CN103683373A - 电池平衡电路和使用其的电池平衡方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种电池单元平衡系统。在一个实施例中，该系统包括串联排列的多个电池单元，以及电源，该电源被配置为接收电池单元的累积电压并且向具有低于参考电压的电压的电池单元之一输出第一充电电压。根据一个实施例，有可能使用电池单元的累积电压实施电池平衡操作。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年9月6日在美国专利商标局提交的美国临时申请第61/697,686号，以及于2013年2月4日在美国专利商标局提交的美国非临时申请第13/758,383号的优先权，其全部公开通过引用结合于此。
技术领域
所描述的技术一般涉及主动电池平衡（active cell balancing）电路和使用其的电池平衡方法。
背景技术
随着诸如蜂窝电话和笔记本计算机的便携式电子设备的发展，已经积极地开展了对可充电电池的研究。特别是，已经开发了各个种类的二次电池，如镍镉电池、铅蓄电池、镍氢（NiMH）电池、锂聚合物电池、金属锂电池和锌-空气蓄电池。这样的二次电池通常与电路组合以构成电池组，并且经由电池组的外部端子来执行充电和放电。
电池组一般包括电池单元和具有充电/放电电路的外围电路。外围电路一般被制造成印刷电路板，然后耦合至电池单元。如果外部电源经由电池组的外部端子连接至电池组，电池单元就通过经由外部端子和充电/放电电路提供的外部电力来充电。如果负载通过外部端子连接至电池组，则执行这样的操作：电池单元的电力经由充电/放电电路和外部端子被提供给负载。在这种情况下，充电/放电电路控制外部端子和电池组之间的电池单元的充电/放电。一般来说，多个电池单元以串联和并联方式连接，以便适合负载的消耗能力。
发明内容
一个发明方面是电池平衡电路和使用其的电池平衡方法，该电池平衡电路具有用于接收串联连接的多个电池单元的总电压的隔离电源，其中充电电压通过隔离电源被施加到具有低于参考值的电压的电池单元，从而有可能使用100%的电池单元的容量。
另一方面是电池平衡电路，包括：串联耦合的多个电池单元；分别连接至电池单元的（+）端子和（-）端子的开关对；隔离电源，其接收通过输入级施加的电池单元的总电压，并且具有耦合至开关对的输出级；以及控制器，其控制开关对的接通/断开和隔离电源的操作。
耦合至电池单元中的每个开关对可以独立地操作，并且对于每个电池单元可以是彼此分离的。
构成开关对的两个开关可以被同时接通/断开。
控制器执行通过单独地控制开关对测量与开关对相对应的每个电池单元的电压以及将测量的每个电池单元的电压与预定的参考值进行比较的操作。
还可以在所有串联耦合的电池单元的（+）端子和位于隔离电源的输入级的（+）端子之间提供控制开关。
隔离电源可以接收施加到隔离电源的输入级的电池单元的总电压，并调节在隔离电源中提供的变压器的匝数比或者通过提供在隔离电源中的电力控制器控制开关时间。因此，隔离电源将输入的总电压转换为预定电压，并将转换后的预定电压提供给耦合至输出级的相应的电池单元。
还可以在隔离电源和开关对之间提供充电器。
充电器可以被实施为DC/DC转换器。充电器可以接收从隔离电源输出的电压作为输入电压，将接收到的电压转换为适合要求充电的电池单元的电压，并输出转换后的电压作为输出电压。
耦合至所有电池单元的（-）端子的第一地电压与耦合至位于隔离电源的输出级的（-）端子的第二地电压是在物理上彼此分离的不同的电压。
另一个方面是电池平衡方法，包括：通过顺序地接通分别耦合至串联耦合的多个电池单元的（+）端子和（-）端子的开关对来感测每个电池单元的电压；将测量的每个电池单元的电压转发到控制器，以便与预定参考值进行比较，并且当电池单元的电压低于参考值时，执行将充电电压施加到特定的电池单元的电池平衡操作，其中，电池平衡操作通过使用电池单元的总电压为具有低电压的电池单元充电来实施。
电池平衡操作可以通过使用隔离电源将充电电压施加到具有低于参考值的电压的电池单元来操作。
每个电池单元的电压的感测可以通过在电压测量时段期间使用控制器顺序地接通开关对来实施。
与具有低于参考值的电压的电池单元相对应的开关对可以被接通，以便电池单元的（+）端子和（-）端子被耦合至隔离电源的输出级，由此将从隔离电源输出的充电电压施加到电池单元。
当执行其中将充电电压施加到电池单元的电池平衡操作时，所有耦合至其它电池单元的开关可以被断开。
可以通过将来自控制器的使能（enable）信号施加到隔离电源来执行电池平衡操作。
另一个方面是电池单元平衡系统，包括：串联排列的多个电池单元；以及电源，其被配置为接收电池单元的累积电压，并将第一充电电压输出至具有低于参考电压的电压的电池单元之一。
上述系统还包括多个开关对，每个开关对分别连接至每个电池单元的正端子和负端子，其中，每个开关对被配置为选择性地接通，并且其中，电源还被配置为经由接通的开关对向电池单元提供第一充电电压。在上述系统中，每个开关对与其余的开关对相分离。
在上述系统中，电池单元具有布置在其相对端的正端端子（positive endterminal）和负端端子（negative end terminal），并且其中，电源包括1）分别连接至正端端子和负端端子的第一输入端子和第二输入端子，以及2）电连接至开关的输出端子。
上述系统还包含控制开关，其布置在1）正端端子和负端端子之一与2）电源的第一输入端子和第二输入端子之一之间。上述系统还包括电连接至开关和电源的输出端子的充电器，其中，充电器被配置为从电源接收第一充电电压并将接收到的电压转换为第二充电电压。
在上述系统中，第一充电电压大于第二充电电压。上述系统还包括：电连接至电池单元的负端端子的第一地电压源；不同于第一地电压源的并且电连接至电源的输出端子的第二地电压源。在上述系统中，电源还包括线圈型变压器，并且其中，电源被配置为调节变压器的匝数比，以便将接收到的电压转换为第一充电电压。
上述系统还包含控制器，该控制器被配置为确定具有低于参考电压的电压的电池单元，并且控制开关以便耦合至所确定的电池单元的正端子和负端子的开关对被接通，而其余的开关被断开。在上述系统中，控制器还被配置为测量电池单元的电压，并将测量的电压与已经预先存储的参考电压进行比较，从而确定欠压的电池单元。
在上述系统中，控制器还被配置为同时接通和断开每个开关对。在上述系统中，控制器还被配置为独立于其余的开关对来操作每个开关对。在上述系统中，控制器还被配置为向电源提供使能信号，以便电源仅在接收使能信号时才输出第一充电电压。在上述系统中，电源被配置为输出充电电压至少直到至少一个电池单元被充以参考电压为止。
另一个方面是电池组电压平衡器，包含：多个开关对，每一对分别连接至电池组内的多个电池单元中的每一个的正端子和负端子，其中，每个开关对被配置为选择性地接通；和电源，其被配置为接收电池单元的累积电压，并且经由接通的开关对向具有低于参考电压的电压的电池单元之一提供第一充电电压。
上述平衡器还包含控制器，该控制器被配置为确定具有低于参考电压的电压的电池单元，并且控制开关以便耦合至所确定的电池单元的正端子和负端子的开关对被接通，而其余的开关被断开。
另一个方面是电池单元平衡方法，包括：接收串联耦合的多个电池单元的累积电压；将接收到的电压转换为第一充电电压；并且向具有低于参考电压的电压的电池单元之一提供第一充电电压。
上述方法还包括：测量电池单元中的每一个的电压；将测量的电压与预先存储的参考电压进行比较；以及基于比较确定低电压的电池单元。上述方法还包括：提供多个开关对，每个开关对分别耦合至电池单元，以及顺序地接通开关对，其中，当接通开关时执行测量。
附图说明
图1是示出根据实施例的电池平衡电路的电路图。
图2是示出图1中所示的隔离电源的实施例的电路图。
图3是示出根据实施例的电池平衡方法的流程图。
具体实施方式
一般，由于在电池单元的制造过程中的各种原因，构成电池组的电池单元之间存在容量变化。因此，在充电/放电周期期间，会出现电池单元之间的充电/放电电压的差别。因此，特定的电池单元可能在电池组的充电过程期间被过度充电，或者在放电时段期间被过度放电。特定电池单元的过度充电或过度放电降低了电池组的容量。另外，特定电池单元的过度充电或过度放电会使电池组退化并且缩短电池寿命。因此，电池监控单元一般具有用于最小化串联连接的多个电池单元之间的电压中的差别的平衡电路。
也就是说，电池监控单元感测每个电池单元的电压，并且当电池单元之间的电压差值为参考值或更高时，通过对具有相对较高的电压的电池单元进行强制放电，来执行允许所有电池单元的电压被均衡的电池平衡。然而，在这样的被动电池平衡中，电阻器在强制放电期间消耗一些电力。因此，没有使用100%的电池单元容量，并且电池单元容量的一部分被消耗为热能。
在下文中，将参考附图描述实施例。这里，当第一元素被描述为耦合至第二元素时，第一元素可以不只是直接耦合至第二元素，也可以是经由第三元素间接地耦合至第二元素。此外，为了清楚，省略了一些与公开的实施例不相关的元素。并且，相同的参考标号始终指代相同的元素。
图1是示出根据实施例的电池平衡电路的电路图。图2是示出图1所示的隔离电源的实施例的电路图。
参考图1，电池平衡电路100包括串联耦合的多个电池单元B1、B2和B3，以及分别连接至电池单元的（+）端子和（-）端子的开关对SW1-1和SW1-2、SW2-1和SW2-2、以及SW3-1和SW3-2。电池平衡电路100还包括隔离电源（或电源）110，其接收通过输入级A施加的电池单元的总电压，并且具有耦合至开关对的输出级B；和控制器120，其控制开关对的接通/断开以及隔离电源110的操作。
虽然在图1的实施例中示出了串联耦合的三个电池单元B1、B2和B3，以及三个开关对SW1-1和SW1-2、SW2-1和SW2-2、以及SW3-1和SW3-2，但是电池单元和开关的数量不限于此。
在这个实施例中，耦合至每个电池单元的开关被实施为开关对。参考图1，第(1-1)个开关SW1-1耦合至第一电池单元B1的（+）端子，而第(1-2)个开关SW1-2耦合至第一电池单元B1的（-）端子。
类似地，第(2-1)个开关SW2-1耦合至第二电池单元B2的（+）端子，而第(2-2)个开关SW2-2耦合至第二电池单元B2的（-）端子。第(3-1)个开关SW3-1耦合至第三电池单元B3的（+）端子，而第(3-2)个开关SW3-2耦合至第三电池单元B3的（-）端子。
在这里，开关可以被实施为继电器、光MOS继电器、光耦器等等。
由于第一电池单元B1到第三电池单元B3串联耦合，耦合至第一电池单元B1和第二电池单元B2相互耦合的部分的第(1-2)个开关SW1-2和第(2-1)个开关SW2-1，被耦合至相同的节点（参见第一电池单元B1和第二电池单元B2之间的节点）。
类似地，耦合至第二电池单元B2和第三电池单元B3相互耦合的部分的第(2-2)个开关SW2-2和第(3-1)个开关SW3-1，被耦合至相同的节点（参见第二电池单元B2和第三电池单元B3之间的节点）。
在一个实施例中，分别耦合至电池单元的开关对被独立地操作。因此，在这个实施例中，虽然相邻的开关被耦合至相同的节点，对于每个电池单元，开关是相互分离的。
在一个实施例中，作为与第一电池单元B1相对应的开关对的第(1-1)个开关SW1-1和第(1-2)个开关SW1-2，被同时接通/断开。开关SW1-1和SW1-2可以被同时接通，因此可以执行感测第一电池单元B1的电压或通过耦合至隔离电源110的输出级向第一电池单元B1提供充电电压的功能。
在一个实施例中，与第二电池单元B2相对应的第（2-1）个开关SW2-1和第（2-2）个开关SW2-2以及与第三电池单元B3相对应的第（3-1）个开关SW3-1和第（3-2）个开关SW3-2执行与开关SW1-1和SW1-2相同的操作。
在一个实施例中，控制器120单独地控制开关SW1-1和SW1-2、SW2-1和SW2-2、或者SW3-1和SW3-2，以便测量与开关对相对应的每个电池单元B1、B2、或B3的电压。在一个实施例中，如果控制器120基于测量的电压确定了具有低于参考值的电压的电池单元，则控制器120控制耦合至电池单元的开关对被接通，从而充电电压被施加到电池单元。相应地，连接至接通的开关的电池单元被耦合至隔离电源110。参考值可以存储在控制器120或单独的存储器（未示出）中。参考值可以依照包括电池容量、电池类型、电池数量、或由电池单元供应电力的外部设备的类型的因素来修改，但不限于此。
这里，可以通过顺序地接通耦合至各个电池单元的开关对来实施每个电池单元的电压测量。
在一个实施例中，控制器120接收每个电池单元的测量的电压，并将其与预定参考值进行比较。在特定电池单元的电压低于参考值的情况下，控制器120可以在电压测量时段期间执行其中将充电电压施加到电池单元的电池平衡操作。在另一个实施例中，控制器120测量每个电池单元的电压，将其与预定参考值进行比较，并执行电池平衡。
例如，在第一电池单元B1的电压低于参考值的情况下，第(1-1)个开关SW1-1和第(1-2)个开关SW1-2被接通，以便第一电池单元B1的（+）端子和（-）端子被耦合至隔离电源110的输出端子（参见图1中“B”）。因此，从隔离电源110输出的充电电压被施加到第一电池单元B1。
在一个实施例中，当执行其中将充电电压施加到第一电池单元B1的电池平衡操作时，所有耦合至第二电池单元B2和第三电池单元B3的开关都被断开，从而充电电压不被施加到其它电池单元B2和B3。
根据一个实施例，电池平衡电路100具有接收串联耦合的电池单元的总电压（或累积电压）的隔离电源110，并且充电电压通过隔离电源110被施加到具有低于参考值的电压的电池单元，由此使用电池单元的总电压实施电池平衡操作。此外，没有通过强制放电造成的热能消耗，因此有可能使用100%的电池单元容量。
在这种情况下，可以通过将使能信号Enable（使能）从控制器120施加到隔离电源110来执行电池平衡操作。也就是说，只有当执行电池平衡操作时才操作隔离电源110，从而最小化电力消耗。
如图1中所示，还可以在所有电池单元的（+）端子B+（或正端端子）与位于隔离电源110的输入端子（参见图1“A”）的（+）端子之间提供控制开关CS。在不执行电池平衡操作的情况下，可以通过断开控制开关CS来切断电池单元与隔离电源110之间的耦合。因此，可以进一步降低电力消耗。
如上描述，在根据这个实施例的电池平衡操作中，使用电池单元的总电压对具有较低电压的电池单元进行充电。在一个实施例中，隔离电源110输出充电电压，至少直到低电压电池单元被充以参考电压或低电压电池单元的电压变得与其余的电池单元中的至少一个的电压基本相同时为止。控制器120可以针对在其期间隔离电源110输出充电电压的时段来控制隔离电源110。
在一个实施例中，如图2中所示，隔离电源110接收施加到其输入级A的电池单元的总电压，并且使用提供在隔离电源110中的感应电动势来调节线圈型变压器112的匝数比，或者通过提供在隔离电源110中的电力控制器114控制开关时间。因此，隔离电源110将输入的总电压转换为预定电压，并且向耦合至输出端子B的相应的电池单元提供转换的预定电压。在一个实施例中，电力控制器114包括控制接通/断开操作的多个开关设备（如全桥型开关设备），以便在输入级A输入的电池单元的总电压被转换为提供给变压器112的AC电压。
分别形成在输入端子A和输出端子B的电容器116执行稳定电容器的功能，而在输出端子B处提供的二极管118执行防止来自输出端子B的反向电流的功能。在这个实施例中，还可以在隔离电源110和开关对之间提供单独的充电器130。
充电器130可以被实施为DC/DC转换器。充电器130可以接收从隔离电源110输出的电压（转换的预定电压）作为输入电压Vin，将接收到的电压转换为适合将要被充电的电池单元的电压，并且输出转换的电压作为输出电压Vout。在一个实施例中，Vout低于转换后的预定电压。在另一个实施例中，在Vout与转换的预定电压（例如，分别为3伏特和9伏特）之间存在线性关系。
在一个实施例中，如果电池单元的总电压为大约30V，隔离电源110接收大约30V，并输出大约5V。从隔离电源110输出的电压作为充电器130的输入电压Vin被施加。然而，隔离电源110的输出电压可以依照充电器130的规格来改变。
当特定电池单元被充电时使用的充电器130的输出电压Vout可以是，例如，大约4.2V。根据电池平衡操作，充电器130的输出电压Vout可以是低于大约4.2V的电压。例如，在电池平衡操作是基于大约为3.5V的参考值比较电池单元的电压的操作的情况下，充电器130的输出电压Vout可以被设定为大约3.5V作为充电电压。在这种情况下，充电器130的输出电压Vout并不总是以固定电平输出。
在一个实施例中，隔离电源110接收从电池单元施加的总电压，但不同于电池单元的地电压的地电压被使用，从而隔离电源110作为隔离的电力源执行向特定的电池单元提供充电电压的功能。
在这个实施例中，耦合至所有电池单元的（-）端子B-（或负端端子）的第一地电压GND1与耦合至位于隔离电源110的输出端子B的（-）端子的第二地电压GND2被物理地分离，从而彼此不耦合。
如此，不同的地电压被用于防止当执行电池平衡操作时电池单元被短路的情形。
例如，如果第一地电压GND1和第二地电压GND2通过相同的耦合线（coupling line）被用作相同的地电压，则在第一电池单元B1的电池平衡操作中、施加到第一电池单元B1的（-）端子的第二地电压GND2与施加到耦合至相同节点的第二电池单元B2的（-）端子和第三电池单元B3的（-）端子的第一地电压GND1相同，因此，电池单元可能爆炸。
图3是示出根据实施例的电池平衡方法的流程图。依照实施例，可以在图3中添加额外的状态，移除其它的状态，或者改变状态的顺序。
将参考图1到图3描述根据这个实施例的电池平衡方法
首先，分别耦合至串联耦合的电池单元B1、B2和B3的（+）端子和（-）端子的开关对SW1-1和SW1-2、SW2-1和SW2-2，以及SW3-1和SW3-2被顺序地接通，以便感测每个电池单元的电压（ST300）。
在一个实施例中，耦合至每个电池单元的开关对被独立地操作，并且与第一电池单元B1相对应的第(1-1)个开关SW1-1和第(1-2)个开关SW1-2被同时接通/断开。因此，开关对SW1-1和SW1-2被接通，从而可以感测第一电池单元B1的电压。
与第二电池单元B2相对应的第(2-1)个开关SW2-1和第(2-2)个开关SW2-2，以及与第三电池单元B3相对应的第(3-1)个开关SW3-1和第(3-2)个开关SW3-2执行上述相同的操作。
也就是说，在电压测量时段期间，控制器120顺序地接通开关对SW1-1和SW1-2、SW2-1和SW2-2、以及SW3-1和SW3-2，从而能够测量与开关对相对应的每个电池单元B1、B2或B3的电压。
接下来，每个电池单元的测量的电压被转发至控制器120，以便与预定的参考值进行比较。在特定的电池单元的电压低于参考值的情况下，执行其中将充电电压施加到电池单元的电池平衡操作（ST310）。
例如，在第一电池单元B1的电压低于参考值的情况下，第(1-1)个开关SW1-1和第(1-2)个开关SW1-2被接通，从而第一电池单元B1的（+）端子和（-）端子耦合至隔离电源110的输出端子。因此，从隔离电源110输出的充电电压被施加到第一电池单元B1。
在一个实施例中，当执行其中将充电电压施加到第一电池单元B1的电池平衡操作时，耦合至第二电池单元B2和第三电池单元B3的所有开关都被断开，以便充电电压不会被施加到其它的电池单元B2和B3。
通过使用电池单元的总电压对具有低电压的电池单元进行充电来实施电池平衡操作（ST320）。
也就是说，接收串联耦合的电池单元的总电压的隔离电源110将充电电压施加到具有低于参考值的电压的电池单元，由此实施电池平衡操作。
根据公开的实施例中的至少一个，电池平衡电路具有接收串联耦合的多个电池单元的累积电压的隔离电源，并且充电电压通过隔离电源被施加到具有低于参考值的电压的电池单元，从而有可能使用电池单元的总电压来实施电池平衡操作。另外，不存在通过强制放电造成的热能消耗，因此有可能使用100%的电池单元容量。
虽然结合附图描述了以上实施例，但是，将理解，本公开并不限于所公开的实施例，相反地，意图覆盖包括在所附权利要求及其等价物的精神和范围中的各种修改和等价配置。
Claims (20)
1.一种电池单元平衡系统，包括：
串联排列的多个电池单元；和
电源，其被配置为接收所述电池单元的累积电压，并且向具有低于参考电压的电压的电池单元之一输出第一充电电压。
2.如权利要求1所述的系统，还包括多个开关对，每个开关对分别连接至所述电池单元中的每一个的正端子和负端子，其中，每个开关对被配置为选择性地接通，并且其中，所述电源还被配置为经由接通的开关对向所述电池单元提供第一充电电压。
3.如权利要求2所述的系统，其中，每个开关对与其余的开关对相分离。
4.如权利要求2所述的系统，其中，所述电池单元具有分别布置在其相对端的正端端子和负端端子，并且其中，所述电源包括1）分别连接至正端端子和负端端子的第一输入端子和第二输入端子以及2）电连接至所述开关的输出端子。
5.如权利要求4所述的系统，还包括控制开关，其布置在1）所述正端端子和负端端子之一与2）所述电源的第一输入端子和第二输入端子之一之间。
6.如权利要求4所述的系统，还包括电连接至所述开关和所述电源的输出端子的充电器，其中，所述充电器被配置为从所述电源接收第一充电电压，并且将接收到的电压转换为第二充电电压。
7.如权利要求6所述的系统，其中，第一充电电压大于第二充电电压。
8.如权利要求4所述的系统，还包括：
电连接至所述电池单元的负端端子的第一地电压源；以及
不同于第一地电压源的并且电连接至所述电源的输出端子的第二地电压源。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述电源还包括线圈型变压器，并且其中，所述电源被配置为调节所述变压器的匝数比，以便接收到的电压被转换为第一充电电压。
10.如权利要求1所述的系统，还包括控制器，其被配置为确定具有低于参考电压的电压的电池单元，并且控制所述开关，以便耦合至所确定的电池单元的正端子和负端子的开关对被接通，而其余的开关被断开。
11.如权利要求10所述的系统，其中，所述控制器还被配置为测量所述电池单元的电压，并且将测量的电压与已经预先存储的参考电压进行比较，从而确定欠压的电池单元。
12.如权利要求10所述的系统，其中，所述控制器还被配置为同时接通和断开所述开关对中的每一个。
13.如权利要求10所述的系统，其中，所述控制器还被配置为独立于其余的开关对而操作每个开关对。
14.如权利要求10所述的系统，其中，所述控制器还被配置为向所述电源提供使能信号，以便所述电源仅在接收使能信号时才输出第一充电电压。
15.如权利要求1所述的系统，其中，所述电源被配置为输出所述充电电压至少直到至少一个电池单元被充以参考电压为止。
16.一种电池组电压平衡器，包括：
多个开关对，每一对分别连接至电池组内的多个电池单元中的每一个的正端子和负端子，其中，每个开关对被配置为选择性地接通；以及
电源，其被配置为接收所述电池单元的累积电压，并且经由接通的开关对向具有低于参考电压的电压的电池单元之一提供第一充电电压。
17.如权利要求16所述的平衡器，还包括控制器，其被配置为确定具有低于参考电压的电压的电池单元，并且控制开关，以便耦合至所确定的电池单元的正端子和负端子的开关对被接通，而其余的开关被断开。
18.一种电池单元平衡方法，包括：
接收串联耦合的多个电池单元的累积电压；
将接收到的电压转换为第一充电电压；以及
向具有低于参考电压的电压的电池单元之一提供第一充电电压。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：
测量电池单元中的每一个的电压；
将测量的电压与预先存储的参考电压进行比较；以及
基于比较确定低电压的电池单元。
20.如权利要求19所述的方法，还包括：提供多个开关对，每个开关对分别耦合至所述电池单元，并且顺序地接通所述开关对，其中，当接通所述开关时执行所述测量。
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