TWI412203B - 電池管理系統之充放電開關互斥之控制組件 - Google Patents

電池管理系統之充放電開關互斥之控制組件 Download PDF

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電池管理系統之充放電開關互斥之控制組件
本發明係有關於一種可選擇性地切斷充電迴路或放電迴路的控制組件，特別是有關於一種應用電動機車或電動自行車電池管理系統之充放電開關互斥控制之控制組件。
一般電動機車使用鋰電池或鎳氫電池的電池組，電池組內部均會包含電池管理系統，而電池外觀會依須求設計充電端子及放電端子和外部的充電器及機車控制器相連接。對於電池管理系統而言，主要負責監控電池狀態、保護電池及殘電量估測。最簡單應用方式是使用市面上既有的保護電路晶片，該類保護電路晶片已具有基本保護功能且功能上已固定。舉過充保護功能來說明，當電池組發生過充，此時保護電路晶片會切斷充電開關，放電開關維持導通，所以此時電池組就無法充電但是可以放電。在這種架構及正常狀態下，充放電端子會同時保持有電狀態。所以，假設電池組裝在電動機車上進行充電程序，同時又轉動油門開關，此時電動機車會開始動作，以上動作是不被允許。或是電池組移出車體進行充電程序，此時放電端子保持有電狀態，會有安全問題產生。
本發明提供一種應用於電動車輛電池管理系統之充放電開關互斥之控制組件，該控制組件包括一電池模組、一正端模組、一負端模組、一開關模組以及一控制模組。電池模組包括至少一充電電池。正端模組包括一充電正端以 及一放電正端。負端模組包括一充電負端以及一放電負端。開關模組與電池模組串聯於正端模組與負端模組之間，並具有一第一開關、一第二開關以及一第三開關。充電正端、電池模組、第一及第三開關以及充電負端構成一充電迴路。放電正端、電池模組、第一及第二開關以及放電負端構成一放電迴路。控制模組根據一偵測端的位準，控制開關模組，用以切斷充電迴路或放電迴路。當偵測端的位準為一第一位準時，控制模組切斷充電迴路。當偵測端的位準為一第二位準時，控制模組切斷放電迴路。
為讓本發明之特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
第1圖為本發明之控制組件之第一實施例。該控制組件100包括一電池模組110、一正端模組120、一負端模組130、一開關模組140以及一控制模組150。本發明並不限定控制組件100的應用領域。控制組件100可應用於電動機車或電動自行車之中。
另外，亦可利用一外部電源對控制組件100充電。舉例而言，當控制組件100接收到一外部電源時，則此外部電源可對控制組件100內的電池模組110充電。當控制組件100耦接一外部負載時，則控制組件100內的電池模組110可供電予該外部負載。
在本實施例中，電池模組110具有至少一充電電池。本發明並不限定電池模組110內的充電電池數量及種類。舉例而言，電池模組110內的充電電池係為鎳鎘電池、鎳 氫電池或是鋰電池。
正端模組120包括一充電正端CH+以及一放電正端DIS+。負端模組130包括一充電負端CH-以及一放電負端DIS-。在一充電模式下，控制組件100透過充電正端CH+與充電負端CH-，接收一外部電源，用以對電池模組110進行充電。在一放電模式下，控制組件100透過放電正端DIS+與放電負端DIS-，供電予一外部負載。
開關模組140與電池模組110串聯於正端模組120與負端模組130之間，並具有開關141~143。本發明並不限定開關141~143的種類。只要能夠提供截止及導通功能的開關，均可作為開關141~143。在本實施例中，開關141~143為N型電晶體TN1~TN3。
在本實施例中，充電正端CH+、電池模組110、開關141、143以及充電負端CH-構成一充電迴路。放電正端DIS+、電池模組110、開關141、142以及放電負端DIS-構成一放電迴路。
控制模組150根據一偵測端TDEC的位準，控制開關模組140，用以切斷充電迴路或放電迴路。當偵測端TDEC的位準為一第一位準(如低位準)時，控制模組150切斷充電迴路。當偵測端TDEC的位準為一第二位準(如高位準)時，控制模組150切斷放電迴路。
本發明並不限定控制模組150如何切斷充電或放電迴路。在本實施例中，當偵測端TDEC的位準為一第一位準時，控制模組150透過控制信號SC1，用以不導通N型電晶體TN3。當N型電晶體TN3不被導通時，則可切斷充電迴路。 因此，沒有電流從充電正端CH+流入充電負端CH-。
相反地，當偵測端TDEC的位準為一第二位準時，控制模組150透過控制信號SC2，用以不導通N型電晶體TN2。當N型電晶體TN2不被導通時，則可切斷放電迴路。因此，沒有電流從放電負端DIS-流入放電正端DIS+。
在本實施例中，充電迴路與放電迴路不會同時被導通。因此，當控制組件100進行充電操作時，就無法同時進行放電操作，或是在控制組件100進行放電操作時，就無法進行充電操作。
另外，控制模組150更可依據電池模組110的電壓，透過控制信號SC3，用以不導通N型電晶體TN1。舉例而言，當電池模組110內的某一充電電池的電壓達一臨界值時，控制模組150藉由控制信號SC3，不導通N型電晶體TN1，以避免電池模組110內的電池發生短路、過度充電或是過度放電。因此，可提高控制組件100的安全性。
在其它實施例中，控制模組150可透過通訊端CAN_H及CAN_L，與一外部裝置進行通訊。本發明並不限定通訊端CAN_H及CAN_L所傳送的通訊內容。在一可能實施例中，控制模組150可透過通訊端CAN_H及CAN_L，將目前電池模組110的殘電量告知外部裝置。
在本實施例中，控制組件100更包括一保險絲模組160。保險絲模組160具有保險絲161及162。保險絲161耦接於充電正端CH+與電池模組110之間。保險絲162耦接於放電正端DIS+與電池模組110之間。
當N型電晶體TN3發生異常，而使得控制模組150無 法藉由N型電晶體TN3切斷充電迴路時，控制模組150燒斷保險絲161，用以切斷充電迴路。同樣地，當N型電晶體TN2發生異常，而使得控制模組150無法藉由N型電晶體TN2適時地切斷放電迴路時，控制模組150將燒斷保險絲162，用以切斷放電迴路。
當保險絲161或162被燒斷時，控制模組150可發出一告知信號，讓使用者得知保險絲161已被燒斷，以作出適當的處理。因此，藉由保險絲模組160，可提供控制組件100雙重保護。
然而，通訊端CAN_H、CAN_L以及保險絲模組160並非必要。為了節省成本，在其它實施例中，可選擇性地省略通訊端CAN_H、CAN_L或/及保險絲模組160。
第2圖為本發明之控制組件之第二實施例。第2圖相似第1圖，不同之處在於第1圖的開關模組140係耦接在電池模組110與負端模組130之間，而第2圖的開關模組240係耦接在電池模組210與正端模組220之間。由於第2圖所示的電池模組210、正端模組220、負端模組230及控制模組250與第1圖的電池模組110、正端模組120、負端模組130及控制模組150相似，故不再贅述。
在第2圖中，開關模組240內的開關241~243均為P型電晶體TP1~TP3。控制模組250根據偵測端TDEC的位準，切換P型電晶體TP1~TP3，用以切斷充電迴路或是放電迴路。
舉例而言，當偵測端TDEC的位準為低位準時，控制模組250透過控制信號SC1，不導通P型電晶體TP3，用以切 斷充電迴路。當偵測端TDEC的位準為高位準時，控制模組250透過控制信號SC2，不導通P型電晶體TP2，用以切斷放電迴路。
第3圖為本發明之控制組件之第三實施例。第3圖相似第1圖，不同之處在於，第3圖多了連接器(connector)371及372，用以與一外部裝置(如電源裝置或負載裝置)連接。
如圖所示。連接器371耦接充電正端CH+、充電負端CH-以及偵測端TDEC。在本實施例中，連接器371係用以與一外部裝置(如轉接器)連接。當轉接器(adapter)插入連接器371時，控制組件300便可接收到一外部電源，並開始進行充電操作。此時，偵測端TDEC的位準為高位準，故控制模組350不導通開關342，用以切斷放電迴路。
連接器372耦接放電正端DIS+、放電負端DIS-、通訊端CAN_H及CAN_L。在本實施例中，連接器372用以供電予一外部負載。舉例而言，當一外部負載耦接到連接器372時，連接器372便可供電予外部裝置。此時，偵測端TDEC的位準為低位準，故控制模組350不導通開關343，用以切斷充電迴路。另外，該外部負載可透過通訊端CAN_H及CAN_L，與控制組件300進行通訊。
或者，當連接器371及372均未連接到外部裝置時，控制模組350可同時切斷充電迴路及放電迴路，或是僅切斷充電迴路及放電迴路之一者。
此外，為了避免使用者連接錯誤，可設計具有不同形狀的連接器371及372，以避免外部負載誤插入連接器371，或是一電源轉接器誤插入連接器372。
本發明並不限制連接器所耦接的端點及數量。不同的連接器耦接不同種類的端點。舉例而言，充電類的端點(如充電正端CH+與充電負端CH-)可耦接到一充電連接器。放電類的端點(如放電正端DIS+與放電負端DIS-)可耦接到一放電連接器。偵測類的端點(如偵測端TDEC)可獨自耦接到一偵測連接器，而通訊類的端點(如通訊端CAN_H及CAN_L)可耦接到一通訊連接器，或是耦接到該放電連接器。
另外，本發明並不限定控制模組(150、250、350)的內部架構。只要能夠切換開關模組(如140、240、340)的控制電路，均可作為控制模組150、250、350。由於控制模組150、250、350的原理相同，故以下僅以控制模組150為例。
該控制模組150可包括保護積體電路晶片(protection IC)及微處理器(Micro control unit)，如第4圖，可根據一偵測端TDEC的位準，產生相對應的控制信號，用以透過開關模組140，切斷充電或放電迴路。另外，該保護積體電路晶片更可依據電池模組110內電池的電壓，控制開關模組140，以避免電池模組110被過度放電或過度充電。
另外，第4圖為本發明之控制組件之第四實施例。該控制模組450包括一微處理器451、一保護積體電路晶片452以及一驅動電路453。本實施例中之控制模組450亦可應用於前述之第一至三實施例之中。
微處理器451根據偵測端TDEC的位準，產生處理信號SS1及SS2。保護積體電路晶片452根據處理信號SS1，產生 控制信號SC1，用以控制開關443。驅動電路453根據處理信號SS2，產生控制信號SC2，用以控制開關442。
微處理器451更根據電池模組410內的充電電池的電量，產生一處理信號SS3。保護積體電路晶片452根據處理信號SS3，產生控制信號SC3，用以控制開關441。舉例而言，放電中，當電池模組410內的充電電池的電壓達一臨界值時，保護積體電路晶片452不導通開關441，以避免電池模組410內的充電電池被過度放電。
第5圖為本發明之控制組件之第五實施例。第5圖相似第4圖，不同之處在於第5圖的控制模組550多了一電壓調節器554。電壓調節器554將電池模組510的電壓轉換成一工作電壓VOP，再將工作電壓VOP提供予微處理器551。微處理器551根據工作電壓VOP而動作。
在其它可能實施例中，控制模組550具有一電壓產生器(未顯示)，用以控制模組550內的所有元件所需的工作電壓。
由於控制模組可在適當時間切斷充電迴路或是放電迴路，故可確保在充電操作下，放電正端DIS+及放電負端DIS-不會有電輸出，以及在放電操作下，充電正端CH+及充電負端CH-不會有電輸出，因此，可大幅提高安全性。
另外，若將一保險絲模組設置在充電迴路及放電迴路中，則當控制模組無法藉由開關模組切斷充電迴路或放電迴路時，控制模組可利用保險絲模組，切斷充電迴路或放電迴路。因此，藉由保險絲模組，可提供雙重的保護。
綜合以上所述，本發明提出一種電動車輛電池管理系 統之充放電開關互斥控制之控制組件，可做到充電時就不能放電，放電時就不能進行充電。且於放電時，同時仍保有過放、過電流及短路保護之功能。而於充電時，同時仍保有過充、過電流及短路保護之功能。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300、400、500‧‧‧控制組件
110、210、310、410、510‧‧‧電池模組
120、220、320、420、520‧‧‧正端模組
130、230、330、430、530‧‧‧負端模組
140、240、340、440、540‧‧‧開關模組
150、250、350、450、550‧‧‧控制模組
141~143、241~243、341~343、441~443、541~543‧‧‧開關
TN1~TN3‧‧‧N型電晶體
160‧‧‧保險絲模組
161、162‧‧‧保險絲
TP1~TP3‧‧‧P型電晶體
360、460、560‧‧‧保險絲模組
371、372‧‧‧連接器
451、551‧‧‧微處理器
452、552‧‧‧保護積體電路晶片
453、553‧‧‧驅動電路
554‧‧‧電壓調節器
第1圖為本發明之控制組件之第一實施例。
第2圖為本發明之控制組件之第二實施例。
第3圖為本發明之控制組件之第三實施例。
第4圖為本發明之控制組件之第四實施例。
第5圖為本發明之控制組件之第五實施例。
100‧‧‧控制組件
110‧‧‧電池模組
120‧‧‧正端模組
130‧‧‧負端模組
140‧‧‧開關模組
141~143‧‧‧開關
150‧‧‧控制模組
160‧‧‧保險絲模組
TN1~TN3‧‧‧N型電晶體

Claims (12)

  1. 一種控制組件，包括：一電池模組；一正端模組，包括一充電正端以及一放電正端；一負端模組，包括一充電負端以及一放電負端；一開關模組，與該電池模組串聯於該正端模組與該負端模組之間，並具有一第一開關、一第二開關以及一第三開關，該充電正端、該電池模組、該第一及第三開關以及該充電負端構成一充電迴路，該放電正端、該電池模組、該第一及第二開關以及該放電負端構成一放電迴路；以及一控制模組，根據一偵測端的位準，控制該開關模組，用以切斷該充電迴路或該放電迴路，當該偵測端的位準為一第一位準時，該控制模組切斷該充電迴路，當該偵測端的位準為一第二位準時，該控制模組切斷該放電迴路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制組件，其更包括：一第一連接器，耦接該充電正端及該充電負端；以及一第二連接器，耦接該放電正端及該放電負端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之控制組件，其中該第一連接器更耦接該偵測端，該第二連接器更耦接一第一通訊端以及一第二通訊端，該第一及第二通訊端用以與一外部裝置進行通訊。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之控制組件，其中該控制模組包括：一微處理器，根據該偵測端的位準，提供一第一處理信號以及一第二處理信號； 一保護積體電路晶片，根據該第一處理信號，控制該第三開關；一驅動電路，根據該第二處理信號，控制該第二開關。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之控制組件，其中該微處理器更根據該電池的電壓，產生一第三處理信號，該保護積體電路晶片根據該第三處理信號，控制該第一開關。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之控制組件，其中該保護積體電路晶片更依據該電池的電壓，控制該第一開關，當該電池的電壓達一臨界值時，該保護積體電路晶片不導通該第一開關。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之控制組件，其中該控制模組更包括一電壓調節器，將該電池模組的電壓轉換成一工作電壓，再將該工作電壓提供予該微處理器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之控制組件，其中該第一、第二及第三開關係為N型電晶體，並耦接於該電池模組與該負端模組之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之控制組件，其中該第一、第二及第三開關係為P型電晶體，並耦接於該電池模組與該正端模組之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之控制組件，其更包括：一第一保險絲，耦接於該電池模組與該充電正端之間；以及一第二保險絲，耦接於該電池模組與該放電正端之間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之控制組件，其中該電池模組內的充電電池係為一鎳鎘電池、一鎳氫電池或是一 鋰電池。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之控制組件，其中該控制組件應用於一電動機車或一電動自行車。
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