CN102656739A

CN102656739A - 二次电池电压检测系统

Info

Publication number: CN102656739A
Application number: CN2010800588634A
Authority: CN
Inventors: 堀裕基; 铃木伸
Original assignee: NEC Energy Components Co Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2030-10-14
Also published as: US20120249075A1; WO2011077814A1; JP2011134578A; JP5497421B2; CN102656739B

Abstract

一种二次电池电压检测系统包括：电池组，其中锂离子二次电池被串联连接；充电和放电开关，其被连接在所述电池组与输出端子之间并且执行充电和放电；异常检测器，其将所述电池组的电池划分为块并且检测电池电压；CPU，其执行包括所述异常检测器的保护元件的各检测信号的算术处理；第一电压电平转换器，其使所述检测信号的电压基准在所述保护元件与所述CPU之间一致；以及第二电压电平转换器，其被连接在所述异常检测器与所述第一电压电平转换器之间。所述CPU以提前设置的时间间隔输出用于使所述第二电压电平转换器操作的信号并且电断开或者连接所述检测器与所述第一电压电平转换器之间的路径。

Description

二次电池电压检测系统

技术领域

本发明涉及一种二次电池电压检测系统，其检测锂离子二次电池的电池组中的多串联锂离子二次电池的电压。

背景技术

诸如锂离子二次电池之类的二次电池执行二次电池与外部之间的能量的输入和输出两者。因此，取决于使用，很可能发生过充电、过放电等等。这些事件可能不利地影响二次电池涉及危险。因此，一般而言，在二次电池等等上安装保护电路以监视电池的状态。

保护电路中的诸如电池的过充电和过放电之类的异常由包括单元保护IC等等的异常检测器来检测。大体上存在安装在异常检测器上的两种类型的单元保护IC。

一种是下述类型的单元保护IC：其包括串行通信功能；在单元保护IC与安装有保护电路的CPU之间传送诸如在电池组中包括的单元的电压和电流之类的信息；基于该传送的结果来改变异常检测器的操作端子的电压电平；以及执行在充电和放电电路上提供的开关的断开、连接等等。作为其中使用了包括串行通信功能的单元保护IC的示例，存在专利文献1中所描述的技术。

另一种是下述类型的单元保护IC：其不包括串行通信功能；根据单元的异常的存在或不存在独立地操作；改变异常检测器的操作端子的电压电平；以及执行在该电路上提供的充电和放电开关的断开和连接。两种类型的单元保护IC都根据操作端子的电压电平的改变来执行在电路上提供的充电和放电开关的断开、连接等等。作为其中使用了这样的配置的示例，存在专利文献2中所描述的技术。

图1是示出了不包括串行通信功能而包括异常检测功能的锂离子二次电池组的配置的示例的方框图。

在图1中所示出的二次电池组中，保护电路2包括保护功能，所述保护功能用于从锂离子二次电池1的过充电、过放电、过电流以及过热中检测至少一种异常，并且用于基于该检测的结果、根据来自异常检测器3至6的操作端子9至12的输出来执行充电和放电开关8的断开、连接等等的控制。

当将由包括上文提到的保护IC的异常检测器3至6所进行的异常检测方法应用于包括被串联连接的大量单元的锂离子二次电池1时，每一异常检测器能够管理的电池的数目取决于使用中的保护IC的性能。因此，为了增加串联的数目并且对锂离子二次电池1的异常检测应用通用保护IC，包括单元保护IC的异常检测器3至6还需要被串联地配置。

图2是示出了过去的多串联电池组的异常检测系统的方框图。

如图2中所示出的那样，当异常检测器3至6的串联的数目增加时，各异常检测器3至6的操作端子9至12的电压电平变得基本上彼此不同。例如，在其中构成锂离子二次电池1的十个单元被串联连接的电路中，异常检测器3至6的操作端子9至12的电压最大超过40 V。一般而言，常常在充电和放电开关8中使用诸如FET之类的设备。驱动电压的范围被认为是约5至30 V，并且基本上偏离用于使得能够驱动电路上的充电和放电开关8的电压电平。因此，根据异常检测器3至6的操作端子9至12的输出，难以直接地驱动电路中的充电和放电开关8。

作为对该问题的解决方案，在该电路中设置CPU 7，并且电压电平转换器A13至A16一致地转换相应的异常检测器3至6的操作端子9至12的电压电平，即，异常检测器3至6中的检测信号的电压基准被转换成可由CPU 7读取的电压电平，并且然后使用CPU 7的异常检测端子17读取该电压电平。CPU 7基于由异常检测端子17所读取的电压电平来确定单元的异常的存在或不存在，并且采用来自CPU 7的信号18来控制电路上的充电和放电开关8。

引用列表

专利文献

专利文献1：JP2008-131670A

专利文献2：JP2004-134372A。

发明内容

技术问题

然而，图2中所示出的系统具有下文中所解释的问题。

通常，为了维持安全防止电池的退化是重要的。取决于在正常时间期间和在异常时间期间的保护IC的逻辑，因为电路的配置，电压电平转换器A13至A16处于电流一直流动的操作状态。因此，由电压电平转换器A13至A16所使用的电流基本上增加了由保护电路2所使用的电流的量。例如，存在作为常常在保护IC的操作中示出这样的操作逻辑的功能的过放电检测功能。常常选择被设置成一直监视指示从电池过放电的异常信号并且在检测到异常信号之后停止从电池放电的保护IC。

在下文中具体地解释图2中所示出的系统的操作。

图3是图2中所示出的系统中的信号的时序图。

在这里解释在异常检测器3、操作端子9、以及电压电平转换器A13的范围内而不是在整个电路内的与CPU 7的信号交换。在以下的解释中，同样适用于在异常检测器4、操作端子10、以及电压电平转换器A14和后续的异常检测器、操作端子以及电压电平转换器的范围内的与CPU 7的信号交换。在这种情况下，在电压电平转换器A13中使用光耦合器等等。锂离子二次电池1中串联连接的单元的数目被表示为K（如果单位单元：Vb (V), K × Vb (V)）。假定异常检测器3监视锂离子二次电池1的三个单元（单位单元：Vb (V), 3 × Vb (V)）。在被CPU 7确定为异常的异常检测端子17处的信号电压被表示为CPU_Vcc (V)，并且在被CPU 7确定为正常的异常检测端子17处的信号电压被表示为0 (V)。

首先，解释当锂离子二次电池1的各单元的电压为正常时由系统执行的操作。

当锂离子二次电池1的各单元的电压为正常时，异常检测器3的GND电平的信号(K - 3) × Vb (V)被从异常检测器3的操作端子9作为正常信号输出。

然后，电压电平转换器A13的光耦合器的LED发出光，并且所谓的光电流流到光电晶体管。因此，在电压电平转换器A13的输出端子处的电压从CPU_Vcc (V)下降到GND，并且信号电压0 (V)被输出到异常检测端子17。因此，CPU 7确定锂离子二次电池1的各单元的电压处于正常状态。

此时，流到电压电平转换器A13以使LED发光的电流值的值是3Vb/R1 (A)。由于也改进了锂离子二次电池的可靠性等等，所以通常，锂离子二次电池1的各单元的电压在较长的时间段内继续为正常的。因此，如果锂离子二次电池1的各单元的电压的正常状态继续，则用于使LED发光的、作为电压电平转换器A13的主要消耗电流的电流继续流动。

随后，解释当锂离子二次电池1的各单元的电压方面发生异常时由系统执行的操作。

当锂离子二次电池1的各单元的电压方面发生异常时，异常检测器3检测到异常。然后，指示异常检测器3的功率供应电平的信号K × Vb (V)被从异常检测器3的操作端子9作为异常信号输出。

在这种情况下，供应给电压电平转换器A13的输入电压也是K × Vb (V)。因此，电压电平转换器A13中的电位差消失，光耦合器的LED不发光，并且光电流不流到光电晶体管。因此，信号电压CPU_Vcc (V)被从电压电平转换器A13的输出端子直接地输出到异常检测端子17。CPU 7确定在锂离子二次电池1的单元中发生异常，使充电和放电开关8操作，并且因此能够阻止危险的情形发生。

用于使电压电平转换器A的LED发光的电流被要求处于毫安培等级。因此，消耗的电流实质上增加。近年来，为了延长工业设备中的操作时间并且为了延长电动自行车和混合汽车的行驶距离，必须执行测试以便找到减少被电压电平转换器A消耗的电流量的方法，以便进一步减少被整个保护电路消耗的电流量。

本发明的目的是提供一种能够减少所消耗的电流的量的二次电池电压检测系统。

对问题的解决方案

根据本发明的用于多串联锂离子二次电池的电压检测系统是包括以下的二次电池电压检测系统：电池组，其中锂离子二次电池被串联连接；充电和放电开关，其被连接在电池组与输出端子之间并且执行充电和放电；异常检测器，其将电池组的电池划分为块并且检测电池电压；CPU，其执行包括异常检测器的保护元件的各检测信号的算术处理；以及第一电压电平转换器，其使检测信号的电压基准在保护元件与CPU之间一致。

二次电池电压检测系统包括连接在异常检测器与第一电压电平转换器之间的第二电压电平转换器。

CPU以提前设置的时间间隔输出用于使第二电压电平转换器操作的信号并且电断开或者连接异常检测器与第一电压电平转换器之间的路径。

这样，在用于包括被串联连接的大量单元的锂离子二次电池的保护电路中，第二电压电平转换器被提供在异常检测器与第一电压电平转换器之间的路径中，所述异常检测器将电池组的电池划分为块并且其检测电池电压，所述第一电压电平转换器使检测信号的电压基准在包括异常检测器的保护元件与执行保护元件的各检测信号的算术处理的CPU之间一致，以使其可以根据来自CPU的信号来连接及断开用于执行电池的异常检测的路径。因此，可以优化当输出用于二次电池的异常检测的信号时的时间并且减少所消耗的电流的量。

发明的有益效果

如上文所解释的那样，在本发明中，在用于包括被串联连接的大量电池的锂离子二次电池的保护电路中，第二电压电平转换器被提供在异常检测器与第一电压电平转换器之间的路径中，所述异常检测器将电池组的电池划分为块并且其检测电池电压，所述第一电压电平转换器使检测信号的电压基准在包括异常检测器的保护元件与执行保护元件的各检测信号的算术处理的CPU之间一致，以使其可以根据来自CPU的信号来连接及断开用于执行电池的异常检测的路径。可以将当输出用于二次电池的异常检测的信号时的时间设置成小于当不输出该信号时的时间并且优化该时间，从而减少所消耗的电流的量。

附图说明

[图1] 图1是示出了不包括串行通信功能而包括异常检测功能的锂离子二次电池组的配置的示例的方框图。

[图2] 图2是示出了过去的用于多串联电池组的异常检测系统的方框图。

[图3] 图3是图2中所示出的系统中的信号的时序图。

[图4] 图4是示出了二次电池电压检测系统的示例性实施例的方框图。

[图5] 图5是图4中所示出的二次电池电压检测系统中的信号的时序图。

具体实施方式

参考图在下文中对示例性实施例进行解释。

图4是示出了二次电池电压检测系统的示例性实施例的方框图。

如图4中所示出的那样，这个示例性实施例与图2中所示出的异常检测系统实质上的不同之处在于：第二电压电平转换器B20至B23被提供在异常检测器3至6与第一电压电平转换器A13至A16之间，从而可以使异常检测器3至6根据CPU 7的信号在任意时刻监视二次电池的单元的状态，以减少在正常状态下一直生成的电流的量。

作为电路配置，异常检测器3至6被设置在包括被串联连接的大量单元的锂离子锂离子二次电池1的保护电路2中。根据来自CPU 7的信号19来断开和连接异常检测器3至6与电压电平转换器A13至A16之间的路径的电压电平转换器B20至B23被设置在异常检测器3至6的操作端子9至12与电压电平转换器A13至A16之间的路径中。

在某些情况下，充当保护元件的保护IC的端子直接充当异常检测器3至6 的操作端子9至12，并且在其它情况下，当保护IC的吸收能力不够时，操作端子9至12出现在保护IC附近提供的电流放大电路的里面。

包括被串联连接的大量电池的锂离子二次电池1的最大电压取决于锂离子二次电池的输出，其中锂离子二次电池的单元以整数倍串联连接。异常检测器3侧的电压高于低压侧的异常检测器6侧的电压。

作为电压电平转换器B20至B23，使用诸如光耦合器或电磁继电器之类的包括电平转换功能和开关功能的元件是理想的。

在下文中解释如上文所解释的那样配置的二次电池电压检测系统的操作。

图5是图4中所示出的二次电池电压检测系统中的信号的时序图。

在这里解释在异常检测器3、操作端子9、电压电平转换器A13以及电压电平转换器B20的范围内而不是在整个电路内的与CPU 7的信号交换。在以下的解释中，同样适用于在异常检测器4、操作端子10以及电压电平转换器A14和后续的异常检测器、操作端子以及电压电平转换器的范围内的与CPU 7的信号交换。二次电池中串联连接的单元的数目被表示为K (如果单位单元：Vb (V)，K × Vb (V))。假定异常检测器3监视三个单元(单位单元：Vb (V)，3 × Vb (V))。在被CPU 7确定为异常的异常检测端子17处的信号电压被表示为CPU_Vcc (V)，而在被CPU 7确定为正常的异常检测端子17处的信号电压被表示为0 (V)。

当锂离子二次电池1的各单元的电压为正常时，由异常检测器3检测到的电压信号被设置为如相关技术中的(K–3) × Vb (V)。因此，在操作端子9处的信号电压也是(K–3) ×Vb (V)。

首先，在用于检测的周期间隔中以任意持续时间例如Z(s)，充当用于操作电压电平转换器B20的信号19的信号电压CPU_Vcc (V)被从CPU 7发送到电压电平转换器B20。因此，电压电平转换器B20的光耦合器的LED发光并且耦合器转变为接通状态。根据这个操作，从异常检测器9监视锂离子二次电池1的各单元的电压的状态。此时，使LED发光的流到电压电平转换器B20的电流的值是CPU_Vcc/R4 (A)。

随后，光电流流到电压电平转换器B20，从而电压电平转换器A13的LED发光并且照射。与光发射相关，CPU_Vcc下降到GND，并且信号电压0 (V)被输出到异常检测端子17。因此，CPU 7确定锂离子二次电池1的各单元的电压处于正常状态。

此时，流到电压电平转换器A13的电流的主要量增加到使LED发光的电流值3Vb/R1 (A)，并且增加到使LED发光的流到电压电平转换器B20的电流值CPU_Vcc/R4 (A)。

换句话说，在这个示例性实施例中，因为增加了电压电平转换器B20，所以在异常检测期间每单位时间消耗的电流的量增加了。然而，能够配置系统以使得当信号19从CPU 7输出时，电压电平转换器B20操作，并且操作端子9与电压电平转换器A13之间的路径被电连接，以及否则，该路径被电断开。因此，消除了下述效率低的操作，即：如在上文所解释的过去的系统中那样，只要锂离子二次电池1的各单元的电压的正常状态继续，就继续馈送使LED发光的电流。

当操作端子9与电压电平转换器A13之间的路径被电断开时，操作端子9处于打开状态，由异常检测器3检测到的信息不被传送到CPU 7，并且异常检测端子17检测CPU_Vcc。因此，为了防止CPU 7的故障，异常检测端子17被理想地设置为不敏感的。CPU 7在提前设置的任意时刻或周期性地输出信号19以电连接操作端子9与电压电平转换器A13之间的路径。当该路径被电连接时，由异常检测器3检测到的信息被传送到CPU 7。因此，异常检测端子17释放该不敏感性设置。

接下来，解释当锂离子二次电池1的各单元的电压方面发生异常时由系统执行的操作。

当锂离子二次电池1的各单元的电压方面发生异常时，如在上文所解释的过去的系统中那样，由异常检测器3所检测到的电压信号被设置为K×Vb (V)。因此，在操作端子9处的信号电压也是K×Vb (V)。

然后，由于供应给电压电平转换器A13的输入电压也是K×Vb (V)，所以电压电平转换器A13与电压电平转换器B20之间的电位差消失。因此，电压电平转换器B20不能够操作，并且与电压电平转换器B20的不可操作性相关地，电压电平转换器A13也不操作。信号电压CPU_Vcc (V)被直接输出到异常检测端子17。CPU 7确定在锂离子二次电池1的单元中发生异常，使充电和放电开关8操作，并且因此能防止危险的情形发生。此时，除了使电压电平转换器B20的LED发光的电流之外，没有电流被消耗。

在下文中解释根据这个示例性实施例的、减少被二次电池电压检测系统消耗的电流量的效果。

如在上文所解释的过去的系统中那样，被电压电平转换器A13至A16消耗的电流量被表示为X (A)。用于检测的周期间隔的时间被表示为 Y(s)。当执行根据来自CPU 7的信号使电压电平转换器B20至B23操作以电连接异常检测器3至6与电压电平转换器A13至A16之间的路径并且限制电压电平转换器A13至A16的操作的上述方法时，当设置电压电平转换器A13至A16从而使得它们将仅在Y(s)的Z(s)中操作并且从而使得它们在Y–Z (s)中将不操作时消耗的电流量是X(A)的Z/Y。

此时，当电压电平转换器B20至B23所需的电流量被表示为K (A)时，这个示例性实施例中的电流量是 (X+K) (A)的Z/Y。因此，根据这个示例性实施例的系统能够通过将Y和Z设置为Y >> Z来获得显著的效果。

在上文解释了一个示例性实施例。然而，本发明不限于此示例性实施例。在不背离本发明的精神的范围内的设计变化被包括在本发明中。换句话说，对本领域的技术人员而言显而易见的各种修改和修正也被包括在本发明中。

本申请要求来自2009年12月24日提交的日本专利申请No. 2009-292854的优先权，其整个公开内容通过引用被结合在本文中。

Claims

1.一种二次电池电压检测系统，包括：电池组，其中锂离子二次电池被串联连接；充电和放电开关，其被连接在所述电池组与输出端子之间并且执行充电和放电；异常检测器，其将所述电池组的所述电池划分为块并且检测电池电压；CPU，其执行包括所述异常检测器的保护元件的各检测信号的算术处理；以及第一电压电平转换器，其使所述检测信号的电压基准在所述保护元件与所述CPU之间一致，其特征在于

所述二次电池电压检测系统包括连接在所述异常检测器与所述第一电压电平转换器之间的第二电压电平转换器，并且

所述CPU以提前设置的时间间隔输出用于使所述第二电压电平转换器操作的信号并且电断开或者连接所述异常检测器与所述第一电压电平转换器之间的路径。