TWI581543B - 串聯電池組的主動平衡模組及其控制方法 - Google Patents

Description

串聯電池組的主動平衡模組及其控制方法

本發明係關於一種串聯電池組的主動平衡模組及其控制方法，尤其是一種結合電感型及模組化平衡結構之串聯電池組的主動平衡模組及其控制方法。

由於環保意識抬頭，以電力為動力來源的應用日益蓬勃，如：全電動汽車(EV或BEV)、混合燃氣/電動汽車(HEV)、插電式混合電動汽車(PHEV)或儲能系統(ESS)等，在上述應用中，普遍需要使用電池組(Battery)儲存及供應動力，該電池組可由複數高功率密度、高峰值功率鋰聚合物或鋰鐵磷酸(LiFePO4)電池串聯組成。以鋰電池組為例，大量串聯的鋰電池使用過程中，會因老化而導致電池容量不同，每次充電時，因電池間的殘餘電荷、充電速度等差異，將導致電池中的電荷狀態(SoC)不平衡，為避免鋰電池因過壓(over voltage)而降低效能或損壞，通常需由電池管理系統(BMS)管控電池組的電荷平衡狀態。

為免電池充電過量，可採用簡單低廉的被動平衡(passive balance)方式，將儲電量較高的電池分流至旁路電阻(bypass resistor)，以免有些電池過量充電，其餘電池卻充電不足，惟此方式除會耗散功率外，還有發熱及充電速度慢等情況尚待改進。因此，逐漸發展出可重新分配電荷狀態的主動平衡(active balance)方式，可於充放電過程中，可補償電壓較低之電池，除確保各電池均不會過量充電外，且可快速充電及降低充 電溫度，進一步提高電池的效能、可靠性及安全性，並可降低系統成本。是以，主動平衡式電池管理系統實乃促進電動應用產業發展的關鍵技術。

習知主動平衡式電池管理系統主要分為電容型平衡、電感型平衡及模組化平衡方式，電容型平衡方式雖易控制且不需電壓偵測電路，但其平衡時間較長，不適用於須快速充電的應用；另，電感型平衡方式雖可快速平衡電荷且能量轉換效率高，惟須克服變壓器互感及漏感等情況；又，模組化平衡方式雖可提供穩定的電壓，然其所需成本較高，且各模組僅能控制有限的電池數量(區域式電池平衡)，無法達成全域式電池平衡。

有鑑於此，有必要改善上述先前技術的缺點，以符合實際需求，提升其實用性。

本發明係提供一種串聯電池組的主動平衡模組，可快速達成全域式電池平衡。

本發明揭示一種串聯電池組的主動平衡模組，係包含：一轉換單元，設有一初級側線圈、數個次級側線圈及一輔助線圈，該輔助線圈之極性與各該次級側線圈之極性相同；一返馳開關，電性連接該轉換單元之初級側線圈；一初級側調控器，電性連接該轉換單元及該返馳開關，該初級側調控器、該返馳開關及該轉換單元共同構成具有初級側調節功能之返馳式架構，該初級側調控器具有一取樣端，該取樣端電性連接該轉換單元之輔助線圈；數個分時切換器，電性連接於該轉換單元之數個次級側線圈與一串聯電池組之數個蓄電單元之間；及一處理器，電性連接各該分時切換器及該初級側調控器，該處理器用以分時切換各該分時切換器的導通狀態，使各該次級側線圈分時輸出一定電流至各蓄電單元，並由該初級側調控器分時取得一參考訊號，用以估算各該蓄電單元的充電量。

所述初級側調控器具有一調節端，該調節端電性連接該返馳 開關。

所述處理器由該初級側調控器之調節端分時取得一脈寬調變訊號，並依據該脈寬調變訊號之工作週期等比換算各該蓄電單元的電壓值。

所述串聯電池組的主動平衡模組，另包含一限流元件，該限流元件電性連接於該返馳開關與一接地端之間。

所述串聯電池組的主動平衡模組，另包含一變阻切換器，該變阻切換器電性連接於該返馳開關及該處理器。

所述變阻切換器設有一變阻開關、一小阻元件及一大阻元件，該電磁開關電性連接該返馳開關及該處理器，該小阻元件及該大阻元件電性連接該電磁開關。

所述串聯電池組的主動平衡模組，另包含數個隔離器，各該隔離器電性連接於該處理器與各該分時切換器之間。

所述隔離器為一光耦合器。

所述串聯電池組的主動平衡模組，另包含一電壓偵測器，該電壓偵測器設有數個偵測端及數個管控端，各該偵測端電性連接各該電單元，各該管控端電性連接各該分時切換器。

所述電壓偵測器設有一指示燈，用以指示該電壓偵測器的工作狀態。

所述各分時切換器設有一分時開關，該分時開關具有一輸入端、一輸出端及一受控端，該輸入端電性連接至該次級側線圈，該輸出端電性連接該蓄電單元，該受控端電性連接該處理器。

所述各分時開關的輸入端與各該次級側線圈之間電性連接一逆止元件，該逆止元件與各該次級側線圈之間電性連接一RC並聯迴路。

所述逆止元件為一蕭基二極體。

所述分時開關為一PMOS電晶體。

所述返馳開關為一NMOS電晶體。

所述初級側調控器之取樣端與該轉換單元之輔助線圈之間電性連接一分壓器。

所述初級側調控器與該處理器之間電性連接一電子開關。

所述處理器設有二擷取端及數個切控端，該二擷取端電性連接該初級側調控器之取樣端及調節端，各該切控端電性連接各分時切換器。

所述處理器另設有一通訊埠。

所述通訊埠電性連接一電壓偵測器。

所述處理器設有一換阻端，該換阻端電性連接該變阻切換器。

本發明另揭示一種主動平衡模組的控制方法，係應用於上述之串聯電池組的主動平衡模組，該控制方法包含一偵測步驟，係由該主動平衡模組之處理器分時導通各該蓄電單元與該轉換單元的各該次級側線圈之間的充電路徑，排序各該次級側線圈分時耦合至該初級側調控器之電性特徵，依據排序結果選擇至少一蓄電單元列入一補充電池名單，該處理器計算該輔助線圈對應各該蓄電單元之電壓值與該等電壓值中的最大值之差異值，將該差異值大於一門檻值的蓄電單元列入該補充電池名單；及一補充步驟，係由該處理器接收該補充電池名單，該補充電池名單具有需要補充電力之蓄電單元，導通該補充電池名單所列蓄電單元與該轉換單元的次級側線圈之間的充電路徑，使該次級側線圈分時以一定電流補充電力至該補充電池名單所列蓄電單元。

所述處理器設有一通訊埠，並由該通訊埠接收該補充電池名單。

所述門檻值為該最大值與一百分比的乘積。

所述補充步驟之次級側線圈輸出的電流為一補充電流，所述偵測步驟之次級側線圈輸出的電流為一偵測電流，該偵測電流小於或等於該補充電流。

上揭串聯電池組的主動平衡模組主要藉由該轉換單元的初級側線圈或輔助線圈耦合次級側線圈的電氣訊號，利用分時導通所有次級側線圈之過程，即可得知各蓄電單元的充電狀態，並輸出補充電流至電荷狀態不平衡的蓄電單元。相較於習知模組化平衡方式僅能調節電池組中的某一區域(全域平衡須用多個控制模組)，本案僅需一組控制電路，即可達成全域式電池平衡，改善習知返馳式轉換器(次級側調節)之「初級側無法接收多組回授訊號」及「用於多線圈控制時，易造成磁飽和而致線圈毀損」等問題。另，上揭主動平衡模組的控制方法可利用分時導通所有次級側線圈，即可偵測所有次級側線圈連接的蓄電單元狀態，可進一步補充電力至蓄電單元，並可降低功率消耗。藉此，可達成「節省設置成本」、「有利於量產」、「避免電池電壓過高」、「降低功率消耗」等功效。

1‧‧‧轉換單元

11‧‧‧初級側線圈

12,12a,12b‧‧‧次級側線圈

12c,12d‧‧‧次級側線圈

13‧‧‧輔助線圈

2‧‧‧返馳開關

21‧‧‧輸入端

22‧‧‧輸出端

23‧‧‧受控端

3‧‧‧初級側調控器

31‧‧‧取樣端

32‧‧‧調節端

4,4a,4b‧‧‧分時切換器

4c,4d‧‧‧分時切換器

41‧‧‧分時開關

411‧‧‧輸入端

412‧‧‧輸出端

413‧‧‧受控端

42‧‧‧逆止元件

5‧‧‧處理器

51,51a,51b‧‧‧擷取端

52,52a,52b‧‧‧切控端

52c,52d‧‧‧切控端

53‧‧‧通訊埠

54‧‧‧換阻端

6‧‧‧隔離器

61‧‧‧輸入端

62‧‧‧輸出端

7‧‧‧電壓偵測器

71‧‧‧偵測端

72‧‧‧管控端

73‧‧‧通信埠

74‧‧‧指示燈

8‧‧‧變阻切換器

81‧‧‧變阻開關

82‧‧‧小阻元件

83‧‧‧大阻元件

C,C1,C2‧‧‧蓄電單元

C3,C4‧‧‧蓄電單元

L1,L2‧‧‧關係曲線

L3,L4‧‧‧關係曲線

M‧‧‧取樣點

P‧‧‧電源

P1‧‧‧正極端

P2‧‧‧負極端

R‧‧‧限流元件

S1、S2‧‧‧接點

S3、S4‧‧‧接點

T0‧‧‧偵測步驟

T1‧‧‧補充步驟

V‧‧‧供電端

W‧‧‧電子開關

第1圖：本發明之串聯電池組的主動平衡模組之第一實施例的電路示意圖。

第2圖：本發明之串聯電池組的主動平衡模組之輸出電壓與輸出電流的關係曲線圖。

第3圖：本發明之串聯電池組的主動平衡模組之第二實施例的電路示意圖。

第4圖：本發明之串聯電池組的主動平衡模組之第三實施例的電路示意圖。

第5圖：本發明之串聯電池組的主動平衡模組之第四實施例的電路示 意圖。

第6圖：本發明之串聯電池組的主動平衡模組之不同輸出電流的輸出電壓關係曲線圖。

第7圖：本發明之串聯電池組的主動平衡模組之初級側調控器的取樣端的電壓曲線圖。

第8圖：本發明之串聯電池組的主動平衡模組之初級側調控器的調節端的電壓曲線圖。

第9圖：本發明之主動平衡模組的控制方法實施例之流程示意圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明全文所述之「一芯多繞組變壓器」(one-core multi-winding transformer)，係指變壓器之鐵芯可繞置數個次級側線圈，各次級側線圈可為相同或不同，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

請參閱第1圖所示，其係本發明串聯電池組的主動平衡模組之第一實施例的電路示意圖。其中，該串聯電池組可包含數個串聯的蓄電單元C，並由一電源P供應直流電力。該主動平衡模組實施例可包含一轉換單元1、一返馳開關2、一初級側調控器3、數個分時切換器4及一處理器5。該轉換單元1電性連接該電源P、返馳開關2、初級側調控器3、分時切換器4及處理器5，各分時切換器4電性連接於該轉換單元1與各蓄電單元C之間，該處理器5電性連接各分時切換器4。在此實施例中，該串聯電池組電性連接於該電源P之一正極端P1及一負極端P2之間，該串聯電池組係以四個蓄電單元C作為實施態樣說明，該蓄電單元C可為任何以電壓形式儲存能量之元件，如：鋰(Lithium)聚合物電池、鉛酸(Lead Acid Battery)電池、鎳氫(Nickel-Metal Hydride Battery)電池或各式電容器(capacitor)等，惟不以此為限。

請再參閱第1圖所示，該轉換單元1可為具有輔助線圈(auxiliary coil)之一芯多繞組變壓器(one-core multi-winding transformer)。該轉換單元1可設有一初級側線圈(primary side coil)11及數個次級側線圈(secondary side coils)12，該初級側線圈11電性連接於該電源P與返馳開關2之間，各次級側線圈12電性連接各分時切換器4。該轉換單元1還可設有一輔助線圈13，該輔助線圈13與各次級側線圈12之極性相同，用以感知各次級側線圈12的運作狀態(如：電流等)，該輔助線圈13可電性連接該初級側調控器3。在此實施例中，該轉換單元1之初級側線圈11與次級側線圈12之間具有一匝數比例關係，如：該初級側線圈11之匝數可為該次級側線圈12之匝數與該次級側線圈12之個數的乘積，若該次級側線圈12之匝數為10、該次級側線圈12之個數為4，則該初級側線圈11之匝數可為40(=10*4)，該初級側線圈11與次級側線圈12、輔助線圈13之極性可為相反或相同，另，在此僅以四個次級側線圈12a、12b、12c、12d作為實施態樣說明，各次級側線圈12之匝數比可介於1±0.1範圍，惟不以此為限。

請再參閱第1圖所示，該返馳開關2可為習知電子開關，如：雙極性電晶體(BJT)、金屬氧化物半導體電晶體(MOS transistor)等，該返馳開關2電性連接該轉換單元1之初級側線圈11及該初級側調控器3，使該返馳開關2與轉換單元1共同構成一返馳式(fly-back)轉換器。在此實施例中，該返馳開關2可為一NMOS電晶體，該返馳開關2具有一輸入端21、一輸出端22及一受控端23，該輸入端21電性連接該轉換單元1之初級側線圈113該輸出端22可電性連接一限流元件R(如習知定值電阻器)至一接地端，以避免該返馳開關2之電流過高而損壞；該受控端23可電性 連接該初級側調控器3，惟不以此為限。

請再參閱第1圖所示，該初級側調控器3可為習知具有初級側調節功能(primary side regulation)之控制器，該初級側調控器3具有一取樣端31及一調節端32，該取樣端31可電性連接該轉換單元1之初級側線圈11或輔助線圈13，用以輸入源自該初級側線圈11或輔助線圈13之取樣電壓(sampling voltage)，如：具有至少一取樣點之類比訊號；該調節端32電性連接該返馳開關2，用以輸出對應該取樣電壓的脈寬調變(PWM)訊號，作為調整該返馳開關2的切換頻率之依據，如：利用脈寬調變訊號之頻率(frequency)或工作週期(duty cycle)，使該初級側調控器3、返馳開關2及轉換單元1共同構成具有初級側調節(primary side regulation)功能之返馳式架構，可改善習知返馳式轉換器(次級側調節)之「初級側無法接收多組回授訊號」及「用於多線圈控制時，易造成磁飽和而致線圈毀損」等問題。在此實施例中，該初級側調控器3係以德州儀器公司(TI)的UCC28700控制器作為實施態樣說明，惟不以此為限；該初級側調控器3之取樣端31與該轉換單元1之輔助線圈13之間可電性連接一分壓器(voltage divider，如：以二電阻器串聯而成)，以便將該輔助線圈13之電流轉為適當電壓，供該取樣端31進行電壓取樣；另，該初級側調控器3與處理器5之間可電性連接一電子開關W(如繼電器，Relay)，該電子開關W可電性連接一供電端V(如：+12V)，以便於該串聯電池組開始充電時，立即啟動該初級側調控器3，惟不以此為限。

請再參閱第1圖所示，各分時切換器4電性連接於該轉換單元1之數個次級側線圈12與該數個蓄電單元C之間，用以切換各次級側線圈12與其對應之蓄電單元C的連接狀態。在此實施例中，係以四個分時切換器4a、4b、4c、4d作為實施態樣說明，各分時切換器4設有一分時開關41，該分時開關41電性連接於該轉換單元1之各次級側線圈12與各 蓄電單元C之間，用以切換各次級側線圈12對其對應連接的蓄電單元C之連接狀態，該分時開關41可為PMOS電晶體，該分時開關41具有一輸入端411、一輸出端412及一受控端413，該輸入端411可電性連接至該次級側線圈12，各次級側線圈12與輸入端411之間可電性連接一逆止元件42，如：蕭基二極體(schottky barrier diode)等，該逆止元件42與各次級側線圈12之間可電性連接一RC並聯迴路，該輸出端412可電性連接該蓄電單元C，該受控端413可經由一接點電性連接該處理器5，又，該處理器5與受控端413之間可設有具備電性隔離及調壓功能之電子元件，可將該處理器5輸出電壓調整為該受控端413適用之範圍，及降低該處理器5與受控端413間的電性干擾，惟不以此為限。

請再參閱第1圖所示，該處理器5可為具有訊號處理功能之元件，如：微控制器(MCU)、數位訊號處理器(DSP)或特殊功能積體電路(ASIC)等，該處理器5可設有二擷取端51及數個切控端52，該二擷取端51可電性連接該初級側調控器3之取樣端31、調節端32，用以取得取樣端31、調節端32的電性訊號，各切控端52電性連接各分時切換器4之分時開關41；另，該處理器5內部可儲存一控制程式及參數資料(如：電池之電壓與電流之關係表、曲線或方程式等)，用以執行一電池平衡控管作業，該處理器5可依據該擷取端51輸入之訊號，如：脈寬調變(PWM)訊號或具有至少一取樣點之類比訊號等，於各切控端52輸出訊號(如PWM訊號)分時(Time Division)控制各分時開關41的開關狀態，進一步控管各蓄電單元C之充電狀態。又，該處理器5可另設有一通訊埠(communication port)53，供該處理器5與外界通訊，進而得知各蓄電單元C的充電情況，惟不以此為限。在此實施例中，該處理器5係以擷取端51a、51b分別電性連接該取樣端31、調節端32，並以四切控端52a、52b、52c、52d作為實施態樣說明，惟不以此為限；其中，該切控端52a、52b、 52c、52d可內建電性隔離及調壓功能，該切控端52a、52b、52c、52d可分別經由接點S1、S2、S3、S4連接各受控端413，用以控制該蓄電單元C1、C2、C3、C4之充電狀態，惟不以此為限。

本發明串聯電池組的主動平衡模組上述實施例實際使用時，如第1圖所示，該串聯電池組之蓄電單元C1、C2、C3、C4可串聯連接於該電源P的正極端P1與負極端P2之間，以便利用該電源P之一充電電流對該蓄電單元C1、C2、C3、C4充電。在充電過程中，該處理器5可分時切換各分時切換器4a、4b、4c、4d之分時開關41的導通狀態(如：導通順序為4a→4b→4c→4d)，各次級側線圈12a、12b、12c、12d可輸出定電流，對各蓄電單元C1、C2、C3、C4充電，該定電流與該初級側調控器3之調節端32輸出的脈寬調變訊號之工作周期呈比例關係，例如：當對耐壓3伏特(V)的電池以2安培(A)充電時，該工作周期調整為30%；當對耐壓2伏特的電池以2安培充電時，該工作周期調整為20%，惟不以此為限。

同時，由於各次級側線圈12a、12b、12c、12d的輸出功率(P=I×V)及定電流(I)，因此，該處理器5可利用各次級側線圈12耦合至輔助線圈13的訊號(即該初級側調控器3之取樣端31輸入的訊號)，以該轉換單元1釋放完能量且開始振盪前的電壓值作為該蓄電單元C之電壓值。或者，該處理器5可利用該初級側調控器3之調節端32輸出的脈寬調變訊號等比換算各蓄電單元C1、C2、C3、C4之電壓(V)，以偵測各蓄電單元C1、C2、C3、C4之充電狀態，例如：該處理器5可預設各蓄電單元的電壓值與該工作週期的關係式為一線性方程式(y=ax+b)，x為該工作週期，a為調整參數，b為偏移值，若a、x、b分別為1/10、30、0，則y為3伏特(1/10×30+0)，惟若x表示為30%，則a須改為10，用以維持y為3伏特(10×30%+0)；其中，若需制訂該線性方程式之參數，則可實際量 測該蓄電單元C之電壓值與該調節端32之工作週期而定之，如：該電壓值為3伏特時，該工作週期為30%(y=30a+b)，且該電壓值為2伏特時，該工作週期為20%(y=20a+b)，則可知該線性方程式之a、b分別為1/10、0，用以計算後續充電過程中的電壓值，惟不以此為限。

其中，若有任一蓄電單元C(如：C2)之電荷狀態(SoC)不平衡，則該處理器5可經由接點S2切換該分時切換器4b為導通(ON)狀態，令該次級側線圈12b額外輸出一補充電流至蓄電單元C2，以利用該補充電流及充電電流共同對該蓄電單元C2充電，以加速補充該蓄電單元C2的電荷量，直到其電荷狀態平衡為止(如第2圖之L1所示)，即可切換該分時切換器4b為截斷(OFF)狀態。依此類推，若有任何電荷狀態不平衡之蓄電單元C(如第2圖之L2所示)，即可藉由上述方式加速補充其充電量，使該蓄電單元C之電荷狀態平衡。又，由於該次級側線圈12的輸出電壓為電流固定，可由該處理器5設定之電壓為該蓄電單元C充電，且該定電流之關係可供該處理器5估算電池老化情況。

請參閱第3圖所示，其係本發明串聯電池組的主動平衡模組之第二實施例的電路示意圖。其中，相較於第一實施例，該第二實施例另包含數個隔離器6，各隔離器6電性連接於該處理器5之各切控端52與各分時切換器4之分時開關41的受控端413之間，用以隔離該分時開關41與處理器5之間的傳輸雜訊，避免該蓄電單元C在充電過程中受雜訊干擾而損壞。在此實施例中，係以四隔離器6作為實施態樣說明，各隔離器6可為一光耦合器(photo coupler)，惟不以此為限；其中，各隔離器6具有一輸入端61及一輸出端62，各輸入端61電性連接各切控端52，各輸出端62電性連接各受控端413，以便隔離該處理器5與各分時切換器4之間的電氣雜訊，且可調整該處理器5輸出至受控端413的電壓，惟不以此為限。

請參閱第4圖所示，其係本發明串聯電池組的主動平衡模組 之第三實施例的電路示意圖。其中，相較於第一實施例，該第三實施例還可以設有一電壓偵測器7，該電壓偵測器7設有數個偵測端71、數個管控端72及一通信埠(communication port)73，各偵測端71可電性連接各蓄電單元C，用以偵測各蓄電單元C的充電狀態；各管控端72電性連接各分時切換器4之分時開關41，用以替代該處理器5控制該分時開關41；該通信埠73可電性連接該處理器5之通訊埠53，供該電壓偵測器7與處理器5相互通訊；又，該電壓偵測器7還可以設有一指示燈74，用以指示該電壓偵測器7的工作狀態，如：該管控端72是否輸出訊號接管該分時開關41的開關狀態。在此實施例中，該電壓偵測器7可採用凌力爾特公司(LINEAR)之LTC6804控制器，惟不以此為限。詳言之，由於串聯電池組的串聯電壓相當高，如在電池充電過程中，稍有不慎或有雜訊，均有可能會使該處理器5或初級側調控器3故障，而造成該蓄電單元C運作異常或損壞，故，為避免此一情況發生，可由該電壓偵測器7作為備用控制器，並由該偵測端71偵測各蓄電單元C的充電狀態，以便於該蓄電單元C運作異常時，即時將偵測情況傳送至該處理器5，該處理器5分析該偵測情況後，可傳送控制命令至該電壓偵測器7，使該電壓偵測器7由該管控端72管控各蓄電單元C的充電過程，同時，可由該指示燈74提醒相關人員進行檢測，以防損害範圍擴大。

請參閱第5圖所示，其係本發明串聯電池組的主動平衡模組之第四實施例的電路示意圖。其中，相較於第一實施例，該第四實施例還可以設有一變阻切換器8，該變阻切換器8電性連接於該返馳開關2及該處理器5所設之一換阻端54，用以調整輸出至該蓄電單元C的充電電流，以便對需要補充電荷容量的蓄電單元C使用大電流充電，另利用小電流時偵測輪流各蓄電單元C之狀態。在此實施例中，該變阻切換器8可設有一變阻開關81(可為電磁閥、雙極性電晶體或金屬氧化物半導體電晶體等， 惟不以此為限)、一小阻元件82及一大阻元件83，該變阻開關81電性連接該返馳開關2及處理器5，該小阻元件82及大阻元件83電性連接於該變阻開關81與該接地端之間，惟不以此為限。以下說明其使用方式。

舉例而言，請再參閱第5圖所示，以該處理器5導通該分時切換器4a為例，當該分時切換器4a導通時，該次級側線圈12a可輸出定電流對該蓄電單元C1充電，同時，該處理器5可得知該蓄電單元C1之充電電壓，已如前述。值得注意的是，當該返馳開關2與接地端之間具有小電阻時，該次級側線圈12a可輸出電流固定之大電流(如第6圖所示之L3)，用以快速充電至該蓄電單元C1。反之，當該返馳開關2與接地端之間具有大電阻時，該次級側線圈12a可輸出電流固定之小電流(如第6圖所示之L4)，同時，該次級側線圈12a耦合至該輔助線圈13所產生一分壓訊號(如第7圖所示)，可輸入至該初級側調控器3之取樣端31，且該初級側調控器3之調節端32可輸出一調節訊號(如第8圖所示)，該處理器5可利用該調節訊號及分壓訊號推算該蓄電單元C1之電壓值；其中，由於輸出至該蓄電單元C1的電流為小電流(定電流)狀態，使該蓄電單元C1的充電量緩慢增加，可以降低該處理器5在計算過程中的充電量誤差，因此，該蓄電單元C1的充電量較為精確。依此類推，可在得知需補充電荷之蓄電單元C後，即可針對蓄電單元C充電，且不超過其耐壓值(如：5伏特)，可避免該電池單元的電壓過高造成蓄電單元損壞。

請參閱第9圖所示，其係本發明之主動平衡模組的控制方法實施例之流程示意圖。其中，該控制方法實施例包含一補充步驟T1，係由該處理器接收一補充電池名單，該補充電池名單具有需要補充電力之蓄電單元，導通該補充電池名單所列蓄電單元與該轉換單元的次級側線圈之間的充電路徑，使該次級側線圈分時以一定電流補充電力至該蓄電單元。在此實施例中，請一併參閱第1圖所示，該處理器5可由該通訊埠53取得該 補充電池名單，該補充電池名單可由該主動平衡模組外部之裝置(如第4圖所示之電壓偵測器7)或儀器(如電表)所產生，該補充電池名單中的蓄電單元數量可為一個或數個，若該補充電池名單中僅有一個蓄電單元C(如：C1)，則該處理器5可送出訊號至該分時切換器4a，使該蓄電單元C1與該轉換單元1之間的充電路徑導通，令該轉換單元1之次級側線圈12a補充電力至該蓄電單元C1；若該補充電池名單中有數個蓄電單元C(如：C2、C3、C4)，則該處理器5可採分時多工(TDM)方式輪流送出訊號至該分時切換器4b、4c、4d，使該蓄電單元C2、C3、C4與該轉換單元1之間的充電路徑輪流導通，令該轉換單元1之次級側線圈12b、12c、12d分時維持定電流，以補充電力至該蓄電單元C2、C3、C4，並分別維持一段補充時間，該補充電力之定電流以大電流為佳，以利快速充電，惟亦可用小電流充電，並不以此為限；例如：C2大電流充電(1秒)→C3大電流充電(1秒)→C4大電流充電(1秒)，或者，C1小電流(1秒)→C2大電流充電(1秒)→C3大電流充電(1秒)→C4大電流充電(1秒)，惟不以此為限。

請再參閱第9圖所示，本發明之主動平衡模組的控制方法實施例在進行該補充步驟T1之前，還可先進行一偵測步驟T0，係由該處理器分時導通各蓄電單元與該轉換單元的各次級側線圈之間的充電路徑，排序各次級側線圈分時耦合至該初級側調控器之電性特徵，依據排序結果選擇至少一蓄電單元列入上述補充電池名單。在此實施例中，請一併參閱第5圖所示，在該補充步驟T1中，該次級側線圈輸出的電流為一補充電流，在該偵測步驟T0中，該次級側線圈輸出的電流為一偵測電流，該偵測電流小於或等於該補充電流為佳；其中，該處理器5可先送出訊號至該變阻切換器8，使該變阻切換器8切換為適於量測的大電阻，以便各蓄電單元C保持小電流作為測量之用，惟亦可於大電流時進行量測，並不以此為限； 例如：該處理器5可輪流送出訊號至該分時切換器4a、4b、4c、4d，使各蓄電單元C1、C2、C3、C4與該轉換單元1的各次級側線圈12a、12b、12c、12d之間的充電路徑輪流導通，如：C1小電流量測→C2小電流量測→C3小電流量測→C4小電流量測，令各次級側線圈12a、12b、12c、12d輪流耦合於該輔助線圈13，該處理器5可於特定週期時間，由擷取端51a對該輔助線圈13產生的分壓訊號取樣產生一取樣點M(如第7圖所示)，待對該等電壓值進行排序(如：採用快速排序法或泡沫排序法等)後，即可得知該輔助線圈13耦合各次級側線圈12a、12b、12c、12d的電壓值，該等電壓值可對應各蓄電單元C1、C2、C3、C4的充電情況，據以產生該補充電池名單，並監視各蓄電單元C的電壓是否超過其耐壓值，以下係舉例說明該補充電池名單中所列蓄電單元的選擇方式，惟不以此為限。

舉例而言，如第1及9圖所示，該處理器5還可計算該輔助線圈13對應各蓄電單元C之電壓值與該等電壓值中的最大值之差異值，若任一蓄電單元C所屬之差異值大於一門檻值，則可將該差異值所屬之蓄電單元C列入該補充電池名單，該門檻值可為該最大值與一百分比(如：≦20%)的乘積，若該蓄電單元C1、C2、C3、C4對應的取樣點M電壓分別為3(最大值)、1.5、2、2.5，則該門檻值可為3*20%=0.6，則該蓄電單元C1、C2、C3、C4與最大值的差值分別為0、1.5(>0.6)、1(>0.6)、0.5，亦即，該蓄電單元C2、C3需列入該補充電池名單中。之後，再進行上述補充步驟T1，由該處理器5接收該補充電池名單，該補充電池名單具有需要補充電之蓄電單元C2、C3，該處理器5可導通該蓄電單元C2、C3與該轉換單元1之間的充電路徑，使該轉換單元1補充電力至該蓄電單元C2、C3，如：C2大電流充電(1秒)→C3大電流充電(1秒)，或者，C1小電流量測(1秒)→C2大電流充電(1秒)→C3大電流充電(1秒)→C4小電流量測(1秒)，惟不以此為限。之後，可再重複進行偵測步驟T0，以 監控該串聯電池組中各蓄電單元C是否需要額外補充電力，或其電壓值是否超過其耐壓值。其中，當各蓄電單元C需由該主動平衡模組補充電力時，才需產生該補充電池名單，以進行該補充步驟T1，否則，無需產生該補充電池名單，亦無須進行該補充步驟T1。

藉由前揭之技術手段，本發明串聯電池組的主動平衡模組上述實施例的主要特點列舉如下：該串聯電池組的主動平衡模組包含該轉換單元、返馳開關、初級側調控器、分時切換器及處理器，該轉換單元設有一初級側線圈、數個次級側線圈及一輔助線圈，該輔助線圈與各次級側線圈之極性相同；該返馳開關電性連接該轉換單元之初級側線圈；該初級側調控器具有一取樣端及一調節端，該取樣端電性連接該轉換單元之輔助線圈，該調節端電性連接該返馳開關；該分時切換器電性連接於該轉換單元之數個次級側線圈與一串聯電池組之數個蓄電單元之間；該處理器電性連接該分時切換器及該初級側調控器。

藉此，本發明串聯電池組的主動平衡模組上述實施例之轉換單元的輔助線圈可耦合次級側線圈的電壓，利用輪流導通所有次級側線圈之過程，即可輸出該補充電流至電荷狀態不平衡的蓄電單元。相較於習知模組化平衡方式僅能調節電池組中的某一區域(全域平衡須用多個控制模組)，本案僅需一組控制電路，即可達成全域式電池平衡，可節省設置成本，有利於量產。

又，本發明之主動平衡模組的控制方法實施例利用輪流導通所有次級側線圈，即可偵測所有次級側線圈連接的蓄電單元狀態，可進一步補充電力至蓄電單元，及估測各蓄電單元的老化情況，偵測過程中的電流為小電流(定電流)狀態，充電過程中的電流為大電流(但其電壓值不超過其耐壓值)可避免該蓄電單元的電壓過高，亦可降低功率消耗。

又，本發明串聯電池組的主動平衡模組上述實施例之初級側 調控器、返馳開關及轉換單元可共同構成具有初級側調節功能之返馳式架構，可改善習知返馳式轉換器(次級側調節)之「初級側無法接收多組回授訊號」及「用於多線圈控制時，易造成磁飽和而致線圈毀損」等問題。

綜上所述，本發明串聯電池組的主動平衡模組上述實施例，除可改善習知返馳式轉換器(次級側調節)之「初級側無法接收多組回授訊號」及「用於多線圈控制時，易造成磁飽和而致線圈毀損」等問題，更可達成「節省設置成本」、「易量產」、「避免電池電壓過高」、「降低功率消耗」等功效。

雖然本發明已利用上述實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧轉換單元

11‧‧‧初級側線圈

12,12a,12b‧‧‧次級側線圈

12c,12d‧‧‧次級側線圈

13‧‧‧輔助線圈

2‧‧‧返馳開關

21‧‧‧輸入端

22‧‧‧輸出端

23‧‧‧受控端

3‧‧‧初級側調控器

31‧‧‧取樣端

32‧‧‧調節端

4,4a,4b‧‧‧分時切換器

4c,4d‧‧‧分時切換器

41‧‧‧分時開關

411‧‧‧輸入端

412‧‧‧輸出端

413‧‧‧受控端

42‧‧‧逆止元件

5‧‧‧處理器

51,51a,51b‧‧‧擷取端

52,52a,52b‧‧‧切控端

52c,52d‧‧‧切控端

53‧‧‧通訊埠

C,C1,C2‧‧‧蓄電單元

C3,C4‧‧‧蓄電單元

P‧‧‧電源

P1‧‧‧正極端

P2‧‧‧負極端

R‧‧‧限流元件

S1、S2‧‧‧接點

S3、S4‧‧‧接點

V‧‧‧供電端

W‧‧‧電子開關

Claims (25)

1. 一種串聯電池組的主動平衡模組，係包含：一轉換單元，設有一初級側線圈、數個次級側線圈及一輔助線圈，該輔助線圈之極性與各該次級側線圈之極性相同；一返馳開關，電性連接該轉換單元之初級側線圈；一初級側調控器，電性連接該轉換單元及該返馳開關，該初級側調控器、該返馳開關及該轉換單元共同構成具有初級側調節功能之返馳式架構，該初級側調控器具有一取樣端，該取樣端電性連接該轉換單元之輔助線圈；數個分時切換器，電性連接於該轉換單元之數個次級側線圈與一串聯電池組之數個蓄電單元之間；及一處理器，電性連接各該分時切換器及該初級側調控器，該處理器用以分時切換各該分時切換器的導通狀態，使各該次級側線圈分時輸出一定電流至各該蓄電單元，並由該初級側調控器分時取得一參考訊號，用以估算各該蓄電單元的充電量。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之串聯電池組的主動平衡模組，其中該初級側調控器具有一調節端，該調節端電性連接該返馳開關。
3. 根據申請專利範圍第2項所述之串聯電池組的主動平衡模組，其中該處理器由該初級側調控器之調節端分時取得一脈寬調變訊號，並依據該脈寬調變訊號之工作週期等比換算各該蓄電單元的電壓值。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之串聯電池組的主動平衡模組，另 包含一限流元件，該限流元件電性連接於該返馳開關與一接地端之間。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之串聯電池組的主動平衡模組，另包含一變阻切換器，該變阻切換器電性連接於該返馳開關及該處理器。
6. 根據申請專利範圍第5項所述之串聯電池組的主動平衡模組，其中該變阻切換器設有一變阻開關、一小阻元件及一大阻元件，該變阻開關電性連接該返馳開關及該處理器，該小阻元件及該大阻元件電性連接該變阻開關。
7. 根據申請專利範圍第1項所述之串聯電池組的主動平衡模組，另包含數個隔離器，各該隔離器電性連接於該處理器與各該分時切換器之間。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之串聯電池組的主動平衡模組，其中該隔離器為一光耦合器。
9. 根據申請專利範圍第1項所述之串聯電池組的主動平衡模組，另包含一電壓偵測器，該電壓偵測器設有數個偵測端、數個管控端及一通信埠，各該偵測端電性連接各該蓄電單元，各該管控端電性連接各該分時切換器，該通信埠電性連接該處理器。
10. 根據申請專利範圍第9項所述之串聯電池組的主動平衡模組，其中該電壓偵測器設有一指示燈，用以指示該電壓偵測器的工作狀態。
11. 根據申請專利範圍第1項所述之串聯電池組的主動平衡模組，其 中各該分時切換器設有一分時開關，該分時開關具有一輸入端、一輸出端及一受控端，該輸入端電性連接至該次級側線圈，該輸出端電性連接該蓄電單元，該受控端電性連接該處理器。
12. 根據申請專利範圍第11項所述之串聯電池組的主動平衡模組，其中各該分時開關的輸入端與各該次級側線圈之間電性連接一逆止元件，該逆止元件與各該次級側線圈之間電性連接一RC並聯迴路。
13. 根據申請專利範圍第12項所述之串聯電池組的主動平衡模組，其中該逆止元件為一蕭基二極體。
14. 根據申請專利範圍第11項所述之串聯電池組的主動平衡模組，其中該分時開關為一PMOS電晶體。
15. 根據申請專利範圍第1項所述之串聯電池組的主動平衡模組，其中該返馳開關為一NMOS電晶體。
16. 根據申請專利範圍第1項所述之串聯電池組的主動平衡模組，其中該初級側調控器之取樣端與該轉換單元之輔助線圈之間電性連接一分壓器。
17. 根據申請專利範圍第1項所述之串聯電池組的主動平衡模組，其中該初級側調控器與該處理器之間電性連接一電子開關。
18. 根據申請專利範圍第2項所述之串聯電池組的主動平衡模組，其中該處理器設有二擷取端及數個切控端，該二擷取端電性連接該初級側調控器之取樣端及調節端，各該切控端電性連接各該分時切換器。
19. 根據申請專利範圍第1項所述之串聯電池組的主動平衡模組，該處理器設有一通訊埠。
20. 根據申請專利範圍第19項所述之串聯電池組的主動平衡模組，該通訊埠電性連接一電壓偵測器。
21. 根據申請專利範圍第5項所述之串聯電池組的主動平衡模組，該處理器設有一換阻端，該換阻端電性連接該變阻切換器。
22. 一種主動平衡模組的控制方法，係應用於如申請專利範圍第1項所述之串聯電池組的主動平衡模組，該控制方法包含一偵測步驟，係由該主動平衡模組之處理器分時導通各該蓄電單元與該轉換單元的各該次級側線圈之間的充電路徑，排序各該次級側線圈分時耦合至該初級側調控器之電性特徵，依據排序結果選擇至少一蓄電單元列入一補充電池名單，該處理器計算該輔助線圈對應各該蓄電單元之電壓值與該等電壓值中的最大值之差異值，將該差異值大於一門檻值的蓄電單元列入該補充電池名單；及一補充步驟，係由該處理器接收該補充電池名單，該補充電池名單具有需要補充電力之蓄電單元，導通該補充電池名單所列蓄電單元與該轉換單元的次級側線圈之間的充電路徑，使該次級側線圈分時以一定電流補充電力至該補充電池名單所列蓄電單元。
23. 根據申請專利範圍第22項所述之主動平衡模組的控制方法，其中該處理器設有一通訊埠，並由該通訊埠接收該補充電池名單。
24. 根據申請專利範圍第22項所述之主動平衡模組的控制方法，其中該門檻值為該最大值與一百分比的乘積。
25. 根據申請專利範圍第22項所述之主動平衡模組的控制方法，其中該補充步驟之次級側線圈輸出的電流為一補充電流，該偵測步驟之次級側線圈輸出的電流為一偵測電流，該偵測電流小於或等於該補充電流。