TWI573311B - Charge and discharge balance structure - Google Patents

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TWI573311B TW104131999A TW104131999A TWI573311B TW I573311 B TWI573311 B TW I573311B TW 104131999 A TW104131999 A TW 104131999A TW 104131999 A TW104131999 A TW 104131999A TW I573311 B TWI573311 B TW I573311B
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Tsun Yu Chang
Chun Chieh Chang
Yu Ta Tseng
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Changs Ascending Enterprise Co Ltd
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Description

充放電平衡結構
本發明是關於一種充放電平衡結構，尤其是關於一種對呈串聯的二次電池進行充電的過充電電路有關的平衡電路結構。
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。
一般在進行二個額定電量差異較大(超過10%)的二次電池進行串聯充電時，因為較低電量的二次電池會先到達滿電狀態，且低電量二次電池的電壓會持續上升，進而造成二次電池無法恢復的損壞甚至起火爆炸，因此，目前的作法會在各該二次電池上並聯配置一過充電安全電路，來達到對呈串聯的二次電池進行充電保護的目的。
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，如圖1所示，對於二次電池單元11以正極端子及負極端子依序電性連接，以形成一串聯電性連接的電池組，電池組被一直流充電器10充電，該方法在每一個二次電池單元11並聯由一開關元件21串聯連接於一電阻器22所形成的一過充電電路20，由監控裝置(圖中未示)偵測每個電池單元之電壓，且控制該開關元件21之“打開”或“閉合”狀態。當任一個二次電池單元11兩端的電壓大於或等於預先設定的電壓值時，該過充電電路20則會自動進行放電動作，藉以達到對呈串聯的二次電池單元11進行充電保護的目的。
然而，每個二次電池單元11設有一個電阻器22不只成本增加，且多個電阻器22一起放電，使整個電池組的發熱量將會較高，且常過充二次電池單元11的電阻器22容易損壞，不利電池組的整體使用壽命。
於是，為解決習知既有充電技術之充放電平衡結構發熱量過高的問題，本發明之目的在於提供一種電池串聯使用時之充放電平衡結構，透過一個或少量的平衡電阻達到電池的充放電平衡，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，解決既有技術發熱量過高的問題。
本發明的另一目的在於提供一種電池串聯使用時之 充放電平衡結構，透過平衡電阻組的設計，及該平衡電阻組內的電阻輪流使用於放電的設計，降低使電池組內用於放電的電阻器，因為單一個電阻器損壞而整組電池組損壞的風險。
為達上述目的，本發明揭露一種充放電平衡結構，係應用於多個二次電池單元串聯的電池組，該電池組被一直流充電器充電，其特徵在於：該電池組的每個二次電池單元正、負極端各設有一開關元件，而全部二次電池單元並聯於一平衡電阻，且前述的二次電池單元正、負極端的開關元件分別串接於該平衡電阻的二端。其中，相鄰的二次電池單元在串接處共用一個開關元件。
更進一步，該平衡電阻可由多個電阻並聯組成的一平衡電阻組所取代；再更進一步該平衡電阻組的每個電阻串接一開關元件，用以該平衡電阻組內的電阻輪流使用於放電。
更進一步，本發明之充放電平衡結構，可將電池組內全部的二次電池單元平均分為數個區段，每個區段內的每個二次電池單元正、負極端各設有一開關元件，每區段內的全部二次電池單元並聯於一平衡電阻，且前述的二次電池單元正、負極端的開關元件分別串接於該平衡電阻的二端。其中，每個區段內的內相鄰的二次電池單元在串接處共用一個開關元件。
更進一步前述的平衡電阻係為多個電阻並聯組成的一平衡電阻組；再更進一步，該平衡電阻組的每個電阻串接一開關元件，透過開關元件使該平衡電阻組內的電阻輪流被使用於放 電。
本發明的充放電平衡結構實施上，更進一步每個二次電池單元可以是一組前述電池組，可以應用在更多二次電池串聯的充放電平衡。
本發明的優點在於，透過電路的改變使電池組內的每個二次電池單元共用一個平衡電阻，或多個二次電池單元共用一個平衡電阻，經由輪流放電的方式，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，解決既有技術發熱量過高的問題。且透過前述平衡電阻組的設計，及該平衡電阻組內的電阻輪流使用於放電的設計，降低電阻器被長期使用於放電的時間，也降低單一個電阻器損壞而整組電池組損壞的風險，更有利於二次電池組的整體使用壽命。
(習知)
10‧‧‧直流充電器
11‧‧‧二次電池單元
20‧‧‧過充電電路
21‧‧‧開關元件
22‧‧‧電阻器
(本發明)
100‧‧‧電池組
110‧‧‧二次電池單元
210‧‧‧開關元件
300‧‧‧平衡電阻
310‧‧‧平衡電阻組
311‧‧‧電阻
312‧‧‧開關元件
400‧‧‧直流充電器
圖1為習知充放電平衡結構之示意圖。
圖2為本發明充放電平衡結構之示意圖一。
圖3為本發明充放電平衡結構之示意圖二。
圖4為本發明充放電平衡結構之示意圖三。
圖5為本發明充放電平衡結構之示意圖四。
圖6為本發明充放電平衡結構之示意圖五。
圖7為本發明充放電平衡結構之示意圖六。
圖8為本發明充放電平衡結構之示意圖七。
圖9為本發明充放電平衡結構之示意圖八。
圖10為本發明充放電平衡結構之示意圖九。
茲有關本發明之詳細內容及技術說明，現以實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
請參閱圖2及圖3，本發明係一種充放電平衡結構，係應用於多個二次電池單元110以正極端及負極端依序電性連接，以形成一串聯電性連接的電池組100，該電池組100可被一直流充電器400進行充電，其特徵在於：電池組100內的每個二次電池單元110正、負極端各設有一開關元件210，而全部二次電池單元110並聯於一平衡電阻300，且前述的二次電池單元110正、負極端的開關元件210分別串接於該平衡電阻300的二端。其中，相鄰的二次電池單元110在串接處共用一個開關元件210。
圖式中，圖2係為電池組100內有偶數個二次電池單元110的充放電平衡結構，圖3係為電池組100內有奇數個二次電池單元110的充放電平衡結構。
實施上，在充電階段由監控裝置(圖中未示)掃瞄每個二次電池單元110之電壓，再透過輪流的方式控制每個二次電池單元110正、負極端二端開關元件21的“打開”或“閉合”狀態，進行進行放電動作。即當掃瞄到其中一個二次電池單元110兩端的電壓大於或等於預先設定的電壓值時，該二次電池單元110就會透過 平衡電阻300進行放電動作，藉以達到對呈串聯的二次電池單元110進行充電保護的目的。如果在充電階段有多個二次電池單元110兩端的電壓大於或等於預先設定的電壓值時，則輪流在每一次的電壓掃瞄後進行放電動作。
本發明透過電路的改變，透過該電池組100內的每個二次電池單元110共用一個平衡電阻300，達到電池的充放電平衡，使電池組100內的每個二次電池單元110可以獲得平衡且有效率之充電效果，解決現有充電平衡技術中電阻過多造成發熱量過高的問題。
請再參閱圖4，更進一步，該平衡電阻300可由多個電阻311並聯組成的一平衡電阻組310所取代(圖中以三個電阻311為說明例)，實施上與前述放電動作相同，但因為該平衡電阻組310係由多個電阻311並聯組成，所以在使用上，可以降低因為單一個電阻器損壞而破壞整組電池組平衡功能，增加整組電池組損壞的風險。
請再參閱圖5，再更進一步該平衡電阻組310的每個電阻311串聯一開關元件312。實施上與前述放電動作相同，但所有的開關元件312受監控裝置(圖中未示)控制，在多個二次電池單元110輪流放電時，透過該些開關元件312的“打開”或“閉合”狀態控制該平衡電阻組310內的電阻311輪流使用於放電功能上。在使用上，降低因為單一個電阻器損壞而影響整組電池組平衡功能，增加整組電池組損壞的風險。
請參閱圖6，本發明的充放電平衡結構實施上，更進一步每個二次電池單元110可以是一組前述電池組100所組成，在相同的平衡結構技術上可以應用在更多二次電池串聯的充放電平衡。圖6係以偶數個二次電池單元110為說明例(如圖2)，可以再由偶數個電池組100組合成一個更大規模的電池串聯組合，形成一個電池組100內有前述的充放電平衡結構，而電池組100組合更大規模的電池串聯也有充放電平衡結構的多層充放電平衡結構。
相同的充放電方式，在充電階段也由監控裝置(圖中未示)掃瞄每個電池組100之電壓，再透過輪流的方式控制每個電池組100正、負極端二端開關元件21的“打開”或“閉合”狀態，進行進行放電動作。即當掃瞄到其中一個電池組100兩端的電壓大於或等於預先設定的電壓值時，該電池組100就會透過平衡電阻300進行放電動作，藉以達到對呈串聯的電池組100進行充電保護的目的。如果在充電階段有多個電池組100兩端的電壓大於或等於預先設定的電壓值時，則輪流在每一次的電壓掃瞄後進行放電動作。
請再參閱圖7，本發明在應用上也可將該電池組100內的二次電池單元110平均分為數個區段，與前述每個二次電池單元110共用一個平衡電阻300相同的平衡結構，每個區段內的每個二次電池單元110的正、負極端各設有該開關元件210，而每個區段內的二次電池單元110並聯於一個平衡電阻300，且前述的二次電池單元110正、負極端的開關元件210分別串接於該平衡電阻的 二端。
與前述平衡結構技術相同，每個區段內相鄰的二次電池單元110在串接處共用一個開關元件210。
以圖7為說明例，將八個二次電池單元110均分為二個區段，每個區段內的四個二次電池單元110使用一個平衡電阻300於放電動作。與前面實施相同，當每個區段掃瞄到其中一個二次電池單元110兩端的電壓大於或等於預先設定的電壓值時，該二次電池單元110就會透過該區段的平衡電阻300進行放電動作，藉以達到對呈串聯的二次電池單元110進行充電保護的目的。如果每個區段在充電階段有多個二次電池單元110兩端的電壓大於或等於預先設定的電壓值時，則每個區段內的二次電池單元110輪流在每一次的電壓掃瞄後進行放電的動作。
實施上，因為本發明係輪流在每一次的電壓掃瞄後進行放電動作，四個二次電池單元110一組的模式將會比八個二次電池單元110一組的模式更快輪到放電動作且放電時間可以更長，由其對於現在諸如車輛啟動器、電動自行車、電動摩托車、電氣或混合車輛等高電壓應用的電池組，如果電池組內的二次電池單元110多達10個以上時，可能需要分區段設置平衡電阻300，用以提高充電效率。透過電路的改變，使電池組內的多個二次電池單元110共用一個平衡電阻300的方式，達到電池的充放電平衡，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，解決現有充電平衡技術因為電組過多，發熱量過高的問題。
請再參閱圖8，係為圖7的分區段充放電平衡結構更進一步的變化應用，該些平衡電阻300與前述技術相同，每一個平衡電阻300可由多個電阻311並聯組成的該平衡電阻組310所取代(圖中以三個電阻311為說明例)，實施上與前述放電動作相同，但因為該平衡電阻組310係由多個電阻311並聯組成，所以在使用上，降低因為單一個電阻器損壞而影響整組電池組平衡功能，增加整組電池組損壞的風險。
請再參閱圖9，相同的方式，每一個平衡電阻組310內的每個電阻311可串聯一個開關元件312，實施上與前述放電動作相同，但所有的開關元件312受監控裝置(圖中未示)控制，在多個二次電池單元110輪流放電時，透過開關元件312的“打開”或“閉合”狀態控制該平衡電阻組310內的電阻311輪流使用於放電。在使用上，降低因為單一個電阻器損壞而影響整組電池組平衡功能，增加整組電池組損壞的風險。
請參閱圖10，分區段的充放電平衡結構在實施上，每個二次電池單元110也可以是一組前述電池組100所組成，在相同的平衡結構技術上可以應用在更多二次電池串聯的充放電平衡。圖10係以八個二次電池單元110分為二個區段為說明例(如圖6)，將區分為二個區段的電池組100組合成一個更大規模的電池串聯組合，形成一個電池組100內有前述的充放電平衡結構，而電池組100組合更大規模的電池串聯也有充放電平衡結構的多層充放電平衡結構。
本發明透過電路結構的改變使電池組內的每個二次電池單元共用一個平衡電阻，或多個二次電池單元共用一個平衡電阻，經由輪流放電的方式，使電池組內每個電池單元可以獲得平衡且有效率之充電效果，解決既有技術發熱量過高的問題。且透過平衡電阻組的設計，及該平衡電阻組內的電阻輪流使用於放電的設計，降低使電池組內電阻器用於放電的時間，也可以避免因為單一個電阻器損壞而影響整組電池組平衡功能，增加整組電池組損壞的風險，更有利於二次電池組的整體使用壽命。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100‧‧‧電池組
110‧‧‧二次電池單元
210‧‧‧開關元件
300‧‧‧平衡電阻
400‧‧‧直流充電器

Claims (10)

  1. 一種充放電平衡結構，係應用於多個二次電池單元串聯的電池組，該電池組可被一直流充電器進行充電，其特徵在於：該電池組的每個二次電池單元的正、負極端各設有一開關元件，全部二次電池單元並聯於一平衡電阻，且前述的二次電池單元正、負極端的開關元件分別串接於該平衡電阻的二端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之充放電平衡結構，其中，相鄰的二次電池單元在串接處共用一個開關元件。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之充放電平衡結構，其中，更進一步該平衡電阻係為多個電阻並聯組成的一平衡電阻組。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之充放電平衡結構，其中，更進一步該平衡電阻組的每個電阻串接一開關元件。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之充放電平衡結構，其中，更進一步每個二次電池單元係為一組前述電池組。
  6. 一種充放電平衡結構，係應用於多個二次電池單元串聯的電池組，該電池組可被一直流充電器進行充電，其特徵在於：將該電池組內的全部二次電池單元平均分為數個區段，每個區段內的每個二次電池單元正、負極端各設有一開關元件，且每個區段內的全部二次電池單元並聯於一平衡電阻，且前述的二次電池單元正、負極端的開關元件分別串接於該平衡電阻的二端。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之充放電平衡結構，其中，每個區段 內相鄰的二次電池單元在串接處共用一個開關元件。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之充放電平衡結構，其中，更進一步該平衡電阻係為多個電阻並聯組成的一平衡電阻組。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之充放電平衡結構，其中，更進一步該平衡電阻組的每個電阻串聯一開關元件。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之充放電平衡結構，其中，更進一步每個二次電池單元係為一組前述電池組。
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