TWI635687B - Multi-cell battery power management system and power control device thereof - Google Patents

Abstract

本發明的多節電池的電源控制裝置，用在具有N個電池的充/放電系統，N為正整數，電源控制裝置包括多個切換電路及控制器。多個切換電路以使N個電池中之至多N-1個電池形成充電/放電迴路，且使其餘至少一個電池離線於充電/放電迴路而作為離線電池。控制器偵測各電池之電性，並將該等至多N-1個電池各別與至少一離線電池相比較，而將符合一切換條件的至少一電池，自充電/放電迴路中離線而成為新離線電池，並將至少一已離線電池加入該充電/放電迴路，而使N個電池於系統運作時維持至多N-1個電池於充/放電迴路。

Description

多節電池的電力管理系統及其電源控制裝置

本發明係與多節電池裝置有關，特別是指一種多節電池的電力管理系統及其電源控制裝置。

電池被廣泛應用於各式電子產品，且通常採用多節的電池結構，也就是串聯或並聯連接多個電池，以供應電子產品運作所需要的電力。

傳統多節電池無論充電或放電都是同時對全部電池進行，但因為這些電池相互是連接在一起，因此，若其中一電池有異常時，異常例如過電壓、低電壓或損壞，將使得多節電池無法正常使用，或判定多節電池的功能失效。

再者，為了平衡多節電池的輸出電壓，通常需要額外的平衡電路，以使輸出電壓穩定。此外，一般多節電池的蓄電容量估算並不是在離線時進行，因此，容易受到電池內阻的影響，導致電池估算精確度較低。

有鑑於上述缺失，本發明的目的在於提供一種多節電池的電力管理系統及其電源控制裝置，其可提升電池使用時間及壽命，並減少傳統平衡電路占用的空間及成本，更可平衡電池的充電及放電效率。

為達成上述目的，本發明的多節電池的電源控制裝置，供使用在具有N個電池的充/放電系統，N為正整數，電源控制裝置包括多個切換電路及控制器。多個切換電路用以使N個電池中之至多N-1個電池形成一充電/放電迴路，且使其餘至少一個電池離線於充電/放電迴路而作為離線電池。控制器用以偵測各電池之電性，並將該等至多N-1個電池各別與至少一離線電池相比較，而將符合一切換條件的至少一電池，自充電/放電迴路中離線而成為新離線電池，並將至少一已離線電池加入該充電/放電迴路， 而使N個電池於系統運作時維持至多N-1個電池於充/放電迴路。

為達成上述目的，本發明的多節電池的電力管理系統，包括N個電池及申請專利範圍第1項所述的多節電池的電源控制裝置，其中，N為正整數。

如此，本發明的多節電池的電力管理系統及其電源控制裝置可以有效藉由多一個電池來作供電分配，還可透過電源控制裝置的控制讓每個電池都能穩定的充電或放電，來達到每個的電池的蓄電容量的平衡。

有關本發明所提供之多節電池的電力管理系統及其電源控制裝置的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

10‧‧‧多節電池的電力管理系統

11、13‧‧‧端

31-36‧‧‧電池

50‧‧‧電源控制裝置

51-56‧‧‧切換電路

511-516‧‧‧串聯開關

513-563‧‧‧旁路開關

57‧‧‧控制器

第1圖是本發明的多節電池的電力管理系統的組成方塊圖。

以下，茲配合各圖式列舉對應之較佳實施例來對本發明的多節電池的電力管理系統及其電源控制裝置的組成構件及達成功效來作說明。然各圖式中多節電池的電力管理系統的構件、尺寸及外觀僅用來說明本發明的技術特徵，而非對本發明構成限制。

該圖是本發明的多節電池的電力管理系統的組成方塊圖。本發明的多節電池的電力管理系統應用於一電力系統，電力系統可以是可攜式電腦、手機、電動車、電動機車、可攜式小家電等各種需要透過電池供電來運作的設備。

如第1圖所示，多節電池的電力管理系統10藉由兩端11、13連接上述的電力系統，且包括六個電池31-36及一電源控制裝置50。電源控制裝置50係從六個電池31-36中選擇5個電池31-35形成一充電/放電迴路，且將分別偵測六個電池31-36的各別蓄電容量，其中，未被分配在充電/放電迴路中的電池36定義為離線電池。

應注意的是，傳統電力系統的電池配置的總數量的總和電壓等於電力系統所需的電壓，也就是不會有額外的離線(閒置)電池，但本發明除了依據電力系統所需電量來配置對應電池外，還額外增加一個電池，因此，本實施例中N是6,N-1(等於5)個電池形成的充電/放電迴路是電力系統所需要的電量，離線電池則可休息等待被分配。

雖然，本實施例中離線電池的數量是一個，但實務中，離線電池的數量也可以是兩個或兩個以上。當離線電池設計為兩個或兩個以上時，本領域之人仍可透過本發明的說明理解電池總數量會增加，而充電/放電迴路的電池數量應為N-2或N-X，X表示有兩個以上的離線電池。

在五個電池31-35的各別蓄電容量分別與離線電池的蓄電容量相比較的結果符合一切換條件時，電源控制裝置50選擇五個電池31-35中的其中一者自充電/放電迴路中斷開，並將離線電池36加入該充電/放電迴路，被斷開的該電池成為新離線電池。

因為電源控制裝置包含充電應用及放電應用，因此，切換條件也會隨著充電應用及放電應用有所差異，差異請容後詳述。

離線電池可有效使用勒沙特列原理(Le Chatelier's principle)，讓電池的電壓在休息時獲得微量提升。又，將電池從充電/放電迴路中斷開(即離線電池)來作量測，可避免的電池的內阻造成電壓量測誤差，進而提高離線電池的蓄電容量估算精確性。

再者，無論充電或放電過程中，六個電池中的任一者若發生狀況，例如過電壓或低電壓時，可藉由電源控制裝置50偵測到異常電池的狀態，並讓成為離線電池，可以提高多節電池的安全性。

請續參照第1圖，電源控制裝置50包括六個切換電路51-56及一控制器57。切換電路51-56的數等於電池的數量，也就是請求項中定義的N跟M都是代表數值6。六個切換電路51-56一對一連接六個電池31-36。控制器57連接六個切換電路51-56，且控制六個切換電路51-56形成充電/放電迴路。換言之，控制器57有多個連接埠，來連接六個切換電路51-56，控制器57有多個連接埠這是本領域可理解，於此不做贅述。

每個切換電路51-56包括一串聯開關511-561及一旁路開關 513-563。串聯開關511-561串聯連接電池31-36，旁路開關513-563連接串聯開關511-561及電池31-36，且與串聯開關511-561及電池31-36形成並聯連接。

其中，N及M都分別代表特定數值，因此，本領域人員能輕易理解數值不是可改變的。切換電路的串聯開關及旁路開關可以是電晶體、二極體或上述主動元件組成的電路。

充電/放電迴路的形成是透過控制器控制該些切換電路。舉例來說，當將充電/放電迴路中的電池切換成新離線電池，且將原離線電池加入充電/放電迴路中時，控制器可將連接新離線電池的切換電路的串聯開關斷開，且旁路開關導通，這樣新離線電池就不會被充電或放電，並將連接原離線電池的切換電路的串聯開關導通，且旁路開關斷開，以讓原離線電池加入充電/放電迴路中進行充電或放電。

上述的說明可知本發明的多節電池的電力管理系統的組成，隨後詳細說明放電應用及充電應用，及控制器的控制運作。其中，上述充電/放電迴路，隨後在放電應用時以放電迴路來做說明，在充電應用時則以充電迴路來說明，換言之，充電/放電迴路是指可以作為充電應用或放電應用，而非同時做充電應用及放電應用。

放電應用中，如下表1，表中電池編號1-6是代表共六個電池，也就是說，電源控制裝置也有六個切換電路。蓄電誤差是隨著電池的電力狀態而動態監視電池1-6的最大蓄電容量與最小蓄電容量的差異。離線電池的表示是將電池的蓄電容量藉由粗黑體字及底線作標示。

初始時，電池1-6的蓄電容量都有明顯差異，這也是電池的實際狀況。控制器先偵測1-6的電池容量，也就是電池電壓，本實施例中，控制器是控制全部切換電路的旁路開關斷開，且串聯開關導通，以量測全部電池的電池電壓，然後，選擇電池1-6的其中5個電池來做供電電源，本實施例在初始時選擇電池1-5作為放電迴路，電池6作為離線電池，這也表示，連接電池1-5的切換電路的串聯開關是導通，旁路開關是斷開，但電池6是休息的，且連接電池6的切換電路的串聯開關是斷開，旁路開關是導通。

接著，控制器偵測放電迴路中電池1-5的各別蓄電容量的及 離線電池6的蓄電容量，並分別比較電池1-5的蓄電容量與離線電池6的蓄電容量。隨後在比較電池1-5的蓄電容量與離線電池6的蓄電容量相比較的結果符合切換條件時，可發現電池5的蓄電容量(最小蓄電容量)小於離線電池6的蓄電容量，且最小蓄電容量與離線電池6的蓄電容量的差值達到0.1Ah(預定值)，因此，控制器判斷結果符合切換條件。所以，控制器控制連接電池5的切換開關動作，而使電池5成為新離線電池，以讓電池5暫時休息，同時，電池6(原離線電池)加入放電迴路中。

本實施例中，前期的預定值設定為0.1Ah，後段的預定值則設定為0.2Ah，因此，本領域容易理解，預定值可以都相同或逐步調整，故沒有被限制。

如此，控制器連續執行上述的流程，以判斷正在放電的每個電池的蓄電容量是否低於離線電池，及檢查離線電池的蓄電容量及最小蓄電容量的差值是否符合預定值，若符合，就將最小蓄電容量的電池切換成新離線電池，同時，透過控制器控制連接原離線電池的切換電路，以使原離線電池加入放電迴路中，以達成穩定供電及大致平衡各電池放電電壓的目的。若不符合，控制器則不做切換。

因此，從表1中可看出電池1-6都有成為離線電池(蓄電容量是粗黑體且有底線)的機會，而讓每個電池充份放電。

此外，從表1中觀察蓄電誤差變化可得，在初始值時，電池1-6的蓄電容量差異很大，但經過連續的放電運作後，蓄電誤差值逐漸縮小，這也表示放電更趨平衡。當控制器偵測到放電迴路中有兩個或兩個以上的電池符合切換條件時，控制器是擇一電池轉換為新離線電池。

充電應用的運作及判斷邏輯與放電大致相同，不同的是充電應用是讓電池的蓄電容量逐漸提高，因此，被選擇成為新離線電池的條件是N-1個充電迴路中最大蓄電容量超過離線電池的蓄電容量者，且最大蓄電容量與離線電池的蓄電容量的差值符合預定值。所以，當作為充電應用時，N個電池的充電電壓也可以被穩定的增加而最終達到大致平衡的狀態。

如此，本發明的多節電池的電力管理系統可透過電源控制裝置切換而讓每個電池能在穩定的條件下進行工作，來延長電池的使用時間，及達到平衡電池的充電及放電能力。特別能讓離線電池回復正常後才繼續作為充電及放電應用，以提高電池的安全性。

此外，雖然上述實施例中，無論充電應用或放電應用的切換條件都以兩個狀況來做基準，但實際上，充電應用時的切換條件也可以在最大蓄電容量大於離線電池的蓄電容量就切換，放電應用的切換條件也可以在最小蓄電容量小於離線電池的蓄電容量就切換，因此，不以兩個狀況都符合為限。

最後，強調，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦 應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

Claims (9)

1. 一種多節電池的電源控制裝置，供使用在一具有N個電池的充/放電系統，N為正整數，其包括：多個切換電路，用以使該N個電池中之至多N-1個電池形成一充電/放電迴路，且使其餘至少一個電池離線於該充電/放電迴路而作為離線電池；及一控制器，用以偵測各電池之電性，並將該等至多N-1個電池各別與該至少一離線電池相比較，而將符合一切換條件的至少一電池，自該充電/放電迴路中離線而成為新離線電池，並將該至少一已離線電池加入該充電/放電迴路，而使該N個電池於系統運作時維持該至多N-1個電池於充/放電迴路。
2. 如申請專利範圍第1項所述的多節電池的電源控制裝置，其中，該多個切換電路包括M個切換電路，M為正整數，且等於N，該M個切換電路一對一連接該N個電池，該控制器連接該M個切換電路，且控制該M個切換電路形成該充電/放電迴路。
3. 如申請專利範圍第2項所述的多節電池的電源控制裝置，其中，每個切換電路包括一串聯開關及一旁路開關，該串聯開關係串聯連接該電池，該旁路開關係連接該串聯開關及該電池，且與該串聯開關及該電池形成並連連接。
4. 如申請專利範圍第1項所述的多節電池的電源控制裝置，其中，在放電時，該切換條件是該至多N-1個電池中一最小蓄電容量的該電池小於該離線電池的蓄電容量。
5. 如申請專利範圍第4項所述的多節電池的電源控制裝置，其中，該切換條件還包括該最小蓄電容量與該離線電池的蓄電容量的差值符合一預定值。
6. 如申請專利範圍第1項所述的多節電池的電源控制裝置，其中，在充電時，該切換條件是該至多N-1個電池中一最大蓄電容量的該電池大於該離線電池的蓄電容量。
7. 如申請專利範圍第6項所述的多節電池的電源控制裝置，其中，該切換條件還包括該最大蓄電容量與該離線電池的蓄電容量的差值符合一預定值。
8. 如申請專利範圍第1項所述的多節電池的電源控制裝置，其中，該切換條件是指電池電壓少於該至少一離線電池的電壓，且為最低者。
9. 一種多節電池的電力管理系統，包括：N個電池，N為正整數；以及，申請專利範圍第1項所述的多節電池的電源控制裝置。