用于堆疊電池的電壓管理設備的制作方法
【專利摘要】提供一種裝置，其包括耦合到具有第一單元塊和第二單元塊的堆疊電池組的第一節(jié)點的第一端子，耦合到位于第一單元塊和第二單元塊之間的第二節(jié)點的第二端子，以及檢測在第二端子處的輸出電壓并基于要在第二端子處檢測的輸出電壓來調整電池組內能量的電壓管理電路。
【專利說明】用于堆疊電池的電壓管理設備
[0001]領域
[0002]實施例可涉及用于堆疊電池的電壓管理設備。
[0003]背景
[0004]電池壽命是電子設備(或平臺負載)的關鍵特征。然而，電池電壓隨著放電而衰減。圖1示出電源系統(tǒng)的示例，其中電池10可以以變化的電壓提供直流(DC)給電壓調節(jié)器20。該電壓調節(jié)器20可將所接收到的電壓輸入調整為電壓輸出，電壓輸出可隨后被提供給平臺負載30。作為一個示例，對電壓調節(jié)器20的電壓輸入可在9伏和12.6伏之間變動，而來自該電壓調節(jié)器20的電壓輸出可以是2伏。
[0005]附圖的簡要說明
[0006]可參考以下附圖詳細說明各種安排和實施例，其中類似的附圖標記指代類似的元素，并且其中:
[0007]圖1示出用于電子設備的電源系統(tǒng)的示例；
[0008]圖2示出根據示例性實施例用于平臺負載的電源系統(tǒng)；以及
[0009]圖3示出根據示例性實施例包括堆疊電池組和電壓比較器的電壓管理設備。 [0010]詳細描述
[0011]在如下詳細描述中，類似的附圖標記和字符可在不同的附圖里指示相同的、相應的和/或相似的組件。進一步地，在隨后的詳細描述中，可以給出示例尺寸/模型/值/范圍，但是實施例不局限于此。其中闡述特定的細節(jié)以便描述示例性實施例，對本領域的技術人員來說，顯然可以在沒有這些特定細節(jié)的情況下實現實施例。
[0012]如下描述可涉及基于包括兩個堆疊單元塊的電池而運行的電子設備，每個塊包括并聯連接的一個或多個電池。該電子設備可被稱為平臺負載(或計算平臺)。該平臺負載可包括基于處理器的設備，包括但不限于膝上型計算機、上網本、平板和/或移動電話(或蜂窩電話)。該平臺負載可包括用于移動計算機的處理器。
[0013]圖2示出根據示例性實施例，用于平臺負載的功率系統(tǒng)。其它實施例和配置也包含在本公開的范圍內。圖2的特征也可被認為是裝置、系統(tǒng)和/或電子設備。
[0014]圖2示出通過高電壓軌52和中電壓軌54耦合到平臺負載30的電壓管理設備50。中電壓軌54也可被稱為低電壓軌。電壓管理設備50和平臺負載30可被共同耦合到接地(例如接地電壓軌)。
[0015]圖2還示出電池端口 62來接收電池組60，例如具有上單元塊和下單元塊的堆疊電池組。作為一個不例，電池端口 62可被認為是電壓管理設備50的一部分。
[0016]電壓管理設備50也可接收來自另一設備的電壓56，例如適配器或AC/DC轉換器，例如AC/DC轉換器。
[0017]電壓管理設備50可在高電壓軌52上向平臺負載30提供高輸出電壓。電壓管理設備50可在中電壓軌54上向平臺負載30提供中輸出電壓。
[0018]可以從電池組60的上單元塊和下單元塊的組合提供高電壓軌52上的高輸出電壓。還可以基于電壓56提供高電壓軌52上的高輸出電壓?？梢詮碾姵亟M60的下單元塊提供中電壓軌54上的中輸出電壓。
[0019]圖3示出根據示例性實施例的電壓管理設備，其包括堆疊電池組和電壓比較器。其它實施例和配置也可包含在本公開的范圍內。圖3中所示的電壓管理設備可對應于圖2所示的電壓管理設備50。圖3的特征也可被認為是裝置或系統(tǒng)。
[0020]更具體地，圖3示出該電壓管理設備包括堆疊電池組110和電壓管理電路150。堆疊電池組110和電壓管理電路150可提供輸出電壓給平臺負載，例如圖1-2所示的平臺負載30。堆疊電池組110和電壓管理電路150可在高電壓軌210上提供高輸出電壓以及可在中電壓軌220上提供中輸出電壓。接地功率軌230可提供零伏或接地電壓。中電壓軌220可提供為高電壓軌210的高輸出電壓一半的電壓。這可以基于堆疊電池組110中的電壓以及基于電壓管理電路150的操作來提供，如下面將要描述的。
[0021]在此示例中，堆疊電池組110可包括疊放在一組并聯的電池單元上的第一電池單元112 (或并聯電池的塊)、第二電池單元114和第三電池單元116。該第二和第三電池單元114和116可以并聯設置并可被認為是并聯對。作為替代，更大的單電池單元可用于代替該并聯電池單元114、116。第一電池單元112可在公共節(jié)點113共同連接到第二和第三電池單元114、116。第一電池單元112可被認為是堆疊電池組110的上單元塊。第二電池單元114和第三電池單元116可被認為是堆疊電池組110的下單元塊。電池組110的其它配置也可被提供。[0022]堆疊電池組110可被設置在用于接收該電池組110的電池端口中。相應地，該電池組可從功率系統(tǒng)移除。
[0023]堆疊電池組110可在高電壓軌210上提供高輸出電壓給平臺負載。例如，高電壓軌210可提供大約6伏到8.4伏的高輸出電壓。此高電壓可能是用來向平臺負載提供驅動電壓的合適電壓。
[0024]然而，該平臺負載可能需要比高電壓軌210上提供的高輸出電壓低的電壓。作為一個示例，微處理器(在平臺負載上)可能需要I伏的輸入電壓。用高電壓軌210上的高輸出電壓來驅動該微處理器(即，平臺負載)可能是低效的。更有效率的技術可通過使用中電壓軌220上的中輸出電壓驅動該微處理器(即，平臺負載)。
[0025]中電壓軌220上提供的中輸出電壓也可被提供給平臺負載。例如，中電壓軌220可提供大約3伏到4.2伏的中輸出電壓。中電壓軌220上提供的電壓可對應于在堆疊電池組110的上單元塊和下單元塊之間的公共節(jié)點113處的電壓。
[0026]相比于具有單個電池單元(即，第一電池單元112)的電池組110的上單元塊，電池組110的下單元塊可以具有更高的能量含量(由于兩個電池單元114、116)。相比于使用高電壓軌210，使用中電壓軌220來驅動平臺負載可能更有效率。就是說，一對電池單元114、116可向中電壓軌220提供高容量和高電流。單個第一電池單元112可向高電壓軌210提供較高電壓下的較小容量。
[0027]出于效率的原因，希望使用電池組110中的所有能量，使得所有三個電池單元都同時耗盡。
[0028]電壓管理電路150可確定是否高輸出電壓和中輸出電壓在可接受的限制內變動，且電壓管理電路150可按需要或降壓或升壓平衡電荷來維持平衡的電池堆棧。
[0029]電壓管理電路150可包括一對電阻，亦即串聯設置在節(jié)點151和接地電壓軌230之間的第一電阻152和第二電阻156。第一和第二電阻152和156可具有相同的阻值。中點節(jié)點154設置于第一電阻152和第二電阻156之間，使得第一和第二電阻152、156具有相同的阻值。第一電阻152設置于節(jié)點151和中點節(jié)點154之間。第二電阻156設置于中點節(jié)點154和接地電壓軌230之間。中點節(jié)點154處的電壓可為參考電壓V,ef。該參考電壓VMf可表示理想電壓，其應該在堆疊電池組110的上單元塊和下單元塊之間提供。
[0030]中點節(jié)點154處的電壓可被用來確定該電池組的上單元塊是否與電池組110的下單元塊相平衡。為了使電池組Iio的上單元塊和下單元塊相平衡，在中點節(jié)點154處的電壓應和公共節(jié)點113處(在上堆棧和下堆棧之間)的電壓相同。
[0031]電壓管理電路150可進一步包括控制電路160、降壓轉換器170 (或降壓開關)、升壓轉換器180 (或升壓開關)以及公共電感190。控制電路160可驅動可逆轉換器，其可包括降壓轉換器170、升壓轉換器180和公共電感190。
[0032]控制電路160可以是例如集成電路(IC)。
[0033]控制電路160可接收基于在第一電阻152和第二電阻156之間的中點節(jié)點154處的電壓的第一輸入。為了描述方便，第一輸入可被稱為參考電壓Vraf?？刂齐娐?60可接收基于在中電壓軌220上的節(jié)點165處的電壓的第二輸入。節(jié)點165處的電壓可對應于堆疊電池組110的上單元塊和下單元塊之間的公共節(jié)點113處的電壓。為了描述方便，第二輸入可被稱為實際電壓(或堆疊電池組110的實際中電壓)。實際電壓可表示堆疊電池組110的上單元塊和下單元塊之間的公共節(jié)點113處的實際電壓。
[0034]控制電路160可比較參考電壓VMf(從中點節(jié)點154提供)與實際電壓(從節(jié)點165提供)?；谠摫容^，控制電路160可提供輸出信號(或電壓)給降壓轉換器170或升壓轉換器180?；谠摫容^和相應的輸出信號，控制設備160可幫助維持電池組110的上單元塊和下單元塊之間的平衡點。
[0035]如上說明，控制電路160可驅動可逆轉換器。當第一電池單元112中的能量消耗得比下單元塊的電池單元114、116中的能量快時，可逆轉換器可從下單元塊(即，第二和第三電池單元114、116)提升能量到上單元塊(即，第一電池單元112)。另一方面，當下單元塊的電池單元114、116中的能量消耗得比第一電池單元112中的能量快時，來自第一電池單元112的能量可被移動(或轉移)到電池組110的第二和第三電池單元114、116中。轉移能量以維持平衡點是基于降壓轉換器170和升壓轉換器180 (以及公共電感190)的。
[0036]降壓轉換器170 (或降壓開關)可包括并聯耦合的晶體管172和二極管174。降壓轉換器170可被認為是降低DC電壓的DC-DC轉換器。升壓轉換器180 (或升壓開關)可包括并聯耦合的晶體管182和二極管184。升壓轉換器180可被認為是功率轉換器(或步升轉換器)，其中輸出DC電壓大于輸入DC電壓。電感190可被認為是降壓轉換器170和升壓轉換器180共用的。
[0037]基于在參考電壓Vref (從中點節(jié)點154提供)和從節(jié)點165提供的電壓之間的比較，控制電路160可提供信號來操作晶體管172和182以便作為升壓轉換器或降壓轉化器來操作。如果發(fā)現節(jié)點165處的電壓低于節(jié)點152處的參考電壓，那么第二和第三電池單元114和116已經比第一電池 單元112消耗得快。在這種情況下，晶體管172充當開關晶體管而晶體管182充當同步二極管，從而和電感190運行降壓功能來引導電流到下單元塊(即，第二和第三電池單元114、116)。在相反的情況下，如果第一電池單元112消耗得更多，晶體管182被驅動為開關晶體管而晶體管172充當同步二極管，和電感190產生升壓配置，從而引導來自下單元塊(即，第二和第三電池單元114、116)的能量進入到第一電池單元112。這樣可幫助維持在電池組的上單元塊和下單元塊之間的平衡點。
[0038]電壓管理電路150可基于中電壓軌上的中輸出電壓，調整電池組110內提供的能量。電壓管理電路150可調整能量，使得中電壓軌220上提供的中輸出電壓是向高電壓軌210提供的高輸出電壓的一半。這樣可提供堆疊電池組110內更好的能量分布，并可提供堆疊電池組110的更佳效率。這樣可幫助減少由于堆疊電池組110內的電池單元電壓的衰減速度不同而帶來的問題。通過按這種方式平衡堆棧中的電壓，電池組110能夠利用所有電池單元中可用的能量，即使在電池堆棧的上、下單元塊本會以不同速度耗盡、在堆棧的一級中余有能量而堆棧的其它部分已經完全耗盡從而引起系統(tǒng)停機的情況下。
[0039]當控制電路160確定公共節(jié)點113 (或節(jié)點165)處的電壓小于中點節(jié)點154處的電壓時，控制電路160可控制降壓轉換器170來將能量從電池組110的上單元塊轉移到下單元塊。
[0040]當控制電路160確定公共節(jié)點113 (或節(jié)點165)處的電壓大于中點節(jié)點154處的電壓時，控制電路160可控制升壓轉換器182來將能量從電池組110的下單元塊轉移到上
單元塊。
[0041]實施例可提供對接收遠高于電壓輸出的電壓輸入的電壓調節(jié)器的低效率的改進。
[0042]實施例可提供電壓管理電路來確定電池組內的電池單元之間的平衡態(tài)，以及提供主動電荷平衡來確保電池堆棧平衡，盡管電池組內電池單元的可能不匹配。
[0043]實施例可允許從電池組的中心分接電壓。這可使得電池組內的所有電池單元保持平衡，基本上在整個電池組耗盡時沒有還未使用的電荷。
[0044]特定電池單元的最佳容量可基于對中、高功率軌處的最可能電流消耗的估計來計算。主動平衡可實時調整最優(yōu)容量的任何變動。
[0045]本規(guī)范中對“一個實施例”、“實施例”、“示例性實施例”等等的任何引用都表示與該實施例相關地描述的特定特征、結構、或特性包含在本發(fā)明的至少一個實施例中。本說明書內不同處出現的這種短語不一定都指的是相同的實施例。進一步地，當與任何實施例相關地描述特定特征、結構或特性時，一般認為它是在本領域技術人員的眼界范圍內，以與實施例中的其他特征、結構或特性相關地影響這種特征、結構或特性。
[0046]盡管參考若干說明性實施例來描述實施例，但是應該明白，本領域技術人員可以設計落在本公開的原理的精神和范圍內的眾多其它修改和實施例。更具體地，在本公開、附圖和附加權利要求的范圍內的主題組合安排的組件和/或安排中，可能有各種變化和修改。除了在組件和/或安排中的變化和修改之外，替換性用途對本領域技術人員來說也是顯而易見的。
【權利要求】
1.一種裝置，包括: 第一端子，耦合到具有第一單元塊和第二單元塊的堆疊電池組的第一節(jié)點； 第二端子，耦合到所述第一單元塊和第二單元塊之間的第二節(jié)點；以及 電壓管理電路，用于檢測所述第二端子處的輸出電壓并基于要在所述第二端子處檢測的輸出電壓來調整所述電池組內的能量。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電壓管理電路調整所述電池組內的能量，使得所述電池組在所述第二端子處輸出相對于要在所述第一端子處輸出的電壓基本上處于預定電平的輸出電壓。
3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述電池組具有兩個單元塊，并且所述電壓管理電路調整能量使得在所述第二端子處的輸出電壓基本上是要在所述第一端子處輸出的輸出電壓的一半。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電壓管理電路包括控制電路和降壓轉換器，所述控制電路將所述第二端子處的電壓與參考電壓相比較，并且所述控制電路響應于所述比較，控制所述降壓轉換器從所述第一單元塊轉移能量到所述第二單元塊。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述電壓管理電路包括第一電阻、第二電阻和在所述第一電阻和第二電阻之間的節(jié)點以生成參考電壓。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電壓管理電路包括控制電路和升壓轉換器，所述控制電路將所述第二端子處的電壓與參考電壓相比較，并且所述控制電路響應于所述比較，控制所述升壓轉換器從所述第二單元塊轉移能量到所述第一單元塊。
7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述電壓管理電路包括第一電阻、第二電阻和在所述第一電阻和第二電阻之間的節(jié)點以生成參考電壓。
8.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電壓管理電路包括控制電路、降壓轉換器和升壓轉換器，所述控制電路使用所述降壓轉換器從所述第一單元塊轉移能量到所述第二單元塊，以及所述控制電路使用所述升壓轉換器從所述第二單元塊轉移能量到第一單元塊。
9.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述升壓轉換器和降壓轉換器包括公共電感。
10.一種裝置，包括: 平臺負載； 從電池組的第一節(jié)點提供第一電壓給所述平臺負載的第一電壓軌，所述電池組具有第一電池單元和第二電池單元且兩個電池單元之間有第二節(jié)點； 從所述第二節(jié)點提供第二電壓給所述平臺負載的第二電壓軌；以及 電壓管理電路，在檢測所述第二電壓軌處的第二電壓并基于所述第二電壓調整所述電池組內的能量。
11.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述電壓管理電路調整所述電池組內的能量，使得所述電池組在所述第二電壓軌處輸出相對于要在所述第一電壓軌處輸出的電壓基本上處于預定電平的電壓。
12.如權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述電池組具有兩個單元塊，并且所述電壓管理電路調整能量使得在所述第二電壓軌處的輸出電壓基本上是要在所述第一電壓軌處輸出的輸出電壓的一半。
13.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述電壓管理電路包括控制電路和降壓轉換器，所述控制電路將所述第二電壓軌處的電壓與參考電壓相比較，并且所述控制電路響應于所述比較，控制所述降壓轉換器從所述第一單元塊轉移能量到所述第二單元塊。
14.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述電壓管理電路包括控制電路和升壓轉換器，所述控制電路將所述第二電壓軌處的電壓與參考電壓相比較，并且所述控制電路響應于所述比較，控制所述升壓轉換器從所述第二單元塊轉移能量到所述第一單元塊。
15.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述電壓管理電路包括控制電路、降壓轉換器和升壓轉換器，所述控制電路使用所述降壓轉換器從所述第一單元塊轉移能量到所述第二單元塊，以及所述控制電路使用所述升壓轉換器從所述第二單元塊轉移能量到所述第一單兀塊。
16.一種裝置,包括: 第一電壓軌； 第二電壓軌； 耦合到所述第一電壓軌和第二電壓軌的平臺負載； 具有被節(jié)點分開的第一單元塊和第二單元塊的堆疊電池組，所述堆疊電池組在所述第一電壓軌上提供第一輸出電壓以及在所述第二電壓軌上提供第二輸出電壓；以及 電壓管理電路，檢測在所述第二電壓軌處的第二輸出電壓，并基于所檢測到的第二輸出電壓來調整所述第二電壓軌上的第二輸出電壓。
17.如權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述電壓管理電路調整電池組內的能量，使得所述電池組在所述第二電壓軌處輸出相對于要在所述第一電壓軌處輸出的電壓基本上處于預定電平的電壓。
18.如權利要求17所述的裝置，其特征在于，所述電池組具有兩個單元塊，并且所述電壓管理電路調整能量使得在所述第二電壓軌處的輸出電壓基本上是要在所述第一電壓軌處輸出的輸出電壓的一半。
19.如權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述電壓管理電路包括控制電路和降壓轉換器，所述控制電路將所述第二電壓軌處的電壓與參考電壓相比較，并且所述控制電路響應于所述比較，控制所述降壓轉換器從所述第一單元塊轉移能量到所述第二單元塊。
20.如權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述電壓管理電路包括控制電路和升壓轉換器，所述控制電路將所述第二電壓軌處的電壓與參考電壓相比較，并且所述控制電路響應于所述比較，控制所述升壓轉換器從所述第二單元塊轉移能量到所述第一單元塊。
21.如權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述電壓管理電路包括控制電路、降壓轉換器和升壓轉換器，所述控制電路使用所述降壓轉換器從所述第一單元塊轉移能量到所述第二單元塊，以及所述控制電路使用所述升壓轉換器從所述第二單元塊轉移能量到所述第一單兀塊。
【文檔編號】H02J7/00GK103907239SQ201180074562
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2011年10月1日 優(yōu)先權日:2011年10月1日
【發(fā)明者】A·基茨 申請人:英特爾公司