CN101765958B - 用于平衡电池组单元电池的电荷容量的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
用于平衡电池组单元电池的电荷容量的设备包括：电压感测和放电电路以及电压平衡单元。其中该电压感测和放电电路包括具有单元电池的组的电池组电池；切换单元，该切换单元用于将每个电池组单元电池的两个端子选择性地连接至导线；电容器，该电容器被连接至导线；电压放大单元，该电压放大单元经由第一开关连接至电容器的两个端子；以及放电电阻，该放电电阻经由第二开关连接至电容器的两个端子。该电压平衡单元用于在第一开关的导通状态下控制切换单元以将每个电池组单元电池的两个端子连接至导线并且然后通过电压放大单元感测每个电池组单元电池的电压，并且在第一开关的截止状态下控制切换单元以对电容器充电要求平衡的单元电池的电压并且然后导通第二开关以通过放电电阻放电电容器的充电的电压。
Description
技术领域
本发明涉及用于平衡电池组单元电池的电荷容量的设备和方法，并且更加具体地涉及可以使用感测被包括在电池组电池中的每个电池组单元电池的电压的感测电路平衡每个电池组单元电池的电荷容量的用于平衡电池组单元电池的电荷容量的设备和方法。
背景技术
通常，蓄电池组电池包括镍镉电池组电池、镍氢电池组电池、锂离子电池组电池以及锂离子聚合物电池组电池。此种蓄电池组电池被分类为锂基电池组电池和镍氢基电池组电池。锂基电池组电池主要用于诸如数码照相机、PDVD、MP3P、蜂窝电话、PDA、便携式游戏装置、电动工具以及电动自行车的小型产品，并且镍氢基电池组电池主要应用于并且用于需要高输出的诸如电动汽车和混合电动汽车的大型产品。
同时，为了驱动电动汽车或者混合电动汽车，应运行要求高输出的电机。为此，在电动汽车或者混合电动汽车中采用的电池组电池使用从串联或者并联连接的一组多个单元电池输出的电力作为电源。
然而，在多个单元电池被连接在电池组电池中的情况下，在单元电池被重复地充电和放电之后单元电池的电荷容量当中可能存在不同。如果继续充电/放电而不管此种电荷容量不同，那么单元电池中的一些进入过充电或者过放电状态，这可以扰乱将稳定电力提供给负荷(例如，电机)。
为了解决此问题，已经提出用于持续地监测电池组单元电池的电荷容量并且然后将电池组单元电池的电荷容量平衡到恒定水平的各种电路并且这些电路被用于电池组电池管理系统。
为了平衡电池组单元电池的电荷容量，要求感测每个电池组单元电池的电荷电压。传统上，分别地构造用于感测每个电池组单元电池的电荷电压的电路和用于平衡每个电池组单元电池的电荷容量的电路是通常的情况。然而，如果分别构造电荷电压感测电路和电荷容量平衡电路，那么每个电路应单独地使用分别的元件，这引起各种问题(例如，增加成本，增加故障率)。因此，迫切需要使用简单的电路构造以低成本有效地平衡电池组单元电池的电荷容量的方案。
发明内容
技术问题
本发明被设计为解决现有技术的问题，并且因此本发明的目的是提供可以使用简单的电路构造同时感测电荷电压并且平衡每个电池组单元电池的电荷容量的用于平衡电池组电池的电荷容量的设备和方法。
为了完成上述目的，本发明提供了用于平衡电池组单元电池的电荷容量的设备，其包括：电压感测和放电电路以及电压平衡单元，其中该电压感测和放电电路包括具有单元电池的组的电池组电池；切换单元，该切换单元用于将单元电池的组的每个电池组单元电池的端子选择性地连接至第一和第二导线；电容器，该电容器并联地连接至第一和第二导线；电压放大单元，该电压放大单元经由第一开关连接至电容器的两个端子；以及放电电阻，该放电电阻经由第二开关串联地连接至电容器的两个端子，并且该电压平衡单元用于在第一开关的导通状态下控制切换单元以将单元电池的组的每个电池组单元电池的两个端子连接至第一和第二导线并且然后通过电压放大单元感测每个电池组单元电池的电压，以及在第一开关的截止状态下控制切换单元以对电容器充电要求放电以平衡电荷容量的单元电池的电压并且然后导通第二开关以通过放电电阻放电电容器的充电的电压。
优选地，电压平衡单元包括A/D转换器，该A/D转换器用于将从电压放大单元输出的模拟电压信号转换为数字电压信号；开关控制器，该开关控制器用于将单元电池的组的每个电池组单元电池的两个端子选择性地连接至第一和第二导线并且控制第一和第二开关的导通/截止状态；以及控制器，其中，在单元电池电压感测模式下，控制器通过使用电压放大单元和A/D转换器控制开关控制器以感测充电给电容器的每个电池组单元电池的电压，并且其中，在电荷容量平衡模式下，控制器控制开关控制器以对电容器充电用于平衡的电池组单元电池的电压并且然后通过放电电阻放电电容器的电压，从而控制电压平衡单元的整体操作。
优选地，在单元电池电压感测模式下，开关控制器根据控制器的控制信号在第一开关的导通状态下将每个电池组单元电池的两个端子顺序地连接至第一和第二导线，而在电荷容量平衡模式下，开关控制器在第一开关的截止状态下顺序地连接要求平衡的单元电池的两个端子，并且，如果对电容器充电要求平衡的单元电池的电压，那么开关控制器导通第二开关以放电充电的电压。
在本发明的另一方面，还提供了用于使用电压感测和放电电路平衡电池组单元电池的电荷容量的方法，电压感测和放电电路包括：具有单元电池的组的电池组电池；切换单元，该切换单元用于将单元电池的组的每个电池组单元电池的两个端子选择性地连接至第一和第二导线；电容器，该电容器被并联地连接至第一和第二导线；电压放大单元，该电压放大单元经由第一开关连接至电容器的两个端子，以及放电电阻，该放电电阻经由第二开关串联地连接至电容器的两个端子，该方法包括：(a)控制切换单元以将单元电池的组的每个电池组单元电池的两个端子连接至第一和第二导线并且然后通过电压放大单元感测充电给电容器的每个电池组单元电池的电压；(b)监测每个电池组单元电池的感测电压以选择要求平衡的单元电池；以及(c)控制切换单元以截止第一开关，将每个选择的电池组单元电池顺序地连接至第一和第二导线以向电容器充电单元电池电压，并且然后导通第二开关以通过放电电阻放电充电给电容器的单元电池电压。
优选地，步骤(a)包括放大电容器的两个端子的电压以生成模拟电压信号；并且将模拟电压信号转换为数字电压信号。
优选地，在步骤(b)中，平均感测的电池组单元电池的电压，并且然后选择具有比平均电压电平高预定极限的电压的单元电池作为用于放电的单元电池。
或者，在步骤(c)中，基于具有最小电压的单元电池选择具有高于预定极限的电压的单元电池作为用于放电的单元电池。
有益效果
根据本发明，提供了用于使用简单电路平衡电池组单元电池的电荷容量的设备以同时感测电压并且平衡每个电池组单元电池的电荷容量。因此，与其中电子元件被分别用于每个部件的传统情况相比较，减少了电子元件的数目，从而减少成本。另外，由于可以仅使用一个简单的电路构造同时进行电压的感测和每个电池组单元电池的电荷容量的平衡，因此电池组电池平衡设备的故障率被大大地减少，从而允许电池组电池电力系统的稳定运行。
附图说明
图1是示出根据本发明的优选实施例的用于平衡电池组单元电池的电荷容量的设备的示意性电路图。
图2和图3是示出根据本发明的优选实施例的用于平衡电池组单元电池的电荷容量的方法的流程图。
<附图中的基本部件的附图标记>
100：电压感测和放电电路
200：电压平衡电路
110：电池组电池 120：切换单元
130：电压放大单元 210：A/D转换器
220：开关控制器 230：控制器
240：存储器 250：ROM
具体实施方式
在下文中，将会参考附图详细地描述本发明的优选实施例。在描述之前，应理解的是，在说明书和所附权利要求中使用的术语不应被解释为限制通常和字典意义，而是应基于与本发明的技术方面对应的意义和概念基于允许发明人最适合地定义术语的原则来解释。因此，在此提出的描述仅仅是只用于说明的优选示例，不意在限制本发明的范围，因此应理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下能够进行其它的等效和修改。
图1是示出根据本发明的优选实施例的用于平衡电池组单元电池的电荷容量的设备的示意性电路图。
参考图1，根据本发明的用于平衡电池组单元电池的电荷容量的设备包括电压感测和放电电路100以及电压平衡单元200。
电压感测和放电电路100包括切换单元120，该切换单元120被电气地连接至具有单元电池的组的电池组电池110并且将单元电池的组的每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的两个端子选择性地连接至第一和第二导线1、2；电容器C，电容器C被并联地连接至第一和第二导线1、2；电压放大单元130，该电压放大单元130经由第一开关SW1连接至电容器C的两个端子；以及放电电阻Rd，该放电电阻Rd经由第二开关SW2连接至电容器C的两个端子。
电压平衡单元200在第一和第二开关SW1、SW2的截止状态下选择性地控制切换单元120以将每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的两个端子连接至第一和第二导线1、2，从而对电容器C顺序地充电每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压。而且，如果电压被充给电容器C，那么电压平衡单元200截断切换单元120并且导通第一开关SW1以通过电压放大单元130感测每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压。
另外，当第一和第二开关SW1，SW2被截止时，电压平衡单元200控制切换单元120以将要求电荷容量平衡的单元电池的两个端子连接至第一和第二导线1、2，从而对电容器C充电要求电荷容量平衡的单元电池。而且，如果电压被充给电容器C，那么电压平衡单元200截断切换单元120并且导通第二开关SW2以通过放电电阻Rd放电电容器C的充电的电压。
电压平衡单元200包括A/D转换器210，该A/D转换器210用于将从电压放大单元130输出的模拟电压信号转换为数字电压信号；开关控制器220，该开关控制器220用于将单元电池的组的每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的两个端子选择性地连接至第一和第二导线1、2并且控制第一和第二开关SW1、SW2的导通/截止操作；控制器230，该控制器230用于感测每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压并且控制用于每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电荷容量平衡的全部操作；存储器240，该存储器240用于存储每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的感测的电压电平；以及ROM 250，该ROM 250存储用于执行根据本发明的电池组单元电池的电荷容量平衡操作的程序。在这里，存储器240是有源存储器的示例，并且ROM 250是无源存储器的示例。然而，本发明不限于特定种类的存储器。
根据本发明的用于平衡电池组单元电池的电荷容量的设备的操作模式包括单元电池电压感测模式，该单元电池电压感测模式用于感测每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压；和电荷容量平衡模式，该电荷容量平衡模式用于平衡每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电荷容量。
在单元电池电压感测模式中，感测被包括在电池组电池110中的每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压。顺序地感测电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压。首先，在感测电池组电池110的第一单元电池VB1的电压的情况下，根据开关控制器220的控制信号截止第一和第二开关SW1、SW2。而且，控制切换单元120以将第一单元电池VB1的两个端子连接至第一和第二导线1、2。然后，对电容器C充电从第一单元电池VB1输出的单元电池电压。如果单元电池电压被完全地充给电容器C，那么控制切换单元120以从第一和第二导线1、2断开第一单元电池VB1，并且第一开关SW1被导通以通过电压放大单元130感测向电容器C充电的第一单元电池VB1的电压。如果第一单元电池VB1的电压被完全地感测，那么第一开关SW1被截止并且第二开关SW2被导通以将电容器C串联地连接至放电电阻Rd从而通过放电电阻Rd放电充给电容器C的第一单元电池VB1的电压，从而重置电容器C。接下来，以基本相同的方式对其它单元电池VB2、VB3、VB4进行上述电压感测操作以感测其单元电池电压。
通过电压放大单元130感测的模拟电压信号被输入至A/D转换器210并且被转换为数字电压信号，并且然后将其输出至控制器230。控制器230将每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的数字电压信号存储在存储器240。
对本领域的技术人员来说显然的是，以特定的周期重复用于感测每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压并且将感测的电压存储在存储器240中的上述操作。
在电荷容量平衡模式中，监测通过单元电池电压感测模式收集的每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压值，并且然后每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电荷容量被平衡到恒定水平。为此，控制器230读取在单元电池电压感测模式下存储在存储器240中的每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压值，并且然后选择要求平衡的单元电池。为了选择要求平衡的单元电池，可能的是，平均电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压并且然后选择具有比平均电压电平高出预定极限的电压的单元电池作为用于平衡的单元电池。或者，可以基于具有最小电压的单元电池选择具有高于预定极限的电压的单元电池作为用于平衡的单元电池。除了上述两种情况以外，可以以各种方式选择要求平衡的单元电池。
如果通过上述平衡单元电池选择处理选择了要求平衡的单元电池，那么控制器230通过放电电阻Rd放电单元电池的电荷容量。然后，每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电荷容量可以被平衡到恒定水平。
如果假定要求平衡的单元电池为电池组电池110的第一单元电池VB1，那么控制器230控制开关控制器220以截止第一和第二开关SW1、SW2。而且，控制器230控制切换单元120以将第一单元电池VB1的两个端子连接至第一和第二导线1、2。然后，对电容器C充电从第一单元电池VB1输出的单元电池电压。然后，控制器230凭借开关控制器220控制切换单元120以从第一和第二导线1、2断开第一单元电池VB1，并且导通第二开关SW2以放电充电给电容器C的电压，从而平衡第一单元电池VB1的电荷容量。控制器230为要求电荷容量平衡的每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4重复地进行这样的电荷容量平衡操作，并且因此可以平衡电池组电池110的所有电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电荷容量。
图2和图3是示出根据本发明的优选实施例的用于平衡电池组单元电池的电荷容量的方法的流程图。
首先，在步骤S10中，控制器230执行被存储在ROM 250中的电池组单元电池电荷容量平衡程序。
在步骤S20中，控制器230对每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4赋予单元电池编号K以感测每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电荷电压，并且然后将单元电池编号K的值初始化为1。
在步骤S30中，控制器230控制开关控制器220以截止第一和第二开关SW1、SW2并且将第K(K当前是1)电池组单元电池的两个端子连接至第一和第二导线1、2。因此，对电容器C充电第K电池组单元电池的电压。
在步骤S40中，控制器230控制开关控制器220以从第一和第二导线1、2截断第K电池组单元电池的两个端子，并且导通第一开关SW1以将电容器C连接至电压放大单元130。然后，电压放大单元130放大电容器C的两端的电压并且将放大的模拟电压信号输出至A/D转换器210。因此，A/D转换器210将模拟电压信号转换为数字电压信号。
在步骤S50中，控制器230接收来自于A/D转换器210的数字电压信号以感测第K电池组单元电池的充电的电压，并且然后将感测的第K电池组单元电池的电压值存储在存储器240中。接下来，控制器230截止第一开关SW1并且导通第二开关SW2以将电容器C串联地连接至放电电阻Rd，从而放电充电给电容器C的电压以重置电容器C。
在步骤S60中，控制器230确定单元电池编号K是否超过被包括在电池组电池110中的总的单元电池的数目。
当单元电池编号K没有超过被包括在电池组电池110中的总的单元电池的数目时执行步骤S65，并且在此步骤，控制器230将处理返回到步骤S30同时将单元电池编号K增加1。然后，控制器230重复地执行步骤S30至S60直到单元电池编号K超过被包括在电池组电池110中的总的单元电池的数目，从而感测每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的充电的电压并且将充电的电压存储在存储器240中。
当单元电池编号K超过被包括在电池组电池110中的总的单元电池的数目时执行步骤S70，并且在此步骤，控制器230读取被存储在存储器240中的每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压值。
在步骤S80中，控制器230确定是否要求平衡每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电荷容量。在上面已经描述用于确定对于每个电池组单元电池是否要求平衡的方法。
当确定不要求平衡每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电荷容量时执行步骤S85，并且在此步骤，控制器230确定是否到了单元电池电压感测周期，然后，如果到了单元电池电压感测周期，那么控制器230将处理返回到步骤S20。然后，控制器230重复用于感测每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的充电的电压的处理并且将其存储在存储器240中。
当确定要求平衡每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电荷容量时执行步骤S90，并且在此步骤，控制器230选择要求电荷容量平衡的用于平衡的单元电池。
在步骤S100中，控制器230给电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4当中要求电荷容量平衡的用于平衡的单元电池赋予单元电池编号P，并且将单元电池编号P初始化为1。
在步骤S110中，控制器230控制开关控制器220以截止第一和第二开关SW1、SW2，从而将电容器C与电压放大单元130隔离开。
在步骤S120中，控制器230控制切换单元120以将第P(P当前是1)电池组单元电池的两个端子连接至第一和第二导线1、2。因此，对电容器C充电第P电池组单元电池的充电的电压。
在步骤S130中，控制器230凭借开关控制器220控制切换单元120以断开第P电池组单元电池与第一和第二导线1、2之间的连接并且导通第二开关SW2从而通过放电电容器Rd放电充电给电容器C的电压。因此，第P电池组单元电池的电荷容量被平衡。
在步骤S140中，控制器230确定单元电池编号P是否超过要求电荷容量平衡的用于平衡的总的单元电池的数目。
当单元电池编号P没有超过要求平衡的用于平衡的总的单元电池的数目时执行步骤S145，并且在此步骤，控制器230将处理返回到步骤S120同时单元电池编号P增加1。因此，控制器230重复地执行步骤S120至S140直到单元电池编号P超过用于平衡的总的单元电池的数目。
当单元电池编号P超过要求平衡的用于平衡的总的单元电池的数目时执行步骤S150，并且在此步骤，控制器230将处理返回到步骤S20。因此，控制器230进入下一周期的单元电池电压感测处理。
对本领域的技术人员来说显然的是，在使用电池组电池时以规定周期重复地执行上述步骤S10至S150。
已经详细地描述本发明。然而，应理解的是，因为根据此详细的描述在本发明的精神和范围内的各种变化和修改对本领域的技术人员来说都将是显而易见的，所以仅通过例证给出详细的描述和具体示例，同时示出本发明的优选实施例。
Claims (7)
1.一种用于平衡电池组单元电池的电荷容量的设备，包括：
电压感测和放电电路，所述电压感测和放电电路包括具有单元电池的组的电池组电池；切换单元，所述切换单元用于将所述单元电池的组的每个电池组单元电池的两个端子选择性地连接至第一和第二导线；电容器，所述电容器被并联地连接至所述第一和第二导线；电压放大单元，所述电压放大单元经由第一开关连接至所述电容器的两个端子；以及放电电阻，所述放电电阻经由第二开关串联地连接至所述电容器的两个端子；以及
电压平衡单元，所述电压平衡单元用于顺序地控制所述切换单元以将所述单元电池的组的每个电池组单元电池的两个端子连接至所述第一和第二导线，以利用每个电池组单元电池的电压充电所述电容器，控制所述第一开关导通以感测所述充电的电容器的充电电压，使得在断开每个电池组单元电池的两个端子与所述第一和第二导线的连接之后，感测每个电池组单元电池的电压，然后选择性地控制所述切换单元，以连接需要平衡电荷容量的电池组单元电池的两个端子到所述第一和第二导线，以利用需要平衡电荷容量的电池组单元电池的电压充电所述电容器，并且在断开需要平衡电荷容量的所述电池组单元电池与所述第一和第二导线的连接之后，控制所述第二开关导通以通过所述放电电阻放电所述相应的电容器的充电的电压，使得所述电池组的电荷容量平衡。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述电压平衡单元包括：
A/D转换器，所述A/D转换器用于将从所述电压放大单元输出的模拟电压信号转换为数字电压信号；
开关控制器，所述开关控制器用于将所述单元电池的组的每个电池组单元电池的两个端子选择性地连接至所述第一和第二导线并且控制所述第一和第二开关的导通/截止操作；以及
控制器，
其中，在单元电池电压感测模式下，所述控制器控制所述开关控制器以通过使用所述电压放大单元和所述A/D转换器感测充电给所述电容器的每个电池组单元电池的电压，并且
其中，在电荷容量平衡模式下，所述控制器控制所述开关控制器以对所述电容器充电用于平衡的电池组单元电池的电压，并且然后通过所述放电电阻放电所述电容器的电压，从而控制所述电压平衡单元的整体操作。
3.根据权利要求2所述的设备，
其中，在所述单元电池电压感测模式下，所述开关控制器根据所述控制器的控制信号在所述第一开关和第二开关两者的截止状态下将每个电池组单元电池的两个端子连接至所述第一和第二导线，以及如果所述电容器以每个电池组单元电池的电压充电，则所述开关控制器导通所述第一开关以感测对所述电容器充电的电压，并且，
其中，在所述电荷容量平衡模式下，所述开关控制器在第一开关和第二开关两者的截止状态下连接要求平衡的单元电池的两个端子，并且，如果要求平衡的所述单元电池的电压被充电给所述电容器，那么所述开关控制器导通所述第二开关以放电所述充电的电压。
4.一种使用电压感测和放电电路平衡电池组单元电池的电荷容量的方法，所述电压感测和放电电路包括：具有单元电池的组的电池组电池；切换单元，所述切换单元用于将所述单元电池的组的每个电池组单元电池的两个端子选择性地连接至第一和第二导线；电容器，所述电容器被并联地连接至所述第一和第二导线；电压放大单元，所述电压放大单元经由第一开关被连接至所述电容器的两个端子，以及放电电阻，所述放电电阻经由第二开关被串联地连接至所述电容器的两个端子；所述方法包括：
(a)顺序地控制所述切换单元以将所述单元电池的组的每个电池组单元电池的两个端子连接至所述第一和第二导线，使得利用每个电池组单元电池的电压充电所述电容器，并且然后在断开每个电池组单元电池与所述第一和第二导线的连接之后，导通所述第一开关通过所述电压放大单元感测充电给所述电容器的每个电池组单元电池的电压；
(b)监测每个电池组单元电池的感测的电压以选择要求平衡的单元电池；以及
(c)选择性地控制所述切换单元，以连接需要平衡电荷容量的单元电池的两个端子到所述第一和第二导线，利用需要平衡电荷容量的单元电池的电压充电所述电容器，并且在断开需要平衡电荷容量的所述单元电池与所述第一和第二导线的连接之后，导通所述第二开关以通过所述放电电阻放电被充电给所述电容器的所述电压。
5.根据权利要求4所述的方法，其中步骤(a)包括：
放大所述电容器的两个端子的电压以生成模拟电压信号；并且
将所述模拟电压信号转换为数字电压信号。
6.根据权利要求4所述的方法，
其中，在所述步骤(b)中，平均所述感测的电池组单元电池的电压，并且然后选择具有比平均电压电平高预定极限的电压的单元电池作为用于放电的单元电池。
7.根据权利要求4所述的方法，
其中，在所述步骤(b)中，基于具有最小电压的单元电池选择具有高于预定极限的电压的单元电池作为用于放电的单元电池。
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