专利名称：充电式电池管理系统及其方法
技术领域：
本发明涉及电能转换调整电路的技术领域，特别涉及一种在利用控制单元控制充电开关以通过独立的储能单元的同时对至少一具低电位的电池单元充电，而达均衡各电池单元电位的充电式电池管理系统及其方法。
背景技术：
目前，电动车或油电混合车等绿色交通机具大量采用锂铁电池作为可重复充放电的动能供应电池组，又由于单一锂铁电池的电压一般约为3 4伏特，远远不足于电动车或油电混合车所需的高达100伏特以上的驱动电压，因此，其动能供应电池组势必由多个锂铁电池单元串联而成。然而，常理言之，各电池单元间原本即具有些微的特性差异，例如内阻不同而造成充放电时可容纳及输出的电能不同，再经过多次的反复充放电后将使各电池单元间具有一电压差，造成各电池单元的电位不平衡，降低电池组的性能效率。另外，若电池单元电位过高时，将加速电池老化或烧毁，反之，若电位过低时则造成电池老化损坏。为解决上述问题，在现有技术中可采用以旁路电阻并联耦接具有较高电能的电池单元的方式消耗多余电能而均衡各电池单元的电位，然此种被动式电池电位均衡方式将因电阻耗能而产生热量，造成电池组温度上升而减短使用寿命、降低能量转换效率且不易扩充。
发明内容
有鉴于现有技术的问题，本发明的主要目的在于，提供一种充电式电池管理系统及其方法，使所述多个电池单元同时或单独加速充电而均衡各所述电池单元的电位，达提升电池组转换效率及延缓电池老化的功效；本发明的另一·目的在于，避免过充而造成所述电池组损坏；本发明的又一目的在于，为避免所述多个电池单元过度放电而造成电池老化；本发明的再一目的在于，提升所述电池组的储电效率。为实现上述目的:本发明公开的技术方案为:一种充电式电池管理系统，其中，适用以监控利用电源进行充电的一电池组的多个电池单元，且通过独立充电的方式均衡各所述电池单元所储存的电能量,其包含:多个储能单元，是耦接电源及所述电池组，各所述储能单元包含一第一线圈、一磁芯及一第二线圈，各所述第一线圈通过所述磁芯耦合所述第二线圈且串接一第一开关；一监测单元，是电性连接所述多个电池单元，监测所述多个电池单元的电位、电流及温度，并比对所述多个电池单元的电位平衡状态，当所述多个电池单元的其中至少的一相对具有较低电位时，所述监测单兀输出一充电讯号；及 一控制单元，是耦接所述监测单元且通过所述多个第一开关耦接所述多个储能单元，所述控制单元接收所述充电讯号而释放所述电池组的电能以形成一第一电流，且导通对应的所述第一开关，使所述第一电流流入对应的所述第一线圈后，通过所述第一线圈与所述第二线圈的互感效应，产生一增充电流，增加对应的所述电池单元的充电电流量。所述的充电式电池管理系统，其中，更包括一第二开关，是耦接电源、所述多个储能单元及所述控制单元，当所述监测单元测得所述电池组的充电电流过大、电位能达饱合或温度过高时，输出一停电讯号至所述控制单元，使所述控制单元关闭所述第二开关而停止电源供电。所述的充电式电池管理系统，其中，所述第二开关为低功耗且可承受200安培以上工作电流的电子式开关。所述的充电式电池管理系统，其中，更包括一放电防护单元，是耦接所述控制单元及所述电池组，当所述监测单元测得所述多个电池单元的电位状态过低时，输出一异常讯号至所述控制单元，使所述控制单元通过所述放电防护单元停止对所述电池组放电。所述的充电式电池管理系统，其中，各所述第二线圈是通过一第三开关耦接一同步整流元件，使所述储能单元同步整流所述第一电流而充电所述电池单元。本发明还公开一种充电式电池管理方法，是所述的充电式电池管理系统监控利用电源进行充电的一电池组的多个电池单元,且通过独立充电的方式均衡各所述电池单元所储电能量的运作方式，其中，其包含下列步骤:以所述监测单元监测所述多个电池单元的电位、电流及温度；比对所述多个电池单元的电位平衡状态；当所述多个电池单元的其中至少的一相对具有较低电位时，所述监测单元输出一充电讯号至所述控制单元；接收所述充电讯号，所述控制单元将释放所述电池组的电能而形成一第一电流，且导通对应的 所述第一开关；及使所述第一电流流入对应的所述第一线圈后，通过所述第一线圈与所述第二线圈的互感效应，产生一增充电流，增加对应的所述电池单元的充电电流量。所述的充电式电池管理方法，其中，所述监测单元监测所述多个电池单元时，更包括下列步骤:当所述监测模组测得所述电池组的充电电流过大、电位能达饱合或温度过高时，输出一停电讯号至所述控制单元；及使所述控制单元关闭所述充电式电池管理系统的一第二开关，停止电源供电。所述的充电式电池管理方法，其中，所述第二开关为低功耗且可承受200安培以上工作电流的电子式开关。所述的充电式电池管理方法，其中，中所述监测单元监测所述多个电池单元时，更包括下列步骤:当所述监测模组测得所述多个电池单元的电位状态过低时，输出一异常讯号至所述控制单元；及使所述控制单元通过所述充电式电池管理系统的一放电防护单元停止对应的所述电池单元放电。所述的充电式电池管理方法，其中，当所述第一电流流入所述第一线圈且通过互感效应而感应至所述第二线圈时，更包括下列步骤:开启所述第二线圈的一第三开关；及
使所述储能单元同步整流电源电压而充电所述电池单元。本发明的有益效果在于:通过一监测单元监控利用电源进行充电的一电池组的多个电池单元的电位、电流及温度，且所述监测单元比对所述多个电池单元的电位平衡状态，当所述多个电池单元的其中至少之一相对具有较低电位时，所述监测单元输出一充电讯号至一控制单元。所述控制单元接收所述充电讯号，即而释放所述电池组的电能以形成一第一电流，且导通对应的所述第一开关，使所述第一电流流入对应的所述第一线圈后，通过所述第一线圈与所述第二线圈的互感效应，产生一增充电流，增加对应的所述电池单元的充电电流量。如此，即可通过隔离式的所述多个储能单元使所述多个电池单元同时或单独加速充电而等化各所述电池单元的电位，达提升电池组转换效率及延缓电池老化的功效。并且，为避免过充而造成所述电池组损坏，本发明的充电式电池管理系统及其方法更在所述监测单元测得所述电池组的充电电流过大、电位能达饱合或温度过高而输出一停电讯号至所述控制单元时，通过所述控制单元关闭耦接于电源、所述控制单元与所述多个储能单元间的一第二开关而停止电源供电，且所述第二开关为低功耗且可承受200安培以上工作电流的电子式开关另一方面，为避免所述多个电池单元过度放电而造成电池老化,本发明的充电式电池管理系统及其方法更在所述监测单元测得所述多个电池单元的电位状态过低而输出一异常讯号至所述控制单元时，使所述控制单元通过一放电防护单元停止所述电池组放电。再者，为提升所述电池组的储电效率，各所述第二线圈通过一第三开关耦接一同步整流元件，使所述储能单元同步整流所述第一电流而充电所述电池单元，且所述第三开关可为一金氧半导体场效·应晶体管。或者，各所述第一线圈可串接一二极管，以非同步整流所述第一电流。
图1为本发明较佳实施例的第一实施形态的电路示意图；图2为本发明较佳实施例的第二实施形态的电路示意图；图3为本发明较佳实施例的流程图。附图标记说明:3_充电式电池管理系统；30_储能单元；301-第一线圈；302_磁芯；303_第二线圈；304_第一开关；305_第三开关；31_监测单元；32_控制单元；33_第二开关；34_放电防护单元；35_同步整流元件；4_电池组；40_电池单元山-第一电流；IP-增充电流；S1 S4-步骤。
具体实施例方式以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。请参阅图1及图2，分别为本发明较佳实施例的第一实施形态及第二实施形态的电路示意图。如图所示，所述充电式电池管理系统3为一返驰式(Flyback)电源供应架构而充电一电池组4，同时，监控及管理所述电池组4的多个电池单元40，其包含一第一线圈301、一磁芯302及一第二线圈303，各所述第一线圈301通过所述磁芯302耦合所述第二线圈303且通过可为金氧半导体场效应晶体管的一第一开关304耦接所述控制单元32。所述监测单元31电性连接所述多个电池单元40及所述控制单元32。所述控制单元32利用控制所述多个第一开关304的栅极而开启或关闭所述多个储能单元30，且平时处于待机状态，仅在所述监测单元31测得异常而发出讯号时启动，以节省待机功耗。所述第二开关33耦接于电源、所述多个储能单元30及所述控制单元32间，而所述放电防护单元34则耦接所述控制单元32及所述电池组4。所述监测单元31监测所述多个电池单元40的电位、电流及温度，以检测所述多个电池单元40是否未过温、未过流或电位未过低而可输出放电电流？若是，通过所述控制单元32开启所述电池单元40的放电功能,反之则关闭放电功能。接着，当所述电池组4的充电电流过大或温度过高时，所述监测单元31比对所述多个电池单元40的电位状态是否已达饱合状态，若某一所述电池单元40-1所储电能大于一最大电能值，例如3.65伏特时，即输出一停电讯号至所述控制单元32，以关闭所述第二开关33而停止电源输入及停止所述电池组4充电，避免输入端出现异常错误而过充或烧毁所述电池组4。同时，输出一充电讯号至所述控制单元32，以释放所述电池组4电能反馈至系统，同时开启具相对低电位的至少一所述电池单元40_n对应的所述第一开关304_n，接着，利用上述释放电能形成一第一电流1:—n，输入对应的所述第一线圈301_ 后，通过所述第一线圈301_ 与所述第二线圈303_ 的互感效应，产生一增充电流I_p—n，提增对应的所述电池单元40_n的充电电流，使平衡各所述电池单元40的电位。值得注意的是，所述第二开关33为低功耗且可承受200安培以上工作电流的电子式开关，以避免系统开关机瞬间产生火花而损坏电路，且其满载时总功耗低于50瓦则有利于省电，符合环保需求。反之，若无大于3.65 伏特的所述电池单元40，所述监测单元31进一步判断各所述电池单元40的电位误差量是否小于一误差预设值，例如正负0.05伏特，若是，则再次检测所述电池单元40是否正进行充电或放电，以继续监测所述多个电池单元40或结束监测作业而待机。又若各所述电池单元40的电位误差量是大于正负0.05伏特，则进一步确认小于所述电池组4电位平均值的所述电池单元40。若所述电池单元40_n电位远小于电位平均值，则所述监测单元31发出所述充电讯号至所述控制单元32，以开启对应的所述第一开关304_n并使所述电池组4释放电能，接着，利用上述释放电能形成一第一电流I1 n，输入对应的所述第一线圈301_ 后，通过所述第一线圈301_ 与所述第二线圈303_n的互感效应，产生一增充电流I_p—n，提增对应的所述电池单元40_n的充电电流，使平衡各所述电池单元40的电位。如此，不浪费电能且可快速均衡所述多个电池单元40间的电位，提升所述电池组4的充电效率，以可作为应用于大电流，例如串联所述多个电池单元40至384伏特而形成高压的所述电池组4充放电设备中的主动电位平衡系统。并且，当所述监测单元31测得所述多个电池单元40的电位状态过低时，输出一异常讯号至所述控制单元32，使所述控制单元32通过所述放电防护单元34停止所述电池组4放电，以避免所述多个电池单元40过度放电而造成老化损坏。如此，所述充电式电池管理系统3可通过所述监测单元31、所述第二开关33及所述放电防护单元34对所述电池组4进行完善的保护。再者，各所述第二线圈303可串接二极管作为非同步整流元件，以整流充电电流的同时调整充电周期。或进一步地，使各所述第二线圈303串接可为金属氧化物半导体场效应晶体管的一第三开关305后耦接一同步整流元件35，当所述第三开关305导通时，所述储能单元30将同步整流电源电压而充电所述多个电池单元40，以提增电能转换效率达70%以上。请参阅图3，为本发明较佳实施例的流程图。如图所示，所述充电式电池管理方法为上述所述充电式电池管理系统3管理并均衡所述多个电池单元40电位的运作方式，其主要包含下列步骤:首先，开始所述电池组4的充电作业，在步骤SI中，以所述监测单元31监测所述多个电池单元40的电位、电流及温度，以执行步骤S10，检测所述多个电池单元40是否可输出放电电流？若是，即步骤Sll:通过所述控制单元32关开启放电功能，反之，则步骤S12:关闭放电功能。接着，步骤S2，所述监测单元31比对所述多个电池单元40的电位状态，以确认所述多个电池单元40所储电能是否大于所述最大电能值？若大于，即进入步骤S20，反之则执行步骤S3。步骤S20是输出所述停电讯号至所述控制单元32，以关闭所述第二开关33而停止电源输入及停止所述电池组4充电，同时输出一充电讯号至所述控制单元32，接着步骤S21:释放所述电池组4电能反馈至系统，开启最低电位的所述电池单元40对应的所述第一开关304，接着，利用上述释放电能形成一第一电流I1，输入对应的所述第一线圈301后，通过线圈互感效应，产生一增充电流I_p而提增对应的所述电池单元40的充电电流，使平衡各所述电池单元40的电位。在步骤S3中，所述监测单元31进一步判断各所述电池单元40的电位误差量是否小于所述误差预设值？若是，即执行步骤S4，反之则进入步骤S30:确认小于所述电池组4电位平均值的至少一所述电池单元40，以发出所述充电讯号至所述控制单元32而释放电池组4电能并导通对应的所述第一开关304，使释放电能形成所述第一电流I1，输入对应的所述第一线圈301后 ，通过线圈互感效应即产生所述增充电流I_p，增加对应的所述电池单元40的充电电流而提升充电速度。步骤S4是再次检测所述电池单元40是否正进行充电或放电？若是，即继续监测所述多个电池单元40。反之则结束监测作业而待机。本发明的充电式电池管理方法是已在前述充电式电池管理系统中详细描述，故在此不再赘述。以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种充电式电池管理系统，其特征在于，适用以监控利用电源进行充电的一电池组的多个电池单元，且通过独立充电的方式均衡各所述电池单元所储存的电能量，其包含: 多个储能单元，是耦接电源及所述电池组，各所述储能单元包含一第一线圈、一磁芯及一第二线圈，各所述第一线圈通过所述磁芯耦合所述第二线圈且串接一第一开关； 一监测单元，是电性连接所述多个电池单元，监测所述多个电池单元的电位、电流及温度，并比对所述多个电池单元的电位平衡状态，当所述多个电池单元的其中至少的一相对具有较低电位时，所述监测单兀输出一充电讯号；及 一控制单元，是耦接所述监测单元且通过所述多个第一开关耦接所述多个储能单元，所述控制单元接收所述充电讯号而释放所述电池组的电能以形成一第一电流，且导通对应的所述第一开关，使所述第一电流流入对应的所述第一线圈后，通过所述第一线圈与所述第二线圈的互感效应，产生一增充电流，增加对应的所述电池单元的充电电流量。
2.如权利要求1所述的充电式电池管理系统，其特征在于，更包括一第二开关，是耦接电源、所述多个储能单元及所述控制单元，当所述监测单元测得所述电池组的充电电流过大、电位能达饱合或温度过高时，输出一停电讯号至所述控制单元，使所述控制单元关闭所述第二开关而停止电源供电。
3.如权利要求2所述的充电式电池管理系统，其特征在于，所述第二开关为低功耗且可承受200安培以上工作电流的电子式开关。
4.如权利要求1所述的充电式电池管理系统，其特征在于，更包括一放电防护单元，是耦接所述控制单 元及所述电池组，当所述监测单元测得所述多个电池单元的电位状态过低时，输出一异常讯号至所述控制单元，使所述控制单元通过所述放电防护单元停止对所述电池组放电。
5.如权利要求1所述的充电式电池管理系统，其特征在于，各所述第二线圈是通过一第三开关耦接一同步整流元件，使所述储能单元同步整流所述第一电流而充电所述电池单J Li ο
6.一种充电式电池管理方法，是如权利要求1所述的充电式电池管理系统监控利用电源进行充电的一电池组的多个电池单元,且通过独立充电的方式均衡各所述电池单元所储电能量的运作方式，其特征在于，其包含下列步骤: 以所述监测单元监测所述多个电池单元的电位、电流及温度； 比对所述多个电池单元的电位平衡状态； 当所述多个电池单元的其中至少的一相对具有较低电位时，所述监测单元输出一充电讯号至所述控制单元； 接收所述充电讯号，所述控制单元将释放所述电池组的电能而形成一第一电流，且导通对应的所述第一开关 '及 使所述第一电流流入对应的所述第一线圈后，通过所述第一线圈与所述第二线圈的互感效应，产生一增充电流，增加对应的所述电池单元的充电电流量。
7.如权利要求6所述的充电式电池管理方法，其特征在于，所述监测单元监测所述多个电池单元时，更包括下列步骤: 当所述监测模组测得所述电池组的充电电流过大、电位能达饱合或温度过高时，输出一停电讯号至所述控制单元；及使所述控制单元关闭所述充电式电池管理系统的一第二开关，停止电源供电。
8.如权利要求7所述的充电式电池管理方法，其特征在于，所述第二开关为低功耗且可承受200安培以上工作电流的电子式开关。
9.如权利要求6所述的充电式电池管理方法，其特征在于，中所述监测单元监测所述多个电池单元时，更包括下列步骤: 当所述监测模组测得所述多个电池单元的电位状态过低时，输出一异常讯号至所述控制单元；及 使所述控制单元通过所述充电式电池管理系统的一放电防护单元停止对应的所述电池单元放电。
10.如权利要求6所述的充电式电池管理方法，其特征在于，当所述第一电流流入所述第一线圈且通过互感效应而感应至所述第二线圈时，更包括下列步骤: 开启所述第二线圈的一第三开关；及 使所述储能单 元同步整流电源电压而充电所述电池单元。
全文摘要
本发明涉及在一种充电式电池管理系统及其方法，其利用一监测单元监测多个电池单元，在所述多个电池单元的电位、电流及温度发生变异时，通过一控制单元控制隔离式的多个储能单元，以在所述电池组充电的同时利用系统整体电能对至少一相对低电位的所述电池单元增流充电而平衡整体电位，提升装置能量转换效率。
文档编号H02J7/00GK103248073SQ20121002356
公开日2013年8月14日 申请日期2012年2月2日 优先权日2012年2月2日
发明者李佳原, 皮尔珍贝尼 申请人:李佳原