CN111130164A - 电源设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电源设备。提供了一种电源设备，其包括多个电池模块，每个电池模块具有二次电池，并且其中电池模块根据来自控制器的栅极驱动信号彼此串联连接。根据能够用于串联连接的电池模块的数量改变SOC控制目标值，该SOC控制目标值是用于电池模块的充电状态的目标值。

Description

电源设备
技术领域
本发明涉及具有串联连接的电池模块并且供应电力的电源设备。
背景技术
使用了具有串联连接的多个电池模块并向负载供应电力(对负载供电)的电源设备。当电池模块中包括的电池是二次电池时，电源设备还能够从负载侧对这些电池充电(使电力再生)。
对于这种电源设备，已经提出了包括切换电路的配置，该切换电路基于栅极驱动信号使电池模块连接到负载以及与负载隔离。在该电路配置中，电压控制由经由延迟电路通过栅极驱动信号驱动每个电池模块的切换电路来执行(日本专利申请公开No.2018-074709)。
发明内容
在传统的电源设备中，相等的电流流过串联连接的电池模块中的每一个。一个问题是，在电池模块性能不同的条件下，具有较小电池容量的电池模块的充电状态(state-of-charge，SOC)比其他电池模块的充电状态更快地变低。另一个问题是，当电池模块的SOC降低到下限阈值时，该电池模块变得不可用。而且，已经变得不可用的电池模块的数量的增加有时导致电源设备本身需要被停止的情形。
本发明的一个方面涉及一种电源设备，包括：多个电池模块，每个电池模块具有二次电池；以及控制器，被配置为根据栅极驱动信号将电池模块彼此串联连接以及根据能够用于串联连接的电池模块的数量来改变SOC控制目标值，该SOC控制目标值是用于电池模块的充电状态的目标值。
这里，控制器可以被配置为在能够用于串联连接的电池模块的数量变得较小时将SOC控制目标值设置得较高。
电源设备还可以包括不管栅极驱动信号如何都将电池模块从串联连接强制隔离的断开设备。控制器可以被配置为从能够用于串联连接的电池模块中排除已被断开设备从串联连接强制隔离的电池模块。
控制器可以被配置为通过使用示出电池模块的状态的状态信息来确定电池模块是否处于故障状态。断开设备可以将已被确定为处于故障状态的电池模块从串联连接强制隔离。
控制器可以被配置为：基于状态信息估计每个电池模块的SOC；将其SOC已经降低到或低于阈值的电池模块确定为处于故障状态；以及设置SOC控制目标值，使得除了已被断开设备强制隔离的电池模块之外的能够用于串联连接的电池模块的电压的总值变得等于或大于目标输出电压值。
栅极驱动信号可以从上游侧向下游侧传输到电池模块，同时在每个电池模块中包括的栅极驱动信号处理电路中被延迟。
本发明使得具有串联连接的电池模块并供应电力的电源设备能够通过根据能够用于连接的电池模块的数量改变作为电池模块的目标的SOC控制目标值，来维持电力输出电压并继续操作。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，附图中相同的标号表示相同的元件，并且其中：
图1是示出本发明的实施例中的电源设备的配置的图；
图2是图示本发明的实施例中的电池模块的控制的时间图；
图3A是示出本发明的实施例中的电池模块的操作的图；
图3B是示出本发明的实施例中的电池模块的操作的图；
图4是图示本发明的实施例中的电源设备的控制的时间图；
图5是本发明的实施例中的供电状态中的强制断开控制的流程图；
图6是本发明的实施例中的再生状态中的强制断开控制的流程图；
图7是本发明的实施例中的再生状态中的强制连接控制的流程图；
图8是本发明的实施例中的供电状态中的强制连接控制的流程图；
图9是本发明的实施例中的SOC估计方法的流程图；
图10A是示出电池模块的特性的曲线图；
图10B是示出电池模块的特性的曲线图；
图11A是用于图示设置SOC控制目标值的处理的曲线图；以及
图11B是用于图示设置SOC控制目标值的处理的曲线图。
具体实施方式
如图1所示，实施例中的电源设备100包括电池模块102和控制器104。电源设备100包括多个电池模块102(102a、102b、...102n)。电池模块102能够在控制器104的控制下彼此串联连接。电源设备100中包括的电池模块102能够向连接到端子T1、T2的负载(未示出)供应电力(对负载供电)，或者能够利用来自连接到端子T1、T2的电源(未示出)的电力进行充电(使电力再生)。
电池模块102包括电池10、扼流线圈12、电容器14、第一开关元件16、第二开关元件18、栅极驱动信号处理电路20、AND(与)元件22、OR(或)元件24以及NOT(非)元件26。在该实施例中，电池模块102具有相同的配置。
电池10包括至少一个二次电池。例如，电池10可以具有这样的配置，其中多个锂离子电池、镍-金属氢化物电池等串联或并联连接。扼流线圈12和电容器14形成平滑电路(低通滤波器电路)，该平滑电路使来自电池10的输出平滑并输出被平滑的输出。即，二次电池被用作电池10，并且电池10随着内部电阻损耗增加而劣化。为了降低这种劣化，通过由电池10、扼流线圈12和电容器14形成的RLC滤波器来平滑电流。然而，扼流线圈12和电容器14不是必要部件，并且可以省略。
第一开关元件16包括用于使电池10的输出端子短路的开关元件。在该实施例中，第一开关元件16具有其中续流二极管(freewheeling diode)并联连接到作为开关元件的场效应晶体管的配置。第二开关元件18在电池10和第一开关元件16之间与电池10串联连接。在该实施例中，第二开关元件18具有其中续流二极管并联连接到作为开关元件的场效应晶体管的配置。通过来自控制器104的栅极驱动信号来控制第一开关元件16和第二开关元件18的切换。尽管在该实施例中在第一开关元件16和第二开关元件18中使用场效应晶体管，但也可以使用其他开关元件。
栅极驱动信号处理电路20是基于从控制器104的信号生成电路104a输入到电池模块102中的栅极驱动信号来控制电池模块102的电路。栅极驱动信号处理电路20包括将栅极驱动信号延迟预定时间的延迟电路。在电源设备100中，栅极驱动信号处理电路20分别设置在电池模块102(102a、102b、...102n)中并且彼此串联连接。因此，从控制器104输入的栅极驱动信号被顺序地输入到电池模块102(102a、102b、...102n)中，同时在每个电池模块102处被延迟预定时间。稍后将描述基于栅极驱动信号的控制。
AND元件22构成断开设备，该断开设备根据强制断开信号将电池模块102a从串联连接强制隔离。OR元件24构成连接设备，该连接设备根据强制连接信号将电池模块102a强制连接到串联连接。AND元件22和OR元件24由已经从控制器104接收到强制断开信号或强制连接信号的栅极驱动信号处理电路20来控制。来自栅极驱动信号处理电路20的控制信号被输入到AND元件22的一个输入端子，并且来自栅极驱动信号处理电路20的栅极驱动信号被输入到AND元件22的另一个输入端子。来自栅极驱动信号处理电路20的控制信号被输入到OR元件24的一个输入端子，并且来自栅极驱动信号处理电路20的栅极驱动信号被输入到OR元件24的另一个输入端子。来自AND元件22和OR元件24的输出信号被输入到第二开关元件18的栅极端子。来自AND元件22和OR元件24的输出信号还通过NOT元件26被输入到第一开关元件16的栅极端子。
在正常控制期间，没有从控制器104接收到强制断开信号或强制连接信号的栅极驱动信号处理电路20将高(H)电平控制信号输入到AND元件22并且将低(L)电平控制信号输入到OR元件24。因此，栅极驱动信号被原样输入到第二开关元件18的栅极端子，而栅极驱动信号的反相(inverted)信号被输入到第一开关元件16的栅极端子。因此，当栅极驱动信号电平为高(H)时，第一开关元件16关断并且第二开关元件18接通，并且当栅极驱动信号电平为低(L)时，第一开关元件16接通并且第二开关元件18关断。换句话说，当栅极驱动信号电平为高(H)时，电池模块102被置于与其他电池模块102串联连接的状态，并且当栅极驱动信号电平为低(L)时，电池模块102被置于与其他电池模块102隔离的通过状态(pass-throughstate)。
在强制断开期间，控制器104将强制断开信号发送到要被强制隔离的电池模块102的栅极驱动信号处理电路20。在从控制器104接收到强制断开信号后，栅极驱动信号处理电路20将低(L)电平控制信号输入到AND元件22并且将低(L)电平控制信号输入到OR元件24。作为结果，低(L)电平从AND元件22输出并且通过OR元件24，高(H)电平被NOT元件26输入到第一开关元件16的栅极端子，并且低(L)电平被输入到第二开关元件18的栅极端子。因此，第一开关元件16被置于常接通状态并且第二开关元件18被置于常关断状态，这不管栅极驱动信号的状态如何都将电池模块102置于从串联连接强制隔离的状态(通过状态)。
这种强制断开控制能够被用作用于降低电源设备100中的电池模块102之间的SOC的不平衡的控制。具体地，当电源设备100处于放电状态时，参与电源设备100的输出的电池模块102的SOC降低。将电池模块102置于强制断开状态能够维持该电池模块102的SOC。另一方面，当电源设备100处于充电状态时，参与电源设备100的充电的电池模块102的SOC增加。将电池模块102置于强制断开状态能够维持该电池模块102的SOC。
在强制连接期间，控制器104将强制连接信号发送到要被强制连接的电池模块102的栅极驱动信号处理电路20。在从控制器104接收到强制连接信号后，栅极驱动信号处理电路20将高(H)电平控制信号输入到电池模块102的OR元件24。作为结果，高(H)电平从OR元件24输出，并且低(L)电平被NOT元件26输入到第一开关元件16的栅极端子，而高(H)电平被输入到第二开关元件18的栅极端子。因此，第一开关元件16被置于常关断状态并且第二开关元件18被置于常接通状态，这不管栅极驱动信号的状态如何都将电池模块102置于强制链接到串联连接的状态。
这种强制连接控制能够被用作用于降低电源设备100中的电池模块102之间的SOC的不平衡的控制。具体地，当电源设备100处于放电状态时，被置于强制连接状态的电池模块102的SOC能够比根据栅极驱动信号间歇地串联连接的电池模块102的SOC更快地降低。另一方面，当电源设备100处于充电状态时，被置于强制连接状态的电池模块102的SOC能够比根据栅极驱动信号间歇地串联连接的电池模块102的SOC更快地增加。
虽然该实施例中的电源设备100具有其中AND元件22和OR元件24由栅极驱动信号处理电路20控制的配置，但是也可以采用其中AND元件22和OR元件24中的任一者或二者由控制器104直接控制的配置。
正常控制
下面将参考图2描述电源设备100的控制。在正常控制期间，高(H)电平控制信号从栅极驱动信号处理电路20输入到电池模块102(102a、102b、...102n)中的每一个的AND元件22。低(L)电平控制信号从栅极驱动信号处理电路20输入到电池模块102(102a、102b、...102n)中的每一个的OR元件24。作为结果，来自栅极驱动信号处理电路20的输出信号通过NOT元件26被作为反相信号输入到第一开关元件16的栅极端子，而来自栅极驱动信号处理电路20的输出信号被原样输入到第二开关元件18的栅极端子。
图2是与电池模块102a的操作有关的时间图。图2示出驱动电池模块102a的栅极驱动信号D1的脉冲波形、表示第一开关元件16的切换状态的矩形波D2、表示第二开关元件18的切换状态的矩形波D3以及从电池模块102a输出的电压Vmod的波形D4。
在电池模块102a的初始状态中，即，在没有输出栅极驱动信号的状态中，第一开关元件16接通并且第二开关元件18关断。当栅极驱动信号从控制器104输入到电池模块102a时，电池模块102a的切换由PWM控制来控制。在该切换控制下，第一开关元件16和第二开关元件18被切换以交替地接通和关断。
如图2所示，当从控制器104输出栅极驱动信号D1时，根据栅极驱动信号D1来驱动电池模块102a的第一开关元件16和第二开关元件18。当来自NOT元件26的信号响应于栅极驱动信号D1的上升而下降时，第一开关元件16从接通状态切换到关断状态。第一开关元件16在栅极驱动信号D1的下降之后以短时间(空载时间(dead time)dt)的延迟从关断状态切换到接通状态。
另一方面，第二开关元件18在栅极驱动信号D1的上升之后以短时间(空载时间dt)的延迟从关断状态切换到接通状态。在栅极驱动信号D1下降的同时，第二开关元件18从接通状态切换到关断状态。因此，控制第一开关元件16和第二开关元件18的切换，使得这些开关元件交替地接通和关断。
为了防止第一开关元件16和第二开关元件18同时被激活，在栅极驱动信号D1的下降之后以短时间(空载时间dt)的延迟激活第一开关元件16，并且在栅极驱动信号D1的上升之后以短时间(空载时间dt)的延迟激活第二开关元件18。因此，防止了由于第一开关元件16和第二开关元件18同时接通而导致的短路。造成激活的延迟的空载时间dt被设置为例如100ns，但是也可以被设置为任何适当的时间。在空载时间dt期间，电流通过二极管循环，这造成和当与电流通过其循环的这个二极管并联的开关元件接通时相同的状态。
在如此控制的电池模块102a中，当栅极驱动信号D1是关断(即，第一开关元件16接通并且第二开关元件18关断)时，电容器14与电池模块102a的输出端子隔离。因此，没有电压从电池模块102a输出到输出端子。在该状态下，如图3A所示，电池模块102a处于通过状态，其中其电池10(电容器14)被旁路。
当栅极驱动信号D1是接通(即，第一开关元件16关断并且第二开关元件18接通)时，电容器14被连接到电池模块102a的输出端子。因此，电压从电池模块102a输出到输出端子。在该状态下，如图3B所示，电压Vmod通过电池模块102a的电容器14输出到输出端子。
返回参考图1，将描述控制器104对电源设备100的控制。控制器104控制所有电池模块102。通过控制电池模块102a、102b、...102n，控制器104控制作为整体的电源设备100的输出电压。
控制器104的信号生成电路104a将具有矩形波波形的栅极驱动信号输出到每个电池模块102。栅极驱动信号被顺序地传输到电池模块102a中包括的栅极驱动信号处理电路20、电池模块102b中包括的栅极驱动信号处理电路20并依此类推至后续的其他电池模块102。具体地，栅极驱动信号从最上游侧向下游侧顺序地传输到电源设备100中串联连接的电池模块102，同时在每个电池模块102处被延迟预定延迟时间。
在正常控制期间，高(H)电平控制信号被输入到AND元件22，并且低(L)电平控制信号被输入到OR元件24，使得从每个电池模块102的栅极驱动信号处理电路20输出的栅极驱动信号被原样输入到第二开关元件18的栅极端子，而栅极驱动信号的反相信号被输入到第一开关元件16的栅极端子。因此，当栅极驱动信号电平为高(H)时，第一开关元件16关断并且第二开关元件18接通，并且当栅极驱动信号电平为低(L)时，第一开关元件16接通并且第二开关元件18关断。
换句话说，当栅极驱动信号电平为高(H)时，电池模块102被置于与其他电池模块102串联连接的状态，并且当栅极驱动信号电平为低(L)时，电池模块102被置于与其他电池模块102隔离的通过状态。
图4示出控制的序列，在该控制下通过顺序地串联连接电池模块102a、102b、...102n当中预定数量的电池模块来输出电力。如图4所示，根据栅极驱动信号从上游侧向下游侧一个接一个地驱动电池模块102a、102b、...102n，每个都有一定时间的延迟。在图4中，时段E1表示如下的状态：在电池模块102a、102b、...102n中第一开关元件16关断并且第二开关元件18接通，并且电池模块102a、102b、...102n从输出端子输出电压(连接状态)。时段E2表示如下的状态：在电池模块102a、102b、...102n中第一开关元件16接通并且第二开关元件18关断，并且电池模块102a、102b、...102n不从输出端子输出电压(通过状态)。因此，电池模块102a、102b、...102n被顺序驱动，每个都有一定时间的延迟。
将参考图4描述栅极驱动信号和延迟时间的设置。通过将相应电池模块102a、102b、...102n的延迟时间相加来设置栅极驱动信号的周期T。因此，设置较长的延迟时间导致栅极驱动信号的频率较低。相反，设置较短的延迟时间导致栅极驱动信号的频率较高。可以根据电源设备100的要求规格适当地设置延迟栅极驱动信号的延迟时间。
通过以下来计算在栅极驱动信号的周期T期间的接通时间比D(接通占空(on-duty))，即栅极驱动信号处于高(H)电平的时间TON相对于周期T的比例：电源设备100的输出电压/电池模块102a、102b、...102n的总电压(电池模块102的电池电压×电池模块的数量)。因此，接通时间比D＝(电源设备100的输出电压)/(电池模块102的电池电压×电池模块102的总数量)。确切地说，接通时间比偏移了对应于空载时间dt的量，并且因此，优选的是通过反馈或前馈来校正接通时间比，如通常对斩波电路(chopper circuit)所实施的那样。
如上所述，电源设备100的输出电压由通过将电池模块102的电池电压乘以处于连接状态的电池模块102的数量而获得的值来表示。如果电源设备100的输出电压具有能够被一个电池模块102的电池电压整除的值，则在一个电池模块102从通过状态切换到连接状态时，另一个电池模块102从连接状态切换到通过状态，使得电池模块102的总输出电压不变化。
然而，如果电源设备100的输出电压具有不能被电池模块102的电池电压整除的值，则电源设备100的输出电压(总输出电压)变化。在这种情况下，变化的幅度对应于一个电池模块的电压，并且变化的周期对应于：栅极驱动信号的周期T/电池模块102的总数量。增加电池模块102的总数量能够使整个电源设备100中的寄生电感的值变大，使得这种电压变化被滤除并且能够稳定电源设备100的输出电压。
接下来，将描述具体的示例。在图4中，例如，假设：作为整体的电源设备100的期望输出电压为400V；每个电池模块102的电池电压为15V；电池模块102a、102b、...102n的数量为40；以及延迟时间为200ns。这种情况对应于电源设备100的输出电压(400V)不能被电池模块102的电池电压(15V)整除的情况。
基于这些数值，栅极驱动信号的周期T通过延迟时间×电池模块的总数量计算如下：200ns×40＝8μs。因此，栅极驱动信号是具有相当于125kHz的频率的矩形波。栅极驱动信号的接通时间比D通过电源设备100的输出电压/(电池模块102的电池电压×电池模块102的总数量)计算如下：400V/(15V×40)≈0.67。
当基于这些数值顺序地驱动电池模块102a、102b、...102n时，图4中的具有矩形波形的输出电压H1由作为整体的电源设备100产生。该输出电压H1在390V和405V之间变化。具体地，输出电压H1以通过以下计算的周期变化：栅极驱动信号的周期T/电池模块的总数量，即8μs/40＝200ns(相当于5MHz)。该变化被由于电池模块102a、102b、...102n的布线而引起的寄生电感滤除，使得作为整体的电源设备100产生大约400V的输出电压H2。
当电池模块102处于连接状态时，电流流过每个电池模块102的电容器14，并且电容器电流波形J1是如图4所示的矩形波形。由于电池10和电容器14形成RLC滤波器，所以已被过滤和平滑的电流J2流过电源设备100。因此，电流波形在所有电池模块102a、102b、...102n中是一致的，并且电流能够从所有电池模块102a、102b、...102n均等地输出。
如上所述，为了控制电源设备100，被输出到最上游的电池模块102a的栅极驱动信号以一定时间的延迟被输出到下游的电池模块102b，并且该栅极驱动信号被进一步顺序地传输到下游的电池模块102，每个都有一定时间的延迟，使得电池模块102a、102b、...102n顺序地输出电压，每个都有一定时间的延迟。这些电压被相加到从作为整体的电源设备100输出的电压。因此，能够从电源设备100输出期望的电压。
电源设备100能够消除对升压电路的需要，从而简化电源电路的配置。而且，电源设备100能够实现尺寸缩小和成本降低。通过消除对引起电力损耗的平衡电路等的需要，电源设备100能够实现较高的效率。由于电压顺序地从电池模块102a、102b、...102n均等地输出，所以不可能集中驱动特定的电池模块102，使得电源设备100中的内部电阻损耗能够被降低。
可以通过调整接通时间比D来容易地满足期望的电压，这提高了电源设备100的多功能性。特别地，即使当电池模块102a、102b、...102n中的一些已经发生故障并变得难以使用时，也能够通过重新设置栅极驱动信号的周期T、接通时间比D和延迟时间同时排除发生故障的电池模块102并使用正常的电池模块102来获得期望的电压。这意味着即使当电池模块102a、102b、...102n中的一些已经发生故障时也能够继续地输出期望的电压。
当延迟栅极驱动信号的延迟时间被设置得较长时，栅极驱动信号的频率变得较低，并且第一开关元件16和第二开关元件18的切换频率也变得较低，这导致较小的开关损耗和较高的电力转换效率。相反，当延迟栅极驱动信号的延迟时间被设置得较短时，栅极驱动信号的频率变得较高，并且电压变化的频率也变得较高，这使得变化容易被滤除以获得稳定的电压。由RLC滤波器平滑掉电流变化也变得容易。因此，可以通过调整延迟栅极驱动信号的延迟时间来根据所要求的规格和性能提供电源设备100。
虽然该实施例采用了其中在每个电池模块102中设置栅极驱动信号处理电路20并且栅极驱动信号在被延迟的同时被传输的配置，但是本发明不限于这种配置。例如，可以采用其中不在每个电池模块102中设置栅极驱动信号处理电路20的配置。在这种情况下，栅极驱动信号可以分开地从控制器104输出到每个电池模块102的AND元件22和OR元件24。具体地，栅极驱动信号以规则的时间间隔从控制器104输出到电池模块102a、102b、…102n。在这种情况下，通过将栅极驱动信号以规则的时间间隔按任意次序输出到电池模块102a、102b、…102n而不管电池模块102a、102b、…102n的位置如何，来控制电池模块102a、102b、…102n中的被置于连接状态的那些电池模块的数量。例如，可以执行该控制，使得栅极驱动信号首先被输出到电池模块102b以驱动电池模块102b，并且在一定时间之后，栅极驱动信号被输出到电池模块102a以驱动电池模块102a。
这种配置能够消除对栅极驱动信号处理电路20的需要。因此，能够进一步简化电源设备100的配置，并且能够降低制造成本和电力消耗。
强制隔离控制
接下来，将描述将电池模块102(102a、102b、…102n)中的选择的一个电池模块或选择的一些电池模块强制隔离的控制。控制器104将强制断开信号输出到要被强制隔离的电池模块102的栅极驱动信号处理电路20。在接收到强制断开信号后，栅极驱动信号处理电路20将低(L)电平控制信号输出到属于对应电池模块102的AND元件22和OR元件24中的每一个。作为结果，低(L)电平从AND元件22输出并且通过OR元件24，高(H)电平被NOT元件26输入到第一开关元件16的栅极端子，并且低(L)电平被输入到第二开关元件18的栅极端子。因此，第一开关元件16被置于常接通状态并且第二开关元件18被置于常关断状态，这不管栅极驱动信号的状态如何都将对应电池模块102置于被强制隔离的状态(通过状态)。
这种强制隔离控制能够被用作用于降低电源设备100中的电池模块102之间的SOC的不平衡的控制。图5是SOC平衡调整控制的流程图。在下文中，将参考图5描述用于降低供电状态中的电池模块102之间的SOC的不平衡的控制。
在步骤S10中，估计电源设备100中包括的所有电池模块102的充电状态。控制器104的电池操作监视电路104c接收来自电压传感器30、电流传感器32和电压传感器34的输出，电压传感器30设置在每个电池模块102中并且检测和输出电池模块102的输出电压，电流传感器32检测和输出电源设备100的输出电流，以及电压传感器34检测和输出电源设备100的输出电压。基于接收到的数据，SOC控制值计算电路104b执行估计每个电池模块102的SOC的处理。基于估计的电池模块102的充电状态，SOC控制值计算电路104b设置SOC控制目标值，该SOC控制目标值是用于电源设备100的SOC的目标值。稍后将描述估计SOC的处理以及设置SOC控制目标值的处理。
在步骤S12中，比较电池模块102的充电状态并选择具有相对低的SOC的电池模块102。控制器104比较在步骤S10中估计的电池模块102的充电状态，并且从所有电池模块102中选择具有相对低的SOC的电池模块102。
例如，可以选择具有等于或低于SOC控制目标值的SOC的电池模块102。可替代地，可以从电源设备100中包括的所有电池模块102中按SOC增加次序选择预定数量的电池模块102。然而，选择电池模块102的方法不限于这些示例，并且可以使用对降低SOC的不平衡有效的任何方法。
在步骤S14中，确定电源设备100的电力输出是处于供电状态还是再生状态。控制器104根据由电流传感器32检测的电流的方向确定电源设备100是处于供电状态还是处于再生状态，在供电状态中电力从电源设备100供应到负载，在再生状态中电力从外部电源输入到电源设备100中。如果电源设备100处于供电状态，则控制器104移动到步骤S16，并且如果电源设备100处于再生状态，则控制器104结束处理。
在步骤S16中，执行强制隔离选择的电池模块102的处理。控制器104将强制断开信号输出到在步骤S12中选择的电池模块102的栅极驱动信号处理电路20。在接收到强制断开信号后，栅极驱动信号处理电路20将低(L)电平控制信号输出到对应的AND元件22并且将低(L)电平控制信号输出到对应的OR元件24。作为结果，选择的电池模块102被从串联连接强制隔离并且停止对电源设备100的输出作出贡献。
因为由电源设备100中包括的电池模块102当中具有相对低的SOC的电池模块102消耗的电力的量(每单位时间放电的电流的积分量)降低，所以该控制能够解决SOC的不平衡。作为结果，能够使电源设备100中包括的电池模块102的充电状态更接近SOC控制目标值。此外，被充电到电池模块102的能量能够被高效地用尽。
还可以在电源设备100处于再生状态而非处于供电状态的同时执行用于解决SOC的不平衡的控制。在这种情况下，执行强制隔离具有相对高的SOC的电池模块102的控制，并且优先地利用再生的电力对具有相对低的SOC的电池模块102充电，从而解决SOC的不平衡。
图6是SOC平衡调整控制的流程图。在下文中，将参考图6描述用于降低再生状态中的电池模块102之间的SOC的不平衡的控制。
在步骤S20中，估计电源设备100中包括的所有电池模块102的充电状态。可以以与上述步骤S10中相同的方式执行该处理。
在步骤S22中，比较电池模块102的充电状态并选择具有相对高的SOC的电池模块102。控制器104比较在步骤S20中估计的电池模块102的充电状态，并且从所有电池模块102中选择具有相对高的SOC的电池模块102。
例如，可以选择具有等于或高于SOC控制目标值的SOC的电池模块102。可替代地，可以从电源设备100中包括的所有电池模块102中按SOC降低次序选择预定数量的电池模块102。然而，选择电池模块102的方法不限于这些示例，并且可以使用对降低SOC的不平衡有效的任何方法。
在步骤S24中，确定电源设备100的电力输出是处于供电状态还是再生状态。控制器104根据由电流传感器32检测的电流的方向确定电源设备100是处于供电状态还是处于再生状态，在供电状态中电力从电源设备100供应到负载，在再生状态中电力从外部电源输入到电源设备100中。如果电源设备100处于再生状态，则控制器104移动到步骤S26，并且如果电源设备100处于供电状态，则控制器104结束处理。
在步骤S26中，执行强制隔离选择的电池模块102的处理。控制器104将强制断开信号输出到在步骤S22中选择的电池模块102的栅极驱动信号处理电路20。在接收到强制断开信号后，栅极驱动信号处理电路20将低(L)电平控制信号输出到对应的AND元件22并且将低(L)电平控制信号输出到对应的OR元件24。作为结果，选择的电池模块102被从串联连接强制隔离并且停止被供应对电源设备100的再生电力。
因为向电源设备100中包括的电池模块102当中具有相对高的SOC的电池模块102供应的电力的量(每单位时间充电的电流的积分量)降低，所以该控制能够解决SOC的不平衡。作为结果，能够使电源设备100中包括的电池模块102的充电状态更接近SOC控制目标值。而且，能够以平衡良好的方式对电源设备100中包括的所有电池模块102充电。此外，能够防止对具有小充电容量的电池模块102的过度充电。
强制连接控制
接下来，将描述将电池模块102(102a、102b、…102n)中的选择的一个电池模块或选择的一些电池模块强制连接的控制。控制器104将强制连接信号输出到要被强制连接的电池模块102的栅极驱动信号处理电路20。在接收到强制连接信号后，栅极驱动信号处理电路20将高(H)电平控制信号输出到属于对应电池模块102的OR元件24。
作为结果，高(H)电平从OR元件24输出，低(L)电平被NOT元件26输入到第一开关元件16的栅极端子，并且高(H)电平被输入到第二开关元件18的栅极端子。因此，第一开关元件16被置于常关断状态并且第二开关元件18被置于常接通状态，这不管栅极驱动信号的状态如何都将电池模块102置于被强制链接到串联连接的状态。
这种强制连接控制能够被用作用于降低电源设备100中的电池模块102之间的SOC的不平衡的控制。图7是SOC平衡调整控制的流程图。在下文中，将参考图7描述用于降低再生状态中的电池模块102之间的SOC的不平衡的控制。
在步骤S30中，估计电源设备100中包括的所有电池模块102的充电状态。可以以与上述步骤S10相同的方式执行该处理。
在步骤S32中，比较电池模块102的充电状态并且选择具有相对低的SOC的电池模块102。控制器104比较在步骤S30中估计的电池模块102的充电状态，并且从所有电池模块102中选择具有相对低的SOC的电池模块102。具体地，可以以与上述步骤S12中的处理相同的方式执行该处理。
在步骤S34中，确定电源设备100的电力输出是处于供电状态还是再生状态。控制器104根据由电流传感器32检测的电流的方向确定电源设备100是处于供电状态还是处于再生状态，在供电状态中电力从电源设备100供应到负载，在再生状态中电力从外部电源输入到电源设备100中。如果电源设备100处于再生状态，则控制器104移动到步骤S36，并且如果电源设备100处于供电状态，则控制器104结束处理。
在步骤S36中，执行强制连接选择的电池模块102的处理。控制器104将强制连接信号输出到在步骤S32中选择的电池模块102的栅极驱动信号处理电路20。在接收到强制连接信号后，栅极驱动信号处理电路20将高(H)电平控制信号输出到对应的OR元件24。作为结果，选择的电池模块102被强制串联连接并且开始对用再生电力给电源设备100充电作出贡献。
因为电源设备100中包括的电池模块102当中具有相对低的SOC的电池模块102被优先地用再生电力充电并且每单位时间充电的电流的积分量增加，所以该控制能够解决SOC的不平衡。作为结果，能够使电源设备100中包括的电池模块102的充电状态更接近SOC控制目标值。而且，能够以平衡良好的方式对电源设备100中包括的所有电池模块102充电。
还可以在电源设备100处于供电状态而非处于再生状态的同时执行用于解决SOC的不平衡的控制。在这种情况下，执行强制连接具有相对高的SOC的电池模块102的控制，并且具有相对高的SOC的电池模块102中消耗的电力的量增加，从而解决SOC的不平衡。
图8是SOC平衡调整控制的流程图。在下文中，将参考图8描述用于降低供电状态中的电池模块102之间的SOC的不平衡的控制。
在步骤S40中，估计电源设备100中包括的所有电池模块102的充电状态。具体地，可以以与上述步骤S12中相同的方式执行该处理。
在步骤S42中，比较电池模块102的充电状态并且选择具有相对高的SOC的电池模块102。控制器104比较在步骤S40中估计的电池模块102的充电状态，并且从所有电池模块102中选择具有相对高的SOC的电池模块102。具体地，可以以与上述步骤S22中相同的方式执行该处理。
在步骤S44中，确定电源设备100的电力输出是处于供电状态还是再生状态。控制器104根据由电流传感器32检测的电流的方向确定电源设备100是处于供电状态还是处于再生状态，在供电状态中电力从电源设备100供应到负载，在再生状态中电力从外部电源输入到电源设备100中。如果电源设备100处于供电状态，则控制器104移动到步骤S46，并且如果电源设备100处于再生状态，则控制器104结束处理。
在步骤S46中，执行强制连接电池模块102的处理。控制器104将强制连接信号输出到在步骤S42中选择的电池模块102的栅极驱动信号处理电路20。在接收到强制连接信号后，栅极驱动信号处理电路20将高(H)电平的控制信号输出到对应的OR元件24。作为结果，选择的电池模块102被强制串联连接并且开始对电源设备100的输出作出贡献。
因为从电源设备100中包括的电池模块102当中具有相对高的SOC的电池模块102供应的电力的量(每单位时间放电的电流的积分量)增加，所以该控制能够解决SOC的不平衡。作为结果，能够使电源设备100中包括的电池模块102的充电状态更接近SOC控制目标值。而且，被充电到电源设备100中包括的所有电池模块102的能量能够被高效地用尽。
SOC估计处理
下面将描述电源设备100中的SOC估计处理。图9是该实施例中的SOC估计处理的流程图。
在步骤S50中，测量电源设备100的输出电流Iout。控制器104的电池操作监视电路104c获取由电流传感器32测量的电源设备100的输出电流Iout。
在步骤S52中，执行估计每个电池模块102的模块电流Imod的处理。电池操作监视电路104c从电压传感器30获取当前串联连接的那些电池模块102(即，当前对输出作出贡献的那些电池模块102)中的每一个的输出电压(模块电压)Vmod[i]。这里，i表示第i个电池模块102。控制器104的SOC控制值计算电路104b基于接通占空D计算来自当前对输出作出贡献的电池模块102中的每一个的电流(模块电流)Imod。
接通占空D可以通过公式(1)计算。模块电流Imod可以通过公式(2)计算。
Figure BDA0002241919420000181
Imod＝Iout×D…(2)
虽然在该实施例中执行了通过使用接通占空D来计算模块电流Imod的处理，但是也可以采用这样的配置，其中在每个电池模块102中设置电流传感器32并且直接测量模块电流Imod。
在步骤S54中，执行计算每个电池模块102的SOC的处理。基于在步骤S52中获得的模块电流Imod，控制器104通过使用公式(3)来计算每个电池模块102的SOC。这里，Q[i]表示第i个电池模块102的完全充电电池容量，并且SOCini[i]表示电流积分开始时的初始SOC(基于在电源设备100启动后或在第i个电池模块102隔离后充电或放电电流为零的状态下测量的开路电压而获得的SOCv)。
Figure BDA0002241919420000191
如图10A及图10B所示，电池模块102的开路电压与SOC之间的关系是一对一的关系。因此，通过测量第i个电池模块102的开路电压，能够基于该开路电压获得SOCini[i]。
下面将描述在电池模块102隔离后如何测量开路电压。如上所述，在正常控制期间，将对所有电池模块102的强制断开信号设置为低(L)电平。然而，例如，在接通占空D低的条件(连接到负载的电池模块102的数量不需要大并且即使在存在处于常隔离状态的电池模块102时也可以输出所需的输出电压的条件)下，将对特定电池模块102的强制断开信号设置为高(H)电平。作为结果，该特定电池模块102被置于与负载隔离的状态。
当特定电池模块102与负载隔离时，该电池模块102的模块电流Imod变为零。因此，控制器104能够从该电池模块102的电压传感器30获取开路电压。因此，基于图10A中的开路电压和SOC之间的关系，控制器104能够获得与获取的开路电压对应的SOC。
可以在自从电池模块102已经与负载隔离并且此后端子电压已经稳定起已经经过预定时间之后测量开路电压，或者可以如相关技术中那样通过使用电压行为模型来根据稳定前的电压估计开路电压，所述电压行为模型示出在充电或放电已经停止后的电压的行为。
因此，即使当向负载供应电力时，也能够通过将电池模块102与负载隔离来测量开路电压。能够通过使用测量的开路电压获得特定电池模块102的SOC，并且能够将该SOC代入公式(3)的SOCini[i]。在这种情况下，优选的是将公式(3)的电流的积分重置为零。
在通过公式(3)基于模块电流的积分值估计SOC时，由于电流传感器32的测量误差等的影响，误差倾向于在积分值中累积。然而，这种误差的影响能够通过基于开路电压适当地更新初始值SOCini[i]来降低，并且由此能够提高SOC估计精度。
设置SOC控制目标值的处理
在该实施例中的电源设备100中，当由于某种原因(例如，当电池模块102的模块电压大幅降低时)而检测到电池模块102中的异常时，控制器104将该电池模块102强制隔离。具体地，控制器104基于由电池操作监视电路104c获取的状态信息来确定每个电池模块102是否已经发生故障。例如，控制器104基于状态信息来估计每个电池模块102的SOC，并且当电池模块102的SOC已经降低到或低于阈值时，确定该电池模块102处于故障状态。然后，控制器104执行将已被确定为已经发生故障的电池模块102强制隔离的处理。
因此，仅利用除了已被检测到异常的电池模块102以外的电池模块102，电源设备100能够被持续使用。然而，当被确定为异常的电池模块102的数量已经变大时，可能变得不能对电源设备100进行电流控制，并且可能无法确保输出。
当每个电池模块102中使用的电池10是锂离子电池时，开路电压随电池模块102的SOC而变化。在这种情况下，电池模块102具有开路电压随SOC变高而变高的特性。当锂离子电池具有一个单独单元(single cell)时，如图10A所示，开路电压在0％SOC处为3.0V并且在100％SOC处为4.1V。这意味着，当电池10是具有例如串联连接的十个单独单元的锂离子电池时，在0％到100％的SOC范围内，电池模块102的开路电压从30V变到41V。
如图10B所示，电池模块102的输入和输出性能取决于SOC，并且具有以下特性：输出性能随SOC变高而变高，并且输入性能随SOC变低而变高。因此，为了确保输出和输入性能二者都处于良好平衡，因此，通常期望在SOC控制目标值设置为大约50％的情况下控制电源设备100。
当电池10是锂离子电池时，单元电压在50％SOC处大约为3.67V。因此，具有串联连接的十个单独单元的电池模块102的开路电压为36.7V。
这里，将考虑如下配置，其中将具有十个串联连接的电池模块102的电源设备100连接到300V负载(DC总线)，每个电池模块102具有十个串联连接的锂离子电池单元。在该配置中，电源设备100的要被连接以产生300V的输出电压的电池模块102的平均数量是：300V/36.7V≈8.174。因此，调整栅极驱动信号的接通占空D，并且由此控制电池模块102，使得八个或九个电池模块102处于连接状态，并且平均8.174个电池模块102被连接。
在这种情况下，即使当十个电池模块102中的一个已经发生故障并被强制隔离时，也能够通过使用其他九个电池模块102来产生八个或九个电池模块102串联连接的状态。因此，电源设备100能够确保负载所需的输出电压。然而，如果电池模块102中的两个已经发生故障，则仅剩八个电池模块102来使用。在这种情况下，通过连接所有电池模块102而产生的电压仅为36.7V×8＝293.6V，低于负载所需的电压，从而无法控制输出电流。作为结果，可能需要停止电源设备100。
为了避免这种情形，实施例的电源设备100执行根据能够用于串联连接的电池模块102的数量来改变SOC控制目标值的处理。已被从串联连接强制隔离的那些电池模块102被从能够用于串联连接的电池模块102中排除，并且在能够用于串联连接的电池模块102的数量变得较小时，SOC控制目标值被设置得较高。
具体地，如图11A和图11B所示，当一个电池模块102被确定为已经发生故障时，SOC控制目标值被设置得高于当前值，以防接下来其他电池模块102发生故障。例如，SOC控制目标值被设置为75％(3.84V作为单独单元的输出电压并且38.4V作为电池模块102的模块电压)，并且执行控制使得电源设备100的电池模块102的充电状态满足SOC控制目标值。因此，电池模块102的充电状态上升以使得满足SOC控制目标值。电池模块102的开路电压相应地接近38.4V。当对电源设备100充电不会引起问题时，优选地执行移动SOC控制目标值的控制。
当SOC达到75％时，要被连接以确保300V输出电压的电池模块102的平均数量为：300V/38.4V＝7.81。因此，应该连接七个或八个电池模块102。然后，即使变得有必要强制隔离两个电池模块102，也能够持续使用电源设备100。
如上所述，可以通过设置SOC控制目标值使得能够用于串联连接的电池模块102的电压的总值变得等于或高于目标输出电压值来持续使用电源设备100。
当能够用于串联连接的电池模块102的数量已经增加时，可以根据该增加而将SOC控制目标值设置得较低。例如，当用新的电池模块102替换已发生故障并因此被强制隔离的电池模块102并且该新的电池模块102被恢复为能够用于串联连接的电池模块102之一时，SOC控制目标值被设置得低于当前值。因此，能够控制电池模块102的充电状态，以便实现允许输入和输出特性之间的良好平衡的SOC值。

Claims (6)

1.一种电源设备，其特征在于，包括：
多个电池模块，每个电池模块具有二次电池；以及
控制器，被配置为根据栅极驱动信号将电池模块彼此串联连接，以及根据能够用于串联连接的电池模块的数量来改变SOC控制目标值，所述SOC控制目标值是用于电池模块的充电状态的目标值。
2.根据权利要求1所述的电源设备，其特征在于，控制器被配置为在能够用于串联连接的电池模块的数量变得较小时将SOC控制目标值设置得较高。
3.根据权利要求1或2所述的电源设备，其特征在于，还包括断开设备，所述断开设备不管栅极驱动信号如何都将电池模块从串联连接强制隔离，
其中，控制器被配置为从能够用于串联连接的电池模块中排除已被断开设备从串联连接强制隔离的电池模块。
4.根据权利要求3所述的电源设备，其特征在于：
控制器被配置为通过使用示出电池模块的状态的状态信息来确定电池模块是否处于故障状态；并且
断开设备将已被确定为处于故障状态的电池模块从串联连接强制隔离。
5.根据权利要求4所述的电源设备，其特征在于，控制器被配置为：基于状态信息估计每个电池模块的SOC；将其SOC已经降低到或低于阈值的电池模块确定为处于故障状态；以及设置SOC控制目标值，使得除了已被断开设备强制隔离的电池模块之外的能够用于串联连接的电池模块的电压的总值变得等于或大于目标输出电压值。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的电源设备，其特征在于，栅极驱动信号从上游侧向下游侧被传输到电池模块，同时在每个电池模块中包括的栅极驱动信号处理电路中被延迟。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019060665A1 (en) * 2017-09-22 2019-03-28 Urban Electric Power Inc. SYSTEM FOR CHARGING CELLS ASSEMBLED IN A BATTERY
JP6898904B2 (ja) 2018-10-31 2021-07-07 株式会社豊田中央研究所 電源装置
JP6960897B2 (ja) 2018-10-31 2021-11-05 株式会社豊田中央研究所 電源装置
JP6960898B2 (ja) * 2018-10-31 2021-11-05 株式会社豊田中央研究所 電源装置
JP2022120255A (ja) * 2021-02-05 2022-08-18 株式会社豊田中央研究所 電源システム
JP7474276B2 (ja) 2022-03-11 2024-04-24 株式会社豊田中央研究所 電源システム

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102170012A (zh) * 2010-02-26 2011-08-31 三洋电机株式会社 电池系统
WO2013035963A1 (ko) * 2011-09-05 2013-03-14 에스케이씨앤씨 주식회사 충전 전압을 적응적으로 가변시키는 배터리 충전 장치 및 그의 배터리 충전 제어방법
US20140021923A1 (en) * 2012-07-20 2014-01-23 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Electrical storage system, and control method for electrical storage system
CN104247198A (zh) * 2013-03-29 2014-12-24 三洋电机株式会社 电源系统以及电源系统的充放电控制方法
CN104253469A (zh) * 2014-09-24 2014-12-31 于志章 二次电池组充放电管理系统
CN105009405A (zh) * 2013-01-02 2015-10-28 雷诺两合公司 包括由电池模块构成的电池的系统以及用于连接或断开电池模块的相应方法
US20160276854A1 (en) * 2015-03-16 2016-09-22 Thunder Power Hong Kong Ltd. Battery pack and connecting circuits of battery modules
CN106300530A (zh) * 2016-08-31 2017-01-04 杭州高特电子设备股份有限公司 多类蓄电池混合使用方法
CN107683222A (zh) * 2015-04-20 2018-02-09 升级技术工程有限公司 包括控制系统的电池系统
JP2018074709A (ja) * 2016-10-27 2018-05-10 株式会社豊田中央研究所 電源装置及び電源装置の制御方法

Family Cites Families (62)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5389843A (en) 1992-08-28 1995-02-14 Tektronix, Inc. Simplified structure for programmable delays
JP3331529B2 (ja) * 1993-01-29 2002-10-07 キヤノン株式会社 蓄電装置及び電力システム
US6240082B1 (en) 1998-03-10 2001-05-29 Lucent Technologies Inc. Router for daisy-chained components
US7557538B2 (en) 2001-09-03 2009-07-07 Gpe International Limited Intelligent serial battery charger
US7734317B2 (en) 2003-03-18 2010-06-08 Qualcomm Incorporated Battery management
US20070001651A1 (en) 2004-07-02 2007-01-04 Harvey Troy A Distributed networks of electric double layer capacitor supervisory controllers and networks thereof
JP5070923B2 (ja) 2007-05-11 2012-11-14 富士電機株式会社 故障信号伝送システム
JP2009081981A (ja) * 2007-09-27 2009-04-16 Sanyo Electric Co Ltd 充電状態最適化装置及びこれを具えた組電池システム
TWI376081B (en) 2008-12-08 2012-11-01 Green Solution Tech Co Ltd The battery charging controller and battery balance charging controller
US8288992B2 (en) 2009-01-14 2012-10-16 Indy Power Systems, Llc Cell management system
JP5385719B2 (ja) 2009-07-29 2014-01-08 プライムアースＥｖエナジー株式会社 組電池の管理装置
WO2011025937A2 (en) 2009-08-28 2011-03-03 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. High-efficiency battery equalization for charging and discharging
JP5466586B2 (ja) 2009-10-05 2014-04-09 プライムアースＥｖエナジー株式会社 組電池の管理装置
CN102859834A (zh) 2010-10-19 2013-01-02 三洋电机株式会社 电源装置、使用该电源装置的车辆以及蓄电装置
KR101279410B1 (ko) 2010-12-28 2013-06-27 주식회사 엘지화학 배터리 시스템 관리 장치 및 방법
EP2490315A1 (en) 2011-02-15 2012-08-22 austriamicrosystems AG Cell balancing module, voltage balancer device, and method for voltage balancing, particularly for voltage balancing of a stack of batteries
JP2014143771A (ja) 2011-05-18 2014-08-07 Sanyo Electric Co Ltd 電源システム及び電源システムの識別情報設定方法並びに電池ユニット
US20130108898A1 (en) 2011-10-26 2013-05-02 Eetrex, Inc. Modular battery control system architecture
JP5440598B2 (ja) 2011-12-24 2014-03-12 住友電気工業株式会社 給電装置及び通信方法
JP5748689B2 (ja) 2012-02-28 2015-07-15 三菱重工業株式会社 電池システム
US9322883B2 (en) 2012-04-09 2016-04-26 Jabil Circuit, Inc. Battery monitoring system using time-based signals
US8933678B2 (en) 2012-12-21 2015-01-13 Excelliance Mos Corporation Buck volatge converting apparatus
US20150102943A1 (en) 2013-10-10 2015-04-16 Datang Nxp Semiconductors Co., Ltd. Daisy-chain communication bus and protocol
US9525290B2 (en) 2013-10-25 2016-12-20 Saft Bypassable battery modules
JP2016119788A (ja) * 2014-12-22 2016-06-30 トヨタ自動車株式会社 電池システム
KR101649813B1 (ko) 2015-02-11 2016-08-19 엘에스산전 주식회사 충전 제어 장치
KR101779655B1 (ko) 2015-02-26 2017-09-18 엘에스산전 주식회사 에너지 저장 시스템의 동기화 방법
US10153521B2 (en) 2015-08-06 2018-12-11 Powin Energy Corporation Systems and methods for detecting a battery pack having an operating issue or defect
US10122186B2 (en) 2015-09-11 2018-11-06 Powin Energy Corporation Battery management systems (BMS) having isolated, distributed, daisy-chained battery module controllers
US9882401B2 (en) 2015-11-04 2018-01-30 Powin Energy Corporation Battery energy storage system
JP6610216B2 (ja) 2015-12-02 2019-11-27 富士通株式会社 遅延回路および遅延回路の試験方法
JP2017103629A (ja) 2015-12-02 2017-06-08 富士通株式会社 遅延回路、ｄｌｌ回路および遅延回路の故障救済方法
ES2913252T3 (es) * 2016-05-13 2022-06-01 Vito Nv Procedimiento y aparato de un sistema de gestión modular para celdas de almacenamiento de energía
EP3580828A4 (en) 2017-02-08 2020-12-09 Relectrify Holdings Pty Ltd BATTERY SYSTEM
CN106847156B (zh) 2017-03-16 2020-04-24 昆山龙腾光电股份有限公司 栅极驱动电路和显示装置
JP7056005B2 (ja) 2017-03-31 2022-04-19 株式会社豊田中央研究所 電源装置
JP7006876B2 (ja) 2017-05-01 2022-01-24 ラピスセミコンダクタ株式会社 半導体装置、電池監視システム、および半導体装置の起動方法
KR102173777B1 (ko) 2017-07-25 2020-11-03 주식회사 엘지화학 마스터 배터리 관리 유닛 및 이를 포함하는 배터리팩
CN111149273A (zh) 2017-08-17 2020-05-12 K2能源解决方案公司 级联接触器驱动系统
JP7107672B2 (ja) 2017-12-08 2022-07-27 エイブリック株式会社 バッテリ保護ｉｃ及びバッテリマネジメントシステム
WO2020045418A1 (ja) 2018-08-29 2020-03-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 セル監視回路、及び、管理システム
JP6867987B2 (ja) 2018-10-09 2021-05-12 株式会社豊田中央研究所 電源装置の満充電容量推定装置
DE102018218442A1 (de) 2018-10-29 2020-04-30 Deere & Company Anordnung zur Steuerung des Betriebs eines Bandschneidwerks
JP6960897B2 (ja) 2018-10-31 2021-11-05 株式会社豊田中央研究所 電源装置
JP7077204B2 (ja) 2018-10-31 2022-05-30 株式会社豊田中央研究所 電源装置
JP6960898B2 (ja) 2018-10-31 2021-11-05 株式会社豊田中央研究所 電源装置
JP6898904B2 (ja) 2018-10-31 2021-07-07 株式会社豊田中央研究所 電源装置
JP2020072549A (ja) 2018-10-31 2020-05-07 株式会社豊田中央研究所 電源装置
JP7022346B2 (ja) 2018-11-28 2022-02-18 トヨタ自動車株式会社 電源システム
JP7121908B2 (ja) 2018-11-28 2022-08-19 トヨタ自動車株式会社 電源システム
JP7100804B2 (ja) 2018-11-28 2022-07-14 トヨタ自動車株式会社 電源システム
JP7145391B2 (ja) 2018-11-28 2022-10-03 トヨタ自動車株式会社 電源システム
JP7216889B2 (ja) 2018-11-28 2023-02-02 トヨタ自動車株式会社 電源システム
JP7054453B2 (ja) 2018-11-29 2022-04-14 トヨタ自動車株式会社 電源システム
JP7089673B2 (ja) 2018-11-29 2022-06-23 トヨタ自動車株式会社 電源システム
JP7025716B2 (ja) 2018-11-29 2022-02-25 トヨタ自動車株式会社 電源システム
JP7145392B2 (ja) 2018-11-29 2022-10-03 トヨタ自動車株式会社 電源システム
JP7129008B2 (ja) 2018-11-29 2022-09-01 トヨタ自動車株式会社 電源システム
US11876189B2 (en) 2019-03-20 2024-01-16 Richtek Technology Corporation Battery system, battery module and battery control circuit thereof
EP3780526A1 (en) 2019-08-14 2021-02-17 NXP USA, Inc. Multi-level encoding for battery management system field
TWI718661B (zh) 2019-09-10 2021-02-11 立錡科技股份有限公司 電池系統及其中之電池模組及電池控制電路
JP7079236B2 (ja) 2019-12-25 2022-06-01 株式会社豊田中央研究所 電源装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102170012A (zh) * 2010-02-26 2011-08-31 三洋电机株式会社 电池系统
WO2013035963A1 (ko) * 2011-09-05 2013-03-14 에스케이씨앤씨 주식회사 충전 전압을 적응적으로 가변시키는 배터리 충전 장치 및 그의 배터리 충전 제어방법
US20140021923A1 (en) * 2012-07-20 2014-01-23 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Electrical storage system, and control method for electrical storage system
CN105009405A (zh) * 2013-01-02 2015-10-28 雷诺两合公司 包括由电池模块构成的电池的系统以及用于连接或断开电池模块的相应方法
CN104247198A (zh) * 2013-03-29 2014-12-24 三洋电机株式会社 电源系统以及电源系统的充放电控制方法
CN104253469A (zh) * 2014-09-24 2014-12-31 于志章 二次电池组充放电管理系统
US20160276854A1 (en) * 2015-03-16 2016-09-22 Thunder Power Hong Kong Ltd. Battery pack and connecting circuits of battery modules
CN107683222A (zh) * 2015-04-20 2018-02-09 升级技术工程有限公司 包括控制系统的电池系统
CN106300530A (zh) * 2016-08-31 2017-01-04 杭州高特电子设备股份有限公司 多类蓄电池混合使用方法
JP2018074709A (ja) * 2016-10-27 2018-05-10 株式会社豊田中央研究所 電源装置及び電源装置の制御方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP3648290B1 (en) 2024-05-08
CN111130164B (zh) 2023-06-30
US11635469B2 (en) 2023-04-25
EP3648290A1 (en) 2020-05-06
US20200132780A1 (en) 2020-04-30
JP2020072547A (ja) 2020-05-07
KR20200049548A (ko) 2020-05-08
JP6898904B2 (ja) 2021-07-07
KR102285698B1 (ko) 2021-08-04

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