CN102742112A - 蓄电池单元平衡的系统及方法 - Google Patents

Abstract

如果没有蓄电池单元平衡，多个串联的蓄电池单元的电压可能迅速变得失衡，这导致蓄电池的一些单元比其他的单元退化得快，并缩短蓄电池的生命周期。本发明的实施方式通过提供一种用于多个串联的蓄电池单元的平衡充电的系统解决这一问题。该系统包括电阻器，电阻器通过相应的开关的启动和停用与相应的蓄电池单元可选择地且并联地电耦合。该系统还包括控制单元，控制单元被配置成判定在蓄电池单元中具有最低电压的蓄电池单元，并根据最低蓄电池单元的电压和其他的蓄电池单元中的每一个的电压之间的电压差启动和停用开关，从而提供多个串联的蓄电池单元的平衡充电。

Description

蓄电池单元平衡的系统及方法

相关申请 

本申请是于2009年9月18日提交的美国申请第12/562,783号的继续申请案。以上申请的全部教导在此通过引用并入。 

发明背景 

不间断电源（UPS），也称作连续电源（CPS）或备份蓄电池，是一种当正常电源（例如，AC墙上插座）中断或不可用时，通过从单独的源供电，维持对连接设备，诸如，例如计算机或电信设备，的连续的电力供应的装置。UPS不同于辅助电源或备用发电机，其不提供由于瞬间的电力中断的即时保护。 

UPS能够被用于对设备提供不间断供电一段时间，例如30分钟，直到发电机能够被启动或者直到正常电源恢复。具有UPS和备用发电机组件的集成系统经常被称作应急电源系统。UPS系统可以保持闲置，直到发生电源故障，并且之后可迅速从公用电源切换到其自己的电源，或者可以在同时从另一电源补充其储备时从其储存在蓄电池中的能量储备不断地给受保护的设备供电。当蓄电池的能量储备耗尽或部分被消耗时，蓄电池将需要再充电。由于蓄电池包含多个串联的蓄电池单元，蓄电池的消耗和再充电经常导致单元间的电压失衡。 

发明概述 

本发明的一种实施方式是一种用于对多个串联的蓄电池单元平衡充电的系统。该系统包括电阻器，电阻器可选择地与多个串联的蓄电池单元中的相应的蓄电池单元并联地电耦合，其中该耦合是通过相应开关的启动 和停用来完成的。该系统还包括控制单元，控制单元被配置成判定蓄电池单元中具有最低电压的蓄电池单元。该蓄电池单元被称作最低蓄电池单元。控制单元还被配置成根据最低蓄电池单元的电压和其他的蓄电池单元中的每一个的电压之间的电压差来启动和停用开关，其中开关的启动和停用提供多个串联的蓄电池单元的平衡充电。 

附图简述 

根据如在附图中所图示的本发明的示例性实施方式的以下更具体的描述，前述内容将是明显的，在附图中，贯穿不同视图，相似的参考特征涉及相同的部件。附图未必按比例绘制，而是重点放在本发明的图示实施方式上。 

图1A和1B是图示不间断电源（UPS）的功能的示意图。 

图2A是图示具有四个串联的蓄电池单元的蓄电池的示意图，其中单元的电压是不平衡的。 

图2B是图示四个串联的蓄电池单元和典型的充电器的电路图，其中单元的电压是不平衡的。 

图3是图示四个串联的蓄电池单元、充电器和四个电阻器的电路图，四个电阻器能够可选择地与蓄电池单元并联地电耦合。 

图4A是图示最低蓄电池单元的电压和其他的蓄电池单元中的每一个的电压之间的电压差的曲线图。 

图4B是图示最低蓄电池单元的电压和其他的蓄电池单元中的每一个的电压之间的电压差的表。 

图5A和5B是图示四个串联的蓄电池单元、充电器、四个电阻器和控制单元的示意图，四个电阻器能够可选择地与蓄电池单元并联地电耦合，以及控制单元启动和停用开关以提供蓄电池单元的平衡充电。 

图6是图示使用能够可选择地与相应的蓄电池单元并联地电耦合的电阻器以提供对蓄电池单元的平衡充电的流程图。 

图7A-7E是图示在蓄电池单元的平衡充电期间在不同的时间点处，最低蓄电池单元的电压和其他的蓄电池单元中的每一个的电压之间的电压差的曲线图。 

图7F是图示在蓄电池单元的平衡充电期间在不同的时间点处，最低蓄电池单元的电压和其他的蓄电池单元中的每一个的电压之间的电压差的表。 

图8是图示典型的UPS系统的框图。 

发明详述 

以下是本发明的示例性实施方式的描述。 

图1A是图示不间断电源（UPS）105在正常情况下（即，没有电源故障）的电力流的示意图。通常，UPS 105不使用UPS 105的蓄电池125作为电力源向连接装置（未示出）传输电力。更具体地说，电力从电源110，例如市政供电，传输到UPS 105，以及UPS 105通过电力输出端115将电力传输到连接装置（未示出）。UPS 105可以使用充电单元120维持它的蓄电池125中的足够的电力水平，充电单元120从电源110获得电力。 

图1B是图示在来自电源110的电力丧失期间UPS 105的电力流的示意图。在关于电源110发生电源故障的情况下，UPS 105将从电源110向连接装置供电切换到从蓄电池125向连接装置供电。一旦电源的故障被修正，UPS 105然后可以切换回从电源110向连接装置供电并可以对蓄电池125再充电。如果蓄电池125包含多个串联的蓄电池单元，蓄电池125的重复消耗和再充电经常导致单元间电压失衡。 

串联的蓄电池单元间的电压差能够导致许多问题，包括过早的单元退化、安全隐患和减少的蓄电池容量。例如，一些具有较高电压例如高于制造商建议的限制的电压的蓄电池单元可能由于单元被过充电退化得更快。过充电的单元造成的安全隐患包括爆炸和火灾。为了防止过充电，许多充电系统包括安全保护电路以在蓄电池单元中的任意一个达到某一限制时终止充电。当单元不平衡时，这样的终止能够造成其他单元的充电过早地 终止，导致减少蓄电池的容量。具有减少的容量的蓄电池在只要它应该提供电力的时候将不提供电力，并且蓄电池的重复充电和放电可以进一步恶化这一问题，导致缩短蓄电池的生命周期。因此，串联的蓄电池单元的平衡充电能够显著地增加蓄电池的使用生命周期。在此公开的实施方式解决了平衡充电的这一问题。 

本发明的一种实施方式是一种用于多个串联的蓄电池单元的平衡充电的系统。该系统包括电阻器，电阻器可选择地与多个串联的蓄电池单元中的相应的蓄电池单元并联地电耦合，其中该耦合是通过相应开关的启动完成的，并且去耦合是通过相应开关的停用完成的。该系统还包括控制单元，控制单元被配置成判定蓄电池单元中具有最低电压的蓄电池单元（“最低蓄电池单元”）。控制单元还被配置成根据最低蓄电池单元的电压和其他的蓄电池单元中的每一个的电压之间的电压差启动和停用开关，其中开关的启动和停用提供多个串联的蓄电池单元的平衡供电。 

在其他的实施方式中，控制单元可以基于所判定的最低蓄电池单元的电压和每个相应的蓄电池单元的电压之间的相应的电压差启动或停用开关中的每一个。这样启动或停用每个开关可以基于所判定的最低蓄电池单元和相应的蓄电池单元之间的电压差是否超过阈值。在基于阈值启动或停用开关的实施方式中，控制单元可以被配置成基于电压差随时间推移的趋势或基于在任何一个时刻的最低蓄电池单元的电压调整阈值。控制单元还可以被配置成按照一时间间隔判定最低蓄电池单元并更新开关的启动状态，以及还可以基于电压差随时间推移的趋势动态地调整时间间隔。 

在一些实施方式中，控制单元可以被配置成在蓄电池单元中的任何一个达到最大电压限制的情况下或在所有的蓄电池单元的总电压达到最大电压限制的情况下禁止蓄电池单元的充电。实施方式还可以包括耦合到控制单元的一个或多个温度传感器，并且可以被配置成在蓄电池单元中的任何一个的温度或蓄电池单元周围的环境温度超过温度限制的情况下禁止蓄电池单元的充电。应该注意的是，控制单元可以包括模数转换器、处理器和寻址逻辑，可以在蓄电池单元的至少部分充电期间工作，以及可以被配置成在蓄电池单元的有效利用(active use)期间禁止蓄电池单元的充电。 

以前的用于平衡蓄电池充电的方法包括为蓄电池的单元设置高电压限制（例如，3.4V或制造商建议的绝对单个单元电压限制的90%），其中如果任何一个单元超过该限制，该单元的单元平衡电路被打开以分离和减小用于该单元的蓄电池充电电流。这种方法对最强的单元执行单元平衡，并且在最强的单元达到其100%绝对单个单元电压限制之后，充电器必须关闭。然而，在充电结束时，其他的单元可能还没有达到平衡水平。 

本发明的实施方式通过使用Δ值作为平衡“标尺”克服了以前的方法的问题。在蓄电池单元的充电期间，判定单元的电压和最低单元（即，最弱单元）的电压之间的差。对于每个单元，如果电压差高于Δ值，则施加到该单元的充电电流减小。每次判定差时，由于例如硬件限制或随机的充电电流变化，可能是不同的单元为最弱单元。 

Δ值电压限制可能是可变的并且能够在不同阶段变化以实现更好的控制和单元平衡。例如，在充电过程开始时可以使用较大的Δ，而随着单元电压增加可以使用较小的Δ值。在单元平衡过程期间的Δ值的这种动态变化不仅改善了单元平衡电路的开/关判断，而且在基于实时信息控制单元平衡水平方面提供了较大的灵活性。因为单元之间的电压差被不断地监测并与Δ值作比较，这种方法不仅减少了当充电完成时（例如，当任何一个单元达到绝对伏特限制时）单元失衡的机会，而且有助于减小单元阻抗并且因此减少总的充电时间。另外，这种方法可以使用低端8位微处理器以及10位A/D通道来实施。当判定单元电压差时，该方法可以通过在寄存器中同时设置多个“平衡”位来控制开关以打开/关闭相应的平衡电路。这减小了由于电流的突然变化而产生的浪涌读数的影响。 

本发明的实施方式还可以在检测到蓄电池放电活动时停止充电过程，这防止意想不到的相反情形，在相反情形下，与其他的单元相比，将从最弱单元提取更多电流。另外，为了保护单元免于过充电，实施方式可以包括多种“防火墙”，该“防火墙”在例如以下条件中的任一个被满足时关闭充电器：（1）任何一个单元达到绝对电压限制，（2）总蓄电池电压超过某一限制（例如，单元的数量*理想的高限制电压*1.05），或（3）环境温度达到或超过60摄氏度。 

图2A是示意图200，其图示了具有四个串联的蓄电池单元205a-d的蓄电池，其中单元的电压是不平衡的。根据所示出的具体的蓄电池，一个蓄电池单元的最大电压可以是例如4.0V。单元1和3（205a、205c）具有3.6V的电荷，单元4（205d）具有3.5V的电荷，以及单元2（205b）具有3.2V的电荷。单元205a-d是不平衡的，且单元2（205b）是最低（最弱）单元。 

图2B是电路图210，其图示了四个串联的蓄电池单元215a-d和典型的充电器220，其中单元的电压是不平衡的，例如在图2a中所示。还示出了用于蓄电池的典型负载225。 

图3是电路图300，其图示了四个串联的蓄电池单元305a-d、充电器310和四个电阻器320a-d，四个电阻器320a-d能够可选择地与蓄电池单元并联地电耦合。四个开关325a-d使得电阻器320a-d能够电耦合到单元305a-d。当相应的开关325闭合时，电阻器320被耦合到相应的单元305a-d。当电耦合到单元305a-d时，相应的电阻器320使施加到单元305a-d的电压减小，导致对于该单元305a-d充电较慢。 

图4A是曲线图400，其根据本发明的一实施方式图示了最低蓄电池单元405b的电压和其他的蓄电池单元405a、405c、405d中的每一个的电压之间的电压差。最低单元405b的电压415是3.2V。最低单元405b和两个其他的单元405a、405c的电压之间的差420是0.4V。最低单元405b和最后的单元405d的电压之间的差425是0.3V。 

图4B是表430，其根据本发明的一实施方式图示了如在图4A中所图示的最低蓄电池单元的电压和其他的蓄电池单元中的每一个的电压之间的电压差435a-d。 

图5A和5B是示意图500、530，其根据本发明的一实施方式图示了四个串联的蓄电池单元505a-d、充电器540、四个电阻器550a-d以及控制单元510，四个电阻器550a-d能够可选择地与蓄电池单元505a-d并联地电耦合，以及控制单元510启动和停用开关545a-d以提供蓄电池单元505a-d的平衡充电。控制单元510被图示为包括处理器515、模数转换器（ADC）520和开关控制器525。根据一种实施方式，ADC 520使用连接到单元 505a-d的电线判定蓄电池单元505a-d中的每一个的电压。控制单元510从单元中判定最低单元并判定每个单元与最低单元的电压差。基于电压差，控制单元510判定闭合开关545a-d中的哪个，即，对于单元505a-d中的哪个减小充电电流。开关控制器525然后基于该判定，通过连接到开关545a-d的控制线535a-d启动或停用开关545a-d。 

图6是流程图600，其根据本发明的一实施方式图示了使用电阻器以提供蓄电池单元的平衡充电，电阻器能够可选择地与相应的蓄电池单元并联地电耦合。根据所图示的方法，电阻器被提供以使用相应的开关选择性地与相应的蓄电池单元并联地电耦合（605）。在蓄电池单元的充电期间，从蓄电池单元中判定哪个蓄电池单元具有最低电压（称作“最低蓄电池单元”）（610）。然后判定最低蓄电池单元的电压和其他的蓄电池单元中的每一个的电压之间的相应的电压差（615），以及根据电压差启动和停用开关（620）。最低蓄电池单元、电压差以及开关的启动和停用的判定可以在蓄电池单元的充电全过程中继续（625），导致多个串联的蓄电池单元的平衡充电。 

图7A-7E是曲线图700、710、715、720、725，其根据本发明的一实施方式图示了在蓄电池单元的平衡充电期间在不同时间点处的最低蓄电池单元的电压和其他的蓄电池单元中的每一个的电压之间的电压差。 

图7A示出在时间T1处，单元2（705b）是最低蓄电池单元，具有3.2V电压。单元1和3（705a、705c）每个均具有比单元2高0.4V的电压。单元4（705d）具有比单元2高0.3V的电压。例如，如果Δ电压限制被设置为0.1V，则控制单元或类似的装置判定对于单元1、3和4的开关将被启动（闭合），因为对于这些单元的电压差位于或高于Δ电压限制。一旦关于这些单元的开关被闭合，相应的电阻器减小施加到这些单元的充电电流的量。 

图7B示出在时间T2处，单元2仍然是最低蓄电池单元，具有3.4V电压。单元1和3每个均具有比单元2高0.3V的电压。单元4具有比单元2高0.2V的电压。应该注意的是，虽然单元2增加了0.2V，但单元1、3和4由于减小了施加到这些单元的充电电流量而只增加了0.1V。因为对于 单元1、3和4的电压差仍然位于或高于0.1V的Δ电压限制，控制单元判定对于这些单元的开关保持闭合。 

图7C示出在时间T3处，单元2仍然是最低蓄电池单元，具有3.6V电压。单元1和3每个均具有比单元2高0.2V的电压。单元4具有比单元2高0.1V的电压。因为对于单元1、3和4的电压差仍然位于或高于0.1V的Δ电压限制，控制单元判定对于这些单元的开关保持闭合。 

图7D示出在时间T4处，单元2和4都是最低蓄电池单元，每个均具有3.8V电压。单元1和3每个均具有比单元2和4高0.1V的电压。因为对于单元1和3的电压差仍然位于或高于0.1V的Δ电压限制，控制单元判定对于这些单元的开关保持闭合。但是因为对于单元4的电压差现在低于Δ限制，控制单元判定对于单元4的开关停用（断开）。 

图7D示出在时间T5处，所有单元都具有4.0V电压。就该特定的蓄电池来说，4.0V是对于单元的最大电压，因此蓄电池单元的充电完成。如在图7A-7E中所示，本发明的实施方式应用于平衡充电导致具有不平衡单元的蓄电池被充电成蓄电池单元平衡的状态。 

图7F是一个表，其根据如在图7A-7E中所图示的本发明的实施方式图示了在蓄电池单元的平衡充电期间在不同时间点处的最低蓄电池单元的电压和其他的蓄电池单元中的每一个的电压之间的电压差。 

虽然参考其示例性实施方式具体示出和描述了本发明，但本领域中的那些技术人员要理解的是，在形式和细节上可以对其进行多种变化而不偏离由所附权利要求涵盖的本发明的范围。 

应该理解的是，图3、5A、5B和8是示例的示意图，其可以包括更多组件或更少组件，可以被分割成子单元，或者可以用不同的组合实施。而且，图6的流程图可以用硬件、固件或软件实施。如果使用软件实施，软件可以用适合在图3、5A、5B和8中图示的示例性系统中使用的任何软件语言来写。软件可以嵌在任何形式的计算机可读介质上，例如RAM、ROM或磁盘或光盘，以及通过通用或专用处理器加载和执行。 

所公开的实施方式可以应用于任何UPS布局，例如离线、在线互动， 或双转换。示例性的UPS布局在图8中示出。UPS 10包括输入滤波器/浪涌保护器12、转换开关14、控制器16、蓄电池18、蓄电池充电器19、逆变器20和DC-AC转换器23。UPS还包括输入端24和插座26，输入端24用于耦合到AC电源，以及插座26用于耦合到负载。UPS 10操作如下。滤波器/浪涌保护器12通过输入端24从AC电源接收输入的AC电力，对所输入的AC电力滤波并将过滤后的AC电力提供给转换开关和电池充电器。转换开关14从滤波器/浪涌保护器12接收AC电力并且还从逆变器20接收AC电力。控制器16判定来自滤波器/浪涌保护器的可用AC电力是否在预先确定的容差内，以及如果是，控制转换开关将来自滤波器/浪涌保护器的AC电力提供给插座26。如果来自整流器的AC电力不在预先确定的容差内，这可能因为“掉电”、“高压线”或“熄电”条件，或由于电源浪涌而发生，那么控制器控制转换开关从逆变器20提供AC电力。DC-AC转换器23是可选的组件，其将蓄电池的输出转换成与逆变器相兼容的电压。根据所使用的具体逆变器和蓄电池，逆变器可以可操作地直接地或通过转换器耦合到蓄电池。 

关于这样的UPS应用说明了在此提出的实施方式，但应该理解的是，所述实施方式可以应用于使用具有多个串联的蓄电池单元的蓄电池的其他应用。另外，在此公开的实施方式可以用于包含例如四个由蓄电池制造商例如A123制作的磷酸铁锂（LiFePO）电池的蓄电池的平衡充电，但不局限于这样的LiFePO电池。本领域中的一名普通技术人员将意识到，在此公开的实施方式可以应用于其他类型的蓄电池单元，或具有更多或更少单元的蓄电池，而仍然获得良好的单元平衡效果。 

Claims (23)

1.一种用于对多个串联的蓄电池单元进行平衡充电的系统，所述系统包括：

电阻器，其通过相应开关的启动和停用，可选择地与所述多个串联的蓄电池单元中的相应的蓄电池单元并联地电耦合；以及

控制单元，其被配置成判定所述蓄电池单元中具有最低电压的蓄电池单元，导致判定的最低蓄电池单元，并且被配置成根据所述判定的最低蓄电池单元的电压和其他的蓄电池单元中的每一个的电压之间的电压差启动和停用所述开关，以提供对所述多个串联的蓄电池单元的平衡充电。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述控制单元基于所述判定的最低蓄电池单元的电压和每个相应的蓄电池单元的电压之间的相应的电压差启动或停用所述开关中的每一个。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述控制单元被配置成在所述判定的最低蓄电池单元和相应的蓄电池单元之间的电压差超过阈值的情况下启动开关。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述控制单元被配置成基于电压差随时间推移的趋势调整所述阈值。

5.如权利要求3所述的系统，其中所述控制单元被配置成基于所述判定的最低蓄电池单元的电压调整所述阈值。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述控制单元被配置成按照一时间间隔判定所述最低蓄电池单元并更新所述开关的启动状态。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述控制单元还被配置成基于电压差随时间推移的趋势动态地调整所述时间间隔。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述控制单元被配置成在所述蓄电池单元中的一个达到第一最大电压限制的情况下或在所有的所述蓄电池单元的总电压达到第二最大电压限制的情况下禁止所述蓄电池单元的充电。

9.如权利要求1所述的系统，还包括温度传感器，该温度传感器耦合到所述控制单元，并且被配置成在所述蓄电池单元中的至少一个的温度或所述蓄电池单元周围的环境温度超过温度限制的情况下禁止所述蓄电池单元的充电。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述控制单元被配置成在所述蓄电池单元的有效利用期间禁止所述蓄电池单元的充电。

11.如权利要求1所述的系统，其中所述控制单元在所述蓄电池单元的部分充电期间工作。

12.如权利要求1所述的系统，其中所述控制单元包括模数转换器、处理器和寻址逻辑。

13.一种对多个串联的蓄电池单元平衡充电的方法，所述方法包括：

使用相应的开关，选择性地将电阻器与所述多个串联的蓄电池单元中的相应的蓄电池单元并联地电耦合；

判定所述蓄电池单元中具有最低电压的蓄电池单元，导致判定的最低的电池单元；

判定所述判定的最低蓄电池单元的电压和其他的蓄电池单元中的每一个的电压之间的相应的电压差；以及

根据所述电压差启动和停用所述开关，以提供所述多个串联的蓄电池单元的平衡充电。

14.如权利要求13所述的方法，其中启动和停用所述开关包括基于所述判定的最低蓄电池单元的电压和每个相应的蓄电池单元的电压之间的所述相应的电压差启动或停用所述开关中的每一个。

15.如权利要求14所述的方法，其中启动和停用所述开关包括在所述判定的最低蓄电池单元和所述相应的蓄电池单元之间的电压差超过阈值的情况下启动开关。

16.如权利要求15所述的方法，还包括基于电压差随时间推移的趋势调整所述阈值。

17.如权利要求15所述的方法，还包括基于所述判定的最低蓄电池单元的电压调整所述阈值。

18.如权利要求13所述的方法，其中判定所述最低蓄电池单元、判定所述相应的电压差以及启动和停用所述开关按照一时间间隔发生。

19.如权利要求18所述的方法，还包括基于电压差随时间推移的趋势动态地调整所述时间间隔。

20.如权利要求13所述的方法，还包括在所述蓄电池单元中的一个达到第一最大电压限制的情况下或在所有的所述蓄电池单元的总电压达到第二最大电压限制的情况下禁止所述蓄电池单元的充电。

21.如权利要求13所述的方法，还包括：

测量所述蓄电池单元中的至少一个的温度或所述蓄电池单元周围的环境温度；以及

在所述蓄电池单元中的至少一个的温度或所述蓄电池单元周围的环境温度超过温度限制的情况下禁止所述蓄电池单元的充电。

22.如权利要求13所述的方法，还包括在所述蓄电池单元的有效利用期间禁止对所述蓄电池单元的充电。

23.一种用于对多个串联的蓄电池单元进行平衡充电的系统，所述系统包括：

用于可选择地将电阻器并联地电耦合到相应的蓄电池单元的装置；

用于判定所述蓄电池单元中具有最低电压的蓄电池单元从而导致判定的最低蓄电池单元的装置；

用于判定所述判定的最低蓄电池单元的电压和其他的蓄电池单元中的每一个的电压之间的相应的电压差的装置；以及

用于根据所述电压差调整充电期间施加到所述蓄电池单元的电流以提供所述蓄电池单元的平衡充电的装置。

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