CN103683370A

CN103683370A - 电池组及其控制方法

Info

Publication number: CN103683370A
Application number: CN201310165753.3A
Authority: CN
Inventors: 金奉永
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-05-08
Also published as: CN103683370B; US20140062387A1; US9184615B2; KR101975395B1; KR20140028531A

Abstract

本发明公开了一种电池组以及一种控制该电池组的方法。电池组包括：电池，包括电池单元；第一开关单元，在主电流通路上位于电池与端子之间；第二开关单元，在主电流通路上位于电池与端子之间，并串联连接到第一开关单元；第三开关单元，在并联连接到主电流通路的至少一部分的旁路电流通路上，并被配置成阻断或允许旁路电流通路上的电流；以及控制器，用于划分电池的充电阶段，并用于根据被划分的充电阶段来控制第一开关单元、第二开关单元和第三开关单元中的至少一个，以对电池进行充电。

Description

电池组及其控制方法

本申请要求于2012年8月29日在韩国知识产权局提交的第10-2012-0095006号韩国专利申请的优先权和权益，该申请的公开通过引用全部包含于此。

技术领域

本发明的实施例涉及一种电池组以及一种控制该电池组的方法。

背景技术

由于诸如蜂窝电话、笔记本计算机、可携式摄像机和个人数字助理（PDA）的便携式电子装置的发展，所以积极地研究二次电池（例如，可再充电电池）。一些二次电池被制造成包括电池和充电/放电电路的电池组，电池经由电池组的外部端子通过外部电源进行充电或通过外部负载进行放电。也就是说，当电池组经由外部端子连接到外部电源时，用来自外部电源的电力对电池进行充电，经由外部端子和充电/放电电路供应所述电力。另外，当外部负载经由外部端子连接到电池组时，电池的电力经由充电/放电电路和外部端子被供应到外部负载，发生放电操作。这里，外部端子与电池之间的充电/放电电路控制电池的充电/放电。

通常，用最大充电电流对电池进行充电，直到电池的电压达到预定的电压，然后，充电电流逐渐减小。

发明内容

本发明的实施例提供了一种能够减少充电时间的电池组和一种控制该电池组的方法。

根据本发明的实施例的一方面，提供了一种电池组，该电池组包括：电池，包括电池单元；第一开关单元，在主电流通路上位于电池与端子之间；第二开关单元，在主电流通路上位于电池与端子之间，并串联连接到第一开关单元；第三开关单元，在并联连接到主电流通路的至少一部分的旁路电流通路上，并被配置成阻断或允许旁路电流通路上的电流；以及控制器，用于划分电池的充电阶段，并用于根据被划分的充电阶段来控制第一开关单元、第二开关单元和第三开关单元中的至少一个，以对电池进行充电。

第一开关单元或第二开关单元可包括用于对电池进行充电的充电控制开关单元或用于对电池进行放电的放电控制开关单元。

第三开关单元可包括预充电开关单元。

所述电池组还可包括串联连接到预充电开关单元的限流电阻器。

控制器可被配置成根据电池的相对荷电状态（RSOC）比率划分电池的充电阶段。

控制器可被配置成在电池的被划分的充电阶段中的第一阶段期间接通第一开关单元和第二开关单元并关断第三开关单元。

在第一阶段期间，第一充电电流可经由主电流通路被施加到电池。

第一阶段可包括恒定电流（CC）充电阶段。

控制器可被配置成在电池的被划分的充电阶段中的第二阶段中关断第一开关单元并接通第二开关单元和第三开关单元。

在第二阶段期间，比第一充电电流小的第二充电电流可经由旁路电流通路被施加到电池。

第二阶段可包括恒定电流（CC）充电阶段，或者可包括CC充电阶段和CV充电阶段。

控制器可被配置成在被划分的充电阶段中的第三阶段期间接通第一开关单元和第二开关单元并关断第三开关单元。

在第三阶段期间，第一充电电流可经由主电流通路被施加到电池。

第三阶段可包括恒定电压（CV）充电阶段。

根据本发明的实施例的另一方面，提供了一种控制电池组的方法，电池组包括第一开关单元、第二开关单元和第三开关单元，第一开关单元和第二开关单元在主电流通路上在电池与端子之间彼此串联连接，第三开关单元位于并联连接到主电流通路的至少一部分的旁路电流通路上，第三开关单元用于对旁路电流通路上的电流的流动进行开关，所述方法包括：将电池的充电阶段划分成多个阶段；在所述多个阶段中的第一充电阶段期间，接通第一开关单元和第二开关单元，并关断第三开关单元，以对电池进行充电；在所述多个阶段中的第二充电阶段期间，关断第一开关单元，并接通第二开关单元和第三开关单元，以对电池进行充电；以及在所述多个阶段中的第三充电阶段期间，接通第一开关单元和第二开关单元，并关断第三开关单元，以对电池进行充电。

可根据电池的相对荷电状态（RSOC）比率划分电池的充电阶段。

所述方法还可包括在电池的第一充电阶段期间将第一充电电流施加到电池。

所述方法还可包括在电池的第二充电阶段期间将比第一充电电流小的第二充电电流施加到电池。

所述方法还可包括在第三充电阶段期间将第一充电电流施加到电池。

可以以恒定电流（CC）/恒定电压（CV）模式对电池进行充电，第一充电阶段可以是CC充电模式阶段，第二充电阶段可以是CC充电模式阶段或者是CC充电模式阶段和CV充电模式阶段二者，第三充电阶段可以是CV充电模式阶段。

附图说明

通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的实施例的上述和其他方面将变得更加清楚，在附图中：

图1是示出根据本发明实施例的电池组的图；

图2是图1中示出的实施例的电池组的充电曲线图；

图3是示出图1中示出的实施例的电池组的预充电之后，主充电过程中的充电阶段的划分的图；

图4A和图4B是示出根据图1中示出的实施例的电池组的电池充电阶段的操作的图；以及

图5是示出根据本发明实施例的控制电池组的方法的流程图。

具体实施方式

因为本发明的实施例允许各种改变和许多实施例，所以将在附图中示出具体的实施例，并将在书面描述中详细描述具体的实施例。然而，这不意图将本发明局限于具体的实施方式，并且将理解的是，不脱离本发明的精神和技术范围的所有改变、等同物和替换物被包含在本发明中。在描述中，当现有技术的特定详细解释会不必要地使本发明的精髓不清楚时，省略现有技术的特定详细解释。

在下文中，将通过参照附图解释本发明的优选实施例来详细描述本发明的实施例。附图中同样的附图标记表示同样的元件。

图1是示出根据本发明实施例的电池组1的图。参照图1，电池组1包括电池10、大电流通路20（例如，主电流通路）、充电控制开关21、放电控制开关22、旁路通路30、预充电控制开关31、预充电电阻器R1、电池管理***（BMS）40（例如，控制器）、熔断器50、熔断器断开开关60和端子单元70。

电池10向电池组1所安装到或连接到的电子装置供应储存的电力。另外，当将充电器连接到电池组1时，可用外部电力对电池10进行充电。电池10可包括一个或更多的电池单元11，电池单元11可以是可再充电的二次电池，例如，镍镉电池、铅电池、镍金属氢化物电池（NiMH）、锂离子电池和锂聚合物电池。

大电流通路20是在电池10与端子单元70之间充电和放电电流所流过的通路。大电流通路20包括形成在正端子71与电池10的正极之间以及还形成在负端子72与电池10的负极之间的通路。相对大的电流在大电流通路20上流动。

充电控制开关21和放电控制开关22形成在或位于大电流通路20上，或者形成在或位于大电流通路20处，以用于控制充电和放电电流的流动。充电控制开关21选择性地阻断充电电流，放电控制开关22选择性地阻断放电电流。

充电控制开关21包括场效应晶体管FET1和寄生二极管D1。场效应晶体管FET1被设置成选择性地阻断从正端子71向着电池10并且还从电池10向着负端子72的电流流动。也就是说，可使用场效应晶体管FET1阻断充电电流流动。这里，场效应晶体管FET1被形成为使得放电电流可以流过寄生二极管D1。

放电控制开关22包括场效应晶体管FET2和寄生二极管D2，并被设置成选择性地阻断从负端子72向着电池10并且还从电池10向着正端子71的电流流动。也就是说，可使用场效应晶体管FET2阻断放电电流的流动。这里，场效应晶体管FET2被设置成使得充电电流可以流过寄生二极管D2。按照与场效应晶体管FET1的源电极和漏电极的连接或布置方式相反的方式连接或布置场效应晶体管FET2的源电极和漏电极。

旁路通路30并联连接到大电流通路20的至少一部分，从而使电池10的预充电能够进行。如图2中所示，以恒定电流和恒定电压（CC-CV）模式（例如，用恒定电流充电阶段并用恒定电压充电阶段）执行电池10的充电。也就是说，在充电的初始阶段，用恒定的充电电流执行充电，并且当充电电平（charging level）增大到预定的电平时，在保持恒定的充电电压的同时执行充电。如果当电池10完全放电时通过接通充电控制开关21和放电控制开关22而开始充电，则过大的充电电流将流到电池10，从而可能损坏电池10。因此，当执行完全放电的电池10的充电时，精确地测量电池10的剩余充电电平。然后，如果电压电平非常低，则经由旁路通路30用低的电流执行电池10的预充电，然后执行主充电过程。这里，主充电过程可以指将在后面进行描述的第一阶段至第三阶段期间的充电。

预充电控制开关31位于旁路通路30上以控制电池10的预充电，并包括场效应晶体管FET3，其中，当开始恒定电流模式充电阶段时（当电池10完全放电时），场效应晶体管FET3接通，从而避免过大的充电电流传输到电池10。也就是说，当完全放电的电池10的充电开始时，充电控制开关21关断，并且预充电控制开关31和放电控制开关22接通。这里，经由大电流通路20引起的充电电流经由二极管D2流到旁路通路30，然后，通过预充电电阻器R1调整充电电流（例如，调整到30mA），从而在主充电过程之前执行电池10的预充电操作。预充电电阻器R1形成在或位于具有预充电控制开关31的旁路通路30上，并且当电池单元或预充电电阻器R1的温度升高时，电阻值增大，以将电流减小到可以接受的水平。

在本实施例中，充电控制开关21、放电控制开关22和预充电控制开关31可以是任何合适的开关器件，并且不限于场效应晶体管。也就是说，可以使用执行开关功能的各种器件作为所述开关器件。

BMS40控制电池10的充电和放电、预充电以及电池10中包括的电池单元11的均衡。BMS40可包括电源端子VDD、接地端子VSS、充电控制端子CHG、放电控制端子DCG、预充电控制端子PC和熔断器控制端子FC。

电源电压和接地电压被分别施加到电源端子VDD和接地端子VSS。当电池组1中存在异常状况时，充电控制端子CHG和放电控制端子DCG分别输出用于控制充电控制开关21的操作的充电控制信号和用于控制放电控制开关22的操作的放电控制信号。当电池10中引起过大的电流时，或者当电池10的充电电平显著减小时，预充电控制端子PC输出用于控制预充电控制开关31的操作的开关控制信号。

BMS40监视电池10的充电状态或放电状态，并且还监视电池组1中的内部电流流动状态。另外，BMS40可以测量电池单元11之间的中间电压。根据监视或测量的结果，BMS40控制电池单元11之间的单元均衡，或控制电池10的充电或放电。虽然未在图1中示出，但是BMS40还可包括用于测量中间电压、用于监视充电或放电状态或用于监视电流的流动的端子。

在本实施例中，BMS40控制电池组1中的每个组件，尽管本发明不限于此。例如，用于监视电池10的状态并用于控制充电控制开关21和放电控制开关22的操作的模拟前端也可被包括在本发明的实施例中，并可被BMS40控制。

熔断器50在大电流通路20上形成在端子单元70与充电控制开关21和放电控制开关22之间。当电池10处于异常状态时，熔断器50断开，以防止充电或放电电流流动。与熔断器50对应的电阻器R2连接在大电流通路20与地之间。当等于或大于足够的水平（例如，预定的水平）的电流流过电阻器R2时，熔断器50因电阻器R2产生的热而熔化，阻断电流的流动。

如果存在电池组1的异常状态，则通过分别使用充电控制开关21和放电控制开关22来阻断充电电流的流动和放电电流的流动。然而，如果即使在控制充电控制开关21和放电控制开关22时，电池组1的异常状态也没有被校正，则熔断器50断开，以阻断（例如，永久地阻断）电流的流动。

熔断器断开开关60允许电流流过熔断器50中包括的电阻器R2，从而断开熔断器50。熔断器断开开关60形成在熔断器50与地之间，并且当从BMS40接收阻断信号时，熔断器断开开关60接通，从而允许电流流过电阻器R2。熔断器断开开关60可包括场效应晶体管FET4和寄生二极管D4。

端子单元70允许电池组1连接到例如电子装置或充电器的外部装置。端子单元70包括正端子71和负端子72。通过正端子71引起（例如，接收）充电电流，并通过正端子71释放放电电流。类似地，通过负端子72释放充电电流，并通过负端子72引起放电电流。虽然未在图1中示出，但是端子单元70还可包括用于向外部装置传输数据或用于从外部装置接收控制信号的端子。

在本实施例中，BMS40控制充电控制开关21、放电控制开关22和预充电控制开关31，以对电池10进行充电，从而允许电池10以高速度进行充电。

为此，BMS40将CC-CV模式下的电池充电阶段（例如，充电期）划分成多个阶段，例如，第一阶段、第二阶段和第三阶段。另外，在这些阶段中可在电池10中充入不同的充电电流，并控制充电控制开关21和放电控制开关22的开关操作以及预充电控制开关31的开关操作。

图3是示出预充电操作结束之后的主充电过程期间，电池10的充电阶段划分的图。参照图3，电池10的充电阶段的划分是基于电池10的相对荷电状态（RSOC）的比率，例如，储存在电池中的能量的量与标称额定容量的比率。例如，第一阶段可以是电池10的RSOC比率为大约0%至50%的阶段，第二阶段可以是电池10的RSOC比率为大约51%至90%的阶段，第三阶段可以是电池10的RSOC比率为大约91%至100%的阶段。在划分电池10的充电阶段之后，第一阶段位于恒定电流（CC）模式阶段中，第三阶段位于恒定电压（CV）模式阶段中。同时，第二阶段可位于CC模式阶段中，或可位于CC模式阶段和CV模式阶段二者中。

在本实施例中，电池10的充电阶段被划分成第一阶段至第三阶段，在第一阶段中用第一充电电流执行充电，在第二阶段中用比第一充电电流小的第二充电电流执行充电，在第三阶段中用第一充电电流执行充电。通过控制三个开关，即充电控制开关21、放电控制开关22和预充电控制开关31，来执行充电。这里，第一充电阶段和第二充电阶段可以是CC充电阶段，第三充电阶段可以是CV充电阶段。在本实施例中，充电阶段的被划分的阶段的数目和开关的数目彼此相等，尽管本发明不限于此，也就是说，如图1中示出的开关和充电阶段的数目可以增加或改变。

BMS40测量RSOC比率，如果RSOC比率等于或小于50%，则BMS40识别该阶段为第一阶段并执行电池10的充电。在第一阶段期间，BMS40接通充电控制开关21和放电控制开关22，并关断预充电控制开关31。在本实施例中，假设电池组1正在正常操作，BMS40关断熔断器断开开关60。图4A是示出电池组1在第一阶段中的操作的图。参照图4A，BMS40经由充电控制端子CHG接通充电控制开关21，经由放电控制端子DCG接通放电控制开关22，经由预充电控制端子PC关断预充电控制开关31，并经由熔断器控制端子FC关断熔断器断开开关60。通过上述操作，从端子单元70经由大电流通路20在电池10中引起充电电流。这里，在电池10中引起第一充电电流，第一充电电流对应于单元组合所确保的最大充电电流，例如，1C（例如，其中，C表示单元组合所确保的最大充电电流）。

当用第一充电电流对电池10进行充电，并且RSOC比率变为大约50%时，BMS40确定电池在充电阶段的第二阶段中，并继续电池10的充电操作。在第二阶段中，BMS40关断充电控制开关21和熔断器断开开关60，并接通放电控制开关22和预充电控制开关31。图4B是示出电池组1在第二阶段中的操作的图。参照图4B，BMS40经由充电控制端子CHG关断充电控制开关21，经由放电控制端子DCG接通放电控制开关22，经由预充电控制端子PC接通预充电控制开关31，并经由熔断器控制端子FC关断熔断器断开开关60。通过上述操作，从端子单元70经由旁路通路30在电池10中引起充电电流。这里，在电池10中引起比第一充电电流小的第二充电电流，第二充电电流对应于单元组合所确保的标准充电电流，例如，0.5C（例如，最大充电电流的一半）。当用第二充电电流对电池10进行充电，并且RSOC比率变为大约90%时，BMS40识别电池在充电阶段的第三阶段中，并继续电池10的充电操作。在第三阶段中，BMS40接通充电控制开关21和放电控制开关22，并关断预充电控制开关31和熔断器断开开关60。按照与第一阶段中的充电操作的执行方式相同的方式执行第三阶段中的充电操作，这里不提供对其的描述。如上面所描述的，因为第三阶段是充电阶段的处于CV模式下的部分，所以即使当引起第一充电电流时，也可以正常地执行电池10的充电。

如上面所描述的，电池的充电阶段被划分成第一阶段至第三阶段，然后，在第一阶段中用相对大的第一充电电流对电池10进行充电，在第二阶段中用比第一充电电流小的第二充电电流对电池10进行充电，从而减少充电时间。

图5是示出根据本发明实施例的控制电池组的方法的流程图。可以用BMS40与图1中示出的***组件执行根据本实施例的控制电池组的方法。在下文中，省略了参照图1至图4描述的组件的描述。

参照图5，BMS40将电池10的充电阶段划分成多个阶段（S10），并可以基于电池10的RSOC比率将电池10的充电阶段划分成多个阶段。例如，电池10的RSOC比率为大约0%至50%的阶段是第一阶段，电池10的RSOC比率为大约51%至90%的阶段是第二阶段，电池10的RSOC比率为大约91%至100%的阶段是第三阶段。

之后，BMS40测量RSOC比率，如果RSOC比率为50%或更小，则BMS40识别它为第一阶段，并且BMS40接通充电控制开关21和放电控制开关22并关断预充电控制开关31，从而对电池10进行充电（S20）。这里，考虑到电池组1正在正常操作，假设熔断器断开开关60处于关断状态。通过所述开关控制操作，从端子单元70经由大电流通路20在电池10中引起第一充电电流。当用第一充电电流对电池10进行充电并且RSOC比率变为大约50%时，BMS40识别电池在第二阶段中，并且BMS40关断充电控制开关21，接通放电控制开关22和预充电控制开关31，并关断熔断器断开开关60，从而对电池10进行充电（S30）。通过所述开关控制操作，从端子单元70经由旁路通路30在电池10中引起第二充电电流。

当用第二充电电流对电池10进行充电并且RSOC比率变为大约90%时，BMS40识别电池在第三阶段中，并且接通充电控制开关21和放电控制开关22并关断预充电控制开关31，从而对电池10进行充电（S40）。通过上述开关控制操作，从端子单元70经由大电流通路20在电池10中引起第一充电电流。如上面所描述的，因为第三阶段是CV模式充电阶段，所以即使当引起第一充电电流时，也可以正常地执行电池10的充电。

根据本发明的实施例，电池的充电阶段被划分，使得可以在各个阶段用不同的电流对电池进行充电，从而与传统上相比减少了充电时间。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体地示出并描述了本发明的实施例，但是本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离本发明的如由权利要求及其等同物限定的精神和范围的情况下，在此可以做出形式和细节上的各种改变。

Claims

1.一种电池组，包括：

电池，包括电池单元；

第一开关单元，在主电流通路上位于电池与端子之间；

第二开关单元，在主电流通路上位于电池与端子之间，并串联连接到第一开关单元；

第三开关单元，在并联连接到主电流通路的至少一部分的旁路电流通路上，并被配置成阻断或允许旁路电流通路上的电流；以及

控制器，用于划分电池的充电阶段，并用于根据被划分的充电阶段来控制第一开关单元、第二开关单元和第三开关单元中的至少一个，以对电池进行充电。

2.根据权利要求1所述的电池组，其中，第一开关单元或第二开关单元包括用于对电池进行充电的充电控制开关单元或用于对电池进行放电的放电控制开关单元。

3.根据权利要求1所述的电池组，其中，第三开关单元包括预充电开关单元。

4.根据权利要求3所述的电池组，所述电池组还包括串联连接到预充电开关单元的限流电阻器。

5.根据权利要求1所述的电池组，其中，控制器被配置成根据电池的相对荷电状态比率划分电池的充电阶段。

6.根据权利要求1所述的电池组，其中，控制器被配置成在电池的被划分的充电阶段中的第一阶段期间接通第一开关单元和第二开关单元并关断第三开关单元。

7.根据权利要求6所述的电池组，其中，在第一阶段期间，第一充电电流经由主电流通路被施加到电池。

8.根据权利要求6所述的电池组，其中，第一阶段包括恒定电流充电阶段。

9.根据权利要求1所述的电池组，其中，控制器被配置成在电池的被划分的充电阶段中的第二阶段中关断第一开关单元并接通第二开关单元和第三开关单元。

10.根据权利要求9所述的电池组，其中，在第二阶段期间，第二充电电流经由旁路电流通路被施加到电池。

11.根据权利要求7所述的电池组，其中，控制器被配置成在电池的被划分的充电阶段中的第二阶段中关断第一开关单元并接通第二开关单元和第三开关单元。

12.根据权利要求11所述的电池组，其中，在第二阶段期间，比第一充电电流小的第二充电电流经由旁路电流通路被施加到电池。

13.根据权利要求9或11所述的电池组，其中，第二阶段包括恒定电流充电阶段，或者包括恒定电流充电阶段和恒定电压充电阶段。

14.根据权利要求1所述的电池组，其中，控制器被配置成在被划分的充电阶段中的第三阶段期间接通第一开关单元和第二开关单元并关断第三开关单元。

15.根据权利要求14所述的电池组，其中，在第三阶段期间，第一充电电流经由主电流通路被施加到电池。

16.根据权利要求14所述的电池组，其中，第三阶段包括恒定电压充电阶段。

17.一种控制电池组的方法，电池组包括第一开关单元、第二开关单元和第三开关单元，第一开关单元和第二开关单元在主电流通路上在电池与端子之间彼此串联连接，第三开关单元位于并联连接到主电流通路的至少一部分的旁路电流通路上，第三开关单元用于对旁路电流通路上的电流的流动进行开关，所述方法包括：

将电池的充电阶段划分成多个阶段；

在所述多个阶段中的第一充电阶段期间，接通第一开关单元和第二开关单元，并关断第三开关单元，以对电池进行充电；

在所述多个阶段中的第二充电阶段期间，关断第一开关单元，并接通第二开关单元和第三开关单元，以对电池进行充电；以及

在所述多个阶段中的第三充电阶段期间，接通第一开关单元和第二开关单元，并关断第三开关单元，以对电池进行充电。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，根据电池的相对荷电状态比率划分电池的充电阶段。

19.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括在电池的第一充电阶段期间将第一充电电流施加到电池。

20.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括在电池的第二充电阶段期间将比第一充电电流小的第二充电电流施加到电池。

21.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括在第三充电阶段期间将第一充电电流施加到电池。

22.根据权利要求17所述的方法，其中：

以恒定电流/恒定电压模式对电池进行充电；

第一充电阶段是恒定电流充电模式阶段；

第二充电阶段是恒定电流充电模式阶段，或者是恒定电流充电模式阶段和恒定电压充电模式阶段二者；以及

第三充电阶段是恒定电压充电模式阶段。