CN101160687A - 用于电池单元平衡的开关电路 - Google Patents

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Abstract

本发明是有关于一种平衡电池单元的开关电路。开关电路包括复数对开关装置，每一对开关装置与其它对互相并联，并中断双向电流，以减少施加到开关装置的内部电压。依据本发明，由于开关电路可以使用低内部电压的开关元件，所以可以不需要使用高内部电压的开关元件来组成平衡电池的开关电路，还可减少金属氧化物硅场效应晶体管的数量，因此可有效设计开关电路。由于在开关电路中使用具低内部电压与低电阻的MOSFET，所以在电池平衡期间，由于电阻可以减少电流的耗损，进而可改善平衡的效率并降低热能产生。

Description

用于电池单元平衡的开关电路
技术领域
本发明是有关于一种用于平衡电池组的开关电路，尤指一种适用于中断平衡电流的开关电路。
背景技术
有许多方法可以平衡锂离子电池。最常使用的方法是在相对高电压的电池组上于放电方向施加电流，以平衡电池。
传统上，有一种用来平衡电池组的方法，其是在电阻上施加电流。然而，在该方法中会消耗大量电力。因此，使用本方法用于会使用少量的电力的系统。而且，有另外一种方法是使用DC-DC转换器。一般来说，此方法具高效能与低发热量。
然而，虽然电池效能不可能达到百分之百，当具低电压的电池单元数目增加时，电池单元的总电压可以被降低到低于原始最小电压，由于电池单元平衡的关系。除此之外，藉由充电电流与放电电流的结合，可有效平衡电池单元。
一般平衡控制电路的每个电池单元各具一独立平衡电源(包括电阻等)，以便让电流平衡以流动，而且以时分的方式交替地提供平衡电流给不同电池单元。
图1是描述传统平衡控制电路的框图。以下将参考图1描述传统平衡控制电路。
锂离子电池的单元B1、B2、B3、及B4的端电压是由线路选择器10选择的，然后透过一接地位移器(ground shift)20告知中央处理单元(CPU)30。嵌在CPU 30A/D中的模数转换器(A/D转换器)将模拟端电压转换成数字数据，因此它们变得如数字数据那样可读。
中央处理器30互相比较锂离子电池的单元B1、B2、B3及B4的电压数据，以便取得电压数据的值之间的差异。如果差异大于规定值，则认为电池间的平衡是不同的。
更且，CPU 30提供平衡控制信号给平衡电流控制器40，以平衡单元，以便允许平衡电流控制器40施加电流给要被平衡的单元。
从平衡电流源(如：D-D转换器)施加平衡电流给由电流开关所选择的单元。选择电池单元的端子的开关通常被配置为如图2所示。依据开关的操作，端子B1、B2、B3、及B4的与Bv +与Bv -串联。
此配置是通过具有寄生二极管的金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)来实现的，如图3所示。
此时，MOSFET S2、S3、S6、及S7需要中断电流的双向流动，而且每个MOSFET均位于漏极(drain)(或源极)之间，以将漏极(或源极)互相连结，如此，避免由寄生二极管所产生的电流流动。
在此情况下，需要十二个(dozen)的MOSFET。
此外，考虑到施加于漏极与源极间的MOSFET的电压，最大电压被施加到MOSFETS1、S4、S5及S8。电压是单元电压的三倍大。举例来说，假如每个单元的最大电压约为4.5V，则三个单元的总电压约为13.5V。由于通常需要具有内压耐受的MOSFET，因此使用具有20～30V的电压电平的MOSFET。
在上述的传统平衡控制电路中，由于金属氧化物硅场效应晶体管MOSFET的内部电压必须比电池单元的总电压高，需要具有高内部电压的MOSFET，且需要大量MOSFET以中断通过寄生二极管的电流的流动。
发明内容
因此，本发明是用以解决上述发生于现有技术中的问题，而且本发明的目的是提供一种开关电路，其能平衡锂离子电池的单元，包括减少数目的用以当作开关装置且具低内部电压的MOSFET，由此减少其制造成本并改善MOSFET的效能。
为达成本发明的上述目的，提供一开关电路用以平衡电池单元，其包括：复数对开关装置，每一对开关装置与其它对互相并联，并中断双向电流的流动，以减少施加到开关装置的内部电压。
此外，开关装置包括具有寄生二极管的金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)。
此外，复数对开关装置的内部电压比电池组的总电压低。
附图说明
图1是描述用以平衡电池单元的传统开关电路的框图。
图2是用以平衡电池单元的传统开关电路的电路图。
图3是用以平衡电池单元的传统MOSFET的开关电路的电路图。
图4是根据本发明实施例的开关电路的电路图。
图5是根据本发明实施例的MOSFET开关电路的电路图。
图6是根据本发明另一实施例的开关电路的电路图。
图7是根据本发明另一实施例的MOSFET开关电路的电路图。
图8是根据本发明又另一实施例的开关电路的电路图。
图9是根据本发明又另一实施例的开关电路的电路图。
图10是根据本发明又另一实施例的开关电路的电路图。
图11是根据本发明又另一实施例的开关电路的电路图。
具体实施方式
在此将参考随附的图示，描述本发明的优选实施例。
图4是根据本发明实施例的开关电路的电路图，用以开关四个电池单元。
Bv +与Bv -需要十二个打开/关闭的开关。尤其，开关S2、S3、S6、及S7分别由S11与S12、S15与S16、S13与S14及S17与S18所替代，将这些开关并联以构成一电路。
在电路中，打开/关闭开关的总数会稍微增加，但是可以使用具有低于电池单元的总电压内部电压的开关。
图5是一打开/关闭开关的电路图，其包括具由寄生二极管的MOSFET。在此情况下，由于开关电路需要中断单向电流的功能，因此，打开/关闭开关的总数与MOSFET的数量相同。
在适当地配置每个MOSFET的情况下，施加到每个MOSFET上的电压约为2*Bv，且每个MOSFET的内部电压与两个单元的电压和相等，即9V。
在图5中，根据本发明表示出内部电压，其是使得开关电路可以选择电池单元所需要的。
尤其，开关SW11、SW12、SW13、SW14、SW15、SW16、SW17、及SW18所需的内部电压为Bv，而开关SW31、SW32、SW33及SW34所需的内部电压为2*Bv。
图6是根据本发明另一实施例的开关电路的电路图。
于本实施例中，使用一种双MOSFET封装(dual MOSFETpackage)。利用相同的数字来描述MOSFET与开关。
其改善了图6中的打开/关闭开关，因此用于Bv +的开关与用于Bv -的开关可部分共用，因此而减少开关的数量。
图7是根据本发明另一实施例的开关电路的电路图，其中，使用具由寄生二极管的MOSFET来作为打开/关闭开关。
在图7中，表示内部电压，其为开关电路所需要的。开关SW11、SW12、SW13、SW14、SW21、及SW22所需的内部电压为2*Bv，而开关SW31、SW32、SW33、及SW34所需的内部电压为Bv。
随后，将描述在八个电池单元串联的情况下的内部电压与元件数量。
图8是根据本发明又一实施例的开关电路的电路图，其中，元件的内部电压为Bv。
当使用具最小内部电压的元件时，开关元件的数量增加。在本实施例中，仅显示出连结至Bv +的开关元件，以及开关电路使用了56个开关元件。如果加上连结至Bv -的开关元件，则开关电路使用了112个开关元件。虽然开关电路包括大量的开关，但是对集成电路(IC)来说，使用低内部电压的元件是有益的。
另一方面，图9是根据本发明又另一实施例的开关电路的电路图，其中，开关元件的内部电压为2*Bv +。如果开关元件的内部电压被设置为2*Bv +，则可减少开关元件的数量。亦即，对于Bv +与Bv -共使用40个开关元件。
图10是根据本发明又另一实施例的开关电路的电路图，其中，使用具内部电压为4*Bv的开关元件。对于Bv +与Bv -共使用28个开关元件。
在本实施例中，由于串联两组四个电池单元模组，且八个单元与每个电池单元相连接，所以对于辅助的开关需要使用内部电压为4*Bv的开关元件。
如上所述，有效地使用高内部电压的开关元件，而因此可以减少开关元件的大量的数量。
图11是根据本发明又一实施例的开关电路的电路图，其中，使用了28个开关元件，并分别分类为用于Bv +使用的开关元件、用于Bv -使用的开关元件、以及用于Bv +与Bv -的共用开关元件。
在八个电池单元的情况下，当根据传统方法形成开关电路时，开关元件需要7*Bv的内部电压(约32V)。当开启具高内部电压的开关元件时，其电阻会增加，且导致开关元件的扩充。
然而，跟据本发明，开关元件的配置仅是阶层式结构。因此，与电池单元的总电压相比，可以使用具低内部电压的开关元件，由此降低它们的电阻并减少其尺寸。
如上所述，由于本发明可以使用具低内部电压与低电阻的开关元件，所以可以减少在平衡电池时的电阻所导致的电流的耗损，由此改善平衡效能并降低热能产生。
此外，低内部电压的开关元件与其他元件相比，几乎没有电阻且尺寸很小，因此可将电池小型化。
此外，可减少开关元件的数量，因此缩小电池，并降低电池的制造成本。
尽管上述实施例仅是为了说明的目的而举例，本领域技术人员将理解，可以有各种改进、增加和减少，而不会背离如所附权利要求所公开的本发明的范围和精神。

Claims (4)

1.一种用于平衡电池单元的开关电路，包括：复数对开关装置，每一对开关装置彼此并联，并中断双向电流，以减少施加到开关装置的内部电压。
2.一种用于平衡电池单元的开关电路，包括：复数对开关装置，每一对开关装置彼此并联，并中断双向电流，以减少该开关装置的数量。
3.如权利要求1或2所述的用于平衡电池单元的开关电路，其中，该开关装置包括具有寄生二极管的金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)。
4.如权利要求1所述的用于平衡电池单元的开关电路，其中，该多个开关装置的内部电压比电池组的总电压低。
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