TWM505115U - 電動機車之鉛酸電池的平衡電路結構 - Google Patents
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Description
本創作係有關於一種電動機車的應用領域，特別是指一種電動機車之鉛酸電池的平衡電路結構。
鉛酸電池係因為低成本而被廣泛地使用。由於鉛酸電池的特性，若是不正確地使用，將大大地縮短使用壽命，請參考Zhi-Fu Zhang,Power “Application of TL494 in the Sealed lead-acid Battery Charger”Journal of Qinghai University,Vol.23 No.4(2005/08)以及CUI Junbo,Zhang Yong,Wang Jingxing,”Study on the Power Battery of the Electric Vehicle”,New technology & Newprocess,U463.23.(2010/11)。個別的電池組所使用的材料會有所不同，請參考Ned Mohan,Tore M.Undeland and William P.Robbins,“1998 Power Electronics：Coverters,Applications and Design”,2nd,John Wiley & Sons Inc。根據環境狀況，每一電池的充電狀態是不同的。有許多鉛酸電池是使用在最近的再生能源儲存系統(renewable energy storage system)及電動機車中，請參考B.C.Keoun,“Designing an electric vehicle conversion”Southcon/95 Conference Record pp.303-308.7-9 March 1955以及G.L.Plett,”High-performance battery-pack power estimation using a dynamic cell model”.Vehicular technology.IEEE Transaction on vol.53.Issue 5.pp.1586-1593.Sept.2004。因此，電池保護的課題係漸漸地重要起來。
因為其可能縮短壽命，所以串接的鉛酸電池並沒有足夠的過高(over high)或過低(under low)電壓。因此，電壓會太高，且低電壓保護已變成一重要問題。
早期使用消耗能量的方法以使各自電池電壓達到相同狀
態，但卻會造成不需要的能量消耗。有使用能量轉換以達到電池間的平衡，請參考Shun-Pin Hsu,Jen-Ya Wu,Chun-Liang Lin,“Balancing Charge/Discharge Management for Series/Parallel Battery Packs”,IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications(ICIEA)2012 7th。此科技稱為主動平衡(acive balancing)。主動平衡係區分為兩個類型。一種是串接電池之間的能量平衡轉換電路，此方法中，係使得電池間的電壓可以相互補足，以降低能量消耗之不需要的損失。另一種係使用一外部控制電路來控制電池平衡(cell reach equilibrium)。具有較高電容值得電池係在放電程序中提供更多的電流並在充電程序中接收較少的電流。
對於如電動機車之高功率產品而言，提供所需電壓之串接電池係相當普遍。對於電動機車而言，48V係為四個12V的鉛酸電池串接所得。在鉛酸電池之多次的充電與放電之後，其電壓通常會變成不平衡。若沒有適當的保護，係可能造成鉛酸電池過度放電而提早損壞。因此，鉛酸電池模組係需要一簡單的平衡電路，以改善電池壽命，並避免過電壓(over-voltage)或低電壓(under-voltage)的情況發生。
有鑑於此，本創作人乃針對習知技術之缺點而加以改良，經多年從事於此一行業之經驗，於是創作出本創作。
本創作係提供一種電動機車之鉛酸電池的平衡電路結構，鉛酸電池模組連接一簡單的平衡電路，以改善電池壽命，並避免過電壓(over-voltage)或低電壓(under-voltage)的情況發生，且用以改善鉛酸電池所遭遇到之問題的平衡電路係可改善鉛酸電池的安全性及使用壽命。
因此，本創作的目的係在於解決上述問題而提供一種電動機車之鉛酸電池的平衡電路結構，包括至少二鉛酸電池組，其中：各該鉛酸電池組之間的一電性連接點係串接一主RLC電路，該主RLC電路係再分別串接一第一控制電路以及一第二控制電路，該第一控制電路係再與其中一鉛酸電池組電性連接形成一第一主迴路，該第二控制電路係再與另一鉛酸電池組電性連接形成一第二主迴路。
在某些實施例中，各該鉛酸電池組係包括有相互電性連接的
一第一鉛酸電池及一第二鉛酸電池，該第一鉛酸電池與該第二鉛酸電池之間的一電性連接點係串接有一副RLC電路，該副RLC電路再分別串接一第三控制電路以及一第四控制電路，該第三控制電路係再與該第一鉛酸電池電性連接而形成一第一副迴路，該第四控制電路係再與該第二鉛酸電池電性連接形成一第二副迴路。
在某些實施例中，該第一控制電路、該第二控制電路、該第三控制電路及該第四控制電路係為一二極體及一控制開關並聯所形成。
在某些實施例中，該控制開關係為MOSFET。
在某些實施例中，該主RLC電路以係為一電阻R與一電容C串聯形成一RC電路，該RC電路再與一電感L並聯所形成。
本創作上述之目的及優點，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。
當然，本創作在某些另件上，或另件之安排上容許有所不同，但所選用之實施例，則於本說明書中，予以詳細說明，並於附圖中展示其構造。
100‧‧‧平衡電路結構
BA‧‧‧鉛酸電池組
BB‧‧‧鉛酸電池組
B1~B4‧‧‧鉛酸電池
C‧‧‧電容
C1~C3‧‧‧電容
D1~D6‧‧‧二極體
Q1~Q6‧‧‧控制開關
L‧‧‧電感
L1~L3‧‧‧電感
Loop1‧‧‧第一主迴路
Loop11‧‧‧第一副迴路
Loop12‧‧‧第二副迴路
Loop2‧‧‧第二主迴路
Loop21‧‧‧第一副迴路
Loop22‧‧‧第二副迴路
P1~P3‧‧‧電性連接點
R‧‧‧電阻
R1~R3‧‧‧電阻
VB1~VB4‧‧‧電壓
第1圖係表示本創作電動機車之鉛酸電池的平衡電路結構具有兩組鉛酸電池組的電路示意圖。
第2圖係表示第1圖中電池B4對電感L1充電的示意圖。
第3圖係表示第1圖中電感L1對電池B3充電的示意圖。
第4圖係表示第1圖中電池B3對電感L1充電的示意圖。
第5圖係表示第1圖中電感L1對電池B4充電的示意圖。
第6圖係表示第1圖中電池B2對電感L2充電的示意圖。
第7圖係表示第1圖中電感L2對電池B1充電的示意圖。
第8圖係表示第1圖中電池B1對電感L2充電的示意圖。
第9圖係表示第1圖中電感L2對電池B2充電的示意圖。
第10圖係表示第1圖中電池B1、B2對電感L3充電的示意圖。
第11圖係表示第1圖中電感L3對電池B3、B4充電的示意
圖。
第12圖係表示第1圖中電池B3、B4對電感L3充電的示意圖。
第13圖係表示第1圖中電感L3對電池B1、B2充電的示意圖。
第14圖係表示本創作電動機車之鉛酸電池的平衡電路結構中單一組平衡電路架構示意圖。
第15圖係表示第14圖中電池B2對電感L充電的電路示意圖。
第16圖係表示第14圖中電感L充電電路迴路分析法示意圖。
第17圖係表示第14圖中電感L對電池B1充電的電路示意圖。
第18圖係表示第14圖中電感L對電池充電電路迴路分析法示意圖。
第19圖係表示第14圖中各參數間的波形對應圖。
第20圖係表示第14圖中考慮電池內組之等效電路之一。
第21圖係表示第14圖中考慮電池內組之等效電路之二。
第22圖係表示第1圖中外圈之電池(B3+B4)與(B1+B2)迴路之波形。
第23圖係表示第1圖中內圈電池(B1+B2)迴路之波形。
關於本創作藉以達到上述目的之技術手段，茲以下列實施型態配合圖示於下文作詳細說明，俾令 鈞上深入瞭解並認同之。
本創作的平衡電路結構100係如第1圖所示，在四個鉛酸電池B1、B2、B3、B4(其電壓相對應為VB1、VB2、VB3、VB4)中，包括有相對應負責鉛酸電池B1與B2之平衡的控制開關Q1與Q2、相對應負責鉛酸電池B3與B4之平衡的控制開關Q3與Q4、以及相對應負責鉛酸電池組BA(即B1+B2)與鉛酸電池組BB(即B3+B4)之平衡的控制開關Q5及Q6。使用電感
充電及放電的原理，係可達到能量轉換的功效。每兩個控制開關係負責相對應的兩個鉛酸電池組(battery pack)。
亦即，各鉛酸電池組BA(即B1+B2)、BB(即B3+B4)之間的一電性連接點P1係串接一主RLC電路(R3/L3/C3)，主RLC電路(R3/L3/C3)係再分別串接一第一控制電路(D5/Q5)以及一第二控制電路(D6/Q6)，第一控制電路(D5/Q5)係再與其中一鉛酸電池組BA(B1+B2)電性連接形成一第一主迴路Loop1，第二控制電路(D6/Q6)係再與另一鉛酸電池組BB(即B3+B4)電性連接形成一第二主迴路Loop2。
各鉛酸電池組BA(即B1+B2)、BB(即B3+B4)係包括有相互電性連接的一第一鉛酸電池(B1或B3)及一第二鉛酸電池(B2或B4)，第一鉛酸電池(B1或B3)與第二鉛酸電池(B2或B4)之間的一電性連接點P2或P3係串接有一副RLC電路(R1/L1/C1或R2/L2/C2)，副RLC電路(R1/L1/C1或R2/L2/C2)再分別串接一第三控制電路(D1/Q1或D3/Q3)以及一第四控制電路(D2/Q2或D4/Q4)，第三控制電路(D1/Q1或D3/Q3)係再與第一鉛酸電池(B1或B3)電性連接形成一第一副迴路Loop11或Loop21，第四控制電路(D2/Q2或D4/Q4)係再與第二鉛酸電池(B2或B4)電性連接形成一第二副迴路Loop12或Loop22。
其中，主RLC電路係為一電阻R3與一電容C3串聯形成一RC電路，所述的RC電路再與一電感L3並聯所形成，而副RLC電路係為一電阻R1(或R2)與一電容C1(或C2)串聯形成一RC電路，所述的RC電路再與一電感L1(或L2)並聯所形成；且第一控制電路、第二控制電路、第三控制電路及第四控制電路係為一二極體(D1~D6)及一控制開關(Q1~Q6)並聯所形成，而所述的控制開關(Q1~Q6)係可為N-MOSFET，但並不以此為限。
本創作係以4顆電池、6顆N-MOSFET、3組電感所組成；利用電感充放電的原理達到傳遞能量的效果；而每組平衡之電容C、電阻R目的在於將電感L上之震盪消除所需。
控制開關(Q1~Q6)取決於個電池電壓(B1~B4)的大小，以下說明各種狀態下相對應之開關所運作之情形。
狀態1：當VB4>VB3，開關Q1導通，此時電池B4往電感L1充電，如第2圖所示；當開關Q1截止時，電感L1儲存之能量往電池B3
充電，如第3圖所示，即完成能量轉移。
狀態2：當VB3>VB4，開關Q3導通，此時電池B3往電感L1充電，如第4圖所示；當開關Q3截止時，電感L1儲存之能量往電池B4充電，如第5圖所示，完成能量轉移。
狀態3：當VB1>VB2，開關Q4導通，此時電池B1往電感L2充電，如第6圖所示；當開關Q4截止時，電感L2儲存之能量往電池B2充電，如第7圖所示，完成能量轉移。
狀態4：當VB2>VB1，開關Q2導通，此時電池B2往電感L2充電，如第8圖所示；當開關Q2截止時，電感L1儲存之能量往電池B1充電，如第9圖所示，完成能量轉移。
狀態5：當(VB2+VB1)>(VB3+VB4)，開關Q6導通，此時電池B1及B2之總電壓(VB2+VB1)往電感L3充電，如第10圖所示；當開關Q6截止時，電感L3儲存之能量往電池B3及B4充電，如第11圖所示，完成能量轉移。
狀態6：當(VB3+vB4)>(VB2+VB1)，開關Q5導通，此時電池B3及B4之總電壓(VB2+VB1)往電感L3充電，如第12圖所示；當開關Q5截止時，電感L3儲存之能量往電池B1及B2充電，如第13圖所示，完成能量轉移。
請參考第14圖至第16圖所示，其中，第14圖係表示本創作電動機車之鉛酸電池的平衡電路結構中單一組平衡電路架構示意圖；第15圖係表示第14圖中電池B2對電感L充電的電路示意圖；第16圖係表示第14圖中電感L充電電路迴路分析法示意圖。
步驟S1：當控制開關Q1(如P-MOSFET)導通，二極體D1亦導通，具有高電壓VB2之電池B2將能量充電至電感L，在此情況下，電池B2開始放電，其中以i1(t)表示電池B2對電感L放電之電流，直到下一個狀態到來。
利用第16圖迴路電流分析法可得電路方程式：
式(3-1)利用Cramer’s rule得解(3-2)。
其中：
E為電池電壓，可以發現到電容C、電阻R並不會影響充電週期之電感電流i11，因此：E=V B2 式(3-4)。
此時電感電壓：
經過移項：
開關閉合期間電感電流：其中，V BS 為對電感充電之該電池電壓。
請參考第17圖及第18圖所示，其中，第17圖係表示第14圖中電感L對電池B1充電的電路示意圖；第18圖係表示第14圖中電感L對電池充電電路迴路分析法示意圖。
步驟S2：當控制開關Q1(如P-MOSFET)斷開時，電池B2停止對電感L放電，充電後的電感L會隨著下臂開關Q2(如N-MOSFET)的二極體D2對電池B1進行充電，完成簡單的能量轉移；其中，電感電流I L 之斜率為VB1/L，呈現線性上升。
充電後的電感電壓對VB2充電可以得到如第17圖及第18圖所示的電路圖。
此時電路可以等效成第18圖所示，因此列出電路方程式：
其中：E=V B1 式(3-12)；i 11=i L (STEP2) 式(3-13)；
步驟S3：然而，當電感L能量放至為零，直到當二極體D1及D2無法導通時，電容C、電阻R便將那微小的能量耗散掉，等待下次導通再次儲存能量；相關動作流程如第19圖所示。
第20圖係表示第14圖中考慮電池內組之等效電路之一。第21圖係表示第14圖中考慮電池內組之等效電路之二。
如第20圖及第21圖所示，充電週期內考慮電池內阻(internal resistance)Rin及等效電壓(equilibrium potential)E，然而，在式(3-1)及式(3-3)中可以得知充電週期R、C並不會影響電感電流，因此在這只考慮到對電感L充電情況，藉上述之放電情況一可得知電感電壓與電池之關係：
將i1(t)將t=0代入，可得i1(t)方程式為：
i1(t)之平均電流：
由前面公式(3-3)可以得到電池每週期之放電時間dT S ，放電電流斜率為VB/L，故平均充電電流IB為：
考慮內組的情況下，可以在尚未接上電池前，便可先預估平均電流。
請參考第22圖所示，通道1為MOSFET(Q)之VGS電壓波形，當VGS導通期間，高電壓之電池組對電感充電，電感電流(通道2)呈現線性上升的狀態；通道3則為電感電壓波形；當VGS截止，電感電流對電壓較低之電池串進行充電，此時電感電流程線線性下降。
請再參考第23圖所示，通道1為MOSFET(Q)之VGS電壓波形，當VGS導通期間，高電壓VB2之電池組對電感充電，電感電流(通道2)呈現線性上升的狀態；通道3則為電感電壓波形；當VGS截止，電感電流對電壓較低之電池串進行充電，此時電感電流程線線性下降。
藉由上述的電路結構，係可藉由RLC電路、MOSFET開關及二極體的電路配置，而達到平衡串接多個鉛酸電池間之電壓的功效。
以上所述實施型態之揭示係用以說明本創作，並非用以限制本創作，故舉凡數值之變更或等效元件之置換仍應隸屬本創作之範疇。
由以上詳細說明，可使熟知本項技藝者明瞭本創作的確可達成前述目的，實已符合專利法之規定，爰提出專利申請。
100‧‧‧平衡電路結構
BA‧‧‧鉛酸電池組
BB‧‧‧鉛酸電池組
B1~B4‧‧‧鉛酸電池
C‧‧‧電容
C1~C3‧‧‧電容
D1~D6‧‧‧二極體
Q1~Q6‧‧‧控制開關
L‧‧‧電感
L1~L3‧‧‧電感
Loop1‧‧‧第一主迴路
Loop11‧‧‧第一副迴路
Loop12‧‧‧第二副迴路
Loop2‧‧‧第二主迴路
Loop21‧‧‧第一副迴路
Loop22‧‧‧第二副迴路
P1~P3‧‧‧電性連接點
R‧‧‧電阻
R1~R3‧‧‧電阻
VB1~VB4‧‧‧電壓
Claims (5)
- 一種電動機車之鉛酸電池的平衡電路結構，係包括至少二鉛酸電池組，其中：各該鉛酸電池組之間的一電性連接點係串接一主RLC電路，該主RLC電路係再分別串接一第一控制電路以及一第二控制電路，該第一控制電路係再與其中一鉛酸電池組電性連接形成一第一主迴路，該第二控制電路係再與另一鉛酸電池組電性連接形成一第二主迴路；以及各該鉛酸電池組係包括有相互電性連接的一第一鉛酸電池及一第二鉛酸電池，該第一鉛酸電池與該第二鉛酸電池之間的一電性連接點係串接有一副RLC電路，該副RLC電路再分別串接一第三控制電路以及一第四控制電路，該第三控制電路係再與該第一鉛酸電池電性連接而形成一第一副迴路，該第四控制電路係再與該第二鉛酸電池電性連接形成一第二副迴路。
- 依據申請專利範圍第1項所述的平衡電路結構，其中，該第一控制電路、該第二控制電路、該第三控制電路及該第四控制電路係為一二極體及一控制開關並聯所形成。
- 依據申請專利範圍第2項所述的平衡電路結構，其中，該控制開關係為MOSFET。
- 依據申請專利範圍第1項所述的平衡電路結構，其中，該主RLC電路以係為一電阻R與一電容C串聯形成一RC電路，該RC電路再與一電感L並聯所形成。
- 依據申請專利範圍第1項所述的平衡電路結構，其中，該主RLC電路以及該副RLC電路係為一電阻R與一電容C串聯形成一RC電路，該RC電路再與一電感L並聯所形成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW103218534U TWM505115U (zh) | 2014-10-20 | 2014-10-20 | 電動機車之鉛酸電池的平衡電路結構 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW103218534U TWM505115U (zh) | 2014-10-20 | 2014-10-20 | 電動機車之鉛酸電池的平衡電路結構 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWM505115U true TWM505115U (zh) | 2015-07-11 |
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ID=54152934
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW103218534U TWM505115U (zh) | 2014-10-20 | 2014-10-20 | 電動機車之鉛酸電池的平衡電路結構 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWM505115U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106712168A (zh) * | 2016-12-14 | 2017-05-24 | 华南理工大学 | 一种基于电感储能的并联电池组双向无损均衡电路 |
-
2014
- 2014-10-20 TW TW103218534U patent/TWM505115U/zh not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106712168A (zh) * | 2016-12-14 | 2017-05-24 | 华南理工大学 | 一种基于电感储能的并联电池组双向无损均衡电路 |
| CN106712168B (zh) * | 2016-12-14 | 2023-08-18 | 华南理工大学 | 一种基于电感储能的并联电池组双向无损均衡电路 |
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