電化學電池單元平衡電路和方法

2023-10-10 14:35:39 4

專利名稱：電化學電池單元平衡電路和方法
技術領域：
本文描述了用於使電化學電池單元(electrochemical cell)充電或放電的方法 以及系統，更具體地為用於監控和管理電化學電池單元的充電的方法和系統。
背景技術：
對監控和管理多種應用的電化學儲能電池単元的大型布置的需求是已知的，並且用於這樣做的系統通常包括諸如電壓測量、溫度測量以及通過選擇性電池單元消耗放電或電荷再分布的電池平衡(例如，均衡)的特徵。特別受關注的是用於儲存推進車輛(諸如，電動車輛或混合動カ車輛)的電能的大規模系統、以及用於電網支持並向遠程位置供電的儲能系統。這些系統通常被認為具有長的使用壽命以及極其低的故障率的期望。例如，提出的用於車輛的ISO 26262標準以及ASIL標準對安全性和可靠性具有非常嚴格的要求，並且在將來，政府將會指定更嚴格的要求。其中，該系統會需要測量電池單元、確定如何平衡電池單元以及在平衡操作期間補償電池單元之間的不同速率的自放電。存在若干平衡電池單元的現有方法。這些包括使一些電池單元放電的洩放電路(bleeding circuit)、用於姆個電池單元的單獨充電電路、用於將充電或放電電路連接到每個電池單元的開關、均衡不同電池上的電荷的快速電容器或開關電容器、以及其他方法。傳統的實踐需要如下平衡電路其快到足以能夠在車輛充電和/或駕駛的日子的小部分時間內保持所有電池單元平衡，並且必須能夠足夠快地進行平衡以補償長時間段的不活躍。不活躍的時間段可以由如下原因引起車主在度假中、車主駕駛多輛車並因此使特定的一輛車停放延長的時間段、車輛在經銷商(dealer lot)處、車輛在修理廠或其他原因。然而，具有較大、較快的平衡電路對於測量電路和決策過程而言產生了ー些缺點。設計必須支持較高的電流，這增加了設計成本以及對測量和平衡単元的散熱要求。另外，隨著平衡電流增加，電池極化電壓也増加，並且電池上的電壓由於內阻而增加。極化電壓在充電或放電後緩慢地衰減，並且相應地，實際的開路電壓僅可用於在使電池單元充電或放電之後感測數小吋；因此，即使當進行測量時平衡電流暫時斷開，極化電壓也會使平衡電池單元與不平衡電池単元之間的比較變得更加困難。為了對該極化進行補償，要麼必須利用用於電池単元的精確模型而使系統軟體更加複雜，要麼必須在進行測量之前充分地關閉平衡(由此減少了作出平衡決策的機會和/或縮短了可以進行平衡的時間)。

發明內容
一些實施例涉及ー種用於使電池組(pack)的電化學電池單元充電和/或放電的系統，其中該電池組向設備的負載提供功率。該系統包括如下電路該電路耦接到電池組的電化學電池單元，並且被配置成在設備休眠的整個時間段內出現的多個時間處使電化學電池單元充電和/或放電。一些實施例涉及ー種用於使電池組的電化學電池單元充電和/或放電的系統。該系統包括控制器，該控制器被配置成生成控制信號。該系統還包括耦接到電池組的電化學電池單元的電路。該電路被配置成響應於控制信號而使電化學電池單元充電和/或放電， 並且在預定的時間段之後自動地停止使電化學電池單元充電和/或放電。一些實施例涉及ー種用於使電池組的電化學電池單元充電和/或放電的系統。該系統包括控制器，被配置成生成至少ー個控制信號；以及多個電路，各自耦接到電池組的相應電化學電池單元，以響應於至少一個控制信號而使電化學電池單元充電和/或放電。該系統被配置成當在操作中時從輔助電池汲取平均不超過100mA。上述發明內容作為說明而提供，而並不g在進行限制。


圖I示出了根據ー些實施例的用於使電化學電池單元放電的電路，其中該電路具有自動超時以及用於啟動和停止放電的輸入。圖2示出了根據另ー實施例的用於使電化學電池單元放電的電路，其中該電路具有自動超時以及用於啟動放電的單個輸入。圖3示出了用於實現圖I的電路的一種實施方式，其中該電路使用電容器和電阻器來提供自動超時。圖4示出了圖2的電路的實施方式，其中該電路具有用以提供自動超時的電容器和電阻器以及用於驅動電晶體以使電池単元放電的放大器。圖5示出了圖I的電路的另ー種實施方式，其中該電路使用用以提供超時的電容器和電阻器以及用於驅動電晶體以使電池単元放電的放大器。圖6示出了圖I的電路的另ー種實施方式，其中運算放大器積分器用於產生自動超吋。圖7示出了用於將信號連結到一起以使得源於第一電池單元的刷新信號可以經過所有的平衡電路到達每個電池單元的方法和電路。圖8示出了結合了圖5和圖7中示出的特徵的實施方式。圖9示出了具有光耦合器的實施方式，其中該光耦合器用於將來自底盤(chassis)參考電位的信號傳送到電池單兀參考信號鏈的底部。
圖10示出了使用在車輛的底盤上可用的電源為光耦合器供電的實施方式。圖11示出了使用用於從裝置的電源為光耦合器直接供電的實施方式。圖12示出了如下實施方式將單獨的引腳設置在從電路上，以使得主裝置可以僅給單獨的總線線路上的電壓提供脈衝來保持裝置醒著。圖13示出了具有用於脈衝輸入和脈衝輸出的単獨引腳的實施方式。圖14示出了使用LTC6802晶片的實施例。圖15示出了鎖存電路，該鎖存電路被設置成使得在鏈斷開的情況下，將功率從鎖存電路上去除並且鎖存電路斷開。圖16示出了確保在僅進行周期性刷新的情況下鏈能夠保持接通的電路及方法。
具體實施例方式鑑於以上所述，相應地極期望具有如下的方法和系統即使在車輛休眠時，該方法和系統也會平衡車輛的電化學電池單元的電荷，由此允許更小的平衡電路、更少的熱消散以及簡化平衡電池單元所需的任何軟體。如本文中所使用的，在車輛休眠時平衡電池單元的整體構思被稱為「睡眠平衡」。即使當車輛(或其他設備)休眠時，本文中描述的系統、電路以及方法也能夠通過重複地使電化學電池單元充電或放電來實現電化學電池單元的平衡。車輛的休眠狀態可以是指如下狀態未駕駛車輛(例如，未從電池組向電動機提供功率以驅動車輛)、車輛未開啟以及電池組沒有被充電(例如，功率未流入或流出電池組)。該系統可以在車輛休眠時持續地進行平衡，並且可以在設備休眠的整個時間段內的多個時間處實現電池單元的充電和/或放電。實現平衡算法的控制器可以控制電路以使各個電池単元充電和/或放電相對短的預定時間量。可以以不同的間隔重複該操作，以使電池的電池單元保持在期望的充電狀態下，而無需汲取大量的電流。該系統可具有在車輛開啟的同時快速地「開啟」和「關閉」平衡的能力，以在平衡「開啟」以及平衡未「開啟」情況下進行電池單元測量。這些系統、電路以及方法可以確保在為了維修而斷開起動器電池的情況下，在合理的時間量內禁用該平衡系統。該系統可以具有非常低的平均功耗(power draw)，從而使得輔助電池(諸如，12V起動器電池)能夠為睡眠平衡提供功率，即使在車輛保持休眠較長的時間段(例如，天、月或更長)的情況下也如此。存在可以用於實現ー個或多個這些特徵的若干實施方式及其組合。方法I :電池組可以具有串聯的多個電化學電池單元。代表性的電池單元在圖I中被示為Cell 1，並且具有關聯的放電電阻器Rl和放電開關Q1。放電開關Ql (由MOSFET表示，但是可以使用任何可控開關裝置)由可以接通或切斷的控制電路2控制。當(通過閉合SI)命令「接通」電路2時，通過CTRL信號而使Ql導通。如果SI斷開而S2閉合，則CTRL信號將使Ql關斷。如果通過閉合SI來將Ql導通，並且接著斷開SI和S2，則CTRL信號在預定的時間段後使其本身斷開，從而關斷Q1。當Ql導通吋，Cell I通過Rl放電，從而通過使Cell I達到較低的充電電平來平衡Cell I以對電池組進行平衡。可以針對電池的每個電池単元設置類似的控制電路2、放電電阻器以及放電開關。本領域的普通技術人員已知用於選擇哪個電池單元來放電的方法，因此這裡不再描述。控制器4可以實現用於平衡電池單元的任何適合技術，並且可以(例如，通過控制開關SI和S2)將控制信號提供給控制電路2的端子ON和OFF。圖I中示出的電路具有通過開關SI而接通的方式。具有切斷電路的快速方式(例如，使用S2)是可選的。所示出的用於開關Ql的MOSFET可以以其他開關裝置替代，其他開關裝置包括但不限於N或P溝道FET、NPN或PNP電晶體等。開關SI和S2可以是任何類型的開關裝置，包括但不限於光耦合器、多路復用器輸入或者輸出、光隔離繼電器、電晶體、FET 等。圖I的控制電路2具有下述能力開啟平衡的能力、當平衡關閉時非常低的電流消耗、在維持開啟的情況下在預定的超時之後關閉平衡的能力、以及足夠快地關閉平衡以進行測量的能力。圖2示出了僅具有通過SI來接通控制電路的能力而不具有快速切斷該控制電路的能力的實施方式。 控制電路2切斷本身的預定時間段應當是長到足以使得從12V電池汲取低的電流的時間段。如果該時間段短，則會需要更頻繁地接通在刷新平衡命令並接通所有Si開關中所涉及的任何電路，並且從起動器電池汲取的平均12V電流會増大。如果刷新周期慢，並且沒有開關(諸如S2)快速地關閉系統以進行測量，則當執行測量時電流會流過電池単元。因此，當電池進行平衡時需要測量是足夠精確的，以用於使用測量的所有功能。可替換地，當開啟車輛時，可以永久地禁用平衡，但這將減少平衡可以被使能的時間量。圖3示出了具有自動超時的圖I的控制電路2的實施方式。當SI閉合時，電容器Cl充電至Cell I的電池電壓，並且非常快速地使Ql導通。當S2閉合時，Cl快速地放電，從而關斷Ql並停止Cell I的放電。如果SI閉合併接著斷開，則Cl被充電並且Ql導通。隨著SI斷開，Cl通過R2緩慢地放電，並且在一段足夠長的時間之後，Cl將充分地放電，以使得Ql關斷並且平衡停止。圖4示出了在電阻器/電容器定時電路之後添加了比較器/放大器。這允許以需要更低的導通電壓或更大電流的部件(諸如，NPN電晶體)替代Q1。這還有助於確保不管挑選什麼部件作為Ql都不會緩慢地從飽和進入有源模式直至「關斷」，而是當Cl兩端的電壓達到特定閾值時，就快速關斷。作為比較器或者放大器進行工作的電路可以是比較器、為施密特觸發器配置的運算放大器、幾個分立式FET或電晶體、或者放大電流和/或確保電路在特定閾值處接通和/或斷開的任何其他電路或部件。如本文中所使用的，由於可以將比較器看作產生飽和輸出信號的放大器，因此，術語「放大器」將用於包括放大器和比較器ニ者。圖5示出了圖I的電路的另ー種實施方式，該電路使用用以提供超時的電容器和電阻器、以及放大器電路，其中該放大器電路包括用於驅動電晶體Ql以使電池単元放電的電晶體Q3和Q2。開關SI和S2可以分別使電容器Cl充電或放電。當對電容器Cl充電吋，其將以非常低的基極電流使Q3導通。這將導通Q2，並接著導通Q1。由於R2和R3的非常高的電阻，在通過閉合併接著斷開SI使Cl保持接通之後，Cl將保持接通相當長的時間量。存在可以使用的具有自動超時的電路的其他示例。例如，與上述的通過電容器與電阻器的組合所提供的電路相比，具有輸出緩衝器的運算放大器積分器電路可以用來獲得更具體的定時、以及更高的輸出電流驅動。圖6示出了具有電晶體Q2、Q3的運算放大器積分器，其中電晶體Q2、Q3將運算放大器的輸出轉換成離散的開/關信號。電阻器R3和R4形成偏壓網絡，因此電路對相對於偏壓的輸入電壓(不是相對於OV的輸入電壓)進行積分。可以通過閉合SI或S2而快速地改變輸入電壓，或者通過R2將輸入上拉來緩慢地改變輸入電壓。當S2閉合時，運算放大器的輸出(例如，UlA)將非常快速地放電至0V，從而關斷Q2，這又使Q3關斷並且接著使Ql關斷，從而禁用平衡。當S2斷開並且SI閉合時，運算放大器的輸出快速地充電至電池電壓，從而使能Q2，這接著使能Q3和Q1，從而開啟平衡。當SI和S2都沒有閉合時，運算放大器的輸出由於Cl與R2的組合而非常緩慢地放電至0V，從而在設定的時間量後關斷Q2、接著關斷Q3和Ql。每當Ql導通時，通過Rl來使電池單元平衡，而每當Ql關斷時，平衡關閉。具有緩衝器的電流反射鏡可以用於使電容器進行恆速的充電或放電。鎖存電路可以與定時晶片一起使用，並且存在可以與該方法一起使用的若干電路。為了將這種方法用於睡眠平衡，控制器4可以周期性地「醒來」並且刷新平衡命 令。12V電池的平均電流消耗將基於系統刷新平衡命令的頻率、接通系統以刷新平衡命令的持續時間以及在刷新命令時所消耗的電流。即I_avg = I_on*T_on/Period.存在用以最小化T_on的若干策略。在主/從系統中可以使在每個電池單元處的控制電路存儲平衡命令。利用這種技術，主單元不需要時間來與從單元通信，除非總的平衡命令改變。如果從單元經歷最小啟動例程並且接著儘快刷新平衡命令，則它們可以在非常短的時間量內返回關閉。如果主單元必須將平衡命令傳遞給從單元，則需要注意最小化傳送該命令所需的總線通信量。可以通過増加電路關斷本身所花費的時間量來増大時間段，這能夠得得較小頻率的刷新周期，從而導致較小的平均電流。通過使用達林頓電晶體、或者針對低電流優化的FET和/或用於使電容器放電的較大的電阻器，電容器將會更加緩慢地放電，從而導致較長的超時時間段。還可以使用超低電流運算放大器或其他裝置來確保非常低的電容器放電速率。較大的電容器將保存更多的電荷並且還將允許不太頻繁地刷新電路。可以以若干方式來最小化平均電流。例如，不需要接通的任何電路可以保持關閉，直到已刷新平衡之後。在主/從系統的情況下，主系統可以被分成兩個部分。ー個部分總是「接通」，並且包括定時器，該定時器僅用於向從系統提供脈衝以使平衡命令延續。主系統的第二部分在大部分或全部脈衝期間保持「關閉」，而當車輛需要吋「接通」，或者基於第二時間段而「接通」以進行更多測量並校正任何平衡命令。整個主系統會具有如下能力在根據是否需要任何平衡以及根據起動器電池的狀態切斷可以斷開的部分電路之前，命令脈衝「接通「或者「斷開」。(也可以使整個主單元啟用，但是這増加了刷新平衡所需的電流。)在刷新脈衝期間，可以使用具有數字邏輯和非易失性存儲器的系統來刷新所有平衡信號。這被執行是因為正在進行平衡的一些電池単元需要使Si線被提供脈衝以為必須平衡的電池單元保持平衡接通。對於不被平衡的電池單元，Si線應當不被提供脈衝。脈衝接通的電路的部分需要記住哪些SI線要刷新以及哪些線要保持斷開；因此，使用了非易失性存儲器。
在主/從系統中，可以接通整個從系統，並且從微控制器可以用作存儲器和邏輯部分。可以使用次級控制器、始終保持接通的低功率存儲裝置或者其他方法進行存儲以及向正確的Si線提供脈衝。還可以接通整個系統，但會使用較高的電流。類似的方法可以用在非分布式系統中，在該非分布式系統中，僅喚醒單電池管理控制器的一部分，以刷新平衡電路。作為上述的方法I的實施方式的總結每個電池單元均具有平衡電路。可以接通或者切斷該電路，但是如果維持接通，則它將最終使其本身斷開。當睡眠平衡時，系統周期性地喚醒平衡涉及的所有電路，並且刷新平衡命令，以使得平衡針對期望的電池單元保持接通。整個系統周期性地以較慢的速度醒來，以能夠監控和調整平衡過程。最後，如果去除至系統的12V功率，則系統將不會周期性地進行刷新，並且平衡命令將在合理的時間量內停止(不管平衡電路超時花費了多長時間)，從而保護電池免於過放電。方法2 在方法2中，代替需要接通用於平衡電路的控制器4的處理器或邏輯裝置來刷新平衡電路本身，可以設置硬體以自動刷新當前進行平衡的所有電池單元，而不需要處理器來有效地刷新它們。圖7示出了如下方法和電路該方法和電路用於將信號連結在一起，以使得源於Cell I處的刷新信號可以經過用於平衡裝置上的每個電池単元的所有平衡電路，而不管它們是否進行平衡。注意，未示出實際的平衡電路。如果相對於Cell I而拉低R10A，則Q4A導通，這又使Q5A導通。這拉低了 R10B，從而使Q4B導通，以及使Q5B導通。該信號將向上傳送，以使得每個電路均具有可以用於刷新接通的電池單元的信號。注意，可以用FET或者其他開關裝置來替代所涉及的電晶體。此外，可以使用提供電壓轉換的其他裝置來將該信號向上傳送到電池堆。圖8示出了圖5中的平衡電路與圖7中示出的信號鏈技術的組合。S1、S2、C1、Q3、Q2以及Ql如上所述的那樣起作用，從而允許接通、切斷電路，並且允許電路當保持接通時自動地實現超吋。Q4和Q5可以用於將信號從ー個電池單元傳送到另ー電池単元直至整個電池堆。當發送信號時，如果Ql導通，則Q6的基極被拉低並且Q6將導通。Q4將導通，這是因為它的基極通過來自下面的電池單元的刷新信號而被拉低。這將拉高Q6的集電極，這對Cl再充電，就像SI閉合一祥。當沒有發送刷新信號吋，Q4將關斷，並且Q6將不能對Cl再充電。如果Ql關斷，則Q6將不會導通，並且將不對Cl再充電。對於該電路，刷新平衡電路所需的唯一動作是以持續時間非常短的脈衝使用於底部電池單元的Q4A導通。圖9不出了光I禹合器Ul,該光f禹合器Ul可以用於將來自底盤參考電位的信號傳送到電池單元參考信號鏈的底部。圖10示出了光耦合器U1，其中使用在底盤部分上可用的電源來向光耦合器Ul供電。給底盤部分完全上電以激活鏈。在該電路中，VRl是電壓調節器，該電壓調節器不僅向Ul供電，而且也向監控電路供電。儘管期望在脈衝期間接通U1，但是也期望接通刷新平衡脈衝不需要的所有其他電路，這樣做將汲取不必要的電流。主控制器可以向所有的從裝置發送脈沖。該脈衝長到足以給VRl上電並且接著接通U1。功率去往U1，並且去往在調節的VRl輸出上的所有裝置。存在有被標有禁用邏輯(Disable Logic)的可選引腳，該引腳可以確保當從裝置完全接通時可以禁用Ul ;這確保了刷新信號不會干擾與使用圖8中的S2開關來關閉平衡的能力。然而，如果使在圖8中電晶體的大小適當，以使來自S2的信號超過通過Q6的刷新信號，則將不需要禁用邏輯。圖11示出了光耦合器U1，該光耦合器Ul直接由從裝置的電源斷電。這允許主控制器向所有從裝置的電源引腳發送脈沖。該脈衝不再需要足夠長的持續時間來給VRl上電，僅需要足夠長的持續時間來給Ul上電。此外，如果使RlA的大小適當，則可以在較寬範圍的輸入電壓內給Ul上電。這些輸入電壓中的ー些可以足夠低，以使得VRl根本不能被上電。這使得在僅向Ul供電的電源引腳上發送脈沖。通過給較少的電路供電，並且通過給電路供電較短的持續時間，12V系統消耗較少的電流。這種想法的變型可以給予Ul本身較低電壓調節器，以使得較低的電壓脈衝可以給Ul上電,而無需給板的剩餘部分上電。圖12示出了相同的電路，但是単獨的引腳設置在從電路上，以使得主裝置可以僅 僅給單獨的總線線路上的電壓提供脈衝以保持裝置醒著。圖13示出了用於脈衝輸入和脈衝輸出的単獨引腳。這使得脈衝輸入引腳和脈衝輸出引腳能夠串聯用於不同的從裝置。這意味著，對於多個從裝置，電流將流入ー個U1，並且接著流入串聯的下ー個U1，因此電流不疊加起來。多個從裝置所需的電流與單個從裝置所需的電流相同。因而，可以基於系統電壓和系統中的從裝置的數量而使每個從裝置上的多個RlA大小合適。對於方法2，如同方法I 一祥，可以計算平均電流I_avg = I_on * T_0n/Period。對於方法2，T_on大大減小，這是因為短脈衝可以刷新所有電容器，而無需喚醒並初始化在方法I中所需的存儲器以及邏輯裝置，方法I必須單獨地刷新每個電池単元。在方法2中，短持續時間脈衝可以刷新所有電池單元。對於方法2，也可以相當大地減小Ι_οη。圖11至圖13示出了如下方法該方法減小刷新系統所需的電流，以使得在將脈衝僅發送到所需電路時，大部分從裝置可以保持斷電。控制器4可以被配置成在不同的時間點以高功率模式和低功率模式工作。當在高功率模式下時，控制器4可產生控制信號以接通開關SI或者S2(圖8)。為了減少所使用的功率量，控制器4可以進入低功率模式一段時間。在低功率模式下，控制器4不需要生成控制信號以接通開關SI，從而使得能夠對電池単元充電和/或放電。然而，如上所述，系統可以被配置成當控制器4處於低功率模式時向電路提供刷新信號來保持電池單元平衡。刷新信號可以由任何適合的電路(諸如，定時器電路或其他電路)生成。將方法2與方法I相比，在相同的時間段內，方法2具有更低的平均功耗。時間段和電路複雜性或成本之間存在權衡。為了在圖5和圖6中具有較長的時間段，將會需要更大的電容器。使用方法2可以實現低功耗，甚至對於更短的時間段。更短的時間段將允許使用較小的電容器或成本不高的超時解決方案。方法3 方法3是方法2的變型，方法3使用了線性技術LTC6802IC或包含監視器(watchdog)超時以自動地禁用平衡的任何相似電池管理1C。LTC6802IC被設計成可堆疊的，並且它們具有電壓變換拓撲，其使得IC串聯布置。與第一 LTC6802IC的通信發生，並且接著其傳送電平以連接到第二 LTC6802，該第二 LTC6802又可以連接到另ー個LTC6802IC等。LTC6802包括監視器定時器，使得如果在2. 5秒內與IC沒有發生通信，則其將禁用所有平衡。可替換地，該LTC 6802可以置於低功率非監控模式，同時其繼續平衡電池單元，只要監視器沒有終止。LTC6802使用4條線來進行遵循串行外圍接ロ(SPI)通信方案的通信。包括有片選、時鐘、用於從主裝置到從裝置的傳輸的數據線主出從進(MOSI)以及用於從從裝置到主裝置的傳輸的數據線主進從出(MIS0)。為了刷新平衡命令，可以每隔2. 5秒切換時鐘線一次。有幾個圖示出了如何連接LTC6802以監控數據單中的多個電池，然而，以前描述的所有系統被設置成全部接通或全部關斷。在之前沒有公開有在保持大部分系統關斷的同時保持刷新監視器定時器的系統。可以每隔2. 5秒喚醒板一次以與LTC6802通信。然而，與方法2中使用的方法類似的方法可以用來僅給板的小型子設備上電。LTC6802IC要求4條SPI線在不使用時全部保持高電平，以使得単元保持處於可能的最低功率模式。 圖14示出了按照LTC6802的數據單利用執行睡眠平衡的額外能力將LTC6802連接成基於底盤的通信的方法。它具有刷新平衡信號的能力，同時保持LTC6802在接通時具有快速通信的能力，並且同時滿足具有非常低的平均關斷電流的平衡要求的能力。至LTC6802的通信線被標記為MOSI、MIS0、CLK以及CS，並且在頁面的右手部分示出。未示出LTC6802。在頁面的左手部分上的信號將是底盤參考信號，該底盤參考信號將到達微處理器以便於與LTC6802通信。U26是數字隔離電路，並且Ul至U3是光耦合器。當裝置關閉時，U1、U2以及U3斷開。斷開的U2使GND從U26斷開，因此U26的所有引腳關閉並且處於LTC6802VCC，這確保了 U26沒有汲取功率並且LTC6802處於低功率模式。在正常操作下，U2接通，以使U26接通，U3作為片選，該片選可以慢於時鐘和數據線，並且U26用幹與用於較快時鐘和數據線路的LTC6802通信。禁用U1，以使得其不幹擾用於LTC6802的時鐘信號。由於片選線相比於其他線較不頻繁地改變狀態，所以具有比其他線慢的片選線是可接受的。當在睡眠模式下發送脈衝時，U2斷開，因此U26的GND引腳從LTC_GND斷開。U3也斷開，因此所有的線處於VCC。對Ul提供脈衝將使時鐘線路變為低電平，這重置了監視器定時器。電阻器R2限制當時鐘被拉低時可以給U26反饋的電流。從U26的GND引腳(陽極)到U26上的時鐘引腳(陰極)的CMOS保護ニ極管(未示出)可以用於進ー步保護U26，從而確保U26的CLK線將不會被過分拉低到U26的GND引腳以下。如方法2 —祥，可以從在任何調節器之前或者之後的電源電路向Ul饋電，或者通過與其他從裝置並聯或串聯的單獨線路由Ul本身來向其饋電。如果使用電源引腳，則電晶體、FET或開關可以通過將Ul的引腳I拉低至底盤接地電平來斷開U1，以進行通信。注意，這種方法可以使用用於所有4條線的數字隔離器，而不是使U3用於片選線。也可以使用用於所有通信線的光耦合器，而不是使用數字隔離器。雖然所示出的U26從LTC6802汲取功率，但是也可以通過DC-DC轉換器來給U26上電，只要U26在關閉時將所有引腳拉到LTCVCC而不是GND即可。對該方法的其他變型是可能的。添加Ul使得能夠刷新LTC6802而無需給整個裝置上電。添加U2確保了 U26在裝置休眠時不從電池單元汲取功率。方法4 在電池單元之間使用信號鏈和電平移位方面，方法4類似於方法2。方法4與方法2不同之處在於，信號鏈對於電池單元而言必須始終是激活的，以能夠進行平衡。在這種方法中，使用鎖存電路，該鎖存電路一旦被接通就保持導通，而當被斷開時就保持關斷。信號鏈用於通過中斷它們的功率或者通過在鏈被斷開的情況下發送關斷信號來促使鎖存電路斷開。電路在沒有被刷新的情況下將自動地斷開信號鏈。圖15示出了鎖存電路，該鎖存電路被設置成使得在鏈斷開的情況下，功率從鎖存電路去除並且鎖存電路斷開。R10、Q4、R11以及Q5構成從一個電池単元到下一個電池単元的鏈。在其他設計中，觸發器、鎖存器或簡單的電晶體組合可以構成框圖中所示的用於存儲平衡命令的鎖存電路。從Q4的發射極向鎖存電路的VCC供電，其中該發射極在電位上通常略低於Celll的正扱。當該鏈斷開時，Q4A將不再提供電流並且鎖存電路將被禁用。 圖16示出了用於確保在僅進行周期性刷新的情況下該鏈能夠保持導通的技木。周期性地接通U1。這給Cl充電，使得即使在Ul斷開後也保持R12和Q6接通。Q6又使RlOA下拉，這使Q4A導通並且激活該鏈。如果Ul沒有被刷新，則Cl將放電，這將禁用Q6，從而接著禁用Q4，並且整個鏈斷開，從而禁用睡眠平衡。總之，睡眠平衡可以在主從系統或者具有單個板上的整個電池管理系統的系統中起作用。它可以通過喚醒一個板上的整個電路以刷新平衡命令或者通過喚醒非常小的一部分電路，來進行操作。在主從系統中，整個主系統可以喚醒，或者小部分可以保持工作以發送周期性脈衝。同樣，需要激活整個從系統或者微小部分以刷新平衡信號。該刷新可以包括處理器接通所有的信號以保持它們導通(方法I)、將信號發出到鏈以刷新所有的平衡信號(方法2)或者以保持該連結通從而保持平衡使能(方法4)、或者將脈衝發送給集成電路以避免監視器定時器終止(方法3)。在所有的情況下，平衡電路可以從12V電池汲取非常低的功率，並且允許它在睡眠模式下工作相當長的一段時間，而沒有使12V電池放電。例如，該系統當在操作中時可以汲取平均不超過100mA。在一些情況下，該系統可以汲取顯著少的電流，例如平均不超過50mA或者平均不超過2mA。即使車輛最初休眠，該系統也使得所有的電池單元保持平衡。最後，如果移除12V電池，則平衡將在合理的時間量內停止，以確保電池單元不過放電。另外的方面儘管本文中已描述和示出了多種本發明的實施例，但是本領域的普通技術人員將容易想到用於執行本文中所述的功能和/或獲得本文中所述的結果和/或本文中所述的一個或多個優點的多種其他裝置和/或結構，並且每個這樣的變型和/或修改均被視為落入本文中所述的本發明實施例的範圍內。通常，本領域的技術人員將容易理解，本文中所述的所有參數、尺寸、材料以及配置都是示例性，並且實際的參數、尺寸、材料和/或配置將取決於使用本發明的教導的具體應用。本領域的技術人員將會認識到或者能夠確定僅僅使用常規實驗、本文中所述的具體的本發明實施例的多種等同方案。因此，需要理解的是，前述的實施例僅作為示例而呈現，並且在所附權利要求及其等同物的保護範圍內，除了具體描述並要求保護的本發明實施例之外,還可以通過其它方式來實踐本發明實施例。本公開內容的本發明實施例針對本文中所述的每個單獨特徵、系統、物品、材料、套件和/或方法。此夕卜，在這樣的特徵、系統、物品、材料、套件和/或方法相互一致的情況下，兩個或更多個這樣的特徵、系統、物品、材料、套件和/或方法的任何組合均包括在本公開內容的發明範圍內。例如，可以使用硬體、軟體或其組合來實現控制器(諸如控制器4)的實施例。當以軟體來實現時，可以在任何適合的硬體處理器或硬體處理器的集合上執行軟體代碼，而不管是設置在單個計算機中還是分布在多個計算機中。應當理解，通常可以將執行上述功能的任何部件或部件的集合當作控制上述功能的一個或多個控制器。可以以多種方式來實現一個或多個控制器，諸如利用專用硬體，或者利用被編程為執行上述功能的通用硬體(例如一個或多個處理器)。此外，應當理解，計算機可以以多種形式中的任何ー種來實現，諸如，機架安裝式計算機、臺式計算機、膝上型計算機或平板計算機。此外，計算機還可以嵌入一般不視為計算機但具有適當的處理能力的裝置中，包括個人數字助理(PDA)、智慧型手機或任何其他適合的可攜式或固定式電子裝置。 這樣的計算機可以通過為任何適合形式的一個或多個網絡而互連，包括區域網或廣域網，諸如企業網以及智能網(IN)或網際網路。這樣的網絡可以基於任何適合的技術，可以根據任何適合的協議進行操作，並且可以包括無線網絡、有線網絡或光纖網絡。在此列舉的各種方法或過程可以被編碼成可在一個或多個處理器上執行的軟體，該ー個或多個處理器採用多種作業系統或平臺中的任ー個。此外，可以使用多種適合的程式語言和/或編程或腳本工具中的任何ー種來編寫這樣的軟體，並且還可以將這樣的軟體編譯成可執行機器語言代碼或在架構機或虛擬機上執行的中間代碼。在這方面，各種發明構思可以被實現為用一個或多個程序編碼的計算機可讀存儲介質(或多個計算機可讀存儲介質)(例如，計算機存儲器、一個或多個軟盤、壓縮盤、光碟、磁帶、快閃記憶體、現場可編程門陣列或其他半導體器件形式的電路配置、或者其它非暫時性介質或有形的計算機存儲介質)，其中，該ー個或多個程序當在一臺或多臺計算機或其它處理器上運行時，執行實現上述本發明的各種實施例的方法。計算機可讀介質可以是可傳輸的，以使得存儲在其上的程序可以裝載到一臺或多臺不同的計算機或其它處理器上以實現以上討論的本發明的各個方面。本文中使用的術語「程序」或「軟體」在一般意義上是指任何類型的計算機代碼或計算機可執行指令集，其可以用於對計算機或其它處理器進行編程以實現以上討論的實施例的各個方面。此外，應當理解，根據ー個方面，當被執行時實現本發明的方法的一個或多個電腦程式不必存在於單個計算機或處理器中，而是可以以模塊化的方式分布在多個不同的計算機或處理器中以實現本發明的各個方面。計算機可執行指令可以為一臺或多臺計算機或其他裝置執行的多種形式，諸如程序模塊。通常，程序模塊包括執行特定任務或實現特定抽象數據類型的例程、程序、對象、組件、數據結構等。典型地，可以如在各個實施例中所期望的一樣組合或分布程序模塊的功倉^:。另外，數據結構可以以任何適合的形式存儲在計算機可讀介質中。為了簡化說明，數據結構可以被示為具有通過數據結構中的位置而相關的欄位。這樣的關係同樣可以通過為欄位的存儲分配計算機可讀介質中傳送欄位之間的關係的位置來實現。然而，可以使用任何適合的機構來建立數據結構的欄位中的信息之間的關係，包括通過使用指針、標籤或建立數據元素之間的關係的其它機構。應注意，可以使用分立的電子元件、集成電路或者整個系統的大部分或全部在具體針對該應用的單個專用集成電路(ASIC)上的構造來實現實際的實施例。此外，各種發明構思可以被實施為ー種或多種方法，已提供該ー種或多種方法的示例。可以以任何適合的方式來對作為方法的一部分而執行的動作進行排序。因此，可以構造以不同於所示順序的順序來執行動作的實施例，這可以包括同時執行ー些動作，即使在說明性的實施例中示為順序動作。本文中限定和使用的所有定義均應當理解成包括詞典定義、通過參考而併入的文獻中的定義和/或所定義的術語的普通含義。除非明確地相反規定，否則本文在說明書和權利要求書中所使用的不定冠詞「ー 個(a或an) 」應當被理解成是指「至少一個」。本文在說明書和權利要求書中所使用的用語「和/或」應當被理解為是指如此連結的元件中的「兩者之ー或兩者」，即，在一些情況下結合存在而在其它情況下分離地存在的元件。以「和/或」列舉的多個元件應當以相同的方式進行理解，即，如此連結的「ー個或多個」元件。除了由「和/或」分句具體標識的元件之外，還可以可選地存在其它元件，而不管與那些被具體標識的元件是相關還是不相關。因此，作為非限制性示例，對「A和/或B」的引用當與開放式語言(諸如，「包括」)結合使用時，在一個實施例中可以僅是指A(可選地，包括除B以外的元件)；在另ー個實施例中，僅是指B(可選地，包括除A以外的元件)；在又一個實施例中，是指A和B兩者(可選地，包括其它元件)等。如本文在說明書和權利要求書中所使用的，「或者」應當被理解成具有與以上定義的「和/或」相同的含義。例如，當在區分列表中的項吋，「或」或者「和/或」應當被解釋為是包括在內的，即，包括多個元件或元件列表中的至少ー個以及多於ー個，以及可選地包括另外未列出的項。僅明確相反規定(諸如，「僅其中ー個」或「正好其中ー個」)或當在權利
要求書中使用時(「由......組成(consisting of)」)的用語是指僅僅包括多個元件或
元件列表中的ー個元件。通常，本文中所使用的用語「或」當在排他性用語(諸如，「二者之一」、「其中之一」、「僅其中之一」或「正好其中之一」)後時應當被解釋為表示排他性的替代
用語(即，「ー個或另ー個而不是兩者」)。「基本上由......組成」當在權利要求書中所使
用時具有其如在專利法領域中使用的普通含義。本文在說明書和權利要求中所使用的，短語「至少ー個」在對一個或多個元件的列表的引用中應當被理解成是指從該元件列表中的任一個或多個元件中選擇的至少ー個元件，但不一定包括在該元件列表中具體列出的每個具體元件中的至少ー個，並且不排除在該元件列表中的元件的任意組合。這種定義還允許除了元件列表中具體標識的、短語「至少一個」所指的元件之外的元件可以可選地存在，而不管與具體標識的那些元件相關還是不相關。因此，作為非限制性的示例，「 A和B中的至少ー個」(或等同地，「A或B中的至少ー個」，或者等同地「A和/或B中的至少ー個」)在一個實施方式中可以是指至少ー個(可選地，包括多於ー個)A而沒有B(以及可選地，包括除B之外的元件)；在另ー個實施例中，可以是指至少ー個(可選地，包括多於ー個)B而沒有A (以及可選地，包括除A之外的元件)；在又一個實施例中，可以是指至少ー個(可選地，包括多於ー個)A以及至少ー個(可選地，包括多於ー個)B(以及可選地，包括其它部件)等。在權利要求書以及上述說明書中，所有的連接詞(諸如，「包括(comprising、including 或 composed of) 」、「載有(carrying) 」、「具有(having) 」、「包含(containing)」、「涉及(involving) 」、「容納(holding) 」等應被理解為開放式的，即， 意味著包括但不限於。只有連接詞「由···組成(consisting of) 」以及「基本上由····組成(consistingessentially of) 」應分別被理解成封閉或半封閉式連接詞。
權利要求
1.一種用於使電池組的電化學電池單元充電和/或放電的系統，所述電池組向設備的負載提供功率，所述系統包括 電路，耦接到所述電池組的電化學電池單元，並且被配置成在所述設備休眠的整個時間段內出現的多個時間處使所述電化學電池單元充電和/或放電。
2.根據權利要求I所述的系統，其中，當所述設備休眠時，所述負載不從所述電池組汲取功率。
3.根據權利要求2所述的系統，其中，當所述設備休眠時，沒有電流流入或流出所述電池組。
4.根據權利要求I所述的系統，其中，所述設備為車輛，並且所述負載包括所述車輛的電動機。
5.根據權利要求4所述的系統，其中，當所述車輛被關閉並且所述電池組不進行充電時，所述車輛休眠。
6.根據權利要求4所述的系統，其中，當所述車輛被關閉並且沒有電流流入或流出所述電池組時,所述車輛休眠。
7.根據權利要求I所述的系統，還包括 控制器，被配置成生成控制信號， 其中，所述電路被配置成響應於所述控制信號而使所述電化學電池單元充電和/或放電。
8.根據權利要求7所述的系統，其中，所述控制器被配置成平衡所述電池組的電化學電池單元的充電電壓或充電狀態。
9.根據權利要求7所述的系統，其中，所述電路被配置成響應於所述控制信號而使所述電化學電池單元充電和/或放電，並且在預定時間段之後自動停止使所述電化學電池單元充電和/或放電。
10.根據權利要求7所述的系統，其中，所述電路被配置成響應於刷新信號而使所述電化學電池單元充電和/或放電預定時間段。
11.根據權利要求10所述的系統，其中，所述控制器被配置成至少以第一功率模式和第二功率模式工作，其中，與在所述第一功率模式下相比，所述控制器在所述第二功率模式下使用較少的功率，其中所述控制器被配置成當所述控制器處於所述第一功率模式時生成所述控制信號，而當所述控制器處於所述第二功率模式時不生成所述控制信號，並且其中所述系統被配置成當所述控制器處於所述第二功率模式時向所述電路提供所述刷新信號。
12.根據權利要求10所述的系統，其中，所述電路為耦接到所述電池組的第一電化學電池單元的第一電路，並且所述系統還包括 第二電路，耦接到所述電池組的第二電化學電池單元，並且被配置成使所述第二電化學電池單元充電和/或放電， 其中，所述第一電路被配置成從所述第二電路接收所述刷新信號。
13.根據權利要求7所述的系統，其中，所述控制信號為第一控制信號，並且所述控制器還被配置成生成第二控制信號，並且其中所述電路被配置成響應於所述第二控制信號而停止使所述電化學電池單元充電和/或放電。
14.根據權利要求I所述的系統，其中，所述電路為鎖存電路，所述鎖存電路被配置成存儲平衡命令。
15.根據權利要求14所述的系統，其中，使用與所述電池組分離的電池來向所述系統供電，並且所述電路被配置成使得在所述電池斷開的情況下，所述電路將在預定的時間量內停止使所述電池組充電和/或放電。
16.根據權利要求I所述的系統，其中，所述充電和/或放電至少部分地受控於專用集成電路ASIC，並且所述系統被配置成重複地向所述ASIC發送刷新信號，以使得所述ASIC保持使所述電池組的一個或多個所選電池單元充電和/或放電。
17.一種用於使電池組的電化學電池單元充電和/或放電的系統，所述系統包括 控制器，被配置成生成控制信號；以及 電路，耦接到所述電池組的電化學電池單元，所述電路被配置成響應於所述控制信號而使所述電化學電池單元充電和/或放電，並且被配置成在預定時間段之後自動停止使所述電化學電池單元充電和/或放電。
18.根據權利要求17所述的系統，其中所述電路包括 電阻元件； 電容器；以及 電晶體，所述電晶體具有耦接到所述電阻元件和所述電容器的控制端子。
19.根據權利要求18所述的系統，還包括 放大器，耦接到所述控制端子以放大由所述電阻元件和所述電容器提供的信號。
20.根據權利要求17所述的系統，其中，所述電路為耦接到所述電池組的第一電化學電池單元的第一電路，並且所述系統還包括 第二電路，耦接到所述電池組的第二電化學電池單元，並且被配置成響應於所述控制信號而使所述第二電化學電池單元充電和/或放電。
21.根據權利要求20所述的系統，其中，所述第二電路連接到所述第一電路，以接收來自所述第一電路的控制信號。
22.根據權利要求17所述的系統，其中所述控制信號是第一控制信號，並且所述控制器還被配置成生成第二控制信號，並且其中所述電路被配置成響應於所述第二控制信號而停止使所述電化學電池單元充電和/或放電。
23.一種用於使電池組的電化學電池單元充電和/或放電的系統，所述系統包括 控制器，被配置成生成至少一個控制信號；以及 多個電路，分別耦接到所述電池組的相應電化學電池單元，以響應於所述至少一個控制信號而使所述電化學電池單元充電和/或放電， 其中所述系統被配置成當在操作中時從輔助電池汲取平均不超過100mA。
24.根據權利要求23所述的系統，其中，所述系統被配置成當在操作中時從所述輔助電池汲取平均不超過50mA。
25.根據權利要求24所述的系統，其中，所述系統被配置成當在操作中時從所述輔助電池汲取平均不超過2mA。
26.根據權利要求23所述的系統，其中，所述電池組被配置成向車輛的電動機提供功率。
27.根據權利要求26所述的系統，其中，所述控制器被配置成生成所述至少一個控制信號，以控制所述多個電路，從而在所述車輛休眠的整個時間段內出現的多個時間處使所述電池組的電化學電池單元充電和/或放電。
28.根據權利要求23所述的系統，其中，所述系統被配置成由所述輔助電池供電。
29.根據權利要求23所述的系統，其中，所述系統被配置成由所述電池組供電。
30.根據權利要求23所述的系統，其中，使用平均不超過IOOmA向所述系統供電。
31.根據權利要求30所述的系統，其中，使用平均不超過50mA向所述系統供電。
32.根據權利要求31所述的系統，其中使用平均不超過2mA向所述系統供電。
全文摘要
一種用於使電池組的電化學電池單元充電和/或放電的系統，其中該電池組向諸如車輛的設備的負載提供功率。該系統可以包括如下電路耦接到電池組的電化學電池單元，並且被配置成在設備休眠的整個時間段內出現的多個時間處使電化學電池單元充電和/或放電。該系統具有較低的功耗。該系統可以具有自動超時，以在輔助電池斷開時停止使電化學電池單元充電和/或放電。
文檔編號H02J7/04GK102859837SQ201180003404
公開日2013年1月2日 申請日期2011年12月6日 優先權日2010年12月6日
發明者彼得·弗雷德裡克·諾爾特曼, 丹尼爾·A·蘇夫林-迪斯勒, 菲利普·約翰·韋克 申請人:科達汽車公司