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CN107810584B - 电池模块及在其中执行的方法 - Google Patents

电池模块及在其中执行的方法 Download PDF

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CN107810584B
CN107810584B CN201680007404.0A CN201680007404A CN107810584B CN 107810584 B CN107810584 B CN 107810584B CN 201680007404 A CN201680007404 A CN 201680007404A CN 107810584 B CN107810584 B CN 107810584B
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Abstract

电池模块(140)包括用于将该电池模块(140)连接到电源(505)的充电端子(503、504)、电池单元装置(210)和DC‑DC转换器(510)。电池单元装置(210)的第一端子(501)连接到第一充电端子(503)。DC‑DC转换器(510)的输入端子(511)连接到电池单元装置(210)的第二端子(502)，并且DC‑DC转换器(510)的另一输入端子(512)连接到第二充电端子(504)。DC‑DC转换器(510)的输出端子(513)连接到该电池单元装置(210)的第一端子(501)。DC‑DC转换器(510)将在其输入端子(511、512)处接收的输入电压(U3)转换为在该DC‑DC转换器(510)的输出端子(513)处的输出电压(U2)。输出电压(U2)高于输入电压(U3)。例如，电池模块(140)可被用作移动通信基站中的备用电源。例如，开关装置(520)可允许DC‑DC转换器(510)被旁路。

Description

电池模块及在其中执行的方法
技术领域
本公开大体上涉及电池。
背景技术
可充电电池用在不同的设置中，例如用在电动汽车、诸如移动电话的手持设备中，或作为固定设备(诸如移动通信基站)中的备用电源。在许多情况下，当诸如线路电源(或主电源)的主电源可用时，期望对电池快速且有效地进行充电。然而，在充电期间，电池可能容易受到高充电电流和/或高温的损坏。高温和/或高充电电流可能会引起电池中不需要的化学反应，这可能会损坏电池和/或可能引起电池的性能恶化。在包括多个电池单元(batterycell)的电池中，监测和控制单体电池(cell)中的充电电流的分布可能是重要的，以便避免单体电池之间的不平衡，该不平衡可能会另外引起电池性能下降，和/或电池中的单体电池损坏。除了维持电池性能之外，这样的监测和控制对于确保电池在充电和/或放电期间的安全操作可能是重要的，因为电池可能含有在电池未被正确使用时可能引起危险的化学反应的材料或物质。
虽然已经提出了许多不同类型的电池和电池模块，但将有利的是，提供新的电池模块，以用于解决上述问题中的至少一个。
发明内容
为了更好地解决上述问题中的至少一个，提供了具有在独立权利要求中限定的特征的电池模块和相关联的方法。在从属权利要求中限定了优选实施例。
因此，根据第一方面，提供一种电池模块。该电池模块(或电池组)包括用于将电池模块连接到电源的第一充电端子和第二充电端子、具有第一端子和第二端子的电池单元装置和直流-直流(DC-DC)转换器。电池单元装置的第一端子连接(或耦合)到第一充电端子。转换器的输入端子连接(或耦合)到电池单元装置的第二端子。转换器的另一输入端子连接(或耦合)到第二充电端子。转换器的输出端子连接(或耦合)到电池单元装置的第一端子。转换器适用于将在转换器的输入端子处接收的输入电压转换为在转换器的输出端子处的输出电压。输出电压高于输入电压。
将认识到的是，彼此连接的两个端子可例如彼此直接连接或彼此间接连接。例如，端子可经由一个或更多个其它组件彼此连接。
例如，转换器可以是升压转换器(也称为增压转换器(boost converter))或反激式转换器。
当电压被施加在充电端子处时，转换器可适用于限制电池单元装置的充电电流。当电压被施加在充电端子处时，转换器连接(或耦合)的方式可允许转换器限制电池单元装置的第二端子和第二充电端子之间的充电电流。在电池单元装置的第二端子和第二充电端子之间流过的电流可受到被允许流经转换器的输入端子的电流的限制。
太高的充电电流可能会有损坏电池单元装置和/或使其性能恶化的风险。限制充电电流有助于在充电期间保护电池单元装置。例如，由转换器提供的充电电流限制可延长电池单元装置的寿命。
转换器可被布置成使得在对电池单元装置充电期间，电池单元装置的充电电流对应于至少在转换器的输入端子处提供(或在其间流过)的电流和在转换器的输出端子处提供(或流经其)的电流之和。例如，电池单元装置的充电电流可以是在转换器的输入端子处提供的电流和在转换器的输出端子处提供的电流之和(或具有与其相同的值)。
转换器可被布置成使得在对电池单元装置充电期间，被施加在充电端子处的电压在至少电池单元装置和转换器的输入端子之间进行分压(或划分)。将认识到的是，被施加在充电端子处的电压可例如在比电池单元装置和转换器的输入端子更多的组件之间进行划分。
根据一些实施例，转换器可适用于针对被施加在其输入端子处的电压电平的范围保持其输入端子处的一定的功率电平。换句话说，即使被施加在转换器的输入端子处的电压(在一定范围内)改变，转换器也能够至少近似地维持其输入端子处的相同的功率电平。因此，转换器的输入端子处的电流由被施加在转换器的输入端子处的电压控制。
根据一些实施例，转换器可适用于在对电池单元装置充电期间针对被施加在充电端子处的电压电平的范围，并针对电池单元装置的电压电平的范围，保持该转换器的输入端子处的一定的功率电平。电池单元装置的电压可根据电池单元装置的充电状态而改变。例如，电池单元装置的电压可在充电期间增加，直到达到最大的电压电平为止。
根据一些实施例，转换器可适用于针对被施加在其输入端子处的电压电平的范围保持在其输入端子处的一定的电流电平。换句话说，即使被施加在转换器的输入端子处的电压(在一定范围内)改变，转换器也能够至少近似地维持在其输入端子处的相同的电流电平。
例如，转换器的输入端子处的电流被保持在一定电平所针对的输入电压电平的范围可以是比转换器保持在该转换器的输入端子处的一定的功率电平所针对的输入电压的电压范围低的电压范围。
根据一些实施例，电池模块还可以包括开关装置。该开关装置可在第一模式和第二模式中是可操作的，在第一模式中，电池单元装置的第二端子连接(或耦合)到第二充电端子，使得转换器被旁路，在第二模式中，电池单元装置的第二端子与第二充电端子断开连接。开关装置使转换器旁路的能力允许在不需要转换器的情况下(诸如当充电电流不需要被转换器限制以保护电池单元装置时)更快和/或更有效地对电池单元装置进行充电。
将认识到的是，即使在第二模式中电池单元装置的第二端子可与第二充电端子断开连接，这些端子之间仍有可能存在经由转换器的间接连接。
根据一些实施例，电池模块还可包括控制器。如果在电池模块(或电池单元装置)处检测到某个条件，则控制器可控制开关装置从第一模式切换到第二模式。例如，控制器可以是电池管理系统(BMS)。
例如，该某个条件可包括电池单元装置的充电电流超过阈值、和/或电池单元装置处的温度超过阈值、和/或电池单元装置中的单体电池处的电压超过阈值(例如，上限阈值)、和/或电池单元装置中的单体电池处的电压低于阈值(例如，下限阈值)。
该某个条件可指示电池单元装置容易受到高充电电流的损坏。然后，切换到第二模式可帮助限制充电电流，使得损坏电池单元装置的风险降低。
例如，提到单体电池处的电压超过某个阈值可指示单体电池可能有获得过度充电的风险。例如，提到单体电池处的电压低于另一阈值可指示单体电池的阻抗低，并且单体电池容易受到高充电电流的损坏。
根据一些实施例，转换器可被配置成使得，如果被施加在转换器的输入端子处的电压低于(或降低至低于)阈值，则转换器控制开关装置从第二模式切换到第一模式。
如果被施加在转换器的输入端子处的电压低，则这可指示电池单元装置被至少部分地充电，并且电池单元装置可能不容易受到大的充电电流的损坏。因此，切换到第一模式可以是提高充电效率的方式。
当被施加在转换器的输入端子处的电压降低时，转换器的效率可能会降低。因此，一旦安全就切换到第一模式(其中，转换器被旁路)可以提高充电效率。
根据一些实施例，开关装置可在用于对电池单元装置进行放电的第三模式中是可操作的。例如，电池单元装置可被放电，以为电路、设备或系统供电。
根据一些实施例，电池单元装置的第一端子可具有比电池单元装置的第二端子高的电势。换句话说，第一端子可以是电池单元装置的正端子。
也可设想相反的情况，即，电池单元装置的第一端子是电池单元装置的负端子，因此具有比电池单元装置的第二端子低的电势。
根据一些实施例，电池单元装置可包括多个电池单元。例如，电池单元装置可包括串联和/或并联连接的一种或更多种类型的电池单元。
根据一些实施例，电池单元装置可以包括锂和/或锂离子。例如，电池单元装置可包括至少一个锂(或锂基)电池或至少一个锂离子电池。
较旧的铅基电池与锂基电池相比在充电期间受到损坏的可能性更小。因此，充电电流限制对于锂基电池来说可能更重要。
根据一些实施例，转换器可具有连接到电池单元装置的第二端子的另一输出端子。还可设想其中转换器仅具有一个输出端子的实施例。
根据一些实施例，电池模块可包括其中布置有电池单元装置和转换器的壳体(或外壳)。
根据一些实施例，当电池模块经由充电端子连接到直流电源时，电池模块可适用于对电池单元装置进行充电。换句话说，电池模块可以不需要任何整流器来将交流电流转换成直流电流。
根据一些实施例，转换器可以是电池模块的集成部分。
根据第二方面，提供了无线通信基站。该基站包括如第一方面的任何实施例中所限定的电池模块。该基站还包括通信模块和连接器，该连接器被布置为将通信模块连接到主电源，以为通信模块供电。电池模块可作为备用电源连接到通信模块。
例如，通信模块可适用于使用一个或更多个天线进行无线通信。
基站可以例如是基站收发站(BTS)、节点B或演进节点B(eNB)。
根据一些实施例，基站可包括控制器，其被配置成使得如果主电源不可用(即不可用于为通信模块供电)，则控制器控制电池模块的电池单元装置以进行放电，从而为通信模块供电。例如，控制器可经由电池模块的开关装置来执行对电池单元装置的控制。例如，控制器可以是电池管理系统(BMS)。
根据一些实施例，基站可包括控制器(例如，BMS)，其被配置成使得如果主电源可用(即，可用于为通信模块供电)，则控制器控制电池模块的电池单元装置以使用主电源进行充电。控制器可例如经由电池模块的开关装置来执行对电池单元装置的控制。
主电源可以是直流电源或交流电源。在主电源是交流电源的情况下，基站例如可包括整流器，其用于对交流电流进行整流，使得直流电流可被提供用于对电池模块进行充电。
根据第三方面，提供了一种方法。该方法在电池模块中(或由电池模块)执行，该电池模块包括第一充电端子和第二充电端子、电池单元装置和直流-直流(DC-DC)转换器。该方法包括在充电端子处施加电压以对电池单元装置进行充电。该方法还包括响应于在电池模块(或电池模块的电池单元装置)处检测到第一条件，切换到某一模式。在该某一模式下，被施加在充电端子处的电压在至少电池单元装置和转换器的输入端子之间进行分压。在该某一模式下，电池单元装置的充电电流对应于在转换器的输入端子之间所提供(或流经转换器的输入端子)的电流和在转换器的输出端子处所提供(或流经输出端子)的电流之和(或具有等于该和的值)。
例如，第三方面的方法可在如第一方面的任意实施例中所限定的电池模块中(或由该模块)执行。
根据一些实施例，第一条件例如可包括电池单元装置的充电电流超过阈值、和/或电池单元装置处的温度超过阈值、和/或电池单元装置中的单体电池处的电压超过阈值、和/或电池单元中的单体电池处的电压低于阈值。
根据一些实施例，该方法可包括响应于电池模块处的第二条件而切换到另一模式。在该另一模式中，转换器可被旁路。
根据一些实施例，第二条件可以是转换器的输入端子处的电压低于(或降低至低于)阈值。
根据一些实施例，该方法可包括如果移动通信基站的主电源不可用，则对电池单元装置进行放电，以给移动通信基站的通信模块供电。
根据一些实施例，该方法可包括如果移动通信基站的主电源可用，则使用主电源来对电池单元装置进行充电。
注意的是，本公开的实施例涉及在权利要求中列举的特征的所有可能的组合。此外，将认识到的是，针对根据第一方面的电池模块所描述的各个实施例都可与根据第三方面的方法的实施例结合。
附图说明
在下文中，将更详细地并参照附图对示例实施例进行描述，在附图中：
图1是根据实施例的移动通信基站的概览图；
图2是根据实施例的用在图1中所示的基站中的电池模块的概览图；
图3示出了图2中所示的电池模块中的电池单元装置；
图4示出了图3中所示的电池单元装置中的电池单元；
图5示出了根据实施例的处于其中DC-DC转换器被激活以限制充电电流的状态下的电池模块；
图6示出了根据实施例的与图5中的电池模块相同但处于其中DC-DC转换器被旁路的状态下的电池模块；
图7示出了根据实施例的处于其中DC-DC转换器被激活以限制充电电流的状态下的另一电池模块；
图8示出了图5-图7中所示的电池模块可在其之间转变的状态；
图9示出了根据实施例的处于其中DC-DC转换器被激活以限制充电电流的状态下的另一电池模块；
图10示出了图5-图6中所示的电池模块的更多细节；以及
图11示出了用在图5-图6中所示的电池模块中的示例DC-DC转换器。
所有附图都是示意性的，且通常只示出必要的部件，以便解释相应的实施例，而其它部件可被省略或仅仅被提及。
具体实施方式
图1是根据实施例的移动通信基站100的概览图。例如，基站100可以是基站收发器(BTS)、节点B或演进节点B(eNB)。
基站100包括通信模块110、连接器120和130以及电池模块140(或者电池组或电池电路)。连接器120和130被布置为将通信模块110连接到主电源150以为通信模块110供电。例如，主电源150可以是诸如线路电源(或主电源)的交流电源，或诸如一个或更多个太阳能板的直流电源。如果主电源150是交流电源，则基站100例如可包括用于向通信模块110和/或电池模块140提供直流电流的一个或更多个整流器160。
通信模块110适用于经由一个或更多个天线170执行无线通信。无线通信可例如经由射频域中的信号来执行。
在主电源150暂时不可用的情况下，电池模块140作为备用电源连接到通信模块110。只要主电源150可用，其就可以用于为通信模块110供电并对电池模块140充电。如果电源变得不可用，例如由于该区域中的一般的电力故障或由于局部失效，则电池模块140用于为通信模块110供电。电池模块140可被用作电源，直到其被放电或者直到主电源150变得再次可用为止。
图2是电池模块140的概览图。电池单元装置210(或电池)被布置成存储电力。输入/输出部分220在对电池单元装置210充电期间向电池模块140提供输入电力，并在电池单元装置210的放电期间提供来自电池模块140的输出电力。充电电流限制器230被布置为在对电池单元装置210进行充电时限制充电电流。
电池管理系统(BMS)240监测电池单元装置210(和/或电池模块140的其它部分)。例如，BMS 240可监测电池单元装置210的充电电流或温度，或者电池单元装置210中的电池单元处的电压。BMS 240控制输入/输出部分220和充电电流限制器230，使得电池单元装置210被适当地充电或放电。如果在充电期间检测到电池单元之间的不平衡，则BMS 240可尝试使该不平衡均衡，通过激活充电电流限制器230来限制充电电流(如以下参照图5-图6所述)或甚至中断对电池单元装置210的充电，以保护电池单元装置210。当检测到不期望的条件时，代替完全中断充电，可能有利的是能够在充电电流限制的模式下继续进行充电以便能够获得完全充电的电池单元装置210。以下将参照图10进一步对BMS 240进行描述。
如图3所示，电池单元装置210可包括串联和/或并联连接(或耦合)的多个电池单元211，以获得期望的输出电压、期望的输出电流容量和/或期望的能量存储容量。还可设想其中电池单元装置210包括单个单体电池211的实施例。
如图4所示，电池单元211可以例如是高度为h和直径为d的圆柱形单体电池。单独的单体电池211可被堆叠以形成单个电池单元装置210，其例如可以是矩形的。也可设想其中电池单元211具有与圆柱形不同的形状(诸如矩形形状)的实施例。
例如，电池单元211可包括锂或锂离子。例如，电池单元211可以是锂电池，但其他电池技术也是可能的。
作为示例，电池单元211的高度h可以是65mm，直径d可以是18mm。单体电池211的电压可以例如在2.2V-3.7V的范围内。
作为示例，电池单元装置210可包括并联连接的P个单体电池211的串，每个串包括串联连接的S个单体电池211。可选择整数P以提供电池单元装置210的合适的输出电压。可选择整数S使得电池单元装置210能够提供合适的输出电流。
现在将参照图5-图6对电池模块140的操作更详细地进行描述。
图5示出了处于其中电池单元装置210(在此之后简称为电池)被充电的状态下的电池模块140。电池210具有第一端子501(电池210的正端子)和第二端子502(电池210的负端子)。电池模块140包括用于将电池模块140连接到电源505的第一充电端子503和第二充电端子504。
在本示例中，电源505是参照图1所描述的为基站100供电的主电源150。如果主电源150是交流电源，则参照图1所描述的整流器160可向电池模块140的充电端子503和504提供直流电流。
电池模块140还包括直流-直流电力转换器(DC-DC电力转换器)510，其具有两个输入端子511和512以及两个输出端子513和514。DC-DC转换器被布置为将被施加在其输入端子511和512处的电压U3转换(或升压)成在其输出端子513和514处的更高的电压U2。DC-DC转换器510可以例如是升压转换器510(也被称为增压转换器)或反激式转换器。DC-DC转换器510可以例如是开关模式电源(SMPS)。
电池210的第一端子501连接到第一充电端子503。转换器510的输入端子511(即，电流通过其进入转换器510的输入/供给侧的输入端子511)连接到电池210的第二端子502，并且转换器510的另一输入端子512(即，电流通过其离开转换器510的输入/供给侧的输入端子512)连接到第二充电端子504。转换器510的输出端子513(即，电流通过其离开转换器510的输出/负载侧的端子513)连接到电池210的第一端子501，并且转换器510的另一输出端子514(即，电流通过其进入转换器的输出/负载侧的端子514)连接到电池210的第二端子502。
转换器510的目的是限制电池单元装置210的充电电流I1。换句话说，转换器510充当参照图2所描述的充电电流限制器230。
通过以这种方式布置转换器510，被施加在充电端子503和504处的电压U1在电池210和转换器510的输入端子511和512之间进行分压。此外，电池210的充电电流I1对应于被提供在转换器510的输入端子511和512处的电流I2和被提供在转换器510的输出端子513和514处的电流I3之和。
以下将在特定数值示例的背景下对转换器510的限制充电电流I1的能力进行描述。
在本示例中，被施加在充电端子503和504处的电压U1为U1＝56V。当被完全充电时，电池210还具有56V的电压(这将使转换器510的输入端子511和512上的电压U3为0)。当电池210未被完全充电时，电池上的电压U2可能低至36V，使转换器510的输入端子511和512上的电压U3为56V-36V＝20V。
在本示例中，转换器510适用于针对其输入端子511和512处的电压U3的范围6V-20V保持其输入端子511和512处的60W的功率电平。这使转换器510的输入端子511和512处的电流I2在3A-10A的范围内。
例如，如果电池210的电压U2为U2＝50V，则转换器510的输入端子511和512上的电压U3为U3＝56V-50V＝6V，因此，其输入端子511和512处的电流I2为I2＝60W/6V＝10A。由于功率转换的损失，转换器510可例如仅能够提供30W的输出功率，其对应于转换器510的50％的效率。因此，转换器510的输出端子513和514处的电流I3为I3＝30W/50V＝0.6A。因此，充电电流I1为I1＝I2+I3＝10.6A。由此，电池210在电压U1＝50V下以电流I1＝10.6A进行充电，即，在10.6A×50V＝530W的功率下进行充电。由于对电池模块140的输入功率为56V×10A＝560W，因此这对应于95％的整体效率。换句话说，转换器510以98％的充电效率为电池210提供充电电流限制，即使与充电功率(530W)相比，转换器510相当小(在输入侧仅为60W)，并且即使转换器510本身的效率只有50％。将转换器510的效率提高到50％以上将更进一步提高充电效率。
当电池210更接近完全充电时，电池210上的电压U2可增加，并且转换器510的输入端子511和512上的电压U3可能最终降至6V以下。在本示例中，转换器510适用于针对其输入端子511和512处的电压U3的范围1V-6V保持其输入端子511和512处的电流I2＝10A。因此，转换器510也针对该电压范围提供电流限制。如果转换器510的效率仍为50％，则充电效率被保持在95％。尽管可设想其中转换器510还适用于也针对其输入端子511和512处的比6V高的电压U3保持其输入端子511和512处的电流I2＝10A的实施例，但这将需要能够处理其输入端子511和512处的比60W高的功率电平的转换器510。例如，如果转换器510还针对高达20V的电压保持其输入端子511和512处的电流I2＝10A，则其输入端子511和512处的功率将高达200W。
当电池210还要更接近完全充电时，电池210上的电压U2可朝向充电电压U1增加。当更接近完全充电时，电池210的单体电池211可能随后不太容易受到高充电电流的影响，并且不再需要通过转换器510提供的充电电流限制。例如，单体电池211的阻抗可在单体电池211更接近完全充电时增加。
如上所述，当电池210上的电压U2接近充电电压U1时，可不需要转换器510。当电池210上的电压U2接近充电电压U1时，转换器510的输入端子511和512上的电压U3降低。对于转换器510来说可能更困难的是针对低的输入电压U3保持相同的效率(例如，50％)。因此，除了当电池210接近完全充电时不需要转换器510之外，转换器510可能不能够像电池210没有被完全充电时那样有效地执行。
因此，电池模块140可包括用于使转换器510旁路的开关装置520。该开关装置520在第一模式和第二模式中是可操作的，在该第一模式中，电池210的第二端子502连接到第二充电端子504，使得转换器510被旁路，在该第二模式中，电池210的第二端子502与第二充电端子504断开。如果转换器510的输入电压U3降低至低于阈值(诸如1V)，则开关装置520可以被激活以旁路转换器510。例如，转换器510可提供控制信号530，以使开关装置520切换到其中转换器510被旁路的第一模式。开关装置520可包括一个或更多个开关，例如诸如MOSFET晶体管的一个或更多个晶体管的形式的开关。
当转换器510被旁路时，其可例如被完全切断，以便节省功率。
图6示出了处于其中电池210在没有电流限制的情况下被充电的状态下的电池模块140。更具体地，开关装置520处于转换器510被旁路的第一模式中，使得没有电压被施加在转换器510的输入端子511和512处。由此，电池210被提供有不受充电电流限制影响的充电电流I4。相反，充电电流I4取决于电源505和电池210的阻抗。
如果如参照图6所述的在没有电流限制的情况下对电池210进行充电，则(以上参照图2所述的)BMS 240可监测电池210，以便检测何时需要充电电流限制。如果由BMS 240检测到电池210处的某个条件，诸如，过高的充电电流I4、过高的温度或电池单元211处的某一电压电平，则BMS240可控制开关装置520以切换到第二模式，在该第二模式中转换器510被激活以执行充电电流限制(如参照图5所述)。
在以上所提供的数值示例中，充电电流I4的阈值例如可以是30A。换句话说，如果充电电流I4超过30A，则开关装置520激活转换器510，以通过转变到参照图5所描述的模式来限制充电电流。
如上所述，转换器510适用于针对被施加在其输入端子511和512处的电压U3的电平范围保持其输入端子511和512处的一定的功率电平(例如，60W)(并且也适用于针对电压U3的另一范围保持其输入端子511和512处的一定的电流I2电平)。换句话说，转换器510能够针对被施加在充电端子503和504处的电压U3的范围以及电池210处的电压U2的范围保持其输入侧处的相同的功率电平(或电流I2)。因此，转换器510能够针对被施加在充电端子处的不同的电压U3(不仅针对等于电池210的最大电压的充电电压U3＝56V，如以上所给出的具体数值示例一样)提供充电电流限制。类似地，转换器能够针对电池210处的不同电压U2(即，针对电池210的不同的充电状态)提供充电电流限制。
如果电池待被充电，则了解要施加的充电电压和在电池不被损坏的情况下其能够处理的充电电流可能是重要的。由于在电池和充电器的市场上使用了许多不同的电压电平和电流电平，因此或多或少总是存在将错误的充电器应用到电池的风险，这可能会导致电池损坏。可将充电电流限制器集成在充电器中。然而，当设计充电器时可能不知道要进行充电的所有电池的确切属性(或用户可能意外地将充电器用到错误类型的电池)。因此，这样的充电电流限制器的设计可能是困难的。例如，可能难以提供可靠的充电电流限制而不显著降低充电器的效率和/或电池可被安全充电的速度。
另一选项将是将充电电流限制器集成到整流器(诸如参照图1所描述的整流器160)中，该整流器在对电池充电期间向电池供应直流电流。然而，由于在设计整流器时可能不了解待被充电的电池的确切属性，因此可能难以提供可靠的充电电流限制而不显著降低充电效率。
例如，如果充电电流限制器将被集成到参照图1所描述的基站100的整流器160中，则当构造整流器160时，要被安装到基站100中的特定的电池模块140的确切属性可能是未知的。一旦电池技术进步，基站100中所采用的电池模块140例如就可被更新的版本替代，并且在设计整流器160时这样的改变可能难以预测。因此，将充电电流限制功能集成到电池模块140中是优选的。
由于转换器510是电池模块140的集成部分，因此由转换器510提供的充电电流限制可通过选择合适的DC-DC转换器510来适用于电池210。例如，对于何时分别保持一定的输入功率和一定的输入电流I2的输入电压U3的范围可基于电池210的已知(或估计)的属性来选择。
将认识到的是，转换器510的效率对于整个输入电压范围来说可能不是恒定的，并且当输入电压U3朝向1V降低时，效率可能例如由于增加的转换损失而下降。不过，与限制充电电流的其它手段相比，转换器510在电池模块140中的集成还允许相对有效的充电。
现在将参照图11对示例DC-DC转换器510进行描述。例如，转换器510可采用脉宽调制(PWM)或频率调制，以将输入电压U3和输入电流I2转换成输出电压U2和输出电流I3。在本示例中，PWM部分1110基于输入电压U3、输入电流I2(经由电阻1130上的电压测量)并基于来自BMS240的控制信号来控制MOSFET晶体管1120。
第一输入端子511(即，电流通过其进入转换器510的输入端子511)经由电感器1140和二极管1150连接到第一输出端子513(即，电流通过其离开转换器510的输出端子513)。第一输入端子511还直接连接到第二输出端子514(即，电流通过其进入转换器510的输出端子514)。
第二输入端子512(即，电流通过其离开转换器510的输入端子512)通过由PWM部分1110控制的晶体管1120连接到电感器1140和二极管1150之间的连接。
技术人员非常了解如何选择电感器1140以及如何控制PWM部分1110，以提供以上所描述的规定的电压电平、电流电平和/或功率电平。
将认识到的是，还可设想除参照图11所描述的转换器510之外的其他DC-DC转换器。将认识到的是，可采用更复杂的转换器设计来针对至少一些输入电压U3范围增加转换器的效率。
参照图1-图6所描述的电池模块140可例如包括其中布置有电池210和转换器510的壳体(未在图1-图8中示出)。例如，电池模块140可被安装或插入到基站100中，以替代旧的电池模块(例如铅基电池)。
如参照图1所描述的，电池模块140可被布置为基站100中的备用电源。为了提供参照图2所描述的输入/输出功能220，电池模块140可包括一个或更多个开关(例如，诸如MOSFET晶体管的晶体管形式的开关)，以用于在其中电池模块140被充电的模式和其中电池模块140被放电以为基站100的通信模块110供电的模式之间进行切换。
由转换器510提供的充电电流限制功能230旨在在充电期间保护电池210。本公开不涉及放电电流的限制。如果需要，放电电流可通过技术人员已知的任何合适的方法来限制。
在参照图5-图6所描述的实施例中，电池210的第一端子501是电池210的正端子，因此具有比电池的第二端子502高的电势。在该实施例中，转换器510的输入端子511和512面向电池210的低电势侧，其可例如连接到接地(或地)电势。图7示出了电池模块700的替代实施例，其类似于参照图5-图6所描述的电池模块140，但转换器的输入端子711和712面向电池210的高电势侧。
电池模块700包括用于将电池模块700连接到电源505的第一充电端子703和第二充电端子704。电池模块700还包括具有第一端子701和第二端子702的电池单元装置210(或简称为“电池”)以及具有输入端子711和712和输出端子713和714的DC-DC转换器710(例如，升压转换器)。
电池210的第一端子701(在这种情况下是电池210的负端子)连接到第一充电端子703(在这种情况下是例如可连接到接地/地电势的低电势充电端子)。转换器710的输入端子711连接到电池210的第二端子702，并且转换器710的另一输入端子712连接到第二充电端子704。转换器710的输出端子713连接到电池210的第一端子701，并且转换器710的另一输出端子714连接到电池210的第二端子702。类似于参照图5-图6所描述的电池模块140，电池模块700包括用于旁路转换器710的开关装置720。
将认识到的是，参照图7所描述的电池模块700起到类似于参照图5-图6所描述的电池模块140的作用。
参考图5-图6和图11所描述的转换器510具有两个输出端子513和514。一些DC-DC转换器只具有一个输出端子。包括这样的DC-DC转换器910的电池模块900在图9中示出。
电池模块900类似于参照图5-图6所描述的电池模块140，除了转换器910的输出端子913和914中的一个从转换器910外部不可用。更具体地，在转换器910中的输出端子914(电流I3通过其将另外进入转换器910)和输入端子911(电流I2通过其进入转换器910)之间存在内部连接915。因此，在转换器910的外部不需要该输出端子914来连接到其它电子组件。因此，转换器910仅具有从转换器910的外部可用的一个输出端子913。转换器910的输入端子911和912以及转换器910的输出端子913可与参照图5-图6所描述的电池模块140中的转换器510的相应的端子511、512和513类似地进行连接。类似于参照图5-图6所描述的转换器510，转换器910适用于将被施加在其输入端子911和912处的电压U3转换成其输出端子913处的电压U2。
图10示出了BMS 240如何对参照图5-图6所描述的电池模块140进行控制的更多细节。负载506并联连接到电源505。例如，负载506可以是参照图1所描述的基站100的通信模块110。BMS 240控制充电开关521和放电开关522的形式的开关装置，以用于在电源505可用时对电池210进行充电，并在电源505不可用时对电池210进行放电以为负载506供电。例如，充电开关521和放电开关522可以以二极管并联连接的MOSFET晶体管的形式来提供。电池210处的电压U、充电电流I(例如，通过测量电阻器508上的电压获得)和/或温度T(例如，由温度传感器507测量)可被用作由BMS 240用于控制开关521和522的输入。BMS 240还可提供控制信号540，以用于在不需要转换器510时将其切断(或禁用)以便节省电力。BMS 240可以从转换器510接收指示何时不再需要充电电流限制的控制信号540，使得可控制充电开关521以旁路转换器510。
图8示出了参照图5-图7所描述的电池模块可在其之间转变的状态。尽管将根据图5-图6的电池模块140对这些状态进行描述，但将认识到的是，参照图7和图9所描述的电池模块700和900可应用相同的模式。
只要电源505(或主电源150)可用，电池模块140就可处于其中电池210被充电的充电模式810中。然而，如果BMS 240检测到充电电流I4高于阈值，则BMS 240可控制开关520，使得电压U1在转换器510和电池210之间进行划分，从而转变880成具有电流限制的充电模式820。如果转换器510的输入端子511和512上的电压U3下降低于阈值，则转换器控制开关520打开，使得转换器510被旁路，从而将电池模块140转变840成没有充电电流限制的充电模式810。
如果电池模块140处于充电模式810中并且电源505变得不可用，则电池模块140可转变850成放电模式830，其中电池210被放电以为参照图1所描述的通信模块110供电。该转变850可例如由一个或更多个晶体管(例如，通过关断充电晶体管并接通放电晶体管)来实现。
类似地，如果电池模块140处于具有充电电流限制的充电模式820中，并且电源505变得不可用，则电池模块140可转变860成放电模式830。该转变860还可由一个或更多个晶体管(例如，通过关断充电晶体管并接通放电晶体管)来实现。
如果电池模块140处于放电模式830中，并且电源505变得可用，则电池模块可转变870成没有充电电流限制的充电模式810(例如，通过关断放电晶体管并接通充电晶体管)。
本领域中的技术人员认识到，本发明决不限于以上所描述的优选实施例。相反，很多修改和变化在所附权利要求的范围内是可能的。例如，虽然已经在无线通信基站100的背景下对电池模块140进行了描述，但将认识到的是，电池模块140可用在由可研究的电池供电的几乎任何设备或系统中，只要电池模块140的组件的电压电平、功率电平等被适当地选择。例如，电池模块140可用在电信基础设施的核心站点或交换站点处。还将认识到的是，以上所描述的特定的电压电平、电流电平和功率电平是示例，并且可设想几乎任何电压电平、功率电平等的本公开的实施例，只要合适的DC-DC转换器可被构造。技术人员认识到，参照图5-图7和图9-图11所描述的电路可例如包括除了所描述的那些组件之外的附加组件。另外，本领域的技术人员在实践所要求保护的本发明时通过研究附图、公开内容及所附权利要求书能够理解并实现对所公开的实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他的元素或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一(an)”不排除复数。在本公开中提到的功能单元之间的任务的划分并不一定对应于划分成物理单元；相反，一个物理组件可具有多个功能，且一个任务可以以分布式方式由几个物理组件协作地执行。某些措施在相互不同的从属权利要求中引用的不争事实并不指示这些措施的组合不能有利地被使用。权利要求中的任何附图标记不应解释为限制范围。

Claims (41)

1.一种电池模块(140、700、900)，包括：
第一充电端子(503、703)和第二充电端子(504、704)，所述第一充电端子和所述第二充电端子用于将所述电池模块连接到电源(505)；
电池单元装置(210)，所述电池单元装置具有第一端子(501、701)和第二端子(502、702)；以及
直流-直流转换器(510、710、910)，
其中，所述电池单元装置的所述第一端子(501、701)连接到所述第一充电端子(503、703)，其中，所述转换器的输入端子(511、711、911)连接到所述电池单元装置的所述第二端子(502、702)，并且所述转换器的另一输入端子(512、712、912)连接到所述第二充电端子(504、704)，其中，所述转换器的输出端子(513、713、913)连接到所述电池单元装置的所述第一端子，其中，所述转换器适用于将在所述转换器的所述输入端子和所述另一输入端子处接收的输入电压(U3)转换为在所述转换器的所述输出端子处的输出电压(U2)，以及其中，所述输出电压高于所述输入电压。
2.如权利要求1所述的电池模块，其中，当电压(U1)被施加在所述第一充电端子和所述第二充电端子处时，所述转换器适用于限制所述电池单元装置的充电电流(I1)。
3.如权利要求1所述的电池模块，其中，所述转换器适用于针对被施加在其输入端子和另一输入端子处的电压(U3)电平的范围保持其输入端子和另一输入端子处的一定的功率电平。
4.如权利要求2所述的电池模块，其中，所述转换器适用于针对被施加在其输入端子和另一输入端子处的电压(U3)电平的范围保持其输入端子和另一输入端子处的一定的功率电平。
5.如权利要求1-4中任一项所述的电池模块，其中，所述转换器适用于在对所述电池单元装置充电期间针对被施加在所述第一充电端子和所述第二充电端子处的电压(U1)电平的范围以及针对所述电池单元装置的电压(U2)电平的范围，保持所述转换器的输入端子和另一输入端子处的一定的功率电平。
6.如权利要求1-4中任一项所述的电池模块，其中，所述转换器适用于针对被施加在其输入端子和另一输入端子处的电压(U3)电平的范围保持其输入端子和另一输入端子处的一定的电流(I2)电平。
7.如权利要求5所述的电池模块，其中，所述转换器适用于针对被施加在其输入端子和另一输入端子处的电压(U3)电平的范围保持其输入端子和另一输入端子处的一定的电流(I2)电平。
8.如权利要求1-4和7中任一项所述的电池模块，其中，所述转换器被布置成使得在对所述电池单元装置充电期间：
第一电流(I2)被提供在所述转换器的所述输入端子和所述另一输入端子处；
第二电流(I3)被提供在所述转换器的所述输出端子处；以及
所述电池单元装置的充电电流(I1)对应于至少所述第一电流和所述第二电流之和。
9.如权利要求5所述的电池模块，其中，所述转换器被布置成使得在对所述电池单元装置充电期间：
第一电流(I2)被提供在所述转换器的所述输入端子和所述另一输入端子处；
第二电流(I3)被提供在所述转换器的所述输出端子处；以及
所述电池单元装置的充电电流(I1)对应于至少所述第一电流和所述第二电流之和。
10.如权利要求6所述的电池模块，其中，所述转换器被布置成使得在对所述电池单元装置充电期间：
第一电流(I2)被提供在所述转换器的所述输入端子和所述另一输入端子处；
第二电流(I3)被提供在所述转换器的所述输出端子处；以及
所述电池单元装置的充电电流(I1)对应于至少所述第一电流和所述第二电流之和。
11.如权利要求1-4、7和9-10中任一项所述的电池模块，其中，所述转换器被布置成使得在对所述电池单元装置充电期间，被施加在所述第一充电端子和所述第二充电端子处的电压(U1)在至少所述电池单元装置和所述转换器的所述输入端子与所述另一输入端子之间进行分压。
12.如权利要求5所述的电池模块，其中，所述转换器被布置成使得在对所述电池单元装置充电期间，被施加在所述第一充电端子和所述第二充电端子处的电压(U1)在至少所述电池单元装置和所述转换器的所述输入端子与所述另一输入端子之间进行分压。
13.如权利要求6所述的电池模块，其中，所述转换器被布置成使得在对所述电池单元装置充电期间，被施加在所述第一充电端子和所述第二充电端子处的电压(U1)在至少所述电池单元装置和所述转换器的所述输入端子与所述另一输入端子之间进行分压。
14.如权利要求8所述的电池模块，其中，所述转换器被布置成使得在对所述电池单元装置充电期间，被施加在所述第一充电端子和所述第二充电端子处的电压(U1)在至少所述电池单元装置和所述转换器的所述输入端子与所述另一输入端子之间进行分压。
15.如权利要求1-4、7、9-10和12-14中任一项所述的电池模块，还包括：
开关装置(520、521、522、720)，所述开关装置在第一模式(810)和第二模式(820)中是可操作的，在所述第一模式中，所述电池单元装置的所述第二端子连接到所述第二充电端子，使得所述转换器被旁路，在所述第二模式中，所述电池单元装置的所述第二端子与所述第二充电端子断开连接。
16.如权利要求5所述的电池模块，还包括：
开关装置(520、521、522、720)，所述开关装置在第一模式(810)和第二模式(820)中是可操作的，在所述第一模式中，所述电池单元装置的所述第二端子连接到所述第二充电端子，使得所述转换器被旁路，在所述第二模式中，所述电池单元装置的所述第二端子与所述第二充电端子断开连接。
17.如权利要求6所述的电池模块，还包括：
开关装置(520、521、522、720)，所述开关装置在第一模式(810)和第二模式(820)中是可操作的，在所述第一模式中，所述电池单元装置的所述第二端子连接到所述第二充电端子，使得所述转换器被旁路，在所述第二模式中，所述电池单元装置的所述第二端子与所述第二充电端子断开连接。
18.如权利要求8所述的电池模块，还包括：
开关装置(520、521、522、720)，所述开关装置在第一模式(810)和第二模式(820)中是可操作的，在所述第一模式中，所述电池单元装置的所述第二端子连接到所述第二充电端子，使得所述转换器被旁路，在所述第二模式中，所述电池单元装置的所述第二端子与所述第二充电端子断开连接。
19.如权利要求11所述的电池模块，还包括：
开关装置(520、521、522、720)，所述开关装置在第一模式(810)和第二模式(820)中是可操作的，在所述第一模式中，所述电池单元装置的所述第二端子连接到所述第二充电端子，使得所述转换器被旁路，在所述第二模式中，所述电池单元装置的所述第二端子与所述第二充电端子断开连接。
20.如权利要求15所述的电池模块，还包括：
控制器(240)，所述控制器被配置为响应于在所述电池模块处检测到条件来控制所述开关装置从所述第一模式切换(880)到所述第二模式。
21.如权利要求16-19中任一项所述的电池模块，还包括：
控制器(240)，所述控制器被配置为响应于在所述电池模块处检测到条件来控制所述开关装置从所述第一模式切换(880)到所述第二模式。
22.如权利要求20所述的电池模块，其中，所述条件包括以下中的至少一个：
所述电池单元装置的充电电流(I1)超过阈值；
所述电池单元装置处的温度超过阈值；
在所述电池单元装置中的单体电池(211)处的电压超过阈值；以及
在所述电池单元装置中的单体电池(211)处的电压低于阈值。
23.如权利要求21所述的电池模块，其中，所述条件包括以下中的至少一个：
所述电池单元装置的充电电流(I1)超过阈值；
所述电池单元装置处的温度超过阈值；
在所述电池单元装置中的单体电池(211)处的电压超过阈值；以及
在所述电池单元装置中的单体电池(211)处的电压低于阈值。
24.如权利要求16-20和22-23中任一项所述的电池模块，其中，所述转换器被配置为响应于被施加在所述转换器的所述输入端子和所述另一输入端子处的电压(U3)低于阈值而控制所述开关装置从所述第二模式切换(840)到所述第一模式。
25.如权利要求15所述的电池模块，其中，所述转换器被配置为响应于被施加在所述转换器的所述输入端子和所述另一输入端子处的电压(U3)低于阈值而控制所述开关装置从所述第二模式切换(840)到所述第一模式。
26.如权利要求21所述的电池模块，其中，所述转换器被配置为响应于被施加在所述转换器的所述输入端子和所述另一输入端子处的电压(U3)低于阈值而控制所述开关装置从所述第二模式切换(840)到所述第一模式。
27.如权利要求16-20、22-23和25-26中任一项所述的电池模块，其中，所述开关装置在用于对所述电池单元装置进行放电的第三模式(830)中是可操作的。
28.如权利要求15所述的电池模块，其中，所述开关装置在用于对所述电池单元装置进行放电的第三模式(830)中是可操作的。
29.如权利要求21所述的电池模块，其中，所述开关装置在用于对所述电池单元装置进行放电的第三模式(830)中是可操作的。
30.如权利要求24所述的电池模块，其中，所述开关装置在用于对所述电池单元装置进行放电的第三模式(830)中是可操作的。
31.如权利要求1-4、7、9-10、12-14、16-20、22-23、25-26和28-30中任一项所述的电池模块，其中，所述转换器是所述电池模块的集成部分。
32.如权利要求1-4、7、9-10、12-14、16-20、22-23、25-26和28-30中任一项所述的电池模块，其中，所述电池单元装置包括锂或锂离子。
33.如权利要求1-4、7、9-10、12-14、16-20、22-23、25-26和28-30中任一项所述的电池模块，其中，所述转换器具有另一输出端子(514、714)，所述另一输出端子连接到所述电池单元装置的所述第二端子。
34.如权利要求1-4、7、9-10、12-14、16-20、22-23、25-26和28-30中任一项所述的电池模块，其中，所述电池单元装置的所述第一端子(501)具有比所述电池单元装置的所述第二端子高的电势。
35.如权利要求1-4、7、9-10、12-14、16-20、22-23、25-26和28-30中任一项所述的电池模块，其中，所述电池单元装置包括多个电池单元(211)。
36.如权利要求1-4、7、9-10、12-14、16-20、22-23、25-26和28-30中任一项所述的电池模块，还包括其中布置有所述电池单元装置和所述转换器的壳体。
37.如权利要求1-4、7、9-10、12-14、16-20、22-23、25-26和28-30中任一项所述的电池模块，所述电池模块当经由所述第一充电端子和所述第二充电端子连接到直流电源时适用于对所述电池单元装置进行充电。
38.一种无线通信基站(100)，包括：
通信模块(110)；
连接器(120、130)，所述连接器被布置为将所述通信模块连接到主电源(150)以为所述通信模块供电；以及
如前述权利要求中任一项中限定的电池模块(140、700、900)，所述电池模块作为备用电源连接到所述通信模块。
39.如权利要求38所述的无线通信基站，包括控制器，所述控制器被配置为：
当所述主电源不可用时，通过控制所述电池模块的开关装置，使所述电池模块的所述电池单元装置放电以为所述通信模块供电。
40.如权利要求38所述的无线通信基站，包括控制器，所述控制器被配置为：
当所述主电源可用时，通过控制所述电池模块的开关装置，使所述电池模块的所述电池单元装置使用所述主电源进行充电。
41.如权利要求39所述的无线通信基站，其中，所述控制器还被配置为：
当所述主电源可用时，通过控制所述电池模块的开关装置，使所述电池模块的所述电池单元装置使用所述主电源进行充电。
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