CN107112777B - 用于改进电池平衡以及电池故障检测的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开的是用于改进电池平衡电路、备用故障检测电路以及用于能量存储系统的电池和模块的警报扩展的系统和方法。本发明的一个方面包括能量存储设备电池平衡装置。该装置包括串联连接的第一耗散部件与第二耗散部件。第一耗散部件和第二耗散部件耦接至能量存储电池。第二耗散部件监测能量存储电池的电压，并且如果电压在参考电压或参考电压以上，则第二耗散部件通过第一耗散部件和第二耗散部件进行放电电流。第一耗散部件与能量存储电池的电压成比例地维持第一耗散部件两端的电压降。当传导放电电流时，第二耗散部件维持第二耗散部件两端的恒定电压降。

Description

用于改进电池平衡以及电池故障检测的系统和方法
相关申请的引证
本申请要求于2015年3月4日提交的题为“用于改进电池平衡以及电池故障检测的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR IMPROVING CELL BALANCING AND CELL FAILUREDETECTION)”且被转让给本申请的受让人的美国临时申请第62/128,315号的优先权。该在先申请的公开内容被视为本申请的一部分，并且由此通过引证将其全部内容结合于此。
技术领域
本公开总体涉及电池和电容器，诸如超级电容器(ultracapacitor)和特级电容器(super-capacitor)，并且具体地，涉及部署在模块中的电容器或电池，每个模块包含一些固定数量的电池和/或电容器单元。
背景技术
对于通过使过量电池电压放电来平衡能量存储系统中的单个电池，存在各种系统和技术。先前方法不能完全且有效地耗散过量电池电压并且需要昂贵部件。
此外，存在用于检测能量存储系统中的故障并发出警报的系统和技术，但是由于来自能量存储系统的过量电压，它们通常失效。
发明内容
本文公开的实施方式解决现有技术的上述问题。本公开的系统、方法和设备均具有若干创新方面，其中的单个不单独承担本文所公开的期望属性。
在附图和以下描述中阐述了本公开所描述的主题的一个或个多个实现方式的细节。尽管在本公开中提供的实例有时以电容器或电容器单元的措辞来描述，但是本文提供的概念可应用至其他类型的能量存储系统。在描述、附图以及权利要求中，其他特性、方面以及优点将变得显而易见。应注意，下列图中的相对尺寸可能没有按比例绘制。
本文描述的主题的一个创新方面包括能量存储设备电池平衡装置。所述装置包括：第一耗散部件；以及第二耗散部件，与所述第一耗散部件串联。所述第一耗散部件和所述第二耗散部件被配置为耦接至能量存储电池。述第二耗散部件被配置为监测所述能量存储电池的电压，并且如果所述电压处于参考电压或所述参考电压以上，则通过所述第一耗散部件和所述第二耗散部件传导放电电流。所述第一耗散部件与所述能量存储电池的电压成比例地维持所述第一耗散部件两端的电压降。当传导所述放电电流时，所述第二耗散部件维持在所述第二耗散部件两端的恒定电压降。
在某些方面中，第一耗散部件包括无源耗散部件。在某些方面中，第一耗散部件是电阻器。
在某些方面中，第二耗散部件包括有源耗散部件。在某些方面中，第二耗散部件包括被配置为以比较器模式操作的分流稳压器。
在某些方面中，该装置进一步包括电阻式分压器，该电阻式分压器被配置为偏置参考电压，第二耗散部件以该参考电压或该参考电压以上通过第一耗散部件和第二耗散部件使电流放电。
本文描述的主题的另一创新方面包括用于能量存储设备的警报监测装置。该装置包括包含阳极和阴极的整流器，其中，整流器的阴极被配置为连接至能量存储模块的正极端子。该装置还包括电流源，该电流源连接至整流器的阳极并且被配置为响应于阳极电压处于最小电压与最大电压以外而生成恒定电流。
在某些方面中，该装置进一步包括隔离设备，该隔离设备被配置为基于恒定电流生成与外部电路电隔离的隔离电信号。在某些方面中，该装置进一步包括整流桥，该整流桥被配置为使电流源能够响应于能量存储模块处的正电压或负电压而生成恒定电流。
在某些方面中，该装置进一步包括晶体管和电容器。该晶体管可响应于恒定电流而导通，并且电容器可响应于恒定电流而产生警报，其中，晶体管可使电容器充电，并且其中，当恒定电流不再存在时，电容器可继续生成警报。
在本文描述的主题的另一创新方面中，警报扩展装置包括第一晶体管和第二晶体管以及第一电容器。第一晶体管可响应于能量存储系统的电池的过压警报电路的第一警报信号而导通。第一电容器可响应于第一警报而产生第二警报。第一晶体管可响应于第一警报而导通第二晶体管。第二晶体管可使第一电容器充电。当第一警报不再存在时，第一电容器可继续生成第二警报。
本文描述的主题的额外创新方面包括用于平衡能量存储电池的方法。该方法包括：经由第一耗散部件监测能量存储电池的电压；当电压在参考电压或该参考电压以上时，通过第一耗散部件传导放电电流；以及当电压在参考电压或该参考电压以上时，通过第二耗散部件传导放电电流。第二耗散部件与第一耗散部件串联，并且第二耗散部件可与所述能量存储电池的所述电压成比例地维持所述第二耗散部件两端的电压降。当传导放电电流时，第一耗散部件可维持第一耗散部件两端的恒定电压降。
在某些方面中，通过第一耗散部件传导放电电流包括：通过无源耗散部件传导放电电流。在某些方面中，通过第一耗散部件传导放电电流包括通过电阻器传导放电电流。
在某些方面中，通过第二耗散部件传导放电电流包括：通过有源耗散部件传导放电电流。在某些方面中，通过第二耗散部件传导放电电流包括：通过以比较器模式操作的分流稳压器传导放电电流。
在某些方面中，该方法进一步包括：偏置参考电压，第二耗散部件在该参考电压或该参考电压以上通过第一耗散部件和第二耗散部件使电流放电。
本文描述的主题的另一额外创新方面包括用于产生开路能量存储电池警报的方法。该方法包括识别整流器的阳极处的在最小电压与最大电压以外的电压。该方法还包括：基于识别的阳极电压经由连接至整流器的阳极的电流源而生成恒定电流，其中，恒定电流在小于最小电压且大于最大电压的电压下维持。
在某些方面中，该方法进一步包括：基于恒定电流生成与外部电路电隔离的电隔离信号。
在某些方面中，该方法进一步包括：响应于恒定电流而激活晶体管，响应于恒定电流经由电容器生成警报，以及经由晶体管使电容器充电，其中，当恒定电流不再存在时，警报继续由电容器生成。
附图说明
图1示出使用恒定电流放电的平衡电路的实施方式。
图2示出图1的实施方式的放电电流与电池电压的曲线图。
图3示出使用电阻式放电电路的平衡电路的实施方式。
图4示出图3的实施方式的放电电流相对于电池电压的曲线图。
图5A示出共享耗散平衡电路的实施方式。
图5B示出共享耗散平衡电路的实施方式。
图6A示出图5A的实施方式的放电电流相对于电池电压的曲线图。
图6B是图5B的实施方式的可替换配置的放电电流相对于电池电压的曲线图。
图7示出共享耗散平衡电路的另一个实施方式。
图8示出模块开路电池检测器的电路图的实施方式。
图9示出由图8的实施方式生成的警报电流相对于电池电压的曲线图。
图10示出根据实施方式的警报扩展电路的示图。
图11示出用于经由共享耗散平衡电路来平衡电池的方法的实施方式。
图12示出经由开路电池检测器电路来生成警报的方法的实施方式。
在各个附图中，相同参考标号和指代表示相同元件。
具体实施方式
能量存储系统可包括串联布置的多个单个电池或超级电容器单元以形成能量存储模块或库(bank)，该能量存储模块或库的电压输出比单个电池的电压输出更高。反过来，模块可与其他模块串联连接以输出更高的组合电压。模块的单个电容器或电池有时被分别称为电容器单元或电池单元，或更常见地，单元。
过量电池电压可损坏单个电池、电池所位于的模块或这两者。电池平衡电路可用于使电池或超级电容器单元放电以均衡电池电压并且防止或最小化由过量电池电压条件所造成的损坏。这种过量电池电压可仅在平衡电路中的无源部件(例如，一个或多个电阻器)中放电。通过这些电阻器流动的电流可由平衡电路中的有源部件控制，但是有源部件本身不使任合过量电池电压放电。此外，这些类型的平衡电路(诸如，恒定电流放电(CC)电路或电阻式放电(RD)电路)在提供平衡功能时，分别需要单独有源(且昂贵的)部件或单独无源(且也昂贵的)部件。因此，这些电路不使用有源部件和无源部件来各自耗散过量电池电压。耗散部件可以是有源或无源的，其中，无源耗散部件不能单独控制电流的流动，然而有源耗散部件是能够控制电流的部件。有源耗散部件和无源耗散部件被配置为耗散电压。无源耗散部件的实例可包括固定电阻、可变电阻、热敏电阻、无源衰减器、电位计、非-无损电感器(non-lossless inductor)等。有源耗散部件的实例可包括晶体管、稳压器、有源衰减器、有源二极管等。本文描述的平衡电路的实施方式中的一些允许在有源部件之间与无源部件之间都分离实际电压耗散。相对于先前的电池平衡电路，这可增加电压耗散的效率，可降低所需部件的数量，并且可排除一些昂贵有源部件或无源部件的需要。
在恒定电流放电电路的情况下，与电池电压或被放电的电压无关地，抽取恒定放电电流。电阻式放电电路抽取与电池电压成比例的放电电流。随着电池的电压增加，放电电流也增加，并且反之亦然。为了更好地理解并给出本实施方式的背景，图1-图4示出恒定电流(图1和图2)平衡电路以及电阻式放电(图3和图4)平衡电路的实例。
图1示出可提供恒定电流放电的平衡电路100。平衡电路100可包括能量存储电池102。替换地，在节点106和108处，平衡电路100可在能量存储电池102外部且并联连接至能量存储电池。电池102可包括单个或多个电池、电容器、超级电容器或能量存储的其他替代装置，或者可与均具有对应平衡电路的多个相似电池组合以形成能量存储模块。为了便于本文的描述，电池102可包括在平衡电路100内部或外部的单个电池或模块。
平衡电路100可进一步包括具有用于电压输入的两个端子(未单独编号)以及输出端子109的有源部件104。有源部件104可经由电压输入端子监测电池102的电压，并且如果电池102的电压上升到预定阀值电压以上，则在其输出端子109处输出信号。例如，阈值电压可以是2.5伏(V)，并且一旦电池的电压上升到2.5V以上，则有源部件104生成输出信号。
此外，平衡电路100可包括按照示出布置的电阻器110和112以及晶体管114和116。由有源部件104输出的信号可提供至晶体管114以激活或导通晶体管114。激活晶体管114建立从电池102以及通过电阻器112的路径，由此提供耗散电池102的过量电压的恒定电流放电。因此，有源部件104本身不使任何过量电压放电，而是控制建立通过电阻器112的路径的晶体管114，该电阻器112设定一恒定电流值(在该平衡电路中，晶体管114以该恒定电流值耗散过量电压)。
在一些实施方式中，有源部件104可以是稳压器。晶体管114可基于如由电阻器112限制的恒定电流来耗散电力。如配置的平衡电路100可需要晶体管114能够耗散大电力值，这增加平衡电路100的成本和尺寸。
图2示出根据图1的平衡电路实施方式的电池电压的放电电流的曲线200。x轴示出电池电压(例如，图1的电池102的电压)，同时y轴示出特定电池电压处的放电电流电平。如可看到的，对于超过2.5V阈值的电池电压，平衡电路100以近似恒定电流(诸如，在过量电池电压的范围内的大约110毫安(mA))使电池102放电。线202对应于平衡电路100在电池电压的范围内的放电电流。
图3示出可提供电阻式放电的平衡电路300的实施方式。平衡电路300可包括能量存储电池102或者替换地，在节点302和304处，平衡电路300可在能量存储电池102外部并且并联连接至能量存储电池102。电池102可包括单个或多个电池、电容器、超级电容器或能量存储的其他替代装置，或者可与均具有对应平衡电路的多个相似电池组合以形成能量存储模块。
平衡电路300可进一步包括具有用于电压输入的两个端子(未单独编号)以及输出端子308的有源部件306。有源部件可经由其电压输入端子监测电池102的电压，并且如果电池102的电压上升到预定阀值电压以上，则在其输出端子308处输出信号。例如，阈值电压可以是2.5V，并且一旦电池的电压上升到2.5V以上，则有源部件306生成输出信号。
此外，平衡电路300可包括按照所示布置的电阻器310和312以及晶体管314。来自有源部件306的输出信号可经由电阻器310提供至晶体管314。晶体管314可用作由信号输出控制的开关，其中，信号输出激活或导通晶体管314。当晶体管314激活时，它通过电阻器312和晶体管314建立来自电池102的路径，由此提供耗散电池102的过量电压的电阻式放电(可变电流)。
平衡电路300主要通过电阻器312耗散过量电池电压。电阻器310和晶体管314也不明显促进使过量电池电压放电。然而，因为电阻器312暴露于电池102的完全过量电池电压，平衡电路的该配置的电阻器312，可能需要电阻器312能够处理大电压，其增加平衡电路100的成本和尺寸。
因此，平衡电路100(图1)会需要大的、昂贵的有源部件来以恒定电流耗散电力，此外平衡电路300(图3)会需要大的、昂贵的电阻器来以与电压成比例的电平耗散电流。除了大且昂贵以外，这些部件也可对电路100和300的操作温度、可靠性或其他操作参数带来不利影响。
图4示出根据图3的平衡电路实施方式的电池电压的放电电流的曲线400。x轴示出电池电压(例如，图3的电池102的电压)，同时y轴示出具体电池电压处的放电电流电平。如可看到的，对于超过2.5V阈值的电池电压，平衡电路300以与电池电压成比例的变化放电电流402(例如，在2.5V至2.95V的电池电压范围中的从约90mA到105mA的范围)使电池102放电。线402对应于平衡电路300在电池电压的范围内的放电电流。
改进的电池平衡电路
如从以上描述可以观察出的，尽管无源部件和有源部件的结合被用于设计为放电过大的电池电压的一些平衡电路，但有源部件对放电过大的电池电压基本没有贡献。另外，这些设计依靠昂贵的无源部件和有源部件。例如，恒定电流平衡电路100(图1)要求晶体管114是昂贵的晶体管以使得过大的电池电压被放电。另一方面，电阻放电平衡电路300(图3)要求电阻器112是昂贵的以便能够放电过大的电池电压。在这里公开的一些实施方式，有利地，使用被配置为有助于放电过大的电池电压同时还提供监测和控制功能的有源部件。根据这些改进的设计和实施方式的平衡电路可以使用比图1和图3的平衡电路100和300更少的全部部件来实现它们的耗散过大的电池电压的任务。
图5A示出共享耗散(shared-dissipation)平衡电路500A的实施方式。平衡电路500A可以包括能量存储电池102或者可替换地，平衡电路500A可以在能量存储电池102以外并且在节点502和504处并联连接至能量存储电池102。电池102可以包括单个或多个电池组、电容器、超级电容器或能量储存的其它可选器件，或者可以与多个相似的电池相结合(每个电池具有相应的平衡电路)，以形成能量存储模块。在这里为了便于描述，电池102可以包括或者在平衡电路500A内部或者在平衡电路500A外部的或者单个电池或者模块。
平衡电路500可以进一步包括有源部件506和无源部件514。有源部件506可以是三端子装置，具有端子508、510和512。端子508可以是连接至电池102的节点502的参考端子。因此，有源部件506可以被配置为监测在节点502处的电池102的电压。如果在节点502处的电池102的电压上升至阈值电压，例如2.5V，以上，则有源部件506可以允许放电电流通过有源部件端子510和512以及无源部件514从电池102流出，因此使得过大的电池电压分别在有源部件506和无源部件514两者的两端耗散。
在一些实施方式中，分流稳压器，例如
Figure GDA0002574506100000081
TL431分流稳压器，可用于实现有源部件506。有源部件506可以通过利用预先设定或内置的参考电压(例如2.5V)而配置比较器模式下的分流稳压器来监测电池102的电压。在一些实施方式中，预先设定或内置的参考电压可以是用户可设定的。有源部件506可以进一步包括输出晶体管(未示出)。在电池102的电压超过参考电压时，比较器可以在不饱和模式下激活或接通输出晶体管，从而使得放电电流流过无源部件514和有源部件506两者并且使得无源部件514和有源部件506两者耗散过大的电池电压。在一些实施方式中，有源部件506的输出晶体管可以保持有源部件506两端的最大恒定电压降。例如，在一些实施方式中，这个最大恒定电压降可以是约2V。电池102的任何另外的过大的电池电压在无源部件514两端下降(或耗散)。无源部件514可以，例如，包括电阻器。在一些实施方式中，无源部件514可包括被配置为被动地耗散电压的任意装置或任意组装置。在一些实施方式中，有源部件506可包括被配置为监测电压并且主动地耗散电压的任意装置或任意组装置。在一些实施方式中，有源部件506可包括测量电压并控制有源电压耗散和流动的单独装置。因此，平衡电路500中的耗散分别在无源部件514和有源部件506两者之间共享。这个共享耗散允许更高效的电压耗散，以及更少的部件，和更低的成本组成，并且因此允许平衡电路500的更低的总成本，以及其他益处。
图5B示出根据实施方式的共享耗散平衡电路500B。平衡电路500B与共享耗散平衡电路500A相似。为了避免重复的描述，具有相同或相似的功能的部件可以由相同的参考标号标记。共享耗散平衡电路500B是共享平衡电路500A的线性实现方式。如所示的，有源部件506的参考端子508连接至有源部件506和无源部件514之间的节点516。因此，有源部件506可以被配置为监测节点516处的电压。这个实现方式的放电电流对比电池电压的曲线图将参考图6B描述。
图6A示出显示与图5A的平衡电路实施方式的电池电压有关的放电电流的曲线600A。参照图5A和图6A两者，x轴示出电池电压(例如电池102的电压)，而y轴示出在具体的电池电压下的放电电流电平。线602对应于在电池电压的范围内的平衡电路300的放电电流。如可以看出的，对于超过2.5V的电池电压，平衡电路500A利用与电池电压成比例的放电电流使电池102放电。
将放电电流602与图4的放电电流402相比较，示出图5A的平衡电路500A可以比平衡电路300更高效地耗散过大的电池电压。参考回图4，对于2.5V和3V之间的电池电压值，电阻放电平衡电路300吸收从88mA至110mA的电流，或22mA的电流总变化。与此相反，对于相同的电池电压值，图5A的共享耗散平衡电路500A吸收从40mA至104mA的电流，或者电流改变总共64mA。在与电流成比例的电压放电的情况下，电流差越大，电压耗散越高。因此，电流差的范围越大，电池102将被平衡的越快。
参照图6A，在电池102的电压超过2.5V时，有源部件506开始以上升至约50mA的电流传导并且有源部件506两端的电压(从阴极至阳极)下降至约2V。这个非线性配置中的有源部件506没有作为分流稳压器运转而是作为运算放大器运转，该运算放大器参考反相输入端的2.5V，具有在输出端(阴极-阳极)处的双极结型晶体管(BJT)，以及经由二极管(未示出)连接至阴极的非反相输入端(Vref或508)。无源耗散部件514耗散过大的电池电力的部分并且使2V以上的电压下降。如果10欧姆的电阻器被用于无源部件514，则通过有源部件506和无源部件514的电流可以被表示为(V电池-2V)/10欧姆。例如，这个电流在2.85V下可以是90mA。使用共享耗散电池平衡500A的较高电压的电池在2.5V以上可以与较高的电流成比例地放电。
图6B示出显示与图5B的平衡电路实施方式的电池电压有关的放电电流的曲线600B。x轴示出电池电压(例如图5B的电池102的电压)，而y轴示出在具体的电池电压下的放电电流电平。如可以看出的，对于超过2.5V的电池电压，平衡电路500B的有源部件506利用与电池电压线性地相关联的放电电流使电池102放电。
图7示出根据实施方式的共享耗散平衡电路700。这个实施方式可以包括电阻分压器，以允许有源部件706在与有源部件706的内置参考值不同的电压值下传导放电电流。电阻分压器可以利用电阻器716和718实现，使有源部件706开始传导放电电流的初始电压偏移。因此，电阻分压器可以允许有源部件有更多用途并且使有源部件能够在更大的电压范围下使用。
本文中描述的电路的实施方式与其他电路相比可以改善过量电压放电的效率，其中可以保持恒定电流放电和成比例的放电两者的好处并且可以实现为参与过量电压放电的有源部件和无源部件两者。另外，改进的电路可以允许更多不同的应用，其中电路可需要更少的，更便宜的(并且更小的)部件并且因此可需要更小的实现空间。
备用故障检测电路
超级电容器模块可以包括能够提供较高的电压的串联连接的许多电池。在一些应用中，这些模块可以进而串联连接以提供甚至更高的电压性能。在一系列的模块中，如果单个电池出故障并且变为开路，则一系列模块的一系列电池的整个开路电压可在出故障的电池两端表示。这个在出故障开路电池的两端表示的开路电压会导致一系列模块中的更严重的故障。出故障电池的开路电压可以根据模块是正在进行充电周期或放电周期而是正的或负的。
在一些应用中，一系列电池和/或一系列模块的每个单独的电池可以配备有单独的电池过电压报警电路。这些单独的电池过电压报警电路可以发出故障警报；然而，在它们出故障时，例如由于过大的高电压(例如，超过故障阈值的电压)，报警电路会被破坏，或者不起作用并且不再能够发出警报。在警报先前通过报警电路激活但是报警电路损坏和/或不起作用时，用户可能仅重置报警开关。因为报警电路不起作用，所以重置报警开关可能允许用户继续使用系统直至危险的、灾难性的情况。
图8示出模块断开电池检测器800的电路图。断开电池检测器800可以包括能量存储模块802或者可以在能量存储模块802以外并且与能量存储模块并联。能量存储模块802可以电池组、电容器、超级电容器或能量存储的其它可选器件。断开电池检测器800可以在能量存储模块802内部存在出故障的电池时发出警报。有利地，单个断开电池检测器800可以在形成整个能量存储模块802的一系列电池上操作。断开电池检测器800可以包括整流器，诸如齐纳二极管810(或者任何其他电压阻断装置)、整流桥812、电阻器814、816和815、晶体管820和822以及光隔离器824。
齐纳二极管810可以使模块802的全部正电压偏移。整流桥812可以是允许检测模块802的正电压和负电压两者的高压整流器。晶体管820可以是高压场效应晶体管(FET)。在一些实施方式中，可以使用双极性晶体管或其它可选晶体管。隔离装置，诸如光隔离器824可以是电路804和电路806之间的隔离信号传递装置。可选的报警装置可以代替光隔离器824使用。在一些应用中，电路806可以在包括能量存储模块802的车辆的仪表板或显示器中实现，其中警报可以例如经由LED的点亮或其他可视可觉察的器件来由车辆操作者看到。在一些实施方式中，警报可以是可传达的，从而使得远程操作者或观察者可以追踪警报。
电阻器814可以在整流桥810的输出端上存在电压时将整流桥812的输出端的电压提供至晶体管820的栅极(例如，因此提供栅电压)。这可以激活或接通晶体管820，从而提供通过光隔离器824的电流。通过光隔离器824的电流可以激活二极管，从而激活或打开电路806中的过电压警报。电阻器816两端的电压降可以达到晶体管822可以激活或打开的水平。例如，晶体管822可以在电阻器816两端的电压大于晶体管822的发射极到基极电压时激活。在晶体管822激活时，通过晶体管822的电流可以控制晶体管820的栅电压使得通过晶体管820的电流接近恒定的，与电阻器814两端的电压变化无关。上述晶体管820和822以及电阻器814、816和818可以被选择或规定大小为使得最小和最大电压窗口或范围以外的任何电压可以触发通过光隔离器824的恒定电流的产生，从而触发到达报警电路806内信号。例如，报警电路806可以维持接通状态的车辆仪表板上的LED。
在一些实施方式中，电阻器814和816以及晶体管820和822可以被视为产生通过光隔离器824的恒定电流的电流源。在一些应用中，通过晶体管820的电流接近恒定的并且包括低值。因此，晶体管820中的功率耗散可以被控制并且断开电池电路检测器800的预期寿命可以显著增加。如描述的，断开电池检测器800可以连接至能量存储模块802的端子并且不会受到在能量存储模块802的单独的电池(未示出)出故障的情况下的破坏的影响。使用用于报警检测的恒定电流也可以允许在低成本下对不同水平的过电压的同样检测。
图9示出曲线902和曲线904，每个曲线显示与能量存储模块的相应的电压有关的光隔离器电流。x轴示出模块电压，例如图8的能量存储模块802的电压，而y轴示出在具体的模块电压下的光隔离器电流电平。曲线902示出与第一范围的模块电压的第一警报电流相对应的线906，同时曲线904示出与第二范围的模块电压的第二警报电流相对应的线908(比曲线902横跨更高的电压)。在图8所示的实施方式中，断开电池检测器800被配置为针对额定的正的或负的模块电压(与最小和最大电压窗口相对应的)以外的模块电压产生恒定的警报电流906或908。在一些应用中，例如，这些额定电压可以在-7V和+67V之间。对于这些负的和正的额定值之间的模块电压，断开电池检测器800不产生任何警报电流，如曲线902和曲线904中所示。
本文中描述的检测电路800可以改进其中结合有所述检测电路800的电池和模块的安全性和持久性。通过提供所描述的警报，检测电路800通知不安全情况的用户或系统，因此使得用户能够停止使用发出警报的电池或模块并且减少对其中集成有电池或模块的系统的其他部件的造成伤害或损害的风险。另外，相对于电池和模块在外部集成的检测电路800意味着检测电路800本身在警报情况下很可能不会受到损坏或破坏。另外，低成本的检测电路800可以允许更多不同的应用，其中低成本可以使得检测电路800为报警检测提供更理想的选择。
警报延长
在一些应用中，单独的电池过电压检测器电路或模块过电压检测器电路产生警报。另外的警报监测电路可以周期性地监测或寻找这些警报。例如，一些警报监测电路顺次扫描大量模块并且重复该过程。在一些情况下，由过电压检测器电路产生的警报在相应的警报监测电路可以检测到警报之前关闭。因此会出现诸如检测警报失败的情况，例如，由于警报监测电路的检测频率。检测频率可以对应于，例如，其相应的警报监测电路连续扫描具体的过电压检测器电路所经过时间的量。例如，在快速的过电压高峰值的情况下，由对应于这个高峰值的由过电压检测器电路产生的警报不能持续很久，从而不能由相应的警报监测电路检测到。
图10示出根据实施方式的警报延长电路1000的电路图。警报延长电路1000可以包括能量存储模块1002或者可以在能量存储模块1002以外并与能量存储模块1002并联。能量存储模块1002可以包括电池组、电容器、超级电容器或能量存储的其它可选器件。警报延长电路1000还可以包括晶体管1004和1006、电阻器1010、1012、1014和1016、二极管1020、光隔离器1008和电容器1018。
警报延长电路1000可以被配置为在预定时间段锁定并且保持警报脉冲，该时间段足够长使得警报监测电路(未示出)能够检测到警报情况。这个预定时段，在一些实施方式中，可以是1秒，与创建警报脉冲的实际电池过电压情况的短的持续时间的无关。在一些实施方式中，预定时段可以在0至1、5、10、15、20、25、50或高达或大于500毫秒(ms)的范围内，所取增量为1毫秒。警报延长电路1000可以在能量存储模块1002的单独的电池发出警报信号时从能量存储模块1002汲取电力。
在一些实施方式中，单独的电池过电压检测器电路将它们的警报输出一起进行或运算(例如经由逻辑电路)，使得从任意一个或多个检测器电路输出的警报产生从逻辑电路的输出。这个或逻辑电路的输出连接至晶体管1004。当警报情况在任意单独的电池过电压检测器上产生时，晶体管1004激活或导通，并且光隔离器1008的LED可以传导来自模块1002并且通过电阻器1010的电流。光隔离器1008可以在其输出端提供隔离警报信号。光隔离器1008的LED的阳极处的电压可以减少，从而激活或打开晶体管1006。在晶体管1006是激活的时，电容器1018可以通过电阻器1016和晶体管1004的基极到发射极结电压的充电。这个充电电流可以在基于电阻器1016和电容器1018确定的时间常数表示的时间段使晶体管1004保持激活或接通。在晶体管1004的基极电压减少至一个水平(在该水平晶体管1004的集电极电流减少)之后，晶体管1004停止或断开并且晶体管1006也停止或关闭。电容器1018可以经由电阻器1014和1016以及二极管1020放电。二极管1020可以保护晶体管1006免受反向基极-发射极电压过应力的影响。
本文中描述的延长电路可以改进该延长电路结合于其中的系统的安全性和持久性。通过延长最初警报，延长电路增加用户或系统检测到引起该警报的警报情况的可能性。因为警报会通知不安全情况，所以警报的延长可以使得用户能够避免或减轻警报情况，并且因此减少对其中集成有延长电路的系统的其他部件造成伤害或损害的风险。另外，低成本的和简单的延长电路可以允许更多不同的应用，其中低成本可以使得延长电路为报警延长提供更理想的选择。
图11示出用于经由图5A的共享耗散平衡电路500A平衡电池102的方法1100的实施方式。方法1100可以分别使用图5A和图5B的平衡电路500A或500B执行。方法1100开始于块1102并且在终止于块1110之前执行块1104、1106和1108。在块1104，平衡电路500A和/或500B经由平衡电路的第一耗散部件(例如，稳压器506)监测能量存储电池的电压。例如，电压可以经由第一耗散部件的参考端子来监测。
在块1106，平衡电路500A和/或500B在监测电压在达到参考电压或以上时通过第一耗散部件传导放电电流。如本文中描述的，这个步骤可包括第一耗散部件激活或接通并且放电通过比较监测电压与参考电压确定的一些过量电压。在块1108，平衡电路500A和/或500B在监测电压达到参考电压或以上时通过第二耗散部件传导放电电流。在一些实施方式中，第一耗散部件和第二耗散部件可以串联地耦接。另外，第一耗散部件可以在传导放电电流时维持第一耗散部件两端的恒定的电压降，而第二耗散部件保持第二耗散部件两端的与能量存储电池的电压成比例的电压降。在一些实施方式中，块1104-1108的步骤和/或处理可以同时或顺次执行。
图12示出用于经由图8的断开电池检测器电路产生警报的方法1200的实施方式。在一些实施方式中，断开电池检测器电路800的一个或多个部件可以执行方法1200的一个或多个块。方法1200开始于块1202，包括块1204和1206，并且结束于块1208。在块1204，断开电池检测器电路800识别处于最小电压和最大电压以外的整流器的阳极的电压。在块1206，断开电池检测器电路800基于识别的阳极电压经由连接至整流器的阳极的电流源产生恒定电流。整流器的阴极可以连接至能量存储模块的正端子，将其电压与以上所述的最小电压和最大电压相比较。然后，断开电池检测器电路保持警报，即使在过量电压下。整流器可被配置为允许高的正电压以及任何负电压激活电流源，然后产生警报。在一些实施方式中，块1104-1108的步骤和/或处理可以同时或顺次执行。
本公开的范围不旨在由本部分或本说明书的其它地方中的具体公开的优选实施方式限制，并且可以由本部分或本说明书中的其它地方中呈现的或者未来呈现的权利要求限定。权利要求的语言基于权利要求中采用的语言广泛地解释，而不是限于本说明书中描述的或者在申请的起诉过程中的实例，这些实例被解释为非排它的。

Claims (20)

1.一种能量存储设备电池平衡装置，包括：
第一耗散部件；以及
第二耗散部件，与所述第一耗散部件串联，
其中，所述第一耗散部件和所述第二耗散部件被配置为耦接至能量存储电池；
其中，所述第二耗散部件被配置为：
接收包括所述能量存储电池的电压的输入；
基于接收的所述输入监测所述能量存储电池的所述电压；并且
如果所述电压升至参考电压以上，则激活输出以使放电电流通过所述第一耗散部件和所述第二耗散部件传导，直到所述电压降至所述参考电压或所述参考电压以下；
其中，所述第一耗散部件与所述能量存储电池的电压成比例地维持所述第一耗散部件两端的电压降；并且
其中，当传导所述放电电流时，所述第二耗散部件维持在所述第二耗散部件两端的恒定电压降。
2.根据权利要求1所述的能量存储设备电池平衡装置，其中，所述第一耗散部件包括无源耗散部件。
3.根据权利要求1所述的能量存储设备电池平衡装置，其中，所述第一耗散部件是电阻器。
4.根据权利要求1所述的能量存储设备电池平衡装置，其中，所述第二耗散部件包括有源耗散部件。
5.根据权利要求1所述的能量存储设备电池平衡装置，其中，所述第二耗散部件包括分流稳压器，所述分流稳压器被配置为以比较器模式操作。
6.根据权利要求1所述的能量存储设备电池平衡装置，进一步包括电阻式分压器，所述电阻式分压器被配置为偏置所述参考电压，其中所述第二耗散部件在所述参考电压或所述参考电压以上通过所述第一耗散部件和所述第二耗散部件使电流放电。
7.一种能量存储系统，包括：
根据权利要求1所述的能量存储设备电池平衡装置；以及
用于能量存储设备的警报检测装置，包括：
整流器，所述整流器包括阳极和阴极，其中，所述整流器的所述阴极被配置为连接至能量存储模块的正极端子；以及
电流源，所述电流源连接至所述整流器的所述阳极并且被配置为响应于阳极电压处于最小电压与最大电压以外而生成恒定电流。
8.根据权利要求7所述的能量存储系统，其中，所述警报检测装置进一步包括：隔离设备，所述隔离设备被配置为基于所述恒定电流生成与外部电路电隔离的电隔离信号。
9.根据权利要求7所述的能量存储系统，其中，所述整流器包括整流桥，所述整流桥被配置为使所述电流源能够响应于所述能量存储模块处的正电压或负电压而生成所述恒定电流。
10.根据权利要求7所述的能量存储系统，其中，所述警报检测装置进一步包括：
晶体管；以及
电容器；
其中，所述晶体管被配置为响应于所述恒定电流而导通；
其中，所述电容器被配置为响应于所述恒定电流而产生警报，其中，所述晶体管被配置为使所述电容器充电，并且其中，所述电容器被配置为当所述恒定电流不再存在时继续产生所述警报。
11.一种能量存储系统，包括：
根据权利要求1所述的能量存储设备电池平衡装置；以及
警报扩展装置，包括：
第一晶体管和第二晶体管；以及
第一电容器，
其中，所述第一晶体管被配置为响应于所述能量存储系统的电池的过压警报电路的第一警报信号而导通；
其中，所述第一电容器被配置为响应于所述第一警报而产生第二警报；
其中，所述第一晶体管被配置为响应于所述第一警报而导通所述第二晶体管；
其中，所述第二晶体管被配置为使所述第一电容器充电；并且
所述第一电容器被配置为当所述第一警报不再存在时，继续产生所述第二警报。
12.一种用于平衡能量存储电池的方法，所述方法包括：
经由第一耗散部件接收包括所述能量存储电池的电压的输入；
经由所述第一耗散部件监测所述能量存储电池的所述电压；
当所述电压升至参考电压以上时，则激活输出以使放电电流通过所述第一耗散部件和第二耗散部件传导，直到所述电压降至所述参考电压或所述参考电压以下；以及
通过所述第一耗散部件传导所述放电电流；以及
通过所述第二耗散部件传导所述放电电流，其中所述第二耗散部件与所述第一耗散部件串联，
其中，所述第二耗散部件与所述能量存储电池的所述电压成比例地维持所述第二耗散部件两端的电压降，并且其中，当传导所述放电电流时，所述第一耗散部件维持所述第一耗散部件两端的恒定电压降。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，通过所述第一耗散部件传导放电电流包括：通过无源耗散部件传导所述放电电流。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，通过所述第一耗散部件传导放电电流包括：通过电阻器传导所述放电电流。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，通过第二耗散部件传导所述放电电流包括：通过有源耗散部件传导所述放电电流。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，通过第二耗散部件传导所述放电电流包括：通过以比较器模式操作的分流稳压器传导所述放电电流。
17.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：偏置所述参考电压，其中所述第二耗散部件在所述参考电压或所述参考电压以上通过所述第一耗散部件和所述第二耗散部件使电流放电。
18.一种用于产生开路能量存储电池警报的方法，所述开路能量存储电池警报用于能量存储系统，所述能量存储系统包括能量存储设备电池平衡装置和用于能量存储设备的警报检测装置，
所述能量存储设备电池平衡装置包括：
第一耗散部件；以及
第二耗散部件，与所述第一耗散部件串联，
其中，所述第一耗散部件和所述第二耗散部件被配置为耦接至能量存储电池；
其中，所述第二耗散部件被配置为：
接收包括所述能量存储电池的电压的输入；
基于接收的所述输入监测所述能量存储电池的所述电压；并且
如果所述电压升至参考电压以上，则激活输出以使放电电流通过所述第一耗散部件和所述第二耗散部件传导，直到所述电压降至所述参考电压或所述参考电压以下；
其中，所述第一耗散部件与所述能量存储电池的电压成比例地维持所述第一耗散部件两端的电压降；并且
其中，当传导所述放电电流时，所述第二耗散部件维持在所述第二耗散部件两端的恒定电压降，
所述警报检测装置包括：
整流器，所述整流器包括阳极和阴极，其中，所述整流器的所述阴极被配置为连接至能量存储模块的正极端子；以及
电流源，所述电流源连接至所述整流器的所述阳极并且被配置为响应于阳极电压处于最小电压与最大电压以外而生成恒定电流，
所述方法包括：
识别整流器的阳极处的处于最小电压与最大电压以外的电压；以及
基于所识别的阳极电压经由连接至所述整流器的所述阳极的电流源而生成恒定电流，其中，所述恒定电流在小于所述最小电压且大于所述最大电压的电压下维持。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：基于所述恒定电流生成与外部电路电隔离的电隔离信号。
20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
响应于所述恒定电流而激活晶体管；
响应于所述恒定电流经由电容器产生警报；以及
经由所述晶体管使所述电容器充电，其中，当所述恒定电流不再存在时，所述警报继续由所述电容器产生。
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