TWI415361B - 電池電壓平衡裝置及電池充電裝置 - Google Patents

Description

電池電壓平衡裝置及電池充電裝置

本發明係關於一種電池電壓平衡裝置及電池充電裝置，尤指分時進行電池電壓偵測及電池電壓平衡之電池電壓平衡裝置及電池充電裝置。

隨著可攜式電子產品的發展，可充電式電池之需求也隨之而起。充電式電池包括了習知的鎳鎘電池、後續開發的鎳氫電池、鋰離子電池以及最新發展的鋰聚合物(Li-Polymer)電池。不同種類的可充電式電池所提供的電壓也不盡相同，而可攜式電子產品所需的操作電壓也有所不同。因此，電池製造業者會配合可攜式電子產品的操作電壓，將數顆電池串聯成電池模組以提供所需的電壓。

電池模組於電池之電能耗盡時，需以充電器再充滿電以供下次使用。然而，電池會因製造或使用而造成蓄電量有所不同。舉例來說，7.4V鋰電池模組係由兩顆3.7V的鋰電池串聯組成。在出廠時，兩顆電池的蓄電量分別是80%及70%。由於鋰電池過充會損害電池本身，因此，鋰電池充電器在任一顆鋰電池充飽時即停止充電，此時，兩顆電池之蓄電量分別為100%(電池充電的最上限)及90%。而使用時，只要任一電池蓄電量降至0%(電池放電的最下限)，電池模組即無法使用，因此，這兩顆電池之蓄電量降至分別為10%及0%時，即須再充電才能使用。

由上述例子可知，當電池模組的電池的蓄電量有所不同時，電池模組的實際可使用電能將由蓄電量最低的電池所決定。而除了上述出廠時電池模組之各電池蓄電量可能不同外，電池於未使用時，也會自放電，在每個電池自放電速率不同之情況下，也會造成電池間蓄電量逐漸不平衡，使電池模組實際可使用電能會隨著電池使用時間而逐漸變少，造成電池模組之使用效率低落，使用時間也變短。

請參考第一圖，為Intersil在其ISL9208之產品規格表 (Datasheet)中所揭露的數位電池平衡控制器。一數位電池平衡控制器10包含一電池平衡微處理器5及電晶體開關S1-S7。電晶體開關S1-S7分別透過電阻R1-R7與電池BAT1-BAT7並聯。電池BAT1-BAT7之電壓經類比/數位轉換器(A/D Converter)轉換成數位訊號，該電池平衡微處理器5根據電池BAT1-BAT7之電壓數位訊號，經內建之演算法比較出其中電池電壓較高之電池，並導通該較高電池電壓之電池並聯之電晶體開關，使各電池之充電電流可根據各電池之電壓調整而達到平衡充電之功能。

然而由於每個電池都具有內阻，而在進行平衡充電時，各電池的充電電流並不相同，即較高電池電壓的電池之充電電流較小，因此使得電池電壓的量測並不正確。尤其對於具有大電池容量之電池模組或者使用快充充電，其充電電流較大而造成電池電壓的量測誤差更大。

鑑於先前技術中的電池平衡方式未考量電池內阻對於電池電壓量測會造成誤差，使電池平衡不精確或者甚至造成電池平衡動作的頻繁的啟動/停止。本發明利用分時進行電池電壓偵測及電池電壓平衡，使得電池電壓平衡過程的充/放電流的不一致不會影響電池電壓的偵測。

為達上述目的，本發明提供了一種電池電壓平衡裝置，包含一時序控制單元、一平衡判斷單元以及一電池電壓平衡單元。時序控制單元係用以交替地決定一偵測時序及一平衡時序，其中偵測時序及平衡時序彼此不重疊。平衡判斷單元耦接串聯之複數個電池單元及時序控制單元，平衡判斷單元於偵測時序時偵測複數個電池單元之電池電壓，以決定是否啟動一電池電壓平衡程序。電池電壓平衡單元耦接複數個電池單元、平衡判斷單元及時序控制單元，當電池電壓平衡程序啟動時，於平衡時序使最高電池電壓之電池與最低電池電壓之電池單元之充/放電速率具有一差值，使複數個電池單元中任兩個電池單元之電池電壓差縮小至一第一預定值或一第一預定百分比以內。

本發明也提供了一種電池充電裝置，用以對一電池模組充電，電池模組包含串聯之複數個電池單元。電池充電裝置包含一充電控制單元、一時序控制單元、一平衡判斷單元以及一電池電壓平衡單元。充電控制單元耦接一電源及電池模組，用以控制電源以提供一充電電流至電池模組進行充電。時序控制單元係用以交替地決定一偵測時序及一平衡時序，其中偵測時序及平衡時序彼此不重疊。平衡判斷單元耦接複數個電池單元及時序控制單元，平衡判斷單元於偵測時序時偵測複數個電池單元之電池電壓，以決定是否啟動一電池電壓平衡程序。電池電壓平衡單元耦接複數個電池單元、平衡判斷單元及時序控制單元，當電池電壓平衡程序啟動時，於平衡時序使最高電池電壓之電池與最低電池電壓之電池單元之充電速率具有一差值，使複數個電池單元中任兩個電池單元之電池電壓差縮小至一第一預定值或一第一預定百分比以內。

以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。

請參考第二圖，為根據本發明之電池充電裝置之電路方塊示意圖。電池充電裝置包含一充電控制單元140、一平衡判斷單元110、一電池電壓平衡單元120以及一時序控制單元130，用以對一電池模組BAT充電，其中電池模組BAT包含串聯之複數個電池單元，而平衡判斷單元110、電池電壓平衡單元120及時序控制單元130組成一電池電壓平衡裝置。在本實施例中，電池模組BAT以包含三個電池單元Cell1、Cell2、Cell3為例來說明。

充電控制單元140耦接一電源VCC及電池模組BAT，透過充電開關145控制電源VCC決定是否提供一充電電流Ich至電池模組BAT進行充電。時序控制單元130交替地產生一第一時序訊號t1、一第二時序訊號t2至平衡判斷單元110及電池電壓平衡單元120，以控制平衡判斷單元110及電池電壓平衡單元120的動作時間。也就是，第一時序訊號t1及第二時序訊號t2分別代表一偵測時序及一平衡時序，而且其時間上並不重疊，使平衡判斷單元110對電池單元Cell1、Cell2、Cell3進行偵測的時間與電池電壓平衡單元120對電池單元Cell1、Cell2、Cell3進行電池電壓平衡的時序相互錯開、不重疊。

平衡判斷單元110耦接電池模組BAT及時序控制單元130，於接收第一時序訊號t1時根據電池單元Cell1、Cell2、Cell3的電池電壓偵測訊號DET1、DET2、DET3來決定是否需進行一電池電壓平衡程序。當電池單元Cell1、Cell2、Cell3中任兩個電池單元之電池電壓差超過一預定百分比或一預定電壓差時，產生平衡啟動訊號BC以啟動電池電壓平衡程序。平衡啟動訊號BC係用以通知電池電壓平衡單元120電池模組BAT中的各電池單元之情況，故可以配合電池模組BAT的電池單元數量為單一訊號或多個訊號之組合。

電池電壓平衡單元120耦接平衡判斷單元110、電池模組BAT及時序控制單元130，於接收平衡啟動訊號BC及第二時序訊號t2時進行電池電壓平衡。電池電壓平衡單元120根據平衡啟動訊號BC判斷電池模組BAT中的電池單元何者具有最高的電池電壓或何者具有最低的電池電壓進行，使最高電池電壓之電池與最低電池電壓之電池單元之充電及/或放電速率(即，充電及/或放電電流)具有一差值。因此，最高電池電壓與最低電池電壓間的電壓差會逐漸減少，於電池模組BAT中的任兩個電池單元之電池電壓差縮小至一預定終止電壓差值或一預定終止電壓差百分比以內時，平衡判斷單元110停止電池電壓平衡程序。

因此，當電池電壓平衡單元120進行電池電壓平衡而造成電池模組BAT中的電池單元之電流不相同時，平衡判斷單元110停止偵測各電池單元的電池電壓，以避免不同電流大小流經電池單元Cell1、Cell2、Cell3的電池內阻Ri1、Ri2、Ri3時造成的偵測不精確。而當電池電壓平衡單元120停止進行電池電壓平衡時，電池模組BAT中的電池單元之電流因串聯而相同(充電狀態)或者處於開路狀態(非充電狀態)，此時平衡判斷單元110偵測各電池單元的電池電壓而得到精確的電池電壓值，以作為是否啟動(或維持)電池電壓平衡程序之判斷基準。如此，本發明利用分時的方式進行電池電壓偵測及電池電壓平衡，可避免先前技術中因電池內阻所造成的電池電壓偵測不精確之問題。

請參考第三圖，為根據本發明之一第一實施例之電池電壓平衡裝置之電路示意圖。電池電壓平衡裝置包含一平衡判斷單元210、一電池電壓平衡單元220以及一時序控制單元230。時序控制單元230包含一第一時序產生電路232以及一第二時序產生電路234。第一時序產生電路232基於一偵測時間電容Cde產生第一時序訊號t1以代表偵測時序。第二時序產生電路234基於一平衡時間電容Cba產生第二時序訊號t2以代表平衡時序。當偵測時間電容Cde被第一時序產生電路232充電至一預定準位時，停止產生第一時序訊號t1，並同時產生一第一重設訊號Re1及釋放偵測時間電容Cde所儲存之電荷。第二時序產生電路234受第一重設訊號Re1觸發而產生第二時序訊號t2並對平衡時間電容Cba充電。當平衡時間電容Cba充電至預定準位時，停止產生第二時序訊號t2，並同時釋放平衡時間電容Cba所儲存之電荷及產生一第二重設訊號Re2以觸發第一時序產生電路232產生第一時序訊號t1。

平衡判斷單元210包含一偵測電路212及一參考電壓產生電路214。參考電壓產生電路214產生一參考電壓訊號Vr，參考電壓訊號Vr可以是電池模組中的電池單元之平均電池電壓。偵測電路212耦接第一時序產生電路232、參考電壓產生電路214以及各電池單元的正端及負端，以接收參考電壓訊號Vr及各電池單元的電池電壓偵測訊號DETi並據此判斷是否啟動電池電壓平衡程序，其中i代表電池單元的數量，為大於1的整數。當偵測電路212接收到第一時序訊號t1且判斷電池單元中任兩個電池單元之電池電壓差超過預定百分比或預定電壓差時，偵測電路212產生平衡啟動訊號BC以啟動電池電壓平衡程序。

電池電壓平衡單元220包含一平衡控制電路222及一電池電壓平衡電路224。電池電壓平衡電路224包含了複數個並聯於電池模組中的電池單元之電晶體開關(未繪出)，用以將具有較高(包含最高)電池電壓的電池單元進行放電(非充電狀態時)或減少其充電電流(充電狀態時)。平衡控制電路222根據平衡啟動訊號BC決定進行電池電壓平衡時須導通的電晶體開關，並於接收到第二時序訊號t2時，產生控制訊號Sj控制電池電壓平衡電路224中的這些電晶體開關導通，以調整電池單元的充電或放電速率。其中，j代表電池電壓平衡電路224中的電晶體開關數量，為大於1的整數。

第三圖所示的電池電壓平衡裝置係透過將較高電池電壓的電池單元的所儲存的電力釋放或者減少其充電電流方式，使各電池單元間的電池電壓差逐漸減少至任兩個電池單元間的電池電壓差均小於預定終止電壓差值或預定終止電壓差百分比為止。然而，這樣的方式會造成電力損耗甚至使電池模組的溫度不當升高。因此，電池電壓平衡單元可以改採具有一儲能電路之電池電壓平衡單元，以將上述損耗之電力改為儲存於儲能電路中，並將儲能電路所儲存之電力來對電池模組進行充電以減少電池電壓平衡過程之電力耗損。詳細電路說明請參考第四圖之說明。

第四圖為根據本發明之一第二實施例之電池電壓平衡裝置之電路示意圖。電池電壓平衡裝置包含一平衡判斷單元310、一電池電壓平衡單元320以及一時序控制單元330。平衡判斷單元310包含一偵測電路312及一參考電壓產生電路314。電池電壓平衡單元320包含一平衡控制電路322、一電池電壓平衡電路324及一儲能電路326。時序控制單元330包含一時序產生電路332及一時間電容Ct。

時序產生電路332耦接平衡判斷單元310及電池電壓平衡單元320，並根據時間電容Ct決定偵測時序的時間長度並根據電池電壓平衡單元320的電流偵測訊號Isei來決定平衡時序之時間長度。而為配合電池模組於充電過程或特定時點才進行電池電壓平衡程序，時序產生電路332可以於接收一啟動訊號EN後，才開始運作以決定偵測時序及平衡時序並對應產生第一時序訊號t1及第二時序訊號t2。當於偵測時序時，時序產生電路332產生第一時序訊號t1。當偵測電路312接收到第一時序訊號t1且根據電池電壓偵測訊號DETi及參考電壓產生電路314所產生的參考電壓訊號Vr判斷電池單元中任兩個電池單元之電池電壓差超過預定百分比或預定電壓差時，偵測電路312產生平衡啟動訊號BC以啟動電池電壓平衡程序。

當時間電容Ct被時序產生電路332充電至預定準位時，時序產生電路332停止產生第一時序訊號t1，並同時產生第二時序訊號t2及釋放時間電容Ct所儲存之電荷。平衡控制電路322根據平衡啟動訊號BC決定進行電池電壓平衡並於接收到第二時序訊號t2時，產生控制訊號Sj控制電池電壓平衡電路324中的電晶體開關導通，使電池模組中的較高電池電壓的電池單元之電力透過電池電壓平衡電路324中的電晶體開關傳送電力至儲能電路326中儲存，然後將儲能電路326所儲存的電力對的較低電池電壓的電池單元進行充電。電流偵測訊號Isei代表流經電壓平衡電路324中的電晶體開關的電流大小，當電流偵測訊號Isei小於一預定值時，也就是儲能電路326對較低電池電壓的電池單元充電過程即將結束，時序產生電路332將停止產生第二時序訊號t2以停止平衡時序，並於後或同時產生第一時序訊號t1。

在本實施例中，時序控制單元330藉由電流偵測訊號Isei來判斷電池電壓平衡單元320的電池電壓平衡之進行狀態來決定平衡時序的時間長度，可配合電路之實際運作狀態而使電池電壓平衡程序有更佳的效率。當然，時序控制單元330也可以如第三圖所示的時序控制單元230般，設置固定時間長度的偵測時序及平衡時序。

另外，電壓平衡電路324可以是一直流轉直流轉換電路，例如：直流轉直流升壓轉換電路(Step-Up converter)、直流轉直流降壓轉換電路(Step-Down converter)、直流轉直流升/降壓轉換電路(SEPIC)、線性穩壓器(LDO，low dropout regulator)等具有轉換電壓功能之轉換電路，用以將電池單元中至少一電池單元之電力升壓或降壓並儲存至儲能電路326。例如：當電壓平衡電路324為具有升壓功能之轉換電路，則可於平衡時序時將具有最高電池電壓的電池單元的電力轉換成高於電池模組之電壓(即，串聯的電池單元之總電壓)儲存於儲能電路326，然後對電池模組充電。當電壓平衡電路324為具有降壓功能之轉換電路，則可於平衡時序時將具有最高電池電壓的電池單元的電力或電池模組的電力轉換成高於最低電池電壓之電池單元之電壓儲存於儲能電路326，然後對最低電池電壓之電池單元充電。

再者，電池電壓平衡程序時對電池單元的頻繁地充電及/或放電而造成電池因記憶效應而降低可儲存的最大電容量或放電能力的下降。因此，平衡判斷單元可以在電池模組中的所有電池單元之電池電壓均在一預定電池電壓區間內或高於一預定電池電壓值，才產生平衡啟動訊號BC以啟動該電池電壓平衡程序，其中電池單元在預定電池電壓區間內或高於預定電池電壓時具有較輕微的記憶效應。

如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。

先前技術：

5．．．電池平衡微處理器

10．．．數位電池平衡控制器

S1～S7．．．電晶體開關

R1～R7．．．電阻

BAT1～BAT7．．．電池

本發明：

110、210、310．．．平衡判斷單元

120、220、320．．．電池電壓平衡單元

130、230、230．．．時序控制單元

140．．．充電控制單元

145．．．充電開關

212、312．．．偵測電路

214、314．．．參考電壓產生電路

222、322．．．平衡控制電路

224、324．．．電池電壓平衡電路

232．．．第一時序產生電路

234．．．第二時序產生電路

326．．．儲能電路

332．．．時序產生電路

BAT．．．電池模組

Cell1、Cell2、Cell3．．．電池單元

VCC．．．電源

Ich．．．充電電流

t1．．．第一時序訊號

t2．．．第二時序訊號

DET1、DET2、DET3．．．電池電壓偵測訊號

BC．．．平衡啟動訊號

Ri1、Ri2、Ri3．．．電池內阻

Cde．．．偵測時間電容

Re1．．．第一重設訊號

Re2．．．第二重設訊號

Vr．．．參考電壓訊號

DETi．．．電池電壓偵測訊號

Sj．．．控制訊號

Ct．．．時間電容

Isei．．．電流偵測訊號

EN．．．啟動訊號

第一圖為Intersil在其ISL9208之產品規格表(Datasheet)中所揭露的數位電池平衡控制器。

第二圖為根據本發明之電池充電裝置之電路方塊示意圖。

第三圖為根據本發明之一第一實施例之電池電壓平衡裝置之電路示意圖。

第四圖為根據本發明之一第二實施例之電池電壓平衡裝置之電路示意圖。

110．．．平衡判斷單元

120．．．電池電壓平衡單元

130．．．時序控制單元

140．．．充電控制單元

145．．．充電開關

BAT．．．電池模組

Cell1、Cell2、Cell3．．．電池單元

VCC．．．電源

Ich．．．充電電流

t1．．．第一時序訊號

t2．．．第二時序訊號

DET1、DET2、DET3．．．電池電壓偵測訊號

BC．．．平衡啟動訊號

Ri1、Ri2、Ri3．．．電池內阻

Claims (13)

1. 一種電池電壓平衡裝置，包含：一時序控制單元，用以交替地決定一偵測時序及一平衡時序，其中該偵測時序及該平衡時序彼此不重疊；一平衡判斷單元，耦接串聯之複數個電池單元及該時序控制單元，該平衡判斷單元於該偵測時序時偵測該複數個電池單元之電池電壓，以決定是否啟動一電池電壓平衡程序；以及一電池電壓平衡單元，耦接該複數個電池單元、該平衡判斷單元及該時序控制單元，當該電池電壓平衡程序啟動時，於該平衡時序使最高電池電壓之電池與最低電池電壓之電池單元之充/放電速率具有一差值，使該複數個電池單元中任兩個電池單元之電池電壓差縮小至一第一預定值或一第一預定百分比以內。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池電壓平衡裝置，其中該平衡判斷單元於該複數個電池單元中任兩個電池單元之電池電壓差大於一第二預定值或一第二預定百分比時，啟動該電池電壓平衡程序。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電池電壓平衡裝置，其中該平衡判斷單元於該複數個電池單元中任兩個電池單元之電池電壓差大於一第二預定值或一第二預定百分比且該複數個電池單元之電池電壓均位於一預定電池電壓區間內或高於一第三預定值時，啟動該電池電壓平衡程序。
4. 如申請專利範圍第1項至第3項其中之一所述之電池電壓平衡裝置，其中該時序控制單元包含至少一電容，用以決定該偵測時序及該平衡時序之週期長度。
5. 如申請專利範圍第1項至第3項其中之一所述之電池電壓平衡裝置，其中該時序控制單元根據流經該電池電壓平衡單元的電流大小來決定該平衡時序之週期長度。
6. 如申請專利範圍第1項至第3項其中之一所述之電池電壓平衡裝置，其中該平衡判斷單元包含一儲能電路耦接該複數個電池單元，當該電池電壓平衡程序啟動時，於該平衡時序該儲能電路儲能並選擇性對該複數個電池單元中至少一電池單元進行充電。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電池電壓平衡裝置，其中該平衡判斷單元更包含一轉換電路，用以將該複數個電池單元中至少一電池單元之電力升壓或降壓並儲存至該儲能電路。
8. 一種電池充電裝置，用以對一電池模組充電，該電池模組包含串聯之複數個電池單元，該電池充電裝置包含：一充電控制單元，耦接一電源及該電池模組，用以控制該電源以提供一充電電流至該電池模組進行充電；一時序控制單元，用以交替地決定一偵測時序及一平衡時序，其中該偵測時序及該平衡時序彼此不重疊；一平衡判斷單元，耦接該複數個電池單元及該時序控制單元，該平衡判斷單元於該偵測時序時偵測該複數個電池單元之電池電壓，以決定是否啟動一電池電壓平衡程序；以及一電池電壓平衡單元，耦接該複數個電池單元、該平衡判斷單元及該時序控制單元，當該電池電壓平衡程序啟動時，於該平衡時序使最高電池電壓之電池與最低電池電壓之電池單元之充電速率具有一差值，使該複數個電池單元中任兩個電池單元之電池電壓差縮小至一第一預定值或一第一預定百分比以內。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電池充電裝置，其中該平衡判斷單元於該複數個電池單元中任兩個電池單元之電池電壓差大於一第二預定值或一第二預定百分比時，啟動該電池電壓平衡程序。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電池充電裝置，其中該平衡判斷單元於該複數個電池單元中任兩個電池單元之電池電壓差大於一第二預定值或一第二預定百分比且該複數個電池單元之電池電壓均位於一預定電池電壓區間內或高於一第三預定值時，啟動該電池電壓平衡程序。
11. 如申請專利範圍第8項至第10項其中之一所述之電池充電裝置，其中該時序控制單元包含至少一電容，用以決定該偵測時序及該平衡時序之週期長度。
12. 如申請專利範圍第8項至第10項其中之一所述之電池充電裝置，其中該平衡判斷單元包含一儲能電路耦接該複數個電池單元，當該電池電壓平衡程序啟動時，於該平衡時序該儲能電路儲能並選擇性對該複數個電池單元中至少一電池單元進行充電。
13. 如申請專利範圍第12項所述之電池充電裝置，其中該平衡判斷單元更包含一轉換電路，用以將該複數個電池單元中至少一電池單元之電力升壓或降壓並儲存至該儲能電路。