TWI558064B - 電池平衡裝置及其電池平衡方法 - Google Patents

Description

電池平衡裝置及其電池平衡方法

本發明是有關於一種電子裝置，且特別是有關於一種電池平衡裝置以及電池平衡方法。

隨著科技發展，電池組在各種電子裝置中都有相當廣泛的應用，但在電子裝置中的電池組可能經過反覆充放電，或是各個電池本身的製作差異，甚至人為的不當操作，都可能會造成電池組當中發生電池電量不平衡的情況。而電池不平衡的情況，可能會影響電池的效能與壽命。舉例來說，當電池組在放電時，因為含電量低的電池很快就放電完了，但是含電量高的電池因為還有電所以還在放電，所以將造成含電量低的電池芯被迫繼續放電，使得含電量低的電池芯過放電損壞。在充電時，因為含電量高的電池很快就充滿，但是含電量低的電池芯因為還沒充滿電所以還在充電，所以將造成含電量高的電池芯被迫繼續充電，使得含電量高的電池芯過充電而損壞。

由於上述缺點，如何設計一個電池平衡裝置來維持電子 裝置中的電池效能與電池壽命，為目前一個相當重要的課題。

本發明提供一種電池平衡裝置以及電池平衡方法，用以對一電池組進行電池平衡。

本發明的實施例提供一種電池平衡裝置，用以對一電池組進行電池平衡。電池平衡裝置包括n個儲能元件、n個電阻以及一個開關單元。n個儲能元件以串聯方式相互連接。n個電阻以串聯方式相互連接。所述n個電阻中的第i個電阻的第一端與第二端分別連接至這些儲能元件中的第i個儲能元件的第一端與第二端，其中n及i為正整數，n大於1，且1in。開關單元用於連接所述n個儲能元件與所述電池組當中相互串聯的n個電池單元。於第一期間，開關單元從這些電池單元當中選擇第i個電池單元，且將第i個電池單元的正電極端與負電極端分別連接至第i個儲能元件的第一端與第二端，以進行電池平衡。

本發明的實施例提供一種電池平衡方法，用以對一電池組進行電量平衡。電池平衡方法包括提供相互串聯的n個電阻以及提供相互串聯的n個儲能元件。這些電阻的第i個電阻的第一端與第二端分別連接至這些儲能元件的第i個儲能元件的第一端與第二端，其中n及i為正整數，n大於1，且1in。在第一期間，從電池單元當中選擇至少一個第i個電池單元，且將第i個電池單元的正電極端與負電極端分別連接至第i個儲能元件的第一端與 第二端。

在本發明的一實施例中，上述的儲能元件分別為一電容。

在本發明的一實施例中，上述的開關單元包括n個開關。這些開關的第一端與第二端分別連接至n個電池單元與n個儲能元件。

在本發明的一實施例中，上述的開關單元當中的第i個開關的第一端連接至第i個電池單元的正電極端，以及第i個開關的第二端連接至第i個儲能元件的第一端。電池單元中第n個電池單元的負電極端連接至這些儲能元件中第n個儲能元件的第二端。

在本發明的一實施例中，上述的開關單元當中的第i個開關的第一端連接至第i個電池單元的負電極端。第i個開關的第二端連接至第i個儲能元件的第二端。這些電池單元中第1個電池單元的正電極端連接至這些儲能元件中第1個儲能元件的第一端。

在本發明的一實施例中，上述的電池平衡裝置更包括控制單元，連接於開關單元。控制單元用於輸出控制訊號控制開關單元，使電池單元當中至少其中之一的第i個電池單元與儲能元件當中至少其中之一的第i個儲能元件進行電池平衡。

在本發明的一實施例中，上述的控制單元包括切換矩陣單元與驅動電路。切換矩陣單元，用於接收一外部輸入訊號，將其轉換為一切換訊號並輸出。驅動電路，用於接收切換訊號，並將其轉換為一控制訊號，並輸出至開關單元。

在本發明的一實施例中，上述的電池平衡裝置更包括控 制單元。控制單元連接於開關單元，用於偵測電池單元的電池電壓。當電池單元當中的第i個電池單元的電池電壓未等於第i個儲能元件的電壓時，控制單元控制開關單元。開關單元將第i個電池單元的正電極端與負電極端分別連接至第i個儲能元件的第一端與第二端。

在本發明的一實施例中，上述的電池平衡裝置在第二期間。開關單元從電池單元當中選擇一個第j個電池單元，將第j個電池單元的正電極端與負電極端分別連接至第j個儲能元件的第一端與第二端。且第i個電池單元的正電極端與負電極端至少其中一端不連接至第i個儲能元件的第一端與第二端，其中j為正整數且1jn，j不等於i。

在本發明的一實施例中，在第一期間，上述的開關單元從這些電池單元當中選擇含有第i個電池單元的多個第一電池單元，且將這些第一電池單元的正電極端與負電極端分別連接至這些儲能元件中含有第i個儲能元件的多個相對應的儲能元件的第一端與第二端。在第二期間，上述的開關單元從這些電池單元當中選擇多個第二電池單元，且將這些第二電池單元的正電極端與負電極端分別連接至這些儲能元件中的多個相對應的儲能元件的第一端與第二端。

在本發明的一實施例中，上述的電池平衡方法更包括偵測電池單元的電池電壓。當電池單元當中的第i個電池單元的電池電壓未等於第i個儲能元件的電壓時，將第i個電池單元的正電極 端與負電極端分別連接至該第i個儲能元件的第一端與第二端。

在本發明的一實施例中，上述的電池平衡方法更包括在第二期間，從電池單元當中選擇至少一個第j個電池單元，且將第j個電池單元的正電極端與負電極端分別連接至第j個儲能元件的第一端與第二端，其中j為正整數且1jn，j不等於i。以及在第二期間，第i個電池單元的正電極端與負電極端至少其中一端不連接至第i個儲能元件的第一端與第二端。

在本發明的一實施例中，上述的電池平衡方法更包括：在第一期間，從這些電池單元當中選擇含有第i個電池單元的多個第一電池單元，且將這些第一電池單元的正電極端與負電極端分別連接至這些儲能元件中含有第i個儲能元件的多個相對應的儲能元件的第一端與第二端；以及在第二期間，從這些電池單元當中選擇多個第二電池單元，且將這些第二電池單元的正電極端與負電極端分別連接至這些儲能元件中的多個相對應的儲能元件的第一端與第二端。

基於上述，本發明實施例所述電池平衡裝置及其平衡方法，係利用n個儲能元件、n個電阻以及開關單元，經由設定不同電池平衡期間，來對於n個電池單元進行電池平衡。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、300、400、500、600‧‧‧電池平衡裝置

110、310、410、510、610‧‧‧開關單元

200‧‧‧電池組

320、420、520、620‧‧‧控制單元

621‧‧‧切換矩陣單元

622‧‧‧驅動電路

701、702‧‧‧曲線

B1、B2、B3、B4、Bn‧‧‧電池單元

C1、C2、C3、C4、Cn‧‧‧儲能元件

GND‧‧‧接地電壓

R1、R2、R3、R4、Rn‧‧‧電阻

S1、S2、S3、Sn-1、Sn、SW1、SW2、SW3、SW4、SW5‧‧‧開關

T0‧‧‧初始化期間

T1‧‧‧第一期間

T2‧‧‧第二期間

T3‧‧‧第三期間

T4‧‧‧第四期間

t11_1、t11_2、t11_n、t21_1、t21_2、t21_n‧‧‧第一端

t12_1、t12_2、t12_n、t22_1、t22_2、t22_n‧‧‧第二端

S1101、S1102、S1103、S1201、S1202、S1203‧‧‧步驟

Scon_S1、Scon_S2、Scon_S3、Scon_Sn-1、Scon_Sn‧‧‧控制訊號

Sin‧‧‧輸入訊號

Sw‧‧‧切換訊號

Vcc‧‧‧系統電壓

圖1是依照本發明一實施例說明一種電池平衡裝置的電路示意圖。

圖2依照本發明一實施例說明圖1所示電池平衡裝置100的詳細電路示意圖。

圖3是依照本發明一實施例說明圖2所示電池組200未連接電池平衡裝置100的情況下，電池組200的電池電量示意圖。

圖4是依照本發明一實施例說明圖2所示開關單元110進行電池平衡的開關時序示意圖。

圖5是依照本發明一實施例說明圖2所示電池平衡裝置100對電池組200進行電池平衡後，電池組200的電池電量示意圖。

圖6是依照本發明一實施例說明圖2與圖3所示電池單元B2~B4進行電池平衡循環過程中的電池電量變化曲線示意圖。

圖7是依照本發明一實施例說明電池滿充的電容量與使用次數的關係示意圖。

圖8是依照本發明另一實施例說明一種電池平衡裝置的電路示意圖。

圖9是依照本發明另一實施例說明圖2所示開關單元進行電池平衡的開關時序示意圖。

圖10是依照本發明另一實施例說明一種電池平衡裝置的電路示意圖。

圖11是依照本發明另一實施例說明一種電池平衡裝置的電路示意圖。

圖12是依照本發明另一實施例說明一種電池平衡裝置的電路示意圖。

圖13是依照本發明一實施例說明一種電池平衡方法的流程示意圖。

圖14是依照本發明一實施例說明另一種電池平衡方法的流程示意圖。

在本案說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「耦接(或連接)」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接(或連接)於第二裝置，則應該被解釋成該第一裝置可以直接連接於該第二裝置，或者該第一裝置可以透過其他裝置或某種連接手段而間接地連接至該第二裝置。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。

圖1是依照本發明一實施例說明一種電池平衡裝置的電路示意圖。其中電池平衡裝置100用於對電池組200進行電池平衡。電池組200具有n個電池單元B1~Bn，而這些電池單元B1~Bn相互串聯於系統電壓Vcc與接地電壓GND之間，如圖1所示。系 統電壓Vcc與接地電壓GND可以對電池組200進行充電。

電池平衡裝置100包括n個儲能元件C1~Cn、n個電阻R1~Rn與開關單元110。於圖1所示實施例中，這些儲能元件C1~Cn可以是電容。在其他實施例中，這些儲能元件C1~Cn可能是其他類型的電能儲存元件，例如電池等。這些儲能元件C1~Cn以串聯方式相互連接。這些電阻R1~Rn以串聯方式相互連接。這些電阻R1~Rn中第i個電阻Ri的第一端t21_i與第二端t22_i分別連接至這些儲能元件C1~Cn中第i個儲能元件Ci的第一端t11_i與第二端t12_i，其中n及i為正整數，n大於1，且1in。舉例來說，第1個電阻R1的第一端t21_1與第二端t22_1分別連接至第1個儲能元件C1的第一端t11_1與第二端t12_1，第2個電阻R2的第一端t21_2與第二端t22_2分別連接至第2個儲能元件C2的第一端t11_2與第二端t12_2，如圖1所示。以此類推，第n個電阻Rn的第一端t21_n與第二端t22_n分別連接至第n個儲能元件Cn的第一端t11_n與第二端t12_n。在本實施例中，開關單元110可以連接儲能元件C1~Cn與電池單元B1~Bn。

值得注意的是，當電池平衡裝置100對電池組200進行電池平衡之前，電池平衡裝置100會在初始化期間對儲能元件C1~Cn進行初始化。在初始化期間，開關單元110可以將系統電壓Vcc連接至這些儲能元件C1~Cn中第1個儲能元件C1的第一端t11_1，以及將接地電壓GND連接至這些儲能元件C1~Cn中第n個儲能元件Cn的第二端t12_n。相互串聯的電阻R1~Rn可以依 照電阻值比例而對系統電壓Vcc進行分壓，進而決定/提供多個經分壓電壓。因為電阻R1~Rn分別與相對應儲能元件C1~Cn之間為並聯關係，這些經分壓電壓將會分別對儲能元件C1~Cn進行充電，進而決定各儲能元件C1~Cn的電壓。經由電阻R1~Rn的電阻值比例的設定，每一個儲能元件的跨壓可以被設定為對應的電池單元的額定滿充電壓。例如，第i個儲能元件Ci的跨壓可以被設定為對應的電池單元Bi的額定滿充電壓。也就是說，電阻R1~Rn的電阻值比例的決定可以響應於電池單元B1~Bn的規格(例如額定電壓)。在一些應用範例中，電池單元B1~Bn可能具有相同的額定滿充電壓，因此電阻R1~Rn可以具有相同的電阻值(亦即電阻R1~Rn中任二個電阻的電阻值比例為1：1)。

當初始化期間完成後，電池平衡裝置100可以對電池組200進行電池平衡。開關單元110可以在進行電池平衡期間中的第一期間從電池單元B1~Bn當中選擇一個或多個電池單元。舉例來說(但不限於此)，開關單元110可以在第一期間從電池單元B1~Bn當中選擇第i個電池單元Bi。在選擇第i個電池單元Bi後，開關單元110可以在第一期間將電池單元Bi的正電極端與負電極端分別連接至對應儲能元件的第一端與第二端(例如第i個儲能元件Ci的第一端t11_i與第二端t12_i)，以進行電池平衡。開關單元110可以在進行電池平衡期間中的第二期間從電池單元B1~Bn當中選擇一個或多個電池單元。舉例來說(但不限於此)，開關單元110可以在第二期間從電池單元B1~Bn當中選擇第j個電池單元 Bj，其中j為正整數且1jn，j不等於i。在選擇第j個電池單元Bj後，開關單元110可以在第二期間將第j個電池單元Bj的正電極端與負電極端分別連接至第j個儲能元件Cj的第一端t11_j與第二端t12_j，以及將該第i個電池單元Bi的正電極端與負電極端至少其中一端不連接至該第i個儲能元件的第一端t11_i與第二端t12_i。其餘電池單元的操作將以此類推。

因此，在進行電池平衡的期間，開關單元110可以在不同時間選擇將不同電池單元電性連接至對應的儲能元件。舉例來說，在進行電池平衡期間的第一期間中，開關單元110可以選擇將第1個電池單元B1的正電極端與負電極端分別電性連接至第1個儲能元件C1的第一端t11_1與第二端t12_1，並將第2個電池單元B2的負電極不連接至第2個儲能元件C2的第二端t12_2，以及將其他電池單元B3~Bn的正電極端與負電極端不連接至對應儲能元件C3~Cn的第一端與第二端。在進行電池平衡期間的第二期間中，開關單元110可以選擇將第2個電池單元B2的正電極端與負電極端分別電性連接至第2個儲能元件C2的第一端t11_2與第二端t12_2，並將第1個電池單元B1的正電極不連接至第1個儲能元件C1的第一端t11_1，並將第3個電池單元B3的負電極不連接至第3個儲能元件C3的第二端，以及將其他電池單元B4~Bn的正電極端與負電極端不連接至對應儲能元件C4~Cn的第一端與第二端。以此類推，在進行電池平衡期間的第n期間中，開關單元110可以選擇將第n個電池單元Bn的正電極端與負電極 端分別電性連接至第n個儲能元件Cn的第一端t11_n與第二端t12_n，並將第n-1個電池單元Bn-1的正電極不連接至第n-1個儲能元件Cn-1的第一端，以及將其他電池單元B1~Bn-2的正電極端與負電極端不連接至對應儲能元件C1~Cn-2的第一端與第二端。

在另一些實施例中，開關單元110可以在第一期間從電池單元B1~Bn當中選擇含有第i個電池單元Bi的多個第一電池單元，且將被選擇的第一電池單元的正電極端與負電極端分別連接至儲能元件C1~Cn中含有第i個儲能元件Ci的多個相對應的儲能元件的第一端t11_i與第二端t12_i；以及開關單元110可以在第二期間從電池單元B1~Bn當中選擇多個第二電池單元，且將這些第二電池單元的正電極端與負電極端分別連接至儲能元件C1~Cn中的多個相對應的儲能元件的第一端與第二端。舉例來說(但不限於此)，在進行電池平衡期間的第一期間中，開關單元110可以選擇將第1個電池單元B1的正電極端與負電極端分別電性連接至第1個儲能元件C1的第一端t11_1與第二端t12_1，且將第2個電池單元B2的正電極端與負電極端分別電性連接至第2個儲能元件C2的第一端t11_2與第二端t12_2，並將第3個電池單元B3的負電極不連接至第3個儲能元件C3的第二端，以及將其他電池單元B4~Bn的正電極端與負電極端不連接至對應儲能元件C3~Cn的第一端與第二端。在進行電池平衡期間的第二期間中，開關單元110可以選擇將第2個電池單元B2的正電極端與負電極端分 別電性連接至第2個儲能元件C2的第一端t11_2與第二端t12_2，且將第3個電池單元B3的正電極端與負電極端分別電性連接至第3個儲能元件C3的第一端與第二端，並將第1個電池單元B1的正電極不連接至第1個儲能元件C1的第一端t11_1，並將第4個電池單元B4的負電極不連接至第4個儲能元件C4的第二端，以及將其他電池單元B5~Bn的正電極端與負電極端不連接至對應儲能元件C5~Cn的第一端與第二端。以此類推，在進行電池平衡期間的第n-1期間中，開關單元110可以選擇將第n-1個電池單元Bn-1的正電極端與負電極端分別電性連接至第n-1個儲能元件Cn-1的第一端與第二端，且將第n個電池單元Bn的正電極端與負電極端分別電性連接至第n個儲能元件Cn的第一端t11_n與第二端t12_n，並將第n-2個電池單元Bn-2的正電極不連接至第n-2個儲能元件Cn-2的第一端，以及將其他電池單元B1~Bn-3的正電極端與負電極端不連接至對應儲能元件C1~Cn-3的第一端與第二端。

在又一些實施例中，開關單元110可以在進行電池平衡的期間將所有電池單元B1~Bn分別電性連接至儲能元件C1~Cn中的相對應者。

在更一實施例，電池平衡裝置100可以在非充電期間對電池組200進行電池平衡。在所述非充電期間，系統電壓Vcc可以被移除，或是系統電壓Vcc沒有對電池組200充電。在系統電壓Vcc沒有對電池組200充電的情況下，電池組200可以經由開 關單元110提供電壓給儲能元件C1~Cn與電阻R1~Rn，以便在初始化期間對儲能元件C1~Cn進行初始化。在初始化期間，開關單元110可以將電池組200的正電極端連接至這些儲能元件C1~Cn中第1個儲能元件C1的第一端t11_1，以及將電池組200的負電極端連接至這些儲能元件C1~Cn中第n個儲能元件Cn的第二端t12_n。相互串聯的電阻R1~Rn可以依照電阻值比例而對電池組200的電壓進行分壓，進而對儲能元件C1~Cn進行充電。當初始化期間完成後，電池平衡裝置100可以對電池組200進行電池平衡。開關單元110在進行電池平衡期間中的電池平衡操作可以參照前述諸實施例的相關說明而類推，故不再贅述。

綜上所述，每一個電池單元被分配了一個對應的儲能元件。在初始化期間，每一個儲能元件可以被充電，而達到對應的電池單元的額定滿充電壓。當初始化期間完成後，電池平衡裝置100可以對電池組200進行電池平衡。在進行電池平衡的期間，開關單元110可以在不同時間選擇將不同電池單元電性連接至對應的儲能元件。舉例來說，假設第i個電池單元Bi充電不完全(電量未達到100%，也就是電池單元Bi的電壓低於額定滿充電壓)，則對應的儲能元件Ci可以透過開關單元110輸出充電電能給電池單元Bi。反之，假設第i個電池單元Bi過度充電(電量超過100%，也就是電池單元Bi的電壓高於額定滿充電壓)，則電池單元Bi的過多電能可以透過開關單元110被卸載至對應的儲能元件Ci與對應的電阻Ri。因此，本實施例經由執行上述至少一個電池單元(例 如第i個電池單元Bi)與相對應至少一個儲能元件(例如第i個儲能元件Ci)的充放電方式，來調節電池單元Bi的電量，使得各電池單元B1~Bn之間達到額定的電壓比例，進而達到電池平衡。

圖2~圖5為本發明實施例有關於圖1電池平衡裝置之電路示意圖的範例實施例，但本發明不限於此。為方便說明，在此假設電池單元B1~Bn的數量n為4，並依此將圖1所示電池平衡裝置100的詳細實施例繪示於圖2。於圖2所示實施例中，開關單元110包括5個開關SW1、SW2、SW3、SW4與SW5。開關SW1的第一端與第二端分別連接至電池單元B1的正電極端與儲能元件C1的第一端。開關SW2的第一端連接至電池單元B1的負電極端與電池單元B2的正電極端，而開關SW2的第二端連接至儲能元件C1的第二端與儲能元件C2的第一端。開關SW3的第一端連接至電池單元B2的負電極端與電池單元B3的正電極端，而開關SW3的第二端連接至儲能元件C2的第二端與儲能元件C3的第一端。開關SW4的第一端連接至電池單元B3的負電極端與電池單元B4的正電極端，而開關SW4的第二端連接至儲能元件C3的第二端與儲能元件C4的第一端。開關SW5的第一端與第二端分別連接至電池單元B4的負電極端與儲能元件C4的第二端。圖3是依照本發明一實施例說明圖2所示電池組200未連接電池平衡裝置100的情況下，電池組200的電池電壓(電池電量)示意圖。圖3縱軸表示電池單元的電量(capacity，其單位為百分比)。請參照圖2與圖3，在電池平衡裝置100沒有連接至電池單元B1~B4 之前，電池單元B1~B4可能發生電量不平衡。例如圖2所示，第1、4個電池單元B1、B4可能充電不完全(電量未達到100%)，以及第2個電池單元B2可能過度充電(電量超過100%)。於圖2所示情境中，只有第3個電池單元B3充電完全(電量達到100%)。

圖4是依照本發明一實施例說明圖2所示開關單元110進行電池平衡的開關時序示意圖。電池平衡裝置100在初始化期間T0針對儲能元件C1~C4進行初始化。在初始化期間T0，開關SW1與SW5導通(turn on)而開關SW2、SW3與SW4截止(turn off)，因此開關單元110可以將系統電壓Vcc連接至第1個儲能元件C1的第一端，以及將接地電壓GND連接至第4個儲能元件C4的第二端。相互串聯的電阻R1~R4可以依照電阻值比例而對系統電壓Vcc進行分壓，進而決定/提供多個經分壓電壓給儲能元件C1~C4。這些經分壓電壓將會分別對儲能元件C1~C4進行充電，而決定各儲能元件C1~C4的初始電壓。

經由電阻R1~R4的電阻值比例的設定，每一個儲能元件的初始電壓可以被設定為對應的電池單元的電壓。例如一些實施例中的電阻R1~R4可能具有相同的電阻值，則在電池單元B1~B4的充電過程中，儲能元件C1~C4各自的初始電壓可以是充電當時電池單元B1~B4的電壓(跨壓)平均值。在電池單元B1~B4滿充時，第1個儲能元件C1的初始電壓可以被設定為對應的電池單元B1的額定滿充電壓，第2個儲能元件C2的初始電壓可以被設定為對應的電池單元B2的額定滿充電壓，第3個儲能元件C3的初 始電壓可以被設定為對應的電池單元B3的額定滿充電壓，而第4個儲能元件C4的初始電壓可以被設定為對應的電池單元B4的額定滿充電壓。也就是說，電阻R1~R4的電阻值比例的決定可以響應於電池單元B1~B4的規格(例如額定電壓)。在一些應用範例中，電阻R1~R4的電阻值比例的決定可以響應於電池單元B1~B4的額定滿充電壓的比例。在另一些應用範例中，電池單元B1~B4可能具有相同的額定滿充電壓，因此電阻R1~R4可以具有相同的電阻值(亦即電阻R1~R4中任二個電阻的電阻值比例為1：1)。

當初始化期間T0完成後，電池平衡裝置100可以對電池組200進行電池平衡。在進行電池平衡期間中的第一期間T1，開關SW1與SW2導通而開關SW3、SW4與SW5截止，因此開關單元110可以將第1個電池單元B1的正電極端與負電極端分別連接至第1個儲能元件C1的第一端與第二端，進而使第1個儲能元件C1對充電不完全(電量未達100%)的第1個電池單元B1進行充電。在進行電池平衡期間中的第二期間T2，開關SW2與SW3導通而開關SW1、SW4與SW5截止，因此開關單元110將第2個電池單元B2的正電極端與負電極端分別連接至第2個儲能元件C2的第一端與第二端，進而使過度充電(電量超過100%)的第2個電池單元B2將多餘電能釋放至儲能元件C2與電阻R2。在進行電池平衡期間中的第三期間T3，開關SW3與SW4導通而開關SW1、SW2與SW5截止，因此開關單元110將第3個電池單元B3的正電極端與負電極端分別連接至第3個儲能元件C3的第一端與第二 端。在進行電池平衡期間中的第四期間T4，開關SW4與SW5導通而開關SW1、SW2與SW3截止，因此開關單元110可以將第4個電池單元B4的正電極端與負電極端分別連接至第4個儲能元件C4的第一端與第二端，進而使第4個儲能元件C4對充電不完全(電量未達100%)的第4個電池單元B4進行充電。

在完成電池平衡期間(期間T1~T4)後，電池平衡裝置100可以再一次進入初始化期間T0。當初始化期間T0完成後，電池平衡裝置100可以再一次進入電池平衡期間(期間T1~T4)，以對電池組200進行電池平衡。以此類推，如此反覆循環進入初始化期間T0與電池平衡期間(期間T1~T4)，則電池單元B1~B4的電量將會趨近額定電量。圖5是依照本發明一實施例說明圖2所示電池平衡裝置100對電池組200進行電池平衡後，電池組200的電池電量示意圖。經由上述反覆循環的電池平衡動作，電池單元B1~B4的電壓(電量)可以被平衡(如圖5所示)。

圖6是依照本發明一實施例說明圖2與圖3所示電池單元B2~B4的電池電量變化曲線示意圖。圖2與圖3所示電池單元B1可以參照電池單元B4的相關說明而類推。如圖6所示，經過多次電池平衡動作(詳參圖4的相關說明)後，電池單元B2~B4的電壓(電量)可以被平衡至額定滿充電壓。電池平衡動作的次數可以依據設計需求與/或依據電池單元B2~B4的規格(例如電容量)來決定。以圖6為例，經過約略30次電池平衡動作後，電池單元B2~B4可以被平衡而達到相同的電壓。

圖7是依照本發明一實施例說明電池滿充的電容量與使用次數的關係示意圖。如圖7所示，曲線701表示在未進行電池平衡的狀況下，電池單元的使用壽命。若電池單元在多次的使用過程中未進行電池平衡，隨著使用次數的增加，電池單元的損害也會增加，而造成電池滿充的電容量的下降。而曲線702表示在進行電池平衡的狀況下，電池單元的使用壽命。若電池單元在多次的使用過程中進行電池平衡，則可以減少電池單元的損害，並減緩電池滿充的電容量的下降速度，以增加電池單元的使用壽命。

圖8是依照本發明另一實施例說明一種電池平衡裝置300的電路示意圖。電池平衡裝置300包括控制單元320、儲能元件C1~Cn、電阻R1~Rn與開關單元310。圖8所示的電池平衡裝置300、電池單元B1~Bn、開關單元310、儲能元件C1~Cn以及電阻R1~Rn可以參照圖1至圖7所述電池平衡裝置100、電池單元B1~Bn、開關單元110、儲能元件C1~Cn以及電阻R1~Rn的相關說明而類推，故不再贅述。

在本實施例中，控制單元320連接開關單元310。控制單元320可以輸出控制訊號來控制開關單元310。依據控制單元320的控制，開關單元310可以使電池單元B1~Bn當中至少一個(例如第i個電池單元Bi)與儲能元件C1~Cn當中至少一個(例如第i個儲能元件Ci)進行電池平衡。舉例來說，假設電池單元B1~Bn的數量n為4，則控制單元320可以依據圖4的說明內容來控制開關單元310。

在另一些實施例中(但不限於此)，如圖8之控制單元320還可以偵測電池單元B1~Bn的個別電池電量(或電池電壓)，並依據偵測結果而動態決定是否觸發開關單元310進行電池平衡。舉例來說，當控制單元320偵測到電池單元B1~Bn其中至少一個電池單元(例如第i個電池單元Bi)的電壓未等於相對應的儲能元件(例如第i個儲能元件Ci)的電壓時，控制單元320可以動態地(選擇性地)控制開關單元310將第i個電池單元Bi的正電極端與負電極端分別連接至第i個儲能元件Ci的第一端與第二端，以進行電池平衡動作。

為方便說明，在此假設電池單元B1~Bn的數量n為4，並依此將圖8所示電池平衡裝置300的詳細實施例繪示於圖2。圖9是依照本發明另一實施例說明圖2所示開關單元310進行電池平衡的開關時序示意圖。電池平衡裝置300在初始化期間T0針對儲能元件C1~C4進行初始化。在初始化期間T0，開關SW1與SW5導通而開關SW2、SW3與SW4截止，因此開關單元310可以將系統電壓Vcc連接至第1個儲能元件C1的第一端，以及將接地電壓GND連接至第4個儲能元件C4的第二端。相互串聯的電阻R1~R4可以依照電阻值比例而對系統電壓Vcc進行分壓，進而決定/提供多個經分壓電壓給儲能元件C1~C4。這些經分壓電壓將會分別對儲能元件C1~C4進行充電，而決定各儲能元件C1~C4的初始電壓。在初始化期間T0中，控制單元320還可以偵測電池單元B1~B4的個別電池電壓。在此假設電池單元B1~B4的個別電池電壓(電 量)為圖3所示。

當初始化期間T0完成後，電池平衡裝置300可以依據偵測結果對電池組200進行電池平衡。在進行電池平衡期間中的第一期間T1，因為電池單元B1、B2與B4的電壓未等於相對應的儲能元件C1、C2與C4的電壓(換句話說，電池單元B1、B2與B4的電壓未達到額定滿充電壓，如圖3所示)，因此控制單元320可以動態地(選擇性地)導通開關SW1、SW2、SW3、SW4與SW5，以對電池單元B1、B2與B4進行電池平衡動作。在完成電池平衡期間(期間T1)後，電池平衡裝置300可以再一次進入初始化期間T0。在第二次的初始化期間T0中，控制單元320可以再一次偵測電池單元B1~B4的個別電池電壓。在此假設電池單元B2~B4的電池電壓已達到額定滿充電壓，而電池單元B1尚未達到額定滿充電壓。

當第二次的初始化期間T0完成後，電池平衡裝置300可以再一次依據新的偵測結果對電池組200進行電池平衡。在進行電池平衡期間中的第二期間T2，因為電池單元B1的電壓未等於相對應的儲能元件C1的電壓(換句話說，電池單元B1的電壓未達到額定滿充電壓)，因此控制單元320可以動態地(選擇性地)導通開關SW1與SW2並且截止開關SW3、SW4與SW5，以對電池單元B1進行電池平衡動作。在完成電池平衡期間(期間T2)後，電池平衡裝置300可以再一次進入初始化期間T0。以此類推，如此反覆循環進入初始化期間T0與電池平衡期間，直到電池單元 B1~B4的電量趨近額定電量(電池單元B1~B4的電壓達到額定滿充電壓)。

圖10是依照本發明另一實施例說明一種電池平衡裝置400的電路示意圖。電池平衡裝置400包括控制單元420、儲能元件C1~Cn、電阻R1~Rn與開關單元410。圖10所示的電池平衡裝置400、電池單元B1~Bn、開關單元410、儲能元件C1~Cn以與n個電阻R1~Rn可以參照圖1至圖7所述電池平衡裝置100、電池單元B1~Bn、開關單元110、儲能元件C1~Cn以及電阻R1~Rn的相關說明而類推，故不再贅述。圖10所示開關單元410與控制單元420可以參照圖8所述開關單元310與控制單元320的相關說明而類推，故不再贅述。

於圖10所示實施例中，開關單元410包括n個開關S1、S2、S3、...、Sn。其中圖10之開關S1~Sn係以N型金氧半(NMOS)場效電晶體為例，開關的第一端係指NMOS電晶體之源極，開關的第二端係指NMOS電晶體之汲極，開關的控制端係指NMOS電晶體之閘極。但本發明之開關不以此類型電晶體為限。在其他實施例中，圖10之開關S1~Sn可為P型金氧半(PMOS)場效電晶體或其他各類型開關元件/電路。這些開關S1~Sn的第一端與第二端分別連接至電池單元B1~Bn與儲能元件C1~Cn，開關S1~Sn的控制端皆連接於控制單元420。舉例來說，開關S1~Sn當中的第i個開關Si的第一端連接至第i個電池單元Bi的正電極端。第i個開關Si的第二端連接至第i個儲能元件Ci的第一端。第n個電池 單元Bn的負電極端連接至第n個儲能元件Cn的第二端。

在初始化期間，控制單元420可以導通開關S1並截止其餘開關S2~Sn，使得系統電壓Vcc可以對儲能元件C1~Cn進行充電。接著在進行電池平衡期間中的第一期間，控制單元420可以導通開關S1、S2並截止其餘開關S3~Sn，以便對電池單元B1進行電池平衡。在進行電池平衡期間中的第二期間，控制單元420可以導通開關S2、S3並截止其餘開關S1、S4~Sn，以便對電池單元B2進行電池平衡。以此類推，在進行電池平衡期間中的第n期間，控制單元420可以導通開關Sn並截止其餘開關，以便對電池單元Bn進行電池平衡。如此反覆循環進入初始化期間與電池平衡期間，直到電池單元B1~Bn的電量趨近額定電量(電池單元B1~Bn的電壓達到額定滿充電壓)。

電池平衡期間的操作並不限於上述方式。舉例來說(在另一個實施例中)，在進行電池平衡期間中的第一期間，控制單元420可以導通開關S1、S2、S3(或更多開關)並截止其餘開關，以便對電池單元B1、B2(或更多電池單元)進行電池平衡。在進行電池平衡期間中的第二期間，控制單元420可以導通開關S2、S3、S4(或更多開關)並截止其餘開關，以便對電池單元B2、B3(或更多電池單元)進行電池平衡。以此類推，在進行電池平衡期間中的第n-1期間，控制單元420可以導通開關Sn-1、Sn(或更多開關)並截止其餘開關，以便對電池單元Bn-1、Bn(或更多電池單元)進行電池平衡。如此反覆循環進入初始化期間與電池 平衡期間，直到電池單元B1~Bn的電量趨近額定電量(電池單元B1~Bn的電壓達到額定滿充電壓)。

圖11是依照本發明另一實施例說明一種電池平衡裝置500的電路示意圖。電池平衡裝置500包括控制單元520、儲能元件C1~Cn、電阻R1~Rn與開關單元510。圖11所示的電池平衡裝置500、電池單元B1~Bn、開關單元510、儲能元件C1~Cn以及n個電阻R1~Rn可以參照圖1至圖7所述電池平衡裝置100、電池單元B1~Bn、開關單元110、儲能元件C1~Cn以及電阻R1~Rn的相關說明而類推，故不再贅述。圖11所示控制單元520可以參照圖8所述控制單元320或圖10所述控制單元420的相關說明而類推，故不再贅述。

於圖11所示實施例中，開關單元510包括n個開關S1~Sn。圖11所示開關S1~Sn可以參照圖10所述開關S1~Sn的相關說明而類推。這些開關S1~Sn的第一端與第二端分別連接至電池單元B1~Bn與儲能元件C1~Cn。開關S1~Sn的控制端皆連接於控制單元520。舉例來說，開關S1~Sn當中的第i個開關Si的第一端連接至第i個電池單元Bi的負電極端。第i個開關Si的第二端連接至第i個儲能元件Ci的第二端。第1個電池單元B1的正電極端連接至第1個儲能元件C1的第一端。

在初始化期間，控制單元520可以導通開關Sn並截止其餘開關S1~Sn-1，使得系統電壓Vcc可以對儲能元件C1~Cn進行充電。接著在進行電池平衡期間中的第一期間，控制單元520可 以導通開關S1並截止其餘開關S2~Sn，以便對電池單元B1進行電池平衡。在進行電池平衡期間中的第二期間，控制單元520可以導通開關S1、S2並截止其餘開關S3~Sn，以便對電池單元B2進行電池平衡。以此類推，在進行電池平衡期間中的第n期間，控制單元520可以導通開關Sn-1與Sn並截止其餘開關，以便對電池單元Bn進行電池平衡。如此反覆循環進入初始化期間與電池平衡期間，直到電池單元B1~Bn的電量趨近額定電量(電池單元B1~Bn的電壓達到額定滿充電壓)。

電池平衡期間的操作並不限於上述方式。舉例來說(在另一個實施例中)，在進行電池平衡期間中的第一期間，控制單元520可以導通開關S1、S2(或更多開關)並截止其餘開關，以便對電池單元B1、B2(或更多電池單元)進行電池平衡。在進行電池平衡期間中的第二期間，控制單元520可以導通開關S1、S2、S3(或更多開關)並截止其餘開關，以便對電池單元B2、B3(或更多電池單元)進行電池平衡。在進行電池平衡期間中的第三期間，控制單元520可以導通開關S2、S3、S4(或更多開關)並截止其餘開關，以便對電池單元B3、B4(或更多電池單元)進行電池平衡。以此類推，在進行電池平衡期間中的第n-1期間，控制單元520可以導通開關Sn-2、Sn-1、Sn(或更多開關)並截止其餘開關，以便對電池單元Bn-1、Bn(或更多電池單元)進行電池平衡。如此反覆循環進入初始化期間與電池平衡期間，直到電池單元B1~Bn的電量趨近額定電量(電池單元B1~Bn的電壓達到額 定滿充電壓)。

圖12是依照本發明另一實施例說明一種電池平衡裝置600的電路示意圖。電池平衡裝置600包括控制單元620、儲能元件C1~Cn、電阻R1~Rn與開關單元610。圖12所示的電池平衡裝置600、電池單元B1~Bn、儲能元件C1~Cn、電阻R1~Rn、控制單元620、開關單元610與開關S1~Sn可以參照圖10所述電池平衡裝置400、電池單元B1~Bn、儲能元件C1~Cn、電阻R1~Rn、控制單元420、開關單元410與開關S1~Sn的相關說明而類推，故不再贅述。

在本實施例中，如圖12所示的控制單元620包括切換矩陣單元621與驅動電路622。切換矩陣單元621可以接收外部輸入訊號Sin，並將外部輸入訊號Sin轉換為切換訊號Sw並輸出。驅動電路622可以接收切換訊號Sw，並將切換訊號Sw轉換為控制訊號Scon_S1、Scon_S2、Scon_S3、...、Scon_Sn。控制訊號Scon_S1~Scon_Sn被輸出至開關單元610的各開關S1~Sn的控制端。因此前級電路或系統(例如作業系統、電源管理程式或應用程式)可以透過外部輸入訊號Sin來控制電池平衡裝置600，進而對於電池單元B1~Bn進行電池平衡。

值得注意的是，在不同的應用情境中，上述控制單元(例如320、420或520)、切換矩陣單元621及/或驅動電路622的相關功能可以利用一般的編程語言(programming languages，例如C或C++)、硬體描述語言(hardware description languages，例如 Verilog HDL或VHDL)或其他合適的編程語言來實現為軟體、韌體或硬體。可執行所述相關功能的軟體(或韌體)可以被佈置為任何已知的計算機可存取媒體(computer-accessible medias)，例如磁帶(magnetic tapes)、半導體(semiconductors)記憶體、磁盤(magnetic disks)或光盤(compact disks，例如CD-ROM或DVD-ROM)，或者可通過互聯網(Internet)、有線通信(wired communication)、無線通信(wireless communication)或其它通信介質傳送所述軟體(或韌體)。所述軟體(或韌體)可以被存放在計算機的可存取媒體中，以便於由計算機的處理器來存取/執行所述軟體(或韌體)的編程碼(programming codes)。另外，本發明的裝置和方法可以通過硬體和軟體的組合來實現。

圖13是依照本發明一實施例說明一種電池平衡方法的流程示意圖。請同時參考圖1與圖13。首先步驟S1101可以對包含多個電池單元B1~Bn的電池組200提供電池平衡裝置100，包括提供相互串聯的n個電阻R1~Rn，以及提供相互串聯的n個儲能元件C1~Cn。電阻R1~Rn中第i個電阻的第一端t21_i與第二端t22_i分別連接至該些儲能元件中第i個儲能元件的第一端t11_i與第二端t12_i，其中n及i為正整數，n大於1，且1in。接著步驟S1102在第一期間中從電池單元B1~Bn當中選擇第i個電池單元Bi，且將電池單元Bi的正電極端與負電極端分別連接至第i個儲能元件Ci的第一端t11_i與第二端t12_i，以進行電池平衡。步驟S1103在第二期間從電池單元B1~Bn當中選擇第j個電池單 元Bj，且將第j個電池單元的正電極端與負電極端分別連接至第j個儲能元件的第一端t11_j與第二端t12_j，其中j為正整數且1jn，j不等於i。步驟S1103還在該第二期間將第i個電池單元的正電極端與負電極端至少其中一端不連接至第i個儲能元件的第一端t11_i與第二端t12_i。

圖14是依照本發明另一實施例說明電池平衡方法的流程示意圖。請同時參考圖1與圖14。首先步驟S1201可以對包含多個電池單元B1~Bn的電池組200提供電池平衡裝置100，包括提供相互串聯的n個電阻R1~Rn，以及提供相互串聯的n個儲能元件C1~Cn。電阻R1~Rn中第i個電阻的第一端t21_i與第二端t22_i分別連接至該些儲能元件中第i個儲能元件的第一端t11_i與第二端t12_i，其中n及i為正整數，n大於1，且1in。接著步驟S1202在第一期間中從電池單元B1~Bn當中選擇含有第i個電池單元Bi的多個第一電池單元，且將這些第一電池單元的正電極端與負電極端分別連接至儲能元件C1~Cn中含有第i個儲能元件Ci的多個第一對應儲能元件的第一端與第二端，以進行電池平衡。步驟S1203在第二期間中從電池單元B1~Bn當中選擇多個第二電池單元，且將這些第二電池單元的正電極端與負電極端分別連接至儲能元件C1~Cn中的多個第二對應儲能元件的第一端與第二端，以進行電池平衡。

值得注意的是，上述圖13與圖14的實施例中，當電池平衡裝置100對電池組200進行電池平衡之前，電池平衡裝置100 會在初始化期間對儲能元件C1~Cn的電壓進行初始化。在初始化期間，開關單元110可以利用系統電壓Vcc對相互串聯連接的儲能元件C1~Cn進行充電。

綜上所述，本揭露諸實施例揭示了電池平衡裝置與電池平衡方法，可以用來平衡電池組的電池電量。電池平衡裝置包括以串聯方式相互連接的n個儲能元件以及以串聯方式相互連接的n個電阻。開關單元可以在電池平衡期間的不同時間使不同電池單元連接至相對應的儲能元件，以對這些電池單元進行電池平衡。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電池平衡裝置

110‧‧‧開關單元

200‧‧‧電池組

B1、B2、Bn‧‧‧電池單元

C1、C2、Cn‧‧‧儲能元件

GND‧‧‧接地電壓

R1、R2、Rn‧‧‧電阻

t11_1、t11_2、t11_n、t21_1、t21_2、t21_n‧‧‧第一端

t12_1、t12_2、t12_n、t22_1、t22_2、t22_n‧‧‧第二端

Vcc‧‧‧系統電壓

Claims (15)

1. 一種電池平衡裝置，用以對一電池組進行電池平衡，該電池平衡裝置包括：n個儲能元件，以串聯方式相互連接；n個電阻，以串聯方式相互連接，其中該些電阻中第i個電阻的第一端與第二端分別連接至該些儲能元件中第i個儲能元件的第一端與第二端，其中n及i為正整數，n大於1，且1in；以及一開關單元，用於連接n個儲能元件與該電池組當中相互串聯的n個電池單元，其中在一第一期間，該開關單元從該些電池單元當中選擇一第i個電池單元，且將該第i個電池單元的正電極端與負電極端分別連接至該第i個儲能元件的第一端與第二端，以進行電池平衡。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池平衡裝置，其中該些儲能元件分別為一電容。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電池平衡裝置，其中該開關單元包括：n個開關，其中該些開關的第一端與第二端分別連接至該些電池單元與該些儲能元件。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電池平衡裝置，其中該開關單元當中的第i個開關的第一端連接至該第i個電池單元的正電極端，以及該第i個開關的第二端連接至該第i個儲能元件的第一 端，而該些電池單元中第n個電池單元的負電極端連接至該些儲能元件中第n個儲能元件的第二端。
5. 如申請專利範圍第3項所述之電池平衡裝置，其中該開關單元當中的第i個開關的第一端連接至該第i個電池單元的負電極端，以及該第i個開關的第二端連接至該第i個儲能元件的第二端，而該些電池單元中第1個電池單元的正電極端連接至該些儲能元件中第1個儲能元件的第一端。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電池平衡裝置，更包括：一控制單元，連接於該開關單元，用於輸出一控制訊號控制該開關單元，使該些電池單元當中至少其中之一的第i個電池單元與該些儲能元件當中至少其中之一的第i個儲能元件進行電池平衡。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電池平衡裝置，其中該控制單元包括：一切換矩陣單元，用於接收一外部輸入訊號，將其轉換為一切換訊號並輸出；以及一驅動電路，用於接收該切換訊號，並將其轉換為該控制訊號，並輸出至該開關單元。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電池平衡裝置，更包括：一控制單元，連接於該開關單元，以及用於偵測該些電池單 元的電池電壓，其中當該些電池單元當中的該第i個電池單元的電池電壓未等於該第i個儲能元件的電壓時，該控制單元控制該開關單元將該第i個電池單元的正電極端與負電極端分別連接至該第i個儲能元件的第一端與第二端。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電池平衡裝置，其中在一第二期間，該開關單元從該些電池單元當中選擇一第j個電池單元，且將該第j個電池單元的正電極端與負電極端分別連接至該些儲能元件中一第j個儲能元件的第一端與第二端，以及將該第i個電池單元的正電極端與負電極端至少其中一端不連接至該第i個儲能元件的第一端與第二端，其中j為正整數且1jn，j不等於i。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電池平衡裝置，其中在該第一期間，該開關單元從該些電池單元當中選擇含有該第i個電池單元的多個第一電池單元，且將該些第一電池單元的正電極端與負電極端分別連接至該些儲能元件中含有該第i個儲能元件的多個第一對應儲能元件的第一端與第二端；以及在一第二期間，該開關單元從該些電池單元當中選擇多個第二電池單元，且將該些第二電池單元的正電極端與負電極端分別連接至該些儲能元件中的多個第二組對應的儲能元件的第一端與第二端。
11. 一種電池平衡方法，用以對一電池組進行電量平衡，其中該電池組包含相互串聯的n個電池單元，該電池平衡方法包括：提供相互串聯的n個電阻； 提供相互串聯的n個儲能元件，其中該些電阻中第i個電阻的第一端與第二端分別連接至該些儲能元件中第i個儲能元件的第一端與第二端，其中n及i為正整數，n大於1，且1in；以及在一第一期間，從該些電池單元當中選擇一第i個電池單元，且將該第i個電池單元的正電極端與負電極端分別連接至該第i個儲能元件的第一端與第二端。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電池平衡方法，其中該些儲能元件分別為一電容。
13. 如申請專利範圍第11項所述之電池平衡方法，更包括：偵測該些電池單元的電池電壓，其中當該些電池單元當中的該第i個電池單元的電池電壓未等於該第i個儲能元件的電壓時，將該第i個電池單元的正電極端與負電極端分別連接至該第i個儲能元件的第一端與第二端。
14. 如申請專利範圍第11項所述之電池平衡方法，更包括：在一第二期間，從該些電池單元當中選擇一第j個電池單元，且將該第j個電池單元的正電極端與負電極端分別連接至該些儲能元件中第j個儲能元件的第一端與第二端，其中j為正整數且1jn，j不等於i；以及在該第二期間，將該第i個電池單元的正電極端與負電極端 至少其中一端不連接至該第i個儲能元件的第一端與第二端。
15. 如申請專利範圍第11項所述之電池平衡方法，更包括：在該第一期間，從該些電池單元當中選擇含有該第i個電池單元的多個第一電池單元，且將該些第一電池單元的正電極端與負電極端分別連接至該些儲能元件中含有該第i個儲能元件的多個第一對應儲能元件的第一端與第二端；以及在一第二期間，從該些電池單元當中選擇多個第二電池單元，且將該些第二電池單元的正電極端與負電極端分別連接至該些儲能元件中的多個第二對應儲能元件的第一端與第二端。