CN104979866A - 用于大数量电池单元监测的输电线通信 - Google Patents

用于大数量电池单元监测的输电线通信 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于大数量电池单元监测的输电线通信,更具体地涉及一种电池***,所述电池***包括输电线和多个电性连接的智能电池单元,所述智能电池单元各自具有单元监测组件。该电池***还包括通过多条连接线与输电线通信的主控制器,其中,相邻连接线之间的多个电池单元被称为单元串。单元串的数量以及***中电池单元的数量决定了从单元监测组件传递至主控制器的信号水平以及通过主控制器传递至单元监测组件的每个的信号水平的传输函数增益。

Description

用于大数量电池单元监测的输电线通信
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年4月3日提交的名称为“POWERLINECOMMUNICATION FOR MONITORING OF A HIGH NUMBER OF BATTERYCELLS”的美国临时申请序列号61/974,820的优先权。
技术领域
本发明一般涉及一种通过输电线通信对大数量串联电池单元进行监测的电池***,并且更具体地涉及一种通过输电线通信对大数量的各自具有通信节点的智能电池单元进行监测的电池***,例如在车辆动力电池中常见的多于二十个的电池单元,其中,这些通信节点通过高频以多个串方式来组织,并且其中电力电缆形成简单的串联拓扑结构。
背景技术
电动车辆正变得越来越普遍。这些车辆包括混合动力车辆,如组合了电池和主动力源(例如内燃机、燃料单元***等)的增程电动车辆(EREV)和如电池电动车辆(BEV)的纯电动车辆,。这些电池可以是不同类型的电池,如锂离子式的、镍氢式的、铅酸式的等。典型的用于电动车辆的高电压电池***可包括多个相互串联电性联接的电池单元以提供车辆动力和能量需求。电池单元可以分组为电池模块,其中模块的单元通过串联和/或并联进行电性联接。在车辆中的模块中的单元数量以及模块数量取决于电池技术和应用。例如,锂离子类型电池模块通常有电性串联在模块中的八到十六个单元。不同的车辆针对具体的应用可具有使用各种折衷和优点的不同的电池设计。
由于诸多因素,例如单元自放电率,内部单元电阻,电气连接,电池老化等,电池中单元的充电状态(SOC)可能随着时间的推移在电池运行期间偏移。电池管理***(BMS)可以被设置以监测每个电池单元的单元电压、阻抗、健康状况、充电状态(SOC)、温度等,并且基于最大充电单元和最小充电单元的SOC来控制电池可被充电和放电的量。
在一个已知的车辆电池设计中,每个电池模块包括单元感应板(CSB),其中模块中的每个单元均被电性联接至CSB。CSB从模块中的每个电池单元接收模拟电压信号,并采用滤波电路、多路复用器、以及模拟数字(A/D)转换器等将数字有线通信链路上的电压信号发送至BMS。
一种在每个电池模块中不需CSB的BMS结构已经被加以研究。特别的,本领域中已提出的是设置一种时常被称为“智能单元”的东西,其包括被集成到每个单元中的低成本电子监测组件,其包括用于监测单元的电压和温度的电子器件,并且以控制单个单元的充电状态等。更具体地,每个电池单元均配备有集成电路,其是单元结构自身的一部分。每个智能单元中的每个电子监测组件均为从每个智能单元到BMS主机(host)的通信链路的一部分,从而使协议以星形(主到从(host to slave))拓扑结构进行工作。
上述类型的典型车辆将通常包括相对大数量的相互电性串联联接的单独电池智能单元,其中每个单元中的单独的监测组件提供通信信号至单独主控制器,并且该主控制器提供命令信号至单独的电池单元的每一个。由于正由主控制器监测电池单元的数量相对较大,传统的通信技术(如CAN总线)通常对于这种通信并不有效。为了克服这一限制本领域技术人员熟知的一种技术是采用输电线通信,其中,联接至电池模块中的单元的高电压线还用于通信的目的。控制器和多个单元监测组件将数字位(digital bit)调制到在输电线上传播的载波上,用于数据传输,从而提供通信信号。
发明内容
本公开描述了一种电池***,其包括输电线和多个电性连接的智能电池单元,所述智能电池单元各自具有单元监测组件。该电池***还包括通过多条连接线与输电线通信的主控制器,其中,相邻连接线之间的多个电池单元被称为单元串(cell string)。单元串的数量以及***中电池单元的总数量决定了从单元监测组件传递至主控制器的信号水平以及通过主控制器传递至单元监测组件的每个的信号水平的传输函数增益。
结合附图,本发明的附加特征将从以下描述和附带的权利要求而变得清楚。
根据本发明,具有以下方案。
1.一种电池***,其包括:
输电线;
多个电池单元,其沿着所述输电线而被电性联接,每个电池单元包括电池单元监测组件,所述电池单元监测组件监测所述电池单元的参数并将通信接口提供至所述输电线;
多条通信线路,其中,每条通信线路均通过多条连接线与所述输电线电性联接,其中,第一连接线被电性联接至所述输电线的第一端,并且第二连接线被电性联接至所述输电线的第二端,从而使所有的所述电池单元均位于所述第一和第二连接线之间,并且其中,至少另一连接线在所述第一和第二连接线之间被电性联接至所述输电线,从而使多个电池单元在所述第一连接线和所述另一连接线之间沿着所述输电线被电性联接,并且使多个电池单元在所述第二连接线和所述另一连接线之间沿着所述输电线被电性联接,并且其中,两条相邻的连接线之间的所述电池单元被定义成单元串;以及
控制器,其控制被提供在所述通信线路上的信号。
2.根据方案1所述的电池***,其中,连接线的数量为至少四条连接线,从而提供至少三个单元串。
3.根据方案2所述的电池***,其中,所述连接线在被连接至所述通信线路的一者和被连接至另一通信线路之间交替。
4.根据方案1所述的电池***,其中,所述多条通信线路为两条通信线路。
5.根据方案1所述的电池***,其中,所述单元串的数量取决于所述电池***中的所述电池单元的数量。
6.根据方案5所述的电池***,其中,所述单元的数量取决于从所述控制器传递至所述电池单元的一个的传递信号的传输函数增益以及从所述电池单元的一个传递至所述控制器的传递信号的传输函数增益。
7.根据方案6所述的电池***,其中,所述单元串的数量在所述传输函数增益大致相同时被确定。
8.根据方案6所述的电池***,其中,从所述单元传递至所述控制器的传递信号的传输函数增益和从所述电池控制器传递至所述单元的传递信号的传输函数增益是基于所述电池单元的阻抗。
9.根据方案5所述的电池***,其中,所述单元串的数量取决于所述电池***中的所述电池单元的总数量的平方根。
10.根据方案1所述的电池***,还包括被联接至所述输电线的X-电容,其不需要退耦元件。
11.根据方案1所述的电池***,其中,所述电池单元为智能单元。
12.根据方案1所述的电池***,其中,所述参数包括所述电池单元的电压和温度。
13.根据方案1所述的电池***,其中,所述电池***为车辆电池***。
14.一种车辆电池***,其包括:
输电线;
多个电池组智能单元,其沿着所述输电线而被电性联接,每个电池单元包括电池单元监测组件,所述电池单元监测组件监测所述电池单元的参数并将通信接口提供至所述输电线;以及
第一和第二通信线路,第一连接线被电性联接至所述输电线的第一端和所述第一通信线路,第二连接线被电性联接至所述输电线的第二端和所述第一通信线路,第三连接线被电性联接至所述第二通信线路和在所述输电线的所述第一和第二端之间的所述输电线,第四连接线被电性联接至所述第一通信线路和在所述输电线的所述第一和第二端之间的所述输电线,第五连接线被电性联接至所述第二通信线路和在所述输电线的所述第一和第二端之间的所述输电线,从而多个所述电池单元沿着在所述第一和第三连接线、所述第三和第四连接线、所述第四和第五连接线以及所述第五和第二连接线之间的所述输电线而被电性联接。
15.根据方案14所述的电池***,还包括被联接至所述输电线的X-电容,其不需要退耦元件。
16.一种车辆电池***,包括
输电线;
多个电池组智能单元,其沿着所述输电线而被电性联接,每个电池单元包括电池单元监测组件,所述电池单元监测组件监测所述电池单元的参数并将通信接口提供至所述输电线;
第一和第二通信线路,其通过多条连接线被电性联接至所述输电线,其中,第一连接线被电性联接至所述输电线的第一端,第二连接线被电性联接至所述输电线的第二端,从而所有的所述电池单元位于所述第一和第二连接线之间,并且其中,多个其它的连接线被电性联接至所述输电线,且所述第一和第二通信线路以交替方式在所述第一和第二连接线之间,从而多个电池单元沿着相邻的连接线之间的所述输电线被电性联接,并且其中,在两条相邻的连接线之间的所述电池单元被定义为单元串,以及
控制器,其控制被提供在所述通信线路上的信号。
17.根据方案16所述的电池***,其中,所述单元串的数量取决于所述电池***中的所述电池单元的数量。
18.根据方案17所述的电池***,其中,所述单元的数量取决于从所述控制器传递至所述电池单元的一个的传递信号的传输函数增益以及从所述电池单元的一个传递至所述控制器的传递信号的传输函数增益。
19.根据方案18所述的电池***,其中,所述单元串的数量在所述传输函数增益大致相同时被确定。
20.根据方案17所述的电池***,其中,所述单元串的数量取决于所述电池***中的所述电池单元的总数量的平方根。
附图说明
图1是一种采用联接至输电线的全电池***的已知的电池***的示意图;
图2是一种采用联接至输电线的半包式电池(half-pack)的电池***的示意图;
图3是一种采用联接至输电线的多包式电池(multi-pack)的电池***的示意图;
图4是包括各自具有智能单元监测组件的多个电池单元并包括联接至输电线的多包式电池的电池***的示意图;
图5是针对图4所示的电池***的高频等效电路图;
图6是图5所示电路的简化等效电路图;
图7是用于从至主(slave-to-host)收发信号的等效电路;并且
图8是水平轴为单元串的数量且竖直轴为信号增益时的主至从(host-to-slave)和从至主的信号增益的图表。
具体实施方式
下文中针对采用输电线通信的具有大数量电池单元的电池***的实施例在本质上仅作为示范性的,绝非意在限制本发明或其应用或使用。例如,本文所述的电池***是用于在车辆应用,然而,该电池***还将具有在固定***中的应用。
图1是一种已知的包括多个电池模块12并具有沿着输电线16被电性串联联接的多个智能电池单元14的电池***10的示意图。该智能单元14的电气配置意在表示包括串联或并联单元的组的电池单元的任何合适的配置。单元14为智能单元,其中每个单元或小的单元组均包括一个单独的监测组件36以实现单元监测以及通信的目的,如上文所讨论。需要注意的是,在此处所示的电池***10中的单元14的数量是十六个,其仅仅是出于说明的目的,而用于车辆的典型的单元包可能包括有100个或者更多的电池单元。此外,需要注意的是,该电池单元14意在表示能够采用智能单元技术的车辆所适用的任何合适的电池单元,例如锂离子式的、镍氢式的、铅酸式的等。
电池***10包括主接口控制器18,其具有信号发生器20以在通信线路22和24上提供通信信号并从其接收通信信号,其中该通信线路22和24被电性联接至输电线16。特别地,各自具有电容30的连接线26被连接至通信线路22或24以及输电线16中的节点28,其中端节点34表示正电池电极。这样,控制器18可以在输电线16中提供通信信号并且从输电线16接收通信信号。每个单元14中的智能单元监测组件36在输电线16上提供将要被主控制器18接收的特别用于识别该单元运行的通信信号,如单元电压,单元温度等,并且该控制器18在输电线16上将信号提供至智能单元14以控制单元14,例如用于电阻单元平衡(resistive cell balancing)、SOC充电限制等。
由于在***10所示的节点28和34之间具有较大数量的电池单元14,已知的智能单元输电线通信技术通常遭受低信号水平的影响。此外,由于在节点28和34仅存在两个连接点至单元包12的输电线16,输电线16上针到单元14的通信信号水平要除以单元14的数量,因此仅能从单元14上的监测组件接收很低的信号水平。如下文将要讨论的,本发明提出从主接口控制器18到输电线16设置多个(即大于两个)连接点,从而具有到通信线路22和24的多个输入,从而克服这些限制。
在现有技术的输电线拓扑结构中,如所示,***10包括电性联接到输电线16并且穿过电池单元14的X-电容32。这种电容通常存在于任何被连接的高压(HV)设备中(例如驱动***、充电器、辅助动力模块等)从而使线22和24之间的信号产生显著的衰减,因而需要退耦元件38。
图2是与电池***10类似的且表示半包式单元联接的电池***40的示意图,其中同样的参考数字指代相同的元件。在电池***40中,包括电容30的附加连接线26被设置于通信线路22或24与输电线16之间,其中所有的连接线26和电容30交替地联接至线22和24。在这种设计中,在输电线16上的两个特定的节点28或者节点28与节点34的一者之间的智能单元数量减少了一半。因此,智能单元14和主控制器18之间的通信表现出了更好的平衡,因为从节点28和34到通信线路22和24存在两个信号“注入(injection)”。
需要说明的是,如本文所使用的,沿着在两个节点28之间的输电线16的电池单元区段被称为单元串,其中***40包括两个单元串。进一步需要说明的是,如***40所示,在输电线16和通信线路22和24之间的设置三条连接线仅出于说明的目的。根据单元14的数量和所需要的信号水平以及通信路径,其它的设计可能会使用更多数量的单元串。下面的讨论提供一种用于针对特定的电池***来确定单元串的最佳数目的方法。而且,对于真实的实施方式来说,尽管在所有的单元串中具有相同数量的电池单元14通常是实用的(针对下方讨论的计算方法所假设),但是这样的情况不是必需的。
图3是示出了多包式电池的另一个实施例的电池***50的示意图,所述多包式电池联接包括四个单元串,其中同样的参考数字指代与***40相同的元件。在***50中,如示出,在输电线16和通信线路22和24之间设置了多出两个的连接点。
在***40和50中,X-电容32被联接至通信线路22,仅仅是为了防止在线22和24之间的信号衰减,从而无需退耦元件38。通常这对于具有偶数个单元串的任何拓扑结构都是成立的。因此,这种抵抗外部X-电容的鲁棒性是所提出的电池单元***的拓扑结构的益处。
图4是与上述电池***类似的电池***70的示意图,其中同样的参考数字指代相同的元件,并且其中***70对物理电池***提供了更好说明。在这一实施方式中,主控制器18通过多条连接线26和电容30被电性联接至输电线16。此外,从控制器84被示出为被联接至单元14的一个,并且意在表示在那个单元14内的智能单元检测组件36,其提供单元电压、温度检测和单元电阻平衡。***70中的单元14的每个均将包括从控制器84。
图5是电池***70的等效电路图90,其中,同样的参考数字指代相同的元件。由典型的车辆电池***采用的输电线通信将形成高频通信线路,典型地处于1-100MHz的范围内。由于高频通信,则每个电池智能单元14将看起来像对在输电线16上传播的信号的阻抗Zb,其表示为阻抗元件92。此外,连接线26中的每个电容30将具有联接阻抗Zc。然而,电容30的电气结构和数值假设的是联接阻抗Zc远小于单元阻抗Zb,这意味着电容30在等效电路图中可以用短路代替。
为此,图6为***70的等效电路图100,其中在特定节点之间的单元串的每个均被表示为在通信线路22和24之间的单元串102。每个串102中的阻抗元件92的数量(本文中还被表示为K)和电池***70中的串102的数量在这一图中被留空,如将从下文的讨论中变得清楚。此外,为了下文的讨论,假设所有单元14的所有单元阻抗Zb是相同的。而且,需要说明的是,每个串102的单元14的数量是相同的,但是这并非是本发明的要求,而是在实际实施方式中所可取的。
如上文所述,对于具体的电池监测***中,存在两个通信方向,即,由主接口控制器18发送到从控制器84的信号,以及由从控制器84发送到主接口控制器18的信号。对于这些传递方向的每一个,有必要确定在主接口控制器18或在从控制器84所接收的电压U2相对于由从控制器84到主控制器18所传递的电压U1的传输函数增益G。需要说明的是,对于这一讨论,无论是由主控制器18还是由从控制器84发出的,传递信号的电压都是U1,并且无论是在主控制器18还是在从控制器84接收的,接收信号的电压都是U2
首先,针对主接口控制器18以电压U1传递信号并且被以特定的从控制器以电压U2接收的情况。在这一通信方向中,主接口控制器18位于非常低的阻抗,并且接收的从控制器84位于非常高的阻抗。基于本文的假设,等式(1)-(3)可以被用于将传输函数增益Ghs确定为这些电压之间的关系。基于这一分析,可以得出传输函数增益Ghs是每个串中单元数量的倒数,其可被用于确定针对特定设计中需要多少个单元串K,其中,N是每个串K中单元14的数量,而KN表示单元14的总数。
Ux=|U x |   (1)
U 2 = U 1 N - - - ( 2 )
G hs = 1 N = K NK - - - ( 3 )
如上文所述,对于由从控制器84的一个到主控制器18的通信信号,假设从控制器84位于非常低的阻抗,而主控制器18位于非常高的阻抗。此外,假设在特定的串中,单元14的数量远大于1。图7是用于由从控制器84到主接口控制器18信号的发送的等效电路110,其中,信号发生器112产生在从控制器84处的传递电压U1和在控制器18处的接收电压U2。电路元件118表示在传递从控制器84所在的同一串102中的所有其它的串14的组合阻抗,而阻抗元件120表示在所有其它的串中的所有其它的串的组合阻抗,其中,阻抗元件118具有的阻抗为(N-1)Zb,而阻抗元件120具有的阻抗为在特定的串102中的所有阻抗元件92可以缩减为由NZb定义的单个阻抗元件。基于这些假设以及等效电路110,由该从控制器84至主控制器18的传输函数增益Gsh被以下的等式(4)-(6)定义为1/K。
G sh = U 2 U 1 = ( N K - 1 Z b ) ( N - 1 ) Z b + ( N K - 1 ) Z b - - - ( 4 )
G sh = N 1 + K ( N - 1 ) - - - ( 5 )
G sh ≈ 1 K - - - ( 6 )
图8是以串数K为水平轴而以传输函数增益G为竖直轴的显示在线122上由主控制器18到从控制器84的一个的信号的传递增益与在124线上由从控制器84的一个到主控制器18的信号的传递增益之间的关系。如可以看出的,在124线上由从控制器84的一个到主控制器18的传递的信号增益对于仅有几个串时非常好,而对于由主控制器18到从控制器84的一个的传递信号增益则相对较差。随着串的数量增加,由从控制器84的一个到主控制器18的传递信号的增益降低,但是由主控制器18到从控制器84的一个的传递信号的增益增加。在这一大约100个电池单元的特定的非限制性实施例中,线122和124在大约十串的点126交汇。考虑到最优的串数是当两个传输函数增益为相同的值时,对于特定单元数的串的数量可以基于等式(7)-(10)被确定为总单元数量的平方根。
Ghs=Gsh   (7)
K NK = 1 K - - - ( 8 )
K2=NK   (9)
本领域技术人员将充分理解的是,已经在本文中讨论以描述本发明的多个及各种步骤和过程可以指代由计算机、处理器或者使用电现象对数据进行操纵和/或变换的其它电子计算设备所执行的操作。该计算机和电子设备可采用各种易失性和/或非易失性的存储器,包括在其上存储具有可执行程序(包括能够由计算机或处理器执行的各种代码或可执行指令)的非暂时性计算机可读介质,其中,存储器和/或计算机可读介质可包括所有形式和类型的存储器以及其它计算机可读介质。
以上讨论仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。从这些讨论并由附图,本领域技术人员将容易认识到在不偏离由所附权利要求书中限定的本发明的精神和范围的前提下可以在其中进行各种改变、修改和改型。

Claims (10)

1.一种电池***,其包括:
输电线;
多个电池单元,其沿着所述输电线而被电性联接,每个电池单元包括电池单元监测组件,所述电池单元监测组件监测所述电池单元的参数并将通信接口提供至所述输电线;
多条通信线路,其中,每条通信线路均通过多条连接线与所述输电线电性联接,其中,第一连接线被电性联接至所述输电线的第一端,并且第二连接线被电性联接至所述输电线的第二端,从而使所有的所述电池单元均位于所述第一和第二连接线之间,并且其中,至少另一连接线在所述第一和第二连接线之间被电性联接至所述输电线,从而使多个电池单元在所述第一连接线和所述另一连接线之间沿着所述输电线被电性联接,并且使多个电池单元在所述第二连接线和所述另一连接线之间沿着所述输电线被电性联接,并且其中,两条相邻的连接线之间的所述电池单元被定义成单元串;以及
控制器,其控制被提供在所述通信线路上的信号。
2.根据权利要求1所述的电池***,其中,连接线的数量为至少四条连接线,从而提供至少三个单元串。
3.根据权利要求2所述的电池***,其中,所述连接线在被连接至所述通信线路的一者和被连接至另一通信线路之间交替。
4.根据权利要求1所述的电池***,其中,所述多条通信线路为两条通信线路。
5.根据权利要求1所述的电池***,其中,所述单元串的数量取决于所述电池***中的所述电池单元的数量。
6.根据权利要求5所述的电池***,其中,所述单元的数量取决于从所述控制器传递至所述电池单元的一个的传递信号的传输函数增益以及从所述电池单元的一个传递至所述控制器的传递信号的传输函数增益。
7.根据权利要求6所述的电池***,其中,所述单元串的数量在所述传输函数增益大致相同时被确定。
8.根据权利要求6所述的电池***,其中,从所述单元传递至所述控制器的传递信号的传输函数增益和从所述电池控制器传递至所述单元的传递信号的传输函数增益是基于所述电池单元的阻抗。
9.一种车辆电池***,其包括:
输电线;
多个电池组智能单元,其沿着所述输电线而被电性联接,每个电池单元包括电池单元监测组件,所述电池单元监测组件监测所述电池单元的参数并将通信接口提供至所述输电线;以及
第一和第二通信线路,第一连接线被电性联接至所述输电线的第一端和所述第一通信线路,第二连接线被电性联接至所述输电线的第二端和所述第一通信线路,第三连接线被电性联接至所述第二通信线路和在所述输电线的所述第一和第二端之间的所述输电线,第四连接线被电性联接至所述第一通信线路和在所述输电线的所述第一和第二端之间的所述输电线,第五连接线被电性联接至所述第二通信线路和在所述输电线的所述第一和第二端之间的所述输电线,从而多个所述电池单元沿着在所述第一和第三连接线、所述第三和第四连接线、所述第四和第五连接线以及所述第五和第二连接线之间的所述输电线而被电性联接。
10.一种车辆电池***,包括
输电线;
多个电池组智能单元,其沿着所述输电线而被电性联接,每个电池单元包括电池单元监测组件,所述电池单元监测组件监测所述电池单元的参数并将通信接口提供至所述输电线;
第一和第二通信线路,其通过多条连接线被电性联接至所述输电线,其中,第一连接线被电性联接至所述输电线的第一端,第二连接线被电性联接至所述输电线的第二端,从而所有的所述电池单元位于所述第一和第二连接线之间,并且其中,多个其它的连接线被电性联接至所述输电线,且所述第一和第二通信线路以交替方式在所述第一和第二连接线之间,从而多个电池单元沿着相邻的连接线之间的所述输电线被电性联接,并且其中,在两条相邻的连接线之间的所述电池单元被定义为单元串,以及
控制器,其控制被提供在所述通信线路上的信号。
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