CN108604812A - 电池平衡设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池平衡设备和方法，并且更加具体地，涉及如下的电池平衡设备和方法，其中控制单元根据被包括在电池中的电池单元的电压值来控制平衡单元的操作，该平衡单元用于执行该电池单元的平衡；以及当平衡单元没有操作时，自放电单元根据电池单元的电压值是否超过预设参考电压值对电池单元放电。

Description

电池平衡设备和方法
技术领域
本申请要求于2016年7月29日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2016-0097478的优先权和权益，其整个内容通过引用被合并在此。
本发明涉及平衡电池的装置和方法，并且更具体地，涉及如下的平衡电池的装置和方法，其中控制单元响应于被包括在电池中的电池单元的电压值来控制平衡单元的操作，该平衡单元执行该电池单元的平衡，并且自放电单元在平衡单元的非操作期间，根据电池单元的电压值是否超过预定第一参考电压值，来对电池单元进行放电。
背景技术
最近，由于化石能源的耗竭和由于使用化石能源造成的环境污染，对能够通过使用二次电池驱动的电子产品的兴趣已经增加。因此，对移动设备、电动车辆(EV)、混合动力车辆(HV)、能量存储系统(ESS)、不间断电源(UPS)等的技术开发和需求增加，并且因此对于作为能源的二次电池的需求已经急剧增加。
二次电池作为一种环保的新能源引起注意并且已经提高能源效率，因为其能够创新地减少化石能源的使用，其是主要优势，同时在使用时不会产生副产品。
特别地，在EV、HV、ESS和UPS中使用的二次电池通过连接多个电池单元被配置，以便于对高输出和大容量电力进行充电或放电。二次电池的电池单元理想地需要具有相同的特性，但是电池单元具有容量、阻抗和内阻的偏差，并且偏差根据二次电池的充电/放电的性能而增加。由于电池单元之间的偏差，特定的电池单元被过充电或过度放电，使得电池单元的寿命被降低，并且此外，存在即使二次电池的寿命降低的问题。
因此，为了提高电池单元的稳定性和寿命，将用于均匀地保持电池单元的电压的平衡技术应用于二次电池。更具体地，均衡地平衡被包括在二次电池中的每个电池单元的电压的方法包括主动平衡，其向具有相对低电压的电池单元供应充电电流并且增加电压；被动平衡，其使具有相对高的电压的电池单元放电并且降低电压等。
特别地，为了实现被动平衡技术，包括消耗电池单元的电力的电阻器、控制电池单元和电阻器之间的电传导的开关元件、以及根据电池单元的电压控制开关元件的导通或者截止的控制单元的平衡电路被设置在二次电池中。
然而，在现有的平衡电路中，当控制单元被异常操作时，控制电池单元和电阻器之间的电传导的开关元件的接通/断开未被正常控制，并且当要求电池单元的放电时开关元件没有被接通，使得存在电池单元被过充电并且电池单元的寿命降低的问题，并且由于电池单元之间的电压不平衡，甚至二次电池的寿命也会降低。
在这方面，为了解决上述问题，本发明人发明一种平衡电池的装置和方法，其中控制单元响应于被包括在电池中的电池单元的电压值来控制平衡单元的操作，所述平衡单元执行所述电池单元的平衡，并且自放电单元在平衡单元的非操作期间根据电池单元的电压值是否超过预定第一参考电压值对电池单元进行放电。
发明内容
技术问题
本发明的目的是为了提供一种平衡电池的装置和方法，其中控制单元响应于被包括在电池中的电池单元的电压值来控制平衡单元的操作，所述平衡单元执行所述电池单元的平衡，并且自放电单元在平衡单元的非操作期间，根据电池单元的电压值是否超过预定第一参考电压值，来对电池单元进行放电，使得尽管控制单元存在问题，当在电池单元中充电第一参考电压值或更大的电压时，能够通过使电池单元放电而防止电池单元被过充电。
技术方案
根据本发明的用于平衡电池的装置包括：平衡单元，所述平衡单元与被包括在电池中的电池单元连接并且执行电池单元的平衡；控制单元，所述控制单元响应于电池单元的电压值来控制平衡单元的操作；以及自放电单元，所述自放电单元在平衡单元的非操作期间，根据电池单元的电压值是否超过预定第一参考电压值，来对电池单元放电。
在示例性实施例中，平衡单元可以包括：平衡电阻器，所述平衡电阻器消耗电池单元的电力；和开关元件，所述开关元件传导或阻断从电池单元流向平衡电阻器的电流。
在示例性实施例中，当电池单元的电压值等于或大于预定第二参考电压值时，控制单元可以将开关元件切换成导通并且允许电流流入平衡电阻器以对电池单元放电。
在示例性实施例中，自放电单元可以与开关元件并联连接，使得电池单元的电压可以作为反向电压被施加，并且当开关元件未被操作，而使得电池单元的电压值超过第一参考电压值时，自放电单元可以将从电池单元流动的电流电传导到平衡电阻器以对电池单元放电。
在示例性实施例中，自放电单元可以是齐纳二极管和瞬态电压抑制(TVS)二极管中的任何一种。
在示例性实施例中，当自放电单元是齐纳二极管时，第一参考电压值可以是齐纳二极管的击穿电压值。
根据本发明的平衡电池的方法包括：提供，其与被包括在电池中的电池单元连接，以执行电池单元的平衡；响应于电池单元的电压值，由控制单元来控制平衡单元的操作；以及在平衡单元的非操作期间，根据电池单元的电压值是否超过预定第一参考电压值，由自放电单元对电池单元进行放电。
在示例性实施例中，提供可以包括：提供消耗电池单元的电力的平衡电阻器；并且提供开关元件，所述开关元件传导或阻挡从电池单元流向平衡电阻器的电流。
在示例性实施例中，控制可以包括，当电池单元的电压值等于或大于预定第二参考电压值时，由控制单元将开关元件切换成导通，并且允许电流流入平衡电阻器以对电池单元放电。
在示例性实施例中，放电可以包括，当开关元件未被操作，而使得电池单元的电压值超过第一参考电压值时，通过与开关元件并联连接的自放电单元进行电传导，使得电池单元的电压作为反向电压被施加，电流从电池单元流向平衡电阻器以对电池单元放电。
在平衡电池的方法中，自放电单元可以是齐纳二极管和瞬态电压抑制(TVS)二极管中的任何一种。
在平衡电池的方法中，当自放电单元是齐纳二极管时，第一参考电压值可以是齐纳二极管的击穿电压值。
有益效果
在根据本发明的平衡电池的装置和方法中，控制单元响应于被包括在电池中的电池单元的电压值来控制平衡单元的操作，该平衡单元执行电池单元的平衡，并且自放电单元在平衡单元的非操作期间，根据电池单元的电压值是否超过预定第一参考电压值，对电池单元进行放电，使得尽管控制单元存在问题，当在电池单元中充电第一参考电压值或更大的电压时，能够通过对电池单元放电而防止电池单元被过充电。
附图说明
图1是示意性地图示可应用根据本发明的示例性实施例的电池平衡装置的电动车辆的图。
图2是图示根据本发明的示例性实施例的电池平衡装置的配置的框图。
图3是图示根据本发明的示例性实施例的电池平衡装置的特定配置的示例的图。
图4是用于描述根据本发明的示例性实施例的电池平衡方法的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明。这里，将省略重复描述，以及可能使本发明的目的不必要地模糊的已知功能和配置的详细描述。提供本发明的示例性的实施例使得向本领域技术人员更完整地解释本发明。因此，为了更清楚的描述，可以夸大附图中的元件的形状、尺寸等。
在整个说明书中，除非明确相反地描述，否则当据说特定部分“包括”特定组成元件时，其意指可以进一步包括其他组成元件，而不是排除其他组成元件。
此外，说明书中描述的术语“......单元”意指用于处理至少一个功能和操作的单元，并且可以由硬件组件或软件组件及其组合来实现。
图1是示意性地图示可应用根据本发明的示例性实施例的电池平衡装置的电动车辆的图。
图1图示示例，其中根据本发明的示例性实施例的电池平衡装置被应用于电动车辆，但是根据本发明的示例性实施例的电池平衡装置可应用于任何技术领域，除了电动车辆之外还诸如移动设备、能量存储系统，或者二次电池可应用的不间断电源。
电动车辆1可以包括电池10、电池管理系统20、电子控制单元(ECU)30、逆变器40和电动机50。
电池10是向电动机50提供驱动力并驱动电动车辆1的电能源。电池10可以根据电动机50或内燃机(未被图示)的驱动由逆变器40充电或放电。
这里，电池10的种类没有被特别地限制，并且可以包括例如锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池和镍锌电池。
BMS 20估计电池10的状态，并且通过使用关于估计状态的信息来管理电池10。例如，BMS 20估计和管理电池10的状态信息，诸如关于电池10的充电状态(SOC)、健康状态(SOH)、最大输入/输出电力允许量和输出电压。此外，BMS 20通过使用状态信息来控制电池10的充电或放电，并且还可以通过使用状态信息来估计电池10的更换时间。
此外，BMS 20可以包括下面要描述的电池平衡装置100(图2)。电池平衡装置100可以响应于被包括在电池100中的电池单元的电压值来控制平衡单元的操作，该平衡单元执行电池单元的平衡，并且在平衡单元的非操作期间根据电池单元的电压值是否超过预定第一参考电压值对电池单元放电，从而防止电池单元被过充电。
ECU 30是控制电动车辆1的状态的电子控制设备。例如，ECU 30基于诸如加速器、刹车和速度的信息确定扭矩程度，并且控制输出电动机50的输出以使其与转矩信息相匹配。
此外，ECU 30将控制信号发送到逆变器40，使得电池10基于由BMS 20接收到的电池10的诸如SOC和SOH的状态信息可充电或可放电。
逆变器40基于ECU 30的控制信号允许电池10充电或放电。
电动机50基于通过使用电池10的电能从ECU 30发送的控制信息(例如，扭矩信息)驱动电动车辆1。
图2是图示根据本发明的示例性实施例的电池平衡装置的配置的框图，并且图3是图示根据本发明的示例性实施例的电池平衡装置的特定配置的示例的图。
参考图2和图3，电池平衡装置100可以包括平衡单元110、控制单元120和自放电单元130。图1和2中图示的电池平衡装置100是示例性实施例，并且其组成元件不限于图2和3中所图示的示例性实施例，并且必要时可以添加、更改或者删除。
电池平衡装置100可以被包括在电池10中，该电池10包括电池单元11；和BMS 20，其基于电池单元11中的每一个的电压、电流以及温度计算SOC、SOH以及最大输入/输出电力允许量，并且通过使用所计算的电池单元11的状态信息(SOC、SOH和最大输入/输出电力允许量)控制电池单元11的充电或放电。
平衡单元110可以用作平衡电池10中包括的电池单元11中充电的电压。更具体地，当电池单元11的电压值等于或大于预定第二参考电压值时，平衡单元110可以执行对电池单元11放电的被动平衡。为此，平衡单元110可以包括开关元件111和平衡电阻器112。
这里，开关元件111可以是金属氧化物硅场效应晶体管(MOS FET)器件、绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件和双极结晶体管(BJT)器件当中的任何一种。
当开关元件111是MOS FET器件时，除了平衡电阻器112之外，平衡单元110还可以包括用于调节MOS FET器件的栅极电压的栅极电阻器113。
在下文中，将描述其中开关元件111是MOS FET器件的平衡单元110。
开关元件111可以包括漏极端子D、栅极端子G和源极端子S，并且漏极端子D和栅极端子G可以分别连接到平衡电阻器112和栅极电阻器113。
当阈值电压或更大的栅极电压被施加到开关元件111的栅极端子G时，漏极端子D和源极端子S被电导通，使得电流可以流入与漏极端子D连接的平衡电阻器112。
在这种情况下，流入平衡电阻器112的电流可以是从电池单元11输出的电流，以便于根据具有被施加到电池单元11的预定第一参考电压值或更大的电压的施加执行电池单元11的平衡。
即，开关元件111被导通，并且从电池单元11输出的电流流入平衡电阻器112，从而电池单元11被放电，并且因此，可以减少用具有预定第一参考电压值或更大的电压充电的电池单元11的电压值。
同时，为了响应于开关元件111的阈值电压调整施加到栅极端子G的栅极电压，可以改变栅极电阻器113的电阻值。
控制单元120可以用作响应于电池单元11的电压值控制平衡单元110的操作。
更具体地，当电池单元11的电压值等于或大于预定第二参考电压值时，控制单元120可以将具有开关元件111的阈值电压或更大的栅极电压施加到栅极端子G并且将开关元件111的操作状态控制为导通。这里，预定第二参考电压值可以是用作用于确定是否执行电池单元11的平衡的参考的电压值。
因此，控制单元120允许电流流入与开关元件111的漏极端子D连接的平衡电阻器112，从而使电池单元11放电。
与此相反，当电池单元11的电压值小于预定第二参考电压值时，控制单元120可以将开关元件111的操作状态控制为截止并且可以不对电池单元11放电。
在这种情况下，控制单元120可以是微控制器单元(MCU)和专用集成电路(ASIC)中的任意一种。
同时，当在控制单元120和开关元件111之间产生通信问题或者在控制单元120中产生错误并且错误地操作控制单元120时，即使电池单元11的电压值等于或大于预定第二参考电压值，开关元件111不可以从截止被切换到导通。
此外，当开关元件111劣化时，即使电池单元11的电压值等于或大于预定第二参考电压值，开关元件111可以不从截止切换到导通。
因此，在电池单元11中对等于或大于预定第二参考电压值的电压进行充电，从而在电池单元11之间产生不平衡。
当不操作平衡单元110时，自放电单元130并联地连接到开关元件111，使得施加电池单元11的电压的反向电压，并且可以用作根据电池单元11的电压是否超过预定第一参考电压值对电池单元11放电。
更具体地，当开关元件111未被操作且未被接通，并且即使在电池单元11中充电等于或大于预定第二参考电压值的电压，电池单元11也没有被放电时，当电池单元11的电压值超过预定第一参考电压值时，自放电单元130可以对电池单元11放电。
与此相反，当电池单元11的电压值等于或小于预定第一参考电压值时，自放电单元130可以不对电池单元11放电。
这里，预定第一参考电压值可以是大于预定第二参考电压值的电压值。
同时，自放电单元130可以是齐纳二极管和瞬态电压抑制(TVS)二极管中的任何一种，并且当自放电单元130是齐纳二极管时，预定第一参考电压值可以是是齐纳二极管的击穿电压值。
将详细地描述当自放电单元130是齐纳二极管时使电池单元11放电的过程。
当开关元件111未操作且未接通，并且即使在电池单元11中充电等于或大于预定第二参考电压值的电压，电池单元11没有被放电时，可能以超过预定第二参考电压值的预定第一参考电压值对电池单元11的电压充电。
因此，超过击穿电压值的第一参考电压值的电压被施加到作为齐纳二极管的自放电单元130的两端，并且因此，齐纳二极管被电导通并且电流流入平衡电阻器112，从而使电池单元11放电。
然后，通过电池单元11的放电减小电池单元11的电压，使得具有预定第一参考电压值或更小的电压可以在电池单元11中充电。
因此，击穿电压值或更小的电压被施加到作为齐纳二极管的自放电单元130的两端并且齐纳二极管被切断，使得可以停止电池单元11的放电。
因此，在根据本发明的电池平衡装置100中，即使执行电池单元11的平衡的开关元件111和控制开关元件11的控制单元120被错误地操作，当电池单元11的电压值超过预定第一参考电压值时，由自放电单元130对电池单元11放电，从而防止电池单元11被过充电。
图4是用于描述根据本发明的示例性实施例的电池平衡方法的流程图。
参考图4，BMS测量施加到电池单元的电压(S601)，并且控制单元响应于测量到的电池单元的电压控制开关元件的操作状态以执行电池单元的平衡。
更具体地，当电池单元的电压等于或大于预定第二参考电压值时(S402)，控制单元将开关元件的阈值电压或更大的栅极电压施加到栅极端子，并且将开关元件的操作状态变成导通(S403)。因此，电流流入平衡电阻器并且电池单元被放电。与此相反，当电池单元的电压小于预定第二参考电压值时(S402)，控制单元不改变开关元件的操作状态并返回到开始。
在控制单元或切换元件被错误地操作的情况下，当电池单元没有被平衡即在操作S401至S403中未放电时，使得电池单元的电压增加到预定第二参考电压值或更大并且超过预定第一参考电压值(S404)，将与开关元件并联连接的自放电单元的操作状态变成导通(S405)。因此，电流流入平衡电阻器，使得电池单元被放电(S406)，并且电池单元的电压降低到预定第一参考电压值或更小。
因此，在根据本发明的电池平衡方法中，即使执行电池单元的平衡的开关元件和控制开关元件的控制单元被错误地操作，当电池单元的电压值超过预定第一参考电压值时，电池单元通过自放电单元被放电，从而防止电池单元被过充电。
尽管已经参考示例性实施例描述本发明，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离在随附的权利要求中描述的本发明的精神和领域的情况下，可以在范围内对本发明进行各种修改和改变。

Claims (12)

1.一种用于平衡电池的装置，所述装置包括：
平衡单元，所述平衡单元与被包括在电池中的电池单元连接并且执行所述电池单元的平衡；
控制单元，所述控制单元响应于所述电池单元的电压值来控制所述平衡单元的操作；以及
自放电单元，所述自放电单元在所述平衡单元的非操作期间，根据所述电池单元的电压值是否超过预定第一参考电压值，来对所述电池单元放电。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述平衡单元包括：
平衡电阻器，所述平衡电阻器消耗所述电池单元的电力；和
开关元件，所述开关元件传导或阻断从所述电池单元流向所述平衡电阻器的电流。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，当所述电池单元的所述电压值等于或大于预定第二参考电压值时，所述控制单元将所述开关元件切换成导通并且允许电流流入所述平衡电阻器以对所述电池单元放电。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述自放电单元与所述开关元件并联连接，使得所述电池单元的电压作为反向电压被施加，并且当所述开关元件未被操作，而使得所述电池单元的所述电压值超过所述第一参考电压值时，所述自放电单元将从所述电池单元流动的电流电传导到所述平衡电阻器以对所述电池单元放电。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述自放电单元是齐纳二极管和瞬态电压抑制(TVS)二极管中的任何一种。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，当所述自放电单元是齐纳二极管时，所述第一参考电压值是所述齐纳二极管的击穿电压值。
7.一种平衡电池的方法，所述方法包括：
提供，其与被包括在电池中的电池单元连接，以执行所述电池单元的平衡；
响应于所述电池单元的电压值，由控制单元来控制所述平衡单元的操作；以及
在所述平衡单元的非操作期间，根据所述电池单元的电压值是否超过预定第一参考电压值，由自放电单元对所述电池单元进行放电。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述提供包括：
提供消耗所述电池单元的电力的平衡电阻器；和
提供开关元件，所述开关元件传导或阻挡从所述电池单元流向所述平衡电阻器的电流。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述控制包括，当所述电池单元的所述电压值等于或大于预定第二参考电压值时，由所述控制单元将所述开关元件切换成导通，并且允许电流流入所述平衡电阻器以对所述电池单元放电。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述放电包括，当所述开关元件未被操作，而使得所述电池单元的电压值超过所述第一参考电压值时，由与所述开关元件并联连接的所述自放电单元进行电传导，使得所述电池单元的电压作为反向电压被施加，所述电流从所述电池单元流向所述平衡电阻器以对所述电池单元放电。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述自放电单元是齐纳二极管和瞬态电压抑制(TVS)二极管中的任何一种。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，当所述自放电单元是齐纳二极管时，所述第一参考电压值是所述齐纳二极管的击穿电压值。
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