TWI416841B - 儲電裝置及電子裝置 - Google Patents

Description

儲電裝置及電子裝置

本發明係指一種儲電裝置及電子裝置，尤指一種具優異操作彈性且滿足各種電源需求之儲電裝置及電子裝置。

蓄電池是一種可重覆進行充、放電運作的儲能裝置，已廣泛地應用於需獨立電源之電子裝置或設備，如行動電話、個人數位助理、電子書、可攜式電腦、電動車...等等。由於各種電子裝置或設備所需的電源可能不同，因此，為降低製造過程的複雜度，相關製造商通常係生產特定電源規格之充電電池單元(Cell)，再將一個以上的充電電池單元經串聯或並聯而組成所需規格的蓄電池。

舉例來說，請參考第1圖，第1圖為習知技術中一蓄電池10之示意圖。蓄電池10包含有一殼體100及電池單元102、104、106，其可透過端點108、110輸出特定規格之電源，或接收電源以進行儲能運作。電池單元102、104、106係相同規格之儲能裝置，並以串聯方式封裝於殼體100中。換句話說，若每一電池單元滿載時可產生電壓值為V之電源，則蓄電池10可透過端點108、110輸出電壓值為3V之電源。

因此，只要組合(即串聯或並聯)適當數量之電池單元，製造商僅需生產相同規格之電池單元，即可提供多種不同規格之蓄電池，進而提升生產效率。然而，習知蓄電池10至少有以下兩大缺點。

第一、為確保產品穩定度及安全性，電池單元102、104、106係以不可回復的方式封裝於殼體100中，且電池單元102、104、106間的連結方式通常採固接方式連結(如焊接)。換句話說，一般使用者無法輕易將電池單元102、104、106拔除，且即使使用特殊方式(如解焊)將電池單元102、104、106拔除，亦無法輕易回復為初始狀態。在此情形下，對一般使用者而言，一旦電池單元102、104、106中有一電池單元故障，蓄電池10即告報銷，無法再行原始功能。

第二、為確保充、放電運作的安全性，電池單元102與104間及電池單元104與106間需設置保護電路(未繪於第1圖中)。電池單元102、104、106的運作原理係利用可逆之電能與化學能轉換過程，而此轉換過程若控制不當，輕則導致蓄電池10毀壞，重則可能引起爆炸。因此，為確保安全性，至少需於電池單元102與104間及電池單元104與106間設置保護電路，導致製造成本的增加。此外，若保護電路故障，同樣會引起安全疑慮。

由上可知，習知蓄電池缺乏更替電池單元的彈性，不符合現今節省資源的趨勢，且製造成本無法有效降低，安全性尚有疑慮，實有改進之必要。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種儲電裝置及電子裝置。

本發明揭露一種儲電裝置，包含有一高電位端；一低電位端；複數個充電電池模組，每一充電電池模組用來儲存電能或輸出所儲存之電能；複數個第一類開關，分別耦接於該複數個充電電池模組之一充電電池模組與該高電位端之間，用來根據一控制指令，導通或中斷該充電電池模組與該高電位端之電氣連結；複數個第二類開關，分別耦接於該複數個充電電池模組之一充電電池模組與該低電位端之間，用來根據該控制指令，導通或中斷該充電電池模組與該低電位端之電氣連結；複數個第三類開關，分別耦接於該複數個充電電池模組之二充電電池模組之間，用來根據該控制指令，導通或中斷該二充電電池模組之電氣連結；以及一控制模組，用來輸出該控制指令，以控制該複數個第一類開關、該複數個第二類開關及該複數個第三類開關。

本發明另揭露一種電子裝置，包含有一運作電路，用來實現該電子裝置之功能；以及一儲電裝置，用來供電予該運作電路。該儲電裝置包含有一高電位端；一低電位端；複數個充電電池模組，每一充電電池模組用來儲存電能或輸出所儲存之電能；複數個第一類開關，分別耦接於該複數個充電電池模組之一充電電池模組與該高電位端之間，用來根據一控制指令，導通或中斷該充電電池模組與該高電位端之電氣連結；複數個第二類開關，分別耦接於該複數個充電電池模組之一充電電池模組與該低電位端之間，用來根據該控制指令，導通或中斷該充電電池模組與該低電位端之電氣連結；複數個第三類開關，分別耦接於該複數個充電電池模組之二充電電池模組之間，用來根據該控制指令，導通或中斷該二充電電池模組之電氣連結；以及一控制模組，用來輸出該控制指令，以控制該複數個第一類開關、該複數個第二類開關及該複數個第三類開關。

請參考第2A圖，第2A圖為本發明實施例一儲電裝置20之示意圖。儲電裝置20可用於行動電話、個人數位助理、電子書、可攜式電腦、電動車等需獨立電源之電子裝置或設備，用以供電予電子裝置或設備之運作電路。儲電裝置20包含有一裝配盒200、一高電位端202、一低電位端204、充電電池模組RBT_1～RBT_n、第一類開關SW1_1～SW1_n、第二類開關SW2_1～SW2_n、第三類開關SW3_1～SW3_(n-1)及一控制模組206。裝配盒200係用來安裝所有零件。高電位端202及低電位端204用來耦接至一電源以進行充電運作，或耦接至一負載以進行放電運作。充電電池模組RBT_1～RBT_n皆可進行可逆之電能與化學能轉換過程，以儲存電能或輸出所儲存之電能。第一類開關SW1_1～SW1_n耦接於充電電池模組RBT_1～RBT_n之正極與高電位端202之間，用來根據控制模組206所產生之控制指令，切換各充電電池模組之正極與高電位端202之電氣連結。第二類開關SW2_1～SW2_n耦接於充電電池模組RBT_1～RBT_n之負極與低電位端204之間，用來根據控制模組206所產生之控制指令，切換各充電電池模組之負極與低電位端202之電氣連結。第三類開關SW3_1～SW3_(n-1)則介於任二充電電池模組之間，用來根據控制模組206所產生之控制指令，切換相鄰充電電池模組之電氣連結，例如第三類開關SW3_1介於充電電池模組RBT_1與RBT_2之間，用來控制充電電池模組RBT_1與RBT_2之電氣連結。最後，控制模組206根據所需的操作，如充、放電、檢測等，輸出控制指令，以控制第一類開關SW1_1～SW1_n、第二類開關SW2_1～SW2_n及第三類開關SW3_1～SW3_(n-1)之啟閉。

簡單來說，控制模組206可控制充電電池模組RBT_1～RBT_n與高電位端202、低電位端204或彼此間的電氣連結，達到特定的操作目的。在此情形下，儲電裝置20具有極高的操作彈性。舉例來說，請參考第2B圖及第2C圖，第2B圖為儲電裝置20進行充電運作之示意圖，第2C圖為儲電裝置20進行放電運作之示意圖。如第2B圖所示，當高電位端202及低電位端204耦接於一電源產生器PWR時，控制模組206係控制第一類開關SW1_1～SW1_n及第二類開關SW2_1～SW2_n導通，並控制第三類開關SW3_1～SW3_(n-1)中斷。換言之，電源產生器PWR係以並聯方式對充電電池模組RBT_1～RBT_n進行充電。由於充電電池模組RBT_1～RBT_n間無電流流通，可避免某一充電電池模組汲取過高電流而致燒毀的危險。再者，以並聯方式進行充電時，每一充電電池模組之跨壓皆相同，因而可確保各充電電池模組的充電效率皆維持在相近水準。

另外，針對放電運作方面，如第2C圖所示，當高電位端202及低電位端204耦接於一負載LD時，控制模組206係控制第一類開關SW1_1、第二類開關SW2_n及第三類開關SW3_1～SW3_(n-1)導通，並控制第一類開關SW1_2～SW1_n及第二類開關SW2_1～SW2_(n-1)中斷。換言之，充電電池模組RBT_1～RBT_n係以串聯方式供電予負載LD。

因此，由第2B圖及第2C圖可知，當進行充電運作時，充電電池模組RBT_1～RBT_n係以並聯方式汲取電源產生器PWR所產生之電源，而當進行放電運作時，充電電池模組RBT_1～RBT_n則以串聯方式輸出電源至負載LD。在此情形下，可減少充電時可能的安全疑慮，同時可提升電源輸出能力。然而，需注意的是，第2B圖及第2C圖僅用來說明本發明之操作彈性，實際上，儲電裝置20可實現多種操作方式，端視系統需求而定，不限於此。

詳細來說，假設充電電池模組RBT_1～RBT_n皆為相同電源規格，分別可於滿載時提供電壓值為V、電流值為I之電源。因此，若將第2B圖之例改為應用於放電操作時(將電源產生器PWR置換為第2C圖之負載LD或其它受電裝置)，其最大可提供電壓值為V、電流值為n*I之電源。相較之下，第2C圖之例則可電壓值為n*V、電流值為I之電源。換言之，只要適當調整儲電裝置20中並聯或串聯之充電電池模組的數量，即可達到所需的電源規格。此外，充電電池模組RBT_1～RBT_n中實際輸出電源之充電電池模組的數量亦應根據所需的電源規格而調整，因此若所需電源規格為1V、1I，則控制模組206僅需導通充電電池模組RBT_1～RBT_n其中之一充電電池模組與高電位端202及低電位端204之電氣連結，例如導通第一類開關SW1_1及第二類開關SW2_1，並中斷其它開關。

此外，應注意的是，第2A圖至第2C圖省略了控制模組206與各開關的連結，以求簡潔。而控制模組206較佳地係以微控制器(Microprocessor)實現，優點為可透過程式化方式調整操作邏輯，但其它軟、硬體實現方式皆適用於本發明，不限於此。因此，在實現控制模組206時，設計者應可適當增加其它輔助機制，以決定儲電裝置20的操作方式。例如，可增加複數個按鍵，分別指示不同的電源規格或充電運作；因此，當使用者按下對應於充電運作的按鍵時，控制模組206即可如第2B圖所示，將充電電池模組RBT_1～RBT_n切換為並聯狀態；而當使用者按下對應於n*V、1I之電源規格的按鍵時，控制模組206即可如第2C圖所示，將充電電池模組RBT_1～RBT_n切換為串聯狀態。

另一方面，在儲電裝置20中，充電電池模組RBT_1～RBT_n係以可插拔方式安裝於裝配盒200中。換言之，充電電池模組RBT_1～RBT_n中任一充電電池模組皆可輕易地被置換。因此，當充電電池模組RBT_1～RBT_n中僅有一充電電池模組故障而其它充電電池模組仍正常運作時，使用者只需更換故障的充電電池模組即可，且此更換過程僅是簡單的插拔動作，不需特殊器材或步驟，可大幅提升便利性，同時避免資源浪費。其中，關於充電電池模組RBT_1～RBT_n的檢測方式，由於充電電池模組RBT_1～RBT_n皆可輕易地被置換，因此使用者可依序將充電電池模組RBT_1～RBT_n拔起，再量測其電壓、電流值，判斷是否故障。除此之外，充電電池模組RBT_1～RBT_n的檢測方式另可配合控制模組206之運作而達成。例如，當要進行檢測時，可將高電位端202及低電位端204耦接於一具指示功能之檢測器，再由控制模組206輸出適當的控制指令，使充電電池模組RBT_1～RBT_n依序耦接於檢測器，以分別檢測每一充電電池模組的運作情形。而檢測器可以是一具特定阻抗之LED燈，或是具複雜量測功能的電錶，且不限於此。

除此之外，需注意的是，充電電池模組RBT_1～RBT_n之每一充電電池模組係表示一具有充、放電功能之裝置或數個裝置之集合，換言之，任一充電電池模組可以由一個以上的電池單元(Cell)組合而成，且組合的方式可以是串聯或並聯。舉例來說，第3圖、第4圖及第5圖，第3圖、第4圖及第5圖分別為本發明實施例儲電裝置30、40、50之示意圖。為求簡潔，儲電裝置30、40、50省略了裝配盒及控制模組，其可參考儲電裝置20衍生而得，而相關運作方式亦可參考前述相關於儲電裝置20之說明。比較儲電裝置30、40、50可知，在儲電裝置30中，充電電池模組RBT_1及RBT_2分別由電池單元CELL_1及CELL_2所組成；在儲電裝置40中，充電電池模組RBT_1包含並聯之電池單元CELL_11、CELL_12、CELL_13，而充電電池模組RBT_2包含並聯之電池單元CELL_21、CELL_22、CELL_23；在儲電裝置50中，充電電池模組RBT_1包含串聯之電池單元CELL_11、CELL_12、CELL_13，而充電電池模組RBT_2包含串聯之電池單元CELL_21、CELL_22、CELL_23。由此可知，在本發明中，充電電池模組所包含的電池單元的數量不限，亦可以是以並聯或串聯方式組合而成。

另一方面，在前述實施例中，第一類開關、第二類開關、第三類開關不限於任何形式之開關。舉例來說，第一類開關及第三類開關可以是以電晶體與二極體相連之功率開關，如第6圖所示，而第二類開關則可以是串接之電晶體與背靠背之二極體組成之開關，如第7圖所示。然而，第6圖及第7圖僅繪示常見之可控開關，非用以限制本發明之實現方式。

需特別強調的是，本發明之主要概念在於提供具優異操作彈性的儲電裝置20，而非限於控制模組206之運作。因此，本領域具通常知識者當可根據不同系統之需求，適當調整儲電裝置20之運作邏輯或組成。舉例來說，儲電裝置20除了可用來取代傳統蓄電池而用於各種電子裝置或設備外，亦可實現具放電功能之充電器，以提升充電電池的使用壽命。簡單來說，當要以儲電裝置20實現具放電功能之充電器時，充電電池模組RBT_1～RBT_n表示待充電之電池，可先如第2C圖所示，由充電電池模組RBT_1～RBT_n放電至負載LD，待完成放電後，再如第2B圖所示，對充電電池模組RBT_1～RBT_n進行並聯充電；此種兩階段式放電及充電運作可透過調整控制模組206之操作邏輯，並增加適當之切換單元而輕易達成，應為本領域熟習之技藝。

在習知蓄電池中，電池單元係以不可回復的方式封裝於殼體中，並以固接方式連結，造成當有一電池單元故障，蓄電池即告報銷，無法再行原始功能。此外，習知蓄電池需設置保護電路，造成成本增加，且仍有安全疑慮。相較之下，當以本發明之儲電裝置實現蓄電池時，由於充電電池模組皆可輕易地被置換，因此即使有一充電電池模組故障時，使用者只需更換該充電電池模組即可，且此更換過程僅是簡單的插拔動作，不需特殊器材或步驟，可提升便利性，同時避免資源浪費。另外，當本發明之儲電裝置進行充電時，各充電電池模組可操作於並聯狀態，可避免某一充電電池模組汲取過高電流而致燒毀的危險，且以並聯方式進行充電時，每一充電電池模組之跨壓皆相同，因而可確保各充電電池模組的充電效率皆維持在相近水準。因此，各充電電池模組間可省略保護電路的使用，或是採用低成本的保護電路，即可達到保護效果。除此之外，本發明之儲電裝置最重要特徵在於極富彈性的操作，可滿足各種不同的電源輸出或儲存之需求，而不限於蓄電池。

綜上所述，本發明提供具優異操作彈性的儲電裝置，以滿足各種電源需求。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10．．．蓄電池

100．．．殼體

102、104、106．．．電池單元

108、110．．．端點

20、30、40、50．．．儲電裝置

200．．．裝配盒

202．．．高電位端

204．．．低電位端

RBT_1～RBT_n．．．充電電池模組

SW1_1～SW1_n．．．第一類開關

SW2_1～SW2_n．．．第二類開關

SW3_1～SW3_(n-1)．．．第三類開關

206．．．控制模組

PWR．．．電源產生器

LD．．．負載

CELL_1、CELL_2、CELL_11、CELL_12、CELL_13、CELL_21、CELL_22、CELL_23．．．電池單元

第1圖為一習知蓄電池之示意圖。

第2A圖為本發明實施例一儲電裝置之示意圖。

第2B圖為第2A圖之儲電裝置進行充電運作之示意圖。

第2C圖為第2A圖之儲電裝置進行放電運作之示意圖。

第3圖、第4圖及第5圖分別為本發明實施例儲電裝置之示意圖。

第6圖及第7圖為習知開關之示意圖。

20．．．儲電裝置

200．．．裝配盒

202．．．高電位端

204．．．低電位端

RBT_1～RBT_n．．．充電電池模組

SW1_1～SW1_n．．．第一類開關

SW2_1～SW2_n．．．第二類開關

SW3_1～SW3_(n-1)．．．第三類開關

206．．．控制模組

Claims (12)

1. 一種儲電裝置，包含有：一高電位端；一低電位端；複數個充電電池模組，每一充電電池模組用來儲存電能或輸出所儲存之電能；複數個第一類開關，分別耦接於該複數個充電電池模組之一充電電池模組與該高電位端之間，用來根據一控制指令，導通或中斷該充電電池模組與該高電位端之電氣連結；複數個第二類開關，分別耦接於該複數個充電電池模組之一充電電池模組與該低電位端之間，用來根據該控制指令，導通或中斷該充電電池模組與該低電位端之電氣連結；複數個第三類開關，分別耦接於該複數個充電電池模組之二充電電池模組之間，用來根據該控制指令，導通或中斷該二充電電池模組之電氣連結；以及一控制模組，用來輸出該控制指令，以控制該複數個第一類開關、該複數個第二類開關及該複數個第三類開關。
2. 如請求項1所述之儲電裝置，其中該複數個充電電池模組之一充電電池模組包含複數個並聯之電池單元。
3. 如請求項1所述之儲電裝置，其中於該高電位端與該低電位端耦接於一電源產生器時，該控制模組透過該控制指令，控制該複數個第一類開關導通該複數個充電電池模組與該高電位端之電氣連結，控制該複數個第二類開關導通該複數個充電電池模組與該低電位端之電氣連結，以及控制該複數個第三類開關中斷該複數個充電電池模組之任二充電電池模組之間的電氣連結。
4. 如請求項1所述之儲電裝置，其中於該高電位端與該低電位端耦接於一負載時，該控制模組根據一電源規格，輸出該控制指令，以控制該複數個第一類開關、該複數個第二類開關及該複數個第三類開關，使該複數個充電電池模組輸出該電源規格之電源。
5. 如請求項1所述之儲電裝置，其另包含一檢測器，用來檢測該複數個充電電池模組；其中，於該檢測器耦接於該高電位端與該低電位端時，該控制模組透過該控制指令，控制該複數個第一類開關、該複數個第二類開關及該複數個第三類開關，使該複數個充電電池模組依序耦接至該檢測器。
6. 如請求項1所述之儲電裝置，其另包含一裝配盒，用來安裝該複數個充電電池模組、該複數個第一類開關、該複數個第二類開關、該複數個第三類開關及該控制模組；其中，該複數個充電電池模組係以可插拔方式安裝於該裝配盒中。
7. 一種電子裝置，包含有：一運作電路，用來實現該電子裝置之功能；以及一儲電裝置，用來供電予該運作電路，包含有：一高電位端；一低電位端；複數個充電電池模組，每一充電電池模組用來儲存電能或輸出所儲存之電能；複數個第一類開關，分別耦接於該複數個充電電池模組之一充電電池模組與該高電位端之間，用來根據一控制指令，導通或中斷該充電電池模組與該高電位端之電氣連結；複數個第二類開關，分別耦接於該複數個充電電池模組之一充電電池模組與該低電位端之間，用來根據該控制指令，導通或中斷該充電電池模組與該低電位端之電氣連結；複數個第三類開關，分別耦接於該複數個充電電池模組之二充電電池模組之間，用來根據該控制指令，導通或中斷該二充電電池模組之電氣連結；以及一控制模組，用來輸出該控制指令，以控制該複數個第一類開關、該複數個第二類開關及該複數個第三類開關。
8. 如請求項7所述之電子裝置，其中該複數個充電電池模組之一充電電池模組包含複數個並聯之電池單元。
9. 如請求項7所述之電子裝置，其中於該高電位端與該低電位端耦接於一電源產生器時，該控制模組透過該控制指令，控制該複數個第一類開關導通該複數個充電電池模組與該高電位端之電氣連結，控制該複數個第二類開關導通該複數個充電電池模組與該低電位端之電氣連結，以及控制該複數個第三類開關中斷該複數個充電電池模組之任二充電電池模組之間的電氣連結。
10. 如請求項7所述之電子裝置，其中於該高電位端與該低電位端耦接於一負載時，該控制模組根據一電源規格，輸出該控制指令，以控制該複數個第一類開關、該複數個第二類開關及該複數個第三類開關，使該複數個充電電池模組輸出該電源規格之電源。
11. 如請求項7所述之電子裝置，其中該儲電裝置另包含一檢測器，用來檢測該複數個充電電池模組；其中，於該檢測器耦接於該高電位端與該低電位端時，該控制模組透過該控制指令，控制該複數個第一類開關、該複數個第二類開關及該複數個第三類開關，使該複數個充電電池模組依序耦接至該檢測器。
12. 如請求項7所述之儲電裝置，其另包含一裝配盒，用來安裝該複數個充電電池模組、該複數個第一類開關、該複數個第二類開關、該複數個第三類開關及該控制模組；其中，該複數個充電電池模組係以可插拔方式安裝於該裝配盒中。