用于均衡電壓的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及為多單元電池(mult1-cell battery)提供單元均衡的電路。
【背景技術(shù)】
[0002]由多于一個的串聯(lián)連接的鋰離子單元組成的鋰離子電池組常被用在諸如筆記本電腦、無繩電力工具、電動車輛、無間斷電源等應(yīng)用中。用于這類電池組的電池管理電路(通常為集成電路(IC))的重要功能是管理單元均衡，這對于整個電池組容量和運行時間來說是重要的。單元均衡是使電池組中的每個單個單元兩端的電壓匹配的過程。失衡的單元會導(dǎo)致過早的充電終止、提早放電終止或者由于在最佳單元電壓限制之上或之下循環(huán)而導(dǎo)致的其他單元濫用。
[0003]許多因素會導(dǎo)致單元失衡，例如單元間的容量失配、充電狀態(tài)差異、單元阻抗變化、溫度梯度以及在高放電速率時的單元自熱。已經(jīng)開發(fā)出各種方法和算法來均衡多單元電池組中的單元，以便達到最佳性能。例如，無源(“泄放”)均衡通過在旁路功率電阻器和開關(guān)(通常為場效應(yīng)晶體管(FET))中將能量轉(zhuǎn)化成熱量來繞開單元分流能量，而電荷洗牌(charge shuffling)方法在單元之間容性地重新分配能量。
[0004]每種單元均衡方法具有其自己的優(yōu)點和缺點。無源均衡通常被認為是最廉價的方式，因為它不需要分立的電容器或電感器。雖然過多的能量作為熱量被基本浪費掉，但是均衡控制算法是相對簡單的，并且在許多情況下，由于其在硬件和軟件/固件方面成本低，因此仍然是可選擇的方法。在其他單元均衡方案中，可以采用外部晶體管網(wǎng)絡(luò)來均衡單元兩端的電壓，然而，這類外部網(wǎng)絡(luò)要求額外的集成電路控制管腳來操作晶體管，這會導(dǎo)致電路成本增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]公開了為多單元應(yīng)用提供電壓單元均衡的系統(tǒng)和方法。
[0006]在一個示例中，提供了一種提供電壓單元均衡的電路。該電路包括單元均衡網(wǎng)絡(luò)，其包括分開的切換電路，每個切換電路被配置為基于相應(yīng)的切換控制信號均衡多個電壓單元中的相應(yīng)單元的相應(yīng)單元電壓?？刂齐娐钒ǘ鄠€電流源，多個電流源中的每一個選擇性地連接到分開的切換電路中的相應(yīng)一個，以獨立地控制單元均衡網(wǎng)絡(luò)中的每一個分開的切換電路的操作，從而均衡多個電壓單元兩端的電壓。
[0007]在另一示例中，電路包括單元均衡網(wǎng)絡(luò)，其包括分開的切換電路，每個切換電路被配置為基于相應(yīng)的切換控制信號均衡多個電壓單元中的相應(yīng)單元的單元電壓。該電路包括控制電路，其被連接以提供從多個電壓單元中的每一個到控制電路的相應(yīng)單元輸入的電流路徑，以便均衡多個電壓單元兩端的電壓，控制電路的每一個相應(yīng)單元輸入進一步提供相應(yīng)的切換控制信號，以獨立地控制單元均衡網(wǎng)絡(luò)中的每一個分開的切換電路的操作。該電路還包括自適應(yīng)鉗位電路，其被連接在每對相鄰的單元輸入之間，每個自適應(yīng)鉗位電路被配置為將過多的電流分流，以便當一對相鄰的單元輸入中的另一個正在均衡時，抑制分開的切換電路中耦合到該對相鄰的單元輸入的一個切換電路的意外激活。
[0008]在又一示例中，方法包括基于相應(yīng)的切換控制信號均衡多個電壓單元中的相應(yīng)單元的單元電壓。該方法包括提供從多個電壓單元中的每一個到控制電路的相應(yīng)單元輸入的電流路徑，以均衡多個電壓單元兩端的電壓，控制電路的每一個相應(yīng)單元輸入進一步提供相應(yīng)的切換控制信號，以獨立地控制單元均衡網(wǎng)絡(luò)中的每一個分開的切換電路的操作。該方法還包括通過將過多的電流分流，動態(tài)地鉗位每一對相鄰的單元輸入，以便當一對相鄰的單元輸入中的另一個正在均衡時，抑制分開的切換電路中耦合到該對相鄰的單元輸入的一個切換電路的意外激活。
【附圖說明】
[0009]圖1示出用于多單元電壓應(yīng)用的單元均衡電路。
[0010]圖2示出采用了外部切換部件來均衡電壓單元兩端的電壓的示例均衡電路。
[0011]圖3示出采用了外部PMOS切換部件和自適應(yīng)鉗位電路來均衡電壓單元兩端的電壓的示例均衡電路。
[0012]圖4示出采用了外部NMOS切換部件和自適應(yīng)鉗位電路來均衡電壓單元兩端的電壓的示例均衡電路。
[0013]圖5示出用于多單元電壓應(yīng)用的單元均衡方法。
【具體實施方式】
[0014]圖1示出用于多單元應(yīng)用的單元均衡電路100。單元均衡電路100可以被用于均衡多個電壓單元110兩端的電壓，多個電壓單元110被示為單元I到單元N，其中N是正整數(shù)。如在此使用的，術(shù)語“電壓單元”可以指代在兩端能夠產(chǎn)生電壓的基本上任何類型的部件或電路位置。在一個電壓單元示例中，電池可以用作電壓單元。在另一單元示例中，一個或多個電阻器可以用作單元。其他的示例包括單個或多個電容器電路、二極管電路、晶體管電路等。電壓單元也可以包括諸如能夠產(chǎn)生電壓并且可以根據(jù)本文所述的系統(tǒng)和方法進行均衡的電阻器/電容器網(wǎng)絡(luò)或半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)的電路組合。
[0015]單元均衡電路包括單元均衡網(wǎng)絡(luò)120，其包括分開的切換電路I到M，其中M是正整數(shù)，其中每個切換電路可以被配置為基于在參考編號122到128處示出的相應(yīng)的切換控制信號來均衡多個電壓單元110中的每一個電壓單元兩端的電壓。每個控制信號122-128也可以操作為輸入以提供電流路徑(例如，灌入(sink)或抽出(source))，該電流路徑從電壓單元110汲取電流，以便均衡各單元兩端的電壓。如在此使用的，電流路徑可以由沉(sink)電路或源(source)電路提供，其在下面更加詳細地說明和描述。通過利用控制信號122-128作為激活單元均衡網(wǎng)絡(luò)120中的切換電路的輸出控制并且作為從電壓單元110汲取電流的輸入，可以減少操作單元均衡網(wǎng)絡(luò)120的控制電路集成電路(IC) 130上的連接管腳。通過減少控制電路130上的管腳，可以減輕電路的復(fù)雜度和成本。
[0016]控制電路130可以被連接為經(jīng)由電流路徑1-S從多個電壓單元110中的每一個電壓單元汲取電流，其中S是正整數(shù)。如所示，控制器140可以操作切換算法和/或硬接線的控制電路來操作電流路徑1-S。控制電路140通過經(jīng)由電流路徑1-S以并行的方式(concurrent manner)從電壓單元110中的一個或多個汲取電流，以此來均衡多個電壓單元110兩端的電壓，其中控制電路130的每一個相應(yīng)的單元輸入進一步提供相應(yīng)的切換控制信號122-128，以獨立地控制單元均衡網(wǎng)絡(luò)120的每個分開的切換電路1-M的操作。
[0017]如在此使用的，術(shù)語“控制器”可以是操作固件以控制電流路徑1-S和控制信號122-128的操作的處理器。在另一示例中，控制器140可以是硬接線的功能件，其中專用邏輯和切換元件控制電流路徑1-S和控制信號122-128。在又一示例中，已編程元件和電路邏輯元件的組合可以協(xié)同操作以執(zhí)行控制器140的操作。
[0018]應(yīng)當指出，在此所描述的示例可以經(jīng)由不同的模擬和/或數(shù)字電路實施方式來提供，這些實施方式包括集成電路實施方式和/或分立電路實施方式。例如，在某些情況下可以采用場效應(yīng)晶體管，而在其他情況下可以采用結(jié)型晶體管或二極管。一些控制部件可以被用作分立電路實施方式或集成電路實施方式，例如將參考信號與控制信號進行比較的比較器，而在其他示例中，例如經(jīng)由處理器指令進行操作并且經(jīng)由D/A和A/D轉(zhuǎn)換器交換數(shù)據(jù)的控制器可以被用來監(jiān)測參考電壓并且生成電路100內(nèi)的控制信號。在此所描述的所有或部分示例電路可以