CN103296716A

CN103296716A - 用于电池管理的系统和方法

Info

Publication number: CN103296716A
Application number: CN2013100613307A
Authority: CN
Inventors: W.富特纳
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-02-27
Also published as: CN103296716B; US20130221926A1; US9425631B2; DE102013203320A1

Abstract

本发明涉及用于电池管理的系统和方法。根据一个实施例，一种双向充电电路具有被配置为被耦接到电池单元的电池耦接节点输出、被耦接到电池管理系统的公共节点的输入和被耦接到双向充电电路的控制器。该控制器被配置为在充电模式中操作双向充电电路以将电荷从公共节点转移到电池耦接节点，并且在放电模式中操作双向充电电路以将电荷从电池耦接节点转移到公共节点。

Description

用于电池管理的系统和方法

技术领域

本发明的实施例一般地涉及电子功率转换和方法，并且更加具体地涉及一种用于电池管理的系统和方法。

背景技术

便携式电子装置诸如膝上型电脑、平板计算机和个人多媒体装置经常被配置为从AC/DC电源适配器或者从集成电池组接收电力。这个集成电池组可以包含多个电池单元以向电子装置提供足够的电力。在操作期间，电池单元被充电电路充电和放电。保护电路经常被提供以保护电池单元以免不正确的使用，例如防止锂离子电池被过度加热或者过度充电。进而，将锂离子电池深度放电可以使单元短路，由此使得单元的随后再次充电是不安全的。

经常地，在电池组内的每一个个体单元可以具有不同的充电容量。这个不同的充电容量可以是特意地通过构造或者通过生产公差和/或时效而不同的。对于小的容量差异，经常在电池组管理电路中包括平衡电路从而对于电池组中的每一个具体的电池减轻不同的充电容量和不同的充电和放电率的影响。在很多情形中，带有大的容量差异的单元仅仅被并行地充电和放电。为了支持这点，电池管理系统将经常监视每一个电池的充电水平，并且相应地执行电池管理功能。

在电池组内的不同的单元具有不同的容量的后果之一在于，在特定充电的持续时间上供电总线在操作电压方面具有高度变化。因此，电力系统构件诸如电压调节器被设计成在非常宽的供电电压范围上操作。然而，这种电压调节器的效率可以随着在输入电压和经调节电压之间的差异增加而降低。

发明内容

根据一个实施例，一种双向充电电路具有被配置为被耦接到电池单元的电池耦接节点输出、被耦接到电池管理系统的公共节点的输入和被耦接到双向充电电路的控制器。该控制器被配置为在充电模式中操作该双向充电电路以将电荷从公共节点转移到电池耦接节点，并且在放电模式中操作双向充电电路以将电荷从电池耦接节点转移到公共节点。

附图说明

在以下附图和说明中阐述了本发明的一个或者多个实施例的细节。根据说明和附图并且根据权利要求，本发明的其它特征、目的和优点将是明显的。在图中，贯穿各个视图，相同的附图标记一般地标注相同的构件，为了简洁起见对此将一般地不予再次描述。为了更加完全地理解本发明，现在参考与附图相结合进行的以下说明，其中：

图1a-b示意传统电池管理系统；

图2a-g示意根据本发明的一个实施例的电池管理系统；

图3示意使用单一控制器的、根据另一个实施例的电池管理系统；

图4示意根据进一步的实施例的电池管理系统；

图5a-c示意实施例电池片和示意实施例电池片的操作的波形图；

图6a-c示意带有实施例充电平衡电路的实施例控制器的概图和相应的波形图；

图7示意根据一个可替代实施例的电池片；并且

图8示意根据进一步的可替代实施例的电池片。

具体实施方式

在下面详细地讨论了目前优选的实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供能够在多种特定环境中体现的、很多可应用的创造性概念。所讨论的具体实施例仅仅示意用于制造和使用本发明的具体方式，而非限制本发明的范围。

将在特定环境即用于电池管理的系统和方法中关于示例性实施例描述本发明。本发明的实施例还可以被应用于电源的管理和各种电子功率转换装置诸如开关模式功率转换器装置。

图1a示意用于笔记本计算机的传统供电管理系统100。供电管理系统100包括AC/DC适配器102、电池充电器104、电力路径开关106和电池组107。电力路径开关106选择或者电池组107或者AC/DC适配器102向电力总线108供应电力。电池充电器104使用来自AC/DC适配器102的电力对电池组107充电。在某些情形中，电池组107可以具有被串联连接到一起的多于一个电池单元。例如，电池组107可以具有被串联连接到一起由此给出在大约9V和大约12V之间的输出电压的三个单元。在各种实施例中，输出电压可以关于不同的电池化学性质而改变。例如，在传统的Li离子电池（LiCoO2）中，最低电压为大约3.0V每单元，标称电压为大约3.6V每单元，并且完全充电电压为大约4.2V每单元。其它化学性质可以具有其它电压。该三个单元当这些单元处于低充电条件中时可以输出9V，并且当该三个单元被完全充电时输出12.6V。四个单元例如将产生在大约12V和大约16.8V之间的输出电压。因此，供电总线108的电压可以在代表被串联耦接的三个单元的低电力条件的9V和代表AC/DC适配器102的输出的大约19V之间改变。还可以存在输出更高电压诸如20V的AC适配器，以提供更高电压从而适应完全充电的电池堆加上用于调节的额外净空（headroom）。

供电总线108可以被耦接到在笔记本计算机内存在的各种系统。例如，电力总线108可以被耦接到低压降调节器110、I/O电力112、保活电路114、LCD屏幕116、主电源118、CPU 119、图形电路120和DRAM存储器122。这些电路可以经由电压调节器、低压降调节器或者在LCD屏幕116的情形中升压电路而被耦接到供电总线108。在某些情形中，主电源118、CPU 119、图形电路120和动态存储器122可以具有最高峰值功耗。应该理解，图1a所示实例仅仅是在其中使用电池管理装置的很多类型的系统之一的一个实例。

图1b示意电池充电器104、电力路径开关106和电池组107的细节。电力路径开关106包括在电池组107的输出和AC适配器之间选择的晶体管140和142。电池组107包括被串联耦接的四个电池单元156、158、160和162。电池组还包括用于一级故障保护的熔丝和用于二级故障保护的、带有双向MOSFET 144和146的安全电路148。燃料计152经由电阻器153和个体单元电压监视电池电流从而跟踪每一个电池单元的充电状态和最大容量。

当电力总线108正从AC电源接收电力时被激活的电池充电器104包括具有串联开关晶体管132、并联开关晶体管134、电感器138、串联电流路径感测电阻器R_SENSE和输出电容器150的开关DC/DC转换器。还可以使用线性电压调节器实现电池充电器104。电池充电器104产生对电池组107中的电池单元充电所要求的充电电流和电压。在图1b的实例中，单一充电器负责对所有的四个电池单元156、158、160、162充电。这里，递送给该串中的每一个单元的电荷是相等的。因为单元156、158、160、162可以具有不同的容量，所以使用单元平衡电路154在单元之间重新配置电荷。

图2a示意根据本发明的一个实施例的实施例电池管理系统200。在一个实施例中，电池组被划分成多个片202a、202b和202c。每一个片可以包括一个单元220或者串联和/或并联连接的多个单元，诸如可选的单元221和223。每一个片例如片202a具有它自身的充电器、燃料计和例如由控制器模块208代表的安全电路。电池片202b和202c也可以包含与模块202a类似的电路。

电池片202a具有操作串联开关210和212以及低侧开关214的控制器208。开关连同电感器218一起地形成双向开关模式功率转换器。在一个实施例中，电池管理系统200例如通过感测增加的轨电压而检测AC适配器的存在。当系统200检测到这个增加的轨电压时，电池片202a、202b和202c在将电荷从电力总线222转移到被耦接到每一个分别的双向开关模式功率转换器的、分别的电池单元中的模式中操作。在充电期间，开关元件210、212和214作为降压转换器操作以将来自AC适配器输出的电压降低为适当的单元电压。在一个实施例中，使用MOSFET开关实现开关元件210、212和214；然而，可以以不同的方式诸如双极晶体管、IGBT、结型FET和其它半导体开关装置实现这些开关。电感器218经由高侧开关210和212充电并且然后经由低侧开关214放电直至电流达到零。在采用操作的准谐振模式（QRM）的一个实施例中，电感器218被充电至到电池单元220中的期望平均充电电流的大约两倍的峰值电流。在本发明的可替代实施例中，电感器218可以被充电至期望电池单元充电电流的不同比率。例如，在连续传导模式（CCM）中，在用于电感器的峰值电流和平均电池单元充电电流之间的比率可以小于二，并且在非连续传导模式中，这个比率可以大于二。可替代地，可以在各种CCM、QRM和DCM模式中使用其它比率。在图2b中以图形方式示意了在充电模式期间单一电池片的操作。

在一个实施例中，当没有感测到AC适配器的存在时，电池片202a、202b和202c在放电模式中操作，从而来自单元220的能量被放电到电力总线222。

当没有感测到AC适配器的存在时，通过作为升压转换器操作开关元件210、212和214和电感器218以将来自单元202a的电压增加到在电力总线222处的期望轨电压，在电池片202a、202b和202c内的单元被放电至电力总线222。在一个实施例中，在电力总线222处的电压被控制为大约5V。可替代地，电力总线222可以被控制为实现其它电压。电感器218经由低侧开关214而被充电上至最大电流并且然后经由高侧开关210和212放电直至电流达到零。在采用操作的准谐振模式（QRM）的某些实施例中，这个最大电流可以是来自电池单元220的放电电流的两倍。在本发明的可替代实施例中，电感器218可以被充电至期望电池放电电流的不同比率。例如，在连续传导模式（CCM）中，在用于电感器的峰值电流和平均电池单元放电电流之间的比率可以小于二，并且在非连续传导模式中，这个比率可以大于二。

在图2c中以图形方式示意了在放电模式期间单一电池片的操作。

在一个实施例中，片202a、202b和202c可以在其中电力总线222的加载和供应在360°循环内展开以改进负载响应并且降低电磁干扰（EMI）的相位交错模式中操作。在一个实施例中，电力轨222的加载和供应以360°/n交错，其中n是片的数目。在图2示意的实施例中，n=3。

在一个实施例中，每一个个体片的控制器可以相互通信从而对准用于交错操作的相位。片202a、202b和202c还可以交换数据诸如每一个片的最大容量从而使得能够为充电和放电操作实现电荷平衡。而且，片202a、202b和202c可以同步化它们的DC/DC转换以改进负载响应。在本发明的可替代实施例中，可以使用单一集成控制器来控制在多个电池片内的开关。

图2d示意如由图2b的概图示出的实施例电池管理系统200（图2）的充电操作。电流I₀代表电池片202a的充电电流，电流I₁代表电池片202b的充电电流，并且电流I₂代表电池片202c的充电电流。图2e，在另一方面，示意如由图2c的概图示出的实施例电池管理系统200的放电操作。如在图2d和2e中所示，电流I₀、I₁和I₂被定相从而每一个充电电流被布置成相互隔开360°/3=120°。在可替代实施例中，在I₀、I₁和I₂之间的定相关系可以被不同地错列，或者某些或者所有的电流可以是相互同相的。标为“a”的波形部分指示通过高侧开关210和212流动的电流，并且标为“b”的波形部分指示通过低侧开关214流动的电流。

图2f示意用于电池片202a的保护模式。在保护模式中，开关元件210、212和214切断以防止单元220的充电和放电。在某些实施例中，仅仅开关210和212之一被禁用。可以例如在采用锂离子电池的系统中使用在图2f中示意的实施例保护模式。在一个实施例中，保护模式被控制器208激活以防止可以导致锂离子电池损坏、破坏和/或过热的、在锂离子电池上的过电压、过充电电流、过放电电流或者过温度。

图2g示意其中开关晶体管210和212被永久地关闭并且开关晶体管214被永久地打开从而使得电池单元220能够放电的、用于电池片202a的放电模式。可以例如为了避免开关损耗和/或当不期望任何电池电压转换时激活实施例放电模式。在这个模式中，电力总线电压可以接近电池电压。

图3示意根据本发明一个可替代实施例的电池管理系统300，其中使用单一控制单元302向片310a、310b和310c提供控制信号。充电单元302可以被置放在单一集成电路上或者在多个集成电路上。通过在一个集成电路上包括控制单元302，可以实现资源诸如某些I/O插脚或者中央控制器电路的共享，由此便于在这些片之间的通信。控制单元302还可以包括放电控制、安全功能性、燃料计和用于供应其它功能性的电路。而且，在某些实施例中，开关元件210、212和214可以全部地或者部分地与控制器302集成。

图4示意根据本发明一个可替代实施例的电池管理系统400，其中电池单元片经由多个变压器耦接的反激转换器而被耦接到AC电源。电池管理系统400具有包括经由次级绕组412a、412b和412c而被耦接到初级绕组410的电池单元420a、420b和420c的三个电池片。从控制器（未示出）向低侧开关晶体管402、404a、404b和404c提供控制信号，其以允许充电或者放电电池单元420a、420b和420c的方式排序开关。应该进一步理解，可以在本发明的可替代实施例中采用其它功率转换体系，例如SEPIC、Split-Pi、Cuk、半桥、全桥、LLC和其它体系。控制器（未示出）可以为了电流测量意图而使用电阻器422a、422b和422c。

图5a-c示意根据本发明的一个实施例的单一双向供电片。应该理解，图5a所示实施例的多个片可以被组合以形成单一实施例电池管理系统。进而，供电片的操作的细节可以被应用于具有操作多个电池片的单一控制器的实施例。

图5a示意被耦接到具有控制电路502、高侧开关晶体管210和212、低侧开关晶体管214和串联电感器218的双向开关模式供电片500的电池单元220。双向开关模式供电片500还具有与电流感测电阻器216协作地用于创建提供电池单元220的充电或者放电电流指示的、与电阻器216两侧的电压成比例的电压或者电流的放大器504。控制电路502进一步具有向控制电路502提供电压反馈路径的、被耦接到电压U_BAT的输入。放大器504的输出和电压U_BAT可以用于提供反馈以控制在充电期间的电压U_BAT和在放电期间的电压U_RAIL。在一个实施例中，开关晶体管210和212被漏极间连接从而它们的本体寄生二极管211和213具有相反的极性，这在采用MOSFET开关的实施例中允许双向电流控制。

图5b示意实施例控制电路502。控制电路502具有比较外部AC供电输入U_EXT与基准电压U_{EXT_MIN}的比较器510。在一个实施例中，当电压U_EXT大于最小允许的AC适配器输出电压例如5V时，电池电力管理系统被置于其中电池单元220被充电的充电模式中。在另一方面，如果电压U_EXT小于最小电力总线电压例如4.75V，则电池电力管理系统被置于其中电池单元220以电压U_RAIL供应系统的放电模式中。在本发明的可替代实施例中，可以根据具体应用及其规格使用其它阈值电压。

在一个实施例中，计算模块512确定用于控制用以对电池220充电或者放电的电流的开关信号的振荡周期t_PER（或者脉冲频率）和脉冲宽度t_ON。如果信号CV/CC处于第一状态例如高中，则电池片500在其中在充电期间为电池供给恒定电压的恒定电压模式中操作。如果信号CV/CC处于第二状态例如低中，则电池片500在恒定电流模式中操作。在某些实施例中，起初当电池为空时，电池片500在恒定电流模式中操作从而对电池单元220充电。一旦电池单元220达到某个阈值，例如大约4.1V的标称电荷电压，电池片500便在恒定电压模式中操作。应该理解，在可替代实施例中除了4.1V可以使用其它标称电压。输入I_MAX被用于通过开关元件限制峰值电流。

在一个实施例中，在放电模式期间计算模块512使用供应轨电压U_RAIL以通过经由反馈控制来调节脉冲宽度调制开关信号的脉冲宽度或者接通时间而将供应轨电压U_RAIL设定为具体电压。类似地，在充电模式期间计算模块512使用电池单元220电压U_BAT以通过经由反馈控制来调节脉冲宽度调制开关信号的脉冲宽度或者接通时间而将电池单元220电压U_BAT设定为具体电压。在一个实施例中，供应轨电压U_RAIL被设定为在大约5V之间并且电池单元220电压U_BAT被设定为在大约4.1V和大约4.2V之间。在本发明的可替代实施例中，可以根据系统及其具体规格使用其它电压和电压范围。当系统在恒定电流模式中操作时，例如当被CV/CC信号选择时，在充电模式期间计算模块512使用充电电流信号I_CHG以通过经由反馈控制来调节脉冲宽度调制开关信号的脉冲宽度或者接通时间而将充电电流设定为由I_CHG代表的电流。在某些实施例中，还可以类似地控制电池单元的放电电流。

在一个实施例中，计算模块512使用信号L以根据电感器218的幅值调节开关信号的振荡周期t_PER和脉冲宽度t_ON。在一个实施例中，信号L是指示电感器218的电感值的数字字。在下面解释了这个电感值的使用。

比较器524比较电压U_RAIL与阈值电压U_{RAIL_MIN}。如果比较器524确定U_RAIL小于阈值U_{RAIL_MIN}，则经由AND（与）门512断言（assert）DIS_{_}EN。然后完成可能地运行的充电循环直至电感器电流为零并且随后执行放电循环。对于放电循环，电感器首先对于持续时间t_ON经由输出相位

Figure 2013100613307100002DEST_PATH_IMAGE001

₀利用开关214进行泵浦（pump）并且然后经由

₁和

₂利用开关210和212放电。比较器526通过比较U_BAT与阈值U_{BAT_MIN}而监视电池电压U_BAT。

如果U_BAT小于U_{BAT_MIN}，则经由AND门520断言CHG_{_}EN。然后完成可能地运行的放电循环直至电感器电流为零并且随后执行充电循环。对于充电循环，电感器首先对于持续时间t_ON经由输出相位

₁和

₂利用开关210和212进行泵浦并且然后经由

₀利用开关214和212向电池单元中放电。在本发明的实施例中，用于U_{RAIL_MIN}（例如4.75V）和U_{BAT_MIN}（例如4.1V）的具体电压是根据具体系统的规格和要求的。例如，在一个实施例中，U_{RAIL_MIN}可以被设定为大约4.75V，并且U_{BAT_MIN}可以被设定为大约4.1V。可替代地，U_{RAIL_MIN}和U_{BAT_MIN}可以被设定为其它电压。可以通过将PROT_{_}n设定为低而禁用充电和放电这两者。

过零检测器522检测通过电阻器216（图5a）的测量电流的过零点，并且可以被用于控制脉冲宽度调制器模块516的开关。过零检测器522还可以被用于在谐振模式或者准谐振转换模式中操作电池片500。

振荡器514向脉冲宽度调制模块516提供触发信号TRG。在本发明的一个实施例中，振荡器514提供在大约20kHz和大约500kHz之间的开关频率。可替代地，根据具体应用及其规格，可以使用其它频率范围。

图5c示意了示意电池片500（图5a）的操作的波形图。当U_EXT大于U_{EXT_MIN}时，双向功率转换器在充电模式中操作。每当在CHG_EN被断言时TRG的上升沿发生，串联开关控制信号

1变高，由此对电感器218充电。当电流I_BAT达到最大电流I_PEAK时，控制信号

1变低并且低侧晶体管控制信号

0变高，由此对电感器218放电。控制信号

0保持是高的直至信号ZXD指示I_BAT已经达到过零，在该时间控制信号

0变低从而切断低侧开关晶体管214。该循环在TRG的上升沿处再次重复。在一个实施例中，如果TRG在过零之前发生，则

0立即变低并且循环从头开始。

当U_EXT小于U_{EXT_MIN}时，功率转换器在放电模式中操作。每当在DIS_{_}EN被断言时TRG的上升沿发生，低侧开关控制信号

0变高，由此沿着与在充电模式中的充电方向相反的方向对电感器218充电。当电流I_BAT达到负向最大电流I_PEAK时，控制信号

0变低并且串联晶体管控制信号

2变高，由此对电感器218放电。控制信号

2保持是高的直至信号ZXD指示I_BAT已经达到过零，在该时间控制信号

2变低从而切断串联开关晶体管210。该循环在TRG的上升沿处再次重复。在一个实施例中，如果TRG在过零之前发生，则

2立即变低并且该循环从头开始。

图6a示意为三个双向供电片提供开关控制信号的实施例多片电池管理控制器600。在一个实施例中，计算模块602确定振荡器604的振荡时间周期t_PER和脉冲宽度调制器614a、614b和614c的脉冲宽度t_ON，每一个脉冲宽度调制器如上所述向它们分别的双向开关模式功率转换器提供开关控制信号。振荡器604提供定相输出信号：在0°处的TRG0、在120°处的TRG1和在240°处的TRG2。应该理解，根据具体应用及其规格，控制器600可以具有任何数目的个体脉冲宽度调制模块。在这种实施例中，振荡器模块604的输出的定相可以贯穿单一振荡周期均匀地分布。在一个实施例中，信号TRG0为脉冲宽度调制器614a提供触发信号，TRG1为脉冲宽度调制器614b提供触发信号，并且TRG2为脉冲宽度调制器614c提供触发信号。

电荷平衡模块630可以被用于支持具有不同容量的电池。这样，电荷可以在两个或者更多片之间得到平衡。即便两个电池起初被配置为具有相同的容量，生产差异也可以引起每一个电池的容量的差异。在一个实施例中，可以通过电感器值的选择完成一级电荷平衡。例如，具有更低容量的电池可以被与具有更高电感值的电感器串联耦接从而适应源自它的分别的脉冲宽度调制模块的、类似的脉冲宽度。利用图6b的电路图和图6c的波形图示意了这个效果。图6b示出具有相对电池容量α的电池单元220和以α的倒数缩放的电感器218。电流a在第一阶段期间通过高侧开关210和212和电感器218流动，并且电流b在第二阶段期间通过低侧开关214流动。能够根据图6c的波形图看到，与电池单元的充电容量成反比地缩放电感器给出类似的t_ON时间。

可以通过调节每一个分别的电池片中的每一个分别的电感器来规范化用于每一个电池片的初始LQ乘积从而用于每一个电池片的LQ乘积是大致相同的。然而，应该理解，在本发明的可替代实施例中，还可以在同一系统内使用不同的LQ乘积。可以进一步根据分别的电池单元的测量电荷或者分别的电池单元的剩余可用容量来修改用于具体电池片的开关控制信号的相对脉冲宽度。例如，可以使用电荷平衡来在增加其余电池单元的放电率时降低具有更低剩余容量的电池的放电率从而维持恒定的放电率。在一个实施例中，这可以通过基于剩余单元容量乘以电感值（用于放电的瞬时LQ乘积）的平均值调节具体控制信号的脉冲宽度而对于放电实现。在一个实施例中，这可以通过基于未用单元容量乘以电感值（用于充电的瞬时LQ乘积）的平均值调节具体控制信号的脉冲宽度而在充电期间实现。

返回图6a，在一个实施例中，电荷平衡模块630调节由计算模块602产生的脉冲宽度t_ON以产生分别地被耦接到脉冲宽度调制模块614a、614b和614c的脉冲宽度控制信号t_ON0、t_ON1和t_ON2。在一个实施例中，脉冲宽度控制信号t_ON被乘以代表电池电荷和电感的乘积的因子。例如，在放电模式期间在第一通道中，t_ON被乘以代表在第一片的电池中剩余的实际充电水平的QACT0和代表功率转换器的串联电感（例如在图5a中的电感器218）的L0的乘积。在充电模式期间，L0被乘以（QMAX0-QACT0），其中QMAX0代表电池的最大容量。在第二和第三通道中进行类似的计算。

在一个实施例中，复用器606a、606b和606c针对每一个分别的通道（电力总线）在QACT和在QMAX和QACT之间的差异之间选择并且乘法器608a、608b和608c将复用器606a、606b和606c的输出与分别的电感器值L0、L1和L2相乘。在一个实施例中，电感器值L0、L1和L2可以是数字值。平均瞬时LQ乘积使用求和器616求和，使用模块628计算倒数，并且利用乘法器620将该倒数乘以通道的数目（在此情形中3）以形成电荷平衡调节信号。乘法器620的输出经由乘法器612a、612b和612c乘以每一个通道的瞬时LQ乘积，乘法器的输出受限幅器632a、632b和632c限制以形成脉冲宽度调节信号。复用器634a、634b和634c当信号BAL被断言——指示电荷平衡模块630工作从而t_ON得到调节时，选择限幅器632a、632b和632c的输出，或者当信号BAL不被断言——指示电荷平衡模块630不工作并且t_ON未被调节时选择统一值。乘法器610a、610b和610c将分别的复用器634a、634b和634c的输出与t_ON相乘以形成经调节的脉冲宽度控制信号t_ON0、t_ON1和t_ON2。在某些实施例中，在恒定电压充电模式期间BAL信号不被断言从而由CHG_EN信号执行充电控制。

在一个实施例中，限制模块632a、632b和632c确保在异常变化条件下例如：当一个单元为空并且另一个为满时；当Q_ACT接近用于放电条件的零和接近用于充电条件的一时；或者在某些电荷失配条件下t_ON的经调节的值保留在标称操作范围内。在一个实施例中，限制模块632a、632b和632c的限幅极限关于下界被设定为大约0.95并且关于上界被设定为大约1.05。可替代地，可以根据具体系统及其要求来应用其它极限。在某些实施例中，可以省略限制模块632a、632b和632c。

应该理解，电荷平衡模块630的实现只是可能的实现的一个实例。在本发明的可替代实施例中，可以以各种不同的方式实现在电荷平衡模块630内的各种模块。例如，在一个实施例中，可以使用专用数字硬件诸如数字复用器、数字乘法器等实现乘法器、复用器行话和倒数模块。可替代地，可以使用微控制器或者数字信号处理器实现这些模块。在进一步的实施例中，可以使用模拟信号处理技术或者模拟和数字信号处理技术的组合来实现电荷平衡模块630的功能。可替代地，可以使用其它在功能上等价的结构。

图7示意具有在串联开关708和710从电池单元712的相对侧上耦接的串联电感器704和低侧开关706的、根据一个可替代实施例的电池单元片700。在某些实施例中，可以包括可选的串联单元714或者进一步的并联单元（未示出）。控制器702产生用于开关706、708和710的控制信号从而双向转换器在对单元712充电时功能用作升压转换器并且在对单元712放电时功能用作降压转换器。电池片700可以被用作用于具有多个片的实施例电池管理系统的片架构。可以在其中期望低于电池电压的轨电压或者其中在放电期间期望降压转换器的更高效率的系统中使用片架构700。

图8示意根据进一步的可替代实施例的电池片800。电池片具有被用于从电力总线222对单元812充电的串联单一开关806、低侧开关808和电感器810。可以在某些实施例中包括可选的并联电池822。使用具有开关813、814、电感器816和电容器818的降压转换器提供用于单元812的另外的放电路径以直接地向被连接到总线V_CPU的具有高功耗的负载高效地提供电力。二级保护模块820感测电池单元812和822的安全性相关参数诸如过电压、过电压和过温度条件，并且在这些参数指示发生不安全的操作的情形中熔断熔丝830。在一个实施例中，控制器804产生如上所述地引起电池单元812被充电和放电的开关信号。电池片800可以被用作用于具有多个片的实施例电池管理系统的片架构。片架构800可以被用于向具有小于电池单元812的电压的供应电压的低电压电力总线提供电力。例如，当电池单元812是具有在3.6V和3.7V之间的标称充电电压的锂离子电池并且电力总线V_CPU供应1.8V或者1V逻辑时可以使用片架构。

根据一个实施例，双向充电电路具有被配置为被耦接到电池单元的电池耦接节点输出、被耦接到电池管理系统的公共节点的输入和被耦接到双向充电电路的控制器。该控制器被配置为在充电模式中操作双向充电电路以将电荷从公共节点转移到电池耦接节点，并且在放电模式中操作双向充电电路以将电荷从电池耦接节点转移到公共节点。

在一个实施例中，该双向充电电路包括具有串联开关、并联开关和串联电感器的双向升降压转换器。在某些实施例中，该控制器被配置为在放电模式期间独立地控制在公共节点处的输出电压，并且在充电模式期间独立地控制对双向充电电路的充电。

根据另一个实施例，一种电池管理系统包括多个双向充电电路和被耦接到该多个双向充电电路的控制器。每一个双向充电电路具有被配置为被耦接到该多个电池中的相应的电池的分别的电池耦接节点输出、和被耦接到电池管理系统的公共节点的输入。该控制器被配置为在充电模式中操作该多个双向充电电路以将电荷从公共节点转移到分别的电池耦接节点，并且在放电模式中操作该多个双向充电电路以将电荷从分别的电池耦接节点转移到公共节点。

在一个实施例中，该多个双向充电电路被并联耦接。在某些实施例中，该多个双向充电电路中的每一个包括双向升降压转换器诸如向前降压向后升压转换器。该充电电路可以包括串联开关、并联开关和串联电感器。该控制器可以被配置于串联开关以保护该多个电池中的至少一个。在某些实施例中，该控制器包括被耦接到该多个双向充电电路的开关输入的开关输出。该控制器可以在不同的阶段中激活该多个双向充电电路的开关输入。在某些实施例中，该不同的阶段贯穿振荡周期均匀地分布。在一个实施例中，每一个双向充电电路在准谐振转换模式中操作。

在一个实施例中，该控制器被配置为在放电模式期间独立地控制在公共节点处的输出电压，并且该控制器被配置为在充电模式期间独立地控制每一个双向充电电路的充电。在一个实施例中，该控制器被配置为执行该多个电池的电荷平衡。

根据进一步的实施例，用于电池管理系统的控制器包括多个脉冲宽度调制器、供电轨控制电路和多个电池充电控制电路。该多个脉冲宽度调制器被配置为被耦接到在供电轨和相应的多个电池之间耦接的相应的多个按并联双向开关电源。该多个脉冲调制器中的每一个具有被配置为在充电模式中和在放电模式中操作相应的双向开关电源的开关输出，供电轨控制电路被配置为在充电模式期间控制供电轨的电压。该多个电池充电控制电路被配置为在放电模式期间对于相应的多个电池中的每一个控制充电电压或者充电电流。

在一个实施例中，该控制器还包括被配置为根据相应的多个电池中的每一个的充电水平调节相应的多个电池中的每一个的充电和放电的电荷平衡电路。在一个实施例中，该电荷平衡电路调节该多个脉冲调制器中的每一个的接通时间。在充电模式期间，该电荷平衡电路可以根据在相应的电池的最大充电水平和剩余充电水平之间的差异调节脉冲调制器的接通时间。在充电模式期间，电荷平衡电路根据相应的电池的剩余充电水平调节脉冲宽度调制器的接通时间。

在一个实施例中，在充电模式期间，该电荷平衡电路进一步根据每一个相应的电池上的最大充电水平和剩余充电水平之间的差异之和调节脉冲调制器的接通时间。在充电模式期间，电荷平衡电路进一步根据每一个相应的电池上的剩余充电水平之和调节脉冲调制器的接通时间。在一个实施例中，该控制器被置放在集成电路上。在某些实施例中，该系统包括该多个并联双向开关电源。在某些实施例中该控制器可以被置放在移动终端的电池管理系统内。

在一个实施例中，一种操作在公共电力节点中被耦接到相应的电池的多个并联连接的双向电源电路的方法包括操作该多个双向电源电路和充电模式。在充电模式中操作多个双向电源电路包括开关被耦接到双向电源电路的开关信号以将电荷从公共电源节点转移到每一个相应的电池。该方法还包括在放电模式中操作该多个双向电源电路，这包括排序被耦接到双向电源电路的开关信号以将电荷从每一个相应的电池转移到公共电源节点并且使用反馈来控制在公共电源节点处的电压。

在一个实施例中，在放电模式中操作该多个双向开关包括相对于彼此错列双向电源的开关信号的相位。操作该多个双向电源电路和充电模式进一步包括根据在每一个相应的电池的最大充电水平和每一个相应的电池的实际充电水平之间的差异独立地调节每一个双向电源电路的充电率。

在一个实施例中，在放电模式中操作该多个双向电源电路进一步包括根据每一个相应的电池的实际充电水平独立地调节每一个双向电源电路的放电率。在一个实施例中，该方法进一步包括在该多个双向电源电路之间执行电荷平衡。执行电荷平衡包括根据在相应的电池中剩余的电荷与在所有的相应的电池中剩余的总电荷的比率独立地调节每一个个体双向电源电路的充电率和放电率。

实施例的优点包括以各种灵活的配置实现由具有不同容量的多个单元制成的电池子系统的能力。例如，不同的片可以具有被相互并联耦接的、不同数目的电池单元。这可以是具有在其中放置电池单元的固定空间量的有利的电池系统。在一个实例中，通过使用奇数个并联电池单元或者各种不同尺寸的不同单元，整个电池空间可以被完全地填充。每一个单元可以被个体地配置并且操作电荷被平衡从而增强每一个个体单元或者每一个个体电池片的效率和容量。

实施例的另一个优点包括控制输出供电总线的电压的能力。在某些实施例中，控制输出供电总线的电压使得能够特别地在具有线性调节器的实施例中实现更加高效的系统操作。对于在带有较低的供电总线电压的移动终端中使用的实施例而言，这是特别有利的。进而，因为上转换和下转换比率较低，所以较低的供电总线电压允许更加高效的开关模式供电转换。例如，在一个实施例中，与在传统系统中的9V到19V相比较，电力总线电压可以被控制为大约5V，这可能就效率而言是有利的。然而，应该理解，本发明的实施例还可以被用于控制电力总线电压其它电压，诸如9V到19V或者在适当的情况下甚至更高。

对于低功率应用（包括但是不限于使用较低配电电压的移动终端，诸如笔记本计算机、上网本、超级本、平板计算机）而言，本发明的某些实施例是特别有利的。应该理解，实施例不限于低电压、低功率应用，并且还可以针对利用更高电压和/或更高功率的其它应用。

进一步的优点包括具有独立于电池电压的供电轨电压的能力。再进一步的优点包括在电力路径中开关元件和电阻性元件的数目降低。例如，在某些实施例中图1b所示开关142是不必要的。

在某些实施例中，上述优点可以导致效率增加、降低复杂度、降低成本并且证明实施例电池管理系统的可扩展性。

进一步的优点包括电池管理系统即使在存在有缺陷的电池单元和/或有缺陷的电池片时也保持操作的能力。进而，在某些实施例中，充电算法可以驻留在电池组自身中；因此，在主机侧上可以不要求任何充电器，由此使得安全性增加。例如，在电池组中的电荷可以被电池制造商编程并且能够因此比在主机系统中的通用充电器更加适合于电池单元。进一步的优点包括由于用于电池片的控制信号的多相性质而在充电期间的较低电磁干扰（EMI）。

基本采用模拟和逻辑电路构件描述了用于形成控制器的在这里描述的过程和相关方法。在本发明的宽泛范围内考虑到某些过程和相关方法可以使用数字电路技术诸如通过采用微控制器或者数字信号处理器来实现。

虽然已经主要地结合具体的示例性实施例示出并且描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，能够在不偏离如由所附权利要求限定的本发明的实质和范围的情况下在其配置和细节方面实现各种改变。本发明的范围因此由所附权利要求确定，并且意在权利要求要涵盖处于权利要求的含义范围和等价范围内的全部更改。

Claims

1.一种电池管理系统，包括：

双向充电电路，具有被配置为被耦接到电池单元的电池耦接节点输出和被耦接到所述电池管理系统的公共节点的输入；和

被耦接到所述双向充电电路的控制器，所述控制器被配置为：

在充电模式中操作所述双向充电电路以将电荷从所述公共节点转移到所述电池耦接节点，并且

在放电模式中操作所述双向充电电路以将电荷从所述电池耦接节点转移到所述公共节点。

2.根据权利要求1所述的电池管理系统，其中所述双向充电电路包括具有串联开关、并联开关和串联电感器的双向升降压转换器。

3.根据权利要求1所述的电池管理系统，其中：

所述控制器被配置为在所述放电模式期间独立地控制在所述公共节点处的输出电压；并且

所述控制器被配置为在所述充电模式期间独立地控制对所述双向充电电路的充电。

4.一种电池管理系统，包括：

多个双向充电电路，每一个双向充电电路具有被配置为被耦接到多个电池中的相应的电池的分别的电池耦接节点输出和被耦接到所述电池管理系统的公共节点的输入；和

被耦接到所述多个双向充电电路的控制器，所述控制器被配置为：

在充电模式中操作所述多个双向充电电路以将电荷从所述公共节点转移到所述分别的电池耦接节点，并且

在放电模式中操作所述多个双向充电电路以将电荷从所述分别的电池耦接节点转移到所述公共节点。

5.根据权利要求4所述的电池管理系统，其中所述多个双向充电电路被并联耦接。

6.根据权利要求4所述的电池管理系统，其中所述多个双向充电电路中的每一个包括双向升降压转换器。

7.根据权利要求6所述的电池管理系统，其中所述多个双向充电电路中的每一个包括串联开关、并联开关和串联电感器。

8.根据权利要求7所述的电池管理系统，其中所述控制器进一步被配置为切断所述串联开关以保护所述多个电池中的至少一个。

9.根据权利要求4所述的电池管理系统，其中所述控制器包括被耦接到所述多个双向充电电路的开关输入的开关输出。

10.根据权利要求9所述的电池管理系统，其中所述控制器在不同的阶段中激活所述多个双向充电电路的所述开关输入。

11.根据权利要求4所述的电池管理系统，其中：

所述控制器被配置为在所述充电模式期间独立地控制每一个所述双向充电电路的充电。

12.根据权利要求11所述的电池管理系统，其中所述控制器被配置为执行所述多个电池的电荷平衡。

13.根据权利要求4所述的电池管理系统，其中每一个所述双向充电电路在准谐振转换模式中操作。

14.一种用于电池管理系统的控制器，包括：

多个脉冲调制器，被配置为被耦接到在供电轨和相应的多个电池之间耦接的相应的多个并联双向开关电源，所述多个脉冲调制器中的每一个具有被配置为在充电模式中和在放电模式中操作相应的双向开关电源的开关输出；

供电轨控制电路，被配置为在所述充电模式期间控制所述供电轨的电压；和

多个电池充电控制电路，被配置为在所述放电模式期间对于所述相应的多个电池中的每一个控制充电电压或者充电电流。

15.根据权利要求13所述的控制器，进一步包括被配置为根据所述相应的多个电池中的每一个的充电水平调节所述相应的多个电池中的每一个的充电和放电的电荷平衡电路。

16.根据权利要求15所述的控制器，其中所述电荷平衡电路调节所述多个脉冲调制器中的每一个的接通时间。

17.根据权利要求16所述的控制器，其中：

在所述充电模式期间，所述电荷平衡电路根据在所述相应的电池的最大充电水平和剩余充电水平之间的差异调节脉冲调制器的接通；并且

在所述充电模式期间，所述电荷平衡电路根据相应的电池的剩余充电水平调节所述脉冲调制器的接通时间。

18.根据权利要求17所述的控制器，其中：

在所述充电模式期间，所述电荷平衡电路进一步根据每一个相应的电池上的最大充电水平和剩余充电水平之间的差异之和调节脉冲调制器的接通；并且

在所述充电模式期间，所述电荷平衡电路进一步根据每一个相应的电池上的剩余充电水平之和调节脉冲调制器的接通。

19.根据权利要求13所述的控制器，其中所述控制器被置放在集成电路上。

20.根据权利要求13所述的控制器，进一步包括所述多个并联双向开关电源。

21.根据权利要求20所述的控制器，其中所述多个并联双向开关电源中的每一个包括至少一个开关和至少一个电感器。

22.根据权利要求13所述的控制器，其中所述控制器进一步包括所述并联双向开关电源的开关。

23.根据权利要求13所述的控制器，其中所述控制器被置放在移动终端的电池管理系统内。

24.一种操作多个并联连接的双向电源电路的方法，每一个所述双向电源电路被耦接到相应的电池和公共电源节点，所述方法包括：

在充电模式中操作所述多个双向电源电路，在所述充电模式中操作所述多个双向电源电路包括排序被耦接到所述双向电源电路的开关信号以将电荷从所述公共电源节点转移到每一个相应的电池；和

在放电模式中操作所述多个双向电源电路，在所述放电模式中操作所述多个双向电源电路包括：

排序被耦接到所述双向电源电路的开关信号以将电荷从每一个相应的电池转移到所述公共电源节点，和

使用反馈来控制在所述公共电源节点处的电压。

25.根据权利要求24所述的方法，其中：

在所述放电模式中操作所述多个双向电源电路包括相对于彼此错列所述双向电源的所述开关信号的相位。

26.根据权利要求24所述的方法，其中在所述充电模式中操作所述多个双向电源电路进一步包括根据在每一个相应的电池的最大充电水平和每一个相应的电池的实际充电水平之间的差异独立地调节每一个双向电源电路的充电率。

27.根据权利要求24所述的方法，其中在所述放电模式中操作所述多个双向电源电路进一步包括根据每一个相应的电池的实际充电水平独立地调节每一个双向电源电路的放电率。

28.根据权利要求25所述的方法，进一步包括在所述多个双向电源电路之间执行电荷平衡，执行电荷平衡包括根据在相应的电池中剩余的电荷与在所有的相应的电池中剩余的总电荷的比率独立地调节每一个个体双向电源电路的充电率和放电率。