CN101432944A - 电池组中的深欠压恢复 - Google Patents
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Abstract
在一个实施方案中,提供一种用于对电池系统进行充电的方法。所述方法包括实现确定充电器是否耦合到电池系统,所述电池系统包括一个或一个以上单元及充电启用晶体管。所述方法还包括实现确定所述单元的电压电平是否低于预定的第一低电压电平。如果所述单元的电压电平低于所述预定第一低电压电平,那么启用以降低的速率对所述单元的充电包括调整施加到所述充电晶体管栅极端子的电压以将所述充电器所经历的电压调节到比预定的第二电压电平低的电平。另外,当所述单元的电压达到所述预定第一低电压电平时,所述方法包括大致完全启用所述充电晶体管以允许所述充电器以全速率充电。
Description
技术领域
本发明涉及电路。
背景技术
许多现代便携式装置(例如,膝上型计算机、移动电话、数码相机、视频摄像机、媒体播放器、个人数字助理(PDA)、游戏台等)包括电池组。一种特定类型的常规电池组包括耦合到一个或一个以上集成电路(IC)芯片的一个或一个以上电池单元。所述芯片通常包括控制器(例如,微控制器)及电路且除其它以外提供电池单元管理及保护。
某些常规电池组包括锂离子(Lithium ion)电池单元,其实质上是封装到圆筒内的挥发性化学反应。位能存储在每一单元中,且如果所述电池单元暴露到其规格以外的条件中,那么所述单元可过热、着火或爆炸。配置有这些挥发性单元的常规电池组通常包括用于检测不安全状况(例如,充电或放电过电流、短路等)且用于采取补救行动以防止对电池单元及/或装置造成损害且保护端用户的故障安全电路。
可在放电之后用充电器对常规可再充电电池进行充电。当对某些电池技术(例如,锂离子及锂聚合物)进行充电时,对充电系统施加限制以避免危险状况。一种此类限制涉及当这些单元的单元电压低于某一水平(其通常称作深欠压(DUV)状况)时对这些单元进行充电。深欠压状况可在深放电之后或在第一次对电池组进行充电时发生。当对来自深欠压状况的单元进行充电时,通常使用低于正常充电电流的电流达一时间周期(即,预充电周期)。在单元电压已上升到某一水平时,所述充电器可切换到正常的充电模式,以便使所述单元的充电时间降到最低。在所说明的常规系统中,所述充电器主要基于其经历的单元电压电平来确定从预充电到正常或快速充电的切换应何时发生。
在某些常规电池组中,两个外部晶体管(例如,场效晶体管(FET))与所述电池单元串联连接且被启用及停用以允许对所述单元进行充电及放电。所述晶体管允许基于一个或一个以上所监视的状况将所述单元从充电器或所述装置断开以避免不恰当或危险的操作。在一种称作高侧解决方案的配置中,将两个晶体管串联耦合在所述单元的正端子与正电池组端子(例如,到装置的外部正端子接口)之间。
发明内容
在一个实施方案中,提供一种用于对电池系统进行充电的设备、方法及计算机程序产品。一般来说,在一个方面,提供一种用于对电池系统进行充电的方法。所述方法包括实现确定充电器是否耦合到电池系统,所述电池系统包括一个或一个以上单元及充电启用晶体管。所述方法还包括实现确定所述单元的电压电平是否低于预定的第一低电压电平。如果所述单元的电压电平低于所述预定的第一低电压电平,那么启用以降低的速率对所述单元的充电包括调整施加到充电晶体管栅极端子的电压以将充电器所经历的电压调节到比预定的第二电压电平低的电平。另外,当所述单元的电压达到所述预定的第一低电压电平时,所述方法包括大致完全启用所述充电晶体管以允许所述充电器以全速率充电。
所述方法可包括以下特征中的一者或一者以上。调整施加到所述充电晶体管的栅极端子的电压可包括部分地启用所述充电晶体管。部分地启用所述充电晶体管可包括部分地启用所述充电晶体管直到所述单元的电位超过所述预定的第一低电压电平。部分地启用所述充电晶体管可包括将跨越所述充电晶体管的电位调整为高于所述单元的电位与给所述电池系统的电池系统监视器电路供电所需的最小操作电压之间的差。部分地启用所述充电晶体管还可包括调整跨越所述充电晶体管的电位,使得所述充电器所经历的电压低于所述充电器将从降低的充电速率切换到正常的充电速率处的电压电平。
所述电池系统可包括电池管理系统,所述电池管理系统包括电池监视电路且其中调整施加到所述充电晶体管的电压包括调整去往所述充电晶体管的驱动信号以将所述电池管理系统的输入处所经历的电压维持在高于所述单元的电位与所述电池管理系统的最小操作电压之间的差的水平。所述电池系统可包括电池管理系统,所述电池管理系统包括电池监视电路且其中将施加到所述充电晶体管的电压包括调整去往所述充电晶体管的驱动信号以将所述电池管理系统的输入处所经历的电压维持为低于所述充电器将从降低的充电速率切换到所述电池管理系统的正常充电速率处的电压电平。
所述方法可进一步包括在以降低的速率对所述单元进行充电之前启用所述电池系统中的监视电路及监视以降低的速率对所述单元的充电。所述方法可进一步包括在充电的同时安全监视所述电池系统以及在充电的同时监视所述电池系统的单元的容量的改变。
调整施加到所述充电晶体管的电压可包括确定所述电池系统的操作电位是否高于预定的最大值,且如果是,那么提高呈现到所述充电晶体管的驱动电压。另外,调整施加到所述充电晶体管的电压可包括确定所述电池系统的操作电位是否低于预定的最小值,且如果是,那么降低呈现到所述充电晶体管的驱动电压。
一般来说,在一个方面,提供一种用于对电池系统进行充电的方法。所述方法包括实现确定充电器是否耦合到电池系统,所述电池系统包括一个或一个以上单元、充电启用晶体管及充电监视控制电路。所述方法还包括实现确定所述单元的电压电平是否低于预定的第一低电压电平。如果所述单元的电压电平低于所述预定的第一低电压电平,那么所述方法包括启用以降低的速率对所述单元的充电,启用所述单元的降低速率的充电包括部分地启用所述充电晶体管。当所述单元的电压达到所述预定的第一低电压电平时,所述方法包括大致完全启用所述充电晶体管以允许所述充电器以全速率充电。部分地启用所述充电晶体管可包括将所述充电器所经历的电压调节到比预定的第二电压电平低的电平。
一般来说,在另一方面,提供一种对电池系统进行充电的方法。所述方法包括实现确定充电器是否经由充电晶体管耦合到电池系统。所述方法还包括在电池系统的一个或一个以上单元处于比预定的第一阈值低的电压时将充电晶体管启用到部分启用状态以允许降低速率的充电。另外,所述方法包括在所述所确定的电压电平处于或高于所述预定的第一阈值的情况下将所述充电晶体管启用到完全启用状态以允许全速率充电。
一般来说,在一个方面,提供一种方法。所述方法包括实现确定充电器是否已耦合到电池系统。所述电池系统包括:一个或一个以上单元;用于监视所述一个或一个以上单元的充电电平的监视电路;用于启用所述一个或一个以上单元的充电的充电晶体管;及用于驱动所述充电晶体管栅极端子的驱动电路。所述方法还包括监视所述一个或一个以上单元电压电平及确定所监视的电压电平是否低于第一阈值电压电平。如果所监视的电压电平低于所述第一阈值电压电平,那么所述方法包括启用以降低的速率对所述单元的充电,启用以降低的速率对所述单元的充电包括部分地启用所述充电晶体管栅极端子。当所监视的电压超过所述第一阈值电压电平时,所述方法包括大致完全启用所述充电晶体管。启用降低速率的充电可包括调节充电器所经历的电压。
一般来说,在一个方面,提供一种电池管理系统。所述系统包括可操作以检测电池组的一个或一个以上单元的电压电平的监视器。所述系统还包括可操作以将充电晶体管驱动到至少三个模式中的一者中的驱动电路。所述驱动电路可操作以:将所述充电晶体管驱动到第一低压模式中,包括部分地启用所述充电晶体管以调节外部充电器所经历的电压;将所述充电晶体管驱动到第二关断模式中,以停用充电;及将所述充电晶体管驱动到第三接通模式中,以启用完全充电。
一般来说,在另一方面,提供一种设备。所述设备包括:高侧NFET充电晶体管;用于驱动所述高侧NFET充电晶体管的驱动电路;及用于监视将要充电的电池单元的电压电平的监视器电路。所述设备的驱动电路可操作以在存在充电器时在所述电池单元的电压电平低于第一阈值水平的情况下部分地启用所述高侧NFET充电晶体管。
一般来说,在一个方面,提供一种设备。所述设备包括用于驱动电池组的充电晶体管的驱动电路及用于监视将要充电的电池单元的电压电平的监视器电路。所述驱动电路可操作以在存在充电器时在所述电池单元的电压电平低于第一阈值电平的情况下部分地启用所述充电晶体管。
一般来说,在一个方面,提供一种方法。所述方法包括监视与电池组相关联的单元的电压电平以确定所监视的电压电平是否低于第一阈值电压电平。所述方法还包括实现确定充电器是否耦合到所述电池组及调节所述充电器所经历的电位直到所述单元的电位超过所述第一阈值电平。
本发明的方面可包括以下特征中的一者或一者以上。提议一种允许跨越整个充电循环监视充电过程的电池充电系统。为进行此,即使在从深欠压状况恢复时,可在起始充电之前供电并启用充电监视器电路。此外,在从深欠压状况的充电循环中,可针对特定的电池配置部分地接通充电晶体管。可维持所述部分充电模式直到所述单元的电位上升到充足的水平以便允许所述单元在快速或正常充电模式中的安全充电。
在所提议的系统中,当充电器连接到电池管理系统时,部分地启用充电晶体管。部分启用允许调节所述充电器所经历的电压电平(即,处于比快速/正常模式电平低的电平)以防止所述充电器切换模式。在所提议的系统中,此可在将到电池管理系统组件(例如,包括微控制器(例如,芯片或芯片)的集成电路组件)的电源电压维持在高于最小操作电平以上时实现。通过维持所述电池管理系统组件的操作电压,可在整个充电循环期间启用监视功能(例如,以确保从深欠压恢复监视以及精确地监视载入到所述单元中的电荷)。
在一个实施方案中,所提议的系统允许使用高侧NFET晶体管的深欠压恢复,这样以来成本更高效且能够在成本高效的高压CMOS工艺中生产。此外,NFET具有比类似大小的PFET更小的接通电阻。因此,可用更便宜或更少的晶体管来实施包括高侧NFET晶体管的所提议系统。
所提议的高侧解决方案也比常规低侧解决方案有利。低侧FET解决方案的常规驱动器不容易在CMOS中实施,因为需要显著低于接地的输出电压来停用所述FET。具有低侧FET的常规电池组需要双极或双CMOS技术。一种所提议的解决方案包括其中高压前端组件、微控制器及非易失性存储器整合到单个芯片中的全集成高侧解决方案。与全集成CMOS解决方案相比,双极解决方案不能够实现微控制器单元与非易失性存储器的成本高效的整合。双CMOS技术执行起来明显更昂贵。
同样,可容易地在高侧解决方案中实施包括通信端口的所提议电池管理系统,而不存在低侧解决方案所呈现的与通信信号电平及电池管理系统的接地相关联的困难。然而,如果仍需要低侧解决方案,那么本文中所说明的与部分地启用充电晶体管相关的教示仍可提供如所揭示的优点。此外,虽然说明了NFET解决方案,但也可在PFET解决方案中使用充电晶体管的部分启用。
本发明的一个或一个以上实施例的细节论述于附图及以下说明书中。根据本说明书及图式及权利要求书将明了本发明的其它特征、目的及优点。
附图说明
图1A是包括电池组的应用的示意图。
图1B是电池组的示意图。
图2是电池管理系统的框图。
图3是用于驱动充电晶体管的驱动电路的框图。
图4是显示包括电池管理系统处的输入电位与充电晶体管的驱动电位之间的关系的部分充电及常规充电模式的曲线图。
图5A是深欠压恢复方法的流程图。
图5B是部分充电模式的流程图。
在各图式中,相同的参考符号指示相同的元件。
具体实施方式
将参考其中微控制器、非易失性存储器及其它电路组件整合到单个集成电路中的单芯片电池管理系统。另一选择为,可在多芯片解决方案中实现所提议的方法及系统。所揭示的方法及系统可实施于这些及所属技术领域中的技术人员将了解的其它架构中。说明一种用于深欠压恢复(即,非常低的单元电压)的方法、设备及系统,所述深欠压恢复采取确保向电池管理系统电路元件供应适当的电力(例如,向电池管理系统提供适当的电源,以便可启用监视功能)同时以类似方式确保相关联的充电器经适当配置以对所述系统的单元进行充电(包括在深欠压恢复期间)的方式。
包括电池管理系统的电池组
现在参照图1A,其显示用于应用50中的电池组100。电池组100可耦合到装置102或充电器104。当耦合到充电器104时,电池组100的端子(即,正及负及(视情况)通信端子)通过媒介106耦合到充电器104的对应端子(即,正及负及通信端子)以允许对与电池组100相关联的单元进行充电。媒介106可以是电线、引线、引脚或其它电连接构件的形式。在下文中更加详细地论述充电。
同样,当耦合到装置102时,电池组100的端子(即,正及负及通信端子)通过媒介108耦合到装置102的对应端子(即,正及负及通信端子)以允许装置102的操作。媒介108可以是电线、引线、引脚或其它电连接构件的形式。在某些实施方案中,电池组100还在相应的通信端口处耦合到装置102及充电器104。通信端口允许在装置102/充电器104与电池组100之间转移信息(例如,命令及控制)。可交换的信息的一个实例包括电池充电电平(即,容量)。
现在参照图1B,为电池组100提供更加详细的示意图。电池组100包括一个或一个以上电池单元120、离散晶体管110、112、分流电阻器114及电池管理系统130。电池管理系统130包括多个组件(如下所述),所述组件可整合到单个封装中(例如,整合到单个集成电路中)。另一选择为,可单独地封装电池管理系统130组件。离散晶体管110、112可与电池管理系统130分离且包括于单独的封装中或可与电池管理系统130组件封装在一起。
离散晶体管110、112用于将电池单元120从外部电池组端子(外部电池组正端子140及负端子150)断开。在所显示的实施方案中,显示两个可呈场效晶体管(FET)形式的离散晶体管。虽然可使用其它晶体管技术,但FET呈现工艺、性能(例如,接通电阻)、成本、大小等方面的优点。在所显示的实施方案中,提供两个晶体管且其表示分离的充电110及放电112晶体管。充电晶体管100用于实现电池单元120的安全充电。放电晶体管112用于实现电池单元120的安全放电。充电与放电晶体管110、112串联耦合。在一个实施方案中,使用两个NFET晶体管且其在串联配置中漏极-漏极地耦合。另一选择为,可使用两个PFET晶体管且其可源极-源极地耦合。在PFET解决方案中,可能需要未显示的额外二极管来向电池管理系统130提供电力(即,以馈入Vfet)。
在所显示的实施方案中,充电及放电晶体管110、112耦合在高侧配置中(即,所述串联晶体管耦合到所述电池单元的高侧,此与低侧配置相反)。在所显示的高侧配置中,充电晶体管110的一个端子(NFET实施方案中的源极)耦合到电池单元120-1的正端子。放电晶体管112的一个端子(也是NFET实施方案中的源极)耦合到外部电池组正端子150。充电及放电晶体管110、112的相应第二端子彼此耦合(在NFET实施方案中形成漏极-漏极结)。充电晶体管110及放电晶体管112的栅极分别在输入OC及OD处耦合到电池管理系统130。同样,晶体管110、112之间的结在芯片输入(或在本文中有时称作Vfet且在图1B中标记为Vfet)处耦合到电池管理系统130。所述芯片输入向电池管理系统130提供操作功率。
在所显示的实施方案中,需要两个晶体管以能够阻挡两个方向上的电流。更具体来说,FET包括寄生二极管(分别标记为110-1及112-1)且因此具有单个FET将不允许停用两个方向上的电流。当串联(源极到源极或漏极到漏极)使用两个FET时,可停用进入电池单元的电流或从所述电池单元流出的电流。同样,当使用两个晶体管时,可应用选择性控制以在给定时间允许仅单个方向上的电流(即,允许充电,但直到已将充足的电荷置于电池单元中才进行放电)。
电池单元120为可再充电电池且可以是锂离子(Li-ion)或锂聚合物(Li-polymer)的形式。其它电池技术类型也是可能的。当提供多个单元时,电池单元120串联耦合。在所显示的两个单元的实施方案中,电池单元120-1的最顶部正端子耦合到电池管理系统130(例如,以允许检测电池电压电平)且耦合到离散晶体管中的一者(即,充电晶体管110)。最顶部的电池单元120-1的负端子及最底部电池单元120-2的正端子耦合在一起且在输入170处耦合到电池管理系统130。所述串联中的最底部电池单元120-2的负端子耦合到电池管理系统130(例如,以允许检测电池电压电平)且耦合到分流电阻器114的一个端子。虽然显示两个电池单元的实施方案,但电池组100可包括其它数量的电池单元,包括单个电池的配置及其它多个单元的配置。所述分流电阻器的第二端子耦合到局部接地(智能电池局部接地)、电池管理系统130(以允许测量穿过分流电阻器114的电流)且耦合到电池组100的外部电池组负端子140。
电池管理系统130包括:监督电子装置,其用以在不正确操作的情况下保护电池组;监视电子装置,其用以估计剩余电池容量;控制器(例如,微控制器),其用于系统控制及与耦合到电池组的装置及/或充电器进行通信;及存储器(例如,EEPROM、快闪ROM、EPROM、RAM等)。如上所述,如果使用不当,某些电池技术可产生危险状况。举例来说,如果充电过度或充电太快,锂离子及锂聚合物电池可过热、爆炸或自燃。此外,如果锂离子及锂聚合物电池放电太深,那么其可丢失其显著量的充电容量。电池管理系统130包括监督电子装置以确保无故障的操作,其中至少一者是从深欠压状况的恢复。在下文中更加详细地论述深欠压恢复。
可使用作为电池管理系统130的部分的监视电子装置来估计剩余电池容量。可经由通信端口端子160在电池管理系统130与所连接的装置/充电器之间传送信息。如下文将更加详细地论述,微控制器(及相关联的存储器)可包括在电池管理系统130中且可提供系统控制及与所连接装置/充电器的通信。
电池管理系统
图2显示用于电池组100中的实例性电池管理系统130的框图。电池管理系统130通常包括处理器202(例如,基于RISC架构的低功率、CMOS8位微控制器)、电池保护电路204、电流控制器206、功率监督器210、充电检测器212、时钟发生器214、端口216、存储器218、电压参考220及监视计时器222。处理器202、端口216、电池保护电路204及电压参考220均耦合到数据总线224。
电池管理系统130的实际实施方案可包括其它组件及子系统,出于清楚的目的已从图2中移除所述组件及子系统。举例来说,芯片130可包括:用于电池监视的电路(例如,模拟到数字转换器);用于平衡单元电压的单元平衡电路(例如,单元平衡FET);用于与外部装置进行通信的通信装置;噪声抑制电路;醒来计时器;及其它监视器或控制电路。
可用可由处理器202执行的指令对存储器218进行编程以执行各种任务,例如单元平衡、电池保护、用于确定充电电平的电流测量等。
在某些实施方案中,电流控制器206具有耦合到外部装置的若干输出(例如,OC、OD),其可由电流控制器206配置以控制电池单元与装置或充电器之间的电流。电流控制器206包括用于在输出(例如,OC及OD)处产生电压的各种电路及逻辑(例如,运算放大器、控制及状态寄存器、晶体管、电容器、二极管、变换器、栅极等)。在某些实施方案中,所述OC输出是耦合到充电FET(例如,充电晶体管110)的栅极的高压输出以完全或部分地启用或停用所述充电FET以在充电事件期间控制电流。所述OD输出是耦合到放电FET(例如,放电晶体管112)的栅极的高压输出以完全或部分地启用或停用所述放电FET以在放电事件期间控制电流。图1B显示高侧实施方案中的FET装置的实例性配置,其用于响应于来自电流控制器206的控制电压而控制电流。
电流控制器206经由接口240耦合到电池保护电路204。电池保护电路204包括用于监视电池单元电压及充电/放电电流的电路(例如,差分放大器)以检测错误状况,并起始用以保护电池组100不受损害的动作(例如,停用或部分地停用充电及放电FET)。错误状况的实例包括但不限于:放电期间的深欠压、放电期间的短路及充电及放电期间的过电流。在某些实施方案中,电流感测电阻器(Rsense,即分流电阻器114)可经耦合跨越电池保护电路204的PPI及NNI输入,其中PPI是来自所述电流感测电阻器的未经过滤的正输入,而NNI是来自所述电流感测电阻器的未经过滤的负输入。所述电流感测电阻器可耦合到电池单元120及电池管理系统130,如参照图1B所说明。
包括深欠压恢复电路的栅极驱动器
现在参照图3,其显示与电池组100的高压前端中的充电晶体管(OC FET)相关联的驱动电路300。驱动电路300形成图2的电流控制器206的部分且包括栅极驱动器302、分别为304及306的高及低启用信号、深欠压恢复模式信号308、恢复电路310及分别标记为DUVR最大值及DUVR最小值312、314的两个参考信号。
栅极驱动器302包括多个输入,包括分别为304及306的高及低启用信号输入。栅极驱动器302还接收作为输入的恢复电路310的输出信号(例如,AMD栅极320的输出)。栅极驱动器302包括用于向图1的充电晶体管110的栅极提供驱动信号的电荷泵(未显示)。标记为OC的输出信号耦合到充电晶体管110的栅极输入。如将在下文中更加详细地论述,可将所述栅极驱动器配置为以下三个模式中的一者:高模式、低模式或部分启用模式。在高模式中,所述充电晶体管的栅极由栅极驱动器302所提供的驱动信号(即,响应于高启用信号304)大致完全启用。在低模式中,所述充电晶体管的栅极由栅极驱动器302所提供的驱动信号(即,响应于低启用信号306)大致完全停用。在部分启用模式中,所述充电晶体管的栅极经驱动以调整跨越所述充电晶体管(即,跨越所述充电晶体管的漏极-源极结)的电位且从而调节充电器所经历的电位及电池组的输入处所经历的电位(即,Vfet)两者。在部分启用模式中,另一选择为可泵送提供到充电晶体管的栅极的驱动信号(例如,通过栅极驱动器中的电荷泵)以增大所述栅极驱动信号以便进一步启用所述充电晶体管或针对预定数量的循环降低(例如,通过切换开关330及允许经由电阻器332放电)所述栅极驱动信号。在部分启用模式中,栅极驱动器302将充电器所经历的电位维持(即,调节Vfet 405)在大致恒定且在DUVR最大及最小参考信号(例如,DUVR最大值及DUVR最小值312、314)所界定的带内的水平。
所属技术领域中的技术人员将认识到,上文所说明的充电晶体管的栅极驱动信号的部分启用(包括栅极驱动器302的电荷泵的抽吸,及通过开关330放电)仅为实例性。可通过各种方式实现充电晶体管的部分启用。结合图3显示用于部分地启用充电晶体管的系统的一个实施方案。另一选择为,其它配置是可能的。举例来说,可将包括驱动细节的部分启用信号(即,以栅极将被驱动的量级变化的信号)作为输入提供到栅极驱动器302。响应于所述部分启用信号,可将所述充电晶体管的栅极驱动到所述部分启用信号中所指示的电平(即,部分电平)。另一选择为,所述栅极驱动器可使用步进功能,其中所述部分启用信号仅用信号通知何时步进(向上或向下)到下一电平。结合恢复电路310且还结合图5中所论述的充电过程来在下文中更加详细地论述部分地启用栅极驱动器302的细节。
恢复电路310包括用于深欠压恢复的电路。在一个实施方案中,恢复电路310可用于控制部分地启用栅极驱动器302。在一个实施方案中,恢复电路310包括组合逻辑、两个比较器及开关。具体来说,在所显示的实施方案中,恢复电路310包括两个AND栅极320、322、两个比较器324、326及开关330。
到每一AND栅极320、322的一个输入由DUVR模式信号308提供。DUVR模式信号308是可由(举例来说)图2的微控制器220提供的深欠压模式信号。当电池组处于深欠压恢复中时(例如,当单元已被深放电且在正常的充电操作之前需要特殊充电)启用DUVR模式信号308。可响应于单元电位电平与最小电位电平的比较来产生DUVR模式信号308。单元电压电平可直接由(举例来说)电池管理系统130中的监视器测量。将到AND栅极320的第二输入信号耦合到比较器324的输出。将到AND栅极322的第二输入信号耦合到比较器326的输出。
如上文所说明,AND栅极320的输出被耦合到栅极驱动器302的高启用输入。AND栅极322的输出被耦合到开关330的栅极。开关330可以是晶体管的形式且AND栅极322的输出可用于如图3中所示的那样驱动晶体管330的栅极。在所显示的配置中,开关330与电池管理系统130的接地点之间的信号路径可视情况包括放电电阻器332。通过完全切换开关330(例如,驱动栅极以大致完全启用所述晶体管),可降低由驱动电路300传递到所述充电晶体管的输出信号(因此,部分地停用所述充电晶体管)。将在下文中更加详细地论述开关及电阻器332的操作连同栅极驱动器302。
到每一比较器324、326的一个输入由输入信号350提供。更具体来说,将到比较器324的第一(“+”或同相)输入耦合到输入信号350。同样,将比较器326的第二(“-”或反相)输入耦合到输入信号350。输入信号350(在本文中称作芯片输入或Vfet)是电池管理系统130的操作电位信号。输入信号350实质上表示在串联晶体管之间的节点处经历的电位(例如,NFET高侧解决方案中充电OC与放电OD晶体管的漏极之间的节点处的电位)。在某些系统中,此称作电池管理系统130的芯片输入、输入电压、Vfet或Vcc。
到比较器324的第二输入(“-”或反相输入)由DUVR最大参考信号312提供。到比较器326的第一输入(“+”或同相输入)由DUVR最小值参考信号314提供。在一个实施方案中,将所述DUV最小参考信号设定为电池管理系统130的大致最低操作点(例如,Vfet针对正常的电池管理系统130操作处于其最小值)。在一个单个单元的实施方案中,所述DUVR最小参考信号电平为大致0.9x伏,其中x是实数乘数。在一个多个单元的实施方案中,所述DUVR最小参考信号电平为大致1.8x伏。同样,在一个实施方案中,将所述DUV最大值阈值电平设定为恰好低于与所述充电器中的从预充电到快速或正常充电模式的模式转变相关联的转变电平(即,恰好低于预充电阈值电平)。在一个单个单元的实施方案中,所述DUVR最大参考信号电平为大致1.1x伏。在一个多个单元的实施方案中,所述DUVR最大参考信号电平为大致2.0x伏。
操作
现在将结合图4中所示的充电曲线来参考栅极驱动器302及恢复电路310的操作。充电曲线图400包括X轴(时间)及Y轴(电位)且显示与驱动电路相关联的各种信号的状态(到电池管理系统的输入电位Vfet405、单元电位VCELL410、到充电晶体管的驱动信号VOC415及充电器所经历的电位VBATT420(即,在电池组“+”端子处经历的电位))。显示由重设(时间1)、充电器连接及涌入(时间周期1到2)、部分充电(时间周期2-3)及常规充电(时间周期3-4)表征的四个时间周期。
在时间t=0(与时间1大致同时),电池组处于重设模式中,无充电器耦合到所述装置且相关联电池单元的具有大致为0的电位(即,VCELL大致为零且所述单元处于深欠压状况)。
在时间t≥0(由时间周期1到2表征),充电器耦合到所述电池组。充电器耦合到所述电池组导致栅极驱动器电压VOC(如在驱动信号VOC 415中所经历)急剧上升到初始水平(显示于所述曲线上的点A处)。为对所述电池进行充电,必须至少部分地启用充电晶体管以允许电荷流到所述电池中(因此,VOC电位上升)。与栅极驱动器电压VOC的上升大致同时的是电池管理系统130的输入处所经历的电位(输入VFET405)及充电器所经历的电池电位VBATT 420的降低。大致在时间2,与电池管理系统130相关联的微控制器已检测到深欠压状况且起始包括部分地启用充电晶体管的深欠压恢复,如将在下文中论述。
现在参照部分充电时间周期(由时间周期2到3表征),已触发深欠压恢复模式。如上所述,可通过检测到单元的电压电平低于阈值电平来触发深欠压恢复。在一个单个单元的实施方案中,如果所述单元电压电平在充电时低于约1.0x伏,那么触发深欠压恢复。在一个实施方案中,深欠压恢复模式是用于对电池组进行充电的默认开始模式。在深欠压恢复模式中,调整提供到充电晶体管的栅极的驱动信号VOC 415,使得电池管理系统130的输入处所经历的电位Vfet405跨越与深欠压恢复相关联的整个时间周期(时间周期2到3)而大致调节在同一电平(例如,处于高于最小操作电平的电平)。可在图4中经历,Vfet 405跨越整个部分充电时间周期维持在大致恒定的电平。
在所述深欠压恢复模式中,通过借助(举例来说)上文所说明的栅极驱动器302与恢复电路310的组合部分地启用充电晶体管来允许充电,但小心控制充电的量。如在充电曲线图中可见,当电荷增加时,单元的电位(VCELL 410)上升。随着充电继续,朝向完全启用来调整充电晶体管的栅极驱动电位(VOC 415)(以更接通所述晶体管且降低跨越所述充电晶体管的漏极-源极结的电位降)。在一个实施方案中,调整包括针对预定数量的循环(例如,一个)启用栅极驱动器(即,栅极驱动器302)中的电荷泵。此同时调整降低跨越充电晶体管的漏极到源极电位且导致电池管理系统130的输入处的大致恒定(即,经调节)电位(即,跨越周期2-3的大致恒定Vfet信号轨迹)。举例来说,在其中所述单元具有0.5伏的初始电压且电池管理系统130的最小操作电位为1.0x伏的深欠压恢复中,最初可部分地启用充电晶体管,使得漏极-源极结实现作为单元电位与最小操作电位之间的差的电位(在此最初为7x伏)。随着电荷流到电池单元中,且随着电池单元电位上升,进一步调整提供到充电晶体管的栅极的驱动信号(在此情况下提高(例如,通过抽吸栅极驱动器中的电荷泵预定次数)以便降低跨越所述漏极-源极结的电阻,从而降低跨越所述晶体管的电位),以便将呈现到电池管理系统130的操作电位Vfet 405维持在大致高于恒定的最小操作电平。注意,如果对所述栅极驱动信号的调整过大(例如,所述电荷泵循环太多次且所得的Vfet操作电平降得太低),那么可针对一时间量或循环数量降低所述栅极驱动信号(例如,通过切换晶体管330并允许所述晶体管经由电阻332放电),以便使Vfet 405的操作电位上升。
随着所述单元的电压继续上升,可终止深欠压恢复模式(时间周期3-4的开始)。在终止时,常规充电可开始,包括完全启用电池组的充电晶体管110。
深欠压恢复方法
现在参照图5A,提供用于深欠压恢复的方法500的流程图。恢复方法500包括三级:预备阶段502、部分充电阶段504及充电阶段506。
在预备阶段502中,检测到充电器耦合到电池组510。所述检测可包括借助放电晶体管中的寄生二极管的检测或(另一选择为)不与所述电池组的放电晶体管相关联的分离检测(例如,通过电池管理系统130中的充电器检测电路)。在检测之后,向电池管理系统供电,以充足的操作电平从相关联的电池单元或充电器512提供电力。更具体来说,在高侧NFET配置中,所述电池管理系统由存在于充电及放电晶体管中的寄生二极管在输入(在此称作芯片输入或Vfet)处供电到单元电位与充电器电位之间的最高电位电平。在充电之前通过单元中的一者或所述充电器给所述电池管理系统供电允许精确地测量输入所述单元的电荷(连同温度及其它数据收集)及完全控制充电循环(即,包括启用所述电池管理系统的各种保护模式)。检测所述电池组中的单元的电位电平。如果所述电位电平低于阈值电平(在本文中称作部分充电电压电平)516,那么起始深欠压恢复且所述过程在步骤520处继续。另一选择为,所述电池组无论何时耦合到充电器,可起始深欠压恢复模式。如果所述单元的电压电平高于所述阈值电平,那么在步骤550处起始常规充电循环。在常规充电循环(550)中,完全启用所述电池组的充电晶体管以允许所述单元的常规或快速充电。在某些实施方案中,可在充电循环期间停用放电晶体管。停用所述放电晶体管防止所述电池组在所述单元的完全或(另外)充分充电之前从所述充电器断开及连接到装置。在其它实施方案中,在充电循环期间启用所述电池组的放电晶体管。
在部分充电阶段504中,允许充电器对单元进行充电(但以低速率模式)。为将所述充电器维持于所述低速率模式中,必须调节所述充电器所经历的电压。如上所述,具有两种操作模式(即,预充电及正常或快速充电)的常规充电器基于所述充电器所经历的电压电平(将此理解为单元电压电平)切换操作模式。然而,某些特定电池技术不能从深欠压状况过快地充电。为防止常规充电器过早地切换到正常或快速模式,调节呈现到所述电池管理系统(且因此呈现到所述充电器)的电压(即,Vfet)(即,Vfet具有与所述充电器所经历的电压的已知关系,且因此可调节Vfet以确保适当的充电器操作)。更具体来说,在部分充电模式中,调整提供到充电晶体管的驱动信号,使得所述充电晶体管的漏极-源极电位电平等于单元电位与所需的电池管理系统操作电位之间的电位差(或处于高于所述最小电平的电平)。随着所述单元的电位电平上升,调整(即,降低)跨越充电晶体管的漏极-源极结的电位以将电池管理系统输入维持(即,调节)在大致正确的操作电位。此继续直到所述单元的电位电平达到恢复电压,在此时间点上可终止深欠压模式(及相关联的部分充电模式)。
返回到图5A,在部分充电阶段504中,部分地启用充电晶体管以允许单元520的充电。可通过将比完全启用所述晶体管所需的电平低的栅极驱动信号提供到所述充电晶体管来执行部分充电。另一选择为,可执行一系列步骤来促进部分充电。在另一实施方案中,另一选择为,可基于所述电池管理系统的输入电位与一个或一个以上参考信号之间进行的比较(即,将所述输入电位与高及低参考信号DUVR最大值及DUVR最小值312、314相比较来产生所述充电晶体管的操作带)来接通(例如,泵送)及关断(例如,通过开关330及电阻器332放电)所述充电晶体管的栅极驱动器。部分充电继续直到所述单元电位上升到部分充电电压电平522以上。其后,部分充电阶段504终止且正常或常规充电相继开始550。更特定来说,如上文在一个实施方案中所论述,在部分充电模式期间,调整去往所述充电晶体管的驱动信号,使得所述充电晶体管的漏极-源极电位电平等于所述单元电位与所需的电池管理系统操作电位之间的电位差。
一个用于控制部分充电的实施方案显示于图5B中(具体来说,参考步骤532-540)。在此实施方案中,调整超过操作带的到充电晶体管的栅极的驱动信号。可使用逻辑来将所述驱动信号维持在所需要的带中。由于所述电池管理系统的输入处所经历的电位调整(由于电池单元的电位在充电期间提高),还调整接通所述充电晶体管的程度。通过更接通或关断所述充电晶体管,跨越源极-漏极结的电阻改变,从而产生所述电池管理系统的输入处所经历的电位的改变。更具体来说,进行确定电池管理系统输入532处的电位电平。如果所述电位电平低于最小DUV阈值电平534,那么将与所述充电晶体管相关联的驱动电路切换为停用536(在一个实施方案中,所述驱动电路经切换,使得分压晶体管330及相关联的串联电阻332缓慢地将充电晶体管输出放电)。通过停用到所述充电晶体管的驱动信号,所述晶体管变得更加关断,从而导致跨越所述漏极-源极结的电阻提高,且跨越所述晶体管的电位(即,电压降)必然更大。跨越所述晶体管的更大电位转换为呈现到所述电池管理系统输入的更高电位电平。
另一选择为,如果所述电池管理系统输入的电位电平高于最大DUVR阈值电平538,那么将与所述充电晶体管相关联的驱动电路切换为启用(例如,针对预定数量的循环通过栅极驱动器302中的电荷泵泵送)540。通过启用到所述充电晶体管的驱动信号,所述晶体管变得更加接通,从而导致跨越所述漏极-源极结的电阻降低,且跨越所述晶体管的电位(即,电压降)必然更小。跨越所述晶体管的更小的电位转换为呈现到所述电池管理系统输入的更低的电位电平。如果两种状况534、538均未遇到,那么所述过程继续检查(如果需要)以在步骤532处确定呈现到电池管理系统的电位。
在一个实施方案中,将所述DUVR最小阈值电平设定为高于所述电池管理系统的大致最低操作点(即,Vfet针对正常的电池管理系统操作处于其最小值)。同样,在一个实施方案中,将所述DUVR最大阈值电平设定为恰好低于与所述充电器中的从预充电到快速或正常充电模式的模式转变相关联的转变电平(即,恰好低于预充电阈值电平减去二极管压降)。
所属技术领域中的技术人员将认识到某些常规充电器监视电池单元电位以确定何时从预充电切换到快闪充电模式。在这些常规系统中,所述充电器通常监视电池组端子处的单元电位。因此,调节到所述电池管理系统的输入处的电位还可有效地调节所述充电器所经历的电位,从而防止所述充电器中的从预充电模式到快闪充电模式的转变直到所述电池单元“就绪”(例如,已在适当量的时间内将所述电池单元提高到适当的电位)。
本文已说明了本发明的多个实施例。然而,应了解,可在不背离本发明的精神及范围的情况下对本发明做出各种修改。举例来说,虽然说明了一种用于在深欠压恢复期间在电池管理系统中部分地启用充电晶体管的方法,但用于调节跨越漏极-源极结的充电晶体管电压降的其它方法也是可能的。此外,可使用其它电路、逻辑、程序指令等来调节所述电池管理系统的输入(且因此所耦合的充电器的输入)处所经历的电位因此,其它实施例归属于以上权利要求书的范围内。
Claims (21)
1、一种用于对电池系统进行充电的方法,其包含:
实现确定充电器是否耦合到电池系统,所述电池系统包括一个或一个以上单元及充电启用晶体管;
实现确定所述单元的电压电平是否低于预定的第一低电压电平;
如果是,启用以降低的速率对所述单元的充电包括调整施加到所述充电晶体管栅极端子的电压以将所述充电器所经历的电压调节到比预定的第二电压电平低的电平;及
当所述单元的所述电压达到所述预定的第一低电压电平时,大致完全启用所述充电晶体管以允许所述充电器以全速率充电。
2、如权利要求1所述的方法,其中调整施加到所述充电晶体管的所述栅极端子的电压包括部分地启用所述充电晶体管。
3、如权利要求2所述的方法,其中部分地启用所述充电晶体管包括部分地启用所述充电晶体管直到所述单元的电压超过所述预定的第一低电压电平。
4、如权利要求2所述的方法,其中部分地启用所述充电晶体管包括将跨越所述充电晶体管的电位调整为高于所述单元的电位与给所述电池系统的电池系统监视器电路供电所需的最小操作电压之间的差。
5、如权利要求2所述的方法,其中部分地启用所述充电晶体管包括调整跨越所述充电晶体管的电位,使得所述充电器所经历的所述电压低于所述充电器从降低的充电速率切换到正常充电速率处的电压电平。
6、如权利要求1所述的方法,其中所述电池系统包括电池管理系统,所述电池管理系统包括电池监视电路且其中调整施加到所述充电晶体管的电压包括调整去往所述充电晶体管的驱动信号以将所述电池管理系统的输入处所经历的电压维持在比所述电池管理系统的最小操作电压高的电平。
7、如权利要求1所述的方法,其中所述电池系统包括电池管理系统,所述电池管理系统包括电池监视电路且其中调整施加到所述充电晶体管的电压包括调整去往所述充电晶体管的驱动信号以将所述电池管理系统的输入处所经历的电压维持在比所述充电器将从降低的充电速率切换到正常充电速率处的电压电平低的电平。
8、如权利要求1所述的方法,其进一步包含:
在以降低的速率对所述单元进行充电之前,启用所述电池系统中的监视电路;及
监视对所述单元的所述降低速率的充电。
9、如权利要求8所述的方法,其进一步包含在充电的同时安全监视所述电池系统。
10、如权利要求8所述的方法,其进一步包含在充电的同时监视所述电池系统的所述单元的容量的改变。
11、如权利要求1所述的方法,其中调整施加到所述充电晶体管的电压包括确定所述电池系统的操作电压是否高于预定的最大值,且如果是,那么提高呈现到所述充电晶体管的驱动电压。
12、如权利要求1所述的方法,其中调整施加到所述充电晶体管的电压包括确定所述电池系统的操作电压是否低于预定的最小值,且如果是,那么降低呈现到所述充电晶体管的驱动电压。
13、一种用于对电池系统进行充电的方法,其包含:
实现确定充电器是否耦合到电池系统,所述电池系统包括一个或一个以上单元、充电启用晶体管及充电监视器控制电路;
在启用对所述电池的充电之前启用所述充电监视器控制电路;
实现确定所述单元的电压电平是否低于预定的第一低电压电平;
如果是,那么启用以降低的速率对所述单元的充电包括部分地启用所述充电晶体管;及
当所述单元的所述电压达到所述预定的第一低电压电平时,大致完全启用所述充电晶体管以允许所述充电器以全速率充电。
14、如权利要求13所述的方法,其中部分地启用所述充电晶体管包括将所述充电器所经历的电压调节到比预定的第二电压电平低的电平。
15、一种用于对电池系统进行充电的方法,其包含:
实现确定充电器是否经由充电晶体管耦合到电池系统;
当电池系统的一个或以上单元处于比预定的第一阈值低的电压时,将充电晶体管启用到部分启用状态以允许降低速率充电;及
如果所确定的电压电平处于或高于所述预定的第一阈值,那么将所述充电晶体管启用到完全启用状态以允许全速率充电。
16、一种方法,其包含:
实现确定充电器已耦合到电池系统,所述电池系统包括:一个或一个以上单元;监视电路,其用于监视所述一个或一个以上单元的充电电平;充电晶体管,其用于启用对所述一个或一个以上单元的充电;及驱动电路,其用于驱动所述充电晶体管栅极端子;
监视所述一个或一个以上单元电压电平且确定所述所监视的电压电平是否低于第一阈值电压电平;
如果是,那么启用以降低的速率对所述单元的充电包括部分地启用所述充电晶体管栅极端子;及
当所述所监视的电压超过所述第一阈值电压电平时,大致完全启用所述充电晶体管。
17、如权利要求16所述的方法,其中启用以降低速率的充电包括调节所述充电器所经历的电压。
18、一种电池管理系统,其包含:
监视器,其可操作以检测电池组的一个或一个以上单元的电压电平;及
驱动电路,其可操作以将充电晶体管驱动到包括可操作以进行以下操作的至少三个模式中的一者中:
将所述充电晶体管驱动到包括部分地启用所述充电晶体管以调节外部充电器所经历的电压的第一低压模式中;
将所述充电晶体管驱动到第二关断模式中,以停用充电;及
将所述充电晶体管驱动到第三接通模式中,以启用完全充电。
19、一种设备,其包含:
高侧NFET充电晶体管;
驱动电路,其用于驱动所述高侧NFET充电晶体管;及
监视器电路,其用于监视将要充电的电池单元的电压电平;
其中所述驱动电路可操作以在存在充电器时在所述电池单元的所述电压电平低于第一阈值电平的情况下部分地启用所述高侧NFET充电晶体管。
20、一种设备,其包含:
驱动电路,其用于驱动电池组的充电晶体管;及
监视器电路,其用于监视将要充电的电池单元的电压电平;
其中所述驱动电路可操作以在存在充电器时在所述电池单元的所述电压电平低于第一阈值电平的情况下部分地启用所述充电晶体管。
21、一种方法,其包含:
监视与电池组相关联的单元的电压电平以确定所述所监视的电压电平是否低于第一阈值电压电平;
实现确定充电器是否耦合到所述电池组;及
调节所述充电器所经历的电位直到所述单元的电位超过所述第一阈值电平。
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