專利名稱：電池單元平衡電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及可再充電的電池組，更具體涉及用于平衡可再充電的電池組中串聯(lián)電池單元的電壓的電路。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今的大多數(shù)便攜電子設(shè)備，例如蜂窩電話、MP3播放器、尋呼機、無線電裝置和便攜電腦，都依賴于可再充電的電池來供電。盡管某些人可能將這些電源只是考慮為塑料包裝的單一的電池單元，這與事實相距甚遠。實際上，可再充電的電池組是復(fù)雜的裝置，其不僅包括電化學(xué)電池單元，還包括控制電路和復(fù)雜的機械組件。
可再充電電池內(nèi)的能量源是電化學(xué)電池單元。盡管某些設(shè)備，諸如蜂窩電話，可能使用具有一個電池單元的電池組，但其他設(shè)備，諸如筆記本電腦，通常都使用具有4、5或甚至6個或更多的電池單元的電池組。
當采用多個電池單元時，通常將它們串聯(lián)起來以增加電池組的整體輸出電壓。串聯(lián)電池單元由流過所有電池單元的單一電流充電。與串聯(lián)電池單元配置相關(guān)的一個問題被稱為“電池單元不平衡”。這會在串聯(lián)串中的一個電池單元比其他電池單元更快或更慢充電時發(fā)生。當其發(fā)生時，更快充電的電池單元比那些慢的電池單元更快充滿電。由于停止向已充滿電的電池單元充電的唯一方法是停止流經(jīng)串聯(lián)電池單元串的單一電流，所以整個充電過程就會在慢電池單元充滿電之前就結(jié)束了。這個不平衡的狀態(tài)影響了整個電池組的性能。
對于該不平衡問題的一種現(xiàn)有技術(shù)的解決方案是在串聯(lián)的每個電池單元周圍放置一個無源、開關(guān)旁路(例如晶體管)。當一個電池單元開始充電得比別的電池單元快時，開關(guān)使得電流繞過更快的電池單元，直到慢電池單元追上來。換言之，旁路開關(guān)停止對更快電池單元的充電，直到慢電池單元達到相同的電量，然后允許快電池單元開始繼續(xù)充電。如果快電池單元再次超出，旁路開關(guān)就再次停止充電，直到其他電池單元追上來。這個開始/停止、間歇過程一直繼續(xù)，直到電池組充滿電。
該現(xiàn)有技術(shù)的問題在于其效率太低。由于旁路開關(guān)的作用，某些電池單元被從充電路徑中取出，而讓其他電池單元追上來。結(jié)果，整個充電過程變得又長又慢。因此，需要一種改進的電池單元平衡電路來減少可再充電電池組的整體充電時間。


圖1說明了根據(jù)本發(fā)明的電池單元平衡電路的一個優(yōu)選實施例。
圖2說明了根據(jù)本發(fā)明的部分電池單元平衡電路的一個優(yōu)選實施例。
圖3說明了根據(jù)本發(fā)明的部分電池單元平衡電路的另一優(yōu)選實施例。
圖4說明了根據(jù)本發(fā)明的用于多個電池單元的電池單元平衡電路的一個優(yōu)選實施例。
圖5說明了根據(jù)本發(fā)明的用于多個電池單元的部分電池單元平衡電路的一個優(yōu)選實施例。
圖6和7是根據(jù)本發(fā)明的電池單元平衡電路的示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。參看附圖，相同的標號指示相似的元件。如這里在說明書和權(quán)利要求中所使用的，下面的術(shù)語在此取明顯關(guān)聯(lián)的意思，除非文中明確指出相反“a”、“an”和“the”的意思包括多個參考量，“in”(在……內(nèi)或在……中)包括“in”和“on”(在……上)。
本發(fā)明提供了一種有源電池單元平衡電路，其可以在電池組中使用，該電池組能夠流出(source)或流入(sink)電流到串聯(lián)電池單元之間的節(jié)點，由此平衡充電而不需要從整個充電過程中去除任何電池單元。實際上，電路對慢電池單元較快地充電，對快電池單元較慢充電，由此增加了充電過程的整體效率，而不會把電池單元從系統(tǒng)中去除。由于所有電池單元都在整個過程中一直充電，所以減少了整體充電時間。
本發(fā)明的一個實施例采用運算放大器來進行基本平衡功能。運算放大器監(jiān)控和比較串聯(lián)電池單元的電壓與串聯(lián)電池單元上的平均電壓。(可以建立平均電壓，例如，通過串聯(lián)電池單元上的分壓器。)在一個優(yōu)選實施例中，運算放大器設(shè)置為單位增益配置，能夠使電流流出或流入到電池單元之間的中點節(jié)點，從而在充電過程中保持電池單元平衡。
當整體電池單元電壓超過電池單元間中點節(jié)點的電壓時，電流從運算放大器中流出到中點節(jié)點。這個流出導(dǎo)致下電池單元比上電池單元更快速充電。當平均電池單元電壓降到低于電池單元間電壓時，電流從中點節(jié)點流入運算放大器，由此減緩了上電池單元的整體充電速率。
在本發(fā)明另一實施例中，提供了電池單元的“部分”平衡。這樣的部分電池單元平衡電路在電池組包括分別的端子用于充電器和負載、或者在需要高效能量存儲的時候是所希望的。在部分平衡配置中，運算放大器的電力是由串聯(lián)電池單元上的電壓提供的。然后，加入可選的阻塞二極管，從而阻止電池單元對充電器放電。包括晶體管開關(guān)，從而在沒有充電器連接到電池組時關(guān)閉運算放大器。這樣，平衡電路只在連接了充電器的時候才工作。而在僅連接負載的時候關(guān)閉平衡電路，由此擴展了負載可利用的電池容量。正是這個關(guān)閉操作帶來了平衡的“部分”特性。平衡只在充電過程中發(fā)生。
盡管這里的某些討論涉及的是兩電池單元電池(出于簡化的目的)，但是，任何實施例都可能擴展到在具有3、4或更多電池單元的應(yīng)用中使用。這將會參考圖4和5進行進一步討論。
現(xiàn)在先來看圖1，這里示出的是根據(jù)本發(fā)明的兩電池單元平衡電路100的一個優(yōu)選實施例。在這個具體實施例中，兩個電池單元102、103串聯(lián)起來，二者之間是中點節(jié)點105。提供一對端子109、110，其可以連接到充電器和/或負載。這兩個串聯(lián)的電池單元102、103提供了比單一電池單元更高的輸出電壓給端子109、110。
具有輸入112和輸出113的有源電路111確保電池單元102、103在整個充電過程中保持平衡。在本實施例中，電路111包括運算放大器(或op-amp)104，能夠流出或流入電流(按需要)以保持電池單元102、103平衡。輸出113通過可選的串聯(lián)電流限制電阻108連接到中點節(jié)點105。盡管優(yōu)選采用運算放大器(因為其的低成本和魯棒性)，從本公開中獲益的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該明白，可以替代以其他的器件，比如比較器和壓控電流源。
通過兩個電池單元102、103上連接的分壓器114在輸入112建立參考電壓。在其最簡單形式中，分壓器114包括具有兩個串聯(lián)電阻106、107的電阻分壓器。在一個優(yōu)選實施例中，分壓器通過采用具有相同阻抗的電阻106、107而將整個的電池單元電壓通常分成兩半(忽略元件的容差)。其他的參考電壓，當然可以通過變化電阻106、107的阻抗而建立。例如，如果使用了不同化學(xué)性質(zhì)的電池單元，它們可能具有不同的端接電壓。在這種情況下，電阻將具有不同的阻抗。
在任何情況中，參考電壓將是電池單元上電壓的劃分。對于相同類型的電池單元，參考電壓將優(yōu)選在串聯(lián)電池單元的整體電壓的40-60％之間?；蛘哌@么說，為了保持電池單元均衡充電，優(yōu)選地，電阻106、107的值相互之間在10％之內(nèi)。參考電壓正比于電池單元102、103上的電壓，因為當電池單元上的電壓成對增加時，參考電壓也增加，反之亦然。
當節(jié)點112上的參考電壓超過中點節(jié)點105上的電壓時，輸出113使電流流出到中點節(jié)點105。這樣流出電流使得流經(jīng)電池單元103的電流比流經(jīng)電池單元102的電流大，由此電池單元103比電池單元102更快地充電。實際上，當電池單元103上的電壓降到電池單元102上電壓以下時，對電池單元103增加電流以幫助其“追上”電池單元102。
當中點節(jié)點105上的電壓超過節(jié)點112上的參考電壓時，輸出113從中點節(jié)點105流入電流，由此使得流經(jīng)電池單元103的電流小于流經(jīng)電池單元102的電流。凈結(jié)果是電池單元103仍舊充電，但充電速度比電池單元102慢，由此允許電池單元102追上電池單元103。
檢查圖1的運算放大器104，在本實施例中，運算放大器104連接為單位增益配置。從本公開中獲益的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將明白，非單位增益也可用于增加或減少流出到中點節(jié)點105或從中點節(jié)點105流入的電流。運算放大器104具有反相輸入116、正相輸入115和輸出113，將節(jié)點112的參考電壓連接到正相輸入115。輸出113連接到反相輸入116，使得運算放大器將工作以確保中點節(jié)點105上的電壓保持與節(jié)點112上的參考電壓的均衡。
運算放大器104工作需要電力。這個電力是通過運算放大器的電源節(jié)點117和返回節(jié)點118供應(yīng)的。電源節(jié)點117連接到電池單元102的陰極，返回節(jié)點118連接到電池單元103的負極端子或者陽極?；蛘哌@么說，對于兩個電池單元的電池單元對，返回節(jié)點連接到兩個電池單元之一的陽極，特別地，是沒有連接到中點節(jié)點105的陽極(即，電池單元103的陽極)。
如前一段所述，運算放大器工作需要電力。由于有時除了負載以外沒有其他的器件會從電池單元中用電，因此在沒有連接充電器時可以有利地去激活(deactivate)電池單元平衡電路，以最大化整個電池組的電池容量?，F(xiàn)在再看圖2，圖中示出了部分電池單元平衡電路的一個實施例。
圖2的電路200在布局和功能上類似于圖1(電路100)，包括相同的元件，并有所增添。如電路100，兩個電池單元102、103在中點節(jié)點105相連。運算放大器104通過確保電阻106和107所建立的節(jié)點112上的參考電壓保持與中點節(jié)點105上的電壓均衡而提供電池單元平衡功能。這個均衡是通過運算放大器的使電流流出和流入到中點節(jié)點105的能力所維持的。
為了確保電池單元平衡電路111只在連接了充電器時可工作，對電路200增加了兩個開關(guān)219、220。當電源連接到電池組時，開關(guān)219接近于提供電力給運算放大器104。開關(guān)220也接近于允許電流流出到中點節(jié)點105以及從中點節(jié)點105流入。當去除充電器時，開關(guān)219和220斷開，由此中斷了電池單元平衡電路111與電池單元102、103的連接。
盡管圖2的理想開關(guān)219、220在沒有充電器的情況下阻止平衡電路111從電池單元102、103中用電，但實際上，某些漏泄電流可能阻止開關(guān)的實現(xiàn)。例如，如果使用MOSFET晶體管作為開關(guān)219、220，從源極到漏極就會出現(xiàn)寄生二極管，這是制造過程中所固有的。此外，真實的運算放大器集成電路可以具有內(nèi)部器件，例如，防止靜電放電的危害，其可能允許漏泄電流的流動。如果電池單元中儲存的所有電力都必須提供給負載的話，可使用額外的元件來確保平衡電路完全斷開與電池單元的連接。這些額外的元件在圖3中示出。
參看圖3，其中示出了電池單元平衡電路300，其確保有源電路311在不存在充電器時斷開與電池單元的連接。除了圖2中所示的開關(guān)219、220之外，一對可選的二極管321、322確保運算放大器104不會在沒有充電器的情況下耗電。
圖3的電路300與圖2的電路200的另一不同之處在于端子的數(shù)量。電路300包括第一對端子323、324，用于充電設(shè)備，以及第二對端子325、326，用于負載?？蛇x的阻塞二極管321確保電池單元102、103不會通過充電端子323、324放電?？蛇x的阻塞二極管322確保不會有電流從中點節(jié)點105、通過開關(guān)220的寄生二極管、流入到比較器的輸出113、流出電源節(jié)點217、通過開關(guān)219的寄生二極管、流到電源端子323。
現(xiàn)在參看圖4，示出了電池單元平衡電路400，其調(diào)整為兩個以上的電池單元。如圖2的討論所述，示例的兩電池單元實施例可以擴展到適應(yīng)任何數(shù)量的電池單元。電路400示出了電路200的一個這樣的擴展。
第一有源電路401監(jiān)控電池單元404、405的平衡。第二有源電路402監(jiān)控電池單元405、406的平衡。一個有源電路到一對電池單元的這樣的配置擴展到用于所需數(shù)量的電池單元。例如，如果電池單元407是串中的第N個電池單元，則有源電路403將監(jiān)控電池單元407和第N-1個電池單元的平衡。有源電路的工作與圖2的電路200相同。對于電池單元的均衡平衡需要注意，電阻408-411應(yīng)該具有相等的電阻值。實驗測試顯示，1MΩ的電阻工作得很好，因為它們將建立參考電壓所需的電流保持為較小。
注意到，有源電路401、402、403的電源節(jié)點412、413、414可以都連接到電池單元棧電壓，其出現(xiàn)在節(jié)點415。另外，電源節(jié)點412、413、414還可以只連接到它們平衡的那些電池單元上。例如，由于有源電路402監(jiān)控電池單元405和406，電源節(jié)點413可以連接到節(jié)點416，而不是節(jié)點415。將電源節(jié)點僅連接到其所平衡的電池單元上的優(yōu)點在于可以使用低電壓運算放大器，其價格更加低廉。
現(xiàn)在參看圖5，示出了施加到具有兩個以上電池單元的電池組的部分電池單元平衡電路。有源電路501、502、503監(jiān)控和平衡電池單元504、505、506、507。如圖3的電路，開關(guān)512、513、514確保有源電路501、502、503的輸出在不存在充電器的時候與電池單元504、505、506、507斷開連接。類似地，二極管開關(guān)組合509、510、511確保有源電路501、502、503在沒有充電器的情況下不會從電池單元504、505、506、507中耗電。阻塞二極管508防止電池單元通過充電端子520、521放電。如圖4的電路，圖5中的電源端子，例如端子518、519，可以連接到位于電池單元棧頂部的電壓，或者連接到對應(yīng)有源電路(例如502、503)所監(jiān)控和平衡的電池單元上的電壓。
現(xiàn)在參看圖6，這里示出了仿真中測試的電池單元平衡電路。電池單元602、603在中點節(jié)點605相連接。運算放大器，例如德州儀器制造的TLV2401，具有反相輸入616、正相輸入615、輸出613、電源節(jié)點617和地節(jié)點618，連接到電池單元602、603。這樣的配置使得正相輸入615連接到節(jié)點612的參考電壓，該參考電壓由電阻606、607所建立，輸出613連接到中點節(jié)點605。反饋連接627包括連接在反相輸入616和輸出613之間的電阻，配置運算放大器604為單位增益配置。運算放大器604使電流流出到中點節(jié)點605以及從中點節(jié)點605流入，從而保持節(jié)點612的參考電壓與中點節(jié)點605的電壓的均衡。
現(xiàn)在參看圖7，這里示出了類似于圖3的電路300的部分平衡電路，其在實驗室中構(gòu)建并測試。兩個電池單元702、703在中點節(jié)點705連接在一起。運算放大器704，諸如國家半導(dǎo)體(NationalSemiconductor)制造的LM321，配置為圖6的運算放大器604，并以相同方式起作用。
為了確保運算放大器704在沒有充電器的情況下與電池單元斷開連接，MOSFET開關(guān)719和720分別串聯(lián)運算放大器的電源節(jié)點717和運算放大器704的輸出713。為了阻塞任何漏泄電流，阻塞二極管722和730分別連接到開關(guān)719和720。二極管721確保電池單元702、703不會通過充電端子723、724放電。
盡管示出和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但應(yīng)該清楚地認識到，本發(fā)明并不僅限于此。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進行許多修改、變化、變形、替換和等價，而不會背離由權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種電池單元平衡電路，包括a.至少兩個電池單元，其中，所述至少兩個電池單元在中點節(jié)點相連接；b.具有輸入和輸出的電路，其中，所述輸出能夠使電流流出或流入，進一步地，其中，所述輸出連接到中點節(jié)點；和c.連接到所述輸入的參考電壓；其中，所述參考電壓與所述至少兩個電池單元上的電壓成正比；進一步地，其中，當所述參考電壓超過中點節(jié)點上的電壓時，所述輸出使電流流出；進一步地，其中，當中點節(jié)點上的電壓超過所述參考電壓時，所述輸出使電流流入。
2.如權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述參考電壓在所述至少兩個電池單元上的電壓的40％到60％之間。
3.如權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述具有輸入和輸出的電路是從下面構(gòu)成的組中選取的放大器、比較器、壓控電流源。
4.如權(quán)利要求3所述的電路，其中，所述具有輸入和輸出的電路包括具有正相輸入、反相輸入的放大器，其中，所述正相輸入連接到所述參考電壓。
5.如權(quán)利要求4所述的電路，其中，在所述反相輸入和所述輸出之間串聯(lián)電阻。
6.如權(quán)利要求3所述的電路，其中，所述具有輸入和輸出的電路包括具有電源節(jié)點和返回節(jié)點的放大器，其中，所述返回節(jié)點連接到所述至少兩個電池單元之一的負極端子，該負極端子沒有連接到中點節(jié)點。
7.如權(quán)利要求1所述的電路，其中，在所述輸出和所述中點節(jié)點之間串聯(lián)電阻。
8.一種電池單元平衡電路，包括a.至少兩個電池單元，每個電池單元具有陽極和陰極，其中，所述至少兩個電池單元串聯(lián)起來，使得第一電池單元的陽極在中點節(jié)點電連接到第二電池單元的陰極；b.具有至少一個輸入和至少一個輸出的放大器，其中，所述至少一個輸出連接到中點節(jié)點；和c.連接在所述至少兩個電池單元上的分壓器，所述分壓器具有連接到所述至少一個輸入的分壓；其中，當所述分壓超過中點節(jié)點的電壓時，所述放大器使電流流出；進一步地，其中，當中點節(jié)點上的分壓超過參考電壓時，所述放大器使電流流入。
9.如權(quán)利要求8所述的電路，其中，所述分壓器包括至少兩個串聯(lián)的電阻。
10.如權(quán)利要求9所述的電路，其中，所述兩個串聯(lián)的電阻具有的阻抗值彼此之間在10％以內(nèi)。
11.如權(quán)利要求8所述的電路，其中，所述放大器配置為單位增益配置。
12.如權(quán)利要求8所述的電路，其中，所述放大器包括反相輸入和正相輸入，在所述反相輸入和所述至少一個輸出之間連接電阻。
13.如權(quán)利要求8所述的電路，其中，在所述至少一個輸出和所述中點節(jié)點之間連接電阻。
14.一種包括如權(quán)利要求8所述的電路的電池組。
15.如權(quán)利要求8所述的電路，其中，所述放大器包括電源節(jié)點和返回節(jié)點，其中，所述返回節(jié)點連接到所述第二電池單元的陽極。
16.如權(quán)利要求15所述的電路，其中，所述電源節(jié)點連接到所述第一電池單元的陰極。
17.一種電池組，包括a.在中點節(jié)點連接在一起的至少兩個電池單元；b.連接到所述至少兩個電池單元的有源電路，所述有源電路能夠使電流流出到中點節(jié)點，或者使電流從中點節(jié)點流入；和c.連接到所述有源電路的縮放電壓，其中，所述縮放電壓與所述至少兩個電池單元上的電壓成正比；其中，當所述縮放電壓高于中點節(jié)點上的電壓時，有源電路使電流流出；進一步地，其中，當所述縮放電壓低于中點節(jié)點上的電壓時，有源電路使電流流入。
18.如權(quán)利要求17所述的電路，其中，所述縮放電壓是由電阻分壓器生成的。
19.如權(quán)利要求17所述的電路，其中，所述有源電路包括具有電源節(jié)點和返回節(jié)點的放大器，其中，所述返回節(jié)點連接到其陰極連接到中點節(jié)點的電池單元的陽極。
全文摘要
一種電池單元平衡電路，監(jiān)控串聯(lián)的電池單元之間的電壓，并且將其與參考電壓相比較。通過比較，電池單元平衡電路使電流流出到可再充電的電池單元之間的中點節(jié)點，或使電流從其流入。在一個優(yōu)選實施例中，電池單元平衡電路包括運算放大器，連接為單位增益配置。分壓器建立與兩個電池單元的平均電壓相等的參考電壓。運算放大器將該電壓與在中點節(jié)點測量的電壓相比較。當平均電壓超過中點節(jié)點上的電壓時，運算放大器使電流流出到中點節(jié)點。當平均電壓降低到中點節(jié)點電壓之下時，運算放大器使電流從中點節(jié)點流入。通過使電流流出或流入，電池單元平衡電路允許充電較慢的電池單元追上更快充滿電的電池單元。
文檔編號H02J7/00GK1707903SQ20051007497
公開日2005年12月14日 申請日期2005年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月5日
發(fā)明者米夏埃爾·D·杰倫, 約翰·W·奧格爾斯比, 約翰·E·赫爾曼, 斯特凡妮·E·史密斯, 羅格·L·博耶爾 申請人:摩托羅拉公司