CN111130342B - 电源设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电源设备。在包括多个电池模块的电源设备中，每个电池模块包括二次电池，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，并且在每个电池模块中，栅极驱动信号在电池模块中包括的栅极驱动信号处理电路中被延迟然后从串联连接的上游传输到下游，通过使用用于传输栅极驱动信号的栅极信号线传输用于提供对电池模块唯一的ID的ID设置信号来为每个电池模块提供ID。

Description

电源设备
技术领域
本发明涉及包括串联连接的电池模块并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，电源设备还可以从负载侧对这些电池充电(再生电力)。
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相关的电池模块连接到负载和与负载隔离。在这种电路配置中，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。
关于这种电源设备，公开了用于在相应电池模块中用于提供唯一ID的信号或故障信号的通信的技术(日本专利申请公开号2012-244794和2008-282236)。
发明内容
然而，在传统的电源设备中，提供了用于向电源设备中包括的每个电池模块提供ID的专用信号线。另外，虽然公开了其中在传送故障信号时使用用于栅极驱动信号的通信的栅极信号线的配置，但是未公开用于使用栅极信号线为每个电池模块设置ID的技术。
换句话说，传统的电源设备都不能使用栅极信号线向电池模块提供ID。
本发明的一个方面提供一种包括多个电池模块的电源设备，每个电池模块包括二次电池，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，并且在每个电池模块中，栅极驱动信号在电池模块中包括的栅极驱动信号处理电路中被延迟，并且然后从串联连接的上游传输到下游，其中通过使用用于传输栅极驱动信号的栅极信号线传输用于提供对电池模块唯一的ID的ID设置信号来为每个电池模块提供ID。
这里，如果ID设置模式指令信号与用于转换到ID设置模式的预定信号波形一致，则栅极驱动信号处理电路可以进入用于ID设置的模式。
另外，栅极驱动信号处理电路可以将从在前电池模块接收的ID设置信号改变为用于设置对后续电池模块唯一的ID的信号波形。
另外，ID设置信号可以具有脉冲波形，并且栅极驱动信号处理电路可以将从在前电池模块接收的ID设置信号的脉冲的数量改变为用于设置对后续电池模块唯一的ID的脉冲的数量。
另外，栅极驱动信号可以从最下游的电池模块返回到控制器，并且控制器可以基于返回的ID设置信号获取连接的电池模块的数量。
本发明使得能够使用栅极信号线向电池模块提供ID。
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是图示根据本发明的实施例的电源设备的配置的图；
图2是图示根据本发明的实施例的使用栅极驱动信号的切换控制的图；
图3A是图示根据本发明的实施例的使用栅极驱动信号的切换控制的图；
图3B是图示根据本发明的实施例的使用栅极驱动信号的切换控制的图；
图4是图示根据本发明的实施例的电源设备的控制的图；
图5是图示根据本发明的实施例的用于将ID设置模式指令脉冲信号叠加在栅极驱动信号上的方法的图；以及
图6是图示根据本发明的实施例的使用栅极驱动信号的ID设置处理的图。
具体实施方式
如图1所示，根据实施例的电源设备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可以在控制器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可以向连接到端子T1和T2的负载(未示出)供应电力(对负载供电)，或者可以利用来自连接到端子T1和T2的电源(未示出)的电力充电(再生电力)。
每个电池模块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和NOT(非)元件26。在本实施例中，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连接或/和并联连接。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。换句话说，由于二次电池被用作电池10，为了减少由于内部电阻损耗的增加导致的电池10的劣化，由扼流线圈12和电容器14形成RLC滤波器以平滑电流。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。在本实施例中，第一开关元件16具有这样的配置，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。第二开关元件18在电池10和第一开关元件16之间串联连接到电池10。在本实施例中，第二开关元件18具有这样的配置，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。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。尽管在本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输入到电池模块102的栅极驱动信号来控制电池模块102的电路(如稍后所述，ID设置信号可以被叠加在栅极驱动信号上)。栅极驱动信号处理电路20包括使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)，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构成用于根据来自控制器104的强制断开信号强制地将电池模块102从串联连接状态隔离的断开装置。另外，OR元件24构成用于根据来自控制器104的强制连接信号强制地将电池模块102连接到串联连接状态的连接装置。AND元件22和OR元件24由控制器104控制。来自控制器104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另一个输入端子。来自控制器104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输入到第一开关元件16的栅极端子。
在正常控制期间，从控制器104向AND元件22输入高(H)电平控制信号，并且从控制器104向OR元件24输入低(L)电平控制信号。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，当栅极驱动信号为高(H)时，电池模块102处于与其他电池模块102串联连接的状态，并且当栅极驱动信号为低(L)时，电池模块102处于与其他电池模块102隔离的通过(pass-through)状态。
在强制断开期间，控制器104将低(L)电平控制信号输入到要被强制隔离的电池模块102的AND元件22，并且将低(L)电平控制信号输入到该电池模块102的OR元件24。因此，从AND元件22输出低(L)电平，通过OR元件24由NOT元件26将高(H)电平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始终处于接通状态，第二开关元件18始终处于关断状态，并且无论栅极信号的状态如何电池模块102都处于被强制隔离的状态(通过状态)。这种强制断开控制可以被用作用于减少电源设备100中的电池模块102之间的SOC不平衡的控制。
在强制连接期间，控制器104将高(H)电平信号输入到要被强制连接的电池模块102的OR元件24。因此，从OR元件24输入高(H)电平，由NOT元件26将低(L)电平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始终处于关断状态，第二开关元件18始终处于接通状态，并且无论栅极信号的状态如何电池模块102都处于被强制串联连接的状态。这种强制连接控制可以被用作用于减少电源设备100中的电池模块102之间的SOC不平衡的控制。
已经进入强制断开状态或者强制连接状态的电池模块102的栅极驱动信号处理电路20将接收到的栅极驱动信号传输到下个电池模块102而不延迟栅极驱动信号。
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)电平强制断开信号从控制器104输入到电池模块102(102a、102b、...102n)中的每一个的AND元件22。低(L)电平强制连接信号从控制器104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的栅极驱动信号的反相信号通过NOT元件26被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的栅极驱动信号被原样输入到第二开关元件18的栅极端子。
图2图示了与电池模块102a的操作有关的时间图。图2图示了用于驱动电池模块102a的栅极驱动信号D1的脉冲波形、指示第一开关元件16的切换状态的矩形波D2、指示第二开关元件18的切换状态的矩形波D3以及由电池模块102a输出的电压Vmod的矩形波D4。
在电池模块102a的初始状态，即，其中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从栅极驱动信号D1的下降开始以短时间(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。与栅极驱动信号D1的下降同时，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，使得第一开关元件16和第二开关元件18交替地接通和关断。
注意，从栅极驱动信号D1的下降开始以短时间(空载时间dt)的延迟激活第一开关元件16以及从栅极驱动信号D1的上升开始以短时间(空载时间dt)的延迟激活第二开关元件18旨在防止第一开关元件16和第二开关元件18同时被激活。换句话说，防止由于第一开关元件16和第二开关元件18被同时接通而导致的电池短路。引起激活的延迟的空载时间dt被设置为例如100ns，但是可以被设置为任意适当的时间。在空载时间dt期间，电流通过二极管循环，产生和当与电流循环通过的这个二极管并联的开关元件被接通时相同的状态。
在如此控制的电池模块102a中，如图2所示，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，没有电池模块102a的电压从输出端子输出。在这种状态中，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。在这种状态中，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控制电源设备100的整体。换句话说，控制器104通过控制电池模块102a、102b、102c、...102n中的每一个的操作来控制电源设备100的输出电压。
控制器104输出矩形波栅极驱动信号。电池模块102a、102b、102c、...102n中包括的栅极驱动信号处理电路20包括相应的延迟电路，延迟电路顺序地延迟并输出从控制器104输出的栅极驱动信号。每个栅极驱动信号处理电路20通过相关的延迟电路将栅极驱动信号延迟一定时间，并将延迟的栅极驱动信号输出到相邻的电池模块102。作为结果，从控制器104输出的栅极驱动信号被顺序地延迟并传输到电池模块102a、102b、102c、...102n。
在图1中，当栅极驱动信号从控制器104输出到最上游侧的电池模块102a时，如图3A和图3B所示，电池模块102a被驱动，并且电池模块102a处的电压被输出到输出端子OT。另外，栅极驱动信号通过电池模块102a的栅极驱动信号处理电路20被延迟一定时间，然后被输入到相邻的电池模块102b。栅极驱动信号如在电池模块102a中那样使得电池模块102b被驱动。栅极驱动信号通过电池模块102b的栅极驱动信号处理电路20被进一步延迟一定时间，并被输入到相邻的电池模块102c。同样，栅极驱动信号被顺序地延迟并输入到下游侧的电池模块中的每一个。然后，电池模块102a、102b、102c、...102n被顺序地驱动，并且电池模块102a、102b、102c、...102n的电压被顺序地输出到相应的输出端子OT。
图4图示了其中电池模块102a、102b、102c、...102n被顺序地驱动的状态。如图4所示，电池模块102a、102b、102c、...102n从上游侧到下游侧一个接一个地被驱动，每个电池模块响应于栅极驱动信号具有一定延迟时间(Tdelay)。
在图4中，附图标记E1指示其中电池模块102a、102b、102c、...102n的第一开关元件16关断并且电池模块102a、102b、102c、...102n的第二开关元件18接通的状态，该状态是其中电池模块102a、102b、102c、...102n各自从相关的输出端子OT输出电压的状态(连接状态)。另外，附图标记E2指示其中电池模块102a、102b、102c、...102n的第一开关元件16接通并且电池模块102a、102b、102c、...102n的第二开关元件18关断的状态，该状态是其中电池模块102a、102b、102c、...102n各自不从相关的输出端子OT输出电压的状态(通过状态)。如上所述，电池模块102a、102b、102c、...102n被顺序地驱动，每个具有一定延迟时间(Tdelay)。
接下来将描述栅极驱动信号以及用于栅极驱动信号的延迟时间(Tdelay)的设置。通过将相应电池模块102a、102b、102c、...102n的延迟时间(Tdelay)相加来设置栅极驱动信号的周期T。例如，如果N个电池模块102a、102b、102c、...102n以相同的延迟时间(Tdelay)操作，则栅极驱动信号的周期T由T＝N×Tdelay表示。因此，如果延迟时间(Tdelay)被设置得长，则栅极驱动信号的频率变得低。另一方面，如果延迟时间(Tdelay)被设置得短，则栅极驱动信号的频率变得高。另外，可以根据电源设备100所要求的要求规格来适当地设置延迟栅极驱动信号的延迟时间(Tdelay)。
可以通过(电源设备100的输出电压)/(所有电池模块102a、102b、102c、...102n的总电压)来计算栅极驱动信号的周期T中的接通时间比(接通占空(on-duty))D，即，周期T中的接通时间段TON的比例。可以通过电池模块的电池电压×电池模块的数量来计算电池模块102a、102b、102c、...102n的总电压。换句话说，接通时间比D＝电源设备的输出电压/(电池模块的电池电压×电池模块的数量)。确切地说，接通时间比具有对应于空载时间dt的误差，并且因此，以诸如通常在斩波电路(chopper circuit)中执行的那样的方式借助于反馈或者前馈来校正接通时间比。
如上所述，电源设备100的输出电压Vout可以由电池模块的电池电压(平均电压Vmean)×接通状态的电池模块的数量(NON)表示。在这种情况下，使用电源设备100的输出电压Vout、电池模块电池电压的平均电压Vmean和延迟时间Tdelay，由TON＝Vout×Tdelay/Vmean表示接通时间段TON。
当电池模块102a、102b、102c、...102n被顺序地驱动时，获得由图4中的附图标记H1指示的矩形波的输出特性。换句话说，获得在由栅极驱动信号的周期T/电池模块的数量计算的周期中变化的电压。该变化被由电池模块102a、102b、102c、...102n的布线引起的寄生电感滤除，并且如附图标记H2所示，电源设备100整体输出更稳定的电压Vout。
如上所述，当电源设备100被驱动时，输出到最上游侧的电池模块102a的栅极驱动信号被延迟一定时间并输出到下游侧的电池模块102b，并且此外，栅极驱动信号被延迟一定时间并且依次传输到下游侧的电池模块，因此，电池模块102a、102b、102c、...102n中的每一个依次输出具有一定时间的延迟的电压。然后，通过将这些电压相加来输出电源设备100的电压，从而使得能够获得期望的电压。
另外，通过调整接通时间比D可以容易地获得期望的电压，从而使得能够提高电源设备100的多功能性。特别地，即使在电池模块102a、102b、102c、...102n中的任何一个中发生故障并且因此相关的电池模块变得难以使用，也可以在排除发生故障的电池模块的情况下使用正常的电池模块来获得期望的电压。换句话说，即使在电池模块102a、102b、102c、...102n中的任何一个中发生故障，也可以继续输出期望的电压。
此外，通过将延迟栅极驱动信号的延迟时间设置得长，栅极驱动信号的频率变得低，并且因此第一开关元件16和第二开关元件18中的每一个的切换频率也变得低，从而使得能够降低切换损耗并因此使得能够提高电力转换效率。相反，通过将延迟栅极驱动信号的延迟时间设置得短，栅极驱动信号的频率变得高，电压变化的频率变得高，从而便于滤波并因此使得能够获得稳定的电压。另外，便于RLC滤波器对电流变化的平滑。如上所述，提供所要求的规格和性能的电源设备100可以通过调整延迟栅极驱动信号的延迟时间来提供。
ID设置处理
下面将描述用于设置对电源设备100中包括的电池模块102中的每一个唯一的ID的处理。在本实施例中，通过使用用于传输栅极驱动信号的栅极信号线将ID设置信号从上游电池模块102a传输到下游电池模块102n，来为电池模块102中的每一个设置ID。
图5图示了用于使来自控制器104的栅极驱动信号传输用于电池模块102的ID设置信号的方法的示例。在栅极驱动信号为接通的时段期间，控制器104添加在正常控制中不使用的ID设置模式指令脉冲。图5中的示例指示其中传输在栅极驱动信号的周期T中包括三个脉冲的ID设置模式指令脉冲信号的示例。
在接收到ID设置模式指令脉冲后，电池模块102中的每一个中的栅极驱动信号处理电路20转换到ID设置模式。在ID设置模式中，栅极驱动信号处理电路20中的每一个不基于接收的栅极驱动信号控制第一开关元件16和第二开关元件18。栅极驱动信号处理电路20中的每一个依次将接收到的ID设置模式指令脉冲馈出到后续电池模块102。因此，可以使电源设备100中包括的所有电池模块102转换到ID设置模式。
虽然在本实施例中，在接收到包括三个脉冲的ID设置模式指令脉冲后，每个栅极驱动信号处理电路20转换到ID设置模式，但是每个栅极驱动信号处理电路20也可以被配置为如果ID设置模式指令信号与用于转换到ID设置模式的预定信号波形一致则进入用于ID设置的模式。
控制器104馈出ID设置模式指令脉冲。在接收到ID设置信号后，电池模块102中的每一个的栅极驱动信号处理电路20根据ID设置信号设置对相关的电池模块102唯一的ID。另外，电池模块102的栅极驱动信号处理电路20将从在前电池模块102接收的ID设置信号改变为用于设置对后续电池模块102唯一的ID的信号波形，并馈出得到的ID设置信号。
例如，控制器104将包括一个脉冲的ID设置信号馈出到最上游的电池模块102a。在接收到ID设置信号后，最上游的电池模块102a的栅极驱动信号处理电路20将与脉冲的数量对应的ID号设置为相关的电池模块102a的ID。换句话说，对于最上游的电池模块102a，设置ID号＝1。电池模块102a的栅极驱动信号处理电路20将一个脉冲添加到接收到的脉冲，并将脉冲馈出到下一个电池模块102b。在接收到ID设置信号后，电池模块102b的栅极驱动信号处理电路20将与脉冲的数量对应的ID号设置为相关电池模块102b的ID。换句话说，在电池模块102b中，设置ID号＝2。电池模块102b的栅极驱动信号处理电路20将一个脉冲添加到接收到的脉冲，并将得到的脉冲馈出到下一电池模块102c。作为重复这种处理的结果，ID号被设置直到最下游的电池模块102n。
电池模块102n的栅极驱动信号处理电路20将一个脉冲添加到接收到的脉冲，并将得到的脉冲馈出到控制器104。在从电池模块102n接收到信号后，控制器104可以通过从接收到的脉冲的数量减去一来获得电源设备100中包括的连接的电池模块102的数量。
在栅极驱动信号的接通时间段期间，控制器104添加在正常控制中不使用的ID设置模式取消脉冲并馈出得到的栅极驱动信号。电池模块102中的每一个的栅极驱动信号处理电路20在使用用于传输栅极驱动信号的栅极信号线接收到ID设置模式取消脉冲时取消ID设置模式。
如上所述，在本实施例中的电源设备100中，ID设置信号可以被用于使用用于传输栅极驱动信号的栅极信号线来为电池模块102中的每一个设置ID号。
虽然在本实施例中，根据由相关的栅极驱动信号处理电路20接收到的脉冲的数量来为电池模块102中的每一个设置ID号，但是也可以根据脉冲宽度(脉冲的时间长度)或脉冲的幅度来为电池模块102中的每一个设置ID号。

Claims (5)

1.一种电源设备，包括多个电池模块，每个电池模块包括二次电池，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，并且在每个电池模块中，栅极驱动信号在电池模块中包括的栅极驱动信号处理电路中被延迟然后从串联连接的上游传输到下游，
其中，在正常控制期间，通过使用用于传输栅极驱动信号的栅极信号线传输栅极驱动信号来控制每个电池模块的驱动，以及
其中，在ID设置模式期间，通过使用所述栅极信号线传输叠加在栅极驱动信号上的用于提供对电池模块唯一的ID的ID设置信号来为每个电池模块提供ID，其上叠加有所述ID设置信号的栅极驱动信号不用于控制电池模块的驱动。
2.根据权利要求1所述的电源设备，其中，如果ID设置模式指令信号与用于转换到ID设置模式的预定信号波形一致，则栅极驱动信号处理电路进入ID设置模式。
3.根据权利要求1或2所述的电源设备，其中，栅极驱动信号处理电路将从在前电池模块接收的ID设置信号改变为用于设置对后续电池模块唯一的ID的信号波形。
4.根据权利要求3所述的电源设备，其中：
ID设置信号具有脉冲波形；并且
栅极驱动信号处理电路将从在前电池模块接收的ID设置信号的脉冲的数量改变为用于设置对后续电池模块唯一的ID的脉冲的数量。
5.根据权利要求1或2所述的电源设备，其中，栅极驱动信号从最下游的电池模块返回到控制器，并且控制器基于返回的ID设置信号获取连接的电池模块的数量。
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