CN111049205A - 电池管理方法以及电源*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池管理方法，应用在包含有多个电池单元的一电源***，其中该多个电池单元互相串联且形成一电池路径，该电池管理方法包含有感测电源***中每一电池单元的一电池电压；以及针对每一电池单元，根据该电池单元的该电池电压控制相对应于该电池单元的一切换单元，使该电池单元选择性地串联于该电池路径或旁路于该电池路径。

Description

电池管理方法以及电源***
技术领域
本发明涉及一种电池管理方法以及电源***，尤其涉及一种可动态管理电源***中电池单元的电池管理方法以及电源***。
背景技术
一般而言，电源***为了增加其电力容量，会整合式地设置多个电池单元来储存以及提供电力。然而，当电源***在进行充电操作以及放电操作时，由于制程变异以及耦接关系等不同非理想效应，每个电池单元会具有不同的充放电能力。因此，电源***在进行充电操作时，会采用电池平衡技术来平衡电池储存的电力。因此，电池平衡技术已经成为现今应用于电源***所不可或缺的重要技术，可保护电池单元以延长电源***的使用寿命。
进一步而言，电池平衡技术可以归类为被动平衡以及主动平衡。被动平衡利用了被动组件的切换，在充电时将电力较高的电池单元通过被动组件放电至与其他电池单元相近的电力，再进行充电操作。虽然被动平衡的成本低廉，但会造成电源***时在充电时产生额外热能以及功率消耗。主动平衡利用开关切换，在充电时利用电力较高的电池单元对电力较低的电池单元充电，以平衡电池单元之间的电力。虽然主动平衡不会产生额外热能以及功率消耗，但须另外设计判断电路来控制各电池单元的电力，增加电源***的复杂度以及制造成本。
因此，如何在提供一种制造成本便宜且可以平衡电池单元电力的电池管理方法以及电源***，已成为业界所努力的共同目标之一。
发明内容
因此，本发明提供一种电池管理方法以及电源***，可动态地管理电池单元的电力以实现延长电源***寿命、保护用户安全以及提升电源***的电力利用效率，以解决上述问题。
本发明公开一种电池管理方法，应用在包含有多个电池单元的一电源***，其中该多个电池单元互相串联且形成一电池路径，该电池管理方法包含有：感测该电源***中每一电池单元的一电池电压；以及针对每一电池单元，根据该电池单元的该电池电压控制相对应于该电池单元的一切换单元，使该电池单元选择性地串联于该电池路径或旁路于该电池路径。
本发明还公开一种电源***，包含有：多个电池单元，用来储存电力；以及多个切换单元，分别相对应于该多个电池单元，其中每一切换单元分别用来将相对应的一电池单元切换至串联于一电池路径或旁路于该电池路径；以及一处理电路，用来感测该电源***中每一电池单元相对应的一电池电压，以控制该电池单元相对应的该切换单元；其中，针对每一电池单元，该处理电路根据该电池单元的该电池电压控制相对应于该电池单元的一切换单元使该电池单元选择性地串联于该电池路径或旁路于该电池路径。
附图说明
图1为本发明实施例一电源***的示意图。
图2A与图2B分别为本发明实施例一电池单元以及其相对应的切换单元的耦接关系示意图。
图3A至图3D绘示在本发明实施例一电源***在进行充电操作时的耦接关系示意图。
图4为本发明实施例一电源***在进行充电操作时两输出端之间的电压示意图。
图5为本发明实施例一电源***在进行放电操作时两输出端之间的电压示意图。
图6为本发明实施例一切换单元的示意图。
图7为本发明实施例一流程的示意图。
其中，附图标记说明如下：
10 电源***
100 处理电路
40、50 曲线
70 流程
700、702、704、706 步骤
Bat1～Batn 电池单元
I_cha 充电电流
In 输入端
M1、M2 N型金氧半导体
M3、M4 P型金氧半导体
Num 电池单元数量信号
Out1、Out2、Sw_out1、Sw_out2 输出端
Sel 选择信号
Figure BDA0001827059940000031
反相选择信号
Sw ***开关
Sw1～Swn 切换单元
T0、T1、T2、T3、T4 时间
V1～Vn、Vout 电池电压
Vout 电压
具体实施方式
请参考图1，图1为本发明实施例一电源***10的示意图。电源***10可重复进行充放电，可通过输出端Out1、Out2由一外部电源取得并储存电力，或是通过输出端Out1、Out2提供电力给一电子装置进行运作。值得注意的是，电源***10由多个电池单元Bat1～Batn组成，且每个电池单元皆可以单独的用来储存或提供电力，电源***10通过串联连接方式整合内部多个电池单元来形成一个可储存电力以及供应电流的电力储存***。随着制程变异、电池单元的设置方式或是不同的使用情况等原因，每个电池单元具有不同的充放电特性，或者每个单元对于充放电会有不同的老化速率，因而造成了电池***10中每个电池单元的老化程度不同。若用户对具有老化电池单元程度不一的电源***10进行充电时，会发生电源***10中已老化的电池单元已经充饱电，但是电源***10中其余尚未充饱电的电池单元仍需要继续充电的情况。另一方面，若用户对具有老化电池单元程度不一的电源***10进行放电时，会发生电源***10中已老化的电池单元已经电力耗尽，但是电源***10中其余电力单元仍然储存有足够的电力可以继续放电的情况。简言之，当电源***10具有老化电池单元的时候，无论在充电或是放电的情况都会造成使用者安全上的危害。因此，本发明提出了电源***10，用来改善具有老化电池单元的电源***10在进行充放电时对于使用者安全危害的顾虑，改善电源***10的安全性。
详细而言，电源***10包含有电池单元Bat1～Batn、一***开关Sw、切换单元Sw1～Swn、以及一处理电路100。其中，电源***10中的每一切换单元分别对应于一电池单元，用来切换其相对应电池单元的耦接关系。处理电路100耦接于电池单元Bat1～Batn以及切换单元Sw1～Swn，用来感测每一个电池单元的电池电压V1～Vn，并据此指示电池单元相对应的切换单元，以控制每一电池单元的耦接关系。此外，处理电路100另外感测一电压Vout，并据以控制***开关Sw的操作。
进一步而言，请参考图2A与图2B，其为本发明实施例电池单元Bat1以及相对应的切换单元Sw1的示意图。其中，切换单元Sw1是根据电源***10中的处理电路100产生的控制信号Ctrl1来选择是否耦接于电池单元Bat1。如图2A所示，当切换单元Sw1耦接于电池单元Bat1时，电池单元Bat1会串接于电池路径上，且电源***10的电流会流经电池单元Bat1。因此，在切换单元Sw1耦接于电池单元Bat1时，电池单元Bat1可进行与电源***10相同的充电操作或是放电操作。如图2B所示，当切换单元Sw1不耦接于电池单元Bat1而直接耦接至下一级电池单元Bat2时，电池单元Bat1会被旁路于电池路径上，且电源***10的电流不会流经电池单元Bat1。因此，通过切换单元Sw1的切换，可选择性地将电池单元Bat1串接于或旁路于电源***10的电池路径，进而控制电池单元Bat1进行充电操作或是放电操作，依此类推，各电池单元可通过其相对应的切换单元的切换而选择性地串接于或旁路于电源***10的电池路径。
进一步针对电源***10的充电操作，首先，电源***10的处理电路100可以感测电源***中每一电池单元的电池电压，且将每一电池单元的电池电压与一过充电电压进行比较，以判断每个电池单元是否已充饱。当电池单元的电池电压小于过充电电压时，代表该电池单元尚未充饱且可以继续进行充电，则处理电路100据此指示电池单元相对应的切换单元(电池单元Bat1相对应于切换单元Sw1、电池单元Bat2相对应于切换单元Sw2，依此类推)，使切换单元耦接于电池单元，电源***10可对该尚未充饱的电池单元继续进行充电。当电池电压大于或等于过充电电压时，代表该电池电压对应的电池单元已经充饱，则处理电路10据此指示电池单元相对应的切换单元，使切换单元旁路电池单元，电源***10停止对已充饱电的该电池单元充电，并且继续对其余电池单元充电。
为了进一步说明电源***10的充电操作，以下以电池单元以及切换单元的数量n＝4为例进行说明。请同时参考图3A至图3D以及图4，图3A至图3D绘示在本发明实施例一电源***10在进行充电操作时的耦接关系示意图。图4为本发明实施例电源***10输出端Out1、Out2之间电压Vout的示意图。在此实施例中，电源***10包含有电池单元Bat1～Bat4、切换单元Sw1～Sw4，且电池单元Bat1～Bat4的过充电电压设定为4.2V。图3A至图3D为一连续时间下，电源***10操作的示意图，其中，图3A的电源***10的耦接关系对应于图4的时间T0～时间T1之间；图3B的电源***10的耦接关系对应于图4的时间T1～时间T2之间；图3C的电源***10的耦接关系对应于图4的时间T2～时间T3之间；图3D的电源***10的耦接关系对应于图4的时间T3之后。值得注意的是，图3A至图3D中省略处理电路100以更佳理解图示。
当一外部电源通过输出端Out1、Out2提供电力至电源***10，使电源***10开始进行充电操作时，处理电路100会取得电池单元Bat1～Bat4的电池电压V1～V4，并判断电池电压V1～V4是否小于或等于过充电电压。如图3A所示，处理电路100分别比较电池电压V1～V4与过充电电压后，判断电池电压V1～V4皆未到达过充电电压，据此控制切换单元Sw1～Sw4使其分别耦接于电池单元Bat1～Bat4。换言之，通过控制切换单元Sw1～Sw4可使电源***10的一充电电流I_cha流经电池单元Bat1～Bat4互相串联形成的一电池路径，因而可对电池单元Bat1～Bat4进行充电操作。如图3B所示，当处理100判断出电池单元Bat2的电池电压V2大于或等于过充电电压(V2≥过充电电压＝4.2V)时，处理电路100据此控制切换单元Sw2将电池单元Bat2旁路。如图3B所示，处理电路100控制切换单元Sw2使得切换单元Sw2的一端耦接至电池单元Bat1且使得切换单元Sw2的另一端耦接至电池单元Bat3。此时，由于其余的电池单元的电池电压(例如电池电压V1、V3、V4)未大于或等于过充电电压。在其余的电池电压V1、V3、V4未大于过充电电压的情况下，处理电路100控制切换单元Sw1、Sw3、Sw3，使充电电流I_cha可以流经电池单元Bat1、Bat3、Bat4串联形成的电池路径。因此，电源***10可旁路已充饱的电池单元Bat2且将其排除于充电操作，将未充饱的电池单元Bat1、Bat3、Bat4保留在电池路径上以继续进行充电操作。接着，依此类推，如图3C及图3D所示，处理电路100依序判断出电池单元Bat4以及电池单元Bat3已到达或超过过充电电压，因而分别控制切换单元Sw4以及切换单元Sw3以将电池单元Bat4以及电池单元Bat3旁路，使充电电流I_cha不流经电池单元Bat4以及电池单元Bat3，且不对电池单元Bat4以及电池单元Bat3进行充电操作。
如图4所示，曲线40绘示了输出端Out1、Out2之间的电压Vout。在时间T0～T1之间，处理电路100判断电池单元Bat1～Bat4皆未到达过充电电压。如此一来，在以定电流(Constant Current，CC)充电模式对电源***10充电的情况下，外部电源通过输出端Out1、Out2输入电源***10的电压Vout会逐渐上升。在时间T1时，处理电路100判断电池单元Bat2到达过充电电压，因而将电池单元Bat2切换至旁路于电池路径，且将其排除于电池路径以及充电操作之外。值得注意的是，处理电路100另产生一电池单元数量信号Num传递至外部电源，电池单元数量信号Num相对应于电源***10中进行充电操作的电池单元数量，使外部电源根据电池单元数量信号Num调整电压Vout。例如，于时间T1时，处理电路100判断电池单元Bat2大于过充电电压而被切换至旁路路径。此时，电池单元数量信号Num表示进行充电操作的电池单元数量为3个。因此，电压Vout可被调整成电池单元数量信号Num所表示的数量与过充电电压的一乘积(3*4.2V＝12.6V)。因此，外部电源可根据处理电路100的指示，将电压Vout降低了一倍过充电电压(即由16.8V降低至12.6V)，以适应性地调整对电源***10进行的充电操作。相同地，在时间T2时，处理电路100将电池单元Bat4切换至旁路于电池路径，且将其排除于电池路径以及充电操作之外。据此，外部电源再次将电压Vout降低了一倍过充电电压(即由12.6V降低至8.4V)。依此类推，在时间T3时，处理电路100将电池单元Bat3切换至旁路于电池路径，且将其排除于电池路径以及充电操作之外，外部电源据此再将充电电压降低一倍过充电电压(即由8.4V降低至4.2V)。
接下来请参考图5，其绘示了本发明实施例电源***10在进行放电操作时电压Vout的示意图。同样地，图5中所绘示的电源***10是以电池单元以及切换单元的数量n＝4为例进行说明，且电池单元Bat1～Bat4的过放电电压设定为3V。如图5所示，曲线50绘示了输出端Out1、Out2之间的电压差。详细而言，电源***10是由充饱电状态下的电池单元Bat1～Bat4一起提供电力，因此，在时间T0时，电源***10提供的电压Vout为16.8V(即四倍的过充电电压)。随着电力消耗，处理电路100可将电源***10中电池单元Bat1～Bat4的电池电压V1～V4与过放电电压进行比较。当电池电压小于或等于过放电电压时，处理电路100据此指示电池单元相对应的切换单元，旁路该电池单元且排除于电源***10的电池路径以及放电操作之外。值得注意的是，电源***10可设定在输出的电压Vout过低的时候结束电源***10的放电操作。在此实施例中，电源***10设定在电压Vout低于一倍过放电电压(3V)时结束放电操作。因此，于时间T4时，处理电路100判断电压Vout低于过放电电压，据此控制***开关Sw以结束电源***10的放电操作。简言之，电源***10可在***中的电池单元电力耗尽时将该电池单元旁路，以持续进行放电操作。因而不需要在任一电池单元电力耗尽的时候即结束放电操作，进而提升电源***10的电力利用效率。
如此一来，通过处理电路100感测电池单元的电池电压，且据此控制相对应切换单元的操作，在进行充电操作时，使电源***10可将充饱电的电池单元旁路，持续对其余未充饱的电池单元继续进行充电操作；在进行放电操作时，电源***10可将电力耗尽的电池单元旁路，持续利用其余未耗尽的电池单元继续进行放电操作。因此，针对充放电特性以及老化程度不同的电池单元调整每个电池单元的充放电时间，使本发明的电源***10可以延长电源***10的寿命、保护使用者的安全以及提升电源***的电力利用效率。
在一实施例中，关于切换单元的运作，以下以切换单元Sw1为例说明。请参考图1与图6，图6为本发明实施例一切换单元Sw1的示意图。其中切换单元Sw1的输入端In耦接于出端Out1。切换单元Sw1的一输出端Sw_out1耦接于电池单元Bat2。切换单元Sw1的一输出端Sw_out2耦接于电池单元Bat1切换单元Sw1根据一选择信号Sel以选择性地将输入端In耦接至输出端Sw_out1或输出端Sw_out2。详细而言，切换单元Sw1为一单轴双切(Single PoleDouble Throw，SPDT)开关，其包含有N型金氧半导体M1、M2、P型金氧半导体M3、M4。N型金氧半导体M1用来接收选择信号Sel，以指示P型金氧半导体M3是否将输入端In耦接至输出端Sw_out1；N型金氧半导体M2用来接收N型金氧半导体M1产生的反相选择信号
Figure BDA0001827059940000081
以指示P型金氧半导体M4是否将输入端In耦接至输出端Sw_out2。值得注意的是，根据不同应用以及设计概念，切换单元Sw1可以不同实施方式实现，只要切换单元Sw1可选择性地将输入端In耦接至输出端Sw_out1或输出端Sw_out2即可，皆属于本发明的范畴。
关于本发明的电源***10的操作可归纳为一流程70，如图7所示，流程70包含有以下步骤：
步骤700：开始。
步骤702：处理电路100感测电源***10中每一电池单元的电池电压。
步骤704：针对每一电池单元，处理电路100根据该电池单元的电池电压控制相对应于电池单元的切换单元，以将切换单元耦接至或旁路于该电池单元。
步骤706：结束。
关于流程70的细节，已详述于上方相关段落，故于此不再赘述。
传统的电源***在执行充电操作或是放电操作时，仅能单一地选择开启或关闭以对内部所有的电池单元同时进行充放电。如此一来，会造成电源***在进行充电操作时无法排除已充饱的电池单元。或是电源***在进行放电操作时，电力耗尽的电池单元造成电源***的关闭。不但在放电时无法有效利用电源***其余未耗尽电力的电池单元所储存的电力，更在充电时对已充饱的电池持续充电，造成使用者安全上的危害。相较之下，本发明的电源***系通过感测每个电池单元的电池电压，分别控制相对应于每个电池单元的切换单元，因而可以动态地调整电源***中的电池路径。简言之，通过本发明的电源***，可以避免在进行充电操作时对已充饱的电池单元持续充电，且避免在进行放电操作时利用电力已耗尽的电池单元持续放电。因此，本发明的电源***可以动态地调整电池路径，进而延长电源***的寿命、保护用户的安全以及提升电源***的电力利用效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电池管理方法，应用在包含有多个电池单元的一电源***，其中该多个电池单元互相串联且形成一电池路径，该电池管理方法包含有：
感测该电源***中每一电池单元的一电池电压；以及
针对每一电池单元，根据该电池单元的该电池电压控制相对应于该电池单元的一切换单元，使该电池单元选择性地串联于该电池路径或旁路于该电池路径。
2.根据权利要求1所述的电池管理方法，其特征在于，针对每一电池单元根据该电池单元的该电池电压控制相对应于该电池单元的该切换单元使该电池单元串联于该电池路径或旁路于该电池路径的步骤包含有：
在该电源***进行一放电操作时，将该电池单元的该电池电压与一第一电压比较；
在该每一电池单元的该电池电压小于或等于该第一电压时，判断不耦接该切换单元至该电池单元，使该电池单元旁路于该电池路径且该电池单元不参与该放电操作；以及
在该电池单元的该电池电压大于该第一电压时，判断耦接该切换单元至该电池单元，使该电池单元串联于该电池路径且该电池单元参与该放电操作。
3.根据权利要求1所述的电池管理方法，其特征在于，针对每一电池单元根据该电池单元的该电池电压控制相对应在该电池单元的该切换单元使该电池单元串联于该电池路径或旁路于该电池路径的步骤包含有：
在该电源***进行一充电操作时，将该电池单元的该电池电压与一第二电压比较；
在该电池单元的该电池电压大于或等于该第二电压时，判断不耦接该切换单元至该电池单元，使该电池单元旁路于该电池路径且该电池单元不参与该充电操作；以及
在该电池单元的该电池电压小于该第二电压时，判断耦接该切换单元至该电池单元，使该电池单元串联于该电池路径且该电池单元参与该充电操作。
4.根据权利要求3所述的电池管理方法，其特征在于，该电池管理方法还包含有：
根据该电源***中该电池路径所包含的该电池单元的一数量，产生一电池单元数量信号；
其中该充电操作根据该电池单元数量信号调整一充电电压，且该充电电压相等于该数量与该第二电压的一乘积。
5.一种电源***，包含有：
多个电池单元，用来储存电力；以及
多个切换单元，分别相对应于该多个电池单元，其中每一切换单元分别用来将相对应的一电池单元切换至串联于一电池路径或旁路于该电池路径；以及
一处理电路，用来感测该电源***中每一电池单元相对应的一电池电压，
以控制该电池单元相对应的该切换单元；
其中，针对每一电池单元，该处理电路根据该电池单元的该电池电压控制相对应于该电池单元的一切换单元使该电池单元选择性地串联于该电池路径或旁路于该电池路径。
6.根据权利要求5所述的电源***，其特征在于，在该电源***进行一放电操作时，该处理电路将该电池单元的该电池电压与一第一电压比较；在该每一电池单元的该电池电压小于或等于该第一电压时，该处理电路判断不耦接该切换单元至该电池单元，使该电池单元旁路于该电池路径且该电池单元不参与该放电操作；以及在该电池单元的该电池电压大于该第一电压时，该处理电路判断耦接该切换单元至该电池单元，使该电池单元串联于该电池路径且该电池单元参与该放电操作。
7.根据权利要求5所述的电源***，其特征在于，在该电源***进行一充电操作时，该处理电路将该电池单元的该电池电压与该第二电压比较；在该电池单元的该电池电压大于或等于该第二电压时，该处理电路判断不耦接该切换单元至该电池单元，使该电池单元旁路于该电池路径且该电池单元不参与该充电操作；以及在该电池单元的该电池电压小于该第二电压时，该处理电路判断耦接该切换单元至该电池单元，使该电池单元串联于该电池路径且该电池单元参与该充电操作。
8.根据权利要求7所述的电源***，其特征在于，该处理电路还根据该电源***中该电池路径包含的该电池单元的一数量，产生一电池单元数量信号；其中该充电操作根据该电池单元数量信号调整一充电电压，且该充电电压相等于该数量与该第二电压的一乘积。
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