專利名稱：用于監(jiān)控和平衡電池組中的電池的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于操作電池組的方法和系統(tǒng)，更具體地，涉及以增 強(qiáng)性能、壽命和安全性的方式來操作在電動車應(yīng)用中被深度循環(huán)的電 池組。
背景技術(shù)：
在本領(lǐng)域中操作電池組的方式能夠明顯地影響其性能、壽命和安 全性。這個(gè)所關(guān)注的點(diǎn)尤其與要求高的應(yīng)用(例如，在電動車中的使 用)有關(guān)。
舉例來說，考慮由串聯(lián)連接在一起的許多鋰電池形成的電池組。 如果其中的一個(gè)電池的兩端的電壓在;^文電期間降到預(yù)定閾值(典型地 為三伏)以下或者在充電期間上升到預(yù)定閾值(典型地為4.2伏)以上 的話，鋰電池組的壽命急劇下降。為此，仔細(xì)地監(jiān)控電池電壓并且進(jìn) 行測量以便將電池電壓維持在特定范圍內(nèi)是非常重要的。
進(jìn)一步使問題復(fù)雜化的是，鋰電池中的制造缺陷導(dǎo)致一些電池不 能保持與其它表面上同樣的電池一樣多的電荷。為此，當(dāng)許多鋰電池 被串聯(lián)連接在一起時(shí)，有缺陷的電池比其它電池放電更快并且因此是 在放電期間第一個(gè)達(dá)到上述下閾值的。這樣的有缺陷的電池通常也是 在充電期間第一個(gè)達(dá)到上闊值的。電池之間這樣的不均衡限制了電池 組工作的有效范圍，除非在電池組工作期間電荷被再平衡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于監(jiān)控一個(gè)或多個(gè)電池組的電池電壓和用于平衡 電池組內(nèi)的電池的方法和系統(tǒng)。這樣的功能可以被合適地提供在單個(gè) 監(jiān)控和平衡系統(tǒng)中，該系統(tǒng)適于與現(xiàn)有的外部控制系統(tǒng)通過接口連 接，而同時(shí)將該外部控制系統(tǒng)與被監(jiān)控和平衡的電池隔離。用單個(gè)裝 置組件(例如，印刷電路板)來監(jiān)控和平衡減少了電學(xué)系統(tǒng)內(nèi)所需的 互連的數(shù)量。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了 一種通過可利用模擬輸入和數(shù)字 輸入的主系統(tǒng)控制器來監(jiān)控和平衡由電池(例如，鋰電池)串聯(lián)連接 所形成的電池組的方式。在一個(gè)實(shí)施例中，這樣的控制器包括已經(jīng)在 電動車中被使用的主系統(tǒng)控制器。
通常，具有2"個(gè)電池的電池組能夠利用n個(gè)數(shù)字控制信號在單個(gè) 模擬輸入上被監(jiān)控。這可以通過引導(dǎo)2n個(gè)電池電壓中的每一個(gè)經(jīng)過由 n個(gè)數(shù)字輸入所控制的多路復(fù)用器來實(shí)現(xiàn)。類似地，能夠用在系統(tǒng)控 制器上為每一個(gè)附加的電池組添加一個(gè)自由模擬輸入來監(jiān)控附加的 電池組。
在一個(gè)實(shí)施例中，代表各個(gè)電池溫度的信號也被提供到系統(tǒng)控制 器。在示例性實(shí)施例中，熱敏電阻被用來產(chǎn)生溫度相關(guān)的信號，然而 也可以使用本領(lǐng)域中已知的其它溫度到電學(xué)的轉(zhuǎn)換器。來自多個(gè)電池 的溫度信號可以例如通過時(shí)分復(fù)用，在車輛控制器上的單個(gè)模擬輸入 上被傳送。
在所述實(shí)施例中，在車輛主系統(tǒng)控制器與電池組之間需要非直接 的、不被隔離的連接。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，提供了 一種電池平衡和被隔離的監(jiān)控的 系統(tǒng)，用于由被串聯(lián)地串在一起的多個(gè)電池的多個(gè)模塊形成的電池 組。在系統(tǒng)的監(jiān)控一側(cè)上的每一個(gè)通道(channel)都監(jiān)控例如八個(gè)電 池才莫塊并且由在雙(分離)電源(split supply )上工作的低導(dǎo)通電阻 的差分多路復(fù)用器、電阻分壓器、隔離放大器、被隔離的DC到DC的 轉(zhuǎn)換器以及用于阻抗匹配的輸出運(yùn)算放大器組成。每一個(gè)平衡模塊都執(zhí)行使兩個(gè)串聯(lián)連接的電池塊平衡、允許多至500 mA的電流移動 (shuffling)，并且具有兩個(gè)齊納二極管、運(yùn)算放大器、兩個(gè)晶體管 和四個(gè)電阻器。
在一些實(shí)施例中，監(jiān)控系統(tǒng)與電池組隔離使得電池電壓能夠被安 全地發(fā)送到外部控制單元而不用將該控制單元連接到電池的地 (ground)。這樣的隔離可以例如用光隔離器、光敏晶體管或用于改 進(jìn)的精確度和線性的基于電流的隔離放大器、或者其組合來實(shí)現(xiàn)。
在一些實(shí)施例中，電池平衡電路被配置為阻擋最接近被斷開電池 的電池放電并且通常提供防止過充電和放電的保護(hù)。
在一些實(shí)施例中，監(jiān)控系統(tǒng)包括作為精確裝置的低導(dǎo)通電阻的差 分多路復(fù)用器，以監(jiān)控電壓并且允許在監(jiān)控中從電池到電池的快速轉(zhuǎn) 換，用于快速識別被短路或被斷開的電池。
在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括熱敏電阻輸入，使得能夠監(jiān)控臨界溫度。
在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括機(jī)載定時(shí)器電路來為用于電池電 壓監(jiān)控的差分多路復(fù)用器以及用于溫度監(jiān)控的多路復(fù)用器產(chǎn)生選擇 信號。
在一個(gè)方面中，系統(tǒng)是用于平衡一個(gè)或多個(gè)電池組內(nèi)的能量供應(yīng) 裝置的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一組串聯(lián)電連接的N個(gè)能量供應(yīng)裝置， 其中N為大于1的整數(shù)。對于每一組N個(gè)能量供應(yīng)裝置，該系統(tǒng)包括用 于每相鄰的一對能量供應(yīng)裝置的平衡電路。該平衡電路調(diào)節(jié)存儲在該 相鄰的一對中的每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中的電荷，使得(i)該對中的第 一能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷基本與該對中的第二能量供應(yīng)裝置 相等，以及(ii)在每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷保持在預(yù)定 閾值以上。
在一個(gè)實(shí)施例中，平衡電路包括至少一個(gè)齊納二極管，用于將每 一個(gè)能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷維持在預(yù)定閾值以上。其它實(shí)施例
齊納二極管的相關(guān)特性。在另一實(shí)施例中，平衡電路包括被以背靠背配置的方式布置的一對齊納二極管，用于維持每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中 所存儲的電荷。
另一個(gè)實(shí)施例還包括電壓監(jiān)控模塊，用于順序地選擇每一個(gè)能量 供應(yīng)裝置并且在輸出端口處提供與所選的能量供應(yīng)裝置相關(guān)的電壓。 該電壓監(jiān)控模塊使用低導(dǎo)通電阻的差分多路復(fù)用器來選擇每一個(gè)能 量供應(yīng)裝置并且提供相關(guān)的電壓。
在另一實(shí)施例中，差分多路復(fù)用器由雙電源電路供電。在還一實(shí) 施例中，電壓監(jiān)控模塊提供能量供應(yīng)裝置與輸出端口之間的隔離。在 又一實(shí)施例中，隔離包括使用于多路復(fù)用器的選擇信號經(jīng)過光隔離 器，并且使與所選的能量供應(yīng)裝置相關(guān)的電壓經(jīng)過隔離放大器。
一個(gè)實(shí)施例還包括溫度監(jiān)控模塊，用于接收代表與該電池組以及 一個(gè)或多個(gè)其它電池組相關(guān)的溫度的信號，并且用于在輸出端口處選 擇性地提供所接收到的信號中的 一個(gè)。
在另 一實(shí)施例中，平衡電路和電壓監(jiān)控模塊被結(jié)合在單個(gè)印刷電 路板中。在又一實(shí)施例中，每一個(gè)能量供應(yīng)裝置為鋰電池。
在另一方面中，用于提供一個(gè)或多個(gè)電池組的被隔離的監(jiān)控以及
用于平衡該一個(gè)或多個(gè)電池組內(nèi)的能量供應(yīng)裝置的系統(tǒng)包括至少一 組串聯(lián)電連接的N個(gè)能量供應(yīng)裝置，其中N為大于1的整數(shù)。對于每一 組N個(gè)能量供應(yīng)裝置，該系統(tǒng)包括平衡模塊和電壓監(jiān)控模塊。該平衡 模塊包括用于每一對相鄰的能量供應(yīng)裝置的平衡電路。該平衡電路調(diào) 節(jié)存儲在該相鄰一對中的每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中的電荷，使得(i)該 對中的第一能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷基本與該對中的第二能量 供應(yīng)裝置相等，以及(ii)在每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷保 持在預(yù)定閾值以上。該電壓監(jiān)控模塊包括在雙電源上工作的差分多路 復(fù)用器，用于順序地選擇出現(xiàn)在多個(gè)輸入端口的能量供應(yīng)裝置中的每 一個(gè)并且在輸出端口處提供與所選的能量供應(yīng)裝置相關(guān)的電壓，其中 該差分多路復(fù)用器的特征在于從輸入端口到輸出端口的低導(dǎo)通電阻 路徑。該電壓監(jiān)控模塊也包括電阻分壓器，用于按比例變化(scale) 與所選的能量供應(yīng)裝置相關(guān)的電壓以產(chǎn)生按比例變化的電壓。該電壓監(jiān)控模塊還包括用于提供該按比例變化的電壓的被隔離形式的隔離
放大器、用于向隔離放大器的輸入側(cè)供電的被隔離的DC到DC轉(zhuǎn)換器 以及用于使該按比例變化的電壓與系統(tǒng)控制器阻抗匹配的輸出運(yùn)算 放大器。
在一個(gè)實(shí)施例中，平衡電路包括被以背靠背配置的方式布置的一 對齊納二極管，用于維持每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷。
一個(gè)實(shí)施例還包括運(yùn)算放大器以及堆疊的晶體管對，該運(yùn)算放大 器用于確定在相鄰的一對能量供應(yīng)裝置之間的電荷失衡的水平并且 產(chǎn)生對應(yīng)于該電荷失衡水平的誤差信號，該晶體管對被布置為根據(jù)該 誤差信號來重新分配該相鄰的一對能量供應(yīng)裝置的電荷。在另一實(shí)施 例中，差分多路復(fù)用器由雙電源電路供電。
另 一實(shí)施例還包括溫度監(jiān)控模塊，用于接收代表與該電池組以及 一個(gè)或多個(gè)其它電池模塊相關(guān)的溫度的信號，并且用于在輸出端口處 選擇性地提供所接收到的信號中的一個(gè)。在又一實(shí)施例中，每一個(gè)能 量供應(yīng)裝置為鋰電池。
另一方面包括一種平衡電池組內(nèi)的能量供應(yīng)裝置的方法，其中該 電池組包括一組串聯(lián)電連接的N個(gè)能量供應(yīng)裝置，N為大于l的整數(shù)。 該方法包括以下步驟對于電池組內(nèi)的每一對相鄰的能量供應(yīng)裝置， 調(diào)節(jié)存儲在該相鄰一對中的每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中的電荷，使得該對 中的能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷基本相等。該方法還包括將每一個(gè) 能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷維持在預(yù)定閾值以上的步驟。
另一實(shí)施例還包括用重新分配電路將相鄰的一對能量供應(yīng)裝置 之間的電荷進(jìn)行重新分配。該重新分配電路包括被以背靠背配置的方 式布置的一對齊納二極管，用于將每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中所存儲的電 荷維持在預(yù)定閾值以上。
一個(gè)實(shí)施例還包括用低導(dǎo)通電阻的差分多路復(fù)用器來順序地選 擇能量供應(yīng)裝置中的每一個(gè)，并且提供與所選的能量供應(yīng)裝置相關(guān)的 電壓。另一實(shí)施例還包括從雙電源電路向差分多路復(fù)用器供電。


在連同附圖一起閱讀時(shí)，從下面的描述中可以更充分地理解本發(fā)
明的前述和其它目的、其各種特征以及該發(fā)明本身，在附圖中
圖l示出了 一個(gè)框圖，該框圖示出了由一個(gè)或多個(gè)所述實(shí)施例所
提供的一般功能。
圖2示出了圖l的電壓監(jiān)控模塊的一個(gè)實(shí)施例。 圖3示出了用于向差分多路復(fù)用器供電的雙電源電路的細(xì)節(jié)。 圖4示出了兩條選擇線如何與多路復(fù)用器隔離的細(xì)節(jié)。 圖5示出了調(diào)整電路和隔離放大器的示例性實(shí)施例。 圖6示出了平衡模塊的平衡電路的細(xì)節(jié)。
圖7示出了用于電池監(jiān)控和平衡系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的溫度感測配置。
圖8示出了被集成到單個(gè)系統(tǒng)中的所述實(shí)施例的功能和模塊的實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例適于提供電池監(jiān)控、電池平衡或溫度監(jiān)控或者其 組合。所述實(shí)施例執(zhí)行所需的信號調(diào)整使得安全臨界的系統(tǒng)電壓和溫 度能夠安全地被發(fā)送到外部被隔離的車輛控制器，車輛控制器然后能 夠基于所接收的信息來作出安全臨界判定。
圖1是一個(gè)框圖，其示出了由一個(gè)或多個(gè)用于監(jiān)控和平衡電池組 的系統(tǒng)和方法的所述實(shí)施例所提供的一般功能。電池組102包括兩個(gè) 或更多的串聯(lián)連接的能量供應(yīng)裝置104 (例如，鋰電池)。
電壓監(jiān)控模塊106接收與每一個(gè)能量供應(yīng)裝置104相關(guān)的電壓信 息，調(diào)整并隔離該電壓信息并且經(jīng)由輸出端口向系統(tǒng)控制器108提供 電壓信息。系統(tǒng)控制器108在充電和放電期間評價(jià)每一個(gè)能量供應(yīng)裝 置104以確定任何單個(gè)的能量供應(yīng)裝置104是否處于潛在地?fù)p傷狀態(tài) 中。例如，在充電期間，單個(gè)電池可能達(dá)到或超過安全電壓水平，即 使總的電池組電壓仍然在安全水平之下。類似地，在放電期間，單個(gè)電池的電壓可能下降到最小安全閾值以下，即使總的電池組的電壓仍
在其最小安全閾值以上。當(dāng)系統(tǒng)控制器108檢測到單個(gè)電池電壓為不期望的值時(shí)系統(tǒng)控制器108停止對電池組102充電或放電。
平衡模塊110評價(jià)相鄰電池對的相對電壓水平并且在該相鄰的電池之間重新分配電荷以減輕這對電池電壓上的差別。如下面將更加詳細(xì)描述的，平衡模塊110包括用于防止一個(gè)電池在該電池對中的另一個(gè)被去掉或者被斷開的情況下的過度電池放電的功能。
溫度監(jiān)控模塊112接收對應(yīng)于電池組102的溫度的信息。溫度信息通常為由位于電池組內(nèi)的轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的電信號的形式，然而溫度信息可以采用本領(lǐng)域中已知的其它形式。溫度監(jiān)控模塊112向系統(tǒng)控制器108提供溫度信息。溫度監(jiān)控模塊也可以從其它電池組(未示出)接收溫度信息并向系統(tǒng)控制器108提供來自多個(gè)電池組的溫度信息。
下面的段落將描述圖1中所示出的組件。I.電池電壓監(jiān)控
圖2示出了電壓監(jiān)控模塊106的一個(gè)實(shí)施例，其測量八個(gè)電池的電池組102的電池電壓。這僅《又是示例性實(shí)施例，并且應(yīng)當(dāng)理解，在此所述的概念可以用于其它大小的電池組。
電壓監(jiān)控模塊106包括八通道的差分多路復(fù)用器120、雙電源電路122、產(chǎn)生選擇的定時(shí)器電路124、信號調(diào)整電路126和隔離放大器128。
差分多路復(fù)用器120接收八個(gè)信號對130,每一個(gè)都代表電池組102中的八個(gè)電池104中的一個(gè)兩端的電壓。出于清晰性考慮，在圖2中僅用附圖標(biāo)記指出了信號對130和電池104中的兩個(gè)。差分多路復(fù)用器120可靠地提供了從輸入到輸出的低的導(dǎo)通電阻，其增大了電池電壓測量的精確度，以及降低了由裝置制造工藝上的變化引起的對于校準(zhǔn)的要求。由使用低導(dǎo)通電阻的多路復(fù)用器而提供的被增大的精確度與現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相比允許快速隔離被短路或斷開的電池。在所述實(shí)施例中，差分多路復(fù)用器120為DG 407 CMOS模擬多路復(fù)用器裝置，其由例如加利福尼亞州Milpitas的Intersil的多家公司制造。差分多路復(fù)用器120從雙電源電路122接收雙電源電壓，圖3中示出了該雙電源電路的細(xì)節(jié)。使用雙電源是因?yàn)榕c用單端電源工作相比這樣做改進(jìn)了多路復(fù)用器120的精確度。雙電源使用電池組102中的八個(gè)電池104的串聯(lián)串(string)兩端的電壓降。具有近似于電池組102兩端電壓的一半的齊納電壓的齊納二極管將端子B處的電壓固定在端子A處的電壓與端子C處的電壓之間的中點(diǎn)處。因此，端子A提供多路復(fù)用器120的正的電壓軌道，端子C提供多路復(fù)用器120的負(fù)軌道，而端子B提供多路復(fù)用器120的接地參考。所述的示例性實(shí)施例具有串聯(lián)連接的八個(gè)電池的電池組，每一個(gè)電池都具有4伏的電壓，總的電池組的電壓為32伏。16伏的齊納二極管將端子A和端子B之間的電壓固定在16伏處且將端子B與端子C之間的電壓固定在16伏處。
產(chǎn)生選擇的定時(shí)器電路124 (SGTC)向多路復(fù)用器120提供選擇信號136。選擇信號136代表到選擇輸入132的所有可能輸入值的重復(fù)序列，由此循環(huán)地將來自電池組102的電池的信號對130中的每一個(gè)引到多路復(fù)用器120的輸出134。在一個(gè)實(shí)施例中，SGTC 124通過將一般的555定時(shí)器裝置的輸出引到具有至少三位的行波進(jìn)位加法器來產(chǎn)生選擇信號。SGTC 124也向系統(tǒng)控制器108提供選擇信號136使得系統(tǒng)控制器108相對于被監(jiān)控的電池104將是同步的。
為了將電池組102的不相容的(并且潛在損傷的)電壓與系統(tǒng)控制器108電隔離，SGTC 124用光隔離器調(diào)整選擇信號136。圖4示出了來自SGTC 124的兩條選擇線(SELO和SEL1)如何與多路復(fù)用器120隔離的細(xì)節(jié)。用于提供電隔離的本領(lǐng)域中已知的其它技術(shù)也可以初W吏用。
多路復(fù)用器120在多路復(fù)用器輸出134處呈現(xiàn)所選的電池電壓。所選的電池電壓在被呈現(xiàn)到隔離放大器128之前經(jīng)過信號調(diào)整電路126。信號調(diào)整電路126包括分壓器網(wǎng)絡(luò)，其按比例變化電池電壓以與隔離放大器128的輸入兼容。圖5示出了調(diào)整電路126和隔離放大器128的示例性實(shí)施例。在本實(shí)施例中的隔離放大器128為典型用于在電機(jī)驅(qū)動中電流感測的那種類型的。在所述實(shí)施例中，隔離放大器
128由兩個(gè)分開的電源供電。隔離放大器的輸入側(cè)用參考所選電池電壓的負(fù)的一側(cè)的電源電壓來供電，并且用被隔離的DC到DC的轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生。隔離放大器的輸出側(cè)用參考系統(tǒng)控制器的地的電源電壓供電。
圖5的基于電流的隔離放大器128提供了用在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中典型使用的線性光耦合器方案會缺乏的線性、穩(wěn)定性以及精確度。隔離放大器128的輸出參考與主系統(tǒng)控制器控制單元108相同的地。隔離放大器128的輸出去到運(yùn)算放大器電路140，該運(yùn)算放大器電路140執(zhí)行阻抗匹配并且提供大的增益以將電池電壓信號的幅度增大到適合于系統(tǒng)控制器108的水平。每一個(gè)八個(gè)串聯(lián)連接電池的模塊產(chǎn)生一個(gè)順序地對應(yīng)于電池組中每一個(gè)電池的成比例的輸出電壓。該輸出電壓與電池組102隔離，并且能夠被控制單元108安全地讀取和處理。II.電池平衡
使用之前放置有背靠背齊納二極管配置的比較器來實(shí)現(xiàn)電池平衡。圖6中示出了全平衡方案的示例性實(shí)施例。通常，平衡模塊IIO由幾個(gè)平衡電路111組成，該平衡電路111中的每一個(gè)平衡一對電池。圖6中示出了平衡電路lll中的一個(gè)。
通常，平衡模塊110內(nèi)的每一個(gè)平衡電路使用 一對相等的電阻器150以形成"一半"分壓器，其產(chǎn)生為電池對N和N+1兩端總電壓的一半的電壓參考152。通用目的運(yùn)算放大器741將參考電壓152與電池對N和N+l之間實(shí)際的中點(diǎn)電壓154進(jìn)行比較，并且使用所產(chǎn)生的作為結(jié)果的誤差信號156來驅(qū)動堆疊的晶體管對158。如果中點(diǎn)電壓154不等于參考電壓152，則誤差信號156是非零的。如果誤差信號156是非零的，則它驅(qū)動該晶體管對中的一個(gè)導(dǎo)通。運(yùn)行的晶體管調(diào)節(jié)電池對中的一個(gè)中的電荷直到中點(diǎn)電壓等于該電池對兩端總電壓的一半，由此將誤差信號減少到零并關(guān)斷該運(yùn)行的晶體管。
許多傳統(tǒng)的基于比較器的平衡系統(tǒng)在電池與平衡電路斷開連接時(shí)會出現(xiàn)問題。被斷開的電池通常導(dǎo)致要與該被斷開電池平衡的那個(gè)電池放電。該放電又導(dǎo)致在該串聯(lián)串中的下一個(gè)電池放電等等。所以如果一串傳統(tǒng)平衡器被連接到電池組則會發(fā)生連鎖反應(yīng)，其中在該被斷開電池上游的所有電池放電到零伏，這導(dǎo)致顯著的欠壓。
所述實(shí)施例中的電池平衡布置通過戰(zhàn)略上引入所選的齊納二極
管160解決了這個(gè)問題，該齊納二極管160以背靠背配置的方式布置，這僅在兩個(gè)電池都連接的時(shí)候允許電流流動。如果任一個(gè)電池被斷開，則齊納二極管160中的一個(gè)(取決于哪一個(gè)電池被斷開)阻擋電流流過沒有被斷開的電池。
齊納二極管160的齊納電壓值決定沒有被斷開的電池在另一個(gè)電池已經(jīng)被斷開的情況下能夠放電到多低。因此為平衡電路所選的特定齊納二極管取決于電池組102中所用的電池的特定類型(即，對于特定電池技術(shù)的最小安全電壓)。因此，齊納二極管維持電池組102的每一個(gè)電池104中所存儲的電荷不會下降到預(yù)定閾值以下，該閾值由齊納二極管160的值來決定。III,溫度監(jiān)控
溫度感測是有用的，特別是在鋰電池被用于電池組102中時(shí)。鋰電池在被暴露到超出它們的推薦溫度范圍以外的溫度下時(shí)能夠降低品質(zhì)，而且過度的溫度能夠產(chǎn)生不穩(wěn)定的或危險(xiǎn)的情況。出于這個(gè)原因，電池組的溫度經(jīng)常被嚴(yán)密地監(jiān)控來在越過溫度閾值時(shí)停止它們的使用。
圖7示出了電池平滑和監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的溫度感測配置。本實(shí)施例適用策略性地安裝在電池組中的熱敏電阻來將該熱敏電阻的即時(shí)環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電信號，但也可以適用本領(lǐng)域已知的其它溫度-電信號轉(zhuǎn)換器。
圖7示出了模擬多路復(fù)用器170，用于選擇幾個(gè)熱敏電阻輸入172中的一個(gè)。出于清晰性考慮，僅示出了與電池組102相關(guān)的一個(gè)熱敏電阻174連接到多路復(fù)用器170的第一輸入，但是通常與其它電池組相關(guān)的熱敏電阻也將連接到多路復(fù)用器170的其它輸入。
熱敏電阻174在多路復(fù)用器輸入172處與固定的上拉電阻結(jié)合，使得到多路復(fù)用器170的輸入為電阻分壓器的中間電壓。因?yàn)闊崦綦?阻的電阻值隨著熱敏電阻的溫度而變化，所以在多路復(fù)用器的輸入處 的電壓也隨著熱敏電阻的溫度而變化。
選擇信號176選擇要引導(dǎo)到多路復(fù)用器輸出178的多路復(fù)用器 170的特定熱敏電阻輸入。通常系統(tǒng)控制器將提供選擇輸入，但是一 些實(shí)施例可以簡單地包括提供到多路復(fù)用器選擇輸入的重復(fù)計(jì)數(shù)的
電路使得系統(tǒng)控制器以預(yù)定順序觀察來自被連接的電池組的溫度信 *、
電壓跟隨器180接收來自多路復(fù)用器輸出178的信號。電壓跟隨 器180緩沖信號并向系統(tǒng)控制器提供被緩沖的信號。 IV.系統(tǒng)集成
圖8示出了位于例如用于與具有八個(gè)串聯(lián)連接電池的電池組互 連的印刷電路板上的、集成到單個(gè)系統(tǒng)190中的所述實(shí)施例的功能和 模塊的實(shí)例。如在此所述的，這僅僅是示例性實(shí)施例，且也可以使用
具有多于或少于八個(gè)電池的電池組。
因此，從前述實(shí)施例和實(shí)例將看到，已經(jīng)描述了一種為了性能、 壽命和安全性而監(jiān)控電池電壓和溫度并且在充電和放電操作期間平 衡電池的方式。
在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下本發(fā)明可以以其它
特定的形式來具體實(shí)現(xiàn)。因此要認(rèn)為這里的實(shí)施例只是示例性的而不 是限制性的，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求而不是由前述的說明來 指出，并且因此所有在權(quán)利要求的等同物的意思和范圍內(nèi)的改變都意 圖被包括在其中。
權(quán)利要求
1.一種用于平衡一個(gè)或多個(gè)電池組內(nèi)的能量供應(yīng)裝置的系統(tǒng)，包括至少一組串聯(lián)電連接的N個(gè)能量供應(yīng)裝置，其中N為大于1的整數(shù)；對于每一組N個(gè)能量供應(yīng)裝置的用于每相鄰的一對能量供應(yīng)裝置的平衡電路，其中該平衡電路調(diào)節(jié)存儲在該相鄰的一對中的每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中的電荷，使得(i)該對中的第一能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷基本與該對中的第二能量供應(yīng)裝置相等，以及(ii)在每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷保持在預(yù)定閾值以上。
2. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中該平衡電路包括至少一個(gè)齊納 二極管，用于將每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷維持在預(yù)定閾值 以上。
3. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中該平衡電路包括一對齊納二極 管，這一對齊納二極管被以背靠背配置的方式布置，用于維持每一個(gè) 能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷。
4. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，還包括電壓監(jiān)控模塊，用于順序地 選擇每一個(gè)能量供應(yīng)裝置并且在輸出端口處提供與所選的能量供應(yīng) 裝置相關(guān)的電壓，其中該電壓監(jiān)控模塊使用低導(dǎo)通電阻的差分多路復(fù) 用器來選擇每一個(gè)能量供應(yīng)裝置并且提供所述相關(guān)的電壓。
5. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中該差分多路復(fù)用器由雙電源電 路供電。
6. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中該電壓監(jiān)控模塊提供能量供應(yīng) 裝置與輸出端口之間的隔離。
7. 如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中該隔離包括使得用于多路復(fù)用 器的選擇信號經(jīng)過光隔離器，并且使與所選的能量供應(yīng)裝置相關(guān)的電 壓經(jīng)過隔離放大器。
8. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，還包括溫度監(jiān)控模塊，用于接收代表與該電池組以及一個(gè)或多個(gè)其它電池組相關(guān)的溫度的信號，并且用 于在輸出端口處選擇性地提供所接收到的信號中的一個(gè)。
9. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中該平衡電路和該電壓監(jiān)控模塊 被結(jié)合在單個(gè)印刷電路板中。
10. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中每一個(gè)能量供應(yīng)裝置都為鋰電池。
11. 一種用于提供一個(gè)或多個(gè)電池組的被隔離的監(jiān)控以及用于平 衡該一個(gè)或多個(gè)電池組內(nèi)的能量供應(yīng)裝置的系統(tǒng)，包括至少一組串聯(lián)電連接的N個(gè)能量供應(yīng)裝置，其中N為大于1的整數(shù)；對于每一組N個(gè)能量供應(yīng)裝置的平衡模塊和電壓監(jiān)控模塊； 其中該平衡模塊包括用于每相鄰的一對能量供應(yīng)裝置的平衡電路；其中該平衡電路調(diào)節(jié)存儲在該相鄰的一對中的每一個(gè)能量供應(yīng) 裝置中的電荷，使得(i)該對中的第一能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷 基本與該對中的第二能量供應(yīng)裝置相等，以及(ii)在每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷保持在預(yù)定閾值以上；以及， 其中該電壓監(jiān)控模塊包括(i) 差分多路復(fù)用器，在雙電源上工作，用于順序地選擇出現(xiàn) 在多個(gè)輸入端口的能量供應(yīng)裝置中的每一個(gè)并且在輸出端口處提供 與所選的能量供應(yīng)裝置相關(guān)的電壓，其中該差分多路復(fù)用器的特征在于從輸入端口到輸出端口的低導(dǎo)通電阻路徑；(ii) 電阻分壓器，用于使與所選的能量供應(yīng)裝置相關(guān)的電壓按 比例變化以產(chǎn)生按比例變化的電壓；(iii) 隔離放大器，用于提供該按比例變化的電壓的被隔離形式；(iv) 被隔離的DC到DC轉(zhuǎn)換器，用于向隔離放大器的輸入側(cè)供 電，以及(v) 輸出運(yùn)算放大器，用于使該按比例變化的電壓與系統(tǒng)控制 器阻抗匹配。
12. 如權(quán)利要求ll所述的系統(tǒng)，其中該平衡電路包括被以背靠背 配置的方式布置的一對齊納二極管，用于維持每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中 所存儲的電荷。
13. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括(i)運(yùn)算放大器，用于 確定在相鄰的一對能量供應(yīng)裝置之間的電荷失衡的水平并且產(chǎn)生對 應(yīng)于該電荷失衡水平的誤差信號，以及(ii)堆疊的晶體管對，被布 置為根據(jù)該誤差信號來重新分配該相鄰的一對能量供應(yīng)裝置的電荷。
14. 如權(quán)利要求ll所述的系統(tǒng)，其中該差分多路復(fù)用器由雙電源 電路供電。
15. 如權(quán)利要求ll所述的系統(tǒng)，還包括溫度監(jiān)控模塊，用于接收 代表與該電池組以及一個(gè)或多個(gè)其它電池模塊相關(guān)的溫度的信號，并 且用于在輸出端口處選擇性地提供所接收到的信號中的一個(gè)。
16. 如權(quán)利要求ll所述的系統(tǒng)，其中每一個(gè)能量供應(yīng)裝置都為鋰電池。
17. —種平衡電池組內(nèi)的能量供應(yīng)裝置的方法，其中該電池組包 括一組串聯(lián)電連接的N個(gè)能量供應(yīng)裝置，N為大于l的整數(shù)，該方法包 括以下步驟對于電池組內(nèi)的每相鄰的一對能量供應(yīng)裝置，調(diào)節(jié)存儲在該相鄰 的一對中的每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中的電荷，使得該對中的能量供應(yīng)裝 置中所存儲的電荷基本相等，以及將每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷維持在預(yù)定閾值以上。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，還包括用重新分配電路將相鄰的 一對能量供應(yīng)裝置之間的電荷進(jìn)行重新分配的步驟，其中該重新分配 電路包括被以背靠背配置的方式布置的一對齊納二極管，用于將每一 個(gè)能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷維持在預(yù)定閾值以上。
19. 如權(quán)利要求17所述的方法，還包括以下步驟用具有低導(dǎo)通 電阻的差分多路復(fù)用器來順序地選擇能量供應(yīng)裝置中的每一個(gè)，并且 提供與所選的能量供應(yīng)裝置相關(guān)的電壓。
20. 如權(quán)利要求17所述的方法，還包括從雙電源電路向差分多路 復(fù)用器供電的步驟。
全文摘要
一種用于平衡一個(gè)或多個(gè)電池組(102)內(nèi)的能量供應(yīng)裝置并且用于提供電池組的被隔離的監(jiān)控的系統(tǒng)，包括至少一組串聯(lián)電連接的能量供應(yīng)裝置。對于每一組能量供應(yīng)裝置，該系統(tǒng)包括用于每一對相鄰的能量供應(yīng)裝置的平衡電路(110)。該平衡電路調(diào)節(jié)存儲在該相鄰一對中的每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中的電荷，使得該對中的能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷基本相等，并且在每一個(gè)能量供應(yīng)裝置中所存儲的電荷保持在閾值以上。該系統(tǒng)還包括電壓監(jiān)控模塊(106)，用于順序地選擇每一個(gè)能量供應(yīng)裝置并且在輸出端口處提供與所選的裝置相關(guān)的電壓。該電壓監(jiān)控模塊使用低導(dǎo)通電阻的差分多路復(fù)用器來選擇每一個(gè)能量供應(yīng)裝置。
文檔編號H01M10/46GK101529646SQ200780032386
公開日2009年9月9日 申請日期2007年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月19日
發(fā)明者A·托特, N·扎格 申請人:A123系統(tǒng)公司