TWI528678B - 電源系統 - Google Patents

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TWI528678B
TWI528678B TW104119233A TW104119233A TWI528678B TW I528678 B TWI528678 B TW I528678B TW 104119233 A TW104119233 A TW 104119233A TW 104119233 A TW104119233 A TW 104119233A TW I528678 B TWI528678 B TW I528678B
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    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
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    • B60L58/19—Switching between serial connection and parallel connection of battery modules
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Description

電源系統
本發明描述了一種電源系統，尤指一種支援多電壓輸入及輸出的電源系統。
隨著科技日新月異，許多可攜式電子裝置(Portable Electronic Device)也逐漸問世，舉凡智慧型手機(Smart Phone)，個人數位助理(Personal Digital Assistant)，平板電腦(Tablet)、甚至微型化的相機和筆記型電腦。這些可攜式電子裝置應用於日生活中同時具備高機動性及高便利性。並且，為了滿足使用者的操作品質，提升可攜式電子裝置的運算速度及操作功能已成為主要的設計趨勢。然而，運算速度及操作功能的提升，會造成可攜式電子裝置內的耗能增加，在不增加內部電池大小而保持體積微型化的條件下，可攜式電子裝置的工作時間便會縮短。
因此，目前解決可攜式電子裝置過短的工作時間之方法為使用行動電源(Power Bank)。而行動電源可視為可攜式電池。藉由行動電源對可攜式電子裝置充電，可讓可攜式電子裝置的工作時間增加。以目前的規格而言，大多行動電源的輸出電壓為恆定5V(伏特)，而輸出電流支援1A(安培)及2A(安培)。因此可針對符合此規格的可攜式電子裝置充電。然而，若使用者攜帶不同電壓規格的可攜式電子裝置，例如同時攜帶智慧型手機及筆記型電腦。則傳統的行動電源將無法對每一種可攜式電子裝置進行充電。並且，傳統行動電源的電池陣列為固定的並聯連接且不能隨意更動，因此當其中一顆電池發生異常時容易造成輸出電壓不穩而喪失其安全性。
因此，發展一種支援多輸出電壓的電源系統，並保證其充放電的安全性是非常重要的。
本發明一實施例提出一種電源系統，包含電源連接埠、電壓偵測單元、電池陣列及微控制單元。電源連接埠用以提供至少一輸出電壓。電壓偵測單元耦接於電源連接埠，用以偵測至少一輸出電壓的準位。電池陣列耦接於電源連接埠，用以提供至少一輸出電壓的電位能。電池陣列包含M個並聯的電池組，每一電池組包含第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、第四電晶體、第五電晶體、第六電晶體及儲能單元。第一電晶體包含第一端，用以接收第一控制訊號的控制端，及第二端。第二電晶體包含耦接於第一電晶體之第一端的第一端，用以接收第二控制訊號的控制端，及第二端。第三電晶體包含第一端，用以接收第三控制訊號的控制端，及耦接於第二電晶體之第二端的第二端。第四電晶體包含耦接於第二高電壓端的第一端，用以接收第四控制訊號的控制端，及耦接於第一電晶體之第二端的第二端。第五電晶體包含耦接於第四電晶體之第二端的第一端，用以接收第五控制訊號的控制端，及第二端。儲能單元包含耦接於第五電晶體之第二端的第一端，耦接於第三電晶體之第二端的第二端。第六電晶體包含耦接於儲能單元之第二端的第一端，用以接收第六控制訊號的控制端，及耦接於第二低電壓端的第二端。微控制單元耦接於電壓偵測單元及電池陣列，用以控制電池陣列中M個電池組中每一電晶體，其中M係為大於1的正整數。
本發明另一實施例提出一種電源系統，包含電源連接埠、電壓偵測單元、電池陣列及微控制單元。電源連接埠用以接收至少一輸入電壓。電壓偵測單元耦接於電源連接埠，用以偵測至少一輸入電壓的準位。電池陣列耦接於電源連接埠，用以儲存至少一輸入電壓的電位能。電池陣列包含M個並聯的電池組，每一電池組包含第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、第四電晶體、第五電晶體、第六電晶體及儲能單元。第一電晶體包含第一端，用以接收第一控制訊號的控制端，及第二端。第二電晶體包含耦接於第一電晶體之第一端的第一端，用以接收第二控制訊號的控制端，及第二端。第三電晶體包含第一端，用以接收第三控制訊號的控制端，及耦接於第二電晶體之第二端的第二端。第四電晶體包含耦接於第二高電壓端的第一端，用以接收第四控制訊號的控制端，及耦接於第一電晶體之第二端的第二端。第五電晶體包含耦接於第四電晶體之第二端的第一端，用以接收第五控制訊號的控制端，及第二端。儲能單元包含耦接於第五電晶體之第二端的第一端，耦接於第三電晶體之第二端的第二端。第六電晶體包含耦接於儲能單元之第二端的第一端，用以接收第六控制訊號的控制端，及耦接於第二低電壓端的第二端。微控制單元耦接於電壓偵測單元及電池陣列，用以控制電池陣列中M個電池組中每一電晶體，其中M係為大於1的正整數。
為讓本發明更顯而易懂，下文依本發明之電源系統，特舉實施例配合所附圖式詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍。
第1圖係為本發明第實施例之電源系統100的方塊圖。如第1圖所示，電源系統100包含電源連接埠10、電壓偵測單元11、微控制單元12及電池陣列13。電源連接埠10具有Q個輸出端子，Q個輸出端子用來提供至少一個輸出電壓，而Q為正整數。電壓偵測單元11耦接於電源連接埠10，用以偵測至少一個輸出電壓的準位。電池陣列13耦接於電源連接埠10，用以提供至少一個輸出電壓的電位能。微控制單元12耦接於電壓偵測單元11及電池陣列13，用以控制電池陣列13。本實施例中的微控制單元12可為任何形式的處理器，例如嵌入式晶片處理組(Embedded Processing Chip)、中央處理器(CPU)、或是邏輯控制電路(Logical Control Circuit)等等。電池陣列13內具有儲能單元，而本實施例的儲能單元亦可為任何形式的儲能單元，例如電池、電容、或可儲能的鋰聚合物等等。當使用者將電子裝置的電源線與電源連接埠10接合時，電壓偵測單元11會偵測電子裝置所需的額定電壓，並將電子裝置所需的電壓準位之資訊傳至微控制單元12中。微控制單元12接收到電壓準位之資訊後，會控制電池陣列13中儲能單元的佈局(Layout)形式，以輸出對應的電壓給電子裝置充電。以下將說明電源系統100中電池陣列13的電路架構。
第2圖係為第1圖實施例之電源系統100中電池陣列13的電路示意圖。如第2圖所示，電池陣列13包含M個電池組CP 1至CP M(虛線範圍內)，M個電池組CP 1至CP M是以並聯連接。第一電池組CP 1包含第一電晶體T 11、第二電晶體T 12、第三電晶體T 13、第四電晶體T 14、第五電晶體T 15、第六電晶體T 16及儲能單元B 1。第一電晶體T 11包含耦接於第一高電壓端VH 1的第一端，用以接收第一控制訊號C 11的控制端，及第二端。第二電晶體T 12包含耦接於第一電晶體T 11之第一端的第一端，用以接收第二控制訊號C 12的控制端，及第二端。第三電晶體T 13包含耦接於第一低電壓端VL 1的第一端，用以接收第三控制訊號C 13的控制端，及耦接於第二電晶體T 12之第二端的第二端。第四電晶體T 14包含耦接於第二高電壓端VH 2的第一端，用以接收第四控制訊號C 14的控制端，及耦接於第一電晶體T 11之第二端的第二端。第五電晶體T 15包含耦接於第四電晶體T 14之第二端的第一端，用以接收第五控制訊號C 15的控制端，及第二端。儲能單元B 1包含耦接於第五電晶體T 15之第二端的第一端，耦接於第三電晶體T 13之第二端的第二端。第六電晶體T 16包含耦接於儲能單元B 1之第二端的第一端，用以接收第六控制訊號C 16的控制端，及耦接於第二低電壓端VL 2的第二端。第二電池組CP 2包含第一電晶體T 21、第二電晶體T 22、第三電晶體T 23、第四電晶體T 24、第五電晶體T 25、第六電晶體T 26及儲能單元B 2，第一電池組CP 1與第二電池組CP 2的差異在於第二電池組CP 2的第一電晶體T 21之第一端是耦接於第一電池組CP 1的第四電晶體T 14的第二端，且第二電池組CP 2的第三電晶體T 23之第一端是耦接於第一電池組CP 1的儲能單元B 1的第二端。依此類推，第m電池組CP m具有六個電晶體T m1至T m6以及儲能單元B m，其中第m電池組CP m的第一電晶體T m1之第一端是耦接於第(m-1)電池組CP m-1的第四電晶體T (m-1)4的第二端，且第m電池組CP m的第三電晶體T m3之第一端是耦接於第(m-1)電池組CP m-1的儲能單元B m-1的第二端，其中 ，且m係一正整數。同理，最後一個電池組CP M具有六個電晶體T M1至T M6以及儲能單元B M，其中第M電池組CP M的第一電晶體T M1之第一端是耦接於第(M-1)電池組CP M-1的第四電晶體T (M-1)4的第二端，且第M電池組CP M的第三電晶體T M3之第一端是耦接於第(M-1)電池組CP M-1的儲能單元B M-1之第二端。在本實施例中，第一電池組CP 1至第M電池組CP M內每一個電晶體可為N型金氧半電晶體或P型金氧半電晶體，第一電池組CP 1至第M電池組CP M內所有的控制訊號都是由微控制單元12產生。因此微控制單元12可控制第一電池組CP 1至第M電池組CP M內所有電晶體的導通以及截止狀態，因此可改變第一電池組CP 1至第M電池組CP M內儲能單元(儲能單元)的串並聯形式。以下將列舉數個實施例以說明電源系統100中電池陣列13的電池組如何實現不同的串並聯形式。
第3圖係為第1圖實施例之電源系統100中考慮兩個電池組的串聯示意圖。如第3圖所示，考慮第一電池組CP 1及第二電池組CP 2，若微控制單元12欲控制第一電池組CP 1內的儲能單元B 1及第二電池組CP 2及的儲能單元B 2為串聯狀態，則微控制單元12將產生對應第一電池組CP 1的控制訊號C 11至控制訊號C 16，以及產生對應第二電池組CP 2的控制訊號C 21至控制訊號C 26。在此實施例中，第一電池組CP 1內的第五電晶體T 15及第六電晶體T 16會被導通，而第一電晶體T 11、第二電晶體T 12、第三電晶體T 13及第三電晶體T 14會被截止。第二電池組CP 2內的第二電晶體T 22、第四電晶體T 24及第五電晶體T 25­會被導通，而第一電晶體T 21、第三電晶體T 23及第六電晶體T 26會被截止。因此，儲能單元B 1及儲能單元B 2會變成串聯狀態。電流將通過儲能單元B 1及儲能單元B 2輸出於第二高電壓端VH 2(如第3圖中粗體箭頭方向所示)，以提供電子裝置充電。
第4圖係為第1圖實施例之電源系統100中考慮兩個電池組的並聯示意圖。如第4圖所示，考慮第一電池組CP 1及第二電池組CP 2，若微控制單元12欲控制第一電池組CP 1內的儲能單元B 1及第二電池組CP 2及的儲能單元B 2為並聯狀態，則微控制單元12將產生對應第一電池組CP 1的控制訊號C 11至控制訊號C 16，以及產生對應第二電池組CP 2的控制訊號C 21至控制訊號C 26。在此實施例中，第一電池組CP 1內的第五電晶體T 15及第六電晶體T 16會被導通，而第一電晶體T 11、第二電晶體T 12、第三電晶體T 13及第四電晶體T 14會被截止。第二電池組CP 2內的第一電晶體T 21、第三電晶體T 23、第四電晶體T 24及第五電晶體T 25會被導通，而第二電晶體T 22及第六電晶體T 26會被截止。因此，儲能單元B 1及儲能單元B 2會變成並聯狀態。電流將通過儲能單元B 1及儲能單元B 2輸出於第二高電壓端VH 2(如第4圖中粗體箭頭方向所示)，以提供電子裝置充電。
第5圖係為第1圖實施例之電源系統100中考慮四個電池組的並聯示意圖。如第5圖所示，考慮第一電池組CP 1、第二電池組CP 2、第三電池組CP 3及第四電池組CP 4，若微控制單元12欲控制第一電池組CP 1內的儲能單元B 1、第二電池組CP 2及的儲能單元B 2、第三電池組CP 3內的儲能單元B 3及第四電池組CP 4內的儲能單元B 4為並聯狀態，則微控制單元12將產生對應第一電池組CP 1的控制訊號C 11至控制訊號C 16、對應第二電池組CP 2的控制訊號C 21至控制訊號C 26、對應第三電池組CP 3的控制訊號C 31至控制訊號C 36及對應第四電池組CP 4的控制訊號C 41至控制訊號C 46。在此實施例中，第一電池組CP 1內的第五電晶體T 15及第六電晶體T 16會被導通，而第一電晶體T 11、第二電晶體T 12、第三電晶體T 13及第四電晶體T 14會被截止。第二電池組CP 2內的第一電晶體T 21、第三電晶體T 23及第五電晶體T 25會被導通，而第二電晶體T 22、第四電晶體T 24及第六電晶體T 26會被截止。第三電池組CP 3內的第一電晶體T 31、第三電晶體T 33及第五電晶體T 35會被導通，而第二電晶體T 32、第四電晶體T 34及第六電晶體T 36會被截止。第四電池組CP 4內的第一電晶體T 41、第二電晶體T 42、第三電晶體T 43、第四電晶體T 44及第五電晶體T 45會被導通，而第六電晶體T 46會被截止。因此，儲能單元B 1、儲能單元B 2、儲能單元B 3及儲能單元B 4會變成並聯狀態。電流將通過儲能單元B 1、儲能單元B 2、儲能單元B 3及儲能單元B 4輸出於第二高電壓端VH 2(如第5圖中粗體箭頭方向所示)，以提供電子裝置充電。
第6圖係為第1圖實施例之電源系統100中考慮四個電池組的串聯示意圖。如第6圖所示，考慮第一電池組CP 1、第二電池組CP 2、第三電池組CP 3及第四電池組CP 4，若微控制單元12欲控制第一電池組CP 1內的儲能單元B 1、第二電池組CP 2及的儲能單元B 2、第三電池組CP 3內的儲能單元B 3及第四電池組CP 4內的儲能單元B 4為串聯狀態，則微控制單元12將產生對應第一電池組CP 1的控制訊號C 11至控制訊號C 16、對應第二電池組CP 2的控制訊號C 21至控制訊號C 26、對應第三電池組CP 3的控制訊號C 31至控制訊號C 36及對應第四電池組CP 4的控制訊號C 41至控制訊號C 46。在此實施例中，第一電池組CP 1內的第五電晶體T 15及第六電晶體T 16會被導通，而第一電晶體T 11、第二電晶體T 12、第三電晶體T 13及第四電晶體T 14會被截止。第二電池組CP 2內的第二電晶體T 22及第五電晶體T 25會被導通，而第一電晶體T 21、第三電晶體T 23、第四電晶體T 24及第六電晶體T 26會被截止。第三電池組CP 3內的第二電晶體T 32及第五電晶體T 35會被導通，而第一電晶體T 31、第三電晶體T 33、第四電晶體T 34及第六電晶體T 36會被截止。第四電池組CP 4內的第二電晶體T 42、第四電晶體T 44及第五電晶體T 45會被導通，而第一電晶體T 41、第三電晶體T 43及第六電晶體T 46會被截止。因此，儲能單元B 1、儲能單元B 2、儲能單元B 3及儲能單元B 4會變成串聯狀態。電流將通過儲能單元B 1、儲能單元B 2、儲能單元B 3及儲能單元B 4輸出於第二高電壓端VH 2(如第6圖中粗體箭頭方向所示)，以提供電子裝置充電。
第7圖係為第1圖實施例之電源系統100中考慮四個電池組的兩兩串聯後再並聯的示意圖。如第7圖所示，考慮第一電池組CP 1、第二電池組CP 2、第三電池組CP 3及第四電池組CP 4，若微控制單元12欲控制第一電池組CP 1內的儲能單元B 1、第二電池組CP 2及的儲能單元B 2為串聯狀態，第三電池組CP 3內的儲能單元B 3及第四電池組CP 4內的儲能單元B 4為串聯狀態，並且將串連的儲能單元B 1及儲能單元B 2，與串連的儲能單元B 3及儲能單元B 4並聯時，則微控制單元12將產生對應第一電池組CP 1的控制訊號C 11至控制訊號C 16、對應第二電池組CP 2的控制訊號C 21至控制訊號C 26、對應第三電池組CP 3的控制訊號C 31至控制訊號C 36及對應第四電池組CP 4的控制訊號C 41至控制訊號C 46。在此實施例中，第一電池組CP 1內的第五電晶體T 15及第六電晶體T 16會被導通，而第一電晶體T 11、第二電晶體T 12、第三電晶體T 13及第四電晶體T 14會被截止。第二電池組CP 2內的第二電晶體T 22，第四電晶體T 24及第五電晶體T 25會被導通，而第一電晶體T 21、第三電晶體T 23及第六電晶體T 26會被截止。第三電池組CP 3內的第五電晶體T 35及第六電晶體T 36會被導通，而第一電晶體T 31、第二電晶體T 32、第三電晶體T 33及第四電晶體T 34會被截止。第四電池組CP 4內的第二電晶體T 42、第四電晶體T 44及第五電晶體T 45會被導通，而第一電晶體T 41、第三電晶體T 43及第六電晶體T 46會被截止。因此，儲能單元B 1與儲能單元B 2會變成串聯狀態，儲能單元B 3與儲能單元B 4會變成串聯狀態，而串聯的儲能單元B 1及儲能單元B 2，與串聯的儲能單元B 3及儲能單元B 4為並聯狀態。電流將通過儲能單元B 1、儲能單元B 2、儲能單元B 3及儲能單元B 4輸出於第二高電壓端VH 2(如第7圖中粗體箭頭方向所示)，以提供電子裝置充電。
第8圖係為第1圖實施例之電源系統100中考慮四個電池組的兩兩並聯後再串聯的示意圖。如第8圖所示，考慮第一電池組CP 1、第二電池組CP 2、第三電池組CP 3及第四電池組CP 4，若微控制單元12欲控制第一電池組CP 1內的儲能單元B 1、第二電池組CP 2及的儲能單元B 2為並聯狀態，第三電池組CP 3內的儲能單元B 3及第四電池組CP 4內的儲能單元B 4為並聯狀態，並且將並連的儲能單元B 1及儲能單元B 2，與並連的儲能單元B 3及儲能單元B 4串聯時，則微控制單元12將產生對應第一電池組CP 1的控制訊號C 11至控制訊號C 16、對應第二電池組CP 2的控制訊號C 21至控制訊號C 26、對應第三電池組CP 3的控制訊號C 31至控制訊號C 36及對應第四電池組CP 4的控制訊號C 41至控制訊號C 46。在此實施例中，第一電池組CP 1內的第五電晶體T 15及第六電晶體T 16會被導通，而第一電晶體T 11、第二電晶體T 12、第三電晶體T 13及第四電晶體T 14會被截止。第二電池組CP 2內的第一電晶體T 21、第三電晶體T 23及第五電晶體T 25會被導通，而第二電晶體T 22、第四電晶體T 24及第六電晶體T 26會被截止。第三電池組CP 3內的第二電晶體T 32及第五電晶體T 35會被導通，而第一電晶體T 31、第三電晶體T 33、第四電晶體T 34及第六電晶體T 36會被截止。第四電池組CP 4內的第一電晶體T 41、第三電晶體T 43、第四電晶體T 44及第五電晶體T 45會被導通，而第二電晶體T 42及第六電晶體T 46會被截止。因此，儲能單元B 1與儲能單元B 2會變成並聯狀態，儲能單元B 3與儲能單元B 4會變成並聯狀態，而並聯的儲能單元B 1及儲能單元B 2，與並聯的儲能單元B 3及儲能單元B 4為串聯狀態。電流將通過儲能單元B 1、儲能單元B 2、儲能單元B 3及儲能單元B 4輸出於第二高電壓端VH 2(如第8圖中粗體箭頭方向所示)，以提供電子裝置充電。
由於本發明之電源系統100內的M個電池組可以透過微控制單元12任意改變其佈局(Layout)狀態，因此也被應用於迴避掉異常的電池組(將異常的電池組浮接)而使電源系統100更具有安全性。第9圖係為第1圖實施例之電源系統100中考慮八個電池組的第一種繞徑方法之示意圖。如第9圖所示，考慮第一電池組CP 1、第二電池組CP 2、第三電池組CP 3、第四電池組CP 4、第五電池組CP 5、第六電池組CP 6、第七電池組CP 7及第八電池組CP 8。在本實施例中，第四電池組CP 4為異常的電池組，若電源系統100驅動時仍使用第四電池組CP 4，則會有安全上的疑慮。因此，微控制單元12在控制電池組時，會設法將第四電池組CP 4繞徑，以使第四電池組CP 4為浮接狀態。在本實施例中，微控制單元12將第一電池組CP 1、第二電池組CP 2及第三電池組CP 3設定為並聯狀態，第五電池組CP 5、第六電池組CP 6、第七電池組CP 7及第八電池組CP 8設定為並聯狀態。而並聯的第一電池組CP 1、第二電池組CP 2及第三電池組CP 3，與並聯的第五電池組CP 5、第六電池組CP 6、第七電池組CP 7及第八電池組CP 8為串聯。因此，微控制單元12重新配置電池組的佈局後，第四電池組CP 4即為浮接狀態而不被使用。因此，電源系統100在使用時不會對第四電池組CP 4進行充放電的操作，保證了電源系統100的安全性。
第10圖係為第1圖實施例之電源系統100中考慮八個電池組的第二種繞徑方法之示意圖。如第10圖所示，考慮第一電池組CP 1、第二電池組CP 2、第三電池組CP 3、第四電池組CP 4、第五電池組CP 5、第六電池組CP 6、第七電池組CP 7及第八電池組CP 8。在本實施例中，第四電池組CP 4為異常的電池組，若電源系統100驅動時仍使用第四電池組CP 4，則會有安全上的疑慮。因此，微控制單元12在控制電池組時，就會設法將第四電池組CP 4繞徑，以使第四電池組CP 4為浮接狀態。在本實施例中，微控制單元12將第一電池組CP 1、第二電池組CP 2及第三電池組CP 3設定為串聯狀態，第五電池組CP 5、第六電池組CP 6、第七電池組CP 7及第八電池組CP 8設定為串聯狀態。而串聯的第一電池組CP 1、第二電池組CP 2及第三電池組CP 3，與串聯的第五電池組CP 5、第六電池組CP 6、第七電池組CP 7及第八電池組CP 8為並聯。因此，微控制單元12重新配置電池組的佈局後，第四電池組CP 4即為浮接狀態而不被使用。因此，電源系統100在使用時不會對第四電池組CP 4進行充放電的操作，保證了電源系統100的安全性。
本發明的電源系統100除了上述具備高度的安全性之外，相較於傳統的電源系統，電源系統100可支援多種電源同時輸出。第11圖係為第1圖實施例之電源系統100中考慮八個電池組實現多電源輸出之第一種方法的示意圖。如第11圖所示，考慮第一電池組CP 1、第二電池組CP 2、第三電池組CP 3、第四電池組CP 4、第五電池組CP 5、第六電池組CP 6、第七電池組CP 7及第八電池組CP 8。在本實施例中，電源系統100可透過電源連接埠10的3個輸出端子輸出三種不同的電源。在第11圖中，第一電池組CP 1及第二電池組CP 2被微控制單元12設定為並聯狀態，因此電源連接埠10的第1個輸出端子可連接於低電壓端VL 1及高電壓端VH 1(A)並輸出第一種對應的電壓及電流。第三電池組CP 3及第四電池組CP 4被微控制單元12設定為串聯狀態，因此電源連接埠10的第2個輸出端子可連接於低電壓端VL 2及高電壓端VH 2並輸出第二種對應的電壓及電流。第五電池組CP 5、第六電池組CP 6、第七電池組CP 7及第八電池組CP 8被微控制單元12設定為並聯狀態，因此電源連接埠10的第3個輸出端子可連接於低電壓端VL 1及高電壓端VH 1(B)並輸出第三種對應的電壓及電流。
第12圖係為第1圖實施例之電源系統100中考慮八個電池組實現多電源輸出之第二種方法的示意圖。如第12圖所示，考慮第一電池組CP 1、第二電池組CP 2、第三電池組CP 3、第四電池組CP 4、第五電池組CP 5、第六電池組CP 6、第七電池組CP 7及第八電池組CP 8。在本實施例中，電源系統100可透過電源連接埠10的3個輸出端子輸出三種不同的電源。在第12圖中，第一電池組CP 1、第二電池組CP 2及第三電池組CP 3被微控制單元12設定為並聯狀態，因此電源連接埠10的第1個輸出端子可連接於低電壓端VL 1及高電壓端VH 1(A)並輸出第一種對應的電壓及電流。第四電池組CP 4及第五電池組CP 5被微控制單元12設定為串聯狀態，因此電源連接埠10的第2個輸出端子可連接於低電壓端VL 2及高電壓端VH 2並輸出第二種對應的電壓及電流。第六電池組CP 6、第七電池組CP 7及第八電池組CP 8被微控制單元12設定為串聯狀態，因此電源連接埠10的第3個輸出端子可連接於低電壓端VL 2及高電壓端VH 1(B)並輸出第三種對應的電壓及電流。
雖然於上述實施例中，電源系統100僅考慮使用八個電池組以實現3種電源輸出，然而本發明卻不以此為限，其它實施例中電源系統100可利用任何數量的電池組，並使用各種不同的佈局來實現多電源輸出的功能。在電源系統100中，若M個電池組中之儲能單元提供K伏特的電位能，則電源系統100可支援K伏特(單一電池組)至(M×K)伏特(所有電池組串聯)的電位能。而本發明電源系統100內的電池組亦不限於第3圖至第8圖所述的佈局，其它實施例中的電池組的佈局可透過微控制單元12任意改變。並且，為了延長電源系統100中電池組的使用壽命，本發明的電源系統100使用了電位能平衡(Energy Balance)的技術，使電源系統100中每一個電池組中之儲能單元所儲存的電位能一致。而電源系統100中電位能平衡的技術將於底下詳述。
第13圖係為第1圖實施例之電源系統100中考慮四個電池組實現電位能平衡的示意圖。如第13圖所示，考慮第一電池組CP1、第二電池組CP2、第三電池組CP3及第四電池組CP4。其中第三電池組CP3中的儲能單元B3相較於第一電池組CP1中的儲能單元B1、第二電池組CP2中的儲能單元B2與第四電池組CP3中的儲能單元B4所儲存的電位能較高。此時，為了讓電源系統100中所有的儲能單元都保持一致的電位能水平，微控制單元12就會重新配置四個儲能單元的佈局，以使電源系統100中儲能單元B1至儲能單元B4呈現一個閉迴路狀態。在本實施例中，微控制單元12將第一電池組CP1中的第五電晶體T15變成導通，而將第一電晶體T11、第二電晶體T12、第三電晶體T13、第四電晶體T14及第六電晶體T16變成截止。第二電池組CP2中的第一電晶體T21、第三電晶體T23及第五電晶體T25被設定為導通，第二電晶體T22、第四電晶體T24及第六電晶體T26被設定為截止。第三電池組CP3中的第一電晶體T31、第三電晶體T33及第五電晶體T35被設定為導通，而第二電晶體T32、第四電晶體T34及第六電晶體T36被設定為截止。第四電池組CP4中的第一電晶體T41、第三電晶體T43及第五電晶體T45被設定為導通，而第二電晶體T42、第四電晶體T44及第六電晶體T46被設定為截止。因此，電源系統100中，儲能單元B1、儲能單元B2、儲能單元B3及儲能單元B4為並聯狀態，且為一個閉迴路電路。因此，電流將由電位能水平較高的儲能單元B3對儲能單元B1、儲能單元B2及儲能單元B4充電。且由於儲能單元B1、儲能單元B2、儲能單元B3及儲能單元B4為閉迴路電路，因此依據克希荷夫電路定律（Kirchhoff Circuit Laws），電源系統100在穩態(Steady State)時，其儲能單元B1、儲能單元B2、儲能單元B3及儲能單元B4會儲存相同水平的電位能。因此能延長電源系統100中電池組的使用壽命。
第14圖係為第1圖實施例之電源系統100中實現巢狀電池陣列的示意圖。如第14圖所示，電源系統100中的電池陣列13在本實施例為考慮巢狀電池陣列。而巢狀電池陣列包含L個巢狀電池組，為第一巢狀電池組BA1至第L巢狀電池組BAL，其中L為大於1的正整數。在本實施例中，每一個巢狀電池組的電路結構與前述實施例中的電池組之電路結構類似，因此並不贅述。巢狀電池組與前述實施例中的電池組之差異點在於巢狀電池組中，儲能裝置包含前述實施例中的M個電池組。換言之，第一巢狀電池組BA1中包含了儲能裝置S1，且儲能裝置S1包含第一電池組CP1至第M電池組CPM。第二巢狀電池組BA2中包含了儲能裝置S2，且儲能裝置S2包含第一電池組CP1至第M電池組CPM。依此類推，第L巢狀電池組BAL中包含了儲能裝置SL，且儲能裝置SL包含第一電池組CP1至第M電池組CPM。因此，微控制單元12可同時控制第一巢狀電池組BA1至第L巢狀電池組BAL的佈局，亦可控制每一巢狀電池組中的第一電池組CP1至第M電池組CPM的佈局。因此，在本實施例中，若M個電池組中之每一個儲能單元提供K伏特的電位能，則電源系統100可支援K伏特至(M×L×K)伏特的電位能。然而，雖然在本實施例中，電源系統100的巢狀電池陣列13為遞迴2次的巢狀電池陣列，但本發明卻不以此為限，在其它實施例中，電源系統100支援任何遞迴數目的巢狀電池陣列。
本發明的電源系統100中的電池陣列13，除了支援上述第14圖之實施例所描述的巢狀電池陣列外，另可擴充為多層巢狀電池陣列的結構。第15圖係為第1圖實施例之電源系統100中實現多層巢狀電池陣列的示意圖。如第15圖所示，電源系統100具有兩層巢狀電池陣列，分別為第一層巢狀電池陣列LC1以及第二層巢狀電池陣列LC2。每一層巢狀電池陣列的結構如第14圖實施例所述。第一層巢狀電池陣列LC1以及第二層巢狀電池陣列LC2以相互耦接，且第一層巢狀電池陣列LC1以及第二層巢狀電池陣列LC2之間具有一個切換開關SW用以控制其連接形式。因此，微控制單元12可控制切換開關SW切換第一層巢狀電池陣列LC1以及/或第二層巢狀電池陣列LC2以供電源系統100使用。換言之，若電源系統100中的電池陣列13以R層巢狀電池陣列形式建構，每一個巢狀電池陣列包含L個巢狀電池組，每一個巢狀電池組之儲能裝置包含M個電池組，M個電池組中之每一個儲能單元提供K伏特的電位能，則電源系統100可支援K伏特至(R×M×L×K)伏特的電位能。然而，雖然在本實施例中，電源系統100的多層巢狀電池陣列為2層的巢狀電池陣列，但本發明卻不以此為限，在其它實施例中，電源系統100能支援任何層數的巢狀電池陣列。並且，藉由引入多層巢狀電池陣列的架構，電源系統100可支援範圍更大的電壓電流輸出。
本發明的電源系統100在前述實施例中為放電功能，具有對外部電子裝置充電的能力，然而，在其它實施例中電源系統100亦具有充電功能，意即能經由外部的電流源對電源系統100充電。若考慮電源系統100為充電系統時，第1圖中的電源連接埠10則具有Q個輸入端子，且Q個輸入端子用以接收至少一種輸入電壓。電壓偵測單元11則用以偵測至少一種輸入電壓的準位。電池陣列13則用以儲存至少一種輸入電壓的電位能。而電池陣列13的電路架構，微控制單元12如何控制電池陣列13中的電池組之佈局(串並聯)，以及電池陣列13擴充為巢狀電池陣列及多層巢狀電池陣列的方法與前述第2圖至第15圖所述的實施例相似，因此並不再贅述。本實施例考慮電源系統100為充電系統時，與前述考慮電源系統100為放電系統時之差異僅在於第3圖至第8圖中的電流流向相反，意即所有電流的流向係為電流由高電壓端流向儲能單元以使儲能單元儲存電能。
本發明上述之所有實施例所述的電源系統，其控制電池組串並連狀態(耦接狀態)不限於使用電晶體的導通或截止來控制，其它實施例中，電晶體可為電磁式的電晶體或任何種類的電晶體，甚至控制電池組耦接狀態的機制可為任何機械式或電磁式之物理性開關元件。
綜上所述，本發明描述一種電源系統，其具備充電與放電的功能。電源系統設計的概念為利用微控制單元，控制電源系統中所有電池組的串連或並連之佈局，以使電源系統具備多電壓輸入或輸出的功能。並且，由於電源系統中所有電池組的串並連可任意調整，因此電源系統中可將異常的電池組繞徑以使之浮接，讓使用者在使用電源系統更具備安全性。此外，電源系統亦可輕易實現所有電池組的電位能平衡，因此本發明的電源系統的使用壽命亦能獲得進一步的提升。       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。
100‧‧‧電源系統
10‧‧‧電源連接埠
11‧‧‧電壓偵測單元
12‧‧‧微控制單元
13‧‧‧電池陣列
VH1、VH1(A)、VH1(B)、VH2‧‧‧高電壓端
VL1及VL2‧‧‧低電壓端
CP1至CPM‧‧‧電池組
B1至BM‧‧‧儲能單元
BA1至BAL‧‧‧巢狀電池組
S1至SL‧‧‧儲能裝置
T11、T12、T13、T14、T15、T16、T21、T22、T23、T24、T25、T26、TM1、TM2、TM3、TM4、TM5及TM6‧‧‧電晶體
C11、C12、C13、C14、C15、C16、C21、C22、C23、C24、C25、C26、CM1、CM2、CM3、CM4、CM5及CM6‧‧‧控制訊號
LC1及LC2‧‧‧巢狀電池陣列
SW‧‧‧切換開關
第1圖係為本發明第實施例之電源系統的方塊圖。 第2圖係為第1圖實施例之電源系統中電池陣列的電路示意圖。 第3圖係為第1圖實施例之電源系統中考慮兩個電池組的串聯示意圖。 第4圖係為第1圖實施例之電源系統中考慮兩個電池組的並聯示意圖。 第5圖係為第1圖實施例之電源系統中考慮四個電池組的並聯示意圖。 第6圖係為第1圖實施例之電源系統中考慮四個電池組的串聯示意圖。 第7圖係為第1圖實施例之電源系統中考慮四個電池組的兩兩串聯後再並聯的示意圖。 第8圖係為第1圖實施例之電源系統中考慮四個電池組的兩兩並聯後再串聯的示意圖。 第9圖係為第1圖實施例之電源系統中考慮八個電池組的第一種繞徑方法之示意圖。 第10圖係為第1圖實施例之電源系統中考慮八個電池組的第二種繞徑方法之示意圖。 第11圖係為第1圖實施例之電源系統中考慮八個電池組實現多電源輸出之第一種方法的示意圖。 第12圖係為第1圖實施例之電源系統中考慮八個電池組實現多電源輸出之第二種方法的示意圖。 第13圖係為第1圖實施例之電源系統中考慮四個電池組實現電位能平衡的示意圖。 第14圖係為第1圖實施例之電源系統中實現巢狀電池陣列的示意圖。 第15圖係為第1圖實施例之電源系統中實現多層巢狀電池陣列的示意圖。
100‧‧‧電源系統
10‧‧‧電源連接埠
11‧‧‧電壓偵測單元
12‧‧‧微控制單元
13‧‧‧電池陣列

Claims (12)

  1. 一種電源系統，包含： 一電源連接埠，用以提供至少一輸出電壓； 一電壓偵測單元，耦接於該電源連接埠，用以偵測該至少一輸出電壓的準位； 一電池陣列，耦接於該電源連接埠，用以提供該至少一輸出電壓的電位能，該電池陣列包含M個並聯的電池組，該每一電池組包含： 一第一電晶體，包含： 一第一端； 一控制端，用以接收一第一控制訊號；及 一第二端； 一第二電晶體，包含： 一第一端，耦接於該第一電晶體之該第一端； 一控制端，用以接收一第二控制訊號；及 一第二端； 一第三電晶體，包含： 一第一端； 一控制端，用以接收一第三控制訊號；及 一第二端，耦接於該第二電晶體之該第二端； 一第四電晶體，包含： 一第一端，耦接於一第二高電壓端； 一控制端，用以接收一第四控制訊號；及 一第二端，耦接於該第一電晶體之該第二端； 一第五電晶體，包含： 一第一端，耦接於該第四電晶體之該第二端； 一控制端，用以接收一第五控制訊號；及 一第二端； 一儲能單元，包含： 一第一端，耦接於該第五電晶體之該第二端，及 一第二端，耦接於該第三電晶體之該第二端； 一第六電晶體，包含： 一第一端，耦接於該儲能單元之該第二端； 一控制端，用以接收一第六控制訊號；及 一第二端，耦接於一第二低電壓端；及 一微控制單元，耦接於該電壓偵測單元及該電池陣列，用以控制該電池陣列中該M個電池組中該每一電晶體； 其中M係為大於1的正整數。
  2. 如請求項1所述之電源系統，其中該電源連接埠包含Q個輸出端子，Q係為大於1的正整數，且該Q個輸出端子用以輸出該至少一輸出電壓。
  3. 如請求項1所述之電源系統，其中若該M個電池組中之該儲能單元係提供K伏特的電位能，則該電源系統係提供K至(M×K)伏特的電位能。
  4. 如請求項1所述之電源系統，其中該M個電池組中之一第一電池組之一第一電晶體之一第一端係耦接於一第一高電壓端，該M個電池組中之該第一電池組之一第三電晶體之一第一端係耦接於一第一低電壓端，該M個電池組中之一第m電池組之一第一電晶體之一第一端係耦接於該M個電池組中之一第(m-1)電池組之一第四電晶體之一第二端，該M個電池組中之該第m電池組之一第三電晶體之一第一端係耦接於該M個電池組中之一第(m-1)電池組之一儲能單元之一第二端，其中 ，且m係一正整數。
  5. 如請求項1所述之電源系統，其中該些電晶體中每一電晶體係為N型金氧半電晶體或P型金氧半電晶體。
  6. 如請求項1所述之電源系統，其中該些電晶體中每一電晶體係為機械式或電磁式之物理性開關元件。
  7. 一種電源系統，包含： 一電源連接埠，用以接收至少一輸入電壓； 一電壓偵測單元，耦接於該電源連接埠，用以偵測該至少一輸入電壓的準位； 一電池陣列，耦接於該電源連接埠，用以儲存該至少一輸入電壓的電位能，該電池陣列包含M個並聯的電池組，該每一電池組包含： 一第一電晶體，包含： 一第一端； 一控制端，用以接收一第一控制訊號；及 一第二端； 一第二電晶體，包含： 一第一端，耦接於該第一電晶體之該第一端； 一控制端，用以接收一第二控制訊號；及 一第二端； 一第三電晶體，包含： 一第一端； 一控制端，用以接收一第三控制訊號；及 一第二端，耦接於該第二電晶體之該第二端； 一第四電晶體，包含： 一第一端，耦接於一第二高電壓端； 一控制端，用以接收一第四控制訊號；及 一第二端，耦接於該第一電晶體之該第二端； 一第五電晶體，包含： 一第一端，耦接於該第四電晶體之該第二端； 一控制端，用以接收一第五控制訊號；及 一第二端； 一儲能單元，包含： 一第一端，耦接於該第五電晶體之該第二端，及 一第二端，耦接於該第三電晶體之該第二端； 一第六電晶體，包含： 一第一端，耦接於該儲能單元之該第二端； 一控制端，用以接收一第六控制訊號；及 一第二端，耦接於一第二低電壓端；及 一微控制單元，耦接於該電壓偵測單元及該電池陣列，用以控制該電池陣列中該M個電池組中該每一電晶體； 其中M係為大於1的正整數。
  8. 如請求項7所述之電源系統，其中該電源連接埠包含Q個輸入端子，Q係為大於1的正整數，且該Q個輸入端子用以接收該至少一輸入電壓。
  9. 如請求項7所述之電源系統，其中若該M個電池組中之該儲能單元係儲存K伏特的電位能，則該電源系統係儲存M至(M×K)伏特的電位能。
  10. 如請求項7所述之電源系統，其中該M個電池組中之一第一電池組之一第一電晶體之一第一端係耦接於一第一高電壓端，該M個電池組中之該第一電池組之一第三電晶體之一第一端係耦接於一第一低電壓端，該M個電池組中之一第m電池組之一第一電晶體之一第一端係耦接於該M個電池組中之一第(m-1)電池組之一第四電晶體之一第二端，該M個電池組中之該第m電池組之一第三電晶體之一第一端係耦接於該M個電池組中之一第(m-1)電池組之一儲能單元之一第二端，其中 ，且m係一正整數。
  11. 如請求項7所述之電源系統，其中該些電晶體中每一電晶體係為N型金氧半電晶體或P型金氧半電晶體。
  12. 如請求項7所述之電源系統，其中該些電晶體中每一電晶體係為機械式或電磁式之物理性開關元件。
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