CN116848748A - 电池保护装置及该电池保护装置的控制方法 - Google Patents

电池保护装置及该电池保护装置的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的特征在于，包括：半导体电路断路器，配置在电池系统和线路之间，包括根据施加于栅极端子的电压来使所述电池系统和线路之间电连接或电绝缘的半导体开关；切断开关，使所述半导体电路断路器和线路之间物理连接或物理分离；以及机架式电池管理系统，根据检测所述电池系统和线路之间流动的电流的结果，来控制施加所述栅极电压的栅极驱动器，使所述电池系统和线路之间绝缘，并控制所述切断开关，使所述半导体电路断路器与所述线路物理分离。

Description

电池保护装置及该电池保护装置的控制方法
技术领域
本发明涉及电池保护装置(Battery Protection Unit，以下BPU)。
背景技术
通常，电池保护装置(BPU)是用于保护储能系统(Energy storage System，ESS)等中使用的电池系统的装置，可以构成为包括以机架(Rack)或模块(module)为单位形成的电池系统和保护所述电池系统的机架式电池管理系统(Rack Battery Management System，RBMS)。
所述机架式电池管理系统可以管理所述电池系统的充/放电模式转换，并且可以执行电压、电流以及温度监控等，以保护所述电池系统。并且，可以根据监控结果来切断从所述电池系统输出或向电池系统流入的电流，以保护负载免受电力转换装置(PowerConditioning System，PCS)故障时从电池系统流入的短路电流影响，或者保护电池系统免受因所述电力转换装置(PCS)和电池系统之间的线路发生故障而流入的短路或接地等故障电流的影响。为了实现这种切断功能，所述电池保护装置可以具有在检测出过电流的情况下断开(open)电路并切断线路的配线用断路器(Molded Cased Circuit Breaker，MCCB)，和被过电流产生的热量熔断而使电池系统与线路绝缘的保险丝(Fuse)。并且，所述配线用断路器和保险丝可以配置在连接有负载的所述线路和电池系统之间，从而防止在所述电池系统或线路中产生的过电流向负载或所述电池系统流入。
图1是示出如上所述在电池系统和线路之间配置有配线用断路器和保险丝的通常的电池保护装置100的结构的图。
参照图1，通常的电池保护装置100可以连接具有复数个电池(battery)或单电池(cell)以机架(Rack)形态层叠的电池机架111的电池系统110和连接有负载的线路(直流链路正端(DC link+)190，直流链路负端(DC link-)191)之间。在该情况下，所述电池机架111的正端(+)和直流链路正端190可以通过第一保险丝121和第一MCCB131连接，所述电池系统111的负端(-)和直流链路负端191可以通过第二保险丝122和第二MCCB132连接。
另外，在所述第一MCCB131和直流链路正端190之间可以设置有预充电继电器(Precharge relay)150。所述预充电继电器150可以包括彼此并联连接的复数个第一接触器(main Contactor)151、152，任意一个所述第一接触器152可以与固定大小的电阻153连接而形成抑制负载或电池的初始连接时产生的突入电流的旁路电路。此外，在所述第二MCCB132和直流链路负端191之间可以设置有第二接触器160。另外，第一MCCB131和第二MCCB132还可以包括欠压脱扣线圈(Under Voltage Tripcoil,UVT)140，以形成为在动作电压(如：额定电压)以下的电压下保持跳闸状态。
另外，在所述预充电继电器150和所述直流链路正端190之间可以设置有电流表180。此外，可以具有根据所述电流表180检测出的所述电池系统100和线路(直流链路正端(DC link+)190)之间的电流来控制所述第一MCCB131和第二MCCB132、复数个第一接触器151、152以及第二接触器160的RBMS170。
在如上所述形成的通常的电池保护装置100的情况下，如果产生诸如短路电流或故障电流的过电流，则保险丝121、122可以被过电流的流入产生的热量熔断，从而实现对电池系统111或连接于线路的负载的初步保护。此外，二次性地，第一MCCB131和第二MCCB132可以根据RBMS170的控制来断开电路并切断负载和电池之间的线路连接，从而实现对所述电池系统111或负载的二次保护。
但是，在如上述的MCCB的情况下，存在作为机械开关切断线路所需的时间较长的问题。另外，在保险丝的情况下，存在直到被完全熔断之前线路保持连接的状态的问题。因此，上述通常的电池保护装置100的问题在于，在产生短路电流或故障电流时，如果在所述MCCB完全切断线路之前保险丝没有完全熔断，则电池系统111产生的短路电流可能通过线路流入负载，或者因线路的故障而产生的故障电流可能流入电池系统111。此外，存在这种短路电流或故障电流可能会导致电池系统111或连接于线路的负载的损坏的问题。
不仅如此，在所述保险丝的情况下，通过熔断来切断电池系统111和线路之间的连接，如果因短路电流或故障电流(以下，将统称为故障电流)而熔断保险丝，则必须更换保险丝才能恢复所述电池系统111和线路之间的连接。因此，即使线路中的故障被处理而恢复从线路流入的电流状态，所述电池系统111和线路之间的连接也无法自动恢复，由此存在每当执行电池保护装置100的切断动作时，都需要用于更换保险丝的用户的手动操作的问题。
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的目的是解决上述的问题和其他问题，并提供一种能够防止因电池的短路或线路的故障而产生的故障电流在保险丝完全熔断之前流入负载或电池的电池保护装置及该电池保护装置的控制方法。
另外，本发明提供一种通过防止保险丝被因电池的短路或线路的故障而产生的故障电流烧损，能够根据电流状态的恢复来自动恢复电池系统和线路之间的连接而无需用于更换保险丝的用户的手动操作的电池保护装置及该电池保护装置的控制方法。
解决问题的技术方案
为了达成上述或其他目的，根据本发明的一方面，本发明实施例的电池保护装置包括：半导体电路断路器，配置在电池系统和线路之间，包括根据施加于栅极端子的电压来使所述电池系统和线路之间电连接或电绝缘的半导体开关；切断开关，使所述半导体电路断路器和线路之间物理连接或物理分离；以及机架式电池管理系统(Rack BatteryManagement System,RBMS)，如果所述电池系统与所述线路连接，则根据检测所述电池系统和线路之间流动的电流的结果，来控制施加所述栅极电压的栅极驱动器，使所述电池系统和线路之间绝缘，并控制所述切断开关，使所述半导体电路断路器与所述线路物理分离。
在一实施例中，其特征在于，所述半导体电路断路器包括：第一半导体开关，其源极端子和漏极端子被配置为从所述电池系统向所述线路形成电流流动；第二半导体开关，与所述第一半导体开关串联连接，并且其源极端子和漏极端子被配置为从所述线路向所述电池系统形成电流流动；以及第一栅极驱动器和第二栅极驱动器，根据所述机架式电池管理系统的控制，所述第一栅极驱动器向所述第一半导体开关的栅极端子施加栅极电压，所述第二栅极驱动器向所述第二半导体开关的栅极端子施加栅极电压，在所述电池系统通过所述半导体电路断路器与所述线路物理连接的情况下，所述机架式电池管理系统控制所述第一栅极驱动器和第二栅极驱动器中的至少一个施加具有预设的电压的栅极电压，使所述电池系统和线路之间电连接。
在一实施例中，其特征在于，所述机架式电池管理系统控制所述电池系统以从所述电池系统输出电流的放电模式和所述电池系统从所述线路接收电流的充电模式中的任意一个动作，并根据所述电流检测结果，来控制所述第一栅极驱动器和第二栅极驱动器中的任意一个栅极驱动器，以施加低于所述预设的电压的栅极电压，根据所述电流检测结果来控制栅极电压的任意一个栅极驱动器根据所述电池系统的动作模式而彼此不同。
在一实施例中，其特征在于，所述机架式电池管理系统在所述电池系统为放电模式的情况下，控制所述第一栅极驱动器施加低于所述预设的电压的栅极电压，在所述电池系统为充电模式的情况下，控制所述第二栅极驱动器施加低于所述预设的电压的栅极电压。
在一实施例中，其特征在于，所述第一半导体开关和第二半导体开关由源极(source)端子和漏极(drain)端子彼此配置在相反方向上的N沟道MOSFET元件构成，并形成为分别包括与所述N沟道MOSFET元件的电流流动反向配置的二极管。
在一实施例中，其特征在于，所述半导体电路断路器包括检测在所述电池系统和线路之间流动的电流的电流传感器，所述电流传感器是利用巨磁电阻元件(GiantMagnetoResistance,GMR)的GMR传感器。
在一实施例中，其特征在于，所述电池系统的正端(+)和负端(-)分别经由保险丝与所述半导体开关连接。
在一实施例中，其特征在于，所述预设的电压是用于使所述第一半导体开关或第二半导体开关的输入端和输出端导通的阈值电压。
为了达成上述或其他目的，根据本发明的一方面，包括本发明实施例的连接电池系统和线路之间的半导体电路断路器的电池保护装置的控制方法，其特征在于，包括：所述电池保护装置的机架式电池管理系统控制配置在所述半导体电路断路器和线路之间的切断开关，使所述电池系统和所述线路之间物理连接的步骤；所述机架式电池管理系统控制设置于所述半导体电路断路器的半导体开关，使所述电池系统和所述线路之间电连接的步骤；所述机架式电池管理系统从所述电池系统和线路之间流动的电流来检测预设的大小以上的过电流的步骤；所述机架式电池管理系统根据所述检测结果来控制向所述半导体开关施加栅极电压的栅极驱动器，使所述电池系统和线路之间绝缘的步骤；以及所述机架式电池管理系统控制所述切断开关，使所述半导体电路断路器与所述线路物理分离的步骤。
在一实施例中，其特征在于，所述半导体电路断路器包括：第一半导体开关，其源极端子和漏极端子被配置为从所述电池系统向所述线路形成电流流动；第二半导体开关，与所述第一半导体开关串联连接，并且其源极端子和漏极端子被配置为从所述线路向所述电池系统形成电流流动；以及第一栅极驱动器和第二栅极驱动器，根据所述机架式电池管理系统的控制，所述第一栅极驱动器向所述第一半导体开关的栅极端子施加栅极电压，所述第二栅极驱动器向所述第二半导体开关的栅极端子施加栅极电压。
在一实施例中，其特征在于，使所述电池系统和所述线路之间电连接的步骤包括：以放电模式和充电模式中的任意一个动作模式驱动所述电池系统的步骤；以及控制所述第一栅极驱动器和第二栅极驱动器中的至少一个，以根据所述电池系统的动作模式来施加预设的阈值电压以上的栅极电压的步骤。
在一实施例中，其特征在于，控制所述栅极驱动器使所述电池系统和线路之间绝缘的步骤是，根据所述电池系统的动作模式来控制不同的栅极驱动器施加低于预设的阈值电压的栅极电压的步骤。
在一实施例中，其特征在于，根据所述电池系统的动作模式来控制不同的栅极驱动器的步骤是，在所述电池系统以放电模式驱动的情况下，控制所述第一栅极驱动器施加低于所述阈值电压的栅极电压的步骤；以及在所述电池系统以充电模式驱动的情况下，控制所述第二栅极驱动器施加低于所述阈值电压的栅极电压的步骤。
在一实施例中，其特征在于，控制所述栅极驱动器使所述电池系统和线路之间绝缘的步骤是，控制所述第一栅极驱动器和所述第二栅极驱动器都施加低于预设的阈值电压的栅极电压的步骤。
在一实施例中，其特征在于，所述半导体电路断路器包括利用巨磁电阻元件(Giant MagnetoResistance,GMR)的GMR传感器作为电流传感器，检测所述过电流的步骤是，利用所述GMR传感器从所述电池系统和线路之间流动的电流检测所述过电流的步骤。
发明效果
对于本发明的电池保护装置及所述电池保护装置的控制方法的效果的说明如下。
根据本发明的实施例中的至少一个，本发明通过利用半导体开关连接电池系统和线路之间，能够显著缩短在检测出故障电流之后切断线路连接的时间。由此，本发明具有能够防止由故障电流的流入引起的负载或电池的损坏的效果。
另外，根据本发明的实施例中的至少一个，本发明通过利用半导体开关连接电池系统和线路之间，从而在产生故障电流时，可以在保险丝熔断之前使电池系统与线路绝缘。因此，具有能够根据电流状态恢复来自动恢复电池系统和线路之间的连接而无需更换保险丝的效果。
附图说明
图1是示出通常的电池保护装置的结构的电路图。
图2是示出根据本发明的实施例来利用半导体开关连接电池系统和线路的电池保护装置的结构的电路图。
图3是示出图2所示的电池保护装置中连接电池系统和线路之间的半导体开关的结构的电路图。
图4是表示设置于本发明实施例的电池保护装置的GMR传感器的过电流检测性能的曲线图。
图5是示出设置于本发明实施例的电池保护装置的RBMS的动作过程的流程图。
具体实施方式
应当注意，本说明书中使用的技术术语仅用于说明特定的实施例，并非旨在限定本发明。另外，除非在上下文中另有明确不同的含义，否则单数表达包括复数表达。以下的说明中使用的构成要素的后缀“模块”和“部”是仅考虑易于撰写说明书而赋予或混用的，其本身并不具有相互区分的含义或作用。
在本说明书中，“由…构成”或“包括”等术语不应解释为必须包括所有说明书中记载的各种构成要素或各种步骤，而应解释为也可以不包括其中一部分构成要素或一部分步骤，或者还可以包括追加的构成要素或步骤。
另外，在说明本说明书中公开的技术时，如果判断为对相关公知技术的具体说明可能会混淆本说明书中公开的技术的主旨，则省略对其的详细说明。
另外，附图仅用于使本说明书中公开的实施例可以易于理解，本说明书中公开的技术思想不受附图限制，应理解为包括本发明的思想和技术范围内的所有变更、等同物或代替物。另外，除了以下说明的每个实施例以外，实施例的组合作为本发明的思想和技术范围内的变更、等同物或代替物，当然可以对应于本发明的思想和技术范围。
首先，为了帮助完全理解本发明，说明本发明的基本原理，即本发明代替现有的如MCCB的需要较长时间来切断电路的配线用断路器，包括由具有高速的开关频率的电力用半导体构成的半导体开关，利用能够实现高速的电路切断的半导体电路断路器(Solid StateCircuit Breaker，SSCB)来连接电池系统110和线路(DC link+190、DC Link-191)之间，由此在电池系统111或线路中产生故障时，能够在更短的时间内切断电池系统110和线路(DClink+190、DC Link-191)之间的连接。因此能够防止由故障电流引起的电池系统110或连接于线路的负载的烧损，并且能够在与所述电池系统110连接的保险丝熔断之前切断电路，从而防止所述保险丝熔断。
图2是示出根据这种本发明的实施例来利用半导体开关连接电池系统和线路的电池保护装置200的结构的电路图。
参照图2，本发明实施例的电池保护装置200可以通过包括半导体开关的电路断路器即半导体电路断路器(SSCB)220，将连接有负载的线路(直流链路正端(DC link+，190)、直流链路负端(DC link-，191))，与具有由复数个电池或单电池(cell)以机架(Rack)形态层叠的电池机架111的电池系统110连接。
在该情况下，所述电池系统110的正端(+)和负端(-)可以分别与半导体电路断路器220连接，所述电池系统110的正端(+)和半导体电路断路器220可以通过第一保险丝121连接，所述电池系统110的负端(-)和半导体电路断路器220可以通过第二保险丝122连接。
所述第一保险丝121和第二保险丝2用于在流入过电流时通过熔断来保护电池系统110，可以在半导体电路断路器220的故障或异常动作等例外情况下，用于保护所述电池系统111。
另一方面，所述DC Link正端(+)190和DC Link负端(-)191可以分别与半导体电路断路器220连接。所述DC Link正端(+)190可以通过所述半导体电路断路器220与所述电池系统110的正端(+)连接。并且，所述DC Link负端(-)191可以通过所述半导体电路断路器220与所述电池系统110的负端(-)连接。所述DC Link正端(+)190和半导体电路断路器220可以通过第一切断开关231连接，所述DC Link负端(-)191和半导体电路断路器220可以通过第二切断开关232连接。
所述第一切断开关231和第二切断开关232可以是物理切断线路(DC Link正端(+)190、DC Link负端(-)191)和半导体电路断路器220之间的连接的开关。
所述第一切断开关231和第二切断开关232作为机械开关，切断电路需要较长时间，但是作为能够物理切断所述线路和电池系统110之间的连接的开关，在检测出故障电流的情况下，由具有高速的开关速度的所述半导体电路断路器220的半导体开关部初步切断线路和电池系统110之间的电连接之后，二次切断物理连接，从而能够更安全地保护电池系统110和负载，以免烧损。
另一方面，执行所述电池保护装置200的控制部作用的机架式电池管理系统(RackBattery Management System，以下RBMS)210可以管理所述电池系统110的充/放电模式转换，并且可以为了保护所述电池系统110而执行电压、电流以及温度监控等。
并且，可以根据监控结果来控制所述半导体电路断路器220，以切断从所述电池系统110输出或向电池系统110流入的电流。即，RBMS210可以控制半导体电路断路器220来检测从线路(DC Link正端(+)190、DC Link负端(-)191)流入电池系统110的电流和从电池系统110向所述线路输出的电流，并且可以基于电流检测结果来判断是否产生了故障电流。
并且，可以根据判断结果来控制半导体电路断路器220的半导体开关部，以切断线路和电池系统110之间的电连接，接着可以控制第一切断开关231和第二切断开关232，以使所述电池系统110从所述线路物理分离。
另外，所述RBMS210可以控制打开/关闭用于冷却电池保护装置200的内部的BPU风扇292和用于冷却电池系统110的模块风扇291的驱动的风扇开关290，并且在所述BPU风扇292和模块风扇291被驱动的情况下，可以控制BPU风扇292和模块风扇291的旋转速度(如：RPM(Rotate Per Minute))等。
为了这种RBMS210的驱动，本发明实施例的电池保护装置200可以从外部电源接收用于所述RBMS210和半导体电路断路器220的驱动的电力(如：SSCB/RBMS电力24V)，所述外部电源也可以形成为供应用于所述BPU风扇292和模块风扇291的驱动的驱动电力(如：风扇电力24V)。
另一方面，如上所述，RBMS220可以控制半导体电路断路器220的整体动作。因此，所述RBMS220可以是所述半导体电路断路器220的控制部，在该情况下，本发明实施例的电池保护装置200的控制部可以兼具所述半导体电路断路器220的控制部功能。
以下，将参照图3说明如上所述由电池保护装置200的控制部执行所述半导体电路断路器220的控制部的功能的本发明实施例的电池保护装置200的结构。
参照图3，本发明实施例的半导体电路断路器220可以构成为在电池系统110和线路(DC Link正端(+)190、DC Link负端(-)191)之间设置有，包括能够接通(turn on)/关断(turn off)并且彼此串联连接的第一半导体开关311和第二半导体开关312的半导体开关部310、第一切断开关231和第二切断开关232、第一栅极驱动器341和第二栅极驱动器342、过电压抑制部330、电流传感器350以及RBMS210。
通常，在电池放电时，可以形成从电池系统110到线路的电流流动。相反，在电池充电时，可以形成从线路到电池系统110的电流流动。因此，所述半导体电路断路器220可以形成为不仅能切断从电池系统110到线路的电流流动，还能切断从线路到电池系统110的电流流动。
为了这种双向切断，如图3所示，所述第一半导体开关111和第二半导体开关112，源极(source)和漏极(drain)可以彼此配置在相反方向上。在该情况下，所述第一半导体开关311和第二半导体开关312可以是由N沟道MOSFET元件构成的半导体开关。
所述第一半导体开关311和第二半导体开关312还可以包括与电流流动反向配置的第一二极管321和第二二极管322，以防止在故障电流引起的电路切断时由逆电压造成的MOSFET元件的损坏。在该情况下，在MOSFET元件311、312各自的源极端子和漏极端子可以连接有所述第一二极管321和第二二极管322各自的正极和负极。
因此，所述第一二极管321可以与第一半导体开关311的MOSFET元件并联连接，从而与从电池系统110的正端(+)流向DC Link正端(+)190的电流反向配置。并且，所述第二二极管122可以与第二半导体开关112的MOSFET元件并联连接，从而与从DC Link正端(+)190流向电池系统110的正端(+)的电流反向配置。
如上所述，本发明实施例的半导体电路断路器10可以具有构成为互补对称形态的第一半导体开关111和第二半导体开关112，从而形成为能够将双向流动的故障电流都切断。
另一方面，过电压抑制部330可以防止在半导体电路断路器220因故障电流而切断电路时，因残留电流而在所述半导体开关部310的两端形成过电压。
所述过电压抑制部330可以包括缓冲(snubber)电路或用于抑制过电压的元件，例如TVS(Transient Voltage Suppressor)元件。或者，所述过电压抑制部330可以包括由至少一个二极管和电阻形成并分别与所述半导体开关部310的两端连接的续流(freewheeling)电路。
并且，电流传感器350可以检测流入到半导体电路断路器220的电流或通过所述半导体电路断路器220输出的电流的大小。并且，电流大小检测结果，如果检测出超过预设大小的过电流，则可以将通知过电流产生的信号发送到执行半导体电路断路器220的控制部作用的RBMS210。
另一方面，所述电流传感器350可以配置在半导体开关部310和DC Link正端(+)190之间，以测量从所述半导体开关部310通过线路输出到负载的电池系统110的输出电流大小。或者，所述电流传感器350可以测量为了所述电池系统110的充电而从所述DC Link正端(+)190流入的输入电流的大小。
另外，为了测量所述输出电流和输入电流的大小，所述电流传感器350不仅可以配置在半导体开关部310和DC Link正端(+)190之间，还可以配置在电池系统110的负端(-)(或与所述电池系统110的负端(-)连接的第二保险丝122)和DC Link负端(-)191之间。
并且，第一栅极驱动器341和第二栅极驱动器342可以根据RBMS210的控制分别向构成半导体开关部310的第一半导体开关311和第二半导体开关312的栅极端子施加栅极电压。在该情况下，如果施加超过第一半导体开关111和第二半导体开关112各自的阈值电压的栅极电压，则第一半导体开关111和第二半导体开关112的输出端电阻大小将小于输入端，由此第一半导体开关111和第二半导体开关112的输入端和输出端被导通，可以使电池系统110的正端(+)与DC Link正端(+)190电连接。
相反，在所述第一栅极驱动器341和第二栅极驱动器342向第一半导体开关311和第二半导体开关312的栅极端子施加低于预设的阈值电压的栅极电压或不施加栅极电压的情况下，所述第一半导体开关311和第二半导体开关312的输出端电阻大小可以与输入端电阻相同或大于输入端电阻。
因此，第一半导体开关311和第二半导体开关312的输入端和输出端可能不被导通，电池系统110的正端(+)和DC Link正端(+)190可以电分离(绝缘)而切断连接。
另一方面，RBMS210可以控制本发明实施例的电池保护装置200的整体动作。作为一例，RBMS210可以管理所述电池系统110的充/放电模式转换，控制所述半导体电路断路器220来电连接并物理连接电池系统110和线路之间。
更详细而言，RBMS210首先可以通过控制第一切断开关231和第二切断开关232来使电池系统110和线路(DC Link正端(+)190)物理连接。并且，RBMS210可以控制各个栅极驱动器341、342向各个半导体开关311、312的栅极端子施加大于预设的阈值电压的电压。
那么，在所施加的栅极电压作用下，各个半导体开关311、312的输出端电阻大小变小，因此电池系统110和线路(DC Link正端(+)190)可以通过半导体开关111、112中的至少一个电连接。
如上所述，如果电池系统110和线路物理连接、电连接，则RBMS210可以通过所述电流传感器350执行电流监控，以保护电池系统110。
并且，在监控结果为从电池系统110输出故障电流或从线路流入故障电流的情况下，RBMS210可以控制各个栅极驱动器341、342，以向各个半导体开关311、312的栅极端子施加低于预设的阈值电压的电压或不施加栅极电压。
那么，各个半导体开关311、312的输出端电阻大小将大于输入端的电阻大小，电池系统110和线路(DC Link正端(+)190)可以被切断电连接。
并且，如果所述电池系统110和线路之间的电连接被切断，则RBMS210可以控制第一切断开关231和第二切断开关232，使得电池系统110和线路(DC Link正端(+)190)之间物理分离。因此，在所述电流监控结果为检测出故障电流的情况下，电池系统110和线路之间可以被电切断并物理切断。
另一方面，所述电切断可以通过调节施加到各个半导体开关311、312的栅极端子的栅极电压来实现。因此，在产生故障电流时，可以在非常短的时间内切断电池系统110和线路之间的连接。
由此，可以在配置在半导体电路断路器220和电池系统110的正端(+)之间以及所述半导体电路断路器220和电池系统110的负端(-)之间的保险丝(第一保险丝121、第二保险丝122)被所述故障电流熔断之前，切断电池系统110和线路之间的连接。
因此，所述第一保险丝121和第二保险丝122可以得到保护，即使在因故障电流而切断电池系统110和线路之间的连接的情况下，半导体电路断路器220和电池系统110的正端(+)之间以及所述半导体电路断路器220和电池系统110的负端(-)之间也可以保持连接的状态。
因此，在线路或电池系统110中的故障被处理而恢复所述电池系统110和线路之间流动的电流的情况下，RBMS210可以通过控制半导体电路断路器220的栅极驱动器341、342和第一切断开关231、第二切断开关232来再次连接所述电池系统111和线路，从而所述电池系统111和线路(DC Link正端(+)190、DC Link负端(-)191)之间的连接可以自动恢复。
另一方面，所述电流传感器350可以是利用巨磁电阻元件(GiantMagnetoResistance,GMR)的GMR传感器。所述GMR传感器是利用在由强磁性薄膜和非磁性金属薄膜构成的多层薄膜结构中产生数十％(约70％)的磁阻变化的现象的传感器，其尺寸比霍尔(hole)传感器小，并且可以与霍尔传感器相似地以非接触式来检测电流大小。
另一方面，GMR传感器具有较大的磁阻变化率，因此具有能够显著缩短检测过电流所需的时间的优点。图4是表示GMR传感器的过电流检测性能的曲线图。
参照图4，可以看出在GMR传感器的情况下，检测过电流所需的时间非常短，为1.5μs。如上所述，在GMR传感器的情况下，由于检测过电流的时间非常短，因此具有比霍尔传感器更优异的电流检测性能。不仅如此，由于可以像霍尔传感器那样以非接触式测量电流，因此具有能够减小由线路产生的噪音(noise)的影响的优点。
另一方面，如上所述，本发明实施例的电池保护装置200可以利用具有如MOSFET的电力用半导体的半导体电路断路器220代替现有的如MCCB的机械式配线用断路器，来控制电池系统110和线路之间的电路连接。因此，本发明实施例的电池保护装置200的控制部，即RBMS210可以执行所述半导体电路断路器220的控制功能。
图5是示出设置于如上所述的本发明实施例的电池保护装置的RBMS210控制半导体电路断路器220的动作过程的流程图。
参照图5，本发明实施例的RBMS210可以通过电力转换装置(PCS)等的驱动来以放电模式或充电模式驱动电池系统110。
那么，RBMS210首先可以通过控制第一切断开关231和第二切断开关232来使电池系统110和线路(DC Link正端(+)190、DC Link负端(-)191)物理连接(S500)。
并且，可以控制第一栅极驱动器341和第二栅极驱动器342中的至少一个向第一半导体开关311和第二半导体开关312中的至少一个的栅极端子施加预设的阈值电压以上的栅极电压(S502)。
由此，所述电池系统110和线路(DC Link正端(+)190，DC Link负端(-)191)不仅物理连接，而且还电连接，从而可以将从所述电池系统110输出的电流通过所述线路供应到负载(以放电模式动作的情况)，或者将通过所述线路流入的电流输入到所述电池系统110，以执行形成电池机架111的电池的充电(以充电模式动作的情况)。
另一方面，如果通过所述步骤S500和步骤S502使所述电池系统110与线路连接，则RBMS210可以通过电流传感器350检测是否从所述电池系统110输出超过预设的额定电流大小的过电流，或者是否从线路流入超过所述额定电流大小的过电流。
即，RBMS210可以通过电流传感器350检测当前连接的电池系统110和线路之间流动的电流是否为过电流(S504)。
如果所述检测结果为未检测出过电流的情况，则RBMS210可以继续保持当前电池系统110和线路连接的状态，并继续保持检测过电流的状态。
相反，如果为检测出过电流的情况，则RBMS210可以控制第一栅极驱动器341和第二栅极驱动器342中的至少一个，以向第一半导体开关311和第二半导体开关312中的至少一个的栅极端子施加低于预设的阈值电压的栅极电压或不施加栅极电压(S506)。
在该情况下，所述RBMS210可以控制第一栅极驱动器341和第二栅极驱动器342都施加低于所述阈值电压的栅极电压或不施加栅极电压。
或者，所述RBMS210也可以根据当前电池保护装置200的驱动模式来只控制所述第一栅极驱动器341和第二栅极驱动器342中的任意一个施加低于所述阈值电压的栅极电压或不施加栅极电压。
作为一例，当前电池保护装置200以放电模式动作的情况下，RBMS210可以只控制第一栅极驱动器341。在该情况下，在第二半导体开关312的栅极端子仍然施加阈值电压以上的栅极电压，因此所述第二半导体开关312的输入端和输出端保持电导通的状态。
相反，在第一半导体开关311的栅极端子施加低于阈值电压的栅极电压或不施加栅极电压，因此所述第一半导体开关311的输入端和输出端可以电绝缘。
另一方面，在第一半导体开关311的源极端子和漏极端子之间，与从电池系统110的正端(+)到DC Link正端(+)190的电流流动反向配置有第一二极管321。
因此，能够在切断电路时防止电流从所述第一半导体开关311的漏极端子流向源极端子。由此，电池系统110的正端(+)和DC Link正端(+)190可以电绝缘。
另一方面，当前电池保护装置200以充电模式动作的情况下，RBMS210可以只控制第二栅极驱动器342。在该情况下，在第一半导体开关311的栅极端子仍然施加阈值电压以上的栅极电压，因此所述第一半导体开关311的输入端和输出端保持电导通的状态。
相反，在第二半导体开关312的栅极端子施加低于阈值电压的栅极电压或不施加栅极电压，因此所述第二半导体开关312的输入端和输出端可以电绝缘。
另一方面，在第二半导体开关312的源极端子和漏极端子之间，与从DC Link正端(+)190到电池系统110的正端(+)的电流流动反向配置有第二二极管322。
因此，能够在切断电路时防止电流从所述第二半导体开关312的漏极端子流向源极端子。由此，DC Link正端(+)190和电池系统110的正端(+)可以电绝缘。
另一方面，在所述步骤S506中，如果控制至少一个栅极驱动器来使电池系统110和线路电绝缘，则RBMS210可以控制第一切断开关231和第二切断开关232来使电池系统110的正端(+)和DC Link正端(+)190之间以及电池系统110的负端(-)和DC Link负端(-)191之间物理绝缘(S508)。
由此，当从电池系统110或线路产生过电流，即故障电流时，根据RBMS210的控制，半导体电路断路器220可以将电池系统110从线路电切断和物理切断。
上述本发明可以作为计算机可读代码在记录程序的媒体上实现。计算机可读介质包括存储可由计算机系统读取的数据的所有类型的记录设备。计算机可读介质的例子包括HDD(Hard Disk Drive，硬盘驱动器)、SSD(Solid State Disk，固态硬盘)、SDD(SiliconDisk Drive，硅磁盘驱动器)、ROM、RAM、CD-ROM、磁带、软盘、光数据存储装置等，并且还包括以载波(例如，通过互联网传输)的形式实现的。
因此，上述的详细说明不应在所有方面解释为限制性的，而应考虑为示例性的。本发明的范围应由附加权利要求书的合理解释来确定，本发明的等效范围内的所有变更包括在本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种电池保护装置，连接电池系统和线路之间，其特征在于，包括：
半导体电路断路器，配置在所述电池系统和所述线路之间，包括根据施加于栅极端子的栅极电压来使所述电池系统和所述线路之间电连接或电绝缘的半导体开关；
切断开关，使所述半导体电路断路器和所述线路之间物理连接或物理分离；以及
机架式电池管理系统，如果所述电池系统与所述线路连接，则根据检测所述电池系统和所述线路之间流过的电流的结果，来控制施加所述栅极电压的栅极驱动器，使所述电池系统和所述线路之间绝缘，并控制所述切断开关，使所述半导体电路断路器与所述线路物理分离。
2.根据权利要求1所述的电池保护装置，其特征在于，
所述半导体电路断路器包括：
第一半导体开关，其源极端子和漏极端子被配置为从所述电池系统向所述线路形成电流流动；
第二半导体开关，与所述第一半导体开关串联连接，并且其源极端子和漏极端子被配置为从所述线路向所述电池系统形成电流流动；以及
第一栅极驱动器和第二栅极驱动器，根据所述机架式电池管理系统的控制，所述第一栅极驱动器向所述第一半导体开关的栅极端子施加栅极电压，所述第二栅极驱动器向所述第二半导体开关的栅极端子施加栅极电压，
在所述电池系统通过所述半导体电路断路器与所述线路物理连接的情况下，所述机架式电池管理系统控制所述第一栅极驱动器和所述第二栅极驱动器中的至少一个施加具有预设的电压的栅极电压，使所述电池系统和所述线路之间电连接。
3.根据权利要求2所述的电池保护装置，其特征在于，
所述机架式电池管理系统控制所述电池系统以从所述电池系统输出电流的放电模式和所述电池系统从所述线路接收电流的充电模式中的任意一个动作，
根据电流检测的所述结果，来控制所述第一栅极驱动器和所述第二栅极驱动器中的任意一个栅极驱动器，以施加低于所述预设的电压的栅极电压，
根据电流检测的所述结果来控制栅极电压的任意一个栅极驱动器根据所述电池系统的动作模式而彼此不同。
4.根据权利要求3所述的电池保护装置，其特征在于，
所述机架式电池管理系统在所述电池系统为放电模式的情况下，控制所述第一栅极驱动器施加低于所述预设的电压的栅极电压，
在所述电池系统为充电模式的情况下，控制所述第二栅极驱动器施加低于所述预设的电压的栅极电压。
5.根据权利要求2所述的电池保护装置，其特征在于，
所述第一半导体开关和所述第二半导体开关由源极端子和漏极端子彼此配置在相反方向上的N沟道MOSFET元件构成，并且所述第一半导体开关和所述第二半导体开关形成为分别包括与所述N沟道MOSFET元件的电流流动反向配置的二极管。
6.根据权利要求1所述的电池保护装置，其特征在于，
所述半导体电路断路器包括检测在所述电池系统和所述线路之间流动的电流的电流传感器，
所述电流传感器是利用巨磁电阻元件即GMR的GMR传感器。
7.根据权利要求1所述的电池保护装置，其特征在于，
所述电池系统的正端和负端分别经由保险丝与所述半导体开关连接。
8.根据权利要求2所述的电池保护装置，其特征在于，
所述预设的电压是用于使所述第一半导体开关或所述第二半导体开关的输入端和输出端导通的阈值电压。
9.一种电池保护装置的控制方法，所述电池保护装置包括连接电池系统和线路之间的半导体电路断路器，其特征在于，所述控制方法包括：
所述电池保护装置的机架式电池管理系统控制配置在所述半导体电路断路器和所述线路之间的切断开关，使所述电池系统和所述线路之间物理连接的步骤；
所述机架式电池管理系统控制设置于所述半导体电路断路器的半导体开关，使所述电池系统和所述线路之间电连接的步骤；
所述机架式电池管理系统从所述电池系统和线路之间流动的电流来检测预设的大小以上的过电流的步骤；
所述机架式电池管理系统根据所述检测的结果来控制向所述半导体开关施加栅极电压的栅极驱动器，使所述电池系统和所述线路之间绝缘的步骤；以及
所述机架式电池管理系统控制所述切断开关，使所述半导体电路断路器与所述线路物理分离的步骤。
10.根据权利要求9所述的电池保护装置的控制方法，其特征在于，
所述半导体电路断路器包括：
第一半导体开关，其源极端子和漏极端子被配置为从所述电池系统向所述线路形成电流流动；
第二半导体开关，与所述第一半导体开关串联连接，并且其源极端子和漏极端子被配置为从所述线路向所述电池系统形成电流流动；以及
第一栅极驱动器和第二栅极驱动器，根据所述机架式电池管理系统的控制，所述第一栅极驱动器向所述第一半导体开关的栅极端子施加栅极电压，所述第二栅极驱动器向所述第二半导体开关的栅极端子施加栅极电压。
11.根据权利要求10所述的电池保护装置的控制方法，其特征在于，
使所述电池系统和所述线路之间电连接的步骤包括：
以放电模式和充电模式中的任意一个动作模式驱动所述电池系统的步骤；以及
控制所述第一栅极驱动器和所述第二栅极驱动器中的至少一个，以根据所述电池系统的动作模式来施加预设的阈值电压以上的栅极电压的步骤。
12.根据权利要求11所述的电池保护装置的控制方法，其特征在于，
控制所述栅极驱动器使所述电池系统和所述线路之间绝缘的步骤是，根据所述电池系统的动作模式来控制不同的栅极驱动器施加低于预设的阈值电压的栅极电压的步骤。
13.根据权利要求12所述的电池保护装置的控制方法，其特征在于，
根据所述电池系统的动作模式来控制不同的栅极驱动器的步骤是，
在所述电池系统以放电模式驱动的情况下，控制所述第一栅极驱动器施加低于所述阈值电压的栅极电压的步骤；以及
在所述电池系统以充电模式驱动的情况下，控制所述第二栅极驱动器施加低于所述阈值电压的栅极电压的步骤。
14.根据权利要求10所述的电池保护装置的控制方法，其特征在于，
控制所述栅极驱动器使所述电池系统和所述线路之间绝缘的步骤是，控制所述第一栅极驱动器和所述第二栅极驱动器都施加低于预设的阈值电压的栅极电压的步骤。
15.根据权利要求9所述的电池保护装置的控制方法，其特征在于，
所述半导体电路断路器包括利用巨磁电阻元件即GMR的GMR传感器作为电流传感器，
检测所述过电流的步骤是，利用所述GMR传感器从所述电池系统和所述线路之间流动的电流来检测所述过电流的步骤。
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