CN114726012A - 电池模块及电源供应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电池模块及电源供应器。电源供应器包括一共同总线及多个电池模块。当电源供应器处于一电量交换模式下，电池模块的至少其中之一被配置为提供者，电池模块的其中另一被配置为借由配置接受者。借由配置提供者与接受者的功能电路及开关单元，可令提供者将电量通过共同总线转移至接受者。

Description

电池模块及电源供应器
技术领域
本发明是有关于一种电池模块及电源供应器。
背景技术
目前市面上的电动车使用的电池通常包括多个模块化的电池模块。当电池电量不足时，使用者须将电池连接至充电站的高压电网以进行充电。然而，当发生停电或是充电站故障导致无法对电池充电的情况时，倘若电池中的电池模块的残存电力皆未达最低放电电压，将会使得车辆无法启动或运行其它需要消耗电力的功能。有鉴于传统技术中没有针对上述问题提出有效的解决方案，故而上述问题仍是业界重点研究的课题之一。
发明内容
本发明实施例提供一种电池模块，包括一变压电路、一功能电路、一电感器、一开关单元、一第一电容器、一第二电容器、一电池单元及一控制单元。变压电路用以根据一第一电压输出一第二电压。功能电路，具有一第一端、一第二端、一第三端及一第四端，该第一端及该第二端耦接至该变压电路。电感器的一第一端耦接至该功能电路的该第三端。开关单元的一第一端耦接至该电感器的该第一端。该第一电容器的一第一端耦接至该电感器的一第二端。该第二电容器的一第一端耦接至该开关单元的一第二端。该电池单元的一第一端耦接至该开关单元的该第二端，该电池单元的一第二端耦接至该功能电路的该第四端、该第一电容器的一第二端及该第二电容器的一第二端并参考接地。控制单元，耦接至该功能电路及该开关单元的一控制端，并用以配置该功能电路及控制该开关单元导通或不导通。当该电池模块处于一电量交换模式时，该电池模块被配置为一提供者或一接受者，该功能电路被配置以使该变压电路不耦合至该电感器。当该电池模块被配置为该提供者，于该电量交换模式下的一第一时间区间，该开关单元不导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端不耦合至该电池单元的该第二端；于该电量交换模式下的一第二时间区间，该开关单元不导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端耦合至该电池单元该第二端；于该电量交换模式下的该第三时间区间，该开关单元导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端不耦合至该电池单元的该第二端。当该电池模块被配置为该接受者，于该第一时间区间，该开关单元间歇性导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端不耦合至该电池单元的该第二端；于该第二时间区间，该开关单元导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端不耦合至该电池单元该第二端；于该第三时间区间，该开关单元导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端不耦合至该电池单元的该第二端。
本发明另一实施例提供一种电源供应器，包括一主控制器、一共同总线及多个如前述实施例所述的电池模块。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的电池模块的方块图。
图2为根据本发明另一实施例的电池模块的方块图。
图3为根据本发明一实施例的电池模块之间电量交换的示意图。
其中，附图标记：
10、20：电池模块
CT101：稳压电路
CT102：变压电路
CT103：功能电路
CT104：控制单元
BAT101、BAT201：电池单元
L101、L102、L201：电感器
C101、C102、C103、C201、C202：电容器
SW101、SW201：开关单元
Q101～Q108、Q205～Q208：晶体管
n101、n201：节点
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
请参照图1，图1为根据本发明一实施例的电池模块的方块图。电池模块10包括一稳压电路CT101、一变压电路CT102、一功能电路CT103、一电感器L101、两电容器C101及C102、一开关单元SW101、一控制单元CT104以及一电池单元BAT101。
稳压电路CT101具有一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端及一第二输出端。第一输入端及第二输入端用以耦接至一电压源(图未示)。稳压电路CT101可借由晶体管、电阻器、电感器及电容器等的组合实现，用以稳定电压源提供的电压后从第一输出端及第二输出端输出。
变压电路CT102具有一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端及一第二输出端。第一输入端及第二输入端分别用以耦接至稳压电路CT101的第一输出端及第二输出端。变压电路CT102用以将第一输入端及第二输入端接收到的第一电压转换为适当大小的第二电压，并从第一输出端及第二输出端输出第二电压。
功能电路CT103具有一第一端、一第二端、一第三端及一第四端。第一端及第二端分别用以耦接至变压电路CT102的第一输出端及第二输出端。功能电路CT103的功能及操作将于下文详述。
电感器L101的一第一端耦接至功能电路CT103的第三端。电容器C101的一第一端耦接至电感器L101的一第二端。电容器C101的一第二端耦接至功能电路CT103的第四端。开关单元SW101的一第一端耦接至电感器L101的第一端。电容器C102的第一端耦接至开关单元SW101的一第二端。电容器C102的一第二端耦接至电容器C101的第二端。电池单元BAT101的一第一端耦接至电感器L101的一第二端。电池单元BAT101的一第二端耦接至电容器C102的第二端并参考接地。电池单元BAT101可包括一或多个电池，此些电池可串联连接、并联连接或串/并联混合连接。电池单元BAT101可进行放电及可被充电。控制单元CT104耦接至稳压电路CT101、功能电路CT103及开关单元SW101(例如，稳压电路CT101及功能电路CT103中全部或部分元件以及开关单元SW101的控制端)，并用以配置/控制稳压电路CT101、功能电路CT103及开关单元SW101。
在一实施例中，一电源供应器可包括多个电池模块10、一共同总线及一主控制器。此些电池模块借由节点n101连接至共用总线而相互连接。主控制器可耦接至此些电池模块的控制单元。电池模块10可具有一充电模式及一电能交换模式。在充电模式下，稳压电路CT101的第一输入端及第二输入端耦接至电压源，开关单元SW101受控于控制单元CT104而不导通，且功能电路CT103受控制单元CT104配置以使变压电路CT102耦合至电感器L101。也就是说，在充电模式下电压源可通过稳压电路CT101、变压电路CT102、功能电路CT103、电感器L101及电容器C101对电池单元BAT101充电。电量交换模式下电源供应器的主控制器可决定将电池模块的至少其中之一配置为一提供者，将电池模块的其中另一配置为一接受者，并指示对应的控制单元执行上述配置。电量交换的操作是由提供者将电量转移至接受者。也就是说，在电量交换模式下，被配置为提供者的电池模块会将电池单元的电量转移至被配置为接受者的电池模块的电池单元。接下来将针对电量交换模式的细节做详细的说明。
电量交换模式下，功能电路CT103、稳压电路CT101受控制单元CT104配置以使变压电路CT102不做功能使用，不会传递电能至电池单元BAT101。电池模块处于电量交换模式的期间包括一第一时间区间、至少一第二时间区间及至少一第三时间区间。在第一时间区间中，提供者的开关单元SW101受控于提供者的控制单元CT104而不导通，接受者的开关单元SW101受控于接受者的控制单元CT104而间歇性导通(例如以一第一频率周期性)导通以避免产生浪涌电流，提供者的功能电路CT103进一步受提供者的控制单元CT104配置以使提供者的电感器L101的第一端不耦合至提供者的电池单元BAT101的第二端，且接受者的功能电路CT103进一步受接受者的控制单元CT104配置以使接受者的电感器L101的第一端不耦合至接受者的电池单元BAT101的第二端。当提供者的电容器C102的两端的一跨压与接受者的电容器C102的两端的一跨压等于接受者的电池单元BAT101的两端的一跨压时，第一时间区间结束。第一时间区间的目的在于对提供者的电容C102进行充电，以令其两端的跨压达到相同于接受者的电池单元BAT101的电压水平。为了要对提供者的电容器C102进行充电，必须要令提供者的电感器L101与接受者的电感器L101不产生功用，因而借由将提供者的电感器L101的第一端与提供者的电池单元BAT101的第二端(即参考接地端)解耦以及将接受者的电感器L101的第一端与接受者的电池单元BAT101的第二端(即参考接地端)解耦来将提供者的电感器L101与接受者的电感器L101排除在此时的电路操作之外。在各第二时间区间中，提供者的开关单元SW101受控于提供者的控制单元CT104而不导通，接受者的开关单元SW101受控于接受者的控制单元CT104而导通，提供者的功能电路CT103进一步受提供者的控制单元CT104配置以使提供者的电感器L101的第一端耦合至提供者的电池单元BAT101的第二端，且接受者的功能电路CT103进一步受接受者的控制单元CT104配置以使接受者的电感器L101的第一端不耦合至接受者的电池单元BAT101的第二端。第二时间区间的目的在于使用提供者的电池单元BAT101的电量会对提供者的电感器L101进行充能，因此提供者的电感器L101的第一端需要被耦接至提供者的电池单元BAT101的第二端(即参考接地端)以形成完整的电流回路。而接受者的电感器L101则因在电量交换模式下可不做出贡献，故仍保持与接受者的电池单元BAT101解耦。在各第三时间区间中，提供者的开关单元SW101受控于提供者的控制单元CT104而导通，接受者的开关单元SW101受控于接受者的控制单元CT104而导通，提供者的功能电路CT103进一步受提供者的控制单元CT104配置以使提供者的电感器L101的第一端不耦合至提供者的电池单元BAT101的第二端，且接受者的功能电路CT103进一步受接受者的控制单元CT104配置以使接受者的电感器L101的第一端不耦合至接受者的电池单元BAT101的第二端。第三时间区间的目的在于使用提供者的电感器L101对接受者的电池单元BAT101进行充能。借此，便能够将提供者的电池单元BAT101的电能转移至提供者的电感器L101，再将电能由提供者的电感器L101转移至接受者的电池单元BAT101。
简单来说，当电源供应器启用电量交换模式，首先会进行第一时间区间的操作，接着第二时间区间的操作与第三时间区间的操作会交替进行直到接受者的电池单元BAT101的电量达到一目标值。以电量交换模式期间的时间轴而言，即依序为第一间区间、第二时间区间、第三时间区间、第二时间区间、第三时间区间、…、第二时间区间、第三时间区间，以此类推。需要注意的是，每个第二时间区间的长短可不必须相同，同样的，每个第三时间区间的长短也可不必须相同。
请参照图2，图2为根据本发明另一实施例的电池模块的方块图。图2显示了图1的稳压电路与功能电路的细部电路。稳压电路CT101包括晶体管Q101～Q104、电感器L102及电容器C103。电容器C103的一第一端作为稳压电路CT101的第一输入端。电容器C103的一第二端作为稳压电路CT101的第二输入端。晶体管Q101的一第一端耦接至电容器C103的第一端。晶体管Q102的一第一端耦接至晶体管Q101的一第二端。晶体管Q102的一第二端耦接至电容器C103的第二端。晶体管Q103的一第一端耦接至电容器C103的第一端。晶体管Q104的一第一端耦接至晶体管Q103的一第二端，并作为稳压电路CT101的第二输出端。晶体管Q104的一第二端耦接至电容器C103的第二端。电感器L102的一第一端耦接至晶体管Q101的第二端。电感器L102的一第二端作为稳压电路CT101的第一输出端。
功能电路CT103包括多个晶体管Q105～Q108。晶体管Q105的一第一端作为功能电路CT103的第三端。晶体管Q106的一第一端耦接至晶体管Q105的一第二端，并作为功能电路CT103的第一端。晶体管Q107的一第一端耦接至晶体管Q105的第一端。晶体管Q108的一第一端耦接至晶体管Q107的一第二端，并作为功能电路CT103的第二端。晶体管Q108的一第二端耦接至晶体管Q106的一第二端，并作为功能电路CT103的第四端。
需要注意的是，为了附图的简洁，图2中省略了各晶体管Q101～Q108及开关单元SW101的一控制端耦接至控制单元CT104(未示于图2中)的细节。也就是说，各晶体管Q101～Q108及开关单元SW101是受控于控制单元CT104而导通或不导通。
为了清楚理解，以下搭配图3说明电量交换模式下配置为提供者的电池模块与配置为接受者的电池模块如何运作。
在图3的例子中，电池模块10被配置为提供者，电池模块20被配置为接受者，且电池模块10的节点n101与电池模块20的节点n201连接至共同总线。需要注意的是，为了图式的简洁部分元件被省略。明确来说，稳压电路及变压电路由于在电量交换模式下不参与操作，故而被省略。此外，各电池模块的晶体管及开关单元是受控于各自的控制单元已于前文充分说明，故而亦将之省略。
当电量交换模式被启用的期间，因稳压电路CT101与变压电路CT102不提供贡献，于是晶体管Q106、Q108、Q206、Q208维持导通，以使变压电路CT102的第一输出端与第二输出端耦合至参考接地而与电感器L101解耦，亦即，将稳压电路CT101与变压电路CT102排除在电量交换模式下的电路操作之外。也就是说，无论第一时间区间、第二时间区间或第三时间区间，晶体管Q106、Q108、Q206、Q208都是导通的。在第一时间区间，晶体管Q105、Q107、Q205、Q207不导通，开关单元SW101不导通，开关单元SW201以第一频率周期性导通。在第二时间区间，晶体管Q105、Q107导通，晶体管Q205、Q207不导通，开关单元SW101不导通，开关单元SW201导通。在第三时间区间，晶体管Q105、Q107、Q205、Q207不导通，开关单元SW101、SW201导通。
借由上述方式，电池模块10的电池单元BAT101便可将电能转移至电池模块20的电池单元BAT201。
在使用情境上，本发明提出的电池模块可应用于电动车的电源供应器上。在一个电源供应器中，可包括多个本发明提出的电池模块，此些电池模块可通过节点(n101、n201)连接至共同总线。当电源供应器无法通过连接外部电压源(例如充电站的电网)进行充电时，电源供应器可借由一主控制器指示电池模块的至少其中之一的控制单元令其进入电量交换模式并配置为提供者，同时指示电池模块的其中另一的控制单元令其进入电量交换模式并配置为接受者。提供者的电池单元可将电能转移至接受者的电池单元。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (14)

1.一种电池模块，其特征在于，包括：
一变压电路，用以根据一第一电压端输出一第二电压；
一功能电路，耦接至该变压电路以接收该第二电压；
一电感器，该电感器的一第一端耦接至该功能电路的多个输出端其中之一；
一开关单元，该开关单元的一第一端耦接至该电感器的该第一端；
一第一电容器，该第一电容器的一第一端耦接至该电感器的一第二端；
一第二电容器，该第二电容器的一第一端耦接至该开关单元的一第二端；
一电池单元，该电池单元的一第一端耦接至该开关单元的该第二端，该电池单元的一第二端耦接至该功能电路的该多个输出端的其中另一、该第一电容器的一第二端及该第二电容器的一第二端并参考接地；以及
一控制单元，耦接至该功能电路的一或多个控制端及该开关单元的一控制端，并用以配置该功能电路及控制该开关单元导通或不导通，
其中当该电池模块处于一电量交换模式时，该电池模块被配置为一提供者或一接受者，该功能电路被配置以使该变压电路不耦合至该电感器；以及
其中根据该电池模块被配置为该提供者或该接受者，该开关单元选择性地导通，且该功能电路被配置以使该电感器的该第一端选择性地耦合至该电池单元的该第二端。
2.如权利要求1所述的电池模块，其特征在于，当该电池模块被配置为该提供者，于该电量交换模式下的一第一时间区间，该开关单元不导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端不耦合至该电池单元的该第二端；于该电量交换模式下的一第二时间区间，该开关单元不导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端耦合至该电池单元的该第二端；于该电量交换模式下的一第三时间区间，该开关单元导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端不耦合至该电池单元的该第二端；以及
其中当该电池模块被配置为该接受者，于该第一时间区间，该开关单元间歇性导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端不耦合至该电池单元的该第二端；于该第二时间区间，该开关单元导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端不耦合至该电池单元的该第二端；于该第三时间区间，该开关单元导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端不耦合至该电池单元的该第二端。
3.如权利要求2所述的电池模块，其特征在于，该开关单元的该第二端更用以耦接至一共同总线。
4.如权利要求2所述的电池模块，其特征在于，当该电池模块被配置为该提供者，该第一时间区间结束于该第二电容器的一跨压相同于被配置为该接受者的一第一电池模块的一第一电池单元的一跨压。
5.如权利要求2所述的电池模块，其特征在于，当该电池模块被配置为该接受者，该第一时间区间结束于该第二电容器的一跨压相同于该电池单元的一跨压。
6.如权利要求2所述的电池模块，其特征在于，该功能电路包括：
一第一晶体管，该第一晶体管的一第一端耦接至该电感器的该第一端，该第一晶体管的一第二端耦接至该变压电路，该第一晶体管的一控制端耦接至该控制单元；
一第二晶体管，该第二晶体管的一第一端耦接至该第一晶体管的该第二端，该第二晶体管的一第二端耦接至该电池单元的该第二端，该第二晶体管的一控制端耦接至该控制单元；
一第三晶体管，该第三晶体管的一第一端耦接至该第一晶体管的该第一端，该第三晶体管的一第二端耦接至该变压电路，该第三晶体管的一控制端耦接至该控制单元；以及
一第四晶体管，该第四晶体管的一第一端耦接至该第三晶体管的该第二端，该第四晶体管的一第二端耦接至该第二晶体管的该第二端，该第四晶体管的一控制端耦接至该控制单元。
7.如权利要求6所述的电池模块，其特征在于，处于该电量交换模式下，该第二晶体管及该第四晶体管导通，当该电池模块被配置为该提供者，于该第一时间区间及该第三时间区间，该第一晶体管及该第三晶体管不导通，于该第二时间区间，该第一晶体管及该第三晶体管导通。
8.如权利要求6所述的电池模块，其特征在于，处于该电量交换模式下，该第二晶体管及该第四晶体管导通，当该电池模块被配置为该接受者，于该第一时间区间、该第二时间区间及该第三时间区间，该第一晶体管及该第三晶体管不导通。
9.一种电源供应器，其特征在于，包括：
一主控制器；
一共同总线；
多个电池模块，各该电池模块，包括：
一变压电路，用以根据一第一电压从一或多个输出端输出一第二电压；
一功能电路，耦接至该变压电路以接收该第二电压；
一电感器，该电感器的一第一端耦接至该功能电路的多个输出端其中之一；
一开关单元，该开关单元的一第一端耦接至该电感器的该第一端；
一第一电容器，该第一电容器的一第一端耦接至该电感器的一第二端；
一第二电容器，该第二电容器的一第一端耦接至该开关单元的一第二端及该共同总线；
一电池单元，该电池单元的一第一端耦接至该开关单元的该第二端，该电池单元的一第二端耦接至该功能电路的该多个输出端的其中另一、该第一电容器的一第二端及该第二电容器的一第二端并参考接地；以及
一控制单元，耦接至该主控制器、该功能电路的一或多个控制端及该开关单元的一控制端，并用以与该主控制器沟通、配置该功能电路及控制该开关单元导通或不导通，
其中当该电源供应器处于一电量交换模式时，该主控制器指示该多个电池模块的至少其中之一配置为至少一提供者，指示该多个电池模块的其中另一配置为一接收者，该功能电路被配置以使该变压电路不耦合至该电感器；以及
其中对于各该电池模块，根据被配置为该提供者或该接受者，该开关单元选择性地导通，且该功能电路被配置以使该电感器的该第一端选择性地耦合至该电池单元该第二端。
10.如权利要求9所述的电源供应器，其特征在于，对于被配置为该提供者的各该电池模块，于该电量交换模式下的一第一时间区间，该开关单元不导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端不耦合至该电池单元的该第二端；于该电量交换模式下的一第二时间区间，该开关单元不导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端耦合至该电池单元该第二端；于该电量交换模式下的该第三时间区间，该开关单元导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端不耦合至该电池单元的该第二端；以及
其中对于被配置为该接受者的该电池模块，于该第一时间区间，该开关单元间歇性导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端不耦合至该电池单元的该第二端；于该第二时间区间，该开关单元导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端不耦合至该电池单元该第二端；于该第三时间区间，该开关单元导通，该功能电路被配置以使该电感器的该第一端不耦合至该电池单元的该第二端。
11.如权利要求10所述的电源供应器，其特征在于，该第一时间区间结束于被配置为该至少一提供者的至少一电池模块的至少一第二电容器的至少一跨压相同于被配置为该接受者的该电池模块的该第二电容器的一跨压及被配置为该接受者的该电池模块的该电池单元的一跨压。
12.如权利要求10所述的电源供应器，其特征在于，各该功能电路包括：
一第一晶体管，该第一晶体管的一第一端耦接至该电容器的该第一端，该第一晶体管的一第二端耦接至该变压电路，该第一晶体管的一控制端耦接至该控制单元；
一第二晶体管，该第二晶体管的一第一端耦接至该第一晶体管的该第二端，该第二晶体管的一第二端耦接至该电池单元的该第二端，该第二晶体管的一控制端耦接至该控制单元；
一第三晶体管，该第三晶体管的一第一端耦接至该第一晶体管的该第一端，该第三晶体管的一第二端耦接至该变压电路，该第三晶体管的一控制端耦接至该控制单元；以及
一第四晶体管，该第四晶体管的一第一端耦接至该第三晶体管的该第二端，该第四晶体管的一第二端耦接至该第二晶体管的该第二端，该第四晶体管的一控制端耦接至该控制单元。
13.如权利要求12所述的电源供应器，其特征在于，处于该电量交换模式下，该第二晶体管及该第四晶体管导通，对于被配置为该至少一提供者的各该至少一电池模块，于该第一时间区间及该第三时间区间，该第一晶体管及该第三晶体管不导通，于该第二时间区间，该第一晶体管及该第三晶体管导通。
14.如权利要求12所述的电源供应器，其特征在于，处于该电量交换模式下，该第二晶体管及该第四晶体管导通，对于被配置为该接受者的该电池模块，于该第一时间区间、该第二时间区间及该第三时间区间，该第一晶体管及该第三晶体管不导通。
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