200919900 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種電池保護系統，更特別言之，係 關於一電池平衡系統。 5 【先前技術】 在一多個電池的電池組，可能因為電池老化程度 (cell aging)以及電池溫度的不同’而使每一電池的狀 態各自不同。隨著充/放電次數的增加，該等電池間的電 10 壓差也可能逐漸增加，進而導致該等電池間的不平衡 (imbalance )，並可能縮短電池壽命。 如果該等電池間的不平衡達到一定限度，當電池組 在一時間週期内被以一相對高地電流放電時，最脆弱的 電池上的一電壓反向（voltage reversal)會對該最脆弱的 15 電池造成永久性的損壞。 【發明内容】 根據本發明的一實施例，本發明提供一種電池平衡 系統，包括具有一第一電壓的一第一電池、具有一第二 2〇 電壓且與第一電池串聯的一第二電池，第二電/壓大於第一 電壓，以及與第一電池並聯的一旁路路徑，當第一電壓 料二電Μ之間的-差值大於-預設臨界值時，旁路路 徑致能（enabie) #二電池的一旁路電流。旁路電流於一 平衡時間週期被致能，平衡時間週期與第一電壓斑與第 25 二電壓之間的差值成比例。 〃 ' 0467-TW-CH Spec+Claim(filed-20081121) 5 200919900 【實施方式】 以下將δ羊細s兒明本發明的實施例。雖然本發明係結 合此等較佳實施例而描述，然應理解為本發明並不意^ 這些實施例。反之’本發明意欲包含後附申請專 利祀圍所定義的本發明精神和範圍之各種替換、修 及等效物。 / 此外，在本發明下述的詳細描述中，列出 細節從而提供對本發明的全面理解。然而，可^夕特定 是，透過本領域的慣用手段，本發明即可二了解的 定細節而實現。於其它的例子中，本發明 ^些特 要的、隱含的，如眾所周知的方法、步驟、」些非必 路等，進行詳細描述。 疋件以及電 圖1所示為本發明一實施例電池平衡系純 15 20 圖。如圖1所示，電池平衡系統100包括丄具1〇〇方塊 池102—Μ02—Ν之電池組102。為簡明起見，複數電 示出所有的電池。每一該等電池1〇2j_1()2 Ν 中並未 對應之旁路路徑與之並聯。舉例來說，電池有〜相 一包含一電阻106—1之旁路路徑、一電阻1〇6 〜1具有 開關104—1。電池1〇2一2具有一包含一電阻1〇62、以及一 路徑、一電阻106—3、以及一開關104 2 .番、之旁路 —’电池 1〇〇 χτ 有一包含一電阻106一Ν之旁路路徑、—電阻具 以及一開關 104_ Ν。 Ν +1、 於一實施例中’電池平衡系統1〇〇也包括、， 制器（balancing controller) 110、一監測電路 平衝控 一邏輯核心（logic core) 130。平衡控制器 、以及 〇 〇藉由控制 0467-TW-CH Spec+CIaim(fiIed-20081121) 6 25 200919900 對應之開關104_1-104_N來控制每一電池1〇2_1-102_Ν 相對應之旁路路徑（為簡明起見，圖1中未示出所有開 關）。監測電路120得監測該等電池l〇2_M〇2_N的電 壓。邏輯核心130可接收來自該監測電路120的監測信 5 號，並控制平衡控制器110。於一實施例中，邏輯核心 130係為一處理器（例如：一微處理器）或是一狀態機 (state machine ) ° 於一實施例中，監測電路120包括一類比/數位轉換 、 器（Analog-Digital Converter, ADC)。在每一類比/數位轉 ίο 換週期中，類比/數位轉換器確認（check)所有電池 102_M02_N的電池電壓，且邏輯核心130接收來自類比 /數位轉換器的監測信號，以判斷是否有任何電池符合一 不平衡條件。有利之處在於，如果電池符合不平衡條件， 則一對應的旁路路徑會被導通（conducted)，俾使一旁路 15 (或抽出（bleeding))電流可以流經此旁路路徑。 圖2所示為本發明一實施例之電池平衡系統1〇〇執 行流程200。圖2係將結合圖1進行描述。 於一實施例中，電池組102包含具有一第一電壓的 一第一電池以及具有一第二電壓且與第一電池串聯之一 20 第二電池，且第二電壓大於第一電壓。若第一電壓和第 二電壓之間的一差值大於一預設臨界值時，與第二電池 並聯之一旁路路徑得被導通，以致能（enabie)第二電池 的一旁路（或抽出）電流。有利之處在於，第二電池的 旁路電流係於一平衡時間週期内被致能，此平衡時間週 25 期係與第一電壓和第二電壓之間的差值成比例。 0467-TW-CH Spec+Claim(filed-20081121) 7 200919900 於步驟202中，每一該等電池1〇2j_1〇2_n的一電 池電壓被監測。於一實施例中，與該等電池 耦接的監測電路120監測電池電壓，並為每一該等電池 102一1-102—N產生指示每一電池電壓的一監測信號。於一 5 實施例中’監測信號隨後被傳輸至邏輯核心130。於步驟 204中，比較該等電池ι〇2_1-1〇2_Ν的電池電壓。舉例來 說’該等電池102_M02_N的電池電壓可透過邏輯核心 130比較。 於一實施例中，於步驟206，如果一最大電池電壓值 1〇 和一最小電池電壓值之間的一差值大於一預設臨界值， 則流程200轉至步驟210，否則流程200回到步驟202。 舉例來說，如果第一電池1〇2_1具有一最低電池電壓 Vcell—min，第二電池102—2具有一最高電池電壓VCell_max， 且Vcell_min與Vcell_max之間的差值大於預設臨界值，則 15 流程200轉至步驟210。 於步驟210中’δ又疋一與Vcell_min和Vcell_max之間差 值成比例的預設平衡時間T_balancing。於一實施例中， 平衡時間T_balancing係由一控制器（例如邏輯核心130 ) 按照下列方程式決定： 20 T—balancing =(Vcell—max-Veell_min)*Tcd/Vcell—full (1) 其中，Vcelljull表示一完全充電電池之額定（nominal) 電壓，Ted表示耗盡(deplete)—完全充電電池的一放電時 間。如方程式⑴所示’平衡時間T_balancing與Vcell_min 和 Vcell_ max 之間的差值成比例。 25 步驟212中，具有最大電池電壓Vcell-max的電池所 0467-TW-CH Spec+Claim(filed-20081121) 8 200919900 對應的一旁路電流被致能。更具體而言，一平衡控制器 110可接通（switch on)對應的開關，以於平衡時間 T 一 balancing内導通與具有最大電池電壓VcelLmax之電池 並聯的對應旁路路徑。於步驟214中，如果超過（ expire ) 5 平衡時間T—balancing，流程200回到步驟202，開始一 新的週期，否則流程200回到步驟214。 因此’ 一旁路路徑被導通以對具有最大電池電壓 Vcell—max之電池致能一旁路電流。於一實施例中’旁路電 ( ' 流於一平衡時間T_balancing被致能，該平衡時間 10 T—balancing係與vceii_min和VcelLmax之間的差值成比 例’因此’在初始時具有最大電池電壓Vcell max的電池， 其電壓將逐漸地下降至最低電池電壓Vcell_min。依據本發 明一實施例，圖2中所採用的演算法可被執行於不同的 階段，例如電池的充電階段、放電階段或者閒置階段。 15 圖3所示為根據本發明一實施例電池平衡系統100 之操作流程300。圖3將結合圖1進行描述。 〇 於一實施例中，電池平衡系統100不僅可以致能一 電池進行平衡’還可以致能兩個或者兩個以上的電池同 時進行平衡。舉例來說，與一第一電池並聯的一第一旁 20 路路徑可為第一電池致能一第一旁路（抽出）電流。一 第二電池與第一電池串聯耦接，與第二電池並聯的一第 二旁路路徑可致能一第二旁路電流。於一實施例中，如 果第一電池和第二電池均符合一不平衡條件，則第一旁 路電流與第二旁路電流可於一預設定週期（constant 25 Peri〇d)内同時被致能。第一旁路電流流經第一旁路路 0467-TW-CH Spec+Claim(flled-20081121) 9 200919900 徑’第二旁路電流流經第二旁路路徑。 ,p於貝知例中，若第一電池的一第一電壓大於一預 。又臨界值且第—電池的—第：電壓也大於預設臨界 值，則第-電池和第二電池均符合不平衡條件。於另一 實加例中力第-電池的第—電壓與一第三電池的一第 一電壓之間的-第-差值大於—預設臨界值，且第二電 池的第二電壓與第三電池的第三電壓之_—第 亦大於預設臨界值，則第―電池和第二電池均符: 衡條件。 付〇不平 10 15
20 在步驟302中，開始一新類比/數位轉換 驟304巾’—電池102」㈣被選定。在步驟步 如果被選W電池1G2」正處於平衡階段（亦印:’ 路電流流經與電池l〇2_i並聯的一旁路路徑） 一旁 轉到步驟310。 ⑷〜程300 在步驟310巾，電池102」及其與之相鄰 衡會被暫時除能（disabled)(亦即，流經電池的平 與之相鄰的電池所分別對應的旁路路徑上的旁路t ^其 暫時被除能）。舉例來說，若電池1〇2j被選定，電凌會 102—1以及電池1G2_2的平衡會被暫時除能。I，池 102_2被選定，則電池102_j、電池1〇2 2 池 的平衡會被暫時除能。若電池102—Ν被選定， 102 一 N-1和電池102—;^的平衡會被暫時除能。則電池 在步驟312中，監測電路120獲得被選定電、、也 的一電池電壓。更具體而言，監測電路12〇中的一忉2〜i 數位轉換器將指示電池l〇2—i之電池電壓的一盤類比/ 顆比信f虎 0467-TW-CH Spec+Claim(fi]ed-20081121) 10 25 200919900 轉換為一數位信號，並把此數位信號傳輸至邏輯核心 130。在步驟314中，電池102_i及其與之相鄰之電池的 平衡會被重啟（resume)，流程300轉至步驟316。 回到步驟306中，如果被選定的電池102_i並非處於 5 平衡週期階段，流程300轉到步驟308。監測電路120將 獲得被選定電池l〇2_i的一電池電壓。更具體而言，於一 實施例中，監測電路120中的類比/數位轉換器將指示電 池102_i之一電池電壓的一類比信號轉換為一數位信 f 號，並傳送此數位信號至邏輯核心130。接著，流程300 ίο 轉到步驟316。 在步驟316中，若i的值小於電池組102中之電池總 數N，則流程300轉到步驟318。於步驟318中，i值增 加1，於是下一個電池被選中，流程300則回到步驟306。 步驟306之後的步驟已於先前描述，為簡明起見，於此 15 不再贅述。 於步驟316中，若i值不小於該電池組102中的電池 I 總數N，則流程300轉到步驟320。在一實施例中，於步 驟320中，邏輯核心130比較電池102_1-102_N的電池 電壓。於步驟322中，電池102_1-102_N的平衡會被暫 20 時除能。於步驟324中，邏輯核心130檢查是否有任何 電池符合一不平衡條件。於一實施例中，如果有一電池 之電池電壓大於一預設臨界值，則該電池符合不平衡條 件。於一實施例中，如果一電池之電池電壓與同一電池 組102中另一電池的電池電壓之差值大於一預設臨界 25 值，則該電池符合不平衡條件。 0467-TW-CH Spec+Claim(filed-20081121) 11 200919900 有利之處在於，電池平衡系統100可一次平衡一電 池，也可同時平衡多個（兩個或更多個）電池。舉例來說， 根據系統功率容忍度（power tolerance )和電池組溫度考 置，對於具有N個電池的電池組1〇2而言，電池平衡系 5 統1〇〇最多可同時平衡N-1個電池。換言之，電池系統 電路100可同時為N-1個電池致能旁路電流。於一實施 例中，同時進行平衡的電池個數係由邏輯核心13〇決定， 且/或由使用者預設/程式編輯。 於步驟324中，若有一或多個電池符合不平衡條件， 1〇 則流程3〇〇轉到步驟326。於步驟320中，符合不平衡條 件的一或多個電池之一旁路電流被致能。隨後流程300 於一延遲（步驟328)後，回到步驟302，以開始一新的 類比/數位轉換週期。在步驟328中，延遲可被預設，亦 可被設定為零。於步驟324中，若沒有任何電池符合不 15 平衡條件，流程300直接回到步驟302,開始一新的類比 /數位轉換週期。 U 有利之處在於’於一實施例中，電池平衡系統100 藉由持續地監測電池組102中的電池電壓，以一即時 (real-time)更新模式執行電池平衡。不平衡電池於一預 20 設定週期内被平衡。不平衡電池於預設定週期内被平衡 後’電池組中1〇2的電池電壓被再度量測以判斷是否有 任何電池符合不平衡條件。預設定週期可以由一類比/數 位轉換週期決定，例如，小於一類比/數位轉換週期。預 設定週期亦可由使用者在步驟328中設定的一延遲時間 來決定。 0467-TW-CH Spec+Claim(filed-20081121) 12 25 200919900 於一實施例中，圖3中所示之演算法可在電池組1〇2 中之電池處於一充電階段、一放電階段或是一閒置階段 時執行。 圖4所示為根據本發明一實施例電池平衡系統 5 之操作流程400。圖4將結合圖1進行描述。 於一實施例中，電池平衡系統1〇〇可根據電池 1〇2-M〇2-N 的電荷狀態（state-of-charge，SOC)執行電 池平衡。於一實施例中，邏輯核心13〇可測量指示第一 電池的一第一充電位準（level)之一第一電荷狀態以及測 1〇 量指示一第二電池的一第二充電位準之一第二電荷狀 態。於一實施例中，第二電荷狀態係大於第一電荷狀態。 有利之處在於’若第一電荷狀態與第二電荷狀態之間的 一差值大於一預設臨界值時，與第二電池並聯的一旁路 路徑能於一平衡時間週期内為第二電池致能一旁路電 15 流。於一實施例中，平衡時間可被設定為與第一電荷狀 態以及第一電荷狀態之間的差值成比例的一數值。於另 一實施例中，平衡時間可被設定為等於一預設定週期的 一數值。 在步驟402中，電池組1〇2係處於一充電階段。於 20 步驟404中’邏輯核心130判斷是否有任何電池正處於 平衡階段。於一實施例中，如步驟406所示，如果目前 沒有任何電池處於平衡階段，邏輯核心130將讀取於前 一充電/放電週期中所記錄的每一電池102_M02_N的一 元全充電容量（full charge capacity，FCC)。 25 如步驟41〇所示，於一實施例中，如果目前有·一或 0467-TW-CH Spec+Claim(fi led-20081121) 13 200919900 多個電池正處於平衡階段，邏輯核心130會檢查用來決 定一平衡時間之對應計時器。於步驟412中，如果計時 斋尚未逾時（expire)，流程400返回步驟404 ;如果計時 器逾時，則流程400轉到步驟414。於一實施例，在步驟 5 414中’平衡暫時除能，流程400轉到步驟408。 在步驟408中，邏輯核心130可測量電池組102中 每一電池102_M〇2_N的目前電荷狀態。於一實施例中， 每一電池的電荷狀態係由一目前電池容量與一完全充電 容量之間的一比值決定。於一實施例中，電池平衡系統 ίο 100藉由計算每一電池的電荷狀態，可預測哪些電池需要 被平衡。 在步驟416中，所有電池的電荷狀態被比較，舉例 來說，係由邏輯核心130比較。於一實施例中，邏輯核 心130於電池組1〇2中所有電池1〇2_1-1〇2_Ν的電荷狀 15 態間搜尋最大電荷狀態和最小電荷狀態。在步驟418中， 如果最大電荷狀態與最小電荷狀態之間的一差值大於一 預設臨界值，流程400轉到步驟420，否則，流程400轉 到步驟408。步驟408之後的步驟先前已有描述’為簡明 起見’於此不再贅述。 20 在步驟420中，平衡時間T可由邏輯核心130決定。 於一實施例中，平衡時間T與最大電荷狀態及最小電荷 狀態之間的差值成比例。於步驟422中’開始平衡具有 最大電荷狀態的電池（例如透過對應的旁路路徑以致能 其旁路電流），並使對應之計時器開始計時。流程400返 回至步驟404以開始一新週期。有利之處在於’電池平 0467-TW-CH Spec+Claim(filed-20081121) 14 25 200919900 衡系統100可根據每一電池的一電荷狀態，而非由每一 電池的一電池電壓來決定對哪些電池平衡。 於一實施例中，圖4中所示之演算法可在電池組1〇2 中之電池處於一充電階段、一放電階段或是一閒置階段 5 時執行。 圖5A所示為依據本發明一實施例，用於致能一預測 性（look ahead)電池平衡的一電池平衡電路5〇〇A。圖 5A中與圖1編號相同的元件具有類似的功能，為簡明起 () 見，於此不再贅述。 10 有利之處在於，電池平衡電路500A在電池達到預設 最大充電電壓（完全充電電壓）之前致能電池平衡。舉 例來§兒，在一電池電壓達到最大充電電壓之時，電 池的一旁路電流得被致能。透過在電池達到預設最大充 電電壓之前就開始對其進行平衡，能使不平衡電池獲得 15 一較長平衡時間，進而進一步延長電池壽命。於一實施 例中，圖5A中所示的預測性（i〇〇k ahea(j)電池平衡電 U 路500A可被用於電池組102的充電過程中，但不以此為 限。 ' 電池平衡電路500A包括用於電池組1〇2中每—電池 20 1 02-M02-N的充電平衡控制器510—1-510—N。為簡明起 見，圖5A中並未不出所有的充電平衡控制器。在—實施 例中，每—充電平衡控制H 51(U_51〇—N分別監測對應 電池102—1·102—N巾的—電池電壓，並產生用於每 池102」-102_Ν白卜平衡控制信號。每一充電平衡 25器' 谓―1-510,分別接收代表-預設最大電池充電電壓 0467-TW-CH Spec+Claim(filed"20081121) 15 200919900 的一參考仏號522以及代表一預設平衡臨界值的一 信號52G。預設平衡臨界值係小於預設最大電池 (完全充電電壓），例如，為預設最大電池充電厭沾 90%。每-充電平衡控彻51G—丨训―N亦分 ^ 電池102—1_U)2_N的—電池電壓。 代對應 於一實施例中，如果任何電池的一電池電壓 預設最大電池充電電壓，則每一充電平衡控罝= 510_1-510_^產生-充電終止信號54Q—疋 10 15
20 (halt)對電池組102的充電（為簡明起見，圖 = 未示出所有的充電終止信號）。於一實施例中，—並 閘540接收充電終止信號54(L1_54〇—N。如果^ 〇R) 號540—M40—N t中的任-者具有一高位準，^ : 產生-控制信號542以中止供電給電池板1〇2。此 〇 -實施例中，如果一對應電池的一電池電壓 二： 衡臨界值，且職平衡臨界值小於預設最大電池^ 壓：則每-充電平衡控制器51(U_51〇—N產生一電池平 衡信號^致能-旁路電赫過—對應之旁路路徑旁 路電流係藉由接通（switch〇n)對應的開關1〇4—⑽N 而被致能。 — 在一實施例中，圖5A中所示之演算法可在電池組 102中之電池處於一充電階段、一放電階段或是一閒置 段時執行。 依據本發明的一實施例，圖5B所示為圖5A中的一 充電平衡控制m例示性電路圖。與圖5A編號相同的 元件具有相似的功能，為簡明起見，於此不做重複描述。 0467-TW-CH Spec+Claim(flled'20081121) 16 25 200919900 5
15 20 圖5B中的每一充電平衡控制器510_1-510_N具有類 似圖5A中所示的架構。於一實施例中，每一充電平衡控 制器510_1-510__N包含一第一比較器504,用於比較一電 池電壓以及預設最大電池充電電壓（參考信號522)，並 根據一比較結果產生充電終止信號540_1 -540_N。每一充 電平衡控制器510—1-51〇__Ν更包含一第二比較器502,用 於比較電池電壓以及預設平衡臨界值（參考信號520)(例 如，預设平衡臨界值係為預設最大電池充電電壓的 90%)，並根據一比較結果產生一電池平衡信號534。信 號Vcell+以及信號Vcell-係分別耦合至一對應電池的一 正極以及一負極。 據此’本發明於-實施财提供的—電池平衡系統 可根據不同的平衡演算法財衡—電池組，進而降低電 池之間的科衡並延長電池壽命。麵之處找，電池 平衡電路的-平衡/抽出⑽eding)精確度可被預先設 定。舉例來說’如果任兩電池之間之—電池電壓差小於 -預設（可程式化）臨界值’或如果任兩電池之間之— 電池容量差小於-職（可程式化）臨界值，則電 衡可被終止。 τ 上文具體實施例和附圖僅為本發明之常用實施例。 脫離後附申請專利範圍所界定的本發明精神 和保的前提下可以有各種增補、修改和替換。於 本技術領域具有通f知識者應該理解，本發明在實 『的環境和工作要求在不背離發明準。 ^在形式、架構、佈局、比例、材料、元素、組件 0467-TW-CH Spec+Claim(filed-20〇81121) 17 25 200919900 說明而非所變化。因此，在此彼露之實施例僅用於 合法均等^卜本發明之範圍由後附中請專利範圍及其 十疋’而不限於此前之描述。 5
10 15 【圖式簡單說明】 行詳實施例對本發明的技術方法進 使本發明的特徵和優點更為明顯。其中： 的方L為轉本料—實額的—電池平衡系統 操作=所示為根據本發明-實施例的-電池平衡系統 統操核縣剌—電池平衡系 操作=—输據本㈣—實施_ —電池平衡系統 統方=所示為根據本發明-實施例的-電池平衡系 電路圖所示為圖5Α中一充電平衡控制器的一例示性 20 【主要元件符號說明】 100 :電池平衡系統 102 :電池組 102_1-102_Ν :電池 1〇4_1-1〇4_Ν :對應開關 0467-TW-CH Spec+Claim(filed-20081121) 18 25 200919900 106 1、106 2、106 3、106 N、106 N +1 :電阻 _ _ — — — 110 :平衡控制器 120 :監測電路 130 :邏輯核心 5 200 :流程 202〜214 :步驟 300 :流程 Ο 302〜328 :步驟 400 :流程 ίο 402〜422 :步驟 500A :電池平衡電路 502 :第二比較器 504 :第一比較器 510_1-510_N:充電平衡控制器 ◎ 15 520 :參考信號 522 :參考信號 534 :電池平衡信號 540 :或（0R)閘 540_1-540_N:充電終止信號 2〇 542:控制信號 0467-TW-CH Spec+Claim(filed-20081121) 19