CN1533627A - 用于在充电期间监控多单元电池中电池单元的电路 - Google Patents

Abstract

一种在多单元电池(10)充电时连接到多单元电池的各个电池单元(12)的电路(M)，以监控并防止电池的各个电池单元(12－112－n)过充电，并获得用于确定电池单元运行状况的不同特征的数据。电路包括将充电电流从电池单元旁路的部分(Q1－Q5)，此部分被可变地预设置为将超出电池单元所需电压上限(V－By)的电流旁路。电池充电时，旁路电路会在预设高电压电平超出时将电池单元处的电流旁路，以防止对该电池单元造成任何损坏。电路(Q2)可用于产生电流脉冲，并且响应电流变化的受监控电池单元电压变化dV/dI可用于确定电池单元的内阻。电池单元的极化电阻也可以确定。获得的数据可用于确定与电池单元的充电状态(SOC)及其运行状况相关的因素。可编程控制器(C)控制所有电路，也获得电路产生的数据。

Description

用于在充电期间监控多单元电池中电池单元的电路

发明领域

本申请涉及一种电路，用于在多单元电池充电期间监控各电池单元的电压和电流，并旁路超过可变预设值的充电电流。

政府声明

本发明的所有或部分内容是根据政府合同No.F33615-98-C-2898为Yardney和美国空军而开发。根据该合同条款，美国政府可具有本发明的某些权利。

发明背景

诸如锂离子类型的那些多单元可再充电电池经常在任务控制应用中使用，如不间断电源和各种军事应用。此类电池的输出电压取决于串联的电池单元数量及为电池单元选择的特殊化学性质。在一些应用中，足够多的电池单元可连接在一起以实现高达400V的电压。

在多单元电池充电或再充电时，电源会连接到所有串联的电池单元。充电发生时，各个电池单元可能对充电电流的反应不同。具体地说，电池单元最好不会过充电，因为这会损坏该电池单元，并甚至可能损坏整个电池。

不同的电路已用于旁路过剩电流，使其在充电周期中不会到达某个电池单元，从而不会损坏该单元。同时最好可监控电池各个电池单元和组合的电池的运行状况。这涉及到确定相关参数，如内阻、极化电阻及电池每个电池单元的剩余容量，该容量表示为以安培小时测量的原容量的百分比，通常称为充电状态(SOC)。

发明概述

本发明涉及一种电路，该电路可监控并防止多单元电池的各个电池单元过充电，并获得用于确定电池单元运行状况的不同特征的数据参数。

多单元电池充电时，根据本发明的电路连接到要监控的该电池的各个电池单元。电路包括将充电电流从电池单元旁路的部分，此部分可以各种方式预设，从而将超出电池单元所需电压上限的电流旁路。电池充电时，旁路电路会在预设电压电平超出时将电池单元处的电流分路，从而防止对该电池单元造成任何损坏。

在本发明的另一方面，电路可用于产生放电电流脉冲。由此，响应于电流变化而产生的受监控电池单元的电压变化，dV/dI，可用于确定电池单元的内阻。电池单元的极化电阻也可通过延长放电脉冲而确定。获得的数据可用于确定与电池单元的充电状态(SOC)及其运行状况相关的因素。

发明目的

本发明的目的是提供一种电路，以监控多单元电池在其操作期间的所有各个电池单元。

另外的目的是提供一种电路，以监控多单元电池在充电期间的某个电池单元，并在电池充电期间超过该电池单元的预设上限时将充电电流旁路，同时允许对尚未达到预设电压限制的其它电池单元进行充电。

另一目的是为多单元电池的各个电池单元提供一种监控电路，其中，在将电池单元添加到电池组时，该电池单元的监控电路也会以模块形式添加并以模块形式连接到控制器。

还有另一目的是提供一种监控多单元电池的各个电池单元的电路，该电路可用于获得表示电池单元运行状况和充电状态的电池单元数据。

再一目的是为多单元电池的每个电池单元提供一种监控电路，该电路在电池单元充电到预设电压上限后将电流旁路以免电池单元过充电，并可用于获得用于确定电池单元充电状态和运行状况的数据。

附图简述

参照下面的说明书和附图，本发明的其它目的和优点将变得更加显而易见，其中：

图1是根据本发明的电路示意图，该电路用于监控在充电的多单元电池的电池单元并在超过预定电平时将电流旁路。

发明详细说明

参照图1，在图的左侧显示了电池组中电池10的各个电池单元12-1…12-n。电池单元12串联在电流充电源I及诸如地14的参考电位点之间，其中电流充电源I可以在电池组外部，例如，可以是太阳能电池组。根据需要，许多电池单元12串联形成了具有所需输出电压的电池。

本发明根据锂离子类型电池以图示方式描述。然而，它可应用于其它类型的可再充电电池，如铅酸电池和镍镉电池。在此类电池中，电池单元会串联添加以获得具有指定输出电压的电池。例如：锂电池单元的平均电压为3.5V，因此，串联的八个电池单元形成了28V的电池。28V的电池可具有36V的高值限制和20V的放电电压。诸如锂离子类型的电池需要将每个电池单元电压仔细地监控在某一电压上限和某一电压下限。因此，电池的每个单独电池单元12在充电期间要受监控以测量其电压。同样，如下所述，每个电池单元的充电状态和运行状况也要确定。

在图1中，监控电路M的输入导线16和18以图示方式显示为连接到电池的图示电池单元12-3的正负电极的端子。每个电池单元有独立的监控电路M，并且由于每个电路相同，因此只描述一个此类电路。电池10的电池单元12与电路M最好是封装在电池组中。如果电池组扩充更多的电池单元，则提供相应的附加电路M。电池单元监控电路M由电池单元12自身供电。电路M设计为消耗尽可能少的能量以保持电池10的功率。

电路M的操作受图中显示为框C的控制器控制。控制器C可以是可编程或预编程的微处理器，并具有如下所述到电路M的模拟输出端和从电路M的输入端。控制器C与监控电路M集成在电池组中。控制器C与每个电路M连接以设置不同的操作点，监控充电和放电电流，测量温度，提供信息到外部充电器源，以及控制电池组切换以断开并避免过度充电或放电。控制器C具有与概括显示为H的主机通信的串行接口。控制器可以具有必要的ADC和DAC变换器以与监控电路M连接。控制器C主要使用ADC和DAC变换器来连接监控电路M。DAC的模拟输出还可提供以控制电池充电器电流。最好是电池外到主机H的所有通信由串行接口完成。电池充电器也可能使用串行接口，而不使用DAC输出。

在一个典型应用中，主机依靠电池，并利用电池控制所有系统组件。主机用信息进行程序设计，这样，它可以执行卸载或在如何最佳利用电池10中剩余存储电能方面做出其它决策。例如，带有控制器C的电池组可以在卫星中，并且充电电流源I可以是太阳能电池。主机可以是控制所有卫星资源的主机载计算机。主机H可向控制器C提供其它数据以利用电池10的不同操作模式。通常，卫星和其它空间飞行器具有其自己的中央计算机。电池中的控制器C假定为对电池有较好的了解。它向卫星或其它运载部件的主机H提供信息。例如，在一个典型应用中，如果主机指定任务的剩余时间，并在牺牲不需要的电池寿命的同时希望最多的电能，则控制器C将确定如何实现该目标。在卫星应用中，卫星地面控制系统一般不会控制电池操作。此类详细的操作仅在特别紧急措施下才会发生。当然，应用可以是电池组从地面上的常规电源充电，并且主机和控制器彼此之间硬连线的情况。

电路M监控的电池单元12-3上的导线16和18连接到由电阻R1和R2形成的电阻分压器的上端和下端。这将分割受监控电池单元12-3的电压，以形成从两个电阻接合处到运算放大器A2的非反相(+)输入端的的输入。电阻R1和R2最好是高精度，如0.01％。在其电源输入上，放大器A2经线路18从受监控的电池单元的负端获得其负干线电压，并经线路16从电池单元的正端子获得其正电压。运算放大器A2最好具有高DC增益和低带宽。放大器A2的输入电压范围包括放大器的负参照电源。对于锂离子电池，视电池单元的充电状态(SOC)而定，电池单元的电压范围从2.5V到4.5V。放大器A2的带宽由并联电阻R3和电容器C1的网络在其输出端和放大器反相输入(-)端之间提供的反馈信号决定。

选择放大器A2的操作电压，使得在受监控电池单元电压低于预定电压时，禁用放大器，此预定电压在所述的锂离子电池示例中为大约3.5V。这使得放大器A2消耗的电流降低最低。如下所述，由于能够禁用放大器A2，在受监控电池单元电压低时，旁路电路将不会意外接通。旁路电路只需要将高于受监控电池单元的指定电压范围的电流旁路，例如，对于所示锂离子电池单元为介于3.5V与4.5V之间。

A2的输出通过电阻R4连接到达林顿晶休管Q1的基极，该晶体管配置为共发射极放大器。Q1的集电极经线路16通过电阻R5连接到受监控的电池单元的正端子。电阻R5有多种用途。首先，R5充当消耗旁路电流的负载，而不是要求Q1消耗所有旁路电流。其次，如下所述，R5充当精密电流分路器以测量旁路的电流量。R5的值选择为使得旁路电流无法超出上限。在一个典型的应用中，旁路电流的安全上限选择为0.1C，(最大充电电流的10％)。在不同条件下，不同种类的电池单元的上限可能不同。同样，最大预计上限可由R5的值设置，并且下限可由控制器C程序控制。

放大器A1在其非反相输入端(+)有信号输入V-By。输入V-By是来自控制器C中外部控制电子电路具有可变预定幅度的差分信号，该信号参考控制器C电子电路的逻辑地。放大器A1的反相(-)信号输入端连接到点25处的监控电路逻辑地。电压V-By由控制电子电路设置，以指定每个电池单元12将设置的电压上限。放大器A1最好是高共模、单位增益、精度差分放大器，并且由电池单元12供电。为提供所需的动态范围，放大器A1经线路23和24在其电源输入端从其监控的电池单元更高和更低的两个电池单元电压供电。对于在堆栈顶部的电池单元的监控电路，由于没有电池单元获得更高的电压，因此，可添加电压变换器以产生升高的电压。对于靠近地14的前两个电池单元，由于在堆栈底部没有两个电压更低的电池单元，因此，A1放大器将其负电源端连接到外部电压源(未显示)的负电源电压(NISV)，比如15V。

放大器A1具有差分输出，其负参考VOL连接到线路18，即受监控电池单元的负端。A1的另一输出VOH连接到放大器A2的反相(-)信号输入端。放大器A1将旁路设置点电压V-By从控制器C的地参考变换为受监控的电池单元的参考。这种共模差分电压在锂离子电池中可高达400V。

放大器A2将受监控电池单元12-3的电压，该电压由分压器R1-R2调整并从分压器R1-R2的连接点获取，并施加在A2的非反相(+)输入端，与来自放大器A1并作为VOH施加在反向输入端(-)上的预设V-By高电平设置点电压进行比较。如果测量的电池单元电压超出V-By限制，则A2产生接通Q1旁路晶体管的信号。当晶体管Q1接通时，受监控电池单元12-3处的电池单元充电电流经导线16和18通过Q1并通过电流旁路电阻R5被旁路。旁路电流标为I旁路。这有效地形成了对受监控电池单元12-3的电压的精密硬电压限制。

要注意的是V-By可调整，并通过控制器C从电路M的外部设置。这可通过主机完成。因此，设置点可编程并且可改变。例如，由卫星的主计算机设置的可变设置点允许为电池单元选择更高的电压。虽然这将缩短电池寿命，但在无论用什么方法都要实现任务的有效寿命时，这可能是一种合理的折衷。

又如，对于由不同卫星轨道的太阳能电池单元为电池10充电，可能希望使用不同的满充电限制以便对无法见到太阳的太阳能电池单元的黑暗时间做出补偿。提供的可变设置点允许此类折衷由远程主机动态控制。

电流旁路电阻R5是精密电阻，可将旁路电流I旁路变换为电压。R5的最大正电压端的电压施加到放大器A3的非反相(+)输入端，R5的低电压端的电压施加到A3的反相(-)输入端。放大器A3最好是单位增益、高共模、高精度的差分放大器。放大器A3利用外部电压源(未显示)工作，例如，参考控制器逻辑电路地的正负15V。放大器A3的电压输出IBP是旁路电流I旁路的量度。也就是说，放大器A3将I旁路电流量度变化到电池单元参考电压电平，并将它参考控制器C的逻辑地以便由控制器C和/或主机使用。

如上所述，控制器C设置充电电流I的值。电池10的充电电流I的值取决于控制器C已知的电压值。控制器的电子电路，例如其微处理器，从控制器已知的电池充电电流I减去由A3 IBP输出电压表示的被Q1旁路的电流，以确定对受监控电池单元12-3进行充电的净电流。在I旁路变得大于对电池单元化学性质的控制算法确定的指定量时，控制器C会降低充电电流I。控制算法编程到控制器C中。

如上所述，电池单元监控电路M测量充电期间的电池单元电压和任何旁路电流。如果某个电池单元过充电，则电流会被旁路以避免电池单元电压高于预设的电压上限。最好是在控制器中有一个充电控制算法，可告知充电器何时降低充电电流，这样，旁路电路就不必浪费一部分充电电流。充电算法的细节不是本申请的主题，它针对的是电池组的接口电路。

放大器A4最好是高共模、单位增益、精密增益差分放大器，它具有连接到受监控的电池单元12-3的线路16和18的非反相(-)和反相(+)输入端。放大器A4也利用外部电压源(未显示)工作，例如，参考控制器C逻辑电路地的正(PISV)和负(NISV)15V。放大器A4最好是可实现很稳定和高精度(0.02％)的放大器。它将本地电池单元12-3电压变换为地参考信号，以供控制器测量。控制器使用A4的输出电压，从而产生用于确定电池单元充电状态和运行状况的不同特征的数据。图中未显示电池单元的温度传感器。充电状态由电池单元的温度补偿。

通常，电池单元12的充电状态表示为其满充电的百分比。在电池单元为其电压上限时，电池为满充电，100％的满充电即100％的SOC。电池单元处于可允许的电压下限时为全放电，或0％的SOC。如果电池单元电压介于这两个电压限制之间的中间，则它是50％的SOC。

光耦合器Q2跨接在R1上，并且光耦合器Q3跨接在R2上。Q2和Q3中每一个的导通状态由控制器C传来的控制逻辑信号S1和S2确定，这些信号控制相应的LED L1和L2。虽然本发明的优选实施例中显示的是光耦合器，但应理解，可使用任何其它常规类型的切换装置，例如由直接信号驱动的晶体管。

光耦合器Q2由来自控制器的脉冲类型信号S1接通最好是短时间时，LED L1会通电发光。光耦合器Q2响应L1发出的光而导通并短路R1。这会导致正向信号应用到A2的非反相(+)输入端，该输入在A2的输出上产生一个信号，该信号接通Q1到其I旁路的最大允许值。Q1的电流脉冲经过R5，应用到A3，从A3产生应用到控制器C的IBP电压脉冲输出。

R5中的电流脉冲也导致受监控电池单元12-3的电压降。这种降低出现在线路16和18上，这些线路是到放大器A4的输入。A4的输出是电压VCP。A3和A4输出的电压应用到控制器C，并用于确定电池单元的内阻。电池单元的内阻(IR)响应于Q1电流脉冲S1，由dV(A4的输出)除以dI(A3的输出)而确定。控制器C程序设计为计算IR，或者它将数据发送到主机来计算IR。

电池单元极化电阻(PR)可通过延长电流脉冲的长度，即LED1的光脉冲的持续时间而确定。电流脉冲延长一段时间，使电池单元IR升到更高值。在电池单元内阻稳定在新的更高电阻值后，电流脉冲终止。电阻的最终值减去电阻的初始值确定极化电阻。同样，控制器C程序设计为计算PR，或者它将数据发送到主机以计算PR。

通过对应的监控电路M，控制器C可累积有关电池组中每个电池单元12的数据。在电池单元经过大量充电和放电循环时，量度并表征每个电池单元内阻的变化和电池单元单元的安培小时数的变化，从充电电压上限到允许的放电电压下限。此数据可用于计算电池单元的不同特征。例如，电池单元内阻的增加和安培小时数的减少可用于以百分比提供相对于原容量的电池单元的剩余容量，从而指定其在系统中的预计可用剩余时间。

光耦合器Q3由逻辑控制信号S2接通，以从L2产生光脉冲，从而使Q3导通并短路R2。这将使Q1保持断开状态，并防止电流旁路。此功能用于确定电池单元的运行状况。

电池单元的运行状况由不同的参数确定，这些参数体现了电池单元从其生产时的原单元容量的退化。通过确定电流安培小时容量从其原已知值的变化，可做出此确定。在任一给定的充电或放电周期，控制器C测量并计算电池单元相对于满充电的当前百分比指示。执行此操作的算法不是本发明主题的一部分。记住在达到电池单元电压上限时，充电状态为100％就足够了。在电池单元放电到可允许的下限时，充电状态为0％。通过不用电流旁路补偿电池单元电压，电池单元最终的充电状态的偏差可确定其运行状况。这种配置可用于算法的初始推导。例如，在充电期间，某个电池单元被禁止用旁路电路对其进行补偿。通过在充电期间补偿除某个特定电池单元外的所有电池单元，诸如电池单元接收充电的速率等观察到的电池单元参数的变化可用于表征均衡电路的效率。

除提供百分比值外，控制器可程序设计为依据通过电池单元的电流提供到达充电或放电的估计时间。这些因素提供了电池单元的运行状况和充电状态的实时视图。

图中所示的本发明特定功能部件只是为了便于说明，因为每个功能部件可与根据本发明的其它功能部件组合。本领域的技术人员将明白替代实施例，并且这些实施例旨在包括在权利要求书的范围内。

Claims (19)

1.一种用于监控正在从电流源充电的多单元电池中某个电池单元的电路，它包括：

为所述电池单元在其充电期间可变地设置预定的上限电压的部件；

连接到所述电池单元的第一放大器，在所述电池充电时将所述电池单元的电压作为一个输入接收，并且将所述上限电压作为另一输入接收，所述第一放大器在所述电池单元电压超出所述电压上限时产生输出信号；以及

连接到所述电池单元的旁路电路，所述旁路电路通过接收所述第一放大器产生的所述输出信号而启动，以将所述电池单元处的充电电流旁路。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述旁路电路包括所述旁路电流流经的电阻，并且还包括：

连接到所述电阻的第二放大器，产生对应于所述旁路电流幅度的输出电压。

3.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述第一放大器还包括跨接在所述电池单元上的分压器，并且到所述第一放大器的所述一个输入是从所述分压器上的某个点获得。

4.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述可变地设置所述预定电压上限电平的部件包括可编程控制器。

5.如权利要求2所述的电路，其特征在于还包括：

操作所述旁路电路以产生放电电流脉冲的切换部件；

跨接在所述电池单元上以响应于所述电流脉冲测量所述电池单元电压的第三放大器；以及

接收所述第二放大器和所述第三放大器的输出的部件，用于根据所述旁路电流脉冲的幅度和所述电池单元电压响应确定所述电池单元的内阻。

6.如权利要求5所述的电路，其特征在于所述切换部件用于在所述电池单元内阻确定后将所述电流脉冲延迟一段时间，所述电路还包括使用所述第二放大器和所述第三放大器的输出以确定所述电池单元极化电阻的部件。

7.如权利要求5所述的电路，其特征在于还包括：

用于操作所述切换部件的控制器。

8.如权利要求7所述的电路，其特征在于所述切换部件包括：

由所述控制器操作的光源，产生光，所述光的持续时间对应于所述电流脉冲的持续时间；以及

响应所述光而产生信号的光耦合器，以便操作所述第一放大器来启动所述旁路电路。

9.如权利要求8所述的电路，其特征在于所述第一放大器还包括跨接在所述电池单元上的分压器，到所述第一放大器的所述一个输入是从所述分压器上的某个点获得，并且其中所述光耦合器跨接在所述分压器的一部分上，用于操作所述第一放大器以产生其输出信号。

10.如权利要求5所述的电路，其特征在于还包括连接到所述第一放大器的第二切换部件，以便防止所述第一放大器产生启动所述电流旁路电路的其输出信号；以及

用于操作所述第二切换部件的控制器。

11.如权利要求10所述的电路，其特征在于所述第二切换部件包括：

由所述控制器操作以产生光的光源；以及

响应所述光而产生信号的光耦合器，以便操作所述第一放大器来防止所述第一放大器部件产生其输出信号。

12.如权利要求11所述的电路，其特征在于所述第一放大器还包括跨接在所述电池单元上的分压器，并且到所述第一放大器的所述一个输入是从所述分压器上的某个点获得，并且其中所述光耦合器跨接在所述分压器的一部分上，以便操作所述第一放大器来防止产生其输出信号。

13.一种监控单个电池单元或多单元电池的电路，所述多电池单元串联到电流源，并且所述电路包括

第一放大器，具有连接到要监控的所述单个电池单元的两个端子的电源输入端；以及

第二放大器，具有连接到所述单个电池单元之上的电池单元的一个电源输入端，并具有连接到所述单独电池单元之下的电池单元的第二电源输入端，以便为所述第一放大器提供动态操作范围，具有为所述单个电池单元确定电压上限的信号输入端，以及具有连接到所述第一放大器信号输入端的输出端。

14.如权利要求13所述的电路，其特征在于还包括跨接在所述单个电池单元上的旁路电路，所述旁路电路包括电阻和连接到所述第二放大器的输出的旁路开关。

15.如权利要求14所述的电路，其特征在于还包括跨接在所述电阻上的第三放大器。

16.如权利要求14所述的电路，其特征在于还包括跨接在要监控的所述单个电池单元上的分压器，所述第一放大器具有连接到所述分压器上某个点的另一信号输入端。

17.如权利要求16所述的电路，其特征在于还包括连接到所述分压器的第一和第二切换部件，用于操作所述第一放大器或禁止所述第一放大器的操作。

18.如权利要求17所述的电路，其特征在于所述第一和第二切换部件分别包括跨接在所述分压器一部分上的光耦合器。

19.如权利要求13所述的电路，其特征在于还包括在所述第一放大器的输出端与所述第一放大器的所述信号输入端之间连接的由并联的电阻和电容器组成的网络，所述第二放大器的输出端连接到所述第一放大器。

Images