CN102035047B - 电池电压平衡电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电池电压平衡电路以平衡串联的多个电池单元的电压；电池电压平衡电路包含一电池电压平衡单元以及一电池电压判断单元；电池电压平衡单元包含多个平衡单位，每一平衡单位对应耦接该多个电池单元的一电池单元的一正端及一负端，并于接收一平衡信号时导通一平衡电流；电池电压判断单元耦接该多个电池单元的该些正端及该些负端，该电池电压判断单元于该多个电池单元其中任一电池单元达到一平衡电压时，发出平衡信号以导通对应的该平衡单位。

Description

电池电压平衡电路及方法

技术领域

本发明涉及一种电池电压平衡电路及方法，尤指一种用以平衡多个串联电池间的电池电压的电池电压平衡电路及方法。 

背景技术

随着可携式电子产品的发展，可充电式电池的需求也随之而起。充电式电池包括了公知的镍镉电池、后续开发的镍氢电池、锂离子电池以及最新发展的锂聚合物(Li-Polymer)电池。不同种类的可充电式电池所提供的电压也不尽相同，而可携式电子产品所需的操作电压也有所不同。因此，电池制造业者会配合可携式电子产品的操作电压，将数颗电池串联成电池模块以提供所需的电压。 

电池模块于电池的电能耗尽时，需以充电器再充满电以供下次使用。然而，电池会因制造或使用而造成蓄电量有所不同。举例来说，7.4V锂电池模块由两颗3.7V的锂电池串联组成。在出厂时，两颗电池的蓄电量分别是80％及70％。由于锂电池过充会损害电池本身，因此，锂电池充电器在任一颗锂电池满充电时即停止充电，此时，两颗电池的蓄电量分别为100％(电池充电容量的最上限)及90％。而使用时，只要任一电池蓄电量降至0％(电池放电的最下限)，电池模块即无法使用，因此，这两颗电池的蓄电量降至分别为10％及0％时，即须再充电才能使用。 

由上述例子可知，当电池模块的电池的蓄电量有所不同时，电池模块的实际可使用电能将由蓄电量最低的电池所决定。而除了上述出厂时电池模块的各电池蓄电量可能不同外，电池于未使用时，也会自放电，在每个电池自放电速率不同的情况下，也会造成电池间蓄电量逐渐不平衡，使电池模块实际可使用电能会随着电池使用时间而逐渐变少，造成电池模块的使用效率低落，使用时间也变短。 

请参考图1，为Intersil在其ISL9208的数据表(Datasheet)中所揭示的数字电池平衡控制器。一数字电池平衡控制器10包含一电池平衡微处理器5及晶体管开关S1-S7。晶体管开关S1-S7分别透过电阻R1-R7与电池BAT1-BAT7并联。电池BAT1-BAT7的电压经模拟/数字转换器(A/D Converter)转换成数字信号，该电池平衡控制微处理器5根据电池BAT1-BAT7的电压数字信号，经内建的算法比较出其中电压较高的电池，并导通该较高电压的电池并联的晶体管开关，使各电池的充电电流可根据各电池的电压调整而达到平衡充电的功能。 

然而电池电压需经由模拟/数字转换器转换成数字信号后，数字的电池平衡微处理器5才得以处理，而模拟/数字转换器会大幅增加该数字电池平衡控制器10的芯片面积10，故成本相当高是其缺点。另外，数字的电池平衡微处理器5会受限于当初设计，例如：ISL9208仅能支持5到7颗电池所组成的电池模块，其可应用的范围也会因的受限。 

另外，由于ISL9208除了电路发生，如：过温、过电流、短路等，电路异常外，会对较高电压的电池进行放电直至各电池的电压相等为止。虽然锂电池号称几乎无记忆效应而允许使用者不论锂电池电压高低随时可充电及放电。然而，实际上对锂电池模块于任意电压下充放电后，会造成锂电池于不同电池电压下放电能力有高低。请参考图2，为使用一段时间后的满充电锂电池模块的电池电压及放电能力(电流)的关系示意图。因此，任意对锂电池模块进行电压平衡会造成锂电池放电性能衰退，甚至使用该锂电池模块的电子产品可能遇到瞬间的电力不足而造成当机或毁损。 

发明内容

鉴于公知的数字电池平衡控制器成本过高以及不当地充放电造成电池放电性能下降的问题，本发明使用模拟的电池充电控制器达到电池的平衡充电以降低电池平衡控制器的成本，并于电池电压高于一预定电压值时始进行电池电压平衡，以避免造成电池放电性能的弱化。 

为达上述目的，本发明提供了一种电池电压平衡电路以平衡串联的多个电池单元的电压。电池电压平衡电路包含一电池电压平衡单元以及一电池电压判断单元。电池电压平衡单元包含多个平衡单位，每一平衡单位对应耦接该多个电池单元的一电池单元的一正端及一负端，并于接收一平衡信号时导通一平衡电流。电池电压判断单元耦接该多个电池单元的该些正端及该些负端，该电池电压判断单元于该多个电池单元其中任一电池单元达到一平衡电压时，发出平衡信号以导通对应的该平衡单位；该电池电压判断单元更包含一平衡停止判断电路，于该多个平衡单位全部达到该平衡判断电压时，停止该多个平衡单位导通该平衡电流。 

本发明也提供了一种电池电压平衡方法。首先侦测串联的多个电池单元的个别电池电压，并于该多个电池单元的其中任一电池单元的电压高于一平衡电压时导通与该电池单元并联的一平衡单位。而当该多个电池单元的其中任一电池单元的电压低于该平衡电压时停止导通 对应的平衡单位；于该多个电池单元的全部电池单元高于该平衡判断电压时停止导通全部的该些平衡单位。 

本发明也提供亦一种电池电压平衡电路，包含一电池电压平衡单元、一第一电池电压判断单元以及一第二电池电压判断单元。电池电压平衡单元包含多个平衡单位，每一平衡单位对应耦接串联的多个电池单元的一电池单元的一正端及一负端，并于接收一平衡信号时导通一平衡电流。第一电池电压判断单元对应耦接该多个电池单元中N个电池单元的该些正端及该些负端，该第一电池电压判断单元于该N个电池单元其中任一电池单元达到一平衡判断电压时，发出平衡信号以导通对应的平衡单位，并于该N个平衡单位全部达到该平衡判断电压时，产生一第一平衡停止信号，其中N为大于零的整数。第二电池电压判断单元对应耦接该多个电池单元中M个电池单元的该些正端及该些负端，该第二电池电压判断单元于该M个电池单元其中任一电池单元达到一平衡判断电压时，发出平衡信号以导通对应的平衡单位，其中M为大于零的整数。其中，当该第二电池电压判断单元于该M个平衡单位全部达到该平衡判断电压且接收该第一平衡停止信号时，停止对应的该M个平衡单位导通该平衡电流；该第二电池电压判断单元于该M个平衡单位全部达到该平衡判断电压时，产生一第二平衡停止信号，当该第一电池电压判断单元于该N个平衡单位全部达到该平衡判断电压且接收该第二平衡停止信号时，停止对应的该N个平衡单位导通该平衡电流。 

以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明的权利要求保护范围。而有关本发明的其他目的与优点，将在后续的说明与附图加以阐述。 

附图说明

图1为公知的数字电池平衡控制器的电路示意图； 

图2为使用一段时间后的满充电锂电池模块的电池电压及放电能力(电流)的关系示意图； 

图3为锂电池充放电的电压曲线及充电电流曲线的示意图； 

图4为根据本发明的一实施例的电池电压平衡电路的示意图； 

图5A为根据本发明的电池电压平衡单元的电路示意图； 

图5B为根据本发明的另一种电池电压平衡单元的电路示意图； 

图6为根据本发明的另一实施例的电池电压平衡电路的示意图。 

【主要元件附图标记说明】 

先前技术： 

电池平衡微处理器            5 

数字电池平衡控制器        10 

晶体管开关                S1～S7 

电阻                      R1～R7 

电池                      BAT1～BAT7 

本发明： 

电池电压判断单元100、200 

电池电压平衡单元105、205 

电池电压判断单位110、120、130、210、220 

平衡单位115、125、135、215、225 

电池模块150、250 

电池单元Cel11、Cel12、Cel13、Cel14、Cel15 

分压器DV 

比较器COM 

偏压器Vr 

倒相器INV 

延迟器DE 

平衡停止判断电路AN 

非或门NR 

平衡信号A、B、C、E、F 

开关SW 

限流元件Rli 

电池模块电压VDD 

平衡电流I1、I2、I3、I4、I5 

平衡停止信号D、G 

具体实施方式

请参见图2，当锂电池在接近饱充状态时(即电容量接近100％时)进行充放电，几乎对放电能力没影响。本发明利用此区间来进行电池电压平衡，即可避免先前技术中影响电池放电能力的问题。 

另外，在此区间进行充放电还有其他优点。请参考图3，为锂电池充放电的电压曲线及充电电流曲线的示意图。由图中可发现，充电过程的初期，电池电压上升十分快速，而此时充电模式在定电流充电模式。于后电池电压相当接近额定电压4.2V(在此以石墨为阳极材料的锂电池为例)，充电模式变换为定电压充电模式，随着电池的电容量的上升，其电池电压仅缓慢上升直至满充电。而于放电过程初期，电池电压快速下降后才转为缓慢下降。当电池的电容量经放电而剩余小 部分时，此时电池电压会快速下降直至放电结束。因此，在充放电不影响电池放电能力的电池电压区间选择一平衡判断电压来判断是否启动电池电压平衡，除了可避免影响电池放电能力的优点外，也由于此区间的电压相当接近满充电电压，几乎仅在电池处于充电状态下才会进行。平衡判断电压的设定须依据电池的特性来设定以使电池的记忆效应轻微而不影响电池放电能力。一般而言充放电不影响电池放电能力的电压区间会在满充电电压的90％以上(至满充电电压为止)，较佳的平衡判断电压可以设在满充电电压的95％以上，在图3的实施例中以4.1V作为平衡判断电压。 

因此，根据上述说明可知，本发明的电池电压平衡电路可以在无外部启动信号的情况下独立判断进行电池电压平衡的适当时间，以避免在电池放电(使用)时同时进行电池电压平衡而造成电池电力的过多不必要的耗损。所以，本发明的电池电压平衡电路亦可适用于一些无法由外部提供启动信号以启动电池电压平衡程序的电路设计。 

当然，除了上述的定电流定电压的充电方式外，锂电池亦可使用定电压定电流的充电方式或其他充电方式，而其电池电压与其电容量之间的对应关系仍与定电流定电压的充电方式类似，且其充电方式大致可区分成快充的第一充电模式及精充的第二充电模式，在第一充电模式为了快速对电池模块进行充电，会提供平均高于第二充电模式的充电电流进行充电。以定电压定电流(CV/CC)充电方式为例，第一充电模式为定电压充电模式，该第二充电模式为定电流充电模式；而若为定电流定电压(CC/CV)充电方式，则该第一充电模式为定电流充电模式，该第二充电模式为定电压充电模式。 

请参考图4，为根据本发明的一实施例的电池电压平衡电路的示意图。电池电压平衡电路包含一电池电压判断单元100以及一电池电压平衡单元105，用以平衡一电池模块150。其中，电池电压判断单元100包含多个电池电压判断单位，电池电压平衡单元105包含多个平衡单位，电池模块150包含多个连接成串的电池单元。在本实施例以三个电池电压判断单位110、120、130，三个平衡单位115、125、135以及三个电池单元Cel11、Cel12、Cel13为例说明。 

电池电压判断单元100中的三个电池电压判断单位110、120、130分别各自耦接三个电池单元Cel11、Cel12、Cel13的正端及负端，以侦测三个电池单元Cel11、Cel12、Cel13的电池电压。每个电池电压判断单位包含一分压器DV、一比较器COM、一偏压器Vr、一倒相器INV、一延迟器DE、一平衡停止判断电路AN及一非或门NR。分压器DV侦测对应电池单元的电池电压，并据此产生一分压信号至比较器COM的不倒相输入端。偏压器Vr基于对应电池电压的负端提供一偏压至比 较器COM的倒相输入端。当不倒相输入端的电位高于倒相输入端的电位，即代表对应的电池单元的电池电压高于平衡判断电压，此时比较器COM输出高准位的平衡信号，并经倒相器INV倒相处理后输入延迟器DE。延迟器DE将信号延迟一预定时间后传送至非或门NR。平衡停止判断电路AN可以为一与门，于接收电池电压判断单位110、120、130中的比较器COM所输出的高准位的平衡信号A、B、C，并经“及”逻辑运算后输入一平衡停止信号D至非或门NR。延迟器DE的延迟为避免当三个电池单元同时到达平衡判断电压时的瞬间，在平衡停止判断电路AN的平衡停止信号D尚未停止电池电压平衡程序前，三个非或门NR已同时导通三个平衡单位115、125、135中的三个开关SW，造成不必要的电力耗损，甚至是元件过热毁损。 

三个平衡单位115、125、135分别各自耦接至三个电池单元Cel11、Cel12、Cel13的正端及负端，各自包含一开关SW及一限流元件Rli。在本实施例中，开关SW为一N型金氧半晶体管，而限流元件Rli为一电阻。在实施例中，开关SW棌用N型金氧半晶体管，亦可采用P型金氧半晶体管，但是在电池电压判断单位110、120、130的非或门NR改以或门即可。 

平衡信号A、B、C各自控制对应平衡单位115、125、135中的开关SW，使其导通以流经一平衡电流。当电池模块150处于充电过程，外部的充电电路会提供一充电电流(未绘出)对电池模块充电。上述的平衡电流较佳为约略等于充电电流，使先到达平衡判断电压的电池单元的电池电压维持在此电压上，以等待其他电池单元的电压上升。于后，三个电池单元Cel11、Cel12、Cel13均到达平衡判断电压时，平衡信号A、B、C均为高准位使平衡停止判断电路AN输出平衡停止信号D后，非或门NR将输出低准位信号使三个开关SW停止导通平衡电流，三个电池单元Cel11、Cel12、Cel13的电池电压将再继续因充电而上升至满充电电压。 

当然，平衡电流大于充电电流或小于充电电流并不影响本发明的电池电压平衡电路的电池电压平衡功能。当平衡电流大于充电电流时，透过电池电压判断单位110、120、130的比较器COM的作用，将使开关SW切换于导通及截止状态之间，使电池电压维持在平衡判断电压附近。当全部电池电压到达平衡判断电压后，所有开关SW将停止导通平衡电流，使电池单元Cel11、Cel12、Cel13的电池电压继续充电至满充电电压为止。当平衡电流小于充电电流时，则先到达平衡判断电压的电池单元的充电电流将小于未到电压平衡判断电压的电池单元，以缩小电池单元间的电压差距。 

电池电压判断单元100与电池电压平衡单元105中的开关SW可 以同时封装于同一封装体，甚至于同一芯片中，而限流元件Rli可以内建于芯片中；亦可以采用外接方式处理。如此，可以根据实际应用来决定适当的电阻值。然而，请参见图4，平衡电流I1及平衡电流I3约略相等，但平衡电流I2同时流经两个限流元件Rli，其电流大小约为平衡电流I1、平衡电流I3的一半。而若电池单元Cel12、Cel13同时导通时，平衡电流将仅流经单一限流元件，使平衡电流变为两倍大小。为避免平衡电流的不一致，限流元件的耦接方式可改为如图5A所示的耦接方式。如此，平衡电流I1、I2、I3将约略一致，且同时两个开关SW导通时亦几乎不影响平衡电流的大小。 

图5B为另一种电池电压平衡单元的电路示意图，其中三个开关SW及三个限流元件Rli串联后再与电池模块150并联的方式连接。如此连接方式，不论单一开关SW导通或同时多个开关导通，导通的平衡电流大小均相当一致。而且，就算三个开关SW同时导通，亦可发挥限流作用而不至于流经大电流而有烧毁开关SW的风险。当然除了上述的连接方式可避免烧毁开关SW外，任何以全部开关SW及至少一限流元件Rli串联的方式均可达到限流效果而达到保护开关SW的作用。因此，在上述连接方式下，电池电压判断单元100可省略延迟器DE以降低制造成本，甚至可省略平衡停止判断电路AN。 

本发明也提供了一种电池电压平衡方法。首先侦测串联的多个电池单元的个别电池电压，并于该多个电池单元的其中任一电池单元的电压高于一平衡判断电压时导通与该电池单元并联的一平衡单位。而当该多个电池单元的其中任一电池单元的电压低于该平衡判断电压时停止导通对应的平衡单位。 

如上述说明，当电池模块150并非在充电状态时，例如：使用状态(用以驱动一负载)或非使用状态时，其电池电压的曲线会如图3所示的放电电压曲线。此时，就算电池电压判断单元100并未停止运作，至多仅将电池电压降至4.1V的平衡判断电压时即停止导通开关SW以停止平衡电流。此时，电池的电容量仍维持在接近100％，故几乎可避免电池电压平衡所造成电容量的损耗的问题。 

接着，请参考图6，为根据本发明的另一实施例的电池电压平衡电路的示意图。当电池模块250包含串联的电池单元的数量超过单一电池电压判断单元100所能平衡的电池单元数量时，可利用两个或以上的电池电压判断单元100、200来平衡电池模块250。在本实施例中，电池模块250包含五个电池单元Cel11、Cel12、Cel13、Cel14、Cel15，而电池电压判断单元100可平衡其中三个电池单元Cel11、Cel12、Cel13，电池电压判断单元200可平衡其中两个电池单元Cel14、Cel15。电池电压判断单元100包含电池电压判断单位110、120、130，而电池电压判 断单元200包含电池电压判断单位210、220，上述每个电池电压判断单位的结构与图4所示的电池电压判断单位相同。 

电池电压判断单位110、120、130、210、220分别于对应的电池单元的电池电压到达平衡判断电压时产生平衡信号A、B、C、E、F。电池电压判断单元100中的平衡停止判断电路AN接收高准位的平衡信号A、B、C时，输出一第一平衡停止信号D。电池电压判断单元200中的平衡停止判断电路AN接收高准位的平衡信号E、F时，输出一第二平衡停止信号G。一与门AN2接收第一平衡停止信号D及第二平衡停止信号G并输出信号H。电池电压判断单元100中的非或门NR接收延迟器DE的输出和与门AN2的输出信号H，故于电池模块250中的所有电池单元均到达平衡判断电压时，停止导通电池电压平衡单元205中对应的平衡单位115、125、135的开关SW，以停止导通平衡电流I1、I2、I3。同理，电池电压判断单元200中的非或门NR接收延迟器DE的输出和与门AN2的输出信号H，于电池模块250中的所有电池单元均到达平衡判断电压时，停止导通电池电压平衡单元205中对应的平衡单位215、225的开关SW，以停止导通平衡电流I4、I5。 

因此，本发明的电池电压判断单元可以并用的方式，达到平衡具有较多电池单元的电池模块的电池电压，且于每个电池单元都达到平衡判断电压，停止继续导通平衡电流，以避免造成不必要的电力耗损，甚至是元件过热毁损。 

如上所述，本发明在上文中已以较佳实施例揭示，本领域技术人员应理解的是，该实施例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明权利要求保护范围。应注意的是，凡与该实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明权利要求保护范围内。因此，本发明的保护范围当以本发明权利要求保护范围所界定的为准。 

Claims (9)

1.一种电池电压平衡电路，用以平衡串联的多个电池单元的电压，其特征在于，包含：

一电池电压平衡单元，包含多个平衡单位，每一平衡单位对应耦接该多个电池单元的一电池单元的一正端及一负端，并于接收一平衡信号时导通一平衡电流；以及

一电池电压判断单元，耦接该多个电池单元的该些正端及该些负端，该电池电压判断单元于该多个电池单元其中任一电池单元达到一平衡判断电压时，发出平衡信号以导通对应的该平衡单位；

该电池电压判断单元更包含一平衡停止判断电路，于该多个平衡单位全部达到该平衡判断电压时，停止该多个平衡单位导通该平衡电流。

2.如权利要求1所述的电池电压平衡电路，其特征在于，该平衡判断电压根据该电池单元的电池特性决定，而该电池单元于该平衡判断电压至该电池单元的满充电电压的范围内记忆效应轻微。

3.如权利要求1或2任一项所述的电池电压平衡电路，其特征在于，每一该平衡单位包含一开关及一限流元件，该开关于接收该平衡信号时导通。

4.如权利要求3所述的电池电压平衡电路，其特征在于，该多个平衡单位的开关与其中的至少一限流元件串联。

5.一种电池电压平衡方法，其特征在于，包含步骤：

侦测串联的多个电池单元的个别电池电压；

于该多个电池单元的其中任一电池单元的电压高于一平衡判断电压时导通与该电池单元并联之一平衡单位；以及

于该多个电池单元的其中任一电池单元的电压低于该平衡判断电压时停止导通对应的平衡单位；

于该多个电池单元的全部电池单元高于该平衡判断电压时停止导通全部的该些平衡单位。

6.如权利要求5所述的电池电压平衡方法，其特征在于，该平衡判断电压根据该电池单元的电池特性决定，而该电池单元于该平衡判断电压至该电池单元的满充电电压的范围内记忆效应轻微。

7.如权利要求6所述的电池电压平衡方法，其特征在于，更包含步骤：

对该多个电池单元进行充电，以提供一充电电流至该多个电池单元。

8.一种电池电压平衡电路，其特征在于，包含：

一电池电压平衡单元，包含多个平衡单位，每一平衡单位对应耦接串联的多个电池单元的一电池单元的一正端及一负端，并于接收一平衡信号时导通一平衡电流；

一第一电池电压判断单元，对应耦接该多个电池单元中N个电池单元的该些正端及该些负端，该第一电池电压判断单元于该N个电池单元其中任一电池单元达到一平衡判断电压时，发出平衡信号以导通对应的平衡单位，并于该N个平衡单位全部达到该平衡判断电压时，产生一第一平衡停止信号，其中N为大于零的整数；以及

一第二电池电压判断单元，对应耦接该多个电池单元中M个电池单元的该些正端及该些负端，该第二电池电压判断单元于该M个电池单元其中任一电池单元达到一平衡判断电压时，发出平衡信号以导通对应的平衡单位，其中M为大于零的整数；

其中，当该第二电池电压判断单元于该M个平衡单位全部达到该平衡判断电压且接收该第一平衡停止信号时，停止对应的该M个平衡单位导通该平衡电流；

该第二电池电压判断单元于该M个平衡单位全部达到该平衡判断电压时，产生一第二平衡停止信号，当该第一电池电压判断单元于该N个平衡单位全部达到该平衡判断电压且接收该第二平衡停止信号时，停止对应的该N个平衡单位导通该平衡电流。

9.如权利要求8所述的电池电压平衡电路，其特征在于，每一该平衡单位包含一开关及一限流元件，该开关于接收该平衡信号时导通且该多个平衡单位的开关与其中的至少一限流元件串联。

Images