TWI420778B - 電池組並聯裝置 - Google Patents

Description

電池組並聯裝置

本發明係一種電池組並聯裝置，其包括：二電池組之間連接有場效電晶體(Field effect transistor)或二極體(PN junction diode)或蕭特基二極體(schottky diode)；應用控制裝置鑑別電池組在充電狀態，或放電狀態，而使電池在充電或放電下消除電池環流產生，而提高其電池充電或放電之效率，減少其環流損失。

如圖1所示，為習知電池管理積體電路(Battery Management IC，BMIC)，如市售之bq29414、bq29419(TI)、AIC1804等積體電路，其有以下之缺點：

1.電池E1與電池E2並聯，電池E3與電池E4並聯，電池E5與電池E6並聯，電池E7與電池E8並聯，在其進行充電時，其E1與E2組，其E3與E4組，其E5與E6組，其E7與E8組均會產生環流損耗。

2.自1.之連接可知，當電池組放電於負載時，其並聯二電池之間亦會產生環流，而造成損耗。

3.自1.之連接可知，當電池組在無負載開路時，其並聯二電池之間亦會產生環流，而將電池組所蓄存之電能耗盡，而造成應用之不便。

為了消除電池組在充電或放電時之環流損失：本發明之第一目的為利用二場效電晶體在二電池或二電池組之間並聯，以執行平衡電路BC(Balance Circuit，BC)功能。

本發明之第二目的為利用二極體或蕭特基二極體之順向電壓降，以執行二電池或二電池組因電壓之不同而需並聯時，利用二極體或蕭特基二極體之順向電壓降，而使二電池或二電池組之電壓平衡，而消除二電池或二電池組之環流損失。

本發明有下列之特徵：

1.　首創以第1二極體或蕭特基二極體與第2二極體或蕭特基二極體之順向電壓降，極性相反連接並聯於二電池或二電池組之間，而使二電池或二電池組之電壓平衡，以執行二電池或二電池組因電壓不同而需並聯時，因其二電池或二電池組之電壓平衡，而消除二電池或二電池組之環流損失。

2.　首創在二組電池組之間增加二組電壓平衡電路，將二組電壓平衡電路串連連接，中間接點做為電池組與充電或放電電路之電性連接點。

3.　首創以第1場效電晶體M1之與第2場效電晶體M2之漏極D與源極S極性相反連接形成平衡電路，並聯於二電池或二電池組之間，以執行二電池或二電池組並聯充電，消除二電池或二電池組之環流損失。

4.　首創可採用第1場效電晶體M1，而節省第2場效電晶體M2不用，可執行二電池組並聯雙方向導電，其為應用第1場效電晶體M1之閘極與源極為飽和電壓之關係；或可採用第2場效電晶體M2，而節省第1場效電晶體M1不用，可執行二電池組並聯雙方向導電，其為應用第2場效電晶體M2之閘極與源極為飽和電壓之關係。

5.　本發明電池組並聯電路裝置所指之電池係為二次電池(Secondary Cells)，亦就是所有之二次電池皆可應用本發明電池組並聯裝置。

如圖2所示，為本發明電池組並聯裝置之第1實施例，自圖中可知，電池組EA經第1繼電器RL1之接點a1，a2及電池組EB經第1繼電器RL1之接點b1，b2，其接點a2，b2接到正電壓端VP端，由正電壓端VP接到充電裝置或負載CDL(Charge Device or Load，CDL)，再接到負電壓端VN經控制裝置CD(Control Device，CD)之VB端，感測器SE(Sensor，SE)，控制裝置CD之VA端再接到蓄電池組EAN端與電池組EBN端；其控制裝置CD之VA電壓端與控制裝置CD之VB電壓端接到感測器SE之兩端；其第1繼電器RL1之電磁線圈EMC(Electrical Magnetic Coil，EMC)與正電壓端VP連接，其第1繼電器RL1之電磁線圈EMC之另一端接到場效電晶體PM之源極S(Source，S)，場效電晶體PM之漏極D(Drain，D)接到接地端，其閘極G(Gate，G)接到過電壓保護積體電路OVPIC(Over Voltage Protection Integration Circuit，OVPIC)之輸出端OT(Out Terminal，OT)，過電壓保護積體電路OVPIC之感測電壓輸入端SVI(Sense Voltage Input，SVI)到感測電壓輸入端SVN接到電池組EA到蓄電池組EAN端或電池組EB電池組EBN端；第1場效電晶體M1之源極S接到電池組EBN之正電端，第1場效電晶體M1之漏極D接到電池組EAN之正電端，而其第1場效電晶體M1之閘極G接到控制裝置CD之VA>VB輸出端，第1二極體D1之陽極(Anode)接到蓄電池組EBN之正電端，第1二極體D1之陰極(Cathode)接到蓄電池組EAN之正電端；第2場效電晶體M2之源極S接到電池組EAN之正電端，第2場效電晶體M2之漏極D接到電池組EBN之正電端，而其第2場效電晶體M2之閘極G接到控制裝置CD之VA>VB輸出端，第2二極體D2之陽極接到蓄電池組EAN之正電端，第2二極體D2之陰極接到蓄電池組EBN之正電端。

如圖2所示，本發明之充電動作原理為：其充電裝置之電流自正電壓端VP，經第1繼電器RL1之接點a2，a1向電池組EA到EAN充電與到第1繼電器RL1之接點b2，b1向電池組EB到EBN充電，而到控制裝置CD之VA電壓端經感測器SE到控制裝置CD之VB電壓端，回到充電裝置CD之負電壓端VN，而完成充電程序。

如圖2所示，自圖中可知，EAN兩端之電壓可能大於或小於EBN端之電壓，若EAN兩端之電壓大於EBN兩端之電壓，而其第1場效電晶體M1之閘極G接到控制裝置CD之VA>VB輸出端為正電壓，此時第1場效電晶體M1導通，EAN兩端與EBN兩端形同兩者並聯連接，此時EAN與EBN達成平衡充電；若EAN兩端之電壓小於EBN兩端之電壓，而其第2場效電晶體M2之閘極G接到控制裝置CD之VA>VB輸出端為正電壓，此時第2場效電晶體M2導通，EAN兩端與EBN兩端形同兩者並聯連接，此時EAN與EBN達成平衡充電，其第1場效電晶體M1與第2場效電晶體M2為N通道場效電晶體(N-Channel FET)，場效電晶體為供應電池組實際不同之需求，可採用各種不同場效電晶體之屬類，如功率場效電晶體(Power MOSFET)，…等，而不自限；所謂二組漏極與源極極性相反連接之場效電晶體，即是第1場效電晶體M1之漏極與第2場效電晶體M2之源極連接，第2場效電晶體M2之漏極與第1場效電晶體M1之源極連接，並聯於EAN與EBN兩者之間，其第1場效電晶體M1與第2場效電晶體M2之閘極G接到控制裝置CD之VA>VB輸出端，而形成平衡電路BC(Balance Circuit，BC)，有利於二電池或二電池組之充電而替代習知二電池或二電池組短路連接，而造成環流短路損耗；第1二極體D1為第1場效電晶體M1之體二極體(Body Diode)，或以外接二極體或外接蕭特基二極體(Schottky Diode)替代，而不自限，第2二極體D2為第2場效電晶體M2之體二極體，或以外接二極體或外接蕭特基二極體替代，而不自限，所謂二只陽極與陰極極性相反連接之二極體或蕭特基二極體，即是第1二極體或蕭特基二極體D1之陽極與第2二極體或蕭特基二極體D2之陰極連接，其第1二極體或蕭特基二極體D1之陰極與第2二極體或蕭特基二極體D2之陽極連接，並聯於EAN與EBN兩者之間，利用二極體或蕭特基二極體之順向電壓降，形成電壓平衡電路VBC(Voltage Balance Circuit，VBC)，可消除二電池或二電池組之間之環流短路損耗；若電池組EA到EAN兩端之電壓與EB到EBN兩端之電壓相差大，則可採用第1二極體D1為多只二極體串聯，第2二極體D2為多只二極體串聯，而不自限。

如圖2所示，自圖中可知，EAN兩端之電壓可能大於或小於EBN端之電壓，若EAN兩端之電壓大於EBN兩端之電壓，而其第1場效電晶體M1之閘極G接到控制裝置CD之VA>VB輸出端為正電壓，此時第1場效電晶體M1導通，EAN兩端與EBN兩端形同兩者並聯連接，此時EAN與EBN達成平衡充電，為供應電池組實際不同之需求，可採用第1場效電晶體M1，而節省第2場效電晶體M2不用，可執行二電池組並聯雙方向導電，是因為第1場效電晶體M1之閘極與源極為飽和電壓之關係；或為供應電池組實際不同之需求，可採用第2場效電晶體M2，而節省第1場效電晶體M1不用，可執行二電池組並聯雙方向導電，是因為第2場效電晶體M2之閘極與源極為飽和電壓之關係，而不自限。為供應電池組實際不同之需求，利用二極體或蕭特基二極體之順向電壓降，形成電壓平衡電路VBC，可消除二電池或二電池組之間之環流短路損耗，可採用第1二極體D1而節省第2二極體D2執行二電池組並聯單方向之順向電壓降，形成電壓平衡電路VBC；為供應電池組實際不同之需求，利用二極體或蕭特基二極體之順向電壓降，形成電壓平衡電路VBC，可消除二電池或二電池組之間之環流短路損耗，可採用第2二極體D2而節省第1二極體D1執行二電池組並聯單方向之順向電壓降，形成電壓平衡電路VBC，而不自限。

如圖2所示，本發明之放電動作原理為：電池組EA之放電電流經第3二極體D3與電池組EB之放電電流經第4二極體D4，經正電壓端VP到負載(Load)，回到負載之負電壓端VN，而到控制裝置CD之VB電壓端經感測器SE到控制裝置CD之VA電壓端，而再回到電池組EAN端與EBN端，而完成放電程序；此時控制裝置CD之VA>VB輸出端為負電壓，第1場效電晶體M1之閘極G與第2場效電晶體M2之閘極G為負電壓，其第1場效電晶體M1與第2場效電晶體M2之漏極D與源極S形同開路，此時電池組EAN端與EBN端開路，不會產生環流造成短路損耗。

如圖3所示，為本發明電池組並聯裝置之第2實施例，自圖中可知，將N通道場效電晶體之第1場效電晶體M1與第2場效電晶體M2改為P通道場效電晶體(P-Channel FET)之第3場效電晶體M3與第4場效電晶體M4，與增加一逆變器INV(Inverter，INV)於控制裝置CD之VA>VB輸出端，則其動作原理與圖2完全相同，而不贅述。

如圖4所示，為本發明電池組並聯裝置之第3實施例，自圖中可知，為了實際需求將圖2與圖3加以簡化，如第1、第2、第3、第4場效電晶體M1、M2、M3、M4之去除與控制裝置CD之去除；其動作原理為：當正電壓端VP與負電壓端VN兩端無負載與充電裝置時，其EA到EAN兩端之電壓可能大於或小於EB到EBN端之電壓，若EA到EAN兩端之電壓大於EB到EBN兩端之電壓，此時若直接將其兩者並聯，必會產生環流而造成環流短路，若EA到EAN兩端之電壓大於EB到EBN兩端之電壓1.4伏特，此時利用第7二極體D7之順向電壓降0.7伏特和第9二極體D9之順向電壓降0.7伏特，合計1.4伏特，此時因為有第7二極體D7和第9二極體D9之順向電壓降為1.4伏特，所以在EB到EBN端之電壓與EA到EAN兩端之電壓相等，此時環流非常小；同理，若EB到EBN兩端之電壓大於EA到EAN兩端之電壓，同樣可以第10二極體D10與第8二極體D8之順向電壓降合計為1.4伏特來平衡EB到EBN兩端之電壓與EA到EAN兩端之電壓，使其環流達到最小；若電池組EA到EAN兩端之電壓與EB到EBN兩端之電壓相差大，則可採用第7二極體D7為多只二極體串聯，第9二極體D9為多只二極體串聯，第10二極體D10為多只二極體串聯，第8二極體D8為多只二極體串聯，一般而言，欲將二電池組並聯，其基本條件為兩電池組應為同材質、同電壓特性、同電量…等條件才能並聯，因此以二只極性相反連接之二極體並聯，同時連接於開關之兩接點，使二組電池組並聯達到最小之環流耗損；同理，其第1二極體D1之陰極與第2二極體D2之陽極連接，第1二極體D1之陽極與第2二極體D2之陰極連接，並聯於電池EAN與電池EBN之間，或其他二電池或二組電池組之間，使二電池或二組電池組並聯達到最小之環流耗損，第1二極體D1與第2二極體D2為實際需要亦可用多只二極體串聯。

如圖4所示，自圖中可知，在電池組EA與電池組EB之間增加二組電壓平衡電路VBC，即第7二極體D7與第8二極體D8為一電壓平衡電路VBC，與第9二極體D9與第10二極體D10為一電壓平衡電路VBC，將二組電壓平衡電路VBC串連連接，中間接點接第1繼電器RL1之第1接點a1，及感測電壓輸入端SV1；同理，其第1二極體D1之陰極與第2二極體D2之陽極連接，第1二極體D1之陽極與第2二極體D2之陰極連接為一電壓平衡電路VBC，並聯於電池EAN與電池EBN之間，或其他二電池或二組電池組之間，使二電池或二組電池組並聯達到最小之環流耗損；其動作原理為：充電電流自充電裝置之正電壓端VP，經第1繼電器RL1之第2接點a2，第1接點a1，經第8二極體D8向電池組EA到EAN充電，回到負電壓端VN；及充電電流自充電裝置之正電壓端VP到第1繼電器RL1之第2接點a2，第1接點a1，經第9二極體D9向電池組EB到電池組EBN充電，回到負電壓端VN；放電電流自電池組EA經第7二極體D7再經第1繼電器RL1之第1接點a1與第2接點a2，正電壓端VP，向負載放電，而回到電池組EAN負電端；及放電電流自電池組EB經第10二極體D10再經第1繼電器RL1之第1接點a1與第2接點a2，正電壓端VP，向負載放電，而回到電池組EBN負電端；以上所述之二極體係指一般二極體(PN junction diode)或蕭特基二極體而言。

本發明實為一富有新穎性，進步性及可供產業利用性，應符合專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，懇請　貴審查委員早日賜與本發明專利，實感德便。

CDL．．．充電裝置或負載

VP．．．充電或放電裝置之正電壓端

VN．．．充電或放電裝置之負電壓端

CD．．．控制裝置

SE．．．感測器

VA．．．電壓比較器積體電路A點電壓端

VB．．．電壓比較器積體電路B點電壓端

EA．．．A組電池

EAN．．．A組電池串聯群

EB．．．B組電池

EBN．．．B組電池串聯群

M1、M2．．．第1、2 N通道場效電晶體

M3、M4．．．第3、4 P通道場效電晶體

PM．．．P通道場效電晶體

RL1．．．第1繼電器

EMC．．．第1繼電器之電磁線圈

a1、a2．．．第1繼電器之第1、2接點

b1、b2．．．第1繼電器之第3、4接點

D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10．．．第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10二極體

BC．．．平衡電路

VBC．．．電壓平衡電路

OVPIC．．．過電壓保護積體電路

OT．．．過電壓保護積體電路之輸出端

SVI…SVN．．．過電壓保護積體電路之感測電壓輸入端

INV．．．逆變器

圖1　為習知電池管理積體電路。

圖2　為本發明電池組並聯裝置之第1實施例。

圖3　為本發明電池組並聯裝置之第2實施例。

圖4　為本發明電池組並聯裝置之第3實施例。

CDL．．．充電裝置或負載

VP．．．充電裝置或負載之正電壓端

VN．．．充電裝置或負載之負電壓端

CD．．．控制裝置

SE．．．感測器

VA．．．控制裝置A點電壓端

VB．．．控制裝置B點電壓端

EA．．．A組電池

EAN．．．A組電池串聯群

EB．．．B組電池

EBN．．．B組電池串聯群

RL1．．．第1開關(繼電器)

D1、D2、D3、D4．．．第1、2、3、4二極體

EMC．．．第1繼電器之電磁線圈

a1、a2．．．第1繼電器之第1、2接點

b1、b2．．．第1繼電器之第3、4接點

M1、M2．．．第1、第2 N通道場效電晶體

PM．．．P通道場效電晶體

BC．．．平衡電路

OVPIC．．．過電壓保護積體電路

OT．．．過電壓保護積體電路之輸出端

SVI…SVN．．．過電壓保護積體電路之感測電壓輸入端

Claims (5)

1. 一種電池組並聯裝置，其特徵在於裝置有：電壓平衡電路，為由兩只二極體組成，該兩只二極體的陽極與陰極為極性相反的並聯連接，其兩端連接於兩組電池組之間；其中，藉由該電壓平衡電路達到該兩組電池組在充電或放電時無環流損耗之功效。
2. 如申請專利範圍第1項之電池組並聯裝置，其中，該電壓平衡電路中之兩只二極體，可以用兩只蕭特基二極體替代。
3. 如申請專利範圍第2項之電池組並聯裝置，其中，該電壓平衡電路中之兩只二極體，可以用一只二極體替代。
4. 如申請專利範圍第2項之電池組並聯裝置，其中，該電壓平衡電路中之兩只蕭特基二極體，可以用一只蕭特基二極體替代。
5. 如申請專利範圍第1項之電池組並聯裝置，其中，該電壓平衡電路可以用兩組串聯連接之電壓平衡電路替代，該兩組電壓平衡電路串聯連接之中間接點接到充電與/或放電電路，其功效為做為該兩組電池組在充電與/或放電電路之電性連接介面。