CN103123992A - 电池组和以其热电特性控制电池组充放电的方法 - Google Patents

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Abstract

一种电池组和以其热电特性控制电池组充放电的方法，其中的电池组具有数个温度范围区。这个电池组包括数个并联电池组以及数个可变电阻，每个并联电池组分别位在各个温度范围区，且每一并联电池组是由数个单电池并联而成。可变电阻则位于两两并联电池组之间，以减缓因每一并联电池组的工作温度、残余电量造成不同电位特性导致电池组使用寿命减少的问题。

Description

电池组和以其热电特性控制电池组充放电的方法
技术领域
本发明是有关于一种电池组的控制方法(control algorithm)，且特别是有关于一种电池组和近似等温设计(Pseudo-isothermal Design)的控制电池组的方法。
背景技术
电池经由串、并联焊接组成电池组，随着组装的方式不同以及面对的散热环境不同，电池均温性因电池数量越多而越差，因此导致电池组内某些区域的电池较其他区域的电池老化的快，如不能抑制此现象，则稍微损坏的电池将会因此加速老化，原本良好的的电池单体也会因损坏的电池作用下提早损坏，这也是电池组寿命远比单一电池的寿命要差的原因，尤其是越大容量的电池组更容易遭遇此种损坏风险。
因此，让电池组内各别电池均温将有益于电池组寿命的增长，目前的做法有对电池个别控制以及利用均温散热的冷却装置达成。依照热传学基本理论，控制电池温度的做法有三种方式，由下列热传学公式来看：
ρVC P ∂ T ∂ t = - hA ( T - T ambient ) + Q · v
电池的温度为热产生量减掉环境散热量后，剩余能量所造成的电池温升。
在上式中，
Figure BSA00000646781700012
为物质暂态温度变化率，与比热和质量有关。这一种控制电池温度的方式包括将电池浸于其他高热含量材质的作法，配合材料相变化时需吸收大量潜热，使温升被限制。
至于式中-hA(T-Tambient)为能量对外散失项，与热对流系数、散热面积、物体表面与室温差有关。此种控制电池温度的方式着手于散热的温控方式，需要主动的热管理，所以需要增加成本制作散热系统。
Figure BSA00000646781700013
则为总热产生率，与其相应的方式是控制热源产生量，间接控制温度。
目前已知的专利大多是用前两种方式来增长电池组寿命。譬如美国专利US6,288,521(B1)提出电池组内个别电池做充放电控管的方法，目的是让电池组内的每个电池都是最佳状态，充放电电路及控制逻辑是增加电池组寿命的关键。美国专利US7,609,034(B2)则提出依不同电池的操作温度各别做充放电的控制，期望能得到各电池皆能寿命相同的目标。美国专利公开号US2010/236854(A1)及韩国专利KR 20100035912(A)则利用冷却流道与装置，将电池组内各电池的温度抑制于固定范围。
发明内容
本发明提供一种电池组，能避免因电池组内某些区域操作温度不均效应造成的电池损坏。
本发明另提供一种控制电池组的方法，能依负载需求控制并联电池组的放电顺序。
本发明提出一种电池组，具有数个温度范围区。这个电池组包括数个并联电池组以及数个可变电阻，每个并联电池组分别位在各个温度范围区，且每一并联电池组是由数个单电池并联而成。可变电阻则位于两两并联电池组之间，以减缓因每一并联电池组的工作温度、残余电量不同导致电位不平衡使电流回灌所造成的电池组寿命减少问题。
在本发明的一实施例中，上述电池组还包括数个节流控制器，分别与每一并联电池组相连，以控制每一并联电池组的放电顺序。
本发明另提出一种控制电池组的方法，包括先提供一电池组，这个电池组具有数个温度范围区。其中，电池组包括数个并联电池组与数个可变电阻，各个并联电池组设置在各个温度范围区中，且每一可变电阻设在两两并联电池组之间。然后，根据环境温度控制上述并联电池组的放电顺序。
在本发明的另一实施例中，上述控制并联电池组的放电顺序的装置包括利用数个节流控制器，分别控制每一并联电池组。
在本发明的另一实施例中，上述控制并联电池组的放电顺序的方法，包括当环境温度低于一设定温度时，温度范围区内较高温的区域内的并联电池组要比较低温的区域内的并联电池组先放电，其中温度范围区内的温度高低是取决于各个并联电池组的位置、散热条件以及废热传递路径。
在本发明的另一实施例中，上述控制并联电池组的放电顺序的方法，包括当环境温度高于一设定温度时，温度范围区内较低温的区域内的并联电池组要比较高温的区域内的并联电池组先放电，其中温度范围区内的温度高低是取决于各个并联电池组的位置、散热条件以及废热传递路径。
在本发明的另一实施例中，上述方法还可包括根据各个并联电池组的温升斜率控制其是否放电。
在本发明的另一实施例中，上述方法还可包括根据残电控制各个并联电池组的电流值。
在本发明的各实施例中，上述温度范围区是根据环境温度与电池组的散热情况订定。
在本发明的各实施例中，上述所有温度范围区内的总温差譬如在20℃以内。
在本发明的各实施例中，每一个温度范围区内的温差譬如在5℃以内。
基于上述，本发明利用电池的热电特性为基础，将相同热电特性的电池分为同一群组，不同的群组将进行个别的充放电控制，且仍然能使用所有的电量，以减缓因电池组内某些区域操作温度不均效应造成的电池组老化速率(battery degradation rate)及增加对电池均一度差异的容忍(tolerance)。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1显示电池组内部不同的温度范围区的示意图。
图2是依照本发明的第一实施例的一种电池组的电路图。
图3是根据第一实施例进行的实验例的硬体架构的方块图。
图4是依照本发明的第二实施例的一种电池组的电路图。
图5是依照本发明的第三实施例的一种控制电池组的步骤图。
附图标记说明
100、200、400：电池组
102a、102b、102c、300、302：温度范围区
202：单电池
204a、204b、204c：并联电池组
206：可变电阻
402a～c：节流控制器
500～510：步骤
具体实施方式
电池组是由许多单电池构成，当环境温度与电池组的散热情况因电池组的装设位置以及操作情况不同时，电池组内部的电池会面对不对等的环境热流条件，而造成不均温的情形发生，如图1所示。假设图1的电池组100在放电时，具有三个温度范围区102a、102b与102c的工作温度。所有温度范围区102a～c内的总温差例如在20℃以内；而每一个温度范围区102a～c内的温差例如在5℃以内。电池组100内部的电池特性即使相近，也会因为温度的不同而有所改变，譬如电池内阻就会不同。
上述电池组100内的电池不均温效应因为会使每个单电池之间的内阻不同。此内阻差异将造成某些电池放电时放出电量较多，当放电停止瞬间，并联模组内放电量较少的电池因电压平衡效应，将会把电能瞬间转移至其他电池，大电流的放电将造成电池损坏。
因此，本发明的概念是根据不同温度范围区来设计电池组内部单电池的设置。
图2是依照本发明的第一实施例的一种电池组的电路图。
请参照图2，当本实施例的电池组200与图1一样在实际工作时会有不均温的情形时，将不同温度范围区(如图1的102a～c)内的单电池202并联成一个群组，以得到三个并联电池组204a～c。同时，在两两并联电池组204a～c之间加上一个可变电阻206，当电池组200放电或充电一段时间后停止时，各并联电池组204a～c会因为温度效益造成内阻的改变，间接影响各并联电池组204a～c的个别放电量，延伸出各并联电池组204a～c的电位差异。此时，可变电阻206可发挥电位平衡时的作用，即充放电瞬间停止时，可以阻挡因平衡电位时造成的大电流由温度较低的温度范围区内的并联电池组回灌至温度较高者。
由于本实施例的电池组200不需均温，仅依实际工作温度的不同区分不同并联电池组、各并联电池组之间老化程度可不同、电容量可不同，因此不但能增长电池组的寿命，还能根据电池本身老化程度个别发挥其效率。
根据第一实施例进行的实验例如图3所示，其显示一种硬体架构的方块图。
在图3中，是将电池分为两个并联电池组分别置于45℃及25℃的温度范围区300与302，并以几个二极管作为简易的电流流向限制机制。举例来说，充电时可程序化电子负载会关闭，可程式电源供应器会开启。此时电流经由第一充电二极管与第二充电二极管，分别对两并联电池组充电。充电停止瞬间，第一充电二极管及第二充电二极管可以隔开因两电池组之间电位不平衡的电流回灌。电位平衡是经由可变电阻缓慢将电流传向低电位的并联电池组。
反之，放电时可程序化电子负载会开启，可程式电源供应器会关闭。此时电流经由第一放电二极管与第二放电二极管分将两并联电池组的电能送至可程序化电子负载。放电停止瞬间，第一放电二极管及第二放电二极管可以隔开因两电池组间电位不平衡的电流回灌。电位平衡是经由可变电阻缓慢将电流传向低电位的并联电池组。
充放电时温度效应将影响电池内阻及可利用的电池充放电容量，因为低温会造成电池很快就会达到最低限制的放电电压，可放电容量因低温而减少，故观察经过放电50秒停止10秒的效应，将电池经过充放电循环(cycle)测试。
另一对照组为不加入可变电阻，而是将图3的可变电阻换成一导线，即两个并联电池组的电池不受控制，放电停止瞬间将会有大电流灌至温度较高(45℃)的并联电池组，同样进行充放电循环测试，得到的结果是：两个并联电池组之间有加入可变电组的电池容量的衰退率，会比只有导线的对照组好，减缓约30％的容量衰退率。所谓的“电池容量的衰退率”是指电池老化的量化值，是利用电池容量减少量与充放电次数的值，估算得到老化的速率。
图4是依照本发明的第二实施例的一种电池组的电路图，其中使用与图2相同的元件符号代表相同或相似的元件。
请参照图4，本实施例的电池组400除了与图2一样包括三个并联电池组204a～c与可变电阻206，还有数个节流控制器(current controldevice)402a～c，分别与每一并联电池组204a～c相连，以分别控制各个并联电池组204a～c的放电顺序。此外，并联电池组204a～c所在的不同温度范围区内的总温差例如在20℃以内；而每一个温度范围区内的温差例如在5℃以内。
图5是依照本发明的第三实施例的一种控制电池组的步骤图。
请参照图5，在步骤500中，电池组进行放电，且此步骤的电池组如图4包括数个并联电池组204a～c与数个可变电阻206，各个并联电池组设置在各温度范围区中，且每一可变电阻设在两两并联电池组之间。
然后，进行步骤504前，在步骤502中，进行放电参数侦测，以得到这个电池组的各个并联电池组的放电参数，如最适温度Tbest、最大电流Imax、最大总放电容量Ahmax、最大温升斜率
Figure BSA00000646781700061
等。
接着，进行步骤504，根据环境温度控制各个并联电池组的放电顺序，且可利用如节流控制器的装置来进行控制。举例来说，当环境温度低于一设定温度(如Tbest)时，温度范围区内较高温的区域内的并联电池组要比较低温的区域内的并联电池组先放电，让高温的并联电池组可以将热能传到低温的并联电池组至合适操作温度，充分利用废热。在本实施例中，温度范围区内的温度高低是取决于各个并联电池组的位置、散热条件以及废热传递路径。
反之，当环境温度高于设定温度时，温度范围区内较低温的区域内的并联电池组要比较高温的区域内的并联电池组先放电，由于低温区域内的并联电池组较容易散热，传到高温区域内的并联电池组的热能较少。
除了步骤504之外，本实施例还可进行步骤506以及/或是步骤508。在步骤506中，根据各个并联电池组的温升斜率控制其是否放电；也就是说，当温度范围区中的某一区域内的温升斜率超出一设定斜率(如
Figure BSA00000646781700062
则代表温度的升高速率已经超出合理的范围，须启动安全防护机制，以停止这个区域内对应的那一组并联电池组放电。
在步骤508中，根据残电控制各个并联电池组的电流值。举例来说，假设Ahi为目前已放电的容量，则当电流Ii的值会使目前剩余的容量(Ahmax-Ahi)用不到0.2小时，即如下式：
Figure BSA00000646781700063
则需调控Ii值减小，使放电时间可增加为0.2小时。
以上步骤506与步骤508属于另一种实施态样，步骤506与步骤508可同时进行，或个别先后进行，不必按顺序进行。至于控制电池组的最后决定，较佳是以步骤506与步骤508两者的判断结果作为综合考量，比较步骤506与步骤508两者判断的电流，以最小的电流值作为设定。当经过以上步骤504与步骤506/508之后，如果电池组(pack)还不到步骤510的停止放电，则需于每次放电时重复以上步骤504起的控制模组(control algorithm)。
综上所述，本发明依热电特性相同的电池做群组分类，近似等温群组法(Pseudo-isothermal grouping)配合可变电阻的硬体，以平衡放电结束瞬间时各群组间的电位差异，电位平衡将透过小电流量的可变电阻路径达成。此外，本发明不需针对单一电池控制，而只需针对各群组做个别控制，既节省成本又能因软硬体的配合而对电池寿命有所助益。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (14)

1.一种电池组，具有多数个温度范围区，该电池组包括：
多数个并联电池组，分别位在所述温度范围区，其中每一并联电池组是由多数个单电池并联而成；以及
多数个可变电阻，位于两两并联电池组之间，以减缓因每一并联电池组的工作温度、残余电量不同导致电位不平衡使电流回灌所造成的该电池组寿命减少的问题。
2.如权利要求1所述的电池组，其特征在于，所述温度范围区是根据环境温度与该电池组的散热情况而定。
3.如权利要求1所述的电池组，其特征在于，所述温度范围区的总温差在20℃以内。
4.如权利要求1所述的电池组，其特征在于，每一温度范围区内的温差在5℃以内。
5.如权利要求1所述的电池组，其特征在于，更包括多数个节流控制器，分别与每一并联电池组相连，以控制每一并联电池组的放电顺序。
6.一种控制电池组的方法，包括：
提供一电池组，具有多数个温度范围区，其中该电池组包括多数个并联电池组与多数个可变电阻，各该并联电池组设置在各该温度范围区中，且每一可变电阻设在两两并联电池组之间；以及
根据环境温度控制各该并联电池组的放电顺序。
7.如权利要求6所述的控制电池组的方法，其特征在于，控制所述并联电池组的放电顺序的装置包括利用多数个节流控制器分别控制各该并联电池组。
8.如权利要求6所述的控制电池组的方法，其特征在于，控制各该并联电池组的放电顺序的方法包括：
当该环境温度低于一设定温度时，所述温度范围区内较高温的区域内的该并联电池组比较低温的区域内的该并联电池组先放电，其中
所述温度范围区内的温度高低是取决于各该并联电池组的位置、散热条件以及废热传递路径。
9.如权利要求6所述的控制电池组的方法，其特征在于，控制各该并联电池组的放电顺序的方法包括：
当该环境温度高于一设定温度时，所述温度范围区内较低温的区域内的该并联电池组比较高温的区域内的该并联电池组先放电，其中
所述温度范围区内的温度高低是取决于各该并联电池组的位置、散热条件以及废热传递路径。
10.如权利要求6所述的控制电池组的方法，其特征在于，更包括：根据各该并联电池组的温升斜率控制其是否放电。
11.如权利要求6所述的控制电池组的方法，其特征在于，更包括：根据残电控制各该并联电池组的电流值。
12.如权利要求6所述的控制电池组的方法，其特征在于，所述温度范围区是根据该环境温度与该电池组的散热情况而定。
13.如权利要求6所述的控制电池组的方法，其特征在于，所述温度范围区内的总温差在20℃以内。
14.如权利要求6所述的控制电池组的方法，其特征在于，每一温度范围区内的温差在5℃以内。
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