用于均衡电压的系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及为多单元电池(mult1-cell battery)提供单元均衡的电路。
【背景技术】
[0002]由多于一个的串联连接的锂离子单元组成的锂离子电池组常被用在诸如笔记本电脑、无绳电力工具、电动车辆、无间断电源等应用中。用于这类电池组的电池管理电路(通常为集成电路(IC))的重要功能是管理单元均衡，这对于整个电池组容量和运行时间来说是重要的。单元均衡是使电池组中的每个单个单元两端的电压匹配的过程。失衡的单元会导致过早的充电终止、提早放电终止或者由于在最佳单元电压限制之上或之下循环而导致的其他单元滥用。
[0003]许多因素会导致单元失衡，例如单元间的容量失配、充电状态差异、单元阻抗变化、温度梯度以及在高放电速率时的单元自热。已经开发出各种方法和算法来均衡多单元电池组中的单元，以便达到最佳性能。例如，无源(“泄放”)均衡通过在旁路功率电阻器和开关(通常为场效应晶体管(FET))中将能量转化成热量来绕开单元分流能量，而电荷洗牌(charge shuffling)方法在单元之间容性地重新分配能量。
[0004]每种单元均衡方法具有其自己的优点和缺点。无源均衡通常被认为是最廉价的方式，因为它不需要分立的电容器或电感器。虽然过多的能量作为热量被基本浪费掉，但是均衡控制算法是相对简单的，并且在许多情况下，由于其在硬件和软件/固件方面成本低，因此仍然是可选择的方法。在其他单元均衡方案中，可以采用外部晶体管网络来均衡单元两端的电压，然而，这类外部网络要求额外的集成电路控制管脚来操作晶体管，这会导致电路成本增加。
【发明内容】
[0005]公开了为多单元应用提供电压单元均衡的系统和方法。
[0006]在一个示例中，提供了一种提供电压单元均衡的电路。该电路包括单元均衡网络，其包括分开的切换电路，每个切换电路被配置为基于相应的切换控制信号均衡多个电压单元中的相应单元的相应单元电压。控制电路包括多个电流源，多个电流源中的每一个选择性地连接到分开的切换电路中的相应一个，以独立地控制单元均衡网络中的每一个分开的切换电路的操作，从而均衡多个电压单元两端的电压。
[0007]在另一示例中，电路包括单元均衡网络，其包括分开的切换电路，每个切换电路被配置为基于相应的切换控制信号均衡多个电压单元中的相应单元的单元电压。该电路包括控制电路，其被连接以提供从多个电压单元中的每一个到控制电路的相应单元输入的电流路径，以便均衡多个电压单元两端的电压，控制电路的每一个相应单元输入进一步提供相应的切换控制信号，以独立地控制单元均衡网络中的每一个分开的切换电路的操作。该电路还包括自适应钳位电路，其被连接在每对相邻的单元输入之间，每个自适应钳位电路被配置为将过多的电流分流，以便当一对相邻的单元输入中的另一个正在均衡时，抑制分开的切换电路中耦合到该对相邻的单元输入的一个切换电路的意外激活。
[0008]在又一示例中，方法包括基于相应的切换控制信号均衡多个电压单元中的相应单元的单元电压。该方法包括提供从多个电压单元中的每一个到控制电路的相应单元输入的电流路径，以均衡多个电压单元两端的电压，控制电路的每一个相应单元输入进一步提供相应的切换控制信号，以独立地控制单元均衡网络中的每一个分开的切换电路的操作。该方法还包括通过将过多的电流分流，动态地钳位每一对相邻的单元输入，以便当一对相邻的单元输入中的另一个正在均衡时，抑制分开的切换电路中耦合到该对相邻的单元输入的一个切换电路的意外激活。
【附图说明】
[0009]图1示出用于多单元电压应用的单元均衡电路。
[0010]图2示出采用了外部切换部件来均衡电压单元两端的电压的示例均衡电路。
[0011]图3示出采用了外部PMOS切换部件和自适应钳位电路来均衡电压单元两端的电压的示例均衡电路。
[0012]图4示出采用了外部NMOS切换部件和自适应钳位电路来均衡电压单元两端的电压的示例均衡电路。
[0013]图5示出用于多单元电压应用的单元均衡方法。
【具体实施方式】
[0014]图1示出用于多单元应用的单元均衡电路100。单元均衡电路100可以被用于均衡多个电压单元110两端的电压，多个电压单元110被示为单元I到单元N，其中N是正整数。如在此使用的，术语“电压单元”可以指代在两端能够产生电压的基本上任何类型的部件或电路位置。在一个电压单元示例中，电池可以用作电压单元。在另一单元示例中，一个或多个电阻器可以用作单元。其他的示例包括单个或多个电容器电路、二极管电路、晶体管电路等。电压单元也可以包括诸如能够产生电压并且可以根据本文所述的系统和方法进行均衡的电阻器/电容器网络或半导体网络的电路组合。
[0015]单元均衡电路包括单元均衡网络120，其包括分开的切换电路I到M，其中M是正整数，其中每个切换电路可以被配置为基于在参考编号122到128处示出的相应的切换控制信号来均衡多个电压单元110中的每一个电压单元两端的电压。每个控制信号122-128也可以操作为输入以提供电流路径(例如，灌入(sink)或抽出(source))，该电流路径从电压单元110汲取电流，以便均衡各单元两端的电压。如在此使用的，电流路径可以由沉(sink)电路或源(source)电路提供，其在下面更加详细地说明和描述。通过利用控制信号122-128作为激活单元均衡网络120中的切换电路的输出控制并且作为从电压单元110汲取电流的输入，可以减少操作单元均衡网络120的控制电路集成电路(IC) 130上的连接管脚。通过减少控制电路130上的管脚，可以减轻电路的复杂度和成本。
[0016]控制电路130可以被连接为经由电流路径1-S从多个电压单元110中的每一个电压单元汲取电流，其中S是正整数。如所示，控制器140可以操作切换算法和/或硬接线的控制电路来操作电流路径1-S。控制电路140通过经由电流路径1-S以并行的方式(concurrent manner)从电压单元110中的一个或多个汲取电流，以此来均衡多个电压单元110两端的电压，其中控制电路130的每一个相应的单元输入进一步提供相应的切换控制信号122-128，以独立地控制单元均衡网络120的每个分开的切换电路1-M的操作。
[0017]如在此使用的，术语“控制器”可以是操作固件以控制电流路径1-S和控制信号122-128的操作的处理器。在另一示例中，控制器140可以是硬接线的功能件，其中专用逻辑和切换元件控制电流路径1-S和控制信号122-128。在又一示例中，已编程元件和电路逻辑元件的组合可以协同操作以执行控制器140的操作。
[0018]应当指出，在此所描述的示例可以经由不同的模拟和/或数字电路实施方式来提供，这些实施方式包括集成电路实施方式和/或分立电路实施方式。例如，在某些情况下可以采用场效应晶体管，而在其他情况下可以采用结型晶体管或二极管。一些控制部件可以被用作分立电路实施方式或集成电路实施方式，例如将参考信号与控制信号进行比较的比较器，而在其他示例中，例如经由处理器指令进行操作并且经由D/A和A/D转换器交换数据的控制器可以被用来监测参考电压并且生成电路100内的控制信号。在此所描述的所有或部分示例电路可以