专利名称：电池单体平衡系统的制作方法
技术领域：
本申请涉及用于平衡电池单体的系统和方法。具体地，本申请涉及用于当电池单体的电压超过预定阈值时自动地启动放电电路的系统和方法。放电电路从电池单体引出恒定的放电电流，直到电池单体的电压低于预定阈值为止，从而获得大约为预定阈值的电池单体。
背景技术：
用于电动车辆的电池组可包括串联连接的多个电池单体，每一个电池单体均需要均等地充电。充电器可将电池组充电到每个电池单体预定的电压。然而，各个电池单体可能没有被充电至相同水平，并且单体的充电水平状态之间的差异会引起安全、可靠性和性能问题。电池组容量被限制到最低电池单体的容量。此外，当一些电池单体比其他电池单体具有较高的充电状态水平时，过充电单体可导致不安全的条件，诸如燃烧和爆炸。此外， 当一些电池单体具有较低的充电状态水平时，随着电池的放电，这些单体会放电到导致单体容量永久损失的程度。
发明内容
本申请的解决方案提供了用于平衡电池单体的系统和方法。该平衡系统可附接至单个电池单体。当电池单体和平衡系统附接时，电池单体可以向绿色LED供电以表明已经进行了适当的连接。如果电池单体的电压超过阈值，则该电池单体可以对红色LED供电，从而向用户表明已经启动了放电电路。放电电路自动地从电池单体引出电流并且当电池单体的电压低于阈值时停止。因此，该解决方案可以获得具有期望的充电水平状态的电池单体。在一个方面中，本申请涉及一种电池单体平衡系统。该平衡系统包括放电电路和用于将放电电路连接至电池单体的装置。放电电路被配置为当电池单体的电压超过预定阈值时该放电电路被自动启动，以从电池单体引出恒定的放电电流，直到电池单体的电压低于预定阈值为止。放电电路可包括分压电路、比较电路以及一个或多个电流源电路。分压电路可被配置为当电池单体的电压超过预定阈值时该分压电路连接至被启动以运行的比较电路。分压电路可以被编程以生成经由比较电路启动一个或多个电流源电路的预定电压。一个或多个电流源电路中的每一个均可以被配置为使得流过基本稳定的电流，而与电池单体的电压无关。分压电路可包括被编程以生成预定电压的一个或多个电阻器。对于每个电流源电路，用于连接平衡电路的装置的第一终端可连接至第一晶体管的发射极以及第一电阻器的第一终端。第一晶体管的基极可以连接至第一电阻器的第二终端以及第二晶体管的发射极。第一晶体管的集电极可以连接至第二晶体管的基极。第二晶体管的集电极可以连接至用于连接平衡电路的装置的第二终端。比较电路可包括分路调节器。由分压电路生成的预定电压可以约为1.2V。当电池单体的电压在预定阈值之下时，比较电路可能不运行。一个或多个电流源电路中的每一个均可以包括一个或多个晶体管以及一个或多个电阻器，并被配置为使得一个或多个晶体管互相作用以形成平衡，使得稳定的电流流过一个或多个电阻器，从而消耗电能。预定阈值可以约为3. 7V。该系统可包括用于表明系统正在从电池单体接收电能的第一输出设备以及用于表明启动放电电路的第二输出设备。第一输出设备可以为绿色LED，第二输出设备可以为红色LED。电池单体可以为单个电池。电池单体可包括一个或多个电池。电池可以为锂离子电池。放电电流可以约为电池单体的安培小时率的0. 5%。可以从0. 22A、0. 33A、0. 5A、 0. 89A或1. IlA中选择放电电流。在另一方面中，本申请涉及一种用于为包括多个电池单体的电池组提供平衡充电循环的系统。该系统可包括多个放电单体，每一个放电单体均连接至多个电池单体中的每一个。多个放电单体中的每一个均可以被配置为当所对应的电池单体的电压超过预定阈值时放电单体被自动启动，以从对应的电池单体引出恒定的放电电流，直到对应的电池单体的电压落到预定阈值之下为止。多个放电单体中的每一个均可以是独立的(autonomous，自激的)。多个放电单体中每一个的放电电路可包括分压电路、比较电路以及一个或多个电流源电路。分压电路可以被配置为当电池单体的电压超过预定阈值时分压电路被启动以运行。分压电路可以被编程以生成预定电压，该电压被输入至启动一个或多个电流源电路的比较电路。一个或多个电流源电路中的每一个均可以被配置为使得基本稳定的电流流过， 而与电池单体的电压无关。预定阈值可以约为3. 7V。多个放电单体中的每一个均可包括用于表明系统正在从对应的电池单体接收电能的第一输出设备以及用于表明启动放电电路的第二输出设备。第一输出设备可以为绿色LED，第二输出设备可以为红色LED。本领域的技术人员可以理解， 电池组可包括I-M个电池单体、16-150个电池单体或者任何数量的电池单体。多个电池单体中的每一个均包括一个或多个电池。电池可以为锂离子电池。在又一方面中，本申请涉及一种用于使用上述任意系统来平衡电池单体的方法。在另一方面中，本申请涉及一种用于平衡多个电池单体的方法。该方法可包括通过启动用于电池单体的放电循环来从被充电至高于预定阈值的电压的电池单体引出基本恒定的放电电流。该方法可包括一旦电压低于预定阈值就终止放电循环。该方法可将多个电池单体充电到基本相同的水平。该方法可包括表明放电循环的第二输出设备。
通过以下结合附图的描述，本申请的前述和其他目的、方面、特征和优点将变得更加显而易见和更好理解，附图中图1是电池单体平衡系统的实施方式的框图；图2至图3是电池单体平衡系统的实施方式的电路图；以及图4是用于平衡电池组的多个电池单体平衡系统的实施方式的框图。
具体实施方式
本公开的目的涉及一种电池单体平衡系统。在电池单体已经被充电之后，该电池单体平衡系统连接至该单体并将该单体放电到期望的、可编程的电压。平衡器可以永久连接。电池单体可以为独立单体(诸如单个电池)，或者包括一个或多个电池。电池单体可以成组以形成电池组(诸如用于电动车辆的电池组)，并且电池单体平衡系统可以连接至电池单体，以平衡每一个单体。在这些实施方式的任意一个中，电池单体可以为锂离子电池。现在参照图1，示出并描述了电池单体平衡系统100的实施方式的框图。电池单体平衡系统100可包括一对终端10 和102b (统称为10 。电池单体平衡系统100可包括输出设备105和放电单体107。放电单体107可包括分压电路109、比较电路110 (具有其自身的输出设备112和分路调节器114(例如，由Dallas，TX的德州仪器有限公司制造的可编程齐纳二极管，TLV431))以及电流源115，它们均并联至终端102。分压电路109可经由比较电路110连接至电流源115。在操作中，电池单体平衡系统100的终端102可以连接至电池单体。当电池单体以不正确的极性连接至终端102时，没有电流流过。当正确连接电池单体时，电流通过输出设备105从一个终端10 流到另一个终端102b，为输出设备105(例如，发光二极管或LED) 供电以发出光。以这种方式，输出设备105可以向电池单体平衡系统100的用户表明该电池单体已经正确地连接至系统100并且系统100正在接收电能。分压电路109可以基于电池单体的电压生成分压，并将分压提供给比较电路110。 当电池单体的电压超过预定阈值时，比较电路110可以自动地启动以引导来自电池单体的电流。电流可以为比较电路110的输出设备112供电以发出光。因此，输出设备112可以表明已经启动放电单体107。此外，根据电流，比较电路110可以生成启动电流源电路115的可编程电压。电流源115可以从电池单体引出恒定的放电电流。随着电流源115引出电流，电池单体的电压下降。当电压降到预定阈值以下时，比较电路110停止操作，并且电流源115停止从电池单体引出电流，使得电池单体具有期望的电压。现在参照图2，示出并描述了电池单体平衡系统200的实施方式的电路图。电池单体平衡系统200包括一对可以连接至电池单体的终端10 和102b (统称为10 。系统 200包括与电阻器205及另一二极管210串联的输出设备105'(在该实施方式中为绿色 LED)。当电池单体的电压超过LED 105'和二极管210的导通电压时，LED 105'和二极管 210进行操作。电流流过LED 105'，进而LED 105'发出光以向用户表明电池单体已经正确连接至系统200。分压电路109'在第一电阻器215和第二电阻器220之间的节点处生成预定电压 (在本文也被称为“节点电压”)，以启动分路调节器114，进而随后启动电流源115'。根据以下等式，第一电阻器215和第二电阻器220的电阻决定节点电压的值V 节点=V 电池单体 *R2/ (R1+R2)电阻器215和电阻器220可以是具有可调节电阻的可变电阻器。电阻器可以被编程以根据电池单体的电压生成任意电压。在一些实施方式中，电阻器215和电阻器220可具有固定电阻。在该实施方式中，第一电阻器215具有20000欧姆的电阻，第二电阻器220 具有10000欧姆的电阻。因此，节点电压为连接至终端102的电池单体的电压的1/3。当电池单体的电压在预定阈值(例如，大约3. 7V)之下时，分压电路109'生成低
7于分路调节器114的导通电压(例如，大约1.2V)的节点电压。在这些情况下，分路调节器 114不进行操作。然而，当电池单体的电压等于或超过预定阈值时，施加至分路调节器114 的节点电压启动分路调节器114。一旦启动，电流就从电池单体流过第三电阻器225、红色 LEDl 12'和分路调节器114。电流对红色LED 112'供电，其发出光进而向用户表明已经启动了放电电路107'。此外，流过比较电路110的电流(例如，从第一晶体管250的基极流过第四限流电阻器M0)可以启动电流源115。电流可以流过第四电阻器MO (例如，从第一晶体管250的基极流出)以在第一晶体管250的基极上形成电压，以开始导通第一晶体管250。一旦第一晶体管250导通，电流就可以通过第五电阻器沈5、第六电阻器270和第一晶体管250从电池单体的第一终端10 流到电池单体的第二终端102b。随着电流流过第五电阻器265和第六电阻器270 (例如，从第二晶体管255的基极流出)，电压可以形成在第二晶体管255的基极上。第二晶体管255上的电压上升，进而第二晶体管255开始导通。当第二晶体管255导通时，第二晶体管255从第一晶体管250的基极引出电流，以消耗基极的电流。以这种方式，第一晶体管250和第二晶体管255相互作用以形成平衡，使得基本稳定的电流通过第五电阻器265和第六电阻器270从一个终端 10 流到另一个终端102b，从而消耗电能。电流可以持续流动，而与电池单体的电压无关。 在一些实施方式中，放电电流约为电池单体的安培小时率的0.5%。在许多实施方式中，从 0. 22Α、0. 33Α、0. 5Α、0· 89Α 或 1. IlA 中选择放电电流。随着电流源115'从电池单体取出电流，电池单体的电压下降。分压电路109'的节点电压也随之下降。当节点电压下降到分路调节器114的预定阈值之下时，分路调节器 114停止操作。电流停止流过红色LED 112'，进而红色LED 112'关闭，从而向用户表明放电单体107'不再被启动。从而，电流停止流到第一晶体管250的基极。由此，第一晶体管 250停止导通并由此切断电流源115'。以这种方式，一旦电池单体达到预定阈值电压，放电电路117'就自动停止。现在参照图3，示出并描述了电池单体平衡系统300的另一实施方式的电路图。电池单体平衡系统300与图2的电池单体平衡系统200的终端102、输出设备105'、分压电路 109、比较电路110和电流源115相同。此外，电池单体平衡系统300包括第二电流源117。 第二电流源117与第一电流源115的部件相同，并根据相同原理进行操作。由于每个电流源115都引出相同量的电流，所以向放电电路107"增加电流源创建了以更快的速率消耗电池单体的平衡系统300。以这种方式，电池单体平衡系统300能够以更短的时间量平衡电池单体。尽管系统300包括两个电流源，但可以根据本领域技术人员所期望的来增加附加电流源。现在参照图4，示出并描述了用于平衡电池组的多个电池单体平衡系统的实施方式的框图。电池组平衡系统400包括多个电池单体平衡系统100，每一个系统均是彼此独立的。每个电池单体平衡系统100均可连接至电池组405中的电池单体402。每个平衡系统 100均可以根据参照图1至图3描述的步骤平衡其对应的电池单体402。平衡系统100可以将电池单体402平衡到基本相同的水平。因此，电池组平衡系统400可以获得其电池单体402显示出基本上相同的充电水平状态的电池组。根据本文描述的系统和方法的结构和功能，本公开提供了用于平衡电池单体的有效系统和方法。描述了用于平衡电池单体的系统和方法的特定实施方式，本领域的技术人员应该理解，可以使用结合有本公开概念的其他实施方式。因此本发明不应限于特定实施方式，而是应该通过以下权利要求的精神和范围来限定。
权利要求
1.一种电池单体平衡系统，包括放电电路；以及用于将所述放电电路连接至电池单体的装置；其中，所述放电电路被配置为当所述电池单体的电压超过预定阈值时所述放电电路被自动启动，以从所述电池单体引出恒定的放电电流，直到所述电池单体的电压降至所述预定阈值之下。
2.根据权利要求1所述的电池单体平衡系统，其中，所述放电电路包括分压电路、比较电路以及一个或多个电流源电路，其中，所述分压电路被配置为连接至所述比较电路，其中，当所述电池单体的电压超过所述预定阈值时所述比较电路被启动以操作，以及其中，所述分压电路被编程以生成经由所述比较电路启动所述一个或多个电流源电路的预定电压，以及进一步地，其中，所述一个或多个电流源电路中的每一个均被配置为使得基本稳定的电流流过，而与所述电池单体的电压无关。
3.根据权利要求1或2所述的电池单体平衡系统，其中，所述分压电路包括被编程以生成所述预定电压的一个或多个电阻器。
4.根据权利要求2所述的电池单体平衡系统，其中，所述一个或多个电流源电路中的每个电流源电路均包括用于连接平衡电路的装置的第一终端连接至第一晶体管的发射极以及第一电阻器的第一终端；所述第一晶体管的基极连接至所述第一电阻器的第二终端以及第二晶体管的发射极；所述第一晶体管的集电极连接至所述第二晶体管的基极；以及所述第二晶体管的集电极连接至用于连接所述平衡电路的所述装置的第二终端。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体平衡系统，其中，所述比较电路包括分路调节器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体平衡系统，其中，由所述分压电路生成的预定电压约为1.2V。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体平衡系统，其中，当所述电池单体的电压低于所述预定阈值时，所述比较电路不进行操作。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体平衡系统，其中，所述一个或多个电流源中的每一个均包括一个或多个晶体管以及一个或多个电阻器，并且所述一个或多个电流源中的每一个均被配置为使得所述一个或多个晶体管互相作用以形成平衡，使得稳定的电流流过所述一个或多个电阻器，从而消耗电能。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体平衡系统，其中，所述预定阈值约为 3. 7V。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体平衡系统，还包括第一输出设备，用于表明所述系统正在从所述电池单体接收电能；以及第二输出设备，用于表明所述放电电路被启动。
11.根据权利要求10所述的电池单体平衡系统，其中，所述第一输出设备为绿色LED，所述第二输出设备为红色LED。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体平衡系统，其中，所述电池单体为单个电池体。
13.根据权利要求12所述的电池单体平衡系统，其中，所述电池单体包括一个或多个电池。
14.根据权利要求12或13所述的电池单体平衡系统，其中，所述电池为锂离子电池。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体平衡系统，其中，放电电流约为所述电池单体的安培小时率的0. 5%。
16.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体平衡系统，其中，从0.22A、0.33A、 0. 5Α、0· 89Α或1. IlA中选择放电电流。
17.一种用于为包括多个电池单体的电池组提供平衡充电循环的系统，包括 多个放电单体，每一个所述放电单体均连接至所述多个电池单体中的每一个；其中，所述多个放电单体中的每一个均被配置为当对应的所述电池单体的电压超过预定阈值时所述放电单体被自动启动，以从对应的所述电池单体中引出恒定的放电电流，直到对应的所述电池单体的电压落到所述预定阈值之下。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述多个放电单体中的每一个均是独立的。
19.根据权利要求17或18所述的系统，其中，所述多个放电单体中的每一个的放电电路包括分压电路、比较电路以及一个或多个电流源电路，其中，所述比较电路被配置为当所述电池单体的电压超过所述预定阈值时所述比较电路被启动以操作，以及其中，所述分压电路被编程以生成被输入至启动所述一个或多个电流源电路的所述比较电路的预定电压，并且进一步地，其中，所述一个或多个电流源电路中的每一个均被配置为使得基本稳定的电流流过，而与所述电池单体的电压无关。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的系统，其中，所述预定阈值约为3.7V。
21.根据权利要求17至19中任一项所述的系统，其中，所述多个放电单体中的每一个还包括用于表明所述系统正在从对应的所述电池单体接收电能的第一输出设备以及用于表明所述放电电路被启动的第二输出设备。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述第一输出设备为绿色LED，所述第二输出设备为红色LED。
23.根据权利要求17至22中任一项所述的系统，其中，所述多个电池单体中的每一个均为单个电池。
24.根据权利要求17至22中任一项所述的系统，其中，所述多个电池单体中的每一个均包括一个或多个电池。
25.根据权利要求23或M所述的系统，其中，所述电池为锂离子电池。
26.一种使用权利要求1至16中任一项所述的电池单体平衡系统用于平衡电池单体的方法。
27.一种使用权利要求17至25中任一项所述的系统用于平衡电池组的方法。
28.一种用于平衡多个电池单体的方法，包括以下步骤(a)通过启动用于电池单体的放电循环，自动地从被充电到高于预定阈值的电压的所述电池单体引出基本恒定的放电电流；以及(b)一旦所述电压低于所述预定阈值，则终止所述放电循环。
29.根据权利要求观所述的方法，其中，所述方法将所述多个电池单体充电到基本相同的水平。
30.根据权利要求观至四中任一项所述的方法，还包括启动表示所述放电循环的第二输出设备。
全文摘要
一种电池单体平衡系统，包括放电电路和用于将放电电路连接至电池单体的装置。放电电路被配置为当电池单体的电压超过预定阈值时该放电电路被自动启动，以从电池单体引出恒定的放电电流，直到电池单体的电压降到预定阈值之下。
文档编号H02J7/00GK102468670SQ20111002756
公开日2012年5月23日 申请日期2011年1月25日 优先权日2010年11月4日
发明者威廉·施朗格尔, 道远 申请人:屹立电动技术有限公司