CN109103949A - 电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电池管理系统，其包括具有正极输出端和负极输出端的电池模块。电池模块包括并联连接在正极输出端和负极输出端之间的至少两个支路。至少两个支路中的每一个包括串联连接在正极输出端和负极输出端之间的至少两个电池单元，每一个电池单元包括电池、用于防止电池发生过放的限流装置、以及当电池发生故障时用于旁路电池的旁路装置。

Description

电池管理系统
技术领域
本发明大体涉及电池管理领域，尤其涉及电池管理系统。
背景技术
电池被使用在许多应用中以将能量提供给负载。典型的现有电池通常由多个串联连接的单元组成以形成电池模块。单元被累计地使用在电池中以提供期望的输出电压。根据负载的功率需求和可用的内部空间，有时使用多个电池。
然而，现有的电池部署具有一些操作缺陷。例如，从电池中拉出的电流可能会超出电池的设计电流限度而导致电池的过放，因此，这将无疑会降低电池的使用寿命。
因此，有鉴于此，有必要提供一种改进的电池管理系统以解决如上所述的至少一个问题。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种电池管理系统。所述电池管理系统包括具有正极输出端和负极输出端的电池模块。所述电池模块包括并联连接在所述正极输出端和所述负极输出端之间的至少两个支路。所述至少两个支路中的每一个包括串联连接在所述正极输出端和所述负极输出端之间的至少两个电池单元。每一个电池单元包括电池、用于防止所述电池发生过放的限流装置、以及当所述电池发生故障时用于旁路所述电池的旁路装置。
本发明的另一个方面在于提供一种电池管理系统。所述电池管理系统包括多个电池单元。所述多个电池单元中的每一个包括电池、用于防止所述电池发生过放的限流装置、以及当所述电池发生故障时用于旁路所述电池的旁路装置。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：
图1是根据本发明的一个具体实施方式的电池管理系统的示意图；及
图2是根据本发明的另一个具体实施方式的电池管理系统的示意图。
具体实施方式
为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。此外，指示特定位置的术语，例如“顶”、“底”、“左”及“右”等，仅仅只是参考特定附图所做的描述。本发明所披露的各个具体实施方式可以是以本发明附图所示的不同方式放置。因此，在本文中所使用的位置术语并不应局限于特定具体实施方式所示的位置。
图1示出根据本发明的一个具体实施方式的电池管理系统100的示意图。如图1所示，根据本发明的一个具体实施方式的电池管理系统100可以包括电池模块1。电池模块1具有正极输出端“+”和负极输出端“-”。
在一种实现方式中，电池模块1可以包括至少两个支路11。至少两个支路11并联连接在正极输出端“+”和负极输出端“-”之间。七个支路11作为一个示意性示例被示出在图1中。
至少两个支路11中的每一个可以包括至少两个电池单元12。至少两个电池单元12串联连接在正极输出端“+”和负极输出端“-”之间。在本具体实施方式中，在每一个支路11中的电池单元12的数量在图1中被示出为两个，然而，本发明的电池单元12的数量并不应局限于此。
每一个电池单元12包括电池13、限流装置14及旁路装置。限流装置14可以防止电池13发生过放。例如，限流装置14可以包括与电池13串联连接的保险丝14。当电池13处于故障状态时，旁路装置可以旁路电池13。旁路装置例如可以包括第一二极管D1。第一二极管D1与保险丝14和电池13并联连接。例如，当其中一个电池13出现开路故障时，则开路的电池13的阻抗将变得相当大。在这种情况下，第一二极管D1被触发以旁路该开路的电池13。电流将流过第一二极管D1，该开路的电池13被旁路。每一个电池单元12还可以包括第一电阻R1，第一电阻R1与保险丝14和电池13并联连接并被配置用于单元电压均衡。
包括保险丝14的限流装置和包括第一二极管D1的旁路装置可以在电池13的不同故障情况下保证电池运行的连续性和冗余。第一电阻R1可以确保串联连接的电池单元12的电压均衡。
此外，每一个支路11还可以包括第二二极管D2。在每一个支路11中，第二二极管D2与至少两个电池单元12串联连接。第二二极管D2可以防止对应的支路11的反接。
继续参照图1所示，在另一个实现方式中，电池管理系统100的电池模块1可以包括多个电池单元12。多个电池单元12中的每一个包括电池13、用于防止电池13发生过放的限流装置14、以及当电池13发生故障时用于旁路电池13的旁路装置。限流装置14例如可以包括与电池13串联连接的保险丝14。旁路装置例如可以包括与保险丝14和电池13并联连接的第一二极管D1。
多个电池单元12包括至少两个并联连接的电池单元12和至少两个串联连接的电池单元12。
每一个电池单元12还可以包括第一电阻R1，第一电阻R1与保险丝14和电池13并联连接。每一个电池单元12的第一电阻R1可以确保串联连接的至少两个电池单元12的电压均衡。
电池管理系统100还可以包括用于防止并联连接的至少两个电池单元12反接的至少两个第二二极管D2。
图2示出根据本发明的另一个具体实施方式的电池管理系统200的示意图。如图2所示，根据本发明的另一个具体实施方式的电池管理系统200可以包括如图1所示的电池模块1，并且还可以包括自驱动匹配电路2。电池模块1通过自驱动匹配电路2连接到放电电路3，放电电路3在本具体实施方式中例如为升压转换器。然而，放电电路3并不应局限于升压转换器，其也可以包括降压转换器、降升压转换器或其他转换器。自驱动匹配电路2可以被使用于电池模块1的过放控制。当电池模块1处于正常操作时，则来自电池模块1的放电电流流过自驱动匹配电路2到达放电电路3，当电池模块1处于过放状态时，则自驱动匹配电路2开路，没有电流从电池模块1流过自驱动匹配电路2。
自驱动匹配电路2可以包括第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一晶体管Q1和第二晶体管Q2。第二电阻R2和第三电阻R3串联连接在正极输出端“+”和负极输出端“-”之间。第一晶体管Q1为NPN型晶体管并具有体二极管D3。例如，第一晶体管Q1为N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)(简称为NMOS)。第一晶体管Q1的栅极g与第二电阻R2和第三电阻R3的连接点连接。第一晶体管Q1的源极s连接到负极输出端“-”，且第一晶体管Q1的源极s接地。第四电阻R4连接在正极输出端“+”和第一晶体管Q1的漏极d之间。第二晶体管Q2为PNP型晶体管并具有体二极管D4。例如，第二晶体管Q2为P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(简称为PMOS)。第二晶体管Q2的栅极g与第一晶体管Q1的漏极d连接，第二晶体管Q2的源极s与正极输出端“+”连接，且第二晶体管Q2的漏极d连接到放电电路3。第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的类型并不应局限于此。在另一个具体实施方式中，第一晶体管Q1和第二晶体管Q2可以是硅型、氮化镓或碳化硅型N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)和P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
以下，将结合图2详细解释本发明的自驱动匹配电路2是如何实现对于电池模块1的过放保护的。
继续参照图2，第一晶体管Q1为NMOS，第二晶体管Q2为PMOS，第二电阻R2和第三电阻R3构成分压器。当由电池模块1提供的电压(被称为电池电压VIN)下降时，A1点的电压，即第一晶体管Q1的栅极电压VG1将降低。随着电池电压VIN的进一步降低，当第一晶体管Q1的栅极电压VG1将下降到低于第一晶体管Q1的的阈值电压VGS(th)1，则第一晶体管Q1关断。A2点的电压，即第二晶体管Q2的栅极电压VG2将通过第四电阻R4逐步地增大。当第二晶体管Q2的栅极电压VG2与电池电压VIN之间的压差大于第二晶体管Q2的阈值电压VGS(th)2，即(VG2-VIN)>VGS(th)2时，则第二晶体管Q2关断。
因此，当电池电压VIN低于电池模块1的保护电压VUCP时，则第一晶体管Q1和第二晶体管Q2都关断。电池模块1与升压转换器3断开连接。电池模块1不能输出电池电压VIN。
因此，自驱动匹配电路2可以防止电池13发生过放或者提供低压保护。通过选择合适的控制参数，电池13可以工作在健康且耐久的状态下。
本发明的包括保险丝的限流装置14和自驱动匹配装置2可以为电池模块1实现有效的过放保护。
电池管理系统100、200可以使用坚固的机械包装，这种坚固的机械包装设计能够使得电池管理系统100、200应用在像高温、高压和高震动等恶劣的环境中。
本发明的电池管理系统100、200能够使得电池13特别是在恶劣的环境中有效、鲁棒且长期地运行。本发明的电池管理系统100、200可以具有高效率、鲁棒结构、简单电路、低功耗且紧凑的尺寸。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (15)

1.一种电池管理系统，其包括：
电池模块，其具有正极输出端和负极输出端，并且包括：
至少两个支路，其并联连接在所述正极输出端和所述负极输出端之间，其中，所述至少两个支路中的每一个包括串联连接在所述正极输出端和所述负极输出端之间的至少两个电池单元，每一个电池单元包括电池、用于防止所述电池发生过放的限流装置、以及当所述电池发生故障时用于旁路所述电池的旁路装置。
2.如权利要求1所述的电池管理系统，其中，所述限流装置包括与所述电池串联连接的保险丝，所述旁路装置包括与所述保险丝和所述电池并联连接的第一二极管。
3.如权利要求2所述的电池管理系统，其中，每一个电池单元还包括与所述保险丝和所述电池并联连接并被配置用于单元电压均衡的第一电阻。
4.如权利要求1所述的电池管理系统，其中，每一个支路还包括与所述至少两个电池单元串联连接的第二二极管。
5.如权利要求1所述的电池管理系统，其还包括：
用于所述电池模块的过放控制的自驱动匹配电路，其中，所述电池模块通过所述自驱动匹配电路连接到放电电路，当所述电池模块处于正常操作时，则来自所述电池模块的放电电流流过所述自驱动匹配电路到达所述放电电路，当所述电池模块处于过放状态时，则所述自驱动匹配电路开路，没有电流从所述电池模块流过所述自驱动匹配电路。
6.如权利要求5所述的电池管理系统，其中，所述自驱动匹配电路包括：
第二电阻和第三电阻，所述第二电阻和所述第三电阻串联连接在所述正极输出端和所述负极输出端之间；
第一晶体管，其为NPN型晶体管，其中，所述第一晶体管的栅极与所述第二电阻和所述第三电阻的连接点连接，且所述第一晶体管的源极连接到所述负极输出端；
第四电阻，其连接在所述正极输出端和所述第一晶体管的漏极之间；及
第二晶体管，其为PNP型晶体管，其中，所述第二晶体管的栅极与所述第一晶体管的所述漏极连接，所述第二晶体管的源极与所述正极输出端连接，且所述第二晶体管的漏极连接到所述放电电路。
7.如权利要求6所述的电池管理系统，其中，所述第一晶体管的所述源极接地。
8.一种电池管理系统，其包括：
多个电池单元，每一个电池单元包括电池、用于防止所述电池发生过放的限流装置、以及当所述电池发生故障时用于旁路所述电池的旁路装置。
9.如权利要求8所述的电池管理系统，其中，所述限流装置包括与所述电池串联连接的保险丝，所述旁路装置包括与所述保险丝和所述电池并联连接的第一二极管。
10.如权利要求9所述的电池管理系统，其中，每一个电池单元还包括与所述保险丝和所述电池并联连接并被配置用于单元均衡的第一电阻。
11.如权利要求8所述的电池管理系统，其中，所述多个电池单元包括至少两个并联连接的电池单元和至少两个串联连接的电池单元。
12.如权利要求11所述的电池管理系统，其还包括：
至少两个第二二极管，其用于防止所述至少两个并联连接的电池单元的反接。
13.如权利要求8所述的电池管理系统，其还包括：
自驱动匹配电路，其连接在所述电池模块与放电电路之间，其中，当所述电池模块处于正常操作时，则来自所述电池模块的放电电流流过所述自驱动匹配电路到达所述放电电路，当所述电池模块处于过放状态时，则所述自驱动匹配电路开路，没有电流从所述电池模块流过所述自驱动匹配电路。
14.如权利要求13所述的电池管理系统，其中，所述自驱动匹配电路包括：
第二电阻和第三电阻，所述第二电阻和所述第三电阻串联连接在所述正极输出端和所述负极输出端之间；
第一晶体管，其为NPN型晶体管，其中，所述第一晶体管的栅极与所述第二电阻和所述第三电阻的连接点连接，且所述第一晶体管的源极连接到所述负极输出端；
第四电阻，其连接在所述正极输出端和所述第一晶体管的漏极之间；及
第二晶体管，其为PNP型晶体管，其中，所述第二晶体管的栅极与所述第一晶体管的所述漏极连接，所述第二晶体管的源极与所述正极输出端连接，且所述第二晶体管的漏极连接到所述放电电路。
15.如权利要求14所述的电池管理系统，其中，所述第一晶体管的所述源极接地。
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