TWI451653B - 電池組保護系統及其充放電方法 - Google Patents

Description

電池組保護系統及其充放電方法

本發明係有關一種電路保護技術，特別關於一種電池組保護系統及電池組充放電方法。

圖1所示為一傳統電池系統100的結構示意圖。電池系統100包括一電池組102、對電池組102充電的一充電器104以及由電池組102供電的一負載106(例如，電力工具或是電動車中的馬達)。電池組102包括一控制器112，以在充電器104對電池組102充電時，對充電過程進行控制及保護，以及在負載106對電池組102放電時，對放電過程進行控制及保護。充電器104包括一控制器114，且充電器104透過一串列通信匯流排120與電池組102通信。電池組102透過串列通信匯流排120向充電器104發送電池資訊，例如電池溫度、電池充電狀態、電池電流和電池識別。類似地，充電器104可透過串列匯流排120向電池組102發送充電器資訊，例如充電器認證/識別、充電電流、充電電壓。負載106利用控制器116控制負載106的操作。例如，控制器116可為一馬達轉速控制器，以控制電動車的馬達速度。

然而，由於電池組102透過一電源線140向負載106供電，負載106可能無法得知電池的資訊(例如，電池電壓和電池溫度)。因此，當電池組102對負載106供電時，由於電池組102中意外或錯誤情況的發生，將可能導致電池組102遭受損壞。其中，意外或錯誤情況例如，溫度過高或過低、欠壓甚至電池 反轉(cell reversal)的現象。電池組102可包括一充電開關和一放電開關，電池組102中的控制器112可控制這些開關，以保護電池組102避免受損壞。另外，控制器112的成本相對較高，並且充電開關和放電開關在電池組102內部會產生可能損害電池的熱。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種電池組保護系統，包括：一電池組，提供一電源，並包括一監測器，其中，該監測器監測該電池組的一電池狀態；一第一電介面，耦接至該電池組，且傳送該電源及該電池狀態；以及一負載，透過該第一電介面耦接至該電池組，接收該電源以對該電池組放電，透過一第一通信匯流排接收該電池狀態，並根據該電池狀態控制該電池組的一放電。

本發明更提供一種電池組保護系統，包括：一電池組，包括一監測器，其中，該監測器監測該電池組的一電池狀態；一負載，包括一第一控制器，其中，當該電池組耦接至該負載，以對該負載進行一放電時，該第一控制器根據該電池狀態控制該放電；一充電器，包括一第二控制器，其中，當該電池組耦接至該充電器，以對該電池組進行一充電時，該第二控制器根據該電池狀態控制該充電；以及一傳送匯流排，選擇性地耦接至該負載或該充電器，其中，當該電池組耦接至該負載時，該 傳送匯流排傳送一放電電源及該電池狀態，當該電池組耦接至該充電器時，該傳送匯流排傳送一充電電源及該電池狀態。

本發明更提供一種電池組充放電方法，包括：監測該電池組的一電池狀態；選擇性地將該電池組耦接至一負載以對該電池組進放電或耦接至一充電器以對該電池組充電；當耦接該電池組至該負載時，傳送一放電電源及該電池狀態；根據該電池狀態控制該放電電源的傳送；當耦接該電池組至該充電器時，傳送一充電電源及該電池狀態；以及根據該電池狀態控制該充電電源的傳送。

與現有技術相比，本發明中的電池組可以將電池狀態透過第一通信匯流排與負載通信，並透過第二通信匯流排與充電器進行通信。優點在於，負載和充電器可根據該電池組透過相應通信匯流排發送監測到的電池狀態以分別對電池組的充電和放電進行控制。這樣，電池組中的控制器、充電開關以及放電開關可被省略。系統的安全性及功能性可得到加強，同時，透過將監測和控制元件分配於電池組、負載和充電器中，可以降低系統的成本。

以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請 專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。

此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，闡明了大量的具體細節。然而，本領域技術人員將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方案、流程、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。

根據本發明的一實施例，在一個電池系統中，電池組可以將電池狀態透過第一通信匯流排與負載通信，並透過第二通信匯流排與充電器進行通信。優點在於，負載和充電器可根據該電池組透過相應通信匯流排發送的監測到的電池狀態分別對電池組的充電和放電進行控制。這樣，電池組中的控制器、充電開關以及放電開關可被省略。系統的安全性及功能性可得到加強，同時，透過將監測和控制元件分配於電池組、負載和充電器中，可以降低系統的成本。

圖2所示為根據本發明一實施例的電池系統200的結構示意圖。電池系統200包括一電池組202、對電池組202充電的一充電器204以及由電池組202供電的一負載206(例如，電力工具或是電動車中的馬達)。在一實施例中，電池組202包括一個或多個電池。電池組202可進一步包括一監視器222，以監測一電池狀態。這個電池狀態包括但不限於：一電池運作狀態(例如，電池組/電池溫度、電池組/電池電壓、電池電流以及電池組202的電池組/電池充電狀態)以及一電池認證/識別資訊。電池組202透過一 傳送匯流排220與充電器204耦接。在一實施例中，傳送匯流排220包括一通信匯流排262和一電力匯流排266。電池組202透過通信匯流排262向充電器204傳送電池狀態，並由充電器204透過電力匯流排266進行供電。充電器204包括一控制器214，以監測一充電器狀態。這個充電器狀態包括但不限於一充電器認證/識別、一充電電流及一充電電壓。類似地，充電器204將監測到的充電器資訊透過通信匯流排262向電池組202傳送。

電池組202透過傳送匯流排230與負載206耦接。在一實施例中，傳送匯流排230包括一通信匯流排260和一電力匯流排264。電池組202透過通信匯流排260向負載206傳送電池狀態，並透過電力匯流排264向負載206供電。負載206包括一控制器216，以監測一負載狀態。這個負載狀態包括但不限於一負載認證/識別、一放電電流、一放電電壓以及一馬達轉速(於負載206包括馬達的例子中)。因此，電池組202與負載206可透過通信匯流排260對監測到的電池狀態以及負載狀態進行通信。優點在於，如果在電池組202向負載206充電時發生了例如溫度過高或過低、欠壓甚至電池反轉(cell reversal)等意外情況時，則監測器222可透過監測電池狀態來檢測到這些意外情況並通知負載206。這樣，負載206即可中斷放電，進而使電池組202和負載206可以被保護來避免受損壞。

優點在於，由於電池組202、負載206以及充電器204分別利用監測器222、控制器216以及控制器214來監測電池狀態、負載狀態以及充電器狀態，因此可提高監測的 準確率。同時，因為電池組202可使用較低成本的監測器222取代了圖1所示先前技術電池組102中的控制器112，所以放電控制的功能由負載206中的控制器216來實現。本發明的控制器216可以利用先前技術負載106中的控制器116的硬體結構，並同時擴展其功能。因此，系統整體成本可以降低，同時系統體積可以減小。

在一實施例中，監測器222所監測到的電池狀態、控制器214所監測到的充電器狀態以及控制器216所監測到的負載狀態可被轉換為一數位信號。通信匯流排260和262可為一串列通信匯流排。在此，「串列通信」的意思是指傳送信號的過程是透過通信頻道或匯流排，一次一位元的方式順序傳送。串列匯流排可以為但不限於一串列外設介面(SPI)匯流排、內部積體電路(I2C)匯流排和1-wire匯流排。通信匯流排260和262可以被設計為符合相同標準，例如I2C匯流排標準。另外，通信匯流排260和262可為並列通信匯流排。“並列通信”的意思是透過多條並列頻道以多條線路同時傳送信號。

在一實施例中，電池組202可進一步包括耦接至監測器222或整合於其中的一記憶體224。記憶體224可儲存電池202的一使用記錄，例如，使用記錄可包括每次電池組202運作的電池狀態。優點在於，記憶體224中的使用記錄可透過電腦來擷取，以便進行分析。

在一實施例中，負載206可進一步包括由控制器216控制的一放電開關236。負載206可根據監視器222發送的電池狀態，以利用放電開關236控制放電過程。如果電 池狀態指示電池組202處於意外或是錯誤狀態(例如，欠壓)，負載206可透過關斷放電開關236以結束放電過程。

類似地，充電器204可進一步包括由控制器214控制的一充電開關234。負載206可根據監視器222發送的電池狀態，以利用充電開關234控制充電過程。如果電池狀態指示電池組202處於意外或是錯誤狀態(例如，溫度過高或過低以及欠壓等)，負載206可透過關斷充電開關234以結束充電過程。

這樣，負載206和充電器204可透過控制放電開關236和充電開關234分別控制放電過程和充電過程。優點在於，圖1電池組102中的控制器、充電開關以及放電開關可被省略。因此，電池組202的體積可以減小，而且成本可以降低。

在一實施例中，電池組202透過電介面與負載206以及充電器204分別耦接。電介面將在圖3中進行描述。在一實施例中，電池組202和負載206之間的電介面與電池組202和充電器204之間的電介面標準相同。這樣，電池組202可包括由負載206和充電器204共用的一個電介面。或者，電池組202可包括兩個相同的電介面，以允許負載206和充電器204同時與電池組202耦接。在另一實施例中，電池組202和負載206之間的電介面與電池組202和充電器204之間的電介面標準不同，在這樣的情況下，電池組可包括兩個不同的電介面，以分別對應負載206和充電器204。

圖3描述了根據本發明一實施例的電池組202與負載 206之間或者電池組202和充電器204之間的電介面300的結構示意圖。圖3結合圖2中的電池系統200進行描述。電介面300包括多個電源端，例如，正端302和負端304，以及通信端306。正端302和負端304傳送充電或放電電源，並支援電源匯流排264和266。在一實施例中，正端302耦接至負載206或是充電器204的正極。類似地，負端304耦接至負載206或充電器204的負極。或者，負端304可以接地。

通信端306傳送指示電池狀態的數位信號，並支援圖2所示的通信匯流排260及262。例如，電池202、負載206和充電器204分別利用相同的電介面300。在充電時，充電器204可透過電源匯流排266經正端302以及負端304向電池組202充電，並透過通信匯流排262經通信端306與電池組202通信。電池組202可透過圖2所示的電源匯流排264經正端302以及負端304向負載206供電，並透過圖2所示的通信匯流排260經通信端306發送電池組202的電池狀態。

圖4描述了根據本發明一實施例的電池組202中的監視器222的結構示意圖。圖4結合圖2和圖3進行描述。監測器222包括一電池監測單元402、一類比數位轉換器404、一電池認證/識別單元406和一通信單元408。

電池監測單元402耦接至電池組202中的每個電池，以分別監測電池並產生指示電池狀態的監測信號410，例如電池組/電池溫度、電池組/電池電壓、電池電流以及電池組202的電池組/電池充電狀態。在一實施例中，監測信 號410為一類比信號，類比數位轉換器404將其轉換成一數位信號412。電池認證/識別單元406可被儲存在圖2所示的記憶體224中並輸出數位信號414。通信單元408接收電池狀態數位信號412和認證/識別數位信號414，並經由圖3所示的通信端306將電池狀態傳送給負載206的控制器216和充電器204的控制器214。

圖5為根據本發明一實施例的充放電池組方法流程圖500。圖5中揭示了具體的步驟，然而這些步驟僅為示例性的。即，本發明可適用於執行其他步驟或圖5中步驟的變化態樣。以下，結合圖2和圖3對圖5進行說明。

在步驟510中，監測一電池組202的一電池狀態，電池狀態包括但不限於電池組/電池溫度、電池組/電池電壓、電池電流、電池組202的電池組/電池充電狀態以及電池認證/識別資訊。

在步驟512中，電池組202選擇性地與一負載或一充電器耦接。在一實施例中，電池組202包括一個如圖3所示的電介面300，以耦接電池組202至負載206或者充電器204，這個電介面300可被負載206和充電器204所共用。在另一實施例中，電池組202和負載206之間的電介面與電池組202和充電器204之間的電介面標準不同，這樣的情況下，電池組可包括兩個不同的電介面。

在步驟514中，放電電源以及代表電池組202電池狀態的數位信號被傳送至負載206。放電電源可透過圖3所示的電介面300中的電源端302和304傳送。在一實施例中，負載206包括一控制器216以監控負載206的一負載 狀態。負載狀態包括但不限於：負載認證/識別、放電電流、放電電壓以及馬達轉速(於負載206包括馬達的例子中)。

在步驟516中，控制器216可根據電池狀態控制放電電源的傳送。同時，控制器216可根據負載狀態控制放電電源的傳送。

在步驟524中，充電電源以及代表電池組202電池狀態的數位信號被傳送。充電電源可透過圖3所示的電介面300經電源端302及304由充電器204向電池組202進行傳送，電池組202的電池狀態可透過電介面300經通信端306進行傳送。在一實施例中，充電器204包括控制器214以監控充電器204的充電器狀態。充電器狀態包括但不限於充電器認證/識別、充電電流及充電電壓。

在步驟526中，控制器214根據電池狀態控制充電電源的傳送。同時，控制器214可根據充電器狀態控制充電電源的傳送。

上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離申請專利範圍所界定的本發明精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附申請專利範圍及其合法等同物界定，而不限於此前之描述。

100‧‧‧電池系統

102‧‧‧電池組

104‧‧‧充電器

106‧‧‧負載

112‧‧‧控制器

114‧‧‧控制器

116‧‧‧控制器

120‧‧‧串列通信匯流排

140‧‧‧電源線

200‧‧‧電池系統

202‧‧‧電池組

204‧‧‧充電器

206‧‧‧負載

214‧‧‧控制器

216‧‧‧控制器

220‧‧‧傳送匯流排

222‧‧‧監測器

224‧‧‧記憶體

230‧‧‧傳送匯流排

234‧‧‧充電開關

236‧‧‧放電開關

260‧‧‧通信匯流排

262‧‧‧通信匯流排

264‧‧‧電源匯流排

266‧‧‧電源匯流排

300‧‧‧電介面

302‧‧‧電源端

304‧‧‧電源端

306‧‧‧通信端

402‧‧‧電池監測單元

404‧‧‧類比數位轉換器

406‧‧‧電池認證/識別單元

408‧‧‧通信單元

410‧‧‧監測信號

412‧‧‧數位信號

414‧‧‧數位信號

500‧‧‧充放電池組方法

510~526‧‧‧步驟

以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：圖1為一傳統電池系統的結構示意圖；圖2為根據本發明一實施例的電池系統的結構示意圖；圖3為根據本發明一實施例的電介面的結構示意圖；圖4為根據本發明一實施例的監測器的結構示意圖；以及圖5為根據本發明一實施例的對電池組充放電方法流程圖。

200‧‧‧電池系統

202‧‧‧電池組

204‧‧‧充電器

206‧‧‧負載

214‧‧‧控制器

216‧‧‧控制器

220‧‧‧傳送匯流排

222‧‧‧監測器

224‧‧‧記憶體

230‧‧‧傳送匯流排

234‧‧‧充電開關

236‧‧‧放電開關

260‧‧‧通信匯流排

262‧‧‧通信匯流排

264‧‧‧電源匯流排

266‧‧‧電源匯流排

Claims (20)

1. 一種電池組保護系統，包括：一電介面，包括一正端；一電池組，提供一電源至該正端，該電池組包括：多個電池，電耦接至該電介面的該正端；一監測器，其中，該監測器監測該電池組的一電池狀態，並發送表示該電池狀態的一資訊至該電介面；以及一負載，透過該電介面選擇性地耦接該電池組，當該負載耦接至該電池組時，接收該電源以對該電池組進行一放電，並透過該電介面接收該電池組的該監測器發送的表示該電池狀態的該資訊，其中，該負載包括一放電開關，且其中，當表示該電池狀態的該資訊指示該電池組處於一錯誤狀態時，該負載關斷該放電開關以結束該放電，且該多個電池仍電耦接至該電介面上的該正端。
2. 如申請專利範圍第1項的電池組保護系統，其中，該負載包括：一控制器，監測該負載的一負載狀態，並接收表示該電池狀態的該資訊。
3. 如申請專利範圍第2項的電池組保護系統，其中，該控制器根據表示該電池狀態的該資訊關斷該放電開關。
4. 如申請專利範圍第1項的電池組保護系統，其中，該電池組包括：一記憶體，耦接該監測器，儲存表示該電池狀態的該資訊。
5. 如申請專利範圍第4項的電池組保護系統，其中，該記憶體中儲存的表示該電池狀態的該資訊可被一電腦所擷取。
6. 如申請專利範圍第1項的電池組保護系統，進一步包括： 一充電器，對該電池組進行一充電，其中，該充電器透過一通信匯流排接收該電池組的該監測器發送的表示該電池狀態的該資訊，其中，該充電器包括一充電開關，且其中，該充電器根據表示該電池狀態的該資訊關斷該充電開關以結束該充電。
7. 如申請專利範圍第6項的電池組保護系統，其中，該充電器包括：一控制器，監測該充電器的一充電器狀態，並接收表示該電池狀態的該資訊。
8. 如申請專利範圍第7項的電池組保護系統，其中，該控制器根據表示該電池狀態的該資訊關斷該充電開關。
9. 如申請專利範圍第6項的電池組保護系統，其中，該電介面進一步包括：一通信端，透過該通信匯流排由該電池組向該充電器傳送表示該電池狀態的該資訊。
10. 如申請專利範圍第1項的電池組保護系統，其中，該監測器包括：一電池監測單元，與該電池組中該多個電池中的每一電池耦接，監測該多個電池並產生指示該多個電池的狀態的多個監測信號；一類比數位轉換器，耦接該電池監測單元，將該多個監測信號分別轉換為多個數位信號；以及一通信單元，耦接該類比數位轉換器，根據該多個數位信號產生該資訊給該電池狀態，並傳送該資訊給該電池狀態。
11. 如申請專利範圍第1項的電池組保護系統，其中，該資訊包括多個數位信號，且其中該負載基於該數位信號結束該電池組的一放電。
12. 如申請專利範圍第11項的電池保護系統，其中，該數位信號表 示該電池組的一電壓、一電流或一溫度。
13. 如申請專利範圍第11項的電池保護系統，其中，該數位信號表示一狀態，該狀態是一電池溫度、一電池電壓、一電池電流、一電池充電狀態、一電池識別狀態及一電池認證狀態的其中之一。
14. 一種電池組保護系統，包括：一電池組，包括：一監測器，其中，該監測器監測該電池組的一電池狀態並發送表示該電池狀態的一資訊至一電介面；一負載，包括：一第一控制器，接收該電池組的該監測器發送的表示該電池狀態的該資訊；以及一放電開關，其中，當該電池組耦接該負載以對該電池組進行一放電時，該第一控制器根據表示該電池狀態的該資訊關斷該放電開關以結束該放電；一充電器，包括：一第二控制器，包括：一充電開關，其中，當該電池組耦接該充電器以對該電池組進行一充電時，該第二控制器根據表示該電池狀態的該資訊關斷該充電開關以結束該充電；以及一傳送匯流排，透過該電介面選擇性地耦接該負載或該充電器，其中，當該電池組耦接該負載時，該傳送匯流排傳送一放電電源及表示該電池狀態的該資訊至該電介面；當該電池組耦接該充電器時，該傳送匯流排傳送一充電電源及表示該電池狀態的該資訊至該電介面，其中，該電池組包括電耦接至該電介面上的一正端的多個電池，當該負載耦接至該電池組時，透過該電介面上的該正端提供該放 電電源至該負載，且其中，當表示該電池狀態的該資訊指示該電池組進行一錯誤狀態時，該負載關斷該放電開關以結束該放電，且該多個電池仍電耦接至該電介面上的該正端。
15. 如申請專利範圍第14項的電池組保護系統，其中，該傳送匯流排包括：一電源匯流排，選擇性地傳送該充電電源或該放電電源；以及一通信匯流排，將表示該電池狀態的該資訊傳送至該負載和該充電器。
16. 如申請專利範圍第15項的電池組保護系統，其中，該通信匯流排為一串列通信匯流排。
17. 如申請專利範圍第14項的電池組保護系統，進一步包括：一記憶體，耦接該監測器，儲存表示該電池狀態的該資訊。
18. 一種電池組充放電方法，包括：利用一電池組的一監測器發送表示該電池組的一電池狀態的一資訊至一電介面；透過該電介面選擇性地將該電池組耦接一負載以對該電池組放電或耦接一充電器以對該電池組充電；當該電池組耦接該負載時，傳送一放電電源及表示該電池狀態的該資訊至該電介面；根據表示該電池狀態的該資訊關斷該負載內的一放電開關以結束該放電電源的傳送；當該電池組耦接該充電器時，傳送一充電電源及表示該電池狀態的該資訊至該電介面；以及根據表示該電池狀態的該資訊關斷該充電器內的一充電開關以結束該充電電源的傳送，其中，該電池組包括電耦接至該電介面上的一正端的多個電池， 且其中，結束該放電電源的傳送的該步驟包括：當表示該電池狀態的該資訊指示該電池組進行一錯誤狀態時，該負載關斷該放電開關以結束該放電，且該多個電池仍電耦接至該電介面上的該正端。
19. 如申請專利範圍第18項的方法，進一步包括：監測該負載的一負載狀態；以及根據該負載狀態控制該放電電源的傳送。
20. 如申請專利範圍第18項的方法，進一步包括：監測該充電器的一充電器狀態；以及根據該充電器狀態控制該充電電源的傳送。