TWI404293B - Charge balance circuit control system - Google Patents

Description

充電平衡電路之控制系統

本發明係關於一種充電平衡電路之控制系統，尤指一種適用於電動車輛、或其他可移動式電子設備之充電裝置。

目前一般電池組在進行充電或放電時，都是以串聯放電和串聯充電的方式。請參閱圖1，圖1係習知充電裝置示意圖。圖中顯示有一充電模組9、以及三個充電電池8。據此，由圖1可明確得知習知之充電裝置係充電模組9之二端電極直接電性連接到已逐一串聯之三個充電電池8的兩端電極上。

然而，由於每顆充電電池的容量、特性、及充放電的性能無法完全一致，難免都會有些微的差異，尤其在進行一定的次數以上的充放電後，常常會導致部份充放電性能較佳的電池已過度充電，而充放電的性能較差的電池則仍未充飽。或者，容量較大的電池尚未充飽，容量較小的電池則會有過充而造成膨脹的現象，若是持續過充甚至有爆炸的危險。而且，這些差距會持續被放大，以致整組電池會被其中較差的電池所影響，而造成整體電池組的容量下降，甚至縮短其整體使用壽命。

由此可知，如何達成一種安全、簡單、成本低廉、縮短充電時間，且能提高充電電池之使用壽命、及續航力之充電平衡電路之控制系統，實在是產業上的一種迫切需要。

本發明為一種充電平衡電路之控制系統，包括：複數充電電池、複數充電平衡模組、一充電模組、一分壓模組、及一控制單元。其中，複數充電電池，其係逐一串聯。而複數充電平衡模組中每一充電平衡模組係包括有一壓降單元、一功率開關、及一功率消耗單元。其中，每一壓降單元包括有二輸入端、及一輸出端。二輸入端係分別電性連接至其對應之一充電電池之二端電極，功率開關耦接功率消耗單元並電性連接至其對應之充電電池之二端電極。功率開關更包括有一受控端。

另外，充電模組包括有一正極端、及一負極端，係分別電性連接至串聯之複數充電電池的二端電極。而分壓模組，係包括有一第一端、一第二端、及一分壓端。第一端、及第二端分別電性連接至串聯之複數充電電池的二端電極。此外，控制單元係包括複數訊號輸入端、複數控制輸出端、及一電壓偵測端。其中，複數壓降單元之複數輸出端分別電性連接至複數訊號輸入端，複數控制輸出端分別電性連接至複數功率開關之複數受控端。

然而，分壓模組之分壓端電性連接至電壓偵測端。當電壓偵測端所接收之電壓值持續上升時，控制單元運算比較複數訊號輸入端所輸入之電壓大小，並據以分別透過複數控制輸出端控制其對應電性連接之複數功率開關之啟閉。亦即，當充電狀態時，充電平衡模組才會啟動，透過比較各充電電池的電壓，來控制功率開關以形成分流，再藉由功率消耗單元來消耗電量，以平衡其充電速度，使其電池組的電壓在充電過後趨於一致，進而提高充電電池之使用壽命、及續航力，又能節省充電平衡模組之耗電量、及充電時間。

再者，本發明之控制單元可更包括有一計數器、及一記憶體。其記憶體儲存有一啟動數值，當電壓偵測端所接收之電壓值持續上升時，計數器予計數為一充電次數，當充電次數到達啟動數值時，控制單元運算比較複數訊號輸入端所輸入之電壓大小，並據以分別透過複數控制輸出端控制其對應電性連接之複數功率開關之啟閉，同時計數器之充電次數歸零並重新記數。亦即，本發明可透過設定啟動數值來進行控制充電平衡模組的啟動頻率，如此更能節省充電時間、及提高效率。

此外，記憶體可儲存一臨界電壓。當充電次數到達啟動數值時，控制單元更控制複數訊號輸入端分別接收複數壓降單元之複數輸出端所輸出之電壓值。控制單元便運算比較電壓值與臨界電壓。當電壓值大於臨界電壓時，控制單元運算比較複數訊號輸入端所輸入之電壓大小，並據以分別透過複數控制輸出端控制其對應電性連接之複數功率開關之啟閉。亦即，本發明可藉由設定臨界電壓來進行控制充電平衡模組的啟動頻率，且當充電電池接近充飽電壓時才啟動，無須時時偵測時時判斷啟動與否，如此更能節省充電時間、及提高效率。

其中，本發明之分壓模組可包括有二串接之電阻元件，分壓端係介於該二串接之電阻元件之間。亦即，本發明採用簡單的電阻分壓原理，但並不以此為限，其他能產生降低電壓之分壓效果的等效裝置、組件、或元件皆可適用。本發明之分壓模組主要用以降低輸入控制單元之電壓以避免燒毀控制單元。

另外，本發明之控制單元可更包括有一類比數位轉換器。其中，每一壓降單元分別輸入類比訊號至控制單元之類比數位轉換器，並經轉換為數位訊號以分別輸出控制功率開關。據此，係因其主要藉由數位訊號來進行控制功率開關之開啟或關閉。

再且，本發明之壓降單元可分別包括有一運算放大器，其主要用以降低輸入控制單元之電壓以避免燒毀控制單元，另外亦具有將低雜訊之功能。當然，不以運算放大器為限，任何可以降低電壓、及減少雜訊之等效裝置、組件、或元件皆可適用。此外，本發明之控制單元可為一系統單晶片，其可程式控制，故具備簡單、便宜、及彈性等優點。

又，本發明之功率開關可分別係指一場效電晶體。亦即，本發明採用場效電晶體來進行開關控制，其具備簡單、及成本低等優勢。當然，本發明不以場效電晶體為限，其他等效裝置亦可。

另外，本發明之功率消耗單元分別可為一功率電阻、一般電阻、或其他等效裝置或元件。本發明之功率消耗單元主要用以消耗分流後之電流，以維持充電平衡。當然，本發明不以消耗電流為限，亦可以電流回收裝置取代功率消耗單元，來進行回收分流後之電流。然而，本發明所採用之功率電阻主要具備便宜、及實用等優點。

請同時參閱圖2、圖3、及圖4，圖2係本發明充電平衡電路之控制系統一較佳實施例之示意圖，圖3係本發明一較佳實施例之系統架構圖，圖4係本發明一較佳實施例之電路示意圖。以下的實施例將以電動機車之充電裝置為例，進行說明，惟本發明不限於任何車輛或任何可移動式電子裝置。

其中，圖中顯示有複數充電電池11,12,13，其係逐一串聯。在本實施例中，複數充電電池11,12,13採用一般電動機車、或電動車常見之鉛酸電池，且每一鉛酸電池之飽合電壓各為12伏特(V)。主要因鉛酸電池具備充電效率高、充電時間短等特點。另外，圖中顯示有三個充電平衡模組2,3,4，每一充電平衡模組2,3,4係包括有一壓降單元22,32,42、一功率開關23,33,43、及一功率消耗單元24,34,44。在本實施例中，壓降單元22,32,42分別為一運算放大器(Operational Amplifier,Op Amp)，功率開關23,33,43分別為一場效電晶體(MOSFET)，功率消耗單元24,34,44分別為一功率電阻(Power Resistor)。

再者，以其中之壓降單元22進行說明，其主要用以降低輸入控制單元之電壓以避免燒毀控制單元7，另外亦具有降低雜訊之功能。其中，壓降單元22包括有二輸入端221,222、及一輸出端223。而二輸入端221,222係分別電性連接至其對應之一充電電池11之二端電極。亦即，壓降單元22藉由並聯量測充電電池2二端電極之電壓差，再透過壓降單元22來降低輸入控制單元7之電壓。通常於本實施例中經過壓降單元22後，電壓會降低至0~5伏特。

此外，功率開關23耦接功率消耗單元24並電性連接至其對應之充電電池11之二端電極，功率開關23更包括有一受控端231。亦即，本實施例透過控制功率開關23進行開啟或關閉。倘若開啟，充電電流便改變流向，改流經功率消耗單元24，以平衡充電速度。本實施例功率消耗單元24所採用之功率電阻為80歐姆。

另外，圖中另顯示有一充電模組5，其包括有一正極端51、及一負極端52，其係分別電性連接至串聯之複數充電電池11,12,13的二端電極。然而，以充電裝置而言，充電模組5之正極端51會電連接至串聯後之複數充電電池11,12,13之正極端，然而充電模組5之負極端52會電連接至串聯後之複數充電電池11,12,13之負極端。如此，方可產生充電之效果。

請一併參閱圖5，圖5係本發明充電平衡電路之控制系統一較佳實施例分壓模組之電路示意圖。圖中之分壓模組6，係包括有一第一端61、一第二端62、二電阻元件64,65、及一分壓端63。其中，第一端61、及第二端62分別電性連接至串聯之複數充電電池11,12,13的二端電極。而分壓端63係介於二串接之電阻元件64,65之間。如此，可藉由配置電阻元件64,65之比例以進行控制分壓端63之輸出電壓。在本實施例中，電阻元件64與電阻元件65之比例為9：1，例如分別配置900歐姆及100歐姆之電阻元件。據此，分壓端63之輸出電壓便為複數充電電池11,12,13的二端電極之電壓的十分之一。分壓模組6主要係用以降低輸入控制單元7之電壓，以避免造成燒毀控制單元7。

請繼續參閱圖2、圖3、及圖4，圖中另顯示有一控制單元7，其為一系統單晶片(System-on-a-chip，SOC)，控制單元7包括複數訊號輸入端711,712,713、複數控制輸出端721,722,723、及一電壓偵測端73。其中，複數壓降單元22之複數輸出端223,323,423分別電性連接至複數訊號輸入端711,712,713。複數控制輸出端721,722,723分別電性連接至複數功率開關23之複數受控端231,331,431。分壓模組6之分壓端63電性連接至電壓偵測端73。

此外，控制單元7又包括有一計數器74、一記憶體75、及一類比數位轉換器76。而記憶體75儲存有一啟動數值N、及臨界電壓V。其中，因本實施例之功率開關23,33,43為場效電晶體，其需數位訊號進行控制。故而壓降單元22,32,42透過複數訊號輸入端711,712,713輸入類比訊號至控制單元7，而類比數位轉換器76將其轉換為數位訊號，再透過複數控制輸出端721,722,723、及複數受控端231,331,431以分別輸出控制功率開關23,33,43。

據此，當電壓偵測端73所接收之電壓值持續上升時，其可透過控制單元7每隔特定時間來量測，當量測出電壓值係持續上升時，即為充電狀態。此時，計數器74予計數為一充電次數，又當充電次數到達預先設定之啟動數值N時。控制單元7更控制複數訊號輸入端711,712,713分別接收複數壓降單元22,32,42之複數輸出端223,323,423所輸出之電壓值，同時控制單元7之計數器74之當充電次數歸零並重新記數。而控制單元7更逐一運算比較電壓值與臨界電壓V，當電壓值大於臨界電壓V時，才開始啟動充電平衡模組2,3,4。舉例說明，假設啟動數值N設為10、臨界電壓V設為11.5伏特時，也就是每充電十次，控制單元7開始控制量測其中是否有充電電池11,12,13之電壓大於11.5伏特，其中大於者便開啟充電平衡模組2,3,4。

然而，充電平衡模組2,3,4之運作係透過控制單元7運算比較複數訊號輸入端711,712,713所輸入之電壓大小，並據以分別透過複數控制輸出端721,722,723控制其對應電性連接之複數功率開關23,33,43之開啟或關閉。亦即，透過比較三個充電電池11,12,13之電壓，倘若流經充電電池11之電壓大於流經充電電池12,13之電壓時，便開啟功率開關23而形成分流，再藉由功率消耗單元24來消耗其充電電量，以平衡其充電速度，使其電池組的電壓在充電過程中及過後皆趨於一致，進而提高使用壽命。

請參閱圖6，圖6係本發明充電平衡電路之控制系統一較佳實施例之流程圖。本實施例之控制流程如下，當電壓偵測端73所接收之電壓值持續上升時，亦即代表此時為充電狀態。而計數器74便啟動計數，並判斷充電次數是否到達預先設定之啟動數值N。若當充電次數到達啟動數值N，控制單元7更分別接收複數壓降單元22,32,42之複數輸出端223,323,423所輸出之電壓值，並與臨界電壓V進行比較。當接受到的電壓值大於臨界電壓V，充電平衡模組2,3,4開始作動，直至所有電池之電壓相等時才結束。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

11,12,13,8．．．充電電池

2,3,4．．．充電平衡模組

22,32,42．．．壓降單元

23,33,43．．．功率開關

24,34,44．．．功率消耗單元

223,323,423．．．輸出端

221,222,321,322,421,422．．．輸入端

231,331,431．．．受控端

5,9．．．充電模組

51．．．正極端

52．．．負極端

6．．．分壓模組

61．．．第一端

62．．．第二端

63．．．分壓端

64,65．．．電阻元件

7．．．控制單元

711,712,713．．．訊號輸入端

721,722,723．．．控制輸出端

73．．．電壓偵測端

74．．．計數器

75．．．記憶體

76．．．類比數位轉換器

N．．．啟動數值

V．．．臨界電壓

圖1係習知充電裝置示意圖。

圖2係本發明一較佳實施例之示意圖。

圖3係本發明一較佳實施例之系統架構圖。

圖4係本發明一較佳實施例之電路示意圖。

圖5係本發明一較佳實施例分壓模組之電路示意圖。

圖6係本發明一較佳實施例之流程圖。

11,12,13．．．充電電池

2,3,4．．．充電平衡模組

22,32,42．．．壓降單元

23,33,43．．．功率開關

24,34,44．．．功率消耗單元

223,323,423．．．輸出端

231,331,431．．．受控端

5．．．充電模組

51．．．正極端

52．．．負極端

6．．．分壓模組

61．．．第一端

62．．．第二端

63．．．分壓端

7．．．控制單元

711,712,713．．．訊號輸入端

73．．．電壓偵測端

721,722,723．．．控制輸出端

74．．．計數器

75．．．記憶體

76．．．類比數位轉換器

N．．．啟動數值

V．．．臨界電壓

221,222,321,322,421,422．．．輸入端

Claims (9)

1. 一種充電平衡電路之控制系統，包括：複數充電電池，其係逐一串聯；複數充電平衡模組，每一充電平衡模組係包括有一壓降單元、一功率開關、及一功率消耗單元，其中，每一壓降單元包括有二輸入端、及一輸出端，該二輸入端係分別電性連接至其對應之一充電電池之二端電極，該功率開關耦接該功率消耗單元並電性連接至其對應之該充電電池之二端電極，該功率開關更包括有一受控端；一充電模組，包括有一正極端、及一負極端，係分別電性連接至串聯之該複數充電電池的二端電極；一分壓模組，係包括有一第一端、一第二端、及一分壓端，該第一端、及該第二端分別電性連接至串聯之該複數充電電池的二端電極；以及一控制單元，係包括複數訊號輸入端、複數控制輸出端、及一電壓偵測端，其中，該複數壓降單元之該複數輸出端分別電性連接至該複數訊號輸入端，該複數控制輸出端分別電性連接至該複數功率開關之該複數受控端，該分壓模組之該分壓端電性連接至電壓偵測端，當該電壓偵測端所接收之電壓值持續上升時，該控制單元運算比較該複數訊號輸入端所輸入之電壓大小，並據以分別透過該複數控制輸出端控制其對應電性連接之該複數功率開關之啟閉；該控制單元更包括有一計數器、及一記憶體，該記憶體儲存有一啟動數值，當該電壓偵測端所接收之電壓值持續上 升時，該計數器予計數為一充電次數，當該充電次數到達該啟動數值時，該控制單元運算比較該複數訊號輸入端所輸入之電壓大小，並據以分別透過該複數控制輸出端控制其對應電性連接之該複數功率開關之啟閉，同時該計數器之當該充電次數歸零並重新記數。
2. 如申請專利範圍第1項所述充電平衡電路之控制系統，其中，該記憶體更儲存有一臨界電壓，當該充電次數到達該啟動數值時，該控制單元便控制該複數訊號輸入端分別接收該複數壓降單元之該複數輸出端所輸出之電壓值，該控制單元更運算比較該電壓值與該臨界電壓，當該電壓值大於該臨界電壓時，該控制單元運算比較該複數訊號輸入端所輸入之電壓大小，並據以分別透過該複數控制輸出端控制其對應電性連接之該複數功率開關之啟閉。
3. 如申請專利範圍第1項所述充電平衡電路之控制系統，其中，該分壓模組包括有二串接之電阻元件，該分壓端係介於該二串接之電阻元件之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述充電平衡電路之控制系統，其中，該控制單元更包括有一類比數位轉換器，每一壓降單元輸入類比訊號至該控制單元之該類比數位轉換器，並經轉換為數位訊號以分別輸出控制每一功率開關。
5. 如申請專利範圍第1項所述充電平衡電路之控制系統，其中，每一壓降單元係指一運算放大器。
6. 如申請專利範圍第1項所述充電平衡電路之控制系統，其中，每一功率開關係指一場效電晶體。
7. 如申請專利範圍第1項所述充電平衡電路之控制系統，其中，每一功率消耗單元係指一功率電阻。
8. 如申請專利範圍第1項所述充電平衡電路之控制系統，其中，該控制單元係指一系統單晶片。
9. 如申請專利範圍第1項所述充電平衡電路之控制系統，其中，每一充電電池係指一鉛酸電池。