CN104810802A - 电池反向保护装置及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种电池反向保护装置及其操作方法。所述电池反向保护装置包括：信号产生单元，其测量电池的电压，并且，当所测得的电压不小于基准电压时，产生电信号；信号转换单元，其将所产生的电信号转换成DC电压；以及开关单元，当接收到转换后的DC电压时，所述开关单元进行切换以允许电流在电池和转换器之间流动。

Description

电池反向保护装置及其操作方法
相关申请的交叉引用
本申请依据35U.S.C.119和35U.S.C.356要求2014年1月27日提交的第10-2014-0009700号的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及电池反向保护装置及其操作方法，并更具体地，涉及其中低电压DC/DC转换器通常在低电压下是能操作的电池反向保护装置及其操作方法。
背景技术
典型地，电动车辆或混合动力车辆包括提供高电压给驱动电动机的高电压电池和提供低电压给电子装置的低电压电池。
在电动车辆或混合动力车辆的电池充电时，高电压电池通过外部电源或在车辆内部的发电机来充电，而低电压电池通过将高电压电池的高电压转换为低电压来充电。
将高电压转换为低电压的装置为低电压DC/DC转换器(在下文中称为“LDC”)，其将来自高电压电池的高电压转换为低电压并给低电压电池充电或输送电力至负载装置。
另一方面，电子装置被连接至电池反向保护装置以便于保护电池和系统免于因电池的反接而损坏。
这里，电池的反接意指电池被反向地、非正常地连接至电路。
例如，对于连接至电池和电子系统的LDC来说，电池反向保护装置对于同时进行电池充电操作和防反接操作来说是很必要的。典型地，金属氧化硅场效应晶体管(MOSFET)用作开关装置。
详细地，使用MOSFET作为开关装置的电池反向保护装置可以通过MOSFET内部的二极管来防止电池的反接，并通过允许沟道电流在MOSFET的源极和漏极之间流动来给电池充电。
参照图1和图2描述使用MOSFET作为开关装置的典型电池反向保护装置。
参照图1，图1示出了使用p沟道MOSFET的电池反向保护装置。
在图1示出的电路中，当电池正常连接至电路时，流经MOSFET内部的二极管的电流给LDC的输出电容器充电。
当给LDC的输出电容器充电时，电流流经LDC，且相应地该电流流经电池反向保护装置。然后电压被施加至MOSFET的栅极。
随着给MOSFET的栅极施加电压，p沟道形成，电流流经所形成的p沟道，且流经二极管的电流在流经MOSFET的沟道时给电池充电。
相反地，当电池被反接时，电流不流经MOSFET内部的二极管且不给LDC的输出电容器充电。于是电压未被施加至MOSFET的栅极且电流不流动。
图2示出了使用n沟道MOSFET的电池反向保护装置。
在图2示出的电路中，当电池被正常连接至电路时，流经MOSFET内部的二极管的电流给LDC的输出电容器充电。
当给LDC的输出电容器充电时，电流流经LDC且相应地该电流流经电池反向保护装置。然后电压被施加至MOSFET的栅极。
当电压被施加至MOSFET的栅极时，形成n沟道，电流流经所形成的n沟道，且流经二极管的电流流经MOSFET的沟道并给电池充电。
相反地，当电池被反接时，电流不流经MOSFET内部的二极管且不给LDC的输出电容器充电。于是电压未被施加至MOSFET的栅极且电流不流动。
这样，尽管MOSFET的种类不同但基本操作相同，所以图1和图2中的电池反向保护装置防止电池的反接并给电池充电。
如上所述，使用MOSFET作为开关装置的现有技术采用电流流经供电电路且电池的电压被施加至MOSFET的栅极的方案。
因此，MOSFET的栅极电压由所连接的电池的电压来确定且MOSFET的栅极电压受到电池的电压变化的影响。
当所连接的电池充满电时，正常电压被施加至MOSFET的栅极。当电池的电压因电池放电或由于低温造成的冷启动现象而降低时，MOSFET的栅极电压也降低。
当MOSFET的栅极电压降低时，MOSFET在正常的操作范围内不进行操作，且MOSFET的漏极和源极之间的电阻值(Rds)变大并且流经MOSFET的电流损耗也变大。
另外，当电池电压降低时，电流不会正常地流经电池反向保护装置并且电池反向保护装置工作不稳定。
发明内容
实施例提供了一种能够同时执行电池充电操作和防反接操作的电池反向保护装置。
实施例还提供了一种能够给电池稳定地充电而不受所连接的电池的电压幅值变化影响的电池反向保护装置。
在一个实施例中，一种电池反向保护装置，包括：信号产生单元，其测量电池的电压，并且，当所测得的电压不小于基准电压时，产生电信号；信号转换单元，其将所产生的电信号转换成DC电压；以及开关单元，当接收到转换后的DC电压时，所述开关单元进行切换以允许电流在电池和转换器之间流动。
所述电信号可以为用于切换所述开关单元以允许电流流经所述电池的操作信号。
所述信号转换单元可以将所接收到的电信号转换成恒定幅值的DC电压。
所述基准电压可以为当电池被正常连接至电池反向保护装置时在可测量范围内的电压。
所述开关单元可以包括场效应晶体管(FET)，并且所述信号转换单元可以传送转换后的DC电压至FET的栅极端子。
所述信号转换单元可以包括中心抽头的全波整流电路。
所述转换器可以包括低电压DC/DC转换器。
所述电信号可以为脉冲宽度调制信号。
在另一实施例中，一种电池反向保护装置的操作方法，包括：测量电池的电压；比较所测得的电池的电压与基准电压；基于比较的结果产生电信号；以及基于电信号执行电池和给电池充电的转换器之间的连接操作。
所述电信号的产生包括：当所测得的电池的电压不小于基准电压时，产生连接电池和转换器的电信号。
所述连接操作的执行可以包括：将所述电信号转换成DC电压；以及基于转换后的DC电压执行连接电池和转换器的切换操作。
所述电信号的产生可以包括：当所测得的电池的电压小于基准电压时，产生用于使电池和转换器断开连接的电信号。
切换操作的执行可以包括：基于用于断开连接的电信号而执行使电池和转换器断开连接的切换操作。
在下面的附图和说明中阐明了一个或多个实施例的细节。从说明书和附图以及从权利要求书中，其他特征将是显而易见的。
附图说明
图1示出了使用p沟道MOSFET的典型电池反向保护装置。
图2示出了使用n沟道MOSFET的典型电池反向保护装置。
图3示出了根据实施例的电池反向保护装置的连接结构。
图4是根据实施例的电池反向保护装置的结构框图。
图5是用于说明根据实施例的电池反向保护方法的流程图。
图6是根据实施例的电池反向保护装置的示例性连接结构。
图7示出了根据实施例的PWM信号的转换。
图8示出了根据实施例的通过施加转换后的DC电压的开关操作。
具体实施方式
现在将详细参照本公开的实施例，附图中示出了本公开的实施例的示例。
将参照附图详细描述根据实施例的电池反向保护装置及其操作方法。然而，本发明可以用许多不同的形式来体现且不应该被解释为限于在本文中所阐述的实施例；而是，通过添加、改变和变化能够很容易地得出包含在其他退步发明中或落入本公开的精神和范围内的替代实施例，并且这些替代实施例将充分地传达本发明的构思给本领域的技术人员。在说明书中，将省去关于与本发明无关的部分的描述或图。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
另外，应该进一步理解的是，在本文中所使用的术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”表示存在所述的特征或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征或部件。
图3示出了电池反向保护装置100的连接结构。
电池反向保护装置100连接至电池200和低电压DC/DC转换器(LDC)300。
因此，电池反向保护装置100可以在电池200和LDC 300之间同时执行电池充电操作和防反接操作。
在下文中，参照图4提供关于电池反向保护装置100的结构的描述。
图4是电池反向保护装置100的结构框图。
电池反向保护装置100包括信号产生单元110、信号转换单元120和开关单元130。
信号产生单元110测量所连接的电池200的电压，并且当电池200的电压不小于基准电压时产生电信号。
电信号是用于切换后面将描述的开关单元130以便于允许电流流经电池200的操作信号。
另外，电信号可以是脉冲宽度调制(PWM)信号。
PWM是用于将易被噪声破坏的模拟信号转换成抗噪声的数字信号的方案之一。
PWM信号和通过PWM的控制方案是公知的技术，将省略关于它们的详细描述。
当所测得的电池200的电压不小于基准电压时，信号产生单元110可以产生恒定的电信号。
因此，当所测得的电池200的电压不小于基准电压时，信号产生单元110可以产生恒定的电信号且不受到所测得的电池电压值的变化的影响。
由信号产生单元110所产生的电信号被传送至信号转换单元120。
此外，因为可以根据诸如所连接的电池200的规格以及用于电池反接的确定方案等各种情况来设定基准电压，所以当电池200被正常连接时，可以根据使用者的选择或设计者的选择在可测量的范围内采用各种方式来选择基准电压。
信号转换单元120接收由信号产生单元110所产生的电信号并将其转换成DC电压。
信号转换单元120可以输出与输入电信号相对应的恒定DC电压。
信号转换单元120可以包括中心抽头的全波整流电路并将输入电信号转换成恒定幅值的DC电压。
这里，中心抽头的全波整流电路是已经众所周知的将AC转换成DC的电路。因此，将省略关于其的详细描述。
信号转换单元120传送转换后的DC电压至开关单元130。
开关单元130可以接收由信号转换单元120所转换的DC电压并切换为允许电流在所连接的电池200和转换器300之间流动。
因为开关单元130包括FET，所以信号转换单元120可以传送转换后的DC电流至FET的栅极端子。
这里，转换器300是转换信号类型或能量类型的装置，且指的是执行AC和DC之间的转换、AC频率的相互转换或恒定值转换的装置。
另外，转换器300可以包括LDC。
开关单元130可以被布置在电池200和转换器300之间。
当开关单元130接收到在切换操作范围内的DC电压时，其可以执行切换操作以允许电流在与其连接的电池200和转换器300之间流动。
因此，当开关单元130没有接收到在切换操作范围内的DC电流时，其可以切换为不允许电流在所连接的电池200和转换器300之间流动。
在下文中，参照图5和图6来描述电池反向保护方法。
图5是用于说明电池反向保护方法的流程图。
图6是电池反向保护装置100的示例性连接结构。
参照图6，在电池反向保护装置100中，信号产生单元110可以并联连接至电池200并测量电池200的电压。
信号产生单元110响应于所测得的电池200的电压而产生电信号且所产生的电信号被传送至信号转换单元120。
信号转换单元120将所接收到的电信号转换成恒定幅值的DC电压，并且转换后的DC电压被传送至开关单元130。
开关单元130响应于所接收到的DC电压而执行切换操作且相应地电流在电池200和转换器300之间流动。
在下文中，参照图5的流程图和图6的示例图来描述电池反向保护方法。
信号产生单元110测量所连接的电池200的电压(操作S100)。
信号产生单元110确定所测得的电池200的电压是否不小于基准电压(操作S110)。
当所测得的电池200的电压不小于基准电压时，信号产生单元产生PWM信号(操作S120)。
相反地，当所测得的电池200的电压小于基准电压时，信号产生单元110使电池200与电池反向保护装置100断开连接(操作S160)。
这是因为，当所测得的电池200的电压小于基准电压时，信号产生单元可以确定电池200被非正常地反接。
例如，当基准电压为0V且所测得的电池200的电压为12V时，信号产生单元110可以确定电池200被正常连接且产生PWM信号。
然而，当所测得的电池200的电压为小于基准电压0V的-12V时，信号产生单元110确定电池200被反接且不产生PWM信号。
另外，信号产生单元110可以使电池200与电池反向保护装置100断开连接。
当电池200被反接时，信号产生单元110不产生PWM信号。相应地，信号转换单元不施加DC电压至开关单元130。
例如，信号转换单元120不施加DC电压至开关单元130的MOSFET的栅极。
因此，因为开关单元130不沿电流流经电路的方向进行切换且电流不流经电池反向保护装置100的电路，所以电池200可以被断开连接。
信号转换单元120可以接收所产生的PWM信号并将PWM信号转换成DC电压(操作S130)。
信号转换单元120可以接收来自信号产生单元110的PWM信号，并将所接收到的PWM信号转换成恒定幅值的DC电压。
参照图7描述通过信号转换单元120进行的PWM信号转换。
图7示出了PWM信号的转换。
当所测得的电池200的电压不小于基准电压时，信号产生单元110产生PWM信号并且所产生的PWM信号通过级A被传送至信号转换单元120。
信号转换单元120接收PWM信号并将PWM信号转换成恒定幅值的DC电压。
如图7所示，输入至级A的PWM信号经过变压器并根据变压器的变压比而被转换成具有特定比的幅值。
另外，AC类型的被幅值转换的PWM信号经过二极管并且由于二极管的整流操作而被转换成DC类型。
因此，输入至级A的PWM信号通过信号转换单元120被转换成恒定幅值的DC电压然后被输出至级B。
例如，当PWM信号被输入至级A时，信号转换单元120可以将所输入的PWM信号转换成12V的DC电压，并通过级B输出转换后的12V的DC电压。
这里，信号转换单元120可以包括中心抽头的全波整流电路，并且输入的PWM信号可以通过中心抽头的全波整流电路被转换成恒定幅值的DC电压。
此外，当所测得的电池200的电压不小于基准电压时，因为信号产生单元110产生恒定的PWM信号，所以恒定的PWM信号也被输入至信号转换单元120。
因为信号转换单元120接收恒定的PWM信号，所以其可以输出恒定幅值的DC电压。
因此，可以通过信号转换单元120输出恒定幅值的DC电压。
再次参照图5。
开关单元130接收到转换后的DC电压并执行切换操作以允许电流在所连接的电池200和转换器300之间流动(操作S140)。
开关单元130可以响应于从信号转换单元120所接收到的DC电压而执行切换操作。
开关单元130可以包括MOSFET。因此，当所接收到的DC电压不小于MOSFET的阈值电压时，开关单元130可以执行切换操作。
参照图8描述开关单元130的切换操作。
图8示出了通过信号转换单元120所转换的DC电压被施加给开关单元130且开关单元130执行切换操作。
开关单元130从信号转换单元120接收转换后的DC电压。
例如，从图7中的级B所输出的12V的DC电压被输入至开关单元130的n沟道MOSFET的栅极级且不小于阈值电压的栅极电压被施加给MOSFET。
因此，在n沟道MOSFET中形成了n沟道并且电流在其源极和漏极之间流动。
因此，电流流经电池反向保护装置100的电路并且电流在电池200和LDC之间流动。
然而，当从图8中的级B输出的12V的DC电压没有被输入至开关单元130的n沟道MOSFET的栅极级时，不小于阈值电压的栅极电压不会被施加给MOSFET，在n沟道MOSFET的栅极级中不会形成n沟道，于是电流不会在其源极和漏极之间流动。
因此，电流不会流经电池反向保护装置100的电路并且电流不会在电池200和LDC之间流动。
另一方面，因为开关单元130接收通过信号转换单元120所转换的恒定幅值的DC电压，所以其不受电池200的电压幅值的变化影响。
因此，开关单元130的切换操作可以仅凭通过信号转换单元120所转换的恒定幅值的DC电压来执行且不受所连接的电池200影响。
因而，开关单元130可以稳定地执行切换操作而不受所连接的电池200的电压变化影响。
例如，因为包括在开关单元130中的MOSFET从信号转换单元120接收恒定幅值的栅极电压，所以其可以在正常操作范围内进行操作，且在MOSFET的源极和漏极之间的电阻值保持恒定且能够降低流经MOSFET的电流损耗。
再次参照图5。
根据开关单元130的切换操作，电流在电池200和转换器300之间流动且电池200被充电(操作S150)。
开关单元130执行切换操作以允许电流在被连接至电池反向保护装置100的电池200和转换器300之间流动，即电流在电池200和转换器300之间流动。
因此，可以通过流动的电流给电池200充电。
这样，因为根据实施例的电池反向保护装置100及其操作方法能够传送恒定幅值的DC电压至开关单元130而不受所连接的电池200的电压幅值变化影响，所以能够提供可行的不受电池200的电压幅值变化影响的电池反向保护装置100。
因此，电池200和转换器300之间的开关能够稳定地工作且能够降低流经电池200的电流损耗。
根据实施例，能够提供这样一种电池反向保护装置：其能够执行电池充电操作和防电池反接操作，且不受连接至电池反向保护装置的电池的电压幅值变化的影响。
尽管已经参照数个其示范实施例描述了一些实施例，但应该理解的是，本领域技术人员能够设想出将落在本公开原理的精神和范围内的许多其他修改和实施例。更具体地，在本公开、附图及所附权利要求的范围内可以对主题组合布置的组成部件和/或布置做出各种变化和修改。除了对组成部件和/或布置做出的变化和修改以外，对于本领域的技术人员来说，替代使用也将是显而易见的。

Claims (13)

1.一种电池反向保护装置，包括：
信号产生单元，其测量电池的电压，并且，当测得的电压不小于基准电压时，产生电信号；
信号转换单元，其将所产生的电信号转换成DC电压；以及
开关单元，当接收到转换后的DC电压时，所述开关单元进行切换以允许电流在所述电池和转换器之间流动。
2.根据权利要求1所述的电池反向保护装置，其中，所述电信号为用于切换所述开关单元以允许电流流经所述电池的操作信号。
3.根据权利要求1所述的电池反向保护装置，其中，所述信号转换单元将接收到的电信号转换成恒定幅值的DC电压。
4.根据权利要求1所述的电池反向保护装置，其中，所述基准电压为当所述电池被正常连接至所述电池反向保护装置时在可测量范围内的电压。
5.根据权利要求1所述的电池反向保护装置，其中，所述开关单元包括场效应晶体管，并且
所述信号转换单元将转换后的DC电压传送至所述场效应晶体管的栅极端子。
6.根据权利要求1所述的电池反向保护装置，其中，所述信号转换单元包括中心抽头的全波整流电路。
7.根据权利要求1所述的电池反向保护装置，其中，所述转换器包括低电压DC/DC转换器。
8.根据权利要求1所述的电池反向保护装置，其中，所述电信号为脉冲宽度调制信号。
9.一种电池反向保护装置的操作方法，包括：
测量电池的电压；
将所测得的电池的电压与基准电压进行比较；
基于比较的结果产生电信号；以及
基于所述电信号执行所述电池和给所述电池充电的转换器之间的连接操作。
10.根据权利要求9所述的操作方法，其中，所述电信号的产生包括：当所测得的电池的电压不小于所述基准电压时，产生连接所述电池和所述转换器的所述电信号。
11.根据权利要求10所述的操作方法，其中，所述连接操作的执行包括：
将所述电信号转换成DC电压；以及
基于转换后的DC电压执行连接所述电池和所述转换器的切换操作。
12.根据权利要求9所述的操作方法，其中，所述电信号的产生包括：当所测得的电池的电压小于所述基准电压时，产生使所述电池与所述转换器断开连接的电信号。
13.根据权利要求12所述的操作方法，其中，切换操作的执行包括：基于所述用于断开连接的电信号来执行使所述电池和所述转换器断开连接的切换操作。
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