专利名称：可充电电池监控及平衡电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可充电电池电路，特别是一种可充电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，该电容电压就代表了该可充电电池的电压，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，该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。这是由于电池组类型不同，要求的高电平门限或低电平门限也不同，而相同类型的电池组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组，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，当一个电池组中的电池不平衡时(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该放电任务。
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
本发明提供了一种精确监控电池组中多个可充电电池电压的监控电路。该电路包括一个模/数转换器(ADC)和一个处理器。ADC接收来自每个可充电电池的模拟电压信号并将该模拟电压信号转换为代表每个可充电电池电压的数字信号。处理器接收该数字信号，根据至少一个数字信号而发出一个安全警报信号。
本发明提供了一种平衡电路。该平衡电路包括一个ADC，该ADC接收来自每个可充电电池的模拟电压信号并将该模拟电压信号转换为代表每个可充电电池电压的数字信号。平衡电路还包括一个处理器，该处理器接收该数字信号，如果至少有两个代表一个第一电池的第一电压与一个第二电池的第二电压的数字信号之差大于可充电电池平衡门限时，该处理器发出一个平衡信号。
本发明提供了一种由具有多个可充电电池的电池组供电的电子设备。该电子设备包括一个精确监控每个可充电电池电压的监控电路。该监控电路包括一个ADC，该ADC接收来自每个可充电电池的模拟电压信号并将该模拟电压信号转换为代表每个可充电电池电压的数字信号。该监控电路还包括一个处理器，该处理器接收该数字信号，根据至少一个数字信号而发出一个安全警报信号。
本发明提供了另一种由具有多个可充电电池的电池组供电的电子设备。该电子设备包括一个平衡电路，其中平衡电路包括一个ADC，该ADC接收来自每个可充电电池的模拟电压信号并将该模拟电压信号转换为代表每个可充电电池电压的数字信号。平衡电路还包括一个处理器，该处理器接收该数字信号，如果至少有两个代表一个第一电池的第一电压与一个第二电池的第二电压的数字信号之差大于可充电电池平衡门限时，该处理器提供一个平衡信号。
本发明提供了一种平衡电路。该平衡电路包括一个ADC，该ADC接收来自每个可充电电池的模拟电压信号并将该模拟电压信号转换为代表每个可充电电池电压的数字信号。平衡电路还包括一个处理器，该处理器接收该数字信号，如果在一个第一模式期间存在电压差，则在一个第一可充电电池的第一电压与一个第二可充电电池的第二电压之差大于可充电电池平衡门限之前，在一个第二模式期间发出一个预平衡信号。
本发明提供了一种平衡电池组中多个可充电电池电压的方法。该方法包括步骤将来自一个第一电池的第一模拟电压信号转换为代表第一模拟电压信号的第一数字信号；将来自一个第二电池的第二模拟电压信号转换为代表第二模拟电压信号的第二数字信号；判断该第一电压值与该第二电压值之差；将该电压差与可充电电池平衡门限做比较；若该电压差大于该可充电电池平衡门限，则发出一个平衡信号。
最后，本发明提供了一种预平衡电池组中多个可充电电池电压的方法。该方法包括步骤将来自一个第一电池的第一模拟电压信号转换为代表第一模拟电压信号的第一数字信号；将来自一个第二电池的第二模拟电压信号转换为代表第二模拟电压信号的第二数字信号；在一个第一时间期间判断该第一电压值与该第二电压值之差；将该电压差与可充电电池平衡门限做比较；若该电压差在第一时间期间超过了该可充电电池平衡门限，则在第二模式期间，在该第一电池的第一电压与该第二电池的第二电压之差大于该可充电电池平衡门限之前，发出一个预平衡信号。
图1所示为一个由具有多个可充电电池的电池组供电的电子设备的简化框图，其中该电子设备具有本发明的电池监控和平衡电路；
图2所示为用于图1所示电子设备的监控电路的框图；图3A所示为用于图1所示电子设备的平衡电路的框图；图3B所示为从图3A所示平衡电路中接收一个预平衡信号的两个电池放电特性的示范性曲线图；图4所示为本发明的一个示范性电池监控和平衡电路的详细框图；图5所示为用于图4所示放电网络电路的一个放电电路的示范性电路图。
具体实施例方式
图1所示为一个由电池组102或一个DC电源104供电的电子设备100的简化框图。电池组102可包括多个可充电电池102-1、102-2、102-n。该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，则该电子设备将包括该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)。
为给电池组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。该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所示该DC电源104是与电子设备100分离开的，但实际上它也可以安装在该电子设备之中。电子设备100还可以包括一个供电单元110。通常，该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110是分离开的，但实际上该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。该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102-1、102-2、102-n电压的数字信号提供给设备的各种元件，如电池能量监测器118。该电池能量监测器利用该信号发出一个代表电池组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，该监控电路作为图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102-1、102-2、102-n的模拟电压信号，并将该模拟信号转换为数字信号。处理器222接收该数字信号，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∑-Δ(sigma-delta)型ADC，这里列举一些。∑-Δ(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OSR，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102-1、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10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∑-Δ(sigma-delta)型ADC。该∑-Δ(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，或是不同类型ADC的组合。
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。该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，在电池组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。
在电池组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100的用户提供适当的警告。例如，当电池组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该电池组供电。另外，在电池组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100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将该电压与该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102-1、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可能配置有可存储该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，而当电池组102处于休眠或空闲状态下时，低频率采样是有利的。例如，当电池组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1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102-1、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。该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。该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102-1、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指示该进程停止时，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21℃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。
电池组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402-1、402-2、402-3和402-4，从而补偿任何偏差。该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将该模拟信号转换成相关的第一数字偏移信号。该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402-1、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，以便监控流进电池组402的电流(充电模式)或从电池组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，告知处理器该情况，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)与电池组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组电流值的信号。若该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。
该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、S1、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、S1、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402-1、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测器，以便给电池能量监测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测器。这样，电池能量监测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，电池能量监测器就能作出更可靠的计算，从而判定电池剩余寿命。
在此所述的实施例只是采用本发明的其中几个，本发明并不受限于此。显而易见，还存在其它本领域的技术人员所知的并不脱离本发明精神和范围的实施例。这些也是本发明保护的范围。
权利要求
1.一种准确监控电池组中多个可充电电池中每个电池电压的监控电路，所述监控电路包括一个接收来自所述多个可充电电池中每个电池的模拟电压信号并将所述每个模拟电压信号转换成代表每个所述电池电压的数字电压信号的模拟/数字转换器ADC；一个接收每个所述数字信号并根据至少一个所述数字信号发出一个安全警报信号的处理器。
2.根据权利要求1所述的监控电路，其特征在于所述安全警报信号是当所述电池组充电时，在预定监控时间期间，若至少一个代表所述电池电压的所述数字信号大于一个过电压门限值时，提供的充电警报信号。
3.根据权利要求2所述的监控电路，其特征在于当所述电池组充电时，若代表一个所述电池电压的一个所述数字信号大于所述过电压门限值时，发出所述充电警报信号。
4.根据权利要求2所述的监控电路，其特征在于所述过电压门限值可由所述处理器调整。
5.根据权利要求4所述的监控电路，其特征在于所述过电压门限值可由所述处理器根据环境温度调整。
6.根据权利要求1所述的监控电路，其特征在于所述安全警报信号是当所述电池组放电时，在预定监控时间期间，若至少一个代表所述电池电压的所述数字信号小于一个低电压门限值时，发出的放电警报信号。
7.根据权利要求6所述的监控电路，其特征在于当所述电池组放电时，若代表一个所述电池电压的一个所述数字信号小于所述低电压门限值时，发出所述放电警报信号。
8.根据权利要求6所述的监控电路，其特征在于所述低电压门限值可由所述处理器调整。
9.根据权利要求8所述的监控电路，其特征在于所述低电压门限值可由所述处理器根据环境温度调整。
10.根据权利要求1所述的监控电路，其特征在于所述ADC是一个平均型ADC。
11.根据权利要求10所述的监控电路，其特征在于所述平均型ADC在将所述模拟电压信号转换成相关数字信号之前，在一个采样周期内多次采样每个电池的电压。
12.根据权利要求1所述的监控电路，所述ADC有一个分辨率，其特征在于所述分辨率可由所述处理器调整。
13.根据权利要求1所述的监控电路，其特征在于所述监控电路还包括一个连接所述电池组和所述ADC的开关网络，其中，所述开关网络有通过处理器控制的多个开关，所述开关网络使得多个电池中每个电池直接通过所述开关网络与所述ADC连接。
14.根据权利要求1所述的监控电路，其特征在于所述ADC有一个正极输入端和一个负极输入端，其中一个第一电池的第一偏移量通过将所述第一电池的一端连接到所述ADC的所述正极输入端和所述负极输入端来判定，其中所述处理器进一步将所述第一偏移量提供给代表所述第一电池电压的数字信号，从而提供一个已校准的第一数字信号。
15.根据权利要求14所述的监控电路，其特征在于一个第二电池的第二偏移量通过将所述第二电池的一端连接到所述ADC的所述正极输入端和所述负极输入端来判定，其中所述处理器进一步将所述第二偏移量提供给代表所述第二电池电压的数字信号，从而提供一个已校准的第二数字信号。
16.根据权利要求1所述的监控电路，其特征在于所述ADC在每一个采样周期对每个所述电池电压采样一次，其中所述采样周期由所述处理器调整。
17.根据权利要求16所述的监控电路，其特征在于所述采样周期在一个第一状态期间有一个第一时间间隔，在一个第二状态期间有一个第二时间间隔，其中所述第二时间间隔比所述第一时间间隔长，所述第二状态是所述电池组的休眠模式。
18.根据权利要求6所述的监控电路，其特征在于所述安全警报信号是当所述电池组放电时，在预定监控时间期间，若至少一个代表一个所述电池电压的所述数字信号小于一个第一低电压门限值时，发出的一个第一放电警报信号，其中，所述第一低电压门限大于所述低电压门限。
19.根据权利要求18所述的监控电路，其特征在于所述安全警报信号是当所述电池组放电时，在预定监控时间期间，若至少一个代表一个所述电池电压的所述数字信号小于一个第二低电压门限值时，发出的第二放电警报信号，其中，所述第二低电压门限小于所述第一低电压门限、大于所述低电压门限。
20.根据权利要求1所述的监控电路，其特征在于所述监控电路进一步包括一个保护电路，该保护电路将一个代表所述电池组相关电流值的信号与一个过电流门限比较，如果所述电流值大于所述过电流门限，则给所述处理器发出一个过电流警报信号。
21.根据权利要求20所述的监控电路，其特征在于所述保护电路进一步将一个代表所述电池组相关电流值的信号与一个短路电流门限比较，如果所述电流值大于所述短路电流门限，则给所述处理器发出一个短路警报信号。
22.一个平衡电路包括一个模拟/数字转换器ADC，该ADC接收来自多个电池中每个电池的模拟电压信号并将所述每个模拟电压信号转换成代表每个所述电池电压的数字电压信号；一个处理器，该处理器接收每个所述数字信号，如果至少有两个代表一个第一电池的第一电压与一个第二电池的第二电压的所述数字信号之差大于一个电池平衡门限，则该处理器发出一个平衡信号。
23.根据权利要求22所述的平衡电路，其特征在于所述平衡电路进一步包括一个接收所述平衡信号，响应所述平衡信号给所述多个电池中的任意一个电池提供放电电流的放电网络电路。
24.根据权利要求23所述的平衡电路，其特征在于所述放电网络电路在所述第二电池的第二电压大于所述第一电池的第一电压时给所述第二电池提供一个第一放电电流，所述放电网络电路在第一时间间隔应用所述第一放电电流将所述第二电压值降至实际上等于第一电压的电压值。
25.根据权利要求24所述的平衡电路，其特征在于一个第三电池有一个第三电压，所述第三电压大于所述第一电压，所述第三电压大于所述第二电压，所述放电网络电路在一个第二时间间隔将所述第一放电电流应用在所述第三电池，从而将所述第三电压值降至实际上等于第一电压的电压值，其中所述第一时间间隔与第二时间间隔至少有一部分重叠。
26.根据权利要求25所述的平衡电路，所述第一时间间隔有第一起始时间，所述第二时间间隔有第二起始时间，其特征在于所述第一起始时间实际上等于所述第二起始时间并且所述第二时间间隔比所述第一时间间隔长。
27.根据权利要求23所述的平衡电路，其特征在于所述放电网络电路提供的所述放电电流可以通过响应来自处理器的所述平衡信号而被调整。
28.根据权利要求27所述的平衡电路，其特征在于一个第三电池有一个第三电压，其中所述第二电压大于所述第一电压且差值为第一差值，所述第三电压大于所述第一电压且差值为第二差值，所述第二差值大于所述第一差值，其中所述放电网络电路将一个第一放电电流提供给所述第二电池、将一个第二放电电流提供给所述第三电池，所述第二放电电流比所述第一放电电流大。
29.根据权利要求27所述的平衡电路，其特征在于所述放电网络电路包括与多个电池中每个电池相关的多个放电电路，所述多个放电电路中至少一个放电电路包括一个具有连接在所述第一开关接线端的一个第一电阻元件的第一开关，所述第一电阻元件有一个第一电阻值；一个具有连接在所述第二开关接线端的一个第二电阻元件的一个第二开关，所述第二电阻元件有一个第二电阻值，所述第二电阻值小于所述第一电阻值。
30.根据权利要求29所述的平衡电路，其特征在于若所述第一开关导通并且所述第二开关断开，则将一个第一放电电流提供给一个相关电池，若所述第一开关断开并且所述第二开关导通，则将一个第二放电电流提供给所述相关电池，其中所述第二放电电流大于所述第一放电电流。
31.根据权利要求22所述的平衡电路，其特征在于所述平衡信号被发送至一个电荷转移电路，该电荷转移电路响应所述平衡信号，转移所述多个电池间的电荷。
32.根据权利要求31所述的平衡电路，其特征在于所述电荷转移电路在所述第二电压大于所述第一电压时，将所述第二电池的电荷转移到所述第一电池。
33.根据权利要求31所述的平衡电路，其特征在于所述电荷转移电路包括一个储能元件。
34.根据权利要求33所述的平衡电路，其特征在于所述电荷转移电路包括一个电容器。
35.根据权利要求33所述的平衡电路，其特征在于所述平衡电路进一步包括一个连接所述电池组和所述ADC的开关网络，所述处理器控制所述开关网络将所述第二电池连接到所述储能元件，从而将电荷从所述第二电池转移到所述储能元件，所述处理器控制所述开关网络将所述第一电池连接到所述储能元件，从而将所述电荷从所述储能元件转移到所述第一电池。
36.根据权利要求35所述的平衡电路，其特征在于一个第三电池有一个第三电压，所述第三电压大于所述第一电压，并且其中所述电荷转移电路将来自所述第三电池的电荷和所述第二电池的电荷转移到所述第一电池。
37.根据权利要求22所述的平衡电路，其特征在于所述平衡信号是在所述电源处在放电模式下发出的。
38.一个由具有多个电池的电池组供电的电子设备，其特征在于所述电子设备包括一个准确监控多个电池中每个电池电压的监控电路，所述监控电路包括一个接收来自多个电池中每个电池的模拟电压信号并将所述每个模拟电压信号转换成代表每个所述电池电压的数字电压信号的模拟/数字转换器ADC；和一个接收每个所述数字信号并根据至少一个所述数字信号发出一个安全警报信号的处理器。
39.根据权利要求38所述的电子设备，其特征在于所述安全警报信号是当所述电池组充电时，在预定监控时间期间，若至少一个代表一个所述电池电压的所述数字信号大于一个过电压门限值时，提供的充电警报信号。
40.根据权利要求39所述的电子设备，其特征在于当所述电池组充电时，若代表一个所述电池电压的一个所述数字信号大于所述过电压门限值时，发出所述充电警报信号。
41.根据权利要求39所述的电子设备，其特征在于所述过电压门限可由所述处理器调整。
42.根据权利要求41所述的电子设备，其特征在于所述过电压门限可由所述处理器根据环境温度调整。
43.根据权利要求38所述的电子设备，其特征在于所述安全警报信号是当所述电池组放电时，在预定监控时间期间，若至少一个代表一个所述电池电压的所述数字信号小于一个低电压门限值时，发出的放电警报信号。
44.根据权利要求43所述的电子设备，其特征在于当所述电池组放电时，若代表一个所述电池电压的一个所述数字信号小于所述低电压门限值时，发出所述放电警报信号。
45.根据权利要求43所述的电子设备，其特征在于所述低电压门限可由所述处理器调整。
46.根据权利要求45所述的电子设备，其特征在于所述低电压门限可由所述处理器根据环境温度调整。
47.根据权利要求38所述的电子设备，其特征在于所述ADC是一平均型ADC。
48.根据权利要求47所述的电子设备，其特征在于所述平均型ADC在将所述模拟电压信号转换成相关数字信号之前，在一个采样周期内多次采样每个电池的电压。
49.根据权利要求38所述的电子设备，所述ADC有一个分辨率，其特征在于所述分辨率可由所述处理器调整。
50.根据权利要求38所述的电子设备，其特征在于所述监控电路进一步包括一个连接所述多个电池和所述ADC的开关网络，所述开关网络有通过处理器控制的多个开关，所述开关网络使得多个电池中每个电池直接通过所述开关网络与所述ADC连接。
51.根据权利要求38所述的电子设备，其特征在于所述ADC有一个正极输入端和一个负极输入端，其中一个第一电池的第一偏移量通过将所述第一电池的一端连接到所述ADC的所述正极输入端和所述负极输入端来判定，其中所述处理器进一步将所述第一偏移量提供给代表所述第一电池电压的数字信号，从而提供一个已校准的第一数字信号。
52.根据权利要求51所述的电子设备，其特征在于一个第二电池的第二偏移量通过将所述第二电池的一端连接到所述ADC的所述正极输入端和所述负极输入端来判定，其中所述处理器进一步将所述第二偏移量提供给代表所述第二电池电压的数字信号，从而提供一个已校准的第二数字信号。
53.根据权利要求38所述的电子设备，其特征在于所述ADC在每一个采样周期对每个所述电池电压采样一次，其中所述采样周期由所述处理器调整。
54.根据权利要求53所述的电子设备，其特征在于所述采样周期在一个第一状态期间有一个第一时间间隔，在一个第二状态期间有一个第二时间间隔，其中所述第二时间间隔比所述第一时间间隔长，所述第二状态是所述电池组的休眠模式。
55.根据权利要求43所述的电子设备，其特征在于所述安全警报信号是当所述电池组放电时，在预定监控时间期间，若至少一个代表一个所述电池电压的所述数字信号小于一个第一低电压门限值时，发出的一个第一放电警报信号，其中，所述第一低电压门限大于所述低电压门限。
56.根据权利要求55所述的电子设备，其特征在于所述安全警报信号是当所述电池组放电时，在预定监控时间期间，若至少一个代表一个所述电池电压的所述数字信号小于一个第二低电压门限值时，发出的第二放电警报信号，其中，所述第二低电压门限小于所述第一低电压门限、大于所述低电压门限。
57.根据权利要求38所述的电子设备，其特征在于所述监控电路进一步包括一个保护电路，该保护电路将一个代表所述电池组相关电流值的信号与一个过电流门限比较，如果所述电流值大于所述过电流门限，则给所述处理器发出一个过电流警报信号。
58.根据权利要求57所述的电子设备，其特征在于所述保护电路进一步将一个代表所述电池组相关电流值的信号与一个短路电流门限比较，如果所述电流值大于所述短路电流门限，则给所述处理器发出一个短路警报信号。
59.根据权利要求38所述的电子设备，其特征在于所述监控电路进一步包括一个提供代表所述电池组剩余使用寿命的数字信号的电池能量监测器，所述电池能量监测器接收代表每个所述电池电压的每个所述数字信号并且根据所述数字信号给所述电池能量监测器提供输出信号。
60.可由电池组驱动并且具有多个电池的电子设备，所述电子设备包括一个平衡电路，所述平衡电路包括一个模拟/数字转换器ADC，该ADC接收来自多个电池中每个电池的模拟电压信号并将所述每个模拟电压信号转换成代表每个所述电池电压的数字电压信号；一个处理器，该处理器接收每个所述数字信号，如果至少有两个代表一个第一电池的第一电压与一个第二电池的第二电压的所述数字信号之差大于一个电池平衡门限，则该处理器发出一个平衡信号。
61.根据权利要求60所述的电子设备，其特征在于所述电子设备进一步包括一个接收所述平衡信号并且给所述多个电池中的每个电池提供放电电流、以响应所述平衡信号的放电网络电路。
62.根据权利要求61所述的电子设备，其特征在于所述放电网络电路在所述第二电池的第二电压大于所述第一电池的第一电压时给所述第二电池提供一个第一放电电流，所述放电网络电路在第一时间间隔应用所述第一放电电流将所述第二电压值降至实际上等于第一电压的电压值。
63.根据权利要求62所述的电子设备，其特征在于一个第三电池有一个第三电压，所述第三电压大于所述第一电压，所述第三电压大于所述第二电压，所述放电网络电路在一个第二时间间隔将所述第一放电电流应用在所述第三电池，从而将所述第三电压值降至实际上等于第一电压的电压值，其中所述第一时间间隔与第二时间间隔至少有一部分重叠。
64.根据权利要求63所述的电子设备，所述第一时间间隔有第一起始时间，所述第二时间间隔有第二起始时间，其特征在于所述第一起始时间实际上等于所述第二起始时间并且所述第二时间间隔比所述第一时间间隔长。
65.根据权利要求61所述的电子设备，其特征在于所述放电网络电路提供的所述放电电流可以通过响应来自处理器的所述平衡信号而被调整。
66.根据权利要求65所述的电子设备，其特征在于一个第三电池有一个第三电压，其中所述第二电压大于所述第一电压且差值为第一差值，所述第三电压大于所述第一电压且差值为第二差值，其中所述第二差值大于所述第一差值，其中所述放电网络电路将一个第一放电电流提供给所述第二电池，将一个第二放电电流提供给所述第三电池，所述第二放电电流比所述第一放电电流大。
67.根据权利要求65所述的电子设备，其特征在于所述放电网络电路包括与多个电池中每个电池相关的多个放电电路，所述多个放电电路中至少一个放电电路包括一个具有连接在所述第一开关接线端的一个第一电阻元件的第一开关，所述第一电阻元件有第一电阻值；和一个具有连接在所述第二开关接线端的一个第二电阻元件的第二开关，所述第二电阻元件有第二电阻值，所述第二电阻值小于所述第一电阻值。
68.根据权利要求67所述的电子设备，其特征在于若所述第一开关导通并且所述第二开关断开，则将一个第一放电电流提供给一个相关电池，若所述第一开关断开并且所述第二开关导通，则将一个第二放电电流提供给所述相关电池，其中所述第二放电电流大于所述第一放电电流。
69.根据权利要求60所述的电子设备，其特征在于所述电子设备进一步包括一个用于响应所述平衡信号，转移所述多个电池间电荷的电荷转移电路。
70.根据权利要求69所述的电子设备，其特征在于所述电荷转移电路在所述第二电压大于所述第一电压时，将所述第二电池的电荷转移到所述第一电池。
71.根据权利要求69所述的电子设备，其特征在于所述电荷转移电路包括一个储能元件。
72.根据权利要求71所述的电子设备，其特征在于所述电荷转移电路包括一个电容器。
73.根据权利要求71所述的电子设备，其特征在于所述平衡电路进一步包括一个连接所述电池组和所述ADC的开关网络，所述处理器控制所述开关网络将所述第二电池连接到所述储能元件，从而将电荷从所述第二电池转移到所述储能元件，所述处理器控制所述开关网络将所述第一电池连接到所述储能元件，从而将所述电荷从所述储能元件转移到所述第一电池。
74.根据权利要求72所述的电子设备，其特征在于一个第三电池有一个第三电压，所述第三电压大于所述第一电压，并且其中所述电荷转移电路将来自所述第三电池的电荷和所述第二电池的电荷转移到所述第一电池。
75.根据权利要求60所述的电子设备，其特征在于所述平衡信号是在所述电池处在放电模式下发出的。
76.一个平衡电路包括一个接收来自多个电池中每个电池的模拟电压信号并将所述每个模拟电压信号转换成代表每个所述电池电压的数字电压信号的模拟/数字转换器ADC；一个处理器，该处理器接收所述每个数字信号，若在一个第一模式期间一个第一电池的第一电压与一个第二电池的第二电压存在电压差，则在一个第二模式期间，在该电压差大于电池平衡门限之前，发出一个预平衡信号。
77.根据权利要求76所述的平衡电路，其特征在于所述第一模式是所述电池组的一个第一放电模式，所述第二模式是所述电池组的一个第二放电模式。
78.根据权利要求76所述的平衡电路，其特征在于所述第一模式是所述电池组的一个第一充电模式，所述第二模式是所述电池组的一个第二充电模式。
79.根据权利要求76所述的平衡电路，其特征在于所述预平衡信号被发送至一个电荷转移电路，该电荷转移电路响应所述预平衡信号，在所述多个电池间转移电荷。
80.根据权利要求79所述的平衡电路，其特征在于所述电荷转移电路在第一模式期间所述第二电压大于所述第一电压时，将来自所述第二电池的电荷转移到所述第一电池。
81.根据权利要求79所述的平衡电路，其特征在于所述电荷转移电路包括一个储能元件。
82.一种平衡电池组中多个电池电压的方法，所述方法包括步骤将来自一个第一电池的第一模拟电压信号转换成代表所述第一模拟电压信号的第一数字信号；将来自一个第二电池的第二模拟电压信号转换成代表所述第二模拟电压信号的第二数字信号；判定所述第一电压值与所述第二电压值之差；将所述电压差与电池平衡门限比较；若所述电压差大于所述电池门限，则发出一个平衡信号。
83.一种预平衡电池组中多个电池电压的方法，所述方法包括步骤将来自一个第一电池的第一模拟电压信号转换成代表所述第一模拟电压信号的第一数字信号；将来自一个第二电池的第二模拟电压信号转换成代表所述第二模拟电压信号的第二数字信号；判定所述第一电压值与所述第二电压值之差；将所述电压差与电池平衡门限比较；若在一个第一时间期间所述电压差超过电池平衡门限，则在一个第二时间期间，在所述第一电压与所述第二电压之差超过电池平衡门限之前，发出一个预平衡信号。
84.根据权利要求83所述的方法，其特征在于所述第一时间期间是所述电池组的一个第一放电模式，所述第二时间期间是所述电池组的一个第二放电模式。
85.根据权利要求83所述的方法，其特征在于所述第一时间期间是所述电池组的一个第一充电模式，所述第二时间期间是所述电池组的一个第二充电模式。
全文摘要
准确监控来自电池组的多个电池中每个电池电压的监控电路包括一个模拟/数字转换器(ADC)和一个处理器。ADC接收来自多个电池中每个电池的模拟电压信号并将每个模拟电压信号转换成准确代表每个电池电压的数字电压信号。处理器接收该数字信号并且根据其中至少一个信号提供一安全警报信号。ADC的分辨率是可调的。若至少其中两个数字信号表明两个电池的电压差大于电池平衡门限，平衡电路则提供一个平衡信号。并且本发明提供了包括该监控电路和平衡电路的电子设备。本发明还提供了多种方法。
文档编号H01M10/48GK1574540SQ20041005973
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月18日 优先权日2003年6月19日
发明者刘柳胜, 栗国星 申请人:美国凹凸微系有限公司