TWI479769B - Electric products, high-voltage safe power supply system and high voltage safety protection device - Google Patents

Description

電動產品、高壓安全供電系統及高電壓安全保護裝置

本發明是有關於一種產品、系統及裝置，特別是指一種電動產品、高壓安全供電系統及高電壓安全保護裝置。

鋰電池應用於小型消費電子產品中時，以單體電池的形式存在，而在電動自行車、電動摩托車、電動汽車、混合動力車中應用時，其要求的電壓逐漸增高，需要通過串聯的方式進行充放電以滿足高電壓的需求。單體電池之間的性能差異，使得其作為動力和儲能電池時，都需要電池管理系統(Battery Management System，BMS)進行充放電的管理、監控和保護，以避免單體電池出現損壞，影響整體供電性能。

參閱圖1，習知一電池管理系統12適用於一供電裝置1，該供電裝置1用於供電至一負載2，並包含互相串聯的二個主開關13、電流感測器15及多數個電池單元11。該二主開關13電連接於該多個串聯的電池單元11與該負載2之間，且每一主開關13受控制而操作於導通或不導通。每個電池單元11包括一電池111及一感測器112。該等感測器112分別用於偵測所對應的該電池111的電壓、溫度和電流。

該電池管理系統12的電連接該等感測器112、電流感測器15及該二主開關13。該電池管理系統12的主要作用是實時監測電池組在充電過程中每一個電池111的電壓、溫 度和電流，經過處理、比較，輸出報警和調控信息，顯示每一個電池111的實時數據和歷史的資料，並控制該該二主開關13操作於導通或不導通。

當供電裝置1發生異常或需要維修時，需要將該二主開關13斷路，然而此時串聯的該等電池單元11仍然輸出一高電壓，易造成使用者及產品危險。於美國專利US 7990105 B2中，提出一種安全栓，於維修時將各個電池單元11隔離，以維護人員安全。但當該供電裝置1用於電動交通工具時，特別是汽車、船等，常遇到漏電、泡水、撞擊等意外狀況，安全栓仍無法對此異常狀況作保護。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以即時監控並增進安全性的電動產品、高壓安全供電系統及高壓安全保護裝置。

於是，本發明電動產品，包含一負載驅動器及一高壓安全供電系統。該高壓安全供電系統包括一電池裝置及一高壓安全保護裝置。

該電池裝置具有多個串聯的電池單元及一主開開。該等電池單元受控制而操作於導通或不導通。該主開開電連接於該等電池單元與該負載之間，且受控制而操作於導通或不導通。

該高壓安全保護裝置具有一產品感測器、一保護感測模組及一高壓安全控制模組。

該產品感測器用於偵測該電動產品的目前狀態，並輸 出一具有一數值的產品感測信號，該數值對應該電動產品目前狀態。

該保護感測模組預存一預設值，且電連接於該產品感測器以接收該產品感測信號，並將該數值與該預設值進行比較以判斷該電動產品處於一正常狀態或一異常狀態，且輸出一指示該正常狀態或該異常狀態的狀態信號。

該高壓安全控制模組電連接於該主開關及每一電池單元，且電連接於該保護感測模組以接收該狀態信號，並根據該狀態信號來使該主開關處於導通或不導通，使每一電池單元處於導通或不導通。

當該狀態信號指示該異常狀態，則該高壓安全控制模組使該主開關處於不導通，使每一電池單元處於不導通，而使每一電池單元不供電，以致該電池裝置不供電至該負載。

本發明利用該高壓安全保護裝置即時監控該電動產品，於異常或維修時將該等電池單元互相隔離，使該電動產品內部不再有高電壓，以維護人員安全。

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一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖2，本發明電動產品之較佳實施例包含一負載4、一高壓安全供電系統8及一負載驅動器7。

該負載4需要一直流高電壓以運作。該高壓安全供電 系統8用於供電至該負載4，且包括一電池裝置5及一高壓安全保護裝置3。

為提供直流高電壓，該電池裝置5具有多個串聯的電池單元51及二個主開關52。該等電池單元51分別具有一電池511、一與該電池511串聯的隔離開關512及一電池感測器513。該電池511可由多個錳鋰電池、鋰鐵電池或其它儲能電池單體串並聯組成。該電池感測器513用於偵測所對應的該電池511的電壓、電流、溫度狀態，並據此產生一電池感測信號。該電池感測信號用於指示所對應的電池單元51自身處於一正常狀態或一故障狀態。

該等電池單元51串聯時，每一電池511間皆無直接電連接，因為該等隔離開關512將每一電池511互相隔離。該等隔離開關512受控制而操作於導通或不導通而使得該等電池單元51彼此之間處於連接或不連接。

該主開關52電連接於該多個串聯的電池單元51與該負載4之間，且每一主開關52受控制而操作於導通或不導通。

該高壓安全保護裝置3具有一產品感測器33、一保護感測模組32、一高壓安全控制模組31及一高壓安全模組啟動開關6。

該產品感測器33用於偵測該電動產品的目前狀態，如電池裝置5的電壓、溫度、放電電流是否在設定值之內、電動產品是否有漏電狀況或受到外力強烈撞擊等情況。因此該產品感測器33可包含電壓、電流轉換器、加速度計及 溼度計等，並輸出一具有一數值的產品感測信號，該數值對應該電動產品目前狀態。該保護感測模組32預存一預設值，且電連接於該產品感測器33以接收該產品感測信號，並將該數值與該預設值進行比較以判斷該電動產品處於一正常狀態或一異常狀態，且輸出一指示該正常狀態或該異常狀態的狀態信號。該異常狀態包含過電壓、欠電壓、過載、短路、漏電、受到撞擊、潮濕、進水。

該高壓安全控制模組31電連接於該二主開關52及每一電池單元51的隔離開關512以進行控制，且電連接於該保護感測模組32及該等電池單元51的電池感測器513，以接收該狀態信號及該等電池感測信號。根據該狀態信號及該等電池感測信號，該高壓安全控制模組31控制該二主開關52處於導通或不導通，同時也使每一電池單元51處於導通或不導通。當該狀態信號指示該異常狀態，或該電池感測信號指示該故障狀態，則該高壓安全控制模組31使該等主開關52處於不導通，使每一電池單元51處於不導通，而使每一電池單元51不供電，以致電池裝置5不供電至該負載4。此時該等電池單元51互相間皆無電連接，該電動產品內部將無高電壓存在。此外，每一電池感測器513電連接相對應的隔離開關512，當該電池感測信號指示該故障狀態時控制每一隔離開關512不導通。

該高壓安全模組啟動開關6具有一接收一偏壓Vcc的第一端61、一電連接於該高壓安全控制模組的第二端62，及一接收一啟動信號的控制端63，且根據該啟動信號而使 該高壓安全模組啟動開關6處於於導通與不導通來對應傳遞或不傳遞該偏壓Vcc到該高壓安全控制模組31。

參閱圖3，該高壓安全控制模組31具有一邏輯單元312及一微控制器311，該邏輯單元312電連接該高壓安全模組啟動開關6以接收該偏壓Vcc，電連接該保護感測模組32以接收該狀態信號。該微控制器311電連接該邏輯單元312、該主開關52及每一電池單元51的隔離開關512。

當該邏輯單元312接收到該偏壓Vcc其中一者，且該狀態信號指示該正常狀態，則輸出一正常運轉信號至該微控制器311。該微控制器311接收到該正常運轉信號時控制該主開關52及每一電池單元51導通，否則控制該主開關52及每一電池單元51不導通。

該電動產品於開機時，先提供啟動信號至該高壓安全模組啟動開關6，該高壓安全模組啟動開關6傳遞該偏壓Vcc至該邏輯單元312後，再由該邏輯單元312檢視該狀態信號是否正常，若正常則該微控制器311使該主開關52及每一電池單元51導通以啟動電池裝置5，此時該電動產品正常運轉。

如圖2及圖3所示，本較佳實施例還可搭配一負載驅動器7使用，該負載驅動器7可用於執行操作負載4的功能而非高壓安全保護的功能。此時，該負載驅動器7電連接該邏輯單元312及該微控制器311，於上述開機動作完成後，電池裝置5供電至負載驅動器7，再由負載驅動器7接替高壓安全模組啟動開關6提供一致能訊號給該邏輯單元 312。此時高壓安全模組啟動開關6不需維持導通而電池裝置5仍正常供電。該微控制器311亦可傳遞信息至負載驅動器7以進行監控。

綜上所述，當使用中的該電動產品發生異常或操作維修時，利用該高壓安全保護裝置3，將該等電池單元51互相隔離，避免輸出一高電壓以保護人員安全，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。

3‧‧‧高壓安全保護裝置

31‧‧‧高壓安全控制模組

311‧‧‧微控制器

312‧‧‧邏輯單元

32‧‧‧保護感測模組

33‧‧‧產品感測器

4‧‧‧負載

5‧‧‧電池裝置

51‧‧‧電池單元

511‧‧‧電池

512‧‧‧隔離開關

513‧‧‧電池感測器

52‧‧‧主開關

6‧‧‧高壓安全模組啟動開關

61‧‧‧第一端

62‧‧‧第二端

63‧‧‧控制端

7‧‧‧負載驅動器

8‧‧‧高壓安全供電系統

Vcc‧‧‧偏壓

圖1是習知一電池管理系統的功能方塊圖；圖2是本發明電動產品之較佳實施例的功能方塊圖；及圖3是本較佳實施例的一高壓安全控制模組的功能方塊及接線圖。

3‧‧‧高壓安全保護裝置

31‧‧‧高壓安全控制模組

32‧‧‧保護感測模組

33‧‧‧產品感測器

4‧‧‧負載

5‧‧‧電池裝置

51‧‧‧電池單元

511‧‧‧電池

512‧‧‧隔離開關

513‧‧‧電池感測器

52‧‧‧主開關

6‧‧‧高壓安全模組啟動開關

61‧‧‧第一端

62‧‧‧第二端

63‧‧‧控制端

7‧‧‧負載驅動器

8‧‧‧高壓安全供電系統

Vcc‧‧‧偏壓

Claims (16)

1. 一種高壓安全供電系統，適用於一電動產品，該電動產品包含一負載，且該高壓安全供電系統包含：一電池裝置，包括：多個串聯的電池單元，每一電池單元受控制而操作於導通或不導通；及一主開開，電連接於該多個串聯的電池單元與該負載之間，且受控制而操作於導通或不導通；及一高壓安全保護裝置，包括：一產品感測器，用於偵測該電動產品的目前狀態，並輸出一具有一數值的產品感測信號，該數值對應該電動產品目前狀態；一保護感測模組，預存一預設值，且電連接於該產品感測器以接收該產品感測信號，並將該數值與該預設值進行比較以判斷該電動產品處於一正常狀態或一異常狀態，且輸出一指示該正常狀態或該異常狀態的狀態信號；及一高壓安全控制模組，電連接於每一電池單元，且電連接於該保護感測模組以接收該狀態信號，並根據該狀態信號來使每一電池單元處於導通或不導通；當該狀態信號指示該異常狀態，則該高壓安全控制模組使每一電池單元處於不導通，而使該電池 裝置不供電至該負載。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之高壓安全供電系統，其中，當該狀態信號指示該異常狀態，則該高壓安全控制模組還使該主開關處於不導通，而使該電池裝置不供電至該負載。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之高壓安全供電系統，其中：每一電池單元根據自身處於一正常狀態或一故障狀態來輸出一指示該正常狀態或該故障狀態的電池感測信號；該高壓安全控制模組更接收來自每一電池單元的該電池感測信號，並根據該電池感測信號來使該主開關處於導通或不導通，使每一電池單元處於導通或不導通；當該電池感測信號指示該故障狀態，則該高壓安全控制模組使該主開關處於不導通，使每一電池單元處於不導通，而使該電池裝置不供電至該負載。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之高壓安全供電系統，其中，每一電池單元具有：一電池；一隔離開關，與該電池串聯，且受該高壓安全控制模組控制而操作於導通或不導通；及一電池感測器，用於偵測該電池的狀態，並產生該電池感測信號。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之高壓安全供電系統，其 中，該高壓安全保護裝置更包括：一高壓安全模組啟動開關，具有一接收一偏壓的第一端、一電連接於該高壓安全控制模組的第二端，及一接收一啟動信號的控制端，且根據該啟動信號而使該高壓安全模組啟動開關處於導通與不導通來對應傳遞或不傳遞該偏壓到該高壓安全控制模組。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之高壓安全供電系統，其中，該高壓安全控制模組包括：一邏輯單元，電連接該保護感測模組以接收該狀態信號，及電連接於該高壓安全模組啟動開關；及一微控制器，電連接該邏輯單元、該主開關及每一電池單元；當該邏輯單元接收到該偏壓，且該狀態信號指示該正常狀態，則輸出一正常運轉信號至該微控制器使該微控制器控制該主開關及每一電池單元導通。
7. 一種電動產品，包含：一負載；及一高壓安全供電系統，包括：一電池裝置，具有：多個串聯的電池單元，每一電池單元受控制而操作於導通或不導通；及一主開開，電連接於該多個串聯的電池單元與該負載之間，且受控制而操作於導通或不導通； 及一高壓安全保護裝置，具有：一產品感測器，用於偵測該電動產品的目前狀態，並輸出一具有一數值的產品感測信號，該數值對應該電動產品目前狀態；一保護感測模組，預存一預設值，且電連接於該產品感測器以接收該產品感測信號，並將該數值與該預設值進行比較以判斷該電動產品處於一正常狀態或一異常狀態，且輸出一指示該正常狀態或該異常狀態的狀態信號；及一高壓安全控制模組，電連接於該主開關及每一電池單元，且電連接於該保護感測模組以接收該狀態信號，並根據該狀態信號來使該主開關處於導通或不導通，使每一電池單元處於導通或不導通；當該狀態信號指示該異常狀態，則該高壓安全控制模組使每一電池單元處於不導通，而使該電池裝置不供電至該負載。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之電動產品，其中，當該狀態信號指示該異常狀態，則該高壓安全控制模組還使該主開關處於不導通，而使該電池裝置不供電至該負載。
9. 依據申請專利範圍第7項所述之電動產品，其中：每一電池單元根據自身處於一正常狀態或一故障狀 態來輸出一指示該正常狀態或該故障狀態的電池感測信號；該高壓安全控制模組更接收來自每一電池單元的該電池感測信號，並根據該電池感測信號來使該主開關處於導通或不導通，使每一電池單元處於導通或不導通；當該電池感測信號指示該故障狀態，則該高壓安全控制模組使該主開關處於不導通，使每一電池單元處於不導通，而使該電池裝置不供電至該負載。
10. 依據申請專利範圍第9項所述之電動產品，其中，每一電池單元具有：一電池；一隔離開關，與該電池串聯，且受該高壓安全控制模組控制而操作於導通或不導通；及一電池感測器，用於偵測該電池的狀態，並產生該電池感測信號。
11. 依據申請專利範圍第7項所述之電動產品，其中，該高壓安全保護裝置更具有：一高壓安全模組啟動開關，具有一接收一偏壓的第一端、一電連接於該高壓安全控制模組的第二端，及一接收一啟動信號的控制端，且根據該啟動信號而使該高壓安全模組啟動開關處於於導通與不導通來對應傳遞或不傳遞該偏壓到該高壓安全控制模組；及一負載驅動器，電連接於該高壓安全控制模組，並用以提供一致能信號到該高壓安全控制模組。
12. 依據申請專利範圍第11項所述之電動產品，其中，該高壓安全控制模組具有一邏輯單元及一微控制器，該邏輯單元電連接該主控制器、該保護感測模組及該高壓安全模組啟動開關以接收該致能信號、該狀態信號，該微控制器電連接該邏輯單元、該主開關及每一電池單元；當該邏輯單元接收到該致能信號及該偏壓其中一者，且該狀態信號指示該正常狀態，則輸出一正常運轉信號至該微控制器，使該微控制器控制該主開關及每一電池單元導通。
13. 一種高壓安全保護裝置，適用於控制一電池裝置供電或不供電至一電動產品的一負載，該電池裝置包含多個串聯的電池單元和一主開開，每一電池單元受控制而操作於導通或不導通，該主開關電連接於該多個串聯的電池單元與該負載之間，且受控制而操作於導通或不導通，且該高壓安全保護裝置包含：一產品感測器，用於偵測該電動產品的目前狀態，並輸出一具有一數值的產品感測信號，該數值對應該電動產品目前狀態；一保護感測模組，預存一具有一預設值的狀態表，且電連接於該產品感測器以接收該產品感測信號，並將該數值與該預設值進行比較以判斷該電動產品處於一正常狀態或一異常狀態，且輸出一指示該正常狀態或該異常狀態的狀態信號；及一高壓安全控制模組，電連接於該主開關及每一電 池單元，且電連接於該保護感測模組以接收該狀態信號，並根據該狀態信號來使該主開關處於導通或不導通，使每一電池單元處於導通或不導通；當該狀態信號指示該異常狀態，則該高壓安全控制模組使每一電池單元處於不導通，而使該電池裝置不供電至該負載。
14. 依據申請專利範圍第13項所述之高壓安全保護裝置，其中，當該狀態信號指示該異常狀態，則該高壓安全控制模組還使該主開關處於不導通，而使該電池裝置不供電至該負載。
15. 依據申請專利範圍第13項所述之高壓安全保護裝置，還包含：一高壓安全模組啟動開關，包括一接收一偏壓的第一端、一電連接於該高壓安全控制模組的第二端，及一接收一啟動信號的控制端，且根據該啟動信號而使該高壓安全模組啟動開關處於導通與不導通來對應傳遞或不傳遞該偏壓到該高壓安全控制模組。
16. 依據申請專利範圍第15項所述之高壓安全保護裝置，其中，該高壓安全控制模組包括一邏輯單元及一微控制器，該邏輯單元電連接該主控制器、該保護感測模組及該高壓安全模組啟動開關以接收該致能信號、該狀態信號，該微控制器電連接該邏輯單元、該主開關及每一電池單元；當該邏輯單元接收到該致能信號及該偏壓其中一者 ，且該狀態信號指示該正常狀態，則輸出一正常運轉信號至該微控制器，該微控制器接收到該正常運轉信號時控制該主開關及每一電池單元導通。