TWI305442B - System for controlling voltage balancing in a plurality of litium-ion cell battery packs and method thereof - Google Patents

Description

1305442 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種雷 之電池組中讀取電池 …、…’、、、可在多個電池 充電或放電。丄壓，且比較讀到的電壓以將電池 电尤扣種電池平衡系統及方法，i 時間點讀取電池组中所古 ，、了在同一 π电见、·且T所有電池之電壓，以 時間差的關係所產生讀取的誤差。 壓因

10 15 _ 【先前技術】 -’又來說，！池電量供應源係電子 應給相關之雷早驻罢二由 八將電源供 雷、、也… 於供應源的是—多顆電池之 ,、、a於使用的^:電池組，而非單—電池的關係，可 '用於冋电壓上’或增加容量上。然而，因電池本身具有 =放電之特性，每顆電池之電壓會隨著時間改變而變得不 平衡。 ,_電池組中電池間之電壓差可能會產生電池間之不平 衡，因而耗損電池組之容量。關於此，已有許多電池平衡 系統及方法以平衡每顆電池，避免所有電池過度充電，且 平均充電。 舉例來說’有一種允許電流流過電池組中高電壓電池 之方法’其係透過一電阻及類似元件’以調整電池平衡。 雖然此方法滿簡單，但其有一缺點，即如果不平衡之高電 塵電池增加時，會增加放電電流且會產生熱。除此之外， 此方法之另一缺點係調整電池組中最低電壓之電池平衡。 5 .1305442 電池外’有—種允許充電電流流過電池組中低電壓 哭, 千旗^此方法使用一種直流與直流轉換 °°，:為效率—般來說都报高，且產生的熱能很少。 : 此方法亦有一缺點，即如果低電壓之電池數量 ::日’’整個電池組之電池電壓會比其原始之最低電壓還 關係更電壓時’因讀取時間差異的 n M 、 會產生很大的差異。由於讀取電壓 10 15 20 B 二，電池平衡系統會決定電池是不平衡的。 依據每顆電池雷壓靖孢 电貝取之時間，這裡將會描述電壓值 之差’請參考圖1及圖2。 圖1係先前技術之—示意圖，該圖顯示在—輯子電、、也 1使用一線路選擇褒置來調整電壓平衡之裝置，而圖2係先 剷技術之一時序圖，马:固私I ’、 時間。 51該圖私繪在輯子電池中之電壓讀取 穿置二考人^!錢前的電池平衡調整裝置中，當透過負載 裝置載入電心，電池之端電壓會隨著載入電流之變化而 改變貞載裝置5之負載會隨著時間改變。因此，當讀取到 電池之端電壓’且將其透過線路選擇裝置1在中央處理器3 中峰時’即使所有電池之電壓實際上是平衡的，仍會分 別讀取每顆電池之诚雷厭# ^ 電昼值。所以，中央處理器3會決定每 顆電池疋不平衡’然後輸出一平衡控制信號以控制一平衡 電流控制區4。 ' 考圖田在電池平衡系統中，透過線路電壓選擇裝 6 1305442 =讀取電池端電料，如果負載電流在電池（Ευ、 、:B4)中沒有改變，則會發現電池 因此，Φ也♦ ϊ田3? q A 1 屯尖小/又有變化。 ”載雷C 池端之電壓是平衡的。然而，

田負载電k改受時’電池端電壓亦會變化。因A 電流即時改變時，中央處理器3會決 田 心'也之端電壓是變得 Π衡，因為電壓讀取差異起因於隨著時間改變之 之端=，=處理器3使用電路選擇褒置1讀取電池 10 15 20 之而，由於選擇電池端的時間不同 電壓可能會不同。 ']的電池知 李统中因：：：要一種電池平衡系統或方法，其能夠在電池 且增加電壓平衡之準確性 ^地執行键平衡’ 7先前㈣’電池平衡系統會有各種限制狀況。舉 〜、有在系統本身沒有運作時才可進行電壓平衡。 平衡運作變得複雜，會消耗不 '、要的時間’且會降低電壓平衡之準確性。 【發明内容】 因此，本發明已解決先前技術所會發生的問題。本發 要目的係在一段保留時間内維持相同的電壓，在鐘 離子電池中讀取電池端電壓 电哩1從而減少因時間改變下，端 電壓之變化，而使 1 “ 1史侍冤池電壓產生讀取誤差的情況。因此， 可改善電池平衡之準確性。 7 1305442 ' 本發明之另一目的係透過電池平衡系統中之通訊裝置 以接收另—電池組之電壓資料，該平衡系統包括複數個電 池組’以便調整電池組之電壓平衡，或是接收電壓平衡之 目標值，以便調整電壓平衡。 5 為達成上述目的，本案係提供-種電池平衡調整系 用以在多顆鋰離子電池之電池組中調整電池之電壓平 衡，且具有—系統控制器，此系統包括有一多顆電池之電 ^ 池組，其包括一主要模組及一從屬模組；一顆中央處理器， 」於系、、先拴制器中，為在主要模組及從屬模組中之每顆 10電，輸出同步信號；一第一垂直介面，用以傳送自中央處 理器輸出至主要模組之同步信號；以及一第二垂直介面， 用乂透過第垂直介面將同步信號傳送至從屬模組。 依據本發明之實施例，同步信號可包括一同步主要模 組之電池之信號，以及—同步主要模組及從屬模組之信號。、 15 除此之外，同步信號可包括一同步複數個多顆電池之 電池組區間之信號。 依據本發明之一較佳實施例，中央處理器可輸出一讀 取保持彳3说（reading hGld signal)，以維持在多顆電池之 電池組中電池之即時電壓，以及一讀取平衡信號（咖一 20 balance S1gnal)，以執行所有電池電壓之讀取及平衡。 人依據本發明之一較佳實施例，垂直介面可包括—光藕 合器（photo COUpler)，用以平行傳送同步信號。 依據本發明之另一方面，係在提供一種電池平衡系 統，其包括複數個多顆電池之電池組，其包括一第一中央 8 1305442 處理器，用以在主要模組及從屬模組中讀取端電壓；一系 統控制器’用以從多顆電池之電池組中收集、運算及控制 相關貢料；—第二中央處理器，係安裝於系統控制器中， =在多顆電池之電池組中接收所有電池之資料，以提供 :個，且所需要之平衡目標值；以及一直流與直流轉換 益、依據目標值’用以控制每顆電池之電流方向以 電壓平衡。 • ，本發明之一較佳實施例，第二中央處理器可能會 比較平衡目標值及每顆電池之電壓，並控制直流與直流轉 1〇換器之電流方向，使得當電池之電壓低於平衡目標值時， 會有—平衡電流流向電池中充電的方向。 依據本發明之一較佳實施例，第二中央處理器可合比 較平衡目標值及每顆電池之電壓，並控制直流與直流_ 器之電流方向’使得當電池之電壓高於平衡目標值時，會 15 有一平衡電流流向電池中放電的方向。 依據本發明之一較佳實施例，資料可包括一最大 壓’一最小電壓及其平均值。 依據本發明之-較佳實施例，第二中央處理器可輸出 一同步信號以同步多顆電池之電池組。 Z0 依據本發明之一較佳實施例，平衡系統更包括—多顆 電池之電池組間之垂直介面，並傳送同步脈衝。 依據本發明，在鋰離子電池中於同一時間點讀取電池 之端電壓，因此可改善電壓平衡之準確性。 【實施方式】 9 1305442 在此將描述本發明之實施例，請參考隨附之圖示。在 如下的描述中，若已知之功能及架構會模糊本發明之主題 的话，會將其省略。

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20 、圖3係本發明實施例之一系統方塊圖，該系統用以執行 複數個多顆電池之電池組2、7、8、9之電池電壓平衡。 該系統包括複數個多顆電池之電池組2、7、8、9，以 及—系統控制器1。 系統控制器1包括一中央處理器1 _丨，從複數個多顆電 池之電池组2、7、8、9及系統内部感應器丨_4、u、113 么中收集並運算每個電池組之相關資料，因而控制整個系 統。除此之外，系統控制器1使用複數個多顆電池之電池組 以傳送資料或控制信號給一裝置。 多顆電池之電池組2之電池輸出端（4s+4SMf、_聯在— 夕/顆電池之電池組之最高輸出端（TB+)及最低輸出端 (TB_)係用以當作是系統之電力輸出端。 。除此之外，多顆電池之電池組之輸出端（TB-)會通過一 j 4 /偵測羞置1 _4及一緊急截取裝置丨_8。提供電流偵測裝置 系在電池中偵測電流，而電阻或霍爾裝置係 讀取裝置。 多顆電池之電池組2包括一中央處理器2_丨，一直流與 轉換器2-2，-輔助開關2-3，-主要模組3 ,以及一從 事實上，主要模組3及從屬模組5具有相同的結構。 要楔組3包括四顆電池4S ’ 一保護電路31，以及一 10 1305442 平衡控制電路4。從屬模組5包括四顆電池佔，一保護電路 5-1 ’以及—平衡控制電路6。平衡控制電路後6具有將每 顆電池之端電壓轉換至接地電位之功能，使得中央處理哭 . 2-1可讀取端電壓。 、咚為 . 纟要模組3及從屬模組5之平衡控制電路4及6係分別建 構的，如此，它們可以透過垂直介面6_1(vif)來傳送/接收 k號。除此之外，主要模組3之平衡控制電路4中之—垂直 •，面4·1可以使用其下之多顆電池之電池組7以傳送/接收信 琥。信號包括一同步多顆電池之電池組2之信號，及—同步 1〇多顆電池之電池組2與多顆電池之電池組7、8' 9兩者區^ 《信號。這些信號透過垂直介面在所有多顆電池之電池二 2、7、8、9間互相傳送/接收，進而同步所有的電池組。 在此將參考上述之結構來描述電池平衡之運作。 依據本發明實施例之電池平衡系統中，多顆電池之+ 15池，之中央處理器Μ會讀取主要模組3及從屬模組5“ ㉟電池之端電壓。讀取’到的電壓資料會透過局部通訊介面 2 4傳送至系統控制器1之中央處理器卜1。 •平衡控制電路4具一交替開關，讓平衡電流可流經每顆 %池。交替開關係由中央處理器2]來控制。 直流與直流轉換器2-2之輸入係多顆電池之電池組之 i ( Β+，ΤΒ-)。除此之外，直流與直流轉換器2_2控制輔 開關2-3及平衡控制電路4，讓平衡電流能流經每顆電池。 系統控制器1之中央處理器^丨會接收最大電壓、最小 壓及其平均，以及電池組中所有電池之類似資料，並提 11 1305442 供每個電池組所需之平衡目標值。 依據平衡目標值，每個多顆電池之電池組會控制電 流，然後調整其平衡。除此之外，中央處理器^會比較^ 衡目標值及每顆電池之電壓，並且控制直流與直流轉Μ $電流方向，使得如果電池電堡比平衡目標值低時，平衡 ::曰广向充電方向。相反地，如果電池電壓比平衡目標 值南時」中央處理器會控制直流與直流轉換器之電流方 向，使得電流流向電池中之放電方向。

像這樣，因為平衡目標值不斷地更新，整 調整平衡。 從J

，除此之外’依據本發明之實施例，其會同時讀取所有 電1ί。因此’ ^央處理器Η會輸出一同步脈衝RB =取及平衡脈衝），以及一同步脈衝紐（讀取保持脈 衝）。 15 20 在此，將參考圖4來描述中央處理器w所輪出之同 脈衝(RB, RH)。 依據本發明之實施例，圖4顯示系統控制以之 理器1-1會輪出同步脈衝以在同一時間點讀取電池之端 壓。 ^ 當中央處理川輸出讀取保持脈衝_ 二=有夕顆電池之電池組中電池之即時電壓會保持固 有電池可以藉由讀取平衡脈衝_在同—時間點 S買取及平衡電池電壓。 像這樣，本發明之電壓平衡系統會透過主要模組3之垂 12 1305442 直介面4-1，以傳送其同步脈衝給從屬模紐5之垂直介面。 除此之外，透過多顆電池之電池組9之主要模組中之垂 直介面可連續傳送同步脈衝至多顆電池之電池組2之垂直 介面6-1。因此，具複數個多顆電池之電池組之系統亦可在 5同一時間點讀取每個電池組中所有電池之端電壓。 在上述實施例中，兩個同步脈衝（RB，RH)係用以同步電 池平衡系統。然而，電池平衡系統可只用一同步脈衝來做 1¾步。除此之外’雖然係使用垂直介面來連續傳送同步信 ’號，亦可使用光耦合器來平行傳送。 10 在此，將參考圖5來特別描述多顆電池之電池組。 參考圖5,主要模組3之平衡控制電路4之電池交替開關 包括一電流開關4_5及一電壓開關4_4。 由於電流開關4-5能使平衡電流流動，故使用一具有高 電流容量之開關裝置。由於電壓開關4_4能讀取電池之端電 15 壓’故其電流容量不會太大。 除此之外，由於電壓開關4_4具有保持功能，其可以在 ! 同一時間點測量電壓。 &制區4-3會控制電池位址或控制使其保持固定。電 池位址會從中央處理器Μ接收位址時脈（AdrClk)脈衝，並 20選擇其中—顆電池（m、B2、B3、B4)。 、k j面4_2，位址時脈（A(lrcik)脈衝會在中央處理器 之仏號位準被轉換成平衡控制電路之信號位準。透過介面 4 2亦可讓平衡保持脈衝(BH)在中央處理器之信號位準被 轉換成平衡控制電路之信號位準。提供平衡保持脈衝$ 13 1305442 平衡期間讀取電池啻网、 同步所有多顆電池=、也Γ人讀取保持脈衝_係從外部 沒有與其他多顆電、='然而，平衡保持脈衝_並 、丹他夕顆電池之電池組同步，而是 將其輸出’以便在個別時間點讀取電壓。、。- 運作=讀Γ衡脈衝_輸人至多顆電池之電池組時， 運：峨：讀取模式，電流開關是關著的，而且電池 、·^平衡脈衝(RH)輸人至電池組時，電 :也電壓在冷凝器中保持固定。然後，一旦輸出位址時脈 (AdrClk)時，電池（B2)就定址了。 除此之外，電壓開關4_4並沒有直接連結至電池 (B1〜B4)，而是連結至冷凝器，以保持電池⑻⑽)之電壓。 電流開關4-5係直接連結至電池⑻、B2、…）。電流開 關4-5在讀取平衡模式時是關著的。如果平衡位址改變= 略了電池(B4)，則主要模組之開關是關著的，且從屬模： 之開關是開著的。 像這樣，當電池從（B1)連續轉移至（B4)，則會重新回 到電池（B1)。從電池（B1)至（B4)之電壓係由此方式讀取。藉 由重複讀取電池（B1)至（B4)之電壓，可以增加電池平衡之^ 確性。 由於保持電壓已被讀取，電壓開關4_4之每顆電池電壓 固定接地。因此，主要模缸3之電壓可直接由中央處理器讀 取，但是從屬模組5之電壓係透過運算放大器2_1〇以連結至 接地電位，這是因為其需要將從屬模組5之電壓轉移至接地 電壓的關係。 1305442 當從讀取平衡模式轉換成平衡模式時，電流開關4_5是 開著的。而且在平衡模式中，會重複地連續測量自電池（B i) 至電池（B4)電壓。 當需要能夠讓電流流經其中一顆電池時，中央處理器 5 2-1會輸出一開/關控制信號以產生平衡電流。 雖然平衡電流之開/關係由辅助開關2_3之功能來加以 描述，其亦可由直流與直流轉換器2_2或電流開關4巧及6_5 來執行。 由於主要模組及從屬模組之接地電位不同，電流開關 1〇不能直接連結。因此，使用輔助開關2-3。在藉由控制器4_3 之控制信號對電池定址（從扪至]^)案例中，輔助開關2_3會 打開主要模組3之開關，而在其對電池定址（從奶至則）案例 中’會打開從屬模組5之開關。 最後，透過垂直介面4-卜將讀取保持脈衝（RH)及讀取 15平衡脈衝（RB)從主要模組3傳送至從屬模組5。因此，有可 能在同一時間點讀取電池（B1〜B8)之電壓，而且避免因為 間差異的關係所產生之電壓讀取錯誤。 '、 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發 主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非 20 於上述實施例。 又 【圖式簡單說明】 圖1係先前技術之一裝置示意圖。 圖2係先前技術之一時序圖。 15

Claims (1)

1305442 十、申請專利範圍： 1 ·種具有系統控制器且在多個鋰離子電池之池 組中調整電池電壓平衡之系統，包括： -多顆電池之電池組’包括一主要模組及—從屬模組; -中央處理器，位於該系統控制器中，其輸出在該主 要模組及該從屬模組中每顆電池之一同步信號；

第一垂直介面’用以傳送自該中央處理器輸 主要模組之該同步信號；以及 10 一第二垂直介面，用以透過該第一 心5虎傳送至該從屬模組。 垂直介面將該同步 、|4〜尔现，具中，該同步 信號包括有一同步該主要模組之電池之信號及—同步該： 要模組及該從屬模組之信號。 / 15 20 士。3.如申請專利範圍第丨項所述之系統，其中，該 信號包括有-同步複數個多顆電池之電池組區間之：號f 4. 如申請專利範圍第1JL3項中任一項所述之系^，其 t ’該中央處理器輸出一讀取保持信號，以維持在多雷 池之電池組中電池之即時電壓，以及一讀取平 執行所有電池電壓之讀取及平衡。 、》』，以 5. 如申請專利範圍第丨項所述之系統，其中，該 介面包括有一光藕合器，帛以平行傳送同步信號。“ + 6. —種電池平衡系統，包括： 複數個多顆電池之電池組，包括—第—中央處理器， 乂在主要模組及從屬模組中讀取電池端電壓； 17 1305442 一系統控制器’用以從多顆電池之電池組中收隼、運 算相關資料； f收茱、運 5 15 20 …第：中央處理器’安裝於系統控制器中，用以在多 顆電池之電池組中接收所有電池之資料，以提 ^ 組所需要之平衡目標值；以及 八 電池 「直流與直流轉換器，其依據該目標值，用以 顆電池之電流方向以調整電壓平衡。 工 7·如申請專利範圍第6項所述之系統，其中，二 比較平衡目標值及每顆電池之電壓，』且： 制H遍器之電流方向’使得如果 ； 衡目標值低時，平衡電流會流向充電方向。 έ匕千 8.如申請專利範圍第6項所述之系統 中央處理器會比較平衡目庐福κ — ’、 以昂一 糾古母顆電池之電壓，並且控 制直流與直流轉換器之電流方 i I且控 衡曰极庶·* ± 使件如果電池電壓比平 衡目私值咼4，電流會流向放電方向。 9·如申請專利範圍第6項所 包括-最大電厂堅，一最小電壓及其平之:：。’其中，該資料 …0.如申請專利範圍第6項所述之系 中央二理器會輸出一同步信號以同步多顆電池之電二- 11. 如申請專利範圍第6或1〇 括有-垂直介面，用以在多顆電2 其中更包 衝。 户顆電池之電池組間傳送同步脈 12. —種在多顆鋰離子電池之 平衡之方法，包括： 电池、，且中调整電池電壓 18 1305442 輸出多顆電池之電池組模組令主要模組之電池之 信號透過第一垂直介面至主要模組；以及 ^ 傳4從第一垂直介面傳送過來之同步信號透過第二 直介面至多顆電池之電池組中之從屬模組。 一y 13·如申請專利範圍第12項所述之方法，其_， 信號包括一同步主要g έ V _ 玄犋，，且之電池之信號，以及一同步主l 模組及從屬模組之信號。 ^王要 • °申請專利範圍第12項所述之方法，其中 信號包括-同步複數個多顆電池之電池組之信號。— 法，Γ中如，申二=第12至14項中任 顆電、、也之電：：：/ —讀取保持信號，以維持在多 顆電池之電池組中電池之即時電壓，以及一 ： 號，以執行所有電池電屢之讀取及平衡。#平衡信 A如申請專㈣圍第12項所、 15 20 介面包括-光竊合其中，該垂直 解财法Γ明步信號。 讀取在主要模組及從屬模 依據讀到的端電壓，收集並 接收在多顆電池之電池組中所；：電池相關之資料，· 每個電池組所需要之平衡目標值；S池之資料，以提供 以 達到目標值，控制流向每顆電池之電流方向， A如申請專利範圍第17項 較平衡目標值及每顆電池之電屋 /’更包括有-比 /镩，該步驟係執行電壓 19 1305442 、'衡其包括控制電流方 值低時，平衡電流會流向電心平衡目襟 ^ ^ ^17 ^ ^ ^ ^ ^ ^ - tb 何目仏值及母顆電池之電塵 ，tb 千衡，其包括_電流^， 3㈣執行電屬 值高時，平衡電流會流向電池中m電^平衡目襟 20.如申請專利範圍第17項所述 St電f ’ 一最小電壓及其平 10 :同步信號的步驟，該同步信 ：:更包括有1 池組。 问步多顆電池之電 泛如申請專利範圍第⑴切項 一傳送同步脈衝的步驟，其係在多顆電^方法’更包括有 乞電池組間傳迸。

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