CN103035869A - 在组装电池系统中提升安全的方法和封包的电池系统 - Google Patents

Abstract

一种在组装电池系统中提升安全的方法，在一第一电池分支串接一第一控制开关，而在一第二电池分支串接一第二控制开关，并以一开关-电阻对(switch-resistor pair)连接该第一电池分支及第二电池分支；当电流水平被认为是可接受时的稍后时间，该开关-电阻对中的开关才被切入。进者，提供一种提升安全的封包电池系统。

Description

在组装电池系统中提升安全的方法和封包的电池系统

技术领域

本发明关于一种在组装电池系统中提升安全的方法，尤指一种利用一开关-电阻对(switch-resistor pair)来控制多个电池分支串连接以提升安全的方法。

背景技术

在一电池系统(battery system)组装期间，除非特别小心的采用准备步骤，当两个电池分支(battery branches)被连接在一起时，可能会产生火花及巨大电流。火花会危及人身，而巨大电流则会损伤电池系统。

在图1中所示的电路，将第一电池分支B1与第二电池分支B2经由一开关S连接在一起。第一电池分支B1的第一电压为V1并具有第一电阻R1，第二电池分支B 2的第二电压为V2并具有第二电阻R2。

当开关S被切入时，电流I＝(V1-V2)/(R1+R2)

对于大的电池系统，第一电阻R1及第二电阻R2是非常的小，例如R1+R2等于10毫欧(mOhms)，且在第一次组装时，第一电压V1及第二电压V2之间的累计电压差(accumulated voltage difference)可能非常大，例如V1-V2等于10V，则产生的I相当于1000A的高电流。

这与存在于电池内的高能量将会产生：

·火花或电弧-会有安全问题。

·非常高的电流-会对电池寿命有负面冲击问题。

这些问题，皆有待改善。

发明内容

针对先前技术的问题点，本发明的目的在于提供一种在组装电池系统中提升安全的方法和一种封包的电池系统，其可以在电池系统组装期间提升安全性。

本发明的在组装电池系统中提升安全的方法，在一第一电池分支串接一第一控制开关，而在一第二电池分支串接一第二控制开关，并以一开关-电阻对(switch-resistor pair)连接该第一电池分支及第二电池分支；当电流水平被认为是可接受时的稍后时间，该开关-电阻对中的开关才被切入。

其中，该第一控制开关是由两个充电及放电场效应晶体管QC1及QD1组成，而该第二控制开关是由另两个充电及放电场效应晶体管QC2及QD2组成。

其中，在经由首先连接电源路径及之后再偏压导通该些场效应晶体管，在组装期间，该些场效应晶体管被关闭不导通。

其中，该开关-电阻对是由一场效应晶体管构成的第一开关及由另一场效应晶体管构成的第二开关与两个电阻连接而成。

本发明的封包的电池系统，包括：

一第一电池模组串，是由多个电池模组与一第一开关-电阻对串接而成；及

一第二电池模组串，是由多个电池模组与一第二开关-电阻对串接而成；

该第一电池模组串与该第二电池模组串连接成一电池系统(Battery system)，并具有一系统正极端及一系统负极端；

每一电池模组具有多个电池芯串接而成，且内部具有一监视及平衡电池芯的模拟前端以及一传输讯号的通讯接口；

该第一开关-电阻对内具有一第一电流侦测电阻、一由两个充电及放电场效应晶体管构成的第一控制开关以及一第一限制电阻；该第一限制电阻与该第一控制开关间设有一由场效应晶体管QR1构成的开关；该第二开关-电阻对内具有一第二电流侦测电阻、一由两个充电及放电场效应晶体管构成的第二控制开关以及一第二限制电阻；另，第二限制电阻与第二控制开关间设有一由场效应晶体管QR2构成的开关；

该第一电池模组串的多个电池模组的电压V1与该第二电池模组串的多个电池模组的电压V2，两者间有一电压差ΔV；

该第一控制开关的充电场效应晶体管及第二控制开关的充电场效应晶体管为常开(Open)，直至该第一电池模组串的电压V1及该第二电池模组串的电压V2在一预先定义的电压差范围内；

该第一开关-电阻对的开关场效应晶体管QR1及第二开关-电阻对的开关场效应晶体管QR2为常关(Close)，直至过充(over-charge)条件要求它们打开；

在组装该封包系统时，当该第一电池模组串及第二电池模组串之间的电压差非常大时，该第一限制电阻及第二限制电阻将限制放电电流(discharging current)以保证安全；

该组装电池封包可立即被充电及被放电；但被充电时被该第一限制电阻及第二限制电阻限制；

该第一限制电阻的电阻值远大于第一电流侦测电阻，同时该第二限制电阻的电阻值远大于第二电流侦测电阻；

该第一限制电阻及第二限制电阻迫使电池模组串间的电池模组电压在预先定义的小数值范围内均等化；且通过电池模组串的电流差异将主要取决于串接阻抗(string impedances)的不匹配(mismatch)。

本发明的有益效果在于，藉由这些控制方法和封包的电池系统，本发明可达到以下的优点：

1.当组装电池系统时，可消除危险的火花和有害的电流。

2.允许在不同充电状态/电压(SOCs/voltages)下的电池模组(modules)/串(strings)/分支(branches)直接连接，从而消除耗时的准备步骤。

3.在正常操作期间，不需要在电池系统中引入额外的电阻(因此造成损失)。

4.确保电池串内电压在一个预先定义的限制中平衡，从而有利帮助电流分布在并联的分支/串中。

5.确保电池串电压平衡在预先定义的限制内。

以下，将依据图面所示的实施例而详细说明本发明的实用性及进步性。

附图说明

图1：为一种习知电池系统电路图，

图2：代表本发明第一种实施例的电路图，

图3：代表图2中开关-电阻对另一实施例的电路图，

图4：代表本发明第二种实施例的电路图。

具体实施方式

参见图2所示本发明的解决方案一，其在第一电池分支B1串接一由两个充电及放电场效应晶体管QC1及QD1组成的第一控制开关CSW1，而在第二电池分支B2串接一由另两个充电及放电场效应晶体管QC2及QD2组成的第二控制开关CSW2，并以一开关-电阻对(switch-resistor pair)SRP连接第一电池分支B1及第二电池分支B2。

本发明的解决方案一，是一个简单的方法，利用一个开关-电阻对SRP来消除电弧效应(arcing effect)。当电流水平(current level)被认为是可接受时的稍后时间，开关-电阻对SRP中的开关S才被切入。在图3中显示了开关-电阻对SRP是由一场效应晶体管构成的第一开关S1及由另一场效应晶体管构成的第二开关S2与两个电阻R11及R22连接而成。

但是，此一解决方案开关在操作期间必需负载所有的分支电流，因而增加额外的损失。

另外，在先连接电源路径(power path)而后再偏压该些控制充电场效应晶体管QC1、QC2的组装(assembly)方式，有助避免产生电弧，但此方案并无助于限制大的瞬间电流(large instantaneous current)。

在图4中显示了本发明解决方案二，提供了一种封包的电池系统，其中一第一电池模组串BMS1是由多个电池模组BM11及BM12与一第一开关-电阻对SRP1串接而成，一第二电池模组串BMS2是由多个电池模组BM21及BM22与一第二开关-电阻对SRP2串接而成；第一电池模组串BMS1与第二电池模组串BMS2连接成一电池系统(Battery system)，具有一系统正极端A1及一系统负极端A2。

每一电池模组BM11、BM12、BM21及BM22具有多个电池芯(Cell)串接而成，且内部具有一监视及平衡电池芯的模拟前端以及一传输讯号的通讯接口。

第一开关-电阻对SRP1内具有一第一电流侦测电阻R_SN1、一由两个充电及放电场效应晶体管QC1及QD1构成的第一控制开关CSW1以及一第一限制电阻R_LM1；另，第一限制电阻R_LM1与第一控制开关CSW1间设有一由场效应晶体管QR1构成的开关。第一电流侦测电阻R_SN1并不限定在图中所示位置，也可连接于第一控制开关CSW1的下方。

第二开关-电阻对SRP2内具有一第二电流侦测电阻R_SN2、一由两个充电及放电场效应晶体管QC2及QD2构成的第二控制开关CSW2以及一第二限制电阻R_LM2；另，第二限制电阻R_LM2与第二控制开关CSW2间设有一由场效应晶体管QR2构成的开关。第二电流侦测电阻R_SN2并不限定在图中所示位置，也可连接于第二控制开关CSW2的下方。

第一电池模组串BMS1的多个电池模组BM11及BM12的电压为V1，第二电池模组串BMS2的多个电池模组BM21及BM22的电压为V2，两者电压差ΔV＝(V1-V2)。

本发明的控制方法如下：

·第一控制开关CSW1的充电场效应晶体管QC1及第二控制开关CSW2的充电场效应晶体管QC2为常开，直至电压V1及电压V2在一预先定义的电压差ΔV范围内。

·第一开关-电阻对SRP1的开关场效应晶体管QR1及第二开关-电阻对SRP2的开关场效应晶体管QR2为常关，直至过充(over-charge)条件要求它们打开。

·在组装封包系统时，当电压差ΔV是很大时，第一限制电阻R_LM1及第二限制电阻R_LM2限制放电电流(discharging current)以保证安全。

·该组装电池封包可立即被充电(但经由第一限制电阻R_LM1及第二限制电阻R_{LM 2}而被限制)及被放电。

·其中第一限制电阻R_LM1的电阻值远大于第一电流侦测电阻R_SN1，同时第二限制电阻R_LM2的电阻值远大于第二电流侦测电阻R_SN2。

·第一限制电阻R_LM1及第二限制电阻R_LM2的存在，将迫使电池模组串间的电池模组电压在预先定义的小数值范围内均等化；且通过电池模组串间的电流差异主要取决于串接阻抗(string impedances)的不匹配(mismatch)。

藉由这些控制方法，本发明可达到以下的优点：

1.当组装电池系统时，可消除危险的火花和有害的电流。

2.允许在不同充电状态/电压(SOCs/voltages)下的电池模组(modules)/串(strings)/分支(branches)直接连接，从而消除耗时的准备步骤。

3.在正常操作期间，不需要在电池系统中引入额外的电阻(因此造成损失)。

4，确保电池串内电压在一个预先定义的限制中平衡，从而有利帮助电流分布在并联的分支/串中。

5.确保电池串电压平衡在预先定义的限制内。

综上所陈，本发明所提供的在组装电池系统中提升安全的方法，完全符合专利新颖性及进步性要件，爰依法提出申请。当然，图式仅为本发明的较佳实施例，如依据本发明创作思想所为简易或等效的变化或转换，例如电池模组的增加，或电池模组串的增加，仍属本发明保护专利范围中。

Claims (5)

1.一种在组装电池系统中提升安全的方法，其特征在于，在一第一电池分支串接一第一控制开关，而在一第二电池分支串接一第二控制开关，并以一开关-电阻对连接该第一电池分支及第二电池分支；当电流水平被认为是可接受时的稍后时间，该开关-电阻对中的开关才被切入。

2.依据权利要求1所述的在组装电池系统中提升安全的方法，其特征在于，该第一控制开关是由两个充电及放电场效应晶体管QC1及QD1组成，而该第二控制开关是由另两个充电及放电场效应晶体管QC2及QD2组成。

3.依据权利要求2所述的在组装电池系统中提升安全的方法，其特征在于，在经由首先连接电源路径及之后再偏压导通该些场效应晶体管，在组装期间，该些场效应晶体管被关闭不导通。

4.依据权利要求2所述的在组装电池系统中提升安全的方法，其特征在于，该开关-电阻对是由一场效应晶体管构成的第一开关及由另一场效应晶体管构成的第二开关与两个电阻连接而成。

5.一种封包的电池系统，其特征在于，包括：

一第一电池模组串，是由一个以上电池模组与一第一开关-电阻对串接而成；及

一第二电池模组串，是由一个以上电池模组与一第二开关-电阻对串接而成；

该第一电池模组串与该第二电池模组串连接成一电池系统，并具有一系统正极端及一系统负极端；

每一电池模组具有多个电池芯串接而成，且内部具有一监视及平衡电池芯的模拟前端以及一传输讯号的通讯接口；

该第一开关-电阻对内具有一第一电流侦测电阻、一由两个充电及放电场效应晶体管构成的第一控制开关以及一第一限制电阻；该第一限制电阻与该第一控制开关间设有一由场效应晶体管QR1构成的开关；该第二开关-电阻对内具有一第二电流侦测电阻、一由两个充电及放电场效应晶体管构成的第二控制开关以及一第二限制电阻；另，第二限制电阻与第二控制开关间设有一由场效应晶体管QR2构成的开关；

该第一电池模组串的多个电池模组的电压V1与该第二电池模组串的多个电池模组的电压V2，两者间有一电压差ΔV；

该第一控制开关的充电场效应晶体管及第二控制开关的充电场效应晶体管为常开，直至该第一电池模组串的电压V1及该第二电池模组串的电压V2在一预先定义的电压差范围内；

该第一开关-电阻对的开关场效应晶体管QR1及第二开关-电阻对的开关场效应晶体管QR2为常关，直至过充条件要求它们打开；

在组装该封包系统时，当该第一电池模组串及第二电池模组串之间的电压差相当大时，该第一限制电阻及第二限制电阻将限制放电电流以保证安全；

该组装电池封包可立即被充电及被放电；但被充电时电池模组串的充电电流被该第一限制电阻及第二限制电阻限制；

该第一限制电阻的电阻值远大于第一电流侦测电阻，同时该第二限制电阻的电阻值远大于第二电流侦测电阻；

该第一限制电阻及第二限制电阻迫使电池模组串间的电池模组电压在预先定义的小数值范围内均等化；且通过电池模组串间的电流差异将主要取决于串接阻抗的不匹配。

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