CN1707903A - 电池单元平衡电路 - Google Patents

Abstract

一种电池单元平衡电路，监控串联的电池单元之间的电压，并且将其与参考电压相比较。通过比较，电池单元平衡电路使电流流出到可再充电的电池单元之间的中点节点，或使电流从其流入。在一个优选实施例中，电池单元平衡电路包括运算放大器，连接为单位增益配置。分压器建立与两个电池单元的平均电压相等的参考电压。运算放大器将该电压与在中点节点测量的电压相比较。当平均电压超过中点节点上的电压时，运算放大器使电流流出到中点节点。当平均电压降低到中点节点电压之下时，运算放大器使电流从中点节点流入。通过使电流流出或流入，电池单元平衡电路允许充电较慢的电池单元追上更快充满电的电池单元。

Description

电池单元平衡电路

技术领域

本发明一般涉及可再充电的电池组，更具体涉及用于平衡可再充电的电池组中串联电池单元的电压的电路。

背景技术

现今的大多数便携电子设备，例如蜂窝电话、MP3播放器、寻呼机、无线电装置和便携电脑，都依赖于可再充电的电池来供电。尽管某些人可能将这些电源只是考虑为塑料包装的单一的电池单元，这与事实相距甚远。实际上，可再充电的电池组是复杂的装置，其不仅包括电化学电池单元，还包括控制电路和复杂的机械组件。

可再充电电池内的能量源是电化学电池单元。尽管某些设备，诸如蜂窝电话，可能使用具有一个电池单元的电池组，但其他设备，诸如笔记本电脑，通常都使用具有4、5或甚至6个或更多的电池单元的电池组。

当采用多个电池单元时，通常将它们串联起来以增加电池组的整体输出电压。串联电池单元由流过所有电池单元的单一电流充电。与串联电池单元配置相关的一个问题被称为“电池单元不平衡”。这会在串联串中的一个电池单元比其他电池单元更快或更慢充电时发生。当其发生时，更快充电的电池单元比那些慢的电池单元更快充满电。由于停止向已充满电的电池单元充电的唯一方法是停止流经串联电池单元串的单一电流，所以整个充电过程就会在慢电池单元充满电之前就结束了。这个不平衡的状态影响了整个电池组的性能。

对于该不平衡问题的一种现有技术的解决方案是在串联的每个电池单元周围放置一个无源、开关旁路(例如晶体管)。当一个电池单元开始充电得比别的电池单元快时，开关使得电流绕过更快的电池单元，直到慢电池单元追上来。换言之，旁路开关停止对更快电池单元的充电，直到慢电池单元达到相同的电量，然后允许快电池单元开始继续充电。如果快电池单元再次超出，旁路开关就再次停止充电，直到其他电池单元追上来。这个开始/停止、间歇过程一直继续，直到电池组充满电。

该现有技术的问题在于其效率太低。由于旁路开关的作用，某些电池单元被从充电路径中取出，而让其他电池单元追上来。结果，整个充电过程变得又长又慢。因此，需要一种改进的电池单元平衡电路来减少可再充电电池组的整体充电时间。

附图说明

图1说明了根据本发明的电池单元平衡电路的一个优选实施例。

图2说明了根据本发明的部分电池单元平衡电路的一个优选实施例。

图3说明了根据本发明的部分电池单元平衡电路的另一优选实施例。

图4说明了根据本发明的用于多个电池单元的电池单元平衡电路的一个优选实施例。

图5说明了根据本发明的用于多个电池单元的部分电池单元平衡电路的一个优选实施例。

图6和7是根据本发明的电池单元平衡电路的示意图。

具体实施方式

现在将详细描述本发明的优选实施例。参看附图，相同的标号指示相似的元件。如这里在说明书和权利要求中所使用的，下面的术语在此取明显关联的意思，除非文中明确指出相反：“a”、“an”和“the”的意思包括多个参考量，“in”(在……内或在……中)包括“in”和“on”(在……上)。

本发明提供了一种有源电池单元平衡电路，其可以在电池组中使用，该电池组能够流出(source)或流入(sink)电流到串联电池单元之间的节点，由此平衡充电而不需要从整个充电过程中去除任何电池单元。实际上，电路对慢电池单元较快地充电，对快电池单元较慢充电，由此增加了充电过程的整体效率，而不会把电池单元从系统中去除。由于所有电池单元都在整个过程中一直充电，所以减少了整体充电时间。

本发明的一个实施例采用运算放大器来进行基本平衡功能。运算放大器监控和比较串联电池单元的电压与串联电池单元上的平均电压。(可以建立平均电压，例如，通过串联电池单元上的分压器。)在一个优选实施例中，运算放大器设置为单位增益配置，能够使电流流出或流入到电池单元之间的中点节点，从而在充电过程中保持电池单元平衡。

当整体电池单元电压超过电池单元间中点节点的电压时，电流从运算放大器中流出到中点节点。这个流出导致下电池单元比上电池单元更快速充电。当平均电池单元电压降到低于电池单元间电压时，电流从中点节点流入运算放大器，由此减缓了上电池单元的整体充电速率。

在本发明另一实施例中，提供了电池单元的“部分”平衡。这样的部分电池单元平衡电路在电池组包括分别的端子用于充电器和负载、或者在需要高效能量存储的时候是所希望的。在部分平衡配置中，运算放大器的电力是由串联电池单元上的电压提供的。然后，加入可选的阻塞二极管，从而阻止电池单元对充电器放电。包括晶体管开关，从而在没有充电器连接到电池组时关闭运算放大器。这样，平衡电路只在连接了充电器的时候才工作。而在仅连接负载的时候关闭平衡电路，由此扩展了负载可利用的电池容量。正是这个关闭操作带来了平衡的“部分”特性。平衡只在充电过程中发生。

尽管这里的某些讨论涉及的是两电池单元电池(出于简化的目的)，但是，任何实施例都可能扩展到在具有3、4或更多电池单元的应用中使用。这将会参考图4和5进行进一步讨论。

现在先来看图1，这里示出的是根据本发明的两电池单元平衡电路100的一个优选实施例。在这个具体实施例中，两个电池单元102、103串联起来，二者之间是中点节点105。提供一对端子109、110，其可以连接到充电器和/或负载。这两个串联的电池单元102、103提供了比单一电池单元更高的输出电压给端子109、110。

具有输入112和输出113的有源电路111确保电池单元102、103在整个充电过程中保持平衡。在本实施例中，电路111包括运算放大器(或op-amp)104，能够流出或流入电流(按需要)以保持电池单元102、103平衡。输出113通过可选的串联电流限制电阻108连接到中点节点105。尽管优选采用运算放大器(因为其的低成本和鲁棒性)，从本公开中获益的本领域普通技术人员应该明白，可以替代以其他的器件，比如比较器和压控电流源。

通过两个电池单元102、103上连接的分压器114在输入112建立参考电压。在其最简单形式中，分压器114包括具有两个串联电阻106、107的电阻分压器。在一个优选实施例中，分压器通过采用具有相同阻抗的电阻106、107而将整个的电池单元电压通常分成两半(忽略元件的容差)。其他的参考电压，当然可以通过变化电阻106、107的阻抗而建立。例如，如果使用了不同化学性质的电池单元，它们可能具有不同的端接电压。在这种情况下，电阻将具有不同的阻抗。

在任何情况中，参考电压将是电池单元上电压的划分。对于相同类型的电池单元，参考电压将优选在串联电池单元的整体电压的40-60％之间。或者这么说，为了保持电池单元均衡充电，优选地，电阻106、107的值相互之间在10％之内。参考电压正比于电池单元102、103上的电压，因为当电池单元上的电压成对增加时，参考电压也增加，反之亦然。

当节点112上的参考电压超过中点节点105上的电压时，输出113使电流流出到中点节点105。这样流出电流使得流经电池单元103的电流比流经电池单元102的电流大，由此电池单元103比电池单元102更快地充电。实际上，当电池单元103上的电压降到电池单元102上电压以下时，对电池单元103增加电流以帮助其“追上”电池单元102。

当中点节点105上的电压超过节点112上的参考电压时，输出113从中点节点105流入电流，由此使得流经电池单元103的电流小于流经电池单元102的电流。净结果是电池单元103仍旧充电，但充电速度比电池单元102慢，由此允许电池单元102追上电池单元103。

检查图1的运算放大器104，在本实施例中，运算放大器104连接为单位增益配置。从本公开中获益的本领域普通技术人员将明白，非单位增益也可用于增加或减少流出到中点节点105或从中点节点105流入的电流。运算放大器104具有反相输入116、正相输入115和输出113，将节点112的参考电压连接到正相输入115。输出113连接到反相输入116，使得运算放大器将工作以确保中点节点105上的电压保持与节点112上的参考电压的均衡。

运算放大器104工作需要电力。这个电力是通过运算放大器的电源节点117和返回节点118供应的。电源节点117连接到电池单元102的阴极，返回节点118连接到电池单元103的负极端子或者阳极。或者这么说，对于两个电池单元的电池单元对，返回节点连接到两个电池单元之一的阳极，特别地，是没有连接到中点节点105的阳极(即，电池单元103的阳极)。

如前一段所述，运算放大器工作需要电力。由于有时除了负载以外没有其他的器件会从电池单元中用电，因此在没有连接充电器时可以有利地去激活(deactivate)电池单元平衡电路，以最大化整个电池组的电池容量。现在再看图2，图中示出了部分电池单元平衡电路的一个实施例。

图2的电路200在布局和功能上类似于图1(电路100)，包括相同的元件，并有所增添。如电路100，两个电池单元102、103在中点节点105相连。运算放大器104通过确保电阻106和107所建立的节点112上的参考电压保持与中点节点105上的电压均衡而提供电池单元平衡功能。这个均衡是通过运算放大器的使电流流出和流入到中点节点105的能力所维持的。

为了确保电池单元平衡电路111只在连接了充电器时可工作，对电路200增加了两个开关219、220。当电源连接到电池组时，开关219接近于提供电力给运算放大器104。开关220也接近于允许电流流出到中点节点105以及从中点节点105流入。当去除充电器时，开关219和220断开，由此中断了电池单元平衡电路111与电池单元102、103的连接。

尽管图2的理想开关219、220在没有充电器的情况下阻止平衡电路111从电池单元102、103中用电，但实际上，某些漏泄电流可能阻止开关的实现。例如，如果使用MOSFET晶体管作为开关219、220，从源极到漏极就会出现寄生二极管，这是制造过程中所固有的。此外，真实的运算放大器集成电路可以具有内部器件，例如，防止静电放电的危害，其可能允许漏泄电流的流动。如果电池单元中储存的所有电力都必须提供给负载的话，可使用额外的元件来确保平衡电路完全断开与电池单元的连接。这些额外的元件在图3中示出。

参看图3，其中示出了电池单元平衡电路300，其确保有源电路311在不存在充电器时断开与电池单元的连接。除了图2中所示的开关219、220之外，一对可选的二极管321、322确保运算放大器104不会在没有充电器的情况下耗电。

图3的电路300与图2的电路200的另一不同之处在于端子的数量。电路300包括第一对端子323、324，用于充电设备，以及第二对端子325、326，用于负载。可选的阻塞二极管321确保电池单元102、103不会通过充电端子323、324放电。可选的阻塞二极管322确保不会有电流从中点节点105、通过开关220的寄生二极管、流入到比较器的输出113、流出电源节点217、通过开关219的寄生二极管、流到电源端子323。

现在参看图4，示出了电池单元平衡电路400，其调整为两个以上的电池单元。如图2的讨论所述，示例的两电池单元实施例可以扩展到适应任何数量的电池单元。电路400示出了电路200的一个这样的扩展。

第一有源电路401监控电池单元404、405的平衡。第二有源电路402监控电池单元405、406的平衡。一个有源电路到一对电池单元的这样的配置扩展到用于所需数量的电池单元。例如，如果电池单元407是串中的第N个电池单元，则有源电路403将监控电池单元407和第N-1个电池单元的平衡。有源电路的工作与图2的电路200相同。对于电池单元的均衡平衡需要注意，电阻408-411应该具有相等的电阻值。实验测试显示，1MΩ的电阻工作得很好，因为它们将建立参考电压所需的电流保持为较小。

注意到，有源电路401、402、403的电源节点412、413、414可以都连接到电池单元栈电压，其出现在节点415。另外，电源节点412、413、414还可以只连接到它们平衡的那些电池单元上。例如，由于有源电路402监控电池单元405和406，电源节点413可以连接到节点416，而不是节点415。将电源节点仅连接到其所平衡的电池单元上的优点在于可以使用低电压运算放大器，其价格更加低廉。

现在参看图5，示出了施加到具有两个以上电池单元的电池组的部分电池单元平衡电路。有源电路501、502、503监控和平衡电池单元504、505、506、507。如图3的电路，开关512、513、514确保有源电路501、502、503的输出在不存在充电器的时候与电池单元504、505、506、507断开连接。类似地，二极管开关组合509、510、511确保有源电路501、502、503在没有充电器的情况下不会从电池单元504、505、506、507中耗电。阻塞二极管508防止电池单元通过充电端子520、521放电。如图4的电路，图5中的电源端子，例如端子518、519，可以连接到位于电池单元栈顶部的电压，或者连接到对应有源电路(例如502、503)所监控和平衡的电池单元上的电压。

现在参看图6，这里示出了仿真中测试的电池单元平衡电路。电池单元602、603在中点节点605相连接。运算放大器，例如德州仪器制造的TLV2401，具有反相输入616、正相输入615、输出613、电源节点617和地节点618，连接到电池单元602、603。这样的配置使得正相输入615连接到节点612的参考电压，该参考电压由电阻606、607所建立，输出613连接到中点节点605。反馈连接627包括连接在反相输入616和输出613之间的电阻，配置运算放大器604为单位增益配置。运算放大器604使电流流出到中点节点605以及从中点节点605流入，从而保持节点612的参考电压与中点节点605的电压的均衡。

现在参看图7，这里示出了类似于图3的电路300的部分平衡电路，其在实验室中构建并测试。两个电池单元702、703在中点节点705连接在一起。运算放大器704，诸如国家半导体(NationalSemiconductor)制造的LM321，配置为图6的运算放大器604，并以相同方式起作用。

为了确保运算放大器704在没有充电器的情况下与电池单元断开连接，MOSFET开关719和720分别串联运算放大器的电源节点717和运算放大器704的输出713。为了阻塞任何漏泄电流，阻塞二极管722和730分别连接到开关719和720。二极管721确保电池单元702、703不会通过充电端子723、724放电。

尽管示出和描述了本发明的优选实施例，但应该清楚地认识到，本发明并不仅限于此。本领域技术人员可以进行许多修改、变化、变形、替换和等价，而不会背离由权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (19)

1.一种电池单元平衡电路，包括：

a.至少两个电池单元，其中，所述至少两个电池单元在中点节点相连接；

b.具有输入和输出的电路，其中，所述输出能够使电流流出或流入，进一步地，其中，所述输出连接到中点节点；和

c.连接到所述输入的参考电压；

其中，所述参考电压与所述至少两个电池单元上的电压成正比；

进一步地，其中，当所述参考电压超过中点节点上的电压时，所述输出使电流流出；

进一步地，其中，当中点节点上的电压超过所述参考电压时，所述输出使电流流入。

2.如权利要求1所述的电路，其中，所述参考电压在所述至少两个电池单元上的电压的40％到60％之间。

3.如权利要求1所述的电路，其中，所述具有输入和输出的电路是从下面构成的组中选取的：放大器、比较器、压控电流源。

4.如权利要求3所述的电路，其中，所述具有输入和输出的电路包括具有正相输入、反相输入的放大器，其中，所述正相输入连接到所述参考电压。

5.如权利要求4所述的电路，其中，在所述反相输入和所述输出之间串联电阻。

6.如权利要求3所述的电路，其中，所述具有输入和输出的电路包括具有电源节点和返回节点的放大器，其中，所述返回节点连接到所述至少两个电池单元之一的负极端子，该负极端子没有连接到中点节点。

7.如权利要求1所述的电路，其中，在所述输出和所述中点节点之间串联电阻。

8.一种电池单元平衡电路，包括：

a.至少两个电池单元，每个电池单元具有阳极和阴极，其中，所述至少两个电池单元串联起来，使得第一电池单元的阳极在中点节点电连接到第二电池单元的阴极；

b.具有至少一个输入和至少一个输出的放大器，其中，所述至少一个输出连接到中点节点；和

c.连接在所述至少两个电池单元上的分压器，所述分压器具有连接到所述至少一个输入的分压；

其中，当所述分压超过中点节点的电压时，所述放大器使电流流出；

进一步地，其中，当中点节点上的分压超过参考电压时，所述放大器使电流流入。

9.如权利要求8所述的电路，其中，所述分压器包括至少两个串联的电阻。

10.如权利要求9所述的电路，其中，所述两个串联的电阻具有的阻抗值彼此之间在10％以内。

11.如权利要求8所述的电路，其中，所述放大器配置为单位增益配置。

12.如权利要求8所述的电路，其中，所述放大器包括反相输入和正相输入，在所述反相输入和所述至少一个输出之间连接电阻。

13.如权利要求8所述的电路，其中，在所述至少一个输出和所述中点节点之间连接电阻。

14.一种包括如权利要求8所述的电路的电池组。

15.如权利要求8所述的电路，其中，所述放大器包括电源节点和返回节点，其中，所述返回节点连接到所述第二电池单元的阳极。

16.如权利要求15所述的电路，其中，所述电源节点连接到所述第一电池单元的阴极。

17.一种电池组，包括：

a.在中点节点连接在一起的至少两个电池单元；

b.连接到所述至少两个电池单元的有源电路，所述有源电路能够使电流流出到中点节点，或者使电流从中点节点流入；和

c.连接到所述有源电路的缩放电压，其中，所述缩放电压与所述至少两个电池单元上的电压成正比；

其中，当所述缩放电压高于中点节点上的电压时，有源电路使电流流出；

进一步地，其中，当所述缩放电压低于中点节点上的电压时，有源电路使电流流入。

18.如权利要求17所述的电路，其中，所述缩放电压是由电阻分压器生成的。

19.如权利要求17所述的电路，其中，所述有源电路包括具有电源节点和返回节点的放大器，其中，所述返回节点连接到其阴极连接到中点节点的电池单元的阳极。

Images