电池保护装置和包括其的电池系统的制作方法

电池保护装置和包括其的电池系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年9月22日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请no.10-2020-0122486的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及一种电池装置和包括该装置的电池系统。


背景技术：

4.可充电或二次电池与一次电池的不同之处在于，充电和放电可重复进行，并且一次电池仅提供从化学能到电能的不可逆转换。将低容量可充电电池用作小型电子设备(诸如便携式电话机、膝上型计算机和摄相机)的电源设备，并将高容量可充电电池用作储能系统(ess)或不间断电源(ups)的电源设备，其使用中型或大型电池以用于电动车辆(ev)、混合动力车辆(hv)、家用或工业系统等。
5.以电池模块的形式使用可充电电池，该电池模块包括串联和/或并联连接的多个单元电池，从而为驾驶例如混合动力车辆提供高能量密度。也即，例如，按照实现电动车辆的高功率可充电电池所需的电量，通过互连多个单元电池的电极端子来形成电池模块。机械地和电气地集成一个或多个电池模块以形成电池系统。
6.在电池模块的情况下，当发生诸如过电流的操作异常时，可能发生诸如单元电池单元鼓胀和由于过热而损坏的问题。因此，有必要防止过电流对单元电池的损坏，并且通过使用诸如保险丝的保护元件将负载与过电流分开来保护负载。
7.然而，当保险丝不正常工作时，存在不能安全地保护负载免受过电流和外部短路的问题。
8.在本背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对背景技术的理解，因此，它可能包含不构成本领域普通技术人员在本国已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

9.示例性实施例一直在努力通过用各种信号操作保险丝来保护电池模块。
10.示例性实施例一直在努力以低成本诊断保险丝来保护电池。
11.即使在发生故障的情况下，实施例也一直在努力操作保险丝。
12.本发明的示例性实施例提供了一种电池保护装置，其包括：保险丝元件，保险丝元件位于电池模块和外部负载之间的电流路径上以阻断电流路径；以及点火开关，点火开关配置成从电池模块或由电池模块充电的电容器接收工作电压以点燃保险丝元件。
13.点火开关可以根据从多个不同的外部单元施加的控制信号产生用于点燃保险丝元件的信号。
14.电池保护装置可以连接到车辆的电池管理系统(bms)和电子控制单元(ecu)，并且点火开关可以从bms或ecu接收控制信号。
15.装置还可以包括：第一开关，其配置成从电池模块接收工作电压，并且向保险丝元件施加诊断电流；以及异常检测单元，其配置成在诊断电流流过保险丝元件时测量施加到保险丝元件的电压，并且bms可以基于施加到保险丝元件的电压来确定点火开关的故障。
16.装置还可以包括第二开关，第二开关连接在保险丝元件和地之间，当保险丝元件没有接地时，异常检测单元可以测量点燃保险丝元件的信号的电压，并且bms可以基于点燃保险丝元件的信号的电压来确定点火开关的故障。
17.当诊断电流流过时，可以操作第二开关以将保险丝元件连接到地。
18.第二开关可以从电容器接收工作电压。
19.保险丝元件可以是位于电流路径附近的高温保险丝。
20.本发明的示例性实施例提供了一种电池系统，其包括：电池模块，电池模块配置成包括多个电池单元；电池保护装置；以及电池管理系统(bms)，其配置成控制电池模块和电池保护装置，并且电池保护装置可以从电池模块或由电池模块充电的电容器接收工作电压。
21.电池保护装置可以包括：保险丝元件，保险丝元件位于电池模块和外部负载之间的电流路径上以阻断电流路径；以及点火开关，点火开关配置成从电池模块或电容器接收工作电压以点燃保险丝元件。
22.点火开关可以根据从多个不同的外部单元施加的控制信号产生用于点燃保险丝元件的信号。
23.电池系统可以安装在车辆上，并且点火开关可以从车辆的bms或电子控制单元(ecu)接收控制信号。
24.电池保护装置还可以包括：第一开关，其配置成从电池模块接收工作电压，并且向保险丝元件施加诊断电流；以及异常检测单元，其配置成在诊断电流流过保险丝元件时测量施加到保险丝元件的电压，并且bms可以基于施加到保险丝元件的电压来确定点火开关的故障。
25.电池保护装置还可以包括第二开关，第二开关连接在保险丝元件和地之间，当保险丝元件没有接地时，异常检测单元可以测量点燃保险丝元件的信号的电压，并且bms可以基于点燃保险丝元件的信号的电压来确定点火开关的故障。
26.当诊断电流流过时，可以操作第二开关以将保险丝元件连接到地。
27.第二开关可以从电容器接收工作电压。
28.保险丝元件可以是位于电流路径附近的高温保险丝。
29.根据实施例，具有可以以较低的成本制造安全的电池模块的效果。
30.根据实施例，具有可以容易地检查保险丝是否异常的效果。
31.根据实施例，具有可以防止由电池引起的额外事故的效果。
附图说明
32.图1示出了包括根据实施例的电池系统的车辆的框图。
33.图2示意性地示出了根据实施例的电池保护装置。
34.图3示出了图2的电池保护装置的电路图。
35.图4示出了根据实施例的电池保护装置的电容器中充电的电压的曲线图。
36.图5示出了根据实施例的示出当电池保护装置利用电池电力操作时的信号的曲线图。
37.图6示出了根据实施例的示出当电池保护装置以其自身功率操作时的信号的曲线图。
38.图7、图8、图9和图10示出了根据其他实施例的示出电池保护装置的诊断期间的信号的曲线图。
具体实施方式
39.现在将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。在下文中，将参考附图描述根据本发明示例性实施例的操作效果和实现该操作效果的方法。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且将省略多余的解释。然而，可以以各种形式实施本发明，并且不应该被解释为仅限于本文所示的实施例。相反，通过示例提供这些实施例以使本公开彻底和完整，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的各方面和特征。
40.因此，可能不会描述对于本领域技术人员完全理解各方面和特征而言被认为不是必需的过程、元件和技术。在附图中，为了清楚起见，可以放大元件、层和区域的相对大小。
41.如本文所使用，术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项目的任一者和所有组合。在描述本发明的示例性实施例时使用“可/可以”表示“本发明的至少一个示例性实施例”。
42.在本发明的示例性实施例的以下描述中，单数形式的术语可以包括复数形式，除非上下文另有明确指示。
43.应当理解，使用术语“第一”和“第二”来描述各种元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件进行区分。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一组成元件可以被称作第二组成元件，以及第二组成元件也可以被称作第一组成元件。如本文所使用，术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项目的任一者和所有组合。诸如“至少一个”的表达位于元素列表之后，这会修改整个元素列表，而不是列表中的单个元素。
44.如在本说明书中所使用的，术语“基本上”、“近似”和类似术语被用作近似术语，但不被用作程度术语，并且它们不旨在说明对本领域技术人员来说明显的测量值或计算值的固有偏差。此外，当术语“基本上”与可用数值表示的特征结合使用时，术语“基本上”是指包括值的+/-5％的范围。
45.图1示出了包括根据实施例的电池系统的车辆的框图。
46.尽管图1示出了其中根据实施例的电池系统应用于车辆的示例，但是电池系统可以应用于任何技术领域，只要其可应用二次电池，诸如家用或工业能量存储系统(ess)或不间断电源(ups)系统，以及车辆。
47.车辆可以包括电池系统1、电子控制单元(ecu)40和负载52。在这种情况下，负载52可以包括电机50和逆变器54。
48.电池系统1是向电机50提供驱动力以驱动车辆的电能来源。电池系统1包括电池模块10、电池保护装置20和控制器30。
49.在电池模块10中，多个单元电池100-1、...和100-n串联和/或并联连接。这里，没
有特别限制电池模块10的类型，并且可以包括锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池和镍锌电池等。
50.此外，取决于电机50和/或内燃机(未示出)的驱动，电池模块10可以由逆变器54进行充电或放电。电池模块10可以通过流经正端子b+的充电电流icharge或放电电流idischarge来进行充电或放电。
51.用于保护电池模块10的电池保护装置20可以位于电池模块10的充电/放电路径上。电池保护装置20可以对电池模块10执行保护操作。可以通过从电池模块10接收电池电压vb+来操作电池保护装置20。
52.电池保护装置20可以包括直接连接到充电/放电导线的保险丝，或者位于充电/放电导线附近的爆炸熔丝(pyro switch)。
53.爆炸熔丝可以响应于来自控制器30或ecu 40的操作信号而爆炸，以断开爆炸熔丝的相邻区域ca内的充电/放电导线。可选地，爆炸熔丝可以连接在电池模块10中的单元电池100-1、...和100-n之间，以断开单元电池100-1、...和100-n之间的连接导线。
54.为了监视、控制和/或设置电池模块10和电池保护装置20等，电池系统1包括控制器30。作为控制器30，可以纳入电池管理单元(bmu)和/或电池管理系统(bms)。
55.控制器30估计电池模块10的状态，并使用估计的状态信息管理电池模块10。例如，控制器30估计和管理状态信息，诸如电池模块10的充电状态(soc)、健康状态(soh)、最大输入/输出功率余量、输出电压等。此外，控制器30可以通过使用此种状态信息来控制电池模块10的充电或放电，并且还可以估计电池模块10的更换时间。该控制器可以是电池系统的组成部分，并且可以设置在公共外壳中，或者可以是经由适当的通信总线与电池系统通信的远程控制单元的一部分。控制器30通常连接到电池系统的每个电池模块以及一个或多个电气用户的控制器。
56.控制器30连接到电池保护装置20。控制器30可以从电池保护装置20接收与保险丝诊断相关的信号，以诊断保险丝和爆炸熔丝等。此外，控制器30可以根据电池模块10的状态来操作电池保护装置20。
57.ecu 40控制车辆。例如，ecu 40基于诸如加速器、制动器和速度的信息来确定扭矩程度，并且控制电机50的输出以匹配扭矩信息。
58.此外，ecu 40向逆变器54发送控制信号，使得电池模块10可由控制器30进行充电或放电。
59.电机50使用电池模块10的电能基于从ecu 40传输的控制信息(例如，扭矩信息)来驱动车辆。
60.逆变器54基于ecu 40的控制信号使电池模块10充电或放电。
61.将参考图2详细描述电池保护装置20。
62.图2示意性地示出了根据实施例的电池保护装置。
63.如图2所示，电池保护装置20包括高温保险丝200和点燃高温保险丝200的点火开关210、第一开关220、异常检测单元230和第二开关240。
64.高温保险丝200通过爆炸(诸如通过来自点火开关210的点火信号在其中提供的火花电荷)切断导线。
65.点火开关210可以接收用于操作的电压vb+和vc1，并且可以通过来自外部的ign和
操作信号cs产生用于点燃点火开关210的点火信号。可以从控制器30施加操作信号cs，并且可以从ecu 40施加操作信号ign。
66.第一开关220可以接收用于操作的电压vb+，并且可以提供诊断电流i_ign来检查高温保险丝200是否正常操作。当从控制器30接收到监控信号mon时，第一开关220使基本恒定的诊断电流i_ign流向高温保险丝200。
67.当诊断电流i_ign流过高温保险丝200时，异常检测单元230可以放大节点电压v_ign以将其作为诊断信号v_sensing输出。诊断信号v_sensing可以输出到控制器30。当改变其中一定量级的诊断电流i_ign流过的高温保险丝200的电阻时，节点电压v_ign改变，使得控制器30可诊断高温保险丝200是否异常。
68.异常检测单元230可以在特定周期(例如，33hz(10ms导通占空比/20ms关断占空比))提供诊断电流i_ign，以检查高温保险丝200的内部电阻。
69.此外，如下所述，异常检测单元230可以通过与第二开关240一起操作来检查点火开关210是否异常。
70.可以操作第二开关240来检查点火开关210是否异常。例如，可以由诊断信号dig关闭第二开关240，以便检查点火开关210是否异常。在这种情况下，高温保险丝200处于浮动状态，没有电流流动，并且节点电压v_ign的值通过点火开关210的操作而改变。当点火开关210发生故障时，节点电压v_ign的值不改变或者变化的电压值非常小，从而可以通过诊断信号v_sensing来确定点火开关210的故障。
71.此外，可以通过从电容器c1接收电压vc1操作第二开关240，并且即使在没有将电池电压vb+施加到电池保护装置20时也可以操作。在除了用于诊断点火开关210的时段之外的时段期间，第二开关240可以保持接通状态。
72.接下来，将参考图3至图10更详细地描述电池保护装置20的内部电路及其操作。
73.图3示出了图2的电池保护装置的电路图。
74.如图3所示，点火开关210可以通过二极管d1接收电池电压vb+，或者可以接收由电池电压vb+充电的电容器c1的电压。当发生故障时，电容器c1通过二极管d2传输电压。现在将参考图4描述电容器c1的充电操作。
75.图4示出了根据实施例的电池保护装置的电容器中充电的电压的曲线图。
76.电容器c1通过电阻器r1进行充电，以防止时段t00至t01期间的浪涌电流。例如，当电池电压vb+是电压v1时，电容器c1中充电的电压可以是电压v2。
77.可以由使能电平操作信号cs或ign接通点火开关210，以增大节点电压v_ign。将参考图5和图6描述点火开关210的点火操作。
78.图5示出了根据实施例的示出当电池保护装置利用电池电力操作时的信号的曲线图，以及图6示出了根据实施例的示出当电池保护装置以其自身功率操作时的信号的曲线图。
79.如图5所示，当在时间点t11将操作信号ign施加到点火开关210时，高电流i_ign流过高温保险丝200以点燃高温保险丝200。
80.如图6所示，从时间点t21起，没有将电池电压vb+提供给点火开关210。在这种情况下，由存储在电容器c1中的备用电源操作点火开关。当在时间点t21将操作信号ign施加到点火开关210时，高电流i_ign流过高温保险丝200以点燃高温保险丝200。
81.也即，即使在未从电池模块10提供工作电压时，根据实施例的电池保护装置20也可以操作高温保险丝200来保护电池模块10、电池系统1和包括其的车辆。
82.接下来，第一开关220接收使能电平的监控信号mon，将其接通，并向高温保险丝200施加预定量级的电流i_ign。然后，将取决于高温保险丝200的电阻值的节点电压v_ign施加到异常检测单元230。在这种情况下，可以设定电流i_ign的量级，通过改变电阻r2的值来设计该量级。
83.现在将参考图7、图8、图9和图10描述第一开关220的操作。
84.图7、图8、图9和图10示出了根据其他实施例的示出电池保护装置的诊断期间的信号的曲线图。尽管在图7、图8、图9和图10中示出了时间、电流等随着时间而改变，但是应当注意，这是针对当电池电压vb+在预定电压范围内，并且电池电压vb+本身在预定周期内不改变的实验而示出的。也即，即使当电池电压(vb+)在附图中改变时，由于来自异常检测单元230的信号显示恒定值，所以本领域技术人员能够知道根据实施例的电池保护装置20的可靠性。
85.如图7所示，当将电池电压vb+提供为6v至16v时，通过第一开关220流过高温保险丝200的电流i_ign可以是95ma至103ma。
86.图8示出了其中高温保险丝200的内部电阻值为2.1ω的情况，图9示出了其中高温保险丝200的内部电阻值为1ω的情况，以及图10示出了高温保险丝200的内部电阻值为3ω的情况。
87.在图8中，当将电池电压vb+提供为6v至16v时，节点电压v_ign可以是1.2v至1.4v。在图9中，当将电池电压vb+提供为6v至16v时，节点电压v_ign可以是0.58v至0.64v。在图10中，当将电池电压vb+提供为6v至16v时，节点电压v_ign可以是1.7v至1.9v。
88.也即，根据实施例的电池保护装置20可以通过放大节点电压v_ign作为诊断信号v_sensing并将其输出来检测高温保险丝200的内部电阻值的变化。
89.在车辆发生故障的情况下，可能会造成人身伤害，因此在电池系统安装在车辆上的情况下，安装了高温保险丝来防止电池模块引起的故障。由电池提供用于操作高温保险丝的点火开关的电力，但存在的问题是在车辆发生故障期间，可能无法提供电池的电力。
90.除了从电池传输的电力之外，根据实施例的电池保护装置和包括其的电池系统还可以包括备用电力，从而即使在车辆故障时也能确保高温保险丝的操作。
91.根据实施例的电池保护装置和包括其的电池系统可以使用其中泄漏电流为几na到几ua的无源元件，使得总是依靠电容器电力而不是电池电力工作的第二开关还包括不使用电流的fet，因此即使在车辆发生故障后没有从电池供电时，也几乎不消耗电容器的电流，从而即使在车辆故障时也可以保证高温保险丝的工作。
92.根据实施例的电池保护装置和包括其的电池系统可以包括简单的硬件，以执行高温保险丝的异常诊断和点火开关的异常诊断。
93.虽然已经结合目前被认为是实用的实施例描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反地，本发明意图覆盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效布置。