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【专利摘要】提供一种装置，其包括耦合到具有第一单元块和第二单元块的堆叠电池组的第一节点的第一端子，耦合到位于第一单元块和第二单元块之间的第二节点的第二端子，以及检测在第二端子处的输出电压并基于要在第二端子处检测的输出电压来调整电池组内能量的电压管理电路。
【专利说明】用于堆叠电池的电压管理设备
[0001]领域
[0002]实施例可涉及用于堆叠电池的电压管理设备。
[0003]背景
[0004]电池寿命是电子设备(或平台负载)的关键特征。然而，电池电压随着放电而衰减。图1示出电源系统的示例，其中电池10可以以变化的电压提供直流(DC)给电压调节器20。该电压调节器20可将所接收到的电压输入调整为电压输出，电压输出可随后被提供给平台负载30。作为一个示例，对电压调节器20的电压输入可在9伏和12.6伏之间变动，而来自该电压调节器20的电压输出可以是2伏。
[0005]附图的简要说明
[0006]可参考以下附图详细说明各种安排和实施例，其中类似的附图标记指代类似的元素，并且其中:
[0007]图1示出用于电子设备的电源系统的示例；
[0008]图2示出根据示例性实施例用于平台负载的电源系统；以及
[0009]图3示出根据示例性实施例包括堆叠电池组和电压比较器的电压管理设备。 [0010]详细描述
[0011]在如下详细描述中，类似的附图标记和字符可在不同的附图里指示相同的、相应的和/或相似的组件。进一步地，在随后的详细描述中，可以给出示例尺寸/模型/值/范围，但是实施例不局限于此。其中阐述特定的细节以便描述示例性实施例，对本领域的技术人员来说，显然可以在没有这些特定细节的情况下实现实施例。
[0012]如下描述可涉及基于包括两个堆叠单元块的电池而运行的电子设备，每个块包括并联连接的一个或多个电池。该电子设备可被称为平台负载(或计算平台)。该平台负载可包括基于处理器的设备，包括但不限于膝上型计算机、上网本、平板和/或移动电话(或蜂窝电话)。该平台负载可包括用于移动计算机的处理器。
[0013]图2示出根据示例性实施例，用于平台负载的功率系统。其它实施例和配置也包含在本公开的范围内。图2的特征也可被认为是装置、系统和/或电子设备。
[0014]图2示出通过高电压轨52和中电压轨54耦合到平台负载30的电压管理设备50。中电压轨54也可被称为低电压轨。电压管理设备50和平台负载30可被共同耦合到接地(例如接地电压轨)。
[0015]图2还示出电池端口 62来接收电池组60，例如具有上单元块和下单元块的堆叠电池组。作为一个不例，电池端口 62可被认为是电压管理设备50的一部分。
[0016]电压管理设备50也可接收来自另一设备的电压56，例如适配器或AC/DC转换器，例如AC/DC转换器。
[0017]电压管理设备50可在高电压轨52上向平台负载30提供高输出电压。电压管理设备50可在中电压轨54上向平台负载30提供中输出电压。
[0018]可以从电池组60的上单元块和下单元块的组合提供高电压轨52上的高输出电压。还可以基于电压56提供高电压轨52上的高输出电压。可以从电池组60的下单元块提供中电压轨54上的中输出电压。
[0019]图3示出根据示例性实施例的电压管理设备，其包括堆叠电池组和电压比较器。其它实施例和配置也可包含在本公开的范围内。图3中所示的电压管理设备可对应于图2所示的电压管理设备50。图3的特征也可被认为是装置或系统。
[0020]更具体地，图3示出该电压管理设备包括堆叠电池组110和电压管理电路150。堆叠电池组110和电压管理电路150可提供输出电压给平台负载，例如图1-2所示的平台负载30。堆叠电池组110和电压管理电路150可在高电压轨210上提供高输出电压以及可在中电压轨220上提供中输出电压。接地功率轨230可提供零伏或接地电压。中电压轨220可提供为高电压轨210的高输出电压一半的电压。这可以基于堆叠电池组110中的电压以及基于电压管理电路150的操作来提供，如下面将要描述的。
[0021]在此示例中，堆叠电池组110可包括叠放在一组并联的电池单元上的第一电池单元112 (或并联电池的块)、第二电池单元114和第三电池单元116。该第二和第三电池单元114和116可以并联设置并可被认为是并联对。作为替代，更大的单电池单元可用于代替该并联电池单元114、116。第一电池单元112可在公共节点113共同连接到第二和第三电池单元114、116。第一电池单元112可被认为是堆叠电池组110的上单元块。第二电池单元114和第三电池单元116可被认为是堆叠电池组110的下单元块。电池组110的其它配置也可被提供。[0022]堆叠电池组110可被设置在用于接收该电池组110的电池端口中。相应地，该电池组可从功率系统移除。
[0023]堆叠电池组110可在高电压轨210上提供高输出电压给平台负载。例如，高电压轨210可提供大约6伏到8.4伏的高输出电压。此高电压可能是用来向平台负载提供驱动电压的合适电压。
[0024]然而，该平台负载可能需要比高电压轨210上提供的高输出电压低的电压。作为一个示例，微处理器(在平台负载上)可能需要I伏的输入电压。用高电压轨210上的高输出电压来驱动该微处理器(即，平台负载)可能是低效的。更有效率的技术可通过使用中电压轨220上的中输出电压驱动该微处理器(即，平台负载)。
[0025]中电压轨220上提供的中输出电压也可被提供给平台负载。例如，中电压轨220可提供大约3伏到4.2伏的中输出电压。中电压轨220上提供的电压可对应于在堆叠电池组110的上单元块和下单元块之间的公共节点113处的电压。
[0026]相比于具有单个电池单元(即，第一电池单元112)的电池组110的上单元块，电池组110的下单元块可以具有更高的能量含量(由于两个电池单元114、116)。相比于使用高电压轨210，使用中电压轨220来驱动平台负载可能更有效率。就是说，一对电池单元114、116可向中电压轨220提供高容量和高电流。单个第一电池单元112可向高电压轨210提供较高电压下的较小容量。
[0027]出于效率的原因，希望使用电池组110中的所有能量，使得所有三个电池单元都同时耗尽。
[0028]电压管理电路150可确定是否高输出电压和中输出电压在可接受的限制内变动，且电压管理电路150可按需要或降压或升压平衡电荷来维持平衡的电池堆栈。
[0029]电压管理电路150可包括一对电阻，亦即串联设置在节点151和接地电压轨230之间的第一电阻152和第二电阻156。第一和第二电阻152和156可具有相同的阻值。中点节点154设置于第一电阻152和第二电阻156之间，使得第一和第二电阻152、156具有相同的阻值。第一电阻152设置于节点151和中点节点154之间。第二电阻156设置于中点节点154和接地电压轨230之间。中点节点154处的电压可为参考电压V,ef。该参考电压VMf可表示理想电压，其应该在堆叠电池组110的上单元块和下单元块之间提供。
[0030]中点节点154处的电压可被用来确定该电池组的上单元块是否与电池组110的下单元块相平衡。为了使电池组Iio的上单元块和下单元块相平衡，在中点节点154处的电压应和公共节点113处(在上堆栈和下堆栈之间)的电压相同。
[0031]电压管理电路150可进一步包括控制电路160、降压转换器170 (或降压开关)、升压转换器180 (或升压开关)以及公共电感190。控制电路160可驱动可逆转换器，其可包括降压转换器170、升压转换器180和公共电感190。
[0032]控制电路160可以是例如集成电路(IC)。
[0033]控制电路160可接收基于在第一电阻152和第二电阻156之间的中点节点154处的电压的第一输入。为了描述方便，第一输入可被称为参考电压Vraf。控制电路160可接收基于在中电压轨220上的节点165处的电压的第二输入。节点165处的电压可对应于堆叠电池组110的上单元块和下单元块之间的公共节点113处的电压。为了描述方便，第二输入可被称为实际电压(或堆叠电池组110的实际中电压)。实际电压可表示堆叠电池组110的上单元块和下单元块之间的公共节点113处的实际电压。
[0034]控制电路160可比较参考电压VMf(从中点节点154提供)与实际电压(从节点165提供)。基于该比较，控制电路160可提供输出信号(或电压)给降压转换器170或升压转换器180。基于该比较和相应的输出信号，控制设备160可帮助维持电池组110的上单元块和下单元块之间的平衡点。
[0035]如上说明，控制电路160可驱动可逆转换器。当第一电池单元112中的能量消耗得比下单元块的电池单元114、116中的能量快时，可逆转换器可从下单元块(即，第二和第三电池单元114、116)提升能量到上单元块(即，第一电池单元112)。另一方面，当下单元块的电池单元114、116中的能量消耗得比第一电池单元112中的能量快时，来自第一电池单元112的能量可被移动(或转移)到电池组110的第二和第三电池单元114、116中。转移能量以维持平衡点是基于降压转换器170和升压转换器180 (以及公共电感190)的。
[0036]降压转换器170 (或降压开关)可包括并联耦合的晶体管172和二极管174。降压转换器170可被认为是降低DC电压的DC-DC转换器。升压转换器180 (或升压开关)可包括并联耦合的晶体管182和二极管184。升压转换器180可被认为是功率转换器(或步升转换器)，其中输出DC电压大于输入DC电压。电感190可被认为是降压转换器170和升压转换器180共用的。
[0037]基于在参考电压Vref (从中点节点154提供)和从节点165提供的电压之间的比较，控制电路160可提供信号来操作晶体管172和182以便作为升压转换器或降压转化器来操作。如果发现节点165处的电压低于节点152处的参考电压，那么第二和第三电池单元114和116已经比第一电池 单元112消耗得快。在这种情况下，晶体管172充当开关晶体管而晶体管182充当同步二极管，从而和电感190运行降压功能来引导电流到下单元块(即，第二和第三电池单元114、116)。在相反的情况下，如果第一电池单元112消耗得更多，晶体管182被驱动为开关晶体管而晶体管172充当同步二极管，和电感190产生升压配置，从而引导来自下单元块(即，第二和第三电池单元114、116)的能量进入到第一电池单元112。这样可帮助维持在电池组的上单元块和下单元块之间的平衡点。
[0038]电压管理电路150可基于中电压轨上的中输出电压，调整电池组110内提供的能量。电压管理电路150可调整能量，使得中电压轨220上提供的中输出电压是向高电压轨210提供的高输出电压的一半。这样可提供堆叠电池组110内更好的能量分布，并可提供堆叠电池组110的更佳效率。这样可帮助减少由于堆叠电池组110内的电池单元电压的衰减速度不同而带来的问题。通过按这种方式平衡堆栈中的电压，电池组110能够利用所有电池单元中可用的能量，即使在电池堆栈的上、下单元块本会以不同速度耗尽、在堆栈的一级中余有能量而堆栈的其它部分已经完全耗尽从而引起系统停机的情况下。
[0039]当控制电路160确定公共节点113 (或节点165)处的电压小于中点节点154处的电压时，控制电路160可控制降压转换器170来将能量从电池组110的上单元块转移到下单元块。
[0040]当控制电路160确定公共节点113 (或节点165)处的电压大于中点节点154处的电压时，控制电路160可控制升压转换器182来将能量从电池组110的下单元块转移到上
单元块。
[0041]实施例可提供对接收远高于电压输出的电压输入的电压调节器的低效率的改进。
[0042]实施例可提供电压管理电路来确定电池组内的电池单元之间的平衡态，以及提供主动电荷平衡来确保电池堆栈平衡，尽管电池组内电池单元的可能不匹配。
[0043]实施例可允许从电池组的中心分接电压。这可使得电池组内的所有电池单元保持平衡，基本上在整个电池组耗尽时没有还未使用的电荷。
[0044]特定电池单元的最佳容量可基于对中、高功率轨处的最可能电流消耗的估计来计算。主动平衡可实时调整最优容量的任何变动。
[0045]本规范中对“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等等的任何引用都表示与该实施例相关地描述的特定特征、结构、或特性包含在本发明的至少一个实施例中。本说明书内不同处出现的这种短语不一定都指的是相同的实施例。进一步地，当与任何实施例相关地描述特定特征、结构或特性时，一般认为它是在本领域技术人员的眼界范围内，以与实施例中的其他特征、结构或特性相关地影响这种特征、结构或特性。
[0046]尽管参考若干说明性实施例来描述实施例，但是应该明白，本领域技术人员可以设计落在本公开的原理的精神和范围内的众多其它修改和实施例。更具体地，在本公开、附图和附加权利要求的范围内的主题组合安排的组件和/或安排中，可能有各种变化和修改。除了在组件和/或安排中的变化和修改之外，替换性用途对本领域技术人员来说也是显而易见的。
【权利要求】
1.一种装置，包括: 第一端子，耦合到具有第一单元块和第二单元块的堆叠电池组的第一节点； 第二端子，耦合到所述第一单元块和第二单元块之间的第二节点；以及 电压管理电路，用于检测所述第二端子处的输出电压并基于要在所述第二端子处检测的输出电压来调整所述电池组内的能量。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压管理电路调整所述电池组内的能量，使得所述电池组在所述第二端子处输出相对于要在所述第一端子处输出的电压基本上处于预定电平的输出电压。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电池组具有两个单元块，并且所述电压管理电路调整能量使得在所述第二端子处的输出电压基本上是要在所述第一端子处输出的输出电压的一半。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压管理电路包括控制电路和降压转换器，所述控制电路将所述第二端子处的电压与参考电压相比较，并且所述控制电路响应于所述比较，控制所述降压转换器从所述第一单元块转移能量到所述第二单元块。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电压管理电路包括第一电阻、第二电阻和在所述第一电阻和第二电阻之间的节点以生成参考电压。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压管理电路包括控制电路和升压转换器，所述控制电路将所述第二端子处的电压与参考电压相比较，并且所述控制电路响应于所述比较，控制所述升压转换器从所述第二单元块转移能量到所述第一单元块。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电压管理电路包括第一电阻、第二电阻和在所述第一电阻和第二电阻之间的节点以生成参考电压。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压管理电路包括控制电路、降压转换器和升压转换器，所述控制电路使用所述降压转换器从所述第一单元块转移能量到所述第二单元块，以及所述控制电路使用所述升压转换器从所述第二单元块转移能量到第一单元块。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述升压转换器和降压转换器包括公共电感。
10.一种装置，包括: 平台负载； 从电池组的第一节点提供第一电压给所述平台负载的第一电压轨，所述电池组具有第一电池单元和第二电池单元且两个电池单元之间有第二节点； 从所述第二节点提供第二电压给所述平台负载的第二电压轨；以及 电压管理电路，在检测所述第二电压轨处的第二电压并基于所述第二电压调整所述电池组内的能量。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述电压管理电路调整所述电池组内的能量，使得所述电池组在所述第二电压轨处输出相对于要在所述第一电压轨处输出的电压基本上处于预定电平的电压。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述电池组具有两个单元块，并且所述电压管理电路调整能量使得在所述第二电压轨处的输出电压基本上是要在所述第一电压轨处输出的输出电压的一半。
13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述电压管理电路包括控制电路和降压转换器，所述控制电路将所述第二电压轨处的电压与参考电压相比较，并且所述控制电路响应于所述比较，控制所述降压转换器从所述第一单元块转移能量到所述第二单元块。
14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述电压管理电路包括控制电路和升压转换器，所述控制电路将所述第二电压轨处的电压与参考电压相比较，并且所述控制电路响应于所述比较，控制所述升压转换器从所述第二单元块转移能量到所述第一单元块。
15.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述电压管理电路包括控制电路、降压转换器和升压转换器，所述控制电路使用所述降压转换器从所述第一单元块转移能量到所述第二单元块，以及所述控制电路使用所述升压转换器从所述第二单元块转移能量到所述第一单兀块。
16.一种装置,包括: 第一电压轨； 第二电压轨； 耦合到所述第一电压轨和第二电压轨的平台负载； 具有被节点分开的第一单元块和第二单元块的堆叠电池组，所述堆叠电池组在所述第一电压轨上提供第一输出电压以及在所述第二电压轨上提供第二输出电压；以及 电压管理电路，检测在所述第二电压轨处的第二输出电压，并基于所检测到的第二输出电压来调整所述第二电压轨上的第二输出电压。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述电压管理电路调整电池组内的能量，使得所述电池组在所述第二电压轨处输出相对于要在所述第一电压轨处输出的电压基本上处于预定电平的电压。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述电池组具有两个单元块，并且所述电压管理电路调整能量使得在所述第二电压轨处的输出电压基本上是要在所述第一电压轨处输出的输出电压的一半。
19.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述电压管理电路包括控制电路和降压转换器，所述控制电路将所述第二电压轨处的电压与参考电压相比较，并且所述控制电路响应于所述比较，控制所述降压转换器从所述第一单元块转移能量到所述第二单元块。
20.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述电压管理电路包括控制电路和升压转换器，所述控制电路将所述第二电压轨处的电压与参考电压相比较，并且所述控制电路响应于所述比较，控制所述升压转换器从所述第二单元块转移能量到所述第一单元块。
21.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述电压管理电路包括控制电路、降压转换器和升压转换器，所述控制电路使用所述降压转换器从所述第一单元块转移能量到所述第二单元块，以及所述控制电路使用所述升压转换器从所述第二单元块转移能量到所述第一单兀块。
【文档编号】H02J7/00GK103907239SQ201180074562
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2011年10月1日 优先权日:2011年10月1日
【发明者】A·基茨 申请人:英特尔公司