TWI509936B - 單充多放之智慧型電池管理系統 - Google Patents

Description

單充多放之智慧型電池管理系統

本發明涉及一種電池管理系統，特別是指應用於智慧型電池進行單充多放之智慧型電池管理系統。

近年來，可充電電池已廣泛應用於可攜式和消費性電子產品，如：筆記型電腦、行動電話、數位相機等等。隨著綠色環保能源的意識抬頭，可充電電池亦可用在太陽能電池、混合動力車、電動車等等。但是，一般的可充電電池並無法顯示目前的電量，為了解決此問題，目前已發展出一種智慧型電池，其藉由電量殘量監控裝置、溫度感應裝置、及其他感應裝置，用以偵測智慧型電池中充放電不足或過度充電。

一般而言，鋰離子電池的電壓介於3.3伏特到3.6伏特之間，而一個串接多個鋰離子電池的鋰離子電池組的電壓約在30伏特到45伏特之間。驅動混合動力車需要450伏特的直流電壓，即是需要10個以上的鋰離子電池組。為了有效運用此龐大的鋰離子電池組，需要具有智慧型電池管理的能力，以提升充放電的效能與穩定度，以使在運行中的負載或電子產品可穩定操作不受干擾，並提高充電效率及延長電池壽命。

「第1圖」為習知的電池組的實施例之示意圖。如「第1圖」所示意，電池組10係為獨立電池群20串接而成；相鄰之兩個電池以一個連接片14做連接，即一個電池之正極12與另一個電池的負極13透過一個連接片14連接。兩 個正負極接腳端連接負載以放電，而連接電池充電器則為充電。

當一個鋰離子電池單獨充放電時，它的優點可被充分利用，如最高充放電倍率、一致的內阻、不需要平衡、散熱快、最大的壽命。但在串接電池使用時，於充電與放電階段均可能發生個別電池電壓、電量、及內阻不一致。當並聯後個別電池電壓不同時，會造成彼此充放電；當並聯後個別電池電量不一致時，會導致某些電池過度放電或過度充電；而當並聯後個別電池內阻不相同時，會產生某些電池的輸出電流永遠較高而有些電池的輸出電流永遠偏低。上述情形不只影響充電效率及電池壽命，甚至有可能***之危險。

有鑑於此，便有人提出如中華民國專利第I398068號所揭示的方式來避免上述問題，如「第2圖」所示意，「第2圖」為習知的單元化充放電之電池管理系統及其可程式化電池管理模組之示意圖。其藉由萬用迴路25改變電池(26a~26d)與充電模組27及放電模組28的連接關係，以使得電池模組26內的某些電池進行放電，同時其他電池進行充電，進而延長電池模組26的使用期限。然而，為了能彈性改變連接，此萬用迴路25係以電子開關來建構。當多數電池串接時，所使用的電子開關需具備較大的耐高電壓與耐高電流的能力，而且控制單元29的設計複雜度也隨之劇增。因此，在電子開關的耐高電壓與耐高電流有其物理極限的前提下，上述方式仍然無法有效解決充電效率及電池壽命不佳的問題。

綜上所述，可知先前技術中長期以來一直存在充電效率及電池壽命不佳之問題，因此實有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。

本發明揭露一種單充多放之智慧型電池管理系統。藉由智慧型電池充電模組，使得在充電時電池群中各個 電池可分別單獨充電與量測其特性與條件，以達單一電池充電的優點，進而改善智慧型電池組的充電效率與延長電池壽命。並且藉由智慧型電池放電模組，對智慧型電池組進行放電，並得以監控與量測各個電池的條件提高較佳的放電使用率，進而提升智慧型電池組的整體能源效率。

簡而言之，單充多放之智慧型電池管理系統為一種對單顆電池之充電及對智慧型電池組(多顆電池)放電之智慧型電池管理系統，其對智慧型電池組中的各個電池做單一電池的充電，以延長智慧型電池充電模組的充電效率與延長電池壽命；以及對智慧型電池組進行放電，以提升智慧型電池組的整體能源效率。

為達上述功效，本發明提供一種單充多放之智慧型電池管理系統，其包含：智慧型電池組、智慧型電池充電模組及智慧型電池放電模組。其中，智慧型電池組包含電池群、電池連接模組及監測控制單元，所述電池群包含複數個電池，各電池之間無電性連接；所述電池連接模組用以同時設置於電池群的上下方以電性連接電池；所述監測控制單元用以監控及量測電池群中各電池的充放電狀態及特性。

在智慧型電池充電模組的部分，其包含電池充電連接模組及智慧型電池充電控制單元。其中，電池充電連接模組用以透過插拔方式與智慧型電池組的電池連接模組電性連接或中斷連接，並且使電池群中的每一電池個別與電池充電連接模組電性連接；智慧型電池充電控制單元用以電性連接至電池充電連接模組，並且對智慧型電池組之電池群中的多個電池同時進行單一電池的充電。

在智慧型電池放電模組的部分，其包含電池放電連接模組。所述電池放電連接模組用以透過插拔方式與所述電池連接模組電性連接或中斷連接，並且在電性連接時以串並聯方式對智慧型電池組之電池群中的多個電池進行放電。

藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效：

一、利用單充多放之智慧型電池管理系統，以使得電池群中之各個電池做單一電池的充電，以延長智慧型電池組的充電效率與延長電池壽命；

二、利用單充多放之智慧型電池管理系統，以使得智慧型電池組(多顆電池)進行放電，以提升智慧型電池組的整體能源效率。

三、利用智慧型電池組，每個電池分別連一個監測/量測裝置，以監控及量測電池群當中各個電池之充電與放電狀態及特性，並將監控及量測的資料記錄在記憶體，進而提升較佳的充電與放電能量的效率。由於每一個智慧型電池組均含有儲存資料的記憶體，因此可用任何智慧型電池充電模組，以節省充電器需求的成本。

四、利用單顆電池充電的優點，可簡化或省略電池平衡的動作。

五、利用電池放電連接模組，與智慧型電池組建構一個智慧型電池放電模組而進行放電。在電池放電連接模組的連接點與電池的接觸係經過電池連接模組的接觸點，而非習知以連接片直接焊接在電池(如「第1圖」所示意)。因此，提升電池群中的電池的再利用價值；電池放電連接模組可實現於適當的型式與材質的電路板，包括接觸點及連接片，促使電池組裝生產自動化的可能，進而提升產能及降低製作成本。

10‧‧‧電池組

11‧‧‧電池

12‧‧‧正極

13‧‧‧負極

14‧‧‧連接片

20‧‧‧電池群

25‧‧‧萬用迴路

26‧‧‧電池模組

26a~26d‧‧‧電池

27‧‧‧充電模組

28‧‧‧放電模組

29‧‧‧控制單元

30‧‧‧智慧型電池組

31、32‧‧‧連接頭

33‧‧‧具有連接頭的電池

35‧‧‧監測/量測裝置

36、37‧‧‧控制電路

38、39‧‧‧記憶體

40‧‧‧監測控制單元

45‧‧‧智慧型電池充電控制單元

46‧‧‧智慧型電池充電器

50‧‧‧智慧型電池充電模組

51、52‧‧‧連接頭

60‧‧‧智慧型電池放電模組

61、62‧‧‧接腳腳位

100‧‧‧智慧型電池管理系統

120‧‧‧電池群A面

125‧‧‧電池群B面

130‧‧‧電池連接模組

131‧‧‧電池連接模組A面

132‧‧‧電池連接模組B面

150‧‧‧電池充電連接模組

151‧‧‧電池充電連接模組A面

152‧‧‧電池充電連接模組B面

160‧‧‧電池放電連接模組

161‧‧‧電池放電連接模組A面

162‧‧‧電池放電連接模組B面

250‧‧‧智慧型電池充電模組殼

260‧‧‧智慧型電池放電模組殼

第1圖為習知的電池組的實施例之示意圖。

第2圖為習知的單元化充放電之電池管理系統及其可程式化電池管理模組之示意圖。

第3圖為本發明單充多放之智慧型電池管理系統之電路方 塊實施例之示意圖。

第4圖為本發明單充多放之智慧型電池管理系統之電池群的實施態樣之示意圖。

第5圖為本發明單充多放之智慧型電池管理系統之智慧型電池組的實施態樣之示意圖。

第6圖為本發明單充多放之智慧型電池管理系統之智慧型電池充電模組的實施態樣之示意圖。

第7圖為本發明單充多放之智慧型電池管理系統之智慧型電池放電模組的實施態樣之示意圖。

第8圖為本發明單充多放之智慧型電池管理系統之智慧型電池充電模組與智慧型電池放電模組交換使用的實施態樣之示意圖。

以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。

請先參閱「第3圖」，「第3圖」係為本發明單充多放之智慧型電池管理系統之電路方塊實施例之示意圖，所述智慧型電池管理系統100包括：智慧型電池組30、智慧型電池充電模組50及智慧型電池放電模組60。其中智慧型電池組30可透過插拔的方式設置於智慧型電池充電模組50與智慧型電池放電模組60之中，所述智慧型電池組30包括：電池群20、電池連接模組130及監測控制單元40。其中，電池群20至少含有兩個電池，而且在各電池之間彼此並未有任何電性連接；電池連接模組130同時設置於電池群20之上下方(上方為電池連接模組A面131；下方為電池連接模組B 面)，在實際實施上，電池連接模組130使用一對具有複數個連接頭的第一電路板來實現，這一對第一電路板可分為電池連接模組A面131及電池連接模組B面132並且與電池電性連接。為了解說方便，在電池群20的上方稱為電池群A面120，而在電池群20的下方則稱為電池群B面125。在實際實施上，電池連接模組130可提供多個接觸點使各電池分別連接一個監測/量測裝置，以便監控及量測電池群20中各個電池之充放電狀態及特性。

在智慧型充電模組50的部分，其包含電池充電連接模組150及智慧型電池充電控制單元45。其中，電池充電連接模組150為一對具有複數個連接頭的第二電路板(即電池充電連接模組A面151及電池充電連接模組B面152)，其透過插拔方式與電池連接模組A面131及電池連接模組B面132電性連接，使各連接頭間接與各電池的正負極電性連接。在智慧型電池放電模組60的部分，其包含電池放電連接模組160，所述電池放電連接模組160以電池放電連接模組A面161及電池放電連接模組B面162分別電性連接至電池連接模組A面131及電池連接模組B面132。

如「第4圖」所示意，「第4圖」為本發明單充多放之智慧型電池管理系統之電池群的實施態樣之示意圖。電池群20包含複數個電池11，各電池11之間彼此無任何連接。電池11的排列與放電應用相關，某些電池的正極朝上，而有些電池的負極朝上。在本例的上方或電池群A面120，中間的兩個電池的負極朝上，其餘電池的正極朝上；而在下方或電池群B面125則正好相反，即中間的兩個電池的正極朝下，其餘電池的負極朝下。

如「第5圖」所示意，「第5圖」為本發明單充多放之智慧型電池管理系統之智慧型電池組的實施態樣之示意圖。智慧型電池組30包含多個具有連接頭的電池33，每一個具有連接頭的電池33包含：一個電池11及連接頭(31、 32)，所述連接頭(31、32)也可稱為接觸點，連接頭(31、32)可分別使用適當的型式與材質之電路板來實現，例如：銅箔基板、軟性電路板或軟硬複合板。在相對於電池群20內的每一個電池11的位置各家一個連接頭31，成為具有電池連接頭模組A面131；相同的，在相對於電池群20內的每一個電池11的位置各加一個連接頭32，成為具有電池連接模組B面132。因此，智慧型電池組30包含：電池群20、電池連接模組130(具有電池連接模組A面131及電池連接模組B面132)及監測控制單元40。所述電池連接模組A面131及電池連接模組B面132分別連接於電池群20之電池群A面120與電池群B面125。所述電路板可包含電池的連接頭(或稱為接觸點)以及繞線到電路板的邊緣電性連接腳位，以便於電性連接到監測控制單元40的一個監測/量測裝置35的兩端。監測控制單元40除了包含一個或多個監測/量測裝置35之外，亦包含控制電路36。

每一對在電池連接模組A面131與電池連接模組B面132的連接頭分別連接到一個監測/量測裝置35的兩端；也可實現以多對連接頭共用一個監測/量測裝置35。在監測控制單元40的監測/量測裝置35；亦可將部份或全部的監測/量測裝置35移到電路板靠近電池連接模組A面131或電池連接模組B面132的連接頭，以減低訊號的干擾，提升測量的準確性。當部份或全部的監測/量測裝置35移到接近連接頭時，亦可實現以多對連接頭共用一個監測/量測裝置35。此外，亦可在電池連接模組A面131增加一個或多個記憶體，如：記憶體38；或在電池連接模組B面132增加一個或多個記憶體，如：記憶體39；或同時在雙面增加記憶體，以記錄電池的身份及特性規格、在充電與放電期間所監測/量測的資料、及達到最佳充電與放電的條件等等，以建構一個智慧型電池組30。儲存在智慧型電池組30之記憶體(38、39)的資料提供智慧型電池充電模組50及智慧型電池放電模 組60進行有效的充電與放電。此外，由於記憶體(38、39)係含於智慧型電池組30，任何智慧型電池充電模組50均可使.用以進行充電，即一個智慧型電池充電模組50可讓一個或多個智慧型電池組30共用，以節省充電器的需求。

如「第6圖」所示意，「第6圖」為本發明單充多放之智慧型電池管理系統之智慧型電池充電模組的實施態樣之示意圖。在進行電池充電時，電池充電連接模組A面151及電池充電連接模組B面152連接到一個智慧型電池組30，以建構一個智慧型電池充電模組50。同時搭配「第5圖」與「第6圖」可看出智慧型電池充電模組50與智慧型電池組30有類似的架構。在電池充電連接模組A面151及電池充電連接模組B面152的位置各加一個連接頭(51、52)，並各連接到電池連接模組A面131及電池連接模組B面132相應位置的連接頭(31、32)。在實際實施上，電池充電連接模組A面151可以使用電路板來實現，其包含所有連接頭51及連接線，以連接到智慧型電池充電控制單元45之智慧型電池充電器46進行對單一電池充電。電池充電連接模組B面152亦可用相同方式實現，即每一對在電池充電連接模組A面151及電池充電連接模組B面152的連接頭(51、52)分別連接到智慧型電池充電器46的兩端。亦可實現多對連接頭共用一個智慧型電池充電器46。在實現上，部份或全部的智慧型電池充電器46亦可移到電路板靠近電池連接模組A面131或電池連接模組B面132的連接頭，以減低連接線阻抗問題，提升充電效率。當部份或全部的智慧型電池充電器46移到接近連接頭時，亦可實現以多對連接頭共用一個智慧型電池充電器46。智慧型電池充電控制單元45除了包含智慧型電池充電器46外，亦包括控制電路37。

如「第7圖」所示意，「第7圖」為本發明單充多放之智慧型電池管理系統之智慧型電池放電模組的實施態樣之示意圖。在進行電池放電時，電池放電連接模組A面161 及電池放電連接模組B面162連接一個智慧型電池組30，以建構一個智慧型電池放電模組60。依電池群20中的電池11之排列及放電應用需求，連接片14用以連接相鄰的電池。在本例中，按電池群20在「第4圖」的排列及“三串二並”電池組的需求，在電池放電連接模組A面161及電池放電連接模組B面162各以三個連接片14實現。在電池放電連接模組A面161的接腳腳位61連接到電源；而電池放電連接模組B面162的接腳腳位62連接到接地線。智慧型電池放電模組60與習知之電池組有類似的放電功能，然而，智慧型電池放電模組60結合智慧型電池組30，擁有監測與量測之智慧與功能，以提升智慧型電池組30的整體能源效率。

如「第8圖」所示意，「第8圖」為本發明單充多放之智慧型電池管理系統之智慧型電池充電模組與智慧型電池放電模組交換使用的實施態樣之示意圖。當智慧型電池充電模組50將電池群20內的每一個電池11個別充飽電後，智慧型電池組30可從智慧型電池充電模組50抽離，並***智慧型電池放電模組殼260，以便成為智慧型電池放電模組60對智慧型電池組30進行放電。同理而言，當智慧型電池組30的電量不足而需要充電時，智慧型電池組30可從智慧型電池放電模組60抽離，並***智慧型電池充電模組殼250，以便成為智慧型電池充電模組50對智慧型電池組30內的電池11做個別的充電。或者，當智慧型電池充電模組50將智慧型電池組30內的每一個電池11個別充飽後，可將智慧型電池充電控制單元45及電池充電連接模組150(即電池充電連接模組A面151及電池充電連接模組B面152)從智慧型電池充電模組50移除後，再連接電池放電連接模組160(即電池放電連接模組A面161及電池放電連接模組B面162)，成為智慧型電池放電模組60以進行電池組放電。同理，可將智慧型電池放電模組60的智慧型電池組30，以相反的程序，建構成智慧型電池充電模組50以進行單一電池的充電。簡便的架 構可提升製造的效率與減低成本。

為了提高智慧型電池組30的使用壽命與安全性，監測控制單元40用於檢測和預測單體電池11的狀態，以做適當的保護措施。利用量測裝置及各種感應器對單體電池11的電流、電壓、及溫度進行檢測，並記錄於記憶體(38、39)。從量測的資料來計算電池殘量、放電功率、及充電功率；並對電池健康狀態、老化狀態、充電狀態、及功能狀態做出正確預測；並可提供最佳充電條件及最大輸出功率。此外，對單體電池11的電流、電壓、及溫度進行檢測以提供資訊對電池11進行過充與過放之保護、過多電流及短路之保護，及過高溫和過低溫之保護，為電池11提供多重保護以提高電池系統的可靠性。為了提高充電效率及電池壽命，監測控制單元40對電池11的健康狀態、老化狀態、充電狀態、及功能狀態做出正確預測，以提供智慧型電池充電控制單元45最佳充電條件。智慧型電池充電控制單元45包含：一個或多個智慧型電池充電器46及控制電路37。控制電路37跟據電池充電狀態及電池容量偵測的資訊以提供智慧型電池充電器46之充電控制策略，包含充電時間的控制、電池充電波形的需求等等。良好的充電控制策略能增加電池的壽命。

綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於透過監控及量測電池群中各電池的充放電狀態及特性，並且以此控制電池連接模組與電池的電性連接方式，以便對各電池群中的電池同時進行單一電池的充電或是對電池進行放電，藉由此一技術手段可以解決先前技術所存在的問題，進而達成提高充電效率、整體能源效率及電池壽命之技術功效。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

20‧‧‧電池群

30‧‧‧智慧型電池組

40‧‧‧監測控制單元

45‧‧‧智慧型電池充電控制單元

50‧‧‧智慧型電池充電模組

60‧‧‧智慧型電池放電模組

100‧‧‧智慧型電池管理系統

120‧‧‧電池群A面

125‧‧‧電池群B面

130‧‧‧電池連接模組

131‧‧‧電池連接模組A面

132‧‧‧電池連接模組B面

150‧‧‧電池充電連接模組

151‧‧‧電池充電連接模組A面

152‧‧‧電池充電連接模組B面

160‧‧‧電池放電連接模組

161‧‧‧電池放電連接模組A面

162‧‧‧電池放電連接模組B面

Claims (10)

1. 一種單充多放之智慧型電池管理系統，該系統包含：一智慧型電池組，該智慧型電池組包含：一電池群，該電池群包含複數個電池，各電池之間無電性連接；一電池連接模組，用以同時設置於該電池群的上下方以電性連接所述電池；及一監測控制單元，用以監控及量測電池群中各電池的充放電狀態及特性；一智慧型電池充電模組，該智慧型電池充電模組包含：一電池充電連接模組，用以透過插拔方式與該電池連接模組電性連接或中斷連接，並且使該電池群中的每一電池個別與該電池充電連接模組電性連接；及一智慧型電池充電控制單元，用以電性連接至所述電池充電連接模組，並且對該電池群中的多個電池同時進行單一電池的充電；及一智慧型電池放電模組，該智慧型電池放電模組包含：一電池放電連接模組，用以透過插拔方式與所述電池連接模組電性連接或中斷連接，並且在電性連接時以串並聯方式對該電池群中的多個電池進行放電。
2. 根據申請專利範圍第1項之單充多放之智慧型電池管理系統，其中該電性連接以連接頭、連接片及連接線或三者任 一進行連接。
3. 根據申請專利範圍第1項之單充多放之智慧型電池管理系統，其中該智慧型電池組更包含記憶體，用以儲存電池的身份及特性規格、在充電與放電期間監測/量測的資料及達到最佳充電與放電的條件。
4. 根據申請專利範圍第1項之單充多放之智慧型電池管理系統，其中該電池連接模組提供多個接觸點，用以使每一電池分別連接一監測/量測裝置。
5. 根據申請專利範圍第1項之單充多放之智慧型電池管理系統，其中該電池連接模組係以一對具有複數個連接頭的第一電路板分別設置於該電池群上下方，並且使各連接頭直接與各電池的正負極電性連接。
6. 根據申請專利範圍第5項之單充多放之智慧型電池管理系統，其中該對第一電路板為銅箔基板、軟性電路板或軟硬複合板，並且具有電性連接腳位。
7. 根據申請專利範圍第1項之單充多放之智慧型電池管理系統，其中該電池充電連接模組為一對具有複數個連接頭的第二電路板，並且使各連接頭間接與各電池的正負極電性連接。
8. 根據申請專利範圍第7項之單充多放之智慧型電池管理系統，其中該對第二電路板為銅箔基板、軟性電路板或軟硬複合板，並且具有電性連接腳位。
9. 根據申請專利範圍第1項之單充多放之智慧型電池管理系統，其中該智慧型電池充電控制單元係透過至少一智慧型 電池充電器，用以對各單一電池進行充電。
10. 根據申請專利範圍第9項之單充多放之智慧型電池管理系統，其中部份或全部的所述智慧型電池充電器設置於該電池連接模組與該電池充電連接模組之電性連接處的鄰近位置以降低阻抗。