专利名称：可再充电电池组的功率管理电路的制作方法
技术领域：
本公开涉及可再充电电池，并且更具体地，涉及用于可再充电电池组的功率管理电路。
背景技术：
在此提供的背景描述是为了一般性地给出本公开的上下文。限于在此背景技术部分中描述的程度的所提到名字的发明人的工作，以及说明书中无法被另外证明为是在申请时的现有技术的方面，既不明确也不隐含地被承认为是相对于本公开的现有技术。可再充电电池在很多应用中使用。应用的范围可以从便携式电子设备到工业设备。例如，便携式电子设备可以包括蜂窝电话、照相机、个人数字助理(PDA)、膝上型计算机以及笔记本计算机。工业设备可以包括叉车、混合型电动车、医疗设备和不间断电源。可再充电电池通常包括利用不同化学技术以及生成不同输出电压的单元(Cell)。 例如，镍镉(NiCd)和镍金属氢化物(NiMH)单元生成1. 2伏特(1. 2V)的输出电压。锂离子单元生成从3. 6V到3. 9V范围内的输出电压。很多应用使用大于由单个单元生成的输出电压的电压。由此，可以使用多个单元的电池组来生成大于单个单元所生成电压的输出电压。例如，包括两个单元的电池组可以生成可驱动某些便携式电子设备的输出电压。包括数百个单元的电池组可以生成可驱动某些电动车的输出电压。
发明内容
一种系统，包括感测模块和切换模块。感测模块配置用于感测可再充电电池组中串联连接的第一单元和第二单元的输出电压。切换模块配置用于在输出电压的差大于或等于第一阈值时，以切换频率将电容交替跨接第一单元和第二单元。切换模块进一步配置用于在该差小于或等于第二阈值时停止交替地连接该电容，其中第一阈值大于第二阈值。在其他特征中，该系统还包括第一单元和第二单元以及电容，用以在电容以切换频率而跨接第一单元和第二单元时，在第一单元和第二单元之间转移电荷。在另一特征中，集成电路(IC)包括系统。在另一特征中，集成电路(IC)包括系统，并且还包括电容。在另一特征中，通过交替连接电容，在第一单元与第二单元之间实现电荷转移，以防止过度充电或过度放电。在又一些其他特征中，一种系统，包括串联连接在可再充电电池组中的N个单元， 其中N是大于1的整数；以及N-I个单元平衡模块，用于平衡N个单元的输出电压。N-I个单元平衡模块的每一个对N个单元中的相邻单元的输出电压进行平衡。N-I个单元平衡模块的每一个包括感测模块和切换模块。感测模块配置用于感测N个单元中的相邻单元的输出电压。切换模块配置用于在N个单元中的相邻单元的输出电压的差大于或等于第一阈值时，以切换频率将电容交替跨接N个单元中的相邻单元的第一单元与N个单元中的相邻单元的第二单元。切换模块进一步配置用于在该差小于或等于第二阈值时停止交替连接电容，其中第一阈值大于第二阈值。在另一特征中，N-I个单元平衡模块的每一个还包括电容，用于在电容以切换频率交替跨接N个单元中的相邻单元时，在N个单元的相邻单元之间传送电荷。在另一特征中，N-I个单元平衡模块的每一个由集成电路(IC)实现。在另一特征中，N-I个单元平衡模块的每一个由集成电路(IC)实现。在另一特征中，通过交替连接电容，在N个单元的相邻单元的第一单元与第二单元之间实现电荷转移，以防止过度充电或过度放电。在又一些其他特征中，一种系统，包括串联连接在可再充电电池组中的N个单元，其中N是大于1的整数；以及N-I个单元平衡模块，用于平衡N个单元的输出电压。N-I 个单元平衡模块的每一个对N个单元的相邻单元的输出电压进行平衡。N-I个单元平衡模块的每 一个包括通信模块和切换模块。通信模块配置用于经由通信链路将N个单元中的相邻单元的输出电压向N-I个单元平衡模块的其他模块传送。切换模块配置用于在N个单元中的两个单元的输出电压的差大于或等于预定阈值时，以切换频率将电容交替跨接N个单元中的相邻单元的第一单元和N个单元中的相邻单元的第二单元。在另一特征中，N-I个单元平衡模块的每一个还包括感测模块，用于感测N个单元中的相邻单元的输出电压。在另一特征中，N-I个单元平衡模块的每一个还包括电容，用于在所述电容以交替频率交替跨接N个单元中的相邻单元时，在N个单元的相邻单元之间转移电荷。在其他特征中，该系统还包括组控制模块，配置用于经由通信链路与N-I个单元平衡模块之一通信。组控制模块经由通信链路接收N个单元的输出电压。组控制模块基于 N个单元的输出电压来控制可再充电电池组与充电系统的耦合。在另一特征中，组控制模块基于N个单元的输出电压来控制可再充电电池组与负载的耦合。在另一特征中，通过交替连接电容，在N个单元的相邻单元的第一单元与第二单元之间实现了电荷转移，以防止过度充电或过度放电。根据详细描述、权利要求和附图，本公开的适用性的其他领域将变得显而易见。详细描述和特定示例仅仅意在描述目的，而非意在限制本公开的范围。
通过详细描述和附图，将更加完整地理解本公开，在附图中图IA是用于对电池组的两个相邻单元进行充电/放电的系统的功能框图；图IB绘出了单元平衡模块的示例性实现；图2A是包括电容器的单元平衡模块集成电路(IC)的功能框图；图2B是不具有电容器的单元平衡模块IC的功能框图3A-图3C是用于对电池组的四个单元进行充电/放电的系统的功能框图；图3D和图3E是分别用于对电池组的3个和5个单元进行充电/放电的系统的功能框图；图4A是包括通信模块和电容器的单元平衡模块IC的功能框图；图4B是不具有电容器但包括通信模块的单元平衡模块IC的功能模块；图5A-图5B是用于对电池组的多个单元进行充电和放电的系统的功能框图；图6A-图6B是用于对电池组进行连接/断开的系统的功能框图；图7是用于使用滞后对电池组的单元进行充电/放电的流程图；图8是用于对电池组的单元进行充电/放电的方法的流程图；以及图9是使用电感元件对电池组的两个相邻单元进行充电/放电的系统的功能框图。
具体实施例方式下面的描述在本质上仅仅是示例性的，并且并非意在限制公开、其应用或者使用。 出于清晰目的，在附图中将使用相同的参考标号来标识类似的元素。如在此使用的，短语 “A、B和C中的至少一个”应当理解为使用非排他性逻辑或(OR)的逻辑(A或B或C)。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法中的步骤可以按照不同的顺序执行。如在此使用的，术语“模块”可以表示以下项、作为以下项的部分、或者包括以下项专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或者多个软件或者固件程序的处理器(共享、专用或者群组)和/或存储器(共享、专用或者群组)、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他适合的组件。电池的单元具有存储预定电荷量的容量。容量可以称为单元的额定容量。单元中任意时刻剩余的电荷量可以按照单元的电荷状态来表示。当单元被充电到其最大容量(例如，额定容量)时，该单元处于完全充电状态。反之，当电池被放电到其最小容量时，该单元处于完全放电状态。单元的输出电压是该单元的电荷状态的函数。有时，单元可能无法根据其额定容量来存储电荷。而是，单元可能存储少于其额定容量的电荷。基于单元根据其额定容量存储电荷的能力，单元可被称为弱单元或者强单元。例如，强单元在完全充电时可以存储几乎等于其额定容量的电荷。相反，弱单元在完全充电时存储明显少于其额定容量的电荷。当单元串联连接在电池组中时，在充电和放电期间相同量的电流流过单元。在充电期间，弱单元的充电快于强单元，并且在强单元之前完全充电。弱单元的输出电压在强单元之前达到其最大额定值。当继续充电以便对强单元完全充电时，弱单元被过度充电。当过度充电时，弱单元的输出电压超过其最大额定值。在放电期间，弱单元的放电快于强单元，并且在强单元之前完全放电。弱单元的输出电压比强单元更快地从其最大额定值降低。当放电继续直到强单元完全放电时，强单元可能对弱单元进行反充电。频繁的过度充电和反充电对单元的可用充电-再充电周期具有不利影响。多数单元具有有限数目的可用充电-再充电周期。例如，铅酸单元可具有200-500个可用充电-再充电周期。镍镉(NiCd)单元可具有500-1200个可用充电-再充电周期。锂离子单元可具有300-500个可用充电-再充电周期。当单元变弱并在持续的时段中被过度充电时，可用充电-再充电周期的数目显著减少。而且，当弱单元被完全放电并被反充电时，单元可能被损坏。 为了防止弱单元的过度充电和过度放电，电池组可以以小于其额定容量来操作。 例如，电池组的充电周期可以在弱单元完全充电时终止。在弱单元完全充电时终止充电周期可以阻止电池组中的其他单元完全充电。因此，电池组可以提供小于其额定容量的功率。反之，电池组的放电周期可以在弱单元完全放电时终止。在弱单元完全放电时终止放电周期可以阻止电池组中的其他单元完全放电。因此，电池组可以提供小于其额定容量的功率。由于电池组的未使用的容量，以小于其额定容量操作电池组可能导致浪费。而且， 以小于其额定容量操作电池组可增加充电_再充电周期的数目。作为替代，可以单独地监测电池组的每个单元。可以控制每个单元的充电和放电， 以防止对弱单元的损坏。例如，可控耗散旁路器件可以与每个单元结合使用。控制充电和放电的控制器可以感测弱单元何时完全充电。控制器可以在弱单元完全充电时开启与该弱单元相关联的耗散旁路器件。耗散旁路器件防止对弱单元进一步充电，同时允许其他单元继续充电至其完全容量。由此，耗散旁路器件防止弱单元的过度充电。此外，控制器可以感测弱单元何时接近完全放电。当弱单元接近完全放电时，控制器可以禁止对弱单元的进一步放电。由此，控制器可以防止弱单元的过度放电。此方法保护了弱单元免于过度充电和过度放电。然而，强单元的有用容量对于应用是不可用的。此外，使用耗散旁路器件降低了充电期间的往返充电/放电效率。本公开涉及使用电池组的相邻单元之间的电容性电荷转移对相邻单元的输出电压进行平衡。特别地，可以通过将电容器交替跨接第一单元和第二单元，来使用电容性电荷转移对相邻单元的输出电压进行平衡。例如，第一单元的输出电压可以大于第二单元的输出电压。电容器可以在跨接第一单元时充电，并且在跨接第二单元时放电。电容器可以交替跨接第一单元和第二单元，直到第一单元和第二单元的输出电压相等。此外，当电荷转移为滞后时，相邻单元之间的电容性电荷转移(此后称为电荷转移)可以是有效的。特别地，电荷转移可以在输出电压的差变得大于上阈值时发起。随后， 电荷转移可以在差降低并且变得小于或等于下阈值时终止。更具体地，电荷转移的效率与相邻单元的输出电压的差成反比。差越小时效率越高。因此，为了提高效率，电荷转移可以在差变得大于上阈值时发起。然而，在相邻单元之间切换电容器将耗散功率。当差小于或者等于下阈值时，切换电容器所耗散的功率可能超过将差进一步降低到下阈值以下的好处。因此，将差降低到下阈值以下可能降低电荷转移的效率。由此，切换可以在差超过上阈值时被激活，并且在差达到下阈值时被解激活。换言之，切换和电荷转移可以是滞后的。现在参考图1A，示出了用于对可再充电电池组中的单元的输出电压进行平衡 (即，近似均衡化)的系统100。由于系统100利用电容性电荷转移来平衡输出电压，因此系统100可以称为电容式电压平衡系统。可以在对可再充电电池组进行充电和/或放电时，执行电荷转移和电压平衡。 系统100包括可再充电电池组102 (此后称为电池组102)以及单元平衡模块104。 仅作为示例，电池组102包括第一单元“单元-1”和第二单元“单元-2”。单元-1和单元-2 是相邻单元，并且串联连接。单元平衡模块104包括第一开关SW1、第二开关SW2、电容器C、 感测模块106以及切换模块108。单元平衡模块104控制电池组102的充电和放电。单元平衡模块104跨接电池组 102的两个外部端子102-1、102-2。在某些实现中，单元平衡模块104可以集成到电池组 102 中。感测模块106跨接电池组102的两个外部端子102_1、102_2。而且，感测模块106 连接至将单元-1和单元-2串联连接的节点m。感测模块106感测单元-1和单元-2的输出电压，并且感测输出电压之间的差(此后称为电压差)。在电池组102的充电和放电期间，感测模块106在电压差大于或等于上阈值时激活切换模块108。感测模块106在电压差小于或等于下阈值时解激活切换模块108。上阈值高于下阈值。在激活时，切换模块108以预定频率在单元-1和单元_2之间切换电容器C。具体地，切换模块108以高切换频率将电容器C交替跨接单元-1和单元-2。仅作为示例，切换频率可以处于IOOKHz到IMHz的范围。切换模块108可以包括信号生成器(未示出)，其生成具有预定切换频率的一个或多个信号。该一个或多个信号可以用于以预定的切换频率改变开关SWl和SW2的位置。 当位置设定于位置1时，电容器C跨接单元-1。当位置设定于位置2时，电容器C跨接单元-2。通过电容器C的平均电流是C*AV*F，其中C是以法拉为单位的电容器值，AV是单元-1与单元_2之间的电压差，F是切换频率。仅作为示例，如果C = IyF, AV = 0. IV 并且F = 1MHz，则电荷转移期间的平均电流将约为0. 1A。第一开关SWl和第二开关SW2可以使用任何半导体切换器件来实现。仅作为示例， 第一开关SWl和第二开关SW2可以使用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来实现。 第一开关SWl和第二开关SW2每一个都可具有开态阻抗(R。n)。选择电容器C，使得时间常量(R。n*C)小于或等于切换频率的半周期。现在参考图1B，示出了开关SWl和SW2的示例性实现。省略了感测模块106，从而可以清楚地示出开关SWl和SW2的实现。开关SWl和SW2的每一个可以包括负MOSFET (NMOS) 晶体管和正MOSFET (PMOS)晶体管。开关SWl和SW2的匪OS和PMOS的栅极由切换模块108 生成的信号来驱动。该信号可以具有预定的切换频率。开关SWl的NMOS和PMOS晶体管的相应第一端(源极)连接至电容器C的第一端。开关SW2的NMOS和PMOS晶体管的相应第一端(源极)连接至电容器C的第二端。开关SWl和SW2的PMOS晶体管的相应第二端(漏极)提供开关SWl和SW2的位置1。开关 Sffl和SW2的NMOS晶体管的相应第二端(漏极)提供开关SWl和SW2的位置2。开关SWl的NMOS晶体管的第二端(漏极)连接至开关SW2的PMOS晶体管的第二端(漏极)。开关SWl的NMOS晶体管的第二端和开关SW2的PMOS晶体管的第二端连接至节点W。开关SWl的PMOS晶体管的漏极和开关SW2的NMOS晶体管的漏极分别连接至电池组102的两个外 部端子102-1、102-2。当切换模块108所生成的信号为低时，开关SWl和SW2的NMOS晶体管关断。开关 Sffl和SW2的PMOS晶体管导通，并且将电容器C的第一端和第二端连接至开关SWl和SW2 的位置1。由此，当切换模块108所生成的信号为低时，电容器C跨接单元-1。当切换模块108所生成的信号为高时，开关SWl和SW2的PMOS晶体管关断。开关 Sffl和SW2的NMOS晶体管导通，并且将电容器C的第一端和第二端连接至开关SWl和SW2 的位置2。由此，当切换模块108所生成的信号为高时，电容器C跨接单元-2。图IB中所示的实现仅仅是示例。可以想到包括其他切换器件的很多其他实现。这些实现可以包括比所示更多或更少数目的晶体管(或切换器件)。取决于所使用的切换器件的数目，切换模块108可以生成一个或多个信号，以导通和关断切换器件。此外，在示出的实现中，漏极和源极的连接可以互换。而且，NMOS和PMOS晶体管可以互换。在使用中，例如，单元-1可以弱于单元-2。在电池组102充电期间，弱单元的充电快于强单元。在强单元尚未完全充电时，弱单元可能接近完全充电。弱单元的输出电压可能大于强单元的输出电压。在单元-1与单元_2之间可能存在电压差。感测模块106感测该电压差。当电压差大于或等于上阈值时，感测模块106激活切换模块108。切换模块108以切换频率在单元-1和单元_2之间交替切换电容器C。电容器C将电荷从弱单元向强单元转移。由此，弱单元的输出电压降低，而强单元继续充电。因此，电容器C防止在强单元向其完全容量充电时弱单元过度充电。当强单元充电至其接近完全容量时，单元-1与单元_2之间的电压差降低。感测模块106感测电压差何时降低为小于或等于下阈值。当电压差降低为小于或等于下阈值时， 感测模块106解激活切换模块108。切换模块108停止在单元-1与单元-2之间交替切换电容器C。在电池组102放电期间，弱单元的放电快于强单元。在强单元尚未完全放电时，弱单元可能接近完全放电。弱单元的输出电压可能小于强单元的输出电压。在单元-1与单元_2之间可能存在电压差。感测模块106感测该电压差。当电压差大于或等于上阈值时，感测模块106激活切换模块108。切换模块108以切换频率在单元-1和单元_2之间交替切换电容器C。电容器C将电荷从强单元向弱单元转移。电容器C防止了在强单元完全放电时弱单元过度放电。而且，由于电荷转移，弱单元的输出电压升高到大于强单元的输出电压的值。这防止了强单元对弱单元的反无电。感测模块106感测单元-1与单元-2之间的电压差何时降低为小于或等于下阈值。当电压差降低为小于或等于下阈值时，感测模块106解激活切换模块108。切换模块 108停止在单元-1与单元-2之间交替切换电容器C。现在参考图2A和图2B，单元平衡模块104可以按照两种方式实现。在一个实现中，单元平衡模块104可以由3端子集成电路(IC)实现。在图2A中，示出了包括电容器C 并且具有3个端子的单元平衡模块IC 104。 备选地，如果电容器C没有集成在同一 IC中，可以由5端子IC实现不具有电容器 C的单元平衡模块104。在图2B中，示出了不具有电容器C并且具有5个端子的单元平衡模块IC 105。如所示，电容器C外部连接至5个端子中的2个端子。
一般地，电池组102可以包括N个单元，其中N是大于1的整数。一个单元平衡模块104可以用于每两个相邻单元。由此，可以使用N-I个单元平衡模块104来平衡电池组 102的N个单元。现在参考图3A-图3C，例如，其示出了用于电池组102的4个单元的电容式电压平衡的各种系统。在图3A中，示出了系统200，其包括3个单元平衡模块，用于平衡电池组 102的4个单元。在图3B中，示出了系统200-1的功能框图，系统200-1包括4个单元和3 个单元平衡模块IC 104。在图3C中，示出了系统200-2的功能框图，系统200-2包括4个单元和3个单元平衡模块IC 105。在图3A中，系统200包括第一、第二和第三单元平衡模块202、204、206，以及电池组102的单元-1、单元_2、单元-3和单元-4。在第一、第二和第三单元平衡模块202、204、 206中，仅示出了电容器C以及开关SWl和SW2。假设存在第一、第二和第三单元平衡模块 202,204,206的其他组件，并且出于清晰目的而将其省略。第一、第二和第三单元平衡模块 202,204,206对单元_1、单元_2、单元-3和单元-4的输出电压进行平衡。具体地，第一单元平衡模块202平衡单元-1和单元-2的输出电压。第二单元平衡模块204平衡单元-3和单元-4的输出电压。第三单元平衡模块206平衡单元_2和单元-3的输出电压。第一单元平衡模块202跨接单元-1和单元-2，并且与串联连接单元_1和单元_2 的节点m通信。第二单元平衡模块204跨接单元-3和单元-4，并且与串联连接单元_3和单元_4的节点N2通信。第三单元平衡模块206跨接单元-2和单元-3，并且与串联连接单元_2和单元-3的节点N3通信。第三单元平衡模块206跨接节点附和N2。在图3B中，系统200-1包括第一、第二和第三单元平衡模块IC104-1、104_2、
104-3，以及电池组102的单元-1、单元_2、单元-3和单元-4。第一、第二和第三单元平衡模块IC 104-1、104-2、104-3对单元-1、单元_2、单元-3和单元-4的输出电压进行平衡。具体地，第一单元平衡模块IC 104-1平衡单元-1和单元-2的输出电压。第二单元平衡模块IC 104-2平衡单元-3和单元-4的输出电压。第三单元平衡模块IC 104-3平衡单元_2和单元-3的输出电压。第一单元平衡模块IC 104-1跨接单元-1和单元-2，并且与串联连接单元-1和单元-2的节点m通信。第二单元平衡模块IC 104-2跨接单元-3和单元-4，并且与串联连接单元_3和单元-4的节点N2通信。第三单元平衡模块IC 104-3跨接单元_2和单元-3， 并且与串联连接单元-2和单元-3的节点N3通信。第三单元平衡模块IC 104-3跨接节点 Nl 禾口 N2。在图3C中，系统200-2包括第一、第二和第三单元平衡模块IC105-1、105_2、
105-3，以及电池组102的单元-1、单元_2、单元-3和单元-4。第一、第二和第三单元平衡模块IC 105-1、105-2、105-3对单元_1、单元_2、单元-3和单元-4的输出电压进行平衡。具体地，第一单元平衡模块IC 105-1平衡单元-1和单元-2的输出电压。第二单元平衡模块IC 105-2平衡单元-3和单元-4的输出电压。第三单元平衡模块IC 105-3平衡单元_2和单元-3的输出电压。第一单元平衡模块IC 105-1跨接单元-1和单元_2，并且与串联连接单元_1和单元-2的节点m通信。第二单元平衡模块IC 105-2跨接单元-3和单元-4，并且与串联连接单元_3和单元-4的节点N2通信。第三单元平衡模块IC 105-3跨接单元_2和单元-3， 并且与串联连接单元-2和单元-3的节点N3通信。第三单元平衡模块IC 105-3跨接节点 Nl 禾口 N2。现在参考图3D和图3E，在某些实现中，电池组可以包括N个单元，其中N是大于1 的奇整数。当电池组中的单元数目为奇数时，由一个单元平衡模块进行平衡的成对单元之一与由相邻单元平衡模块进行平衡的成对单元之一可以相同。在图3D中，仅作为示例，假设电池组包括3个单元第一、第二和第三单元(单元_、单元_2和单元-3)。第一单元平衡模块150-1可以平衡第一单元和第二单元(单元-1和单元_2)的输出电压，而第二单元平衡模块150-2可以平衡第二单元和第三单元 (单元-2和单元-3)的输出电压。这里，第二单元(单元_2)在由第一和第二单元平衡模块150-1和150-2两者进行平衡的配对中是相同的。第一和第二单元平衡模块150-1和 150-2的每一个可以是单元平衡模块IC104或者单元平衡模块IC 105中的任何一个。在图3E中，作为另一示例，假设电池组包括5个单元第一、第二、第三、第四和第五单元(单元-1、单元_2、单元-3、单元-4和单元-5)。第一单元平衡模块155-1可以平衡第一单元和第二单元(单元-1和单元-2)的输出电压。第二单元平衡模块155-2可以平衡第三单元和第四单元(单元-3和单元-4)的输出电压。第三单元平衡模块155-3可以平衡第二单元和第三单元(单元-2和单元_3)的输出电压。第四单元平衡模块155-4 可以平衡第四单元和第五单元(单元-4和单元_5)的输出电压。这里，第二单元(单元-2)在由第一和第三单元平衡模块155-1和155_3两者进行平衡的配对中是相同的。第三单元(单元_3)在由第二和第三单元平衡模块155-2和 155-3两者进行平衡的配对中是相同的。第四单元(单元_4)在由第二和第四单元平衡模块155-2和155-4两者进行平衡的配对中是相同的。单元平衡模块155-1、155-2、155-3和 155-4的每一个可以是单元平衡模块IC 104或者单元平衡模块IC 105中的任何一个。在某些实现中，电池组102中的单元数目(N)可以较高。也即，N可以是一个大的数目。仅作为示例，N可以是10、100或更高的量级。当N较大时，如果基于两个相邻单元之间的电压差来执行电压平衡，则远距单元之间的电压差可能变得非常高。例如，电池组102 中的第一个单元与最后单元之间的电压差可能变得非常高。当电池组102包括非常大数目的单元时，可以使用通信链路来链接单元平衡模块。单元平衡模块可以经由通信链路来传送电池组102中单元的电压状态。电压状态可以包括输出电压和/或由单元平衡模块进行平衡的单元的输出电压的差。基于电压状态，单元平衡模块可以在任意两个单元之间的电压差大于某阈值时执行电容性电压平衡。为了支持通信链路，单元平衡模块的每一个可以包括通信模块。备选地，为了选择性地执行电容性电压平衡，单元平衡模块每一个可以包括控制模块。由此，单元平衡模块IC 104和105可以如下修改。现在参考图4A和图4B，示出了包括通信模块和控制模块的单元平衡模块。在图 4A中，单元平衡模块IC 300包括单元平衡模块IC104的所有组件。此外，单元平衡模块IC 300包括通信模块302和控制模块304。通信模块302与感测模块106通信。感测模块106感测相邻单元(例如，单元_1 和单元-2)的输出电压，并且确定相邻单元的电压状态。通信模块302从感测模块106接收相邻单元的电压状态。通信模块302经由管脚4和5与相邻的单元感测模块IC的通信模块通信。通信模块302向相邻的单元平衡模块IC传输由单元平衡模块IC300进行平衡的相邻单元的电压状态的相关信息。此外，通信模块302接收由相邻单元平衡模块IC进行平衡的单元的电压状态的相关信息。通信模块302从相邻单元平衡模块IC的通信模块接收电压状态的相关信息。基于电池组102中的单元的电压状态，控制模块304确定是否激活切换模块108。 具体地，当电池组102中任意两个单元之间的电压差大于某阈值时，控制模块304激活切换模块108。在图4B中，单元平衡模块IC 350包括单元平衡模块IC 105的所有组件。此外， 单元平衡模块IC 350包括通信模块302和控制模块304。通信模块302经由管脚6和7与相邻单元感测模块IC的通信模块通信。电容器C位于单元平衡模块IC 350外部。现在参考图5A和图5B，例如，示出了用于电池组102的4个单元的电容性电压平衡的系统。在图5A中，示出了包括多个单元平衡模块IC 300的系统400-1的功能框图。在图5B中，示出了包括多个单元平衡模块IC 350的系统400-2的功能框图。在图5A中，系统400-1包括第一、第二和第三单元平衡模块IC300-1、300_2、 300-3，以及电池组102的单元-1、单元_2、单元-3和单元-4。第一、第二和第三单元平衡模块IC 300-1、300-2、300-3对单元_1、单元_2、单元-3和单元-4的输出电压进行平衡。具体地，第一单元平衡模块IC 300-1平衡单元-1和单元-2的输出电压。第二单元平衡模块IC 300-2平衡单元-3和单元-4的输出电压。第三单元平衡模块IC 300-3平衡单元_2和单元-3的输出电压。第一单元平衡模块IC 300-1跨接单元-1和单元-2，并且与串联连接单元_1和单元-2的节点m通信。第二单元平衡模块IC 300-2跨接单元-3和单元-4，并且与串联连接单元_3和单元-4的节点N2通信。第三单元平衡模块IC 300-3跨接单元_2和单元-3， 并且与串联连接单元-2和单元-3的节点N3通信。第三单元平衡模块IC 300-3跨接节点 Nl 禾口 N2。如所示，第一、第二和第三单元平衡模块IC 300-1、300-2、300_3经由管脚4和5 链接。具体地，如所示，第一、第二和第三单元平衡模块IC 300-1、300-2、300-3以串或链的形式链接。第一、第二和第三单元平衡模块IC 300-1、300-2、300-3传送单元-1、单元-2、 单元_3和单元-4的电压状态的相关信息。例如，第一单元平衡模块IC 300-1向第三单元平衡模块IC 300-3传输单元_1和单元-2的电压状态。第二单元平衡模块IC 300-2向第三单元平衡模块IC 300-3传输单元_3和单元-4的电压状态。第三单元平衡模块IC 300-3向第一和第二单元平衡模块IC 300-1,300-2传输单元_2和单元-3的电压状态。由此，第一、第二和第三单元平衡模块IC 300-1、300-2、300_3的每一个接收单元-1、单元_2、单元-3和单元-4的电压状态。基于该电压状态，第一、第二和第三单元平衡模块IC 300-1,300-2,300-3的控制模块激活相应的切换模块。具体地，当单元_1、单元_2、 单元-3和单元-4中任意两个之间的电压差大于某阈值时，控制模块激活切换模块。该阈值是可编程的。
在图5B中，系统400-2包括第一、第二和第三单元平衡模块IC350_1、350_2、 350-3、以及电池组102的单元-1、单元_2、单元-3和单元-4。第一、第二和第三单元平衡模块IC 350-1,350-2,350-3对单元_1、单元_2、单元-3和单元-4的输出电压进行平衡。 电容器C位于第一、第二和第三单元平衡模块IC 350-1、350-2、350-3外部。具体地，第一单元平衡模块IC 350-1平衡单元-1和单元-2的输出电压。第二单元平衡模块IC 350-2平衡单元-3和单元-4的输出电压。第三单元平衡模块IC 350-3平衡单元_2和单元-3的输出电压。 第一单元平衡模块IC 350-1跨接单元-1和单元_2，并且与串联连接单元_1和单元-2的节点附通信。第二单元平衡模块IC 350-2跨接单元-3和单元-4，并且与串联连接单元_3和单元-4的节点N2通信。第三单元平衡模块IC 350-3跨接单元_2和单元-3， 并且与串联连接单元-2和单元-3的节点N3通信。第三单元平衡模块IC 350-3跨接节点 Nl 禾口 N2。如所示，第一、第二和第三单元平衡模块IC 350-1、350-2、350-3经由管脚6和7 链接。具体地，如所示，第一、第二和第三单元平衡模块IC 350-1、350-2、350-3以串或链的形式链接。第一、第二和第三单元平衡模块IC 350-1、350-2、350-3传送单元-1、单元-2、 单元_3和单元-4的电压状态的相关信息。例如，第一单元平衡模块IC 350-1向第三单元平衡模块IC 350-3传输单元_1和单元-2的电压状态。第二单元平衡模块IC 350-2向第三单元平衡模块IC 350-3传输单元_3和单元-4的电压状态。第三单元平衡模块IC 350-3向第一和第二单元平衡模块IC 350-1、350-2传输单元_2和单元-3的电压状态。由此，第一、第二和第三单元平衡模块IC 350-1、350-2、350_3的每一个接收单元-1、单元_2、单元-3和单元-4的电压状态。基于该电压状态，第一、第二和第三单元平衡模块IC 350-1、350-2、350-3的控制模块激活相应的切换模块。具体地，当单元_1、单元_2、 单元-3和单元-4中任意两个之间的电压差大于某阈值时，控制模块激活切换模块。该阈值是可编程的。当单元平衡模块如上所述链接时，单元平衡模块可以处理这样的单元组，该单元组的电压大于每个单元平衡模块能够承受的电压。这是因为，每个单元平衡模块与一个或多个相邻的单元平衡模块通信。每个单元平衡模块以及相邻的单元平衡模块以相同的电压操作。电压相同归因于电池组中的重叠单元操作。此外，链接的单元平衡模块在没有进一步隔离的情况下操作(例如，没有电容性耦合)。现在参考图6A和图6B，电池组控制模块500可以经由将单元平衡模块IC进行链接的通信链路与单元平衡模块IC通信。在图6A中，例如，电池组控制模块500与第二单元平衡模块IC 300-2的管脚5通信。在图6B中，例如，电池组控制模块500与第二单元平衡模块IC 350-2的管脚7通信。换言之，电池组控制模块500可以连接至将单元平衡模块IC 进行链接的通信链路的一端。在图6A和图6B中，电池组控制模块500控制开关502。开关502对电池组102与充电系统和/或负载(未示出)进行连接/断开。电池组控制模块500从单元平衡模块IC 接收电池组102的单元的电压状态的相关信息。电池组控制模块500基于电压状态来闭合 /断开开关502，以便连接/断开电池组102。
现在参考图7，其示出了用于使用单元之间的滞后电容性电荷转移的电压平衡的方法600。方法600可以在可再充电电池组的充电和/或放电期间执行。控制开始于602。 在604，控制确定相邻单元之间的电压差是否大于或等于第一阈值。控制重复604，直到相邻单元之间的电压差大于或等于第一阈值。在606，当相邻单元之间的电压差大于或等于第一阈值时，控制执行相邻单元之间的电容性电荷转移。在608，控制确定相邻单元之间的电压差是否小于或等于第二阈值，其中第二阈值小于第一阈值。当相邻单元之间的电压差未小于或等于第二阈值时，控制返回 606。在610，当相邻单元之间的电压差小于或等于第二阈值时，控制停止电容性电荷转移。 控制返回604。现在参考图8，示出了在单元数目较高时用于电容性电荷转移的方法700。控制在 702处开始。在704，控制确定电池组中的单元数目N是否大于预定数目。在706，当电池组中的单元数目N小于预定数目时，控制执行滞后电容性电荷转移(图7的方法600)。在708，当电池组中的单元数目N大于或等于预定数目时，控制经由单元平衡模块 IC之间的通信链路接收N个单元的电压状态。在710，控制基于电压状态来确定N个单元中任何单元之间的电压差是否大于或等于预定阈值。当N个单元中任何单元之间的电压差小于预定阈值时，控制返回708。在712，当N 个单元中任何单元之间的电压差大于或等于预定阈值时，控制执行N个单元之间的电容性电荷转移。控制返回708。图9示出了用于平衡可再充电电池组中的单元的输出电压的另一系统900。系统 900包括单元平衡模块904以及可再充电电池组902。单元平衡模块904包括两个开关SWl 和SW2、切换模块908、感测模块910以及电感元件906。电感元件906可以包括电感器或者能够用来实现电感的任何其他器件。电感元件 906耦合在节点附(单元-1 902-1和单元-2 902-2之间)与节点Vx (开关SWl和SW2之间)之间。与上文描述的系统100中的电容的使用相比，电感元件906的使用提供了较高的电流处置能力。切换模块908响应于来自感测模块910的控制信号而控制开关SWl和SW2的切换。感测模块910感测跨电感元件906的电流，或者备选地，感测节点Vx处的电压。系统900如下执行单元-1 902-1和单元-2 902_2之间的单元平衡。在一个情况中，能量从单元-1 902-1向单元-2 902-2转移。切换模块908导通开关SWl，并且关断开关SW2。这创建了通过电感元件906的电流。继而，开关SWl关断并且开关SW2导通，直到通过电感元件906的电流大于或等于零。一旦通过电感元件906的电流大于或等于零，开关SW2继而关断。由感测模块910感测或者监测通过电感元件906的电流。备选地，度过等待时段，直到节点Vx处的电压与节点m处的电压近似相等。继而，感测模块910可以感测节点Vx处的电压以相应地实现切换。可以根据需要重复开关SWl和SW2的上述切换。在另一情况中，能量从单元-2 902-2向单元-1 902_1转移。为了实现这种能量转移，上文结合从单元-1 902-1向单元-2 902-2的能量转移而描述的切换序列被反向。当单元-1 902-1和单元-2 902-2平衡时，开关Sffl和SW2关断。基于在此提供的公开和教导，应当理解，可以按照类似于结合具有电容元件的单元平衡模块104 (例如，图2A、图3A、图3B、图3D、图3E、图4A、图5A和图6A)而描述的类似布置，使用具有电感元件906的单元平衡模块904。 本公开的广泛教导可以通过各种形式来实现。因此，尽管本公开包括特定的示例， 但是本公开的真正范围不应受限于此，因为在研究附图、说明书和所附权利要求之后，其他修改将变得显而易见。
权利要求
1.一种系统，包括感测模块，配置用于感测可再充电电池组中串联连接的第一单元和第二单元的输出电压；切换模块，配置用于当所述输出电压的差大于或等于第一阈值时，以切换频率将电容交替跨接所述第一单元和所述第二单元，以及当所述差小于或等于第二阈值时停止交替连接所述电容，其中所述第一阈值大于所述第二阈值。
2.如权利要求1所述的系统，还包括 所述第一单元和所述第二单元；以及所述电容，用以在所述电容以所述切换频率交替跨接所述第一单元和所述第二单元时，在所述第一单元和所述第二单元之间转移电荷。
3.一种集成电路IC，包括如权利要求1所述的系统。
4.一种集成电路IC，包括如权利要求1所述的系统，并且还包括所述电容。
5.如权利要求1所述的系统，其中通过交替连接所述电容，在所述第一单元与所述第二单元之间实现电荷转移，以防止过度充电或过度放电。
6.一种系统，包括串联连接在可再充电电池组中的N个单元，其中N是大于1的整数；以及 N-I个单元平衡模块，配置用于平衡所述N个单元的输出电压，其中所述N-I个单元平衡模块的每一个对所述N个单元中的相邻单元的输出电压进行平衡，并且其中所述N-I个单元平衡模块的每一个包括感测模块，配置用于感测所述N个单元中的所述相邻单元的所述输出电压；以及切换模块，配置用于当所述N个单元中的所述相邻单元的所述输出电压的差大于或等于第一阈值时，以切换频率将电容交替跨接所述N个单元中的所述相邻单元的第一单元与所述N个单元中的所述相邻单元的第二单元，以及当所述差小于或等于第二阈值时停止交替连接所述电容，其中所述第一阈值大于所述第二阈值。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述N-I个单元平衡模块的每一个还包括所述电容， 用于在所述电容以所述切换频率交替跨接所述N个单元中的所述相邻单元时，在所述N个单元的所述相邻单元之间传送电荷。
8.如权利要求6所述的系统，其中所述N-I个单元平衡模块的每一个由集成电路IC实现。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述N-I个单元平衡模块的每一个由集成电路IC实现。
10.如权利要求6所述的系统，其中通过交替连接所述电容，在所述N个单元的所述相邻单元的所述第一单元与所述第二单元之间实现了电荷转移，以防止过度充电或过度放 H1^ ο
11.一种系统，包括串联连接在可再充电电池组中的N个单元，其中N是大于1的整数；以及N-I个单元平衡模块，配置用于平衡所述N个单元的输出电压，其中所述N-I个单元平衡模块的每一个对所述N个单元的相邻单元的输出电压进行平衡，并且其中所述N-I个单元平衡模块的每一个包括通信模块，配置用于经由通信链路向所述N-I个单元平衡模块的其他单元平衡模块传送所述N个单元中的所述相邻单元的所述输出电压；以及切换模块，配置用于当所述N个单元中的两个单元的输出电压的差大于或等于预定阈值时，以切换频率将电容交替跨接所述N个单元中的所述相邻单元的第一单元和所述N个单元中的所述相邻单元的第二单元。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述N-I个单元平衡模块的每一个还包括感测模块，配置用于感测所述N个单元中的所述相邻单元的所述输出电压。
13.如权利要求11所述的系统，其中所述N-I个单元平衡模块的每一个还包括所述电容，用于在所述电容以所述交替频率交替跨接所述N个单元中的所述相邻单元时，在所述N 个单元的所述相邻单元之间转移电荷。
14.如权利要求11所述的系统，还包括组控制模块，配置用于经由通信链路与所述N-I 个单元平衡模块之一通信，其中所述组控制模块经由所述通信链路接收所述N个单元的所述输出电压，以及其中所述组控制模块基于所述N个单元的所述输出电压来控制所述可再充电电池组与充电系统的耦合。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述组控制模块基于所述N个单元的所述输出电压来控制所述可再充电电池组与负载的耦合。
16.如权利要求11所述的系统，其中通过交替连接所述电容，在所述N个单元的所述相邻单元的所述第一单元与所述第二单元之间实现电荷转移，以防止过度充电或过度放电。
全文摘要
本发明的实施方式涉及可再充电电池组的功率管理电路。具体地，公开了一种系统，包括感测模块和切换模块。感测模块配置用于感测可再充电电池组中串联连接的第一单元和第二单元的输出电压。切换模块配置用于在输出电压的差大于或等于第一阈值时，以切换频率将电容交替跨接第一单元和第二单元。切换模块进一步配置用于在该差小于或等于第二阈值时停止交替地连接该电容，其中第一阈值大于第二阈值。
文档编号H02J7/00GK102263302SQ201110006450
公开日2011年11月30日 申请日期2011年1月5日 优先权日2010年1月6日
发明者S·苏塔德雅 申请人:马维尔国际贸易有限公司