用于改進(jìn)電池平衡以及電池故障檢測(cè)的系統(tǒng)和方法與流程
相關(guān)申請(qǐng)的引證
本申請(qǐng)要求于2015年3月4日提交的題為“用于改進(jìn)電池平衡以及電池故障檢測(cè)的系統(tǒng)和方法(systemsandmethodsforimprovingcellbalancingandcellfailuredetection)”且被轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第62/128,315號(hào)的優(yōu)先權(quán)。該在先申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容被視為本申請(qǐng)的一部分，并且由此通過(guò)引證將其全部?jī)?nèi)容結(jié)合于此。
本公開(kāi)總體涉及電池和電容器，諸如超級(jí)電容器(ultracapacitor)和特級(jí)電容器(super-capacitor)，并且具體地，涉及部署在模塊中的電容器或電池，每個(gè)模塊包含一些固定數(shù)量的電池和/或電容器單元。
背景技術(shù)：
對(duì)于通過(guò)使過(guò)量電池電壓放電來(lái)平衡能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中的單個(gè)電池，存在各種系統(tǒng)和技術(shù)。先前方法不能完全且有效地耗散過(guò)量電池電壓并且需要昂貴部件。
此外，存在用于檢測(cè)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中的故障并發(fā)出警報(bào)的系統(tǒng)和技術(shù)，但是由于來(lái)自能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的過(guò)量電壓，它們通常失效。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本文公開(kāi)的實(shí)施方式解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題。本公開(kāi)的系統(tǒng)、方法和設(shè)備均具有若干創(chuàng)新方面，其中的單個(gè)不單獨(dú)承擔(dān)本文所公開(kāi)的期望屬性。
在附圖和以下描述中闡述了本公開(kāi)所描述的主題的一個(gè)或個(gè)多個(gè)實(shí)現(xiàn)方式的細(xì)節(jié)。盡管在本公開(kāi)中提供的實(shí)例有時(shí)以電容器或電容器單元的措辭來(lái)描述，但是本文提供的概念可應(yīng)用至其他類型的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。在描述、附圖以及權(quán)利要求中，其他特性、方面以及優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)。應(yīng)注意，下列圖中的相對(duì)尺寸可能沒(méi)有按比例繪制。
本文描述的主題的一個(gè)創(chuàng)新方面包括能量存儲(chǔ)設(shè)備電池平衡裝置。所述裝置包括：第一耗散部件；以及第二耗散部件，與所述第一耗散部件串聯(lián)。所述第一耗散部件和所述第二耗散部件被配置為耦接至能量存儲(chǔ)電池。述第二耗散部件被配置為監(jiān)測(cè)所述能量存儲(chǔ)電池的電壓，并且如果所述電壓處于參考電壓或所述參考電壓以上，則通過(guò)所述第一耗散部件和所述第二耗散部件傳導(dǎo)放電電流。所述第一耗散部件與所述能量存儲(chǔ)電池的電壓成比例地維持所述第一耗散部件兩端的電壓降。當(dāng)傳導(dǎo)所述放電電流時(shí)，所述第二耗散部件維持在所述第二耗散部件兩端的恒定電壓降。
在某些方面中，第一耗散部件包括無(wú)源耗散部件。在某些方面中，第一耗散部件是電阻器。
在某些方面中，第二耗散部件包括有源耗散部件。在某些方面中，第二耗散部件包括被配置為以比較器模式操作的分流穩(wěn)壓器。
在某些方面中，該裝置進(jìn)一步包括電阻式分壓器，該電阻式分壓器被配置為偏置參考電壓，第二耗散部件以該參考電壓或該參考電壓以上通過(guò)第一耗散部件和第二耗散部件使電流放電。
本文描述的主題的另一創(chuàng)新方面包括用于能量存儲(chǔ)設(shè)備的警報(bào)監(jiān)測(cè)裝置。該裝置包括包含陽(yáng)極和陰極的整流器，其中，整流器的陰極被配置為連接至能量存儲(chǔ)模塊的正極端子。該裝置還包括電流源，該電流源連接至整流器的陽(yáng)極并且被配置為響應(yīng)于陽(yáng)極電壓處于最小電壓與最大電壓以外而生成恒定電流。
在某些方面中，該裝置進(jìn)一步包括隔離設(shè)備，該隔離設(shè)備被配置為基于恒定電流生成與外部電路電隔離的隔離電信號(hào)。在某些方面中，該裝置進(jìn)一步包括整流橋，該整流橋被配置為使電流源能夠響應(yīng)于能量存儲(chǔ)模塊處的正電壓或負(fù)電壓而生成恒定電流。
在某些方面中，該裝置進(jìn)一步包括晶體管和電容器。該晶體管可響應(yīng)于恒定電流而導(dǎo)通，并且電容器可響應(yīng)于恒定電流而產(chǎn)生警報(bào)，其中，晶體管可使電容器充電，并且其中，當(dāng)恒定電流不再存在時(shí)，電容器可繼續(xù)生成警報(bào)。
在本文描述的主題的另一創(chuàng)新方面中，警報(bào)擴(kuò)展裝置包括第一晶體管和第二晶體管以及第一電容器。第一晶體管可響應(yīng)于能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的電池的過(guò)壓警報(bào)電路的第一警報(bào)信號(hào)而導(dǎo)通。第一電容器可響應(yīng)于第一警報(bào)而產(chǎn)生第二警報(bào)。第一晶體管可響應(yīng)于第一警報(bào)而導(dǎo)通第二晶體管。第二晶體管可使第一電容器充電。當(dāng)?shù)谝痪瘓?bào)不再存在時(shí)，第一電容器可繼續(xù)生成第二警報(bào)。
本文描述的主題的額外創(chuàng)新方面包括用于平衡能量存儲(chǔ)電池的方法。該方法包括：經(jīng)由第一耗散部件監(jiān)測(cè)能量存儲(chǔ)電池的電壓；當(dāng)電壓在參考電壓或該參考電壓以上時(shí)，通過(guò)第一耗散部件傳導(dǎo)放電電流；以及當(dāng)電壓在參考電壓或該參考電壓以上時(shí)，通過(guò)第二耗散部件傳導(dǎo)放電電流。第二耗散部件與第一耗散部件串聯(lián)，并且第二耗散部件可與所述能量存儲(chǔ)電池的所述電壓成比例地維持所述第二耗散部件兩端的電壓降。當(dāng)傳導(dǎo)放電電流時(shí)，第一耗散部件可維持第一耗散部件兩端的恒定電壓降。
在某些方面中，通過(guò)第一耗散部件傳導(dǎo)放電電流包括：通過(guò)無(wú)源耗散部件傳導(dǎo)放電電流。在某些方面中，通過(guò)第一耗散部件傳導(dǎo)放電電流包括通過(guò)電阻器傳導(dǎo)放電電流。
在某些方面中，通過(guò)第二耗散部件傳導(dǎo)放電電流包括：通過(guò)有源耗散部件傳導(dǎo)放電電流。在某些方面中，通過(guò)第二耗散部件傳導(dǎo)放電電流包括：通過(guò)以比較器模式操作的分流穩(wěn)壓器傳導(dǎo)放電電流。
在某些方面中，該方法進(jìn)一步包括：偏置參考電壓，第二耗散部件在該參考電壓或該參考電壓以上通過(guò)第一耗散部件和第二耗散部件使電流放電。
本文描述的主題的另一額外創(chuàng)新方面包括用于產(chǎn)生開(kāi)路能量存儲(chǔ)電池警報(bào)的方法。該方法包括識(shí)別整流器的陽(yáng)極處的在最小電壓與最大電壓以外的電壓。該方法還包括：基于識(shí)別的陽(yáng)極電壓經(jīng)由連接至整流器的陽(yáng)極的電流源而生成恒定電流，其中，恒定電流在小于最小電壓且大于最大電壓的電壓下維持。
在某些方面中，該方法進(jìn)一步包括：基于恒定電流生成與外部電路電隔離的電隔離信號(hào)。
在某些方面中，該方法進(jìn)一步包括：響應(yīng)于恒定電流而激活晶體管，響應(yīng)于恒定電流經(jīng)由電容器生成警報(bào)，以及經(jīng)由晶體管使電容器充電，其中，當(dāng)恒定電流不再存在時(shí)，警報(bào)繼續(xù)由電容器生成。
附圖說(shuō)明
圖1示出使用恒定電流放電的平衡電路的實(shí)施方式。
圖2示出圖1的實(shí)施方式的放電電流與電池電壓的曲線圖。
圖3示出使用電阻式放電電路的平衡電路的實(shí)施方式。
圖4示出圖3的實(shí)施方式的放電電流相對(duì)于電池電壓的曲線圖。
圖5a示出共享耗散平衡電路的實(shí)施方式。
圖5b示出共享耗散平衡電路的實(shí)施方式。
圖6a示出圖5a的實(shí)施方式的放電電流相對(duì)于電池電壓的曲線圖。
圖6b是圖5b的實(shí)施方式的可替換配置的放電電流相對(duì)于電池電壓的曲線圖。
圖7示出共享耗散平衡電路的另一個(gè)實(shí)施方式。
圖8示出模塊開(kāi)路電池檢測(cè)器的電路圖的實(shí)施方式。
圖9示出由圖8的實(shí)施方式生成的警報(bào)電流相對(duì)于電池電壓的曲線圖。
圖10示出根據(jù)實(shí)施方式的警報(bào)擴(kuò)展電路的示圖。
圖11示出用于經(jīng)由共享耗散平衡電路來(lái)平衡電池的方法的實(shí)施方式。
圖12示出經(jīng)由開(kāi)路電池檢測(cè)器電路來(lái)生成警報(bào)的方法的實(shí)施方式。
在各個(gè)附圖中，相同參考標(biāo)號(hào)和指代表示相同元件。
具體實(shí)施方式
能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可包括串聯(lián)布置的多個(gè)單個(gè)電池或超級(jí)電容器單元以形成能量存儲(chǔ)模塊或庫(kù)(bank)，該能量存儲(chǔ)模塊或庫(kù)的電壓輸出比單個(gè)電池的電壓輸出更高。反過(guò)來(lái)，模塊可與其他模塊串聯(lián)連接以輸出更高的組合電壓。模塊的單個(gè)電容器或電池有時(shí)被分別稱為電容器單元或電池單元，或更常見(jiàn)地，單元。
過(guò)量電池電壓可損壞單個(gè)電池、電池所位于的模塊或這兩者。電池平衡電路可用于使電池或超級(jí)電容器單元放電以均衡電池電壓并且防止或最小化由過(guò)量電池電壓條件所造成的損壞。這種過(guò)量電池電壓可僅在平衡電路中的無(wú)源部件(例如，一個(gè)或多個(gè)電阻器)中放電。通過(guò)這些電阻器流動(dòng)的電流可由平衡電路中的有源部件控制，但是有源部件本身不使任合過(guò)量電池電壓放電。此外，這些類型的平衡電路(諸如，恒定電流放電(cc)電路或電阻式放電(rd)電路)在提供平衡功能時(shí)，分別需要單獨(dú)有源(且昂貴的)部件或單獨(dú)無(wú)源(且也昂貴的)部件。因此，這些電路不使用有源部件和無(wú)源部件來(lái)各自耗散過(guò)量電池電壓。耗散部件可以是有源或無(wú)源的，其中，無(wú)源耗散部件不能單獨(dú)控制電流的流動(dòng)，然而有源耗散部件是能夠控制電流的部件。有源耗散部件和無(wú)源耗散部件被配置為耗散電壓。無(wú)源耗散部件的實(shí)例可包括固定電阻、可變電阻、熱敏電阻、無(wú)源衰減器、電位計(jì)、非-無(wú)損電感器(non-losslessinductor)等。有源耗散部件的實(shí)例可包括晶體管、穩(wěn)壓器、有源衰減器、有源二極管等。本文描述的平衡電路的實(shí)施方式中的一些允許在有源部件之間與無(wú)源部件之間都分離實(shí)際電壓耗散。相對(duì)于先前的電池平衡電路，這可增加電壓耗散的效率，可降低所需部件的數(shù)量，并且可排除一些昂貴有源部件或無(wú)源部件的需要。
在恒定電流放電電路的情況下，與電池電壓或被放電的電壓無(wú)關(guān)地，抽取恒定放電電流。電阻式放電電路抽取與電池電壓成比例的放電電流。隨著電池的電壓增加，放電電流也增加，并且反之亦然。為了更好地理解并給出本實(shí)施方式的背景，圖1-圖4示出恒定電流(圖1和圖2)平衡電路以及電阻式放電(圖3和圖4)平衡電路的實(shí)例。
圖1示出可提供恒定電流放電的平衡電路100。平衡電路100可包括能量存儲(chǔ)電池102。替換地，在節(jié)點(diǎn)106和108處，平衡電路100可在能量存儲(chǔ)電池102外部且并聯(lián)連接至能量存儲(chǔ)電池。電池102可包括單個(gè)或多個(gè)電池、電容器、超級(jí)電容器或能量存儲(chǔ)的其他替代裝置，或者可與均具有對(duì)應(yīng)平衡電路的多個(gè)相似電池組合以形成能量存儲(chǔ)模塊。為了便于本文的描述，電池102可包括在平衡電路100內(nèi)部或外部的單個(gè)電池或模塊。
平衡電路100可進(jìn)一步包括具有用于電壓輸入的兩個(gè)端子(未單獨(dú)編號(hào))以及輸出端子109的有源部件104。有源部件104可經(jīng)由電壓輸入端子監(jiān)測(cè)電池102的電壓，并且如果電池102的電壓上升到預(yù)定閥值電壓以上，則在其輸出端子109處輸出信號(hào)。例如，閾值電壓可以是2.5伏(v)，并且一旦電池的電壓上升到2.5v以上，則有源部件104生成輸出信號(hào)。
此外，平衡電路100可包括按照示出布置的電阻器110和112以及晶體管114和116。由有源部件104輸出的信號(hào)可提供至晶體管114以激活或?qū)ňw管114。激活晶體管114建立從電池102以及通過(guò)電阻器112的路徑，由此提供耗散電池102的過(guò)量電壓的恒定電流放電。因此，有源部件104本身不使任何過(guò)量電壓放電，而是控制建立通過(guò)電阻器112的路徑的晶體管114，該電阻器112設(shè)定一恒定電流值(在該平衡電路中，晶體管114以該恒定電流值耗散過(guò)量電壓)。
在一些實(shí)施方式中，有源部件104可以是穩(wěn)壓器。晶體管114可基于如由電阻器112限制的恒定電流來(lái)耗散電力。如配置的平衡電路100可需要晶體管114能夠耗散大電力值，這增加平衡電路100的成本和尺寸。
圖2示出根據(jù)圖1的平衡電路實(shí)施方式的電池電壓的放電電流的曲線圖200。x軸示出電池電壓(例如，圖1的電池102的電壓)，同時(shí)y軸示出特定電池電壓處的放電電流電平。如可看到的，對(duì)于超過(guò)2.5v閾值的電池電壓，平衡電路100以近似恒定電流(諸如，在過(guò)量電池電壓的范圍內(nèi)的大約110毫安(ma))使電池102放電。線202對(duì)應(yīng)于平衡電路100在電池電壓的范圍內(nèi)的放電電流。
圖3示出可提供電阻式放電的平衡電路300的實(shí)施方式。平衡電路300可包括能量存儲(chǔ)電池102或者替換地，在節(jié)點(diǎn)302和304處，平衡電路300可在能量存儲(chǔ)電池102外部并且并聯(lián)連接至能量存儲(chǔ)電池102。電池102可包括單個(gè)或多個(gè)電池、電容器、超級(jí)電容器或能量存儲(chǔ)的其他替代裝置，或者可與均具有對(duì)應(yīng)平衡電路的多個(gè)相似電池組合以形成能量存儲(chǔ)模塊。
平衡電路300可進(jìn)一步包括具有用于電壓輸入的兩個(gè)端子(未單獨(dú)編號(hào))以及輸出端子308的有源部件306。有源部件可經(jīng)由其電壓輸入端子監(jiān)測(cè)電池102的電壓，并且如果電池102的電壓上升到預(yù)定閥值電壓以上，則在其輸出端子308處輸出信號(hào)。例如，閾值電壓可以是2.5v，并且一旦電池的電壓上升到2.5v以上，則有源部件104生成輸出信號(hào)。
此外，平衡電路300可包括按照所示布置的電阻器310和312以及晶體管314。來(lái)自有源部件306的輸出信號(hào)可經(jīng)由電阻器310提供至晶體管314。晶體管314可用作由信號(hào)輸出控制的開(kāi)關(guān)，其中，信號(hào)輸出激活或?qū)ňw管314。當(dāng)晶體管314激活時(shí)，它通過(guò)電阻器312和晶體管314建立來(lái)自電池102的路徑，由此提供耗散電池102的過(guò)量電壓的電阻式放電(可變電流)。
平衡電路300主要通過(guò)電阻器312耗散過(guò)量電池電壓。電阻器310和晶體管314也不明顯促進(jìn)使過(guò)量電池電壓放電。然而，因?yàn)殡娮杵?12暴露于電池102的完全過(guò)量電池電壓，平衡電路的該配置的電阻器312，可能需要電阻器312能夠處理大電壓，其增加平衡電路100的成本和尺寸。
因此，平衡電路100(圖1)會(huì)需要大的、昂貴的有源部件來(lái)以恒定電流耗散電力，此外平衡電路300(圖3)會(huì)需要大的、昂貴的電阻器來(lái)以與電壓成比例的電平耗散電流。除了大且昂貴以外，這些部件也可對(duì)電路100和300的操作溫度、可靠性或其他操作參數(shù)帶來(lái)不利影響。
圖4示出根據(jù)圖3的平衡電路實(shí)施方式的電池電壓的放電電流的曲線圖400。x軸示出電池電壓(例如，圖3的電池102的電壓)，同時(shí)y軸示出具體電池電壓處的放電電流電平。如可看到的，對(duì)于超過(guò)2.5v閾值的電池電壓，平衡電路300以與電池電壓成比例的變化放電電流402(例如，在2.5v至2.95v的電池電壓范圍中的從約90ma到105ma的范圍)使電池102放電。線402對(duì)應(yīng)于平衡電路300在電池電壓的范圍內(nèi)的放電電流。
改進(jìn)的電池平衡電路
如從以上描述可以觀察出的，盡管無(wú)源部件和有源部件的結(jié)合被用于設(shè)計(jì)為放電過(guò)大的電池電壓的一些平衡電路，但有源部件對(duì)放電過(guò)大的電池電壓基本沒(méi)有貢獻(xiàn)。另外，這些設(shè)計(jì)依靠昂貴的無(wú)源部件和有源部件。例如，恒定電流平衡電路100(圖1)要求晶體管114是昂貴的晶體管以使得過(guò)大的電池電壓被放電。另一方面，電阻放電平衡電路300(圖3)要求電阻器112是昂貴的以便能夠放電過(guò)大的電池電壓。在這里公開(kāi)的一些實(shí)施方式，有利地，使用被配置為有助于放電過(guò)大的電池電壓同時(shí)還提供監(jiān)測(cè)和控制功能的有源部件。根據(jù)這些改進(jìn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施方式的平衡電路可以使用比圖1和圖3的平衡電路100和300更少的全部部件來(lái)實(shí)現(xiàn)它們的耗散過(guò)大的電池電壓的任務(wù)。
圖5a示出共享耗散(shared-dissipation)平衡電路500a的實(shí)施方式。平衡電路500a可以包括能量存儲(chǔ)電池102或者可替換地，平衡電路500a可以在能量存儲(chǔ)電池102以外并且在節(jié)點(diǎn)502和504處并聯(lián)連接至能量存儲(chǔ)電池102。電池102可以包括單個(gè)或多個(gè)電池組、電容器、超級(jí)電容器或能量?jī)?chǔ)存的其它可選器件，或者可以與多個(gè)相似的電池相結(jié)合(每個(gè)電池具有相應(yīng)的平衡電路)，以形成能量存儲(chǔ)模塊。在這里為了便于描述，電池102可以包括或者在平衡電路500a內(nèi)部或者在平衡電路500a外部的或者單個(gè)電池或者模塊。
平衡電路500可以進(jìn)一步包括有源部件506和無(wú)源部件514。有源部件506可以是三端子裝置，具有端子508、510和512。端子508可以是連接至電池102的節(jié)點(diǎn)502的參考端子。因此，有源部件506可以被配置為監(jiān)測(cè)在節(jié)點(diǎn)502處的電池102的電壓。如果在節(jié)點(diǎn)502處的電池102的電壓上升至閾值電壓，例如2.5v，以上，則有源部件506可以允許放電電流通過(guò)有源部件端子510和512以及無(wú)源部件514從電池102流出，因此使得過(guò)大的電池電壓分別在有源部件506和無(wú)源部件514兩者的兩端耗散。
在一些實(shí)施方式中，分流穩(wěn)壓器，例如
圖5b示出根據(jù)實(shí)施方式的共享耗散平衡電路500b。平衡電路500b與共享耗散平衡電路500a相似。為了避免重復(fù)的描述，具有相同或相似的功能的部件可以由相同的參考標(biāo)號(hào)標(biāo)記。共享耗散平衡電路500b是共享平衡電路500a的線性實(shí)現(xiàn)方式。如所示的，有源部件506的參考端子508連接至有源部件506和無(wú)源部件514之間的節(jié)點(diǎn)516。因此，有源部件506可以被配置為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)516處的電壓。這個(gè)實(shí)現(xiàn)方式的放電電流對(duì)比電池電壓的曲線圖將參考圖6b描述。
圖6a示出顯示與圖5a的平衡電路實(shí)施方式的電池電壓有關(guān)的放電電流的曲線圖600a。參照?qǐng)D5a和圖6a兩者，x軸示出電池電壓(例如電池102的電壓)，而y軸示出在具體的電池電壓下的放電電流電平。線602對(duì)應(yīng)于在電池電壓的范圍內(nèi)的平衡電路300的放電電流。如可以看出的，對(duì)于超過(guò)2.5v的電池電壓，平衡電路500a利用與電池電壓成比例的放電電流使電池102放電。
將放電電流602與圖4的放電電流402相比較，示出圖5a的平衡電路500a可以比平衡電路300更高效地耗散過(guò)大的電池電壓。參考回圖4，對(duì)于2.5v和3v之間的電池電壓值，電阻放電平衡電路300吸收從88ma至110ma的電流，或22ma的電流總變化。與此相反，對(duì)于相同的電池電壓值，圖5a的共享耗散平衡電路500a吸收從40ma至104ma的電流，或者電流改變總共64ma。在與電流成比例的電壓放電的情況下，電流差越大，電壓耗散越高。因此，電流差的范圍越大，電池102將被平衡的越快。
參照?qǐng)D6a，在電池102的電壓超過(guò)2.5v時(shí)，有源部件506開(kāi)始以上升至約50ma的電流傳導(dǎo)并且有源部件506兩端的電壓(從陰極至陽(yáng)極)下降至約2v。這個(gè)非線性配置中的有源部件506沒(méi)有作為分流穩(wěn)壓器運(yùn)轉(zhuǎn)而是作為運(yùn)算放大器運(yùn)轉(zhuǎn)，該運(yùn)算放大器參考反相輸入端的2.5v，具有在輸出端(陰極-陽(yáng)極)處的雙極結(jié)型晶體管(bjt)，以及經(jīng)由二極管(未示出)連接至陰極的非反相輸入端(vref或508)。無(wú)源耗散部件514耗散過(guò)大的電池電力的部分并且使2v以上的電壓下降。如果10歐姆的電阻器被用于無(wú)源部件514，則通過(guò)有源部件506和無(wú)源部件514的電流可以被表示為(v電池-2v)/10歐姆。例如，這個(gè)電流在2.85v下可以是90ma。使用共享耗散電池平衡500a的較高電壓的電池在2.5v以上可以與較高的電流成比例地放電。
圖6b示出顯示與圖5b的平衡電路實(shí)施方式的電池電壓有關(guān)的放電電流的曲線圖600b。x軸示出電池電壓(例如圖5b的電池102的電壓)，而y軸示出在具體的電池電壓下的放電電流電平。如可以看出的，對(duì)于超過(guò)2.5v的電池電壓，平衡電路500b的有源部件506利用與電池電壓線性地相關(guān)聯(lián)的放電電流使電池102放電。
圖7示出根據(jù)實(shí)施方式的共享耗散平衡電路700。這個(gè)實(shí)施方式可以包括電阻分壓器，以允許有源部件706在與有源部件706的內(nèi)置參考值不同的電壓值下傳導(dǎo)放電電流。電阻分壓器可以利用電阻器716和718實(shí)現(xiàn)，使有源部件706開(kāi)始傳導(dǎo)放電電流的初始電壓偏移。因此，電阻分壓器可以允許有源部件有更多用途并且使有源部件能夠在更大的電壓范圍下使用。
本文中描述的電路的實(shí)施方式與其他電路相比可以改善過(guò)量電壓放電的效率，其中可以保持恒定電流放電和成比例的放電兩者的好處并且可以實(shí)現(xiàn)為參與過(guò)量電壓放電的有源部件和無(wú)源部件兩者。另外，改進(jìn)的電路可以允許更多不同的應(yīng)用，其中電路可需要更少的，更便宜的(并且更小的)部件并且因此可需要更小的實(shí)現(xiàn)空間。
備用故障檢測(cè)電路
超級(jí)電容器模塊可以包括能夠提供較高的電壓的串聯(lián)連接的許多電池。在一些應(yīng)用中，這些模塊可以進(jìn)而串聯(lián)連接以提供甚至更高的電壓性能。在一系列的模塊中，如果單個(gè)電池出故障并且變?yōu)殚_(kāi)路，則一系列模塊的一系列電池的整個(gè)開(kāi)路電壓可在出故障的電池兩端表示。這個(gè)在出故障開(kāi)路電池的兩端表示的開(kāi)路電壓會(huì)導(dǎo)致一系列模塊中的更嚴(yán)重的故障。出故障電池的開(kāi)路電壓可以根據(jù)模塊是正在進(jìn)行充電周期或放電周期而是正的或負(fù)的。
在一些應(yīng)用中，一系列電池和/或一系列模塊的每個(gè)單獨(dú)的電池可以配備有單獨(dú)的電池過(guò)電壓報(bào)警電路。這些單獨(dú)的電池過(guò)電壓報(bào)警電路可以發(fā)出故障警報(bào)；然而，在它們出故障時(shí)，例如由于過(guò)大的高電壓(例如，超過(guò)故障閾值的電壓)，報(bào)警電路會(huì)被破壞，或者不起作用并且不再能夠發(fā)出警報(bào)。在警報(bào)先前通過(guò)報(bào)警電路激活但是報(bào)警電路損壞和/或不起作用時(shí)，用戶可能僅重置報(bào)警開(kāi)關(guān)。因?yàn)閳?bào)警電路不起作用，所以重置報(bào)警開(kāi)關(guān)可能允許用戶繼續(xù)使用系統(tǒng)直至危險(xiǎn)的、災(zāi)難性的情況。
圖8示出模塊斷開(kāi)電池檢測(cè)器800的電路圖。斷開(kāi)電池檢測(cè)器800可以包括能量存儲(chǔ)模塊802或者可以在能量存儲(chǔ)模塊802以外并且與能量存儲(chǔ)模塊并聯(lián)。能量存儲(chǔ)模塊802可以電池組、電容器、超級(jí)電容器或能量存儲(chǔ)的其它可選器件。斷開(kāi)電池檢測(cè)器800可以在能量存儲(chǔ)模塊802內(nèi)部存在出故障的電池時(shí)發(fā)出警報(bào)。有利地，單個(gè)斷開(kāi)電池檢測(cè)器800可以在形成整個(gè)能量存儲(chǔ)模塊802的一系列電池上操作。斷開(kāi)電池檢測(cè)器800可以包括整流器，諸如齊納二極管810(或者任何其他電壓阻斷裝置)、整流橋812、電阻器814、816和815、晶體管820和822以及光隔離器824。
齊納二極管810可以使模塊802的全部正電壓偏移。整流橋812可以是允許檢測(cè)模塊802的正電壓和負(fù)電壓兩者的高壓整流器。晶體管820可以是高壓場(chǎng)效應(yīng)晶體管(fet)。在一些實(shí)施方式中，可以使用雙極性晶體管或其它可選晶體管。隔離裝置，諸如光隔離器824可以是電路804和電路806之間的隔離信號(hào)傳遞裝置?？蛇x的報(bào)警裝置可以代替光隔離器824使用。在一些應(yīng)用中，電路806可以在包括能量存儲(chǔ)模塊802的車輛的儀表板或顯示器中實(shí)現(xiàn)，其中警報(bào)可以例如經(jīng)由led的點(diǎn)亮或其他可視可覺(jué)察的器件來(lái)由車輛操作者看到。在一些實(shí)施方式中，警報(bào)可以是可傳達(dá)的，從而使得遠(yuǎn)程操作者或觀察者可以追蹤警報(bào)。
電阻器814可以在整流橋810的輸出端上存在電壓時(shí)將整流橋812的輸出端的電壓提供至晶體管820的柵極(例如，因此提供柵電壓)。這可以激活或接通晶體管820，從而提供通過(guò)光隔離器824的電流。通過(guò)光隔離器824的電流可以激活二極管，從而激活或打開(kāi)電路806中的過(guò)電壓警報(bào)。電阻器816兩端的電壓降可以達(dá)到晶體管822可以激活或打開(kāi)的水平。例如，晶體管822可以在電阻器816兩端的電壓大于晶體管822的發(fā)射極到基極電壓時(shí)激活。在晶體管822激活時(shí)，通過(guò)晶體管822的電流可以控制晶體管820的柵電壓使得通過(guò)晶體管820的電流接近恒定的，與電阻器814兩端的電壓變化無(wú)關(guān)。上述晶體管820和822以及電阻器814、816和818可以被選擇或規(guī)定大小為使得最小和最大電壓窗口或范圍以外的任何電壓可以觸發(fā)通過(guò)光隔離器824的恒定電流的產(chǎn)生，從而觸發(fā)到達(dá)報(bào)警電路806內(nèi)信號(hào)。例如，報(bào)警電路806可以維持接通狀態(tài)的車輛儀表板上的led。
在一些實(shí)施方式中，電阻器814和816以及晶體管820和822可以被視為產(chǎn)生通過(guò)光隔離器824的恒定電流的電流源。在一些應(yīng)用中，通過(guò)晶體管820的電流接近恒定的并且包括低值。因此，晶體管820中的功率耗散可以被控制并且斷開(kāi)電池電路檢測(cè)器800的預(yù)期壽命可以顯著增加。如描述的，斷開(kāi)電池檢測(cè)器800可以連接至能量存儲(chǔ)模塊802的端子并且不會(huì)受到在能量存儲(chǔ)模塊802的單獨(dú)的電池(未示出)出故障的情況下的破壞的影響。使用用于報(bào)警檢測(cè)的恒定電流也可以允許在低成本下對(duì)不同水平的過(guò)電壓的同樣檢測(cè)。
圖9示出曲線圖902和904，每個(gè)曲線圖顯示與能量存儲(chǔ)模塊的相應(yīng)的電壓有關(guān)的光隔離器電流。x軸示出模塊電壓，例如圖8的能量存儲(chǔ)模塊802的電壓，而y軸示出在具體的模塊電壓下的光隔離器電流電平。曲線圖902示出與第一范圍的模塊電壓的第一警報(bào)電流相對(duì)應(yīng)的線906，同時(shí)曲線圖904示出與第二范圍的模塊電壓的第二警報(bào)電流相對(duì)應(yīng)的線908(比曲線圖902橫跨更高的電壓)。在圖8所示的實(shí)施方式中，斷開(kāi)電池檢測(cè)器800被配置為針對(duì)額定的正的或負(fù)的模塊電壓(與最小和最大電壓窗口相對(duì)應(yīng)的)以外的模塊電壓產(chǎn)生恒定的警報(bào)電流906或908。在一些應(yīng)用中，例如，這些額定電壓可以在-7v和+67v之間。對(duì)于這些負(fù)的和正的額定值之間的模塊電壓，斷開(kāi)電池檢測(cè)器800不產(chǎn)生任何警報(bào)電流，如曲線圖902和904中所示。
本文中描述的檢測(cè)電路800可以改進(jìn)其中結(jié)合有所述檢測(cè)電路800的電池和模塊的安全性和持久性。通過(guò)提供所描述的警報(bào)，檢測(cè)電路800通知不安全情況的用戶或系統(tǒng)，因此使得用戶能夠停止使用發(fā)出警報(bào)的電池或模塊并且減少對(duì)其中集成有電池或模塊的系統(tǒng)的其他部件的造成傷害或損害的風(fēng)險(xiǎn)。另外，相對(duì)于電池和模塊在外部集成的檢測(cè)電路800意味著檢測(cè)電路800本身在警報(bào)情況下很可能不會(huì)受到損壞或破壞。另外，低成本的檢測(cè)電路800可以允許更多不同的應(yīng)用，其中低成本可以使得檢測(cè)電路800為報(bào)警檢測(cè)提供更理想的選擇。
警報(bào)延長(zhǎng)
在一些應(yīng)用中，單獨(dú)的電池過(guò)電壓檢測(cè)器電路或模塊過(guò)電壓檢測(cè)器電路產(chǎn)生警報(bào)。另外的警報(bào)監(jiān)測(cè)電路可以周期性地監(jiān)測(cè)或?qū)ふ疫@些警報(bào)。例如，一些警報(bào)監(jiān)測(cè)電路順次掃描大量模塊并且重復(fù)該過(guò)程。在一些情況下，由過(guò)電壓檢測(cè)器電路產(chǎn)生的警報(bào)在相應(yīng)的警報(bào)監(jiān)測(cè)電路可以檢測(cè)到警報(bào)之前關(guān)閉。因此會(huì)出現(xiàn)諸如檢測(cè)警報(bào)失敗的情況，例如，由于警報(bào)監(jiān)測(cè)電路的檢測(cè)頻率。檢測(cè)頻率可以對(duì)應(yīng)于，例如，其相應(yīng)的警報(bào)監(jiān)測(cè)電路連續(xù)掃描具體的過(guò)電壓檢測(cè)器電路所經(jīng)過(guò)時(shí)間的量。例如，在快速的過(guò)電壓高峰值的情況下，由對(duì)應(yīng)于這個(gè)高峰值的由過(guò)電壓檢測(cè)器電路產(chǎn)生的警報(bào)不能持續(xù)很久，從而不能由相應(yīng)的警報(bào)監(jiān)測(cè)電路檢測(cè)到。
圖10示出根據(jù)實(shí)施方式的警報(bào)延長(zhǎng)電路1000的電路圖。警報(bào)延長(zhǎng)電路1000可以包括能量存儲(chǔ)模塊1002或者可以在能量存儲(chǔ)模塊1002以外并與能量存儲(chǔ)模塊1002并聯(lián)。能量存儲(chǔ)模塊1002可以包括電池組、電容器、超級(jí)電容器或能量存儲(chǔ)的其它可選器件。警報(bào)延長(zhǎng)電路1000還可以包括晶體管1004和1006、電阻器1010、1012、1014和1016、二極管1020、光隔離器1008和電容器1018。
警報(bào)延長(zhǎng)電路1000可以被配置為在預(yù)定時(shí)間段鎖定并且保持警報(bào)脈沖，該時(shí)間段足夠長(zhǎng)使得警報(bào)監(jiān)測(cè)電路(未示出)能夠檢測(cè)到警報(bào)情況。這個(gè)預(yù)定時(shí)段，在一些實(shí)施方式中，可以是1秒，與創(chuàng)建警報(bào)脈沖的實(shí)際電池過(guò)電壓情況的短的持續(xù)時(shí)間的無(wú)關(guān)。在一些實(shí)施方式中，預(yù)定時(shí)段可以在0至1、5、10、15、20、25、50或高達(dá)或大于500毫秒(ms)的范圍內(nèi)，所取增量為1毫秒。警報(bào)延長(zhǎng)電路1000可以在能量存儲(chǔ)模塊1002的單獨(dú)的電池發(fā)出警報(bào)信號(hào)時(shí)從能量存儲(chǔ)模塊1002汲取電力。
在一些實(shí)施方式中，單獨(dú)的電池過(guò)電壓檢測(cè)器電路將它們的警報(bào)輸出一起進(jìn)行或運(yùn)算(例如經(jīng)由邏輯電路)，使得從任意一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器電路輸出的警報(bào)產(chǎn)生從邏輯電路的輸出。這個(gè)或邏輯電路的輸出連接至晶體管1004。當(dāng)警報(bào)情況在任意單獨(dú)的電池過(guò)電壓檢測(cè)器上產(chǎn)生時(shí)，晶體管1004激活或?qū)?，并且光隔離器1008的led可以傳導(dǎo)來(lái)自模塊1002并且通過(guò)電阻器1010的電流。光隔離器1008可以在其輸出端提供隔離警報(bào)信號(hào)。光隔離器1008的led的陽(yáng)極處的電壓可以減少，從而激活或打開(kāi)晶體管1006。在晶體管1006是激活的時(shí)，電容器1018可以通過(guò)電阻器1016和晶體管1004的基極到發(fā)射極結(jié)電壓的充電。這個(gè)充電電流可以在基于電阻器1016和電容器1018確定的時(shí)間常數(shù)表示的時(shí)間段使晶體管1004保持激活或接通。在晶體管1004的基極電壓減少至一個(gè)水平(在該水平晶體管1004的集電極電流減少)之后，晶體管1004停止或斷開(kāi)并且晶體管1006也停止或關(guān)閉。電容器1018可以經(jīng)由電阻器1014和1016以及二極管1020放電。二極管1020可以保護(hù)晶體管1006免受反向基極-發(fā)射極電壓過(guò)應(yīng)力的影響。
本文中描述的延長(zhǎng)電路可以改進(jìn)該延長(zhǎng)電路結(jié)合于其中的系統(tǒng)的安全性和持久性。通過(guò)延長(zhǎng)最初警報(bào)，延長(zhǎng)電路增加用戶或系統(tǒng)檢測(cè)到引起該警報(bào)的警報(bào)情況的可能性。因?yàn)榫瘓?bào)會(huì)通知不安全情況，所以警報(bào)的延長(zhǎng)可以使得用戶能夠避免或減輕警報(bào)情況，并且因此減少對(duì)其中集成有延長(zhǎng)電路的系統(tǒng)的其他部件造成傷害或損害的風(fēng)險(xiǎn)。另外，低成本的和簡(jiǎn)單的延長(zhǎng)電路可以允許更多不同的應(yīng)用，其中低成本可以使得延長(zhǎng)電路為報(bào)警延長(zhǎng)提供更理想的選擇。
圖11示出用于經(jīng)由圖5a的共享耗散平衡電路500a平衡電池102的方法1100的實(shí)施方式。方法1100可以分別使用圖5a和圖5b的平衡電路500a或500b執(zhí)行。方法1100開(kāi)始于塊1102并且在終止于塊1110之前執(zhí)行塊1104、1106和1108。在塊1104，平衡電路500a和/或500b經(jīng)由平衡電路的第一耗散部件(例如，穩(wěn)壓器506)監(jiān)測(cè)能量存儲(chǔ)電池的電壓。例如，電壓可以經(jīng)由第一耗散部件的參考端子來(lái)監(jiān)測(cè)。
在塊1106，平衡電路500a和/或500b在監(jiān)測(cè)電壓在達(dá)到參考電壓或以上時(shí)通過(guò)第一耗散部件傳導(dǎo)放電電流。如本文中描述的，這個(gè)步驟可包括第一耗散部件激活或接通并且放電通過(guò)比較監(jiān)測(cè)電壓與參考電壓確定的一些過(guò)量電壓。在塊1108，平衡電路500a和/或500b在監(jiān)測(cè)電壓達(dá)到參考電壓或以上時(shí)通過(guò)第二耗散部件傳導(dǎo)放電電流。在一些實(shí)施方式中，第一耗散部件和第二耗散部件可以串聯(lián)地耦接。另外，第一耗散部件可以在傳導(dǎo)放電電流時(shí)維持第一耗散部件兩端的恒定的電壓降，而第二耗散部件保持第二耗散部件兩端的與能量存儲(chǔ)電池的電壓成比例的電壓降。在一些實(shí)施方式中，塊1104-1108的步驟和/或處理可以同時(shí)或順次執(zhí)行。
圖12示出用于經(jīng)由圖8的斷開(kāi)電池檢測(cè)器電路產(chǎn)生警報(bào)的方法1200的實(shí)施方式。在一些實(shí)施方式中，斷開(kāi)電池檢測(cè)器電路800的一個(gè)或多個(gè)部件可以執(zhí)行方法1200的一個(gè)或多個(gè)塊。方法1200開(kāi)始于塊1202，包括塊1204和1206，并且結(jié)束于塊1208。在塊1204，斷開(kāi)電池檢測(cè)器電路800識(shí)別處于最小電壓和最大電壓以外的整流器的陽(yáng)極的電壓。在塊1206，斷開(kāi)電池檢測(cè)器電路800基于識(shí)別的陽(yáng)極電壓經(jīng)由連接至整流器的陽(yáng)極的電流源產(chǎn)生恒定電流。整流器的陰極可以連接至能量存儲(chǔ)模塊的正端子，將其電壓與以上所述的最小電壓和最大電壓相比較。然后，斷開(kāi)電池檢測(cè)器電路保持警報(bào)，即使在過(guò)量電壓下。整流器可被配置為允許高的正電壓以及任何負(fù)電壓激活電流源，然后產(chǎn)生警報(bào)。在一些實(shí)施方式中，塊1104-1108的步驟和/或處理可以同時(shí)或順次執(zhí)行。
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