CN101849340A - 集成有电压传感器和充电均衡器的电池管理*** - Google Patents

集成有电压传感器和充电均衡器的电池管理*** Download PDF

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Abstract

根据本发明的电池管理***包括：电池模块，其由串联连接的多个电池组成；开关模块，其并联连接到所述电池模块；电压传感器，其测量组成所述电池模块的各个电池的电压；充电均衡器，其使得对组成所述电池模块的各个电池进行充电、放电或者充电/放电；以及微处理器，其控制所述开关模块以根据由所述电压传感器测量到的电压值来确定对组成所述电池模块的各个电池进行充电还是放电，其中，所述电压传感器和所述充电均衡器由所述开关模块并联连接到组成所述电池模块的各个电池。

Description

集成有电压传感器和充电均衡器的电池管理***
技术领域
本发明涉及具有用于测量串联连接的电池组的电压的传感器的电池管理***，并且该电池组集成有用于确保各个电池(电池单元)的均衡的充电均衡器。
背景技术
在需要比单元电池(电池)的基本电势更高的电势的情况下(如使用锂离子电池作为电源的混合动力车辆)，通常使用串联的多个单元电池。但是，即使通过使用相同的阳极、阴极和电解质材料的典型生产方法，电池都被制造为相同的结构，在串联的各个电池之间也会存在充电特性或放电(和自放电)特性的差异。
因此，当使用串联的电池时，在单元电池之间可以存在电势差。即使不论其它电池的电势，对串联的单元电池中的一个电池进行完全放电，总电压(串联的电池的总电压)也会变为零，使得需要对电池进行再充电。在对电池进行再充电时，由于电池的电势互不相同，因此就存在过充电的问题(其中电池可能提前达到规定电压)和充电无效的问题(其中即使存在过充电，一些电池可能也达不到规定电压)。
进一步地，如果充电/放电次数比较多，则在组成电池的材料中造成劣化(degradation)，由此改变了电池的属性，因此，这样的劣化情况是进一步增加单个电池差异的原因。
为了解决这样的问题，提出了可以实现串联电池的充电均衡的各种充电均衡装置。
作为一个示例，韩国特开专利申请No.2003-0096978涉及一种由多个单元电池、充电装置、放电装置和串并转换开关组成的***，其中，均匀地对多个单元电池中的各个单元电池进行放电，然后通过串联连接放电后的单元电池来对其进行充电。韩国特开专利申请2007-0064244号涉及一种***，该***包括电池单元、连接到电池单元的场效应晶体管单元、连接到场效应晶体管单元的放大单元、控制放大单元的输出信号的复用器单元、比较电池单元的电压信号之间的差的比较单元、将比较器的输出转换成数字信号的A/D转换器、输入由A/D转换器输出的信号并且输出对应于充电/放电条件的信号的微型计算机单元、根据微型计算机单元的信号而操作以提供电池均衡电流的切换单元、和已知的充电/放电电路。
此外，日本特开专利申请No.1998-032936涉及一种***，该***由多个单元电池、用于检测各单元电池的剩余容量的装置、用于执行各单元电池的充电和放电的充电放电替换装置、控制各单元电池的充电和放电的控制器、和独立执行各单元电池的充电和放电的直流/直流转换器组成。日本特开专利申请No.2004-194410涉及一种***，该***由至少两个单元电池组、用于检测流过第一电池组和第二电池组中的各个组的电流之间的差的装置、和用于基于电流差控制电池组的充电/放电电流的装置组成。美国专利公开NO.2007-0145946涉及一种***，该***包括：多个单元电池，具有DC-DC转换器的充电均衡电路以及用于通过监视电压来控制各电池的电压的控制电路。
现有技术可以表示为图1，其示出了具有与电池均衡器分离的电压传感器的电池管理***。N个电池被串联连接并且开关块位于电池的右侧。开关块负责选择特定电池(电池单元)来提供下一级电容器和电流路径。电容器中存储的电势通过A/D转换器读入，然后将其输入到微处理器。所输入的电池电压信息用于在微处理器处操作电池。如果特定电池欠充(low-charged)或过充，则微处理器通过驱动并联连接到各电池的充电均衡器来实现全部电池的充电均衡。
如图1所示，具有与电池均衡器分离的电压传感器的现有电池管理***具有体积较大的缺点，因为串联连接的电池组的各电池(电池单元)具有同样功能的单独的充电均衡器(电池均衡器)，而且，用于读入各电池的电压的开关模块和用于控制充电均衡器的开关模块被分别提供为电压传感器。此外，还有一个缺点在于当开关模块控制整个串联连接的电池组时，开关的电压应力增加。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是提供一种具有串联连接的电池组的电池管理装置和方法，所述电池组至少具有串联连接的多个电池，所述装置和方法能够通过以下方式来减小电池管理***的总体积，即，通过避免各个电池具有独立的充电均衡器并且用时分(time-division)方式共享有限的充电均衡器，来减小充电均衡器的总体积，以及通过使得各个电池共享现有电压传感器的开关模块；并且所述装置和方法能够克服开关模块内开关的电压应力，其中如果总的电池电势随着串联连接的电池的数量增加而变得更高，该电压应力可能变得更高。
技术方案
根据本发明的电池管理***包括：电池模块，其由串联连接的多个电池组成；开关模块，其并联连接到所述电池模块；电压传感器，其测量组成所述电池模块的各个电池的电压；充电均衡器，其使得对组成所述电池模块的各个电池进行充电、放电或者充电/放电；以及微处理器，其控制所述开关模块以根据由所述电压传感器测量到的电压值来确定对组成所述电池模块的各个电池进行充电还是放电，其中，所述电压传感器和所述充电均衡器由同一开关模块并联连接到组成所述电池模块的各个电池。
所述开关模块由所述微处理器来控制，并且组成所述电池模块的一个电池以时分方式并联连接到所述电压传感器，并且，所述开关模块由所述微处理器来控制，并且组成所述电池模块的一个电池以时分方式并联连接到所述充电均衡器。
所述开关模块由电压传感器和充电均衡器以时分方式共享。因此，所述开关模块在一个时间上用于所述电压传感器或者用于所述充电均衡器。所述开关模块在感测所述电池电压期间只用于所述电压传感器，而所述开关模块在充电均衡过程期间只用于所述充电均衡器。
优选地，所述电压传感器包括电容器和A/D转换器。
优选地，所述开关模块包括能够进行电流双向运动的器件，该器件包括场效应晶体管(FET)、双极结晶体管(BJT)和继电器。
优选地，所述充电均衡器是包括有源元件和无源元件的放电电路、充电电路或者充电/放电电路，该有源元件是从由场效应晶体管、双极结晶体管、继电器和二极管构成的组中选择出来的；该无源元件是从由电感器、变压器和电容器构成的组中选择出来的，并且，所述充电均衡器包括充电型DC/DC转换器、放电型DC/DC转换器或者充电型DC/DC转换器、放电型DC/DC转换器的组合。
此时，所述充电型DC/DC转换器以所述电池模块的总电势或外部能量存储装置作为输入，并且，所述放电型DC/DC转换器以所述电池模块的总电势或外部能量存储装置作为输出。
优选地，所述充电均衡器是包括电阻器的放电电路。
优选地，所述电池管理***由至少两个电池模块构成，并且对各模块提供所述开关模块、所述电压传感器和所述充电均衡器。
一种用于电池管理***的电池管理方法，所述电池管理***包括：电池模块，其由串联连接的多个电池组成；开关模块，其并联连接到所述电池模块；电压传感器，其测量组成所述电池模块的各个电池的电压；充电均衡器，其使得对各个电池进行充电、放电或者充电/放电；以及微处理器，其控制所述开关模块，所述电池管理方法包括以下步骤：(a)针对组成所述电池模块的各个电池，通过利用所述开关模块将所述电池连接到所述电压传感器达指定时间，来向所述微处理器输入各电池的电压值；以及(b)利用所述开关模块，基于输入到所述微处理器的电压值将所述充电均衡器连接到被选择要充电或放电的单个电池，以对该单个电池进行充电或放电。
此时，所述电池管理方法的步骤(b)还包括以下步骤：如果所述充电均衡器是充电/放电型充电均衡器，则通过所述微处理器选择所述充电均衡器执行充电或是放电。
优选地，在所述步骤(a)中以时分方式控制所述开关模块，使得将组成所述电池模块的各电池的电压值输入到所述微处理器。
优选地，在所述步骤(b)中以时分方式控制所述开关模块，使得能够对组成所述电池模块的各个电池进行充电或放电。
优选地，当利用所述充电均衡器对所述各个电池进行充电时，将所述充电均衡器的输入端连接到串联连接的电池的总电势或外部能量存储装置，而当对所述各个电池进行放电时，将所述充电均衡器的输出端连接到串联连接的电池的总电势或外部能量存储装置。
优选地，所述电池管理***由至少两个电池模块构成，并且对各电池模块提供所述开关模块、所述电压传感器和所述充电均衡器，使得针对各电池模块独立地执行所述步骤(a)和(b)。
根据本发明的电池管理***的优点在于，由于电压传感器和充电均衡器共享了用于选择单个电池(电池单元)的开关模块，各电池模块设置有单个充电均衡器，并且组成电池模块的各电池以时分方式通过开关模块连接到充电均衡器以执行充电或放电，因此减小了电池管理***的总体积。此外，本发明的优点在于，通过将串联连接的全部电池分为模块单元并针对各模块实现电压传感器、充电均衡器和开关模块，可以减小开关模块中所使用的开关的电压应力。
附图说明
根据结合附图给出的优选实施方式的下面描述，本发明的前述及其它目的、特征及优点将变得明显，附图中：
图1是示出了具有串联连接的电池组的现有电池管理***的结构图；
图2是示出了根据本发明的电池管理***的一个结构示例的图；
图3是示出了根据本发明的电池管理***中所使用的充电均衡器的一个结构示例的图；
图4是示出了根据本发明的电池管理***的另一个结构示例的图；
图5是示出了根据本发明的电池管理方法的流程图。
[主要元件的详细描述]
110：具有至少两个串联连接的电池的电池模块
120：开关模块
130：电压传感器
140：充电均衡器
150：微处理器
具体实施方式
下面将参照附图详细描述根据本发明的充电均衡装置和方法。提供附图作为足以向本领域技术人员传达本发明的概念的示例。因此，本发明未受下面示出的附图的限制，而是可以按另一种形式来说明。此外，相同的标号在本发明的下面详细描述中自始至终表示相同的元件。
此时，如果此处所使用的技术术语和科学术语没有其它任何定义，则它们具有本领域技术人员通常理解的含义。此外，将在下面的描述和附图中省略可能不必要地混淆本发明的主题的已知功能和结构。
图2是示出了根据本发明的具有集成了充电均衡器的电压传感器的电池管理***的一个结构示例的图。其具有使N个电池串联连接并且使开关模块120并联连接到各电池的电池模块110。开关模块120负责在感测电池的电势期间选择特定电池并将其连接到电压传感器130，并且还负责在充电均衡过程期间将欠充或过充的特定电池连接到充电均衡器140。因此，根据本发明的电池管理***对于一个电池模块110具有单个电压传感器130和单个充电均衡器140。微处理器150控制开关模块120以通过电压传感器130测量组成电池模块110的各电池的电势，选择过充或欠充电池，并控制开关模块120以将所选择的电池与充电均衡器140连接。此外，如果充电均衡器140被构造为充电型和放电型，则微处理器150控制充电均衡器140以使其执行充电或放电功能。这种控制功能被示为由图2和图4中虚线表示的箭头。
电压传感器130可以使用典型电压测量装置来测量电池的电势。图2示出了电压传感器130的一个示例，该电压传感器130利用并联连接到各个电池的电容器131来测量电池的电势，并利用模数转换器(ADC)132来将电容器的电势转换成数字值，以将其输入到微处理器150。换句话说，通过模数转换器132读取充入到电容器131中的电势来测量电池的电势。
此外，该特定电池通过开关模块120并联连接到充电均衡器140，其中，如果该特定电池欠充或过充，则通过开关模块120而连接的充电均衡器140负责对该特定电池充入能量或放出能量。
充电均衡器140可以具有充电型、放电型或充电/放电型，如图3(a)到3(e)所示。
更具体地说，图3(a)中所示的充电均衡器包括电阻器。该充电均衡器以这样的方式来实现充电均衡，即，通过将相应电池经由开关模块120连接到电阻器R1，使得如果特定电池过充，则使能量从过充的特定电池消耗到电阻器中。
图3(b)中所示的充电均衡器为放电型充电均衡器，并且即使可使用任何其它DC/DC转换器，该充电均衡器也可以实现为简单的回扫转换器。放电型充电均衡器140具有通过开关模块120并联连接到过充电池的输入端以及连接到电池组的总电势(串联连接的电池的总电势)或外部能量存储装置的输出端。具体地，如果串联连接的电池中特定电池过充，则通过开关模块120将相应电池连接到充电均衡器140的输入端，如图3(b)所示。在这种情况下，如果接通开关Q1，则能量从通过开关模块120而连接的电池流出，然后存储在磁化电感器中，而如果断开开关Q1，则能量流进通过次级侧整流二极管D1而预连接的能量存储装置141(串联连接的电池组或外部能量存储装置)。
图3(c)中所示的充电均衡器140为充电型充电均衡器，并且即使可使用任何其它DC/DC转换器，该充电均衡器也能够实现为简单的回扫转换器。充电型充电均衡器140具有并联连接到电池组的总电势(串联连接的电池的总电势)或外部能量存储装置的输入端以及通过开关模块120而并联连接到任何欠充电池的输出端。具体地，如果接通开关Q2，则能量从预连接的能量存储装置141(串联连接的电池组或其它能量存储装置)流出并存储在变压器的磁化电感器中，而如果断开开关Q2，则能量通过次级侧整流二极管D2，然后流进通过开关模块120而连接的相应电池。
图3(d)中示出的充电均衡器140为能量消耗(放电型)充电均衡器和充电型充电均衡器并联连接(图3(a)和3(c)的并联连接组合)的充电均衡器。在这种充电均衡器中，如果串联连接的电池模块的特定电池过充或欠充，进行有效的充电均衡是可能的。具体地说，如果串联连接的电池模块中任何电池过充或欠充，则相应电池被并联连接到图3(d)的充电均衡器140。如果所连接的电池过充，则以这样的方式实现充电均衡，即，驱动开关Q3使得能量在电阻器R2中消耗，而如果所连接的电池欠充，则通过驱动充电型充电均衡器来实现充电均衡。在驱动充电型充电均衡器的情况下，如果接通开关Q4，则能量从预连接的能量存储装置141(串联连接的电池组或其它能量存储装置)流出然后存储在磁化电感器中，而如果断开开关Q4，则能量通过次级侧整流二极管D3流进相应电池。
图3(e)中示出的充电均衡器140为放电型充电均衡器和充电型充电均衡器并联连接的充电均衡器。如果串联连接的电池模块中的特定电池过充或欠充，则图3(e)中所示的充电均衡器140具有有效的充电均衡性能。如果串联连接的电池模块中任何电池过充，则将相应电池通过开关模块120并联连接到图3(e)的充电均衡器140。如果接通开关Q5，则能量从过充的电池中流出然后存储在磁化电感器中，而如果断开开关Q5，则能量通过次级侧整流二极管D4然后流进预连接的能量存储装置141(串联连接的电池组或其它能量存储装置)。如果所连接的电池欠充，则通过驱动充电型充电均衡器来实现充电均衡。在这种情况下，如果接通开关Q6，则能量从预连接的能量存储装置141(串联连接的电池组或其它能量存储装置)流出然后存储在磁化电感器中，而如果断开开关Q6，则能量通过次级侧整流二极管D5流进欠充的相应电池。
图4是示出了具有集成了充电均衡器140的电压传感器130的电池管理***的另一结构示例的图，其中，通过将全部串联电池组分成k个电池模块(其具有n个串联连接的电池)来在模块110的单元中实现电压传感器130和充电均衡器140，以减小开关模块120的电压应力(n和k至少为2并且彼此独立)。这里，考虑开关模块120中所使用的开关的电压应力来设计组成各模块(模块1到模块k)的电池的数量(n)。感测各模块内的电压并对充电进行均衡的过程与参照图2到图3所解释的过程相同。在图4中所示的电池管理装置中，由于针对各模块可以独立操作电压测量和充电均衡，因此能够同时感测一定数量的模块(在图4的情况下为k个)的电压或者同时对模块中过充或欠充的特定电池的充电进行均衡。
上述电池管理***的电池管理方法包括以下步骤：(a)针对组成电池模块的各个电池，通过利用开关模块将电池连接到电压传感器达指定时间，来向所述微处理器输入各电池的电压值；以及(b)利用所述开关模块，基于输入到所述微处理器的电压值将所述充电均衡器连接到被选择要充电或放电的单个电池，以对该单个电池进行充电或放电。
具体地，如图5的流程图中所示，通过微处理器150控制开关模块120(s10)，并将组成电池模块110的特定电池与电压传感器140连接达指定时间，使得能够测量该特定电池的电势并将该电势输入到微处理器150(s20)。此时，可以针对组成电池模块110的所有电池中的各个电池或者仅针对组成该模块的特定部分的电池执行电势测量步骤(s20)。这由微处理器150基于串联连接的全部电池的使用条件和充电/放电条件来决定(s30)。此时，优选地针对组成所述电池模块110的所有电池中的各电池以时分方式控制所述开关模块，使得电池的电势输入到微处理器。
在测量了电池的电势(s30)之后，由微处理器150选择欠充或过充的特定电池(s40)。控制开关模块120以使被选择的电池并联连接到充电均衡器140(s50)，使得对被选择的电池充电或放电达指定时间(s60)。另外，通过基于由微处理器150预输入的电池电势来选择过充或欠充的特定电池，可以确定执行充电均衡(s70)或者重新测量该电池的电势(s80)。
此时，如果充电均衡器150是充电/放电型充电均衡器，则优选地在利用微处理器150执行了控制充电均衡器150的充电或放电的步骤之后执行充电均衡步骤(s60)。
换句话说，如果充电均衡器是充电/放电型充电均衡器，则优选地在通过微处理器选择充电均衡器是执行充电还是放电的步骤之后执行充电均衡步骤(s60)。
优选地执行测量组成电池模块110的各个电池的电压值并将其输入到微处理器150的步骤(s10和s20)，使得通过微处理器150以时分方式控制开关模块120。
优选地针对必须充电或放电的组成电池模块110的特定电池执行充电均衡步骤，使得以时分方式控制所述开关模块(s60)。
在充电均衡步骤(s60)中，当利用充电均衡器140对单个电池充电时，充电均衡器140的输入端连接到串联连接的电池的总电势或外部能量存储装置，而当对其进行放电时，充电均衡器140的输出端连接到串联连接的电池的总电势或外部能量存储装置。
根据本发明的电池管理方法是这样的，电池管理***由至少两个电池模块构成，并且对各电池模块提供开关模块、电压传感器和充电均衡器，使得能够针对各电池模块独立地处理类似于图5的步骤的电池管理方法。
根据本发明的电池管理方法可以按照能够通过各种计算机装置执行并且存储在计算机可读介质中的程序命令的形式来实现。计算机可读介质可以包括程序命令、数据文件和数据结构，或者其组合。即使针对本发明专门设计和构造记录在介质中的程序命令，其也可以是计算机软件相关领域中的技术人员已知的任何程序命令。作为计算机可读可记录介质的示例，有诸如硬盘、软盘和磁带的磁介质、诸如CD-ROM DVD的光学介质、诸如可光读的(floptical)盘的磁光介质，以及构造成存储和执行程序命令的诸如ROM、RAM和闪存的硬件。该介质可以是诸如光学或金属线和包括发送定义程序命令、数据结构等的信号的载波的波导的传输介质。作为程序命令的示例，有诸如编译器统计的代码的机器语言代码，以及能够由利用解释器的计算机执行的高级语言代码。硬件设备可以构造成作为至少一个软件模块来操作，以便执行本发明的操作，反之亦然。
本领域的技术人员可以理解的是，前面的描述中公开的概念和具体实施方式可以容易地用作修改和设计用于实现本发明的相同目的的其它实施方式的基础。本领域的技术人员还可以理解的是，这样的等同实施方式没有脱离所附权利要求中阐明的本发明的精神和范围。

Claims (18)

1.一种电池管理***，该电池管理***包括：
电池模块，其由串联连接的多个电池组成；
开关模块，其并联连接到所述电池模块；
电压传感器，其测量组成所述电池模块的各个电池的电压；
充电均衡器，其使得对组成所述电池模块的各个电池进行充电、放电或者充电/放电；以及
微处理器，其控制所述开关模块以根据由所述电压传感器测量到的电压值来确定对组成所述电池模块的各个电池进行充电还是放电，
其中，所述电压传感器和所述充电均衡器由同一开关模块并联连接到组成所述电池模块的各个电池。
2.根据权利要求1所述的电池管理***，其中，所述开关模块由所述微处理器来控制，并且组成所述电池模块的一个电池以时分方式并联连接到所述电压传感器。
3.根据权利要求2所述的电池管理***，其中，所述开关模块由所述微处理器来控制，并且组成所述电池模块的一个电池以时分方式并联连接到所述充电均衡器。
4.根据权利要求1所述的电池管理***，其中，所述电压传感器包括电容器和A/D转换器。
5.根据权利要求3所述的电池管理***，其中，所述开关模块包括能够进行电流双向运动的器件，该器件包括场效应晶体管(FET)、双极结晶体管(BJT)和继电器。
6.根据权利要求1所述的电池管理***，其中，所述充电均衡器是包括有源元件和无源元件的放电电路、充电电路或者充电/放电电路，该有源元件是从由场效应晶体管、双极结晶体管、继电器和二极管构成的组中选择出来的，该无源元件是从由电感器、变压器和电容器构成的组中选择出来的。
7.根据权利要求6所述的电池管理***，其中，所述充电均衡器包括充电型DC/DC转换器、放电型DC/DC转换器或者充电型DC/DC转换器、放电型DC/DC转换器的组合。
8.根据权利要求7所述的电池管理***，其中，所述充电型DC/DC转换器以所述电池模块的总电势或外部能量存储装置作为输入。
9.根据权利要求7所述的电池管理***，其中，所述放电型DC/DC转换器以所述电池模块的总电势或外部能量存储装置作为输出。
10.根据权利要求1所述的电池管理***，其中，所述充电均衡器是包括电阻器的放电电路。
11.根据权利要求10所述的电池管理***，其中，所述电池管理***由至少两个电池模块构成，并且对各模块提供所述开关模块、所述电压传感器和所述充电均衡器。
12.一种用于电池管理***的电池管理方法，所述电池管理***包括：电池模块，其由串联连接的多个电池组成；开关模块，其并联连接到所述电池模块；电压传感器，其测量组成所述电池模块的各个电池的电压；充电均衡器，其使得对各个电池进行充电、放电或者充电/放电；以及微处理器，其控制所述开关模块，所述电池管理方法包括以下步骤：
(a)针对组成所述电池模块的各个电池，通过利用所述开关模块将所述电池连接到所述电压传感器达指定时间，来向所述微处理器输入各电池的电压值；以及
(b)利用所述开关模块，基于输入到所述微处理器的电压值将所述充电均衡器连接到被选择要充电或放电的单个电池，以对该单个电池进行充电或放电。
13.根据权利要求12所述的电池管理方法，其中，步骤(b)还包括以下步骤：如果所述充电均衡器是充电/放电型充电均衡器，则通过所述微处理器选择所述充电均衡器执行充电或是放电。
14.根据权利要求12所述的电池管理方法，其中，在所述步骤(a)中以时分方式控制所述开关模块，使得将组成所述电池模块的各电池的电压值输入到所述微处理器。
15.根据权利要求12所述的电池管理方法，其中，在所述步骤(b)中以时分方式控制所述开关模块，使得能够对组成所述电池模块的各个电池进行充电或放电。
16.根据权利要求12所述的电池管理方法，其中，当利用所述充电均衡器对所述各个电池进行充电时，将所述充电均衡器的输入端连接到串联连接的电池的总电势或外部能量存储装置，而当对所述各个电池进行放电时，将所述充电均衡器的输出端连接到串联连接的电池的总电势或外部能量存储装置。
17.根据权利要求12所述的电池管理方法，其中，所述电池管理***由至少两个电池模块构成，并且对各电池模块提供所述开关模块、所述电压传感器和所述充电均衡器，使得针对各电池模块独立地执行所述步骤(a)和(b)。
18.一种计算机可读记录介质，该计算机可读记录介质存储有用于执行根据权利要求12到17中任何一项所述的电池管理方法的程序。
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