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CN111886772A - 平衡装置、包括该平衡装置的电池管理系统和电池组 - Google Patents

平衡装置、包括该平衡装置的电池管理系统和电池组 Download PDF

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CN111886772A CN201980017816.6A CN201980017816A CN111886772A CN 111886772 A CN111886772 A CN 111886772A CN 201980017816 A CN201980017816 A CN 201980017816A CN 111886772 A CN111886772 A CN 111886772A
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Abstract

提供了一种平衡装置、包括该平衡装置的电池管理系统和电池组。该平衡装置包括：电压调节器，其从辅助电池的电压生成第一高电平电压；电力开关，其电连接到电池集的高电压节点；DC‑DC转换器，其从施加到电压输入端子的电压生成第二高电平电压；平衡单元，其包括并联连接至电池集的多个电池单体的多个平衡电路；以及，控制单元，其响应于第二高电平电压被施加到电力端子而保持施加到电力开关的控制端子的第一高电平电压。

Description

平衡装置、包括该平衡装置的电池管理系统和电池组
技术领域
本公开涉及用于平衡多个电池单体的充电状态的技术。
本申请要求于2018年10月26日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2018-0129069的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
背景技术
最近，存在对诸如笔记本电脑、摄像机和移动电话的便携式电子产品的急剧增长的需求，并且随着电动汽车、储能蓄电池、机器人和卫星的广泛发展，正在对能够重复地再充电的高性能电池进行许多研究。
目前，市售电池包括镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池、锂电池等，并且在它们中，锂电池几乎没有或没有记忆效应，并且因此由于可以在无论何时方便时进行充电、自放电率非常低和能量密度高的优点，锂电池比镍基电池得到更多的关注。
电池组可以包括多个电池单体和电池管理系统。提供电池管理系统以管理多个电池单体的状况。随着电池组的充电/放电循环的增加，在多个电池单体之间的充电状态的不平衡发生。尽管不平衡，如果电池组连续重复地充电和放电，则电池组不能被充分使用，并且多个电池单体的寿命迅速地降低。为了解决这些问题，已经提出了对于一种用于平衡多个电池单体的充电状态的平衡装置的建议。
然而，根据现有技术的平衡装置仅在从在具有安装在其上的电池组的电动设备(例如，电动车辆)中分开设置的辅助电池(例如，铅酸电池)供应操作平衡装置所需的电力的同时，才可以执行平衡多个电池单体的充电状态的操作。
发明内容
技术问题
本公开被设计为解决上述问题，并且因此本公开旨在提供一种平衡装置，该平衡装置用于甚至在平衡多个电池单体的充电状态的操作期间停止从辅助电池的电力供应时，使用多个电池单体作为电力源维持平衡多个电池单体的充电状态的操作，以及包括该平衡装置的电池管理系统和电池组。
本公开的这些和其他目的和优点可以通过以下描述来理解，并且根据本公开的实施例将变得显而易见。此外，将容易理解，本公开的目的和优点可以通过所附权利要求书及其组合中阐述的装置来实现。
技术方案
根据本公开的一方面的平衡装置，包括：电压调节器，其被配置为从辅助电池的电压选择性地生成第一高电平电压；电力开关，其包括第一电流端子、第二电流端子和控制端子，所述第一电流端子电连接至电池集的高电压节点；DC-DC转换器，其包括电压输入端子和电压输出端子，其被配置为从施加到所述电压输入端子的电压生成第二高电平电压，并将所述第二高电平电压输出到所述电压输出端子，并且所述电压输入端子电连接至所述第二电流端子；平衡单元，其包括多个平衡电路，所述多个平衡电路被分别并联连接到包括在所述电池集中的多个电池单体；以及，控制单元，其包括电力端子、保持端子和多个平衡端子，所述电力端子电连接至所述电压输出端子，所述保持端子电连接至所述控制端子，并且所述多个平衡端子分别电连接到所述多个平衡电路。所述控制单元被配置为响应于所述第二高电平电压被施加到所述电力端子而通过所述保持端子来保持所述第一高电平电压。
每个平衡电路包括串联连接的电阻器和平衡开关。每个平衡开关电连接到每个平衡端子。
所述控制单元可以被配置为当所述控制单元从主控制器接收到包括指示单体识别号和所需的平衡时段的信息的平衡请求消息时，将所述多个电池单体当中与所述单体识别信息相对应的任何一个电池单体设定为平衡目标。控制单元可以被配置为在所述第二高电平电压被施加到所述电力端子的同时，将所述多个平衡电路当中与所述平衡目标并联连接的平衡电路的平衡开关控制为接通状态。
控制单元可以被配置为对与并联连接到所述平衡目标的所述平衡电路的所述平衡开关被控制为接通状态的时间段进行计数。控制单元可以被配置为在所计数的时间段达到所需的平衡时段时停止保持所述第一高电平电压。
平衡装置可以进一步包括通信电路，其被配置为连接主控制器和控制单元以允许双向通信。
当第一高电平电压被施加到控制端子时，可以将电力开关转到接通状态。在电力开关处于接通状态的同时，第二高电平电压可以被施加到电力端子。
电力开关可以是n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其包括作为第一电流端子的源极，作为第二电流端子的漏极以及作为控制端子的栅极。
控制单元可以进一步包括连接在保持端子和接地之间的保持电容器。控制单元可以进一步包括与保持电容器并联连接的保持开关。控制单元可以被配置为响应于第二高电平电压被施加到电力端子而将保持开关控制为断开状态。
控制单元可以进一步包括电连接到高电压节点的禁用端子。控制单元可以被配置为当施加到禁用端子的电压小于阈值电压时将保持开关控制为接通状态。
根据本公开的另一方面的电池管理系统包括平衡装置。
根据本公开的另一方面的电池组包括电池管理系统。
有益效果
根据本公开的实施例中的至少一个，甚至在从辅助电池的电力供应停止时，能够使用多个电池单体作为用于平衡装置的电源来维持平衡该多个电池单体的充电状态的操作。
另外，当存在电池组将被过放电的风险时，可以自动地停止平衡多个电池单体的充电状态的操作。
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这些以及其他效果。
附图说明
附图图示了本公开的优选实施例，并且与下面描述的本公开的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，因此，本公开不应被理解为限于附图。
图1是示出根据本公开的第一实施例的电池组的配置的示例图。
图2是示出图1所示的控制单元中包括的电压保持电路的配置的示例图。
图3是示出根据本公开的第二实施例的电池组的配置的示例图。
图4是示出根据本公开的第三实施例的电池组的配置的示例图。
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例。在描述之前，应该理解的是，说明书和所附权利要求书中使用的术语或单词不应被解释为限于一般含义和词典含义，而是在允许发明人适当地限定术语以获得最佳解释的原则的基础上，基于与本公开的技术方面相对应的含义和概念来解释。
因此，本文描述的实施例和附图中示出的图示仅是本公开的最优选实施例，但是并不旨在完全描述本公开的技术方面，因此应理解，在提交申请时可以对其进行各种其他的等同和修改。
另外，在描述本公开时，当认为相关的已知元件或功能的某些详细描述使本公开的关键主题模糊时，在此省略详细描述。
包括诸如“第一”、“第二”的序数的术语可用于区分各种元件当中的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指示，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>意指至少一个功能或操作的处理单元，并且这可以通过硬件或软件单独或组合实现。
另外，在整体说明书中，将进一步理解，当元件被称为“连接”到另一元件时，它能够直接地连接到其他元件或者可以存在介入元件。
图1是示出根据本公开的第一实施例的电池组10的配置的示例图，并且图2是示出图1所示的控制单元270中包括的电压保持电路280的配置的示例图。
参照图1，电池组10包括电池集(battery group)20和电池管理系统50，并且可以向电动车辆的电动机供应电力。
电池集20包括高电压端子21、低电压端子22和多个电池单体30。多个电池单体30可以串联电连接在高电压端子21和低电压端子22之间。电池单体30不限于特定类型，并且可以包括任何可再充电的类型，例如锂离子电池30。
电池管理系统50包括主控制器100和平衡装置200。
主控制器100可操作地耦合到平衡装置200。主控制器100被配置为基于来自平衡装置200的通知信息来控制平衡装置200。主控制器100可以响应于具有安装在其上的电池组10的电动车辆的起动，控制电压调节器210以从辅助电池40向平衡装置200供应电力。
平衡装备200包括电压调节器210、电力开关220、DC-DC转换器230、平衡单元240和控制单元270。平衡装置200还可以包括通信电路260。
在操作中，电压调节器210被配置为从辅助电池40的电压(例如12V)生成第一高电平电压(例如5V)。电压调节器210可以是低压差(low-dropout：LDO)电压调节器。辅助电池40可以包括例如铅酸电池。在其上安装有电池组10的电动设备工作的同时，主控制器100可以操作电压调节器210，并且因此电压调节器210可以将第一高电平电压输出到电力开关220。在停止电动车辆的同时，主控制器100可以停止电压调节器210的操作，并且因此，电压调节器210可以停止输出第一高电平电压。
电力开关220包括第一电流端子221、第二电流端子222和控制端子223。电力开关220可以包括n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。该n沟道MOSFET包括作为第一电流端子221的源极(或漏极)、作为第二电流端子222的漏极(或源极)和作为控制端子223的栅极。第一电流端子221电连接到电池集20的高电压端子21。控制端子223电连接到电压调节器210，以从电压调节器210接收第一高电平电压。响应于第一高电平电压被施加到控制端子223，电力开关220被控制为接通状态。在电力开关220处于接通状态的同时，电流可以从第一电流端子221流向第二电流端子222。响应于小于第一高电平电压的低电平电压(例如，0V)被施加到控制端子223，电力开关220被转到断开状态。在电力开关220处于断开状态的同时，第一电流端子221和第二电流端子222之间的电流流动可以被中断。
DC-DC转换器230包括电压输入端子231和电压输出端子232。DC-DC转换器230可以包括电压下降电路，诸如例如开关模式电源(SMPS)。电压输入端子231电连接到第二电流端子222。在电力开关220处于接通状态的同时，DC-DC转换器230被配置为从施加到电压输入端子231的电压生成第二高电平电压，并向电压输出端子232输出第二高电平电压。第二高电平电压可以用作控制单元270的操作的电源。在电力开关220处于断开状态的同时，停止由DC-DC转换器230生成第二高电平电压。
平衡单元240包括多个平衡电路BC。多个平衡电路BC与电池集20所包括的多个电池单体30并联连接。即，在每个电池单体30上设置有能够与每个电池单体30并联连接的平衡电路BC。每个平衡电路BC包括串联电连接的放电电阻器RD和平衡开关SWD。即，平衡单元240包括多个放电电阻器RD和多个平衡开关SWD。平衡开关SWD可以包括已知的开关设备，诸如n沟道MOSFET。通过控制单元270将多个平衡开关SWD控制为接通状态或断开状态。
通信电路260被配置为连接主控制器100和控制单元270以允许双向通信。通信电路260支持主控制器100与控制单元270之间的有线或无线通信。有线通信可以是例如控制器局域网(CAN)通信，并且无线通信可以是例如Zigbee或蓝牙通信。
控制单元270可以使用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑设备(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器和用于执行其他功能的电气单元中的至少一个在硬件中实现。另外，控制单元270可以具有嵌入其中的存储设备，并且该存储设备可以包括例如RAM、ROM、寄存器、硬盘、光学记录介质或磁性记录介质。存储设备可以存储、更新和/或擦除包括由控制单元270执行的各种类型的控制逻辑的程序和/或在执行控制逻辑时创建的数据。由于在主控制器100的控制下，控制单元270可以被称为“从控制器”。
控制单元270包括多个感测端子PS、电力端子PP、保持端子PH、电力保持电路280、和多个平衡端子PB。
多个感测端子PS电连接到多个电池单体30中的每个的正极端子和负极端子。因此，控制单元270可以检测多个感测端子PS当中的相邻对之间的电压作为多个电池单体30中的每个的电压。
电力端子PP电连接到DC-DC转换器230的电压输出端子232，以接收第二高电平电压。第二高电平电压可以指控制单元270的操作所需的电压或电压范围。
保持端子PH电连接到控制端子223，以接收第一高电平电压。因此，来自电压调节器210的第一高电平电压可以被同时地施加到控制端子223和保持端子PH。
电力保持电路280可以包括保持电容器CH和保持开关SWH。保持电容器CH电连接在保持端子PH和接地之间。保持开关SWH与保持电容器CH并联电连接。电力保持电路280可以进一步包括放电电阻器RH。放电电阻器RH串联电连接到保持开关SWH，并且并联电连接到保持电容器CH。
控制单元270被配置为响应于第二高电平电压被施加到电力端子PP而将保持开关SWH控制为断开状态，以通过保持端子PH保持施加到控制端子223的第一高电平电压。
保持第一高电平电压表示施加到控制端子223的第一高电平电压通过保持端子PH在保持电容器CH中充电。在第一高电平电压由保持电容器CH保持的同时，即使当电压调节器210停止输出第一高电平电压时，电力开关220也被保留在接通状态，并且因此控制单元270可以使用多个电池单体30作为控制单元270的电源来继续平衡多个电池单体30的充电状态的操作。
多个平衡端子PB被电连接到多个平衡电路BC。即，多个平衡开关SWD可以一对一地电连接到多个平衡端子PB中的每个。控制单元270被配置为向多个平衡端子PB选择性地输出用于控制多个平衡开关SWD中的每个的接通/断开的开关信号。
控制单元270通过平衡单元240被电连接到多个电池单体30中的每个的正极端子和负极端子。控制单元270被配置为使用设置在控制单元270中的多个差分放大器和模-数转换器来检测多个电池单体30中的每个的开路电压(OCV)，并且生成包括指示所检测到的开路电压的电压信号的通知信息。可以通过通信电路260将通知信息发送到主控制器100。
主控制器100通过参考查找表来基于电压信号确定多个电池单体30中的每个的充电状态，在该查找表中记录了指示充电状态和开路电压之间的关系的数据。主控制器100根据多个电池单体30中的每个的充电状态确定最大值、最小值和单体ID，并且基于最大值和最小值之间的差来确定所需的平衡时段。单体ID指示具有最大充电状态的电池单体30的识别信息。另外，所需的平衡时段可以与最大值和最小值之间的差成比例。随后，主控制器100可以生成平衡请求消息，该平衡请求消息包括指示单体ID和所需的平衡时段的信息。可以通过通信电路260将平衡请求消息发送到控制单元270。
当控制单元270通过通信电路260接收到平衡请求消息时，控制单元270将多个电池单体30当中、与单体ID相对应的一个电池单体30设定为平衡目标。在第二高电平电压被施加到电力端子PP的同时，控制单元270可以将多个平衡电路BC当中与平衡目标并联连接的一个平衡电路BC的平衡开关SWD控制为接通状态，并且将所有剩余的平衡开关SWD控制为断开状态。因此，通过包括平衡开关SWD的平衡电路BC的放电电阻器RD被控制为接通状态，消耗被设定为平衡目标的电池单体30的电能，平衡目标的充电状态逐渐降低至最小值。
控制单元270可以使用控制单元270中设置的计时器来对平衡目标的累积平衡时段进行计数。累积平衡时段是响应于控制单元270接收到的平衡请求消息，并联连接到平衡目标的平衡电路BC的平衡开关SWD被控制为接通状态的时段。
当累积平衡时段达到所需平衡时段时，控制单元270可以停止保持第一高电平电压。停止保持第一高电平电压表示控制单元270将保持开关SWH控制为接通状态以使保持电容器CH放电。因此，从累积平衡时段达到所需的平衡时段的时间点起，第一高电平电压不能由保持电容器CH保持，并且仅当电压调节器210重新开始输出第一高电平电压时，电力开关220才可以被转到接通状态。
图3是示出根据本公开的第二实施例的电池组10的配置的示例图。
在此省略根据图3所示的第二实施例和上述参考图1和图2描述的第一实施例的电池组10之间的相同描述以避免冗余，并且它们的不同将在下面描述。
第二实施例的电池组10与第一实施例的电池组10之间的不同在于，平衡装置200进一步包括分压器292，并且控制单元270进一步包括禁用端子PD。
分压器292被配置为使用高电压端子21的电压生成诊断电压。分压器292包括串联连接在高电压端子21和接地之间的保护电阻器RP1和保护电阻器RP2。即，保护电阻器RP1的一端电连接到高电压端子21，保护电阻器RP2的一端电连接到接地，并且保护电阻器RP1的另一端电连接到保护电阻器RP2的另一端。因此，高电压端子21与接地之间的电压被保护电阻器RP1和保护电阻器RP2分压。诊断电压是跨保护电阻器RP2的电压。当VG是高电压端子21与接地之间的电压，rp1是保护电阻器RP1的电阻，rP2是保护电阻器RP2的电阻，且VD是诊断电压时，VD＝VG×{rP2/(rp1+rP2)}。
禁用端子PD电连接到保护电阻器RP2的另一端。当施加到禁用端子PD的诊断电压小于预定阈值电压时，控制单元270可以将保持开关SWH控制为接通，以防止电池集20过放电。
如上所述，将保持开关SWH控制为接通表示保持电容器CH不能利用第一高电平电压充电。即使在累积平衡时段达到所需的平衡时段之前，当诊断电压小于阈值电压时，电力端子PP不再能够维持在第一高电平电压。因此，电力开关220被断开，从而保护电池集20免于过放电。
图4是示出根据本公开的第三实施例的电池组10的配置的示例图。
在此省略根据图4所示的第三实施例和上述参考图1至图3描述的第一实施例和第二实施例的电池组10之间的相同描述以避免冗余，并且它们的不同将在下面描述。
第三实施例的电池组10与第一实施例的电池组10之间的不同在于，平衡装置200进一步包括分压器294和保护开关SWP。
分压器294被配置为使用高电压端子21的电压生成保护电压。分压器294包括串联连接在高电压端子21和接地之间的保护电阻器RP3和保护电阻器RP4。即，保护电阻器RP3的一端电连接到高电压端子21，保护电阻器RP4的一端电连接到接地，并且保护电阻器RP3的另一端电连接到保护电阻器RP4的另一端。因此，高电压端子21与接地之间的电压被保护电阻器RP3和保护电阻器RP4分压。保护电压是跨保护电阻器RP4的电压。当VG是高电压端子21与接地之间的电压，rP3是保护电阻器RP3的电阻，rP4是保护电阻器RP4的电阻，且VP是保护电压时，VP＝VG×{rP4/(rP3+rP4)}。
保护开关SWP包括第一电流端子295、第二电流端子296和控制端子297。保护开关SWP可以包括诸如n沟道MOSFET的已知开关设备。保护开关SWP的第一电流端子295电连接至DC-DC转换器230的电压输出端子232。保护开关SWP的第二电流端子296电连接至控制单元270的电力端子PP。保护开关SWP的控制端子297电连接到保护电阻器RP4的另一端。
当保护电压等于或高于第三高电平电压时，保护开关SWP被转为接通状态。相反，当保护电压小于第三高电平电压时，保护开关SWP被断开。保护电压小于第三高电平电压可以表示电池集20的充电状态下降到预定正常范围的下限(例如20％)以下。在保护开关SWP处于断开的同时，从高电压端子21到控制单元270的电力端子PP的电力传输路径被中断，从而防止电池集20过放电。
尽管以上已经针对有限数量的实施例和附图描述了本公开，但是本公开不限于此，并且对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在本公开的技术方面和所附权利要求的等同范围之内对其进行各种修改和改变。
此外，由于本领域技术人员可以在不脱离本公开的技术方面的情况下对上文描述的本公开进行许多替换、修改和改变，因此本公开不限于上述实施例和附图，以及一些或全部实施例可以被选择性地组合以允许各种修改。

Claims (12)

1.一种平衡装置，包括：
电压调节器，所述电压调节器被配置为从辅助电池的电压选择性地生成第一高电平电压；
电力开关，所述电力开关包括第一电流端子、第二电流端子和控制端子，所述第一电流端子电连接至电池集的高电压节点；
DC-DC转换器，所述DC-DC转换器包括电压输入端子和电压输出端子，所述DC-DC转换器被配置为从施加到所述电压输入端子的电压生成第二高电平电压，并将所述第二高电平电压输出到所述电压输出端子，并且所述电压输入端子电连接至所述第二电流端子；
平衡单元，所述平衡单元包括多个平衡电路，所述多个平衡电路被分别并联连接到包括在所述电池集中的多个电池单体；以及
控制单元，所述控制单元包括电力端子、保持端子和多个平衡端子，所述电力端子电连接至所述电压输出端子，所述保持端子电连接至所述控制端子，并且所述多个平衡端子分别电连接到所述多个平衡电路，
其中，所述控制单元被配置为响应于所述第二高电平电压被施加到所述电力端子而通过所述保持端子来保持所述第一高电平电压。
2.根据权利要求1所述的平衡装置，其中，每个平衡电路包括串联连接的电阻器和平衡开关，并且
每个平衡开关电连接到每个平衡端子。
3.根据权利要求2所述的平衡装置，其中，所述控制单元被配置为当所述控制单元从主控制器接收到包括指示单体识别号和所需的平衡时段的信息的平衡请求消息时，将所述多个电池单体当中与所述单体识别信息相对应的一个电池单体设定为平衡目标，以及
所述控制单元被配置为在所述第二高电平电压被施加到所述电力端子的同时，将所述多个平衡电路当中与所述平衡目标并联连接的平衡电路的平衡开关控制为接通状态。
4.根据权利要求3所述的平衡装置，其中，所述控制单元被配置为对与并联连接到所述平衡目标的所述平衡电路的所述平衡开关被控制为接通状态的时间段进行计数；以及
所述控制单元被配置为在所计数的时间段达到所需的平衡时段时停止保持所述第一高电平电压。
5.根据权利要求3所述的平衡装置，进一步包括：
通信电路，所述通信电路被配置为连接所述主控制器和所述控制单元以允许双向通信。
6.根据权利要求1所述的平衡装置，其中，当所述第一高电平电压被施加到所述控制端子时，将所述电力开关转到接通状态，并且
在所述电力开关处于接通状态的同时，所述第二高电平电压被施加到所述电力端子。
7.根据权利要求1所述的平衡装置，其中，所述电力开关是包括作为所述第一电流端子的源极、作为所述第二电流端子的漏极以及作为所述控制电子的栅极的n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
8.根据权利要求1所述的平衡装置，其中，所述控制单元进一步包括连接在所述保持端子和接地之间的保持电容器。
9.根据权利要求8所述的平衡装置，其中，所述控制单元进一步包括与所述保持电容器并联连接的保持开关；并且
所述控制单元被配置为响应于所述第二高电平电压被施加到所述电力端子而将所述保持开关控制为断开状态。
10.根据权利要求9所述的平衡设备，其中，所述控制单元进一步包括电连接到所述高电压节点的禁用端子；并且
所述控制单元被配置为当施加到所述禁用端子的电压小于阈值电压时，将所述保持开关控制为接通状态。
11.一种包括根据权利要求1至10中的任一项所述的平衡装置的电池管理系统。
12.一种包括根据权利要求11所述的电池管理系统的电池组。
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