CN107078531B - 电池装置 - Google Patents
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Abstract
本公开公开了一种电池装置，其包括：电池；充放电开关单元，用于控制电池的充电和放电；预充电单元，在电池的放电期间被充电；以及放电单元，用于对在预充电单元中充电的电荷进行放电。
Description
技术领域
本申请要求2015年2月24日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2015-0025865的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
本发明涉及一种电池装置，更具体地说，涉及能够防止负载电容器或电池装置中包括的部件被浪涌电流损坏的电池装置。
背景技术
使用以汽油或重油为主要燃料的内燃机的车辆对如空气污染等具有严重影响。因此，近年来，为了减少污染，正在开发由从电池装置输出的电能供电的电动车辆或混合动力车辆。
电动或混合动力车辆的电池装置可以包括电池，其中多个电池单体(cell)串联和/或并联连接以存储和提供能量。此外，电池装置包括包含充放电电路的外围电路。外围电路可以被制造为印刷电路板，然后电连接到电池单体。
在这种电池装置中，当电池连接到外部电源时，通过充放电电路提供外部电力，从而对电池单体进行充电，相反，当电池连接到负载时，通过充放电电路将电池单体的电力提供给负载。
充放电电路控制对电池和外部电源与负载之间的电池单体的充放电。充放电电路可以包括在充电电流或放电电流流过的线路上的充电金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)开关和放电MOSFET开关。
同时，诸如使用电池作为电源的车辆中的电气产品的负载，例如，电气控制单元(ECU)、电动机、电力转换器等等，可以在连接到电池的导线中施加高频电流。高频电流可能使电池发生应变，并且在高频电流流动的导线中产生噪声。为了解决这个问题，负载电容器安装在电动机或电力转换器等的前端。负载电容器是用于防止高频电流发射到负载外部的装置，由此保证使用电池的稳定供电。
然而，在电力输入端具有负载电容器的负载被直接连接到电池的情况下，浪涌电流可能瞬间流向负载。瞬间产生的浪涌电流可能会损坏充放电开关和负载电容器，从而使每个器件的使用寿命恶化或导致其误操作。
发明内容
技术问题
本公开提供一种能够防止充放电开关被浪涌电流损坏的电池装置。
本公开提供一种能够降低电流流向负载电容器的速度从而防止负载电容器被损坏的电池装置。
本公开提供一种能够在充电期间中断从外部流向电池的高频电流的电池装置。
技术方案
在本公开的一个方面，提供一种电池装置，包括：电池；充放电开关单元，其被配置为控制电池的充电和放电；预充电单元，其安装在电池和充放电开关单元之间，并且被配置为在电池放电期间被充电；以及放电单元，其被配置为在充放电开关单元断开期间对预充电单元中的充电的电荷进行放电。
优选地，充放电开关单元包括设置在电池和负载之间的第一开关和第二开关。
在一个方面，根据本公开的电池装置还包括与负载并联连接的负载电容器。
优选地，根据本公开的电池装置还包括被配置为控制第一开关和第二开关的驱动单元。
在另一方面，驱动单元包括：状态检测单元，其被配置为检测电池的状态；控制单元，其被配置为使用所述状态检测单元所检测的数据生成用于驱动所述充放电开关单元的控制信号；以及信号输出单元，其被配置为将控制信号输出到充放电开关单元。
优选地，驱动单元将状态检测单元所检测的数据与参考数据进行比较，然后控制第一开关和第二开关。
优选地，预充电单元包括设置在电池和第一开关之间的至少一个电容器。
当第一开关和第二开关接通并且电池被放电时，至少一个电容器被充电。
优选地，预充电单元先于负载电容器被充电，从而调整负载电容器的充电时间。
优选地，放电单元包括设置在预充电单元和驱动单元之间的二极管。
优选地，在第一开关和第二开关断开之后，二极管对在预充电单元中充电的电荷进行放电。
有益效果
根据本公开的实施例的电池装置可以设置有在电池和充放电开关单元之间的预充电单元和放电单元。由于提供了预充电单元，当放电开关接通并且电池被放电时，负载电容器的充电能够变慢，从而防止负载电容器和充放电开关单元由于浪涌电流而被损坏。此外，当放电开关断开时，放电单元可以对在预充电单元中充电的电荷进行放电，从而使充放电开关单元能够被快速驱动。此外，即使高频电流从外部流向电池，预充电单元也可以对高频电流进行滤波，从而可以有效地防止电池被高频电流损坏。
附图说明
附图示出了本公开的优选实施例，并且连同下面的详细描述一起用来提供对本公开的技术精神的进一步理解，因此，本公开不被解释为限于附图。其中
图1是根据本公开的实施例的电池装置的配置的视图。
图2是使用常规电池装置和根据本公开的实施例的电池装置向负载提供放电电流时的负载电容器的电压变化的相互比较的曲线图。
图3是根据本公开的另一实施例的电池装置的配置的视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的优选实施例。在描述之前，应当理解，在说明书和所附权利要求书中使用的术语不应被解释为限于一般和字典含义，而是应以允许发明人适当地定义术语以获得最佳解释的原则为基础，基于与本公开的技术方面对应的含义和概念进行解释。
图1是根据本公开的实施例的电池装置的配置的视图。
参考图1，根据本公开的实施例的电池装置可以包括被配置为存储和提供电能的电池100、被配置为从电池100接收电能的负载200、设置在电池100和负载200之间用于控制电池100的充电和放电的充放电开关单元300、被配置为控制充放电开关单元300的驱动的驱动单元400、被配置为在电池放电期间被预充电的预充电单元500以及被配置为对预充电单元500的电荷进行放电的放电单元600。
此外，根据本公开的实施例的电池装置可以选择性地进一步包括并联连接到负载200的负载电容器Ci以及被配置为保护充放电开关单元300的保护单元700。
电池100存储并提供电能。这样的电池100可以包括可充放电的多个电池单体(cell)。此外，电池100可以包括至少一个电池模块，并且每个电池模块可以包括多个电池单体。多个电池模块可以以各种方法串联和/或并联连接，使得它们对应于电池100、负载200等的规格，并且多个电池单体也可以串联和/或并联连接。
这里，不对电池的种类进行特别限定，即，例如，电池单体的示例包括锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池等。
负载200可以包括用于对电池100充电的充电单元和由从电池100提供的电能驱动的电气产品。
充电单元可以包括用于对电池100充电的充电器和连接器。此外，电动产品的示例可以包括可以由从电池100提供的电能供电的电动车辆内的电动机，以及诸如转换从电池100提供的电能的逆变器的电力转换器。此外，负载200可以不仅包括电动车辆，还可以包括由可充电和可放电的电池100驱动的、诸如智能电话等的各种电气产品。
同时，可以提供并联连接到负载200的负载电容器Ci。可以设置负载电容器Ci以防止高频开关电流被发射到负载200外部，从而保证使用电池100的稳定供电。
充放电开关单元300设置在电池100和负载200之间的电流路径上，并且控制电池100的充电和放电。充放电开关单元300可以包括第一开关310和第二开关320。
也就是说，充放电开关单元300可以设置在电池100和负载200之间，包括设置在电池100侧的第一开关310和设置在负载200侧的第二开关320。可以在电池100的充电和放电期间同时驱动第一开关310和第二开关320，或者可以选择性地驱动它们中的任一个。
第一开关310可以包括第一FET 311和第一寄生二极管312。第一FET 311具有设置在电池100的电流路径上的、即在第一节点Q1和第二节点Q2之间的漏极端子和源极端子。此外，第一FET 311具有电连接到驱动单元400的栅极端子。这里，第一FET 311的栅极端子可以通过保护单元700的第一电阻R1与驱动单元400连接。因此，第一FET 311根据从驱动单元400通过第一电阻R1输出的控制信号来驱动，并且起到在充电期间向电池100施加电流并在放电期间将电池100的放电电流施加到负载200的作用。第一寄生二极管312与第一FET 311并联连接。也就是说，第一寄生二极管312在第一FET 311的源极端子和漏极端子之间沿正向连接。第一寄生二极管312在第一FET 311导通时，在电池100的充电和/或放电期间中断放电电流的路径。因此，当电池100被充电时，第一寄生二极管312可以防止电池100被同时充电和放电，从而提高电池100的安全性。
第二开关320可以包括第二FET 321和第二寄生二极管322。第二FET 321具有设置在电池100的电流路径上的、即在第二节点Q2与第三节点Q3之间的源极端子和漏极端子。此外，第二FET 321具有与驱动单元400电连接的栅极端子。这里，第二FET 321的栅极端子可以通过保护单元700的第二电阻R2与驱动单元400连接。因此，第二FET 321根据通过第二电阻R2从驱动单元400输出的控制信号来驱动，并且起到在充电期间向电池100施加电流并且在放电期间将电池100的放电电流施加到负载200的作用。第二寄生二极管322与第二FET321并联连接。也就是说，第二寄生二极管322在第二FET 321的源极端子和漏极端子之间沿正向连接。第二寄生二极管322在充电和/或放电期间中断电池100的充电电流的路径。因此，当电池100被放电时，第二寄生二极管322可以防止电池100同时被充电和放电，从而提高电池100的安全性。
驱动单元400输出用于驱动充放电开关单元300的控制信号。即，驱动单元400连接到第一FET 311的栅极端子和第二FET 321的栅极端子，并驱动第一FET 311和第二FET 321中的每一个。在电池100的充电和放电期间，驱动单元400可以使第一FET 311和第二FET321中的每一个导通，并且在其他情况下，使它们中的每一个截止。这里，使第一FET 311和第二FET 321导通的控制信号可以是逻辑高电平信号，并且使第一FET 311和第二FET 321截止的控制信号可以是逻辑低电平信号。同时，驱动单元400可以设置在电池管理系统(BMS)内。
预充电单元500可以设置在电池100和第一开关310之间。这样的预充电单元500可以包括连接在第一FET 311的栅极端子和漏极端子之间的至少一个电容器Cs。也就是说，至少一个电容器Cs设置在第一节点Q1和第四节点Q4之间。这里，在设置多个电容器Cs的情况下，它们可以并联连接在第一节点Q1和第四节点Q4之间。包括这样的至少一个电容器Cs的预充电单元500可以控制当第一开关310和第二开关320接通时负载电容器Ci的电压增加的斜率，从而防止浪涌电流流向负载电容器Ci的现象。也就是说，当第一开关310和第二开关320接通以使电池100放电时，在包括电容器Cs的预充电单元500被充电之后，负载电容器Ci被充电，使得负载电容器Ci不被快速充电从而防止浪涌电流向负载电容器Ci。因此，能够防止充放电开关单元300被浪涌电流损坏，并且能够增加负载电容器Ci的寿命。这里，预充电单元500可以根据电容器Cs的电容量或电容器Cs的数量来调整负载电容器Ci的电压增加的斜率。也就是说，电容器Cs的电容量越大，负载电容器Ci可以被充电的时间越长，并且电容器Cs的数量越多，负载电容器Ci可以被充电的时间越长。
设置放电单元600以对预充电单元500中充电的电荷进行放电。放电单元600可以包括二极管D1。这样的放电单元600可以设置在预充电单元500和驱动单元400之间。也就是说，二极管D1可以设置在第四节点Q4和第六节点Q6之间。当断开第一开关310和第二开关320时，放电单元600对预充电单元500中——即，在电容器Cs中的充电的电荷进行放电，从而使第一开关310和第二开关320迅速断开。
同时，还可以提供用于保护充放电开关单元300的保护单元700。保护单元700可以包括多个电阻R1至R4。第一电阻R1连接在第一FET 311的栅极端子和驱动单元400之间，即在第四节点Q4和第六节点Q6之间，第二电阻R2连接在第二FET 321的栅极端子和驱动单元400之间，即在第五节点Q5和第六节点Q6之间。此外，第三电阻R3连接在第一FET 311的源极端子和栅极端子之间，即在第二节点Q2和第四节点Q4之间，并且第四电阻R4连接在第二FET321的源极端子和栅极端子之间，即在第二节点Q2和第五节点Q5之间。这里，第一电阻R1和第二电阻R2起到吸收从驱动单元400输出的信号的脉冲分量的作用，从而保护第一FET 311和第二FET 312中的每一个。此外，第三电阻R3和第四电阻R4各自在第一FET 311和第二FET321的栅极端子和源极端子之间形成负的电压差，从而起到调整在源极端子和漏极端子之间流动的初始电流量的作用。
下面说明驱动根据本公开的上述实施例的电池装置的方法。
在电池100的充电期间，电池100使用连接器与电源装置(未图示)连接而不是与负载200连接，并且驱动单元400向充放电开关单元300的第一开关310和第二开关320输出逻辑高电平的控制信号。因此，第一开关310的第一FET 311和第二开关320的第二FET 321导通。因此，从充电器向电池100施加电力，从而对电池100充电。这里，第一开关310的第一寄生二极管312中断电池100的放电电流的路径。
此外，当为了向负载200提供电能而对驱动电池100进行放电时，驱动单元400向充放电开关单元300的第一开关310和第二开关320输出逻辑高电平的控制信号。相应地，第一FET 311和第二FET 321分别导通。因此，从电池100向负载200提供电能，其中负载电容器Ci在预充电单元500的至少一个电容器Cs被充电之后被充电。也就是说，在电池100的电力对负载电容器Ci充电之前对电容器Cs进行充电。因此，能够调节负载电容器Ci的电压增加的速度，即充电速度。因此，能够防止充放电开关单元300被由负载电容器Ci的快速充电而引起的浪涌电流损坏。同时，当对电池100放电时，第二开关320的第二寄生二极管322中断电池100的充电电流的路径。
当完成向负载200供电时，驱动单元400向第一开关310和第二开关320输出逻辑低电平的控制信号，从而使第一FET 311和第二FET 321截止。这里，放电单元600可以对在预充电单元500中充电的电荷进行放电。也就是说，由于包括二极管D1的放电单元600设置在预充电单元500和驱动单元400之间，并且驱动单元400输出逻辑低电平的信号，使得第一FET 311和第二FET 321截止，所以放电单元600通过驱动单元400对在预充电单元500中充电的电荷进行放电。因此，断开第一开关310和第二开关320可以被快速执行。此外，随着第一FET 311和第二FET 321截止，在负载电容器Ci中充电的电荷被进一步放电。
图2是示出常规电池装置和根据本公开的实施例的电池装置的放电期间负载电容器的电压变化的视图。
根据本公开的电池装置包括预充电单元和放电单元。如图2(a)所示，在传统的电池装置中，通过在电池放电期间的浪涌电流负载电容器被快速充电。然而，如图2(b)所示，可以看出，在根据本公开的电池装置中，负载电容器通过有限的电流被缓慢地充电。也就是说，在根据本公开的电池装置中，当提供预充电单元时，在电池放电期间，首先在对预充电单元进行充电之后再对负载电容器进行充电，因此与常规电池装置相比负载电容器可以更缓慢地充电。同时，当断开充放电开关单元时，常规电池装置和根据本公开的电池装置之间的负载电容器的放电速度没有大的差异。
图3是根据本公开的另一实施例的电池装置的配置的视图。
参考图3，根据本公开的另一实施例的电池装置可以包括被配置为存储和提供电能的电池100、被配置为从电池100接收电能的负载200、设置在电池100和负载200之间用于控制电池100的充电和放电的充放电开关单元300、被配置为控制充放电开关单元300的驱动并且包括状态检测单元410、控制单元420和信号输出单元430的驱动单元400、被配置为在电池100的放电期间被预充电的预充电单元500、被配置为对预充电单元500的电荷进行放电的放电单元600、选择性地并联连接到负载200的负载电容器Ci以及被配置为保护充放电开关单元300的保护单元700。
本公开的另一实施例与上述实施例的不同之处在于，驱动单元400包括状态检测单元410、控制单元420和信号输出单元430。包括状态检测单元410、控制单元420和信号输出单元430的驱动单元400可以设置在管理电池状态的电池管理系统内部。
状态检测单元410设置在电池100的至少一个区域中，并且检测电池100的状态。例如，状态检测单元410测量电池100的电压、温度、电流等。这样状态检测单元410可以包括被配置为测量电池的电压的电压测量单元(未示出)和被配置为测量电池的温度的温度测量单元(未示出)。此外，状态检测单元410还可以包括被配置为测量电池的电流的电流测量单元(未示出)。电压测量单元可以连接到例如电池100的一个端子和另一个端子，即连接到正极端子和负极端子，并测量电池100的电压，其中电压测量单元可以通过测量电池100的正极端子和负极端子之间的电压差来测量电池100的电压。此外，温度测量单元可以设置在电池100的至少一个区域中，并且测量电池100的至少一个区域的温度。例如，温度测量单元可以连接到多个电池模块中的每一个，并且测量每个电池模块的温度，并且可以设置在电池100的多个区域中，并测量每个区域的温度。
电压测量单元可以包括公知的电压测量电路，温度测量单元可以包括热电偶，并且电流测量单元可以包括诸如霍尔传感器的电流测量装置。然而，本公开不限于上述。
控制单元420连接到状态检测单元410，并且从状态检测单元410接收电池100的状态数据的输入。此外，控制单元420根据电池100的状态数据生成控制信号，并将生成的控制信号提供给信号输出单元430。也就是说，控制单元420使用诸如由状态检测单元410检测到的电池100的电压、温度、电流等的数据来生成用于控制充放电开关单元300的控制信号。同时，控制单元420可以参考存储在诸如存储器件的存储器(未示出)中的数据，以便根据电压100的状态生成控制信号。例如，存储器设置有存储电池100的电压和温度以及根据其的电池100的充电和放电量的查找表，并且控制单元420将诸如从状态检测单元410输入的电压和温度的数据与在查找表中存储的电池100的充电和放电量的数据进行匹配，并根据该匹配，根据电池100的充放电量生成充电和放电控制信号。也就是说，控制单元420将状态检测单元410检测到的数据与存储器的参考数据进行比较，并且如果电池100处于过充电状态，则控制单元420生成用于断开第一开关310和第二开关320的控制信号，并且如果电池100充电不足，则控制单元420生成用于在充电模式下接通第一开关310和第二开关320的控制信号。通过如上所述根据电池100的状态来控制电池100的充电和放电，能够在最佳条件下管理电池100。例如，通过根据例如过放电、完全放电、完全充电和过充电状态等的电池100的状态来控制电池100的充电和放电，能够在最佳条件下管理电池100。
信号输出单元430可以包括被配置为向第一开关310输出控制信号的第一信号输出单元431和被配置为向第二开关320输出控制信号的第二信号输出单元432。第一信号输出单元431可以通过第一电阻R1连接到第一FET 311的栅极端子，并且根据控制单元420的控制信号控制第一FET 311的导通和截止。也就是说，第一信号输出单元431依照根据电池100的过放电、完全放电、完全充电或过充电状态输出的控制信号，使第一FET 311导通或截止。另外，第二信号输出单元432可以通过第二电阻R2连接到第二FET 321的栅极端子，并且根据控制单元420的控制信号控制第二FET 321的导通和截止。也就是说，第二信号输出单元432依照根据电池100的过放电、完全放电、完全充电或过充电状态输出的控制信号，使第二FET 321导通或截止。
同时，已经详细描述了本公开。然而，应当理解，在指示本公开的优选实施例时仅以说明的方式给出详细描述和具体示例。此外，根据该详细描述，在本公开的范围内的各种改变和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。
工业实用性
根据本公开的实施例的电池装置可以具有在电池和充放电开关单元之间的预充电单元和放电单元。由于提供了预充电单元，当放电开关接通以使电池放电时，负载电容器可以被缓慢充电，从而防止负载电容器和充放电开关单元被浪涌电流损坏。此外，当放电开关被断开时，放电单元可以对在预充电单元中充电的电荷进行放电，从而使充放电开关单元能够被快速驱动。此外，即使当高频电流从外部流向电池时，预充电单元对高频电流进行滤波，从而有效地防止电池被高频电流损坏。
Claims (7)
1.一种电池装置，包括：
电池；
充放电开关单元，所述充放电开关单元包括设置在所述电池和负载之间的第一开关和第二开关，其中所述充放电开关单元被配置为控制所述电池的充电和放电；
预充电单元，所述预充电单元安装在所述电池和所述充放电开关单元之间，并且被配置为在所述电池的放电期间被充电；
放电单元，所述放电单元被配置为在断开所述充放电开关单元期间，对在所述预充电单元中充电的电荷进行放电；和
驱动单元，所述驱动单元被配置为控制所述第一开关和所述第二开关，
其中，所述驱动单元被配置为在所述电池的充电期间输出逻辑高信号以便导通所述第一开关和所述第二开关，
其中，所述驱动单元被配置为当完成向所述负载供电时输出逻辑低信号以便断开所述第一开关和所述第二开关，
其中，所述放电单元包括设置在所述预充电单元和所述驱动单元之间的二极管，
其中，在所述第一开关和所述第二开关被所述逻辑低信号断开之后，通过所述二极管对在所述预充电单元中充电的电荷进行放电。
2.根据权利要求1所述的电池装置，还包括与所述负载并联连接的负载电容器。
3.根据权利要求1所述的电池装置，其中，所述驱动单元包括：
状态检测单元，所述状态检测单元被配置为检测所述电池的状态；
控制单元，所述控制单元被配置为使用所述状态检测单元所检测的数据生成所述逻辑高信号和所述逻辑低信号；和
信号输出单元，所述信号输出单元被配置为把所述逻辑高信号和所述逻辑低信号输出到所述充放电开关单元。
4.根据权利要求3所述的电池装置，其中，所述驱动单元把所述状态检测单元所检测的数据与参考数据比较，并且控制所述第一开关和所述第二开关。
5.根据权利要求2所述的电池装置，其中，所述预充电单元包括设置在所述电池和所述第一开关之间的至少一个电容器。
6.根据权利要求5所述的电池装置，其中，当所述第一开关和所述第二开关接通并且所述电池被放电时，所述至少一个电容器被充电。
7.根据权利要求6所述的电池装置，其中，所述预充电单元先于所述负载电容器被充电，以调整所述负载电容器的充电时间。
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