本申请案主张2016年4月11日申请的共同拥有的第62/320,708号美国临时专利申请案的优先权；所述申请案特此出于全部目的而以引用的方式并入本文中。
本发明涉及电池充电系统，且特定来说，涉及多单元电池组充电系统。
背景技术：
当对多单元电池组进行充电时，每一电池单元不得过量充电或充电不足。这需要多单元电池组的电荷平衡。存在用于多单元电池组的电荷平衡的四种不同方法：1)图6展示电阻式电荷平衡电路，其用以对具有较高电压的单元进行放电直到其匹配较低电压单元的充电电压，以平衡单元之间的电荷。2)图7展示用于将电荷从具有较高电压的电池单元移动到具有较低电压的电池单元的电容式电荷穿梭(shuttling)电路。3)图8展示用于将电荷从具有较高电压的电池单元移动到具有较低电压的电池单元的电感式电荷穿梭电路。及4)图9展示从较高电压电池单元取得电荷且将电荷倾卸回到全电池组中的电感式切换系统。这些方法中的每一者从较低容量电池移除电荷以对较高容量单元进行充电。重复充电/放电减少电池寿命且增加电池充电平衡过程期间的浪费能量的损耗。
前述电池充电方法存在两个主要问题：一，现有电荷平衡方法导致个别电池单元所通常预期的充电寿命的缩减。二，现有电荷平衡系统将已在单元中的电荷移动到另一单元，而导致归因于单元的内部电阻的损耗。
技术实现要素：
因此，需要一种用于多单元电池组的经改进电池充电系统。
根据实施例，一种用于对电池组中的多个串联连接的电池单元进行充电的电池充电系统可包括：第一电连接器，其经调适以耦合到电池组的第二电连接器，所述电池组可包括串联耦合的多个电池单元，其中所述多个电池单元的每一电节点可耦合到所述第二电连接器的多个电接触件中的相应一者；第一电力供应器，其具有电压设置点及电流限制输入，其中来自所述第一电力供应器的正及负输出可耦合到匹配包含串联连接的全部所述多个电池单元的所述第二连接器的正及负电接触件的所述第一电连接器的相应电接触件；多个第二电力供应器，其各自具有电压设置点及电流限制输入，其中来自所述多个第二电力供应器中的每一者的正及负输出可耦合到所述多个电池单元的相关联者，其中所述多个第二电力供应器中的每一者可仅将充电电流供应到与其相关联的所述一个电池单元；电压测量构件，其经配置以测量所述多个电池单元中的每一者的电压；及充电控制单元，其经配置以用所述第一电力供应器对所述串联连接的多个电池单元进行充电，且在检测到电池单元电压之间的差之后用来自所述多个第二电力供应器的所述相关联者的额外充电电流个别地对具有低于其它电池单元的电压的电池单元进行充电，其中第一电力供应器充电电流可减小达来自所述第二电力供应器的所述充电电流的量。
根据另一实施例，所述电压测量构件可包括耦合到所述串联耦合的多个电池单元的电压节点的多个模/数转换器(dac)。根据另一实施例，所述电压测量构件可包括模/数转换器(adc)及耦合在所述串联耦合的多个电池单元的所述电压节点与所述adc之间的多路复用器。根据另一实施例，所述第一电力供应器可为高电流切换模式电力供应器，且所述多个第二电力供应器可为隔离返驰式切换模式电力供应器。
根据另一实施例，微控制器可提供：对所述第一电力供应器及所述多个第二电力供应器的电压设置点及电流限制信号；所述电压测量构件，其用于测量所述多个电池单元中的每一者的电压；及数字处理器及存储器，其用于运行电池充电程序且控制所述第一电力供应器电压设置点及电流限制，且可控制所述多个第二电力供应器电压设置点及电流限制。
根据另一实施例，微控制器可包括耦合到所述数字处理器以提供电池充电简档及电池充电状态的通信端口。根据另一实施例，所述多个电池单元可为锂离子(li离子)电池单元。根据另一实施例，所述多个电池单元可为多个锂离子(li离子)电池单元。根据另一实施例，所述多个电池单元可选自由密封铅酸、nimh及nicad组成的群组。
根据另一实施例，一种用于对电池组中的两个串联连接的电池单元进行充电的电池充电系统可包括：第一电连接器，其经调适以耦合到电池组的第二电连接器，所述电池组可包括串联耦合的第一及第二电池单元，其中所述第一及第二电池单元的每一电节点可耦合到所述第二电连接器的多个电接触件中的相应一者；第一电力供应器，其具有电压设置点及电流限制输入，其中来自所述第一电力供应器的正及负输出可耦合到匹配包含串联连接的所述第一及第二电池单元两者的所述第二连接器的正及负电接触件的所述第一电连接器的相应电接触件；第二电力供应器，其具有电压设置点及电流限制输入，其中来自所述第二电力供应器的正及负输出可仅耦合到所述第一电池单元；第三电力供应器，其具有电压设置点及电流限制输入，其中来自所述第三电力供应器的正及负输出可仅耦合到所述第二电池单元；电压测量构件，其经配置以测量所述第一及第二电池单元的电压；及充电控制单元，其经配置以用所述第一电力供应器对所述串联连接的第一及第二电池单元进行充电，且在检测到第一电池单元电压与第二电池单元电压之间的差之后用来自所述相关联第二或第三电力供应器的额外充电电流个别地对具有低于另一电池单元的电压的电池单元进行充电，其中第一电力供应器充电电流可减小达来自所述第二或第三电力供应器的充电电流的量。
根据另一实施例，所述电压测量构件可包括耦合到所述串联耦合的第一及第二电池单元的电压节点的至少两个模/数转换器(dac)。根据另一实施例，所述电压测量构件可包括模/数转换器(adc)及耦合在所述串联耦合的第一及第二电池单元的所述电压节点与所述adc之间的多路复用器。根据另一实施例，所述第一电力供应器可为高电流切换模式电力供应器，且所述第二及第三电力供应器可为隔离返驰式切换模式电力供应器。
根据另一实施例，微控制器可提供：对所述第一、第二及第三电力供应器的电压设置点及电流限制信号；所述电压测量构件，其用于测量所述第一及第二电池单元的电压；及数字处理器及存储器，其用于运行电池充电程序且可控制所述第一、第二及第三电力供应器电压设置点及电流限制。根据另一实施例，微控制器可包括耦合到所述数字处理器以提供电池充电简档及电池充电状态的通信端口。
根据另一实施例，一种用于对可包括多个电池单元的电池组进行充电的方法可包括以下步骤：将所要电压设置点及电流限制值设置到用于电池组中的多个串联连接的电池单元的高电流电力供应器中，其中所述高电流电力供应器可将充电电压及电流提供到所述电池组中的所述多个串联连接的电池单元；可确定所述电池组中的所述多个串联连接的电池单元中的每一者的电压；其中如果所述电池单元中的任何一或多者可具有可能与其它电池单元大体上不同的电压，那么如果所述电压可小于其它电池单元电压，那么增大来自耦合到所述电池单元的另一电力供应器的电流，且使所述高电流电力供应器的所述电流限制值减小达来自所述另一电力供应器的所述电流的值，且如果所述电压可大于所述其它电池单元，那么用耦合到所述多个串联连接的电池单元的其它者的其它相关联电力供应器来增大到所述其它电池单元的电流，且使所述高电流电力供应器的所述电流限制值减小达来自所述其它相关联电力供应器的电流的值。
根据另一实施例，一种方法用于对可包括两个电池单元的电池组进行充电，所述方法可包括以下步骤：将所要电压设置点及电流限制值设置到用于在电池组中且串联连接的第一及第二电池单元的高电流电力供应器中，其中所述第一高电流电力供应器将所要电压及电流提供到所述电池组中的所述第一及第二串联连接的电池单元；及确定所述第一电池单元的第一电压及所述第二电池单元的第二电压；其中如果所述第一电压可大于所述第二电压，那么增大来自耦合到所述第一电池单元的第二电力供应器的电流，且使所述高电流电力供应器的所述电流限制值减小达来自所述第二电力供应器的所述电流的值，且如果所述第一电压可小于所述第二电压，那么增大来自耦合到所述第二电池单元的第三电力供应器的电流，且使所述高电流电力供应器的所述电流限制值减小达来自所述第三电力供应器的所述电流的值。
根据所述方法的另一实施例，确定所述第一及第二电压的所述步骤可包括以下步骤：测量跨所述第一电池单元的所述第一电压；及测量跨所述第二电池单元的所述第二电压。根据所述方法的另一实施例，确定所述第一及第二电压的所述步骤可包括以下步骤：测量跨所述电池组的电压；测量跨所述第二电池单元的所述第二电压；及从跨所述电池组的所述经测量电压减去所述经测量第二电压以确定所述第一电压。根据所述方法的另一实施例，当所述第一及第二电压可大体上相等时，所述第二及第三电力供应器可大体上未提供电流。根据所述方法的另一实施例，当所述第一电压可大于所述第二电压时，所述第二电力供应器可大体上未提供电流。根据所述方法的另一实施例，当所述第一电压可小于所述第二电压时，所述第三电力供应器可大体上未提供电流。
附图说明
可通过参考结合附图取得的以下描述而获取对本发明的更完全理解，其中：
图1说明根据本发明的特定实例实施例的用于多单元电池组的充电系统的示意性框图，所述框图展示其电压及电流关系；
图2说明根据本发明的特定实例实施例的用于包括两个电池单元的电池组的充电系统的示意性框图；
图3说明根据本发明的特定实例实施例的用于包括多个电池单元的电池组的充电系统的示意性框图；
图4说明li离子电池充电曲线的图形表示；
图5说明由充电循环次数所致的电池容量的图形表示；
图6说明用于对具有较高电压的电池单元进行放电直到其匹配较低电压电池单元的充电电压以平衡电池单元之间的电荷的电阻式电荷平衡电路的示意图；
图7说明用于将电荷从具有较高电压的电池单元移动到具有较低电压的电池单元的电容式电荷穿梭电路的示意图；
图8说明用于将电荷从具有较高电压的电池单元移动到具有较低电压的电池单元的电感式电荷穿梭电路的示意图；及
图9说明从较高电压电池单元取得电荷且将电荷倾卸回到全电池组中的电感式切换系统的示意图。
虽然本发明易于以各种修改及替代形式呈现，但本发明的特定实例实施例已展示在图式中且在本文中详细描述。然而，应了解，本文中对特定实例实施例的描述并不希望将本发明限制于本文中揭示的形式。
具体实施方式
根据各种实施例，一种多单元电池组充电系统调整每一电池单元的充电电流以使充电的完成同步。根据各种实施例，电池组作为整体进行充电。电池组仅需充电一次，且无需要求电荷穿梭、电阻式电荷平衡或电感式电荷倾卸。到每一电池单元的充电电流是基于正充电的电池单元的电压匹配。在电压匹配及充电过程期间，可将额外电荷给予电池组的较高容量电池。根据本发明的教示，可对需要电荷平衡的任何电池化学品进行充电，例如但不限于锂离子(li离子)、密封铅酸、nimh、nicad等。图1展示li离子电池充电曲线。图2展示电池容量取决于充电循环次数。
现参考图式，示意性地说明实例实施例的细节。将通过相同数字表示图式中的相同元件，且将通过具有不同小写字母下标的相同数字表示类似元件。
参考图1，其描绘根据本发明的特定实例实施例的用于多单元电池组的充电系统的示意性框图，所述框图展示其电压及电流关系。出于描述的目的，在下文中展示且论述二单元电池组。根据本文中揭示且主张的特定实施例，可预期电池组可包括两个以上电池单元，且这在本发明的范围内。
电池组102可包括电池单元b1及b2，且可进一步包括耦合到电池单元b1及b2的每一端子(节点)的电连接器104。第一电力供应器106可通过电连接器104耦合到电池单元b1的正端子及电池单元b2的负端子。第二电力供应器108可通过电连接器104耦合到电池单元b1的正端子及电池单元b1的负端子。第三电力供应器110可通过电连接器104耦合到电池单元b2的正端子及电池单元b2的负端子。
第一电力供应器106可将第一电压v1及第一电流i1提供到串联连接的电池单元b1及b2。第一电力供应器106可具有操作电压及电流限制设置点输入。第二电力供应器108可以第二电压v2操作且将第二电流i2提供到电池单元b1。第二电力供应器108可具有操作电压及电流限制设置点输入。第三电力供应器110可以第三电压v3操作且将第三电流i3提供到电池单元b2。第三电力供应器110可具有操作电压及电流限制设置点输入。
第二电压v2及第三电压v3的总和等于第一电压v1。图1中分别展示第一电流i1、第二电流i2及第三电流i3的电流关系。第二电力供应器108可为浮动电力供应器，举例来说，隔离返驰式smps。第三电力供应器110可为或可并非为浮动电力供应器，这是因为其负(-)或共同节点经耦合到第一电力供应器106及电池组102的负(-)或共同节点。第一电力供应器106可包括较高电流额定smps。第二电力供应器108可包括隔离较低电流额定smps，举例来说，隔离返驰式smps。第三电力供应器110可包括较低电流额定smps。
当第二电压v2及第三电压v3大体上相等时，第二电力供应器108及第三电力供应器110未供应电流(i2＝i3＝0)，且第一电力供应器106单独以第一电压v1将最优充电电流i1供应到电池组102。当第二电压v2小于第三电压v3时，与第二电池单元b2相比，第一电池单元b1需要较多电荷。这通过第二电力供应器108仅将充电电流i2供应到第一电池单元b1而完成。当第二电力供应器108正提供充电电流i2时，第一电力供应器108充电电流i1将减小达充电电流i2的安培(毫安)值。这维持电池单元b1的最优充电电流。到电池单元b2的充电电流将减小且借此将不会与电池单元b1一样快速地充电。将维持此两个不同电池单元充电电流，直到第二电压v2再次大体上等于第三电压v3。接着，第二电力供应器108将停止供应充电电流i2，且第一电力供应器106将返回到将最优充电电流供应到电池单元b1及b2两者。
以类似方式，当第二电压v2大于第三电压v3时，与第一电池单元b1相比，第二电池单元b2需要较多电荷。此通过第三电力供应器110仅将充电电流i3供应到第二电池单元b2而完成。当第三电力供应器110正提供充电电流i3时，第一电力供应器108充电电流i1将减小达充电电流i3的安培(毫安)值。此维持电池单元b2的最优充电电流。到电池单元b1的充电电流将减小且借此将不会与电池单元b2一样快速地充电。将维持这两个不同电池单元充电电流，直到第二电压v2再次大体上等于第三电压v3。接着，第三电力供应器110将停止供应充电电流i3，且第一电力供应器106将返回到将最优充电电流供应到电池单元b1及b2两者。
图2说明根据本发明的特定实例实施例的用于包括两个电池单元的电池组的充电系统的示意性框图。整体由数字200表示的电池组充电系统可包括第一电力供应器106、第二电力供应器108、第三电力供应器110及微控制器220。包括电池单元b1及b2的电池组102可通过电连接器104耦合到充电系统200。第一电力供应器106将充电电流及电压提供到串联连接的电池单元b1及b2。第二电力供应器108在其提供电流时仅将充电电流及电压提供到电池单元b1。第三电力供应器110在其提供电流时仅将充电电流及电压提供到电池单元b2。
第一电力供应器106始终以针对电池单元b1及b2的化学品的最优充电电流速率提供充电电流，或当另外两个电力供应器108或110中的一者正将充电电流供应到其相应电池单元b1或b2时提供减小的充电电流。来自第一电力供应器106的充电电流可减小达由电力供应器108或110提供的充电电流值。因此，具有较低电压的电池单元将接收完整且最优充电电流直到其电压与另一电池单元大体上相同。而另一电池单元将接收较低充电电流直到电池单元b1及b2两者大体上为相同电压。接着，正供应充电电流的任一电力供应器108或110将关闭，且第一电力供应器106将继续将完整且最优充电电流供应到电池单元b1及b2两者。
微控制器220可包括数字处理器及存储器226、第一模/数转换器(adc)222、第二adc224、电压设置点输出1、2及3；及电流限制输出1、2及3。未展示到微控制器220或电力供应器106、108及110的输入电力连接，但电子领域的一般技术人员及获益于本发明者将理解如何提供到其的适当电力连接。取决于电力供应器106、108及110的输入要求，电压设置点及电流限制输出可为数字的(例如，串行或并行)及/或模拟的。
第一电力供应器106可提供到电池组102的大部分充电电流，且其电流及电压可受限以针对特定电池化学品提供必需电流/电压充电。两个adc222及224监测跨两个电池单元b1及b2的电压(v2＝v1－v3)，且当检测到这些电压之间的差时，启用平衡充电系统。基于两个电池电压，减小来自电力供应器106的高电流充电的电流驱动，且以大体上等于高电流充电器的缩减的电流输出启用适当电力供应器108或110。以此方式，用于每一电池单元的充电电流可经调整以使电池单元电压大体上相同。如果/当电池单元b1及b2充电到大体上相同电压时，那么电力供应器108或110可关闭，且来自电力供应器106的高电流充电返回到其正常电流限制。
根据本发明的教示，电池充电程序可驻留在数字处理器及存储器226的存储器中，且由处理器运行以控制电池充电操作。另外，微控制器220可将全部必需模拟及/或数字输出提供到电力供应器，且提供模拟输入以测量电池单元电压。电池充电程序可提供对许多不同类型的电池组充电，可通过通信接口228(例如，串行、usb等)选择所述电池组的充电简档。
图3说明根据本发明的特定实例实施例的用于包括多个电池单元的电池组的充电系统的示意性框图。整体由数字300表示的电池组充电系统可包括第一高电流电力供应器106、第二较低电流电力供应器108、多个较低电流电力供应器210n及微控制器320。电池组302可包括多个电池单元b1到bn-1，且可通过电连接器304耦合到充电系统300。第一电力供应器106将充电电流及电压提供到串联连接的电池单元b1到bn-1。第二电力供应器108在其提供电流时仅将充电电流及电压提供到电池单元b1。多个电力供应器210n在其提供电流时将充电电流及电压提供到相关联电池单元b2到bn-1，其中n是电池单元的数目减去1。
第一电力供应器106始终以针对电池单元b1到bn-1的化学品的最优充电电流速率提供充电电流，或当其它电力供应器108或210n中的一或多者正将充电电流供应到其相应电池单元b1或b2到bn-1时提供减小的充电电流。来自第一电力供应器106的充电电流可减小达由电力供应器108及/或210n提供的充电电流值。因此，具有较低电压的电池单元将接收完整且最优充电电流，直到其电压与其它电池单元大体上相同。而其它电池单元将接收较低充电电流，直到全部电池单元b1到bn-1大体上为相同电压。接着，正供应充电电流的任何电力供应器108或210n将关闭，且第一电力供应器106将继续将完整且最优充电电流供应到电池单元b1到bn-1。当一个以上电池单元具有比多个电池单元的一些其它电池单元低的电压时，其相关联较低电流电力供应器可将电流供应到所述电池单元。
微控制器320可包括数字处理器及存储器226、第一模/数转换器(adc)322、第二adc324、多个adc326n-1、电压设置点输出1到n及电流限制输出1到n。未展示到微控制器320或电力供应器106、108及多个电力供应器210n的输入电力连接，但电子领域的一般技术人员及获益于本发明者将理解如何提供到其适当电力连接。取决于电力供应器106、108及多个电力供应器210n的输入要求，电压设置点及电流限制输出可为数字的(例如，串行或并行)及/或模拟的。可使用单个adc及取样且保持多路复用器(未展示)来代替多个adc。
第一电力供应器106可提供到电池组302的大部分充电电流，其电流及电压可受限以针对特定电池化学品提供必需电流/电压充电。adc322、324及多个adc326n-1监测跨电池单元b1到bn-1的电压，且当检测到这些电压之间的差时，启用平衡充电系统。基于个别电池单元电压的差，减小来自电力供应器106的高电流充电的电流驱动，且可以大体上等于高电流充电器的缩减的电流输出启用适当电力供应器108及/或210n。以此方式，用于每一电池单元的充电电流可经调整以使电池单元电压大体上相同。如果/当电池单元充电到大体上相同电压时，那么电力供应器108或110可关闭，且来自电力供应器106的高电流充电返回到其正常电流限制。
根据本发明的教示，电池充电程序可驻留在数字处理器及存储器226的存储器中，且由其处理器运行以控制电池充电操作。另外，微控制器320可将全部必需模拟及/或数字输出提供到电力供应器，且提供模拟输入以测量电池单元电压。电池充电程序可提供对许多不同类型的电池组充电，可通过通信接口228(例如，串行、usb等)选择所述电池组的充电简档。
在本文中揭示且主张的实施例中，每一电池单元被充电一次且借此最大化电池寿命。每一电池单元经完全充电且电池组中无电池单元被过量充电，借此优化充电时间。因为从未从电池移除充电电流，所以避免归因于现有技术电荷平衡系统的重复充电及放电的电池寿命的损耗及加热。
常规现有技术电荷平衡系统经设计以在用以对多单元电池组进行充电的正常充电算法之外操作。仅使用如由本文中揭示且主张的各种实施例所提供且具有适应性地对个别电池单元进行充电的能力的智能充电器将能够实施不遭受现有技术多单元电池组充电系统的缺陷的电池充电系统。
电压差是电荷及化学品相关的。因此，当一个电池的电压为低时，那么电流量将仅加到所述电池，且可通过所述电池化学品的充电曲线加以确定。然而，这仅为起点，系统可记录充电期间的电压增加，且如果其保持低，那么可增大到低单元的电流。增大多少及多久将取决于化学品、单元的容量及可能温度。