用于与电池组一起使用的连接/断开模块的制作方法

本申请要求2015年5月26日提交的名称为“Solid State Apparatus and Method for Disconnecting and Reconnecting Sensitive Battery Chemistries”的临时申请No.62/166,607。该临时申请中的公开内容在此通过引用被完全并入到本申请中。

能够传送高电流输出的耐用电池组被用在很多种应用中。例如，汽车、军事车辆以及有人驾驶和无人驾驶飞机可以利用在其工作寿命期间被交替充电和放电的二次电池阵列。此外，次电池组可以包括不能容忍过度充电和过度放电事件的锂离子或其它高功率密度电池化学物质。因此，本领域中需要一种即使在高电流操作条件下也能够允许电池组与其负载或充电源快速、可靠和安全的连接和断开的解决方案。

技术实现要素：

本公开针对基本上如附图中的至少一个附图中所示的和/或结合该附图描述的、以及如权利要求中所提出的用于与电池组一起使用的连接/断开模块。

附图说明

图1示出了根据一个实现方式的包括电池组和连接/断开模块的电力系统的示图。

图2示出了根据一个实现方式的适合用于与电池组一起使用的示例性连接/断开模块的更详细的示图。

图3示出了根据一个实现方式的对应于连接/断开模块的操作的信号波形。

图4示出了根据另一实现方式的包括电池组和连接/断开模块的 电力系统的示图。

具体实施方式

下面的描述包含关于本公开中的实现方式的特定信息。本领域技术人员将意识到本公开可以按与这里专门讨论的方式不同的方式被实现。本申请中的附图和它们相应的详细描述只针对于示例性实现方式。除非另外说明，附图中相似或相应的元件可以用相似或相应的标号来表示。此外，本申请中的附图和说明一般来说不是成比例的，并且不意图对应于实际的相对维度。

图1示出了根据一个实现方式的包括电池组和连接/断开模块的电力系统102的示图。如图1中所示，电力系统102位于操作环境100中并且被耦合到负载和/或充电源108。如图1中进一步示出的，电力系统102包括电池组112、电池管理单元110和连接/断开模块120，所述电池组112包括多个电池单元114a、114b、114c和114d(下文中称为“电池组114a-114d”)。图1中还示出了电力系统102的高电压输出总线104和返回总线106、电力系统102内部的通信信号116和124以及连接/断开模块120从电力系统102外部的控制源接收的控制信号118。

电池组112可以利用标号相同的二次(secondary)电池单元114a-114d来实现。例如，每个电池单元114a-114d可以被实现为可再充电的(即二次)锂离子电池单元，或者被实现为高功率密度的电池化学单元类型。虽然在图1中电池组112被显示为包括四个电池单元114a-114d，但是这种表示只是示例性的。更一般地，电池组112是任意多单元电池组并且可以包括比被显示为电池单元114a-114d的那四个电池单元更少的电池单元、更多的电池单元或者多得多的电池单元。

电池组112可以被适配用于很多种应用中，包括民用或军事车辆、有人驾驶和无人驾驶的飞机以及航天飞行器等等。因此，在一些实现方式中，电池组112可以是相对较低电压的电池组，例如二十八伏 (28V)的电池组。但是，在其它实现方式中，例如在商业或军用航空中，电池组112可以是高电压电池组，例如270V电池组。

电池管理单元110被耦合到电池组112并且被设计为通过负载108均衡电池组114a-114d的放电，并且通过充电源108均衡电池组114a-114d的充电。连接/断开模块120被耦合在电池组112与电池组112的负载和/或充电源108之间。注意在一些实现方式中，电力系统102可以是模块化电力系统，其中电池管理单元110和/或连接/断开模块120与电池组112集成以提供安全的单机电池解决方案。

连接/断开模块120被配置为通过电池管理单元110实现电池组112的充电和/或放电，并且保护电池组112以防过度充电或过度放电事件。例如，连接/断开模块120可以响应于来自电池管理单元110的内部通信信号116或者响应于内部控制信号118将电池组112连接到负载和/或充电源108，以在电源管理单元110的控制下实现电池组112的充电或放电。此外，并且如下面参考图2和图3更详细描述的，连接/断开模块120还被配置为检测电力系统102内的一个或多个故障状况，并且当这样的故障被检测到时自动断开电池组112与负载和/或充电源108的连接。

参考图2，图2示出了根据一个实现方式的适合于与电池组一起使用的示例性连接/断开模块220的更详细示图。如图2中所示，连接/断开模块220被耦合到高电压总线204和低电压总线206，被配置为接收通信信号216和控制信号218，并且还被配置为生成通信信号224。

连接/断开模块220在总体上对应于图1中的连接/断开模块120，并且可以共享归属于本申请中的该对应特征的任何特性。除此之外，图2中的高电压输出总线204和返回总线206、通信信号216和224和控制信号218相应地在总体上对应于图1中的高电压输出总线104和返回总线106、电力系统102内部的通信信号116和124以及外部控制信号118，并且可以共享归属于本申请中的那些对应特征的任何特性。

连接/断开模块220包括具有晶体管270、280a和280b的充电/放电电流路径260。连接/断开模块220还包括被耦合在充电/放电电流路径260上的预充电电流路径230。如图2中所示，预充电电流路径230包括与电阻器232串联的晶体管240、250a和250b。此外，连接/断开模块220包括被配置为选择性地启用和禁用充电/放电电流路径260和预充电电流路径230的连接/断开控制电路222。图2中还示出了连接/断开控制电路222的故障检测器262、被耦合到低电压总线206的续流(free-wheeling)二极管228以及瞬变电压抑制二极管或“瞬变抑制器(transorb)”226a、226b和226c。

根据图2中所示的示例性实现方式，充电/放电电流路径260利用采用基于硅的或者其它IV族沟槽场效应晶体管(沟槽FET)的形式的晶体管270、280a和280b来实现。因而，晶体管270被显示为具有漏极272、源极274和栅极276，并且包括体二极管278，同时晶体管280a和280b被显示为具有相应的漏极282a和282b、源极284a和284b以及栅极286a和286b，并且包括相应的体二极管288a和288b。

如图2中所示，晶体管270的栅极276被耦合到晶体管280a的栅极286a，并且晶体管270的源极274被耦合到晶体管280a的源极284a，而晶体管270和280a的相应的体二极管278和288a具有相反的定向。就是说，根据图2中所示的示例性实现方式，晶体管270被配置为阻止电池组112的过度放电，而晶体管280a被配置为阻止电池组112的过度充电。

如图2中进一步示出的，晶体管280b具有被耦合到晶体管280a的漏极284a的源极284b，并且具有与晶体管280a的体二极管288a对齐的体二极管288b。因而，与晶体管280a一样，晶体管280b被配置为阻止电池组112的过度充电。但是，晶体管280b的栅极286b与晶体管280a的栅极286a相独立地被连接/断开控制电路222控制。因此，晶体管280b是用于阻止电池组112的过度充电的冗余晶体管并且在出现晶体管280a的短路或故障时提供防止电池组112的过度充电的故障保护。

注意虽然每个晶体管270、280a和280b被显示为单个晶体管，但是那种表示只是为了概念清楚而被提供的。更一般来说，每个晶体管270、280a和280b可以表示被并联连接的基本上相同类型的一排多个晶体管。因而，晶体管270、280a和280b可以对应于并联晶体管的相应组，组270、280a和280b彼此被串联耦合以提供充电/放电电流路径260。

与被用于实现充电/放电电流路径260的示例性沟槽FET 270、280a和280b相比，预充电电流路径230可以利用采用基于硅的或者其它IV族平面FET(例如硅平面MOSFET)的形式的晶体管240、250a和250b来实现。因而，晶体管240被显示为具有漏极242、源极244和栅极246，并且包括体二极管248，同时晶体管250a和250b被显示为具有相应的漏极252a和252b、源极254a和254b以及栅极256a和256b，并且包括相应的体二极管258a和258b。

如图2中所示，晶体管240的栅极246被耦合到晶体管250a的栅极256a，并且晶体管240的源极244被耦合到晶体管250a的源极254a，而晶体管240和250a的相应的体二极管248和258a具有相反的定向。就是说，根据图2中所示的示例性实现方式，晶体管240被配置为阻止在图1中的负载108的方向上流过预充电电流路径230的电流，而晶体管250a被配置为阻止在电池组112的方向上流过预充电电流路径230的电流。

如图2中进一步示出的，晶体管250b具有被耦合到晶体管250a的漏极254a的源极254b，并且具有与晶体管250a的体二极管258a对齐的体二极管258b。因而，与晶体管250a一样，晶体管250b被配置为阻止在电池组112的方向上流过预充电电流路径230的电流。但是，晶体管250b的栅极256b与晶体管250a的栅极256a相独立地被连接/断开控制电路222控制。因此，晶体管250b是用于阻止在电池组112的方向上流过预充电电流路径230的电流的冗余晶体管并且在出现晶体管250a的短路或故障时提供故障保护。

注意，虽然每个晶体管240、250a和250b被显示为单个晶体管， 但是那种表示只是为了概念清楚而被提供的。更一般来说，每个晶体管240、250a和250b可以表示被并联连接的基本上相同类型的一排多个晶体管。因而，晶体管240、250a和250b可以对应于并联晶体管的相应组，组240、250a和250b与电阻器232一起串联耦合以提供预充电电流路径230。

如上所示，在图2中所示的示例性实现方式中，被用于实现预充电电流路径230的晶体管240、250a和250b可以采用平面FET的形式，而被用于实现充电/放电电流路径260的晶体管270、280a和280b可以采用沟槽FET的形式。但是，更一般来说，被用于实现预充电电流路径230的晶体管240、250a和250b可以基于他们各自的安全操作区域与被用于实现充电/放电电流路径260的晶体管270、280a和280b区分开。

如这里所使用的，“安全操作区域”(下文中称为“SOA”)被定义为晶体管可以不被损坏地操作的电压和电流条件。例如，特定FET的SOA可以被显示在具有在水平或“x轴”上的FET的漏极至源极电压和在垂直或“y轴”上的FET的漏极至源极电流的曲线图上。在曲线图上表示FET的容限的曲线下面的区域被称为FET的SOA，并且其结合了特定设备的若干操作限制，包括最大电压、电流、功率和结温度。因而，具有比另一晶体管更大的SOA的晶体管可以被理解为更耐用并且能够在不受损坏的情况下工作在更高的组合电压和电流条件下。

参考连接/断开模块220，被用于实现充电/放电电流路径260的晶体管270、280a和280b可以被表征为具有基本相同的SOA(下文中被称为“第一SOA”)，而被用于实现预充电电流路径230的晶体管240、250a和250b可以被表征为分别具有基本上另一SOA(下文中被称为“第二SOA”)。根据本申请中所公开的实现方式，晶体管240、250a和250b的第二SOA特征远大于或者说显著大于晶体管270、280a和280b的第一SOA特征。因而，晶体管240、250a和250b与晶体管270、280a和280b相比在组合的更高电流和更高电压条件下 要耐用得多。

除此之外，或者作为替代，在一些实现方式中，基于开关速度将晶体管270、280a和280b与晶体管240、250a和250b区分开可能是有利的或者所希望的。例如，根据图2中所示的实现方式，晶体管270、280a和280b可以按从大约500纳秒(500ns)到大约1微秒(1.0μs)范围内的某个速度开关。相比之下，晶体管240、250a和250b可以按从大约2到大约10毫秒(2ms-10ms)范围内的某个速度开关。因而，被用在充电/放电电流路径260中的晶体管270、280a和280b可以具有比被用在预充电电流路径230中的晶体管240、250a和250b的开关速度快一千倍或者更多的开关速度。

注意，图2中所示的示例性实施例可以很好地适用于其中电池组112为小于大约50V的电池组(例如28V的电池组)的应用中。但是，对于其中电池组112提供超过50V的应用而言，被用于实现充电/放电电流路径260和预充电电流路径230中的一个或两者的特定晶体管可以不同于以上参考图2所示出和描述的示例。

例如，当电池组112是大于50V的电池组时，充电/放电电流路径260中的晶体管270、280a和280b可以被实现为基于硅的或者其它IV族超级结FET。或者，对于这样的更高电压的应用，充电/放电电流路径260中的晶体管270、280a和280b可以被实现为基于III-V族半导体的FET，例如III-V族高电子迁移率晶体管(HEMT)。

注意，如这里所使用的，短语“III-V族”指包括至少一个III族元素和至少一个V族元素的复合物半导体。通过示例的方式，III-V族半导体可以采用包括氮和至少一个III族元素的III-氮化物半导体的形式。例如，III-氮化物FET可以利用氮化镓(GaN)被制成，其中III族元素包括一定量或者大量的镓，但是也可以包括除镓以外的其它III族元素。因而，在一些实现方式中，充电/放电电流路径260的晶体管270、280a和280b可以采用III-氮化物HEMT的形式。

对于预充电电流路径230中的晶体管240、250a和250b，当电池组112是大于50V的电池组时，晶体管240、250a和250b可以被实 现为基于硅的或者其它IV族绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)。例如，当电池组112被配置用于更高电压的应用时，晶体管240、250a和250b可以采用硅击穿IGBT的形式。

移至图3，图3示出了根据一个实现方式的与连接/断开模块120/220的操作相对应的信号波形。图3示出了分别与预充电电流330、充电/放电电流360、使能连接信号316/318、故障检测信号324、故障锁存信号322和重置信号316/318相对应的信号。预充电电流330和充电/放电电流360相应地对应于图2中流过预充电电流路径230的电流和流过充电/放电电流路径260的电流。使能连接信号316/318是用于通过连接/断开模块120/220将电池组112连接到负载和/或充电源的命令信号，并且可以对应于从电池管理单元110接收到的信号116/216，或者对应于从电力系统102外部的控制源接收的控制信号118/218。

故障检测信号324对应于从连接/断开模块120/220被传送给电池管理单元110的信号124/224，而故障锁存信号322对应于通过连接/断开控制电路222将连接/断开模块120/220锁存在永久断开状态。重置信号316/318是用于解锁存故障状态并通过连接/断开模块120/220将电池组112重新连接到负载和/或充电源108的命令信号，并且可以对应于从电池管理单元110接收的信号116/216，或者对应于从电力系统102外部的控制源接收的控制信号118/228。

如图3所示，在时间t1处，连接/断开模块120/220接收到使能连接信号316/318并且允许预充电电流330开始流过预充电电流路径230。在时间t1与时间t2之间的时间间隔期间，在连接/断开控制电路222利用故障检测器262来确定诸如短路状况之类的故障状况是否存在时，流过预充电电流路径230的预充电电流330增大。如果没有故障状况被检测到，则充电/放电电流路径260被启用，并且充电/放电电流360流动，允许电池组112被放电到负载108或者通过充电源108被充电。

根据图3中所示的示例性操作，在时间t3处，电力系统102的操 作中的故障状况被故障检测器262检测到。故障状况的示例可以包括过大的充电/放电电流360、电池组112处的低电池电压、电流路径260或230中的高温或者高电压总线104/204处的过高的总线电压。此外，在高电压应用中，故障检测器262可以被配置为检测电力系统102中的电弧故障状况。

如图3中所示，当在时间t3处故障状况被故障检测器262检测到时，连接/断开模块120/220的连接/断开控制电路222禁用充电/放电电流路径260和预充电电流路径230两者，从而断开电池组112与负载和/或充电源108的连接。因而，连接/断开控制电路222被配置为选择性地启用和禁用充电/放电电流路径260。此外，连接/断开控制电路222可以被配置为当故障被连接/断开控制电路222检测到时自动选择性地禁用充电/放电电流路径260。注意由于被用于实现充电/放电电流路径260和预充电电流路径230的晶体管之间的开关速度的巨大差异，如上所述，预充电电流330与充电/放电电流360相比更为逐渐被减小。

如图3进一步显示的，在一个实现方式中，连接/断开控制电路222被配置为即使在故障检测信号324被取消之后仍然永久性地将连接/断开模块120/220锁存在断开状态。在那种实现方式中，连接/断开模块120/220一直处于断开状态，直到在时间t4处重置信号316/318被连接/断开控制电路222接收到为止。重置信号316/318使得连接/断开模块120/220再一次启用预充电电流路径230，使得预充电电流330开始流动。但是，根据图3中所示的示例性操作，在预充电电流路径230被启用时但是充电/放电电流路径260被启用之前，故障状况在时间t5处被检测到。因此，连接/断开模块120/220被锁存在永久断开状态中，一直到重置信号316/318在时间t6处被接收到，此时预充电电流路径230再一次被启用。

现在参考图4，图4示出了根据另一实现方式的包括电池组和连接/断开模块的电力系统402的示图。如图4中所示，电力系统402位于操作环境400中并且被耦合到负载和/或充电源408。如图4中进 一步示出的，电力系统402包括电池组412、电池管理单元410、连接/断开模块420和瞬变抑制单元490，所述电池组412包括多个电池单元414a、414b、414c和414d。图4中还示出了电力系统402的高电压总线404和低电压总线406、电力系统402内部的通信信号416和424以及连接/断开模块420从电力系统402外部的控制源接收的控制信号418。

电池组412、电池管理单元410、高电压总线404和低电压总线406相应地在总体上对应于图1中的电池组112、电池管理单元110、高电压总线104和低电压总线106，并且可以共享归属于以上那些对应特征的任何特性。此外，负载和/或充电源408、通信信号416和424以及控制信号418相应地对应于负载和/或充电源108、通信信号116和124以及控制信号118并且可以共享归属于以上那些对应特征的任何特性。此外，连接/断开模块420在总体上对应于图1/2中的连接/断开模块120/220，并且可以共享归属于本申请中的那个对应特征的任何特性。

电力系统402与电力系统102的不同在于电力系统402被耦合到并且可以包括瞬变抑制单元490。根据图4中所示的实现方式，瞬变抑制单元490被耦合到电池组412与连接/断开模块420之间的高电压总线404，并且还被连接到连接/断开模块420与负载和/或充电源408之间的高电压总线404和低电压总线406两者上。如图4中所示，在一些实现方式中，瞬变抑制单元490可以与电力系统402相集成。但是，在其它实现方式中，瞬变抑制单元490不与电力系统402集成而采用操作环境400的离散资产的形式可能是有利的或者理想的。

瞬变抑制单元490可以被实现为电阻器、电容器和二极管(包括瞬变抑制器)的网络，并且被配置为抑制电力系统402中的电压瞬变。例如，瞬变抑制单元490可以被用于抑制由于通过连接/断开模块420将电池组412与负载和/或充电源408连接或断开而生成的电压瞬变。

因而，本申请公开了适合于与电池组一起使用的连接/断开模块的实现方式。通过利用具有较大SOA的耐用晶体管来实现预充电电流 路径而同时利用具有小得多的SOA的更快开关速度的晶体管来实现充电-放电电流路径，本申请公开了一种允许电池组与其负载或充电源的快速、可靠且安全的连接和断开的解决方案。此外，这里所公开的连接/断开模块可以被用在具有不能容忍过度充电和过度放电事件的锂离子或其它高功率密度电池化学物质的高电流工作条件下。

根据以上描述，很明显各种技术可以在不脱离本申请中所描述的概念的范围的情况下被用于实现那些概念。此外，虽然这些概念已经具体参考特定的实现方式被描述过，但是本领域普通技术人员将意识到在不脱离那些概念的范围的情况下可以做出形式和细节上的改变。因此，所描述的实现方式应当在各个方面都被认为是说明性的而非限制性的。还应当理解本申请不局限于这里所描述的特定实现方式，很多重新布置、修改和替换在不脱离本公开的范围的情况下都是可能的。