TWI404291B - 電池單元平衡系統及其平衡方法 - Google Patents

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TWI404291B TW098146095A TW98146095A TWI404291B TW I404291 B TWI404291 B TW I404291B TW 098146095 A TW098146095 A TW 098146095A TW 98146095 A TW98146095 A TW 98146095A TW I404291 B TWI404291 B TW I404291B
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Description

電池單元平衡系統及其平衡方法
本發明係關於一種電池系統的管理，特別是一種平衡電池單元的系統和方法。
電池單元的平衡常用於包括多個電池單元的電池組。如果電池單元之間失衡的話，由於串聯耦接之電池單元中最弱的電池單元會決定整個電池組的容量，導致電池組的可用容量會降低。當電池單元之間的電池單元電壓差值大於一特定位準時，則發生電池單元失衡狀況。在電池系統中，電池單元的資訊可透過晶片上的電路或印刷電路板上電路測量得之。根據測量結果，電池管理系統能夠平衡電池單元。在包含多個電池模組的相對較大的電池管理系統中，電池單元的平衡可在各個電池模組中進行。
圖1所示為習知用於電池單元平衡系統100的示意圖。電池單元平衡系統100包括結構類似的電池模組182和184。電池模組182包括電池單元102和104、電池單元平衡電路122和124、電池單元電壓採樣電路132、134、136和1382、模組平衡電路112和電池管理模組162。電池模組184包括電池單元106和108、電池單元平衡電路126和128、電池單元電壓採樣電路142、144、146和148、模組平衡電路114和電池管理模組166。
電池單元電壓採樣電路132、134、136和138監測電池單元102和104的電壓。電池管理模組162從電池單元 電壓採樣電路132、134、136和138中獲得採樣到之電壓，並從中選取一電池單元參考電壓(例如，最小電壓)，且分別比較電池單元參考電壓與採樣到之電池。如果電池單元參考電壓和採樣到的電池單元電壓(例如，電池單元102或104的電池單元電壓)之間的差值大於一預設臨限值，則電池管理模組162控制電池單元平衡電路122和124分流該電池單元的電流。這樣，根據電池單元參考電壓，電池單元102和104的電壓能在電池模組182中得到平衡。電池單元106和108的電壓可透過類似方法平衡。
在電池單元平衡系統100中，電池模組182和184僅在各自模組中平衡電池單元。如果電池模組182和184之間發生不平衡，則使用模組平衡電路112和114分流整個電池模組的電流。然而，在這種情況下，電池系統的效率就會降低。而且，由於流經整個電池模組的電流被分流，導致功耗也會增加。
本發明提供一種電池單元平衡系統，包括：多個電池模組，每一該電池模組包括：多個電池單元；一電池管理模組，耦接至該多個電池單元，以取得該多個電池單元的多個電池單元電壓；以及多個平衡電路，耦接至該多個電池單元，在該電池管理模組的控制下對該多個電池單元執行平衡操作；以及一控制器，耦接至該多個電池模組，基於該多個電池模組所提供的該多個電池單元電壓產生一參考信號，其中，每一該電池模組中的該電池管理模組根 據該參考信號控制該多個平衡電路以平衡該多個電池單元。
本發明還提供一種平衡多個電池模組之方法，包括：監測每一該多個電池模組的多個電池單元的多個電池單元電壓；比較該多個電池模組之該多個電池單元電壓，以產生一參考信號；基於該參考信號，指定該多個電池模組中一電池單元被執行平衡操作；以及平衡該被指定該多個電池模組中之該電池單元。
本發明還提供一種用於平衡多個電池模組之電池單元平衡系統，包括：多個電池管理模組，分別監測每一該多個電池模組中的多個電池單元之多個電池單元電壓；多個平衡電路，耦接至該多個電池模組，以在該多個電池管理模組的控制下分別對該多個電池單元執行平衡操作；以及一控制器，耦接至該多個電池模組，基於每一該電池模組所提供的該多個電池單元電壓產生一參考信號；其中，該多個電池管理模組根據該參考信號分別控制該多個平衡電路，以平衡該多個電池單元。
以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。
此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對 本發明的完全的理解，提供了大量的具體細節。然而，於本技術領域中具有通常知識者將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。
圖2所示為根據本發明一實施例電池單元平衡系統200的示意圖。在圖2的實施例中，電池單元平衡系統200包括電池模組282和284、和一控制器(例如，中央電子控制單元280)。根據不同的應用，電池單元平衡系統200可包含任何數量的電池模組。
在一實施例中，電池模組282包括電池單元202和204、電池單元平衡電路222和224、電池單元電壓採樣電路232、234、236和238、和電池管理模組262。在一實施例中，電池模組284包括電池單元206和208、電池單元平衡電路226和228、電池單元電壓採樣電路242、244、246和248、和電池管理模組272。根據不同的應用，電池模組282和284可包含任何數量的電池。電池模組282的結構和電池模組284的結構類似。
在一實施例中，電池管理模組262耦接至電池單元202和204，並包含一電池單元平衡驅動器264和一微處理器266。電池管理模組262可為一管理電池組(例如，鋰離子電池、鎳氫電池)的保護、監測積體電路。電池管理模組262能夠以週期模式透過電池單元電壓採樣電路232、234、236和238監測電池單元202和204的電池單元電壓。電池管理模組262以預定的掃描頻率週期性的測量電池單 元202和204的電壓。在測量週期內，電池單元電壓被逐個測量。在一實施例中，電池管理模組262除了測量電池單元202和204的電壓，還能夠持續的監測電池組/電池單元的充/放電電流和/或溫度，以提供保護功能，包括過電壓、欠電壓、過電流、短路、高溫、低溫的安全保護，但不以此為限。
透過監測電池單元202和204的電壓，電池管理模組262能獲得電池單元電壓的資訊。同樣，電池管理模組272也能獲得電池單元206和208的電池單元電壓的資訊。在一實施例中，電池單元202、204、206和208的電池單元電壓透過一通訊匯流排286被傳送到中央電子控制單元280。通訊匯流排286能夠傳送不同種類的信號，例如，電壓信號和控制信號。中央電子控制單元280比較收到的電池單元電壓並產生一個參考信號。在一實施例中，參考信號可指示電池單元202、204、206和208中的最小電池單元電壓值Vmin。代表最小電池單元電壓值Vmin的參考信號能夠透過通訊匯流排286被回授給電池管理模組262和272。
在另一實施例中，為了減少通訊匯流排286的負載，電池管理模組262(272)透過通訊匯流排286發送指示電池模組282(284)的最小電池單元電壓的信號給中央電子控制單元280。微處理器266根據電池單元平衡演算法在電池模組282內比較電池單元的電池單元電壓以取得電池模組282的最小電池單元電壓。電池單元平衡演算法可被儲存於電池管理模組262中。相應地，指示電池模組282 的最小電池單元電壓的信號透過通訊匯流排286被發送給中央電子控制單元280。類似地，電池管理模組272也能夠在電池模組284比較電池單元的電池單元電壓以取得電池模組284的最小電池單元電壓。相應地，指示電池模組284的最小電池單元電壓的信號透過通訊匯流排286被發送給中央電子控制單元280。另外，當異常或非預期情況發生時，通訊匯流排286能夠將中央電子控制單元280與電池模組282和284隔離開。中央電子控制單元280比較電池管理模組262和272所發送之最小電池單元電壓，並產生參考信號。這種情況下，這個參考信號為電池單元202、204、206和208的最小電壓Vmin。
電池管理模組262中的微處理器266和電池管理模組272中的微處理器276比較每一電池單元的電池單元電壓與最小電壓Vmin以決定對哪個電池單元進行平衡。在一實施例中，微處理器266或276執行的電池單元平衡演算法能夠定義一預設臨限值△V。在另一實施例中，預設臨限值△V可由使用者設定。如果最小電壓Vmin與一電池單元的電池單元電壓之間的差值超出預設臨限值△V，則此相對應的電池單元就會被執行電池單元平衡。
例如，如果電池單元202需執行電池單元平衡，電池單元平衡驅動器264會啟動電池單元平衡電路222將電池單元202的電流分流。類似地，電池單元平衡電路224可以由電池平衡驅動器264驅動以分流電池單元204的電流。電池平衡驅動器274能夠驅動電池單元平衡電路226和228以分別平衡電池單元206和208。
有利之處在於，在一實施例中，電池單元平衡系統200能夠基於同一個參考信號達到電池單元間的平衡。具體而言，透過比較電池單元平衡系統200中不同電池模組的電池單元電壓，中央電子控制單元280能夠為每個電池模組產生參考電壓信號以執行電池單元間之平衡。因此，利用同一個參考信號，可達到不同電池模組間的電池單元平衡。
圖3是根據本發明的另一實施例的電池單元平衡系統300的示意圖。
在一實施例中，電池單元平衡系統300包括電池模組382和384，以及中央電子控制單元380。在一實施例中，電池模組382包括電池單元302和304、電池單元平衡電路322和324、電池單元電壓採樣電路332、334、336和338、以及電池管理模組362。電池模組384包括電池單元306和308、電池單元平衡電路326和328、電池單元電壓採樣電路342、344、346和348、以及電池管理模組372。電池模組382與電池模組384結構類似。
在一實施例中，電池管理模組362耦接至電池單元302和304，並包括電池單元平衡驅動器364。電池管理模組362可為用於管理一電池組保護、監測之積體電路。電池管理模組362能夠透過電池單元電壓採樣電路332、334、336和338監測電池單元302和304的電池單元電壓。在一實施例中，電池管理模組362除了測量電池單元302和304的電池單元電壓，還能夠持續的監測電池組/電池單元的充/放電電流及/或溫度，以提供不同的保護功能，例如 過電壓、欠電壓、過電流、短路、高溫、低溫的安全保護。
透過監測電池單元302和304的電池單元電壓，電池管理模組362能發送電池單元電壓的資訊給中央電子控制單元380。同樣，電池管理模組372也能發送電池單元306和308的電池單元電壓給中央電子控制單元380。中央電子控制單元380透過通訊匯流排386耦接至電池管理模組362和372。通訊匯流排386能夠傳送不同種類的信號，例如電壓信號和控制信號。另外，當異常或非預期情況發生時，通訊匯流排386能夠將中央電子控制單元380與電池模組382和384隔離開。
包含電池單元平衡演算法的中央電子控制單元380從電池管理模組362和372取得電池單元302、304、306和308的電池單元電壓。利用電池單元平衡演算法，中央電子控制單元380比較電池單元302、304、306和308的電池單元電壓，以產生一參考信號。在一實施例中，參考信號指示電池模組382和384中所有電池單元間的最小電壓Vmin。另外，中央電子控制單元380分別比較最小電壓Vmin與每個電池單元302、304、306和308的電池單元電壓，如果最小電壓Vmin與某一電池單元的電池單元電壓的差值超出一預設臨限值△V，則這個相對應的電池單元就會被執行電池單元平衡。在一實施例中，電池平衡演算法能夠定義預設臨限值△V。在另一實施例中，預設臨限值△V可由使用者設定。例如，如果電池單元302的電池單元電壓與最小電壓Vmin之間的差值超出預設臨限值△V，則中央電子控制單元380產生一控制信號並透過通訊匯流排386發 送給電池管理模組362。為回應來自中央電子控制單元380的控制信號，電池管理模組362中的電池單元平衡驅動器364驅動電池單元平衡電路322以分流電池單元302的電流。
圖4所示為根據本發明一實施例平衡電池單元的方法流程400。圖4將結合圖2進行描述。
在步驟402中，電池單元的電池單元電壓由電池管理模組監測。例如，電池模組282和284中的電池單元202、204、206和208的電池單元電壓被監測。例如，電池管理模組262透過電池單元電壓採樣電路232和234監測電池單元202的電池單元電壓。電池管理模組262以一預設掃描頻率週期性的測量電池單元202和204的電池單元電壓。
在步驟404中，電池模組中的電池單元電壓被比較以產生一參考信號。例如，電池模組282和284中的電池單元202、204、206和208的電池單元電壓被比較以產生參考信號。在一實施例中，參考信號可指示電池單元202、204、206和208的電池單元電壓的最小電壓Vmin。
在步驟406中，基於參考信號，可決定被執行電池單元平衡的電池單元。例如，每一電池單元202、204、206和208的電池單元電壓會根據電池單元平衡演算法與參考信號進行比較。電池單元平衡演算法能夠定義一預設臨限值△V。當最小電壓Vmin與某一電池單元的電池單元電壓之間的差值超出預設臨限值△V，這個電池就會被執行電池單元平衡。
在步驟408中，每一電池模組中被指定的電池單元會被執行電池單元平衡。例如，電池單元平衡電路264或274能夠驅動相對應的電池單元平衡電路(例如，電池單元平衡電路222、224、226或228)以執行平衡。例如，如果電池單元202被指定執行電池單元平衡，則電池單元平衡驅動器264就會驅動電池單元平衡電路222以分流電池單元202的電流。
上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離後附申請專利範圍所界定的本發明精神和保護範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本技術領域中具有通常知識者應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附申請專利範圍及其合法均等物界定，而不限於此前之描述。
100‧‧‧電池單元平衡系統
102、104、106、108‧‧‧電池單元
112、114‧‧‧模組平衡電路
122、124、126、128‧‧‧電池單元平衡電路
132、134、136、138‧‧‧電池單元電壓採樣電路
142、144、146、148‧‧‧電池單元電壓採樣電路
162、166‧‧‧電池管理模組
182、184‧‧‧電池模組
200‧‧‧電池單元平衡系統
202、204、206、208‧‧‧電池單元
222、224、226、228‧‧‧電池單元平衡電路
232、234、236、238‧‧‧電池單元電壓採樣電路
242、244、246、248‧‧‧電池單元電壓採樣電路
262‧‧‧電池管理模組
264‧‧‧電池單元平衡驅動器
266‧‧‧微處理器
272‧‧‧電池管理模組
274‧‧‧電池單元平衡驅動器
276‧‧‧微處理器
280‧‧‧中央電子控制單元
282、284‧‧‧電池模組
286‧‧‧通訊匯流排
300‧‧‧電池單元平衡系統
302、304、306、308‧‧‧電池單元
322、324、326、328‧‧‧電池單元平衡電路
332、334、336、338‧‧‧電池單元電壓採樣電路
342、344、346、348‧‧‧電池單元電壓採樣電路
362‧‧‧電池管理模組
364‧‧‧電池單元平衡驅動器
372‧‧‧電池管理模組
380‧‧‧中央電子控制單元
382、384‧‧‧電池模組
386‧‧‧通訊匯流排
400‧‧‧方法流程
402、404、406、408‧‧‧步驟
以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：
圖1所示為習知用於電池單元平衡系統的示意圖。
圖2所示為根據本發明一實施例電池單元平衡系統的示意圖。
圖3所示為根據本發明另一實施例電池單元平衡系統的示意圖。
圖4所示為根據本發明一實施例平衡電池單元的方法流程。
200‧‧‧電池單元平衡系統
202、204、206、208‧‧‧電池單元
222、224、226、228‧‧‧電池單元平衡電路
232、234、236、238‧‧‧電池單元電壓採樣電路
242、244、246、248‧‧‧電池單元電壓採樣電路
262‧‧‧電池管理模組
264‧‧‧電池單元平衡驅動器
266‧‧‧微處理器
272‧‧‧電池管理模組
274‧‧‧電池單元平衡驅動器
276‧‧‧微處理器
280‧‧‧中央電子控制單元
282、284‧‧‧電池模組
286‧‧‧通訊匯流排

Claims (14)

  1. 一種電池單元平衡系統，包括：多個電池模組，每一電池模組包括：多個電池單元；一電池管理模組，耦接該多個電池單元，取得該多個電池單元的多個電池單元電壓，並比較該多個電池單元電壓得到一最小電池單元電壓；以及多個平衡電路，耦接該多個電池單元，在該電池管理模組的控制下對該多個電池單元執行一平衡操作；以及一控制器，耦接該多個電池模組，接收來自該多個電池模組的多個電壓信號，其中，每一電壓信號相應指示每一電池模組的該最小電池單元電壓，其中，該控制器比較該多個電壓信號以產生指示該多個電池模組的該多個電池單元電壓中之一總體最小電壓值的一參考信號，其中，該電池單元平衡系統將該每一電池單元電壓與該參考信號進行一比較，且其中每一電池模組中的該電池管理模組根據一比較結果控制該多個平衡電路以平衡該多個電池單元。
  2. 如申請專利範圍第1項的電池單元平衡系統，其中，該每一電池模組進一步包括：多個電壓採樣電路，耦接於該多個電池單元和該電池管理模組之間，監測該多個電池單元電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項的電池單元平衡系統，其中， 該每一電池模組的該電池管理模組進一步包括：一處理器，比較該多個電池模組中之一相應電池模組的該多個電池單元電壓以產生該最小電池單元電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項的電池單元平衡系統，其中，該控制器基於該比較結果產生一控制信號，並提供該控制信號給該多個電池模組。
  5. 如申請專利範圍第4項的電池單元平衡系統，其中，該控制信號決定一電池單元被執行該平衡操作。
  6. 如申請專利範圍第1項的電池單元平衡系統，其中，該多個電池模組接收該參考信號，並基於該比較結果決定一電池單元被執行該平衡操作。
  7. 如申請專利範圍第1項的電池單元平衡系統，其中，若該多個電池單元中之一電池單元電壓與該參考信號之一差值大於一預設臨限值，則該多個電池單元中之一相應的電池單元被執行該平衡操作。
  8. 一種平衡多個電池模組之方法，包括：監測每一電池模組的多個電池單元的多個電池單元電壓；比較該多個電池單元電壓得到該每一電池模組的一最小電池單元電壓；接收來自該多個電池模組的多個電壓信號，其中，每一電壓信號相應指示該每一電池模組的該最小電池單元電壓；比較該多個電壓信號以產生指示該多個電池模組的 該多個電池單元電壓中之一總體最小電壓值的一參考信號；比較每一電池單元電壓與該參考信號；以及基於一比較結果，指定該多個電池模組中之一電池單元被執行一平衡操作。
  9. 如申請專利範圍第8項的方法，其中，該指定步驟包括：當一電池單元電壓與該參考信號之間的一差值超出一預設臨限值時，指定相應的該電池單元。
  10. 如申請專利範圍第8項的方法，其中，該平衡步驟包括：基於該參考信號驅動多個電池單元平衡電路；以及利用該多個電池單元平衡電路分流該被指定的該電池單元的一電流。
  11. 一種平衡多個電池模組之電池單元平衡系統，包括：多個電池管理模組，分別對應多個電池模組，其中，每一電池管理模組監測一相應的電池模組中的多個電池單元之多個電池單元電壓，並比較該多個電池單元電壓得到每一電池模組的一最小電池單元電壓；多個平衡電路，耦接該多個電池模組，在該多個電池管理模組的控制下分別對該多個電池單元執行一平衡操作；以及一控制器，耦接該多個電池模組，接收來自該多個電池模組的多個電壓信號，其中，每一電壓信號相應指示每一電池模組的該最小電池單元電壓，其中，該控 制器比較該多個電壓信號以提供指示該多個電池模組的該多個電池單元電壓中之一總體最小電壓值的一參考信號；其中，該電池單元平衡系統將每一電池單元電壓與該參考信號進行一比較，且其中，該多個電池管理模組根據一比較結果分別控制該多個平衡電路以平衡該多個電池單元。
  12. 如申請專利範圍第11項的電池單元平衡系統，其中，該控制器基於該比較結果和該參考信號產生一控制信號，且將該控制信號提供給該多個電池模組。
  13. 如申請專利範圍第12項的電池單元平衡系統，其中，該控制信號決定一電池單元被執行該平衡操作。
  14. 如申請專利範圍第11項的電池單元平衡系統，其中，該多個電池模組接收該參考信號，並基於該比較結果決定一電池單元被執行該平衡操作。
TW098146095A 2009-01-23 2009-12-31 電池單元平衡系統及其平衡方法 TWI404291B (zh)

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