CN108242831A - 电池管理***控制方法 - Google Patents

电池管理***控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电池管理***控制方法，主要包含一控制模式、一开关机模式、一运行模式以及一保护模式。通过该些模式的运用切换，提供电池组在能源分配及安全上最有效率的应用。

Description

电池管理***控制方法
技术领域
一种电池管理***控制方法，尤指一种可以在短暂且特定时间内 完成运行前置作业，并且可根据电池种类选定合适电量测定方法的电 池管理***控制方法。
背景技术
在这个小至携带式装置，大到人员运输载具皆需要运用电池的时 代，电池保护、管理以及控制方式显得日益重要。
对于电池而言，其管理***除了影响到能源的利用方式是否最佳 化之外，更会直接地影响到电池本身的寿命。此外，当有危险状况发 生时，也能够在第一时间阻断危险的的发生。
但在对于电能消耗较大的陆上或水上载具，由于所需电压较高的 缘故，通常无法以单一颗电池满足能源的需求。因此，往往会利用多 颗电池串联形成电池模组的方式，来供应载具的能源。
由于一个电池模组中包含了相当多个子电池，造就了电池模组的 复杂特性。因此，整个电池模组在放电过程中，每个子电池的放电历 程严重影响整个电池模组残余的电容量。
此外，纵使是同一型号的子电池，于串联连接的放电历程下，经 过一段时间使用后的个别残余的电容量也不尽相同，造成电池管理系 统内各电池单元电压不均衡。更重要的是，随着充放电次数的增加， 电池会逐渐丧失其电能储存能力，造成每个子电池的不一致性提高。
发明内容
为了解决现有技术所提及的问题，本发明提供了一种电池管理系 统控制方法，首先步骤(a)执行一控制模式，使一电池模组得以实时 控制，接着执行步骤(b)执行一开关机模式，检查该电池模组是否可 运作，如可运作则执行步骤(c)，反之则重新执行步骤(b)。
如可执行步骤(c)，步骤(c)是执行一运行模式，该运行模式包含 步骤(c1)～(c8)，并依次执行步骤(c1)～(c8)，最后执行步骤(d)，执行一 保护模式，该保护模式包含步骤(d1)～(d2)，并依次执行步骤(d1)～(d2)。
此外，该电池管理***控制方法在开始运作的一第一时序、一第 二时序、一第三时序及一第四时序依次完成该控制模式、该开关机模 式、该保护模式以及该运行模式的执行前置作业。
前述的步骤(c1)～(c8)包含，首先执行步骤(c1)检测该电池模组充 电或放电前的电压及温度，并执行步骤(c2)判断该电池模组需执行充 电或放电，并于充电或放电的同时测量该电池模组的一总电流流量及 一总开路电压后，执行步骤(c3)。
步骤(c3)则用来判断该总电流流量大于或小于一阈值，如大于该 阈值则执行步骤(c4)，小于该阈值则执行步骤(c5)。其中，步骤(c4)为 以该总电流流量及该总开路电压计算该电池模组的一第一实时电量 状态，如该电池模组处于充电状态则执行步骤(c6)，处于放电状态则 执行步骤(c8)。
而步骤(c5)则为以该总开路电压计算该电池模组的一第二实时电 量状态，如该电池模组处于充电状态则执行步骤(c6)，处于放电状态 则执行步骤(c8)。
所述步骤(c6)是用来判定该电池模组的一平均电压与该电池模组 中每颗电池的一电池电压之间的一电压差，如该电压差达到一危险值 则执行步骤(c7)，反之则执行步骤(c8)。接着步骤(c7)是用来对该电池 模组执行一系列动作，再执行步骤(c8)。
最后，步骤(c8)是将该第一实时电量状态或该第二实时电量状态 储存后执行步骤(d)。有关于步骤(d)，如前所述，步骤(d)中的该保护 模式包含步骤(d1)～(d2)，并依次执行步骤(d1)～(d2)。
其中步骤(d1)是依次检测该电池模组是否达到至少一保护条件， 如符合任一该至少一保护条件，执行步骤(d2)，反之则执行步骤(b)。 而步骤(d2)则是对该电池模组执行至少一保护动作，之后执行步骤 (c)。
以上对本发明的简述，目的在于对本发明的数种面向和技术特征 作一基本说明。发明简述并非对本发明的详细表述，因此其目的不在 特别列举本发明的关键性或重要元件，也不是用来界定本发明的范 围，仅为以简明的方式呈现本发明的数种概念而已。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明用来实施的电池模组结构示意图。
图2是本发明实施例的主要步骤流程图。
图3是本发明实施例步骤(c)中的子步骤流程图。
附图标记：
100 主电池保护板；
101 子电池保护板；
200 电池；
300 通讯线；
L 电流传感器；
G 接地受损传感器；
F 熔断装置；
(a)～(d) 步骤；
(c1)～(c8) 步骤。
具体实施方式
为能了解本发明的技术特征及实用功效，并可依照说明书的内容 来实施，兹进一步以如图式所示的较佳实施例，详细说明如后：首先 请参照图1，图1是本发明用来实施的电池模组结构示意图。图1中的 电池模组的为船舶上使用的电池模组，其中主电池保护板100包含了 微控制器(Microcontroller Unit,MCU)以及可程序化逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)等元件，用来自动且实时控制 各个继电器或其他元件。
所述主电池保护板100与接地受损传感器G连接。图1中本电池模 组内设有接地受损传感器G的原因是为保护船舶上的电池模组。由于 船舶是一种运行于海上的载具，因此电池模组无可避免地会面临到湿 气的问题。为了降低如漏电等意外发生，图1实施例中的电池模组选 用了接地受损传感器G。且所述接地受损传感器G跨接于该电池模组 的正负极上。
主电池保护板100透过通讯线300(虚线表示)与每个子电池保护 板101连接，且子电池保护板101又与每个电池200连接。本实施例中 的通讯线300系控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)线， 用来让主电池保护板100可以得知每个电池200的个别运作情形。
在本实施例中，子电池保护板101可以用以测量每个电池200的电 压，并将每个电池200的电压回报给主电池保护板100。此外，每个子 电池保护板101更可通过一温度传感器与电池200连接，用以侦测每个 电池200的温度，并据以通过子电池保护板101回报给主电池保护板 100。
图1中和主电池保护板100以箭头符号连接且设于电池模组正极 及负极上的个别是正极继电器及负极继电器。此外，电池模组的正极 上也设有熔断装置F及电流传感器L，其中熔断装置F可以是保险丝等 元件，而电流传感器L则与主电池保护板100连接。
在可实施的船舶电池模组硬件基础已具备的情况下，请同时参照 图2及图3，如图2及图3所示，本发明提供了一种电池管理***控制方 法，首先步骤(a)执行一控制模式，使一电池模组得以实时控制，接 着执行步骤(b)执行一开关机模式，检查该电池模组是否可运作，如 可运作则执行步骤(c)，反之则重新执行步骤(b)。
如顺利执行步骤(c)，步骤(c)是执行一运行模式，该运行模式包 含步骤(c1)～(c8)，并依次执行步骤(c1)～(c8)。最后执行步骤(d)，执行 一保护模式，该保护模式包含步骤(d1)～(d2)，并依次执行步骤 (d1)～(d2)。
本实施例所述的电池管理***控制方法在开始运作的一第一时 序、一第二时序、一第三时序及一第四时序会依次完成控制模式、开 关机模式、保护模式以及运行模式的执行前置作业。本实施例中，前 述的第一时序、第二时序、第三时序及第四时序分别为第10毫秒、第 20毫秒、第50毫秒以及第100毫秒内完成。
本实施例中第一时序(第10毫秒)内主要准备步骤(a)控制模式的 前置作业，启动微控制器(Microcontroller Unit,MCU)即时硬件控制 的功能，如LED、继电器、风扇开关等控制命令。而第二时序(第20 毫秒)内主要准备步骤(b)开关机模式执行的前置作业，主要启动需 要沟通的元件是前述是可程序化逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，并立即去执行其控制命令。
第三时序内(第50毫秒)主要启动步骤(d)中的保护模式前置作 业，由于步骤(d)中的保护模式包含多项与电池模组安全性有关的判 断程序(即至少一保护条件)，因此可优先判断目前电池模组的安全 状态。最后第四时序内(第100毫秒)主要准备步骤(c)运行模式执行 时的前置作业，主要准备的读取、计算项目是如电池电压、温度、排 序、电量状态计算等。
首先，步骤(a)中的控制模式在运作时，主要负责个硬件间的通讯 以及控制确认，在确认电池模组中的控制器区域网络(Controller Area Network,CAN)线、微控制器(Microcontroller Unit,MCU)以及可 程序化逻辑控制器(Programmable LogicController,PLC)及其他传感 器等皆能实时控制、通讯及运行后，才能执行步骤(b)。
本实施例中，步骤(b)的开关机模式实际上还包含步骤(b1)～(b4)， 并依次执行步骤(b1)～(b4)。首先步骤(b1)是打开该电池模组的一负极 继电器。接着执行步骤(b2)，检测该电池模组的一预充电压是否维持 0.8伏特以上3秒钟，是则执行步骤(b3)，否则执行步骤(b)。
步骤(b2)是一个缓冲作用，主要避免瞬间过大的电流产生，进而 造成电池模组的损坏。接着执行步骤(b3)，检查该电池模组是否符合 一运行条件，是则执行步骤(b4)，否则执行步骤(b)。
步骤(b3)中所述的运行条件是指通讯、温度、绝缘状态等是否有 异常，该步骤(b3)属于电池模组的自我检测，如有任一运行条件异常， 则可程序化逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)不会允 许正极继电器导通。
在确认电池模组的状态无问题之后，便会执行步骤(b4)，打开该 电池模组的一正极继电器，并执行步骤(c)。执行步骤(b4)之后，便宣 告电池模组正式开始执行充电或放电任务。
在步骤(b1)～(b4)中，主电池保护板100包含的可程序化逻辑控制 器(Programmable Logic Controller,PLC)主要负责运行各个传感器(如 子电池保护板101中之温度传感器、绝缘传感器等)以及正极继电器、 负极继电器的运作启动及自动控制。
接着如图3所示，步骤(c)的该运行模式包含步骤(c1)～(c8)。在执 行步骤(c1)之前，主电池保护板100中的微控制器(Microcontroller Unit,MCU)会先判定整个电池模组的电量状态是否已经初始化，如 电量状态未初始化，则先进行初始化(校准)后才执行步骤(c1)。
首先，步骤(c1)是检测该电池模组充电或放电前的电压及温度， 并执行步骤(c2)判断该电池模组需执行充电或放电，并于充电或放电 的同时测量该电池模组的一总电流流量(如电流传感器L)及一总开 路电压后，执行步骤(c3)。
步骤(c1)～(c2)主要在初步判断电池模组执行充电或放电时的参 数及状态搜集及读取，接着才执行针对电量状态运算的步骤(c3)。
步骤(c3)则用来判断该总电流流量大于或小于一阈值，如大于该 阈值则执行步骤(c4)，小于该阈值则执行步骤(c5)。本实施例中，所 述的阈值为3.5安培。采用该阈值的原因是因需判断当下电池模组是 处于执行充电或放电的动态状态，或是未执行充电或放电的静态状 态；大于该阈值代表电池模组处于执行充电或放电的动态状态，而小 于该阈值代表电池模组处于未执行充电或放电的静态状态。
其中如电池模组正在执行充电或放电的动态状态，则优先执行步 骤(c4)。步骤(c4)是以该总电流流量及该总开路电压计算该电池模组 的一第一实时电量状态，如该电池模组处于充电状态则执行步骤(c6)， 处于放电状态则执行步骤(c8)。
反之如果电池模组未执行充电或放电，处于静态状态，则优先执 行步骤(c5)。步骤(c5)是以总开路电压计算该电池模组的一第二实时 电量状态，如该电池模组处于充电状态则执行步骤(c6)，处于放电状 态则执行步骤(c8)。
本实施例中，步骤(c4)及步骤(c5)是可依次以小时安培法及开路 电压查表法来计算电池模组的第一实时电量状态或第二实时电量状 态。其原因在于，本实施例船舶用电池模组中的电池200有极高的机 会使用到磷酸锂铁电池(当然其他实施例也有可能是锂离子电池、铅 酸电池或锂聚合物电池)。
当电池200为磷酸锂铁电池时，需顾虑到磷酸锂铁电池的一个重 要特性，即该种电池200在实际电量状态约介于20％～60％时，其产生 的开路电压并不会有太大的变化(例如单颗磷酸锂铁电池的电量状态 为20％时，其开路电压为3.2伏特；而电量状态为60％时却为3.32伏特， 差异极小)。
此一特性下，如本电池管理***控制方法对于电池模组的实时电 量状态仅采用步骤(c5)中的开路电压查表法，便会造成电量状态严重 失准的情况发生。
有鉴于此特性，因此本实施例才会采用以该阈值来区别较为精准 的电池模组电量状态判断方式。此外，如果在预知电池模组中使用的 电池200为磷酸锂铁电池时，还可以在每个电池200的平均电压为小于 3.2伏特或大于3.32伏特的区间且维持至少60秒的条件下，强制切换至 步骤(c5)中的开路电压查表法计算该电池模组的第二实时电量状态。
其主要原因在于，当电池200为磷酸锂铁电池时，如果每颗电池 200的电压在小于3.2伏特或大于3.32伏特的区间时，其电压会明显地 反应在电量状态的表现上。因此如电池200为磷酸锂铁电池，在前述 的电压区间(小于3.2伏特或大于3.32伏特)内，采用步骤(c5)中的开 路电压查表法是较为正确的测量方式。
本实施例中，前述步骤(c5)中提及的开路电压查表法是由电池模 组的一即时开路电压根据电池模组的温度后查表所得出的该第二实 时电量状态。查表动作中所述的表格内记载的电量状态及温度关系仅 依照选用电池的厂牌、型号种类不同而选用不同的对照表，本发明并 不加以限制。
而本实施例步骤(c4)中的小时安培法，其公式为：
SOC＝(R/F*100％)*电池循环寿命系数
其中SOC为第一实时电量状态，R为该电池模组的实际残余 电量(安培x小时)，F为该电池模组的总电量(安培x小时)。而电池 循环寿命系数则依照选用电池的厂牌、型号种类不同而有不同的系 数，本发明并不加以限制。
又，本实施例步骤(c4)中的小时安培法的R值是以下列公式求得：
R＝R’(由总开路电压校正残余电量)+C
Δt＝10微秒(I＝总电流流量)
其中，R’是由总开路电压校正后的残余电量，而C则为电流流量 的变化积分。
在采用步骤(c4)中的小时安培法计算时，会维持每两分钟记录一 次R值方式更新储存。本实施例中可能的实施方式是由主电池保护板 100与一外部计算器(如个人计算机等)连接，并将该R值储存于该 外部计算器的硬盘中，本发明并不加以限制。
在获得第一实时电量状态或第二实时电量状态之后，步骤(c6)是 用来判定该电池模组的一平均电压与该电池模组中每颗电池的一电 池电压之间的一电压差，如该电压差达到一危险值则执行步骤(c7)， 反之则执行步骤(c8)。接着步骤(c7)是用来对该电池模组执行一系列 动作，再执行步骤(c8)。
步骤(c6)及步骤(c7)主要在针对电池模组中每颗电池200的状态 进行评估。也就是让每颗电池200的电压均一化。步骤(c6)中的危险值 为50毫伏(mV)，而步骤(c7)中的系列动作是进行10秒钟，其后每20 秒检测一次电池模组的电压差是否到达危险值。
前述的系列动作包含主动系列、被动系列或是单独断开该颗达到 危险值的电池200，本发明并不加以限制。如当某颗电池200的电压过 高时，可通过独立将一负载与该颗电池200连接的方式，消耗其电量， 达到系列电压的效果。
最后，步骤(c8)是将该第一实时电量状态或该第二实时电量状态 储存后执行步骤(d)。步骤(c8)中所述的储存是可通过主电池保护板 100与外部计算器(如个人计算机等)连接，并将该第一实时电量状 态或第二实时电量状态储存于该外部计算器的硬盘中，本发明并不加 以限制。
而关于步骤(d)，步骤(d)中的该保护模式包含步骤(d1)～(d2)，并 依次执行步骤(d1)～(d2)。
其中步骤(d1)是依次检测该电池模组是否达到至少一保护条件， 如符合任一该至少一保护条件，执行步骤(d2)，反之则执行步骤(b)。 而步骤(d2)则是对该电池模组执行至少一保护动作，之后执行步骤 (c)。
也就是说，图2之中所示之符合是指符合任一该至少一保护条件， 反之不符合则为不符合任一该至少一保护条件。
本实施例中，步骤(d1)中的至少一保护条件包含：
(1)第一条件：该电池模组中任一颗电池的该电池电压大于3.6伏特并 小于3.65伏特持续5秒以上。
(2)第二条件：电池模组中任一颗电池的该电池电压大于3.65伏特持 续3秒以上。
(3)第三条件：电池模组中任一颗电池的该电池电压大于2.1伏特且小 于2.3伏特持续5秒以上。
(4)第四条件：电池模组中任一颗电池的该电池电压小于2.1伏特持续 3秒以上。
(5)第五条件：电池模组的温度高于摄氏45度持续5秒以上。
(6)第六条件：电池模组充电或放电时的该总电流流量过高持续5秒 以上。
如果考虑在船舶上所使用的电池模组，至少一保护条件也可将湿 度列为一额外条件。而针对前述步骤(d1)中的至少一保护条件，本实 施例中步骤(d2)记载有至少一保护动作。
所述至少一保护动作包含光学警示、断开正极继电器、断开负极 继电器或打开电池模组中的一风扇以降温等，本发明并不加以限制。 当然前述提及有关于湿度的至少一保护条件，如湿度高达70％时，则 至少一保护动作更可包含开启除湿装置或是紧急断电警示等措施，本 发明并不加以限制。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限 制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技 术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换， 而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利 要求范围当中。

Claims (10)

1.一种电池管理***控制方法，其特征在于，包含：
(a)执行一控制模式，使一电池模组得以实时控制；
(b)执行一开关机模式，检查该电池模组是否可运作，如可运作则执行步骤(c)，反之则重新执行步骤(b)；
(c)执行一运行模式，该运行模式包含步骤(c1)～(c8)，并依次执行步骤(c1)～(c8)；
(c1)检测该电池模组充电或放电前的电压及温度，并执行步骤(c2)；
(c2)判断该电池模组需执行充电或放电，并于充电或放电的同时测量该电池模组的一总电流流量及一总开路电压后，执行步骤(c3)；
(c3)判断该总电流流量大于或小于一阈值，如大于该阈值则执行步骤(c4)，小于该阈值则执行步骤(c5)；
(c4)以该总电流流量及该总开路电压计算该电池模组的一第一实时电量状态，如该电池模组处于充电状态则执行步骤(c6)，处于放电状态则执行步骤(c8)；
(c5)以该总开路电压计算该电池模组的一第二实时电量状态，如该电池模组处于充电状态则执行步骤(c6)，处于放电状态则执行步骤(c8)；
(c6)判定该电池模组的一平均电压与该电池模组中每颗电池的一电池电压之间的一电压差，如该电压差达到一危险值则执行步骤(c7)，反之则执行步骤(c8)；
(c7)对该电池模组执行一系列动作，再执行步骤(c8)；
(c8)将该第一实时电量状态或该第二实时电量状态储存后执行步骤(d)；以及
(d)执行一保护模式，该保护模式包含步骤(d1)～(d2)，并依次执行步骤(d1)～(d2)；
(d1)依次检测该电池模组是否达到至少一保护条件，如符合任一该至少一保护条件，执行步骤(d2)，反之则执行步骤(b)；
(d2)对该电池模组执行至少一保护动作，之后执行步骤(c)；
其中，该电池管理***控制方法在开始运作的一第一时序、一第二时序、一第三时序及一第四时序依次完成该控制模式、该开关机模式、该保护模式以及该运行模式的执行前置作业。
2.如权利要求1所述的电池管理***控制方法，其特征在于，该第一时序、该第二时序、该第三时序及该第四时序分别为第10毫秒、第20毫秒、第50毫秒以及第100毫秒内完成。
3.如权利要求1所述的电池管理***控制方法，其特征在于，步骤(a)中的该控制模式是启动该电池模组中的一可程序化逻辑控制器以及一微控制器。
4.如权利要求3所述的电池管理***控制方法，其特征在于，步骤(b)中的该开关机模式更包含步骤(b1)～(b4)，并依次执行步骤(b1)～(b4)；
(b1)打开该电池模组的一负极继电器；
(b2)检测该电池模组的一预充电压是否维持0.8伏特以上3秒钟，是则执行步骤(b3)，否则执行步骤(b)；
(b3)检查该电池模组是否达符合一运行条件，是则执行步骤(b4)，否则执行步骤(b)；以及
(b4)打开该电池模组的一正极继电器，并执行步骤(c)。
5.如权利要求1所述的电池管理***控制方法，其特征在于，步骤(c3)的该阈值为3.5安培。
6.如权利要求1所述的电池管理***控制方法，其特征在于，步骤(c6)中的该危险值为50毫伏(mV)。
7.如权利要求1所述的电池管理***控制方法，其特征在于，步骤(c7)中该系列动作是进行10秒钟，其后每20秒检测一次该电池模组的该电压差是否到达该危险值。
8.如权利要求1所述的电池管理***控制方法，其特征在于，步骤(d1)中的该至少一保护条件包含：
一第一条件，该第一条件是该电池模组中任一颗电池的该电池电压
大于3.6伏特并小于3.65伏特持续5秒以上；
一第二条件，该第二条件是该电池模组中任一颗电池的该电池电压
大于3.65伏特持续3秒以上；
一第三条件，该第三条件是该电池模组中任一颗电池的该电池电压
大于2.1伏特且小于2.3伏特持续5秒以上；
一第四条件，该第四条件是该电池模组中任一颗电池的该电池电压
小于2.1伏特持续3秒以上；
一第五条件，该第五条件是该电池模组的温度高于摄氏45度持续5
秒以上；以及
一第六条件，该第六条件是该电池模组充电或放电时的该总电流流
量过高持续5秒以上。
9.如权利要求4所述的电池管理***控制方法，其特征在于，步骤(d2)中的该至少一保护动作包含光学警示、断开该正极继电器、断开该负极继电器或打开该电池模组的一风扇。
10.如权利要求4所述的电池管理***控制方法，其特征在于，步骤(b3)中的该运行条件包含通讯、温度及绝缘状态正常。
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