CN114285136B - 双电池电源管理系统及其电池控制器和控制方法 - Google Patents

双电池电源管理系统及其电池控制器和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双电池电源管理系统及其电池控制器和控制方法，双电池电源管理系统包括负载模块、电池控制器、第一电池、以及第二电池。电池控制器，电性连接于该负载模块，用以接收该负载模块的电性需求，并具有一直流转换器和一串并联切换器。第一电池，电性连接于该直流转换器，用以提供一第一输入电压，并经该直流转换器处理成为一转换后直流电压。第二电池，电性连接与该串并联切换器，用以提供一第二输入电压。该电池控制器根据该电性需求，控制该串并联切换器于一串联模式和一并联模式间进行切换。

Description

双电池电源管理系统及其电池控制器和控制方法
技术领域
本发明涉及一种应用于电动车的电池控制系统，特别是一种双电池电源管理系统及其电池控制器和控制方法。
背景技术
电力电子技术的快速发展，伴随着节能减碳的全球化环保潮流，使得消费者对于电动车辆(Electronic Vehicle)的可接受度不断提高，直接刺激车辆工业的剧烈变革，传统汽车厂商无不竞相投入庞大的资源进行电动车辆的研发、制造及销售。
若以双轮电动车为例，主要依据马力与时速区分为：电动自行车(时速小于25km/h)、电动小型轻型机车(马力小于1.34hp(1kW)、时速小于45km/h)、电动轻型机车(马力介于1.34hp(1kW)至5hp(3.73kW)之间、时速小于75km/h)、电动普通重型机车(马力介于5hp(3.73kW)至40hp(30kW)之间、时速大于75km/h)、电动大型重型机车(马力介于40hp(30kW)至54hp(40kW)之间、时速大于75km/h)、电动550cc以上大型重型机车(马力大于54hp(40kW)、时速大于75km/h)。其他国家有不同的规范，如电动自行车(马力小于400W、时速小于25km/h)、电动轻型摩托车(马力介于400W至4kW之间、时速介于25km/h至45km/h之间、电动摩托车(马力大于4kW、时速大于50km/h)。而其电控架构主要是包括蓄电池组(batterymodule)、马达控制器(Motor controller unit)、以及马达总成(motor assembly)。而双轮电动车在低速、高速、抑或是爬坡(负载增加)等各种不同行驶情境下，确实不宜由单一电池组同时满足使用者对于马力及续航力的需求。因此，现有技术有提出结合高能量电池及高功率电池的复合式电池系统来达成此目的，如台湾专利号第I532294号所提出“可携式复合型电池系统”即为一例。但是，此第I532294专利号所公开的是“并联式”复合电池系统，虽然可依据负载需求，透过将高能量电池组及高功率电池组并联后获致较佳的输出功率，但是整体输出电压仍受限于两个电池组中的一者(通常是高电流电池组)的输出电压。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种双电池电源管理系统及其电池控制器和控制方法，通过一高能量电池与一高功率电池的互补特性，而能针对马力与续航力进行优化的兼容考虑。
本发明的另一目的，在于提供一种双电池电源管理系统及其电池控制器和控制方法，可将一高能量电池与一高功率电池间进行串/并联控制，于启动、加速与上坡时，将电池并联以输出大电流，于高速行驶时将电池串联，提供高电压输出，且于电池串并联切换时，可线性调整输出电压，避免输出电压呈现阶梯式变化的缺点。
为获得上述各目的，本发明可通过提供一种可线性改变电池输出电压与电流的直流转换器，搭配一个串并联切换器，在并联切换至串联时控制输出电压由低至高变化；在串联切换至并联前，先令转换器输出电压由高至低变化，再切换为并联模式，同时让转换器输出与所并联的电池电压相同，达到线性改变输出电压的目的。
在实施例中，双电池电源管理系统包括负载模块、电池控制器、第一电池、以及第二电池。电池控制器，电性连接于该负载模块，用以接收该负载模块的电性需求，并具有一直流转换器和一串并联切换器。第一电池，电性连接于该直流转换器，用以提供一第一输入电压，并经该直流转换器处理成为一转换后直流电压。第二电池，电性连接与该串并联切换器，用以提供一第二输入电压。其中，该电池控制器根据该电性需求，控制该串并联切换器于一串联模式和一并联模式间进行切换。当串联模式时，该串并联切换器将该转换后直流电压和该第二输入电压串接成为一串联输出电压，提供于该负载模块。当处于该并联模式时，该串并联切换器将该转换后直流电压和该第二输入电压并接成为一并联输出电压后，提供于该负载模块。
本发明所述电池控制器还包括处理器，用以接收该电性需求，并据以控制该直流转换器和该串并联切换器。
在一些实施例中，负载模块是一马达与马达控制器总成。
在一些实施例中，双电池电源管理系统还包括一充电器用以对该第一电池进行充电。
本发明另提供一种电池控制器。该电池控制器用以根据一负载模块的电性需求，于一串联模式和一并联模式间进行操作，亦与一第一电池和一第二电池呈电性连接，并包括：一直流转换器用以接收该第一电池所提供的一第一输入电压后，经转换后成为一转换后直流电压；串并联切换器用以接收该转换后直流电压和该第一电池所提供的一第二输入电压。当处于该串联模式时，该串并联切换器将该转换后直流电压和该第二输入电压串接成为一串联输出电压，提供于该负载模块；当处于该并联模式时，该串并联切换器将该转换后直流电压和该第二输入电压并接成为一并联输出电压后，提供于该负载模块。
在一些实施例中，该电池控制器还包括一处理器用以接收该电性需求，并据以控制该直流转换器和该串并联切换器。
最后本发明提供一种控制方法。在一实施例中，控制方法包括：提供该电池控制器，该电池控器用以根据一负载模块的电性需求，于一串联模式和一并联模式间进行切换，亦与一第一电池和一第二电池呈电性连接；提供一直流转换器，用以接收该第一电池所提供的一第一输入电压后，经转换后成为一转换后直流电压；提供一串并联切换器，用以接收该转换后直流电压和该第一电池所提供的一第二输入电压；当处于该串联模式时，该串并联切换器将该转换后直流电压和该第二输入电压串接成为一串联输出电压，提供于该负载模块；当处于该并联模式时，该串并联切换器将该转换后直流电压和该第二输入电压并接成为一并联输出电压后，提供于该负载模块。
在一些实施中，控制方法还包括：提供一处理器，用以接收该电性需求，并据以控制该直流转换器和该串并联切换器；该处理器根据一第一阀值，判断由该并联模式切换至该串联模式；该处理器根据一第二阀值，判断由该串联模式切换至并联模式。
在一些实施中，控制方法还包括：当由该并联模式切换至该串联模式时，以脉波宽度调变(PWM)方式调整该转换后直流电压的工作周期。
在一些实施中，控制方法还包括该第一阀值为该第二输入电压，该第二阀值为该第一阀值的90％。
在一些实施中，控制方法还包括提供一充电器，用以对该第一电池进行充电
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，附图说明如下：
图1为本发明的一种双电池电源管理系统的方块示意图；
图2为直流转换器和串并联切换器的电路图；
图3A为低速行驶情境下的控制方法流程图；
图3B为高速行驶情境下的控制方法流程图；
图3C为负载增加情境下的控制方法流程图；以及
图4为电压/电流转换曲线图。
附图标记
1：负载模块
2：电池控制器
21：处理器
22：直流转换器
23：串并联切换器
3：第一电池
4：第二电池
5：充电器
M1、M2、M3、M4：晶体管
L：电感
C：电容
Q1、Q2、Q3：晶体管
310-316：低速行驶情境下的组成步骤
320-326：高速行驶情境下的组成步骤
330-336：负载增加情境下的组成步骤
具体实施方式
请参照图1，所示为显示根据本发明的一种双电池电控系统一较佳实施例的方块示意图。如图1所示，此双电池电源管理系统包括：一负载模块(load module)1、一电池控制器(battery controller)2、一第一电池(first battery)3、一第二电池(second battery)4、以及一充电器(charger)5等等。此双电池电控系统可应用于任何电动车辆(ElectricVehicle)，并不以双轮或四轮电动车辆为限，在此先做说明。
图1中，负载模块1通常会包括一负载驱动器(load driver)和一负载(load)，负载驱动器会接受电池控制器2所产生的输出电压VDC以驱动负载，随着负载模块1的功率消耗变化，负载模块1的输入电流IDC亦随之改变，根据负载的实际需求，负载控制器向电池控制器2发出最适输入电压VDC的要求，以获得适当的输入电压VDC进行运转控制。若是在电动车辆的应用上，负载模块1通常就是马达与马达控制器总成，而负载驱动器和负载就分别是马达驱动器(motor driver)和马达(motor)，而马达在低速运转时，需要电池控制器2提供较低的输出电压与较大的输出电流IDC；马达在高速运转时，则需要电池控制器2提供较高的输出电压VDC。
另外，电池控制器2包括一处理器(processor)21、一直流转换器(DC-DCconverter)22和一串并联切换器(Series-Parallel Switch)23。处理器21与负载模块1间设有通讯界面(可以是CAN-Bus或RS-485等等)，由此得知负载模块1在不同的行驶情境下所需的电压值(或者可通称为“电性需求”)，再根据所需的电压值控制直流转换器22和串并联切换器23，控制第一电池3和第二电池4二者在一串联模式(series mode)或并联模式(parallel mode)之间进行切换。参照图1，直流转换器22自第一电池3接收第一输入电压VT，再经直流转换器22调整成为一转换后直流电压(converted DC voltage)Vi，施加至串并联切换器23处。而串并联切换器23，同时接收转换后直流电压Vi和来自第二电池4的第二输入电压VL。根据本发明，会由处理器21获取负载模块1的电性需求，控制串并联切换器23在串联模式或并联模式进行切换。根据本发明，当处于串联模式时，串并联切换器23所产生的输出电压VDC为转换后直流电压Vi和第二输入电压VL之和，即输出电压VDC＝(Vi+VL)，此时输出电压VDC提供给负载模块1，若负载模块1包括马达总成，等于增加马达总成的输入电压，即可以提高马达转速，也就增加了马达的功率(马达功率＝电压x电流＝扭力x转速)；换言之，此串联模式即可适用于高速行驶情境。当处于并联模式时，串/并联切换器22产生输出电压VDC为转换后直流电压Vi和第二输入电压VL相当，此时输出电压VDC＝Vi＝VL，若负载模块1包括马达总成，等于增加马达总成的输入电流，可获致高扭力；换言之，此并联模式即可适用于低速行驶情境下、抑或是负载增加(如爬坡)的情境下。
参照图2，为显示图1所示直流转换器22和串并联切换器23的一实施例的详细电路图，仅为示例用，非用以限定本发明范围。如图2所示，直流转换器22是由四个晶体管M1-M4、电感L和电容C等所组成，晶体管M1和M2均以NMOS晶体管为例，晶体管M1以漏极和源极分别连接第一电池3的正极和晶体管M2的漏极，晶体管M2则以源极连接第一电池3的负极。晶体管M3和M4均以NMOS晶体管为例，串接于电容C两端，用以产生转换后直流电压Vi；更进一步说，晶体管M3以漏极和源极分别连接电容器的一端和晶体管M4的漏极，晶体管M4以源极连接电容C的另一端。电感L则以两端分别连接至晶体管M1的源极和晶体管M3的源极。晶体管M1-M4的栅极均由处理器21所控制。
仍参照图2，串并联切换器23包括三个晶体管Q1-Q3，三者均以NMOS晶体管为例。晶体管Q1以源极和漏极分别连接晶体管M4的源极和第二电池4的负极，晶体管Q3以源极和漏极分别连接晶体管M3的漏极和第二电池4的正极。晶体管Q2以漏极和源极分别连接晶体管Q3的源极和晶体管Q1的漏极。而晶体管Q1-Q3的栅极均由处理器21所控制。
即如图2所示，当处于串联模式时，即令晶体管Q2导通、晶体管Q1和Q3关闭，并控制直流转换器22调整转换后直流电压Vi，此时输出电压VDC＝Vi+VL。另，当处于并联模式时，即令晶体管Q1和Q3导通、晶体管Q2关闭，并控制直流转换器22调整转换后直流电压Vi，使得输出电压VDC＝Vi＝VL。根据本发明，当由并联模式切换至串联模式时，处理器21会以脉冲宽度调制(pulse-width modulation，PWM)进行线性调变，换句话说，是以调整工作周期(dutycycle)的方式线性调整转换后直流电压Vi，若以D代表工作周期，D的数值介于0和1之间，Vi＝D*VT，而VDC＝Vi+VL＝D*VT+VL，总输出电压VDC即可以线性调整，避免步阶电压变化的缺点。
参照图3A，所示为低速行驶情境下的控制方法流程图。首先，在步骤310低速行驶代表车辆是处于起步或慢速行驶情境下，此时进行步骤311处于并联模式，也就是输出电压VDC＝Vi＝VL。然后，进行步骤312，判断负载模块1所需电压是否高于VL，负载模块1可根据根据实际速度与出力的需求，计算所需的电压，再将电压需求发送给处理器21若此时负载模块1的电压需求确实有超过VL，则进行步骤313切换至串联模式，也就是输出电压VDC＝Vi+VL，即进行步骤314，表示车辆在高速行驶情境下运转，在此模式下，串联输出电压VDC可依负载模块1的需求，改变工作周期D以变化输出电压VDC；若步骤312判断负载模块1所需求电压确实低于VL，则进行步骤315维持在并联模式，也就是仍旧输出电压VDC＝Vi＝VL，即进行步骤316，表示车辆在低速行驶情境下运转，抑或是可能处于负载增加(诸如上坡)的情境下运转。
参照图3B，所示为高速行驶情境下的控制方法流程图。首先，在步骤320高电压模式是代表负载模块1电压需求电压高于VL的90％(也就是0.9VL)，此时进行步骤321处于串联模式，也就是输出电压VDC＝Vi+VL。然后，进行步骤322，判断负载模块1所需电压是否低于VL的90％，若此时负载模块1所需电压确实低于VL的90％，则进行步骤323切换至并联模式，也就是输出电压VDC＝Vi＝VL，即进行步骤324，表示车辆在低速行驶情境下运转、抑或是可能处于负载增加的情境下运转；若步骤322判断时速确实高于VL的90％，则进行步骤325维持在串联模式，也就是仍旧输出电压VDC＝Vi+VL，即进行步骤326，表示车辆在高速行驶情境下运转。
参照图3C，所示为负载增加转速降低情境下的控制方法流程图。首先，在步骤330负载增加代表车辆是处于诸如上坡的负载增加情境下，此时进行步骤331处于并联模式，也就是输出电压VDC＝Vi＝VL。然后，进行步骤332，判断负载模块1所需电压是否高于VL，若负载模块1所需电压确实高于VL，则进行步骤333切换至串联模式，也就是输出电压VDC＝Vi+VL，即进行步骤334，表示车辆在高速行驶情境下运转；若步骤332判断负载模块1所需电压确实未超过VL，则进行步骤335维持在并联模式，也就是仍旧输出电压VDC＝Vi＝VL，即进行步骤336，表示车辆在负载增加的情境下运转，抑或是可能处于低速行驶情境下运转。
综合上述图3A和3C此二种情境可知，当判断是否需要由并联模式切换至串联模式时，是判断负载模块1所需电压是否高于VL，此时判断的第一阀值(first threshold)。但是，由图3B所示的情境，当判断是否需要由串联模式切换至并联模式时，则是判断负载模块1所需电压是否低于0.9VL，此时判断的第二阀值(second threshold)。而第一阀值(VL)高于第二阀值(0.9VL)，而介于第一阀值和第二阀值之间的范围(VL～0.9VL之间)就是切换滞后区(switch hysteresis range详见图4所示)。
参照图4，所示为图1的电压/电流转换曲线图。将图4配合图1的较佳实施例示意图和图3A-3C各类行驶情境控制方法流程图，可知输出电压VDC可于并联模式与串联模式之间呈现线性变化，免除步阶电压变化的缺点。根据本发明，当负载模块1所需电压位于0.9VL～VL区间，直流转换器22的控制是通过脉冲宽度调制(pulse-width modulation，PWM)进行线性调变，换句话说，是以调整工作周期(duty cycle)的方式线性调整转换后直流电压Vi，若以D代表工作周期，D的数值介于0和1之间，Vi＝D*VT，而VDC＝Vi+VL＝D*VT+VL，因此，可以根据负载模块1所需，线性调整直流转换器22所输出的转换后直流电压Vi，避免串联模式时，阶梯式电压变化产生负载模块1输出电流突波，造成车辆暴冲或顿挫感。
已如上述，根据本发明的双电池电源管理系统及其电池控制器和控制方法，可以通过直流转换器22调整第一电池3和第二电池4的输出电压、电流，避免双电池于串联模式时，受限于两者中较小电池输出电流的问题。再者，又可避免电池在并联模式时，第一电池3和第二电池4间电压差异过大所产生电池间环流或电池负载不平均等问题。

Claims (11)

1.一种双电池电源管理系统，包括：
一负载模块；
一电池控制器，电性连接于该负载模块，用以接收该负载模块的电性需求，并具有一直流转换器和一串并联切换器；
一第一电池，电性连接于该直流转换器，用以提供一第一输入电压VT，并经该直流转换器处理成为一转换后直流电压Vi；以及
一第二电池，电性连接与该串并联切换器，用以提供一第二输入电压VL；
其中，该电池控制器根据该电性需求，控制该串并联切换器于一串联模式和一并联模式间进行切换；
当处于该串联模式时，该串并联切换器将该转换后直流电压和该第二输入电压串接成为一串联输出电压，提供于该负载模块，所述直流转换器以调整工作周期D的方式线性调整转换后直流电压Vi，且串联模式时的输出电压VDC＝D*VT+VL，其中，工作周期D的数值介于0和1之间；
当处于该并联模式时，该串并联切换器将该转换后直流电压和该第二输入电压并接成为一并联输出电压后，提供于该负载模块。
2.如权利要求1所述的双电池电源管理系统，其中，该电池控制器还包括：一处理器，用以接收该电性需求，并据以控制该直流转换器和该串并联切换器。
3.如权利要求1所述的双电池电源管理系统，其中，该负载模块是一马达与马达控制器总成。
4.如权利要求1所述的双电池电源管理系统，还包括：一充电器，用以对该第一电池进行充电。
5.一种电池控制器，用以根据一负载模块的电性需求，于一串联模式和一并联模式间进行操作，亦与一第一电池和一第二电池呈电性连接，并包括：
一直流转换器，用以接收该第一电池所提供的一第一输入电压VT后，经转换后成为一转换后直流电压Vi；以及
一串并联切换器，用以接收该转换后直流电压Vi和该第二电池所提供的一第二输入电压VL；
其中，当处于该串联模式时，该串并联切换器将该转换后直流电压和该第二输入电压串接成为一串联输出电压，提供于该负载模块，所述直流转换器以调整工作周期D的方式线性调整转换后直流电压Vi，且串联模式时的输出电压VDC＝D*VT+VL，其中，工作周期D的数值介于0和1之间；当处于该并联模式时，该串并联切换器将该转换后直流电压和该第二输入电压并接成为一并联输出电压后，提供于该负载模块。
6.如权利要求5所述的电池控制器，还包括：
一处理器，用以接收该电性需求，并据以控制该直流转换器和该串并联切换器。
7.一种控制方法，应用于一电池控制器，包括：
提供该电池控制器，该电池控器用以根据一负载模块的电性需求，于一串联模式和一并联模式间进行切换，亦与一第一电池和一第二电池呈电性连接；
提供一直流转换器，用以接收该第一电池所提供的一第一输入电压VT后，经转换后成为一转换后直流电压Vi；以及
提供一串并联切换器，用以接收该转换后直流电压Vi和该第二电池所提供的一第二输入电压VL；以及
当处于该串联模式时，该串并联切换器将该转换后直流电压和该第二输入电压串接成为一串联输出电压，提供于该负载模块，所述直流转换器以调整工作周期D的方式线性调整转换后直流电压Vi，且串联模式时的输出电压VDC＝D*VT+VL，其中，工作周期D的数值介于0和1之间；当处于该并联模式时，该串并联切换器将该转换后直流电压和该第二输入电压并接成为一并联输出电压后，提供于该负载模块。
8.如权利要求7所述的控制方法，还包括下列步骤：
提供一处理器，用以接收该电性需求，并据以控制该直流转换器和该串并联切换器；
该处理器根据一第一阀值，判断由该并联模式切换至该串联模式；以及
该处理器根据一第二阀值，判断由该串联模式切换至并联模式。
9.如权利要求8所述的控制方法，还包括下列步骤：
当由该并联模式切换至该串联模式时，以脉冲宽度调制方式调整该转换后直流电压的工作周期。
10.如权利要求9所述的控制方法，其中，该第一阀值为该第二输入电压，该第二阀值为该第一阀值的90％。
11.如权利要求8所述的控制方法，还包括：提供一充电器，用以对该第一电池进行充电。
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