TWI451657B - 多組變壓器隔離並聯共地輸入之電池主動平衡裝置 - Google Patents
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Description
本發明是一種充電電路,尤其是關於一種具有平衡充電效能的電路。
隨著電子技術的發達,消費性電子產品已經是現代人不可或缺的隨身物品,舉凡手機、電腦、電動車等等均是。為了讓該些電子產品可以延長使用時間及效能,該些電子產品的電池組通常包含複數個串接之電池單元(Battery cell)。然而,該電池組之各電池單元於充電過程中,經常因為各電池單元的個別差異而導致無法完整且對各電池單元平衡充電,使某些電池單元經常過充或充電不足,進而使整個電池組壽命大為降低,影響使用甚至危害安全。
為了解決對串接電池單元充電不均的問題,目前已經有一些廠商或研究提出可以對串接之各電池單元進行平衡充電或放電的機制,例如串接旁路電阻型(第六A圖)、多重繞組型(第六B圖)、電容切換型(第六C圖)或DC-DC轉換型(第六D圖),然前揭各種平衡充放電機制各有缺點而無法滿足使用者需求。舉例而言,請參考第六A圖,其為一種於充電過程於每個電池單元並聯一旁路電阻之實施範例,其透過開關的控制使某些或某個電池單元過多的電力旁路至所並聯的旁路電阻,藉以解決充電不平衡的問題。然而,旁路電阻方式卻使充電過程浪費許多額外電力並大幅降低充電效率。又例如第六B圖、第六C圖所示之多重繞組型或
電容切換型因必須逐級對每個該電池單元充電,使整體的充電效率不佳。
針對前述平衡充電裝置之諸多缺點,發明人遂提出一種半橋式串連諧振多組變壓器主動平衡電路,其充電平衡控制係利用多組相互串聯之平衡開關Schg1~N
控制複數個串聯之變壓器,雖其可達到優異的平衡充電之技術效果,但因該架構之平衡開關無法共地連接,使各平衡開關、各變壓器無法共地,使隔離電路難以設計且容易相互干擾,更因為電流必須通過每個平衡開關及各變壓器,導致電力消耗提昇。
為了解決既有充電技術之平衡充電能力不佳或導致充電效率不佳或致使電力損耗之問題,本發明之目的在於提供一種多組變壓器隔離並聯共地輸入之電池主動平衡裝置,其結合電池異常失衡檢測、主動充放電平衡電路,使電池組之各電池單元可以獲得平衡且有效率之充電效果,解決既有技術的問題,達到高效率、低損耗之平衡充電效果。
本發明提出一種多組變壓器隔離並聯共地輸入之電池主動平衡裝置,其包含一平衡控制模組及一多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路,其中:該平衡控制模組檢測一電池組內複數個電池單元之電力狀態;及該多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路包含複數個並聯共地之多重繞組變壓組、複數共地之平衡開關、一諧振電路、一充電開關及一放電開關,其中:
每個多重繞組變壓組分別對應連接於一個電池單元;每個該多重繞組變壓組係與一個該平衡開關對應且電性連接並由所對應連接之該平衡開關控制而調整各電池單元執行充放電平衡控制;及該諧振電路與各多重繞組變壓組、各平衡開關一充電電源並聯,該諧振電路使各平衡開關進行零電壓切換,該充電開關連接於該電池組與該充電電源之間,該放電開關連接於該電池組與一負載之間,該充電開關開啟時,各多重繞組變壓組、各平衡開關及該諧振電路對特定的該電池單元執行平衡充電;該放電開關開啟時,各多重繞組變壓組、各平衡開關及該諧振電路對特定的電池單元平衡電力。
其中,該平衡控制模組包含串接之複數個電壓感測器、一多工電路、一類比數位轉換器、一處理運算單元、一輸出驅動介面及一平衡控制電路,其中:每個電壓感測器與每個該電池單元一對一對應連接,其持續讀取所對應連接之該電池單元之電池電壓;該多工電路與每個電壓感測器連接且接收各電壓感測器所讀取的電池電壓後輸出至該類比數位轉換器,使該類比數位轉換器將原為類比之電池電壓轉換為數位電壓訊號;該處理運算單元由該類比數位轉換器接收數位電壓訊號,其依據該數位電壓訊號之經運算後,透過該輸出驅動單元輸出該平衡充電控制訊號;及該平衡控制電路與該輸出驅動單元連接並接收該各電池單元之電力狀態比較結果,當某一電池單元產生不平衡電
力狀態時,該處理運算單元間接驅使該平衡控制電路,針對與電力相對較弱之該電池單元連接之該平衡開關於零電壓時進行切換。
其中,每個多重繞組變壓組包含串接之一轉換器、一整流二極體組及一穩壓電容,其中該穩壓電容與對應的該電池單元電性連接。
其中,該平衡控制模組檢測各電池單元之電壓,該平衡控制模組啟動該充電開關,並開啟電量最低的該電池單元所對應之該平衡開關,使能量將經由多重繞組變壓組傳遞至電量較低的該電池單元進行充電。
其中,該放電開關導通,該平衡控制模組對各電池單元進行電壓監測並記錄各電池單元之電壓,於某一電池單元之電量較低時,該平衡控制電路開啟相應之該平衡開關,以電池組本身之電力對電量相對較低之該電池單元執行電力平衡分配。
其中,該電池組係靜置或儲存時,該平衡控制模組持續對各電池單元進行電壓監測並記錄各電池單元之電壓,於某一該電池單元之電量較低,該平衡控制電路開啟相應之該平衡開關,以該電池組本身之電力對電量相對較低之該電池單元執行電力平衡分配。
其中,該平衡控制模組為一可程式化系統單晶片或一可程式化邏輯電路。
藉此,本發明具備下列優點:
1.採用諧振式轉換器作為其架構,平衡開關操作零電壓切換,本發明達到高效能且低耗能之平衡充電技術效果。
2.可依據需求設定開始進行平衡充電功能之時機,藉以避免各電池單元於產生非常細微之差異時就開始啟動平衡充電,導致影響充電時間之問題。
3.多重繞組變壓組採用多繞組變壓器並聯方式,可改善平衡控制開關共地問題。
4.本架構具備有充電平衡,放電平衡以及靜置平衡之功能,並對某顆或某些電壓不足之電池進行單一充電。
5.利用諧振主動平衡電路,配合變壓器執行高頻弦波電能轉換,可減低電路EMI干擾(相較於方波),並利用諧振電路零電壓切換機制,降低諧振開關切換損失。
6.啟動平衡機制對一組電池平衡時,只需導通一組平衡開關,平衡電流不會流經其餘平衡開關,可減低對其餘平衡開關之功率損失,可提升整體效率。
7.可以單晶片作為數位控制核心,選定最低儲存電量電池,判斷電池充放電是否有失衡異常情況,並依序進行能量比例分配。將完成開發鋰電池組充放電平衡電路,並將其應用於鋰電池組上,並以高效率達成電池主動平衡目的。
8.本發明不僅可以進行充電平衡,更可以電池組之電池進行自動的放電平衡及靜置電力平衡工作,讓電池組持續保持平衡狀態,大幅提昇電池組之使用壽命與供電穩定度。
請參考第一圖,其為本發明多組變壓器隔離並聯共地輸入之電池主動平衡裝置之較佳實施例,其包含一平衡控制模組10及一多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路20,該
平衡控制模組10與一電池組30電性連接,該電池組30包含複數個串接之電池單元B1~n。使用時,本實施例之該多組變壓器隔離並聯共地輸入之電池主動平衡裝置與該電池組30連接於一充電電源50及一負載單元40之間。
該平衡控制模組10偵測每個電池單元B1~n之一電力狀態並相互比較各電池單元B1~n之該電力狀態是否平衡,該平衡控制模組10依據電力狀態平衡與否之比較判斷結果產生一平衡充電控制訊號予該多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路20,使該多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路20調整各電池單元B1~n之充電輸入、放電輸出及靜置自然放電平衡。當各電池單元B1~n係屬於一充電狀態時,該平衡控制模組10持續讀取各電池單元B1~n之電力狀態,當產生一電力不平衡狀態時,該多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路20對相對較低電力狀態之電池單元B1~n執行補償充電,藉以讓各電池單元B1~n達成電力平衡。當各電池單元B1~n處於放電狀態或靜置自然放電狀態且該平衡控制模組10感應各電池單元B1~n之間因放電不均衡而產生電壓不平衡,該多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路20則調整特定之該電池單元之電力輸出藉以達到放電平衡;相應地,當各電池單元B1~n係於靜置狀態下某一或某些電池單元產生電壓太低時,該多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路20則以該電池組30之電力對特定相對較低之該電池單元進行充電,藉以平衡該電池單元B1~n之電力狀態。
請配合參考第二圖,該平衡控制模組10係先對該電池
組30執行一電壓偵測後,在將電壓偵測結果輸出置一平衡控制單晶片,使該平衡控制單晶片可以驅使該多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路20執行前述的平衡各電池單元B1~n之平衡調整。本實施例之該平衡控制模組10包含串接之複數個電壓感測器12、一多工電路14、一類比數位轉換器16、一處理運算單元18、一輸出驅動介面19及一平衡控制電路11。
每個電壓感測器12與每個該電池單元B1~n一對一對應連接,其持續讀取所對應連接之該電池單元B1~n之電池電壓。該多工電路14與每個電壓感測器12連接,且該多工電路14接收各電壓感測器12所讀取的電池電壓後輸出至該類比數位轉換器16,使該類比數位轉換器16將原為類比之電池電壓轉換為數位電壓訊號。該處理運算單元18由該類比數位轉換器16接收數位電壓訊號,其依據該數位電壓訊號之經運算後,透過該輸出驅動單元19輸出該平衡充電控制訊號至該平衡控制電路11,使該平衡控制電路11控制該多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路20進行平衡充放電工作。
該平衡控制模組10之種類不限定,可以為一可程式邏輯電路、一控制晶片或單晶片,本實施例之該平衡控制模組10為一可程式化系統單晶片(PSoC,programmable System on Chip),其為一種可程式化的混合訊號陣列架構,由一個晶片內建的微控制器(MCU)所控制整合可組態的類比與數位電路。為了達成該平衡充電控制訊號之產生與輸出,使該多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路20可以對每個
電池單元B1~n達到充電平衡、放電平衡或靜置平衡效果之最佳化,該處理運算單元18可選出具有相對最低電壓之該電池單元電力狀態執行補償充電、減少放電或靜置自我補償充電。
請配合參考第一圖,該多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路20包含複數個並聯共地之多重繞組變壓組T1~n
、複數共地之平衡開關Schg1~n
、一諧振電路24、一充電開關Schg
、一放電開關Sdschg
,各多重繞組變壓組分別對應連接於一個電池單元B1~n;每個該多重繞組變壓組係與一個該平衡開關Schg1~n
對應且電性連接,每個多重繞組變壓組係由所對應連接之該平衡開關Schg1~n
之控制而調整各電池單元B1~n執行充放電控制。本實施例之每個多重繞組變壓組24包含串接之一轉換器(e.g.Ns11
,Ns12
...)、一整流二極體組(e.g.D1
,D2
...)及一穩壓電容(e.g.C01
...),其中該穩壓電容與對應的該電池單元(e.g.B1)電性連接,當某一或某些多重繞組變壓組24對應連接之該平衡開關Schg1~n
開啟且該充電開關Schg
開啟,該充電器40所輸出的電力則可以對某一電池單元B進行平衡充電。如此,透過該平衡控制模組10先感應各電池單元B之電力狀態,並據此選擇某一電力相對較低的電池單元B進行平衡充放電。由於各多重繞組變壓組、各平衡開關為共地、並聯,各多重繞組變壓組可獨立由對應之該平衡開關Schg1~n
控制,使總體電路設計與製作上相對簡化、容易,使成本降低。當如前述開始啟動平衡充電時,可透過開啟單一的平衡開關Schg1~n
對特定的該電池單元平衡充放電,故使電流不會流經其餘平衡開關,可減
低對其餘平衡開關Schg1~n
之功率損失,可提升整體效率。
該諧振電路24與各多重繞組變壓組、各平衡開關Schg1~n
及該充電電源50並聯,該充電開關Schg
連接於該電池組30與該充電電源50之間,該放電開關Sdschg
連接於該電池組30與該負載40之間,該充電開關Schg
開啟時,各多重繞組變壓組、各平衡開關及該諧振電路24得調整特定的電池單元B之平衡充電;該放電開關Sdschg
開啟時,各多重繞組變壓組、各平衡開關Schg1~n
及該諧振電路24得調整特定的電池單元B之平衡充電。該諧振電路24之種類不限定,其將該充電電源50輸出之直流電力轉換為高頻弦波,且利用該諧振電路24之零電壓切換特性,使各平衡開關之切換損失大幅降低,使整體效率提昇。
充電時,請參考第三圖,該平衡控制模組10檢測各電池單元B之電壓,當發現某一電池單元B之電量較低,該平衡控制模組10啟動該充電開關Schg
,並將電量最低的該電池單元B所對應之該平衡開關導通,使能量將經由多重繞組變壓組傳遞至電量較低的該電池單元;此平衡動作反覆進行直到充電完成。
放電時,請參考第四圖,該放電開關Sdschg
開啟導通,該平衡控制模組10對各電池單元B進行電壓監測並記錄各電池單元B之電壓,當發現某一電池單元B之電量較低時,該平衡控制電路11開啟相應之該平衡開關Schg1~n,此時用於對各電池單元B執行電力平衡分配之能量來該電池組30本身,經由各多重繞組變壓組T1~n
傳遞能量至電量較低的電池單元B。
靜置自動平衡控制時,請參考第五圖,當該電池組30不進行充放電工作而處於單純靜置或儲存時,該平衡控制模組10持續對各電池單元B進行電壓監測並記錄各電池單元B之電壓,當發現特定之一個該電池單元B之電量較低(可設一臨界值),該平衡控制電路11開啟相應之該平衡開關Schg1~n,此時用於對各電池單元B執行電力平衡分配之能量來該電池組30本身,經由各多重繞組變壓組T1~n
傳遞能量至電量較低的電池單元B。
藉此,本發明具備下列優點:
1.採用諧振式轉換器作為其架構並使平衡開關操作零電壓切換,本發明達到高效能且低耗能之平衡充電技術效果。
2.可依據需求設定開始進行平衡充電功能之時機,藉以避免各電池單元於產生非常細微之差異時就開始啟動平衡充電,導致影響充電時間之問題。
3.多重繞組變壓組採用多繞組變壓器並聯方式,可改善平衡控制開關共地問題。
4.本架構具備有充電平衡,放電平衡以及靜置平衡之功能,並對某顆或某些電壓不足之電池進行單一充電。
5.利用諧振主動平衡電路,配合變壓器執行高頻弦波電能轉換,可減低電路EMI干擾(相較於方波),並利用諧振電路零電壓切換機制,降低諧振開關切換損失。
6.啟動平衡機制對一組電池平衡時,只需導通一組平衡開關,平衡電流不會流經其餘平衡開關,可減低對其餘平衡開關之功率損失,可提升整體效率。
7.可以單晶片作為數位控制核心,選定最低儲存電量電池,判斷電池充放電是否有失衡異常情況,並依序進行能量比例分配。將完成開發鋰電池組充放電平衡電路,並將其應用於鋰電池組上,並以高效率達成電池主動平衡目的。
8.本發明不僅可以進行充電平衡,更可以電池組之電池進行自動的放電平衡及靜置電力平衡工作,讓電池組持續保持平衡狀態,大幅提昇電池組之使用壽命與供電穩定度。
10‧‧‧平衡控制模組
12‧‧‧電壓感測器
14‧‧‧多工電路
16‧‧‧類比數位轉換器
18‧‧‧處理運算單元
19‧‧‧輸出驅動介面
11‧‧‧平衡控制電路
Schg1~n‧‧‧平衡開關
20‧‧‧多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路
24‧‧‧多重繞組變壓組
22‧‧‧切換單元
30‧‧‧電池組
B‧‧‧電池單元
40‧‧‧負載
Sdsg
‧‧‧放電開關
Np1
,Ns11
,Ns12
‧‧‧轉換器
D1
,D2
‧‧‧整流二極體組
C01
‧‧‧穩壓電容
第一圖為本發明較佳實施例之電路示意圖。
第二圖為本發明較佳實施例之平衡控制模組示意圖。
第三圖為本發明較佳實施例之充電狀態電路示意圖。
第四圖為本發明較佳實施例之放電狀態電路示意圖。
第五圖為本發明較佳實施例之放電狀態電路示意圖。
第六A~D圖為既有之平衡充電電路範例示意圖。
10‧‧‧平衡控制模組
20‧‧‧多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路
30‧‧‧電池組
B‧‧‧電池單元
Claims (7)
- 一種多組變壓器隔離並聯共地輸入之電池主動平衡裝置,其包含一平衡控制模組及一多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路,其中:該平衡控制模組檢測一電池組內複數個電池單元之電力狀態;及該多變壓器隔離並聯共地主動平衡驅動電路包含複數個並聯共地之多重繞組變壓組、複數共地之平衡開關、一諧振電路、一充電開關及一放電開關,其中:每個多重繞組變壓組分別對應連接於一個電池單元;每個該多重繞組變壓組係與一個該平衡開關對應且電性連接並由所對應連接之該平衡開關控制而調整各電池單元執行充放電平衡控制;及該諧振電路與各多重繞組變壓組、各平衡開關一充電電源並聯,該諧振電路使各平衡開關進行零電壓切換,該充電開關連接於該電池組與該充電電源之間,該放電開關連接於該電池組與一負載之間,該充電開關開啟時,各多重繞組變壓組、各平衡開關及該諧振電路對特定的該電池單元執行平衡充電;該放電開關開啟時,各多重繞組變壓組、各平衡開關及該諧振電路對特定的電池單元平衡電力。
- 如申請專利範圍第1項所述的多組變壓器隔離並聯共地輸入之電池主動平衡裝置,該平衡控制模組包含串接之複數個電壓感測器、一多工電路、一類比數位轉換器、一處理運算單元、一輸出驅動介面及一平衡控制電路,其中: 每個電壓感測器與每個該電池單元一對一對應連接,其持續讀取所對應連接之該電池單元之電池電壓;該多工電路與每個電壓感測器連接且接收各電壓感測器所讀取的電池電壓後輸出至該類比數位轉換器,使該類比數位轉換器將原為類比之電池電壓轉換為數位電壓訊號;該處理運算單元由該類比數位轉換器接收數位電壓訊號,其依據該數位電壓訊號之經運算後,透過該輸出驅動單元輸出該平衡充電控制訊號;及該平衡控制電路與該輸出驅動單元連接並接收該各電池單元之電力狀態比較結果,當某一電池單元產生不平衡電力狀態時,該處理運算單元間接驅使該平衡控制電路,針對與電力相對較弱之該電池單元連接之該平衡開關於零電壓時進行切換。
- 如申請專利範圍第2項所述的多組變壓器隔離並聯共地輸入之電池主動平衡裝置,每個多重繞組變壓組包含串接之一轉換器、一整流二極體組及一穩壓電容,其中該穩壓電容與對應的該電池單元電性連接。
- 如申請專利範圍第2或3項所述的多組變壓器隔離並聯共地輸入之電池主動平衡裝置,該平衡控制模組檢測各電池單元之電壓,該平衡控制模組啟動該充電開關,並開啟電量最低的該電池單元所對應之該平衡開關,使能量將經由多重繞組變壓組傳遞至電量較低的該電池單元進行充電。
- 如申請專利範圍第4項所述的多組變壓器隔離並聯共地輸入之電池主動平衡裝置,該放電開關導通,該平衡 控制模組對各電池單元進行電壓監測並記錄各電池單元之電壓,於某一電池單元之電量較低時,該平衡控制電路開啟相應之該平衡開關,以電池組本身之電力對電量相對較低之該電池單元執行電力平衡分配。
- 如申請專利範圍第5項所述的多組變壓器隔離並聯共地輸入之電池主動平衡裝置,該電池組係靜置或儲存時,該平衡控制模組持續對各電池單元進行電壓監測並記錄各電池單元之電壓,於某一該電池單元之電量較低,該平衡控制電路開啟相應之該平衡開關,以該電池組本身之電力對電量相對較低之該電池單元執行電力平衡分配。
- 如申請專利範圍第6項所述的多組變壓器隔離並聯共地輸入之電池主動平衡裝置,該平衡控制模組為一可程式化系統單晶片或一可程式化邏輯電路。
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TW101139908A TWI451657B (zh) | 2012-10-29 | 2012-10-29 | 多組變壓器隔離並聯共地輸入之電池主動平衡裝置 |
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TW101139908A TWI451657B (zh) | 2012-10-29 | 2012-10-29 | 多組變壓器隔離並聯共地輸入之電池主動平衡裝置 |
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TW201417449A TW201417449A (zh) | 2014-05-01 |
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-
2012
- 2012-10-29 TW TW101139908A patent/TWI451657B/zh not_active IP Right Cessation
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