CN107768742A - 电池的功率输出的管理装置及管理方法 - Google Patents

电池的功率输出的管理装置及管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电池的功率输出的管理装置及管理方法。管理方法包括：启动电源输出模式，并在电源输出模式下藉由放电电路使电池对负载执行放电动作；在放电动作被执行的期间，计算放电电路的输出功率；比较输出功率与目标功率以产生比较结果；以及依据比较结果使放电电路依据单位补偿量逐步调整输出功率。本发明可有效控制电池的功率输出效益。

Description

电池的功率输出的管理装置及管理方法
技术领域
本发明涉及一种电池的功率输出的管理装置及管理方法，尤其涉及一种适应性调整输出功率的电池的功率输出的管理装置及管理方法。
背景技术
在现今的技术领域中，一般的锂电池管理系统会以开路电压作为电池初始容量的估测依据。然而依据电池电化学特性，电池容量衰退的状态是很难获知的。在已知技术领域中，可针对电池形成多次的充放电循环后，并做一次开路电压曲线的检测。并通过开路电压曲线来进行电池初始容量估测。这个估测结果，常会因为电池容量衰减而造成电池容量的估测误差。
为了解决上述的估测误差的问题，已知技术采用电池自检(battery learning)的方法，通过比较电池充电放电安培小时(安时，AH)差值，来推算容量衰退。并应用在电池使用一段时间后，对电池进行自检，以修正残存容量大小。而在已知技术中，当电池执行自检动作时，系统需要配合自检动作而停机，进而降低系统的工作效益。
发明内容
本发明提供一种电池管理装置以及电池功率输出的管理方法，以有效控制电池的功率输出效益。
本发明的电池的功率输出的管理方法包括：启动电源输出模式，并在电源输出模式下藉由放电电路使电池对负载执行放电动作；在放电动作被执行的期间，计算放电电路的输出功率；比较输出功率与目标功率以产生比较结果；以及，并依据比较结果使放电电路依据单位补偿量逐步调整输出功率。
本发明的电池管理装置包括电池、放电电路以及控制器。放电电路耦接电池，并耦接至直流总线，直流总线耦接至负载，放电电路并在电源输出模式下使电池对该负载执行放电动作。控制器耦接放电电路，控制器在放电动作被执行的期间，计算放电电路的输出功率，比较输出功率与目标功率以产生比较结果，并依据比较结果使放电电路依据一单位补偿量逐步调整输出功率。
基于上述，本发明藉由在放电动作时对放电电路的输出功率进行逐步调整的动作，使放电电路的输出功率可符合系统的需求。如此一来，本发明实施例中的直流总线可在不需要均流电路的条件下，同时接收电池所提供的电源以及外接的另一直流电源，并相互备援，提升电源供应的稳定性。
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，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1显示本发明一实施例的电池的功率输出的管理方法的流程图；
图2A显示本发明一实施例的输出功率的调整方式的示意图；
图2B显示脉波数量与参考电压的关系图；
图3显示的本发明实施例的电池的自我检测模式的流程图；
图4显示本发明一实施例的电池管理装置的示意图；
图5显示依据本发明实施例的电池管理装置建构的电源供应系统的示意图。
图6A-图6C显示本发明实施例的电源供应系统的波形图。
附图标记：
S110～S140：功率输出的管理步骤；
PWM1：脉宽调变信号；
210：滤波器；
Vref：参考电压；
S310～S390：自我检测的步骤；
410：电池管理装置；
BAT：电池；
420：负载；
411：放电电路；
4111：驱动及控制器；
412：核心电路；
413：滤波器；
4121：运算器；
4122：补偿量调整器；
4123：限制器；
4124：信号产生器；
SV：输出电压；
SI：输出电流；
500：电源供应系统；
510：电源管理装置；
520：电源供应器；
530：负载；
DC_BUS：直流总线；
VAC：交流电源；
511：控制器；
512：放电电路；
513：充电电路；
t1～t4：时间点；
V1、V2：输出电压；
I1、I2：输出电流。
具体实施方式
以下请参照图1，图1显示本发明一实施例的电池的功率输出的管理方法的流程图。在步骤S110中，启动电池的电源输出模式，并在电源输出模式下藉由放电电路使电池对负载执行放电动作。并且，在步骤S120中，在上述放电动作被执行的期间，计算放电电路的输出功率。接着，步骤S130比较所计算的输出功率与目标功率，并藉以产生比较结果，然后，在步骤S140中依据步骤S130所产生的比较结果使放电电路依据一单位补偿量来逐步调整输出功率。
细节上来说明，本发明的电池的功率输出的管理方法中，在进入电源输出模式前，可先判断电池的储存电量是否大于一第一预设值，并判断此时电池是否正处于放电状态，若检测出电池的储存电量大于第一预设值且此时电池并非处于放电状态时，可以进入电源输出模式。相对地，若电池的储存电量未大于第一预设值和/或电池正处于放电状态时，将无法进入电源输出模式。
附带一提的，电源输出模式可以是针对电池所进行的自我检测模式，也可以是驱使电池进行的正常供电模式。另外，第一预设值可以是电池总储电量的98％。
在另一方面，在步骤S120中，当放电动作被执行的期间，放电电路所产生的输出电压以及输出电流可以被取样，而通过针对输出电压以及输出电流执行运算，则可获得放电电路所提供的输出功率(约等于电池此时的输出功率)。
步骤S120中所获得的输出功率，在步骤S130中与所设定的目标功率进行比较，并计算输出功率以及目标功率的差值。依据所计算出的输出功率以及目标功率的差值，单位补偿量可以被设定。其中，单位补偿量可以与输出功率以及目标功率的差值成正比。例如，若输出功率以及目标功率的差值为100瓦，单位补偿量可以被设定为50瓦，而若输出功率以及目标功率的差值为50瓦，单位补偿量可以被设定为15瓦。
另外，目标功率也不一定是固定值。目标功率可以依据负载的需求动态的进行调整。
步骤S140中则当上述的差值大于一临界差值时，针对放电电路进行输出功率的调整。其中，本发明实施例中的输出功率的调整动作并非一次到位的补偿动作。本发明实施例可依据单位补偿量来逐步的调高或调低输出功率，并藉此降低涟波状况的发生。并且，可以依据差值的大小来设定单位补偿量，其中当差值较大时，所设定单位补偿量较大，而当差值较小时，所设定单位补偿量较小。如此一来，输出功率的调整速度也可以被兼顾。
附带一提的，输出功率的调整方式可以利用数位的方式来进行。请同时参照图1以及图2A，其中图2A显示本发明一实施例的输出功率的调整方式的示意图。在本实施例中，放电电路的输出功率可以依据一个脉宽调变信号PWM1进行控制。其中，脉宽调变信号PWM1可被输入至滤波器210。滤波器210则对应脉宽调变信号PWM1产生参考电压Vref。通过将参考电压Vref传送至放电电路，可使放电电路依据参考电压Vref的电压高低来调整输出功率的大小。
当要针对放电电路的输出功率进行逐步的调整时，可依据所设定的单位补偿量来增加或减少脉宽调变信号PWM1单位时间中的脉波数量。依据图2B显示的脉波数量与参考电压Vref的关系图可以得知，当脉宽调变信号PWM1单位时间中的脉波数量被调高时，参考电压Vref的电压值可以对应被调高，同时，放电电路的输出功率可以依据上升参考电压Vref而被调高。相对的，当脉宽调变信号PWM1单位时间中的脉波数量被调低时，参考电压Vref的电压值可以对应被调低，同时，放电电路的输出功率可以依据上升参考电压Vref而被调低。
上述实施例的电源输出模式可以为电池的自我检测模式。对此请参照图3显示的本发明实施例的电池的自我检测模式的流程图。其中，在自我检测动作开始后，步骤S310可检测电池目前是否可以满足自我检测的条件。其中，步骤S310可检测电池的储存电量是否大于第一预设值，且此时电池是否处于放电状态。若检测的结果表示电池的储存电量大于第一预设值且电池并非处于放电状态时，表示电池目前满足自我检测的条件，并可执行步骤S330。相对的，若电池的储存电量不大于第一预设值和/或电池正处于放电状态时，表示电池不满足自我检测的条件，并执行步骤S320以表示自检失败。
接着，步骤S330执行对电池进行放电的动作。其中，通过放电电路来使电池对负载进行放电，并同时取样放电电路于此时产生的输出电压以及输出电流。步骤S340则针对输出电压以及输出电流进行计算，并获得输出功率。再依据输出功率进行补偿量的调整动作。在此，补偿量可以为前述实施例的单位补偿量，且单位补偿量的大小可以依据输出功率与目标功率的差值来进行调整。
步骤S340则依据补偿量来调整脉宽调变信号，再针对脉宽调变信号进行滤波以产生参考电压。依据补偿量来调整脉宽调变信号的动作可以是依据补偿量来针对脉宽调变信号单位时间中的脉波述进行增加或减少的动作。针对脉宽调变信号所进行的滤波动作则可以利用低通滤波器来完成。
接着，在步骤S370使参考电压被传送至放电电路，并使放电电路依据参考电压的改变来调整输出功率的大小。
步骤S380判断电池的放电量是否足够，其中，步骤S380可判断电池的储存电量是否小于一第二预设值来判断出电池的放电量是否足够。其中，第二预设值可以是电池的总储存电量的30％-40％。
当步骤S380判断出电池的储存电量小于第二预设值时，表示电池的放电量已足够，并可结束自检动作(步骤S390)。另外，当步骤S380判断出电池的储存电量不小于第二预设值时，表示电池的放电量未足够，则重复执行步骤S340并持续进行电池的放电动作。
值得一提的，当存在另一电源供应器提供电源至负载时，在当电池进行自检动作的过程，电池与另一电源供应器可以共同或交互的提供电源以供应负载以进行工作。也就是说负载在电池进行自检动作的过程并不需要停机，仍可以维持正常的运作。
以下请参照图4，图4显示本发明一实施例的电池管理装置的示意图。电池管理装置410耦接至电池BAT以及负载420。电池管理装置410包括放电电路411以及由核心电路412以及滤波器413所构成的控制器。放电电路411耦接至负载420，并耦接至滤波器413。核心电路412则耦接在滤波器413以及负载420间。
在本实施例中，核心电路412包括运算器4121、补偿量调整器4122、限制器4123以及信号产生器4124。在电源输出模式下，核心电路412通过放电电路411的输出端取样输出电压SV以及输出电流SI。运算器4121接收输出电压SV以及输出电流SI并进行计算，以计算出输出功率，并计算出输出功率与目标功率的比较结果。补偿量调整器4122则接收比较结果，并依据比较结果来进行单位补偿量的调整动作。补偿量调整器4122调整获得的单位补偿量可传送至限制器4123。限制器4123可使单位补偿量调整后的值不至于过大或过小而可被限制在一定的范围内，并将限制后的单位补偿量输出至信号产生器4124。信号产生器4124用以产生脉宽调变信号PWM1，其中，信号产生器4124依据限制器4123的输出来控制脉宽调变信号PWM1单位时间中的脉波数。
脉宽调变信号PWM1被传送至滤波器413，滤波器413则针对脉宽调变信号PWM1进行滤波动作并藉以产生参考电压Vref。
在本实施例中，运算器4121、补偿量调整器4122、限制器4123以及信号产生器4124可以利用硬件电路来建构，或也可以通过处理器执行软件来完成。在硬件实施方面，举例来说明，运算器4121可以包括乘法器(使输出电压SV与输出电流SI相乘)，补偿量调整器4122可以利用减法器计算输出功率与目标功率的差值，再通过内建查找表以依据差值查找出补偿量。限制器4123可通过比较器来建构，而信号产生器4124可产生三角波与限制器4123的输出相比较来产生脉宽调变信号PWM1。
当然，上述运算器4121、补偿量调整器4122、限制器4123以及信号产生器4124的硬件实施方式仅只是范例，并不用以限制本发明的范畴。
在另一方面，在本实施例中，放电电路411可以为直流-直流电压转换器，并包括驱动及控制器4111。驱动及控制器4111接收参考电压Vref，并依据参考电压Vref来产生控制信号以控制直流-直流电压转换器中的晶体管开关的动作，并藉以控制放电电路411的输出功率。
以下请参照图5，图5显示依据本发明实施例的电池管理装置建构的电源供应系统的示意图。电源供应系统500包括电池BAT、电源管理装置510以及电源供应器520。电源供应器520以及电源管理装置510共同耦接至直流总线DC_BUS，并提供电源至负载530。其中，电源供应器520可接收交流电源VAC(例如市电)，并针对交流电源VAC进行交流-直流电压转换动作以产生直流电源，并将所产生的直流电源提供至直流总线DC_BUS。
在另一方面，电源管理装置510包括控制器511、放电电路512以及充电电路513。控制器511、放电电路512以及充电电路513均耦接至电池，而控制器511、放电电路512以及充电电路513并共同耦接至直流总线DC_BUS。
在本实施例中，放电电路512可接收电池提供的直流电源，并进行直流-直流电压转换动作，并将转换后的直流电源提供至直流总线DC_BUS。如此一来，电源供应器520以及电源管理装置510以并联的方式，并可同时或分时的提供电源至负载530。关于电源供应系统500的电源供应细节，可参考图6A-图6C显示的本发明实施例的电源供应系统的波形图。在图6A～图6C的实施例中，负载530所需要的输出功率是固定的。
在时间点t1以前，电源供应器520正常供电，并提供稳定的输出电压V1(例如12.5V)至负载530。同时，电源管理装置510提供相对低的输出电压V2(例如12.3V)至负载530。可以得知，此时的负载530所需要的电源主要由电源供应器520所提供，电源供应器520提供非零的输出电流I1，电源管理装置510则提供为零的输出电流I2。
接着，在时间点t1时，电源管理装置510启动电源输出模式(自检模式)，并使输出的电压V2提升至例如12.8V(大于电压V1)，并使电池BAT在时间点t1开始进行放电动作。并且，在时间点t1至时间点t2间，由于电压V2大于电压V1，因此，此时间负载530所需要的电源主要由电池BAT所提供。因此，电源供应器520提供零的输出电流I1，电源管理装置510则提供非零的输出电流I2。
在时间点t2，电源管理装置510使电池BAT进行定功率放电模式。并且，在时间点t2至时间点t3间，电源管理装置510启动输出功率的补偿动作，调节输出功率以追随目标功率。在本实施例中，输出功率大于目标功率，因此，电源管理装置510的输出功率的补偿动作调低输出电流I2的值以调低输出功率。同时，电源供应器520所提供输出电流I1上升以补足电源管理装置510所调低的电池的输出功率。
在时间点t3至时间点t4间，电池BAT的输出功率被调整至等于目标功率，因此，电池BAT以及电源供应器520所产生的输出功率维持定值。而在时间点t4时，电池BAT的放电动作完成，电源管理装置510停止使电池BAT继续放电，负载530所需的电源由电源供应器520来供应。
当然，本发明实施例中的负载所需要的输出功率并不限定于固定且不可变的状态。在实际的应用中，负载所需要的输出功率可以随时间或是环境温度来调整。
综上所述，本发明提供的电池管理装置及功率输出的管理方法可使电池在进行放电动作中，同步对负载进行供电。也就是说，在电池执行自检模式下，负载可以不用停机且可持续维持运作，提升生产效能。并且，本发明通过针对输出功率进行逐步补偿的动作，可有效减低输出功率调整时所产生的涟波，维持电源输出的品质。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，均在本发明范围内。

Claims (18)

1.一种电池的功率输出的管理方法，其特征在于，包括：
启动电源输出模式，并在所述电源输出模式下藉由放电电路使所述电池对负载执行放电动作；
在所述放电动作被执行的期间，计算所述放电电路的输出功率；
比较所述输出功率与目标功率以产生比较结果；以及
依据所述比较结果使所述放电电路依据单位补偿量逐步调整所述输出功率。
2.根据权利要求1所述的功率输出的管理方法，其特征在于，启动所述电源输出模式前还包括：
判断所述电池的储存电量是否大于第一预设值，并判断所述电池是否处于放电状态；以及
若所述电池的储存电量大于所述第一预设值且所述电池非处于放电状态时，启动所述电源输出模式。
3.根据权利要求2所述的功率输出的管理方法，其特征在于，还包括：
在所述电源输出模式下，判断所述电池的储存电量是否小于第二预设值，并在所述电池的储存电量小于所述第二预设值时，结束所述电源输出模式。
4.根据权利要求1所述的功率输出的管理方法，其特征在于，在所述放电动作被执行的期间，计算所述放电电路的所述输出功率的步骤包括：
取样所述放电电路的输出电压以及输出电流；以及
依据所述输出电压以及所述输出电流来计算出所述放电电路的所述输出功率。
5.根据权利要求1所述的功率输出的管理方法，其特征在于，比较所述输出功率与所述目标功率以产生所述比较结果；并依据所述比较结果使所述放电电路依据所述单位补偿量逐步调整所述输出功率的步骤包括：
计算所述输出功率与所述目标功率的差值；
依据所述差值设定所述单位补偿量；
当所述差值大于临界差值时，使所述输出功率逐步增加或减少一个所述单位补偿量；以及
当所述差值不大于所述临界差值时，停止所述输出功率的调整动作。
6.根据权利要求5所述的功率输出的管理方法，其特征在于，启动所述电源输出模式，并在所述电源输出模式下藉由所述放电电路使所述电池对所述负载执行所述放电动作的步骤包括：
依据脉宽调变信号以产生参考电压；以及
依据所述参考电压使所述放电电路执行所述放电动作，
其中，所述放电动作使所述放电电路所产生的所述输出功率与所述脉宽调变信号的单位时间的脉波数成正比。
7.根据权利要求6所述的功率输出的管理方法，其特征在于，当所述差值大于所述临界差值时，使所述输出功率逐步增加或减少一个所述单位补偿量的步骤包括：
当所述差值大于所述临界差值时，提升或减少所述脉宽调变信号的单位时间的脉波数一单位预设值。
8.一种电池管理装置，其特征在于，包括：
放电电路，耦接电池，并耦接至直流总线，所述直流总线耦接至负载，所述放电电路并在电源输出模式下使所述电池对所述负载执行放电动作；以及
控制器，耦接所述放电电路，所述控制器在所述放电动作被执行的期间，计算所述放电电路的输出功率，比较所述输出功率与目标功率以产生比较结果，并依据所述比较结果使所述放电电路依据单位补偿量逐步调整所述输出功率。
9.根据权利要求8所述的电池管理装置，其特征在于，所述控制器判断所述电池的储存电量是否大于第一预设值，并判断所述电池是否处于放电状态，并在当所述电池的储存电量大于所述第一预设值且所述电池非处于放电状态时，启动所述电源输出模式。
10.根据权利要求9所述的电池管理装置，其特征在于，所述控制器在所述电源输出模式下，判断所述电池的储存电量是否小于第二预设值，并在所述电池的储存电量小于所述第二预设值时，结束所述电源输出模式。
11.根据权利要求8所述的电池管理装置，其特征在于，所述控制器在所述放电动作被执行的期间，取样所述放电电路的输出电压以及输出电流，并依据所述输出电压以及所述输出电流来计算出所述放电电路的所述输出功率。
12.根据权利要求8所述的电池管理装置，其特征在于，所述控制器计算所述输出功率与所述目标功率的差值，并依据所述差值设定所述单位补偿量，当所述差值大于临界差值时，所述控制器使所述输出功率逐步增加或减少一个所述单位补偿量，以及当所述差值不大于所述临界差值时，停止所述输出功率的调整动作。
13.根据权利要求12所述的电池管理装置，其特征在于，所述控制器依据脉宽调变信号以产生参考电压，并依据所述参考电压使所述放电电路执行所述放电动作，其中，所述放电动作使所述放电电路所产生的所述输出功率与所述脉宽调变信号的单位时间的脉波数成正比。
14.根据权利要求13所述的电池管理装置，其特征在于，所述控制器针对所述脉宽调变信号以产生所述参考电压。
15.根据权利要求13所述的电池管理装置，其特征在于，所述控制器在当所述差值大于所述临界差值时，提升或减少所述脉宽调变信号的单位时间的脉波数一单位预设值。
16.根据权利要求13所述的电池管理装置，其特征在于，所述控制器包括：
核心电路，在所述放电动作被执行的期间，计算所述放电电路的所述输出功率，比较所述输出功率与所述目标功率以产生所述比较结果，并依据所述比较结果调整所述脉宽调变信号；以及
滤波器，耦接所述核心电路及所述放电电路，针对所述脉宽调变信号进行滤波以产生所述参考电压。
17.根据权利要求16所述的电池管理装置，其特征在于，所述核心电路包括：
运算器，依据所述输出电压以及所述输出电流以计算出所述输出功率，并计算出所述比较结果；
补偿量调整器，耦接所述运算器，依据所述比较结果来进行所述单位补偿量的调整动作；
限制器，耦接所述补偿量调整器，限制所述单位补偿量的值在一范围中；以及
信号产生器，耦接所述限制器，依据所述单位补偿量调整所述脉宽调变信号。
18.根据权利要求8所述的电池管理装置，其特征在于，还包括：
充电电路，耦接所述电池，并耦接至所述直流总线，用以对所述电池进行充电。
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