CN103595082A

CN103595082A - 单元平衡电路及具有其的电池组

Info

Publication number: CN103595082A
Application number: CN201310056285.6A
Authority: CN
Inventors: 金泰珍; 裴埈秀
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-02-22
Also published as: US20140042972A1; CN103595082B; KR102028170B1; KR20140021904A; US9184602B2

Abstract

本发明公开了一种单元平衡电路和一种具有该单元平衡电路的电池组。单元平衡电路包括：串联地结合的多个电池单元；平衡开关，每个平衡开关与相应的电池单元并联结合；平衡电阻器，每个平衡电阻器与相应的电池单元串联结合；平衡控制器，独立地控制平衡开关，使得电池单元通过平衡电阻器放电；以及正温度系数(PTC)元件，每个PTC元件相邻于相应的平衡电阻器定位并电结合到与相应的平衡电阻器串联结合的相应的平衡开关。

Description

单元平衡电路及具有其的电池组

本申请要求于2012年8月13号提交到韩国知识产权局的第10-2012-0088411号韩国专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用包含于此。

技术领域

本发明涉及一种单元平衡电路(cell balancing circuit)及一种具有其的电池组，更具体地说，本发明涉及一种能够防止由于单元平衡操作使电池单元进一步劣化的单元平衡电路及一种具有该单元平衡电路的电池组。

背景技术

随着诸如蜂窝电话和笔记本计算机的便携式电子装置的发展，已经积极地进行对可再充电二次电池的研究。具体地说，已经开发了不同种类的二次电池，例如，镍镉电池、铅蓄电池、镍金属氢化物(NiMH)电池、锂聚合物电池、金属锂电池以及锌-空气蓄电池。这种二次电池与电路结合以构成电池组，并且通过电池组的外部端子执行充电和放电。

发明内容

实施例涉及一种单元平衡电路，所述单元平衡电路包括：多个电池单元，串联地结合；平衡开关，每个平衡开关与相应的电池单元并联结合；平衡电阻器，每个平衡电阻器与相应的电池单元串联结合；平衡控制器，独立地控制平衡开关，使得电池单元通过平衡电阻器放电；以及正温度系数(PTC)元件，每个PTC元件相邻于对应的平衡电阻器定位并电结合到与相应的平衡电阻器串联结合的相应的平衡开关。

每个平衡开关可包括具有栅电极的N型场效应晶体管(FET)，从而设置有多个FET和多个栅电极。

每个FET可包括结合到相应的电池单元的负极(-)端子的源电极和通过相应的平衡电阻器结合到相应的电池单元的正极端子(+)的漏电极。

平衡控制器可通过PTC元件将控制信号施加到每个FET的栅电极。

PTC元件的第一端子可分别结合到FET的栅电极。PTC元件的第二端子可结合到平衡控制器。

每个PTC元件可被布置为与相应的平衡电阻器所设置的方向平行，从而与相应的平衡电阻器相邻地定位。

单元平衡电路可串联结合在相应的电池单元和相应的平衡开关之间。

实施例还涉及一种电池组，所述电池组包括串联结合的多个电池单元以及保护电路，所述保护电路包括：外部端子，与电池单元并联结合；充电元件和放电元件，串联结合在电池单元和外部端子之间的高电流路径上；单元平衡电路，与电池单元、充电元件和放电元件并联结合；以及控制器，结合到单元平衡电路。保护电路安装在与电池单元的上部相邻地定位的印刷电路板的上表面上。为单元平衡电路设置的正温度系数(PTC)元件形成在印刷电路板的下表面上，从而与相应的电池单元进行表面接触。

单元平衡电路可包括：平衡开关，每个平衡开关与相应的电池单元并联结合；平衡电阻器，每个平衡电阻器与相应的电池单元串联结合；以及平衡控制器，独立地控制平衡开关，使得电池单元通过平衡电阻器放电。每个PTC元件可相邻于相应的平衡电阻器定位，并且可电结合到与相应的平衡电阻器串联结合的相应的平衡开关。

每个平衡开关可包括具有栅电极的N型场效应晶体管(FET)，从而设置多个FET和多个栅电极。

每个FET可具有结合到相应的电池单元的负极(-)端子的源电极以及通过相应的平衡电阻器结合到相应的电池单元的正极(+)端子的漏电极。

平衡控制器可通过相应的PTC元件将控制信号施加到每个FET的栅电极。

PTC元件的第一端子可结合到相应的FET的栅电极。PTC元件的第二端子结合到平衡控制器。

PTC元件和与其对应的平衡电阻器可利用置于二者之间的印刷电路板处于彼此叠置的关系。

每个平衡电阻器可串联结合在相应的电池单元和相应的平衡开关之间。

附图说明

通过参照附图对示例性实施例的详细描述，特征对本领域普通技术人员将变得清楚，在附图中：

图1示出了示出根据实施例的单元平衡电路的电路图。

图2示出了示出具有图1中所示的单元平衡电路的电池组的电路图。

图3示出了示出根据实施例的电池组的构造的示意图。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更充分地描述示例实施例；然而，它们可以以不同的形式实施，而不应被解释为局限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完整的，并且这些实施例将把示例性的实施方式充分地传达给本领域技术人员。

在附图中，为了示出的清楚，可夸大层和区域的尺寸。同样的标号始终表示同样的元件。

当第一元件被描述为结合到第二元件时，第一元件不仅可以直接结合到第二元件，而是也可以通过第三元件间接地结合到第二元件。

图1示出了示出根据实施例的单元平衡电路的电路图。参照图1，根据该实施例的单元平衡电路120包括：平衡控制器121；多个平衡开关SW1、SW2、SW3和SW4，通过平衡控制器121顺序地或同时地导通或截止；以及多个平衡电阻器R1、R2、R3和R4，分别串联结合到平衡开关SW1、SW2、SW3和SW4。

如图1中所示，串联结合的平衡开关SW1、SW2、SW3、SW4和平衡电阻器R1、R2、R3、R4分别并联结合到与平衡开关和平衡电阻器对应的电池单元131至134。

在图1中示出的实施例中，串联结合的第一平衡电阻器R1和第一平衡开关SW1并联结合到第一电池单元131。串联结合的第二平衡电阻器R2和第二平衡开关SW2并联结合到第二电池单元132。串联结合的第三平衡电阻器R3和第三平衡开关SW3并联结合到第三电池单元133。串联结合的第四平衡电阻器R4和第四平衡开关SW4并联结合到第四电池单元134。

虽然已经在图1中示出的实施例中示出了串联结合的四个电池单元131至134以及结合到各个电池单元131至134的平衡电阻器R1至R4和平衡开关SW1至SW4，但是电池单元的数量可以改变。

在如上所述地构造的单元平衡电路120中，平衡控制器121独立地控制平衡开关SW1、SW2、SW3和SW4，从而电池单元131至134可以通过相应的平衡电阻器R1、R2、R3和R4独立地放电。通过平衡电阻器的作用，电池单元131至134可被平衡为具有彼此相似或相同的电压。

然而，如果利用平衡电阻器通过电池单元的放电来执行平衡，则在平衡电阻器中会产生热。在平衡电阻器中产生的热的温度等于或高于参考温度的情况下，期望控制这些热。为此，如图1中所示，可在单元平衡电路120中设置热敏电阻器125。

通过热敏电阻器125感测的温度可被传输至设置在单元平衡电路120外部的控制器(MCU)(见图2)。

然而，当如图1中所示没有对应于各个电池单元设置独立的热敏电阻器时，可能没有精确地感测每个平衡电阻器的温度。

因此，在该实施例中，分别相邻于平衡电阻器R1至R4设置正温度系数(PTC)元件124，并且PTC元件124电连接到与其对应的各个开关元件(例如，平衡开关SW1至SW4)的栅电极，从而可以防止因平衡电阻器的异常高温和开关元件的损坏引起的过电流的出现。

PTC元件可以是具有正电阻温度系数特性从而电阻随着温度升高而增大的元件。如果温度增大，则固有电阻增大，因此PTC元件可具有对应于开路的高电阻。

为此，在该实施例中，如图1中所示，平衡开关SW1至SW4可包括N型场效应晶体管(在下文中称作“FET”)。作为平衡开关的每个FET可具有结合到每个电池单元的负极(-)端子的源电极S以及通过平衡电阻器结合到电池单元的正极(+)端子的漏电极D。

从平衡控制器121提供的控制信号可施加到每个FET的栅电极G，并且可通过控制信号来控制FET的导通/截止。

然而，控制信号不是被直接地施加到每个FET的栅电极，而是通过PTC元件124施加到FET的栅电极。

如图1中所示，单元平衡电路120是这样的结构，其中，PTC元件124的第一端子分别结合到作为平衡开关SW1至SW4的FET的栅电极，PTC元件124的第二端子结合到平衡控制器121。

PTC元件124被定位为尽可能地靠近相应的平衡电阻器，从而更精确地感测平衡电阻器的热。

为此，每个PTC元件124与平衡电阻器R1至R4中相应的平衡电阻器所设置的方向平行地布置。

在单元平衡电路中，假设在特定的平衡电阻器(例如，第一平衡电阻器R1)中可能会产生异常的热。在这种情况下，与第一平衡电阻器R1相邻地设置的PTC元件124的电阻由于第一平衡电阻器R1中产生的热而显著地增大。结果，出现了如同一条线被开路的效果。因此，结合到PTC元件124的FET的栅电极G被设置为浮置状态。

当N型FET的栅电极G处于浮置状态时，FET的栅-源电压变得小于或等于阈值电压Vth，因此，FET自动地截止。

虽然可通过平衡控制器121将高电平控制信号施加到作为第一平衡开关SW1的FET的栅电极G，但是FET的栅电极G在PTC元件124开路时被设置为浮置状态。因此，无论是否施加控制信号，FET都被截止。然后，将不执行单元平衡操作(即，第一电池单元131的放电)。

然而，与保险丝不同，PTC元件124可以恢复。因此，如果第一平衡电阻器R1的温度降到正常温度，则电阻再次降低，从而电流流动。在这种情况下，FET的栅电极的浮置状态解除，可通过从平衡控制器121提供的控制信号再次执行正常的单元平衡操作。

图2示出了示出具有图1中所示的单元平衡电路的电池组的电路图。参照图2，根据该实施例的电池组100被构造为包括可再充电电池单元130和保护电路。电池组100可包括在诸如笔记本计算机的外部***中，从而执行对电池单元130的充电以及来自电池单元130的放电。

电池单元130可以设置有如图2中所示的串联结合的多个电池单元。

电池组100包括：电池单元130；外部端子(未示出)，与电池单元130并联地结合；充电元件140和放电元件150，串联结合到电池单元130和外部端子之间的高电流路径(在下文中称作“HCP”)；单元平衡电路120，并联结合到电池单元130、充电元件140和放电元件150；以及保护电路，具有结合到单元平衡电路120的控制器(MCU)110。

当确定电池单元130处于过充电/过放电状态时，控制器(MCU)110断开充电元件140和放电元件150，从而防止电池单元130的过充电/过放电。

如上所述地构造的电池组100通过外部端子结合到外部***，从而执行电池组100的充电或放电。

外部端子和电池单元130之间的HCP被用作充电/放电路径，高电流流经HCP。电池组100还可包括保护电路的控制器(MCU)110与外部端子之间的***管理总线(SMBUS)，以执行与外部***的通信。

这里，通过外部端子结合到电池组100的外部***可包括适配器，以独立地向便携式电子装置(例如，便携式笔记本计算机)供电。因此，如果适配器结合到外部***，则外部***可通过适配器操作，并且适配器的电力可通过外部端子经由HCP供应到电池单元130，从而可对电池单元130充电。如果外部***与适配器分开，则可执行通过外部端子从电池单元130向外部***的负载的充电。如果将结合有适配器的外部***结合到外部端子，则执行充电操作。在这种情况下，充电路径经由放电元件150和充电元件140从适配器链接到电池单元130。如果适配器与外部***分开并且外部***的负载结合到外部端子，则执行放电操作。在这种情况下，放电路径经由充电元件140、放电元件150和外部端子从电池单元130链接到外部***的负载。

电池单元130是可再充电二次电池单元。在图2中，B+和B-表示电池单元的电力端子，P+和P-表示电池组的电力端子。电池单元130可将各种类型的内部信息输出到单元平衡电路120。内部信息可包括与单元相关的信息，例如电池单元的温度、电池单元的充电电压以及在电池单元中流动的电流的量等。

充电元件140和放电元件150串联结合在外部端子和电池单元130之间的HCP上，从而执行电池组100的充电/放电。充电元件140和放电元件150中的每个可被构造为FET。

单元平衡电路120可以并联结合在电池单元130与充电元件140和放电元件150之间。单元平衡电路120串联结合在电池单元130和控制器(MCU)110之间。

单元平衡电路120在控制器(MCU)110的控制下执行电池单元130的平衡操作。单元平衡电路120的构造和操作可以与参照图1所描述的相同。

图3示出了示出根据实施例的电池组的构造的示意图。如图2和图3中所示，电池组100包括电池单元130和具有单元平衡电路120的保护电路。保护电路可制造在印刷电路板(PCB)200上，然后，PCB200可结合到电池单元130。

其上安装有保护电路的PCB200可以相邻于电池单元130的上部附着。在该实施例中，具有单元平衡电路120等的保护电路可形成在PCB200的上表面上。为单元平衡电路120设置的PTC元件124可位于PCB200的下表面上，从而与电池单元130进行表面接触。

每个PTC元件124的第一端子和第二端子可分别通过形成在PCB200中的孔电结合到平衡开关(见图1)和平衡控制器(见图1)。

如参照图1所描述的，每个PTC元件124相邻于与其对应的平衡电阻器122形成。如图3中所示，PTC元件124和平衡电阻器122可定位成彼此叠置的关系并且在它们之间设置有PCB200。

通过上面描述的构造，每个PTC元件可通过不仅感测在与其对应的平衡电阻器中产生的热并且还感测电池单元130中的异常高温的出现，来执行阻断单元平衡操作的功能。

在电池单元130的温度由于内部短路等而升高的情况下，单元平衡操作被相邻于电池单元130定位的PTC元件124阻断，从而可以防止由于保持单元平衡操作而使电池单元进一步劣化的问题。

通过总结和回顾的方式，电池组总地包括电池单元和具有充电/放电电路的***电路。***电路被制造为印刷电路板然后结合到电池单元。如果外部电源通过电池组的外部端子连接到电池组，则利用通过外部端子和充电/放电电路供应的外部电力对电池单元充电。如果负载通过外部端子连接到电池组，则执行这样的操作，其中，电池单元的电力通过充电/放电电路和外部端子供应到负载。在这种情况下，充电/放电电路控制电池单元的在外部端子与电池单元之间的充电/放电。通常，可将多个电池单元串联和并联连接，以适于负载的消耗容量。

由于在电池单元的制造工艺中的各种原因，在组成电池组的电池单元之间可能存在容量偏差。因此，在充电/放电循环过程中，在电池单元之间可能会出现充电/放电电压的差异。因此，特定电池单元在电池组的充电中可能会被过充电或者在电池组的放电中可能会过放电。电池组中的特定电池单元的过充电或过放电可能会降低电池组的容量。另外，电池组中的特定电池单元的过充电或过放电可能使电池组劣化并缩短电池组的寿命。因此，电池监测单元可具有平衡电路，以使串联连接的多个电池单元之间的电压差异最小化。电池监测单元感测每个电池单元的电压，并且在电池单元之间的电压差等于或大于参考值时，通过使具有相对高的电压的电池单元强制放电来执行可使所有电池单元的电压相等的单元平衡。

总地使用利用电阻器的限流法或者使用利用开关元件的控制法来执行单元平衡。在电流在高温下被切断的情况下，使用热敏电阻器作为温度传感器来控制周围温度。

然而，由热敏电阻器测量温度的位置可能反映不出所有平衡电阻器的温度。为了克服这点，可为每个通道设置一个热敏电阻器，并且可使用针对该热敏电阻器的控制器(MCU)的A/D部分。然而，这样做的成本高。

在传统的单元平衡电路的结构中，开关元件可能会损坏。因此，在单元平衡电路短路的情况下，不能防止过电流。

相反，实施例提供一种包括与每个电池单元并联结合的平衡电阻器和平衡开关的单元平衡电路，其中，相邻于平衡电阻器设置有正温度系数(PTC)元件，并且PTC元件电结合到平衡开关的栅电极。因此，能够防止由于平衡开关的损坏导致的平衡电阻器的异常高温和过电流的出现。

实施例还可提供一种具有单元平衡电路的电池组，其中，PTC元件定位在印刷电路板的下表面上，以与电池单元相邻。因此，当出现电池单元的异常高温时，可阻断单元平衡操作，从而能够防止由于单元平衡操作而使电池单元进一步劣化。

已经在此公开了示例实施例，虽然采用了特定的术语，但是使用这些特定的术语并且仅应当以一般的和说明性的意义进行解释，而不是出于限制的目的。在一些情况下，如本领域的普通技术人员将理解的，自提交本申请之时起，结合具体的实施例描述的特征、特性和/或元件可以单独地使用或者与结合其它实施例描述的特征、特性和/或元件组合使用，除非另外特别地指出。因此，本领域技术人员应该理解，在不脱离如权利要求所阐述的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行各种改变。

Claims

1.一种单元平衡电路，所述单元平衡电路包括：

多个电池单元，串联地结合；

平衡开关，每个平衡开关与相应的电池单元并联结合；

平衡电阻器，每个平衡电阻器与相应的电池单元串联结合；

平衡控制器，独立地控制平衡开关，使得电池单元通过平衡电阻器放电；以及

正温度系数元件，每个正温度系数元件相邻于相应的平衡电阻器定位并电结合到与相应的平衡电阻器串联结合的相应的平衡开关。

2.如权利要求1所述的单元平衡电路，其中，每个平衡开关包括具有栅电极的N型场效应晶体管，从而设置有多个场效应晶体管和多个栅电极。

3.如权利要求2所述的单元平衡电路，其中，每个场效应晶体管包括结合到相应的电池单元的负极端子的源电极和通过相应的平衡电阻器结合到相应的电池单元的正极端子的漏电极。

4.如权利要求3所述的单元平衡电路，其中，平衡控制器通过正温度系数元件将控制信号施加到每个场效应晶体管的栅电极。

5.如权利要求2所述的单元平衡电路，其中：

正温度系数元件的第一端子分别结合到场效应晶体管的栅电极，并且

正温度系数元件的第二端子结合到平衡控制器。

6.如权利要求1所述的单元平衡电路，其中，每个正温度系数元件被布置为与相应的平衡电阻器所设置的方向平行，从而与相应的平衡电阻器相邻地定位。

7.如权利要求1所述的单元平衡电路，其中，每个平衡电阻器串联结合在相应的电池单元和相应的平衡开关之间。

8.一种电池组，所述电池组包括：

多个电池单元，串联地结合；以及

保护电路，所述保护电路包括：

外部端子，与电池单元并联结合；

充电元件和放电元件，串联结合在电池单元和外部端子之间的高电流路径上；

单元平衡电路，与电池单元、充电元件和放电元件并联结合；以及

控制器，结合到单元平衡电路，

其中：

保护电路安装在与电池单元的上部相邻地定位的印刷电路板的上表面上，并且

为单元平衡电路设置的正温度系数元件形成在印刷电路板的下表面上，从而与相应的电池单元进行表面接触。

9.如权利要求8所述的电池组，其中：

单元平衡电路包括：

平衡开关，每个平衡开关与相应的电池单元并联结合；

平衡电阻器，每个平衡电阻器与相应的电池单元串联结合；以及

平衡控制器，独立地控制平衡开关，使得电池单元通过平衡电阻器放电，

每个正温度系数元件相邻于相应的平衡电阻器定位，并且电结合到与相应的平衡电阻器串联结合的相应的平衡开关。

10.如权利要求9所述的电池组，其中，每个平衡开关包括具有栅电极的N型场效应晶体管，从而设置多个场效应晶体管和多个栅电极。

11.如权利要求10所述的电池组，其中，每个场效应晶体管具有结合到相应的电池单元的负极端子的源电极以及通过相应的平衡电阻器结合到相应的电池单元的正极端子的漏电极。

12.如权利要求11所述的电池组，其中，平衡控制器通过相应的正温度系数元件将控制信号施加到每个场效应晶体管的栅电极。

13.如权利要求10所述的电池组，其中：

正温度系数元件的第一端子结合到相应的场效应晶体管的栅电极，并且

正温度系数元件的第二端子结合到平衡控制器。

14.如权利要求9所述的电池组，其中，正温度系数元件和与其对应的平衡电阻器利用置于二者之间的印刷电路板处于彼此叠置的关系。

15.如权利要求8所述的电池组，其中，每个平衡电阻器串联结合在相应的电池单元和相应的平衡开关之间。