串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的制作方法
【專利摘要】本實用新型揭示一種串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，用于解決現(xiàn)有技術(shù)無法全域式平衡的問題，其包含：一轉(zhuǎn)換單元，設(shè)有一初級側(cè)線圈及數(shù)個次級側(cè)線圈；一返馳開關(guān)，電性連接該轉(zhuǎn)換單元的初級側(cè)線圈；一初級側(cè)調(diào)控器，電性連接該轉(zhuǎn)換單元及該返馳開關(guān)，該初級側(cè)調(diào)控器、該返馳開關(guān)及該轉(zhuǎn)換單元共同構(gòu)成具有初級側(cè)調(diào)節(jié)功能的返馳式架構(gòu)；數(shù)個分時切換器，電性連接于該轉(zhuǎn)換單元的數(shù)個次級側(cè)線圈與一串聯(lián)電池組的數(shù)個蓄電單元之間；及一處理器，電性連接該分時切換器及該初級側(cè)調(diào)控器，該處理器用以分時切換各分時切換器的導通狀態(tài)，使各次級側(cè)線圈分時輸出一定電流至各蓄電單元，并由該初級側(cè)調(diào)控器分時取得一參考訊號，用以估算各蓄電單元的充電量。
【專利說明】串聯(lián)電池組的主動平衡I旲塊

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型是關(guān)于一種串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，尤其是一種結(jié)合電感型及模 塊化平衡結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊。

【背景技術(shù)】
[0002] 由于環(huán)保意識抬頭，以電力為動力來源的應用日益蓬勃，如：全電動汽車（EV或 BEV)、混合燃氣/電動汽車（HEV)、插電式混合電動汽車（PHEV)或儲能系統(tǒng)（ESS)等，在 上述應用中，普遍需要使用電池組（Battery)儲存及供應動力，該電池組可由數(shù)個高功率 密度、高峰值功率鋰聚合物或鋰鐵磷酸（LiFePCM)電池串聯(lián)組成。以鋰電池組為例，大量 串聯(lián)的鋰電池使用過程中，會因老化而導致電池容量不同，每次充電時，因電池間的殘余電 荷、充電速度等差異，將導致電池中的電荷狀態(tài)（SoC)不平衡，為避免鋰電池因過壓（over voltage)而降低效能或損壞，通常需由電池管理系統(tǒng)（BMS)管控電池組的電荷平衡狀態(tài)。
[0003] 為免電池充電過量，可采用簡單低廉的被動平衡（passive balance)方式，將儲電 量較高的電池分流至旁路電阻（bypass resistor)，以免有些電池過量充電，其余電池卻充 電不足，只是此方式除會耗散功率外，還有發(fā)熱及充電速度慢等情況尚待改進。因此，逐漸 發(fā)展出可重新分配電荷狀態(tài)的主動平衡（active balance)方式，可于充放電過程中，可補 償電壓較低的電池，除確保各電池均不會過量充電外，且可快速充電及降低充電溫度，進一 步提高電池的效能、可靠性及安全性，并可降低系統(tǒng)成本。是以，主動平衡式電池管理系統(tǒng) 實乃促進電動應用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
[0004] 現(xiàn)有主動平衡式電池管理系統(tǒng)主要分為電容型平衡、電感型平衡及模塊化平衡方 式，電容型平衡方式雖易控制且不需電壓偵測電路，但其平衡時間較長，不適用于須快速充 電的應用；另，電感型平衡方式雖可快速平衡電荷且能量轉(zhuǎn)換效率高，只是須克服變壓器互 感及漏感等情況；又，模塊化平衡方式雖可提供穩(wěn)定的電壓，然其所需成本較高，且各模塊 僅能控制有限的電池數(shù)量（區(qū)域式電池平衡），無法達成全域式電池平衡。
[0005] 有鑒于此，有必要改善上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，以符合實際需求，提升其實用性。 實用新型內(nèi)容
[0006] 本實用新型是提供一種串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，可快速達成全域式電池平 衡。
[0007] 本實用新型揭示一種串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其包含：一轉(zhuǎn)換單元，設(shè)有一初 級側(cè)線圈及數(shù)個次級側(cè)線圈；一返馳開關(guān)，電性連接該轉(zhuǎn)換單元的初級側(cè)線圈；一初級側(cè) 調(diào)控器，電性連接該轉(zhuǎn)換單元及該返馳開關(guān)，該初級側(cè)調(diào)控器、該返馳開關(guān)及該轉(zhuǎn)換單元共 同構(gòu)成具有初級側(cè)調(diào)節(jié)功能的返馳式架構(gòu)；數(shù)個分時切換器，電性連接于該轉(zhuǎn)換單元的數(shù) 個次級側(cè)線圈與一串聯(lián)電池組的數(shù)個蓄電單元之間；及一能估算各蓄電單元的充電量的處 理器，電性連接該分時切換器并分時切換各分時切換器的導通狀態(tài)，及電性連接該初級側(cè) 調(diào)控器并使各次級側(cè)線圈分時輸出一定電流至各蓄電單元且由該初級側(cè)調(diào)控器分時取得 一參考訊號。
[0008] 所述初級側(cè)調(diào)控器具有一取樣端及一調(diào)節(jié)端，該取樣端電性連接該轉(zhuǎn)換單元的初 級側(cè)線圈，該調(diào)節(jié)端電性連接該返馳開關(guān)。
[0009] 所述轉(zhuǎn)換單元設(shè)有一輔助線圈，該輔助線圈的極性與各次級側(cè)線圈的極性相同。
[0010] 所述初級側(cè)調(diào)控器具有一取樣端及一調(diào)節(jié)端，該取樣端電性連接該轉(zhuǎn)換單元的輔 助線圈，該調(diào)節(jié)端電性連接該返馳開關(guān)。
[0011] 所述處理器由該初級側(cè)調(diào)控器的調(diào)節(jié)端分時取得一脈寬調(diào)變訊號，并依據(jù)該脈寬 調(diào)變訊號的工作周期等比換算各蓄電單元的電壓值。
[0012] 所述串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，另包含一限流元件，該限流元件電性連接于該 返馳開關(guān)與一接地端之間。
[0013] 所述串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，另包含一變阻切換器，該變阻切換器電性連接 于該返馳開關(guān)及該處理器。
[0014] 所述變阻切換器設(shè)有一變阻開關(guān)、一小阻元件及一大阻元件，該變阻開關(guān)電性連 接該返馳開關(guān)及該處理器，該小阻元件及該大阻元件電性連接該變阻開關(guān)。
[0015] 所述串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，另包含數(shù)個隔離器，各隔離器電性連接于該處 理器與各分時切換器之間。
[0016] 所述隔離器為一光耦合器。
[0017] 所述串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，另包含一電壓偵測器，該電壓偵測器設(shè)有數(shù)個 偵測端及數(shù)個管控端及一個通信埠，各偵測端電性連接各蓄電單元，各管控端電性連接各 分時切換器，該通信埠電性連接該處理器。
[0018] 所述電壓偵測器設(shè)有一用以指示該電壓偵測器的工作狀態(tài)的指示燈。
[0019] 所述各分時切換器分別設(shè)有一分時開關(guān)，該分時開關(guān)具有一輸入端、一輸出端及 一受控端，該輸入端電性連接至該次級側(cè)線圈，該輸出端電性連接該蓄電單元，該受控端電 性連接該處理器。
[0020] 所述各分時開關(guān)的輸入端與各次級側(cè)線圈之間電性連接一逆止元件，該逆止元件 與各次級側(cè)線圈之間電性連接一 RC并聯(lián)回路。
[0021] 所述逆止元件為一肖特基二極管。
[0022] 所述分時開關(guān)為一 PMOS電晶體。
[0023] 所述返馳開關(guān)為一 NMOS電晶體。
[0024] 所述初級側(cè)調(diào)控器的取樣端與該轉(zhuǎn)換單元的輔助線圈之間電性連接一分壓器。
[0025] 所述初級側(cè)調(diào)控器與該處理器之間電性連接一電子開關(guān)。
[0026] 所述處理器設(shè)有二擷取端及數(shù)個切控端，該二擷取端電性連接該初級側(cè)調(diào)控器的 取樣端及調(diào)節(jié)端，各切控端電性連接各分時切換器。
[0027] 所述處理器另設(shè)有一通訊埠。
[0028] 所述通訊埠電性連接一電壓偵測器。
[0029] 所述處理器設(shè)有一換阻端，該換阻端電性連接該變阻切換器。
[0030] 本實用新型另揭示一種主動平衡模塊的控制方法，是應用于上述的串聯(lián)電池組的 主動平衡模塊，該控制方法包含一補充步驟，是由該主動平衡模塊的處理器接收一補充電 池名單，該補充電池名單具有需要補充電力的蓄電單元，導通該補充電池名單所列蓄電單 元與該轉(zhuǎn)換單元的次級側(cè)線圈之間的充電路徑，使該次級側(cè)線圈分時以一定電流補充電力 至該補充電池名單所列蓄電單元。
[0031] 所述處理器設(shè)有一通訊埠，并由該通訊埠接收該補充電池名單。
[0032] 所述補充步驟前另包含一偵測步驟，是由該處理器分時導通各蓄電單元與該轉(zhuǎn)換 單元的各次級側(cè)線圈之間的充電路徑，排序各次級側(cè)線圈分時耦合至該初級側(cè)調(diào)控器的電 性特征，依據(jù)排序結(jié)果選擇至少一蓄電單元列入該補充電池名單。
[0033] 所述處理器計算該輔助線圈對應各蓄電單元的電壓值與該等電壓值中的最大值 的差異值，將該差異值大于一門檻值的蓄電單元列入該補充電池名單。
[0034] 所述門檻值為該最大值與一百分比的乘積。
[0035] 所述補充步驟的次級側(cè)線圈輸出的電流為一補充電流，所述偵測步驟的次級側(cè)線 圈輸出的電流為一偵測電流，該偵測電流小于或等于該補充電流。
[0036] 本實用新型的有益效果是：上揭串聯(lián)電池組的主動平衡模塊主要借助該轉(zhuǎn)換單元 的初級側(cè)線圈或輔助線圈耦合次級側(cè)線圈的電氣訊號，利用分時導通所有次級側(cè)線圈的過 程，即可得知各蓄電單元的充電狀態(tài)，并輸出補充電流至電荷狀態(tài)不平衡的蓄電單元。相較 于現(xiàn)有模塊化平衡方式僅能調(diào)節(jié)電池組中的某一區(qū)域（全域平衡須用多個控制模塊），本 申請僅需一組控制電路，即可達成全域式電池平衡，改善現(xiàn)有返馳式轉(zhuǎn)換器（次級側(cè)調(diào)節(jié)） 的「初級側(cè)無法接收多組回授訊號」及「用于多線圈控制時，易造成磁飽和而致線圈毀損」 等問題。另，上揭主動平衡模塊的控制方法可利用分時導通所有次級側(cè)線圈，即可偵測所有 次級側(cè)線圈連接的蓄電單元狀態(tài)，可進一步補充電力至蓄電單元，并可降低功率消耗。借 此，可達成「節(jié)省設(shè)置成本」、「有利于量產(chǎn)」、「避免電池電壓過高」、「降低功率消耗」等功效。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037] 圖1 :本實用新型的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的第一實施例的電路示意圖。
[0038] 圖2 :本實用新型的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系曲 線圖。
[0039] 圖3 :本實用新型的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的第二實施例的電路示意圖。
[0040] 圖4 :本實用新型的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的第三實施例的電路示意圖。
[0041] 圖5 :本實用新型的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的第四實施例的電路示意圖。
[0042] 圖6 :本實用新型的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的不同輸出電流的輸出電壓關(guān)系 曲線圖。
[0043] 圖7 :本實用新型的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的初級側(cè)調(diào)控器的取樣端的電壓 曲線圖。
[0044] 圖8 :本實用新型的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的初級側(cè)調(diào)控器的調(diào)節(jié)端的電壓 曲線圖。
[0045] 圖9 :本實用新型的主動平衡模塊的控制方法實施例的流程示意圖。
[0046] 【主要元件符號說明】
[0047] 1轉(zhuǎn)換單元
[0048] 11初級側(cè)線圈 12, 12a，12b次級側(cè)線圈
[0049] 12c，12d次級側(cè)線圈 13輔助線圈
[0050] 2返馳開關(guān)
[0051] 21輸入端22輸出端
[0052] 23 受控端
[0053] 3初級側(cè)調(diào)控器
[0054] 31取樣端 32調(diào)節(jié)端
[0055] 4, 4a, 4b分時切換器 4c, 4d分時切換器
[0056] 41分時開關(guān)411輸入端
[0057] 412輸出端 413受控端
[0058] 42逆止元件
[0059] 5處理器
[0060] 51, 51a, 51b 擷取端 52, 52a, 52b 切控端
[0061] 52c, 52d切控端53通訊；t阜
[0062] 54 換阻端
[0063] 6隔離器
[0064] 61輸入端 62輸出端
[0065] 7電壓偵測器
[0066] 71偵測端 72管控端
[0067] 73通信埠 74指示燈
[0068] 8變阻切換器
[0069] 81變阻開關(guān)82小阻元件
[0070] 83大阻元件
[0071] C,C1,C2蓄電單元C3,C4蓄電單元
[0072] LI, L2關(guān)系曲線 L3,L4關(guān)系曲線
[0073] M取樣點
[0074] P 電源
[0075] Pl正極端P2負極端
[0076] R限流元件SI、S2接點
[0077] S3、S4 接點
[0078] TO偵測步驟 Tl補充步驟
[0079] V供電端 W電子開關(guān)。

【具體實施方式】
[0080] 為讓本實用新型的上述及其他目的、特征及優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉本實用 新型的實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下：
[0081] 本實用新型全文所述的「一芯多繞組變壓器」（one-core multi-winding transformer)，是指變壓器的鐵芯可繞置數(shù)個次級側(cè)線圈，各次級側(cè)線圈可為相同或不同， 是本實用新型所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者可以理解。
[0082] 請參閱圖1所示，其是本實用新型串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的第一實施例的電 路示意圖。其中，該串聯(lián)電池組可包含數(shù)個串聯(lián)的蓄電單元C，并由一電源P供應直流電力。 該主動平衡模塊實施例可包含一轉(zhuǎn)換單元1、一返馳開關(guān)2、一初級側(cè)調(diào)控器3、數(shù)個分時切 換器4及一處理器5。該轉(zhuǎn)換單元1電性連接該電源P、返馳開關(guān)2、初級側(cè)調(diào)控器3、分時切 換器4及處理器5,各分時切換器4電性連接于該轉(zhuǎn)換單元1與各蓄電單元C之間，該處理 器5電性連接各分時切換器4。在此實施例中，該串聯(lián)電池組電性連接于該電源P的一正極 端Pl及一負極端P2之間，該串聯(lián)電池組是以四個蓄電單元C作為實施態(tài)樣說明，該蓄電單 元C可為任何以電壓形式儲存能量的元件，如：鋰（Lithium)聚合物電池、鉛酸（Lead Acid Battery)電池、鎮(zhèn)氫（Nickel-Metal Hydride Battery)電池或各式電容器（capacitor) 等，只是不以此為限。
[0083] 請再參閱圖1所示，該轉(zhuǎn)換單元1可為具有輔助線圈（auxiliary coil)的一芯多 繞組變壓器（one-core multi-winding transformer)。該轉(zhuǎn)換單元1可設(shè)有一初級側(cè)線圈 (primary side coil) 11 及數(shù)個次級側(cè)線圈（secondary side coils) 12,該初級側(cè)線圈 11 電性連接于該電源P與返馳開關(guān)2之間，各次級側(cè)線圈12電性連接各分時切換器4。該轉(zhuǎn) 換單元1還可設(shè)有一輔助線圈13,該輔助線圈13與各次級側(cè)線圈12的極性相同，用以感 知各次級側(cè)線圈12的運作狀態(tài)（如：電流等），該輔助線圈13可電性連接該初級側(cè)調(diào)控器 3。在此實施例中，該轉(zhuǎn)換單元1的初級側(cè)線圈11與次級側(cè)線圈12之間具有一匝數(shù)比例關(guān) 系，如：該初級側(cè)線圈11的匝數(shù)可為該次級側(cè)線圈12的匝數(shù)與該次級側(cè)線圈12的個數(shù)的 乘積，若該次級側(cè)線圈12的匝數(shù)為10、該次級側(cè)線圈12的個數(shù)為4,則該初級側(cè)線圈11的 匝數(shù)可為40 ( = 10*4)，該初級側(cè)線圈11與次級側(cè)線圈12、輔助線圈13的極性可為相反或 相同，另，在此僅以四個次級側(cè)線圈12a、12b、12c、12d作為實施態(tài)樣說明，各次級側(cè)線圈12 的匝數(shù)比可介于1±〇. 1范圍，只是不以此為限。
[0084] 請再參閱圖1所示，該返馳開關(guān)2可為現(xiàn)有電子開關(guān)，如：雙極性電晶體（BJT)、 金屬氧化物半導體電晶體（MOS transistor)等，該返馳開關(guān)2電性連接該轉(zhuǎn)換單元1的 初級側(cè)線圈11及該初級側(cè)調(diào)控器3,使該返馳開關(guān)2與轉(zhuǎn)換單元1共同構(gòu)成一返馳式 (fly-back)轉(zhuǎn)換器。在此實施例中，該返馳開關(guān)2可為一 NMOS電晶體，該返馳開關(guān)2具有 一輸入端21、一輸出端22及一受控端23,該輸入端21電性連接該轉(zhuǎn)換單元1的初級側(cè)線 圈11 ;該輸出端22可電性連接一限流元件R(如現(xiàn)有定值電阻器）至一接地端，以避免該返 馳開關(guān)2的電流過高而損壞；該受控端23可電性連接該初級側(cè)調(diào)控器3,只是不以此為限。
[0085] 請再參閱圖1所示，該初級側(cè)調(diào)控器3可為現(xiàn)有具有初級側(cè)調(diào)節(jié)功能（primary side regulation)的控制器，該初級側(cè)調(diào)控器3具有一取樣端31及一調(diào)節(jié)端32,該取樣端 31可電性連接該轉(zhuǎn)換單元1的初級側(cè)線圈11或輔助線圈13,用以輸入源自該初級側(cè)線圈 11或輔助線圈13的取樣電壓（sampling voltage)，如：具有至少一取樣點的類比訊號；該 調(diào)節(jié)端32電性連接該返馳開關(guān)2,用以輸出對應該取樣電壓的脈寬調(diào)變（PWM)訊號，作為 調(diào)整該返馳開關(guān)2的切換頻率的依據(jù)，如：利用脈寬調(diào)變訊號的頻率（frequency)或工作周 期（duty cycle)，使該初級側(cè)調(diào)控器3、返馳開關(guān)2及轉(zhuǎn)換單元1共同構(gòu)成具有初級側(cè)調(diào)節(jié) (primary side regulation)功能的返馳式架構(gòu)，可改善現(xiàn)有返馳式轉(zhuǎn)換器（次級側(cè)調(diào)節(jié)） 的「初級側(cè)無法接收多組回授訊號」及「用于多線圈控制時，易造成磁飽和而致線圈毀損」 等問題。在此實施例中，該初級側(cè)調(diào)控器3是以德州儀器公司（TI)的UCC28700控制器作 為實施態(tài)樣說明，只是不以此為限；該初級側(cè)調(diào)控器3的取樣端31與該轉(zhuǎn)換單元1的輔助 線圈13之間可電性連接一分壓器（voltage divider，如：以二電阻器串聯(lián)而成），以便將該 輔助線圈13的電流轉(zhuǎn)為適當電壓，供該取樣端21進行電壓取樣；另，該初級側(cè)調(diào)控器3與 處理器5之間可電性連接一電子開關(guān)W (如繼電器，Relay)，該電子開關(guān)W可電性連接一供 電端V(如：+12V)，以便于該串聯(lián)電池組開始充電時，立即啟動該初級側(cè)調(diào)控器3,只是不以 此為限。
[0086] 請再參閱圖1所示，各分時切換器4電性連接于該轉(zhuǎn)換單元1的數(shù)個次級側(cè)線圈 12與該數(shù)個蓄電單元C之間，用以切換各次級側(cè)線圈12與其對應的蓄電單元C的連接狀 態(tài)。在此實施例中，是以四個分時切換器4a、4b、4c、4d作為實施態(tài)樣說明，各分時切換器4 設(shè)有一分時開關(guān)41，該分時開關(guān)41電性連接于該轉(zhuǎn)換單元1的各次級側(cè)線圈12與各蓄電 單元C之間，用以切換各次級側(cè)線圈12對其對應連接的蓄電單元C的連接狀態(tài)，該分時開 關(guān)41可為PMOS電晶體，該分時開關(guān)41具有一輸入端411、一輸出端412及一受控端413， 該輸入端411可電性連接至該次級側(cè)線圈12,各次級側(cè)線圈12與輸入端411之間可電性連 接一逆止元件42,如：肖特基二極管（schottky barrier diode)等，該逆止元件42與各次 級側(cè)線圈12之間可電性連接一 RC并聯(lián)回路，該輸出端412可電性連接該蓄電單元C，該受 控端413可經(jīng)由一接點電性連接該處理器5,又，該處理器5與受控端413之間可設(shè)有具備 電性隔離及調(diào)壓功能的電子元件，可將該處理器5輸出電壓調(diào)整為該受控端413適用的范 圍，及降低該處理器5與受控端413間的電性干擾，只是不以此為限。
[0087] 請再參閱圖1所示，該處理器5可為具有訊號處理功能的元件，如：微控制器 (MCU)、數(shù)字訊號處理器（DSP)或特殊功能集成電路（ASIC)等，該處理器5可設(shè)有二擷取端 51及數(shù)個切控端52,該二擷取端51可電性連接該初級側(cè)調(diào)控器3的取樣端31、調(diào)節(jié)端32， 用以取得取樣端31、調(diào)節(jié)端32的電性訊號，各切控端52電性連接各分時切換器4的分時 開關(guān)41 ;另，該處理器5內(nèi)部可儲存一控制程式及參數(shù)資料（如：電池的電壓與電流的關(guān)系 表、曲線或方程式等），用以執(zhí)行一電池平衡控管作業(yè)，該處理器5可依據(jù)該擷取端51輸入 的訊號，如：脈寬調(diào)變（PWM)訊號或具有至少一取樣點的類比訊號等，于各切控端52輸出訊 號（如PWM訊號）分時（Time Division)控制各分時開關(guān)41的開關(guān)狀態(tài)，進一步控管各蓄 電單元C的充電狀態(tài)。又，該處理器5可另設(shè)有一通訊;t阜（communication port) 53,供該處 理器5與外界通訊，進而得知各蓄電單元C的充電情況，只是不以此為限。在此實施例中， 該處理器5是以擷取端51a、51b分別電性連接該取樣端31、調(diào)節(jié)端32,并以四切控端52a、 52b、52c、52d作為實施態(tài)樣說明，只是不以此為限；其中，該切控端52a、52b、52c、52d可內(nèi) 建電性隔離及調(diào)壓功能，該切控端52a、52b、52c、52d可分別經(jīng)由接點Sl、S2、S3、S4連接各 受控端413,用以控制該蓄電單元CU C2、C3、C4的充電狀態(tài)，只是不以此為限。
[0088] 本實用新型串聯(lián)電池組的主動平衡模塊上述實施例實際使用時，如圖1所示，該 串聯(lián)電池組的蓄電單元CU C2、C3、C4可串聯(lián)連接于該電源P的正極端Pl與負極端P2之 間，以便利用該電源P的一充電電流對該蓄電單元CU C2、C3、C4充電。在充電過程中，該 處理器5可分時切換各分時切換器4a、4b、4c、4d的分時開關(guān)41的導通狀態(tài)（如：導通順序 為43^4認4義4(^)，各次級側(cè)線圈12 &、1213、12(3、12(1可輸出定電流，對各蓄電單元(：1、〇2、 C3、C4充電，該定電流與該初級側(cè)調(diào)控器3的調(diào)節(jié)端32輸出的脈寬調(diào)變訊號的工作周期呈 比例關(guān)系，例如：當對耐壓3伏特（V)的電池以2安培（A)充電時，該工作周期調(diào)整為30%; 當對耐壓2伏特的電池以2安培充電時，該工作周期調(diào)整為20%，只是不以此為限。
[0089] 同時，由于各次級側(cè)線圈12a、12b、12c、12d的輸出功率（P = IXV)及定電流（I)， 因此，該處理器5可利用各次級側(cè)線圈12耦合至輔助線圈13的訊號（即該初級側(cè)調(diào)控器 3的取樣端31輸入的訊號），以該轉(zhuǎn)換單元1釋放完能量且開始振蕩前的電壓值作為該蓄 電單元C的電壓值?；蛘撸撎幚砥?可利用該初級側(cè)調(diào)控器3的調(diào)節(jié)端32輸出的脈寬 調(diào)變訊號等比換算各蓄電單元CU C2、C3、C4的電壓（V)，以偵測各蓄電單元CU C2、C3、C4 的充電狀態(tài)，例如：該處理器5可預設(shè)各蓄電單元的電壓值與該工作周期的關(guān)是式為一線 性方程式（y = ax+b)，X為該工作周期，a為調(diào)整參數(shù)，b為偏移值，若a、X、b分別為1/10、 30、0,則y為3伏特（1/10X30+0)，只是若X表示為30%，則a須改為10,用以維持y為3 伏特（10 X 30 % +0);其中，若需制訂該線性方程式的參數(shù)，則可實際測量該蓄電單元C的電 壓值與該調(diào)節(jié)端32的工作周期而定的，如：該電壓值為3伏特時，該工作周期為30% (y = 30a+b)，且該電壓值為2伏特時，該工作周期為20% (y = 20a+b)，則可知該線性方程式的 a、b分別為1/10、0,用以計算后續(xù)充電過程中的電壓值，只是不以此為限。
[0090] 其中，若有任一蓄電單元C(如：C2)的電荷狀態(tài)（SoC)不平衡，則該處理器5可經(jīng) 由接點S2切換該分時切換器4b為導通（ON)狀態(tài)，令該次級側(cè)線圈12b額外輸出一補充電 流至蓄電單元C2,以利用該補充電流及充電電流共同對該蓄電單元C2充電，以加速補充該 蓄電單元C2的電荷量，直到其電荷狀態(tài)平衡為止（如圖2的Ll所示），即可切換該分時切 換器4b為截斷（OFF)狀態(tài)。依此類推，若有任何電荷狀態(tài)不平衡的蓄電單元C(如圖2的 L2所示），即可借助上述方式加速補充其充電量，使該蓄電單元C的電荷狀態(tài)平衡。又，由 于該次級側(cè)線圈12的輸出電壓為電流固定，可由該處理器5設(shè)定的電壓為該蓄電單元C充 電，且該定電流的關(guān)系可供該處理器5估算電池老化情況。
[0091] 請參閱圖3所示，其是本實用新型串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的第二實施例的電 路示意圖。其中，相較于第一實施例，該第二實施例另包含數(shù)個隔離器6,各隔離器6電性 連接于該處理器5的各切控端52與各分時切換器4的分時開關(guān)41的受控端413之間，用 以隔離該分時開關(guān)41與處理器5之間的傳輸雜訊，避免該蓄電單元C在充電過程中受雜訊 干擾而損壞。在此實施例中，是以四隔離器6作為實施態(tài)樣說明，各隔離器6可為一光耦合 器（photo coupler)，只是不以此為限；其中，各隔離器6具有一輸入端61及一輸出端62， 各輸入端61電性連接各切控端52,各輸出端62電性連接各受控端413,以便隔離該處理器 5與各分時切換器4之間的電氣雜訊，且可調(diào)整該處理器5輸出至受控端413的電壓，只是 不以此為限。
[0092] 請參閱圖4所示，其是本實用新型串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的第三實施例的電 路示意圖。其中，相較于第一實施例，該第三實施例還可以設(shè)有一電壓偵測器7,該電壓偵 測器7設(shè)有數(shù)個偵測端71、數(shù)個管控端72及一通信;t阜（communication port) 73,各偵測端 71可電性連接各蓄電單元C，用以偵測各蓄電單元C的充電狀態(tài)；各管控端72電性連接各 分時切換器4的分時開關(guān)41，用以替代該處理器5控制該分時開關(guān)41 ;該通信埠73可電性 連接該處理器5的通訊埠53,供該電壓偵測器7與處理器5相互通訊；又，該電壓偵測器7 還可以設(shè)有一指示燈74,用以指示該電壓偵測器7的工作狀態(tài)，如：該管控端72是否輸出 訊號接管該分時開關(guān)41的開關(guān)狀態(tài)。在此實施例中，該電壓偵測器7可采用凌力爾特公司 (LINEAR)的LTC6804控制器，只是不以此為限。詳言之，由于串聯(lián)電池組的串聯(lián)電壓相當 高，如在電池充電過程中，稍有不慎或有雜訊，均有可能會使該處理器5或初級側(cè)調(diào)控器3 故障，而造成該蓄電單元C運作異?；驌p壞，故，為避免此一情況發(fā)生，可由該電壓偵測器7 作為備用控制器，并由該偵測端71偵測各蓄電單元C的充電狀態(tài)，以便于該蓄電單元C運 作異常時，即時將偵測情況傳送至該處理器5,該處理器5分析該偵測情況后，可傳送控制 命令至該電壓偵測器7,使該電壓偵測器7由該管控端72管控各蓄電單元C的充電過程，同 時，可由該指示燈74提醒相關(guān)人員進行檢測，以防損害范圍擴大。
[0093] 請參閱圖5所示，其是本實用新型串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的第四實施例的電 路示意圖。其中，相較于第一實施例，該第四實施例還可以設(shè)有一變阻切換器8,該變阻切換 器8電性連接于該返馳開關(guān)2及該處理器5所設(shè)的一換阻端54,用以調(diào)整輸出至該蓄電單 元C的充電電流，以便對需要補充電荷容量的蓄電單元C使用大電流充電，另利用小電流時 偵測輪流各蓄電單元C的狀態(tài)。在此實施例中，該變阻切換器8可設(shè)有一變阻開關(guān)81 (可 為電磁閥、雙極性電晶體或金屬氧化物半導體電晶體等，只是不以此為限）、一小阻元件82 及一大阻元件83,該變阻開關(guān)81電性連接該返馳開關(guān)2及處理器5,該小阻元件82及大阻 元件83電性連接于該變阻開關(guān)81與該接地端之間，只是不以此為限。以下說明其使用方 式。
[0094] 舉例而言，請再參閱圖5所示，以該處理器5導通該分時切換器4a為例，當該分時 切換器4a導通時，該次級側(cè)線圈12a可輸出定電流對該蓄電單元Cl充電，同時，該處理器5 可得知該蓄電單元Cl的充電電壓，已如前述。值得注意的是，當該返馳開關(guān)2與接地端之 間具有小電阻時，該次級側(cè)線圈12a可輸出電流固定的大電流（如圖6所示的L3)，用以快 速充電至該蓄電單元C1。反之，當該返馳開關(guān)2與接地端之間具有大電阻時，該次級側(cè)線圈 12a可輸出電流固定的小電流（如圖6所示的L4)，同時，該次級側(cè)線圈12a耦合至該輔助 線圈13所產(chǎn)生一分壓訊號（如圖7所示），可輸入至該初級側(cè)調(diào)控器3的取樣端31，且該 初級側(cè)調(diào)控器3的調(diào)節(jié)端32可輸出一調(diào)節(jié)訊號（如圖8所示），該處理器5可利用該調(diào)節(jié) 訊號及分壓訊號推算該蓄電單元Cl的電壓值；其中，由于輸出至該蓄電單元Cl的電流為小 電流（定電流）狀態(tài)，使該蓄電單元Cl的充電量緩慢增加，可以降低該處理器5在計算過 程中的充電量誤差，因此，該蓄電單元Cl的充電量較為精確。依此類推，可在得知需補充電 荷的蓄電單元C后，即可針對蓄電單元C充電，且不超過其耐壓值（如：5伏特），可避免該 電池單元的電壓過高造成蓄電單元損壞。
[0095] 請參閱圖9所示，其是本實用新型的主動平衡模塊的控制方法實施例的流程示意 圖。其中，該控制方法實施例包含一補充步驟T1，是由該處理器接收一補充電池名單，該 補充電池名單具有需要補充電力的蓄電單元，導通該補充電池名單所列蓄電單元與該轉(zhuǎn)換 單元的次級側(cè)線圈之間的充電路徑，使該次級側(cè)線圈分時以一定電流補充電力至該蓄電單 元。在此實施例中，請一并參閱圖1所示，該處理器5可由該通訊埠53取得該補充電池名 單，該補充電池名單可由該主動平衡模塊外部的裝置（如圖4所示的電壓偵測器7)或儀器 (如電表）所產(chǎn)生，該補充電池名單中的蓄電單元數(shù)量可為一個或數(shù)個，若該補充電池名單 中僅有一個蓄電單元C (如：Cl)，則該處理器5可送出訊號至該分時切換器4a，使該蓄電單 元Cl與該轉(zhuǎn)換單元1之間的充電路徑導通，令該轉(zhuǎn)換單元1的次級側(cè)線圈12a補充電力至 該蓄電單元Cl ;若該補充電池名單中有數(shù)個蓄電單元C(如：C2、C3、C4)，則該處理器5可 采分時多工（TDM)方式輪流送出訊號至該分時切換器牝、4〇、4(1，使該蓄電單元02、03、〇4 與該轉(zhuǎn)換單元1之間的充電路徑輪流導通，令該轉(zhuǎn)換單元1的次級側(cè)線圈12b、12c、12d分 時維持定電流，以補充電力至該蓄電單元〇2工3、04，并分別維持一段補充時間，該補充電力 的定電流以大電流為佳，以利快速充電，只是亦可用小電流充電，并不以此為限；例如：C2 大電流充電（1秒）大電流充電（1秒）（CM大電流充電（1秒），或者，Cl小電流（1 秒）1^2大電流充電（1秒）^C3大電流充電（1秒）kC4大電流充電（1秒），只是不以 此為限。
[0096] 請再參閱圖9所示，本實用新型的主動平衡模塊的控制方法實施例在進行該補充 步驟Tl之前，還可先進行一偵測步驟T0,是由該處理器分時導通各蓄電單元與該轉(zhuǎn)換單元 的各次級側(cè)線圈之間的充電路徑，排序各次級側(cè)線圈分時耦合至該初級側(cè)調(diào)控器的電性特 征，依據(jù)排序結(jié)果選擇至少一蓄電單元列入上述補充電池名單。在此實施例中，請一并參閱 圖5所示，在該補充步驟Tl中，該次級側(cè)線圈輸出的電流為一補充電流，在該偵測步驟TO 中，該次級側(cè)線圈輸出的電流為一偵測電流，該偵測電流小于或等于該補充電流為佳；其 中，該處理器5可先送出訊號至該變阻切換器8,使該變阻切換器8切換為適于測量的大電 阻，以便各蓄電單元C保持小電流作為測量用，只是亦可于大電流時進行測量，并不以此為 限；例如：該處理器5可輪流送出訊號至該分時切換器4 &、你、4(：、4(1，使各蓄電單元(：1工2、 C3、C4與該轉(zhuǎn)換單元1的各次級側(cè)線圈12a、12b、12c、12d之間的充電路徑輪流導通，如： Cl小電流測量^ C2小電流測量1V C3小電流測量I C4小電流測量，令各次級側(cè)線圈12a、 12b、12c、12d輪流耦合于該輔助線圈13,該處理器5可于特定周期時間，由擷取端51a對該 輔助線圈13產(chǎn)生的分壓訊號取樣產(chǎn)生一取樣點M(如圖7所示），待對該等電壓值進行排 序（如：采用快速排序法或泡沫排序法等）后，即可得知該輔助線圈13耦合各次級側(cè)線圈 12a、12b、12c、12d的電壓值，該等電壓值可對應各蓄電單元C1、C2、C3、C4的充電情況，據(jù)以 產(chǎn)生該補充電池名單，并監(jiān)視各蓄電單元C的電壓是否超過其耐壓值，以下是舉例說明該 補充電池名單中所列蓄電單元的選擇方式，只是不以此為限。
[0097] 舉例而言，如第1及9圖所示，該處理器5還可計算該輔助線圈13對應各蓄電單 元C的電壓值與該等電壓值中的最大值的差異值，若任一蓄電單元C所屬的差異值大于一 門檻值，則可將該差異值所屬的蓄電單元C列入該補充電池名單，該門檻值可為該最大值 與一百分比（如：蘭20% )的乘積，若該蓄電單元C1、C2、C3、C4對應的取樣點M電壓分別 為3(最大值）、1. 5、2、2. 5,則該門檻值可為3*20% = 0. 6,則該蓄電單元CU C2、C3、C4與 最大值的差值分別為〇、l. 5(>0. 6)、1 (>0. 6)、0. 5,亦即，該蓄電單元C2、C3需列入該補充電 池名單中。之后，再進行上述補充步驟Tl，由該處理器5接收該補充電池名單，該補充電池 名單具有需要補充電的蓄電單元C2、C3,該處理器5可導通該蓄電單元C2、C3與該轉(zhuǎn)換單 元1之間的充電路徑，使該轉(zhuǎn)換單元1補充電力至該蓄電單元C2、C3,如：C2大電流充電（1 秒）LC3大電流充電（1秒），或者，Cl小電流測量（1秒）IC2大電流充電（1秒）kC3 大電流充電（1秒）小電流測量α秒），只是不以此為限。之后，可再重復進行偵測步 驟Τ0,以監(jiān)控該串聯(lián)電池組中各蓄電單元C是否需要額外補充電力，或其電壓值是否超過 其耐壓值。其中，當各蓄電單元C需由該主動平衡模塊補充電力時，才需產(chǎn)生該補充電池名 單，以進行該補充步驟Τ1，否則，無需產(chǎn)生該補充電池名單，亦無須進行該補充步驟Τ1。
[0098] 借助前揭的技術(shù)手段，本實用新型串聯(lián)電池組的主動平衡模塊上述實施例的主要 特點列舉如下：該串聯(lián)電池組的主動平衡模塊包含該轉(zhuǎn)換單元、返馳開關(guān)、初級側(cè)調(diào)控器、 分時切換器及處理器，該轉(zhuǎn)換單元設(shè)有一初級側(cè)線圈、數(shù)個次級側(cè)線圈及一輔助線圈，該輔 助線圈與各次級側(cè)線圈的極性相同；該返馳開關(guān)電性連接該轉(zhuǎn)換單元的初級側(cè)線圈；該初 級側(cè)調(diào)控器具有一取樣端及一調(diào)節(jié)端，該取樣端電性連接該轉(zhuǎn)換單元的輔助線圈，該調(diào)節(jié) 端電性連接該返馳開關(guān)；該分時切換器電性連接于該轉(zhuǎn)換單元的數(shù)個次級側(cè)線圈與一串聯(lián) 電池組的數(shù)個蓄電單元之間；該處理器電性連接該分時切換器及該初級側(cè)調(diào)控器。
[0099] 借此，本實用新型串聯(lián)電池組的主動平衡模塊上述實施例的轉(zhuǎn)換單元的輔助線圈 可耦合次級側(cè)線圈的電壓，利用輪流導通所有次級側(cè)線圈的過程，即可輸出該補充電流至 電荷狀態(tài)不平衡的蓄電單元。相較于現(xiàn)有模塊化平衡方式僅能調(diào)節(jié)電池組中的某一區(qū)域 (全域平衡須用多個控制模塊），本申請僅需一組控制電路，即可達成全域式電池平衡，可 節(jié)省設(shè)置成本，有利于量產(chǎn)。
[0100] 又，本實用新型的主動平衡模塊的控制方法實施例利用輪流導通所有次級側(cè)線 圈，即可偵測所有次級側(cè)線圈連接的蓄電單元狀態(tài)，可進一步補充電力至蓄電單元，及估測 各蓄電單元的老化情況，偵測過程中的電流為小電流（定電流）狀態(tài)，充電過程中的電流為 大電流（但其電壓值不超過其耐壓值）可避免該蓄電單元的電壓過高，亦可降低功率消耗。
[0101] 又，本實用新型串聯(lián)電池組的主動平衡模塊上述實施例的初級側(cè)調(diào)控器、返馳開 關(guān)及轉(zhuǎn)換單元可共同構(gòu)成具有初級側(cè)調(diào)節(jié)功能的返馳式架構(gòu)，可改善現(xiàn)有返馳式轉(zhuǎn)換器 (次級側(cè)調(diào)節(jié)）的「初級側(cè)無法接收多組回授訊號」及「用于多線圈控制時，易造成磁飽和 而致線圈毀損」等問題。
[0102] 綜上所述，本實用新型串聯(lián)電池組的主動平衡模塊上述實施例，除可改善現(xiàn)有返 馳式轉(zhuǎn)換器（次級側(cè)調(diào)節(jié)）的「初級側(cè)無法接收多組回授訊號」及「用于多線圈控制時，易 造成磁飽和而致線圈毀損」等問題，更可達成「節(jié)省設(shè)置成本」、「易量產(chǎn)」、「避免電池電壓過 高、「降低功率消耗」等功效。
【權(quán)利要求】
1. 一種串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于包含： 一個轉(zhuǎn)換單元，設(shè)有一個初級側(cè)線圈及數(shù)個次級側(cè)線圈； 一個返馳開關(guān)，電性連接該轉(zhuǎn)換單元的初級側(cè)線圈； 一個初級側(cè)調(diào)控器，電性連接該轉(zhuǎn)換單元及該返馳開關(guān)，該初級側(cè)調(diào)控器、該返馳開關(guān) 及該轉(zhuǎn)換單元共同構(gòu)成具有初級側(cè)調(diào)節(jié)功能的返馳式架構(gòu)； 數(shù)個分時切換器，電性連接于該轉(zhuǎn)換單元的數(shù)個次級側(cè)線圈與一個串聯(lián)電池組的數(shù)個 蓄電單元之間；及 一個能估算各蓄電單元的充電量的處理器，電性連接該分時切換器并分時切換各分時 切換器的導通狀態(tài)，及電性連接該初級側(cè)調(diào)控器并使各次級側(cè)線圈分時輸出一個定電流至 各蓄電單元且由該初級側(cè)調(diào)控器分時取得一個參考訊號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：該初級側(cè)調(diào)控器 具有一個取樣端及一個調(diào)節(jié)端，該取樣端電性連接該轉(zhuǎn)換單元的初級側(cè)線圈，該調(diào)節(jié)端電 性連接該返馳開關(guān)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：該轉(zhuǎn)換單元設(shè)有 一個輔助線圈，該輔助線圈的極性與各次級側(cè)線圈的極性相同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：該初級側(cè)調(diào)控器 具有一個取樣端及一個調(diào)節(jié)端，該取樣端電性連接該轉(zhuǎn)換單元的輔助線圈，該調(diào)節(jié)端電性 連接該返馳開關(guān)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：另包含一個限流 元件，該限流元件電性連接于該返馳開關(guān)與一個接地端之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：另包含一個變阻 切換器，該變阻切換器電性連接于該返馳開關(guān)及該處理器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：該變阻切換器設(shè) 有一個變阻開關(guān)、一個小阻元件及一個大阻元件，該變阻開關(guān)電性連接該返馳開關(guān)及該處 理器，該小阻元件及該大阻元件電性連接該變阻開關(guān)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：另包含數(shù)個隔離 器，各隔離器電性連接于該處理器與各分時切換器之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：該隔離器為一個 光親合器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：另包含一個電壓 偵測器，該電壓偵測器設(shè)有數(shù)個偵測端、數(shù)個管控端及一個通信埠，各偵測端電性連接各蓄 電單元，各管控端電性連接各分時切換器，該通信埠電性連接該處理器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：該電壓偵測器 設(shè)有一個用以指示該電壓偵測器的工作狀態(tài)的指示燈。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：各分時切換器分 別設(shè)有一個分時開關(guān)，該分時開關(guān)具有一個輸入端、一個輸出端及一個受控端，該輸入端電 性連接至該次級側(cè)線圈，該輸出端電性連接該蓄電單元，該受控端電性連接該處理器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：各分時開關(guān)的 輸入端與各次級側(cè)線圈之間電性連接一個逆止元件，該逆止元件與各次級側(cè)線圈之間電性 連接一個RC并聯(lián)回路。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：該逆止元件為 一個肖特基二極管。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：該分時開關(guān)為 一個PMOS電晶體。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：該返馳開關(guān)為一 個NMOS電晶體。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：該初級側(cè)調(diào)控器 的取樣端與該轉(zhuǎn)換單元的輔助線圈之間電性連接一個分壓器。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：該初級側(cè)調(diào)控器 與該處理器之間電性連接一個電子開關(guān)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：該處理器設(shè) 有二個擷取端及數(shù)個切控端，該二個擷取端電性連接該初級側(cè)調(diào)控器的取樣端及調(diào)節(jié)端， 各切控端電性連接各分時切換器。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：該處理器設(shè)有一 個通訊埠。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：該通訊埠電性 連接一個電壓偵測器。
22. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其特征在于：該處理器設(shè)有一 個換阻端，該換阻端電性連接該變阻切換器。
【文檔編號】H02J7/00GK204167947SQ201420606426
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月3日
【發(fā)明者】陳榮偉 申請人:輝創(chuàng)電子股份有限公司