专利名称：蓄电池单元电荷均衡的制作方法
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蓄电池可以由多个串联的电池单元构成，从而实现更高的工作电压。生产公差、不均匀的温度分布、特定电池单元的老化特性的差异、或电池单元之间的其他差异可以引起蓄电池性能降低或过早失效。例如，在充电循环期间，如果蓄电池具有降级的电池单元(也就是，电容减少的电池单元)，那么在降级电池单元已经达到其全负荷之后，它可以遭受过量充电，直到蓄电池的剩余电池单元达到其全负荷。对电池单元过量充电可以导致电池单元中的温度和压力增大，并且可以对电池单元、蓄电池或甚至其他附近的装置造成损害。在放电期间，蓄电池中最弱的电池单元可以具有最大放电深度(例如，电荷的最低状态)，因此可以在其他电池单元之前完全放电。一般地，一旦蓄电池的单个电池单元失效，必须更 换整个蓄电池，这是昂贵且耗时的。
发明内容
提供蓄电池单元电荷均衡装置、系统和方法。蓄电池单元电荷均衡可以用于提高性能(例如，在放电期间传递尽可能多的能量)和通过减少蓄电池的每个电池单元中存储的能量差延长多单元蓄电池的循环寿命。蓄电池单元电荷均衡电路可以感测蓄电池充电期间蓄电池单元的电荷水平。如果作为电池单元的充电状态(SOC)的度量的电池单元电压超过预设阈值，则该电路将从电池单元转移(例如分流)过量的充电电流。例如，充电电流可以被转移至有损耗的电路元件，从而限制电池单元的再充电。蓄电池单元充电均衡电路可以提供电压或SOC阈值的精确迟滞，从而减少不规则的噪声跳闸。通过耦合蓄电池单元充电均衡电路到检测器电路，蓄电池单元充电均衡电路还可以用于监控电池单元的SOC。可以选择阈值和阈值迟滞，从而提供充电电流转移或感测在期望的SOC水平的输出。在特定的实施例中，蓄电池系统包括具有多个串联耦合的蓄电池单元的蓄电池。蓄电池系统包括监控第一蓄电池单元的电压的第一电路。当充电电流施加于蓄电池，第一电路响应第一蓄电池单元的电压满足第一电压阈值而发送至少一部分充电电流绕过第一蓄电池单元。第一电路响应第一蓄电池单元的电压满足第一电压阈值而建立第二阈值电压。蓄电池系统还包括监控第一蓄电池单元的电压的第二电路。当充电电流施加于蓄电池时，第二电路响应第一蓄电池单兀的电压满足第三电压阈值而产生监控器输出。第三电压阈值高于第一电压阈值。特定的方法包括在耦合到多单元蓄电池的蓄电池单元的蓄电池充电均衡电路接收充电电流。该方法还包括当蓄电池单元的电压满足第一电压阈值时从蓄电池单元发送至少一部分充电电流。该方法进一步包括响应蓄电池单兀的电压满足第一电压阈值而建立第二电压阈值。第二电压阈值低于第一电压阈值。当蓄电池单元的电压满足第二电压阈值时，从蓄电池单元发送充电电流。在特定的实施例中，蓄电池单元电荷均衡装置包括耦合蓄电池单元的基准电压装置。当蓄电池单元的电压满足第一电压阈值时，基准电压装置能够使得电流流过第一电路通道。蓄电池单元电荷均衡装置还包括耦合第一电路通道的第一切换装置，流过第一电路通道的电流激活第一切换装置，从而能够使电流流过第二电路通道。流过第二电路通道的电流引起建立第二电压阈值。第二电压阈值不同于第一电压阈值(例如，第二电压阈值可以低于第一电压阈值)。蓄电池单元电荷均衡装置还包括耦合第一电路通道的第二切换装置。流过第一电路通道的电流激活第二切换装置，从而激活第三电路通道。第三电路通道从蓄电池单元发送至少一部分充电电流。已经描述的特征、功能和优势可以在不同的实施例中单独地实现或在其他的实施例中组合起来实现，将参考下面的说明书和附图公开进一步的细节。
图I是蓄电池单元电荷均衡系统的第一特定实施例的图；图2是蓄电池系统的特定实施例的图； 图3是蓄电池单元电荷均衡电路的第一特定实施例的示意图；图4是蓄电池单元电荷均衡电路的第二特定实施例的示意图；图5是蓄电池单元电荷均衡方法的特定实施例的流程图；以及图6是可以在各种实施例中使用的特定基准电压装置的等效示意图。
具体实施例方式描述蓄电池单元电荷均衡装置、系统和方法。蓄电池单元电荷均衡可以用于提高性能(例如，放电期间传递更多能量)和通过减少蓄电池的每个电池单元中存储的能量差延长多单元蓄电池的循环寿命。可以利用被动方法(例如，分流方法)或主动方法(例如，能量再分配)执行蓄电池单元电荷均衡。本文中所公开的不同实施例使用被动的分流方法均衡蓄电池单元之间的电荷。蓄电池单元的不均等充电可以降级多单元蓄电池的性能和降低其寿命。例如，在蓄电池的使用期间(例如，放电)，具有最低充电状态(SOC)的电池单元可以限制可从蓄电池被有效地放电的功率量。然而，在蓄电池的充电期间，可以存储在蓄电池中的功率量可以由具有最高SOC的电池单元限制。因此，当蓄电池的单元不平衡时，与当平衡电池单元时针对相同蓄电池的情况相比较，可存储在蓄电池中或从蓄电池放电的功率较少。此外，如果不均衡，电池单元可以倾向于在使用期间进一步分离，限制了蓄电池的有效寿命。为某些蓄电池处理蓄电池单元电荷均衡的一个方法是对所有电池单元过量充电。在某些蓄电池中，随着将电池单元充电至更高的充电状态，损耗也会增加。这些增加的损耗趋向于帮助均衡电池单元。然而，一般为了平衡不应当过量充电其他蓄电池，例如现代锂离子蓄电池，因为这些蓄电池中的损耗不会随着将电池单元充电至更高充电状态而增加。如果对电池单元过量充电，那么这些蓄电池可以遭受退化。进一步，某些蓄电池在不引起退化的情况下无法放电至最小电平以下。如上所述，最大充电可以由最高SOC电池单元限制，并且最大放电可以由最低SOC电池单元约束。蓄电池单元电荷平衡系统可以适应于基于蓄电池单元电荷均衡检测或采取行为以减轻电池单元或蓄电池的再充电。例如，当电池单元的电压(电池单元的SOC的度量)超过预定值时，蓄电池单元电荷平衡系统可以从电池单元中转移(例如，分流)过量的充电电流，并且进入有损耗电路元件，从而限制再充电。为了减少无规律的噪声跳闸，蓄电池单元电荷均衡系统可以提供关于将充电电流施加于电池单元和从电池单元转移充电电流的阈值滞后。例如，当达到第一电压阈值时，可以转移充电电流，并且可以继续转移充电电流直到电池单元的电压降低至第二 (较低)电压阈值以下。通过连接蓄电池单元电荷均衡电路和阈值检测系统，蓄电池单元电荷均衡系统还可以用于监控电池单元SOC、蓄电池SOC或同时监控这两者。已经被建议执行蓄电池单元电荷均衡的某些电路已经使用稳压(或齐纳)二极管同时作为基准电压源和分流器。在这些电路中，稳压二极管可以连接到蓄电池的每个电池单元。一般地，为了适当地起作用，用于蓄电池的每个电池单元的稳压二极管应当匹配，这可能是成问题的。此外，稳压二极管有时具有可靠性问题。特别地，稳压二极管可以出现短路故障，这可以毁坏短路的稳压二极管连接的电池单元，并且可以因此损坏整个蓄电池。此夕卜，因为稳压二极管不提供滞后，所以稳压二极管电路可以易受讨厌的噪声跳闸的影响。例如，当正在为电池单元充电并且电池单元的电压达到电压阈值时，稳压二极管可以消耗充电电流。然而，消耗充电电流可以引起电池单元的电压降低至电压阈值以下，引起稳压二极 管将充电电流再次施加于电池单元。因为施加充电电流的电压阈值与消耗充电电流的电压阈值相同，所以施加和消耗充电电流可以周期性地重复进行。此外，稳压二极管电路无法提供用于监控电池单元或蓄电池的SOC的方法。已经提出的另一个被动的蓄电池单元电荷均衡系统包括与每个电池单元并行的合适尺寸的电阻器。电阻器的损耗随着电池单元电压增加而线性增加。然而，当蓄电池未使用时，该系统可以导致蓄电池通过电阻器放电，这可以降低蓄电池的有效性，并且可以通过变成完全放电引起蓄电池损坏。此外，并行的电阻器可以提供蓄电池单元相对慢的再平衡。还已经提出主动的蓄电池单元均衡系统。例如，主动蓄电池单元均衡系统可以将来自高度充电的电池单元的能量转移至充电较少的电池单元。主动蓄电池单元均衡系统可以使用重要的主动电子电路，从而执行蓄电池单元电荷均衡功能。因此，主动蓄电池单元均衡系统可以是复杂、庞大和昂贵的。本文中所公开的特定实施例通常可以使用可用的集成电路和离散部件来提供迅速、可靠的蓄电池单元充电状态(SOC)的检测，同时消除与用于监控的噪声输出信号和电池单元电荷均衡分流电路相关联的损害。特定的蓄电池单元电荷均衡电路包括与参考放大器相关联的基准。电阻分压器设定与参考放大器的基准成正比的第一阈值。切换元件(例如，晶体管)被用于设定第二阈值，其中第二阈值低于第一阈值。第二阈值可以提供噪声抑制和检测阈值滞后。输出电路可以响应参考放大器。例如，输出电路可以响应参考放大器而提供电流分路来增强电池单元平衡。在另一个实例中，输出电路可以提供表明响应参考放大器的电池单元的SOC的信号。 在特定的实施例中，参考放大器可以包括硅带隙集成电路，例如德克萨斯仪器公司(Texas Instruments Incorporated)商售的TL 1431精确度可编程参考。参考放大器可以具有按照电压分离的两个预设或预定的检测阈值，其可以表示例如电池单元的高SOC和电池单元的低S0C。参考放大器可以是高精确度参考放大器，因为每IOmV可以表示大约1%的电池单元SOC。当蓄电池单元电荷均衡电路用于多单元蓄电池的每个电池单元时，例如，锂离子单元蓄电池系统，通过多次充电/放电循环分流充电电流可以引起较低的SOC电池单元提高其充电级别，从而更接近匹配较高的SOC电池单元，因而充分均衡或均匀化电池单元的SOC0每个蓄电池单元电荷均衡电路可以装备有开关，开关支持蓄电池存储，而不通过蓄电池电荷均衡电路寄生放电电池单元。开关也可以减少“热配合(hot mate)”关注。图I是一般指定为100的蓄电池单元电荷均衡系统的第一特定实施例的图。系统100包括或稱合到蓄电池单元102,该蓄电池单元102具有正端子和负端子。蓄电池单元102可以是多单元蓄电池的一个电池单元。例如，蓄电池单元102可以与一个或更多个其他蓄电池单元(图I中未示出)串联耦合在一起，从而提供期望的输出电压给负载。该系统100可以包括一个或更多个均衡电路，用于促进多单元蓄电池的单元之间的蓄电池单元电荷均衡。例如，均衡电路可以包括第一电路104、第二电路105、第三电路 106或以上电路的任何组合。在图I中，电路104-106示出为功能块；然而，可以通过不同形式的因素或实施提供电路104-106。例如，可以提供电路104-106作为可以单独或作为单元耦合到蓄电池单元102的一个或更多个模块(即，离散的封装部件)。在另一个例子中，可以在多单元蓄电池内提供电路104-106作为多单元蓄电池的部件。在特定的实施例中，第一电路104可以作为监控器和分流电路起作用。也就是说，第一电路104可以监控蓄电池单元102的电压，以及当电池单元的检测电压满足特定的电压阈值时，可以从蓄电池单元102中发送至少一部分充电电流。在说明性的实施例中，第一电路104可以具有第一电压阈值110和第二电压阈值111。第二电压阈值111可以不同于第一电压阈值110。例如，第二电压阈值111可以低于第一电压阈值110。第一电压阈值110和第二电压阈值111之差提供可减少第一电路104的损害切换的滞后。例如，当蓄电池单元102的电压满足(例如，大于或大于等于)第一电压阈值110时，可以发送一部分充电电流至分流器116。这可以降低施加于蓄电池单元102的充电电流量，允许蓄电池的其他蓄电池单元达到蓄电池单元102的充电状态(S0C)。例如，从蓄电池单元102发送充电电流可以降低蓄电池单元102的SOC增加的速度。具有较低SOC和继续接收全充电电流(即，未从这些较低的SOC蓄电池单元中发送的充电电流)的其他蓄电池单元以更高的速度充电。因此，较低SOC蓄电池单元的SOC可以达到蓄电池单元102的S0C。当发送一部分充电电流至分流器116时，蓄电池单元102的电压可以稍微地下降。为了降低蓄电池单元102的这种电压降会引起第一电路104关闭分流器(S卩，将全充电电流施加于蓄电池单元102)的可能性，第一电路104可以使用第二电压阈值111控制分流器116的失活。也就是说，可以将该部分充电电流发送至分流器116，同时满足第二阈值111(即使当不再满足第一电压阈值110时)。为了说明，对于特定的实施例，第一电压阈值110可以是大约4. 05V，第二电压阈值111可以是大约4. OOV0在这个实施例中，当蓄电池单元102的电压达到4. 05V时可以激活分流器116。另外，当蓄电池单元102的电压达到4. 05V时，可以激活第二阈值111。因此，分流器116可以保持激活，除非蓄电池单元102的电压下降至4. OOV以下。在特定的实施例中，当激活分流器116时，可以从蓄电池单元102中转移并且在分流器116的损耗元件中消耗大约C/500的电荷(其中C是指电池单元的电容，一般以每小时安培数或每小时毫安数测量)。第一电路104可以响应第一蓄电池单元102的电压不再满足第二电源阈值111而停止发送该部分充电电流以绕过蓄电池单元102。例如，在蓄电池单元102的电压不再满足第二电压阈值之后(例如，在蓄电池的使用或存储期间)，不重新激活第一电压阈值110并且使第二电压阈值111去活。在特定的实施例中，第二电路106可以起到监控电路的作用。也就是说，当电压满足特定的电压阈值时，第二电路105可以基于蓄电池单元102的电压产生监控输出117。在说明性的实施例中，第二电路105可以具有第三电压阈值112和第四电压阈值113。第四电压阈值113可以不同于第三电压阈值112。例如，第四电压阈值113可以低于第三电压阈值112。第三电压阈值112和第四电压阈值113之差提供可减少监控输出117的损害切换的 滞后。例如，当蓄电池单元102的电压满足(例如，大于或大于等于)第三电压阈值112时，可以产生表明蓄电池单元102被完全充电的监控输出117。可以提供监控输出117给监控系统(未示出)，当接收监控输出117或响应其他条件时，例如，表明蓄电池单元被完全充电的来自与预定蓄电池单元数相关联的电路的输出，该监控系统可以中断蓄电池的充电(例如，中断充电电流)。当产生监控输出117时，从蓄电池单元102发送一部分充电电流，从而提供监控输出117。因此，蓄电池单元102的电压可以响应产生的监控输出117而稍微下降。为了降低蓄电池单元102的这种电压降引起监控输出117关闭的可能性，第二电路105可以使用第四阈值113控制监控输出117的去活或失效。也就是说，产生监控输出117同时满足第四阈值113。为了说明，对于特定的实施例，第三电压阈值可以是大约4. 10V，第四电压阈值可以是大约4. 05V。在这个实施例中，当蓄电池单元102的电压达到4. IOV时，可以激活监控输出117。此外，当蓄电池单元102的电压达到4. IOV时，可以激活第四阈值113。因此，监控输出117可以保持激活，除非蓄电池单元102的电压下降至4. 05V以下。在特定的实施例中，第三电路106可以起到过量充电监控电路的作用。也就是说，当电压满足特定的电压阈值时，第三电路106可以基于蓄电池单元102的电压产生第二监控输出，例如过量充电输出118。在说明性的实施例中，第三电路105可以具有第五电压阈值114和第六电压阈值115。可以响应第五电压阈值114被满足而建立或激活第六电压阈值115。第六电压阈值115可以不同于第五电压阈值114。例如，第六电压阈值115可以低于第五电压阈值114。第五电压阈值114和第六电压阈值115之间的这个差提供可以减少过量充电输出118的损害切换的滞后。例如，当蓄电池单元102的电压满足(例如，大于或大于等于)第五电压阈值114时，可以产生表明蓄电池单兀102被过量充电或处于过量充电的危险的过量充电输出118。可以将过量充电输出118提供给监控系统(未示出)，当接收过量充电输出118或响应其他条件时，例如从与蓄电池的蓄电池单元数量相关联的电路接收过量充电输出时，监控系统可以中断蓄电池的充电。当产生过量充电输出118时，从蓄电池单元102发送一部分充电电流，从而提供过量充电输出118。因此，蓄电池单元102的电压可以响应产生过量充电输出118而稍微下降。为了降低蓄电池单元102的这种电压降会引起过量充电输出118关闭的可能性，第三电路106可以使用第六电压阈值115控制过量充电输出118的失效。为了说明，对于特定的实施例，第五电压阈值114可以是大约4. 30V,第六电压阈值115可以是大约4. 10V。在这个实施例中，当蓄电池单元102的电压达到4. 30V时可以激活过量充电输出118。此外，当蓄电池单元102的电压达到4. 30V时，可以激活第六阈值115。因此，过量充电输出118可以保持激活，除非蓄电池单元102的电压下降至4. IOV以下。系统100还可以包括一个或更多个开关，例如第一开关122和第二开关124。在完成蓄电池的充电之后，可操作第一开关122以减少蓄电池单元102通过第一电路104和第二电路105的放电。完成蓄电池的充电之后，可操作第二开关124以减少蓄电池单元102通过第三电路106的放电。开关122、124可以具有关态(B卩，断开)渗漏电流，该电流小于蓄电池单元102的自放电率。例如，对于某些锂离子蓄电池单元，自放电率可以是大约C/100000。因此，开关122、124可以具有小于C/100000的关态渗漏电流。开/关开关控制126使得能够打开系统100 (通过闭合开关122、124)，以将来自蓄电池单元102的功率提供给系统100的电路元件。在特定的实施例中，第二开关124可以被用于为第三电路106供电，并且第一开关122可以用于为第一电路104和第二电路105供电。在蓄电池单元102的充电期间，蓄电池单元102连接到电路104-106，并且开关·122、124闭合。当蓄电池单元102的电压满足第一电压阈值110时，第一电路104将来自蓄电池单元102的充电电流定向到分流器116。在特定的实施例中，分流器116从蓄电池单元102排出大约C/500的放电电流。此外，响应于蓄电池单元102的电压满足第一电压阈值110，第一电路104建立或激活第二电压阈值111，从而避免分流器116的损害跳闸。为了说明，当第一电压阈值110是4. 05V时，第二电压阈值111可以是大约4. 00V,从而提供
O.05V的阈值滞后。因为蓄电池单元102连接到充电电流，所以蓄电池单元102的电压可以继续上升，甚至在分流器116是活动时。蓄电池单元102的电压可以上升直到满足第三电压阈值112。当满足第三电压阈值112时，可以激活监控输出117。监控输出117可以表明蓄电池单元102的SOC几乎是满的。监控输出117的激活可以发送信号通知耦合蓄电池的充电器减少或停止充电。此外，响应于蓄电池单元102的电压满足第三电压阈值112，第二电路105建立或激活第四电压阈值113，从而避免监控输出117的损害跳闸。为了说明，当第三电压阈值112是4. IOV时，第四电压阈值113可以是大约4. 05V，从而提供O. 05V的阈值滞后。当到蓄电池单元102的充电电流不响应监控输出117时，第三电路105可以充当保护监控器，以表明蓄电池单元102正在接近有害的充电状态(例如，接近过量充电状态)。为了说明，当满足第五电压阈值114时,可以激活过量充电输出118。过量充电输出118可以表明蓄电池单元102的SOC处于或接近有害状态。过量充电输出118的激活可以发信号通知充电器启动蓄电池保护程序，例如，从而断开蓄电池和充电器。此外，响应于蓄电池单元102的电压满足第五电压阈值114，第三电路106建立或激活第六电压阈值115，从而避免过量充电输出118的损害跳闸。为了说明，当第五电压阈值114是4. 30V时，第六电压阈值115可以是大约4. 10V，从而提供O. 2V的阈值滞后。当未激活蓄电池单元电荷均衡系统100 (例如，当蓄电池单元处于存储状态时)，蓄电池单元电荷均衡系统100可以传递小于蓄电池单元102的自放电率的电流。例如，蓄电池单元的自放电率可以是在2. 8V到3. OV范围内的大约C/100000，其中在以上范围内蓄电池单元被完全放电。当激活蓄电池单元电荷均衡系统100时(例如，在蓄电池的充电期间)，蓄电池单元电荷均衡系统100在最大的期望蓄电池单元工作电流(例如，在某些实施例中，大约4. IV)可以传递大约C/500的电流。在特定的实施例中，蓄电池单元电荷均衡系统100的最大载流能力是大约C/500，其对于50Ah蓄电池单元，对应于大约IOOmA并且对于13Ah蓄电池单元，是对应于大约26mA。基于大约C/500的电流，在4. IV的最大功率消耗对于50Ah蓄电池单元可以是大约410mA并且对于13Ah蓄电池单元可以是大约107mA。在蓄电池的工作温度范围内，蓄电池单元电荷均衡系统是可操作的。例如，在至少-10° C到50° C的温度范围内蓄电池单元电荷均衡系统100可以是可操作的，以上温度覆盖具有大约10° C差的锂离子蓄电池 单元的典型最大工作温度范围。图2是蓄电池系统的特定实施例的图。图2图示具有串联耦合在一起的多个蓄电池单元206-209的蓄电池202。在特定的实施例中，蓄电池202是锂离子蓄电池。在其他的实施例中，蓄电池202是另一种类型的蓄电池，例如铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子聚合物蓄电池或另一种类型的可再充电蓄电池。此外，尽管在图2中示出的蓄电池202具有四个蓄电池单元206-209，但是蓄电池202可以具有更多或更少的蓄电池单元，这依赖于具体的实施。在图2中，蓄电池202通过正端子205和负端子204耦合负载210。负载210可以是利用蓄电池202为其供电的任何装置或系统。例如，负载210可以包括蓄电池供电的便携式装置，例如电子装置或工具。在另一个例子中，负载210可以包括马达或交通工具的其他系统，例如卫星、电动飞机或电动车辆、混合动力飞机或混合动力汽车。还是在另一个例子中，负载210可以包括电源分配系统，其中蓄电池202被用于存储分配的功率。蓄电池202可以耦合充电器212。充电器212可以提供充电电流给蓄电池202，从而为蓄电池单元206-209再充电。如上所述，蓄电池单元206-209的不平衡充电可以降低蓄电池202的性能或可以缩短蓄电池202的有效寿命。因此，蓄电池单元206-209可以耦合蓄电池单元电荷均衡系统224。蓄电池单元电荷均衡系统224可以包括耦合每个蓄电池单元206-209的蓄电池单元电荷均衡电路。例如，第一蓄电池单元电荷均衡电路220可以耦合第一蓄电池单元206、第二蓄电池单元电荷均衡电路221可以耦合第二蓄电池单元207、第三蓄电池单元电荷均衡电路222可以耦合第三蓄电池单元208以及第四蓄电池单元电荷均衡电路223可以耦合第四蓄电池单元209。蓄电池单元电荷均衡电路220-223可以包括用于实施不同功能的电路，例如被动的蓄电池单元电荷均衡、蓄电池单元充电状态(SOC)监控和蓄电池单元过量充电监控。例如，蓄电池单元电荷均衡电路220-223可以包括第一电路230-233，用于促进蓄电池单元206-209之间的SOC均匀化或均衡。为了说明，第一电路230-233中的每个电路可以包括图I的第一电路104和分流器116。在说明性的实例中，当对应蓄电池单元的电压达到第一电压阈值(例如，4. 05V)时，第一电路230-233可以从对应的蓄电池单元中发送从充电器212接收的充电电流。第一电路230-233也可以响应第一电压阈值被满足而激活第二电压阈值(例如，400V)。例如，在充电期间，当第一蓄电池单元206达到第一电压阈值时，可以通过第一蓄电池单元均衡电路220的第一电路230从第一蓄电池单元206中分流至少一部分充电电流。从第一蓄电池单元206发送至少一部分充电电流同时仍然将充电电流施加于其他蓄电池单元207-209可以使得其他蓄电池单元207-209达到第一蓄电池单元206的S0C。蓄电池单元电荷均衡电路220-223还可以包括用于促进监控蓄电池单元206-209的SOC的第二电路240-243。为了说明，第二电路240-243中的每个电路可以包括图I的第二电路105。在说明性的实例中，当相关联的蓄电池单元的电压达到第三电压阈值(例如，
4.10V)时，第二电路240-243中的每个电路可以产生表明相关联的蓄电池单元已经达到目标SOC(例如，对应的蓄电池单元被充分完全地充电)的输出260-263。第二电路240-243还可以响应于第三阈值电压被满足而激活第四电压阈值(例如，4. 05V)。例如，在充电期间，当第四蓄电池单元209达到第三电压阈值时，可以激活输出263，从而提供充电状态信号。充电状态信号可以被发送至监控或控制系统，其可以引起充电器212减少或关闭充电电流。蓄电池单元电荷均衡电路220-230可以包括用于促进蓄电池单元206-209的过量充电监控的第三电路250-253。为了说明，第三电路250-253的每个电路可以包括图I的第三电路106。在说明性的实例中，当相关联的蓄电池单元的电压达到第五电压阈值(例如，
4.30V)时，第三电流250-253可以产生表明相关联的蓄电池单元处于或接近有害SOC (例如，相关联的蓄电池单元被过量充电或接近过量充电状态)的过量充电输出265-268。第三 电路250-253也可以响应第五电压阈值被满足而激活第六电压阈值(例如，4. 10V)。例如，在充电期间，当第四蓄电池单元209达到第五阈值电压时，可以激活过量充电输出268以提供过量充电信号。可以将该过量充电信号发送至监控或控制系统，监控或控制系统可以采取步骤防止蓄电池单元206-209的有害过量充电。例如，监控或控制系统可以关闭充电器212或电断开蓄电池202和充电器212。用于一个蓄电池单元电荷均衡电路，例如第一蓄电池单元电荷均衡电路220的阈值，可以与其他蓄电池单元电荷均衡电路，例如第二、第三和第四蓄电池单元电荷均衡电路221-223使用的阈值相同或不同。例如，在蓄电池202的充电期间，第一蓄电池单元电荷均衡电路220的第一电路230可以使用第一阈值指示一部分充电电流离开第一蓄电池单元206和激活第二阈值。第一蓄电池单元电荷均衡电路220的第二电路240可以使用第三阈值激活监控输出和激活第四阈值。第一蓄电池单元电荷均衡电路220的第三电路250可以使用第五阈值激活过量充电输出和激活第六阈值。同时，也就是在蓄电池202的同一充电循环期间，第二蓄电池单元电荷均衡电路221的第一电路231可以使用第七阈值(其可以不同于第一阈值或与第一阈值相同)指示一部分充电电流离开第二蓄电池单元207和激活第八阈值(其可以不同于第二阈值或与第二阈值相同)。第二蓄电池单元电荷均衡电路221的第二电路241可以使用第九阈值(其可以不同于第三阈值或与第三阈值相同)激活监控输出和激活第十阈值(其可以不同于第四阈值或与第四阈值相同)。第二蓄电池单元电荷均衡电路221的第三电路241可以使用第十一阈值(其可以不同于第五阈值或与第五阈值相同)激活过量充电输出和激活第十二阈值(其可以不同于第六阈值或与第六阈值相同)。同样地，第三蓄电池单元电荷均衡电路222和第四蓄电池单元电荷均衡电路223可以使用与第一蓄电池单元电荷均衡电路220和第二蓄电池单元电荷均衡电路221使用的阈值相同或不同的阈值。蓄电池单元电荷均衡电路220-223还可以包括开关280-283和285-288。在蓄电池202充电期间可以闭合开关280-283和285-288，从而提供电力给蓄电池单元电荷均衡电路220-223。在蓄电池202存储或使用期间可以打开开关280-283和285-288，从而减少流过蓄电池单元电荷均衡电路220-223的电流，因此蓄电池单元电荷均衡电路220-223不提高蓄电池202的自放电率和蓄电池单元220-223的自放电率。在特定的实施例中，可以通过开/关和蓄电池单元电荷均衡系统224的返回输入270、272控制开关280-283和285-288。尽管图2示出电压阈值的特定值，但是在其他实施例中电压阈值可以具有其他值。例如，当特定锂离子蓄电池的完全充电电压可以是大约4. IOV时，其他类型的蓄电池或其他锂离子蓄电池可以具有其他的完全充电电压。进一步，对于特定的用途，例如为了延长蓄电池寿命，可以指定较低电压作为完全充电电压。为了说明，对于某些应用，可以将锂离子蓄电池的完全充电电压设定为大约3. 92V，从而延长锂离子蓄电池的寿命。依赖于蓄电池的类型(包括用于构造蓄电池的特定材料)、蓄电池要被使用的应用(例如，负载210的特定类型或本质、蓄电池202的工作环境等)、蓄电池202受到的其他工作约束(例如，法规限制或其他规定)、充电器212的其他特性、蓄电池202、负载210或其组合，也可以选择其他阈值。图3是指定为300的蓄电池单元电荷均衡电路的第一特定实施例的示意图。在特定的实施例中，电路300可以用于促进蓄电池单元电荷均衡。例如，电路300可以用作图I的第一电路104。在图3中，电路300被图示为耦合蓄电池单元302。蓄电池单元302包括正端子304和负端子306，其可以串联连接其他蓄电池单元从而形成蓄电池组。电路300的 输入310可以耦合蓄电池单元302的正端子304，输出312可以耦合蓄电池单元302的负端子306。也可以存在未示出的其他部件。例如，电路300可以通过开关，例如图I中的开关124耦合蓄电池单元302。为了阐明正在描述的电路300的特定部分，利用图3中的虚线框指定本文中称为“电路通道”的电路300的单独部分。虚线框用于简化和阐明说明，并且不应当解释为电路300的限制。电路300包括形成分压器的第一电阻元件314 (例如，第一电阻器)和第二电阻元件316 (例如，第二电阻器)。分压器的分压器输出318耦合基准电压装置320的基准电压输入。在特定的实施例中，基准电压装置320包括高精度基准电压，例如德克萨斯仪器公司商售的TL1431精确度可编程参考。应当注意，尽管在图3中示出特定的实施例，但是利用和通常用于指定稳压二极管的符号相似的符号示出基准电压装置320，基准电压装置320不仅仅是稳压二极管。更确切地，基准电压装置320是高精度的稳定(例如在工作温度的范围上稳定)基准电压，其响应输入基准电压而提供输出电压。图6示出了可以用作图3的基准电压装置320的基准电压装置的特定实施例的等效示意图。在特定的实施例中，基准电压装置320包括2. 5V带隙基准。选择第一电阻元件314和第二电阻元件316的电阻(或者当第一电阻元件314和第二电阻元件316不是纯电阻性时选择阻抗)，以便当满足第一电压阈值时，分压器输出318打开基准电压装置320。也就是说，当电流流过包括分压器的初始电路通道390时，以及当输入310与输出312之间的电压满足第一电压阈值时，分压器输出318足够打开基准电压装置320。例如，当基准电压装置320是2. 5V带隙基准时，当第一阈值电压被满足时分压器输出318可以是至少2. 5V。当基准电压装置320接通时，电流流过第一电路通道391，第一电路通道391包括第三电阻元件322和基准电压装置320。响应于在第一电路通道391中流动的电流，可以打开第一切换元件326 (例如晶体管)。例如，流过第一电流通道391的电流可以将电流施加于晶体管(例如，第一切换元件326)的基极，其可以激活(例如，允许电流流过)包括第一切换元件326和第四电阻元件328的第二电路通道392。
可以安排第二电路通道392，使得在分压器中第四电阻元件328与第一电阻元件314并联。因此，当激活第二电路通道392时，修改分压器的分压比(有效地形成第二分压器)。可以选择第四电阻元件328的电阻(或阻抗)来实现或设定电路300的第二电压阈值。为了说明，可以选择第四电阻元件328的电阻，以便当输入310和输出312之间的电压满足第二电压阈值时，分压器输出318下降至基准电压装置320的激活电压以下。例如，利用参考图I的例子所述的特定电压阈值，第一电压阈值可以是4. 05V，第二电压阈值可以是4. 00V。进一步，基准电压装置320可以具有2. 5V的激活电压。也就是说，当分压器输出318处出现2. 5V的电压时，就可以打开基准电压装置320。在这个例子中，可以选择第一电阻元件314的值和第二电阻元件316的值，从而提供第一分压比。当输入310和输出312之间的电压是4. 05V时(第一电压阈值)，可以选择第一分压比以导致分压器输出318是2. 5V。因此，当满足第一电压阈值时，可以打开基准电压装置320，并且允许电流流向第一晶体管(即，第一切换元件326)的基极。作为响应，第一晶体管可以允许电流流过第四电阻元件328，修改分压器使其具有第二分压比。选择第二分压比，以便当输入310和输出312之间的电压下降至4. OOV以下时，分压器输出318下降至2. 5V以下(例如， 关闭基准电压装置320)。当电流流过第一电路通道391时，也可以激活第二切换元件332。例如，电流可以被施加于第二晶体管(例如，第二切换元件332)的基极，从而激活第三电路通道393。第三电路通道393可以从蓄电池单元302发送至少一部分充电电流。例如，第三电路通道393可以将该部分充电电流发送至损耗电路元件334 (例如图I的分流器116)。因此，可以降低蓄电池单元302的充电速度，从而允许其他蓄电池单元(未示出)达到蓄电池单元302的充电状态。此外，由于电路300通过其工作在第一电压阈值和第二电压阈值之间自动切换，所以电路300提供阈值滞后，这可以减少电路300的损害跳闸。在特定的实施例中，在蓄电池单元302的电压不再满足第二电压阈值(例如，在蓄电池使用期间或蓄电池存储期间)时，可以重新激活第一电压阈值，并且使第二电压阈值失效。例如，当电压下降至第二电压阈值以下时，由于分压器输出318下降至基准电压装置320的最小输入电压以下，可以关闭基准电压装置320。当基准电压装置320关闭时，第一电流通道391中的电流流动可以停止。因此，第一切换元件326可以失效，并且第二电路通道392中的电流流动可以停止；因而从分压器中除去第四电阻元件328。因此，将分压器重置为包括第一电阻元件314和第二电阻元件316，但是无第四电阻元件328。还响应于第一电路通道391中电流流动停止，第二切换元件332失效，并且第三电路通道393中的电流流动可以停止。图4是蓄电池单元电荷均衡电路的第二特定实施例的示意图。图4示出电路300，其中电路300的输出402耦合监控系统，从而促进蓄电池单元SOC或过量充电监控。具有图3和图4中相同参考数字的元件如参考图3所述那样起作用。如参考图I和图2所述的，用于监控蓄电池单元302的SOC或蓄电池单元302的过量充电状态的电压阈值可以不同于用于蓄电池单元电荷均衡的电压阈值。因此，可以基于特定的电压阈值选择构成分压器的电阻元件314、316和328的值。当电流在第三电路通道中流动通过第二切换元件322时，电流被发送至输出402。在这个实施例中，未出现高损耗分流，尽管可以使用电阻元件404。可以提供输出402给监控系统。在特定的实施例中，隔离系统可以被用于隔离电路300和监控系统。例如，可以使用光学隔离器440。光学隔离器440可以允许通过大电势例如数百伏特分离监控系统和电路300。光学隔离器440可以基于电路300的输出402和供给电压450产生输出信号452。为了说明，光学隔离器440可以包括光敏元件454 (例如，光敏二极管)和响应输出402的发光二极管(LED)442。LED 442可以产生光敏元件454可检测的光。当LED 442响应输出402而产生光时，光敏元件454可以检测光和产生输出信号452。因此，电路300和监控系统可以进行通信同时保持彼此电隔离。图5是蓄电池单元电荷均衡方法的特定实施例的流程图。利用图1-4中所示的一个或更多个电路可以实施该方法。在特定的实施例中，方法包括，在502，在耦合多单元蓄电池的蓄电池单元的蓄电池电荷均衡电路接收充电电流。该方法还包括，在504，当蓄电池单元的电压满足第一电压阈值时，发送至少一部分充电电流离开蓄电池单元。例如，在506中，将至少该部分充电电·流发送至从蓄电池单元中分流至少该部分充电电流的旁路电路通道。在另一个例子中，在508，可以将至少该部分充电电流发送至监控输出。该方法还包括，在510，响应于蓄电池单元的电压满足第一电压阈值而建立第二电压阈值。第二电压阈值可以低于第一电压阈值。例如，如参考图I所述的，第一电压阈值可以是4.05V，第二电压阈值可以是4.00V。在参考图I所述的另一个例子中，第一电压阈值可以是4. 10V，第二电压阈值可以是4.05V。还是在参考图I所述的另一个例子中，第一电压阈值可以是4. 30V而第二电压阈值可以是4. IOV0可以从蓄电池单元发送至少一部分充电电流，同时蓄电池单元的电压满足第二电压阈值。在说明性的实施例中，利用分压器可以实现第一电压阈值和第二电压阈值。例如，分压器的输出可以耦合基准电压装置。当第一电压阈值被满足时，基准电压装置能够使电流在第一电路通道中流动。在第一电路通道中的电流流动可以引起修改分压器的分压比。在512，通过修改分压器的分压比可以建立第二电压阈值。在第一电路通道中的电流流动还能够从蓄电池单元发送至少该部分充电电流。在特定的实施例中，该方法可以包括，在514，在给多单元蓄电池充电之后打开开关。打开开关可以通过蓄电池单元电荷均衡电路将蓄电池单元的放电降低至小于蓄电池单元的自放电率的速率。本文中公开的特定实施例可以使用通常可用的集成电路和离散部件，以提供蓄电池单元的充电状态(SOC)的快速、可靠检测，同时降低与用于监控的噪声输出信号和电池单元电荷均衡分流电路相关联的损害。可以提供开关以隔离蓄电池单元电荷均衡电路和蓄电池单元，从而通过蓄电池单元电荷均衡电路降低蓄电池单元的寄生放电。开关也可以降低关注的“热配合”。蓄电池单元电荷均衡电路可以容易获得，并且比较耐用。对于某些应用，蓄电池单元电荷均衡电路可以是辐射加固的，例如，用于太空中。本文中公开的蓄电池单元电荷均衡系统可以是自足的。也就是说，不需要其他源(例如，计算机或软件)实施蓄电池单元电荷均衡。在多个循环期间从蓄电池单元分流充电电流允许较低SOC电池单元达到接近全充电状态。此外，可以为特定的应用定制蓄电池单元电荷均衡系统。例如，可以通过选择分压器元件为特定的蓄电池或应用定制阈值和阈值滞后。在特定的实施例中，本文中公开的蓄电池单元电荷均衡系统使用的阈值可以是动态可调整的。例如，参考图3，构成用于设定阈值的分压器的电阻元件314、316和328可以是响应控制输入的可变电阻器。因此，监控或控制系统可以提供控制输入来调节电阻元件314、316和328中一个或更多个的电阻，从而调节一个或更多个阈值。例如，可以动态调整一个或更多个阈值，从而补偿变化的工作状况、一个或更多个电池单元的老化或对一个或更多个电池单元的损害。在另一个实例中，可以在蓄电池的初始配置期间调节一个或更多个阈值，从而补偿电池单元之间的较小的制造或功能差异。为了说明，可以在装配电池单元形成蓄电池之后调节用于蓄电池的每个电池单元的阈值，从而调谐蓄电池的性能。本文中描述的实施例的图解是为了提供各种实施例的结构的一般理解。图解不是为了作为利用本文中所述的结构或方法的设备和系统的所有元件和特征的完整描述。一旦查看本公开内容，许多其他的实施例对于本领域的技术人员是明显的。可以使用其他实施例，并且其他实施例可以根据本公开内容导出，因此在不偏离本公开的保护范围的情况下，可以进行结构和逻辑替换和改变。例如，可以按与附图中所示顺序不同的顺序执行方法步 骤，或可以省略一个或更多个方法步骤。因此，公开内容和附图被认为是说明性而非限制性的。而且，尽管本文中已经示出和描述了特定的实施例，但是应当理解，设计用于实现相同或相似结果的任何后续装置可以替换所示的特定实施例。本公开内容是打算涵盖各种实施例的任何和所有后续改进或改变。一旦查看说明书，以上实施例的组合和本文中未具体描述的其他实施例对于本领域的技术人员将是明显的。理解的是，本公开的摘要不会用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在前述的详细描述中，为了简化本公开内容，可以将各种特征组合在一起或在单个实施例中描述。本公开内容不应当解释为反映要求保护的实施例需要比每个权利要求中明确阐述的特征更多的特征的意图。相反，如权利要求中所反映的，要求保护的主题可以指向少于任何公开的实施例的所有特征。
权利要求
1.一种蓄电池系统，所述系统包含 包含多个串联耦合的蓄电池单元的蓄电池； 用于监控第一蓄电池的电压的第一电路，其中，当充电电流被施加于所述蓄电池时，所述第一电路响应于所述第一蓄电池单元的电压满足第一电压阈值而发送至少一部分所述充电电流以绕过所述第一蓄电池单元，以及其中所述第一电路响应所述第一蓄电池单元的电压满足所述第一电压阈值而建立第二电压阈值；以及 用于监控所述第一蓄电池单元的电压的第二电路，其中，当所述充电电流被施加于所述蓄电池时，所述第二电路响应所述第一蓄电池单元的电压满足第三电压阈值而产生监控输出，其中所述第三电压阈值高于所述第一电压阈值。
2.根据权利要求I所述的系统，其中所述第二电路响应所述第一蓄电池单元的电压满足所述第三电压阈值而建立第四电压阈值，其中所述第四电压阈值低于所述第三电压阈值，并且当满足所述第四电压阈值时产生所述监控输出。
3.根据权利要求I所述的系统，其中所述第一电路响应所述第一蓄电池单元的电压不再满足所述第二阈值电压而停止发送至少所述部分充电电流绕过所述第一蓄电池单元。
4.根据权利要求3所述的系统，其中在所述第一蓄电池单元的电压不再满足所述第二电压阈值时，再次激活所述第一电压阈值，并且所述第二电压阈值失效。
5.根据权利要求I所述的系统，进一步包含用于监控所述第一蓄电池单元的电压的第三电路，其中，当所述充电电流被施加于所述蓄电池时，所述第三电路响应所述第一蓄电池单元的电压满足第五电压阈值而产生第二监控输出，其中所述第五电压阈值高于所述第三电压阈值。
6.根据权利要求5所述的系统，其中响应所述第二监控输出而中断流向所述第一蓄电池单元的充电电流。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述第三电路响应所述第一蓄电池单元的电压满足所述第五电压阈值而建立第六电压阈值。
8.根据权利要求I所述的系统，进一步包含在所述第一蓄电池单元和所述第一电路与第二电路之间的第一开关，所述第一开关可操作用于在完成所述蓄电池的充电之后，减少所述蓄电池单元通过所述第一电路和第二电路的放电。
9.根据权利要求8所述的系统，进一步包含 用于监控所述第一蓄电池单元的电压的第三电路，其中，当所述充电电流被施加于所述蓄电池时，所述第三电路响应所述第一蓄电池单元的电压满足第五电压阈值而产生第二监控输出，其中所述第五电压阈值高于所述第三电压阈值；以及 在所述第一蓄电池单元和第三电路之间的第二开关，所述第二开关可操作用于在完成所述蓄电池的充电之后，减少所述蓄电池单元通过所述第三电路的放电。
10.根据权利要求8所述的系统，进一步包含 与所述第一蓄电池单元串联耦合的至少一个第二蓄电池单元； 耦合所述至少一个第二蓄电池单元以监控所述第二蓄电池单元的电压的第四电路，其中，当所述充电电流被施加于所述蓄电池时，所述第四电路响应所述至少一个第二蓄电池单元的电压满足第七电压阈值而发送至少一部分所述充电电流绕过所述至少一个第二蓄电池单元，以及其中所述第四电路响应所述至少一个第二蓄电池单元的电压满足所述第七电压阈值而建立第八电压阈值；以及 用于监控所述第二蓄电池单元的电压的第五电路，其中，当所述充电电流被施加于所述蓄电池时，所述第五电路响应所述至少一个第二蓄电池单元的电压满足第九电压阈值而产生第三监控输出，其中所述第九电压阈值高于所述第七电压阈值。
11.一种蓄电池单元电荷均衡方法，所述方法包含 在耦合多单元蓄电池的蓄电池单元的蓄电池电荷均衡电路接收充电电流； 当所述蓄电池单元的电压满足第一电压阈值时发送至少一部分所述充电电流离开所述蓄电池单元；以及 响应所述蓄电池单元的电压满足所述第一电压阈值而建立第二电压阈值，其中所述第二电压阈值低于所述第一电压阈值，以及其中当所述蓄电池单元的电压满足所述第二电压阈值时，发送所述充电电流离开所述蓄电池单元。
12.根据权利要求11所述的方法，其中通过修改所述蓄电池电荷均衡电路的分压器的分压比来建立所述第二电压阈值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述分压器的输出耦合基准电压装置，其中当所述第一电压阈值被满足时，所述基准电压装置能够使电流流动在第一电路通道中，以及其中在第一电路通道中的所述电流流动能够修改所述分压比并且能够从所述蓄电池单元发送至少所述部分充电电流。
14.根据权利要求11所述的方法，其中从所述蓄电池单元发送至少所述部分充电电流包含发送至少所述部分充电电流至旁路电路通道，该旁路电路通道从所述蓄电池单元分流至少所述部分充电电流。
15.根据权利要求11所述的方法，其中从所述蓄电池单元发送至少所述部分充电电流包含发送至少所述部分充电电流至监控输出。
16.根据权利要求11所述的方法，进一步包含在充电所述多单元蓄电池之后打开开关，其中打开所述开关减少所述蓄电池单元通过所述蓄电池单元电荷均衡电路的放电。
17.一种蓄电池单元电荷均衡装置，其包含 耦合蓄电池单元的基准电压装置，其中当所述蓄电池单元的电压满足第一电压阈值时，所述基准电压装置能够使电流流过第一电路通道； 耦合所述第一电路通道的第一切换装置，其中通过流过所述第一电路通道的电流激活所述第一切换装置，从而能够使电流流过第二电路通道，其中所述流过第二电路通道的电流引起建立第二电压阈值，其中所述第二电压阈值不同于所述第一电压阈值；以及 耦合所述第一电路通道的第二切换装置，其中通过流过所述第一电路通道的电流激活所述第二切换装置，从而激活第三电路通道，其中所述第三电路通道发送至少一部分充电电流离开所述蓄电池单元。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述基准电压装置包含高精度带隙基准电压源。
19.根据权利要求17所述的装置，其中在所述第一电压阈值被满足之前，所述基准电压装置的基准电压输入电耦合第一分压器，并且在所述第一电压阈值满被足之后和当所述第二电压阈值被满足时，所述基准电压装置的基准电压输入电耦合第二分压器。
20.根据权利要求17所述的装置，其中所述蓄电池单元包含锂离子蓄电池单元。
全文摘要
本发明提供蓄电池单元电荷均衡装置、系统和方法。具体方法包括在耦合多单元蓄电池的蓄电池单元的蓄电池电荷均衡电路接收充电电流。该方法还包括当蓄电池单元的电压满足第一电压阈值时，从蓄电池单元发送至少一部分充电电流。该方法进一步包括响应蓄电池单元的电压满足第一电压阈值而建立第二电压阈值。第二电压阈值低于第一电压阈值。当蓄电池单元的电压满足第二电压阈值时，从蓄电池单元发送充电电流。
文档编号H02J7/00GK102906932SQ201180025288
公开日2013年1月30日 申请日期2011年4月20日 优先权日2010年5月21日
发明者R·L·勃兰特, D·I·泰拉 申请人:波音公司