TW201322593A - 電池組和以其熱電特性控制電池組充放電的方法 - Google Patents

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Abstract

一種電池組和以其熱電特性控制電池組充放電的方法，其中的電池組具有數個以不同溫度範圍區分之熱區。這個電池組包括數個並聯電池組以及數個可變電阻，每個並聯電池組分別位在各個熱區，且每一並聯電池組是由數個電池並聯而成。可變電阻則位於兩兩並聯電池組之間。

Description

電池組和以其熱電特性控制電池組充放電的方法
本發明是有關於一種電池組的控制方法(control algorithm)，且特別是有關於一種電池組和根據環境溫度來藉由並聯電池組的放電順序控制電池組的方法。
電池經由串、並聯焊接組成電池組，隨著組裝的方式不同以及面對的散熱環境不同，電池均溫性因電池數量越多而越差，因此導致電池組內某些區域的電池較其他區域的電池老化的快，如不能抑制此現象，則稍微損壞之電池將會因此加速老化，原本良好的的電池單體也會因損壞的電池作用下提早損壞，這也是電池組壽命遠比單一電池的壽命要差的原因，尤其是越大容量的電池組遭遇更容易遭於此種損壞風險。
因此，讓電池組內各別電池均溫將有益於電池組壽命的增長，目前的做法有對電池個別控制以及利用均溫散熱的冷卻裝置達成。依照熱傳學基本理論，控制電池溫度的做法有三種方式，由下列熱傳學公式來看：
電池的溫度為熱產生量減掉環境散熱量後，剩餘能量所造成的電池溫升。
在上式中，為物質暫態溫度變化率，與比熱和質量有關。這一種控制電池溫度的方式包括將電池浸於其 他高熱含量材質的作法，配合材料相變化時需吸收大量潛熱，使溫升被限制。
至於式中-hA(T-T ambient )為能量對外散失項，與熱對流係數、散熱面積、物體表面與環境溫度的溫差有關。此種控制電池溫度的方式著手於散熱的溫控方式，需要主動的熱管理，所以需要增加成本製作散熱系統。
則為總熱產生率，與其相應的方式是控制熱源產生量，間接控制溫度。
本發明提供一種電池組，能避免因電池組內某些區域操作溫度不均效應造成的電池損壞。
本發明另提供一種控制電池組的方法，能依負載需求控制並聯電池組之放電順序。
本發明提出一種電池組，具有數個以不同溫度範圍區分的熱區。這個電池組包括數個並聯電池組以及數個可變電阻，每個並聯電池組分別位在各個熱區，且每一並聯電池組是由數個電池並聯而成。可變電阻則位於兩兩並聯電池組之間。
在本發明之一實施例中，上述電池組還包括數個節流控制器，分別與每一並聯電池組相連，以控制每一並聯電池組的放電順序。
本發明另提出一種控制電池組的方法，包括先提供一電池組，這個電池組具有數個以不同溫度範圍區分的熱 區。其中，電池組包括數個並聯電池組與數個可變電阻，各個並聯電池組設置在各個熱區中，且每一可變電阻設在兩兩並聯電池組之間。然後，根據環境溫度控制上述並聯電池組的放電順序。
在本發明之另一實施例中，上述控制並聯電池組的放電順序的裝置包括利用數個節流控制器，分別控制每一並聯電池組。
在本發明之另一實施例中，上述控制並聯電池組的放電順序的方法，包括當環境溫度低於一設定溫度時，熱區內較高溫的區域內的並聯電池組要比較低溫的區域內的並聯電池組先放電，其中熱區內的溫度高低是取決於各個並聯電池組的位置、散熱條件以及廢熱傳遞路徑。
在本發明之另一實施例中，上述控制並聯電池組的放電順序的方法，包括當環境溫度高於一設定溫度時，熱區內較低溫的區域內的並聯電池組要比較高溫的區域內的並聯電池組先放電，其中熱區內的溫度高低是取決於各個並聯電池組的位置、散熱條件以及廢熱傳遞路徑。
在本發明之另一實施例中，上述方法還可包括根據各個並聯電池組的溫升斜率控制其是否放電。
在本發明之另一實施例中，上述方法還可包括根據殘電控制各個並聯電池組的電流值。
在本發明之各實施例中，上述熱區是根據環境溫度與電池組的散熱情況訂定。
在本發明之各實施例中，上述所有熱區內的總溫差譬 如在20℃以內。
在本發明之各實施例中，每一個熱區內的溫差譬如在5℃以內。
基於上述，本發明利用電池的熱電特性為基礎，將相同熱電特性的電池分為同一群組，不同的群組將進行個別的充放電控制，且仍然能使用所有的電量，即使因電池組內某些區域操作溫度不均效應造成電池組的不同老化率，即老化速率(battery degradation rate)。這樣的近似等溫設計(Pseudo-isothermal design)也能增加對電池均一度差異的容忍(tolerance)。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
電池組是由許多電池構成，當環境溫度與電池組的散熱情況因電池組的裝設位置以及操作情況不同時，電池組內部的電池會面對不對等的散熱條件，而造成不均溫的情形發生，如圖1所示。假設圖1的電池組100在放電時，具有三個熱區102a、102b與102c的工作溫度。不同的熱區102a、102b與102c是以不同的溫度範圍區分的。所有熱區102a~c內的總溫差例如在20℃以內；而每一個熱區102a~c內的溫差例如在5℃以內。電池組100內部的電池特性即使相近，也會因為溫度的不同而有所改變，在一實施例中，電池內阻會不同。
上述電池組100內的電池不均溫效應因為會使每個電池之間的內阻不同。因此，放電初期時位於高溫區的電池的輸出電流會大於低溫區者，位於高溫區的電池電壓則是當電池狀態降至低容量時會比所述低溫區的電池小。因此當放電量愈接近放電電壓的下限時，高溫區和低溫區之間的電池的電壓差距愈大。於是，當放電停止瞬間，並聯模組內放電量較少的電池因電壓平衡效應，將會把電能瞬間轉移至其他電池，大電流的放電將造成電池損壞。如上所述，在不同熱區內的每個電池的工作溫度與殘電量之不同，將導致電位不平衡(potential imbalance)，因此會在電池間發生所謂的自平衡電流(self-balanced current flow)。
因此，本發明之概念是根據不同熱區來設計電池組內部電池的設置，藉以解決因電池間的自平衡電流所造成的電池組壽命減少的問題。
圖2是依照本發明之第一實施例之一種電池組的電路圖。
請參照圖2，當本實施例之電池組200與圖1一樣在實際工作時會有不均溫的情形時，將不同熱區(如圖1的102a~c)內的電池202並聯成一個群組，以得到三個並聯電池組204a~c。同時，在兩兩並聯電池組204a~c之間設置一個可變電阻206，當電池組200放電或充電一段時間後停止時，各並聯電池組204a~c會因為不均勻的溫度效應造成內阻的改變，間接影響各並聯電池組204a~c的個別放電量，延伸出各並聯電池組204a~c的電位差異。此時，可變 電阻206可在充放電停止時發揮電位平衡的作用。因此，兩並聯電池組之間的可變電阻可以避免大電流由溫度較低的電池組流往溫度較高的電池組。
由於本實施例之電池組200不需均溫，僅依實際工作溫度之不同區分不同並聯電池組、各並聯電池組之間老化程度可不同、電容量可不同，因此不但能增長電池組的壽命，還能根據電池本身老化程度更有效率地使用個別電池組。
根據第一實施例進行的實驗例如圖3所示，其顯示一種硬體架構之方塊圖。
在圖3中，是將電池分為兩個並聯電池組分別置於45℃及25℃的熱區300與302，並以幾個二極體限制電流流向。舉例來說，充電時可程式化電子負載會關閉，可程式電源供應器會開啟。此時電流經由第一充電二極體與第二充電二極體，分別對兩並聯電池組充電。充電停止瞬間，第一充電二極體及第二充電二極體可以避免因電位不平衡而在兩電池組之間產生的大電流。即使發生電位不平衡，仍能經由可變電阻緩慢將電流傳向低電位電池組。
反之，放電時可程式化電子負載會開啟，可程式電源供應器會關閉。此時電流經由第一放電二極體與第二放電二極體分將兩並聯電池組的電能送至可程式化電子負載。放電電停止瞬間，第一放電二極體及第二放電二極體可以避免因電位不平衡在兩電池組之間產生的電流。即使發生電位不平衡，能可經由可變電阻緩慢將電流傳向低電位的 電池組。
充放電時溫度效應將影響電池內阻及可利用的電池充放電容量。因為低溫效應所造成的放電容量降低會使電池很快就達到最低限制的放電電壓。故經過放電50秒停止10秒來觀察上述溫度效應，將電池經過充放電循環(cycle)測試。
另一對照組為不加入可變電阻，而是將圖3的可變電阻換成一導線，即兩個並聯電池組的電池不受控制，放電停止瞬間將會有大電流灌至溫度較高(45℃)的並聯電池組，同樣進行充放電循環測試，得到的結果是：兩個並聯電池組之間有加入可變電組的電池容量的衰退率，會比只有導線的對照組好，減緩約30%的容量衰退率。所謂的“電池容量的衰退率”是指電池老化的量化值，是利用電池容量減少量與充放電的循環次數，估算得到老化的速率。
圖4是依照本發明之第二實施例之一種電池組的電路圖，其中使用與圖2相同的元件符號代表相同或相似的元件。
請參照圖4，本實施例之電池組400除了與圖2一樣包括三個並聯電池組204a~c與可變電阻206，還有數個節流控制器(current control device)402a~c，分別與每一並聯電池組204a~c相連，以分別控制各個並聯電池組204a~c的放電順序。此外，並聯電池組204a~c所在的不同熱區內的總溫差例如在20℃以內；而每一個熱區內的溫差例如在5℃以內。
圖5是依照本發明之第三實施例之一種控制電池組的步驟圖。
請參照圖5，在步驟500中，電池組進行放電，且此步驟的電池組如圖4包括數個並聯電池組204a~c與數個可變電阻206，各個並聯電池組設置在各熱區中，且每一可變電阻設在兩兩並聯電池組之間。
然後，進行步驟504前，在步驟502中，進行放電參數偵測，以得到這個電池組的各個並聯電池組之放電參數，如最適溫度Tbest、最大電流Imax、最大總放電容量Ahmax、最大溫升斜率()等。
接著，進行步驟504，根據環境溫度控制各個並聯電池組的放電順序，且可利用如節流控制器的裝置來進行控制。舉例來說，當環境溫度低於一設定溫度(如Tbest)時，熱區內的高溫區(high-temperature location)內的並聯電池組要比低溫區(low-temperature location)內的並聯電池組先放電，讓高溫的並聯電池組可以將熱能傳到低溫的並聯電池組至合適操作溫度，充分利用廢熱。在本實施例中，熱區內的電池溫度高低是取決於各個並聯電池組的位置、散熱條件以及廢熱傳遞路徑。
反之，當環境溫度高於設定溫度時，熱區內的低溫區內的並聯電池組要比高溫區內的並聯電池組先放電，由於低溫區內的並聯電池組較容易散熱，傳到高溫區內的並聯電池組的熱能較少。
除了步驟504之外，本實施例還可進行步驟506以及/ 或是步驟508。在步驟506中，根據各個並聯電池組的溫升斜率控制其是否放電；也就是說，當熱區中的某一區域內的溫升斜率超出一設定斜率(如)，則代表溫度的升高速率已經超出合理的範圍，須啟動安全防護機制，以停止這個區域內對應的那一組並聯電池組放電。
在步驟508中，根據殘餘電量控制各個並聯電池組的電流值。舉例來說，假設Ahi為目前已放電的容量，則當電流Ii的值會使目前殘餘電量(Ahmax-Ahi)用不到0.2小時，即如下式： 則需調控Ii值減小，使放電時間可增加為0.2小時。
以上步驟506與步驟508屬於另一種實施態樣，步驟506與步驟508可同時進行，或個別先後進行，不必按順序進行。至於控制電池組的最後決定，較佳是以步驟506與步驟508兩者的判斷結果作為綜合考量，比較步驟506與步驟508兩者判斷的電流，以最小的電流值作為設定。當經過以上步驟504與步驟506/508之後，如果電池組(pack)還不到步驟510的停止放電，則需於每次放電時重複以上步驟504起的控制模組(control algorithm)。
綜上所述，本發明依熱電特性相同之電池做群組分類，近似等溫群組法(Pseudo-isothermal grouping)配合可變電阻的硬體，以平衡放電結束瞬間時各群組間的電位差異，電位平衡將透過小電流量之可變電阻路徑達成。此外，本發明不需針對單一電池控制，而只需針對各群組做個別控制，既節省成本又能因軟硬體的配合而對電池壽命有所 助益。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、400‧‧‧電池組
102a、102b、102c、300、302‧‧‧熱區
202‧‧‧電池
204a、204b、204c‧‧‧並聯電池組
206‧‧‧可變電阻
402a~c‧‧‧節流控制器
500~510‧‧‧步驟
圖1顯示電池組內部由溫度範圍區分的不同的熱區的示意圖。
圖2是依照本發明之第一實施例之一種電池組的電路圖。
圖3是根據第一實施例進行的實驗例之硬體架構之方塊圖。
圖4是依照本發明之第二實施例之一種電池組的電路圖。
圖5是依照本發明之第三實施例之一種控制電池組的步驟圖。
200‧‧‧電池組
202‧‧‧電池
204a、204b、204c‧‧‧並聯電池組
206‧‧‧可變電阻

Claims (14)

  1. 一種電池組，具有以不同溫度範圍區分的多數個熱區，該電池組包括：多數個並聯電池組，分別位在該些熱區，其中每一並聯電池組是由多數個電池並聯而成；以及多數個可變電阻，位於兩兩並聯電池組之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池組，其中該些熱區是根據環境溫度與該電池組的散熱情況訂定。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電池組，其中該些熱區的總溫差在20℃以內。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電池組，其中每一熱區內的溫差在5℃以內。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電池組，更包括多數個節流控制器，分別與每一並聯電池組相連，以控制每一並聯電池組的放電順序。
  6. 一種控制電池組的方法，包括：提供一電池組，具有以不同溫度範圍區分的多數個熱區，其中該電池組包括多數個並聯電池組與多數個可變電阻，各該並聯電池組設置在各該熱區中，且每一可變電阻設在兩兩並聯電池組之間；以及根據環境溫度控制各該並聯電池組的放電順序。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之控制電池組的方法，其中控制該些並聯電池組的放電順序的步驟包括利用多數個節流控制器分別控制各該並聯電池組。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之控制電池組的方法， 其中控制各該並聯電池組的放電順序的方法包括：當該環境溫度低於一設定溫度時，該些熱區內的高溫區內的該並聯電池組比低溫區內的該並聯電池組先放電，其中該些熱區內的溫度高低是取決於各該並聯電池組的位置、散熱條件以及廢熱傳遞路徑。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之控制電池組的方法，其中控制各該並聯電池組的放電順序的方法包括：當該環境溫度高於一設定溫度時，該些熱區內的低溫區內的該並聯電池組比高溫區內的該並聯電池組先放電，其中該些熱區內的電池溫度高低是取決於各該並聯電池組的位置、散熱條件以及廢熱傳遞路徑。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之控制電池組的方法，更包括：根據各該並聯電池組的溫升斜率控制其是否放電。
  11. 如申請專利範圍第6項所述之控制電池組的方法，更包括：根據殘電控制各該並聯電池組的電流值。
  12. 如申請專利範圍第6項所述之控制電池組的方法，其中該些熱區是根據該環境溫度與該電池組的散熱情況訂定。
  13. 如申請專利範圍第6項所述之控制電池組的方法，其中該些熱區內的總溫差在20℃以內。
  14. 如申請專利範圍第6項所述之控制電池組的方法，其中每一熱區內的溫差在5℃以內。
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