TWI409482B - 電池等化器的檢測模組及檢測方法 - Google Patents

電池等化器的檢測模組及檢測方法 Download PDF

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Description

電池等化器的檢測模組及檢測方法
本發明是有關於一種檢測方法，特別是指一種電池等化器之檢測方法。
在現今的電池組中，通常會加入電池等化器(Equalizer)來增強電池組中各個電池充放電時的均勻性，以增加電池組的使用壽命。
參閱圖1，為一電池組系統900，其中包括四個相互串聯的電池B1~B4、四個分別耦接於電池B1~B4的電池等化器910，及一個控制電路920，控制電路920會監控各個電池B1~B4的電壓，並適當地啟閉電池等化器910，以防止電池B1~B4過度充電或過度放電而導致損壞。
但是，控制電路920並無法針對電池等化器910進行檢測，使得當電池等化器910出現異常時，例如：電池等化器910中的切換開關SW1發生短路(short)，則電池B1將會透過切換開關SW1持續地放電，導致整個電源供應裝置900的耗電量增加，且降低了電池B1的使用壽命。
因此，本發明之目的，即在提供一種偵測電池等化器是否正常運作的檢測方法。
於是，本發明電池等化器的檢測方法，係於一檢測模組執行，用以檢測一與一電池組耦接的電池等化器的運作情況，該檢測方法包含以下步驟：
(A)令檢測模組控制電池等化器運作，使電池組對電池等化器釋能；
(B)偵測流過電池等化器的電流；及
(C)根據所偵測的電流判斷電池等化器是否正常運作。
此外，本發明電池等化器的檢測模組包含：一電流偵測單元、一驅動電路及一控制電路。電流偵測單元耦接於電池等化器及電池組，用以偵測流經電池等化器的電流；驅動電路耦接於電池等化器；控制電路耦接於電流偵測單元及驅動電路，控制電路控制驅動電路驅動電池等化器運作，並於電池等化器運作時，根據電流偵測單元所偵測的電流判斷電池等化器是否正常運作，以提升電池組的使用壽命及安全性。
較佳地，電池組包括一第一電池單元及一第二電池單元，第一電池單元的負極耦接於第二電池單元的正極，電池等化器則耦接於第一電池單元的正極、第一電池單元的負極及第二電池單元的負極，電流偵測單元包括三電流偵測電路，該等電流偵測電路分別耦接於第一電池單元的正極與電池等化器之間、第一電池單元的負極與電池等化器之間，及第二電池單元的負極與電池等化器之間。
進一步地，各該電流偵測電路包括有一偵測電阻及一運算放大器，偵測電阻耦接於電池組及電池等化器之間，運算放大器的反相端與非反相端分別耦接於偵測電阻的兩端，且其輸出端耦接於控制電路，運算放大器用以將流過偵測電阻的電流進行放大與比較，使控制電路根據其比較結果判斷電池等化器是否正常運作。
較佳地，電池組、電池等化器及電流偵測單元係串聯形成一迴路，電流偵測單元包括一偵測電阻及一運算放大器，偵測電阻耦接於電池組與電池等化器之間，運算放大器的反相端與非反相端分別耦接於偵測電阻的兩端，且其輸出端耦接於控制電路，運算放大器用以將流過偵測電阻的電流進行放大與比較，使控制電路根據其比較結果判斷電池等化器是否正常運作。
本發明之功效在於，檢測模組可以檢測出電池等化器是否正常運作，並於電池等化器出現異常時發出警示，以便相關人員進行後續的維修及更換。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖2及圖3，為本發明電源供應裝置之第一較佳實施例，電源供應裝置100包含多數個電池單元VB1 ~VBN 、多數個電池等化器(Equalizer)2及一檢測模組，該檢測模組包括有多數個電流偵測單元1、一控制電路20及一驅動電路30。在本實施例中，電流偵測單元1及電池等化器2係被模組化成一電池等化模組10，且每個電池等化模組10中具有一個電流偵測單元1及一個電池等化器2。藉由電流偵測單元1偵測各個電池單元VB1 ~VBN 所輸出的電流，以得知各個電池等化器2是否皆正常運作，以避免電池等化器2發生異常時(例如：短路)，造成其所對應耦接的電池單元出現不正常的能量輸出(例如：不受控制的持續放電)而導致損壞。
在本實施例中，各個電池單元VB1 ~VBN 相互串接，且皆為可儲能及釋能的單顆電池(cell)；該等電池等化模組10分別耦接於任二相鄰的電池單元，且分別輸出一電流訊號CS1 ~CSN-1 至控制電路20；控制電路20耦接於該等電池等化模組10，用以控制電池等化模組10中電池等化器2的運作，且根據電流訊號CS1 ~CSN-1 判斷電池等化模組10中的電池等化器2是否正常運作；驅動電路30耦接於控制電路20與各個電池等化器2之間，用以輸出驅動訊號驅動各個電池等化器2運作。
由於本實施例中，所有電池等化模組10的內部電路皆相同，故以下將以圖3進行說明。
如圖3所示，第一電池單元VB1 的負極係耦接於第二電池單元VB2 的正極，且第一電池單元VB1 及第二電池單元VB2 視為一電池組；電池等化器2係為一非消耗式電池等化器，其中包括一第一電感L1、一第一電容C1、一第二電感L2、一第一開關Q1及一第二開關Q2，第一電感L1、第一電容C1及第二電感L2依序相互串接，且第一電感L1相反於耦接第一電容C1的一端耦接於第一電池單元VB1 的正極，第二電感L2相反於耦接第一電容C1的一端耦接於第二電池單元VB2 的負極。第一開關Q1與第二開關Q2的一端皆耦接於第一電池單元VB1 的負極，且兩者的另一端分別耦接於第一電容C1的兩相反端，第一開關Q1與第二開關Q2受驅動電路30所輸出的驅動訊號驅動而開啟(ON)或關閉(OFF)。
在本實施例中，電流偵測單元1包括三個相同的電流偵測電路3，每個電流偵測電路3具有一偵測電阻R1、R2、R3及一運算放大器U1、U2、U3。以具有偵測電阻R1的電流偵測電路3來說，偵測電阻R1耦接於第一電池單元VB1 的正極與第一電感L1之間，用以取樣流經電池等化器2的電流；運算放大器U1的反相端與非反相端分別耦接於偵測電阻R1的兩端，且其輸出端耦接於控制電路20，運算放大器U1用以將偵測電阻R1所偵測的電流進行放大及比較，並由輸出端輸出一第一電流訊號CS11 。同樣地，運算放大器U2及U3則分別輸出一第二電流訊號CS12 及一第三電流訊號CS13 至控制電路20。特別說明的是，上述電池等化模組10所輸出的電流訊號CS1 係包含第一電流訊號CS11 、第二電流訊號CS12 及第三電流訊號CS13 ，而其餘的電流訊號CS2 ~CSN-1 則同樣各自包含三個子電流訊號，將不再贅述。
參閱圖4，以下將詳細說明本實施例之電源供應裝置100中各個電路的動作，及控制電路20係如何判斷電池等化器2是否正常運作。
步驟S10，控制電路20控制驅動電路30將電池等化器2中的第一開關Q1開啟且第二開關Q2關閉而形成二個電流路徑：配合參閱圖5，第一電流迴路I為第一電池單元VB1 、偵測電阻R1、第一電感L1、第一開關Q1至偵測電阻R2，第一電池單元VB1 會開始釋能並對第一電容C1充電；第二電流迴路II為第一電容C1、第一開關Q1、偵測電阻R2、第二電池單元VB2 、偵測電阻R2至第二電感L2，使得第一電容C1對第二電池單元VB2 進行充電。而第一開關Q1及第二開關Q2的驅動訊號、流過偵測電阻R1及R2的電流，以及各運算放大器U1~U3所輸出的電流訊號CS11 ~CS13 如圖7所示，其中驅動訊號Q1及Q2分別為第一開關Q1及第二開關Q2的驅動訊號。
步驟S20，電流偵測電路3偵測流經電池等化器2的電流，在第一電流迴路I中，第一電池單元VB1 所輸出的電流IR1 會在偵測電阻R1上產生微小的壓降，並透過運算放大器U1將該壓降進行放大及比較而產生第一電流訊號CS11 回傳給控制電路20。同時，在第二電流迴路II中，第一電容C1所輸出的電流IR3 也會在偵測電阻R3上形成壓降，並透過運算放大器U3將該壓降進行放大及比較而產生第三電流訊號CS13 ，且回傳給控制電路20。
特別注意的是，第一電流迴路I及第二電流迴路II中電流IR1 及IR3 的方向係與流過偵測電阻R2的電流IR2 方向相反，即運算放大器U2的反相端電壓會大於其非反相端電壓，因此，在第一開關Q1為開啟且第二開關Q2為關閉的控制條件下，運算放大器U2將不會產生任何訊號，即第二電流訊號CS12 為零。
此外，本實施例之電源供應裝置100還可包含一耦接於電流偵測電路3與控制電路20之間的多工器40，用以從多個電流訊號CS1 ~CSN-1 選擇一個或幾個輸出至控制電路20，如此將可節省控制電路20的輸入接腳(input pin)。
步驟S30，控制電路20根據電流偵測電路3所偵測的電流判斷電池等化器2是否正常運作。在本實施例中，控制電路20透過多工器40的選擇而接收到第一電流訊號CS11 、第二電流訊號CS12 及第三電流訊號CS13 ，並根據其中所儲存的一預設結果，比對第一電流訊號CS11 、第二電流訊號CS12 及第三電流訊號CS13 的訊號邏輯是否與預設結果相同，以步驟S10的控制(第一開關Q1為開啟且第二開關Q2為關閉)來說，第一電流訊號CS11 及第三電流訊號CS13 應為高準位(High)，第二電流訊號CS12 應為低準位(Low)，若控制電路20比對無誤後，則執行步驟S40。
步驟S40，控制電路20判斷是否還有電池等化器2要檢測，若有，則重複執行步驟S10~S30。
若控制電路20比對發現第一電流訊號CS11 、第二電流訊號CS12 及第三電流訊號CS13 其中任一的訊號邏輯與預設結果不符時，例如：第二電流訊號CS12 應為低準位，結果運算放大器U2回傳至控制電路20的訊號邏輯卻為高準位。此時，控制電路20將會發出一警示訊號(如步驟S50)，以告知相關人員對應第二電流訊號CS12 的電池等化器2出現異常現象，以便進行後續的維修或更換。特別說明的是，發出警示的方式有很多種，例如：透過顯示器顯示、改變發光二極體的發光模式或變色，或發出聲響等。
控制電路20在第一開關Q1為開啟且第二開關Q2為關閉的控制條件下檢測完畢後，還會控制驅動電路30將第一開關Q1轉為關閉且將第二開關Q2轉為開啟(步驟S10)，以針對電池等化器2與第一電池單元VB1 、第二電池單元VB2 之間各個路徑進行更全面的檢測。
當電池等化器2的第一開關Q1為關閉且第二開關Q2為開啟，同樣會形成二個電流路徑：配合參閱圖6，第三電流迴路III為第一電容C1、第一電感L1、偵測電阻R1、第一電池單元VB1 、偵測電阻R2至第二開關Q2，使得第一電容C1開始釋能並對第一電池單元VB1 充電；第四電流迴路IV為第二電池單元VB2 、偵測電阻R2、第二開關Q2、第二電感L2至偵測電阻R3，使得第二電池單元VB2 對第二電感L2釋能。
在第一開關Q1為關閉且第二開關Q2為開啟的控制條件下，電流IR2 會在偵測電阻R2上產生微小壓降，並經由運算放大器U2的放大及比較後回傳第二電流訊號CS12 至控制電路20(步驟S20)；而第三電流迴路III及第四電流迴路IV中的電流IR1 、IR3 方向與電流IR2 相反，即運算放大器U1的反相端電壓會大於其非反相端電壓，且運算放大器U3的反相端電壓會大於其非反相端電壓，故運算放大器U1及U3將不會產生任何訊號，即第一電流訊號CS11 及第三電流訊號CS13 皆為零，其波形如圖7所示。
同樣地，控制電路20會比對第一電流訊號CS11 、第二電流訊號CS12 及第三電流訊號CS13 的訊號邏輯是否與預設結果(即第二電流訊號CS12 為高準位；第一電流訊號CS11 及第三電流訊號CS13 為低準位)相同，以檢測第一電池單元VB1 、第二電池單元VB2 與電池等化器2之間是否有異常的充放電現象。
透過上述的檢測流程，控制電路20可以針對電源供應裝置100中所有的電池等化器2進行檢測，並且在檢測出電池等化器2出現異常時發出警示，使得相關人員可即時地進行後續的維修與更換，以增加電池組的使用壽命。
參閱圖8，為本發明電源供應裝置之第三較佳實施例，該電源供應裝置包含N個電池單元VB1 ~VBN 、N個電池等化模組10、一控制電路20、一驅動電路30及一多工器40。配合參閱圖9，以耦接於第一電池單元VB1 的電池等化模組10來說明，電池等化模組10包括有一電流偵測單元1及一電池等化器2，在本實施例中，電池等化器2係為一消耗式電池等化器，其中具有一功率開關QP1 及一串聯電阻RP1 ，第一電池單元VB1 、功率開關QP1 及串聯電阻RP1 相互串聯成一電流迴路，且當功率開關QP1 被開啟時，第一電池單元VB1 對串聯電阻RP1 釋能。
在本實施例中，電流偵測單元1僅包括一個電流偵測電路3，且電流偵測電路3中具有一偵測電阻R1及一運算放大器U1(以圖9來說明)，偵測電阻R1耦接於第一電池單元VB1 與電池等化器2之間，運算放大器U1的反相端與非反相端分別耦接於偵測電阻R1的兩端，運算放大器U1的輸出端耦接於控制電路20。本實施例之電流偵測電路3的運作與第一較佳實施例相同，故不多加贅述。
本實施例之控制流程同第一較佳實施例，控制電路20可控制驅動電路30驅動功率開關QP1 開啟(步驟S10)，使得第一電池單元VB1 對串聯電阻RP1 釋能，運算放大器U1會將流過偵測電阻R1的微小壓降進行放大及比較，並產生一電流訊號CS1 回傳至控制電路20(步驟S20)，以供控制電路20根據一預設結果判斷電池等化器2是否正常運作(步驟S30)，如此同樣能達到檢測電池等化器2之功效。
特別說明的是，在圖8中，第N電池單元VBN 的負極係耦接於地，因此配合參閱圖10，第N個電池等化模組10中串聯電阻RPN 的一端同樣耦接於地，故當功率開關QPN 為開啟且第N電池單元VBN 對串聯電阻RPN 進行釋能時，可以藉由功率開關QPN 與串聯電阻RPN 的連接端產生電流訊號CSN (因為串聯電阻RPN 的另一端已經定義為零)，也就是說第N個電池等化模組10中可以僅具有一個電池等化器2，而不需要有電流偵測單元1。
綜上所述，本發明電源供應裝置100，透過控制電路20控制驅動電路30驅動電池等化器2運作，並藉由電流偵測單元1同時偵測流經電池等化器2的電流，使得控制電路20再根據所偵測到的電流判斷電池等化器2是否正常運作，且於偵測出電池等化器2異常時，發出一警示訊號，以告知相關人員進行後續的維修或更換，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
S10~S50．．．步驟
100．．．電源供應裝置
10．．．電池等化模組
1．．．電流偵測單元
2．．．電池等化器
3．．．電流偵測電路
20．．．控制電路
30．．．驅動電路
40．．．多工器
圖1是說明現今電源供應裝置的電路方塊圖；
圖2是說明本發明電源供應裝置之第一較佳實施例的電路方塊圖；
圖3是說明第一較佳實施例中電池等化模組的內部電路；
圖4是說明本發明電源供應裝置之內部電路運作的流程圖；
圖5是說明第一較佳實施例中電池等化器的第一開關為開啟且第二開關為關閉的電流方向圖；
圖6是說明第一較佳實施例中電池等化器的第一開關為關閉且第二開關為開啟的電流方向圖；
圖7是說明第一較佳實施例中第一開關及第二開關的驅動訊號、流過偵測電阻的電流，及各運算放大器的所輸出電流訊號的波形圖；
圖8是說明本發明電源供應裝置之第二較佳實施例的電路方塊圖；
圖9是說明第二較佳實施例中電池等化模組的內部電路；及
圖10是說明第二較佳實施例中第N個電池等化模組的內部電路。
S10~S50．．．步驟

Claims (11)

  1. 一種電池等化器的檢測模組，係耦接於一電池組及一電池等化器，該檢測模組包含：一電流偵測單元，耦接於該電池等化器及該電池組，用以偵測流經該電池等化器的電流；一驅動電路，耦接於該電池等化器，以驅動該電池等化器；及一控制電路，耦接於該電流偵測單元及該驅動電路，該控制電路控制該驅動電路驅動該電池等化器運作，並於該電池等化器運作時，根據該電流偵測單元所偵測的電流判斷該電池等化器是否正常運作。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之電池等化器的檢測模組，其中，該電池組包括一第一電池單元及一第二電池單元，該第一電池單元的負極耦接於該第二電池單元的正極，該電池等化器耦接於該第一電池單元的正極、該第一電池單元的負極及該第二電池單元的負極，該電流偵測單元包括三電流偵測電路，該等電流偵測電路分別耦接於該第一電池單元的正極與該電池等化器之間、該第一電池單元的負極與該電池等化器之間，及該第二電池單元的負極與該電池等化器之間。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之電池等化器的檢測模組，其中，各該電流偵測電路包括有一偵測電阻及一運算放大器，該偵測電阻耦接於該電池組及該電池等化器之間，該運算放大器的反相端與非反相端分別耦接於該偵測電阻的兩端，且其輸出端耦接於該控制電路，該運算放大器用以將流過該偵測電阻的電流進行放大與比較，使該控制電路根據其比較結果判斷該電池等化器是否正常運作。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之電池等化器的檢測模組，還包含一耦接於該等電流偵測電路與該控制電路之間的多工器，用以選擇輸出該等電流偵測電路其中至少一的比較結果至該控制電路。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之電池等化器的檢測模組，其中，該電池組、該電池等化器及該電流偵測單元串聯形成一迴路，該電流偵測單元包括一偵測電阻及一運算放大器，該偵測電阻耦接於該電池組與該電池等化器之間，該運算放大器的反相端與非反相端分別耦接於該偵測電阻的兩端，且其輸出端耦接於該控制電路，該運算放大器用以將流過該偵測電阻的電流進行放大與比較，使該控制電路根據其比較結果判斷該電池等化器是否正常運作。
  6. 一種電源供應裝置，包含：一電池組；一電池等化器，耦接於該電池組；一電流偵測單元，耦接於該電池等化器及該電池組，用以偵測流經該電池等化器的電流；一驅動電路，耦接於該電池等化器；及一控制電路，耦接於該電流偵測單元及該驅動電路，該控制電路控制該驅動電路驅動該電池等化器運作，並根據該電流偵測單元所偵測的電流判斷該電池等化器是否正常運作。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述之電源供應裝置，其中，該電池組包括一第一電池單元及一第二電池單元，該第一電池單元的負極耦接於該第二電池單元的正極，該電池等化器耦接於該第一電池單元的正極、該第一電池單元的負極及該第二電池單元的負極，該電流偵測單元包括三電流偵測電路，該等電流偵測電路分別耦接於該第一電池單元的正極與該電池等化器之間、該第一電池單元的負極與該電池等化器之間，及該第二電池單元的負極與該電池等化器之間。
  8. 依據申請專利範圍第7項所述之電源供應裝置，其中，各該電流偵測電路包括有一偵測電阻及一運算放大器，該偵測電阻耦接於該電池組及該電池等化器之間，該運算放大器的反相端與非反相端分別耦接於該偵測電阻的兩端，且其輸出端耦接於該控制電路，該運算放大器用以將流過該偵測電阻的電流進行放大與比較，使該控制電路根據其比較結果判斷該電池等化器是否正常運作。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述之電源供應裝置，還包含一耦接於該等電流偵測電路與該控制電路之間的多工器，用以選擇輸出該等電流偵測電路其中至少一的比較結果至該控制電路。
  10. 依據申請專利範圍第6項所述之電源供應裝置，其中，該電池組、該電池等化器及該電流偵測單元串聯形成一迴路，該電流偵測單元包括一偵測電阻及一運算放大器，該偵測電阻耦接於該電池組與該電池等化器之間，該運算放大器的反相端與非反相端分別耦接於該偵測電阻的兩端，且其輸出端耦接於該控制電路，該運算放大器用以將流過該偵測電阻的電流進行放大與比較，使該控制電路根據其比較結果判斷該電池等化器是否正常運作。
  11. 一種電池等化器的檢測方法，係於一檢測模組執行，用以檢測一與一電池組耦接的電池等化器的運作情況，該檢測方法包含以下步驟：(A)令該檢測模組控制該電池等化器運作，使該電池組對該電池等化器釋能；(B)偵測流過該電池等化器的電流；及(C)根據所偵測的電流判斷該電池等化器是否正常運作。
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