CN105098851B - 一种堆叠集成电路间的通讯系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种由多电池芯堆叠电池组的不同电压供应准位所供电的堆叠集成电路间的通讯系统。该系统包含多个电池芯与多个集成电路。每一集成电路包含一电池侦测单元、一数据收发单元及一电力获取单元。因为该数据收发单元通过切换电压准位的方式传送信号，可免于电流造成的高电力消耗，该通讯系统因此能应用于任何的内部通信协议中。

Description

一种堆叠集成电路间的通讯系统

技术领域

本发明关于一种通讯系统，特别是关于一种由多电池芯堆叠而成的电池组的不同电压供应准位所供电的堆叠集成电路间的通讯系统。

背景技术

充电电池广泛地用于许多产品，诸如笔记本电脑、平板电脑、移动电话，甚至是大型电动车中。一般来说，充电电池由相同规格的多个充电电池芯彼此串并联而组成，用以满足特定的电力供给需求。因为每一充电电池芯可能具有独特的物理状况，比如电力容量，当许多充电电池芯彼此相连接运作时(充电或放电)，多个充电电池芯间的差异将会导致电池不平衡的情况发生。电池不平衡情况能进一步导致充电电池寿命的缩短。因此，电池管理系统被用来监测充电电池芯的状况且提供电池不平衡情况的处理对策。

可以确定的是一电池管理系统的功能并不限定于上述所言。当充电电池内部的充电电池芯数量增加时，电池管理系统的设计就变得复杂。如果一电池管理系统无法满足管理所有充电电池芯的目的，多个电池管理系统必须串联运作或一个电池管理系统必须借助许多子单元的协助而操作。一种普遍的电池管理系统运作概念是提供主从式管理通讯，相关的前案揭露于美国专利第8,237,405号中。405号专利提供一种电池管理系统，包含了具有多个充电电池芯的一个充电电池、连接到该充电电池的多个设备，及连接到该设备中的一第一设备的控制单元。该些设备能评估充电电池芯的状态。控制单元能经由一默认路径与该些设备的一目的设备通讯，如果一不良状态发生于该默认路径上，也能经由一备用路径与该目的设备通讯。

405号专利的一个特色是应用于电池管理系统的通讯方法。该通讯方法使用主从式控制且能使电池管理系统延伸使用于众多相连的电池芯。然而，在这样的架构下，传递的信号是由电流和电荷移转所实现。这将导致较高的电力消耗。此外，405号专利并不能用于许多常用的协议中以进行内部通讯。

因此，能消耗较少电力并应用于许多常用的内部协议的一种主从管理式通讯系统，亟待业界研发。该通讯系统也要能有效运作于电池管理系统中。

发明内容

已知用于电池管理系统的主从式管理系统消耗较高的电力但仅能用于有限的内部通信协议中，因此，能消耗较少电力并应用于许多常用的内部协议的一种主从管理式通讯系统，亟待业界研发。该通讯系统也要能有效运作于电池管理系统中。依照本发明的一种态样，一种由多电池芯堆叠电池组的不同电压供应准位所供电的堆叠集成电路间的通讯系统，包含：多个电池芯，多个电池芯堆叠在一起以提供电力；多个集成电路，每一集成电路连接到至少一其它集成电路且每一集成电路包含一电池侦测单元、一数据收发单元和一电力获取单元，其中，该电池侦测单元用以监测该多个电池芯中，最上游侧电池芯、最下游侧电池芯或至少两个相连电池芯的电池状态，并取得该最上游侧电池芯、最下游侧电池芯或至少两个相连电池芯的电池状态；该数据收发单元与该电池侦测单元电连接，用以接收由一外部设备或连接于上游侧的一集成电路所传来的一频率与一需求命令、接收连接于下游侧的一集成电路所传来的一回复信息、传送该回复信息及/或一反应信息至该连接于上游侧的集成电路、传送该频率至该连接于下游侧的集成电路、如果该需求命令需要传送到下游侧的一集成电路中则传送该需求命令至该连接于下游侧的集成电路、如果没有其它集成电路连接于下游侧则停止传送该频率；该电力获取单元电连接至该电池侦测单元与数据收发单元，用以向该电池侦测单元与数据收发单元提供电力，以便操作该电池侦测单元与数据收发单元。

如果该需求命令要求，该反应信息则产生；该回复信息由下游侧另一集成电路内的数据收发单元所发出；依照本案构想，每两个相连接的集成电路的电力获取单元连接至至少一相同电池芯，致使该两个相连接的集成电路可共享该电池芯的电力，并具有相同的电压准位。因此该频率、需求命令、回复信息与反应信息以电压准位的变化形式存在；连接于上游侧末端的集成电路由该外部设备接收该频率与需求命令，并依照需求命令传送该回复信息及/或关于电池状态的一反应信息给该外部设备。相较于前案使用电流和电荷移转的方式，本案使用电压传递信号的构想，从而能消耗较少电力。

依照本案构想，该集成电路经由一印刷电路板上的电路连接至该些数据收发单元。该电力获取单元连接至该最上游侧电池芯、最下游侧电池芯或至少两个相连电池芯以获得电力。来自一连接的电池芯的电力支持该频率、需求命令、回复信息或反应信息至一上游侧集成电路的通讯所需，而来自另一连接的电池芯的电力支持该频率、需求命令、回复信息或反应信息至一下游侧集成电路的通讯所需。频率、需求命令、回复信息或反应信息的接收传送符合内置集成电路总线(Inter-Integrated Circuit)协议或服务供给接口(Service Provider Interface)协议。

此外，该数据收发单元通过切换电压准位的方式传送该频率、需求命令、回复信息或反应信息。该频率触发集成电路间，该需求命令、回复信息或反应信息的接收与传送。该集成电路以封装或晶粒形式存在。该外部设备为一控制器。

附图说明

图1为依照本发明的实施例，一种由多电池芯堆叠电池组的不同电压供应准位所供电的堆叠集成电路间的通讯系统的方框图；

图2为该系统一部分的方框图；

图3为该系统另一部分的方框图；

图4为该系统又一部分的方框图；

图5为该系统再一部分的方框图；

图6为依照本发明的又一实施例的方框图。

附图标记说明：10-系统；101-第一电池芯；102-第二电池芯；103-第三电池芯；201-第一集成电路；202-第二集成电路；203-第三集成电路；204-第四集成电路；300-控制器；401-数据收发单元；402-电池侦测单元；403-电力获取单元；4114-上游输出线路；4115-上游输入线路；4116-上游频率线路；4121-下游频率线路；4122-下游输出线路；4123-下游输入线路；4124-上游输出线路；4125-上游输入线路；4126-上游频率线路；4211-第一阳极线路；4212-第一阴极线路；4221-第二阳极线路；4222-第二阴极线路；4231-第三阳极线路；4232-第三阴极线路；4311-第一电力供给线路；4312-第一接地线路；4321-第二电力供给线路；4322-第二接地线路；4331-第三电力供给线路；4332-第三接地线路；50-系统；501-第一集成电路；502-第二集成电路；503-第三集成电路。

具体实施方式

本发明将参照下列的实施例而更具体地描述。

请参阅图1至图5。图1为依照本发明的一实施例，一种由多电池芯堆叠电池组的不同电压供应准位所供电的堆叠集成电路间的通讯系统的方框图。图2至图5为图1系统的不同部位的方框图。

由多电池芯堆叠电池组的不同电压供应准位所供电的堆叠集成电路间通讯的一系统10如图1所示。该系统10能扮演电池管理系统的角色。系统10包含3个电池芯(一第一电池芯101、一第二电池芯102与一第三电池芯103)及4个集成电路(一第一集成电路201、一第二集成电路202、一第三集成电路203与一第四集成电路204)。系统10进一步与一控制器300连接。第一电池芯101、第二电池芯102与第三电池芯103以串连(堆叠)方式连接以提供电力。该3个电池芯组成一电池的核心。各图中箭号代表电池的电流方向。为了对本实施例有较佳的描述说明，电流方向(由左至右)被用来指示两个相连的电池芯或集成电路关系。如果一电池芯(或集成电路)是位于上游侧，那它位于其它电池芯(或集成电路)的左侧。相反地，如果一电池芯(或集成电路)是位于下游侧，那它位于其它电池芯(或集成电路)的右侧。举例而言，第一电池芯101位于第二电池芯102的上游侧，第三集成电路203位于第二集成电路202的下游侧等等。依照本发明，电池芯的数量可大于或等于二。本实施例引用3个仅为描述之用。电池芯可以是一次性或充电电池芯。本发明并未限定。

该些集成电路是彼此串联(堆叠)的，因此，每一集成电路与至少一个其它集成电路相连接。这意味着有2个集成电路位于最上游侧(第一集成电路201)及最下游侧(第四集成电路204)。这2个集成电路具有与其它集成电路不同的操作方式，这点将详细描述于后。

依照本实施例，每一个集成电路的硬件设计是相同的，但操作方式不同。请参阅图2，第二集成电路202与第一电池芯101及第二电池芯102由系统10切出作为例子说明，以显示一集成电路的设计及它如何运作。在这实施例中，集成电路是封装的型态，也就是说该集成电路是以保护材料，如环氧树脂，所包覆，并经由许多接脚与外部电路连接。依照本发明的精神，集成电路能以晶粒形式存在，它们可通过打线方式与外部电路连接。在图2中，集成电路202有10个接脚。要注意的是接脚410的数量不限于10个，其数量是随集成电路的设计与其它功能而变化。

第二集成电路202包含一数据收发单元401、一电池侦测单元402与一电力获取单元403。电池侦测单元402能监测两个相连电池芯的电池状态，比如电压差、电流值、温度等，并由电池芯取得电池状态。要注意的是在各集成电路中的电池侦测单元，因为所在位置与功能不同，连接及监测的电池芯数亦不同。第一集成电路201只监测最上游侧电池芯(第一电池芯101)，第四集成电路204只监测最下游侧电池芯(第三电池芯103)，并各自由监测的电池芯取得其电池状态。在图3中，电池侦测单元402监测第一电池芯101与第二电池芯102的电池状态并取得来自该二电池芯的电池状态。事实上是由第二集成电路202监测第一电池芯101与第二电池芯102的电池状态并取得该二电池芯的电池状态。同样地，第三集成电路203监测第二电池芯102与第三电池芯103的电池状态，并取得该二电池芯的电池状态。电池侦测单元402连接至与第一电池芯101的阳极相接的一第一阳极线路4211，及与第一电池芯101的阴极相接的一第一阴极线路4212，以进行监测并取得(即侦测)。它也连接到与第二电池芯102阳极相接的一第二阳极线路4221，及与第二电池芯102阴极相接的一第二阴极线路4222以进行侦测。

数据收发单元401与电池侦测单元402电连接。它能经由一上游频率线路4126接收一频率，经由一上游输入线路4125接收来自连接于上游侧第一集成电路201的一需求命令，及经由一下游输入线路4123接收来自连接于下游侧第三集成电路203的一回复信息。数据收发单元401也能经由一上游输出线路4124，传送该回复信息及/或关于被侦测电池芯(第一电池芯101及/或第二电池芯102)电池状态的一反应信息到连接于上游侧的第一集成电路201，经由一下游频率线路4121传送频率到连接于下游侧的第三集成电路203，及如果该需求命令需要被送达到一下游侧的集成电路中，举例而言，到第四集成电路204，则经由一下游输出线路4122传送该需求命令到连接于下游侧的第三集成电路203。如果该需求命令要求，该反应信息就会产生。回复信息由下游侧第三集成电路203中另一数据收发单元所发出。应当注意的是，每两个相连接的集成电路的电力获取单元连接至至少一相同电池芯，致使该两个相连接的集成电路可共享该电池芯的电力，并具有相同的电压准位。例如第三集成电路203和第四集成电路204的电力获取单元都有连接到第三电池芯103，致使第三集成电路203和第四集成电路204的数据收发单元可共享该电池芯的电力，并具有相同的电压准位，因此频率、需求命令、回复信息与反应信息是以电压准位的变化形式存在。每一集成电路中数据收发单元通过切换电压准位的方式传送频率、需求命令、回复信息或反应信息。它避免了电流由一集成电路传到另一集成电路的缺陷，从而电力消耗相对于传统数字通讯方法能比较少。

电力获取单元403与电池侦测单元402及数据收发单元401电连接而提供电力。因此，电池侦测单元402与数据收发单元401能运作。电力获取单元403连接至第一电池芯101与第二电池芯102以获得电力。它连接到与第一电池芯101阳极相接的一第一电力供给线路4311，并连接到与第一电池芯101阴极相接的一第一接地线路4312。同时，电力获取单元403也连接到与第二电池芯102阳极相接的一第二电力供给线路4321，及与第二电池芯102阴极相接的一第二接地线路4322。

应当注意的是来自连接的第一电池芯101(在上游侧)的电力支持该频率、需求命令、回复信息或反应信息至第一集成电路201(在上游侧)的通讯所需。这意味着通过来自第一电池芯101的电力，经由上游输出线路4124、上游输入线路4125与上游频率线路4126的通讯能实现。相似地，来自连接的第二电池芯102(在下游侧)的电力支持该频率、需求命令、回复信息或反应信息至第二集成电路202(在下游侧)的通讯所需。于是，经由下游频率线路4121、下游输出线路4122及下游输入线路4123的通讯能实现。

当两个集成电路连结运作时，有三种不同的情况：两个集成电路皆有其它集成电路连接于上游侧与下游侧；一集成电路在上游侧无连接至其它集成电路；一集成电路在下游侧无连接至其它集成电路。这三种情况分别说明于图3至图5。

请参阅图3，第二集成电路202与第三集成电路203相连接以进行通讯运作。为了简化图示并获致更好的理解，不管是什么符号，具有相同名称的项目具有相同的功能(外表可能不见得一致)。举例而言，‘下游输入线路’4133与‘下游输入线路’4123具有相同的功能，以此类推。

第二电池芯102与第三电池芯103被用来提供电力。下游频率线路4121、下游输出线路4122及下游输入线路4123各自连接到一上游频率线路、一上游输入线路与一上游输出线路，第三集成电路203的一数据收发单元连接到该处(以椭圆标示)，以便通讯运作于其间。第三集成电路203进一步连接到一下游频率线路4131、一下游输出线路4132与一下游输入线路4133，以与该第四集成电路204通讯。这即是一集成电路的上游线路连接到对应的其它集成电路的下游线路，用来建立其间的通讯渠道。此外，第三集成电路203连接到与第二电池芯102阳极相接的一第二阳极线路4221、与第二电池芯102阴极相接的一第二阴极线路4222以侦测第二电池芯102。同时并连接到与第三电池芯103阳极相接的一第三阳极线路4231及与第二电池芯103阴极相接的一第三阴极线路4232侦测第三电池芯103。同样地，它连接到与第二电池芯102阳极相接的第二电力供给线路4321、与第二电池芯102阴极相接的第二接地线路4322、与第三电池芯103阳极相接的一第三电力供给线路4331及与第三电池芯103阴极相接的一第三接地线路4332，以获得运作所需的电力。

请参阅图4。第一集成电路201与第二集成电路202相连接以进行通讯运作。请注意第一集成电路201上游侧没有连接其它集成电路。通讯渠道建立的方法上面已经描述过了。第一集成电路201连接到一上游输出线路4114、一上游输入线路4115及一上游频率线路4116，以与该控制器300通讯。控制器300将经由该上游频率线路4116初始一频率至第一集成电路201，接着该频率将向下游传至所有的集成电路。频率能触发集成电路间需求命令、回复信息或反应信息数据的传送与接收。

该需求命令被要求由控制器300经过上游输入线路4115传到第二集成电路202。在频率传到所有的集成电路后，为了电池管理的目的，控制器300发出该需求命令。举例而言，如果控制器300要求获得第二电池芯102的电池状态，该需求命令将携带这信息并被传送到第一集成电路201的一数据收发单元(未绘示)。因为第一集成电路201未侦测第二电池芯102，需求命令将继续往第二集成电路202(在下游侧)的一数据收发单元(数据收发单元401)传送直到它到达负责侦测第二电池芯102的集成电路。届时，第二集成电路202与第三集成电路203的数据收发单元将产生一反应信息，包含了第二电池芯102的电池状态。第三集成电路203的数据收发单元将传送该反应信息给第二集成电路202的数据收发单元。该反应信息成为该第二集成电路202的数据收发单元的一回复信息。第二集成电路202的数据收发单元将在它本身反应信息之后，传送该回复信息给第一集成电路201的数据收发单元。第一集成电路201的数据收发单元将仅接收来自下游侧2个集成电路的回复信息。最后，该回复信息将通过上游输出线路4114到达控制器300。

如同其它集成电路，第一集成电路201通过连接到第一电力供给线路4311与第一接地线路4312而获得电力。然而，其与第二集成电路202间的通讯由来自第一电池芯101的电力所支持。第一集成电路201与控制器300间的通讯由控制器300所致能，其间操作是不同于第二集成电路202与第三集成电路203间的操作。

可以理解的是集成电路是由相接的数据收发单元，通过一印刷电路板(未绘示)上的电路而连接。控制器300也能由其它提供相同功能的设备所取代。举例而言，一种无线通信装置。在这实施例中，频率、需求命令、回复信息或反应信息的接收与传送符合内置集成电路总线(Inter-Integrated Circuit)协议。实作上，它也可以是符合其它的通信协议，比如说服务供给接口(Service Provider Interface)协议。

请参阅图5。第三集成电路203与第四集成电路204相连接以进行通讯运作。请注意没有其它集成电路连接于第四集成电路204的下游侧。通讯渠道建立的方法上面已经描述过了，在此不再重复。

第四集成电路204通过连接到第三电力供给线路4331与第三接地线路4332而获得电力。因为没有其它集成电路在下游侧可进行通讯，且没有其它电池芯提供电力，与集成电路下游侧通讯的功能被切断。这意味着四集成电路204停止传送该频率。相同地，第四集成电路204连接到第三阳极线路4231及第三阴极线路4232以进行侦测第三电池芯103。

在上述实施例中，两个相连的集成电路同时监测一个电池芯的电池状态，并取得该电池芯的电池状态。而依照本发明的精神，两个相连的集成电路可同时监测两个以上相连的电池芯，其电力获取单元可由该些电池芯取得供运作的电力。请见图6，兹利用此图对另一实施例中，本发明广义的操作状态做说明。在一系统50中，多个电池芯串联提供系统50的运作所需，具有前一实施例中所描述结构的多个集成电路，各用来监测四个相连的电池芯。撷取其中部分做说明。在图6中，一第一集成电路501监测左侧起算的第一、第二、第三与第四个电池芯，并自其中取得足够本身运作的电力；同理，一第二集成电路502监测左侧起算的第三、第四、第五与第六个电池芯并自其中取得运作电力；一第三集成电路503监测左侧起算的第五、第六、第七与第八个电池芯并自其中取得运作电力。图中的虚线表示监测的对应关系

依照本发明，两个相连的集成电路要接到一个以上的电池芯时，才能利用电压传递信号，这是因为共享的电池芯提供了连接的两个集成电路一致的电压准位。在本实施例中，因为第一集成电路501与第二集成电路502共享左侧起算的第三与第四个电池芯，及第二集成电路502与第三集成电路503共享左侧起算的第五与第六个电池芯，故信号可以于上下游侧集成电路间传递。不同于前一实施例，本实施例在相连的两个集成电路中共享的电池芯数量是两个。在第6图中可以看到，不一定每一颗电池芯都要如同前一个实施例被监测，比如左侧起算最后一个电池芯，可能因为特殊原因而忽略不去监测，这也包含在本发明的变化方式内。

此外，不是每个集成电路都监测同样数量的电池芯。依照设计需求，某些集成电路可监测比相连的集成电路更多数量的电池芯，但其前提都是两个相连的集成电路要连接到至少一个相同的电池芯。当然，相连的两个集成电路中共享的电池芯数量也会变化，甚至在任两个集成电路间不是固定的。因而，各集成电路由电池芯取得供本身运作的电力也不尽相同。因应任何集成电路与电池芯配置而设定的电源供应方式(集成电路平均自连接的电池芯中获取电力，或依照各电池芯上下游连接的顺序而有不同的比例等等)都可行，本发明并未限定。

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，当可作些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定为准。

Claims (9)

1.一种堆叠集成电路间的通讯系统，其特征在于，包含：

多个电池芯，多个电池芯堆叠在一起以提供电力；

多个集成电路，每一集成电路连接到至少一其它集成电路且每一集成电路包含一电池侦测单元、一数据收发单元和一电力获取单元，该集成电路经由一印刷电路板上的电路连接至该些数据收发单元，其中，

该电池侦测单元用以监测该多个电池芯中，最上游侧电池芯、最下游侧电池芯或至少两个相连电池芯的电池状态，并取得该最上游侧电池芯、最下游侧电池芯或至少两个相连电池芯的电池状态；

该数据收发单元与该电池侦测单元电连接，用以接收由一外部设备或连接于上游侧的一集成电路所传来的一频率与一需求命令、接收连接于下游侧的一集成电路所传来的一回复信息、传送该回复信息及/或一反应信息至该连接于上游侧的集成电路、传送该频率至该连接于下游侧的集成电路、如果该需求命令需要传送到下游侧的一集成电路中则传送该需求命令至该连接于下游侧的集成电路、及如果没有其它集成电路连接于下游侧则停止传送该频率；

该电力获取单元电连接至该电池侦测单元与数据收发单元，用以向该电池侦测单元与数据收发单元提供电力，以便操作该电池侦测单元与数据收发单元；

其中如果该需求命令要求，该反应信息则产生；该回复信息由下游侧的该集成电路内的数据收发单元所发出；连接于上游侧末端的集成电路由该外部设备接收该频率与需求命令，并依照需求命令传送该回复信息及/或关于电池状态的一反应信息给该外部设备。

2.根据权利要求1所述的堆叠集成电路间的通讯系统，其中该电力获取单元连接至该最上游侧电池芯、最下游侧电池芯或至少两个相连电池芯以获得电力。

3.根据权利要求2所述的堆叠集成电路间的通讯系统，来自一连接的电池芯的电力支持该频率、需求命令、回复信息或反应信息至一上游侧集成电路的通讯所需，而来自另一连接的电池芯的电力支持该频率、需求命令、回复信息或反应信息至一下游侧集成电路的通讯所需。

4.根据权利要求2或3所述的堆叠集成电路间的通讯系统，每两个相连接的集成电路的电力获取单元连接至至少一相同电池芯，致使该两个相连接的集成电路可共享该电池芯的电力。

5.根据权利要求4所述的堆叠集成电路间的通讯系统，其中该频率、需求命令、回复信息或反应信息的接收传送符合内置集成电路总线协议或服务供给接口协议。

6.根据权利要求4所述的堆叠集成电路间的通讯系统，其中该数据收发单元通过切换电压准位的方式传送该频率、需求命令、回复信息或反应信息。

7.根据权利要求1所述的堆叠集成电路间的通讯系统，其中，该频率触发集成电路之间需求命令、回复信息或反应信息的接收与传送。

8.根据权利要求1所述的堆叠集成电路间的通讯系统，其中该集成电路以封装或晶粒形式存在。

9.根据权利要求1所述的堆叠集成电路间的通讯系统，其中该外部设备为一控制器。