CN110087937A - 可充电电池管理*** - Google Patents

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普拉卡什·拉玛拉贾
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Abstract

一种可充电电池。本文公开的实施例涉及可充电电池，并且更具体地涉及可交换可充电电池。本文的实施例公开了一种标准化的模块化电池模块，其中电池模块可用于多个应用并且包含用于整理和传送与应用和电池相关的参数的***。

Description

可充电电池管理***
相关申请的交叉引用
本申请基于并获益于2016年12月7日提交的印度临时申请201641041860，其内容通过引用并入本文。
技术领域
本文公开的实施例涉及可充电电池，并且更具体地涉及可交换(swappable)可充电电池。
背景技术
随着在各种应用中对可信赖且可依靠的能源的需求的增加，电能的存储和使用正在承担不断增加的重要性。这导致在各种运输和固定应用中电池的使用增加。
运输和能量存储***的设计者都经常需要从各种电池中进行选择。没有行业标准，这经常会导致特定于每个应用的很长时间的选择、评估、详细设计和验证。还需要紧张和定制的特定努力，以为每个应用概念化、构建和证明这些电池的电子管理***。如果需要进一步改变，这种定制的开发需求经常会导致无法承担的产品引进延迟以及进一步的大的延迟。
现今大多数可用电池是为特定应用和平台定制设计的。这种定制实施涉及在设计、证明和部署阶段的紧张和集中的努力，并形成整个产品设计和实施周期的重大部分。所需要的任何改变都将导致重大的重新开发努力，并对产品设计和实施时间产生不利影响。
随着电池配方(battery formulations)和化学品的快速改进，这种定制设计还导致重大的新的努力需求以升级电池和相关基础设施。这种方法导致不断“追赶”该领域内的最新发展。
发明内容
本文实施例的主要目的是公开一种标准化的模块化电池模块，其中电池模块可以用于多个应用，并且包含用于整理和传送与应用和电池相关的参数的***。
当结合以下描述和附图考虑时，将更好地领会和理解本文实施例的这些和其他方面。然而，应该理解，以下描述虽然表示了至少一个实施例及其许多特定细节，但是是通过说明而非限制的方式给出。在不脱离本文实施例的精神的情况下，可以在本文实施例的范围内进行许多改变和修改，并且本文实施例包括所有这些修改。
附图说明
在附图中说明了本文的实施例，在整个附图中相同的参考标记表示各附图中的相应部分。从以下参考附图的描述中将更好地理解本文的实施例，其中：
图1a和1b描绘了根据本文公开的实施例的电池；
图2a、2b和2c描绘了根据本文公开的实施例的电池模块中的单体电池的示例布置；
图3a和3b描绘了根据本文公开的实施例的具有连接器的电池的示例设计，其中电池可以与相应的触点接合；
图4描绘了根据本文公开的实施例的不同容量的电池向主机设备提供电力的示例场景；和
图5a、5b和5c描绘了根据本文公开的实施例的主机设备中的多个电池和坞。
具体实施方式
参考在附图中说明并在以下描述中详述的非限制性实施例，更全面地解释本文的实施例及其各种特征和有利细节。省略对众所周知的组件和处理技术的描述，以免不必要地模糊本文的实施例。本文使用的示例仅旨在便于理解本文实施例可被实践的方式，并且进一步使本领域技术人员能够实践本文的实施例。因此，这些示例不应被诠释为限制本文实施例的范围。
本文的实施例公开了标准化的模块化电池模块，其中电池模块可用于多个应用，并且包含用于整理和传送与应用和电池相关的参数的***。现在参考附图示出实施例，更具体地说，参考图1a至5c，其中类似的参考标记在整个附图中始终表示相应的特征。
图1a和1b描绘了电池模块。电池模块具有灵活的架构，以便能够创建组，每组包含多个电池模块。每组可被配置为在机械和电子接口方面表现得像单个连续单元。这将便于根据需要交换整个组用于规范。
如所描绘的那样，电池100包含电池管理模块(Battery Management Module，BMM)101、至少一个单体电池102、远程信息控制单元(Telematics Control Unit，TCU)103、切换控制单元(Switching Control Unit，SCU)104、至少一个传感器105、至少一个热元件106、存储器107、至少一个通信接口108、对接机构109和至少一个电力接口110。
BMM 101和TCU 103可以执行与电池100的充电状态(State of Charge，SOC)、电池100的健康状态相关的功能、与电池100相关的充电/平衡功能、与电池100相关的诊断/预测功能、数据生成、数据传输和机载(on-board)分析。BMM 101负责执行包括上面列出的那些功能。TCU 103可以执行功能的调整，并且可以构造用于(使用通信接口108的)传输和存储(例如存储器107)的数据。
电池100可包含一个或多个单体电池102。多个单体电池102可连接在一起以存储能量。在本文的实施例中，单体电池102可以并联组合地连接(如图2a所示)。在本文的实施例中，单体电池102可以串联组合地连接(如图2b所示)。在本文的实施例中，单体电池102可以混合组合地连接，其中至少一个单体电池102串联连接，并且至少一个单体电池并联连接(如图2c所示)。单体电池和单体电池形式可以标准化，以适应任何所需的电池化学成分，并升级到更新的配方。单体电池102可以使用不同的化学配方(诸如锂钴氧化物、NMC(NickelManganese Cobalt Oxide，镍锰钴氧化物)、锂硫化物、钛酸盐和其他现有组合)、燃料电池和超级电容器中的至少一种。单体电池102可以是模块化的、可扩展的并且适应于不同的配置和未来的可升级性。
传感器105可包含诸如温度传感器、电流传感器、电压传感器、位置传感器(诸如GPS(Global Positioning System，全球定位***)传感器)、外部环境传感器(诸如污染监测传感器)、加速度计、陀螺仪等的传感器。在本文的实施例中，传感器105可以分别测量每个单体电池的参数。考虑到电池100位于车辆中的示例场景，传感器105还可以测量车辆参数，诸如加速度、减速度、速度、行进距离等。
传感器105可以包含可测量任何突然移动或下降的传感器，突然移动或下降可以导致电池100的损坏。传感器105可以使用诸如加速度计、震动传感器等的传感器用于这种测量。传感器105还可以包含至少一个生物传感器，其可以收集来自用户的生物数据。生物传感器的示例可以是但不限于指纹读取器、手掌扫描仪、虹膜扫描仪、面部扫描仪、录音机等。在本文的示例中，生物传感器可以结合到电池100的手柄中。传感器105还可以包含压力传感器，其可以测量电池100内的压力。
热元件106可以被配置成将电池100保持在预定的温度水平。热元件106可以是电加热器、热电设备、热绝缘体、热管、风扇、机械热传导装置或可用于外部热传递的任何其他装置中的至少一种。热元件106还可包含像相变材料的热存储元件。热元件106还可以包含有助于管理温度的元件，诸如散热器、热毯、热罩等。在本文的实施例中，电池100的主体的至少一部分也可以担当热元件106。
存储器107可以是RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)或ROM(ReadOnly Memory，只读存储器)中的至少一个。存储器107可以包含关于电池使用寿命的信息，诸如全部/部分循环使用的次数、温度、使用期间的电流和电压状态、放电/充电循环期间的放电深度和充电水平、电池的DC(Direct Current，直流)电阻和阻抗值，等等。存储器107可以包含由传感器105测量的信息。存储器107可以包含由电池100从外部模块接收的信息，外部模块诸如是主机设备、用户设备等。主机设备可以是已安装电池100的设备。主机设备的示例可以是但不限于电动车辆、UPS(Uninterruptible Power Supply，不间断电力供应)、逆变器、能量存储单元、交换站等。
存储器107还可以进一步包含向外部实体标识自身的正在使用的电池模块/单体电池的类型、特定电池100的操作参数的限制、任何给定时刻的充电状态(通过BMM 101的“本地计算”或通过通信接口从外部设备“接收的值”)、电池100的实时老化信息(包含诸如安装和调试日期、当前日期等信息)、循环老化信息(诸如自调试/先前充电等以来模块已经经受的充电和放电的全部和部分循环次数)、突出的使用参数(如电压的平均和峰值应力、电流、温度、放电深度)、外部传感器(诸如环境传感器)、电池性能参数(诸如健康状态、功能状态、内阻等，其可以由BMM 101计算或通过通信接口108从外部设备接收)的装置。存储器107可以包含动态密钥，每当电池从交换站***主机设备时，该动态密钥就被改变。存储器107还可以包含附加信息，诸如与保修、第二寿命等有关的信息。
存储器107结合BMM 101还可以充当从主机***/应用的不同子***接收的信息的聚合器。考虑到电池100在车辆中使用的示例场景，存储器107可以包含从车辆以及与车辆相关联的***/子***接收的信息，其中信息可以由传感器105测量或者可以从车辆接收。车辆参数的示例可以包括但不限于加速度、减速度、速度、行进距离、从驱动单元接收的信息，诸如速度、加速度、制动模式、地形信息等。
通信接口108使得电池100能够与至少一个外部实体接合，至少一个外部实体诸如是主机设备、远程服务器(诸如数据服务器、云等)、车辆***等。通信接口108可以包含有线通信接口或无线通信接口中的至少一个。通信接口108可以使用诸如CAN(Controller AreaNetwork，控制器区域网络)、Zigbee、Wi-Fi、蓝牙，NFC(Near Field Communication，近场通信)、蜂窝、卫星、电力线或任何其他合适的标准的协议，该协议可以是被动的或主动的。通信接口108可以是灵活的，以便适应不同用户/应用/主机设备所需的不同的数据结构。通信接口108还可以合并认证装置，诸如双向认证机制，以确保信息安全性。通信接口108可以将接收的信息传送到TCU 103，并且可以接收要从TCU 103传输的信息。
TCU 103可以控制通信接口108并且可以管理数据通过通信接口108的传输和接收。TCU 103可以聚合由电池100接收的数据。基于与车辆和电池100相关的信息(诸如当前使用、当前SOC、车辆驾驶员等)，TCU 103可以计算诸如可行驶距离(Distance to Empty，DTE)的参数，然后，可以使用通信接口108将该参数转送到诸如车辆或用户的外部实体。TCU103可以使用充电状态(State of Charge，SOC)、健康状态(State of Health，SOH)、电池100的功能状态(State of Function，SOF)、车辆信息(诸如当前速度、驾驶/道路的性质、车辆负载等)、以及用户信息(诸如驾驶员的类型等)来计算DTE。
对接机构109确保快速且容易地连接到主机设备，例如车辆。图3a和3b描绘了电池100可以连接到车辆的示例方式。对接机构109可以是机械、电气或机电机构中的至少一种。对接机构109可以是通用的接口，其适用于包括对接舱(docking bays)105的应用和平台和/或主机设备。在本文的实施例中，对接机构109可以包含确保安全连接的锁，其中可以通过手动或远程操作的认证机构来操作锁。
电力接口110可用于将电池100和/或单体电池102连接到外部实体，诸如能源、负载等。电力接口110可以是双向的。在本文的示例中，负载可以是电动车辆。在本文的实施例中，电力接口110可以是电子/机电开关。
使用对接机构109和电力接口110，SCU 104能够使电池100与主机设备连接和断开。SCU 104还可以控制到/来自电池100的电力输出。这可以在由于电池的状态或来自车辆的指令，而不得不减少给车辆的电力的情况中使用。考虑使用多个电池100的示例场景，SCU104可以管理来自电池的电力共享。在另一个示例中，由于电池100的不均等状态(如图4中的示例所示)，SCU 104可以便于可能需要的电池100的不均等电力共享。
SCU 104还可以使电池100能够基于命令架构在它们之间共享能量。这样的示例应用可以是车辆内的电池对电池充电、在交换认证信息之后由另一车辆对一个车辆电池进行跳跃充电、通过移动电池组对车辆进行道路充电等等。
BMM 101可以从其他模块和主机设备接收数据。BMM 101可以在充电、放电和空闲状态期间读取这些值。BMM 101可以监视参数，并通过生成早期警告和启动切断机制来确保在安全操作区域内的操作。BMM 101可以管理存储器107和存储器107中的信息的组织。
BMM 101可以构建认证机制来通过通信接口108管理通信协议。这可以包含检查用户是否被授权使用电池100、用户是否可以使用电池100、电池100是否可以用在该主机设备中，等等。BMM 101可以使用诸如生物手段、或用户名密码、用户数据库(诸如Aadhar、SSN(Social Security Number，社会安全号码)、许可证号等)、动态密钥等的合适手段来检查这一点。例如，如果电池100正在车辆中使用，则BMM 101可以通过检查可使用通信接口108从车辆接收的车辆的唯一识别手段(诸如VIN(Vehicle Identification Number，车辆识别号)、底盘号、发动机号、RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)、车辆登记号等)来检查电池100是否可以在车辆中使用。BMM 101可以认证主机设备、应用、用户设备、电池100***其中的坞等等中的至少一个。BMM 101可以在外部实体(诸如用户设备、远程服务器等)的帮助下执行安全和认证功能。如果BMM 101已经执行了成功认证，则BMM 101能够实现任务，诸如使用户能够通过解锁对接机构109来移动电池101、向主机设备提供电力、充电等。
BMM 101可以使用传感器读数、存储的参数和通过通信接口108从外部源接收的信息来计算电池的充电状态、健康状态和功能状态。BMM 101可以执行与电池的安全和合理使用相关的若干操作。BMM 101在充电和放电期间在限定的操作条件下确保电池100的操作。BMM 101可以计算电池100的参数，诸如SOC(充电状态)、SOH(健康状态)和SOF(功能状态)。BMM 101可以将接收的信息和计算的参数存储在存储器107中。
BMM 101使电池100能够成为自我感知能量***，其始终包含关于其自身状态、使用条件、老化和已经经历的滥用的信息。存储在电池中的信息可以包括以下：电池的唯一识别手段(以下称为电池id)、制造批次信息、日历时间的使用持续时间、循环使用、初始容量、特定间隔的容量、遇到的峰值和平均温度应力、遇到的峰值和平均电流应力、内部电阻值随着使用的趋势、使用期间的温度升高模式、随着日历时间和循环使用的在充电/放电SOC、SOH模式方面的使用模式、遇到的诸如振动和冲击的物理应力、遇到的滥用情况等。
基于来自传感器105的输入，BMM 101可以确定电池100是否已遭受电池100中的任何不期望的变化，诸如损坏、跌落、篡改、事故等。BMM 101可以使用来自诸如加速度计、震动传感器的传感器105的数据来确定高度、方向、加速度、减速度等的任何突然的变化。BMM101可以检查变化是否超过一个或多个预定阈值。如果BMM 101确定超过了一个或多个阈值，则BMM 101可以使用通信接口108向至少一个外部实体(诸如用户设备、远程服务器等)提供警报，该警报关于对电池100的潜在损坏和与损坏有关的数据。
在本文的实施例中，BMM 101可以通过监测机械和/或电子锁不可用和/或被毁坏、在没有合理认证的情况下与主机设备中的坞失去通信、或任何其他预定义的场景，来检查对电池100的篡改。在检测到至少一个预定义的场景时，BMM 101可以使电力不可用并使电池100的跟踪***能够运行。
BMM 101可以使用来自压力传感器的输入来确定电池100的健康状况。随着时间和使用，电池100中的单体电池将膨胀。BMM 101可以使用来自压力传感器的输入来确定膨胀水平。在BMM 101确定膨胀已经越过预定阈值时，BMM 101可以执行至少一个动作，诸如发出警报、使电池100不可用等等。
BMM 101可以使用通信接口收集和聚合关于主机设备的信息。该信息的示例可以是但不限于主机设备的能量使用、主机设备中存在的负载、主机设备的使用模式、主机设备的使用类型、主机设备的唯一标识符等等。
BMM 101可以使用通信接口108接收更新，并使用所接收的更新来配置电池100中的一个或多个模块。在本文的实施例中，更新可以是空中更新。可以为电池100定制更新。
在本文的实施例中，一个或多个电池100可被组合以形成电池组。在这种情况下，每个电池100的BMM 101可以彼此交互、整合来自组中的不同电池的信息，并将整合信息提供给外部实体，诸如用户设备，远程服务器等。
电池101还可以包含执行所有读数和事件的时间戳的、诸如实时时钟(Real TimeClock，RTC)111的附加模块以，以及DC/DC转换器112(以向存在于电池100中的各种模块提供电力并且从单体电池102汲取电力)。电池101还可以根据需要包含其他传感器和通信管理单元，包括隔离的CAN(CAN-IR)通信(未示出)。
图5a、5b和5c描绘了主机设备中的多个电池和坞。可以使用诸如CAN总线的合适手段，在电池100和坞501之间交换数据。锁可以是数字锁和/或物理锁中的至少一种，使用诸如磁性手段的合适手段来保护电池。在交换过程期间，基于认证和识别来激活/停用锁。锁还可以包含手动制动。使用诸如CAN总线的合适手段，坞501可以进一步连接到主机设备。主机设备可以包含具有电池的单个坞(如图5a中所示)。主机设备可以包含串联连接的多个坞，每个坞连接到电池(如图5b所示)。主机设备可以包含连接到多个电池的坞(如图5c所示)。
本文公开的实施例描述了标准化的模块化电池模块，其中电池模块可以用于多个应用，并且包含用于整理和传送与应用和电池相关的参数的***。因此，应当理解，保护范围扩展到这样的程序，并且除了其中具有消息的计算机可读装置之外，这样的计算机可读存储装置包含用于实现该方法的一个或多个步骤的程序代码装置，当程序在服务器或移动设备或任何合适的可编程设备上运行时。该方法在至少一个实施例中通过或者与例如以超高速集成电路硬件描述语言(Very High Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language，VHDL)的另一种编程语言编写的软件程序一起实现，或由在至少一个硬件设备上运行的一个或多个VHDL或若干软件模块实现。硬件设备可以是可编程的任何类型的便携式设备。该设备还可以包括可以是例如硬件装置或硬件和软件装置的组合的装置，硬件装置例如是ASIC、硬件和软件装置的组合例如是ASIC和FPGA、或至少一个微处理器和软件模块位于其中的至少一个存储器。本文描述的方法实施例可以部分地以硬件实现并且部分地以软件实现。或者，本发明可以在不同的硬件设备上实现，例如，使用多个CPU。
特定实施例的前述描述将如此充分地揭示本文实施例的一般性质，以致其他人可以通过应用当前知识，容易地修改和/或为各种应用改编这些特定实施例而不脱离一般概念，并且因此，应当并且旨在在所公开的实施例的等同物的含义和范围内理解这些改编和修改。应理解，本文采用的措辞或术语是出于描述的目的而非限制。因此，虽然已经根据实施例和示例描述了本文的实施例，但是本领域技术人员将认识到，可以在如本文所述的实施例的精神和范围内利用修改来实践本文公开的实施例和示例。

Claims (14)

1.一种电池(100)，其特征在于，包含：
电池管理模块(BMM)(101)，被配置用于：
认证所述电池(100)的用户和使用所述电池(100)的主机设备；
计算所述电池(100)的充电状态(SOC)、健康状态(SOH)和功能状态(SOF)；
在所述电池(100)的充电和所述电池(100)的放电期间，在限定的操作条件下确保所述电池(100)的操作；
通过检查对接机构(109)是否是不可用和被毁坏中的至少一种来检查对所述电池(100)的篡改；
使用来自至少一个传感器(105)的输入来检查所述电池(100)中的不希望的变化；
如果所述电池(100)已经被篡改或者所述电池(100)中存在不希望的变化，则提供警报；
用于存储能量的多个单体电池(102)；
远程信息控制单元(TCU)(103)，被配置用于
管理数据通过通信接口(108)的传输和接收；
使用所述电池(100)的所述充电状态(SOC)、健康状态(SOH)、功能状态(SOF)、车辆信息和用户信息来计算可行驶距离(DTE)；
切换控制单元(SCU)(104)，被配置用于使用所述对接机构(109)和电力接口(110)控制与所述主机设备的连接和断开；和
至少一个热元件(106)，被配置用于将所述电池(100)保持在预定温度。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池(100)和所述主机设备被认证。
3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述至少一个传感器(105)包含以下中的至少一个：温度传感器、电流传感器、电压传感器、位置传感器、外部环境传感器、加速度计、陀螺仪、震动传感器、压力传感器以及至少一个生物传感器。
4.根据权利要求3所述的电池，其特征在于，所述BMM(101)进一步被配置为使用所述压力传感器来确定所述电池(100)的健康状况，其中所述BMM(101)使用来自所述压力传感器的输入来确定所述多个单体电池(102)的膨胀水平。
5.根据权利要求3所述的电池，其特征在于，所述BMM(101)被配置用于
通过使用来自所述至少一个传感器(105)的输入来检查所述电池(100)在高度、方向、加速度和减速度中的至少一个上的突然变化，从而检查所述不期望的变化；和
如果所述突然变化超过至少一个预定阈值，则提供警报。
6.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述多个单体电池(101)以串联、并联或混合方式中的至少一种被模块化布置。
7.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述热元件(106)包含电加热器、热电设备、热绝缘体、热管、风扇、机械热传导装置、相变材料、散热器、热毯、热罩、以及所述电池(100)的主体的至少一部分中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述BMM(101)被配置用于通过检查机械和/或电子锁不可用和/或被毁坏、以及在没有合理认证的情况下与所述主机设备失去通信中的至少一个来检查篡改。
9.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池(100)进一步包含实时时钟(RTC)(111)以执行所有读数和事件的时间戳。
10.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池(100)进一步包含DC/DC转换器(112)。
11.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池(100)进一步被配置用于连接至少一个其他电池(100)以形成电池组。
12.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述BMM(101)进一步被配置用于收集和聚合关于所述主机设备的信息。
13.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池(100)被配置使用空中更新。
14.根据权利要求13所述的电池，其特征在于，所述更新是为所述电池(100)定制的。
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