专利名称：电源平衡模块及其方法
技术领域：
本发明是关于一种平衡模块，特别是关于一种对数个储能元件的电压准位进行平
衡的电源平衡模块及其方法。
背景技术：
现今储能元件广泛运用于电子设备中，以满足人们对独立能源系统的需求。 一般来说为了给电子设备提供足够的电压，例如是需要大电能的交通工具，通常由多个电池串联而成一电池组。而由于电池组内每个电池之间的性质不可能完全相同，用久了自然就会有某些特性较差的电池先老化，而影响了整体内各个电池充放电曲线，致使每个电池内的电量不相同。因此当电池组中的电池发生不平衡时，电池组的可用容量将减少，且由串联电池组中容量最低的电池来决定此电池组的总容量。因此在不平衡电池组中，其在充电时，一个或几个电池会在其它电池尚需充电时便已达到最大容量；而在放电时，未完全充电的电池又会比其它电池先放完电，使电池组因电压不足而提前停止供电。 因此为了解决电池组中的每个电池内电量不平衡的问题，有必要对电池组中的电池进行均压的处理。如第一图所示，其中的电池组由数个电池B1、 B2、 B3、 B4组成，且每一个电池分别并联有一个限流电阻及一开关元件(通常为功率晶体管)。而当充电模块90对此电池组进行充电时，此电路所提供的均压处理是通过分流需要均压的电池(如电压最高的电池)电流来实现的，因此对于电压最高的电池而言其在充电过程中将导通对应的功率晶体管，使该电池的电流部份分流，因而使它的充电速度比其它电池慢，而在放电过程中同样对于电压最高的电池导通其相对应功率晶体管，增加该电池的有效负载，使它的放电速度比其它电池快，因而在充/放电模式下对电池进行平衡。 而前述均压电路设计时必须注意功率晶体管和限流电阻的选择，以使电流保持在合理的范围内。如果平衡电流过高，功耗会很大，引起电池组及排线升温或增加元件负担；相反，如果平衡电流过低，就需要较长的时间或多个周期才能起到平衡作用，因而降低电池平衡效率。此外对于图l所示的电路而言，其中的限流电阻于作用时会消耗电池的能量，而导致电源的浪费。 而除了图1所示对电池电压进行均压的处理架构之外，目前也有以非消耗式的方式，将电压较高的电池以升压方式回充到其它电压较低的电池，但此过程中的升压处理仍免不了会消耗电池中的能量。除此之外，目前对于电池均压的处理技术亦已揭露于美国专利第6150795号、第6222344号等专利中。 然而前述揭露各种电池均压处理技术，其处理过程或多或少均会对电池的能量产生消耗，且电路控制方式亦较为复杂，因此如何解决目前电池组均压处理方式所衍生的问题，已是一个有待克服的课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，在于提供一种电源平衡模块及其方法，提供一种架
4构简单且以无消耗能量的方式来对一电源模块中各储能元件的电压准位进行平衡，以解决 现有技术所产生的问题。 为了解决上述技术问题，根据本发明的一种方案，提供一种电源平衡模块，包括一 电源模块、一第一开关模块、一第二开关模块、一开关控制模块及一控制单元。其中电源 模块是具有多个储能元件；第一开关模块用来使该些储能元件之间可以通过串联方式耦 接；第二开关模块用来使该些储能元件之间可以通过并联方式耦接；开关控制模块耦接于 第一开关模块与第二开关模块，且根据一切换信号来分别输出一第一开关控制信号给第一 开关模块及输出一第二开关控制信号给第二开关模块。控制单元耦接于开关控制模块，并 用来输出切换信号给该开关控制模块，以使开关控制模块可以根据此切换信号来使该些储 能元件之间以串联或并联的方式来耦接。 为了解决上述技术问题，根据本发明的再一种方案，提供一种电源平衡方法，包
括提供一第一开关模块来控制一电源模块中的多个储能元件之间可以通过串联方式耦
接；提供一第二开关模块来控制电源模块中的该些储能元件之间可以通过并联方式耦接；
以及根据一切换信号来输出一第一开关控制信号给第一开关模块及输出一第二开关控制
信号给第二开关模块，而使得该些储能元件之间以串联或并联的方式来耦接。 因此本发明通过上述的技术方案，使得各储能元件之间的连接关系可以经由第一
开关模块及第二开关模块的开关控制，而来决定出是使用串联或并联进行连接。而当各储
能元件以串联连接时即可输出高电压准位来供一负载使用；以及当各储能元件以并联连接
时即可通过无消耗能量的方式，使得各储能元件的电压准位可以经由彼此之间的充放电动
作而自动取得相等，而达到让各储能元件的电压准位具有平衡效果。 本发明具有的功效具有控制方式简单的优点，即可让各储能元件的电压准位可 以快速达到平衡，且并不会对各储能元件的能量产生任何的消耗，而达到节省电源的效果。
以上的概述与接下来的详细说明及附图，皆是为了能进一步说明本发明为达成预 定目的所采取的方式、手段及功效。而有关本发明的其它目的及优点，将在后续的说明及图 式中加以阐述。
图1为现有电池电压准位的平衡电路示意图； 图2为本发明实施例的一电源平衡模块的示意图； 图3为本发明实施例的一磁性电容的示意图； 图4为本发明另一实施例的一磁性电容的示意图； 图5为将磁性电容与其它能量储存媒介作比较的示意图；以及 图6为本发明实施例的一电源平衡方法的流程图。主要元件符号说明
1电源平衡模块 10电源模土央 B1、B2、B3、B4电池 12第一开关模块 Sl第一开关元件
14第二开关模块S2第二开关元件16开关控制模块18控制单元19负载2磁性电容20介电层22第一磁性电极24第二磁性电极26、28磁偶极3磁性电容30介电层31、33磁偶极32第一磁性电极320第一隔离层322第一磁性层324第二磁性层34第二磁性电极340第二隔离层342第三磁性层344第四磁性层35、36磁偶极90充电模块S601 S607流程图步骤说明
具体实施例方式
本发明提供一种电源平衡模块及其方法，主要是通过开关控制的简易方式，而以 无消耗能量方式来让各储能元件之间的电压准位可以取得平衡。 接下来请参阅图2，其为本发明实施例的一电源平衡模块的示意图。本实施例所述 的电源平衡模块1包括有一电源模块10、一第一开关模块12、一第二开关模块14、一开关控 制模块16及一控制单元18。 其中电源模块10由多个储能元件组成，且各储能元件之间可以通过开关的控制 而以串联或并联方式来相互耦接，而本实施例的储能元件以充电电池Bl 、 B2、 B3、 B4作为以 下的举例说明。而当各储能元件以串联方式耦接一起时同时是与一负载19耦接以形成一 回路，并由电源模块10对负载19进行放电，以提供此负载19运作时所需的电源。另外，当 各储能元件以并联方式耦接时，若各储能元件之间出现电压准位不相等状况，则将由电压 准位高的储能元件向电压准位低的储能元件进行充电，并经过一段时间的后各储能元件的 电压准位将可自动取得平衡。 第一开关模块12耦接于电源模块10，并用来控制此电源模块10中的各储能元件 以串联方式互相耦接。具体来说，本实施例的第一开关模块12由多个第一开关元件S1组 成，且在每两个储能元件之间的串联路径上是耦接一个第一开关元件Sl，以及电源模块10 与负载19之间也耦接有一个第一开关元件Sl。而第一开关模块12中的各第一开关元件 Sl的导通(turn on)或关断(turn off)是同时受一第一开关控制信号来进行控制。
第二开关模块14耦接于电源模块10，并用来控制此电源模块10中的各储能元件
6以并联方式互相耦接。具体来说，本实施例的第二开关模块14由多个第二开关元件S2组成，且各储能元件的第一端(如正端)分别通过耦接一个第二开关元件S2来与其它储能元件的第一端耦接，同样的各储能元件的第二端(如负端)分别通过耦接一个第二开关元件S2来与其它储能元件的第二端耦接。而第二开关模块14中的各第二开关元件S2的导通或关断是同时受一第二开关控制信号来进行控制。 因此当所有第一开关元件Sl均导通以及所有第二开关元件S2关断时，电源模块10中的各储能元件形成一串联路径，且电源模块10可直接对负载19进行供电。另外当所有第一开关元件Sl关断以及所有第二开关元件S2均导通时，电源模块10中的各储能元件形成一并联回路，而使各储能元件之间的电压准位可以通过并联关系而自动取得平衡。
开关控制模块16耦接于第一开关模块12及第二开关模块14，并分别对第一开关模块12输出第一开关控制信号及对第二开关模块14输出第二开关控制信号，以使得同一时间电源模块10中的各储能元件仅能通过串联或并联的其中一种方式来进行耦接。前述第一开关控制信号及第二开关控制信号均可分别用来对第一开关元件Sl及第二开关元件S2的导通或关断进行控制，且开关控制模块16所输出的第一开关控制信号及第二开关控制信号主要是根据一切换信号来决定。 控制单元18耦接于开关控制模块16，其主要根据负载19的使用状态(如启动使用或停止使用)而来输出相对的切换信号给开关控制模块16。具体来说，当负载19被操作在使用状态时，此时的切换信号使得开关控制模块16输出使第一开关元件Sl导通的第一开关控制信号及输出使第二开关元件S2关断的第二开关控制信号；反之当负载19被操作在停止使用状态时，此时的切换信号使得开关控制模块16输出使第一开关元件Sl关断的第一开关控制信号及输出使第二开关元件S2导通的第二开关控制信号。
因此对于本实施例所揭露的电源平衡模块1而言，其在对各储能元件执行电压准位平衡是通过并联方式来让各储能元件可以自动取得平衡，此种方式并不会对电源模块10产生电能的消耗，且此过程是在负载19停止使用时才会启动执行，因此并不会影响到各储能元件之间所进行电压准位平衡的操作。 前述提及的储能元件除了可以是充电电池B1 、 B2、 B3、 B4之外，对此本发明又提供一种通过磁性技术来储存电量的磁性电容(magnetic c即acitor)来当成本实施例中储能元件的另一种实施态样。接下来进一步说明本实施例所述的磁性电容的构成，并请参阅图3，其为本发明实施例的一磁性电容示意图。如图3所示磁性电容2 (magnetic c即acitor)包括一介电层20、一第一磁性电极22及一第二磁性电极24，其中介电层20设置于第一磁性电极22与第二磁性电极24之间，以于在第一磁性电极22与第二磁性电极24处累积电荷以储存电压准位能，且第一磁性电极22与第二磁性电极24由具有磁性导电材料所构成，并可藉由对第一磁性电极22与第二磁性电极24外加电场进行磁化，而使第一磁性电极22与第二磁性电极24内分别形成磁偶极(magnetic dipole) 26、28，如此可以在磁性电容2中构成一磁场而来对带电粒子的移动造成影响，因此使得磁性电容2中的介电层20可以用来储存电能及藉由磁偶极26、28形成的磁场来避免电能漏电。 前述第一磁性电极22与第二磁性电极24的材质可以为稀土元素，介电层20由氧化钛(Ti03)、氧化钡钛(BaTi03)或一半导体层，例如氧化硅(silicon oxide)所构成，然而本发明并不限于此，第一磁性电极22、第二磁性电极24与介电层20均可视产品的需求而选用适当的其它材料。另外图3中第一磁性电极22与第二磁性电极24中的箭头用来表示磁偶极26、28，磁偶极26、28实际上由多个整齐排列的微小磁偶极所迭加成，然而对于熟悉该项技术的人而言，本实施例对于磁偶极26、28的形成方向并无限定，如可以指向同一方向或不同方向。 根据前述说明，前述图3所示的磁性电容2，其原理主要是利用第一磁性电极22与第二磁性电极24中整齐排列的磁偶极26、28来形成磁场，以使得介电层20中储存的电荷朝同一 自旋方向转动，而进行整齐且紧密的排列，因此在介电层20中即可以容纳更多的电荷，进而增加磁性电容2的电能储存密度。由于习知电容中，电容值C由电容的面积A、介电层的介质常数e。、及厚度d决定，如下公式(一)，因此模拟于现有电容，本实施例的磁性电容2相当于藉由磁场的作用来改变介电层的介电常数，故而造成电容值的大幅提升。 C =" 公式(一 ) 在此要特别强调，本实施例的磁性电容2储存的能量全部以电位能的方式进行储存，相较于主要以化学能储存的其它能量储存媒介(例如传统电池或超级电容)，本实施例所述的磁性电容2除了具有可匹配的能量储存密度外，更因充分保有电容的特性，而具有寿命长(高充放电次数)、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电等特点，故可有效解决当前电池所遇到的各种问题。且由于现有储能元件多半以化学能的方式进行储存，因此都需要有一定的尺寸，否则往往会造成效率的大幅下降。相较于此，本实施例的磁性电容2以电位能的方式进行储存，且因所使用的材料可适用于半导体工艺，故可藉由适当的半导体工艺来形成磁性电容2以及周边电路连接，进而縮小磁性电容2的体积与重量，由于此制作方法可使用一般半导体工艺，其应为熟悉该项技术的人所熟知，故在此不予赘述。
请参阅图4，其为本发明另一实施例的一磁性电容的示意图。磁性电容3包括一介电层30、一第一磁性电极32与一第二磁性电极34，其中介电层30设置于第一磁性电极32与第二磁性电极34之间。第一磁性电极32更包括有一第一隔离层320、一第一磁性层322及一第二磁性层324，第一隔离层320是设置于第一磁性层322与第二磁性层324之间。第二磁性电极34更包括一第二隔离层340、一第三磁性层342及一第四磁性层344，第二隔离层340是设置于第三磁性层342与第四磁性层344之间。第一隔离层320与第二隔离层340均是由非磁性材料所构成。 图4所示的磁性电容3的操作原理与图3所示的磁性电容2相同，一样是通过外加电场于第一磁性层322、第二磁性层324、第三磁性层342与第四磁性层344，而使第一磁性层322、第二磁性层324、第三磁性层342与第四磁性层344中分别形成磁偶极(magneticdipole)31、33、35、36。因此磁性电容3在磁化过程中，可以藉由不同的外加电场，例如使第一磁性层322与第二磁性层324中的磁偶极31、33分别具有不同的方向，以及使第三磁性层342与第四磁性层344中的磁偶极35、36分别具有不同的方向，如此能进一步抑制磁性电容3的漏电流。同样本实施例对于磁偶极31、33、35、36的形成方向并无限定，如可以指向同一方向或不同方向。 在此特别强调，前述的第一磁性电极32及第二磁性电极34的结构并不限于前述的三层结构，而可以类似的方式，以多个磁性层与非磁性层不断交错堆栈，再藉由各磁性层内磁偶极方向的调整来进一步抑制磁性电容3的漏电流，以达到几乎无漏电流的效果。
再者为了更突显本发明所述的磁性电容具有高能量储存密度的技术特点，请 参阅图5所示，其主要是将磁性电容与其它能量储存媒介的作比较，从图5中可以清 楚得知磁性电容相对于一般电容(Capacitors)、电化学超级电容(electrochemical superc即acitors)、电池(Batteries)、燃料电池(fuel cells)是具有较佳的能量储存密 度，并藉由此磁性电容的技术特点，而得以让磁性电容可以具有高功率输出、快速充放电、 不具充放电次数限制、体积小、重量轻的技术效果。 故当本实施例所述的储能元件通过前述磁性电容实施时，将可使电源平衡模块10 整体电路空间縮小，且也能储存较多的电能，更值得一提的是当各磁性电容之间通过并联 耦接时，由于磁性电容具有快速充放电的特性，因此将使各磁性电容之间的电压准位快速 达到平衡，使得电源模块10可以在极短时间中就可让各储能元件的电压准位相等。
接下来请再参阅图6所示，其为本发明电源平衡方法的流程图，相关的说明并请 一并配合图2，图6所示的方法步骤如下 首先提供一第一开关模块12及一第二开关模块14来控制电源模块10中各储能 元件之间的连接方式(如步骤S601)，其中第一开关模块12及第二开关模块14中是个别包 括有多个第一开关元件Sl及第二开关元件S2，且第一开关元件Sl提供让各储能元件之间 以串联耦接的方式进行连接，第二开关元件S2提供让各储能元件之间以并联耦接的方式 进行连接。 判断一负载19的使用状况(如步骤S603)，此步骤是判断负载19是否为启动使用 或是停止使用。 当步骤S603的判断结果为负载19启动使用时，则控制第一开关模块12中的第一
开关元件Sl导通及第二开关模块14中的第二开关元件S2关断，以使各储能元件之间以串
联耦接方式来对负载19进行供电(如步骤S605)，之后回到步骤S603继续执行。 当步骤S603的判断结果为负载19停止使用时，则控制第一开关模块12中的第一
开关元件Sl关断及第二开关模块14中的第二开关元件S2导通，以使各储能元件之间以
并联耦接方式来让各储能元件的电压准位能自动取得平衡(如步骤S607)，之后回到步骤
S603继续执行。 前述说明已揭露本发明的实施方式，而为了更清楚说明本发明实际运作方式，在 此以举例方式说明本发明可能的使用情形。其中前述的负载19可以是当成电动车，因此当 电动车启动行驶时，由于需要足够的电源供应量，故本发明电源模块10中的各储能元件之 间将以互相串联的方式来提供高电压输出的电源供此电动车使用；反之当电动车停止行驶 时，本发明电源模块10停止供电给电动车使用，且电源模块10中的各储能元件之间将以互 相并联的方式来让各储能元件的电压准位可以自动取得平衡。此外前述负载19并不局限 于电动车，亦可以是其它通过储能元件作为电源供应且需对储能元件充电的电子装置，如 电动手工具。 故通过前述实施例的说明，本发明是提供一种简易的控制方式来让各储能元件的 电压准位可以自动取得平衡，且在此过程的中并不会对各储能元件的能量产生消耗，如此 可以让各储能元件的特性可以被充份发挥及使用，以解决现有技术中以多个电池串联构成 的电池组，若其中各电池因电压准位不相等将造成后续各电池充放电控制的困扰。且本发
9明是在负载不需使用电源时，才会对各储能元件以并联方式进行电池电压准位的平衡操 作，并不会对负载的正常供电造成影响。 另，本发明为了让各储能元件在并联使用时，而让各储能元件的电压准位快速达 到平衡，可以使用前述磁性电容来替代一般的充电电池，而让负载可以在短时间内即可快 速使用此电源模块，同时此时电源模块中各储能元件的电压准位已呈现相等的电压准位输 出。 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发 明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和 变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
一种电源平衡模块，其特征在于，包括一电源模块，具有多个储能元件；一第一开关模块，提供该些储能元件之间以串联方式耦接；一第二开关模块，提供该些储能元件之间以并联方式耦接；一开关控制模块，耦接于该第一开关模块与该第二开关模块，并根据一切换信号来输出一第一开关控制信号给该第一开关模块及输出一第二开关控制信号给该第二开关模块；以及一控制单元，耦接于该开关控制模块，并输出该切换信号给该开关控制模块；其中该开关控制模块根据该切换信号来使该些储能元件之间以串联及并联的其中一种方式来耦接。
2. 如权利要求1所述的电源平衡模块，其特征在于，其中该储能元件为充电电池。
3. 如权利要求1所述的电源平衡模块，其特征在于，其中该储能元件为磁性电容，而该磁性电容包括一第一磁性电极；一第二磁性电极；以及一介电层，设置于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间；其中该介电层用以储存电能，以及该第一磁性电极与该第二磁性电极分别具有多个磁偶极以避免储存于该介电层中的电能漏电。
4. 如权利要求3所述的电源平衡模块，其特征在于，其中该第一磁性电极包括一第一磁性层；一第二磁性层；以及一第一隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第一磁性层与该第二磁性层之间；以及其中该第二磁性电极包括一第三磁性层；一第四磁性层；以及一第二隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第三磁性层与该第四磁性层之间。
5. 如权利要求1所述的电源平衡模块，其特征在于，其中该第一开关模块包括多个第一开关元件，且在每两个该等储能元件之间的串联路径上以及该电源模块与一负载之间分别耦接有一个该第一开关元件，以使该些储能元件之间通过该些第一开关元件来互相串联。
6. 如权利要求5所述的电源平衡模块，其特征在于，其中该第二开关模块包括多个第二开关元件，且每一个该储能元件的第一端与第二端分别通过耦接一个该第二开关元件来与其它该些储能元件的第一端与第二端耦接，以使该些储能元件之间通过该些第二开关元件来互相并联。
7. 如权利要求6所述的电源平衡模块，其特征在于，其中当该负载的使用状态为启动使用时，该开关控制模块所输出的该第一开关控制信号使该些第一开关元件导通，而该开关控制模块所输出的该第二开关控制信号使该些第二开关元件关断，以使该些储能元件之间以串联方式耦接，并使该电源模块提供电源输出供该负载使用。
8. 如权利要求6所述的电源平衡模块，其特征在于，其中当该负载的使用状态为停止使用时，该开关控制模块所输出的该第一开关控制信号使该些第一开关元件关断，而该开关控制模块所输出的该第二开关控制信号使该些第二开关元件导通，以使该些储能元件之间以并联方式耦接，而让该些储能元件之间的电压进行平衡。
9. 一种电源平衡方法，其特征在于，包括提供一第一开关模块以控制一电源模块中的多个储能元件之间以串联方式耦接；提供一第二开关模块以控制该电源模块中的该些储能元件之间以并联方式耦接；以及根据一切换信号来输出一第一开关控制信号给该第一开关模块及输出一第二开关控制信号给该第二开关模块，以使该些储能元件之间以串联及并联的其中一种方式来耦接。
10. 如权利要求9所述的电源平衡方法，其特征在于，其中该储能元件为充电电池。
11. 如权利要求9所述的电源平衡方法，其特征在于，其中该第一开关模块使用多个第一开关元件，且在每两个该等储能元件之间的串联路径上以及该电源模块与一负载之间分别耦接有一个该第一开关元件，以使该些储能元件之间通过该些第一开关元件来互相串联。
12. 如权利要求11所述的电源平衡方法，其特征在于，其中该第二开关模块使用多个第二开关元件，且每一个该储能元件的第一端与第二端分别通过耦接一个该第二开关元件来与其它该些储能元件的第一端与第二端耦接，以使该些储能元件通过该些第二开关元件来互相并联。
13. 如权利要求12所述的电源平衡方法，其特征在于，其中当该负载的使用状态为启动使用时，该第一开关控制信号使该些第一开关元件导通，而该第二开关控制信号使该些第二开关元件关断，以使该些储能元件之间以串联方式耦接，并使该电源模块提供电源输出供该负载使用。
14. 如权利要求12所述的电源平衡方法，其特征在于，其中当该负载的使用状态为停止使用时，该第一开关控制信号使该些第一开关元件关断，而该第二开关控制信号使该些第二开关元件导通，以使该些储能元件之间以并联方式耦接，而让该些储能元件之间的电压进行平衡。
全文摘要
本发明公开了一种电源平衡模块及其方法，该电源平衡模块包括有一电源模块、一第一开关模块、一第二开关模块、一开关控制模块及一控制单元。电源模块具有多个储能元件，且这些储能元件之间通过第一开关模块及第二开关模块的控制而进行串联或并联的连接。开关控制模块则是根据一切换信号来个别输出一第一开关控制信号给第一开关模块及输出一第二开关控制信号给第二开关模块。控制单元根据一负载的使用状态输出此切换信号给开关控制模块。
文档编号H01M10/44GK101741106SQ20081017450
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月5日 优先权日2008年11月5日
发明者郑青峯 申请人:光宝科技股份有限公司