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大型电池系统和组装的方法
    相关申请案
     本申请案主张公元 2009 年 9 月 1 日所提出的美国临时申请案第 61/238,882 号的 权益。以上所述申请案的整体教示是以参照方式而纳入本文。
     背景技术
     大型电池系统在各种电动及混合式电动交通工具中被使用做为电力储存装置。 可 以用电力或混合式动力驱动的一些交通工具实例包括汽车、 船、 以及电车。 这些电池系统的 容量范围通常介于 10kWh 到 100kWh 之间， 且具有介于 44.4Vdc 到 444Vdc 之间的理论上的 整体电池电压额定值。
     构建大型电池系统最常见的方式是将一些个别高容量电池单体以串联和并联的 方式连接在一起， 以达到预定的系统电压及容量。每一电池系统可以是由数十个到数百个 个别电池单体组配而成。由于电池单体制造流程的缘故， 任何一群电池单体均可能在至少 二个关键参数上具有变异的分布 ： 内部阻抗以及电荷维持容量。一群产出电池单体中阻抗 及容量的变异对于大型电池系统的生产是一大挑战， 因为系统内并联和串联的电池单体组 合在阻抗和容量上有所差异。 系统内的阻抗及容量上的变异直接影响包含以下项目的整体 电池系统特性 ： 容量、 能量储存效率、 循环使用寿命、 热能减损、 内部温度均匀性、 平衡电子 部件的成本、 以及余热排除 ( 冷却 ) 系统的成本。 发明内容 以下摘要叙述本发明所包含的一些实施例。 提出该等信息是用以提供对于本发明 的特色的一基本理解。 此节所提供内容基本上是一般的性质而非意欲指出实施例的最重要 特征。揭示于下的该等信息的意图仅是提供本发明的简化实例并做为更细节说明的导引。 习于斯艺者应理解在包含于申请专利范围以及说明的范畴下， 尚存在其他实施例、 修改、 变 异、 以及类似形式的实施方式。
     本发明的一示范性实施例包含一种识别在大型电池的制造或组装中所使用的组 件的方法。 该方法包含附加一识别标记至该大型电池内所包含的多个电池单体中的每一单 体以及多个由电池单体构成的区块中的每一区块。此外， 其亦维持该等电池单体和区块的 该识别标记和相关参数的一数据库以及依据该相关参数选择电池单体和区块。 该相关参数 可以包含该等电池单体和区块的容量或内部电阻。此外， 其可以使用一虚拟随机数产生器 以选择用以置放于该大型电池内的电池单体和区块。 该虚拟随机数产生器可以依据可用以 置放于该大型电池内的电池单体的一常态分布选择电池单体。
     该方法可以进一步包含加装识别标记至包含于该大型电池内的多个由区块构成 的模块中的每一模块并以该等模块的识别标记及相关参数更新该数据库。 该相关参数可以 包含该等模块的容量或内部电阻。 其亦可以使用上述的虚拟随机数产生器以选择用以置放 于该大型电池内的模块。
     本发明的另一示范性实施例包含一种电池系统以及对应的选择电池单体以构建
     一电池系统的方法。该方法可以包含量测电池单体的容量并， 在一数据库之中， 将每一电 池单体联结其各自的容量量测值。并且， 其可以依据该量测的电池单体容量计算一统计分 布， 且可以自该统计分布中的各处选择电池单体以置放于该电池系统之中。该等选择的电 池单体从而可以被以并联方式置放于该电池系统内。 其可以选择该等电池单体以使得该电 池系统的容量趋近于该统计分布的一平均值。该等电池单体容量可以是位于一从 4000mAh 到 4500mAh 的范围内或是从 4420mAh 到 4480mAh 的范围内。此外， 其可以自该统计分布中 的特定区段 ( 习于斯艺者习称为″箱 (bin)″ ) 随机地选择电池单体。若该统计分布的一 特定区段内的电池单体已然用罄， 则可以自一较接近该统计分布的一平均值的邻近区段选 择电池单体。
     本发明的另一实施例包含一电池系统。 该电池系统可以包含多个电性耦接的由电 池单体构成的区块， 每一区块内包含以并联方式相连的电池单体， 且每一区块中电池单体 的容量遵循自其中挑选该等电池单体的一群电池单体的一统计分布。 其可以选择该等电池 单体以使得该电池系统的容量趋近于该统计分布的一平均值。
     本发明的另一示范性实施例包含一种电池系统以及对应的选择一电池系统的电 池单体的方法。该方法可以包含量测该电池系统的组件的内部电阻、 维持一包含该内部电 阻量测值的数据库、 以及依据该内部电阻量测值将电池单体置放于该电池系统之中。置放 电池单体可以包含将具有低内部电阻量测值的电池单体置放于由该电池系统的其他组件 所贡献而相对于电池接头具有高内部电阻的区域。 置放电池单体亦可以包含将具有高内部 电阻量测值的电池单体置放于由该电池系统的其他组件所贡献而相对于电池接头具有低 内部电阻的区域。在一电池接头与外部接触超过一个位置的情形， 造成超过一条电流流动 路径往来于该电池接头， 则具有高阻抗的电池单体被置放于较接近该接头接触的位置， 而 具有较低内部电阻的电池单体则被置放于较远离该接头接触的位置。此外， 上述的数据库 可以包含该电池系统的电池单体和组件的识别标记和相关参数。 该相关参数可以包含该电 池系统的电池单体和组件的内部电阻或容量。
     本发明的另一示范性实施例包含一种选择电池系统组件的预定容量的方法。 此方 法可以包含决定该电池系统内的一温度分布概况、 估计该电池系统的组件的一温度相关容 量、 以及利用该温度相关容量及温度分布概况选择该电池系统的组件。
     此外， 其可以选择一参考区块以针对该电池系统内的区块建立一可接受的温度。 从而可以依据该参考区块温度及该电池系统内其他区块的温度决定一温度差距。 依据该温 度相关容量及温度差距可以决定该电池系统内区块的预定容量。此外， 区块可以依据该估 算的预定容量被置放于该电池系统内。
     本发明的另一示范性实施例可以包含一电池系统。 此电池系统可以包含多个电性 耦接的电池系统组件以及被选择置放于最远离一热源的具有低容量的电池系统组件。 此等 电池组件可以包含多个电性耦接的电池单体区块或者多个电性耦接由电池单体区块构成 的模块。
     本发明的另一示范性实施例可以包含一种识别大型电池的组件的方法。 该方法可 以包含对该大型电池内所包含的多个电池单体、 区块、 以及模块各自附加一识别标记。 其可 以维持一数据库， 该数据库包含该等电池单体、 区块、 以及模块的识别标记和相关参数。该 相关参数可以包含该等电池单体、 区块、 以及模块的容量或内部电阻。 其可以使用一虚拟随机数产生器以选择用以置放于该大型电池内的电池单体、 区块、 以及模块。 该虚拟随机数产 生器亦可以依据可用以置放于该大型电池内的电池单体的一常态分布挑选电池单体。 附图说明
     经由本发明示范性实施例的具体详尽说明， 以下所述特点将趋于明显， 该等说明 是配合所附图式进行， 不同视图中相同的参照字符表示相同的部件。
     图式未必成比例绘制， 其可能基于本发明实施例的例示所需而予以夸示强调。
     图 1A-1D 是例示依据本发明一示范性实施例的具有八个并联电池单体的一区块 的示意图 ；
     图 2A-2E 是例示可以依据本发明一示范性实施例运用的一模块的示意图 ；
     图 3 是例示依据本发明一示范性实施例的具有十六个串联模块的一电池串 (string) 的连接示意图 ；
     图 4 是例示依据本发明一示范性实施例的具有三个并联电池串的一大型电池组 (battery pack) 的连接示意图 ；
     图 5 是例示可被使用于本发明一示范实施例的基于容量分布的产出电池单体的 一统计模型的图表 ；
     图 6 是例示依据本发明一示范性实施例的二模块的一内部直流电阻模型的示意图； 图 7A 是一图表， 其描绘充电 / 放电循环数据以及二个相较于其余区块具有轻微容 量不匹配的区块的影响 ；
     图 7B 例 示 在 一 外 部 热 源 邻 近 处 的 一 电 池 模 块 的 一 温 度 梯 度 (temperature gradient) ；
     图 7C 是一实际置放示意图， 其例示在一依据本发明一示范性实施例的模块内的 电池单体及区块的置放 ；
     图 8 是一图表， 其描绘依据本发明一示范性实施例的由区块及电池单体识别记号 组成的典型模块成分表， 其中包含电池单体及区块的内部电阻及容量参数 ； 以及
     图 9 是一流程图， 其描述维持一电池单体群集的库存以及选择其容量落入该群集 的一量测常态分布内的电池单体。
     具体实施方式
     以下是本发明示范性实施例的描述。
     其中引用的所有专利、 公开申请案以及参考数据的教示均以参照其整体的方式并 入本说明书。
     现有的大型电动交通工具电池系统以及其他大型电池系统并未提供方法以选择 区块及模块的电池单体而达成高水平的系统效能、 效率以及使用寿命， 同时充分使用一产 出电池单体库存。当电池单体被选择之后， 现有的大型电池系统并未提供方法将所选择电 池单体置放于区块之内以确保均匀的有效电池单体阻抗以及一致的电池单体老化过程， 同 时将源于循环使用的整体区块容量减损最小化。 在区块之间承受一已知的平均温度梯度的 现有大型电池系统并未提供方法置放所挑选的区块以补偿由于一些区块运作于比其他区块较高的平均温度而造成的容量降低。
     然而， 本发明的实施例包含用于制造诸如一电动交通工具的大型电池系统的方 法， 以及对应的电池系统。 更具体而言， 本发明是有关于一种改良的电池系统以及选择及配 置产出电池单体于一电池系统内的方法以改善整体系统效能、 使用寿命以及电池单体产出 库存的利用。
     大型电池系统的制造通常是利用一阶层式的共通次级单元以促成各种容量以及 电压大小、 允许机械性地匹配至不同的套用外壳、 以及简化整体组装、 测试、 维护、 和保修流 程。位于该大型电池系统制造阶层的底部者是单一高容量电池单体。此种单一高容量电池 单体的一商业上的实例是 Boston-Power SwingTM 锂离子电池单体。
     依据本发明的一示范性实施例， 每一高容量电池单体 ( 或单体 ) 均各自具有独特 的内部阻抗和电荷维持容量， 其在电池单体制造流程结束时得知。 量测之后， 此等参数经由 一特有电池单体识别记号被联结至其个别电池单体。在电池组制造流程之中， 电池单体被 选择并配置为群组以组装在电池组制造阶层中称为区块的下一级较大次级单元。
     图 1A-1D 中显示一区块 100 的实例， 其例示具有 130Wh( 瓦特 * 小时 (Watt*hour)) 理论容量的单一高容量电池单体 105a-h 的一 8p1s 群组， 且可以包含温度感测电子部件 112。一个区块因此亦称为一单一″虚拟单体″， 因为区块与一个别单体具有相同的电压 且其容量是该等个别单体容量的总和。图 1A-1D( 分别 ) 例示一依据本发明一示范性实施 例的区块 100 的上视图、 侧视图、 前视图、 和底视图。一区块 100 可以包含多个电池单体 105a-h、 负母线 (negative busbar)110、 连至负母线 110 的螺丝连接 113a-b、 ( 分别 ) 针对 每一电池单体 105a-h 的负母线连接 115a-h、 正母线 (positive busbar)120、 连至正母线 120 的螺丝连接 123a-b、 以及 ( 分别 ) 针对每一电池单体 105a-h 的正母线连接 125a-h。如 图 1A 所示， 每一单体 105a-h 的顶端 ( 负电极 ) 接头均利用一负母线连接 ( 或连接片 (tab strip))115a-h 电性连接至一第一铜质母线 ( 表示为负母线 110)， 该负母线连接 115a-h 跨相邻的电池单体对之间呈对角线对齐。上述的负母线连接 115a-h 焊接至每一电池单体 105a-h 的顶端接头， 且同时亦焊接至负母线 110。以类似方式， 每一电池单体的底部 ( 正电 极 ) 接头均利用焊接至每一电池单体盒底部的连接片电性连接至一第二铜质母线 ( 表示为 正母线 120)， 如图 1D 所示。其利用位于每一母线左侧及右侧两侧或一侧上的螺丝连接器 113a-b、 123a-b 制成对区块的电性接触。一热感测电路板 112 可以纵向安置于各自包含四 个单体的列与列之间。如图 1B 所示， 一个源自热传感器电路板 112 的凸片可以由靠近负母 线 110 的区块右侧凸出以使得传感器电路板 112 可以电性连接至一电池管理系统控制器 ( 未显示于图中 )。
     继续参见图 1A 至 1D， 电池单体 105a-h 可以通过顶端连接片 115a-h 和底部连接片 125a-h 机械式地固定于适当位置， 其支承电池单体 105a-h 于适当位置而成为一区块 100。 区块 100 组态的一安全特征在于电池单体 105a-h 的超压排气侧 (over-pressure vent side) 可以面朝外地位于区块 100 的每一个侧面之上， 例如， 如图 1B 所示， 电池单体 105e-h 的排气侧面朝外地位于区块 100 的一侧面上。以此种方式， 若一电池单体 105a-h 发生一超 压事件， 则该电池单体 105a-h 将向外排气至一周围的冷却腔穴而非向内排气至相邻的电 池单体。
     继续参见图 1A 至 1D， 在机械结构方面， 连接片 115a-h、 125a-h 以及母线 110、 120可以具有一弯曲顺从性， 其使得连接片 115a-h、 125a-h 及 / 或母线 110、 120 可以在源自诸 如区块 100 的撞击或震动的静态及动态机械式负载下产生弯曲。连接片 115a-h、 125a-h 焊 接点具有的焊接强度使得其在静态及动态负载状况期间可以分别维持对其接附点的机械 性及电性接附。其可以选择连接片 115a-h、 125a-h 的弯曲顺从性以及母线 110、 120 的坚硬 度使得主要弯曲形式发生于连接片 115a-h、 125a-h 之内而非母线 110、 120 之内或是焊接位 置处 ( 表示为连接片 115a-h、 125a-h 上的波纹图案 )。此种情况下， 当区块 100 承受应用环 境常见频率及强度的机械撞击或震动而弯曲之时， 连接片 115a-h、 125a-h 的弯曲顺从性以 及母线 110、 120 的坚硬度确保大部分的机械应力发生于连接片 115a-h、 125a-h 内部而非发 生于焊接连结点处。此机械组态可以允许区块 100 容忍较高阶的静态及动态负载 ； 从而降 低焊接位置的机械性断裂和循环疲劳 (cycling fatigue) 的风险。此等断裂或循环疲劳可 能造成不安全的状况， 诸如受影响焊接点的电性断开或其互连阻抗的实质增加。
     本发明的一示范性实施例包含一种识别大型电池的组件的方法。图 1A-1D 的区块 100 的每一电池单体 105a-h 亦可以包含一识别标记于电池单体 105a-h 的一表面上， 诸如图 1B 所示的每一电池单体 105a-h 朝外的一侧。在本说明书之中， 一识别标记可以包含条形 码 (bar code)、 序号 (serial number)、 射频识别装置 (radio frequency identification device ； RFID) 或者是可读取或可扫描代码 ( 由人眼或机械感测装置 )。此外， 一识别标记 可以是附加 ( 可移除式地或是永久性地 )、 嵌入、 或压印于电池单体 105a-h 或区块 100 的一 表面上。附加识别标记的动作可以发生于电池单体 105a-h、 区块 100 或模块 ( 模块将在以 下参照图 2A-2E 进一步加以解释 ) 的制造、 组装、 或生产期间。其可以维持一数据库， 该数 据库包含电池单体 105a-h 以及区块 100 的识别标记和相关参数 ( 诸如容量和内部电阻 )。 如此一来， 即可以依据该等相关参数选择电池单体 105a-h 以及区块 100。该数据库亦可以 包含有关电池单体 105a-h、 区块 100 或模块制造的信息， 诸如制造步骤完成的日期 / 时间 戳、 有关制造的制程参数量测值 ( 例如， 阻抗、 断路电压、 短路电流、 和高电压测试 )。 该相关 参数可以包含电池单体 105a-h 和区块 100 的容量或内部电阻。其可以使用一虚拟随机数 产生器以选择电池单体 105a-h 及区块 100 以放置于大型电池之内， 举例而言， 依据可用以 放置于大型电池内的电池单体 105a-h 的一常态分布。
     区块通常是与监测及平衡电子部件 ( 未显示于图中 ) 以串联的方式组装而形成称 为模块的电池系统制造阶层中的下一级较大次级单元。图 2A-2E( 分别 ) 例示一依据本发 明一实施例的一模块 200 示范性实施例的上视图、 立体图、 侧视图、 端视图、 和展开图。
     一模块 200 可以包含 6 个区块 ( 例如， 如图 1A-1D 所例示的区块 100) 彼此串联， 共 具有 48 个电池单体以及 780Wh 的理论容量。 如图 2E 所示， 模块 200 可以包含螺丝 205-207、 电池单体区块组件 210、 电池单体区块终端配件 215、 顶盖及间隙配垫组件 220、 底盖及间隙 配垫组件 225、 塑料隔离件 230、 背板电子电路板组件 235、 电路板定位护件 240、 电池单体 区块监测缆线组件 245、 跨单体连接器 250、 绝缘体 ( 背板电路板 )255、 绝缘体 ( 接头侧顶 部 )260、 以及绝缘体 ( 接头侧底部 )265。在图 2A 之中， 区块 B1-B6 可以配置成彼此以长度 方向边靠边相邻， 且每一区块的接头凸出于模块 200 的顶端和底部。在此实例之中， 六个区 块 B1-B6 通过交替连接母线接头而彼此以串联方式电性连接， 如图 2A 上方所示。在此组态 之中， 底部母线接头可以不连接。最左侧及最右侧的底部母线接头形成整个模块 200 的正 负接头。如图 2B 所示， 模块 200 可以在二个最大的外侧面使用模压非导电塑料板而在机械结构上保持完整。模压槽 (molded groove) 匹配电池单体区块顶端及底部的轮廓线以维持 预定的区块间隔。定位螺丝从顶端穿透至底部平板以将平板与整个组件固定在一起。区块 之间的腔穴可以充当空气冷却通道。一电子印刷电路板背板 235 可以加装至模块 200 未连 接的接头侧。用以监测个别区块电压的电池管理控制电子部件 ( 未显示于图中 ) 以及热传 感器电路板 ( 例如， 图 1B 的热感测电路板 112) 可以包含于背板之上。模块 200 亦可以包 含一识别标记。
     依据本发明一示范性实施例， 识别标记可以附加至包含于大型电池内多个由区块 ( 例如， 图 1A-1D 的区块 100) 构成的模块 200 中的每一个模块。因此， 其可以以模块的识别 标记和相关参数更新一数据库， 并且可以使用一虚拟随机数产生器以选择用以置放于大型 电池内的模块 200。
     其可以连接 ( 例如， 串联 ) 二或多个模块以形成一电池串。图 3 是例示依据本发 明一示范性实施例的具有十六个串联模块 310a-p 的一电池串 300 的连接示意图。电池串 300 可以包含一正接头 305、 电池模块 310a-p( 例如， 图 2A-2E 的模块 200)、 负接头 315、 通 往电池管理系统 (battery manage system ； BMS) 控制器 ( 未显示于图中 ) 的通信路径 320、 以及电池串中保险丝及保修断连装置 (mid-string fuse and service disconnect)325。 每一电池模块 310a-p 可以包含六个彼此串联的区块， 在图 3 中表示为″ 6s 模块″。电池 串 300 可以经由正接头 305、 负接头 315、 以及通往 BMS 控制器的通信路径 320 连接至电池 组的电子部件 ( 未显示于图中 )。该 BMS 控制器 ( 未显示于图中 ) 可以连接至模块以监测 包含于其中的每一复数区块或多个电池单体。此外， 电池组的电子部件可用以控制电池系 统的充电及放电。每一电池串 300 可以包含一用于安全性用途的电池串中保险丝及保修断 连装置 325。
     其可以连接 ( 例如， 串联或并联 ) 二或多个电池串以形成一电池组。图 4 是例示 依据本发明一示范性实施例的具有三个并联电池串 410a-c 的一用于交通工具的大型电池 组 400 的连接示意图。电池组 400 可以包含一正接头 405、 电阻 R1-R3、 电容 C1-C4、 电池串 410a-c( 例如， 图 3 的电池串 300)、 高电压前级 (high voltage front end ； HVFE)411、 保险 丝 413a-c( 例如， 图 3 的电池串中保险丝及保修断连装置 325)、 BMS 控制器 415、 CAN( 控制 器局域网络 ； controller area network) 总线 417、 通信交通工具 CPU 420。电池串 410a-c 可以结合一 BMS 控制器 415( 例如， 如图 3 所示 ) 及一 HVFE 411。该 HVFE 411 可以提供机 电式致动接触器 (contactor) 以执行整体电池组 400 与应用 ( 例如， 电动交通工具 ) 主电 力总线间的连接 / 断开。此外， HVFE 411 可以具有诊断功能， 诸如绝缘失效错误感测功能。 该 BMS 控制器 415 可用以管理区块、 模块、 及电池串运作以及安全性控制。该 BMS 控制器 415 亦可用以执行效能优化算法。该 BMS 控制器 415 同时亦可以做为电池组 400 与其外界 装置的通信接口 ( 例如， BMS 控制器 415 经由 CAN 总线 417 与通信交通工具 CPU 420 进行通 信 )。该 BMS 控制器 415 可以经由一光隔离式序列通信路径 416 与一 HVFE 411 进行通信。
     电池单体制造流程期间， 可以针对阻抗及容量测试电池单体。通常被确认其阻抗 位于一可接受范围内的电池单体， 诸如从大约 13mOhm( 毫奥姆 ) 到大约 22mOhm 的范围， 被 依据其容量归类至一些贮藏箱内。当组装期间从该等贮藏箱挑选电池单体以组成一区块 时， 制造的考虑之一是有关于单体的选择以及置放至一区块之中 ( 例如， 图 1A-1D 的区块 100 中的一固定位置 )。举例而言， 在小型电池系统之中， 诸如一笔记本电脑中的 3slp 或3s2p 组态， 电池组中的所有单体均在容量上彼此″匹配″或者是从同一贮藏箱中选出以提 供具有极类似容量的电池组。电池单体容量匹配能成立是由于串联构件具有相仿的容量 且将因此在电池组运作期间维持较接近的充电状态 (state of charge ； SOC) 平衡。因此， 电池单体库存可以被完全利用， 因为通过从同一贮藏箱选择电池单体以制造每一小型电池 组， 以及从所有可用的贮藏箱制造小型电池组。
     然而， 当电池组变得较大时， 例如由 10s 或 100s 电池单体构成， 其变得更加难以匹 配串联构件 ( 例如， 区块 ) 的容量， 同时又能充分利用产出的电池单体库存。 例如， 在大型电 池系统之中， 无法接受的状况可能发生于若每一区块中的所有电池单体均和小型电池系统 一样从同一贮藏箱中选出， 以及若选自不同贮藏箱的区块被组合以耗用电池单体库存。如 此可能造成模块内的串联构件 ( 例如， 区块 ) 在容量上不″匹配″而降低整体模块容量， 从 而需要增加平衡、 造成效率低落且成本增加。
     图 5 显示电池单体依据容量的一典型分布的统计模型数据。本发明的另一实施例 包含一种自一群依容量范围分类而具有诸如图 5 例示的产出电池单体分布的贮藏箱 ( 表示 为图中的长条 ) 选择电池单体以构建电池系统的方法。在本说明书之中， ″箱″一词是一 预先定义的电池单体容量范围， 对应至其容量包含于该特别的预先定义范围内的产出电池 单体。显示于图中的每一长条均可以称为一单箱。或者， 相邻长条的群组可以合称以形成 较少的单箱。 依据本发明此示范性实施例， 电池单体的容量可以被量测而每一电池单体可以从 而被联结至其在一数据库中的各别容量量测值。接着， 其可以计算该等电池单体的一统计 分布。通过自该分布的每一箱区中随机选择电池单体， 或者说选择其分布大致涵盖所有容 量范围分类贮藏箱的电池单体， 而后将所选择的电池单体聚集于一区块， 则产生的区块将 具有较佳的容量匹配且区块间具有较少的变异。 产出的电池单体容量已知是呈现一常态分 布， 其型态类似图 5 中的模式。依据本发明一示范性实施例， 其可以遍及该分布选择电池单 体并以并联方式置放于同一区块之中。在一区块内， 较低容量的电池单体可以补偿较高容 量的电池单体且产生区块的容量将趋近于统计上常态分布的平均值。 此选择方法与用于诸 如 2p3s 笔记本电脑组态的小型电池组中选择电池单体的方法相反， 后者是从同一贮藏箱 中选择电池单体以在电池组中的所有电池单体间维持极为接近的匹配容量。此外， 依据本 发明一示范性实施例做出的电池单体选择允许自所有贮藏箱中取用电池单体， 使得贮藏箱 的消耗方式较为均匀。此使得生产者可以更加充分地利用可用的产出库存。
     依此观点而言， 依据本发明一示范性实施例， 一电池系统可以包含多个电性耦接 的电池单体区块， 每一区块中均包含彼此并联的电池单体。每一区块中的电池单体的容量 均可以遵循自其中选出电池单体的一群电池单体的统计分布。 其亦可以选择该等电池单体 以使得该电池系统的容量趋近于该统计分布的一平均值。
     继续参见图 5， 假设该分布代表实际产出的一群电池单体， 其容量近似常态分布且 可接受的电池单体容量介于 4420mAh(5 ％ ) 和 4480mAh(95 ％ ) 的界限之间。平均容量大 约是 4449mAh。范围的边界和贮藏箱的数目可以取决于制造流程而改变， 例如， 理论容量 4400mAh 的电池单体的典型制造范围是从 4420mAh 到 4480mAh。统计边界可用以归类电池 单体群集， 诸如所有产出电池单体的 5％可以具有 4420mAh 或小于 4420mAh 的容量而所有 产出电池单体的 95％其容量是 4480mAh 或小于 4480mAh。未来的预期范围可以分散于特定
     电池单体产品的理论容量附近。当改良的电池单体制造技术提高其容量， 未来的范围可能 丛聚于 4400mAh、 4600mAh、 4800mAh、 5000mAh、 5200mAh、 5400mAh、 以及更高。其选择贮藏箱， 此例中有四个贮藏箱可选择， 以涵盖可接受电池单体容量的范围。贮藏箱 A 包含具有容量 范围从大约 4420mAh 到 4434mAh 的电池单体， 贮藏箱 B 包含具有容量范围从大约 4435mAh 到 4449mAh 的电池单体， 贮藏箱 C 包含具有容量范围从大约 4450mAh 到 4464mAh 的电池单 体， 而贮藏箱 D 包含具有容量范围从大约 4465mAh 到 4480mAh 的电池单体。对于由八个电 池单体构成的每一区块， 其从四个位于平均容量两侧附近的贮藏箱各随机选择二个电池单 体。若一贮藏箱内的所有电池单体已用完， 则可以自一较接近平均容量的邻近贮藏箱选取 电池单体。由此产生的区块将倾向于具有较接近电池单体平均容量的较均匀容量。
     另一个制造上的考虑是有关于区块内的电池单体置放。 此特别的制造考虑是有关 电池单体阻抗的变异以及肇因于区块内电池单体可能置放位置间的焊接片及母线的互连 阻抗的变异。若区块中的每一电池单体相对于区块输出接头均承受不同的实质阻抗， 且与 其内部阻抗相关， 则电池单体相对于其相邻电池单体其循环利用将不均匀。 因此， 区块中的 某些电池单体其老化将不均匀， 较其相邻者承受较快的容量减损， 且区块内的整体容量减 损将较为快速。当一区块的容量异于其他串联区块， 一些不利效应将降低整体模块的容量 及效率。若未使用充电平衡以等化区块电压， 则具有最低容量的区块将首先抵达较低的截 止电压门坎并致使该模块被耗尽而需要再次充电。依此观点而言， 其余区块中的额外充电 容量可能并未完全使用而模块效能取决于最弱的区块。 然而若使用充电平衡以等化区块电 压， 则具有较差容量的区块将在较长时间长度上需要较高的平衡电流。 因此， 电池组的整体 能量效率将较低。平衡电路组件将需要具有较高的额定电流而需较高成本。若经由泄放电 阻 (bleed resistor) 使用被动式平衡， 则将产生额外的热能必须在其后自模块移除。额外 热能移除需要较大的冷却系统而需较高成本。
     本发明的另一实施例是一种将所选择的一模块的电池单体置放入一区块的方法， 以均匀化有效单体阻抗并使电池单体老化一致， 同时最小化肇因于循环使用的整体区块容 量减损。依据此方法， 其可以量测电池系统的组件的内部电阻并维持一包含该内部电阻量 测值的数据库。当已经依据其内部电阻量测值选择一区块的电池单体之后， 该等电池单体 可以被置放入该区块并从而用以形成一模块。图 6 例示一模块 600 内的 8p 电池单体区块 的一内部直流 (DC) 电阻模型。模块 600 包含一些区块， 表示为区块 B1 到区块 Bn。该等区 块可以经由该模块的正负接头连接至模块 600 的电子部分， 例如， 区块 B1 经由其正母线区 段 605a-d 连接至模块 600 的正接头 601a( 表示为图 6 中的″模块 +″ ) 而区块 Bn 则经由 负母线区段 640a-d 连接至模块 600 的负接头 601b( 表示为图 6 中的″模块 -″ )。该等区 块同时亦可以经由其各自的螺丝连接与另一区块相通连， 例如， 区块 B1 的螺丝连接 623a 经 由 Rbus_connect624 连接至区块 B2( 未显示于图中 ) 的螺丝连接 623b。
     继续参见图 6， 正负焊接片、 母线区段、 总线连接、 以及连接螺丝贡献额外的电阻， 通常在毫奥姆 (milliohm) 的等级。此外， 每一电池单体均具有其本身的内部电阻 (IR) 贡 献至区块阻抗。举例而言， 区块 B1 包含正母线区段 605a-d、 正焊接片 610a-1 610d-2、 电池 单体的内部电阻 ( 表示为区块内的电池单体位置， B1-1 至 B1-8)、 负焊接片 615a-1 615d-2、 负母线区段 620a-d、 螺丝连接 623a、 以及 Rbus_connect 624 ； 区块 Bn 包含正母线区段 625a-d、 正焊接片 630a-1630d-2、 内部电阻 633a-1633d-2、 负焊接片 635a-1 635d-2、 负母线区段 640a-d、 螺丝连接 623b、 以及 Rbus_connect( 未显示于图中 )。其可以将具有低内部电阻量测值的电池 单体置放于由该电池系统的其他组件所贡献而相对于电池接头具有高内部电阻的区域。 此 外， 其可以将具有高内部电阻量测值的电池单体置放于由该电池系统的其他组件所贡献而 相对于电池接头具有低内部电阻的区域。在图 6 例示的区块连接拓朴型态中， 靠近区块右 侧的电池单体承受较低的通往区块接头的串联连接阻抗。反之， 靠近区块左侧的电池单体 承受较高的通往区块接头的串联连接阻抗。 共享同一总线位置的电池单体承受同一通往区 块接头的串联连接阻抗。 区块左侧电池单体承受的额外串联连接阻抗是源于通往区块接头 的额外母线阻抗。注意在不同拓朴型态之中， 可以在另一位置或是在同一区块上的多个位 置接取区块接头。 通往区块接头的单一电流路径或多个路径以及母线走线路径的总数是一 个制造上的考虑。与例示于图 6 不同的常见拓朴型态可以包括在超过一个位置处的外部接 点， 例如， 在类似图 6 所示的区块右侧端和左侧端上的二个位置。在此种于二个位置均有 通往每一单一电池接头的外部连接的拓朴型态中， 将存在二条往来电池接头的电流流动路 径。 此种情况下， 具有高阻抗的电池单体被置放于较接近接头接点位置处， 而具有较低内部 电阻的电池单体则被置放于较远离接头接点的位置。在一类似图 6 但于左右两侧均有接触 的拓朴型态中， 区块中央的电池单体将承受额外的互连阻抗， 而依据本发明， 置放于此处的 电池单体应来自一组具有较低内部阻抗者。同样地， 置放于接头区块左右两端的电池单体 应来自一组具有较高内部阻抗者。基本上在一不同拓朴型态的接头区块之中， 具有较低阻 抗的电池单体应被置放于较远离接头的所有外部接点位置， 而具有较高阻抗的电池单体应 被置放于较接近接头的外部接点位置。 依据本发明的另一实施例， 一电池系统可以包含多个电性耦接的由多个电池单体 构成的区块， 每一区块中均包含彼此并联的电池单体。 在每一区块之中， 均可以将具有低内 部电阻的电池单体置放于由该电池系统的其他组件所贡献而相对于电池接头具有高内部 电阻的区域。此外， 具有高内部电阻的电池单体可以置放于由该电池系统的其他组件所贡 献而相对于电池接头具有低内部电阻的区域。
     另一个制造上的考虑是对于同一区块内的所有电池单体相对于区块接头均承受 相等的连接及内部电阻。加入此等制造考虑使其可以具有更均匀的电池单体老化过程， 同 时将源于循环使用的整体区块容量减损最小化。依据本发明一示范性实施例， 所选择的区 块单体可以依据其 IR 数值置放于区块中各处。 参见图 6， 具有较低 IR 数值的电池单体被置 放于较左侧处， 而具有较高 IR 数值的电池单体则被置放于较右侧处。举例而言， 假设选择 一区块 B1 的 8 个电池单体 ( 电池单体选择将在以下参照图 8 进一步讨论 )。电池单体可以 从而依据 IR 被分类， 例如， 介于从 17.00mOhm 到 19.34mOhm 之间的范围。图 7C， 其将在以下 进一步说明， 是一实际置放示意图， 该图例示在一依据本发明一示范性实施例的模块内的 电池单体及区块的置放。具有最低 IR 的二个电池单体可以被置放于位置 B1-4 及 B1-8 处， 如图 7C 所示。二个次低 IR 数值的电池单体可以接着被置放于位置 B1-7 及 B1-3， 依此类 推， 直到具有最高 IR 数值的二个电池单体被置放于位置 B1-5 及 B1-1 为止。 如此这般之后， 产生的区块可以在区块接头具有更加契合的电池单体阻抗， 以均匀电池单体老化速度并最 小化源于循环使用的整体区块容量减损。
     另一个制造上的考虑是有关于一模块内的区块置放， 其包含一区块内的电池单体
     置放。此制造考虑相关于承受源于其运作环境的一已知温度梯度的模块， 其使得位于模块 某一位置的电池单体温度与位于模块另一位置的电池单体温度有所不同。 若一区块中的每 一电池单体， 或者一模块中的每一区块， 均感受到不同的平均温度， 则该电池单体或模块可 能具备不同的电荷储存容量。因此， 区块中的某一电池单体或模块中的某一区块可能不均 匀地老化， 并较其相邻者承受较快的容量减损。 在此情境之下， 模块内的整体容量减损可能 发生得更为迅速。举例而言， 图 7A 是一图表， 其描绘充电 / 放电循环数据以及二个相较于 其余区块具有轻微容量不匹配的区块的影响。图 7A 显示在 50 个充电 / 放电循环的实验循 环数据中， 在循环 1、 循环 25 以及循环 50 的估算区块容量。图 7A 显示区块 2 至 5 在容量上 大致平衡， 但区块 1 和 6 则具有较低容量。 在循环 50， 不匹配区块的容量持续降低至匹配区 块的容量以下。
     本发明的另一实施例是一种用于依据模块中一预期温度分布概况选择及置放区 块的方法。 首先， 可以决定电池系统内的一温度分布概况。 此一分布概况可以是一电池模块 运作于一外部热源邻近处的结果， 如图 7B 所示。 图 7B 例示一电池模块 710 承受来自一外部 热源 (EHS)705 的一温度。该图显示每一区块可用以决定区块容量下降的平均温度 ( 例如， T1 相对于区块 B1、 T2 相对于区块 B2、 T3 相对于区块 B3、 T4 相对于区块 B4、 T5 相对于区块 B5、 而 T6 相对于区块 B6)。其从而可以估计与温度相关的电池系统的组件的容量。离 EHS 705 愈远， 区块的容量降得愈低。 例如， 在图 7B 之中， 区块 B2 比区块 B1 冷 4℃且每一后续的 区块在该区块与 EHS 705 之间的距离增加后， 即多冷却 4℃。 因此， 其可以使用一 100mAh/℃ 的容量下降因子以计算模块 710 所需的区块容量。其从而可以利用温度相关容量以及温度 分布概况选择电池系统的组件。
     依据本发明的另一实施例， 一电池系统可以包含多个电性耦接的电池系统组件。 具有低容量的电池系统组件可以被选择置放于距一热源最远处。此外， 此等电池组件可以 包含多个电性耦接的电池单体区块或者多个电性耦接的电池单体区块的模块。
     依据本发明一示范性实施例的另一方法， 可以使用一区块， 例如区块 B1， 做为参 考区块以针对系统内的区块建立一可接受的温度。从而可以依据该区块 B1 的温度及该电 池系统内其他区块的温度决定一温度差距。其可以利用容量 - 温度下降因子乘以温度差 距， -4*100 ＝ -400mAh， 以选择区块 B2 的容量差异。换言之， 其选择区块 B2 使其容量比区 块 B1 小 400mAh。其可以用类似的方式选择区块 B3、 区块 B4、 区块 B5、 和区块 B6 的容量。此 例中， 若区块 B1 具有一大约 10000mAh 的理论上的容量， 则区块 B2 被选择具有大约 9600mAh 的容量， 区块 B3 具有大约 9200mAh 的容量， 区块 B4 具有大约 8800mAh 的容量， 区块 B5 具有 大约 8400mAh 的容量， 而区块 B6 具有大约 8000mAh 的容量。其从而可以依据该估算的预定 容量置放区块于电池系统内。
     在另一示范性实施例之中， 其可以在运作期间量测或估计一模块的预期温度分布 概况。运作温度高度取决于应用及电池是否正在充电、 正在放电、 或是否断路。基本上， 模 块的温度范围可以从室温之上数度， 例如 30℃， 到介于 -20℃与 60℃之间的极端模块运作 状态。模块中介于第一区块与每一增加区块间的平均温差可以利用温度分布概况计算而 得。其从而可以使用一温度 - 容量比例因子 ( 单位每℃ mAh) 以计算对于距第一区块具有 较高预期平均温差的区块所需的以 mAh 为单位的额外容量。以类似方式， 其可以使用该温 度 - 容量比例因子降低距第一区块具有较低预期平均温差的区块所需的容量。继续参见图 7B， 温度的量测可以是利用位于每一区块内的温度传感器 ( 例如， 图 1B 中区块 100 的温度感测电路板 112)， 或者是利用外部温度探针。其决定每一区块的平均 温度以及决定诸如图 7B 所示的分布概况结果。此例中， 对 B1 而言， T1 可以是 50℃ ； 对 B2 而言， T2 可以是 46℃ ； 对 B3 而言， T3 可以是 42℃ ； 对 B4 而言， T4 可以是 38℃ ； 对 B5 而言， T5 可以是 34℃ ； 而对 B6 而言， T6 可以是 30℃。
     此外， 图 7C 描绘一模块 730， 其具有暗灰色的三个区块， 区块 B1、 区块 B3、 区块 B5， 以及浅灰色的三个区块， 区块 B2、 区块 B4、 区块 B6。假设 (i) 浅灰色区块平均比暗灰色区 块冷 3℃， 且 (ii) 使用一 100mAh/℃的容量下降因子计算模块 730 所需的区块容量。因此， 区块 B1 可以被当成参考区块而区块 B3 及区块 B5 与区块 B1 之间预计并无平均温差。区块 B2、 区块 B4、 和区块 B6 预计比区块 B1 冷 3 度。利用容量 - 温度下降因子乘以温差， -3*100 ＝ -300mAh， 其选择区块 B2、 区块 B4、 及区块 B6 具有比区块 B1 低 300mAh 的容量。由此等区 块构建而成的模块将具有较佳的容量及循环寿命。
     本发明的另一实施例包含一种利用维持于一数据库中的一特有识别记号 (ID) 以 及相关参数识别电池单体、 区块及模块的方法。 在区块及模块组装期间， 分别选择及组合具 有特定参数数值或数值范围的电池单体及区块是有利的。此选择可以利用该 ID 数据库的 查询而达成。 举例而言， 自一群库存区块查询容量落入特定范围的区块， 使其可以选择特定 区块以置放于一预定的模块。当此等区块被组合以形成模块之时， 该模块可以具有一预期 的所需特性， 诸如电荷储存容量、 循环使用寿命、 或温度效能。此外， 自一群 ID 码选择电池 单体及区块， 使得电池单体及区块的产出库存可以有更充分的运用。其亦可以检视电池单 体及区块的库存以决定剩余电池单体及区块的可用组合而分别建立具有较佳效能的区块 及模块。
     依据本发明此一示范性实施例， 在电池单体、 区块、 及模块的制造期间， 可以指派 每一电池单体、 区块及模块一个特有识别记号 (ID) 代码。从而可以测试一电池单体、 区块 或模块以决定特征 ( 或相关 ) 参数， 诸如电荷储存容量、 断路电压、 以及内部阻抗。该特有 ID 及相关参数可以被指派及维持于一数据库之中以供后续取用。图 8 是一图表， 描绘具有 模块 ID 46033 的模块的典型模块组成。图 8 描绘依据本发明一示范性实施例的由区块及 电池单体识别记号组成的模块 ID 46033 的成分表， 其中包含电池单体及区块内部电阻及 容量参数。模块 46033 包含六个区块， 各自具有一特有区块 ID 代码， 其依序排列， 第一区块 列于该图表的顶侧而第六区块被列于该图表的底部。同样地， 该六个区块各自是由八个电 池单体构成， 每一电池单体亦具有一特有单体 ID 代码。区块及模块联结的 ID 代码的顺序 可以进一步决定电池单体在一区块内以及区块在一模块内的实际置放情况。举例而言， 列 于图 8 之中的电池单体、 区块及模块组态可以依据图 7C 描绘的组态被实际置放。图 7C 中 的电池单体及区块顺序可以是相关联至储存于图 8 的数据库登录项中的电池单体及区块 顺序。例如， 形成图 8 中第一个区块的八个电池单体可以对应至图 7C 的最低电位电池单体 B1-1、 B1-2、 ...、 B1-8。此等电池单体的顺序可以与图 8 所列出的相同。列于第一区块下 的第一个电池单体是电池单体 B1-1， 其后是电池单体 B1-2， 一直到第一区块中最末一个电 池单体， 即图 7C 中的 B1-8。下一个列出的是该模块中的第二个区块的第一个电池单体， 位 置 B2-1， 其下又紧随着列出图 7C 中位置 B2-2 的电池单体。
     此外， 电池单体的选择可以利用一虚拟随机数产生器进行， 其输出呈一常态分布，且与标准电池单体的分布有相同的算术平均值及标准偏差 ( 诸如图 5， 其描绘基于容量分 布的产出电池单体的一统计模型 )。一产生的输出值被置放于一涵盖与选择贮藏箱同一范 围的一虚拟贮藏箱之中。 一″虚拟贮藏箱″可以被定义为由一计算机产生的电池单体容量 的非实体集合。此处使用″虚拟贮藏箱″一词是因为成员数值是由一数目产生器所产生， 并不对应至实际产出的电池单体容量数值。 产出电池单体分布的算术平均值及标准偏差被 定期地量测且依此修改虚拟随机数产生器的分布。
     本发明的另一示范性实施例包含维持一产出电池单体的库存池 ( 或群集 )， 其容 量落入一量测的常态分布之中。 图 9 是一流程图 900， 其描述维持一单体群集的库存以及选 择其容量落入该群集的一量测常态分布内的电池单体。
     流程图 900 可以开始于 905， 其在步骤 910 确认是否存在一群产出电池单体。 若不 存在一群集， 则该方法中止于 915。 若存在一群集， 则于步骤 920 维持一数据库， 其包含每一 电池单体的识别标记。于步骤 923， 可以量测每一电池单体的容量。此外， 于步骤 925， 可以 量测每一电池单体的内部电阻。该数据库可以从而以相关参数 ( 例如， 容量或内部电阻 ) 于步骤 930 被更新。 于步骤 940， 可以使用一虚拟随机数产生器， 其输出呈一常态分布， 且与 库存池的分布有相同的算术平均值及标准偏差。该虚拟随机数产生器提供一输出， 其是通 过搜寻该库存池以找出一容量最接近该随机数产生器输出的电池单体的单体识别记号。 使 用八个 ( 或者一区块中并联电池单体的数目 ) 组成一群， 以此方式找出的电池单体可用以 构建区块。在步骤 950， 若区块完成， 则该方法终止于步骤 915。在步骤 950， 若区块尚未完 成， 则该方法返回步骤 910 确认产出电池单体的群集 ( 例如， 判断该群集是否已耗尽、 新电 池单体是否已产出、 或者电池单体是否已过期 )。 依据本方法的示范性实施例可以使得产出 电池单体库存的耗用较为均匀。因此， 产出电池单体库存的利用维持于一高水平。产生的 区块在容量上可以更加一致地匹配， 其倾向于使得区块间可以有较小的容量变异及 / 或容 量趋向于电池单体分布的几何平均。
     其应理解， 图 9 的流程图仅是一范例。其他实施例中可能采用其他组构、 配置、 更 多区块、 较少区块， 等等。 举例而言， 其应理解此方法可以应用于电池系统组件， 诸如由多个 单体构成的区块、 由多个区块构成的模块、 以及由多个模块构成的电池串。例如， 图 8 详列 可以用于构建一电池系统的电池单体、 区块、 及模块的信息。图 9 以示范性形式说明维持电 池单体的一库存以及自该库存选取出一区块。
     虽然本发明是以示范性实施例的方式详细说明如上， 但习于斯艺的人士应能理 解， 各种结构及细节上的变更均可能于未脱离权利要求范围所包含的本发明范畴下实现。 例如， 虽然许多例示均是有关于包含八个电池单体的区块， 但一示范性实施例可以是更加 普遍化， 其中电池单体的数目及配置方式可以依据大型电池所需的输出而有所变化。