TWI759058B - 電池模組及電源供應器 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種電池模組及電源供應器。電源供應器包括一共同匯流排及多個電池模組。當電源供應器處於一電量交換模式下，電池模組的至少其中之一被配置為提供者，電池模組的其中另一被配置為藉由配置接受者。藉由配置提供者與接受者的功能電路及開關單元，可令提供者將電量通過共同匯流排轉移至接受者。

Description

電池模組及電源供應器

本發明是有關於一種電池模組及電源供應器。

目前市面上的電動車使用的電池通常包括多個模組化的電池模組。當電池電量不足時，使用者須將電池連接至充電站的高壓電網以進行充電。然而，當發生停電或是充電站故障導致無法對電池充電的情況時，倘若電池中的電池模組的殘存電力皆未達最低放電電壓，將會使得車輛無法啟動或運行其它需要消耗電力的功能。有鑑於傳統技術中沒有針對上述問題提出有效的解決方案，故而上述問題仍是業界重點研究的課題之一。

本發明實施例係揭露一種電池模組，包括一變壓電路、一功能電路、一電感器、一開關單元、一第一電容器、一第二電容器、一電池單元及一控制單元。變壓電路用以根據一第一電壓輸出一第二電壓。功能電路，具有一第一端、一第二端、一第三端及一第四端，該第一端及該第二端耦接至該變壓電路。電感器的一第一端耦接至該功能電路的該第三端。開關單元的一第一端耦接至該電感器的該第一端。該第一電容器的一第一端耦接 至該電感器的一第二端。該第二電容器的一第一端耦接至該開關單元的一第二端。該電池單元的一第一端耦接至該開關單元的該第二端，該電池單元的一第二端耦接至該功能電路的該第四端、該第一電容器的一第二端及該第二電容器的一第二端並參考接地。控制單元，耦接至該功能電路及該開關單元的一控制端，並用以配置該功能電路及控制該開關單元導通或不導通。當該電池模組處於一電量交換模式時，該電池模組係被配置為一提供者或一接受者，該功能電路被配置以使該變壓電路不耦合至該電感器。當該電池模組被配置為該提供者，於該電量交換模式下的一第一時間區間，該開關單元不導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端不耦合至該電池單元的該第二端；於該電量交換模式下的一第二時間區間，該開關單元不導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端耦合至該電池單元該第二端；於該電量交換模式下的該第三時間區間，該開關單元導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端不耦合至該電池單元的該第二端。當該電池模組被配置為該接受者，於該第一時間區間，該開關單元間歇性導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端不耦合至該電池單元的該第二端；於該第二時間區間，該開關單元導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端不耦合至該電池單元該第二端；於該第三時間區間，該開關單元導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端不耦合至該電池單元的該第二端。

本發明另一實施例揭露一種電源供應器，包括一主控制器、一共同匯流排及多個如前述實施例所述的電池模組。

為了對本發明之上述及其它方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

10、20:電池模組

CT101:穩壓電路

CT102:變壓電路

CT103:功能電路

CT104:控制單元

BAT101、BAT201:電池單元

L101、L102、L201:電感器

C101、C102、C103、C201、C202:電容器

SW101、SW102:開關單元

Q101~Q108、Q205~Q208:電晶體

n101、n201:節點

第1圖繪示根據本發明一實施例的電池模組的方塊圖。

第2圖繪示根據本發明另一實施例的電池模組的方塊圖。

第3圖繪示根據本發明一實施例的電池模組之間電量交換的示意圖。

請參照第1圖，第1圖繪示根據本發明一實施例的電池模組的方塊圖。電池模組10包括一穩壓電路CT101、一變壓電路CT102、一功能電路CT103、一電感器L101、二電容器C101及C102、一開關單元SW101、一控制單元CT104以及一電池單元BAT101。

穩壓電路CT101具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端。第一輸入端及第二輸入端用以耦接至一電壓源(未繪示)。穩壓電路CT101可藉由電晶體、電阻器、電感器及電容器等的組合實現，用以穩定電壓源提供的電壓後從第一輸出端及第二輸出端輸出。

變壓電路CT102具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端。第一輸入端及第二輸入端分別用以耦接 至穩壓電路CT101的第一輸出端及第二輸出端。變壓電路CT102用以將第一輸入端及第二輸入端接收到的第一電壓轉換為適當大小的第二電壓，並從第一輸出端及第二輸出端輸出第二電壓。

功能電路CT103具有一第一端、一第二端、一第三端及一第四端。第一端及第二端分別用以耦接至變壓電路CT102的第一輸出端及第二輸出端。功能電路CT103的功能及操作將於下文詳述。

電感器L101的一第一端耦接至功能電路CT103的第三端。電容器C101的一第一端耦接至電感器L101的一第二端。電容器C101的一第二端耦接至功能電路CT103的第四端。開關單元SW101的一第一端耦接至電感器L101的第一端。電容器C102的第一端耦接至開關單元SW101的一第二端。電容器C102的一第二端耦接至電容器C101的第二端。電池單元BAT101的一第一端耦接至電感器L101的一第二端。電池單元BAT101的一第二端耦接至電容器C102的第二端並參考接地。電池單元BAT101可包括一或多個電池，此些電池可串聯連接、並聯連接或串/並聯混合連接。電池單元BAT101可進行放電及可被充電。控制單元CT104耦接至穩壓電路CT101、功能電路CT103及開關單元SW101(例如，穩壓電路CT101及功能電路CT103中全部或部份元件以及開關單元SW101的控制端)，並用以配置/控制穩壓電路CT101、功能電路CT103及開關單元SW101。

在一實施例中，一電源供應器可包括多個電池模組10、一共同匯流排及一主控制器。此些電池模組藉由節點n101連接至共用匯流排而相互連接。主控制器可耦接至此些電池模組的控制單元。電 池模組10可具有一充電模式及一電能交換模式。在充電模式下，穩壓電路CT101的第一輸入端及第二輸入端耦接至電壓源，開關單元SW101受控於控制單元CT104而不導通，且功能電路CT103受控制單元CT104配置以使變壓電路CT102耦合至電感器L101。也就是說，在充電模式下電壓源可通過穩壓電路CT101、變壓電路CT102、功能電路CT103、電感器L101及電容器C101對電池單元BAT101充電。電量交換模式下電源供應器的主控制器可決定將電池模組的至少其中之一配置為一提供者，將電池模組的其中另一配置為一接受者，並指示對應的控制單元執行上述配置。電量交換的操作是由提供者將電量轉移至接受者。也就是說，在電量交換模式下，被配置為提供者的電池模組會將電池單元的電量轉移至被配置為接受者的電池模組的電池單元。接下來將針對電量交換模式的細節做詳細的說明。

電量交換模式下，功能電路CT103、穩壓電路CT101受控制單元CT104配置以使變壓電路CT102不做功能使用，不會傳遞電能至電池單元BAT101。電池模組處於電量交換模式的期間包括一第一時間區間、至少一第二時間區間及至少一第三時間區間。在第一時間區間中，提供者的開關單元SW101受控於提供者的控制單元CT104而不導通，接受者的開關單元SW101受控於接受者的控制單元CT104而間歇性導通(例如以一第一頻率週期性)導通以避免產生浪湧電流，提供者的功能電路CT103進一步受提供者的控制單元CT104配置以使提供者的電感器L101的第一端不耦合至提供者的電池單元BAT101的第二端，且接受者的功能電路CT103進一步受接受者的控制單元CT104配 置以使接受者的電感器L101的第一端不耦合至接受者的電池單元BAT101的第二端。當提供者的電容器C102的兩端的一跨壓與接受者的電容器C102的兩端的一跨壓等於接受者的電池單元BAT101的兩端的一跨壓時，第一時間區間結束。第一時間區間的目的在於對提供者的電容C102進行充電，以令其兩端的跨壓達到相同於接受者的電池單元BAT101的電壓水平。為了要對提供者的電容器C102進行充電，必須要令提供者的電感器L101與接受者的電感器L101不產生功用，因而藉由將提供者的電感器L101的第一端與提供者的電池單元BAT101的第二端(即參考接地端)解耦以及將接受者的電感器L101的第一端與接受者的電池單元BAT101的第二端(即參考接地端)解耦來將提供者的電感器L101與接受者的電感器L101排除在此時的電路操作之外。在各第二時間區間中，提供者的開關單元SW101受控於提供者的控制單元CT104而不導通，接受者的開關單元SW101受控於接受者的控制單元CT104而導通，提供者的功能電路CT103進一步受提供者的控制單元CT104配置以使提供者的電感器L101的第一端耦合至提供者的電池單元BAT101的第二端，且接受者的功能電路CT103進一步受接受者的控制單元CT104配置以使接受者的電感器L101的第一端不耦合至接受者的電池單元BAT101的第二端。第二時間區間的目的在於使用提供者的電池單元BAT101的電量會對提供者的電感器L101進行充能，因此提供者的電感器L101的第一端需要被耦接至提供者的電池單元BAT101的第二端(即參考接地端)以形成完整的電流迴路。而接受者的電感器L101則因在電量交換模式下可不做出貢獻，故仍保持與接受者的電池 單元BAT101解耦。在各第三時間區間中，提供者的開關單元SW101受控於提供者的控制單元CT104而導通，接受者的開關單元SW101受控於接受者的控制單元CT104而導通，提供者的功能電路CT103進一步受提供者的控制單元CT104配置以使提供者的電感器L101的第一端不耦合至提供者的電池單元BAT101的第二端，且接受者的功能電路CT103進一步受接受者的控制單元CT104配置以使接受者的電感器L101的第一端不耦合至接受者的電池單元BAT101的第二端。第三時間區間的目的在於使用提供者的電感器L101對接受者的電池單元BAT101進行充能。藉此，便能夠將提供者的電池單元BAT101的電能轉移至提供者的電感器L101，再將電能由提供者的電感器L101轉移至接受者的電池單元BAT101。

簡單來說，當電源供應器啟用電量交換模式，首先會進行第一時間區間的操作，接著第二時間區間的操作與第三時間區間的操作會交替進行直到接受者的電池單元BAT101的電量達到一目標值。以電量交換模式期間的時間軸而言，即依序為第一間區間、第二時間區間、第三時間區間、第二時間區間、第三時間區間、...、第二時間區間、第三時間區間，以此類推。需要注意的是，每個第二時間區間的長短可不必須相同，同樣的，每個第三時間區間的長短也可不必須相同。

請參照第2圖，第2圖繪示根據本發明另一實施例的電池模組的方塊圖。第2圖顯示了第1圖的穩壓電路與功能電路的細部電路。穩壓電路CT101包括電晶體Q101~Q104、電感器L102及電容器 C103。電容器C103的一第一端做為穩壓電路CT101的第一輸入端。電容器C103的一第二端做為穩壓電路CT101的第二輸入端。電晶體Q101的一第一端耦接至電容器C103的第一端。電晶體Q102的一第一端耦接至電晶體Q101的一第二端。電晶體Q102的一第二端耦接至電容器C103的第二端。電晶體Q103的一第一端耦接至電容器C103的第一端。電晶體Q104的一第一端耦接至電晶體Q103的一第二端，並做為穩壓電路CT101的第二輸出端。電晶體Q104的一第二端耦接至電容器C103的第二端。電感器L102的一第一端耦接至電晶體Q101的第二端。電感器L102的一第二端做為穩壓電路CT101的第一輸出端。

功能電路CT103包括多個電晶體Q105~Q108。電晶體Q105的一第一端做為功能電路CT103的第三端。電晶體Q106的一第一端耦接至電晶體Q105的一第二端，並做為功能電路CT103的第一端。電晶體Q107的一第一端耦接至電晶體Q105的第一端。電晶體Q108的一第一端耦接至電晶體Q107的一第二端，並做為功能電路CT103的第二端。電晶體Q108的一第二端耦接至電晶體Q106的一第二端，並做為功能電路CT103的第四端。

需要注意的是，為了圖式的簡潔，第2圖中省略了各電晶體Q101~Q108及開關單元SW101的一控制端耦接至控制單元CT104(未繪示於第2圖中)的細節。也就是說，各電晶體Q101~Q108及開關單元SW101是受控於控制單元CT104而導通或不導通。

為了清楚理解，以下搭配第3圖說明電量交換模式下配置為提供者的電池模組與配置為接受者的電池模組如何運作。

在第3圖的例子中，電池模組10被配置為提供者，電池模組20被配置為接受者，且電池模組10的節點n101與電池模組20的節點n201連接至共同匯流排。需要注意的是，為了圖式的簡潔部分元件被省略。明確來說，穩壓電路及變壓電路由於在電量交換模式下不參與操作，故而被省略。此外，各電池模組的電晶體及開關單元是受控於各自的控制單元已於前文充分說明，故而亦將之省略。

當電量交換模式被啟用的期間，因穩壓電路CT101與變壓電路CT102不提供貢獻，於是電晶體Q106、Q108、Q206、Q208維持導通，以使變壓電路CT102的第一輸出端與第二輸出端耦合至參考接地而與電感器L101解耦，亦即，將穩壓電路CT101與變壓電路CT102排除在電量交換模式下的電路操作之外。也就是說，無論第一時間區間、第二時間區間或第三時間區間，電晶體Q106、Q108、Q206、Q208都是導通的。在第一時間區間，電晶體Q105、Q107、Q205、Q207不導通，開關單元SW101不導通，開關單元SW201以第一頻率週期性導通。在第二時間區間，電晶體Q105、Q107導通，電晶體Q205、Q207不導通，開關單元SW101不導通，開關單元SW201導通。在第三時間區間，電晶體Q105、Q107、Q205、Q207不導通，開關單元SW101、SW201導通。

藉由上述方式，電池模組10的電池單元BAT101便可將電能轉移至電池模組20的電池單元BAT201。

在使用情境上，本發明提出的電池模組可應用於電動車的電源供應器上。在一個電源供應器中，可包括多個本發明提出的電 池模組，此些電池模組可通過節點(n101、n201)連接至共同匯流排。當電源供應器無法通過連接外部電壓源(例如充電站的電網)進行充電時，電源供應器可藉由一主控制器指示電池模組的至少其中之一的控制單元令其進入電量交換模式並配置為提供者，同時指示電池模組的其中另一的控制單元令其進入電量交換模式並配置為接受者。提供者的電池單元可將電能轉移至接受者的電池單元。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。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。

10:電池模組

CT101:穩壓電路

CT102:變壓電路

CT103:功能電路

CT104:控制單元

BAT101:電池單元

L101:電感器

C101、C102:電容器

SW101:開關單元

n101:節點

Claims (14)

1. 一種電池模組，包括：一變壓電路，用以根據一第一電壓端輸出一第二電壓；一功能電路，耦接至該變壓電路以接收該第二電壓；一電感器，該電感器的一第一端耦接至該功能電路的複數個輸出端其中之一；一開關單元，該開關單元的一第一端耦接至該電感器的該第一端；一第一電容器，該第一電容器的一第一端耦接至該電感器的一第二端；一第二電容器，該第二電容器的一第一端耦接至該開關單元的一第二端；一電池單元，該電池單元的一第一端耦接至該電感器的該第二端，該電池單元的一第二端耦接至該功能電路的該些輸出端的其中另一、該第一電容器的一第二端及該第二電容器的一第二端並參考接地；以及一控制單元，耦接至該功能電路的一或多個控制端及該開關單元的一控制端，並用以配置該功能電路及控制該開關單元導通或不導通，其中當該電池模組處於一電量交換模式時，該電池模組係被配置為一提供者或一接受者，該功能電路被配置以使該變壓電路不耦合至該電感器；以及 其中根據該電池模組被配置為該提供者或該接受者，該開關單元選擇性地導通，且該功能電路被配置以使該電感器的該第一端選擇性地耦合至該電池單元該第二端。
2. 如請求項1所述之電池模組，其中當該電池模組被配置為該提供者，於該電量交換模式下的一第一時間區間，該開關單元不導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端不耦合至該電池單元的該第二端；於該電量交換模式下的一第二時間區間，該開關單元不導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端耦合至該電池單元該第二端；於該電量交換模式下的該第三時間區間，該開關單元導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端不耦合至該電池單元的該第二端；以及其中當該電池模組被配置為該接受者，於該第一時間區間，該開關單元間歇性導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端不耦合至該電池單元的該第二端；於該第二時間區間，該開關單元導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端不耦合至該電池單元該第二端；於該第三時間區間，該開關單元導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端不耦合至該電池單元的該第二端。
3. 如請求項2所述之電池模組，其中該開關單元的該第二端更用以耦接至一共同匯流排。
4. 如請求項2所述之電池模組，其中當該電池模組被配置為該提供者，該第一時間區間係結束於該第二電容的一跨壓相同於被配置為該接受者的一第一電池模組的一第一電池單元的一跨壓。
5. 如請求項2所述之電池模組，其中當該電池模組被配置為該接受者，該第一時間區間係結束於該第二電容的一跨壓相同於該電池單元的一跨壓。
6. 如請求項2所述之電池模組，其中該功能電路包括：一第一電晶體，該第一電晶體的一第一端耦接至電感器的該第一端，該第一電晶體的一第二端耦接至該變壓電路，該第一電晶體的一控制端耦接至該控制單元；一第二電晶體，該第二電晶體的一第一端耦接至該第一電晶體的該第二端，該第二電晶體的一第二端耦接至該電池單元的該第二端，該第二電晶體的一控制端耦接至該控制單元；一第三電晶體，該第三電晶體的一第一端耦接至該第一電晶體的該第一端，該第三電晶體的一第二端耦接至該變壓電路，該第三電晶體的一控制端耦接至該控制單元；以及一第四電晶體，該第四電晶體的一第一端耦接至該第三電晶體的該第二端，該第四電晶體的一第二端耦接至該第二電晶體的該第二端，該第四電晶體的一控制端耦接至該控制單元。
7. 如請求項6所述之電池模組，其中處於該電量交換模式下，該第二電晶體及該第四電晶體導通，當該電池模組被配置為該提供者，於該第一時間區間及該第三時間區間，該第一電晶體及該第三電晶體不導通，於該第二時間區間，該第一電晶體及該第三電晶體導通。
8. 如請求項6所述之電池模組，其中處於該電量交換模式下，該第二電晶體及該第四電晶體導通，當該電池模組被配置為該接受者，於該第一時間區間、該第二時間區間及該第三時間區間，該第一電晶體及該第三電晶體不導通。
9. 一種電源供應器，包括：一主控制器；一共同匯流排；複數個電池模組，各該電池模組，包括：一變壓電路，用以根據一第一電壓從一或多個輸出端輸出一第二電壓；一功能電路，耦接至該變壓電路以接收該第二電壓；一電感器，該電感器的一第一端耦接至該功能電路的複數個輸出端其中之一； 一開關單元，該開關單元的一第一端耦接至該電感器的該第一端；一第一電容器，該第一電容器的一第一端耦接至該電感器的一第二端；一第二電容器，該第二電容器的一第一端耦接至該開關單元的一第二端及該共同匯流排；一電池單元，該電池單元的一第一端耦接至該電感器的該第二端，該電池單元的一第二端耦接至該功能電路的該些輸出端的其中另一、該第一電容器的一第二端及該第二電容器的一第二端並參考接地；以及一控制單元，耦接至該主控制器、該功能電路的一或多個控制端及該開關單元的一控制端，並用以與該主控制器溝通、配置該功能電路及控制該開關單元導通或不導通，其中當該電源供應器處於一電量交換模式時，該主控制器指示該些電池模組的至少其中之一配置為至少一提供者，指示該些電池模組的其中另一配置為一接收者，該些功能電路被配置以使該變壓電路不耦合至該電感器；以及其中對於各該電池模組，根據被配置為該提供者或該接受者，該開關單元選擇性地導通，且該功能電路被配置以使該電感器的該第一端選擇性地耦合至該電池單元該第二端。
10. 如請求項9所述之電源供應器，其中對於被配置為該提供者的各該電池模組，於該電量交換模式下的一第一時間區間，該開關單元不導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端不耦合至該電池單元的該第二端；於該電量交換模式下的一第二時間區間，該開關單元不導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端耦合至該電池單元該第二端；於該電量交換模式下的該第三時間區間，該開關單元導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端不耦合至該電池單元的該第二端；以及其中對於被配置為該接受者的該電池模組，於該第一時間區間，該開關單元間歇性導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端不耦合至該電池單元的該第二端；於該第二時間區間，該開關單元導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端不耦合至該電池單元該第二端；於該第三時間區間，該開關單元導通，該功能電路被配置以使該電感器的該第一端不耦合至該電池單元的該第二端。
11. 如請求項10所述之電源供應器，其中該第一時間區間結束於被配置為該至少一提供者的該至少一電池模組的該至少一該第二店容的至少一跨壓相同於被配置為該接受者的該電池模組的該第二電容的一跨壓及被配置為該接受者的該電池模組的該電池單元的一跨壓。
12. 如請求項10所述之電源供應器，其中各該功能電路包括：一第一電晶體，該第一電晶體的一第一端耦接至該電容器的該第一端，該第一電晶體的一第二端耦接至該變壓電路，該第一電晶體的一控制端耦接至該控制單元；一第二電晶體，該第二電晶體的一第一端耦接至該第一電晶體的該第二端，該第二電晶體的一第二端耦接至該電池單元的該第二端，該第二電晶體的一控制端耦接至該控制單元；一第三電晶體，該第三電晶體的一第一端耦接至該第一電晶體的該第一端，該第三電晶體的一第二端耦接至該變壓電路，該第三電晶體的一控制端耦接至該控制單元；以及一第四電晶體，該第四電晶體的一第一端耦接至該第三電晶體的該第二端，該第四電晶體的一第二端耦接至該第二電晶體的該第二端，該第四電晶體的一控制端耦接至該控制單元。
13. 如請求項12所述之電源供應器，其中處於該電量交換模式下，該些第二電晶體及該些第四電晶體導通，對於被配置為該至少一提供者的各該至少一電池模組，於該第一時間區間及該第三時間區間，該第一電晶體及該第三電晶體不導通，於該第二時間區間，該第一電晶體及該第三電晶體導通。
14. 如請求項12所述之電源供應器，其中處於該電量交換模式下，該第二電晶體及該第四電晶體導通，對於被配置為該接受者的該電池模組，於該第一時間區間、該第二時間區間及該第三時間區間，該第一電晶體及該第三電晶體不導通。

Images