电池单元平衡的电池组及平衡电池组电池单元的方法

摘要

一种带有调整电池组电池单元电荷放电的电池组平衡组件(27)的电池组(10)和一种使电池组电池单元(C1，C2，C3)平均放电的方法，电池组(10)包括多个电池单元(C1，C2，C3)。平衡组件(27)包括开关(S1，S2，S3)，该开关布置于电池单元之间使开关(S1，S2，S3)可以将电池单元(C1，C2，C3)配置为标准配置和平衡配置，其中在标准配置中多个电池单元(C1，C2，C3)可以连接到电子装置(160，其中在平衡配置中多个电池单元(C1，C2，C3)连接到平衡电路20。平衡电路20用于在电池单元再充电之前平衡多个电池单元(C1，C2，C3)中的电荷。

说明书

技术领域

本发明涉及可重复充电电池组及用于可重复充电电池组的能量电池单元。更具体地，本发明涉及平衡电池组电池单元放电的电路及方法。

背景技术

电池组是一种用于各种便携式和/或移动电子设备的常用电源。典型的电池组通过串联配置连接的多个电池单元连接而成。许多种类的电池组包括可重复充电电池单元，使得当外部能源施加给电池组电池单元时，能量存储在电池单元里。然而存在许多用于电池组电池单元的阴极和阳极的许多化学化合物，一些通常包括镍镉(NiCd)，镍金属氢化物(NiMH)，和锂离子(Li-Ion)成分。

当可重复充电电池组提供了常用的电源时，可重复充电电池组电池单元不具有无限的寿命和电池单元超过电池单元寿命的保持充电衰退的能力。而且，电池组电池单元在非使用或者存储期间泄漏能量和丢失电荷。这些非使用期间可以发生在电池单元被装配在电池组中之前被制造者持有的时候，或者电池单元已经被装配在电池组中但是电池组还没有被出售的时候，或者消费者长期未使用该电池组期间。电池单元泄漏由于热量的存在而加剧，这些热量的存在影响没有存放在温度受控的环境中的电池组。作为选择，由于热量而造成的电池单元泄漏可以影响电池组，例如备用电池组，这些备用电池组被放置于接近其它散热的正在工作的电路。而且，由于电池组的内部电阻，电池组电池单元在电池组内部可以不均匀放电。所有这些因素导致每个电池组电池单元与电池组中的其它电池单元相比保持不同的电荷水平。这些不同的电荷水平导致难以预测的低电池组指示和可能疏忽的电源关闭。

电池组监测器用于通过监测所有电池组电池单元的总电荷和每个单个电池单元的电荷来监测剩余的电池组放电时间。典型地，为总电池组电荷和单个电池单元电荷建立预定最小电荷阈值。如果两者之中任一个测量值低于各自的预定最小阈值，电池组则停止放电，切断供给电子装置的电力。典型地，通过允许单个电池单元工作在低于电池单元占有总电池组电荷预定阈值的分数份额，单个电池单元预定阈值表明可能的电池单元不平衡。例如，如果电池组有三个电池单元，而电池组电池单元预定最小电荷是9v，单个电池单元预定最小电荷可以是2.4v，而不是总共的9v的三分之一即3v。电池组也可以产生电池组剩余电荷的表示，这种表示通过使用所有电池组电池单元的总电池单元电荷来确定。因此，如果电池单元不平衡，一个电池单元可以在总电池组电荷达到总电池组电荷最小阈值之前降低到低于单个电池单元电荷阈值。这导致在总电池组电荷达到最小阈值之前电池组就停止电荷供应。这减少了充电期间的电池组的可工作时间，并且产生了电池组放电的不可预测的终止。

相似地，当电池组充电时，电池单元都被充电直到电池单元的总电荷达到阈值。另外，当任一个单个电池单元达到预定最大电荷阈值时充电也停止。因此，如果电池单元不平衡，一个电池单元可以达到单个电池单元最大电荷阈值，而电池组的总电荷还没有达到满电池组电荷。这导致电池组没有被充电到其满电荷电势，这减少了充电期间的电池组可工作时间。

试图解决电池单元不平衡问题的方法和系统已经有所发展。当把电池单元装配进电池组中时，测量每个电池单元的电荷状态以及匹配具有相似电荷的电池单元的人工过程是不精确而且费时的。而且，人工过程不能解决电池组装配之后发生的电池单元泄漏。作为选择，主动的电池单元平衡可以使用负载电阻器与晶体管的串联组合与每个单个电池单元并联放置，其中电阻器和晶体管在电池组电池单元的充电期间分路电流。这种电池单元平衡通过一种使用复杂控制算法以及仅仅模仿电池单元电荷平衡的软件来实现，而不是强制固有的电池单元电荷平衡，因此对于许多误差源很敏感，例如初始电池单元电荷和电池单元开路电压。

因此，在可重复充电电池组领域期望提供一种能够平衡每个电池单元的电荷的电池组，从而使电池组可工作的放电时间最大化。也期望电池组可以不依靠复杂的软件算法模仿强迫固有的电池单元平衡而实现电池单元电荷平衡。期望通过使用控制电池单元平衡的电池单元特性的测量值来实现电池单元平衡。进一步，期望一种平衡电池组电池单元电荷的方法。期望该方法可以工作在电池单元装配到电池组之前，或者该方法可以工作在电池组构造之后。

发明内容

本发明中的一电池组实施例包括多个产生电池组电荷的电池单元，该电池组包括多个连接在电池组电池单元和负载之间的开关，这些开关被配置为使电池组电池单元连接为一种标准配置或者作为选择的连接为一种平衡配置。

在进一步的实施例中，当电池单元配置为平衡配置时，电池单元与放电负载相连接，在该实施例中，放电负载包括恒流恒压放电负载。

在另一实施例中，放电负载连接到控制电路，使得在电池组电池单元放电期间放电负载的电气特性可以被改变。

在本发明方法的实施例中，平衡电路与至少一个电池单元相连接，其中平衡电路包括可编程负载和电压监测器。

在进一步的实施例中，可编程负载基于至少一个电池单元的最大参考放电电流工作以提取电流，直到至少一个电池单元的电压达到最小参考放电电压。

在本发明方法的另一实施例中，该方法在电池单元装配到电池组之前实施。

在进一步的实施例中，该方法在电池组再充电之前实施。

附图说明

附图1a-c是描述处于电荷平衡和非平衡的各种状态的电池组电池单元的示意图；

附图2是描述电池单元平衡电路的实施例的示意图；

附图3是描述电池单元平衡的电池组的实施例；

附图4是描述具有标准配置的电池单元平衡电池组的实施例的示意图；

附图5是描述具有平衡配置的电池单元平衡电池组的实施例的示意图。

具体实施方式

附图1a-c描述一系列电池组10的示意图，电池组10包括相互串联的电池单元C1，C2和C3。电池组10包括正极端12和负极端14。电池组10的总电荷是正极端12和负极端14之间的电压。电子装置16或者其它类型的电气负荷通过负载开关18连接到电池组10的正极端12和负极端14。可选择的，负荷开关18可以是适合电子装置16分别与端子12和14之间电气连接的其它形式，而不是必须为开关。当电池组10连接于电子装置16，电池组10为电子装置16提供电荷供应。电子装置16使用这些电荷来工作。

电池单元C1，C2和C3串联连接；因此每个电池单元的电压之和决定电池组10的总电压。典型地使用包括库伦计数器和电压监测器的燃料表(未示出)监测电池组10的电压或电荷，从而确定电池组10何时开始放电。当电池组10的电压降低至低于预定电池组最小电压阈值时进行该确定。基于电池组电压低于最小电压阈值的检测，开关18之一打开，使电池组10停止放电，不再有电力供应给电子装置16。作为选择，电池组10可以基于检测电池单元C1，C2和C3中任一个具有低于预定电池单元电压阈值的电荷而停止电池组放电。在再充电期间，当正极端12和负极端14之间的总电池组电压达到预定最大电压阈值时电池组10被确定为充电。一旦达到该最大电压阈值，电池组不再接受附加的充电。相似地，一旦任一个单个电池单元C1，C2或C3的电压达到预定电池单元最大电压阈值，则停止对电池组10充电。

作为示例性的描述，在附图1a中假设电压是加到每个电池单元C1，C2和C3上。在该实施例中，电池组放电最小电压阈值是9.0v，电池单元放电最小电压是2.4v。如附图1a中所示，电池单元C1，C2和C3的电压相对平衡，其总电池组电压等于8.9v。由于8.9v低于电池组放电阈值电压9.0v，电池组被确定为放电，并且电池组放电停止，不再有电力供应给电子装置16。附图1a中所示的电池组10在工作期间使用了每个电池单元中的全部或者基本全部的电势电荷。因此，电池组10的电荷寿命被最大化，并且由于每个电池单元的平均放电，电池组剩余工作时间的预测相对准确。

附图1b描述电池组10，其中电池单元C1，C2和C3是不平衡的，例如C1是2.3v，C2是3.5v，C3是3.4v。在附图1b的实施例中，总电池组电压是9.2v，其高于电池组放电最小阈值9.0v；但是，电池单元C1的电荷是2.3v，其低于电池单元放电最小电压阈值2.4v。因此，电池组10停止为电子装置16供应电荷。由于电池单元C2和C3中剩余的实际电荷量并没有被电池组10使用，因此这是低效率的工作。因此，电池组电荷的寿命比其必要的寿命要短，电池组10经常需要被重复充电。而且，附图1b中电池组10的总电池组电压是9.2v，其仍然高于电池组放电电压阈值。由于电池组电压仍然高于电池组放电电压阈值，电池组10已经停止放电，这导致对于剩余工作时间的错误预测。如果由电池组10提供电力的电子装置在预计工作时间之前被切断电力供应，这种对于剩余工作时间的错误预测会产生不期望的或者潜在的危险结果。

如附图1c所示，不平衡电池单元的电荷也反过来影响电池组10的再充电。在附图1c所示的实施例中，电池组充电最大电压阈值是12.3v，而电池单元电荷最大电压是4.35v。如附图1c所示，电池组电压仅仅等于12v，其低于电池组电荷最大电压阈值12.3v。但是，由于电池单元C1已经被充电到4.4V的电平，因此电池组10已经完成了电池组的充电周期。因此电池组10在没有完全被充电时完成了充电。因此，C1的电压与电池单元C2和C3的电压相比的不平衡限制了电池组10的再充电到低于满再充电的电荷水平。

这种对于电池组再充电的限制进一步减小了电池组10充电和放电状态之间的工作时间，从而减小了电池组10的使用寿命。期望每个电池单元的电荷都是平衡的，从而使没有过早放电的电池单元过早地开始停止了电池组10供应的电荷，也没有任何一个电池单元中多余的剩余电荷减少在再充电期间施加到电池组10上的总电荷数。

附图2是电池组10的示意图，其中电池组10包括通过负载开关18连接到平衡电路20的电池单元C1，C2和C3，负载开关18连接到端子12和14。平衡电路20可以包括连接到并联的电池单元C1，C2和C3的恒流恒压(CCCV)负载，使来自CCCV负载的相同的电压施加到每个电池单元C1，C2和C3。CCCV负载可以是可编程负载22。可编程负载22可以包括电流同步器或者可变电阻器；但是，也可以使用许多其它适合的电气元件。平衡电路20可以进一步包括电压监测器24，用于监测可编程负载22两端的电压。电池单元C1，C2和C3并联连接到平衡电路20以强制电池单元C1，C2和C3在多个电池单元特性方面的平衡。这些特性包括电池单元电压，电荷状态，和剩余电池单元容量。当电池单元C1，C2和C3连接到平衡电路20时，可以用可编程负载22对所有电池单元化学放电，并且所有电池单元被组成平衡电路20的电压监测器24监测。

可编程负载22可以被调整或者编程以控制通过负载22提取的放电电流。由可编程负载22提取的电流可以基于电池单元出厂的电池组10中每个电池单元的最大放电电流。提取该放电电流直到电池单元电压达到电池单元出厂的最小放电电压。然后放电电流减小到维持等于电池单元出厂的最小放电电压的恒电压，直到放电电流逐渐减小到预先定义的电流电平。该过程在化学放电电压阈值上提供受到内部电池单元阻抗最小影响的电压，电荷状态和剩余容量的固有平衡。该过程和电路也在最短的时间内实现平衡而不违反电池单元出厂的最大放电电流或者最小放电电压参考值。一旦在制造过程中已经完成对电池单元进行平衡，电池单元可以被重新配置为一系列定义电池组的连接。

附图3描述带有电池组平衡组件27的电池组26。电池组平衡组件包括多个开关S1，S2和S3，它们与每个电池单元C1，C2和C3相连接。在电池组平衡组件27的一个实施例中，开关可以包括MOSFET；但是，也可以使用许多其它用于开关的适合的电路元件和配置。控制器28控制这些开关的开启或关闭，使电池组平衡组件27处于一种理想的配置，可以是一种标准配置或一种平衡配置。在标准配置中，电池单元C1，C2和C3串联连接在正极端12和负极端14之间，并且负载开关18将电池组连接到电子装置16上。在平衡配置中，电池单元C1，C2和C3并联连接在正极端12和负极端14之间，并且负载开关18将电池组连接到平衡电路20上。

正极端12和负极端14连接到负载开关18，使负载开关18能够在负载端30和平衡端32之间切换。负载端30连接到电子装置16或者由电池组26提供电力的其它类型负载。平衡端32连接到包括可编程负载22和电压监测器24的平衡电路20。控制器28可以连接开关S1，S2和S3，负载开关18，可编程负载22和电压监测器24。控制器28可以通过由连接控制器28至元件的适当引线34向每个这些元件的每一个发送控制信号来控制这些不同的元件。在附图3的实施例中，控制器28包括按钮(未示出)，该按钮可以在运行配置和放电配置之间手动激活以切换电池26。作为选择，在电池组26的一个实施例中，控制器28包括控制运行配置和放电配置之间的开关的软件。在确定电池组26的适当配置中，该软件可以使用由电压传感器(未示出)获得的电池组的电压感测值或者通过一个或多个电池单元的单个电压。

附图4描述在标准配置中控制器28已经发送控制信号用于运行电池组26之后的电池组26。控制器28提供控制信号给开关S1和S2，使开关处于打开状态，从而没有电流流过开关S1和S2。附图4中所示虚线的开关S1和S2表示非激活状态。控制器28发送控制信号给开关S3，使开关S3处于闭合状态，从而允许电流流过开关S3。开关S1和S2的打开状态结合开关S3的闭合状态使电池单元C1，C2和C3和正极端12和负极端14串联连接。

控制器28控制负载开关18以连接正极端12和负极端14到负载端30。电池单元C1，C2，C3的组合电荷串联供给电子装置16。该运行配置从电池组26提供电荷给电子装置16，并且可以一直这样工作，直到检测电路(未示出)确定电池组的总电荷已经降低到低于最小电池组阈值电压或者电池单元C1，C2，或者C3的电压已经降低到低于最小电池单元阈值电压，其中该检测电路包括本发明领域所公知的电压传感器。基于这两个最小阈值的交叉，电池组停止对电子装置16的电荷供应。在所示实施例中，控制器28控制负载开关18分离负载端30。

一旦电池组26停止为电子装置16提供电荷，但是在电池组26的电池单元C1，C2和C3的再充电之前，控制器28将开关S1，S2和S3，以及负载开关18的配置变为附图5中所示的平衡配置。附图5是描述控制器28已经沿引线34发送控制信号至开关S1，S2和S3之后的电池组26，使S1和S2置于闭合状态，并且开关S3变为开路状态。这种开关状态的配置使电池组26的电池单元，C1，C2和C3处于平衡配置，从而使电池单元C1，C2和C3与正极端12和负极端14并联连接。控制器28进一步控制负载开关18使正极端12和负极端14各自连接到平衡端32。平衡端32连接到包括可编程负载22和电压监测器24的平衡电路20。因此，电池单元C1，C2和C3并联连接至可编程负载22和电压监测器24。

一旦电池单元C1，C2和C3连接为并联平衡配置，可编程负载22可以工作以平衡电池单元C1，C2和C3中的电荷，从而在这些电池单元被再充电之前均匀放电这些电池单元到完全化学放电。可编程负载22可以经过连接到可编程负载22的引线34接收控制器28的控制信号。电压监测器24可以经由引线36发送表示可编程负载22两端电压的信号至控制器28。控制器28可以基于监测电压发送控制信号至可编程负载22，从而控制可编程负载22的电阻值和由可编程负载22提取的结果电流。

控制器28可以发送控制信号至可编程负载22，以使可编程负载22的电阻变为基于每个电池单元C1，C2和C3的最大参考放电电流提取流出电池组26的恒定电流。放电电流可以通过控制器28确定，将单个电池单元的最大参考放电电流与并联连接到平衡电路20的总电池单元数目相乘得到。作为选择，通过可调负载22提取的放电电流可以是电池组26使用的每个电池单元的最大参考放电电流之和。一直提取放电电流，直到并联电池单元C1，C2或C3中的至少一个电池单元的电压达到电池单元的最小参考放电电压。检测到这个之后，控制器28可以发送控制信号至可调负载22，使可调负载22的电阻逐渐增加，以至于维持等于电池单元出厂的并联电池单元中单个电池单元的最小放电电压。在维持恒定电压的时候，电阻的逐渐增加抵销了由可编程负载22从电池单元中提取的电流的减小。电阻可以持续增加直到电流逐渐减小为预定电流极限。在该实施例中，电流极限可以是0.05C毫安，其中C是一小时的放电比率；但是，该极限决不是想要限定所述实施例中使用的电流阈值；而是，电流阈值可以包括基于放电的电池单元数和电池单元的出厂特性的任何电流值。一旦由可调负载22提取的电流逐渐减小到低于阈值电流值，电池单元C1，C2和C3被确定为完全放电，并且放电停止。电池单元特性，例如剩余容量和电荷状态在非常接近于出厂的参考放电电压的点上被平衡。这也产生在化学放电的关键点上的电池单元平衡。然后电池单元C1，C2和C3可以充电到其满降额容量。

降额是可重复充电电池组被充电到低于如制造商所推荐的最大电压容量的规定电压的过程。例如，如制造商所推荐的，电池组电池单元被充电到4.2V；但是，降额电压可以仅仅是4.1V。当降额电池组经历了部分减少工作寿命时，其损失通常小于或这等于电池组工作总寿命的10％。降额电池组提高了电池组超过其使用寿命可以被重复充电的次数，并且改善了电池组被重复充电时的安全考虑。

在制造电池组的实施例中，使用导电带将多个电池单元焊接在一起，其中导电带可以包括金属镍。在焊接镍带之前，可以将电池单元放置在电池单元平衡电路中，使电池单元与平衡电路并联放置，并且因此电池单元在装配到电池组之前被平衡。作为选择，电池单元可以放置成分别与平衡电路相连接，使得每个电池单元在装配到电池组之前基本上被置于同样的电荷状态。在另一个的实施例中，不使用控制器28，而是使用人为观察和输入来控制电池组26连接到平衡电路20和控制可编程负载22。

医学领域需要使用许多期望是便携或移动形式的装置。便携或者移动电子装置可以使用包括多个电池单元的电池组作为其主电源，或者电池组可以作为这些或者其它电子装置工作的备用电源。这些电子医疗装置中的一些可以用来监测病人的生理参数或者可以用于提供通风，营养，或者其他生活帮助。因此，合适的电源对于这些医疗装置工作和对于病人的照顾是至关重要的。这里所公开的电池组实施例可以提供使电池组在重复充电期间具有更长工作寿命的优点，以及可以提供更加准确的剩余电池组电荷的估计。如果电池组使用不平衡电池单元可能会引起危险后果，当电池组由于电池单元中的一个降低到低于电池单元放电最小电压阈值而停止电荷供应时，电池组可以显示电池组中的剩余电荷。因此，采用电池组作为电源的医疗装置的安全标准需要在确定电池组的电荷在电源中还剩下五分钟时显示告警。如果电池组在估计的停止时间之前停止电荷供应，就没有达到安全标准。因此，通过在电池组放电之后平衡电池单元，该安全标准可以更加可靠实现，并且将减少不能提供足够的五分钟警告。

现有实施例公开了包括在电池组中使用锂(Li-Ion)电池单元的电池组。

在进一步的实施例中，所述电池组可以包括任意数量的电池单元和控制电池单元配置需要的开关，该电池单元配置对于具体的电池组设计是必需的。当所有本发明采用了包括三个电池单元和三个开关的电池组的时候，任何数量的电池组电池单元可以与本发明相结合使用是很容易理解的。而且，由于串联电池单元数量的增加，开关数量也必须增加，这也是可以理解和预期的。

由于可以在电池组装配之前初始放电时或者电池组的每次放电之后且电池组再充电之前实施电池单元平衡，电池组的实施例展示了与其它可重复充电电池组相比，提高了电池组使用寿命和/或电荷容量的优点。

电池组的实施例进一步提供了在电池组电压放电的关键点提供准确的平衡的优点。电池组放电电压以指数级放电，因此当电池单元接近放电最小电压阈值时加剧了任一电池单元中的任何不平衡。平衡电路在电池单元出厂的放电电压实现了电池单元电荷平衡。这允许电池单元在下一个工作周期平均放电，以便通过电池单元化学放电的关键点平均放电。

电池组的实施例进一步提供了更可靠的电池单元放电使得由于电池单元不平衡的意外电力关闭更少出现，当预测是最重要的时候，电池组能提供更加准确的剩余电池组电荷的预测，以及在电池组电荷的低电平处剩余电池组电荷的预测更加准确。

本说明书使用公开实施例特征的示例，包括最佳方式，也使任何本领域的技术人员可以制造和使用本发明。专利范围由权利要求来限定，并且可以包括其它发生在本领域中的示例。这些其它示例如果具有与权利要求书的文字语言没有区别的配置元件，或者如果它们包括与本权利要求的文字语言没有实质性区别的等同的配置元件，则也在该权利要求的范围之内。

各种可以预期的变换和实施例都在以下权利要求的范围之内，特别地指出和区别地要求根据本发明的主题内容。

部件列表

参考标记    部件

10          电池组

C1，C2，C3  电池单元

12          正极端

14          负极端

16          电子装置

18          负载开关

20          平衡电路

22          可编程负载

24          电压监测器

26          具有控制电路的电池组

S1，S2，S3  开关对

27          平衡组件

28          控制器

30          负载端

32          平衡端

34          引线

36          引线