TW201501447A - 電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構 - Google Patents

電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構 Download PDF

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TW201501447A
TW201501447A TW102122053A TW102122053A TW201501447A TW 201501447 A TW201501447 A TW 201501447A TW 102122053 A TW102122053 A TW 102122053A TW 102122053 A TW102122053 A TW 102122053A TW 201501447 A TW201501447 A TW 201501447A
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Van-Tsai Liu
Yao-Ching Hsieh
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Van-Tsai Liu
Yao-Ching Hsieh
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Abstract

本發明係有關一種電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構，包括電性連接有若干電池的內層電量平衡電路，以及與內層電量平衡電路在電路板上電性連接的外層電量平衡電路；藉此，任一電池之多餘電量係透過內層電量平衡電路及外層電量平衡電路，釋放到其他電池處，達到電量平衡的功效。

Description

電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構
本發明係有關於一種電動車輛的應用領域，特別是指一種電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構。
對於大功率的應用，例如電動車輛等等，其串聯電池模組係以提供所需之電壓較為常見。而鋰電池模組於串聯時所造成之電量不平衡，係容易使電池產生過電壓或欠電壓的損壞。
而若是提供電量平衡電路的話，係能夠改善電池模組匹配性之問題，使鋰電池之安全性、循環壽命大為提升。而為應付較多串聯電池數的情形，若僅有單一階層架構的話，係會使的電路結構過於複雜且難以實現；再者，由於能量傳遞路徑繁複，也會使得轉換效率降低；而且單一階層架構係不適用於模組化設計，更不便於日後串聯電池數的擴充。
本發明係提供一種電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構，其係具有二階層式之平衡電路架構，並可易於達成模組化之設計、便於日後串連電池數之擴充，更可改善鋰電池的安全性以及提升其循環壽命。
因此，本發明的目的係在於解決上述問題而提供一種電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構，包括一內層電量平衡電路，係電性連接有若干電池；以及一外層電量平衡電路，係與該內層電量平衡電路在一電路板上電性連接。
藉此，其中一電池之多餘電量係透過該內層電量平衡電路及該外層電量平衡電路釋放到其他電池處。
其中，該內層電量平衡電係由若干組降升壓式轉換器 (buck-boost converter)所構成，每一組降升壓式轉換器係包括一二極體、一電晶體、以及一電感器，而每個電池係分別連接到相對應之一組降升壓式轉換器上。
其中，該降升壓式轉換器係操作在一連續電流模式下(continuous conduction mode，CCM)。
其中，其中一電晶體Q1在導通情況下時，此時電量係由連接至該電晶體Q1之一電池B1取出，並儲存在連接至該電晶體Q1之電感器L1上；而當電晶體Q1在截止狀況下，電量會由電感器L1經過對應的二極體D1分配給其他電池。
其中，該外層電量平衡電路OCE係包括若干組反向並聯的電晶體(開關)以及若干電容器，各該電池係與相對應之其中一組反向並聯的電晶體(開關)之輸入端電性連接，相鄰的二組反向並聯的電晶體(開關)之輸出端係與分別其中一電容器的兩端電性連接，該等電容器的數量係少於該等反向並聯的電晶體(開關)之組數，其相差數量為一，且該等電池的數量係與該等反向並聯的電晶體(開關)之組數相同。
其中，該電晶體(開關)係為BJT或MOSFET。
本發明上述之目的及優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。
當然，本發明在某些另件上，或另件之安排上容許有所不同，但所選用之實施例，則於本說明書中，予以詳細說明，並於附圖中展示其構造。
ICE‧‧‧內層電量平衡電路
OCE‧‧‧外層電量平衡電路
B1~B4‧‧‧電池
Bm1~Bm4‧‧‧電池
C1~C3‧‧‧電容器
Coutside‧‧‧電容器
D1~D4‧‧‧二極體
iB1~iB2‧‧‧電流
Im1~Im4‧‧‧電流
Ipk‧‧‧峰值電流
Itr‧‧‧谷值電流
L1~L4‧‧‧電感器
line 5~13‧‧‧連接導線
line A‧‧‧連接導線
MB1~MB4‧‧‧電池組
point1~3‧‧‧連接端點
point5‧‧‧連接端點
pointA1‧‧‧連接端點
Q1~Q7‧‧‧電晶體
Qdis‧‧‧釋出電量
BQ1a、BQ1b、BQ1c、BQ2a、BQ2b、BQ2c、BQ3a、BQ3b、BQ3c、BQ4a、BQ4b、BQ4c‧‧‧BJT
MQ1a、MQ1b、MQ2a、MQ2b、MQ3a、MQ3b、MQ4a、MQ4b‧‧‧MOSFET
T1~T2‧‧‧變壓器
Ts‧‧‧切換週期
圖1係表示本創作電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構之一二階層式平衡電路架構圖。
圖2係表示本創作一內層電量平衡電路的電路示意圖。
圖3A係表示圖2中當電池B4電量較大且電晶體Q4導通時，其相對應之升壓式轉換器運作情況的示意圖。
圖3B係表示圖2中當電池B4電量較大且電晶體Q4截止時，其相對應之升壓式轉換器運作情況的示意圖。
圖4A係表示圖2中當電池B1電量較大且電晶體Q1導通時，其相對應之升壓式轉換器運作情況的示意圖。
圖4B係表示圖2中當電池B1電量較大且電晶體Q1截止時，其相對應之升壓式轉換器運作情況的示意圖。
圖5A係表示圖2中當電池B2與電池B3電量較大且電晶體Q2及電晶體Q3導通時，其相對應之升壓式轉換器運作情況的示意圖。
圖5B係表示圖2中當電池B2與電池B3電量較大且電晶體Q2及電晶體Q3截止時，其相對應之升壓式轉換器運作情況的示意圖。
圖6A係表示本創作一外層電量平衡電路的一第一實施例的電路示意圖。
圖6B係表示本創作該外層電量平衡電路的一第二實施例的電路示意圖。
圖7係表示在圖6B中MOSFET MQ1a、MQ2a、MQ3a、MQ4a導通時之電路示意圖。
圖8係表示在圖6B中MOSFET MQ1b、MQ2b、MQ3b、MQ4b導通時之電路示意圖。
圖9A係表示升壓式轉換器之電晶體(開關)Qi導通時的簡化電路圖。
圖9B係表示升壓式轉換器之電晶體(開關)Qi截止時的簡化電路圖。
圖10係表示升壓式轉換器上之電感電流iL與時間t的對應關係圖。
圖11係表示求取導通率的流程圖。
圖12係表示求取升壓式轉換器之導通率的流程圖。
圖13係表示實作電路中主電路區塊的電路示意圖。
圖14係表示外層電路的連接示意圖。
圖15係表示控制及驅動電路之電路示意圖。
圖16係表示電源電路的電路示意圖。
圖17係表示一電路板中，第三個及第四個電池所連接的轉 換器之驅動訊號及電桿電流的波形圖。
圖18係表示單一電路板對四個電池實施平衡的結果。
圖19係表示相對於圖18之另一次單一電路板對四個電池實施平衡的結果。
關於本發明藉以達到上述目的之技術手段，茲以下列實施型態配合圖示於下文作詳細說明，俾令 鈞上深入瞭解並認同之。
請參考圖1，係表示本創作電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構之一二階層式平衡電路架構圖。
本創作的電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構1係包括一內層電量平衡電路ICE(Inner Charge Equalizing Circuit)以及一外層電量平衡電路OCE(Outer Charge Equalizing Circuit)，內層電量平衡電路ICE係與外層電量平衡電路OCE電性連接。
如圖1所示，內層電量平衡電路ICE及外層電量平衡電路OCE係可以設置在同一電路板(圖未示)上，如此係可構成模組化之設計，並適合於較多串聯電池組(例如第一電池組MB1、第二電池組MB2、第三電池組MB3以及第四電池組MB4之串聯)之應用。
圖2係表示本創作一內層電量平衡電路的電路示意圖。
請參考圖2，內層電量平衡電路ICE係可由四組降升壓式轉換器(buck-boost converter)所構成，每一組降升壓式轉換器係包括一二極體、一電晶體、以及一電感器，亦即第一組降升壓式轉換器係包括二極體D1、電晶體Q1以及電感器L1，第二組降升壓式轉換器係包括二極體D2、電晶體Q2以及電感器L2，第三組降升壓式轉換器係包括二極體D3、電晶體Q3以及電感器L3，第四組降升壓式轉換器係包括二極體D4、電晶體Q4以及電感器L4；但並不以此為限。每個電池B1、B2、B3、B4係分別連接到一組降升壓式轉換器上，其中，iB1與iB2係分別表示流經電池B1及電池B2的電流，而降升壓式轉換器係負責將相對應之電池上過多的電量轉移到其他電池上；在此將降升壓式轉換器操作在連續電流模式下(continuous conduction mode，CCM)，以便提供較大的轉移電流。
圖3A係表示圖2中當電池B4電量較大且電晶體Q4導通時，其相對應之升壓式轉換器運作情況的示意圖。圖3B係表示圖2中當電池B4電量較大且電晶體Q4截止時，其相對應之升壓式轉換器運作情況的示意圖。
請同時參考圖3A及圖3B，在圖3A中，電晶體Q4係在導通情況下，此時電量係由電池B4取出，並儲存在電感器L4上；而在圖3B中，電晶體Q4係在截止狀況下，此時電量係由電感器L4經過二極體D4分配給其他電池B1、B2以及B3。
圖4A係表示圖2中當電池B1電量較大且電晶體Q1導通時，其相對應之降升壓式轉換器運作情況的示意圖。圖4B係表示圖2中當電池B1電量較大且電晶體Q1截止時，其相對應之降升壓式轉換器運作情況的示意圖。
請同時參考圖4A及圖4B，在圖4A中，電晶體Q1係在導通情況下，此時電量係由電池B1取出，並儲存在電感器L1上；而在圖4B中，電晶體Q1係在截止狀況下，此時電量係由電感器L1經過二極體D1分配給其他電池B2、B3以及B4。
圖5A係表示圖2中當電池B2與電池B3電量較大且電晶體Q2及電晶體Q3導通時，其相對應之降升壓式轉換器運作情況的示意圖。圖5B係表示圖2中當電池B2與電池B3電量較大且電晶體Q2及電晶體Q3截止時，其相對應之降升壓式轉換器運作情況的示意圖。
請同時參考圖5A及圖5B，在圖5A中，電晶體Q2及電晶體Q3係在導通情況下，此時電量係由電池B2與電池B3取出，並儲存在電感器L2及電感器L3上；而在圖5B中，電晶體Q2及電晶體Q3係在截止狀況下，此時電量係由電感器L2及電感器L3經過二極體D2及二極體D3分配給其他電池B1以及B2。
圖6A係表示本創作一外層電量平衡電路的一第一實施例的電路示意圖。圖6B係表示本創作該外層電量平衡電路的一第二實施例的電路示意圖。
外層電量平衡電路OCE係利用電容器作為電量的傳遞媒 介，如圖6所示。最初的外層電量平衡電路OCE係採用反向並聯的BJT(元件編號為BQ1a、BQ1b、BQ1c、BQ2a、BQ2b、BQ2c、BQ3a、BQ3b、BQ3c、BQ4a、BQ4b、BQ4c)作為切換元件，如圖6A所示；而在考慮元件數量的精簡之後，切換開關係全部可改換成MOSFET(MQ1a、MQ1b、MQ2a、MQ2b、MQ3a、MQ3b、MQ4a、MQ4b)，如圖6B所示。兩者係均可達到電量平衡的功效。本創作係以圖6B為例進行說明，但並不以此為限。
圖7係表示在圖6B中MOSFET MQ1a、MQ2a、MQ3a、MQ4a導通時之電路示意圖。
請參考圖7，外層電量平衡電路OCE係包括若干組反向並聯的電晶體(開關)MOSFET(MQ1a-MQ1b、MQ2a-MQ2b、MQ3a-MQ3b、MQ4a-MQ4b)以及若干電容器(C1~C3)，各電池係與相對應之其中一組反向並聯的電晶體(開關)之輸入端電性連接，相鄰的二組反向並聯的電晶體(開關)之輸出端係與分別其中一電容器的兩端電性連接，亦即，電池Bm1係與反向並聯的電晶體(開關)MOSFET MQ1a-MQ1b的輸入端電性連接，電池Bm2係與反向並聯的電晶體(開關)MOSFET MQ2a-MQ2b的輸入端電性連接，電池Bm3係與反向並聯的電晶體(開關)MOSFET MQ3a-MQ3b的輸入端電性連接，電池Bm4係與反向並聯的電晶體(開關)MOSFET MQ4a-MQ4b的輸入端電性連接，反向並聯的電晶體(開關)MOSFET MQ1a-MQ1b以及反向並聯的電晶體(開關)MOSFET MQ2a-MQ2b的輸出端係分別與電容器C1的兩端電性連接，反向並聯的電晶體(開關)MOSFET MQ2a-MQ2b以及反向並聯的電晶體(開關)MOSFET MQ3a-MQ3b的輸出端係分別與電容器C2的兩端電性連接，反向並聯的電晶體(開關)MOSFET MQ3a-MQ3b以及反向並聯的電晶體(開關)MOSFET MQ4a-MQ4b的輸出端係分別與電容器C3的兩端電性連接。
電容器的數量係少於反向並聯的電晶體(開關)MOSFET之組數，其相差數量為一，在本實施例中，電容器的數量為3，而反向並聯的電晶體(開關)MOSFET之組數為4，且電池Bm1~Bm4的數量4係與反向並聯的電晶體(開關)MOSFET之組數相同。當MOSFET MQ1a、MQ2a、MQ3a、MQ4a導通時，電池Bm1、Bm2、Bm3係分別連接至電容器C1、C2、C3；亦即三個電容器C1、C2、C3會分別被充電至電壓值VBm1、VBm2、VBm3；比較特別的是，MOSFET MQ2a及MQ3a同時負擔兩個方向的電流，亦即MOSFET MQ2a同時負擔電流Im1與電流Im2，而MOSFET MQ3a同時負擔電流Im2與電流Im3；因此這兩個元件可以流經較小的淨電流，以減少在開關上的功率損失。
圖8係表示在圖6B中MOSFET MQ1b、MQ2b、MQ3b、MQ4b導通時之電路示意圖。
當MOSFET MQ1b、MQ2b、MQ3b、MQ4b導通時，電池Bm2、Bm3、Bm4係分別連接至電容器C1、C2、C3；此時若電容器之電壓較高的話，則會釋放電量給電池；反之，則由電池再給予電容器進行充電。同樣地，MOSFET MQ2a及MQ3a同時負擔兩個方向的電流。重複此二操作模式，以持續地操作此電路；亦即，相鄰兩電池係藉由電容器為傳遞媒介以實施電量的交換，直至所有電池之電量達到一致為止。
為分析升壓式轉換器的運作以及因升壓式轉換器所能釋出電池的電量，係將升壓式轉換器以簡化電路來表示，而圖9A係表示升壓式轉換器之電晶體(開關)Qi導通時的簡化電路圖，圖9B係表示升壓式轉換器之電晶體(開關)Qi截止時的簡化電路圖。其中，下標”i”係表示第i個電池；Ei是該升壓式轉換器釋出能量時所面對的其他電池的電壓和；而Qi表示電晶體(開關)，Di表示二極體，Li表示電感器，Ri表示電阻器，亦表示電路上的所有損耗。
假若將升壓式轉換器操作在CCM(Continuous Conduction Mode)下，則升壓式轉換器上之電感電流iL與時間t的對應關係，係如圖10所示，其中，Itr和Ipk分別表示谷值電流與峰值電流。當電晶體(開關)Qi導通時，電路方程式可以表示為：
當電晶體(開關)Qi截止時，電路方程式可以表示為：
求解上述方程式(1)及方程式(2)，係可得：
其中，Ts係為電晶體(開關)Qi的切換週期。
為計算升壓式轉換器所能釋出的電池電量，考慮電晶體(開關)導通時，電感電流亦即是電池釋出的電流，因此在圖10中的Qdis係為電晶體(開關)導通時電池的釋出電量。然而，由於電路的特殊架構，當電晶體(開關)Qi截止時，電感電流會流進其他電池；亦即，每個電池都可能獲得其他升壓式轉換器電晶體(開關)Qi截止時所傳來的電量。所以當要計算個別電池的釋出電量時，除了考慮本身升壓式轉換器之釋出電量Qdis之外，亦要考慮到其他升壓式轉換器傳送來的電量Qch。而電量Qdis、Qch以及第i個電池釋出之淨電量△Qi可表示為下列方程式：
若將平衡電流定義為電池所能釋出的電流，並以方程式(5)的平均值求之，會因其他電池的電壓大小而有不同的結果。為減少混淆並方便定義平衡電流起見，係將平衡電流定義為電晶體(開關)上的電流，亦即Qdis/Ts：
綜合方程式(3)及(6)，在要求的平衡電壓下，可以計算出所 需要的電感值。
在控制上，最重要的工作是設定每個升壓式轉換器電晶體(開關)的導通率(duty ratio)，請參考圖11，係表示求取導通率的流程圖。
首先讀取每個電池的電壓值(步驟SA1)，判斷電池間電壓差(|△V|max，係表示任量電池間電壓差的最大值)是否小於一預設值δ(步驟SA2)，若是的話，則表示電池組已達平衡，因此停止平衡電路的運作(步驟SA6)；若否的話，係獲得電池電壓後，可經由電壓對電池SOC間的關係轉換為電池的剩餘電量(步驟SA3)。由各電池的剩餘電量計算每個升壓式轉換器所需的導通率(步驟SA4)；並且以此導通率讓升壓式轉換器運作一段平衡時間Teq(步驟SA5)。接著，再將升壓式轉換器停止運作一小段時間Tvd(步驟SA7)，以準備偵測下一時序的電池電壓，亦即回到步驟SA1。
圖12係表示求取升壓式轉換器之導通率的流程圖。
由於電池電量會彼此交互傳遞，所以每個升壓式轉壞器之導通率的計算都會與其他升壓式轉換器有關。整個計算流程是一個疊代運算的過程，先由一個初始的猜測開始(步驟SB1)，再由每個導通率與其他導通率的函數(步驟SB2)，判斷兩個疊代的導通率解差距是否在一個預設值ε以內(步驟SB3)，若是的話，則停止運算；若否的話，則回到步驟SB1。藉此以重複數次的疊代運算，直到兩個疊代的導通率解差距在一個預設值ε以內為止。
在實作電路方面，係以主電路、控制及驅動電路、電源電路、整體電路以及電壓偵測電路進行說明。
圖13係表示實作電路中主電路區塊的電路示意圖。
主電路係包含內層電路ICE和外層電路OCE兩個部分；內層電路ICE包括四個升壓式轉換器(電感器L1~L4，電晶體(開關)Q1~Q4，二極體D1~D4)，外層電路OCE包括一個電容器Coutside與兩個電晶體(開關)Q6及Q7，而B1~B4係表示電池。而外層電路OCE的連接係如圖14所示，其係透過每塊電路板上的兩個2-pin電源座(CON1及CON2)，將外層電路串聯起來。
圖15係表示控制及驅動電路之電路示意圖。
請參考圖15所示，控制及驅動電路區塊係包含dsPIC晶片 控制器以及由PC923所構成的MOSFET驅動電路。驅動電路除了驅動內層電路ICE之四個電晶體(開關)Q1~Q4以及外層電路OCE之兩個電晶體(開關)Q6、Q7之外，另外還有一個是電源變壓器所用的電晶體(開關)(圖未示)。
圖16係表示電源電路的電路示意圖。
請參考圖16所示，由於單晶片控制器及PC923驅動電路均需要電源，而且驅動電源有多組並不共接地。因此，需要經由變壓器(T1及T2)提供多組不共接地的電源。由於二次繞組的數目較多，在要求較小的變壓器鐵心體積之前提下，係分成兩個相同的變壓器，且並聯使用。變壓器的一次側係接至四串電池B1~B4上，由電池組來提供電路電源，如圖16所示。電源電壓經由MOSFET開關切換，供給能量給其後的多個返馳式轉換器，提供多組隔離的電源。另外，由於啟動時，dsPIC晶片控制器及電晶體(開關)Q5的驅動電路需要初始電源才能開始返馳式轉換器的運作；電池組係先分別連接電阻器R12及R13至line13及point5，以提供初始電能。(其中，line表示連接導線，point表示連接端點，各自後方的數字或文字係分別表示序號或代號)
圖17係表示一電路板中，第三個及第四個電池所連接的轉換器之驅動訊號及電桿電流的波形圖。
請參考圖17所示，由於第四個電池B4的電壓較高，亦即其SOC(State of Charge，充電電池容量)較大，所以轉換器的duty ratio較大。因而使得該轉換器有較大的電感電流，讓第四個電池B4釋放出較多的電量。
圖18係表示單一電路板對四個電池實施平衡的結果。
請參考圖18所示，初始時，各個電池電壓分別為3.794V、3.828V、3.883V以及4.001V；電池電壓間最大差距為207mV。經過268分鐘後，電池電壓變成為3.807V、3.859V、3.841V以及3.852V；電池電壓間的差距變為44mV。
圖19係表示相對於圖18之另一次單一電路板對四個電池實施平衡的結果。
請參考圖19所示，初始時，各個電池電壓分別為3.677V、3.797V、3.829V以及4.096V，電池電壓間最大差距為418mV。而經過268 分鐘後，電池電壓變成為3.760V、3.807V、3.764V以及3.784V，電池電壓間的差距變為47mV，其差距同樣能縮小到50mV以內，以達到平衡電量的功效。
以上所述實施型態之揭示係用以說明本創作，並非用以限制本創作，故舉凡數值之變更或等效元件之置換仍應隸屬本創作之範疇。
由以上詳細說明，可使熟知本項技藝者明瞭本創作的確可達成前述目的，實已符合專利法之規定，爰提出專利申請。
ICE‧‧‧內層電量平衡電路
OCE‧‧‧外層電量平衡電路
MB1~MB4‧‧‧電池組

Claims (6)

  1. 一種電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構，包括，其中：一內層電量平衡電路，係電性連接有若干電池；以及一外層電量平衡電路，係與該內層電量平衡電路在一電路板上電性連接；藉此，其中一電池之多餘電量係透過該內層電量平衡電路及該外層電量平衡電路釋放到其他電池處。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述的電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構，其中，該內層電量平衡電係由若干組升壓式轉換器(buck-boost converter)所構成，每一組升壓式轉換器係包括一二極體、一電晶體、以及一電感器，而每個電池係分別連接到相對應之一組升壓式轉換器上。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述的電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構，其中，該升壓式轉換器係操作在一連續電流模式下(continuous conduction mode，CCM)。
  4. 依據申請專利範圍第2項所述的電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構，其中，其中一電晶體Q1在導通情況下時，此時電量係由連接至該電晶體Q1之一電池B1取出，並儲存在連接至該電晶體Q1之電感器L1上；而當電晶體Q1在截止狀況下，電量會由電感器L1經過對應的二極體D1分配給其他電池。
  5. 依據申請專利範圍第2項所述的電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構，其中，該外層電量平衡電路OCE係包括若干組反向並聯的電晶體(開關)以及若干電容器，各該電池係與相對應之其中一組反向並聯的電晶體(開關)之輸入端電性連接，相鄰的二組反向並聯的電晶體(開關)之輸出端係與分別其中一電容器的兩端電性連接，該等電容器的數量係少於該等反向並聯的電晶體(開關)之組數，其相差數量為一，且改等電池的數量係與該等反向並聯的電晶體(開關)之組數相同。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述的電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構，其中，該電晶體(開關)係為BJT或MOSFET。
TW102122053A 2013-06-21 2013-06-21 電動車輛電池組之主動電量平衡電路結構 TW201501447A (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106602648A (zh) * 2016-12-14 2017-04-26 华南理工大学 一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路
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TWI685177B (zh) * 2018-12-14 2020-02-11 加百裕工業股份有限公司 電池模組陣列的電池定位方法

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