电池监控和平衡电路的制作方法

专利名称：电池监控和平衡电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个电池监控和平衡电路，特别是一个直接把模拟电池电压电平数字 化为相应的数字信号，并使用所述数字信号产生智能保护和平衡指令的电池监控和平衡电 路。
背景技术：
多单元可充电电池因其电压输出较高以及容量较大而被广泛应用。包括诸如笔记 本电脑、便携式电话和个人数字助理等等电子设备上都会用到，当然也不限于此。某些种类 的可充电电池(例如，锂离子电池)，若充电到大大高于其正常充电范围或放电到低于其正 常充电范围时，则非常危险。因此，典型的监控和保护电路采用开关网络，将电压负荷转移 到一个电容上。这样，所述电容电压就代表了所述可充电电池的电压，它可能被提供给多个 比较器，与各种门限电平(如高电平门限和低电平门限)做比较。
这种方案有一些缺点。 第一，所述电路测量的电压不准确。举个例子，如果流经个别电池单元上的电流不 恒定、或是由于电池内阻或其他因素导致电池电压波动，抽样电压就不能正确指示电池电 压。这样，基于这种错误的测量方法就会得出不正确的测量结果。 第二，门限电平(如高电平门限或低电平门限)不易调整。这是由于电池包类型不 同，要求的高电平门限或低电平门限也不同，而相同类型的电池包采用了不同的制造方法， 要求的高电平门限和低电平门限也会不同。例如，对于同一类型的电池包，一种制造方法需 要3. 0V的低电压门限，而另一种制造方法则需要2. 5V的高电压门限。 第三，当一个电池包中的电池不平衡时(如，经过多次充放电循环后)，虽然可采 用常规的放电方法来平衡电池，然而，仅当电池在充电中接近完全充电时，才能作出放电判 断。而为了避免过量发热，放电电流通常有限，因此，放电需要一定时间间隔。若不止一个 电池需要放电，在一个充电周期内就没有足够时间完成所述放电任务。 因此，本领域需要一种能克服现有技术中以上缺点和其他缺点的监控和平衡电 路。

发明内容
本发明提供一种监控电路，用来监控一个电池包中的多个电池单元。所述监控电 路包括多个温度感应器、模/数转换器(ADC)以及处理器。其中温度感应器用来感应所述 的多个电池单元的温度，并发出多个相应的模拟温度电压信号；模/数转换器(ADC)用来接 收所述的多个模拟温度电压信号，并把所述的每个模拟温度电压信号转换成相应的独立数 字信号；当所述的独立数字信号超出一个预设范围时，所述处理器产生一个警报信号。
本发明还提供一种监控电路，所述监控电路包括一个电流感应器，其连接到所述 电池包，用来感应与所述电池包有关的电流值，当所述的电流值大于一个过电流门限值时， 所述的处理器产生所述的警报信号。其中，所述的预设范围由一个可调节的过温度门限值 和一个低温度门限值所限定。 本发明还提供一种监控电路，所述监控电路包括一个ADC用来接收来自所述多个 电池单元的多个电池电压模拟信号，并输出多个相应的电池电压数字信号，当所述的多个 电池电压数字信号中的某一信号超出一个预设的电压范围时，所述的处理器产生所述的警 报信号。其中，所述的预设电压范围由一个过电压门限值和一个低电压门限值所限定，当所 述的警报信号产生时，一个预设的迟滞值会减小所述的过电压门限值，所述的预设迟滞值 与所述的电池包电流有关，且所述低电压门限值也是可以调节的。 本发明还提供一种监控电路，所述监控电路包括一个开关网络，所述开关网络包 括多个由前述处理器控制的开关，以把所述多个电池单元分别连接到所述ADC，并且所述 ADC有一个正极输入终端和一个负极输入终端，其中所述的正极输入终端和所述的负极输 入终端连接到所述多个电池单元中某一个电池单元的虚拟接地端，产生一个偏移信号以校 准所述ADC。 本发明还提供一种电子设备，其利用多个电池单元组成的电池包驱动负载，所述 电子设备包括多个温度感应器，用来感应所述多个电池单元的温度，并输出多个相应的模 拟温度电压信号；一个模/数转换器(ADC)，用来接收所述多个模拟温度电压信号，并把所 述的各个模拟温度电压信号转换成独立的数字信号；一个处理器，当所述的独立数字信号 超出一个预设范围时，产生一个警报信号以终止所述电池的充电或放电过程。


本发明可以参照如下附图理解。
图l所示为本发明的一个具体实施例的一个由具有多个可充电电池单元的电池 包供电的电子设备的简化框图，其中所述电子设备具有本发明的电池监控和平衡电路；
图2所示为本发明的一个具体实施例的用于图l所示电子设备的监控电路的框
图； 图3A所示为本发明的一个具体实施例的用于图1所示电子设备的平衡电路的框 图； 图3B所示为本发明的一个具体实施例的从图3A所示平衡电路中接收一个预平衡 信号的两个电池单元放电特性的示范性曲线图； 图4所示为本发明的一个具体实施例的本发明的示范性电池监控和平衡电路的 详细框图； 图5所示为本发明的一个具体实施例的用于图4所示放电网络电路的一个放电电 路的示范性电路图； 图6所示为本发明的另一个具体实施例的电子设备的简化框图； 图7所示为本发明的一个具体实施例的用于图6所示电子设备的平衡电路的框
图； 图8所示为本发明的另一个具体实施例的本发明的示范性电池监控和平衡电路的详细框图； 图9所示为本发明的一个具体实施例的用于图8所示放电网络电路的一个放电电 路的示范性电路图。
具体实施例方式
图1所示为一个由电池包102或一个DC电源104供电的电子设备100的简化框 图。电池包102可包括多个可充电电池102-l、102-2、102-n。所述电池类型可以是本技术 领域中为人所熟知的各类可充电电池，如锂离子电池、镍镉电池、镍氢电池等等。
如果电子设备100是一个笔记本电脑，则所述电子设备将包括所述技术领域为人 所熟知的多种元件(图1中未示出)。例如，笔记本电脑可包括用于将数据输入笔记本的 一个输入设备，用于执行指令和控制笔记本操作的一个中央处理单元(CPU)或处理器(如 英特尔公司的奔腾处理器)，和用于从笔记本输出数据的一个输出设备(如LCD或扬声 器)。 为给电池包102充电和/或给系统112供电，可将一个DC电源104连接到设备 100。所述DC电源104可以是一个从壁装电源插座接收100 240V标准交流电压并将其 转换成DC输出电压的AC/DC转换器，也可以是一个可插入点烟器型插座的DC/DC转换器， 如"点烟器"型转换器。图1所示所述DC电源104是与电子设备IOO分离开的，但在另外的 实施方式中，它也可以安装在所述电子设备之中。电子设备IOO还可以包括一个供电单元 110。通常，所述供电单元包括的各种元器件用来在不同的条件下监控、控制和引导电能在 各个电源102、104之间传送，和将电能从电源102、104传送至电子设备100中的系统112。
作为本发明的一个优选实施例，设备100包括一个电池监控和平衡电路108。为简
明起见，图上所示监控和平衡电路与供电单元iio是分离开的，但实际上所述监控和平衡
电路可以作为其中一部分包括在供电单元110中。所述电池监控和平衡电路108可分别起 到监控电路、平衡电路，或者两者兼有的作用，此后将进一步详述。电池监控和平衡电路108 将代表每个电池102-l、102-2、102-n电压的数字信号提供给设备的各种元件，如电池能量 监控器118。所述电池能量监控器利用所述信号发出一个代表电池包102剩余使用寿命的 输出信号。 图2所示为示范性监控电路208的框图，所述监控电路作为图1所示监控和平衡 电路的监控部分。监控电路208通常包括一个模拟/数字转换器(ADC)220和一个处理器 222。 ADC 220接收来自每个电池102-l、102-2、102-n的模拟电压信号，并将所述模拟信号 转换为数字信号。处理器220接收所述数字信号，根据至少其中一个数字信号发出一个安 全报警信号。 作为本发明的一个优选实施例，ADC 220可起到"平均"型ADC的作用以"平均"读 取每个电池102-1、 102-2、 102-n的电压，这样，普通读取带来的瞬时偏差不会对代表模拟 信号的数字信号质量产生负面影响。举个例子，这种瞬时偏差可以是电压尖脉冲或者其它 包括充电电流变化和流经电池内阻的负载电流在内多种因素引起的快速的电压波动。
ADC 220可包括一个或多个不同类型的ADC而起到平均型ADC的作用。例如，ADC 220可包括一个单斜率积分ADC，一个双斜率积分ADC，或者一个E -A (sigma-delta)型 ADC，这里列举一些。E - A (sigma-delta)型ADC通常包括一个模拟调制部分，它以非常高的采样频率将输入模拟信号数字化。这个非常高的采样频率等于Fs乘以0SR，其中Fs是奈 奎斯特频率、OSR是过采样比。这个过采样的输出可以结合成组，然后求出组的平均数。如 此，代表任意电池102-l、102-2、102-n电压的模拟信号可以采样许多次，例如，在某种情况 可采样数千次。这样，一些瞬时偏差的不正确采样对由平均型ADC 220转换出来的相关数 字信号的平均信号的影响就很小。 另外，ADC 220的分辨率可以根据特殊需要而进行调整。例如，处理器222可通过 数据路径217指示ADC 220采用期望的分辨率将来自电池102-1、 102-2、 102_n的电压的模 拟信号转换成相关的数字信号。在被测模拟电压较敏感的情况下，分辨率可调至相对较高。 例如，检测断路电压时可能需要较高的分辨率。 相反，在被测模拟电压较不敏感的情况下，分辨率可调至相对较低。例如，检测低 压时可能需要分辨率较低。分辨率越低，完成模拟信号到数字信号有效转换所用的时间越 短。例如，相对较高的分辨率需要15位数据，而相对较低的分辨率只需要IO位数据。对本 领域的技术人员显而易见的，实际所需的数据位数可以不同，这取决于数字数据的特殊要 求和ADC 220的分辨能力。 为达到期望的分辨率值，ADC 220可以是能够根据处理器222发出的ADC 控制信号的指示而调整分辨率的任何类型ADC。例如，ADC 220可以是如前详述的 E -A (sigma-delta)型ADC。所述E -A (sigma-delta)调制器型ADC可部分根据OSR调 整分辨率。通常，OSR越高，分辨率也就越高。 ADC 220也可以是逐次逼近型ADC。通常，逐次逼近型ADC概念上仅采用单一比较 器进行转换。若来自处理器220的控制信号指示期望N位的分辨率，逐次逼近型ADC将使 用N个比较器操作来达到N位的分辨率。其他类型的ADC也可用于本发明的ADC 220来获 得可调的分辨率。如，单斜率或双斜率积分型ADC，或者任何实现本发明目的不同类型ADC 组合成的ADC220，只要这些不同类型ADC组合可以实现一个可调节的分辨率即可。。
处理器222接收来自ADC 220的代表每个电池102-1、 102-2、 102_n电压的数字信 号，根据至少其中一个数字信号发出一个安全报警信号。所述安全报警信号可以是一个充 电报警信号或是一个放电报警信号。 在DC电源104对电池102充电期间，监控每个电池的电压值以防发生过电压是相 当重要的。这是由于某些类型的电解可充电电池(如锂离子电池)如果充电超过其正常 门限值易于受损。如果来自ADC 220的数字信号指示在预定时间间隔中至少有一个电池 102-1 、 102-2、 102-n的电压大于过电压门限值，处理器222就会发出一个充电报警信号。这 时，一些防护动作就会被执行例如停止充电。另外，在电池包102充电时，如果来自ADC 220 的其中一个数字信号指示一个电池的电压值大于过电压门限值，处理器222也会发出一个 充电报警信号。 在电池包102放电期间，监控电路208利用多个低电压门限值防止电池受损，并给 相关电子设备IOO的用户提供适当的警告。例如，当电池包102放电时，若来自ADC 220的 数字信号指示在预定时间间隔中、至少一个电池102-1 、102-2、 102-n的电压低于低电压门 限值，处理器222就会发出一个放电报警信号。这时， 一些防护动作就会被执行例如停止从 所述电池包供电。另外，在电池包102放电时，如果来自ADC 220的其中一个数字信号指示 一个电池的电压值低于低电压门限值，处理器222也会发出一个放电报警信号。
除了低电压门限值，处理器222也可采用其他高于低电压门限值的低电压门限， 从而对即将来临的潜在低电压情况发出预先通知。例如，若电子设备ioo是一笔记本电脑， 到达低压门限却没有给用户任何提示，这种情况下，用户可能会丢失大量重要的尚未保存 的数据。 因此，可以编写一个第一低电压门限值并将其存入系统100中任何可应用的存储 器中。当处理器222从ADC 220处接收到代表每个电池电压的数字信号时，处理器222将 所述电压与所述第一低电压门限做比较。若其中有一个电池电压降至低于第一低电压门限 值，处理器222则通过路径290给系统100的其他元件发出一个适当的信号。如此，就可以 给电子设备100的用户提供一个报警信息。选取第一低电压门限可根据系统100的特殊需 求，包括执行标准任务所需的时间和所需的电能。 例如，若电子设备100是一笔记本电脑，第一门限电压可取足够高，以使在发出低 电能(例如，电池102-l、102-2、102-n中有一个电池电压低于第一门限值)通知之后，用户 在附加的时间期间仍然有足够的电能和时间操作笔记本电脑。也可以采用另一个低于第一 门限值的第二门限值提示用户还有一较短的时间可供适当的操作。例如，若任何一个电池 电压低于第二门限值，另一报警信号可用来提示用户，在到达低电压门限并且系统的电池 电源被中断之前，可能所剩时间仅够保存和关闭笔记本电脑。 作为本发明的一个优选实施例，所有的门限值都可由处理器222调整。例如，根据 采用电池的特定型号，调整高电压门限和低电压门限。高电压门限值和低电压门限值可以 存储在设备中任何种类的电子存储介质中。例如，处理器222可能配置有可存储所述门限 值的内部寄存器230。 另外，高电压门限值和低电压门限值还可根据其他影响电池充放电性能的参数进 行调整，例如环境温度和电池寿命。环境温度可通过一个温度传感器292提供给处理器 222。 另外，采样时间间隔也可以由处理器222调整。采样时间间隔包括所有电池的一 次采样时间间隔和ADC 220为每个电池进行有效数字转换的时间。这就使得在某些情况 下，处理器可以对电池进行高频率采样而在其他情况下，处理器可以对电池进行低频率采 样。例如，在充电期间，高频率采样是有利的，而当电池包102处于休眠或空闲状态下时，低 频率采样是有利的。例如，当电池包102处于休眠或空闲状态时，采样时间间隔可以是每分 钟一次。如此，ADC 220可通过处理器222被置于休眠状态，从而在不需要进行数字转换时 节省电能。 图3A所示为用于图l所示电子设备的示范性平衡电路308的框图。通常，平衡 电路308包括一个ADC 320和处理器322，如图2中详述的。另外，处理器控制放电网络电 路340或是控制电荷转移电路342，或者对两者都进行控制，从而平衡电池102-1、 102-2、 102-n的电压，下面将进一步详述。 如前所述，处理器322从ADC 320处接收相关的精确代表每个电池102-1、 102-2、 102-n电压的数字信号。这样，处理器322不仅知道哪个电池电压最高、哪个电池电压最低， 而且还知道最高电池电压与最低电池电压幅度之差和每个电池的电压值。处理器322利用 来自ADC 320的信息作出关于平衡电池的智能判断，从而实现精确且快速的电池平衡。
首先，只要最高电压与最低电压之差大于某些电池的平衡门限，就可以在任何时间(在充电模式期间、放电模式期间、甚至是在空闲模式期间)作出平衡电池的判断。在充
电期间，平衡电池可有效地控制电压较高的电池，使得电压较低的电池有时间赶上。由于通
常只要其中任何一个电池达到最终的充电电压值，电池充电就会受到限制，而应用本发明
的方法就可以避免这一情况的发生，使得每个电池都能够完成充电、达到最终的电压值。否
则，率先完成充电、达到最终的电压值的电池将阻止其他电池完全充电。 处理器322反复从ADC 320接收每个电池102-l、102-2、102-n准确的最新电压
读数， 一旦检测到电压较高的电池与电压较低的电池之间的电压差大于预定的电池平衡门
限，处理器就指示放电网络电路340执行适当的放电操作，或者指示电荷转移电路342进行
适当的电荷转移。 在某一时间间隔期间，给一个或多个电压较高的电池提供放电电流就可以平衡电 路。所述时间间隔可以重叠并行，这样多个电池的放电操作就能在相近的时间内进行。另 外，两个或多个电池的放电起始时间实际上可以相同，从而加速放电进程。此外，可以根据 电压较高的电池与电压较低的电池之间的电压差来调整电池放电电流。如此，与电压略 低于第一电池的第二电池相比，电压相对较高的第一电池可以提供较大的放电电流进行放 电。 通常，电压较高的电池与电压较低的电池之间的电压差越大，由放电网络电路340 提供的放电电流就越大。所述放电电流的上限通常受到散热因素的限制。另外，电压较高的 电池与电压较低的电池之间的电压差越小，由放电网络电路340提供的放电电流就越小。
平衡电池电压不仅在对电压较高的电池进行放电时产生，也可以在将电压较高的 电池的电荷转移到电压较低的电池上时产生。这种电荷转移由处理器322控制，处理器322 通过给开关网络350发出适当的控制信号，从而通过电荷转移电路342控制从电压较高的 电池到电压较低的电池之间的电荷转移。通过从ADC 320接收数字信号，处理器322知道电池102-l、102-2、102-n中哪一
个或哪几个与其他电池电压相比电池电压读数较高。这样，处理器322指示闭合开关网络
350中适当的开关，这样电压较高的一个或多个电池就能将一些电荷转移到电荷转移电路
342中。处理器322接着进一步指示闭合开关网络350中适当的开关，将电荷转移电路342
中的电荷转移到电压较低的电池。当处理器322指示所述进程停止时，则电荷转移进程就
会停止，例如，当处理器得知在适当的电池间已达到适当的平衡电压值。 处理器322也可以给放电网络电路340或电荷转移电路342发出一个预平衡信
号，用于在不平衡的情况发生之前启动平衡进程。例如，处理器322掌握着每个电池的电压
信息(以数字形式)并知道电池电压的历史信息，一次或多次充放电循环结束后，如果处理
器322发现某个特定的电池总是不平衡，比如某个电池接近放电结束时电压较低，则处理
器在电压差可被察觉之前就启动平衡进程。 例如，图3B所示为2rC时锂离子电池的容量(Ah)与电池电压关系的示范性曲线 图，图中示出了示范性电池A 303和电池B 305。如图所示，直到接近放电结束、接近电压 转折点307处，电池A与电池B的电压差才开始变得明显。若是平衡进程等到电压差变得 明显时才开始，那么执行平衡进程的时间就会很短。然而，如果处理器322从先前至少一次 放电循环中得知，接近放电结束时电池A的电压通常比电池B的电压低，处理器322就可以 在此次放电循环中及早启动平衡进程，而不是等到电压差变得明显时才开始启动。例如，处理器可以指示将电荷从电池B和/或其他电池转移到电荷转移电路342，然后在放电模式早期转移到电池A。这样，电池A与电池B就可以保持平衡，在接近放电循环结束时，电池A与电池B之间就不会存在明显的电压差。 图4所示为一个示范性的监控和平衡电路408。电池监控和平衡电路408包括图2所示监控电路208的功能和图3所示平衡电路308的功能。通常，电路408可以包括一个ADC 420， 一个处理器422， 一个开关网络控制电路451， 一个开关网络450， 一个放电网络电路440， 一个驱动电路427和一个保护电路429。 电池包中每个电池各自的模拟电池电压都可以通过开关网络450直接采样。采样得到的模拟信号由ADC 420转换成相关的数字信号。例如，当采样第一电池402-1时，开关网络450中的开关450a和450c闭合，同时其他开关保持断开。如此，第一电池402-1的正极通过开关450a连接到ADC 420输入端正极，第一电池402-1的负极通过开关450c连接到ADC 420输入端负极。开关网络450中的所有开关都保持各自的位置，直到给定转换时间过后、ADC 420完成对第一电池402-1的模拟到数字的转换。 类似的，第二电池402-2 (通过闭合开关450b和450e并且开关网络450中其他开关断开)，第三电池402-3 (通过闭合开关450d和450g并且开关网络450中其他开关断开)，第四电池402-4 (通过闭合开关450f和450i并且开关网络450中其他开关断开)，以相同的方式直接与ADC 420相连，从而直接采样电池402-2、402-3和402-4。
电荷转移电路442可包括一个储能元件，如，变压器、电感线圈或电容。在示意的实施例中，采用电容443作为储能元件。电池电荷的转移由处理器422来控制，通过开关网络450中适当的开关450a-450g切换，来自电压较高的电池的电荷被暂时存储在电容443中。接着，这些电荷又通过开关网络中适当的开关切换被传送至电压较低的电池中。处理器422通过开关网络控制电路451控制开关网络450。 本发明的ADC 420可以用于校准每个独立电池402-l、402-2、402-3和402-4，从而补偿任何偏差。所述偏差可由许多因素造成，例如，不同的电压梯度和不同ADC电池通道中的切换电荷注入。举个例子，校准第一电池402-1时，开关450b和450c闭合且其他开关断开。如此，ADC 420的输入端与第一电池402-1的虚地相连。ADC 420将所述模拟信号转换成相关的第一数字偏移信号。所述第一数字偏移信号接着被存储在任何可使用的存储装置中。 类似的，为校准第二电池402-2，应闭合开关450d和450e。为校准第三电池402-3，应闭合开关450f和450g。最后，为校准第四电池402-4，应闭合开关450h和450i。这样就可以得到并存储与电池402-l、402-2、402-3、402-4相关的四个偏移量。之后，当ADC 420转换相关电池的模拟信号时，处理器422可以通过减去存储的相关电池的相关偏移值而获取无偏移的数据。如此，对来自每个电池的模拟信号的精确测量得以进一步提升。
保护电路429可以并入电池平衡和监控电路408，以便监控流进电池包402的电流(充电模式)或从电池包402中流出的电流(放电模式)，并在各种电源的危急情况下(如，过电流或短路情况)，给处理器422发出警报，告知处理器所述情况，以便采取防范措施。例如，可以将一个电流传感元件(如感流电阻491)与电池包402相连，用于在电流值变化时，给保护电路429提供一个代表流入或流出电池包电流值的信号。若所述电流值大于一个第一电流门限，(例如，感流电阻491上的压降大于第一电流门限值乘以感流电阻的阻值)，则保护电路429通过数据路径437给处理器422发出一个过电流报警信号。
所述电流值可以大于一个第二电流门限，其中第二电流门限大于第一电流门限。这种情况下，(例如，感流电阻491上的压降大于第二电流门限值乘以感流电阻的阻值)，则保护电路429通过数据路径439给处理器提供一个短路报警信号。 处理器422响应来自保护电路429的报警信号，作出判断并发出适当的控制信号以采取适当的电源保护措施。处理器422可以给驱动电路427发出一个适当的控制信号，从而打开放电开关Q1。另外，处理器422可以通过数据路径490给主机元件发出一个信号，这样，一些另外的元件(如，电源管理单元)就能采取任何所需的正确措施，确保电源的安全。 放电网络电路440包括多个放电电路440-1 、440-2、440-3和440-4，为每个相关电池402-1 、402-2、402-3、402-4提供可调整的放电电流。 图5所示为一个示范性放电电路500。如前所述，放电电路响应一个来自处理器422的数字控制信号，从而控制来自相关电池402-1 、402-2、402-3、402-4的放电电流。放电电路500包括多个开关S0、 Sl、 SN和相关的多个电阻R、 R/2、 R/N。作为一个实施例，这些开关可以是具有从处理器422接收数字控制信号的控制终端或栅极引出线的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)型晶体管。来自处理器422的N位数字控制信号指示开关S0、Sl、SN的通断，从而将不同阻值的电阻R、R/2、R/N接入电路与相关的电池402-l、402-2、402-3、402-4并联。 若期望得到较大的放电电流，来自处理器422的N位数字控制信号指示某个开关(如，开关SN)切断某一小阻值电阻的连接(如，与相关电池并联的电阻R/N)。如此，得到的较大放电电流就能迅速降低电压较高的电池上的电压。若期望相对较小的放电电流，来自处理器422的N位数字控制信号指示某个开关(如，开关S1)切断某一大阻值电阻的连接(如，与相关电池并联的电阻R)。如此，得到的较小放电电流就能更缓慢地降低电压较高的电池上的电压。 来自处理器422的电池放电控制信号也可以提供给电池能量监控器，以便给电池能量监控器提供准确的电池放电信息。例如，提供给电池放电电路440-1 、440-2、440-3、440-4的N位控制信号就可以提供给相关的电池能量监控器。这样，电池能量监控器也就能知道哪个电池402-1、402-2、402-3、402-4正在放电以及每个电池相关的放电电流。因此，在计算充电容量时考虑放电电流，电池能量监控器就能作出更可靠的计算，从而判定电池剩余寿命。 如前所述，本发明虽然首先描述关于电池监控和平衡电路，其提供数字信号表示
每个电池的电压电平，所述数字信号也能代表每个电池上网温度值和电流值。 图6是本发明的一个实施例的电子设备600。电子设备600与图1中所说的电子
设备100相似。为了简明起见，对电子设备600中与电子设备100中相似的那些元件不再
详细描述。 电子设备600包括一个电池单元监控和平衡电路608、一个电源供给单元610、一个系统612和一个电池能量监控器618。工作时，电池包602或者DC电源604连接到电子设备600并提供电源。DC电源604也能用来给电池包602充电。 为了感应每个电池的温度，一个温度感应器组件606连接到电池单元监控和平衡电路608。 一个电流感应器609连接到所述电池单元监控和平衡电路608以感测电流值。 电流感应器609能产生一个数字电流信号，并输送给电池单元监控和平衡电路608。
所述温度感应器组件606包含多个温度感应器606-1至606_n。在其中一个具体 实施例中，温度感应器606-1至606-n可以是外部温度感应器。在另一个具体实施例中，温 度感应器606-1至601-n可以是内部嵌入式温度感应器。 根据本发明的一个具体实施例，所述温度感应器组件606能成为低功耗部件。在 温度被采样或者被感应到的时候，温度感应器601-1， 601-2， 601-n中的任何一个温度感应 器都能被激活或启动。在温度被采样或被感应到之后，被启动或激活的温度感应器(被启 动的601-1至601-n)会被断电。 请参阅图7，其中显示了本发明的一个实施例的监控电路708。在本实施例中，一 个作为监控电路被组成的电路(例如图7中的监控电路708)可以作为监控和平衡电路(例 如图6中的监控和平衡电路608)使用。所述监控电路708和图2中的监控电路208相似。 为了简明起见，对监控电路708中与监控电路208中相似的那些元件不再详细描述。所述监 控电路708包括一个开关网络和适于连接到温度感应器606-1至606-n的电平切换器750、 一个ADC(模/数转换器)720、一个处理器722和一个电流感应器609。
由电流感应器609发出的模拟电压信号显示流过电池包602的电流量，此信号流 过开关网络和电平转换器750后被所述ADC720接收，并在ADC720中被转换成数字信号。除 了从电池包602发出的模拟电压信号和从电流感应器609发出的电流信号，所述ADC720也 依次地接收来自温度感应器606-1至606-n的模拟电压信号，并把所接收到的模拟电压信 号转换成数字信号。所述处理器722发出 一个安全警告信号来响应任何一个来自ADC720 的数字信号。 所述开关网络和电平转换器750被用于在合适的位置设置开关，并切换输入电压 电平，使电池包602-1至602-n的电压信号，温度感应器606-1至606_n的电压信号，或者 电流感应器的电压信号能被传输给ADC720，并在ADC720可以接受的范围切换。
在本发明的一个实施例中，所述ADC 720具有"平均"型ADC的作用，以"平均"读 取电池602-1至602-n的电压，和温度感应器606-1 ，606_n的电压。这样，普通读取带来的 瞬时偏差不会对代表模拟信号的数字信号质量产生负面影响。此外，ADC720可以根据特定 需求或者模拟信号源添加一个可调节分辨率。例如， 一个来自温度感应器606-1至606-n 的模拟信号可以因为其来源被ADC720以特定的方式转换。 如前所述，处理器722在充电或者放电过程中能发出 一个安全警报信号。例如，在 一个预设期间内，当电池包602-1至602-n中的一个电池单元大于过电压门限一个预设期 间，充电安全信号即被触发。再例如，在充电过程中，充电警报信号使充电过程被中断，同时 充电电流降到零值。当充电过程被中断时，考虑电池内阻的效果。在这种状况下，电池内阻 两端的压降将会是零值，同时电池两端的电压也会降低。在这种情况下，处理器722会从过 电压门限中减去一个预设的迟滞值，或者过电压门限会降低或减小，以使警报保持在一个 活跃的状态。因此，使用一个合适的过电压门限就会使电池包602能继续被保护，同时避免 充电警报信号的快速开关。 此外，根据本发明的一个实施例，所述过电压门限电压有一个迟滞特性，所述迟滞 特性基于流过电池包602的电流。在本实施例中，所述处理器722通过ADC720接收来自电流感应器609的电流信号。智能迟滞过电压门限依照下列公式计算可得<formula>formula see original document page 13</formula> 其中，Vov为智能迟滞过电压门限，Vov_base为在闲置状态下预设的基本过电压 值，I为电流，而Rint为电池内阻。因此，根据本实施例，监控电路708被改装以便建立一 个过电压门限，所述过电压门限基于流过电池包620的电流。 与此相似地，在电池包602放电过程中，为了避免在短时间内出现放电警报信号 的快速开关，低电压门限会基于流过电池包602的电流建立一个智能迟滞特性，所述迟滞 特性基于在此期间流过电池包602的电流。 作为本发明的一个实施例，过电压门限和低电压门限能够根据其他参数被调节， 例如能够通过ADC720从温度感应器组件606获知的周围温度。 在对电池包602充放电过程中，所述监控电路708监控每一个温度感应器606_1 至606-n的温度值，以防止每一个电池602-1至602_n过热。在一个具体实施例中，可以防 止电池爆炸，在充放电过程中，如果温度感应器606-1至606-n中的一个的温度高过了预设 的温度限定值。在工作中，如果来自ADC720的数字信号显示至少一个温度感应器606-1， 606-n的温度高过了预设的温度限定值持续一段时间，处理器722发出一个充电或者放电 警报信号。为响应充电或者放电警报信号，所述充电或者放电过程会被停止。在一个实施 例中，为了避免快速开关，所述监控电路708也提供过温度保护，其中过温度门限有迟滞特 性。 类似地，如果任何一个电池(602-1到602-n)的温度在充放电过程中变得太低是 是危险的。当至少一个温度感应器的值低于预设的低电压限定值一段时间，处理器722会 发出一个警报信号。 处理器722能够调节采样时间间隔。在采样时间间隔内，温度感应器(606-1到 606-n)和电流感应器609会被采样一次，并且处理器ADC720会对电流感应器609和每个温 度感应器(606-1到606-n)做有效的数字转换。 图8显示了本发明的一个电池监控和平衡电路808。所述电池监控和平衡电路808 与图3中的平衡电路308相似。为简明起见，电池监控和平衡电路808中与图4中所示电 子设备400中相似的技术特征不再参考图8详述。根据本发明一个实施例中所述电路808 包括一个ADC820， 一个处理器822， 一个开关网络控制电路851， 一个开关网络和电平转换 电路850， 一个放电网络电路840， 一个驱动电路827， 一个保护电路829， 一个电流感应器 809，和一个温度感应器组件806。 如图8所示，所述电池包802包括电池802-1，802-2，802-3，802-4，802-5，802-6， 802-7，802-8，802-9，802-10，802-11，802-12，802-13。对电池包802中每个电池的模拟电 压电平进行采样可以直接通过开关网络和电平切换电路850进行。如前所述，ADC820可以 把被采样的模拟信号转换成相关的数字信号。例如，当第一电池802-1被采样时，802-l的 正极和ADC820的正极输入端连接，并且802-1的负极和ADC820的负极输入端连接。所述 开关网络和电平切换电路850的所有开关将处于这些位置，直到ADC820完成一个有效的模 /数转换。 所述温度感应器组件806用来感应不同位置的温度。例如，在一个具体实施例中， 第一个温度感应器806-1能用来感应电池802-1的温度。第一温度感应器806-1包括电阻810和812。所述电阻810是一个定值电阻，所述电阻812是一个热敏电阻。所述热敏电阻 812的阻值会根据温度-一 阻抗曲线图变化。甚至，所述电阻810和所述电阻812之间的电 压会变化，所述变化的电压会被ADC820转换并被传输给所述处理器822。 一旦所述电压被 检测到，所述电阻812的阻抗使用欧姆定律被计算。基于温度-一阻抗曲线图，可以计算相 应的温度。 另外，所述电流感应器809两端的电压能被直接连接到ADC820，用来直接对所述 电流感应器809的电流信号采样或者流经所述电流感应器809的电流采样。
所述电荷转移电路842包括一个能量储存部件(例如变压器，电感器，电容器)。 在图示的具体实施例中，一个电容器843用作能量储存部件。如果所述处理器822引导电 池间的电荷转移，所述开关网络和电平切换电路850的相应开关弓|导电荷从一个或多个高 电压的电池暂时存储在所述电容器843上，这些电荷接着会被所述开关网络中合适的开关 转移到一个低压电池。所述处理器822通过开关网络控制电路851控制所述开关网络和电 平切换电路850。 根据本发明的一个实施例，为了对每个电池包801-1，801-3，801-5进行偏差补 偿，所述ADC820也能够被校准。在图8所述实施例中，所述电池包801-1包括电池802-1， 802-2， 802-3， 802-4， 802-5 ;所述电池包801-3包括电池802-6， 802-7， 802-8， 802-9 ;所述 电池包801-5包括电池802-10，802-11，802-12，802-13。产生这种偏差的原因很多，例如， 不同的电压梯度和不同ADC电池通道中的切换电荷注入。举例来说，为了通过所述开关网 络和电平切换电路850校准所述第一电池包801-1，所述ADC820的输入端连接到所述电池 包801-1的虚地。所述ADC820会把这一模拟信号转换成一个相关的第一补偿数字信号。所 述第一补偿数字信号会被存储在任何可用的记忆设备中。 类似地，所述电池包801-3和801-5能被校准。在一个实施例中，能给3个电池包 分别找到补偿值并存储。所述电池包801-1的补偿值是电池包801-1中电池的补偿值；所 述电池包801-3的补偿值是电池包801-3中电池的补偿值；所述电池包801-5的补偿值是 电池包801-5中电池的补偿值。当所述ADC820随后为一个相关电池转换一个模拟测量时， 所述处理器822能指令通过减去为相关电池包存储的相关偏差值得到无偏差数据。如此， 就能进一步得到精确测量的每个电池的模拟信号。 进一步，根据本发明的一个实施例，为了补偿所述温度感应器组件806的任何偏 差，所述ADC820能进一步被校准。例如，通过开关网络和电平切换电路850校准所述温度 感应组件806，首先，所述ADC820的正极输入端连接到第一个参考电压(称为Vrl，图中未 示出，比如是1. 05伏特)，所述ADC820的负极输入端接地。所述ADC820把这一模拟信号转 换成第一个数字信号D1。然后，所述ADC820的正极输入端连接到第二个参考电压(称为 Vr2，图中未示出，比如是2. IO伏特)(Vr2 = 2 * Vrl)，并且负极输入端接地。所述ADC820 把这一模拟信号转换成第二个数字信号D2。所述处理器822计算第一次数字信号的一倍 与第二次数字信号的差值(2 * Dl-D2)作为温度感应器的补偿数字信号并把此结果存储在 记忆器中。当所述ADC820随后转换一个来自所述温度感应器组件的模拟信号时，所述处理 器822指令通过减去所述被存储的偏差值得到无偏差的数值。如此，来自所述温度感应器 组件806的模拟信号精确测量值被进一步提供。 —个保护电路829也能存在于电池平衡和监控电路808中，以便监控电池包802在电流流入(充电模式)或电流流出(放电模式)下的多种危险情形，例如，过电流或短路 状态，并警告所述处理器822存在以上情况，以便采取停止动作。例如，一个电流感应器809 能被连接到所述电池包802从而提供所述保护电路829，所述保护电路829其具有代表流 经所述电池包802电流值的信号。如果所述电流值大于第一电流门限值(如在电流感应器 809两端的压降超过第一电流门限乘以感流电阻阻值)，那么所述保护电路829会通过所述 数据路径837向所述处理器822发出一个过电流警报信号。 所述电流值或许会大于第二电流门限值，其中所述第二电流门限大于第一电流门 限值。在这种情况下，所述保护电路829通过数据路径839向所述处理器发出一个短路警 报信号。 如果所述处理器822探测到过电流警报信号在一个预设的期间内是活跃的，所述 处理器822会产生所述充电警报信号和所述放电警报信号来分别停止所述充电过程和所 述放电过程。 一旦所述处理器822根据过电流警报信号或者短路警报信号产生所述充电警 报信号或者所述放电警报信号，所述充电警报信号和所述放电警报信号会被保持活跃状态 直到过电流警报信号或者短路信号被解除。有两种解除过电流警报信号或者短路信号的方 法限时解除方法，和外部解除方法。 如果采用限时解除方法，所述充电警报信号和所述放电警报信号能在一个预设的 时限内保持活跃。预设的解除时限通过设定存储在记忆器中的相应数据是可调节的。在那 之后，所述充电警报信号和所述放电警报信号消失。 另一方面，如果使用所述外部解除方式，所述充电警报信号和所述放电警报信号 会保持活跃直到外部解除信号激活。需要注意的是，在充电过程中，即使使用了外部解除方 式，充电警报信号也会在一段时间内保持活跃。 根据本发明的一个实施方式，两个阻值很大甚至达到几百万欧姆的电阻814， 816 和保护电路829用来产生外部解除信号。电阻814， 816并联地连接到一个M0SFET818 (金属 氧化物半导体场效应晶体管)用来形成一个旁路，例如，在放电过程中，所述电池包802给 负载880提供电源并且一个外部开关881连接到所述负载880并且一个外部开关881串联 到负载880上。当放电警报信号被激活因为过电流警报信号或者短路警报信号被激活时， 所述M0SFET818会断开以停止放电过程。此时， 一个旁路电流仍旧会流经电阻814， 816。因 为负载880和电流感应器809的阻值比较电阻814,816的阻值小很多，节点803处的电压 (VSCRL)可以根据以下公式计算
VSCRL = Vpack * R1/(R1+R2) 其中Vpack是电池包802的电压，Rl是电阻814的阻抗，R2是电阻816的阻抗。
在这种情况下，如果外部开关881被断开，所述电流回路断开并且在节点803处的 电压大约为零。在所述保护电路829中有一个比较器(图中没有显示)，其有一个预设的电 压，此电压值在零伏特与VSCRL之间。比较器的输出信号通过所述数据路径836传输给所 述处理器822。如果在节点803处的电压大于预设的电压值，所述外部开关881没有被断开 并且比较器的输出为零(说明外部解除信号处于休眠状态)。在一个实施例中，所述放电 警报信号仍旧活跃并且所述M0SFET818会保持在开路状态。 一旦所述外部开关881断开， 节点803处的电压大约是零并且低于所述预设的电压值。在这种情况下，比较器的输出值 将会是1 (说明外部解除信号被激活)。因此，所述放电警报信号将会被转成休眠状态并且M0SFET818会被启动。 为响应所述充电警报信号和所述放电警报信号，所述处理器822能通过数据路径 890发出合适的控制信号给一个主元件(图中未示出)，因此一些可选择性的元件(如电源 管理单元)可以采取任何必需的正确动作以确保电源供给的安全。 如前所述，所述放电网络电路840可以包括多个放电电路840-1， 840-2， 840-3， 840-4，840-5，840-6，840-7，840-8，840-9，840-10，840-11,840-12和840-13 ;其相对于每 个相关的电池802-1，802-2，802-3，802-4，产生一个可调节放电电流。 当电池监控和平衡电路808处于闲置模式或睡眠模式时，本发明一个实施例有一 个唤醒电路860，用来产生一个唤醒信号。在全功率模式、闲置模式或睡眠模式，所述处理 器822控制所述电池检测和平衡电路808。如果在一定期间内，没有高温、低温、过电流、短 路并且电池包802不在充/放电等模式，所述处理器822会使所述电池监控和平衡电路808 进入闲置模式或睡眠模式，其间电池监控和平衡电路808和所述放电电路860不会节省电 所述唤醒电路860包括一个无偏差的积分器和一个比较器(两个都没有在图中显 示)。所述积分器对所述电流感应器809两端的电压采样，并输出一个数字信号给比较器， 以便比较积分器的输出数字信号和一个内置的门限。如果积分器的输出大于比较器的内置 门限，产生唤醒信号并且传输给所述处理器822。所述电池监控和平衡电路808—旦探测到 活跃的唤醒信号，其会从睡眠状态开始以全功率状态运行。 另外，无论唤醒电路的输入是正电压还是负电压，或者不论电池包802是被充电 还是被放电；一个处理器822控制的脉冲信号861用来控制积分输出数字信号并确保所述 信号是非负值。甚至，所述脉冲信号861的宽度用来调节比较器的内置门限，脉冲越宽，门 限越低。所述脉冲信号861的脉冲宽度通过设定存储在任何可用存储器中的相应数据调 节。 图9是图8所示本发明一个实施例中放电网络电路使用的一个放电电路900。为 简明起见，参考图5，放电电路900中与放电电路500中相似的技术特征不再参考图5详述。
图9所示的放电电路900包括一个附加的偏压电阻器902，其被用来探测电池终 端和所述处理器822 —个外部引脚之间的断路。在一个实施例中，偏压电阻器902的阻值 很大达到几百万欧姆。如前所述，所述放电电路900连接到一个相关的电池。在一种情况 下，所述处理器822指令所有开关S， Sl. . . SN闭合，因此一个小电阻(例如互相并联的包括 电阻器902的电阻器)与相关电池并联。在一个实施例中，可以测到相关电池的第一电压。 在另外一种情形下，处理器822指令所有的开关S， Sl...SN断开，因此一个大的电阻(例 如电阻器902)与相关电池并联。能够测量相关电池的第二电压。因为所述放电电路900 与相关的电池并联，所述电路900可被视作相关电池的内阻，并且这两个测得的电压不同。 实际中，通过把这两个测得的电压和预设的断路门限比较(其中的断路门限可以被处理器 822调节)，如果差值大于断路门限，就能探测到一个断路。因此，图8中所述处理器822会 发出一个断路警报信号，此信号说明在电池终端和处理器822外部引脚之间有断路。
而且，所述电路900提供防止电池反置的功能。如果任何电池反置，在偏压电阻器 902上会探测到一个负电压并且产生一个反置警报信号说明相应的电池反置。而且，因为在 所述放电电路900中的所述电阻器902很大，其会限制图8中流经所述电池包802的电流。因此，所述电池包802能被保护不被所述电池反置的损坏。 在以上对本发明的详细描述中，公开了大量的技术细节以便对本发明进行全面的 了解。然而，本领域技术人员在没有本说明书如此详细描述的情况下也可以实现。在其他 情况下，本发明中没有详细描述的公知方法、流程、元件、和电路不会造成本发明的公开不 充分。
权利要求
一种监控电路，用来监控一个电池包中的多个电池单元，其特征在于，包括多个温度感应器，用来感应所述多个电池单元的温度，并发出多个相应的模拟温度电压信号；一个模/数转换器，用来接收所述多个模拟温度电压信号，并把所述每个模拟温度电压信号转换成相应的数字信号；一个处理器，当所述的数字信号中的某一信号超出一个预设范围时，所述处理器产生一个警报信号；所述模/数转换器还接收来自所述多个电池单元的多个电池电压模拟信号，并输出多个相应的电池电压数字信号；当所述多个电池电压数字信号中的某一信号超出一个预设的电压范围时，所述的处理器产生一警报信号；所述预设电压范围由一个过电压门限和一个低电压门限所限定；并且当所述多个电池电压数字信号中的某一信号超出一个预设的电压范围时的警报信号产生时，一个预设的迟滞值会减小所述过电压门限。
2. 根据权利要求1所述的监控电路，其特征在于，还包括一个电流感应器，其连接到所述电池包，用来感应与所述电池包有关的电流值，当所述 的电流值大于一个过电流门限时，所述的处理器产生一警报信号。
3. 根据权利要求1所述的监控电路，其特征在于，所述预设范围由一个过温度门限和 一个低温度门限所限定。
4. 根据权利要求3所述的监控电路，其特征在于，所述过温度门限是可调节的。
5. 根据权利要求1所述的监控电路，其特征在于，所述预设迟滞值与所述的电池包电 流有关。
6. 根据权利要求1所述的监控电路，其特征在于，所述低电压门限是可调节的。
7. 根据权利要求1所述的监控电路，其特征在于，还包括一个开关网络，将所述多个温 度感应器分别连接到所述模/数转换器。
8. 根据权利要求7所述的监控电路，其特征在于，所述开关网络把所述多个电池单元 分别连接到所述模/数转换器，并且所述模/数转换器有一个正极输入终端和一个负极输 入终端，其中所述正极输入终端和所述负极输入终端连接到所述多个电池单元中某一个电 池单元的虚拟接地端，产生一个偏移信号以校准所述模/数转换器。
9. 根据权利要求7所述的监控电路，其特征在于，所述开关网络包括多个由所述处理 器控制的开关，以便把所述多个电池单元分别连接到所述模/数转换器。
10. —种电子设备，其利用多个电池单元组成的电池包驱动负载，其特征在于，所述电 子设备包括多个温度感应器，用来感应所述多个电池单元的温度，并输出多个相应的模拟温度电 压信号；一个模/数转换器，用来接收所述多个模拟温度电压信号，并把所述各个模拟温度电 压信号转换成的数字信号；一个处理器，当所述的数字信号中的某一信号超出一个预设范围时，产生一个警报信 号以终止所述电池的充电或放电过程；所述模/数转换器还接收来自所述多个电池单元的多个电池电压模拟信号，并输出多个相应的电池电压数字信号；当所述多个电池电压数字信号中的某一信号超出一个预设的电压范围时，所述处理器 产生一警报信号；所述预设电压范围由一个过电压门限和一个低电压门限所限定；并且当 所述多个电池电压数字信号中的某一信号超出一个预设的电压范围时的所述警报信号产 生时， 一个预设的迟滞值会减小所述过电压门限。
11. 根据权利要求IO所述的电子设备，其特征在于，包括一个电流感应器，其连接到所述电池的电流包，用来感应与所述电池包有关的电流值， 当所述电流值大于一个过电流门限时，所述处理器产生一警报信号。
12. 根据权利要求10所述的电子设备，其特征在于，所述预设范围由一个过温度门限 和一个低温度门限所限定。
13. 根据权利要求12所述的电子设备，其特征在于，所述过温度门限是可调节的。
14. 根据权利要求IO所述的电子设备，其特征在于，所述预设迟滞值与电池包电流有关。
15. 根据权利要求10所述的电子设备，其特征在于，所述低电压门限是可调节的。
16. 根据权利要求IO所述的电子设备，其特征在于，还包括一个开关网络，将所述多个 温度感应器分别连接到所述模/数转换器。
17. 根据权利要求16所述的电子设备，其特征在于，所述开关网络把所述多个电池单 元分别连接到所述模/数转换器，并且所述模/数转换器有一个正极输入终端和一个负极 输入终端，其中所述正极输入终端和所述负极输入终端连接到所述多个电池单元中某一个 电池单元的虚拟接地端，产生一个偏移信号以校准所述模/数转换器。
18. 根据权利要求16所述的电子设备，其特征在于，所述开关网络包括多个由所述处 理器控制的开关，以便把所述多个电池单元分别连接到所述模/数转换器。
全文摘要
一种监控多个电池的电路，包括多个温度感应器，一个模/数转换器(ADC)和一个处理器，所述多个温度感应器用来感应多个电池的温度并且输出多个相应的模拟电压信号，所述模/数转换器(ADC)接收多个模拟温度电压信号，并且把每个模拟温度电压信号转换成数字信号，当所述数字信号中的某个数字信号超出预设的范围时，所述处理器产生一个警报信号。
文档编号G06F1/28GK101699646SQ20091020617
公开日2010年4月28日 申请日期2008年4月24日 优先权日2007年4月24日
发明者刘柳胜, 栗国星, 盛开义, 肖安全 申请人:凹凸电子(武汉)有限公司