CN101103508B

CN101103508B - 用于对可再充电电池组进行充电和放电的方法和装置

Info

Publication number: CN101103508B
Application number: CN2005800467588A
Authority: CN
Inventors: 保罗·甘博亚
Original assignee: Cobasys LLC
Current assignee: Robert Bosch Battery Systems LLC
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2025-12-20
Also published as: WO2006078396A1; EP1839382A1; CN101103508A; US7541781B2; EP1839382B1; US20060158156A1

Abstract

提供了一种用于可再充电电池组(6)的电池组保护系统。所述系统(4)具有：开关模块(16)，用于根据控制信号选择性地中断电池组电流；电池组电压传感器，用于感测电池组电压；电池组温度传感器，用于生成电池组温度信号；和控制模块(26)，用于根据所述电池组温度信号和所述电池组电压生成所述控制信号。

Description

用于对可再充电电池组进行充电和放电的方法和装置

技术领域

本发明一般涉及电池组系统，更具体地来说，涉及一种用于电池组系统的电池组充电器。

背景技术

可再充电电池组，特别是镍金属氢化物(NiMH)电池组，可用于多种应用中。例如，可以将该电池组用作用于诸如蜂窝塔等的固定应用的备用电源。该电池组在主电网停电(main grid outage)期间提供备用电力。在这样的应用中，期望将该电池组连接到保持电池组的充电状态的电池组充电电路。在某些情况下，对NiMH电池组充电会导致电池组过热，这可能会损坏电池组或其他部件。

发明内容

提供一种用于可再充电电池组的电池组保护系统。所述系统具有：开关模块，用于根据控制信号选择性地中断电池组电流；电池组电压传感器，用于感测电池组电压；电池组温度传感器，用于生成电池组温度信号；和控制模块，用于根据电池组温度信号和电池组电压生成控制信号，其中，所述控制信号是脉宽调制信号，该脉宽调制信号具有由第一信号设置的周期以及由基于所述电池组温度信号和所述第一信号而改变的第二信号所设置的占空比，所述占空比在所述控制信号超过第一预定温度时为0％。

还提供一种电池组保护电路。所述电路具有开关模块，用于根据控制信号选择性地中断电池组电流。第一振荡器模块生成具有第一周期的第一信号，并且温度相关振荡器模块生成具有第二周期的第二信号。占空比生成器接收第一信号和第二信号，并且生成控制信号。在所述第一周期以所述第二周期建立的占空比来对控制信号进行脉宽调制，所述温度相关振荡器模块接收基于所述第一信号的复位信号并且基于所述复位信号来生成第二信号。

提供一种用于保护可再充电电池组的方法。所述方法包括以下步骤：监测电池组温度和监测电池组电压，以由第一信号设置的周期以及由基于所述电池组温度和所述电池组电压以及所述第一信号而改变的第二信号设置的占空比来对来自于电池组的电流进行脉宽调制，以及当所述电池组温度超过第一预定温度时，设置所述占空比以关断电流。

根据下文中所提供的详细描述，本发明的其他领域的适用性将变得明了。需要理解的是，这些详细描述和具体示例尽管表示了本发明的优选实施例，但是仅仅是为了举例说明，而并非要限制本发明的范围。

附图说明

根据详细描述和附图，本发明将变得更加完全明白，其中：

图1是可再充电电源的方框图和电示意图；

图2A是用作用于负载(load)的主电源的、图1的电源的功能方框图；

图2B是正在再充电的、图1的电源的功能方框图；

图2C是结合了主电源的、用作备用电源的、图1的电源的功能方框图；

图3是在25℃作为放电程度(DOD)函数的操作电压的曲线图；

图4是示例性开关模块的电示意图；

图5是用于图解说明可再充电电池组充电方法的步骤的流程图；

图6是根据本发明的某些实施的电池组充电器的功能方框图；

图7是图6的电池组充电器的一个实施的电示意图；

图7A示出了图7的电池组充电器的波形；以及

图8是可再充电电源的透视图。

具体实施方式

以下优选实施例的描述实际上仅为了示例，决不是为了限制本发明、其应用、或使用。为了清楚起见，将在附图中使用相同的附图标记来标识类似的元件。如在这所使用的术语，模块和/或设备是指执行一个或多个软件或固件程序的特定用途集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共用、专用、或分组)、和存储器，和/或其他提供所描述的功能的适当部件。为了清楚起见，相同的附图标记将用于标识类似元件。

现在参见图1，示出了可再充电电源2的方框图和电示意图。电源2具有容纳电池组6的外壳4。电池组6具有多个单独电池8a、8b……8n，统称为电池8。在一些实施中，电池8可以是镍金属氢化物(NiMH)电池，尽管也可以使用其他类型的电池组。通过正总线14将电池组正极端子10连接到电源正极端子12。开关模块16将电池组负极端子18选择性地连接到负总线20。将负总线20连接到电源负极端子22。沿着外壳4的端面适当地布置电源正负极端子12、22，从而便于多个可再充电电源2的相互电连接。中间接线24 将电池组负极端子18连接到开关模块16。开关控制模块26根据将在下文中描述的电池组电压和温度来生成开关控制信号28。还可以将可复位电路断路器或保险丝(未示出)与电池组6串联布置。

现在参见图2A，示出了连接到负载30的电源2。当开关模块16闭合时，电源2的电池组6将电流提供给负载30。如果电池组温度高于预定阈值时，开关控制模块26将通过开关控制信号28断开开关模块16。

现在参见图2B，示出了连接到充电设备32的电源2。充电设备32提供电源以对电源2的电池组6进行再充电。开关控制模块26监测电池组6的电压和温度，并且根据稍后描述的方法控制电池组6的充电。

现在参见图2C，将主电源34并联连接到负载30和电源2。主电源34提供电源给负载30和/或对电源2中的电池组6进行充电。如果主电源34停止提供电流，例如在停电期间会发生，电源2继续提供电流给负载30，直到恢复主电源34。电源2能够提供电源的时间量是由几个因素所决定的，这些因素包括：电池组6的容量(安培-小时)、主电源34故障时电池组6的充电状态(SOC)、电池组6的温度、和负载30所消耗的电流。

现在参见图3，示出了NiMH电池组6的曲线族36。y轴38表示电池组电压，而x轴40表示每个电池组6的放电程度(DOD)。曲线族36表示了在25℃下电压与DOD的比较。可以看出电池组电压随着DOD下降而快速上升。选择截止电压、或V_CUTOFF 42以指示电池组6已被完全充电。

现在参见图4，示出了一种示例性开关模块16。可以使用机电式继电器、晶体管、电子集成电路的任意组合，和/或任何具有非常高和非常低的电阻状态的材料来实施开关模块16。所示开关模块16包括NMOS晶体管Q₁、Q₂、和Q₃。将每个晶体管Q_1-3的源极连接到负总线20。将每个晶体管Q_1-3的漏极连接到中间连线24。将每个晶体管Q_1-3的栅极连接到开关控制信号28。开关模块16还可以包括指示器，诸如具有限流电阻器46的LED44，从而指示在电池组6充电时开关模块是断开的还是闭合的。

现在参见图5，示出了开关控制信号28生成方法的步骤。在所描述的实施例中，开关控制信号是一种具有0至100％之间的占空比的PWM信号，但是需要理解的是，也可以使用其他类型的控制信号和/或其他占空比来控制开关模块16。

所述方法始于步骤48。在步骤50中，控制确定电池组6的温度T_BATT是否高于预定温度阈值T_H。如果在步骤46中进行的确定得到肯定结果，则控制进入步骤52，并且通过将占空比(DC)设定为0％来断开开关模块16。在步骤50中，如果T_BATT低于T_H，控制则进入判定块54，并且确定电池组6的电压V_BATT是否低于预定电池组电压阈值V_CUTOFF。如果在步骤54中进行的确定得到肯定结果，控制则进入步骤56。在步骤56中，控制通过将占空比设定为100％来闭合开关模块16。返回到步骤54，如果V_BATT等于或高于预定电池组电压阈值V_CUTOFF，控制则进入步骤58，并且建立第一时间周期T₁。然后控制进入步骤60，并且生成由T_BATT进行温度补偿的第二时间周期T₂。时间周期T₂随着T_BATT的增加而减少。在步骤62中，控制生成具有根据T₁和T₂来得到的DC的开关控制信号28。

现在参见图6，示出了开关控制模块26的功能方框图。温度传感器64指示电池组温度T_BATT。恒温器66将T_BATT与T_H相比较，并且将开关启动信号SW_EN提供给驱动器68。当T_BATT高于T_H时，恒温器66通过切断驱动器68来断开开关模块16。

当T_BATT低于或等于T_H时，驱动器68产生具有由占空比(DC)生成器70设定的占空比的PWM信号。当电压传感器72和比较器74确定电池组电压V_BATT低于截止电压V_CUTOFF时，占空比生成器70产生100％占空比信号。当电压传感器72和比较器74确定电池组电压V_BATT高于截止电压V_CUTOFF时，占空比生成器70根据周期T₁和T₂产生占空比信号。周期T₁是从振荡器模块76得到的，而且周期T₂具有温度补偿振荡器78所生成的变量值。将温度补偿振荡器78与周期T₁同步。周期T₂随着T_BATT的函数而改变。在一些实施中，温度补偿振荡器78的周期T₂随着T_BATT的增加而减少。

现在参见图7和7A，描述了一种用于实施图6的开关控制模块26的示例性电路。将电池组电压V_BATT直接从电池组正极端子10中分出，并且将接地线(ground)连接到电池组负极端子18。通过将V_BATT通过低通RC滤波器(未示出)来得到电源电压V_CC。

通过集成电路IC₁来实施振荡器模块76。集成电路IC₁是一种24级分频器，诸如MC14521B。将电阻器R₁、电阻器R₂、和电容器C₁的各自一端连接在一起。将电阻器R₁的另一端连接到集成电路IC₁的IN₁输入端。将电阻器R₂的另一端连接到集成电路IC₁的OUT₂输出端。将集成电路IC₁的输入断IN₂和输出端OUT₁连接到电容器C₁的另一端。电阻器R₁和R₂、电容器C₁、和集成电路IC₁的这种结构在集成电路IC₁的输出端Q₂₂产生矩形波。在图7A中在V_Q22示出了该矩形波。矩形波具有由电阻器R₂和电容器C₁建立的固定周期T₁。矩形波V_Q22的脉宽为1/2*T1。通过电容器C₂将矩形波输出到节点Nd₁。通过电阻器R4将节点Nd₁向上拉至V_CC。节点Nd₁是一种到占空比生成器70的输入，并且具有取决于比较器74、主/从开关80、和振荡器模块76的输出的波形。将在描述了所连接的电路块的操作之后描述节点Nd₁的波形。

电压传感器72包括由上电阻器R₃和下电阻器R₄形成的分压器。将上电阻器R₃的一端连接到V_BATT。将下电阻器R₄的一端连接到接地线。将上电阻器R₃的另一端和下电阻器R₄的另一端连接到一起以形成节点Nd₂，节点Nd₂ 是分压器的中心抽头。节点Nd₂提供定标(scaled)电池组电压信号。

比较器74包括具有集电极开路输出端的与非门NA₁。将与非门NA₁构造成反相器。到反相器的输入端是位于电阻器R₅的一端与三端稳压器Z₁的阴极的连接上的节点Nd₃。可以用于实施稳压器Z₁的设备的例子包括LinfinityMicroelectronics，Inc.提供的TL431/TL431A/TL431B系列可编程电压基准源。将电阻器R₅的另一端连接到V_CC。将稳压器Z₁的阳极连接到接地线。将稳压器Z₁的参考针连接到节点Nd₂。当稳压器Z₁导电时，节点Nd₃处的电压较低，在V_BATT高于或等于V_CUTOFF时出现稳压器Z₁导电。通过电阻器R₃和R₄建立稳压器Z₁的导电点，电阻器R₃和R₄应该具有所选择的电阻，从而在节点Nd₂ 的电压会导致稳压器Z₁在V_BATT高于或等于V_CUTOFF时导电。与非门NA₁的输出端连接到二极管D₁的阴极。二极管D₁的阳极连接到节点Nd₁。

现在将描述节点Nd₁处的波形。将主/从开关80的公用电极(common pole)连接到节点Nd₁。如果开关80处于主位置M，并且将路线闭合到接地线，开关80则将节点Nd₁保持接地。如果开关80处于从位置S，并且V_BATT低于V_CUTOFF，则将通过比较器74对二极管D₁进行正向偏压，并且节点Nd₁的电压将保持较低。如果开关80处于从位置，并且V_BATT高于或等于V_CUTOFF，比较器74则将阻止二极管D₁导电。然后，节点Nd1的电压将随着来自集成电路IC₁的输出Q₂₂的每个下降沿脉冲降低(pulse low)。低脉冲具有如图7A所示在V_Nd1的周期T₁。

节点Nd₁是到占空比生成器70的输入。由置位复位(SR)触发器82构成占空比生成器70，由与非门NA₂和NA₃构成置位复位触发器82。将与非门NA₂的输出端连接到与非门NA₃的输入端。将与非门NA₃的输出端连接到与非门NA₂的输入端。将与非门NA₂的另一输入端操作为SR触发器的置位输入端，并且连接到节点Nd₁。将与非门NA₃的另一输入端操作为SR触发器的复位输入端，并且连接到节点Nd₃。从NA₂的输出端分出占空比生成器70的输出端。占空比生成器70的输出电压在节点Nd1被脉冲降低之后变高，而在节点Nd₃被脉冲降低之后变低。当开关80或比较器74保持节点Nd₁电压较低时，占空比生成器70的输出端将保持较高电压。

在集成电路IC₂周围形成温度补偿振荡器78，集成电路IC₂是一种诸如MC14521B等的24级分频器。与非门NA₄的输出端提供节点Nd₄。如在图7A中在V_Nd4所示，节点Nd₄处的波形是一种节点Nd₁处的波形的逻辑补充。将集成电路IC₂的复位输入端连接到节点Nd₄。如图7A中在V_Q20所示，尽管通过节点Nd₄将集成电路IC₂的复位输入端保持高，但是集成电路IC₂的输入端Q₂₀却为低。

将电阻器R₆、热敏电阻器R_T1、和电容器C₃的各自一端连接在一起。将电阻器R₆的另一端连接到集成电路IC₂的In₁输入端。将电容器C₃的另一端连接到集成电路IC₂的输出端Out₁和输入端In₂。将热敏电阻器R_T1的另一端连接到集成电路IC₂的输出端Out₂。热敏电阻器R_T1的电阻随着温度的升高而减少。热敏电阻器R_T1最好位于接近电池组6(未示出)的地方，电池组6被连接到开关模块16。光耦合器84选择性地将电阻器R₇与热敏电阻器R_T1并联连接。光耦合器84具有内部LED，内部LED具有通过电阻器R₈向上拉至V_CC的阳极。将该LED的阴极连接到恒温器66的输出端。

如图7A中在V_Q20所示，集成电路IC₂的输出端Q₂₀生成具有周期T₂并且脉宽为1/2*T₂的脉冲串。周期T₂随着R_T1的温度的升高而减少。在将R₇ 切换到与R_T1并联时，周期T₂也减少。将集成电路IC₂的输出端Q₂₀连接到电容器C₄。将电容器C₄的负极(opposite end)连接到节点Nd₃，节点Nd₃是占空比生成器70的复位输入端。每当集成电路IC₂的输出端Q₂₀从高压转换到低压时，如图7A中在V_Nd3所示，在节点Nd₃出现低走向脉冲(low-going pulse)。每个低走向脉冲会导致占空比生成器70的输出端电压变低。当节点Nd₁正在负载集成电路IC₁的输出端Q₂₂所启动的脉冲时，来自占空比生成器70的输出信号是PWM信号。PWM信号具有振荡器模块76所建立的周期T₁以及温度补偿振荡器78所建立的占空比。在图7A中在V_Nd5出现了在这样的情况下操作的占空比生成器70的输出信号。可以将该输出信号用作稍后描述的控制信号28。

将来自占空比生成器70的输出信号输入到驱动器68。驱动器68具有晶体管Q₄。电阻器R₉被连接在晶体管Q₄的基极与发射极之间。电阻器R₁₀与晶体管Q₄的基极串联。电阻器R₁₄的一端连接到晶体管Q₄的集电极。电阻器R₁₄的另一端提供开关控制信号28，并且通过电阻器R₁₅将其向下拉至接地线。当恒温器66切断晶体管Q₄时，开关控制信号28的占空比为0％。当晶体管Q₁₄正在放大来自节点Nd₅的信号时，开关控制信号的占空比大于0％。

恒温器66具有温度控制器86。适合用作温度控制器86的设备的示例就是模拟设备部件号TMP01FS。电阻器R11被连接在温度控制器86的SETLOW输入端与VREF输出端之间。电阻器R12被连接在温度控制器86的SETHI输入端与SETLOW输入端之间。电阻器R13被连接在温度控制器86的SETHI输入端与接地线之间。温度控制器86具有连接到驱动器68的输入端UNDER。当电池组温度T_BATT低于预定阈值时，温度控制器86的输出端UNDER接通晶体管Q₄。因此，恒温器66最好位于邻近连接到开关模块16的电池组6的地方。电阻器R₁₁和R₁₂连接点提供对应于预定的低电池组温度T_L阈值的电压。电阻器R₁₂和R₁₃之间的连接点提供对应于预定的高电池组温度T_H阈值的电压。

温度控制器86的OVER和UNDER输出端是有效低(active low)。当电池组温度T_BATT低于预定的高电池组温度T_H时，输出端UNDER为低压(low)。当电池组温度T_BATT高于预定的低电池组温度T_L时，输出端OVER为低压。

将输出端OVER连接到光隔离器84中的LED的阴极。当输出端OVER电压变低时，接通LED，从而选择性地将电阻器R₇与R_T1并联连接。因此，恒温器66提供一种用于从两个周期范围中选择周期范围T2的机构。当电池组温度T_BATT高于高电池组温度T_H时，输出端UNDER驱动Q₄的基极，并且切断Q₄。在所示实施例中，将高电池组温度T_H选择为50℃，而将低电池组温度TL选择为40℃。可以将其他值用作防止电池组在充电时过热而需要的值。

现在参见图8，示出了可再充电电源2的外部透视图。电源2具有电池组6，电池组6具有多个棱柱形电池8a-e。外壳4容纳电池组6、开关模块16、和控制模块26。在某些实施例之一中，可以从外壳4的外部接触主/从开关80。电源正极端子12和负极端子22位于外壳4上。

通过将具有开关80的一个电源2设定到主位置，而将具有开关80的其余电源2设定到从位置，可以串联多个电源2。电源2的这样的串联结构可以使被设定到主位置的电源2的开关控制模块26能够控制设定到从位置的、具有开关80的其余电源2中的电池组6的充电和放电。

根据以上描述，本领域的技术人员现在可以了解到可以以各种形式实施本发明的普遍示教。因此，尽管结合本发明的具体示例描述了本发明，但是不应该这样来限制本发明的实际范围，因为通过学习附图、说明书和以下权利要求，其他修改对于有经验的专业人员来说将变得明了。

Claims

1.一种用于可再充电电池组的电池组保护系统，所述系统包括：

开关模块，用于根据控制信号选择性地中断电池组电流；

电池组电压传感器，用于感测电池组电压；

电池组温度传感器，用于生成电池组温度信号；和

控制模块，用于根据所述电池组温度信号和所述电池组电压生成所述控制信号，其中，所述控制信号是脉宽调制信号，该脉宽调制信号具有由第一信号设置的周期以及由基于所述电池组温度信号和所述第一信号而改变的第二信号所设置的占空比，所述占空比在所述控制信号超过第一预定温度时为0％。

2.如权利要求1所述的电池组保护系统，其中当所述电池组温度低于所述第一预定温度且所述电池组电压低于预定电压时，所述占空比为100％。

3.如权利要求2所述的电池组保护系统，其中当所述电池组温度低于所述第一预定温度且所述电池组电压大于所述预定电压时，所述占空比在0％至100％之间。

4.如权利要求1所述的电池组保护系统，其中所述控制模块进一步包括：

第一振荡器模块，用于生成具有第一周期的所述第一信号；

温度相关振荡器模块，用于生成具有第二周期的所述第二信号，所述第二信号根据所述电池组温度信号而改变；和

占空比生成器模块，用于根据所述第一信号和所述第二信号生成所述脉宽调制信号。

5.如权利要求4所述的电池组保护系统，其中所述温度相关振荡器模块具有至少两个周期范围，所述第二周期在所述至少两个周期范围之一内。

6.如权利要求5所述的电池组保护系统，进一步包括温度控制器，用于选择所述至少两个周期范围之中的哪个会被所述温度相关振荡器模块所采用。

7.一种自保护可再充电电源，包括如权利要求1所述的电池组保护系统，并且进一步包括：

可再充电电池组；和

外壳，用于容纳所述可再充电电池组、电池组电压传感器、电池组温度传感器、控制模块和开关模块。

8.一种电池组保护电路，包括

开关模块，用于根据控制信号选择性地中断电池组电流；

第一振荡器模块，用于生成具有第一周期的第一信号；

温度相关振荡器模块，用于生成具有第二周期的第二信号；和

占空比生成器，用于接收所述第一信号和所述第二信号并生成所述控制信号，其中在所述第一周期以所述第二周期建立的占空比来对所述控制信号进行脉宽调制，所述温度相关振荡器模块接收基于所述第一信号的复位信号并且基于所述复位信号来生成第二信号。

9.如权利要求8所述的电池组保护电路，其中所述温度相关振荡器模块生成的所述第二信号取决于电池组温度。

10.如权利要求8所述的电池组保护电路，其中所述占空比生成器进一步包括触发器，该触发器具有置位输入端、复位输入端和输出端，所述第一信号被连接到所述置位输入端，而所述第二信号被连接到所述复位输入端，并且其中所述输出端执行所述控制信号的脉宽调制。

11.如权利要求8所述的电池组保护电路，进一步包括恒温器模块，所述恒温器模块根据电池组温度控制所述控制信号。

12.如权利要求8所述的电池组保护电路，进一步包括比较器模块，用于根据电池组电压启动和禁止所述第一信号。

13.一种自保护可再充电电源，包括如权利要求8所述的电池组保护系统，并且进一步包括：

可再充电电池组；和

外壳，用于容纳所述可再充电电池组、所述第一振荡器模块、所述温度相关振荡器模块、所述占空比生成器和所述开关模块。

14.如权利要求13所述的自保护可再充电电源，进一步包括用于进行电连接的正负电端子，所述正负电端子位于所述外壳的端面上。

15.一种用于保护可再充电电池组的方法，所述方法包括以下步骤：

监测电池组温度；

监测电池组电压；

以由第一信号设置的周期以及由基于所述电池组温度和所述电池组电压以及所述第一信号而改变的第二信号设置的占空比来对来自于电池组的电流进行脉宽调制；以及

当所述电池组温度超过第一预定温度时，设置所述占空比以关断电流。

16.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

当所述电池组温度低于第一预定温度且所述电池组电压低于预定电压时，将所述占空比设定为100％。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括：

当所述电池组温度低于所述第一预定温度且所述电池组电压大于所述预定电压时，将所述占空比设定为0％至100％之间。

18.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

生成具有第一周期的所述第一信号；

生成具有第二周期的所述第二信号，所述第二信号根据所述电池组温度而改变；以及

根据所述第一信号和所述第二信号生成所述占空比。

19.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

从至少两个周期范围中选择所述第二周期。

20.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

提供用于容纳可再充电电池组的外壳。