TWI788254B - 串聯電池組的供電系統 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種串聯電池組的供電系統。放電電晶體的第一端連接放電電晶體的第一內部二極體的陽極。放電電晶體的第二端連接第一內部二極體的陰極。充電電晶體的第一端連接放電電晶體的第二端以及充電電晶體的第二內部二極體的陰極。充電電晶體的第二端連接第二內部二極體的陽極以及電池電路的正端。旁路電路的正輸入端連接第一內部二極體的陰極。旁路電路的負輸入端連接電池組的負端。

Description

串聯電池組的供電系統
本發明涉及電池組，特別是涉及一種串聯電池組的供電系統。
不斷電系統(Uninterruptible Power System，UPS)通常會採用多個電池組的串聯電路。相互串聯的電池組數量增加，可增加系統整體電壓。由於不同電池組的來源不同，電池組彼此電壓可能不同，例如可能有部分的電池組飽電，但其他電池組可能為未飽電。再者，即使全部電池組都飽電，這些電池組可能因不同材料特性(例如鋰三元/鋰鐵)或電池新舊不同，而具有不同電壓。
當相互串接的多個電池組的電壓不同時，在多個電池組被充電的過程中，可能會有部分電池組先達充飽電壓而切斷充電迴路，使得其它未充飽電的電池組無法繼續充電，造成因部分電池組的電壓未飽電，導致整個供電系統的容量不足。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種串聯電池組的供電系統，包含供電電路以及多個電池組。供電電路配置以供應充電電流。多個電池組依序排列並相互串聯。各電池組包含電池電路、放電電晶體、充電電晶體、旁路電路以及控制電路。電池電路包含相互串聯的多個電池。 放電電晶體的第一端連接放電電晶體的第一內部二極體的陽極。放電電晶體的第二端連接第一內部二極體的陰極。充電電晶體的第一端連接放電電晶體的第二端以及充電電晶體的第二內部二極體的陰極。充電電晶體的第二端連接第二內部二極體的陽極以及電池電路的正端。旁路電路的正輸入端連接第一內部二極體的陰極。旁路電路的負輸入端連接電池組的負端控制電路連接放電電晶體的控制端、充電電晶體的控制端以及旁路電路。控制電路配置以在電池電路未充飽電時，開啟放電電晶體以及充電電晶體但關閉旁路電路使該充電電流流過該電池電路而非流過該旁路電路。控制電路配置以在電池電路充飽電時，關閉充電電晶體但開啟旁路電路使充電電流流過旁路電路但不流過電池電路。多個電池組中的其中一電池組定義為末電池組。末電池組的旁路電路的輸出端以及電池電路的負端連接供電電路的輸入端，另一電池組的放電電晶體的第一端直接連接供電電路的輸出端。除了末電池組以外的其他各電池組，電池電路的負端以及旁路電路的輸出端連接下一電池組的放電電晶體的第一端和第一內部二極體的陽極。
在一實施例中，各電池組的旁路電路包含電壓供應元件、變壓器、第一開關元件、第一二極體、第二二極體以及第二開關元件。變壓器具有第一側以及與第一側相對的第二側。變壓器的第一側的第一端連接第一內部二極體的陰極以及電壓供應元件的正端。第一開關元件的第一端連接變壓器的第一側的第二端。第一開關元件的第二端連接電壓供應元件的負端。第一開關元件的控制端連接控制電路。第一二極體的陽極連接變壓器的第二側的第一端。第二二極體的陽極連接第一二極體的陰極。第二二極體的陰極連接電池電路的正端。第二開關元件的第一端連接第二二極體的陽極。第二開關元件的第二端連接變壓器的第二側的第二端。第二開關元件的控制端連接控制電路。末電池組的第一開關元件的第二端以及第二開關元件的第二端連接供電電路的輸入端。在末電池組以外的其他各電池組內部，第一開關元件的第二端以及第二開關元件的第二端連接下一電池組的放電電晶體的第一端。
在一實施例中，各電池組的旁路電路更包含一電阻，電阻的第一端連接第一二極體的陰極，電阻的第二端連接變壓器的第二側的第二端。
在一實施例中，第一開關元件為電晶體。
在一實施例中，第二開關元件為電晶體。
在一實施例中，各電池組更包含偵測電路。偵測電路連接控制電路以及電池電路的負端。偵測電路配置以偵測電池電路輸出/入的電流量，控制電路據以控制放電電晶體、充電電晶體以及旁路電路。
在一實施例中，各電池組更包含感測電阻。感測電阻的第一端連接電池電路的負端以及偵測電路。感測電阻的第二端連接偵測電路。末電池組的感測電阻的第二端連接供電電路的輸入端，其他各電池組的感測電阻的第二端連接下一電池組的放電電晶體的第一端。
如上所述，本發明提供一種串聯電池組的供電系統，其在相互串聯的多個電池組充電的過程中，部分電池組已充飽電時不再進行充電，但與這些飽電的電池組相互串聯的其他尚未充飽電的電池組仍可繼續充電，使得最後供電系統中的多個電池組皆可以充飽電，使得多個電池組彼此的電壓平衡/相近，使供電系統具足夠的容量。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包含相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
請參閱圖1和圖2，其中圖1為本發明實施例的串聯電池組的供電系統的方塊圖；圖2為本發明實施例的串聯電池組的供電系統的一個電池組內部的第一電路佈局圖。
本發明實施例的供電系統可包含如圖1所示的多個電池組PA1~PAn以及供電電路10，其中n為大於1的任意適當整數值，代表電池組的數量，可取決於實際需求，本發明不以此為限。
多個電池組PA1~PAn依序排列並相互串聯以形成一電池電路。供電電路10可連接此電池電路。供電電路10可供應充電電流IS至此電池電路，以對電池組PA1~PAn進行充電。
在本實施例中，舉例每個電池組PA2~PAn內部可具有與電池組PA1相同的電路元件配置，因此以下僅針對電池組PA1進行描述，相同內容不重複贅述。
如圖2所示，電池組PA1可包含電池電路BST、放電電晶體F1、充電電晶體F2以及控制電路20。電池組PA1的電池電路BST可包含多個電池BY1~BYn，其中n為任意適當整數值，代表電池組PA1內的電池的數量，可取決於實際需求，本發明不以此為限。在電池組PA1內，多個電池BY1~BYn彼此相互串聯。
放電電晶體F1的第一端可連接放電電晶體F1的第一內部二極體DT的陽極。放電電晶體F1的第二端可連接第一內部二極體DT的陰極以及充電電晶體F2的第一端。
充電電晶體F2的第一端可連接充電電晶體F2的第二內部二極體CT的陰極。充電電晶體F2的第二端可連接第二內部二極體CT的陽極以及電池電路BST的正端(即電池BY1的正端)。
值得注意的是，電池組PA1可包含旁路電路FL。旁路電路FL的正輸入端可連接第一內部二極體DT的陰極。旁路電路FL的負輸入端可連接電池組PA1的負端。控制電路20可連接放電電晶體F1的控制端、充電電晶體F2的控制端以及旁路電路FL。控制電路20可控制放電電晶體F1、充電電晶體F2與旁路電路FL運作。
舉例而言，電池組PA1的旁路電路FL可包含返馳式(Flyback)電路，其可包含電壓源S1作為電壓供應元件(或實務上替換為配置有多個電壓供應元件的供電電路)、變壓器ST、第一開關元件A1、第一二極體D1、第二二極體D2、第二開關元件B1以及電阻R，在此僅舉例說明，本發明不以此為限。
變壓器ST具有第一側以及與第一側相對的第二側。變壓器ST的第一側的第一端可連接第一內部二極體DT的陰極以及電壓源S1的正端。 變壓器ST的第一側的第二端可連接第一開關元件A1的第一端。第一開關元件A1的第二端可連接電壓源S1的負端。第一開關元件A1的控制端可連接控制電路20。此第一開關元件A1可為電晶體。
第一二極體D1的陽極可連接變壓器ST的第二側的第一端。第一二極體D1的陰極可連接第二二極體D2的陽極。第二二極體D2的陰極可連接至電池電路BST的正端(即電池BY1的正端)。
第二開關元件B1可為電晶體。第二開關元件B1的第一端可連接第二二極體D2的陽極。第二開關元件B1的第二端可連接變壓器ST的第二側的第二端、電池電路BST的電池BYn的負端以及第一開關元件A1的第二端。第二開關元件B1的控制端可連接控制電路20。電阻R的第一端可連接第一二極體D1的陰極。電阻R的第二端可連接變壓器ST的第二側的第二端。
請參閱圖1和圖3，其中圖1為本發明實施例的串聯電池組的供電系統的方塊圖；圖3為本發明實施例的串聯電池組的供電系統的一個電池組內部的第二電路佈局圖。與前述相同內容，不在此贅述。
各電池組PA1~PAn可更包含偵測電路30。偵測電路30可連接控制電路20以及電池電路BST的負端(即電池BYn的負端)。偵測電路30可偵測電池電路BST的參數，例如電池電路BST輸出/入的電流量或電壓值。控制電路20可依據偵測電路30所偵測到的參數，以控制放電電晶體F1的控制端、充電電晶體F2的控制端以及旁路電路FL運作。
若有需要，各電池組PA1~PAn可更包含感測電阻Rs。感測電阻Rs的第一端可連接電池電路BST的負端以及偵測電路30。感測電阻Rs的第二端可連接偵測電路30以及第二開關元件B1的第二端。
偵測電路30可偵測流過感測電阻Rs的電流或是偵測感測電阻Rs的第一端的電壓與感測電阻Rs的第二端的電壓並計算兩者的壓差(即感測電阻Rs的電壓)，據以控制放電電晶體F1的控制端、充電電晶體F2的控制端以及旁路電路FL運作。
請參閱圖1和圖4，其中圖1為本發明實施例的串聯電池組的供電系統的方塊圖；圖4為本發明實施例的串聯電池組的供電系統的多個電池組的電路佈局圖。與前述相同內容，不在此贅述。
為方便說明，多個電池組PA1~PAn中的其中一電池組PAn定義為末電池組PAn。末電池組PAn的旁路電路FL的輸出端(即第一開關元件A1的第二端)可連接供電電路10的輸入端。電池電路BST的負端可(通過感測電阻Rs)連接供電電路10的輸入端。
電池組PA1的放電電晶體F1的第一端以及電池組PA1的第一內部二極體DT的陽極可直接連接供電電路10的輸出端。
除了末電池組PAn以外的其他各電池組PA1~PAn-1，電池電路BST的電池BYn的負端(通過感測電阻Rs)可連接供電電路10的輸入端，旁路電路FL的輸出端(即第一開關元件A1的第二端)連接下一電池組PA2~PAn的放電電晶體F1的第一端以及第一內部二極體DT的陽極。例如，電池組PA1的旁路電路FL的輸出端(即第一開關元件A1的第二端)連接下一電池組PA2的放電電晶體F1的第一端以及第一內部二極體DT的陽極。
請參閱圖1和圖5，其中圖1為本發明實施例的串聯電池組的供電系統的方塊圖；圖5為本發明實施例的串聯電池組的供電系統的供電電路正在充電多個電池組的使用示意圖。
多個電池組PA1~PAn依序排列並相互串聯連接，這些電池組PA1~PAn可能彼此具有相同或不同的特性。因此，在供電電路10供應一充電電流IS以充電多個電池組PA1~PAn的過程中，此充電電流IS會依序流過多個電池組PA1~PAn，多個電池組PA1~PAn中的一或多者例如電池組PA2會先充飽。已充飽的電池組PA2的控制電路20會關閉電池組PA2的充電電晶體F2(以及放電電晶體F1)，以禁止充電電流IS流過充電電晶體F2(以及放電電晶體F1)至電池組PA2的電池BY1~BYn進行充電。
為了避免已充飽的電池組PA2的充電電晶體F2(以及放電電晶體F1)關閉，而導致充電電流IS無法從電池組PA2流至尚未充飽的其它電池組PA3~PAn，因此在本發明實施例的供電系統設有旁路電路FL。
當每個電池組PA1~PAn的控制電路20開始充電時，控制電路20開啟放電電晶體F1以及充電電晶體F2，但關閉旁路電路FL。在此情況下，如圖5所示的電池組PA1，供電電路10供應的充電電流IS首先流至電池組PA1的放電電晶體F1，接著流經充電電晶體F2，接著流至電池BY1~BYn以對電池BY1~BYn充電。
充電電流IS流經電池組PA1的電池BY1~BYn後，流至感測電阻Rs。在充電電流IS流經電池組PA1的感測電阻Rs時，電池組PA1的偵測電路30可偵測其內部的電路元件的參數數據，例如感測電阻Rs的電流或電壓，據以判斷電池電路BST的所有電池BY1~BYn是否已充飽電。
在電池組PA1的控制電路20判斷電池組PA1的電池電路BST的所有電池BY1~BYn充飽之前，電池組PA1的控制電路20持續開啟放電電晶體F1以及充電電晶體F2，但關閉旁路電路FL(的第一開關元件A1以及第二開關元件B1)。此時，如圖5所示，充電電流IS保持依序流至放電電晶體F1、充電電晶體F2至電池BY1~BYn以對電池BY1~BYn充電。
在充電電流IS流過電池組PA1的電池BY1~BYn(以及感測電阻Rs)後，將流至下一電池組PA2。其它電池組PA2~PAn從開始充電到充飽之前，同上述電池組PA1的作業。
在本實施例中，在充電電流IS依序對多個電池組PA1~PAn充電的過程中，電池組PA2的電池電路BST的所有電池BY1~BYn已先充飽電，其它電池組PA1、PA3~PAn(的電池電路BST)則尚未飽電時。在此情況下，電池組PA2的控制電路20判斷電池組PA2的電池電路BST已充飽電時，例如圖5所示，電池組PA2的控控制電路20可關閉電池組PA2的充電電晶體F2(以及放電電晶體F1)以阻止充電電流IS繼續流至電池電路BST，停止對電池電路BST的充電。
在電池組PA2的放電電晶體F1以及放電電晶體F1關閉時，充電電流IS原本依序流經放電電晶體F1、充電電晶體F2至已飽電的電池電路BST的充電路徑被切斷。此時，電池組PA2的控制電路20開啟旁路電路FL的第一開關元件A1以及第二開關元件B1以提供一旁路路徑，使充電電流IS不流至電池組PA2的電池電路BST但仍持續流至其他電池組PA3~PAn以對尚未飽電的其他電池組PA3~PAn的電池電路BST進行充電。
詳言之，充電電流IS從電池組PA1流往電池組PA2後，充電電流IS流經電池組PA2的放電電晶體F1的第一內部二極體DT，接著依序流經變壓器ST的第一側以及第一開關元件A1，接著流至下一電池組PA3。同時，電池組PA2的電池電路BST輸出的電流可依序流經電阻Rs、第二開關元件B1以及第二二極體D2，最後回到電池電路BST。
每個電池組PA1~PAn在尚未充飽電時，電池組PA1~PAn的作業和充電電流IS的流向皆同上述電池組PA1。每個電池組PA1~PAn已充飽電時，每個電池組PA1~PAn的作業和充電電流IS的流向皆同上述電池組PA2。相同內容，不在此贅述。
綜上所述，本發明提供一種串聯電池組的供電系統，其在相互串聯的多個電池組充電的過程中，部分電池組已充飽電時不再進行充電，但與這些飽電的電池組相互串聯的其他尚未充飽電的電池組仍可繼續充電，使得最後供電系統中的多個電池組皆可以充飽電，使得多個電池組彼此的電壓平衡/相近，使供電系統具足夠的容量。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
10:供電電路 PA1~PAn:電池組 BST:電池電路 BY1~BYn:電池 F1:放電電晶體 DT:第一內部二極體 F2:充電電晶體 CT:第二內部二極體 20:控制電路 FL:旁路電路 S1:電壓源 ST:變壓器 A1:第一開關元件 D1:第一二極體 D2:第二二極體 B1:第二開關元件 R:電阻 30:偵測電路 Rs:感測電阻 IS:充電電流
圖1為本發明實施例的串聯電池組的供電系統的方塊圖。
圖2為本發明實施例的串聯電池組的供電系統的一個電池組內部的第一電路佈局圖。
圖3為本發明實施例的串聯電池組的供電系統的一個電池組內部的第二電路佈局圖。
圖4為本發明實施例的串聯電池組的供電系統的多個電池組的電路佈局圖。
圖5為本發明實施例的串聯電池組的供電系統的供電電路正在充電多個電池組的使用示意圖。
10:供電電路
PA1~PAn:電池組
BST:電池電路
BY1~BYn:電池
F1:放電電晶體
DT:第一內部二極體
F2:充電電晶體
CT:第二內部二極體
20:控制電路
FL:旁路電路
S1:電壓源
ST:變壓器
A1:第一開關元件
D1:第一二極體
D2:第二二極體
B1:第二開關元件
R:電阻
30:偵測電路
Rs:感測電阻
IS:充電電流

Claims (7)

  1. 一種串聯電池組的供電系統，包含： 一供電電路，配置以供應一充電電流； 多個電池組，該多個電池組依序排列並相互串聯，各該電池組包含： 一電池電路，包含相互串聯的多個電池； 一放電電晶體，該放電電晶體的第一端連接該放電電晶體的一第一內部二極體的陽極，該放電電晶體的第二端連接該第一內部二極體的陰極； 一充電電晶體，該充電電晶體的第一端連接該放電電晶體的第二端以及該充電電晶體的一第二內部二極體的陰極，該充電電晶體的第二端連接該第二內部二極體的陽極以及該電池電路的正端； 一旁路電路，該旁路電路的正輸入端連接該第一內部二極體的陰極，該旁路電路的負輸入端連接該電池組的負端；以及 一控制電路，連接該放電電晶體的控制端、該充電電晶體的控制端以及該旁路電路，配置以在該電池電路未充飽電時，開啟該放電電晶體以及該充電電晶體但關閉該旁路電路使該充電電流流過該電池電路而非流過該旁路電路，並在該電池電路充飽電時，關閉該充電電晶體但開啟該旁路電路使該充電電流流過該旁路電路但不流過該電池電路； 其中，該多個電池組中的其中一該電池組定義為一末電池組，該末電池組的該旁路電路的輸出端以及該電池電路的負端連接該供電電路的輸入端，另一該電池組的該放電電晶體的第一端直接連接該供電電路的輸出端； 其中，除了該末電池組以外的其他各該電池組，該電池電路的負端以及該旁路電路的輸出端連接下一該電池組的該放電電晶體的第一端和該第一內部二極體的陽極。
  2. 如請求項1所述的串聯電池組的供電系統，其中各該電池組的該旁路電路包含： 一電壓供應元件； 一變壓器，具有一第一側以及與該第一側相對的一第二側，該變壓器的該第一側的第一端連接該第一內部二極體的陰極以及該電壓供應元件的正端； 一第一開關元件，該第一開關元件的第一端連接該變壓器的該第一側的第二端，該第一開關元件的第二端連接該電壓供應元件的負端，該第一開關元件的控制端連接該控制電路； 一第一二極體，該第一二極體的陽極連接該變壓器的該第二側的第一端； 一第二二極體，該第二二極體的陽極連接該第一二極體的陰極，該第二二極體的陰極連接該電池電路的正端；以及 一第二開關元件，該第二開關元件的第一端連接該第二二極體的陽極，該第二開關元件的第二端連接該變壓器的該第二側的第二端，該第二開關元件的控制端連接該控制電路； 其中，該末電池組的該第一開關元件的第二端以及該第二開關元件的第二端連接該供電電路的輸入端； 其中，在該末電池組以外的其他各該電池組內部，該第一開關元件的第二端以及該第二開關元件的第二端連接下一該電池組的該放電電晶體的第一端。
  3. 如請求項2所述的串聯電池組的供電系統，其中各該電池組的該旁路電路更包含一電阻，該電阻的第一端連接該第一二極體的陰極，該電阻的第二端連接該變壓器的該第二側的第二端。
  4. 如請求項2所述的串聯電池組的供電系統，其中該第一開關元件為電晶體。
  5. 如請求項2所述的串聯電池組的供電系統，其中該第二開關元件為電晶體。
  6. 如請求項1所述的串聯電池組的供電系統，其中各該電池組更包含一偵測電路，連接該控制電路以及該電池電路的負端，配置以偵測該電池電路輸出/入的電流量或電壓值，該控制電路據以控制該放電電晶體、該充電電晶體以及該旁路電路。
  7. 如請求項6所述的串聯電池組的供電系統，其中各該電池組更包含一感測電阻，該感測電阻的第一端連接該電池電路的負端以及該偵測電路，該感測電阻的第二端連接該偵測電路； 其中，該末電池組的該感測電阻的第二端連接該供電電路的輸入端，其他各該電池組的該感測電阻的第二端連接下一該電池組的該放電電晶體的第一端。
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