CN102832651A - 用于电池包的电池管理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于电池包的电池管理系统及方法。所述系统包括电池模块和控制器。控制器包括电压检测和控制电路以及电压/电流转换器。电池模块中的电池单元电压转换成电流，并产生在一个或多个逻辑器件输入端检测的电压。检测的电压值由电压/电流转换器的输出电流和阈值电流决定。控制器接收一个或多个逻辑器件的输出，并根据逻辑器件的输出控制电池单元的充放电。本发明可以更灵活地检测多种阈值情况，而且每个保护阈值都可以得到精确的控制，且不受温度变化，工艺变化等等的影响。

Description

用于电池包的电池管理系统及方法
技术领域
本发明涉及一种可重复充电的电池领域，特别是涉及一种用于电池单元充放电控制的电池单元电压检测电路。
背景技术
在过去几十年中，人们对电子设备(例如，用于各种应用的电源)有着越来越浓的兴趣。电源需求的增长导致了对电池包(例如，可重复充电的电池包)研究的进一步深入。
电池包包括多个串联连接的电池单元。当其中一个电池单元受损时，整个电池包的寿命将会缩短。而且任意两个电池单元之间的不均衡也将会缩短电池包的寿命。图1是现有铅酸电池包100的示意图。由于其结构简单，铅酸电池包100主要应用于低耗设备中。除此之外，电池包也可以使用锂离子电池。
电池包100包括多个串联连接的电池模块101-104。每个电池模块101-104还可以包括六个电池单元111-116和两个电极120和129。
电池包中每个电池单元的电压都需要进行单独监控。这样的监控可以更精确地控制电池单元的充电和放电，而且当电池单元的电流电压处于过压(Over Voltage，简称为：OV)状况或低压(Under Voltage，简称为：UV)状况时，可以阻止电池单元充电或放电。当电池单元电压过低时，尤其是锂离子电池，会有类似内部短路的故障发生。因此，当电池单元的电压值过低时，理想的充放电控制电路会阻止进一步的充电或放电。同时，如果电池单元的输出电压过高，应当停止对过压电池单元的进一步充电，从而预防过压电池单元受损或爆炸。
现有技术采用复杂的带有放大器和电压感应电阻的电压转换器或者可选的，通过直接利用MOSFET的阈值电压来检查电池单元的电压是否过低。这种现有技术成本高，功耗高。另外，现有技术由于过于简单而不适合设计需求。而且更进一步，当使用MOSFET的阈值电压来检查单个电池单元的输出电压时，MOSFET的阈值电压不够灵活，不能满足多种需求。而且MOSFET的阈值电压会随着工艺的变化和温度的变化等等而变化。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种用于电池包的电池管理系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于电池包的电池管理系统，包括：电池模块；以及耦合至一个或多个所述电池模块的控制器，所述控制器包括：电压/电流转换器，用于将所述电池模块的输出电压转换成电流；一个或多个逻辑器件，所述一个或多个逻辑器件的输入电压取决于所述电压/电流转换器的输出电流和阈值电流；所述控制器用来根据所述一个或多个逻辑器件的输出信号对所述电池模块的充电和放电中的至少一种进行控制。
本发明所述的用于电池包的电池管理系统，所述电池模块包括多个电池单元。
本发明所述的用于电池包的电池管理系统，所述一个或多个逻辑器件还用于接收多个输入电压，其中，所述多个输入电压分别取决于所述阈值电流和与多个电池单元中每个电池单元的输出电压相对应的来自所述电压/电流转换器的输出电流。
本发明所述的用于电池包的电池管理系统，所述电压/电流转换器包括金属氧化物半导体场效应晶体管。
本发明所述的用于电池包的电池管理系统，所述电池包包括多个电池模块，其中所述多个电池模块的充电和放电由多个分别对应的控制器控制。
本发明所述的用于电池包的电池管理系统，所述电池包包括多个电池模块，其中所述多个电池模块的充电和放电由单个控制器控制。
本发明所述的用于电池包的电池管理系统，所述阈值电流是过压阈值电流、低压阈值电流和充电允许阈值电流中的一种。
本发明所述的用于电池包的电池管理系统，所述电压/电流转换器的所述金属氧化物半导体场效应晶体管的开关参考电压包括过压阈值电压、低压阈值电压和充电允许阈值电压，所述过压阈值电压、所述低压阈值电压和所述充电允许阈值电压分别用来产生可选的过压阈值电流、低压阈值电流和充电允许阈值电流。
本发明所述的用于电池包的电池管理系统，所述电压/电流转换器的所述金属氧化物半导体场效应晶体管的开关参考电压用来产生多个阈值电流，其中所述阈值电流不受工艺变化或温度变化的影响。
本发明所述的用于电池包的电池管理系统，所述一个或多个逻辑器件包括或非门和与非门中的至少一种。
本发明所述的用于电池包的电池管理系统，当所述电压/电流转换器的所述输出电流大于所述阈值电流时，所述一个或多个逻辑器件的输入是逻辑高输入信号，以及当所述电压/电流转换器的所述输出电流小于所述阈值电流时，所述一个或多个逻辑器件的输入是逻辑低输入信号。
本发明还提供一种用于控制电池包的电池管理方法，包括：将电池模块的输出电压转换成输出电流；将所述输出电流与阈值电流比较；对输入信号实现逻辑运算，其中所述输入信号取决于所述输出电流与所述阈值电流的比较结果；以及根据所述逻辑运算的输出信号对所述电池模块的充电和放电中的至少一种进行控制。
本发明所述的用于控制电池包的电池管理方法，所述电池模块包括多个电池单元。
本发明所述的用于控制电池包的电池管理方法，所述输入信号取决于所述输出电流与所述阈值电流的比较结果更具体为：所述多个输入信号分别取决于所述阈值电流和与多个电池单元中每个电池单元的输出电压对应的输出电流的比较结果。
本发明所述的用于控制电池包的电池管理方法，所述电池包包括多个电池模块，其中所述多个电池模块的充电和放电由多个分别对应的控制器控制。
本发明所述的用于控制电池包的电池管理方法，所述电池包包括多个电池模块，其中所述多个电池模块的充电和放电由单个控制器控制。
本发明所述的用于控制电池包的电池管理方法，所述阈值电流是过压阈值电流、低压阈值电流和充电允许阈值电流中的一种。
本发明所述的用于控制电池包的电池管理方法，所述方法还包括：选择阈值电流，其中可选的阈值电流是过压阈值电流、低压阈值电流和充电允许阈值电流中的一种。
本发明所述的用于控制电池包的电池管理方法，所述选择的阈值电流不受工艺变化或温度变化的影响。
本发明所述的用于控制电池包的电池管理方法，所述逻辑运算包括或非门和与非门中的至少一种。
本发明所述的用于控制电池包的电池管理方法，当所述输出电流大于所述阈值电流时，所述逻辑运算的输入信号是逻辑高输入信号，以及当所述输出电流小于所述阈值电流时，所述逻辑运算的输入信号是逻辑低输入信号。
本发明提供了用于电池包的电池管理系统，该系统包括电压/电流转换器及一个或多个逻辑器件等等。通过将电池单元的电压转换成电流，并将转换电流与预设阈值电流进行比较，从而确定逻辑器件的输入信号，根据逻辑器件的输出信号来控制电池包的充电和放电。其中阈值电流包括过压阈值、低压阈值和充电允许阈值。这样可以更灵活地检测多种阈值情况，而且每个保护阈值都可以得到精确的控制，且不受温度变化，工艺变化等等的影响。
附图说明
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明，以使本发明的特性和优点更为明显。
图1是一种现有技术的电池包简化示意图；
图2是一种现有技术的电池单元电压检测和放电控制电路简化示意图；
图3是一种现有技术的电池单元电压检测和充电控制电路简化示意图；
图4是根据本发明一个实施例的带有电池充放电控制电路的电池单元电压检测电路简化示意图；
图5是根据本发明一个实施例的带有可变电压阈值的电池单元电压检测电路的部分简化示意图；
图6是根据本发明一个实施例的方法步骤流程图。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例给出详细的说明。在以下对本发明的详细描述中，为了提供一个针对本发明的完全的理解，阐明了大量的具体细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外的一些实例中，对于大家熟知的方案、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
本发明提供了一种用于电池单元充放电控制的单个电池单元电压检测的解决方案。本发明公开的多个实施例提供了用于电池单元充放电控制的电池单元电压检测方法。如下所述，这样的检测和控制提供了不仅灵活而且准确的可控阈值，而且该值不受工艺变化或温度漂移的影响。
传统的低压检测方法是将各个电池单元的输出电压与预先设定的参考电压进行比较。如果电池单元电压小于参考电压，就会产生一个逻辑信号来阻止进一步的充电或放电。这种方法要求额外的功耗，而且当目标电池单元电压已经很低时，参考电压可能出现错误或者比较器不能正常工作，从而失去控制。
另外一种方法是使用金属氧化物半导体(Metal OxideSemiconductor，简称为MOS)晶体管的阈值电压作为电池单元的低压阈值。当任意电池单元电压低于MOS晶体管的阈值电压时，就会做出低压报告。如图2所示，当电池单元电压(例如：电池单元202a)小于PMOS晶体管204a的阈值时，电阻206上的压降是零，并且产生一个低压控制信号。
类似地，如图3所示，当电池单元(例如，电池单元302)的电压小于PMOS晶体管306的阈值电压或电池单元304的电压小于NMOS晶体管308的阈值电压时，图3中的电压检测和控制电路将报告电池单元为低压状况，并阻止对低压电池单元进一步的充电或放电。
采用上述任何一种方法都存在诸多不足。因为MOS晶体管的阈值电压是固定的而且由工艺决定，所以满足不了低压充放电保护的要求。而且MOS晶体管阈值电压随温度的变化而变化。所以，当电池单元电压大于MOS晶体管的阈值电压时，需要一个很大的上拉/下拉电阻来控制功耗。
在一个实施例中，检测电路包括电压/电流转换单元(V/I单元)和作为电池包中每个电池单元阈值的电流源。根据MOSFET管有效区漏电流等式，电压/电流转换单元的输出电流可以(相对给定的电池单元输入电压)由下式得到：
I MP = V CELL - V TP R S + 1 2 KR S 2 ( 1 + 1 + 4 KR S ( V CELL - V TP ) ) - - - ( 1 )
等式(1)中，VTP是PMOS晶体管的阈值，K＝μPCOX(W/L)/2是由工艺参数和晶体管尺寸(宽长比)决定的常数。从等式中可以看出输出电流随电池单元电压的增大而增大。当RS的值足够大时，上述等式的第二部分(即：
Figure BSA00000601256900072
)可以忽略。因此，电压/电流转换单元的输出电流与电池单元输入电压成线性关系(即：
Figure BSA00000601256900073
)。如果给出了预设电流ITH，对应的电压阈值由下式得到：
V TH = I TH R S + I TH K + V TP - - - ( 2 )
其中VTH是充电或放电允许电压阈值，ITH是预设的充电或放电允许电流阈值。
可以看出，一旦电阻RS确定并且PMOS晶体管的尺寸固定，充放电的允许电压阈值就由预设的电流阈值ITH决定。
如图4所示，当电池单元(CELL1-CELL4)的输出电压足够高，使得电压/电流转换器402的输出电流(IMP1-IMP4)大于预设的阈值电流ITH1，与逻辑元件404，406的输入端连接的对应节点的压降会增加至高电平。在一个实施例中，结果为逻辑1的逻辑元件的高电平输入可以在3V-5V之间。在图4中，如下所述，当电池单元(CELL1-CELL4)的输出电压足够低，使得电压/电流转换器402的输出电流(IMP1-IMP4)小于预设的阈值电流ITH1，与逻辑元件404，406的输入端连接的对应节点的压降会减小至低电平。在一个实施例中，结果为逻辑0的逻辑元件的低电平输入可以在0-2V之间。以下的描述中，阈值电流ITH1可以选用特定电流值，比如：过压阈值电流、低压阈值电流以及充电允许阈值电流。
例如，如图4所示，当任意电池单元(CELL1-CELL4)的输出电压足够高，使得电压/电流转换器402的输出电流(IMP1-IMP4)大于预设的过压阈值电流(IOV_TH)，与或非(ON)门404和与非(AN)门406的输入端连接的对应节点(OUT1-OUT4)的压降会增加至高电平。节点(OUT1-OUT4)上的这种高电平会使得或非门404的输入是高信号，从而使得其输出信号为低。一旦控制器408从或非门404的输出端接收到这个低信号(即：逻辑0)，控制器408会通过断开充电开关(CHG)来终止电池单元(CELL1-CELL4)上的电流运行充电周期。当其中一个电池单元(CELL1-CELL4)的输出电压超过过压阈值时，通过断开充电电路开关来阻止充电系统可能出现的过压情况。在另一个实施例中，控制器408可以在断开充电电路(通过断开充电开关)之前使用一个定时延迟。这种延迟使得控制器408可以确定检测到的过压是真实的状态，而不仅仅是瞬时的电压尖峰或短暂的电压增加。
如图4所示，控制器408也可以通过比较电压/电流转换器402的输出电流与充电允许阈值电流(ICP_TH)的大小来初始化充电周期。当所有电池单元(CELL1-CELL4)的输出电压足够高，使得电压/电流转换器402的输出电流(IMP1-IMP4)大于预设的充电允许阈值电流(ICP_TH)，每个对应节点(OUT1-OUT4)的压降会增加至高电平。节点(OUT1-OUT4)上的这种高电平使得或非门404和与非门406的每个输入为高信号。与非门406的所有输入上的这种高信号会导致其输出为低信号。因此，只有当所有电池单元电压都大于充电允许阈值电压时，控制器408会从与非门406接收到低信号，并且通过闭合充电开关(CHG)来开始充电周期。这样的充电允许过程会阻止对出现异常低压输出的破损的或无用的电池进行充电。在另一个实施例中，控制器408在闭合充电电路(通过闭合充电开关)之前使用一个定时延迟。这种延迟使得控制器408可以确定检测到的电压输出是真实的状态，而不仅仅是瞬时的电压尖峰或短暂的电压增加。
如图4中进一步所示，控制器408也可以通过比较电压/电流转换器402的输出电流与低压阈值电流(IUV_TH)的大小来控制电池单元(CELL1-CELL4)的放电周期。当所有电池单元(CELL1-CELL4)的输出电压足够高，使得电压/电流转换器402的输出电流(IMP1-IMP4)大于预设的低压阈值电流(IUV_TH)，每个对应节点(OUT1-OUT4)的压降会增加至高电平。节点(OUT1-OUT4)上的这种高电平使得或非门404和与非门406的每个输入为高信号。与非门406的所有输入上的这种高信号会导致其输出为低信号。因此，只有当所有电池单元电压都大于低压阈值时，控制器408会从与非门406接收到低信号，并且通过闭合放电开关(DSG)来继续电流运行放电周期。也就是说，当任意的电池单元(CELL1-CELL4)输出电压降到低压阈值以下时，放电电路断开并且电流运行放电周期停止。这样的电压输出(低压)可以通过放电周期中电池单元的适当放电或者由于电池单元的缺陷而得到，无论哪种方式，放电周期都会被中断。
如上所述，当所有电池单元(CELL1-CELL4)的输出电压都大于低压阈值时，放电周期会继续，只有单个电池单元的输出电压小于低压阈值时会中断放电周期。例如，当任意电池单元(CELL1-CELL4)的输出电压足够低，使得电压/电流转换器402的输出电流(IMP1-IMP4)小于预设的低压阈值电流(IUV_TH)，对应节点(OUT1-OUT4)的压降会减小至低电平。节点(OUT1-OUT4)上的这种低电平使得或非门404和与非门406的输入为低信号。与非门406的输入上的低信号会导致其输出为高信号。因此，当任意电池单元(CELL1-CELL4)电压下降到低压阈值以下时，控制器408从与非门406接收高信号，并通过断开放电开关(DSG)来停止电流运行放电周期。在另一个实施例中，控制器408在断开放电电路(通过断开放电开关)之前使用定时延迟。这种延迟使得控制器408可以确定检测到的低压状态是真实的状态，而不仅仅是瞬时的电压骤降或暂时的电压减小。
在一个实施例中，所有电池单元的阈值电流ITH是根据预设源电流IS产生的镜像电流。图5描述的是一种产生源电流的方法。如图5所示，图中的PMOS晶体管MP与图4中电压/电流转换器402(V/I单元)中的PMOS晶体管具有相同的类型和尺寸，而且PMOS管之间互相匹配。图5中的电阻RS同样与图4中电压/电流转换器402中的电阻具有相同的尺寸，而且电阻间互相匹配。NMOS晶体管MN0-MN4包括电流镜并具有单位比率。实际设计中，栅极放大器电流镜可以用来提高输出阻抗，使得输出电压不会影响电流镜的性能。
如图5所示，电压/电流转换器502上施加可选择的参考电压，从而得到可选择的阈值电流(ITH1-ITH4)。例如，当开关S连接到与VCC有关的参考电压VUV_TH时，电流镜产生的输出电流是IUV_TH。图4中的控制器408仍可用来执行上述描述的低压检测。由于参考电流产生器和电池单元电压/电流产生器502使用相同的电路，而且相互匹配，因此，电池单元低压阈值电流完全由VUV_TH决定并与电阻RS的阻值和PMOS管的任意变化无关。唯一的要求是上述提到的匹配度。所以，该设计不随工艺变化而变化，并且可以很好地定义保护阈值。
类似地，当开关S连接到参考电压VOV_TH时，图4和图5中如上所述的电压检测和充放电控制电路用来检测所有电池单元(CELL1-CELL4)的过压情况。当开关S连接到参考电压VCP_TH时，图4和图5中如上所述的充放电控制电路用来检测所有电池单元(CELL1-CELL4)的充电允许情况。
图6是通过检测电池单元输出电压来决定对电池单元充电和/或放电的操作过程步骤图。图6的步骤602中，电池单元的输出电压转换成电流。如上所述，转换过程通过电压/电流转换器实现。
图6的步骤604中，转换电流与阈值电流比较。在一个实施例中，阈值电流对应的是充电允许阈值电流。在另一个实施例中，阈值电流对应的是过压阈值电流。在又一个实施例中，阈值电流对应的是低压阈值电流。在再一个实施例中，阈值电流可以变化地选择为充电允许阈值电流、过压阈值电流和低压阈值电流中的一种。
图6的步骤606中，逻辑器件的输入端设置输入电压。逻辑器件的输入电压取决于转换电流与阈值电流的比较结果。如上所述，当转换电流大于阈值电流时，逻辑器件的输入电压是高输入信号。在一个实施例中，逻辑器件是与非门和/或或非门。
图6的步骤608中，根据逻辑器件的输出控制电池单元的充电和放电。
用于充放电控制的电池单元输出电压检测电路的实施例具有如下优点：
1.电压/电流转换器和预设阈值电流的使用可以更灵活地检测多种阈值情况，例如过压情况、低压情况和充电允许情况。
2.上述提到的每个保护阈值可以得到精确的控制。如上所述，现有的保护阈值由MOS晶体管阈值电压决定。
3.最后，如上所公开的实施例不受工艺变化的影响。与使用的MOS晶体管阈值电压的传统系统不同，这是因为MOS晶体管阈值电压会随着温度变化、工艺变化等等而变化。
最后应当说明的是，以上实施例仅用来说明本发明而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细描述，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (21)

1.用于电池包的电池管理系统，其特征在于，所述系统包括：
电池模块；
耦合至一个或多个所述电池模块的控制器，所述控制器包括：
电压/电流转换器，用于将所述电池模块的输出电压转换成电流；
一个或多个逻辑器件，所述一个或多个逻辑器件的输入电压取决于所述电压/电流转换器的输出电流和阈值电流；
所述控制器用来根据所述一个或多个逻辑器件的输出信号对所述电池模块的充电和放电中的至少一种进行控制。
2.根据权利要求1所述的用于电池包的电池管理系统，其特征在于，所述电池模块包括多个电池单元。
3.根据权利要求2所述的用于电池包的电池管理系统，其特征在于，所述一个或多个逻辑器件还用于接收多个输入电压，其中，所述多个输入电压分别取决于所述阈值电流和与多个电池单元中每个电池单元的输出电压相对应的来自所述电压/电流转换器的输出电流。
4.根据权利要求1所述的用于电池包的电池管理系统，其特征在于，所述电压/电流转换器包括金属氧化物半导体场效应晶体管。
5.根据权利要求1所述的用于电池包的电池管理系统，其特征在于，所述电池包包括多个电池模块，其中所述多个电池模块的充电和放电由多个分别对应的控制器控制。
6.根据权利要求1所述的用于电池包的电池管理系统，其特征在于，所述电池包包括多个电池模块，其中所述多个电池模块的充电和放电由单个控制器控制。
7.根据权利要求1所述的用于电池包的电池管理系统，其特征在于，所述阈值电流是过压阈值电流、低压阈值电流和充电允许阈值电流中的一种。
8.根据权利要求4所述的用于电池包的电池管理系统，其特征在于，所述电压/电流转换器的所述金属氧化物半导体场效应晶体管的开关参考电压包括过压阈值电压、低压阈值电压和充电允许阈值电压，所述过压阈值电压、所述低压阈值电压和所述充电允许阈值电压分别用来产生可选的过压阈值电流、低压阈值电流和充电允许阈值电流。
9.根据权利要求4所述的用于电池包的电池管理系统，其特征在于，所述电压/电流转换器的所述金属氧化物半导体场效应晶体管的开关参考电压用来产生多个阈值电流，其中所述阈值电流不受工艺变化或温度变化的影响。
10.根据权利要求1所述的用于电池包的电池管理系统，其特征在于，所述一个或多个逻辑器件包括或非门和与非门中的至少一种。
11.根据权利要求10所述的用于电池包的电池管理系统，其特征在于，当所述电压/电流转换器的所述输出电流大于所述阈值电流时，所述一个或多个逻辑器件的输入是逻辑高输入信号，以及当所述电压/电流转换器的所述输出电流小于所述阈值电流时，所述一个或多个逻辑器件的输入是逻辑低输入信号。
12.一种用于控制电池包的电池管理方法，其特征在于，所述方法包括：
将电池模块的输出电压转换成输出电流；
将所述输出电流与阈值电流比较；
对输入信号实现逻辑运算，其中所述输入信号取决于所述输出电流与所述阈值电流的比较结果；以及
根据所述逻辑运算的输出信号对所述电池模块的充电和放电中的至少一种进行控制。
13.根据权利要求12所述的用于控制电池包的电池管理方法，其特征在于，所述电池模块包括多个电池单元。
14.根据权利要求13所述的用于控制电池包的电池管理方法，其特征在于，所述输入信号取决于所述输出电流与所述阈值电流的比较结果更具体为：所述多个输入信号分别取决于所述阈值电流和与多个电池单元中每个电池单元的输出电压对应的输出电流的比较结果。
15.根据权利要求12所述的用于控制电池包的电池管理方法，其特征在于，所述电池包包括多个电池模块，其中所述多个电池模块的充电和放电由多个分别对应的控制器控制。
16.根据权利要求12所述的用于控制电池包的电池管理方法，其特征在于，所述电池包包括多个电池模块，其中所述多个电池模块的充电和放电由单个控制器控制。
17.根据权利要求12所述的用于控制电池包的电池管理方法，其特征在于，所述阈值电流是过压阈值电流、低压阈值电流和充电允许阈值电流中的一种。
18.根据权利要求12所述的用于控制电池包的电池管理方法，其特征在于，所述方法还包括：
选择阈值电流，其中可选的阈值电流是过压阈值电流、低压阈值电流和充电允许阈值电流中的一种。
19.根据权利要求18所述的用于控制电池包的电池管理方法，其特征在于，所述选择的阈值电流不受工艺变化或温度变化的影响。
20.根据权利要求12所述的用于控制电池包的电池管理方法，其特征在于，所述逻辑运算包括或非门和与非门中的至少一种。
21.根据权利要求20所述的用于控制电池包的电池管理方法，其特征在于，当所述输出电流大于所述阈值电流时，所述逻辑运算的输入信号是逻辑高输入信号，以及当所述输出电流小于所述阈值电流时，所述逻辑运算的输入信号是逻辑低输入信号。
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