CN101107759A - 降低电池组电压的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种电池组的压降装置与方法。此装置包括有：一放电电阻，连接于该电池组中复数个电池其中一目标放电电池，并且使该目标放电电池的电压下降；一开关部分，连接于该目标放电电池、与该放电电阻；一电压测量部分，用来测量目标放电电池的电压；以及一控制部分，是根据该电池所测量到的电压值来控制该开关部分，以维持该放电电阻所消耗的能量固定不变。此方法的步骤包括：测量一电池组的复数个电池中的一目标放电电池的一电压；利用测量得到的该电压的数值与一放电电阻的数值，计算一连接于该目标放电电池、与该放电电阻的开关部分的一PWM占空比；以及根据该占空比控制该开关部分，以维持该放电电阻所消耗的能量固定不变。

Description

降低电池组电压的装置和方法
技术领域
本发明是关于一种利用脉宽调制(PWM)方法使电池放电的装置与方法，当用于电动交通工具、混合动力交通工具、或类似的装置的电池组的电池平衡时。
背景技术
例如，利用电能做为能量来源的电动车，其备有由复数个电池构成的电池组以提供所需的能量。由于电池组包含有复数个电池，因此，需要均一化每一个电池的电压，以提升其稳定度与寿命，并且得到高功率。根据该车辆的结构，电动车可备有复数个电池组，每一个电池组由十个电池组成。电池管理系统(BMS)对电池组里的电池进行充电或放电，使每一个电池拥有适当的电压。然而，由于各种原因，如内部阻抗改变等等，对于复数个电池来说，稳定地维持平衡状态是很困难的。因此，提供了此电池管理系统的平衡功能，用于平衡复数个电池的充电状态。
为此，根据现有技术，为了统一使用多个电池的高电压电池组中的复数个电池的电压，放电电阻器(降压电阻器)连接到表现出更高电压(超过平均电压)的电池。因此，电池能量被电阻器消耗，进而降低了整个电池组中不同电压的差异。此方法是藉由控制电路，以开/关(on/off)模式来放电。然而，此方法在放电操作时，电池的电压会下降。若电池的电压下降，并且电阻器固定不动，则根据欧姆定律(V＝IR)，电流流量也会下降。因此，当放电继续，放电的效果也会降低。此外，在利用固态继电器(SSR)的情况下，固态继电器允许的最大电流流量有限制，因此初始放电是由低电流开始进行。再者，由于放电时间很长，因此想要在限制时间内完美地完成放电操作是不可能的。
图1显示当电池以传统方式放电时，其电池电压、电池电流、与放电能量。在传统的放电方法中，放电目标电池与放电电阻连接，使目标放电电池的电压降低。此时，如图1所示，由于放电电阻是固定的，所以放电效果随着时间经过而降低。
例如，假定电池的最高电压为4.5V，放电电阻消耗的功率为1W，电流(I)约为220mA(P＝VI)。因此，电阻(R)为22.5(V＝IR)。在现有的方法中采用固定电阻。当电池电压变成2.5V时，使用了所确定的电阻(R＝22.5)，则经过的电流约为110mA(V＝IR)。
此时，电阻消耗的放电功率P约为0.275W(P＝VI)。
换句话说，由于功率被放电电阻消耗，电压和电流会随着时间的推移而减少，因此被放电电阻消耗的能量也减少。
综上所述，现有技术的放电效果会随着时间流逝而减少，而使电池压降被延迟。因此，现有技术无法在有限定的时间中完美地完成放电。
发明内容
本发明可解决上述问题。本发明的目标是提供一电池放电的装置和方法，适用于电压不均一的电池组中的电池的快速放电。
本发明提供降低具有电池管理系统(BMS)的特定电池的电压的方法。此电池管理系统是用来均匀化电池组中复数个电池的电压。其中，电池与放电电阻经由固态剂继电器(SSR)连接。并且SSR可接受的最大电流限制、以及放电电阻器可接受的最大功率，利用SSR的控制信号均可以PWM的方式控制。根据电池电压，而允许流入SSR的平均电流流量与最大可接受的电流流量相同，因此，在确保了SSR的操作稳定度的同时，电池剩余的充电量于短时间内下降。换句话说，根据本发明，提供SSR-PWM形式的控制信号，以使放电电阻器(降压电阻器)所消耗的能量固定不变。
据此，本发明提供一电池的压降方法，其步骤包括：测量电池组的复数个电池中的一目标放电电池的电压；利用测量得到的该电压的数值与放电电阻的数值，计算连接于该目标放电电池、与该放电电阻的开关部分的PWM占空比；以及根据该占空比控制该开关部分，以维持放电电阻所消耗的能量固定不变。
另外，本发明提供电池压降装置，包括：放电电阻，连接于该电池组中复数个电池其中目标放电电池，并且使该目标放电电池的电压下降；开关部分，连接于该目标放电电池、与该放电电阻；电压测量部分，用来测量目标放电电池的电压；以及控制部分，是根据该电池所测量到的电压值来控制该开关部分，以维持该放电电阻所消耗的能量固定不变。
附图说明
上述以及本发明的其他标的、特色、与优点，可藉由以下的详细的描述以及其对应的图式，更明显的表示出来，其中：
图1A～1C是当电池以传统方式放电时，电池电压、电池电流、与放电功率的波形图。
图2是本发明优选实施例的电池压降装置的结构图。
图3A～3C是本发明优选实施例的电池放电时，电池电压、电池有效电流、与放电功率的波形图。
图4是本发明优选实施例的电池放电方法的流程图。
具体实施方式
在下文，本发明的优选实施例以及对应的图式将被描述。在本发明的下列描述中，当描述不会使得本发明的主要内容不清楚时，已知功能的详细说明与此中与其搭配结合的结构将被省略。
图2是本发明优选实施例的电池压降装置的结构图。图3A～3C显示应用本发明时，电池电压、电池有效电流、与放电功率的曲线。图4则为本发明优选实施例的电池放电方法的流程图。
首先，如图1所示，电池降压装置包括电池104、放电电阻Rb用来降低电池104的功率，开关部分102，其连接电池104和放电电阻Rb，电压测量部分106用来测电池104的电压，以及控制部分100，其是根据电池测得的电压值用来控制开关部分，由此使得放电电阻所消耗的能量可维持固定不变。
上述发明结构的技术特征为，提供于放电电阻的有效电流可藉由PWM控制而调整，从而使放电电阻消耗的放电功率维持固定不变。因此，固定能量可被放掉，而与电池随着时间的电压降无关。
在下文，本发明的过程将被明确描述。
首先，如果一电池104为了平衡在电动车或者混合动力车辆里的电池组而放电，电压测量部分106周期性地测量电池104的电压，例如每1秒测量，直到电池104的放电完成为止。当所测得的电压值提供给控制部分100时，控制部分100使用电池104所测量得到的电压数值和放电电阻的数值来计算PWM占空比。计算过程如下。
P＝VI  (方程式1)
V＝IR  (方程式2)
另外，定义Rb为放电电阻；执行放电由此计算放电电阻Rb时的最低电压，也就是在电池的使用范围内的最低电压为Vmin；在最低电压的电流为Imin；以及放电电阻Rb消耗的放电功率为Pmax。下列方程式是由方程式1和2而来的。
Rb＝Vmin 2/Pmax(方程式3)
当利用放电电阻Rb来放电时，为了调节提供给放电电阻Rb的电流，以脉宽调制(PWM)的方式进行开关操作来调整有效电流。这个时期，定义可调整的电流是IPWM；不受PWM占空比调整影响的电流，亦即，当占空比是100％时的电流为Inormal；以及目前的电压是Vb。则PWM占空比的计算方程式可从下列两个方程式获得。
IPWM＝Pmax/Vb  (方程式4)
Inormal＝Vb/Rb(方程式5)
PWM占空比＝(IPWM/Inormal)*100(％)(方程式6)
由上述三个方程式，可导出下式：
PWM占空比＝(Rb*Pmax/Vb 2)*100(％)(方程式7)
而且，由方程式3和7可得到下式：
PWM占空比＝(Vmin 2/Vb 2)*100(％)(方程式8)
为了使理解变得容易，以方程式3和7为例叙述如下。
若Pmax＝1W且Vmin＝2.5V，则可由方程式3得到Rb(＝6.25)。在这个时期，当Vb达到Vmin时，PWM占空比应该是100％。因此，可从方程式8得知，当Vb是2.5V时，PWM占空比成为100％，而当Vb是4.5V时，根据方程式8，PWM占空比大约为30.86％。
换句话说，控制部分100能从方程式3来决定Rb，并且利用电池电压Vb获得占空比，根据方程式8可获得Vb，而该电池电压Vb是每当电压被测量时获得的。
当占空比是根据目前测量的电池电压来计算时，基于被计算的PWM占空比，控制部分100控制开关部分102，以切换放电电池104与放电电阻Rb的连接状态。
例如，开关部分100能延长其寿命，并且藉由使用固态继电器(SSR)表现出更可靠的切换。此固态继电器为半导体继电器。
藉由周期性地测量目前的电池电压，反复进行上述过程，直到完成相应电池104的放电。
工业实用性
如上所述，根据本发明，通过开关部分的PWM控制而调整有效电流，此亦对应于电动或混合动力车辆的电池组的电池放电时产生的电池压降。因此，无论电池的电压为何，放电功率均可保持恒定，因此，电池便可以快速放电。
另外，由于在考虑电池的最大电压时，并未确定用来放电的电阻器的瓦特(W)数，而是由PWM控制而调整的有效功率来计算的，因此，不需要使用超过所需的高W值的电阻器，进而在产品的装备以及价格上具有许多优势。
此外，SSR被用做开关部分时，因为SSR具有可接受的最大电流流量，所以当在电池的最大电压进行放电时，元件可能被损坏。但是，根据本发明，由于是通过PWM控制所调整的电压来进行放电操作的，因此，流入SSR的平均电流流量是在SSR可接受的最大电流流量之内。因此，元件没有受到损害的可能性，并且操作的稳定也被改进。
虽然本发明以及其优选实施例已被描述，需了解本发明的技术可在种类以及细节上做各种变化，而不离开如所附权利要求限定的本发明的精神以及所申请的专利范围。

Claims (12)

1.一种电池组的压降装置，包括：
放电电阻，连接于该电池组中复数个电池中的目标放电电池，并且使该目标放电电池的电压下降；
开关部分，连接于该目标放电电池与该放电电阻；
电压测量部分，用来测量目标放电电池的电压；以及
控制部分，根据该电池的所测量到的电压值来控制该开关部分，以维持该放电电阻所消耗的能量固定不变。
2.如权利要求1所述的装置，其中，该开关部分为固态继电器(SSR)。
3.如权利要求1所述的装置，其中，该控制部分控制该开关部分从而以PWM方式调整占空比。
4.如权利要求2所述的装置，其中，流入该SSR中的平均电流流量为可接受的最大电流流量。
5.如权利要求3所述的装置，其中，该放电电阻的值已被决定，因此，在该电池的使用范围内，当该电池的测量值(Vb)达到最低电压(Vmin)时，占空比变成100％。
6.如权利要求3所述的装置，其中，该PWM的占空比是由下列方程式计算获得，
PWM占空比＝(Rb*Pmax/Vb 2)*100(％)＝(Vmin 2/Vb 2)*100(％)
其中，Vb：该电池的测量电压；
Vmin：该电池的使用范围内的最低电压；
Pmax：该放电电阻(Rb)消耗的功率。
7.一种电池组的压降方法，其步骤包括：
测量电池组的复数个电池中的目标放电电池的电压；
利用测量得到的该电压的数值与放电电阻的数值，计算连接该目标放电电池与该放电电阻的开关部分的PWM占空比；以及
根据该占空比控制该开关部分，以维持该放电电阻所消耗的能量固定不变。
8.如权利要求7所述的方法，其中，该开关部分为固态继电器(SSR)。
9.如权利要求7所述的方法，其中，该控制部分控制该开关部分从而以PWM的方式调整占空比。
10.如权利要求8所述的方法，其中，流入该SSR中的平均电流流量为可接受的最大电流流量。
11.如权利要求7所述的方法，其中，由于该放电电阻的数值已被决定，因此，在该电池的使用范围内，当该电池的测量值(Vb)达到最低电压(Vmin)时，占空比变成100％。
12.如权利要求7所述的方法，其中，该PWM的占空比是由下列方程式计算获得，
PWM占空比＝(Rb*Pmax/Vb 2)*100(％)＝(Vmin 2/Vb 2)*100(％)
其中，Vb：该电池的测量电压；
Vmin：该电池的使用范围内的最低电压；
Pmax：该放电电阻(Rb)消耗的功率。
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