TWI721534B - 電池系統及其中之電池模組及電池控制電路 - Google Patents

電池系統及其中之電池模組及電池控制電路 Download PDF

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Abstract

一種電池模組，適用於電池系統，電池模組於致能狀態中，操作於底端模式、頂端模式或中間模式；電池模組包含電池單元以及電池控制電路。電池單元包括至少一電池，電池單元自電池單元的正端及負端之間輸出電池單元電壓。電池控制電路受電於電池單元電壓，用以控制電池單元，電池控制電路包括致能端、上行輸入端、上行輸出端、下行輸入端以及下行輸出端，其中當致能端具有操作致能位準時，或者當上行輸入端具有上行致能位準時，電池模組進入致能狀態。

Description

電池系統及其中之電池模組及電池控制電路
本發明係有關一種電池系統，特別是指一種具有菊鍊拓樸的電池系統。本發明也有關於用於電池系統中之電池模組以及電池控制電路。
與本案相關的前案有：美國專利申請US8010724, I2C/SMBUS Ladders and Laddered Enabled ICs，美國專利申請US 2011/0289239 A1, Device Address Assignment in a Bus Cascade System，以及美國專利申請US 2019/0006723 A1, Multi-Channel and Bi-directional Battery management System。
在高功率的電池系統中（例如但不限於電動車等高功率的應用中），電池系統配置了數量龐大的電池模組，在電池系統中，通常將電池模組互相串聯以提高電池系統的系統輸出電壓，藉此降低電源線的電流以及線徑，而一般來說，電池模組中也配置了一定數量彼此串聯的電池。
第1圖顯示一種常見的先前技術之具有菊鍊拓樸的電池系統（電池系統1），電池系統1包括以菊鍊拓樸串接的電池模組（電池模組10[1]~10[n]），每個電池模組各自包括對應的電池單元（12[1]~12[n]）以及電池控制電路（11[1]~11[n]）。電池控制電路用以控制對應的電池單元，例如充電時的過高電壓保護、放電時的過低電壓保護，而在具有複數電池的電池單元的配置下，電池控制電路則用以控制各電池間的電壓平衡。此外，電池控制電路還提供了以菊鍊拓樸耦接的電池模組之間的通訊功能。在菊鍊拓樸的配置下，電池模組可操作於不同的識別模式，例如頂端模式（例如第1圖中的電池模組10[n]）、中間模式（例如第1圖中的電池模組10[2]~10[n-1]），或是底端模式（例如第1圖中的電池模組10[1]）。
第2圖顯示一種常見的先前技術之具有菊鍊拓樸的電池模組的示意圖，其中電池模組的致能或禁能藉由電池控制電路11的致能端EN加以設定，具體而言，低靜態電流電源供應器111轉換電池單元12[i]（其中i=1~n）提供的電壓VBM[i]而產生第一電源，內部電源供應器112則僅於致能狀態下（EN＝致能位準時）轉換電池單元12[i]提供的電壓VBM[i]而產生第二電源，其中第一電源提供電池模組10於禁能狀態（又可稱為運送狀態）時內部電路所需的的電源，第二電源提供電池模組10於致能狀態時其他內部電路所需的電源，低靜態電流電源供應器111本身的靜態電流非常低，因此可於電池模組10在禁能狀態下長時間維持電量不致有太大的減損。
第1圖與第2圖中所示之先前技術，其缺點之一在於，各個模組所對應的識別模式，需一一對電池控制電路進行設定，設定過程耗時且成本高。此外，另一缺點則是，各個電池模組的致能或禁能皆藉由各自的電池控制電路的致能端EN分別設定，然而由於各個電池模組皆受電於各自對應的電池單元所提供的電壓（VBM[1]~VBM[n]），因此，各個電池模組的邏輯高低位準的絕對值並不相同，因此，由主控電路20所提供的致能訊號EN[1]需經過隔離式訊號轉換元件（例如變壓器）或是訊號位移電路，方能轉換為可對應控制其他電池模組的致能訊號EN[2]~EN[n]，電池系統1的製造成本亦因而提高。
本發明相較於第1圖之先前技術，可藉由菊鍊拓樸的通訊方式進行各個電池模組的致能與禁能，而無需額外的隔離式訊號轉換元件或是訊號位移電路。此外，本發明可藉由菊鍊拓樸的通訊方式，進行各個電池模組的識別模式之判斷，而無需一一進行設定。
就其中一個觀點言，本發明提供了一種電池模組，適用於一電池系統，該電池模組於一致能狀態中，操作於一底端模式或一頂端模式；該電池模組包含：一電池單元，包括至少一電池，其中該電池單元自該電池單元的正端及負端之間輸出一電池單元電壓；以及一電池控制電路，受電於該電池單元電壓，用以控制該電池單元，該電池控制電路包括一致能端、一上行輸入端、一上行輸出端、一下行輸入端以及一下行輸出端，其中當該致能端具有一操作致能位準時，或者當上行輸入端具有一上行致能位準時，該電池模組進入該致能狀態。
在一較佳實施例中，該電池模組於該致能狀態中，進入一模式判斷步驟，其中於該模式判斷步驟中： 當該致能端具有該操作致能位準，且該上行輸入端具有一上行禁能位準時，判斷該電池模組操作於該底端模式；或者當該致能端具有該操作禁能位準，該上行輸入端具有該上行致能位準，且該下行輸入端具有一下行致能位準時，判斷該電池模組操作於該頂端模式。
在一較佳實施例中，該電池模組於該致能狀態中，更操作於一中間模式，其中於該模式判斷步驟中：當該致能端具有一操作禁能位準，該上行輸入端具有該上行致能位準，且該下行輸入端具有一下行禁能位準時，判斷該電池模組操作於該中間模式。
在一較佳實施例中，於該模式判斷步驟之後，該電池控制電路進行一菊鍊上行步驟以及一菊鍊下行步驟；其中於該菊鍊上行步驟中，於該電池模組操作於該底端模式或該中間模式時，該上行輸出端輸出該上行致能位準；於該菊鍊上行步驟之後，該電池控制電路進行該菊鍊下行步驟；其中於該菊鍊下行步驟中：當該電池模組操作於該頂端模式時，該下行輸出端輸出該下行致能位準；或者當該電池模組操作於該中間模式時，且該下行輸入端具有該下行致能位準時，該下行輸出端輸出該下行致能位準。
在一較佳實施例中，該電池模組於該致能狀態中，更操作於一獨存模式，其中於該模式判斷步驟中：當該致能端為致能位準，且該上行輸入端具有該上行致能位準時，判斷該電池模組操作於該獨存模式。
在一較佳實施例中，該電池單元具有複數彼此串聯的電池，該電池控制電路對該電池單元中的各個電池進行電壓平衡控制，使得該電池單元中的各個電池達到電壓平衡。
在一較佳實施例中，該電池單元具有複數彼此串聯的電池，該電池控制電路對該電池單元中的各個電池進行電壓監測，當該電池單元中的各個電池中的至少一個電池高於一電壓上限或低於一電壓下限時，該電池控制電路產生一保護訊號；其中該電池控制電路通過該下行輸入端以及該下行輸出端傳送該保護訊號到具有該底端模式的一電池模組，以關斷該電池系統與其外部之間的電連接路徑，或者該電池控制電路通過該上行輸入端以及該上行輸出端傳送該保護訊號到具有該頂端模式的一電池模組，以關斷該電池系統與其外部之間的電連接路徑。
就另一個觀點言，本發明也提供了一種電池系統，包含複數個如前所述之電池模組，其中該複數電池模組分別安排為一底端電池模組、一頂端電池模組，以及至少一中間電池模組；其中該底端電池模組、該至少一中間電池模組以及該頂端電池模組依序以菊鍊拓樸互相耦接；其中於該底端電池模組與該至少一中間電池模組中，各該電池控制電路中的各該上行輸出端分別耦接於上行方向相鄰的該電池控制電路中的該上行輸入端；其中於該頂端電池模組與該至少一中間電池模組中，各該電池控制電路中的各該下行輸出端分別耦接於下行方向相鄰的該電池控制電路中的該下行輸入端；其中該複數電池模組的各電池單元依序彼此串聯，以於該電池系統的一電池輸出正端與一電池輸出負端之間輸出一電池系統電壓；其中該底端電池模組的該電池控制電路對應於底端電池控制電路，該底端電池控制電路的該致能端自一主控電路接收一菊鍊起始訊號，其中當該菊鍊起始訊號轉為該操作致能位準時，啟動一菊鍊致能程序；該底端電池控制電路的該上行輸入端耦接於具有該上行禁能位準的參考電位；其中當該電池系統中之每一電池模組各自完成該模式判斷步驟、該上行步驟與該下行步驟後，該底端電池控制電路通知該主控電路，完成該菊鍊致能程序。
就另一個觀點言，本發明也提供了一種電池系統，包含複數個如前所述之電池模組，其中該複數電池模組分別安排為一底端電池模組以及一頂端電池模組；其中該頂端電池模組的該電池控制電路對應於頂端電池控制電路，該底端電池模組的該電池控制電路對應於底端電池控制電路；其中該底端電池模組以及該頂端電池模組以菊鍊拓樸互相耦接；其中該底端電池控制電路的該上行輸出端耦接於該頂端電池控制電路的該上行輸入端；該頂端電池控制電路的該下行輸出端耦接於該底端電池控制電路的該下行輸入端；其中該複數電池模組的各電池單元彼此串聯，以於該電池系統的一電池輸出正端與一電池輸出負端之間輸出一電池系統電壓；其中該底端電池控制電路的該致能端自一主控電路接收一菊鍊起始訊號，其中當該菊鍊啟始訊號轉為該操作致能位準時，啟動一菊鍊致能程序；該底端電池控制電路的該上行輸入端耦接於具有該上行禁能位準的參考電位；其中當該電池系統中之每一電池模組各自完成該模式判斷步驟、該上行步驟與該下行步驟後，該底端電池控制電路通知該主控電路，完成該菊鍊致能程序。
就另一個觀點言，本發明也提供了一種電池控制電路，適用於一電池模組，該電池模組於一致能狀態中，操作於一底端模式或一頂端模式；該電池模組包包括一電池單元，該電池單元包括至少一電池，其中該電池單元自該電池單元的正端及負端之間輸出一電池單元電壓；其中該電池控制電路之特徵在於：該電池控制電路受電於該電池單元電壓，用以檢測該電池單元的電壓及╱或控制該電池單元；以及該電池控制電路包括一致能端、一上行輸入端、一上行輸出端、一下行輸入端以及一下行輸出端，其中當該致能端具有一操作致能位準時，或者當上行輸入端具有一上行致能位準時，該電池模組進入該致能狀態。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各電路間之耦接關係，以及各訊號波形之間之關係，至於電路、訊號波形與頻率則並未依照比例繪製。
請參閱第3圖，第3圖顯示本發明之電池系統的一種實施例示意圖（電池系統1000），如第3圖所示，在一實施例中，電池系統1000包括複數個電池模組100[1]~100[n]，其中電池模組100[1]~100[n]分別安排為一底端電池模組100[1]、一頂端電池模組100[n]，以及至少一中間電池模組100[2]~100[n-1]。
就一觀點而言，電池模組100[1]~100[n]在硬體配置上為相同的電池模組，電池模組於致能狀態中，可操作於底端模式（例如對應於底端電池模組100[1]）、頂端模式（例如對應於頂端電池模組100[n]）或中間模式（例如對應於中間電池模組100[2]~100[n-1]）。
請繼續參閱第3圖，電池模組（100[1]~100[n]）各自包括電池單元（對應於120[1]~120[n]）以及電池控制電路（對應於110[1]~110[n]）。在一實施例中，電池單元包括彼此串聯的複數電池，其中電池單元120[1]~120[n]分別於各自對應的正端（耦接於電源正端VDD）及負端（耦接於電源正端VDD）之間輸出電池單元電壓VBM[1]~VBM[n]。需說明的是，在一些實施例中，電池單元也可僅包括一個電池。
請繼續參閱第3圖，電池控制電路110[1]~110[n]分別通過各自的電源正端VDD與電源負端GND受電於電池單元電壓VBM[1]~ VBM[n]，用以檢測該電池單元的電壓及╱或控制對應的電池單元120[1]~120[n]，舉例而言，電池控制電路用以提供電池單元例如於充電時的過高電壓保護、放電時的過低電壓保護，而在具有複數電池的電池單元的配置下，電池控制電路還可用以控制各電池間的電壓平衡。此外，電池控制電路還提供了以菊鍊拓樸耦接的電池模組之間的通訊功能。
在一具體的實施例中，電池控制電路110[1]~110[n]分別對電池單元120[1]~120[n]中的各個電池進行電壓平衡控制，使得電池單元120[1]~120[n]中的各個電池達到電壓平衡，換言之，使得某一電池單元（例如電池單元120[1]）內的各個電池達到電壓平衡，所述的「電壓平衡」係指，在充電或放電的過程中，各個電池的電壓受控制而大致上為相等。進一步地，在一具體的實施例中，藉由上述電池單元內（例如電池單元120[1]）的各個電池達到電壓平衡，也因而可達成電池單元間（例如電池單元120[1] ~120[n]）的各個電池單元電壓VBM[1]~ VBM[n]之間達到電壓平衡。
請繼續參閱第3圖，根據本發明，每一電池控制電路包括致能端EN、上行輸入端bB2T、上行輸出端tB2T、下行輸入端tT2B以及下行輸出端bT2B。
請繼續參閱第3圖，在一實施例中，底端電池模組100[1]、至少一中間電池模組100[2]~100[n-1]以及頂端電池模組100[n]依序以菊鍊拓樸互相耦接。其中於底端電池模組100[1]與中間電池模組100[2]~100[n-1]中，各電池控制電路110[1] ~110[n-1]的各上行輸出端tB2T分別耦接於上行方向（如實線箭號所指的方向）相鄰的電池控制電路中的上行輸入端bB2T。
請繼續參閱第3圖，於頂端電池模組100[n]與至少一中間電池模組100[2]~100[n-1]中，各電池控制電路110[2] ~110[n]中的各下行輸出端bT2B分別耦接於下行方向（如虛線箭號所指的方向）相鄰的電池控制電路中的下行輸入端tT2B。
電池模組100[1]~100[n]的各電池單元120[1]~120[n]依序彼此串聯，以於電池系統1000的電池輸出正端PCK＋與電池輸出負端PCK-之間輸出電池系統電壓VPCK。
為便於敘述，本文中，底端電池模組100[1]的電池控制電路110[1]可對應於「底端電池控制電路」，底端電池控制電路110[1]的致能端EN自主控電路200接收菊鍊起始訊號DCS，其中當菊鍊起始訊號DCS轉為操作致能位準時，啟動菊鍊致能程序；底端電池控制電路110[1]的上行輸入端bB2T耦接於具有上行禁能位準的參考電位（VL[1]）。菊鍊致能程序的細節容後詳述。
請同時參閱第4圖，第4圖顯示本發明的電池系統中，電池模組的一具體實施例（電池模組100）示意圖。本實施例中，當致能端EN具有操作致能位準時，或者當上行輸入端bB2T具有上行致能位準時，對應的電池模組進入致能狀態，接著，進行模式判斷步驟。具體而言，低靜態電流電源供應器111轉換電池單元120[i]（其中i=1~n）提供的電壓VBM[i]而產生第一電源，內部電源供應器112則僅於致能狀態下（當致能端EN具有操作致能位準時，或者當上行輸入端bB2T具有上行致能位準時），轉換電池單元120[i]提供的電壓VBM[i]而產生第二電源，其中第一電源提供電池模組100於禁能狀態（又可稱為運送狀態）時內部電路所需的電源，第二電源提供電池模組100於致能狀態時其他內部電路所需的電源，低靜態電流電源供應器111本身的靜態電流非常低，因此可於電池模組100在禁能狀態下，長時間維持電池單元120[i]的電量不致有太大的減損。
值得注意的是，根據本發明，除了可藉由致能端EN來控制電池模組100的致能或禁能之外，還可以用上行輸入端bB2T來控制電池模組的致能或禁能，換言之，本發明可藉由菊鍊拓樸的通訊方式來控制電池模組的致能或禁能，其細節容後詳述。值得注意的是，在第3圖的實施例中，電池控制電路110[2]~ 110[n]各自的致能端EN分別耦接於各自對應的電池單元120[2]~120[n]的接地電位GND[2]~GND[n]（對應於操作禁能位準），換言之，本實施例中，電池控制電路110[2]~ 110[n]不經由各自的致能端EN來控制致能或禁能，具體而言，電池控制電路110[2]~ 110[n]藉由各自的上行輸入端bB2T來控制電池模組的致能或禁能。GND[1] 則是電池單元120[1]的接地電位。
另一方面，當致能端EN具有操作禁能位準，且當上行輸入端bB2T亦具有上行禁能位準時，電池模組控制為禁能狀態，電池模組的禁能狀態又可稱為運送狀態，亦即，在電池模組組裝完成，但無需對負載供電時，例如於運送時，電池模組可藉由受控制為禁能狀態而降低模組的耗電，可延長蓄電時間，且避免例如由於過度放電而傷害電池模組內的電池。
需說明的是，上述「操作致能位準」例如可為高邏輯位準（亦即「1」），而「操作禁能位準」例如可為低邏輯位準（亦即「0」），但不限於此。類似地，上述「上行致能位準」例如可為高邏輯位準，而「上行禁能位準」例如可為低邏輯位準，但也不限於此。
請同時參閱第5圖與第6A圖，第5圖顯示本發明之電池系統中，菊鍊致能程序的波形圖。第6A圖顯示本發明之電池系統中，菊鍊致能程序的流程圖。
如第5圖與第6A圖所示，主控電路200發送菊鍊起始訊號DCS給底端電池控制電路110[1]的致能端EN，以啟動菊鍊致能程序（對應於第5圖的事件E1以及第6A圖的S0）。如第6A圖所示，接著，進入致能狀態判斷步驟S1，當判斷為致能狀態時，則進入模式判斷步驟S2，否則，則為禁能狀態而持續判斷是否致能。接著，於模式判斷步驟S2中，判斷電池模組處於何種模式下。接著進入上行步驟S3，於上行步驟S3中，各個電池模組根據其所處的模式對應地執行對應的步驟，其細節容後詳述。接著進入下行步驟S4，於下行步驟S4中，各個電池模組根據其所處的模式對應地執行對應的步驟，其細節容後詳述。菊鍊致能程序結束於步驟S5。
請同時參閱第6B圖～第6E圖，第6B圖～第6E圖為對應於第6A圖的具體細節流程圖。如第6B圖所示，於致能狀態判斷步驟S1中，各個電池控制電路根據致能端EN是否具有操作致能位準（步驟S11），當致能端EN具有操作致能位準時，判斷對應的電池模組進入致能狀態，若致能端EN具有操作禁能位準時，則進一步判斷上行輸入端bB2T是否具有上行致能位準（步驟S12），當上行輸入端bB2T具有上行致能位準時，判斷對應的電池模組進入致能狀態。
請同時參閱第5圖與第6C圖，電池系統1000於致能狀態下，進入模式判斷步驟S2，以進行以下的模式判斷：
（1）當致能端EN具有操作致能位準（步驟S21），上行輸入端bB2T具有上行禁能位準時（步驟S22），判斷電池模組操作於底端模式（步驟S23）。具體舉例來說，請同時參閱第3圖中的電池模組100[1]與第5圖中的底端模式之波形，電池控制電路110[1]的上行輸入端bB2T具有上行禁能位準（即VL[1]），此時電池模組100[1]被判斷操作於底端模式。
（2）當致能端EN具有操作禁能位準，上行輸入端bB2T具有上行致能位準（步驟S24），且下行輸入端tT2B具有下行禁能位準時（步驟S25），判斷電池模組操作於中間模式（步驟S27）。具體舉例來說，請同時參閱第3圖中的電池模組100[2]與第5圖中的中間模式之波形，電池控制電路110[2]的上行輸入端bB2T具有致能位準（如事件E4，電池控制電路110[2]實際上是藉由其上行輸入端bB2T而致能的），且下行輸入端tT2B具有下行禁能位準（如事件E5，此時上行方向的其他電池模組尚未被致能），此時電池模組100[2]被判斷操作於中間模式。
或者，（3）當致能端EN具有操作禁能位準，上行輸入端bB2T具有上行致能位準（步驟S24），且下行輸入端tT2B具有下行致能位準時（步驟S25），判斷電池模組操作於頂端模式（步驟S26）。具體舉例來說，請同時參閱第3圖中的電池模組100[n]與第5圖中的頂端模式之波形，電池控制電路110[n]的上行輸入端bB2T具有致能位準（如事件E7，電池控制電路110[n]實際上是藉由其上行輸入端bB2T而致能的），且下行輸入端tT2B具有下行致能位準，如事件E8所示，根據本發明，在一實施例中，配置為頂端模式的電池控制電路110[n]，其下行輸入端tT2B被設定為下行致能位準（例如對應於圖中的VH[n]），此時電池模組100[n]被判斷操作於頂端模式。
需說明的是，在一實施例中，在電池模組判斷為致能之後，經過時間延遲才進行模式判斷，具體而言，例如第5圖的實施例中，在底端電池模組致能後（事件E1），經過時間延遲Td1才進行模式判斷（事件E2），又如，在中間電池模組與頂端電池模組致能後（事件E4與E7），分別經過時間延遲Td3與Td5才進行模式判斷（事件E5與E8）。
與前述類似地，上述「下行致能位準」例如可為高邏輯位準，而「下行禁能位準」例如可為低邏輯位準，但也不限於此。此外需說明的是，在第5圖所示的實施例中，僅包括一個操作於中間模式的電池模組的操作波形，但根據本發明並不限於此，本領域人員可依本發明之教示推廣為多個操作於中間模式的電池模組。
請繼續參閱第3圖、第5圖與第6D圖，於模式判斷步驟之後，電池控制電路接著進行菊鍊上行步驟；其中於菊鍊上行步驟中，當電池模組操作於底端模式或中間模式時，上行輸出端tB2T輸出上行致能位準（步驟S31）。
具體舉例來說，請同時參閱第3圖中的電池模組100[1]與第5圖中的底端模式之波形，當電池模組操作於底端模式時，於菊鍊上行步驟中，電池模組100[1]的上行輸出端tB2T輸出上行致能位準（事件E3）。另一方面，請同時參閱第3圖中的電池模組100[2]與第5圖中的中間模式之波形，當電池模組操作於中間模式時，於菊鍊上行步驟中，電池模組100[2]的上行輸出端tB2T輸出上行致能位準（事件E6）。
需說明的是，在一實施例中，在模式判斷步驟之後，經過時間延遲才進行菊鍊上行步驟，具體而言，例如第5圖的實施例中，在電池模組判斷為底端模式（事件E2）、或中間模式（事件E5）後，分別經過時間延遲Td2與Td4後，才分別將對應的電池模組的上行輸出端tB2T輸出上行致能位準（事件E3、E6）。
請繼續參閱第3圖、第5圖與第6E圖，於菊鍊上行步驟之後，電池控制電路（110[1]~110[n]）進行菊鍊下行步驟。
其中於菊鍊下行步驟中，當電池模組操作於頂端模式時，下行輸出端bT2B輸出下行致能位準（步驟S41）；另一方面，於菊鍊下行步驟中，當電池模組操作於中間模式時，且下行輸入端tT2B具有下行致能位準時，下行輸出端bT2B輸出下行致能位準（步驟S42）。
具體舉例來說，請同時參閱第3圖中的電池模組100[n]與第5圖中的頂端模式之波形，當電池模組操作於頂端模式時（對應於電池模組100[n]），於菊鍊下行步驟中，電池模組100[n]的下行輸出端bT2B輸出下行致能位準（事件E9）。
另一方面，請同時參閱第3圖中的電池模組100[2]與第5圖中的中間模式之波形，當電池模組操作於中間模式時（例如對應於電池模組100[2]），於菊鍊下行步驟中，當電池模組100[2]的下行輸入端tT2B轉為下行致能位準（事件E10）後，電池模組100[2]的下行輸出端bT2B輸出下行致能位準（事件E11）。另一方面，請同時參閱第3圖中的電池模組100[1]與第5圖中的底端模式之波形，在一實施例中，當電池模組操作於底端模式時（對應於電池模組100[1]），於菊鍊下行步驟中，當電池模組100[1]的下行輸入端tT2B轉為下行致能位準（事件E12）時，即判斷結束菊鍊致能程序。
在一實施例中，當電池系統1000中之每一電池模組（100[1]~100[n]）各自完成模式判斷步驟、上行步驟與下行步驟後，底端電池控制電路110[1]可藉由例如但不限於I2C或SPI等通訊埠通知主控電路200菊鍊致能程序已完成。
請參閱第7圖，第7圖顯示本發明之電池系統的一種實施例示意圖（電池系統1001），如第7圖所示，在一實施例中，電池系統1001包括單一個電池模組100[1]，需說明的是，本實施例可視為前述第3圖實施例中的一種特例，其中n=1，本實施例中，電池模組100[1]於致能狀態中，可操作於獨存（standalone）模式。具體而言，在如前述的致能狀態下，電池模組100[1]會進入模式判斷步驟，如第7圖所示，於模式判斷步驟中，當電池控制電路110[1]的致能端EN為致能位準，且上行輸入端bB2T具有上行致能位準（VH[1], S22），判斷電池模組100[1]操作於獨存模式（步驟S28）。
接著，當電池模組100[1]被判斷操作於獨存模式時，在一實施例中，電池控制電路110[1]可藉由例如但不限於I2C或SPI等通訊埠通知主控電路200菊鍊致能程序已完成。
請參閱8圖，第8圖顯示本發明之電池系統的一種實施例示意圖（電池系統1002），如第8圖所示，在一實施例中，電池系統1002包括電池模組100[1]~100[n]，需說明的是，本實施例可視為前述第3圖實施例中的一種特例，其中n=2，因此，本實施例中僅包括底端電池模組100[1]以及頂端電池模組100[n]，換言之，電池系統1002沒有中間模式的電池模組。其中頂端電池模組100[n]的電池控制電路110[n]對應於頂端電池控制電路，底端電池模組100[1]的電池控制電路110[1]對應於底端電池控制電路。
本實施中，底端電池模組100[1]以及頂端電池模組100[n]以菊鍊拓樸互相耦接。底端電池控制電路110[1]的上行輸出端tB2T耦接於頂端電池控制電路110[n]的上行輸入端bB2T；頂端電池控制電路110[n]的下行輸出端bT2B耦接於底端電池控制電路110[1]的下行輸入端tT2B。
其中電池模組100[1]~100[n]的各電池單元120[1]~120[n]彼此串聯，以於電池系統1002的電池輸出正端PCK＋與電池輸出負端PCK-之間輸出電池系統電壓VPCK。
其中底端電池控制電路110[1]的致能端EN自主控電路200接收菊鍊起始訊號DCS，其中當菊鍊啟始訊號DCS轉為操作致能位準時，啟動菊鍊致能程序；底端電池控制電路110[1]的上行輸入端bB2T耦接於具有上行禁能位準的參考電位(VL[1])。
本實施例中的模式判斷步驟、上行步驟與下行步驟，可參考前述其他實施例中的頂端電池模組與底端電池模組的操作方式，在此不予贅述。
請參閱9圖，第9圖顯示本發明之電池系統的一種實施例示意圖（電池系統1003），如第9圖所示，在一實施例中，電池系統1003更包括頂端開關ST以及底端開關SB，在一實施例中，電池系統1003的每一電池模組100[1]~100[n]各自的電池單元120[1]~120[n]具有複數彼此串聯的電池，其中各電池控制電路110[1]~110[n]對於對應的電池單元120[1]~120[n]中的各個電池進行電壓監測，當任一電池單元中的各個電池中的至少一個電池高於一電壓上限或低於一電壓下限時，則該電池控制電路會產生一保護訊號（以進行過高電壓或過低電壓保護）。在一實施例中，該電池控制電路通過其下行輸入端tT2B以及下行輸出端bT2B傳送保護訊號到具有底端模式的電池模組（例如100[1]），以關斷電池系統1003與其外部之間的電連接路徑。或者，該電池控制電路通過其上行輸入端bB2T以及其上行輸出端tB2T傳送保護訊號到具有頂端模式的一電池模組（例如100[n]），以關斷電池系統1003與其外部之間的電連接路徑。具體而言，關斷電池系統1003與其外部之間的電連接路徑的方式例如可藉由具有底端模式的電池模組（例如100[1]）或主控電路200產生控制訊號CSB將底端開關SB關斷，及╱或可藉由具有頂端模式的電池模組（例如100[n]）或主控電路200產生控制訊號CST將頂端開關ST關斷而達成。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。所說明之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，舉例而言，兩個或以上之實施例可以組合運用，而一實施例中之部分組成亦可用以取代另一實施例中對應之組成部件。此外，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，舉例而言，本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算或產生某輸出結果」，不限於根據該訊號的本身，亦包含於必要時，將該訊號進行電壓電流轉換、電流電壓轉換、及／或比例轉換等，之後根據轉換後的訊號進行處理或運算產生某輸出結果。由此可知，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，其組合方式甚多，在此不一一列舉說明。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
1,1000~1003:電池系統 10[1]~10[n],10:電池模組 100,100[1]~100[n]:電池模組 11[1]~11[n]:電池控制電路 110,110[1]~110[n]:電池控制電路 111:低靜態電流電源供應器 112:內部電源供應器 12[1]~12[n]:電池單元 120[1]~120[n]:電池單元 200:主控電路 bB2T:上行輸入端 bT2B:下行輸出端 CST,CSB:控制訊號 GND:電源負端 GND[1]~GND[n]:接地電位 E1~E12:事件 EN:致能端 EN[1]~EN[n]:致能訊號 PCK＋:電池輸出正端 PCK-:電池輸出負端 S0~S5:步驟 S21~S28:步驟 S31:步驟 S41~S42:步驟 SB,ST:開關 tB2T:上行輸出端 Td1~Td7:延遲時間 tT2B:下行輸入端 VBM[i]:電壓 VBM[1]~VBM[n]:電壓 VDD:電源正端 VH[n]:致能位準 VL[1]:禁能位準 VPCK:電池系統電壓
第1圖顯示一種先前技術之具有菊鍊拓樸的電池系統之方塊圖。
第2圖顯示一種先前技術之具有菊鍊拓樸的電池模組的示意圖。
第3圖顯示本發明之電池系統的一種實施例示意圖。
第4圖顯示本發明的電池系統中，電池模組的一具體實施例示意圖。
第5圖顯示本發明之電池系統中，菊鍊致能程序的波形圖。
第6A圖顯示本發明之電池系統中，菊鍊致能程序的流程圖。
第6B圖～第6E圖為對應於第6A圖的具體細節流程圖。
第7圖顯示本發明之電池系統的一種實施例示意圖。
第8圖顯示本發明之電池系統的一種實施例示意圖。
第9圖顯示本發明之電池系統的一種實施例示意圖。
1000:電池系統
100[1]~100[n]:電池模組
110[1]~110[n]:電池控制電路
120[1]~120[n]:電池單元
200:主控電路
bB2T:上行輸入端
bT2B:下行輸出端
GND:電源負端
GND[1]~GND[n]:接地電位
EN:致能端
PCK+:電池輸出正端
PCK-:電池輸出負端
tB2T:上行輸出端
tT2B:下行輸入端
VBM[1]~VBM[n]:電壓
VDD:電源正端
VH[n]:致能位準
VL[1]:禁能位準
VPCK:電池系統電壓

Claims (16)

  1. 一種電池模組，適用於一電池系統，該電池模組於一致能狀態中，操作於一底端模式或一頂端模式；該電池模組包含：一電池單元，包括至少一電池，其中該電池單元自該電池單元的正端及負端之間輸出一電池單元電壓；以及一電池控制電路，受電於該電池單元電壓，用以檢測該電池單元的電壓及/或控制該電池單元，該電池控制電路包括一致能端、一上行輸入端、一上行輸出端、一下行輸入端以及一下行輸出端，其中該上行輸入端、該上行輸出端、該下行輸入端以及該下行輸出端用以進行菊鍊拓樸通信，其中當該致能端具有一操作致能位準時，該電池模組進入該致能狀態，或者當該致能端不具有該操作致能位準而具有一操作禁能位準，且該上行輸入端具有一上行致能位準時，該電池模組進入該致能狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該電池模組於該致能狀態中，進入一模式判斷步驟，其中於該模式判斷步驟中：當該致能端具有該操作致能位準，且該上行輸入端具有一上行禁能位準時，判斷該電池模組操作於該底端模式；或者當該致能端具有該操作禁能位準，該上行輸入端具有該上行致能位準，且該下行輸入端具有一下行致能位準時，判斷該電池模組操作於該頂端模式。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電池模組，其中該電池模組於該致能狀態中，更操作於一中間模式，其中於該模式判斷步驟中： 當該致能端具有一操作禁能位準，該上行輸入端具有該上行致能位準，且該下行輸入端具有一下行禁能位準時，判斷該電池模組操作於該中間模式。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電池模組，其中於該模式判斷步驟之後，該電池控制電路進行一菊鍊上行步驟以及一菊鍊下行步驟；其中於該菊鍊上行步驟中，於該電池模組操作於該底端模式或該中間模式時，該上行輸出端輸出該上行致能位準；於該菊鍊上行步驟之後，該電池控制電路進行該菊鍊下行步驟；其中於該菊鍊下行步驟中：當該電池模組操作於該頂端模式時，該下行輸出端輸出該下行致能位準；或者當該電池模組操作於該中間模式時，且該下行輸入端具有該下行致能位準時，該下行輸出端輸出該下行致能位準。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之電池模組，其中該電池模組於該致能狀態中，更操作於一獨存模式，其中於該模式判斷步驟中：當該致能端為致能位準，且該上行輸入端具有該上行致能位準時，判斷該電池模組操作於該獨存模式。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該電池單元具有複數彼此串聯的電池，該電池控制電路對該電池單元中的各個電池進行電壓平衡控制，使得該電池單元中的各個電池達到電壓平衡。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之電池模組，其中該電池單元具有複數彼此串聯的電池，該電池控制電路對該電池單元中的各個電池進行電 壓監測，當該電池單元中的各個電池中的至少一個電池高於一電壓上限或低於一電壓下限時，該電池控制電路產生一保護訊號；其中該電池控制電路通過該下行輸入端以及該下行輸出端傳送該保護訊號到具有該底端模式的一電池模組，以關斷該電池系統與其外部之間的電連接路徑，或者該電池控制電路通過該上行輸入端以及該上行輸出端傳送該保護訊號到具有該頂端模式的一電池模組，以關斷該電池系統與其外部之間的電連接路徑。
  8. 一種電池系統，包含複數個如申請專利範圍第4項所述之電池模組，其中該複數電池模組分別安排為一底端電池模組、一頂端電池模組，以及至少一中間電池模組；其中該底端電池模組、該至少一中間電池模組以及該頂端電池模組依序以菊鍊拓樸互相耦接；其中於該底端電池模組與該至少一中間電池模組中，各該電池控制電路中的各該上行輸出端分別耦接於上行方向相鄰的該電池控制電路中的該上行輸入端；其中於該頂端電池模組與該至少一中間電池模組中，各該電池控制電路中的各該下行輸出端分別耦接於下行方向相鄰的該電池控制電路中的該下行輸入端；其中該複數電池模組的各電池單元依序彼此串聯，以於該電池系統的一電池輸出正端與一電池輸出負端之間輸出一電池系統電壓；其中該底端電池模組的該電池控制電路對應於底端電池控制電路，該底端電池控制電路的該致能端自一主控電路接收一菊鍊起始訊號，其中當 該菊鍊起始訊號轉為該操作致能位準時，啟動一菊鍊致能程序；該底端電池控制電路的該上行輸入端耦接於具有該上行禁能位準的參考電位；其中當該電池系統中之每一電池模組各自完成該模式判斷步驟、該上行步驟與該下行步驟後，該底端電池控制電路通知該主控電路，完成該菊鍊致能程序。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電池系統，其中該電池系統中之每一電池模組各自的該電池單元具有複數彼此串聯的電池，其中各該電池控制電路對於對應的該電池單元中的各個電池進行電壓平衡控制，使得該電池單元中的各個電池達到電壓平衡。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之電池系統，其中該電池系統中之每一電池模組各自的該電池單元具有複數彼此串聯的電池，其中各該電池控制電路對於對應的該電池單元中的各個電池進行電壓平衡控制，使得該電池單元中的各個電池達到電壓平衡，且使得該複數電池模組的各電池單元之間達到電壓平衡。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之電池系統，其中該電池系統中之每一電池模組各自的該電池單元具有複數彼此串聯的電池，其中各該電池控制電路對於對應的該電池單元中的各個電池進行電壓監測，當該電池單元中的各個電池中的至少一個電池高於一電壓上限或低於一電壓下限時，該電池控制電路產生一保護訊號；其中該電池控制電路通過該下行輸入端以及該下行輸出端傳送該保護訊號到具有該底端模式的一電池模組，以關斷該電池系統與其外部之間的電連接路徑，或者 該電池控制電路通過該上行輸入端以及該上行輸出端傳送該保護訊號到具有該頂端模式的一電池模組，以關斷該電池系統與其外部之間的電連接路徑。
  12. 一種電池系統，包含複數個如申請專利範圍第4項所述之電池模組，其中該複數電池模組分別安排為一底端電池模組以及一頂端電池模組；其中該頂端電池模組的該電池控制電路對應於頂端電池控制電路，該底端電池模組的該電池控制電路對應於底端電池控制電路；其中該底端電池模組以及該頂端電池模組以菊鍊拓樸互相耦接；其中該底端電池控制電路的該上行輸出端耦接於該頂端電池控制電路的該上行輸入端；該頂端電池控制電路的該下行輸出端耦接於該底端電池控制電路的該下行輸入端；其中該複數電池模組的各電池單元彼此串聯，以於該電池系統的一電池輸出正端與一電池輸出負端之間輸出一電池系統電壓；其中該底端電池控制電路的該致能端自一主控電路接收一菊鍊起始訊號，其中當該菊鍊啟始訊號轉為該操作致能位準時，啟動一菊鍊致能程序；該底端電池控制電路的該上行輸入端耦接於具有該上行禁能位準的參考電位；其中當該電池系統中之每一電池模組各自完成該模式判斷步驟、該上行步驟與該下行步驟後，該底端電池控制電路通知該主控電路，完成該菊鍊致能程序。
  13. 一種電池控制電路，適用於一電池模組，該電池模組於一致能狀態中，操作於一底端模式或一頂端模式；該電池模組包括一電池單元， 該電池單元包括至少一電池，其中該電池單元自該電池單元的正端及負端之間輸出一電池單元電壓；其中該電池控制電路之特徵在於：該電池控制電路受電於該電池單元電壓，用以檢測該電池單元的電壓及/或控制該電池單元；以及該電池控制電路包括一致能端、一上行輸入端、一上行輸出端、一下行輸入端以及一下行輸出端，其中該上行輸入端、該上行輸出端、該下行輸入端以及該下行輸出端用以進行菊鍊拓樸通信，其中當該致能端具有一操作致能位準時，該電池模組進入該致能狀態，或者當該致能端不具有該操作致能位準而具有一操作禁能位準，且該上行輸入端具有一上行致能位準時，該電池模組進入該致能狀態。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之電池控制電路，其中該電池模組於該致能狀態中，進入一模式判斷步驟，其中於該模式判斷步驟中：當該致能端具有該操作致能位準，該上行輸入端具有一上行禁能位準，且該下行輸入端具有一下行禁能位準時，該電池控制電路判斷該電池模組操作於該底端模式；或者當該致能端具有該操作禁能位準，該上行輸入端具有該上行致能位準，且該下行輸入端具有一下行致能位準時，判斷該電池模組操作於該頂端模式。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電池控制電路，其中該電池模組於該致能狀態中，更操作於一中間模式，其中於該模式判斷步驟中： 當該致能端具有一操作禁能位準，該上行輸入端具有該上行致能位準，且該下行輸入端具有一下行禁能位準時，判斷該電池模組操作於該中間模式。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電池控制電路，其中於該模式判斷步驟之後，該電池控制電路進行一菊鍊上行步驟以及一菊鍊下行步驟；其中於該菊鍊上行步驟中，於該電池模組操作於該底端模式或該中間模式時，該上行輸出端輸出該上行致能位準；於該菊鍊上行步驟之後，該電池控制電路進行該菊鍊下行步驟；其中於該菊鍊下行步驟中：當該電池模組操作於該頂端模式時，該下行輸出端輸出該下行致能位準；當該電池模組操作於該中間模式時，且該下行輸入端具有該下行致能位準時，該下行輸出端輸出該下行致能位準。
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