CN104898061A - 一种用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统，其包括多个彼此以通信线路连接的电池管理单元，各电池管理单元分别与一特定充电电池组连接，以管理该特定充电电池组、侦测该特定充电电池组的物理测量数据，并据以计算电池组容量数值。每一电池管理单元被赋予独特的一电池ID，指定一特定的电池ID的电池管理单元为主电池管理单元，其余的电池管理单元为从电池管理单元；各从电池管理单元将所侦测的物理测量数据与计算的电池组容量数值通过该通信线路传送至该主电池管理单元，由该主电池管理单元统筹相关数据的计算及传输。

Description

一种用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统

技术领域

本发明关于一种电池管理系统；特别关于一种主从式电池管理系统，该系统可用于准确测量由数个电池组构成的一个电池的容量。

背景技术

笔记本电脑、平板电脑、移动电话，甚至是大型电动车或机器人均包含由数个充电电池组串／并联而成，附有一定运作容量的充电电池。上述充电电池组又由数个充电电池芯串／并联而组成。就电池组装厂而言，他们采购的充电电池芯可能来自不同的供货商（或自行生产），也许规格差异不大（放电电量、电压）。但因使用材料、细部设计或加工精密度的不同，甚至批料的区别，充电电池芯的表现性，如充放电量等，会有差异。混合使用不同的来料往往容易造成组装后的充电电池产生不平衡的现象。但组装时完全不混入不同来源或使用特性一致的充电电池芯有实际操作上的困难。又譬如以大型电池组为动力来源的电动车，因为电池芯的数目更多，电池组常常以替换充电电池芯的方式进行保养维修，以增加其寿命。若要求替换的充电电池芯具有与现存充电电池芯一样的特性，实属困难。对于以上问题进行电池管理与准确容测量量，也非易事。

主从控制是一种将一装置作为主装置，可以控制或管理其他相连的从属装置的方法。这种方法运用在电池管理上，可以达到分类电池监控，统一数据整理的成效。将充电电池芯依照不同特性区分为不同主从电池组来进行管理与测量，不失为一个好方法。相关的现有技术已由美国专利第7,453,236所揭露，请参见图1与图2。图1描述该技术的一多电池组系统。该系统包含一主电池组100与第1个到第N个的从电池组101～10N。主电池组100与第1个到第N个的从电池组101～10N并联连接至动力输出端V＋与V－，并输出预定的动力至动力输出端V＋与V－。主电池组100与第1到第N个从电池组101～10N具有相同组态，但操作有主从之别，因此以下将仅详述一电池组。

请参照图2，在被设定为主电池组时，电池组中的一个控制器200自第1到第N个从电池组101～10N接收到总电压，并自一电池电压与电流侦测电路202接收来自一电池串204（内含串联的8个电池芯）本身的总电压。接着，控制器200计算整个电池组的目标总电压，并将计算出的目标总电压传送至第1到第N个从电池组101～10N中，根据目标总电压控制开关单元206。此外，在被设定为从电池组时，控制器200根据主电池组100的要求送出其本身的总电压，并根据主电池组100所提供的目标总电压来控制开关单元206。该开关单元206内的一开关元件控制器208分别于充电放电阶段，依照目标总电压分别控制一充电开关元件2081与一放电开关元件2082的开关。该系统使用一驱动信号来操作控制器200，其与另一电池组经由一通讯路径相连以传导符合RS232的序列通讯。

上述美国专利第7,453,236的最特别之处在于其选择主电池组的方式。其方式是让各电池组在刚启动或接收到一设定主电池信号时，在一第一时间内判断通信线路内的电压信号是高还是低。如果是低的，表示其它电池组都想当主电池组，则在接受到指示何者为主电池组的又一设定主电池信号时，自行设定为从电池组；如果是高的，表示其它电池组都不想当主电池组，则在一第二时间内发出低电压信号，并在第二时间届满后，发出高电压信号。如果某一个电池组在发出高电压信号后，察觉到它接收来自通信线路内的电压信号都是高的，表示询问后其它电池组都不想当主电池，则该电池组自行设定为主电池组，并发出前述用于指示何者已经为主电池组的设定主电池信号给其它电池组。可以想到的是，若是每一个电池组在第二时间结束同时发出高电压信号，不是无法确认何者为主电池组吗？该专利特别就这样的情况，内定不同的第二时间给不同的电池组。这意味着，主电池组的选择，在不考虑环境变异与信号传输问题的情形下，有优先级的差异。

上述专利提供了良好的主从控制技术。利用主从电池组的角色，提供单一有序的窗口，让各电池组的电压计算在主电池组内完成，并能最为有效地被传送回馈至各从电池组，以便能在电池组系统充放电时，控制个电池组的充放电，以避免产生过度充放电等问题。

然而，依照该专利的电池组系统，主电池组的角色并不是采取各电池组轮流的方式，容易造成过度依赖某电池组内的资源，造成该电池组内相关管理元件的负担，影响其使用寿命与表现。此外，对于选择主电池组，其顺序已然内定，若某电池组的管理元件出了问题，会拖累整个系统的运作。又该系统仅能侦测电压，其余电量相关的信息都无法通过该系统取得。以上列举缺点，其解决方式，亟待业界思之，以提供更完善的电池组系统及电池管理系统。

发明内容

已知的应用主从控制的电池组，其管理系统并未能有效利用其管理元件，造成该电池组内相关管理元件的负担，影响其使用寿命与表现。此外，管理元件使用的优先级并没有一个规定，容易使出问题的管理元件继续担任主控制角色，拖累整个系统的运作。最后，该电池组的测量应用范围仅电压值，范围过窄。

因此，需要发展一使用主从管理的电池管理系统，有效利用所有电池管理元件，适时替换主电池管理元件，以解决过度使用的问题。此外，电池管理元件也不得有默认使用顺序。最后，该电池管理系统应能有效测量多种关于电池电量的物理数据，最好能计算由该物理数据推导出来的应用数值。

本发明提供的用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统，包括多个彼此以一通信线路连接的电池管理单元，各电池管理单元分别与一特定充电电池组连接，以管理该特定充电电池组并侦测该特定充电电池组的物理测量数据，并据以计算电池组容量数值，其特征在于：每一电池管理单元被赋予一独特的电池ID，通过指定一特定电池ID的电池管理单元为主电池管理单元，其余的电池管理单元依照各自的电池ID为从电池管理单元；各从电池管理单元将侦测的物理测量数据与计算的电池组容量数值通过该通信线路传送至该主电池管理单元；该主电池管理单元侦测对应充电电池组的物理测量数据与计算电池组容量数值、累计来自各电池管理单元的物理测量数据为一电池侦测物理数据，计算来自各电池管理单元的电池组容量数值为一电池容量数值，并将该电池侦测物理数据与电池容量数值，传送到与电池管理系统连接的一主机。

依照本案构想，该主机通过辨识电池ID与具有一特定的电池ID的电池管理单元连接，对与该电池管理单元连接的充电电池组进行管理。

依照本案构想，该主机通过辨识电池ID，与具有一特定的电池ID的电池管理单元连接，取得与该电池管理单元连接的充电电池组的物理测量数据或计算的电池组容量数值。

依照本案构想，主电池管理单元由该主机指定。

依照本案构想，该被指定的主电池管理单元决定让某一从电池管理单元成为新的主电池管理单元，而其本身重新设定为从电池管理单元，并将此决定通知该主机。

依照本案构想，该物理测量数据为电压值、电流量或库伦计数。

依照本案构想，该电池组容量数值为满充电量、剩余电量、预估可供电时间或预估需充电时间。

依照本案构想，该电池侦测物理数据为来自各电池管理单元的物理测量数据的累计值。

依照本案构想，该电池容量数值为各电池组容量数值的累计值或各电池组容量数值的最大值。

依照本案构想，该电池管理单元进一步包含：一测量元件，连接至对应的电池组，用以测量该充电电池组的物理测量数据；一管理元件，电连接至该测量元件，用以计算及/或传送该物理测量数据、电池侦测物理数据与电池组容量数值、接受该主机的命令，以管控该充电电池组，及当被指定为主电池管理单元时，依照一限制条件，决定让某一从电池管理单元成为新的主电池管理单元，而其本身重新设定为从电池管理单元，并将此决定通知该主机；一存储元件，电连接至该管理元件，用以记忆并提供该电池ID；及一通讯元件，电连接至管理元件并与该通信线路连接，用以传输及接收该物理测量数据、电池组容量数值、电池侦测物理数据与电池容量数值及与该主机沟通。

依照本案构想，该限制条件为传输电池侦测物理数据或电池组容量数值的次数或使用时间。

本发明提供的用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统，能适时替换主电池管理单元，以免过度使用造成寿命衰减。主从电池管理单元的选替也不会有默认使用顺序。每一电池管理系统应能有效测量多种关于电池电量的物理测量数据，累计各电池管理单元的物理测量数据为一电池侦测物理数据，计算各电池管理单元的电池组容量数值为一电池容量数值，并将该电池侦测物理数据与电池容量数值，传送到与电池管理系统连接的一主机，便于电池管理数据搜集。

附图说明

图1为现有技术中应用主从控制的一多电池组系统的方块示意图；

图2为该电池组的内部构造的方块示意图；

图3为本发明的一实施例的电池管理系统方块示意图；

图4为本发明的一实施例的充电电池组内的充电电池芯连接方式方块示意图；

图5为本发明的一实施例的电池管理单元的内部构造方块示意图。

附图标记说明：100-主电池组；101-从电池组；10N-从电池组；200-控制器；202-电池电压与电流侦测电路；204-电池串；206-开关单元；208-开关元件控制器；2081-充电开关元件；2082-放电开关元件；30-电池；301-第一电池管理单元；3011-测量元件；3012-管理元件；3013-存储元件；3014-通讯元件；302-第二电池管理单元；303-第三电池管理单元；311-第一充电电池组；3111-充电电池芯；312-第二充电电池组；313-第三充电电池组；340-通信线路；350-电力线路；40-电源管理装置；50-内部负载。

具体实施方式

请见图3至图5。图3为依照本发明一实施例的电池管理系统方块示意图，及使用该电池管理系统的笔记本电脑内部的电源管理装置，图4为本实施例中一充电电池组内的充电电池芯连接方式，图5为本实施例中一电池管理单元的内部构造。

一电池30包含了一第一充电电池组311、一第二充电电池组312与一第三充电电池组313，及各自和该第一充电电池组311、第二充电电池组312与第三充电电池组313并联连接的一第一电池管理单元301、一第二电池管理单元302与一第三电池管理单元303。该第一充电电池组311、第二充电电池组312与第三充电电池组313彼此并联，经由一电力线路350提供直流电力至笔记本电脑内部的一内部负载50，进而驱动该笔记本电脑的运作。该第一电池管理单元301、第二电池管理单元302与第三电池管理单元303以一通信线路340彼此相连，并与笔记本电脑内部的一电源管理装置40连接作为电池管理数据传输用途。各充电电池组311、312与313皆由规格一致的充电电池芯所组成。此处所谓规格一致，意味着各充电电池芯的出厂额定充放电规格，如放电电压、电量等是一致的。但由于充电电池芯来料的供货商可能使用不同的充电电池芯制造材料，且同一厂商各批量的实质特性会有差异（或存放时间造成的差异），依照本发明，实施例中的各充电电池组的充电电池芯不须是来料特性接近的，但每一充电电池组的充电电池芯必须使用来料特性一致的，以便于电池管理。各充电电池组311、312与313内部充电电池芯的连接方式是一致的，现举第一充电电池组311为例，请见图4。该图显示第一充电电池组311内部由2个充电电池芯3111串联组成。

前述的通信线路340符合内部整合电路（I2C）规范，但实际上并不限定于此，符合系统管理总线规范（SMBus）序列周边接口（SPI）规范或美国电子工业联盟RS232规范的通信线路340亦可应用于本发明。值得注意的是，虽图3中以单一线条绘示通信线路340，然而，实际上通信线路340可包含两条线路（I2C使用的串行数据及串行频率）或更多条线路。理解上，不应被图示所局限。电源管理装置40为主机。由于主机功能的整并，目前已有整合型的CPU具有电源管理的功能。所以，凡是具有管理电源功能，尤其是管理电池电源功能的装置，皆可做为本发明中所提及的电源管理装置。

本发明的实施方式，必须配合指定主、从电池管理单元，以进行电池管理。指定的方法如下：每一电池管理单元被赋予特定的一电池ID，通过指定具某一电池ID的电池管理单元为主电池管理单元，其余的电池管理单元依照各自的电池ID成为从电池管理单元。此处，第一电池管理单元301的电池ID为HYC001，第二电池管理单元302的电池ID为HYC002，第三电池管理单元303的电池ID为HYC003。经设定后，具有HYC001电池ID的第一电池管理单元301为主电池管理单元，第二电池管理单元302与第三电池管理单元303为从电池管理单元。值得注意的是，本发明的一个特色在于该被指定的主电池管理单元本身可因某些因素，如超时使用，决定让某一从电池管理单元成为新的主电池管理单元，而本身重新设定为从电池管理单元。譬如各电池管理单元内定负责为主电池管理单元时的操作数据传输次数为一百万次，在第一百万次数据传输后，第一电池管理单元301选择第二电池管理单元302为主电池管理单元，自己可退下成为从电池管理单元，以减少负担，延长使用寿命。

依照本发明，第一电池管理单元301、第二电池管理单元302与第三电池管理单元303有相同的构造但指定的工作内容不同。在电池管理系统运作时，第二电池管理单元302与第三电池管理单元303（从电池管理单元），各自将由第二充电电池组312与第三充电电池组313所侦测的物理测量数据，与计算的电池组容量数值，由该通信线路340传送至第一电池管理单元301（主电池管理单元）。第一电池管理单元301累计各电池管理单元（包含主、从电池管理单元）的物理测量数据为一电池侦测物理数据，计算各电池管理单元的电池组容量数值为一电池容量数值，并将该电池侦测物理数据与电池容量数值传送到与电池管理系统连接的一主机上。

电源管理装置40进一步可通过辨识电池ID，与具有某一特定电池ID的电池管理单元连接，对与该电池管理单元连接的充电电池组进行管理。举例而言，电源管理装置40可通过通信线路340辨识到来自电池ID-HYC002的充电电池组不平衡，想要暂时让第二充电电池组312进行充电电池芯间的平衡，只要发出指示，经由该电池管理系统的运作，上述目的即可达成。

此外，电源管理装置40可通过辨识电池ID，与具有某一特定电池ID的电池管理单元连接，取得与该电池管理单元连接的充电电池组的物理测量数据及／或计算的电池组容量数值。比如说，电源管理装置40想要知道当下第三充电电池组313的放电电压值与剩余电量，只要辨识对应的电池ID为HYC003，即可发出需求，命令具有电池ID-HYC003的第三电池管理单元303回报最新测量的第三充电电池组313的放电电压值与计算的剩余电量。

以上所称的物理测量数据，指的是直接以电子元件测量的物理数据，比如说电压值、电流量或库伦计数。本发明并不限定只有前三者，其他如温度等物理量也可为物理测量数据；就本实施例而言，物理测量数据包含前述三者。测量单一项物理测量数据或至部分地指定测量电压值与电流量量皆符合本发明的要求。电池组容量数值则依照不同侦测的物理测量数据，依照特定的计算方法，计算出的与电量测量相关的数值。依照本实施例，可以计算出的电池组容量数值包括了满充电量、剩余电量、预估可供电时间、预估充电时间、平均电压值或平均电流量。依照电源管理装置40的需求，可各别传送、部分传送甚至全部传送前述电池组容量数值。

所有的物理测量数据与电池组容量数值由第二电池管理单元302与第三电池管理单元303经通信线路340传送到第一电池管理单元301后，第一电池管理单元301连同本身的物理测量数据与电池组容量数值，进行针对电池30本身的相关数据计算。依照本发明，可以得到电池侦测物理数据及电池容量数值。在本实施例中，电池30的电流量为各电池管理单元的总和。若于某一时间，第一充电电池组311的电流量为700mA，第二充电电池组312的电流量为710mA，第三充电电池组313的电流量为705mA，整个电池30的总电流量就为2115mA。同理，电池30的总库伦计数亦由各电池管理单元的库伦计数累计而来。此外，各电池管理单元亦可侦测平均电流量作为加总的物理量。在其他实施例中，由串联的充电电池组可得到总电压值。

但关于电池容量数值，其计算方式就不一定是累计各电池管理单元传送的数值。以本实施例中的例子而言，若各电池管理单元传送其计算的相应充电电池组的满充电量，第一电池管理单元301（主电池管理单元）就加总所有的满充电量而计算得到电池30的总满充电量；若各电池管理单元传送其计算的相应充电电池组的剩余电量，第一电池管理单元301就加总所有的剩余电量而计算得到电池30的总剩余电量；若各电池管理单元传送其计算的相应充电电池组的预估需充电时间，第一电池管理单元301会选择各预估需充电时间中最大值，作为电池30的预估需充电时间；若各电池管理单元传送其计算的相应充电电池组的预估可供电时间，第一电池管理单元301会选择各预估可供电时间中最大值，作为电池30的预估可供电时间。此外，第一电池管理单元301可进一步计算电池的相对充电状态，其为电池30的总剩余电量除以电池30的总满充电量得到的数值，以百分比表示，结果亦为一电池容量数值而输出。

本发明所提供的电池管理系统是由数个彼此以一通信线路连接的电池管理单元所组成。电池管理单元数量并不限于本实施例中的三个，可依照实际需求作增减。各电池管理单元皆相同，可各自以一独立集成电路形式存在，或以一集成电路包含数个电池管理单元的方法运作。本实施例使用三个独立的集成电路，各自包含第一电池管理单元301、第二电池管理单元302与第三电池管理单元303。为了了解电池管理单元的组成与运作方式，请见图5，兹以第一电池管理单元301为例以解说。

图5中，第一电池管理单元301包含一测量元件3011、一管理元件3012、一存储元件3013与一通讯元件3014。该测量元件3011连接第一充电电池组311，测量充电电池组311的物理测量数据。一管理元件3012，电连接至该测量元件3011，用以计算及╱或传送该物理测量数据、电池侦测物理数据与电池组容量数值、接受电源管理装置40的命令管控充电电池组311。当第一电池管理单元301被指定为主电池管理单元时，依照一限制条件，管理元件3012可决定让某一从电池管理单元（第二电池管理单元302或第三电池管理单元303）成为新的主电池管理单元，而本身重新设定为从电池管理单元，并将此决定通知电源管理装置40。如同前述，各电池管理单元内定负责为主电池管理单元时的操作数据传输次数为一百万次，在第一百万次数据传输后，主电池管理单元（第一电池管理单元301）选择另一从电池管理单元为新的主电池管理单元，自己可退下成为从电池管理单元，以减少负担，延长使用寿命。此处，第一百万次数据传输即为该限制条件。相同地，以使用时间来看，若定连续使用24小时为一门坎值，一但主电池管理单元连续工作超过24小时，就可以进行主电池管理单元替换动作。

存储元件3013，电连接至该管理元件3012，用以记忆并提供该电池ID。该通讯元件3014电连接至管理元件3013并与该通信线路340连接，用以传输及接收该物理测量数据、电池组容量数值、电池侦测物理数据与电池容量数值。此外，通讯元件3014可与电源管理装置40进行沟通，以便接收命令，进行电池管理。

值得注意的是，本发明并未局限于小型的电池管理系统，比如笔记本电脑电池的电池管理系统；有需要多数量充电电池组组合供电的电池皆适用本发明所提供的电池管理系统，比如电动车的电池。此外，本发明应用上的一个优点是，当一个具有本发明电池管理系统的电池要进行充电电池芯更换维修时，只要将同样来源或特性一致的充电电池芯置换于一充电电池组中即可，不必考虑该些充电电池芯是否与其它充电电池组内的近似。也就是说充电电池组间使用的充电电池芯可以有差异，包括了电量、阻抗或组成物的差异。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许之更动与润饰，因此本发明的保护范围当视本案权利要求所界定者为准。

Claims (11)

1.一种用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统，包括多个彼此以一通信线路连接的电池管理单元，各电池管理单元分别与一特定充电电池组连接，以管理该特定充电电池组并侦测该特定充电电池组的物理测量数据，并据以计算电池组容量数值，其特征在于：

每一电池管理单元被赋予一独特的电池ID，通过指定一特定电池ID的电池管理单元为主电池管理单元，其余的电池管理单元为从电池管理单元；各从电池管理单元将侦测的物理测量数据与计算的电池组容量数值通过该通信线路传送至该主电池管理单元；该主电池管理单元侦测对应充电电池组的物理测量数据与计算电池组容量数值、累计来自各电池管理单元的物理测量数据为一电池侦测物理数据，计算来自各电池管理单元的电池组容量数值为一电池容量数值，并将该电池侦测物理数据与电池容量数值传送到与电池管理系统连接的一主机。

2.如权利要求1所述的用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统，其中该主机通过辨识电池ID与具有一特定的电池ID的电池管理单元连接，对与该电池管理单元连接的充电电池组进行管理。

3.如权利要求1所述的用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统，其中该主机通过辨识电池ID与具有一特定的电池ID的电池管理单元连接，取得与该电池管理单元连接的充电电池组的物理测量数据或计算的电池组容量数值。

4.如权利要求1所述的用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统，其中该主电池管理单元由该主机指定。

5.如权利要求1所述的用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统，其中该被指定的主电池管理单元决定让一从电池管理单元成为新的主电池管理单元，而其本身重新设定为从电池管理单元，并将此决定通知该主机。

6.如权利要求1所述的用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统，其中该物理测量数据为电压值、电流量或库伦计数。

7.如权利要求1所述的用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统，其中该电池组容量数值为满充电量、剩余电量、预估可供电时间或预估需充电时间。

8.如权利要求1所述的用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统，其中该电池侦测物理数据为来自各电池管理单元的物理测量数据的累计值。

9.如权利要求1所述的用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统，其中该电池容量数值为各电池组容量数值的累计值或各电池组容量数值的最大值。

10.如权利要求1所述的用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统，其中该电池管理单元进一步包含：

一测量元件，连接至对应的充电电池组，用以测量该充电电池组的物理测量数据；

一管理元件，电连接至该测量元件，用以计算及╱或传送该物理测量数据、电池侦测物理数据与电池组容量数值、接受该主机的命令，以管控该充电电池组，及当被指定为主电池管理单元时，依照一限制条件，决定让某一从电池管理单元成为新的主电池管理单元，而其本身重新设定为从电池管理单元，并将此决定通知该主机；

一存储元件，电连接至该管理元件，用以记忆并提供该电池ID；及

一通讯元件，电连接至管理元件并与该通信线路连接，用以传输及接收该物理测量数据、电池组容量数值、电池侦测物理数据与电池容量数值，及与该主机沟通。

11.如权利要求10所述的用于准确测量电池容量的主从式电池管理系统，其中该限制条件为传输电池侦测物理数据或电池组容量数值的次数或使用时间。