DE102013203320A1

DE102013203320A1 - System und Verfahren zum Batteriemanagement

Info

Publication number: DE102013203320A1
Application number: DE102013203320A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Furtner
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2013-08-29
Also published as: US9425631B2; CN103296716B; CN103296716A; US20130221926A1

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform hat ein bidirektionaler Ladekreis einen Batteriekopplungsknotenausgang, der dazu ausgebildet ist, mit einer Batteriezelle gekoppelt zu werden, einen Eingang, der mit einem gemeinsamen Knoten des Batteriemanagementsystems gekoppelt ist, und einen Controller, der mit dem bidirektionalen Ladekreis gekoppelt ist. Der Controller ist dazu ausgebildet, den bidirektionalen Ladekreis in einem Lademodus zu betreiben, um Ladung von dem gemeinsamen Knoten zu dem Batteriekopplungsknoten zu übertragen, und den bidirektionalen Ladekreis in einem Entlademodus zu betreiben, um Ladung von dem Batteriekopplungsknoten zu dem gemeinsamen Knoten zu übertragen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die elektronische Leistungsumwandlung und Verfahren hierfür, insbesondere ein System und ein Verfahren zum Batteriemanagement.
Tragbare elektronische Geräte, wie zum Beispiel Laptops, Tablet-Computer und persönliche Multimedia-Geräte, sind oft dafür konfiguriert, Strom aus einem Netzteil oder einem integrierten Batteriesatz zu erhalten. Dieser integrierte Batteriesatz kann mehrere Batteriezellen enthalten, um das elektronische Gerät mit genügend Strom zu versorgen. Während des Betriebes werden die Batteriezellen durch einen Ladekreis geladen und entladen. Oft ist ein Schutzkreis eingebaut, um die Batteriezellen vor unsachgemäßer Verwendung zu schützen, zum Beispiel um zu verhindern, dass Lithium-Ionen-Batterien überhitzen oder überladen werden. Des Weiteren kann eine Tiefenentladung einer Lithium-Ionen-Batterie die Zelle kurzschließen, wodurch ein anschließendes Nachladen der Zelle nicht mehr unbedenklich ist.
Oft haben die einzelnen Zellen innerhalb des Batteriesatzes verschiedene Ladekapazitäten. Diese verschiedenen Ladekapazitäten können entweder aufgrund konstruktiver Erwägungen bewusst verschieden sein oder können durch Produktionstoleranzen und/oder Alterung hervorgerufen werden. Für kleine Kapazitätsunterschiede werden oft Ausgleichsschaltungen in Batteriesatzmanagement-Schaltungen eingebaut, um die Auswirkungen verschiedener Ladekapazitäten und verschiedener Lade- und Entladeraten für jede einzelne Batterie in dem Batteriesatz zu mindern. In vielen Fällen werden Zellen mit großen Kapazitätsunterschieden nur parallel geladen und entladen. Um dies zu unterstützen, überwachen oft Batteriemanagementsysteme den Ladungszustand jeder Batterie und führen entsprechende Batteriemanagementfunktionen aus.
Eine der Folgen von verschiedenen Zellen mit verschiedenen Kapazitäten innerhalb des Batteriesatzes ist, dass der Stromversorgungsbus über die Dauer einer bestimmten Ladung starken Schwankungen der Betriebsspannung ausgesetzt ist. Darum sind Stromsystemkomponenten, wie zum Beispiel Spannungsregler, dafür ausgelegt, über einen sehr breiten Versorgungsspannungsbereich zu arbeiten. Die Effizienz solcher Spannungsregler kann jedoch sinken, wenn der Unterschied zwischen der Eingangsspannung und der geregelten Spannung zunimmt.
Gemäß einer Ausführungsform hat ein bidirektionaler Ladekreis einen Batteriekopplungsknotenausgang, der dazu ausgebildet ist, mit einer Batteriezelle gekoppelt zu werden, einen Eingang, der mit einem gemeinsamen Knoten des Batteriemanagementsystems gekoppelt ist, und einen Controller, der mit dem bidirektionalen Ladekreis gekoppelt ist. Der Controller ist dazu ausgebildet, den bidirektionalen Ladekreis in einem Lademodus zu betreiben, um Ladung von dem gemeinsamen Knoten zu dem Batteriekopplungsknoten zu übertragen, und den bidirektionalen Ladekreis in einem Entlademodus zu betreiben, um Ladung von dem Batteriekopplungsknoten zu dem gemeinsamen Knoten zu übertragen.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass nur die zum Verständnis des Grundprinzips notwendigen Merkmale dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale mit gleicher Bedeutung.
1a–b veranschaulichen ein herkömmliches Batteriemanagementsystem;
2a–g veranschaulichen ein Batteriemanagementsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 veranschaulicht ein Batteriemanagementsystem gemäß einer weiteren Ausführungsform unter Verwendung eines einzelnen Controllers;
4 veranschaulicht ein Batteriemanagementsystem gemäß einer weiteren Ausführungsform;
5a–c veranschaulichen ein beispielhaftes Batterie-Flachelement und ein Wellenformdiagramm, das die Funktionsweise des beispielhaften Batterie-Flachelements veranschaulicht;
6a–c veranschaulichen Schaubilder und ein entsprechendes Wellenformdiagramm für einen beispielhaften Controller mit einer beispielhaften Ladungsausgleichsschaltung;
7 veranschaulicht ein Batterie-Flachelement gemäß einer alternativen Ausführungsform; und
8 veranschaulicht ein Batterie-Flachelement gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform.
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen in einem konkreten Kontext beschrieben, und zwar für ein System und ein Verfahren zum Batteriemanagement. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch auf das Management von Stromquellen und auf verschiedene elektronische Leistungswandler, wie zum Beispiel Schaltleistungswandler, angewendet werden.
1a veranschaulicht ein herkömmliches Stromversorgungsmanagementsystem 100 für einen Notebook-Computer. Das Stromversorgungsmanagementsystem 100 enthält ein Netzteil 102, ein Batterieladegerät 104, einen Strompfadumschalter 106 und einen Batteriesatz 107. Der Strompfadumschalter 106 wählt entweder den Batteriesatz 107 oder das Netzteil 102 für die Stromversorgung des Stromversorgungsbusses 108 aus. Das Batterieladegerät 104 lädt den Batteriesatz 107 mit Strom aus dem Netzteil 102. In einigen Fällen kann der Batteriesatz 107 mehrere Batteriezellen haben, die in Reihe geschaltet sind. Zum Beispiel kann der Batteriesatz 107 drei Zellen haben, die in Reihe geschaltet sind, wodurch eine Ausgangsspannung zwischen etwa 9 V und etwa 12 V entsteht. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Ausgangsspannung mit Bezug auf verschiedene chemische Batteriezusammensetzungen variieren. Zum Beispiel beträgt in herkömmlichen Li-Ionen-Batterien (LiCoO₂) die niedrigste Spannung etwa 3,0 V pro Zelle, die Nennspannung beträgt etwa 3,6 V pro Zelle, und die Spannung im voll geladenen Zustand beträgt etwa 4,2 V pro Zelle. Andere chemische Zusammensetzungen können andere Spannungen haben. Die drei Zellen können 9 V ausgeben, wenn sich die Zellen in einem niedrigen Ladungszustand befinden, und können 12,6 V ausgeben, wenn die drei Zellen vollständig geladen sind. Vier Zellen erzeugen zum Beispiel eine Ausgangsspannung zwischen etwa 12 V und etwa 16,8 V. Darum kann die Spannung des Stromversorgungsbusses 108 zwischen 9 V, was den Niedrigstromzustand von drei in Reihe geschalteten Zellen darstellt, und etwa 19 V, was die Ausgabe des Netzteils 102 darstellt, variieren. Es können auch Netzteile eingebaut sein, die eine höhere Spannung, wie zum Beispiel 20 V, ausgeben, um eine höhere Spannung bereitzustellen, um einen vollständig geladenen Batteriesatz versorgen zu können und zusätzlichen Regelspielraum zu haben.
Der Stromversorgungsbus 108 kann mit verschiedenen Systemen gekoppelt sein, die in dem Notebook-Computer vorhanden sind. Zum Beispiel kann der Stromversorgungsbus 108 mit einem Low-Dropout-Regler 110, einem E/A-Strom 112, einer Erhaltungsschaltung 114, einem LCD-Bildschirm 116, einer Hauptstromversorgung 118, einer CPU (central processing unit) 119, Grafikschaltungen 120 und einem DRAM-Speicher 122 gekoppelt sein. Diese Schaltungen können über Spannungsregler, Low-Dropout-Regler oder – im Fall des LCD-Bildschirms 116 – eine Spannungsverstärkungsschaltung mit dem Stromversorgungsbus 108 gekoppelt sein. In einigen Fällen können die Hauptstromversorgung 118, die CPU 119, die Grafikschaltungen 120 und der dynamische Speicher 122 den höchsten Spitzenstromverbrauch haben. Es ist zu beachten, dass das in 1a gezeigte Beispiel lediglich ein Beispiel für eines von vielen Arten von Systemen ist, in denen Batteriemanagementvorrichtungen verwendet werden.
1b veranschaulicht Details des Batterieladegerätes 104, des Strompfadumschalters 106 und des Batteriesatzes 107. Der Strompfadumschalter 106 enthält Transistoren 140 und 142, die zwischen der Ausgabe des Batteriesatzes 107 und des Netzteils wählen. Der Batteriesatz 107 enthält vier in Reihe geschaltete Batteriezellen 156, 158, 160 und 162. Der Batteriesatz enthält außerdem eine First-Level-Sicherungs- und Sicherheitsschaltung 148 mit bidirektionalen MOSFETs 144 und 146 für einen Second-Level-Fehlerschutz. Die Batterierestlaufzeitüberwachung 152 überwacht den Batteriestrom über den Widerstand 153 und die individuellen Zellenspannungen, um den Ladungsstatus und die maximale Kapazität jeder Batteriezelle zu verfolgen.
Das Batterieladegerät 104, das aktiviert wird, wenn der Stromversorgungsbus 108 Strom von der Wechselstromversorgung empfängt, enthält einen Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler, der einen Reihen-Schalttransistor 132, einen Parallel-Schalttransistor 134, eine Induktionsspule 138, einen Reihen-Strompfaderkennungswiderstand R_SENSE und einen Ausgangskondensator 150 aufweist. Das Batterieladegerät 104 kann außerdem unter Verwendung eines linearen Spannungsreglers implementiert werden. Das Batterieladegerät 104 erzeugt Ladeströme und -spannungen, die zum Laden der Batteriezellen in dem Batteriesatz 107 benötigt werden. In dem Beispiel von 1b ist ein einzelnes Ladegerät für das Laden aller Batteriezellen 156, 158, 160 und 162 zuständig. Hier ist die Ladung, die jeder der Zellen in der Kette zugeführt wird, gleich. Da die Zellen 156, 158, 160 und 162 verschiedene Kapazitäten haben können, wird die Ladung mittels der Zellenausgleichsschaltung 154 zwischen den Zellen umverteilt.
2a veranschaulicht ein beispielhaftes Batteriemanagementsystem 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einer Ausführungsform ist ein Batteriesatz in mehrere Flachelemente 202a, 202b und 202c unterteilt. Jedes Flachelement kann eine einzelne Zelle 220 oder mehrere Zellen enthalten, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, wie zum Beispiel optionale Zellen 221 und 223. Jedes Flachelement, zum Beispiel das Flachelement 202a, hat sein eigenes Ladegerät, seine eigene Batterierestlaufzeitüberwachung und seine eigene Sicherheitsschaltung, was zum Beispiel durch den Controller-Block 208 dargestellt ist. Die Batterie-Flachelemente 202b und 202c können ebenfalls ähnliche Schaltungen wie Block 202a enthalten.
Das Batterie-Flachelement 202a hat einen Controller 208, der die Reihenschalter 210 und 212 sowie den Low-Side-Schalter 214 ansteuert. Die Schalter bilden zusammen mit der Induktionsspule 218 einen bidirektionalen Schaltleistungswandler. In einer Ausführungsform detektiert das Batteriemanagementsystem 200 das Vorhandensein eines Netzteils, zum Beispiel durch Erkennen einer erhöhten Railspannung. Wenn das System 200 diese erhöhte Railspannung detektiert, so werden die Batterie-Flachelemente 202a, 202b und 202c in einem Modus betrieben, der Ladung vom Stromversorgungsbus 222 in die jeweiligen Batteriezellen überträgt, die mit jedem jeweiligen bidirektionalen Schaltleistungswandler gekoppelt sind. Während des Ladens werden die Schaltelemente 210, 212 und 214 als ein Kompensationswandler betrieben, um die Spannung des Netzteilausgangs auf eine geeignete Zellenspannung zu senken. In einer Ausführungsform werden die Schaltelemente 210, 212 und 214 mittels MOSFET-Schalter implementiert; jedoch können diese Schalter auch in einer anderen Weise implementiert werden, wie zum Beispiel als Bipolar-Transistoren, IGBTs, Sperrschicht-FETs und andere Halbleiter-Schaltbauelemente. Die Induktionsspule 218 wird über die High-Side-Schalter 210 und 212 geladen und dann über den Low-Side-Schalter 214 entladen, bis der Strom null erreicht. In einer Ausführungsform, die einen quasi-resonanten Betriebsmodus (QRM) verwendet, wird die Induktionsspule 218 auf einen Spitzenstrom von etwa dem Doppelten des gewünschten durchschnittlichen Ladestroms in der Batteriezelle 220 geladen. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Induktionsspule 218 auf ein anderes Verhältnis des gewünschten Batteriezellenladestroms geladen werden. Zum Beispiel kann in einem kontinuierlichen Leitungsmodus (Continuous Conduction Mode, CCM) das Verhältnis zwischen dem Spitzenstrom für die Induktionsspule und dem durchschnittlichen Batteriezellenladestrom kleiner als zwei sein, und in einem diskontinuierlichen Leitungsmodus kann dieses Verhältnis größer als zwei sein. Alternativ können in anderen CCM-, QRM- und DCM-Modi auch andere Verhältnisse verwendet werden. Die Funktionsweise eines einzelnen Batterie-Flachelements während des Lademodus ist grafisch in 2b veranschaulicht.
In einer Ausführungsform werden, wenn kein Vorhandensein des Netzteils detektiert wird, die Batterie-Flachelemente 202a, 202b und 202c in einem Entlademodus betrieben, dergestalt, dass Energie von Zelle 220 in den Stromversorgungsbus 222 entladen wird.
Wenn kein Vorhandensein eines Netzteils detektiert wird, so werden die Zellen innerhalb der Batterie-Flachelemente 202a, 202b und 202c an den Stromversorgungsbus 222 entladen, indem die Schaltelemente 210, 212 und 214 und die Induktionsspule 218 als ein Verstärkungswandler betrieben werden, um die Spannung von der Zelle 202a auf eine gewünschte Railspannung am Stromversorgungsbus 222 zu erhöhen. In einer Ausführungsform wird die Spannung am Stromversorgungsbus 222 auf etwa 5 V gesteuert. Alternativ kann der Stromversorgungsbus 222 auf das Erreichen anderer Spannungen gesteuert werden. Die Induktionsspule 218 wird über den Low-Side-Schalter 214 auf einen Maximalstrom geladen und dann über die High-Side-Schalter 210 und 212 entladen, bis der Strom null erreicht. In einigen Ausführungsformen, die einen quasi-resonanten Betriebmodus (QRM) verwenden, kann dieser Maximalstrom das Doppelte des Entladestroms von der Batteriezelle 220 betragen. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Induktionsspule 218 auf ein anderes Verhältnis des gewünschten Batterie-Entladestroms geladen werden. Zum Beispiel kann in einem kontinuierlichen Leitungsmodus (Continuous Conduction Mode, CCM) das Verhältnis zwischen dem Spitzenstrom für die Induktionsspule und dem durchschnittlichen Batteriezellenentladestrom kleiner als zwei sein, und in einem diskontinuierlichen Leitungsmodus kann dieses Verhältnis größer als zwei sein.
Die Funktionsweise eines einzelnen Batterie-Flachelements während des Entlademodus ist grafisch in 2c veranschaulicht.
In einer Ausführungsform können die Flachelemente 202a, 202b und 202c in einem phasenverschachtelten Modus arbeiten, in dem das Laden und Beschicken des Stromversorgungsbus 222 über einen 360°-Zyklus verteilt wird, um das Lastverhalten zu verbessern und die elektromagnetischen Störungen (EMI) zu verringern. In einer Ausführungsform wird das Laden und Beschicken der Stromversorgungsschiene 222 um 360°/n verschachtelt, wobei n die Anzahl der Flachelemente ist. In der veranschaulichten Ausführungsform von 2 ist n = 3.
In einer Ausführungsform können die Controller jedes einzelnen Flachelements miteinander kommunizieren, um die Phasen für den verschachtelten Betrieb auszurichten. Die Flachelemente 202a, 202b und 202c können auch Daten austauschen, wie zum Beispiel die maximale Kapazität jedes Flachelements, um einen Ladungsausgleich für Lade- und Entladevorgänge zu ermöglichen. Darüber hinaus können die Flachelemente 202a, 202b und 202c ihre Gleichstrom- Gleichstrom-Wandlung synchronisieren, um das Lastverhalten zu verbessern. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein einzelner integrierter Controller verwendet werden, um Schalter innerhalb der mehreren Batterie-Flachelemente zu steuern.
2d veranschaulicht den Ladebetrieb des beispielhaften Batteriemanagementsystems 200 (2), wie durch das Schaubild von 2b gezeigt. Der Strom I₀ stellt den Ladestrom des Batterie-Flachelements 202a dar, der Strom I₁ stellt den Ladestrom des Batterie-Flachelements 202b dar, und der Strom I₂ stellt den Ladestrom des Batterie-Flachelements 202c dar. Andererseits veranschaulicht 2e den Entladebetrieb des beispielhaften Batteriemanagementsystems 200, wie durch das Schaubild von 2c gezeigt. Wie in den 2d und 2e gezeigt, sind die Ströme I₀, I₁ und I₂ so phasengesteuert, dass alle Ladeströme in einem Abstand von 360°/3 = 120° voneinander angeordnet sind. In alternativen Ausführungsformen kann die Phasenbeziehung zwischen I₀, I₁ und I₂ anders versetzt sein, oder einige oder alle Ströme können miteinander phasengleich sein. Kurvenabschnitte mit der Bezeichnung „a“ zeigen Strom an, der durch die High-Side-Schalter 210 und 212 fließt, und Kurvenabschnitte mit der Bezeichnung „b“ zeigen Strom an, der durch den Low-Side-Schalter 214 fließt.
2f veranschaulicht einen Schutzmodus für das Batterie-Flachelement 202a. Im Schutzmodus sind die Schaltelemente 210, 212 und 214 abgeschaltet, um ein gleichzeitiges Laden und Entladen der Zelle 220 zu verhindern. In einigen Ausführungsformen ist nur einer der Schalter 210 und 212 deaktiviert. Der in 2f veranschaulichte beispielhafte Schutzmodus kann zum Beispiel in Systemen verwendet werden, die Lithium-Ionen-Zellen verwenden. In einer Ausführungsform wird der Schutzmodus durch den Controller 208 aktiviert, um eine Überspannung, einen Überladestrom, einen Überentladestrom oder eine Übertemperatur an den Lithium-Ionen-Zellen zu verhindern, die dazu führen können, dass die Lithium-Ionen-Zellen beschädigt, zerstört und/oder überhitzt werden.
2g veranschaulicht einen Entlademodus für das Batterie-Flachelement 202a, in dem die Schalttransistoren 210 und 212 permanent geschlossen sind und der Schalttransistor 214 permanent offen ist, um ein Entladen der Batteriezelle 220 zu ermöglichen. Der beispielhafte Entlademodus kann zum Beispiel aktiviert werden, um Schaltverluste zu vermeiden, und/oder wenn keine Batteriespannungswandlung gewünscht wird. In diesem Modus kann die Stromversorgungsbusspannung nahe bei der Batteriespannung liegen.
3 veranschaulicht ein Batteriemanagementsystem 300 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in dem eine einzelne Steuereinheit 302 verwendet wird, um Steuersignale an die Flachelemente 310a, 310b und 310c zu senden. Die Steuereinheit 302 kann in einem einzelnen integrierten Schaltkreis oder in mehreren integrierten Schaltkreisen angeordnet werden. Durch Integrieren der Steuereinheit 302 in einem einzelnen integrierten Schaltkreis kann eine gemeinsame Nutzung von Ressourcen, wie zum Beispiel einige E/A-Pins oder ein zentraler Controller-Schaltkreis, erreicht werden, wodurch die Kommunikation zwischen den Flachelementen vereinfacht wird. Die Steuereinheit 302 kann außerdem eine Entladungssteuerung, Sicherheitsfunktionen, eine Batterierestlaufzeitüberwachung und Schaltungen zum Bereitstellen weiterer Funktionen enthalten. Darüber hinaus können in einigen Ausführungsformen die Schaltelemente 210, 212 und 214 ganz oder teilweise in den Controller 302 integriert werden.
4 veranschaulicht ein Batteriemanagementsystem 400 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in dem Batteriezellen-Flachelemente über mehrere Transformator-gekoppelte Rücklaufwandler mit der Wechselstromversorgung gekoppelt sind. Das Batteriemanagementsystem 400 hat drei Batterie-Flachelemente, welche die Batteriezellen 420a, 420b und 420c enthalten, die über Sekundärwicklungen 412a, 412b und 412c mit einer Primärwicklung 410 gekoppelt sind. Low-Side-Schalttransistoren 402, 404a, 404b und 404c erhalten Steuersignale von einem (nicht gezeigten) Controller, die die Schalter in einer Weise ansteuern, die entweder ein Laden oder Entladen der Batteriezellen 420a, 420b und 420c erlaubt. Es versteht sich des Weiteren, dass in alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch andere Leistungsumwandlungsarchitekturen verwendet werden können, zum Beispiel SEPIC, Split-Pi, Cuk, Halbbrücke, Vollbrücke, LLC und andere Architekturen. Widerstände 422a, 422b und 422c können durch den (nicht gezeigten) Controller für Strommessungszwecke verwendet werden.
5a–c veranschaulichen ein einzelnes bidirektionales Stromversorgungs-Flachelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich, dass mehrere Flachelemente der in 5a gezeigten Ausführungsform zu einem einzelnen beispielhaften Batteriemanagementsystem kombiniert werden können. Des Weiteren können Details des Betriebes des Stromversorgungs-Flachelements auf Ausführungsformen angewendet werden, die einen einzelnen Controller aufweisen, der mehrere Batterie-Flachelemente betreibt.
5a veranschaulicht eine Batteriezelle 220, die mit einem bidirektionalen Schaltnetzteil-Flachelement 500 gekoppelt ist, das einen Steuerschaltkreis 502, High-Side-Schalttransistoren 210 und 212, einen Low-Side-Schalttransistor 214 und eine Reihen-Induktionsspule 218 aufweist. Das bidirektionale Schaltnetzteil-Flachelement 500 hat außerdem einen Verstärker 504, der im Zusammenspiel mit dem Stromdetektionswiderstand 216 dazu dient, eine Spannung oder einen Strom proportional zu der Spannung am Widerstand 216 zu erzeugen, was einen Hinweis auf den Lade- oder Entladestrom der Batteriezelle 220 gibt. Der Steuerschaltkreis 502 hat des Weiteren einen Eingang, der an eine Spannung U_BAT gekoppelt ist, was einen Spannungsrückkopplungspfad zu dem Steuerschaltkreis 502 bildet. Die Ausgänge des Verstärkers 504 und die Spannung U_BAT können verwendet werden, um eine Rückkopplung zur Steuerspannung U_BAT während des Ladens und zur Spannung U_RAIL während des Entladens bereitzustellen. In einer Ausführungsform sind die Schalttransistoren 210 und 212 Drain-an-Drain dergestalt verbunden, dass ihre parasitären Bodydioden 211 und 213 entgegengesetzte Polaritäten haben, was eine bidirektionale Stromsteuerung in Ausführungsformen erlaubt, die MOSFET-Schalter verwenden.
5b veranschaulicht einen beispielhaften Steuerschaltkreis 502. Der Steuerschaltkreis 502 weist einen Komparator 510 auf, der einen externen Wechselstromversorgungseingang U_EXT mit einer Bezugsspannung U_{EXT_MIN} vergleicht. In einer Ausführungsform wird, wenn die Spannung U_EXT größer als eine zulässige Netzteil-Mindestausgangsspannung, zum Beispiel 5 V, ist, das Batteriestrommanagementsystem in einen Lademodus versetzt, wobei die Batteriezelle 220 geladen wird. Wenn andererseits die Spannung U_EXT kleiner als die Mindest-Strombusspannung, zum Beispiel 4,75 V, ist, so wird das Batteriestrommanagementsystem in einen Entlademodus versetzt, wobei die Batteriezelle 220 das System mit einer Spannung U_RAIL versorgt. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können je nach der konkreten Anwendung und ihren Spezifikationen auch andere Schwellenspannungen verwendet werden.
In einer Ausführungsform bestimmt der Berechnungsblock 512 die Periode t_PER der Oszillation (oder Impulsfrequenz) und die Pulsweite t_ON der Schaltsignale, die zum Steuern des Stroms verwendet werden, mit dem die Batterie 220 geladen oder entladen wird. Wenn sich das Signal CV/CC in einem ersten Zustand befindet, zum Beispiel HIGH, so arbeitet das Batterie-Flachelement 500 in einem Konstantspannungsmodus, in dem die Batterie mit einer konstanten Spannung während des Ladens beaufschlagt wird. Wenn sich das Signal CV/CC in einem zweiten Zustand befindet, zum Beispiel LOW, so arbeitet das Batterie-Flachelement 500 in einem Konstantstrommodus. In einigen Ausführungsformen wird das Batterie-Flachelement 500 in einem Konstantstrommodus betrieben, wenn die Batterie leer ist, um zunächst die Batteriezelle 220 zu laden. Sobald die Batteriezelle 220 eine bestimmte Schwelle erreicht, zum Beispiel eine Nennladespannung von etwa 4,1 V, so wird das Batterie-Flachelement 500 in einem Konstantspannungsmodus betrieben. Es versteht sich, dass in alternativen Ausführungsformen auch andere Nennspannungen als 4,1 V verwendet werden können. Der Eingang I_MAX wird verwendet, um den Spitzenstrom durch die Schaltelemente zu begrenzen.
In einer Ausführungsform wird die Versorgungsschienenspannung U_RAIL durch den Berechnungsblock 512 während des Entlademodus dafür verwendet, die Versorgungsschienenspannung U_RAIL auf eine bestimmte Spannung einzustellen, indem die Pulsweite oder die Einschaltdauer der pulsweitenmodulierten Schaltsignale über Rückkopplungsregelung eingestellt wird. Gleichermaßen wird die Spannung der Batteriezelle 220, U_BAT, durch den Berechnungsblock 512 während des Lademodus dafür verwendet, die Spannung der Batteriezelle 220, U_BAT, auf eine bestimmte Spannung einzustellen, indem die Pulsweite oder die Einschaltdauer der pulsweitenmodulierten Schaltsignale über Rückkopplungsregelung eingestellt wird. In einer Ausführungsform wird die Versorgungsschienenspannung U_RAIL auf etwa 5 V eingestellt, und die Spannung der Batteriezelle 220, U_BAT, wird auf einen Wert zwischen etwa 4,1 V und etwa 4,2 V eingestellt. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können je nach dem System und seinen konkreten Spezifikationen auch andere Spannungen und Spannungsbereiche verwendet werden. Wenn das System zum Beispiel im Konstantstrommodus betrieben wird, so wird – falls durch das CV/CC-Signal ausgewählt – das Ladestromsignal I_CHG durch den Berechnungsblock 512 während des Lademodus dafür verwendet, den Ladestrom auf einen Strom einzustellen, der durch I_CHG dargestellt wird, indem die Pulsweite oder die Einschaltdauer der pulsweitenmodulierten Schaltsignale über Rückkopplungsregelung eingestellt wird. In einigen Ausführungsformen kann der Entladestrom der Batteriezelle ebenfalls in ähnlicher Weise gesteuert werden.
In einer Ausführungsform wird das Signal L durch den Berechnungsblock 512 dafür verwendet, die Periode t_PER der Oszillation und die Pulsweite t_ON der Schaltsignale gemäß einer Größenordnung der Induktionsspule 218 einzustellen. In einer Ausführungsform ist das Signal L ein digitales Wort, das für den Induktanzwert der Induktionsspule 218 steht. Die Verwendung dieses Induktanzwertes wird unten erläutert.
Der Komparator 524 vergleicht die Spannung U_RAIL mit der Schwellenspannung U_{RAIL_MIN}. Wenn der Komparator 524 bestimmt, dass U_RAIL kleiner als die Schwelle U_{RAIL_MIN} ist, wird DIS_EN über das UND-Gatter 512 erzwungen. Ein möglicherweise aktiver Ladezyklus wird dann vollendet, bis der Induktionsspulenstrom null ist, und anschließend wird ein Entladezyklus ausgeführt. Für einen Entladezyklus wird zuerst die Induktionsspule mit dem Schalter 214 über die Ausgangsphase φ₀ für die Dauer von t_ON gepumpt und dann mit den Schaltern 210 und 212 über φ₁ und φ₂ entladen. Der Komparator 526 überwacht die Batteriespannung U_BAT durch Vergleichen von U_BAT mit der Schwelle U_{BAT_MIN}.
Wenn U_BAT kleiner als U_{BAT_MIN} ist, so wird CHG_EN über das UND-Gatter 520 erzwungen. Ein möglicherweise aktiver Entladezyklus wird dann vollendet, bis der Induktionsspulenstrom null ist, und anschließend wird ein Ladezyklus ausgeführt. Für einen Ladezyklus wird zuerst die Induktionsspule mit den Schaltern 210 und 212 über Ausgangsphase φ₁ und φ₂ für die Dauer von t_ON gepumpt und dann mit den Schaltern 214 und 212 über φ₀ in die Batteriezelle entladen. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entsprechen bestimmte Spannungen für U_{RAIL_MIN} (z. B. 4,75 V) und U_{BAT_MIN} (z. B. 4,1 V) den Spezifikationen und Anforderungen jenes konkreten Systems. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform U_{RAIL_MIN} auf etwa 4,75 V eingestellt werden, und U_{BAT_MIN} kann auf etwa 4,1 V eingestellt werden. Alternativ können U_{RAIL_MIN} und U_{BAT_MIN} auch auf andere Spannungen eingestellt werden. Sowohl Laden als auch Entladen können deaktiviert werden, indem PROT_n auf „low“ gesetzt wird.
Der Nulldurchgangsdetektor 522 detektiert einen Nulldurchgangspunkt des gemessenen Stroms durch den Widerstand 216 (5a) und kann dafür verwendet werden, das Schalten des Pulsweitenmodulations-Blocks 516 zu steuern. Der Nulldurchgangsdetektor 522 kann auch dafür verwendet werden, das Batterie-Flachelement 500 in einem resonanten Modus oder quasi-resonanten Wandlungsmodus zu betreiben.
Der Oszillator 514 gibt ein Auslösesignal TRG an den Pulsweitenmodulations-Block 516 aus. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gibt der Oszillator 514 eine Schaltfrequenz zwischen etwa 20 kHz und etwa 500 kHz aus. Alternativ können je nach der konkreten Anwendung und ihren Spezifikationen auch andere Frequenzbereiche verwendet werden.
5c veranschaulicht ein Wellenformdiagramm, das die Funktionsweise des Batterie-Flachelements 500 (5a) veranschaulicht. Wenn U_EXT größer als U_{EXT_MIN} ist, so arbeitet der bidirektionale Leistungswandler in einem Lademodus. Das Reihenschaltsteuersignal φ₁ geht jedes Mal auf „high“, wenn eine ansteigende Flanke von TRG erfolgt, während CHG_EN erzwungen wird, wodurch die Induktionsspule 218 geladen wird. Wenn der Strom I_BAT einen Maximalstrom I_PEAK erreicht, geht das Steuersignal φ₁ auf „low“, und das Steuersignal φ₀ des Low-Side-Transistors geht auf „high“, wodurch die Induktionsspule 218 entladen wird. Das Steuersignal φ₀ bleibt auf „high“, bis das Signal ZXD anzeigt, dass I_BAT einen Nulldurchgang erreicht hat. In diesem Moment geht das Steuersignal φ₀ auf „low“ und schaltet den Low-Side-Schalttransistor 214 ab. Der Zyklus wiederholt sich erneut an der ansteigenden Flanke von TRG. In einer Ausführungsform geht φ₀, wenn TRG vor dem Nulldurchgang erfolgt, sofort auf „low“, und der Zyklus beginnt von vorn.
Wenn U_EXT kleiner als U_{EXT_MIN} ist, arbeitet der Leistungswandler in einem Entlademodus. Das Steuersignal φ₀ des Low-Side-Schalters geht jedes Mal auf „high“, wenn eine ansteigende Flanke von TRG erfolgt, während DIS_EN aufgedrückt wird, wodurch die Induktionsspule 218 in einer Richtung geladen wird, die der Laderichtung im Lademodus entgegengesetzt ist. Wenn der Strom I_BAT einen negativ gehenden Maximalstrom I_PEAK erreicht, geht das Steuersignal φ₀ auf „low“, und das Steuersignal φ₂ des Reihentransistors geht auf „high“, wodurch die Induktionsspule 218 entladen wird. Das Steuersignal φ₂ bleibt auf „high“, bis das Signal ZXD anzeigt, dass I_BAT einen Nulldurchgang erreicht hat. In diesem Moment geht das Steuersignal φ₂ auf „low“, wodurch der Reihen-Schalttransistor 210 abgeschaltet wird. Der Zyklus wiederholt sich erneut an der ansteigenden Flanke von TRG. In einer Ausführungsform geht φ₂, wenn TRG vor dem Nulldurchgang erfolgt, sofort auf „low“, und der Zyklus beginnt von vorn.
6a veranschaulicht einen beispielhaften Batteriemanagement-Controller 600 für mehrere Flachelemente, der Schaltsteuersignale für drei bidirektionale Stromversorgungs-Flachelemente ausgibt. In einer Ausführungsform bestimmt ein Berechnungsblock 602 eine Oszillationsperiode t_PER für einen Oszillator 604 und eine Pulsweite t_ON für Pulsweitenmodulatoren 614a, 614b und 614c, von denen jeder Schaltsteuersignale an seine jeweiligen bidirektionalen Schaltleistungswandler ausgibt, wie oben beschrieben. Der Oszillator 604 gibt phasengesteuerte Ausgangssignale TRG0 bei 0°, TRG1 bei 120° und TRG2 bei 240° aus. Es ist zu beachten, dass ein Controller 600 je nach der konkreten Anwendung und ihren Spezifikationen eine beliebige Anzahl einzelner Pulsweitenmodulations-Blöcke haben kann. In solchen Ausführungsformen kann die Phasensteuerung der Ausgänge des Oszillatorblocks 604 gleichmäßig über eine einzelne Oszillationsperiode verteilt werden. In einer Ausführungsform stellt das Signal TRG0 ein Auslösesignal für den Pulsweitenmodulator 614a bereit, TRG1 stellt ein Auslösesignal für den Pulsweitenmodulator 614b bereit, und TRG2 stellt ein Auslösesignal für den Pulsweitenmodulator 614c bereit.
Der Ladungsausgleichsblock 630 kann für die Unterstützung von Batterien mit verschiedenen Kapazitäten verwendet werden. Dabei kann Ladung zwischen zwei oder mehr Flachelementen ausgeglichen werden. Selbst wenn zwei Batterien zunächst dafür konfiguriert werden, die gleiche Kapazität zu haben, können Produktionstoleranzen Unterschiede bei der Kapazität der einzelnen Batterien verursachen. In einer Ausführungsform kann eine erste Stufe des Ladungsausgleichs durch die Auswahl der Induktionsspulenwerte erreicht werden. Zum Beispiel kann eine Batterie mit einer geringeren Kapazität in Reihe mit einer Induktionsspule mit einem höheren Induktanzwert geschaltet werden, um eine ähnliche Pulsweite zu verarbeiten, die von ihrem jeweiligen Pulsweitenmodulations-Block ausgeht. Dieser Effekt ist durch das Schaltbild von 6b und das Wellenformdiagramm von 6c veranschaulicht. 6b zeigt eine Batteriezelle 220 mit einer relativen Batteriekapazität α und die Induktionsspule 218, die durch das Reziprok von α skaliert ist. Strom a fließt während einer ersten Phase durch die High-Side-Schalter 210 und 212 und die Induktionsspule 218, und Strom b fließt während einer zweiten Phase durch den Low-Side-Schalter 214. Es ist aus dem Wellenformdiagramm von 6c zu ersehen, dass das Skalieren der Induktionsspule in einer Weise, die sich umgekehrt proportional zur Ladekapazität einer Batteriezelle verhält, eine ähnliche t_ON-Zeit ergibt.
Das anfängliche LQ-Produkt für jedes Batterie-Flachelement kann normalisiert werden, indem man jede jeweilige Induktionsspule in jedem jeweiligen Batterie-Flachelement so eingestellt, dass das LQ-Produkt für jedes Batterie-Flachelement ungefähr gleich ist. Es versteht sich jedoch, dass in alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung innerhalb desselben Systems auch andere LQ-Produkte verwendet werden können. Die relative Impulsbreite eines Schaltsteuersignals für ein bestimmtes Batterie-Flachelement kann gemäß der gemessenen Ladung der jeweiligen Batteriezelle oder der verbleibenden verfügbaren Kapazität der jeweiligen Batteriezelle weiter modifiziert werden. Zum Beispiel kann ein Ladungsausgleich verwendet werden, um die Entladerate der Batterie mit einer geringeren verbleibenden Kapazität zu senken und gleichzeitig die Entladerate der übrigen Batteriezellen zu erhöhen, um eine konstante Entladerate aufrechtzuerhalten. In einer Ausführungsform kann dies für das Entladen bewerkstelligt werden, indem man die Pulsweiten eines bestimmten Steuersignals auf der Grundlage eines Durchschnittswertes der verbleibenden Zellenkapazität mal dem Induktanzwert (augenblickliches LQ-Produkt für das Entladen) eingestellt. In einer Ausführungsform kann dies während des Ladens bewerkstelligt werden, indem man die Pulsweiten eines bestimmten Steuersignals auf der Grundlage eines Durchschnittswertes von ungenutzter Zellenkapazität mal dem Induktanzwert (augenblickliches LQ-Produkt für das Laden) eingestellt.
Wieder unter Bezugnahme auf 6a stellt in einer Ausführungsform der Ladungsausgleichsblock 630 die durch den Berechnungsblock 602 erzeugte Pulsweite t_ON so ein, dass Pulsweitensteuersignale t_ON0, t_ON1 und t_ON2 gebildet werden, die mit Pulsweitenmodulationsblöcken 614a, 614b bzw. 614c gekoppelt sind. In einer Ausführungsform wird das Pulsweitensteuersignal t_ON mit einem Faktor multipliziert, der das Produkt einer Batterieladung und einer Induktanz darstellt. Zum Beispiel wird – in dem ersten Kanal während des Entlademodus – t_ON mit dem Produkt von QACT0, was den tatsächlichen Ladungszustand darstellt, der in der Batterie des ersten Flachelements übrig bleibt, und L0, was die Reiheninduktanz (zum Beispiel die Induktionsspule 218 in 5a) des Leistungswandlers darstellt, multipliziert. Während des Lademodus wird L0 mit (QMAX0 – QACT0) multipliziert, wobei QMAX0 die maximale Kapazität der Batterie darstellt. Ähnliche Berechnungen werden auch im zweiten und dritten Kanal durchgeführt.
In einer Ausführungsform wählen die Multiplexer 606a, 606b und 606c zwischen QACT und der Differenz zwischen QMAX und QACT für jeden jeweiligen Kanal, Strombus und Vervielfacher 608a, 608b und 608c multiplizieren die Ausgänge der Multiplexer 606a, 606b und 606c mit jeweiligen Induktionsspulenwerten L0, L1 und L2. In einer Ausführungsform können die Induktionsspulenwerte L0, L1 und L2 digitale Werte sein. Ein durchschnittliches augenblickliches LQ-Produkt wird mittels des Summierers 616 summiert, ein Reziprok wird mittels Block 628 errechnet und mit der Anzahl der Kanäle (3 in diesem Fall) mit dem Vervielfacher 620 multipliziert, um ein Ladungsausgleichs-Einstellungssignal zu bilden. Der Ausgang des Vervielfachers 620 wird mit dem augenblicklichen LQ-Produkt jedes Kanals über die Vervielfacher 612a, 612b und 612c multipliziert, deren Ausgang durch Begrenzer 632a, 632b und 632c begrenzt wird, um ein Pulsweiten-Einstellungssignal zu bilden. Die Multiplexer 634a, 634b und 634c wählen die Ausgänge der Begrenzer 632a, 632b und 632c, wenn Signal BAL erzwungen wird, was anzeigt, dass der Ladungsausgleichsblock 630 aktiv ist, so dass t_ON eingestellt wird, oder wählen einen Einheitswert, wenn das Signal BAL nicht erzwungen wird, was anzeigt, dass der Ladungsausgleichsblock 630 inaktiv ist und t_ON uneingestellt bleibt. Die Vervielfacher 610a, 610b und 610c multiplizieren die Ausgänge von jeweiligen Multiplexern 634a, 634b und 634c mit t_ON, um eingestellte Pulsweitensteuersignale t_ON0, t_ON1 und t_ON2 zu bilden. In einigen Ausführungsformen wird das Signal BAL nicht während des Konstantspannungslademodus erzwungen, so dass eine Ladungssteuerung durch das Signal CHG_EN ausgeführt wird.
In einer Ausführungsform stellen die Begrenzerblöcke 632a, 632b und 632c sicher, dass die eingestellten Werte von t_ON unter abnormalen Änderungsbedingungen innerhalb eines nominalen Betriebsbereichs bleiben, zum Beispiel, wenn eine Zelle leer ist und die andere voll ist; wenn Q_ACT für Entladebedingungen nahe null ist und für Ladebedingungen nahe eins ist; oder unter einigen Ladungsfehlanpassungsbedingungen. In einer Ausführungsform werden die Beschneidungsgrenzen der Begrenzerblöcke 632a, 632b und 632c auf etwa 0,95 für die untere Grenze und etwa 1,05 für die obere Grenze eingestellt. Alternativ können je nach dem konkreten System und seinen Anforderungen andere Grenzwerte angewendet werden. In einigen Ausführungsformen kann auf die Begrenzerblöcke 632a, 632b und 632c verzichtet werden.
Es versteht sich, dass die Implementierung des Ladungsausgleichsblocks 630 nur ein Beispiel einer möglichen Implementierung ist. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die verschiedenen Blöcke innerhalb des Ladungsausgleichsblocks 630 in einer Vielzahl verschiedener Arten implementiert werden. Zum Beispiel können in einer Ausführungsform Vervielfacher, Multiplexerstrukturen und Reziprokblöcke mittels dedizierter digitaler Hardware, wie zum Beispiel digitaler Multiplexer, digitaler Vervielfacher und dergleichen, implementiert werden. Alternativ können diese Blöcke unter Verwendung eines Mikrocontrollers oder eines digitalen Signalprozessors implementiert werden. In weiteren Ausführungsformen kann die Funktion des Ladungsausgleichsblocks 630 mittels analoger Signalverarbeitungstechniken oder einer Kombination analoger und digitaler Signalverarbeitungstechniken implementiert werden. Alternativ können andere funktionsäquivalente Strukturen verwendet werden.
7 veranschaulicht ein Batteriezellen-Flachelement 700 gemäß einer alternativen Ausführungsform, das eine Reihen-Induktionsspule 704 und einen Low-Side-Schalter 706 hat, der auf der gegenüberliegenden Seite der Reihenschalter 708 und 710 der Batteriezelle 712 gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen kann eine optionale Reihenzelle 714 oder eine (nicht gezeigte) weitere parallele Zelle enthalten sein. Der Controller 702 erzeugt Steuersignale für Schalter 706, 708 und 710, dergestalt, dass der bidirektionale Wandler als ein Verstärkungswandler während des Ladens der Zelle 712 und als ein Kompensationswandler während des Entladens der Zelle 712 fungiert. Das Batterie-Flachelement 700 kann als die Flachelement-Architektur für beispielhafte Batteriemanagementsysteme verwendet werden, die mehrere Flachelemente haben. Die Flachelement-Architektur 700 kann in Systemen verwendet werden, in denen Schienenspannungen unterhalb der Batteriespannung gewünscht werden oder die höhere Effizienz eines Kompensationswandlers während des Entladens gewünscht wird.
8 veranschaulicht ein Batterie-Flachelement 800 gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform. Das Batterie-Flachelement hat einen Reihen-Einzelschalter 806, einen Low-Side-Schalter 808 und die Induktionsspule 810, die zum Laden der Zelle 812 über den Strombus 222 verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann eine optionale parallele Batterie 822 enthalten sein. Ein zusätzlicher Entladungspfad für die Zelle 812 wird unter Verwendung eines Kompensationswandlers bereitgestellt, der die Schalter 813, 814, die Induktionsspule 816 und den Kondensator 818 aufweist, um auf effiziente Weise Strom direkt zu einer Last mit hohem Stromverbrauch, die mit dem Bus V_CPU verbunden ist, zu leiten. Ein sekundärer Schutzblock 820 detektiert sicherheitsrelevante Parameter der Batteriezellen 812 und 822, wie zum Beispiel Überspannungs-, Überstrom- und Übertemperaturbedingungen, und löst die Sicherung 830 aus, falls diese Parameter den Beginn eines unsicheren Betriebes anzeigen. In einer Ausführungsform erzeugt der Controller 804 Schaltsignale, die die Batteriezelle 812 veranlassen, sowohl geladen als auch entladen zu werden, wie oben beschrieben. Das Batterie-Flachelement 800 kann als die Flachelement-Architektur für beispielhafte Batteriemanagementsysteme mit mehreren Flachelementen verwendet werden. Die Flachelement-Architektur 800 kann dafür verwendet werden, Strom zu Niederspannungs-Stromversorgungsbussen zu leiten, deren Versorgungsspannung kleiner ist als die Spannung der Batteriezelle 812. Zum Beispiel kann die Flachelement-Architektur verwendet werden, wenn die Batteriezelle 812 eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer nominalen Ladespannung zwischen 3,6 V und 3,7 V ist und der Stromversorgungsbus V_CPU 1,8 V oder 1 V Logik liefert.
Gemäß einer Ausführungsform hat ein bidirektionaler Ladekreis einen Batteriekopplungsknotenausgang, der dafür konfiguriert ist, mit einer Batteriezelle gekoppelt zu werden, einen Eingang, der mit einem gemeinsamen Knoten des Batteriemanagementsystems gekoppelt ist, und einen Controller, der mit dem bidirektionalen Ladekreis gekoppelt ist. Der Controller ist dazu ausgebildet, den bidirektionalen Ladekreis in einem Lademodus zu betreiben, um Ladung von dem gemeinsamen Knoten zu dem Batteriekopplungsknoten zu übertragen, und den bidirektionalen Ladekreis in einem Entlademodus zu betreiben, um Ladung von dem Batteriekopplungsknoten zu dem gemeinsamen Knoten zu übertragen.
In einer Ausführungsform enthält der bidirektionale Ladekreis einen bidirektionalen Kompensationsverstärkungswandler mit einem Reihenschalter, einem Parallelschalter und einer Reihen-Induktionsspule. In einigen Ausführungsformen ist der Controller dazu ausgebildet, unabhängig eine Ausgangsspannung an dem gemeinsamen Knoten während des Entlademodus zu steuern und unabhängig das Laden des bidirektionalen Ladekreises während des Lademodus zu steuern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält ein Batteriemanagementsystem mehrere bidirektionale Ladekreise und einen Controller, der mit den mehreren bidirektionalen Ladekreisen gekoppelt ist. Jeder direktionale Ladekreis hat einen jeweiligen Batteriekopplungsknotenausgang, der dazu ausgebildet ist, mit einer entsprechenden Batterie der mehreren Batterien gekoppelt zu werden, und einen Eingang, der mit einem gemeinsamen Knoten des Batteriemanagementsystems gekoppelt ist. Der Controller ist dazu ausgebildet, die mehreren bidirektionalen Ladekreise in einem Lademodus zu betreiben, um Ladung von dem gemeinsamen Knoten zu den jeweiligen Batteriekopplungsknoten zu übertragen, und die mehreren bidirektionalen Ladekreise in einem Entlademodus zu betreiben, um Ladung von den jeweiligen Batteriekopplungsknoten zu dem gemeinsamen Knoten zu übertragen.
In einer Ausführungsform sind die mehreren bidirektionalen Ladekreise parallel geschaltet. In einigen Ausführungsformen enthält jeder der mehreren bidirektionalen Ladekreise einen bidirektionalen Kompensationsverstärkungswandler, wie zum Beispiel einen Vorwärts-Kompensations-Rückwärts-Verstärkungswandler. Die Ladekreise können einen Reihenschalter, einen Parallelschalter und eine Reihen-Induktionsspule enthalten. Der Controller kann so konfiguriert sein, dass der Reihenschalter mindestens eine der mehreren Batterien schützt. In einigen Ausführungsformen enthält der Controller einen Schaltausgang, der mit Schalteingängen der mehreren bidirektionalen Ladekreise gekoppelt ist. Der Controller kann die Schalteingänge der mehreren bidirektionalen Ladekreise in verschiedenen Phasen aktivieren. In einigen Ausführungsformen sind die verschiedenen Phasen gleichmäßig über eine Oszillationsperiode verteilt. In einer Ausführungsform arbeitet jeder der bidirektionalen Ladekreise in einem quasi-resonanten Wandlungsmodus.
In einer Ausführungsform ist der Controller dazu ausgebildet, unabhängig eine Ausgangsspannung an dem gemeinsamen Knoten während des Entlademodus zu steuern, und dazu ausgebildet, unabhängig das Laden eines jeden der bidirektionalen Ladekreise während des Lademodus zu steuern. In einer Ausführungsform ist der Controller dazu ausgebildet, einen Ladungsausgleich der mehreren Batterien auszuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält ein Controller für ein Batteriemanagementsystem mehrere Pulsweitenmodulatoren, einen Versorgungsschienen-Steuerschaltkreis und mehrere Batterielade-Steuerschaltungen. Die mehreren Pulsweitenmodulatoren sind dazu ausgebildet, mit entsprechenden mehreren parallelen bidirektionalen Schaltstromversorgungen gekoppelt zu werden, die zwischen einer Versorgungsschiene und entsprechenden mehreren Batterien gekoppelt sind. Jeder der mehreren Impulsmodulatoren hat einen Schaltausgang, der dazu ausgebildet ist, eine entsprechende bidirektionale Schaltstromversorgung in einem Lademodus und in einem Entlademodus zu betreiben, und der Versorgungsschienen-Steuerschaltkreis ist dazu ausgebildet, eine Spannung der Versorgungsschiene während des Lademodus zu steuern. Die mehreren Batterielade-Steuerschaltungen sind dazu ausgebildet, während des Entlademodus eine Ladespannung oder einen Ladestrom zu jeder der entsprechenden mehreren Batterien zu leiten.
In einer Ausführungsform enthält der Controller außerdem einen Ladungsausgleichskreis, der dazu ausgebildet ist, das Laden und Entladen einer jeden der entsprechenden mehreren Batterien gemäß einem Ladungszustand einer jeden der entsprechenden mehreren Batterien einzustellen. In einer Ausführungsform stellt der Ladungsausgleichskreis eine Einschaltdauer eines jeden der mehreren Pulsweitenmodulatoren ein. Während des Lademodus kann der Ladungsausgleichskreis die Einschaltdauer eines Pulsweitenmodulators gemäß einer Differenz zwischen dem maximalen Ladungszustand und einem verbleibenden Ladungszustand der entsprechenden Batterie einstellen. Während des Lademodus stellt der Ladungsausgleichskreis die Einschaltdauer des Pulsweitenmodulators gemäß dem verbleibenden Ladungszustand der entsprechenden Batterie ein.
In einer Ausführungsform stellt der Ladungsausgleichskreis während des Lademodus des Weiteren die Einschaltdauer des Pulsweitenmodulators gemäß einer Summe einer Differenz zwischen einem maximalen Ladungszustand und einem verbleibenden Ladungszustand an jeder der entsprechenden Batterien ein. Während des Lademodus stellt der Ladungsausgleichskreis des Weiteren die Einschaltdauer des Pulsweitenmodulators gemäß einer Summe des verbleibenden Ladungszustands an jeder der entsprechenden Batterien ein. In einer Ausführungsform ist der Controller in einem integrierten Schaltkreis angeordnet. In einigen Ausführungsformen enthält das System die mehreren parallelen bidirektionalen Schaltstromversorgungen. In einigen Ausführungsformen kann der Controller innerhalb eines Batteriemanagementsystems eines mobilen Endgerätes angeordnet sein.
In einer Ausführungsform enthält ein Verfahren zum Betreiben mehrerer parallel geschalteter bidirektionaler Stromversorgungskreise, die mit einer entsprechenden Batterie in einen gemeinsamen Stromknoten eingekoppelt sind, das Betreiben der mehreren bidirektionalen Stromversorgungskreise und einen Lademodus. Das Betreiben mehrerer bidirektionaler Stromversorgungskreise im Lademodus enthält das Schalten von Schaltsignalen, die mit den bidirektionalen Stromversorgungskreisen gekoppelt sind, um Ladung von dem gemeinsamen Stromversorgungsknoten zu jeder der entsprechenden Batterien zu übertragen. Das Verfahren enthält außerdem das Betreiben der mehreren bidirektionalen Stromversorgungskreise in einem Entlademodus, was das Sequenzieren von Schaltsignalen, die mit den bidirektionalen Stromversorgungskreisen gekoppelt sind, um Ladung von jeder der entsprechenden Batterien zu dem gemeinsamen Stromversorgungsknoten zu übertragen, und das Steuern der Spannung an dem gemeinsamen Stromversorgungsknoten mittels Rückkopplung enthält.
In einer Ausführungsform enthält das Betreiben der mehreren bidirektionalen Schalter im Entlademodus das Versetzen von Phasen der Schaltsignale der bidirektionalen Stromversorgungen relativ zueinander. Das Betreiben der mehreren bidirektionalen Stromversorgungskreise und des Lademodus enthält des Weiteren das unabhängige Einstellen der Laderate jedes bidirektionalen Stromversorgungskreises gemäß Differenzen zwischen einem maximalen Ladungszustand jeder entsprechenden Batterie und einem tatsächlichen Ladungszustand jeder entsprechenden Batterie.
In einer Ausführungsform enthält das Betreiben der mehreren bidirektionalen Stromversorgungskreise im Entlademodus des Weiteren das unabhängige Einstellen einer Entladerate jedes bidirektionalen Stromversorgungskreises gemäß einem tatsächlichen Ladungszustand jeder entsprechenden Batterie. In einer Ausführungsform enthält das Verfahren des Weiteren das Ausführen eines Ladungsausgleichs zwischen den mehreren bidirektionalen Stromversorgungskreisen. Das Ausführen eines Ladungsausgleichs enthält das unabhängige Einstellen einer Laderate und einer Entladerate jedes einzelnen bidirektionalen Stromversorgungskreises gemäß einem Verhältnis von Ladung, die in der entsprechenden Batterie verbleibt, zu einer Gesamtladung, die in allen entsprechenden Batterien verbleibt.
Zu den Vorteilen von Ausführungsformen gehört die Fähigkeit, ein Batterie-Teilsystem, das aus mehreren Zellen besteht, die verschiedene Kapazitäten haben, in verschiedenen flexiblen Konfigurationen zu implementieren. Zum Beispiel können verschiedene Flachelemente eine unterschiedliche Anzahl von Batteriezellen haben, die miteinander parallel geschaltet sind. Das kann für Batteriesysteme vorteilhaft sein, die einen festen Raum haben, in dem Batteriezellen untergebracht werden können. In einem Beispiel kann ein gesamtes Batteriefach vollständig mit einer ungeraden Anzahl paralleler Batteriezellen oder einer Vielzahl verschiedener Zellen mit unterschiedlichen Größen ausgefüllt werden. Jede Zelle kann individuell konfiguriert sein, und die Betriebsladung kann ausgeglichen werden, um die Effizienz und Kapazität jeder einzelnen Zelle oder jedes einzelnen Batterie-Flachelements zu steigern.
Ein weiterer Vorteil von Ausführungsformen liegt in der Fähigkeit, die Spannung des Ausgangsstromversorgungsbusses zu steuern. In einigen Ausführungsformen ermöglicht das Steuern der Spannung des Ausgangsstromversorgungsbusses einen effizienteren Systembetrieb, insbesondere bei Ausführungsformen mit linearen Reglern. Das ist besonders vorteilhaft für Ausführungsformen, die in mobilen Endgeräten mit niedrigeren Stromversorgungsbus-Spannungen verwendet werden. Des Weiteren erlauben niedrigere Stromversorgungsbus-Spannungen aufgrund der niedrigeren Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsverhältnisse eine effizientere Schaltstromversorgungsumwandlung. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform die Strombusspannung auf etwa 5 V im Vergleich zu 9 V bis 19 V in herkömmlichen Systemen gesteuert werden, was im Hinblick auf die Effizienz von Vorteil sein kann. Es versteht sich jedoch, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch dafür verwendet werden können, eine Strombusspannung auf andere Spannungen zu steuern, wie zum Beispiel 9 V bis 19 V oder noch höher, wenn es erforderlich ist.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eignen sich ganz besonders für Anwendungen mit niedriger Leistung, einschließlich beispielsweise mobile Endgeräte, wie zum Beispiel Notebook-Computer, Netbooks, Ultrabooks und Tablet-Computer, die mit niedrigeren Verteilungsspannungen arbeiten. Es ist zu beachten, dass Ausführungsformen nicht auf Anwendungen mit niedriger Spannung und geringer Leistung beschränkt sind, sondern auch auf andere Anwendungen anwendbar sind, die mit höheren Spannungen und/oder höherer Leistung arbeiten.
Ein weiterer Vorteil ist die Fähigkeit, dass eine Stromversorgungsschienenspannung unabhängig von der Batteriespannung ist. Ein noch weiterer Vorteil besteht in einer reduzierten Anzahl von Schaltelementen und ohmschen Elementen im Strompfad. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen auf den in 1b gezeigten Schalter 142 verzichtet werden.
In einigen Ausführungsformen können die oben erwähnten Vorteile zu einer höheren Effizienz führen, können die Komplexität verringern, die Kosten senken und eine Skalierbarkeit von beispielhaften Batteriemanagementsystemen ermöglichen.
Ein weiterer Vorteil ist die Fähigkeit, dass das Batteriemanagementsystem selbst dann betriebsfähig bleibt, wenn Batteriezellen und/oder Batterie-Flachelemente defekt sind. Des Weiteren kann in einigen Ausführungsformen der Ladealgorithmus im Batteriesatz selbst untergebracht sein. Dadurch wird kein Ladegerät auf der Hostseite benötigt, wodurch die Sicherheit erhöht wird. Zum Beispiel kann die Ladung in dem Batteriesatz durch den Batteriehersteller programmiert werden und kann darum exakter auf die Batteriezellen zugeschnitten werden als ein generisches Ladegerät im Hostsystem. Ein weiterer Vorteil sind weniger elektromagnetische Störungen (EMI) während des Ladens aufgrund der Mehrphasigkeit der Steuersignale für die Batterie-Flachelemente.
Im vorliegenden Text sind Prozesse und zugehörige Verfahren zum Herstellen eines Controllers im Wesentlichen unter Verwendung analoger und logischer Schaltkreiskomponenten beschrieben worden. Innerhalb des weit gefassten Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung ist aber auch vorgesehen, dass einige der Prozesse und zugehörigen Verfahren mittels digitaler Schaltkreistechniken implementiert werden können, wie zum Beispiel durch den Einsatz eines Mikrocontrollers oder eines digitalen Signalprozessors.

Claims

Batteriemanagementsystem (200), umfassend: einen bidirektionalen Ladekreis (210, 212, 218) mit einem Batteriekopplungsknotenausgang, der dazu ausgebildet ist, mit einer Batteriezelle gekoppelt zu werden, und einem Eingang, der mit einem gemeinsamen Knoten des Batteriemanagementsystems (200) gekoppelt ist; und einen Controller (208), der mit dem bidirektionalen Ladekreis (210, 212, 218) gekoppelt ist, wobei der Controller (208) dazu ausgebildet ist: den bidirektionalen Ladekreis (210, 212, 218) in einem Lademodus zu betreiben, um Ladung von dem gemeinsamen Knoten zu dem Batteriekopplungsknoten zu übertragen, und den bidirektionalen Ladekreis (210, 212, 218) in einem Entlademodus zu betreiben, um Ladung von dem Batteriekopplungsknoten zu dem gemeinsamen Knoten zu übertragen.
Batteriemanagementsystem (200) nach Anspruch 1, wobei der bidirektionale Ladekreis (210, 212, 218) einen bidirektionalen Tief-Hochsetzsteller (210, 212, 214, 218) umfasst, der einen Reihenschalter (210), einen Parallelschalter (214) und eine Reihen-Induktionsspule (218) umfasst.
Batteriemanagementsystem (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei: der Controller (208) dazu ausgebildet ist, unabhängig eine Ausgangsspannung an dem gemeinsamen Knoten während des Entlademodus zu steuern; und der Controller (208) dazu ausgebildet ist, unabhängig das Laden des bidirektionalen Ladekreises während des Lademodus zu steuern.
Batteriemanagementsystem (300), das Folgendes umfasst: mehrere bidirektionale Ladekreise (210, 212, 218), die jeder einen jeweiligen Batteriekopplungsknotenausgang haben, der dazu ausgebildet ist, mit einer entsprechenden Batterie (220) von mehreren Batterien gekoppelt zu werden, und einen Eingang haben, der mit einem gemeinsamen Knoten des Batteriemanagementsystems gekoppelt ist; und einen Controller (302), der mit den mehreren bidirektionalen Ladekreisen (210, 212, 218) gekoppelt ist, wobei der Controller (302) dazu ausgebildet ist: die mehreren bidirektionalen Ladekreise (210, 212, 218) in einem Lademodus zu betreiben, um Ladung von dem gemeinsamen Knoten zu den jeweiligen Batteriekopplungsknoten zu übertragen, und die mehreren bidirektionalen Ladekreise (210, 212, 218) in einem Entlademodus zu betreiben, um Ladung von den jeweiligen Batteriekopplungsknoten zu dem gemeinsamen Knoten zu übertragen.
Batteriemanagementsystem (300) nach Anspruch 4, wobei die mehreren bidirektionalen Ladekreise (210, 212, 218) parallel geschaltet sind.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei jeder der mehreren bidirektionalen Ladekreise einen bidirektionalen Tief-Hochsetzsteller umfasst.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 6, wobei jeder der mehreren bidirektionalen Ladekreise einen Reihenschalter (212), einen Parallelschalter (214) und eine Reihen-Induktionsspule (218) umfasst.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 7, wobei der Controller (302) des Weiteren dazu ausgebildet ist, den Reihenschalter (212) auszuschalten, um mindestens eine der mehreren Batterien (220) zu schützen.
Batteriemanagementsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der Controller (302) Schaltausgänge umfasst, die mit Schalteingängen der mehreren bidirektionalen Ladekreise gekoppelt sind.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 9, wobei der Controller (302) die Schalteingänge der mehreren bidirektionalen Ladekreise in verschiedenen Phasen aktiviert.
Batteriemanagementsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei: der Controller (302) dazu ausgebildet ist, unabhängig eine Ausgangsspannung an dem gemeinsamen Knoten während des Entlademodus zu steuern; und der Controller (302) dazu ausgebildet ist, unabhängig das Laden jedes der bidirektionalen Ladekreise während des Lademodus zu steuern.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 11, wobei der Controller (302) dazu ausgebildet ist, einen Ladungsausgleich der mehreren Batterien (220) auszuführen.
Batteriemanagementsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 12, wobei jeder der bidirektionalen Ladekreise in einem quasi-resonanten Wandlungsmodus arbeitet.
Controller (600) für ein Batteriemanagementsystem, der Folgendes umfasst: mehrere Pulsweitenmodulatoren (614), die dazu ausgebildet sind, mit entsprechenden mehreren parallelen bidirektionalen Schaltstromversorgungen gekoppelt zu werden, die zwischen einer Versorgungsschiene und entsprechenden mehreren Batterien (220) gekoppelt sind, wobei jeder der mehreren Pulsweitenmodulatoren (614) Schaltausgänge (φ₁, φ₂, φ₃)aufweist, die dazu ausgebildet sind, eine entsprechende bidirektionale Schaltstromversorgung in einem Lademodus und in einem Entlademodus zu betreiben; ein Versorgungsschienen-Steuerschaltkreis (602), der dazu ausgebildet ist, eine Spannung der Versorgungsschiene während des Lademodus zu steuern; und mehrere Batterielade-Steuerschaltungen, die dazu ausgebildet sind, eine Ladespannung oder einen Ladestrom zu jeder der entsprechenden mehreren Batterien während des Entlademodus zu steuern.
Controller (600) nach Anspruch 14, der weiterhin einen Ladungsausgleichskreis (630) enthält, der dazu ausgebildet ist, das Laden und Entladen einer jeden der entsprechenden mehreren Batterien gemäß einem Ladungszustand einer jeden der entsprechenden mehreren Batterien zu einzustellen.
Controller (600) nach Anspruch 15, wobei der Ladungsausgleichskreis (630) eine Einschaltdauer eines jeden der mehreren Pulsweitenmodulatoren (614) einstellt.
Controller (600) nach Anspruch 16, wobei: der Ladungsausgleichskreis (630) während des Lademodus das Einschalten eines Pulsweitenmodulators (614) gemäß einer Differenz zwischen einem maximalen Ladungszustand und einem verbleibenden Ladungszustand der entsprechenden Batterie einstellt; und der Ladungsausgleichskreis (630) während des Lademodus die Einschaltdauer des Pulsweitenmodulators (614) gemäß dem verbleibenden Ladungszustand der entsprechenden Batterie einstellt.
Controller (600) nach Anspruch 17, wobei: der Ladungsausgleichskreis (630) während des Lademodus weiterhin das Einschalten eines Pulsweitenmodulators (614) gemäß einer Summe einer Differenz zwischen einem maximalen Ladungszustand und einem verbleibenden Ladungszustand an jeder der entsprechenden Batterien einstellt; und der Ladungsausgleichskreis (630) während des Lademodus weiterhin das Einschalten eines Impulsmodulators gemäß einer Summe des verbleibenden Ladungszustands an jeder der entsprechenden Batterien einstellt.
Controller (600) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei der Controller (600) in einem integrierten Schaltkreis angeordnet ist.
Controller (600) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, weiterhin die mehreren parallelen bidirektionalen Schaltstromversorgungen umfasst.
Controller (600) nach Anspruch 20, wobei jede der mehreren parallelen bidirektionalen Schaltstromversorgungen mindestens einen Schalter und mindestens eine Induktionsspule umfasst.
Controller (600) nach einem der Ansprüche 14 bis 21, wobei der Controller (600) weiterhin Schalter der parallelen bidirektionalen Schaltstromversorgungen umfasst.
Controller (600) nach einem der Ansprüche 14 bis 22, wobei der Controller (600) innerhalb eines Batteriemanagementsystems eines mobilen Endgerätes angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben mehrerer parallel geschalteter bidirektionaler Stromversorgungskreise (210, 212, 218), die jeweils mit einer entsprechenden Batterie (220) und mit einem gemeinsamen Stromversorgungsknoten gekoppelt sind, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben der mehreren bidirektionalen Stromversorgungskreise (210, 212, 218) in einem Lademodus, wobei das Betreiben der mehreren bidirektionalen Stromversorgungskreise (210, 212, 218) in dem Lademodus das Sequenzieren von Schaltsignalen umfasst, die mit den bidirektionalen Stromversorgungskreisen (210, 212, 218) gekoppelt sind, um Ladung von dem gemeinsamen Stromversorgungsknoten zu jeder der entsprechenden Batterien zu übertragen; und Betreiben der mehreren bidirektionalen Stromversorgungskreise (210, 212, 218) in einem Entlademodus, wobei das Betreiben der mehreren bidirektionalen Stromversorgungskreise (210, 212, 218) im Entlademodus umfasst: Sequenzieren von Schaltsignalen, die mit den bidirektionalen Stromversorgungskreisen (210, 212, 218) gekoppelt sind, um Ladung von jeder der entsprechenden Batterien zu dem gemeinsamen Stromversorgungsknoten zu übertragen, und Steuern einer Spannung an dem gemeinsamen Stromversorgungsknoten mittels Rückkopplung.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei: das Betreiben der mehreren bidirektionalen Stromversorgungskreise (210, 212, 218) im Entlademodus das Versetzen von Phasen der Schaltsignale der bidirektionalen Stromversorgungen relativ zueinander umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei das Betreiben der mehreren bidirektionalen Stromversorgungskreise im Lademodus weiterhin das unabhängige Einstellen einer Laderate jedes bidirektionalen Stromversorgungskreises (210, 212, 218) gemäß einer Differenz zwischen einem maximalen Ladungszustand jeder entsprechenden Batterie (220) und einem tatsächlichen Ladungszustand jeder entsprechenden Batterie (220) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei das Betreiben der mehreren bidirektionalen Stromversorgungskreise (210, 212, 218) im Entlademodus weiterhin das unabhängige Einstellen einer Entladerate jedes bidirektionalen Stromversorgungskreises (210, 212, 218) gemäß einem tatsächlichen Ladungszustand jeder entsprechenden Batterie (220) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, das weiterhin das Ausführen eines Ladungsausgleichs zwischen den mehreren bidirektionalen Stromversorgungskreisen (210, 212, 218) umfasst, wobei das Ausführen eines Ladungsausgleichs das unabhängige Einstellen einer Laderate und Entladerate jedes einzelnen bidirektionalen Stromversorgungskreises (210, 212, 218) gemäß einem Verhältnis einer Ladung, die in der entsprechenden Batterie (220) verbleibt, zu einer Gesamtladung, die in allen entsprechenden Batterien (220) verbleibt, umfasst.