TW202224306A - 電壓平衡電路及其充電時平衡電池電壓的方法 - Google Patents

Abstract

本發明為一種電壓平衡電路，包括一電池模組，電池模組包括有複數電 池串聯；一分壓模組包括有複數洩放電阻，每一洩放電阻皆與每一電池並聯而設；一偵測模組包括有複數熱敏電阻及一微控制器，每一熱敏電阻皆設置在每一洩放電阻的旁邊，每一熱敏電阻皆與微控制器相連；及一控制模組包括有複數開關、一類比前端元件，每一開關皆與每一洩放電阻串聯，且與每一電池並聯，每一開關皆與類比前端元件相連接，類比前端元件與微控制器相連接，所述微控制器能即時計算出所述熱敏電阻的溫度值，進而將溫度的資訊傳送給所述類比前端元件以控制開關。

Description

電壓平衡電路及其充電時平衡電池電壓的方法

本發明係提供一種電壓平衡電路及其充電時平衡電池電壓的方法，尤指一種能在複數電池同時進行充電時，即時調整每一電池的充電電壓的電壓平衡電路。

習知的電池組在充電的過程中，若是沒有搭載平衡功能，當有電池芯已充滿電，會被視為整組電池組已充飽電。然而實際上，其中會有某幾個電池芯處於尚未充飽電的狀態。放電時，當有電池芯電量歸零時，則會視為電池組放光電，然而實際上，其中會有某幾個電池還沒有完全放電。故需要在電池組中加上電壓均衡管理系統來平衡各電池充電時的電壓狀況。

現有的電壓均衡管理系統，是將每一電池另外並聯接一洩放電阻，如此較高電壓的電池能在充電的過程中，藉由一部分的電壓進入洩放電阻進行放電，以降低進入電池中的電壓。

然而，由於電流流進洩放電阻時，電能會轉化為熱能消耗，故洩放電阻的溫度會持續上升。當溫度過高時，容易影響或損害到其他元件。

因此，有必要提供一種電壓平衡電路，得以即時地控制洩放電阻的放電狀況，以使複數電池在充電時，能不斷地平衡電壓且控制洩放電組的溫度。

本發明之主要目的乃在於一種電壓平衡電路，包括一電池模組，電池模組包括有複數電池串聯；一分壓模組包括有複數洩放電阻，每一洩放電阻皆與每一電池並聯而設；一偵測模組包括有複數熱敏電阻及一微控制器，每一熱敏電阻皆設置在每一洩放電阻的旁邊，每一熱敏電阻皆與微控制器相連；及一控制模組包括有複數開關、一類比前端元件，每一開關皆與每一洩放電阻串聯，且與每一電池並聯，每一開關皆與類比前端元件相連接，類比前端元件與微控制器相連接，所述微控制器能即時計算出所述熱敏電阻的溫度值，進而將溫度的資訊傳送給所述類比前端元件以控制開關。

承上所述，本發明電壓平衡電路能藉由所設置的熱敏電阻即時感測洩放電阻的溫度變化，即時切換開關與洩放電阻之間的導通或斷開狀態。如此能持續地平衡每一電池的電壓狀況。以使低電壓狀態的電池能完全充電。

100:電壓平衡電路

1:電池模組

11:電池

111:第一電池

112:第二電池

2:分壓模組

21:洩放電阻

211:第一洩放電阻

212:第二洩放電阻

3:偵測模組

31:熱敏電阻

32:固定電阻

33:微控制器

4:控制模組

41:開關

411:第一開關

412:第二開關

42:類比前端元件

51:第一節點

52:第二節點

53:第三節點

54:第四節點

55:第五節點

56:第六節點

61:第一電阻

62:第二電阻

7:內部電源

S801~S809:步驟

第一圖係本發明電壓平衡電路之系統方塊圖。

第二圖係本發明電壓平衡電路之電路圖。

第三圖係本發明電壓平衡電路中偵測模組的電路圖。

第四圖係本發明電壓平衡電路中部分的電路圖。

第五圖係本發明電壓平衡電路中第一開關及第二開關皆呈斷開狀態電流流動方向時的電路圖。

第六圖係本發明電壓平衡電路中第一開關呈導通狀態電流流動方向時的電路圖。

第七圖係本發明電壓平衡電路中第一開關呈導通狀態而第二開關呈斷開狀態電流流動方向時的電路圖。

第八圖係本發明電壓平衡電路中第一開關及第二開關皆呈導通狀態電流流動方向時的電路圖。

第九圖係本發明電壓平衡電路中第一開關呈斷開狀態而第二開關呈導通狀態電流流動方向時的電路圖。

第十圖係本發明電壓平衡電路之平衡複數電池充電時的電壓方法的流程圖。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及其構造，茲繪圖就本發明之較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全瞭解。

請參閱第一圖至第四圖，本發明電壓平衡電路100包括有一電池模組1、一分壓模組2、一偵測模組3及一控制模組4。

電池模組1與一外接電源連接以對電池模組1進行充電。電池模組1包括有複數電池11串聯。

分壓模組2包括有複數洩放電阻21，每一洩放電阻21皆與每一電池11並聯而設。分壓模組2能使得進入電池11的電流會有部分進入洩放電阻21。如此能對電池模組1進行分流。

偵測模組3包括有複數熱敏電阻31、複數固定電阻32及一微控制器33(Microcontroller Unit；MCU)。每一熱敏電阻31皆設置在每一洩放電阻21的旁邊。以感測洩放電阻21的溫度變化。每一熱敏電阻31皆與每一固定電阻32串聯，固定電阻32接地。微控制器33與熱敏電阻31及固定電阻32並聯，以讀取內部電源7對熱敏電阻31及固定電阻32的分壓值獲得溫度訊號。

熱敏電阻31具有電阻值隨溫度的變化而改變的特性。固定電阻32具有固定的電阻值。微控制器33藉由擷取內部電源7對固定電阻32及熱敏電阻31的分壓值，進而計算出熱敏電阻31的溫度值。具體地，由於固定電阻32為一固定的電阻值，故當熱敏電阻31隨溫度的變化會產生電阻值的改變，微控制器33能藉由電阻值的改變即時計算出熱敏電阻31的溫度值。

控制模組4包括有複數開關41、一類比前端元件42(Analog Front End；AFE)。該開關41為一種MOSFET開關。該MOSFET開關能藉由接收訊號以進入導通或斷開的狀態。每一開關41皆與每一洩放電阻21串聯，且與每一電池11並聯。如此當充電電壓進入電池11時，會有部分電壓進入洩放電阻21。開關41平時與洩放電阻21成斷路狀態。故平時電池11進行充電時，為充電電流完整的電流對電池11進行充電。每一開關41皆與類比前端元件42相連接。類比前端元件42也與微控制器33相連接，當微控制器33計算出熱敏電阻31的溫度值時，會將該溫度值傳輸給類比前端元件42。類比前端元件42中設定有溫度的上、下限值。當接收到的溫度抵達下限值時，且符合啟動平衡裝置，會使開關41與洩放電阻21接通。當接收到的溫度抵達上限值時，會使開關41與洩放電阻21斷開。

當電池模組1開始進行充電時，類比前端元件42會偵測每一電池11的電壓狀況，以找出當前電壓最低的電池11。類比前端元件42再以當前電壓最低的電池11為基準，而電壓高於該最低電壓的電池11，類比前端元件42會給與其所連接的開關41一訊號，使得開關41與洩放電阻21導通以對該電池11進行分流。如此在充電的過程中，最低電壓的電池11能得到完整的充電電流，而電壓高於該最低電壓的電池11會由於開關41與洩放電阻21的導通，導致部分電流進入洩放電阻21，從而得到較低的充電電流。如此能逐漸將每一電池的電壓平衡，避免最低電壓的電池11在複數電池11同時充電的情況下，電壓無法充滿的情況。

當電流流過洩放電阻21時，洩放電阻21將電能轉化為熱能消耗，使得洩放電阻21會持續發熱，導致洩放電阻21的溫度不斷升高。該溫度若是過高會影響到其他的元件。

故藉由將熱敏電阻31設置於洩放電阻21的旁邊。當洩放電阻21的溫度升高時，該溫度即會傳導至熱敏電阻31，使得熱敏電阻31因受熱而改變電阻值。而微控制器33會持續計算出內部電源7對熱敏電阻31及固定電阻32的分壓值獲得熱敏電阻31的溫度值，並將溫度值持續發送訊號給類比前端元件42，類比前端元件42即會判斷是否超過超過所設定的上限值，當溫度值超過所設定的上限值時，會發送訊號給開關41以斷開開關41及洩放電阻21，以停止分流，此時部分電流即不會進入洩放電阻21，流進該電池11的電流回歸完全，而洩放電阻21會開始降溫。

當洩放電阻21的溫度開始降溫時，熱敏電阻31受到溫度降低而改變電阻值。微控制器33會持續計算出內部電源7對熱敏電阻31及固定電阻 32的分壓值獲得熱敏電阻31的溫度值，並將溫度值持續發送訊號給類比前端元件42，類比前端元件42即會判斷是否超過低於所設定的下限值，當溫度值低於所設定的上限值且該電池11的電壓高於當前最低電壓的電池11時，會發送訊號給開關41以導通開關41與洩放電阻21，此時部分電流即會進入洩放電阻21，以進行分流，而洩放電阻21會開始升溫。如此能持續地平衡每一電池的電壓狀況。以使低電壓狀態的電池能充滿。

請參閱第十圖，當複數所述電池開始進行充電時，所述平衡電壓的方法包括以下步驟：

S801：類比前端元件偵測每一電池的電壓狀況；

S802：所述類比前端元件會給予電壓高於最低電壓的所述電池所連接的所述開關一訊號；

S803：所述開關與洩放電組導通，部分電壓進入洩放電阻，所述洩放電阻持續升溫；

S804：熱敏電阻因洩放電阻持續的溫度變化，而持續改變電阻阻值；

S805：微控制器持續計算出熱敏電阻的溫度值，並將溫度值持續發送給類比前端元件；

S806：當溫度值超過類比前端元件中所設定的上限值時，會發送訊號給開關以斷開開關及洩放電阻，洩放電阻開始降溫；

S807：當溫度值低於類比前端元件中所設定的上限值且該電池的電壓高於當前最低電壓的電池時，類比前端元件會發送訊號給開關以導通開關與洩放電阻，而洩放電阻會開始升溫；

S808：複數在充電完成前，持續重複步驟S806及步驟S807；

S809：充電完成。

執行步驟S807時，若溫度值低於類比前端元件中所設定的上限值且該電池的電壓等於當前最低電壓的電池時，類比前端元件不會發送訊號給開關進行導通。

請參閱第三圖至第五圖，本發明的實施例中，複數電池11分為一第一電池111及至少一第二電池112。複數洩放電阻21分為一第一洩放電阻211及至少一第二洩放電阻212。複數開關41分為一第一開關411及至少一第二開關412。

第一電池111與第一洩放電阻211並聯，第一洩放電阻211與第一電池111的迴路之間設有一第一開關411，第一電池111、第一洩放電阻211及第一開關411形成一可開關的分流電路迴路。第一開關411與類比前端元件42相連。

第一電池111的負極連接一第一節點51，第一節點51與第一開關411之間連接有一第二節點52，第二節點52與類比前端元件42之間連接有一第三節點53，第一開關411延伸一電路與第三節點53相連。第二節點52與第三節點53之間還連接有至少一第一電阻61。第一電阻61具有穩定類比前端元件42及第一開關411間之訊號傳輸的作用。

第一洩放電阻211能使得電路產生分流的效果，當第一開關411接通以將第一洩放電阻211及第二節點52接通時，會形成一分流的迴路。當外接電源對第一電池111進行充電時，電流會往第一電池111進入，並且會分出一部分的電流往第一洩放電阻211的方向進入，如此能降低流往第一電池111的電 流。此時，第一洩放電阻211會受到電流流過的影響，而產生熱能，使得第一洩放電阻211的溫度上升。

第二電池112與第二洩放電阻212並聯，第二洩放電阻212與第二電池112的迴路之間設有一第二開關412，第二電池112、第二洩放電阻212及第二開關412形成一可開關的分流電路迴路，第二開關412與類比前端元件42相連。

第二電池112的正極與第一節點51相連接，第二洩放電阻212的一端與第二節點52相連接，另一端與第二開關412相連接。第二電池112的負極連接有一第二開關54，第二開關54與開關之間連接有一第五節點55，第五節點55與類比前端元件42之間連接有一第六節點56，第六節點56延伸一電路與第二開關412相連接，第五節點55與第六節點56之間設有至少一第二電阻62。第二電阻62具有穩定類比前端元件42及第二開關412間之訊號傳輸的作用。

當設有兩個第二電池112、兩個第二洩放電阻212及兩個第二開關412時，其組成及連結方式大致上與上述的連結方式相同，不同的地方在於，新增設的第二電池112正極是與前述的第二開關412相連接。新增設的第二洩放電阻212與前述的第六節點56相連接。

當設有複數第二電池112、複數第二洩放電阻212及複數第二開關412時，其組成及連結方式與上述設有兩個第二電池112、兩個第二洩放電阻212及兩個第二開關412時的連結方式相同。

熱敏電阻31設置於第一洩放電阻211及每一第二洩放電阻212的旁邊。熱敏電阻31的一端與一內部電源7連接，熱敏電阻31的另一端連接有一 第七節點57。第七節點57延伸一電路與微控制器33相連。第七節點57延伸另一電路與固定電阻32相連。固定電阻32的另一端接地。

續參閱第五圖，第一開關411及每一第二開關412平時與第一洩放電阻211及每一第二洩放電阻212皆處於斷路狀態，使得每一分流電路迴路平時不導通。此時，充電的電流僅會流過串聯的第一電池111及至少一第二電池112以進行充電。

請參閱第六圖，當第一開關411與第一洩放電阻211處於導通狀態時，第一洩放電阻211、第一開關411及第一電池111成為並聯的狀態。此時充電的電流不僅往第一電池111進入，還會分出一部分往第一洩放電阻211進入，如此能降低流往第一電池111的充電電流，使得第一電池111受到較低充電電流的充電。

請參閱第七圖，若是第二開關412與第二洩放電阻212呈斷開狀態時，一部分流往第一洩放電阻211的電流，會依序經過第一洩放電阻211、第一開關411、第二節點52及第一節點51，並在第一節點51處與流過第一電池111的大部分電流匯集，再往第二電池112的電路方向進入，此時第二電池112受到完整的充電電流以進行充電。

請參閱第八圖，若是第二開關412與第二洩放電阻212接通時，一部分進入第一洩放電阻211的電壓，會依序經過第一洩放電阻211、第一開關411及第二節點52後，依序往第二洩放電阻212及第二開關412進入。流經第一電池111的大部分電流，會經過第一節點51後，往第二電池112進入。

續參閱第五圖，當第一開關411與第一洩放電阻211呈斷開狀態時，充電的電流會完全進入到第一電池111中進行完全電壓的充電。完整的充電 電壓再經過第一節點51往第二電池112進入。若是第二開關412與第二洩放電阻212呈斷開狀態時，充電電流會完全進入到第二電池112中進行完全電壓的充電。

請參閱第九圖，若是第二開關412與第二洩放電阻212呈接通狀態時，第二洩放電阻212、第二開關412及第二電池112成為並聯的狀態。此時充電的電流不僅往第二電池112進入，還會分出一部分往第二洩放電阻212進入，如此能降低進入第二電池112的充電電流，使得第二電池112受到較低充電電流的充電。

當設有複數第二電池112、複數第二洩放電阻212及複數第二開關412時，其中的第二開關412及第二洩放電阻212是呈斷開或接通狀態，則電流的流動方式與上述相同。

承上所述，本發明電壓平衡電路100能藉由所設置的熱敏電阻31即時感測洩放電阻21的溫度變化，即時切換開關41與洩放電阻21之間的導通或斷開狀態。如此能持續地平衡每一電池11的電壓狀況。以使低電壓狀態的電池11能完全充電。

100:電壓平衡電路

1:電池模組

2:分壓模組

3:偵測模組

4:控制模組

Claims (10)

1. 一種電壓平衡電路，包括：

   一電池模組，與一外接電源連接以對所述電池模組進行充電，所述電池模組包括有複數電池串聯；

   一分壓模組，包括有複數洩放電阻，每一所述洩放電阻皆與每一所述電池並聯而設；

   一偵測模組，包括有複數熱敏電阻、複數固定電阻及一微控制器，每一所述熱敏電阻皆設置在每一所述洩放電阻的旁邊，每一所述熱敏電阻皆與每一所述固定電阻串聯，所述固定電阻接地，所述微控制器與所述熱敏電阻及所述固定電阻並聯；及

   一控制模組，包括有複數開關、一類比前端元件，每一所述開關皆與每一所述洩放電阻串聯，且與每一所述電池並聯，所述開關在未進行分流時與所述洩放電阻成斷路狀態，每一所述開關皆與所述類比前端元件相連接，所述類比前端元件與所述微控制器相連接，所述微控制器能藉由所述熱敏電阻的電阻值改變，即時計算出所述熱敏電阻的溫度值，進而將溫度的資訊傳送給所述類比前端元件，所述類比前端元件中設定有溫度的上、下限值。
2. 如申請專利範圍第1項所述電壓平衡電路，複數所述電池分為一第一電池及至少一第二電池，複數所述洩放電阻分為一第一洩放電阻及至少一第二洩放電阻，複數所述開關分為一第一開關及至少一第二開關，所述第一電池與所述第一洩放電阻並聯，所述第一洩放電阻與所述第一電池的 迴路之間設有一所述第一開關，所述第一電池、所述第一洩放電阻及所述第一開關形成一可開關的分流電路迴路，所述第一開關與所述類比前端元件相連；所述第二電池與所述第二洩放電阻並聯，所述第二洩放電阻與所述第二電池的迴路之間設有一所述第二開關，所述第二電池、所述第二洩放電阻及所述第二開關形成一可開關的分流電路迴路，所述第二開關與所述類比前端元件相連。
3. 如申請專利範圍第2項所述電壓平衡電路，所述第一電池的負極連接一第一節點，所述第一節點與所述第一開關之間連接有一第二節點，所述第二節點與所述類比前端元件之間連接有一第三節點，所述第一開關延伸一電路與所述第三節點相連。
4. 如申請專利範圍第3項所述電壓平衡電路，所述第二節點與所述第三節點之間還連接有至少一第一電阻。
5. 如申請專利範圍第3項所述電壓平衡電路，所述第二電池的正極與所述第一節點相連接，所述第二洩放電阻的一端與所述第二節點相連接，另一端與所述第二開關相連接，所述第二電池的負極連接有一第四節點，所述第四節點與開關之間連接有一第五節點，所述第五節點與所述類比前端元件之間連接有一第六節點，所述第六節點延伸一電路與所述第二開關相連接。
6. 如申請專利範圍第5項所述電壓平衡電路，所述第五節點與所述第六節點之間設有至少一第二電阻。
7. 如申請專利範圍第5項所述電壓平衡電路，新增設的第二電池正極是與前述的第二開關相連接，新增設的第二洩放電阻與前述的第六節點相連接。
8. 如申請專利範圍第1項所述電壓平衡電路，所述開關為一種MOSFET開關。
9. 一種電壓平衡電路充電時平衡電池電壓的方法，當複數所述電池開始進行充電時，所述平衡電池電壓的方法包括以下步驟：

   A.類比前端元件偵測每一所述電池的電壓狀況；

   B.所述類比前端元件會給予電壓高於最低電壓的所述電池所連接的開關一訊號；

   C.所述開關與洩放電組導通，部分電壓進入所述洩放電阻，所述洩放電阻持續升溫；

   D.熱敏電阻因所述洩放電阻持續的溫度變化，而持續改變電阻阻值；

   E.微控制器持續計算出所述熱敏電阻的溫度值，並將溫度值持續發送給所述類比前端元件；

   F.當溫度值超過所述類比前端元件中所設定的上限值時，會發送訊號給所述開關以斷開所述開關及所述洩放電阻，所述洩放電阻開始降溫；

   G.當溫度值低於所述類比前端元件中所設定的上限值且該所述電池的電壓高於當前最低電壓的所述電池時，所述類比前端元件 會發送訊號給所述開關以導通所述開關與所述洩放電阻，而所述洩放電阻會開始升溫；

   H.電池模組在充電完成前，持續重複步驟F及步驟G；

   I.充電完成。
10. 如請求項9所述的電壓平衡電路充電時平衡電池電壓的方法，執行步驟G時，若溫度值低於所述類比前端元件中所設定的上限值且該所述電池的電壓等於當前最低電壓的所述電池時，所述類比前端元件不會發送訊號給所述開關進行導通。

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