CN105207371A - 运输载具用的储能元件的充放电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运输载具用的储能元件的充放电系统。由缓冲单元针对运输载具上的充电装置的充电电压进行电压调整，并同时调整充电电流，以控制充电装置对储能元件的充电电压以及电流，让使用锂离子电池的储能元件能适用在各种不同的车用系统。

Description

运输载具用的储能元件的充放电系统

技术领域

本发明涉及一种充放电系统，特别是有关一种运输载具用的储能元件的充放电系统。

背景技术

随着科技的进步以及环保意识的抬头，交通载具的能耗已成为业界改善的目标。除了使用不同能源动力的电动脚踏车、电动机车、油电汽车等各式交通载具外，改善引擎效率或是怠速熄火等也都是用来提升交通载具的能耗效率的研发方向。

然而随着各式节能交通运输载具的发展，载具的控制也越加复杂。载具与储能元件(车载电池)的接口(电压/电流)形成了各式各样的规格。由于不同类型的储能元件，其电压与电流的特性也有所不同，这也使得交通载具与储能元件之间要设计什么样的接口成为相当重要的课题。

一般车用的铅酸电池在启动时会产生瞬间大电流，已知会对电池的寿命造成影响。随着车用控制系统的进步及节能概念的产生，需要在车辆上启动放电的次数因而大幅增加，对于传统铅酸电池的寿命更是不利。虽然其他类型的储能元件(例如锂离子电池)可大幅改善这种电池老化的问题，但在现有的运输载具上使用不同的锂离子电池，也因锂离子电池的充电饱电电压而产生了额外的问题。

举例而言，传统的机车用铅酸电池的充电电压约为14.5伏特(V)，而一般锂三元电池单颗的充电饱电电压约为4.2V，若要将锂三元电池配置在传统的机车上，则面对原先设计给铅酸电池的系统接口将会出现问题。更具体来说，串接3组锂三元电池在充饱电时的电压约为12.6V，在这样的配置下，设计给铅酸电池的系统接口的充电电压(14.5V)则会对串接的锂三元电池造成电池过电压，产生安全性及性能老化的问题。若是串接4组锂三元电池，则其充饱电的电压约为16.8V，在这样的配置下，直接使用串接4组锂三元电池的系统，其充电电压虽不致造成电池过电压的安全性问题，但因每颗锂三元电池只能充到3.6V，使得电池的电量不足而在使用功能上造成严重受限。

上述所说明的问题不仅仅发生在以锂离子电池取代铅酸电池的应用场合中，这样的问题更普遍存在于各式储能元件与各式载具的系统接口间的取代。由于各式储能元件的电压/电流特性均不相同，当载具支持某种储能元件时，即意味着所述载具很有可能无法支持另一种储能元件。因此，如何让各式储能元件与载具的系统接口之间能具有可适性的转换，使得储能元件在各式载具上的应用更加具有弹性，是一个重要的研究方向。

发明内容

鉴于此，本发明公开一种储能元件用的可适性缓冲单元，以解决上述面对储能元件与系统接口电压不匹配、可用容量不足、安全性以及成本等的问题。

本发明的一种实施方式中公开了一种运输载具用的储能元件的充放电系统，设置在一个运输载具上，所述充放电系统用来对所述运输载具的一个负载供电，所述充放电系统包括一个储能元件、一个充电装置以及一个缓冲单元。所述充电装置串联于所述储能元件，所述缓冲单元串联于所述充电装置以及所述储能元件之间。所述缓冲单元包括一个放电回路以及一个充电回路。所述储能元件通过所述放电回路对所述负载供电，所述充电回路并联于所述放电回路，所述充电装置通过所述充电回路对所述储能元件充电。所述充电回路包括一个缓冲电路以及一个缓冲控制单元。所述缓冲电路包括一个开关以及与所述开关串联的一个缓冲元件，所述缓冲电路在所述充电回路中形成一个缓冲电压。所述缓冲控制单元用来侦测所述充电装置的充电电压以及所述储能元件的电压之间的一个电压差，当所述电压差大于或等于一个默认电压值时，所述缓冲控制单元导通所述开关，使所述充电装置的充电电流流经所述缓冲元件并对所述储能元件充电。

本发明实施方式的充放电系统中，其中所述默认电压值是所述充电装置与所述储能元件的安全充电电压的电压差；其中所述储能元件的安全充电电压等于或小于所述储能元件的充饱电压值。

本发明实施方式的充放电系统中，其中所述缓冲元件包括一个二极管组，所述二极管组产生一个顺向偏压，使所述缓冲电路在所述充电回路中形成一个缓冲电压。其中所述二极管组包括一个二极管。

本发明实施方式的充放电系统中，其中所述缓冲元件包括一个电阻，所述电阻产生一个缓冲电压，使所述缓冲电路在所述充电回路中形成所述缓冲电压。

本发明实施方式的充放电系统中，其中所述缓冲元件包括一个二极管组及一个电阻，所述二极管组用以产生一个顺向偏压，使所述缓冲电路在所述充电回路中形成一个缓冲电压，所述电阻串联于所述开关以及所述二极管组。

本发明实施方式的充放电系统中，其中所述电阻串联于所述二极管组以及所述开关之间。

本发明实施方式的充放电系统中，其中所述电阻串联于所述二极管组以及所述储能元件之间。

本发明实施方式的充放电系统中，其中所述缓冲元件是一个电感，所述缓冲控制单元在导通所述开关时，监控所述充电装置的充电电流，当充电电流达到一个默认电流值或所述电压差小于所述默认电压值时，所述缓冲控制单元关闭所述开关。其中所述默认电流值小于或等于所述开关及所述电感的最大耐受电流值。

本发明实施方式的充放电系统中，其中所述缓冲控制单元包括一个第一电阻以及一个第二电阻。

本发明实施方式的充放电系统中，其中所述缓冲控制单元包括一个二极管或一个齐纳二极管。

本发明实施方式的充放电系统中，进一步包括一个快充控制单元，所述充电回路进一步包括一个快充回路，具有一个快充开关，所述快充回路并联于所述充电回路，所述快充控制单元耦接于所述快充开关并用来导通所述快充开关，使所述充电装置的充电电流通过快充回路对所述储能元件充电。

本发明实施方式的充放电系统中，其中所述快充控制单元用来侦测所述储能元件的电压，并且在所述储能元件的电压低于一个第一默认值时，导通所述快充开关。

本发明实施方式的充放电系统中，其中所述储能元件包括多个电池单元，所述快充控制单元用来侦测所述储能元件中各电池单元的个别电压，并且在各电池单元的个别电压均低于一个第二默认值时，导通所述快充开关。

本发明实施方式的充放电系统中，其中所述开关是一个金氧场效晶体管、一个N型晶体管或一个P型晶体管。

本发明实施方式的充放电系统中，所述缓冲单元进一步包括一个电容，并联于所述放电回路以及所述充电回路。

本发明实施方式的充放电系统中，其中所述放电回路包括一个萧基二极管(Schottkydiode)。

本发明实施方式的充放电系统中，其中所述储能元件包括多个串联的锂离子电池。在一种实施方式中，所述储能元件包括多个串联及并联的锂离子电池。

本发明即针对这个问题，提出一个储能元件用的电压可适应缓冲单元，使各式储能元件可对应各式载具系统接口，同时兼顾原本的功能性与储能元件的安全性，来达到各式储能元件与各式载具系统接口的可适性转换。

附图说明

图1是本发明的运输载具用的储能元件的充放电系统的功能方块示意图。

图2是本发明的充放电系统一个第一种实施方式的示意图。

图3是本发明的充放电系统一个第二种实施方式的示意图。

图4～图6是本发明的缓冲单元不同实施方式的示意图。

图7是本发明的充放电系统一个第三种实施方式的示意图。

图8是本发明的充放电系统一个第四种实施方式的示意图。

图9是本发明的充放电系统一个第五种实施方式的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1,2,3,4,5,7充放电系统

10,20,30,40,50,60,60’,80缓冲单元

21萧基二极管

22电容

23开关

231NPN晶体管

232PNP晶体管

24二极管组

25电阻

26,66,86缓冲控制单元

27电感

68快充开关

261第一电阻

262第二电阻

90储能元件

95快充控制单元

100充电装置

R₁充电回路

R₂放电回路

R₃快充回路

具体实施方式

在说明书及权利要求书中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的「包括」是一个开放式的用语，故应解释成「包括但不限定于」。此外，「耦接」或「连接」一词在此包括任何直接及间接的电气或结构连接手段。因此，若文中描述一个第一装置耦接/连接一个第二装置，则代表所述第一装置可直接电气/结构连接所述第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气/结构连接至所述第二装置。

请参考图1，图1是本发明的运输载具用的储能元件的充放电系统的功能方块示意图。充放电系统1设置在一个运输载具上，其包括了一个缓冲单元10、一个充电装置100以及一个储能元件90。充电装置100可为所述运输载具上的一个发电机装置，储能元件90在本发明中是多个串接的锂离子电池，其具有固定的单颗的额定电压、无记忆效应、电量密度高、质量轻等特性，且在其中一个实施方式中，更具体地可为锂三元电池、锂锰电池、锂钴电池、锂铁电池等。储能元件90也可包括多个串联及并联的锂离子电池。储能元件90串联于充电装置100，可由充电装置100对储能元件90充电，并由储能元件90对运输载具的一个负载(对储能元件90而言，运输载具的负载与充电装置100为同一个来源，因此在附图中将负载与充电装置100放在一起，以下其他实施方式的附图也类似)供电。缓冲单元10以串联的形式串接于充电装置100与储能元件90之间，在充电装置100的充电电压相对储能元件90的总串额定电压来得大时，为了避免对包括锂离子电池的储能元件90产生过压充电，串联的缓冲单元10可先行将充电装置100多余的电压消耗掉，使得储能元件90可以以安全的充电电压进行充电，并且在储能元件90充饱时，不会产生过压充电。

以下说明本发明不同的实施方式中缓冲单元的具体实施方式。请参考图2，图2是本发明的充放电系统一个第一种实施方式的示意图。充放电系统2包括了串联的充电装置100、一个缓冲单元20以及一个储能元件90。由缓冲单元20建立充电装置100以及储能元件90之间彼此并联的一个充电回路R₁以及一个放电回路R₂，其中储能元件90通过放电回路R₂对所述负载供电，而充电装置100通过充电回路R₁对储能元件90充电。放电回路R₂包括了一个萧基二极管21(Schottkydiode)，充电回路R₁包括了一个缓冲电路以及一个缓冲控制单元26。其中缓冲电路具有单一方向，而包括缓冲电路的回路形成充电回路R₁。缓冲电路在充电回路R₁中形成一个缓冲电压，其包括了至少一个开关23以及与开关23串联的一个缓冲元件，在图2的实施方式中，缓冲元件包括一个二极管组24以及/或一个电阻25，其中开关23可为一个金氧场效晶体管(MOSFET)，二极管组24可产生一个顺向偏压，使缓冲电路在充电回路R₁中形成一个缓冲电压。

在图2的实施方式中，缓冲单元20进一步包括一个电容22，并联于放电回路R₂以及充电回路R₁。电容22的设置在缓冲单元20中可使充电回路R₁中的所述缓冲电压稳定度增加。

缓冲控制单元26侦测充电装置100的充电电压以及储能元件90的电压。当缓冲单元20的跨压(充电装置100的充电电压以及储能元件90的电压之间的一个电压差)大于或等于一个默认电压值时，缓冲控制单元26即导通开关23，使充电装置100的充电电流流经二极管组24以及电阻25并对储能元件90充电。在本发明中，所述默认电压值是充电装置100与储能元件90的安全充电电压的电压差，而储能元件90的安全充电电压等于或小于储能元件90的充饱电压值。而充电装置100充电电压通过充电回路R₁的缓冲电路限制后，使得充电装置100的充电电压适合对储能元件90充电。

请参考图3，图3是本发明的充放电系统一个第二种实施方式的示意图。在本实施方式中，充放电系统3的缓冲控制单元26包括一个第一电阻261以及一个第二电阻262，当缓冲单元20的跨压大于或等于所述默认电压值，第一电阻261以及第二电阻262可导通开关23，并由缓冲元件(包括二极管组24以及电阻25)提供所述缓冲电压，而在这个实施方式中，所述缓冲电压是固定值。在其他实施方式中，缓冲控制单元26也可包括一个二极管(diode)或一个齐纳二极管(Zenerdiode)。

举例而言，若设置在运输载具上的充电装置100提供的充电电压为14.5伏特(V)，储能元件90包括了三串一并(3S1P)的锂三元电池，每一个锂三元电池充饱电时的充饱电压值为4.2V，亦即储能元件90的总串充饱电压值为12.6V；充放电系统3可以设定一个安全充电电压，且所述安全充电电压等于或小于所述充饱电压的电压值，在本实施方式中，安全充电电压可等于或小于12.6V。当将这个储能元件90装设在运输载具时，为了避免充电装置100对储能元件90有过压充电，影响电池的安全性的问题，利用缓冲单元20对充电电压14.5V先行缓冲，由缓冲控制单元26控制缓冲电路产生的缓冲电压例如为2V，使得通过缓冲单元20后对储能元件90的充电电压限制在约12.5V，避免对储能元件90造成过压充电的情形。此外，串联于二极管组24以及储能元件90之间的电阻25在缓冲电路作用时，可限制充电的电流，避免功率上升太快，进而导致二极管组24烧毁。因本发明的缓冲单元20的设计即是在充电装置100的充电电压大于储能元件90的安全充电电压时，先行消耗充电装置100的部分功率，因此电阻25也具有可限制消耗功率的大小的功能。

在其他实施方式中，例如3S2P(三串二并)、3S3P(三串三并)等多并的储能元件90，缓冲单元20对多并数的储能元件90作用及原理相同，故不再赘述。

请参考图4～图6，图4～图6是缓冲单元不同实施方式的示意图。在图4的缓冲单元30中，缓冲电路包括了开关23、二极管组24以及电阻25，其中电阻25则是串联于二极管组24以及开关23之间。在图5的缓冲单元40中，使用NPN晶体管231作为开关，而电阻25串联于二极管组24以及NPN晶体管231之间。在图6的缓冲单元50中，使用PNP晶体管232作为开关，至于电阻25则串联于二极管组24以及储能元件90之间。

请参考图7，图7是本发明的充放电系统一个第三种实施方式的示意图。在本发明的第三实施方式中，充放电系统4的缓冲单元60的缓冲控制单元66可动态地依据在运输载具中的充电装置100的充电电压以及储能元件90的电压的电压差值，而动态地调整缓冲单元60的缓冲电压。缓冲控制单元66跨接在充电装置100的两端(侦测AB点之间的电压)，并且在储能元件90挂载之后，侦测储能元件90的电压状态，接着依据充电装置100的充电电压以及储能元件90的电压之间的压差，动态地设定开关23以及缓冲元件—在本实施方式中是二极管24及电阻25—所形成的缓冲电压。这样一来，当储能元件90的电压随着充电过程而升高时，缓冲控制单元66可动态地调整缓冲单元60的缓冲电压。

例如储能元件90的电压是10V(尚未到达或尚未接近安全充电电压)，而充电电压是14.5V，则将缓冲电压设定为较小的压降，使充电装置100通过缓冲单元60后能以14.5V(或接近14.5V)的电压对储能元件90充电，而随着储能元件90的电压接近其安全充电电压12.6V时，缓冲控制单元66即可动态地提高缓冲电压直到1.9V左右。

另外，当不同的储能元件90装设在某一个运输载具，或是某一个储能元件90装设在不同的运输载具(具有不同的充电电压)时，缓冲控制单元66也可针对缓冲电压进行适应性的调整，依据储能元件90与运输载具的不同作优化的调整，亦即缓冲控制单元66可依据储能元件90的安全充电电压与充电装置100的充电电压差异而设定缓冲电压。举例而言，在储能元件90挂载在一个运输载具时，所述运输载具的充电电压可能是14.5V，而储能元件90的充饱电电压值是12.6V，则缓冲控制单元66控制缓冲单元60对充电电压14.5V先行缓冲，其所产生的缓冲电压至少约为2V，使得通过缓冲单元60后对储能元件90的充电电压限制在约12.5V(类似前述图3的实施方式)。在储能元件90挂载在另一个运输载具时，所述另一个运输载具的充电电压可能是16V，而储能元件90的充饱电电压值是12.6V，则缓冲控制单元66控制缓冲单元60对充电电压16V先行缓冲，其所产生的缓冲电压至少约为3.4V，使得通过缓冲单元60后对储能元件90的充电电压仍限制在约12.5V。当在运输载具(具有充电电压14.5V)挂载另一种规格的储能元件(例如其充饱电电压值是10V)时，则缓冲控制单元66控制缓冲单元60也可对充电电压14.5V先行缓冲，其所产生的缓冲电压至少约为4.5V，使得通过缓冲单元60后对储能元件90的充电电压仍限制在约10V左右。

请参考图8，图8是本发明的充放电系统一个第四种实施方式的示意图。在图8中，充放电系统5另可在充电回路R₁中设置一个快充回路R₃，并由一个快充控制单元95由CD两点侦测储能元件90的电压，并根据储能元件90的电压来判断是否通过快充回路R₃对储能元件90充电。

举例而言，当储能元件90的总串电压低于一个第一默认值(以上述实施方式为例，所述第一默认值可为12V)及/或储能元件90内各电池单元的个别电压均低于一个第二默认值(例如所述第二默认值可为4V)时，快充控制单元95即开启快充回路R₃上的一个快充开关68。这个作法的原理是判断储能元件90的电压状态与其饱电的安全充电电压之间的差距是否大于一定程度而可径以充电装置100的充电电流对储能元件90充电。若储能元件90的总串电压低于所述第一默认值及/或储能元件90内各电池单元的个别电压均低于所述第二默认值，即通过快充回路R₃充电。若储能元件90的总串电压高于所述第一默认值及/或有任一个电池单元的个别电压高于所述第二默认值，则关闭快充开关68，而通过缓冲单元60’的缓冲电路充电。具体来说，本发明的缓冲单元60’在储能元件90的其中任一个电池单元的电压接近其安全充电上限时(可能产生过电压的区间)，即关闭快充回路R₃，而启动缓冲单元60’充电路径，以避免对任何一个电池单元(或是全部的电池单元)产生过压充电的问题。而在这之前，若无任何一个电池单元的电压接近其安全充电上限，则可由充电装置100径行以其充电电流对储能元件90充电(通过快充回路R₃)，以增加这个阶段的充电效率。

请参考图9，图9是本发明的充放电系统一个第五种实施方式的示意图。充放电系统7的缓冲单元80中，缓冲元件是一个电感27。与前述实施方式相同，由缓冲控制单元86侦测充电装置100的充电电压以及储能元件90的电压。当缓冲单元80的跨压大于或等于所述默认电压值时，缓冲控制单元86即导通开关23，并由电感27提供缓冲电压，使充电装置100的充电电流流经电感27并对储能元件90充电。同时，缓冲控制单元86在导通开关23时，监控充电装置100的充电电流。由于开关23以及电感27均有其最大耐受电流，因此当充电电流达到一个默认电流值(所述默认值小于或等于开关23及电感27的最大耐受电流值)时，缓冲控制单元86关闭开关23，以暂时停止充电。另外，当充电装置100的充电电压以及储能元件90的电压之间的所述电压差小于所述默认电压值时，即意味储能元件90的已经被充电至其安全充电电压，此时缓冲控制单元86也关闭开关23以停止充电。

本发明公开了一种储能元件的串联控制系统，由缓冲单元针对运输载具上的充电装置的充电电压进行电压调整，并同时调整充电电流，以控制充电装置对储能元件的充电电压以及电流，让使用锂离子电池的储能元件能适用在各种不同的车用系统，解决充电装置的电压大于储能元件的安全充电电压，而可能产生过压充电的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种运输载具用的储能元件的充放电系统，设置在一个运输载具上，所述充放电系统用来对所述运输载具的一个负载供电，所述充放电系统包括：

储能元件；

充电装置，串联于所述储能元件；以及

其特征在于，所述充放电系统包括:

缓冲单元，串联于所述充电装置以及所述储能元件之间，所述缓冲单元包括：

放电回路，所述储能元件通过所述放电回路对所述负载供电；以及

充电回路，并联于所述放电回路，所述充电装置通过所述充电回路对所述储能元件充电，所述充电回路包括：

缓冲电路，包括开关以及与所述开关串联的缓冲元件，所述缓冲电路在所述充电回路中形成一个缓冲电压；以及

缓冲控制单元，用来侦测所述充电装置的充电电压以及所述储能元件的电压之间的电压差；

其中当所述电压差大于或等于默认电压值时，所述缓冲控制单元导通所述开关，使所述充电装置的充电电流流经所述缓冲元件并对所述储能元件充电。

2.如权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，其中所述默认电压值是所述充电装置与所述储能元件的安全充电电压的电压差。

3.如权利要求2所述的充放电系统，其特征在于，其中所述储能元件的安全充电电压等于或小于所述储能元件的充饱电压值。

4.如权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，其中所述缓冲元件包括二极管组，所述二极管组产生顺向偏压，使所述缓冲电路在所述充电回路中形成缓冲电压，其中所述二极管组包括二极管。

5.如权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，其中所述缓冲元件包括电阻，所述电阻产生缓冲电压，使所述缓冲电路在所述充电回路中形成所述缓冲电压。

6.如权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，其中所述缓冲元件包括二极管组及电阻，所述二极管组用以产生顺向偏压，使所述缓冲电路在所述充电回路中形成缓冲电压，所述电阻串联于所述开关以及所述二极管组。

7.如权利要求6所述的充放电系统，其特征在于，其中所述电阻串联于所述二极管组以及所述开关之间。

8.如权利要求6所述的充放电系统，其特征在于，其中所述电阻串联于所述二极管组以及所述储能元件之间。

9.如权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，其中所述缓冲元件是电感，所述缓冲控制单元在导通所述开关时，监控所述充电装置的充电电流，当充电电流达到默认电流值或所述电压差小于所述默认电压值时，所述缓冲控制单元关闭所述开关。

10.如权利要求9所述的充放电系统，其特征在于，其中所述默认电流值小于或等于所述开关及所述电感的最大耐受电流值。

11.如权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，其中所述缓冲控制单元包括第一电阻以及第二电阻。

12.如权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，其中所述缓冲控制单元包括二极管或齐纳二极管。

13.如权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，所述充放电系统进一步包括快充控制单元，所述充电回路进一步包括快充回路，具有快充开关，所述快充回路并联于所述充电回路，所述快充控制单元耦接于所述快充开关并用来导通所述快充开关，使所述充电装置的充电电流通过快充回路对所述储能元件充电。

14.如权利要求13所述的充放电系统，其特征在于，其中所述快充控制单元用来侦测所述储能元件的电压，并且在所述储能元件的电压低于第一默认值时，导通所述快充开关。

15.如权利要求13所述的充放电系统，其特征在于，其中所述储能元件包括多个电池单元，所述快充控制单元用来侦测所述储能元件中各电池单元的个别电压，并且在各电池单元的个别电压均低于第二默认值时，导通所述快充开关。

16.如权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，其中所述开关是金氧场效晶体管、NPN晶体管或PNP晶体管。

17.如权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，其中所述缓冲单元进一步包括电容，并联于所述放电回路以及所述充电回路。

18.如权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，其中所述放电回路包括萧基二极管。

19.如权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，其中所述储能元件包括多个串联的锂离子电池。

20.如权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，其中所述储能元件包括多个串联及并联的锂离子电池。