TWI403073B

TWI403073B - 串並聯電池之平衡電量之方法

Info

Publication number: TWI403073B
Application number: TW99129594A
Authority: TW
Inventors: Chun Liang Lin; Shun Pin Hsu; Jen Ya Wu
Original assignee: Nat Univ Chung Hsing
Priority date: 2010-09-02
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2013-07-21
Also published as: TW201212473A

Description

串並聯電池之平衡電量之方法

本發明係有關一種串並聯電池之平衡電量之方法，特別是指一種限定在不連續導通模式之串並聯電池之平衡電量之方法，其兼具可適用於串聯、並聯及串並聯之電池中，與多顆電池中若有部份壞掉仍可正常運作之優點及功效。

近年來電動車或油電混合車等領域都需要較高且穩定的電壓輸出，實務上必須以多顆電池透過適當的串並聯來達成。當多顆電池使用一段時間後，由於每一顆電池的製造廠商不同或是內部條件不同，而不會輸出相同的電壓與電量，因此，必須要解決多顆電池間之不平衡電量(imbalanced state-of-charge(SOC))之問題。

傳統上可以利用電池串接升壓器(boost converter)來解決，其中每顆電池串接一個升壓器，使得較大電壓之電池供應較大的放電電流，而這種平衡電量的方法分為連續導通模式(CCM)跟不連續導通模式(DCM)。

有關先前技術的平衡電量方法之連續導通模式(CCM)：如第十三圖所示，平均輸出電壓V _oi 與平均輸入電壓V _Bi (電池的電壓)的關係為根據能量守恆，I _oi =(1-d _i )I _Bi ；各個電源模組的平均輸出電流I _oi 等於平均負載電流I _out ；I _oi =I _out ；因此可藉由調整各模組的d _i 改變電池的放電程度，達到平衡放電的目的，d _i 越大，則電池平均放電電流I _Bi 越大。

有關先前技術的平衡電量方法之不連續導通模式(DCM)：由公式(a)及(b)可看出，各模組驅動訊號的導通率d _i 相同時，電池電壓越大，則d _i '越小，電池平均放電電流I _Bi 越大。

然而，傳統之平衡電量之方法，只能用在串聯之電池組，而無法應用在並聯之電池。

因此，有必要研發新方法，以解決上述缺點及問題。

本發明之目的在於提供一種串並聯電池之平衡電量之方法，其兼具可適用於串聯、並聯及串並聯之電池中，與多顆電池中若有部份壞掉仍可正常運作之優點及功效，用以解決習知技術只能用在串聯之電池組及多顆電池中若有部份壞掉即無法正常運作等問題。

本發明解決上述問題之技術手段係提供一種串並聯電池之平衡電量之方法，其包括下列步驟：[a]確定參數步驟：在一串並聯電池組中，其具有mxn個電池B _mn ，其分別具有之電壓V _ij 及電流I _ij ，其中之i=1~m，j=1~n；又，m代表並聯之數量，n代表串聯之數量；即時讀入每一電池B _mn 之電壓V _Bij 及電流I _Bij ；先輸入一介於0~1間之切換導通率D _sw 及一預設之週期T _s 與一預設之輸出額定電流I _out 、輸出額定電壓V _out 、電路之總效率η ；[b]計算出電感值L步驟：利用下列公式：代入預設之輸出電流I _out 、預設之週期T _s 與切換導通率D _sw ，即可計算出每一電池之電感值L；[c]計算出開關的導通率D步驟：利用下列公式：分別代入電感值L、輸出額定電流I _out 、輸出額定電壓V _out 、電路之總效率η 、預設之週期T _s 、各電池之電壓V _ij ，即可計算出開關的導通率D；[d]輸出穩定電壓步驟：該開關的導通率D即控制所有電池之導通，進而使得該串並聯電池組產生一穩定之輸出電壓；同時，由於電壓與電流成正比關係，當各電池之電壓高低不一時，利用較高電壓之電池提供大能量輸出且較低電壓之電池提供較小能量輸出的原理，使各電池逐漸達到電量平衡之效果。

本發明之上述目的與優點，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。

茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：

如第一圖所示，本發明係為一種串並聯電池之平衡電量之方法，其包括下列步驟：[a]確定參數步驟11(可以先確定V _out 、I _out 、η 、T _S 的參數)：請參閱第二圖，在一串並聯電池組中，其具有mxn個電池B _mn ，其分別具有之電壓V _ij 及電流I _ij ，其中之i=1~m，j=1~n；又，m代表並聯之數量，n代表串聯之數量；即時讀入每一電池B _mn 之電壓V _Bij 及電流I _Bij ；先輸入一介於0~1間之切換導通率D _sw (switching duty ratio，切換導通率D _sw 範圍為D _sw
min ~D _sw
max ，其中D _sw
min 與D _sw
max 分別為使用者所設計之最小開關之導通率與最大開關之導通率)及一預設之週期T _s 與一預設之輸出額定電流I _out 、輸出額定電壓V _out 、電路之總效率η ；[b]計算出電感值L步驟12：利用下列公式(1)：代入預設之輸出電流I _out 、預設之週期T _s 與切換導通率D _sw ，即可計算出每一電池之電感值L；(V _Bi 要代入串並聯電池組中電池之最小電壓(若每顆電池規格都相同時，最小電壓為電池之截止電壓)，每個電池之電感值L是相同的)；[c]計算出開關的導通率D步驟13：利用下列公式(2)：分別代入電感值L、輸出額定電流I _out 、輸出額定電壓V _out 、電路之總效率η 、預設之週期T _s 、各電池之電壓V _ij (此時V _ij 為即時量測之電壓)，即可計算出開關的導通率D；[d]輸出穩定電壓步驟14：該開關的導通率D即控制所有電池之導通，而使得該串並聯電池組產生一穩定之輸出電壓；同時，由於電壓與電流成正比關係，當各電池之電壓高低不一時，利用較高電壓之電池提供大能量輸出且較低電壓之電池提供較小能量輸出的原理，使各電池逐漸達到電量平衡之效果。

而本發明直流轉換器操作在不連續導通模式(DCM)，電池之平均放電電流運算公式如下：當每個開關之導通率相同時，由電池之平均放電電流運算公式可看出電壓和電流為成正比，藉此可推導出以下方程式：V _B1 ：V _B2 ： ........：V _Bn =I _B1 ：I _B2 ： ........：I _Bn ；本發明所使用的電量平衡方法是讓電壓與電流成正比關係，使得較高電壓之電池提供較多的能量給輸出。另外，本發明可依照不同系統之需求達到一個穩定之輸出，以下的推導可表示開關之導通率D 與輸出之關係：ηP _I =P _O ；η(V _B11 I _B11 +..........+V _Bmn I _Bmn ) =V _out I _out ；其中，P _I ：輸入功率；P _O ：額定輸出功率；I _Bij ：各個電池之平均放電電流；V _Bij ：各個電池之電壓；首先，請參閱第三圖，此是九顆電池實驗之架構，其為第1、2、3顆電池並聯、第4、5、6顆電池並聯、第7、8、9顆電池並聯，而前述三組在串聯，其中，在新的電池剛開始使用時，第1~9顆電池之電壓分別為：V _B11 =12V,V _B12 =12V,V _B13 =12V，V _B21 =12V,V _B22 =12V,V _B23 =12V，V _B31 =12V,V _B32 =12V,V _B33 =12V；又，預設之週期T _S =20μs，電路之總效率η =89%，V _out =100V,I _out =0.5A，設切換導通率D _sw 範圍為0.25~0.75(在0.75或0.25時D _sw (1-D _sw )最小)，電池電壓V _Bi 範圍是10~12V，所以最小電壓為10V，經由公式(1)可先算出L =35uH，再經由公式(2)可以算出導通率D(duty ratio)=39%；，以35μH 代入而由實驗得知的輸出電壓如第四A圖所示(而第四B圖係為各個電池之放電電流，且放電電流皆相同)，由目測可得知其實測之輸出電壓值約為100.4V至100.5V之區間中波動，換算得知其誤差約介於0.4%~0.5%。

其次，當使用一段時間後，有的電池的電壓下降較多，有些下降較少，甚至有些是上下小幅波動。同樣的串並聯架構不變，其中第1、2、3顆電池並聯、第4、5、6顆電池並聯、第7、8、9顆電池並聯，而前述三組在串聯，其中第1~9顆之電壓分別為：V _B11 =11.8V,V _B12 =11.7V,V _B13 =11.6V,V _B21 =11.5V,V _B22 =11.4V,V _B23 =11.3V,V _B31 =11.2V,V _B32 =11.1V,V _B33 =11V；同樣的，預設之週期T _S =20μs，電路之總效率η =89%，V _out =100V,I _out =0.5A，經由公式(1)可先算出L =35uH，再經由公式(2)可以算出導通率D(duty ratio)=41%。

所量得之輸出電壓如第五A圖所示(而第五B圖係為各個電池之放電電流；可看出電壓和電流是成正比關係，此時具有平衡電量之功能)，由目測可得知其實測之輸出電壓值約為100.25V至100.3V之區間中波動，換算得知其誤差約介於0.25%~0.3%。

再經過一段使用時間後，每顆電池之實際輸出電壓又再改變，分別為：V _B11 =11.9V,V _B12 =11.5V,V _B13 =11.3V,V _B21 =11.1V,V _B22 =10.8V,V _B23 =10.6V,V _B31 =10.4V,V _B32 =10.2V,V _B33 =10V；同樣的，預設之週期T _S =20μs，電路之總效率η =89%，V _out =100V,I _out =0.5A，經由公式(1)可先算出L =35uH，再經由公式(2)可以算出導通率D(duty ratio)=43%。

所量得之輸出電壓如第六A圖所示(而第六B圖係為各個電池之放電電流，可看出電壓和電流是成正比關係)，由目測可得知其實測之輸出電壓值約為100.27V至100.33V之區間中波動，換算得知其誤差約介於0.27%~0.33%。

當然，本發明也可適用於不同型式之串並聯狀態，請參閱本發明之另一實驗，其架構係與第三圖相同，但其中之三顆電池不工作，計算公式(1)時此三顆電池不列入考慮，並且將三顆電池導通率D設為零(V _B21 、V _B31 、V _B32 導通率D設為零)，而其它六顆電池工作，電壓係分別為：V _B11 =12V,V _B12 =12V,V _B13 =12V,V _B22 =12V,V _B23 =12V,V _B33 =12V；預設之週期T _S =20μs，電路之總效率η =87%，V _out =100V,I _out =0.5A，經由公式(1)可先算出L =35uH，再經由公式(2)可以算出導通率D(duty ratio)=48.2%，而輸出電壓係如第七A圖所示(而第七B圖係為各個電池之放電電流，可看出不工作之電池放電電流趨近於零，也就是不工作之電池為睡眠狀態而不供電)，由目測可得知其實測之輸出電壓值約為100.21V至100.29V之區間中波動，換算得知其誤差約介於0.21%~0.29%。

其次，當使用一段時間後，有的電池的電壓下降較多，有些下降較少，甚至有些是上下小幅波動。同樣的串並聯架構不變，工作之六顆電池之電壓分別為：V _B11 =11.8V,V _B12 =11.7V,V _B13 =11.6V,V _B22 =11.5V,V _B23 =11.4V,V _B33 =11.3V；同樣的，預設之週期T _S =20μs，電路之總效率η =87%，V _out =100V,I _out =0.5A，經由公式(1)可先算出L =35uH，再經由公式(2)可以算出導通率D(duty ratio)=50.1%。

所量得之輸出電壓如第八A圖所示(而第八B圖係為各個電池之放電電流，可看出電壓和電流是成正比關係，而不工作之電池為睡眠狀態不進行供電)，由目測可得知其實測之輸出電壓值約為100.21V至100.29V之區間中波動，換算得知其誤差約介於0.21%~0.29%。

再經過一段使用時間後，每顆電池之實際輸出電壓又再改變，分別為：V _B11 =11.9V,V _B12 =11.5V,V _B13 =11.3V,V _B22 =11.1V,V _B23 =10.8V,V _B33 =10.6V；同樣的，預設之週期T _S =20μs，電路之總效率η =87%，V _out =100V,I _out =0.5A，經由公式(1)可先算出L =35uH，再經由公式(2)可以算出導通率D(duty ratio)=51.7%。

所量得之輸出電壓如第九A圖所示(而第九B圖係為各個電池之放電電流，可看出電壓和電流是成正比關係，而不工作之電池為睡眠狀態不進行供電)，由目測可得知其實測之輸出電壓值約為100.36V至100.41V之區間中波動，換算得知其誤差約介於0.36%~0.41%。

另外，本發明也可利用三顆電池並聯進行實驗，其電路架構係如第十圖所示，其電壓分別為：V _B11 =12V,V _B12 =12V,V _B13 =12V；預設之週期T _S =20μs，電路之總效率η =90.5%，V _out =50V,I _out =0.5A，經由公式(1)可先算出L =35uH，再經由公式(2)可以算出導通率D(duty ratio)=47.3%，而輸出電壓係如第十一A圖所示(而第十一B圖係為各個電池之放電電流)，由目測可得知其實測之輸出電壓值約為50.059V至50.086V之區間中波動，換算得知其誤差約介於0.059%~0.086%。

其次，當使用一段時間後，有的電池的電壓下降較多，有些下降較少，甚至有些是上下小幅波動。同樣的並聯架構不變，工作之三顆電池之電壓分別為：V _B11 =11.6V,V _B12 =11.7V,V _B13 =11.8V，同樣的，預設之週期T _S =20μs，電路之總效率η =90.5%，V _out =50V,I _out =0.5A，經由公式(1)可先算出L =35uH，再經由公式(2)可以算出導通率D(duty ratio)=48.5%。

所量得之輸出電壓如第十二A圖所示(而第十二B圖係為各個電池之放電電流，可看出電壓和電流是成正比關係)，由目測可得知其實測之輸出電壓值約為50.025V至50.052V之區間中波動，換算得知其誤差約介於0.025%~0.052%。

綜上所述，本發明之優點及功效可歸納為：

[1]可適用於串聯、並聯及串並聯之電池中。傳統之平衡電量之方法，只能用在串聯之電池組，而無法應用在並聯之電池。然而，本發明不論在串並聯、單純之串聯或單純之並聯均可適用。

[2]多顆電池中若有部份壞掉仍可正常運作。一旦多顆電池中若有部份電池損壞，即損壞的電池電壓與電量均下降很多或至降至零，本發明仍可透過計算而提高其他正常電池之輸出電壓與電量，而達到維持預定的輸出電壓與電量，對於工業上之應用而言(例如電動車、油電混合車等)，非常有幫助。

以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。

由以上詳細說明，可使熟知本項技藝者明瞭本發明的確可達成前述目的，實已符合專利法之規定，爰提出發明專利申請。

11‧‧‧確定參數步驟

12‧‧‧計算出電感值L步驟

13‧‧‧計算出開關的導通率D步驟

14‧‧‧輸出穩定電壓步驟

B ₁₁ 、B ₁₂ 、B ₁₃ 、B ₂₁ 、B ₂₂ 、B ₂₃ 、B ₃₁ 、B ₃₂ 、B ₃₃ 、B _mn ‧‧‧均代表電池

第一圖係本發明之方法之流程圖

第二圖係本發明之串並聯狀態之架構之電路圖

第三圖係本發明之第一種串並聯電池組之電路圖

第四A圖係本發明之第一種之串並聯電池組在初始狀態之電壓輸出示意圖

第四B圖係本發明之第一種之串並聯電池組在初始狀態之各個電池放電電流之示意圖

第五A圖係本發明之第一種之串並聯電池組在使用一段時間後之電壓輸出示意圖

第五B圖係本發明之第一種之串並聯電池組在使用一段時間後之各個電池放電電流之示意圖

第六A圖係本發明之第一種之串並聯電池組又再使用一段時間後之電壓輸出示意圖

第六B圖係本發明之第一種之串並聯電池組又再使用一段時間後之各個電池放電電流之示意圖

第七A圖係本發明之第二種之串並聯電池組在初始狀態之電壓輸出示意圖

第七B圖係本發明之第二種之串並聯電池組在初始狀態之各個電池放電電流之示意圖

第八A圖係本發明之第二種之串並聯電池組在使用一段時間後之電壓輸出示意圖

第八B圖係本發明之第二種之串並聯電池組在使用一段時間後之各個電池放電電流之示意圖

第九A圖係本發明之第二種之串並聯電池組又再使用一段時間後之電壓輸出示意圖

第九B圖係本發明之第二種之串並聯電池組又再使用一段時間後之各個電池放電電流之示意圖

第十圖係本發明之並聯電池組之電路圖

第十一A圖係本發明之並聯電池組在初始狀態之電壓輸出示意圖

第十一B圖係本發發明之並聯電池組在初始狀態之各個電池放電電流之示意圖

第十二A圖係本發明之並聯電池組在再使用一段時間後之電壓輸出示意圖

第十二B圖係本發明之並聯電池組在再使用一段時間後之各個電池放電電流之示意圖

第十三圖係先前技術的平衡電量方法之架構的示意圖

11‧‧‧確定參數步驟

12‧‧‧計算出電感值L步驟

13‧‧‧計算出開關的導通率D步驟

14‧‧‧輸出穩定電壓步驟

Claims

一種串並聯電池之平衡電量之方法，其包括下列步驟：[a]確定參數步驟：在一串並聯電池組中，其具有mxn個電池B _mn ，其分別具有之電壓V _ij 及電流I _ij ，其中之i=1~m，j=1~n；又，m代表並聯之數量，n代表串聯之數量；即時讀入每一電池B _mn 之電壓V _Bij 及電流I _Bij ；先輸入一介於0~1間之切換導通率D _sw 及一預設之週期T _s 與一預設之輸出額定電流I _out 、輸出額定電壓V _out 、電路之總效率η ；[b]計算出電感值L：利用下列公式：代入預設之輸出電流I _out 、預設之週期T _s 與切換導通率D _sw ，即可計算出每一電池之電感值L；[c]計算出開關的導通率D：利用下列公式：分別代入電感值L、輸出額定電流I _out 、輸出額定電壓V _out 、電路之總效率η 、預設之週期T _s 、各電池之電壓V _ij ，即可計算出開關的導通率D；[d]輸出穩定電壓步驟：該開關的導通率D即控制所有電池之導通，進而使得該串並聯電池組產生一穩定之輸出電壓；同時，由於電壓與電流成正比關係，當各電池之電壓高低不一時，利用較高電壓之電池提供大能量輸出且較低電壓之電池提供較小能量輸出的原理，使各電池逐漸達到電量平衡之效果。
如申請專利範圍第1項所述之串並聯電池之平衡電量之方法，其中，該切換導通率D _sw 係介於0.25~0.75之間。