CN1905259A - 晶格式电池电位平衡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶格式电池电位平衡器，用以等化串联电池组的电位，至少一电池跨接于一能量转换电路，该能量转换电路以晶格式架构连接。该能量转换电路具有四个节点，包含一第一半导体开关、一第一二极管、一第二半导体开关、一第二二极管以及一电感，第一元件开关之一端接于第一二极管的负极，第二二极管的正极接于第二元件开关之一端，而该电感为储能元件，是跨接于第一二极管的负极与第二二极管的正极之间。

Description

晶格式电池电位平衡器

技术领域

本发明是有关于一种串联电池的电位平衡器，尤指一种晶格式电池电位平衡器。

背景技术

在大多数的电池应用场合，除了在少数低电压与低耗能的电子设备外，皆将电池作串联使用，此乃因为现今单颗电池电压不高，单独使用时电能损耗较大。举例来说，在相同负载功率下，采用四颗电池串联的系统比起采用单颗电池的系统，其电压与容量大了四倍，然其所需输出电流仅为单电池系统的四分之一，如此约可减少16倍的线路传输损耗。使用串联电池组虽有其优点，然而若不考虑单电池间彼此特性差异，仅将其视为一个具高电压与大容量的“单电池”，则在实际应用上将会整体效能不如原先所预期。

二次电池的充放电容量、充电转换效率、初始电量、内阻等特性，即使是同一批生产的产品也无法完全相同，如此直接将这些具有些微差异的单电池串联起来使用，或许在刚开始使用时，不觉得性能有何不妥，然而随着重复充放电使用次数增加，使用者会逐渐发现电池电源可使用的时间越来越短，常常需要重新充电，另外在充放电时，觉得电池组的温度比起新电池时高出许多；此导因于电池组刚开始使用时，单电池间彼此差异不大，但随着充放电次增加时，将逐渐加大彼此的差异，如此恶性循环，使得特性差的单电池越来越差，导致整个电池组的效能均受限于此些特性较差的单电池。因此，目前产业为解决所述问题，必须对串联电池组中各颗单电池的电池进行监控，并利用电池电位平衡器来平衡单电池间因彼此特性差异所造成储能不均的现象，进而提升电池组实际可充放电量与延长使用寿命。

串联电池组中各电池端电压的大小与电池容量及其所储存的电量有关，欲使各电池电压相等，是一种能量转移动作；换言之，即将电池电压较高的能量消耗或转移至电压较低的电池中。在分类上以能量消耗与否，可分为消耗式与非消耗式两类电池电位平衡装置：前者将电池电压较高的能量利用开关切换式电阻负载转变为热能或使用开关切换式缓冲电容，达到电压平衡的目的；后者采用切换式直流转换器使能量在电池中传递，其理论上若忽略开关切换损失，可达到无损耗的传递。非消耗式电池电位平衡装置若以能量转移是否牵涉总电池能量转移，可进一步分为总电量分配法及单元电量分配法两种：前者乃汲取或灌输总串联电池能量，以平衡各电池电压，后者则透过相邻单电池间的能量传递，达成平衡目的。其中，总电量分配法中若采用的电力转换器为互相独立的，则称为分散型电池电位平衡装置，相对地，若采用单一电力转换器，称为集中型电池电位平衡装置。

依现有技术，图1显示一种消耗式电池电位平衡装置的电路架构图，通过由开关的动作，将端电压较高的电池3的能量消耗于各别电位平衡器2的负载电阻，虽然电路架构简单，但需要对各别电池端电压进行检测且有散热问题。在非消耗式电池电位平衡技术中，图2显示一种基于单元电量分配的电池电位平衡装置的电路架构图，基本上以相邻两单元电池为平衡机制，将端电压较高者的能量传送至较低者，电路架构具有模组扩充性；图3显示一种基于总电量分配的分散型电池电位平衡装置的电路架构图，所有的直流转换器电路为互相独立的，当电池电压异于平均值时，启动直流转换器电路，将过高的电池能量抽离而转移至串联电池组或由串联电池组提供额外能量至较低电压的电池3，因此控制自由度高；图4显示一种基于总电量分配的集中型电池电位平衡装置的电路架构图，使用单一直流转换器作为串联电池组中各电池均压机制，理论上，此集中式均压电路体积较小、成本较低。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种电池电位平衡器的能量转换电路，将串联电池组的一电池的能量转换至其余串联电池。

本发明的目的之一是提供一种适用于非消耗式电池电位平衡装置的晶格式电池电位平衡器。

本发明的目的之一是提供一种适用于阶层式电池电位平衡装置的晶格式电池电位平衡器。

为达上述目的，本发明提供一种能量转换电路，将串联电池组之一电池的能量转换至其余串联电池，具有一第一节点、一第二节点、一第三节点及一第四节点，其特征在于：所述第一节点至第三节点依序串联一第一元件开关与一第一二极管，而该第三节点为该第一二极管的正极(P极)，所述第二节点至第四节点依序串联一第二二极管与一第二元件开关，而该第二节点为该第二二极管的负极(N极)，一储能元件具有一第一端与一第二端，该第一端接于所述第一元件开关与第一二极管之间，而该第二端接于所述第二二极管与第二元件开关之间。

其中，该储能元件为一电感。

其中，单电池的正端与负端分别接于所述第一节点与所述第四节点。

其中，由单电池或串联电池组成的前电池组的正端与负端分别接于所述第二节点与所述第一节点。

其中，由单电池或串联电池组成的后电池组的正端与负端分别接于所述第四节点与所述第三节点。

其中，串联电池组的正端与负端分别接于所述第二节点与所述第三节点。

其中该第一元件开关与第二元件开关皆导通(ON)时，能量转换电路为储能模式，即单电池将电能储存于该储能元件。

其中该第一元件开关导通而第二元件开关关闭(OFF)时，能量转换电路为第一释能模式，该第一二极管因后电池组的偏压而截止，该第二二极管因储能元件的电流而导通，该储能元件释放电能至前电池组。

其中该第一元件开关关闭而第二元件开关导通时，能量转换电路为第二释能模式，该第二二极管因前电池组的偏压而截止，该第一二极管因储能元件的电流而导通，该储能元件释放电能至后电池组。

其中该第一元件开关关闭且第二元件开关关闭时，能量转换电路为第三释能模式，该第一二极管与第二二极管因储能元件的电流而导通，该储能元件释放电能至串联电池组。

本发明提供一种晶格式电池电位平衡器，用以等化串联电池组的电位，其特征在于：每一单电池跨接于一能量转换电路，该能量转换电路以晶格式架构连接。

其中，该能量转换电路具有一第一节点、一第二节点、一第三节点及一第四节点，所述第一节点至第三节点依序串联一第一元件开关与一第一二极管，而该第三节点为该第一二极管的正极，所述第二节点至第四节点依序串联一第二二极管与一第二元件开关，而该第二节点为该第二二极管的负极，一储能元件具有一第一端与一第二端，该第一端接于所述第一元件开关与第一二极管之间，而该第二端接于所述第二二极管与第二元件开关之间。

根据本发明所实施的晶格式电池电位平衡器与能量转换电路，将使产品具有简单的电路架构而易于制造，且模组化电路组装容易，本发明晶格式电池电位平衡器由于不需变压器，故具较高效率，且可操作于不连续模式而达到零电流切换，减少开关损失，此外，本发明对于串联电池组织电位等化的平衡控制策略选择性多。

附图说明

图1为消耗式电池电位平衡装置的电路架构图；

图2为基于单元电量分配的电池电位平衡装置的电路架构图；

图3为基于总电量分配的分散型电池电位平衡装置的电路架构图；

图4为基于总电量分配的集中型电池电位平衡装置的电路架构图；

图5为本发明阶层式电池电位平衡电路架构图；

图6为本发明晶格式电池电位平衡器的电路架构图；

图7为本发明能量转换电路的电路架构图；

图8为本发明晶格式电池电位平衡器的电路架构图，其中一能量转换电路清楚揭示储能电流路径；

图9为本发明能量转换电路的释能电流路径图；

图10为本发明晶格式电池电位平衡器具体实施例的电路架构图。

具体实施方式

虽然本发明将参阅含有本发明较佳实施例的所附图式予以充分描述，但在此描述之前应了解熟悉本行的人士可修改在本文中所描述的发明，同时获致本发明的功效。因此，须了解以下的描述对熟悉本行技艺的人士而言为一广泛的揭示，且其内容不在于限制本发明。

请参考图5，显示本发明阶层式电池电位平衡电路架构图。本发明提供一种电池电位平衡装置，包含复数个电位平衡器，适用于高串联数电池场合。该电位平衡器具有阶层式架构5，该阶层式架构的第一层(最底层)电位平衡器2是进行相邻单电池间电位等化，而第二层以后的电位平衡器2是进行相邻串联电池组4(或群组)间电位等化，其中较高层电位平衡器2所等化的串联电池组4(或群组)的电池数量多于较低层电位平衡器2所等化的串联电池组4(或群组)的电池数量。

在图5所示的实施例中，本发明电池电位平衡装置例示性包含九个电位平衡器，用于十二个电池串联组的电位等化，该电位平衡器形成三层的阶层式结构5。第一层电位平衡器分别对两电池串联的单电池间进行电位等化，而两电池串联视为一群组4，所以第一层电位平衡器2分别对应一群组等化单电池间的电位。第二层电位平衡器2分别对三群组4间进行电位等化，换言之，第二层电位平衡器2等化三个串联电池组间的电位。第三层电位平衡器则对两大群组进行群组间电位等化，换言之，第三层电位平衡器等化两个串联电池组间(每一串联电池组由六个电池串联)的电位。

请参考图6，显示本发明晶格式电池电位平衡器的电路架构图。本发明晶格式电池电位平衡器用以等化串联电池组的单电池电位或群组(串联电池)电位，如图6所示的晶格式电池电位平衡器是等化串联电池组的单电池电位，其中单电池3可由一群组或一串联电池取代。本发明晶格式电池电位平衡器包含复数个能量转换电路10，每一能量转换电路10对应单电池3或一群组，且该能量转换电路10以晶格式架构20组成，该晶格式架构20如图6所示。

请参考图7，显示本发明能量转换电路的电路架构图。本发明能量转换电路10是一具有四个节点的网络，分别为节点1、节点2、节点3及节点4。该能量转换电路10包含一电感L、第一元件开关SW1、第一二极管D1、第二元件开关SW2及第二二极管D2，其中节点1至节点3依序串联第一元件开关SW1与第一二极管D1，而第一二极管D1的正极(P极)为节点3，第一二极管D1的负极(N极)接第一元件开关SW1之一端；节点2至节点4依序串联第二二极管D2与第二元件开关SW2，而第二二极管D2的负极为节点2，第二二极管D2的正极接第二元件开关SW2的一端；该电感L跨接于第一二极管D1的负极与第二二极管D2的正极之间。

在本发明的较佳实施例中，电感L为能量转换电路10的储能元件，通过由控制第一元件开关SW1与第二元件开关SW2的导通(ON)与关闭(OFF)状态，可使能量转换电路操作于储能模式或释能模式。当控制第一元件开关SW1与第二元件开关SW2为导通时，跨接于节点1与节点4之间的单电池或串联电池将电能储存于该电感L；当分别控制第一元件开关SW1与第二元件开关SW2为关闭或其一开关导通而另一开关关闭时，则视第一二极管D1与第二二极管D2的导通或截止状态，将由不同的两节点释放电感L的电能。此外，在具体实施例中，第一元件开关与第二元件开关可由绝缘栅双极电晶体(IGBT，insulated gate bipolar transistor)或闸关闸流体(GTO)或硅控制整流晶体(SCR)等功率半导体元件开关来实施。

请参考图8，显示本发明晶格式电池电位平衡器的电路架构图，其中一能量转换电路10清楚揭示电路架构。根据本发明晶格式电池电位平衡器，可进行串联电池组的电位等化，而每一能量转换电路10可将单电池或一群组(串联电池)的电能转换至其余串联电池。在图8所示的实施例，串联电池组是依序由前电池组31、储能电池30与后电池组32串联组成，储能电池30跨接于晶格式架构20中其一能量转换电路10的节点1与节点4。当第一元件开关SW1与第二元件开关SW2为导通时，能量转换电路10操作于储能模式，储能电池的储能电流i沿储能电流路径41将电能储存于电感L。

紧接着参考图9，显示本发明能量转换电路的释能电流路径图，而其余的能量转换电路未绘出。当第一元件开关SW1为导通而第二元件开关SW2为关闭时，能量转换电路10为第一释能模式，第一二极管D1因储能电池30与后电池组32串联电位的偏压而截止，第二二极管D2导通，电感L的释能电流i沿储能电流路径42将电能释能至前电池组31。

当第一元件开关SW1为关闭而第二元件开关SW2为导通时，能量转换电路10为第二释能模式，第二二极管D2因前电池组31与储能电池30串联电位的偏压而截止，第一二极管D1导通，电感L的释能电流i沿储能电流路径43将电能释能至后电池组32。

当第一元件开关SW1为关闭且第二元件开关SW2为关闭时，能量转换电路为第三释能模式，第一二极管D1及第二二极管D2导通，电感L的释能电流i沿储能电流路径44将电能释能至整个串联电池组。

最后请参考图10，显示本发明晶格式电池电位平衡器具体实施例的电路架构图。此一实施例以三个能量转换电路11，12，13组成晶格式架构为例，且每一能量转换电路可对应单电池或串联电池，其中对应第一个单电池31或第一组串联电池31的能量转换电路11的节点1与节点2相连接，该能量转换电路11只可操作第二与第三种释能模式，将储存电能释放至后电池组30，32或全部的串联电池组；对应最后一个单电池32或最后一组串联电池32的能量转换电路13的节点3与节点4相连接，该能量转换电路13只可操作第一与第三种释能模式，将储存电能释放至前电池组31，30或全部的串联电池组。

图10所示的晶格式电池电位平衡器可应用于图5所示的阶层式电池电位平衡装置。当能量转换电路11，12，13分别对应单电池时，则此晶格式电池电位平衡器则实施阶层式电池电位平衡装置的第一层电位平衡器；当能量转换电路11，12，13分别对应由两个以上电池组成的串联电池时，则此晶格式电池电位平衡器则实施阶层式电池电位平衡装置的第二层电位平衡器或较高层电位平衡器。

在详细说明本发明的较佳实施例之后，熟悉该项技术人士可清楚的了解，在不脱离本申请专利范围与精神下可进行各种变化与改变，而本发明亦不受限于说明书的所举实施例的实施方式，例如：晶格式电池电位平衡器的能量转换电路可对应单电池或串联电池；晶格式电池电位平衡器亦可适用基于单元电量分配的电池电位平衡装置。

Claims (24)

1.一种能量转换电路，具有一第一节点、一第二节点、一第三节点及一第四节点，其特征在于：

所述第一节点至第三节点依序串联一第一元件开关与一第一二极管，而该第三节点为该第一二极管的正极，所述第二节点至第四节点依序串联一第二二极管与一第二元件开关，而该第二节点为该第二二极管的负极，一储能元件具有一第一端与一第二端，该第一端接于所述第一元件开关与第一二极管之间，而该第二端接于所述第二二极管与第二元件开关之间。

2.如权利要求1所述的能量转换电路，其特征在于：所述储能元件为一电感。

3.如权利要求1所述的能量转换电路，其特征在于：所述第一节点与所述第四节点分别接于一储能电池的正端与负端。

4.如权利要求3所述的能量转换电路，其特征在于：所述第二节点与所述第一节点分别接于一前电池组的正端与负端，所述前电池组由单电池或串联电池组成。

5.如权利要求4所述的能量转换电路，其特征在于：所述第四节点与所述第三节点相连接。

6.如权利要求3所述的能量转换电路，其特征在于：所述第四节点与所述第三节点分别接于一后电池组的正端与负端，所述后电池组由单电池或串联电池组成。

7.如权利要求6所述的能量转换电路，其特征在于：所述第一节点与所述第二节点相连接。

8.如权利要求3所述的能量转换电路，其特征在于：所述第一元件开关与第二元件开关皆导通时，所述储能电池将电能储存于该储能元件。

9.如权利要求8所述的能量转换电路，其特征在于：所述储能元件为一电感。

10.如权利要求4或5所述的能量转换电路，其特征在于：所述第一元件开关导通而第二元件开关关闭时，该第一二极管截止而该第二二极管导通，所述储能元件释放电能至所述前电池组。

11.如权利要求6或7所述的能量转换电路，其特征在于：所述第一元件开关关闭而第二元件开关导通时，该第二二极管截止而该第一二极管导通，所述储能元件释放电能至所述后电池组。

12.如权利要求4或5或6或7所述的能量转换电路，其特征在于：所述第一元件开关关闭且第二元件开关关闭时，该第一二极管与第二二极管皆导通，所述储能元件释放电能至该前电池组、储能电池及后电池组所串联的电池组。

13.如权利要求1所述的能量转换电路，其特征在于：所述第一元件开关与第二元件开关为绝缘栅双极电晶体。

14.如权利要求1所述的能量转换电路，其特征在于：所述第一元件开关与第二元件开关为闸关闸流体。

15.如权利要求1所述的能量转换电路，其特征在于：所述第一元件开关与第二元件开关为硅控制整流晶体。

16.一种能量转换电路，将串联电池组之一电池的能量转换至其余串联电池，该能量转换电路具有一第一节点、一第二节点、一第三节点及一第四节点，其特征在于：

所述第一节点至第三节点依序串联一第一半导体开关与一第一二极管，而该第三节点为该第一二极管的正极，所述第二节点至第四节点依序串联一第二二极管与一第二半导体开关，而该第二节点为该第二二极管的负极，一电感跨接于所述第一二极管的负极与所述第二二极管的正极间。

17.一种晶格式电池电位平衡器，用以等化串联电池组的电位，其特征在于：

至少一电池跨接于一能量转换电路，该能量转换电路以晶格式架构连接，每一能量转换电路包含一第一半导体开关、一第一二极管、一第二半导体开关、一第二二极管以及一电感，其中所述电感跨接于该第一半导体开关与第一二极管的负极连接点与该第二半导体开关与第二二极管的正极连接点。

18.如权利要求17所述的晶格式电池电位平衡器，其特征在于：所述能量转换电路的该第一半导体开关与该第二半导体开关皆导通时，至少一电池将电能储存于该电感。

19.如权利要求18所述的晶格式电池电位平衡器，其特征在于：所述能量转换电路的第一元件开关导通而第二元件开关关闭时，所述电感释放电能至部分的串联电池组。

20.如权利要求18所述的晶格式电池电位平衡器，其特征在于：所述能量转换电路的第一元件开关关闭而第二元件开关导通时，所述电感释放电能至部分的串联电池组。

21.如权利要求18所述的晶格式电池电位平衡器，其特征在于：所述能量转换电路的第一元件开关且第二元件开关皆关闭时，所述电感释放电能至全部的串联电池组。

22.如权利要求1所述的晶格式电池电位平衡器，其特征在于：所述第一元件开关与第二元件开关为绝缘栅双极电晶体。

23.如权利要求1所述的晶格式电池电位平衡器，其特征在于：所述第一元件开关与第二元件开关为闸关闸流体。

24.如权利要求1所述的晶格式电池电位平衡器，其特征在于：所述第一元件开关与第二元件开关为硅控制整流晶体。

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