專(zhuān)利名稱(chēng)：晶格式電池電位平衡器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種串聯(lián)電池的電位平衡器，尤指一種晶格式電池電 位平衡器。
背景技術(shù)：
在大多數(shù)的電池應(yīng)用場(chǎng)合，除了在少數(shù)低電壓與低耗能的電子設(shè)備 外，皆將電池作串聯(lián)使用，此乃因?yàn)楝F(xiàn)今單顆電池電壓不高，單獨(dú)使用時(shí) 電能損耗較大。舉例來(lái)說(shuō)，在相同負(fù)載功率下，采用四顆電池串聯(lián)的系統(tǒng) 比起采用單顆電池的系統(tǒng)，其電壓與容量大了四倍，然其所需輸出電流僅 為單電池系統(tǒng)的四分之一，如此約可減少16倍的線(xiàn)路傳輸損耗。使用串 聯(lián)電池組雖有其優(yōu)點(diǎn)，然而若不考慮單電池間彼此特性差異，僅將其視為 一個(gè)具高電壓與大容量的"單電池"，則在實(shí)際應(yīng)用上將會(huì)整體效能不如 原先所預(yù)期。二次電池的充放電容量、充電轉(zhuǎn)換效率、初始電量、內(nèi)阻等特性，即 使是同一批生產(chǎn)的產(chǎn)品也無(wú)法完全相同，如此直接將這些具有些微差異的 單電池串聯(lián)起來(lái)使用，或許在剛開(kāi)始使用時(shí)，不覺(jué)得性能有何不妥，然而 隨著重復(fù)充放電使用次數(shù)增加，使用者會(huì)逐漸發(fā)現(xiàn)電池電源可使用的時(shí)間 越來(lái)越短，常常需要重新充電，另外在充放電時(shí)，覺(jué)得電池組的溫度比起 新電池時(shí)高出許多；此導(dǎo)因于電池組剛開(kāi)始使用時(shí)，單電池間彼此差異不 大，但隨著充放電次增加時(shí)，將逐漸加大彼此的差異，如此惡性循環(huán)，使 得特性差的單電池越來(lái)越差，導(dǎo)致整個(gè)電池組的效能均受限于此些特性較 差的單電池。因此，目前產(chǎn)業(yè)為解決所述問(wèn)題，必須對(duì)串聯(lián)電池組中各顆 單電池的電池進(jìn)行監(jiān)控，并利用電池電位平衡器來(lái)平衡單電池間因彼此特 性差異所造成儲(chǔ)能不均的現(xiàn)象，進(jìn)而提升電池組實(shí)際可充放電量與延長(zhǎng)使 用壽命。串聯(lián)電池組中各電池端電壓的大小與電池容量及其所儲(chǔ)存的電量有 關(guān)，欲使各電池電壓相等，是一種能量轉(zhuǎn)移動(dòng)作；換言之，即將電池電壓較高的能量消耗或轉(zhuǎn)移至電壓較低的電池中。在分類(lèi)上以能量消耗與否，可分為消耗式與非消耗式兩類(lèi)電池電位平衡裝置前者將電池電壓較高的 能量利用開(kāi)關(guān)切換式電阻負(fù)載轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蚴褂瞄_(kāi)關(guān)切換式緩沖電容，達(dá)到電壓平衡的目的；后者采用切換式直流轉(zhuǎn)換器使能量在電池中傳遞，其理論上若忽略開(kāi)關(guān)切換損失，可達(dá)到無(wú)損耗的傳遞。非消耗式電池電位平 衡裝置若以能量轉(zhuǎn)移是否牽涉總電池能量轉(zhuǎn)移，可進(jìn)一步分為總電量分配法及單元電量分配法兩種前者乃汲取或灌輸總串聯(lián)電池能量，以平衡各 電池電壓，后者則透過(guò)相鄰單電池間的能量傳遞，達(dá)成平衡目的。其中，總電量分配法中若采用的電力轉(zhuǎn)換器為互相獨(dú)立的，則稱(chēng)為分散型電池電 位平衡裝置，相對(duì)地，若采用單一電力轉(zhuǎn)換器，稱(chēng)為集中型電池電位平衡 裝置。依現(xiàn)有技術(shù)，圖1顯示一種消耗式電池電位平衡裝置的電路架構(gòu)圖， 通過(guò)由開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，將端電壓較高的電池3的能量消耗于各別電位平衡器2的負(fù)載電阻，雖然電路架構(gòu)簡(jiǎn)單，但需要對(duì)各別電池端電壓進(jìn)行檢測(cè)且 有散熱問(wèn)題。在非消耗式電池電位平衡技術(shù)中，圖2顯示一種基于單元電 量分配的電池電位平衡裝置的電路架構(gòu)圖，基本上以相鄰兩單元電池為平 衡機(jī)制，將端電壓較高者的能量傳送至較低者，電路架構(gòu)具有模組擴(kuò)充性； 圖3顯示一種基于總電量分配的分散型電池電位平衡裝置的電路架構(gòu)圖， 所有的直流轉(zhuǎn)換器電路為互相獨(dú)立的，當(dāng)電池電壓異于平均值時(shí)，啟動(dòng)直 流轉(zhuǎn)換器電路，將過(guò)高的電池能量抽離而轉(zhuǎn)移至串聯(lián)電池組或由串聯(lián)電池 組提供額外能量至較低電壓的電池3，因此控制自由度高；圖4顯示一種 基于總電量分配的集中型電池電位平衡裝置的電路架構(gòu)圖，使用單一直流 轉(zhuǎn)換器作為串聯(lián)電池組中各電池均壓機(jī)制，理論上，此集中式均壓電路體 積較小、成本較低。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種晶格式電池電位平衡器，其適用于非消耗式 或階層式電池電位平衡裝置。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種晶格式電池電位平衡器，用以等化串聯(lián)電池組的電位，其特征在于每一單電池跨接于一能量轉(zhuǎn)換電路，該能量轉(zhuǎn)換電路以晶格式架 構(gòu)連接。其中，該能量轉(zhuǎn)換電路具有一第一節(jié)點(diǎn)、 一第二節(jié)點(diǎn)、 一第三節(jié)點(diǎn)及 一第四節(jié)點(diǎn)，所述第一節(jié)點(diǎn)至第三節(jié)點(diǎn)依序串聯(lián)一第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)與一第 一二極管，而該第三節(jié)點(diǎn)為該第一二極管的正極，所述第二節(jié)點(diǎn)至第四節(jié) 點(diǎn)依序串聯(lián)一第二二極管與一第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，而該第二節(jié)點(diǎn)為該第二二 極管的負(fù)極， 一儲(chǔ)能元件具有一第一端與一第二端，該第一端接于所述第 一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)與第一二極管之間，而該第二端接于所述第二二極管與第二 半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)之間。根據(jù)本發(fā)明所實(shí)施的晶格式電池電位平衡器，將使產(chǎn)品具有簡(jiǎn)單的電 路架構(gòu)而易于制造，且模組化電路組裝容易，本發(fā)明晶格式電池電位平衡 器由于不需變壓器，故具較高效率，且可操作于不連續(xù)模式而達(dá)到零電流 切換，減少開(kāi)關(guān)損失，此外，本發(fā)明對(duì)于串聯(lián)電池組織電位等化的平衡控 制策略選擇性多。


圖1為消耗式電池電位平衡裝置的電路架構(gòu)圖；圖2為基于單元電量分配的電池電位平衡裝置的電路架構(gòu)圖；圖3為基于總電量分配的分散型電池電位平衡裝置的電路架構(gòu)圖；圖4為基于總電量分配的集中型電池電位平衡裝置的電路架構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明階層式電池電位平衡電路架構(gòu)圖；圖6為本發(fā)明晶格式電池電位平衡器的電路架構(gòu)圖；圖7為本發(fā)明能量轉(zhuǎn)換電路的電路架構(gòu)圖；圖8為本發(fā)明晶格式電池電位平衡器的電路架構(gòu)圖，其中一能量轉(zhuǎn)換電路清楚揭示儲(chǔ)能電流路徑；圖9為本發(fā)明能量轉(zhuǎn)換電路的釋能電流路徑圖；圖10為本發(fā)明晶格式電池電位平衡器具體實(shí)施例的電路架構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
雖然本發(fā)明將參閱含有本發(fā)明較佳實(shí)施例的所附圖式予以充分描述， 但在此描述之前應(yīng)了解熟悉本行的人士可修改在本文中所描述的發(fā)明，同 時(shí)獲致本發(fā)明的功效。因此，須了解以下的描述對(duì)熟悉本行技藝的人士而 言為一廣泛的揭示，且其內(nèi)容不在于限制本發(fā)明。請(qǐng)參考圖5，顯示本發(fā)明階層式電池電位平衡電路架構(gòu)圖。本發(fā)明提 供一種電池電位平衡裝置，包含復(fù)數(shù)個(gè)電位平衡器，適用于高串聯(lián)數(shù)電池 場(chǎng)合。該電位平衡器具有階層式架構(gòu)5，該階層式架構(gòu)的第一層(最底層) 電位平衡器2是進(jìn)行相鄰單電池間電位等化，而第二層以后的電位平衡器 2是進(jìn)行相鄰串聯(lián)電池組4(或群組)間電位等化，其中較高層電位平衡器2 所等化的串聯(lián)電池組4(或群組)的電池?cái)?shù)量多于較低層電位平衡器2所等 化的串聯(lián)電池組4(或群組)的電池?cái)?shù)量。在圖5所示的實(shí)施例中，本發(fā)明電池電位平衡裝置例示性包含九個(gè)電 位平衡器，用于十二個(gè)電池串聯(lián)組的電位等化，該電位平衡器形成三層的 階層式結(jié)構(gòu)5。第一層電位平衡器分別對(duì)兩電池串聯(lián)的單電池間進(jìn)行電位 等化，而兩電池串聯(lián)視為一群組4，所以第一層電位平衡器2分別對(duì)應(yīng)一群組等化單電池間的電位。第二層電位平衡器2分別對(duì)三群組4間進(jìn)行電 位等化，換言之，第二層電位平衡器2等化三個(gè)串聯(lián)電池組間的電位。第 三層電位平衡器則對(duì)兩大群組進(jìn)行群組間電位等化，換言之，第三層電位 平衡器等化兩個(gè)串聯(lián)電池組間(每一串聯(lián)電池組由六個(gè)電池串聯(lián))的電位。請(qǐng)參考圖6，顯示本發(fā)明晶格式電池電位平衡器的電路架構(gòu)圖。本發(fā)明晶格式電池電位平衡器用以等化串聯(lián)電池組的單電池電位或群組(串聯(lián)電池)電位，如圖6所示的晶格式電池電位平衡器是等化串聯(lián)電池組的單 電池電位，其中單電池3可由一群組或一串聯(lián)電池取代。本發(fā)明晶格式電 池電位平衡器包含復(fù)數(shù)個(gè)能量轉(zhuǎn)換電路10，每一能量轉(zhuǎn)換電路IO對(duì)應(yīng)單 電池3或一群組，且該能量轉(zhuǎn)換電路IO以晶格式架構(gòu)20組成，該晶格式 架構(gòu)20如圖6所示。請(qǐng)參考圖7，顯示本發(fā)明能量轉(zhuǎn)換電路的電路架構(gòu)圖。本發(fā)明能量轉(zhuǎn) 換電路10是一具有四個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，分別為節(jié)點(diǎn)l、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3及節(jié) 點(diǎn)4。該能量轉(zhuǎn)換電路10包含一電感L、第一元件開(kāi)關(guān)SW1、第一二極管 Dl、第二元件開(kāi)關(guān)SW2及第二二極管D2，其中節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)3依序串聯(lián)第 一元件開(kāi)關(guān)SW1與第一二極管Dl ，而第一二極管Dl的正極(P極)為節(jié)點(diǎn)3， 第一二極管Dl的負(fù)極(N極)接第一元件開(kāi)關(guān)SW1之一端；節(jié)點(diǎn)2至節(jié)點(diǎn)4 依序串聯(lián)第二二極管D2與第二元件開(kāi)關(guān)SW2，而第二二極管D2的負(fù)極為 節(jié)點(diǎn)2，第二二極管D2的正極接第二元件開(kāi)關(guān)SW2的一端；該電感L跨接 于第一二極管Dl的負(fù)極與第二二極管D2的正極之間。在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，電感L為能量轉(zhuǎn)換電路10的儲(chǔ)能元件， 通過(guò)由控制第一元件開(kāi)關(guān)SW1與第二元件開(kāi)關(guān)SW2的導(dǎo)通(ON)與關(guān)閉(OFF)狀態(tài)，可使能量轉(zhuǎn)換電路操作于儲(chǔ)能模式或釋能模式。當(dāng)控制第一元件開(kāi)關(guān)SW1與第二元件開(kāi)關(guān)SW2為導(dǎo)通時(shí)，跨接于節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)4之間的單電池或串聯(lián)電池將電能儲(chǔ)存于該電感L;當(dāng)分別控制第一元件開(kāi)關(guān)SW1與第二元件開(kāi)關(guān)SW2為關(guān)閉或其一開(kāi)關(guān)導(dǎo)通而另一開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，則視第一二極 管Dl與第二二極管D2的導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)，將由不同的兩節(jié)點(diǎn)釋放電感L 的電能。此外，在具體實(shí)施例中，第一元件開(kāi)關(guān)與第二元件開(kāi)關(guān)可由絕緣 柵雙極晶體管(IGBT， insulated gate bipolar transistor)或閘關(guān)閘流 體(GT0)或硅控制整流晶體(SCR)等功率半導(dǎo)體元件開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)施。請(qǐng)參考圖8，顯示本發(fā)明晶格式電池電位平衡器的電路架構(gòu)圖，其中 一能量轉(zhuǎn)換電路10清楚揭示電路架構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明晶格式電池電位平衡 器，可進(jìn)行串聯(lián)電池組的電位等化，而每一能量轉(zhuǎn)換電路10可將單電池 或一群組(串聯(lián)電池)的電能轉(zhuǎn)換至其余串聯(lián)電池。在圖8所示的實(shí)施例， 串聯(lián)電池組是依序由前電池組31、儲(chǔ)能電池30與后電池組32串聯(lián)組成， 儲(chǔ)能電池30跨接于晶格式架構(gòu)20中其一能量轉(zhuǎn)換電路10的節(jié)點(diǎn)1與節(jié) 點(diǎn)4。當(dāng)?shù)谝辉_(kāi)關(guān)SW1與第二元件開(kāi)關(guān)SW2為導(dǎo)通時(shí)，能量轉(zhuǎn)換電路 10操作于儲(chǔ)能模式，儲(chǔ)能電池的儲(chǔ)能電流i沿儲(chǔ)能電流路徑41將電能儲(chǔ) 存于電感L。緊接著參考圖9，顯示本發(fā)明能量轉(zhuǎn)換電路的釋能電流路徑圖，而其 余的能量轉(zhuǎn)換電路未繪出。當(dāng)?shù)谝辉_(kāi)關(guān)SW1為導(dǎo)通而第二元件開(kāi)關(guān) SW2為關(guān)閉時(shí)，能量轉(zhuǎn)換電路10為第一釋能模式，第一二極管D1因儲(chǔ)能 電池30與后電池組32串聯(lián)電位的偏壓而截止，第二二極管D2導(dǎo)通，電 感L的釋能電流i沿儲(chǔ)能電流路徑42將電能釋能至前電池組31。當(dāng)?shù)谝辉_(kāi)關(guān)SW1為關(guān)閉而第二元件開(kāi)關(guān)SW2為導(dǎo)通時(shí)，能量轉(zhuǎn)換電路10為第二釋能模式，第二二極管D2因前電池組31與儲(chǔ)能電池30串 聯(lián)電位的偏壓而截止，第一二極管Dl導(dǎo)通，電感L的釋能電流i沿儲(chǔ)能 電流路徑43將電能釋能至后電池組32。當(dāng)?shù)谝辉_(kāi)關(guān)SW1為關(guān)閉且第二元件開(kāi)關(guān)SW2為關(guān)閉時(shí)，能量轉(zhuǎn)換 電路為第三釋能模式，第一二極管D1及第二二極管D2導(dǎo)通，電感L的釋 能電流i沿儲(chǔ)能電流路徑44將電能釋能至整個(gè)串聯(lián)電池組。最后請(qǐng)參考圖10，顯示本發(fā)明晶格式電池電位平衡器具體實(shí)施例的電 路架構(gòu)圖。此一實(shí)施例以三個(gè)能量轉(zhuǎn)換電路11， 12， 13組成晶格式架構(gòu) 為例，且每一能量轉(zhuǎn)換電路可對(duì)應(yīng)單電池或串聯(lián)電池，其中對(duì)應(yīng)第一個(gè)單 電池31或第一組串聯(lián)電池31的能量轉(zhuǎn)換電路11的節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2相連 接，該能量轉(zhuǎn)換電路11只可操作第二與第三種釋能模式，將儲(chǔ)存電能釋 放至后電池組30， 32或全部的串聯(lián)電池組；對(duì)應(yīng)最后一個(gè)單電池32或最 后一組串聯(lián)電池32的能量轉(zhuǎn)換電路13的節(jié)點(diǎn)3與節(jié)點(diǎn)4相連接，該能量 轉(zhuǎn)換電路13只可操作第一與第三種釋能模式，將儲(chǔ)存電能釋放至前電池 組31， 30或全部的串聯(lián)電池組。圖10所示的晶格式電池電位平衡器可應(yīng)用于圖5所示的階層式電池 電位平衡裝置。當(dāng)能量轉(zhuǎn)換電路11， 12， 13分別對(duì)應(yīng)單電池時(shí)，則此晶 格式電池電位平衡器則實(shí)施階層式電池電位平衡裝置的第一層電位平衡 器；當(dāng)能量轉(zhuǎn)換電路11， 12， 13分別對(duì)應(yīng)由兩個(gè)以上電池組成的串聯(lián)電 池時(shí)，則此晶格式電池電位平衡器則實(shí)施階層式電池電位平衡裝置的第二 層電位平衡器或較高層電位平衡器。在詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的較佳實(shí)施例之后，熟悉該項(xiàng)技術(shù)人士可清楚的了 解，在不脫離本申請(qǐng)專(zhuān)利范圍與精神下可進(jìn)行各種變化與改變，而本發(fā)明 亦不受限于說(shuō)明書(shū)的所舉實(shí)施例的實(shí)施方式，例如晶格式電池電位平衡 器的能量轉(zhuǎn)換電路可對(duì)應(yīng)單電池或串聯(lián)電池；晶格式電池電位平衡器亦可 適用基于單元電量分配的電池電位平衡裝置。
權(quán)利要求
1.一種晶格式電池電位平衡器，用以等化串聯(lián)電池組的電位，其特征在于至少一電池跨接于一能量轉(zhuǎn)換電路，能量轉(zhuǎn)換電路包含一第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、一第一二極管、一第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、一第二二極管以及一電感，其中所述電感跨接于該第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)與第一二極管的負(fù)極連接點(diǎn)與該第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)與第二二極管的正極連接點(diǎn)。
2. 如權(quán)利要求1所述的晶格式電池電位平衡器，其特征在于所述 能量轉(zhuǎn)換電路的該第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)與該第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)皆導(dǎo)通時(shí)，至少一 電池將電能儲(chǔ)存于該電感。
3. 如權(quán)利要求2所述的晶格式電池電位平衡器，其特征在于所述能量轉(zhuǎn)換電路的第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)導(dǎo)通而第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，所述電感 釋放電能至部分的串聯(lián)電池組。
4. 如權(quán)利要求2所述的晶格式電池電位平衡器，其特征在于所述 能量轉(zhuǎn)換電路的第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)關(guān)閉而第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，所述電感 釋放電能至部分的串聯(lián)電池組。
5. 如權(quán)利要求2所述的晶格式電池電位平衡器，其特征在于所述 能量轉(zhuǎn)換電路的第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)且第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)皆關(guān)閉時(shí)，所述電感釋 放電能至全部的串聯(lián)電池組。
6. 如權(quán)利要求1所述的晶格式電池電位平衡器，其特征在于所述 第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)與第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)為絕緣柵雙極晶體管。
7. 如權(quán)利要求l所述的晶格式電池電位平衡器，其特征在于所述 第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)與第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)為閘關(guān)閘流體。
8. 如權(quán)利要求1所述的晶格式電池電位平衡器，其特征在于所述 第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)與第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)為硅控制整流晶體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種晶格式電池電位平衡器，用以等化串聯(lián)電池組的電位，至少一電池跨接于一能量轉(zhuǎn)換電路，該能量轉(zhuǎn)換電路以晶格式架構(gòu)連接。該能量轉(zhuǎn)換電路具有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，包含一第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、一第一二極管、一第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、一第二二極管以及一電感，第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)之一端接于第一二極管的負(fù)極，第二二極管的正極接于第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)之一端，而該電感為儲(chǔ)能元件，是跨接于第一二極管的負(fù)極與第二二極管的正極之間。
文檔編號(hào)H02J7/00GK101242106SQ200810082499
公開(kāi)日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2005年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月28日
發(fā)明者小西義弘, 羅天賜, 黃怡碩 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院