TWI587600B - Automatic detection of different energy storage battery voltage of the smart battery management system - Google Patents

Description

自動偵測不同儲能電池電壓的智慧型電池管理系統

本發明係關於一種電池管理系統的技術領域，特別是指能夠針對儲能電池自動偵測適用的充電電壓的智慧型電池管理系統。

儲能電池已成為現今相當重要的能量提供來源，例如行動裝置、太陽能發電系統、電動車等都需要利用儲能電池。一般儲能電池可以電性連接一個電池管理系統，如此在充電過程發生過電壓，或放電過程發生放電欠電壓或過電流，或負載發生短路時，該電池管理系統的預設電路可自動執行保護機制以防止儲能電池產生損壞。

已知的電池管理系統的組成架構可以參閱台灣第I451112號發明專利案、台灣申請號第100144522號發明專利、台灣第I404644號發明專利、中國第201310289056.9號發明專利、中國第201310196027.8號發明專利。

台灣第I347060號專利案揭露電池管理系統具有一充電器控制器及一計數器，並藉由該充電器控制器及該計數器提供一種充電電流動態分配的電源拓樸架構。台灣第I382631號專利揭露電池管理系統具有監測電路和充電器。監測電路可監測多個電池單元的電池組，充電器用於控制電池組的充電電流，並調整及檢測充電電流從上一週期至當下週期中的失衡狀況。

台灣第I415360號專利案揭露一充電系統包含一充電器及一 充電控制器。該充電控制器用以接收來自一感測電路之回授路徑的信號，且使用該信號來調整該充電器施加於電池組的充電電壓。其中該回授路徑可以是一個差動放大器，該差動放大器由運算放大器、感測電阻器及感測元件所組成。當該充電系統對應不同電池(例如三個電池芯及四個電池芯的電池組)，充電控制器可將回授路路徑所接收到的信號與預設的參考電壓(有多個不同電池的電壓值)比較，然後再依該參考電壓提供充電電壓。

又台灣第M354866號專利案揭露一種多個一體式電池之充 電器充電控制結構。該充電控制結構係具有多組由電壓偵測電路及電流偵測電路構成的充放電控制單元。每一電壓偵測電路及電流偵測電路皆具有由一放大器及一二極體及複數電阻組成的電路，且每一充放電控制單元用以配接一個電池。如此可以各針對單一電池進行電流及電壓的偵測，並各別進行充電。

本發明的目的在於提供一種自動偵測不同儲能電池電壓的 智慧型電池管理系統，其具有能夠利用自動偵測待充電之電池電壓類別，並能因應各電壓類別的電池提供充電電壓的功效。

為達上述目的與功效，本發明所揭露的電池管理系統用以連 接一電池及一充電電源。進一步，該電池管理系統係包含一電壓類別判別模組及一充電電壓選擇模組分別電性連接該電池，一控制器用以電性連接該電壓類別判別模組及該充電電壓選擇模組，以及一參考電壓供應模組電性連接該充電電壓選擇模組及該控制器。如此該控制器搭配該電壓類別判別模組可用以偵測不同類別的電池經調降後的電壓值，進而判別出該電池 的原始電壓類型。又該參考電壓供應模組搭配該控制器可提供對應該電池原始電壓類別的參考電壓值給該充電電壓選擇模組，並使得該電池可接受充電。

上述的該電壓類別判別模組為一誤差放大器，該誤差放大器具有一第一電阻及一第二電阻，且該第二電阻與第一電阻的比值小於1。

該充電電壓選擇模組為一誤差放大器，該誤差放大器具有一第三電阻及一第四電阻，且該第四電阻與第三電阻的比值等於1。

10‧‧‧電池

12‧‧‧充電電源

14‧‧‧負載

20‧‧‧電池管理系統

22‧‧‧電壓類別判別模組

24‧‧‧充電電壓選擇模組

26‧‧‧控制器

28‧‧‧參考電壓供應模組

30‧‧‧控制開關

32‧‧‧第一電阻

34‧‧‧第二電阻

36‧‧‧第三電阻

38‧‧‧第四電阻

40‧‧‧直流電供應模組

42‧‧‧電子開關

第1圖係本發明與電池、充電電源及負載的電性連接方塊示意圖。

第2圖係本發明的組成模組間的架構方塊示意圖。

第3圖係本發明的組成電路示意圖。

請參閱第1圖，一電池10及一充電電源12間可配置一電池管理系統20。該電池10需要充電時，該充電電源12可經過該電池管理系統20形成適當的電壓而對該電池10進行充電。該電池管理系統20可電性連接一負載14，且該電池10可經過該電池管理系統20對該負載14放電以提供電力。該電池管理系統20的基本架構，例如充放電電路、過充過放保護電路、平衡保護電路等，可參閱先前技術中所提及的電池管理系統專利前案。

請參閱第2圖，本發明之電池管理系統20更具有一電壓類別判別模組22、一充電電壓選擇模組24、一控制器26及一參考電壓供應模組28。其中該電壓類別判別模組22與該充電電壓選擇模組24係電性連接一控 制器26及一控制開關30，其中該控制開關30可電性連接該電池10。

該控制器26係電性連接該電壓類別判別模組22及該充電電 壓選擇模組24。又該控制器26電性連接該參考電壓供應模組28及該控制開關30。此外該參考電壓供應模組28係電性連接該充電電壓選擇模組24。

進一步，請參閱第3圖，該電池管理系統20的該電壓類別判 別模組22係為一誤差放大器。該誤差放大器具有一第一電阻(R1)32及一第二電阻(R2)34。該電壓類別判別模組22靠該電池10的一端(輸入端)的電壓為Vi1，該電壓類別判別模組22靠該控制器26的一端(輸出端)的電壓為Vo1。換言之，控制器26可偵測到電壓Vo1，且Vo1=×(Vi1-Vref1)。

又該充電電壓選擇模組24為一誤差放大器。該誤差放大器具 有一第三電阻(R3)36及一第四電阻(R4)38。該充電電壓選擇模組24靠該電池10的一端(輸入端)的電壓為Vi2，該充電電壓選擇模組24靠該控制器26的一端(輸出端)的電壓為Vo2。換言之，控制器26可偵測到電壓Vo2，並且存在著

該控制器26為一Anduino微處理機，其具有多組數位輸出/ 入腳位，以及多組類比腳位。該控制器26可用以控制周邊、監測感應器數值，開關或其他控制器件藉以達到互動作用。此外還可以透過USB和執行Windows/Mac OSX/Linux的個人電腦連接。換言之，該控制器26為可程式的微處理機。此外該控制器26的工作電壓限制為5伏特以下。

該參考電壓供應模組28係一直流電供應模組40及一電子開 關42的組合。該直流電供應模組40電性連接該電子開關42。該電子開關42電性連接該參考電壓供應模組28，特別是電性連接在該參考電壓供應模組 28的參考電壓(Vref2)的位置。

上述的該控制開關30及該電子開關42可選用由場效電晶體 (MOS)構成的電子式開關。

本發明所揭露的電池管理系統20係能夠適用於不同電壓類 別的電池。舉例而言，不論是4伏特或、12伏特或其他電壓類別的電池皆可配合本發明所揭露的電池管理系統20進行充放電。

請再參閱第3圖，一般誤差放大器的參考電壓設定為零伏特，因此該電壓類別判別模組22的參考電壓(Vref1)依一般使用方式設定為零伏特。依上述Vo1=×(Vi1-Vref1)之關係式，若R1=R2則Vo1=Vi1。換言之，當電池10為4伏特，則Vo1=4V；當電池10為12伏特，則Vo1=12V。然而該控制器26的工作電壓限制為小於5伏特，因此為了要使該控制器26能夠在對應12V的電池10仍能正常運作，本發明進一步調整第二電阻(R2)34與第一電阻(R1)32的比值，並且使該比值小於1(<1)。

例如本發明可調整電阻比值，使=0.415，如此當對應4伏特的電池10時，Vo1=1.66V；當對應12伏特的電池10時，Vo1=4.98V；該控制器26可以正常運作。進一步，該控制器26可利用所偵測到的電壓值(Vo1)搭配該電阻比值()反推運算，進而獲知該電池10的原始電壓。值得注意的是，上述的電阻比值()數值只是用以說明適用於4伏特電池與12伏特電池之電阻比值之一，並非以此為限。此外可理解的是，當適用的電池10的電壓類別差距愈大，例如4伏特與32伏特，則所選用的該電阻比值()愈小。

在進行偵測該電池10的電壓類別時，該控制開關30、該電壓類別判別模組22與該控制器26形成通路。該控制開關30、該充電電壓選擇 模組24及該控制器26形成斷路。上述的通路狀態及斷路狀態係由該控制開關30的狀態來決定。

在完成該電池10的電壓類別偵測及獲知該電池10的原始電 壓後，該控制器26可控制該參考電壓供應模組28的該直流電供應模組40所提供的直流電，經過該電子開關42而輸出一個相對該電池10的原始電壓值的電壓作為該充電電壓選擇模組24的參考電壓(Vref2)。進一步，本發明選擇該第四電阻(R4)與第三電阻(R3)的比值等於1(=1)，如此由Vo2=×(Vi2-Vref2)，可知Vo2=(Vi2-Vref)。是以該控制開關30、該充電電壓選擇模組24及該控制器26形成通路，且該控制開關30與該電壓類別判別模組22形成斷路，則可以對該電池10進行充電。

本發明使用一個電壓類別判別模組(誤差放大器)22搭配一 個控制器(可程式的微處理機)26，其中該電壓類別判別模組(誤差放大器)22的二個電阻比值被設定成小於1。如此在偵測不同電池10的電壓時，所測得的電壓值為該電池10的原始電壓值的調降值，且所測得的電壓值能夠適用於該微處理機的工作電壓。再以該控制器26依該電阻比值的調降比例反推運算，即可以獲知該電池10的原始電壓。是以本發明具有自動判別多個不同電壓類別(相異電壓值)之電池10的功效。

本發明使用一個充電電壓選擇模組(誤差放大器)24搭配一 個可提供多個參考電壓的該參考電壓供電模組28及該控制器(可程式的微處理機)26，其中充電電壓選擇模組(誤差放大器)24的二個電阻比值被設定成等於1。進一步，依該控制器26反推運算所獲知的該電池10的原始電壓，該參考電壓供電模組28可以提供相對應的參考電壓給該充電電壓選擇模組(誤 差放大器)24以進行充電。因此本發明具有可以對不同電壓類別(相異電壓值)之電池10進行充電的效果。

以上乃本發明之較佳實施例以及設計圖式，惟較佳實施例以及設計圖式僅是舉例說明，並非用於限制本發明技藝之權利範圍，凡以均等之技藝手段、或為下述「申請專利範圍」內容所涵蓋之權利範圍而實施者，均不脫離本發明之範疇而為申請人之權利範圍。

10‧‧‧電池

20‧‧‧電池管理系統

22‧‧‧電壓類別判別模組

24‧‧‧充電電壓選擇模組

26‧‧‧控制器

28‧‧‧參考電壓供應模組

30‧‧‧控制開關

32‧‧‧第一電阻

34‧‧‧第二電阻

36‧‧‧第三電阻

38‧‧‧第四電阻

40‧‧‧直流電供應模組

42‧‧‧電子開關

Claims (3)

1. 一種自動偵測不同儲能電池電壓的智慧型電池管理系統，係用以連接一電池及一充電電源，其包含：一電壓類別判別模組，係用以電性連接該電池，該電壓類別判別模組為一誤差放大器，該誤差放大器具有一第一電阻及一第二電阻，且該第二電阻與第一電阻的比值小於1；一充電電壓選擇模組，係用以電性連接該電池，該充電電壓選擇模組為一誤差放大器，該誤差放大器具有一第三電阻及一第四電阻，且該第四電阻與第三電阻的比值等於1；一控制器，係為一可程式的微處理機，該控制器電性連接該電壓類別判別模組及該充電電壓選擇模組；一參考電壓供應模組，係電性連接該充電電壓選擇模組及該控制器；一控制開關，該控制開關係電性連接該電壓類別判別模組、該充電電壓選擇模組及該控制器，當該控制開關、該充電電壓選擇模組及該控制器形成通路時，該控制開關與該電壓類別判別模組則形成斷路；其中該控制器搭配該電壓類別判別模組可偵測不同類別的電池經過該第二電阻及該第一電阻的比值作用而調降後的電壓值，且該調降後的電壓值不超過該控制器的工作電壓，進而該控制器可由調降後的電壓值反推運算判別出該電池的原始電壓類別；進一步該參考電壓供應模組搭配該控制器提供相對該電池原始電壓類別的電壓值給該充電電壓選擇模組，並使得該電池接受充電。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自動偵測不同儲能電池電壓的智慧型電池 管理系統，其中該控制器為一Anduino微處理機。
3. 申請專利範圍第1項所述之自動偵測不同儲能電池電壓的智慧型電池管理系統，其中該參考電壓供應模組係一直流電供應模組及一電子開關的組合，該直流電供應模組電性連接該電子開關，該電子開關電性連接該參考電壓供應模組。