CN102810888A - 用于稳定能量存储器的电压的装置 - Google Patents

Abstract

本发明披露了用于稳定能量存储器的电压的装置，在所述能量存储器中多个单元电池彼此串联连接，所述装置包括：旁路单元，并联连接至单元电池；控制器，检测单元电池的电压，并根据检测的单元电池的电压控制旁路单元的操作，其中，旁路单元在检测的单元电池的电压大于预定的参考电压时将在单元电池中流动的电流分流以产生重用电压，从而各单元电池的电压被稳定地均衡，并且重用提供给旁路通路的电压，从而执行电压均衡而没有损耗。

Description

用于稳定能量存储器的电压的装置

相关申请的交叉参考

本申请要求于2011年5月31日提交的序列号为10-2011-0052097、题为“用于稳定能量存储器的电压的装置”的韩国专利申请的优选权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种用于稳定能量存储器的电压的装置，更具体地，涉及一种能够稳定地控制二次电池或电容器的单元电池的电压的用于稳定能量存储器的电压的装置。

背景技术

在诸如通信设备的各种电子产品中，能量的稳定供应是一个重要的因素。通常，该功能由电池来执行。最近，随着移动设备普及的提高，能够通过重复充电/放电数千次或数万次而向移动设备提供能量的二次电池的使用已经增长。

同时，二次电池的典型实例可以包括锂离子二次电池。由于高的能量密度，锂离子二次电池可以制造得更小更轻并能够长时间稳定地供电；然而，由于低功率密度和通过数千次的充电/放电而导致的短的寿命，二次电池会降低瞬时输出且需要长的充电时间。

最近已经发布的用来补偿上述锂离子二次电池的局限性的被称为超级电容器（ultracapacitor）或超电容器（supercapacitor）的设备，具有快的充电放电速度、高的稳定性和环境友好特性，从而其是卓越的下一代能源存储设备。

超级电容器或超电容器具有比锂离子二次电池低的能量密度，但是与锂离子二次电池相比，具有几十到几百倍的更高的功率密度和几十万倍的更长的寿命以及足以在几秒之内实现完全充电的充电/放电的速度。

作为能量存储器的如上所述的电池（cell）、二次电池以及电容器被用于驱动各种电子应用产品。因为各电池只提供几伏特的低电压，其中多个电池彼此串联连接的模块是必要的，从而使得各电池用作获取高电压的设备的能量源。

此外，在彼此串联连接的单元电池用作能量源时，如果不一致地操作每个电池，模块的寿命会快速地缩短，并且可能发生设备过电压而损坏或设备由于低电压而不能正常操作的情况。因此，需要一种控制单元电池从而使得所述单元电池可以在稳定的范围内执行充电和放电的部件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于稳定能量存储器的电压的装置，其能够在多个单元电池的每一个中检测到超过预定电压的电压时稳定地均衡各单元电池的电压，并且通过提供旁路通路重用（reuse）提供给旁路通路的电压，从而执行电压均衡而没有损耗。

根据本发明的示例性实施方式，提供了一种用于稳定其中多个单元电池彼此串联连接的能量存储器的电压的装置，包括：旁路单元，并联连接至单元电池；控制器，检测单元电池的电压，并根据检测的单元电池的电压控制旁路单元的操作，其中，旁路单元在检测的单元电池的电压大于预定的参考电压时将单元电池中流动的电流分流以产生重用电压。

旁路单元可以包括：开关单元，并联连接至单元电池，并在单元电池的电压大于参考电压时将单元电池中流动的电流分流；以及重用电压发生器，串联连接至开关单元，并使用所分流的电流来产生重用电压。

开关单元可以包括一端连接至单元电池的一端而另一端连接至重用电压发生器的第一开关。

在检测的单元电池的电压大于参考电压时，控制器可以连接开关单元。

当通过与开关单元连接而将单元电池中流动的电流分流时，重用电压发生器可以使用所分流的电流来产生重用电压。

重用电压发生器可以为转换施加的电压的电平的DC/DC转换器。

重用电压发生器可以将产生的重用电压用作驱动负载的电源。

负载可以为冷却设备。

控制器可以包括：电压检测器，并联连接至单元电池；以及控制信号发生器，连接至旁路单元以在检测的单元电池的电压大于参考电压时输出用于操作旁路单元的操作控制信号。

重用电压发生器可以包括：感应器（inductor），将施加的电压提升至预定的电平；整流器，串联连接至感应器；第二开关，根据从控制器输出的切换控制信号，向输出元件施加或中断提升的电压；输出元件，输出从第二开关施加的电压。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施方式的用于稳定能量存储器的电压的装置的结构图。

图2是图1中所示的用于稳定能量存储器的电压的装置的具体结构图。

图3是示出了根据本发明的示例性实施方式的重用电压发生器（reusing voltage generator）的电路结构图。

图4是根据本发明的另一示例性实施方式的重用电压发生器的电路结构图。

具体实施方式

本说明书和权利要求中所用的术语和单词，不应当解释为限于通常的含义或词典定义，而应当基于以下原则被解释为具有与本发明的技术范围相关的含义和概念，即，根据该原则，发明人可以适当地定义术语的概念以最合适地描述他或她所知道的用来执行本发明的方法。

因此，在本发明的实施方式和附图中描述的结构仅仅是优选的实施方式，而并不表示本发明的所有的技术精神。因此，本发明应当被解释为包括在提交该申请时的在本发明的精神和范围内所包含的所有变形、等同和替换。

在下文中，将参照附图详细地描述本发明的示例性实施方式。

图1是根据本发明的示例性实施方式的用于稳定能量存储器的电压的装置的结构图，图2是图1中所示的用于稳定能量存储器的电压的装置的具体的结构图。

如图1和图2所示，用于稳定能量存储器的电压的装置1被配置为包括旁路单元120以及将多个控制信号PWM_Q1和PWM_Q2传输到旁路单元120的控制器140。

首先，简要地描述能量存储器，能量存储器表示其中多个单元电池10（10a至10n）彼此串联连接以获得高电压的装置。单元电池10可以是二次电池、超级电容器和超电容器的单元电池以及具有其他类似特性的能量存储器的单元电池。

以下，将详细描述用于稳定能量存储器的电压的装置。

旁路单元120与多个单元电池10（10a至10n）的每个并联连接，以在超过预定电压的电压施加至单元电池10时将单元电池10中流动的电流分流，从而产生重用电压（reusing voltage）。

即，旁路单元120在单元电池10的电压大于参考电压Vref时，将单元电池10中流动的电流分流以产生重用电压。

更具体地，旁路单元120包括开关单元122和重用电压发生器124。开关单元122与多个单元电池10a至10n并联连接，以在单元电池10的电压大于参考电压Vref时，将单元电池10中流动的电流分流，从而防止将过多的电流提供至单元电池10。

此外，开关单元122可以简单地使用普通的旁路电路来实现，其中，第一开关Q1与该旁路电路串联连接，并且第一开关Q1的一端连接至单元电池10的一端，而其另一端连接至重用电压发生器124。当第一开关Q1通过从控制器140输出的操作控制信号而闭合（导通，ON）时，单元电池10中流动的电流减小而在第一开关Q1中流动的同时不会增加单元电池10的电压。

重用电压发生器124与开关单元122串联连接，并且当单元电池10中流动的电流被分流时，将第一开关（Q1）闭合（ON）以使用所分流的电流产生重用电流。

更具体地，当第一开关Q1闭合（ON）以将单元电池10中流动的电流移动至第一开关Q1时，重用电压发生器124使用第一开关Q1中流动的、产生重用电压的电流来产生重用电压，并直接或间接地连接到负载20或其他设备，以将重用电压用作负载20或其他设备中的电源。

在该结构中，重用电压发生器124可以由能够转换施加的电压的电平的DC/DC转换器构成。具体地，在DC/DC转换器中，重用电压发生器124由升压转换器（boost converter）构成以产生稳定的输出电压。

以下，将详细描述由升压转换器构成的重用电压发生器124。

图3是根据本发明的示例性实施方式的重用电压发生器的电路结构图，图4是根据本发明的另一示例性实施方式的重用电压发生器的电路结构图。

参考图3和图4，作为通常代表DC/DC转换器电路之一的升压转换器提升输入电压以产生稳定的输出电压。升压转换器可以被称作升压型转换器，并仅在输入端和输出端的接地GND相同时使用。

此外，由于从负载侧来看负载中电流的流动被周期性中断的情况重复出现，所以，升压转换器称作电流反馈方式（current-fed manner）。在这种情况下，因为输出端的电流总是小于输入端并且损耗分量（loss component）并未出现在电路的操作原理（operating principle）中，所以，从输入电流*输入电压=输出电流*输出电压的关系等式可以理解的是，输出电压总是高于输入电压。

同时，升压转换器包括感应器（感应线圈）L1、整流器D1、第二开关Q2和输出元件R1。

感应器L1将施加的DC电压（施加至端子A和B的电压）提升至预定的电平，整流器D1为防止与DC电压对应的电流回流的单元，并且由二极管构成且与感应器L1串联连接。

此外，作为二极管D1的输出端的阴极与施加输出电压Vout的负载20连接。

第二开关Q2并联连接在感应器L1和整流元件D1之间，并且根据从控制器140输出的开关控制信号PWM_Q2向输出元件R1施加提升的电压或中断提升的电压。

更具体地，当第二开关Q2由施加于其的电流闭合时，电流响应于开关信号PWM_Q2（即，栅极控制电压V_G）而改变，DC电压在第二开关Q2被连接的同时连接至感应器L1的两端，从而执行电压充电，感应器L1电流在第二开关的Q2漏极D端流动以流动到源极（S）端。

第二开关元件Q2由施加至其的电流闭合，电流响应于开关控制信号PWM_Q2（即栅控制电压V_G）而改变。在这种情况下，当第二开关元件Q2导通时，DC电压在第二开关Q2导通的同时被连接至感应器L1的两端，使得执行电压充电，从而将感应器L1的电流移至第二开关Q2的漏极D端以流至源极（S）端。

当第二开关Q2断开（OFF）时，感应器L1所充的电压经由整流器D1传输到输出元件R1以施加至负载。第二开关Q2是大电流可以流过其中的开关元件，并且可以由双极结晶体管（BJT）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等构成。

输出元件R1将在感应器L1中提升的DC电压输出至输出端。

返回参考图1和图2，作为主要控制用于稳定能量存储器的电压的装置1的单元的控制器140连接至所有单元电池10a至10n的两端。

控制器140被配置为包括电压检测器142和控制信号发生器144。

电压检测器142检测单元电池10的两端，从而检测各个单元电池10的电压。

控制信号发生器144监控在电压检测器142中检测到的各个单元电池10的电压，从而在单元电池的电压大于预定的参考电压Vref时，输出用于操作旁路单元120的操作控制信号PWM_Q1。

更具体地，在检测的单元电池10的电压大于预定的参考电压Vref时，控制信号发生器144产生用来闭合（ON）开关单元122的操作控制信号PWM_Q1，以将该信号传输至开关单元122，从而降低电压电平高于预定电平的单元电池10的电压。

控制器140可以包括诸如用来存储诸如单元电池10的检测的电压和参考电压等的数据的存储单元，以及用来执行各种控制指令和计算的处理器。

同时，控制信号发生器144产生要提供给第二开关Q2的用于闭合（ON）或断开（OFF）重用电压发生器124的第二开关Q2的开关控制信号PWM_Q2。

如上所述，控制器140以这样的方法运行：连续地检测和监控单元电池10的电压，并在各单元电池10的检测或监控的电压大于参考电压Vref时，通过操作开关单元122将相应的单元电池10的电压降低至参考电压Vref以下。

当各单元电池10的电压等于或低于参考电压Vref时，控制器140停止施加至开关单元122的操作控制信号PWM_Q1，从而停止分流。

此外，重用电压发生器124使用开关单元122中的所分流的电流来产生用作电源的重用电压。即，重用电压发生器124可以连接到需要驱动电压（能量）的设备以使用重用电压，或可以直接连接至负载20以驱动负载20。

特别地，由于热量产生引起劣化的问题，通过使用重用电压作为驱动冷却设备（即，驱动设备中的风扇）的电源来冷却从单元电池10产生的热而得到改善。

如上所述，使用重用电压驱动风扇的原因在于，用于稳定能量存储器的电压的装置1总是在快速充电放电时操作，而在充电/放电停止时处于空闲期间。结果，由于单元电池10的热量产生而导致温度增加至预定的温度时，在其中产生气体，从而劣化有所改善。

因此，根据本发明的示例性实施方式的用于稳定能量存储器的电压的装置稳定地均衡各个单元电池中的电压，并且在各单元电池中检测到超过预定电压的电压时，通过提供旁路通路重用提供给旁路通路的电压，从而有效地执行电压均衡而没有损耗。

如上所述，根据本发明的示例性实施方式的用于稳定能量存储器的电压的装置，能够稳定地均衡各单元电池的电压，并且在多个单元电池的每个中检测到超过预定电压的电压时，通过提供旁路通路重用提供给旁路通路的电压，从而执行电压均衡没有损耗。

此外，根据本发明的示例性实施方式的用于稳定能量存储器的电压的装置可以将提供给旁路通路的电压用作驱动负载的电源。具体地，当用于稳定能量存储器的电压的装置用于驱动冷却设备（即，风扇）时，其能够冷却由各单元电池所产生的热从而改善由于热量产生而导致的劣化。

此外，根据本发明的示例性实施方式的用于稳定能量存储器的电压的装置，采用重用提供给旁路通路的电压作为驱动负载的电源的方法，从而不会对电子部件（part）施加压力，由此提高了可靠性。

最后，根据本发明的示例性实施方式生物用于稳定能量存储器的电压的装置，能够重用作为损耗的能量，从而提高了能量效率。

尽管已经描述了本发明的示例性实施方式，但是对于本领域的技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围内可以对本发明作出各种修改和变形。

Claims (10)

1.一种用于稳定多个单元电池彼此串联连接的能量存储器的电压的装置，包括：

旁路单元，并联连接至所述单元电池；以及

控制器，检测所述单元电池的电压，并根据检测的所述单元电池的电压控制所述旁路单元的操作，

其中，所述旁路单元在检测的所述单元电池的电压大于预定的参考电压时，将在所述单元电池中流动的电流分流以产生重用电压。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述旁路单元包括：

开关单元，并联连接至所述单元电池，并在检测的所述单元电池的电压大于所述参考电压时，将在所述单元电池中流动的电流分流；以及

重用电压发生器，串联连接至所述开关单元，并使用所分流的电流来产生所述重用电压。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述开关单元包括一端连接至所述单元电池的一端而另一端连接至所述重用电压发生器的第一开关。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，当检测的所述单元电池的电压大于所述参考电压时，所述控制器连接所述开关单元。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，当在所述单元电池中流动的电流通过与所述开关单元连接而被分流时，所述重用电压发生器使用所分流的电流来产生所述重用电压。

6.根据权利要求2所述的装置，其中，所述重用电压发生器为转换施加的电压的电平的DC/DC转换器。

7.根据权利要求2所述的装置，其中，所述重用电压发生器将产生的所述重用电压用作驱动负载的电源。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述负载为冷却设备。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器包括：

电压检测器，并联连接至所述单元电池；以及

控制信号发生器，连接至所述旁路单元以在检测的所述单元电池的电压大于所述参考电压时输出用于操作所述旁路单元的操作控制信号。

10.根据权利要求2所述的装置，其中，所述重用电压发生器包括：

感应器，将施加的电压提升至预定的电平

整流器，串联连接至所述感应器；

第二开关，根据从所述控制器输出的开关控制信号，向输出元件施加或中断所提升的电压；以及

输出元件，输出从所述第二开关施加的电压。

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