CN101351719B - 用于监控电池电压的设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于监控可再充电电池组的设备，其包括用于中断流过至少一个关联电池的电流的至少一个电流中断开关和用于检测电池电压的多个监控单元。每个监控单元与单个电池有关，并且包括用于产生规定的基准阈值电压的基准电压单元和用于将基准阈值电压与关联电池的部分电池电压进行比较的电压比较单元。基准电压单元由关联电池的电池电压供电，以及电压比较单元耦接于至少一个电流中断开关，所述电流中断开关在基准阈值电压和部分电池电压之间的差值达到规定的最小差值时中断至少流过关联电池的电流。

Description

用于监控电池电压的设备
有关联邦政府资助的研究或开发的声明
按照美国能源部颁发的合约DE-FC26-95EE50425号，美国政府享有本发明的权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年1月26日申请的美国专利60/763,001号的权益，于此通过引用将其全文并入。
背景技术
本发明涉及用于监控可再充电电池组的电池的电池电压的设备，所述可再充电电池组具有多个彼此电连接的电池，每个电池具有用于每个电池的、检测关联电池的电池电压的监控单元，并具有用于中断流过至少一个关联电池的电流的至少一个电流中断开关。
必须监控具有彼此连接的多个电池的可再充电电池组中的单独的电池，以在例如在锂离子可再充电电池组的情况下，以防止由于充电过度或者深度放电对电池造成不可逆的损害。
DE19801746A1描述了一种用于监控多-电池可再充电电池组的电路，其中降低了监控电子装置和电池及中央控制单元之间电连接的复杂性，通过将用于监控电子装置的电路板插入到要监控的电池的电极连接来使用中央控制单元。监控电子装置测量关联电池的电池电压以及电极连接温度，并且经由数据总线将这些测量结果传送至中央电池组管理设备。
DE19921675A1公开了一种用于检测电池组的特性变量和测量变量的方法，其中将电池的测量变量(诸如电池电压、电池温度和电池压力)与相邻电池的测量模块的输出变量进行比较。变量比较的结果作为输出信号被传递至下一个测量模块，并且可以在可再充电电池组中的电池链的最后一个测量模块中作为整个测量链的输出信号获得。
DE2827479A1描述了一种可再充电电池组中的单独的电池的电池电压的电路布置，其中电池的电压由串联连接的光耦合器直接监控。如果未达到阈值电压，其中所述阈值电压可以在较大的程度上被散射，则打开开关以便中断流过可再充电电池组的电流。
针对以上背景技术，期望提供一种用于监控可再充电电池组中的电池的电池电压的改进设备。
发明内容
示范性实施例涉及用于监控可再充电电池组的设备，其包括用于中断流过至少一个关联电池的电流的至少一个电流中断开关和用于检测电池电压的多个监控单元。每个监控单元与单个电池有关，并且包括用于产生规定的基准阈值电压的基准电压单元和用于将基准阈值电压与关联电池的部分电池电压进行比较的电压比较单元。基准电压单元由关联电池的电池电压供电，以及电压比较单元耦接于至少一个电流中断开关，所述电流中断开关在基准阈值电压和部分电池电压之间的差值超过规定的最小差值时中断至少流过关联电池的电流。
附图说明
在下文中将利用示范性实施例并参考附图对本发明进行更加详细的说明，其中：
图1示出了用于监控可再充电电池组中的电池的电池电压的设备的电路图。
具体实施方式
根据示范性实施例，提供了一种用于监控可再充电电池组中电池的电池电压的设备。该设备包括监控单元，每个监控单元具有用于产生规定的基准电压的基准电压，所述规定的基准电压用于产生规定的基准阈值电压。基准电压单元由关联电池的电池电压供电。每个监控单元具有用于将基准阈值电压与电池电压的部分进行比较的电压比较单元。电压比较单元连接到至少一个电流中断开关上，所述电流中断开关在基准阈值电压和部分电池电压之间的差值达到规定的最小差值时对至少流过关联电池的电流进行电流中断。
该设备不需要对测量数据进行记录和评估就可以在规定的电压值处切断电池中的电流。根据示范性实施例，将瞬时部分电池电压与固定的基准阈值电压进行比较。该规定的基准阈值电压独立于电池和可再充电电池组的电源电压由相应的基准电压单元产生，所述基准电压单元由电池电压供电。基准电池电压从而应该小于电池电压，并且应该与部分电池电压相比较。
每种情况下使用一个基准电压单元用于每个监控单元和使用关联电池的电池电压用于对基准电压单元供电的优点是，不需要用于监控单元的任何单独的电压供电。由于基准电压单元的供电电压必须高于所产生的基准阈值电压，即要监控的电压，所以将基准阈值电压与电池电压的部分相比较，所述电池电压的部分例如是经由分压器分接出的电压。
当超过基准阈值电压和部分电池电压之间规定的最小差值例如0伏时，由电流中断开关中断流过关联电池的电流。
监控单元优选地具有分压器，所述分压器连接到关联电池的连接电极上，用于将要与基准阈值电压进行比较的电池电压的部分分接出。
根据示范性实施例，每个监控单元具有差动放大器，基准阈值电压和部分电池电压作为输入变量被施加到每个差动放大器的输入端。然后，差动放大器形成基准阈值电压和部分电池电压之间的差值电压，在差动放大器的输出端产生该差值电压。该差动放大器耦接于至少一个电流中断开关，以便作为差值电压的函数驱动该电流中断开关。
差动放大器提供了一种简单的积分比较器，所述积分比较器将基准阈值电压作为由基准电压单元产生的切断电压与例如经由分压器所得到的关联电池的电池电压的部分进行比较，以及如果基准阈值电压和部分电池电压之间存在差异，则切断至少一个电流中断开关以防止电流流过关联电池。
为了进行DC去耦，每个监控单元优选地具有光耦合器，所述光耦合器电连接至差动放大器的输出端，其中多个监控单元的光耦合器的去耦的输出端彼此串联连接并且用于驱动可再充电电池组的公共电流中断开关。
根据示范性实施例，每个监控单元具有用于中断关联电池中的电流的电流中断开关。然而，仅使用一个电流中断开关来中断流过可再充电电池组中的串联连接的若干电池的电流也是可行的，其中该电流中断开关由监控单元联合驱动。
例如，可再充电电池组的电池可以串联地电连接。然而，并联连接可再充电电池组中单独的电池也是可行的，而在这样的情况下，一组并联电连接的单独的电池作为一个电池与至少一个另外的电池串联电连接。于是，提供监控单元用于监控一组并联连接的单独的电池的形式的电池。
从而，为了本发明的目的，电池不应该仅仅被认为是单独的电池，并且还可以认为是一组并联或串联连接的单独的电池。
图1示出了用于监控可再充电电池组的电池(例如图1中示为电池1-12的十二个电池)的电池电压的设备的电路图。根据示范性实施例，该可再充电电池组为锂离子可再充电电池组。
若干个单独的电池以串联形式进行连接。电流中断开关K1位于串联电路中以便当开关闭合时允许电流流过可再充电电池组，或者当开关断开时阻止该电流流过。
在每种情况下，电池的连接电极都与一个关联的监控或者测量元件相连接(图1中示为测量元件S1-S12)。
每个监控单元具有基准电压单元V5，由关联电池为所述基准电压单元V5供给供电电压，并且所述基准电压单元V5产生规定的基准阈值电压以作为切断电压的阈值，在此电压处流过电池的电流被中断。对切断电压的阈值进行选择以便可靠地防止由于充电过度或者深度放电对电池造成的损害。
将基准阈值电压与电池电压的部分相比较，该部分经由包括电阻器R4和R5的分压器分接出。电阻器R4和R5的值规定了电池电压的部分的预定分压比。电阻器R6与电容C1一起构成一阶低通滤波器。
电容C1、C2和C3以本质上已知的方式用作基准电压单元V5和差动放大器V3的输入端和输出端缓冲器。
基准阈值电压与部分电池电压之间的放大的差值电压在差动放大器V3的输出端产生，并经由电阻器R7来驱动光耦合器V4。当超过光耦合器V4响应处的规定的最小差值时，为中央电流中断开关K1产生切断信号。为此目的，用于单独的电池的监控单元的光耦合器V4以串联方式连接，并通过电阻器R1连接至+12伏的供电电压(例如由可再充电电池组产生的)，并且另一端接地。
一旦电池之一超过基准阈值电压，关联的光耦合器V4的输出端的阻抗就变为高态，并且包括晶体管V1和场效应管V2的级联被切断。为此目的，光耦合器V4的去耦的输出端通过电阻器R2连接至晶体管V1的基极，V1的集电极连接至+12伏的供电电压，并且发射极经由电阻器R3接地。
晶体管V1的发射极连接至场效应管V2的栅极，以便驱动它。场效应管V2的漏极驱动第一继电器或主接触器K1，所述第一继电器或主接触器K1形成用于可再充电电池组的电流中断开关。主接触器K1的控制连接至场效应管V2的漏极和地。场效应管V2的漏极继续驱动第二接触器K2或者主接触器K1的第二触点，其驱动的开关K2将场效应管V2的源极连接至+12伏的供电电压。源极还连接到用于将电流中断开关K1再次导通和用于激活监控设备的触发电压输入端。
一旦串联连接的电池之一超过预定的电压值，该设备就允许通过打开电流中断开关K1来结束充电过程。切断电压的阈值必须被规定得足够地精确并且必须与供电电压的波动不相关。由于每个电池处于相对于电路接地不同的电势，所以每个电池还必须具有相对于地不同的切断电压，并且因此必须有其自己的基准。为避免为每个基准提供专用电源，选择要监控的电池作为关联的监控单元的电源。由于基准电压单元V5的供电电压必须高于要监控的切断电压，所以采用分压器R4、R5。因而，切断电压的阈值由基准电压单元V5产生，并且将其经由作为比较器的差动放大器与经由分压器R4、R5所获得的关联电池的电池电压的部分进行比较。一旦电池之一超过阈值电压，则关联的光耦合器V4的输出端的阻抗就变为高态，并且包括晶体管V1和V2的级联被切断。因此，主接触器K1断开(trip)并通过中断流经整个可再充电电池组的电流来防止对处于危险的电池进行任何进一步的充电。当随后未达到(undershot)阈值电压时，由接触器的开启触点K2防止自动地重新连接。一旦已经未达到阈值电压，则通过触发信号IGN来执行重新连接。
根据示范性实施例，提供了一种用于监控可再充电电池组的电池的电池电压的设备，其具有若干彼此电连接的电池，并且描述了每个电池具有用于检测关联电池的电池电压的每个电池的监控单元以及具有用于中断流过至少一个关联电池的电流的至少一个电流中断开关。每个监控单元具有用于产生规定的基准阈值电压的基准电压。基准电压单元由关联电池的电池电压供电。每个监控单元具有用于将基准阈值电压与电池电压的部分进行比较的电压比较单元，其中，电压比较单元连接到至少一个电流中断开关，当基准阈值电压和部分电池电压之间存在规定的最小差值时，该电流中断开关对至少流过关联电池的电流进行电流中断。
需要特别指出的是示范性实施例所示的该设备的结构和布置仅为示例性的。尽管此公开中仅对一些实施例进行了详细的描述，审阅本发明的所属领域技术人员将很容易理解，在实质上不脱离在权利要求中所列举主题的新颖的教导和优点的情况下可以做出许多改进。因此，所有这样的改进应被确定为包括在本发明的范围之内，正如附加的权利要求书所定义的那样。在示范性实施例的设计、工作条件和布置中，可以作出其它替换、改进、变化和省略，而不脱离如同附加的权利要求书所表示的本发明的范围。

Claims (9)

1.一种用于监控具有若干电连接的电池的可再充电电池组的设备，所述设备包括：
至少一个电流中断开关，用于中断流过至少一个关联电池的电流；
多个监控单元，用于检测电池电压，每个监控单元与单个电池关联，并且包括：
用于产生规定的基准阈值电压的基准电压单元，所述基准电压单元由所述关联电池的所述电池电压供电；以及
用于将所述基准阈值电压与所述关联电池的部分电池电压进行比较的电压比较单元；
其中，所述电压比较单元耦接于至少一个电流中断开关，以便在所述基准阈值电压和所述部分电池电压之间的差值超过规定的最小差值时，中断至少流过所述关联电池的电流中的电流。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述多个监控单元中的每一个都包括连接到所述关联电池的连接电极上的分压器，所述分压器用于将要与所述基准阈值电压进行比较的所述电池电压的部分分接出。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述多个监控单元中的每一个都包括差动放大器，其中，提供所述基准阈值电压和所述部分电池电压作为输入变量，用于在所述差动放大器的输出端形成所述基准电压与所述部分电池电压之间的差值电压，并且其中，所述差动放大器的所述输出端耦接于至少一个电流中断开关以作为所述差值电压的函数驱动所述电流中断开关。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述多个监控单元中的每一个都包括电连接至所述差动放大器的所述输出端的光耦合器，其中，所述多个监控单元的所述光耦合器的去耦输出端彼此串联连接并用于驱动用于所述可再充电电池组的公共电流中断开关。
5.如权利要求1所述的设备，其中，每个监控单元包括用于中断所述关联电池中的电流的电流中断开关。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述可再充电电池组中的所述电池串联电连接。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述可再充电电池组中的若干个单独的电池并联电连接，以及一组已被并联电连接的单独的电池作为一电池与至少一个另外的电池串联电连接，其中设置有监控单元用于监控一组并联连接的单独的电池的形式的电池。
8.如权利要求1所述的设备，其中，在不等于零伏的规定的最小差值的情况下中断电流。
9.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个电流中断开关是接触器的形式。
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