br>[0108]概述和功能(电池单元)
[0109]在下文描述电池单元的基本和附加功能。在下文的单独小节中更详细地描述用于实现这些功能的示例性电子设备。
[0110]图1B示出电池单元150的主要组件的框图。存在能量贮存器162，其终端连接到切换电路156，切换电路156进一步连接到接触区域152A-D。切换电路156与功能性连接到其的微控制器160—起形成切换逻辑。
[0111]图2A以更为说明性的视图示出示例性电池单元200。在单元的内部存在连接到切换逻辑220的能量贮存器222。切换逻辑220连接到接触区域202a，202b，202c和202d，其数量在该实例中为四个。切换逻辑使得可以将任何接触区域连接到能量贮存器的正(+ )或负(_)终端。
[0112]图2B-2D示出电池单元的示例性配置。图2B示出一种配置，其中所有接点终端202a，202b，202c，202d通过切换逻辑分别通过电阻器204a，204b，204c，204d以星型配置连接到公共星点205。电阻器204a，204b，204c，204d具有优选的相等电阻。公共星点表示所述电池单元的内部(浮动)接地。本实施例有益于路由和发现程序，如在后面更详细地解释说明的那样。
[0113]图2C示出一种配置，其中两个接触区域202a，202d连接至能量贮存器222的正和负终端，以及两个剩余接触区域202b，202c处于通过电阻器204b和204c连接到公共起点205的星型配置下。
[0114]此外，切换逻辑可允许任何两个或多个接触区域202a，202b，202c，202d连接在一起，以将那些接触区域短路(旁路连接)。图2D示出一种配置，其中两个接触区域202a，202d通过旁路连接206ad短路，以及剩余的两个接触区域202b，202c处于通过电阻器204b和204c连接到公共起点205的星型配置下。同样，剩余的两个接触区域202b，202c也可连接到能量贮存器的终端，或以形成第二旁路连接。
[0115]上述实例仅示出所有可用配置中的一小部分。切换逻辑220优选能够针对任何接触区域202a，202b，202c，202d进行任何所述的连接。以这种方式，每个接触区域202a ,202b,202c，202d的极性或状态可自由地由切换逻辑220来控制以匹配各种情况和需求。
[0116]根据一个实施例，切换逻辑还能够将一个或多个接触区域从其它接触区域、共同起点和能量贮存器的终端完全断开。
[0117]所述电池单元的一个关键特征是其与其它电池单元进行合作以便形成更大功率源的能力。为此目的，能量贮存器的正负两极可连接到电池单元的任何接触区域。这使得即使随机装填在箱内部的电池单元可串联和/或并联连接，形成许多单元的串。它与哪个电池单元与哪个其它单元接触不相关，因为一旦电池单元的相对定位已经确定，则串就由动态编程限定。
[0118]根据一个实施例，电池单元还包括一个或多个旁路连接选项。在旁路连接中，电流可通过低电阻路径通过从一个接触区域通过电池单元流动到另一个接触区域，而不将电池单元内部的能量贮存器连接至该低电阻路径。该选项例如允许电池单元用于帮助完成串，否则由于随机放置或取向的概率性质而将是不可能的。
[0119]根据一个实施例，电池单元可配置成将能量同时传输通过两个或多个接触区域，并且处于在两个或多个其它接触区域之间的旁路模式下或将一个或多个接触区域断开连接或接地。这些功能的任意组合会是可能的，如果切换电路设计成允许上述的话。
[0120]由通常构建在电池单元的壳体内部的适当连接装置设定和更新于每个接触区域的上述连接、旁路、断开连接和/或连接到虚拟星点配置。所述连接装置可包括微控制器和功能性地连接到微控制器的切换电路。这两个一起构成切换逻辑。
[0121]切换逻辑优选配置成使得它不可能将能量贮存器的两个终端接触到同一接触区域，以避免不期望的路径或连接。此外或备选地，这种预防性功能可在箱控制单元水平下来实施。
[0122]根据一个实施例，电池单元可监测单元的环境和/或电特性。这些特性可包括以下的一个或多个:充电和放电电流，能量IC存器的电压，温度，充电状态。为此目的存在合适的测量和监测电路。还可存在基于监测用于改变电池单元配置的必要装置。或者例如，如果电池单元注意到放电电流、温度或其它参数处于针对所选模式的期望范围之外，则它可暂时断开能量贮存器，减少电流汲取，以其它方式改变行为。
[0123]根据一个实施例，电池单元包括在硬件或软件水平上在其中编码的独特标识符。当与外部中央控制单元进行通信时可以使用独特标识符。也就是说，当宣布其存在于箱内或传输监测信息时，电池单元可将其独特标识符传递到外部控制单元。另一方面，控制单元可在其编程命令中包括标识符，使得电池单元能够在意旨用于特定电池单元的命令和意旨用于其它电池单元的命令之间进行区分。
[0124]示例性电池单元的基本功能也可以是它可与电箱的其它电池单元和/或中央控制单元和/或单元的主机设备(诸如电动车辆)进行通信。为此目的，电池单元包括内部通信单元，其适于使用预先限定的通信协议或者通过接触区域或无线地操作。通信单元在功能上与切换逻辑和任选的监测电路相连接。通信对于能够限定并形成允许电流从箱汲取的能量路径而言是必要的。
[0125]电池单元可附加地或以便协助执行上述功能而包括电源(或功率供应)电路，充电电路，闪存，EEPROM，RAM，过电流保护电路和时钟振荡器，其也在下文更详细地描述。
[0126]能量贮存器(电池单元)
[0127]能量贮存器可包括任何可再充电类型的电化学电池。可替代地，能量贮存器可包括高能量的电容器。另一种备选方案是氢燃料电池。一个具体实例是锂离子电池(3.7 V的额定电压)。
[0128]能量贮存器可包括串联和/或并联连接的多个电池单元或电容器。
[0129]能量贮存器的容量可处于从毫安小时或甚至更少的量级一直到几十安培小时或甚至更大的量级。容量例如可以是luWh-lkWh，诸如lmWh-lOOWh，具体为l-100Wh。
[0130]能量贮存器通常占据电池单元壳体的总内部体积的大部分，例如至少75%，特别是至少90%，以获得高能量密度。对于具有通信电子器件的切换逻辑而言需要更小的体积。
[0131]接触区域(电池单元)
[0132]电池单元包括在其壳体外表面上的多个接触区域或“电接触焊盘”。在一个优选的实施例中，壳体确定电池单元的总体形状，并且接触区域布置成在壳体材料上的涂层或薄膜。在壳体内从接触区域到切换逻辑的布线必须通过壳体布置。然而，接触区域本身也可全部或部分地延伸在穿过通过壳体材料。接触区域优选是金属的。
[0133]在电池单元中的接触区域的主要目的是能够对随机地装填到容器内的电池单元进行充放电。如果电池单元的精确位置和取向可以控制，如附接在电池保持器内的标准电池，则两个接触区域就足够。在随机或接近随机装填的电池单元的情况下，通常需要更多的连接区域以减少不能用于供应功率的电池单元(即其能量贮存器不能被视为任何串的一部分的电池单元)在容器中的数量。
[0134]根据一个实施例，接触区域的数量在4至20之间，具体在6至14之间。该范围对于至少椭球电池单元而言估计是最优的，但是对于其它形状而言也是可行的。接触区域的最优确切数量至少取决于以下因素:电池单元的形状，电子器件的成本和尺寸，路由过程，在电池单元中可用的旁路数量，所需的漏电和间隙距离，所使用的材料，所需的物理和环境保护，耐化学和/或腐蚀性(例如，当使用液体冷却时)，热导率的要求，组装过程，预计的寿命，可用的技术，可服务性，可靠性，成本和预算限制。
[0135]图2E和图2F示出具有八个接触区域(在每个半椭球上具有对称的四个接触区域)的椭球形电池单元240。在附图中可见四个接触区域242a-242d。接触区域242a_d由间隙244隔开，在此其设置有由绝缘材料、优选壳体材料制成的脊状物。半椭球已经从半椭球的每一端部上的附接点248紧固在一起。接触区域使用导电通孔249连接到壳体的内部部件。
[0136]通孔是通过绝缘材料的两个导电层之间的电连接。通常情况下，通孔是通过电镀或通过插入铆钉制成为导电的小开口。通孔通常在印刷电路板和集成电路中使用。几种注模塑料材料也可镀有导电金属层。电镀过程可以是电镀或非电镀。这使得能够在塑料部件中也采用通孔，其中塑料部件的两侧都被电镀，并且在电镀两侧之间需要电连接。
[0137]图2G和图2H示出具有六个接触区域(在椭球圆周上对称的四个和在每个端部上对称的两个)的另一个椭球形电池单元260。示出五个接触区域262a_e。接触区域262a_e由间隙264隔开，间隙264在此示出为凹槽。也示出附接点268。
[0138]此外，还有可用的其它各种完全操作性的接触区域配置。图21和图2J进一步示出接触区域定位的几乎无限可能性的一些实例。在这些实施例中，存在布置在电池单元的不同侧上的10-20个椭球形接触区域，使得在区域周围保持相当大的空间。也通过这些配置，接触区域与接触区域连接的可能性在随机装填中具有高概率。同时，两个不同的单元与单个接触表面积进行接触的可能性比例如图2G和图2!1所示的实施例中的要小。导电通孔269用于将接触区域连接到内部部件。
[0139]接触区域可通过本身已知的合适方法施加到壳体表面上。实例包括膜或片材施加方法(例如通过使用粘合剂，冲压，热和/或压力)和直接涂覆方法。该膜或片材或涂层物质优选是金属，诸如铜，金，银，铝，或金属合金或金属复合物。该膜或片材可被预成形以匹配壳体外表面的形状或在施加过程中形成。
[0140]图3示出根据图2E和图2F的具有接触区域配置的电池单元280的壳体机械结构和壳体内部结构的一个可能的实施方式。壳体由两个优选相同的中空半椭球部分281A，281B形成，中空半椭球部分281A，281B可使用螺钉，胶水，超声焊接，灌封，模制或任何其它合适的附接装置附接到一起。附接可获得设计附接到部分281A，281B的区域288A，288B的优势。
[0141]接触区域使用导电通孔285A，285B连接到壳体的内部部件。通孔285A，285B可同时用作适于电池单元的内部部件的锚固点，最重要的电池单元的内部部件是能量贮存器和/或于其配置的电子器件的电路板。在这种情况下，通孔285A，285B包含孔，螺钉或类似的固定构件可通过所述孔进行组装。在孔的内表面上具有导电镀层或固定构件可以是导电的以形成所述接触区域和电子器件之间的稳健连接。在一个实施例中，在壳体的内表面上具有卡扣连接器。
[0142]电池单元之间的电接触对于它们的协作是非常重要的。在所有的电接触区域上使用镀硬金已经提供小而稳定的接触电阻同时具有小的法向力。为了给定一些大致的非正式和非限定性的值，在仅具有0.4牛顿法向力的镀金接点之间的电接触导致约20毫欧的接触电阻。可使用如0.1-0.2N的甚至更小的法向力。硬金在腐蚀性环境中也是良好的。硬金的耐磨性能是良好的，使得约1000次的插入循环磨损I微米的涂层厚度。通过使用润滑剂通常可显著改进耐磨性能。另一种可能的涂层材料是钯-镍与闪蒸的硬金表面结合。对于高容量的样式而言，其中成本约束占主导性，更具材料的成本效益，电镀和方法是可行的，可能在性能上有一些取舍。
[0143]可仅通过重力、使用经受在箱内的电池单元受到的附加压力或这些的组合来实现必要的法向力。此外施加额外的压力有助于将所述电池单元固定在箱内。可使用在箱内、组装到箱上、或作为其壁的一个或多个弹簧，弹性构件，可动构件或气体充气构件来施加压力。
[0144]尺寸和形状(电池单元)
[0145]电池单元的尺寸取决于它们的预期用途。电池单元的最优尺寸取决于若干参数。如果电池单元要经由软管或其它导管(为了装填或清空箱)传输，则最大尺寸受到软管或导管的最大实际直径的限制。对于电动车辆而言，作为粗略的假设，在实践上仍然可以使用通过5cm直径软管栗送的电池单元。电池单元的最小合理尺寸受到组件的限制，像控制电子器件，如果接触区域的数量是相同的话，其成本和尺寸无关于电池单元的尺寸而保持恒定。当电池单元的尺寸变小时，每单位容量的成本增加以及每单位体积的容量减小。
[0146]电池单元的形状在原则上可以几乎不是任何事情。但是为了优化设计，应该考虑若干参数。最重要的是，形状对每单位体积的容量可具有很大的影响。容器可通过栗送或倾倒用电池单元装填。其结果是，电池单元大多随机地装填在容器中。每个几何形状具有其自身的典型填充比范围。填充比是用于表征当它们被装填时所获得的对象的最大体积分数的参数。
[0147]根据一个实施例，电池单元具有平滑的形状，即没有尖角或边缘的形状。根据一个具体的另一实施例，形状没有平坦表面。这样的形状通常是完全凸出的，像椭球或球。
[0148]根据一个优选的实施例，电池单元具有椭球形状。这允许高的随机填充比和各个电池单元在容器中的稳定定位。数值为约0.74的最密集的已知随机填充比是具有1.25:1:0.8半轴的特定类型的椭球。对于该椭球而言，随机填充比也非常接近于最密集的已知的可能填充比，使其对于电池单元的形状成为良好的候选。同时，填充比足够低以允许在所述电池单元之间使用气体或液体来冷却容器和电池单元。本文中的术语“椭球”意味着真正的椭球，即其至少一个半轴具有大于其它两个的不同长度。
[0149]根据一个实施例，电池单元具有球形。对于球形而言，填充比在从0.56至0.64的范围内。通常情况下，当球体倾倒于容器内时可以实现0.56的填充比。在深入搅动之后可实现
0.64的填充比，像通过摇动容器。另一方面，如果球体人工放置成最密集的可能装填，则实现0.74的填充比。在最密集的可能装填和通常随机装填之间的大差异意味着尽管是可能的，但是球形形状对于电池单元而言不是最好的，因为随机装填剩下很多可能的“松散”电池单元，其在操作过程中在容器中是不固定的。球体的附加和独特的缺陷是形状不锁定到其任何旋转自由度。因此，优选使用当在大容器内随机排序时总是具有至少一个旋转自由度受到限制或者完全锁定的形状。
[0150]电池单元的表面光洁度和表面摩擦率也在一定程度上影响填充比。更光滑的表面和更小的摩擦通常导致更好的填充比。此外，相较于电池单元的尺寸和形状，容器的尺寸和取向影响填充比。电池单元越接近容器的典型平坦壁，则因为壁的影响它们随机取向的可能性就越小。因此，在较大的容器中，更多的电池单元是完全随机取向的，从而通常导致更好的填充比。
[0151]另一个重要的参数是在电池单元内部的能量贮存器的填充比。只要涉及到该参数，像圆柱形和矩形箱的形状将是理想的形状，因为这些是电化学电池单元的典型现有形状。对于一般的椭球而言，可通过使用适于锂电池的所谓的“果冻卷”电池单元设计来实现良好的能量载体填充比，允许有效地利用可在电池单元中对于电池单元而言可用的空间。果冻卷设计本身是已知的，并且目前用于可再充电电池。在设计中，绝缘片材放平，然后阳极材料的薄层被放平，施加隔离层，以及将阴极材料层叠在顶部上。然后这些例如被卷起成圆柱体形状。对于层而言通过使用不是矩形的其它形状，可以具有适于电池单元的不同形式。
[0152 ]另一个重要的形状相关的参数是以随机顺序在电池单元之间接触的平均数。电池单元之间更多的机械接触意味着电池单元之间的更多潜在的工作的电接点，这允许形成串的更大可能性。此外，电池单元之间的更为机械的接触将有助于在操作过程中保持电池单元固定。根据一个优选的实施例，电池单元的形状被选择成提供以随机顺序与其它电池单元的平均至少5次、优选至少9次接触。例如，随机装填的球体具有约6次接触，而优选的椭球(1.25:1:0.8)被发现具有平均甚至11次接触。
[0153]此外另一个重要形状确定的参数是曲率。在高曲率区域上，有利的是具有小的电接点形状或避免它们完全将形成与同一电接触区域连接的电池单元的数量最小化。
[0154]—个相关的形状确定的参数也是每单位体积形状的最大外部尺寸。大值导致小尺寸的电池单元，