CN101741117A - 电池平衡的系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池平衡系统及其方法。该系统包括：多组具有多个电池的电池组，包括第一中央处理器，其用于读取主要模组及从属模组中的电池的电极电压；系统控制器，其用于从具有多个电池的电池组中收集、计算电池相关数据；第二中央处理器，安装于系统控制器中，用于接收在具有多个电池的电池组中的所有电池的数据，以提供每个电池组所需要的平衡目标值；以及直流-直流转换器，其依据所述目标值，用于控制每个电池的电流方向以调整电压平衡。因此，在由多个电池组构成的平衡系统中，通过通信装置以接收另一电池组的电压数据，以便调整电池组的电压平衡，或是接收电压平衡的目标值，以便调整电压平衡。

Description

电池平衡的系统及其方法
本申请是国际申请日为2005年12月22日、国际申请号为PCT/KR2005/004451的PCT国际申请的、进入中国国家阶段的、国家申请号为200580044700.X、题为“用于在具有多个锂离子电池的电池组中控制电压平衡的系统及其方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明是有关于一种电池平衡系统，其可在具有多个电池的电池组中读取电池的电压，且比较读到的电压以将电池充电或放电，尤指一种电池平衡系统及方法，其以相同时序来读取电池组中所有电池的电压，以消除由于电压读取时间差所产生的电池电压读取误差。
背景技术
一般来说，电池电源装置是将电源供应给相关的电子装置的电力源，而应用于电源装置的可以是具有多个电池的电池组(multicellbattery)。由于使用的是电池组，而非单一电池的关系，可应用高电压，或增加容量。然而，因电池本身具有充放电的特性，每个电池的电压会随着时间改变而变得不平衡。
电池组中电池间的电压差可能会产生电池间的不平衡，因而耗损电池组的容量。关于此，已有许多电池平衡系统及方法以平衡每个电池，避免所有电池过度充电，且平衡充电。
举例来说，有一种方法，其允许电流通过电阻等流至电池组中高电压电池，以调整电池平衡。虽然此方法满简单，但其有一缺点，即如果不平衡的高电压电池增加时，会增加放电电流且会产生热。除此之外，此方法的另一缺点是，在电池组的所有电池中，平衡被调整为具有最低电压值的电池。
除此之外，有一种允许充电电流流过电池组中低电压电池以调整平衡的方法。此方法使用直流-直流转换器，其优点为效率一般来说都很高，且产生的热能很少。
然而，此方法亦有一缺点，即如果低电压的电池数量增加时，整个电池组的电池电压会比其原始的最低电压还低。
而且，当读取每个电池的电压时，因读取时间差的关系，读到的电压之间会产生很大的差异。由于电压读取时间的差异，电池平衡系统会确定电池是不平衡的。
依据每个电池电压读取的时间，这里将会描述电压值之差，请参考图1及图2。
图1是现有技术的示意图，该图示出了在锂离子电池中使用线路选择装置来调整电压平衡的装置，而图2是现有技术的时序图，该图示出了在锂离子电池中的电压读取时间。
参考图1，在现有的电池平衡调整装置中，当通过负载装置5载入电流时，电池的电极电压(ternimal voltage)会随着载入电流的变化而改变。负载装置5的负载会随着时间的推移而改变。因此，当读取到电池的电极电压，且将其通过线路选择装置1在中央处理器3中比较时，即使所有电池的电压实际上是平衡的，仍会分别读取每个电池的电极电压值。所以，中央处理器3会确定每个电池是不平衡，然后输出平衡控制信号以控制平衡电流控制区4。
参考图2，当在电池平衡系统中，通过线路电压选择装置1读取电池电极电压时，如果负载电流在电池(B1、B2、B3、B4)中没有改变，则会发现电池电极电压亦没有变化。因此，中央处理器3会确定电池电极的电压是平衡的。然而，当负载电流改变时，电池电极电压亦会变化。因此，当载入电流实时改变时，中央处理器3会确定电池的电极电压是变得不平衡，因为随着时间改变带来的负载变化导致了电压读取差异。
像这样，当中央处理器3使用电路选择装置1读取电池的电极电压时，由于选择电池电极的时间不同，读到的电池电极电压可能会不同。
因此，需要一种电池平衡系统或方法，其能够在电池系统中减少读取电池电压的误差，快速地执行电压平衡，且增加电压平衡的准确性。
依据现有技术，电池平衡系统会有各种条件限制。举例来说，只有在系统本身没有运作时才可进行电压平衡。由于这些限制的关系，电压平衡运作变得复杂，会消耗不必要的时间，且会降低电压平衡的准确性。
发明内容
因此，采用本发明可解决现有技术所会发生的问题。本发明的主要目的是在一段相同的保留时间内保持电压之后，读取锂离子电池中的电池电极电压，从而消除因时间改变而带来的电极电压的变化所导致的电池电压读取误差，因此，可改善电池平衡的准确性。
本发明的另一目的是在由多个电池组构成的平衡系统中，通过通信装置以接收另一电池组的电压数据，以便调整电池组的电压平衡，或是接收电压平衡的目标值，以便调整电压平衡。
为达成上述目的，本案是提供一种电池平衡调整系统，用于在具有多个锂离子电池的电池组中调整电池的电压平衡，其具有系统控制器，此系统包括有：具有多个电池的电池组，其包括主要模组及从属模组；中央处理器(CPU)，其位于系统控制器中，为在主要模组及从属模组中的每个电池输出同步信号；第一垂直接口，用于传送自中央处理器输出至主要模组的同步信号；以及第二垂直接口，用于将经由第一垂直接口传送的同步信号传送至从属模组。
依据本发明的实施例，同步信号可包括用于使主要模组的电池同步的信号，以及用于使主要模组及从属模组同步的信号。
除此之外，同步信号可包括用于使多组具有多个电池的电池组的区间(interval)同步的信号。
依据本发明的一优选实施例，中央处理器可输出读取保持信号(reading hold signal)，以保持在具有多个电池的电池组中电池的瞬态电压，以及读取平衡信号(reading balance signal)，以执行所有电池电压的读取及平衡。
依据本发明的优选实施例，垂直接口可包括光耦合器(photocoupler)，用于并行传送同步信号。
依据本发明的另一方面，是在提供一种电池平衡系统，其包括：多组具有多个电池的电池组，其包括第一中央处理器，用于在主要模组及从属模组中读取电极电压；系统控制器，用于从具有多个电池的电池组中收集、计算及控制电池相关数据；第二中央处理器，安装于系统控制器中，用于在具有多个电池的电池组中接收所有电池的数据，以提供每个电池组所需要的平衡目标值；以及直流-直流转换器(DC-DCconverter)，其依据目标值，用于控制每个电池的电流方向以调整电压平衡。
依据本发明的优选实施例，第二中央处理器可以比较平衡目标值及每个电池的电压，并控制直流-直流转换器的电流方向，使得当电池的电压低于平衡目标值时，会有平衡电流流向电池中充电的方向。
依据本发明的优选实施例，第二中央处理器可以比较平衡目标值及每个电池的电压，并控制直流-直流转换器的电流方向，使得当电池的电压高于平衡目标值时，会有平衡电流流向电池中放电的方向。
依据本发明的优选实施例，数据可包括最大电压，最小电压及其平均值。
依据本发明的优选实施例，第二中央处理器可输出同步信号以使具有多个电池的电池组同步。
依据本发明的优选实施例，平衡系统可还包括设置在具有多个电池的电池组间的垂直接口，并传送同步脉冲。
依据本发明，以相同时序在锂离子电池中读取电池的电极电压，因此可改善电压平衡的准确性。
附图说明
配合随附的图示及下述说明，本发明的上述及其他目的、特性及优点将更显清楚，其中：
图1是根据现有技术的示意图，其示出了在锂离子电池组中利用线路选择装置调整电压平衡的装置；
图2是示出了根据现有技术的对于锂离子电池组中电池的电压读取时序的视图；
图3示出了根据本发明实施例的用于具有多电池的电池组中的电池的电压平衡系统；
图4是示出了根据本发明实施例的对于锂离子电池组中的电池的电压读取时序的视图。
图5是示出了具有多个电池的电池组系统的示意图。
具体实施方式
在此将描述本发明的优选实施例，请参考随附的图示。在如下的描述中，若已知的功能及架构会模糊本发明的主题的话，会将其省略。
图3是本发明实施例的系统方块图，该系统用于执行多组具有多个电池的电池组2、7、8、9的电池电压平衡。
该系统包括多组具有多个电池的电池组2、7、8、9，以及系统控制器1。
系统控制器1包括中央处理器1-1，从多组具有多个电池的电池组2、7、8、9及系统内部传感器1-4、1-5、1-13中收集并计算每个电池组的电池相关数据，因而控制整个系统。除此之外，系统控制器1使用多组具有多个电池的电池组以传送数据或控制信号给装置。
具有多个电池的电池组2的电池输出电极(4S+4S)是串联在一起。具有多个电池的电池组的最高输出电极(TB+)及最低输出电极(TB-)用作系统的电力输出电极。
除此之外，具有多个电池的电池组的输出电极(TB-)会通过电流检测装置1-4及紧急截取装置1-8。提供电流检测装置1-4是在电池中检测电流，而电阻或霍尔装置用作电流读取装置。
具有多个电池的电池组2包括中央处理器2-1，直流-直流转换器2-2，辅助开关2-3，主要模组3，以及从属模组5。
事实上，主要模组3及从属模组5具有相同的结构。
主要模组3包括四个电池4S，保护电路3-1，以及平衡控制电路4。从属模组5包括四个电池4S，保护电路5-1，以及平衡控制电路6。平衡控制电路4及6具有将每个电池的电极电压转换至接地电位的功能，使得中央处理器2-1可读取电极电压。
主要模组3及从属模组5的平衡控制电路4及6是分别建构的，如此，它们可以通过垂直接口6-1(VIF)来传送/接收信号。除此之外，主要模组3的平衡控制电路4中的垂直接口4-1可以与其下的具有多个电池的电池组7来传送/接收信号。信号包括使具有多个电池的电池组2同步的信号，及使具有多个电池的电池组2与多个电池的电池组7、8、9的区间同步的信号。这些信号通过垂直接口在所有多个电池的电池组2、7、8、9间互相传送/接收，进而同步所有的电池组。
在此，将参考上述的结构来描述电池平衡的运作。
依据本发明实施例的电池平衡系统中，具有多个电池的电池组2的中央处理器2-1会读取主要模组3及从属模组5中每个电池的电极电压。读取到的电压数据会通过局部通信接口2-4传送至系统控制器1的中央处理器1-1。
平衡控制电路4具有交替开关，让平衡电流可流经每个电池。交替开关是由中央处理器2-1来控制。
直流-直流转换器2-2的输入是具有多个电池的电池组的输出(TB+，TB-)。除此之外，直流-直流转换器2-2控制辅助开关2-3及平衡控制电路4，让平衡电流能流经每个电池。
系统控制器1的中央处理器1-1会接收电池组中所有电池的最大电压、最小电压及其平均值等，并提供每个电池组所需的平衡目标值。
依据平衡目标值，每组具有多个电池的电池组会控制电流，然后调整其平衡。除此之外，中央处理器1-1会比较平衡目标值及每个电池的电压，并且控制直流-直流转换器的电流方向，使得如果电池电压比平衡目标值低时，平衡电流会流向充电方向。相反地，如果电池电压比平衡目标值高时，中央处理器会控制直流-直流转换器的电流方向，使得电流流向电池中的放电方向。
像这样，因为平衡目标值不断地更新，整个系统便可调整平衡。
除此之外，依据本发明的实施例，优选地，其会同时读取所有电池的电压。因此，中央处理器1-1会输出同步脉冲RB(读取及平衡脉冲)，以及同步脉冲RH(读取保持脉冲)。
在此，将参考图4来描述中央处理器1-1所输出的同步脉冲(RB，RH)。
依据本发明的实施例，图4示出了系统控制器1的中央处理器1-1会输出同步脉冲以相同时序读取电池的电极电压。
参考图4，当中央处理器1-1输出读取保持脉冲(RH)时，所有具有多个电池的电池组中电池的瞬态电压会保持，以使得所有电池可以借由读取平衡脉冲(RB)来以相同时序进行电池电压的读取及平衡。
像这样，本发明的电压平衡系统通过主要模组3的垂直接口4-1以传送其同步脉冲给从属模组5的垂直接口6-1。
除此之外，通过具有多个电池的电池组9的主要模组中的垂直接口，可顺序地传送同步脉冲至具有多个电池的电池组2的垂直接口6-1。因此，包含多组具有多个电池的电池组的系统亦可相同时序读取每个电池组中所有电池的电极电压。
在上述实施例中，两个同步脉冲(RB，RH)是用于同步电池平衡系统。然而，电池平衡系统可以只用一个同步脉冲来做同步。除此之外，虽然是使用垂直接口来顺序地传送同步信号，亦可使用光耦合器来并行传送。
在此，将参考图5来具体描述具有多个电池的电池组。
参考图5，主要模组3的平衡控制电路4的电池交替开关包括电流开关4-5及电压开关4-4。
由于电流开关4-5能使平衡电流流动，故使用具有大电流容量的开关装置。由于电压开关4-4能读取电池的电极电压，故其电流容量可以不大。
除此之外，由于电压开关4-4具有保持功能，其可以以相同时序测量电压。
控制区4-3会控制电池地址或执行保持控制。电池地址会从中央处理器2-1接收地址时脉(AdrClk)脉冲，并从电池(B1、B2、B3、B4)中选择其中一个。
通过接口4-2，地址时脉(AdrClk)脉冲会在中央处理器的信号电平被转换成平衡控制电路的信号电平。通过接口4-2，亦可让平衡保持脉冲(BH)在中央处理器的信号电平被转换成平衡控制电路的信号电平。提供平衡保持脉冲是用于在平衡期间读取电池电压。输入读取保持脉冲(RH)是从外部使所有具有多个电池的电池组同步。然而，平衡保持脉冲(BH)并没有与其他具有多个电池的电池组同步，而是从中央处理器2-1将其输出，以便以各自时序读取电压。
当将读取平衡脉冲(RB)输入至具有多个电池的电池组时，运作状态便处于读取模式，电流开关是关闭的，而且电池(B1)已定址。当将读取平衡脉冲(RH)输入至电池组时，电池电压在电容器中保持。然后，一旦输入地址时脉(AdrClk)时，电池(B2)就定址了。
除此之外，电压开关4-4并没有直接连结至电池(B1～B4)，而是连结至保持着电池(B1～B4)的电压的电容器。
电流开关4-5是直接连结至电池(B1、B2、……)。电流开关4-5在读取平衡模式时是关闭的。如果平衡地址切换而略过电池(B4)，则主要模组的开关关闭，且从属模组的开关开启。
像这样，当电池从(B1)依顺序地切换至(B4)，则会重新回到电池(B1)。从电池(B1)至(B4)的电压是由此方式读取。借由重复读取电池(B1)至(B4)的电压，可以增加电池平衡的准确性。
由于保持电压已被读取，电压开关4-4的每个电池电压固定接地。因此，主要模组3的电压可直接由中央处理器读取，但是从属模组5的电压是通过计算放大器2-10以连结至接地电位，这是因为其需要将从属模组5的电压切换至接地电压的关系。
当从读取平衡模式转换成平衡模式时，电流开关4-5开启。而且在平衡模式中，会重复地顺序地测量自电池(B1)至电池(B4)电压。
当需要能够让电流流经其中一个电池时，中央处理器2-1会输出一开/关控制信号以产生平衡电流。
虽然平衡电流的开/关是由辅助开关2-3的功能来加以描述，其亦可由直流-直流转换器2-2或电流开关4-5及6-5来执行。
由于主要模组及从属模组的接地电位不同，电流开关不能直接连结。因此，使用辅助开关2-3。在通过控制器4-3的控制信号对电池定址(从B1至B4)情况中，辅助开关2-3会打开主要模组3的开关，而在其对电池(从B5至B8)定址的情况中，会打开从属模组5的开关。
最后，通过垂直接口4-1，将读取保持脉冲(RH)及读取平衡脉冲(RB)从主要模组传送至从属模组。因此，可以以相同时序读取电池(B1～B8)的电压，而且避免因为时间差异的关系所产生的电压读取误差。
虽然参考某些优选实施例已经示出并说明了本发明，但是可以理解的是，对于本领域的技术人员来讲，可以在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围内对其形式和细节做出各种改变。

Claims (12)

1.一种电池平衡系统，包括：
多组具有多个电池的电池组，包括第一中央处理器，其用于读取主要模组及从属模组中的电池的电极电压；
系统控制器，其用于从具有多个电池的电池组中收集、计算电池相关数据；
第二中央处理器，安装于系统控制器中，用于接收在具有多个电池的电池组中的所有电池的数据，以提供每个电池组所需要的平衡目标值；以及
直流-直流转换器，其依据所述目标值，用于控制每个电池的电流方向以调整电压平衡。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述第二中央处理器比较平衡目标值及每个电池的电压，并且控制直流-直流转换器的电流方向，以使得当电池电压比平衡目标值低时使平衡电流流向电池中的充电方向。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述第二中央处理器比较平衡目标值及每个电池的电压，并且控制直流-直流转换器的电流方向，以使得当电池电压比平衡目标值高时使电流流向电池中的放电方向。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述数据包括最大电压，最小电压及其平均值。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述第二中央处理器输出用于使具有多个电池的电池组同步的同步信号。
6.如权利要求1或5所述的系统，还包括有垂直接口，用于在具有多个电池的电池组间传送同步脉冲。
7.一种电池平衡方法，包括：
读取主要模组及从属模组中电池的电极电压；
基于读到的电极电压，收集并计算与电池相关的数据；
接收具有多个电池的电池组中所有电池的数据，以提供每个电池组所需要的平衡目标值；以及
基于平衡目标值，控制流向每个电池的电流方向，以执行电压平衡。
8.如权利要求7所述的方法，还包括有比较平衡目标值及每个电池的电压步骤，其中，执行电压平衡的步骤包括以下步骤，即控制电流方向以使得当电池电压比平衡目标值低时使平衡电流流向电池中的充电方向。
9.如权利要求7所述的方法，还包括有比较平衡目标值及每个电池的电压的步骤，其中，执行电压平衡的步骤包括以下步骤，即控制电流方向以使得当电池电压比平衡目标值高时使平衡电流流向电池中的放电方向。
10.如权利要求7所述的方法，其中，所述数据包括最大电压，最小电压及其平均值。
11.如权利要求7所述的方法，还包括有输出同步信号的步骤，所述同步信号是用于使具有多个电池的电池组同步。
12.如权利要求7所述的方法，还包括有在具有多个电池的电池组间传送同步脉冲的步骤。
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