CN102377214A - 电池管理电路、电池模块与电池管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池管理电路、电池模块与电池管理方法，其中电池管理电路包括传导电路与控制电路，传导电路耦接于一可充电电池并具有一第一传导路径与一第二传导路径，其中第一传导路径通过可充电电池，第二传导路径不通过可充电电池。控制电路耦接于可充电电池与传导电路，根据可充电电池的电池电压选择性的导通传导电路中的第一传导路径或第二传导路径。由此，避免可充电电池过度充电或过度放电。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池的电力管理电路，且特别涉及一种单电池等级的电池管理电路、阵列式电池管理电路、电池模块与电池管理方法。
背景技术
一般而言电池组(battery)，也称之为电池，是由多个单电池(Cell)串联或并联所组成，最常见的就是车用铅酸电池。电池可分为一般电池(primarybattery)与可充电电池(rechargeable battery or secondary battery)，一般电池在电量耗尽后无法再度充电使用，而可充电电池则可以重复充电使用，例如有锂离子电池、镍铁电池、铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等。
由于可充电电池具有存储效应，其中以镍镉最为严重，所在充电电池如果过度放电或是过度充电皆会对电池造成伤害。一个电池组中通常会包括多个单电池，每个单电池的充电与放电特性会稍有不同，如果使用相同的电压对所有单电池充电，可能会使得部份单电池过度充电而造成损害。反之，在放电时，电池组中的部分单电池可能会过度放电而造成损坏。
在传统技术中，可充电电池的电源管理相当重要，但目前的管理技术大都以电池组为单位来进行管理，而没有针对电池组中的单电池进行电源管理的技术，这使得可充电电池的充电与放电效率过低，同时在可充电电池的充电与放电过程中，其中的单电池容易因过度充电或是过度放电而造成损坏。
发明内容
本发明提供一种电池管理电路，其具有分别监控电池组中多个单电池(可充电电池)的电力状态的功能，可以防止各单电池的过度充电或过度放电的情况发生，进而提高电池组的电力效率与使用寿命。
本发明另提供一种电池模块，使用阵列控制器来个别监控所有可充电电池(单电池)的电力状态，并在可充电电池的电压超过预定的电压范围时，使充电路径或放电路径略过可充电电池以避免各可充电电池的过度充电或过度放电的情况发生，进而提高电池组的电力效率与使用寿命。
本发明另提供一种电池管理方法，可以直接监控所有可充电电池的电力状态，并且据以控制所述多个可充电电池的充放电路径以保护可充电电池。此外，此方法也可以用来收集各可充电电池的电力状态，例如充放电效率或剩余电量。
本发明另提供一种电池模块，在电池模块中增设备用电池组以取代损坏的电池组，由此可加长电池模块的使用寿命，避免单一电池组的损坏而影响整体电池模块的电力输出。
本发明的技术方案之一为一种电池管理电路，适用于一可充电电池(rechargeable battery)，此电池管理电路包括一传导电路，其耦接于可充电电池，传导电路具有一第一传导路径与一第二传导路径，其中第一传导路径通过可充电电池，第二传导路径不通过可充电电池；以及一控制电路，耦接于可充电电池与传导电路，根据可充电电池的电池电压选择性的导通传导电路中的第一传导路径或第二传导路径。
在本发明一实施例中，当可充电电池的电池电压大于一第一门限值时，传导电路导通第二传导路径且不导通第一传导路径。当可充电电池的电池电压小于一第二门限值时，传导电路导通第二传导路径且不导通第一传导路径。当可充电电池的电池电压位于一第一门限值与一第二门限值之间时，传导电路导通第一传导路径且不导通第二传导路径，其中第一门限值大于第二门限值。
在本发明一实施例中，传导电路包括一第一开关，其耦接于可充电电池的正端与第一端之间；一第二开关，其耦接于可充电电池的负端与该二端之间；以及一第三开关，其耦接于第一端与第二端之间。其中当可充电电池的电池电压大于一第一门限值时，传导电路导通第三开关且不导通第一开关与第二开关。当可充电电池的电池电压小于一第二门限值时，传导电路导通第三开关且不导通第一开关与第二开关。当可充电电池的电池电压位于一第一门限值与一第二门限值之间时，传导电路导通第一开关与第二开关且不导通第三开关，其中第一门限值大于第二门限值。
在本发明一实施例中，其中控制电路包括一电压检测单元，其耦接于可充电电池的正端与负端，用以检测电池电压；一控制单元，其耦接于电压检测单元与传导电路，并根据可充电电池的电池电压控制传导电路以导通第一传导路径或第二传导路径；以及电流检测单元，其耦接于可充电电池，用以检测流经可充电电池的电流值。其中，控制单元根据可充电电池的电池电压与流经可充电电池的电流值计算充电电池的电量。
本发明的另一技术方案为一种电池模块，包括多个供电单元与一阵列控制器。各该供电单元具有一可充电电池，阵列控制器具有多条通道以分别耦接于所述多个供电单元，该阵列控制器经由所述多个通道分别检测所述多个可充电电池的电力状态并根据所述多个可充电电池的电力状态分别控制所述多个可充电电池的充放电路径。
本发明的另一技术方案为一种电池模块，包括多个电池组，各该电池组具有多个可充电电池；一备用电池组，具有多个可充电电池；一供电路径电路，其耦接于电池组与备用电池组，用以切换电池组与备用电池组的传导路径；一电压检测单元，其耦接于供电路径电路，用以检测电池组的电池电压是否正常；以及一控制器，其耦接于电压检测单元与供电路径电路。其中，控制器根据电压检测单元的检测结果判断电池组是否损坏，当电池组之一损坏时，控制器经由供电路径电路调整电池组与备用电池组的传导路径，使备用电池组取代损坏的电池组。
本发明另提出一种电池管理方法，包括下列步骤：a.提供多条通道以分别耦接于所述多个供电单元；b.经由所述多个通道分别检测所述多个可充电电池的电力状态；c.根据所述多个可充电电池的电力状态分别控制所述多个可充电电池的充放电路径。
综合上述，本发明所提出的电池管理电路，解决了电池组中个别单电池过度充电或过度放电而造成损坏的技术问题，并且至少具有以下功效：
1.个别监控电池组中个别单电池的电力状态以避免过度充电或过度放电的情况发生。
2.利用阵列式的控制电路，可以个别监控所有单电池的电力状态以提供最准确的电力消耗状态。
3.利用备用电池组来取代损坏的电池组，可以增加整体电池模块的使用寿命，避免单一电池组的损坏影响整体电池模块的电力输出。
为让本发明之上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例的电池管理电路示意图。
图2为根据本发明第一实施例的阵列式电池管理电路。
图3为根据本发明第二实施例的电池模块示意图。
图4为根据本发明第三实施例的电池管理方法流程图。
其中，附图标记说明如下：
100：电池管理电路
102：可充电电池
110：控制电路
112：电流检测单元
114：电压检测单元
116：控制单元
120：传导电路
200：电池模块
210：供电单元
230：阵列控制器
300：电池模块
310：多个电池组
320：备用电池组
330：供电路径电路
340：控制器
350：电压检测单元
CH1～CH13：通道
SW1：第一开关
SW2：第二开关
SW3：第三开关
T1：第一端
T2：第二端
P1：第一传导路径
P2：第二传导路径
S410～S430：流程图步骤
具体实施方式
(第一实施例)
图1为根据本发明第一实施例的电池管理电路示意图，电池管理电路100适用于管理可充电电池(rechargeable battery cell)102的充电与放电程序以避免过度充电或过度放电。电池管理电路100包括控制电路110与传导电路120，控制电路110耦接于传导电路110与可充电电池102，传导电路120耦接于可充电电池102的正端与负端。控制电路110包括电流检测单元112、电压检测单元114与控制单元116，其中电流检测单元112耦接于可充电电池102的正端以检测流经可充电电池102的电流值，电压检测单元114耦接于可充电电池102的正端与负端以检测可充电电池102的电池电压。控制单元116耦接于电流检测单元112、电压检测单元114与传导电路120。控制单元116可根据电压检测单元114的检测结果控制传导电路120的传导路径，根据电流检测单元112与电压检测单元114的检测结果计算可充电电池102的电力状态，例如剩余电量与耗电量。
传导电路120包括第一开关SW1、第二开关SW2与第三开关SW3，第一开关SW1经由电流检测单元112耦接于可充电电池102的正端与第一端T1之间，第二开关SW2耦接于可充电电池102的负端与第二端T2之间，第三开关SW3耦接于第一端T1与第二端T2之间。第一端T1与第二端T2则可用来取代可充电电池102原本的正端与负端以与外部电路或其他可充电电池连接。也就是说外部电路需透过传导电路120才能连接至可充电电池102。
传导电路120具有第一传导路径P1与第二传导路径P2，其中第一传导路径P1通过第一开关SW1、可充电电池102与第二开关SW2，第二传导路径P2则通过第三开关SW3且不通过可充电电池102。当第一开关SW1与第二开关SW2导通时，第一传导路径P1导通；当第三开关SW3导通时，第二传导路径P2导通。控制单元116可经由控制第一开关SW1、第二开关SW2与第三开关SW3来选择性的导通第一传导路径P1或第二传导路径P2。
控制单元116中会设有第一门限值与第二门限值，用来与可充电电池102的电池电压比较以决定可充电电池102是否过度充电或过度放电，其中第一门限值大于第二门限值。当可充电电池102的电池电压超过第一门限值时，表示过度充电；当可充电电池102的电池电压小于第二门限值时，表示过度放电。当可充电电池102的电池电压超过第一门限值与第二门限值的范围时(即大于第一门限值或小于第二门限值)，控制单元116会导通第二传导路径P2且不导通第一传导路径P1，由此避免可充电电池102继续充电或放电。反之，当可充电电池102的电池电压位于第一门限值与第二门限值之间时，控制单元116会导通第一传导路径P1且不导通第二传导路径P2，让可充电电池102继续正常的进行放电或充电程序。
以第一开关SW1、第二开关SW2与第三开关SW3来举例说明，当可充电电池102的电池电压大于第一门限值或小于第二门限值时，控制单元120会导通第三开关SW3且不导通第一开关SW1与第二开关SW2。当可充电电池102的电池电压位于第一门限值与第二门限值之间时，控制单元120会导通第一开关SW1与第二开关SW2且不导通第三开关SW3。藉此，电池管理电路100可以在可充电电池102过度充电或过度放电时，让整个系统的电流传导路径跳过可充电电池102以避免可充电电池102受到损坏。
值得注意的是，上述第一开关SW1、第二开关SW2与第三开关SW3可利用N通道金氧半场效电晶体(N channel metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor)、P通道金氧半场效电晶体(P channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)或其他开关元件来实施，本发明并不受限。此外，上述传导电路120也可使用多工器或其他开关元件的组合来实施，本发明并不受限。电流检测单元112主要是用来检测流经可充电电池102的电流值，其可以设置在可充电电池102的正端或负端，只要位于可充电电池102的电流传导路径上即可，本发明并不受限。通过电压检测单元114与电流检测单元112，控制单元116可以取得可充电电池102的电池电压与流经可充电电池102的电流值，这样可以计算充电电池102的剩余电量、输出电量以及充电效率。若不需要计算上述数据，电流检测单元112可以去除以降低电路设计成本。
另外，电池管理电路100可以在充电与放电程序中保护可充电电池102免于过度充电或过度放电。然而，在充电程序或放电程序结束后，控制单元120会导通第一传导路径P1且不导通第二传导路径P2以恢复可充电电池102的对外连接关系，恢复可充电电池102在系统中或电池组中的功能。控制单元120可以通过检测第二传导路径P2上的电流值与方向来得知充电与放电程序是否结束，或是通过外部电路来输入一通报信号给控制单元120以确定充电与放电程序是否结束。
上述电池管理电路100可以应用在电池组中的多个可充电电池上以达到分别监控的功效，避免单一可充电电池损坏而使得整个电池组报销。请参照图1与图2，图2为根据本发明第一实施例电池模块示意图。电池模块200可以用来管理多个可充电电池，例如一个电池组或多个电池组。电池模块200包括多个供电单元210与阵列控制器230。每个供电单元210具有一可充电电池102与一电池控制电路100，其中电池管理电路100包括一个控制电路110与一个传导电路120，如图1所示。控制电路110与传导电路120耦接于可充电电池102，用以控制可充电电池102与外部电路的传导路径。控制电路110与传导电路120的细部电路实施方式与操作方式如上述图1的说明，在此不加赘述。
在图2中，阵列控制器230会经由多个通道CH1～CH13分别连接至供电单元210，通道CH1～CH13与供电单元210为一对一设置，非阶层式设置。所以阵列控制器230会直接与每个供电单元210相连接并且直接取得其电力状态的信息并据以管理每个供电单元210的充放电路径。阵列控制器230与所有电池管理电路100形成一阵列控制电路，可用来分别监控所有可充电电池102的电力状态(包括电压与电流)，然后分别控制每个传导电路120以选择性的导通第一传输路径P1或第二传输路径P2(如图1所示)。阵列控制器230可经由控制电路110接收每个可充电电池102的电池电压与流经的电流值，藉此达到分别监控的效果。阵列控制器230可依照每个可充电电池102的电池电压状态，决定是否让整体电池模块的电流传导路径跳过此可充电电池102以避免过度充电或过度放电而造成某一可充电电池102损坏。也就是说，导通相对应的传导电路120中的第二传导路径P2且不导通其第一传导路径P1以避免充电电流或放电电流通过有问题的可充电电池102。阵列控制器230或控制电路110所取得的电力信息或其内部的设定值可储存于内建或外置的存储元件，例如电可擦可编程序只读存储器(Electrically-ErasableProgrammable Read-Only Memory)或闪存(flash memory)，本发明并不限制存储元件的类型。
此外，电池模块200可以在充电或放电程序结束后，通知控制电路110恢复可充电电池102与其他可充电电池102之间的电流传输路径(即导通第一传导路径P1且不导通(关闭)第二传导路径P2)。在本发明另一实施例中，阵列控制器230、控制电路110与传导电路120可以选择性的整合在同一积体电路之中或使用离散元件(discrete components)来实现，本发明并不受限。在图2中，阵列控制器230主要是用来整合所有可充电电池102的电力信息以及经由控制电路110去控制传导电路120以达到分别监控的效果。换言之，本发明的电池管理电路100可应用在单一个可充电电池的电源管理，也可以应用多个可充电电池的电源管理。对传导电路120的控制权可由控制电路110负责或是交由阵列控制器230负责，本发明并不受限。
(第二实施例)
本发明另提出一种电池模块，请参照图3，图3为根据本发明第二实施例的电池模块示意图。电池模块300包括多个电池组310、一备用电池组320、一供电路径电路330、一控制器340与一电压检测单元350。各该电池组310与备用电池组320具有多个可充电电池，其中可充电电池可串联或并联。供电路径电路330耦接于所有电池组310与备用电池组320，用以切换电池组310与备用电池组320的传导路径。电压检测单元350耦接于供电路径电路330，用以检测各电池组310的电池电压是否正常。控制器340耦接于电压检测单元350与供电路径电路330。
控制器340会根据电压检测单元350的检测结果判断电池组310是否损坏，当电池组310之一损坏时，控制器340经由供电路径电路330调整电池组310与备用电池组320的传导路径，使备用电池组320取代损坏的电池组310。供电路径电路330具有选择性耦合电池组310与备用电池组320的电路结构，其例如由多个开关元件或多工器组成。供电路径电路330可依照控制器340所输出的控制信号来调整其内部的传导路径以产生电力输出。在检测到有电池组310损坏时，控制器340便会控制供电路径电路330，以备用电池组320来取代损坏的电池组310以维持正常的电力输出。电池组310的损坏与否可经由其电池电压来进行判断，例如充电后的电池电压过低或是充电电池发生短路或开路的情况。此外，使用者也可设定其他的判断基准，本发明并不受限。
(第三实施例)
经由上述实施例，本发明可归纳出一种电池管理方法。请参照图4，图4为根据本发明第三实施例的电池管理方法流程图。首先，提供多条通道以分别耦接于供电单元(步骤S410)，然后经由所述多个通道分别检测所述多个可充电电池的电力状态(步骤S420)。接下来，根据所述多个可充电电池的电力状态分别控制所述多个可充电电池的充放电路径(步骤S430)。
其中，步骤S430还包括分别提供各可充电电池一第一传导路径与一第二传导路径，其中第一传导路径通过可充电电池，第二传导路径不通过该可充电电池；以及根据各该可充电电池的电池电压，分别选择性导通对应于各该可充电电池的该第一传导路径或该第二传导路径以保护各该可充电电池。在步骤S430中，当可充电电池中之一第一可充电电池的电池电压位于一预设区间时，导通对应于第一可充电电池的第一传导路径且关闭对应于第一可充电电池的第二传导路径。当第一可充电电池的电池电压超过预设区间时，导通对应于第一可充电电池的第二传导路径且关闭对应于第一可充电电池的第一传导路径，其中预设区间介于一第一门限值与一第二门限值之间。本电池管理方法的其余细节请参照上述实施例，经由上述实施例的说明，本技术领域具有通常知识者应当可以轻易推知其电池管理方法的操作细节，在此不加累述。
此外，值得注意的是，上述元件之间的耦接关系包括直接或间接或两者并行的电性连接，只要可以达到所需的电信号传递功能即可，本发明并不受限。上述实施例中的技术手段可以合并或单独使用，其元件可依照其功能与设计需求增加、去除、调整或替换，本发明并不受限。在经由上述实施例之说明后，本技术领域具有通常知识者应可推知其他实施方式，在此不加赘述。
综上所述，本发明根据各可充电电池的电力状态来选择性的调整其电池模块的电流传导路径，藉此避免对单一可充电电池过度充电或过度放电而造成损坏。本发明具有延长整体电池组寿命的功效并且可提供每个可充电电池的电力状态给使用者参考。
虽然本发明之较佳实施例已揭露如上，然本发明并不受限于上述实施例，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明所揭露之范围内，当可作些许之更动与调整，因此本发明之保护范围应当以后附之申请专利范围所界定者为准。
Claims (11)
1.一种电池管理电路，适用于一可充电电池，其特征在于，该电池管理电路包括：
一传导电路，耦接于该可充电电池，该传导电路具有一第一传导路径与一第二传导路径，其中该第一传导路径通过该可充电电池，该第二传导路径不通过该可充电电池；以及
一控制电路，耦接于该可充电电池与该传导电路，根据该可充电电池的电池电压选择性的导通该传导电路中的该第一传导路径或该第二传导路径。
2.如权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，当该可充电电池的电池电压大于一第一门限值时，该传导电路导通该第二传导路径且不导通该第一传导路径；当该可充电电池的电池电压小于一第二门限值时，该传导电路导通该第二传导路径且不导通该第一传导路径；当该可充电电池的电池电压位于一第一门限值与一第二门限值之间时，该传导电路导通该第一传导路径且不导通该第二传导路径，其中该第一门限值大于该第二门限值。
3.如权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，该传导电路包括：
一第一开关，耦接于该可充电电池的正端与一第一端之间；
一第二开关，耦接于该可充电电池的负端与一第二端之间；以及
一第三开关，耦接于该第一端与该第二端之间；
其中当该可充电电池的电池电压大于一第一门限值时，该传导电路导通该第三开关且不导通该第一开关与该第二开关；当该可充电电池的电池电压小于一第二门限值时，该传导电路导通该第三开关且不导通该第一开关与该第二开关；当该可充电电池的电池电压位于一第一门限值与一第二门限值之间时，该传导电路导通该第一开关与该第二开关且不导通该第三开关，其中该第一门限值大于该第二门限值。
4.如权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，该控制电路包括：
一电压检测单元，耦接于该可充电电池的正端与负端，用以检测该可充电电池的电池电压；以及
一控制单元，耦接于该电压检测单元与该传导电路，根据该可充电电池的电池电压控制该传导电路以导通该第一传导路径或该第二传导路径，其中该控制电路还包括一电流检测单元，耦接于该可充电电池与该控制单元，用以检测流经该可充电电池的电流值；
其中，该控制单元根据该可充电电池的电池电压与流经该可充电电池的电流值计算该可充电电池的电量。
5.一种电池模块，其特征在于，包括：
多个供电单元，各该供电单元具有一可充电电池；以及
一阵列控制器，具有多条通道以分别耦接于所述多个供电单元，该阵列控制器经由所述多个通道分别检测所述多个可充电电池的电力状态并根据所述多个可充电电池的电力状态分别控制所述多个可充电电池的充放电路径。
6.如权利要求5所述的电池模块，其特征在于，各该供电单元具有一电池管理电路，耦接于该可充电电池，其中该电池管理电路包括：
一传导电路，耦接于该可充电电池，该传导电路具有一第一传导路径与一第二传导路径，其中该第一传导路径通过该可充电电池，该第二传导路径不通过该可充电电池；以及
一控制电路，耦接于该可充电电池与该传导电路，根据该可充电电池的电池电压选择性的导通该传导电路中的该第一传导路径或该第二传导路径。
7.如权利要求6所述的电池模块，其特征在于，当该可充电电池的电池电压大于一第一门限值时，该传导电路导通该第二传导路径且不导通该第一传导路径；当该可充电电池的电池电压小于一第二门限值时，该传导电路导通该第二传导路径且不导通该第一传导路径；当该可充电电池的电池电压位于一第一门限值与一第二门限值之间时，该传导电路导通该第一传导路径且不导通该第二传导路径，其中该第一门限值大于该第二门限值。
8.如权利要求6所述的电池模块，其特征在于，该传导电路包括：
一第一开关，耦接于该可充电电池的正端与一第一端之间；
一第二开关，耦接于该可充电电池的负端与一第二端之间；以及
一第三开关，耦接于该第一端与该第二端之间；
其中当该可充电电池的电池电压大于一第一门限值时，该传导电路导通该第三开关且不导通该第一开关与该第二开关；当该可充电电池的电池电压小于一第二门限值时，该传导电路导通该第三开关且不导通该第一开关与该第二开关；当该可充电电池的电池电压位于一第一门限值与一第二门限值之间时，该传导电路导通该第一开关与该第二开关且不导通该第三开关，其中该第一门限值大于该第二门限值。
9.如权利要求6所述的电池模块，其特征在于，该控制电路包括：
一电压检测单元，耦接于该可充电电池的正端与负端，用以检测该可充电电池的电池电压；以及
一控制单元，耦接于该电压检测单元与该传导电路，根据该可充电电池的电池电压控制该传导电路以导通该第一传导路径或该第二传导路径，其中该控制电路还包括一电流检测单元，耦接于该可充电电池与该控制单元，用以检测流经该可充电电池的电流值；
其中，该控制单元根据该可充电电池的电池电压与流经该可充电电池的电流值计算该可充电电池的电量。
10.一种电池模块，其特征在于，包括：
多个电池组，各该电池组具有多个可充电电池；
一备用电池组，具有多个可充电电池；
一供电路径电路，耦接于所述多个电池组与该备用电池组，用以切换所述多个电池组与该备用电池组的传导路径；
一电压检测单元，耦接于该供电路径电路，用以检测所述多个电池组的电池电压是否正常；以及
一控制器，耦接于该电压检测单元与该供电路径电路；
其中，该控制器根据该电压检测单元的检测结果判断所述多个电池组是否损坏，当所述多个电池组之一损坏时，该控制器经由该供电路径电路调整所述多个电池组与该备用电池组的传导路径，使该备用电池组取代损坏的所述多个电池组之一。
11.一种电池管理方法，其特征在于，包括：
a.提供多条通道以分别耦接于多个供电单元，各该供电单元具有一可充电电池；
b.经由所述多个通道分别检测各可充电电池的电力状态；以及
c.根据所述多个可充电电池的电力状态分别控制所述多个可充电电池的充放电路径。
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