TWI790872B - 電池管理系統以及電池管理方法 - Google Patents

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陳斌豪
江冠儒
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Abstract

本發明提出一種電池管理系統以及電池管理方法。電池管理系統包括溫度取樣電路、多個電壓量測電路、電流取樣電路以及微控制器。溫度取樣電路用以取得多個電池組的溫度參數。多個電壓量測電路用以取得多個電池組的多個開路電壓參數。電流取樣電路用以取得多個電池組的電流參數。微控制器根據多個開路電壓參數以及溫度參數取得多個電池組的多個初始荷電狀態參數，並且根據多個初始荷電狀態參數、溫度參數以及電流參數來分別計算多個電池組的多個當前電池電量。

Description

電池管理系統以及電池管理方法
本發明是有關於一種電池管理技術，且特別是有關於一種電池管理系統以及電池管理方法。
隨著能源發展的趨勢，蓄電池被廣泛地應用在各式場域應用需求中，並且如何有效地管理及保護蓄電池的使用是目前重要的研究及發展重點之一。但是，傳統的電池管理大多只針對單電池進行電量管理與保護，或只能使用特定的電池串聯或並聯的方式來監測電池，而無法針對目前常見的高壓電池組的電池應用場域進行有效的電池管理與保護作用。
對此，高壓電池組需使用多顆單體電池進行串聯，以提升電池組端電壓，以使可因應負載所需額定電壓。然而，由於單體電池之間可能因為內阻存而在微小許差異，而導致每個單體電池的端電壓並非完全相同，並且每個單體電池的容量以及內阻也可能有所差異。如此一來，由於電池組在進行充電、放電期間的電荷移動的過程中可能導致電池組內的某個單體電池的端電壓超過或低於閥值電壓，但傳統的電池管理系統無法即時或準確地判斷每個單體電池的電池狀態來進行反應，因此往往會使得電池組的安全性下降以及使用壽命減少。
本發明提供一種電池管理系統以及電池管理方法，可準確地估測出多個電池組的多個當前電池電量。
本發明的電池管理系統包括溫度取樣電路、多個電壓量測電路、電流取樣電路以及微控制器。溫度取樣電路用以取得多個電池組的溫度參數。多個電壓量測電路分別耦接多個電池組，並且用以取得多個電池組的多個開路電壓參數。電流取樣電路耦接多個電池組，並且用以取得多個電池組的電流參數。微控制器耦接多個電壓量測電路、電流取樣電路以及溫度取樣電路。微控制器根據多個開路電壓參數以及溫度參數取得多個電池組的多個初始荷電狀態參數，並且根據多個初始荷電狀態參數、溫度參數以及電流參數來分別計算多個電池組的多個當前電池電量。
本發明的電池管理方法包括以下步驟：透過溫度取樣電路取得多個電池組的溫度參數；透過多個電壓量測電路取得多個電池組的多個開路電壓參數；透過微控制器根據多個開路電壓參數以及溫度參數取得多個電池組的多個初始荷電狀態參數；透過電流取樣電路取得多個電池組的電流參數；以及透過微控制器根據多個初始荷電狀態參數、溫度參數以及多個電流參數來分別計算多個電池組的多個當前電池電量。
基於上述，本發明的電池管理系統以及電池管理方法，可隨著電池溫度變化，而準確地估測多個電池組在當前電池溫度情況下分別的初始荷電狀態，以使可精準地計算多個電池組的多個當前電池電量。並且，本發明的電池管理系統以及電池管理方法可持續更新多個電池組的多個當前電池電量，以使可有效地實現相關電池保護機制。
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。
為了使本發明之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本發明確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。
圖1為本發明的一實施例的電池管理系統的示意圖。參考圖1，電池管理系統100包括微控制器110、多個電壓量測電路120_1~120_N、溫度取樣電路130、電流取樣電路140以及保護電路150，其中N為正整數。電池管理系統100可設置在電池模組10中，並且與多個電池組200_1~200_N耦接(或稱電性連接)，以管理電池組200_1~200_N的電池狀態。在本實施例中，微控制器110耦接多個電壓量測電路120_1~120_N、溫度取樣電路130、電流取樣電路140以及保護電路150。電池管理系統100藉由電源線103電性連接在負載正極101以及電池正極201之間，並且經由電源線104電性連接在負載負極102以及電池負極202之間。並且，電池正極201與電池負極202之間可耦接多個電池組200_1~200_N。在本實施例中，電池組200_1~200_N可分別包括串聯的多個鋁離子電池(Aluminium-ion battery)，但本發明並不限於此。在一實施例中，電池組200_1~200_N可分別包括但不限於串聯的多個鋁質電容或各種以鋁材質製備的固態或液態(電解)的電容、電池或超級電容等諸如此類的鋁質儲能裝置。本發明各實施例所提出的電池管理系統以及電池管理方法可適用於各種鋁質儲能裝置。甚至，在另一實施例中，電池組200_1~200_N也可分別是以其他材料製備的蓄電池(Storage battery)或電容器(Capacitor)。
在本實施例中，電壓量測電路120_1~120_N分別耦接(一對一耦接)電池組200_1~200_N，以分別對電池組200_1~200_N進行電壓量測。溫度取樣電路130可設置或連接在鄰近電池組200_1~200_N的周圍或電池部件上，以有效地感測電池組200_1~200_N的當前電池溫度。電流取樣電路140可耦接電源線104，並且可量測電池組200_1~200_N的當前電流參數。在本實施例中，電流取樣電路140可具有雙向電流量測能力。特別是，電流取樣電路140可適應於鋁離子電池(或其他鋁質儲能裝置，例如以鋁材質製備的固態或液態(電解)的電容、電池或超級電容等)的高庫倫效率及瞬時高功率的輸出特性。保護電路150可耦接電源線103，並且微控制器110可透過控制保護電路150來決定電源線103是否導通，以控制電池組200_1~200_N是否進行充電或放電。
圖2為本發明的一實施例的電池管理方法的流程圖。參考圖1以及圖2，電池管理系統100可執行如以下步驟S210~S250，以有效地估測電池組200_1~200_N的電池電量。在步驟S210，微控制器110可透過溫度取樣電路130取得電池組200_1~200_N的溫度參數(當前溫度)。在步驟S220，微控制器110可透過電壓量測電路120_1~120_N取得這些電池組200_1~200_N的多個開路電壓(Open circuit voltage, OCV)參數(當前溫度下的開路電壓)。在步驟S230，微控制器110可根據這些開路電壓參數以及溫度參數取得這些電池組200_1~200_N的多個初始荷電狀態(State-of-Charge, SOC)參數。
請搭配參考圖3，圖3為本發明的一實施例的初始荷電狀態與開路電壓的關係示意圖。舉例來說，由於在不同電池溫度的情況下，電池組200_1~200_N的荷電狀態與開路電壓的關係可能為非線性的。電池管理系統100可預先內建有如圖3所示的這些電池組200_1~200_N在對應於不同溫度情況下的電池參數資訊(例如以查找表的形式儲存在電池管理系統100的儲存單元中)。圖3可包括對應於開路電壓與荷電狀態的關係曲線301~304，其中關係曲線301~304可例如分別對應於溫度25°C、40°C、60°C、80°C。假設微控制器110可透過溫度取樣電路130取得電池組200_1~200_N的當前溫度為40°C，並且可透過某一電壓量測電路取得某一電池組的開路電壓為1.8伏特，則微控制器110可透過圖3的關係曲線302來決定此某一電池組的初始荷電狀態為40%。換言之，微控制器110可根據電池組200_1~200_N分別的開路電壓來分別取得對應的初始荷電狀態。因此，微控制器110可根據隨著溫度變化的開路電壓參數以及溫度參數來準確地估測電池組200_1~200_N的分別的多個初始荷電狀態。
在步驟S240，微控制器110可透過電流取樣電路140取得電池組200_1~200_N的電流參數。在步驟S250，微控制器110可根據這些初始荷電狀態參數、溫度參數以及電流參數來透過庫倫積分法分別計算電池組200_1~200_N的多個當前電池電量(即當前荷電狀態)。對此，請搭配參考圖4，圖4為本發明的一實施例的荷電狀態與直流阻抗的關係示意圖。舉例來說，由於在不同電池溫度的情況下，電池組200_1~200_N的荷電狀態與直流阻抗的關係可能為非線性的。電池管理系統100可預先內建有如圖4所示的這些電池組200_1~200_N在對應於不同溫度情況下的電池參數資訊(例如以查找表的形式儲存在電池管理系統100的儲存單元中)。圖4可包括對應於直流阻抗與荷電狀態的關係曲線401~404，其中關係曲線401~404可例如分別對應於溫度25°C、40°C、60°C、80°C。假設微控制器110可透過溫度取樣電路130取得電池組200_1~200_N的當前溫度為40°C，微控制器110可根據當前溫度(40°C)以及先前取得的某一電池組的初始荷電狀態(40%)來透過圖4的關係曲線402決定此某一電池組的直流阻抗為0.0115歐姆。換言之，微控制器110可根據電池組200_1~200_N分別的初始荷電狀態來分別取得對應的直流阻抗。因此，本實施例的電池管理系統100可根據隨著溫度變化的初始荷電狀態參數以及直流阻抗來準確地估測電池組200_1~200_N的分別的多個當前電池電量(即當前的荷電狀態)。
更進一步而言，當微控制器110透過溫度取樣電路130取得下一時間點的另一溫度參數，且此另一溫度參數不同於先前時點的溫度參數時，微控制器110亦可根據對應於此另一溫度參數的另多個開路電壓參數以及另一溫度參數來更新電池組200_1~200_N的初始荷電狀態參數，並且可根據更新後的初始荷電狀態參數重新計算電池組200_1~200_N的當前電池電量。因此，本實施例的電池管理系統100可考慮溫度隨著時間變化，而即時地修正初始荷電狀態參數，以使可持續性地準確估測電池組200_1~200_N的分別的當前電池電量。
值得注意的是，本實施例的電池組200_1~200_N可預先在不同溫度情況下經由混合脈衝功率特性試驗(Hybrid Pulse Power Characterization Test, HPPC)，以透過歐姆定律的計算可以得到在特定放電深度(Depth of Discharge, DOD)下的脈衝放電內阻、脈衝充電內阻以及電池總內阻等電池放電參數，並且可利用最小平方法擬合實驗數據。接著，可將各個階段的HPPC的曲線擬合參數饋入至曲線擬合演算法後得到歐姆內阻、極化電阻電容以及開路電壓等各項電池性能數據參數。對此，本實施例可建構一套用於不同溫度下的鋁離子電池(或其他鋁質儲能裝置，例如以鋁材質製備的固態或液態(電解)的電容、電池或超級電容等)的數學狀態預測模型，並且使用矩陣估算方式估測參數結果來觀察電池的荷電狀態變化情形，藉此精準地預測電池的荷電狀態。
更進一步而言，本實施例的電池的荷電狀態估測可例如是以開路電壓法及庫倫積分法為估測基礎，並進行荷電狀態預測與修正。對此，在估測電池荷電狀態的過程中，本實施例可使用荷電狀態模型預測矩陣來估計電池的荷電狀態，並且可透過監測電池電壓、電流與溫度等，以根據電池在不同的放電溫度、電流與電壓進行荷電狀態估測。荷電狀態的狀態矩陣可使用電池的荷電狀態與電池的電位差作為預測與修正的狀態變數因子，並且此荷電狀態因子可由電池的非線性系統離散與線性化後的參數得到。因此，本實施可利用HPPC所產生的相關電池數據所建構的電池等效模型，來配合矩陣估算方法的估測過程進行電池的荷電狀態估計。
另外，前述的電池等效模型可藉由不同溫度下的電池特性來建立之，其中電池等效模型可例如是二階RC等效電路模型，但本發明並不限於此。值得注意的是，本實施例的電池等效模型的建立還可加入考量電化學的腐蝕極化反應(Electrochemical Corrosion Polarization)以及電解液濃度差異極化(Concentration Polarization)的影響。
圖5為本發明的另一實施例的電池管理系統的示意圖。參考圖5，電池管理系統500包括微控制器510、多個電壓量測電路520_1~520_N、溫度取樣電路530、電流取樣電路540、保護電路550、多個平衡電路560_1~560_N以及電壓轉換器570。電池管理系統500可設置在電池模組50中，並且與多個電池組600_1~600_N耦接(電性連接)，以管理電池組600_1~600_N的電池狀態。在本實施例中，微控制器510耦接多個電壓量測電路520_1~520_N、溫度取樣電路530、感測電阻541、保護電路550、多個平衡電路560_1~560_N以及電壓轉換器570。電池管理系統500藉由電源線503電性連接在負載正極501以及電池正極601之間，並且經由電源線504電性連接在負載負極502以及電池負極602之間。並且，電池正極601與電池負極602之間可耦接多個電池組600_1~600_N。在本實施例中，電池組600_1~600_N可分別包括串聯的多個電池C1_1~CN_M，其中N及M為正整數。電池C1_1~CN_M分別為單電池。
在本實施例中，電池管理系統500的微控制器510可採用四線式序列周邊介面(Serial Peripheral Interface, SPI)來實現與電壓量測電路520_1~520_N以及耦接至負載正極501以及負載負極502的負載裝置進行通訊，並且還可另外透過通用非同步收發傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART)與外部的電腦設備進行連接，以使外部的電腦設備可將韌體燒錄至微控制器510。並且，外部的電腦設備還可透過UART將即時的電池電量資訊輸出至人機介面，以實現電池資訊的顯示及/或記錄功能。然而，本發明的電池管理系統500可採用的通訊介面並不限於上述。在另一實施例中，電池管理系統500的內部單元之間的連線介面或對外連線介面亦可採用例如積體匯流排電路(Inter-Integrated Circuit, I2C)、控制區域網路(Controller Area Network, CAN)或其他類型的通訊介面的方式來實現之。
在本實施例中，電壓量測電路520_1~520_N分別耦接(一對一耦接)電池組600_1~600_N。電壓量測電路520_1~520_N可分別為一種類比前端(Analog front end, AFE)單元。電壓量測電路520_1~520_N可分別包括電池監測器以及訊號擷取單元，其中電壓量測電路520_1~520_N分別的訊號擷取單元可即時擷取電池組600_1~600_N的多個電壓訊號，並且可透過電池監測器監測這些電壓訊號的電壓參數，以分別判斷電池組600_1~600_N是否發生過電壓事件或低電壓事件。電壓量測電路520_1~520_N可例如分別偵測12個單體串聯電池(即M=12)。並且，電壓量測電路520_1~520_N之間可利用微型變壓器隔離並以菊鍊式連接。對此，電壓量測電路520_1~520_N可堆疊的路量可例如是10個(即N=10)。換言之，於此架構下最大管理電池數量可達120個串聯單位，並且可例如具有0至5伏特(V)的寬範圍的單體電池端的電壓量測能力。
在本實施例中，電壓量測電路520_1~520_N可分別包括SPI模組以及隔離式(iso)SPI模組，其中電壓量測電路520_1~520_N可分別透過各自的SPI模組與微控制器510連線，並且電壓量測電路520_1~520_N的彼此之間還可分別透過各自的隔離式(iso)SPI模組進行連線，以實現同步控制功能(例如電池平衡控制)。在本實施例中，電壓量測電路520_1~520_N還可分別包括記憶體暫存器(RAM register)用以儲存相關電壓感測結果或相關控制指令。在本實施例中，平衡電路560_1~560_N分別耦接(一對一地)電池組600_1~600_N。微控制器510可包括電池平衡控制模組，並且可接收電壓量測電路520_1~520_N提供的電池組600_1~600_N的電壓量測結果，來判斷是否藉由平衡電路560_1~560_N來平衡電池組600_1~600_N的電池電量。
在本實施例中，電流取樣電路540可包括感測電阻541以及取樣電路542，其中感測電阻541可串連耦接在電源線504上，以使取樣電路542可透過取樣感測電阻541上的電壓變化，而推算出流經電源線504的電流參數。然而，在另一實施例中，電流取樣電路540也可由霍爾元件來實現之。在本實施例中，微控制器510可包括SOC計數器，並且可接收取樣電路542提供的電池組600_1~600_N的電流量測結果，以計算電池組600_1~600_N的電池電量。
在本實施例中，保護電路550可包括開關電晶體551、552以及二極體553、554。開關電晶體551、552可分別為P型金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)，但本發明並不限於此。開關電晶體551的第一端耦接電池正極601以及二極體553的陰極，並且開關電晶體551的第二端耦接開關電晶體552的第一端、二極體553的陽極以及二極體554的陽極。開關電晶體552的第一端耦接二極體553的陽極以及二極體554的陽極，並且開關電晶體552的第二端耦接負載正極501以及二極體554的陰極。
在本實施例中，當電池組600_1~600_N處於正常狀態時，微控制器510可控制開關電晶體551以及開關電晶體552皆為導通狀態，以使開關電晶體551以及開關電晶體552可形成放電迴路及/或充電迴路。如此一來，電池正極601從多個電池組600_1~600_N接收的放電電流可經由開關電晶體551以及開關電晶體552提供至負載正極501，即電池組600_1~600_N可被允許放電至負載裝置。負載正極501可經由開關電晶體552以及開關電晶體552提供充電電流至電池正極601，即負載裝置可被允許對電池組600_1~600_N充電。
在本實施例中，當電池組600_1~600_N發生放電異常而處於過放電狀態時，微控制器510可控制開關電晶體551為非導通狀態，以關斷放電迴路。此時，微控制器510可控制開關電晶體552維持為導通狀態。如此一來，電池組600_1~600_N不能放電至負載裝置，但是負載裝置可被允許對電池組600_1~600_N充電。負載正極501從負載裝置接收的充電電流可經由開關電晶體552以及二極體553提供至電池正極601，以充電多個電池組600_1~600_N。直到，當電池電壓提升至低電壓復歸值後，微控制器510可控制開關電晶體551恢復為導通狀態，以使電池組600_1~600_N可重新被允許放電至負載裝置。
在本實施例中，當電池組600_1~600_N發生過度充電而處於過充電狀態時，微控制器510可控制開關電晶體552為非導通狀態，以關斷充電迴路。此時，微控制器510可控制開關電晶體551維持為導通狀態。如此一來，負載裝置不能對電池組600_1~600_N充電，但是電池組600_1~600_N可被允許放電至負載裝置。電池組600_1~600_N的放電電流可經由電池正極601、開關電晶體551以及二極體554提供至負載正極501，以進行放電。直到，當電池電壓下降至高電壓復歸值後，微控制器510可控制開關電晶體552恢復為導通狀態，以使負載裝置可重新被允許對電池組600_1~600_N充電。
在本實施例中，微控制器510可包括保護控制電路以及電晶體驅動器。電晶體驅動器可輸出兩個控制信號至開關電晶體551以及開關電晶體552分別的控制端。對此，保護控制電路可根據電壓量測電路520_1~520_N、溫度取樣電路530以及取樣電路542所分別提供的電池組600_1~600_N的電壓量測結果、溫度量測結果以及電流量測結果判斷是否發生異常事件，以透過電晶體驅動器操作開關電晶體551以及開關電晶體552來導通或關斷迴路。
在本實施例中，電壓轉換器570可為直流對直流轉換器(DC to DC converter)，以提供直流電壓轉換功能。電壓轉換器570耦接電源線503，並且可取得由電池組600_1~600_N提供的直流電壓信號。電壓轉換器570可將直流電壓信號轉換為可驅動微控制器510的電源電壓，並提供至微控制器510。此外，在另一實施例中，微控制器510還可例如包括SPI介面模組以及預充電模組。微控制器510可藉由SPI介面模組與其他功能電路以及外部的負載裝置進行連線。微控制器510可藉由預充電模組來對電池組600_1~600_N進行預充電操作。
圖6A至圖6C為本發明的另一實施例的電池管理方法的流程圖。參考圖5至圖6C，電池管理系統500可執行如以下步驟S601~S643，以實現電池管理及保護功能。值得注意的是，微控制器510可記錄有多個標記(flag)資料，以表示當前電池的操作狀態，並且可更新當前電池狀態至負載裝置。負載裝置可根據當前電池狀態來決定對電池組600_1~600_N進行相對應的操作，並且當在相對應的操作完成後，負載裝置(或微控制器510自動更新)可更新微控制器510所記錄這些標記資料。
在步驟S601，微控制器510進行系統設定初始化，以載入相關控制指令以及保護參數等。在步驟S602，微控制器510進行初始荷電狀態量測，以根據電池組600_1~600_N的分別的多個開路電壓參數取得電池組600_1~600_N的分別的多個初始荷電狀態參數。在步驟S603，微控制器510可透過溫度取樣電路530取得電池組600_1~600_N的溫度參數。在步驟S604，微控制器510可透過電壓量測電路520_1~520_N取得電池組600_1~600_N的多個電壓參數。在步驟S605，微控制器510可透過電流取樣電路540取得電池組600_1~600_N的電流參數。在步驟S606，微控制器510可透過電流取樣電路540判斷在電源線504上的電流方向，以判斷電池組600_1~600_N的當前操作狀態為充電模式、放電模式或靜置模式。在步驟S607，微控制器510可根據溫度參數、多個電壓參數以及電流參數計算電池組600_1~600_N的當前電池電量。對此，電池組600_1~600_N的當前電池電量的計算方式可參考上述圖1至圖4實施例的說明，因此不多加贅述。
在步驟S608，微控制器510可透過溫度取樣電路530判斷是否發生溫度異常。若發生溫度異常，則在步驟S609中，微控制器510可設定溫度標記為異常。在步驟S610，微控制器510可操作保護電路550，以斷開充放電迴路。在步驟S618，微控制器510可自動檢修系統，或提醒使用者手段檢修電池模組50。在步驟S611，微控制器510可發送當前電池狀態至負載裝置，以使負載裝置可根據當前電池狀態進行相應操作。接著，微控制器510可執行步驟S603，並且重新經由步驟S603~607來遞迴更新電池組600_1~600_N的當前電池電量。
若未發生溫度異常，在步驟S612，微控制器510可透過電流取樣電路540判斷是否發生過電流事件。若發生過電流事件，則在步驟S613中，微控制器510判斷電流方向。若當前電池組600_1~600_N操作在充電模式，則在步驟S614，微控制器510可設定充電標記為電流異常。在步驟S615，微控制器510可操作保護電路550，以斷開充電迴路。相對的，若當前電池組600_1~600_N操作在放電模式，則在步驟S616，微控制器510可設定放電標記為電流異常。在步驟S617，微控制器510可操作保護電路550，以斷開放電迴路。接著，控制器510可執行S618、S611、S603~S607，以遞迴更新電池組600_1~600_N的當前電池電量。
若未發生過電流事件，在步驟S619，微控制器510可透過電壓量測電路520_1~520_N判斷是否發生過電壓事件。若當前電池組600_1~600_N的至少其中之一發生過電壓事件，則在步驟S620中，微控制器510可設定充電標記為電壓異常。在步驟S621，微控制器510可操作保護電路550，以斷開充電迴路。在步驟S622，微控制器510可操作平衡電路560_1~560_N的對應的至少其中之一進行電池平衡。接著，控制器510可執行S611、S603~S607，以通知負載裝置進行相應的操作，並且遞迴更新電池組600_1~600_N的當前電池電量。
若未發生過電壓事件，在步驟S623，微控制器510可透過電壓量測電路520_1~520_N判斷是否發生低電壓事件。若當前電池組600_1~600_N的至少其中之一發生低電壓事件，則在步驟S624中，微控制器510可設定放電標記為電壓異常。在步驟S625，微控制器510可操作保護電路550，以斷開放電迴路。在步驟S626，由於電池組600_1~600_N過度放電，因此微控制器510可修正初始荷電狀態參數。接著，控制器510可執行S611、S603~S607，以通知負載裝置進行相應的操作，並且遞迴更新電池組600_1~600_N的當前電池電量。
若未發生低電壓事件，在步驟S627以及步驟S628，微控制器510可透過電壓量測電路520_1~520_N以及電流取樣電路540判斷充電是否達截止電壓及/或是否達截止電流。若充電達截止電壓以及截止電流，則在步驟S629，微控制器510可設定充電標記為完成充電。在步驟S630，微控制器510可操作保護電路550，以斷開充電迴路。接著，控制器510可執行S611、S603~S607，以通知負載裝置進行相應的操作，並且遞迴更新電池組600_1~600_N的當前電池電量。
若充電未達截止電壓或未達截止電流，在步驟S631，微控制器510可判斷電池組600_1~600_N是否靜置達預設時間長度(例如12小時)。若電池組600_1~600_N靜置達預設時間長度，在步驟S632，微控制器510可修正初始荷電狀態參數。接著，控制器510可執行S611、S603~S607，以通知負載裝置進行相應的操作，並且遞迴更新電池組600_1~600_N的當前電池電量。
若電池組600_1~600_N未靜置達預設時間長度，在步驟S633，微控制器510可透過溫度取樣電路530判斷電池組600_1~600_N的溫度是否達溫度復歸值。若電池組600_1~600_N的溫度達溫度復歸值，則微控制器510可設定溫度標記為溫度正常。在步驟S635，微控制器510可判斷電流標記是否異常。若是，則微控制器510可執行S611、S603~S607，以通知負載裝置進行相應的操作，並且遞迴更新電池組600_1~600_N的當前電池電量。若電池組600_1~600_N的溫度未達溫度復歸值，則微控制器510可執行S611、S603~S607，以通知負載裝置進行相應的操作，並且遞迴更新電池組600_1~600_N的當前電池電量。
若電流標記非為異常，則在步驟S636，微控制器510可判斷是否進行電池平衡。若電池組600_1~600_N正在進行電池平衡，則在步驟S637，微控制器510可透過電壓量測電路520_1~520_N判斷電池組600_1~600_N的電壓是否達高電壓復歸值。若電池組600_1~600_N的電壓達高電壓復歸值，則在步驟S638，微控制器510可設定充電標記為電壓正常。在步驟S639，微控制器510可結束電池平衡操作。在步驟S643，微控制器510可操作保護電路550，以復歸充電迴路(可繼續充電)。接著，微控制器510可執行S611、S603~S607，以通知負載裝置進行相應的操作，並且遞迴更新電池組600_1~600_N的當前電池電量。
若電池組600_1~600_N的電壓未達高電壓復歸值，則在步驟S640，微控制器510可透過電壓量測電路520_1~520_N判斷電池組600_1~600_N的電壓是否達低電壓復歸值。若電池組600_1~600_N的電壓達低電壓復歸值，則在步驟S641，微控制器510可設定放電標記為電壓正常。在步驟S642，微控制器510可操作保護電路550，以復歸放電迴路(可繼續放電)。若電池組600_1~600_N的電壓未達低電壓復歸值。微控制器510可執行S611、S603~S607，以通知負載裝置進行相應的操作，並且遞迴更新電池組600_1~600_N的當前電池電量。
綜上所述，本發明的電池管理系統以及電池管理方法，可即時地監控電池組的電壓參數、電流參數以及溫度參數，以實現過電壓、過電流或過溫度等保護機制。本發明的電池管理系統以及電池管理方法可考量溫度對於電池的荷電狀態的影響，而自動地更新電池組的初始荷電狀態，以使可準確地估測電池組的當前電池電量。此外，本發明的電池管理系統可實現可堆疊式的模組化設計，以適於應用於各式場景及各式蓄電池，並且本發明的電池管理系統還可實現電池平衡功能。因此，本發明的電池管理系統以及電池管理方法還可具有延長蓄電池的使用壽命的效果。
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。
10、50:電池模組
100、500:電池管理系統
101、501:負載正極
102、502:負載負極
103、104、503、504:電源線
110、510:微控制器
120_1~120_N、520_1~520_N:電壓量測電路
130、530:溫度取樣電路
140、540:電流取樣電路
150、550:保護電路
200_1~200_N、600_1~600_N:電池組
201、601:電池正極
202、602:電池負極
301~304、401~404:關係曲線
541:感測電阻
542:取樣電路
551、552:開關電晶體
553、554:二極體
560_1~560_N:平衡電路
570:電壓轉換器
C1_1~CN_M:電池
S210~S250、S601~S643:步驟
圖1為本發明的一實施例的電池管理系統的示意圖。 圖2為本發明的一實施例的電池管理方法的流程圖。 圖3為本發明的一實施例的荷電狀態與開路電壓的關係示意圖。 圖4為本發明的一實施例的荷電狀態與直流阻抗的關係示意圖。 圖5為本發明的另一實施例的電池管理系統的示意圖。 圖6A至圖6C為本發明的另一實施例的電池管理方法的流程圖。
10:電池模組
100:電池管理系統
101:負載正極
102:負載負極
103、104:電源線
110:微控制器
120_1~120_N:電壓量測電路
130:溫度取樣電路
140:電流取樣電路
150:保護電路
200_1~200_N:電池組
201:電池正極
202:電池負極

Claims (19)

  1. 一種電池管理系統，包括：一溫度取樣電路，用以取得多個電池組的一溫度參數；多個電壓量測電路，分別耦接該些電池組，並且用以取得該些電池組的多個開路電壓參數；一電流取樣電路，耦接該些電池組，並且用以取得該些電池組的一電流參數；以及一微控制器，耦接該些電壓量測電路、該電流取樣電路以及該溫度取樣電路，其中該微控制器根據該些開路電壓參數以及該溫度參數取得該些電池組的多個初始荷電狀態參數，並且根據該些初始荷電狀態參數、該溫度參數以及該電流參數來分別計算該些電池組的多個當前電池電量。
  2. 如請求項1所述的電池管理系統，其中該微控制器利用該些開路電壓參數以及該溫度參數來搜尋一電池參數表，以取得該些初始荷電狀態參數，其中該些電池組預先經由一混合脈衝功率特性試驗，以建構對應的一電池等效模型，並且該電池參數表為藉由將對應於不同溫度的多個電池模型參數輸入至該電池等效模型所建立。
  3. 如請求項1所述的電池管理系統，其中當該溫度取樣電路取得下一時間點的另一溫度參數時，該微控制器根據該些開路電壓參數以及該另一溫度參數更新該些電池組的該些初始荷電 狀態參數，並且根據更新後的該些初始荷電狀態參數重新計算該些電池組的該些當前電池電量。
  4. 如請求項1所述的電池管理系統，還包括：一保護電路，耦接該些電池組以及該微控制器，其中當該微控制器根據該溫度參數判斷該些電池組為一溫度異常狀態時，該微控制器操作該保護電路，以斷開該些電池組的充放電迴路。
  5. 如請求項4所述的電池管理系統，其中當該微控制器根據該電流參數判斷該些電池組為一過電流狀態時，該微控制器根據該電流參數判斷該些電池組為進行一充電操作或一放電操作，並且操作該保護電路，以斷開該些電池組的一充電迴路或一放電迴路。
  6. 如請求項4所述的電池管理系統，還包括：多個平衡電路，分別耦接該些電池組以及該微控制器，其中該微控制器透過該些電壓量測電路取得該些電池組的多個電壓參數，當該微控制器根據該些電壓參數判斷該些電池組的至少其中之一為一過電壓狀態時，該微控制器操作該保護電路，以斷開該些電池組的一充電迴路，並且操作該些平衡電路的對應的至少其中之一，以對該些電池組的至少其中之一進行電池平衡操作。
  7. 如請求項4所述的電池管理系統，其中該微控制器透過該些電壓量測電路取得該些電池組的多個電壓參數，當該微控 制器根據該些電壓參數判斷該些電池組的至少其中之一為一低電壓狀態時，該微控制器操作該保護電路，以斷開該些電池組的一放電迴路，並且修正對應於該些電池組的至少其中之一的該初始荷電狀態參數。
  8. 如請求項4所述的電池管理系統，其中該微控制器透過該些電壓量測電路取得該些電池組的多個當前電壓參數，並且該微控制器透過該電流取樣電路取得該些電池組的一當前電流參數，當該微控制器判斷該些當前電壓參數達一截止電壓，並且該當前電流參數達一截止電流時，該微控制器操作該保護電路，以斷開該些電池組的一充電迴路，並且修正對應於該些電池組的該些初始荷電狀態參數。
  9. 如請求項1所述的電池管理系統，其中該些電池組分別包括串聯的多個鋁離子電池。
  10. 一種電池管理方法，包括：透過一溫度取樣電路取得多個電池組的一溫度參數；透過與該些電池組耦接的多個電壓量測電路取得該些電池組的多個開路電壓參數；透過與該些電壓量測電路以及該溫度取樣電路耦接的一微控制器根據該些開路電壓參數以及該溫度參數取得該些電池組的多個初始荷電狀態參數；透過與該些電池組以及該微控制器耦接的一電流取樣電路取得該些電池組的一電流參數；以及 透過該微控制器根據該些初始荷電狀態參數、該溫度參數以及該電流參數來分別計算該些電池組的多個當前電池電量。
  11. 如請求項10所述的電池管理方法，其中取得該些電池組的該些開路電壓參數的步驟包括：透過該微控制器利用該些開路電壓參數以及該溫度參數搜尋一電池參數表，以取得該些初始荷電狀態參數，其中該些電池組預先經由一混合脈衝功率特性試驗，以建構對應的一電池等效模型，並且該電池參數表為藉由將對應於不同溫度的多個電池模型參數輸入至該電池等效模型所建立。
  12. 如請求項10所述的電池管理方法，還包括：當該溫度取樣電路取得下一時間點的另一溫度參數時，透過該微控制器根據該些開路電壓參數以及該另一溫度參數更新該些電池組的該些初始荷電狀態參數；以及透過該微控制器根據更新後的該些初始荷電狀態參數重新計算該些電池組的該些當前電池電量。
  13. 如請求項10所述的電池管理方法，還包括：當該微控制器根據該溫度參數判斷該些電池組為一溫度異常狀態時，透過該微控制器操作耦接該些電池組的一保護電路，以斷開該些電池組的充放電迴路。
  14. 如請求項13所述的電池管理方法，還包括：當該微控制器根據該電流參數判斷該些電池組為一過電流狀態時，透過該微控制器根據該電流參數判斷該些電池組為進行一 充電操作或一放電操作，並且操作該保護電路，以斷開該些電池組的一充電迴路或一放電迴路。
  15. 如請求項13所述的電池管理方法，還包括：透過該些電壓量測電路取得該些電池組的多個電壓參數；當該微控制器根據該些電壓參數判斷該些電池組的至少其中之一為一過電壓狀態時，透過該微控制器操作該保護電路，以斷開該些電池組的一充電迴路；以及透過該微控制器操作耦接該些電池組的多個平衡電路的對應的至少其中之一，以對該些電池組的至少其中之一進行電池平衡操作。
  16. 如請求項13所述的電池管理方法，還包括：透過該些電壓量測電路取得該些電池組的多個電壓參數；當該微控制器根據該些電壓參數判斷該些電池組的至少其中之一為一低電壓狀態時，透過該微控制器操作該保護電路，以斷開該些電池組的一放電迴路；以及透過該微控制器修正對應於該些電池組的至少其中之一的該初始荷電狀態參數。
  17. 如請求項13所述的電池管理方法，還包括：透過該些電壓量測電路取得該些電池組的多個電壓參數；透過該電流取樣電路取得該些電池組的一當前電流參數；當該微控制器判斷該些當前電壓參數達一截止電壓，並且該當前電流參數達一截止電流時，透過該微控制器操作該保護電 路，以斷開該些電池組的一充電迴路；以及透過該微控制器修正對應於該些電池組的該些初始荷電狀態參數。
  18. 如請求項10所述的電池管理方法，還包括：當該微控制器判斷該些電池組靜置達一預設時間長度時，透過該微控制器修正對應於該些電池組的該些初始荷電狀態參數，該預設時間長度為12小時。
  19. 如請求項10所述的電池管理方法，其中該些電池組分別包括串聯的多個鋁離子電池。
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