TW201103220A - Apparatus and method for managing plural secondary batteries - Google Patents

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Description

201103220 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種管理多個二次電池的方法，適用於使用多個 二次電池爲電源的應用’例如筆計型電腦，電動工具，電動汽 機車，油電混合車等。 [先前技術] 首先對於目前管理多個二次電池的方法，做一簡易說明。目前 多個電池的使用方式，是將相同化學特性、狀態的多顆電池以 • 串聯的方式以達到須g的工作電壓，再以並聯多串的方式倍增 整體電池組的總容量，各電池間是以固定無法改變的方式連 結；針對電池的充、放電特性由監控ic，提供二次電池包括 過高、低溫，過電流，短路電流，過壓、欠壓斷路保護電路設 計與設定，或更多功能經由匯流排協定能提供測量、計算出的 電池電壓，電流，溫度，剩餘容量(RC，Remaining Capacity)， 電量狀態(SOC，State-Of-Charge)以百分比％表示與健康狀態 (SOH, State-Of-Health)以循環充電次數或內阻値表示等電池資 訊和控制充、放電開關電路的方法給外部使用。除根據電池的 • 充、放電特性限制電池的充、放電範圍以保護電池在額定的使 用環境下工作外並測量、計算電池的電壓、電流、溫度、剩餘 容量 '電量狀態與健康狀態等電池資訊，以供外部了解電池的 情況。在使用二次電池的系統裡一般都有充電與放電變壓'變 頻轉換電路以調節電池、負載與充電電源間的輸出入需求，實 際上是一個雙向功率轉換調節的電路設計，根據二次電池充放 電特性與負載和充電電源電壓、電流的性質，將一方輸入的電 壓、電流轉換輸出成另一方需要的電壓、電流，應用上依需求 不同而有不同的轉換電路設計。 例如將4個相同額定容量2〇〇〇mAh的鋰鈷二次電池串聯在一 201103220 起(4S)，以提供給工作電壓10V的負載使用，單顆鋰鈷二次電 池的工作環境限制是充電電壓上限4.2V，充電電流上限1C( C 値乘容量=電流量，例如lCx2000mAh=2000mA);放電電壓下 限是3.0V，放電電流上限2.5C，工作溫度範圍0°C到55°C。 整合監控1C結合電路元件與設計除提供包括過高、低溫、過 電流、短路電流、過壓、欠壓値設定和斷路保護此二次電池外， 由類此數位轉換器(ADC)並可測量、計算各二次電池的電壓、 電流、溫度、剩餘容量(RC)、電量狀態(SOC)等電池資訊，以 I2C匯流排協定的方式供外部設定與讀取電池組的資料。電池 電壓在12-16.8V間使用經降壓轉換輸出穩定10V電源給負 • 載，而充電器根據電池組組態，設計在定電流(CC，Constant Current)階段時以1C定電流對此4串電池組充電，當電池組電 壓超過(4x4)16V時充電電路控制充電電壓改以定電壓(CV， Constant Voltage)16.8V(4x4.2)方式充電，直到電池組總電壓超 過16.8 V或電流小於截止電流(C/20=l 00mA)時即停止充電。 這樣子電池結合保護或包含量測與計量電路的設計在此通稱 爲一個二次電池單元，其電池芯可以不只一個；本發明中附圖 內的二次電池符號(丨丨)是簡易代表符號，由於保護，量測與計 • 量電路設計並非本發明的內容因此不畫出此部分電路設計。 由於各二次電池單元是彼此串聯因此每顆電池是以相同電流 操作，但每顆電池的電壓並非完全相同因此達到充滿截止或放 電截止電壓的時間各顆都不一致，以致整體電池系統的使用都 由狀況最差的電池主導無法充分運用電池的容量，此現象稱爲 電池間不平衡。並且由於以相同電流操作因此必須要求每顆電 池是同一化學材料，甚至同一廠商同一批生產的規格，即便如 此由於後天使用環境或多或少還是不同，因此每顆電池的狀況 還是會不同，且因電池經長時間充放電使用各顆電池的差異變 大，導致整體電池組的性能越差使用期間縮短。針對此電池單 201103220 元間彼此不平衡的狀況，目前的解決方法有以下兩類。 主動式平衡： 將電壓較高的電池芯以並聯線圏轉換電壓方式或是使用所謂 「飛馳」或「泵浦」電容及控制電路將電荷移轉到電壓較低的 電池芯以達到電壓一致。此方法可在電池充電，放電或閒置狀 態實施，但轉換效率差，電路成本高同時也會有額外損耗。 被動式平衡： 將各電池芯並聯一小電阻，在充電時期對電壓較高電池芯由電 晶體開關控制流通此電阻的電流以消耗充入電壓較高電池的 電流達到防過壓的目地。由於此方式是以消耗高電壓電池容量 Φ 方式換取各電池芯的一致，因此能量會損耗，消耗的能量由電 阻轉爲熱能因此電阻値不能太大，平衡時間拉長整個電池充電 效率差。若電池芯因爲內阻抗較高以致長時間的處於高充電電 壓狀態會更加速電池芯的惡化。 本發明利用二次電池並聯時電壓相等的特性，在適當情況下將 各二次電池彼此並聯，可自動地達到均衡化的目的。 另外在電池組的充、放電使用方面由於目前的電池組連結都是 固定的因此電池組的充電(輸入)與放電(輸出)的電壓與電流， β 都設定在一範圍內由功率轉換單元雙向調節電池組與充電電 源和放電負載間電壓與電流大小，直流、交流頻率等的差異， 轉換效率根據使用情況會受到一些限制。若電池組的連結組態 可變動’就能提供更寬廣的充電(輸入)與放電(輸出)電壓與電 流範圍’以適應充電(輸入)與放電(輸出)時對電壓與電流不同 的需求;對於電池充電(輸入)與放電(輸出)時電壓與電流(功率} 變動大的應用有益。 另外在某一次電池單元故障或過度老化時目前處理的情況是 整個電池組跟著報廢或是必須拆解分析，如果是多並聯的情況 也許拆掉有問題的並聯組剩下的電池還可使用，但都必須經過 201103220 拆解分析，過程複雜。爲改善此情況，使得電池組能夠繼續使 用不影響系統運作，本發明透過控制二次電池單元間的串/並 聯切換開關，隔離故障或過度老化的二次電池單元，配合雙向 功率轉換的設計將剩下的二次電池單元重新連結使得電池組 能繼續提供給系統運用，以有效的使用多個二次電池單元組成 的電池組。 【發明內容】 有關本發明爲達上述目的、特徵所採用的技術手段及其功效， 茲例舉實施例並配合圖式說明如下： 第一圖係本發明實施例之範例架構示意圖；包括一個負載與充 電電源單元(104)，一個功率轉換單元(103)提供電池組與負 載、充電電源間雙向功率調節轉換，達到輸出入電壓範圍大的 充電、整流功能，一個由多個二次電池單元組成的電池組單元 (101)，一個監控處理單元(102)通過匯流排協定(BUS protocol) 與控制訊號，控制與讀取、傳遞訊息給電池組的各二次電池單 元，並可控制充、放電路徑開關。第二圖係本發明多個二次電 池單元組成的電池組，由4個二次電池單元組成的電池組範 例。多顆二次電池單元多並多串的方式是採取先並再串方式有 別傳統先串再並的方式，例如第三圖單元(302)所示4個相同 二次電池先各將二個並聯在一起(2P)再將二個並聯一起的電 池串聯一起形成二並二串(2P2S)的並串聯電池組；有別於傳統 的連結法先將二個一組串聯在一起(2S)再將二個串聯的電池 組並聯一起形成二串二並(2S2P)的串並聯電池組，如第三圖單 元(309)所示。 本發明實施例之一個二次電池單元的電池芯可以不只一個，彼 此以串並聯方式聯連結且可包括保護、量測與計量電路，附圖 內的電池符號(I |)是簡易圖；將多個二次電池單元經由如第二 201103220 圖範例組成的電池組，經由一監控處理單元(102)控制各二次 電池單元之間的串/並聯開關電路而組成不同的連結組態。例 如第三圖中(300-308)係多個二次電池單元組成的電池組經由 串/並聯開關電路切換後形成不同的連結組態。 監控處理單元(102)經由類比轉數位訊號(ADC)與匯流排協定 持續讀取各二次電池單元的電流，電壓，溫度等狀態資訊，根 據電池組在充電，閒置與故障狀態下，適當地控制各串/並聯 開關連結各二次電池單元使得各二次電池單元處於近似相同 的電量狀態以縮小各二次電池單元間的不平衡差異；同時監控 處理單元(102)經由匯流排協定由負載與充電電源單元(1〇4)和 功率轉換單元(103)獲得充電時對電池組輸入的充電電壓、電 流與放電時負載需求的電壓 '電流資訊；在對電池組充電時調 整電池組的串/並聯組態以匹配輸入的充電電壓、電流；而在 電池組要放電時根據負載需求將電池組的串/並聯開關適當的 連結以匹配經功率轉換輸出給負載所需的電壓、電流。 另外在隔離危險或過度老化已斷路保護的二次電池單元方 面，在雙向功率轉換單元(103)的輸出入範圍下如果： I)此二次電池單元是單獨串聯時，改成與鄰近二次電池單元並 聯。II)此二次電池單元是與其他二次電池單元並聯時可採a. 改成全串聯但此二次電池單元與鄰近二次電池單元並聯。或 b.改成全並聯。或c.將其他二次電池單元改成並串聯再將此二 次電池單元與鄰近二次電池單元並聯。 上述所揭之圖式及說明以4個二次電池單元組成的電池組爲 例，僅爲本發明之實施例而已，非爲限定本發明實施的二次電 池種類與個數；大凡熟悉該項技藝之人仕，其所依本發明之特 徵範疇，所作之其他等效變化或修飾，皆應涵蓋在以下本案之 申請專利範圍內。 201103220 【實施方式】 本方法中將多個二次電池單元組成的電池組連結的方式可以 第二圖由4個二次電池單元組成的電池組範例(單元200)說 明。將此多個二次電池單元正負極相鄰排成一列並編號以區 分，在各二次電池單元與前後的二次電池單元之間以串/並聯 切換開關電路連結(單元201)，由切換各二次電池單元與前後 的二次電池單元的串或並聯組態，以完成整個電池組的連結； 各二次電池的編號可依序由小往大由低電壓往高電壓方向編 號。各二次電池單元間的串/並聯切換開關電路，是具雙極雙 擲(Double pole/Double throw)功能的功率電晶體開關或是繼電 器開關，並可經由一雙態訊號線用來控制切換串/並聯電路開 關，使得相鄰的二次電池單元彼此串聯(單元202)或是並聯(單 元 203)。 一監控處理單元(102)持續經由匯流排協定由負載、充電電源 單元(104)和功率轉換單元(103)處獲得充電時對電池組的充電 電壓、電流與放電時系統負載需求的電壓、電流資訊，除持續 經由類比轉數位訊號(ADC)和匯流排，讀取電池組單元(101) 中各二次電池單元的電壓，電流，溫度’剩餘容量(RQ，電量 • 狀態(SOC)等資訊外，並可經由控制訊號線電路和匯流排協定 控制各二次電池單元間串/並聯切換開關；切換二次電池單元 彼此間的串/並聯開關的動作是由監控處理單元(102)在電池組 不在充、放電的狀態時執行；根據電池組使用的狀態是： (1)電池組進入充電狀態時；以二段式定電流+定電壓(CC+CV) 方式對電池組充電；電壓低時由充電電源單元(104)和功率 轉換單元(103)以定電流方式對電池組充電’在充電起始前 可控制切換開關使得各二次電池單元間以全串聯(例如4S， 單元)或並串聯(例如2P2S,單元302)或全並聯(例如4P， 單元301)方式連結使得電池組能匹配經功率轉換單元(丨〇3) 轉換後的充電電壓與電流；當其中有二次電池單元的電壓 201103220 達到定電壓設定値時，監控處理單元(102)切斷充電電路暫 停充電後切換串/並聯開關將各二次電池單元以全並聯(例 如4P單元301烕並串聯(例如2P2S，單元302)或全串聯(例如 4S,單元300)方式連結使得電池組能匹配經功率轉換單元 (103)調節後的充電電壓；恢復充電電路後以定電壓方式對 電池組充電到充飽截止。 .⑵電池組進入放電狀態時，由監控處理單元(102)計算將各二 次電池單元以全串聯(例如4S，單元300)或並串聯(例如2P2S， 單元302)或全並聯(例如4P,單元301)方式連結，使得經功率 轉換單元(103)調節後的輸出電壓、電流能達到負載需求的 • 工作電壓、電流。當各二次電池單元間以全串聯方式連結 時，若各二次電池單元的電量狀態近似相同時可由各二次 電池單元的電壓値大小得到各二次電池單元內阻的相對大 小0 (3)電池組在不充、放電閒置的情況時，監控處理單元(102)測 得串聯的各二次電池單元間的電壓或電量狀態有超過的不 平衡差異時，切換串/並聯開關使得各二次電池單元間以並 聯方式連結短暫時間後再切換串/並聯開關恢復原各二次電 池單元間連結的方式，以平衡二次電池單元間不平衡的現 φ 象。 二次電池組在充電時若監控處理單元(102)測得串聯的各二次 電池單元間的電壓或電量狀態有超過的不平衡差異時，可切斷 充電電路暫停充電後，切換串/並聯開關將串聯的二次電池單 元以並聯方式連結短暫時間後再切換串/並聯開關恢復原來二 次電池單元的連結組態後，再恢復充電電路繼續被暫時中斷的 充電過程。 監控處理單元(102)由讀取各二次電池單元的資訊後可將已斷 路保護的二次電池單元，在雙向功率轉換單元(103)的輸出入 設計範圍下根據以下方法隔離： 201103220 i)此二次電池單元是單獨串聯時，控制單元間的串/並聯切換開 關改成與鄰近二次電池單元並聯。 II)此二次電池單元是與其他二次電池單元並聯時可採a·控制 單元間的串/並聯切換開關改成全串聯但此二次電池單元與鄰 近二次電池單元並聯。或b.控制單元間的串/並聯切換開關改 成全並聯。或c.控制單元間的串/並聯切換開關將其他好的二 次電池單元改成並串聯，再將此二次電池單元與鄰近二次電池 單元並聯。 另外在將多個二次電池單元組成電池組時，爲避免串聯時過高 電壓造成的危險，在組裝時可經由設定串/並聯切換開關的起 始連結狀態爲並聯狀態將各二次電池單元彼此並聯成電池 組，當安裝完成後再由監控處理單元(102)控制各二次電池單 元的串/並聯切換開關成爲設定的二次電池連結組態。 【圖式簡單說明】 第一圖爲本發明實施範例之系統架構示意圖。 第二圖爲本發明實施範例之4個二次電池單元組成的電池組 連結圖(200)與相鄰的二次電池間的正負極接點與開關示意圖 (201)，和由雙極雙擲開關連結相鄰正負極成爲串聯狀態(202) 與並聯狀態(203) 〇 第三圖爲本發明實施範例之4個二次電池單元組成的電池組 經由串/並連開關可轉換成不同的連結組態(300-308)以及傳統 二串二並(2S2P)連結的方式(309)。 【主要元件符號說明】 第一圖： 單元(101):可轉換串/並聯組態的電池組。 單元(102):電池組監控處理單元。 201103220 單元(103):雙向變壓、變頻功率轉換調節單元。 單元(104):負載和充電電源單元。 符號(105):單元(101)的電壓Vb。 符號(106):單元(104)的工作電壓Vs。 第二圖： 單元(200): 4個二次電池單元排列組成的電池組，由低電 壓(-倒高電壓(+)方向依序編號1至4。 單元(201):相鄰兩個二次電池單元a與b正極(a+，b+)、負極 (a-,b-)接點的安排。 單元(202):相鄰兩個二次電池單元a與b間正極(a+，b+)、負 • 極(a-，b-)接點由開關連結成串聯狀態。 單元(203):兩個二次電池單元a與b間正極(a+，b+)、負極 (a-,b-)接點由開關連結成並聯狀態。 第三圖： 單元(300):編號1至4全串聯(4S)組成的電池組。 單元(301):編號1至4全並聯(4P)組成的電池組。 單元(30¾編號1與2間並聯，編號3與4間並聯再將編 號2與3間串聯，形成二並二串(2P2S)的電池組。 符號(303):由單元(300)切換串/並聯開關轉變爲單元(301)。 • 符號(304):由單元(301)切換串/並聯開關轉變爲單元(300)。 符號(305):由單元(301)切換串/並聯開關轉變爲單元(302)。 符號(306):由單元(302)切換串/並聯開關轉變爲單元(301)。 符號(307):由單元(300)切換串/並聯開關轉變爲單元(302)。 符號(308):由單元(302)切換串/並聯開關轉變爲單元(300)。 單元(309):傳統方式將編號1與2串聯；編號3與4串聯， 再並聯形成二串二並（2S2P)的電池組。

Claims (1)

  1. 201103220 七、申請專利範圍： 1. 一種管理多個二次電池單元的方法，包含： 由多個二次電池單元組成的電池組，將多個二次電池單元 正負極相鄰排成一列，在各二次電池單元與前後的二次電池單 元之間以串/並聯切換開關電路連結，可動態切換各二次電池 單元間的串/並聯開關狀態以完成整個電池組的連結。 2. —種管理多個二次電池單元的方法，包含： 各二次電池單元間的串/並聯切換開關電路，是一具雙極雙 _ 擲(Double pole/Double throw)功能的功率電晶體或是繼電器電 子開關，並可由外部輸入訊號來控制切換成串或並聯的電路開 關。 3. —種管理多個二次電池單元的方法，包含： 隔離已斷路保護的二次電池單元的方法；如果此二次電池 單元是單獨串聯時，控制單元間的串/並聯切換開關改成與鄰 近二次電池單元並聯。如果此二次電池單元是與其他二次電池 單元並聯時可採a·控制各單元間的串/並聯切換開關改成全串 • 聯但此二次電池單元與鄰近二次電池單元並聯。或b.控制各單 元間的串/並聯切換開關改成全並聯。或c.控制各單元間的串/ 並聯切換開關將其他二次電池單元改成並串聯，再將此二次電 池單元與鄰近二次電池單元並聯。 4. 一種管理多個二次電池單元的方法，包含： 二次電池單元彼此間的串/並聯切換開關的動作是在電池組 不在充、放電的狀態時執行。 5. —種管理多個二次電池單元的方法，包含： 多個二次電池單元放電時連結方法；選擇將各二次電池單 12 201103220 元以全串聯或並串聯或全並聯方式連結後電池組經功率轉換 調節後的輸出電壓、電流能匹配負載的工作電壓，電流。 6. —種管理多個二次電池單元的方法，包含： 以二段式定電流+定電壓方式對電池組充電的方法；首先電 壓低時以定電流方式對電池組充電，在充電起始前可控制二次 電池單元間的串/並聯切換開關使得各二次電池單元間以全串 聯或並串聯或全並聯方式方式連結使得電池組能匹配經功率 轉換調節後的充電電壓、電流；當其中有二次電池單元電壓達 到定電壓設定値時，切斷充電電路暫停充電後切換二次電池單 元間的串/並聯開關將各二次電池單元以全並聯或並串聯或全 串聯方式連結使得電池組能匹配經功率轉換調節後的充電電 壓，恢復充電電路後以定電壓方式對電池組充電直到達到充電 截止條件而停止充電。 7. —種管理多個二次電池單元的方法，包含： 電池組不充、放電閒置的情況若偵測到串聯的二次電池單 元間電壓或電量狀態超過的不平衡差異時，可切換二次電池單 元間串/並聯開關使得各二次電池單元間以並聯方式連結短暫 時間後，再切換串/並聯開關恢復原來各二次電池單元間的連 結組態。 8. —種管理多個二次電池單元的方法，包含： 在對電池組充電時，若偵測到串聯的二次電池單元間電壓 或電量狀態有超過的不平衡差異時，可切斷充電電路暫停充電 後切換二次電池單元間串/並聯開關將各串聯二次電池單元改 以並聯方式連結短暫時間後再切換串/並聯開關，恢復原二次 電池單元間的連結組態後再恢復充電電路，繼續被暫時中斷的 充電過程。 13 201103220 9. 一種管理多個二次電池單元的方法，包含： 一監控處理單元；除能讀取各二次電池單元的電壓、電 流、溫度値和控制充放電路徑開關，並可經由控制訊號線 與匯流排協定控制各二次電池單元間的串/並聯切換開關， 以連結各二次電池單元成電池組。 10. —種管理多個二次電池單元的方法： 其中的二次電池單元可包括不只一個二次電池芯，彼此以 固定或可變連結方式串並聯成爲一個單元；可有斷路保護電路 與量測電池的電壓、溫度、電流値的設計與控制此二次電池單 元的串/並聯切換開關的設計，經由控制訊號線與匯流排協定 提供給外部使用。 11. 一種管理多個二次電池單元的方法，包含： 在組裝多個二次電池單元組成的電池組時候，爲避免組裝 時過高電壓造成的危險，在組裝時可經由設定串/並聯切換開 關的起始連結狀態爲並聯狀態將各二次電池單元彼此並聯成 電池組，當安裝完成後再控制各二次電池單元的串/並聯切換 開關成爲設定的二次電池組連結組態。
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