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    一種嵌入式電池電量平衡系統，主要為由一主控單元、一電池單元、一供電單元、一負載單元及一嵌入式充電單元所構成；該主控單元為提供人機介面下達充電或放電命令，並令該電池單元配合該負載控制器之訊號，提供放電程序給予負載，其特徵在於：該負載控制器為接收主控制器之充電及放電程序，並對負載施以一脈波寬度調變訊號，負載控制器同時量測負載之受電狀況，提供給嵌入式充電單元，當脈波寬度調變訊號為工作時間時，對電池單元停止充電，當脈波寬度調變訊號為閒置時間時，對電池單元進行充電，進而使該電池單元同時達到充電及電量平衡之作動。
    公开号:TW201325016A
    申请号:TW100145478
    申请日:2011-12-09
    公开日:2013-06-16
    发明作者:Yao-Wen Tsai；Cho-Chung Liang
    申请人:Univ Dayeh；
    IPC主号:Y02E60-00
    专利说明:
    嵌入式電池電量平衡系統
    本發明係關於一種嵌入式電池電量平衡系統，特別是指一種用於放電狀態時，主動嵌入一充電單元進行電池電量平衡系統。
    然，一般由於單顆電池的電力有限，並不足以提供給電動車使用，所以在許多情況下會將多顆電池串聯成一電池組，但電池組中又存在著各顆電池電量均衡性的問題，導致在充電的過程中，每顆電池因為其電量不相同，而發生有過充或未充飽的情況，間接的降低電池壽命。
    現今為解決上述的問題，研究出許多種關於電量平衡的方法，針對串聯電池組進行電量平衡，目前主要有以下幾種方法：在電池組的各單體電池上附加一個並聯均衡電路，以達到分流的作用，在這種模式下，當某個電池首先達到滿充時，均衡裝置能阻止其過充並將多餘的能量轉換成熱能，繼續對未充滿的電池充電，該方法簡單，但會帶來能量上的損耗，不適合快速充電系統；另，在充電前對每個單體逐一通過同一負載放電至同一水準，然後再進行恆流充電，以此保證各個單體之間較為準確的均衡狀態，但對蓄電池組，由於個體間的物理差異，各單體深度放電後難以達到完全一致的理想效果，即使放電後達到同一效果，在充電過程中也會出現新的不均衡現象；又，定時、定序、單獨對蓄電池組中的單體蓄電池進行檢測及均勻充電，在對蓄電池組進行充電時，能保證蓄電池組中的每一個蓄電池不會發生過充電或過放電的情況，因而就保證了蓄電池組中的每個蓄電池均處於正常的工作狀態；再，運用分時原理，通過開關元件的控制和切換，使額外電流流入電壓相對較低的電池中以達到均衡充電的目的，該方法效率比較高，但控制比較複雜。
    上述所舉出的電量平衡方法，都不是最即時的電量平衡，仍有諸多缺失，實非一良善之設計者，而亟待加以改良。
    本案發明人鑑於上述習用嵌入式電池電量平衡系統所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本件嵌入式電池電量平衡系統。
    本發明之目的即在於提供一種嵌入式電池電量平衡系統，有效分配其電量平衡充電電源至電池組，並且針對電池組內之各個單電池的剩餘電量給予電量平衡，藉此能有效提升電池壽命。
    本發明之次一目的係在於提供一種嵌入式電池電量平衡系統，可利用脈波寬度調變訊號之工作時間或閒置時間施以充放電，提高充電效率，同時達到電量平衡之效用。
    可達成上述發明目的之嵌入式電池電量平衡系統，至少包括有：一主控單元，為接收人機介面下達充電或放電命令，提供該訊號給主控制器，該主控制器並回覆執行狀態給人機介面或下達充電或放電訊號；一電池單元，具有一電池管理系統及一電池組，該電池管理系統為分析主控制器所下達充電或放電訊號，進而驅動電池組作充電及放電程序，電池管理系統同時量測該電池組之電量值，作為執行電池組管理工作之參考；一供電單元，其具備一電源控制器用以管理輸入之一般電源轉換為適宜的直流電源，並透過電池管理系統對電池組施以充電；一負載單元，具有一負載控制器為接收主控制器所下達之充電及放電程序，並對負載施以一脈波寬度調變訊號，用以將電池組之電能，適當的傳遞給負載，並且量測負載之受電狀況，回授給主控制器作為控制之參考，也回授給電池管理系統作為電池管理之參考；一嵌入式充電單元，具有一嵌入式充電控制器，為接收負載控制器之脈波寬度調變訊號，當脈波寬度調變訊號為工作時間時，電量平衡充電電源對電池組停止充電，當脈波寬度調變訊號為閒置時間時，電量平衡充電電源對電池組進行充電。
    請參閱圖1，本發明所提供之嵌入式電池電量平衡系統，主要為由一主控單元1(main control unit)、一電池單元2(battery unit)、一供電單元3(charging unit)、一負載單元4(load unit)及一嵌入式充電單元5(embedded charging unit)所構成；該主控單元1為提供人機介面11下達充電或放電命令，並令該電池單元2配合該負載控制器41之訊號，提供放電程序給予負載42，其特徵在於：該負載控制器41係把施予負載42之脈波寬度調變訊號(pulse width modulation;PWM)，同時也提供給嵌入式充電單元5，當PWM訊號為工作時間(running time)時，對電池單元2停止充電，當PWM訊號為閒置時間(idle time)時，對電池單元2進行充電，進而使該電池單元2同時達到充電及電量平衡之作動；上述所指的閒置時間非指一般習知電池單元2對負載單元4完成放電程序後，才對電池組22進行充電之技術，本發明之嵌入式電池電量平衡系統，係利用PWM訊號的脈波週期為一固定的特性，而以輸入訊號的大小改變脈波的工作週期(Duty Cycle)，因此隨著輸入訊號大小，便可以產生相對應大小的脈波工作週期，如此，當PWM訊號產生下一個工作週期前，會有一段閒置時間，利用該閒置時間，藉由嵌入式充電控制器51所產生的嵌入式電量平衡訊號，傳遞電量平衡充電電源52之電能對電池組22進行電量平衡充電，便可使電池組達到一段時間放電，一段時間充電之效用。
    如圖2所示，為習知的負載控制方法，即負載控制器所產生的PWM訊號與電池組工作時間及閒置時間之時序圖。
    如圖3為本發明的嵌入式電量平衡方法，利用嵌入式充電控制器51所產生的嵌入式電量平衡訊號，介入原本PWM訊號的電池閒置時間，對電池組22進行即時的電量平衡效能，如此一來，可以既能完成電池組22提供給負載42所需電能之任務，而且也同時達成即時對電池組22進行電量平衡充電之目的。
    一主控單元1，為接收使用者由人機介面11下達充電或放電命令，提供該充電或放電命令給主控制器12，該主控制器12並回覆執行狀態給人機介面11或下達充電或放電訊號；一電池單元2，具有一電池管理系統21及一電池組22，該電池管理系統21為分析主控制器12所下達充電或放電訊號，進而驅動電池組22作充電及放電程序，電池管理系統12同時量測該電池組22之電量訊息；一供電單元3，其具備一電源控制器31用以管理輸入之一般電源32轉換為適當的直流電源，並透過電池管理系統21對於電池組22施以充電；一負載單元4，具有一負載控制器41為接收主控制器12所下達之充電及放電程序，負載控制器41並對負載42施以一PWM訊號，用以將電池組之電能適當的傳遞給負載，並且量測負載之受電狀況，回授給主控制器作為控制之參考，也回授給電池管理系統作為電池管理之參考；一嵌入式充電單元5，具有一嵌入式充電控制器51，為接收負載控制器41之PWM訊號，當PWM訊號為工作時間時，電量平衡充電電源52對電池組22停止充電，當PWM訊號為閒置時間時，藉由嵌入式充電控制器51所產生的嵌入式電量平衡訊號，傳遞電量平衡充電電源52之電能對電池組22進行電量平衡充電。
    請參閱圖2至圖7所示的實施例中，為本發明所提供嵌入式電池電量平衡系統之電路平衡架構圖，本發明以三個單電池合成一電池組22作為本實施例，非用以限定本發明之技術，該單電池亦可串接複數個單電池為一電池組22，或該電池組22亦可為一並聯多個串聯電池組所組成；步驟一，當PWM訊號為工作時間時(如圖2與圖3所示)，電量平衡充電電源52對電池組22停止充電，此時第一開關SW1、第n開關SWn、第n+1開關SWn+1、第n+n開關SWn+n為開路，負載開關SWL導通負載42，該電池組22並同時對負載42進行放電程序(如圖4所示)；步驟二，當PWM訊號為閒置時間時，此時第n+1開關SWn+1、第n+n開關SWn+n、負載開關SWL為開路，第一開關SW1、第n開關SWn導通負載42與嵌入式充電控制器51，電量平衡充電電源52對該電池組22內之第一單電池B1進行充電(如圖5所示)；步驟三，當第一單電池B1充電達到一額定電量，此時，第一開關SW1、第n+n開關SWn+n、負載開關SWL為開路，第n開關SWn、第n+1開關SWn+1導通負載42與嵌入式充電控制器51，電量平衡充電電源52既針對第n單電池Bn進行充電(如圖6所示)；步驟四，當第n單電池Bn充電達到一額定電量，此時，第一開關SW1、第n開關SWn、負載開關SWL為開路，第n+1開關SWn+1、第n+n開關SWn+n導通負載42與嵌入式充電控制器51，電量平衡充電電源52既針對第n+1單電池Bn+1進行充電(如圖7所示)，當電池組22內之各單電池皆充電達到一額定電量，即回上述步驟一之程序，如此重複上述作動，即可利用一段時間放電，一段時間充電，提高充電效率，同時達到電量平衡之效用，藉以提升電池組22之使用壽命。
    請參閱圖8所示，為本發明所提供之嵌入式電池電量平衡系統之第二實施例，其中當主控單元1為提供人機介面11下達充電或放電命令，並令該負載控制器41對電池管理系統21輸送一放電訊號給電池組22，電池組22即提供電力給負載控制器41驅動該負載42，負載控制器41同時量測負載42之受電狀況，回授給主控制器12作為控制之參考，也回授給電池管理系統21作為電池管理之參考，該嵌入式充電控制器51並接收負載控制器41之PWM訊號，使該電量平衡充電電源52對電池組22進行充電。
    請參閱圖9與圖10，該電量平衡充電電源52可為一燃料電池，該燃料電池6可經由化學反應作用後可輸出一電能至嵌入式充電控制器51；該電量平衡充電電源52亦可為一太陽能電池7，藉此將所吸收的太陽光能，轉換成電能輸出至嵌入式充電控制器51。
    本發明所提供之嵌入式電池電量平衡系統，與前述引證案及其他習用技術相互比較時，更具有下列之優點：提供一種嵌入式電池電量平衡系統，接收負載控制器41之PWM訊號，利用PWM訊號為閒置時間時，電量平衡充電電源52對電池組22進行充電，藉以提升充電效率，並可縮短其充電時間，更能防止習用過度充電造成電池電池壽命降低之情況產生。
    上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
    綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請　貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。
    1．．．主控單元
    11．．．人機介面
    12．．．主控制器
    2．．．電池單元
    21．．．電池管理系統
    22．．．電池組
    B1．．．第一單電池
    Bn．．．第n單電池
    Bn+1．．．第n+1單電池
    3．．．供電單元
    31．．．電源控制器
    32．．．一般電源
    4．．．負載單元
    41．．．負載控制器
    42．．．負載
    5．．．嵌入式充電單元
    51．．．嵌入式充電控制器
    52．．．電量平衡充電電源
    6．．．燃料電池
    7．．．太陽能電池
    SW1．．．第一開關
    SWn．．．第n開關
    SWn+1．．．第n+1開關
    SWn+n．．．第n+n開關
    SWL．．．負載開關
    圖1為本發明嵌入式電池電量平衡系統之系統方塊圖；
    圖2為傳統習知負載控制器之PWM時序圖；
    圖3為該嵌入式電池電量平衡系統之電量平衡充電之作動時序圖；
    圖4為該嵌入式電池電量平衡系統之電池組對負載之放電架構圖；
    圖5為該嵌入式電池電量平衡系統之電量平衡充電電源對電池組內之第一單電池進行電量平衡充電架構圖；
    圖6為該嵌入式電池電量平衡系統之電量平衡充電電源對電池組內之第n單電池進行電量平衡充電架構圖；
    圖7為該嵌入式電池電量平衡系統之電量平衡充電電源對電池組內之第n+1單電池進行電量平衡充電架構圖；
    圖8為該嵌入式電池電量平衡系統之第二實施例系統方塊圖；
    圖9為該嵌入式電池電量平衡系統之第三實施例示意圖；
    圖10為該嵌入式電池電量平衡系統之第四實施例示意圖。
    1．．．主控單元
    11．．．人機介面
    12．．．主控制器
    2．．．電池單元
    21．．．電池管理系統
    22．．．電池組
    3．．．供電單元
    31．．．電源控制器
    32．．．一般電源
    4．．．負載單元
    41．．．負載控制器
    42．．．負載
    5．．．嵌入式充電單元
    51．．．嵌入式充電控制器
    52．．．電量平衡充電電源
    权利要求:
    Claims (9)
    [1] 一種嵌入式電池電量平衡系統，包括：一主控單元，為接收人機介面下達充電或放電命令給主控制器，該主控制器並回覆執行狀態給人機介面或下達充電或放電訊號；一電池單元，具有一電池管理系統及一電池組，該電池管理系統為分析主控制器所下達充電或放電訊號，進而驅動電池組作充電及放電程序，電池管理系統並同時量測該電池組之電量值；一供電單元，其具備一電源控制器用以管理輸入之一般電源轉換為直流電源，並且透過電池管理系統對電池組施以充電；一負載單元，具有一負載控制器為接收主控制器之充電及放電程序，並對負載施以一脈波寬度調變訊號，負載控制器同時量測負載之受電狀況；一嵌入式充電單元，具有一嵌入式充電控制器，為接收負載控制器之脈波寬度調變訊號，當脈波寬度調變訊號為工作時間時，電量平衡充電電源對電池組停止充電，當脈波寬度調變訊號為閒置時間時，藉由嵌入式充電控制器所產生的嵌入式電量平衡訊號，傳遞電量平衡充電電源之電能對電池組進行電量平衡充電。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之嵌入式電池電量平衡系統，其中該嵌入式充電控制器，接收脈波寬度調變訊號為閒置時間，電量平衡充電電源對該電池組內之第一單電池進行充電。
    [3] 如申請專利範圍第2項所述之嵌入式電池電量平衡系統，其中該第一單電池充電達到一額定電量時，電量平衡充電電源即對該電池組內之第n單電池進行充電。
    [4] 如申請專利範圍第3項所述之嵌入式電池電量平衡系統，其中該第n單電池充電達到一額定電量時，電量平衡充電電源即對該電池組內之第n+1單電池進行充電。
    [5] 如申請專利範圍第1項所述之嵌入式電池電量平衡系統，其中該電池組可為複數個單電池所組成的串聯電池組。
    [6] 如申請專利範圍第5項所述之嵌入式電池電量平衡系統，其中該電池組可為並聯多個串聯電池組所組成。
    [7] 如申請專利範圍第1項所述之嵌入式電池電量平衡系統，其中該電量平衡充電電源可為一燃料電池，該燃料電池可經由化學反應作用後可輸出一電能至嵌入式充電控制器。
    [8] 如申請專利範圍第1項所述之嵌入式電池電量平衡系統，其中該電量平衡充電電源可為一太陽能電池，藉此將所吸收的太陽光能，轉換成電能輸出至嵌入式充電控制器。
    [9] 如申請專利範圍第1項所述之嵌入式電池電量平衡系統，其中該電量平衡充電電源可為其他可產生電能之組件，將其電能輸出至嵌入式充電控制器。
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    引用文献:
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