CN110235298A - 具有通信端子隔离功能的电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池组，更具体地，涉及一种包括与连接到电池组的外部系统的通信端子绝缘功能的电池组及其控制方法。

Description

具有通信端子隔离功能的电池组
技术领域
本发明涉及一种电池组，更具体地，涉及一种包括与连接到电池组的外部系统的通信端子绝缘功能的电池组。
背景技术
通常，包括笔记本计算机、移动电话和相机的各种便携式电子设备(下文中，称为“外部系统”)配备有包括多个能够充电和放电的电池单体的电池组。
电池组设置有包括通信级的外部端子。电池组连接到外部系统，电池组中包括的电池单体通过该外部系统进行充电和放电，并与外部系统通信。
另一方面，如果电池组和外部系统通信连接的通信端子未被绝缘，则在电池组的保护操作的情况下，具体地，放电电流的流动被阻断，产生浪涌电流，并且所产生的浪涌电流可能通过通信端子流入外部系统，这可能不利地影响外部系统。
另外，这种通过通信端子以及外部系统流入电池组可能破坏用于执行电池组的整体控制功能的微计算机单元(MCU)，因此，在控制电池组的正常操作中出现问题，这导致电池组的安全问题。
为了防止这种问题的发生，电池组和外部系统之间的通信端子必须是绝缘的，但为此，由于例如隔离器IC的执行隔离功能的单独组件必须附加地被配置以确保端子被隔离，存在由于附加部件而产生额外成本的问题。
发明内容
技术问题
本发明提供一种能够执行通信隔离处理而不会产生任何附加成本的方法。
技术解决方案
根据示例性实施例，被配置为包括至少一个电池单体的电池组包括：单体平衡单元，其用于平衡电池单体；模拟前端(AFE)，其用于监测电池单体中的每个的电压状态并控制单体平衡单元；微计算机单元(MCU)，其用于基于由AFE监测的每个电池单体的电压状态来控制AFE；以及，连接到电池组和外部系统的外部端子。
外部端子可以包括：输出端子，其用于允许电流在电池单体和外部系统之间流动；通信端子，其用于实现MCU与外部系统之间的通信。
电池组还可包括：充电FET，其用于阻断从输出端子到电池单体的电流流动；以及，放电FET，其用于阻断电流从电池单体到输出端子的电流流动，充电FET和放电FET被配置在电池单体和输出端子之间的电流路径上。
可以由AFE接通/关断充电FET和放电FET。
可以在MCU和通信端子之间形成通信路径，并且可以在通信路径上配置用于在MCU的控制下阻断通信端子和MCU之间的路径的通信控制FET。
MCU可以包括：过充电确定单元，其用于当确定电池单体被过充电时，产生过充电确定信号并将过充电确定信号输出到AFE；过放电确定单元，其用于当确定电池单体过放电时，产生过放电确定信号并将过放电确定信号输出到AFE；以及，通信控制FET阻断单元，其用于检测从过放电确定单元输出的过放电确定信号，并将通信控制FET关断信号输出到通信控制FET，以阻断MCU和通信端子之间的电流流动。
当从MCU输入过充电确定信号时，AFE可以输出充电FET关断信号以阻断充电电流的流动，并且当输入过放电确定信号时，AFE可以输出放电FET关断信号以阻断放电电流的流动。
可以在输出通信控制FET关断信号之后的预定时间之后输出放电FET关断信号。
根据示例性实施例，一种控制被配置为包括至少一个电池单体的电池组的方法包括：监测每个电池单体的电压状态以确定电池单体的过充电或过放电状态的状态确定步骤，其中，当在状态确定步骤中确定电池单体被过放电时，操作过放电保护步骤，其中过放电保护步骤包括：向AFE输出过放电确定信号以阻断放电电流的流动的过放电确定信号输出步骤；阻断在电池组和外部系统之间的通信路径上配置的通信控制FET的通信控制FET阻断步骤；以及阻断从电池单体到外部端子的放电电流的流动的放电FET阻断步骤。
该方法在过放电保护步骤的操作之后还可以包括监测每个电池单体的电压状态以确定电池单体的过放电是否被释放的过放电释放确定步骤，其中，当确定电池单体的过放电状态被释放时，可以操作释放电池单体的过放电保护状态的过放电释放步骤，其中过放电释放步骤可以包括：产生并输出FET接通信号以释放放电FET阻断的放电FET阻断释放步骤；以及，产生并输出通信控制FET接通信号以释放通信控制FET阻断的通信控制FET阻断释放步骤，其中，可以在操作放电FET阻断释放步骤之后的预定时间之后操作通信控制FET阻断释放步骤。
可以在操作通信控制FET阻断步骤之后的预定时间之后操作放电FET阻断步骤。
有益效果
本发明的优点在于，它可以应用于低成本产品，因为通过使用通常在电池组中构成的电路实现通信端子绝缘处理而不产生任何附加成本。
另外，可以保护电池组的MCU，使得其可以提供改善的电池组稳定性。
附图说明
图1是示出根据本发明的电池组的配置的电路示意图；以及
图2是示出根据本发明的控制电池组的方法的框图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例，使得本领域技术人员可以容易地实现本发明。然而，本发明可以以不同的形式实施，并且不应该被构造为限于这里阐述的实施例。在附图中省略了与描述无关的部分，以便清楚地描述本发明，并且相同的标号始终表示相同的元件。
尽管这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。上述术语仅用于将一个部件与另一部件区分开。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一部件可以被称为第二部件，反之亦然。本说明书中使用的术语用于描述特定实施例，并不旨在限制本发明的范围。除非上下文另有明确规定，否则单数表达包括复数表达。
在整个说明书中，当一部分被称为“连接”到另一部分时，它不仅包括“直接连接”而且还包括与另一元件在其之间的“电连接”。此外，当它被描述一个包括(或包含或具有)一些元件时，应该理解它可以仅包括(或包含或具有)那些元件，或者当没有特别限制时它可以包括(或包含或具有)其他元件以及那些元件。在整个说明书中使用的术语“正在操作”或“正在…的操作”并不意味着“用于…的操作”。
考虑到本发明中的功能，本说明书中使用的术语可以是目前广泛使用的一般术语，但是可以根据本领域技术人员的意图、先例或新技术的出现而变化。另外，在某些情况下，可能存在申请人任意选择的术语，并且在这种情况下，它们的含义在本发明的相应描述部分中描述。因此，本发明中使用的术语应该基于术语的含义和本发明的全部内容而不是简单的术语名称来定义。
在下文中，将参考附图详细描述本发明，并且在以下描述中，为了方便起见，模拟前端(analog front end)将被称为缩写“AFE”，并且微计算机单元将被称为“MCU”。
图1是简要示出根据本发明的电池组的配置的电路示意图图。
参考图1，电池组100包括电池单体110、单体平衡单元120、AFE 130、MCU 140、外部端子150、充电FET 160、放电FET 170、和通信控制FET 180。
这里，外部端子150被配置为连接电池组100和外部系统200，并且外部系统200可以是例如能够电池组与附接/分离的设备，诸如笔记本计算机、移动电话和相机。
因此，通过将诸如适配器(充电单元)的电源设备或外部负载设备连接到外部系统200，可以通过外部端子150对电池单体110进行充电或放电。
将在外部端子150的描述中详细描述这种操作。
这里，AFE和MCU可以是集成电路。
电池单体110在MCU 140的控制下进行充电和放电，并且尽管为了方便起见在附图中示出为框，但是电池单体110可以包括串联或并联的一个或多个电池单体。
单体平衡单元120可以连接到多个电池单体110以执行单体平衡。单体平衡单元120可以执行平衡，使得电池单体110的电压由AFE 130平衡，并且更精确地，可以整体在控制AFE 130的操作的MCU 140的控制下执行平衡操作。
这里，单体平衡单元120可以包括连接到每个电池单体110以感测电压的电压感测单元，或者可以具有单独的配置。电压感测单元(未示出)可以感测每个电池单体110的电压并将信息提供给AFE 130，这将在后面描述。
AFE 130可以周期性地接收所感测的电池单体110中的每个的电压信息以监测电池单体110的电压状态。
此外，AFE 130将关于所监测的电池单体110的电压状态的信息发送到MCU 140，并且响应于接收该信息的MCU 140的控制命令，AFE 130可以操作单体平衡单元120以接通和关断充电FET 160和放电FET 170并平衡电池单体110的电压。
换句话说，如图所示，AFE 130被配置在电池单体110/单体平衡单元120和MCU 130之间，使得其在MCU 130的整体控制下操作充电FET 160和放电170以及单体平衡单元120。
如上所述，MCU 140从AFE 130接收关于电池单体110的电压状态的信息，并基于该信息控制电池单体110的充电和放电以及单体平衡操作。
更确切地说，MCU 140根据电池单体110的电压状态提供控制信号/命令以执行充电和放电以及单体平衡操作，并且响应于控制信号/命令，接收控制信号/命令的AFE 130操作充电FET 160、放电FET 170和单体平衡单元120。
MCU 140可以将从AFE 130接收的每个电池单体110的电压状态与预定确定值进行比较，以确定电池单体110是过充电还是过放电。MCU 140可以被配置包括过充电确定单元142，该过充电确定单元142用于：如果电池单体110的电压等于或高于预定过充电确定值，则将其确定为过充电状态，产生与其对应的过充电确定信号，并将过充电确定信号输出到AFE 130。
此外，MCU 140可以被配置包括过放电确定单元144，该过放电确定单元144用于：如果电池单体110的电压等于或小于预定过放电确定值，则将其确定为过放电状态，产生与其对应的过放电确定信号，并将过放电确定信号输出到AFE 130。
因此，如果输入过充电确定信号，为了防止进一步的充电电流进入电池组，AFE130可以关断充电FET 160，并且如果输入过放电确定信号，则AFE 130可以关断放电FET170以阻断电池组的放电电流的流动。
此外，MCU 140可以与外部系统200和电池组100通信。MCU 140可以通过其中形成的SMBUS与连接到外部端子150的外部系统200通信，并且例如，MCU 140通过在MCU 140和外部端子150之间形成的通信路径将诸如从AFE 130接收的电池单体110的电压状态的单体数据发送到外部系统200。
此时，可以通过通信路径(第一路径和第二路径)与通信端子的时钟信号CLK同步地将单体数据从SMBUS发送到外部系统200。
另一方面，MCU 140可以被配置包括通信控制FET阻断单元146，其用于控制形成在MCU 140与外部端子150的通信端子154之间的通信路径中的通信控制FET 180的接通/关断。这将在通信控制FET 180的描述中详细描述。
同时，外部端子150可以被配置包括输出端子152和通信端子154，如图中所示。
输出端子152可以是允许电池单体110被充电和放电的与外部系统200的充电和放电路径。也就是说，电流流过电池单体110与输出端子150的P+和P-之间的每个路径，使得可以对电池单体110进行充电和放电。也就是说，该路径可以被描述为充电/放电路径。
例如，当用于供应电压的适配器(充电单元)被连接到连接至电池组100的外部端子150的外部系统150时，充电电流流过输出端子152，使得电池单体110被充电。
另一方面，当外部系统150和适配器(充电单元)被分离并连接到外部负载时，电流通过外部端子150的输出端子152从电池单体110流到外部系统200的外部负载，使得电池单体110被放电。
此时，充电FET 160和放电FET 170被配置在电池单体110和输出端子152之间形成的充电/放电路径上，并且如上所述，在MCU 140的控制下，AFE 130接通/关断充电FET 160和放电FET 170，使得可以控制电池单体的充电和放电操作。
也就是说，如上所述，当MCU 140输出过充电确定信号时，AFE 130向充电FET 160输出关断信号以阻断从外部系统200的适配器(充电单元)流入电池单体110的充电电流，并且当从MCU 140输出过放电确定信号时，AFE 130向放电FET 170输出关断信号以阻断从电池单体110向外部系统200的外部负载的电流的流动，即放电电流的流动。
此外，当电池单体的过充电状态被释放时，充电FET 160被接通，并且当过放电状态被释放时，放电FET 170被接通，允许对电池单体进行充电和对电池单体进行放电。
这里，充电FET 160和放电FET 170在单个路径上被连接，并且电流的方向彼此相反，从而限制充电和放电电流的流动。
另一方面，通信端子154可以是用于MCU 140将例如电压状态信息等的电池单体110的数据发送到外部系统200的路径。
在MCU 140和通信端子154之间形成用于外部系统200的通信的通信路径，并且可以通过与其连接的外部系统200的通信路径将电池单体110的数据从MCU 140递送到外部系统200。
此时，用于阻断从通信端子154到MCU 140的电流流动的通信控制FET 180可以被配置在MCU 140和通信端子154之间的通信路径上。
更具体地，如图所示，第一路径和第二路径可以分别连接到通信端子154的时钟(C)端子和日期(D)端子，并且通信控制FET 180可以被配置有分别被配置在第一路径和第二路径上的第一通信控制FET 182和第二通信控制FET 184。通过来自MCU 140的一个信号，第一通信控制FET 182和第二通信控制FET 184中的每一个被控制处于相同状态，并且为了便于解释，在下面的描述中将它们描述为通信控制FET 180。通信控制FET 180可以由上述MCU 140的通信控制FET阻断单元146进行接通/关断控制。
更具体地，当从过放电确定单元144输出过放电确定信号时，通信控制FET阻断单元146可以感测它并产生通信控制FET关断信号并将其输出到通信控制FET 180。因此，通信控制FET 180被控制为关断，使得可以阻断MCU 140和通信端子154之间的电流流动。
此时，当产生并输出过放电确定信号时，AFE 130输出用于阻断放电电流的流动的放电FET关断信号，使得通信控制FET关断信号比放电FET关断信号早预定时间而被输出。
例如，虽然未在附图中单独示出，但是在AFE 130和放电FET 170之间布置诸如延迟缓冲器的配置以输出通信控制FET关断信号，并且在预定时间延迟之后，放电FET关断信号可以被输出到放电FET，或者以在MCU 140中产生过放电确定信号，并且在预定时间段之后将过放电确定信号输出到AFE 130，使得通信控制FET关断信号可以被先输出。本发明不限于一种特定方法，并且放电FET 170可以以通信控制FET 180可以在其首次中断后的预定时间之后被关闭的各种方式实现。
以这种方式，通信控制FET 180被配置以被控制为在与放电FET 170相同的状态下，使得可以防止在放电电流被阻断时产生的浪涌电流通过通信路径流入电池组并破坏MCU 140的危险情况。
虽然上面没有描述，但是当过放电状态被释放时，即，当关断状态放电FET 170和通信控制FET 180被接通时，两个FET被控制在相同的状态，并且顺序被以放电FET 170->通信控制FET 180的顺序控制，其与过放电状态相反。这将在以下操作步骤的描述中详细描述。
这里，预定时间可以被设置为例如250毫秒。
图2是示出根据本发明的电池组的控制电路的操作步骤的框图。
首先，操作用于监测每个电池单体的电压状态并确定电池单体的过充电或过放电状态的状态确定步骤(S100)。如参考图1和图2所述的，当AFE 130监测每个电池单体的电压状态并将关于其的信息递送到MCU 140时，MCU 140可以使用预设的过充电确定值和过放电确定值来确定电池单体110是过充电还是过放电。
如上所述，如果MCU 140确定电池单体110是过放电，则操作用于执行过放电的电池单体的保护操作的过放电保护步骤S200。
过放电保护步骤S200可以以过放电确定信号输出步骤S210、通信控制FET阻断步骤S220和放电FET阻断步骤S230的顺序操作。
更具体地，如果通过状态确定步骤S100确定电池单体处于过放电状态，则为了防止电池单体被放电，必须执行用于阻断电流从电池单体110流到输出端子152，即外部系统200的外部负载的操作。因此，如果MCU 140确定电池单体处于过放电状态，则操作用于产生过放电确定信号并将其输出到AFE 130的过放电确定信号输出步骤S210。
此时，MCU 140的通信控制FET阻断单元146感测到过放电确定信号被产生并输出，并执行用于阻断通信路径上的通信控制FET 180的通信控制FET阻断步骤S220。
更具体地，通信控制FET阻断单元146感测到过放电确定信号被产生并输出，产生通信控制FET关闭信号，并将其输出到通信控制FET 180以关断通信控制FET 180。因此，可以中断MCU 140与外部系统200之间的通信路径中的电流流动。
在通信控制FET阻断步骤S220被操作之后，操作用于阻断到电池单体110和输出端子152之间的充电/放电路径的放电电流流动的放电FET阻断步骤S230，。
更具体地，从MCU 140接收过放电确定信号的AFE 130将其识别为阻断放电电流的流动的命令，并且产生关断在电池单体110和输出端子152(P-)之间的充电/放电路径上配置的放电FET的放电FET关断信号。
此时，所产生的放电FET关断信号不直接输出到放电FET 170，而是在通信控制FET阻断步骤S220被操作之后，在那时被输出以关断放电FET 170。
如上所述，例如，诸如延迟缓冲器的配置可以被布置在AFE 130和放电FET 170之间，并且在AFE 130的系统配置中，通过用于在产生放电FET关断信号后的预定时间之后输出它的各种方法，可以在通信控制FET 180被关断后的预定时间之后阻断放电FET 170。
也就是说，在过放电保护操作期间，在关断放电FET 170之前，首先通过使用通信控制FET 180通过隔离与外部系统200的通信路径来阻断通信路径上的电流流动，使得在防止电流瞬间流入通信路径之后，阻断放电电流。
因此，当以这种方式关断放电FET时，即，防止通过中断放电电流产生的浪涌电流通过通信路径破坏MCU 140，可以保护MCU 140，这可以进一步改善电池组的安全性。
这里，预定时间可以被设置为例如250毫秒。
在如上所述操作电池单体的过放电保护步骤S200之后，用于通过监测每个电池单体的电压状态确定过放电保护状态是否被释放，即，过放电被确定为恢复到正常状态的过放电释放确定步骤S300，以及用于当确定释放过放电保护状态被释放时取消过放电保护操作的过放电释放步骤S400被执行。
在过放电保护操作之后，MCU 140通过将电池单体的电压状态与预定过放电确定值进行比较来确定过放电状态是否被释放(S300)。
因此，MCU 140产生过放电释放信号并将过放电释放信号输出到AFE 130，并且接收它的AFE 130将其识别为释放阻断的放电电流的流动的命令，并产生和输出放电FET接通信号，使得操作用于释放放电FET阻断的放电FET阻断释放步骤S410。
同时，MCU 140可以感测到放电FET接通信号被输出，并且为了释放阻断的通信路径，可以通过产生并输出通信控制FET接通信号来释放通信控制FET阻断。也就是说，电流流动可以在MCU 140和外部系统200之间的通信路径中进行(S420)。
这里，如在过放电保护步骤中，在放电FET控制和通信控制FET控制之间存在一定的时间间隔。
也就是说，MCU 140检测到放电FET接通信号的输出并且产生并输出通信控制FET接通信号，这是因为在放电FET阻断释放步骤S410之后操作通信控制FET阻断释放步骤S420，并且预先设置时间间隔，使得两个步骤以预定时间间隔操作。预定时间可以被设置为例如250毫秒。
作为结果，可以描述过放电保护步骤S200和过放电释放步骤S320以如上所述的相反顺序操作。
更具体地，在过放电保护步骤S200中，在首次关断通信控制FET之后(S220)，其被配置以在预定时间之后关断放电FET(S230)。
另一方面，在过放电释放步骤S320中，在首次接通放电FET之后(S322)，其被配置为在预定时间之后接通通信控制FET(S324)。
也就是说，在过放电保护期间，在阻断放电电流之前首先隔离/阻断通信路径，并且当释放过放电时，放电FET被控制为接通使得放电电流流动，并且电流在通信路径中流动，使得阻断在放电电流流动时产生的浪涌电流通过通信路径以防止MCU 140被破坏。
通过这种步骤配置，放电FET 170和通信控制FET 180被控制在相同的状态(接通/关断)，并且在放电电流阻断期间，关断的顺序是通信控制FET 180->放电FET 170的顺序。当放电电流阻断被释放时，以放电FET 170->通信控制FET 180的顺序控制接通。当放电电流的流动被阻断时，可以防止浪涌电流通过通信端子150流入电池组并不利地影响MCU140，使得可以提供具有改善的稳定性的电池组。
另一方面，尽管参考上述实施例具体描述了本发明的技术构思，但应该注意，上述实施例是出于解释的目的而不是为了限制的目的。对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。

Claims (11)

1.一种被配置为包括至少一个电池单体的电池组，所述电池组包括：
单体平衡单元，所述单体平衡单元用于平衡所述电池单体；
模拟前端(AFE)，所述模拟前端(AFE)用于监测所述电池单体中的每个的电压状态并控制所述单体平衡单元；
微计算机单元(MCU)，所述微计算机单元(MCU)用于基于由所述AFE监测的每个电池单体的电压状态来控制所述AFE；以及
外部端子，所述外部端子被连接到所述电池组和外部系统。
2.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述外部端子包括：
输出端子，所述输出端子用于允许电流在所述电池单体和所述外部系统之间流动；
通信端子，所述通信端子用于实现所述MCU与所述外部系统之间的通信。
3.根据权利要求2所述的电池组，进一步包括：
充电FET，所述充电FET用于阻断从所述输出端子到所述电池单体的电流流动；以及
放电FET，所述放电FET用于阻断从所述电池单体流输出端子的电流流动，所述充电FET和所述放电FET被配置在所述电池单体和所述输出端子之间的电流路径上。
4.根据权利要求3所述的电池组，其中，所述充电FET和所述放电FET由所述AFE接通/关断。
5.根据权利要求4所述的电池组，其中，在所述MCU和所述通信端子之间形成通信路径，并且用于在所述MCU的控制下阻断所述通信端子和所述MCU之间的路径的通信控制FET被配置在所述通信路径上。
6.根据权利要求5所述的电池组，其中，所述MCU包括：
过充电确定单元，所述过充电确定单元用于当确定所述电池单体被过充电时产生过充电确定信号并将所述过充电确定信号输出到所述AFE；
过放电确定单元，所述过放电确定单元用于当确定所述电池单体被过放电时产生过放电确定信号并将所述过放电确定信号输出到所述AFE；以及
通信控制FET阻断单元，所述通信控制FET阻断单元用于检测从所述过放电确定单元输出的所述过放电确定信号，并将通信控制FET关断信号输出到所述通信控制FET以阻断所述MCU和所述通信端子之间的电流流动。
7.根据权利要求6所述的电池组，其中，当从所述MCU输入过充电确定信号时，所述AFE输出充电FET关断信号以阻断充电电流的流动，并且当输入过放电确定信号时，所述AFE输出放电FET关断信号以阻断放电电流的流动。
8.根据权利要求7所述的电池组，其中，在输出所述通信控制FET关断信号之后的预定时间之后输出所述放电FET关断信号。
9.一种控制被配置为包括至少一个电池单体的电池组的方法，所述方法包括：
状态确定步骤，所述状态确定步骤用于监测每个电池单体的电压状态以确定电池单体的过充电或过放电状态，其中，当在所述状态确定步骤中确定所述电池单体被过放电时，操作过放电保护步骤，
其中，所述过放电保护步骤包括：
过放电确定信号输出步骤，所述过放电确定信号输出步骤向AFE输出过放电确定信号以阻断放电电流的流动；
通信控制FET阻断步骤，所述通信控制FET阻断步骤阻断在所述电池组和外部系统之间的通信路径上配置的通信控制FET；以及
放电FET阻断步骤，所述放电FET阻断步骤阻断从所述电池单体到外部端子的放电电流的流动。
10.根据权利要求9所述的方法，在所述过放电保护步骤的操作之后进一步包括监测每个电池单体的电压状态以确定电池单体的过放电是否被释放的过放电释放确定步骤，其中，当确定所述电池单体的所述过放电状态被释放时，操作释放所述电池单体的过放电保护状态的过放电释放步骤，
其中，所述过放电释放步骤包括：
放电FET阻断释放步骤，所述放电FET阻断释放步骤产生并输出FET接通信号以释放放电FET阻断；以及
通信控制FET阻断释放步骤，所述通信控制FET阻断释放步骤产生并输出通信控制FET接通信号以释放所述通信控制FET阻断，
其中，在操作所述放电FET阻断释放步骤之后的预定时间之后操作所述通信控制FET阻断释放步骤。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，在操作所述通信控制FET阻断步骤之后的预定时间之后操作所述放电FET阻断步骤。
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