CN101944757A - 用于在具有多个锂离子电池的电池组中控制电压平衡的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在具有多个锂离子电池的电池组中调整各电池的电压平衡的系统，其包括：垂直接口，其连接至所述电池组并且被配置为输出读取平衡信号及读取保持信号的同步输入，所述读取平衡信号定义电压读取期间及平衡期间，所述读取保持信号用于在读取电压时保持电池电压；接口，其连接至所述电池组并且被配置为输出地址计数器时钟，所述地址计数器时钟用于指定待读取的被保持了电压的电池的地址；以及电池平衡调整电路的控制区域，其连接至所述垂直接口与所述接口，并且被配置为接收来自于它们的信号以调整电池的平衡。

Description

用于在具有多个锂离子电池的电池组中控制电压平衡的系统
本申请是国际申请日为2005年12月22日、国际申请号为PCT/KR2005/004452的PCT国际申请的、进入中国国家阶段的、国家申请号为200580044668.5、题为“用于在具有多个锂离子电池的电池组中控制电压平衡的系统及其方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明是有关于一种电池平衡系统，其可在具有多个电池的电池组中读取各个电池的电压，且比较所读到的各电压，以将各电池充电(charge)或放电(discharge)，尤指一种电池平衡系统及方法，其在测量各电池的电压时截止平衡电流(balance current)，且在平衡各电池电压期间(balance period)使平衡电流于各个电池间流动，因而改善各电池的电压平衡的准确性。
背景技术
一般来说，电池电源装置是提供能源给相关的电子装置的电力源，且具有多个电池的电池组常被应用为电池电源装置。由于使用的是具有多个电池的电池组，而非单一电池，所构成的电池电源装置可提供较高电压或可增加供应电能的容量。然而，因电池本身所具有的充放电特性，电池组中每个电池的电压会随着时间改变而有所不同，使得各个电池的电压变得不平衡。
在同一个电池组中，存在于各个电池间的电压差异可能会产生各电池之间产生不平衡的现象，进而耗损到整个电池组的容量。关于此点，业界已有许多种电池平衡系统及方法以平衡电池组中每个电池的电压，以避免所有电池过度地充电，且平均地将每个电池充电。
举例来说，有一种方法，其允许电流通过电阻(resistance)等流过电池组中具有较高电压的电池的方法，以调整各电池电压的平衡。虽然此方法相当简单，但其仍具有缺点，即如果处于不平衡的具较高电压的电池的数量增加时，放电电流便会增加且产生热。除此之外，此方法的另一缺点是此方法将同一电池组的所有电池的电压都调整到与它们当中具有最低电压值的电池所具的电压互相平衡。
除此之外，有一种允许充电电流流过电池组中具有较低电压的电池从而调整平衡的方法。此方法是使用直流与直流转换器(DC-DCconverter)以达成各电池的电压的平衡，其优点为效率极佳，且整个过程中所产生的热能很少。
然而，此方法亦有缺点，即如果具有较低电压的电池的数量增加时，在达成平衡后，整个电池组的各电池所具有的电压会比各电池中原本所具有的最低电压还要更低。
除此之外，更有一种检测电压的方法，此电压与在各电池之间流动的平衡电流无关，其也与在电池组中所检测到的各电池所具有的电压无关。此方法的缺点是因平衡电流的关系会产生电压降，且在使用高电流来调整平衡的系统或通常使用平衡电流流经的路径及电压检测路径(voltage detection path)的系统中不能准确地检测电压。
举例来说，当平衡电流流经电池，那么因为平衡电流改变的关系，此电池的电极电压亦会随之改变。因此，如果有平衡电流流经的电池，如果所读取到的电压值与前述的平衡电流无关时，则即便所有电池均处于平衡的状态，所读取的相关电池的电压值也会有所不同。
上述的实例可参考图1及图2。
其中图1是系统的示意图，此系统通常使用平衡电流流经的路径及现有技术锂离子电池(lithium ion cell battery)中的电压检测路径。图2是示意图，其显示在现有技术锂离子电池中读取电压值的过程。
依据现有技术，参考图1，假使负载电流(load current)流经电压平衡调整装置(voltage balancing adjusting apparatus)中的负载装置(load device)5，电池的电极电压(terminal voltage)便很容易因为负载电流的变化或大小而对应改变。除此之外，假使由平衡电流控制区域(balance current control section)4来执行电池(B1)的升压平衡(boost balacing)及电池(B2)的降压平衡(buck balancing)，当检测到电池(B1、B2、B3、B4)电压时，即使所有电池的电压大体上是平衡的，个别电池电极的电压值亦会分别地被读取。所以，中央处理器(CPU)3会确定该电池组的每一个电池是处于不平衡的状态，然后输出平衡控制信号(balance control signal)以控制平衡电流控制区域4。
参考图2，如果在平衡电流尚未在电池平衡系统中流动时便读取各电池电极的电压，则各电池(B1、B2、B3、B4)的电极电压便会保持恒定平衡。因此，中央处理器3便会确定电池电极的电压是处于平衡的状态。然而，如果在平衡电流流动时才读取各电池电极电压，则中央处理器3会确定电池电极的电压是处于不平衡的状态。
如此，如果中央处理器3在平衡电流流动时便读取电池的电极电压，则由于平衡电流流动所导致的电压降的缘故，所读取到的电池电极电压可能会有所不同。
因此，现有技术的电池平衡系统具有各种不同的限制。举例来说，只有在系统本身没有运作时，其才可进行电压平衡。而由于这些限制的关系，整个电压平衡运作变得相当复杂，且会消耗许多不必要的时间，而电压平衡的准确性也会降低。
因此，业界需要一种电池平衡系统或方法，其能减少电池系统中电池电压值读取错误的机率，且能迅速达到电压平衡并增加电压平衡的准确性。
发明内容
因此，本发明可解决现有技术所发生的问题。本发明的主要目的是在锂离子电池中区分“平衡期间”(balance period)及“电压测量期间”(voltage measuring period)，以改善电压平衡的准确性。
为达成上述目的，本发明是提供一种电池平衡调整系统，用以在具有多个锂离子电池的电池组中调整各电池的电压平衡，此系统包括：垂直接口，其连接至所述电池组并且被配置为输出读取平衡信号及读取保持信号的同步输入，所述读取平衡信号定义电压读取期间及平衡期间，所述读取保持信号用于在读取电压时保持电池电压；接口，其连接至所述电池组并且被配置为输出地址计数器时钟，所述地址计数器时钟用于指定待读取的被保持了电压的电池的地址；以及电池平衡调整电路的控制区域，其连接至所述垂直接口与所述接口，并且被配置为接收来自于它们的信号以调整电池的平衡，其中，所述控制区域确定平衡目标值，并且通过比较读取的电池电压和所述平衡目标值来确定平衡电流应流向的那个电池，并且其中，所述控制区域在所述电压平衡期间使所述平衡电流流向被确定的电池。
依据本发明的优选实施例，当输入地址计数器时钟(address counter clock)时，地址计数器可以依序地改变电池的线路。
依据本发明的优选实施例，本发明的电压平衡系统更包括电压检测开关区域(voltage detecting switch section)及电流开关区域(current switch section)，其中，电压检测开关区域是用以读取其中电池组中某一个电池的电压，而电流开关区域则用以提供平衡电流给电池组中某一个电池。
依据本发明的实施例，地址计数器会通过读取平衡脉冲(reading balance pulse)及读取保持脉冲(reading hold pulse)的时间差异而产生重置脉冲(reset pulse)。
依据本发明，在具有多个锂离子电池的电池组中可清楚地区别出“平衡期间”及“电压测量期间”。因此，本发明的电压平衡系统可在电压测量期间阻止平衡电流的流动，以显著改善电压平衡运作的准确性。
附图说明
配合随附的图示及下述说明，本发明的上述及其他目的、特性及优点将更显清楚，其中：
图1是依据现有技术的装置的示意图，该装置在锂离子电池中使用线路选择装置(line selecting device)以调整电压平衡。
图2是依据现有技术的视图，其示出了在锂离子电池中电池的电压读取时序。
图3根据本发明的实施例示出了在具有多个电池的电池组中电池的电压平衡系统。
图4是根据本发明的实施例的方块图，其示出了锂离子电池的主要模组(master module)。
图5是根据本发明的实施例的时序图，其示出了电压读取期间及电压平衡期间。
实施方式
在此将描述本发明的优选实施例，请参考随附的图示。在以下的叙述中，若对于已知的功能及架构的详细叙述使本发明的主要技术内容产生模糊不清的话，则对于这些已知的功能及架构的叙述将会省略。
依据本发明的实施例，图3示出了对具有多个电池的电池组中的电池执行电压平衡的系统。
系统控制器(system controller)1包括中央处理器1-1，并从多个分别具有多个电池的电池组2、7、8、9及系统内部感应器(system inside sensor)1-4、1-5、1-13中收集并运算每个电池组的相关资料，进而控制整个系统。除此之外，控制器1传送资料或控制信号给多个分别具有多个电池的电池组。
而这些分别具有多个电池的电池组2、7、8、9的电池输出电极(4S+4S)是串联在一起，而电池组的最高输出电极(TB+)及最低输出电极(TB-)是被当作是系统的电力输出电极。
除此之外，具有多个电池的电池组的输出电极(TB-)则经过电流检测装置(current detecting device)1-4及紧急截取装置(emergency interception device)1-8相连接。其中，电流检测装置1-4是用于在电池中检测电流的数值，而电阻或霍尔装置(Hall device)是被当作电流读取装置(current reading device)。
具有多个电池的电池组2包括中央处理器2-1，直流与直流转换器2-2，辅助开关(auxiliary switch)2-3，主要模组(master module)3，以及从属模组(slave module)5。
事实上，主要模组3及从属模组5均具有相同的结构。
主要模组3是包括四个电池4S，保护电路(protecting circuit)3-1，以及平衡控制电路(balance control circuit)4。从属模组5则包括四个电池4S，保护电路5-1，以及平衡控制电路6。其中，平衡控制电路4及6具有将电池组的每个电池的电极电压转换至接地电位(ground potential)的功能，以使中央处理器2-1可读取电极电压。
由于主要模组3及从属模组5的平衡控制电路4及平衡控制电路6是分别建构的，所以它们可通过垂直接口(vertical interface)6-1(VIF)来传送/接收信号。除此之外，主要模组3的平衡控制电路4的垂直接口4-1可以利用位于其下的具有多个电池的电池组7传送/接收信号。此信号包括使具有多个电池的电池组2同步的信号，以及使具有多个电池的电池组2及具有多个电池的电池组7两者的区间(interval)同步的信号。这些信号是通过垂直接口而在所有具有多个电池的电池组2、7、8、9间互相传送/接收，进而使所有的电池组达成同步(synchronizing)。
依据本发明的实施例，上述的电压平衡系统中具有多个电池的电池组的主要模组的电压平衡运作将配合图4叙述如下：
参考图4，主要模组3包括垂直接口4-1，接口4-2，控制区域4-3，电压开关区域4-4，以及电流开关区域4-5。
垂直接口4-1包括两个NPN晶体管及两个PNP晶体管。由于施加偏置电压(bias voltage)至NPN晶体管的基极(base terminal)会导通NPN晶体管，读取保持(RH)脉冲及读取平衡(RB)脉冲便被输入至发射极(emitter terminal)。因此，当NPN晶体管的发射极被输入“低(L)”信号时，PNP晶体管便会导通，以通过反相器(inverter)取得反相输出(inversion output)，而此反相输出则被输入至平衡控制电路的控制区域4-3。
就像这样，当读取保持(RH)信号为“低(L)”状态时，垂直接口4-1是在“保持期间(hold period)”内。而读取保持信号改变为“低(L)”状态前的电池电极电压则会被保持于保持电容器(hold condenser)(hC1～4)中。
当读取平衡(RB)信号为“高(H)”状态时，垂直接口4-1是处于“读取期间”内，而当读取平衡(RB)信号为“低(L)”状态时，垂直接口4-1则处于“平衡期间”内。
接口4-2包括两个NPN晶体管及电阻。NPN晶体管的基极是连结至偏置电压源，且为导通状态。将平衡保持(BH)脉冲及地址时钟(AdrClk)脉冲输入至NPN晶体管的发射极。除此之外，NPN晶体管的输出则为平衡控制电路的控制区域4-3的输入。
因此，当平衡保持(BH)脉冲为“低(L)”状态时，垂直接口4-1是处于保持状态。而在平衡保持(BH)脉冲改变为“低(L)”状态之前的电池电极电压则会被保持在保持电容器(hC)中。平衡保持(BH)脉冲是用以在“平衡期间”读取电池电压。虽然读取保持(RH)脉冲是用以同步所有电池组中各电池的平衡运作，但是平衡保持(BH)脉冲是依据一独立时序读取电压值，而非与各电池采取同步的运作。
除此之外，地址时钟会从“高(H)”状态转换成“低(L)”状态。且应构造为地址时钟处于“低(L)”状态的期间比其处于“高(H)”状态的期间短，此外，当地址时钟处于“低(L)”状态时，电池交替开关(cell alternation switch)是禁止(INH)的。所以，在更换电池的过度状态(transition state)期间，可避免不正常的运作，而且优选的是，在前述的过渡期间达到稳定前(电池更换完毕前)，可使地址时钟持续处于“低(L)”状态。
控制区域4-3的地址计数器(IC A4)会指定电压检测开关区域4-4及电流开关区域4-5的电池地址。电压检测开关区域4-4是用以读取电池组中某一个电池的电压，而电流开关区域4-5是提供平衡电流给电池组中某一个电池。
将地址时钟(AdrClk)输入至地址计数器的电极(E)。地址计数器的输出(Q0，Q1)则被输入至电流开关区域4-5中模拟线路选择装置(IC B2)及电压检测开关区域4-4中模拟线路选择装置(IC A5)的选择电极(A，B)。利用选择电极(A，B)的组合，将线路选择装置(IC B2，IC A5)转换成四条线路。而每条线路对应到电池(B1～B4)。
当地址计数器(IC A4)在重置状态下时，线路被改变为对应到电池(B1)，而当输入地址时钟(AdrClk)时，其依序对应到电池(B2、B3、B4)。
使用地址计数器(IC A4)的输出电极(Q2)以转换主要模组及从属模组的状态。当输出电极(Q2)在“低(L)”状态时，从属模组是变成INH状态，而当此电极在“高(H)”状态时，主要模组是变成INH状态。因此，主要模组及从属模组的状态便因而转换。
将在读取保持(RH)脉冲进入前的重置脉冲输入至地址计数器(ICA4)的重置电极(R)。因此，计数器自“零(0)”开始计数。为了产生重置脉冲，需要确定读取平衡(RB)脉冲及读取保持(RH)脉冲的宽度或时间。而读取平衡(RB)脉冲会比读取保持(RH)脉冲早输入。
从读取平衡(RB)时钟及地址时钟(AdrClk)，将地址计数器(ICA4)的输出(Q2)及INH脉冲输入至电流开关区域4-5的模拟线路选择装置(IC B2)及电压检测开关区域4-4的模拟选择装置(IC A5)的INH电极。
在此将描述上述结构的运作，请参考图5的时序图。
参考图5，从垂直接口4-1输入的读取平衡(RB)脉冲定义了“读取期间”及“平衡期间”。换句话说，当读取脉冲在“高(H)”状态时，即为“读取期间”，当读取脉冲在“低(L)”状态时，即为“平衡期间”。
在“读取期间”时，平衡电流是截止着的，读取电池电压，确定平衡的目标值及平衡电流可流经的电池。在“读取期间”之后，平衡电流便会流经在“平衡期间”已确定好了的电池。
平衡系统的所有电池组是以读取平衡(RB)脉冲来达到同步。
读取保持(RH)脉冲会保持电池电压。当读取保持脉冲在“高(H)”状态时，即为“保持期间”，当读取保持脉冲在“低(L)”状态时，即为“非保持期间”。
读取保持(RH)脉冲变成“高(H)”状态的时间会比读取平衡(RB)脉冲稍晚。如果终止读取电池电压，则读取保持(RH)脉冲便不需要在“高(H)”状态。
然而，依据本发明的结构，读取平衡(RB)脉冲在“高(H)”状态期间会维持“高(H)”状态，且与读取平衡(RB)脉冲以相同的时序变成“低(L)”状态。
由于读取平衡(RB)脉冲及读取保持(RH)脉冲的时间差异，地址计数器会产生重置脉冲。地址计数器(A4)是由重置脉冲而归零。
当地址计数器(A4)归零时，由于地址计数器(A、B、C，未示出)的引脚会重置(即A＝0、B＝0、C＝0)，电池(B1)已定址。然而，此时无法检测电池(B1)的电压。当读取保持(RH)脉冲变成“高(H)”状态时，所有电池的电极电压均会保持，且无法检测到。当在检测电极电压即A＝1、B＝0及C＝0之后，输入地址计数器时钟(AdrClk)，以便对电池(B2)定址，且亦检测到电池(B2)的电压。
当输入五次地址计数器时钟(AdrClk)，A＝0、B＝0及C＝1，且从主要模组转换成从属模组时，其会进行至电池(B5～B8)。之后，地址计数器会重复上述的运作。所以，会重复执行读取电池电压的动作以读取资料，增加读取的电压的准确性。
将检测到的电池电压输入至中央处理器。中央处理器会与系统控制器通信以传送/接收资料。平衡的目标值是由传送/接收来确定的，因而确定电池是否平衡(balance on/off)。通过比较平衡的目标电压及检测到的电压，确定平衡电流的方向是电池充电方向或电池放电方向。
当读取平衡脉冲进入平衡期间，依据事先确定的平衡与否，平衡电流可流经对应于平衡导通(on)的电池。举例来说，假如电池(B1)上的平衡电流在“截止状态”，则在地址计数器时钟(AdrClk)再次进入时，就会进行至电池(B2)的地址。自电池(B2)上的平衡电流为“导通状态”之后，电池(B2)会影响其地址较长一段时间。同样地，电池(B3、B5、B8)均会有段很长的时间处在导通状态。
由于平衡与否情况根据电池组会有所不同，在平衡期间电池组间的运作会变成异步状态。当读取平衡(RB)脉冲的平衡(B)期间终止时，所有的电池组会结束平衡运作，且变成读取(R)期间。
就像这样，在锂离子电池可清楚区分“平衡期间”及“电压读取期间”，如此可改善电压平衡的准确性。
虽然参考上述某些优选实施例已经示出并说明了本发明，但是可以理解的是，对于本领域的技术人员来讲，可以在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围内对其形式和细节做出各种改变。

Claims (7)

1.一种在具有多个锂离子电池的电池组中调整各电池的电压平衡的系统，其包括：
垂直接口，其连接至所述电池组并且被配置为输出读取平衡信号及读取保持信号的同步输入，所述读取平衡信号定义电压读取期间及平衡期间，所述读取保持信号用于在读取电压时保持电池电压；
接口，其连接至所述电池组并且被配置为输出地址计数器时钟，所述地址计数器时钟用于指定待读取的被保持了电压的电池的地址；以及
电池平衡调整电路的控制区域，其连接至所述垂直接口与所述接口，并且被配置为接收来自于它们的信号以调整电池的平衡，其中，所述控制区域确定平衡目标值，并且通过比较读取的电池电压和所述平衡目标值来确定平衡电流应流向的那个电池，并且其中，所述控制区域在所述电压平衡期间使所述平衡电流流向被确定的电池。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述电池平衡调整电路的控制区域包括地址计数器，其用于依据地址计数器时钟而依序地改变电池的线路。
3.如权利要求1所述的系统，还包括电压检测开关区域及电流开关区域，其中所述电压检测开关区域用于选择所述多个电池中的一个电池以读取电压，而所述电流开关区域用于选择所述多个电池中的一个电池以使平衡电流在电池充电方向或电池放电方向流动。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述接口被配置为输出用于在所述平衡期间独立地读取电池电压的平衡保持信号的输入。
5.如权利要求2所述的系统，其中，所述地址计数器通过在所述读取平衡信号及所述读取保持信号之间的时间差而产生重置脉冲。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述垂直接口布置在相邻电池组之间。
7.如权利要求l所述的系统，还包括保持电容器，其被配置为依据所述读取保持信号分别保持每一电池电压。
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