CN100588024C - 电池管理系统及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电池管理系统及其驱动方法，以用于管理包括多个单电池的电池。电池管理系统包括检测单元、MCU和单电池平衡单元。检测单元测量多个单电池的单电池电压。MCU根据所测量到的多个单电池电压来检测需要进行单电池平衡的单电池，并产生多个单电池电压信号以控制所检测出的单电池的单电池平衡。单电池平衡单元根据多个单电池电压信号来对单电池进行平衡，并且单电池电压信号的数量少于单电池的数量。单电池平衡单元产生对应于多个单电池电压信号的多个单电池平衡信号，并且单电池电压信号中的至少一个对电池中的至少两个单电池进行平衡。

Description

电池管理系统及其驱动方法
技术领域
本发明的方案涉及电池管理系统。更具体地说，本发明的方案涉及一种用在使用电能的车辆中的电池管理系统及其驱动方法。
背景技术
使用利用汽油或柴油燃料的内燃机的车辆，由于燃烧造成空气污染的矿物燃料，所以会污染环境。为了减少这种污染，已经做了很多努力来开发电动车辆或混合动力车辆。
电动车辆是使用由电池产生的电能驱动的电动机的车辆。由于电动车辆使用由多个可再充电电池成的电池组作为电源，所以这种电动车辆不会产生废气，而且只产生很小的噪声。
混合动力车辆是既使用内燃机又使用电动机的车辆。也就是说，混合动力车辆使用至少两种能源，例如使用内燃机和电池发动机。目前，混合动力车辆已经被发展成使用内燃机和燃料电池或者使用电池和燃料电池，以便燃料电池通过连续供给氢气和氧气的化学反应产生电能。
为了提高使用电池发动机的车辆的动力，需要增加可再充电单电池的数量。使用电池发动机的车辆需要一种利用单电池平衡控制方法的电池管理系统(BMS)，以有效地管理彼此相连的多个单电池。
特别是，由于单电池数量的增加，BMS的控制单元需要有多个输入和输出端口。因此，控制单元的制造成本增加，而且控制单元在BMS中占用更大的空间。
以上公开在背景技术部分中的信息仅用于增进对本发明背景的理解，因此可能包含对于本领域的普通技术人员来说不构成在本国内已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的方案提供一种电池管理系统及其驱动方法，以有效且高效地管理多个单电池。本发明的方案提供一种电池管理系统及其驱动方法，以随着电池中单电池数量的增加来高效地管理单电池。进一步地，电池管理系统利用输出端口数量少于单电池数量的微控单元来有效且高效地管理多个单电池。
根据本发明的方案，提供一种电池管理系统，以用于管理具有多个单电池的电池，该系统包括检测单元、微控单元(MCU)和单电池平衡单元。检测单元测量多个单电池中的每个单电池的单电池电压。MCU根据所测量到的多个单电池电压检测需要进行单电池平衡的单电池，并产生多个单电池电压信号以控制所检测出的单电池的单电池平衡。单电池平衡单元根据多个单电池电压信号对单电池进行平衡。多个单电池电压信号的数量少于多个单电池的数量，单电池平衡单元产生对应于多个单电池电压信号的多个单电池平衡信号，并且多个单电池电压信号中的至少一个对至少两个单电池进行平衡。MCU可以产生控制信号，所述控制信号对应于传送至单电池平衡单元的多个单电池电压信号中的对至少两个单电池进行平衡的单电池电压信号，并且单电池平衡单元可以响应于所述控制信号接收单电池电压信号。MCU产生对应于至少两个单电池中的一个的单电池电压信号，以用于对至少两个单电池进行平衡，并且在一时间间隔后，产生对应于至少两个单电池中的另一个的另一单电池电压信号。
单电池平衡单元可以根据单电池电压信号产生第一单电池平衡信号和第二单电池平衡信号以控制单电池平衡，并且响应于控制信号，分别将第一单电池平衡信号和第二单电池平衡信号传送到至少两个单电池。通过以尽量多的时间间隔来区分第一和第二单电池平衡信号，单电池平衡单元可以根据控制信号产生第一单电池平衡信号和第二单电池平衡信号。单电池平衡单元可以根据第一单电池平衡信号或第二单电池平衡信号，对对应于第一单电池平衡信号和第二单电池平衡信号的单电池进行充电/放电。
根据本发明的方案，提供一种用于管理多个单电池的电池管理系统，其包括微控单元(MCU)、第一单电池平衡控制器、第二单电池平衡控制器和单电池平衡驱动器。MCU产生多个单电池电压信号和多个控制器选择信号，以控制单电池平衡操作，从而平衡多个单电池中的需要进行单电池平衡的单电池，并将所产生的单电池电压信号和控制器选择信号传送至多个输出端口。连接至MCU的第一单电池平衡控制器根据多个控制器选择信号中的一个接收多个单电池电压信号中的多个第一单电池电压信号，并根据多个第一单电池电压信号产生单电池平衡信号。连接至MCU的第二单电池平衡控制器根据多个控制器选择信号中的一个接收多个单电池电压信号中的多个第二单电池电压信号，并根据多个第二单电池电压信号产生单电池平衡信号。连接至第一单电池平衡控制器和第二单电池平衡控制器的单电池平衡驱动器接收多个第一和第二单电池平衡信号，并平衡对应于多个单电池平衡信号的需要进行单电池平衡的单电池。多个第一单电池电压信号中的一个和多个第二单电池电压信号中的一个通过MCU的同一输出端口传输。当多个第一单电池电压信号中的一个和多个第二单电池电压信号中的一个通过MCU的同一输出端口传输时，从同一输出端口传输的单电池电压信号可以根据多个控制器选择信号以一时间间隔传送至第一单电池平衡控制器和第二单电池平衡控制器，并且第一和第二单电池平衡控制器可以根据单电池电压信号以所述时间间隔产生单电池平衡信号，并将所产生的单电池平衡信号传送至单电池平衡驱动器。
第一单电池平衡控制器可以输出多个第一单电池平衡信号中的对应于从MCU的同一输出端口传送来的单电池电压信号的那个第一单电池平衡信号，并且第二单电池平衡控制器可以输出多个第二单电池平衡信号中的对应于以所述时间间隔从MCU的同一输出端口传送来的单电池电压信号的那个第二单电池平衡信号。
单电池平衡驱动器可以包括多个开关，每个开关均具有第一端和第二端，其中多个开关中的一个开关的第一端连接至多个单电池中的一个单电池的正端子，多个开关中的那个开关的第二端连接至多个单电池中的那个单电池的负端子，并且所述多个开关由多个第一和第二单电池平衡信号导通。电池管理系统可以进一步包括：多个光电二极管，其响应于多个第一和第二单电池平衡信号发光；和多个第一晶体管，其光电耦合到多个光电二极管。开关可以响应于流过第一晶体管的电流导通。开关可以进一步包括：第二晶体管，其包括对应于开关两端的第一电极和第二电极，以及接收对应于流过第一晶体管的电流的电压的控制电极；第一电阻器，其具有连接至第二晶体管的第一电极的一端，和连接至单电池的一端的另一端；和第二电阻器，其具有连接至第二晶体管的控制电极的一端，和连接至所述单电池的另一端的另一端。
根据本发明的方案，提供一种电池管理系统的驱动方法，以用于包括多个单电池的电池，所述多个单电池包括含有至少两个单电池的第一组单电池和含有至少两个单电池的第二组单电池。在该驱动方法中，从多个单电池的第一组和第二组中检测需要进行单电池平衡的单电池。然后，确定来自第一组的需要进行单电池平衡的第一单电池是否与来自第二组的需要进行单电池平衡的第二单电池对应。如果第一单电池与第二单电池对应，则产生一个单电池电压信号以控制第一单电池和第二单电池的单电池平衡。相反，如果第一单电池与第二单电池不对应，则产生用于第一单电池和第二单电池的单电池电压信号。然后，根据单电池电压信号对第一单电池和第二单电池进行平衡。
在检测单电池的操作中，可以通过对每个单电池的电压求和并用电压之和除以电池中的单电池数量来计算电池的平均电压。然后，检测出所计算出的平均电压与第一和第二组单电池的电压之间的电压差大于预定的设定点的单电池。在产生一个单电池电压信号的操作中，可以产生对应于第一单电池的单电池电压信号，并且在一时间间隔后，可以产生对应于第二单电池的单电池电压信号。在对第一和第二单电池进行平衡的操作中，可以根据单电池电压信号以所述时间间隔产生用于第一单电池和第二单电池的单电池平衡信号，并且可以根据单电池平衡信号来执行对第一单电池和第二单电池的单电池平衡操作。
本发明的附加方案和/或优点将部分地在以下描述中提出，并且部分地从描述中变得清楚，或者可以通过实施本发明来获知。
附图说明
通过以下结合附图对实施例的描述，本发明的这些和/或其它方案和优点将变得清楚并更加易于理解，其中：
图1是示出根据本发明方案的单电池、电池管理系统(BMS)及其外围设备的示图；
图2是示出根据本发明方案的MCU的框图；
图3是示出根据本发明方案的单电池平衡单元的各元件的框图；
图4是示出根据本发明方案的单电池平衡单元中的第一单电池平衡控制器所处理的波形的时序图；
图5是示出根据本发明方案的单电池平衡单元中的每个单电池平衡控制器所处理的波形的时序图；和
图6是示出根据本发明方案的单电池平衡单元中的单电池平衡驱动器的电路图。
具体实施方式
现在详细描述本发明的实施例，本发明的示例图示在附图中，其中整个文件中相似的附图标记指示相似的元件。以下通过参考附图来描述实施例，从而阐述本发明。
图1是根据本发明方案的单电池、电池管理系统(BMS)及其外围设备的示图。如图1所示，车辆系统包括电池管理系统(BMS)1、电池2、电流传感器3、马达控制单元(MTCU)4、转换器5和电动发电机6。
电池2包括多个子组2a-2h，在子组中多个单电池串联连接。在图1中示出，电池2具有8个子组2a-2h，并且子组2a-2h中的每一个都包括多个单电池。不过，本发明不局限于此。电池2可以包括更多或更少数量的子组，并且每个子组可以包括更多或更少数量的单电池。进一步地，单电池可以串联或并联排列，并且电池2可以表示多个串联或并联排列的电池2。电池2的输出端子连接到转换器5。
电流传感器3测量电池2的输出电流，并将所测到的电流输出至BMS 1的检测单元20。电流传感器3可以利用霍尔器件来测量电流。这种电流传感器3可以是输出与所测量到的电流相对应的模拟电流信号的霍尔变流器(Hall CT)，或者是输出与流过被置于负载线路上的电阻器的电流值相对应的电压信号的分流电阻器。
BMS 1包括单电池平衡单元10、检测单元20和微控单元(MCU)30。单电池平衡单元10对每个单电池的电量状态进行平衡。也就是说，单电池平衡单元10对具有相对较高电量状态的单电池进行放电，而对具有相对较低电量状态的单电池进行充电。
检测单元20测量电池的电压V、电池电流I和电池温度T，并将它们传送给MCU 30。MCU 30通过累加电池2中的各单电池的电压并用累加结果除以电池2中的单电池的数量来计算所有单电池的平均电压。然后，MCU30将所计算的平均电压与电池2中的每个单电池的电压进行比较。如果平均电压与每个单电池的电压之差的绝对值大于预定的设定点电压，那么MCU 30向单电池平衡单元10传送控制信号来执行单电池平衡操作，从而对单电池的电量状态进行平衡。根据本发明方案的控制信号包括单电池电压D1-D32、单电池平衡启动信号S0、第一控制器选择信号S1和第二控制器选择信号S2。MCU 30产生单电池电压信号D1-D32、单电池平衡启动信号S0、第一控制器选择信号S1和第二控制器选择信号S2，并通过35个输入和输出端口将所产生的信号传送至单电池平衡单元10。MCU 30利用来自检测单元20的电压V、电池电流I和电池温度T来估计电池2的电量状态(SOC)和电池2的良好状态(SOH)，并且控制电池的充电操作和放电操作。
MTCU 4基于有关车辆的加速器、减速器和当前速度的信息来分析车辆的驱动状态，并确定诸如转矩水平的必要信息。具体地说，车辆的驱动状态包括车辆已点火的接通(KEY ON)状态、车辆已熄火的切断(KEY OFF)状态、匀速驱动状态和加速驱动状态。MTCU 4控制电动发电机6的输出，以使其与转矩信息一致。也就是说，MTCU 4控制转换器5的切换操作，从而控制电动发电机6的输出，以使其与转矩信息一致。MTCU 4接收从MCU30传送的电池2的SOC，并控制电池2以使其具有一目标SOC，例如55％。例如，如果MCU 30中的SOC小于约55％，则MTCU 4控制转换器5的切换，以沿着到电池2的方向输出电流，从而对电池2充电。相反，如果SOC大于约55％，则MTCU 4控制转换器5的切换，以沿着到电动发电机6的方向输出电流，从而对电池2放电。
转换器5基于来自MTCU 4的控制信号对电池进行充电和放电。电动发电机6基于从MTCU 4传送来的转矩信息，利用电池2的电能来驱动车辆。因此，MTCU 4根据SOC来对电池2充以与可充电量相等的电量或使电池2释放与可放电量相等的电量，以避免电池2被过充电或过放电。因此，电池2可以被有效地使用更长的时间。由于电池2安装到车辆中之后，很难测量电池2的实际SOC，所以BMS 1需要利用检测单元20所测到的电池电压和温度来准确估计SOC，并将所估计的SOC传送至MTCU 4。
图2是根据本发明方案的MCU的框图，其中MCU产生单电池平衡控制信号D1-D32、S0、S1和S2，并将这些信号从MCU 30传送至单电池平衡单元10。在图2中，电池2被描述成包括40个单电池，而MCU 30被描述成利用35个输入和输出端口将单电池电压信号D1-D32、单电池平衡启动信号S0、第一控制器选择信号S1和第二控制器选择信号S2传送至单电池平衡单元10。不过，本发明不局限于此。单电池电压信号和控制器选择信号的数量可以根据单电池的数量有所变化。根据本发明的方案，单电池平衡启动信号S0、第一控制器选择信号S1、第二控制器选择信号S2、单电池电压信号D1-D32和单电池平衡信号CB1-CB40都是具有恒定电平电压的信号，以控制和执行单电池平衡操作。
如图2所示，MCU 30包括电池平均电压计算器310、单电池平衡确定单元320、单电池平衡控制信号发生器330和单电池平衡控制信号传送单元331。MCU 30产生总共35个控制信号，并将所产生的35个控制信号传送至单电池平衡单元10。
电池平均电压计算器310通过累加每个单电池的电压并用累加结果除以单电池数量(例如，在本示例中为40)来计算所有单电池的平均电压。
单电池平衡确定单元320将从检测单元20传送来的每个单电池的电压与从电池平均电压计算器310传送来的所计算出的平均电压进行比较。单电池平衡确定单元320检测出电压高于或低于平均电压的单电池。如果所计算的平均电压与每个单电池的电压之差的绝对值大于预定的设定点电压，那么单电池平衡确定单元320将与所检测出的单电池有关的信息传送至单电池平衡控制信号发生器330。根据本发明的方案，与单电池有关的信息是用于从电池2的40个单电池CELL1-CELL40中识别出电压高于或低于平均电压(即超出由预定的设定点电压定义的电压范围)的单电池的信息。单电池信息包括与所检测出的单电池的位置有关的信息。
单电池平衡控制信号发生器330包括单电池平衡控制信号传送单元331。单电池平衡控制信号发生器330基于来自单电池平衡确定单元320的与所检测出的单电池有关的信息，产生32个单电池电压信号D1-D32、单电池平衡启动信号S0、第一控制器选择信号S1和第二控制器选择信号S2。
具体而言，单电池平衡启动信号S0是控制单电池平衡单元10从MCU30接收控制信号D1-D32以及S1和S2以用于单电池平衡的信号。第一控制器选择信号S1和第二控制器选择信号S2是用于有效地管理40个单电池的单电池平衡的信号。不过，这种系统不局限于40个单电池，待平衡的单电池的数量可以大于MCU 30平衡这些单电池所用的输入和输出端口的数量。根据本发明方案的BMS 1将单电池CELL 1-CELL 32分成第一组单电池，将单电池CELL 33-CELL 40分成第二组单电池。第一控制器选择信号S1对应于第一组单电池，第二控制器选择信号S2对应于第二组单电池。也就是说，如果检测出需要进行单电池平衡的单电池的位置处于包括单电池CELL1-CELL 32的第一组单电池中，那么第一控制器选择信号S1与所检测出的单电池的单电池电压信号D1-D32一起被传送至单电池平衡单元10。然后，单电池平衡单元10通过检测第一控制器选择信号S1识别出需要进行单电池平衡的单电池是第一组单电池CELL 1-CELL 32中的某一单电池，并且基于单电池电压信号D1-D32准确地选择所检测出的需要进行单电池平衡的单电池。类似地，如果检测出需要进行单电池平衡的单电池的位置处于包括单电池CELL 33-CELL 40的第二组单电池中，那么第二控制器选择信号S2与相应的单电池电压信号D1-D8一起被传送至单电池平衡单元10。单电池平衡单元10通过检测第二控制器选择信号S2识别出所检测出的需要进行单电池平衡的单电池是第二组单电池CELL 33-CELL 40中的某一单电池，并且基于单电池电压信号D1-D8准确地选择所检测出的需要进行单电池平衡的单电池。
单电池平衡控制信号传送单元331将单电池电压信号D1-D32、单电池平衡启动信号S0、第一控制器选择信号S1和第二控制器选择信号S2传送至单电池平衡单元10，以用于单电池平衡。特别地，单电池平衡控制信号传送单元331以恒定的时间间隔传送第一控制器选择信号S1和第二控制器选择信号S2。因此，如果需要进行单电池平衡的单电池处于整个40个单电池CELL 1-CELL 40中的第一组单电池CELL 1-CELL 32中，那么单电池平衡控制信号传送单元331就将需要进行单电池平衡的单电池的单电池电压信号D1-D32传送至单电池平衡单元10，同时传送第一控制器选择信号S1。类似地，如果需要进行单电池平衡的单电池处于第二组单电池CELL33-DELL 40中，那么单电池平衡控制信号传送单元331就将需要进行单电池平衡的单电池的单电池电压信号D1-D8传送至单电池平衡单元10，同时传送第二控制器选择信号S2。
以下，将描述根据本发明方案的单电池平衡单元10。图3是示出根据本发明方案的单电池平衡单元10的各元件的框图。
单电池平衡单元10包括第一单电池平衡控制器110、第二单电池平衡控制器120和单电池平衡驱动器130。单电池平衡单元10从MCU 30接收总共35个控制信号，即单电池电压信号D1-D32，以及单电池平衡启动信号S0、第一控制器选择信号S1和第二控制器选择信号S2。当单电池平衡启动信号S0从高电平变成低电平时，单电池平衡单元10中的第一单电池平衡控制器110和第二单电池平衡控制器120被控制，以接收单电池电压信号D1-D32以及第一控制器选择信号S1和第二控制器选择信号S2，从而用于单电池平衡。
第一单电池平衡控制器110包括4个单电池平衡信号发生器111-114。第一单电池平衡控制器110从MCU 30接收32个单电池电压信号D1-D32、单电池平衡启动信号S0和第一控制器选择信号S1，并产生对应于所接收到的单电池电压信号D1-D32的单电池平衡信号CB1-CB32。具体而言，第一单电池平衡控制器110由单电池平衡启动信号S0来控制，以接收单电池电压信号D1-D32和第一控制器选择信号S1。第一单电池平衡控制器110在第一控制器选择信号S1具有高电平电压的时间段内接收单电池电压信号D1-D32，产生对应于所接收到的单电池电压信号D1-D32的单电池平衡信号CB1-CB32，并将所产生的单电池平衡信号CB1-CB32传送至单电池平衡驱动器130。
第二单电池平衡控制器120包括第五单电池平衡信号发生器121，其从MCU 30接收8个单电池电压信号D1-D8、单电池平衡启动信号S0和第二控制器选择信号S2，并产生对应于所接收到的8个单电池电压信号D1-D8的单电池平衡信号CB33-CB40。具体而言，第二单电池平衡控制器120由单电池平衡启动信号S0来控制，以接收单电池电压信号D1-D8和第二控制器选择信号S2。第二单电池平衡控制器120在第二控制器选择信号S2具有高电平电压的时间段内接收单电池电压信号D1-D8，产生对应于所接收到的单电池电压信号D1-D8的单电池平衡信号CB33-CB40，并将所产生的单电池平衡信号CB33-CB40传送至单电池平衡驱动器130。
由于本发明的示范性实施例中单电池的数量局限为40个，所以第二单电池平衡控制器120只包括单个单电池平衡信号发生器121，这不同于第一单电池平衡控制器110，它包括第一单电池平衡信号发生器111-第四单电池平衡信号发生器114。不过，本发明不局限于此。第二单电池平衡控制器120的数量可以根据电池2中配置的单电池数量有所增加。如果第二单电池平衡控制器120与第一单电池平衡控制器110具有相同的结构，那么可以控制总共64个单电池。也就是说，MCU 30可以利用35个输入和输出端口来控制最多64个单电池的单电池平衡。如果电池2具有多于64个的单电池，那么可以通过降低单电池电压信号D1-D32的数量并增加单电池平衡单元10中的单电池平衡控制器的数量，利用MCU 30的有限的输入和输出端口来有效地管理单电池。
以下，将参考图4和图5描述根据本发明方案的用于执行单电池平衡操作的单电池平衡控制信号的时序图。
图4是根据本发明方案的单电池平衡单元中的第一单电池平衡控制器所处理的波形的时序图。也就是说，图4示出当单电池CELL 8和CELL 15的电压高于或低于所有单电池CELL 1-CELL 40的平均电压(即超出预定的设定点电压或范围所定义的容许电压)时的每个单电池平衡控制信号的波形。
单电池平衡单元10中的第一单电池平衡控制器110从MCU 30接收单电池平衡启动信号S0、第一控制器选择信号S1以及单电池电压信号D8和D15，并产生用于各单电池的单电池平衡信号CB8-CB15。
第一单电池平衡控制器110中的第一单电池平衡信号发生器111被控制，以在施加单电池平衡启动信号S0的时刻T1时，接收第一控制器选择信号S1和单电池电压信号D8。在第一控制器选择信号S1被施加以高电平脉冲的时段M1on_1内，检测出具有高电平脉冲的单电池电压信号D8。第一单电池平衡信号发生器111在单电池电压信号D8下降的时刻T11，产生低电平的单电池平衡信号CB8。第一单电池平衡控制器110中的第二单电池平衡信号发生器112被控制，以在施加单电池平衡启动信号S0的时刻T1时，接收第一控制器选择信号S1和单电池电压信号D15。在第一控制器选择信号S1被施加以高电平脉冲的时段M1on_1内，施加具有高电平脉冲的单电池电压信号D15。然后，第二单电池平衡信号发生器112在单电池电压信号D15下降的时刻T21，产生低电平的单电池平衡信号CB15。MCU 30产生具有高电平脉冲时段M1on_2和M1on_3的第一控制器选择信号S1以及高电平脉冲的单电池电压信号D8和D15，并将所产生的第一控制器选择信号S1传送至单电池平衡单元10，从而结束单电池平衡。在结束CELL 8的单电池平衡之后，第一单电池平衡信号发生器111在第一控制器选择信号S1被施加以高电平脉冲的时段M1on_2内，检测出具有高电平脉冲的单电池电压信号D8。第一单电池平衡信号发生器111在单电池电压信号D8下降的时刻T12，产生高电平的单电池平衡信号CB8，从而结束单电池平衡。类似地，在CELL 15的单电池平衡结束以后，第二单电池平衡信号发生器112在第一控制器选择信号S1被施加以高电平脉冲的时段M1on_3，施加具有高电平脉冲的单电池电压信号D15。在单电池电压信号D15下降的时刻T22，产生高电平的单电池平衡信号CB 15，从而结束单电池平衡。
图5是根据本发明方案的单电池平衡单元中的第一单电池平衡控制器110和第二单电池平衡控制器120所处理的波形的时序图。也就是说，图5示出当单电池CELL 8和CELL 40的电压高于或低于所有单电池CELL1-CELL 40的平均电压，即超出预定的设定点电压或范围所定义的容许电压)时，各单电池平衡控制信号的波形。
为了对单电池CELL 8和CELL 40进行平衡，单电池平衡单元10中的第一单电池平衡控制器110从MCU 30接收单电池平衡启动信号S0、第一控制器选择信号S1和单电池电压信号D8，并产生针对单电池CELL 8的单电池电压信号CB8。单电池平衡单元10中的第二单电池平衡控制器120从MCU 30接收单电池平衡启动信号S0、第二控制器选择信号S2和单电池电压信号D8，并产生单电池电压信号CB40。因为单电池电压信号D8专用于单电池CELL 8和CELL 40，所以第一和第二单电池平衡控制器都从MCU 30接收单电池电压信号D8。例如，如果对单电池CELL 8和CELL 39进行平衡，那么第一单电池平衡控制器110将接收单电池电压信号D8，而第二单电池平衡控制器120将接收单电池电压信号D7。
第一单电池平衡控制器110的第一单电池平衡信号发生器111被控制，以在施加单电池平衡启动信号S0的时刻T1’，接收第一控制器选择信号S1和单电池电压信号D8。在第一控制器选择信号S1被施加以高电平脉冲的时段M1on_1’内，施加具有高电平脉冲的单电池电压信号D8。然后，第一单电池平衡信号发生器111在被施加以第一控制器信号S1的高电平脉冲的时段M1on_1’内所施加的单电池电压信号D8下降的时刻T11’，产生低电平的单电池平衡信号CB8。类似地，第二单电池平衡控制器120中的第五单电池平衡信号发生器121被控制，以在施加单电池平衡启动信号S0的时刻T1’，接收第二控制器选择信号S2和单电池电压信号D8。然后，在预定的时间间隔(大约为T21’和T11’之差)后所施加的第二控制器选择信号S2施加以高电平脉冲的时段M2on_1’内，施加具有高电平脉冲的单电池电压信号D8。接着，第五单电池平衡信号发生器121在被施加以第二控制器信号S2的高电平脉冲的时段M2on_1’内所施加的单电池电压信号D8的下降时刻T21’，产生低电平的单电池平衡信号CB40。MCU 30产生在时段M1on_2’内为高电平脉冲的第一控制器选择信号S1、在时段M2on_2’内为高电平脉冲的第二控制器选择信号S2和具有高电平脉冲的单电池电压信号D8，并将所产生的信号传送到单电池平衡单元10，从而结束单电池平衡操作。在结束CELL8的单电池平衡操作之后，第一平衡控制器110的第一单电池平衡信号发生器111在第一控制器选择信号S1具有高电平脉冲的时段M1on_2’内，检测出具有高电平脉冲的单电池电压信号D8。在单电池电压信号D8下降的时刻T12’，产生高电平的单电池平衡信号CB8，从而结束单电池平衡操作。类似地，在CELL 40的单电池平衡操作结束后，第二单电池平衡控制器120的第五单电池平衡信号发生器121在第二控制器选择信号S2被施加以高电平脉冲的时段M2on_2’内，检测出具有高电平脉冲的单电池电压信号D8。在单电池电压信号D8下降的时刻T22’，产生高电平的单电池平衡信号CB40，从而结束单电池平衡操作。
图6是单电池平衡单元10中的单电池平衡驱动器130的电路图，单电池平衡驱动器130通过接收从第一单电池平衡控制器110和第二单电池平衡控制器120输出的单电池平衡信号CB1-CB40，来控制单电池平衡操作。单电池平衡驱动器130的单电池平衡驱动电路连接到电池2中的单电池CELL1-CELL 40的正端子(+)和负端子(-)，并通过接收单电池平衡信号CB1-CB40来执行单电池平衡操作。
当单电池CELL 1-CELL 40中的单电池CELL 8的电压高于或低于所有单电池CELL 1-CELL 40的平均电压，即超出预定的设定点电压或范围所定义的容许电压时，单电池平衡单元10中的单电池平衡驱动器130从第一单电池平衡控制器110中的第一单电池平衡信号发生器111接收单电池平衡信号CB8，并执行单电池CELL 8的单电池平衡操作。
具体而言，在单电池平衡信号CB 8于图5的时刻T11’下降之后且保持低电平的时段T11’-T12’内，光电二极管PD被单电池平衡驱动器130的VDD与单电池平衡信号CB8的电压差偏置，从而发光。然后，晶体管Q2对应于光电二极管PD所产生的光电流而导通。从单电池CELL 8的正端子(+)输出的部分电流通过导通的晶体管Q2施加到电阻器R3，而晶体管Q1由于在电阻器R3处产生的电压差而导通。因此，单电池CELL 8沿着放电路径被平衡，此时电流从单电池CELL 8的正端子(+)通过电阻器R2流经导通的晶体管Q1的集电极C直到发射极E。尽管单电池平衡驱动器130示出为包括光电二极管PD、晶体管Q1和Q2以及电阻器R1-R5，但是单电池平衡驱动器130不局限于此。例如，不使用光电二极管PD，而是可以使用直接电连接到晶体管Q2的基极B的二极管来导通晶体管Q2。进一步地，可以转变晶体管Q1和Q2的极性，或者可以用场效应晶体管来替换。
根据本发明的各方案，如果单电池CELL 8和CELL 40的电压高于或低于所有单电池CELL 1-CELL 40的平均电压，即超出预定的设定点电压或范围所定义的容许电压时，那么单电池平衡单元10中的第一和第二单电池平衡控制器从MCU 30接收单一单电池电压信号D8，为单电池CELL 8和CELL40产生单电池平衡信号CB8和CB40，并执行用于对单电池CELL 8和CELL40进行平衡的单电池平衡操作。由于单电池电压信号D1-D32中的每一个能对至少两个单电池进行平衡，所以具有超过40个单电池的电池的单电池平衡，可以利用MCU 30的有限数量的输入和输出端口有效地进行管理。
尽管已经示出和描述了本发明的若干实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不偏离本发明的原则和精神的情况下可以对实施例进行改变，而本发明的范围限定在权利要求书及其等同替换中。
根据本发明的特定实施例，MCU产生少于电池中的单电池数量的单电池电压信号。所产生的每个单电池电压信号被传送至单电池平衡单元，并用于对至少两个单电池进行平衡。因此，根据本发明实施例的BMS可以利用MCU的有限数量的输入和输出端口来有效地管理具有多个单电池的电池。
常规地，根据电池中的单电池数量的增加，MCU需要有更多数量的输入和输出端口，因此增加了MCU的制造成本，并且在BMS中需要更大的空间。根据本发明的特定实施例，由于按照原样来使用常规MCU的有限的输入和输出端口，所以可以避免制造成本增加，而且也不必占用BMS较大的空间。因此，根据本发明实施例的BMS可以有效地管理具有多个待平衡的单电池的电池。

Claims (18)

1、一种电池管理系统，用于管理具有多个单电池的电池，包括：
检测单元，其用于测量所述多个单电池中的每个单电池的单电池电压；
微控单元，其用于根据所测量到的多个单电池电压来检测需要进行单电池平衡的单电池，并产生多个单电池电压信号以控制所检测出的单电池的单电池平衡；和
单电池平衡单元，其用于根据所述多个单电池电压信号执行单电池平衡操作，以对所检测出的单电池进行平衡，
其中，所述多个单电池电压信号的数量少于所述多个单电池的数量，所述单电池平衡单元产生对应于所述多个单电池电压信号的多个单电池平衡信号，并且所述多个单电池电压信号中的至少一个对所述多个单电池中的至少两个单电池进行平衡，并且其中所述微控单元产生对应于所述至少两个单电池中一单电池的那个单电池电压信号，以对所述至少两个单电池进行平衡，并且在一时间间隔后，产生对应于所述至少两个单电池中其它单电池的那个单电池电压信号。
2、如权利要求1所述的电池管理系统，其中，
所述微控单元产生多个控制器选择信号，所述控制器选择信号对应于传送至所述单电池平衡单元的所述多个单电池电压信号中一个对所述多个单电池中的至少两个单电池进行平衡的电压信号，并且
所述单电池平衡单元响应于所述多个控制器选择信号接收该单电池电压信号。
3、如权利要求2所述的电池管理系统，其中，
所述单电池平衡单元根据所述单电池电压信号产生第一单电池平衡信号和第二单电池平衡信号以控制单电池平衡，并且
响应于所述多个控制器选择信号，分别将该第一单电池平衡信号和该第二单电池平衡信号传送至所述至少两个单电池。
4、如权利要求3所述的电池管理系统，其中，所述单电池平衡单元通过以一时间间隔来区分所述第一单电池平衡信号和所述第二单电池平衡信号，来根据所述多个控制器选择信号产生所述第一单电池平衡信号和所述第二单电池平衡信号。
5、如权利要求4所述的电池管理系统，其中所述单电池平衡单元根据所述第一单电池平衡信号或所述第二单电池平衡信号，对对应于所述第一单电池平衡信号和所述第二单电池平衡信号的单电池进行充电/放电。
6、一种用于管理多个单电池的电池管理系统，包括：
微控单元，其用于产生多个单电池电压信号、多个控制器选择信号和至少一个单电池平衡启动信号，以控制单电池平衡操作从而对所述多个单电池中的单电池的电压进行平衡，并用于将所产生的单电池电压信号和控制信号传送至多个输出端口；
连接至该微控单元的第一单电池平衡控制器，其用于根据所述多个控制器选择信号中一控制器选择信号接收第一组多个单电池电压信号，并且根据所述第一组多个单电池电压信号产生第一组多个单电池平衡信号；
连接至该微控单元的第二单电池平衡控制器，其用于根据所述多个控制器选择信号中另一控制器选择信号接收第二组多个单电池电压信号，并且根据所述第二组多个单电池电压信号产生第二组多个单电池平衡信号；和
连接至该第一单电池平衡控制器和该第二单电池平衡控制器的单电池平衡驱动器，其用于接收所述第一组多个单电池平衡信号和所述第二组多个单电池平衡信号，并且平衡对应于这些单电池平衡信号的单电池的电压，
其中，所述第一组多个单电池电压信号之一和所述第二组多个单电池电压信号之一通过所述微控单元的多个输出端口之一传输，并且其中根据所述多个控制器选择信号，将所述传输自多个输出端口中的同一输出端口的单电池电压信号以一时间间隔分开地分别传送至所述第一单电池平衡控制器和所述第二单电池平衡控制器。
7、如权利要求6所述的电池管理系统，其中，
在所述第一组多个单电池电压信号中的一个单电池电压信号和所述第二组多个单电池电压信号中的一个单电池电压信号通过所述微控单元的多个输出端口中的同一输出端口传输时，
所述第一单电池平衡控制器和所述第二单电池平衡控制器分别根据所述以一时间间隔分开的、所述第一组多个单电池电压信号中那个单电池电压信号和所述第二组多个单电池电压信号中那个单电池电压信号，产生所述第一组多个单电池平衡信号中的一个单电池平衡信号和所述第二组多个单电池平衡信号中的一个单电池平衡信号，并将所产生的单电池平衡信号传送至所述单电池平衡驱动器。
8、如权利要求7所述的电池管理系统，其中，
所述第一单电池平衡控制器从所述微控单元的多个输出端口中的同一输出端口传送所述第一组多个单电池平衡信号中那个单电池平衡信号，
所述第二单电池平衡控制器在所述时间间隔之后，从所述微控单元的多个输出端口中的同一输出端口传送所述第二组多个单电池平衡信号中那个单电池平衡信号。
9、如权利要求8所述的电池管理系统，其中所述单电池平衡驱动器包括：
多个开关，每个开关都具有第一端和第二端，其中所述多个开关中一个开关的第一端连接至所述多个单电池中一个单电池的正端子上，所述多个开关中那个开关的第二端连接至所述多个单电池中那个单电池的负端子上，并且所述多个开关由所述第一组多个单电池平衡信号和所述第二组多个单电池平衡信号来导通。
10、如权利要求9所述的电池管理系统，进一步包括：
多个光电二极管，它们响应于所述第一组多个单电池平衡信号和所述第二组多个单电池平衡信号来发光；和
多个第一晶体管，它们光电耦合到所述多个光电二极管上，
其中，所述多个开关中的一个开关响应于流过所述多个第一晶体管中一第一晶体管的电流来导通。
11、如权利要求10所述的电池管理系统，其中所述多个开关中的每个开关均包括：
第二晶体管，其包括对应于所述开关两端的第一电极和第二电极、以及接收与流过所述第一晶体管的电流对应的电压的控制电极；
第一电阻器，其具有连接至该第二晶体管的第一电极上的第一端、和连接至所述多个单电池中一单电池的第一端上的第二端；和
第二电阻器，其具有连接至该第二晶体管的控制电极上的第一端、和连接至该单电池的第二端上的第二端。
12、一种电池管理系统的驱动方法，该电池管理系统用于包括多个单电池的电池，所述多个单电池包括含有至少两个单电池的第一组单电池和含有至少两个单电池的第二组单电池，该方法包括：
从所述多个单电池的第一组和第二组中检测需要进行单电池平衡的单电池；
确定第一组中需要进行单电池平衡的第一单电池是否与第二组中需要进行单电池平衡的第二单电池共用控制单元的输出端口；
如果该第一单电池与该第二单电池共用该输出端口，则产生一个与所述第一单电池对应的单电池电压信号，并在一时间间隔后再产生一个与所述第二单电池对应的单电池电压信号，来控制该第一单电池和该第二单电池的单电池平衡；
如果该第一单电池不与该第二单电池共用该输出端口，则产生针对该第一单电池的第一单电池电压信号和针对该第二单电池的第二单电池电压信号；并且
根据所述单电池电压信号来对该第一单电池和该第二单电池进行平衡。
13、如权利要求12所述的驱动方法，其中所述检测单电池的步骤进一步包括：
通过对所述多个单电池中各单电池的电压求和并用各单电池电压之和除以所述多个单电池的单电池数量来计算电池的平均电压；并且
检测具有一包括所计算的平均电压与各单电池电压之差的电压差的单电池，
其中当所述电压差大于一预定的设定点时，检测出所检测的单电池。
14、如权利要求12所述的驱动方法，其中所述进行平衡的步骤进一步包括：
根据所述单电池电压信号，产生以一时间间隔分开的针对所述第一单电池的单电池平衡信号和针对所述第二单电池的单电池平衡信号；并且
根据所述单电池平衡信号，执行对所述第一单电池和所述第二单电池的单电池平衡操作。
15、如权利要求1所述的电池管理系统，其中所述单电池平衡单元包括：
多个单电池平衡控制器，以从微控单元接收所述多个单电池电压信号。
16、如权利要求15所述的电池管理系统，其中所述微控单元将对所述多个单电池中的至少两个单电池进行平衡的所述多个单电池电压信号中的至少一个传送至所述多个单电池平衡控制器中的至少两个单电池平衡控制器。
17、如权利要求16所述的电池管理系统，其中所述至少两个单电池平衡控制器中的每个均产生单电池平衡信号，以传送至所述多个单电池中的对应单电池。
18、如权利要求1所述的电池管理系统，其中所述微控单元产生单电池平衡启动信号以控制所述单电池平衡单元。
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