CN102570536A

CN102570536A - 多单元电池系统中使用的单元平衡电路

Info

Publication number: CN102570536A
Application number: CN2011103619734A
Authority: CN
Inventors: E·拉贝; A·艾伦; C·马丁内兹
Original assignee: Intersil Inc
Current assignee: Intersil Corp; Intersil Americas LLC
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2012-07-11
Also published as: US20120086401A1; TW201236313A

Abstract

一种用于平衡多单元电池组的装置，具有多个可切换的负载。多个可切换的负载中的每一个与多单元电池组的多个电池单元中的一个相关联。多个可切换的负载按照第一模式对相关联的电池单元放电，并且按照第二模式将部分的充电电流从相关联的电池单元转移。多个电流模式驱动器电路将驱动信号施加到多个切换负载中的每一个上。

Description

多单元电池系统中使用的单元平衡电路

相关申请的交叉参考

本申请要求2010年10月7日申请的、名称为“多单元电池系统中集成电路的用于单元平衡电路的驱动器”(DRIVERS FOR CELL BALANCHINGCIRCUITS FROM AN INTEGRATED CIRCUIT IN A MULTI-CELL BATTERYSYSTEM)的美国临时申请第61/390,758号的优先权，其被结合在此作为参考。

技术领域

本发明涉及电池充电电路，更具体地涉及与多单元电池组充电器一起使用的单元平衡电路。

多单元电池系统被广泛用于多种电力设备，诸如混合电力车辆、电动工具、电动自行车和不间断电源。单元平衡电路被应用在与这些类型的设备相关联的电池组中。电池组包括多个串联连接的电池单元。在这些多单元电池组的应用中，电池组经常包括多个锂离子电池单元，每一个锂离子电池单元都具有3.5到4伏的电压。通过将多个电池单元组合在一起，可以提供具有更高电压的整体多单元电池组。

与这些多单元电池组相关的诸个电池单元不是彼此完美匹配的，并且在经过一段长时间之后运转多少会产生差异。用相同的充电和放电电流来对多单元电池组内的电池单元进行充电和放电，这会引起每一个电池单元两端的电压有所不同，因为这些电池单元的电气特性不是彼此精确匹配的。当对多单元结构充电时，充电电路在当多单元电池组内的一个电池单元达到特定的最大安全电压时就停止。而在放电时，系统在当当一个电池单元达到特定的最小安全电压时就停止放电操作。因此，在这些情况中电池的使用并不是最优化的，因为多单元电池组内仅仅有限数量的电池单元被完全充电和放电。平衡电路使电池单元的电压均等化，以优化电池组的使用。

概述

如所公开的和以下描述的，本发明包括用来平衡多单元电池组的装置。多个可切换的负载中的每一个均与多单元电池组的多个电池单元中的一个电池单元相关联。响应于驱动信号，负载按照第一操作模式对相关联的电池单元进行放电，并且按照第二操作模式将部分充电电流从相关联的电池单元转移。多个电流模式驱动器电路将驱动信号施加到多个切换负载中的每一个上。

附图说明

为了更全面的理解本发明，现在与附图一起参照下面的描述，附图中

图1图示了使用单个电流充电电源的多单元电池充电系统；

图2是多单元电池驱动器的框图以及用来操作多单元充电电路中的驱动器的相关IC；

图3图示了用于多单元电池充电系统的单元平衡电路的驱动电路。

附图说明

为了更全面的理解，现在参考附图进行下面的描述，附图中

图1图示使用单个电流充电电源的多单元电池充电系统；

图3图示用于多单元电池充电系统的单元平衡电路的驱动电路。

为了更全面的理解，现在与附图一起参照下面的描述，附图中

图1图示使用单个电流充电电源的多单元电池充电系统；

详细说明

现在参考附图，其中整个附图中用相同的附图标记指代相同的元件，图示和描述了多单元电池系统中所使用的单元平衡电路的各种视图和实施方式，也描述了其它可能的实施方式。附图不必是按照比例绘制的，在一些情况下，仅为了图示的目的，局部放大和/或简化了附图。基于下述的诸个可能实施方式的示例，本领域普通技术人员可以理解多种可能的应用和变形。

多单元电池系统被广泛用于多种电动设备，诸如混合动力或电动车辆、电动工具、电动自行车和正在快速发展的不间断电源。单元平衡电路被应用在与这些类型的设备相关联的电池组中。电池组包括多个串联连接的电池单元。在这些多单元电池组应用的每一个中，通常制造包括多个锂离子电池单元的电池组，每一个锂离子电池单元具有3.5到4伏的电压。通过将多个这些3.5到4伏电压的电池单元组合在一起，可以提供具有更高电压的整体多单元电池组。

然而，与这些多单元电池组相关的诸个电池单元不是彼此相互完美匹配的，并且在经过一段长时间之后运转多少会产生差异。如果用相同的充电和放电电流对多单元电池组系统内的这些多个电池单元的每一个进行充电和放电，每一个电池单元两端电压将不同，因为这些电池单元的电气特性不是彼此精确匹配的。当对多单元结构充电时，充电电路在当多单元电池组内的一个电池单元达到特定的最大安全电压时就停止。而在放电时，系统在当一个电池单元达到特定的最小安全电压时就停止放电操作。因此，在这些情况中电池的使用并不是最优化的，因为多单元电池组内的仅仅有限数量的电池单元被完全充电和放电。平衡电路使电池单元的电压均等化以最优化电池组的使用。

现在参照图1，图示了当仅用单个的充电电源102对包括多个独立电池单元106的多单元电池组104进行充电时的结构。多单元电池组104包括连接在正极终端节点108和负极终端(接地)节点110之间的多个独立电池单元106。在每一个正极节点108和负极节点110之间的是多个独立电池单元106的串联连接。每个电池单元106的正极端子连接到相邻电池单元的负极端子。串联链中最后一个电池单元的正极端子连接到正极节点108，串联链的相反端部的最后一个电池单元的负极端子连接到接地节点110。

充电电源102提供通过串联连接的电池单元106中每一个电池单元的充电电流。然而，当仅提供单个充电路径通过这些单个电池单元106时，从充电电源102仅提供单个的充电电流。由于仅使用单个的充电电流，且诸个电池单元106匹配不完美，电池单元之间的差别将导致独立电池单元106中的每一个两端的电压不同。从而，如前所述，充电器102将仅把电池组104充电至电池组104内的一个电池单元106的最大安全电压的水平，并且当诸个电池单元106中的一个电池单元达到其最小安全电压时将停止放电。从而，通过独立地控制被施加到每一个电池单元106上的充电和/或放电电流，可实现多单元电池组104的更为有效的使用。

现在参考图2，图示包括多单元电池组202的电路的概括框图。多单元电池组202内的每一个电池单元都与驱动器电路204和可切换负载电路205相关联。可切换负载电路205可以位于集成电路(IC)206的内部或外部。IC206和多单元电池组202可以被应用在更大的电动系统(诸如电动车辆)内。通过集成电路206中的控制电路203来控制驱动器电路204的运行。响应于来自驱动器电路204的控制信号，可切换负载205可以与多单元电池组202的独立电池单元并联连接或断开。通过选择性地连接一个或更多个可切换负载，电压高于其它电池单元电压的电池单元可以被单独地部分放电，以使电池组内不同电池单元的电压均等。此外，虽然用来自充电电源102的电流对图1的电池组104充电，但是通过使能(接通)与这些特定电池单元中的每一个电池单元相关联的可切换负载，可以将充电电流部分地从电池组内的一个或多个电池单元上转移，因此放慢了这些电池单元上电压的增加，以使不同电池单元的电压均等。

现在参考图3，图示出了与包括多个电池单元302的多单元电池组相关联的驱动器和可切换负载电路的实施方式。在第一配置中，电池单元302a与电池单元302a上方和下方的多个其它电池单元串联连接。电池单元302a通过流过该单元的正极和负极端子的相关电流来充电和放电。电阻器304连接在电池单元302a的负极端子306和节点308之间。P沟道晶体管310的源极/漏极通路连接在电池单元302a的正极端子312和节点308之间。晶体管310的栅极连接到节点314上。电阻器316连接在正极端子312和节点314之间。电流源318连接在节点314和地之间。控制开关320被用来接收来自于相关联的控制输入电路的控制输入以接通和断开电流源318。通过控制电流源318是接通还是断开，可以接通和断开P沟道晶体管310。按照这种方式，可以使施加到电池单元302a上的充电电流的一部分被分流，降低对特定的电池单元进行充电的电流。如果电池单元正不在充电，则接通P沟道晶体管会对相关联的电池单元302a进行放电。

在图3中图示的第二配置中，电池单元302b也与多单元电池组内的多个电池单元串联连接，但是这里仅描述电池单元302b。电阻器322连接在节点324处的电池单元302b的正极端子和节点326之间。N沟道晶体管328连接在节点326和节点330处的电池单元302b的负极端子之间。N沟道晶体管328的栅极在节点332处连接到电流源334。电阻器333连接在节点332和节点330处的电池单元302的负极端子之间。电流源334连接在电源电压V_SUPP和节点332之间。电流源334提供接通和断开由晶体管328和电阻器322所构成的可切换负载的控制电流。控制开关336响应于来自相关联的控制电路的控制信号，接通和断开电流源334，电流源334将N沟道晶体管328接通或断开。按照这种方式，可以使施加到电池单元302b上的充电电流的一部分被分流，降低对特定电池单元充电的电流。如果电池正不在充电，则接通N沟道晶体管会对相关联的电池单元302b进行放电。

图3的单元平衡电路用功率NMOS晶体管328或功率PMOS晶体管310、或PMOS和NMOS功率晶体管的组合来实现。这些晶体管可以位于IC内或IC外。使晶体管位于IC内适合于一些低功率的应用。图3的电路的各种组合和变形可被组合使用或被单独使用。这些变形的示例包括可切换负载中不同类型的有源开关的使用、去除电阻器304和322并且使用内禀开关电阻作为替代、添加瞬态保护元件等。图2的集成电路206驱动与每一个电池单元320相关联的可切换负载电路205、电流源318和334以及相关联的驱动控制开关320和336。当集成电路用电流源318和334将电流驱动进入或流出驱动电路时，电流流过连接在晶体管310、328的栅极和源极之间的电阻器，将它们“接通”。当IC电流被“断开”时，相关联的MOSFET被“断开”。如果仅使用一种类型的驱动器(NMOS或PMOS)，而不是使用其二者的组合，那么集成电路将需要充电泵电路或某种其它的额外功率源以驱动靠近地或主电源接线端的单元平衡电路。

在现有技术的配置中，用于平衡可切换负载中的FET的驱动器电路从被平衡的电池单元导出其电压。从而，驱动电路内的FET必须具有低的阈值电压以能够用低的电压接通FET。这会导致平衡FET的加热或FET无法接通。对于所公开的方法，FET晶体管310和328可以产生8伏的足够高的栅极电压。这确保了不管被平衡的电池单元的电压是多少，FET晶体管310和328都被充分地接通。

在现有技术的配置中，驱动集成电路外的可切换负载的集成电路驱动器是电压模式驱动器。对于本公开，驱动器是电流模式驱动器，具有比现有技术中所使用的电压模式驱动器而言大得多的共模容量。所描述的实施方式比起使用电压模式驱动器和外部可切换负载的解决办法或比起使用集成可切换负载的解决办法而言具有更高的可靠性和灵活性。图3的解决办法不要求用于每一个驱动器的多个低阻抗浮动接地和/或供电轨道。在IC和系统级别都简化了ESD和使用这种解决办法的闭锁保护。现有的电压模式驱动系统使用从相邻的电压电池单元供电的电压驱动器。这对可被施加到驱动器电路上的保护产生了限制，并且增加了热插拔事件中元件失效的风险。所描述的解决办法采用电流源来驱动可切换负载中的开关元件。电流源连接到相关元件的主供电轨道。这使得驱动器容易被保护以免受外部的影响而不损失系统的安全性。

本领域普通技术人员从本公开中将理解到，用在多单元电池组系统中的本单元平衡电路提供了平衡多单元电池组的诸个独立电池单元的改进的方式。应该理解的是，应该按照解释性的而不是限制性的方式来考虑本文中的附图和详细描述，并且本文中的附图和详细描述不旨在被限制于公开的特定形式和例子。相反，在此包括了对于本领域普通技术人员来说显而易见的任何进一步的修改、变化、重组、替换、选择、设计选择和实施方式，而不偏离下面的权利要求所限定的精神和范围。从而，下面的权利要求旨在被解释为包括所有这些进一步的修改、变化、重组、替换、选择、设计选择和实施方式。

Claims

1.一种平衡多单元电池组的装置，包括：

多个可切换负载，每一个可切换负载与多单元电池组的多个电池单元中的一个电池单元相关联，用来响应于驱动信号，按照第一模式对相关联的电池单元放电，并且按照第二模式将部分的充电电流从相关联的电池单元转移；

多个电流模式驱动器电路，用来将驱动信号施加到多个切换负载中的每一个上。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述多个电流模式驱动器电路中的至少一个还包括：

用来产生驱动信号的电流源；和

开关电路，其中开关电路响应于控制信号而接通或断开相连的电流源。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述多个电流模式驱动器电路还包括用来提供驱动信号的充电泵。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述多个可切换负载电路中的至少一个还包括：

切换器件，具有连接以接收控制信号的控制端子；

第一电阻器，连接在相关联的电池组电池单元的端子和切换器件的第一输出端子之间；和

第二电阻器，连接在控制端子和切换器件的第二输出端子之间。

5.如权利要求2所述的装置，其中切换器件还包括双极晶体管。

6.如权利要求2所述的装置，其中切换器件还包括场效应晶体管。

7.如权利要求1所述的装置，其中电流模式驱动器电路位于集成电路内，而可切换负载不位于包括与它们相关联的驱动器的集成电路内。

8.一种平衡多单元电池组的方法，包括下面的步骤：

响应于多个驱动信号，选择性地切换与多单元电池组的多个电池单元中的每一个电池单元并联的多个负载电流通路；

当与相关联的电池单元并联的负载电流通路被接通时，按照第一模式对相关联的电池单元放电；

当与相关联的电池单元并联的负载电流通路被接通时，按照第二模式使部分的充电电流从相连的电池单元转移；以及

将驱动信号施加到多个可切换负载中的每一个。

9.如权利要求8所述的方法，其中选择性地切换还包括将驱动信号施加到切换负载上以选择性地切换多个负载电流通路的步骤。

10.如权利要求8所述的方法，其中选择性地切换的步骤还包括下面的步骤：

开启和关闭与电流源相关联的开关；

响应于开关的关闭而接通电流源；和

响应于开关的接通而关断电流源。

11.一种平衡多单元电池组的装置，包括：

多个可切换负载，每一个可切换负载与多单元电池组的多个电池单元中的一个相关联，用来响应于驱动信号，按照第一模式对相关联的电池单元放电，并且按照第二模式将部分的充电电流从相关联的电池单元转移，其中多个可切换负载电路中的每一个还包括：

切换器件，具有相连以接收驱动信号的控制端子；

第二电阻器，连接在控制端子和切换器件的第二输出端子之间；

多个电流模式驱动器电路，用来将驱动信号施加到多个切换负载中的每一个上，其中多个电流模式驱动器电路中的每一个进一步包括：

电流源，用来产生驱动信号；和

切换电路，其中切换电路响应于控制信号而接通和断开相关联的电流源。

12.如权利要求11所述的装置，其中多个电流模式驱动器电路还包括用来提供驱动信号的充电泵。

13.如权利要求11所述的装置，其中切换器件还包括双极晶体管。

14.如权利要求11所述的装置，其中切换器件还包括场效应晶体管。

15.如权利要求11所述的装置，其中电流模式驱动器电路位于集成电路内，而可切换负载不位于包括与它们连接的驱动器的集成电路内。

16.一种装置，包括：

被提供电能的器件；

多单元电池组，用来给被提供电能的器件供电；

多个可切换开关，每一个与多单元电池组的多个电池单元中的一个相关联，用来响应于驱动信号，按照第一模式对相关联的电池单元放电，并且按照第二模式将部分的充电电流从相关联的电池单元转移；和

17.如权利要求16所述的装置，其中多个电流模式驱动器电路中的至少一个还包括：

电流源，用来产生驱动信号；和

切换电路，其中切换电路响应于控制信号而接通和断开相关联的电流源。。

18.如权利要求16所述的装置，其中多个可切换的负载电路中的至少一个还包括：

切换器件，具有连接以接收控制信号的控制端子；

第二电阻器，连接在控制端子和切换器件的第二输出端子之间。。

19.如权利要求16所述的装置，其中电流模式驱动器电路位于集成电路内，而可切换负载不位于包括与它们连接的驱动器的集成电路内。