CN106684958A - 电池系统与其控制方法 - Google Patents

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Abstract

电池系统与其控制方法。该电池系统包括：主控模块与电池包。该电池包包括多个串联的电池模块，这些电池模块在模式切换中，保持恒电流输出。这些电池模块监控这些电池模块的各自电池状态。该主控模块根据一负载需求、这些电池模块的该各自电池状态与一转换效率，动态地控制该电池系统的该电压转换器的一电压转换操作模式与动态地控制这些电池模块的各自操作模式。

Description

电池系统与其控制方法
技术领域
本申请涉及一种电池系统与其控制方法。
背景技术
以可充式电池为电力来源的动力系统及可将电能储在可充式电池的储电系统对于电池一致性及电池寿命有高要求。这类系统大致有以下要求：(1)电池一致性要高；(2)电池差异度(divergence)必需维持长时间(如8-20年)；(3)考虑电池寿命，电池组的高储能区段是优先选择；以及(4)从单一输入电压转换成多输出电压，增加电压转换的损耗。
对第(1)点来说，要对电池芯进行分级来选择高质量电池，这使得系统成本提升。对第(2)点来说，以目前技术而言，电池差异度随使用时间与次数呈现发散，故而，要能长时间维持电池差异度是件不容易的事。对第(3)点说，即便是老化后电池仍保有70％的剩余容量，但为求保险，这类电池可能会被替换。对第(4)点来说，目前系统大部分都会遇到此缺点。
因此，需要有较佳的电池系统，以期改善上述缺点。
发明内容
本申请有关于一种电池系统与其控制方法，其中，所用的电池模块具有启用(enable)模式与略过(bypass)模式。根据负载特性，来决定电池模块是否被启用。
本申请有关于一种电池系统与其控制方法，其中，所用的电池模块具有恒电流切换。在操作模式切换中，电池模块所输出的电流保持恒电流值。
根据本申请一实施例，提出一种电池系统，包括：主控模块与电池包。电池包耦接至该主控模块与一电压转换器。该电池包包括多个串联的电池模块，这些电池模块在模式切换中，保持恒电流输出。这些电池模块监控这些电池模块的各自电池状态。该主控模块根据一负载需求、这些电池模块的该各自电池状态与一转换效率，动态地控制该电池系统的该电压转换器之一电压转换操作模式与动态地控制这些电池模块的各自操作模式。
根据本申请一实施例，提出一种电池系统的控制方法。监控该电池系统的多个电池模块的各自电池状态。根据一负载需求、这些电池模块的该各自电池状态与一转换效率，动态地控制该电池系统之一电压转换操作模式与动态地控制这些电池模块的各自操作模式。这些电池模块在模式切换中，保持恒电流输出。
为了对本申请的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1显示根据本申请一实施例的电池系统的功能方块图。
图2显示根据本申请一实施例的电池模块的功能方块图。
图3显示根据本申请一实施例的电池模块的操作模式示意图。
图4显示根据本申请一实施例的电池系统的控制方法的流程图。
图5显示根据本申请一实施例的电压转换器的转换效率曲线图。
【符号说明】
100：电池系统 110：主控模块
120：电池包 130：电压转换器
50：负载
120_1、120_2、…、120_M：电池模块
STi：电池状态信号
CV_CNT：转换器控制信号
BT_CNTi：电池控制信号
200：电池模块 210：开关控制单元
220：电池状态监控单元 BT：电池
S1、S2：开关
I1、I2、I：电流 V+、V-：电压
T1-T3：时序 410-430：步骤
a-f：曲线
具体实施方式
本说明书的技术用语参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释以本说明书的说明或定义为准。本公开的各个实施例分别具有一或多个技术特征。在可能实施的前提下，本领域技术人员可选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地将这些实施例中部分或全部的技术特征加以组合。
图1显示根据本申请一实施例的电池系统的功能方块图。如图1所示，电池系统100包括：主控模块110、电池包(battery pack)120与电压转换器130。电池系统100可输出功率至负载50。
电池包120耦接至主控模块110与电压转换器130，电池包120包括多个串接的电池模块120_1、120_2、…、120_M(M为正整数)。电池包120的电池模块120_1、120_2、…、120_M可监控本身的电池状态，以输出电池状态信号STi(i＝1-M)给主控模块110。
主控模块110根据电压转换器130的转换效率、电池包120所输出的电池状态信号STi(i＝1-M)，以及负载需求(例如，负载电压需求和/或负载电流需求)，来产生转换器控制信号CV_CNT与电池控制信号BT_CNTi(i＝1-M)。在本申请一实施例中，主控模块110可以实现为硬件电路架构，或者以软件方式来实现。
电压转换器130的电压转换操作模式由主控模块110所传来的转换器控制信号CV_CNT所决定。电压转换器130例如但不受限于为直流-直流转换器(DC-DC converter)。
电池包120的电池模块120_1、120_2、…、120_M的操作模式由主控模块110所传来的电池控制信号BT_CNTi(i＝1-M)所决定。
现请参考图2，其显示根据本申请一实施例的电池模块的功能方块图。如图2所示，电池模块200至少包括：开关控制单元210、电池状态监控单元220、一或多个电池BT，以及开关S1与S2。电池模块200可用于实现图1的电池模块120_1、120_2、…、120_M。另外，在图2中，这些电池BT以串联连接，但在本申请其他可能实施例中，这些电池BT也可并联连接，或者是串并联混合连接。
开关控制单元210耦接至主控模块110。开关控制单元210用以根据由主控模块110所传来的电池控制信号BT_CNTi(i＝1-M)来控制开关S1与S2。
电池状态监控单元220耦接至主控模块110与开关控制单元210。电池状态监控单元220用以监控这些电池BT的状态(电池电流、电池电压或电池容量)，以产生电池状态信号STi(i＝1-M)，来回传给主控模块110。例如但不受限于，电池状态监控单元220所产生的电池状态信号STi(i＝1-M)指示该电池模块200的电池容量。
另外，电池状态监控单元220也会监控电流I1与I2，以传给开关控制单元210，让开关控制单元210据以控制开关S1与S2。
这些电池BT耦接至电池状态监控单元220与电压转换器130。开关S1与S2受控于开关控制单元210。
简言之，开关控制单元210根据由主控模块110所传来的电池控制信号BT_CNTi(i＝1-M)来控制开关S1与S2是要呈短路状态(short condition)或呈开路状态(opencondition)，而且，开关控制单元210根据由电池状态监控单元220所传来的监控结果(电流I1与I2的值)，让开关控制单元210据以控制开关S1与S2的开关速度。
在本申请实施例中，电池模块200具有两种操作模式：启用(enable)模式，以及略过(bypass)模式。当处于启用模式时，电池模块200的这些电池BT输出电流与电压。当处于略过模式时，电池模块200的这些电池BT不输出电流与电压。
图3显示根据本申请一实施例的电池模块200的操作模式示意图。如图3所示，当电池模块200处于启用模式(时序T1之前)时，第一电流路径(包括这些电池BT)上有电流I1，而另一电流路径上的电流I2则为一既定值(例如，I2＝0)。电流I1与I2的总和为总电流I(其中，I1＝I，而I2＝0)。在启用模式下，开关S1为短路状态，而开关S2为开路状态。
假设电池模块200所接到的电池控制信号BT_CNTi指示该电池模块200要从启用模式切换至略过模式。故而，时序T2之内，电池模块200进行模式切换。在进行模式切换中，电池状态监控单元220会持续监控电流I1与I2，并将监控结果传给开关控制单元210，以让开关控制单元210能逐渐地将开关S1开路(亦即，逐渐地将开关S1由短路状态切换至开路状态)，并逐渐地将开关S2短路(亦即，逐渐地将开关S2由开路状态切换至短路状态)。然而，在时序T2之内，电流I1与I2的总和仍不变，保持为总电流I(I1+I2＝I)，其中，在进行模式切换中，电流I1逐渐降低，而电流I2逐渐增加。
在时序T3之后，电池模块200处于略过模式，开关S1已呈开路状态使第一电流路径的电流I1下降至0，而开关S2已呈短路状态使第二电流路径的电流I2则上升至总电流I。在略过模式下，电流I1与I2的总和仍为总电流I(I1＝0，而I2＝I)。
在本实施例中，电池模块200具有恒电流切换功能。也就是说，不论是处在启用模式，略过模式，或者模式切换下，从电池模块200所流出的总电流I都能保持固定不变。
在本实施例中，电池模块200具有恒电流切换功能的原因在于能让系统保持稳定操作。也就是说，如果电池模块200不具有恒电流切换功能的话，则在进行模式切换中，电池模块200所输出的总电流I可能有所变动，导致电池包200的总输出电流也可能有所变动，这样将导致系统的操作无法稳定。
图3也另外显示出电池模块200的两端电压差(V+-V-)的变化。由此可看出，在启用模式下，电池模块200可稳定输出电压；在模式切换中，电池模块200的输出电压逐渐下降；在略过模式下，电池模块200的输出电压则为0。
另外，在图3中，如果电池模块200处于放电状态，则电流I的值为正；如果电池模块200处于充电状态，则电流I的值为负。
在本实施例中，开关S1与S2例如但不受限于，以金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，或绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等来实现。
现请参考图4，其显示根据本申请一实施例的电池系统的控制方法的流程图。在步骤410中，主控模块110监控电池包120的各电池模块120_1～120_M的各自电池状态。
在步骤420中，主控模块110判断负载需求是否有变，或者电池包120的各电池模块120_1～120_M的各自电池状态是否有变。其中，主控模块110可以接收电池系统100的负载需求或者主控模块110可以预测电池系统100需要的负载需求。如果这两者都没有改变的话，则流程回至步骤410。如果这两者之一或两者皆有改变的话，则流程接续至步骤430。
在步骤430中，主控模块110根据负载需求、这些电池模块120_1～120_M的各自电池状态与一转换效率，主控模块110动态地控制电压转换器130之一电压转换操作模式与动态地控制这些电池模块120_1～120_M的各自操作模式。其细节将在底下描述。主控模块110动态地决定各电池模块120_1～120_M处于启用模式或略过模式。在本实施例中，各电池模块的操作状态是各自独立的，且电池模块120_1～120_M在模式切换中，保持恒电流输出。
现将说明如何控制电压转换器130的电压转换操作模式。图5显示根据本申请一实施例的电压转换器130的转换效率曲线图。在图5中，假设电压转换器130有6种转换效率，分别由曲线a至曲线f表示之。曲线a代表电压转换器130将48V输入电压(48Vin)转换成24V输出电压(24Vout)。曲线b代表电压转换器130将24V输入电压(24Vin)转换成12V输出电压(12Vout)。曲线c代表电压转换器130将48V输入电压(48Vin)转换成12V输出电压(12Vout)。曲线d代表电压转换器130将24V输入电压(24Vin)转换成48V输出电压(48Vout)。曲线e代表电压转换器130将12V输入电压(12Vin)转换成24V输出电压(24Vout)。曲线f代表电压转换器130将12V输入电压(12Vin)转换成48V输出电压(48Vout)。亦即，曲线a，b与c代表电压转换器130处于降压模式(buck mode)，而曲线d，e与f代表电压转换器130处于升压模式(boost mode)。由图1可知，电压转换器130的输入电压是由电池包120所提供。
如果负载需求为24V(代表电压转换器130要供应24V输出电压给负载50)，则电压转换器130的转换效率可能是从曲线a与e当中择一。根据负载电流需求，主控模块110控制电压转换器130的电压转换操作模式，以从转换效率曲线a与e当中择一。如果负载电流需求小于7A的话，由图5可看出，转换效率曲线e可提供较佳的转换效率，所以，在此情况下，主控模块110控制电压转换器130操作在转换效率曲线e。相反地，如果负载电流需求大于7A的话，由图5可看出，转换效率曲线a可提供较佳的转换效率，所以，在此情况下，主控模块110控制电压转换器130操作在转换效率曲线a。
相同地，如果负载需求为48V(代表电压转换器130要供应48V输出电压给负载50)，则电压转换器130的转换效率可能是从曲线d与f当中择一。根据负载电流需求，主控模块110控制电压转换器130的电压转换操作模式，以从转换效率曲线d与f当中择一。由图5可看出，不论负载电流需求为何，转换效率曲线d可提供较佳的转换效率，所以，主控模块110控制电压转换器130操作在转换效率曲线d。
如果负载需求为12V(代表电压转换器130要供应12V输出电压给负载50)，则电压转换器130的转换效率可能是从曲线b与c当中择一。根据负载电流需求，主控模块110控制电压转换器130的电压转换操作模式，以从转换效率曲线b与c当中择一。由图5可看出，不论负载电流需求为何，转换效率曲线b可提供较佳的转换效率，所以，主控模块110控制电压转换器130操作在转换效率曲线b。
在本实施例中，可以将电压转换器130的转换效率曲线a-f事先输入至主控模块110。或者是，主控模块110具有学习的功能，可以在没有事先得知电压转换器130的转换效率曲线的情况下，主控模块110从电压转换器130的转换效率来学习出转换效率曲线。
在本实施例中，主控模块110可以测试电压转换器130的特性，其中，电压转换器130可能依转换比例、升降压模式及输出功率而得到不同的转换效率。
另外，在本实施例中，主控模块110由负载电压需求来设定电压转换器130的适当输出电压。另外，主控模块110可由负载功率需求(负载电压需求和/或负载电流需求)来决定电压转换器130的升降压模式，及决定电压转换器130的输入电压。由所决定好的电压转换器130的输入电压，主控模块110可决定电池包120中的各电池模块120_1～120_M处于启用模式或略过模式。简言之，如果该电池系统100具有多个不同转换效率，根据电池系统100的负载电压需求与负载电流需求，从这些转换效率中择一并决定各电池模块120_1～120_M的总输出电压，并且依据所决定的各电池模块120_1～120_M的总输出电压与各电池模块120_1～120_M的各自电池容量来决定各电池模块120_1～120_M的各自操作模式。本实施例的特点之一在于，让这些电池模块120_1～120_M的电池容量能被均衡消耗。也就是说，在可能的情况下，让电池容量较低的电池模块处于略过模式而让电池容量较高的电池模块处于启用模式。如此一来，电池包内的这些电池模块的电力消耗能得到较佳平衡。
例如但不受限于，假设电池包120包括16个串联的电池模块120_1～120_16，其中，各电池模块120_1～120_16可输出3V电压。现将说明要如何控制各电池模块120_1～120_16的操作模式。
当电压转换器130操作在图5的转换效率曲线a与c时(电压转换器130接收48V的输入电压，亦即，电池包120提供48V的输出电压)，这16个电池模块120_1～120_16皆要处于启用模式，以输出3*16＝48V的电池输出电压给电压转换器130。
当电压转换器130操作在图5的转换效率曲线b与d时(电压转换器130接收24V的输入电压，亦即，电池包120提供24V的输出电压)，在这16个电池模块120_1～120_16中，有8个电池模块处于启用模式而另外8个电池模块处于略过模式，以输出3*8＝24V的电池输出电压给电压转换器130。其中，在本实施例中，可以让具有较高电池容量的8个电池模块处于启用模式，而让具有较低电池容量的8个电池模块处于略过模式。
当电压转换器130操作在图5的转换效率曲线e与f时(电压转换器130接收12V的输入电压，亦即，电池包120提供12V的输出电压)，在这16个电池模块120_1～120_16中，有4个电池模块处于启用模式而另外12个电池模块处于略过模式，以输出3*4＝12V的电池输出电压给电压转换器130。其中，在本实施例中，可以让具有较高电池容量的4个电池模块处于启用模式，而让具有较低电池容量的12个电池模块处于略过模式。
另外，在本实施例中，主控模块110可能会随着电池模块的电池容量而动态地决定和/或控制和/或改变该电池模块的操作模式。
举例而言，在某一周期中，要让具有较高电池容量的4个电池模块处于启用模式，而让具有较低电池容量的12个电池模块处于略过模式。其中，假设电池模块120_1、120_3、120_7与120_10的电池容量较高，且假设在电池模块120_1、120_3、120_7与120_10之中，电池模块120_1的电池容量最低，而其余电池模块的电池容量低于电池模块120_1、120_3、120_7与120_10的电池容量。所以，在此周期中，电池模块120_1、120_3、120_7与120_10操作在启用模式，而其余电池模块操作在略过模式。然而，在下一周期中，主控模块110发现，电池模块120_1的电池容量低于电池模块120_5的电池容量。这是因为在上一个周期中，电池模块120_1在放电，导致其电池容量降低。所以，在下一周期中，主控模块110可控制电池模块120_5(连同120_3、120_7与120_10)处于启用模式，而电池模块120_1与其他电池模块处于略过模式。
通过本申请实施例的动态监控，可有效地让这些电池模块的电力消耗得到均衡。如此一来，可以避免固定消耗某(些)电池模块的电力但却没有让其他电池模块有提供电力的机会。
更甚者，在上述说明中，以一个周期内，有一个电池模块的模式被切换，但本申请并不受限于此。在一个周期中，有多个或0个电池模块的模式被切换，亦在本申请精神范围内。
如上所述，在本申请实施例中，通过决定电压转换器130的电压转换操作模式，能提高电压转换器130电压转换效率。
另外，在本申请实施例中，即便是电池模块中的电池因为老化导致电池容量有所降低，这些老化电池仍有机会能提供功率输出。故而，本申请实施例的电池系统对于电池差异度有高容忍度。亦即，本申请实施例的电池系统可以应用较低质量/较低电池容量的电池，所以，可以降低电池系统对电池的要求，进而降低电池系统的成本。
综上所述，虽然本申请已以实施例公开如上，然其并非用以限定本申请。本申请所属领域技术人员在不脱离本申请的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本申请的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (16)

1.一种电池系统，其特征在于，包括：
主控模块；以及
电池包，耦接至该主控模块与电压转换器，该电池包包括多个串联的电池模块，这些电池模块在模式切换中，保持恒电流输出；
其中，这些电池模块监控这些电池模块的各自电池状态，
该主控模块根据负载需求、这些电池模块的该各自电池状态与转换效率，动态地控制该电池系统的该电压转换器的电压转换操作模式与动态地控制这些电池模块的各自操作模式。
2.如权利要求1所述的电池系统，其中，各这些电池模块包括：
开关控制单元，耦接至该主控模块；
电池状态监控单元，耦接至该主控模块与该开关控制单元；
至少一电池，耦接至该电池状态监控单元与该电压转换器；以及
多个开关，受控于该开关控制单元。
3.如权利要求2所述的电池系统，其中，该开关控制单元根据由该主控模块所传来的电池控制信号来控制这些开关呈短路状态或呈开路状态。
4.如权利要求2所述的电池系统，其中，
该电池状态监控单元监控该至少一电池的状态，以产生该电池模块的电池状态信号并回传给该主控模块。
5.如权利要求2所述的电池系统，其中，
该电池状态监控单元监控该电池模块的多个电流信号，以传给该开关控制单元，让该开关控制单元据以控制这些开关的开关速度。
6.如权利要求2所述的电池系统，其中，
各这些电池模块的操作模式具有启用模式与略过模式；
当这些电池模块的电池模块处于该启用模式时，包括该电池模块的第一电流路径出现第一电流，而第二电流路径上的第二电流为既定值，该第一与该第二电流的总和为总电流，这些开关的第一开关为短路状态，而这些开关的第二开关为开路状态。
7.如权利要求6所述的电池系统，其中，
这些电池模块的该电池模块在模式切换中，该电池状态监控单元持续监控该第一与该第二电流并传给该开关控制单元，以让该开关控制单元逐渐地将该第一开关开路，并逐渐地将该第二开关短路，以及
这些电池模块的该电池模块在模式切换中，该第一与该第二电流的总和仍为该总电流，其中，在模式切换中，该第一电流逐渐降低，而该第二电流逐渐增加。
8.如权利要求6所述的电池系统，其中，
这些电池模块的该电池模块处于该略过模式时，该第一开关呈该开路状态使该第一电流下降至该既定值，而该第二开关呈该短路状态使该第二电流上升至该总电流。
9.如权利要求2所述的电池系统，其中，
如果该电压转换器具有多个不同转换效率，该主控模块根据该电池系统的负载电压需求与负载电流需求，从这些转换效率中择一并决定该电池包的输出电压，并且依据所决定的该电池包的该输出电压与这些电池模块的各自电池容量来决定这些电池模块的各自操作模式。
10.一种电池系统的控制方法，其特征在于，包括：
监控该电池系统的多个电池模块的各自电池状态；以及
根据负载需求、这些电池模块的该各自电池状态与转换效率，动态地控制该电池系统的电压转换操作模式与动态地控制这些电池模块的各自操作模式；
其中，这些电池模块在模式切换中，保持恒电流输出。
11.如权利要求10所述的控制方法，还包括：
各这些电池模块监控该各这些电池模块的多个电流信号，据以控制各这些电池模块的多个开关的开关速度。
12.如权利要求10所述的控制方法，还包括：
判断该负载需求，或者判断这些电池模块的该各自电池状态；以及
当该负载需求有变或这些电池模块的该各自电池状态有变，根据该负载需求、这些电池模块的该各自电池状态与该转换效率，动态地控制该电池系统的该压转换操作模式与动态地控制这些电池模块的各自操作模式。
13.如权利要求11所述的控制方法，其中，
各这些电池模块的操作模式具有启用模式与略过模式；
当这些电池模块的电池模块处于该启用模式时，包括该电池模块的第一电流路径出现第一电流，而第二电流路径上的第二电流为既定值，该第一与该第二电流的总和为总电流，这些开关的第一开关为短路状态，而这些开关的第二开关为开路状态。
14.如权利要求13所述的控制方法，其中，
这些电池模块的该电池模块在模式切换中，持续监控该第一与该第二电流，以逐渐地将该第一开关开路，并逐渐地将该第二开关短路，以及
这些电池模块的该电池模块在模式切换中，保持该第一与该第二电流的总和仍为该总电流，其中，在模式切换中，该第一电流逐渐降低，而该第二电流逐渐增加。
15.如权利要求13所述的控制方法，其中，
这些电池模块的该电池模块处于该略过模式时，该第一开关呈该开路状态使该第一电流下降至该既定值，而该第二开关呈该短路状态使该第二电流上升至该总电流。
16.如权利要求10所述的控制方法，其中，
如果该电池系统具有多个不同转换效率，根据该电池系统的负载电压需求与负载电流需求，从这些转换效率中择一并决定这些电池模块的总输出电压，并且依据所决定的这些电池模块的该总输出电压与这些电池模块的各自电池容量来决定这些电池模块的各自操作模式。
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