CN103490451A - 电池电压平衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明揭露了一种用以平衡多个电池单元的电池电压的电池电压平衡电路。电池电压平衡电路于多个电池单元处于充电状态时，被致能以执行一电压平衡程序，而于任一电池单元过充或多个电池单元处于非充电状态时被禁能。

Description

电池电压平衡电路

技术领域

本发明是关于一种电池电压平衡电路，尤指一种于电池充电时进行电池电压平衡的电池电压平衡电路。

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。充电式电池包括了已知的镍镉电池、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。

然而，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。而电池模块的各电池蓄电量于出厂时可能不同外，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。

请参见图1，为传统的电池电压平衡电路的电路示意图。电池模块包含了两颗串联的电池单元BAT1、BAT2。一充电电路40耦接电池模块，以提供一充电电流Ich对电池单元BAT1、BAT2进行充电。一保护电路20耦接电池模块，以判断电池单元BAT1、BAT2的状态，并据此控制一充放电控制开关25。当电池单元BAT1、BAT2中任一电池单元过充时，保护电路20产生一过充保护信号CO以关断充放电控制开关25，进而停止电池单元BAT1、BAT2继续充电；当电池单元BAT1、BAT2中任一电池单元过放时，保护电路20产生一过放保护信号DO以关断充放电控制开关25，进而停止电池单元BAT1、BAT2继续放电。一充电判断电路30耦接充放电控制开关25，检测充放电控制开关25的两端电压差，以判断电池模块是否处于充电状态，若是则产生一平衡启动信号CBEN。一平衡电路10耦接电池模块，于接收到平衡启动信号CBEN时启动，并开始检测电池单元BAT、BAT2的电压差以决定是否进行一电压平衡程序。若平衡电路10判断电池模块中的电池单元BAT1、BAT2处于不平衡状态，平衡电路10开始进行电压平衡程序，使电池单元BAT1、BAT2的间的电压差缩小。

请参见图2，为传统电池充电过程的充电电流随时间变化的示意图。一般的充电模式，不论是常见的先定电压后定电流充电或先定电流后定电压充电，充电电流大致上都会随着时间的经过而变小。而上述的充电判断电路30是通过充放电控制开关25的导通阻抗于充电电流Ich流过时所造成的电压降来判断电池模块是否处于充电状态。因此，当充电电流Ich低于一检测阈电流OPTH时，充电判断电路30会判断电池模块非处于充电状态而停止产生平衡启动信号CBEN。此时，平衡电路10也会停止电压平衡程序。由图2可知，充电电流Ich高于检测阈电流OPTH的时间并不长，造成平衡电路10执行电压平衡程序的时间短，电池电压平衡的作用不明显。而且检测阈电流OPTH会跟噪声大小、充电判断电路30的偏移电压等相关，因此检测阈电流OPTH也难以进一步下降。

发明内容

鉴于先前技术中的电池电压平衡电路执行电压平衡程序的时间短，造成电池电压平衡效果的不明显。本发明的目的在于提供一种电池电压平衡电路，利用检测电池是否过充或/及电池电压的变化来取代检测充电电流是否存在来作为电压平衡程序的终点判断，可有效延长电压平衡程序的执行时间而达到更佳的电池电压平衡效果。

为达上述目的，本发明提供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池电压。电池电压平衡电路包含一平衡电路、一保护电路、一充电判断电路以及一平衡启动电路。平衡电路根据多个电池单元的电池电压或电池电压的电压差，以判断是否进行一电压平衡程序，以减少多个电池单元的电池电压的电压差。保护电路根据多个电池单元的电池电压判断多个电池单元中任一电池单元过充时产生一保护信号，以关断一充放电控制开关。充电判断电路耦接多个电池单元以检测多个电池单元是否处于一充电状态，若是则产生一平衡启动信号。平衡启动电路耦接平衡电路、保护电路以及充电判断电路，于接收平衡启动信号时致能平衡电路，于接收保护信号时禁能平衡电路。

本发明也提供了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池电压。电池电压平衡电路包含一平衡电路、一充电停止判断电路、一充电判断电路以及一平衡启动电路。平衡电路根据多个电池单元的电池电压或电池电压的电压差，以判断是否进行一电压平衡程序，以减少多个电池单元的电池电压的电压差。充电停止判断电路，用以检测多个电池单元中至少一电池单元的电池电压是否下降，若是则产生一平衡停止信号。充电判断电路耦接多个电池单元以检测多个电池单元是否处于一充电状态，若是则产生一平衡启动信号。平衡启动电路耦接平衡电路、一保护电路以及充电判断电路，于接收平衡启动信号时，致能平衡电路，于接收平衡停止信号时，禁能平衡电路。

本发明的电池电压平衡电路利用检测电池是否过充或/及电池电压的变化来取代检测充电电流是否存在来作为电压平衡程序的终点判断，可有效延长电压平衡程序的执行时间而达到更佳的电池电压平衡效果。

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申请专利范围。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为传统的电池电压平衡电路的电路示意图；

图2为传统电池充电过程的充电电流随时间变化的示意图；

图3为根据本发明的一第一较佳实施例的电池电压平衡电路的电路示意图；

图3A为根据本发明的一第一较佳实施例的平衡启动电路的电路示意图；

图3B为根据本发明的一第二较佳实施例的平衡启动电路的电路示意图；

图3C为根据本发明的一第三较佳实施例的平衡启动电路的电路示意图；

图4为根据本发明的一第二较佳实施例的电池电压平衡电路的电路示意图；

图5为图4所示充电停止判断电路中的阻抗单元的跨压与充电电流的关系图。

【主要元件符号说明】

先前技术：

平衡电路10

保护电路20

充放电控制开关25

充电判断电路30

充电电路40

电池单元BAT1、BAT2

充电电流Ich

过充保护信号CO

过放保护信号DO

平衡启动信号CBEN

检测阈电流OPTH

本发明：

平衡电路10

或门14

平衡启动电路15

SR锁存器16

保护电路20

充放电控制开关25

充电判断电路30

判断电路35

充电电路40

电池单元BAT1、BAT2

保护信号CO

启动信号EN

平衡启动信号CBEN

可控硅整流器SCR

PNP双载子晶体管BJT1

NPN双载子晶体管BJT2

P型金属氧化物半导体场效晶体管M1

N型金属氧化物半导体场效晶体管M2

电阻R1、R2、R3、R4

电容C1、C2

阻抗单元R

电容单元C

二极管D

跨压Vr

平衡停止信号TS

设定端S

重设端R

输出端Q

充电电流Ich

电压源VDD

具体实施方式

请参见图3，为根据本发明的一第一较佳实施例的电池电压平衡电路的电路示意图。电池电压平衡电路包含一平衡电路10、一保护电路20、一充电判断电路30以及一平衡启动电路15，用以平衡电池模块中串联的多个电池单元的电池电压。在此实施例，以两颗电池单元BAT1、BAT2为例进行说明。平衡电路10耦接电池单元BAT1、BAT2的正端及负端，根据电池单元BAT1、BAT2的电池电压或电池电压的电压差，判断是否进行一电压平衡程序，以减少多个电池单元的电池电压的电压差。例如：检测两电池电压的电池电压以判断何者电池电压较高；或直接检测两电池电压的电压差，当判断电压差高于一预定电压差值时进行电压平衡，也可于电池电压的电压差超过一保护电压差值(大于预定电压差值)时，例外地停止电压平衡，以避免可能是电池单元异常所造成过大的电池电压差。电压平衡程序一般而言可分为两种电池电压平衡方式，包含被动式平衡及主动式平衡，均适用于本发明。被动式平衡是指将具有较高电池电压的电池单元以一旁流电路分流一充电电路40所提供的一充电电流，使其充电电流小于较低电池电压的电池单元的一充电电流。主动式平衡是指将具有较高电池电压的电池单元所储存的一电力或充电电路40所提供充电电流储存于一电感或一电容，再将电感或电容储存的一电力转至较低电池电压的电池单元储存。

保护电路20根据多个电池单元的电池电压，于判断电池单元BAT1、BAT2过充时产生一保护信号CO，以关断一充放电控制开关25。在本实施例，保护信号CO是用以控制一N型金属氧化物半导体场效晶体管，故上述的产生保护信号CO是代表保护信号CO的一准位为一低准位，而停止产生保护信号CO是代表保护信号CO的准位转为一高准位。一般而言，为避免电池单元BAT1、BAT2因过充而造成损坏，只要电池单元BAT1、BAT2中任一电池单元过充时，就会产生保护信号CO关断充放电控制开关25中对应的一开关，以停止对电池单元BAT1、BAT2的充电。充电判断电路30耦接电池单元BAT1、BAT2以检测电池单元BAT1、BAT2是否处于一充电状态，若是则产生一平衡启动信号CBEN。充电判断电路30可以是一运算放大器(Operational Amplifier)，具有两检测端，一检测端耦接电池单元BAT2与充放电控制开关25的连接端，另一检测端耦接充放电控制开关25的另一端，以据此用以对应充放电控制开关25的一跨压判断电池单元BAT1、BAT2的一充电电流是否大于一预定电流值，若是则产生平衡启动信号CBEN。或者，也可利用一电流检测电阻耦接电池单元BAT1、BAT2，充电判断电路30根据电流检测电阻的两端电压差来判断，而电流检测电阻的一电阻值一般会选择较小的阻值，以避免造成电池单元充放电过程明显的功耗。平衡启动电路15耦接平衡电路10、保护电路20以及充电判断电路30，于接收平衡启动信号CBEN时产生一启动信号EN以致能平衡电路10，于接收保护信号CO时停止产生启动信号EN以禁能平衡电路10。

通过上述的电路架构，本发明以充电电流的检测作为判断是否进行电池电压平衡程序的起点，而以电池单元达到过充(饱充)作为进行电池电压平衡程序的终点。电池单元一般会经历相当长时间的小充电电流后达到过充，故可有效拉长可进行电池电压平衡的时间长度而达到更佳平衡效果，以及减少达到完全平衡所需的充放电循环次数(即电池单元经使用放电而需重新充电的次数)。

请参见图3A，为根据本发明的一第一较佳实施例的平衡启动电路的电路示意图。平衡启动电路包含一可控硅整流器SCR(Silicon Controlled Rectifier)。请同时参见图3，可控硅整流器SCR的一控制极耦接充电判断电路30以接收平衡启动信号CBEN。可控硅整流器SCR的一阳极耦接保护电路20以接收保护信号CO。可控硅整流器SCR的一阴极耦接平衡电路10，以产生启动信号EN以致能平衡电路10。当保护电路20停止产生保护信号CO(即高准位)时，一旦充电判断电路30检测到充电电流而产生平衡启动信号CBEN，可控硅整流器SCR即产生启动信号EN以致能平衡电路10。直至保护电路20产生保护信号CO(即低准位)时，可控硅整流器SCR才停止产生启动信号EN以禁能平衡电路10。

请参见图3B，为根据本发明的一第二较佳实施例的平衡启动电路的电路示意图。平衡启动电路包含一PNP双载子晶体管BJT1以及一NPN双载子晶体管BJT2。请同时参见图3，PNP双载子晶体管BJT1的一发射极耦接保护电路20以接收保护信号CO。PNP双载子晶体管BJT1的一集极耦接充电判断电路30及NPN双载子晶体管BJT2的一基极以接收平衡启动信号CBEN。PNP双载子晶体管BJT1的一基极耦接NPN双载子晶体管BJT2的一集极，而NPN双载子晶体管BJT2的一发射极耦接平衡电路10并通过一电阻R2接地。为避免噪声造成平衡启动电路误判平衡启动信号CBEN，可以额外增加一电阻R1及一电容C1耦接NPN双载子晶体管BJT2的基极以滤除噪声。当保护电路20停止产生保护信号CO(即高准位)时，一旦充电判断电路30检测到充电电流而产生平衡启动信号CBEN，平衡启动电路即产生启动信号EN以致能平衡电路10。此时，就算充电判断电路30停止产生平衡启动信号CBEN，PNP双载子晶体管BJT1及NPN双载子晶体管BJT2会继续维持导通而持续产生启动信号EN，直至保护电路20产生保护信号CO(即低准位)时，才会停止产生启动信号EN以禁能平衡电路10。

请参见图3C，为根据本发明的一第三较佳实施例的平衡启动电路的电路示意图。平衡启动电路包含一P型金属氧化物半导体场效晶体管M1以及一N型金属氧化物半导体场效晶体管M2。请同时参见图3，P型金属氧化物半导体场效晶体管M1的一源极耦接保护电路20以接收保护信号CO。P型金属氧化物半导体场效晶体管M1的一漏极耦接充电判断电路30及N型金属氧化物半导体场效晶体管M2的一栅极以接收平衡启动信号CBEN。P型金属氧化物半导体场效晶体管M1的一栅极耦接N型金属氧化物半导体场效晶体管M2的一漏极以及一二极管D的一负端，二极管D的一正端耦接平衡电路10及一电阻R4，电阻R4的另一端耦接一电压源VDD，而N型金属氧化物半导体场效晶体管M2的一源极耦接地。一电阻R3及一电容C2耦接N型金属氧化物半导体场效晶体管M2的栅极以滤除噪声。当保护电路20停止产生保护信号CO(即高准位)时，一旦充电判断电路30检测到充电电流而产生平衡启动信号CBEN，平衡启动电路即产生低准位的启动信号EN以致能平衡电路10。值得注意的是，在本实施例中，平衡电路10于接收低准位的启动信号EN被致能，而于接收高准位的启动信号EN被禁能。虽然与上述实施例的平衡电路10对信号准位的反应相反，但此为此技术领域所熟知的置换，并不影响本发明的功能。此时，就算充电判断电路30停止产生平衡启动信号CBEN，P型金属氧化物半导体场效晶体管M1及N型金属氧化物半导体场效晶体管M2会继续维持导通而持续产生启动信号EN，直至保护电路20产生保护信号CO(即低准位)时，才会停止产生高准位的启动信号EN以禁能平衡电路10。

请参见图4，为根据本发明的一第二较佳实施例的电池电压平衡电路的电路示意图。与图3所示的实施例相比较，两实施例主要的差异在于判断电池电压平衡程序的终点的方式不同。在本实施例，额外增加一充电停止判断电路，用以检测电池模块的一电池电压是否下降，若是则产生一平衡停止信号TS。充电停止判断电路包含一判断电路35以及一滤波电路，其中滤波电路具有串联的一阻抗单元R及一电容单元C，耦接于电池模块的两端。电池单元BAT1、BAT2具有一内阻，因此当处于一充电状态时，电池电压会高于未充电或放电时的电池电压。请同时参见图5，为图4所示充电停止判断电路中的阻抗单元R的一跨压Vr与充电电流的关系图。由于电池模块于充电过程，电容单元C的一跨压几乎与电池模块的电压一致，阻抗单元R上的跨压Vr几乎为零。然而，当电池模块停止充电、转为放电等电池模块的电流大小突然改变，将使电池模块中的电池单元的电池电压均下降。此时，电容单元C的跨压无法立即反应电池模块的电压而使阻抗单元R的跨压Vr突然变大。判断电路35可以包含一运算放大器，检测到阻抗单元R的跨压Vr大于一预定跨压值时，产生平衡停止信号TS。当然，除了检测电池模块的两端外，充电停止判断电路也可以耦接电池模块中至少一电池单元的两端，来判断充电电流突然地变化所造成电池电压的变化而不影响充电停止判断电路的功能。

平衡启动电路15包含一或门14以及一SR锁存器16。充电判断电路30耦接SR锁存器16的一设定端S，或门14的一输出端耦接SR锁存器16的一重设端R，而SR锁存器16的一输出端Q耦接一平衡电路10。当充电判断电路30检测到充电电流而产生一平衡启动信号CBEN，平衡启动电路15产生一启动信号EN以致能平衡电路10。当判断电路35产生平衡停止信号TS或者一保护电路20产生一保护信号CO(反相输入或门14)时，平衡启动电路15停止产生启动信号EN以禁能平衡电路10。因此，当电池模块被短暂的充电而未达到过充(饱充)时，本发明的电池电压平衡电路也可以禁能平衡电路10，以避免持续进行电池电压平衡以及平衡电路10本身的运作而损耗电池模块的电力。

另外，在部分应用上，充电电路40并不会提供足够的充电电压来对电池模块充电，例如：汽车、机车的发电机，故原则上保护电路20并不会被触发而产生保护信号CO。所以图4所示的实施例也可以删去保护信号CO而仅利用平衡停止信号TS作为判断电压平衡程序的终点。也就是省略或门14，而将平衡停止信号TS直接输入SR锁存器16的重设端R。此时，平衡启动电路15于接收平衡停止信号TS时，禁能平衡电路10。

综上说明，本发明的电池电压平衡电路利用检测电池是否过充或/及电池电压的变化来取代检测充电电流是否存在来作为电压平衡程序的终点判断，可有效延长电压平衡程序的执行时间而达到更佳的电池电压平衡效果。

如上所述，本发明完全符合专利三要件：新颖性、创造性和产业上的实用性。本发明在上文中已以较佳实施例揭露，然熟悉本项技术者应理解的是，该实施例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明的范围。应注意的是，举凡与该实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的范畴内。因此，本发明的保护范围当以权利要求书所界定的范围为准。

Claims (12)

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

一平衡电路，根据所述多个电池单元的该些电池电压或该些电池电压的电压差，以判断是否进行一电压平衡程序，以减少所述多个电池单元的该些电池电压的电压差；

一保护电路，根据所述多个电池单元的该些电池电压判断所述多个电池单元中任一电池单元过充时产生一保护信号，以关断一充放电控制开关；

一充电判断电路，耦接所述多个电池单元以检测所述多个电池单元是否处于一充电状态，若是则产生一平衡启动信号；以及

一平衡启动电路，耦接该平衡电路、该保护电路以及该充电判断电路，于接收该平衡启动信号时，致能该平衡电路，于接收该保护信号时，禁能该平衡电路。

2.根据权利要求1所述的电池电压平衡电路，其特征在于，还包含一充电停止判断电路，用以检测所述多个电池单元中至少一电池单元的一电池电压是否下降，若是则产生一平衡停止信号，该平衡启动电路于接收该保护信号及该平衡停止信号的任一时，禁能该平衡电路。

3.根据权利要求2所述的电池电压平衡电路，其特征在于，该充电停止判断电路包含一阻抗单元及一电容单元，并与所述多个电池单元中至少一该电池单元并联。

4.根据权利要求3所述的电池电压平衡电路，其特征在于，该充电停止判断电路还包含一运算放大器，用以对应该阻抗单元的一跨压产生该平衡停止信号。

5.根据权利要求1或2所述的电池电压平衡电路，其特征在于，该平衡启动电路包含一可控硅整流器，该可控硅整流器的一控制极耦接该充电判断电路、一阳极耦接该保护电路以及一阴极耦接该平衡电路。

6.根据权利要求1或2所述的电池电压平衡电路，其特征在于，该平衡启动电路包含一第一半导体开关及一第二半导体开关，该第一半导体开关的一第一端耦接该保护电路，该第一半导体开关的一第二端耦接该充电判断电路及该第二半导体开关的一控制端，该第一半导体开关的一控制端耦接该第二半导体开关的一第一端，以及该第二半导体开关的该第一端及一第二端其中之一耦接该平衡电路。

7.根据权利要求1或2所述的电池电压平衡电路，其特征在于，该充电判断电路于检测所述多个电池单元的一充电电流大于一预定电流值时产生该平衡启动信号。

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

一平衡电路，根据所述多个电池单元的该些电池电压或该些电池电压的电压差，以判断是否进行一电压平衡程序，以减少所述多个电池单元的该些电池电压的电压差；

一充电停止判断电路，用以检测所述多个电池单元中至少一电池单元的一电池电压是否下降，若是则产生一平衡停止信号；

一充电判断电路，耦接所述多个电池单元以检测所述多个电池单元是否处于一充电状态，若是则产生一平衡启动信号；以及

一平衡启动电路，耦接该平衡电路、一保护电路以及该充电判断电路，于接收该平衡启动信号时，致能该平衡电路，于接收该平衡停止信号时，禁能该平衡电路。

9.根据权利要求8所述的电池电压平衡电路，其特征在于，该充电停止判断电路包含一阻抗单元及一电容单元，并与所述多个电池单元中至少一该电池单元并联。

10.根据权利要求9所述的电池电压平衡电路，其特征在于，该充电停止判断电路还包含一运算放大器，用以对应该阻抗单元的一跨压产生该平衡停止信号。

11.根据权利要求8或9所述的电池电压平衡电路，其特征在于，该平衡启动电路包含一可控硅整流器，该可控硅整流器的一控制极耦接该充电判断电路、一阳极耦接该保护电路以及一阴极耦接该平衡电路。

12.根据权利要求8或9所述的电池电压平衡电路，其特征在于，该平衡启动电路包含一第一半导体开关及一第二半导体开关，该第一半导体开关的一第一端耦接该保护电路，该第一半导体开关的一第二端耦接该充电判断电路及该第二半导体开关的一控制端，该第一半导体开关的一控制端耦接该第二半导体开关的一第一端，以及该第二半导体开关的该第一端及一第二端其中之一耦接该平衡电路。

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