TWI509940B - 電池電壓平衡電路 - Google Patents

電池電壓平衡電路 Download PDF

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Han Lin Li
Ping Cheng Yen
Chen Hsung Wang
Shian Sung Shiu
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    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
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Description

電池電壓平衡電路
本發明係關於一種電池電壓平衡電路，尤指一種於電池充電時進行電池電壓平衡之電池電壓平衡電路。
隨著可攜式電子產品的發展，可充電式電池之需求也隨之而起。充電式電池包括了習知的鎳鎘電池、後續開發的鎳氫電池、鋰離子電池以及最新發展的鋰聚合物(Li-Polymer)電池。不同種類的可充電式電池所提供的電壓也不盡相同，而可攜式電子產品所需的操作電壓也有所不同。因此，電池製造業者會配合可攜式電子產品的操作電壓，將數顆電池串聯成電池模組以提供所需的電壓。
然而，當電池模組的電池的蓄電量有所不同時，電池模組的實際可使用電能將由蓄電量最低的電池所決定。而電池模組之各電池蓄電量於出廠時可能不同外，電池於未使用時，也會自放電，在每個電池自放電速率不同之情況下，也會造成電池間蓄電量逐漸不平衡，使電池模組實際可使用電能會隨著電池使用時間而逐漸變少，造成電池模組之使用效率低落，使用時間也變短。
請參見第一圖，為傳統的電池電壓平衡電路的電路示意圖。電池模組包含了兩顆串聯的電池單元BAT1、BAT2。一充電電路40耦接電池模組，以提供一充電電流Ich對電池單元BAT1、BAT2進行充電。一保護電路20耦接電池模組，以判斷電池單元BAT1、BAT2的狀態，並據此控制一充放電控制開關25。當電池單元BAT1、BAT2中任一電池單元過充時，保護電路20產生一過充保護訊號CO以截止充放電控制開關25，進而停止電池單元BAT1、BAT2繼續充電；當電池單元 BAT1、BAT2中任一電池單元過放時，保護電路20產生一過放保護訊號DO以截止充放電控制開關25，進而停止電池單元BAT1、BAT2繼續放電。一充電判斷電路30耦接充放電控制開關25，偵測充放電控制開關25的兩端電壓差，以判斷電池模組是否處於充電狀態，若是則產生一平衡啟動訊號CBEN。一平衡電路10耦接電池模組，於接收到平衡啟動訊號CBEN時啟動，並開始偵測電池單元BAT1、BAT2的電壓差以決定是否進行一電壓平衡程序。若平衡電路10判斷電池模組中的電池單元BAT1、BAT2處於不平衡狀態，平衡電路10開始進行電壓平衡程序，使電池單元BAT1、BAT2之間的電壓差縮小。
請參見第二圖，為傳統電池充電過程的充電電流隨時間變化之示意圖。一般的充電模式，不論是常見的先定電壓後定電流充電或先定電流後定電壓充電，充電電流大致上都會隨著時間的經過而變小。而上述的充電判斷電路30是藉由充放電控制開關25的導通阻抗於充電電流Ich流過時所造成的電壓降來判斷電池模組是否處於充電狀態。因此，當充電電流Ich低於一偵測臨界電流OPTH時，充電判斷電路30會判斷電池模組非處於充電狀態而停止產生平衡啟動訊號CBEN。此時，平衡電路10也會停止電壓平衡程序。由第二圖可知，充電電流Ich高於偵測臨界電流OPTH的時間並不長，造成平衡電路10執行電壓平衡程序的時間短，電池電壓平衡的作用不明顯。而且偵測臨界電流OPTH會跟雜訊大小、充電判斷電路30的偏移電壓等相關，因此偵測臨界電流OPTH也難以進一步下降。
鑑於先前技術中的電池電壓平衡電路執行電壓平衡程序的時間短，造成電池電壓平衡效果的不明顯。本發明利用偵測電池是否過充或/及電池電壓的變化來取代偵測充電電流是否 存在來作為電壓平衡程序的終點判斷，可有效延長電壓平衡程序的執行時間而達到更佳的電池電壓平衡效果。
為達上述目的，本發明提供一種電池電壓平衡電路，用以平衡串聯之複數個電池單元之電池電壓。電池電壓平衡電路包含一平衡電路、一保護電路、一充電判斷電路以及一平衡啟動電路。平衡電路根據複數個電池單元之電池電壓或電池電壓之電壓差，以判斷是否進行一電壓平衡程序，以減少複數個電池單元之電池電壓之電壓差。保護電路根據複數個電池單元之電池電壓判斷複數個電池單元中任一電池單元過充時產生一保護訊號，以截止一充放電控制開關。充電判斷電路耦接複數個電池單元以偵測複數個電池單元是否處於一充電狀態，若是則產生一平衡啟動訊號。平衡啟動電路耦接平衡電路、保護電路以及充電判斷電路，於接收平衡啟動訊號時致能平衡電路，於接收保護訊號時禁能平衡電路。
本發明也提供了一種電池電壓平衡電路，用以平衡串聯之複數個電池單元之電池電壓。電池電壓平衡電路包含一平衡電路、一充電停止判斷電路、一充電判斷電路以及一平衡啟動電路。平衡電路根據複數個電池單元之電池電壓或電池電壓之電壓差，以判斷是否進行一電壓平衡程序，以減少複數個電池單元之電池電壓之電壓差。充電停止判斷電路，用以偵測複數個電池單元中至少一電池單元之電池電壓是否下降，若是則產生一平衡停止訊號。充電判斷電路耦接複數個電池單元以偵測複數個電池單元是否處於一充電狀態，若是則產生一平衡啟動訊號。平衡啟動電路耦接平衡電路、該充電停止判斷電路以及充電判斷電路，於接收平衡啟動訊號時，致能平衡電路，於接收平衡停止訊號時，禁能平衡電路。
以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。
請參見第三圖，為根據本發明之一第一較佳實施例之電池電壓平衡電路之電路示意圖。電池電壓平衡電路包含一平衡電路10、一保護電路20、一充電判斷電路30以及一平衡啟動電路15，用以平衡電池模組中串聯之複數個電池單元之電池電壓。在此實施例，以兩顆電池單元BAT1、BAT2為例進行說明。平衡電路10耦接電池單元BAT1、BAT2的正端及負端，根據電池單元BAT1、BAT2之電池電壓或電池電壓之電壓差，判斷是否進行一電壓平衡程序，以減少複數個電池單元之電池電壓之電壓差。例如：偵測兩電池電壓之電池電壓以判斷何者電池電壓較高；或直接偵測兩電池電壓之電壓差，當判斷電壓差高於一預定電壓差值時進行電壓平衡，也可於電池電壓之電壓差超過一保護電壓差值(大於預定電壓差值)時，例外地停止電壓平衡，以避免可能是電池單元異常所造成過大的電池電壓差。電壓平衡程序一般而言可分為兩種電池電壓平衡方式，包含被動式平衡及主動式平衡，均適用於本發明。被動式平衡係指將具有較高電池電壓的電池單元以一旁流電路分流一充電電路40所提供的一充電電流，使其充電電流小於較低電池電壓的電池單元的一充電電流。主動式平衡係指將具有較高電池電壓的電池單元所儲存的一電力或充電電路40所提供充電電流儲存於一電感或一電容，再將電感或電容儲存的一電力轉至較低電池電壓的電池單元儲存。
保護電路20根據複數個電池單元之電池電壓，於判斷電池單元BAT1、BAT2過充時產生一保護訊號CO，以截止一充放電控制開關25。在本實施例，保護訊號CO係用以控制一N型金氧半場效電晶體，故上述的產生保護訊號CO係代表保護訊號CO的一準位為一低準位，而停止產生保護訊號CO係代表保護訊號CO的準位轉為一高準位。一般而言，為避免電池 單元BAT1、BAT2因過充而造成損壞，只要電池單元BAT1、BAT2中任一電池單元過充時，就會產生保護訊號CO截止充放電控制開關25中對應的一開關，以停止對電池單元BAT1、BAT2的充電。充電判斷電路30耦接電池單元BAT1、BAT2以偵測電池單元BAT1、BAT2是否處於一充電狀態，若是則產生一平衡啟動訊號CBEN。充電判斷電路30可以是一運算放大器(Operational Amplifier)，具有兩偵測端，一偵測端耦接電池單元BAT2與充放電控制開關25的連接端，另一偵測端耦接充放電控制開關25的另一端，以據此用以對應充放電控制開關25之一跨壓判斷電池單元BAT1、BAT2之一充電電流是否大於一預定電流值，若是則產生平衡啟動訊號CBEN。或者，也可利用一電流偵測電阻耦接電池單元BAT1、BAT2，充電判斷電路30根據電流偵測電阻的兩端電壓差來判斷，而電流偵測電阻的一電阻值一般會選擇較小的阻值，以避免造成電池單元充放電過程明顯的功耗。平衡啟動電路15耦接平衡電路10、保護電路20以及充電判斷電路30，於接收平衡啟動訊號CBEN時產生一啟動訊號EN以致能平衡電路10，於接收保護訊號CO時停止產生啟動訊號EN以禁能平衡電路10。
藉由上述的電路架構，本發明以充電電流的偵測作為判斷是否進行電池電壓平衡程序的起點，而以電池單元達到過充(飽充)作為進行電池電壓平衡程序的終點。電池單元一般會經歷相當長時間的小充電電流後達到過充，故可有效拉長可進行電池電壓平衡的時間長度而達到更佳平衡效果，以及減少達到完全平衡所需的充放電循環次數(即電池單元經使用放電而需重新充電的次數)。
請參見第三A圖，為根據本發明之一第一較佳實施例之平衡啟動電路之電路示意圖。平衡啟動電路包含一矽控整流器SCR(Silicon Controlled Rectifier)。請同時參見第三圖，矽控整流器SCR之一閘極耦接充電判斷電路30以接收平衡啟動訊 號CBEN。矽控整流器SCR之一陽極耦接保護電路20以接收保護訊號CO。矽控整流器SCR之一陰極耦接平衡電路10，以產生啟動訊號EN以致能平衡電路10。當保護電路20停止產生保護訊號CO(即高準位)時，一旦充電判斷電路30偵測到充電電流而產生平衡啟動訊號CBEN，矽控整流器SCR即產生啟動訊號EN以致能平衡電路10。直至保護電路20產生保護訊號CO(即低準位)時，矽控整流器SCR才停止產生啟動訊號EN以禁能平衡電路10。
請參見第三B圖，為根據本發明之一第二較佳實施例之平衡啟動電路之電路示意圖。平衡啟動電路包含一PNP雙載子電晶體BJT1以及一NPN雙載子電晶體BJT2。請同時參見第三圖，PNP雙載子電晶體BJT1之一射極耦接保護電路20以接收保護訊號CO。PNP雙載子電晶體BJT1之一集極耦接充電判斷電路30及NPN雙載子電晶體BJT2之一基極以接收平衡啟動訊號CBEN。PNP雙載子電晶體BJT1之一基極耦接NPN雙載子電晶體BJT2之一集極，而NPN雙載子電晶體BJT2之一射極耦接平衡電路10並透過一電阻R2接地。為避免雜訊造成平衡啟動電路誤判平衡啟動訊號CBEN，可以額外增加一電阻R1及一電容C1耦接NPN雙載子電晶體BJT2的基極以濾除雜訊。當保護電路20停止產生保護訊號CO(即高準位)時，一旦充電判斷電路30偵測到充電電流而產生平衡啟動訊號CBEN，平衡啟動電路即產生啟動訊號EN以致能平衡電路10。此時，就算充電判斷電路30停止產生平衡啟動訊號CBEN，PNP雙載子電晶體BJT1及NPN雙載子電晶體BJT2會繼續維持導通而持續產生啟動訊號EN，直至保護電路20產生保護訊號CO(即低準位)時，才會停止產生啟動訊號EN以禁能平衡電路10。
請參見第三C圖，為根據本發明之一第三較佳實施例之平衡啟動電路之電路示意圖。平衡啟動電路包含一P型金氧半 場效電晶體M1以及一N型金氧半場效電晶體M2。請同時參見第三圖，P型金氧半場效電晶體M1之一源極耦接保護電路20以接收保護訊號CO。P型金氧半場效電晶體M1之一汲極耦接充電判斷電路30及N型金氧半場效電晶體M2之一閘極以接收平衡啟動訊號CBEN。P型金氧半場效電晶體M1之一閘極耦接N型金氧半場效電晶體M2之一汲極以及一二極體D之一負端，二極體D之一正端耦接平衡電路10及一電阻R4，電阻R4之另一端耦接一電壓源VDD，而N型金氧半場效電晶體M2之一源極耦接地。一電阻R3及一電容C2耦接N型金氧半場效電晶體M2的閘極以濾除雜訊。當保護電路20停止產生保護訊號CO(即高準位)時，一旦充電判斷電路30偵測到充電電流而產生平衡啟動訊號CBEN，平衡啟動電路即產生低準位之啟動訊號EN以致能平衡電路10。值得注意的是，在本實施例中，平衡電路10於接收低準位之啟動訊號EN被致能，而於接收高準位之啟動訊號EN被禁能。雖然與上述實施例之平衡電路10對訊號準位的反應相反，但此為此技術領域所熟知之置換，並不影響本發明之功能。此時，就算充電判斷電路30停止產生平衡啟動訊號CBEN，P型金氧半場效電晶體M1及N型金氧半場效電晶體M2會繼續維持導通而持續產生啟動訊號EN，直至保護電路20產生保護訊號CO(即低準位)時，才會停止產生高準位之啟動訊號EN以禁能平衡電路10。
請參見第四圖，為根據本發明之一第二較佳實施例之電池電壓平衡電路之電路示意圖。與第三圖所示之實施例相比較，兩實施例主要之差異在於判斷電池電壓平衡程序的終點的方式不同。在本實施例，額外增加一充電停止判斷電路，用以偵測電池模組之一電池電壓是否下降，若是則產生一平衡停止訊號TS。充電停止判斷電路包含一判斷電路35以及一濾波電路，其中濾波電路具有串聯之一阻抗單元R及一電容單元C，耦接於電池模組之兩端。電池單元BAT1、BAT2具有一內阻， 因此當處於一充電狀態時，電池電壓會高於未充電或放電時之電池電壓。請同時參見第五圖，為第四圖所示充電停止判斷電路中的阻抗單元R的一跨壓Vr與充電電流之關係圖。由於電池模組於充電過程，電容單元C的一跨壓幾乎與電池模組的電壓一致，阻抗單元R上的跨壓Vr幾乎為零。然而，當電池模組停止充電、轉為放電等電池模組的電流大小突然改變，將使電池模組中的電池單元的電池電壓均下降。此時，電容單元C的跨壓無法立即反應電池模組的電壓而使阻抗單元R的跨壓Vr突然變大。判斷電路35可以包含一運算放大器，偵測到阻抗單元R的跨壓Vr大於一預定跨壓值時，產生平衡停止訊號TS。當然，除了偵測電池模組之兩端外，充電停止判斷電路也可以耦接電池模組中至少一電池單元的兩端，來判斷充電電流突然地變化所造成電池電壓的變化而不影響充電停止判斷電路之功能。
平衡啟動電路15包含一或閘14以及一SR正反器16。充電判斷電路30耦接SR正反器16的一設定端S，或閘14的一輸出端耦接SR正反器16的一重設端R，而SR正反器16的一輸出端Q耦接一平衡電路10。當充電判斷電路30偵測到充電電流而產生一平衡啟動訊號CBEN，平衡啟動電路15產生一啟動訊號EN以致能平衡電路10。當判斷電路35產生平衡停止訊號TS或者一保護電路20產生一保護訊號CO(反相輸入或閘14)時，平衡啟動電路15停止產生啟動訊號EN以禁能平衡電路10。因此，當電池模組被短暫的充電而未達到過充(飽充)時，本發明之電池電壓平衡電路也可以禁能平衡電路10，以避免持續進行電池電壓平衡以及平衡電路10本身的運作而損耗電池模組之電力。
另外，在部分應用上，充電電路40並不會提供足夠的充電電壓來對電池模組充電，例如：汽車、機車的發電機，故原則上保護電路20並不會被觸發而產生保護訊號CO。所以第四 圖所示之實施例也可以刪去保護訊號CO而僅利用平衡停止訊號TS作為判斷電壓平衡程序的終點。也就是省略或閘14，而將平衡停止訊號TS直接輸入SR正反器16的重設端R。此時，平衡啟動電路15於接收平衡停止訊號TS時，禁能平衡電路10。
縱上說明，本發明的電池電壓平衡電路利用偵測電池是否過充或/及電池電壓的變化來取代偵測充電電流是否存在來作為電壓平衡程序的終點判斷，可有效延長電壓平衡程序的執行時間而達到更佳的電池電壓平衡效果。
如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。
 先前技術：
10‧‧‧平衡電路
20‧‧‧保護電路
25‧‧‧充放電控制開關
30‧‧‧充電判斷電路
40‧‧‧充電電路
BAT1、BAT2‧‧‧電池單元
Ich‧‧‧充電電流
CO‧‧‧過充保護訊號
DO‧‧‧過放保護訊號
CBEN‧‧‧平衡啟動訊號
OPTH‧‧‧偵測臨界電流
本發明：
10‧‧‧平衡電路
14‧‧‧或閘
15‧‧‧平衡啟動電路
16‧‧‧SR正反器
20‧‧‧保護電路
25‧‧‧充放電控制開關
30‧‧‧充電判斷電路
35‧‧‧判斷電路
40‧‧‧充電電路
BAT1、BAT2‧‧‧電池單元
CO‧‧‧保護訊號
EN‧‧‧啟動訊號
CBEN‧‧‧平衡啟動訊號
SCR‧‧‧矽控整流器
BJT1‧‧‧PNP雙載子電晶體
BJT2‧‧‧NPN雙載子電晶體
M1‧‧‧P型金氧半場效電晶體
M2‧‧‧N型金氧半場效電晶體
R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻
C1、C2‧‧‧電容
R‧‧‧阻抗單元
C‧‧‧電容單元
D‧‧‧二極體
Vr‧‧‧跨壓
TS‧‧‧平衡停止訊號
S‧‧‧設定端
R‧‧‧重設端
Q‧‧‧輸出端
Ich‧‧‧充電電流
VDD‧‧‧電壓源
第一圖為傳統的電池電壓平衡電路的電路示意圖。
第二圖為傳統電池充電過程的充電電流隨時間變化之示意圖。
第三圖為根據本發明之一第一較佳實施例之電池電壓平衡電路之電路示意圖。
第三A圖為根據本發明之一第一較佳實施例之平衡啟動電路之電路示意圖。
第三B圖為根據本發明之一第二較佳實施例之平衡啟動電路之電路示意圖。
第三C圖為根據本發明之一第三較佳實施例之平衡啟動電路之電路示意圖。
第四圖為根據本發明之一第二較佳實施例之電池電壓平衡電路之電路示意圖。
第五圖為第四圖所示充電停止判斷電路中的阻抗單元的跨壓與充電電流之關係圖。
10‧‧‧平衡電路
15‧‧‧平衡啟動電路
20‧‧‧保護電路
25‧‧‧充放電控制開關
30‧‧‧充電判斷電路
40‧‧‧充電電路
BAT1、BAT2‧‧‧電池單元
CO‧‧‧保護訊號
EN‧‧‧啟動訊號
CBEN‧‧‧平衡啟動訊號

Claims (13)

  1. 一種電池電壓平衡電路，用以平衡串聯之複數個電池單元之電池電壓，該電池電壓平衡電路包含：一平衡電路，根據該複數個電池單元之該些電池電壓或該些電池電壓之電壓差，以判斷是否進行一電壓平衡程序，以減少該複數個電池單元之該些電池電壓之電壓差；一保護電路，根據該複數個電池單元之該些電池電壓判斷該複數個電池單元中任一電池單元過充時產生一保護訊號，以截止一充放電控制開關；一充電判斷電路，耦接該複數個電池單元以偵測該複數個電池單元是否處於一充電狀態，若是則產生一平衡啟動訊號；以及一平衡啟動電路，耦接該平衡電路、該保護電路以及該充電判斷電路，於接收該平衡啟動訊號時，致能該平衡電路，於接收該保護訊號時，禁能該平衡電路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池電壓平衡電路，更包含一充電停止判斷電路，用以偵測該複數個電池單元中至少一電池單元之一電池電壓是否下降，若是則產生一平衡停止訊號，該平衡啟動電路於接收該保護訊號及該平衡停止訊號之任一時，禁能該平衡電路。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電池電壓平衡電路，其中該充電停止判斷電路包含一阻抗單元及一電容單元，並與該複數個電池單元中至少一該電池單元並聯。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電池電壓平衡電路，其中該充電停止判斷電路更包含一運算放大器，用以對應該阻抗單元之一跨壓產生該平衡停止訊號。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電池電壓平衡電路，其中該平衡啟動電路包含一矽控整流器，該矽控整流器之一閘極耦接該充電判斷電路、一陽極耦接該保護電路以及一陰極耦接該平衡電路。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電池電壓平衡電路，其中該平衡啟動電路包含一第一半導體開關及一第二半導體開關，該第一半導體開關之一第一端耦接該保護電路，該第一半導體開關之一第二端耦接該充電判斷電路及該第二半導體開關之一控制端，該第一半導體開關之一控制端耦接該第二半導體開關之一第一端，以及該第二半導體開關之該第一端及一第二端其中之一耦接該平衡電路。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電池電壓平衡電路，其中該充電判斷電路於偵測該複數個電池單元之一充電電流大於一預定電流值時產生該平衡啟動訊號。
  8. 一種電池電壓平衡電路，用以平衡串聯之複數個電池單元之電池電壓，該電池電壓平衡電路包含：一平衡電路，根據該複數個電池單元之該些電池電壓或該些電池電壓之電壓差，以判斷是否進行一電壓平衡程序，以減少該複數個電池單元之該些電池電壓之電壓差；一充電停止判斷電路，用以偵測該複數個電池單元中至少一電池單元之一電池電壓是否下降，若是則產生一平衡停止訊號；一充電判斷電路，耦接該複數個電池單元以偵測該複數個電池單元是否處於一充電狀態，若是則產生一平衡啟動訊號；以及一平衡啟動電路，耦接該平衡電路、該充電停止判斷電路以及該充電判斷電路，於接收該平衡啟動訊號時，致能該平衡 電路，於接收該平衡停止訊號時，禁能該平衡電路。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電池電壓平衡電路，其中該充電停止判斷電路包含一阻抗單元及一電容單元，並與該複數個電池單元中至少一該電池單元並聯。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電池電壓平衡電路，其中該充電停止判斷電路更包含一運算放大器，用以對應該阻抗單元之一跨壓產生該平衡停止訊號。
  11. 如申請專利範圍第8項或第9項所述之電池電壓平衡電路，其中該平衡啟動電路包含一矽控整流器，該矽控整流器之一閘極耦接該充電判斷電路、一陽極耦接該保護電路以及一陰極耦接該平衡電路。
  12. 如申請專利範圍第8項或第9項所述之電池電壓平衡電路，更包含一保護電路，該保護電路根據該複數個電池單元之該些電池電壓判斷該複數個電池單元中任一電池單元過充時產生一保護訊號，以截止一充放電控制開關。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電池電壓平衡電路，其中該平衡啟動電路包含一第一半導體開關及一第二半導體開關，該第一半導體開關之一第一端耦接該保護電路，該第一半導體開關之一第二端耦接該充電判斷電路及該第二半導體開關之一控制端，該第一半導體開關之一控制端耦接該第二半導體開關之一第一端，以及該第二半導體開關之該第一端及一第二端其中之一耦接該平衡電路。
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