专利名称：电池电压平衡电路及具电池电压平衡功能的电池模块的制作方法
电池电压平衡电路及具电池电压平衡功能的电池模块技术领域
本发明是涉及一种电池电压平衡电路及具电池电压平衡功能的电池模块。
背景技术：
随着可携式电子产品的发展，可充电式电池的需求也随之而起。充电式电池包括了现有的镍镉电池、后续开发的镍氢电池、锂离子电池以及最新发展的锂聚合物(L1-Polymer)电池。不同种类的可充电式电池所提供的电压也不尽相同，而可携式电子产品所需的操作电压也有所不同。因此，电池制造业者会配合可携式电子产品的操作电压，将数颗电池串联成电池模块以提供所需的电压。
电池模块在电池的电能耗尽时，需以充电器再充满电以供下次使用。然而，电池会因制造或使用而造成蓄电量有所不同。举例来说，7.4V锂电池模块是由两颗3.7V的锂电池串联组成。在出厂时，两颗电池的蓄电量分别是80%及70%。由于锂电池过充会损害电池本身，因此，锂电池充电器在任一颗锂电池充饱时即停止充电，此时，两颗电池的蓄电量分别为100% (电池充电的最上限)及90%。而使用时，只要任一电池蓄电量降至0% (电池放电的最下限)，电池模块即无法使用，因此，这两颗电池的蓄电量降至分别为10%及0%时，即须再充电才能使用。
由上述例子可知，当电池模块的电池的蓄电量有所不同时，电池模块的实际可使用电能将由蓄电量最低的电池所决定。而除了上述出厂时电池模块的各电池蓄电量可能不同外，电池在未使用时，也会自放电，在每个电池自放电速率不同的情况下，也会造成电池间蓄电量逐渐不平衡，使电池模块实际可使用电能会随着电池使用时间而逐渐变少，造成电池模块的使用效率低落，使用时间也变短。
请参考图1，为Intersil在其ISL9208的数据手册(Datasheet)中所揭示的数字电池平衡控制器。一数字电池平衡控制器10包含一电池平衡微处理器5及晶体管开关S1-S7。晶体管开关S1-S7分别通过电阻R1-R7与电池单元BAT1-BAT7并联。电池单元BAT1-BAT7的电压经模拟/数字转换器(A/D Converter)转换成数字信号，该电池平衡微处理器5根据电池单元BAT1-BAT7的电压数字信号，经内建的演算法比较出其中电压较高的电池单元，并导通该较高电压的电池单元并联的晶体管开关，使各电池单元的充电电流可根据各电池的电压调整而达到平衡充电的功能。
然而电池电压需经由模拟/数字转换器转换成数字信号后，数字电池平衡微处理器5才得以处理，而模拟/数字转换器会大幅增加该数字电池平衡控制器10的芯片面积，故成本相当高是其缺点。另外，数字电池平衡微处理器5会受限于当初设计，例如:ISL9208仅能支援5到7颗电池所组成的电池模块，其可应用的范围也会因之受限。发明内容
鉴于现有技术中的数字电池平衡控制器的成本及可平衡电池数量的限制，本发明提供一种电池电压平衡电路及电池电压平衡功能的电池模块，利用一电池电压平衡电路对一电池单元的方式进行电池电压的平衡。因此，本发明的电池电压平衡电路不仅在电池数量上有绝对的应用弹性，而且电路简单，电路成本也相当低。
为达上述目的，本发明提供了一种电池电压平衡电路，包含一电压判断电路以及一放电电路，并用以与一电池单元并联。电压判断电路是用以判断电池单元的一电池电压，当电池单元的电池电压高于一第一预设电压时，产生一放电信号，直至电池单元的电池电压低于一第二预设电压为止，其中第一预设电压高于第二预设电压。放电电路是用以与电池单元并联，在接收放电信号时，对电池单元进行放电。
在一实施例中，其中该电压判断电路包含一迟滞比较器以及一分压电路，该分压电路与该电池单元并联，并产生一分压信号至该迟滞比较器。
在一实施例中，其中该电压判断电路包含一第一比较器、一第二比较器、一分压电路以及一逻辑单元，该分压电路与该电池单元并联，该第一比较器耦接该分压电路，根据该电池单元的该电池电压是否高于该第一预设电压产生一第一比较信号，该第二比较器耦接该分压电路，根据该电池单元的该电池电压是否低于该第二预设电压产生一第二比较信号，该逻辑单元根据该第一比较信号及该第二比较信号产生该放电信号。
在一实施例中，其中该电压判断电路包含一第一金氧半场效晶体管、一第二金氧半场效晶体管以及一分压电路，该分压电路与该电池单元并联，并耦接该第一金氧半场效晶体管以及该第二金氧半场效晶体管的控制端，分别在该电池单元的该电池电压高于该第一预设电压及低于该第二预设电压时改变该第一金氧半场效晶体管以及该第二金氧半场效晶体管的状态。
在一实施例中，其中该放电电路外接一限流电阻，以限制该电池单元通过该放电电路进行放电的一放电电流在一预定电流之内。
在一实施例中，其中该电压判断电路还包含一延迟电路，在该电池单元的该电池电压高于该第一预设电压及低于该第二预设电压时进行一延迟判断，以决定是否产生及停止产生该放电信号。
本发明也提供了一种具电池电压平衡功能的电池模块，包含多个电池单元以及多个电池电压平衡电路。多个电池单元串联成一电池串。每一个电池电压平衡电路并联多个电池单元中对应电池单元,根据对应电池单元的电池电压判断是否对电池单元进行放电。其中，多个电池单元的任一电池单元的电池电压高于一第一预设电压时，对应电池电压平衡电路进行放电直至电池电压低于一第二预设电压为止，而第一预设电压高于第二预设电压。
在一实施例中，其中每一该电池电压平衡电路为一集成电路，封装于单一封装体内，该封装体有一第一管脚、一第二管脚及一第三管脚，该第一管脚用以耦接对应电池单元的一正端，该第二管脚用以耦接对应电池单元的一负端，该第三管脚通过一限流电阻耦接至对应电池单元的该正端及该负端其中之一。
在一实施例中，其中该电压判断电路还包含一延迟电路，在该电池单元的该电池电压高于该第一预设电压及低于该第二预设电压时进行一延迟判断，以决定是否产生及停止产生该放电信号。
在一实施例中，其中该限流电阻限制对应电池电压平衡电路在进行放电时的一放电电流，使该放电电流小于对应电池单元在充电时的一充电电流。
以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明的申请专利范围。而有关本发明的其他目的与优点，将在后续的说明与附图加以阐述。
图1为Intersil在其ISL9208的数据手册中所揭示的数字电池平衡控制器。
图2为根据本发明的具电池电压平衡功能的电池模块的电路方块图。
图3为根据本发明的一第一较佳实施例的电池电压平衡电路的电路示意图。
图4为根据本发明的一第二较佳实施例的电池电压平衡电路的电路示意图。
图5A为本发明的电池电压平衡电路应用时各电池单元的电池电压随时间变化的示意图。
图5B为经本发明的电池电压平衡电路进行几个电池电压平衡循环的各电池单元的电池电压的示意图。
图6为根据本发明的一第三较佳实施例的电池电压平衡电路的电路示意图。
主要组件符号说明
现有技术:
电池平衡微处理器5
数字电池平衡控制器10
晶体管开关SI S7
电阻Rl R7
电池单元BATl ΒΑ 7
电源VCC
本发明:
电池电压平衡电路100
电池单元Celll、Cell2、Cell3
电压判断电路VDE
放电电路DIS
正端Bat+
负端Bat-
放电信号Sbal
第一比较器Coml
第二比较器Com2
分压电路Rd、Rd2
逻辑单元LOG
分压信号Vbat
参考信号Vbal
第一参考信号Vball
第二参考信号Vbal2
第一比较信号Scol
第二比较 信号Sco2
SR 触发器 FF
或门OG
设定端S
重设端R
输出端Q
放电开始信号Sst
限流电阻RiruRout
金氧半场效晶体管M
迟滞比较器Chy
电池电压Vcel、Vce2、Vce3
时间点t0、tl、t2、t3、t4
第一预设电压Vpl
第二预设电压Vp2
满充电电压VfulI
第一金氧半场效晶体管Ml
第二金氧半场效晶体管M2
电阻Rml、Rm2
延迟电路Dt
第一延迟电路Dtl
第二延迟电路Dt2
第一延迟信号Sdtl
第二延迟信号Sdt具体实施方式
请参见图2，为根据本发明的具电池电压平衡功能的电池模块的电路方块图。多个电池单元串联成一电池串。多个电池电压平衡电路100 —对一地并联多个电池单元。为了说明方便，在本实施例中，以三个电池单元Ce 111、Ce 112、Ce 113为例来说明。每一个电池电压平衡电路100根据对应电池单元的电池电压判断是否对此电池单元进行放电。当电池单元Celll Cell3的任一电池单元的电池电压高于一第一预设电压时，对应的电池电压平衡电路100会对此电池单元进行放电直至电池电压低于一第二预设电压为止，而第一预设电压高于第二预设电压。第一预设电压与第二预设电压的设定是根据电池单元的满充电电压而定，一般而言会设定在略小于满充电电压。由于在电池满充电的电压的下一范围内，电池的电量变化很小，如此，当本发明的电池电压平衡电路进行电池电压平衡时，不至于明显影响电池单元的电量。
请参见图3，为根据本发明的一第一较佳实施例的电池电压平衡电路的电路示意图。电池电压平衡电路与一电池单元(未绘出)并联，包含一电压判断电路VDE以及一放电电路DIS。电池电压平衡电路为一集成电路，封装在单一封装体内，并具有两个管脚分别连接至电池单元的一正端Bat+及一负端Bat-。电压判断电路VDE稱接电池单元的正端Bat+及负端Bat-，以据此判断电池单元的一电池电压。当电池单元的电池电压高于一第一预设电压时，产生一放电信号Sbal,直至该电池单兀的该电池电压低于一第二预设电压为止,其中第一预设电压高于第二预设电压。放电电路DIS与电池单元并联，即放电电路DIS也耦接电池单元的正端Bat+以及负端Bat-，在接收放电信号Sbal时，对电池单元进行放电。
电压判断电路VDE包含一第一比较器Coml、一第二比较器Com2、一分压电路Rd以及一逻辑单元LOG。分压电路Rd包含两串联的电阻，耦接电池单元的正端Bat+以及负端Bat-以根据电池单元的电池电压产生一分压信号Vbat。第一比较器Coml耦接分压电路Rd，其非反向输入端接收分压信号Vbat，而反向输入端接收代表第一预设电压的一第一参考信号VbalI，在分压信号Vbat的准位高于第一参考信号Vball的准位时，产生一第一比较信号Scol。第二比较器Com2耦接分压电路Rd，其反向输入端接收分压信号Vbat，而非反向输入端接收代表第二预设电压的一第二参考信号Vbal2，在分压信号Vbat的准位低于第二参考信号Vbal2的准位时，产生一第二比较信号Sco2。逻辑单元LOG包含一 SR触发器FF以及一或门OG,根据该第一比较信号Scol及第二比较信号Sco2产生放电信号Sbal。SR触发器FF的一设定端S耦接第一比较器Coml，而一重设端R耦接第二比较器Com2。或门OG率禹接第一比较器Coml及SR触发器FF的一输出端Q。当第一比较器Coml输出第一比较信号Scol时，SR触发器FF被触发而输出一放电开始信号Sst。此时,或门OG根据第一比较信号Scol及放电开始信号Sst而产生放电信号Sbal。当电池单兀的电池电压由高于第一预设电压降低至低于第二预设电压时，第二比较器Com2产生第二比较信号Sco2，使SR触发器FF停止产生放电开始信号Sst。此时电池单元的电池电压也低于第一预设电压使第一比较器Coml也停止产生第一比较信号Scol，故或门OG停止产生放电信号Sbal。放电电路DIS包含一金氧半场效晶体管M及内建的一限流电阻Rin。金氧半场效晶体管M接收放电信号Sbal导通，使电池单元由正端Bat+流出一电流经放电电路DIS而由电池单元负端Bat-流出，以试图降低电池单元的电池电压。一般而言，当电池单元被充电时，电池电压才会高于第一预设电压。限流电阻Rin是用以限制电池电压平衡电路在进行放电时流经放电电路DIS的一放电电流大小，使放电电流小于一预定电流(即电池单元在充电时的最小充电电流)，以确保电池单元的电池电压仍可以持续往满充电的电池电压上升直至停止被充电为止。本发明的电池电压平衡电路在电池单元的电池电压位于第一预设电压及第二预设电压之间但未高于第一预设电压时，第一比较器Coml不会输出第一比较信号Scol,而且SR触发器FF的预设为不输出放电开始信号Sst。因此在上述情况时，本发明的电池电压平衡电路不会对电池单元进行放电。
请参见图4，为根据本发明的一第二较佳实施例的电池电压平衡电路的电路示意图。电池电压平衡电路耦接一电池单元(未绘出)的一正端Bat+及一负端Bat-而形成与电池单元并联的连接关系。电池电压平衡电路一电压判断电路VDE以及一放电电路DIS。电压判断电路VDE耦接电池单元的正端Bat+及负端Bat-，以据此判断电池单元的一电池电压。当电池单兀的电池电压高于一第一预设电压时，产生一放电信号Sbal,直至电池单元的电池电压低于一第二预设电压为止，其中第一预设电压高于第二预设电压。放电电路DIS与电池单元并联，即放电电路DIS也耦接电池单元的正端Bat+以及负端Bat-，在接收放电信号Sbal时，对电池单元进行放电。
电压判断电路VDE包含一迟滞比较器Chy以及一分压电路Rd，分压电路Rd根据电池单兀的电池电压产生一分压信号Vbat。迟滞比较器Chy接收分压信号Vbat及一参考信号Vbal。迟滞比较器Chy根据参考信号Vbal及所设定的迟滞范围而有一上电压值及一下电压值，其中上电压值高于下电压值。当分压信号Vbat的准位高于上电压值的准位时，迟滞比较器Chy产生放电信号Sbal直至分压信号Vbat的准位低于下电压值的准位为止。放电电路DIS包含一金氧半场效晶体管M，而一限流电阻Rout则以外接的方式，通过一管脚耦接至电池单元。在本实施例，限流电阻Rout稱接于放电电路DIS及电池单元的正端Bat+之间，而实际应用时，也可耦接于放电电路DIS及电池单元的负端Bat-之间，而达到同样的限流效果。以外接的方式连接限流电阻Rout虽然会增加本发明的电池电压平衡电路的管脚成三个管脚，然而限流电阻Rout的阻值可弹性地根据实际应用的电池单元的种类、充电器等不同的环境来选择及设定。
请参见图5A，为本发明的电池电压平衡电路应用时各电池单元的电池电压Vcel、Vce2、Vce3随时间变化的示意图。在时间点tO之前，电池单元处于充电状态(Charging)，因此电池电压Vcel、Vce2、Vce3随着时间逐渐上升。当电池电压Vce3高于一第一预设电压Vpl，对应的电池电压平衡电路开始进行放电，使电池电压Vce3的上升速率变缓。而在时间点tO，电池电压Vce3到达一满充电电压Vfull，电池单元停止充电而处于非充电状态(Non-Charging)。由于电池电压Vcel、Vce2并未高于第一预设电压Vpl,故对应电池电压平衡电路不会进行放电，因此仅有电池电压Vce3持续下降并在时间点tl到达一第二预设电压Vp2而结束此次的电池电压平衡循环。就时间点tO及时间点tl的电池电压Vcel、Vce2、Vce3进行比较，可知经本发明的电池电压平衡电路的动作后，电池电压Vcel、Vce2、Vce3之间差异缩小。请参见图5B，为经本发明的电池电压平衡电路进行几个电池电压平衡循环的各电池单元的电池电压Vcel、Vce2、Vce3的示意图。时间点tO为电池单元第一次充电结束的时间点，而时间点11、t2、13、t4为电池电压经充电结束后并经各个电池电压平衡循环结束时的时间点。如图5B所示，本发明的电池电压平衡电路会试图将各电池单元的电池电压调整至第一预设电压Vpl及第二预设电压Vp2之间。在较极端的情况，电池单元的电池电压差距过大，则当任一电池单元的电池电压被充电到满充电电压，可能有部分但电池单元的电池电压仍低于第二预设电压Vp2，但经过有限次的电池电压平衡循环后，电池单元的电池电压可确保均位于第一预设电压Vpl及第二预设电压Vp2之间，甚至如图5B所示般电池电压被调整至相同电压，即充电结束时，电池单元的电池电压均高于第一预设电压Vpl而被统一放电至第二预设电压Vp2为止。
请参见图6，为根据本发明的一第三较佳实施例的电池电压平衡电路的电路示意图。电池电压平衡电路耦接一电池单元(未绘出)的一正端Bat+及一负端Bat-而形成与电池单元并联的连接关系。电池电压平衡电路一电压判断电路VDE以及一放电电路DIS。电压判断电路VDE耦接电池单元的正端Bat+及负端Bat-，以据此判断电池单元的一电池电压。当电池单兀的电池电压高于一第一预设电压时，产生一放电信号Sbal,直至该电池单兀的该电池电压低于一第二预设电压为止，其中第一预设电压高于第二预设电压。放电电路DIS与电池单元并联，并于接收放电信号Sbal时，对电池单元进行放电。
电压判断电路VDE包含一分压电路Rd2、一第一金氧半场效晶体管Ml、一第二金氧半场效晶体管M2、电阻Rml、Rm2、一延迟电路Dt及一逻辑单元LOG。第一金氧半场效晶体管Ml与电阻Rml串联于电池单元的正端Bat+及负端Bat-之间，而第二金氧半场效晶体管M2与电阻Rm2也串联于电池单元的正端Bat+及负端Bat-之间。分压电路Rd2耦接第一金氧半场效晶体管Ml以及第二金氧半场效晶体管M2的控制端(即栅极)。本实施例的分压电路Rd2有三个串联的电阻，且中间的电阻阻值较小。如此，第一金氧半场效晶体管Ml以及第二金氧半场效晶体管M2的控制端接收到分压电路Rd2所产生的电压信号的准位上会有一差异，藉此使得第一金氧半场效晶体管Ml以及第二金氧半场效晶体管M2导通时对应到电池电压会不同。延迟电路Dt具有一第一延迟电路Dtl及一第二延迟电路Dt2，在电池单元的电池电压高于第一预设电压及低于第二预设电压时进行一延迟判断，以决定是否产生及停止产生放电信号Sbal。第一延迟电路Dtl耦接第一金氧半场效晶体管Ml及电阻Rml的连接点，在第一金氧半场效晶体管Ml导通并持续一第一预定时间时，产生一第一延迟信号Sdtl，并在第一金氧半场效晶体管Ml关断并持续第一预定时间时，停止产生第一延迟信号SdtI。第二延迟电路Dt2耦接第二金氧半场效晶体管M2及电阻Rm2的连接点，在第二金氧半场效晶体管M2导通并持续一第二预定时间时，产生一第二延迟信号Sdt2，并在第二金氧半场效晶体管M2关断并持续第二预定时间时，停止产生第二延迟信号Sdt2。第一预定时间与第二预定时间的时间长度可以设为相同。逻辑单元LOG在同时接收第一延迟信号Sdtl以及第二延迟信号Sdt2时产生放电信号Sbal，使放电电路DIS对电池单元进行放电，而后在第一延迟信号Sdtl以及第二延迟信号Sdt2均停止产生时，停止产生放电信号Sbal，以停止对电池单元进行放电。放电电路DIS包含一金氧半场效晶体管M，而一限流电阻Rout则以外接的方式，通过一管脚耦接至电池单元。延迟电路Dt也可以应用至图3及图4所示的实施例，以避免电路上的噪声影响。
如上所述，本发明完全符合专利三要件:新颖性、进步性和产业上的利用性。本发明在上文中已以较佳实施例揭示揭示，然熟悉本技术的人员应理解的是，该实施例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明的范围。应注意的是，凡是与该实施例等效的变化与置换，均应被认为涵盖于本发明的范畴内。因此，本发明的保护范围当以权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种电池电压平衡电路，其特征在于，与一电池单元并联，包含: 一电压判断电路，用以判断该电池单元的一电池电压，当该电池单元的该电池电压高于一第一预设电压时，产生一放电信号，直至该电池单元的该电池电压低于一第二预设电压为止，其中该第一预设电压高于该第二预设电压；以及 一放电电路，用以与该电池单元并联，在接收该放电信号时，对该电池单元进行放电。
2.根据权利要求1所述的电池电压平衡电路，其特征在于，其中该电压判断电路包含一迟滞比较器以及一分压电路，该分压电路与该电池单元并联，并产生一分压信号至该迟滞比较器。
3.根据权利要求1所述的电池电压平衡电路，其特征在于，其中该电压判断电路包含一第一比较器、一第二比较器、一分压电路以及一逻辑单元，该分压电路与该电池单元并联，该第一比较器耦接该分压电路，根据该电池单元的该电池电压是否高于该第一预设电压产生一第一比较信号，该第二比较器耦接该分压电路，根据该电池单元的该电池电压是否低于该第二预设电压产生一第二比较信号，该逻辑单元根据该第一比较信号及该第二比较信号产生该放电信号。
4.根据权利要求1所述的电池电压平衡电路，其特征在于，其中该电压判断电路包含一第一金氧半场效晶体管、一第二金氧半场效晶体管以及一分压电路，该分压电路与该电池单元并联，并耦接该第一金氧半场效晶体管以及该第二金氧半场效晶体管的控制端，分别在该电池单元的该电池电压高于该第一预设电压及低于该第二预设电压时改变该第一金氧半场效晶体管以及该第二金氧半场效晶体管的状态。
5.根据权利要求1至4任一项所述的电池电压平衡电路，其特征在于，其中该放电电路外接一限流电阻，以限制该电池单元通过该放电电路进行放电的一放电电流在一预定电流之内。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的电池电压平衡电路，其特征在于，其中该电压判断电路还包含一延迟电路，在该电池单元的该电池电压高于该第一预设电压及低于该第二预设电压时进行一延迟判断，以决定是否产生及停止产生该放电信号。
7.一种具电池电压平衡功能的电池模块，其特征在于，包含: 多个电池单元，该多个电池单元串联成一电池串；以及 多个电池电压平衡电路,每一个 电池电压平衡电路并联该多个电池单元中对应电池单元，根据该对应电池单元的电池电压判断是否对该电池单元进行放电； 其中，该多个电池单兀的任一电池单兀的电池电压高于一第一预设电压时，对应电池电压平衡电路进行放电直至该电池电压低于一第二预设电压为止，而该第一预设电压高于该第二预设电压。
8.根据权利要求7所述的具电池电压平衡功能的电池模块，其特征在于，其中每一该电池电压平衡电路为一集成电路，封装于单一封装体内，该封装体有一第一管脚、一第二管脚及一第三管脚，该第一管脚用以耦接对应电池单元的一正端，该第二管脚用以耦接对应电池单元的一负端，该第三管脚通过一限流电阻耦接至对应电池单元的该正端及该负端其中之一。
9.根据权利要求7至8任一项所述的具电池电压平衡功能的电池模块，其特征在于，其中该电压判断电路还包含一延迟电路，在该电池单元的该电池电压高于该第一预设电压及低于该第二预设电压时进行一延迟判断，以决定是否产生及停止产生该放电信号。
10.根据权利要求8所述的具电池电压平衡功能的电池模块，其特征在于，其中该限流电阻限制对应电池电压平衡电路在进行放电时的一放电电流,使该放电电流小于对应电池单元在充电时的 一充电电流。
全文摘要
本发明提供了一种电池电压平衡电路及具电池电压平衡功能的电池模块。其中，电池电压平衡电路包含一电压判断电路以及一放电电路，并用以与一电池单元并联。电压判断电路是用以判断电池单元的一电池电压，当电池单元的电池电压高于一第一预设电压时，产生一放电信号，直至电池单元的电池电压低于一第二预设电压为止，其中第一预设电压高于第二预设电压。放电电路是用以与电池单元并联，在接收放电信号时，对电池单元进行放电。
文档编号H02J7/00GK103219752SQ201210018789
公开日2013年7月24日 申请日期2012年1月20日 优先权日2012年1月20日
发明者余仲哲, 李立民, 徐献松, 柳娟娟 申请人:登丰微电子股份有限公司