 161、drc 171和隔离器117、167、177、118进一步传输到所有离散电池模块(bm 160、bm 170)。
[0178]
在特定时间，新配置将被应用，微处理器121向所有离散电池模块发送触发信号以触发新配置。触发信号可以优选地通过通信线路125、通过隔离器164和174发送。隔离器164和174例如可以是光耦合器或信号变压器的类型。可替代地，触发信号可以通过与用于设置要使用的新配置的通信链路(如果该链路提供足够好的定时精度)相同的通信链路发送。具有触发信号的原因是在所有离散电池模块上同时应用新配置，这些电池模块将以足够好的定时精度(大约1us)更改配置。
[0179]
开关电路还有一种可能的状态，该状态对所有开关电路sc 112、sc 162、sc 172均有效。这是禁用状态。在这种情况下，所有开关电路中的所有晶体管都被断开，并且禁用状态可以用于非常快速地断开通过电池组件100的电流。在这种情况下，电池电流将流过开关电路中晶体管内部的内部二极管，直到电流降至零。禁用状态还可用于在不使用电池时断开电池组件100的电压。
[0180]
可以使用线路124和线路125从微处理器121发出信号通知禁用状态。为了区分触发信号和禁用信号，可以使用信号编码。作为一个示例，应用一定时间的低电压(无信号)可用于触发禁用状态，高信号可用于使所有驱动器电路能够正常运行，并且在高信号顶部的极短低电压脉冲，例如1us脉冲
–
持续时间为1微秒(us)的脉冲，可用于触发脉冲。可替代地，可以使用其他编码信号的方式，或者可以使用几条独立的信号线来传输不同的信号。如果这提供了足够好的定时精度和响应时间，也可以使用前面提到的“菊花链通信线路”从微处理器发出禁用/启用状态的信号，该菊花链通信线路使用通信线路123(和菊花链链路136、137，其中信号通过所有驱动电路111、161、171和隔离器117、167、177和118)。
[0181]
电池模块110，即第一电池模块，不同于其他电池模块，因为来自该电池模块的电压可以根据使用从微控制器121通过信号线122发送到驱动电路drc111的脉宽调制信号的
模拟值来完全控制。驱动电路drc 111被设计成以高开关频率(通常在1-100khz的范围内)驱动开关电路sc 112。开关电路sc 112包括两个晶体管，但在半桥配置中，还包括一个跨过半桥并与一组电池电芯113并联的电容器。与在非常高频率下的一组电池电芯113相比，电容器将减少在高开关频率下运行的开关晶体管中的开关损耗并且具有更低的阻抗。电池模块110的输出电压将由滤波器119滤波以具有低纹波电压和纹波电流，通常使用电感器、电容器和可选的电阻器的组合来提供滤波器的一些阻尼。电感器可以放置在模拟电池模块110的正极或负极端子处。在附图中，电感器被置于负极端子处。驱动电路drc 111与开关电路sc 112和滤波器119相结合将使通过一组电池电芯113的电流成为通过电池组件100的电流的一部分，其中该部分可以由，例如信号线126上的pwm信号控制在0％至100％之间，由于驱动电路drc 111和开关电路sc 112的限制，实际上通常被控制在1-2％至98-99％之间。
[0182]
通常使用分流电阻器114和放大器115测量流过电池组件100的电池端子电流，产生表示通过信号线116传递到微控制器121的电流的模拟电压。
[0183]
微控制器可以将测得的电池电流用于多种用途，诸如：
[0184]
·
计算作为时间函数的通过相应组电池电芯的电荷。为了确定这一点，需要每个离散电池模块的电流和状态两者与时间的关系以及传递到电池模块bm 110的pwm信号的占空比信号。
[0185]
·
计算电池组件中相应电池电芯的充电状态和容量状态。为此，还需要电芯温度和电芯电压。
[0186]
·
控制或限制来自电池组件的电池电流。
[0187]
电池组件100进一步包括可选的第二滤波器134以从整个电池组件中过滤电流和电压。例如，该滤波器可用于滤除在应用电池组件的新配置时将发生的输出电压和电流的干扰。可替代地，滤波器134和滤波器119可以组合成用于两个目的的一个滤波器。
[0188]
电池组件100进一步包括一个分压器133，该分压器用于将电池电压分压成合适的电压电平，该电压电平可以在通过运算放大器132后作为信号线131上的电压信号传递给微控制器。
[0189]
控制单元120和微控制器121用电压信号131来控制电池的输出电压，使得输出电压接近目标电压。
[0190]
目标电压可以通过通信总线127传递到控制单元120，并经由隔离电路128传递到微控制器121。例如，这可以使用隔离的can总线驱动器来实现，在这种情况下，线路125表示can总线通信链路。由于安全原因，通常具有到电池组件100的冗余通信链路，因此127和128在这种情况下可以表示两个冗余通信链路。
[0191]
控制单元120还可以获得电流126的目标值作为外部设备的输入。该目标值也可以通过隔离器提供，但在许多情况下这不是必需的。电流的目标值是在电池组件将用于多个电池组件并联的应用中的情况下提供的。然后，优选地，在电池组件之间或根据相应电池组件的容量或根据每个电池组件的当前电荷状态，在电池组件之间尽可能均等或均匀地分配电流，以平衡电池组件在放电和充电期间的状态。参考图10a和10b。
[0192]
控制单元还可以获得外部直流母线上的电压129的测量值，其中电压129是在远处的负载点处测量的。如果电池模块设置为控制远处负载点的电压而不是控制电池端子处的电压131，则可以使用该电压代替内部电压131。此外，可以通过隔离器提供此信息，但在某
些情况下，这可能不是必需的。
[0193]
在图4中，描述了用于在电池组件100的充电或放电期间维持电池组件100的目标电压的示例性方法。该方法可以由电池组件100和/或控制单元120执行。电池组件100被配置为旨在输出目标电压。
[0194]
如上所述，电池组件100包括一组电池模块110、160-180。电池模块110、160-180串联连接。该组电池模块110、160-180包括第一电池模块110和多个第二电池模块160-180。
[0195]
可以执行以下动作中的一项或多项。
[0196]
动作a010
[0197]
电池组件100和/或控制单元120发送表示要在第一电池模块110上输出的第一电压的第一信号。第一信号可配置为表示能够在第一电池模块110上输出的电压范围。第一电压对目标电压起作用。
[0198]
动作a020
[0199]
电池组件100和/或控制单元120通过相应的第二信号控制多个第二电池模块160-180中的每个第二电池模块160、170、180，该第二信号表示用于所述每个第二电池模块160、170、180的相应配置。相应的配置指示所述每个第二电池模块160、170、180相对于所述每个第二电池模块160、170、180的相应第二电压是接通还是旁路。相应的第二电压对目标电压起作用或没有对目标电压起作用，取决于相应的配置。
[0200]
动作a030
[0201]
电池组件100和/或控制单元120基于目标电压确定多个第二电池模块160-180中的至少一个第二电池模块160、170、180的相应配置。
[0202]
动作a040
[0203]
电池组件100和/或控制单元120将确定的相应配置应用于所述至少一个第二电池模块160、170、180。
[0204]
动作a050
[0205]
电池组件100和/或控制单元120基于目标电压与根据它们相应的配置对目标电压起作用的一组相应的第二电压之间的差值来确定第一电压，其目的在于使第一电压和该组相应的第二电压的总和等于目标电压。
[0206]
在一些实施例中，相应配置的确定a030和相应配置的应用a040在第一电压的确定a050和第一电压的应用a060之前执行。
[0207]
在一些实施例中，相应配置的确定a030在第一电压的确定a050之前执行，并且相应配置的应用a040在例如第一电压的应用a060时同时执行。
[0208]
动作a060
[0209]
电池组件100和/或控制单元120应用将由第一信号表示的第一电压。
[0210]
动作a070
[0211]
电池组件100和/或控制单元120重复执行一组动作，包括下面的动作a080至动作a110。
[0212]
动作a080
[0213]
电池组件100和/或控制单元120在多个第二电池模块111-113中选择第一组第二电池模块160和第二组第二电池模块170、180。第一组的每个第二电池模块160、170、180的
相应配置被设置为接通。第二组的每个第二电池模块160、170、180的相应配置被设置为旁路。
[0214]
在一些实施例中，在包括第一组的每个第二电池模块160、170、180的相应第二电压的第一量对应于包括第二组的每个第二电池模块160、170、180的相应第二电压的第二量的情况下，有条件的执行第一组和第二组选择。
[0215]
在一些实施例中，在包括第一组的每个第二电池模块160、170、180的相应第二电压的第一量不同于包括第二组的每个第二电池模块160、170、180的相应第二电压的第二量的情况下，有条件的执行第一组和第二组选择。
[0216]
动作a090
[0217]
电池组件100和/或控制单元120将第一组的每个第二电池模块160、170、180的相应配置设置为旁路。
[0218]
动作a100
[0219]
电池组件100和/或控制单元120将第二组的每个第二电池模块160、170、180的相应配置设置为接通。
[0220]
动作a110
[0221]
电池组件100和/或控制单元120重新应用第一组和第二组第二电池模块160、170、180的相应配置。
[0222]
动作a120
[0223]
电池组件100和/或控制单元120可以基于每个第二电池模块160、170、180的目标电压和相应的第二电压重新确定第一电压，其中相应的第二电压根据根据相应的配置对目标电压起作用。
[0224]
因此可以定期或不定期地重新确定第一电压，以便维持目标电压作为电池组件的输出。作为一个示例，目标电压的重新确定可以基于电池组件上的实际输出电压和目标电压的测量，即它们之间的差。动作a120通常可以比动作a070至a110中的一个或多个更频繁地执行。
[0225]
重新确定第一电压以及随后重新应用其的典型频率可以是0.1-10khz。第一电压的重新确定可替代地连续进行，例如使用具有比模拟电池模块中的开关电路的开关频率更低或相似的带宽的模拟电路。
[0226]
动作a130
[0227]
电池组件100和/或控制单元120可以基于多个第二电池模块160、170、180中的每个第二电池模块的相应剩余容量来选择第一和第二组第二电池模块160、170、180。
[0228]
参考图5，图5示出了图1的电池组件或控制单元120的实施例的示意框图。在下文中，电池组件100和/或控制单元120可以被称为计算机100、120。
[0229]
计算机100、120可以包括处理模块501，诸如用于执行本文描述的方法的装置。该装置可以以一个或多个硬件模块和/或一个或多个软件模块的形式实施。因此，术语“模块”可以指根据如下所述的各种实施例的电路、软件块等。
[0230]
计算机100、120可以进一步包括存储器502。存储器可以包括，诸如包含或存储，例如呈计算机程序503的形式的指令，计算机程序403可以包括计算机可读代码单元。
[0231]
根据本文的一些实施例，计算机100、120和/或处理模块501包括作为示例性硬件
模块的处理电路504。因此，处理模块501可以以处理电路504的形式实施或“由其实现”。指令可由处理电路504执行，由此计算机100、120可操作以执行图4的方法。作为另一示例，指令在由计算机100、120和/或处理电路504执行时，可以使计算机100、120执行根据图4的方法。
[0232]
鉴于上述情况，在一个示例中，提供了一种计算机100、120，其用于在根据本文任一实施例的电池组件100的充电或放电期间维持电池组件100的目标电压。同样，存储器502包含可由所述处理电路504执行的指令，由此计算机100、120可操作为用于：
[0233]
发送a010表示要在第一电池模块110上输出的第一电压的第一信号，其中，第一信号可配置为表示能够在第一电池模块110上输出的电压范围，其中，第一电压对目标电压有作用，通过相应的第二信号控制a020多个第二电池模块160-180中的每个第二电池模块160、170、180，该第二信号表示所述每个第二电池模块160、170、180的相应配置，其中，该相应配置指示所述每个第二电池模块160、170、180相对于所述每个第二电池模块160、170、180的相应第二电压是被接通还是被旁路，其中，相应的第二电压对目标电压起作用或没有作用取决于相应的配置，基于目标电压确定a030多个第二电池模块160-180中的至少一个第二电池模块160、170、180的相应配置，将所确定的相应配置应用a040到所述至少一个第二电池模块160、170、180，基于目标电压与根据它们相应的配置对目标电压起作用的一组相应的第二电压之间的差值来确定a050第一电压，其目的在于使第一电压和该组相应的第二电压的总和等于目标电压。
[0234]
施加a060由第一信号表示的第一电压，重复执行a070一组动作，包括：
[0235]
在多个第二电池模块160-180中选择a080第一组第二电池模块160和第二组第二电池模块170、180，其中，第一组的每个第二电池160、170、180的相应配置被设置为接通，其中，第二组的每个第二电池模块160、170、180的相应配置被设置为旁路，将a90设置为旁路第一组的每个第二电池模块160、170、180的相应配置；将a100第二组的每个第二电池模块160、170、180的相应配置设置为接通，并且重新应用a110第一组和第二组第二电池模块160、170、180的相应配置。
[0236]
图5进一步图示了载体505或程序载体，载体505或程序载体提供(诸如包括、中介、供应等)如上直接所述的计算机程序503。载体505可以是电信号、光信号、无线电信号和计算机可读介质中的一种。
[0237]
在进一步的实施例中，计算机100、120和/或处理模块501可以包括发送模块510、控制模块520、确定模块530、应用模块540、选择模块550、设置模块560、重新应用模块570和重新确定模块580中的一个或多个以作为示例性硬件模块。当术语“模块”指代硬件模块时，术语“模块”可以指代电路。在其他示例中，上述例示性硬件模块中的一种或多种可以实现为一个或多个软件模块。
[0238]
此外，计算机100、120和/或处理模块501可以包括输入/输出模块506，当适用时，其可以通过接收模块和/或发送模块来举例说明。接收模块可以从诸如计算机100、120等的各种实体接收命令和/或信息，并且发送模块可以向诸如计算机100、120等的各种实体发送命令和/或信息。
[0239]
因此，计算机100、120被配置用于在电池组件100的充电或放电期间维持电池组件100的目标电压。如上所述，电池组件100被配置为旨在输出目标电压，其中，电池组件100包
括一组电池模块110、160-180，其中，该组电池模块110中的电池模块110、160-180串联连接，其中，该组电池模块110、160-180包括第一电池模块110和多个第二电池模块160-180。
[0240]
因此，根据上述各种实施例，计算机100、120和/或处理模块501和/或发送模块510被配置为发送a010表示要在第一电池模块110上输出的第一电压的第一信号，其中，第一信号可配置为表示能够在第一电池模块110上输出的电压范围，其中，第一电压对目标电压起作用。
[0241]
计算机100、120和/或处理模块501和/或控制模块520被配置为通过相应的第二信号控制a020多个第二电池模块160-180中的每个第二电池模块160、170、180，该第二信号表示所述每个第二电池模块160、170、180的相应配置，其中，该相应配置指示所述每个第二电池模块160、170、180相对于所述每个第二电池模块160、170、180的相应第二电压是被接通还是被旁路，其中，相应的第二电压对目标电压有作用或没有作用取决于相应的配置。
[0242]
计算机100、120和/或处理模块501和/或确定模块530被配置为基于目标电压确定a030多个第二电池模块160-180中的至少一个第二电池模块160、170、180的相应配置。
[0243]
计算机100、120和/或处理模块501和/或应用模块540被配置为将确定的相应配置应用a040到所述至少一个第二电池模块160、170、180。
[0244]
计算机100、120和/或处理模块501和/或确定模块530，或另一个确定模块，被配置为基于目标电压与根据它们相应的配置对目标电压起作用的一组相应的第二电压之间的差值来确定a050第一电压，其目的在于使第一电压和该组相应的第二电压的总和等于目标电压。
[0245]
计算机100、120和/或处理模块501和/或应用模块540，或另一个应用模块，被配置为应用a060将由第一信号表示的第一电压。
[0246]
计算机100、120和/或处理模块501被配置为重复执行a070一组动作，包括：
[0247]
在多个第二电池模块1160-180中选择a080第一组第二电池模块111和第二组第二电池模块170、180，其中，第一组的每个第二电池模块160、170、180的相应配置被设置为接通，其中，第二组的每个第二电池模块160、170、180的相应配置被设置为旁路，将a090设置为旁路第一组的每个第二电池模块160、170、180的相应配置，将a100设置为接通第二组的每个第二电池160、170、180的相应配置，并且重新应用a110第一组和第二组第二电池模块160、170、180的相应配置。
[0248]
计算机100、120的其他实施例来自本文公开的各种附加实施例。
[0249]
图6描绘了另一个示例性电池组件100，其目的在于在电池组件100的充电或放电期间输出具有有限控制范围的可控目标电压。电池组件100包括一组电池模块bm 110和bm 190-192。电池模块110和190-192串联连接。
[0250]
电池模块110是模拟电池模块，通常由具有可变占空比的pwm信号控制。电池模块190-192或者是没有任何开关电路来旁路来自电池电芯的电流的常规电池模块，或者是常规电池模块和由离散信号控制的离散电池模块的组合。
[0251]
这种类型的电池组件的目的是制造仅具有有限电压控制范围的电池组件。电压控制范围是指相关实体，诸如本文所讨论的电池组件、电池模块、电池布置等的电压，可以通过控制单元向至少一个模拟电池模块发送第一信号和/或向任何现有的离散电池模块发送第二信号来改变的区间，在该区间内在相关实体上给出期望电压。与图1中所示的电池组件
相比，这种类型的电池组件可能更节约成本，其中所有二次电池模块160-180都是离散类型。
[0252]
这类电池组件有限的电压控制范围基本上可以服务于三个目的：
[0253]
·
与普通电池组件相比，减少随充电状态变化的电压变化；
[0254]
·
在过流的情况下限制来自电池组件的电流；
[0255]
·
在包括至少两个电池组件的电池系统中控制电池组件之间的电流共享。
[0256]
在与图6相关的另一个示例中，模拟电池模块可以与电池组件内的常规电池模块组合以在一定程度上实现电流限制。因此，图6还图示了用于在电池组件600的充电或放电期间输出可控电流的示例性电池组件600。
[0257]
电池组件600包括一组电池模块110、190-192。该组电池模块110、190-192的电池模块110、190-192串联连接。
[0258]
此外，该组电池模块110、190-192包括模拟电池模块110，该模拟电池模块110被配置为接收表示要在模拟电池模块110上输出的第一电压的第一信号。第一信号可配置为表示能够在模拟电池模块110上输出的电压范围。第一电压对电池组件600上的电压有作用。
[0259]
此外，该组电池模块110、190-192包括至少一个另外的电池模块190-192，其中，多个另外的电池模块190-192中的每个另外的电池模块190-192对电池组件600上的电压贡献相应的另外的电压。所述至少一个另外的电池模块可以是常规电池模块，其始终、持续地、静态地或不可控地对电池组件600上的电压有作用。
[0260]
在一些实施例中，电池组件600进一步包括控制单元120，该控制单元120被配置为基于通过电池组件600的测得电流是否大于该电流的上限阈值，来调整第一电压以限制通过电池组件600，即在充电或放电期间的电流。
[0261]
在一些实施例中，诸如在充电期间，控制单元120被配置为当测得的电流大于该电流的上限阈值时增加第一电压。作为一个示例，假设电池组件的电压为例如400-800v(标称电压)和200a电流的上限阈值。如果电池组件用于具有多个并联电池组件并且电池组件的内阻为0.1欧姆的电池布置，则该电池组件上的10v电压的变化会以100a改变通过电池组件的电流(i＝u/r＝10v/0.1ohms＝100a)。
[0262]
在一些实施例中，诸如在放电期间，控制单元120被配置为当测得的电流大于该电流的上限阈值时降低第一电压。
[0263]
关于图6相关讨论的特征可应用于根据图1至图3中任一个的电池组件，同时实现比没有离散电池模块的情况更大的电压控制范围，如本文关于图6所讨论的。
[0264]
此外，再次参考图3a和图6，可以表示本文公开了模拟电池模块的有利使用。因此，本文公开了至少一个模拟电池模块110用于在多个电池串113、163、173之间分配电流的用途。所述至少一个模拟电池模块110的计数总计为模拟电池模块110的模拟数量，并且所述多个电池串113、163、173的计数总计为电池串的电池串数量。模拟数量等于电池串数量或模拟数量等于电池串数量减一。模拟数量的模拟电池模块110中的每个模拟电池模块110可与电池串数量的电池串中的相应电池串串联连接。模拟数量的模拟电池模块110中的每个模拟电池模块110被配置为接收相应的第一信号，该信号表示要在模拟电池模块110上输出的相应的第一电压。相应的第一信号可配置为表示能够在所述每个模拟电池模块110上输出的电压范围，并且其中，在电池串数量的电池串之间的电流分配至少部分地由模拟数量
的模拟电池模块110的相应电压给出。在此上下文中，需注意电池串可以指一串电池电芯，诸如多个电池电芯、电池电芯的阵列等。
[0265]
下面的图7-17将用于解释有限的电压控制范围如何可用于控制来自电池组件的电流。
[0266]
图7是示出根据现有技术的两个或更多个(未示出)并联的常规电池组件100、200可以连接到公共负载或充电电路10的框图。
[0267]
测量设备md 20连接到直流电压母线15。测量设备20测量直流母线电压22和直流母线电流21。
[0268]
直流链路电容器30也靠近负载或充电器10连接。
[0269]
控制设备，ess控制器40，正在接收来自测量设备md 20的信息。ess代表能量存储系统。ess控制器40还在信号线41、42上从每个电池组件100、200内部的电池管理单元150、250接收信息。在一些示例中，ess控制器40可以包括主控制单元，或者主控制单元可以包括ess控制器。例如，接收到的信息可能如下：
[0270]
·
在两个主接触器101、102内的电池组件内部测量的电池组件的实际电压131、231，这两个主接触器可用于将电池组件与直流母线断开连接和进行连接；
[0271]
·
在充电或放电期间流过电池组件的实际电流116、216；
[0272]
·
电池组件的充电状态信息；
[0273]
·
电池组件内部测量的温度信息；
[0274]
·
电池组件内的任何电芯是否接近过度充电或充电不足的信息。
[0275]
ess控制器40通常将通过在信号线41、42上发送命令信号来决定每个电池组件100、200何时应断开连接或连接到直流母线。每个电池组件100、200的电池管理单元150、250将基于给定的命令控制接触器101、102、201、202。电池管理单元本身也可以决定在故障情况下，诸如过电流等情况下断开电池组件与直流母线的连接。
[0276]
两个电池组件100、200中的每一个都包括串联连接(有时也并联连接)的电池电芯，该电池电芯可以由简单的电路模型表示，该电路模型包括具有与内阻r
i1
、r
i2
串联的可控电压v1、v2的电压源。由于电池组件100、200的内阻会因电池组件而异，因此即使可控电压源的v1、v2值相同，流入或流出电池组件的电流通常也不会被平均等分。传递的电流是电流i1和电流i2之和。“内阻[
…
]因电池组件而异”是指即使电池组件的制造单元具有相同规格，各制造单元之间的内阻也不同(例如由于电池电芯的实际温度、质量、充电/放电历史、磨损等的变化)。
[0277]
图8是示出了两个电池组件100、200的端电压变化的示意图，其具有略微不同的开源电压值v1、v2和略微不同的内阻值r
i1
、r
i2
。电池的端电压v随着负载电流i1、i2而降低。在负电流的情况下，在这种情况下表明电池正在充电，端电压将增加。如果两个电池组件100、200将连接到向负载提供总电流i＝i1+i2的直流母线，则直流母线电压将为vbus并且在这种情况下电池组件将分别向负载传递电流i1和i2。分流不均的原因在于电池组件100的内阻较大，开路电压稍大。其原因可以例如是电池组件100具有比电池组件200低的温度，这通常意味着电池电芯中的较高内阻，并且电池组件100内的电芯具有稍高的充电状态，这意味着更高的开路电压。与被认为的典型情况相比，该图中的传递电流差异可能略微夸大，但它指出了当今并联电池组件存在的问题。
[0278]
图9a图示了根据本文中隐含或明确公开的任何实施例的两个或更多个(未示出)电池组件100、200如何被配置和连接以用于从公共直流电压母线15接收电力或将电力传递到公共直流电压母线15的示例。所述两个或更多个电池组件100、200并联连接。负载或充电设备10连接到直流母线。负载10因此可以从电池组件100、200接收电力或向电池组件100、200传递电力。
[0279]
如图7所示，测量设备20用于测量直流母线电压22和总负载或充电电流21，并将该信息传递给ess控制器40。还有一个直流链路电容器30。
[0280]
图9a图示了第一电池组件100，其被配置为在充电或放电期间可操作以分配传递到公共母线15或从公共母线15传递的公共电流，公共母线15对于第一电池组件100和可与第一电池组件100并联连接到公共母线15的一组第二电池组件200是公共的(图9a中仅示出一个第二电池组件)。如图9a所示，每个第二电池组件200可以是类似于第一电池组件100的任何常规类型的电池。
[0281]
第一电池组件100包括模拟电池模块110和从控制单元120、120s。从控制单元120、120s被配置为从主控制单元120m例如ess控制器40等接收与要在第一电池组件100处传递诸如从第一电池组件100传递或传递到第一电池组件100的第一电流有关的目标值。第一电池组件100可连接到主控制单元120m以用于目标值的传送。从控制单元120、120s被配置为通过调整模拟电池模块110上的第一电压来调整模拟电池模块110上的电压以将第一电流引向目标值。模拟电池模块110被配置为从从控制单元120s接收表示要在模拟电池模块110上输出的第一电压的第一信号。第一信号可配置为表示能够在模拟电池模块110上输出的电压范围。从控制单元120s被配置为基于目标值确定第一信号并将第一信号发送至模拟电池模块110。
[0282]
更详细地并且表达方式有所不同，出于说明与图13a和图13b的实施例类比的目的，电池组件100、200或至少第一电池组件100包括电池组件100、200，诸如第一电池组件100内部的电池布置140、240。电池布置140、240包括至少一个模拟电池模块110、210，该模拟电池模块110、210由控制单元120、220，诸如从控制单元，通过控制信号122、222，例如携带目标值的控制信号122、222控制。取决于应用中所需的电压控制范围，电池布置140、240也可能包括不止一个的模拟电池模块110、220或模拟电池模块和离散电池模块的组合，参见图9d。电池组件100、200可以根据图1，其图示模拟和离散电池模块的组合，或根据图6，其图示模拟电池模块和常规电池模块的组合或模拟电池模块、离散电池模块和传统电池模块的组合。换句话说，第一电池组件100可以包括与模拟电池模块110串联连接的一组离散电池模块160、170，其中，从控制单元120s被配置为调整该组离散电池模块160、170中的每个离散电池模块160、170的相应配置以将第一电流引向目标值，如本文进一步解释的。
[0283]
然而，从控制工程的角度来看，电池组件现在由一个等效电路表示，该等效电路包括一个小的与另一个电压源v1、v2串联的可控电压源v
11
、v
21
，电压源v1、v2表示不包括在任何模拟电池模块中的电池电芯的开源电压，以及还包括电池组件内部的其他串联电阻的串联连接的电池电芯的内阻r
i1
、r
i2
。
[0284]
ess控制器40接收传递到直流链路电容器30和负载或充电器10的组合的总电流21的信息。ess控制器40传递每个电池组件100、200应传递的电流i1、i2的目标值，并且可能还传递控制线41、42上的直流链路电压的目标值。电池管理单元(bmu)150、250接收该信息并
将提供给相应控制单元120、130的信息以目标电流值126、226和目标电压值127、227的形式提供。
[0285]
图9b是本发明的另一个实施例。该图与图9a非常相似，但在这种情况下，控制单元120、220与电池管理单元150、250组合在一起。这意味着控制单元120、220也将执行如前面所例示的正常电池管理单元的典型功能，该典型功能不是本发明的一部分。
[0286]
图9c示出了本发明的另一个实施例。该图类似于图9b，但在这种情况下，ess控制器40功能包括在一个电池组件100中的主控制单元120m中。这可能是非常有利的，因为电池组件然后可以相互协作并作为独立的-或至少在某种程度上自主的-集群运行，例如，与安装有电池组件的电池供电单元的其他功能有关。在这种情况下，控制单元120m将用作主单元，可以访问从一组电池组件100、200传递的总电流(i1+i2)。这可以通过将传递到电池组件中的每个从控制单元120s、220s的电池组件100、200的各个电流116、216相加或者通过从外部电流传感器21接收由测量设备md 20测量的总电流的测量值来完成。在这种情况下，主控制单元120m将把每个电池组件100、200的目标电流126传递到每个电池组件100、200内部的从控制单元120s、220s。电池电压127的目标值也将由主控制单元120m传递到从控制单元120s、220s。主控制单元120m还将处理其他典型的ess控制器功能，诸如如前所述将某个电池组件100、200与直流母线断开或连接到该直流母线的适当时间。为执行此功能，主控制单元还需要通过使用分压器22访问由测量设备md 20测量的直流母线15上的电压。
[0287]
图9d是本发明的另一个实施例。进行该说明是为了强调具有可控电压的电池布置140、240可以说位于配备有具有串联连接的电芯的常规电池模块的电池组件100、200内部，该串联连接的电芯由与串联电阻r
i1
、r
i2
串联的电压源v1、v2表示。电池布置140具有主控制单元120m和从控制单元120s。电池布置240具有从控制单元220s。两个从控制单元120s、220s都可以用于控制模拟电池模块110和离散电池模块160、170的组合，以便具有合适的电压控制范围。该电压控制范围既可用于使输出电压更稳定且对整个电池组件的充电状态的依赖性更小，也可用于控制或更正确地平衡通过并联电池组件100、200的电池系统中每个电池组件的一组电流。作为一个示例，电池布置140、240的电压控制范围可以是从0-50v或从0-100v，或者如前所述在使用双极模拟和离散电池模块的情况下从-50v到+50v。这可以与例如可以是400v、600v或800v的总电池组件100、200的标称电压相比较。
[0288]
在图9a至图8d中，可以看出根据一些实施例，第一电池组件100包括第一接触器101和第二接触器102。模拟电池模块110和第一电池组件100的一串电池电芯v1串联连接在第一接触器和第二接触器102之间，其中，第一接触器101可连接到公共母线15的第一端子，而第二接触器102可连接到公共母线15的第二端子。通常，接触器可以是主接触器、预充电继电器、主继电器、继电器等。
[0289]
图10a是根据图9a-9c的两个电池组件的端电压变化的示意图，其分别具有一定的源电压值v1+v
11
和v2+v
21
，并且内阻值r
i1
、r
i2
略有不同。端电压随着负载电流i而降低。在负电流的情况下，在这种情况下表明电池正在充电，端电压将增加。在该图中，分别选择源电压值v1+v
11
和v2+v
21
，使得表示端电压的两条曲线在某个电流i1＝i2处彼此交叉，该电流等于或接近传递到图9a和9b中的每个控制单元120、220的目标电流126、226。通过这种方式，实现了相等或均匀的电流平衡，或几乎相等或几乎均匀的电流平衡。因此，在一些实施例中，第一电池组件100包括主控制单元120m。主控制单元120m被配置为获得公共电流的测量值。
参见例如图9a，在该处测量了电流21。因此，这是传递到公共母线或从公共母线传递的电流。公共电流的测量值可以通过主控制单元120m的直接测量来获得，例如，根据示出具有电流测量值21的图9a至9d中的任何一个。可替代地或附加地，公共电流可以通过例如在图9a至图9d中的任何一个的电流测量值116、216作为每个电池组件100、200中的电流的总和来获得。
[0290]
此外，主控制单元120m被配置为在该组第二电池组件200之间相等或几乎相等地分配电流，以获得目标值126、226。作为一个示例，电流21可以除以电流21应在其中分配的电池组件的计数。因此，在两个第二电池组件和一个第一电池组件的情况下，电流21通常可以除以二和一的和，即除以三。
[0291]
此外，主控制单元120被配置为将目标值发送至从控制单元120、120s，由此从控制单元120可以通过第一信号实现期望电流。
[0292]
主控制单元120m还可以为该组第二电池组件中的每个第二电池组件200确定相应的另外的目标值。主控制单元被配置为将相应的另外的目标值发送到所述每个第二电池组件200。
[0293]
在图9c中，主控制单元120m将目标电流传递到从控制单元120s。这意味着可能的是，电池组件的控制单元，诸如控制单元120、220等调节电池组件的源电压v
11
、v
21
，使得各个电池组件电流i1、i2等于或接近目标电流126、226。总电流21是电流116、216之和。可以指出，控制并联连接的电池组件的各个电流所需的电压v
11
、v
21
与电池组件的总电压相比要小，这是因为锂离子电池的内部串联电阻非常小。这就是为什么通常只有很小的电压控制范围就足够了，这意味着通常只有一个模拟电池模块进行此控制动作就足够了。
[0294]
图10b是与图10a类似的示意图，但是这里所传递的目标电流126、226并不完全相同，导致两个电池组件的实际电流i1、i2也不相同。有时，控制每个电池组件的单独目标电流可能是有益的或更优化的，因为电池组件可能具有略微不同的容量或不同的充电状态，更先进的主控制单元120m或ess控制器可以意识到这一点。在这点上，根据一些实施例，主控制单元120m可以被配置为基于与第一电池组件100和该组第二电池组件200的平均充电状态相关的第一电池组件100的充电状态通过将公共电流的一部分分配给第一电池组件100来确定目标值。总充电状态可以是在第一电池组件100和该组第二电池组件200上计算的平均充电状态。
[0295]
图11是图示出了根据先前的附图以及图13a和13b中所示的实施例的两个并联连接的电池组件100、130、140、200、230、240的控制图。两个电池组件100、130、140、200、230、240可以称为第一电池组件100、130或140和第二电池组件200、230或240，简称为“电池组件100、130、140”和“电池组件200、230、240”。在该示例中，两个电池组件100、130、140和200、230、240被控制以相等地或几乎相等地平衡电流，并分别控制电池组件100、130、140和电池组件200、230、240的电压。因此，如所提到的，电流可以在两个电池组件100、130、140和200、230、240之间相等地平衡。然而，例如如果与其他电池组件相比，电池组件100、130、140或200、230、240中的一个具有相似的充电状态但以ah为单位的容量较小，则可能需要引导较少的电流通过该电池组件，以便每个电池组件的容量被最有效地利用。这可能意味着有时可能需要在两个电池组件100、130、140和200、230、240之间不均等地引导或平衡电流。这尤其适用于根据图9a-9d或稍后将在图13a和图13b中看到的将至少两个并联电池组件连接到
公共直流母线的情况。
[0296]
电池组件100、130、140和200、230、240连接到电力系统，诸如连接到直流链路电容器和负载或充电器的直流电压母线。传递到直流母线或从直流母线传递的电力通常会随时间而变化。这种变化对电池组件的电流和/或电压的控制起到了干扰或噪声的作用。总直流母线电流在电池组件100、130、140和200、230、240外部，即在电力系统处测量。外部控制设备，诸如md20，接收直流母线电流的测量值并确定(例如，通过如前所述的ess控制器40或主控制单元120m)并将目标电流126、226分别传递到电池组件100、130、140和200、230、240的控制单元120、220。传递的目标电流126、226通常分别均匀分配在电池组件100、130、140和电池组件200、230、240之间，即在此处所示的两个电池组件的情况下，目标电流126、226设置为直流母线电流除以二。
[0297]
电池组件100、130、140和200、230、240的控制单元120、220分别还接收来自外部设备40或来自主控制单元120m的电池组件电压的目标电压127、227，或者实际上是目标电压值，如先前在图9c和图9d中讨论的。初级控制器，例如包含在控制单元120、220中的初级控制器用于控制电压，使得目标电压和测得的电压之间的差异最小化，或至少减小。初级控制器可以将测得电压拾取为测得电压131、231，其表示电池组件100、200的端子处的电压或在远处位置(例如靠近电力系统)处的测得电压129、229。初级控制器将向次级控制器输出信号135、235。信号135、235表示目标电压变化或与目标电压127、227的偏差，其可以是电压差或相对差，诸如百分比值。
[0298]
次级控制器接收来自初级控制器的信号135、235和来自框“测量、设置目标电流”，例如包括图9a、9b的md 20和ess控制器或者来自如图9c、9d中的主控制单元120m，的目标电流126、226。在存在许多并联连接的电池组件的情况下，为每个电池组件提供目标电流126、226。该目标电流126、226通常是直流母线电流除以并联连接的电池组件的数量。次级控制器将向模拟电池模块110、220发送模拟信号122、222，例如具有可变占空比的pwm信号，该信号用于平衡两个电池组件100、200之间的电流并控制电池组件的电压。
[0299]
这是一个嵌套控制系统的示例，其在内环中具有次级控制器并在外环中具有初级控制器。为了同时控制电流和电压两者，实现这样的控制器还有其他可能性。为了便于说明，选择了图11的示例。如果内环比外环快得多以实现稳定的电流和电压，这通常是一个优势。内环通常以非常高的速度更新或连续更新，并且可以直接在硬件中使用诸如运算放大器的模拟电子电路或使用信号处理器来实现。
[0300]
外环通常以较低频率更新，并且可以在例如普通微控制器中实现。
[0301]
现有的微控制器包括信号处理器和模拟电子部件，因此也可以在微控制器中或在微控制器和其他电子电路的组合中实现这两个控制回路。原则上也可以使用模拟电子电路，诸如运算放大器，直接在硬件中实现两个控制回路。
[0302]
此控制图并未示出控制单元120如何也可用于控制离散电池模块160-180，在此参考前面的描述性文字。
[0303]
图12是示出根据本文实施例的连接到电力系统的电池组件100、130、140的控制图。该附图的目的是解释如何使用初级控制器和第二控制器来控制电池组件100的电压，以及在需要时限制传递到电池组件100或从电池组件100传递的电流。
[0304]
在这种情况下，目标电压127也被传递到控制单元120的初级控制器。电流限制值
138被传递到控制单元120的次级控制器。电流限制值不需要从外部传递，也可以可替代地驻留在控制单元内部的非易失性存储器中或由硬件本身配置。只要测得的电流低于电流限制值，次级控制器将仅使用来自初级控制器的信号138来改变占空比122以控制模拟电池模块110的电压。如果电流值接近或甚至超过电流限制值，次级控制器将改变占空比122以限制电流。如果电池组件100正在向电力系统传递电流，则电压将被降低以限制电流。当电池组件从外部充电并且电流接近电流限制值时，电压会升高，以限制充电电流。在这种情况下，电流限制功能将优先于电压控制功能，因为不可能同时满足目标电压和限制电流。为了有效地限制电流，通常需要完全控制电压。这意味着内部控制回路可选地还需要改变离散电池模块160、170的配置，该配置由控制信号136、137指示。
[0305]
改变离散电池模块配置的可能性也适用于前面的图11，即使为了简单起见，这种可能性没有包括在该图中。
[0306]
如果电流限制值是从外部传递的，则可以将电流限制值从某个值降低到非常低的值，诸如零或接近零。这可以在外部控制器或主控制器想要关闭来自电池组件的电流的情况下完成。这将使来自电池组件的电压发生变化，从而使电流减小。当电流接近零或接近零时，控制单元可以向接触器或机械继电器发送控制信号，以完全打开和关闭来自电池组件的电流。这种方法可用于减少接触器或机械继电器在关闭时需要处理的电流，从而减少接触器或继电器的磨损。当电池组件连接到包括大电容器(诸如与负载或充电单元并联的直流链路电容器)的电力系统时，该方法特别有用。在这种情况下，输出电压只有很小的变化就会产生很大的电流变化，这样就可以在打开接触器或继电器之前迅速降低来自电池组件的电流。
[0307]
控制单元120也可以具有预编程的关闭模式，当控制单元从外部接收到数字关闭命令时，次级控制器执行上述操作。
[0308]
图13a是本发明的另一个实施例。在这种情况下，电池组件100、200表示具有串联连接的非可控电池模块的常规电池组件，根据先前结合图7描述的现有技术，每个电池模块包括多个串联并且有时还包括并联连接的电池电芯。在该示例中，有两个根据本发明的电池布置130、140，其与常规电池组件100、200的端子中的一个串联连接，在这种情况下与电池组件100、200的负极端子串联。每个电池组件130、230包括控制单元120、220、至少一个模拟电池模块110、220和多个离散电池模块160、170。通常，离散电池模块的数量在这种情况下非常少，因为这种使用的目的是在常规电池组件100、200的不可控电压之上给出小的可控电压范围。原则上有时可以在电池组件130、230内部仅使用一个模拟电池模块110、220。
[0309]
为了简化描述，在继续描述之前简要说明图13b的示例。因此，图13b可以描述为图示示例性电池布置130，该示例性电池布置130被配置为在充电或放电期间可操作以分配传递到公共母线或从公共母线传递的公共电流，该公共母线对于第一电池组件100以及与第一电池组件100和电池布置130的串联连接可并联连接到公共母线的一组第二电池组件200是公共的。该电池布置130包括模拟电池模块110和从控制单元120s。从控制单元120s被配置为从主控制单元120m接收与将在第一电池组件100处传递，诸如传递到第一电池组件100或从第一电池组件100传递的第一电流相关的目标值。电池布置130可连接到主控制单元120m以用于目标值的传送。从控制单元120s被配置为通过调整模拟电池模块110上的第一电压来调整电池布置130上的电压以将第一电流引向目标值。第一电压对电池布置130上的
电压起作用。模拟电池模块110被配置为从从控制单元120s接收表示要在模拟电池模块110上输出的第一电压的第一信号。第一信号可配置为表示能够在模拟电池模块110上输出的电压范围。从控制单元120s被配置为基于目标值确定第一信号并将第一信号发送至模拟电池模块110。
[0310]
在一些实施例中，为了实现相等或几乎相等的电流平衡，电池布置130包括主控制单元120m。主控制单元120m被配置为获得公共电流的测量值。公共电流的测量值可以通过主控制单元120m的直接测量来获得，例如，根据示出具有电流测量值21的图13a至图13b中的任何一个。可替代地或附加地，公共电流可以通过例如图13a和/或图13b中的电流测量值116、216或电流测量值135、235作为在每个电池组件100、200中的电流总和来获得。
[0311]
主控制单元120m进一步被配置为在该组第二电池组件200之间相等或几乎相等地分配电流，以获得目标值，以及将目标值发送到从控制单元120s。
[0312]
主控制单元120m还可以为该组第二电池组件中的每个第二电池组件确定相应的另外的目标值。主控制单元还可以被配置为将相应的另外的目标值发送到所述每个第二电池组件。主控制单元120m可以类似于图9a至图9d中所示的主控制单元。
[0313]
在一些实施例中，主控制单元120m被配置为基于与第一电池组件100和该组第二电池组件200的平均充电状态相关的第一电池组件100的充电状态通过将公共电流的一部分分配给第一电池组件100来确定目标值。
[0314]
在一些实施例中，电池布置130包括与模拟电池模块110串联连接的一组离散电池模块160、170。从控制单元120s被配置为调整该组离散电池模块160、170中的每个离散电池模块160、170的相应配置以将第一电流引向目标值。
[0315]
使用根据图13a和/或图13b的实施例的目的与前述在图9a至图9d中描述的相同。这是为了分别增加对电池组件100+130和200+230的电压输出的一些可控性。如前面所述，这种可控性可用于减小总电压作为充电状态函数的电压变化，或用于控制如何在并联连接的电池组件之间共享电流。
[0316]
在这种情况下，ess控制器40控制整个电池系统。ess控制器将电池电压127、227和电池电流126、226的目标值提供给位于每个电池组件130、140内部的控制单元120、220。控制单元从通常位于电池组件130、230内部的传感器接收端电压129、229和单独电池电流135、235的信息。每个单元内部都有一个控制器(例如图11和12中描述的嵌套控制器，它将输出控制信号122、222以控制模拟电池模块110、210和使用信号136、137、236、237控制离散电池模块160、270、260、270的配置。控制器将尝试满足ess控制器命令的目标电流和目标电压。ess控制器还将接收电池组件130、240的充电状态等信息，以能够设置了解电池组件130、230可以提供多少电压而不会被过度充电或充电不足。该信息可以作为电流和电压的目标值分别在相同的母线127、127和226、227上发送。有时在单独的控制线上至少传递目标电流126、226可能是有益的，因为该目标电流可以快速改变并且需要快速控制电流。
[0317]
图13b是类似于图13a的本发明的最后另一个实施例。在这种情况下，两个电池组件100+130和200之间只有一个电池组件130用于平衡电流。由于只有一个电池组件130具有可控的输出电压，因此只能微调其中一个电池组件的电压输出以调节电流，而不能调节直流母线电压，因为直流母线电压是由电池组件200给出。为了使该方案能够工作以平衡电池组件之间的电流，电池组件130需要能够传递负可控电压和正可控电压。这可以通过使用如
早先在图3c中描述的一个双极模拟电池模块来实现，并且该双极模拟电池模块也可以与一个或多个离散双极电池模块160、170组合，如图中可见。在这种情况下，离散双极模块也将使用全桥开关电路作为如前面所述的双极模拟电池模块。
[0318]
还可以将根据图13b的配置用于不止两个的电池组件，但是在这种情况下，具有可控输出电压130、230的电池组件的数量需要至少比并联连接的常规电池组件100、200的数量少一个。
[0319]
在物理上可能时，本文公开的每个实施例、示例或特征可以与本文公开的一个或多个其他实施例、示例或特征组合。
[0320]
尽管上面已经描述了各个方面的实施例，但是对于本领域的技术人员来说，许多不同的改变、修改等将变得显而易见。因此，所描述的实施例不旨在限制本公开的范围。