電池管理單元、電池管理系統(tǒng)和電池管理方法
【專利摘要】電池管理單元，涉及電子技術(shù)。本發(fā)明包括上級(jí)連接點(diǎn)、電池連接點(diǎn)、時(shí)分開(kāi)關(guān)和串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)；串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)具有至少兩個(gè)并聯(lián)接口，每個(gè)并聯(lián)接口連接有時(shí)分開(kāi)關(guān)，電池連接點(diǎn)與時(shí)分開(kāi)關(guān)連接；時(shí)分開(kāi)關(guān)與時(shí)分開(kāi)關(guān)控制模塊連接，串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)與串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)控制模塊連接。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)模式下的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精確度不高、無(wú)功損耗嚴(yán)重、電池壽命短等缺點(diǎn)。本發(fā)明采用時(shí)分控制、電池間歇式供電、電容自平衡的技術(shù)，從物理層面上解決了無(wú)功損耗，延長(zhǎng)了電池續(xù)航時(shí)間和電池壽命。
【專利說(shuō)明】電池管理單元、電池管理系統(tǒng)和電池管理方法
【發(fā)明內(nèi)容】
[0001]本發(fā)明涉及電子技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]在節(jié)能環(huán)保為世界當(dāng)今的努力目標(biāo)和技術(shù)發(fā)展方向的前提下。通信技術(shù)，電動(dòng)交通，電子電氣產(chǎn)品的迅速發(fā)展，便攜式移動(dòng)智能終端越來(lái)越智能化，小型化，功能人性化。傳統(tǒng)的移動(dòng)電源已經(jīng)不能滿足這些復(fù)雜的系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。所以解決移動(dòng)電源供電問(wèn)題成為技術(shù)上的一個(gè)重點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn)。
[0003]移動(dòng)電源經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，人們最終使用了 “鋰電池”供電解決了這一技術(shù)難題。追溯移動(dòng)電源的發(fā)展大致經(jīng)歷了三次革命。第一個(gè)時(shí)期是五十年代興起的鉛酸蓄電池移動(dòng)電源。第二個(gè)時(shí)期是指六十年代開(kāi)發(fā)成功鎘鎳堿性蓄電池時(shí)期，該系列電池由于高功率、高壽命以及良好的低溫性能，廣泛地應(yīng)用于航海、通訊、電力、鐵路、通訊、電動(dòng)工具、辦工自動(dòng)化等諸多部門(mén)。第三個(gè)時(shí)期指進(jìn)入九十年代至今，九十年代初期，中國(guó)已有了研制鋰電池的初級(jí)產(chǎn)品，主要是用于電子計(jì)算器上的二氧化錳扣式電池，以及少量的鋰、碘和卷邊封口的鋰、二氧化硫電池，隨后又研制出小型碳包式的鋰、亞硫氯電池。
[0004]由于鋰離子電池的特性，當(dāng)電壓超過(guò)或低于允許范圍時(shí)都會(huì)導(dǎo)致電池單元以及整個(gè)電池組的損壞或失效。所以，對(duì)使用鋰離子電池組作為能量來(lái)源使用時(shí)，每個(gè)電池單元的電壓檢測(cè)至關(guān)重要。即使每個(gè)電池單元的電壓都能夠準(zhǔn)確測(cè)量，但是由于每節(jié)電池單元的參數(shù)在出廠時(shí)的細(xì)微差別，以及使用過(guò)程中不同的內(nèi)阻、不同的環(huán)境溫度等，都可能會(huì)導(dǎo)致電池單元充電與放電速率的不同。當(dāng)它們串聯(lián)在一起組成電池組時(shí)，就有可能在充電時(shí)有部分電池提前充滿電，而放電時(shí)部分電池提前放完電的情況出現(xiàn)。如果不進(jìn)行均衡的話，就使得電池的實(shí)際容量與標(biāo)定容量有差別，日積月累，可能會(huì)明顯地減低整個(gè)電池組的表現(xiàn)。同時(shí)，由于使用環(huán)境的嚴(yán)酷，以及鋰離子電池的自然老化，還會(huì)導(dǎo)致電池單元容量發(fā)生變化，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，將會(huì)有一小部分電池單元的有效容量接近于零，導(dǎo)致失效。因此，為了提高整個(gè)電池組的壽命，如何均衡這些老化較快的電池單元也是電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要考慮的一個(gè)重要課題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種鋰電池管理方案，完全取替鋰電池使用過(guò)程中的配阻問(wèn)題。從而延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間和電池壽命。
[0006]本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是，電池管理單元，其特征在于，包括上級(jí)連接點(diǎn)、電池連接點(diǎn)、時(shí)分開(kāi)關(guān)和串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)；串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)具有至少兩個(gè)并聯(lián)接口，每個(gè)并聯(lián)接口連接有時(shí)分開(kāi)關(guān)，電池連接點(diǎn)與時(shí)分開(kāi)關(guān)連接；時(shí)分開(kāi)關(guān)與時(shí)分開(kāi)關(guān)控制模塊連接，串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)與串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)控制模塊連接。
[0007]進(jìn)一步的,還有一個(gè)電池連接點(diǎn)通過(guò)時(shí)分開(kāi)關(guān)連接到上級(jí)連接點(diǎn)。所述上級(jí)連接點(diǎn)連接有蓄電裝置。[0008]本發(fā)明還提供帶有前述電池管理單元的電池管理系統(tǒng)，所述電池管理單元通過(guò)樹(shù)形連接結(jié)構(gòu)與外部電路連接點(diǎn)連接；所述樹(shù)形連接結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)子模塊，所述子模塊包括連接有至少兩個(gè)組合時(shí)分開(kāi)關(guān)的組合連接點(diǎn)；各組合時(shí)分開(kāi)關(guān)與時(shí)分開(kāi)關(guān)控制模塊連接。
[0009]所述樹(shù)形連接結(jié)構(gòu)至少有兩層，下層子模塊的組合連接點(diǎn)連接到上層子模塊的組合時(shí)分開(kāi)關(guān)，最底層子模塊的組合時(shí)分開(kāi)關(guān)連接電池管理單元的上級(jí)連接點(diǎn)，頂層子模塊的組合連接點(diǎn)用于連接外部電路。
[0010]頂層的組合連接點(diǎn)還連接有蓄電裝置?；蛘呙恳粋€(gè)組合連接點(diǎn)都連接有蓄電裝置。
[0011]本發(fā)明還提供一種電池管理方法，其特征在于，包括下述步驟:
[0012]充電階段:各電池置于并聯(lián)狀態(tài)，然后對(duì)各電池進(jìn)行時(shí)分方式的充電；
[0013]放電階段:各電池置于混聯(lián)狀態(tài)，然后進(jìn)行時(shí)分方式對(duì)外部放電；
[0014]充電或放電階段，各電池通過(guò)共同連接的蓄電裝置實(shí)現(xiàn)平衡。
[0015]所述時(shí)分方式為:以時(shí)域劃分的方式控制不同電池組，對(duì)單個(gè)電池組來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)間歇式的充電和放電；對(duì)整個(gè)電池組來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)放電。
[0016]所述蓄電裝置為電容。本發(fā)明采用電容自平衡，結(jié)合電容累積電荷和釋放電荷的原理和節(jié)點(diǎn)電流原理，把電容作為電荷的中轉(zhuǎn)站，灌入和搬運(yùn)中轉(zhuǎn)站內(nèi)電荷的多少來(lái)實(shí)現(xiàn)自平衡。
[0017]本發(fā)明完全革新了傳統(tǒng)的“配阻”方式電池管理方案，解決了傳統(tǒng)模式下的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精確度不高、無(wú)功損耗嚴(yán)重、電池壽命短等缺點(diǎn)。本發(fā)明采用時(shí)分控制、電池間歇式供電、電容自平衡的技術(shù)，從物理層面上解決了無(wú)功損耗，延長(zhǎng)了電池續(xù)航時(shí)間和電池壽命。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3是實(shí)施例2的電池管理單元電路圖。
[0021]圖4是時(shí)分方式的波形圖。
[0022]圖5是2倍頻的原理圖。
[0023]圖6是2倍頻波形圖。
[0024]圖7是2~4倍頻原理圖。
[0025]圖8是電容自平衡技術(shù)原理圖。
[0026]圖9是電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖10是實(shí)施例3的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]實(shí)施例1:參見(jiàn)圖1。
[0029]本發(fā)明的電池管理單元包括上級(jí)連接點(diǎn)11、電池連接點(diǎn)12、時(shí)分開(kāi)關(guān)13和串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)14 ;串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)14具有至少兩個(gè)并聯(lián)接口，每個(gè)并聯(lián)接口連接有時(shí)分開(kāi)關(guān)13，電池連接點(diǎn)12與時(shí)分開(kāi)關(guān)13連接；時(shí)分開(kāi)關(guān)13與時(shí)分開(kāi)關(guān)控制模塊連接，串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)與串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)控制模塊連接。
[0030]本實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)電池串聯(lián)放電和并聯(lián)充電，并且是時(shí)分工作方式。
[0031]實(shí)施例2:參見(jiàn)圖2。
[0032]本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別是，本實(shí)施例在上級(jí)連接點(diǎn)11還通過(guò)時(shí)分開(kāi)關(guān)接有電池連接點(diǎn)。本實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)充電和混聯(lián)放電。具體電路圖見(jiàn)圖3。
[0033]串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)可以是雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，例如繼電器。
[0034]關(guān)于時(shí)分方式:從單個(gè)電池單元來(lái)看，假設(shè)在一個(gè)周期為Ins矩形波控制信號(hào)內(nèi)，
0.5ns的高電平控制電池單元A供電，0.5ns的低電平控制電池單元A不供電.而負(fù)載側(cè)接收到的電能仍然是一個(gè)以電池電壓為幅值的矩形波形。如果將這個(gè)周期為Ins的矩形波反向去控制電池單元B。負(fù)載側(cè)接收到的電能則是Ins的前0.5ns電池A供電，后0.5ns電池B供電，從時(shí)間上解決了 AB電池單元不直接并聯(lián)的情況下完成電能傳輸。如圖4。
[0035]時(shí)分開(kāi)關(guān)依據(jù)相應(yīng)控制信號(hào)，以時(shí)分方式工作。例如，在一個(gè)周期的前半周期接通，后半周期斷開(kāi)。
[0036]2~n倍頻:一個(gè)矩形波控制信號(hào)PWM只能管理2個(gè)電池單元，在實(shí)際運(yùn)用中，為了得到能夠長(zhǎng)時(shí)間工作的移動(dòng)電源，通常將多個(gè)不同容量的的電池單元混聯(lián)，以三個(gè)電池為例，如圖3。時(shí)分開(kāi)關(guān)A、B的通斷頻率如果為f=Fpwm，則時(shí)分開(kāi)關(guān)C的頻率為f=2~lFpwm。結(jié)合時(shí)分的概念可以參考圖5、6。圖7為2~4倍頻的原理圖。
[0037]本發(fā)明時(shí)分開(kāi)關(guān)受矩形波的控制。矩形波PWM的占空比為50%，形成高電平和低電平的周期各為矩形波周期的一半。利用一個(gè)矩形波周期內(nèi)的高電平或低電平控制并聯(lián)電池中的一塊通斷，再將矩形波反向后控制另一塊電池通斷。作為干路來(lái)說(shuō)，兩塊電池的間歇式供電剛好形成了互補(bǔ)，滿足了干路持續(xù)供電的要需求。這里特別說(shuō)明:電池的工作狀態(tài)有兩個(gè)，分別是充電和放電。可以采用PMOS復(fù)合電路來(lái)切換這兩個(gè)狀態(tài)。
[0038]自平衡電容器，與時(shí)分開(kāi)關(guān)組成本專利的核心技術(shù)方案。在這里特別說(shuō)明自平衡概念，所謂自平衡是依據(jù)電容累積電荷和釋放電荷的原理和節(jié)點(diǎn)電流原理。把電容作為電荷的中轉(zhuǎn)站。在一個(gè)矩形波周期內(nèi)，帶載能力強(qiáng)的對(duì)電容釋放電荷多，帶載能力弱的對(duì)電容釋放電荷少。而負(fù)載則對(duì)電容內(nèi)的電荷進(jìn)行“中和”。周而復(fù)始，下一個(gè)矩形波周期到來(lái)時(shí)，持續(xù)以上工作模式。經(jīng)過(guò)η個(gè)矩形波周期后，兩塊電池的電壓必然穩(wěn)定到同一個(gè)電位點(diǎn)，然后持續(xù)平衡。直至兩塊電池維持同電位放點(diǎn)到過(guò)放保護(hù)止。充電過(guò)程完全相同。如圖8。
[0039]具體過(guò)程為:
[0040](I)起始的1/2周期，電池A接通，由于電容電壓不能突變。電池A先對(duì)電容充電，理想狀態(tài)下充至3.8V止再對(duì)負(fù)載放電。據(jù)節(jié)點(diǎn)電流定律得方程式Ia=Iia+Ila。
[0041](2)剩下的1/2周期，電池B接通，此時(shí)電容兩端電壓為3.8V。電容與電池B有
0.2V電位差，電容一邊對(duì)電池B有一個(gè)短暫的反灌(充電)過(guò)程，理想狀態(tài)下至3.6V止，一邊對(duì)負(fù)載放電。據(jù)節(jié)點(diǎn)電流定律得方程式(-1b)= (-1ia)- (Ilb)0 (符號(hào)僅表示電流方向)
[0042]不難看出，以上2點(diǎn)說(shuō)明一個(gè)周期內(nèi)，電池A始終是一個(gè)放電的過(guò)程，而電池B則是有一個(gè)短暫充電的過(guò)程再放電。在時(shí)間上得到了一個(gè)補(bǔ)償。這個(gè)充電的過(guò)程是通過(guò)電容器搬運(yùn)電池A中的電荷到電池B，可以理解成電池A, B間接并聯(lián)。η個(gè)周期后，兩塊電池電位差趨近于O，達(dá)到自平衡效果。
[0043]本發(fā)明的電池管理系統(tǒng)采用前述時(shí)分制技術(shù)和電容自平衡技術(shù)，原理如圖9。電池管理單元通過(guò)樹(shù)形連接結(jié)構(gòu)與外部電路連接點(diǎn)連接；所述樹(shù)形連接結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)子模塊，所述子模塊包括連接有至少兩個(gè)組合時(shí)分開(kāi)關(guān)的組合連接點(diǎn)；各組合時(shí)分開(kāi)關(guān)與時(shí)分開(kāi)關(guān)控制模塊連接。
[0044]進(jìn)一步的，所述樹(shù)形連接結(jié)構(gòu)至少有兩層，下層子模塊的組合連接點(diǎn)連接到上層子模塊的組合時(shí)分開(kāi)關(guān)，最底層子模塊的組合時(shí)分開(kāi)關(guān)連接電池管理單元的上級(jí)連接點(diǎn)，頂層子模塊的組合連接點(diǎn)用于連接外部電路。如圖9，圖中的樹(shù)形結(jié)構(gòu)實(shí)際上是虛線所示子模塊的級(jí)聯(lián)。頂層的組合連接點(diǎn)還連接有蓄電裝置。
[0045]實(shí)施例3:參見(jiàn)圖10。
[0046]本實(shí)施例提供了具體的電路，包括:
[0047]1.時(shí)分及2~n倍頻模塊。由門(mén)電路74HC132完成，電阻R6和電容C6結(jié)合片內(nèi)與非門(mén)U2A組成方波發(fā)生器，其頻率f可以通過(guò)RC來(lái)設(shè)定。與之相連的U2B，U2C經(jīng)過(guò)2次反向得到電平清晰的矩形波。而U2D則輸出一個(gè)與U2C幅值相等、周期相等、相位相反的矩形波。
[0048]2.時(shí)分開(kāi)關(guān)分別由兩只NMOS場(chǎng)效應(yīng)管復(fù)合組成。作用于充電和放電狀態(tài)切換,功耗極小。
[0049]3.自平衡電容器。由C8和C7組成。做為電池A和電池B電荷的中轉(zhuǎn)站；讓兩塊電池從時(shí)間上形成間接并聯(lián)使用的模式。
[0050]當(dāng)74HC132片內(nèi)與非門(mén)為核心的矩形波發(fā)生器生成一個(gè)矩形波從第8腳送往VI，V2的柵極公共點(diǎn)；該矩形波的在一個(gè)周期內(nèi)呈低電平時(shí)接通Vl和v2源極和漏極，電池B放電，VCC電壓為電池B的端電壓。呈高電平時(shí)，關(guān)斷VI，V2。電池B停止放電。但此時(shí)片內(nèi)反相器U2D此時(shí)剛好呈低電平通過(guò)第11腳送往V3，V4的柵極公共點(diǎn)。同上，V3，V4導(dǎo)通。電池A放電，VCC電壓為電池A的端電壓，直至呈高電平時(shí)停止放電。延續(xù)到下一個(gè)周期到來(lái)。
[0051]而C8、C9并聯(lián)的電容器工作于電池A和電池B間歇供電的模式下。如權(quán)利要求6，完成一個(gè)矩形波周期內(nèi)自平衡的過(guò)程，周而復(fù)始。簡(jiǎn)言之，不同容量，不同電量的多個(gè)鋰電池，根據(jù)上述的工作模式在η個(gè)周期后，電壓必然平衡于同一電位。直至同時(shí)放完或充電完成。
【權(quán)利要求】
1.電池管理單元，其特征在于，包括上級(jí)連接點(diǎn)(11)、電池連接點(diǎn)(12)、時(shí)分開(kāi)關(guān)(13)和串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)(14);串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)(14)具有至少兩個(gè)并聯(lián)接口，每個(gè)并聯(lián)接口連接有時(shí)分開(kāi)關(guān)(13),電池連接點(diǎn)(12)與時(shí)分開(kāi)關(guān)(13)連接；時(shí)分開(kāi)關(guān)(13)與時(shí)分開(kāi)關(guān)控制模塊連接，串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)(14)與串/并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)控制模塊連接。
2.如權(quán)利要求1所述的電池管理單元，其特征在于，還有一個(gè)電池連接點(diǎn)通過(guò)時(shí)分開(kāi)關(guān)連接到上級(jí)連接點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求1所述的電池管理單元，其特征在于，所述上級(jí)連接點(diǎn)連接有蓄電裝置。
4.帶有權(quán)利要求1、2或3所述的電池管理單元的電池管理系統(tǒng)，其特征在于，所述電池管理單元通過(guò)樹(shù)形連接結(jié)構(gòu)與外部電路連接點(diǎn)連接；所述樹(shù)形連接結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)子模塊，所述子模塊包括連接有至少兩個(gè)組合時(shí)分開(kāi)關(guān)(22)的組合連接點(diǎn)(21);各組合時(shí)分開(kāi)關(guān)與時(shí)分開(kāi)關(guān)控制模塊連接。
5.如權(quán)利要求4所述的電池管理系統(tǒng)，其特征在于，所述樹(shù)形連接結(jié)構(gòu)至少有兩層，下層子模塊的組合連接點(diǎn)連接到上層子模塊的組合時(shí)分開(kāi)關(guān)，最底層子模塊的組合時(shí)分開(kāi)關(guān)連接電池管理單元的上級(jí)連接點(diǎn)，頂層子模塊的組合連接點(diǎn)用于連接外部電路。
6.如權(quán)利要求4所述的電池管理系統(tǒng)，其特征在于，頂層的組合連接點(diǎn)還連接有蓄電 裝直。
7.如權(quán)利要求4所述的電池管理系統(tǒng)，其特征在于，每一個(gè)組合連接點(diǎn)都連接有蓄電 裝直。
8.電池管理方法，其特征在于，包括下述步驟: 充電階段:各電池置于并聯(lián)狀態(tài)，然后對(duì)各電池進(jìn)行時(shí)分方式的充電； 放電階段:各電池置于混聯(lián)狀態(tài)，然后對(duì)外部供電；
9.如權(quán)利要求8所述的電池管理方法，其特征在于，所述時(shí)分方式為:以時(shí)域劃分的方式控制不同電池組。
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK103545879SQ201310433717
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】鐘東龍, 魏淵 申請(qǐng)人:鐘東龍, 魏淵