CN110226258B - 电池组和包括该电池组的电力系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种电池组和包括该电池组的电力系统。电池组包括：具有正极端子和负极端子的电池模块；第一连接器，具有连接到正极端子的第一电源端子、连接到负极端子的第二电源端子、和第一辅助端子；第一电阻器，具有电连接到地的第一端和电连接到第一辅助端子的第二端；安装在负极端子和第二电源端子之间的切换单元；以及控制单元。控制单元被配置为根据第一电阻器的电压而在唤醒状态和休眠状态中的任何一个状态下操作。

Description

电池组和包括该电池组的电力系统
技术领域
本公开涉及电池组和包括该电池组的电力系统，更具体地，涉及用于使用分压规则控制与外部设备的电连接的电池组和包括该电池组的电力系统。
本申请要求于2017年10月18日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2017-0135473的优先权，其公开内容通过引用结合于此。
背景技术
最近，对笔记本电脑、摄像机和移动电话等便携式电子产品的需求急剧增加，并且随着电动汽车、储能蓄电池、机器人和卫星的迅猛发展，对可以反复充电的高性能二次电池进行了大量研究。
目前，市售的二次电池包括镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池、锂二次电池等，其中，锂二次电池具有很少或没有记忆效应，因此它们具有自由充放电、自放电率极低、能量密度高的优点，从而比起镍基二次电池受到更多的关注。
电池组可以可拆卸地连接到诸如无线清洁器这样的无线设备的主体，并且可以提供高输出电压的电池组用于增加电动设备的输出功率。要对电池组进行充电和放电，就需要在电池组的高压侧或低压侧安装充电/放电开关。当充电/放电开关安装在电池组的高压侧时，需要电荷泵(charge pump)和栅极驱动器(gate driver)，因此制造成本高于充电/放电开关安装在电池组的低压侧时所需的制造成本。
同时，在安装在电池组的低压侧的充电/放电开关被关闭的情况下，当电池组耦接到电动设备的主体时，在电池组和电动设备的主体之间存在接地电压不匹配问题。因此，不能正常地进行电池组与电动设备的主体之间的通信，并且难以适当地接通充电/放电开关。为了解决这个问题，当充电/放电开关始终保持接通状态时，电池组的两个电源端子无意中电短路，并且存在尖峰风险。
发明内容
技术问题
本公开旨在解决上述问题，并且因此本公开涉及提供一种可以通过使用分压规则确定与外部设备的电耦接是否正常来控制安装在低压侧的充电/放电开关的电池组和包括该电池组的电力系统。
通过以下描述将理解本公开的这些和其他目的和优点，并且本公开的实施方式将显而易见。另外，将容易理解的是，本公开的目的和优点通过所附权利要求及其组合中阐述的方式来实现。
技术方案
用于实现上述目的的本公开的各种实施方式如下。
根据本公开的实施方式的电池组包括：电池模块，具有正极端子和负极端子；第一连接器，具有连接到所述正极端子的第一电源端子、连接到所述负极端子的第二电源端子以及第一辅助端子；第一电阻器，具有电连接到地的第一端和电连接到所述第一辅助端子的第二端；切换单元，安装在所述负极端子和所述第二电源端子之间；和控制单元，电连接到所述电池模块、所述切换单元和所述第一电阻器的所述第二端。控制单元被配置为根据所述第一电阻器两端的电压而在唤醒状态和休眠状态中的任何一个状态下操作。
根据一个方面，电池组还可包括第二电阻器，其电连接在第一电阻器的第二端和第一辅助端子之间。
根据另一方面，控制单元可包括：子控制模块，其电连接到第一电阻器的第二端并配置为测量电池模块两端的电压；和主控制模块，被配置为从子控制模块接收指示电池模块两端的电压的电压信号，并基于所述电压信号将控制信号发送到子控制模块。
在这种情况下，当第一电阻器两端的电压处于阈值范围内时，子控制模块可以向主控制模块提供工作功率。当从子控制模块提供工作功率时，主控制模块可以从休眠状态切换到唤醒状态。当主控制模块处于唤醒状态而第一电阻器两端的电压在阈值范围之外时，主控制模块可以向子控制模块发送关闭命令。响应于来自主控制模块的关闭命令，子控制模块可以停止向主控制模块提供工作功率。
或者，当所述主控制模块在所述唤醒状态下操作而第一电阻器两端的电压在所述阈值范围之外时，子控制模块可以停止向主控制模块提供工作功率。
根据又一方面，切换单元可包括充电开关和与充电开关串联连接的放电开关。当处于休眠状态时，控制单元可以停止输出用于充电开关和放电开关的切换信号。
根据本公开另一实施例的电力系统包括电池组以及可连接到电池组和可从电池组拆卸的外部设备。外部设备包括第二连接器，第二连接器具有可连接到第一电源端子的第三电源端子、可连接到第二电源端子的第四电源端子和可连接到第一辅助端子的第二辅助端子。第三电源端子和第二辅助端子可以彼此电连接。
根据一个方面，外部设备还可以包括电连接在第三电源端子和第二辅助端子之间的第三电阻器。
根据另一方面，外部设备还可包括电连接在第三电源端子和第四电源端子之间的保护电容器。
根据又一方面，第二连接器可以被配置为当耦接到第一连接器时，比所述第二电源端子和所述第四电源端子之间的电连接更早地具有在所述第一电源端子和所述第三电源端子之间的电连接以及在所述第一辅助端子和所述第二辅助端子之间的电连接。
有益效果
根据本公开的至少一个实施方式，可以通过使用分压规则确定是否正常地与外部设备进行电耦接来控制安装在低压侧的充电/放电开关。
另外，根据本公开的至少一个实施方式，仅当与预设的外部设备耦接时，才可以接通安装在低压侧的充电/放电开关。因此，即使电池组的两个电源端子被某个导体无意中连接，充电/放电开关也保持在关闭状态以防止诸如用户的电击或尖峰之类的危险。
本公开的效果不限于上述效果，并且本领域技术人员将从所附权利要求中清楚地理解本文未提及的其他效果。
附图说明
附图示出了本公开的优选实施方式，并且与以下详细描述一起用于提供对本公开的技术方面的进一步理解，并且本公开不应被解释为限于附图。
图1至图3是示出根据本公开的实施方式的电力系统的功能架构的图。
图4和图5是示出图1至图3中所示的控制单元的详细配置的图。
图6是示出图1至图3中所示的第一连接器和第二连接器的耦接结构的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选实施方式。在描述之前，应当理解，说明书和所附权利要求中使用的术语或词语不应被解释为限于一般和词典含义，而是根据允许发明人适当地定义术语以获得最佳解释的原则，基于对应于本公开的技术方面的含义和概念来解释。
因此，这里描述的实施方式和附图中示出的图示仅仅是本公开的最优选实施方式，但是并不旨在完全描述本公开的技术方面，因此应该理解的是，可以在提交申请时做出各种其他等同物和变型。
另外，在描述本公开时，当认为相关已知元件或功能的详细描述使得本公开的关键主题不明确时，在此省略详细描述。
包括诸如“第一”、“第二”等的序数的术语可用于在各种元件中区分一个元件与另一元件，但不旨在通过术语限制元件。
除非上下文另有明确说明，否则将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”或“包含”指定所述元件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他元件。另外，这里使用的术语<控制单元>指的是至少一个功能或操作的处理单元，并且可以通过硬件或软件单独或组合实现。
另外，在整个说明书中，将进一步理解，当一个元件被称为“连接到”另一个元件时，它可以直接连接到另一个元件，或者可以存在中间元件。
图1至图3是示出根据本公开的实施方式的不同电力系统1的功能架构的图。
首先，参考图1，电力系统1包括电池组10和外部设备100。
电池组10包括电池模块20、第一连接器30、电阻器R1、切换单元40和控制单元50。
电池模块20可包括至少一个电池单元。当电池模块20包括彼此电连接的多个电池单元时，多个电池单元可以串联、并联或串并联连接。电池模块20具有正极端子和负极端子。电池模块20的正极端子通过第一电力线L1电连接到第一连接器30。电池模块20的负极端子通过第二电力线L2电连接到第一连接器30。
电池组10的高压侧可以指的是通过第一电力线L1连接的电池模块20的正极端子和第一连接器30之间的部分。电池组10的低压侧可以指的是通过第二电力线L2连接的电池模块20的负极端子和第一连接器30之间的部分。
第一连接器30包括第一电源端子P1、第二电源端子P2和第一辅助端子Pa。第一电源端子P1通过第一电力线L1连接到电池模块20的正极端子。第二电源端子P2通过第二电力线L2连接到电池模块20的负极端子。如下所述，第一辅助端子Pa连接到电阻器R1。第一连接器30可以具有暴露结构，以从外部用肉眼看到至少一部分的第一电源端子P1、第二电源端子P2和第一辅助端子Pa，并且第一连接器30可以物理地耦接到外部设备100中包括的第二连接器110或与该第二连接器110分离。
电阻器R1具有第一端和第二端。电阻器R1是两个或更多个电阻器中的一个，用于将施加于第一电源端子P1和第二电源端子P2之间的电池组10两端的电压(以下称为“电池组电压”)分压。电阻器R1的第一端电连接到地。电阻器R1的第二端电连接到第一辅助端子Pa。
切换单元40安装在电池模块20的负极端子和第二电源端子P2之间。也就是说，切换单元40安装在对应于电池组10的低压侧的第二电力线L2上。切换单元40包括串联连接的充电开关41和放电开关42。充电开关41和放电开关42中的每一个可以包括并联连接的场效应晶体管(FET)和寄生二极管。每个FET包括漏极、源极和栅极。如下所述，每个FET的栅极可以连接到控制单元50，以从控制单元50接收切换信号。
可以连接充电开关41的FET的漏极和源极以提供充电电流通道。相反，可以连接放电开关42的FET的漏极和源极以提供放电电流通道。
充电开关41的寄生二极管可以在放电电流方向上连接，并且放电开关42的寄生二极管可以在充电电流方向上连接。因此，当充电开关41的FET处于截止状态时，可以仅提供通过充电开关41的寄生二极管的放电电流通道，并且当放电开关42的FET处于截止状态时，可以仅提供通过放电开关42的寄生二极管的充电电流通道。
控制单元50电连接到电池模块20、第一连接器30、电阻器R1和切换单元40。控制单元50被配置为检测电阻器R1两端的电压，即在电阻器R1的第一端和第二端之间施加的电压(以下称为“分压”)，并且响应于检测到的分压而在唤醒状态和休眠状态之一中操作。也就是说，控制单元50被配置为当电池组10与外部设备100分离时总是在休眠状态下操作，并且当电池组10电耦接到外部设备100时从休眠状态切换到唤醒状态。
在休眠状态下，控制单元50将充电开关41和放电开关42保持在关闭状态。也就是说，在控制单元50处于休眠状态时，控制单元50可以停止输出用于每一充电开关41和放电开关42的切换信号。
在唤醒状态下，控制单元50可以根据与外部设备100的通信来控制充电开关41和放电开关42中的至少一个进入接通状态。下面将参考图4和图5更具体地描述控制单元50的配置。
外部设备100可以是充电器或电负载(例如，清洁器的电机驱动设备)。在下文中，为了帮助理解，将电负载称为“电动设备主体”。电池组10可以可拆卸地耦接到外部设备100。或者，电池组10可以嵌入电动设备主体中。
外部设备100包括第二连接器110和电阻器R3，并且可选地，还可以包括保护电容器120。当外部设备100是清洁器时，外部设备100还可以包括驱动电路130。
第二连接器110包括第三电源端子P3、第四电源端子P4和第二辅助端子Pb，并且可以物理地耦接到第一连接器30或与第一连接器30分离。当第一连接器30和第二连接器110彼此物理耦接时，第三电源端子P3可以电连接到第一电源端子P1，第四电源端子P4可以电连接到第二电源端子P2，第二辅助端子Pb可以电连接到第一辅助端子Pa。
电阻器R3具有第一端和第二端。电阻器R3电连接在第三电源端子P3和第二辅助端子Pb之间。具体地，电阻器R3的第一端电连接到第二辅助端子Pb，电阻器R3的第二端电连接到第三电源端子P3。因此，当第一连接器30和第二连接器110彼此物理耦接时，电阻器R1和电阻器R3串联电连接，并且用作分压器。也就是说，第三电源端子P3和地之间的电压可以被电阻器R1和电阻器R3分压。
保护电容器120具有第一端和第二端。保护电容器120可以电连接在第三电源端子P3和第四电源端子P4之间。具体地，保护电容器120的第一端可以电连接到第四电源端子P4，并且保护电容器120的第二端可以电连接到第三电源端子P3。保护电容器120起到防止施加在第三电源端子P3和第四电源端子P4之间的电压由于第一连接器30和第二连接器110的物理耦接而突然变化的作用。
随后，参考图2，与图1相比的不同之处在于，电池组10还包括电阻器R2，并且省略了外部设备100的电阻器R3。在这种情况下，第二连接器110的第三电源端子P3和第二辅助端子Pb可以直接或通过导体彼此电连接。当第一连接器30和第二连接器110彼此物理耦接时，电阻器R1和电阻器R2串联电连接并用作分压器。
随后，参考图3，与图1和图2的不同之处在于，电池组10包括电阻器R2，且外部设备100包括电阻器R3。当第一连接器30和第二连接器110彼此物理耦接时，电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3串联电连接并用作分压器。
图4和图5是示出图1至图3中所示的控制单元50的详细配置的图。
首先，参考图4，控制单元50包括主控制模块51和子控制模块52。主控制模块51和子控制模块52中的每一个可以共同电连接到电阻器R1的第二端，以独立地检测电阻器R1两端的电压。
子控制模块52被配置为测量电池模块20两端的电压，并将指示测量的模块电压的电压信号传输到主控制模块51。这里，模块电压可以指电池模块20的正极端子和负极端子之间的电压或每个电池单元的电压。为方便起见，子控制模块52可以称为“模拟前端”。
主控制模块51可操作地耦接到子控制模块52。主控制模块51可以选择性地包括本领域已知的处理器、专用集成电路(ASIC)、芯片组、逻辑电路、寄存器、通信调制解调器和数据处理设备，以执行各种控制逻辑。可以组合由主控制模块51执行的各种控制逻辑中的至少一种，并且组合的控制逻辑可写入计算机可读编码系统中并存储在计算机可读记录介质中。记录介质不限于特定类型，并且包括可由计算机中包括的处理器访问的任何类型。例如，记录介质可以包括从ROM、RAM、寄存器、CD-ROM、磁带、硬盘、软盘和光学数据记录设备组成的组中选择的至少一个。
主控制模块51被配置为基于来自子控制模块52的电压信号或来自外部设备100的命令产生切换信号以控制充电开关41和放电开关42中的至少一个为接通状态。
具体地，当第一连接器30与第二连接器110电分离时，电阻器R1的电压将为0V，因此控制单元50可以在休眠状态下操作。当第一连接器30的第一电源端子P1和第一辅助端子Pa通过第二连接器110或某个导体在某个时间点电连接时，电阻器R1的电压将高于0V。
子控制模块52可以通过周期性地或非周期性地重复检测电阻器R1的电压来确定电阻器R1的电压是否在预设阈值范围内。图1至图3中所示的每个实施方式的阈值范围可以相同或不同，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，所有阈值范围的下限将大于0V。上面参照图1至图3描述的分压器中包括的每个电阻器具有预设的电阻值，并且仅当第一连接器30耦接到第二连接器110时，电阻器R1的电压处于阈值范围内，并且当第一连接器30耦接到某个导体时，电阻器R1的电压将在阈值范围之外。
当电阻器R1两端的电压处于阈值范围内时，子控制模块52可以使用嵌入其中的电源电路向主控制模块51提供工作电压(例如，3.3V)。当从子控制模块52提供工作电压时，在休眠状态下操作的主控制模块51可以切换到唤醒状态。在唤醒状态下，主控制模块51可以通过控制切换单元40对电池模块20充电或放电。
当第一电源端子P1与第三电源端子P3分离或者第一辅助端子Pa与第二辅助端子Pb分离而同时主控制模块51由于工作电压而在唤醒状态下操作时，电池组10由外部设备100的充电和放电停止并且电阻器R1的电压降低到阈值范围之外的0V。在这种情况下，主控制模块51可以将关闭命令发送到子控制模块52。
子控制模块52响应于来自主控制模块51的关闭命令，停止向主控制模块51提供工作功率。相应地，主控制模块51从唤醒状态转换回休眠状态。
随后，参考图5，与图4不同，电阻器R1的第二端可以仅电连接到子控制模块52和主控制模块51中的子控制模块52。即，电阻器R1的第二端与主控制模块51之间的电连接可以省略。在这种情况下，从休眠状态切换到唤醒状态的过程与上面参考图4描述的相同，而从唤醒状态切换回休眠状态的过程不同于图4。具体地，在主控制模块51在唤醒状态下操作期间，子控制模块52监视电阻器R1的电压，并且当电阻器R1的电压在阈值范围之外时，在没有来自主控制模块51的关闭命令的情况下停止向主控制模块51提供工作电压。因此，主控制模块51不监视电阻器R1的电压，并且根据是否从子控制模块52提供工作电压而在休眠状态或唤醒状态下操作。
在根据图1或图3的电力系统1中，控制单元50可以根据电阻器R1两端的电压确定外部设备100是充电器还是电动设备主体。具体地，当包括在充电器中的电阻器R3的电阻值被设置为与包括在电动设备主体中的电阻器R3的电阻值不同时，当充电器耦接到电池组10时的电阻器R1电压与当电动设备主体耦接到电池组10时的电阻器R1电压不同。因此，当电阻器R1的电压在阈值范围内的第一值和第二值之间时，控制单元50可以确定电池组10耦接到充电器，并且控制充电开关41的FET进入导通状态并且控制放电开关42的FET进入截止状态。当电阻器R1的电压在阈值范围内的第三值和第四值之间时，控制单元50可以确定电池组10耦接到电动设备主体，并控制充电开关41的FET进入截止状态并且控制放电开关42的FET进入导通状态。
图6是示出图1至图3中所示的第一连接器30和第二连接器110的耦接结构的示意图。
在第一连接器30和第二连接器110的耦接中，第一电源端子P1和第三电源端子P3之间的电连接以及第一辅助端子Pa和第二辅助端子Pb之间的电连接可以比第二电源端子P2和第四电源端子P4之间的电连接更早建立。
为此，包括在第一连接器30和第二连接器110中的任何一个中的端子可以具有引脚形状，并且引脚形状的每个端子可以具有与至少一个其他端子不同的长度。
图6示出的结构中，第一连接器30的端子以引脚形状连接到第二连接器110的端子。参考图6，第一电源端子P1和第一辅助端子Pa的引脚长度可以长于第二电源端子P2的引脚长度。因此，当将第一连接器30物理耦接至第二连接器110时，第一电源端子P1和第一辅助端子Pa电连接到第三电源端子P3和第二辅助端子Pb，然后第二电源端子P2电连接到第四电源端子P4。
上文描述的本公开的实施方式不是仅通过装置和方法实现的，而是可以通过实现与本公开的实施方式的配置相对应的功能的程序或者具有记录在其上的程序的记录介质来实现，并且本领域技术人员可以从前面描述的实施例的公开内容容易地实现该实施方式。
虽然已经关于有限数量的实施方式和附图在上文中描述了本公开，但是本公开不限于此，并且对于本领域技术人员显而易见的是，可以在本公开和所附权利要求的等同范围的技术方面内对其进行各种修改和改变。
另外，在不脱离本公开的技术方面的情况下，本领域技术人员可以对前面描述的本公开内容进行许多替换、修改和改变，并且本公开不限于上述实施方式和附图，每个实施方式可以选择性地部分或全部组合以允许各种修改。
附图标记说明：
1：电力系统
10：电池组
20：电池模块
30：第一连接器
40：切换单元
41：充电开关
42：放电开关
50：控制单元
51：主控制模块
52：子控制模块
100：外部设备
110：第二连接器
120：保护电容器

Claims (9)

1.一种电力系统，包括：
电池组；和
可以连接到所述电池组和可以从所述电池组拆卸的外部设备，
其中所述电池组包括：
电池模块，具有正极端子和负极端子；
第一连接器，具有连接到所述正极端子的第一电源端子、连接到所述负极端子的第二电源端子、以及第一辅助端子；
第一电阻器，具有电连接到地的第一端和电连接到所述第一辅助端子的第二端；
切换单元，安装在所述负极端子和所述第二电源端子之间；和
控制单元，电连接到所述电池模块、所述切换单元和所述第一电阻器的所述第二端，
其中所述控制单元被配置为根据所述第一电阻器两端的电压而在唤醒状态和休眠状态中的任何一个状态下操作，
其中所述外部设备包括第二连接器，所述第二连接器具有可以连接到所述第一电源端子的第三电源端子、可以连接到所述第二电源端子的第四电源端子和可以连接到所述第一辅助端子的第二辅助端子，
其中所述第三电源端子和所述第二辅助端子彼此电连接，
其中所述第二连接器被配置为当耦接到所述第一连接器时，比所述第二电源端子和所述第四电源端子之间的电连接更早地具有在所述第一电源端子和所述第三电源端子之间的电连接以及在所述第一辅助端子和所述第二辅助端子之间的电连接。
2.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述电池组还包括：
第二电阻器，电连接在所述第一电阻器的所述第二端和所述第一辅助端子之间。
3.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述控制单元包括：
子控制模块，电连接到所述第一电阻器的所述第二端，并被配置为测量所述电池模块两端的电压；和
主控制模块，被配置为从所述子控制模块接收指示所述电池模块两端的电压的电压信号，并基于所述电压信号将控制信号发送到所述子控制模块。
4.根据权利要求3所述的电力系统，其中所述子控制模块还被配置为当所述第一电阻器两端的电压处于阈值范围内时，向所述主控制模块提供工作功率，
所述主控制模块还被配置为当所述子控制模块提供工作功率时从所述休眠状态切换到所述唤醒状态。
5.根据权利要求4所述的电力系统，其中所述主控制模块还被配置为当在所述唤醒状态下操作而所述第一电阻器两端的电压在所述阈值范围之外时，向所述子控制模块发送关闭命令，
所述子控制模块还被配置为响应于来自所述主控制模块的所述关闭命令，停止向所述主控制模块提供所述工作功率。
6.根据权利要求4所述的电力系统，其中所述子控制模块还被配置为当所述主控制模块在所述唤醒状态下操作而所述第一电阻器两端的电压在所述阈值范围之外时，停止向所述主控制模块提供所述工作功率。
7.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述切换单元包括：
充电开关；和
与所述充电开关串联连接的放电开关，
所述控制单元还被配置为在所述休眠状态下操作时停止输出用于所述充电开关和所述放电开关的切换信号。
8.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述外部设备还包括电连接在所述第三电源端子和所述第二辅助端子之间的第三电阻器。
9.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述外部设备还包括电连接在所述第三电源端子和所述第四电源端子之间的保护电容器。
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