CN110546846B - 包括双向充电调节器的混合电池组 - Google Patents

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Abstract

一种用于可再充电电池组的***包括：一个或多个较低电压电池单元，能够经由较低电压端子连接到充电电路；以及一个或多个较高电压电池单元，经由双向充电调节器串联电耦合到一个或多个较低电压电池单元。较高电压端子电耦合到一个或多个较高电压电池单元，并且公共接地端子耦合到一个或多个较低电压电池单元并且耦合到一个或多个较高电压电池单元。

Description

包括双向充电调节器的混合电池组
背景技术
便携式电子设备可以利用可再充电电池组进行移动能量存储。电池组的配置和电压特性影响电子设备的总体效率，其继而影响电池的运行时间。
发明内容
提供本发明内容以简化形式介绍一些概念，这些概念下文在具体实施方式中进行进一步描述。本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。更进一步地，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任何部分中指出的任何或所有缺点的实现方式。
在一个公开的示例中，一种用于可再充电电池组的***包括：一个或多个较低电压电池单元，能够经由较低电压端子连接到充电电路；以及一个或多个较高电压电池单元，经由双向充电调节器串联电耦合到一个或多个较低电压电池单元。较高电压端子电耦合到一个或多个较高电压电池单元，并且公共接地端子耦合到一个或多个较低电压电池单元和一个或多个较高电压电池单元。
附图说明
图1示意性地示出了包括可再充电电池组的电子设备。
图2示意性地示出了示例非对称混合电池组。
图3示意性地示出了附加示例非对称混合电池组。
图4示意性地示出了包括双向充电调节器的示例混合电池组。
图5示意性地示出了用于包括双向充电调节器的示例混合电池组的控制电路。
图6示出了用于从外部电源对混合电池组进行充电的示例时间线。
图7示出了用于平衡混合电池组内的电荷的示例时间线。
图8示意性地示出了示例计算***。
具体实施方式
可再充电锂离子(Li-ion)电池的固有优势在于它们的能量密度相对较高、循环寿命较长、以及操作电压相对较高。这些特征使得锂离子电池成为便携式电子设备中能量存储的首选。随着便携式电子设备结合了附加特征和功能，对设备电池组的需求增加。便携式电子设备可能依赖电池组为某些设备负载提供低压功率，并且为其他设备负载提供高压功率。
许多智能电话和平板电脑计算***使用单电池单元电压组配置(例如，所有电池单元并联)。该设置适用于这些***，因为这些设备中使用的大多数数字芯片都在低压范围中(例如，1伏以下)进行操作。如果需要更高的电压(例如，3.3V电压轨、5V电压轨或更高的电压轨)，则可以将降压-升压和/或升压调节器添加到电池电路。然而，由于从并联配置的组汲取的电流相对较高，所以常见的是较大的内部电阻(DCR)压降，其可能会导致***电压不足。即使总体功率需求低，也可能会有许多需求峰值，并且这些***可能会出现峰值电流损失。
可替代地，具有相对较高的功耗要求的膝上型计算机通常采用具有3个或4个串联锂离子电池单元的电池配置。在这种类型的配置中，由于电池组电压高，所以从电池汲取的电流量相对较低。如此，减少了DCR损失。为了递送低压功率，可以将降压调节器(和/或降压-升压调节器)添加到电池电路。然而，以低占空比运行以向低于1伏的处理器和存储器芯片供电的调节器的效率相对较低，从而导致更高的电荷损失和额外的热量生成。进一步地，对于对称的串联电池配置，电池组的两个部分可能具有不对称的需求，并且因此当使用电子设备时，电池组的这两个部分随着时间的流逝而变得不平衡。为了对设备进行充电，必须考虑到这种不平衡，以免实施多个充电端口。这需要主动平衡***，以在电池组的较高电压部分和较低电压部分上均实现稳定的电流和电压，这固有地浪费了所存储的电荷。
因而，本文中描述了不对称配置的可再充电混合电池组，其提供了较低电压(LV)输出和较高电压(HV)输出。一个示例电池组包括：并联的n个电池单元的第一集合，其被配置为提供较低电压(LV)；以及k(1≤k≤n)个电池单元的第二集合，其与电池单元的第一集合串联以提供较高电压(HV)。HV输出和LV输出共享相同返回线路，并且经由双向充电调节器选择性地耦合以对电池单元的第二集合进行充电/放电。与等同的单电池单元电压组配置相比较，这种电池配置可以提高总体***效率，从而产生更长的设备运行时间。这种自备电池组(self-contained battery pack)可能不涉及其他***硬件或软件改变，可以由任何常规充电器充电，可以使得能够报告整个电池组的实时充电状态(SOC)，并且可以提供保护免受过电流场景和过电压场景的影响。
图1示意性地示出了包括可再充电电池组12的示例电子设备10。电子设备10可以采用任何合适的形式，其包括但不限于平板计算机、智能电话、膝上型计算机、虚拟现实设备、以及可穿戴式计算设备。一般而言，所公开的充电拓扑结构实际上与利用可再充电电池的任何电子设备兼容。
如图1示意性地所示，电子设备10包括充电接口14，该充电接口14被配置为从电源单元16接收功率。在一些实现方式中，充电接口14允许电子设备10与电源单元16选择性地连接和断开连接。当连接时，电源单元可以为电子设备供电和/或为电池组12充电。当断开连接时，电子设备从电池组12汲取功率，并且可以用作不需要拴系到固定电源的移动设备。充电接口14的非限制性示例包括各种通用串行总线连接器插座或插头(例如，Type A、TypeB、Type C、Micro-A、Micro-B、Mini-A、Mini-B、充电下行端口、专用充电端口)。还设想了其他可分离接口，并且充电接口14决不限于通用串行总线插座或插头。在一些实现方式中，充电接口14可以包括被配置为无线接收功率的电感耦合。在一些实现方式中，电子设备可以包括专用电源单元，并且电源接口可以是硬连线的。一般而言，可以使用允许传送电功率的任何接口。
电源单元16可以被配置为供应直流(DC)电压。在一些示例中，电源单元16可以包括交流(AC)至DC转换器。在一些示例中，电源单元可以包括：一个或多个太阳能电池单元，其被配置为将光能转换为DC功率；和/或燃料电池单元，其被配置为将化学能转换为DC功率。
较低电压设备负载18和较高电压设备负载20可以各自包括一个或多个功率消耗部件。一般而言，设备负载可以包括汲取电功率的任何部件。在该示例中，较低电压设备负载18汲取的电功率可能比较高电压设备负载20汲取的电功率更少。功耗部件的集合可以依据电子设备的类型而变化。例如，较低电压设备负载18可以包括处理器、集成电路、存储器、电子显示器、1.8V I/O等。较高电压设备负载20可以包括大电流块和3.3V/5V轨，3.3V/5V轨可以耦合到其他功耗部件。这些部件可以位于电子设备10的内部，或者可以位于电子设备10的外部，并且电耦合到可再充电电池组12。如此，可再充电电池组12可以被配置为根据需要为较低电压设备负载提供低电压(例如，1V，)，并且为较高电压设备负载提供高电压(例如，5V，/>)。
图2示意性地示出了示例非对称混合电池组***200。电池组***200包括较低电压部分205和较高电压部分210。较低电压部分205和较高电压部分210经由双向充电调节器215串联电耦合。
较低电压侧205包括较低电压输出216。较低电压输出216包括较低电压正端子218(LV+)和较低电压负端子220(LV-)。较低电压输出216可以选择性地连接到充电电路，例如，如图1所示的电源单元16。例如，依据对应充电接口的配置，较低电压输出216可以耦合到任何合适的低压充电器，诸如USB充电器和/或任何其他5V充电设备。这样的充电电路可以可操作为经由较低电压输出216对电池组***200进行充电，而无需调整充电电路的拓扑结构、充电电流设置和/或充电终止机制。
较低电压部分205包括三个较低电压电池单元：较低电压电池单元221、较低电压电池单元222和较低电压电池单元223，尽管在其他示例中可以包括更多或更少个较低电压电池单元。较低电压电池单元221、222和223并联连接。每个较低电压电池单元被描绘为经由电阻器(其还可以是诸如导体、连接器、熔断器等的其他部件的符号表示)耦合到LV+218，例如，较低电压电池单元221经由电阻器225耦合到LV+218，较低电压电池单元222经由电阻器226耦合到LV+218，并且较低电压电池单元223经由电阻器227耦合到LV+218。如上文所提及的，尽管描绘为单个电阻器，但是电阻器225、226和227还可以是多个部件的符号表示，并且可以代表导体、连接器、熔断器和其他未明确示出的部件。
较高电压部分210包括较高电压输出230。较高电压输出230包括较高电压正端子232(HV+)和较高电压负端子234(HV-)。较高电压部分210包括较高电压电池单元235，尽管在一些示例中可以包括更多个较高电压电池单元。较高电压电池单元235被描绘为经由电阻器237耦合到HV+232。尽管被描绘为单个电阻器，但是电阻器237还可以代表其他部件，诸如导体、连接器、熔断器等。较低电压部分205和较高电压部分210两者均耦合到公共接地240。较低电压电池单元221、222和223以及较高电压电池单元235可以是任何合适的可再充电电池单元，诸如锂离子电池单元，尽管较高电压电池单元235可以具有与较低电压电池单元221、222和223不同的容量和其他特性。
示出了断路器晶体管245，断路器晶体管245耦合在较低电压部分205与公共接地240之间。断路器晶体管245可以包括一个或多个金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。例如，断路器晶体管245可以包括背对背连接的n沟道MOSFET(nMOS)，然而，可以使用任何合适的开关栅极(或多个栅极)。断路器晶体管245可以选择性地操作以将较低电压部分205和较高电压部分230的负端子与公共接地240电去耦。因此，断路器晶体管245可以用作电池单元221、222、223和235与***输出216和230之间的截止。
当接通断路器晶体管245时，来自较低电压输出216和较高电压输出230的电荷经由断路器晶体管245返回到电池单元。因此，通过关断断路器晶体管245，限制了电荷返回，并且保护电池***200免受过电流故障和/或过电压故障的影响。在一些示例中，可以在LV+218处放置理想的二极管或晶体管。这种二极管或晶体管可以约束电流流回端子，从而防止在HV+232与LV+218之间生成导电路径，并且从而保护较高电压电池单元235。
图3中示出了用于非对称混合电池组***的备选配置。图3示意性地示出了示例非对称混合电池组***300。电池组***300包括较低电压部分305和较高电压部分310。较低电压部分305和较高电压部分310经由双向充电调节器315串联电耦合。
较低电压部分305包括较低电压输出320。较低电压输出320包括较低电压正端子322(LV+)和较低电压负端子324(LV-)。较低电压输出320可以选择性地连接到充电电路，例如，电源单元16，如图1所示。较低电压部分305包括三个较低电压电池单元：325，326和327，尽管在其他示例中可以包括更多或更少个电压电池单元。较低电压电池单元325、326和327并联连接。每个电压电池单元经由电阻器耦合到LV+322，例如，较低电压电池单元225经由电阻器330耦合到LV+322，较低电压电池单元226经由电阻器331耦合到LV+322，并且较低电压电池单元327经由电阻器332耦合到LV+322。根据图2，电阻器330、331和332还可以代表一个或多个导体、连接器、熔断器等。
较高电压部分310包括较高电压输出335。较高电压输出335包括较高电压正端子337(HV+)和较高电压负端子339(HV-)。较高电压部分310包括较高电压电池单元340，尽管在一些示例中可以包括更多个较高电压电池单元。示出了较高电压电池单元340，其经由电阻器342耦合到HV+337，尽管在一些示例中，较高电压电池单元340可以经由多个导体、连接器、熔断器等耦合到HV+337。较低电压部分305和较高电压部分310均耦合到公共接地345。示出了断路器晶体管350，其耦合在较低电压部分305与公共接地345之间。
可再充电电池组***200和300都包括非对称配置，其中较低电压电池单元(3)的数量大于较高电压电池单元(1)的数量。对于诸如智能电话、平板计算机、可穿戴式设备等的电子设备，对较低电压功率的需求可能大于对较高电压功率的需求，因此，用于这些设备的电池组***可能包括与较高电压电池单元相比更多数目的较低电压电池单元。一般而言，当前公开的电池组***可以包括n个较低电压电池单元和k个较高电压电池单元，其中1≤k≤n，并且其中n个较低电压电池单元并联耦合，并且k个较高电压电池单元与n个较低电压电池单元串联耦合。
即使在k＝n的场景中，电池组的较高电压部分和较低电压部分还可以具有不同的特性，因此被认为处于非对称配置。例如，较高电压电池单元和较低电压电池单元可以具有不同的容量、制造过程、化学类型等。如此，本文中所描述的双向充电调节器和控制机构还可以应用于这种电池组配置。
双向充电调节器215和315可以被配置为通过在一个方向上充当升压调节器并且在另一方向上充当降压调节器来允许在电池组内部处置电池组的充电需求和放电需求。例如，双向充电调节器215可以被配置为响应于较低电压输出216连接到充电电路而向较高电压部分210提供电流。进一步地，双向充电调节器215可以当需要附加的较低电压功率时(诸如当较低电压电池单元221、222和223比较高电压电池单元235更快地被耗尽时)使得较高电压电池单元235能够放电到较低电压电池单元221、222和223。附加地，双向充电调节器215可以当需要附加的较高电压功率时使得较低电压电池单元221、222和223放电到较高电压电池单元325。这种放电可以延长设备使用时间，从而在需要将设备耦合到外部充电电路之前提供短期电荷分配解决方案。
在充电期间，双向充电调节器可以监测较高电压电池单元和较低电压电池单元的电压并且相应地调节电荷分配，以便保持电池组的两个部分平衡。例如，响应于一个或多个较低电压电池单元连接到充电电路，双向充电调节器可以监测一个或多个较低电压电池单元和一个或多个较高电压电池单元的电压，并且调节流向一个或多个较高电压电池单元的电荷，使得一个或多个较低电压电池单元的电荷状态增加在一个或多个较高电压电池单元的电荷状态增加的受控误差容限内。
在设备操作期间，较高电压电池单元和较低电压电池单元可能会受到不同负载使用的影响，因此双向充电调节器可能会沿任一方向充电，以平衡LV电池单元和HV电池单元之间的电荷。例如，双向充电调节器可以被配置为响应于一个或多个较低电压电池单元的电荷状态减小到低于一个或多个较高电压电池单元的电荷状态达一定阈值，而向一个或多个较低电压电池单元提供电流。附加地，双向充电调节器可以还被配置为响应于一个或多个较低电压电池单元的电荷状态增加到一个或多个较高电压电池单元的电荷状态的阈值内，停止从一个或多个较高电压电池单元向一个或多个较低电压电池单元提供电流。
即使当双向充电调节器在电池组内主动平衡电荷时，母电子设备的不同电压需求也可能以不同速率消耗较高电压电池单元和较低电压电池单元。因此，为了确定和指示不对称电池组的总体电荷状态(SOC)，可以把较高电压部分和较低电压部分两者考虑在内。例如，可以不断地监测较高电压电池单元的电压和较低电压电池单元的电压，因此可以在任何时间基于实时电池单元电压来确定电池组的总体SOC。然后，可以例如通过在显示设备上将电荷状态百分比指示为图标，来向用户将总体SOC指示为总体充电百分比。作为一个示例，可以利用以下等式来确定总体SOC：
其中k是较高电压电池单元的数目，并且n是较低电压电池单元的数目。使用图2的示例，LV是较低电压输出216两端的电压，并且HV是较高电压输出230两端的电压。
与所有电池单元并联的传统电池组配置相比较，由于由双向充电调节器执行的内部充电和平衡过程，不对称的混合电池组结构可能导致附加能量损失。然而，通过经由降压调节器直接从较高电压电池单元为高脉冲功率块和3.3V/5V轨供电，可以增加总体效率，与降压-升压对应物和升压对应物相比，该降压调节器可以具有更高的效率和更宽的带宽。
图4示意性地示出了示例可再充电电池组***400。电池组***400包括较低电压部分205、较高电压部分210、以及先前关于图2所描述的其他部件。较低电压部分205和较高电压部分210经由双向充电调节器415串联电耦合。双向充电调节器415可以经由较高电压输出230供电。
双向充电调节器415包括电感器420。电感器420可以经由第一晶体管425选择性地耦合到较低电压部分205。进一步地，电感器420可以经由第二晶体管430选择性地耦合到较高电压部分210。双向充电调节器415还包括控制电路435。控制电路435可以从电池组***400中的各个传感器接收信号，并且可以基于接收到的信号向第一晶体管425和第二晶体管430输出控制信号。例如，控制电路435可以向第一晶体管425和第二晶体管430提供脉宽调制控制信号。因此，控制电路435可以可操作以控制从双向充电调节器415流到较低电压部分205和较高电压部分210两者的电流。
当电池组和/或母电子设备处于“唤醒”模式时并且当经由任何管理控制***启用操作时，控制电路435可以操作。例如，控制电路435可以从电子设备的***控制器接收控制信号，该控制信号向控制电路435指示操作模式。例如，控制电路可以置于关断模式、充电(升压)模式、放电(降压)模式、和/或其他合适的模式。
第一晶体管425和第二晶体管430可以是默认关断晶体管，其可以基于从控制电路435接收的信号而被致动为接通构型。当控制电路435置于“关断”模式时，第一晶体管425和第二晶体管430可以均维持处于关断构型。在该配置中，没有电流可以流过任一晶体管，也没有电流可以从双向充电调节器415流出。
在充电场景期间，其中充电电路耦合到较低电压输出216，并且其中需要对HV电池单元235以及LV电池单元221、222和223进行充电，双向充电调节器415可以类似于降压-升压调节器在升压模式下操作。控制器435可以操作以在每个时钟时刻切换第一晶体管425和第二晶体管430的构型，以使得调节后的电流能够流向HV电池单元235。最初，可以接通第一晶体管425，从而允许来自充电电路的电流在电感器420处累积。当电感器420处的电流达到阈值时，可以关断第一晶体管425，而接通第二晶体管430。在该构型中，电感器420的LV部分(图4中的左侧部分)的电压比HV部分(右侧部分)的电压高。如此，电流从电感器420呈斜坡状下降到较高电压电池单元235。该切换模式(pattern)继续进行，使第一晶体管425和第二晶体管430中的一个晶体管反相(inverting)，从而使充电电流在释放到较高电压部分210之前临时存储在电感器420中。
在放电场景期间，其中HV电池单元235保持的电压比LV电池单元221、222和223保持的电压更高，双向调节器可以作为真正的降压调节器来操作。最初，可以接通第二晶体管430，从而允许由HV电池单元235输出的电流在电感器420处累积。当电感器420处的电流达到阈值时，可以关断第二晶体管430，而接通第一晶体管425。在该构型中，电感器420的HV侧(图4中的右侧)的电压比LV侧(左侧)的电压高。如此，电流从电感器420呈斜坡状下降到较低电压电池单元221、222和223。这种模式继续进行，使第一晶体管425和第二晶体管430中的一个晶体管反相(inverting)，从而使充电电流在释放到较低电压部分205之前暂时存储在电感器420处。。
图5示意性地示出了示例可再充电电池组控制***500。电池组控制***500包括电池组***400，该电池组***400包括本文中关于图2和图4所述的部件。电池组控制***500包括双向充电调节器502，该双向充电调节器502包括控制电路505。控制电路505可以是控制电路435的示例。
控制电路505可以从第一电压读出器510和第二电压读出器512接收输入信号。第一电压读出器510可以提供与较低电压部分205的电荷状态成比例的信号。第一电压读出器510可以监测跨过较低电压正端子218与较低电压负端子220的电压差。
第二电压读出器512可以提供与较高电压部分230同较低电压部分205的电荷状态差成比例的信号。第二电压读出器512可以监测跨过较低电压正端子218与较高电压正端子232的电压差。从第一电压读出器510和第二电压读出器512接收的信号可以分别提供给第一电压放大器515和第二电压放大器517。从第一电压读出器510和第二电压读出器512接收的信号一前一后地使得能够对较低电压部分205和较高电压部分210的电池单元电压进行受控平衡。
双向电感器电流传感器520可以生成与进入或流出电感器420的信号成比例的信号。来自双向电感器电流传感器520的信号可以提供给第一电流放大器522和第二电流放大器525。第一电流放大器522还可以接收与电感器的输入电流限制527成比例的输入，而第二电流放大器525还可以接收与电感器的输出电流限制529成比例的输入。这些信号允许沿任一方向控制进入电感器420的电流并且允许控制离开电感器420的电流。
模式控制信号530可以指示放大器515、517、522和525中的哪个放大器处于活动状态(为了简单起见，仅针对放大器517描绘了模式控制信号530)，因此可以确定控制电路505是在充电模式下还是在放电模式下操作。模式控制信号530还可以提供给栅极信号发生器535，从而确定控制电路505是活动的还是非活动的。
运行信号537可以被馈送到时钟电路540中，从而指示时钟电路540何时应当输出时钟信号。时钟信号可以输出到斜率发生器542，该斜率发生器542然后可以将周期衰减的信号提供给多输入比较器545。比较器545还可以从双向电感器电流传感器520接收信号以及与总体电池电荷状态成比例的信号，诸如547处的电压信号(VC)。
时钟电路540和比较器545可以将信号提供给触发器550，该触发器550又可以将信号提供给栅极信号发生器535。栅极信号发生器535然后可以将信号提供给第一晶体管425和第二晶体管430，从而指示晶体管应当何时被接通和关断，从而确定是否应当在电感器420处累积电荷或从电感器420释放电荷，以及沿什么方向累积或释放。
在稳态条件下，其中交替接通和关断第一晶体管425和第二晶体管430，电感器420处的电流和电压随时间达到峰值和谷值。电感器电流和电感器电压均可以通过调整脉冲宽度调制来调节。可以基于由电压放大器515和517输出的信号(例如，较低电压部分的电压和较高/较低电压差)来确定脉冲宽度。电压放大器515和517所输出的信号还可以确定栅极信号发生器535是否是活动的(例如，经由模式控制信号530)，以及哪个方向电流正在流入和流出电感器420。
在充电期间，外部充电器向LV端子218和220提供电流。模式控制信号530可以指示关断电流放大器522和525。在充电电路耦合到较低电压端子218和220的同时，还可以禁用电压放大器515。一旦来自外部充电器的电流开始流入电池组***400，电压放大器517就可以有效地迫使较高电压部分230的电压来跟踪较低电压部分205的电压。总输入充电电流通过接通和关断晶体管425和430而在较低电压部分205与较高电压部分210之间实时地被分配。这样，双向调节器502用作峰值电流模式控制升压调节器。如此，当较低电压电池单元221、222和223的电压达到阈值水平，从而终止外部充电器的充电时，较高电压电池单元235也被充电至相同水平。关于图6对以这种方式进行充电操作的时间线进行了描述。
当较低电压部分216的电压高于较高电压部分230的电压时，发生另一操作场景。在这种场景下，双向充电调节器502还充当峰值电流模式控制升压调节器。模式控制信号530可以启用电压放大器517和电流放大器522，并且禁用电压放大器515和电流放大器525。这样，较低电压电池单元221、222和223中存储的电荷可以转移到较高电压电池单元235，并且较低电压电池单元的电流输出会受到输入电流限制527的预设值的限制。当较低电压部分216和较高电压部分230的电压达到平衡时或通过模式控制命令信号，终止该过程。
在放电期间，双向充电调节器502用作活动平衡器，并且电流流动方向由较低电压部分216和较高电压部分230的电压来确定。当较高电压电池单元535的电压大于较低电压电池单元221、222和223的电压时，双向充电调节器502作为峰值电流模式控制降压调节器操作。模式控制信号530启用电压放大器515和电流放大器525，并且禁用电压放大器517和电流放大器522。这样，较高电压电池单元235中存储的电荷转移到较低电压电池单元221、222和223，并且输入到较低电压电池单元221、222和223的电流受到输出电流限制529的预设值的限制。当较低电压部分216和较高电压部分230的电压达到平衡时或者通过模式控制命令信号，终止该过程。关于图7对以这种方式进行放电操作的时间线进行了描述。
为了减少由主动平衡较低电压部分205和较高电压部分210可能导致的能量损失和充电周期数，可以在两个电压之间设置相对较大的电压滞后。例如，如果一个部分接近剩余电压的切断水平，并且需要进行电荷平衡以保持在附加持续时间内为设备供电，则这种设置可以由***软件覆盖。然而，如果较低电压输出216与较高电压输出230之间的负载划分反映了电荷分配状态，则可能不会在充电操作之间执行电荷平衡。
图6示出了用于经由双向充电调节器对非对称混合电池组进行充电的示例时间线600。如图5所描绘的，针对可再充电电池组控制***500对时间线600进行描述。时间线600包括图表605，其指示随着时间变化的模式控制信号。时间线600还包括图表610，其指示随时间变化的电感器电流(例如，电感器420、双向电感器电流传感器520)。电感器电流与图表615(其指示与总电池电压(例如，VC 547)成比例的电流)和图表620(其指示斜率控制信号(例如，斜率发生器542的输出))一起绘图。时间线600还包括图表625，其指示随时间变化的电感器电压(例如，电感器420)。时间线600还包括：图表630，其指示随时间变化的时钟信号(例如，时钟电路540的输出)；以及图表635，其指示随时间变化的电流比较器信号(例如，比较器545的输出)。时间线600还包括：图表640，其指示第一晶体管(例如，第一晶体管425)随时间变化的状态；以及图表645，其指示第二晶体管(例如，第二晶体管430)随时间变化的状态。时间线600还包括图表650，其指示电池的较高电压侧(例如，较高电压部分210)上存储的电荷。线655代表较高电压部分上存储的电荷的上限阈值。最后，时间线600包括图表660，其指示电池的较低电压部分(例如，较低电压部分205)上存储的电荷。线655代表较低电压部分上存储的电荷的上限阈值。
在时间t0处，模式控制信号指示双向充电调节器处于关断状态，如图表605所示。因而，关断第一晶体管和第二晶体管，分别如图表640和645所示。如此，电感器电流和电感器电压为零，分别如图表610和625所示。时钟信号(图表630)和电流比较器信号(图表635)为空。电池的较高电压部分具有约为1V的存储电荷，并且电池的较低电压部分也具有约为1V的存储电荷，分别如图表650和660所示。
在时间t1处，由于电池组与外部电源的耦合，所以模式控制信号指示双向充电调节器要在升压模式下操作。因而，触发时钟信号，并且然后接通第一晶体管，同时维持第二晶体管关断。在该构型中，电感器电流开始线性增加，从而生成恒定的电感器电压(在该示例中，从较低电压部分进入电感器的电流被任意标记为正电流)。较低电压部分上存储的电荷量增加，同时最初并未将电荷添加到电池的较高电压部分。
斜率控制信号在时间t1启动，并且从其初始值线性减小(VC，图表615)。在时间t2，斜率控制信号的值等于电感器电流的值。如此，电流比较器信号被激发，从而关断第一晶体管，并且接通第二晶体管。电流从电感器通过第二晶体管朝向电池的较高电压部分放电，从而导致较高电压部分中存储的电荷增加。因此，由于没有电流经由第一晶体管进入电感器，所以总体电感器电流减小，并且电感器电压降至零。
在时间t3处，时钟信号激发，从而接通第一晶体管，并且关断第二晶体管。流入电感器的电流增加，并且生成电感器电压。在时间t4，电流比较器信号激发，从而使晶体管翻转(flipping)，并且允许电流朝向电池的较高电压部分而从电感器流出。
该模式从时间t4持续到时间t9，其中交替接通和关断第一晶体管和第二晶体管。从时间t5到时间t6以及从时间t7到时间t8接通第一晶体管。从时间t6到时间t7以及从时间t8到时间t9接通第二晶体管。这样，一旦较低电压部分存储的电荷增加到高于第一阈值，并且高于较高电压部分存储的电荷而增加了第二阈值，则电荷以相同的速率存储在较低电压部分和较高电压部分上。随着存储的总电荷增加，更多的电流流入电感器，但是随着存储的电荷线性增加，脉宽调制保持相对恒定。
在时间t9处，较高电压存储的电荷增加到由线655指示的阈值，并且较低电压部分存储的电荷增加到由线665指示的阈值。因而，模式控制信号指示双向充电调节器要被置于关断模式下。关断第一晶体管和第二晶体管两者，并且没有电流提供给电感器。现在，电池组已充满电。
图7示出了示例时间线700，其用于经由双向充电调节器平衡非对称混合电池组内的电荷。如图5所描绘的，将会关于可再充电电池组控制***500对时间线700进行描述。时间线700包括图表705，其指示随着时间变化的模式控制信号。时间线700进一步包括图表710，其指示随时间变化的电感器电流(例如，电感器420、双向电感器电流传感器520)。电感器电流与图表715(其指示与总电池电压(例如，VC 547)成比例的信号)和图表720(其指示斜率控制信号(例如，斜率发生器542的输出))一起绘图。时间线700还包括图表725，其指示随时间变化的电感器电压(例如，电感器420)。时间线700还包括：图表730，其指示随时间变化的时钟信号(例如，时钟电路540的输出)；以及图表735，其指示随时间变化的电流比较器信号(例如，比较器545的输出)。时间线700还包括：图表740，其指示第一晶体管(例如，第一晶体管425)随时间变化的状态；以及图表745，其指示第二晶体管(例如，第二晶体管430)随时间变化的状态。时间线700还包括图表750，其指示电池的较高电压部分(例如，较高电压部分210)上存储的电荷。最后，时间线700包括图表755，其指示电池的较低电压部分(例如，较低电压部分205)上存储的电荷。
在时间t0处，模式控制信号指示双向充电调节器处于关断状态，如图表705所示。因而，关断第一晶体管和第二晶体管，分别由图表740和745所示。如此，电感器电流和电感器电压为零，分别如图表710和725所示。时钟信号(图表730)和电流比较器信号(图表735)为空。电池的较高电压部分具有约为5V的存储电荷，并且电池的较低电压部分也具有约为1V的存储电荷，分别如图表750和755所示。
在时间t1处，模式控制信号指示双向充电调节器将在降压模式下操作，这是由于电池的较低电压部分处的存储电荷量相对较低。因而，触发时钟信号，然后接通第二晶体管，同时维持第一晶体管关断。在该构型中，电感器电流开始线性减小，从而生成恒定的电感器电压(在该示例中，从较高电压部分进入电感器的电流被任意标记为负电流)。
斜率控制信号在时间t1启动，并且从其初始值线性增加(VC，图表715)。在时间t2，斜率控制信号的值等于电感器电流的值。如此，激发电流比较器信号，从而关断第二晶体管，并且接通第一晶体管。电流从电感器通过第一晶体管朝向电池的较低电压部分放电，从而导致较低电压部分中存储的电荷的增加与电池较高电压部分中存储的电荷的减小成比例。由于没有电流经由第二晶体管进入电感器，所以总体电感器电流因此增加到零，并且电感器电压下降到零。
在时间t3，时钟信号激发，从而接通第二晶体管，并且关断第一晶体管。流入电感器的电流减小，并且生成电感器电压。在时间t4，电流比较器信号激发，从而使晶体管翻转(flipping)，并且允许电流朝向电池的较低电压部分从电感器流出。
该模式从时间t4持续到时间t9，其中交替接通和关断第一晶体管和第二晶体管。从时间t5到时间t6以及从时间t7到时间t8接通第二晶体管。从时间t6到时间t7以及从时间t8到时间t9接通第一晶体管。这样，存储电荷从较高电压部分移动到较低电压部分。在时间t9，较低电压部分存储的电荷变得等于较高电压部分存储的电荷。因而，模式控制信号指示双向充电调节器要被置于关断模式。关断第一晶体管和第二晶体管两者，并且没有电流被提供到电感器。现在，电池组的较高电压部分和较低电压部分完全平衡。
在一些实施例中，本文中所描述的方法和过程可以与一个或多个计算设备的计算***联系在一起。具体地，这样的方法和过程可以被实现为计算机应用程序或服务、应用程序编程接口(API)、库和/或其他计算机程序产品。
图8示意性地示出了可以实施上文所描述的方法和过程中的一个或多个方法和过程的电池供电的电子设备800的非限制性实施例。电子设备800以简化形式示出。电子设备800可以采取一个或多个个人计算机、服务器计算机、平板计算机、家庭娱乐计算机、网络计算设备、游戏设备、移动计算设备、移动通信设备(例如，智能电话)和/或其他计算设备的形式。
电子设备800可以包括计算***810，该计算***810包括逻辑机820和存储机830。计算***810可以可选地包括显示子***840、输入子***850、通信子***860和/或图8中未示出的其他部件。
逻辑机820包括一个或多个物理设备，该一个或多个物理设备被配置为执行指令。例如，逻辑机可以被配置为执行指令，这些指令是一个或多个应用、服务、程序、例程、库、对象、组件、数据结构或其他逻辑构造的一部分。这样的指令可以被实现以执行任务、实现数据类型、变换一个或多个组件的状态、实现技术效果或以其他方式实现期望结果。
逻辑机可以包括被配置为执行软件指令的一个或多个处理器。附加地或可替代地，逻辑机可以包括一个或多个硬件或固件逻辑机，其被配置为执行硬件或固件指令。逻辑机的处理器可以是单核或多核，并且在其上执行的指令可以被配置为用于顺序、并行和/或分布式处理。逻辑机的各个部件可选地可以分布在两个或更多个单独的设备中，这些设备可以位于远程和/或被配置为用于协调处理。逻辑机的各方面可以由以云计算配置所配置的可远程访问的联网计算设备虚拟化并且执行。
存储机830包括一个或多个物理设备，该一个或多个物理设备被配置为保存能够由逻辑机执行以实现本文中所描述的方法和过程的指令。当实现了这种方法和过程时，可以变换存储机820的状态，例如，以保存不同数据。
存储机830可以包括可移除设备和/或内置设备。存储机830可以包括光学存储器(例如，CD、DVD、HD-DVD、蓝光光盘等)、半导体存储器(例如，RAM、EPROM、EEPROM等)、和/或磁存储器(例如，硬盘驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器、MRAM等)等。存储机830可以包括易失性设备、非易失性设备、动态设备、静态设备、读/写设备、只读设备、随机访问设备、顺序访问设备、位置可寻址设备、文件可寻址设备和/或内容可寻址设备。
应当领会，存储机830包括一个或多个物理设备。然而，可替代地，本文中所描述的指令的各方面可以由通信介质(例如，电磁信号、光信号等)传播，该通信介质未由物理设备在有限的持续时间内保存。
逻辑机820和存储机830的各方面可以被集成在一起成为一个或多个硬件逻辑部件。例如，这种硬件逻辑部件可以包括现场可编程门阵列(FPGA)、程序和专用集成电路(PASIC/ASIC)、程序和专用标准产品(PSSP/ASSP)、片上***(SOC)、以及复杂的可编程逻辑器件(CPLD)。
当被包括时，显示子***840可以用于呈现由存储机830保存的数据的视觉表示。该视觉表示可以采取图形用户界面(GUI)的形式。当本文中所描述的方法和过程改变由存储机保存的数据，并且因此变换存储机的状态时，显示子***840的状态同样可以被变换以可视地表示基础数据中的改变。显示子***840可以包括实际上利用任何类型的技术的一个或多个显示设备。这种显示设备可以在共享外壳中与逻辑机820和/或存储机830组合，或者这种显示设备可以是***显示设备。
当被包括时，输入子***850可以包括一个或多个用户输入设备(诸如键盘、鼠标、触摸屏或游戏控制器)或与该一个或多个用户输入设备接口。在一些实施例中，输入子***可以包括选择的自然用户输入(NUI)部件或与该选择的自然用户输入(NUI)部件接口。这种部件可以是集成部件或***部件，并且输入动作的转导和/或处理可以在板上或板外处置。示例NUI部件可以包括：用于语音和/或话音识别的麦克风；用于机器视觉和/或手势识别的红外、彩色、立体和/或深度相机；用于运动检测和/或意图识别的头部***、眼睛***、加速度计和/或陀螺仪；以及用于评估大脑活动的电场感应部件。
当被包括时，通信子***860可以被配置为将计算***810与一个或多个其他计算设备通信耦合。通信子***860可以包括与一种或多种不同通信协议兼容的有线和/或无线通信设备。作为非限制性示例，通信子***可以被配置用于经由无线电话网络或者有线或无线局域网或广域网的通信。在一些实施例中，通信子***可以允许计算***810经由诸如因特网的网络向其他设备发送消息和/或从其他设备接收消息。
电子设备800可以包括一个或多个可再充电电池870。可再充电电池870可以向计算***810、逻辑机820、存储机830、显示子***840、通信子***850、输入子***860和/或电子设备800的其他功耗元件提供功率。电池充电调节器880可以调节可再充电电池870内的电荷分布。电池充电调节器880可以运行以在可再充电电池870内的两个或多个电荷存储电池单元之间分配电荷，并且当电子设备800耦合到外部电源时和/或当电子设备800没有耦合到外部电源时，可以促进可再充电电池870内的电荷分配。
在另一示例中，一种用于可再充电电池组的***包括：一个或多个较低电压电池单元，能够经由较低电压端子连接到充电电路；一个或多个较高电压电池单元，经由双向充电调节器串联电耦合到一个或多个较低电压电池单元；较高电压端子，电耦合到一个或多个较高电压电池单元；以及公共接地端子，耦合到一个或多个较低电压电池单元以及一个或多个较高电压电池单元。在这样的示例或任何其他示例中，一个或多个较低电压电池单元可以附加地或可替代地包括并联耦合的多个较低电压电池单元。在前述示例中的任一示例或任何其他示例中，较低电压电池单元的数量可以附加地或可替代地大于或等于较高电压电池单元的数量。在前述示例中的任一示例或任何其他示例中，该***可以附加地或可替代地包括晶体管，该晶体管能够选择性地操作以将一个或多个较低电压电池单元的负端子电耦合到公共接地端子。在前述示例中的任一示例或任何其他示例中，双向充电调节器可以附加地或可替代地被配置为：响应于一个或多个较低电压电池单元连接到充电电路而向一个或多个较高电压电池单元提供电流。在前述示例中的任一示例或任何其他示例中，双向充电调节器可以附加地或可替代地被配置为：响应于一个或多个较低电压电池单元连接到充电电路，而监测一个或多个较低电压电池单元和一个或多个较高电压电池单元的电压；以及调节流向一个或多个较高电压电池单元的电荷，使得一个或多个较高电压电池单元处的电荷状态增加在一个或多个较低电压电池单元处的电荷状态增加的控制器误差容限内。在前述示例中的任一示例或任何其他示例中，双向充电调节器可以附加地或可替代地被配置为：响应于一个或多个较低电压电池单元的电荷状态减小到低于一个或多个较高电压电池单元的电荷状态达一定阈值，而从一个或多个较高电压电池单元向一个或多个较低电压电池单元提供电流。在前述示例中的任一示例或任何其他示例中，双向充电调节器可以附加地或可替代地被配置为：响应于一个或多个较低电压电池单元的电荷状态增加到一个或多个较高电压电池单元的电荷状态的阈值之内，而停止从一个或多个较高电压电池单元向一个或多个较低电压电池单元提供电流。在前述示例中的任一示例或任何其他示例中，双向充电调节器可以附加地或可替代地从一个或多个较高电压电池单元供电。
在另一示例中，一种用于非对称可再充电电池组的***包括：电池单元的第一集合，并联电耦合并且可连接到充电电路；电池单元的第二集合，串联电耦合到电池单元的第一集合；第一输出端子和第二输出端子；公共接地端子，电耦合到电池单元的第一集合和电池单元的第二集合；以及双向充电调节器，电耦合在电池单元的第一集合与电池单元的第二集合之间，该双向充电调节器被配置为：响应于电池单元的第一集合连接到充电电路，而向电池单元的第二集合提供电流；并且响应于电池单元的第一集合的电荷状态减小到低于电池单元的第二集合的电荷状态达一定阈值，而向电池单元的第一集合提供电流。在这样的示例或任何其他示例中，双向充电调节器可以附加地或可替代地包括：电感器；第一晶体管，能够选择性地操作以将电感器耦合到电池单元的第一集合；以及第二晶体管，能够选择性地操作以将电感器耦合到电池单元的第二集合。在前述示例中的任一示例或任何其他示例中，双向充电调节器可以附加地或可替代地被配置为通过以下方式响应于电池单元的第一集合连接到充电电路而向电池单元的第二集合提供电流：通过接通第一晶体管而非第二晶体管在电感器处生成电荷累积；通过接通第二晶体管并且关断第一晶体管，从电感器向电池单元的第二集合提供电流。在前述示例中的任一示例或任何其他示例中，双向充电调节器可以附加地或可替代地被配置为通过以下方式响应于电池单元的第一集合的电荷状态减小到低于电池单元的第二集合的电荷状态达一定阈值而向电池单元的第一集合提供电流：通过接通第二晶体管而非第一晶体管在电感器处生成电荷累积；并且通过接通第一晶体管并且关断第二晶体管，从电感器向电池单元的第一集合提供电流。
在又一示例中，可再充电电池组包括：较低电压部分，其包括能够经由较低电压输出连接到充电电路的一个或多个较低电压电池单元；较高电压部分，其包括耦合到较高电压输出的一个或多个较高电压电池单元，该较高电压电池单元串联电耦合到一个或多个较低电压电池单元；双向充电调节器，其耦合在较低电压部分和较高电压部分之间，该双向充电调节器包括：电感器；第一晶体管，能够选择性地操作以将电感器耦合到较低电压部分；第二晶体管，能够选择性地操作以将电感器耦合到较高电压部分；以及控制电路，被配置为基于至少一个模式控制信号来选择性地激励第一晶体管和第二晶体管，该至少一个模式控制信号指示双向充电调节器在充电模式下还是在放电模式下操作。在这样的示例或任何其他示例中，控制电路可以附加地或可替代地被进一步配置为：响应于接收到周期性时钟信号而激励第一晶体管和第二晶体管中的一个晶体管；以及响应于电感器电流达到阈值而对第一晶体管和第二晶体管中的哪个晶体管被激励进行切换。在前述示例中的任一示例或任何其他示例中，控制电路可以附加地或可替代地被配置为响应于接收到信号而启动第一晶体管和所述第二晶体管的激励，该信号指示存储在较低电压部分上的电荷量低于阈值以及较低电压部分与较高电压部分之间的电荷存储差大于阈值。在前述示例中的任一示例或任何其他示例中，控制电路可以附加地或可替代地被配置为响应于接收到信号而关断第一晶体管和第二晶体管，该信号指示较低电压部分上的电荷状态在较高电压部分的电荷状态的阈值之内。在任何前述示例或任何其他示例中，控制电路还可以附加地或可替代地被配置为响应于接收到信号而启动第一晶体管和第二晶体管的激励，该信号指示较低电压部分耦合到充电电路、较低电压部分上的电荷状态高于阈值以及较低电压部分与较高电压部分之间的电荷状态差大于阈值。在前述示例中的任一示例或任何其他示例中，控制电路可以附加地或可替代地被配置为响应于接收到信号而关断第一晶体管和所述第二晶体管两者，该信号指示较低电压部分上的电荷状态高于阈值以及较高电压部分上的电荷状态高于阈值。在前述示例中的任一示例或任何其他示例中，模式控制信号可以附加地或可替代地激励控制电路内的一个或多个电流放大器和一个或多个电压放大器。
应当理解，本文中所描述的配置和/或途径本质上是示例性的，并且这些特定的实施例或示例不应当被认为是限制性的，因为许多变化都是可能的。本文中所描述的特定例程或方法可以代表任何数目的处理策略中的一个或多个处理策略。如此，可以按照所图示和/或描述的顺序、按照其他顺序、并行来执行所图示和/或描述的各种动作，或省略所图示和/或描述的各种动作。同样，可以改变上文所描述的过程的次序。
本公开的主题包括本文中所公开的各种过程、***和配置以及其他特征、功能、动作和/或特性的所有新颖和非显而易见的组合和子组合、以及其任何和所有等同物。

Claims (15)

1.一种用于可再充电电池组的***，包括：
一个或多个较低电压电池单元，能够经由较低电压端子连接到充电电路；
一个或多个较高电压电池单元，串联电耦合到所述一个或多个较低电压电池单元；
双向充电调节器，其中所述双向充电调节器包括电感器、第一晶体管和第二晶体管，并且其中所述电感器的一侧耦合到所述第一晶体管和所述第二晶体管，所述第一晶体管耦合到所述一个或多个较低电压电池单元的负端子，并且所述第二晶体管耦合到所述一个或多个较高电压电池单元，并且所述电感器的第二侧耦合到所述较低电压端子；
较高电压端子，电耦合到所述一个或多个较高电压电池单元；以及
公共接地端子，耦合到所述一个或多个较低电压电池单元；其中
所述一个或多个较高电压电池单元具有比所述一个或多个较低电压电池单元更高的电压；
所述双向充电调节器被配置为将所述一个或多个较低电压电池单元放电至所述一个或多个较高电压电池单元，或者将所述一个或多个较高电压电池单元放电至所述一个或多个较低电压电池单元。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述一个或多个较低电压电池单元包括并联耦合的多个较低电压电池单元。
3.根据权利要求1所述的***，其中较低电压电池单元的数量大于或等于较高电压电池单元的数量。
4.根据权利要求1所述的***，还包括晶体管，所述晶体管能够选择性地操作以将所述一个或多个较低电压电池单元的负端子电耦合到所述公共接地端子。
5.根据权利要求1所述的***，其中所述双向充电调节器被配置为：响应于所述一个或多个较低电压电池单元连接到所述充电电路，而向所述一个或多个较高电压电池单元提供电流。
6.根据权利要求5所述的***，其中所述双向充电调节器还被配置为：
响应于所述一个或多个较低电压电池单元连接到所述充电电路，而监测所述一个或多个较低电压电池单元和所述一个或多个较高电压电池单元的电压；以及
调节流向所述一个或多个较高电压电池单元的电荷，以使所述一个或多个较高电压电池单元处的电荷状态增加在所述一个或多个较低电压电池单元的电荷状态增加的控制器误差容限内。
7.根据权利要求1所述的***，其中所述双向充电调节器被配置为：响应于所述一个或多个较低电压电池单元的电荷状态减小到低于所述一个或多个较高电压电池单元的电荷状态达一定阈值，而从所述一个或多个较高电压电池单元向所述一个或多个较低电压电池单元提供电流。
8.根据权利要求7所述的***，其中所述双向充电调节器还被配置为：响应于所述一个或多个较低电压电池单元的电荷状态增加到所述一个或多个较高电压电池单元的所述电荷状态的阈值之内，而停止从所述一个或多个较高电压电池单元向所述一个或多个较低电压电池单元提供电流。
9.根据权利要求1所述的***，其中所述双向充电调节器由所述一个或多个较高电压电池单元供电。
10.一种用于在不对称可再充电电池组中调节电荷的方法，包括：
在双向充电调节器处包括电感器、第一晶体管和第二晶体管，其中所述电感器的一侧电耦合到所述第一晶体管和所述第二晶体管，所述第一晶体管耦合到电池单元的第一集合的负端子，所述电池单元的第一集合并联电耦合并且能够经由较低电压端子连接到充电电路，并且所述第二晶体管耦合到电池单元的第二集合，并且所述电感器的第二侧耦合到所述较低电压端子，
所述双向充电调节器响应于所述电池单元的第一集合连接到所述充电电路，而向所述电池单元的第二集合提供电流，并且响应于所述电池单元的第一集合的电荷状态减小到低于所述电池单元的第二集合的电荷状态达一定阈值，而向所述电池单元的第一集合提供电流，
并且其中所述电池单元的第二集合具有比所述电池单元的第一集合更高的电压。
11.根据权利要求10所述的方法，其中响应于所述电池单元的第一集合连接到所述充电电路而向所述电池单元的第二集合提供电流还包括：
通过接通所述第一晶体管而非所述第二晶体管，在所述电感器处生成电荷累积；以及
通过接通所述第二晶体管并且关断所述第一晶体管，从所述电感器向所述电池单元的第二集合提供电流。
12.根据权利要求11所述的方法，其中响应于所述电池单元的第一集合的电荷状态减小到低于所述电池单元的第二集合的电荷状态达一定阈值，而向所述电池单元的第一集合提供电流还包括：
通过接通所述第二晶体管而非所述第一晶体管，在所述电感器处生成电荷累积；以及
通过接通所述第一晶体管并且关断所述第二晶体管，从所述电感器向所述电池单元的第一集合提供电流。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括：
基于至少一个模式控制信号来选择性地激励所述第一晶体管和所述第二晶体管，所述模式控制信号指示所述双向充电调节器是要在充电模式下还是在放电模式下操作。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括：
响应于接收到周期性时钟信号而激励所述第一晶体管和所述第二晶体管中的一个晶体管；以及
响应于电感器电流达到阈值而对所述第一晶体管和所述第二晶体管中的哪个晶体管被激励进行切换。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
响应于接收到指示以下各项的信号而启动所述第一晶体管和所述第二晶体管的激励：
在包括所述电池单元的第一集合的较低电压部分上存储的电荷量低于阈值；以及
在所述较低电压部分与包括所述电池单元的第二集合的较高电压部分之间的电荷存储差高于阈值。
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