TW201806286A - 電池平衡方法 - Google Patents

Abstract

本創作是一種電池平衡方法，其步驟包含以一正常充電電流對一電池組進行充電；判斷是否有任一電池之電池電壓大於一平衡啟動電壓；若有任一電池之電池電壓大於一平衡啟動電壓，對該電池執行平衡作業，其中，該電池由一平衡充電電流充電，且該平衡充電電流相等於該電池之一平衡電流；判斷該電池之電池電壓是否小於一平衡結束電壓，若是，則停止該電池的平衡作業；本創作在對電池進行平衡作業時，控制該平衡充電電流相等於平衡電流，避免電池組快速充飽，得以延長電池的平衡作業時間並提高各電池之間的電壓一致性。

Description

電池平衡方法

本發明是關於一種電池控制方法，特別是指一種控制電池平衡的方法。

以多顆電池串聯構成的電池組在實際使用時，因為各電池本身的物理及材料特性無法完全相同，因此各電池所表現出來的電氣特性也不盡相同。特別是當電池已經使用一段時間之後，不同電池在充電及放電方面的表現也會有更明顯的差異，即電池之間產生不平衡的問題，若不解決該失衡問題，將會導致電池組的使用壽命大幅減少。

目前用於平衡電池的機制可分為主動式及被動式兩種，請參考圖4所示，以被動式電池平衡電路為例，電池組90由多個電池91~94串聯構成，每一個電池91~94可通過一開關910~940並聯連接一平衡電阻911~941，在電池組的充電過程中，一控制器95根據監測到的各個電池的狀態，適時地開啟或關閉特定電池91~94的開關910~940以啟動平衡機制。以對電池94進行平衡為例， 當監測到電池94的電壓大於一預設值時，該控制器94判斷需啟動平衡機制，並控制連接電池94的開關940轉為導通，因此除了原本通過電池94的充電電流I1之外，還會有一平衡電流I2通過該平衡電阻941，以消耗電池94的多餘能量。

參考圖5所示，該電池94的充電電流可以區分為二階段，第一階段是正常充電階段，該充電電流I1以一較大的電流進行快速充電；第二階段是平衡階段，當啟動平衡機制後，因為有平衡電流I2通過該平衡電阻941，流過電池94的充電電流I1會逐漸減小。

但現有的電池平衡機制無論是主動式或被動式，都存在有以下問題：

１、因為平衡電流小於充電電流，因此電池仍然會被充電電流快速充飽，如此一來將會強迫停止平衡機制的運作，無法繼續對該電池進行平衡，導致電池組內部的全部電池仍然無法達到平衡狀態。

２、若提高平衡電流以降低充電電流，平衡電阻將會產生大量的熱能，需要更進一步處理散熱問題，即會衍生額外的熱管理作業。

有鑑於此，本創作之主要目的是提供一種電池平衡方法，在不額外衍生熱管理作業的前提下，可延長平衡作業的時間，提高電池組中各電池的平衡狀態。

為達成前述目的，本創作電池平衡方法可應用於由多個電池串聯構成之電池組，其中各電池對應連接一平衡電阻，該方法包含： 執行一般充電作業，係以一正常充電電流對該電池組進行充電； 判斷是否有任一電池之電池電壓大於一平衡啟動電壓； 若有任一電池之電池電壓大於一平衡啟動電壓，對該電池執行平衡作業，其中，該電池由一平衡充電電流充電，且該平衡充電電流相等於該電池之一平衡電流； 判斷該電池之電池電壓是否小於一平衡結束電壓，若是，則停止該電池的平衡作業。

本創作電池平衡方法將平衡電流仍維持在平衡電阻可接受之範圍內，即平衡電阻所產生之熱能仍在可處理的範圍之內，由於沒有提高該平衡電流，故不須進行額外的熱處理作業；此外，本創作還將平衡充電電流控制為與該平衡電流相等，因此，可延長平衡作業的時間，避免電池組被快速充飽，令電池組中的各電池的電壓狀態更趨近於一致。

本創作電池平衡方法可由圖1所示之電路架構執行，該電路包含有一電池組10(battery)，該電池組10以多個電池11~14(cell)串聯構成，每一個電池11~14可通過一開關110~140並聯連接一平衡電阻111~141，在電池組10的充電過程中，一控制器15根據監測到的各個電池11~14的狀態，適時地開啟或關閉對應的開關110~140以啟動平衡機制，該控制器15亦控制一充電電路16對該串聯的電池組10進行充電。惟本創作的電池平衡方法不限於圖1所示之電路架構執行，只要是充電過程中利用平衡電流對電池進行平衡處理的充電電路，均可適用本創作，因此，本創作可運用在主動式平衡電路或被動式平衡電路。該電池組10可以是應用在大型機電設備的高壓電源裝置，例如太陽能交通工具內部；也可以是應用在小型電子設備的低壓電源裝置，例如行動式電子裝置。

請參考圖2，本創作電池平衡方法的流程包含有下述步驟：

S201: 執行一般充電作業，控制器15控制該充電電路16對電池組10進行一般充電，其中，參考圖2所示，當進行一般充電時，充電電路16以一正常充電電流I_normal 對電池進行充電，該正常充電電流I_normal 的電流值可根據該電池組10的承受能力及充電電源的提供能力而制定，例如制定為1C(利用1小時可以充飽該電池組的電流大小)、0.5C(利用2小時可以充飽該電池組的電流大小)等，該正常充電電流I_normal 在一般充電作業的過程中可維持為一固定值，如圖3所示。

S202:判斷是否有任一電池的電池電壓V大於一平衡啟動電壓V_{balance-start} ，在進行一般充電時，係持續監測電池組10中各個電池11~14的電壓狀態，以判斷是否有任一電池11~14的電池電壓V大於一平衡啟動電壓V_{balance-start} ；若電池電壓V沒有超過該平衡啟動電壓V_{balance-start} ，則維持執行步驟S102。

S203: 執行平衡作業，若有任一的電池電壓V大於該平衡啟動電壓V_{balance-start} 即啟動平衡作業。以電池14為例，假設其電池電壓V大於該平衡啟動電壓V_{balance-start} ，控制器15控制對應的開關140導通，使電池14與平衡電阻141並聯，在平衡電阻141上即會有一平衡電流I_balance 通過，該平衡電流I_balance 之值可視為是V_{balance-start} ／R，該平衡電流I_balance 的值仍維持在平衡電阻141可承受的能力內，也就是說即使該平衡電阻141所產生的熱為電池組可處理的範圍內，不會衍生額外的散熱處理問題；該控制器15亦調整充電電路16輸出的充電電流值，使得通過電池14的一平衡充電電流I_{balanace-charge} 與該平衡電流I_balance 相等，即I_balance =I_{balanace-charge} ，如圖3所示。

S204: 判斷電池電壓V是否小於一平衡結束電壓V_{balance-release} ，在進行平衡作業的過程中，會對電池持續監測其電壓狀態，當電池電壓V低於平衡結束電壓V_{balance-release} 時，即可結束對電池14的平衡作業，回復至步驟S202以持續監控電池組10，該平衡結束電壓V_{balance-release} 係設定為小於該平衡啟動電壓V_{balance-start} ；相反的，若電池電壓V未小於該平衡結束電壓V_{balance-release} ，可進入至下一步驟S205。

S205: 判斷電池電壓V是否大於或等於一停止電壓V_over ，設定該停止電壓V_over 的目的是為了防止電池過度充電而使得電壓異常增高發生危險，一旦電池電壓V高於或等於該停止電壓V_over ，將會停止電池組10的充電作業，如步驟S206。若電池電壓V經過前一步驟S204判斷為大於該平衡結束電壓V_{balance-release} ，且在步驟S205判斷為小於該停止電壓V_over ，則回復至步驟S203以繼續執行平衡作業。

S207: 判斷電池電壓V是否小於一恢復電壓V_over-release ，在中斷電池組10充電作業的過程中，可持續監測電池電壓V，當原本高於停止電壓V_over 的電池電壓V逐漸降低時，判斷該電池電壓V是否已經低於一恢復電壓V_over-release 。若已低於恢復電壓V_over-release ，則可以回復至步驟S203以繼續執行平衡作業；相反的，若未低於該恢復電壓V_over-release ，則維持步驟S206，即仍然停止電池組10的充電作業。

針對上述不同的電壓值，以應用於鋰電池作為範例說明各種參數，但下列參數只是舉例，本創作並不侷限於所列的數值。 平衡啟動電壓V_{balance-start} ＝3.5V 平衡結束電壓V_{balance-release} ＝3.4V 停止電壓V_over ＝3.9V 恢復電壓V_over-release ＝3.5V 其中，停止電壓＞平衡啟動電壓＞=平衡結束電壓。惟恢復電壓與平衡啟動電壓的大小無關。

請參考圖3所示，因為本創作將平衡電流I_balance 控制為與平衡充電電流I_{balance-charge} 相同，使進行平衡作業的電池不會快速的充飽，也因此延長了電池平衡作業的執行時間，使電池組10內各電池11~14的電壓更加趨近於相等。舉例來說，若平衡充電電流為3A(安培)，依據現有平衡方法，其平衡作業的持續時間假設為只有1/6小時，而本創作的持續時間為1小時，前者僅能累積3*(1/6)=0.5Ah的能量，而本創作相對可累積3*(6/6)=3Ah的能量。

綜上所述，本創作電池平衡方法不需要刻意提高平衡電流，因此不會額外衍生熱處理問題，在此前提之下，藉由控制平衡充電電流與平衡電流相對，可延長平衡作業的時間，避免電池組被快速充飽，令電池組中的各電池的電壓狀態更趨近於一致。

10、90‧‧‧電池組
11~14、91~94‧‧‧電池
110~140、910~940‧‧‧開關
111~141、911~941‧‧‧平衡電阻
15、95‧‧‧控制器
16‧‧‧充電電路

圖1：使用本創作電池平衡方法之充電電路的電路圖。 圖2：本創作電池平衡方法的流程圖。 圖3：採用本創作電池平衡方法的充電電流波形示意圖。 圖4：現有被動式電池平衡電路的電路圖。 圖5：採用現有被動式電池平衡的充電電流波形示意圖。

Claims (6)

1. 一種電池平衡方法，係用於控制由多個電池串聯構成之電池組，其中各電池對應連接一平衡電阻，該方法包含： 執行一般充電作業，係以一正常充電電流對該電池組進行充電； 判斷是否有任一電池之電池電壓大於一平衡啟動電壓； 若有任一電池之電池電壓大於一平衡啟動電壓，對該電池執行平衡作業，其中，該電池由一平衡充電電流充電，且該平衡充電電流相等於該電池之一平衡電流； 判斷該電池之電池電壓是否小於一平衡結束電壓，若是，則停止該電池的平衡作業。
2. 如請求項1所述之電池平衡方法，當判該電池之電池電壓未小於該平衡結束電壓，係進一步執行下列步驟： 判斷電池電壓是否大於一停止電壓，若是，則停止該電池組的充電作業；若否，則繼續執行該平衡作業。
3. 如請求項2所述之電池平衡方法，在判斷是否有任一電池之電池電壓大於該平衡啟動電壓之步驟中，若未有電池電壓大於該平衡啟動電壓，則維持執行該一般充電作業。
4. 如請求項3所述之電池保護方法，該平衡電流係指通過該電池對應連接之平衡電阻的電流。
5. 如請求項4所述之電池平衡方法，該平衡電流係小於該正常充電電流。
6. 如請求項1至5項中任一項所述之電池平衡方法，該停止電壓大於該平衡啟動電壓，該平衡啟動電壓大於或等於該平衡結束電壓。