TWI479771B - 用於級聯以及串聯電池組管理的介面電路及其方法 - Google Patents

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Description

用於級聯以及串聯電池組管理的介面電路及其方法
本發明是有關於一種用於電源管理的裝置，且特別是有關於一種用於級聯(cascade)電池組管理的介面電路(interface circuit)以及用於串聯(series)電池組管理的介面電路。
鋰聚合物(lithium polymer)或鋰鐵(lithium-iron)電池組電池的輸出電壓通常較低，且在需要提供高電壓輸出時需對其進行級聯。當串聯電池組時，需要電池組管理電路來控制電池電壓並保護電池組。正常來說，電池組管理電路執行電池平衡(cell-balance)的測量以及剩餘電量(fuel-gauge)的測量。然而，電池組管理電路主要通過低電壓IC工藝製成，且串聯連接的每個電池組塊分別自帶具有不同接地的電池組管理電路。是難以從具有不同接地的電池組塊訪問資料的。因此，需要一種用於這些級聯電池組管理電路之間的通信的介面電路。
本發明提供一種用於級聯電池組管理的介面電路。介面電路包括主(main)微控制器、從(slave)微控制器、接收光耦合器以及發射光耦合器。主微控制器耦接到第一電池組塊(battery block)，且從微控制器耦接到第二電池組塊。接收光耦合器具有輸入端，其耦接到主微控制器的輸出端，且接收光耦合器具有輸出端，其耦接到從微控制器的輸入端。發射光耦合器具有輸入端，其耦接到從微控制器的輸出端，且發射光耦合器具有輸出端，其耦接到主微控制器的輸入端。主微控制器使用脈衝寬度調變(pulse-width-modulation；PWM)經由發射光耦合器以及接收光耦合器與從微控制器通信。
另一方面，本發明更提供用於串聯電池組管理的介面電路。介面電路包括主微控制器、從微控制器、接收光耦合器以及發射光耦合器。主微控制器耦接到第一電池組塊。從微控制器耦接到第二電池組塊。接收光耦合器具有輸入端，其耦接到主微控制器的輸出端，且接收光耦合器具有輸出端，其耦接到從微控制器的輸入端。發射光耦合器具有輸入端，其耦接到從微控制器的輸出端，且發射光耦合器具有輸出端，其耦接到主微控制器的輸入端。主微控制器的輸出端並聯耦接到第二接收光耦合器的輸入端。第二接收光耦合器的輸出端耦接到第二從微控制器。主微控制器的輸入端並聯耦接到第二發射光耦合器的輸出端。第二發射光耦合器的輸入端耦接到第二從微控制器。
另一方面，本發明更提供用於級聯電池組管理的介面電路的方法。所述方法包括以下步驟。配置主微控制器，使其耦接到第一電池組塊。配置從微控制器，使其耦接到第二電池組塊。配置接收光耦合器，其中所述接收光耦合器具有輸入端，其耦接到主微控制器的輸出端，且所述接收光耦合器具有輸出端，其耦接到從微控制器的輸入端。配置發射光耦合器，其中所述發射光耦合器具有輸入端，其耦接到從微控制器的輸出端，且所述發射光耦合器具有輸出端，其耦接到主微控制器的輸入端。主微控制器使用脈衝寬度調變(PWM)經由發射光耦合器以及接收光耦合器與從微控制器通信。
另一方面，本發明更提供用於串聯電池組管理的介面電路的方法。所述方法包括以下步驟。配置主微控制器，使其耦接到第一電池組塊。配置從微控制器與第二從微控制器，使其分別耦接到第二電池組塊。配置接收光耦合器，其中所述接收光耦合器具有輸入端，其耦接到主微控制器的輸出端，且所述接收光耦合器具有輸出端，其耦接到從微控制器的輸入端。配置發射光耦合器，其中所述發射光耦合器具有輸入端，其耦接到從微控制器的輸出端，且所述發射光耦合器具有輸出端，其耦接到主微控制器的輸入端。配置第二接收光耦合器，其中第二接收光耦合器具有輸入端，其並聯耦接到主微控制器的輸出端，第二接收光耦合器的輸出端耦接到第二從微控制器，主微控制器的輸入端並聯耦接到第二發射光耦合器的輸出端，且第二發射光耦合器的輸入端 耦接到第二從微控制器。主微控制器使用脈衝寬度調變(PWM)經由發射光耦合器、接收光耦合器以及第二接收光耦合器與從微控制器以及第二從微控制器通信。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10_A~19_A、10_B~19_B、10_M~19_M‧‧‧電池組
20‧‧‧主電路
25、53、54、63、64‧‧‧電阻器
50、60‧‧‧從電路
51、52、61、62‧‧‧光耦合器/接收光耦合器
110‧‧‧多工器
120‧‧‧類比數位轉換器
150‧‧‧微控制器
VA1 ~VAN 、VB1 ~VBN 、VM1 ~VMN 、VX1 …VXN 、SINA、SINB、SINM、SINX‧‧‧微控制器的輸入端
SOA、SOB、SOM‧‧‧微控制器的輸出端
VCC ‧‧‧電源電壓
T0‧‧‧短週期
T1‧‧‧長周期
TN‧‧‧空白週期
S‧‧‧起始信號
E‧‧‧結束信號
COM‧‧‧命令
ADR‧‧‧位址
DAT‧‧‧資料
圖1展示說明根據本發明實施例的可定址介面電路的示意圖。
圖2展示說明根據本發明實施例的圖1的電路20、…、50以及60的方塊圖。
圖3展示根據本發明實施例的用於圖2的端子SOX以及SINX中的級聯通信的數位波形圖。
圖4展示根據本發明實施例的用於端子SOX以及SINX中的串列通信的波形圖。
圖1展示說明根據本發明實施例的用於級聯電池組管理的可定址(addressable)介面電路的示意圖。電池組10_A到19_A、10_B到19_B以及10_M到19_M以串聯(series)配置或以級聯(cascade)配置連接。主電路20經配置以用於電池組10_M到 19_M的電池組管理。電池組10_M到19_M可視為第一電池組塊。主電路20的輸入端VM1 到VMN 連接到電池組10_M到19_M。從電路50也經配置以用於電池組10_B到19_B的電池組管理。電池組10_M到19_M以及電池組10_B到19_B可視為用於耦接到從微控制器50及60的第二電池組塊。從電路50的輸入端VB1 到VBN 連接到電池組10_B到19_B。另一從電路60經配置以用於電池組10_A到19_A的電池組管理。從電路60的輸入端VA1 到VAN 連接到電池組10_A到19_A。主電路20具有與主機中央處理單元(CPU)通信的介面電路。從電路50具有經由光耦合器51以及52與主電路20通信的介面電路。從電路60具有經由光耦合器61及62與主電路20通信的介面電路。光耦合器51及61可視為接收光耦合器，且光耦合器52及62可視為發射(transmitting)光耦合器。
主電路20的輸出端SOM經由電阻器54耦接到光耦合器52的輸入端。從電路50的輸入端SINB耦接到光耦合器52的輸出端。從電路50的輸出端SOB經由電阻器53耦接到光耦合器51的輸入端。光耦合器51的輸出端耦接到主電路20的輸入端SINM。電阻器25連接到輸入端SINM，用於將輸入端SINM的電壓電平拉高。光耦合器52及62的輸入端則接收電源電壓VCC 。
主電路20的輸出端SOM經由電阻器64進一步耦接到光耦合器62的輸入端。光耦合器62的輸出端耦接到從電路60的輸入端SINA。從電路60的輸出端SOA經由電阻器63耦接到光耦 合器61的輸入端。光耦合器61的輸出端耦接到主電路20的輸入端SINM。
圖2展示說明根據本發明實施例的圖1的電路20、…、50以及60的方塊圖。在根據本發明的實施例中，電路20、…、50以及60具有相同的功能結構。以電路60為例，電路60包含多工器(multiplexer；MUX)110，其具有耦接到電池組10_X…19_X(例如，10_A…19_A)的輸入端VX1 …VXN (例如，VA1 …VAN 等)。多工器110的輸出端耦接到類比數位轉換器(analog-to-digital converter；A/D)120，其用於將電池組10_X…19_X的電池電壓轉換為與微控制器(microcontroller；MCU)150通信的數位代碼(digital code)。微控制器150具有耦接到光耦合器以用於通信的輸出端SOX(例如，SOA)以及輸入端SINX(例如，SINA)。微控制器150執行脈衝寬度調變來表示資料，例如，由脈衝寬度調變(PWM)來表示的邏輯零或邏輯一。
圖3展示根據本發明實施例的用於圖2的端子SOX以及SINX中的級聯通信的數位波形圖。與端子SOX以及SINX通信的信號為低真(low-true)信號。短週期(T0)脈衝表示邏輯零。T0週期比5微秒長，且比5微秒短的脈衝信號會被忽略。長週期(T1)脈衝表示邏輯一(例如，T1可比T0的三倍還長)。設置於信號T0與T1的出現之間的空白週期(TN)必須比T1週期長。因此，微控制器150可在不需要同步時脈的情況下產生串列通信。
圖4展示根據本發明實施例的用於端子SOX以及SINX 中的串列通信的波形圖。脈衝寬度調變(PWM)信號產生包含起始信號、結束信號以及資料信號的幀(frame)。起始信號(S)與結束信號(E)之間展示為可用的資料可以是命令(COM)、位址(ADR)或資料(DAT)。換句話說，資料信號是與命令(COM)、位址(ADR)和/或資料(DAT)的結合。
因此，圖1的主電路20分別經由光耦合器52以及62將資料發送到從電路50以及60。從電路50經由光耦合器51向主電路20答覆(reply)資料。從電路60則會經由光耦合器61向主電路20答覆資料。從電路50或從電路60僅響應於主電路20所指定的位址(SDR)而向主電路20答覆。從主電路20發送的資料將與從電路50以及60進行通信。在同一段時間內，將僅允許從電路50以及60中的一者向主電路20答覆資料。因此，光耦合器52以及62的輸入端可由主電路20進行並聯驅動。光耦合器51以及61的輸出端可並聯耦接到主電路20。
雖然已詳細地描述了本發明及其優勢，但應理解，在不脫離所附權利要求書所界定的本發明的精神及範圍的情況下，可在本文中進行各種改變、替代以及更改。即，本發明中所包含的論述的意圖在於用作基本描述。應理解，特定的論述可能不會詳盡描述所有可行的實施例，而是隱含了許多替代。可能不會充分解釋本發明的一般本質，且可能不會明確展示每個特徵或元件可如何實際地表示更寬泛的功能或表示多種多樣的替代或等效元件。且，這些內容隱含地包含於本發明中。描述或術語的意圖均 不在於限制權利要求書的範圍。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10_A~19_A、10_B~19_B、10_M~19_M‧‧‧电池组電池組
20‧‧‧主電路
25、53、54、63、64‧‧‧電阻器
50、60‧‧‧從電路
51、52、61、62‧‧‧光耦合器/接收光耦合器
VA1 ~VAN 、VB1 ~VBN 、VM1 ~VMN 、SINA、SINB、SINM‧‧‧微控制器的輸入端
SOA、SOB、SOM‧‧‧微控制器的輸出端
VCC ‧‧‧電源電壓

Claims (16)

  1. 一種用於級聯電池組管理的介面電路，包括：主微控制器，其耦接到第一電池組塊；從微控制器，其耦接到第二電池組塊；接收光耦合器，該接收光耦合器具有輸入端，其耦接到該主微控制器的輸出端，且該接收光耦合器具有輸出端，其耦接到該從微控制器的輸入端；以及發射光耦合器，該發射光耦合器具有輸入端，其耦接到該從微控制器的輸出端，且該發射光耦合器具有輸出端，其耦接到該主微控制器的輸入端，其中，該主微控制器使用脈衝寬度調變經由該發射光耦合器以及該接收光耦合器與該從微控制器通信；其中，該主微控制器以及該從微控制器各包括：多工器，接收該主微控制器所對應的電池電壓或接收該從微控制器所對應的電池電壓：類比數位轉換器，耦接該多工器的輸出端，該類比數位轉換器用以將該多工器所輸出的電池電壓轉換為用於通信的數位代碼；以及第二微控制器，耦接該類比數位轉換器、該接收光耦合器與該發射光耦合器，該第二微控制器控制該多工器，並且該第二微控制器接收該數位代碼並執行脈衝寬度調變來表示資料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的介面電路，其中該脈衝寬度 調變信號表示邏輯零或邏輯一。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的介面電路，其中該脈衝寬度調變信號產生包含起始信號、結束信號以及資料的幀(frame)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的介面電路，其中該主微控制器的該輸出端並聯耦接到另一接收光耦合器的輸入端，且該另一接收光耦合器的輸出端耦接到第二從微控制器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的介面電路，其中該主微控制器的該輸入端並聯耦接到另一發射光耦合器的輸出端，且該另一發射光耦合器的輸入端耦接到第二從微控制器。
  6. 一種用於串聯電池組管理的介面電路，包括：主微控制器，其耦接到第一電池組塊；從微控制器以及第二從微控制器，其分別耦接到第二電池組塊；接收光耦合器，該接收光耦合器具有輸入端，其耦接到該主微控制器的輸出端，且該接收光耦合器具有輸出端，其耦接到該從微控制器的輸入端；發射光耦合器，該發射光耦合器具有輸入端，其耦接到該從微控制器的輸出端，且該發射光耦合器具有輸出端，其耦接到該主微控制器的輸入端；以及第二接收光耦合器，該第二接收光耦合器具有輸入端，其並聯耦接到該主微控制器的該輸出端，其中該第二接收光耦合器的輸出端耦接到該第二從微控制器，該主微控制器的該輸入端並聯 耦接到第二發射光耦合器的輸出端，且該第二發射光耦合器的輸入端耦接到該第二從微控制器，其中該主微控制器使用脈衝寬度調變經由該發射光耦合器、該第二發射光耦合器、該接收光耦合器以及該第二接收光耦合器與該從微控制器以及該第二從微控制器通信；其中，該主微控制器、該從微控制器以及該第二從微控制器各包括：多工器，接收該主微控制器所對應的電池電壓或是接收該從微控制器或該第二從微控制器所對應的電池電壓：類比數位轉換器，耦接該多工器的輸出端，該類比數位轉換器用以將該多工器所輸出的電池電壓轉換為用於通信的數位代碼；以及第三微控制器，耦接該類比數位轉換器、該接收光耦合器與該第二接收光耦合器中的一者、以及該發射光耦合器與該第二發射光耦合器中的一者，該第三微控制器控制該多工器，並且該第三微控制器接收該數位代碼並執行脈衝寬度調變來表示資料。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的介面電路，其中該脈衝寬度調變信號表示邏輯零或邏輯一。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的介面電路，其中該脈衝寬度調變信號產生包含起始信號、結束信號以及資料的幀。
  9. 一種用於級聯電池組管理的介面電路的方法，包括： 配置主微控制器，使其耦接到第一電池組塊；配置從微控制器，使其耦接到第二電池組塊；配置接收光耦合器，其中該接收光耦合器具有輸入端，其耦接到該主微控制器的輸出端，且該接收光耦合器具有輸出端，其耦接到該從微控制器的輸入端；配置發射光耦合器，其中該發射光耦合器具有輸入端，其耦接到該從微控制器的輸出端，且該發射光耦合器具有輸出端，其耦接到該主微控制器的輸入端；以及由該主微控制器使用脈衝寬度調變經由該發射光耦合器以及該接收光耦合器與該從微控制器通信；其中，該主微控制器以及該從微控制器各包括：多工器，接收該主微控制器所對應的電池電壓或接收該從微控制器所對應的電池電壓：類比數位轉換器，耦接該多工器的輸出端，該類比數位轉換器用以將該多工器所輸出的電池電壓轉換為用於通信的數位代碼；以及第二微控制器，耦接該類比數位轉換器、該接收光耦合器與該發射光耦合器，該第二微控制器控制該多工器，並且該第二微控制器接收該數位代碼並執行脈衝寬度調變來表示資料。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的方法，其中該脈衝寬度調變信號表示邏輯零或邏輯一。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的方法，其中該脈衝寬度調 變信號產生包含起始信號、結束信號以及資料的幀。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的方法，更包括：配置另一接收光耦合器，其中該主微控制器的該輸出端並聯耦接到該另一接收光耦合器的輸入端，且該另一接收光耦合器的輸出端耦接到第二從微控制器。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的方法，更包括：配置另一發射光耦合器，其中該主微控制器的該輸入端並聯耦接到該另一發射光耦合器的輸出端，且該另一發射光耦合器的輸入端耦接到第二從微控制器。
  14. 一種用於串聯電池組管理的介面電路的方法，包括：配置主微控制器，使其耦接到第一電池組塊；配置從微控制器以及第二從微控制器，使其分別耦接到第二電池組塊；配置接收光耦合器，其中該接收光耦合器具有輸入端，其耦接到該主微控制器的輸出端，且該接收光耦合器具有輸出端，其耦接到該從微控制器的輸入端；配置發射光耦合器，其中該發射光耦合器具有輸入端，其耦接到該從微控制器的輸出端，且該發射光耦合器具有輸出端，其耦接到該主微控制器的輸入端；配置第二接收光耦合器，其中該第二接收光耦合器具有輸入端，其並聯耦接到該主微控制器的該輸出端，該第二接收光耦合器的輸出端耦接到該第二從微控制器，該主微控制器的該輸入端 並聯耦接到第二發射光耦合器的輸出端，且該第二發射光耦合器的輸入端耦接到該第二從微控制器；以及由該主微控制器使用脈衝寬度調變經由該發射光耦合器、該第二發射光耦合器、該接收光耦合器以及該第二接收光耦合器與該從微控制器以及該第二從微控制器通信；其中，該主微控制器、該從微控制器以及該第二從微控制器各包括：多工器，接收該主微控制器所對應的電池電壓或是接收該從微控制器或該第二從微控制器所對應的電池電壓：類比數位轉換器，耦接該多工器的輸出端，該類比數位轉換器用以將該多工器所輸出的電池電壓轉換為用於通信的數位代碼；以及第三微控制器，耦接該類比數位轉換器、該接收光耦合器與該第二接收光耦合器中的一者、以及該發射光耦合器與該第二發射光耦合器中的一者，該第三微控制器控制該多工器，並且該第三微控制器接收該數位代碼並執行脈衝寬度調變來表示資料。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的方法，其中該脈衝寬度調變信號表示邏輯零或邏輯一。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的方法，其中該脈衝寬度調變信號產生包含起始信號、結束信號以及資料的幀。
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