CN104767000A - 用于堆叠充电电池芯间电量转移的控制方法及电路 - Google Patents

Abstract

一种用于堆叠充电电池芯间电量转移的控制方法及电路。该电路包含一电感器、一第一开关、一第二开关与一控制器。导通电量较高的充电电池芯与该电感器的回路，使该电感器储存电量，直到流经电感器的电流达到该截止量为止；接着导通电量较低的充电电池芯与该电感器的回路，使该电感器将储存的电量释放至该电量较低的充电电池芯，直到流经电感器的电流方向改变，以达到充电电池芯间平衡的目的。

Description

用于堆叠充电电池芯间电量转移的控制方法及电路

技术领域

本发明关于一种电量转移的控制方法及其电量转移电路，特别是关于一种用于堆叠充电电池芯间电量转移的控制方法及其电量转移电路。

背景技术

充电电池广泛地应用于许多产品中，诸如笔记本电脑、平板电脑、移动电话，甚至是大型的电动车。充电电池一般由多个规格相同的充电电池芯并联或串联堆叠组成，以达到供应电能的目的。虽然各充电电池芯的来源可能相同，但由于各充电电池芯间会有材料或制造上的一些差异，导致充电电池在使用的时候（充电或放电），充电电池芯间会有不平衡的现象发生。充电电池芯的不平衡现象容易造成充电电池电量的降低，甚至充电电池芯容易因过充而减短使用寿命。解决充电电池芯不平衡问题是各个充电电池开发阶段要面临的重要课题。

为了要解决上述问题，许多已知技术提供了平衡电路，以便能动态地平衡相邻两充电电池芯的电量。一个较常用的方法如图1所示，其为一种传统的多电池芯平衡电路10的示意图，该平衡电路10包含一电池芯101、一电池芯102和一电池芯103在内的多个电池芯串联连接与一控制器100。电池芯102的阳极通过一电阻112与控制器100的一端口122耦合。电池芯102的阴极通过一电阻111与控制器100的一端口121耦合。在控制器100内，内部分路路径132与电池芯102并联。该内部分路路径132连接一内部分流控制开关142。控制器100通过一控制信号D2控制该内部分流控制开关142。

电池芯101的阳极通过一电阻111与控制器100的一端口121耦合。电池芯101的阴极通过一电阻100与控制器100的一端口120耦合。在控制器100内，内部分路路径131与电池芯101并联。内部分路路径131连接一内部分流控制开关141。控制器100通过一控制信号D1控制该内部分流控制开关141。电池芯103的阳极通过一电阻113与控制器100的一端口123耦合。电池芯103的阴极通过一电阻112与控制器100的一端口122耦合。在控制器100内，内部分路路径133与电池芯103并联。内部分路路径133连接一内部分流控制开关143。控制器100通过一控制信号D3控制内部分流控制开关143。

当电池芯间有不平衡的情况发生时，如电池芯102的电压比电池组中其他电池芯的电压更高时，控制器100导通内部分流控制开关142，使一分路电流（未绘示）流经内部分路路径132，从而使得对电池芯102的充电速度减缓，使得电池组各电池芯的电压趋向于平衡。

然而，这种方法的缺点在于分路电流产生的热量，热量会在控制器100内部累积，有可能损坏控制器100。再者，为了平衡电池芯，消耗了电压较高的电池芯的电量，反而降低了电池组的性能。

因此，有效的用于堆叠充电电池芯间电量转移的控制方法及其电量转移电路，仍有待业界努力研发。

发明内容

已知的充电电池芯平衡电路存在着产生热量及造成额外耗能的缺点，因而需要可以控制各个充电电池芯在各种运作状况下，皆能有效进行充电电池芯的平衡作用，不致消耗较大充电电池芯电量的电量转移电路。本发明所提供的电量转移控制方法及电路即满足上述需求。

本发明的一个实施例中，一种用于堆叠充电电池芯间电量转移的控制方法，包含以下步骤：提供一电感器，分别与串联的两个充电电池芯并联连接但不电性导通，其中一充电电池芯的正极与另一充电电池芯的负极之间以直接或间接方式电连接而形成回路；设定流经该电感器的电流的一截止量；确定两个充电电池芯哪一个电量较高；导通电量较高的充电电池芯与该电感器的回路，使该电感器储存电量，直到流经电感器的电流达到该截止量为止；及导通电量较低的充电电池芯与该电感器的回路，使该电感器将储存的电量释放至该电量较低的充电电池芯，直到流经电感器的电流方向改变。

其中，电量状态较高的充电电池芯的电量较高。

本发明的另一实施例中，一种用于堆叠充电电池芯间电量转移的电路，包含：一电感器，分别与串联的两个充电电池芯并联连接但不电性导通，用于储存与释放电量，其中一充电电池芯的正极与另一充电电池芯的负极之间以直接或间接方式电连接而形成回路；一第一开关，与该电感器和其中一个充电电池芯连接，用于接收一导通信号后，导通与其连接的电感器与充电电池芯的回路；一第二开关，与该电感器和另一个充电电池芯连接，用于接收一导通信号后，导通与其连接的电感器或充电电池芯的回路；及一控制器，包含：一第一比较器，连接至第一开关的一第一端点与一第二端点，用以侦测该第一开关两端的电位差，并输出导通信号给第一开关；一第二比较器，连接至第二开关的一第三端点与一第四端点，用以侦测该第二开关两端的电位差，并输出导通信号给第二开关；一第一信号源，用以发送该导通信号给第一开关；及一第二信号源，用以发送该导通信号给第二开关。

其中，预先设定一流经该电感器的电流截止量，当与第一开关连接的充电电池芯电量较高时，第一信号源发送该导通信号给第一开关，使第一开关开启及电感器储存电量，直到流经电感器的电流达到该截止量为止，接着第二比较器侦测第二开关两端的电位差，并输出导通信号给第二开关，使第二开关开启及电感器将储存的电量释放至该电量较低的充电电池芯，直到流经电感器的电流方向转变。

其中，预先设定一流经该电感器的电流截止量，当与第二开关连接的充电电池芯电量较高时，第二信号源发送该导通信号给第二开关，使第二开关开启及电感器储存电量，直到流经电感器的电流达到该截止量为止，接着第一比较器侦测第一开关两端的电位差，并输出导通信号给第一开关，使第一开关开启及电感器将储存的电量释放至该电量较低的充电电池芯，直到流经电感器的电流方向改变。

其中，该第一开关为一N通道金属氧化物半导体场效晶体管或P通道金属氧化物半导体场效晶体管。

其中，该第二开关为一N通道金属氧化物半导体场效晶体管或P通道金属氧化物半导体场效晶体管。

其中，电量状态较高的充电电池芯的电量较高。

其中，当流经电感器的电流方向改变时，连接至电量较低的充电电池芯的开关两端电压差为零。

其中，当两个充电电池芯间的电量状态差异小于一最小差异值时，第一开关与第二开关都关闭。

本发明所提供的电量转移的控制方法及其电路，可通过该电感器缓冲较多电量的充电电池芯传出的电能，以填补较少电量的充电电池芯，以达成充电电池芯间平衡的目的，而不至于耗费不必要的电量。

附图说明

图1为一已知的多电池芯平衡电路的方块示意图；

图2为本发明的电量转移电路的方块示意图；

图3描述该电量转移电路中一电感器储存电量；

图4描述该电量转移电路中电感器释放储存的电量；

图5描述该电量转移电路恢复原始状态；

图6为本发明的电量转移控制方法的流程图；

图7描述多组电量转移电路串联运作。

附图标记说明：D1-控制信号；D2-控制信号；D3-控制信号；10-平衡电路；100-控制器；101-电池芯；102-电池芯；103-电池芯；111-电阻；112-电阻；113-电阻；120-端口；121-端口；122-端口；123-端口；131-内部分路路径；132-内部分路路径；133-内部分路路径；141-内部分流控制开关；142-内部分流控制开关；143-内部分流控制开关；20-电量转移电路；200-电感器；301-第一开关；3011-闸极；3012-第一端点；3013-第二端点；302-第二开关；3021-闸极；3022-第三端点；3023-第四端点；401-第一比较器；402-第二比较器；403-第一信号源；404-第二信号源；501-第一充电电池芯；502-第二充电电池芯；503-第三充电电池芯。

具体实施方式

本发明将通过下列的实施例更具体地描述。

请参阅图2至图7。图2为本发明的电量转移电路的方块示意图，图3描述该电量转移电路中一电感器储存电量，图4描述该电量转移电路中电感器释放储存的电量，图5描述该电量转移电路恢复原始状态，图6为本发明的电量转移控制方法的流程图，图7描述多组电量转移电路串联运作。

本发明所提供的一种用于堆叠充电电池芯间电量转移的电量转移电路20，由一电感器200、一第一开关301、一第二开关302与一控制器400所组成。该电感器200，分别与一第一充电电池芯501及一第二充电电池芯502并联，其形成的两个回路由第一开关301与第二开关302控制而不导通。电感器200的功能为储存与释放电量。第一充电电池芯501与第二充电电池芯502彼此串联堆叠，可提供一充电电池组（未绘示）部分电力来源。第一充电电池芯501的负极直接与第二充电电池芯502的正极连接，第二充电电池芯502的负极则间接与第一充电电池芯501的正极连接，形成回路。此处所说的间接方式，可以是经过一负载，如电子设备的供电装置，或充电器相连，以形成通路。无论第一充电电池芯501与第二充电电池芯502是处在供电、充电或无电量进出情况下，本发明提供的电量转移的电量转移电路与控制方法都能应用。

第一开关301与电感器200及第一充电电池芯501连接，可在接收一导通信号后，导通连接的电感器200与第一充电电池芯501的回路。第二开关302与第一开关301结构相同，但第二开关302与电感器200及第二充电电池芯502连接，亦可于接收一导通信号后，导通连接的电感器200与第二充电电池芯502的回路。第一开关301由一二极管与一P通道金属氧化物半导体场效晶体管并联组成。该P通道金属氧化物半导体场效晶体管的一闸极3011的启动由该导通信号所控制。导通信号为一电压值。相同地，第二开关302也由一二极管与一P通道金属氧化物半导体场效晶体管并联组成。该P通道金属氧化物半导体场效晶体管的一闸极3021的启动亦由该导通信号所控制。实际上，P通道金属氧化物半导体场效晶体管也可以由N通道金属氧化物半导体场效晶体管所取代，或者第一开关301包含P通道金属氧化物半导体场效晶体管，第二开关302包含N通道金属氧化物半导体场效晶体管，反之亦然。为了后续的说明，图2至图5及图7中，第一开关301的闸极3011与第二开关302的闸极3021以空心圆圈表示未启动，实心圆圈表示已启动。

控制器400包含一第一比较器401、一第二比较器402、一第一信号源403及一第二信号源404。第一比较器401连接至第一开关301的一第一端点3012与一第二端点3013，用以侦测该第一开关301两端的电位差。第二比较器402连接至第二开关302的一第三端点与3022一第四端点3023，用以侦测该第二开关302两端的电位差。第一信号源403或第一比较器401均可发送该导通信号给第一开关301的闸极3011，第二信号源404或第二比较器402均可发送该导通信号给第二开关302的闸极3021。

为了说明电量转移电路20的运作（电量转移的控制方法），请参阅图6的流程图。电感器200分别与串联堆叠的第一充电电池芯501及第二充电电池芯502并联连接，但因第一开关301与第二开关302未开启，电性不导通。两个充电电池芯的连接箭号接于一电热器（未绘示），形成回路（S01）。在电量转移电路20运作前，设定流经该电感器200的电流一截止量（S02）。该截止量的确定并未有一定的方式，只要截止量发生时，电感器200储存的电量还在其限度范围内。

由于第一充电电池芯501与第二充电电池芯502间有不平衡现象发生，故须决定第一充电电池芯501与第二充电电池芯502何者电量较高（S03）。许多方式可以决定充电电池芯的电量，一个较佳的例子是测量其电量状态。相同规格的充电电池芯，电量状态较高的电量较高，而许多充电电池芯的电池管理***可以达成上述目的。本发明并不限定决定充电电池芯电量的方式。

如果第一充电电池芯501电量较高时，第一信号源403发送该导通信号给第一开关301，使第一开关301开启及电感器200储存电量。请见图3，一部分充电电池芯501较多的电量经由第一开关301传至电感器200中储存（如箭号方向所示）。导通信号的发送直到流经电感器200的电流达到该截止量为止（S04），接着第二比较器402发送该导通信号给第二开关302，使第二开关302开启及电感器200将储存的电量释放至该具较低电量的第二充电电池芯502。请见图4，如图中箭号方向所示。导通信号的发送直到流经电感器200的电流方向改变为止（请见图5，S05）。流经电感器200的电流方向改变，即意味着第二充电电池芯502吸收完该释放电量（充电），再度恢复放电状态，故直流电流方向相反。此时，该导通回路内横跨第二开关302两端的电位差为零，这可以由第二比较器402探知。反之，如果第二充电电池芯502电量较高时，第二开关302会先开起，电感器200会先接收来自第二充电电池芯502的电量，然后传给第一充电电池芯501。要注意的是，这电量转移的控制方法不一定是一次就能达成目的，本发明容许持续地交替切换第一开关301与第二开关302，以达成充电电池芯间的平衡。最佳的状况是设定两个充电电池芯间电量状态差异的一最小差异值，比如说1%，当电量状态差异小于该最小差异值时，第一开关301与第二开关302都关闭。因此，充电电池芯间的平衡可以在一个较为经济的作法下，认定已经达到平衡。

最后，本发明的电量转移电路可以交替地设置于串联的充电电池芯间，以达到整串充电电池芯的平衡状态。请见图7，在原本的第一充电电池芯501与第二充电电池芯502下方，另串联一第三充电电池芯503。另一电量转移电路20连接于第二充电电池芯502与第三充电电池芯503。两个电量转移电路20的运作方式相同，只不过下方的电量转移电路20是用来平衡第二充电电池芯502与第三充电电池芯503。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种用于堆叠充电电池芯间电量转移的控制方法，包含以下步骤：

提供一电感器，分别与串联的两个充电电池芯并联连接但不电性导通，其中一充电电池芯的正极与另一充电电池芯的负极之间以直接或间接方式电连接而形成回路；

设定流经该电感器的电流的一截止量；

确定两个充电电池芯哪一个电量较高；

导通电量较高的充电电池芯与该电感器的回路，使该电感器储存电量，直到流经电感器的电流达到该截止量为止；及

导通电量较低的充电电池芯与该电感器的回路，使该电感器将储存的电量释放至该电量较低的充电电池芯，直到流经电感器的电流方向改变。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其中，电量状态较高的充电电池芯的电量较高。

3.一种用于堆叠充电电池芯间电量转移的电路，包含：

一电感器，分别与串联的两个充电电池芯并联连接但不电性导通，用于储存与释放电量，其中一充电电池芯的正极与另一充电电池芯的负极之间以直接或间接方式电连接而形成回路；

一第一开关，与该电感器和其中一个充电电池芯连接，用于接收一导通信号后，导通与其连接的电感器与充电电池芯的回路；

一第二开关，与该电感器和另一个充电电池芯连接，用于接收一导通信号后，导通与其连接的电感器与充电电池芯的回路；及一控制器，包含：

一第一比较器，连接至第一开关的一第一端点与一第二端点，用以侦测该第一开关两端的电位差，并输出导通信号给第一开关；

一第二比较器，连接至第二开关的一第三端点与一第四端点，用以侦测该第二开关两端的电位差，并输出导通信号给第二开关；

一第一信号源，用以发送该导通信号给第一开关；及

一第二信号源，用以发送该导通信号给第二开关。

4.根据权利要求3所述的电路，其中预先设定一流经该电感器的电流截止量，当与第一开关连接的充电电池芯电量较高时，第一信号源发送该导通信号给第一开关，使第一开关开启及电感器储存电量，直到流经电感器的电流达到该截止量为止，接着第二比较器侦测第二开关两端的电位差，并输出导通信号给第二开关，使第二开关开启及电感器将储存的电量释放至该电量较低的充电电池芯，直到流经电感器的电流方向改变。

5.根据权利要求3所述的电路，其中预先设定一流经该电感器的电流截止量，当与第二开关连接的充电电池芯电量较高时，第二信号源发送该导通信号给第二开关，使第二开关开启及电感器储存电量，直到流经电感器的电流达到该截止量为止，接着第一比较器侦测第一开关两端的电位差，并输出导通信号给第一开关，使第一开关开启及电感器将储存的电量释放至该电量较低的充电电池芯，直到流经电感器的电流方向改变。

6.根据权利要求3所述的电路，其中该第一开关为一N通道金属氧化物半导体场效晶体管或P通道金属氧化物半导体场效晶体管。

7.根据权利要求3所述的电路，其中该第二开关为一N通道金属氧化物半导体场效晶体管或P通道金属氧化物半导体场效晶体管。

8.根据权利要求4或5所述的电路，其中电量状态较高的充电电池芯的电量较高。

9.根据权利要求4或5所述的电路，其中当流经电感器的电流方向改变时，连接至电量较低的充电电池芯的开关两端的电压差为零。

10.根据权利要求3所述的电路，其中当两个充电电池芯间的电量状态差异小于一最小差异值时，第一开关与第二开关都关闭。