CN103887844B - 并联连接的电池单元的平衡 - Google Patents

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Abstract

描述了用于使并联的电池平衡系统和技术。一种电池组件，包括第一电池接口和第二电池接口；所述第一电池接口可以连接至第一电池从而表现第一电压分布并且所述第二电池接口可以连接至第二电池从而表现第二电压分布。所述电池组件还包括电流流动控制机构，用于引导电流流向、流自所述第一电池和所述第二电池以及在所述第一电池和所述第二电池之间流动，其中被引导至每个电池的电流被适配以便与所述电池的所述电压分布相适应。

Description

并联连接的电池单元的平衡
技术领域
本发明总体上涉及多个电池单元的连接。更具体地，本发明涉及用于使并联连接的电池单元平衡的改进的系统和技术。
背景技术
随着具有大容量的便携式无线设备的引入和广泛使用，已经更加注意持久的、强劲的和万能的电池和电池组件所提供的潜在好处。用于实现这样的改进的电池和电池组件的一种方式是使用多个电池单元。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种装置包括第一电池接口、并联连接至所述第一电池接口的第二电池接口以及在所述第一电池接口和所述第二电池接口之间的能量储存。所述装置还包括电流流动控制机构，用于控制流向所述第一电池接口、所述第二电池接口和所述能量储存中的至少一个的电流流动，其中开关结构和所述能量储存被配置用于提供电压，该电压被适配为连接至电池接口的电池，其中电流被引导至所述电池接口，其中连接至所述第一电池接口的电池与连接至所述第二电池接口的电池相比表现不同的电压。
在本发明的另一个实施例中，一种移动设备包括第一电池接口以及并联连接至所述第一电池接口的第二电池接口。所述移动设备还包括电流流动控制机构，用于控制流向所述第一电池接口和所述第二电池接口中的至少一个电池接口的电流流动，其中至少部分基于在所述第一电池接口和所述第二电池接口中的所述至少一个电池接口的电压和参考电压值之间的比较而控制流向和流自所述接口的电流，其中控制所述电流流动包括对流向所述第一电池接口的电流进行调整以便与在所述第一电池接口所表现的电压分布相适应并且对流向所述第二电池的电流进行调整以便与在所述第二电池接口所表现的电压分布相适应。
在本发明的另一个实施例中，一种方法包括针对在电池组件中的并联连接的第一电池接口和第二电池接口中的每个电池接口，将电压与参考值进行比较；以及基于电压与所述参考值之间的比较，在所述电压与所述参考值的比较的基础上来控制流向和流自每个电池接口的电流流动。控制所述电流流动包括对流向所述第二电池接口的电流进行调整以便与在所述第一电池接口所表现的电压分布相适应并且对流向所述第一电池接口的电流进行调整以便与在所述第二电池接口所表现的电压分布相适应。
在本发明的另一个实施例中，一种方法包括针对在电池组件中的并联连接的第一电池和第二电池中的每个电池，将电池电压与参考值进行比较；以及基于电池电压与所述参考值之间的比较，在所述电池电压与所述参考值的比较的基础上来控制流向和流自每个电池的电流流动。控制所述电流流动包括对流向所述第二电池的电流进行调整以便与在所述第一电池的电压分布相适应并且对流向所述第一电池的电流进行调整以便与在所述第二电池的电压分布相适应。
在本发明的另一个实施例中，一种装置包括用于针对在电池组件中的并联连接的第一电池接口和第二电池接口中的每个电池接口而将电池电压与参考值进行比较的装置；以及用于基于电池电压与所述参考值的比较而控制流向和流自每个电池接口的电流的装置。控制所述电流流动包括对流向所述第一电池接口的电流进行调整以便与在所述第二电池接口所表现的电压分布相适应并且对流向所述第二电池接口的电流进行调整以便与在所述第一电池接口所表现的电压分布相适应。
附图说明
图1图示了根据本发明的实施例的电池组件；
图2图示了根据本发明的实施例的状态转换图；
图3-5图示了根据本发明的实施例的电池组件；以及
图6图示了根据本发明的实施例的过程。
具体实施方式
本发明的实施例认识到一种用于实现期望的电池容量和其它特性的方式已经是多个电池的并联连接。使用并联连接，电池组件与具有完全等效电极区的单个电池相似地执行，但是该组件的使用提供在物理布置该电池中的灵活性，以及还避免比等效的电池组制造成本可能更多并且因此购买成本可能更多的更大电池的使用。
对于由相同电池或具有相同特性的电池的多个实例组成的组件，这样的连接容易实现。然而，电气和电子设备的预期使用继续增加，并且供应与这些使用关联的足够功率的重要性也在增加。已经设想设备可能因多个电池的并联使用（包括具有不同特性的多个电池的并联使用）而获益的许多使用场景。
本发明的一个或多个实施例认识到在相同技术或化学的电池的并联连接已经公知和公用时，不同技术或化学的使用频繁地呈现不均压，其损害或防止并联连接中的成功使用。本发明的实施例还认识到通过具有不同化学和技术的电池的并联连接而可能给予的好处。例如，一个电池可能提供更高的功率而另一个电池可能提供更高的能量，并且这样的电池的并联连接将提供电池的最大化总功率和最大化总能量的组合。可以实现其它好处，比如提供与高能量电池和设备的芯片所匹配的电压。本发明的实施例提供用于通过在并联连接的电池之间转移电荷来实现这些和其它好处的机构，并且还认识到这样机构的有用性并不限于不同电池化学和技术的使用。例如，使用电荷转移机构的并联连接可以提供“热插拔”特征。这样的“热插拔”特征提供用于将并联连接的电池组的放电或部分放电的电池拆卸和更换而无需将设备电源中断的能力，因为在将放电的电池进行拆卸和更换时由该组的不同电池提供功率。例如，当用户例如正在打电话、正在听音乐或正在看视频时，或者他或她希望更换电池而不打断正由该电池所供电的设备的使用的任何时间，该用户可以因该“热插拔”特征而获益。
因此，在一个或多个实施例中，本发明提供用于在各电池之间转移电荷的机构，从而允许具有不同特性的电池被并联地充电和放电。本发明的一个或多个实施例提供用于双向降压/升压变换器。在示例性实施方式中，多个电池可以被配置使得在连接负载时由更强的高速电池或电池组提供峰值功率。开关式电源中的预定的脉冲宽度可以在各电池之间提供预定的耦合以将二者维持在最优的电荷电平。例如，电荷电平可以被最优化使得更高功率电池被维持在完全充电直至更高能量电池已经几乎全部地放电。在另一示例性实施方式中，耦合可以是预定的使得跟随两条不同放电电压曲线以维持在不同电压的相等的电荷电平。
图1图示了根据本发明的实施例的包括开关式电源（SMPS）101的电池组件100的简化的方框图。SMPS101包括充电器102、放电器104以及感测和控制元件106。SMPS101连接至电子设备的设备接口108，该电子设备例如可以是无线通信设备。该无线通信设备的电池组件100可以用设备充电器来充电。作为示例，该设备充电器可以是USB充电器、无线充电器、传统AC适配器充电器或太阳能充电器。该设备充电器可以耦合至或以其他方式连接至设备接口108以向电池组件100提供电荷。感测和控制元件106取决于连接至第一电池接口111的第一电池110与连接至第二电池接口113的第二电池112的相对电压以及电流在SMPS101和设备接口108之间流动的方向而控制充电器102和放电器104的操作。例如，第一电池可以是更慢充电、更高容量的电池，并且第二电池可以是更快充电、更低容量的电池。
在控制充电和放电的方向中考虑在内的值如下：
Vp：在第一电池110的电压
Vs：在第二电池112的电压
Vstop：目标电压，低于该目标电压，第一电池的充电停止
Vpmin：在第一电池110的最小电压
Vsmin：在第二电池112的最小电压
Ic：在组件110和设备接口108之间的电流
取决于比如以上所列的那些各种电压、电流、电压参数和电流参数的绝对和相对值，电池组件100在很多不同模式的一个或多个模式中操作。
比如组件100的电池组件可以适合地操作使得以在电池或电池接口维持适当的电压分布。电压分布可以是例如电压电平或电压范围。电压分布还可以包括电压曲线，即电压电平随时间的改变。在本发明的一个或多个实施例中，该组件操作以允许在该接口出现的电压分布之间的适应性，通过适合地管理电流在接口111和113、充电器102和放电器104之间的流动，使得在接口111和113出现适当的电压电平。电压分布之间的适应性包括的因素比如在接口避免过度差异的电压电平、随时间将电平维持在可接受范围内、在一个接口避免电平将引起电池在另一个接口的过度充电率或放电率以及类似因素。图2图示了针对比如组件100的电池组件而示出不同操作模式的图200。在组件100的情况中，感测和控制元件106可以通过操作充电器102和放电器104来将组件100放置在正确模式中以实现用于该模式的正确操作。该操作模式可以包括全关机模式202、空闲模式204和放电模式206，以及第二电池充电模式208、第一电池充电模式210与第一电池和第二电池充电模式212。当Vs<Vsmin时，在转换214中从空闲模式204进入全关机模式202。当电流流入电池组件100时，即当Ic>0时，组件100通过进行转换216而离开全关机模式202去往第二电池充电模式。该第二电池是更快充电、更低容量电池，所以它的充电可以首先开始。
一旦该第二电池电压不再低于用于对第一电池进行充电的最小值，即当Vs≥Vstop时，组件100进行转换218而去往第一电池充电模式210。取决于Vs相对于Vstop的电平，该组件100可以在对第一电池进行充电和对第二电池进行充电之间进行转换，当Vs<Vstop时，使得该转换返回到第二电池充电模式208。
还可以在转换222中从空闲模式204进入第二电池充电模式，或者在转换224中从放电模式206进入第二电池充电模式，其中每个转换都当Ic>0时发生。另一方面，如果电流开始从组件100朝着设备接口108流动，则组件100将进行从第二电池充电模式208向放电模式206的转换226或者从第一电池充电模式210向放电模式206的转换228。
如果第一电池电压与第二电池电压变得相等或基本相等，即Vp～Vs，则组件100进行从第一电池充电模式210向双电池充电模式212的转换230。如果在该组件100在该双电池充电模式212中时电流开始朝着设备接口108流动，则组件100经历去往放电模式212的转换232。通过电流的调整、比如电流电压电平或者电流方向以及电流流动速率的调整，可以实现各模式中的改变。
图3图示了放电模式206中的组件100，示出了组件100内的电流流动方向，即来自充电器102和放电器104，并且从组件100去往设备接口108。电流向设备接口108流动，使得Ic≤0，并且放电器正从第一电池110向第二电池112引导电流。
图4图示了根据本发明的一个实施例的电池组件400，图示了可以用来实现该组件的电子部件。该组件400包括第一电池402和第二电池404，通过接口405连接至设备。该第一电池402和第二电池404之间的连接采取可逆降压/升压变换器的形式，从而在电感器406中存储能量，其中使用由脉冲二极管410所控制的第一晶体管408和由脉冲二极管414所控制的第二晶体管412来实现电流控制。
图5图示了根据本发明的实施例的电池组件500的更详细视图。该电池组件500可以适合在移动电话、移动设备或者耦合至或以其他方式连接至设备充电器或并入设备充电器的其它适合的设备中使用。该电池组件500还可以被放置在例如分离的充电站中，使得电池组件500可以与在设备中的使用相分离地充电。当电池组件500放置在设备中时，当不提供充电电流时，设备从电池组件500汲取电荷。在其它时间，例如当设备连接至线路电流或者放置在充电插座中，或者充电组件500分离地放置在充电基座中时，合并或分离的充电器可以提供电流以对电池组件进行充电。作为示例，设备充电器可以是USB充电器、无线充电器、传统AC适配器充电器或者太阳能充电器。
电池组件500包括第一电池502和第二电池504以及充电器506和放电器508。电池组件提供开关以允许电流的选择，该电流的选择使得组件在不同条件下在多种充电或放电模式中的一种模式中操作。取决于电池的电压电平（其通常取决于电荷电平），在第二电池给设备供电、该设备可能进入空闲状态或者该设备可能进入全关机状态时，第一电池可以供应第二电池。在该充电模式中，取决于将这些电池的电压电平与另一个电池的电压电平进行比较或者与阈值进行比较，可以对该第一电池、该第二电池或者二者进行充电。
通过晶体管512、514和516来执行开关，其中由感测设备518提供对晶体管512、514和516的控制，该感测设备518基于通过调节器518传送的电荷电流来感测设备充电器的存在。感测设备522执行输入电压跟踪并且感测设备524检测第一电池502的低电压，使得电池组件500可以继续或停止操作。在对第二电池504进行充电或者使用来自第一电池502的供电来维持该第二电池504的电平时，如果该第一电池保持在足够的电压电平，则该第二电池504可以给该设备提供电力，但是如果第一电池502不再能够维持足够的电压电平，则组件500可以致使该设备进入空闲模式或者关机模式。
图6图示了根据本发明的一个实施例的电池控制的过程600。该过程可以用来例如管理包括并联连接的高功率电池和高能量电池的电池组件的使用，其中该高功率电池向设备供电并且该高能量电池给该高功率电池提供电荷。在步骤602，将包括高功率电池和高能量电池的组件连接到设备。在步骤604，在检测到朝着并联连接的设备接口流动的电流时，将组件放置在放电模式中，并且感测第一电池和第二电池的电压电平。在步骤606，在检测到第一电池电压在允许用于对第二电池进行充电的电压时，控制电池组件使得电流从第一电池向第二电池流动，其中第一电池和第二电池之间的电压调整通过该组件的各部件来实现。
在步骤608，在检测到第一电池低于最小电平时，停止电流流向第二电池并且将该设备放置在空闲状态中。在步骤610，在检测到第二电池低于最小电平时，将该设备放置在全关机状态中。
在步骤612，在检测到充电电流可用时，即在检测到电流正从设备接口向电池组件流动时，将电池组件放置在充电模式中并且向该第二电池引导充电电流。在步骤614，在检测到第二电池电压在阈值电压使得充电不是立即所需时，向第一电池引导充电电流。随着第二电池的电压上升高于阈值或者下降低于阈值，充电可能在第一电池和第二电池之间交替。在步骤616，在检测到第一电池和第二电池电压相等时，引导充电电流使得同时对两个电池进行充电。
虽然上面已经描述各个示例性实施例，然而应当理解本发明的实践并不限于这里示出和讨论的示例性实施例。鉴于前面描述，本发明的前述示例性实施例的各种修改和适应对于相关领域中的技术人员可以变得显而易见。
此外，上面非限制性实施例的各种特征的一些特征可以用来优选地而不是对应其他描述的特征的使用。
因此，前面的描述应当被认为仅仅是本发明的原理、教导和示例性实施例的举例说明，而不是对它们的限制。

Claims (20)

1.一种用于使电池单元平衡的装置，包括：
第一电池接口；
在电池组件中并联连接至所述第一电池接口的第二电池接口；以及
电流流动控制机构，用于控制流向所述第一电池接口和所述第二电池接口中的至少一个电池接口的电流流动，包括在所述第一电池接口和所述第二电池接口之间布置的单个控制器，其中至少部分基于在所述第一电池接口和所述第二电池接口中的所述至少一个电池接口的电压和参考电压值之间的比较而控制流向和流自所述接口的电流，其中控制所述电流流动包括对流向所述第一电池接口的电流进行调整以便与在所述第一电池接口所表现的电压分布相适应并且对流向所述第二电池接口的电流进行调整以便与在所述第二电池接口所表现的电压分布相适应。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括位于所述第一电池接口和所述第二电池接口之间的能量储存，并且其中所述电流流动控制机构和所述能量储存中的至少一个被配置为从所述第一电池接口向所述第二电池接口引导电流流动。
3.根据权利要求1所述的装置，其中控制所述电流流动包括在电流从所述第二电池接口流向由所述电池组件供电的设备时从所述第一电池接口向所述第二电池接口引导电流。
4.根据权利要求1所述的装置，其中控制所述电流流动包括在检测到向所述电池组件提供电流时，选择所述第一电池接口和所述第二电池接口中的至少一个电池接口，其中所述选择基于在所述第一电池接口和所述第二电池接口中的至少一个电池接口的电压与参考电压值的比较。
5.根据权利要求1所述的装置，其中控制所述电流流动包括如果在所述第二电池接口的电压电平至少等于对在所述第二电池接口的充电可能被中止进行指示的停止电压，则向所述第一电池接口引导电流。
6.根据权利要求5所述的装置，其中控制所述电流流动包括如果在所述第二电池接口的电压电平低于所述停止电压，则向所述第二电池接口引导电流。
7.根据权利要求4所述的装置，其中控制所述电流流动包括如果在所述第一电池接口的电压电平等于在所述第二电池接口的电压电平，则向所述第一电池接口和所述第二电池接口二者引导电流。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置被并入移动设备。
9.一种移动设备，包括：
第一电池接口；
外部电源接口；
在电池组件中并联连接至所述第一电池接口的第二电池接口；
电流流动控制机构，用于控制流向所述第一电池接口和所述第二电池接口中的至少一个电池接口的电流流动，包括在所述第一电池接口和所述第二电池接口之间布置的单个控制器，其中至少部分基于在所述第一电池接口和所述第二电池接口中的所述至少一个电池接口的电压和参考电压值之间的比较而控制流向和流自所述接口的电流，其中控制所述电流流动包括对流向所述第一电池接口的电流进行调整以便与在所述第一电池接口所表现的电压分布相适应并且对流向所述第二电池接口的电流进行调整以便与在所述第二电池接口所表现的电压分布相适应；以及
连接至所述外部电源接口和所述电池组件的设备充电器，并且当所述外部电源接口连接至外部电源时，引导电流流向所述第一电池接口和所述第二电池接口中的至少一个电池接口。
10.一种用于使电池单元平衡的方法，包括：
针对在电池组件中的并联连接的第一电池接口和第二电池接口中的每个电池接口，将电池电压与参考值进行比较；以及
基于所述电池电压与所述参考值的比较，使用在所述第一电池接口和所述第二电池接口之间布置的单个控制器，控制流向和流自每个电池接口的电流流动；
其中控制所述电流流动包括对流向所述第二电池接口的电流进行调整以便与在所述第一电池接口所表现的电压分布相适应并且对流向所述第一电池接口的电流进行调整以便与在所述第二电池接口所表现的电压分布相适应。
11.根据权利要求10所述的方法，其中控制电流流动包括正如由电流流动控制机构和在所述第一电池接口和所述第二电池接口之间的能量储存所引导的而引导流自所述第一电池接口的电流流动。
12.根据权利要求10所述的方法，其中控制所述电流流动包括在电流从所述第二电池接口流向由所述电池组件供电的设备时从所述第一电池接口向所述第二电池接口引导电流。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其中控制所述电流流动包括在检测到向所述电池组件提供电流时，选择所述第一电池接口和所述第二电池接口中的至少一个电池接口，其中所述选择基于在所述第一电池接口和所述第二电池接口中的至少一个电池接口所表现的电压与参考电压值的比较。
14.根据权利要求13所述的方法，其中控制所述电流流动包括如果在所述第二电池接口的电压电平至少等于对使得在所述第二电池接口的充电被中止进行指示的停止电压，则向所述第一电池接口引导电流。
15.根据权利要求14所述的方法，其中控制所述电流流动包括如果在所述第二电池接口的电压电平低于所述停止电压，则向所述第二电池接口引导电流。
16.根据权利要求13所述的方法，其中控制所述电流流动包括如果在所述第一电池接口的电压电平等于在所述第二电池接口的电压电平，则向所述第一电池接口和所述第二电池接口二者引导电流。
17.一种用于使电池单元平衡的方法，包括：
针对在电池组件中的并联连接的第一电池接口和第二电池接口中的每个电池接口，将电池电压与参考值进行比较；以及
基于所述电池电压与所述参考值之间的比较，使用在所述第一电池接口和所述第二电池接口之间布置的单个控制器，在所述电池电压与所述参考值的比较的基础上，控制流向和流自每个电池接口的电流流动；
其中所述第一电池接口表现出与由所述第二电池接口所表现的电压分布不同的电压分布，并且其中控制所述电流流动包括对流向所述第一电池接口的电流进行调整以便与所述第一电池接口的电压分布相适应并且对流向所述第二电池接口的电流进行调整以便与所述第二电池接口的电压分布相适应。
18.一种用于使电池单元平衡的装置，包括：
用于针对在电池组件中的并联连接的第一电池接口和第二电池接口中的每个电池接口而将电池电压与参考值进行比较的装置；以及
用于基于电池电压与所述参考值的比较，使用在所述第一电池接口和所述第二电池接口之间布置的单个控制器，控制流向和流自每个电池接口的电流的装置；
其中控制所述电流包括对流向所述第二电池接口的电流进行调整以便与在所述第一电池接口所表现的电压分布相适应并且对流向所述第一电池接口的电流进行调整以便与在所述第二电池接口所表现的电压分布相适应。
19.根据权利要求18所述的装置，其中控制电流流动包括正如由电流流动控制机构和在所述第一电池接口和所述第二电池接口之间的能量储存所引导的而引导流自所述第一电池接口的电流流动。
20.根据权利要求18或19所述的装置，其中控制所述电流流动包括在电流从所述第二电池接口流向由所述电池组件供电的设备时，从所述第一电池接口向所述第二电池接口引导电流。
CN201310714442.8A 2012-12-20 2013-12-20 并联连接的电池单元的平衡 Active CN103887844B (zh)

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