TW201301715A - 電池管理系統、方法及其非瞬態電腦可讀媒體 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種電池管理系統、方法及其非瞬態電腦可讀媒體。電池管理系統，包含：一電池模組；以及一控制器，耦接至該電池模組，該控制器包含：一電壓/電流轉換器，將該電池模組的一輸出電壓轉換成一輸出電流，及至少一邏輯器，其中該至少一邏輯器的一輸入電壓取決於該電壓/電流轉換器的該輸出電流和一臨界電流，其中，該控制器根據該邏輯器的一輸出控制該電池模組的至少一充電或一放電。

Description

電池管理系統、方法及其非瞬態電腦可讀媒體
本發明係有關一種電池管理系統、方法及其非瞬態電腦可讀媒體，特別關於一種用於控制電池單元充電和放電的電池管理系統、方法及其非瞬態電腦可讀媒體。
在過去的十幾年中，人們對電子設備(例如，適用於各種場合的功率提供設備)有著越來越濃的興趣。而且由於對功率提供設備的要求逐漸上升，導致了對電池包(例如，可重複充電的電池包)研究的進一步深入。
電池包包含多個串聯耦接的電池單元。當其中一個電池單元受損時，整個電池包的壽命將會縮短。而且任意兩個電池單元之間的不均衡也將會縮短電池包的壽命。圖1是現有鉛酸電池包100的示意圖。由於其結構簡單，鉛酸電池包100主要應用於低耗設備中。除此之外，電池包也可以使用鋰離子電池。
電池包100包含多個串聯耦接的電池模組101-104。每個電池模組101-104包含六個電池單元111-116和兩個電極120和129。
電池包中每個電池單元的電壓都需要進行單獨監控。這樣的監控可以更精確地控制電池單元的充電和放電，而且當電池單元的電流的電壓位準處於過壓(Over Voltage，簡稱為：OV)狀況或低壓(Under Voltage，簡稱為：UV)狀況時，可以阻止電池單元充電或放電。當電池單元電壓很低時，尤其是鋰離子電池，會有類似內部短路的故障發生。因此，當電池單元的電壓值很低時，理想的充放電電路會阻止進一步的充電或放電。同時，如果電池單元的輸出電壓很高時，電路會阻止對過壓電池單元的進一步充電，進而預防過壓電池單元受損或爆炸。
現有技術採用複雜的帶有放大器的電壓轉換器和電壓感應電阻或者其他方法，透過利用MOSFET的臨界電壓來檢查電池單元的電壓是否過低。這種現有技術成本高，功耗高。另外，現有技術由於過於簡單而不適合設計需求。而且更進一步，當使用MOSFET的臨界電壓來檢查單個電池單元的輸出電壓時，MOSFET的臨界電壓不夠精確，不能滿足多種需求。而且MOSFET的臨界電壓會隨著過程的變化和溫度的變化等等而變化。
本發明要解決的技術問題在於提供一種用於控制電池單元充電和放電的電池管理系統、方法及其非瞬態電腦可讀媒體。
為解決上述技術問題，本發明提供一種電池管理系統，包含：一電池模組；以及一控制器，耦接至該電池模組，該控制器包含：一電壓/電流轉換器，將該電池模組的一輸出電壓轉換成一輸出電流，及至少一邏輯器，其中該至少一邏輯器的一輸入電壓取決於該電壓/電流轉換器的該輸出電流和一臨界電流，其中，該控制器根據該邏輯器的一輸出控制該電池模組的至少一充電或一放電。
本發明進一步提供了一種控制電池管理方法，包含：將一電池模組的一輸出電壓轉換成一電流；將該轉換電流與一臨界電流比較；根據該轉換電流與該臨界電流的一比較結果判斷一邏輯器的一輸入信號；以及根據該邏輯器的一輸出信號對該電池模組進行至少一充電或一放電控制。
本發明進一步提供了一種非瞬態電腦可讀媒體，包含控制一電池模組的電腦可執行指令，其中，該電腦可執行指令包含：將該電池模組的一輸出電壓轉換成一電流的指令；比較該轉換電流與一臨界電流的指令；對一邏輯器的一輸入信號進行一邏輯判斷的指令，其中該輸入信號取決於該轉換電流與該臨界電流的一比較結果；控制該電池模組進行至少一充電或一放電的指令，其中該控制取決於該邏輯器的一輸出信號。
本發明提供了一種用於控制電池單元充電和放電的電池管理系統、方法及其非瞬態電腦可讀媒體，以透過將電池單元的電壓轉換成電流，並將轉換電流與預設臨界電流進行比較，進而確定邏輯器的輸入信號，根據邏輯器的輸出信號來控制充電和放電。其中臨界電流包含過壓臨界值、低壓臨界值和充電允許臨界值。這樣可以更靈活地檢測多種臨界值情況，而且每個保護臨界值都可以得到精確的控制，且不受溫度變化，過程變化等等的影響。
以下將對本發明的實施例及其附圖給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解為這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由所附權利要求所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種可選項、可修改項和等同項。此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，闡明了大量的具體細節。然而，本領域技術人員將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實施例中，對於大家熟知的方案、流程、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明的主旨。
本發明提供了一種用於充電和放電控制的單個電池單元電壓檢測的解決方案。本發公開的多個實施例提供了用於電池單元充放電控制的電池單元電壓檢測方法。如下所述，這樣的檢測和控制提供了不僅靈活而且準確的可控臨界值，而且該值不受過程變化和溫度變化的影響。
傳統的低壓檢測方法是比較單個電池單元的輸出電壓與預先設定的參考電壓。如果電池單元電壓小於參考電壓，就會產生一個邏輯信號來阻止進一步的充電或放電。這種方法要求額外的功耗，而且當目標電池單元電壓已經很低時，參考電壓可能出現錯誤或者比較器不能正常工作，進而失去控制。
另外一種方法是使用MOSFET的臨界電壓作為電池單元低壓臨界值。當任意電池單元電壓低於MOSFET臨界電壓時，則會回報一低壓訊息。如圖2所示，當電池單元電壓(例如：電池單元202a)小於PMOSFET 204a的臨界值時，電阻206a上的壓降是零，並且產生一個低壓控制信號。
類似地，如圖3所示，當電池單元(例如，電池單元302)的電壓小於PMOSFET 306的臨界電壓或電池單元304的電壓小於NMOSFET 308的臨界電壓時，圖3中的電壓檢測和控制電路回報電池單元低壓狀況，並阻止對低壓電池單元進一步的充電或放電。
採用上述任何一種方法都存在諸多不足。因為MOSFET的臨界電壓是固定的而且由過程決定，所以滿足不了低壓充放電保護的要求。而且MOSFET臨界電壓隨溫度的變化而變化。當電池單元電壓大於MOSFET臨界電壓時，需要一個很大的上拉/下拉電阻來控制功耗。
在一個實施例中，檢測電路包含電壓/電流轉換單元和提供電池包中每個電池單元臨界值的電流源。根據MOSFET有效區漏電流等式，電壓/電流轉換單元的輸出電流可以由下式得到(電池單元電壓已知)：
式(1)中，VTP是PMOSFET的臨界值，K=μpCox(W/L)/2是由過程參數和通道尺寸(寬長比)決定的常數。從等式中可以看出輸出電流僅隨電池單元電壓(VCELL)的增大而增大。當RS的值足夠大時，上述等式的第二部分(即：(1+))可以忽略。因此，電壓/電流轉換單元的輸出電流與電池單元輸入電壓成線性關係(即：I MP =)。如果預設電流ITH已知，對應的電壓臨界值由下式得到：
其中VTH是充電或放電允許電壓臨界值，ITH是預設的充電或放電允許電流臨界值。
可以看出的是，一旦電阻RS確定並且PMOSFET的尺寸固定，充放電的允許電壓臨界值就由預設的電流臨界值ITH決定。
如圖4所示，當電池單元(單元1-單元4)的輸出電壓足夠高時，電壓/電流轉換器402的輸出電流(IMP1-IMP4)大於預設的臨界電流ITH1，邏輯器404和406輸入端對應節點(Out1-Out4)的壓降會增加至高電位準。在一個實施例中，當邏輯器的輸入是高電位準時，輸出為邏輯1，在3V-5V之間。如下所述，在圖4中，當電池單元(單元1-單元4)的輸出電壓足夠低時，電壓/電流轉換器402的輸出電流(IMP1-IMP4)小於預設的臨界電流ITH1，邏輯器404和406輸入端對應節點(Out1-Out4)的壓降會減小至低電位準。在一個實施例中，當邏輯器的輸入是低電位準時，輸出為邏輯0，在0-2V之間。以下的描述中，臨界電流ITH1可以選用特定電流值，比如：過壓臨界電流、低壓臨界電流以及充電允許臨界電流。
例如，如圖4所示，當電池單元(單元1-單元4)的輸出電壓足夠高時，電壓/電流轉換器402的輸出電流大於預設的過壓臨界電流(IOV_TH)，耦接至反或閘404和反及閘406輸入端的對應節點(Out1-Out4)的壓降會增加至高電位準。節點(Out1-Out4)為高電位準會使得反或閘404的輸入是邏輯高信號，進而使得其輸出信號為邏輯低信號。當控制器408從反或閘404的輸出端接收邏輯低信號(例如：邏輯0)時，控制器408透過斷開充電開關來終止電池單元(單元1-單元4)的電流進行充電週期。當其中一個電池單元(單元1-單元4)的輸出電壓超過過壓臨界值時，透過斷開充電電路開關來阻止充電系統可能出現的過壓情況。在另一個實施例中，控制器408在斷開充電電路(透過斷開充電開關)之前使用一個定時延時。控制器408透過使用這樣的延時來確定過壓測量是一種實際中使用的測量方式，而不僅僅是短暫的電壓驟升或臨時的電壓增加現象。
如圖4所示，控制器408也可以透過比較電壓/電流轉換器402的輸出電流與充電允許臨界電流(ICP_TH)的大小來初始化充電週期。當電池單元(單元1-單元4)的電壓足夠高時，電壓/電流轉換器402的輸出電流(IMP1-IMP4)大於預設的充電允許臨界電流(ICP_TH)，每個對應節點的壓降會增加至高電位準。輸出節點為高電位準使得反或閘404和反及閘406的每個輸入信號為邏輯高信號。反及閘406的輸入信號都為高會導致其輸出信號為邏輯低信號。因此，只有當所有電池單元電壓都大於充電允許臨界電壓時，控制器408會從反及閘406接收到邏輯低信號，並且透過閉合充電開關來開始充電週期。這樣的充電允許過程會阻止對出現異常的低輸出電壓的破損的或無用的電池進行充電。在另一個實施例中，控制器408在閉合充電電路(透過閉合充電開關)之前使用一個定時延時。控制器408透過使用這樣的延時來確定電壓輸出測量是一種實際中使用的測量方式，而不僅僅是短暫的電壓驟升或臨時的電壓增加現象。
如圖4中進一步所示，控制器408也可以透過比較電壓/電流轉換器402的輸出電流與低壓臨界電流(IUV_TH)的大小來控制放電週期。當所有電池單元的輸出電壓(單元1-單元4)足夠高時，電壓/電流轉換器402的輸出電流(IMP1-IMP4)大於預設的低壓臨界電流(IUV_TH)，每個對應的節點的壓降會增加至高電位準。節點的高電位準使得反或閘404和反及閘406的輸入信號為邏輯高信號。反及閘406的輸入信號都為高會導致其輸出信號為邏輯低信號。因此，只有當所有電池單元電壓都大於低壓臨界值時，控制器408才會從反及閘406接收到邏輯低信號，並且透過閉合放電開關來繼續電流進行放電週期。也就是說，當任意的電池單元(單元1-單元4)輸出電壓降到低於低壓臨界值時，放電電路斷開並且電流進行放電週期停止。這樣的電壓(低壓)輸出可以透過放電週期中對電池單元合理的放電得到，或者由於電池單元的缺陷或其他原因，放電週期會被中斷。
如上所述，當所有電池單元(單元1-單元4)的輸出電壓大於低壓臨界值時，放電週期會繼續，只有單個電池單元的輸出電壓小於低壓臨界值時會中斷放電週期。例如，當任意電池單元(單元1-單元4)的輸出電壓足夠低時，電壓/電流轉換器402的輸出電流(IMP1-IMP4)小於預設的低壓臨界電流(IUV_TH)，對應節點的壓降減小至低電位準。輸出節點的低電位準使得反或閘404和反及閘406的輸入信號為邏輯低信號。反及閘406的輸入信號為邏輯低信號才會導致其輸出信號為邏輯高信號。因此，當任意電池單元(單元1-單元4)電壓小於低壓臨界值時，控制器408從反及閘406接收邏輯高信號，並透過斷開放電開關來停止電流進行放電週期。在另一個實施例中，控制器408在斷開放電電路(透過斷開放電開關)之前使用定時延時。控制器408透過使用這樣的延時來確定低壓測量是一種實際中使用的測量方式，而不僅僅是短暫的電壓驟降或臨時的電壓減小現象。
在一個實施例中，所有電池單元的臨界電流是根據預設源電流IS產生的鏡像電流。圖5描述的是一種產生源電流的方法。如圖5所示，圖中的PMOSFET MP與圖4中電壓/電流轉換器402中的PMOSFET具有相同的類型和尺寸，而且PMOSFET之間互相匹配。圖5中的電阻RS同樣與圖4中電壓/電流轉換器402中的電阻具有相同的尺寸，而且電阻間互相匹配。NMOSFET MN0-MN4包含電流鏡並具有單位比率。實際設計中，柵極電流鏡(cascode current mirror)可以提高輸出阻抗，因此，輸出電壓不會影響電流鏡的性能。
如圖5所示，電壓/電流轉換器502使用可選擇的參考電壓，進而得到可選擇的臨界電流(IMP1-IMP4)。例如，當開關S耦接到與VCC有關的參考電壓VUV_TH時，電流鏡產生的輸出電流是IUV_TH。圖4中的控制器408仍可用來執行上述描述的低壓檢測。由於參考電流產生器和電池單元電壓/電流產生器502使用相同的電路，而且相互匹配，因此，電池單元低壓臨界電流完全由VUV_TH決定並與電阻RS的阻值和PMOSFET的變化無關。唯一的要求是上述提到的匹配度。所以，該設計不隨過程變化而變化，並且可以很好地定義保護臨界值。
類似地，當開關S耦接到參考電壓VOV_TH時，圖4和圖5中如上所述的電壓檢測和充放電控制電路用來檢測所有電池單元(單元1-單元4)的過壓情況。當開關S耦接到參考電壓VCP_TH時，圖4和圖5中如上所述的充放電控制電路用來檢測所有電池單元(單元1-單元4)的充電允許情況。
圖6是透過檢測電池單元輸出電壓來決定對電池單元充電和/或放電的操作過程步驟圖。圖6的步驟602中，電池單元的輸出電壓轉換成電流。如上所述，轉換過程透過電壓/電流轉換器實現。
圖6的步驟604中，轉換電流與臨界電流比較。在一個實施例中，臨界電流對應的是充電允許臨界電流。在另一個實施例中，臨界電流對應的是過壓臨界電流。在另一個實施例中，臨界電流對應的是低壓臨界電流。在另一個實施例中，臨界電流可以變化地選擇充電允許臨界電流、過壓臨界電流和低壓臨界電流中的一種。
圖6的步驟606中，設置邏輯器的輸入端的輸入電壓。邏輯器的輸入電壓取決於轉換電流與臨界電流的比較結果。如上所述，當轉換電流大於臨界電流時，邏輯器的輸入電壓是高輸入信號。在一個實施例中，邏輯器是反及閘和/或反或閘。
圖6的步驟608中，電池單元的充電或放電由邏輯器的輸出信號決定。
對電池單元輸出電壓進行充放電控制的檢測電路的實施例具有如下優點：
1.電壓/電流轉換器和預設臨界電流的使用可以更靈活地檢測多種臨界值情況，例如過壓情況、低壓情況和充電允許情況。
2.上述提到的每個保護臨界值可以得到精確的控制。如上所述，現有傳統系統的保護臨界值是由MOSFET臨界電壓決定。
3.最後，如上所公開的實施例不受過程變化的影響。與傳統系統中使用的MOSFET臨界電壓不同，MOSFET臨界電壓會隨著溫度變化、過程變化等等而變化。
上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離申請專利範圍所界定的本發明精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元件、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅說明而非限制，本發明之範圍由後附申請專利範圍及其合法等同物界定，而不限於此前之描述。
100．．．鉛酸電池包
101~104．．．電池模組
111~116．．．電池單元
120．．．電極
129．．．電極
202a~202g．．．電池單元
204a~204b．．．PMOSFET
206a~206b．．．電阻
302．．．電池單元
304．．．電池單元
306．．．PMOSFET
308．．．NMOSFET
402．．．電壓/電流轉換器
404．．．邏輯器
406．．．邏輯器
408．．．控制器
502．．．電壓/電流轉換器
602~608．．．步驟
VUV_TH．．．參考電壓
VCP_TH．．．參考電壓
VOV_TH．．．參考電壓
圖1是一種現有技術的電池包簡化示意圖；
圖2是一種現有技術的電池單元電壓檢測和放電控制電路簡化示意圖；
圖3是一種現有技術的電池單元電壓檢測和充電控制電路簡化示意圖；
圖4是根據本發明一個實施例的帶有電池充放電控制電路系統的電池單元電壓檢測電路簡化示意圖；
圖5是根據本發明一個實施例的帶有可變電壓臨界值的電池單元電壓檢測電路的部分簡化示意圖；以及
圖6是根據本發明一個實施例的方法步驟流程圖。
602~608．．．步驟

Claims (24)

  1. 一種電池管理系統，包含：一電池模組；以及一控制器，耦接至該電池模組，該控制器包含：一電壓/電流轉換器，將該電池模組的一輸出電壓轉換成一輸出電流，及至少一邏輯器，其中該至少一邏輯器的一輸入電壓取決於該電壓/電流轉換器的該輸出電流和一臨界電流，其中，該控制器根據該至少一邏輯器的一輸出控制該電池模組的至少一充電或一放電。
  2. 如申請專利範圍第1項的電池管理系統，其中，該電池模組包含多個電池單元。
  3. 如申請專利範圍第2項的電池管理系統，其中，該至少一邏輯器進一步接收多個輸入電壓，該多個輸入電壓分別取決於該臨界電流和對應的該電壓/電流轉換器的多個輸出電流，其中該多個電池單元中每個電池單元的一輸出電壓對應該電壓/電流轉換器的該輸出電流。
  4. 如申請專利範圍第1項的電池管理系統，其中，該電壓/電流轉換器包含一金屬氧化物半導體場效電晶體。
  5. 如申請專利範圍第1項的電池管理系統，其中，該電池模組的數量為多個時，該控制器的數量為多個，其中，該多個電池模組的充電和放電由分別對應的該多個控制器所控制。
  6. 如申請專利範圍第1項的電池管理系統，其中，該電池模組的數量為多個，其中，該多個電池模組的充電和放電由該控制器所控制。
  7. 如申請專利範圍第1項的電池管理系統，其中，該臨界電流是過壓臨界電流、低壓臨界電流和充電允許臨界電流中的一種。
  8. 如申請專利範圍第1項的電池管理系統，其中，該電壓/電流轉換器的一開關參考電壓包含一過壓臨界電壓、一低壓臨界電壓和一充電允許臨界電壓，以產生可選的並對應的一過壓臨界電流、一低壓臨界電流和一充電允許臨界電流。
  9. 如申請專利範圍第1項的電池管理系統，其中，該電壓/電流轉換器的一開關參考電壓產生多個臨界電流，並且其中該臨界電流不受過程變化或溫度變化的影響。
  10. 如申請專利範圍第1項的電池管理系統，其中，該至少一邏輯器包含反或閘或者反及閘中的至少一個。
  11. 如申請專利範圍第10項的電池管理系統，其中，當該電壓/電流轉換器的該輸出電流大於該臨界電流時，該至少一邏輯器的一輸入是一邏輯高信號，以及當該電壓/電流轉換器的該輸出電流小於該臨界電流時，該至少一邏輯器的該輸入是一邏輯低信號。
  12. 一種控制電池管理方法，包含：將一電池模組的一輸出電壓轉換成一轉換電流；將該轉換電流與一臨界電流比較；根據該轉換電流與該臨界電流的一比較結果判斷一邏輯器的一輸入信號；以及根據該邏輯器的一輸出信號對該電池模組進行至少一充電或一放電控制。
  13. 如申請專利範圍第12項的控制電池管理方法，其中，該電池模組包含多個電池單元。
  14. 如申請專利範圍第13項的控制電池管理方法，其中，該邏輯器進一步對多個輸入信號執行一邏輯運算，並且該多個輸入信號分別取決於該臨界電流和對應的該轉換電流的一比較結果，其中該多個電池單元中每個電池單元的一輸出電壓對應該電壓/電流轉換器的該輸出電流。
  15. 如申請專利範圍第12項的控制電池管理方法，其中，該電池模組的數量為多個，其中該多個電池模組的充電和放電由多個分別對應的該多個控制器所控制。
  16. 如申請專利範圍第12項的控制電池管理方法，其中，該電池模組的數量為多個，其中該多個電池模組的充電和放電由該控制器所控制。
  17. 如申請專利範圍第12項的控制電池管理方法，其中，該臨界電流是一過壓臨界電流、一低壓臨界電流或者一充電允許臨界電流中的一種。
  18. 如申請專利範圍第12項的控制電池管理方法，進一步包含：選擇該臨界電流，其中所選擇的該臨界電流是一過壓臨界電流、一低壓臨界電流和一充電允許臨界電流中的一種。
  19. 如申請專利範圍第18項的控制電池管理方法，進一步包含：選擇多種臨界電流中的一個，而且其中所選擇的該臨界電流不受過程變化或溫度變化的影響。
  20. 如申請專利範圍第12項的控制電池管理方法，其中，該邏輯器包含反或閘或者反及閘中的至少一個。
  21. 如申請專利範圍第20項的控制電池管理方法，其中，當該轉換電流大於該臨界電流時，該邏輯器的一輸入是一邏輯高信號，以及當該轉換電流小於該臨界電流時，該邏輯器的該輸入是一邏輯低信號。
  22. 一種非瞬態電腦可讀媒體，包含控制一電池模組的電腦可執行指令，其中，該電腦可執行指令包含：將該電池模組的一輸出電壓轉換成一電流的指令；比較該轉換電流與一臨界電流的指令；對一邏輯器的一輸入信號進行一邏輯判斷的指令，其中該輸入信號取決於該轉換電流與該臨界電流的一比較結果；控制該電池模組進行至少一充電或一放電的指令，其中該控制取決於該邏輯器的一輸出信號。
  23. 如申請專利範圍第22項的電腦可執行指令，其中，該邏輯器包含反或閘或者反及閘中的至少一個。
  24. 如申請專利範圍第22項的電腦可執行指令，其中，當該轉換電流大於該臨界電流時，該邏輯器的一輸入是一邏輯高信號，以及當該轉換電流小於該臨界電流時，該邏輯器的該輸入是一邏輯低信號。
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