TWI451112B

TWI451112B - 電池管理系統

Info

Publication number: TWI451112B
Application number: TW101122165A
Authority: TW
Inventors: Yi Shing Lin
Original assignee: Via Tech Inc
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2014-09-01
Also published as: CN102810892A; TW201400838A; US20130342214A1; US9933493B2; US20160313406A1; CN102810892B; US9459322B2

Description

電池管理系統

本發明係有關於一種電池管理系統，且特別有關於一種偵測電池芯電壓的電池管理系統。

一般而言，電池管理系統必須分別偵測出電池組(battery pack)在充電或放電時該電池組內各電池芯(battery cell)之電壓，以進一步判斷各電池芯是否正常，其中電池組內之多個電池芯係以串連方式相連接。

以一個包含16個電池芯的電池組為例，如果其中每個電池芯輸出的最大電壓為3.75V，則該電池組總共輸出的最大電壓高達60V。因此，在傳統的電池電壓量測方式中，電池管理系統必須先經過分壓器將電池組內各電池芯之端點電壓進行降壓之後，才會透過多工選擇器來選擇特定之電池芯的已降壓之端點電壓進行量測。降壓後的每一電池芯的電壓信號才會符合後續電路的輸入信號範圍，以避免設置在積體電路內的電路元件會損壞。然而，每一電池芯皆需要一組分壓器。因此，當電池組內電池芯的數量增加時，分壓器的數量亦會增加。所以，電池管理系統的成本會增加。

本發明提供一種電池管理系統，適用於一電池組，上述電池組包括以串聯方式連接之複數電池芯。上述電池管理系統包括：一第一分壓器；複數第一開關單元，每一上述第一開關單元係耦接於對應之上述電池芯的陽極與上述第一分壓器之間；以及一偵測電路，耦接於上述第一分壓器。當一控制信號控制上述複數第一開關單元之一者為導通時，上述第一分壓器分壓上述第一開關單元所傳遞之一第一電壓差以得到一第一分壓信號，並將上述第一分壓信號傳遞至上述偵測電路，上述偵測電路根據上述第一分壓信號偵測上述第一電壓差，其中上述第一電壓差為被導通的上述第一開關單元對應的上述電池芯之陽極與一接地端之間的電壓差。

再者，本發明提供另一種電池管理系統，適用於一電池組，上述電池組包括以串聯方式連接之複數電池芯。上述電池管理系統包括：一第一開關單元，耦接於上述電池組之一第一電池芯的陽極，且上述第一開關單元包括：一第一P型電晶體，耦接於上述第一電池芯的陽極；一第一電阻，耦接於上述第一電池芯的陽極以及上述第一P型電晶體的閘極之間；以及一電流鏡，耦接於上述第一P型電晶體的閘極以及上述第一電阻，用以相應於一控制信號，而從上述第一電阻汲取出一第一鏡射電流，以使上述第一P型電晶體導通；以及一偵測電路，耦接於上述第一開關單元，當上述控制信號控制上述第一P型電晶體導通時，上述偵測電路經由上述第一開關單元而得到上述第一電池芯的陽極與一接地端之間的一第一電壓差。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

實施例：

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之電池組(battery pack)110之電池管理系統100。電池組110包括複數電池芯BAT1-BAT6，且電池芯BAT1-BAT6係以串聯方式連接至接地端GND。電池管理系統100包括控制器120、偵測電路130、複數開關單元140_1-140_6以及分壓器150。開關單元140_1-140_6為能耐高壓之開關單元，且開關單元140_1-140_6的輸入端係分別耦接於對應之電池芯的陽極(anode)，而開關單元140_1-140_6的輸出端係共同耦接於分壓器150。在此實施例中，開關單元140_1、140_2、140_3、140_4、140_5與140_6的輸入端係分別耦接於電池芯BAT1、BAT2、BAT3、BAT4、BAT5與BAT6的陽極。此外，開關單元140_1-140_6係分別由來自控制器120的控制信號Ctrl_1-Ctrl_6所控制。值得注意的是，控制器120一次只會控制開關單元140_1-140_6之一者為導通，而控制其他的開關單元為不導通。在一實施例中，控制器120提供控制信號Ctrl_1來控制開關單元140_1為導通，並提供控制信號Ctrl_2-Ctrl_6來控制開關單元140_2-140_6為不導通。此時，電池芯BAT1之陽極與接地端GND之間的電壓差V1會傳送至分壓器150。在另一實施例中，控制器120亦可提供控制信號Ctrl_2來控制開關單元140_2為導通，並提供控制信號Ctrl_1與Ctrl_3-Ctrl_6來控制開關單元140_1與140_3-140_6為不導通。此時，電池芯BAT2之陽極(亦即，電池芯BAT1之陰極)與接地端GND之間的電壓差V2會傳送至分壓器150。由上述兩個實施例的操作方式，控制單元120可透過兩次操作分別取得電壓差V1以及電壓差V2，進而取得單一電池芯BAT1兩端的電壓差V1-V2。

分壓器150包括第一分壓電阻RD1以及第二分壓電阻RD2。分壓器150可藉由第一分壓電阻RD1以及第二分壓電阻RD2對任一開關單元所傳送的電壓(例如上述的電壓差V1或V2)進行分壓，以得到對應之分壓信號VD。接著，分壓器150會提供分壓信號VD至偵測電路130的輸入端IN1，而此分壓信號VD的電壓位準係符合偵測電路130的輸入信號範圍。此外，偵測電路130的輸入端IN2係用以接收一固定之參考電壓Vref。偵測電路130便可根據分壓信號VD與參考電壓Vref而得到對應於輸入的電壓之數位信號DAT，並提供該數位信號DAT至控制器120。

以下舉例說明本發明之電池管理系統100偵測電池組110之一電池芯BAT1兩端電壓的操作。如前所述，控制器120可提供控制信號Ctrl_1來控制開關單元140_1為導通，並提供控制信號Ctrl_2-Ctrl_6來控制開關單元140_2-140_6為不導通。因此，電池芯BAT1之陽極與接地端GND之間的電壓差V1將會傳送至分壓器150。分壓器150將電壓差V1分壓後，傳遞對應電壓差V1之分壓信號VD至偵測電路130。偵測電路130便可根據此分壓信號VD與參考電壓Vref而得到對應於電壓差V1之數位信號DAT，並提供該數位信號DAT至控制器120。接著，控制器120會提供控制信號Ctrl_2來控制開關單元140_2為導通，並提供控制信號Ctrl_1與Ctrl_3-Ctrl_6來控制開關單元140_1與為140_3-140_6為不導通。此時，電池芯BAT2之陽極(亦即，電池芯BAT1之陰極)與接地端GND之間的電壓差V2會傳送至分壓器150。接著，分壓器150會對電壓差V2進行降壓，以得到對應之分壓信號VD。接著，偵測電路130便可根據分壓信號VD與參考電壓Vref而得到對應於電壓差V2之數位信號DAT，並提供該數位信號DAT至控制器120。於是，控制器120便可根據對應於電壓差V2之數位信號DAT以及對應於電壓差V1之數位信號DAT而得到電池芯BAT1的電壓。值得注意的是，上述先取得對應於電壓差V1之數位信號DAT後，再取得對應於電壓差V2之數位信號DAT僅為一種實施方式，並非用以限制本發明。在另一種實施方式中，亦可先取得對應於電壓差V2之數位信號DAT後，再取得對應於電壓差V1之數位信號DAT，以量測電池芯BAT1的電壓。至於其他電池芯(例如BAT2-BAT6其中之一)的電壓，亦可用相同方式取得。例如，藉由將開關單元140_3、140_4、140_5與140_6分別導通，控制器120可得到電池芯BAT2、BAT3、BAT4、BAT5、BAT6的電壓。換句話說，控制單元120可分別導通對應於一電池芯的開關單元，以偵測該電池芯兩端的電壓差。此外，當控制單元120不用進行電池芯的端點電壓的偵測動作時，控制單元120可使各開關單元140_1-140_6均處於不導通狀態。也就是說，各電池芯BAT1-BAT6與接地端GND無法形成導通迴路，而可避免電池組110產生漏電流的現象。

一般而言，電池組的各電池芯的特性不會完全相同。在對電池芯進行測試之後，電池組的製造商會將電池特性相近的電池芯挑選出來(例如電池容量相似的)，並組裝成電池組，以避免電池組的充放電容量會受限於容量最小的電池芯。舉例來說，當容量最小的電池芯已充電至充電截止電壓時，則控制器會停止對電池組進行充電。然而，電池組內的其他電池芯仍未充飽。相反地，當容量最小的電池芯被放電至放電截止電壓時，則控制器會停止對電池組進行放電。然而，電池組內的其他電池芯仍存有電量，因此會造成電量沒有被有效地利用。

在第1圖中，電池管理系統100更包括複數平衡單元160_1-160_6，用以分別對電池組110內的電池芯BAT1-BAT6進行電池平衡。當控制器120偵測到電池組110中任一電池芯之端點電壓超出一臨界值時，則控制器120會控制對應於該電池芯之平衡單元進行電池平衡。例如，在對電池組110進行充電時，該些平衡單元可旁路(by pass)不平衡之電池芯，使得不平衡的電池不會被充電或者使此不平衡電池的充電速度降低。此外，在對電池組110進行放電時，該平衡單元可消耗不平衡之電池芯的電量，以達到整體電池組110電量平衡之目的。

第2圖係顯示根據本發明另一實施例所述之電池組210之電池管理系統200。電池組210包括複數電池芯BAT1-BATn，且電池芯BAT1-BATn係以串聯方式連接至接地端GND。電池管理系統200包括控制器220、偵測電路230、複數第一開關單元240_1-240_n、複數第二開關單元250_1-250_m以及第一分壓器260與第二分壓器270。第一開關單元240_1-240_n以及第二開關單元250_1-250_m為能耐高壓之開關單元。第一開關單元240_1-240_n的輸入端係分別耦接於對應之電池芯的陽極，而第一開關單元240_1-240_n的輸出端係共同耦接於第一分壓器260。舉例來說，第一開關單元240_1、240_2、240_3、…以及240_n的輸入端係分別耦接於電池芯BAT1、BAT2、BAT3與BATn的陽極。此外，第一開關單元240_1-240_n係分別由來自控制器220的控制信號Ctrl_11-Ctrl_1n所控制。值得注意的是，控制器120一次只會控制第一開關單元240_1-240_n之一者為導通，而控制其他的第一開關單元為不導通。第二開關單元250_1-250_m的輸入端係分別耦接於除了電池芯BAT1之外的對應之電池芯的陽極，或者說第二開關單元250_1-250_m的輸入端係分別耦接於除了電池芯BATn之外的對應之電池芯的陰極，而第二開關單元250_1-250_m的輸出端係共同耦接於第二分壓器270。舉例來說，第二開關單元250_1、250_2、…以及250_m的輸入端係分別耦接於電池芯BAT2、BAT3與BATn的陽極。換言之，第二開關單元250_1、250_2、…以及250_m的輸入端亦分別耦接於電池芯BAT1、BAT2與BATm的陰極(cathode)。此外，第二開關單元250_1-250_m係分別由來自控制器220的控制信號Ctrl_21-Ctrl_2m所控制。同樣地，控制器220一次只會控制第二開關單元250_1-250_m之一者為導通，而控制其他的第二開關單元為不導通。值得注意的是，控制器220導通耦接於一電池芯之陽極的第一開關單元時，亦會導通耦接於該電池芯之陰極的第二開關單元。舉例來說，控制器220在提供控制信號Ctrl_11導通第一開關單元240_1時，會同時提供Ctrl_21來控制第二開關單元250_1呈現導通狀態。此時，控制器220會分別透過控制信號Ctrl_12-Ctrl_1n與Ctrl_22-Ctrl_2m來控制第一開關單元240_2-240_n與第二開關單元250_2-250_m呈現不導通狀態。因此，電池芯BAT1之陽極與接地端GND之間的電壓差V1會傳送至第一分壓器260，而電池芯BAT2之陽極(也即，電池芯BAT1之陰極)與接地端GND之間的電壓差V2會傳送至第二分壓器270。在一實施例中，第一分壓器260包括第一分壓電阻RD1以及第二分壓電阻RD2，而第二分壓器270包括第三分壓電阻RD3以及第四分壓電阻RD4。接著，第一分壓器260與第二分壓器270會分別對電壓差V1與電壓差V2進行降壓，以得到對應之分壓信號VD1與VD2，此分壓信號VD1與VD2的電壓位準係符合偵測電路230的輸入信號範圍。於是，偵測電路230便可對分壓信號VD1與分壓信號VD2之間的電壓差進行轉換，以得到對應之數位信號DAT，並提供數位信號DAT至控制器220。於是，控制器220便可根據數位信號DAT而得到電池芯BAT1的電壓。具體而言，藉由控制第一開關單元與第二開關單元的導通組合，控制器220可得到對應之電池芯的電壓。舉例來說，藉由將第一開關單元240_2以及第二開關單元250_2導通，控制器220可得到電池芯 BAT2的電壓。

在上述實施例中，控制器220可透過導通分別耦接於一電池芯陽極與陰極的第一開關單元以及第二開關單元，以量測單一電池芯的電壓，但本發明不限於此。在另一實施例中，控制器220可藉由導通對應於不同電池芯的第一開關單元以及第二開關單元，以量測多個串接電池芯的電壓。例如，藉由將第一開關單元240_1以及第二開關單元250_2導通，控制器220可量測到電池芯BAT1與BAT2同時可提供的電壓。此外，如先前所描述，電池管理系統200亦可包括複數平衡單元(未繪示)，用以分別根據控制器220量測到的電池芯電壓對電池組210內的電池芯BAT1-BATn進行電池平衡。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之能耐高壓的開關單元300。該開關單元300可為第1圖之開關單元140_1~140_6之一實施方式，亦可為第2圖之開關單元240_1~240_n以及開關單元250_1~240_m之一實施方式。開關單元300包括電流鏡310、電晶體P1、電阻R1以及阻擋單元320，其中電晶體P1為汲極端可耐高壓之高壓P型電晶體。電阻R1耦接於開關單元300之輸入端IN以及電晶體P1的閘極之間。電晶體P1耦接於輸入端IN以及阻擋單元320之間。阻擋單元320耦接於電晶體P1以及開關單元300之輸出端OUT之間。阻擋單元320僅允許電信號由輸入端IN傳遞至輸出端OUT，而不允許電信號由輸出端OUT傳遞至輸入端IN。藉此可防止由輸出端OUT流向至電晶體P1的逆流電流，而可保護電晶體P1不會被逆流電流損壞。在此實施例中，阻擋單元320包括二極體D1，其中二極體D1的陽極係耦接於電晶體P1而二極體D1的陰極係耦接於輸出端OUT。當然，阻擋單元320並非開關單元300之必要原件，在本發明其它實施例的開關單元300中，也可以不包括阻擋單元320。電流鏡310包括電流源312、開關SW1、鏡射電晶體N1與N2。此鏡射電晶體N2為汲極端可耐高壓之高壓N型電晶體。在一實施例中，鏡射電晶體N1亦可以為汲極端可耐高壓之高壓N型電晶體。電流源312耦接於供應電壓VDD，用以提供電流I1。開關SW1耦接於電流源312以及鏡射電晶體N1的汲極之間，且該開關SW1根據一控制信號Ctrl呈現導通狀態或不導通狀態。鏡射電晶體N1的汲極與源極分別耦接於開關SW1以及接地端GND，且鏡射電晶體N1的汲極與閘極均耦接於鏡射電晶體N2的閘極。鏡射電晶體N2的汲極與源極分別耦接於電晶體P1的閘極以及接地端GND。在一實施例中，此能耐高壓的開關單元300可應用於第1圖之電池管理系統100或第2圖中之電池管理系統200。當第1圖之控制器120或第2圖之控制器220提供控制信號Ctrl來導通開關單元300時，開關SW1會被導通。鏡射電晶體N2的閘極電壓即為鏡射電晶體N1的汲極電壓，此時鏡射電晶體N1的汲極電壓為VDD，而可導通鏡射電晶體N2。於是，根據來自電流源312之電流I1，電流鏡310可產生鏡射電流I2。此電流I1與鏡射電流I2的比例係由鏡射電晶體N1與N2的尺寸(長/寬比)所決定。

當電晶體P1的閘極對源極電壓大於電晶體P1的臨界電壓時(即V_{GS_P1} =(Vin-I2×R1)>| V_{th_P1} |)，電晶體P1會被導通。於是，輸入端IN上的輸入電壓Vin會經由阻擋單元320被傳送至輸出端OUT，其中輸入電壓Vin係耦接於開關單元300之電壓。在此實施例中，阻擋單元320內的二極體D1之順向偏壓約為0.7V。如先前所描述，開關單元300的輸出端OUT係耦接於分壓器。因此，當開關單元300導通時，開關單元300會經由輸出端OUT提供輸出電壓Vout給後續的分壓器(例如第1圖的分壓器150或是第2圖的第一分壓器260或第二分壓器270)。在此，輸入端IN上的輸入電壓Vin與輸出端OUT上的輸出電壓Vout會有固定的壓差(大約0.7 V)。藉由提供控制信號Ctrl來導通開關單元300，控制器可得到耦接於開關單元300之電壓。此外，當控制信號Ctrl控制開關SW1為不導通時，鏡射電晶體N2的閘極電壓即為鏡射電晶體N1的汲極電壓，此時鏡射電晶體N1的汲極電壓為0，因此鏡射電晶體N2不導通，於是電流鏡310無法產生鏡射電流I2，於是電晶體P1不會被導通。因此，開關單元300為不導通，而耦接於開關單元300之電池芯的端點電壓就不會被傳送至後續的分壓器。

在本發明另一實施例中，電流鏡310還包括一電晶體N3，電晶體N3的汲極與源極分別耦接鏡射電晶體N1及N2的閘極以及接地端GND。當開關SW1為導通時，電晶體N3的閘極G會耦接一低電位(例如為0伏特)控制信號，而使得電晶體N3不導通。當開關SW1為不導通時，電晶體N3的閘極G會耦接一高電位(例如為5伏特)控制信號，使得電晶體N3導通，從而嚴格保證此時鏡射電晶體N2的閘極電壓為0而不導通。

第4圖係顯示根據本發明另一實施例所述之能耐高壓的開關單元400。相較於第3圖之開關單元300，其差異在於第4圖的阻擋單元420包括電晶體P2以及電阻R2。電晶體P2係耦接於電晶體P1以及輸出端OUT之間，且電晶體P2為汲極端可耐高壓之高壓P型電晶體。而電阻R2係耦接於輸出端OUT以及電晶體P2的閘極之間。此外，相較於第3圖的電流鏡310，第4圖的電流鏡410更包括鏡射電晶體N4，此鏡射電晶體N4為汲極端可耐高壓之N型高壓電晶體。鏡射電晶體N4的汲極與源極分別耦接於電晶體P2的閘極以及接地端GND。在第4圖中，當控制信號Ctrl將開關SW1導通時，鏡射電晶體N2的閘極電壓以及鏡射電晶體N4的閘極電壓即為鏡射電晶體N1的汲極電壓，此時鏡射電晶體N1的汲極電壓為VDD，而可導通鏡射電晶體N2以及鏡射電晶體N4。因此，電流鏡410可根據來自電流源412之電流I1產生鏡射電流I2與I3，其中電流I1與鏡射電流I2與I3的比例係由鏡射電晶體N4、N2與N1的尺寸(長/寬比)所決定。

當電晶體P1的閘極對源極電壓大於電晶體P1的臨界電壓時(即V_{GS_P1} =(Vin-I2×R1)>| V_{th_P1} |)，電晶體P1會被導通。同樣地，當電晶體P2的閘極對源極電壓大於電晶體P2的臨界電壓(即V_{GS_P21} =(Vin-I3×R2)>| V_{th_P2} |)，電晶體P2會被導通。於是，輸入端IN上的輸入電壓Vin會被傳送至輸出端OUT，其中輸入電壓Vin係耦接於開關單元400之電壓。如先前所描述，開關單元400的輸出端OUT係耦接於分壓器。因此，當開關單元400導通時，開關單元400會經由輸出端OUT提供輸出電壓Vout給後續的分壓器，其中輸出電壓Vout的電壓位準會相同於輸入電壓Vin。藉由提供控制信號Ctrl來導通開關單元400，控制器可得到耦接於開關單元400之電池芯的端點電壓。此外，當控制信號Ctrl控制開關SW1為不導通時，鏡射電晶體N2和N4的閘極電壓即為鏡射電晶體N1的汲極電壓，此時鏡射電晶體N1的汲極電壓為0，因此鏡射電晶體N2和N4不導通，於是電流鏡410無法產生鏡射電流I2與I3，於是電晶體P1與P2不會被導通。因此，開關單元400為不導通，而耦接於開關單元400之電池芯的端點電壓就不會被傳送至後續的分壓器。

在第4圖中，電晶體P1與電晶體P2為背靠背連接(即電晶體P1與P2的汲極分別耦接於輸入端IN以及輸出端OUT)，因此當電晶體P1與電晶體P2為不導通時，可避免電流會流經電晶體P1與P2的寄生PN接面(PN junction)。

在另一實施例中，電流鏡410還包括一電晶體N3，電晶體N3的汲極與源極分別耦接鏡射電晶體N2及N4的閘極以及接地端GND。當開關SW1為導通時，電晶體N3的閘極G會耦接一低電位(例如為0伏特)控制信號，而使得電晶體N3不導通。當開關SW1為不導通時，電晶體N3的閘極G會耦接一高電位(例如為5伏特)控制信號，使得電晶體N3導通，從而嚴格保證此時鏡射電晶體N2及N4 的閘極電壓為0而不導通。

在第4圖中，由於電晶體之通道長度調變效應(又稱高階效應(Early effect))的影響，電池芯之端點電壓的變動會導致電流鏡410所產生的鏡射電流I2與I3會有些許差異。因此可透過降低通道長度調變效應而使鏡射電流I2與I3之間的差異降低。

有鑑於此，本發明提供一種可降低通道長度調變效應的開關單元。第5圖係顯示根據本發明另一實施例所述之能耐高壓的開關單元500。開關單元500包括電晶體P1、電阻R1、阻擋單元520以及疊接電流鏡510。疊接電流鏡510包括電流源512與514、鏡射電晶體N1、N2和N4、電晶體N5、N7和N9以及電晶體N6。其中疊接電流鏡510可降低通道長度調變效應的影響，提高電晶體P1的閘極與接地端GND之間的等效阻抗值Rout1，以及提高電晶體P2的閘極與接地端GND之間的等效阻抗值Rout2。如此，可在電池芯之端點電壓的有變動時，使鏡射電流I2與I3維持在一固定值。在疊接電流鏡510中，電流源512與514皆耦接於供應電壓VDD，其中電流源512係用以提供電流I1而電流源514係用以提供電流I4。開關SW1係耦接於電流源512以及電晶體N6的汲極之間，而開關SW2係耦接於電流源514以及電晶體N5的汲極之間。電晶體N5的源極耦接於接地端GND，且電晶體N5的閘極與汲極係耦接於電晶體N6的閘極。電晶體N6的源極耦接於鏡射電晶體N1的汲極，且電晶體N6的閘極耦接於電晶體N7與電晶體N9的閘極。鏡射電晶體N1的閘極與源極分別耦接於開關SW1以及接地端GND。電晶體N7的汲極與源極分別耦接於電晶體P1的閘極以及鏡射電晶體N2的汲極，而電晶體N9的汲極與源極分別耦接於電晶體P2的閘極以及鏡射電晶體N4的汲極。鏡射電晶體N2的閘極與源極分別耦接於電晶體N1的閘極以及接地端GND，而鏡射電晶體N4的閘極與源極分別耦接於電晶體N1的閘極以及接地端GND。其餘電性連接關係如第5圖所示，就不在此贅述。在此實施例中，鏡射電晶體N1、N2以及N4為可變通道長度之電晶體，其可增加通道長度，從而降低通道長度調變效應而使鏡射電流I2與I3之間的差異降低。此外，開關SW1與SW2係同時由控制信號Ctrl所控制。當控制信號Ctrl將開關SW1與SW2同時導通時，疊接電流鏡510可根據來自電流源514之電流I4，而產生偏壓信號來控制電晶體N6、N7以及N9的閘極。此外，當開關SW1與SW2同時被導通時，鏡射電晶體N2與鏡射電晶體N4的閘極電壓即為電晶體N6的汲極電壓，此時電晶體N6的汲極電壓為VDD，而可導通鏡射電晶體N2與鏡射電晶體N4。同時地，疊接電流鏡510即可根據來自電流源512之電流I1而產生鏡射電流I2與I3，其中電流I1與鏡射電流I2與I3的比例係由鏡射電晶體N1、N2與N4的尺寸(長/寬比)所決定。

當電晶體P1與P2被導通時，輸入端IN上的輸入電壓Vin會被傳送至輸出端OUT，其中輸入電壓Vin係耦接於開關單元500之電池芯的端點電壓。如先前所描述，開關單元500的輸出端OUT係耦接於分壓器。因此，當開關單元500導通時，開關單元500會經由輸出端OUT提供輸出電壓Vout給後續的分壓器，其中輸出電壓Vout的電壓位準會相同於輸入電壓Vin。藉由提供控制信號Ctrl來導通開關單元500，控制器可得到耦接於開關單元500之電池芯的端點電壓。在此實施例中，電晶體P1與P2為汲極端可耐高壓之高壓P型電晶體，N7與N9為汲極端可耐高壓之高壓N型電晶體。而鏡射電晶體N1、N2及N4，電晶體N5及N6均可以普通電壓之N型電晶體實現。

在其它實施例中，疊接電流鏡510還包括電晶體N3和N8，電晶體N3和N8與第3圖和第4圖之電晶體N3的作用相同，在此不再贅述。

第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之偵測電路600，該偵測電路600可為第1圖之偵測電路130或第2圖之偵測電路230之一實施方式。偵測電路600包括輸入緩衝器(input buffer)610、放大電路620以及類比對數位轉換器(ADC)630。輸入緩衝器610包括放大器612與614。放大器612的正輸入端係耦接於偵測電路600之輸入端IN1，而放大器612的負輸入端係耦接於放大器612的輸出端。放大器614的正輸入端係耦接於偵測電路600之輸入端IN2，而放大器614的負輸入端係耦接於放大器614的輸出端。在此實施例中，由於放大器612與614具有高輸入阻抗，所以不會對由分壓器所提供之分壓信號造成衰減。此外，放大電路620包括可變電阻VR1與VR2、電阻R3與R4、電容C1與C2以及差動放大器622，其中可變電阻VR1與VR2具有相同的電阻值，而電阻R3與R4具有相同的電阻值。可變電阻VR1耦接於差動放大器622的正輸入端以及放大器612的輸出端之間，而可變電阻VR2耦接於差動放大器622的負輸入端以及放大器614的輸出端之間。電容C1以及電阻R3係耦接於差動放大器622的正輸入端以及負輸出端之間，用以對來自放大器612的信號進行濾波。電容C2以及電阻R4係耦接於差動放大器622的負輸入端以及正輸出端之間，用以對來自放大器614的信號進行濾波。在放大電路620中，藉由控制可變電阻VR1(VR2)與電阻R3(R4)的比例，可調整放大電路620的增益值。此外，藉由放大電路620，偵測電路600之輸入端IN1與輸入端IN2的電壓差會在一共模點上形成差動信號對，並傳送至類比對數位轉換器630。接著，類比對數位轉換器630可對差動信號對進行轉換，而產生數位信號DAT。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中包括通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200‧‧‧電池管理系統

110、210‧‧‧電池組

120、220‧‧‧控制器

130、230‧‧‧偵測電路

140_1-140_6、300、400、500‧‧‧開關單元

150、260、270‧‧‧分壓器

160_1-160_6‧‧‧平衡單元

240_1-240_n‧‧‧第一開關單元

250_1-250_m‧‧‧第二開關單元

310、410、510‧‧‧電流鏡

312、412、512、514‧‧‧電流源

320、420、520‧‧‧阻擋單元

600‧‧‧偵測電路

610‧‧‧輸入緩衝器

612、614‧‧‧放大器

620‧‧‧放大電路

622‧‧‧差動放大器

630‧‧‧類比對數位轉換器

BAT1-BAT6、BATn‧‧‧電池芯

C1-C2‧‧‧電容

Ctrl、Ctrl_1-Ctrl_6、Ctrl_11-Ctrl_1n、Ctrl_21-Ctrl_2m‧‧‧控制信號

D1‧‧‧二極體

DAT‧‧‧數位信號

GND‧‧‧接地端

I1、I4‧‧‧電流

I2、I3‧‧‧鏡射電流

IN、IN1、IN2‧‧‧輸入端

N3、N6-N9、P1-P2‧‧‧電晶體

N1、N2、N4‧‧‧鏡射電晶體

V1-V6、Vn‧‧‧電壓差

VD、VD1、VD2‧‧‧分壓信號

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

VR1、VR2‧‧‧可變電阻

Vref‧‧‧參考電壓

OUT‧‧‧輸出端

Rout1、Rout2‧‧‧等效阻抗

R1-R4、RD1、RD2、RD3、RD4‧‧‧電阻

SW1-SW2‧‧‧開關

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之電池組之電池管理系統；第2圖係顯示根據本發明另一實施例所述之電池組之電池管理系統；第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之能耐高壓的開關單元；第4圖係顯示根據本發明另一實施例所述之能耐高壓的開關單元；第5圖係顯示根據本發明另一實施例所述之能耐高壓的開關單元；以及第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之偵測電路。

100‧‧‧電池管理系統

110‧‧‧電池組

120‧‧‧控制器

130‧‧‧偵測電路

140_1-140_6‧‧‧開關單元

150‧‧‧分壓器

160_1-160_6‧‧‧平衡單元

BAT1-BAT6‧‧‧電池芯

Ctrl_1-Ctrl_6‧‧‧控制信號

DAT‧‧‧數位信號

GND‧‧‧接地端

V1-V6‧‧‧電壓差

VD‧‧‧分壓信號

Vref‧‧‧參考電壓

RD1、RD2‧‧‧電阻

Claims

一種電池管理系統，適用於一電池組，上述電池組包括以串聯方式連接之複數電池芯，包括：一第一分壓器；複數第一開關單元，每一上述第一開關單元係耦接於對應之上述電池芯的陽極與上述第一分壓器之間；以及一偵測電路，耦接於上述第一分壓器，當一控制信號控制上述複數第一開關單元之一者為導通時，上述第一分壓器分壓上述第一開關單元所傳遞之一第一電壓差以得到一第一分壓信號，並將上述第一分壓信號傳遞至上述偵測電路，上述偵測電路根據上述第一分壓信號偵測上述第一電壓差，其中上述第一電壓差為被導通的上述第一開關單元對應的上述電池芯之陽極與一接地端之間的電壓差。
如申請專利範圍第1項所述之電池管理系統，其中當上述控制訊號控制上述複數第一開關單元之一者為導通時，其餘上述第一開關單元均不導通。
如申請專利範圍第1項所述之電池管理系統，其中每一上述第一開關單元包括：一第一P型電晶體，耦接於對應之上述電池芯的陽極與上述第一分壓器之間；一第一電阻，耦接於對應之上述電池芯的陽極以及上述第一P型電晶體的閘極之間；以及一電流鏡，耦接於上述第一P型電晶體的閘極以及上述第一電阻，用以相應於上述控制信號，而從上述第一電阻汲取出一第一鏡射電流，以使上述第一P型電晶體導通。
如申請專利範圍第3項所述之電池管理系統，其中每一上述第一開關單元還包括一阻擋單元，耦接於上述第一分壓器與該第一P型電晶體之間，其中上述阻擋單元包括：一二極體，具有一陽極耦接於上述第一P型電晶體，以及一陰極耦接於上述第一分壓器。
如申請專利範圍第3項所述之電池管理系統，其中上述電流鏡電路包括：一電流源；一第一開關，用以接受上述控制信號，使上述第一開關導通或不導通；一第一鏡射電晶體，耦接於上述第一開關以及上述接地端之間；以及一第二鏡射電晶體，耦接於上述第一P型電晶體的閘極以及上述接地端之間，且上述第二鏡射電晶體的閘極耦接於上述第一鏡射電晶體的閘極以及上述第一開關，其中上述第一P型電晶體以及上述第二鏡射電晶體為高壓電晶體。
如申請專利範圍第3項所述之電池管理系統，其中每一上述第一開關單元還包括一阻擋單元，耦接於上述第一分壓器與該第一P型電晶體之間，其中上述阻擋單元包括：一第二P型電晶體，耦接於上述第一P型電晶體以及上述第一分壓器之間；以及一第二電阻，耦接於上述第一分壓器以及上述第二P 型電晶體的閘極之間，其中上述電流鏡更耦接於上述第二P型電晶體的閘極，以及相應於上述控制信號，上述電流鏡更從上述第二電阻汲取出一第二鏡射電流，以使上述第二P型電晶體導通。
如申請專利範圍第6項所述之電池管理系統，其中上述電流鏡電路包括：一第一電流源；一第一開關，用以接受上述控制信號，使上述第一開關導通或不導通；一第一N型電晶體，耦接於上述第一開關以及上述接地端之間，上述第一N型電晶體的閘極耦接於上述第一開關；一第二N型電晶體，耦接於上述第一P型電晶體的閘極，上述第三N型電晶體的閘極耦接於上述第一N型電晶體的閘極；以及一第三N型電晶體，耦接於上述第二P型電晶體的閘極，上述第三N型電晶體的閘極耦接於上述第一N型電晶體的閘極，其中上述第一P型電晶體、上述第二P型電晶體、上述第二N型電晶體以及上述第三N型電晶體為高壓電晶體。
如申請專利範圍第7項所述之電池管理系統，其中上述電流鏡電路更包括：一第二電流源；一第二開關，具有一控制端用以接受上述控制信號，使上述第二開關導通或不導通；一第四N型電晶體，耦接於上述第二開關，上述第四N型電晶體的具有一閘極耦接於上述第一N型電晶體的閘極；一第一鏡射電晶體，耦接於上述第四N型電晶體以及上述接地端之間，上述第一鏡射電晶體的具有一閘極耦接於上述第二開關；一第二鏡射電晶體，耦接於上述第二N型電晶體以及上述接地端之間，上述第二鏡射電晶體的具有一閘極耦接於上述第一鏡射電晶體的閘極；以及一第三鏡射電晶體，耦接於上述第三N型電晶體以及上述接地端之間，上述第三鏡射電晶體的具有一閘極耦接於上述第一鏡射電晶體的閘極，其中上述第一鏡射電晶體、上述第二鏡射電晶體、上述第三鏡射電晶體為可變通道長度的電晶體。
如申請專利範圍第1項所述之電池管理系統，其中上述第一分壓器包括：一第一分壓電阻，耦接於上述複數第一開關單元以及上述偵測電路之間；以及一第二分壓電阻，耦接於上述第一分壓電阻以及上述接地端之間。
如申請專利範圍第1項所述之電池管理系統，其中上述偵測電路包括：一輸入緩衝器，耦接於上述第一分壓器，用以接收上述第一分壓信號；一放大電路，耦接於上述輸入緩衝器，用以對上述第一分壓信號進行放大以及濾波；以及一類比對數位轉換器，耦接於上述放大單元，用以將上述第一分壓信號轉換成一數位信號。
如申請專利範圍第1項所述之電池管理系統，更包括：一第二分壓器，耦接於上述偵測電路；以及複數第二開關單元，每一上述第二開關單元係耦接於對應之上述電池芯的陰極與上述第二分壓器之間，其中當上述控制信號控制上述複數第二開關單元之一者為導通時，上述第二分壓器分壓上述第二開關單元所傳遞之一第二電壓差以得到一第二分壓信號，並將上述第二分壓信號傳遞至上述偵測電路，上述偵測電路根據上述第二分壓信號偵測上述第二電壓差，其中上述第二電壓差為被導通的上述第二開關單元對應的上述電池芯之陰極與一接地端之間的電壓差。
如申請專利範圍第11項所述之電池管理系統，其中上述偵測電路更根據上述第一電壓差以及上述第二電壓差而得到對應於上述被導通的上述第一開關單元的上述電池芯之陽極與陰極之間的電壓差。
一種電池管理系統，適用於一電池組，上述電池組包括以串聯方式連接之複數電池芯，包括：一第一開關單元，耦接於上述電池組之一第一電池芯的陽極，且上述第一開關單元包括：一第一P型電晶體，耦接於上述第一電池芯的陽極；一第一電阻，耦接於上述第一電池芯的陽極以及上述第一P型電晶體的閘極之間；以及一電流鏡，耦接於上述第一P型電晶體的閘極以及上述第一電阻，用以相應於一控制信號，而從上述第一電阻汲取出一第一鏡射電流，以使上述第一P型電晶體導通；以及一偵測電路，耦接於上述第一開關單元，當上述控制信號控制上述第一P型電晶體導通時，上述偵測電路經由上述第一開關單元而得到上述第一電池芯的陽極與一接地端之間的一第一電壓差。
如申請專利範圍第13項所述之電池管理系統，其中上述第一開關單元還包括一阻擋單元，耦接於上述第一P型電晶體與上述偵測電路之間，上述阻擋單元包括：一二極體，具有一陽極耦接於上述第一P型電晶體，以及一陰極耦接於上述偵測電路。
如申請專利範圍第13項所述之電池管理系統，其中上述電流鏡電路包括：一電流源；一第一開關，用以接受上述控制信號，使上述第一開關導通或不導通；一第一鏡射電晶體，耦接於上述第一開關以及上述接地端之間；一第二鏡射電晶體，耦接於上述第一P型電晶體的閘極以及上述接地端之間，且上述第二鏡射電晶體的閘極耦接於上述第一鏡射電晶體的閘極以及上述第一開關，其中上述第一P型電晶體以及上述第二鏡射電晶體為高壓電晶體。
如申請專利範圍第13項所述之電池管理系統，其中上述第一開關單元還包括一阻擋單元，耦接於上述第一P型電晶體與上述偵測電路之間，上述阻擋單元包括：一第二P型電晶體，耦接於上述第一P型電晶體以及上述偵測電路之間；以及一第二電阻，耦接於上述偵測電路以及上述第二P型電晶體的閘極之間，其中上述電流鏡更耦接於上述第二P型電晶體的閘極，以及相應於上述控制信號，上述電流鏡更從上述第二電阻汲取出一第二鏡射電流，以使上述第二P型電晶體導通。
如申請專利範圍第16項所述之電池管理系統，其中上述電流鏡電路包括：一第一電流源；一第一開關，用以接受上述控制信號，使上述第一開關導通或不導通；一第一N型電晶體，耦接於上述第一開關以及上述接地端之間，上述第一N型電晶體的閘極耦接於上述第一開關；一第二N型電晶體，耦接於上述第一P型電晶體的閘極，上述第二N型電晶體的閘極耦接於上述第一N型電晶體的閘極；以及一第三N型電晶體，耦接於上述第二P型電晶體的閘極，上述第三N型電晶體的閘極耦接於上述第一N型電晶體的閘極，其中上述第一P型電晶體、上述第二P型電晶體、上述第二N型電晶體以及上述第三N型電晶體為高壓電晶體。
如申請專利範圍第17項所述之電池管理系統，其中上述電流鏡電路更包括：一第二電流源；一第二開關，具有一控制端用以接受上述控制信號，使上述第二開關導通或不導通；一第四N型電晶體，耦接於上述第二開關，上述第四N型電晶體的具有一閘極耦接於上述第一N型電晶體的閘極；一第一鏡射電晶體，耦接於上述第四N型電晶體以及上述接地端之間，上述第一鏡射電晶體的具有一閘極耦接於上述第二開關；一第二鏡射電晶體，耦接於上述第二N型電晶體以及上述接地端之間，上述第二鏡射電晶體的具有一閘極耦接於上述第一鏡射電晶體的閘極；以及一第三鏡射電晶體，耦接於上述第三N型電晶體以及上述接地端之間，上述第三鏡射電晶體的具有一閘極耦接於上述第一鏡射電晶體的閘極，其中上述第一鏡射電晶體、上述第二鏡射電晶體、上述第三鏡射電晶體為可變通道長度的電晶體。
如申請專利範圍第13項所述之電池管理系統，更包括：一第一分壓器，耦接於上述第一開關單元以及上述偵測電路之間，包括：一第一分壓電阻，耦接於上述偵測電路以及上述第一P型電晶體之間；以及一第二分壓電阻，耦接於上述第一分壓電阻以及上述接地端之間。
如申請專利範圍第13項所述之電池管理系統，其中上述偵測電路包括：一輸入緩衝器，耦接於上述第一分壓器，用以接收一分壓信號；一放大電路，耦接於上述輸入緩衝器，用以對上述分壓信號進行放大以及濾波；以及一類比對數位轉換器，耦接於上述放大單元，用以將上述分壓信號轉換成一數位信號。