控制流经分支的分支电流的电流控制电路及电流控制方法

摘要

本发明公开了一种控制流经一分支的分支电流的电流控制电路。所述分支耦接于一第一主开关。所述电流控制电路包含一感测组件、一第一辅助开关以及一控制单元。所述感测组件耦接于所述分支，用于感测所述分支电流以产生一感测结果。所述第一辅助开关并联耦接于所述第一主开关。所述控制单元耦接于所述感测组件以及所述第一辅助开关，其中当所述第一主开关导通时，所述控制单元产生一第一开关控制信号至所述第一辅助开关，以及根据所述感测结果来调整所述第一开关控制信号的责任周期，以调整所述分支电流。本发明同时公开了一种控制流经一分支的分支电流的电流控制方法。

说明书

技术领域

本发明涉及分支电流调整技术领域，更具体的涉及一种用于控制流经耦接 于主开关的分支的分支电流的电流控制电路及其相关的电流控制方法。

背景技术

为了提供具有高电能的电池系统，可并联多个电池分支来组成上述电池系 统，其中每一电池分支可包含彼此串接的多个电池（或电池模块）。举例来说， 可并联10个电池分支（或电池串），且每一个电池分支皆允许66安培的电流通过， 从而可以组成总供应/接收电流为660安培的电池系统。然而，当总供应/接收电 流并未平均分配于这10个电池分支时，会损坏电池系统。举例来说，若其中9个 电池分支的放电电流均为60安培，则剩余的一个电池分支所流经的电流会是120 安培，如此将会造成这个电池分支的电芯过热，甚至减少电池寿命。

因此，需要一种创新的电流控制架构来解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种用于控制流经耦接于主开关的 分支的分支电流的电流控制电路及其相关的电流控制方法以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种控制流经一分支的分支电流的电流控 制电路。所述分支耦接于一第一主开关。所述电流控制电路包括一感测组件、 一第一辅助开关以及一控制单元。所述感测组件耦接于所述分支，用于感测所 述分支电流以产生一感测结果。所述第一辅助开关并联耦接于所述第一主开关。 所述控制单元耦接于所述感测组件以及所述第一辅助开关，其中当所述第一主 开关导通时，所述控制单元产生一第一开关控制信号以控制所述第一辅助开关， 并根据所述感测结果调整所述第一开关控制信号的一责任周期，以调整所述分 支电流。

相应的，本发明还提供了一种用于控制流经一分支的分支电流的电流控制 方法。所述分支耦接于一第一主开关。所述电流控制方法包括下列步骤：感测 所述分支电流以产生一感测结果；将一第一辅助开关并联耦接于所述第一主开 关；以及当所述第一主开关导通时，产生一第一开关控制信号以控制所述第一 辅助开关，以及根据所述感测结果调整所述第一开关控制信号的责任周期，以 调整所述分支电流。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释 本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明用于控制流经一分支的分支电流的电流控制电路一实施例的 示意图。

图2为图1所示的多个开关控制信号一实施例的信号时序图。

图3为本发明用于控制流经一分支的分支电流的电流控制电路另一实施例 的示意图。

图4为图3所示的多个开关控制信号一实施例的信号时序图。

图5为图3所示的电池系统的等效电路的示意图。

图6为本发明用于控制流经一分支的分支电流的电流控制方法一实施例的 流程图。

【符号说明】

100、300_1、300_2、300_n分支

102、302电流控制电路

104、304电池系统

112、312控制单元

602、604、606、608、610、612、614步骤

B₁、B₂、B_m、B₁₁、B₁₂、B_1m、B₂₁、B₂₂、B_2m、B_n1、B_n2、B_nm电池单元

I、I1、I2、In分支电流

C_A、C_B、C_CA1、C_CAn、C_DA1、C_DAn、C_CB1、C_CBn、C_DB1、C_DBn开关控制信 号

DR、DR1、DRn感测结果

PAK＋、PAK－端点

V_B电压

R_SEN、R_SEN1、R_SEN2、R_SENn感测组件

R_eq、R_{eq_}A、R_{eq_}B、R_eq1、R_eq2、R_eqn等效电阻

S_A、S_CA1、S_CA2、S_CAn、S_DA1、S_DA2、S_DAn主开关

S_B、S_CB1、S_CB2、S_CBn、S_DB1、S_DB2、S_DBn辅助开关

f(D)、f(D₁)、f(D₂)、f(Dn)等效电阻函数

D责任周期

R_AON、R_BON、R_SCA1、R_SCA2、R_SCAn、R_SDA1、R_SDA2、R_SDAn导通电阻

R_SCB1、R_SCB2、R_SCBn、R_SDB1、R_SDB2、R_SDBn可变电阻

G_CA1、G_CA2、G_CAn、G_DA1、G_DA2、G_DAn、G_CB1、G_CB2、G_CBn、G_DB1、G_DB2、 G_DBn控制端

N_P11、N_P21、N_Pn1、N_Q11、N_Q21、N_Qn1、N_R11、N_R21、N_Rn1、N_S11、N_S21、N_Sn1第一连接端

N_P12、N_P22、N_Pn2、N_Q12、N_Q22、N_Qn2、N_R12、N_R22、N_Rn2、N_S12、N_S22、N_Sn2第二连接端

D_CA1、D_CA2、D_CAn、D_DA1、D_DA2、D_DAn、D_CB1、D_CB2、D_CBn、D_DB1、D_DB2、 D_DBn体二极管

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元 件。需注意的是，在权利要求书及说明书中使用了某些词汇来指称特定的组件。 所属领域的技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。 本说明书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差 异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求书当中所提及的「包括」为一 开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。此外，「耦接」一词在本发明 中指包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接 于一第二装置，则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或通过其他装置 或连接手段间接地电气连接至第二装置。

为了平衡电路系统中流经多个分支电路（branch circuit）的多个分支电流， 本发明所提出的电流控制机制（current steering mechanism）藉由调整开关控制 信号的责任周期（duty cycle）（例如，运用脉冲宽度调变（pulse-width modulation， PWM）技术）来调整分支电路所对应的等效电阻，进而调整/调节相对应的分支 电流，以达成平衡电路系统的目的。更具体地说，可将一辅助开关并联耦接于 用来控制分支电路的导通状态的一主开关，并且根据流经分支电路的分支电流 来调整辅助开关的开关控制信号的责任周期，如此一来，便可调整彼此并联的 主开关与辅助开关的等效电阻。为了进一步了解本发明的技术特征，以下以将 本发明的技术方案应用于电池系统中为例进行说明。

请参阅第1图，为本发明一电池系统中用于控制流经一分支的分支电流的 电流控制电路（current steering circuit）一实施例的示意图。于此实施例中，电 池系统104包含一分支100、一主开关S-A（即第一主开关）以及一电流控制电 路102，其中电流控制电路102用于控制流经分支100的分支电流I。分支100 包含有（但不限于）彼此串接的多个电池单元（battery unit）B₁～Bm，其中多 个电池单元B₁～Bm中的每一电池单元可以是电池芯（battery cell）（单一电池）、 电池区块（battery block）（包含彼此并联的多个电池）、电池模块（battery module） （包含彼此串联的多个电池区块）或电池组（battery pack）（包含串联与并联的 多个电池）。另外，多个电池单元B₁～Bm可自端点PAK＋（例如，一高压侧（high  side terminal））与端点PAK－（例如，一低压侧（low side terminal））来提供一 外接电子装置（未显示于第1图中）所需的电源，或可由端点PAK＋与端点PAK －来接收充电电源。于一设计变化中，分支100也可以只包含单一电池单元。

电流控制电路102包含（但不限于）一感测组件R_SEN（于此实施例中，感 测组件R_SEN为一电阻），一辅助开关S_B（即第一辅助开关）以及一控制单元112。 感测组件R_SEN耦接于电池单元Bm与主开关S_A之间，用于感测分支电流I从而 产生一感测结果DR。辅助开关S_B与主开关S_A并联于感测组件R_SEN与端点PAK －之间。另外，控制单元112耦接于感测组件R_SEN与辅助开关S_B，控制单元112 可用来控制主开关S_A与辅助开关S_B的导通状态，举例来说，控制单元112可产 生一开关控制信号C_A以控制主开关S_A的导通状态，其中当主开关S_A导通时， 控制单元112还可产生一开关控制信号C_B（即第一开关控制信号）以控制辅助 开关S_B，以及根据感测结果DR来调整开关控制信号C_B的责任周期，以调整分 支电流I。

请结合第1图来参阅第2图，第2图为第1图所示的多个开关控制信号C_A与C_B一实施例的信号时序图。于此实施例中，开关控制信号C_A可处于一特定 准位（例如，高准位）以维持主开关S_A的导通，而开关控制信号C_B可具有一 责任周期D以控制辅助开关S_B于导通状态和关断状态之间交替切换。在开关控 制信号C_B的完整信号周期（full period）（亦即，单一周期）中，辅助开关S_B的 等效电阻R_{eq_}B可由等效电阻函数f(D)来表示：

R_{eq_}B=f(D)=V_B/((V_B/R_BON)×D)=R_BON/D

其中电压V_B为辅助开关S_B在导通期间的跨压、电阻R_BON为辅助开关S_B的导通电阻（turn-on resistance），表示式(V_B/R_BON)×D则可代表辅助开关S_B在 完整信号周期中的等效电流。

由上述等效电阻函数f(D)可知，辅助开关S_B的等效电阻R_{eq_}B会随着开关 控制信号C_B的责任周期D而改变。另外，在开关控制信号C_B的完整信号周期 中，由于主开关S_A维持在导通状态（亦即，开关控制信号C_A的责任周期为 100%），因此，主开关S_A的等效电阻R_{eq_}A即是主开关S_A的导通电阻R_AON。 分支100所对应的导通路径的等效电阻R_eq便可由下式来表示：

R_eq=(R_AON×R_BON)/(D×R_AON+R_BON)

由上可知，藉由调整开关控制信号C_B的责任周期D，便可调整等效电阻R_eq， 进而达成调整/调节分支电流I的目的。于此实施例中，控制单元112可接收感 测结果DR，并根据感测结果DR来调整开关控制信号C_B的责任周期D。举例 来说，当感测结果DR指示出分支电流I过高时（例如，大于一预定电流值）， 控制单元112便可减少责任周期D来增加等效电阻R_eq的电阻值，进而降低分支 电流I。于另一例子中，当感测结果DR指示出分支电流I过低时（例如，小于 一预定电流值），控制单元112可增加责任周期D来降低等效电阻R_eq的电阻值， 进而增加分支电流I。

请注意，以上实施例仅用于说明本发明，并不能用来作为本发明的限制。 举例来说，第1图所示的感测组件R_SEN也可以耦接于主开关S_A与端点PAK－之 间，而主开关S_A与辅助开关S_B则可直接耦接于分支100（亦即，耦接于电池 Bm与感测组件R_SEN之间）。换言之，只要感测组件R_SEN耦接于分支100以感测 分支电流I，和/或主开关S_A耦接于分支100以选择性地给分支电流I提供一电 流导通路径，其余适当的设计变化均是可行的。另外，分支电流I除了自端点 PAK+流入（亦即，电池系统104处于充电模式，主开关S_A与辅助开关S_B可视 为用来控制充电操作的充电开关）之外，分支电流I也可以自端点PAK+流出（亦 即，电池系统104处于放电模式，主开关S_A与辅助开关S_B可视为用来控制放电 操作的放电开关）。再者，并联于主开关S_A的辅助开关的个数不限于一个，且 第2图所示的开关控制信号C_A的责任周期也不限定为100%。只要能藉由调整 责任周期来达成调节分支电流的目的，这些设计上的变化均隶属本发明的范畴。

本发明的技术方案还可应用于具有耦接于多个主开关的一分支的电路系 统。请参阅第3图，其为本发明一电池系统中用于控制流经一分支的分支电流 的电流控制电路另一实施例的示意图。于此实施例中，电池系统304包含多个 分支300_1～300_n、多个主开关S_CA1～S_CAn、多个主开关S_DA1～S_DAn以及一 电流控制电路302，其中每一主开关均可由金氧半场效晶体管 （metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）来实现，电流控制 电路302可用于控制分别流经多个分支300_1～300_n的多个分支电流I1～In。 多个分支300_1～300_n分别包含彼此串接的多个电池单元B₁₁～B_1m、B₂₁～ B_2m、…、Bn1～Bnm，其中每一分支的多个电池单元均可自端点PAK＋与端点 PAK－来提供一外接电子装置（未显示于第3图中）所需的电源，或可由端点 PAK＋与端点PAK－来接收充电电源。

由第3图可知，每一主开关均具有一控制端、一第一连接端以及一第二连 接端。更具体地说，多个主开关S_CA1～S_CAn具有多个控制端G_CA1～G_CAn、多 个第一连接端N_P11～N_Pn1以及多个第二连接端N_P12～N_Pn2；多个主开关S_DA1～ S_DAn具有多个控制端G_DA1～G_DAn、多个第一连接端N_Q11～N_Qn1以及多个第二 连接端N_Q12～N_Qn2，其中多个第一连接端N_Q11～N_Qn1均耦接于端点PAK－， 多个第二连接端N_Q12～N_Qn2分别耦接于多个第二连接端N_P12～N_Pn2。另外，多 个主开关S_CA1～S_CAn还具有多个体二极管（body diode）D_CA1～D_CA1n，多个主 开关S_DA1～S_DAn还具有多个体二极管D_DA1～D_DAn，其中多个体二极管 D_CA1～D_CA1n分别以相反方向来耦接于多个体二极管D_DA1～D_DAn。

电流控制电路302包含（但不限于）多个感测组件R_SEN1～R_SENn，多个辅 助开关S_CB1～S_CBn、多个辅助开关S_DB1～S_DB1n以及一控制单元312。多个感测 组件R_SEN1～R_SENn分别耦接于多个电池单元B_1m～Bnm（亦即，分别耦接于多 个分支300_1～300_n），并分别耦接于多个第一连接端N_P11～N_Pn1。每一辅助 开关均可由金氧半场效晶体管来实现，并具有一控制端、一第一连接端以及一 第二连接端。更具体地说，多个辅助开关S_CB1～S_CBn具有多个控制端G_CB1～ G_CBn、多个第一连接端N_R11～N_Rn1以及多个第二连接端N_R12～N_Rn2，其中多个 第一连接端N_R11～N_Rn1分别耦接于多个第一连接端N_P11～N_Pn1，以及多个第二 连接端N_R12～N_Rn2分别耦接于多个第二连接端N_P12～N_Pn2。也就是说，多个辅 助开关S_CB1～S_CBn分别并联耦接于多个主开关S_CA1～S_CAn。多个辅助开关 S_DB1～S_DB1n具有多个控制端G_DB1～G_DBn、多个第一连接端N_S11～N_Sn1以及多 个第二连接端N_S12～N_Sn2，其中多个第一连接端N_S11～N_Sn1分别耦接于多个第 一连接端N_Q11～N_Qn1，以及多个第二连接端N_S12～N_Sn2分别耦接于多个第二连 接端N_Q12～N_Qn2。也就是说，多个辅助开关S_DB1～S_DB1n分别并联耦接于多个 主开关S_DA1～S_DAn。另外，多个第二连接端N_S12～N_Sn2分别耦接于第二多个连 接端N_R12～N_Rn2。多个辅助开关S_CB1～S_CBn还具有多个体二极管D_CB1～D_CBn， 且多个辅助开关S_DB1～S_DB1n还具有多个体二极管D_DB1～D_DBn，其中多个体二 极管D_CB1～D_CBn分别以相反方向来耦接于多个体二极管D_DB1～D_DBn。

多个感测组件R_SEN1～R_SENn可分别用于感测多个分支电流I1～In，以产生 相对应的多个感测结果DR1～DRn至控制单元312。控制单元312耦接于多个 感测组件R_SEN1～R_SENn、多个主开关S_CA1～S_CAn、多个主开关S_DA1～S_DAn、多 个辅助开关S_CB1～S_CBn以及多个辅助开关S_DB1～S_DB1n。控制单元312可产生 多个开关控制信号C_CA1～C_CAn、C_DA1～C_DAn、C_CB1～C_CBn以及C_DB1～C_DBn， 以控制多个主开关S_CA1～S_CAn、多个主开关S_DA1～S_DAn、多个辅助开关S_CB1～ S_CBn以及多个辅助开关S_DB1～S_DB1n的导通状态。

请注意，在第3图所示的电池系统304中，每一分支所对应的感测组件均 可用来作为第1图所示的感测组件R_SEN，每一分支所对应的主开关与相对应的 辅助开关均可分别用来作为第1图所示的主开关S_A与辅助开关S_B。更具体地说， 可将多个主开关S_CA1～S_CAn与相对应的多个辅助开关S_CB1～S_CBn视为多个充 电开关，其可用来控制电池系统304的充电操作，此外，可将多个主开关S_DA1～ S_DAn与相对应的多个辅助开关S_DB1～S_DB1n视为多个放电开关，其可用来控制电 池系统304的放电操作。进一步的说明如下。

请结合第3图来参阅第4图与第5图。第4图为第3图所示的多个开关控 制信号一实施例的信号时序图，第5图为第3图所示的电池系统304的等效电 路一实施例的示意图。为求说明简洁，第4图仅绘示多个分支300_1、300_2与 300_n相关的开关控制信号的信号时序，而第5图仅绘示多个分支300_1、300_2 与300_n相关的等效电路。于此实施例中，电池系统304可操作于充电模式， 因此，控制单元312可导通多个充电开关与放电开关，更具体地说，多个开关 控制信号C_CA1～C_CAn与多个开关控制信号C_DA1～C_DAn可处于一特定准位（例 如，高准位）以维持相对应的多个主开关S_CA1～S_CAn（亦即，充电开关）与多 个主开关S_DA1～S_DAn（亦即，放电开关）的导通（如第4图所示），其中多个主 开关S_CA1～S_CAn可分别以多个导通电阻R_SCA1～R_SCAn来表示，以及多个主开关 S_DA1～S_DAn可分别以多个导通电阻R_SDA1～R_SDAn来表示（如第5图所示）。

另外，控制单元312也可产生多个开关控制信号C_CB1～C_CBn与C_DB1～C_DBn来导通多个辅助开关S_CB1～S_CBn（亦即，充电开关）与多个辅助开关S_DB1～S_DBn（亦即，放电开关），其中在每一分支的主开关（例如，分支300_1的主开关S_CA1S_DA1）导通时，控制单元312可根据相对应的感测结果（例如，感测结果DR1） 来调整相对应的辅助开关的开关控制信号（例如，辅助开关S_CB1/S_DB1的开关控 制信号C_CB1/C_DB1）的责任周期，因此，多个辅助开关S_CB1～S_CBn可分别以多 个可变电阻R_SCB1～R_SCBn来表示之，而多个辅助开关S_DB1～S_DBn可分别以多个 可变电阻R_SDB1～R_SDBn来表示之（如第5图所示）。另外，为求说明简洁，每一 分支所对应的多个辅助开关的多个开关控制信号可具有相同的责任周期（如第4 图所示）。

于此实施例中，假设分支电流I1与一平均分支电流值（例如，将多个分支 电流I1～In的总和除以多个分支300_1～300_n的个数）之间的差距小于一预定 值，因此，感测结果DR1指示出分支电流I1大致等于所述平均分支电流值，控 制单元312便不会对开关控制信号C_CB1/C_DB的一默认责任周期（亦即，第4图 所示的责任周期D1）进行调整。另外，假设分支电流I2大于一第一预定电流值 （例如，所述平均分支电流值加上所述预定值），因此，感测结果DR2指示出分 支电流I2过高，控制单元312便可减少开关控制信号C_CB2/C_DB2的责任周期（亦 即，第4图所示的责任周期D2），以减少分支电流I2。再者，假设分支电流In 小于一第二预定电流值（例如，所述平均分支电流值减去所述预定值）。因此， 感测结果DRn指示出分支电流In过低，控制单元312便可增加开关控制信号 C_CBn/C_DBn的责任周期（亦即，第4图所示的责任周期Dn），以增加分支电流In。

相似地，辅助开关S_CB1/S_DB1的等效电阻R_eq1、辅助开关S_CB2/S_DB2的等效电 阻R_eq2以及辅助开关S_CBn/S_DBn的等效电阻R_eqn可分别由等效电阻函数f(D₁)、 f(D₂)与f(Dn)来表示：

R_eq1=f(D₁)=RON/D1=R_SCB1=R_SDB1，

R_eq2=f(D₂)=RON/D2=R_SCB2=R_SDB2，

R_eqn=f(Dn)=RON/Dn=R_SCBn=R_SDBn，

值得注意的是，为求简洁起见，在此假设每一辅助开关的导通电阻均为电 阻RON。因此，便可得到每一分支所提供的充电路径的等效电阻，举例来说， 分支300_1所对应的等效电阻可表示为：

(R_SCA1×RON)/(D×R_SCA1+RON)+(R_SDA1×RON)/(D×RDCA1+RON)

由上可知，可通过增加责任周期（等效电阻值减少）来增加分支电流，以 及可通过减少责任周期（等效电阻值增加）来减少分支电流。

以上描述仅用于说明本发明，并非用来作为本发明的限制。举例来说，也 可以藉由调整开关控制信号C_CB1与开关控制信号C_CB1的其中之一来调整分支 300_1所对应的等效电阻。于另一例子中，每一分支所对应的多个辅助开关的多 个开关控制信号也可以具有不同的责任周期。简言之，只要是通过调整开关控 制信号的责任周期来调整/调节分支电流，均属于本发明的保护范围。

另外，在电池系统304充电饱和（或分支电流到达一特定电流值）时，控 制单元312可将各分支的充电开关关断并维持放电开关导通（例如，准备放电 操作）。本领域的技术人员应可了解将本发明所提供的电流控制机制应用于放电 模式时操作细节相似于应用于充电模式时的操作细节，故关于放电模式的电流 控制机制的操作细节在此不再赘述。

值得注意的是，由于辅助开关在进行切换时，辅助开关所并联的主开关处 于导通状态，因此，辅助开关的切换可视为零电压切换（zero-voltage switching， ZVS），故而几乎不会产生切换损耗。另外，由于责任周期的调整可为连续性的 调整，因此，彼此并联的主开关与辅助开关的等效电路可为具有高精度的可变 电阻。如此一来，可对每一分支电流进行微调，以准确地平衡电路系统中的分 支电流。再者，当侦测出电路系统中一分支出现异常时（例如，发生过电流 （overcurrent）情形），本发明所提供的电流控制机制可禁用/停用出现异常的分 支（或将其替换之）并持续监控/平衡电路系统中的其他分支。换言之，无需停 用整个电路系统。

请参阅第6图，其为本发明用于控制流经一分支的分支电流的电流控制方 法一实施例的流程图，其中分支耦接于一主开关。上述方法可应用于第1图所 示的电流控制电路102和/或第3图所示的电流控制电路302，并可简单归纳如 下。

步骤602：开始。

步骤604：将一辅助开关并联耦接于主开关。

步骤606：感测流经分支的分支电流以产生一感测结果。

步骤608：根据感测结果来判断是否要调整分支电流，若判断出需要减少分 支电流，执行步骤610，若判断出需要增加分支电流，执行步骤612，若不需要 调整分支电流，执行步骤614。

步骤610：减少辅助开关的开关控制信号的责任周期，以减少分支电流。

步骤612：增加辅助开关之开关控制信号的责任周期，以增加分支电流。

步骤614：结束。

由于本领域技术人员阅读第1图～第5图的相关说明之后，应可清楚的了 解第6图所示的每一步骤的操作细节，故进一步的说明在此便不再赘述。

综上所述，本发明所提供的电流控制机制具有低切换损耗与模块化电路的 特性，并可准确地调节电路系统中的分支电流，以维持电路系统的电流平衡。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示 的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。