CN104143844A - 电芯复合平衡系统 - Google Patents

Abstract

一种电芯复合平衡系统，与一电池组保护系统相连接，该电池组保护系统包含有一主控制核心，而该电芯复合平衡系统包含多组被动式平衡电路、多组电池充电器以及一电池组，其中该电池组具有多个串接的电芯，而该电池组连接于该多组被动式平衡电路与该电压温度监控模组之间，主要为了结合主动式平衡与被动式平衡的复合型平衡架构，以提供大型电池组在快速充电需求下所需的有效的平衡电流与平衡电容量。

Description

电芯复合平衡系统

技术领域

本发明关于一种电芯复合平衡系统，特别是指一种结合主动式平衡(ActiveBalance)与被动式平衡的(Bypassing Balance)复合型平衡架构，用以提供大型电池组在快速充电需求下所需的有效的平衡电流与平衡电容量。

背景技术

一般锂、锰、钴、镍三元素电芯（Li-Mn-Co-NiO₂）在充、放电的过程中，电芯电压会随容量产生的变化量（Variation）很大，或者说，各个电芯之间的特性差异所造成的些微电压差异，并不会对「以电芯电压判断电芯容量」的常用法则，产生太大的误差，由图1中可知，当锂、锰、钴、镍三元素电芯在0.5的充、放电倍率（Charging Current/Nominal Amphere-Hour）下，其充电后段约10～15%的容量，会需要50%的整体充电时间，这对期待实行电池快速充电的使用者来说，是一项非常不理想的特性，但对于设计电芯平衡电路的工程师来看，却是一项有助于电芯平衡的关键特性。

由图2中可知，为常见磷酸锂铁电芯（LiFePO₄）在0.5倍率的充、放电流下，时间与电压变化的关系。若与锂、锰、钴、镍三元素电芯比较，可以清楚看到此种电芯的充、放电曲线有较长的平坦区域，而只在放电、或充电的末端有着快速上升、或下降的曲线，磷酸锂铁电芯对于设计电芯平衡电路的工程师来看，不但需要精确校正电芯电压读取，更要考虑于大部分的充电过程中，当电芯制程中的电芯几何结构或材料纯度上的差异，所造成电芯的呈现电压不同，都可能在电芯电压对应电芯容量的法则中产生严重的错误。虽然在充电最后的0.3～0.8%的时间内，电压变化快速上升，但是这段可以由电芯电压正确判断电芯容量的时间太短，很难在这么短的时间内达成电芯容量的平衡。

上述所发生电芯容量的平衡问题，往往会使用平衡电路进行解决，一般平衡电路系分为被动消耗式（Passive/Bypassing Equalizer）与主动补偿式（ActiveEqualizer），其中主动补偿式的优点为：

1.能够有效抑制单串电芯电压的上升，延长整个电池组的充电时间，有效提高快速充电中的可用电池容量区间（Available Service-Capacity Range）。

2.在放电过程中，也可从较高容量的电芯转移部分电能到最低容量的电芯，在电池组中各串级电芯有容有明显差异时，可以有效提升电池组的可放电容量。

3.效率高，可以使用较大平衡电流，对于单一电芯过高的电池组，可以快速达成平衡，更由于效率高，故放电过程中亦能够启动平衡做能量转移，以使电池组的单次可用安时数（Amp-Hr）提高。

而主动补偿式的缺点为：

1.平衡过程中的对电芯快速充、放电过程，会造成电芯「可用寿命」（ServiceLife-Cycle）的消耗，主动平衡无法延长电芯的使用寿命，反造成电芯「可用寿命」的减损。尤其在浮充阶段的损耗更为可观。

2.平衡过程中的电芯快速充、放，会造成电芯电压的读取错误（电压为电化学平衡后的结果，电芯显示稳定的电压会需要时间），造成平衡决策的错误率提高，更进一步导致电芯「可用寿命」的减损。

3.主动平衡电路对于电芯电压较低者的提升，效率不如想象的大，若以12串，最大平衡电流5安培的系统来看，等效平衡电流将不到250mA。

4.主动平衡电路无法在低成本的要求下，解决各电池模组间的电压不平衡的问题。

另外，被动消耗式的优点为：

1.被动式平衡的原理在于提供容量最高的电芯一个充电傍路（ChargingBypass）电路，使这些容量较高的电芯，在相同的充电时间内，获得较少的电能补充，而达成电芯容量一致的平衡要求，而不是将容量最高的电芯做任何型式的放电处理，也就不会因为平衡电路消耗电池可用寿命。

2.电路简单而明确，不会增加电芯的负荷（由于只是提供充电时的电流旁路线，故不会增加电芯的负荷）。

3.对于电芯电压读取的干扰较小（由于只是减少充电电流，故不会有瞬间电荷累积的问题）。

4.适用于大型电池组，不容易产生电池模组间的容量差异。

5.对于长期连接电源的电池组（长挂型），不会产生不断充、放转换的问题，因此能够确保电池组的「可用寿命」。

6.可用于加热电池组，对于低温地区的太阳能路灯系统，几乎是唯一选择。

而被动消耗式的缺点为：

1.由于充电傍路代表了电能的消耗，除了降低了充电效率，更附带着热量生成，电池组在充电中的上升温度，也是电池组寿命的重要考虑，因此被动式平衡的电流限制，也较主动式更为严苛。

2.因为是属于消耗式平衡，平衡电流（Bypassing Current）将必须有整体发热量上的限制。

3.电芯的自漏电差异必须限制，否则对于周期使用的电池组，无法在一次、或数次充、放电周期内达成平衡。启用智慧平衡的预先、或后置平衡方式，可以提升单次充电周期内的平衡能力。但是由于磷酸锂铁电池的电芯电压对容量的特性曲线过于平缓，后置平衡放式并不适用于磷酸锂铁电池组。

4.整体充电效率较低。

而除了上述两种平衡电路能够达成电芯容量平衡之外，更具有一种均充电路，主要是利用输出、入电压隔离的多组独立充电器（multi-chargers），对串接中的每一节电芯独立充电，由于串接中各节电芯的充电过程，是由各个独立的充电器所控制，故能够确保所有电芯可以在充电过程中达到100%容量的充饱要求。

因此这一类均充电路的优点为：

1.概念简单而懂，不需要任何复杂的控制系统。

2.可以忍受较大的电芯特性差异。

3.没有能量转移的问题。

由于传统多组充电器的输入端是并接在同一组电源上，因此不论是交流电源，或是直流电源，只在输出端串接，并送至电池组。由此可知，这一类均充电路的缺点为：

1.由于必须增加电池组内的配线，因此会导致配线复杂，故会降低电池组的安全性。

2.半裸露电芯线的外部接点，可能产生EMI/ESD冲击的接受效应，降低电池组在EMC要求下的耐受程度。

3.大电流且低电压的均充电路的成本偏高，对于充电设备的成本形成考验，同时均充电路本身偏低的转换效率，也不利大电流的均充平衡系统的推广。

4.使用于大型固接、或半固接电池系统时，配线将是系统组立的最大困扰。

因此，若能够结合主动式平衡/均充电路的充电电流调变能力，以有效消除电芯容量差异，并满足电池快速充电的要求，故将能够藉此解决被动式平衡的平衡电流限制，如此应为一最佳解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电芯复合平衡系统，其采用了多组独立充电器依输出电压调变输出电流，从而使串接中的各节电芯依其电压，对应各节电芯的容量，获得不同的额外充电电流，并提高被动式平衡所需的充电电流等效调变能力，以藉此解决被动式平衡的平衡电流限制。

为实现上述目的，本发明公开了一种上述电芯复合平衡系统，与一电池组保护系统相连接，该电池组保护系统包含有一主控制核心，而该电芯复合平衡系统包含多组被动式平衡电路，内建于一电压温度监控模组内，该被动式平衡电路能够读取该电压温度监控模组的电芯电压与温度的资料，并将资料上传至该主控制核心，而该主控制核心则能够回传平衡指令，以控制被动平衡的傍路电流；多组电池充电器，与该电压温度监控模组相连接；以及一电池组，具有多个串接的电芯，而该电池组连接于该电池充电器与该电压温度监控模组之间，其中该电芯与该电池充电器及该被动式平衡电路相连接。

更具体的说，所述电芯复合平衡系统并不由该电芯汲取电能，而该多组电池充电器系仅提供调整电芯容量平衡所需的电流。

更具体的说，所述多组电池充电器更能够由多个外部充电器供应直流电能，并经由该电池组保护系统的主控制核心决定该多组电池充电器的工作时机。

更具体的说，所述多个电池充电器更能够由多个外部充电器供应直流电能，并经由该电压温度监控模组的被动式平衡电路决定该多组电池充电器的工作时机。

通过上述发明，本发明的电芯复合平衡系统具有如下技术效果：

1.本发明采用多组独立充电器依输出电压调变输出电流，使串接中的各节电芯依其电压，对应各节电芯的容量，获得不同的额外充电电流，并提高被动式平衡所需的充电电流等效调变能力，以藉此解决被动式平衡的平衡电流限制。

2.本发明与传统主动式平衡多组充电器架构比较的下，本发明的优点在于所需要多组充电器的电流供应能力较低，故建置成本也因此较为低廉。

3.本发明与传统主动式平衡式架构不同，传统主动式平衡式架构在平衡电路运作的过程中，需要不断地从容量较高的电芯抽取电能的问题，或是将平衡电能送至不需要调整的电芯，然而本发明则不需如此运动，因此将没有因电芯容量平衡所产生快速充、放电的转换过程，故能够进而避免传统主动式平衡式架构可能导致的电池组寿命衰减的问题发生。

附图说明

图1为标准锂锰钴镍三元素电芯的充、放电曲线图；

图2为标准磷酸锂铁电芯的充、放电曲线图；

图3为本发明电芯复合平衡系统的整体架构示意图；

图4为本发明电芯复合平衡系统的电池充电器所呈现的电流与电压变化曲线图；

图5为本发明电芯复合平衡系统的第一实施例的复合式平衡架构图；

图6为本发明电芯复合平衡系统的第一实施例的实验结果；

图7为本发明电芯复合平衡系统的第一实施例的另一实验结果；

图8为本发明电芯复合平衡系统的第二实施例的复合式平衡架构图；

图9为本发明电芯复合平衡系统的第三实施例的复合式平衡架构图；以及

图10为本发明电芯复合平衡系统的第三实施例的实验结果。

具体实施方式

有关于本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。

请参阅图3，为本发明电芯复合平衡系统的整体架构示意图，由图中可知，该电芯复合平衡系统1与一具有主控制核心21的电池组保护系统2相连接，而该电芯复合平衡系统1包含有多组被动式平衡电路111、多组电池充电器12以及一电池组13，其中该被动式平衡电路111内建于一电压温度监控模组11内，而该电池充电器12与该电压温度监控模组11相连接，且该电池充电器12与多组被动式平衡电路111之间连接该电池组13的多个串接电芯131；

该被动式平衡电路111能够读取该电压温度监控模组11的电芯电压与温度的资料，并进一步将资料上传至该主控制核心21，而该主控制核心21则能够回传平衡指令，以控制被动式平衡电路111的傍路电流；另外，由于该多组电池充电器12所输出的电流能够依输出电压做适当的调变，使串接中的各节电芯131依其电压，对应各节电芯131的容量，以获得不同的额外充电电流；

因此，本发明与传统多电池组的平衡架构不同之处，除了充电电流并不全部来自平衡所需的多组电池充电器，更在于本发明的多组电池充电器的输出电流会随着输出电压而逐渐降低，由图4中可知，于电芯充电的后段过程中，由于容量较低的电芯会有较低的电芯电压，因此该多组电池充电器将能够提供的的充电电流会较多，由此可知，依电芯电压自动调变的多组电池充电器的输出电流，以协助原有的被动平衡电路，除了能够提升有效的充电电流调变的能力，更不会在调变的过程中，有大量的热能产出；

而图4所显示的是最简单的调变方法，这些内建的多组电池充电器12在电芯电压大于3.0V开始供应充电电流，随着电芯电压的上升，而逐渐减少输出电流，在电芯电压达到3.65V时，输出电流小于100mA，或则说在磷酸锂铁电芯充电最关键的3.50V至3.65V的电芯电压区间，输出电流的变化可达1.0A。如此，在磷酸锂铁电芯的充电后期，可以快速补充容量较低的电芯131电能，提高容量较低电芯131的电压，由于总电压受限于充电器的输出电压，相对而言便抑制容量较高的电芯电压上升，有效提升可充电时间。

而本发明提供三组实施例，由图5中可知，本发明的第一实施例为本发明的最简单的实施架构，本实施例为可依输出电压调变输出电流的多组电池充电器所建构的复合式平衡架构，由图中可知，右半侧的架构主体是多组标准模组化的被动平衡电路（Passive Balance&Voltage Monitor Module），这一部分的被动平衡电路主要在于电芯电压与温度的读取，并将所获得的类比资料转换成数位格式的资料，经由数位通讯介面上传至电池组保护系统的主控制核心，并依组的所记录的历史资料，与电池组保护系统的主控制核心所回传的平衡指令，决定应当执行被动平衡的傍路电流（Bypassing Current）；

而图5中左半侧的架构主体则是多组电池充电器，其中多组电池充电器是符合图4中所显示的特性，其输出的电流会依输出电压做适当的调变，而调变的幅度，则需要考量电芯的种类、电池组的大小、电池充电器的最大供应电流与电池组保护系统的主控制核心内部的平衡演算法则；而于第一实施例的复合式架构中，被动式平衡电路与电压温度监控模组，并不参与、或指挥相接的充电器的工作，而是经由电池组保护系统的主控制核心决定这些内建的多组充电器的启动时机，而多组电池充电器的电源则是来自外部的交流电源。

图6为本发明电芯复合平衡系统的第一实施例的实验结果，于第一实施例的架构，使用16颗电芯串接，而每颗电芯容量约为28.8Ah（±2%），并使用随输出电压调变出电流的均充器，其性质接近图4所显示，不同的是本实施例中所使用的均充器的最高输出电压为3.62V 100mA，而最高电流为4.2Amp 3.2～3.52V，其中被动平衡电流为120mA、外部充电器为15A 30～58V，而每次实验前先将16颗电芯，以均充器充电至3.62V至充电电流小于200mA，再将整组16串电芯放电20Amp-Hr，最后对第三颗电芯独立充电5Amp-Hr（15Amp for20mins），由图6中可知，第一实施例所揭露的第一颗到第四颗电芯的实验结果显示于中，其中第三颗电芯的容量（State of Charge,SOC）较其他15颗电芯容量多5Amp-Hr，在充电约35分钟后，第三颗电芯的容量约达到86%，此时其他15颗电芯容量仍在68%，虽然第三颗电芯的均充器已检知电芯电压的上升，而逐渐降低充电电流，但是外部充电器的输出电压仍在54.2～54.7V，外部充电器的输出电流仍是15A，锂铁电池充电末期的高阻抗特性完全显露出来，第三颗电芯的电压快速上升，其后的电池组充电工作，只能由均充器慢慢完成。整体充电时程多于两个小时。

而图7亦为第一实施例的实验结果，主要差异在于图7的前半部则表示单独使用传统被动平衡的结果。由于第三颗电芯在充电开始的容量，较其他15颗电芯多出5Amp-Hr，已经不是单次充电（within 2hours）所能达成的平衡工作，但被动平衡电路可以在充电开始时，就检出第三颗电芯的电压较高，并启动被动平衡（By-Passing process），在充电11.9Amp-Hr之后，第三颗电芯才出现电芯电压快速上升的状况。但由于第三颗电芯容量已接近90%，纵使其后启动复合充电模式，仍无法抑制第三颗电芯在大充电电流下（over 0.5C）的电流快速上升，只能使用均充器完成整组电池的充电。

而本发明的第二实施例如图8所示，本实施例采用可由外部讯号控制动作的多组电池充电器所建构的复合式平衡架构，与第一实施例不同在于，其中该多组充电器的直流电源来自电池组外部的外置充电器，因为无需外接交流电源，故降低了电池组外配线的复杂度，进一步提升这种复合平衡架构的实用性。同样的，多组电池充电器的电源仍不是由电芯供应，并没有因为电芯容量平衡，使电芯有放电的操作，确保电芯的使用寿命；

另外，由于多组电池充电器的直流电源来自外部充电器，故可以有效降低容量较高电芯的有效充电电流，对于抑制容量较高电芯的电压上升更为有效，而这些的架构中也允许电池组保护系统的主控制核心单独指挥这些内建的多组电池充电器的充电管制，得以施行更复杂的平衡控制。

而本发明的第三实施例如图9所示，本实施例采用由光耦合器控制动作的多组电池充电器所建构的复合式平衡架构，其中经由被动式平衡电路，积极介入多组电池充电器的充电管制，用以简化电池组保护系统的主控制核心的平衡机制，形成可动态调整的均充电路（Dynamic Balancing Charger），在第三实施例的架构中所使用的电池充电器，为简单的定电流充电器（continuous current tocontinuous voltage,CC to CV）；因此当被动平衡与电压温度监控模组启动傍路电流时，能够同时禁制对应的内建电池充电器的工作，等于大幅度提高原有的被动式平衡电路与电压温度监控模组的可控制电流，使容量较低的电芯，得以多于容量较高电芯数安培的充电电流，故能够直接而快速获得电能的补充；

第三实施例的架构的优点是可以将多组电池充电器完全与模组化的被动平衡电路结合，在复合式平衡架构中，仍保存模组化（Modular Design）的优点，同时亦能够避免被动式平衡所可能产生大量热，又使各个串接的模组间的容量差异，得以透过被动式平衡电路进行必要的调整；同样的，该些多组电池充电器的电源来自外部的充电电源。

而使用第三实施例的架构进行实验，使用16颗电芯串接，而每颗电芯容量约为28.8Ah（±2%），并使用随输出电压调变出电流的均充器，其性质接近图4所显示，不同的是本实施例中所使用的均充器的最高输出电压为3.62V 100mA，而最高电流为4.2Amp 3.2～3.52V，其中被动平衡电流为120mA、外部充电器为15A30～58V，而每次实验前先将16颗电芯，以均充器充电至3.62V至充电电流小于200mA，再将整组16串电芯放电20Amp-Hr，最后对第三颗电芯独立充电5Amp-Hr（15Amp for 20mins）；由图10中可知，为第三实施例的具体实验结果，由于复合平衡电路在充电一开始时便同时抑制第三颗电芯的均充器的充电动作，不但有效快速地弥补其他15颗电芯容量，并由于第三颗电芯的实际充电电流较其他电芯少了4.2Amp，因充电电流而增加的电芯电压也较其他电芯为低，整体电芯电压的平衡约在38分钟内达成，整组电池的充电约在58分钟完成。

本发明所提供的电芯复合平衡系统，与其他习用技术相互比较时，更具备下列优点：

1.本发明采用多组独立充电器依输出电压调变输出电流，使串接中的各节电芯依其电压，对应各节电芯的容量，获得不同的额外充电电流，并提高被动式平衡所需的充电电流等效调变能力，以藉此解决被动式平衡的平衡电流限制。

2.本发明与传统主动式平衡多组充电器架构比较的下，本发明的优点在于所需要多组充电器的电流供应能力较低，故建置成本也因此较为低廉。

3.本发明与传统主动式平衡式架构不同，传统主动式平衡式架构在平衡电路运作的过程中，需要不断地从容量较高的电芯抽取电能的问题，或是将平衡电能送至不需要调整的电芯，然而本发明则不需如此运动，因此将没有因电芯容量平衡所产生快速充、放电的转换过程，故能够进而避免传统主动式平衡式架构可能导致的电池组寿命衰减的问题发生。

藉由以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。

Claims (4)

1.一种电芯复合平衡系统，与一电池组保护系统相连接，该电池组保护系统包含有一主控制核心，其特征在于该电芯复合平衡系统包含：

多组被动式平衡电路，内建于一电压温度监控模组内，该被动式平衡电路能够读取该电压温度监控模组的电芯电压与温度的资料，并将资料上传至该主控制核心，而该主控制核心则能够回传平衡指令，以控制被动平衡的傍路电流；

多组电池充电器，与该电压温度监控模组相连接；以及

一电池组，具有多个串接的电芯，而该电池组连接于该电池充电器与该电压温度监控模组之间，其中该电芯与该电池充电器及该被动式平衡电路相连接。

2.如权利要求1所述的电芯复合平衡系统，其特征在于，该电芯复合平衡系统并不由该电芯汲取电能，而该多组电池充电器仅提供调整电芯容量平衡所需的电流。

3.如权利要求1所述的电芯复合平衡系统，其特征在于，该多组电池充电器更能够由多个外部充电器供应直流电能，并经由该电池组保护系统的主控制核心决定该多组电池充电器的工作时机。

4.如权利要求1所述的电芯复合平衡系统，其特征在于，该多个电池充电器更能够由多个外部充电器供应直流电能，并经由该电压温度监控模组的被动式平衡电路决定该多组电池充电器的工作时机。