TWI723319B

TWI723319B - 電池電量平衡補償系統

Info

Publication number: TWI723319B
Application number: TW108101147A
Authority: TW
Inventors: 劉志鵬; 翁林輪; 徐一民
Original assignee: 協同能源科技股份有限公司
Priority date: 2019-01-11
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2021-04-01
Also published as: TW202027369A

Abstract

一種電池電量平衡補償系統，其包含一電池組，包含複數個電芯；複數個電池選擇開關，每一電芯對應每一電池選擇開關；一電壓量測單元電連接該電池組，用以量測電芯的電量；一處理器，電連接電壓量測單元與些電池選擇開關；一電量補償模組，電連接該處理器，該處理器確認該些電芯的電量後，控制使電量補償模組透過電池選擇開關分別對指定之該些電芯進行電量補償，電量補償模組包含一電流選擇開關，由複數個調整單元所組成，藉由該些調整單元調整該電量補償模組輸入指定的該電芯的電流大小。

Description

電池電量平衡補償系統

本發明係有關於一種電池電量平衡補償系統，特別是有關於一種可以平衡補償電池組中每一電芯電量的電池電量平衡補償系統。

隨著科技的進步，鋰電芯生產與研究獲得非常大的突破，因為鋰電芯擁有放電電壓穩定、自放電率低、工作溫度範圍寬、無記憶效應、儲存壽命長、重量輕與體積小等特點，已逐漸替代了傳統的鎳鎘電芯或鉛酸蓄電芯。

隨著鋰電芯的應用越來越廣泛，電芯的管理變成各種設備中一種非常重要的技術。由於在鋰電芯內部，其化學反應非常複雜，在不斷完善電芯自身性能的同時，也對電芯的管理技術及使用進行不斷的研究，以增加電芯使用壽命，提高電芯效率，最大地發揮電芯性能。

電池管理系統(Battery Management System，BMS)，是對電池組中電芯的電量進行平衡管理的系統，其具有量測電芯電壓的功能，防止或避免電芯過放電、過充電、過溫度等異常狀況出現。它涉及微電腦技術及檢測等技術，能促使電芯處在最佳工作狀態，降低運行成本，提高使用壽命。

然而，一般的主動平衡電池管理系統在做電量平衡時，往往無法考慮到每一顆電芯的電量狀態，提供最合適的平衡電流，進而達到保護電芯與延長使用壽命的目的，換句話說，由於平衡電流無法針對不同電量狀態(或是不同性質的電芯)、不同電壓高低的電芯的特性進行調整，因此，很可能會因為平衡電流過大而損害電芯，或平衡電流過小而延緩達到電池平衡的目的。

電池組內電芯的電量不平衡的因素很多，例如包含自放電的狀況，有些電芯自放電較多，有些電芯自放電較少。電芯自放電較少，電壓較高，充電時會比較快充飽；電芯自放電較多，電壓較低，充電時間慢飽。

再者，以往使用外部電源或電池組電源，都會以固定的電壓/電流對電芯進行充電(電量平衡)，欲充電的電芯與輸入的電源電壓容易有過大的電壓差，導致有過大的電流注入，大電流輸入也容易把開關(Switch)損壞(晶片(IC)燒壞)。

因此，需要針對上述的問題，設計一種新穎的電池管理系統，可以針對電芯老化的問題進行管理，針對單一電芯給予匹配的電流，除了可避免將開關燒壞，也可以延長電池組整體的使用壽命。

本發明的目的在揭示一種電池電量平衡補償系統，以針對不同電壓高低的電芯進行電量補償，達到電池全域平衡的目的。

根據上述的目的，本發明提供一種電池電量平衡補償系統，包含：一電池組，包含複數個電芯；複數個電池選擇開關，每一電芯對應每一電池選擇開關；一電壓量測單元電連接電池組，用以估測電芯的電量；一處理器電連接電壓量測單元與該些電池選擇開關；一電量補償模組，電連接處理器，該處理器確認各電芯的電量後，控制使電量補償模組透過電池選擇開關分別對指定之電芯進行電量補償，電量補償模組包含一電流選擇開關，由複數個調整單元所組成，藉由該些調整單元調整該電量補償模組輸入指定的該電芯的電流大小。

所述之電池電量平衡補償系統，其中每一調整單元包含一限流電阻與一開關。

所述之電池電量平衡補償系統，其中，包含一物理計量單元，用以獲得每一電芯之一內阻值

所述之電池電量平衡補償系統，其中處理器係依據電芯之電壓的大小，控制電流選擇開關切換調整單元，用以針對特定的電芯輸入匹配的電量或電流。

所述之電池電量平衡補償系統，其中處理器切換每一調整單元的該平衡開關，以提供一平衡電流。

所述之電池電量平衡補償系統，其中平衡電流的計算公式為：I_BAL=(V_DC-V_BAT)/(R_SEL+R_GEAR)，其中該V_DC為電量補償模組的電源電壓，V_BAT為一平衡電池的電壓值，R_SEL為該平衡開關的電阻值，R_GEAR為該電流選擇開關的電阻。

所述之電池電量平衡補償系統，其中電量補償模組包含一電源轉換元件，且電連接於一電源供應模組。

所述之電池電量平衡補償系統，其中電源轉換元件係將電源供應模組之輸入電壓調整成一匹配該電量補償模組之輸出電流。

所述之電池電量平衡補償系統，其中電源供應模組系來自一外部電源或來自電池組本身。

所述之電池電量平衡補償系統，其中物理計量單元可為一電流計。

據此，本發明透過計算一平衡電流，調整流經平衡開關的電流，避免平衡開關燒毀。並且，透過電流選擇開關的啟動與關閉，可以控制輸入到指定電芯的電流大小。

承上所述，本發明之電池電量平衡補償系統係為一種主動式能源管理系統，可藉由自身的電池組或者外部電源，針對每一顆電芯進行電量的平衡、補償以及管理，使得電池組每一顆電芯可以將其自身的電量發揮到最大效能。同時，透過電壓量測單元將量測到每顆電芯的電壓值傳送至處理器，使處理器控制電流選擇開關中每個平衡開關的開啟與關閉，進而調整該電流選擇開關，以便於針對需要充電的指定電芯給予相匹配的電流，達到平衡電池組每一顆電芯電量的目的。

10:電池電量平衡補償系統

101:電池組

102:電池選擇開關

103:電壓量測單元

104:處理器

105:電量補償模組

106:電流選擇開關

107:電芯

108:調整單元

109:限流電阻

110:平衡開關

111:外部電源

112:電源轉換元件

113:物理計量單元

114:電源供應模組

第1圖為本發明之電池電量平衡補償系統的方塊圖。

第2圖為本發明之電池電量平衡補償系統的方塊圖。

第3圖為本發明之電池電量平衡補償系統的電路圖。

以下將詳述本發明之實施例，其細節亦呈現於相關之圖式，不同圖式中相同之編號或標記表示相同之元件或概念。本發明實施例之說明將配合相關之圖式進行。

圖1為本發明之電池電量平衡補償系統的方塊圖，圖2為本發明之電池電量平衡補償系統的電路圖，圖3為本發明之電池電量平衡補償系統之另一實施例的方塊圖。如圖1與圖2所示，本發明的電池電量平衡補償系統10包含一電池組101、複數個電池選擇開關102、一電壓量測單元103、一處理器104、一電量補償模組105、一電流選擇開關106以及一電源供應模組114。

該電池組101包含複數個電芯107，每個電芯107分別對應一個電池選擇開關102，電芯107較佳為二次電芯，該二次電芯可以是鋰電芯或鎳電芯等，在此並不侷限，且二次電芯為串聯連接。

電壓量測單元103電連接電池組101，用以量測每個電芯107的電量。處理器104電連接電壓量測單元103與複數個電池選擇開關102，電量補償模組105電連接處理器104與電池選擇開關102，處理器104在確認每個電芯107的電量後，控制使電量補償模組105透過電池選擇開關102對指定的電芯107進行電量補償。

要特別說明的是，本發明所提出的電量補償模組105包含一電流選擇開關106，其係由複數個調整單元108所組成，藉由複數個調整單元108調整電量補償模組105輸入指定的電芯107的電流大小。其中，每一調整單元108包含一限流電阻109與一平衡開關110，每個限流電阻109的電阻值可以相同或不同，於本發明之一實施例中，限流電阻109的電阻值可以為零，但在此並不侷限。調整單元108便是透過限流電阻109與平衡開關110調整電量補償模組105輸入每個電芯107的電流大小，藉此，可以針對不同健康程度的電芯107，給予最適合的電流，避免電芯107因不適合或不相匹配的電流而加速老化的程度，以延長整個電池組101的使用壽命。

而在不同實施例中，更包含一物理計量單元113，用以獲得每一個電芯107之一內阻值，特別是做定電流充放電或靜置的時候，物理計量單元113可以透過電池選擇開關102量測每顆電池芯107電流值，進而計算每顆電芯107的內阻值，以瞭解每顆電芯107的老化程度或健康狀態。其中，物理計量單元113可以使用一電流計來量測每個電芯107的內阻值，但並不侷限，如圖3所示，可以透過處理器104利用電壓、電流以及功率的資訊，計算得出電芯107的內阻值。特別要說明的是，本發明所提出的電池電量平衡補償系統10藉由此物理計量單元113獲取每一個電芯107的內阻值，可以即時瞭解每個電芯107的健康狀況，特別是應用在電池管理系統中，藉由此物理計量單元113可以進一步監測每個電芯107的健康狀況，據此，電池管理系統可以發出需更換特定電芯107的警示訊息，進一步保護整個電池組101的整體使用壽命。

據此，處理器104係依據各電芯107之電量狀態或電壓大小，控制電流選擇開關106切換調整單元108而使電量補償模組105輸入特定某個電芯107的電流控制在一相匹配的範圍內，藉此配合每個電芯107的不同內阻值皆可經過調整單元108而給予相匹配的電流，以達到全域的平衡的目的。換句話說，透過電流選擇開關106選擇不同電流去做平衡，可適應性的調整輸出電流。

在本發明的實施例中，處理器104可以透過切換每個調整單元108的平衡開關110，計算一平衡電流。其中，平衡電流的計算公式為：I_BAL=(V_DC- V_BAT)/(R_SEL+R_GEAR)，其中V_DC為電量補償模組105的電壓，V_BAT為一平衡電池的電壓值，在一較佳實施例中，平衡電池的電壓值V_BAT便是來自電源供應模組114所提供的一平衡電池的電壓值，R_SEL為電池選擇開關102的電阻值，R_GEAR為電流選擇開關106的電阻值。

另外，在本發明的一實施例中，電量補償模組105包含一電源轉換元件112，且電連接於一電源供應模組114。其中該電源轉換元件112係用以將電源供應模組114之輸入電壓調整成一匹配電量補償模組105之輸出電流。而要特別說明的是，本發明所提出的電池電量平衡補償系統10，藉由電源轉換元件112可將電源供應模組114的輸入電壓調整成一匹配電量補償模組105的輸出電流，因此，電源供應模組114可以來自一外部電源111，或者是來自自身的電池組101的電源皆可。若是來自自身的電池組101作為電源供應模組114的供電來源，則可以使整個電池組101主動地調節本身的每個電芯107的電量之間的均衡，降低各電芯107之間的電量差異。

舉例來說，若電池組101包括三顆電芯107，分別為電芯A、電芯B及電芯C，其目前剩餘電量分別為原有飽和狀態的50%(電芯A)、60%(電芯B)及70%(電芯C)，則藉由本發明之電池電量平衡補償系統10可將電芯A、電芯B及電芯C的電量平衡，使得電芯A、電芯B及電芯C的電量皆為60%。在電池組101中，每個電芯107的電壓有高有低，處理器104會選擇電壓最低的電芯107開始進行電量平衡的工作，藉由電量補償模組105知道該電芯107的電量平衡後，處理器104就會對下一顆電芯107進行平衡的工作。

綜上所述，本發明之電池電量平衡補償系統係為一種主動式能源管理系統，可藉由自身的電池組或者外部電源作為一電源供應模組，針對每一顆電芯進行電量的平衡、補償以及管理，使得電池組每一顆電芯可以將其自身的電量發揮到最大效能。同時，透過量測到每顆電芯的電流值傳送至處理器內計算每顆電芯的內阻值，該處理器控制該電流選擇開關中每個平衡開關的開啟與關閉以提供一適當的平衡電流，以便於針對需要充電的電芯進行電量補償，達到平衡電池組每一顆電芯電量的目的。

傳統的電池電量平衡補償系統沒有電流選擇開關，使用範圍會受到限制，舉例來說，電池組的電壓只能在3.6V~4V之間調整，而本發明的電池電量平衡補償系統可透過平衡開關實現全域的電池組平衡。所謂全域電池組的平衡是說，當電池組的電壓太低的時候，可能瞬間流過太大的電流，會燒毀平衡電路中的開關元件，這時候可以切換平衡開關，調整平衡電流大小，讓電池組的使用範圍擴充到3V~4V，且因限制電池的平衡電流，過低的電芯電壓(電壓差大)也不會因為電流過大而導致電芯燒毀或損壞平衡電路中的開關元件。

以上該僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本發明的技術人員，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。