用于多个电池单元的平衡电路和开关矩阵的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及用于多个电池单元的平衡电路和开关矩阵，所要解决的技术问题之一在于提供用于将能量从一个电池单元转移到另一个电池单元的平衡电路及其开关矩阵。平衡电路被配置成从电源选择性地给转移元件预充电使具有第一极性或第二极性中的任何一个，并且随后将所述转移元件选择性地耦合到所述多个电池单元中的至少一个电池单元，以将能量从所述转移元件转移到所述至少一个电池单元。该平衡电路使得不需要变压器、减少能量转移所需的时间以及促进以实现能量转移的多个方式使用电感器。
【专利说明】用于多个电池单元的平衡电路和开关矩阵
【技术领域】
[0001]本实用新型一般涉及电子，更具体来说，涉及半导体及其结构。
【背景技术】
[0002]在过去，电子工业利用各种方法和结构来形成电池系统(诸如，镍镉(NiCad)电池系统、镍金属氢化物(NiMH)电池系统、锂离子(LiON)电池系统和其它类型的电池系统)的电荷平衡装置。经常有必要将能量从一个电池单元转移到另一个电池单元，以便使单元的电压和能量存储平衡为尽可能相等。一些平衡系统使用变压器来帮助平衡以及其它系统使用电感器，但是在电感器可能被用来实现能量转移的方式中受到限制。通常，基于电感器的系统也需要几个转移周期，以便在一个单元接收能量转移后使其它单元的状态平衡。因此，需要具有一种平衡电路，该平衡电路不需要变压器、减少能量转移所需的时间以及促进以实现能量转移的多个方式使用电感器。
实用新型内容
[0003]本实用新型所要解决的技术问题之一在于提供用于将能量从一个电池单元转移到另一个电池单元的平衡电路。
[0004]本实用新型所要解决的另一个技术问题在于提供用于多个电池单元的平衡电路的开关矩阵。
[0005]根据本实用新型的一个方面，提供一种用于多个电池单元的平衡电路的开关矩阵，其包括:第一共同节点，被配置成耦合到转移元件的第一端子；第二共同节点，被配置成耦合到所述转移元件的第二端子；第一节点，用于耦合到多个串联耦合的单元中的第一单元的第一端子，其中所述第一单元的所述第一端子具有第一极性类型；第二节点，用于耦合到第二单元的第一端子，所述第二单元为所述多个串联耦合的单元的最后的单元，其中所述最后的单元的第一端子具有与所述第一极性类型相反的第二极性类型；第三节点，用于耦合到所述多个串联耦合的单元的第三单元的第一端子，其中所述第三单元的所述第一端子具有所述第一极性类型；第四节点，用于耦合到所述多个串联耦合的单元的所述最后的单元的第二端子，其中所述最后的单元的所述第二端子具有所述第一极性类型；第一梯开关，具有耦合到所述第三节点的第一端子并且具有耦合到所述第一共同节点的第二端子；第一开关对，具有第一对开关，其中所述第一开关对中的每个开关具有耦合到所述第一节点的第一端子，所述第一开关对的第一开关具有耦合到所述第一共同节点的第二端子，并且所述第一开关对的第二开关具有耦合到所述第二共同节点的第二端子；第二开关对，具有第二对开关，其中所述第二开关对中的每个开关具有耦合到所述第二节点的第一端子，所述第二开关对的第一开关具有耦合到所述第一共同节点的第二端子，并且所述第二开关对的第二开关具有耦合到所述第二共同节点的第二端子；以及第二梯开关，具有耦合到所述第四节点的第一端子并且具有第二端子，在所述多个串联耦合的单元中的单元的总数为偶数时，所述第二端子耦合到所述第一共同节点之一，或在所述多个串联耦合的单元中的单元的所述总数为奇数时，所述第二端子耦合到所述第二共同节点。
[0006]在一个实施例中，所述第一梯开关的所述第二端子独立于所述第一开关对或所述第二开关对的操作状态耦合到所述第一共同节点。
[0007]在一个实施例中，所述第二梯开关的所述第二端子独立于所述第一开关对或所述第二开关对的操作状态耦合到所述第一共同节点或所述第二共同节点中的一个。
[0008]在一个实施例中，所述第一开关对的所述第一开关和所述第二开关对的所述第二开关被选择性地启用，以在选择性地启用任何梯开关以将电荷从电感器转移到所述多个串联耦合的单元中的单元之前给所述电感器充电。
[0009]在一个实施例中，平衡电路的开关矩阵还包括第三梯开关，所述第三梯开关具有耦合到所述第二共同节点的第一端子并且具有被配置成耦合到所述第三单元的第二端子的第二端子，其中所述第三单元的所述第二端子具有所述第二极性类型。
[0010]根据本实用新型的另一个方面，提供一种用于多个电池单元的开关矩阵，包括:第一节点，被配置成耦合到多个串联连接的单元的第一单元的正极端子或负极端子中的一个；第二节点，被配置成耦合到所述多个串联连接的单元的第二单元的相反极性端子；第三节点，被配置成耦合到所述第二单元的另一端子，所述第二单元的所述另一端子具有与所述第一单元的所述正极端子或所述负极端子中的所述一个相同极性的极性；第一共同节点，被配置成耦合到转移元件的第一端子；第二共同节点，被配置成耦合到所述转移元件的第二端子；第一开关对，其中所述第一开关对的每个开关具有耦合到所述第一节点的第一端子，所述第一开关对的每个开关具有第二端子；以及第二开关对，其中所述第二开关对的每个开关具有耦合到所述第二节点的第一端子，所述第二开关对的每个开关具有第二端子，其中所述第一开关对的第一开关的所述第二端子耦合到所述第二开关对的第一开关的所述第二端子以及所述第一共同节点，并且其中所述第一开关对的第二开关的所述第二端子耦合到所述第二开关对的第二开关的所述第二端子并且耦合到所述第二共同节点。
[0011]在一个实施例中，开关矩阵还包括梯开关，所述梯开关被配置成将所述第三节点在单元的数量为奇数时耦合到所述第二共同节点，并且在单元的所述数量为偶数时耦合到所述第一共同节点。
[0012]根据本实用新型的另一个方面，提供一种用于多个电池单元的平衡电路，包括:所述平衡电路被配置成从电源选择性地给转移元件预充电使具有第一极性或第二极性中的任何一个，并且随后将所述转移元件选择性地耦合到所述多个电池单元中的至少一个电池单元，以将能量从所述转移元件转移到所述至少一个电池单元。
[0013]在一个实施例中，平衡电路还包括控制器，所述控制器被配置成选择性地启用第一开关对的第一开关和第二开关对的第一开关，以将所述转移元件预充电到第一极性，并且随后选择性地启用所述第一开关对的第二开关和所述第二开关对的第二开关，以将所述转移元件预充电到与所述第一极性相反的第二极性。
[0014]在一个实施例中，平衡电路还包括控制器，所述控制器被配置成在选择性地启用任何开关以将电荷从所述转移元件转移到所述多个串联耦合的电池单元中的电池单元之前，选择性地启用所述第一开关对的所述第一开关和所述第二开关对的所述第二开关以从在所述多个电池单元外部的电源给所述转移元件预充电。
[0015]本实用新型使得不需要变压器、减少能量转移所需的时间以及促进以实现能量转移的多个方式使用电感器。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1示意地图示根据本实用新型的包括电池系统的能量存储系统的一部分的实施方案的一个不例；
[0017]图2示意地图示根据本实用新型的包括开关矩阵的单元组的一部分的实施方案的示例；
[0018]图3示意地图示根据本实用新型的包括开关矩阵的单元组的一部分的实施方案的示例，所述开关矩阵为图2的开关矩阵的替代实施方案；
[0019]图4示意地图示根据本实用新型的图2的开关矩阵的一些开关的一部分的实施方案的示例；
[0020]图5示意地图示根据本实用新型的包括另一开关矩阵的单元组的一部分的实施方案的示例，所述另一开关矩阵为图2的开关矩阵的替代实施方案；
[0021]图6示意地图示根据本实用新型的图5的单元组的一部分的替代实施方案的示例；以及
[0022]图7图示根据本实用新型的包括图2至图3和图5中的任一个的开关矩阵的半导体装置的放大平面视图。
【具体实施方式】
[0023]为了图解的简单和清晰起见，除非另有说明，否则图中的元件未必按比例绘制，并且不同图中的相同的参考符号表示相同的元件。此外，为了描述的简单起见而省略众所周知的步骤和元件的描述和细节。本文所用的载流电极意指载运通过装置(诸如，MOS晶体管的源极或漏极，或双极晶体管的发射极或集电极，或二极管的阴极或阳极)的电流的装置的元件，并且控制电极意指控制通过装置(诸如，MOS晶体管的栅极或双极晶体管的基极)的电流的装置的元件。尽管在本文中将装置解释为某些N沟道或P沟道装置，或某些N型或P型掺杂区域，但是本领域普通技术人员将了解根据本实用新型的互补装置也是可能的。本领域普通技术人员理解导电类型指代导电通过其发生的机制，诸如，通过空穴或电子导电，并且因此导电类型不指代掺杂浓度，而是指代掺杂类型(诸如，P型或N型)。本领域那些
技术人员将了解，本文使用的与电路操作有关的词“在......期间”、“在......同时”和
“在......时候”并非是意指在开始动作后立即发生动作的精确的术语，而是意指可能在开
始动作所开始的反应之间会有某一小的但合理的延迟(诸如，各种传播延迟)。此外，术语
“在......同时”意指至少在开始动作的持续时间的某一部分内发生某一动作。词“大约”
或“大致”的使用意指元件的值具有预期接近叙述的值或位置的参数。然而，如本领域中众所周知，总是存在防碍值或位置被精确叙述的小方差。在本领域中已经建立，根据精确描述的理想的目标，达到至少百分之十(10%)的方差被认为是合理方差。当参照信号状态被使用时，术语“被断言”意指信号的活动状态，而术语“被求反”意指信号的不活动状态。信号的实际电压值或逻辑状态(诸如，“I”或“O”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。因此，取决于使用正逻辑还是负逻辑，被断言可以为高电压或高逻辑状态，或者低电压或低逻辑状态，并且取决于使用正逻辑还是负逻辑，被求反可以为低电压或低逻辑状态，或者高电压或高逻辑逻辑。在本文中使用正逻辑公约，但是本领域那些技术人员应理解也可以使用负逻辑公约。在权利要求书和/或附图详述中用于元件名称的一部分的术语“第一”、“第二”、“第三”等用于区分类似的元件，并且未必用于描述时间上、空间上、等级上或任何其它方式上的顺序。应理解，这样使用的术语在适当的情况下可互换，并且本文所述的实施方案能够以不同于本文描述或说明的顺序操作。
[0024]图1不意地图不包括电池系统19的能量存储系统10的一部分的实施方案的一个示例。电池系统19包括多个电池单元组,诸如，电池单元组17和电池单元组18。组17和组18各自包括用于存储能量的多个串联连接的电池单元，诸如，电池单元12和电池单元13。通常，系统19充当电气装置的功率存储元件，例如，混合动力电动汽车(HEV)(未示出)的电动机(未不出)。系统10也包括电源15,电源15可以用于诸如通过给电池单兀12和13充电来给单元组17和18充电。电源15可以为通过发动机(诸如，内燃机)驱动的交流发电机或发电机，或者电源15可以为家用电源，或开关电源(诸如，脉宽调制电源)，或在电动机被驱动作为发电机时HEV的电动机。通常,单元组17和单元组18中的每个也包括管理控制电路14，管理控制电路14可以包括用于管理单元(诸如，单元12和单元13)的充电的控制器和开关矩阵。在一些实施方案中，许多单元组可能存在一个管理控制电路，诸如，单元组17和单元组18这两者只存在一个管理控制电路。
[0025]通常，管理控制电路14监控组17的每个个别单元(诸如，单元12和单元13)的充电状态。在一个实施方案中，当特定单元的充电状态与目标充电状态不同时，电路14被配置成控制开关矩阵以选择性地启用开关矩阵的开关，以在将电荷转移到特定单元之前选择性地给组17的转移元件预充电以使得特定单元的充电状态趋向目标充电状态。在另一实施方案中，电路14被配置成将多个串联连接的电池单元的其它单元之间的能量转移到特定单元，以使得特定单元的充电状态趋向目标充电状态。
[0026]图2示意地图示单元组23的一部分的实施方案的示例，单元组23为在图1的描述中所述的组17和组18中的任何一个的替代实施方案。单元组23包括多个串联连接的电池单元27-33，电池单元27-33为在图1的描述中所述的单元12和单元13的替代实施方案。对于在图2中所示的示例性实施方案，组23包括被识别为单元Cl至CN-1至CN的奇数个串联连接的电池单元27-33，其中N为奇数。组23也包括开关矩阵，开关矩阵具有如将在下文中进一步看到的多个开关(诸如，晶体管开关)，包括开关36-40和开关42-46。开关37-39和开关43-45可以被称为梯开关，并且开关36和开关42和/或开关40和开关46可以被称为开关对。在一些实施方案中，开关矩阵也包括节点65-71和节点76。通常，节点65-71和节点76被配置成耦合到单元27-33的端子并且在一个实施方案中可以充当矩阵节点。例如，节点65被配置成耦合到单元27的第一端子，并且节点66被配置成耦合到单元27的第二端子和单元28的第一端子。作为另一示例，节点76被配置成耦合到单元33的第一端子，并且节点71被配置成耦合到单元33的第二端子。开关36-40和开关42-46中的每个具有连接到共同节点24或共同节点25中的一个的第二端子。开关矩阵也包括功率输入端子20，功率输入端子20被配置成耦合以从电源(诸如，电源15 (图1))接收功率；以及功率返回端子或返回端21，返回端21被配置成耦合以将功率返回到电源15。组23的转移元件34帮助将能量转移到单元27-33和/或从单元27-33转移能量。转移元件34可以为串联连接在共同节点24和共同节点25之间的电感器，或电感器、电容元件和/或电阻元件的组合。在优选实施方案中，元件34为单个电感器并且并非为变压器的一部分。如将在下文中进一步看到，在一个实施方案中，开关矩阵被配置成在将电荷转移到单元27-33中的任何一个之前选择性地给元件34预充电。
[0027]在一个实施方案中，开关矩阵为管理控制电路(诸如，在图1的描述中解释的电路14)的一部分。通常，管理控制电路包括控制器48，控制器48可以监控单元27-33的电压或单元27-33的充电状态。在一些实施方案中，控制器48形成用于单元27-33的平衡电路。通常，控制器48具有多个输出端49，每个输出端49载运控制信号用于选择性地控制开关36-40和开关42-46中的一个的状态，诸如，选择性地启用或禁用开关。在优选实施方案中，开关矩阵包括N+3个开关，并且控制器48包括N+3个输出端，一个输出端用于开关矩阵的每个开关。开关36-40和开关42-46被配置以使得节点65-76中的每个可以被个别地选择并且电耦合到元件34，使个别单元的充电状态均衡趋向目标充电状态。在一个实施方案中，控制器48被配置成选择性地启用开关36-40和开关42-46中的一些，以在将能量从元件34转移到特定单元之前选择性地给元件34预充电以使得特定单元的充电状态趋向目标充电状态。在另一实施方案中，控制器48被配置成控制开关36-40和开关42-46以在多个串联连接的电池单元的一个单元与另一单元之间转移能量，以使得一个单元的充电状态趋向目标充电状态。
[0028]在一个示例性操作顺序中，假定单元29具有低能量状态或低充电状态并且需要将能量转移到单元29中。开关矩阵的配置促进从端子20和端子21给元件34预充电，并然后将电荷从元件34转移到单元27-33中的至少一个。自端子20和21的电源可以为在单元外部的电源(诸如，来自例如电源15)，或可以为所有单元27-33的串联组合的电源，或可以为两者的组合。在一个非限制性示例性实施方案中，为了给元件34预充电，控制器48选择性地断言用以启用开关36和开关46的一些控制信号，并且求反控制信号中用以禁用开关36-40和开关42-46中的其它开关的其它信号，以便给允许给单元29充电的元件34预充电使具有极性。随后，控制器48求反到开关36和开关46的控制信号，并且断言用以关闭开关43和开关38的控制信号以便给单元29充电。在另一实施方案中，开关矩阵的配置也可以促进将电荷从单元27-33中的一个转移到相邻单元,诸如,将电荷从单元28或单元30中的一个转移到单元29。在另一实施方案中，控制器48可以检测单元29的低能量状态并且选择性地断言/求反输出端49上的控制信号中的适当控制信号，以选择性地启用和禁用开关36-40和开关42-46中的适当开关，以给元件34预充电，并然后将能量转移到单元29中。
[0029]对于另一示例性操作顺序，假定单元30具有低能量状态并且需要能量转移。控制器48选择性地断言用以启用开关42和开关40的控制信号，并且求反用以禁用开关36-40和开关42-46中的其它开关的控制信号，以给允许给单元30充电的元件34预充电使具有极性。随后，控制器48求反到开关42和开关40的用于禁用开关的控制信号，并且也断言至IJ开关38和开关44的用于启用开关38和开关44的控制信号，以便将能量从元件34转移到单元30中。在另一实施方案中，控制器48可以检测单元30的低能量状态并且选择性地断言/求反输出端49上的控制信号中的适当控制信号，以选择性地启用和禁用开关36-40和开关42-46中的适当开关，以给元件34预充电，并然后将能量转移到单元30中。
[0030]根据示例性操作的以上描述，本领域那些技术人员将理解，将第一开关对(诸如，开关36和开关42)和第二开关对(诸如，开关40和开关46)配置成选择性地给元件34预充电使具有第一极性以给单元充电和/或选择性地给元件34预充电使具有第二极性以给不同的单元充电会促进将能量从元件34转移到单元27-33中的任一个，而不必首先从单元27-33中的一个或从少于所有的单元27-33的单元中给元件34预充电。不必使用单元27-33的个别单元或单元27-33的小的子集来给元件34预充电会引起使负载最小化或使从单元27-33中的任一个移出以给元件34预充电的能量最小化的结果。在优选实施方案中，第一开关对具有两个开关，并且每个开关具有共同连接到第一节点(诸如，节点65)的一个端子，第一节点被配置成耦合到第一单元(诸如，单元27)的第一端子。第二开关对也具有两个开关，并且每个开关具有共同连接到第二节点(诸如，节点76)的一个端子，第二节点被配置成耦合到第二单元的第一端子，第二单元可以为多个串联连接的电池单元的最后的单元，诸如，耦合到单元33。因此，两个开关对通过促进(在一个非限制性示例中从端子20和端子21)给元件34预充电使具有任一极性来提高操作效率，这可能会使在将电荷转移到单元中的一个后必须在单元之间重新分配能量最小化。在除一个单元外的所有单元处于大致相同的电荷水平的情况下，这可能是有利的。这也可能减少将电荷转移到一个单元或单元的小的子集所需的时间，因为不需要在再充电一个单元后花费额外的时间在单元之间重新分配电荷。开关对也促进从电源给元件34预充电，而不将单元27-33中的任一个用作电源。本领域那些技术人员也将了解，开关对也可以帮助在将电荷转移到一个或多个单元之前从一系列单元中的一个或多个单元给元件34充电。
[0031]图3示意地图示单元组50的一部分的实施方案的示例,单元组50为组23(图2)或在图1的描述中所述的组17和组18中的任何一个的替代实施方案。单元组50包括多个串联连接的电池单元27-31和串联连接的电池单元53-55，单元27-31和单元53-55为单元27-33(图2)和在图1的描述中所述的单元12和单元13的替代实施方案。对于在图3中所示的示例性实施方案，组50包括被识别为单元Cl至CN-1至CN的偶数个单元,其中N为偶数。组50也包括开关矩阵，开关矩阵具有如将在下文中进一步看到的多个开关(诸如，晶体管开关)，包括开关36-38、开关40、开关42-44、开关46和开关56-58。因为组50包括偶数个单元，所以第一梯开关和最后的梯开关被配置成将对应的单元连接到相同的共同节点，这不同于图2，其中第一梯开关和最后的梯开关被配置成将对应的单元连接到不同的共同节点。例如，多个串联连接的电池单元的最后的单元(诸如，单元55)具有开关58，开关58被配置成将单元55的第二端子连接到节点24，而不是如图2中所示连接到节点25。通常，组50包括管理电路和控制器(未示出)，所述控制器为图2中所示的控制器48的替代实施方案，并且与图2中所示的控制器48类似地操作，除了组50的开关矩阵具有奇数个开关，因此组50的控制器具有与控制器48不同数量的输出端。控制器可以类似于控制器48形成用于单元27-31和单元53-55的平衡电路。单元27-31和单元53-55可能以类似于在图2的描述中关于组23所述的方式接收能量转移。
[0032]图4示意地图示开关36-37、开关40、开关42和开关45_46的一部分的实施方案的非限制性示例。本领域那些技术人员将了解，上部分梯开关通常被形成为P型金属氧化物半导体(MOS)或PMOS晶体管，并且下部分梯开关通常被形成为N型MOS或NMOS晶体管。这个配置可以帮助将梯晶体管配置成更容易地和/或用更小或更少的昂贵的驱动器来选择性地启用。通常，至少第一梯开关为PMOS并且最后的梯开关为NM0S。可以基于单元的数量和形成在节点24和节点25上的电压来选择在上部分梯开关与下部分梯开关之间分隔的精确位置。在其它实施方案中，所有梯开关可以为P型或N型MOS晶体管或其它晶体管类型。
[0033]在一个非限制性示例性实施方案中，开关37和开关45通常被形成为包括两个背对背晶体管的双向开关。在这个非限制性示例性实施方案中，开关37包括PMOS晶体管130和PMOS晶体管131，晶体管130和131被配置成在启用开关37，因此启用晶体管130和131时提供双向电流流动，并且在禁用开关37，因此禁用晶体管130和131时阻止电流流动。晶体管130具有连接到节点24的漏极和连接到晶体管131的源极的源极。晶体管131的漏极连接到节点66。晶体管130和晶体管131的栅极被共同连接在一起以接收输出端49上的控制信号中的一个。在这个非限制性示例性实施方案中，通常类似于开关37形成开关38、开关43、开关44和开关57中的每个。
[0034]在这个非限制性示例性实施方案或不同的实施方案中，开关45包括NMOS晶体管132和NMOS晶体管133，晶体管132和晶体管133也被配置成在启用开关45，因此启用晶体管132和晶体管133时提供双向电流流动，并且在禁用开关45，因此禁用晶体管132和晶体管133时阻止电流流动。晶体管133具有连接到节点25的漏极和连接到晶体管132的源极的源极。晶体管132的漏极连接到节点71。晶体管132和晶体管133的栅极被共同连接在一起以接收输出端49上的控制信号中的不同的一个。本领域那些技术人员将了解，可以使用其它晶体管配置来提供双向电流流动，诸如，晶体管和二极管。在这个非限制性示例性实施方案中，通常类似于开关45形成开关39、开关56和开关58中的每个。
[0035]通常，开关36、开关40、开关42和开关46中的每个被形成为单个晶体管，如相应的晶体管136-139所示。
[0036]本领域那些技术人员将了解，可以通过打开所有梯开关和所有开关对来给元件34放电，这可能使元件34的电压增加到使电流流过用于实施开关对的一些晶体管的体二极管(未示出)以及流入单元27-33(图2)中的一些的值。
[0037]图5示意地图示单元组85的一部分的实施方案的示例,单元组85为组23(图2)或在图1的描述中所述的组17和组18中的任何一个的替代实施方案。组85类似于组23但是包括附加的元件。组85包括多个比较器102-106，比较器102-106用于监控单元27-33的状态，诸如，单元27-33的充电或放电状态。在优选实施方案中，比较器102-106也用于确定电流，所述电流用于在能量转移操作期间将能量转移到单元27-33或从单元27-33转移能量。在优选实施方案中，比较器102-106中的每个具有用于比较两个不同的信号与两个不同的参考的非反相输入端和反相输入端。组85也包括控制器115，控制器115为控制器48(图2)的替代实施方案。控制器115被配置成执行控制器48的操作并且可以包括除此之外的其它操作。控制器115包括输出端125，输出端125类似于控制器48的输出端49。尽管比较器102-106被图示为在控制器115的外部，但是在其它实施方案中比较器102-106可能为控制器115的一部分。在一些实施方案中，控制器115、比较器102-106和窗口 108-112形成用于单元27-33的平衡电路。
[0038]在正常操作期间，比较器102-106用于在单元27-33将能量供应到负载(诸如，在图1的描述中解释的电动机)时监控单元27-33的电压以检测过电压或欠电压状态。在能量转移操作期间，诸如，为了使单元27-33之间的电压和能量存储平衡，比较器102-106被用来监控用于从单元27-33中转移能量的转移电流。例如，在监控间隔期间，比较器102-106被用来检测单元27-33的过电压或欠电压(OV/UV)，并且在转移间隔期间，比较器102-106被用来监控到单元27-33中的至少一个或来自单元27-33中的至少一个的转移电流。
[0039]组85也包括可选窗口参考电路或窗口 108-112，窗口 108-112被用来为用于将能量转移到单元27-33中的一个或从单元27-33中的一个转移能量的电流设置上限阈值和下限阈值。开关矩阵也可以包括被配置成监控用于能量转移的电流的值的可选电流传感器元件。例如，可选电阻器88-93可以被用来促进监控用于能量转移的电流的值。电阻器88-91和电阻器93的第一端子连接到相应的单元27-33的第一端子，并且电阻器92的第一端子连接到单元33的第二端子。电阻器88-93的第二端子连接到相应的节点95-100。在这个实施方案中，节点65-71和节点76充当感测节点。比较器102-106的第一非反相输入端连接到相应的节点95-99，以便从相应的单元27-33的一个端子接收电流信号。比较器102-106的第二反相输入端连接到节点96-100，以便从相应的单元27-33的另一端子接收电流信号。
[0040]本领域那些技术人员将了解，在一个实施方案中，窗口 108-112可以具有存储阈值调整值(诸如，从控制器115接收的值)的存储元件。在其它实施方案中，窗口 108-112可以包括可编程模拟参考电压，从控制器115接收数字信息并且响应地形成可以用于调整阈值的模拟电压。例如，窗口 108-112可以具有允许对给电容器充电到的值编程的电路系统内的电容器，或可以具有可编程数字-模拟转换。本领域那些技术人员也将了解，来自窗口 108-112的值可以被用在相应的比较器102-106内以根据存储在窗口 108-112内的值来调整用于比较器的内部阈值。
[0041]在用于监控单元27-33的过电压/欠电压(0V/UV)状态的监控间隔期间，控制器115计算用于电压状态的上限阈值和下限阈值并且将那些值存储在相应的窗口 108-112中。在监控间隔期间，控制器115的过电压/欠电压(0V/UV)元件117从比较器102-106接收输出，并且检测对于单元27-33中的每个发生的过电压状态或欠电压状态。在监控间隔期间，大致没有流过电阻器88-93的电流，因此在电阻器88-93两端大致没有电压降。因此，比较器102-106从相应的单元27-33接收准确的电压。
[0042]控制器115被配置成在转移间隔期间使选择性启用或禁用开关中到单元27-33中的期望单元的适当开关，例如，以转移能量以使单元27-33的电压状态平衡。在优选实施方案中，控制器115也被配置成在转移间隔期间使元件117忽视比较器102-106的状态。例如，元件117可以消隐从比较器102-106接收的信号。控制器115的其它配置可以使用其它技术来最小化比较器102-106的影响，或可能不忽视影响。在转移间隔期间，电阻器88-93中的至少一些具有流过其的电流并且具有在电阻器88-93两端的对应的电压降。当选择性地启用适当的开关36、开关40、开关42和开关46以给元件34预充电时，电流流过电阻器88和电阻器93，并且所得的电压可以被用来帮助选择性地给元件34预充电使具有期望的电流幅值。这也可能帮助验证元件34被充电到期望的电流极性。对于这个操作，如果关闭开关40和开关42以将节点25预充电到正极性以及如果关闭开关36和开关46以将节点25预充电到相反[负]极性，那么电阻器88两端的电压总是增加，这使比较器102检测到节点95处的电压已减少并且求反其输出。或者，可以使用电阻器93两端的电压。电阻器93两端的电压总是增加，这使比较器106检测到节点100处的电压已增加并且断言其输出。通常，电阻器88和/或电阻器93两端的电压的增加会逐渐增加，因为可能有电压的最大值的上限。控制器115将窗口 108和窗口 112的阈值设置为用于给元件34预充电的电流的期望值。在一个实施方案中，将可能由元件34的电感器容纳的最大电流的值转换为该电流在电阻器88和电阻器93两端出现的电压以及在窗口 108和窗口 112中将电压的值设置为阈值的电压。当电阻器88和电阻器93两端的电压达到代表由在窗口 108和窗口 112中设置的阈值来设置的期望的电流值的值时，控制器115的平衡部分118检测元件34被预充电，并且控制器115随后断言输出端125上的控制信号中的适当的控制信号以选择性地启用适当的开关，以便将能量转移到单元27-33中的期望单元，诸如，针对在图2的描述中解释的操作顺序所述的。也可以对任何奇数个单元(诸如，三(3)个单元、五(5)个单元等)进行能量转移。
[0043]本领域那些技术人员将了解，尽管图5的配置使用奇数个单元来图示示例性实施方案，但是技术、方法和电路系统也适用于包括使用偶数个单元的实施方案(诸如，在图3中所示)的其它实施方案。此外，尽管所述描述描绘使用开关36和开关42和/或开关40和开关46来给元件34预充电并且增加单元27-33和/或单元53-55中的一个单元的能态，但是也可以使用元件34来提高单元27-33和/或单元53-55中任何数量单元的能态。
[0044]本领域那些技术人员也将了解，其它元件可以代替电阻器88-93被用作电流感测元件。例如，可以代替电阻器88-93使用与元件34串联的电阻器，或可以用被配置成感测元件的MOS晶体管代替电阻器88-93中的每个。
[0045]图6示意地图示图5的单元组85的一部分的替代实施方案的示例。组85的这个替代实施方案包括为比较器102和比较器103的替代实施方案的比较器161和比较器171，并且也包括为窗口 108和窗口 109的替代实施方案的窗口 162和窗口 172。比较器161被配置具有被配置成类似于比较器102操作的两个差动比较器166和167以及逻辑块或逻辑168。窗口 162包括高窗参考或WH163和低窗参考或WL164，其一起为窗口 108 (图5)的替代实施方案。WH163设置上限阈值并且WL164设置下限阈值。比较器171类似地包括被配置成类似于比较器103操作的两个差动比较器176和177以及逻辑块或逻辑178。窗口 172包括高窗参考WH173和低窗参考WL174，其一起为窗口 109(图5)的替代实施方案。WH173设置上限阈值并且WL174设置下限阈值。以一般的方式通过相应的加号和减号符号来识别比较器161和比较器171的非反相输入端和反相输入端。
[0046]在一个非限制性操作示例中，在平衡模式期间关闭开关42和开关37以从单元27给元件34(图5)预充电。电阻器88和电阻器89两端的电压使比较器161的非反相输入端与反相输入端之间的差动电压小于WH并且大于WL，并且差动电压在元件34充电时减少。当差动电压减少低于WL时，求反比较器167的输出，由此促使断言逻辑168的输出。如果将元件34放电到单元27中以增加单元27的能态，那么差动输入电压大于WH并且在元件34放电时减少。当差动电压减少低于WH时，断言比较器166的输出，由此促使断言逻辑168的输出。
[0047]本领域那些技术人员将了解，因为WH和WL的值是可编程的所以可以使用其它配置，可以在其它配置中连接比较器。例如，控制器115 (图5)可以使用比较器104的输出以通过对窗口 108-112的值适当调整来确定何时给元件34充电或放电。[0048]图7图示在半导体模具151上形成的半导体装置或集成电路150的实施方案的一部分的放大平面视图。在一个实施方案中，图2至图6的控制器48或控制器115中的任一个可以在模具151上形成。在另一实施方案中，模具151可以包括一些或所有开关矩阵，和/或可以包括其它电路，诸如，为了附图的简单起见而在图6中未示出的一些或所有电路。在另一实施方案中，控制器48或控制器115中的任一个和/或图2至图6的一些或所有开关可以在模具151上形成。在大多数实施方案中，元件34和单元27-33和/或单元53-55在电路150的外部。通过本领域那些技术人员众所周知的半导体制造技术，将装置或集成电路150形成在模具151上。
[0049]根据所有上述内容，本领域技术人员可以了解，根据一个实施方案，用于多个电池单元的平衡电路的开关矩阵可以包括第一共同节点(例如，节点24)，其被配置成耦合到转移元件的第一端子；
[0050]第二共同节点(例如，节点25)，其被配置成耦合到转移元件的第二端子；
[0051]第一节点(例如，节点65)，用于耦合到多个串联耦合的单元的第一单元(例如，单元27)的第一端子，其中第一单元的第一端子具有第一极性类型；
[0052]第二节点(例如，节点76)，用于耦合到第二单元的第一端子，所述第二单元为多个串联耦合的单元的最后的单元，其中最后的单元的第一端子具有与第一极性类型相反的第二极性类型；
[0053]第三节点(例如，节点66)，用于耦合到多个串联耦合的单元的第三单元的第一端子，其中第三单元的第一端子具有第一极性类型；
[0054]第四节点(例如，节点71或节点75)，用于耦合到多个串联耦合的单元的最后的单元的第二端子，其中最后的单元的第二端子具有第一极性类型；
[0055]第一梯开关(例如，开关37)，其具有耦合到第三节点的第一端子并且具有耦合到第一共同节点的第二端子；
[0056]第一开关对(例如，开关36和开关42)，其具有第一对开关，其中第一开关对中的每个开关具有耦合到第一节点的第一端子，第一开关对的第一开关具有耦合到第一共同节点的第二端子，并且第一开关对的第二开关具有耦合到第二共同节点的第二端子；
[0057]第二开关对(例如，开关40和开关46)，其具有第二对开关，其中第二开关对中的每个开关具有耦合到第二节点的第一端子，第二开关对的第一开关具有耦合到第一共同节点的第二端子，并且第二开关对的第二开关具有耦合到第二共同节点的第二端子；以及
[0058]第二梯开关(例如，开关45或开关58)，其具有耦合到第四节点的第一端子并且具有第二端子，在多个串联耦合的单元中的单元的总数为偶数时，所述第二端子耦合到第一共同节点中的一个，或在多个串联耦合的单元中的单元的总数为奇数时，所述第二端子耦合到第二共同节点。
[0059]在另一实施方案中，开关矩阵可以包括:第一梯开关的第二端子独立于第一开关对或第二开关对的操作状态(例如，不选择性地耦合到节点24，或在另一示例中无论第一开关对或第二开关对的打开或关闭状态)耦合到第一共同节点。
[0060]开关矩阵的另一实施方案可以包括:第一开关对的第一开关和第二开关对的第二开关被配置(例如，如图2或图3中所示被耦合)以使得它们可以由控制信号选择性地启用，以便在选择性地启用任何梯开关以将电荷从电感器转移到多个串联耦合的单元中的单元之前被选择性地启用以给电感器充电。
[0061]另一实施方案可以包括多个电流感测元件(诸如，元件88-93中的任一个)，其中多个电流感测元件中的一个电流感测元件被耦合在每个梯开关的第一端子与多个串联耦合的单元中的每个单元的第一端子之间。
[0062]在一个实施方案中，开关矩阵可以包括第三梯开关(例如，开关43)，其具有耦合到第二共同节点的第一端子并且具有被配置成只耦合到第三单元的第二端子的第二端子，其中第三单元的第二端子具有第二极性类型。
[0063]本领域那些技术人员将了解，用于多个电池单元的开关矩阵的另一实施方案可以包含:第一节点(例如，节点65)，其被配置成耦合到多个串联连接的单元的第一单元的正极端子或负极端子中的一个(对于如图2中所示定向的单元而言为单元27的正极端子，或在使单元27颠倒时为负极端子)；
[0064]第二节点(诸如，节点76)，其被配置成耦合到多个串联连接的单元的第二单元的相反极性端子(例如，单元33或单元55的底板)；
[0065]第三节点(例如，节点71或节点75)，其被配置成耦合到第二单元的另一端子(例如，单元33或单元55的顶板)，第二单元的另一端子具有与第一单元的正极端子或负极端子中的一个相同极性的极性；
[0066]第一共同节点(例如，节点24)，其被配置成耦合到转移元件的第一端子；
[0067]第二共同节点(例如，节点25)，其被配置成耦合到转移元件的第二端子；
[0068]第一开关对(例如，开关36和开关42)，其中第一开关对的每个开关具有耦合到第一节点的第一端子，第一开关对的每个开关具有第二端子；以及
[0069]第二开关对(例如，开关40和开关46)，其中第二开关对的每个开关具有耦合到第二节点的第一端子，第二开关对的每个开关具有第二端子，其中第一开关对的第一开关(例如，开关36)的第二端子耦合到第二开关对的第一开关(例如，开关40)的第二端子以及第一共同节点，并且其中第一开关对的第二开关(例如，开关42)的第二端子耦合到第二开关对的第二开关(例如，开关46)的第二端子并且耦合到第二共同节点(例如，节点25)。
[0070]本领域那些技术人员也将了解，一种形成用于多个电池单元的平衡电路的方法的一个实施方案可以包括:将平衡电路配置成从电源(诸如，输入端20与返回端21之间的电源)选择性地给转移元件(例如，元件34)预充电使具有第一极性或第二极性(例如，在节点24处的端子上的正电荷，或替代地在节点24处的端子上的负电荷)中的任何一个，并且随后将转移元件选择性地耦合到多个电池单元中的至少一个电池单元，以将能量从转移元件转移到一个电池单元。
[0071]该方法的另一实施方案可以包括:将平衡电路配置成随后从电源选择性地给转移元件预充电使具有到第一极性或第二极性的相反极性(例如，在节点24处的端子上的负电荷，或替代地在节点24处的端子上的正电荷)。
[0072]该方法的另一实施方案可以包括:将平衡电路配置成从电源选择性地给转移元件预充电，所述电源为在多个电池单元外部或所有多个电池单元中的一个，或在多个电池单元外部和所有多个电池单元的组合。
[0073]该方法的另一实施方案可以包括:将平衡电路的控制器(例如，控制器14或控制器48或控制器115)配置成选择性地启用第一开关对的第一开关(例如，开关36和开关42)和第二开关对的第一开关(例如，开关40和开关46)，以将转移元件预充电到第一极性，并且随后选择性地启用第一开关对的第二开关和第二开关对的第二开关，以将转移元件预充电到与第一极性相反的第二极性。
[0074]该方法的另一实施方案可以包括:将控制器配置成在选择性地启用任何开关以将电荷从转移元件转移到多个串联耦合的电池单元中的电池单元之前，选择性地启用第一开关对的第一开关和第二开关对的第二开关以从在多个电池单元外部的电源(例如，输入端20与返回端21之间的电源)给转移元件预充电。
[0075]该方法的又一实施方案可以包括:形成被耦合在转移元件的第一端子与平衡电路的功率输入端之间的第一开关对的第一开关和第二开关对的第一开关；以及形成被耦合在转移元件的第二端子与平衡电路的功率返回端之间的第一开关对的第二开关和第二开关对的第二开关。
[0076]该方法还可以包括:形成平衡电路的控制器(例如，控制器14或控制器48或控制器115)以选择性地启用第一开关对的第一开关和第二开关对的第二开关(例如，断言耦合到开关的控制信号)以选择性地给转移元件预充电。
[0077]该方法的另一实施方案可以包括:将平衡电路配置成在将转移元件选择性地耦合到至少一个电池单元之后，从电源选择性地给转移元件预充电使具有相反极性(例如，与先前形成的极性相反，例如，在节点24处的端子上的负电荷,或替代地在节点24处的端子上的正电荷)。
[0078]鉴于上述所有内容，很明显，公开了一种新颖的装置和方法。除其它特征外，包括在使用电感器将能量转移到单元(诸如，单元27-33中的一个)之前，形成第一对开关和第二对开关以给电感器预充电，其中在给电感器预充电与使用电感器将电荷转移到单元中之间大致不发生其它充电或放电周期。在将能量转移到单元中之前给电感器预充电会最小化用于使具有受能量转移影响的充电状态的其它单元平衡的周期数。也包括一种通过形成用于监控单元的充电状态的监控间隔并且形成用于将能量转移到单元中的转移间隔而将能量转移到单元中的方法，其中监控间隔和转移间隔在两个间隔内使用同一组比较器。使用相同的比较器会降低组件的数量，由此降低成本。
[0079]尽管使用特定的优选实施方案和示例性实施方案描述这些描述的主题，但是前述附图和其描述仅描绘主题的典型和示例性实施方案，并因此不被认为是其范围的限制，很明显，许多替代和变化对于本领域那些技术人员是明显的。如本领域那些技术人员将了解的，其它类型的电流传感器可以代替电阻器88-93被用来感测用于给元件34预充电的电流的值。例如，晶体管可以被用来感测电流。此外，可以代替比较器102-106使用比较器的其它实施。例如，可以用两个比较器和用于比较两个比较器的输出的数字逻辑(诸如，与门)代替比较器102-106中的每个。此外，用于实施开关矩阵的开关的晶体管可以是P沟道而不是N沟道，或可以是其它晶体管类型(诸如，双极晶体管)。
[0080]如下文的权利要求书反映，发明创造方面可以处于少于单个上述公开的实施方案的所有特征。因此，下文表达的权利要求书由此明确并入此附图详述中，其中每条权利要求独立地作为本实用新型的单独实施方案。此外，尽管本文所述的一些实施方案包括一些特征但不是包括在其它实施方案中的其它特征，但是如本领域那些技术人员将理解的，不同的实施方案的特征的组合意欲在本实用新型的范围内并且形成不同的实施方案。
【权利要求】
1.一种用于多个电池单元的平衡电路的开关矩阵，其特征在于包括: 第一共同节点，被配置成耦合到转移元件的第一端子； 第二共同节点，被配置成耦合到所述转移元件的第二端子； 第一节点，用于耦合到多个串联耦合的单元中的第一单元的第一端子，其中所述第一单元的所述第一端子具有第一极性类型； 第二节点，用于耦合到第二单元的第一端子，所述第二单元为所述多个串联耦合的单元的最后的单元，其中所述最后的单元的第一端子具有与所述第一极性类型相反的第二极性类型； 第三节点，用于耦合到所述多个串联耦合的单元的第三单元的第一端子，其中所述第三单元的所述第一端子具有所述第一极性类型； 第四节点，用于耦合到所述多个串联耦合的单元的所述最后的单元的第二端子，其中所述最后的单元的所述第二端子具有所述第一极性类型； 第一梯开关，具有耦合到所述第三节点的第一端子并且具有耦合到所述第一共同节点的第二端子； 第一开关对，具有第一对开关，其中所述第一开关对中的每个开关具有耦合到所述第一节点的第一端子，所述第一开关对的第一开关具有耦合到所述第一共同节点的第二端子，并且所述第一开关对的 第二开关具有耦合到所述第二共同节点的第二端子； 第二开关对，具有第二对开关，其中所述第二开关对中的每个开关具有耦合到所述第二节点的第一端子，所述第二开关对的第一开关具有耦合到所述第一共同节点的第二端子，并且所述第二开关对的第二开关具有耦合到所述第二共同节点的第二端子；以及 第二梯开关，具有耦合到所述第四节点的第一端子并且具有第二端子，在所述多个串联耦合的单元中的单元的总数为偶数时，所述第二端子耦合到所述第一共同节点，或在所述多个串联耦合的单元中的单元的所述总数为奇数时，所述第二端子耦合到所述第二共同节点。
2.如权利要求1所述的开关矩阵，其特征在于所述第一梯开关的所述第二端子独立于所述第一开关对或所述第二开关对的操作状态耦合到所述第一共同节点。
3.如权利要求1所述的开关矩阵，其特征在于所述第二梯开关的所述第二端子独立于所述第一开关对或所述第二开关对的操作状态耦合到所述第一共同节点或所述第二共同节点中的一个。
4.如权利要求1所述的开关矩阵，其特征在于所述第一开关对的所述第一开关和所述第二开关对的所述第二开关被选择性地启用，以在选择性地启用任何梯开关以将电荷从电感器转移到所述多个串联耦合的单元中的单元之前给所述电感器充电。
5.如权利要求1所述的开关矩阵，其特征在于还包括第三梯开关，所述第三梯开关具有耦合到所述第二共同节点的第一端子并且具有被配置成耦合到所述第三单元的第二端子的第二端子，其中所述第三单元的所述第二端子具有所述第二极性类型。
6.一种用于多个电池单元的开关矩阵，其特征在于包括: 第一节点，被配置成耦合到多个串联连接的单元的第一单元的正极端子或负极端子中的一个； 第二节点，被配置成耦合到所述多个串联连接的单元的第二单元的相反极性端子；第三节点，被配置成耦合到所述第二单元的另一端子，所述第二单元的所述另一端子具有与所述第一单元的所述正极端子或所述负极端子中的所述一个相同极性的极性； 第一共同节点，被配置成耦合到转移元件的第一端子； 第二共同节点，被配置成耦合到所述转移元件的第二端子； 第一开关对，其中所述第一开关对的每个开关具有耦合到所述第一节点的第一端子，所述第一开关对的每个开关具有第二端子；以及 第二开关对，其中所述第二开关对的每个开关具有耦合到所述第二节点的第一端子，所述第二开关对的每个开关具有第二端子，其中所述第一开关对的第一开关的所述第二端子耦合到所述第二开关对的第一开关的所述第二端子以及所述第一共同节点，并且其中所述第一开关对的第二开关的所述第二端子耦合到所述第二开关对的第二开关的所述第二端子并且耦合到所述第二共同节点。
7.如权利要求6所述的开关矩阵，其特征在于还包括梯开关，所述梯开关被配置成将所述第三节点在单元的数量为奇数时耦合到所述第二共同节点，并且在单元的所述数量为偶数时耦合到所述第一共同节点。
8.一种用于多个电池单元的平衡电路，其特征在于包括: 所述平衡电路被配置成从电源选择性地给转移元件预充电使具有第一极性或第二极性中的任何一个，并且随后将所述转移元件选择性地耦合到所述多个电池单元中的至少一个电池单元，以将能量从所述转移元件转移到所述至少一个电池单元。
9.如权利要求8所述的平衡电路，其特征在于还包括所述平衡电路的控制器，所述控制器被配置成选择性地启用第一开关对的第一开关和第二开关对的第一开关，以将所述转移元件预充电到第一极性，并且随后选择性地启用所述第一开关对的第二开关和所述第二开关对的第二开关，以将所述转移元件预充电到与所述第一极性相反的第二极性。
10.如权利要求9所述的平衡电路，其特征在于还包括所述控制器被配置成在选择性地启用任何开关以将电荷从所述转移元件转移到所述多个串联耦合的电池单元中的电池单元之前，选择性地启用所述第一开关对的所述第一开关和所述第二开关对的所述第二开关以从在所述多个电池单元外部的电源给所述转移元件预充电。
【文档编号】H03K19/177GK203826998SQ201420014971
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2013年2月25日
【发明者】B·德科克 申请人:半导体元件工业有限责任公司