電池電壓平衡裝置及電池充電裝置的製作方法
2023-06-21 11:27:31 1
專利名稱：電池電壓平衡裝置及電池充電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電池電壓平衡裝置及電池充電裝置，特別涉及分時進行電池電壓偵測及電池電壓平衡的電池電壓平衡裝置及電池充電裝置。
背景技術：
隨著可攜式電子產品的發展，可充電式電池的需求也隨之而起。充電式電池包括目前的鎳鎘電池、後續開發的鎳氫電池、鋰離子電池以及最新開發的鋰聚合物 (Li-Polymer)電池。不同種類的可充電式電池所提供的電壓也不盡相同，而可攜式電子產品所需的操作電壓也有所不同。因此，電池製造業者會配合可攜式電子產品的操作電壓，將數顆電池串聯成電池模塊以提供所需的電壓。電池模塊在電池的電能耗盡時，需用充電器再充滿電以供下次使用。然而，電池會因製造或使用而造成蓄電量有所不同。舉例來說，7. 4V鋰電池模塊是由兩顆3. 7V的鋰電池串聯組成。在出廠時，兩顆電池的蓄電量分別是80%及70%。由於鋰電池過充會損害電池本身，因此，鋰電池充電器在任意一顆鋰電池充飽時即停止充電，此時，兩顆電池的蓄電量分別為100% (電池充電的最上限)及90%。而使用時，只要任意一電池蓄電量降至0% (電池放電的最下限)，電池模塊即無法使用，因此，這兩顆電池的蓄電量降至分別為10% 及0%時，即需再充電才能使用。由上述例子可知，當電池模塊的電池的蓄電量有所不同時，電池模塊的實際可使用電能將由蓄電量最低的電池所決定。而除了上述出廠時電池模塊的各電池蓄電量可能不同外，電池在未使用時，也會自放電，在每個電池自放電速率不同的情況下，也會造成電池間蓄電量逐漸不平衡，使電池模塊實際可使用電能會隨著電池使用時間而逐漸變少，造成電池模塊的使用效率低落，使用時間也變短。圖1為Intersil在其ISL9208的產品規格表(Datasheet)中所揭露的數字電池平衡控制器。如圖1所示，一數字電池平衡控制器10包括一電池平衡微處理器5和電晶體開關S1-S7。電晶體開關S1-S7分別通過電阻R1-R7與電池BAT1-BAT7並聯。電池BAT1-BAT7 的電壓經模擬/數字轉換器(A/D Converter)轉換成數位訊號，該電池平衡控制微處理器 5根據電池BAT1-BAT7的電壓數位訊號，經內建算法比較出其中電池電壓較高的電池，並導通該較高電池電壓的電池並聯的電晶體開關，使各電池的充電電流可根據各電池的電壓調整而達到平衡充電的功能。然而由於每個電池都具有內阻，在進行平衡充電時，各電池的充電電流並不相同， 即較高電池電壓的電池的充電電流較小，因此使得電池電壓的量測並不正確。尤其對於具有大電池容量的電池模塊或者使用快充充電，其充電電流較大而造成電池電壓的量測誤差更大。
發明內容
鑑於現有技術中的電池平衡方式未考慮電池內阻對於電池電壓量測會造成誤差，
4使電池平衡不精確或者甚至造成電池平衡動作的頻繁的啟動/停止。本發明利用分時進行電池電壓偵測及電池電壓平衡，使得電池電壓平衡過程的充/放電流的不一致不會影響電池電壓的偵測。為達到上述目的，本發明提供了一種電池電壓平衡裝置，包括一時序控制單元、一平衡判斷單元和一電池電壓平衡單元。時序控制單元系用以交替地決定一偵測時序及一平衡時序，其中偵測時序與平衡時序彼此不重迭。平衡判斷單元耦接串聯的多個電池單元和時序控制單元，平衡判斷單元在偵測時序時偵測多個電池單元的電池電壓，以決定是否啟動一電池電壓平衡程序。電池電壓平衡單元耦接該多個電池單元、平衡判斷單元和時序控制單元，當電池電壓平衡程序啟動時，該平衡時序使最高電池電壓得電池單元與最低電池電壓的電池單元的充/放電速率具有一差值，使多個電池單元中任意兩個電池單元之電池電壓差縮小至一第一預定值或一第一預定百分比以內。本發明也提供了一種電池充電裝置，用以對一電池模塊充電，電池模塊包括串聯的多個電池單元。電池充電裝置包括一充電控制單元、一時序控制單元、一平衡判斷單元和一電池電壓平衡單元。充電控制單元耦接一電源和電池模塊，用以控制電源以提供一充電電流至電池模塊進行充電。時序控制單元用以交替地決定一偵測時序和一平衡時序，其中偵測時序與平衡時序彼此不重迭。平衡判斷單元耦接該多個電池單元和時序控制單元，平衡判斷單元在偵測時序時偵測該多個電池單元得電池電壓，以決定是否啟動一電池電壓平衡程序。電池電壓平衡單元耦接該多個電池單元、平衡判斷單元和時序控制單元，當電池電壓平衡程序啟動時，平衡時序使最高電池電壓的電池單元與最低電池電壓的電池單元的充電速率具有一差值，使多個電池單元中任意兩個電池單元的電池電壓差縮小至一第一預定值或一第一預定百分比以內。以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其它目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。
圖1為Intersil在其ISL9208的產品規格表(Datasheet)中所揭露的數字電池平衡控制器；
圖2為本發明電池充電裝置的電路框圖； 圖3為本發明第一實施例電池電壓平衡裝置的電路框圖； 圖4為本發明第二實施例電池電壓平衡裝置的電路框圖。
主要附圖標記說明電池平衡微處理器5 ； 電晶體開關S1 S7 ； 電阻=Rl R7 ； 平衡判斷單元:110、210、310 時序控制單元130、230、230 充電開關145 ； 參考電壓產生電路214、314 電池電壓平衡電路224、324
數字電池平衡控制器10; 電晶體開關S1 S7 ； 電池BATl BAT7 ； 電池電壓平衡單元=120,220,320 充電控制單元140 ； 偵測電路212、312 ； 平衡控制電路222、322 ； 第一時序產生電路232;
第二時序產生電路234 ；時序產生電路332 ；電池單元Celll、Cell2、C充電電流Ich;第二時序信號t2 ；平衡啟動信號BC ；偵測時間電容Cde;第二重設信號Re2 ；電池電壓偵測信號DETi ；時間電容Ct;啟動信號EN。
儲能電路326 ； 電池模塊BAT ； ；電源VCC ；
第一時序信號tl ； 電池電壓偵測信號DET1、DET2、 DET3 ；
電池內阻Ril、Ri2、Ri3 ； 第一重設信號Rel ； 參考電壓信號Vr ； 控制信號=Sj ； 電流偵測信號=Isei ；
具體實施例方式圖2為本發明電池充電裝置的電路框圖。如圖2所示，電池充電裝置包括一充電控制單元140、一平衡判斷單元110、一電池電壓平衡單元120以及一時序控制單元130，用以對一電池模塊BAT充電，其中電池模塊BAT包括串聯的多個電池單元，而平衡判斷單元110、 電池電壓平衡單元120和時序控制單元130組成一電池電壓平衡裝置。在本實施例中，電池模塊BAT以包括三個電池單元Celll、Cell2、Cell3為例來說明。充電控制單元140耦接一電源VCC和電池模塊BAT，通過充電開關145控制電源 VCC決定是否提供一充電電流Ich至電池模塊BAT進行充電。時序控制單元130交替地產生一第一時序信號tl、一第二時序信號t2至平衡判斷單元110和電池電壓平衡單元120， 以控制平衡判斷單元110和電池電壓平衡單元120的動作時間。也就是，第一時序信號tl 和第二時序信號t2分別代表一偵測時序及一平衡時序，而且其時間上並不重迭，使平衡判斷單元110對電池單元Ce 111、Ce 112、Ce 113進行偵測的時間與電池電壓平衡單元120對電池單元Celll、Cell2、Cell3進行電池電壓平衡的時序相互錯開、不重迭。平衡判斷單元110耦接電池模塊BAT和時序控制單元130，在接收第一時序信號 tl時根據電池單元Celll、Cell2、Cell3的電池電壓偵測信號DETl、DET2、DET3來決定是否需進行一電池電壓平衡程序。當電池單元Celll、Cell2、Cell3中任意兩個電池單元的電池電壓差超過一預定百分比或一預定電壓差時，產生平衡啟動信號BC以啟動電池電壓平衡程序。平衡啟動信號BC用以通知電池電壓平衡單元120電池模塊BAT中的各電池單元的情況，故可以配合電池模塊BAT的電池單元數量為單一信號或多個信號的組合。電池電壓平衡單元120耦接平衡判斷單元110、電池模塊BAT和時序控制單元 130，在接收平衡啟動信號BC和第二時序信號t2時進行電池電壓平衡。電池電壓平衡單元 120根據平衡啟動信號BC判斷電池模塊BAT中的電池單元哪一個具有最高的電池電壓或哪一個具有最低的電池電壓進行，使最高電池電壓的電池單元與最低電池電壓之電池單元的充電及/或放電速率(即，充電及/或放電電流)具有一差值。因此，最高電池電壓與最低電池電壓間的電壓差會逐漸減少，在電池模塊BAT中的任意兩個電池單元的電池電壓差縮小至一預定終止電壓差值或一預定終止電壓差百分比以內時，平衡判斷單元110停止電池
6電壓平衡程序。因此，當電池電壓平衡單元120進行電池電壓平衡而造成電池模塊BAT中的電池單元的電流不相同時，平衡判斷單元110停止偵測各電池單元的電池電壓，以避免不同電流大小流經電池單元Celll、Cell2、Cell3的電池內阻Ril、Ri2、Ri3時造成的偵測不精確。 而當電池電壓平衡單元120停止進行電池電壓平衡時，電池模塊BAT中的電池單元的電流因串聯而相同(充電狀態)或者處於開路狀態(非充電狀態)，此時平衡判斷單元110偵測各電池單元的電池電壓而得到精確的電池電壓值，以作為是否啟動(或維持)電池電壓平衡程序的判斷基準。由此，本發明利用分時的方式進行電池電壓偵測及電池電壓平衡，可避免現有技術中因電池內阻所造成的電池電壓偵測不精確的問題。圖3為本發明第一實施例電池電壓平衡裝置的電路框圖。如圖3所示，電池電壓平衡裝置包括一平衡判斷單元210、一電池電壓平衡單元220以及一時序控制單元230。時序控制單元230包括一第一時序產生電路232和一第二時序產生電路234。第一時序產生電路232基於一偵測時間電容Cde產生第一時序信號tl以代表偵測時序。第二時序產生電路234基於一平衡時間電容Cba產生第二時序信號t2以代表平衡時序。當偵測時間電容Cde被第一時序產生電路232充電至一預定準位時，停止產生第一時序信號tl，並同時產生一第一重設信號Rel及釋放偵測時間電容Cde所儲存的電荷。第二時序產生電路234受第一重設信號Rel觸發而產生第二時序信號t2並對平衡時間電容Cba充電。當平衡時間電容Cba充電至預定準位時，停止產生第二時序信號t2，並同時釋放平衡時間電容Cba所儲存的電荷及產生一第二重設信號Re2以觸發第一時序產生電路232產生第一時序信號tl。平衡判斷單元210包括一偵測電路212及一參考電壓產生電路214。參考電壓產生電路214產生一參考電壓信號Vr，參考電壓信號Vr可以是電池模塊中的電池單元的平均電池電壓。偵測電路212耦接第一時序產生電路232、參考電壓產生電路214和各電池單元的正端及負端，以接收參考電壓信號Vr及各電池單元的電池電壓偵測信號DETi並據此判斷是否啟動電池電壓平衡程序，其中i代表電池單元的數量，為大於1的整數。當偵測電路212接收到第一時序信號tl且判斷電池單元中任意兩個電池單元的電池電壓差超過預定百分比或預定電壓差時，偵測電路212產生平衡啟動信號BC以啟動電池電壓平衡程序。電池電壓平衡單元220包括一平衡控制電路222和一電池電壓平衡電路224。電池電壓平衡電路224包括了多個並聯於電池模塊中的電池單元的電晶體開關(未示意出)， 用以將具有較高(包括最高)電池電壓的電池單元進行放電(非充電狀態時)或減少其充電電流(充電狀態時)。平衡控制電路222根據平衡啟動信號BC決定進行電池電壓平衡時需導通的電晶體開關，並在接收到第二時序信號t2時，產生控制信號Sj控制電池電壓平衡電路224中的這些電晶體開關導通，以調整電池單元的充電或放電速率。其中，j代表電池電壓平衡電路224中的電晶體開關數量，為大於1的整數。圖3所示的電池電壓平衡裝置通過將較高電池電壓的電池單元的所儲存的電力釋放或者減少其充電電流方式，使各電池單元間的電池電壓差逐漸減少至任意兩個電池單元間的電池電壓差均小於預定終止電壓差值或預定終止電壓差百分比為止。然而，這樣的方式會造成電力損耗甚至使電池模塊的溫度不當升高。因此，電池電壓平衡單元可以改採具有一儲能電路的電池電壓平衡單元，以將上述損耗的電力改為儲存於儲能電路中，並將儲能電路所儲存的電力來對電池模塊進行充電以減少電池電壓平衡過程之電力耗損。詳細電路說明請參考圖4的說明。圖4為本發明第二實施例電池電壓平衡裝置的電路框圖。如圖4所示，電池電壓平衡裝置包括一平衡判斷單元310、一電池電壓平衡單元320和一時序控制單元330。平衡判斷單元310包括一偵測電路312和一參考電壓產生電路314。電池電壓平衡單元320包括一平衡控制電路322、一電池電壓平衡電路324和一儲能電路326。時序控制單元330包括一時序產生電路332和一時間電容Ct。時序產生電路332耦接平衡判斷單元310和電池電壓平衡單元320，並根據時間電容Ct決定偵測時序的時間長度並根據電池電壓平衡單元320的電流偵測信號Isei來決定平衡時序的時間長度。而為配合電池模塊在充電過程或特定時點才進行電池電壓平衡程序，時序產生電路332可以在接收一啟動信號EN後，才開始運作以決定偵測時序及平衡時序並對應產生第一時序信號tl及第二時序信號t2。當於偵測時序時，時序產生電路332 產生第一時序信號tl。當偵測電路312接收到第一時序信號tl且根據電池電壓偵測信號 DETi及參考電壓產生電路314所產生的參考電壓信號Vr判斷電池單元中任意兩個電池單元的電池電壓差超過預定百分比或預定電壓差時，偵測電路312產生平衡啟動信號BC以啟動電池電壓平衡程序。當時間電容Ct被時序產生電路332充電至預定準位時，時序產生電路332停止產生第一時序信號tl，並同時產生第二時序信號t2及釋放時間電容Ct所儲存之電荷。平衡控制電路322根據平衡啟動信號BC決定進行電池電壓平衡並於接收到第二時序信號t2 時，產生控制信號Sj控制電池電壓平衡電路324中的電晶體開關導通，使電池模塊中的較高電池電壓的電池單元之電力通過電池電壓平衡電路324中的電晶體開關傳送電力至儲能電路326中儲存，然後將儲能電路326所儲存的電力對的較低電池電壓的電池單元進行充電。電流偵測信號Isei代表流經電壓平衡電路324中的電晶體開關的電流大小，當電流偵測信號Isei小於一預定值時，也就是儲能電路326對較低電池電壓的電池單元充電過程即將結束，時序產生電路332將停止產生第二時序信號t2以停止平衡時序，並在其之後或同時產生第一時序信號tl。在本實施例中，時序控制單元330通過電流偵測信號Isei來判斷電池電壓平衡單元320的電池電壓平衡的進行狀態來決定平衡時序的時間長度，可配合電路的實際運作狀態而使電池電壓平衡程序有更佳的效率。當然，時序控制單元330也可以如圖3所示的時序控制單元230，設置固定時間長度的偵測時序及平衡時序。另外，電壓平衡電路324可以是一直流轉直流轉換電路，例如直流轉直流升壓轉換電路(St印-Up converter)、直流轉直流降壓轉換電路(St印-Down converter)、直流轉直流升/降壓轉換電路(SEPIC)、線性穩壓器(LDO，low dropout regulator)等具有轉換電壓功能的轉換電路，用以將電池單元中至少一電池單元的電力升壓或降壓並儲存至儲能電路326。例如當電壓平衡電路324為具有升壓功能的轉換電路，則可在平衡時序時將具有最高電池電壓的電池單元的電力轉換成高於電池模塊的電壓(即，串聯的電池單元的總電壓)儲存於儲能電路326，然後對電池模塊充電。當電壓平衡電路324為具有降壓功能的轉換電路，則可在平衡時序時將具有最高電池電壓的電池單元的電力或電池模塊的電力轉換成高於最低電池電壓的電池單元的電壓儲存在儲能電路326中，然後對最低電池電壓的電池單元充電。
再者，電池電壓平衡程序時對電池單元的頻繁地充電和/或放電而造成電池因記憶效應而降低可儲存的最大電容量或放電能力的下降。因此，平衡判斷單元可以在電池模塊中的所有電池單元的電池電壓均在一預定電池電壓區間內或高於一預定電池電壓值，才產生平衡啟動信號BC以啟動該電池電壓平衡程序，其中電池單元在預定電池電壓區間內或高於預定電池電壓時具有較輕微的記憶效應。如上所述，本發明完全符合專利三要件新穎性、進步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效變化與置換，均應設為涵蓋於本發明的範疇內。
權利要求
1.一種電池電壓平衡裝置，其特徵在於，包括一時序控制單元，用以交替地決定一偵測時序及一平衡時序，其中該偵測時序與該平衡時序彼此不重迭；一平衡判斷單元，耦接串聯的多個電池單元和該時序控制單元，該平衡判斷單元在該偵測時序時偵測該多個電池單元的電池電壓，以決定是否啟動一電池電壓平衡程序；以及一電池電壓平衡單元，耦接該多個電池單元、該平衡判斷單元和該時序控制單元，當該電池電壓平衡程序啟動時，該平衡時序使最高電池電壓的電池單元與最低電池電壓的電池單元的充/放電速率具有一差值，使該多個電池單元中任意兩個電池單元電池電壓差縮小至一第一預定值或一第一預定百分比以內。
2.根據權利要求1所述的電池電壓平衡裝置，其特徵在於，該平衡判斷單元在該多個電池單元中任意兩個電池單元的電池電壓差大於一第二預定值或一第二預定百分比時，啟動該電池電壓平衡程序。
3.根據權利要求1所述的電池電壓平衡裝置，其特徵在於，該平衡判斷單元在該多個電池單元中任意兩個電池單元的電池電壓差大於一第二預定值或一第二預定百分比且該多個電池單元的電池電壓均位於一預定電池電壓區間內或高於一第三預定值時，啟動該電池電壓平衡程序。
4.根據權利要求1至3任一權利要求所述的電池電壓平衡裝置，其特徵在於，該時序控制單元包括至少一電容，用以決定該偵測時序與該平衡時序的周期長度。
5.根據權利要求1至3任一權利要求所述的電池電壓平衡裝置，其特徵在於，該時序控制單元根據流經該電池電壓平衡單元的電流大小來決定該平衡時序的周期長度。
6.根據權利要求1至3任一權利要求所述的電池電壓平衡裝置，其特徵在於，該平衡判斷單元包括一儲能電路耦接該多個電池單元，當該電池電壓平衡程序啟動時，在該平衡時序中該儲能電路儲能並選擇性對該多個電池單元中至少一電池單元進行充電。
7.根據權利要求6所述的電池電壓平衡裝置，其特徵在於，該平衡判斷單元還包括一轉換電路，用以將該多個電池單元中至少一電池單元的電力升壓或降壓並儲存至該儲能電路。
8.—種電池充電裝置，其特徵在於，用以對一電池模塊充電，該電池模塊包括串聯的多個電池單元，該電池充電裝置包括一充電控制單元，耦接一電源和該電池模塊，用以控制該電源以提供一充電電流至該電池模塊進行充電；一時序控制單元，用以交替地決定一偵測時序和一平衡時序，其中該偵測時序與該平衡時序彼此不重迭；一平衡判斷單元，耦接該多個電池單元和該時序控制單元，該平衡判斷單元在該偵測時序時偵測該多個電池單元的電池電壓，以決定是否啟動一電池電壓平衡程序；以及一電池電壓平衡單元，耦接該多個電池單元、該平衡判斷單元和該時序控制單元，當該電池電壓平衡程序啟動時，該平衡時序使最高電池電壓的電池單元與最低電池電壓的電池單元的充電速率具有一差值，使該多個電池單元中任意兩個電池單元的電池電壓差縮小至一第一預定值或一第一預定百分比以內。
9.根據權利要求8所述的電池充電裝置，其特徵在於，該平衡判斷單元在該多個電池單元中任意兩個電池單元的電池電壓差大於一第二預定值或一第二預定百分比時，啟動該電池電壓平衡程序。
10.根據權利要求9所述的電池充電裝置，其特徵在於，該平衡判斷單元在該多個電池單元中任意兩個電池單元的電池電壓差大於一第二預定值或一第二預定百分比且該多個電池單元的電池電壓均位於一預定電池電壓區間內或高於一第三預定值時，啟動該電池電壓平衡程序。
11.根據權利要求8至10任一權利要求所述的電池充電裝置，其特徵在於，該時序控制單元包括至少一電容，用以決定該偵測時序與該平衡時序的周期長度。
12.根據權利要求8至10任一權利要求所述的電池充電裝置，其特徵在於，該平衡判斷單元包括一儲能電路耦接該多個電池單元，當該電池電壓平衡程序啟動時，在該平衡時序中該儲能電路儲能並選擇性對該多個電池單元中至少一電池單元進行充電。
13.根據權利要求8所述的電池充電裝置，其特徵在於，該平衡判斷單元還包括一轉換電路，用以將該多個電池單元中至少一電池單元之電力升壓或降壓並儲存至該儲能電路。
全文摘要
本發明提供一種電池電壓平衡裝置及電池充電裝置，現有技術中的電池平衡方式未考慮電池內阻對於電池電壓量測會造成誤差，使電池平衡不精確或者甚至造成電池平衡動作的頻繁的啟動/停止。本發明利用分時進行電池電壓偵測及電池電壓平衡，使得電池電壓平衡過程的充/放電流的不一致不會影響電池電壓的偵測。
文檔編號H01M10/44GK102222941SQ201010146528
公開日2011年10月19日 申請日期2010年4月13日 優先權日2010年4月13日
發明者餘仲哲, 彭科, 徐獻松, 李立民 申請人:登豐微電子股份有限公司