平衡電池單元的平衡電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，包含控制單元、電感單元及能量轉(zhuǎn)移單元，該控制單元耦接于多個(gè)電池單元之中的至少一電池單元，該控制單元包含至少一開關(guān)元件，該電感單元耦接于該開關(guān)元件與該電池單元之間，用以依據(jù)該開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)來取走該電池單元的多余能量，并據(jù)以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于該多余能量的感應(yīng)能量，該能量轉(zhuǎn)移單元耦接于該電感單元，用以將該感應(yīng)能量提供給該多個(gè)電池單元，并儲(chǔ)存該感應(yīng)能量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明平衡多個(gè)電池單元的平衡電路可快速地平衡電池系統(tǒng)、具有模塊化電路的架構(gòu)以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)與增加設(shè)計(jì)彈性，并可采用自激式振蕩器來簡(jiǎn)化控制機(jī)制與降低成本。
【專利說明】平衡電池單元的平衡電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電池平衡【技術(shù)領(lǐng)域】，尤指一種通過將多個(gè)電池單元之中具有較高電壓的電池單元的能量提供給多個(gè)電池單元，來平衡該多個(gè)電池單元的主動(dòng)式平衡電路。
【背景技術(shù)】
[0002]一般來說，為了供應(yīng)較高的輸出電壓，可串接多個(gè)電池以作為電源供應(yīng)裝置以提供所需的的輸出電壓。然而，在對(duì)具有彼此串接的多個(gè)電池的電源供應(yīng)裝置進(jìn)行充電時(shí)，該多個(gè)電池之間的電壓失衡會(huì)造成總能量的降低或?qū)е码娫垂?yīng)裝置的損壞。舉例來說，當(dāng)在電池供應(yīng)裝置之中有一部份的電池已大致充滿電，而其他電池仍需一段時(shí)間方可完成充電時(shí)，繼續(xù)對(duì)電池供應(yīng)裝置進(jìn)行充電會(huì)造成該部份的電池有過充(overcharging)的現(xiàn)象，進(jìn)而減少該部份的電池的壽命。
[0003]傳統(tǒng)的電源供應(yīng)裝置使用被動(dòng)式電池平衡機(jī)制來避免上述情形發(fā)生，然而，被動(dòng)式電池平衡機(jī)制系將多余的能量(亦即，過充的能量)消耗，這將造成能量的浪費(fèi)和過量的熱。因此，需要一種主動(dòng)式電池平衡電路(active balancing circuit)來解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種通過將多個(gè)電池單元之中具有較高電壓的電池單元的能量提供給該多個(gè)電池單元來平衡該多個(gè)電池單元的主動(dòng)式平衡電路，以解決上述問題。
[0005]依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，其揭示一種用來平衡電池單元的平衡電路。該平衡電路包含一控制單元、一電感單元以及一能量轉(zhuǎn)移單元。該控制單元稱接于該多個(gè)電池單元之中的至少一電池單元，其中控制單元包含至少一開關(guān)元件。該電感單元耦接于該開關(guān)元件與該電池單元之間，用以依據(jù)該開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)來取走該電池單元的一多余能量，并據(jù)以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于該多余能量的一感應(yīng)能量。該能量轉(zhuǎn)移單元耦接于該電感單元，用以將該感應(yīng)能量提供給該多個(gè)電池單元，并儲(chǔ)存該感應(yīng)能量。
[0006]本發(fā)明所提供的平衡多個(gè)電池單元的平衡電路可快速地平衡電池系統(tǒng)、具有模塊化電路的架構(gòu)(例如，能量轉(zhuǎn)換效率高的返馳式轉(zhuǎn)換電路)以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)與增加設(shè)計(jì)彈性，并可采用自激式振蕩器來簡(jiǎn)化控制機(jī)制與降低成本。
[0007]通過以下的描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發(fā)明的實(shí)施例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]第I圖為本發(fā)明電池系統(tǒng)的一實(shí)施例的示意圖。
[0009]第2圖為第I圖所示的電池系統(tǒng)的一第一實(shí)施例的示意圖。
[0010]第3圖為第2圖所示的平衡電路的局部電路的一實(shí)施例的示意圖。
[0011]第4圖為第I圖所示的電池系統(tǒng)的一第二實(shí)施例的示意圖。[0012]第5圖為第I圖所示的電池系統(tǒng)的一第三實(shí)施例的示意圖。
[0013]【符號(hào)說明】
[0014]100、200、400、500 電池系統(tǒng)
[0015]102、202、402、502 平衡電路
[0016]112、212、512 控制單元
[0017]122、222、522 電感單元
[0018]132、232、532 能量轉(zhuǎn)移單元[0019]242 控制電路
[0020]244 邏輯電路
[0021]246、452 自激式振蕩器
[0022]248 閘極驅(qū)動(dòng)器
[0023]442_1~442_n 能量調(diào)整電路
[0024]446_1 ~446_n 邏輯單元
[0025]448_1 ~448_n 調(diào)整單元
[0026]BAT 十、BAT —、N 十、N —、NA、NB、NC、ND、N 端點(diǎn)
[0027]VB_1 ~VB_n、BM_1 ~BM_n、BM_x、SBM_1 ~SBM_n、BP_1 ~BP_n 電池單元
[0028]Sff_l ~SW_2、Q_1 ~Q_n、Q_x 開關(guān)元件
[0029]LP_1 ~LP_n、LP_x、LS_1 ~LS_n、LS_x、LS 繞組
[0030]BD_1~BD_n本體二極管
[0031]D、ED_1 ~ED_n、ED_x、ED、D_1 ~D_n 二極管
[0032]C_1 ~C_n、C_x、C 電容
[0033]R 電阻
【具體實(shí)施方式】
[0034]現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中類似的元件標(biāo)號(hào)代表類似的元件。在說明書中使用了某些詞匯來指稱特定的元件。所屬領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者應(yīng)可理解，制造商可能會(huì)用不同的名詞來稱呼同一個(gè)元件。本說明書及權(quán)利要求書中并不以名稱的差異來作為區(qū)分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區(qū)分的準(zhǔn)則。在通篇說明書及權(quán)利要求中所提及的「包含」、「包括」為一開放式的用語，故應(yīng)解釋成「包含但不限定于」。此外，「耦接」一詞在此包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接于一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接于該第二裝置，或通過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
[0035]請(qǐng)參閱第I圖，其為本發(fā)明電池系統(tǒng)一實(shí)施例的示意圖。電池系統(tǒng)100包含多個(gè)電池單元VB_1~VB_n (η為正整數(shù))以及用來平衡多個(gè)電池單元VB_1~VB_n的平衡電路102。多個(gè)電池單元VB_1~VB_n可自端點(diǎn)BAT + (例如，一高壓側(cè)(high side terminal))與端點(diǎn)BAT —(例如,一低壓側(cè)(low side terminal))來提供一外接電子裝置(未顯示于第I圖中)所需的電源，或可由端點(diǎn)BAT十與端點(diǎn)BAT —來接收充電電源。當(dāng)電池系統(tǒng)100在充電(charging)、放電(discharging)或靜置/閑置(idle)的情形時(shí),平衡電路102可將多個(gè)電池單元VB_1~VB_n之中具有較高電壓(亦即，較多電荷)的電池單元的能量取出，再將其提供給所有的多個(gè)電池單元VB_1~VB_n，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電池平衡的目的，換言之，平衡電路102為主動(dòng)式平衡電路，并通過將能量直接提供給所有的多個(gè)電池單元VB_1~VB_n來實(shí)現(xiàn)快速且高效率的電池平衡機(jī)制。
[0036]具體來說，平衡電路102可包含(但不限于)一控制單元112、一電感單元122以及一能量轉(zhuǎn)移單元132，其中控制單元112耦接于多個(gè)電池單元VB_1~VB_n，并包含多個(gè)開關(guān)元件SW_1~SW_n，其中多個(gè)開關(guān)元件SW_1~SW_n分別對(duì)應(yīng)多個(gè)電池單元VB_1~VB_n來設(shè)置(亦即，一開關(guān)元件對(duì)應(yīng)一電池單元)。對(duì)于開關(guān)元件SW_1與相對(duì)應(yīng)的電池單元VB_1來說，電感單元122耦接于兩者之間；同理，對(duì)于開關(guān)元件SW_2/SW_n與相對(duì)應(yīng)的電池單元VB_2/VB_n來說，電感單元122亦耦接于兩者之間。由于多個(gè)開關(guān)元件SW_1~SW_n可分別控制電感單元122的磁通量的方向，因此，可藉由多個(gè)開關(guān)元件SW_1~SW_n的開關(guān)狀態(tài)來控制多個(gè)電池單元VB_1~VB_n與電感單元122之間的能量傳遞。
[0037]舉例來說，在電池單元VB_1的電壓過高的情形下(例如，超過額定電壓的默認(rèn)電壓范圍，或與其他電池單元的電壓之間的差距過大)，電感單元122可依據(jù)開關(guān)元件SW_1的開關(guān)狀態(tài)來取走電池單元VB_1的一多余能量E0，并據(jù)以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)多余能量EO的一感應(yīng)能量(inductive energy) EI。感應(yīng)能量EI可經(jīng)由能量轉(zhuǎn)移單元132 (稱接于電感單元122)來提供給多個(gè)電池單 元VB_1~VB_n。于一實(shí)作范例中，能量轉(zhuǎn)移單元132可將感應(yīng)能量EI傳送至端點(diǎn)BAT +，以對(duì)多個(gè)電池單元VB_1~￥8_11進(jìn)行電壓平衡。于另一實(shí)作范例中，能量轉(zhuǎn)移單元132可耦接于端點(diǎn)BAT +與端點(diǎn)BAT —之間，以將感應(yīng)能量EI提供給多個(gè)電池單元VB_1~VB_n。
[0038]于此實(shí)施例中，電感單元122可儲(chǔ)存所產(chǎn)生的感應(yīng)能量EI，并可根據(jù)開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)來將感應(yīng)能量EI傳遞至能量轉(zhuǎn)移單元132。能量轉(zhuǎn)移單元132可具有一濾波元件(未顯示于第I圖中)，其可用來降低/消弭漣波(ripple)，此外，能量轉(zhuǎn)移單元132也可以儲(chǔ)存感應(yīng)能量EI，以維持穩(wěn)定的能量供應(yīng)，并可視實(shí)際需求來調(diào)整感應(yīng)能量EI以提供予多個(gè)電池單元VB_1~VB_n。
[0039]于一設(shè)計(jì)變化中，控制單元112也可以僅耦接于多個(gè)電池單元VB_1~VB_n的其中之一，舉例來說，控制單元112所包含的開關(guān)元件只有開關(guān)元件SW_1，因此，電感單元122僅耦接于開關(guān)元件SW_1與電池單元VB_1之間。也就是說，本發(fā)明所提供的電池平衡機(jī)制也可以用來只對(duì)單一電池單元進(jìn)行電壓監(jiān)測(cè)與調(diào)整，以將該單一電池的多余能量提供給所有的電池單元。值得注意的是,上述多個(gè)電池單元VB_1~VB_n中每一電池單元可以是電池芯(battery cell)(單一電池)、電池區(qū)塊(battery block)(包含彼此并聯(lián)的多個(gè)電池)、電池模塊(battery module)(包含彼此串聯(lián)的多個(gè)電池區(qū)塊)或電池組(battery pack)(包含串聯(lián)與并聯(lián)的多個(gè)電池)。
[0040]由第I圖可知，每一電池單元均可耦接于相對(duì)應(yīng)的開關(guān)元件，故平衡電路102可采用模塊化(modularization)的方式來實(shí)作出。請(qǐng)參閱第2圖,其為第I圖所示的電池系統(tǒng)100的一第一實(shí)施例的示意圖。于此實(shí)施例中，電池系統(tǒng)200包含有多個(gè)電池單元BM_1~BM_n以及平衡電路202，其中多個(gè)電池單元BM_1~BM_n分別為多個(gè)電池模塊，以及平衡電路202采用返馳式轉(zhuǎn)換器(flyback converter)的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)模塊化的架構(gòu)。然而,熟習(xí)技藝者應(yīng)可了解，多個(gè)電池單元BM_1~BM_n并不限定于電池模塊的架構(gòu)，以及平衡電路202也不限定于返馳式轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)。[0041]相似地，多個(gè)電池單元BM_1?BM_n彼此串接于端點(diǎn)BAT +與端點(diǎn)BAT —之間，因此，可通過端點(diǎn)BAT +與端點(diǎn)BAT —來提供電源或接收充電電源。平衡電路202包含一控制單元212，其包含有多個(gè)開關(guān)元件Q_1?Q_n，其中多個(gè)開關(guān)元件Q_1?Q_n分別由具有多個(gè)本體二極管(body diode) BD_1?BD_n的多個(gè)晶體管(transistor)來實(shí)現(xiàn)。舉例來說(但本發(fā)明并不局限于此)，多個(gè)開關(guān)元件Q_1?Q_n的至少其一可由一金氧半場(chǎng)效晶體管
[0042](metal-oxi de-semi conductor f ield-effect transistor, MOSFET)來實(shí)現(xiàn)。平衡電路202另包含電感單元222與能量轉(zhuǎn)移單元232，其中電感單元222包含一一次側(cè)以及一二次側(cè)，其中該一次側(cè)包含多個(gè)第一繞組(winding) LP_1?LP_n,以及該二次側(cè)包含多個(gè)第二繞組LS_1?LS_n，以及能量轉(zhuǎn)移單元232包含多個(gè)二極管ED_1?ED_n與多個(gè)電容(:_1?(:_11。于此實(shí)施例中，控制單元212可用來實(shí)現(xiàn)第I圖所示的控制單元112、電感單元222可用來是吸納第I圖所示的電感單元122，以及能量轉(zhuǎn)移單元232可用來實(shí)現(xiàn)第I圖所示的能量轉(zhuǎn)移單元132。
[0043]由第2圖可知，電感單元222之中的各第一繞組耦接于相對(duì)應(yīng)的開關(guān)元件與相對(duì)應(yīng)的電池單元之間，各第二繞組耦合于相對(duì)應(yīng)的第一繞組，以及多個(gè)二極管ED_1?ED_n*別耦接于多個(gè)第二繞組LS_1?LS_n，其中每一二極管之兩端分別耦接于相對(duì)應(yīng)的電容與相對(duì)應(yīng)的第二繞組(亦即，各二極管耦接于相對(duì)應(yīng)的電容與相對(duì)應(yīng)的第二繞組之間)，以及每一電容的兩端分別耦接于相對(duì)應(yīng)的二極管與相對(duì)應(yīng)的第二繞組(亦即，各電容耦接于相對(duì)應(yīng)的二極管與相對(duì)應(yīng)的第二繞組之間)。更具體地說，可將每一電池單元視為耦接于具有返馳式轉(zhuǎn)換電路架構(gòu)的電路模塊。以電池單元BM_1為例，其耦接于由開關(guān)元件0_1、第一繞組LP_1、第二繞組LS_1、二極管ED_1與電容C_1所構(gòu)成的返馳式轉(zhuǎn)換電路架構(gòu)。
[0044]另外，能量轉(zhuǎn)移單元232另可包含一阻抗元件(于此實(shí)施例中，為電阻R)以及一二極管D，其中電阻R與二極管D分別耦接于端點(diǎn)BAT +與端點(diǎn)N +之間，因此，能量轉(zhuǎn)移單元232經(jīng)由電阻R/ 二極管D來電性連接至端點(diǎn)BAT +，換言之，感應(yīng)能量EI可經(jīng)由電阻R與二極管D所構(gòu)成的傳送路徑來提供給多個(gè)電池單元BM_1?BM_n。這樣的好處之一在于能量轉(zhuǎn)移單元232所包含的多個(gè)電容C_1?C_n均可通過電阻R (或該阻抗元件)來被預(yù)充電，避免平衡電路202在運(yùn)作時(shí)產(chǎn)生不想要的浪涌電流(surge current),也就是說,可以不需考慮提供軟啟動(dòng)(soft start)機(jī)制來消弭/減少浪涌電流，進(jìn)而簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)與減少成本。再者，對(duì)多個(gè)電容C_1?C_n進(jìn)行預(yù)充電以可以提升電路運(yùn)作的速度。
[0045]當(dāng)二極管D導(dǎo)通時(shí)，可將端點(diǎn)BAT +與端點(diǎn)N +視為等電位，由于多個(gè)電容C_1?C_n系并聯(lián)于端點(diǎn)N +與端點(diǎn)BAT —之間，故可將多個(gè)電容C_1?C_n視為并聯(lián)于端點(diǎn)BAT +與端點(diǎn)BAT —間。因此，每一電容所儲(chǔ)存的能量(亦即，能量轉(zhuǎn)移單元232所儲(chǔ)存的能量)不僅可互相流通，也可提供給所有的電池單元。
[0046]請(qǐng)注意，以上所述僅供說明之需，并非用來作為本發(fā)明的限制。于一設(shè)計(jì)變化中，可將電阻R與二極管D改為分別耦接于端點(diǎn)BAT —與端點(diǎn)N —之間。于另一設(shè)計(jì)變化中，省略電阻R與二極管D之中的至少一者也是可行的。另外，也可以將上述阻抗元件(例如，電阻R)與二極管(例如，二極管D)設(shè)置于第I圖所示的電池系統(tǒng)100以提升電池平衡機(jī)制的效能。
[0047]考慮電池單元BM_1的電壓過高的情形(例如，超過額定電壓的默認(rèn)電壓范圍，或與其他電池單元的電壓之間的差距過大)。當(dāng)開關(guān)元件Q_1由關(guān)斷切換為導(dǎo)通時(shí)，電池單元BM_1的多余能量EO會(huì)轉(zhuǎn)換為感應(yīng)能量EI并儲(chǔ)存在第一繞組LP_1里。接下來，當(dāng)開關(guān)元件Q_1再度關(guān)斷時(shí)，感應(yīng)能量EI會(huì)通過第一繞組LP_1與第二繞組LS_1之間的耦合作用來傳遞至能量轉(zhuǎn)移單元232 (例如，多個(gè)電容C_1?C_n)，并經(jīng)由電阻R與二極管D所構(gòu)成的傳送路徑來提供給多個(gè)電池單元BM_1?BM_n。由于熟習(xí)返馳式轉(zhuǎn)換器的運(yùn)作原理的人員應(yīng)可輕易地了解上述能量轉(zhuǎn)換/傳遞的原理與細(xì)節(jié)，故進(jìn)一步的說明在此便不再贅述。
[0048]由上可知，針對(duì)具有過高電壓的電池單元所對(duì)應(yīng)的開關(guān)元件進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)的切換，即可將多余能量轉(zhuǎn)移至能量轉(zhuǎn)移單元，進(jìn)而提供給所有的電池單元。因此，除了將單一電池單元的多余能量提供給所有的電池單元，本發(fā)明所提供的電池平衡機(jī)制也可將多個(gè)電池單元的多余能量提供給所有的電池單元。
[0049]上述開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)的切換可通過一控制電路來控制之。請(qǐng)連同第2圖來參閱第3圖，第3圖為第2圖所示的平衡電路202的局部電路的一實(shí)施例的示意圖。于此實(shí)施例中，平衡電路202另包含一控制電路242，其用以產(chǎn)生一驅(qū)動(dòng)信號(hào)S_G來控制電池單元BM_x所耦接的返馳式轉(zhuǎn)換電路之操作，其中電池單元BM_x表示多個(gè)電池單元BM_1?BM_n的其中之一(亦即，索引值X系為介于I?η之間的正整數(shù))，以及開關(guān)元件Q_x (具有本體二極管BD_x)、第一繞組LP_x、第二繞組LS_x、二極管ED_x與電容C_x為相對(duì)應(yīng)的返馳式轉(zhuǎn)換電路元件。值得注意的是，控制電路242包含有一邏輯電路(logic circuit) 244、一自激式振蕩器(free-running oscillator) 246 以及一閘極驅(qū)動(dòng)電路(gate drive circuit)248。由于自激式振蕩器246可自我觸發(fā)，故控制電路242具有簡(jiǎn)化的電路設(shè)計(jì)與低成本的優(yōu)點(diǎn)。更具體地說，邏輯電路244可偵測(cè)多個(gè)電池單元BM_1?BM_n的電壓以取得一電壓信息，并根據(jù)該電壓信息來產(chǎn)生一致能信號(hào)S_EN，閘極驅(qū)動(dòng)電路248可根據(jù)致能信號(hào)S_EN與自激式振蕩器246所產(chǎn)生的振蕩信號(hào)S_0來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)S_G以控制開關(guān)兀件Q_x的開關(guān)狀態(tài)。
[0050]舉例來說，當(dāng)邏輯電路244偵測(cè)出多個(gè)電池單元BM_1?BM_n之間的電壓失衡時(shí)，所產(chǎn)生的致能信號(hào)S_EN會(huì)具有一特定電壓準(zhǔn)位(例如，高電壓準(zhǔn)位)，此外，閘極驅(qū)動(dòng)電路248會(huì)根據(jù)振蕩信號(hào)S_0來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)S_G,換言之,驅(qū)動(dòng)信號(hào)S_G會(huì)具有振蕩信號(hào)S_0的頻率與責(zé)任周期(duty cycle)的信息，因此，電池單元BM_x所釋放/接收的能量大小可由振蕩信號(hào)S_0的頻率與責(zé)任周期來控制。
[0051]請(qǐng)注意，第3圖所示的控制電路242的電路架構(gòu)系僅供說明之需，并非用來作為本發(fā)明的限制。于一設(shè)計(jì)變化中，自激式振蕩器246也可以直接根據(jù)致能信號(hào)S_EN來輸出振蕩信號(hào)S_0以作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)S_G。于另一設(shè)計(jì)變化中，閘極驅(qū)動(dòng)電路248也可直接根據(jù)致能信號(hào)S_EN來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)S_G。
[0052]請(qǐng)?jiān)俅螀㈤喌?圖。平衡電路202可應(yīng)用于高電壓(例如，400伏特以上)或低電壓(例如，20伏特)的電池系統(tǒng)。當(dāng)平衡電路202應(yīng)用于高電壓的電池系統(tǒng)時(shí)，僅需將平衡電路202之電路元件的耐壓性提高，即可維持電池系統(tǒng)的正常運(yùn)作，此外，也可以增加一能量調(diào)整電路而無需提升平衡電路202的電路元件的耐壓性，以維持電池系統(tǒng)的正常運(yùn)作。請(qǐng)參閱第4圖，其為第I圖所示的電池系統(tǒng)100的一第二實(shí)施例的示意圖。電池系統(tǒng)400所包含的平衡電路402的架構(gòu)系基于第2圖所示的電池系統(tǒng)202的架構(gòu)，而兩者之間主要的差別在于平衡電路402另包含至少一能量調(diào)整電路442_n。能量調(diào)整電路442_n耦接于多個(gè)電容C_1?C_n，用以選擇性地調(diào)整多個(gè)電容C_1?C_n所儲(chǔ)存之感應(yīng)能量EI，并將調(diào)整后的感應(yīng)能量EI提供給多個(gè)電池單元SBM_1?SBM_n。
[0053]于此實(shí)作范例中，當(dāng)感應(yīng)能量EI較低時(shí)(例如，未超過48伏特)，能量調(diào)整電路442_n不會(huì)對(duì)感應(yīng)能量EI進(jìn)行調(diào)整，換言之，平衡電路402之電池平衡機(jī)制與第2圖所示的平衡電路402的電池平衡機(jī)制大致相同/相似。當(dāng)平衡電路402應(yīng)用于高電壓的電池系統(tǒng)時(shí)(亦即，多個(gè)電池單元SBM_1?SBM_n之額定電壓為高電壓)，感應(yīng)能量EI可能會(huì)比較高(例如，超過48伏特)，因此，可利用能量調(diào)整電路442_n來對(duì)感應(yīng)能量EI進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換(亦即，能量調(diào)整電路442_11可以是一升壓轉(zhuǎn)換電路(boost converter circuit)),并據(jù)以提供予多個(gè)電池單元SBM_1?SBM_n，以維持電池系統(tǒng)的正常運(yùn)作。
[0054]實(shí)作上,能量調(diào)整電路442_n可具有一第一端點(diǎn)NA、一第二端點(diǎn)NB、一第三端點(diǎn)NC及一第四端點(diǎn)NC，其中第一端點(diǎn)NA及第二端點(diǎn)NB分別耦接于電容C_n的兩端，以及第三端點(diǎn)NC及第四端點(diǎn)ND分別耦接于端點(diǎn)BAT + (亦即，高壓側(cè))與端點(diǎn)BAT —(亦即，低壓側(cè))，因此，能量調(diào)整電路442_n可經(jīng)由第一端點(diǎn)NA與第二端點(diǎn)NB來接收感應(yīng)能量EI，以及可經(jīng)由第三端點(diǎn)NC與第四端點(diǎn)ND來輸出調(diào)整后的感應(yīng)能量EI。
[0055]另外，能量調(diào)整電路442_n可包含一邏輯單元(logic unit) 446_n以及一調(diào)整單元448_n。邏輯單元446_n可用來判斷多個(gè)電容C_1?C_n所儲(chǔ)存的感應(yīng)能量EI是否達(dá)到一預(yù)定能量值，以產(chǎn)生一判斷結(jié)果DR。調(diào)整單元448_n耦接于邏輯單元446_n，用以依據(jù)判斷結(jié)果DR來調(diào)整感應(yīng)能量EI。舉例來說，邏輯單元446_n可采用磁滯門坎化(voltagethreshold with a hysteresis)的判斷邏輯，因此，當(dāng)判斷結(jié)果DR指示出感應(yīng)能量EI位于磁滯區(qū)間(hysteresis band)外時(shí),調(diào)整單元448_n可對(duì)感應(yīng)能量EI進(jìn)行調(diào)整。
[0056]平衡電路402另可包含一自激式振蕩器452,其用以產(chǎn)生一振蕩信號(hào)S_C來控制能量調(diào)整電路442_n的能量調(diào)整操作。舉例來說，在能量調(diào)整電路442_n為一升壓轉(zhuǎn)換電路的情形下，能量調(diào)整電路442_n可根據(jù)振蕩信號(hào)S_C的頻率與責(zé)任周期來調(diào)整感應(yīng)能量EI的增加量。另外，也可以采用第3圖所示的控制電路242的設(shè)計(jì)概念來實(shí)現(xiàn)能量調(diào)整電路442_n相對(duì)應(yīng)的控制電路(并未顯示于第4圖中)。
[0057]值得注意的是，平衡電路402另可包含多個(gè)能量調(diào)整電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模塊化電路設(shè)計(jì)的概念。于第4圖所示的實(shí)作范例中，多個(gè)電容C_1?C_n分別耦接多個(gè)能量調(diào)整電路442_1?442_n，其中多個(gè)能量調(diào)整電路442_1?442_n可視實(shí)際設(shè)計(jì)需求來啟用，并可分別包含多個(gè)邏輯單元446_1?446_n以及多個(gè)調(diào)整單元448_1?448_n。于此實(shí)施例中，僅需啟用多個(gè)能量調(diào)整電路442_1?442_n中的其中之一(例如，能量調(diào)整電路442_n)即可實(shí)現(xiàn)上述升壓轉(zhuǎn)換操作，其中未被啟用的能量調(diào)整電路以虛線表示之。于另一實(shí)施例中，也可以只設(shè)置單一能量調(diào)整電路(例如，能量調(diào)整電路442_n)于平衡電路402之中。
[0058]請(qǐng)參閱第5圖，其為第I圖所示的電池系統(tǒng)100的一第三實(shí)施例的示意圖。電池系統(tǒng)500所包含的平衡電路502的架構(gòu)基于第2圖所示的電池統(tǒng)202的架構(gòu)，而兩者之間主要的差別在于電感單元所包含的繞組的個(gè)數(shù)與耦合方式。電池統(tǒng)500包含多個(gè)電池單元BP_1?BP_n (例如，多個(gè)電池組)、一控制單元512、一電感單元522以及一能量轉(zhuǎn)移單元532?？刂茊卧?12包含第2圖所示的多個(gè)開關(guān)元件0_1?Q_n。電感單元522包含——次側(cè)以及一二次側(cè)，其中該一次側(cè)包含多個(gè)第一繞組LP_1?LP_n，以及該二次側(cè)包含一第二繞組LS。第二繞組LS同時(shí)耦合于多個(gè)第一繞組LP_1?LP_n。能量轉(zhuǎn)移單元532包含有一二極管ED以及一電容C，其中二極管ED耦接于第二繞組LS，以及電容C耦接于二極管ED與第二繞組LS。于此實(shí)作范例中，二極管ED的兩端分別耦接于電容C與第二繞組LS (亦即，二極管ED耦接于電容C與第二繞組LS的間)，以及電容C的兩端分別耦接于二極管ED與第二繞組LS (亦即，電容C耦接于二極管ED與第二繞組LS之間)。
[0059]相似地，針對(duì)具有過高電壓的電池單元所對(duì)應(yīng)的開關(guān)元件進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)的切換，即可將多余能量轉(zhuǎn)移至能量轉(zhuǎn)移單元，進(jìn)而提供給所有的電池單元。另外，可采用第3圖所示的控制電路242來控制多個(gè)開關(guān)元件Q_1?Q_n的開關(guān)操作。
[0060]于此實(shí)施例中，能量轉(zhuǎn)移單元532另包含第2圖所示的二極管D。由于熟習(xí)技藝者經(jīng)由閱讀第2圖的相關(guān)說明之后，應(yīng)可了解電容C可經(jīng)由一阻抗元件(例如，第2圖所示的電阻R)及/或二極管D來電性連接于端點(diǎn)BAT +與端點(diǎn)BAT —之間，故該阻抗元件、二極管D與電容C于電池統(tǒng)500中的配置方式與功效在此便不再贅述。
[0061]值得注意的是，由于多個(gè)第一繞組LP_1?LP_n彼此耦合，因此，當(dāng)電池單元之間的電壓差過大時(shí)，可能會(huì)在電池單元之間產(chǎn)生過電流。舉例來說，當(dāng)?shù)谝焕@組LP_1所取走的多余能量EO會(huì)耦合至第一繞組LP_2，且電池單元BP_1的電壓高過電池單元BP_2的電壓許多時(shí)，過大的電流會(huì)自端點(diǎn)N流入開關(guān)元件Q_l，造成電池系統(tǒng)500的損壞。因此，控制單元512另可包含多個(gè)二極管D_1?D_n，其分別耦接于多個(gè)開關(guān)元件Q_1?Q_n與多個(gè)電池單元BP_1?BP_n之間，用以防止/阻絕過電流。
[0062]于一設(shè)計(jì)變化中，多個(gè)二極管D_1?D_n也可以分別耦接于多個(gè)第一繞組LP_1?LP_n與多個(gè)電池單元BP_1?BP_n之間。于另一設(shè)計(jì)變化中，多個(gè)二極管D_1?D_n也可以分別耦接于多個(gè)開關(guān)元件Q_1?Q_n與多個(gè)第一繞組LP_1?LP_n之間。簡(jiǎn)言之，可采用單向式開關(guān)元件來實(shí)作出控制單元所包含的開關(guān)元件，以防止/阻絕過電流。由于熟習(xí)技藝者在閱讀第I圖?第4圖的相關(guān)說明之后，應(yīng)可輕易地了解第5圖所示的電池系統(tǒng)500的操作細(xì)節(jié)，故進(jìn)一步的說明在此便不再贅述。
[0063]請(qǐng)注意，上述單向式開關(guān)元件的架構(gòu)也可以應(yīng)用于第I圖/第2圖/第4圖所示的電池平衡機(jī)制中，也就是說，控制單元112/212也可以包含至少一二極管，以實(shí)現(xiàn)單向式開關(guān)元件。另外，第I圖/第2圖/第4圖/第5圖所示的電池平衡機(jī)制也可以用來只對(duì)單一電池單元進(jìn)行電壓監(jiān)測(cè)與調(diào)整，以將該單一電池的多余能量提供給所有的電池單元。
[0064]綜上所述，本發(fā)明所提供的電池平衡電路可快速地平衡電池系統(tǒng)、具有模塊化電路的架構(gòu)(例如，能量轉(zhuǎn)換效率高的返馳式轉(zhuǎn)換電路)以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)與增加設(shè)計(jì)彈性，并可采用自激式振蕩器來簡(jiǎn)化控制機(jī)制與降低成本。
[0065]以上所述僅為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，包括: 一控制單元，耦接于多個(gè)所述電池單元之中的至少一所述電池單元，其中所述控制單元包括至少一開關(guān)元件； 一電感單元，耦接于所述開關(guān)元件與所述電池單元之間，用于根據(jù)所述開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)來取走所述電池單元的一多余能量，并根據(jù)所述多余能量產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所述多余能量的一感應(yīng)能量；以及 一能量轉(zhuǎn)移單元，耦接于所述電感單元，用于將所述感應(yīng)能量提供給多個(gè)所述電池單元、并儲(chǔ)存所述感應(yīng)能量。
2.如權(quán)利要求1所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，所述電感單元包括: --次側(cè)，包括: 一第一繞組，耦接于所述開關(guān)元件；以及 一二次側(cè)，包括: 一第二繞組，耦合于所述第一繞組； 其中所述第一繞組根據(jù)所述開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)來將所述多余能量?jī)?chǔ)存為所述感應(yīng)能量，所述感應(yīng)能量經(jīng)由所述第二繞組傳遞至所述能量轉(zhuǎn)移單元。
3.如權(quán)利要求2所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，所述控制單元包括: 至少一二極管，所述二極管耦接于所述開關(guān)元件與所述電池單元之間、所述第一繞組與所述電池單元之間或所述開關(guān)元件與所述第一繞組之間。
4.如權(quán)利要求2所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，所述能量轉(zhuǎn)移單元包括: 一二極管，耦接于所述第二繞組；以及 一電容，耦接于所述二極管以及所述第二繞組，其中所述二極管耦接于所述電容與所述第二繞組之間，所述電容耦接于所述二極管與所述第二繞組之間。
5.如權(quán)利要求4所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，多個(gè)所述電池單元彼此串接于一高壓側(cè)及一低壓側(cè)之間，所述電容耦接于所述高壓側(cè)與所述低壓側(cè)之間。
6.如權(quán)利要求4所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，還包括: 一能量調(diào)整電路，耦接于所述電容、用于選擇性地調(diào)整所述感應(yīng)能量，并將調(diào)整后的所述感應(yīng)能量提供給多個(gè)所述電池單元。
7.如權(quán)利要求6所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，多個(gè)所述電池單元彼此串接于一高壓側(cè)及一低壓側(cè)之間，所述能量調(diào)整電路具有一第一端點(diǎn)、一第二端點(diǎn)、一第三端點(diǎn)及一第四端點(diǎn)，所述第一端點(diǎn)及所述第二端點(diǎn)分別耦接于所述電容的兩端，所述第三端點(diǎn)及所述第四端點(diǎn)分別耦接于所述高壓側(cè)與所述低壓側(cè)。
8.如權(quán)利要求6所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，所述能量調(diào)整電路為一升壓轉(zhuǎn)換電路。
9.如權(quán)利要求6所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，所述能量調(diào)整電路包括:一邏輯單元，用來判斷所述電容所儲(chǔ)存的所述感應(yīng)能量是否達(dá)到一預(yù)定能量值并產(chǎn)生一判斷結(jié)果；以及 一調(diào)整單元，耦接于所述邏輯單元、用于根據(jù)所述判斷結(jié)果來調(diào)整所述感應(yīng)能量。
10.如權(quán)利要求6所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，還包括: 一自激式振蕩器，用于產(chǎn)生一振蕩信號(hào)來控制所述能量調(diào)整電路的能量調(diào)整操作。
11.如權(quán)利要求1所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，多個(gè)所述電池單元彼此串接于一高壓側(cè)及一低壓側(cè)之間，所述能量轉(zhuǎn)移單元電性連接于所述高壓側(cè)與所述低壓側(cè)之間，所述能量轉(zhuǎn)移單元包括一阻抗元件和一二極管，所述阻抗元件耦接于所述高壓側(cè)或所述低壓側(cè)，所述二極管耦接于所述高壓側(cè)或所述低壓側(cè) 。
12.如權(quán)利要求1所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，還包括: 一控制電路，所述控制電路具有一自激式振蕩器，所述自激式振蕩器用于產(chǎn)生一振蕩信號(hào)，所述控制電路根據(jù)所述振蕩信號(hào)來產(chǎn)生一驅(qū)動(dòng)信號(hào)以控制所述開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)。
13.如權(quán)利要求1所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，所述控制單元耦接于多個(gè)所述電池單元，所述至少一開關(guān)元件包括多個(gè)開關(guān)元件，多個(gè)所述開關(guān)元件分別對(duì)應(yīng)多個(gè)所述電池單元來設(shè)置，所述電感單元包括: --次側(cè)，包括: 多個(gè)第一繞組，每一所述第一繞組耦接于一開關(guān)元件與一電池單元之間；以及 一二次側(cè)，包括: 多個(gè)第二繞組，分別耦合于所述多個(gè)所述第一繞組；所述能量轉(zhuǎn)移單元包括: 多個(gè)二極管，分別耦接于多個(gè)所述第二繞組；以及 多個(gè)電容，分別耦接于多個(gè)所述二極管且分別耦接于多個(gè)所述第二繞組，其中每一所述二極管耦接于一所述電容與一所述第二繞組之間，每一電容耦接于一所述二極管與一所述第二繞組之間，多個(gè)所述電容相互并聯(lián)，多個(gè)所述電池單元彼此串接于一高壓側(cè)及一低壓側(cè)之間，相互并聯(lián)的多個(gè)所述電容電性連接于所述高壓側(cè)與所述低壓側(cè)之間。
14.如權(quán)利要求13所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，所述能量轉(zhuǎn)移單元包括一阻抗元件和一二極管，所述阻抗元件耦接于所述高壓側(cè)與多個(gè)所述電容之間或所述低壓側(cè)與多個(gè)所述電容之間，所述二極管耦接于所述高壓側(cè)與多個(gè)所述電容之間或所述低壓側(cè)與多個(gè)所述電容之間。
15.如權(quán)利要求1所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，所述控制單元耦接于多個(gè)所述電池單元，所述至少一開關(guān)元件包括多個(gè)開關(guān)元件，所述多個(gè)開關(guān)元件分別對(duì)應(yīng)多個(gè)所述電池單元來設(shè)置，所述電感單元包括: --次側(cè)，包括: 多個(gè)第一繞組，其中每一所述第一繞組耦接于一所述開關(guān)元件與一電池單元之間；以及 一二次側(cè)，包括: 一第二繞組，耦合于多個(gè)所述第一繞組；以及 所述能量轉(zhuǎn)移單元包括: 一第一二極管，耦接于所述第二繞組；以及一電容，耦接于所述第一二極管與所述第二繞組，其中所述第一二極管耦接于所述電容與所述第二繞組之間，所述電容耦接于所述第一二極管與所述第二繞組之間，多個(gè)所述電池單元彼此串接于一高壓側(cè)及一低壓側(cè)之間，所述電容電性連接于所述高壓側(cè)與所述低壓側(cè)之間。
16.如權(quán)利要求15所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，所述能量轉(zhuǎn)移單元包括一阻抗元件，所述阻抗元件耦接于所述高壓側(cè)與所述電容之間或所述低壓側(cè)與所述電容之間。
17.如權(quán)利要求15所述的用來平衡多個(gè)電池單元的平衡電路，其特征在于，所述能量轉(zhuǎn)移單元包括一第二二極管，所述第二二極管耦接于所述高壓側(cè)與所述電容之間或所述低壓側(cè)與所述電 容之間。
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK103545872SQ201310294580
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月13日
【發(fā)明者】蔡富生 申請(qǐng)人:蔡富生