TW201318306A - 交替式電池管理系統 - Google Patents

Abstract

一種交替式電池管理系統，其包含一具有第一電池開關之第一電池模組；一具有第二電池開關之第二電池模組；一分別連接第一、二電池模組與第一、二電池開關之感測控制模組；一與第一及第二電池開關連接之電源端功率穩定模組；以及一與第一及第二電池開關連接之負載端功率穩定模組。藉此，可達到具有良好之充電效率，並確保充電及使用方式不會損害電池模組之壽命以及系統穩定運作之功效。

Description

交替式電池管理系統

本發明是有關於一種交替式電池管理系統，尤指一種可達到具有良好之充電效率，並確保充電及使用方式不會損害電池模組之壽命以及系統穩定運作之功效者。

按，一般傳統之電池儲電系統只有單組電池模組，此種架構容易造成電池模組之使用不當，比如長期將電池保存在高電量之狀態，或是在電量過低時持續放電等等，如此使用方式除了造成電池之壽命大幅減短之外，也增加了使用電池之安全性上的風險。例如讓鋰電池永遠保持著最滿的電量而不去循環使用，電池之內部將會產生結晶造成可用之容量減少，使電池的壽命縮短(一般電池建議保存容量顯示電池在電量為50%左右時會有最長之壽命)。

而傳統之單一電池模組之供電架構為電池管理系統10(如第4a與4b圖所示)，係由一電源端功率穩定模組21、串接一電池模組31、電池模組31串接一負載端功率穩定模組22所構成，運作時電源端功率穩定模組21外接電源50，電源有可能是市電透過交流/直流轉出，也有可能是需要透過直流至直流轉換器來尋求最大功率的電源，如燃料電池或是再生能源如太陽能發電板或風力發電等等。負載端功率穩定模組22則外接負載60，其供電策略是以電源50經電源端功率穩定模組21後輸出的電源電流71為供電主力，電池模組31則是輔助的角色，因為電源電流71扣除負載端功率穩定模組22所需的負載電流73的差值為電池模組31所需提供的電池充放電電流72，所以當電源電流71大於負載電流73時，多出的電流全部以充放電電流72充進電池模組31，若充電電流過大，將會對電池模組31造成直接傷害，然此架構並無針對電池模組設計一套充電辦法，因此，導致充電效率便無法提升甚或引起損壞電池模組的充電行為。同樣若所需的負載電流73大於電源電流71，則欠缺的電流全部以充放電電流72由電池模組31所提供。

上述習用之架構雖然簡單，但是卻會造成電池模組之損耗，比如說充電之效率下降、充電速度緩慢、儲電量(State of Charge，SOC)長時間保存在高儲電量或低電量而使電池模組壽命下降等等缺點；而為解決習用之種種缺失，本案之發明人特潛心研究，開發出一種交替式電池管理系統，以有效改善習用之缺點，使本發明具有良好的充電效率，並確保充電及使用方式不會損害電池模組之壽命以及系統穩定運作。

本發明之主要目的係在於，將習用的一組電池模組拆成第一與第二等兩組電池模組，並利用第一與第二電池開關及感測控制模組之配合，使電源端功率穩定模組僅擔任供應電池模組充電任務，不須供應負載端電流，其供電特性可針對電池模組充電需求提供供電，而第一電池模組於擔任充電任務時，該第二電池模組則擔任放電任務，反之當第一電池模組於放電時，該第二電池模組則進行充電，此兩電池模組依電池狀態消長交替充放電，此架構除避免第一及第二電池模組有過度充電與過度放電之情形，更可防止長時間處於高容量與低容量之可能，而達到具有良好之充電效率，並確保充電及使用方式不會損害電池模組之壽命以及系統穩定運作之功效。

為達上述之目的，本發明係一種交替式電池管理系統包含有：一具有第一電池開關之第一電池模組；一具有第二電池開關之第二電池模組；一具有感測電池模組狀態與控制電池開關功能且分別與第一及第二電池模組與電池開關連接之感測控制模組；一與第一及第二電池開關連接並提供電源穩壓作用之電源端功率穩定模組；以及一與第一及第二電池開關連接並提供負載穩壓作用之負載端功率穩定模組。

於本發明之一實施例中，該電源端功率穩定模組可為功率穩定器(Power regulator)，亦可為直流/直流轉換器(DC/DC Converter)。

於本發明之一實施例中，該電源端功率穩定模組之輸入端係分別透過高與低電位線連接外部直流電源。

於本發明之一實施例中，該電源端功率穩定模組之輸出端係分別透過高電位線連接第一及第二電池開關之充電端，透過低電位線連接第一及第二電池模組之低電位端。

於本發明之一實施例中，該負載端功率穩定模組之輸入端係分別透過高電位線連接第一及第二電池開關之放電端，透過低電位線連接第一及第二電池模組之低電位端。

於本發明之一實施例中，該負載端功率穩定模組之輸出端係分別透過高與低電位線串接外部緩衝模組與負載，其中緩衝模組可為超級電容等緩衝模組。

於本發明之一實施例中，該第一及第二電池模組係為可充電電池或可充電電池組。

於本發明之一實施例中，該第一及第二電池模組之正端(高電位端)係分別連接第一及第二電池開關之輸入端。

於本發明之一實施例中，該感測控制模組係分別透過感測控制路徑分別連接第一及第二電池模組以及第一及第二電池開關，以執行感測第一及第二電池模組之電池狀態，以達到控制第一及第二電池開關切換充電或放電或斷路之功能。

請參閱『第1、2a、2b及第3圖』所示，係分別為本發明之交替式架構示意圖、本發明之第一切換架構示意圖、本發明之第二切換架構示意圖及本發明充放電之模式說明示意圖。如圖所示：本發明係一種交替式電池管理系統10，其包含一具有第一電池開關33之第一電池模組31；一具有第二電池開關34之第二電池模組32；一具有感測電池模組狀態與控制電池開關功能且分別與第一及第二電池模組(31與32)與電池開關連接之感測控制模組40；一與第一及第二電池開關連接並提供電源穩壓作用之電源端功率穩定模組21；以及一與第一及第二電池開關連接並提供負載穩壓作用之負載端功率穩定模組22所構成。

上述所提之電源端功率穩定模組21可為功率穩定器(Power regular)，亦可為直流/直流轉換器(DC/DC Convertor)。

該電源端功率穩定模組21之輸入端係分別透過高與低電位線(25與27)連接外部直流電源50，外部直流電源50可以是市電轉直流電源，亦可以是燃料電池，亦可以是再生能源如風力或太陽能等發電轉成直流電源。

該電源端功率穩定模組21之作用係將外部直流電源轉50換至適合第一與第二電池模組充電之直流電源。

該電源端功率穩定模組21之輸出端係分別透過高電位線23連接第一及第二電池開關之充電端(35與36)，透過低電位線連接第一及第二電池模組之低電位端。

於本發明之實施例中，該負載端功率穩定模組22之輸入端係分別透過高電位線24連接第一及第二電池開關之放電端(37與38)，透過低電位線連接第一及第二電池模組之低電位端。

該負載端功率穩定模組22之輸出端係分別透過高與低電位線(26與28)串接外部緩衝模組80與負載60，其中緩衝模組80可為超級電容等緩衝元件。

該負載端功率穩定模組22可為功率穩定器(Power regular)，亦可為直流/直流轉換器(DC/DC Convertor)，其功用係將第一及第二電池模組(31與32)所放出之放電電流轉換成負載60所需之直流電源，該負載端功率穩定模組22輸出端所串接之外部緩衝模組80可為超級電容等緩衝模組以達穩定負載電流之目地，亦可避免因第一及第二電池開關(33與34)切換瞬間所造成之負載電流劇烈變化。

於本發明之實施例中，該第一及第二電池模組(31與32)係為可充電電池或可充電電池組。

於本發明之實施例中，該第一及第二電池模組(31與32)之正端(高電位端)係分別連接第一及第二電池開關(33與34)。

於本發明之實施例中，該感測控制模組40係分別透過感測控制路徑(41與42)分別連接第一及第二電池模組(31與32)以及第一及第二電池開關(33與34)，以執行感測第一及第二電池模組(31與32)之電池狀態，以作為交替控制依據，以達到控制第一及第二電池開關(33與34)切換充電或放電或斷路之功能。

該感測控制模組40係可由處理器(Processor)或微控制器(MCU)或數位訊號處理(DSP)或可程式控制器(PLC)或邏輯電路或微電腦或電腦等組成，可執行感測第一及第二電池模組(31與32)之電池狀態，以達到控制第一及第二電池開關(33與34)切換充電或放電或斷路之功能，並可將第一及第二電池模組(31與32)所感測與控制資訊、警示資訊與故障狀態透過外通訊路徑43送往交替式電池管理系統外部。

該感測控制模組40所感測與估測電池狀態可以是儲電量(SOC)或電壓或溫度或是以上組合，或是其他足以表示電池狀態的估測量。

本實施例係以儲電量(SOC)作為切換之依據，感測控制模組40依感測數據以庫倫量法則(Coulomb Method)或擴散電量法則(Diffusion Law Method)等習知方法估測電池模組儲電量(SOC)。

當本發明於運用時，必須考量系統的穩定度與第一及第二電池模組(31與32)之電池狀態，因此，係可以訂出下列之切換準則：

1.第一及第二電池模組31、32正常使用時的安全儲電量(SOC)之高界與低界可分別設定如本實施例設定為70%及30%(實際數值可依不同狀態進行調整)，當第一及第二電池模組31、32同時超出高界或同時低於低界時交替式電池管理系統將提出警示。

2.在安全考量下極限儲電量(SOC)之上、下限制可分別設定，如本實施例設定為95%及5%(實際數值可依不同狀態進行調整)，當第一及第二電池模組31、32同時超出上限或同時低於下限時，交替式電池管理系統將進行電池模組保護，如同時超出上限時，代表第一及第二電池模組即將過度充電，此時交替式電池管理系統將禁止充電允許放電，直至其中一組電池組儲電量降至高界以下才回復允許充電。

3.同樣當第一及第二電池模組31、32同時低於下限時，交替式電池管理系統將進行電池模組保護，如同時低於下限時，代表第一及第二電池模組即將過度放電，此時交替式電池管理系統將禁止放電允許充電，直至其中一組電池組儲電量升至低界以上才回復允許放電。

4.為避免第一與第二電池開關33、34、同時切換瞬間造成短路危及電池組，因此，可加入延遲時序控制開關訊號。

而本發明之充放電機制共有八種不同模式(如第3圖)，當啟動之後，首先會配合感測控制模組40分別估測第一及第二電池模組31、32之電壓，將充電路徑23與放電路徑24分別接至接至電壓較低與較高之第一或第二電池模組31、32中；一旦充電電池模組儲電量經充電後上升到達高界(70% SOC)，則控制動作會充/放電電池組互換，也就是Mode 0，或是一旦放電電池模組儲經放電電量下降到達低界(30% SOC)，則控制動作會充/放電電池組互換，也就是Mode 4。

充/放電電池組互換若為第一電池組充電切換到放電，則如圖2a切換到圖2b，即第一電池開關33由充電端35切換到放電端37，同時第二電池開關34由放電端38切換到充電端36。

若電源電流71持續遠大於負載電流73，造成切換到放電的電池組仍維持高界而充電端亦經充電到達高界，緊接著持續充電後充電端將達上限(95% SOC)，接著則控制動作會充/放電電池組互換且透過感測控制模組對外通訊路徑43持續過度充電即將斷電警示，也就是Mode 1。

若電源電流71持續遠大於負載電流73，緊接著持續充電後，若充/放電端同達上限(95%)，接著則控制動作會切斷充電路徑但仍維持放電路徑且持續過度充電斷電警示，也就是Mode 2，其切斷控制動作是由充電電池開關由充電端切換至斷路位置；若經放電後，放電電池組電量下降達高界(70% SOC)，則控制動作回復充電路徑，充/放電電池組互換，且持續過度充電即將斷電警示，也就是Mode 3。

同樣若遇到電源電流71持續遠小於負載電流73，造成切換到充電的電池組不易充電仍維持低界而放電端亦經持續放電到達低界，緊接著持續放電後放電端將達下限(5% SOC)，接著則控制動作會充/放電電池組互換且透過感測控制模組對外通訊路徑43持續過度放電即將斷電警示，也就是Mode 5。

若電源電流71持續遠小於負載電流73，緊接著持續放電後，若充/放電端同達下限(5%)，接著則控制動作會切斷放電路徑但仍維持充電路徑且持續過度放電斷電警示，也就是Mode 6，其切斷控制動作是由放電電池開關由放電端切換至斷路位置；若經充電後，充電電池組電量上升達低界(30% SOC)，則控制動作回復放電路徑，充/放電電池組互換，且持續過度放電即將斷電警示，也就是Mode 7。

如此，模式下工作使得第一及第二電池模組31、32都在儲電量高、低界中循環，最差不會超過上、下限，亦即不會過度充電與過度放電，也避免了長時間處於高容量與低容量之可能。

充/放電電池組互換時，第一、第二電池開關31、32會先同時全部切換至斷路位置，避免短路發生以至於高電壓之電池模組往低電壓電池模組回充；全部切換至斷路位置最快可為50n秒，主要是依據功率電晶體開關的啟動與關閉時間長度為考量，而實現時採用1u秒。

本發明將電源端功率穩定模組21的輸出電流透過度充電電路徑23作為電池模組充電專用，如此，便可針對充電電池特性設定充電參數，故有良好的充電效率，並確保充電及使用方式不會損害電池模組之壽命以及系統穩定運作。

以一般電池建議保存容量顯示電池在電量為50%左右時會有最長之壽命，因此，本發明不斷地交替循環第一及第二電池模組31、32並將使用範圍設定在平均50%附近儲電量，目標是讓第一及第二電池模組31、32充分使用，並且拉長電池組壽命，以避免單一電池模組因未依適當充電條件充電及長期處於過高電量或過低電量而造成容量減少或壽命縮短。

綜上所述，本發明交替式電池管理系統可有效改善習用之種種缺點，將習用的1組電池模組拆成第一與第二兩組電池模組，並利用第一、二電池開關及感測控制模組之配合，使電源端功率穩定模組僅擔任供應電池模組充電任務，不須供應負載端電流，其供電特性可針對電池模組充電需求提供供電，而第一電池模組於擔任充電任務時，該第二電池模組則擔任放電任務，反之當第一電池模組於放電時，該第二電池模組則進行充電，此兩電池模組依電池狀態消長交替充放電，此架構除避免第一及第二電池模組有過度充電與過度放電之情形，更可防止長時間處於高容量與低容量之可能，而達到具有良好之充電效率，並確保充電及使用方式不會損害電池模組之壽命以及系統穩定運作之功效；進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

10．．．交替式電池管理系統

21．．．電源端功率穩定模組

22．．．電源端功率穩定模組

23．．．充電路徑

24．．．放電路徑

25．．．電源端高電位線

26．．．負載端高電位線

27．．．電源端低電位線

28．．．負載端低電位線

31．．．第一電池模組

32．．．第二電池模組

33．．．第一電池開關

34．．．第二電池開關

35．．．第一電池開關充電端

36．．．第二電池開關充電端

37．．．第一電池開關放電端

38．．．第二電池開關放電端

40．．．感測控制模組

41．．．第一電池感測控制路徑

42．．．第二電池感測控制路徑

43．．．感測控制模組對外通訊路徑

50．．．電源

60．．．負載

71．．．電源電流

72．．．充放電電流

73．．．負載電流

80．．．緩衝模組

第1圖，係本發明之架構示意圖。

第2a圖，第2b圖，係本發明之充放電切換架構示意圖。

第3圖，係本發明充放電控制模式說明示意圖。

第4a圖，係習用單一電池模組充電架構示意圖。

第4b圖，係習用單一電池模組放電架構示意圖。

10．．．交替式電池管理系統

21．．．電源端功率穩定模組

22．．．負載端功率穩定模組

23．．．充電路徑

24．．．放電路徑

25．．．電源端高電位線

26．．．負載端高電位線

27．．．電源端低電位線

28．．．負載端低電位線

31．．．第一電池模組

32．．．第二電池模組

33．．．第一電池開關

34．．．第二電池開關

40．．．感測控制模組

41．．．第一電池感測控制路徑

42．．．第二電池感測控制路徑

43．．．感測控制模組對外通訊路徑

Claims (4)

1. 一種交替式電池管理系統，包括有：一第一電池模組，具有第一電池開關；一第二電池模組，具有第二電池開關；一感測控制模組，係分別連接於第一及第二電池模組與第一及第二電池開關；一電源端功率穩定模組，係與第一及第二電池開關連接；以及一負載端功率穩定模組，係與第一與第一及第二電池開關連接。
2. 依申請專利範圍第1項所述之交替式電池管理系統，其中，該電源端功率穩定模組係為為功率穩定器，亦可為直流/直流轉換器。
3. 依申請專利範圍第1項所述之交替式電池管理系統，其中，該第一及第二電池模組係可為充電電池。
4. 依申請專利範圍第1項所述之交替式電池管理系統，其中，該電源端功率穩定模組係與一外部電源機構連接。