CN109950942A - 电池中的电芯平衡 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池中的电芯平衡。电池电芯平衡系统包含采用跨电芯的电压传感器的开关模式电路和平衡支路上的电流传感器，以使得能够实现在电池充电期间的可靠且高效的电芯平衡。

Description

电池中的电芯平衡

技术领域

本申请大体上涉及在充电或放电期间平衡电池电芯。

背景技术

串联地连接在可再充电电池中的电芯在经受重复的充电/放电周期时或在长时间段内处于不充电时倾向于失去平衡。该问题在可再充电电池系统中很常见，并且在锂离子电池（LIB）中特别严重。现有的减轻该失去平衡问题的尝试只取得了有限的成功。

发明内容

因此，一种装置包括彼此电串联地布置并且限定主充电/放电路径的至少第一和第二电池电芯，诸如锂离子电芯。平衡电路与主充电/放电路径电并联地布置。平衡电路包括继而包括两个相应电芯之间的电芯结点的平衡线、以及生成表示跨相应电芯的电压的信号的相应电芯结点之间的平衡线中的相应电压传感器。相应开关模式分配器（SMD）经由相应平衡支路与相应电芯的电压传感器电并联地连接到每个电芯结点。另外，相应电流传感器在每个平衡支路中电串联，并且有用于引起相应SMD限制通过电流传感器连接到的平衡支路的电流。提供至少一个控制器以用于控制SMD以均衡相应电芯的电压。

来自电流传感器的信号被提供给控制器，控制器基于来自电流传感器的信号来调制SMD以将通过平衡支路的电流限制为不大于阈值电流量值。

在示例中，控制器基于来自电流传感器的信号来调制SMD以仅在电池充电期间至少一个电芯达到完全电芯电压时将通过平衡支路的电流限制为不大于阈值电流。

在另一方面，一种组装件包括至少一个开关模式分配器（SMD），所述至少一个开关模式分配器（SMD）可并联地连接到至少一个相应电池电芯并且可操作成在电芯的充电期间均衡多个电芯之间的电压。至少一个电流传感器与SMD的控制输出电压相关联以使得SMD能够在充电期间限制从SMD到至少一个电芯的电流。

在另一方面，一种方法包括调制与相应电芯相关联的多个开关模式分配器（SMD）以在电池充电或放电期间均衡电芯之间的电压。该方法还包括限制与至少一个SMD相关联的至少一个平衡支路中的电流以满足阈值。阈值指定可以在任一方向上通过平衡支路的电流（正电流或负电流）的最大量值。

附图说明

参考附图可以最佳地理解本申请的细节（关于其结构和操作两者），其中相同的附图标记指代相同的部分，并且其中：

图1是与本原理一致的示例系统的框图；

图2是用于在具有串联的多个电芯的诸如锂离子电池之类的电池的充电期间平衡电芯电压的电路的示意图；和

图3是根据示例实施例的示例逻辑的流程图。

具体实施方式

本公开大体上涉及对电池进行充电，并且特别涉及对使用具有低动态阻抗的电芯的可再充电电池进行充电，这样的电池的一个示例是锂离子电池。本文的系统可以包括电池、由电池供电的组件、以及可以包括一个或多个计算组件以控制充电的充电组装件。充电组装件可以包括执行指令的一个或多个处理器，所述指令将组装件配置为与本原理一致地控制充电。如本文所使用的，指令指代用于处理系统中的信息的计算机实现的步骤。指令可以在软件、固件或硬件中实现，并且包括由系统的组件从事的任何类型的编程步骤。

处理器可以是任何常规的通用单芯片或多芯片处理器，其可以通过诸如地址线、数据线和控制线之类的各种线以及寄存器和移位寄存器来执行逻辑。

通过本文的流程图和用户接口描述的软件模块可以包括各种子例程、过程等。在不限制本公开的情况下，规定为由特定模块执行的逻辑可以被重新分配给其他软件模块和/或被一起组合在单个模块中和/或在可共享库中可获得。

本文描述的本原理可以被实现为硬件、软件、固件或其组合；因此，在其功能方面阐述了说明性组件、块、模块、电路和步骤。

除了上面已经提到的内容之外，下面描述的逻辑块、模块和电路可以利用通用处理器、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）或其他可编程逻辑器件、或专用集成电路（ASIC）、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件、或其任何组合（其被设计为执行本文描述的功能）来实现或执行。处理器可以由控制器或状态机或计算设备的组合来实现。

下面描述的功能和方法在采用软件实现时可以采用诸如但不限于C＃或C++的适当语言来编写，并且可以被存储在计算机可读存储介质上或通过计算机可读存储介质来传输，所述计算机可读存储介质诸如随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、压缩盘只读存储器（CD-ROM）或诸如数字通用盘（DVD）的其他光盘存储、磁盘存储或包括可移除拇指驱动器的其他磁存储设备等。连接可以建立计算机可读介质。作为示例，这样的连接可以包括硬连线电缆，包括光纤和同轴线以及数字用户线（DSL）和双绞线。

包括在一个实施例中的组件可以在其他实施例中以任何适当的组合使用。例如，本文描述的和/或附图中描绘的各种组件中的任何一个可以与其他实施例组合、互换或从其排除。

“具有A、B和C中的至少一个的系统”（同样“具有A、B或C中的至少一个的系统”和“具有A、B、C中的至少一个的系统”）包括单独具有A、单独具有B、单独具有C、一起具有A和B、一起具有A和C、一起具有B和C、和/或一起具有A、B和C等的系统。

以下术语可以在本文中使用：

电池容量——电池中可用的能量的量，对于较大的电池，通常以安培小时（Ah）或瓦特小时（Wh）表达。

电芯——是电能存储单元，通常包括阳极、阴极、电解质和隔膜。电池可以包括单个电芯或串联和/或并联连接的许多电芯。在平衡电池的上下文中，并联连接的一组电芯被视为单个大电芯。

充电状态（SOC）——在任何特定时刻处在电芯或电池中可用的能量的量，通常规定为完全电池容量（FBC）的百分比。

健康状态（SOH）——电池的当前完全电池容量（FBC）相对于当其是新的时的电池的标称电池容量的指示。例如，如果电池（当是新的时）的标称容量为200Ah，并且在某个时段的使用之后FBC降至160Ah，则电池的SOH为80％。

主充电路径——指代沿着电池电芯的序列直下的充电路径。

平衡——在充电的末端阶段处电芯电压已经均衡时电池是平衡的，其中每个电芯（其中“电芯”可以是并联连接的一组单独电芯）处于完全充电电压并且充电通常在其后继续直到平衡电流降至阈值低水平，如下面进一步解释的，此时电池是平衡的。

均衡——用于描述在充电和平衡过程期间减少电芯电压的差异的过程，其中目标是使电池进入平衡。

注意，“平衡”和“失去平衡”是相对术语。为了当前的目的，如果电池中的所有电芯的SOC在彼此的约±1％内，则认为电池是平衡的。

平衡电流——指代施加到电池中的电芯的子集以尝试使电芯进入平衡的充电（或放电）电流的差异。

平衡支路——指代离开主充电路径并且用于将充电或放电电流施加到电芯的子集以尝试平衡电池的导电路径。

真实电池容量——是电池中的每个电芯被充电至100％SOC时的电池的容量。

可用电池容量——电池在任何特定时刻的容量。

标称电池容量——指代当是新的时的电池的标称容量。

完全电池容量——指代充电系统按照系统所能够的那样完全充电电池后的电池中的可用容量。

真实电池容量对比完全电池容量——如果充电系统在完成充电周期的结束时不能或未使每个电芯达到100％SOC，则完全电池容量将小于真实电池容量。

电芯电压——电芯在任何时刻的电压。

标称电压——放电曲线的平坦区域之上的电芯或电池的平均或均值电压。

完全充电电压——电芯或电池在充电周期的结束时达到的电压。

电芯阻抗——指代电芯电压除以电芯电流。

动态阻抗——电压关于电流的一阶导数——dV/dI。

现在具体参考图1，示出了示例系统10，其可以包括上面提及并且在下面根据本原理进一步描述的示例设备中的一个或多个。包括在系统10中的示例设备中的第一个是设备12，诸如消费电子（CE）设备，例如平板计算机、笔记本计算机、可穿戴计算机化设备、计算机化的具有互联网功能的手镯、其他计算机化的具有互联网功能的设备、计算机化的具有互联网功能的音乐播放器、计算机化的具有互联网功能的头戴耳机、计算机化的具有互联网功能的可植入设备，诸如植入式皮肤设备等。其他示例设备12包括电动车辆中的能量存储模块（诸如电池阵列）、工业电力系统、以及电力网或结构电气系统中使用的存储设备。

设备12可以由诸如锂离子电池的具有彼此电串联连接在一起的多个电芯16的可再充电电池14供电，应理解的是，虽然在电池14和设备12之间仅示出单个连接18，但是通常多于一个电线将电池连接到设备。电池14可以可移除地或不可移除地耦合到设备12的外壳。锂离子电池可以由使用基于锂的电解质的任何电池实现，诸如磷酸铁锂、氧化锂钴、锂镍锰钴氧化物、锂离子锰氧化物、锂镍钴铝氧化物、钛酸锂或具有使用锂离子的电解质的任何其他电池化学物。虽然在示例实施例中本原理设想了结合锂离子电池使用，但是本原理考虑与任何适当的存储能量源或存储元件一起使用，特别是（尽管非排他性地）在充电/放电期间表现出低动态阻抗特性的那些。

如下面进一步讨论的，平衡系统18可以电连接到电池14，同时对电池14进行充电或放电。平衡系统18可以全部或部分地并入设备12的外壳内，或者它可以与其分开。平衡系统18可以被封闭在电池壳体内，或者它可以被设置在电池壳体外。

在下面更充分公开的平衡系统18的组件中有至少一个控制器20和至少一个数据存储介质22。如果需要，平衡系统18还可以包括诸如液晶显示器（LCD）的一个或多个显示器24以及诸如网络接口、通用串行总线（USB）端口、密钥输入设备等的一个或多个输入设备26。网络接口可以提供通过诸如互联网、广域网或局域网、Wi-Fi网络、无线电话网络、蓝牙网络等的一个或多个网络的通信。

数据存储器22可以是而不限于基于盘的或固态存储，其不是暂时性信号。存储器可以是可移除介质。

在任何情况下，如下面进一步讨论的，平衡系统18用于在从充电电力源28充电期间均衡单独的电芯16的电压。

现在转向图2以更详细地描绘示例平衡系统18，平衡系统18包括多个开关模式分配器（SMD）200。如本文所理解的，使用SMD 200的平衡系统可以克服效率较低的平衡系统的限制。开关模式设计的低阻抗电流路径提供了大大改善的效率，但是这导致具有高环路增益的控制系统，从而致使控制环路甚至对电芯16的电压的最适度的差异非常敏感。平衡系统18的下述平衡支路212中的电流传感器218被用于确定平衡支路212中的电流是否在由用于平衡系统18的下述（多个）阈值所指定的阈值范围内。该电流测量使得平衡系统18能够限制电路的环路增益，从而导致对高增益环路的更有效的控制。

通常，并且在描述平衡系统18的细节之前，SMD 200是高功率（低阻抗）分压器。控制输出电压Vo是驱动波形的占空比以及高和低干线电压的函数。

根据开关模式电路技术，每个SMD 200由具有唯一开启时间和关闭时间的恒定周期信号驱动，其总和的两倍基本上总是等于总的恒定周期。SMD调制采取脉冲宽度调制的形式，原因在于开启时间与总周期之比（也被定义为占空比）被调整为直接对应地改变控制输出电压Vo。

如果占空比为50％，则输出电压将处于高干线电压和低干线电压之间的中点。基于SMD的平衡系统18的低阻抗允许以非常高的效率将相对较大的平衡电流水平施加到电芯16。由于SMD 200和锂离子电芯16两者都是非常低阻抗的设备，它们基本上并联连接，所以创建小电压差的占空比的非常小改变产生差分平衡支路电流的相对较高的对应水平。当改变低阻抗电芯的电压以对其进行充电和/或平衡时，结果所得的高增益响应可能创建针对平衡系统的反馈不稳定性，这是通过在平衡支路212中使用下述电流传感器218来解决的问题。

因此并且转向图2的细节，多个电池电芯16（在示出的示例中，为四个电池电芯）如所示的那样彼此电串联布置以限定主充电/放电路径202。如所示的那样，平衡电路18与主充电/放电路径202电并联地布置。

平衡电路18包括与主充电/放电路径202并联的平衡线204。平衡线204包括第一SMD 200的“高”或正极侧（图2中的最顶部标记为V+）电耦合到其的正节点206和最后一个SMD 200的“低”或负极侧（图2中的最底部标记为V-）电耦合到其的负节点207。如所示，每个SMD 200的控制输出Vo连接到相应平衡支路212，相应平衡支路212包括相应电流传感器218并终止于相邻电芯16之间的相应电芯结点208。注意，在示例实施例中，为N个电芯16提供了总共N-1个SMD 200。还要注意，按从顶部到底部的次序，最顶部SMD 200的负极侧（V-）连接到接下来的（在所示的示例中，为中间的）SMD 200的控制输出电压Vo，而中间的SMD 200的正极侧V+连接到最顶部SMD的控制输出电压Vo，其中该图案如所示那样沿着SMD向下传播。

换句话说，每个SMD 200的正干线（V+）连接到串联中次最高的平衡支路212或如果串联中没有更高的平衡支路则连接到正节点206。每个SMD 200的负干线（V-）连接到串联中次最低的平衡支路212或如果串联中没有更低的平衡支路则连接到负节点207。每个SMD200的控制输出电压Vo连接到平衡支路212，平衡支路212通过电流传感器到相应电芯结点208。

相应电压传感器210与相应电芯16电并联而处于每个相应电芯结点208之间的平衡线204中以生成表示跨相应电芯16的电压的信号。电压传感器210通信地耦合到下面进一步描述的控制器220，使得控制器220从相应电压传感器210接收电压信息。

每个SMD 200的控制输出电压Vo经由相应平衡支路212与相应电芯的电压传感器210电并联地连接到平衡线的相应电芯结点208。在一些示例中，平衡支路212包括示出的将Vo连接到相应电芯结点208的节点之间示出的电路。相应电流传感器218在来自每个SMD200的控制输出电压Vo和相应电芯结点208之间电串联地电连接到平衡支路212，以生成表示通过相应平衡支路212的电流的信号。注意，图2中所示的包括正节点206的最顶部正极线中的电流传感器218是可选的。每个电流传感器218通信地耦合到下面讨论的控制器220，使得控制器从电流传感器218接收平衡支路电流信息。

因此，至少一个控制器220（优选为数字微控制器）连接到SMD 200以调制SMD 200以建立每个SMD 200的控制输出电压Vo，其增加或减少用于相应电芯16的主充电路径202上的电压以将平衡支路212上的电流维持在特定的限制内，如下面进一步解释的。

在建立控制输出电压Vo时，SMD 200的占空比被增加以提高输出电压以及被减少以降低其，如上面讨论的以及下面进一步解释的。

图3图示了图2中所示的平衡系统18的操作。该过程在开始状态300处开始。电池充电在块302处在电池14上开始，其中每个电芯16在任何SOC处并且其中电芯16在平衡或失去平衡的任何条件下，通常在完全充电电压以下。框304指示通过施加优选地在最大阈值水平处的充电电流来开始充电，充电电流从主充电/放电路径202上的正极端子流向负极端子。主充电路径电流的最大阈值水平不需要与平衡支路阈值电流完全相同。对于任何特定的实现，两个阈值电流可以完全相同或不同。

使用相应电压传感器210来监视每个电芯16的电压，并且当在决定菱形框306处确定至少一个电芯16达到或超过完全充电电压（FCV）时，逻辑前进至框308以调制SMD 200来均衡电芯电压。也就是说，在示例实现中，具有下面讨论的限流操作的电芯均衡仅在第一电芯达到FCV时开始。在其他实施例中，由控制器使用来自电流传感器的输入来在电池充电期间至少一个电芯达到完全充电电压之前将通过平衡支路的电流限制为不大于阈值电流量值。

如果电芯16达到完全充电电压以上的电压，如由电芯16的相应电压传感器210所指示的，则控制器220降低电芯16的电压，这是通过调制与过电压电芯16相关联的SMD 200来以受控速率均衡电芯的电压直到电压在FCV处或略低于FCV。

当SMD 200被用于调制电芯电压时，逻辑在决定菱形框310处确定如由任何平衡支路电流传感器218所测量的电流的量值（正或负）是否在阈值处或超过阈值，所述阈值通常为最大允许电流量值。这应用于限制负电流和正电流两者，因为平衡电流可以在任一方向上流动。注意，一个阈值可以用于负电流并且另一个不同阈值可以用于正电流，或者单个阈值可以应用于两者。如果任何平衡支路电流的量值例如通过在决定菱形框310处在阈值处或超过阈值而满足阈值（例如由于以过大变化率施加了框308的调制），则逻辑移动到框312以调制SMD 200来调整相邻电芯16的电压以减小电芯16之间的电压差，同时将平衡支路电流量值维持在阈值处或以下。

换句话说，如果在平衡过程期间的任何时间，均衡电芯电压的对控制输出电压Vo的控制以导致任何平衡支路212中的电流的量值在极限阈值处或超过极限阈值的方式被调整，则处于和/或相邻于具有过大电流的平衡支路212的SMD 200的调制被调整成降低具有过大平衡电流的电芯16与一个或两个相邻电芯16之间的电压差。

尽管总是在最大允许阈值以下，控制器220优选地建立尽可能多的允许量值的平衡电流，以在不违反用于平衡支路电流量值的阈值的情况下提供最快的充电和平衡。因此，在示例实施例中，平衡电流量值被维持在阈值处或以下的高水平处，以防止可能损坏电芯16或造成安全危险的过电流条件。

优选地继续上述的电压和电流数据的监视和SMD调制，直到满足至少一个并且更优选为两个条件。如决定菱形框314处所指示的，确定所有电芯16是否已经达到FCV。如果否，则该过程循环回到框308。如果所有电芯已经达到FCV，则逻辑可以从决定菱形框314移动到决定菱形框315以确定到每个电芯的电流是否已经降低到指示电池14已经到达真实电池容量的水平。如果是，则该过程在状态316处结束。否则，逻辑循环回到框308。

在调制SMD 200时，如果控制器220基于来自平衡支路电流传感器218的信号而确定平衡支路212中流动的电流在正方向上（从SMD 200到相应电芯16中）太高（例如，在阈值以上），则SMD 200的占空比被减小以降低其控制输出电压Vo。另一方面，如果平衡支路212中的电流在负方向上太大，则控制器调制SMD 200以增大其占空比并因此提高其控制输出电压Vo。

注意，控制器220对如由电压传感器210所指示的所有电芯电压进行采样以用于持续调制SMD 200来均衡电芯电压，同时将平衡支路电流量值维持在用于平衡电流的阈值处或以下。当任何一个电芯16处的SMD控制输出电压Vo被改变时，由于电芯16串联连接，所以它将影响相邻电芯16和相邻平衡支路电流，因此SMD 200的输出电压的调制和调整通常在平衡系统18正在操作时是持续的过程。

如果需要，可以根据电池容量、电池的化学性质、电池的设计、期望的平衡范围和使用环境来建立用于平衡支路电流的阈值量值。通常，平衡支路电流的阈值量值基于电池系统的设计目标而被选择为最大可允许充电电流的合适百分比。较高的平衡电流阈值允许电芯16在较短的时间内达到平衡状态，但是太高的阈值可能导致电芯损坏，因此阈值被建立成确保平衡支路212中的电流保持在电芯应力水平以下。

作为示例，在较大的电池中，最大主充电电流的5％至10％的平衡电流范围阈值通常足以确保在通常将发生的电池14和电芯16的条件下在一小时或两小时内的100％平衡。电芯16的SOC彼此越接近，在任何给定时间段内实现完全平衡所需的平衡范围越低。例如，一些设计者可能选择2％到3％的较低范围以节省成本；而其他人可能选择更高的范围（例如20％或30％），如果更快的平衡时间比系统成本更重要的话。

现在可以理解的是，平衡支路212上的电流可以有利地用作到主充电路径202中的每个电芯16的充电电流的代用品。如本文所理解的，平衡支路212中的电流足够紧密地与主充电路径202上的主要充电电流相关，使得其可以用于确定每个电芯16何时达到100％SOC。这允许将电流传感器218放置在平衡支路212上并允许使用具有比感测主充电路径202上的电流将需要的低得多的额定电流的电流传感器218。使用两个输入——平衡支路212上的电流和每个电芯16上的电压——使得能够实现非常高的效率（由于开关模式电路）和非常良好的稳定性（由于电流传感器218的添加）。此外，电路18可以在每个完全充电周期的结束时可靠、高效且准确地使电池14中的每个电芯16达到100％SOC。换句话说，通过监视电芯电压和平衡支路电流，控制器220可以检测电芯16何时达到完全充电电压，然后随后达到100％SOC。当电芯16首次达到完全充电电压时，其通常还不在100％SOC处，因此在完全充电电压之后通常需要附加充电以使电芯达到100％SOC，这通过使得能够准确、可靠地确定电芯16何时达到100％SOC的平衡支路电流传感器218输入而变得可能。当电芯16在完全充电电压处（如由相应电压传感器210所指示的）并且如由与电芯16相关联的电流传感器218所指示的到电芯16的电流降至非常低水平（通常为约0.05C到与0.01C一样低，其中“C”是电流速率相对于电芯的容量的量度）时，发生100％SOC的指示。

此外，将电流传感器218定位在平衡支路212上避免损害电池的主充电路径202。

除了使得能够管理各个电芯16之间的电压降的固有差异之外，使用平衡电流作为到由控制器220使用的反馈回路的输入减轻了低阻抗SMD 200配置的不稳定性缺点，同时维持了该配置的所有增加的优点。使用电流传感器218，仅需要近似地测量电芯电压，而将平衡支路212中的电流限制到有限最大水平有效地消除了对高增益充电系统的控制的潜在损耗。

更进一步，相对较低准确度的电流和电压传感器（典型的准确度对于电压传感器210为最大电芯电压的2％并且对于电流传感器218为0.03C）是足够的，因为电压和电流测量的准确度（或分辨率）仅需要足够大以检测可能的失控电流条件并进行校正以防止它们，并且确保电芯16不会增加到完全充电电压以上和/或不会接近最大电芯电压（电芯可以在不会招致对电芯的损伤的风险的情况下被充电到的最大电压。）。

此外，与可能放置在主充电路径202中的电流传感器相比，平衡支路212上的电流传感器218可以被评定（rate）为相对较小且便宜；平衡支路212上的电流传感器218不会从主充电路径202吸出能量，其将会降低系统的效率；并且与主充电路径上的较大的电流传感器不同，平衡支路电流传感器不会生成过度的热。

由于可以遍及充电周期高效且安全地施加高充电电流，其中当每个电芯16达到完全充电电压时充电电流降至低水平，所以由电路18实现比目前提供的更快的充电周期。此外，平衡电路18可以平衡明显失去平衡的电芯16。只要没有电芯16有缺陷（基本上，只要所有电芯可以充电），则平衡电路18可以使电池14中的每个电芯16达到100％SOC并与电池14中的所有其他电芯16平衡，而不管在充电周期的开始时每个电芯16的SOC如何。

电芯特性的变化不会影响平衡电路18的平衡性能。换句话说，平衡电路18可以完全对电池进行充电和平衡，而不管电芯特性的变化如何。

控制器220调制SMD 200以独立地调制到每个电芯16的充电电流，直到每个电芯16达到完全充电电压和高阻抗，此时每个电芯16已经达到100％SOC。在非限制性实施例中，这可以在通过调制SMD 200以建立将使低电压电芯16向上而不是使高电压电芯16向下的电芯电压来最小化电芯上的应力从而最小化电芯16之间的电流分流的同时实现。通常但不限于，可以使电芯16在稳定的向上充电周期中从放电状态达到完全充电状态，其中具有来自单独的电芯16的非常少的放电或没有放电，作为充电期间的平衡方案的一部分。

除了上述的优点之外，本平衡电路18消除了通过负载电阻器对电芯16放电以维持平衡的需要并克服了关于一些系统中固有的平衡范围的限制。本平衡电路18使得能够使用被评定用于电池的载流量的仅一小部分的电流传感器218，这降低了电流感测系统的成本，因为完全主要充电电流可以应用于充电周期的大部分，其中平衡电路18仅在至少一个电芯16达到完全充电电压时接通。此时，其他电芯16也已经被充电了一些时间，并且通常将接近于完全充电电压。因此，在示例实施例中，电芯平衡仅在所有电芯16接近完全充电电压并且需要仅少量的平衡电流来快速平衡电芯16并使它们中的所有达到100％SOC时的每个充电周期的结束附近由即时平衡电路18执行。

虽然上述平衡过程考虑电池充电期间的电芯均衡，但是在电池放电期间也可以使用相同的原理。在实施例中，控制器220中的逻辑在放电周期期间（通常在电池14为负载供电时）平衡电池14中的电芯16。因此可以在放电周期期间以及在充电周期期间采用均衡电芯电压同时限制平衡支路212上的电流的逻辑。

如本文所理解的，放电周期期间的平衡可以增加电池14的可用容量。如果电池14中的电芯16的容量中存在显著差异（例如，如果最小电芯具有最大电芯的90％或更少的容量），则通常针对电池提供的管理系统将在最小电芯达到最小电芯电压时将电池与负载电断开。另一方面，如果电池在放电期间是平衡的，则较大容量电芯中的存储能量将转移至最小容量电芯，由此增加可用的电池容量。

利用本平衡电路18，不需要收集、存储和分析关于电池充电和放电周期的数据来尝试减轻估计SOC中的固有不准确性。

上述方法可以被实现为由控制器220执行的软件指令，诸如处理器、适当配置的专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）模块、或如由本领域技术人员将理解的任何其他方便的方式。在被采用的情况下，软件指令可以体现在诸如CD ROM或闪存驱动器之类的非暂时性设备中。替代地，软件代码指令可以以诸如无线电或光学信号之类的暂时性布置或者经由通过互联网的下载来体现。

将理解的是，虽然已经参考一些示例实施例描述了本原理，但是这些并不意图是限制性的，并且可以使用各种替代布置来实现本文要求保护的主题。

Claims (21)

1.一种装置，包括：

至少第一和第二锂离子电池电芯，彼此电串联地布置并且限定主充电/放电路径；

平衡电路，与主充电/放电路径电并联地布置，所述平衡电路包括：

平衡线，包括相应正节点和相应负节点以及相应相邻电芯之间的至少一个电芯结点，

相应电压传感器，与相应电芯电并联地处于平衡线中以生成表示跨相应电芯的电压的信号；

相应开关模式分配器（SMD），经由相应平衡支路与相应电压传感器电并联地连接到平衡线的相应电芯结点，

相应电流传感器，电连接到相应平衡支路并且有用于使得相应SMD能够限制通过电流传感器连接到的平衡支路的电流；和

至少一个控制器，控制SMD均衡电芯之间的电压。

2.根据权利要求1所述的装置，其中相应SMD的控制输出Vo连接到相应平衡支路，并且第一SMD包括连接到负节点的负极侧V-，第一SMD的相应控制输出Vo连接到第二SMD的负极侧。

3.根据权利要求2所述的装置，其中第三SMD包括耦合到正节点的正极侧，第三SMD的相应控制输出电连接到相邻SMD的正极侧。

4.根据权利要求1所述的装置，其中电流传感器生成表示通过电流传感器连接到的平衡支路的电流的信号，来自电流传感器的信号被提供给控制器。

5.根据权利要求4所述的装置，其中控制器基于来自电流传感器的信号来调制SMD以将通过平衡支路的电流限制为不大于阈值电流量值。

6.根据权利要求5所述的装置，其中控制器基于来自电流传感器的信号来调制SMD以仅在电池充电期间至少一个电芯达到完全充电电压时将通过平衡支路的电流限制为不大于阈值电流量值。

7.根据权利要求1所述的装置，其中控制器被配置用于控制SMD在电池充电期间均衡电芯之间的电压。

8.根据权利要求1所述的装置，其中控制器被配置用于控制SMD在电池放电期间均衡电芯之间的电压。

9.一种组装件，包括：

至少一个开关模式分配器（SMD），可并联地连接到至少一个相应电池电芯，并且可操作成在电芯的充电期间均衡多个电芯之间的电压；和

至少一个电流传感器，与至少一个SMD的控制输出电压相关联以使得SMD能够在充电期间限制从SMD到电芯中的至少一个的电流。

10.根据权利要求9所述的组装件，包括电池电芯，所述电池电芯包括锂离子电芯。

11.根据权利要求9所述的组装件，包括与相应电芯相关联的多个SMD和相应SMD的相应平衡支路中的相应电流传感器，用于调制SMD以均衡电芯电压的至少一个控制器，所述控制器从电流传感器接收信息。

12.根据权利要求11所述的组装件，其中至少一个电流传感器与至少第一SMD相关联，并且控制器可操作成调制SMD以维持如由电流传感器所指示的电流满足阈值。

13.根据权利要求12所述的组装件，其中电池电芯彼此电串联地布置并且限定主充电/放电路径，并且SMD和电流传感器是与主充电/放电路径电并联地布置的平衡电路的组件，所述平衡电路包括：

平衡线，包括相应正节点和相应负节点以及正节点和负节点之间的电芯结点，相应电压传感器与相应电芯并联地处于平衡线中以生成表示跨相应电芯的电压的信号；

相应SMD，经由相应平衡支路与相应电压传感器电并联地连接到平衡线的相应电芯结点，相应电流传感器电连接到用于每个相应电芯的平衡支路并且有用于使得相应SMD能够限制通过限流组件连接到的平衡支路的电流。

14.根据权利要求13所述的组装件，其中第一SMD的正极侧耦合到正节点，并且第一SMD的相应控制输出电压连接到相邻SMD的正极侧。

15.根据权利要求14所述的组装件，其中第二SMD的负极侧耦合到负节点，并且第二SMD的控制输出连接到相邻SMD的负极侧。

16.根据权利要求12所述的组装件，其中控制器可操作成仅响应于在电池充电期间至少一个电芯达到完全充电电压而调制SMD以维持如由电流传感器所指示的电流满足阈值。

17.一种方法，包括：

调制与相应电池电芯相关联的至少一个开关模式分配器（SMD）以在电池充电期间均衡电芯之间的电压；和

限制与至少一个SMD相关联的至少一个平衡支路中的电流以满足阈值。

18.根据权利要求17所述的方法，其中至少所述限制仅在电池充电期间至少一个电芯达到完全电芯电压之后执行。

19.根据权利要求17所述的方法，包括：至少部分地使用向控制器提供输入的电流传感器来限制与至少一个SMD相关联的至少一个平衡支路中的电流以满足阈值，并且使用控制器来基于来自电流传感器的输入调制SMD以将至少一个平衡支路中的电流限制到阈值。

20.根据权利要求17所述的方法，包括在电池放电期间限制与至少一个SMD相关联的至少一个平衡支路中的电流以满足阈值。

21.根据权利要求5所述的装置，其中控制器基于来自电流传感器的信号调制SMD以在电池充电期间至少一个电芯达到完全充电电压之前将通过平衡支路的电流限制为不大于阈值电流量值。