TW478191B - Shunt resistance device for monitoring battery state of charge - Google Patents

Description

478191. 五、發明說明（1) 發明範疇 本發明大致有關於分流電阻裝置以監控流入一電化學能 儲存系統（如電池）的充電及流出該系統的放電，且尤其有 關於一分流電阻裝置其可以使連接分流電阻的電壓感測點 到電壓感測裝置的導體長度極小，以減少因周圍電磁干擾 而導致的測量誤差。 發明背景 所謂智慧型電池技術是指一種電流監控器以監控與電池 系統及負載串聯的精準電阻中的電流，以監控進出電池系 統的電荷，電流監控器測量電池系統的充電及放電電流， 及使用正確的時間以計算電池系統的充電及放電電流的時 間整合，使用電池系統的充電及放電效率的數學模型可再 加強該電流時間整合，該監控器也可使用校正計算以考慮 電池系統的本身放電量。 這種方法的整體正確度（其通稱為庫倫計數，是依電池 系統在完全操作範圍時的電流測量正確度（包括系統的充 電及放電）而定，通常電流測量裝置測量與電池系統串聯 的分流電阻的電壓，且將測量到的電壓轉成電流，該電流 用以判定電池系統的充電狀態。此一測量設計足以在低電 流系統（同膝上型電腦，行動電話及攝錄影機）中執行，其 中會產生電流測量誤差的系統電磁干擾極少，至於這些小 型可攜式電子裝置，其電池功率（約在5〇W到10“）及電流 (約在1 A到5A)都較小，在可攜式系統中已廣泛使用這種智 慧型電池’這些小系統中配置的一般智慧型電池使用小的

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l、發明說明（2) 〜 " =分流電阻（規格是iw，10到25m Ω)，其直接裝在印 甩路^(PCB)上以製造出小且易於組裝的裝置。 刷 、、—，於在一些應用（如汽車啟動，照明及點火（SL I )，電動 ^田，混合燃料的電動汽車及固定動力備用電池系統）中 式φ的^型電池系統，其充電及放電電流一般都大於可攜 ^兒子^置’例如s L I裝置必須在汽車啟動時汲取6 0 0 A， ^ 2的電流大致需要較低的分流電阻值及較少的功率散溢 ^ ’這種分流的低電阻在分流中產生的電壓降極少，且 2須測量該電壓降以判定電池系統的充電及放電電流，在 —些例子中’必須測量的電壓降只有丨〇 A V。 曰大量的散熱需求可防止在PCB上直接裝設分流電阻，這 &因為考慮散熱以及使這些高電流通過的導體剖面大小等 因素。電流感測電阻一般裝在與電子裝置遠離的位置，該 裝置可測量’轉換及/或分析分流電阻的電壓降（其與分流 電阻中的電流成正比），此一配置需要使用較長的導體或 導線以連接電流感測電阻及電子監控電路。這些長導體或 導線容易在低電壓測量時受到變化電磁場（一般是指電磁 干擾（EMI ))感應的雜訊的影響，導體中感應的EMI與導體 長度成正比，這玎以由以下公式用固定導體在隨著時間改 變的磁場作用下感應的電動勢（E M F )的關係來表示： iE. dU J尝·ds surface 其中E是電場強度，dl是導體長度而b是與導體表面垂直的

A:\PTA-200-2.ptd 第 6 頁 478191 五、發明說明（3) 磁通。 因為電池監控系統的功能是提供電池電流的時間整合， 以追蹤電池的充電狀態，即使是分流電流測量的小誤差 (導因於導體中的EM I )也會因為時間累積而在充電測量狀 態中產生大誤差。這些誤差使得用現存電流感測方式很難 或是不可能在存在EM I的電池系統中作充電狀態的準確監 控。 發明總結 因此需要一種裝置能使連接分流電阻與電流監控器的導 體長度極小’因而減少EM I效應以及使電流監控器能得到 正確$電流測量以判定電池系統的充電狀態。 本f明是指一種分流用以監控高電流系統（如汽車啟 ^ 知，及點火（SL I )系統，電動汽車，混合燃料電動汽 • 2固疋式備用電力（UPS)系統）電池系統中的充電及放電 i接"壯以印刷電路板上導最電路為元件的電流測量裝置則 之門刀級上，且與分流有至少2點的電連接，至少2點 i = 形成分流電…便在上面測量電壓。電 位格式：：量1彳 鑛 態。 冲#相關電池系統的充電狀 佩本發明 括：一電泣八泣柄桩二币:控通過電路電流之裝置ί ， 兒隨刀抓扳接在電路之至少一―山 :板裝在至少2個接點中之分流 而鉍負載之間’-, 在電路板，電流測量裝置可測小1 —電流測量裝置裝 、里至夕2個接點間之電壓

五、發明說明（4) 降’及判定通過電路之電流。 至少2個接點之間的部分 流分流板的幾何特性有；’成- 7刀流電阻R其與電 R ·· 關彳根據以下公式判定分流電阻

R ~ p L / A t t P疋電流分流板材料的電阻，L是至少2個拉 分流電阻長度，而A是至 L疋至夕2個接點之間的 電路板包括：—類比數位哭點之間分流板的剖面積， 電壓降成為一數位信號，及」5 =轉，至少2個接點間之 判定電池系統之充電狀態。〜处理器以根據數位信號而 該裝置更包括電流測量；腳以安事八a 中之電路板，各電流測量接 ^刀二板^至〉、二個接點 板與分流板間之絕緣，丨八：一絕緣裝置以提供電路 電絕緣，熱絕緣及機械=路==間之 是大致u型而電路板可裝在電流分流Lr;:流板可以 根據本發明的另-特徵，—電㈣統包括 至少二端及與電池系統相關自 电池，、有 二端之至少-者與之負-電流分流接在至少 而裝在電流分流中；板藉由至少2個接腳 _ ^ ^ ^ L · 牛及判疋電池之充電狀態。 電流分流包括 ·一板右直知m心^ # 仕，、相對端具有安裝部分以連接電 池之至少一端與電池相關負載間之板，至少2個接腳間之 部分電流分流板形成—分流電町’其與電流分流板的幾 何特性有目’且可根據以下公式判定分流電阻R :

A:\PTA~200~2.ptd 第8頁 478191 五、發明說明（5) R = ρ L / A 其中P是電流分流板材料的電阻，L是至少2個接腳之間的 分流電阻長度，而A是至少2個接腳之間分流板的剖面積， 電路板包括：一類比數位轉換器以轉換至少2個接腳間之 電壓降成為一數位信號，及一微處理器以根據數位信號而 判定電池系統之充電狀態。各接腳包括一絕緣裝置以提供 電路板與分流板間之電絕緣，熱絕緣及機械絕緣之至少一 者，電流分流板可以是大致U型而電路板可裝在電流分流 板之槽中。電池包括複數個串聯電池單元，各電池單元具 有至少2端，其中電流分流接在電池中任何2個電池單元之 端點間。 附圖簡單說明 配合附圖及以下的詳細說明即可即可更明了本發明的上 述及其他目的，各特徵以及本發明本身，其中： 圖1的示意圖說明習用充電監控裝置的狀態； 圖2的圖形顯不裝在電池糸統的本發明電流分流裝置， 圖3是根據本發明電流分流裝置的平面圖， 圖4是根據本發明電流分流裝置的側視圖； 圖5是沿著圖3線5 - 5看去的本發明電流分流裝置的部分側 視圖； 圖6 A是根據本發明電流分流板的平面圖；及 圖6 B是沿著圖6 A線6b-6b看去根據本發明電流分流板的 剖視圖。 較佳實施例詳細說明

A:\PTA-200-2.ptd 第9頁 478191 五、發明說明（6) 為了監控智慧型電池系統的充電狀態，電流分流與整排 電池串聯以形成系統，在圖1中，電池系統1 〇包括3排電池 1 2 a，1 2 b及1 2 c，其各包括8個電池單元，第一電流分流1 4 a 接在一排電池1 2 a的負極與一排電池1 2 b的正極之間，第二 電流流1 4 b接在一排電池1 2 b的負極與一排電池1 2 c的正 極之間，而第三電流分流14b接在一排電池12c的負極與電 池系統1 0的負極之間。 使用電流分流1 4 a -1 4 c以測量電池排1 2 a - 1 2 c的充電及放電 電流，各電流分流14a-14c分別與一印刷電路板i6a—16C連 接，該電路板包括電路以測量分流與電池排終端電壓之間 的電壓，及計算所屬電池排的充電狀態。通常各印刷電路 板16a-16c用一對導體18而接到所屬電流分流14a—Uc。 此配置對於低功率應用極有效，該應用如在膝上型電 腦，行動電話及攝錄影機中，因為低功率環境不會產生大 量的電磁雜訊，因而不足以干擾各分流電壓的精準測量， 惟以高電流應用為例如汽車啟動，照明及點火（SLI )'靡|用 及不斷電系統（UPS)為例，這些高電流環境中出現的$磁 雜訊會大幅影響分流電壓的測量，、這是因為導體丨8過長， 因為分流電阻在高電流系統中必須夠低，以避^分流^ 電壓降過多，及減少分流的電阻熱，所以分流上二== 電壓即大幅減少。因此為了正確測量分流的=種低^二的 必須減少環境中電磁干擾（EMI )的作用，為了減少須^量^八’ 流電壓降時的ΕΜ ί作用，導體的長度必須减少。 、里刀

Α：\PTA-200-2. 第 10 頁 " --- 、發明說明（7) 流板其接在一對電池排的相反極之間，印刷電路板包括電 Μ測量及充電計算裝置的狀態，則直接裝在分流板，因而 大巾S減少連接印刷電路板與電流分流的導體長度。 士本發明的電流分流裝置配有電池系統（圖2 )，電流分流 衣置2 0 a包括一電流分流板2 2 a接在電池排2 6 a的負極2 4與 ^池排26b的正極28之間，電流分流裝置2〇b包括一電流分 机板2 2 b接在電池排2 6 a的負極3 0與電池排2 6 c的正極3 2之 2 各兒池排2 6 a - 2 6 c包括單一電池單元或是複數個串聯 甩池單元’電路板3 4 a藉由接腳3 8而裝在電流分流板2 2 a之 上、而電路板3 4 b藉由接腳3 8而裝在電流分流板2 2 b之上， 本毛明的電流分流裝置2 0 a，2 0 b詳細内容可參考以下圖3到 6的說明。 平面及側視圖，圖5是 部分側視圖，在圖中所 致是U型且包括電極安 孔41 a及41b，用本體部 而電路板34裝在該本體 藉由將它裝在分流板2 2 板3 4及其所屬元件（如 及40b的表面齊平，將 板3 4的更大保護，以便 解的是分流板可以在不 是平坦的。 在接點36a-36d與分流 圖3及4分別是電流分流裝置2 〇的 k圖3線5 - 5看去電流分流裝置2 〇的 不的較佳實施例，電流分流板2 2大 裝部分40a及4Ob分別具有電極安裝 分43連接電極安裝部分4〇&與4〇1^， 部分43上，分流板20大致是υ型以 的槽而保護它，在此配置中，電路 以下所述）大致與電極安裝部分4〇a 電流分流裝置20倒置即可得到電路 分流板22能保護電路板34，惟可了 影響電流分流裝置2〇的操作之下 電路板34藉由電流測量接腳38而

478191 五、發明說明（8) 板22電的連接，電流測量點36a及3 6b之間的本體部分44的 區域50作為該裝置的分流電阻，電路板34包括微處理器4〇 其包括·類比數位轉換器，電流處理電路42，輸入電流濾 =裝置44 ’時間參考裝置46，及通訊連接裝置48，在較佳 貝施例中 類比數位轉換器是1 4位元的轉換器，其中最小 位元^指=測量電流的大小而最大位元指示測量電流的極 性’這使得類比數位轉換器的解析度增加以便對於系統 任何雜讯更靈敏，例如在一應用中分流裝置測量的全比 電壓$ ±l+5〇mA ’而轉換器具有的解析度是18· 3 a v/位 兀’當然類比數位轉換器的解析度與要測量的全比例 的大小成正比。 土 ”雖^圖3的電流分流裝置包括4個接點36a —36b，可以 t 2 =4二f 2個山接點（如點36a &36b各位於分流板22的本 ==1，卩38(其在本體部分二 地，此配置使ν^Λ44#相對端的另一電流測量接腳38則接 5。的電壓其輸入接收分流電阻 3 8可用以提供電路板3 、對測！接腳 類比數位轉換器輸入的數位件：：同接地，因而減少 流板22與電路板34之間二 1;:;、二絕緣器以 電’熱及機械絕緣），如橡膠或是任二與分流板22作 疋任何其他非導電塑性材

五、發明說明（9) --- -- 料。

為了使電流處理電路42正常的判定分流板22的分流電阻 中的電流’可根據以下公式而 的電阻R

R= p L/A 其中P疋電流分流板材料的電阻（ohm-cm)，L·是接點36之 ?的電阻長度（如圖6電路板34去除後的分流板22的平面 圖），而A是分流板的剖面積（圖讣）。 帝刼作時用類比數位轉換器以測量接腳38之間分流電阻的 電壓降，小及極性，該轉換器將類比電壓信號轉換丨4位元 數位信號以輸入電流處理電路42，可使用輸入電流濾波裝 置44以處波類比電壓信號輸入到類比數位轉換器。電流處 路42根據類比數位轉換器的數位電壓信號而判定流入 分流電阻的電流，電流處理電路42根據分流電阻中的電流 ，小及極性以及接收自時間參考裝置46的時間基本參考信 判定電池系統的充電/放電狀態。充電信號的狀態從 二流處理電路傳送到通訊連接裝置4 8，其輸出充電信號狀 您到相關電路（未示），以便將充電信號狀態轉成相關電池 系統充電狀態的視覺顯示。 *在另一實施例中’整個電流分流裝置2 0包括分流板2 2及 :路板34都裝在外殼或是環氧樹脂盒子中，該盒子可保護 f路板的元件以及簡單的將電流分流裝置裝在電池系統 带此外雖然本發明的電流分流裝置是以電池系統中複數個 包池之間的連接來說明，但是它也可以接在單一電池的正

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(或&負）極，電池負載之間，以測量電池的充電狀態。 小口 = ΐ =明提供的電流分流裝置可以使導體長度減到極 + j導體連接分流電阻與電流監控器，因而減少輻射的 定φ 且使传笔流監控器能得到正確的電流測量以判 板包則t =的充電狀態。藉由將電路板直接裝在電流分流 動力備问I流系統（如汽車啟動’照明及點火系統及固定 令電乂用黾池系統）中出現的電磁雜訊即大幅減少，因而 指二机處理電路42能提供所屬電池系統充電狀態的更正確

雖然J A 明，=:了監控電池的充電狀態而用電池系統說明本發 住〜種=可了解的是本發明的分流電阻裝置也可用以監控 流。龟路與所屬負載之間的電流，以測量二者之間的電 走形式=不違反本發明的精神或是基本特徵之下以苴他特 不是〜二施本發明，因此要將本發明視為全面性的說明而 定，而不，制，本發明的範圍是由後附申請專利範圍界 涵意及同ί上述說明，而且包括與申請專利範圍具有相同 等範圍的各種變化。

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478191 五、發明說明（ίο) (或負）極與電池負載之間，以測量電池的充電狀態。 因此本發明提供的電流分流裝置可以使導體長度減到極 小，該導體連接分流電阻與電流監控器，因而減少輻射的 電磁雜訊，且使得電流監控器能得到正確的電流測量以判 定電池系統的充電狀態。藉由將電路板直接裝在電流分流 板，則高電流系統（如汽車啟動，照明及點火系統及固定 動力備用電池系統）中出現的電磁雜訊即大幅減少，因而 令電流處理電路4 2能提供所屬電池系統充電狀態的更正確 指示。 雖然為了監控電池的充電狀態而用電池系統說明本發 明，但是可了解的是本發明的分流電阻裝置也可用以監控 任一種電路與所屬負載之間的電流，以測量二者之間的電 流。 可以在不違反本發明的精神或是基本特徵之下以其他特 定形式實施本發明，因此要將本發明視為全面性的說明而 不是一種限制，本發明的範圍是由後附申請專利範圍界 定，而不是上述說明，而且包括與申請專利範圍具有相同 涵意及同等範圍的各種變化。

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Claims (1)

1. /、、γ睛寻利範圍 匕=通過電路電流之裝置，包括: 二极刀後板接在該電路之一一 一電路板裝在至少？ _社 ^广貝戰之間， —電流測量裝置穿在Λ點之該電流分流板；及 至少2個接點間 < 電承；'路二1亥電流㈨量裝4可測量該 2·如申請專利範圍第二’ ^ J定通過該電路之電流。 該部分分流板形成-分流之電其中該至少2個接點間之 其中該分流電阻|^與該電 其中可根據以下公式判 3☆如申請專利範圍第2項之裝置 流分流板之幾何特性有關。 &如申請專利範圍第3項之裝置 定該分流電阻R : ^ P L/A 其中P係電流分流板材料之電阻， 分流電阻長度，而A係該至少 [係该至少2個接點間之 5·如申請專利範圍第丨項之裝接點間分流板之剖面積。 一類比數位轉換器，以轉、，其中該電路板包括：、 電池系統之充電狀態。 X據该數位信號而列定气 6. 如申請專利範圍第2項之裝置，1 " 類比數位轉換器，以轉換該'^小中該電路板包括：— :數位信f虎’及一微處理器，二據;接^間之電壓降成為 池糸統之充電狀態。 /數位信號而判定兮^ 7. 如申請專利範圍第5項之裝置， X電 安裝該分流板在至少二個接點之電更路包板括中電法L測量接腳以 478191 六、申請專利範圍 8. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中各該電流測量接腳 包括一絕緣裝置以提供該電路板與分流板間之絕緣。 9. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中該分流板提供該電 路板與該分流板間之電絕緣，熱絕緣及機械絕緣之至少一 者。 1 0.如申請專利範圍第1項之裝置，其中該電流分流板可以 係大致U型。 11.如申請專利範圍第1 0項之裝置，其中該電路板可裝在 該電流分流板之槽中。 1 2.如申請專利範圍第1項之裝置，其中該電路係一電池系 統。 1 3.如申請專利範圍第1 2項之裝置，其中該電流測量裝置 判定該電池系統之充電狀態。 1 4.如申請專利範圍第1項之裝置，更包括一外殼以收納該 電流分流板，該電路板及該電流測量裝置。 1 5. —種電池系統，包括： 一電池具有至少二端； 一電流分流接在該至少二端之至少一者與電池系統相關之 負載之間； 一電路板藉由至少2個接腳而裝在該電流分流中；及 一電流監控裝置裝在該電路板以測量該至少2個接腳間之 電壓降，及判定該電池之充電狀態。 1 6.如申請專利範圍第1 5項之電池系統，其中該電流分流 包括：一板在其相對端具有安裝部分以連接該電池之至少

   A:\PTA-200-2.ptd 第16頁 478191 六、申請專利範圍 一端與電池相關負載間之該板。 1 7.如申請專利範圍第1 6項之電池系統，其中該至少2個接 腳間之該部分電流分流板形成一分流電阻R。 1 8.如申請專利範圍第1 7項之電池系統，其中該分流電阻R 與該電流分流板之幾何特性有關。 1 9.如申請專利範圍第1 8項之電池系統，其中可根據以下 公式判定該分流電阻R : R- p L/A 其中P係電流分流板材料之電阻，L係該至少2個接腳間之 分流電阻長度，而A係該至少2個接腳間分流板之剖面積。 2 0.如申請專利範圍第1 5項之電池系統，其中該電路板包 括：一類比數位轉換器，以轉換該至少2個接腳間之電壓 降成為一數位信號，及一微處理器，根據該數位信號而判 定該電池系統之充電狀態。 2 1.如申請專利範圍第1 7項之電池系統，其中該電路板包 括：一類比數位轉換器，以轉換該至少2個接腳間之電壓 降成為一數位信號，及一微處理器，根據該數位信號而判 定該電池系統之充電狀態。 2 2.如申請專利範圍第1 5項之電池系統，其中各該接腳包 括一絕緣裝置以提供該電路板與該分流板間之絕緣。 2 3.如申請專利範圍第2 2項之電池系統，其中各該接腳包 括一絕緣裝置以提供該電路板與該分流板間之電絕緣，熱 絕緣及機械絕緣之至少一者。 2 4.如申請專利範圍第1 6項之電池系統，其中該電流分流

   A:\PTA-200-2.ptd 第17頁 478191 六、申請專利範圍 板係大致u型。 2 5.如申請專利範圍第2 4項之電池系統，其中該電路板裝 在該電流分流板之槽中。 2 6.如申請專利範圍第1 5項之電池系統，其中該電池包括 複數個串聯電池單元，各該電池單元具有至少2端。 2 7.如申請專利範圍第2 6項之電池系統，其中該電流分流 接在該電池中任何2個電池單元之端點間。

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