CN113311212A - 电压监控装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电压监控装置，耦接至N个电池芯。电压监控装置包括多个电压检测电路以及电压补偿器。电压检测电路用以针对电池芯进行电压检测动作。在当电压检测电路针对第1个至第M个电池芯进行电压检测动作时，电压补偿器针对第1个至第M个电池芯以外的至少一其余电池芯进行放电动作，其中M为小于N的正整数，且N为大于1的整数。

Description

电压监控装置
技术领域
本发明涉及一种电压监控装置，且特别涉及一种可均衡电池芯电压的电压监控装置。
背景技术
在现有技术领域中，锂电池的电压监控技术是采用匹配电阻对多串的电池芯放电，并读取其平均电压的方式来得知各个电池芯的电压。以多个堆叠串联的电池芯为范例，当针对最底层第一电池芯进行电压检测时，第一电池芯会对应执行放电动作，而在当对次底层的第二电池芯进行电压检测时，第一电池芯以及第二电池芯皆会发生放电动作。如此一来，当所有电池芯皆完成一次电压检测动作的条件下，所有的电池芯会发生不同次数的放电动作。如此一来，在长时间的电压监控操作后，电池芯的输出电压会发生不相同的现象，并造成电池芯输出电压的不均衡，影响其生命周期。
发明内容
本发明提供一种电压监控装置，可维持电池芯电压的均衡性。
本发明的电压监控装置耦接至N个电池芯。电压监控装置包括多个电压检测电路以及电压补偿器。电压检测电路分别耦接至电池芯，用以针对电池芯进行电压检测动作。电压补偿器在当电压检测电路针对第1个至第M个电池芯进行电压检测动作时，电压补偿器针对第1个至第M个电池芯以外的至少一其余电池芯进行放电动作，其中M为小于N的正整数，且N为大于1的整数。
在本发明的一实施例中，上述的电压补偿器包括多个放电电路。放电电路分别耦接至第二电池芯至第N电池芯。
在本发明的一实施例中，上述的各放电电路包括开关以及负载。开关受控于放电控制信号以被导通或断开。负载与开关串联耦接在对应的电池芯的正极端与负极端间。
在本发明的一实施例中，上述的开关为晶体管开关，负载为电阻。
在本发明的一实施例中，上述的电压补偿器更包括辅助放电电路。辅助放电电路耦接在第一电池芯的正极端以及负极端间，其中第一电池芯直接连接至接地端。
在本发明的一实施例中，上述的电压补偿器更包括多个电压偏移电路。电压偏移电路偏移多个放电控制信号的电压值以产生多个偏移放电控制信号，并使偏移放电控制信号以分别控制放电电路的放电动作。
在本发明的一实施例中，上述的各电压监控电路包括开关以及负载。开关依据监控控制信号以被导通或断开。负载与开关串联耦接至对应的电池芯的正极端。其中开关被导通时，对应的电压监控电路产生监控电压。
在本发明的一实施例中，上述的开关为晶体管开关，负载为电阻。
在本发明的一实施例中，电压监控装置更包括解码电路。解码电路接收输入信号，针对输入信号进行解码以产生多个放电控制信号以及多个监控控制信号。
在本发明的一实施例中，上述的电池芯相互堆叠串接。
基于上述，本发明的电压监控装置可依据电池芯的监控状态，来对未被监控的电池芯进行适度的放电，可有效维持所有电池芯的电压均衡度，延长电池芯的使用寿命。
附图说明
图1绘示本发明一实施例的电压监控装置的示意图。
图2A绘示本发明另一实施例的电压监控装置的一实施方式的示意图。
图2B绘示本发明图2A实施例的电压监控装置的另一实施方式的示意图。
图3绘示本发明实施例的电压监控装置的解码电路的实施方式的示意图。
图4绘示本发明另一实施例的电压监控装置的示意图。
图5绘示本发明另一实施例的电压监控装置的示意图。
附图标记说明如下:
100、200、400、500：电压监控装置
110、410、510：电压补偿器
121～128、221～228、421～424、521～524：电压检测电路
212～218、412～414、512～514：放电电路
300：解码电路
310、320：解码器
432～434、442～444：电压偏移电路
511：辅助放电电路
BC1～BC8：电池芯
D1～D8：放电控制信号
D2’～D4’：偏移放电控制信号
GND：接地端
iM1-1、iD2-8、iM1-4、iD5-8：电流
L2～L8、R1～R8、R9：负载
MD2～MD4、MM1～MM4：晶体管
OUT：监控电压
S1～S8：监控控制信号
S2’～S4’：偏移监控控制信号
SWD2～SWD8、SWM1～SWM8：开关
V1：参考电压
具体实施方式
请参照图1，图1绘示本发明一实施例的电压监控装置的示意图。电压监控装置100用以监控相互叠接的多个电池芯BC1～BC8的电压状态，其中电池芯BC1的负极端直接连接接地端GND，是为最底层的电池芯。电压监控装置100包括多个电压检测电路121～128以及电压补偿器110。电压检测电路121～128分别耦接至电池芯BC1～BC8，电压补偿器110则耦接至电池芯BC1～BC8以及电压检测电路121～128。
在本实施例中，电压检测电路121～128用以针对电池芯BC1～BC8中的一个或多个进行电压检测动作。在本实施例中，电压检测电路121～128的其中之一可以被启动，并用以检测电池芯BC1～BC8中的一个或多个的电压值。在细节上，以电压检测电路124启动以执行电压检测动作为范例。基于电池芯BC1～BC8相互叠接，因此，电压检测电路124可检测电池芯BC4～BC1的电压。这个电压检测动作会使得电池芯BC4～BC1产生放电现象，并造成电池芯BC4～BC1的电压下降的状况。在此同时，本实施例中的电压补偿器110可使未执行电压检测动作的电池芯(例如电池芯BC8～BC5)进行放电动作。如此一来，所有的电池芯BC1～BC8都可以得到相同程度的放电，并维持电池芯BC1～BC8的电压的均衡度。
附带一提的，本实施例中并具有下拉电阻R9。电压监控装置100并产生监控电压OUT。
在本发明实施例中，电池芯的数量并没有特定的限制。依据上述的说明可以得知，当电池装置具有N个叠接的电池芯时，在电压检测电路针对其中的第1个至第M个电池芯进行电压检测动作时，本发明实施例的电压补偿器110可针对第1个至第M个电池芯以外的至少一其余电池芯进行放电动作，其中M为小于N的正整数，且N为大于1的正整数。并有效维持所有电池芯电压的均衡度。
以下请参照图2A，图2A绘示本发明另一实施例的电压监控装置的一实施方式的示意图。电压监控装置200包括多个电压检测电路221～228以及由多个放电电路212～218所构成的电压补偿器。在本实施例中，放电电路212～218分别耦接至电池芯BC2～BC8。放电电路212～218分别包括开关SWD2～SWD8，并分别包括负载L2～L8。其中，其中，开关SWD2～SWD8分别受控于放电控制信号D2～D8以被导通或断开。以放电电路212为范例，放电电路212中的开关SWD2以及负载L2串联耦接在对应的电池芯BC2的正极端以及负极端间。
电压检测电路221～228则分别包括开关SWM1～SWM8，并分别包括负载R1～R8。负载R1～R8由电阻建构。开关SWM1～SWM8分别与负载R1～R8相互串联耦接，其中开关SWM1～SWM8分别依据监控控制信号S1～S8以被导通或断开。在本实施例中，电压检测电路221～228分别耦接至电池芯BC1～BC8。值得注意的，当针对电池芯BC1～BC8中的一个或多个进行电压监控时，开关SWM1～SWM8的其中之一可被导通(其余的开关则被断开)。进一步来说明，当开关SWM1被导通时，电池芯BC1的电压被监控，电压检测电路221并依据电池芯BC1的输出电压来产生监控电压OUT。在此时，电池芯BC1提供电流iM1-1以进行放电动作。
相对应于电池芯BC1的放电动作，本发明实施例中的开关SWD2～SWD8被导通，并使电池芯BC2～BC8提供电流iD2-8，通过放电电路212～218中相互串接的负载L8～L2来进行放电动作。并通过这个放电动作来使电池芯BC2～BC8的电压，可以与电池芯BC1的电压相等。
在另一方面，请参照图2B绘示的本发明图2A实施例的电压监控装置的另一实施方式的示意图。在当开关SWM4被导通时(开关SWM1-SWM3、SWM5-SWM8被断开)，电池BC1～BC4的电压被监控，并对应产生监控电压OUT。在此时，电池芯BC4～BC1提供电流iM1-4并进行放电动作。
相对应于电池芯BC4～BC1的放电动作，本发明实施例中的开关SWD5～SWD8被导通(开关SWD2～SWD4被断开)，并使电池芯BC5～BC8提供电流iD5-8，通过放电电路215～218中相互串接的负载L5～L2来进行放电动作。并通过这个放电动作来使电池芯BC5～BC8的电压，可以与电池芯BC4～BC1的电压相等。
由上述的说明可以得知，本发明实施例中，被监控的电池芯与进行放电动作的电池芯的关系如表1：
表1:
状态 被监控的电池芯 进行放电动作的电池芯
1 BC1 BC2～BC8
2 BC1～BC2 BC3～BC8
3 BC1～BC3 BC4～BC8
4 BC1～BC4 BC5～BC8
5 BC1～BC5 BC6～BC8
6 BC1～BC6 BC7～BC8
7 BC1～BC7 BC8
8 BC1～BC8 无
下表2、3分别则为对应不同状态时，开关SWD1～SWD8以及开关SWM1-SWM8的导通及断开状态的关系。
表2：
Figure BDA0002402624240000061
表3：
Figure BDA0002402624240000062
Figure BDA0002402624240000071
请参照图3，图3绘示本发明实施例的电压监控装置的解码电路的实施方式的示意图。解码电路300可应用在电压监控装置中，用以产生放电控制信号D2～D8以及多个监控控制信号S1～S8。解码电路300包括解码器310以及320。解码器310以及320共同接收输入信号B0～B2。解码器310针对输入信号B0～B2进行解码以产生放电控制信号D2～D8。解码器320针对输入信号B0～B2进行解码以产生监控控制信号S1～S8。
解码器310以及320的可应用多个逻辑闸来实施。解码器310以及320可通过本领域技术人员所熟知的数字电路的设计方式，来进行解码器310以及320的硬体架构的设计。
以下请参照图4，图4绘示本发明另一实施例的电压监控装置的示意图。电压监控装置400耦接至堆叠耦接的多个电池芯BC1～BC4。电压监控装置400包括电压检测电路421～424、电压补偿器410以及电压偏移电路432～434、442～444。电压补偿器410包括放电电路412～414。放电电路412～414分别耦接至电池芯BC2～BC4的正极端与负极端间。电压偏移电路432～434分别对应电池芯BC2～BC4，并分别耦接至电池芯BC2～BC4的正极端。
电压偏移电路432～434接收参考电压V1并耦接至接地端GND。电压偏移电路432～434另分别接收放电控制信号D2～D4。电压偏移电路432～434并基于参考电压V1，以分别偏移放电控制信号D2～D4的电压值来产生偏移放电控制信号D2’～D4’。偏移放电控制信号D2’～D4’分别被提供至放电电路412～414，以使放电电路412～414执行电池芯BC2～BC4的放电动作。
在另一方面，电压偏移电路442～444分别对应电池芯BC2～BC4，并分别耦接至电池芯BC2～BC4的正极端。电压偏移电路442～444接收参考电压V1并耦接至接地端GND。电压偏移电路442～444另分别接收监控控制信号S2～S4。电压偏移电路442～444并基于参考电压V1，以分别偏移监控控制信号S2～S4的电压值来产生偏移监控控制信号S2’～S4’。偏移监控控制信号S2’～S4’分别被提供至电压检测电路422～424，以使电压检测电路422～424执行电池芯BC2～BC4的电压检测动作。
本实施例中的电压偏移电路432～434、442～444可通过本领域技术人员所熟知的任意电压偏移(level shifter)电路来建构，没有特别的限制。
在另一方面，本实施例中，放电电路412～414分别包括晶体管MD2～MD4以构成多个开关，放电电路412～414另分别包括由多个电阻构成的负载L2～L4。晶体管MD2～MD4分别受控于偏移放电控制信号D2’～D4’。晶体管MD2～MD4并分别与负载L2～L4串联耦接在电池芯BC2～BC4的正极端与负极端间。其中，负载L2～L4所提供的电阻值均相同。
电压检测电路421～424分别耦接至电池芯BC1～BC4。电压检测电路421～424分别包括晶体管MM1～MM4所构成的开关，电压检测电路421～424并分别包括由电阻构成的负载R1～R4。晶体管MM1～MM4分别与负载R1～R4串联耦接，并分别串接于电池芯BC1～BC4的正极端与负极端间。其中，负载R9、R2～R4所提供的电阻值的比可以为1：1：2：3，而负载R1所提供的电阻值可以为0，负载R2所提供的电阻值则可以与负载L2～L4的每一所提供的电阻值相同。
值得一提的，本实施例的晶体管MM2～MM4受控于偏移监控控制信号S2’～S4’，晶体管MM1可受控于监控控制信号S1。此外，负载R4～R1并具有相互耦接的共同端，负载R9串接在上述共同端以及接地端GND间。上述的共同端上并产生监控电压OUT。
在本实施例中，假设初始的各个电池芯BC1～BC4的输出电压均相同(＝电压VCELL)，且为N型晶体管的晶体管MD2～MD4与为P型晶体管的晶体管MM1～MM4的导通电阻均远小于1个负载L1的电阻值(1R)，则电压检测电路421～423进行电压检测时，流出各个电池芯BC1～BC4的电流均为电压VCELL/电阻值1R。而电压补偿器410则同样以电压VCELL/电阻值1R的电流，以依据放电控制信号D2～D4，通过具有与晶体管MM1～MM3相同的导通时间来进行放电动作，即可将所有电池芯BC1～BC4的电量放电至具有相同的输出电压值。
附带一提的，在本发明其他实施例中，上述的负载R1～R4、R9、L2～L4的电阻值也可以通过不同的方式来实施。如此一来，对应电压检测电路421～424执行电压检测动作时，所产生的相同或不相同的放电电流，电压监控装置400可通过调整放电电路412～414的放电动作的执行时间，并借以达到使电池芯BC1～BC4的输出电压实质上相同的结果。
在此请注意，本实施例中的负载L2～L4以及R1～R4除可应用电阻来实施外，也可应用本领域技术人员所熟知，可提供电流流通路径的任意电子元件来建构(例如电流源)，没有固定的限制。
以下请参照图5，图5绘示本发明另一实施例的电压监控装置的示意图。电压监控装置500耦接至堆叠耦接的多个电池芯BC1～BC4。电压监控装置500包括电压检测电路521～524以及电压补偿器510。与前述实施例不相同的，电压补偿器510包括放电电路512～514以及辅助放电电路511。其中，辅助放电电路511设置在堆叠式电池芯BC1～BC4中，最底层的第一电池芯BC1的正极端以及负极端间。其中电池芯BC1的负极端直接连接至接地端GND。辅助放电电路511的设置用以提升电压补偿器510的电路匹配与对称性，可提升其表现度。
综上所述，本发明的电压监控装置，可在部分电池芯进行电压检测动作时，使其余的电池芯进行对等的放电动作。如此一来，可维持堆叠式电池芯中的所有电池芯的输出电压实质上相等，延长电池芯的使用寿命。

Claims (10)

1.一种电压监控装置，耦接至N个电池芯，包括：
多个电压检测电路，分别耦接至所述N个电池芯，用以针对所述N个电池芯进行电压检测动作；以及
一电压补偿器，在当所述多个电压检测电路针对第1个至第M个电池芯进行电压检测动作时，该电压补偿器针对该第1个至该第M个电池芯以外的至少一其余电池芯进行放电动作，其中M为小于N的正整数，且N为大于1的整数。
2.如权利要求1所述的电压监控装置，其中该电压补偿器包括多个放电电路，所述多个放电电路分别耦接至一第二电池芯至一第N电池芯。
3.如权利要求2所述的电压监控装置，其中各该放电电路包括：
一开关，受控于一放电控制信号以被导通或断开；以及
一负载，与该开关串联耦接在对应的电池芯的正极端与负极端间。
4.如权利要求3所述的电压监控装置，其中该开关为晶体管开关，该负载为电阻。
5.如权利要求2所述的电压监控装置，其中该电压补偿器更包括：
一辅助放电电路，耦接在一第一电池芯的正极端以及负极端间，其中该第一电池芯直接连接至接地端。
6.如权利要求2所述的电压监控装置，其中该电压补偿器更包括：
多个第一电压偏移电路，偏移多个放电控制信号的电压值以产生多个偏移放电控制信号，并使所述多个偏移放电控制信号以分别控制所述多个放电电路的放电动作；以及
多个第二电压偏移电路，偏移多个监控控制信号的电压值以产生多个偏移监控控制信号，并使所述多个偏移放电控制信号以分别控制所述多个电压检测电路的电压检测动作。
7.如权利要求1所述的电压监控装置，其中各该电压监控电路包括：
一开关，依据一监控控制信号以被导通或断开；以及
一负载，与该开关串联耦接至对应的电池芯的正极端，
其中该开关被导通时，对应的该电压监控电路产生一监控电压。
8.如权利要求7所述的电压监控装置，其中该开关为晶体管开关，该负载为电阻。
9.如权利要求1所述的电压监控装置，更包括：
一解码电路，接收一输入信号，针对该输入信号进行解码以产生多个放电控制信号以及多个监控控制信号。
10.如权利要求1所述的电压监控装置，其中所述N个电池芯相互堆叠串接。
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