TW201407177A - 電池電壓監視及自我校正裝置 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種用於串聯之複數個電池的電池電壓監視及自我校正裝置。該裝置包含一第一電壓量測單元、一第二電壓量測單元、一第一補償單元、一第二補償單元及一計算單元。其可對用以供電給電動設備的電池組中的各個電池之電壓值進行量測，並可在量測過程中進行自我校正。

Description

電池電壓監視及自我校正裝置

本發明關於一種電池電壓監視及自我校正裝置，尤指，一種用於串聯之複數個電池的電池電壓監視及自我校正裝置。本發明能應用於量測電池組內的各個電池的電壓。該電池組可用於電池驅動設備，諸如電動車、電動工具等。

充電電池乃一或多個電化學單元的組合，因為電化學反應式電性可逆的，它被稱作二次電池。在所有充電電池中，鋰電池最為常用。它可被應用於許多電氣產品裡，諸如電動車、電動摩托車、電動工具及玩具等。穩定的電力供應、輕薄短小之外型與可回充性是其所擁有的應用優勢。

鋰電池電量管理需要非常準確的電壓量測電路。不論電動車、電動摩托車、電動工具或玩具，鋰電池的應用需要許多串量的鋰電池。通常來說，一個用於高電壓之類比數位轉換器或數個類比數位轉換器是必要的元件。然而，每一個類比數位轉換器具有與其他類比數位轉換器不同之特性。易言之，每一個類比數位轉換器的量測將會異於其他的類比數位轉換器。類比數位轉換器在量測作業開始前，必須經過校正。如果一個類比數位轉換器能在工作時進行自我校正，這是再好不過的事。此外，類比數位轉換 器的校正成本是非常昂貴的。鋰電池的電量管理仍待改善。

為了克服該缺點，美國專利第7,554,291號揭露了一種充放電供應系統。請參照第1圖。該系統包括數個彼此串聯的電池；數個電池狀態偵測段，該偵測段為各別電池段而安裝，配置以偵測各別對應電池段之充電狀態；一電力控制段，配置以執行該電池段之電力控制；一第一電氣隔離段，該第一電氣隔離段設置於一第一信號路由器，由該電力控制段至其中一電池狀態偵測段，該電池狀態偵測段用於一最高電位電池段；及一第二電氣隔離段設置於一第二信號路由器，由其中一電池狀態偵測段至該電力控制段，該電池狀態偵測段用於一最低電位電池段。

接著，請參閱第2圖。另一前案揭露於美國專利申請案第2006/0132139號。一設備量測一電池電壓同時掃描於一電池群內的電池，其中數個電池彼此串聯。該設備具有一第一轉換裝置與一電壓偵測裝置。該第一轉換裝置與一訊號線串聯，該訊號線載有一電池電壓。該電壓偵測裝置偵測該電池電壓，該電池與訊號線電連接，該訊號線載有屬於電池群的電池之電壓值。當該第一轉換裝置與一連接點(介於兩連續電池群間)電連接時，該第一轉換裝置為該二電池群所共用。

上述前案顯露了某些電池電壓偵測的突破點。然而，它們需要外加元件及積體電路於電壓變換，這會造成額外的成本。同時，自我校正也不可行。雖然校正問題可藉由讓各個電池分別連接到一校正器來解決，但若一電池組包 含多個電池，則所需的校正器數量將不少，如此，整體製造成本將無疑地增加。此外，如果讓單一校正器用於多個電池，則校正器整體電壓需求將會變得非常高，如此一來，製造成本也會明顯增加。因此，目前亟需一種具有自我校正能力且不必依靠大量的校正器，以減少整體生產成本的一電池電壓監視裝置。

本段文字提取和編譯本發明的部分特色；其他特色將被描述於後續段落裏。它的目的是涵蓋包含於其後專利範圍的精神與範圍中，不同的潤飾與相似的安排方式。

根據本發明的一個觀點，一種用於複數個電池的電池電壓監視及自我校正裝置，包含：一第一電壓量測單元，用以量測一第一電池及一第二電池之電壓值；一第二電壓量測單元，用以量測該第二電池及一第三電池之電壓值；一第一補償單元，連接至該第一電壓量測單元，藉由將該第一及第二電池所量測的電壓值乘上一第一補償值來調整該第一及第二電池之電壓值；一第二補償單元，連接至該第二電壓量測單元，藉由將該第二及第三電池所量測的電壓值乘上一第二補償值來調整該第二及第三電池之電壓值；及一計算單元，連接至該第一電壓量測單元、該第二電壓量測單元、該第一補償單元及該第二補償單元，藉由該第一電壓量測單元及該第二電壓量測單元所量測的第二 電池之電壓值來計算出該第一補償值及該第二補償值，使得該第二電池的電壓值在分別經由該第一補償單元及該第二補償單元調整後成為一致，藉以讓每一電池的系統性量測誤差能併入一單一變數以作為自我校正之用。

根據本案構想，該第一、第二及第三電池為依序串聯的。

根據本案構想，該第一補償值設定為1。

根據本案構想，該第二補償值設定為1。

根據本案構想，電池電壓監視及自我校正裝置進一步包含一電壓參考單元，用以提供一標準電壓基準給該計算單元。

根據本案構想，該標準電壓基準是該複數個串聯電池的一實際電壓值或其中一個電池的一實際電壓值。

根據本案構想，該計算單元藉由將該標準電壓基準除以對應調整電壓值以計算出一第三補償值。

根據本案構想，該第一及第二電池的電壓值，藉由將該第一及第二電池量測的電壓值乘上該第一補償值及該第三補償值來作調整，而該第三電池電壓值，藉由將該第三電池量測的電壓值乘上該第二補償值及該第三補償值來作調整，從而達到自我校正的目的。

根據本案構想，電池電壓監視及自我校正裝置進一步包含一第一多工器，用以交互接收該第一電池及該第二電池之電壓值，且將該電壓值依序輸出至該第一電壓量測單元；及一第二多工器，用以交互接收該第二電池及該第三 電池之電壓值，且將該電壓值依序輸出至該第二電壓量測單元。

根據本案構想，由該第一電壓量測單元所量測的該第二電池之電壓值乘上該第一補償值，相等於由該第二電壓量測單元所量測的該第二電池之電壓值乘上該第二補償值。

根據本案構想，該電池為一充電電池。

根據本案構想，該充電電池為一鋰電池。

根據本案構想，該第一電壓量測單元可同時量測多於兩個電池之電壓值。

根據本案構想，該第二電壓量測單元可同時量測多於兩個電池之電壓值。

根據本發明的另一個觀點，一種電池電壓監視及自我校正裝置，包含：至少兩個電壓量測單元，用以量測複數個電池之電壓值，其中至少一個電池是被其中兩個電壓量測單元所量測；至少兩個補償單元，各與一個電壓量測單元連接，藉由將該電池所量測的電壓值乘上一第一補償值來調整該電池之電壓值；一計算單元，連接至該電壓量測單元及該補償單元，藉由該兩個電壓量測單元所量測的電池之電壓值來計算出該第一補償值，使得該電池的電壓值在分別經由該兩個補償單元調整後成為一致，藉以讓每一電池的系統性量測誤差能併入一單一變數以作為自我校正之用。

根據本案構想，電池電壓監視及自我校正裝置進一步 包含一電壓參考單元，用以提供一標準電壓基準給該計算單元。

根據本案構想，該標準電壓基準是該複數個串聯電池的一實際電壓值或其中一個電池的一實際電壓值。

根據本案構想，該計算單元藉由將該標準電壓基準除以對應調整電壓值以計算出一第二補償值。

根據本案構想，該電池的電壓值，藉由將該電池量測的電壓值乘上該第一補償值及該第二補償值來作調整，從而達到自我校正的目的。

根據本案構想，電池電壓監視及自我校正裝置進一步包含至少一多工器，以交互接收電池的電壓值且將該電壓值輸出至該電壓量測單元。

本發明將參照下述實施例而更明確地描述。請注意本發明的實施例的以下描述，僅止於描述用途；這不意味為本發明已詳盡的描述或限制於該揭露之形式。

為了對本發明有較佳的理解，將以兩個實施例來做詳細描述。

第一實施例

請參閱第3圖，其繪示一第一實施例。其顯示一電池電壓監視裝置10之佈局設計。該電池電壓監視裝置10能 自我校正且應用於數個串聯的電池。在本實施例中，該電池電壓監視裝置10與一電池組20連接，該電池組20具有如第3圖所示，依序串聯的一第一電池201、一第二電池202及一第三電池203。以上提及之所有電池皆為充電電池。較佳地，實務上其為鋰電池。

該電池電壓監視裝置10包括一第一多工器111、一第一電壓量測單元112、一第一補償單元113、一第二多工器121、一第二電壓量測單元122、一第二補償單元123及一計算單元150。

首先，該第一多工器111交替地接收該第一電池201與第二電池202之電壓，且依序將該電壓輸出至第一電壓量測單元112。同時，該第二多工器121交替地接收該第二電池202與第三電池203之電壓，且依序將該電壓輸出至第二電壓量測單元122。

在該第一電壓量測單元112經由通道VSS_1.1、VCC_1.1、VSS_1.2與VCC_1.2接收來自第一多工器111之電壓後，第一電壓量測單元112將量測該第一電池201與第二電池202的電壓值。第一電池201之量測的電壓值為V_{1_1}而第二電池202之量測的電壓值為V_{2_1}。相同地，在第二電壓量測單元122經由通道VSS_2.1、VCC_2.1、VSS_2.2與VCC_2.2接收來自第二多工器121之電壓後，第二電壓量測單元122將量測該第二電池202與第三電池203的電壓值。該第二電池202量測的電壓值為V_{2_2}而第三電池203量測的電壓值為V_{3_2}。

在第一多工器111、第一電壓量測單元112、第二多工器121或第二電壓量測單元122運作時，可能會造成一系統量測誤差。傳統上，這樣的問題可以藉由一校正器來解決。然而，對於含有多個電池的一電池組而言，需要多個校正器；若每一個校正器對應於一個電池，這樣無疑地增加了整體的製造成本。因此，本發明的主要特點為提供一電池電壓監視裝置，該裝置具有自我校正能力，無須依賴多個校正器，從而減少整體的製造成本。

為了達到此一目的，該第一補償單元113與第二補償單元123，藉由提供電壓增益，來調整電池201、202與203的電壓值。

該第一補償單元113連接至該第一電壓量測單元112用以調整該第一電池201與第二電池202的電壓值。其藉由將第一電池201與第二電池202量測的電壓值乘上一第一補償值C₁來作調整。第一電池201的電壓值由V_{1_1}調整至V_{1_1A}，V_{1_1A}等同於V_{1_1}×C₁。第二電池的電壓值201由V_{2_1}調整至V_{2_1A}，V_{2_1A}等同於V_{2_1}×C₁。

同樣地，第二補償單元123連接至該第二電壓量測單元122，用以調整第二電池202與第三電池203電壓值。其藉由將第二電池202與第三電池203量測的電壓值乘上一第二補償值C₂來作調整。第二電池202的電壓值由V_{2_2}調整至V_{2_2A}，V_{2_2A}等同於V_{2_2}×C₂。第三電池203的電壓值由V_{3_2}調整至V_{3_2A}，V_{3_2A}等同於V_{3_2}×C₂。

計算單元150與該第一電壓量測單元112、第二電壓 量測單元122、第一補償單元113與第二補償單元123連接。計算單元150藉由第一電壓量測單元112與第二電壓量測單元122所量測的第二電池202之電壓值(V_{2_1}與V_{2_2})來計算出第一補償值C₁與第二補償值C₂，這樣一來，第二電池202的電壓值在分別經由第一補償單元113與第二補償單元123調整後成為一致。即，調整後第二電池的電壓值V_{2_1A}與V_{2_2A}將會一致。換句話說，第一補償值C₁乘以第一電壓量測單元112量測的第二電池202之電壓值(V_{2_1})，將等同於第二補償值C₂乘以第二電壓量測單元122量測的第二電池202的電壓值(V_{2_2})。接著，選擇將第一補償值C₁或第二補償值C₂設定為1。在本實施例中，第一補償值C₁設定為1，故C₂=V_{2_1}÷V_{2_2}。在其他情況下，亦可取而代之將第二補償值C₂設定為1。

為了得到準確之電池201、202與203的電壓值，電池電壓監視裝置10進一步包括一電壓參考單元140，用來提供一標準電壓基準V_R給計算單元150。

該標準電壓基準V_R為該串聯電池201、202與203的一實際電壓或電池201、202與203其中之一的實際電壓。舉例而言，如果該標準電壓基準V_R為第一電池201的實際電壓，那麼計算單元150將藉由將標準電壓基準V_R除以對應調整後的第一電池201之電壓值，以計算出一第三補償值C₃。該第一電池201之電壓值為V_{1_1A}。意即，C₃=V_R÷(V_{1_1}×C₁)，且既然C₁設定為1，C₃=V_R÷V_{1_1}。在C₃計算出來後，電池201、202與203的電壓值將可藉 由第一補償單元113與第二補償單元123精確地作調整，進而達到自我校正的目的。詳言之，第一電池201與第二電池202調整後的電壓值為第一電池201與第二電池202量測的電壓值(V_{1_1}與V_{2_1})乘上第一補償值C₁及第三補償值C₃，而第三電池203調整後的電壓值為第三電池203量測的電壓(V_{3_2})乘上第二補償值C₂與第三補償值C₃。

雖然在本實施例中，電壓參考單元140是包含於電池電壓監視裝置10中以提供一標準電壓基準V_R給該計算單元150，但亦可使用一外來電壓參考單元來提供該標準電壓基準。

本發明的主要觀念是讓第一電壓量測單元112與第二電壓量測單元122量測相同的電池，無論此電池是否置於其他兩個電池間。因此，第一電池201、第二電池202及第三電池203不限於如第3圖般的依序串聯。換言之，即使第二電池202重覆被第一電壓量測單元112與第二電壓量測單元122量測，第一電池201仍可被置於第二電池202與第三電池203中間。意即，雖然第一電池201、第二電池202與第三電池203在本實施例中是依序串聯，其不限於此配置順序。

傳統上，如果單一校正器用來校正多個電池，校正器需要的整體電壓會變得非常高，這樣一來，製造成本也將顯著地增加。在本實施例中，每一電壓量測單元只需量測兩個電池，如此，每一電壓量測單元電壓的需求就會低；從而降低製造成本。應當理解電壓量測單元並不限於同時 只量測兩個電池，依照本發明，兩個以上的電池亦可同時被量測。舉例而言，當第一電壓量測單元112同時負責量測四個電池時，則第二電壓量測單元122將負責量測該四個被第一電壓量測單元112所量測的電池其中之一與其他三個不被第一電壓量測單元112所量測的電池。

藉由本發明，每一電池的系統性量測誤差能被併入一單一變數中，也因此，只需要藉由一個標準電壓基準來作為校正。此外，當電池數量增加時，可藉由將多個電壓量測單元堆疊在一起，來達到校正的目的，而無需增加電壓參考單元或校正器的數量。

第二實施例

本發明並不限於量測僅具三個電池的電池組。其亦可用於包含多於三個電池的電池組。本實施例將以一個具有四個電池的電池組為例。

請參閱第4圖。第二實施例揭露於此。與前例相較，相同功能的元件將使用相同的元件符號，且重複的描述將不再贅述。

第一實施例與第二實施例的差別在於電池組20進一步包含一第四電池204，且電池電壓監視裝置10在第二實施例裏進一步包含一第三多工器131、一第三電壓量測單元132與一第三補償單元133。

第三多工器131並聯連接於該第三電池203與第四電池204，且交替地接收第三電池203第四電池204的電壓 值，並依序將電壓值輸出至第三電壓量測單元132。

在第三電壓量測單元132經由通道VSS_3.1，VCC_3.1，VSS_3.2及VCC_3.2接收來自第三多工器131的電壓後，該第三電壓量測單元132將量測第三電池203與第四電池204的電壓值。第三電池203所量測的電壓值為V_{3_3}而第四電池204所量測的電壓值為V_{4_3}。

如同第一實施例中的電池電壓監視裝置10，第三多工器131與第三電壓量測單元132運作時可能會產生一系統量測誤差。

為了克服此問題，第三補償單元133藉由提供電壓增益來調整電池203與204的電壓值。

第三補償單元133連接至該第三電壓量測單元132，用以調整該第三電池203與第四電池204的電壓值。調整後的電壓值為第三電池203與第四電池204所量測的電壓值乘上一第四補償值C₄。意即，第三電池203的電壓值由V_{3_3}調整至V_{3_3A}，V_{3_3A}等同於V_{3_3}×C₄。第四電池204的電壓值由V_{4_3}調整至V_{4_3A}，V_{4_3A}等同於V_{4_3}×C₄。

在本實施例中，計算單元150連接至該第一電壓量測單元112、第二電壓量測單元122、第三電壓量測單元132、第一補償單元113、第二補償單元123及第三補償單元133。計算單元150不僅被用來計算該第一補償值C₁、第二補償值C₂與第三補償值C₃，其更藉由第二電壓量測單元122與第三電壓量測單元132所量測之第三電池203的電壓值(V_{3_2}與V_{3_3})，來計算第四補償值C₄。換言之，第 三電池203的電壓值在經由第二補償單元123與第三補償單元133的調整後，兩者將會一致。意即，調整後的第三電池203電壓值V_{3_2A}與V_{3_3A}會一樣。意即，第二補償值C₂乘以第二電壓量測單元122所量測的第三電池203的電壓值(V_{3_2})，將等於第四補償值C₄乘以第三電壓量測單元132所量測的第三電池203的電壓值(V_{3_3})。其次，選擇C₁、C₂或C₃為1。在本實施例中，C₁被選為1，所以C₂=V_{2_1}÷V_{2_2}且C₄藉由以下算式而計算出：V_{3_3}×C₄=V_{3_2}×C₂=V_{3_2}×(V_{2_1}÷V_{2_2})

C₄=[V_{3_2}×(V_{2_1}÷V_{2_2})]÷V_{3_3}

如同在第一實施例所提及，為了獲得精確的電池電壓值，電池電壓監視裝置10進一步包括一電壓參考單元140，用以提供一標準電壓基準V_R給該計算單元150。如果該標準電壓基準V_R為第一電池201之一實際電壓，那麼藉由將標準電壓基準V_R除以對應之調整後的第一電池201電壓值，計算單元150將計算一第三補償值C₃，該第一電池201為V_{1_1A}。意即，C₃=V_R÷(V_{1_1}×C₁)，且因為C₁設定為1，C₃=V_R÷V_{1_1}。在C₃計算出後，電池201、202及203的電壓值能如第一實施例中所言，被精確地調整，且電池204的電壓值可藉由將第四電池204量測的電壓值(V_{4_3})乘上第三補償值C₃與第四補償值C₄，而被精確地調整，從而自我校正能夠達成。

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，任何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，當可作些許之更動與潤飾，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‧‧‧電池電壓監視裝置

111‧‧‧第一多工器

112‧‧‧第一電壓量測單元

113‧‧‧第一補償單元

121‧‧‧第二多工器

122‧‧‧第二電壓量測單元

123‧‧‧第二補償單元

131‧‧‧第三多工器

132‧‧‧第三電壓量測單元

133‧‧‧第三補償單元

140‧‧‧電壓參考單元

150‧‧‧計算單元

20‧‧‧電池組

201‧‧‧第一電池

202‧‧‧第二電池

203‧‧‧第三電池

204‧‧‧第四電池

第1圖顯示一習知的充放電供應系統。

第2圖顯示一習知的量測電池電壓設備。

第3圖繪示本發明之一第一實施例。

第4圖繪示本發明之一第二實施例。

10‧‧‧電池電壓監視裝置

111‧‧‧第一多工器

112‧‧‧第一電壓量測單元

113‧‧‧第一補償單元

121‧‧‧第二多工器

122‧‧‧第二電壓量測單元

123‧‧‧第二補償單元

140‧‧‧電壓參考單元

150‧‧‧計算單元

20‧‧‧電池組

201‧‧‧第一電池

202‧‧‧第二電池

203‧‧‧第三電池

Claims (15)

1. 一種用於複數個電池的電池電壓監視及自我校正裝置，包含：一第一電壓量測單元，用以量測一第一電池及一第二電池之電壓值；一第二電壓量測單元，用以量測該第二電池及一第三電池之電壓值；一第一補償單元，連接至該第一電壓量測單元，藉由將該第一及第二電池所量測的電壓值乘上一第一補償值來調整該第一及第二電池之電壓值；一第二補償單元，連接至該第二電壓量測單元，藉由將該第二及第三電池所量測的電壓值乘上一第二補償值來調整該第二及第三電池之電壓值；及一計算單元，連接至該第一電壓量測單元、該第二電壓量測單元、該第一補償單元及該第二補償單元，藉由該第一電壓量測單元及該第二電壓量測單元所量測的第二電池之電壓值來計算出該第一補償值及該第二補償值，使得該第二電池的電壓值在分別經由該第一補償單元及該第二補償單元調整後成為一致，藉以讓每一電池的系統性量測誤差能併入一單一變數以作為自我校正之用。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池電壓監視及自我校正裝置，其中該第一、第二及第三電池為依序串聯的。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電池電壓監視及自我 校正裝置，其中設定該第一補償值或該第二補償值為1。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電池電壓監視及自我校正裝置，進一步包含一電壓參考單元，用以提供一標準電壓基準給該計算單元，其中該標準電壓基準是該複數個串聯電池的一實際電壓值或其中一個電池的一實際電壓值。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電池電壓監視及自我校正裝置，其中該計算單元藉由將該標準電壓基準除以對應調整電壓值以計算出一第三補償值。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電池電壓監視及自我校正裝置，其中該第一及第二電池的電壓值，藉由將該第一及第二電池量測的電壓值乘上該第一補償值及該第三補償值來作調整，而該第三電池電壓值，藉由將該第三電池量測的電壓值乘上該第二補償值及該第三補償值來作調整，從而達到自我校正的目的。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電池電壓監視及自我校正裝置，進一步包含一第一多工器，用以交互接收該第一電池及該第二電池之電壓值，且將該電壓值依序輸出至該第一電壓量測單元；及一第二多工器，用以交互接收該第二電池及該第三電池之電壓值，且將該電壓值依序輸出至該第二電壓量測單元。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電池電壓監視及自我校正裝置，其中由該第一電壓量測單元所量測的該第二電池之電壓值乘上該第一補償值，相等於由該第二電壓 量測單元所量測的該第二電池之電壓值乘上該第二補償值。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電池電壓監視及自我校正裝置，其中該電池為一充電電池及/或一鋰電池。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電池電壓監視及自我校正裝置，其中該第一電壓量測單元及/或該第二電壓量測單元可同時量測多於兩個電池之電壓值。
11. 一種電池電壓監視及自我校正裝置，包含：至少兩個電壓量測單元，用以量測複數個電池之電壓值，其中至少一個電池是被其中兩個電壓量測單元所量測；至少兩個補償單元，各與一個電壓量測單元連接，藉由將該電池所量測的電壓值乘上一第一補償值來調整該電池之電壓值；一計算單元，連接至該電壓量測單元及該補償單元，藉由該兩個電壓量測單元所量測的電池之電壓值來計算出該第一補償值，使得該電池的電壓值在分別經由該兩個補償單元調整後成為一致，藉以讓每一電池的系統性量測誤差能併入一單一變數以作為自我校正之用。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電池電壓監視及自我校正裝置，進一步包含一電壓參考單元，用以提供一標準電壓基準給該計算單元，其中該標準電壓基準是該複數個串聯電池的一實際電壓值或其中一個電池的一實際電壓值。
13. 如申請專利範圍第12項所述之電池電壓監視及自我校正裝置，其中該計算單元藉由將該標準電壓基準除以對應調整電壓值以計算出一第二補償值。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電池電壓監視及自我校正裝置，其中該電池的電壓值，藉由將該電池量測的電壓值乘上該第一補償值及該第二補償值來作調整，從而達到自我校正的目的。
15. 如申請專利範圍第11項所述之電池電壓監視及自我校正裝置，進一步包含至少一多工器，以交互接收電池的電壓值且將該電壓值輸出至該電壓量測單元。