TWI600253B - 電池的功率輸出的管理裝置及管理方法 - Google Patents

Description

電池的功率輸出的管理裝置及管理方法

本發明是有關於一種電池的功率輸出的管理裝置及管理方法，且特別是有關於一種適應性調整輸出功率的電池的功率輸出的管理裝置及管理方法。

在現今的技術領域中，一般的鋰電池管理系統會以開路電壓作為電池初始容量的估測依據。然而依據電池電化學特性，電池容量衰退的狀態是很難獲知的。在習知技術領域中，可針對電池形成多次的充放電循環後，並做一次開路電壓曲線的偵測。並透過開路電壓曲線來進行電池初始容量估測。這個估測結果，常會因為電池容量衰減而造成電池容量的估測誤差。

為了解決上述的估測誤差的問題，習知技術採用電池自檢（battery learning）的方法，透過比較電池充電放電安培小時（安時，AH）差值，來推算容量衰退。並應用在電池使用一段時間後，對電池進行自檢，以修正殘存容量大小。而在習知技術中，當電池執行自檢動作時，系統需要配合自檢動作而停機，進而降低系統的工作效益。

本發明提供一種電池管理裝置以及電池功率輸出的管理方法，以有效控制電池的功率輸出效益。

本發明的電池的功率輸出的管理方法包括：啟動電源輸出模式，並在電源輸出模式下藉由放電電路使電池對負載執行放電動作；在放電動作被執行的期間，計算放電電路的輸出功率；比較輸出功率與目標功率以產生比較結果；以及，並依據比較結果使放電電路依據單位補償量逐步調整輸出功率。

本發明的電池管理裝置包括電池、放電電路以及控制器。放電電路耦接電池，並耦接至直流匯流排，直流匯流排耦接至負載，放電電路並在電源輸出模式下使電池對該負載執行放電動作。控制器耦接放電電路，控制器在放電動作被執行的期間，計算放電電路的輸出功率，比較輸出功率與目標功率以產生比較結果，並依據比較結果使放電電路依據一單位補償量逐步調整輸出功率。

基於上述，本發明藉由在放電動作時對放電電路的輸出功率進行逐步調整的動作，使放電電路的輸出功率可符合系統的需求。如此一來，本發明實施例中的直流匯流排可在不需要均流電路的條件下，同時接收電池所提供的電源以及外接的另一直流電源，並相互備援，提升電源供應的穩定性。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的電池的功率輸出的管理方法的流程圖。在步驟S110中，啟動電池的電源輸出模式，並在電源輸出模式下藉由放電電路使電池對負載執行放電動作。並且，在步驟S120中，在上述放電動作被執行的期間，計算放電電路的輸出功率。接著，步驟S130比較所計算的輸出功率與目標功率，並藉以產生比較結果，然後，在步驟S140中依據步驟S130所產生的比較結果使放電電路依據一單位補償量來逐步調整輸出功率。

細節上來說明，本發明的電池的功率輸出的管理方法中，在進入電源輸出模式前，可先判斷電池的儲存電量是否大於一第一預設値，並判斷此時電池是否正處於放電狀態，若偵測出電池的儲存電量大於第一預設値且此時電池並非處於放電狀態時，可以進入電源輸出模式。相對地，若電池的儲存電量未大於第一預設値及/或電池正處於放電狀態時，將無法進入電源輸出模式。

附帶一提的，電源輸出模式可以是針對電池所進行的自我檢測模式，也可以是驅使電池進行的正常供電模式。另外，第一預設値可以是電池總儲電量的98%。

在另一方面，在步驟S120中，當放電動作被執行的期間，放電電路所產生的輸出電壓以及輸出電流可以被取樣，而透過針對輸出電壓以及輸出電流執行運算，則可獲得放電電路所提供的輸出功率（約等於電池此時的輸出功率）。

步驟S120中所獲得的輸出功率，在步驟S130中與所設定的目標功率進行比較，並計算輸出功率以及目標功率的差值。依據所計算出的輸出功率以及目標功率的差值，單位補償量可以被設定。其中，單位補償量可以與輸出功率以及目標功率的差值成正比。例如，若輸出功率以及目標功率的差值為100瓦，單位補償量可以被設定為50瓦，而若輸出功率以及目標功率的差值為50瓦，單位補償量可以被設定為15瓦。

另外，目標功率也不一定是固定值。目標功率可以依據負載的需求動態的進行調整。

步驟S140中則當上述的差値大於一臨界差值時，針對放電電路進行輸出功率的調整。其中，本發明實施例中的輸出功率的調整動作並非一次到位的補償動作。本發明實施例可依據單位補償量來逐步的調高或調低輸出功率，並藉此降低漣波狀況的發生。並且，可以依據差值的大小來設定單位補償量，其中當差值較大時，所設定單位補償量較大，而當差值較小時，所設定單位補償量較小。如此一來，輸出功率的調整速度也可以被兼顧。

附帶一提的，輸出功率的調整方式可以利用數位的方式來進行。請同時參照圖1以及圖2A，其中圖2A繪示本發明一實施例的輸出功率的調整方式的示意圖。在本實施例中，放電電路的輸出功率可以依據一個脈寬調變信號PWM1進行控制。其中，脈寬調變信號PWM1可被輸入至濾波器210。濾波器210則對應脈寬調變信號PWM1產生參考電壓Vref。透過將參考電壓Vref傳送至放電電路，可使放電電路依據參考電壓Vref的電壓高低來調整輸出功率的大小。

當要針對放電電路的輸出功率進行逐步的調整時，可依據所設定的單位補償量來增加或減少脈寬調變信號PWM1單位時間中的脈波數量。依據圖2B繪示的脈波數量與參考電壓Vref的關係圖可以得知，當脈寬調變信號PWM1單位時間中的脈波數量被調高時，參考電壓Vref的電壓值可以對應被調高，同時，放電電路的輸出功率可以依據上升參考電壓Vref而被調高。相對的，當脈寬調變信號PWM1單位時間中的脈波數量被調低時，參考電壓Vref的電壓值可以對應被調低，同時，放電電路的輸出功率可以依據上升參考電壓Vref而被調低。

上述實施例的電源輸出模式可以為電池的自我檢測模式。對此請參照圖3繪示的本發明實施例的電池的自我檢測模式的流程圖。其中，在自我檢測動作開始後，步驟S310可偵測電池目前是否可以滿足自我檢測的條件。其中，步驟S310可偵測電池的儲存電量是否大於第一預設値，且此時電池是否處於放電狀態。若檢測的結果表示電池的儲存電量大於第一預設値且電池並非處於放電狀態時，表示電池目前滿足自我檢測的條件，並可執行步驟S330。相對的，若電池的儲存電量不大於第一預設値及/或電池正處於放電狀態時，表示電池不滿足自我檢測的條件，並執行步驟S320以表示自檢失敗。

接著，步驟S330執行對電池進行放電的動作。其中，透過放電電路來使電池對負載進行放電，並同時取樣放電電路於此時產生的輸出電壓以及輸出電流。步驟S340則針對輸出電壓以及輸出電流進行計算，並獲得輸出功率。再依據輸出功率進行補償量的調整動作。在此，補償量可以為前述實施例的單位補償量，且單位補償量的大小可以依據輸出功率與目標功率的差值來進行調整。

步驟S340則依據補償量來調整脈寬調變信號，再針對脈寬調變信號進行濾波以產生參考電壓。依據補償量來調整脈寬調變信號的動作可以是依據補償量來針對脈寬調變信號單位時間中的脈波述進行增加或減少的動作。針對脈寬調變信號所進行的濾波動作則可以利用低通濾波器來完成。

接著，在步驟S370使參考電壓被傳送至放電電路，並使放電電路依據參考電壓的改變來調整輸出功率的大小。

步驟S380判斷電池的放電量是否足夠，其中，步驟S380可判斷電池的儲存電量是否小於一第二預設値來判斷出電池的放電量是否足夠。其中，第二預設値可以是電池的總儲存電量的30%-40%。

當步驟S380判斷出電池的儲存電量小於第二預設値時，表示電池的放電量已足夠，並可結束自檢動作（步驟S390）。另外，當步驟S380判斷出電池的儲存電量不小於第二預設値時，表示電池的放電量未足夠，則重複執行步驟S340並持續進行電池的放電動作。

值得一提的，當存在另一電源供應器提供電源至負載時，在當電池進行自檢動作的過程，電池與另一電源供應器可以共同或交互的提供電源以供應負載以進行工作。也就是說負載在電池進行自檢動作的過程並不需要停機，仍可以維持正常的運作。

以下請參照圖4，圖4繪示本發明一實施例的電池管理裝置的示意圖。電池管理裝置410耦接至電池BAT以及負載420。電池管理裝置410包括放電電路411以及由核心電路412以及濾波器413所構成的控制器。放電電路411耦接至負載420，並耦接至濾波器413。核心電路412則耦接在濾波器413以及負載420間。

在本實施例中，核心電路412包括運算器4121、補償量調整器4122、限制器4123以及信號產生器4124。在電源輸出模式下，核心電路412透過放電電路411的輸出端取樣輸出電壓SV以及輸出電流SI。運算器4121接收輸出電壓SV以及輸出電流SI並進行計算，以計算出輸出功率，並計算出輸出功率與目標功率的比較結果。補償量調整器4122則接收比較結果，並依據比較結果來進行單位補償量的調整動作。補償量調整器4122調整獲得的單位補償量可傳送至限制器4123。限制器4123可使單位補償量調整後的值不至於過大或過小而可被限制在一定的範圍內，並將限制後的單位補償量輸出至信號產生器4124。信號產生器4124用以產生脈寬調變信號PWM1，其中，信號產生器4124依據限制器4123的輸出來控制脈寬調變信號PWM1單位時間中的脈波數。

脈寬調變信號PWM1被傳送至濾波器413，濾波器413則針對脈寬調變信號PWM1進行濾波動作並藉以產生參考電壓Vref。

在本實施例中，運算器4121、補償量調整器4122、限制器4123以及信號產生器4124可以利用硬體電路來建構，或也可以透過處理器執行軟體來完成。在硬體實施方面，舉例來說明，運算器4121可以包括乘法器（使輸出電壓SV與輸出電流SI相乘），補償量調整器4122可以利用減法器計算輸出功率與目標功率的差值，再透過內建查找表以依據差值查找出補償量。限制器4123可透過比較器來建構，而信號產生器4124可產生三角波與限制器4123的輸出相比較來產生脈寬調變信號PWM1。

當然，上述運算器4121、補償量調整器4122、限制器4123以及信號產生器4124的硬體實施方式僅只是範例，並不用以限制本發明的範疇。

在另一方面，在本實施例中，放電電路411可以為直流-直流電壓轉換器，並包括驅動及控制器4111。驅動及控制器4111接收參考電壓Vref，並依據參考電壓Vref來產生控制信號以控制直流-直流電壓轉換器中的電晶體開關的動作，並藉以控制放電電路411的輸出功率。

以下請參照圖5，圖5繪示依據本發明實施例的電池管理裝置建構的電源供應系統的示意圖。電源供應系統500包括電池BAT、電源管理裝置510以及電源供應器520。電源供應器520以及電源管理裝置510共同耦接至直流匯流排DC_BUS，並提供電源至負載530。其中，電源供應器520可接收交流電源VAC（例如市電），並針對交流電源VAC進行交流-直流電壓轉換動作以產生直流電源，並將所產生的直流電源提供至直流匯流排DC_BUS。

在另一方面，電源管理裝置510包括控制器511、放電電路512以及充電電路513。控制器511、放電電路512以及充電電路513均耦接至電池，而控制器511、放電電路512以及充電電路513並共同耦接至直流匯流排DC_BUS。

在本實施例中，放電電路512可接收電池提供的直流電源，並進行直流-直流電壓轉換動作，並將轉換後的直流電源提供至直流匯流排DC_BUS。如此一來，電源供應器520以及電源管理裝置510以並聯的方式，並可同時或分時的提供電源至負載530。關於電源供應系統500的電源供應細節，可參考圖6A-圖6C繪示的本發明實施例的電源供應系統的波形圖。在圖6A~圖6C的實施例中，負載530所需要的輸出功率是固定的。

在時間點t1以前，電源供應器520正常供電，並提供穩定的輸出電壓V1（例如12.5V）至負載530。同時，電源管理裝置510提供相對低的輸出電壓V2（例如12.3V）至負載530。可以得知，此時的負載530所需要的電源主要由電源供應器520所提供，電源供應器520提供非零的輸出電流I1，電源管理裝置510則提供為零的輸出電流I2。

接著，在時間點t1時，電源管理裝置510啟動電源輸出模式（自檢模式），並使輸出的電壓V2提升至例如12.8V（大於電壓V1），並使電池BAT在時間點t1開始進行放電動作。並且，在時間點t1至時間點t2間，由於電壓V2大於電壓V1，因此，此時間負載530所需要的電源主要由電池BAT所提供。因此，電源供應器520提供零的輸出電流I1，電源管理裝置510則提供非零的輸出電流I2。

在時間點t2，電源管理裝置510使電池BAT進行定功率放電模式。並且，在時間點t2至時間點t3間，電源管理裝置510啟動輸出功率的補償動作，調節輸出功率以追隨目標功率。在本實施例中，輸出功率大於目標功率，因此，電源管理裝置510的輸出功率的補償動作調低輸出電流I2的值以調低輸出功率。同時，電源供應器520所提供輸出電流I1上升以補足電源管理裝置510所調低的電池的輸出功率。

在時間點t3至時間點t4間，電池BAT的輸出功率被調整至等於目標功率，因此，電池BAT以及電源供應器520所產生的輸出功率維持定值。而在時間點t4時，電池BAT的放電動作完成，電源管理裝置510停止使電池BAT繼續放電，負載530所需的電源由電源供應器520來供應。

當然，本發明實施例中的負載所需要的輸出功率並不限定於固定且不可變的狀態。在實際的應用中，負載所需要的輸出功率可以隨時間或是環境溫度來調整。

綜上所述，本發明提供的電池管理裝置及功率輸出的管理方法可使電池在進行放電動作中，同步對負載進行供電。也就是說，在電池執行自檢模式下，負載可以不用停機且可持續維持運作，提升生產效能。並且，本發明透過針對輸出功率進行逐步補償的動作，可有效減低輸出功率調整時所產生的漣波，維持電源輸出的品質。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

S110~S140‧‧‧功率輸出的管理步驟
PWM1‧‧‧脈寬調變信號
210‧‧‧濾波器
Vref‧‧‧參考電壓
S310~S390‧‧‧自我檢測的步驟
410‧‧‧電池管理裝置
BAT‧‧‧電池
420‧‧‧負載
411‧‧‧放電電路
412‧‧‧核心電路
413‧‧‧濾波器
4121‧‧‧運算器
4122‧‧‧補償量調整器
4123‧‧‧限制器
4124‧‧‧信號產生器
SV‧‧‧輸出電壓
SI‧‧‧輸出電流
500‧‧‧電源供應系統
510‧‧‧電源管理裝置
520‧‧‧電源供應器
DC_BUS‧‧‧直流匯流排
VAC‧‧‧交流電源
511‧‧‧控制器
512‧‧‧放電電路512
513‧‧‧充電電路
t1~t4‧‧‧時間點
V1、V2‧‧‧輸出電壓
I1、I2‧‧‧輸出電流

圖1繪示本發明一實施例的電池的功率輸出的管理方法的流程圖。 圖2A繪示本發明一實施例的輸出功率的調整方式的示意圖。 圖2B繪示脈波數量與參考電壓的關係圖。 圖3繪示的本發明實施例的電池的自我檢測模式的流程圖。 圖4繪示本發明一實施例的電池管理裝置的示意圖。 圖5繪示依據本發明實施例的電池管理裝置建構的電源供應系統的示意圖。 圖6A-圖6C繪示本發明實施例的電源供應系統的波形圖。

S110~S140‧‧‧功率輸出的管理步驟

Claims (18)

1. 一種電池的功率輸出的管理方法，包括： 啟動一電源輸出模式，並在該電源輸出模式下藉由一放電電路使該電池對一負載執行一放電動作； 在該放電動作被執行的期間，計算該放電電路的一輸出功率； 比較該輸出功率與一目標功率以產生一比較結果；以及 依據該比較結果使該放電電路依據一單位補償量逐步調整該輸出功率。
2. 如申請專利範圍第1項所述的功率輸出的管理方法，其中啟動該電源輸出模式前更包括：     判斷該電池的儲存電量是否大於一第一預設値，並判斷該電池是否處於放電狀態；以及     若該電池的儲存電量大於該第一預設値且該電池非處於放電狀態時，啟動該電源輸出模式。
3. 如申請專利範圍第2項所述的功率輸出的管理方法，其中更包括：     在該電源輸出模式下，判斷該電池的儲存電量是否小於一第二預設値，並在該電池的儲存電量小於該第二預設値時，結束該電源輸出模式。
4. 如申請專利範圍第1項所述的功率輸出的管理方法，其中在該放電動作被執行的期間，計算該放電電路的該輸出功率的步驟包括：     取樣該放電電路的一輸出電壓以及一輸出電流；以及     依據該輸出電壓以及該輸出電流來計算出該放電電路的該輸出功率。
5. 如申請專利範圍第1項所述的功率輸出的管理方法，其中比較該輸出功率與該目標功率以產生該比較結果；並依據該比較結果使該放電電路依據該單位補償量逐步調整該輸出功率的步驟包括：     計算該輸出功率與該目標功率的一差値；     依據該差值設定該單位補償量；     當該差値大於一臨界差值時，使該輸出功率逐步增加或減少一個該單位補償量；以及     當該差値不大於該臨界差值時，停止該輸出功率的調整動作。
6. 如申請專利範圍第5項所述的功率輸出的管理方法，其中啟動該電源輸出模式，並在該電源輸出模式下藉由該放電電路使該電池對該負載執行該放電動作的步驟包括：     依據一脈寬調變信號以產生一參考電壓；以及     依據該參考電壓使該放電電路執行該放電動作，     其中，該放電動作使該放電電路所產生的該輸出功率與該脈寬調變信號的單位時間的脈波數成正比。
7. 如申請專利範圍第6項所述的功率輸出的管理方法，其中當該差値大於該臨界差值時，使該輸出功率逐步增加或減少一個該單位補償量的步驟包括：     當該差値大於該臨界差值時，提升或減少該脈寬調變信號的單位時間的脈波數一單位預設值。
8. 一種電池管理裝置，包括：     一放電電路，耦接一電池，並耦接至一直流匯流排，該直流匯流排耦接至一負載，該放電電路並在一電源輸出模式下使該電池對該負載執行一放電動作；以及     一控制器，耦接該放電電路，該控制器在該放電動作被執行的期間，計算該放電電路的一輸出功率，比較該輸出功率與一目標功率以產生一比較結果，並依據該比較結果使該放電電路依據一單位補償量逐步調整該輸出功率。
9. 如申請專利範圍第8項所述的電池管理裝置，其中該控制器判斷該電池的儲存電量是否大於一第一預設値，並判斷該電池是否處於放電狀態，並在當該電池的儲存電量大於該第一預設値且該電池非處於放電狀態時，啟動該電源輸出模式。
10. 如申請專利範圍第9項所述的電池管理裝置，其中該控制器在該電源輸出模式下，判斷該電池的儲存電量是否小於一第二預設値，並在該電池的儲存電量小於該第二預設値時，結束該電源輸出模式。
11. 如申請專利範圍第8項所述的電池管理裝置，其中該控制器在該放電動作被執行的期間，取樣該放電電路的一輸出電壓以及一輸出電流，並依據該輸出電壓以及該輸出電流來計算出該放電電路的該輸出功率。
12. 如申請專利範圍第8項所述的電池管理裝置，其中該控制器計算該輸出功率與該目標功率的一差値，並依據該差值設定該單位補償量，當該差値大於一臨界差值時，該控制器使該輸出功率逐步增加或減少一個該單位補償量，以及當該差値不大於該臨界差值時，停止該輸出功率的調整動作。
13. 如申請專利範圍第12項所述的電池管理裝置，其中該控制器依據一脈寬調變信號以產生一參考電壓，並依據該參考電壓使該放電電路執行該放電動作，其中，該放電動作使該放電電路所產生的該輸出功率與該脈寬調變信號的單位時間的脈波數成正比。
14. 如申請專利範圍第13項所述的電池管理裝置，其中該控制器針對該脈寬調變信號以產生該參考電壓。
15. 如申請專利範圍第13項所述的電池管理裝置，其中該控制器在當該差値大於該臨界差值時，提升或減少該脈寬調變信號的單位時間的脈波數一單位預設值。
16. 如申請專利範圍第13項所述的電池管理裝置，其中該控制器包括：     一核心電路，在該放電動作被執行的期間，計算該放電電路的該輸出功率，比較該輸出功率與該目標功率以產生該比較結果，並依據該比較結果調整該脈寬調變信號；以及     一濾波器，耦接該核心電路及該放電電路，針對該脈寬調變信號進行濾波以產生該參考電壓。
17. 如申請專利範圍第16項所述的電池管理裝置，其中該核心電路包括：     一運算器，依據該輸出電壓以及該輸出電流以計算出該輸出功率，並計算出該比較結果；     一補償量調整器，耦接該運算器，依據該比較結果來進行該單位補償量的調整動作；     一限制器，耦接該補償量調整器，限制該單位補償量的值在一範圍中；以及     一信號產生器，耦接該限制器，依據該單位補償量調整該脈寬調變信號。
18. 如申請專利範圍第8項所述的電池管理裝置，更包括：     一充電電路，耦接該電池，並耦接至該直流匯流排，用以對該電池進行充電。