專利名稱：連接的電能存儲(chǔ)單元的電壓監(jiān)控的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于充電和平衡串聯(lián)堆疊連接的能量存儲(chǔ)單元的電壓的電路，并且，更具體地，涉及用于監(jiān)控模塊的多個(gè)獨(dú)立可再充電單元的電壓的電路。
背景技術(shù)：
能量存儲(chǔ)裝置通常被構(gòu)造為串聯(lián)連接的多個(gè)獨(dú)立單元。串聯(lián)連接的單元可以設(shè)置在模塊中，使得模塊提供比可從每個(gè)獨(dú)立單元獲得的額定工作電壓更高的額定工作電壓。當(dāng)對(duì)模塊充電時(shí)，不同的接受電荷的速率會(huì)導(dǎo)致一些單元具有高于其他單元的電壓。類似地，獨(dú)立單元可具有不同的放電特性和內(nèi)部泄露電流，導(dǎo)致在放電周期期間和在模塊不使用(例如，存儲(chǔ)時(shí)期)期間獨(dú)立單元上的電壓差。由于至少以下兩個(gè)相關(guān)的原因，跨接在同一模塊的多個(gè)單元上的電壓差是有問(wèn)題的。
首先，電壓差可導(dǎo)致一些單元被充電到高于額定電壓。單元上的過(guò)多的電壓(過(guò)壓)會(huì)縮短單元壽命，從而，縮短模塊的壽命。過(guò)壓還可以導(dǎo)致單元(從而導(dǎo)致模塊)的災(zāi)難性故障。為了避免這種故障，許多模塊的制造商通過(guò)將最大的模塊額定電壓設(shè)置到多個(gè)構(gòu)成單元的額定電壓的總和之下來(lái)提供安全容限。該方法降低了模塊的能量容量。此外，在模塊的使用壽命期間，電壓差會(huì)累積，最終在模塊被充電時(shí)導(dǎo)致過(guò)壓。因此設(shè)置適當(dāng)小的安全容限并不是安全的解決方案。
其次，一些單元上的過(guò)壓可導(dǎo)致在其他單元中低于平均電壓(欠壓)。于是，具有低電壓的單元接受較少的能量并且利用不足，也導(dǎo)致模塊的較低的存儲(chǔ)能量容量。
由此可見(jiàn)，理想地，模塊的所有單元都應(yīng)該相同，以使得所有單元都以相同的速率接受和釋放電荷，并且具有彼此緊密跟蹤的電壓。然而，實(shí)際上，每個(gè)單元的單元特性都可能顯著地不同。當(dāng)單元沒(méi)有相互“匹配”時(shí)，尤其如此。在模塊制造過(guò)程中，匹配模塊的單元是額外的步驟，其增加了模塊的成本。此外，原始匹配幾乎未曾完美過(guò)；并且越接近指定的匹配，匹配步驟變得越昂貴。同等重要的是，由于隨著充-放電循環(huán)和實(shí)足年齡而導(dǎo)致的日益增加的其性能特性的分散性，甚至緊密匹配的單元可能會(huì)不同地老化。
為了減少與獨(dú)立單元的電壓不平衡相關(guān)的問(wèn)題，一些模塊采用電壓平衡器(也稱作電壓均衡器)跨接在單元上。這些裝置有助于使單元間的電壓變化保持較低。本領(lǐng)域中已知的電壓均衡器包括回掃電路、并聯(lián)電路、以及開(kāi)關(guān)電容器電路。
電壓均衡器的存在不一定防止單元過(guò)壓。例如，整個(gè)模塊仍然可被過(guò)度充電，導(dǎo)致過(guò)壓被平均地跨接分布在模塊的所有單元上。這在從具有相對(duì)較高的電壓的單元除去電荷并將除去的電荷轉(zhuǎn)移到具有相對(duì)較低的電壓的單元的電壓均衡器的情況下尤其如此。一些回掃電路均衡器和開(kāi)關(guān)電容器均衡器典型地是這種情況。
在一些應(yīng)用中，為了減小單元過(guò)壓的可能性，以及其他原因，可以使用連接至每個(gè)獨(dú)立單元的電壓監(jiān)控電路來(lái)監(jiān)控獨(dú)立單元電壓。電壓監(jiān)控可單獨(dú)使用，或與電壓均衡一起使用。例如，一些并聯(lián)電壓均衡器包括控制跨接獨(dú)立單元的并聯(lián)連接(分路)的電壓監(jiān)控器。當(dāng)單元電壓超過(guò)某一預(yù)置電平時(shí)，跨接單元兩端的分路被激活，限制流入該單元的電流，或者從該單元吸收電流。但是電壓均衡器電路中的電壓監(jiān)控限于與單個(gè)的參考閾值進(jìn)行比較。此外，已知的電壓均衡器確實(shí)包括用于獨(dú)立單元的電壓監(jiān)控電路，并且/或者不提供用于讀取單元電壓的輸出。因此，出現(xiàn)了即使在電壓均衡器已經(jīng)存在的情況下的應(yīng)用中也包括用于監(jiān)控獨(dú)立單元的電壓的電路的需要，但是，提供用于監(jiān)控每個(gè)獨(dú)立單元的電壓的單獨(dú)電路會(huì)是相當(dāng)昂貴的，特別是在具有大量單元的模塊的情況下。
因?yàn)榭偟哪K電壓可能比獨(dú)立單元的電壓高得多，所以提供用于監(jiān)控模塊的總電壓(即，單元的串聯(lián)組合的組合電壓)的單個(gè)電路沒(méi)有解決獨(dú)立單元的過(guò)壓?jiǎn)栴}。例如，具有42伏和50伏的額定輸出的模塊已經(jīng)可得到或不久將可得到。能夠監(jiān)控高模塊電壓的電路將需要具有較高額定電壓的元件，這不利地影響監(jiān)控電路的成本、其復(fù)雜性、以及精度。
因此，希望改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的限制。

發(fā)明內(nèi)容
因此，存在能夠用于監(jiān)控串聯(lián)組合的單元中的每個(gè)能量存儲(chǔ)單元的電壓的電路的需要，但是無(wú)需為每個(gè)單元構(gòu)建單獨(dú)的電路的附加花費(fèi)。存在能夠用于監(jiān)控模塊中的每個(gè)能量存儲(chǔ)單元的電壓的電路、并且不需要適用于總的模塊電壓的元件的另一個(gè)需要。
本發(fā)明包括電氣裝置，其包括至少一個(gè)電壓均衡器和電壓監(jiān)控電路。至少一個(gè)電壓均衡器可被配置以平衡串聯(lián)連接的多個(gè)能量存儲(chǔ)單元中的獨(dú)立單元電壓，并且電壓監(jiān)控電路可被配置以監(jiān)控多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的子集的電壓。子集包括比多個(gè)能量單元的所有單元少的單元。該裝置可進(jìn)一步包括多個(gè)能量存儲(chǔ)單元，例如雙層電容器單元。在一些示例性實(shí)施例中，當(dāng)單元的子集的電壓與參考電壓交叉(cross)時(shí)，電壓監(jiān)控電路提供一個(gè)或多個(gè)指示。例如，當(dāng)子集的電壓超過(guò)第一參考電壓時(shí)，電壓監(jiān)控電路可提供第一指示，并且當(dāng)子集的電壓超過(guò)第二參考電壓時(shí)，提供第二指示。在其他示例性實(shí)施例中，電壓監(jiān)控電路提供子集的電壓的實(shí)時(shí)指示。可以連續(xù)或頻繁地(即以某一預(yù)定的時(shí)間間隔)提供實(shí)時(shí)指示。
在一個(gè)實(shí)施例中，電氣裝置包括至少一個(gè)電壓均衡器，其被配置以平衡串聯(lián)連接的多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的獨(dú)立單元電壓；以及電壓監(jiān)控電路，其被配置以監(jiān)控多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的子集的電壓，其中，子集包括比多個(gè)能量單元中的所有單元少的單元。電壓監(jiān)控電路能夠在子集的電壓與第一參考電壓交叉時(shí)提供第一指示。電壓監(jiān)控電路進(jìn)一步能夠在子集的電壓與第二參考電壓交叉時(shí)提供第二指示。電壓監(jiān)控電路能夠在子集的電壓超過(guò)第一參考電壓時(shí)提供第一指示。電壓監(jiān)控電路進(jìn)一步能夠在子集的電壓超過(guò)第二參考電壓時(shí)提供第二指示。電壓監(jiān)控電路能夠提供子集的電壓的實(shí)時(shí)指示。電壓監(jiān)控電路能夠提供子集的電壓的實(shí)時(shí)頻繁的指示。電壓監(jiān)控電路能夠提供子集的電壓的實(shí)時(shí)連續(xù)的指示。單元可提供驅(qū)動(dòng)運(yùn)載工具的能量，其中，電壓監(jiān)控電路能夠提供表示子集的電壓的讀數(shù)，電氣裝置進(jìn)一步包括能夠?qū)⒃撟x數(shù)變換為運(yùn)載工具的剩余驅(qū)動(dòng)范圍的估計(jì)。至少一個(gè)電壓均衡器可以由單個(gè)電壓均衡器構(gòu)成。至少一個(gè)電壓均衡器可包括多個(gè)電壓均衡器。至少一個(gè)電壓均衡器可以包括第一電壓均衡器；以及該第一電壓均衡器和電壓監(jiān)控電路可被構(gòu)造為單個(gè)單元。多個(gè)電壓均衡器中的每一個(gè)電壓均衡器都可被配置來(lái)平衡多個(gè)能量存儲(chǔ)單元中的兩個(gè)相鄰的單元的電壓。多個(gè)能量存儲(chǔ)單元可包括兩個(gè)以上能量存儲(chǔ)單元；并且電壓監(jiān)控電路可被配置來(lái)監(jiān)控正好兩個(gè)能量存儲(chǔ)單元的電壓。電壓監(jiān)控電路可由多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的子集的電壓供電。電壓監(jiān)控電路可由比多個(gè)能量存儲(chǔ)單元中的所有單元少的單元的電壓供電。至少一個(gè)電壓均衡器可具有比電壓監(jiān)控電路汲取的電流所引入的不平衡大至少一個(gè)數(shù)量級(jí)的平衡能力。至少一個(gè)電壓均衡器可具有超過(guò)由于由電壓監(jiān)控電路汲取的最大設(shè)計(jì)電流和在單元運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最大設(shè)計(jì)不平衡的總和引起的不平衡的平衡能力。至少一個(gè)電壓均衡器可包括分路均衡器。至少一個(gè)電壓均衡器可包括回掃均衡器。至少一個(gè)電壓均衡器可包括開(kāi)關(guān)電容均衡器。至少一個(gè)電壓均衡器包括有源平衡器電路。至少一個(gè)電壓均衡器可包括連接在一個(gè)能量存儲(chǔ)單元的正極端和第二能量存儲(chǔ)單元的負(fù)極端之間的平衡電路。
在一個(gè)實(shí)施例中，電子裝置包括串聯(lián)連接的多個(gè)能量存儲(chǔ)單元；至少一個(gè)電壓均衡器，被配置來(lái)平衡多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的獨(dú)立單元電壓；以及電壓監(jiān)控電路，被配置來(lái)監(jiān)控多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的子集的電壓，其中，子集包括比多個(gè)能量單元中的所有單元少的單元。多個(gè)能量存儲(chǔ)單元中的每個(gè)單元都可包括雙層電容器。電壓監(jiān)控電路能夠在子集的電壓與第一參考電壓交叉時(shí)，提供第一指示。電壓監(jiān)控電路可進(jìn)一步能夠在子集的電壓與第二參考電壓交叉時(shí)提供第二指示。電壓監(jiān)控電路能夠在子集的電壓超過(guò)第一參考電壓時(shí)提供第一指示。電壓監(jiān)控電路進(jìn)一步能夠在子集的電壓超過(guò)第二參考電壓時(shí)提供第二指示。電壓監(jiān)控電路能夠提供子集的電壓的實(shí)時(shí)指示。電壓監(jiān)控電路能夠提供子集的電壓的實(shí)時(shí)頻繁指示。電壓監(jiān)控電路能夠提供子集的電壓的實(shí)時(shí)連續(xù)指示。電壓監(jiān)控電路能夠提供表示子集的電壓的讀數(shù)，該電氣裝置進(jìn)一步包括能夠?qū)⒃撟x數(shù)變換為該運(yùn)載工具的剩余驅(qū)動(dòng)范圍的估計(jì)的電路。至少一個(gè)電壓均衡器可包括單個(gè)電壓均衡器。至少一個(gè)電壓均衡器可包括多個(gè)電壓均衡器。多個(gè)電壓均衡器可包括第一電壓均衡器；并且第一電壓均衡器和電壓監(jiān)控電路可被構(gòu)造為單個(gè)單元。多個(gè)電壓均衡器中的每個(gè)電壓均衡器都可被配置以平衡多個(gè)能量存儲(chǔ)單元中的兩個(gè)相鄰的單元的電壓。多個(gè)能量存儲(chǔ)單元可包括兩個(gè)以上能量存儲(chǔ)單元；并且電壓監(jiān)控電路可被配置以監(jiān)控正好兩個(gè)能量存儲(chǔ)單元的電壓。電壓監(jiān)控電路可由多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的子集的電壓供電。電壓監(jiān)控電路可由比多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的所有單元少的單元的電壓供電。至少一個(gè)電壓均衡器可具有比由電壓監(jiān)控電路汲取的電流所引入的不平衡大至少一個(gè)數(shù)量級(jí)的平衡能力。至少一個(gè)電壓均衡器可具有超過(guò)由于由電壓監(jiān)控電路汲取的最大設(shè)計(jì)電流以及在單元運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最大設(shè)計(jì)不平衡的總和引起的不平衡的平衡能力。至少一個(gè)電壓均衡器可包括分路均衡器。至少一個(gè)電壓均衡器可包括回掃均衡器。至少一個(gè)電壓均衡器包括開(kāi)關(guān)電容器均衡器。
在一個(gè)實(shí)施例中，一種方法包括提供多個(gè)串聯(lián)連接的能量存儲(chǔ)單元；平衡多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的獨(dú)立單元電壓；以及監(jiān)控多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的子集的電壓，其中，子集包括比多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的所有單元少的單元。監(jiān)控步驟可包括在子集的電壓與第一參考電壓交叉時(shí)提供第一指示。監(jiān)控步驟可進(jìn)一步包括在子集的電壓與第二參考電壓交叉時(shí)提供第二指示。監(jiān)控步驟可包括在子集的電壓超過(guò)第一參考電壓時(shí)提供第一指示。監(jiān)控的步驟可進(jìn)一步包括在子集的電壓超過(guò)第二參考電壓時(shí)提供第二指示。監(jiān)控步驟可包括提供子集的電壓的實(shí)時(shí)指示。監(jiān)控的步驟可包括提供子集的電壓的實(shí)時(shí)頻繁的指示。監(jiān)控的步驟可包括提供子集的電壓的實(shí)時(shí)連續(xù)的指示。單元可提供驅(qū)動(dòng)運(yùn)載工具的能量，其中，監(jiān)控的步驟包括提供表示子集的電壓的讀數(shù)，該方法進(jìn)一步包括將該讀數(shù)轉(zhuǎn)換為運(yùn)載工具的剩余驅(qū)動(dòng)范圍的估計(jì)。平衡步驟可包括使用單個(gè)電壓均衡器來(lái)平衡獨(dú)立單元電壓。平衡步驟可包括使用多個(gè)電壓均衡器來(lái)平衡獨(dú)立單元電壓。監(jiān)控步驟可包括使用電壓監(jiān)控電路；其中，多個(gè)電壓均衡器包括第一電壓均衡器；以及其中，第一電壓均衡器和電壓監(jiān)控電路被構(gòu)造為單個(gè)單元。使用的步驟可包括使用多個(gè)電壓均衡器中的每個(gè)電壓均衡器來(lái)平衡多個(gè)能量存儲(chǔ)單元中的兩個(gè)相鄰的單元的電壓。提供的步驟可包括提供兩個(gè)以上能量存儲(chǔ)單元；以及監(jiān)控步驟可包括監(jiān)控正好兩個(gè)能量存儲(chǔ)單元的電壓。監(jiān)控步驟可包括使用由多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的子集的電壓供電的監(jiān)控電路。監(jiān)控步驟可包括使用由比多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的所有單元少的單元的電壓供電的電壓監(jiān)控電路。平衡步驟可包括使用具有比由電壓監(jiān)控電路汲取的電流引入的不平衡大至少一個(gè)數(shù)量級(jí)的平衡能力的電壓均衡器。平衡步驟可包括使用具有超過(guò)由于由電壓監(jiān)控電路汲取的最大設(shè)計(jì)電流引起的不平衡和在單元運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的最大設(shè)計(jì)不平衡的總和引起的不平衡的平衡能力的電壓均衡器。平衡的步驟可包括使用分路均衡器。平衡的步驟可包括使用回掃均衡器。平衡步驟可包括使用開(kāi)關(guān)電容器均衡器。多個(gè)能量存儲(chǔ)單元中的每個(gè)能量存儲(chǔ)單元都可包括雙層電容器。
參照以下說(shuō)明書(shū)、附圖以及所附的權(quán)利要求，將會(huì)更好地理解本發(fā)明的這些和其他的特征和方面。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的串聯(lián)堆疊的能量存儲(chǔ)單元、電壓均衡器、以及電壓監(jiān)控電路的組合的高級(jí)(high-level)示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的串聯(lián)堆疊的能量存儲(chǔ)單元、電壓均衡器、以及電壓監(jiān)控電路的另一種組合的高級(jí)示意圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的所選擇的電壓均衡器和電壓監(jiān)控電路的元件；以及圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的串聯(lián)堆疊的能量存儲(chǔ)單元、多單元電壓均衡器、以及電壓監(jiān)控電路的組合的高級(jí)示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將詳細(xì)參考附圖中示出的本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例。附圖或說(shuō)明書(shū)中相同或相似的參考標(biāo)號(hào)可用于表示相同或相似的部件。附圖為簡(jiǎn)化形式，并且未按精確的比例。僅為方便和清楚的目的，方向術(shù)語(yǔ)(例如頂部、底部、左、右、上、下、在上方、在…之上、在下面、在…之下、后面、和前面)可參照附圖使用。這些和類似的方向術(shù)語(yǔ)不應(yīng)該被理解為以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
在該說(shuō)明書(shū)中，詞“實(shí)施例”和“變體”指的是特定裝置或方法，不一定指的是相同的裝置或方法。因此，在一處或上下文中所使用的“一個(gè)實(shí)施例”(或類似的表述)可表示特定裝置或方法；在不同處的相同或類似的表述可表示不同的裝置或方法。表述“可選實(shí)施例”和類似的措詞被使用來(lái)表示多個(gè)可能的實(shí)施例中的一個(gè)。多個(gè)可能的實(shí)施例是不受限制的。詞“耦合”、“連接”、以及具有其曲折(inflectional)詞態(tài)的類似術(shù)語(yǔ)被互換地使用，除非指出了差別或從上下文中另外進(jìn)行闡明。這些詞和表述不一定表示直接連接，而是包括通過(guò)中間元件和裝置的連接。詞“模塊”也可以與本領(lǐng)域中技術(shù)人員使用的其他術(shù)語(yǔ)互換使用以表示多個(gè)串聯(lián)連接的能量存儲(chǔ)單元。其他的限定和說(shuō)明可散布于該文檔的文本中。
圖1是串聯(lián)堆疊的能量存儲(chǔ)單元、電壓均衡器、以及電壓監(jiān)控電路的組合100的高級(jí)示意圖。在該圖中，六個(gè)能量存儲(chǔ)單元105A～105F串聯(lián)連接在正極端110A和負(fù)極端110B之間，使得端110A和110B之間的電勢(shì)差近似等于每個(gè)獨(dú)立單元105的電壓的六倍。電壓均衡器115A、115B、和115C連接至串聯(lián)堆疊單元105，并且可運(yùn)行以使得單元105的電壓大約彼此均等。電壓監(jiān)控電路120連接在單元105C和105D的組合的兩端，以監(jiān)控這兩個(gè)單元的組合電壓。
本領(lǐng)域技術(shù)人員在研讀該文檔后應(yīng)該認(rèn)識(shí)到本發(fā)明不限于具有六個(gè)能量存儲(chǔ)存儲(chǔ)單元的應(yīng)用，而是可以包括少于或多于六個(gè)單元。
在一個(gè)實(shí)施例中，單元105A～105F中的每一個(gè)都是雙層電容器。(因?yàn)橄鄬?duì)于其重量和體積來(lái)說(shuō)它們的高電容，雙層電容器也稱作“超電容器”和“超級(jí)電容器”)。在可選實(shí)施例中，本發(fā)明可被應(yīng)用于使用其他技術(shù)制造的能量存儲(chǔ)單元(例如，常規(guī)電容器、以及二次(可再充電)電池(諸如鉛酸、鎳鎘(NiCad)、鎳金屬氫化物(NiMH)、鋰離子、以及鋰聚合物單元)的電壓監(jiān)控。該列表是代表性的而不是排他性的。
在正常操作中，電壓均衡器115運(yùn)行以平衡獨(dú)立單元105的電壓。每個(gè)均衡器均可包括，例如，如在提交于#####的美國(guó)專利#########(其結(jié)合于此以供參考)中所描述的分路均衡器電路、回掃均衡器電路、開(kāi)關(guān)電容器電路、或有源平衡電路。
如上所述，分路均衡器可使用跨接每個(gè)單元的分路連接；當(dāng)單元的電壓超過(guò)某一預(yù)置電平時(shí)，分路連接被激活。當(dāng)激活時(shí)，分路連接可轉(zhuǎn)移流入單元中的電流的一些或全部，或從單元汲取電流。以此方式，分路均衡器可防止單元電壓的進(jìn)一步上升或可以降低單元的電壓。
回掃均衡器可包括具有初級(jí)線圈和多個(gè)基本相同的次級(jí)線圈的變壓器。每個(gè)次級(jí)線圈都跨接多個(gè)獨(dú)立單元中的一個(gè)。為了防止單元通過(guò)其相關(guān)的線圈放電，插入二極管與線圈串聯(lián)。然后將用于為串聯(lián)堆疊單元充電的電源通過(guò)開(kāi)關(guān)連接至初級(jí)線圈。開(kāi)關(guān)的狀態(tài)由來(lái)自振蕩器的交變信號(hào)控制。開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí)，電流流過(guò)初級(jí)線圈，并且磁能存儲(chǔ)在變壓器磁心中。當(dāng)振蕩器使開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，磁能通過(guò)次級(jí)線圈從初級(jí)線圈“傳遞”到獨(dú)立單元中。因?yàn)榫€圈是磁耦合的，因此更多能量流入到具有相對(duì)低的電壓的單元中而不是流入到具有較高的電壓的單元中。持續(xù)地?cái)嚅_(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)，從而使得獨(dú)立單元電壓近似平衡。
在開(kāi)關(guān)電容器均衡器中，電容器可在兩個(gè)狀態(tài)之間來(lái)回切換。在第一狀態(tài)下，電容器跨接串聯(lián)堆疊的兩個(gè)相鄰能量單元中的一個(gè)。在第二狀態(tài)下，電容器跨接兩個(gè)單元中的第二個(gè)。電容器由具有較高電壓的單元充電，然后將電釋放到具有較低電壓的單元中。當(dāng)以足夠的速率切換電容器狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)單元的電壓達(dá)到基本相同的電壓并且保持在這種狀態(tài)。
下面轉(zhuǎn)向電壓監(jiān)控電路120，可以多種方式實(shí)施該電路。在一些實(shí)施例中，電壓監(jiān)控電路120在被監(jiān)控的電壓超過(guò)預(yù)定或動(dòng)態(tài)設(shè)定的閾值時(shí)，提供單一的指示。在其他實(shí)施例中，電路120提供對(duì)應(yīng)于多個(gè)閾值的多個(gè)指示。(下面將參照?qǐng)D3描述一個(gè)這樣的實(shí)施例)。電路120或與其連接的控制電路可在被監(jiān)控的電壓超過(guò)或降低到閾值之下時(shí)自動(dòng)地引起采取一些動(dòng)作。例如，電路120可接通和斷開(kāi)通過(guò)端110連接至堆疊的單元105的充電器。在其他實(shí)施例中，電路120提供出現(xiàn)在被監(jiān)控的單元上的實(shí)際電壓的連續(xù)或頻繁的實(shí)時(shí)指示。指示可以是模擬或數(shù)字化的電壓讀數(shù)，或被映射為更容易被用戶理解的另一個(gè)變量的電壓讀數(shù)。在電子或混合運(yùn)載工具中，例如，電壓讀數(shù)可被轉(zhuǎn)換為剩余驅(qū)動(dòng)范圍的估計(jì)。
應(yīng)該指出，因?yàn)殡妷罕O(jiān)控電路120只跨接單元105的串聯(lián)組合的兩個(gè)單元(105C和105D)，所以其元件通常不需要具有超過(guò)每個(gè)單元105的額定值兩倍的額定電壓。因此，可以避免較高的額定元件的需要。同時(shí)，電壓監(jiān)控電路120有效地監(jiān)控串聯(lián)單元堆疊中的每一個(gè)單元105上的電壓。該結(jié)論是由于電壓均衡器115的存在的必然結(jié)果，電壓均衡器115運(yùn)行以使得所有獨(dú)立單元的電壓達(dá)到近似的電壓均等。
電壓監(jiān)控電路120確實(shí)消耗一些電力，但是用于其運(yùn)行的能量來(lái)自于所有單元105A～105F(和/或來(lái)自于可連接至端120的充電電路)。只要電壓均衡器105能夠轉(zhuǎn)移超過(guò)由電路120消耗的電荷，則獨(dú)立單元105的電壓將保持平衡。實(shí)際上，在典型的應(yīng)用中，可潛在地由電壓監(jiān)控電路120引入的不平衡將比電壓均衡器115的平衡能力至少小一個(gè)數(shù)量級(jí)。在一個(gè)特定實(shí)施例中，電壓均衡器115的平衡能力超過(guò)由電路120消耗的最大設(shè)計(jì)電流以及在單元105運(yùn)行期間會(huì)潛在地出現(xiàn)的最大設(shè)計(jì)不平衡的總和。
應(yīng)該指出，電壓監(jiān)控電路120不需要正好連接在單元105的堆疊的中心。相反地，電路120可連接在堆疊中的任何地方(包括在堆疊的任一端)。因?yàn)樵讵?dú)立單元上的電壓由均衡器115進(jìn)行均衡，所以由電路120提供的讀數(shù)或其他指示不應(yīng)該隨著具體位置而顯著變化。類似地，電壓監(jiān)控電路120可跨接堆疊中任何數(shù)量的單元(包括單個(gè)單元)。
電壓監(jiān)控電路120可從由電路120監(jiān)控的同一電壓源汲取電流來(lái)運(yùn)行。在圖2中所示的可選實(shí)施例中，電路120從兩個(gè)相鄰的單元105C和105D汲取電流，但是監(jiān)控獨(dú)立單元(105C或105D)的電壓。圖2的組合200除了圖1中示出的元件以外還包括在電壓監(jiān)控電路120和單元105C與105D之間的節(jié)點(diǎn)之間的連接。
在一些實(shí)施例中，將電壓監(jiān)控電路與電壓均衡器中的一個(gè)一起實(shí)施。圖3示出了一種這樣的實(shí)施例300。六個(gè)能量存儲(chǔ)單元305A～305F被排列為構(gòu)成模塊的串聯(lián)堆疊。電壓均衡器310A均衡單元305A和305B的電壓，而電壓均衡器310C均衡單元305E和305F的電壓；類似的功能由電壓均衡器310D和310F提供。圖中所示的其余元件的大部分用于提供單元305C和305D的電壓的電壓均衡以及用于監(jiān)控單元305C和305D的電壓。
電阻器342和343橫跨單元305C和單元305D構(gòu)成分壓器。分壓器偏置電壓比較裝置340的同相輸入端340B。因?yàn)檫@兩個(gè)電阻器的額定值相同，因此輸入端340B處的偏置電壓是單元305C和305D的電壓的平均值。用代數(shù)法對(duì)其進(jìn)行表示，我們得到V340B=(V305C+V305D)2.]]>(注意在此處和以下的論述中，電壓以單元305D的負(fù)極側(cè)上的電平為基準(zhǔn))。電壓比較裝置340的反相輸入端340C通過(guò)限流電阻器335連接至單元305C和305D的公共連接點(diǎn)，使得反相輸入端340C處的電壓基本上與單元305D的電壓相同，即，V340C＝V305D。由此可見(jiàn)，當(dāng)單元305D的電壓小于單元305C和305D的平均電壓時(shí)，裝置340的輸出端340A被驅(qū)動(dòng)為高，反之驅(qū)動(dòng)為低。因?yàn)橹挥性趩卧?05D的電壓低于305C的電壓時(shí)，單元305D的電壓才低于單元305C和305D的平均電壓，所以取決于兩個(gè)單元的相對(duì)電壓，裝置340的輸出被驅(qū)動(dòng)為高和低。換言之，(1)當(dāng)V305C＞V305D時(shí)，V340A為高，以及(2)當(dāng)V305C＜V305D時(shí)，V304A為低。
當(dāng)V304A為高時(shí)，它正向偏置(通過(guò)電阻器337)開(kāi)關(guān)晶體管332的基極-發(fā)射極結(jié)，使開(kāi)關(guān)晶體管332導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)晶體管333保持截止?fàn)顟B(tài)，這是因?yàn)槠浠鶚O-發(fā)射極結(jié)未正向偏置。晶體管332分流(通過(guò)限流電阻器331)單元305C，降低該單元的電壓。
當(dāng)V304A為低時(shí)，晶體管332和333的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)晶體管332截止，而晶體管333導(dǎo)通(通過(guò)電阻器338)，分流單元305D并且降低該單元電壓。
以此方式，晶體管332和333、電壓比較裝置340、以及電阻器331、335、337、338、342和343作為平衡單元305C和305D的電壓的電壓均衡器來(lái)工作。
接下來(lái)轉(zhuǎn)向電壓監(jiān)控功能，電路300被設(shè)計(jì)為在單元305C和305D的組合電壓超過(guò)第一電平時(shí)生成第一信號(hào)，以及在組合電壓超過(guò)第二電平時(shí)，生成第二信號(hào)。通過(guò)可調(diào)整的精密調(diào)節(jié)器352和360(每個(gè)以電壓監(jiān)控結(jié)構(gòu)連接)執(zhí)行電壓比較。由電阻器345和347構(gòu)成的分壓器偏置精密調(diào)節(jié)器352的參考輸入端。當(dāng)出現(xiàn)在該參考輸入端的電壓小于由調(diào)節(jié)器352的內(nèi)部基準(zhǔn)提供的電壓時(shí)，調(diào)節(jié)器352處于非導(dǎo)通截止?fàn)顟B(tài)。電流不流過(guò)電阻器362或光電晶體管/光耦合器367的陽(yáng)極和陰極之間。結(jié)果，光耦合器367保持截止?fàn)顟B(tài)，在端380B處的集電極開(kāi)路輸出保持高阻抗?fàn)顟B(tài)。相反地，當(dāng)調(diào)節(jié)器352的參考輸入端上的電壓超過(guò)內(nèi)部參考電壓時(shí)，調(diào)節(jié)器352變成導(dǎo)通狀態(tài)，通過(guò)電阻器362以及在光耦合器367的陽(yáng)極和陰極之間汲取電流。然后光耦合器367導(dǎo)通，并且端380B過(guò)渡到低阻抗(接地)狀態(tài)。
應(yīng)該指出，在調(diào)節(jié)器352的參考輸入端處的電壓直接取決于驅(qū)動(dòng)由電阻器345和347構(gòu)成的分壓器的電壓，即，取決于單元305C和305D的組合電壓。因此，調(diào)節(jié)器352、光耦合器367、以及這些器件周圍的電阻器有效地起到電壓監(jiān)控電路的功能，該電壓監(jiān)控電路提供在兩個(gè)單元的電壓超過(guò)由調(diào)節(jié)器352的內(nèi)部參考電壓和由電阻器345和347的比值所確定的第一電平時(shí)激活的輸出。
第二精密調(diào)節(jié)器360、第二光電晶體管/光耦合器370、以及這些器件周圍的電阻器的運(yùn)行并行于調(diào)節(jié)器352、光耦合器367、以及其電阻的運(yùn)行。這些器件有效地起到第二電壓監(jiān)控電路的作用，該監(jiān)控電路在單元305C和305D的組合電壓超過(guò)第二電平時(shí)被激活的端308A處提供集電極開(kāi)路輸出。第二電平由調(diào)節(jié)器360的內(nèi)部參考電壓、以及電阻器355和357的比值確定。
下面的表1提供了電路300的一個(gè)可能的實(shí)施例的大部分元件的值或零件號(hào)。

表1使用表1的元件和值，現(xiàn)在讓我們計(jì)算在端380A和380B處的輸出被激活的閾值。從以上所述可見(jiàn)，當(dāng)在電阻器345和347的連接點(diǎn)處的電壓等于調(diào)節(jié)器352的內(nèi)部參考電壓時(shí)，達(dá)到第一電壓閾值(其激活輸出端380B)。假定單元305C和305D的電壓基本相同(每個(gè)均等于Vcell)，我們得到以下方程(2·Vcell·R347R345+R347)=Vref]]>其中R345和R347分別表示電阻器345和347的電阻值，Vref是調(diào)節(jié)器352的內(nèi)部參考電壓。
重新整理這些項(xiàng)，我們得到下列方程，從該方程可計(jì)算在第一閾值(VT1)處的VcellVT1=Vref·(R345+R347)2·R347]]>當(dāng)單元305C和305D的平均電壓達(dá)到VT1時(shí)，在端380B處的輸出被激活。類似地，當(dāng)平均單元電壓達(dá)到第二閾值電壓(VT2)(其可從下列公式計(jì)算)時(shí)，在端380A處的輸出被激活VT2=Vref·(R355+R357)2·R357]]>用在調(diào)節(jié)器352和360中的TL431/SO器件的額定內(nèi)部基準(zhǔn)被列為2.495伏。替換該值和上面的表1中給出的電阻器的值，我們得到
VT1=2.495·(26.7+24.9)2·24.9≈2.585v,]]>以及VT1=2.495·(28+24.9)2·24.9≈2.650v]]>雖然圖1-3示出了作為分離器件的電壓平衡器，但是這不是本發(fā)明的要求。實(shí)際上，可以將多個(gè)平衡器有利地構(gòu)建為單個(gè)器件。圖4示出了能量存儲(chǔ)單元405、多單元電壓平衡器415、以及電壓監(jiān)控電路420的堆疊組合400。
本文檔相當(dāng)詳細(xì)地描述了用于監(jiān)控串聯(lián)連接的單元堆疊的電壓的創(chuàng)造性電路和方法。這樣做只是為了說(shuō)明的目的。作為整體的本發(fā)明的具體實(shí)施例及其特征都不限制隱含于本發(fā)明中的一般原理。特別是，本發(fā)明不限于所描述的具體電路和/或元件、和/或其應(yīng)用。在不脫離所闡述的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，此處描述的具體特征可用于一些實(shí)施例，但是不能用于另外一些中?？梢詫?duì)上述的公開(kāi)進(jìn)行許多其他的修改，本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，在一些實(shí)例中本發(fā)明的一些特征將在缺少其他特征的相應(yīng)的應(yīng)用的情況下被采用。因此，說(shuō)明性的實(shí)例不限定本發(fā)明的邊界和范圍以及賦予本發(fā)明的合法保護(hù)，該功能由權(quán)利要求及其合法等同物提供。
權(quán)利要求
1.一種電氣裝置，包括至少一個(gè)電壓均衡器，被配置為用于平衡串聯(lián)連接的多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的獨(dú)立單元電壓；以及電壓監(jiān)控電路，被配置為用于監(jiān)控所述多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的子集的電壓，其中，所述子集包括比所述多個(gè)能量單元的所有單元少的單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣裝置，其中，所述電壓監(jiān)控電路能夠在所述子集的所述電壓與第一參考電壓交叉時(shí)提供第一指示。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電氣裝置，其中，所述電壓監(jiān)控電路進(jìn)一步能夠在所述子集的所述電壓與第二參考電壓交叉時(shí)提供第二指示。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣裝置，其中，所述電壓監(jiān)控電路能夠在所述子集的所述電壓超過(guò)第一參考電壓時(shí)提供第一指示。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電氣裝置，其中，所述電壓監(jiān)控電路進(jìn)一步能夠在所述子集的所述電壓超過(guò)第二參考電壓時(shí)提供第二指示。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣裝置，其中，所述電壓監(jiān)控電路能夠提供所述子集的所述電壓的實(shí)時(shí)指示。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣裝置，其中，所述電壓監(jiān)控電路能夠提供所述子集的所述電壓的實(shí)時(shí)的頻繁指示。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣裝置，其中，所述電壓監(jiān)控電路能夠提供所述子集的所述電壓的實(shí)時(shí)的連續(xù)指示。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣裝置，其中，所述單元提供用于驅(qū)動(dòng)運(yùn)載工具的能量，所述電壓監(jiān)控電路能夠提供表示所述子集的所述電壓的讀數(shù)，所述電氣裝置進(jìn)一步包括能夠?qū)⑺鲎x數(shù)變換為所述運(yùn)載工具的剩余驅(qū)動(dòng)范圍的估計(jì)的電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣裝置，其中，所述至少一個(gè)電壓均衡器由單個(gè)電壓均衡器構(gòu)成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣裝置，其中，所述至少一個(gè)電壓均衡器包括多個(gè)電壓均衡器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電氣裝置，其中所述至少一個(gè)電壓均衡器包括第一電壓均衡器；以及所述第一電壓均衡器和所述電壓監(jiān)控電路被構(gòu)造為單個(gè)單元。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電氣裝置，其中，所述多個(gè)電壓均衡器中的每個(gè)電壓均衡器都被配置為用于平衡所述多個(gè)能量存儲(chǔ)單元中的兩個(gè)相鄰單元的電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣裝置，其中所述多個(gè)能量存儲(chǔ)單元包括兩個(gè)以上的能量存儲(chǔ)單元；以及所述電壓監(jiān)控電路被配置為用于監(jiān)控正好兩個(gè)能量存儲(chǔ)單元的電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣裝置，其中，所述電壓監(jiān)控電路由所述多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的所述子集的所述電壓供電。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣裝置，其中，所述電壓監(jiān)控電路由比所述多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的所有單元少的單元的電壓供電。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電氣裝置，其中，所述至少一個(gè)電壓均衡器具有比由所述電壓監(jiān)控電路汲取的電流所引入的不平衡大至少一個(gè)數(shù)量級(jí)的平衡能力。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電氣裝置，其中，所述至少一個(gè)電壓均衡器具有超過(guò)由于由所述電壓監(jiān)控電路汲取的最大設(shè)計(jì)電流和在所述單元的運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的最大設(shè)計(jì)不平衡的總和而引起的不平衡的平衡能力。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電氣裝置，其中，所述至少一個(gè)電壓均衡器包括分路均衡器。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電氣裝置，其中，所述至少一個(gè)電壓均衡器包括回掃均衡器。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電氣裝置，其中，所述至少一個(gè)電壓均衡器包括開(kāi)關(guān)電容器均衡器。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣裝置，進(jìn)一步包括串聯(lián)連接的所述多個(gè)能量存儲(chǔ)單元。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的電氣裝置，其中，所述多個(gè)能量存儲(chǔ)單元中的每個(gè)單元包括雙層電容器。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣裝置，其中，所述電壓監(jiān)控電路包括光隔離的輸出端，可在所述輸出端處測(cè)量所述電壓。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電氣裝置，其中，所述至少一個(gè)電壓均衡器包括至少一個(gè)有源平衡電路。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的電氣裝置，其中，所述至少一個(gè)有源平衡電路連接至一個(gè)能量存儲(chǔ)單元的正極端和第二能量存儲(chǔ)單元的負(fù)極端。
27.一種方法，包括提供串聯(lián)連接的多個(gè)能量存儲(chǔ)單元；平衡所述多個(gè)能量存儲(chǔ)單元中的獨(dú)立單元電壓；以及監(jiān)控所述多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的子集的電壓，其中，所述子集包括比所述多個(gè)能量單元的所有單元少的單元。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述單元提供用于驅(qū)動(dòng)運(yùn)載工具的能量。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述平衡步驟包括使用多個(gè)電壓均衡器來(lái)平衡所述獨(dú)立單元電壓。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述監(jiān)控步驟包括使用電壓監(jiān)控電路；所述多個(gè)電壓均衡器包括第一電壓均衡器；以及所述第一電壓均衡器和所述電壓監(jiān)控電路被構(gòu)造為單個(gè)單元。
32.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述監(jiān)控步驟包括使用由比所述多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的所有單元少的單元的電壓供電的電壓監(jiān)控電路。
33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述平衡步驟包括使用分路均衡器。
34.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述平衡步驟包括使用回掃均衡器。
35.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述平衡步驟包括使用開(kāi)關(guān)電容器均衡器。
36.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述平衡步驟包括使用有源平衡電路。
37.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述多個(gè)能量存儲(chǔ)單元中的每個(gè)能量存儲(chǔ)單元都包括雙層電容器。
38.一種電氣裝置，包括單元電壓平衡裝置，用于平衡多個(gè)能量存儲(chǔ)單元的單元電壓；以及單元電壓監(jiān)控裝置，用于監(jiān)控所述能量存儲(chǔ)單元的電壓。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其中，所述能量存儲(chǔ)單元包括雙層電容器。
全文摘要
一種電壓監(jiān)控電路被連接以監(jiān)控比串聯(lián)堆疊能量存儲(chǔ)單元中的所有單元少的單元的電壓。使用電壓均衡器平衡在該堆疊中的獨(dú)立單元電壓，使得任何一個(gè)單元的電壓或所選擇的單元的組合的電壓表示堆疊中的每個(gè)獨(dú)立單元的電壓。因此監(jiān)控所選擇的單元的電壓可取代監(jiān)控獨(dú)立單元電壓。電壓監(jiān)控電路可與電壓均衡器中的一個(gè)結(jié)合在一起。在一個(gè)示例性的實(shí)施例中，每個(gè)能量存儲(chǔ)單元都是雙層電容器單元。
文檔編號(hào)H02J7/14GK101048925SQ200580037156
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2005年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月27日
發(fā)明者蓋伊·C·特拉普 申請(qǐng)人:麥斯韋爾技術(shù)股份有限公司