CN102668311A - 平衡多芯电池的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了平衡多芯电池的系统和方法。在一个实施例中，电池平衡电路包括电池，该电池包含多个串联电池芯，第一端子和第二端子，包括初级绕组和多个次级绕组的变压器，其中每个次级绕组经次级开关和整流器电路耦合到多个电池芯之一，其中初级绕组耦合在电池的第一端子和第二端子之间，与变压器初级绕组串联的初级开关，和耦合到初级开关、所述多个次级开关和多个电池芯中的每个电池芯的控制电路。

Description

平衡多芯电池的系统和方法

技术领域

本发明涉及电池平衡系统。更具体地，本发明涉及平衡多芯电池各芯的系统和方法。

背景技术

对于锂离子（Li-ion）电池，电池芯之间不平衡或过压状态可引起有害的故障。这些问题和相应超温条件可导致不易于熄灭的着火。电池控制电路通常用于监视单个电池单元电压，且保持电池芯电压之间任何不平衡在预定范围内。平衡电池芯的传统方法是对具有高电压（如过压）的电池芯进行放电，并以热的形式耗散其过高能量（电压）。然而，该方法导致电池能量浪费。此外，耗散的热对锂离子电池技术不利，因为其对电池组形成超温问题，这通常是不安全的。因此需要更安全且更有效的电池平衡电路。

发明内容

本发明的方面涉及平衡多单元电池的系统和方法。在一个实施例中，本发明涉及电池平衡电路，其包括包含多个串联耦合的电池芯的电池、第一端子和第二端子、包括初级绕组和多个次级绕组的变压器，其中每个次级绕组经次级开关和整流器电路耦合到多个电池芯中的一个，其中初级绕组耦合在电池的第一端子和第二端子之间，与变压器初级绕组串联的初级开关，以及耦合到初级开关的控制电路，多个次级开关，以及多个电池芯中的每一个。

在另一个实施例中，本发明涉及电池平衡电路，其包括包含多个串联耦合的电池芯的电池、第一端子和第二端子、包括初级绕组和多个次级绕组的变压器，其中每个次级绕组经次级开关和整流器电路耦合到多个电池芯中的一个，其中初级绕组的中央抽头端子耦合到电池的第一端子，串联耦合在初级绕组的第一端子和电池第二端子之间的第一初级开关，串联耦合在初级绕组的第二端子和电池第二端子之间的第二初级开关，以及耦合到第一初级开关的控制电路，第二初级开关，多个次级开关，以及多个电池芯中的每一个。

在另一个实施例中，本发明涉及平衡存储在电池多个电池芯中能量的方法，该电池具有第一端子和第二端子，该方法包括检测电池多个电池芯之一中的不平衡条件，重复致动耦合在电池第一端子和变压器之间的初级开关，该变压器包括初级绕组和多个次级绕组，其中每个次级绕组经次级开关和整流器电路耦合到多个电池芯之一，其中初级绕组耦合在电池的第一端子和第二端子之间，且致动相应于具有不平衡条件的多个电池电池芯之一的次级开关。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的电池平衡电路的示意方框图。

图2是根据本发明另一个实施例的电池平衡电路的示意方框图。

图3是根据本发明一个实施例控制电池平衡电路的过程流程图。

具体实施方式

现在参考附图，电池平衡电路的实施例包括变压器和耦合到控制电路的多个开关，该控制电路用于识别多芯电池的不平衡电池芯（如，低压电池芯）和从作为整体的电池转移能量到所识别的电池芯。在这样的情形中，平衡电路可从高度荷电的电池芯，或过充电池芯转移能量到较低荷电的电池芯。在大多实施例中，平衡电池芯的充电能量是通过电池自身提供的。在这样的情形中，不使用外部荷电能量或电源。以该方式，电池平衡电路可仅用来再平衡电池。

在几个实施例中，变压器由具有应用于变压器初级绕组的开关频率和占空比的控制信号控制。在几个实施例中，变压器以有效的模式操作从而最大化从电池到特定电池芯的能量转移。在某些实施例中，变压器可控制以低效模式操作从而耗散部分能量，而非简单将能量转移到具有较低电压电荷的电池芯。在任一情形中，作为整体的电池，或特定电池芯不平衡条件（如过压）是有危险的，并可减少和/或消除。

与传统被动平衡控制方案不同，其以热的形式耗散不平衡电池芯的过量电压，这里所述的电池平衡电路的实施例可将能量从较高的电池芯转移到较低电压的电池芯。这显著增加电池寿命，因为其不浪费存储的能量。在几个实施例中，电池平衡电路也通过在具有较低电压的电池芯的电压增加的同时减小具有较高电压的电池芯电压而加快平衡。

图1是根据本发明一个实施例的电池平衡电路100的示意方框图。电池平衡电路100包括耦合到变压器104的电池102。变压器104可用于再分别来自高度充电的电池芯，或过充电池芯的能量到较低充电的电池芯。电池102包括大量串联耦合的电池，包括第一电池芯106、第二电池芯108、和第n个电池芯110。电池102的每个电池芯耦合到变压器104的次级绕组。类似地，变压器包括第一次级绕组112、第二次级绕组114、和第n个次级绕组116。变压器也包括耦合在电池正端子120和电池负端子122之间的单个初级绕组118。

对于每个电池电池芯，次级开关和整流器电路耦合在电池芯和各次级绕组之间。例如，第一开关（SW1）124连接在第一电池芯（电池芯1）106和第一整流器电路126之间，其也连接到第一绕组112。类似地，次级开关（SW2）128连接在第二电池芯（电池芯2）108和第二整流器电路130之间，其也连接到第二绕组114。第n个开关（SWn）132连接在第n个电池芯110和第n个整流器电路134之间，其也连接到第n个绕组116。初级开关（SWP）136耦合在电池102的负端子122和初级绕组118之间。次级开关（124、128、和132）和初级开关136耦合到控制电路138。控制电路138也耦合到每个电池芯（106、108、110）。

在操作中，控制电路监视每个电池芯的电压从而检测任何不平衡条件。如果在电池芯中检测到不平衡，则控制电路可调制、或快速地致动初级开关从而以所有串联电池芯的累积电压激励初级绕组。同时，控制电路可闭合次级开关从而形成存储在初级绕组中的能量通过各次级绕组和整流器电路到达具有检测到的不平衡条件（如欠压）电池芯的路径。在某些实施例中，控制电路可闭合一个以上的次级开关，从而允许多个电池芯同时充电。

因此，在操作过程中，可从作为整体的电池组（如堆组）中汲取能量并选择性地应用于具有较低电压的电池芯。借助该控制方案，能量通常从具有较高电压（能量）的电池芯转移至具有较低电压的电池芯，因此实现所需的电池芯平衡。

变压器的效率取决于应用于初级开关的开关频率和占空比。在大量实施例中，频率和占空比经控制最大化从作为整体的电池到特定电池芯的优选能量转移。在一个实施例中，开关控制信号的频率约为30千赫兹（kHz）。在这样的情形中，效率约为60%。

在能量转移过程中，不仅能量转移到具有较低电压的电池芯，但部分过多能量可以热形式在变压器中耗散。在某些实施例中，通过改变频率和占空比，变压器可以低效模式使用，其中部分能量以热的形式在变压器中耗散。在这样的情形中，该控制方案可用于处理多芯的过压条件。

在某些实施例中，变压器具有5比1（初级比次级）的比。在其他实施例中，也可使用其他绕组比。在一个实施例中，初级绕组连接到28伏电源，并在次级绕组产生约5.5伏特的输出。在这类情形中，电压输出可在次级绕组将电池芯充电到预先选择的阈值电平。在大量实施例中，初级开关和次级开关是经配置作为开关FET操作的场效应晶体管（FET）。

在某些实施例中，电池平衡电路经配置为回扫型电路（flyback typecircuit）。在这样的情形中，平衡电路的能量转移可由施加到初级开关的控制信号的占空比确定。在回扫配置中，整流器电路可包括配置为整流器的单个二极管。在其他实施例中，整流器电路可包括一个以上的二极管。在大量实施例中，回扫配置包括滤波电路从而滤波该拓扑结构中产生的开关噪声。

图2是根据本发明一个实施例的电池平衡电路200的示意方框图。在许多方面，电池平衡电路200与图1中电池平衡电路100相同。电池平衡电路包括具有大量电池芯（如106、108、110）的电池102，其中每个电池芯由开关（如124、128、132）耦合到整流器电路，该整流器电路耦合到变压器204的次级绕组（如212）。然而，与图1中电池平衡电路100相比，电池平衡电路200包括初级绕组218，其在正向变换器配置中具有中央抽头。中央抽头设计可为能量有效转移实现全波整流。初级开关（236、237）耦合在初级绕组218和电池负端子（如地）122的每个端部之间。初级开关（236，237）耦合到控制电路238。更特别地，控制线也耦合到逆变器240，该逆变器240耦合到第一初级开关237。在这样的情形中，初级开关（236，237）的推挽式配置在任何给定时间都是的，一个初级开关导通，而另一个初级开关关闭。

对于每个电池电池芯，耦合到其中的整流器电路可包括中央抽头的全波整流器，其包括两个耦合到次级绕组（如212）的每端的电极（如，电极225，227）。对于第一电池芯，二极管（225,227）的阴极在耦合到第一开关124的节点耦合到一起。第一次级绕组212的中央抽头支脚耦合到第一电池芯106的负端子。电池平衡电路200包括用于其他电池芯的类似的整流器电路。中央抽头的全波整流器可提供有效的能量转移到每个电池芯，同时仅要求两个二极管。此外，带有中央抽头的全波整流器的正向转换器配置可比回扫型设计噪声低，并因此不要求与回扫型设计共用的滤波电路。

在大量实施例中，电池平衡电路200以类似于图1中电池平衡电路100的方式操作。

图3是根据本发明一个实施例用于控制电池平衡点了的过程300的流程图。在具体实施例中，过程300可结合图1和/或图2中控制电路（138、238）使用。该过程可首先检测（302）或识别不平衡电池芯。在大量实施例中，控制电路可包括经配置测量每个电池芯的电压或电荷的电路。可检测的电池芯的不平衡条件包括过压、欠压、和其他不平衡条件。如果没有检测到不平衡条件，则过程继续监视（302）电池芯。如果检测到不平衡，则过程可激活（304）平衡变压器。

任何过程可选择（306）充电模式。在一个实施例中，充电模式可在一种模式中提供有效的能量转移，而在另一种模式中提供低效的能量转移，包括最小功率耗散。在低效充电模式中，相当量的能量可在变压器中耗散。在该情形中，可基于安全耗散相当能量的能力设计或选择变压器。然后该过程操作（308）变压器的初级和次级开关从而以所选模式转移能量。

在一个实施例中，能量从较高充电的电池芯充分转移到较低充电的电池芯。为了促进能量转移，具有预选频率和占空比的开关控制信号可提供给初级开关。此外，耦合到被识别为不平衡的特定电池电池芯的一个或更多次级开关可切换实现充电。然后该过程确定（310）是否在电池的电池芯之间实现足够的平衡。如果不是，则过程返回到操作（308）变压器的初级和次级开关。如果达到足够的平衡，则过程返回检测（302）不平衡的电池芯。

在一个实施例中，该过程可以任何顺序执行动作。在另一个实施例中，过程可忽略一个或更多动作。在其他实施例中，一个或更多动作可同时执行。在某些实施例中，可执行额外动作。

虽然上面的说明含本发明许多特定实施例，但不能解读为对本发明保护范围的限制，而是作为其中特定实施例的例子。因此，本发明的保护范围不应由所示实施例确定，而是由权利要求及其等价物限定。

Claims (22)

1.一种电池平衡电路，其包括：

电池，其包括多个串联耦合的电池芯，第一端子和第二端子；

变压器，其包括初级绕组和多个次级绕组，其中每个次级绕组经次级开关和整流器电路耦合到所述多个电池芯中的一个，其中所述初级绕组耦合在所述电池的第一端子和第二端子之间；

初级开关，其与所述变压器的初级绕组串联；以及

控制电路，其耦合到初级开关，所述多个次级开关，以及多个电池芯中的每个。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制电路经配置：

检测所述多个电池芯中至少一个的不平衡条件；以及

致动所述初级开关和所述多个次级开关中至少一个次级开关，以便能量从所述电池转移到至少一个电池芯。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述控制电路经配置：

测量所述多个电池芯中每个电池芯的电压；

识别所述多个电池芯中电压低于预先选择的阈值的电池芯；

致动耦合到所述识别的电池芯的次级开关；以及

重复致动所述初级开关，以便能量从所述电池转移到所识别的电池芯。

4.根据权利要求2所述的电路，其中所述控制电路经配置以预先选择的频率和占空比致动所述初级开关。

5.根据权利要求2所述的电路，其中不平衡条件是从由欠压和过压组成的组选择的。

6.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制电路经配置：

检测所述多个电池芯中每个电池芯的电荷水平；

通过开关所述初级开关激励所述初级绕组；以及

通过开关所述多个次级开关中至少一个相应次级开关，提供能量从所述初级绕组到所述多个电池芯中至少一个电池芯的路径。

7.根据权利要求1所述的电路，其中每个整流器电路包括全波整流器。

8.根据权利要求7所述的电路，其中所述全波整流器包括中央抽头全波整流器，该整流器包括至少两个二极管。

9.根据权利要求1所述的电路，其中每个次级绕组连接到相应整流器电路，其相应次级开关连接在相应整流器电路和电池的相应电池芯之间。

10.根据权利要求1所述的电路，其中每个整流器电路由二极管组成。

11.一种电池平衡电路，其包括：

电池，其包括多个串联的电池芯、第一端子和第二端子；

变压器，其包括初级绕组和多个次级绕组，其中每个次级绕组经次级开关和整流器电路耦合到所述多个电池芯之一，其中所述初级绕组的中央抽头端子耦合到所述电池的第一端子；

第一初级开关，其串联耦合在所述初级绕组的第一端子和电池的第二端子之间；

第二初级开关，其串联耦合在所述初级绕组的第二端子和电池的第二端子之间；以及

控制电路，其耦合到所述第一初级开关，第二初级开关，所述多个次级开关，以及所述多个电池芯中的每个。

12.根据权利要求11所述的电路，其中所述控制电路经配置：

检测所述多个电池芯中至少一个电池芯的不平衡条件；以及

致动所述第一初级开关，第二初级开关和所述多个次级开关中至少一个次级开关，以便所述能量从所述电池转移到至少一个电池芯。

13.根据权利要求12所述的电路，其中所述控制电路经配置：

测量所述多个电池芯中每个电池芯的电压；

识别所述多个电池芯中电压低于预先选择的阈值的电池芯；

致动耦合到所述识别的电池芯的次级开关；以及

重复致动所述第一初级开关和第二初级开关，因而能量从所述电池转移到识别的电池芯。

14.根据权利要求12所述的电路，其中所述控制电路经配置以预先选择的频率和占空比致动所述第一初级开关和第二初级开关。

15.根据权利要求12所述的电路，其中所述不平衡条件是从由欠压和过压组成的组选择的。

16.根据权利要求11所述的电路，其中第一控制线耦合在所述控制电路和第一初级开关之间，且其中逆变器耦合在所述第一控制线和第二初级开关之间。

17.根据权利要求11所述的电路，其中所述控制电路经配置：

检测所述多个电池芯中每个电池芯的电荷水平；

通过开关所述第一初级开关和第二初级开关激励所述初级绕组；以及

通过开关所述多个次级开关中至少一个相应次级开关，提供能量从所述初级绕组到所述多个电池芯中至少一个电池芯的路径。

18.根据权利要求11所述的电路，其中每个所述整流器包括全波整流器。

19.根据权利要求18所述的电路，其中所述全波整流器包括中央抽头的全波整流器，其包括至少两个二极管。

20.根据权利要求11所述的电路，其中每个次级绕组连接到相应整流器电路，且相应次级开关连接在相应整流器电路和电池相应电池芯之间。

21.根据权利要求11所述的电路，其中每个所述整流器电路由二极管组成。

22.一种平衡在具有第一端子和第二端子的电池多个电池芯中存储的能量的方法，所述方法包括：

检测所述电池的多个电池芯中一个的不平衡条件；

重复致动耦合在电池第一端子和变压器之间的初级开关，该变压器包括初级绕组和多个次级绕组，其中每个次级绕组经次级开关和整流器电路耦合到多个电池芯之一，其中所述初级绕组耦合在电池的第一端子和第二端子之间；以及

致动相应于具有不平衡条件的多个电池电池芯中一个电池芯的次级开关。

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