用于均衡电压的系统和方法.pdf

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(120)，其包括分开的切换电路(1-M)，每个切换电路被配置为基于相应的切换控制信号(122,124,126,128)来均衡多个电压单元(110)中的相应单元(1-N)的相应单元电压。控制电路(130)包括多个电流源(1-S)，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并且在控制器(140)的控制下独立地控制单元均衡网络中的每个分开的切换电路的操作以便均衡多个电压单元两端的电压。

权利要求书1.  一种电路，其包括：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来均衡多个电压单元中的相应单元的相应单元电压；以及控制电路，其包括多个电流源，所述多个电流源中的每一个选择性地连接到所述分开的切换电路中的相应一个，以便独立地控制所述单元均衡网络中的每个分开的切换电路的操作，从而均衡所述多个电压单元两端的电压。2.  根据权利要求1所述的电路，其中所述分开的切换电路包括响应于所述相应的切换控制信号的场效应晶体管(FET)或者结型晶体管。3.  根据权利要求2所述的电路，其中每个分开的切换电路连接到所述控制电路的电流沉，以便为相应单元提供电流路径。4.  根据权利要求3所述的电路，其进一步包括自适应钳位电路，所述自适应钳位电路包括NMOS器件，所述NMOS器件在所述器件的各源极引线处连接，以便当所述控制电路命令所述分开的切换电路关闭时，抑制所述分开的切换电路开启。5.  根据权利要求2所述的电路，其中每个分开的切换电路连接到所述控制电路的电流源，以便为相应单元提供电流路径。6.  根据权利要求5所述的电路，其进一步包括自适应钳位电路，所述自适应钳位电路包括PMOS器件，所述PMOS器件在所述器件的各源极引线处连接，以便当所述控制电路命令所述分开的切换电路关闭时，抑制所述分开的切换电路开启。7.  根据权利要求1所述的电路，其中所述单元均衡网络包括电阻 器和电容器过滤器，以有助于所述多个单元中的每一个两端的电压的均衡。8.  根据权利要求1所述的电路，其进一步包括连接在每一对相邻的单元输入之间的自适应钳位电路，每个自适应钳位电路被配置为将过多的电流分流，以便当该对相邻的单元输入中的另一个正在均衡时，抑制所述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。9.  根据权利要求8所述的电路，其中所述控制电路包括可控开关，所述可控开关使能电流沉或电流源，以有助于所述多个单元中的每一个两端的电压的均衡，并且其中所述控制电路采用执行切换算法的控制器来控制使能所述电流沉或所述电流源的所述可控开关，从而有助于所述多个单元中的每一个两端的电压的均衡。10.  根据权利要求8所述的电路，其中所述控制电路采用逻辑电路来控制使能所述电流沉或所述电流源的所述可控开关，从而有助于所述多个单元中的每一个两端的电压的均衡。11.  一种电路，其包括：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来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，其被连接以提供从所述多个电压单元中的每一个到所述控制电路的相应单元输入的电流路径，以便均衡所述多个电压单元两端的电压，所述控制电路的每一个相应单元输入进一步提供所述相应的切换控制信号，以独立地控制所述单元均衡网络中的每一个所述分开的切换电路的操作；以及自适应钳位电路，其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，以便当该对相邻的单元输入中的另一个正在均衡时，抑制所述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。12.  根据权利要求11所述的电路，其中每个分开的切换电路连接到所述控制电路的电流沉，以便为相应单元提供所述电流路径。13.  根据权利要求12所述的电路，其中所述自适应钳位电路进一步包括NMOS器件，所述NMOS器件在所述器件的各源极引线处连接，以便当所述控制电路命令所述分开的切换电路关闭时，抑制所述分开的切换电路开启。14.  根据权利要求11所述的电路，其中每个分开的切换电路连接到所述控制电路的电流源，以便为相应单元提供所述电流路径。15.  根据权利要求14所述的电路，其中所述自适应钳位电路进一步包括PMOS器件，所述PMOS器件在所述器件的各源极引线处连接，以便当所述控制电路命令所述分开的切换电路关闭时，抑制所述分开的切换电路开启。16.  根据权利要求11所述的电路，其中所述控制电路包括可控开关，所述可控开关使能电流沉或电流源，以有助于所述多个单元中的每一个两端的电压的均衡，并且其中所述控制电路采用执行切换算法的控制器来控制使能所述电流沉或所述电流源的所述可控开关，从而有助于所述多个单元中的每一个两端的电压的均衡。17.  一种方法，其包括：基于相应的切换控制信号来均衡多个电压单元中的相应单元的单元电压；提供从所述多个电压单元中的每一个到所述控制电路的相应单元输入的电流路径，以均衡所述多个电压单元两端的电压，所述控制电路的每个相应单元输入进一步提供所述相应的切换控制信号，以独立地控制所述单元均衡网络中的每个所述分开的切换电路的操作；以及通过将过多的电流分流来动态地钳位给定的一对相邻的单元输入，以便当均衡与给定的该对相邻的单元输入关联的相应电压单元时，抑制其他切换电路中耦合到给定的该对相邻的单元输入之一的一个切换电路的意外激活。18.  根据权利要求17所述的方法，其进一步包括控制多个开关以使能来自所述多个电压单元中的每一个的电流路径。19.  根据权利要求18所述的方法，其进一步包括从所述多个开关灌入电流，以使能来自所述多个电压单元中的每一个的电流路径。20.  根据权利要求18所述的方法，其进一步包括从所述多个开关抽出电流，以使能来自所述多个电压单元中的每一个的电流路径。21.  一种电路，其包括：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来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，其被连接以提供从所述多个电压单元中的每一个到所述控制电路的相应单元输入的电流路径，以均衡所述多个电压单元两端的电压，所述控制电路的每一个相应单元输入进一步提供所述相应的切换控制信号，以独立地控制所述单元均衡网络中的每个所述分开的切换电路的操作，其中每个所述分开的切换电路连接到所述控制电路的电流沉，以便为相应单元提供所述电流路径，或者连接到所述控制电路的电流沉，以便为相应单元提供所述电流路径，其中所述控制电路包括可控开关，所述可控开关使能电流沉或电流源，以有助于所述多个单元中的每一个两端的电压的均衡；以及自适应钳位电路，其连接到给定的一对相邻的单元输入，通过将过多的电流分流，以便当均衡与给定的该对相邻的单元输入关联的相应电压单元时，抑制其他切换电路中耦合到给定的该对相邻的单元输入之一的一个切换电路的意外激活。

说明书用于均衡电压的系统和方法
技术领域
本公开涉及为多单元电池(multi-cell battery)提供单元均衡的电路。
背景技术
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。
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。
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
公开了为多单元应用提供电压单元均衡的系统和方法。
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。
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。
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
图1示出用于多单元电压应用的单元均衡电路。
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。
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。
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。
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
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1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。
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1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。
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。
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。
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被集成在例如集成电路中。
电路100为多单元电压(例如，锂离子电池)管理应用提供并行且无源的单元均衡。使用集成的片上开关的常规单元均衡电路不能同时均衡相邻的单元，而使用分立部件的现有解决方案针对每个均衡开关使用专用的控制管脚。这两种方式都不适合于要求快速均衡和低成本的应用。电路100可以在切换电路1-M(其中M为正整数)中采用外部功率晶体管作为均衡开关，这支持高均衡电流。可以通过用内部电流源在单元输入过滤电阻器(下面针对图2示出和描述)两端产生电压降来实现均衡切换电路1-M(例如，FET、结型晶体管)的栅极控制。自适应钳位电路(见下面图3)可以将过多的电流引导离开单元输入管脚(如果需要的话)，并且因此维持可用于外部均衡网络120的最大栅极驱动电压。
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200，在该示例中电压单元被示为单元1到4。均衡电路200包括控制器IC 210，控制器IC 210经由控制开关CBext1-CBext4操作电流沉212-218。控制器IC 210还操作外部单元均衡网络，该外部单元均衡网络包括FET MP1到MP4。各FET中的每一个可以包括源极电阻器R1-R4、漏极电阻器RIN1-RIN4以及电容器222-226。
电路200可以被配置为使得单元输入过滤电阻器RIN1-RIN4连接在外部P沟道MOSFET的源极端子和栅极端子之间。在其他示例中，还可以采用外部N沟道MOSFET，如下面参考图4将示出并且描述的。通过开关CBEXTn控制(其中n表示正整数)，内部电流源ISINK能够下拉管脚VCn并且为外部均衡FET MP1-MP4建立栅极驱动电压，其中
|VGSn|＝RINn×ISINK         公式(1)
只要栅极驱动电压高于外部均衡FET MP1-MP4的阈值电压，所有单元能够被并行均衡，而不需要用于MP1-MP4的专用控制管脚。
电路200可能会开启无意被均衡的单元的外部均衡FET。例如，如果CBEXT4是接通的而CBEXT1-CBEXT3是断开的，则只有单元4应该被均衡。因此，应当基本上没有电流流入RIN0-RIN3。然而，由于均衡，VCELL4可能下降到某点，使得：
VCELL4<RIN4×ISINK；并且      公式(2)
VC4<VC3-VD                  公式(3)
其中VD是CBINT4的体二极管(D4)两端的电压降。当该体二极管开启时，部分ISINK将流过RIN3，流到VC3，然后流到VC4。由于在该假想的示例中RIN3两端存在电压降，因此均衡FET MP3可能被开启，这可能是不期望的。
为了防止VCN下降到VCN-1之下，设计者可以选择RINn和ISINK的值，使得RINn两端的电压降小于VCELL。然而，由于VCELL的变化，乘积RINn*ISINK可能不得不被设定为小于VCELL的下限。这个方式的潜在问题是，当VCELL处于其较高端点时，外部均衡FET可能不具有足够的栅极驱动来完全开启。
解决体二极管问题的另一技术是，增加额外的电路来切换内部均衡FET的背栅极连接。例如，可以使用比较器来监测VCN和VCN-1 的电压。可以使用该输出来控制一开关，该开关将MPn的背栅极、CBEXTn连接到VCN或VCN-1(其中的较高者)。对于多单元电压应用，特别是具有高单元数目的应用，这种解决方案可能是昂贵的，因为高电压比较器和模拟开关会需要大的硅面积。作为能够有效地解决该问题的另一低成本示例，可以采用自适应钳位电路，如图3所示。
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300。如上指出的，较低VCELL电压所带来的问题是，电流源ISINK可能变得过量，并且导致RINn*ISINK>VCELL。如果过多的电流可以被分流到其他某个地方，则VCN可能不会下降到VCN-1之下，并且内部均衡的FET的体二极管可能不会开启。这个操作可以通过增加两个小FET来执行，并且在310处被示为自适应钳位电路。如在电路300中所示，自适应钳位电路310的MN3A和MN3B共享公共源极，其中MN3A的栅极连接到VC3而漏极连接到BAT。FET MN3B可以被配置为二极管，并且栅/漏极可以连接到例如VC4。
例如，当单元4的均衡是有源的，并且如果VC4高于VC3，则ISINK电流会流过MN3B，并且基本上无电流流进MN3A。外部均衡FET MP4可以仍然接收由RIN4*ISINK设定的最大可用栅极驱动。当VC4朝向VC3变化并且驱动接近VC3时，MN3A能够开始传导并且将过多的电流分流到BAT。如果MN3A和MN3B是匹配的，则VC4能够被钳位在约VC3，而不管单元电压VCELL4如何。在一个示例中，钳位电路310可以将VC4钳位到不低于VC3约100mV，这通常是足够小的以防止D4的体二极管开启。在这种情况下，外部均衡FET MP4仍然具有最大可用栅极驱动，其大约等于单元电压。如所示，对于单元3和单元2的均衡，类似的钳位电路也如此。对于单元1，钳位电路是不需要的，因为当VC1接近VC0(其处于地电位)时，ISINK会失去净空高度(headroom)并且因此能够被自动减小。
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400。在示例电路400中，可以在410处如所示地提供自适应钳位电路。MN1-MN4的栅极驱动可以由ISRC*RINn设定。如所示，可以采用电流源而不是电流沉来驱动外部 NMOS切换和均衡电路。当VCN升高到接近VCN+1时，自适应钳位电路410能够将过多的电流分流到地。
图5示出用于多单元电池的单元均衡方法500。在510处，方法500包括基于相应的切换控制信号来均衡多个电压单元中的相应单元的单元电压。在520处，方法500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。在530处，方法500通过将过多的电流分流来动态地钳位给定的一对相邻的单元输入，以便在均衡与给定的该对相邻的单元输入关联的相应电压单元时，抑制其他切换电路中耦合到给定的该对相邻的单元输入之一的一个切换电路的无意/意外(unintended)激活。方法500还可以包括控制多个开关，以使能来自多个电压单元中的每一个的电流路径。这可以包括从多个开关灌入(sinking)电流，以使能来自多个电压单元中的每一个的电流路径。方法500也可以包括从多个开关抽出(sourcing)电流，以使能来自多个电压单元中的每一个的电流路径。
本领域技术人员将理解，在本发明的范围内，可以对所描述的实施例进行修改，并且许多其他实施例是可能的。