TWI412205B - Battery pack potential balance circuit - Google Patents

Description

電池組電位平衡電路

本發明係關於一種電池組電位平衡電路，尤指一種電路架構相對簡單而可均衡不同電池或電池組之間電力的平衡電路。

為因應各種不同的應用，電池常被串、並聯使用。在充電的過程中，因為串接的緣故，流經同一串電池的電流大小相等，可以使得電池的充電電流一致。但每一顆電池因為時間、材料、製程及使用狀態等差異，造成電池的電位、電池容量不盡相同，將會導致有些電池發生過度充電、或是某些電池充電不足的情形。判斷電池的充電狀態一般是以電池的電位做為基準，當電池過充時，電池的電位將會超過材料的電位，此時充電的能量將轉化為熱散逸，造成電池的溫度升高，使得電池壽命快速減短，而且可能導致電池產生不可逆的永久性損壞。因此電池串接充電時，必須確保每一顆電池不會過度充電，以保護電池，當電池串聯充電時，電池電位平衡器的使用是必要的。

習用電池串聯充電平衡電路大概有以下幾種方式：

1、稽納(Zener)二極體平衡：請參考圖4，係一稽納二極體41並聯在一電池的兩端，以稽納二極體41的崩潰電壓作為電池的箝制電壓。但由於稽納二極體41的失效模式為短路，不僅會損耗能量，且其散逸功率受限於元件尺寸，而成為主要缺點。

2、電阻平衡電路：請參考圖5所示，在各個串聯電池的一端均連接一電阻51~54，在兩相鄰電阻51~54之間連接一開關55~57，利用一控制器58決定各開關55~57的導通及截止，此種架構雖然能達到電力平衡目的，但卻是將電池的能源傳輸至電阻51~54消耗，無法有效利用電池的電力為其主要缺點。

3、電感式平衡：請參考圖6所示，以兩串聯電池為例，在串聯節點上連接一電感61，該電感61的另一端連接兩開關62、63，各開關62、63的另一端連接至一相對應電池的另端。此方式的電路效率高，可令電池快速達到電力平衡狀態，但需要對各電池的電位狀態進行精確的檢測，並決定不同開關62、63的導通時序，因此線路控制複雜、成本高，且檢測電位狀態的硬體要求高。

4、電容式平衡：如圖7所示，利用切換式電容技術，達到電力平衡，但其主要的缺點為線路控制複雜，與前述電感式平感的問題相同。

以上技術，每一個電池皆必須獨自搭配一個開關進行電力平衡，其電路成本甚高，且由於電路元件數目提高，整體可靠度將會下降。

以前述眾多種類的電池平衡電路來看，當有N個電池串聯時，則至少需要使用到N個開關或N-1個電感，並需要N個脈寬調變訊號來控制該N個開關，線路的複雜度及成本均會明顯增加。

由於現有電池平衡電路需要以相對數量較多的開關或電感、電容元件構成，電路架構及線路控制方式均相當複雜，本發明之主要目的係提供一種電路簡單且成本相對較低之電池組電位平衡電路。

為達成前述目的，本發明電池組電位平衡電路係應用於平衡多數個串聯的電池單元彼此間的電力，該多數個電池單元係串聯成為一電池組，該電池組電位平衡電路包含：一變壓器，係具有一個一次側繞組及多數個二次側繞組，該一次側繞組的一端連接該電池組的一端，各二次側繞組具有第一接腳及第二接腳，各第一接腳係連接一二極體的正極，各第二接腳係連接至另一二次側繞組之二極體的負端或是接地，各二極體的負極連接一相對應的電池單元；一切換開關，連接在該變壓器其一次側繞組的另端與接地之間；一控制器，係連接各電池單元及該切換開關，該控制器輸出一開關信號以控制該切換開關交替地啟動、截止，使變壓器一次側繞組上的能量耦合至二次側繞組，以平衡該些電池單元之電力。

本發明之另一目的係提供一種可簡化變壓器二次側繞組結構之電池組電位平衡電路，該電池組電位平衡電路包含：一變壓器，係具有一個一次側繞組及多數個二次側繞組，該一次側繞組的一端連接該電池組的一端，各二次側繞組具有一第一接腳、一中央抽頭接腳及第二接腳，各第一接腳係連接一二極體的正極，且各第一接腳及中央抽頭接腳係分別連接一相對應的電池單元；一切換開關，連接在該變壓器其一次側繞組的另端與乇接地之間；一控制器，係連接各電池單元及該切換開關，該控制器輸出一開關信號以控制該切換開關交替地啟動、截止，使變壓器一次側繞組上的能量耦合至二次側繞組，以平衡該些電池單元之電力。

藉由本發明之電路，當電池單元彼此間的電力不相等時，該控制器輸出一開關信號以控制該切換開關交替地啟動、截止；於切換開關導通時，可自較高電位之電池單元擷取較高能量並儲存在一次側繞組上，當切換開關截止時，一次側繞組上的能量耦合至二次側繞組，此時對應連接最低電位的電池單元的二次側繞組上係產生感應電流，對該電池單元進行充電，而使電力逐漸平衡。

本發明利用單一開關配合一變壓器即可對多個串接電池單元達成電位平衡，減少開關及電感等元件的使用數目，故能降低成本及簡化控制電路的複雜度。

請參考圖1所示，為本發明電池組電位平衡電路的第一實施例，係應用於平衡多數個串聯電池單元B1~B4之間的電力，該多數個串聯的電池單元B1~B4係構成一電池組100，以下詳細說明以四個電池單元B1~B4為例說明，每一電池單元B1~B4可為單顆電池或是由數顆電池串聯構成，該電池單元B1~B4利用一個與其串聯的充電電路110進行充電作業。本發明包含有：一反馳式變壓器T1，係具有一個一次側繞組11及多數個二次側繞組12~15，本實施例中二次側繞組12~15的數目係與電池單元B1~B4的數量一致，該一次側繞組11的一端連接到電池組100的一端；各二次側繞組12~15具有獨立的第一接腳及第二接腳，其中各第一接腳係連接一二極體D1~D4的正極，各第二接腳係連接至另一二次側繞組13~15之二極體D2~D4的負端或是接地，各二極體D1~D4的負端連接至對應電池單元B1~B4的正極；一切換開關20，係連接在變壓器T1其一次側繞組11的另端及接地之間，本實施例的切換開關20利用一金氧半(MOS)電晶體構成，其閘極作為一控制端；一控制器30，用以偵測各電池單元B1~B4之電壓V1~V4並連接該切換開關20，控制器30輸出一開關信號V_G 控制該切換開關20導通、截止。

請參考圖2所示，本發明的電路動作原理如下：

1.當各電池單元B1~B4兩端的端電壓V1~V4發生不一致時，該控制器30輸出開關信號V_G 至切換開關20，當開關信號V_G 為高準位時，啟動切換開關20，對整個電池組100抽取能量，故變壓器T1一次側繞組11有電流通過，變壓器T1會從各電池單元B1~B4抽取能量以進行儲能，由於電池單元B1~B4係為串聯，電流相同，故對較高電位者抽取較大能量，對較低電位者抽取較少能量，在一次側繞組11上所測得儲能電壓V_P 的最大值為所有電池B1~B4之電壓總和V1+V2+V3+V4。

2.當控制器30輸出至切換開關20的開關信號V_G 轉為低準位時，切換開關20截止，變壓器T1一次側繞組11及二次側繞組12~15發生極性反轉，一次側繞組11上的能量將耦合到各二次側繞組12~15；假設第二電池單元B2的電壓V2最小，則第二個二次側繞組13之二極體D2會最先導通，由於各二次側繞組12~15的線圈匝數相同。因此，所有二次側繞組12~15上的電壓均會被箝位於V2(忽略二極體順向導通壓降)，此時僅第二個二次側繞組13上有電流I_S2 通過而對該第二電池單元B2進行充電，設在二次側繞組13上的二極體D2係確保電流I_S2 順向進入第二電池單元B2，其它二次側繞組12、14、15的電流為零，因此第二電池單元B2的電壓V2會逐漸上升，而較高電位的電池因能量遞減而進行放電。

3.經過一段的操作時間T後，各電池單元B1~B4的電壓V1~V4將會趨於一致。此時控制器30停止工作，避免電池單元B1~B4電壓持續下降。

4.該控制器30的操作時間T可為一預設的固定值，或是由控制器30偵測各電池單元B1~B4之電壓V1~V4後而決定應持續多長時間。

本實施例僅需使用到單一個切換開關20，並搭配與電池單元B1~B4數目相同的二次側繞組12~15，即可對電池組100進行電位平衡，所需元件相對較少，故成本甚低，並可提高電路之可靠度。

請參考圖3，在本發明的第二實施例中，係改變該變壓器T1二次側繞組的結構，該變壓器T1二次側繞組的數量為電池單元B1~B4數量的半數，各個二次側繞組16、17具有一中央抽頭接腳，故可提供三支輸出接腳。其中，各二次側繞組16、17之第一接腳係透過一順向二極頭連接至電池單元B1、B3，而中央抽頭接腳亦連接其它電池單元B2、B4，而第二接腳係透過一反相二極體連接至下一個二次側繞組的第一接腳或是接地。

此架構的優點在於二次側繞組16、17的數目可減少，且輸出接腳的總數量亦可降低，達到節省材料、降低成本之功效。例如以圖1實施例相較，第一實施例的變壓器T1其二次側輸出接腳有八支，圖3第二實施例的變壓器T1其二次側輸出接腳因中央抽頭設計已降低成為六支。

綜上所述，本發明電池組電位平衡電路可利用單一開關配合一變壓器對多個串接電池單元提供電位平衡，相較於現有作法，可降低開關及電感等元件的使用數目，降低成本及簡化電路的複雜度。

B1~B4．．．電池單元

T1．．．變壓器

11．．．一次側繞組

12、13、14、15、16、17．．．二次側繞組

20．．．切換開關

30．．．控制器

100．．．電池組

110．．．充電電路

41．．．稽納二極體

51~54．．．電阻

55~57．．．開關

58．．．控制器

61．．．電感

圖1：本發明第一實施例之詳細電路圖。

圖2：本發明之電路動作時序圖。

圖3：本發明第二實施例之詳細電路圖。

圖4：採用稽納二極體之習用電池平衡電路。

圖5：採用電阻平衡電路之習用電池平衡電路。

圖6：採用電感之習用電池平衡電路。

圖7：採用電容之習用電池平衡電路。

B1~B4．．．電池單元

T1．．．變壓器

11．．．一次側繞組

12、13、14、15．．．二次側繞組

20．．．切換開關

30．．．控制器

100．．．電池組

110．．．充電電路

Claims (9)

1. 一種電池組電位平衡電路，係應用於平衡多數個串聯的電池單元彼此間的電力，該多數個電池單元係串聯成為一電池組，該電池平衡電路包含：一變壓器，係具有一個一次側繞組及多數個二次側繞組，該一次側繞組的一端連接該電池組的一端，各二次側繞組具有第一接腳及第二接腳，各第一接腳係連接一二極體的正極，各第二接腳係連接至另一個二次側繞組之二極體的負端或是接地，各二極體的負極連接一相對應的電池單元；一切換開關，連接在該變壓器其一次側繞組的另端與接地之間；一控制器，係連接各電池單元及該切換開關，該控制器輸出一開關信號以控制該切換開關交替地啟動、截止，當該切換開關導通時，該變壓器抽取整個電池組的能量，當該切換開關截止時，將能量耦合傳遞至二次側繞組並對電位最低之電池單元充電，以平衡該些電池單元之電力。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池組電位平衡電路，該切換開關為一金氧半電晶體，其閘極為一控制端以接收該控制器之開關信號。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之電池組電位平衡電路，該變壓器為一返馳式變壓器。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電池組電位平衡電路，該變壓器二次側繞組的數量與電池組中之電池單元數量相同。
5. 如申請專利範圍第3項所述之電池組電位平衡電路，各二次側繞組的線圈匝數相同。
6. 一種電池組電位平衡電路，係應用於平衡多數個串聯的電池單元彼此間的電力，該多數個電池單元係串聯成為一電池組，該電池組電位平衡電路包含：一變壓器，係具有一個一次側繞組及多數個二次側繞組，該一次側繞組的一端連接該電池組的一端，各二次側繞組具有一第一接腳、一中央抽頭接腳及第二接腳，各第一接腳係連接一二極體的正極，且各第一接腳及中央抽頭接腳係分別連接一相對應的電池單元；一切換開關，連接在該變壓器其一次側繞組的另端與乇接地之間；一控制器，係連接各電池單元及該切換開關，該控制器輸出一開關信號以控制該切換開關交替地啟動、截止，當該切換開關導通時，該變壓器抽取整個電池組的能量，當該切換開關截止時，將能量耦合傳遞至二次側繞組並對電位最低之電池單元充電，以平衡該些電池單元之電力。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電池組電位平衡電路，該切換開關為一金氧半電晶體，其閘極為一控制端以接收該控制器之開關信號。
8. 如申請專利範圍第6或7項所述之電池組電位平衡電路，該變壓器為一返馳式變壓器。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電池組電位平衡電路，該變壓器二次側繞組的數量為電池單元數量的半數。