并联电池系统及方法与流程

本发明涉及一种并联电池系统及方法，特别是涉及一种具有主动式并联管理机制的并联电池系统及方法。

背景技术：

现有的大功率电池组的电池重量使得运输受到很大的限制，因此可使用小功率电池模块，通过组合方式来得到所需的大功率电池模块，以解决运输问题，同时满足多样之市场需求。

然而，当两个电池组并联时，依据电气特性，电流会从电压高的电池流向电压低的电池，若电压差距很大，则会产生大电流，并可能伴随火花，导致组件受损，甚至可能引起爆炸。

此外，由于电池的制造差异性，或者电池在经使用后产生的差异，并联的多个电池会发生提供的电流不平衡，产生电流不平衡值。这个电流不平衡值会造成电池温度异常升高，进而影响了电池的使用寿命。

因此，需要提出能避免大电流产生，又能达到并联目的的装置与方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种并联电池系统及方法。

为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一技术方案是，提供一种并联电池系统，所述并联电池系统包括：多个电池区块，彼此并联连接，多个所述电池区块各包括：一电池模块；以及一电池平衡模块，与所述电池模块串联连接，所述电池平衡模块包括：一第一电路，包括一主开关；一第二电路，与所述第一电路并联连接，所述第二电路包括串联连接的一限流辅助开关及一限流组件；及一检测电路，分别连接所述第一电路及所述第二电路，所述检测电路用以检测所述限流组件是否有电流存在，其中在一平衡操作中，所述限流开关默认配置为导通，所述主开关默认配置为关断，以使多个所述电池模块彼此电压平衡，当所述检测电路检测所述限流组件无电流存在，则输出一控制信号以控制所述主开关导通。

优选地，所述多个检测电路各包括：一运算放大器，经配置以将所述限流组件两端的电压差放大；以及一比较器，经配置以比较所述运算放大器的一第一输出端及一参考电压之间的电压差，且所述比较器的一第二输出端连接于所述主开关的一控制端，其中若所述限流组件两端的电压差为0，则所述比较器输出所述控制信号以控制所述主开关导通。

优选地，多个所述电池模块各对应于一显示模块，多个所述电池模块经配置以根据所述控制信号显示多个所述电池模块的一平衡状态。

优选地，所述并联电池系统还包括：一负载，通过一控制开关与多个所述电池区块并联；以及一与门，所述与门的多个输入端连接于各所述比较器的所述第二输入端，所述与门的一输出端连接于所述控制开关的一控制端，其中所述控制开关经配置以在接收到所述与门的一输出信号时导通。

优选地，所述并联电池系统还包括一电源管理界面，分别连接于多个所述电池区块、一负载及一电源，其中所述电源管理界面经配置以依据多个所述电池区块的一供电能力调整所述电源的一供电比率，以对所述负载放电。

为了解决上述的技术问题，本发明所采用的另外一技术方案是，提供一种并联电池方法，所述并联电池方法包括：

配置多个电池区块彼此并联连接，多个所述电池区块各包括一电池模块及与所述电池模块串联的一电池平衡模块，各所述电池平衡模块包括：一第一电路，包括一主开关；一第二电路，与所述第一电路并联连接，所述第二电路包括串联连接的一限流辅助开关及一限流组件；及一检测电路，分别连接所述第一电路及所述第二电路，所述检测电路用以检测所述限流组件是否有电流存在；配置连接于各所述电池平衡模块进行一平衡操作，所述主开关默认关断，所述限流辅助开关默认导通，以使多个所述电池模块彼此电压平衡；以及配置各所述检测电路检测各所述限流组件是否有电流存在，若否，则所述检测电路输出一控制信号以控制所述主开关导通。

优选地，配置各所述检测电路检测所述限流组件是否有电流存在的步骤还包括：配置一运算放大器以将所述限流组件两端的电压差放大；以及配置一比较器以比较所述运算放大器的一第一输出端及一参考电压之间之电压差，其中若所述限流组件两端的电压差为0，则配置所述比较器从一第二输出端连接于所述主开关的一控制端输出所述控制信号至所述主开关的一控制端，以控制所述主开关导通。

优选地，所述并联电池方法还包括配置各所述电池模块对应的一显示模块以根据所述控制信号显示各所述电池模块的一平衡状态。

优选地，所述并联电池方法还包括：将一负载或一电源通过一控制开关与多个所述电池区块并联；将一与门的多个输入端连接于各所述比较器的所述第二输入端，所述与门的一输出端连接于所述控制开关的一控制端；以及配置所述控制开关以在接收到所述与门的一输出信号时导通。

优选地，所述并联电池方法还包括：以一电源管理界面分别连接于多个所述电池区块、一负载及一电源；以及配置所述电源管理界面以依据多个所述电池区块的一供电能力调整所述电源的一供电比率，以对所述负载放电。

本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的并联电池系统及方法，能通过“主动式电池平衡架构”的技术方案，各电池模块彼此不需通讯，亦不需设置额外的控制器，即可达成平衡，以避免电压差距过大导致的过大电流问题，可降低电池温度异常升高的可能性，进而可确保电池的使用寿命。

本发明的其中另一有益效果在于，本发明所提供的并联电池系统及方法，能通过“显示模块显示并联电池系统是否达到平衡状态”，供用户判断各电池模块是否可全功率充/放电。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与图式，然而所提供的图式仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为本发明第一实施例的并联电池系统的方块图。

图2为本发明第一实施例的并联电池系统的电池区块a的放大图。

图3a为本发明第二实施例的并联电池系统的电路布局图。

图3b为本发明第二实施例的并联电池系统的另一电路布局图。

图3c为本发明第二实施例的并联电池系统的再一电路布局图。

图4为本发明的第三实施例的并联电池方法的流程图。

图5为本发明的第四实施例的并联电池方法的流程图。

具体实施方式

以下是通过特定的具体实施例来说明本发明所公开有关“并联电池系统及方法”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种组件或者信号，但这些组件或者信号不应受这些术语的限制。这些术语主要是用以区分一组件与另一组件，或者一信号与另一信号。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。

为了解释清楚，在一些情况下，本技术可被呈现为包括包含功能块之独立功能块，包含装置、装置组件、软件中实施之方法中的步骤或路由，或硬件及软件的组合。

实施根据这些发明方法之装置可以包括硬件、韧体及/或软件，且可以采取任何各种形体。这种形体的典型例子包括笔记本电脑、智能电话、小型个人计算机、个人数字助理等等。本文描述之功能也可以实施于外围设备或内置卡。通过进一步举例，这种功能也可以实施在不同芯片或在单个装置上执行之不同程序之电路板。

该指令、用于传送这样的指令之介质、用于执行其之计算资源或用于支持这样的计算资源的其他结构，是为用于提供在该发明中所述的功能之手段。

第一实施例

请参阅图1所示，图1为本发明第一实施例的并联电池系统的方块图。如图所示，并联电池系统1包括多个电池区块a、b、…、n彼此并联连接，且各包括电池模块10a、10b、…、10n，分别与电池平衡模块12a、12b、…、12n串联连接。为了避免充放电时出现过大的电流，电池模块10a、10b、…、10n的电池组件可以适当的通过电池平衡模块12a、12b、…、12n的操作，使得并联的电池模块10a、10b、…、10n之间维持适当的电压分布。在本发明的一个或多个实施例中，电池区块a、b、…、n可分别为电池组，电池模块10a、10b、…、10n可分别为电芯，可依照需求调整串/并联的数量。操作电池平衡模块12a、12b、…、12n以适当地管理电流在电池模块10a、10b、…、10n之间的流动，能以适当的电流进行充放电。

电池模块10a、10b、…、10n可各自具备多个电池组件，多个电池组件的每一个例如是锂离子电池或铅电池等二次电池，依据电池平衡模块12a、12b、…、12n的导通状态，而决定是否要以电源供给的电力进行充电，或使蓄积在各电池组件中的电力根据需要对负载进行放电。

需要说明的是，本发明电池平衡模块12a、12b、…、12n为主动平衡，且为了符合不同应用，电池模块10a、10b、…、10n彼此之间不具备通讯特性，亦无需配置额外的控制器。换言之，电池模块10a、10b、…、10n无法得知彼此的充电状态消息，包括电压、电流或剩余电量等。

因此，在此前提下，电池平衡模块12a、12b、…、12n仅能通过检测自身对应的电池模块10a、10b、…、10n的电性来进行主动式的电压平衡，具体细节将参照图2进行说明。

请参照图2，为本发明第一实施例的并联电池系统的电池区块a的放大图。此处，将针对电池平衡模块12a及电池模块10a的运作进行说明。

如图所示，电池平衡模块12a包括第一电路120a、第二电路122a，以及检测电路124a。第一电路120a包括主开关msa，第二电路122a与第一电路120a并联连接，第二电路122a包括串联连接的限流辅助开关psa及限流组件ra。作为主开关msa及限流辅助开关psa，可使用继电器或电力用半导体开关等构成即可。在本实施方式中，以作为主开关msa及限流辅助开关psa使用了开关晶体管的情况为例进行说明。

检测电路124a，分别连接第一电路120a及第二电路122a，检测电路124a主要用于检测限流组件ra是否有电流存在，并用于检测限流组件ra两端的电压差是否在一预定范围内。详细而言，当电池模块10a、10b、…、10n彼此因自放电效应或制程差异导致电压不同时，如需进行充放电，电压差异较大的电池模块之间恐会产生过大的电流而导致组件受损或电池温度异常升高。

因此，可在搭上电源或负载进行充放电的同时，进行平衡操作。在此平衡操作中，可通过安装初始设定，或人工配置，将限流辅助开关psa设置为导通，而主开关msa设置为关断。具体而言，电池模块10a、10b、…、10n可随时对负载进行供电，当电池模块彼此之间的电压差异缩小。当电压差或电流量降低至安全范围，检测电路124a可以控制信号控制主开关msa进入导通状态，以较大的电流或功率进行充放电。

另一方面，此控制信号亦可用于进行主开关的控制。举例而言，在平衡操作完成时再配置主开关导通，可确保以全功率进行充放电，此部分将于下文中进一步说明。限流辅助开关psa实质上均维持导通，除在装设系统时，可利用人工按钮操作使限流辅助开关psa导通，若电池模块10a电压过低时启动保护机制而关断，再使用时，仍然需要通过人工按钮使限流辅助开关psa恢复导通。

第二实施例

请参考图3a，图3a为本发明第二实施例的并联电池系统的电路布局图。本实施例将延续第一实施例所提供的架构进行更进一步的说明。如图所示，第一电路120a中的主开关msa及第二电路122a中的限流辅助开关psa采用半导体开关，如mosfet，而限流组件ra采用电阻。须特别说明的是，检测电路124a包括运算放大器amp及比较器comp，运算放大器amp的第一输入端in11及第二输入端in12分别连接限流组件ra的两端，以在电池模块10a与其他电池模块10b、…、10n的平衡操作中，将电压差放大，并通过输出端out1输出至比较器comp的第二输入端in22。比较器comp的第一输入端in21则输入一参考电压vref，而输出端out2连接于主开关msa的控制端，此配置将可判断限流组件ra两端的电压差是否位于预定范围内，例如，电压差是否为0，而对应此比较结果，比较器comp将输出一控制信号控制主开关msa导通或关断。

此实施例仅为检测电路124a的其中一种示例，亦可采用任何可检测第二电路122a上电流量或电压变化的电路架构，来判断电池模块10a是否已达平衡，而不限于本实施例所采用的架构。

各限流开关，例如限流辅助开关psa，于进行充放电操作前，默认为导通状态，由于各电池平衡模块12a、12b、…、12n的主开关，例如主开关msa，通过安装初始设定，或人工配置为关断状态，各电池模块10a、10b、…、10n将分别通过各第二电路122a、…、122n进行平衡。此时，在各电池模块10a、10b、…、10n彼此不需通讯的前提下，检测电路124a、…、124n可量测电流是否已达平衡，也就是说，通过运算放大器amp及比较器comp的配置，判断限流组件ra两端的电压是否为0。若为0，则代表已达平衡，则输出控制信号控制主开关msa导通。

此外，本实施例的负载rl与电池区块a、b、…、n并联，当限流组件ra两端的电压差位于预定范围内，例如，电压差为0时，对应输出的控制信号可控制对应的电池模块10a以第一电路120a作为导通路径，而对负载rl放电，同时，其余以第二电路122b、…、122n作为导通路径的电池模块10b、…、10n仍会继续进行平衡，使电压逐渐接近。另一方面，取决于使用者的需求，亦可以电源与电池区块a、b、…、n并联，而在充电的同时进行平衡操作。在此等模式下，虽不保证可全功率充放电，但可使有用电需求的使用者可立即使用。

此外，电池平衡模块12a、12b、…、12n还分别连接了显示模块18a、18b、…、18n，分别对应于电池模块10a、10b、…、10n，显示模块18a、18b、…、18n可根据控制信号显示多个电池模块10a、10b、…、10n的平衡状态。举例而言，显示模块18a、18b、…、18n可各包括led指示灯，当多个电池模块10a、10b、…、10n彼此之间仍有电压差，而第一电路120a未导通，或第二电路122a仍被检测出有电流存在时，显示模块18a的led指示灯显示未达平衡状态，例如，红灯，而当有电流流经第一电路120a时，显示模块18a的led指示灯可显示达到平衡状态，例如，绿灯。此平衡状态可用于指示是否可全功率充放电，不必人工平衡。

通过本实施例的主动式电池平衡架构，各电池模块彼此不需通讯，即可达成平衡，以避免电压差距过大导致的过大电流问题，可降低电池温度异常升高的可能性，进而可确保电池的使用寿命。

请另参考图3b，为本发明第二实施例的并联电池系统的另一电路布局图。本实施例将在图3a实施例的基础上进行更进一步的说明。类似的，第一电路120a中的主开关msa及第二电路122a中的限流辅助开关psa采用半导体开关，如mosfet，而限流组件ra采用电阻。

检测电路124a包括运算放大器amp及比较器comp，此配置将可判断限流组件ra两端的电压差是否位于预定范围内，例如，电压差是否为0，而对应此比较结果，比较器comp将输出一控制信号控制主开关msa导通或关断。

如图所示，多个并联的电池区块a、b、…、n与一负载rl连接，且各检测电路124a、124b、…、124n连接于与门126的多个输入端，而与门126的输出端连接控制开关t1的控制端。具体而言，此实施例主要在没有外接电源下实行。为了确保系统在放电时为全功率放电，可通过此配置，当所有的电池模块10a、10b、…、10n彼此达到平衡时，各检测电路124a、124b、…、124n个别的比较器comp将分别输出控制信号使对应的第一电路120a、120b、…、120n导通，同时，与门126接收到所有的控制信号，例如，均为高电压时，与门126将另输出一高电压使控制开关t1导通。如此，虽系统无法随时供电，但一旦控制开关t1导通对负载rl放电时，将可确保为全功率输出。

请另参考图3c，为本发明第二实施例的并联电池系统的再一电路布局图。此示例用于说明并联电池平衡系统1的放电模式，如图所示，多个并联的电池区块a、b、…、n更通过一电源管理界面ems与一负载rl连接，同时，此架构可搭配其他电源体，例如电网。举例而言，可搭配连接于电源管理界面ems的辅助电源140，并以电源管理界面ems来控制以补足不足功率。

详细而言，当使用者欲进行放电操作时，而电池平衡模块12a、12b、…、12n及电池模块10a、10b、…、10n仍在进行平衡时，限流辅助开关psa仍处于导通状态。此时，电源管理界面ems检测到电池区块a、b、…、n的供电能力未达预定功率，例如，仅达到预定功率的10％，此时，电源管理界面ems将会控制辅助电源140开始输出电流至负载rl，以补足预定功率的90％。另一方面，或可由辅助电源140对各电池模块10a、10b、…、10n进行充电。电池模块10a、10b、…、10n可于充电操作或放电操作中同时进行平衡操作。此时，由于各电池平衡模块12a、12b、…、12n的主开关，例如主开关msa，默认配置为关断状态，各电池模块10a、10b、…、10n将分别通过各第二电路122a、…、122n进行平衡。此时，在各电池模块10a、10b、…、10n彼此不需通讯的前提下，检测电路124a、…、124n可量测电流是否已达平衡，亦即，通过运算放大器amp及比较器comp的配置，判断限流组件ra两端的电压是否为0。若为0，则代表已达平衡，则输出控制信号控制主开关msa导通，当电池模块10a、10b、…、10n可以全功率对负载rl放电，电源管理界面ems检测到电池区块a、b、…、n的供电能力已到达预定功率，电源管理界面ems将会控制辅助电源140停止输出电流至负载rl。

详细而言，在充放电期间，仍可同时进行平衡操作时，限流辅助开关psa导通时，由电源管理界面ems接入辅助电源140，直到主开关msa导通时，则第二电路无电流存在或仅存在极小电流，电源管理界面ems对应使辅助电源140切断。在此配置下，即可不需额外设置控制器，且在此并联系统中，依上述电气特性，有限流电阻ra存在的第二电路122a不会有电流存在。

类似的，用户亦可通过多个显示模块18a、18b、…、18n来得知并联电池系统1的平衡状态。当多个电池模块10a、10b、…、10n彼此之间仍有电压差，而第一电路120a未导通，或第二电路122a仍被检测出有电流存在时，显示模块18a的led指示灯显示未达平衡状态，例如，红灯，而当有电流流经第一电路120a时，显示模块18a的led指示灯可显示达到平衡状态，例如，绿灯。此平衡状态可用于指示是否可全功率放电。

通过本实施例的主动式电池平衡架构，各电池模块彼此不需通讯，即可达成平衡，以避免电压差距过大导致的过大电流问题，降低电池温度异常升高的可能性，进而可确保电池的使用寿命。

第三实施例

以下将根据附图详细说明本发明的并联电池方法。在本实施例中，并联电池平衡主要适用于第一实施例及第二实施例，但不限于此，在所属领域具有通常知识者能设想的方式或各种可能性下，本实施例提供的方法亦可适用于上文中所描述的任何实施方式。

此外，实施根据这些发明方法的装置可以包括硬件、韧体及/或软件，且可以采取任何各种形体。本文描述的功能也可以实施于外围设备或内置卡。通过进一步举例，这种功能也可以实施在不同芯片或在单个装置上执行的不同程序的电路板。

请参考图4，为本发明的第三实施例的并联电池方法的流程图。如图所示，本实施例的并联电池方法包括以下步骤：

步骤s100：配置多个电池区块彼此并联连接。电池区块各包括电池模块，以及与电池模块串联的电池平衡模块。可参考图1、2所示，电池平衡模块包括第一电路、第二电路及检测电路，第一电路包括主开关，第二电路与第一电路并联连接，第二电路包括串联连接的限流辅助开关及限流组件，检测电路，分别连接第一电路及第二电路，用于检测限流组件是否有电流存在。其中，第一电路、第二电路及检测电路的具体配置已于上文中描述，故省略重复叙述。

步骤s101：配置连接于各电池平衡模块进行平衡操作。详细而言，可进入步骤s102，主开关默认关断，限流辅助开关默认导通，以使多个电池模块彼此电压平衡。

步骤s103：配置各检测电路检测各限流组件是否有电流存在，在各电池模块彼此不需通讯的前提下，检测电路可采用任何可自主检测第二电路上电流量或电压变化的电路架构，来判断电源模块是否已达平衡。

若检测电路于步骤s103中判断限流组件仍有电流存在，代表未达平衡，则进入步骤s104，配置主开关维持在关断状态。

若检测电路于步骤s103中判断限流组件已无电流存在，或限流组件两端已无电压差，代表已达平衡，则进入步骤s105，输出控制信号以控制主开关导通。

可选的，在步骤s104及步骤s105之后，均可进入步骤s106，通过多个显示模块来显示并联电池系统1的平衡状态。当多个电池模块10a、10b、…、10n彼此之间仍有电压差，而第一电路120a未导通，或第二电路122a仍被检测出有电流存在时，显示模块的led指示灯显示未达平衡状态，例如，红灯，而当有电流流经第一电路时，显示模块的led指示灯可显示达到平衡状态，例如，绿灯。此平衡状态可用于指示是否可全功率充/放电。

在此实施例中，使用者可随时使用并联电池系统进行充放电，惟并非确保为全功率。然而，不论主开关是关断或导通的状况下，均可执行步骤s107，配置该电源管理界面以依据多个所述电池区块的供电能力调整该电源的供电比率。举例来说，在部分主开关导通，部分主开关关断的情境下，电源管理界面检测到电池模块的供电能力未达预定功率，例如，仅达到预定功率的10％，此时，电源管理界面将会控制辅助电源开始输出电流至负载，以补足预定功率的90％，亦可同时以辅助电源对各电池模块进行充电。或者，电源管理界面检测到电池模块的供电能力已到达预定功率，电源管理界面将会控制辅助电源停止输出电流至负载。此外，在步骤s107之后，进一步回到步骤s103，持续检测限流组件是否有电流存在。

以检测电路检测限流组件的详细步骤将于第四实施例中详细说明。

第四实施例

以下将根据附图详细说明本发明的并联电池方法。请参考图5，为本发明的第四实施例的并联电池方法的流程图。

如图5所示，首先执行步骤s102：主开关默认关断，限流辅助开关默认导通，使多个所述电池模块彼此电压平衡。第一电路中的主开关及第二电路中的限流开关可采用半导体开关，如mosfet，而限流组件采用电阻。须特别说明的是，检测电路进一步包括运算放大器及比较器。

步骤s103’：运算放大器的第一输入端及第二输入端分别连接经限流组件的两端，以在电池模块与其他电池模块的平衡操作中，将电压差放大，并通过输出端输出至比较器的第二输入端。

步骤s104’：比较器的第一输入端输入参考电压，而输出端连接于主开关的控制端，此配置将可比较限流组件两端的电压差。

步骤s105’：在限流辅助开关导通之状态下，配置比较器及运算放大器，以判断限流组件两端的电压差是否位于预定范围内，例如，电压差是否为0。

而对应此比较结果，若限流组件两端的电压差为0，则代表已达平衡，进入步骤s107’，比较器将输出控制信号控制主开关导通。

若限流组件两端的电压差不为0，则代表未达平衡，进入步骤s106’，配置主开关维持关断。而在步骤s106’之后，可回到s105’，持续判断限流组件两端的电压差是否为0。

可选的，类似于图3b的实施例，可将负载通过控制开关与多个电池区块并联，并且提供一与门，请参考图5，将此与门的多个输入端连接于各比较器的第二输入端，而此与门的输出端连接于控制开关的控制端，可在步骤s107’之后，进入步骤s108’，此与门可判断所有的电池模块是否均以第一电路作为导通路径，亦即，通过接收到的控制信号判断所有的主开关是否导通，若是，则进入步骤s109’，配置与门输出一输出信号使控制开关导通。如此，虽系统无法随时供电，但一旦控制开关导通对负载放电时，将可确保为全功率输出。若在步骤s108’中，并非所有的主开关均导通，则回到步骤s105’，持续判断限流组件两端的电压差是否为0。

通过本实施例的主动式电池平衡流程，各电池模块彼此不需通讯，即可达成平衡，以避免电压差距过大导致的过大电流问题，可降低电池温度异常升高的可能性，进而可确保电池的使用寿命。

此外，可通过显示模块显示并联电池系统是否达到平衡状态，以供用户判断各电池模块是否可全功率充/放电。

以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求书的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求书的保护范围内。