CN102047526B

CN102047526B - 用于平衡具有防止过放电功能的电池组包的装置

Info

Publication number: CN102047526B
Application number: CN2009801194054A
Authority: CN
Inventors: 金珠英; 郑道阳; 金镀渊; 康柱铉
Original assignee: LG Chemical Co Ltd
Current assignee: LG Energy Solution Ltd
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-05-28
Also published as: EP2296250A4; US20100253287A1; US8004238B2; EP2296250B1; WO2009145577A3; JP2014003892A; KR101091352B1; KR20090123821A; WO2009145577A2; JP2011523337A; JP5536044B2; EP2296250A2; CN102047526A

Abstract

一种平衡电池组包的每个电池的充电电压的装置。该装置包括放电电阻器，所述放电电阻器被并联安装在与电池组电池的两端相连接的导电线上；平衡信号中继单元，所述平衡信号中继单元用于根据平衡控制信号来中继电池组电池的充电电压；以及放电切换单元，所述放电切换单元用于接收作为驱动电压的所述电池组电池的中继的充电电压，以及如果驱动电压高于有效电压电平，则将电池组电池连接到放电电阻器，以对电池组电池放电。这个装置防止由控制处理器的故障所引起的电池组电池的过充电，同时平衡电池组电池的充电电压。此外，该控制处理器可以通过与放电电路电绝缘来防止电冲击。因此，提高电池组包的安全性。

Description

用于平衡具有防止过放电功能的电池组包的装置

技术领域

本发明涉及一种用于平衡电池组包的装置，更具体而言，涉及一种用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置，其可以防止由于控制处理器的故障而使电池被过放电，同时平衡在电池组包中包括的每个电池组包电池的充电电压。

背景技术

通常地，二次电池组被划分为镍镉电池组、镍氢电池组、锂离子电池组、锂离子聚合物电池组等。这样的二次电池组还被划分为基于锂的电池组和基于镍氢的电池组。基于锂的电池组通常地应用于诸如数字照相机、P-DVD、MP3P、蜂窝电话、PDA、便携式游戏设备、动力工具和E-自行车的小产品，并且基于镍氢的电池组通常地应用于诸如需要大功率的电动车辆和混合动力车辆的大产品。

同时，电动力车辆或者混合动力车辆将操作需要大功率的马达以便移动。为此目的，在电动力车辆或者混合动力车辆中采用的电池组使用从多个电池组电池串联连接的电池组包输出的电力作为电源。

在该电池组包中包括的多个电池组电池将均匀地保持其电压，以便确保稳定性、长寿命跨度和大功率。电动车辆具有多个电池组包，每个电池组包具有多个电池组电池，并且电池组管理系统(BMS)将每个电池组电池保持为合适的电压电平，同时对电池组包的每个电池组电池充电或者放电。然而，多个电池组电池会由于诸如内阻抗变化的各种因素而不容易保持在等价状态中，因此，BMS执行用于将多个电池组电池控制为等价状态的操作。

为了将在高电压电池组包中的电池组电池控制为具有均一的电压，半导体开关通常用于有选择地将放电电阻器(或者，Buck电阻器)连接到其电压高于平均电压的电池组电池，从而耗尽由该电池组电池拥有的能量，并且因此降低在电池组电池之间的电压差。

为了在平衡多个电池组电池时确保安全，如果被放电的电池组电池的电压被降低到特定电压电平，则重要的是，切断在放电电路和相应的电池组电池之间的连接。但是，在一些情况下，在电池组电池和放电电路之间的连接会由于控制每个电池组电池放电的控制处理器的故障，或者程序算法的错误而不能在适当的时间被切断。在这种情况下，电流从该电池组电池中被略微连续地放电，因此，该电池组可以达到过放电状态。如果该电池组电池被过放电，则会出现各种危险。尤其是，当即将达到过放电状态时，锂离子电池组包可能引起诸如爆炸的严重问题。

发明内容

本发明被设计成能解决现有技术的问题，并因此，本发明的目的是提供一种用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置，其可以防止电池组包由于控制处理器的故障被连续地放电，同时放电电流流动，以平衡电池组电池的充电电压。

为了实现上述的目的，本发明提供一种用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置，其平衡包括多个电池组电池的电池组包的每个电池组电池的充电电压，该装置包括：放电电阻器，所述放电电阻器并联安装在与电池组电池的两端相连接的导电线上；平衡信号中继单元，所述平衡信号中继单元用于根据平衡控制信号来中继相应的电池组电池的充电电压；以及放电切换单元，所述放电切换单元用于接收作为驱动电压从平衡信号中继单元中继的电池组电池的充电电压，放电切换单元将电池组电池连接到放电电阻器，以在驱动电压高于有效电压电平的情况下对电池组电池放电。

优选地，该平衡控制信号是脉冲信号或DC信号模式的高电平信号，其中高电平信号和低电平信号以预定频率被重复。

优选地，该平衡信号中继单元是光耦合器，并且该平衡信号中继单元包括光发射元件和光接收元件。该光发射元件接收平衡控制信号，以将平衡控制信号的高电平信号转换为光信号，以及光接收元件被连接在电池组电池与放电切换单元之间，并且当光信号从光发射元件施加到其时，将电池组电池的充电电压从光发射元件中继到放电切换单元。

优选，该放电切换单元是场效应晶体管(FET)，以及该场效应晶体管包括：源极端子，所述源极端子被连接到电池组电池之一；漏极端子，所述漏极端子经由放电电阻器被连接到电池组电池的另一端；以及栅极端子，所述栅极端子被连接到平衡信号中继单元。

优选，发起电流在场效应晶体管的源极端子和漏极端子之间流动的有效电压电平处于高于电池组电池的过放电阈值电压的电压电平。

优选，该装置进一步包括：控制器，所述控制器用于测量在电池组包中包括的多个电池组电池的充电电压，以选择需要平衡的电池组电池，并且将平衡控制信号施加到与选择的电池组电池相连接的平衡信号中继单元，以操作平衡信号中继单元。

在本发明的另一方面中，还提供了一种用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置，其平衡包括多个电池组电池的电池组包的每个电池组电池的充电电压，该装置包括：放电电阻器，所述放电电阻器并联安装在连接到电池组电池的两端的导电线上；电荷泵，所述电荷泵用于仅当预定频率的平衡控制信号输入其时泵送电荷；放电切换单元，所述放电切换单元用于当有效电压电平的驱动电压施加到其，使得电池组电池被放电时，将电池组电池连接到放电电阻器；以及电压充电单元，所述电压充电单元用于对泵送的电荷充电，以施加作为放电切换单元的驱动电压的充电电压。

优选，该电压充电单元包括：放电电阻器，所述放电电阻器用于对充电电压放电；以及电荷泵，所述电荷泵在充电电压通过电荷泵送过程的增长速率大于充电电压通过放电过程的降低速率的条件下泵送电荷。

有选择地，该装置可以进一步包括：二极管，所述二极管被提供在导电线上，平衡控制信号经由导电线施加到电荷泵，二极管防止噪声引入到电荷泵。

作为替选方案，该装置可以进一步包括：平衡信号中继单元，所述平衡信号中继单元被安装在导电线上，平衡控制信号经由导电线施加到电荷泵，平衡信号中继单元根据具有从控制器输出的预定频率的平衡控制信号周期地将高电平电压信号和低电平电压信号中继到电荷泵。此时，该平衡信号中继单元可以是光耦合器，并且该平衡信号中继单元可以包括光发射元件和光接收元件。该光发射元件接收平衡控制信号，以将平衡控制信号的高电平信号转换为光信号，以及该光接收元件连接在电池组电池和电荷泵之间，并且当光信号从光发射元件施加到其时，将电池组电池的充电电压以预定频率中继到电荷泵。

优选，发起电流在场效应晶体管的源极端子和漏极端子之间流动的有效电压电平小于电压充电单元的充电能力。

有益效果

根据本发明，可以防止电池组电池由于控制处理器的故障而被过放电，同时平衡电池组电池的充电电压。此外，该控制处理器可以通过使控制处理器与平衡电池组电池的放电电路电绝缘来防止电冲击。因此，可以改善该电池组包的安全性。

附图说明

从下面参考附图描述的实施例，本发明的其他目的和方面将变得显而易见，其中：

图1是示出根据本发明第一实施例的用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置的示意性电路图；

图2是示出根据本发明第二实施例的用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置的示意性电路图；以及

图3是示出根据本发明第三个实施例的用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置的示意性电路图。

<在附图中基本部件的附图标记>

100：电池组包

210：平衡信号中继单元

220：放电切换单元

230：控制器

240：电压测量单元

250：电荷泵

260：电压充电单元

具体实施方式

在下文中，将参考附图来详细地描述本发明的优选实施例。在描述之前，应该明白，在说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应该认为局限于通常和字典含义，而是在本发明人允许为了更好地解释而适当限定术语的原理基础上，基于与本发明的技术方面相对应的含义和构思来解释。因此，在此处提出的描述只不过是仅用于说明的优选示例，不意欲限制本发明的范围，因此，应该明白，不脱离本发明的精神和范围，可以对其做出等效和改进。

图1是示出根据本发明第一实施例的用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置的示意性电路图。

参考图1，根据本发明第一实施例的用于平衡电池组包的装置包括平衡信号中继单元210、放电切换单元220、放电电阻器R_d、控制器230和电压测量单元240。

该平衡信号中继单元210、放电切换单元220和放电电阻器R_d单独地并联连接到多个电池组电池，并且对需要平衡的电池组电池放电，使得该电池组电池的充电电压达到目标平衡电压。

该平衡信号中继单元210优选地为光耦合器，其与控制器230电绝缘，并且根据从控制器230输出的平衡控制信号来执行导通/断开操作。该平衡控制信号是脉冲信号，或者具有DC信号模式的高电平信号，其中高电平信号和低电平信号被以规则的频率来重复。如果该平衡控制信号被施加到平衡信号中继单元210，平衡信号中继单元210被操作，以发起电池组电池V₁的平衡。

该光耦合器包括光发射元件和光接收元件，其相互电绝缘。该光发射元件被连接到控制器230，以根据从控制器230施加的平衡控制信号来产生光信号。如果该平衡控制信号是具有规则频率的脉冲信号，该光发射元件仅在高电平信号区中产生光信号。如果从光发射元件产生光信号，该光接收元件将电池组电池V₁的充电电压中继到放电切换单元220。同时，电阻器R₁被插入在放电切换单元220和平衡信号中继单元210之间，并且电阻器R₁是连接放电切换单元220和平衡信号中继单元210的电路线路的固有电阻器组件。

该放电切换单元220被并联安装在与电池组电池V₁的两端相连接的导电线上，以在电池组电池V₁和放电电阻器R_d之间切换该连接。优选，该放电切换单元220是具有源极端子S、漏极端子D和栅极端子G 的场效应晶体管。

该放电切换单元220和电池组电池V₁经由平衡信号中继单元210来配置闭环电路。用于操作放电切换单元220的驱动电压是通过平衡信号中继单元210的操作被施加到该放电切换单元220的电池组电池V₁的充电电压。换句话说，该放电切换单元220的源极端子S被连接到电池组电池V₁的一端，漏极端子D经由放电电阻器R_d被连接到电池组电池V₁的另一端，并且栅极端子G被连接到平衡信号中继单元210。因此，如果该平衡信号中继单元210被操作，在放电切换单元220的栅极端子和源极端子之间的电压V_gs变得基本上与电池组电池V₁的充电电压相同。

该放电切换单元220操作如下。如果该控制器230输出平衡控制信号，电池组电池V₁的充电电压被作为驱动电压施加到放电切换单元220的栅极端子G。此时，如果施加到栅极端子G的该电压高于有效电压电平，在栅极端子和源极端子之间的电压V_gs变为大于阈值电压。然后，该放电切换单元220被导通，以在源极端子和漏极端子之间流动放电电流，并且因此放电电阻器R_d对电池组V₁的充电电压进行放电。同时，如果施加到栅极端子G的电池组电池V₁的充电电压小于有效电压电平，在栅极端子和源极端子之间的该电压V_gs变为小于阈值电压。然后，该放电切换单元220被断开，以在源极端子和漏极端子之间不流动放电电流。因此，该放电电阻器R_d对电池组电池V₁的充电电压不进行放电。

在本发明的第一实施例中，该有效电压电平优选地是使电池组电池V₁达到过放电状态的阈值电压。在这里，本领域普通技术人员可以容易地选择具有作为有效电压电平的过放电阈值电压的放电切换单元220。

根据如以上解释的本发明的第一实施例，在平衡模式中，在栅极端子和源极端子之间的电压V_gs变为基本上与电池组电池V₁的充电电压相同。因此，虽然电池组电池V₁的充电电压由于控制器230的故障而被连续地放电，如果电池组电池V₁的充电电压达到过放电状态，则该放电切换单元220被自动地断开，以防止电池组电池V₁过放电。这是因为如果电池组电池V₁达到过放电状态，则在栅极端子和源极端子之间的电压V_gs被降低得低于有效电压电平。

图2是示出根据本发明第二实施例的用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置的示意性电路图。

参考图2，根据本发明的第二实施例的用于平衡电池组包的装置除了第一实施例(该平衡信号中继单元210被从其中除去)的电池组包平衡装置的组件之外，进一步包括电荷泵250和电压充电单元260。

该放电切换单元220、电荷泵250、电压充电单元260和放电电阻器Rd被单独地并联连接到多个电池组电池，并且在需要平衡的电池组电池的充电电压被放电到目标平衡电压之前对该电池组电池放电。

该电压充电单元260包括电阻器R₂和电容器C₂。该电阻器R₂对电容器C₂充电的电压起到放电的作用，并且该电容器C₂将充电电压作为驱动电压施加到该放电切换单元220的栅极端子G。

电阻器R₁被插入在电压充电单元260和电荷泵250之间，以及电阻器是在连接电压充电单元260和电荷泵250的电路线路上的固有电阻器组件。

如果控制器230输出平衡控制信号，电荷泵250执行电荷泵送操作。此外，电荷泵250在其中包括电容器，因此，控制器230与电池组电池V₁电绝缘。

仅当从控制器230输出的平衡控制信号以恒定频率变化时执行电荷泵送操作，以及如果平衡控制信号具有DC信号模式，则不执行电荷泵送操作。具有以上操作特性的这样的电荷泵250的电路配置在本领域是众所周知的，因此在这里对其不进行详细描述。

在本发明的第二实施例中，平衡控制信号的正常波形优选高电平的导通信号和低电平的断开信号以规则的频率进行重复的信号模式。然而，如果控制器异常地操作，则平衡控制信号可以具有其中高电平信号或者低电平信号被连续保持的DC信号波形。

如果具有恒定频率的平衡控制信号从控制器230输出，则电荷泵250以规则的频率将电荷泵送到在电压充电单元260中包括的电容器C₂。然后，在电容器C₂的两端处的电压升高，以及某个时间点，施加到放电切换单元220的场效应晶体管的栅极端子G的驱动电压被升高得高于使放电切换单元220可以导通的有效电压电平。因此，当放电切换单元220导通时，放电电阻器R_d和电池组电池V₁被串联连接，以使放电电流流动，并且因此，电池组电池V₁被放电，以进行电压平衡操作。

虽然执行该电压平衡操作，但是对电压充电单元260的电容器C₂充电的电荷经由电阻器R₂被连续地放电。因此，对于有效电压平衡操作，由电荷泵250的操作所引起的电容器C₂的电压的增长值(或者，充电电压的增长速率)优选地大于由电阻器R₂的放电所引起的电容器C₂的电压的下降值(或者，充电电压的降低速率)，使得电容器C₂的充电电压可以保持高于允许导通该放电切换单元220的有效电压电平。这个条件可以通过控制该平衡控制信号的幅值、占空比或者频率来满足。

同时，如果由于控制器230的故障等而输出异常平衡控制信号，异常信号模式可以施加到电荷泵250。例如，具有DC模式信号波形的平衡控制信号，即，连续的高电平或者低电平信号可以施加到电荷泵。在这种情况下，由于电荷泵250的固有特性，该电荷泵250停止其电荷泵送操作。然后，对电压充电单元260的电容器C₂不再进行充电，因此，电容器C₂的充电电压由于电阻器R₂的放电被降低得低于有效电压电平，从而断开放电切换单元220。从这点来看，电池组电池V₁的放电被中断，并且电阻器R₂的放电在电容器C₂的充电电压变为0(零)之前继续。

在本发明的第二实施例中，有效电压电平根据电压充电单元260的充电电压来确定。换句话说，发起电流在放电切换单元220的场效应晶体管的源极端子和漏极端子之间流动的有效电压电平优选地小于电压充电单元260的充电能力。在这里，对本领域技术人员来说显而易见的是，根据电压充电单元260的充电能力来选择具有合适的有效电压电平的放电切换单元220。

根据第二实施例，通过异常信号波形，特别是连续的高电平信号被以平衡模式施加到电荷泵250，可以防止电池组电池V₁被连续地放电，并且因此防止电池组电池V₁被过放电。

同时，二极管D1可以有选择地插入在电荷泵250和控制器230之间。该二极管D1对平衡控制信号起到整流的作用，从而防止噪声信号被引入到电荷泵250中。

根据本发明，控制器230借助于电压测量单元240周期地测量在电池组包100中的多个电池组包V₁的充电电压。这样的电压测量电路在本领域是众所周知的，并且在这里不详细描述。此外，控制器230基于每个电池组电池的测量的电压值来选择需要平衡的电池组电池。然后，控制器将平衡控制信号输出到与选择的电池组电池相对应的平衡信号中继单元210或者电荷泵250，使得电池组电池的充电电压根据第一和第二实施例来平衡。

同时，在第一和第二实施例中，已经解释了平衡信号中继单元210和电荷泵250被单独地配置。但是，本发明不限于此，而是平衡信号中继单元210和电荷泵250可以如图3所示的那样一起配置，图3示出本发明的第三个实施例。在这种情况下，如果具有恒定频率的平衡控制信号从控制器230输出，则平衡信号中继单元210可以被操作成以相同的频率将电池组电池V₁的充电电压施加到电荷泵250，以及电荷泵250可以以与第二实施例相同的方式来操作，以平衡电池组电池V₁的电压。

此外，如果控制器230确定放电电池组电池达到目标平衡电压，同时周期地测量每个电池组电池的充电电压，则控制器230不再将平衡控制信号输出到平衡信号中继单元210或者电荷泵250。然后，用于相应的电池组电池的平衡操作结束。

控制器230可以包括分离的存储器(未示出)，以积累地存储从电压测量单元240输出的电压测量值，以及用于实现每个电池组电池的充电电压平衡操作的程序算法也可以被记录在存储器中。控制器230可以例如通过平均每个电池组电池的电压，然后选择具有比平均电压电平高特定值的电压的电池组电池，来选择需要平衡的电池组电池。作为替选方案，具有高于特定值电压的电池组电池基于具有最低的电压的电池组电池可以被选择为用于平衡的对象。但是，本发明不局限于这样的电池组电池选择方式。

已经详细描述了本发明。但是，应该明白，虽然表示本发明的优选实施例，但是详细的说明和特定的示例仅是通过示例说明给出，因为从这个详细说明中，对于那些本领域技术人员来说，在本发明的精神和范围之内各种各样的改变和改进将变得显而易见。

Claims

1.一种用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置，其平衡包括多个电池组电池的电池组包的每个电池组电池的充电电压，所述装置包括：

放电电阻器，所述放电电阻器被并联安装在与所述电池组电池的两端相连接的导电线上；

电荷泵，所述电荷泵仅当预定频率的平衡控制信号被输入到其时，用于泵送电荷；

放电切换单元，所述放电切换单元用于当有效电压电平的驱动电压施加到其使得所述电池组电池被放电时，将所述电池组电池连接到所述放电电阻器；以及

电压充电单元，所述电压充电单元用于对所述泵送的电荷进行充电，以施加作为所述放电切换单元的驱动电压的充电电压。

2.根据权利要求1所述的用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置，

其中，所述电压充电单元包括用于对充电电压进行放电的放电电阻器，以及

其中，所述电荷泵在所述充电电压通过所述电荷泵送过程的增长速率大于所述充电电压通过所述放电过程的降低速率的条件下泵送电荷。

3.根据权利要求1所述的用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置，

其中，所述平衡控制信号是其中高电平信号和低电平信号以预定频率进行重复的脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置，进一步包括：

二极管，所述二极管被提供在导电线上，所述平衡控制信号经由所述导电线被施加到所述电荷泵，所述二极管防止噪声引入到所述电荷泵。

5.根据权利要求1所述的用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置，进一步包括：

平衡信号中继单元，所述平衡信号中继单元被安装在导电线上，所述平衡控制经由所述导电线被施加到所述电荷泵，所述平衡信号中继单元根据具有从控制器输出的预定频率的所述平衡控制信号将高电平电压信号和低电平电压信号周期地中继到所述电荷泵。

6.根据权利要求5所述的用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置，

其中，所述平衡信号中继单元是光耦合器。

7.根据权利要求6所述的用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置，

其中，所述平衡信号中继单元包括光发射元件和光接收元件，

其中，所述光发射元件接收所述平衡控制信号，以将所述平衡控制信号的高电平信号转换为光信号，以及

其中，所述光接收元件被连接在所述电池组电池和所述电荷泵之间，以及当所述光信号从光发射元件施加到其时，所述光接收元件以预定频率将所述电池组电池的充电电压中继到所述电荷泵。

8.根据权利要求1所述的用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置，

其中，所述放电切换单元是场效应晶体管（FET）。

9.根据权利要求8所述的用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置，

其中，所述场效应晶体管包括与所述电池组电池之一相连接的源极端子、经由所述放电电阻器被连接到所述电池组电池的另一端的漏极端子以及与所述电压充电单元相连接的栅极端子。

10.根据权利要求9所述的用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置，

其中，发起电流在所述场效应晶体管的所述源极端子和所述漏极端子之间流动的有效电压电平小于所述电压充电单元的充电能力。

11.根据权利要求1所述的用于平衡具有过放电防止功能的电池组包的装置，进一步包括：

控制器，所述控制器用于测量在所述电池组包中包括的多个电池组电池的充电电压，以选择需要平衡的电池组电池，以及将所述平衡控制信号施加到与选择的电池组电池相连接的电荷泵，以操作所述电荷泵。