CN103592492B - 电池电压监视及自我校正装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种电池电压监视及自我校正装置，其是一种用于串联的多个电池的电池电压监视及自我校正装置，所述装置包含一第一电压量测单元、一第二电压量测单元、一第一补偿单元、一第二补偿单元及一计算单元。其可对用以供电给电动设备的电池组中的各个电池的电压值进行量测，并可在量测过程中进行自我校正。

Description

电池电压监视及自我校正装置

技术领域

本发明关于一种电池电压监视及自我校正装置，尤指，一种用于串联的多个电池的电池电压监视及自我校正装置。本发明能应用于量测电池组内的各个电池的电压。所述电池组可用于电池驱动设备，诸如电动车、电动工具等。

背景技术

充电电池乃一或多个电化学单元的组合，因为电化学反应式电性可逆的，它被称作二次电池。在所有充电电池中，锂电池最为常用。它可被应用于许多电气产品里，诸如电动车、电动摩托车、电动工具及玩具等。稳定的电力供应、轻薄短小的外型与可回充性是其所拥有的应用优势。

锂电池电量管理需要非常准确的电压量测电路。不论电动车、电动摩托车、电动工具或玩具，锂电池的应用需要许多串量的锂电池。通常来说，一个用于高电压的模拟数字转换器或数个模拟数字转换器是必要的元件。然而，每一个模拟数字转换器具有与其他模拟数字转换器不同的特性。易言之，每一个模拟数字转换器的量测将会异于其他的模拟数字转换器。模拟数字转换器在量测作业开始前，必须经过校正。如果一个模拟数字转换器能在工作时进行自我校正，这是再好不过的事。此外，模拟数字转换器的校正成本是非常昂贵的。锂电池的电量管理仍待改善。

为了克服所述缺点，美国专利第7,554,291号揭露了一种充放电供应系统。请参照图1。所述系统包括数个彼此串联的电池；数个电池状态侦测段，所述侦测段为各别电池段而安装，配置以侦测各别对应电池段的充电状态；一电力控制段，配置以执行所述电池段的电力控制；一第一电气隔离段，所述第一电气隔离段设置于一第一信号路由器，由所述电力控制段至其中一电池状态侦测段，所述电池状态侦测段用于一最高电位电池段；及一第二电气隔离段设置于一第二信号路由器，由其中一电池状态侦测段至所述电力控制段，所述电池状态侦测段用于一最低电位电池段。

接着，请参阅图2。另一前案揭露于美国专利申请案第2006/0132139号。一设备量测一电池电压同时扫描于一电池群内的电池，其中数个电池彼此串联。所述设备具有一第一转换装置与一电压侦测装置。所述第一转换装置与一信号线串联，所述信号线载有一电池电压。所述电压侦测装置侦测所述电池电压，所述电池与信号线电连接，所述信号线载有属于电池群的电池的电压值。当所述第一转换装置与一连接点(介于两连续电池群间)电连接时，所述第一转换装置为所述二电池群所共用。

上述前案显露了某些电池电压侦测的突破点。然而，它们需要外加元件及集成电路于电压变换，这会造成额外的成本。同时，自我校正也不可行。虽然校正问题可通过让各个电池分别连接到一校正器来解决，但若一电池组包含多个电池，则所需的校正器数量将不少，如此，整体制造成本将无疑地增加。此外，如果让单一校正器用于多个电池，则校正器整体电压需求将会变得非常高，如此一来，制造成本也会明显增加。因此，目前亟需一种具有自我校正能力且不必依靠大量的校正器，以减少整体生产成本的一电池电压监视装置。

发明内容

本段文字提取和编译本发明的部分特色；其他特色将被描述于后续段落里。它的目的是涵盖包含于其后专利范围的精神与范围中，不同的润饰与相似的安排方式。

根据本发明的一个观点，一种用于多个电池的电池电压监视及自我校正装置，包含：一第一电压量测单元，用以量测一第一电池及一第二电池的电压值；一第二电压量测单元，用以量测所述第二电池及一第三电池的电压值；一第一补偿单元，连接至所述第一电压量测单元，通过将所述第一及第二电池所量测的电压值乘上一第一补偿值来调整所述第一及第二电池的电压值；一第二补偿单元，连接至所述第二电压量测单元，通过将所述第二及第三电池所量测的电压值乘上一第二补偿值来调整所述第二及第三电池的电压值；及一计算单元，连接至所述第一电压量测单元、所述第二电压量测单元、所述第一补偿单元及所述第二补偿单元，通过所述第一电压量测单元及所述第二电压量测单元所量测的第二电池的电压值来计算出所述第一补偿值及所述第二补偿值，使得所述第二电池的电压值在分别经由所述第一补偿单元及所述第二补偿单元调整后成为一致，以让每一电池的系统性量测误差能并入一单一变数以作为自我校正之用。

根据本案构想，所述第一、第二及第三电池为依序串联的。

根据本案构想，所述第一补偿值设定为1。

根据本案构想，所述第二补偿值设定为1。

根据本案构想，电池电压监视及自我校正装置进一步包含一电压参考单元，用以提供一标准电压基准给所述计算单元。

根据本案构想，所述标准电压基准是所述多个串联电池的一实际电压值或其中一个电池的一实际电压值。

根据本案构想，所述计算单元通过将所述标准电压基准除以对应调整电压值以计算出一第三补偿值。

根据本案构想，所述第一及第二电池的电压值，通过将所述第一及第二电池量测的电压值乘上所述第一补偿值及所述第三补偿值来作调整，而所述第三电池电压值，通过将所述第三电池量测的电压值乘上所述第二补偿值及所述第三补偿值来作调整，从而达到自我校正的目的。

根据本案构想，电池电压监视及自我校正装置进一步包含一第一多工器，用以交互接收所述第一电池及所述第二电池的电压值，且将所述电压值依序输出至所述第一电压量测单元；及一第二多工器，用以交互接收所述第二电池及所述第三电池的电压值，且将所述电压值依序输出至所述第二电压量测单元。

根据本案构想，由所述第一电压量测单元所量测的所述第二电池的电压值乘上所述第一补偿值，相等于由所述第二电压量测单元所量测的所述第二电池的电压值乘上所述第二补偿值。

根据本案构想，所述电池为一充电电池。

根据本案构想，所述充电电池为一锂电池。

根据本案构想，所述第一电压量测单元可同时量测多于两个电池的电压值。

根据本案构想，所述第二电压量测单元可同时量测多于两个电池的电压值。

根据本发明的另一个观点，一种电池电压监视及自我校正装置，包含：至少两个电压量测单元，用以量测多个电池的电压值，其中至少一个电池是被其中两个电压量测单元所量测；至少两个补偿单元，各与一个电压量测单元连接，通过将所述电池所量测的电压值乘上一第一补偿值来调整所述电池的电压值；一计算单元，连接至所述电压量测单元及所述补偿单元，通过所述两个电压量测单元所量测的电池的电压值来计算出所述第一补偿值，使得所述电池的电压值在分别经由所述两个补偿单元调整后成为一致，以让每一电池的系统性量测误差能并入一单一变数以作为自我校正之用。

根据本案构想，电池电压监视及自我校正装置进一步包含一电压参考单元，用以提供一标准电压基准给所述计算单元。

根据本案构想，所述标准电压基准是所述多个串联电池的一实际电压值或其中一个电池的一实际电压值。

根据本案构想，所述计算单元通过将所述标准电压基准除以对应调整电压值以计算出一第二补偿值。

根据本案构想，所述电池的电压值，通过将所述电池量测的电压值乘上所述第一补偿值及所述第二补偿值来作调整，从而达到自我校正的目的。

根据本案构想，电池电压监视及自我校正装置进一步包含至少一多工器，以交互接收电池的电压值且将所述电压值输出至所述电压量测单元。

附图说明

图1显示一现有的充放电供应系统。

图2显示一现有的量测电池电压设备。

图3绘示本发明的一第一实施例。

图4绘示本发明的一第二实施例。

附图标记说明：10电池电压监视装置；111第一多工器；112第一电压量测单元；113第一补偿单元；121第二多工器；122第二电压量测单元；123第二补偿单元；131第三多工器；132第三电压量测单元；133第三补偿单元；140电压参考单元；150计算单元；

具体实施方式

本发明将参照下述实施例而更明确地描述。请注意本发明的实施例的以下描述，仅止于描述用途；这不意味为本发明已详尽的描述或限制于所述揭露的形式。

为了对本发明有较佳的理解，将以两个实施例来做详细描述。

第一实施例

请参阅第图3，其绘示一第一实施例。其显示一电池电压监视装置10的布局设计。所述电池电压监视装置10能自我校正且应用于数个串联的电池。在本实施例中，所述电池电压监视装置10与一电池组20连接，所述电池组20具有如图3所示，依序串联的一第一电池201、一第二电池202及一第三电池203。以上提及的所有电池皆为充电电池。较佳地，实务上其为锂电池。

所述电池电压监视装置10包括一第一多工器111、一第一电压量测单元112、一第一补偿单元113、一第二多工器121、一第二电压量测单元122、一第二补偿单元123及一计算单元150。

首先，所述第一多工器111交替地接收所述第一电池201与第二电池202的电压，且依序将所述电压输出至第一电压量测单元112。同时，所述第二多工器121交替地接收所述第二电池202与第三电池203的电压，且依序将所述电压输出至第二电压量测单元122。

在所述第一电压量测单元112经由通道VSS_1.1、VCC_1.1、VSS_1.2与VCC_1.2接收来自第一多工器111的电压后，第一电压量测单元112将量测所述第一电池201与第二电池202的电压值。第一电池201的量测的电压值为V_{1_1}而第二电池202的量测的电压值为V_{2_1}。相同地，在第二电压量测单元122经由通道VSS_2.1、VCC_2.1、VSS_2.2与VCC_2.2接收来自第二多工器121的电压后，第二电压量测单元122将量测所述第二电池202与第三电池203的电压值。所述第二电池202量测的电压值为V_{2_2}而第三电池203量测的电压值为V_{3_2}。

在第一多工器111、第一电压量测单元112、第二多工器121或第二电压量测单元122运作时，可能会造成一系统量测误差。传统上，这样的问题可以通过一校正器来解决。然而，对于含有多个电池的一电池组而言，需要多个校正器；若每一个校正器对应于一个电池，这样无疑地增加了整体的制造成本。因此，本发明的主要特点为提供一电池电压监视装置，所述装置具有自我校正能力，无须依赖多个校正器，从而减少整体的制造成本。

为了达到此一目的，所述第一补偿单元113与第二补偿单元123，通过提供电压增益，来调整电池201、202与203的电压值。

所述第一补偿单元113连接至所述第一电压量测单元112用以调整所述第一电池201与第二电池202的电压值。其通过将第一电池201与第二电池202量测的电压值乘上一第一补偿值C₁来作调整。第一电池201的电压值由V_{1_1}调整至V_{1_1A}，V_{1_1A}等同于V_{1_1}×C₁。第二电池的电压值201由V_{2_1}调整至V_{2_1A}，V_{2_1A}等同于V_{2_1}×C₁。

同样地，第二补偿单元123连接至所述第二电压量测单元122，用以调整第二电池202与第三电池203电压值。其通过将第二电池202与第三电池203量测的电压值乘上一第二补偿值C₂来作调整。第二电池202的电压值由V_{2_2}调整至V_{2_2A}，V_{2_2A}等同于V_{2_2}×C₂。第三电池203的电压值由V_{3_2}调整至V_{3_2A}，V_{3_2A}等同于V_{3_2}×C₂。

计算单元150与所述第一电压量测单元112、第二电压量测单元122、第一补偿单元113与第二补偿单元123连接。计算单元150通过第一电压量测单元112与第二电压量测单元122所量测的第二电池202的电压值(V_{2_1}与V_{2_2})来计算出第一补偿值C₁与第二补偿值C₂，这样一来，第二电池202的电压值在分别经由第一补偿单元113与第二补偿单元123调整后成为一致。即，调整后第二电池的电压值V_{2_1A}与V_{2_2A}将会一致。换句话说，第一补偿值C₁乘以第一电压量测单元112量测的第二电池202的电压值(V_{2_1})，将等同于第二补偿值C₂乘以第二电压量测单元122量测的第二电池202的电压值(V_{2_2})。接着，选择将第一补偿值C₁或第二补偿值C₂设定为1。在本实施例中，第一补偿值C₁设定为1，故C₂=V_{2_1}÷V_{2_2}。在其他情况下，亦可取而代的将第二补偿值C₂设定为1。

为了得到准确的电池201、202与203的电压值，电池电压监视装置10进一步包括一电压参考单元140，用来提供一标准电压基准V_R给计算单元150。

所述标准电压基准V_R为所述串联电池201、202与203的一实际电压或电池201、202与203其中的一的实际电压。举例而言，如果所述标准电压基准V_R为第一电池201的实际电压，那么计算单元150将通过将标准电压基准V_R除以对应调整后的第一电池201的电压值，以计算出一第三补偿值C₃。所述第一电池201的电压值为V_{1_1A}。意即，C₃=V_R÷(V_{1_1}×C₁)，且既然C₁设定为1，C₃=V_R÷V_{1_1}。在C₃计算出来后，电池201、202与203的电压值将可通过第一补偿单元113与第二补偿单元123精确地作调整，进而达到自我校正的目的。详言之，第一电池201与第二电池202调整后的电压值为第一电池201与第二电池202量测的电压值(V_{1_1}与V_{2_1})乘上第一补偿值C₁及第三补偿值C₃，而第三电池203调整后的电压值为第三电池203量测的电压(V_{3_2})乘上第二补偿值C₂与第三补偿值C₃。

虽然在本实施例中，电压参考单元140是包含于电池电压监视装置10中以提供一标准电压基准V_R给所述计算单元150，但亦可使用一外来电压参考单元来提供所述标准电压基准。

本发明的主要观念是让第一电压量测单元112与第二电压量测单元122量测相同的电池，无论此电池是否置于其他两个电池间。因此，第一电池201、第二电池202及第三电池203不限于如图3般的依序串联。换言之，即使第二电池202重复被第一电压量测单元112与第二电压量测单元122量测，第一电池201仍可被置于第二电池202与第三电池203中间。意即，虽然第一电池201、第二电池202与第三电池203在本实施例中是依序串联，其不限于此配置顺序。

传统上，如果单一校正器用来校正多个电池，校正器需要的整体电压会变得非常高，这样一来，制造成本也将显著地增加。在本实施例中，每一电压量测单元只需量测两个电池，如此，每一电压量测单元电压的需求就会低；从而降低制造成本。应当理解电压量测单元并不限于同时只量测两个电池，依照本发明，两个以上的电池亦可同时被量测。举例而言，当第一电压量测单元112同时负责量测四个电池时，则第二电压量测单元122将负责量测所述四个被第一电压量测单元112所量测的电池其中的一与其他三个不被第一电压量测单元112所量测的电池。

通过本发明，每一电池的系统性量测误差能被并入一单一变数中，也因此，只需要通过一个标准电压基准来作为校正。此外，当电池数量增加时，可通过将多个电压量测单元堆迭在一起，来达到校正的目的，而无需增加电压参考单元或校正器的数量。

第二实施例

本发明并不限于量测仅具三个电池的电池组。其亦可用于包含多于三个电池的电池组。本实施例将以一个具有四个电池的电池组为例。

请参阅图4。第二实施例揭露于此。与前例相较，相同功能的元件将使用相同的元件符号，且重复的描述将不再赘述。

第一实施例与第二实施例的差别在于电池组20进一步包含一第四电池204，且电池电压监视装置10在第二实施例里进一步包含一第三多工器131、一第三电压量测单元132与一第三补偿单元133。

第三多工器131并联连接于所述第三电池203与第四电池204，且交替地接收第三电池203第四电池204的电压值，并依序将电压值输出至第三电压量测单元132。

在第三电压量测单元132经由通道VSS_3.1，VCC_3.1，VSS_3.2及VCC_3.2接收来自第三多工器131的电压后，所述第三电压量测单元132将量测第三电池203与第四电池204的电压值。第三电池203所量测的电压值为V_{3_3}而第四电池204所量测的电压值为V_{4_3}。

如同第一实施例中的电池电压监视装置10，第三多工器131与第三电压量测单元132运作时可能会产生一系统量测误差。

为了克服此问题，第三补偿单元133通过提供电压增益来调整电池203与204的电压值。

第三补偿单元133连接至所述第三电压量测单元132，用以调整所述第三电池203与第四电池204的电压值。调整后的电压值为第三电池203与第四电池204所量测的电压值乘上一第四补偿值C₄。意即，第三电池203的电压值由V_{3_3}调整至V_{3_3A}，V_{3_3A}等同于V_{3_3}×C₄。第四电池204的电压值由V_{4_3}调整至V_{4_3A}，V_{43_A}等同于V_{4_3}×C₄。

在本实施例中，计算单元150连接至所述第一电压量测单元112、第二电压量测单元122、第三电压量测单元132、第一补偿单元113、第二补偿单元123及第三补偿单元133。计算单元150不仅被用来计算所述第一补偿值C₁、第二补偿值C₂与第三补偿值C₃，其更通过第二电压量测单元122与第三电压量测单元132所量测的第三电池203的电压值(V_{3_2}与V_{3_3})，来计算第四补偿值C₄。换言之，第三电池203的电压值在经由第二补偿单元123与第三补偿单元133的调整后，两者将会一致。意即，调整后的第三电池203电压值V_{3_2A}与V_{3_3A}会一样。意即，第二补偿值C₂乘以第二电压量测单元122所量测的第三电池203的电压值(V_{3_2})，将等于第四补偿值C₄乘以第三电压量测单元132所量测的第三电池203的电压值(V_{3_3})。其次，选择C₁、C₂或C₃为1。在本实施例中，C₁被选为1，所以C₂=V_{2_1}÷V_{2_2}且C₄通过以下算式而计算出：

V_{3_3}×C₄=V_{3_2}×C₂=V_{3_2}×(V_{2_1}÷V_{2_2})

C₄=[V_{3_2}×(V_{2_1}÷V_{2_2})]÷V_{3_3}

如同在第一实施例所提及，为了获得精确的电池电压值，电池电压监视装置10进一步包括一电压参考单元140，用以提供一标准电压基准V_R给所述计算单元150。如果所述标准电压基准V_R为第一电池201的一实际电压，那么通过将标准电压基准V_R除以对应的调整后的第一电池201电压值，计算单元150将计算一第三补偿值C₃，所述第一电池201为V_{1_1A}。意即，C₃=V_R÷(V_{1_1}×C₁)，且因为C₁设定为1，C₃=V_R÷V_{1_1}。在C₃计算出后，电池201、202及203的电压值能如第一实施例中所言，被精确地调整，且电池204的电压值可通过将第四电池204量测的电压值(V_{4_3})乘上第三补偿值C₃与第四补偿值C₄，而被精确地调整，从而自我校正能够达成。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (13)

1.一种电池电压监视及自我校正装置，其特征在于，包含：

一第一电压量测单元，用以量测一第一电池及一第二电池的电压值；

一第二电压量测单元，用以量测所述第二电池及一第三电池的电压值；

一第一补偿单元，连接至所述第一电压量测单元，通过将所述第一及第二电池所量测的电压值乘上一第一补偿值来调整所述第一及第二电池的电压值；

一第二补偿单元，连接至所述第二电压量测单元，通过将所述第二及第三电池所量测的电压值乘上一第二补偿值来调整所述第二及第三电池的电压值；

一计算单元，连接至所述第一电压量测单元、所述第二电压量测单元、所述第一补偿单元及所述第二补偿单元，通过所述第一电压量测单元及所述第二电压量测单元所量测的第二电池的电压值来计算出所述第一补偿值及所述第二补偿值，使得所述第二电池的电压值在分别经由所述第一补偿单元及所述第二补偿单元调整后成为一致，以让每一电池的系统性量测误差能并入一单一变数；

一第一多工器，用以交互接收所述第一电池及所述第二电池的电压值，且将所述电压值依序输出至所述第一电压量测单元；及

一第二多工器，用以交互接收所述第二电池及所述第三电池的电压值，且将所述电压值依序输出至所述第二电压量测单元。

2.根据权利要求1所述的电池电压监视及自我校正装置，其特征在于，所述第一、第二及第三电池为依序串联的。

3.根据权利要求1所述的电池电压监视及自我校正装置，其特征在于，设定所述第一补偿值或所述第二补偿值为1。

4.根据权利要求2所述的电池电压监视及自我校正装置，其特征在于，还包括一电压参考单元，用以提供一标准电压基准给所述计算单元，其中所述标准电压基准是所述串联的第一电池、第二电池及第三电池的一实际电压值或其中一个电池的一实际电压值。

5.根据权利要求4所述的电池电压监视及自我校正装置，其特征在于，所述计算单元通过将所述标准电压基准除以对应调整电压值以计算出一第三补偿值。

6.根据权利要求5所述的电池电压监视及自我校正装置，其特征在于，所述第一及第二电池的电压值，通过将所述第一及第二电池量测的电压值乘上所述第一补偿值及所述第三补偿值来作调整，而所述第三电池电压值，通过将所述第三电池量测的电压值乘上所述第二补偿值及所述第三补偿值来作调整。

7.根据权利要求1所述的电池电压监视及自我校正装置，其特征在于，由所述第一电压量测单元所量测的所述第二电池的电压值乘上所述第一补偿值，相等于由所述第二电压量测单元所量测的所述第二电池的电压值乘上所述第二补偿值。

8.根据权利要求7所述的电池电压监视及自我校正装置，其特征在于，所述电池为一充电电池及/或一锂电池。

9.根据权利要求7所述的电池电压监视及自我校正装置，其特征在于，所述第一电压量测单元及/或所述第二电压量测单元同时量测多于两个电池的电压值。

10.一种电池电压监视及自我校正装置，其特征在于，包含：

至少两个电压量测单元，用以量测多个电池的电压值，至少一个电池是被其中两个电压量测单元所量测；

至少两个补偿单元，各与一个电压量测单元连接，通过将所述电池所量测的电压值乘上一第一补偿值来调整所述电池的电压值；

一计算单元，连接至所述电压量测单元及所述补偿单元，通过所述两个电压量测单元所量测的电池的电压值来计算出所述第一补偿值，使得所述电池的电压值在分别经由所述两个补偿单元调整后成为一致，以让每一电池的系统性量测误差能并入一单一变数；及

一电压参考单元，用以提供一标准电压基准给所述计算单元，其中所述标准电压基准是所述多个电池串联后的一实际电压值或其中一个电池的一实际电压值。

11.根据权利要求10所述的电池电压监视及自我校正装置，其特征在于，所述计算单元通过将所述标准电压基准除以对应调整电压值以计算出一第二补偿值。

12.根据权利要求11所述的电池电压监视及自我校正装置，其特征在于，所述电池的电压值，通过将所述电池量测的电压值乘上所述第一补偿值及所述第二补偿值来作调整。

13.根据权利要求10所述的电池电压监视及自我校正装置，其特征在于，进一步包含至少一多工器，以交互接收电池的电压值且将所述电压值输出至所述电压量测单元。