TW201417448A

TW201417448A - 複合型電池能源管理系統及其方法

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Publication number: TW201417448A
Application number: TW101138968A
Authority: TW
Inventors: Bin-Yan Ma
Original assignee: Bin-Yan Ma
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2014-05-01

Abstract

一種複合型電池能源管理系統及其方法，係包含至少一組可攜式高能量電池組、一複合型電池管理模組、一定置式高功率電池組及一開關模組，其中該複合型電池管理模組係至少包含了兩組直流/直流轉換器及一微處理器，該兩組直流/直流轉換器能夠轉換功率，並優先提供給負載端使用，另外當負載端之需求超過可攜式高能量電池組之供應能力時，該定置式高功率電池組則藉由該開關模組將輸出功率耦合至負载端，以滿足額外的負載需求，反之，若判斷負載端未超出可攜式高能量電池組之供應能力時，則能夠將多餘的能量以適當的功率回充至該定置式高功率電池組。

Description

複合型電池能源管理系統及其方法

本發明係關於一種複合型電池能源管理系統及其方法，尤其是一種可搭載於各式電動車上使用，並藉由可攜式高能量電池組及定置式動力電池組的能源提供系統以達成方便補充能源、更大的動態功率提供及足夠行駛距離的多重需求之複合型電池能源管理系統及其方法，而本發明更使用了複合型電池管理模組及開關模組，以提高兩種電池之間的能源使用效率。

隨著全球暖化、氣候變遷的議題不斷的發燒，以電動車取代燃油車似乎已成為一個不可抵擋的趨勢。然而電動車的電池系統必須具備高功率輸出能力以提供良好的行車性能；同時也必須供應足夠大的能量來滿足續航力的要求，因此發展或尋求更理想的電池系統遂成為各電動車製造者的當務之急。

但由於各種電池都有其不同的特性表現，通常高功率密度電池其能量密度表現較差，反之亦然。然而在一般電動車輛等高負載變動率的應用中，對電池系統的要求則是需要兼具高功率及高能量的表現，在不易由單一電池組同時滿足各種特性需求的客觀條件之下，遂有結合高能量電池組及高功率電池組的複合型電池系統的出現。如2002年7月11日公告中華民國第494071號專利案中，其目的在使用一種切換開關來調變高能量電池組及高功率電池組的輸出功率分配，以提供電動車輛的動態功率需求。該技術必須同時偵測兩組電池的輸出電壓及電流，加上操作感測器(即油門命令)及扭力感測器等訊號經電腦計算後決定切換開關的導通方式。然而該專利所提出的雙向切換開關實務上係為一種簡單的開關設計，故無法控制第一或第二電池的輸出比例，因此亦無法達成即時分配兩組電池輸出功率的功能，也就是說無法應付電動車輛快速的功率需求變化。

又如另一個2006年8月11日中華民國公告第I259816專利中，其發明目的也在結合高能量電池及高功率電池的優點，且利用電池管理系統來限制高能量電池組的最大輸出，並將電壓轉換至與高功率電池組相同的電壓後並聯輸出，當負載需求大過該轉換器所能提供的功率上限時，便藉由並聯的高功率電池組提供所需的額外功率；反之，當負載未消耗功率時，則該轉換器由高能量電池所轉換的功率則全部充入高功率電池，以補充該高功率電池先前所釋放的能量。但該設計有一嚴重缺點，由於該電池管理系統之輸出功率必須合理的負責負載的平均消耗功率，通常功率不能太小，而且並不會依照負載需求而調整大小，因此可能會有對高功率電池(尤其是鉛酸電池)以高率(high C rate)充電的情況發生，由於不同高功率電池所能夠承受的功率標準不同，若是所轉換的功率全部直接充入高功率電池，將很可能導致高功率電池的使用壽命減短。另一個需要付出的代價是因高功率電池其內阻會因快速充電時的大電流而產生較大的壓降，進而轉變為熱能消耗，降低充電效率，浪費寶貴的電池能量。

因此，若藉由一個可攜式高能量電池組、一個可安置於電動車上的高功率電池組、一個複合型電池管理模組，以及一個開關模組，利用該複合型電池管理模組所具備的兩組直流/直流轉換器，並參考油門控制訊號及馬達轉速來決定該開關模組的導通狀態，藉以有效率的提供充足的輸出功率至負載端，並可控制充入該高功率電池組的最大電流，以更有效率的能源使用方式來滿足多數使用者的每日行駛里程需求，該系統的可攜式高能量電池組容易取出的特性也使得充電更加便利，將來更是電池交換的理想電池系統，如此應為一最佳解決方案。

本發明即在於提供一種複合型電池能源管理系統及其方法，係能夠參考油門控制訊號及馬達轉速來決定該開關模組的導通狀態，藉以有效率的提供充足的輸出功率至負載端，並可控制充入該高功率電池組的最大電流，以更有效率的能源使用方式來滿足多數使用者的每日行駛里程需求。

本發明即在於提供一種複合型電池能源管理系統及其方法，係主要結合可攜式高能量電池組及定置式高功率電池組的優點，以應付電動車輛這種大負載變化，且同時要求高能量及高功率的應用需求得以滿足。

可達成上述發明目的之複合型電池能源管理系統及其方法，其中該複合型電池能源管理系統，係包含至少一組可攜式高能量電池組，係用以提供電能；一複合型電池管理模組，係與該可攜式高能量電池組及至少一個負載端相連接，該複合型電池管理模組係至少具有第一直流/直流轉換器、第二直流/直流轉換器及一微處理器，而該第一直流/直流轉換器及該第二直流/直流轉換器係與該可攜式高能量電池組相連接，用以將該可攜式高能量電池組的電能轉換為該負載端運轉時所需的功率需求；一定置式高功率電池組，係與該第一直流/直流轉換器及該微處理器相連接，而當該可攜式高能量電池組所提供給負載端之功率不足時，該微處理器能夠控制該定置式高功率電池組透過開關模組補足負載端之需求，且當該微處理器判斷負載端未超出可攜式高能量電池組之供應能力時，該第一直流/直流轉換器能夠將多餘的能量以適當的功率回充至該定置式高功率電池組；以及一開關模組，係與該微處理器、該定置式高功率電池組及該負載端相連接，其中該微處理器能夠以訊號控制該開關模組的導通狀態，以使該定置式高功率電池組能夠透過該開關模組，對該負載端輸出功率，而該開關模組於非導通狀態時，該第一直流/直流轉換器則會將功率回充至該定置式高功率電池組。

更具體的說，所述第一直流/直流轉換器係為升壓轉換器、降壓轉換器或升降壓型轉換器。

更具體的說，所述第二直流/直流轉換器係為升壓轉換器、降壓轉換器或升降壓型轉換器。

更具體的說，所述微處理器係能夠依據油門控制訊號及馬達轉速，來決定該開關模組的導通狀態。

更具體的說，所述開關模組係具有一切換開關、一升壓電路及一開關本體，該切換開關係與該微處理器、該升壓電路及該控制開關本體相連接，並於該微處理器以訊號控制該切換開關導通時，該升壓電路能夠提供該開關本體電源、以驅動該開關本體運作。

更具體的說，所述可攜式高能量電池組係為高能量的鋰離子電池、鋰聚合物電池或交換式燃料電池。

更具體的說，所述可攜式高能量電池組，係能夠藉由一外接式充電器進行充電。

更具體的說，所述定置式高功率電池組係為動力型鉛酸/鉛鈣酸電池、鎳氫電池、鎳鋅電池、鋰錳/鋰鐵電池或鋰聚合物電池。

另外，本發明複合型電池能源管理方法，其步驟為：經由兩組直流/直流轉換器，將該可攜式高能量電池組所提供之電能以適當之功率輸出至負載端；由該複合型電池管理模組之微處理器判斷負載端需求是否超出兩組直流/直流轉換器之最大輸出狀態；若是，該兩組直流/直流轉換器則工作於最大輸出狀態，並將該開關模組啟動，以由該定置式高功率電池組補充不足的功率；若否，該兩組直流/直流轉換器仍然工作於最大輸出狀態，其中第二直流/直流轉換器持續輸出功率至負載端，而第一直流/直流轉換器則依據負載端需求，將部份或全部功率回充至該定置式高功率電池組。

更具體的說，所述第二直流/直流轉換器若已能夠提供負載端之功率需求時，則會關閉該開關模組，而第一直流/直流轉換器則將全部功率回充至該定置式高功率電池組。

更具體的說，若無法僅由第二直流/直流轉換器提供負載端之功率需求時，則會啟動該開關模組，並由第一直流/直流轉換器將一部份功率輸出至負載端，而另一部份功率則回充至該定置式高功率電池組。

更具體的說，若兩組直流/直流轉換器仍無法提供負載端之功率需求時，該兩組直流/直流轉換器則輸出最大功率至負載端，並啟動該開關模組，以由該定置式高功率電池組補充該負載端不足的功率。

更具體的說，所述開關模組更能夠依據油門控制訊號及馬達轉速來決定是否導通。

有關於本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

請參閱圖一，為本發明複合型電池能源管理系統及其方法之架構圖，由圖中可知，本發明複合型電池能源管理系統1係包含有至少一組可攜式高能量電池組11、一複合型電池管理模組13、一定置式高功率電池組12及一開關模組14，其中該可攜式高能量電池組11主要著重在較高的能量-重量比，以便能在合理的重量及體積下，提供足夠每日行駛所需的能量，目前可用的電池種類係為高能量的鋰離子電池或鋰聚合物電池，且該可攜式高能量電池組11可藉由一外接式充電器進行充電，而使用時也將不限制只同時使用一組；而該定置式高功率電池組12，則提供了扣除可攜式高能量電池組11所提供的功率後，整組系統所需的最大功率；換句話說，當負載端2所需的功率(例如4KW)大過可攜式高能量電池組11所能提供的功率(例如1KW)時，其不足的功率(例如3KW)則由該定置式高功率電池組12加以補足，因此該定置式高功率電池組12的功效即類似電量水庫一般，以應付突增的負載需求；反之，當負載端2需求降低時(例如0.7KW)，則該可攜式高能量電池組11所能提供的功率(1KW)將超過所需(0.3KW)，而這些超出的部份則可由該定置式高功率電池組12吸收，並補充該定置式高功率電池組12先前所釋出的能量。而該定置式高功率電池組12的選擇則著重於大功率放電的能力及安全性，目前可用的電池有鉛酸電池或鋰鐵電池等。

另外，由於該可攜式高能量電池組11與該定置式高功率電池組12的電壓不會相同，因此需透過一個複合型電池管理模組13來管理相關的輸出電壓轉換及限制該可攜式高能量電池組11的輸出功率，其中該複合型電池管理模組13如圖二所示，基本上是由兩組直流/直流轉換器(DC/DC converter，第一直流/直流轉換器131及第二直流/直流轉換器132)及一個可監視各種輸出輸入訊號的微處理器133(例如單晶片微電腦)所組成，而該微處理器133更能夠藉由所接收的油門命令控制訊號，進行監控電動車輛行駛時的油門命令及兩種電池組的工作電壓，以判斷是否要改變輸出功率；其中該第一直流/直流轉換器131係與該可攜式高能量電池組11及該定置式高功率電池組12相連結，而第二直流/直流轉換器132則與該可攜式高能量電池組11及該負載端2相連結。

而該第一直流/直流轉換器131、該第二直流/直流轉換器132及該定置式高功率電池組12的輸出功率，係由該開關模組14進行不同的切換以因應不同的負載需求同時保護高功率電池組避免被太快速的充電而影響到能源使用效率及壽命，該開關模組14之功能示意圖請參考圖三，係具有一升壓電路141、一切換開關142及一開關本體143，以實務面來看，這一類的開關模組14之開關本體143可選用N通道(N-channel)的功率型MOSFET，因其導通阻抗較P通道的MOSFET小了許多，因此做為導通開關的特性較好；但由於N通道MOSFET的閘極需要一個較高的控制電壓(通常高出所欲控制的電路電壓4~20V)，因此該開關本體143係具有一升壓電路141(例如昇壓式閘極驅動電路)，用以自行產生一個較所欲控制的電路電壓高出10伏特左右的開關驅動電壓，當該切換開關142接收到來自微處理器133的導通命令時(為一低電壓邏輯準位G₁)，導通該切換開關142，以由該升壓電路141將該開關本體143所需的開關閘極驅動電壓施加於此N通道MOSFET閘極上，以順利導通此MOSFET；而當負載端2所需功率超出該複合型電池管理模組13所能輸出的最大功率時，該微處理器133則啟動該切換開關142，以驅動該N通道MOSFET的開關本體143導通，而該第一直流/直流轉換器131、該第二直流/直流轉換器132及該定置式高功率電池組12的輸出功率會一併供給負載端2所需的功率；反之，當負載端2所需功率甚小或是停止時，則可將該開關模組14關閉，使得該定置式高功率電池組12會接受該第一直流/直流轉換器131的輸出做為充電電流，而第二直流/直流轉換器132的輸出則僅施加於負載端2，如此可避免兩組直流/直流轉換器131,132同時對定置式高功率電池組12充電，導致充電電流過大。

另一值得注意的是，由於MOSFET都會有一個寄生二極體，需注意此二極體的方向應將正端(亦即N通道MOSFET的源極)接在該定置式高功率電池組12輸出端，因此當關閉該開關模組14時，則不會讓第二直流/直流轉換器132的輸出透過此寄生二極體對該定置式高功率電池組12進行過度的充電。另外，當負載端2需求瞬間增加時，即使該開關模組14(MOSFET開關)尚未導通時，該定置式高功率電池組12仍可透過此二極體自動補上負載端2所需的功率。

以下提出一個實施例，以清楚闡明本發明之技術意涵，如圖四所示，本實施例係以電動機車做為範例，該電動機車係具有一最大輸出功率為4KW的馬達驅動系統4，而該馬達驅動系統4則為負載端，該馬達驅動系統正常行駛時之平均消耗功率約800W；本實施例中，該複合型電池能源管理系統3所選定的可攜式高能量電池組為一可攜式高能量鋰電池組31(容量為29.6V/30.8Ah)，而定置式高功率電池組係為一定置式高功率鉛酸電池32(容量為48V/20Ah)，至於該複合型電池管理模組33係具有第一直流/直流轉換器331、第二直流/直流轉換器332及微處理器，本實施例中所使用的微處理器為單晶片微電腦333，而該第一直流/直流轉換器331係具有最大輸出電壓56V且限流7.5A(420W)，且該第二直流/直流轉換器332係具有最大輸出電壓58V且限流10A(580W)，因此該複合型電池管理模組33所能輸出最大輸出功率為1KW(1000W)；其中該開關模組34之切換開關342係與該單晶片微電腦333相連接，而當單晶片微電腦333傳送訊號至該切換開關342時，該昇壓式閘極驅動電路341係能夠提供驅動電壓至該開關本體343(N通道MOSFET)，以使該開關模組34處於導通狀態；因此當馬達驅動系統4需求等於或是超過1KW時，則該兩組直流/直流轉換器331,332均工作於最大輸出狀態，且該開關模組34處於導通狀態，等同系統藉由該可攜式高能量鋰電池組31提供1KW(或是17.5A)的功率(電流)輸出給馬達驅動系統4，若仍有不足之處(例如總負載需求為3KW)，則再由該定置式高功率鉛酸電池32補足其不足之處(2KW)；另外，當馬達驅動系統4需求小於1KW且大於580W時(例如700W)，則該兩組直流/直流轉換器331,332仍工作於最大輸出狀態，且該開關模組34仍處於導通狀態，此時因該可攜式高能量鋰電池組31之輸出功率維持在 1KW，而現在負載需求為700W，則多出的300W則由第一直流/直流轉換器331將功率回充至該定置式高功率鉛酸電池32；另外，當馬達驅動系統4需求小於580W時，該兩組直流/直流轉換器331,332仍可工作於最大輸出狀態，但開關模組34則會處於關閉狀態，其中該第一直流/直流轉換器331所提供的最大輸出420W會直接對該定置式高功率鉛酸電池32進行充電，而該馬達驅動系統4則僅由該第二直流/直流轉換器332提供58V之電源供應，由於此時第二直流/直流轉換器332雖然轉換的功率超過負載所需，但因開關模組34已關閉，故無法回充至該定置式高功率鉛酸電池32，故系統能夠維持該定置式高功率鉛酸電池32以一較低速率進行充電。

因此，綜上所述，本發明之複合型電池能源管理方法，如圖五所示，其步驟為：1.經由兩組直流/直流轉換器，將該可攜式高能量電池組所提供之電能以適當之功率輸出至負載端501；2.由該複合型電池管理模組之微處理器判斷負載端需求是否超出兩組直流/直流轉換器之最大輸出狀態502；3.若是，該兩組直流/直流轉換器則工作於最大輸出狀態，並將該開關模組啟動，以由該定置式高功率電池組補充不足的功率503；以及4.若否，該兩組直流/直流轉換器仍然工作於最大輸出狀態，其中第二直流/直流轉換器持續輸出功率至負載端，而第一直流/直流轉換器則依據負載端需求，將部份或全部功率回充至該定置式高功率電池組504。

本發明所提供之一種複合型電池能源管理系統及其方法，與其他習用技術相互比較時，更具備下列優點：

1.本發明係藉由開關模組的切換導通狀態，可避免以過大的功率對高功率電池進行充電，並能有效改善充電時的能源使用效率及延長高功率電池組的使用壽命。

2.本發明相較於以往的複合型電池系統將轉換器輸出直接與高功率電池組並聯以提供變動負載的需求，習用技術有可能會導致在負載需求暫停或很小時，將會產生太大的功率/電流對高功率電池組充電，如此將使得充電時電池內阻造成較大的能量損失，也將導致高功率電池組因經常高率充電導致壽命減短；但本發明並無如此缺點，本發明之複合型電池能源管理系統及其方法能夠有效率的提供充足的輸出功率至負載端，並可控制充入該高功率電池組的最大電流，以更有效率的能源使用方式來滿足多數使用者的每日行駛里程需求。

3.本發明之開關模組結構仍甚為簡單，成本低廉，且複合型電池管理模組之兩組直流/直流轉換器因功率較單一組時為低，因此在空間應用及製造成本上都可較先前其它的複合型電池管理模組來的理想，且該兩組直流/直流轉換器只需各自設定其最大工作範圍，不必隨著負載變動而改變其輸出的設定。而開關模組只需依照由油門命令及馬達轉速所求得之負載功率變動來改變其導通狀態，實現上也非常容易，因此本系統可說是利用簡單的方法改善了先前的複合型電池能源管理系統。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

1‧‧‧複合型電池能源管理系統

11‧‧‧可攜式高能量電池組

12‧‧‧定置式高功率電池組

13‧‧‧複合型電池管理模組

131‧‧‧第一直流/直流轉換器

132‧‧‧第二直流/直流轉換器

133‧‧‧微處理器

14‧‧‧開關模組

141‧‧‧升壓電路

142‧‧‧切換開關

143‧‧‧開關本體

2‧‧‧負載端

3‧‧‧複合型電池能源管理系統

31‧‧‧可攜式高能量鋰電池組

32‧‧‧定置式高功率鉛酸電池

33‧‧‧複合型電池管理模組

331‧‧‧第一直流/直流轉換器

332‧‧‧第二直流/直流轉換器

333‧‧‧單晶片微電腦

34‧‧‧開關模組

341‧‧‧昇壓式閘極驅動電路

342‧‧‧切換開關

343‧‧‧開關本體

4‧‧‧馬達驅動系統

圖一為本發明複合型電池能源管理系統及其方法之架構圖；圖二為本發明複合型電池能源管理系統及其方法之複合型電池管理模組之功能示意圖；圖三為本發明複合型電池能源管理系統及其方法之開關模組之功能示意圖；圖四為本發明複合型電池能源管理系統及其方法之實施例架構圖；以及圖五為本發明複合型電池能源管理系統及其方法之步驟流程圖。