CN101677189A - 电源平衡模块及其方法、电源模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源平衡模块及其方法、电源模块，该电源平衡模块，包括有一电压平衡单元、一切换开关单元及一控制单元。其中电压平衡单元具有至少一磁性电容；切换开关单元系控制多个电池与电压平衡单元之间路径的导通；控制单元耦接于该切换开关单元，且用以输出一切换信号给切换开关单元，以使该些电池的每一个分别轮流与电压平衡单元耦接。本发明可使多个电池之间达到均压效果。

Description

电源平衡模块及其方法、电源模块

技术领域

本发明涉及一种平衡模块，特别是涉及一种用于多个电池串接构成电池组的电源平衡模块。

背景技术

一般来说为了给电子设备提供足够的电压，通常由多个电池串联而成一电池组。而由于电池组内每个电池之间的性质不可能完全相同，用久了自然就会有某些特性较差的电池先老化，而影响了整体放电曲线。因此电池组中的电池不均衡时，它的可用容量将减少，串联电池组中容量最低的电池将决定电池组的总容量。在不均衡电池组中，一个或几个电池会在其它电池尚需充电时便已达到最大容量。而在放电时，未完全充电的电池又会比其它电池先放完电，使电池组因电压不足而提前停止供电。

因此为了解决电池组中的电池不均衡的问题，有必要对电池组中的电池进行均压的处理，而这种均压处理是通过分流需要均压的电池(电压最高的电池)电流来实现的。通常来说是将一个功率晶体管和限流电阻串联后，再与电池组中的每个电池并联来控制均压过程。因此在充电过程中导通功率晶体管，将该电池的电流部份分流，因而使它的充电速度比其它电池慢。在放电过程中导通功率晶体管，增加该电池的有效负载，使它的放电速度比其它电池快，因而在充/放电模式下对电池进行均衡。

而前述所述均压电路设计时必须注意功率晶体管和限流电阻的选择，以使电流保持在合理的范围内。如果均衡电流过高，功耗会很大，引起电池组升温或增加组件负担；相反，如果均衡电流过低，就需要较长的时间或多个周期才能起到均衡作用，因而降低电池均衡效率。

故目前均压电路架构是存有电路复杂且所使用的限流电阻也容易造成功率上的额外消耗等问题产生，因此如何解决目前电池组均压处理方式所衍生的问题，已是一个有待克服的课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于提供一种电源平衡模块，以解决现有的电池组均压电路过于复杂的问题。因此本发明的目的在于使电源平衡模块可以在电路架构简单的情况下，而来对电池组中的各电池快速达成均压的效果。

为了解决上述技术问题，根据本发明的一种方案，提供一种电源平衡模块，该电源由多个电池串接组成的一电池组，包括：

一电压平衡单元，具有至少一磁性电容；

一切换开关单元，控制该些电池与该电压平衡单元之间路径的导通；以及

一控制单元，耦接于该切换开关单元，并用以输出一切换信号给该切换开关单元，以使该些电池的每一个分别轮流与该电压平衡单元耦接。

该磁性电容包括：一第一磁性电极；一第二磁性电极；以及一介电层，设置于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间；其中该介电层用以储存电能，以及该第一磁性电极与该第二磁性电极分别具有多个磁偶极以避免储存于该介电层中的电能漏电。

该第一磁性电极包括：一第一磁性层；一第二磁性层；以及一第一隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第一磁性层与该第二磁性层之间；其中，该第二磁性电极包括：一第三磁性层；一第四磁性层；以及一第二隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第三磁性层与该第四磁性层之间。

该切换开关单元包括有多个切换开关，且该些电池的每一端与该电压平衡单元的每一端之间一对一耦接有一个该切换开关，且该控制单元所输出的该切换信号用来控制该些切换开关的导通或断路。

每一该电池与该电压平衡单元之间的耦接为该控制单元输出该切换信号以使耦接于该电压平衡单元的该电池两端的该等切换开关呈现导通状态。

该控制单元根据一计时单元的计时来输出该切换信号。

本发明还公开了一种电源平衡方法，该电源由多个电池串接组成的一电池组，方法包括：提供一电压平衡单元，其中该电压平衡单元具有至少一磁性电容；以及控制该些电池的每一个分别轮流与该电压平衡单元耦接。

控制该些电池的每一个分别轮流与该电压平衡单元耦接利用一控制单元来对多个切换开关进行控制，且该些电池的每一端与该电压平衡单元的每一端之间一对一耦接有一个该切换开关，且该控制单元所输出一切换信号来控制该些切换开关的导通或断路。

其中每一该电池与该电压平衡单元之间的耦接为该控制单元输出该切换信号以使耦接于该电压平衡单元的该电池两端的该等切换开关呈现导通状态。

其中该控制单元每隔一段时间来输出该切换信号给每一该电池两端所耦接的该切换开关。

其中该些电池的每一个分别以依序方式来轮流与该电压平衡单元耦接。

本发明还公开了一种电源模块，包括：一电源，包含有多个串联的蓄电组件；一电压平衡单元，具有至少一磁性电容；一切换开关单元，控制该些蓄电组件与该电压平衡单元之间路径的导通；以及一控制单元，耦接于该切换开关单元，并用以输出一切换信号给该切换开关单元，以使该些蓄电组件的每一个分别轮流与该电压平衡单元耦接。

该蓄电组件为电池或磁性电容。

通过上述实施方式，本发明中的电压平衡单元是利用磁性电容具有能量体积比极大且充/放电速度快的技术特点，而使得每一个电池与电压平衡单元耦接一起时，可以让两者快速达到均压效果，且本案所使用的电路架构简单且在均压过程中也不会有功率上的浪费。

以上的概述与接下来的详细说明及附图，皆是为了能进一步说明本发明为达成预定目的所采取的方式、手段及功效。而有关本发明的其它目的及优点，将在后续的说明及图式中加以阐述。

附图说明

图1为本发明实施例的一电源平衡模块的功能方块图；

图2为本发明电压平衡单元的示意图；

图3为本发明实施例的一磁性电容的示意图；

图4为本发明另一实施例的一磁性电容的示意图；

图5为本发明电源平衡方法的流程图；

图6为本发明另一实施例的一电源平衡模块的示意图；以及

图7为本发明又一实施例的一电源平衡模块的示意图。

其中，附图标记：

1、1a、1b电源平衡模块              10电压平衡单元

101蓄电组件             12切换开关单元

14控制单元              16计时单元

17充电单元              18负载

2磁性电容               20介电层

22第一磁性电极          24第二磁性电极

26、28磁偶极            3磁性电容

30介电层                31、33磁偶极

32第一磁性电极          320第一隔离层

322第一磁性层           324第二磁性层

34第二磁性电极          340第二隔离层

342第三磁性层           344第四磁性层

35、36磁偶极            S601~S609流程图步骤说明

具体实施方式

本发明提供一种电源平衡模块，主要是针对由电池组所构成的电源，对其提供一种可以有效让电池组之间各电池电压可以趋近于相同，以使电池组于使用时可以良好的电性表现及工作效率。因此本发明特别采用磁性电容(Magnetic Capacitance)来作为能量储存组件，并以此磁性电容来对各电池的电压进行电压平衡动作，而本发明所指的磁性电容相较于一般电容是利用上、下电极处形成的磁场，来抑制漏电流，以达大幅提升能量储存密度的效果及具有快速充/放电的效果。

接下来请参阅图1，为本发明实施例的一电源平衡模块的示意图。本实施例所述的电源平衡模块1包括有一电压平衡单元10、一切换开关单元12、一控制单元14及一计时单元16，而电源平衡模块1主要用来对由一电池组所构成的电源进行电压平衡，以使电池组中所串接的一第一电池V1、一第二电池V2…一第五电池V5的各电池电压可以趋近相同，而在此电池组的数量仅为举例说明，并非限制本发明的保护范围。

接下来请参阅图2，并一并参阅图1，蓄电单元10在本实施例中的作用是用来与电池组中的电池电压取得均压，例如根据电压平衡单元10与电池何者电压较高，并由电压高的一方向电压低的一方进行放电输出，以使得电压平衡单元10与电池之间的电压准位可以通过这种方式取得电源平衡。而电压平衡单元10是由多个蓄电组件101以串联及/或并联的方式来提供一蓄电电源Vbat，而此蓄电组件101的数量及连接方式并不以图2所示为限，电压平衡单元10中的蓄电组件101可以是一个或是一个以上，蓄电组件101的数量是取决于电池组中的电池规格来决定。另电压平衡单元10中的蓄电组件101采用磁性电容来实施，而至于磁性电容的具体构造将于后面说明中有详细介绍，在此先不予以说明。

而在电压平衡单元10与电池组之间耦接有切换开关单元12，此切换开关单元12主要作用是使得电池组中的每一电池均可单独耦接于电压平衡单元10，以使得每一电池可以分别与电压平衡单元10取得电源平衡。而至于切换开关单元12的实现方式，在本实施例通过多个切换开关S11、S12、S21、S22、S31、S32、S41、S42、S51、S52来达成，以使每一电池的两端可分别与电压平衡单元10的两端耦接，如根据图1所示，第一电池V1两端通过切换开关S11、S12来耦接于电压平衡单元10两端，第二电池V2两端通过切换开关S21、S22来耦接于电压平衡单元10两端，而其它电池的连接方式则依此类推，在此不予以叙述。

而为了让电池组中的每一电池均可单独耦接于电压平衡单元10，本实施例以控制单元14来对切换开关单元12进行控制，控制单元14耦接于切换开关单元12，并可以对切换开关单元12中的各切换开关输出切换信号，以使切换开关可以根据此切换信号来导通或断开。例如第一电池V1两端要单独与电压平衡单元10两端耦接时，控制单元14对切换开关S11、S12输出导通的切换信号，而其余切换开关则是输出断开的切换信号，而至于对于其它电池单独与电压平衡单元10两端耦接的方式，则依此方式类推。

另外控制单元1以轮流方式不断的使电池组中的每一电池可以单独与电压平衡单元耦接，且为了达到让电池组的每一电池具有较佳的均压效果，控制单元可控制电池组中的每一电池单独与电压平衡单元耦接的时间均为一致，因此控制单元进一步根据计时单元16所提供的一计时信号，而来控制每一电池单独与电压平衡单元10耦接的时间，而此计时单元可每隔一段固定时间即输出计时信号，以使控制单元14可以根据此计时信号来切换下一个电池来单独与电压平衡单元10耦接。

接下来将具体说明磁性电容的构成，并请参阅图3，其为本发明实施例的一磁性电容示意图。如图3所示磁性电容2(magnetic capacitor)包括一介电层20、一第一磁性电极22及一第二磁性电极24，其中介电层20设置于第一磁性电极22与第二磁性电极24之间，以于在第一磁性电极22与第二磁性电极24处累积电荷以储存电位能，且第一磁性电极22与第二磁性电极24由具有磁性导电材料所构成，并可通过对第一磁性电极22与第二磁性电极24外加电场进行磁化，而使第一磁性电极22与第二磁性电极24内分别形成磁偶极(magnetic dipole)26、28，如此可以在磁性电容2中构成一磁场而来对带电粒子的移动造成影响，因此使得磁性电容2中的介电层20可以用来储存电能及利用磁偶极26、28形成的磁场来避免电能漏电。

前述第一磁性电极22与第二磁性电极24的材质可以为稀土元素，介电层20由氧化钛(TiO3)、氧化钡钛(BaTiO3)或一半导体层，例如氧化硅(siliconoxide)所构成，然而本发明并不限于此，第一磁性电极22、第二磁性电极24与介电层20均可视产品的需求而选用适当的其它材料。另外图2中第一磁性电极22与第二磁性电极24中的箭头用来表示磁偶极26、28，磁偶极26、28实际上是由多个整齐排列的微小磁偶极所迭加成，然而对于本领域的技术人员而言，本实施例对于磁偶极26、28的形成方向并无限定，如可以指向同一方向或不同方向。

根据前述说明，前述图3所示的磁性电容2，其原理主要是利用第一磁性电极22与第二磁性电极24中整齐排列的磁偶极26、28来形成磁场，以使得介电层20中储存的电荷朝同一自旋方向转动，而进行整齐且紧密的排列，因此在介电层20中即可以容纳更多的电荷，进而增加磁性电容2的电能储存密度。由于现有电容中，电容值C由电容的面积A、介电层的介质常数ε₀ε_r及厚度d决定，如下公式(一)，因此模拟于现有电容，本实施例的磁性电容2相当于利用磁场的作用来改变介电层的介电常数，故而造成电容值的大幅提升。

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵr}}_A}{d}$ ………公式(一)

在此要特别强调，本实施例的磁性电容2储存的能量全部以电位能的方式进行储存，相较于主要以化学能储存的其它能量储存媒介(例如传统电池或超级电容)，本实施例所述的磁性电容2除了具有可匹配的能量储存密度外，更因充分保有电容的特性，而具有寿命长(高充放电次数)、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电等特点，故可有效解决当前电池所遇到的各种问题。且由于现有储能组件多半以化学能的方式进行储存，因此都需要有一定的尺寸，否则往往会造成效率的大幅下降。相较于此，本实施例的磁性电容2以电位能的方式进行储存，且因所使用的材料可适用于半导体制程，故可利用适当的半导体制程来形成磁性电容2以及周边电路连接，进而缩小磁性电容2的体积与重量，由于此制作方法可使用一般半导体制程，其应为本领域的技术人员所熟知，故在此不予赘述。

请参阅图4，其为本发明另一实施例的一磁性电容的示意图。磁性电容3系包括一介电层30、一第一磁性电极32与一第二磁性电极34，其中介电层30设置于第一磁性电极32与第二磁性电极34之间。第一磁性电极32更包括有一第一隔离层320、一第一磁性层322及一第二磁性层324，第一隔离层320是设置于第一磁性层322与第二磁性层324之间。第二磁性电极34更包括一第二隔离层340、一第三磁性层342及一第四磁性层344，第二隔离层340是设置于第三磁性层342与第四磁性层344之间。第一隔离层320与第二隔离层340均是由非磁性材料所构成。

图4所示的磁性电容3的操作原理与图3所示的磁性电容2相同，一样是通过外加电场于第一磁性层322、第二磁性层324、第三磁性层342与第四磁性层344，而使第一磁性层322、第二磁性层324、第三磁性层342与第四磁性层344中分别形成磁偶极(magnetic dipole)31、33、35、36。因此磁性电容3在磁化过程中，可以通过不同的外加电场，例如使第一磁性层322与第二磁性层324中的磁偶极31、33分别具有不同的方向，以及使第三磁性层342与第四磁性层344中的磁偶极35、36分别具有不同的方向，如此能进一步抑制磁性电容3的漏电流。同样本实施例对于磁偶极31、33、35、36的形成方向并无限定，如可以指向同一方向或不同方向。

在此特别强调，前述的第一磁性电极32及第二磁性电极34的结构并不限于前述的三层结构，而可以类似的方式，以多个磁性层与非磁性层不断交错堆栈，再利用各磁性层内磁偶极方向的调整来进一步抑制磁性电容3的漏电流，以达到几乎无漏电流的效果。

接下来请再参阅图5所示，其为本发明电源平衡方法的流程图，相关的说明并请一并配合图1，图5所示的方法步骤如下

首先令i＝1(如步骤S601)；之后使第i电池与电压平衡单元10之间的路径导通(如步骤S603)，而此步骤的执行是通过控制单元14输出切换信号给第i电池两端所连接的切换开关导通；之后判断是否已计时一段时间(如步骤S605)，此步骤可以由控制单元14控制计时单元16开始计时，并判断计时单元16是否已计时一段时间，例如计时单元16已计时一段时间则会输出计时信号通知控制单元14，因此若步骤S605判断为是则执行步骤S607，否则继续执行步骤S605。

而步骤S607则是判断i是否等于5，此5是以图1电池组中的电池数量作为举例说明；若此步骤S607判断为是则回到步骤S601继续执行；而若步骤S607判断为否则使i＝i+1(如步骤S609)，并回到步骤S603继续执行。

因此通过图5所示的方法，本实施例的电源平衡模块1是不断的使电池组中的每一个电池均可单独与电压平衡单元10耦接一段时间，且由于电压平衡单元10中的蓄电组件使用磁性电容，由于磁性电容具有高能量密度特性且可以快速充/放电，因此在此段时间内让电压平衡单元10与电池之间的电压可以快速取得均压，故利用不断的重复执行图5所示的方法，最终将使电池组中的每一电池电压近似相等。

而前述图5中的S605所计时一段时间以一固定时间为较佳，而由于电压平衡单元10是可以快速与电池取得均压，因此计时单元16计时的此段时间是以毫秒(ms)作为单位来设定，但本发明并不以此为限，此计时一段时间亦可以为非固定时间。

接下来请继续参阅图6及图7所示，其中图6中的电源平衡模块1a可在电池组的输出端耦接有一充电单元17，图7中的电源平衡模块1b可在电池组的输出端耦接有一负载单元18，而不论是图6或图7中的电源平衡模块1a及1b均可通过图5所示的方法来使电池组中的每一电池可以达到均压的效果。

因此经由前述实施例说明可知，本发明主要是利用磁性电容具有快速充/放电及高能量密度的技术特点，而可以使电压平衡单元10快速与电池组中的每一电池达成均压效果，因此可以让电池组通过本发明所述的均压方式操作之后，而来确保每一电池的电性表现及工作效率均可维持在正常使用状态，以使后端使用此电池组的相关电子产品均可以正常操作。

再者，本发明所使用的电源平衡模块的整体电路架构简单易于实现，故可使电路成本降低，但却又能同时快速达到良好的均压效果。

另，本发明所提供的电源平衡模块亦可与电池组整合成一电源模块，而此电池组由多个蓄电组件以串联方式组成，且此蓄电组件可以是电池或是磁性电容，借此使得电源模块可以直接应用于各种电子产品使用，以提供稳定的供电质量供使用。

上述所公开的附图及说明，仅为本发明的实施例而已，凡本领域的技术人员当可依据上述的说明作其它种种的改良，而这些改变仍属于本发明的发明精神及以下所界定的专利范围中。

Claims (13)

1、一种电源平衡模块，该电源由多个电池串接组成的一电池组，其特征在于，包括：

一电压平衡单元，具有至少一磁性电容；

一切换开关单元，控制该些电池与该电压平衡单元之间路径的导通；以及

一控制单元，耦接于该切换开关单元，并用以输出一切换信号给该切换开关单元，以使该些电池的每一个分别轮流与该电压平衡单元耦接。

2、如权利要求1所述的电源平衡模块，其特征在于，该磁性电容包括：

一第一磁性电极；

一第二磁性电极；以及

一介电层，设置于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间；

其中该介电层用以储存电能，以及该第一磁性电极与该第二磁性电极分别具有多个磁偶极以避免储存于该介电层中的电能漏电。

3、如权利要求2所述的电源平衡模块，其特征在于，该第一磁性电极包括：

一第一磁性层；

一第二磁性层；以及

一第一隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第一磁性层与该第二磁性层之间；

其中，该第二磁性电极包括：

一第三磁性层；

一第四磁性层；以及

一第二隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第三磁性层与该第四磁性层之间。

4、如权利要求1所述的电源平衡模块，其特征在于，其中该切换开关单元包括有多个切换开关，且该些电池的每一端与该电压平衡单元的每一端之间一对一耦接有一个该切换开关，且该控制单元所输出的该切换信号用来控制该些切换开关的导通或断路。

5、如权利要求4所述的电源平衡模块，其特征在于，其中每一该电池与该电压平衡单元之间的耦接为该控制单元输出该切换信号以使耦接于该电压平衡单元的该电池两端的该等切换开关呈现导通状态。

6、如权利要求1所述的电源平衡模块，其特征在于，其中该控制单元根据一计时单元的计时来输出该切换信号。

7、一种电源平衡方法，其特征在于，该电源由多个电池串接组成的一电池组，方法包括：

提供一电压平衡单元，其中该电压平衡单元具有至少一磁性电容；以及

控制该些电池的每一个分别轮流与该电压平衡单元耦接。

8、如权利要求7所述的电源平衡方法，其特征在于，其中控制该些电池的每一个分别轮流与该电压平衡单元耦接利用一控制单元来对多个切换开关进行控制，且该些电池的每一端与该电压平衡单元的每一端之间一对一耦接有一个该切换开关，且该控制单元所输出一切换信号来控制该些切换开关的导通或断路。

9、如权利要求8所述的电源平衡方法，其特征在于，其中每一该电池与该电压平衡单元之间的耦接为该控制单元输出该切换信号以使耦接于该电压平衡单元的该电池两端的该等切换开关呈现导通状态。

10、如权利要求8所述的电源平衡方法，其特征在于，其中该控制单元每隔一段时间来输出该切换信号给每一该电池两端所耦接的该切换开关。

11、如权利要求7所述的电源平衡方法，其特征在于，其中该些电池的每一个分别以依序方式来轮流与该电压平衡单元耦接。

12、一种电源模块，其特征在于，包括：

一电源，包含有多个串联的蓄电组件；

一电压平衡单元，具有至少一磁性电容；

一切换开关单元，控制该些蓄电组件与该电压平衡单元之间路径的导通；以及

一控制单元，耦接于该切换开关单元，并用以输出一切换信号给该切换开关单元，以使该些蓄电组件的每一个分别轮流与该电压平衡单元耦接。

13、如权利要求12所述的电源模块，其特征在于，其中该蓄电组件为电池或磁性电容。

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