TWM654851U - 切換式電容電池平衡電路及包含其之儲電裝置 - Google Patents

Abstract

本新型為一種切換式電容電池平衡電路，係用於對彼此串聯的N個電池芯執行一電壓平衡操作，且主要包括：N個信號切換模組以及N-1個電容，其中，各所述信號切換模組由二個光耦繼電器(Optronics relay)組成。當本新型之切換式電容電池平衡電路正常工作時，各個信號切換模組係在二個控制信號的控制之下進行開關切換，使得該N個電池芯與該N-1個電容之間可以進行電能傳遞，藉此方式平衡該N個電池芯的電池電壓。和習知的電感式電池平衡電路或習知的使用直流-直流轉換器的電池平衡電路相比，本新型之切換式電容電池平衡電路具有架構簡單、控制簡單、電路體積較小等優點。

Description

切換式電容電池平衡電路及包含其之儲電裝置

本新型創作為儲電裝置的有關技術領域，尤指用於整合在儲電裝置內的一種切換式電容電池平衡電路。

已知，可充放電電池(或稱二次電池)已廣泛地應用於製作各種電子裝置的儲電式供電裝置。並且，隨著電動車、電動機車、電動自行車、移動載具、無人機等現代化科技產品的普及化，可充放電電池更以模組化的方式製作成前述任一產品的儲電裝置。此外，可充放電電池同樣以模組化的方式製作成備援電池裝置(Backup battery unit,BBU)以及基於風能、太陽能之可再生能源系統的儲電裝置。

熟悉電池組之設計與製作的工程師必然知道，由複數個電池芯(battery cell)串聯而成的一電池組(battery module)可以提供一預定電壓(如：8V,12V,24V,48V)。然而，肇因於製程誤差，該複數個電池芯在化學及/或電氣特性方面存在個體差異。因此，在該電池組經過多次重複的充/放電之後，該複數個電池芯無法避免地出現電壓不平衡。因此，電池平衡電路於是被開發用於整合在儲電裝置與儲電式供電裝置之中，用以對該電池組的該複數個電池芯執行一電壓平衡操作。

圖1為習知的一種電感式電池平衡電路的電路拓撲圖。如圖1所示，該電感式電池平衡電路1a主要包括：一第一開關元件SW1a、一第二開關元件SW2a、一第三開關元件SW3a、一第四開關元件SW4a、一第五開關元件SW5a、一第六開關元件SW6a、一第一電感L1a、一第二電感L2a、以及一第三電感L3a，其中，該第一開關元件SW1a的第一端與第二端分別耦接一第一電池芯B1a的正極與負極，該第二開關元件SW2a的第一端與第二端分別耦接該第一開關元件SW1a的第二端與該第三開關元件SW3a的第一端，且該第四開關元件SW4a的第一端與第二端分別耦接該第三開關元件SW3a的第二端與一第四電池芯B1a的負極。

更詳細地說明，該第一電感L1a的第一端耦接至該第一電池芯B1a的負極與一第二電池芯B2a的正極，且其第二端耦接至該第一開關元件SW1a與該第二開關元件SW2a之間的共接點。並且，該第五開關元件SW5a的第一端與第二端分別耦接至該第一電感L1a的第一端與該第六開關元件SW6a的第一端。另一方面，該第二電感L2a的第一端耦接至該第二電池芯B2a的負極與一第三電池芯B3a的正極，且其第二端耦接至該第五開關元件SW5a與該第六開關元件SW6a之間的共接點。進一步地，該第三電感L3a的第一端耦接至該第三電池芯B3a的負極與一第四電池芯B4a的正極，且其第二端耦接至該第三開關元件SW3a與該第四開關元件SW4a之間的共接點。此外，一導線的二端分別耦接至該第二電感L2a的第一端與該第二開關元件SW2a和該第三開關元件SW3a之間的共接點。

該電感式電池平衡電路1a工作時，較高電量的電池芯的電能可以通過電感被傳遞至較低電量的電池芯。並且，還可以通過提高 平衡電流的方式來縮短平衡時間。可惜的是，實務經驗顯示，該電感式電池平衡電路1a具有成本較高、設計較為複雜等實際應用上的缺點。

另一方面，圖2為習知的一種使用直流-直流轉換器的電池平衡電路的電路拓撲圖。如圖2所示，該電池平衡電路1b用以對一第一電池芯B1b、一第二電池芯B2b、一第三電池芯B3b、與一第四電池芯B4b執行一電壓平衡操作，且主要包括：一第一直流-直流轉換器C1b、一第二直流-直流轉換器C2b、一第三直流-直流轉換器C3b、以及一第四直流-直流轉換器C4b，其中，前述四個直流-直流轉換器皆可為一返馳式轉換器或一順向式轉換器。該電池平衡電路1b工作時，係利用四個直流-直流轉換器進行能量傳遞，同時利用直流-直流轉換器所包含的變壓器進行隔離，因此具有平衡較高的優點。可惜的是，實務經驗顯示，該電池平衡電路1b具有需要使用複雜的演算法來進行控制、直流-直流轉換器所包含的二極體造成壓降、變壓器漏感不一致等實際應用上的缺點。

由前述說明可知，習知的電池平衡電路具有實際應用上的缺點以有待改進。有鑑於此，本新型之創作人係極力加以研究，而終於研發完成本新型創作之一種切換式電容電池平衡電路及包含其之儲電裝置。

本創作之主要目的在於提供一種切換式電容電池平衡電路，其係用於對彼此串聯的N個電池芯執行一電壓平衡操作，且主要包 括：N個信號切換模組以及N-1個電容，其中，各所述信號切換模組由二個光耦繼電器(Optronics relay)組成。當本新型之切換式電容電池平衡電路正常工作時，各個信號切換模組係在二個控制信號的控制之下進行開關切換，使得該N個電池芯與該N-1個電容之間可以進行電能傳遞，藉此方式平衡該N個電池芯的電池電壓。和習知的電感式電池平衡電路或習知的使用直流-直流轉換器的電池平衡電路相比，本新型之切換式電容電池平衡電路具有架構簡單、控制簡單、電路體積較小等優點。

為達成上述目的，係提出所述切換式電容電池平衡電路的一實施例，係用於對彼此串聯的N個電池芯執行一電壓平衡操作；其中，N為正整數，且所述切換式電容電池平衡電路包括：N個信號切換模組，其中，各所述信號切換模組具有一第一端、一第二端、一第三端、耦接一第一控制信號的一第一輸入端、以及耦接一第二控制信號的一第二輸入端；以及N-1個電容，其中，各所述電容具有一第一元件端與一第二元件端；其中，第j個所述信號切換模組的該第一端、該第二端與該第三端分別耦接第j個所述電池芯的正極、第j+1個所述信號切換模組的該第一端與第j個所述電容的該第一元件端，j為1至N-1之間的任一正整數；其中，第N個所述信號切換模組的該第一端同時耦接第N個所述電池芯的正極和第N-1個所述信號切換模組的該第二端，且其第三端耦接第N-1個所述電容的該第二元件端； 其中，第N個所述電池芯的負極和第N個所述信號切換模組的該第二端同時耦接至一接地端，且第j個所述電容的該第二元件端同時耦接第j+1個所述電容的該第一元件端。

在一實施例中，各所述信號切換模組皆包括：一第一開關單元，具有一控制端、一第一電性端、一第二電性端、一第三電性端、以及一第四電性端；以及一第二開關單元，同樣具有一控制端、一第一電性端、一第二電性端、一第三電性端、以及一第四電性端；其中，該第一開關單元的該控制端和該第二開關單元的該控制端係分別作為該信號切換模組的該第一輸入端與該第二輸入端；其中，該第一開關單元的該第四電性端和該第二開關單元的該第四電性端係分別作為該信號切換模組的該第一端與該第二端；其中，該第一開關單元的該第二電性端和該第二開關單元的該第二電性端係共接在該信號切換模組的該第三端。

在一實施例中，一第一電阻耦接於該接地端與該第一開關單元的該第一電性端之間，且一第二電阻耦接於該接地端與該第二開關單元的該第一電性端之間。

在一實施例中，該第一開關單元為一光耦繼電器(Optronics relay)，且包括：一第一MOSFET元件；一第二MOSFET元件；一第一光電元件，耦接於該第一MOSFET元件的閘極端與該第二MOSFET元件的閘極端之間；以及一第一發光二極體； 其中，該第一發光二極體的陽極端和陰極端係分別作為該第一開關單元的該控制端與該第一電性端，且該第一MOSFET元件的汲極端和該第二MOSFET元件的汲極端分別作為該第一開關單元的該第四電性端與該第二電性端； 其中，該第一MOSFET元件的源極端和該第二MOSFET元件的源極端係共接在該第一開關單元的該第三電性端。

在一實施例中，當該第一控制信號為高準位時，該第一發光二極體產生一第一色光射向該第一光電元件，促使該第一光電元件產生一第一電壓以導通該第一MOSFET元件與該第二MOSFET元件，從而生成一通路於該第二電性端和該第四電性端之間。

在一實施例中，該第二開關單元亦為一光耦繼電器，且包括：一第三MOSFET元件；一第四MOSFET元件；一第二光電元件，耦接於該第三MOSFET元件的閘極端與該第四MOSFET元件的閘極端之間；以及一第二發光二極體；其中，該第二發光二極體的陽極端和陰極端係分別作為該第二開關單元的該控制端與該第一電性端，且該第三MOSFET元件的汲極端和該第四MOSFET元件的汲極端分別作為該第二開關單元的該第四電性端與該第二電性端；其中，該第三MOSFET元件的源極端和該第四MOSFET元件M4的源極端係共接在該第二開關單元的該第三電性端。

在一實施例中，當該第二控制信號為高準位時，該第二發光二極體產生一第二色光射向該第二光電元件，促使第二該光電元件產 生一第二電壓以導通該第三MOSFET元件與該第四MOSFET元件，從而生成一通路於該第二電性端和該第四電性端之間。

並且，於此同時提供一種儲電裝置的一實施例，其特徵在於，包含複數個電池芯與至少一個如前所述本新型之切換式電容電池平衡電路。

1a:電感式電池平衡電路

SW1a:第一開關元件

SW2a:第二開關元件

SW3a:第三開關元件

SW4a:第四開關元件

SW5a:第五開關元件

SW6a:第六開關元件

L1a:第一電感

L2a:第二電感

L3a:第三電感

B1a:第一電池芯

B2a:第二電池芯

B3a:第三電池芯

B4a:第四電池芯

1b:電感式電池平衡電路

C1b:第一直流-直流轉換器

C2b:第二直流-直流轉換器

C3b:第三直流-直流轉換器

C4b:第四直流-直流轉換器

B1b:第一電池芯

B2b:第二電池芯

B3b:第三電池芯

B4b:第四電池芯

1:切換式電容電池平衡電路

11:信號切換模組

11T1:第一端

11T2:第二端

11T3:第三端

11C1:第一輸入端

11C2:第二輸入端

12:電容

121:第一元件端

122:第二元件端

2:電池芯

SW1:第一開關單元

SW2:第二開關單元

SW10、SW20:控制端

SW11、SW21:第一電性端

SW12、SW22:第二電性端

SW13、SW23:第三電性端

SW14、SW24:第四電性端

R1:第一電阻

R2:第二電阻

M1:第一MOSFET元件

M2:第二MOSFET元件

M3:第三MOSFET元件

M4:第四MOSFET元件

D1:第一發光二極體

D2:第二發光二極體

P1:第一光電元件

P2:第二光電元件

圖1為習知的一種電感式電池平衡電路的電路拓撲圖；圖2為習知的一種使用直流-直流轉換器的電池平衡電路的電路拓撲圖；圖3為本新型之一種切換式電容電池平衡電路的立體圖；圖4為本新型之切換式電容電池平衡電路的電路拓撲圖；圖5為圖4所示之信號切換模組的電路拓撲圖；圖6為圖5所示之第一開關單元的電路拓撲圖；以及圖7為圖5所示之第二開關單元的電路拓撲圖。

為了能夠更清楚地描述本新型之一種切換式電容電池平衡電路及包含該切換式電容電池平衡電路的一種儲電裝置，以下將配合圖式，詳盡說明本新型之較佳實施例。

請參閱圖3，其為本新型之一種切換式電容(Switched capacitor)電池平衡電路的立體圖。並且，圖4為本新型之切換式電 容電池平衡電路的電路拓撲圖。如圖3與圖4所示，本新型之切換式電容電池平衡電路1係用於對彼此串聯的N個電池芯2執行一電壓平衡操作，其中N為正整數，且所述切換式電容電池平衡電路1主要包括：N個信號切換模組11以及N-1個電容12。依據本新型，各所述信號切換模組11具有一第一端11T1、一第二端11T2、一第三端11T3、耦接一第一控制信號S1的一第一輸入端11C1、以及耦接一第二控制信號S2的一第二輸入端11C2。並且，各所述電容12具有一第一元件端121與一第二元件端122。

如圖4所示，第j個所述信號切換模組11的該第一端11T1、該第二端11T2與該第三端11T3分別耦接第j個所述電池芯2的正極、第j+1個所述信號切換模組11的該第一端11T1與第j個所述電容12的該第一元件端121，且j為1至N-1之間的任一正整數。並且，第N個所述信號切換模組11的該第一端11T1同時耦接第N個所述電池芯2的正極和第N-1個所述信號切換模組11的該第二端11T2，且其第三端11T3耦接第N-1個所述電容12的該第二元件端122。再者，第N個所述電池芯2的負極和第N個所述信號切換模組11的該第二端11T2同時耦接至一接地端，且第j個所述電容12的該第二元件端122同時耦接第j+1個所述電容12的該第一元件端121。

具體地，以N=4為例(即，四個電池芯2)，第j=1、2、3個所述信號切換模組11的該第一端11T1、該第二端11T2與該第三端11T3分別耦接第j=1、2、3個所述電池芯2的正極、第j+1=2、3、4個所述信號切換模組11的該第一端11T1與第j=1、2、3個所述電容12的該第一元件端121。並且，第N=4個所述信號切換模組11的該第一端11T1同時耦接第N=4個所述電池芯2的正極和第N-1=3個所述信號切換模組 11的該第二端11T2，且其第三端11T3耦接第N-1個所述電容12的該第二元件端122。再者，第N=4個所述電池芯2的負極和第N=4個所述信號切換模組11的該第二端11T2同時耦接至一接地端，且第j=1、2、3個所述電容12的該第二元件端122同時耦接第j+1=2、3、4個所述電容12的該第一元件端121。

進一步地，圖5為圖4所示之信號切換模組11的電路拓撲圖。如圖4與圖5所示，在一實施例中，各所述信號切換模組11皆包括：一第一開關單元SW1與一第二開關單元SW2，其中，該第一開關單元SW1具有一控制端SW10、一第一電性端SW11、一第二電性端SW12、一第三電性端SW13、以及一第四電性端SW14，且該第二開關單元SW2同樣具有一控制端SW20、一第一電性端SW21、一第二電性端SW22、一第三電性端SW23、以及一第四電性端SW24。更詳細地說明，該第一開關單元SW1的該控制端SW10和該第二開關單元SW2的該控制端SW20係分別作為該信號切換模組11的該第一輸入端11C1與該第二輸入端11C2。並且，該第一開關單元SW1的該第四電性端SW14和該第二開關單元SW2的該第四電性端SW24係分別作為該信號切換模組11的該第一端11T1與該第二端11T2。值得注意的是，該第一開關單元SW1的該第二電性端SW12和該第二開關單元SW2的該第二電性端SW22係共接在該信號切換模組11的該第三端11T3。

並且，如圖5所示，一第一電阻R1耦接於該接地端與該第一開關單元SW1的該第一電性端SW11之間，且一第二電阻R2耦接於該接地端與該第二開關單元SW2的該第一電性端SW21之間。

進一步地，圖6為圖5所示之第一開關單元SW1的電路拓撲圖。如圖5與圖6所示，在一實施例中，該第一開關單元SW1為一光耦繼電器(Optronics relay)，且其包括：一第一MOSFET元件M1、一第二MOSFET元件M2、一第一發光二極體D1、以及耦接於該第一MOSFET元件M1的閘極端與該第二MOSFET元件M2的閘極端之間的一第一光電元件P1。依據本新型，該第一發光二極體D1的陽極端和陰極端係分別作為該第一開關單元SW1的該控制端SW10與該第一電性端SW11，且該第一MOSFET元件M1的汲極端和該第二MOSFET元件M2的汲極端分別作為該第一開關單元SW1的該第四電性端SW14與該第二電性端SW12。並且，其中，該第一MOSFET元件M1的源極端和該第二MOSFET元件M2的源極端係共接在該第一開關單元SW1的該第三電性端SW13。

另一方面，圖7為圖5所示之第二開關單元SW2的電路拓撲圖。如圖5與圖7所示，在一實施例中，該第二開關單元SW2亦為一光耦繼電器，且其包括：一第三MOSFET元件M3、一第四MOSFET元件M4、一第二發光二極體D2、以及耦接於該第三MOSFET元件M3的閘極端與該第四MOSFET元件M4的閘極端之間的一第二光電元件P2。依據本新型，該第二發光二極體D2的陽極端和陰極端係分別作為該第二開關單元SW2的該控制端SW10與該第一電性端SW21，且該第三MOSFET元件M3的汲極端和該第四MOSFET元件M4的汲極端分別作為該第二開關單元SW2的該第四電性端SW24與該第二電性端SW22。並且，該第三MOSFET元件M3的源極端和該第四MOSFET元件M4的源極端係共接在該第二開關單元SW2的該第三電性端SW23。

具體地，如圖4、圖5、與圖6所示，當該第一控制信號S1為高準位時，該第一發光二極體D1產生一第一色光射向該第一光電元件P1，促使該第一光電元件P1產生一第一電壓以導通該第一MOSFET元件M1與該第二MOSFET元件M2，從而生成一通路於該第二電性端SW12和該第四電性端SW14之間。相對地，如圖4、圖5、與圖7所示，當該第二控制信號S2為高準位時，該第二發光二極體D2產生一第二色光射向該第二光電元件P2，促使第二該光電元件P2產生一第二電壓以導通該第三MOSFET元件M3與該第四MOSFET元件M4，從而生成一通路於該第二電性端SW22和該第四電性端SW24之間。

依此電路運轉方式，各個信號切換模組11係在所述第一控制信號S1和所述第二控制信號S2的控制在進行開關切換，使得該N個電池芯2與該N-1個電容12之間可以進行電能傳遞，藉此方式平衡該N個電池芯2的電池電壓。值得說明的是，因為光繼電器(即，第一開關單元SW1、第二開關單元SW2)本身的隔離特性，因此本新型之切換式電容電池平衡電路1同時具備隔離各所述電池芯2和各所述電容12之功能。

如此，上述已完整且清楚地說明本新型之一種切換式電容電池平衡電路1的結構組。並且，和習知的電感式電池平衡電路或習知的使用直流-直流轉換器的電池平衡電路相比，本新型之切換式電容電池平衡電路1具有架構簡單、控制簡單、電路體積較小等優點。因此，本發明之切換式電容電池平衡電路1可以整合在包含複數個電池芯2的一儲電裝置之中，用以對該複數個電池芯2執行一電壓平衡操作。在可行的實施例中，該儲電裝置可以是但不限於電子裝置的儲電式供電裝置、移動載具的儲電裝置、備援電池裝置(Backup battery unit,BBU)、或基於風能、太陽能之可再生能源系統的儲電裝置，且前述之移動載具可以是但不限於電動車、電動機車、電動自行車、移動載具、或無人機。

必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本新型之可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本新型之專利範圍，凡未脫離本新型創作的技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1:切換式電容電池平衡電路

11:信號切換模組

12:電容

2:電池芯

SW1:第一開關單元

SW2:第二開關單元

Claims (8)

1. 一種切換式電容電池平衡電路，係用於對彼此串聯的N個電池芯執行一電壓平衡操作；其中，N為正整數，且所述切換式電容電池平衡電路包括：N個信號切換模組，其中，各所述信號切換模組具有一第一端、一第二端、一第三端、耦接一第一控制信號的一第一輸入端、以及耦接一第二控制信號的一第二輸入端；以及N-1個電容，其中，各所述電容具有一第一元件端與一第二元件端；其中，第j個所述信號切換模組的該第一端、該第二端與該第三端分別耦接第j個所述電池芯的正極、第j+1個所述信號切換模組的該第一端與第j個所述電容的該第一元件端，j為1至N-1之間的任一正整數；其中，第N個所述信號切換模組的該第一端同時耦接第N個所述電池芯的正極和第N-1個所述信號切換模組的該第二端，且其第三端耦接第N-1個所述電容的該第二元件端；其中，第N個所述電池芯的負極和第N個所述信號切換模組的該第二端同時耦接至一接地端，且第j個所述電容的該第二元件端同時耦接第j+1個所述電容的該第一元件端。
2. 如請求項1所述之切換式電容電池平衡電路，其中，各所述信號切換模組皆包括： 一第一開關單元，具有一控制端、一第一電性端、一第二電性端、一第三電性端、以及一第四電性端；以及一第二開關單元，同樣具有一控制端、一第一電性端、一第二電性端、一第三電性端、以及一第四電性端；其中，該第一開關單元的該控制端和該第二開關單元的該控制端係分別作為該信號切換模組的該第一輸入端與該第二輸入端；其中，該第一開關單元的該第四電性端和該第二開關單元的該第四電性端係分別作為該信號切換模組的該第一端與該第二端；其中，該第一開關單元的該第二電性端和該第二開關單元的該第二電性端係共接在該信號切換模組的該第三端。
3. 如請求項2所述之切換式電容電池平衡電路，其中，一第一電阻耦接於該接地端與該第一開關單元的該第一電性端之間，且一第二電阻耦接於該接地端與該第二開關單元的該第一電性端之間。
4. 如請求項2所述之切換式電容電池平衡電路，其中，該第一開關單元為一光耦繼電器(Optronics relay)，且包括：一第一MOSFET元件；一第二MOSFET元件；一第一光電元件，耦接於該第一MOSFET元件的閘極端與該第二MOSFET元件的閘極端之間；以及一第一發光二極體； 其中，該第一發光二極體的陽極端和陰極端係分別作為該第一開關單元的該控制端與該第一電性端，且該第一MOSFET元件的汲極端和該第二MOSFET元件的汲極端分別作為該第一開關單元的該第四電性端與該第二電性端；其中，該第一MOSFET元件的源極端和該第二MOSFET元件的源極端係共接在該第一開關單元的該第三電性端。
5. 如請求項4所述之切換式電容電池平衡電路，其中，當該第一控制信號為高準位時，該第一發光二極體產生一第一色光射向該第一光電元件，促使該第一光電元件產生一第一電壓以導通該第一MOSFET元件與該第二MOSFET元件，從而生成一通路於該第二電性端和該第四電性端之間。
6. 如請求項4所述之切換式電容電池平衡電路，其中，該第二開關單元亦為一光耦繼電器，且包括：一第三MOSFET元件；一第四MOSFET元件；一第二光電元件，耦接於該第三MOSFET元件的閘極端與該第四MOSFET元件的閘極端之間；以及一第二發光二極體；其中，該第二發光二極體的陽極端和陰極端係分別作為該第二開關單元的該控制端與該第一電性端，且該第三MOSFET元件的汲極端 和該第四MOSFET元件的汲極端分別作為該第二開關單元的該第四電性端與該第二電性端；其中，該第三MOSFET元件的源極端和該第四MOSFET元件的源極端係共接在該第二開關單元的該第三電性端。
7. 如請求項6所述之切換式電容電池平衡電路，其中，當該第二控制信號為高準位時，該第二發光二極體產生一第二色光射向該第二光電元件，促使第二該光電元件產生一第二電壓以導通該第三MOSFET元件與該第四MOSFET元件，從而生成一通路於該第二電性端和該第四電性端之間。
8. 一種儲電裝置，其特徵在於，包含複數個電池芯與至少一個如請求項1至請求項7之中任一項所述之切換式電容電池平衡電路。

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