TW201611470A - 主動式放電平衡增程裝置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明是一種主動式放電平衡增程裝置，其係應用於一電動載具，主動式放電平衡增程裝置包含一主電芯組、一平衡選擇電路、一電源轉換器、一週邊電池組以及一控制件。控制件判斷電壓值中之一最大電壓值及一最小電壓值之一電壓差值大於一電壓差預設值且電壓值中之最小電壓值小於一平衡電壓預設值時，控制件開啟對應最小電壓值之電芯之二平衡切換開關，週邊電池組輸出一平衡電流至最小電壓值之電芯，使最小電壓值之電芯被平衡而輸出一被平衡電流。

Description

主動式放電平衡增程裝置及其控制方法

本發明係有關於一種主動式平衡裝置，尤指一種具有主動式放電平衡增程裝置及其控制方法。

鋰離子電池具有高能量密度、功率密度、自放電率極低與零環境汙染等優點，再加上其過充過放時不會發生自燃與爆炸的危險，因此，鋰離子電池被公認為是非常安全的儲能裝置，因此較適合作為電動車的動力來源。一般鋰離子電池組通常需要搭配電池管理系統進行管理，電池管理系統功能包含量測單電芯電壓及電流、過充過放的保護機制、殘電量估測，藉此提供完善的充電機制。

目前電動車之鋰離子電池組通常為多串聯電池所組成，而串聯電池常因為電池電壓不平衡導致鋰離子電池組續航力降低，當有部分電池電壓過低時，若持續放電會導致電壓較低的電池進入過放狀態，嚴重影響此電池的壽 命；若停止放電雖能防止電池過放，但卻無法有效利用其餘電池的能量，容易被較低電壓的電池所牽制。

為了解決鋰離子電池組間各串聯電芯間單電壓不平衡之問題，電池管理系統必須將鋰離子電池組做均勻平衡之動作，係當各電芯電壓不同或殘電量不均勻時，對較高殘電量或電壓之電芯進行較少能量充電，反之對較低電壓或殘電量之電芯進行較高能量充電，就能達到均勻平衡電池組電芯電壓之目的，使每一顆電芯都處於相同之殘電量狀態。

本發明之目的是在提供一種使用主動式放電平衡機制達到電池組增程的裝置及其控制方法，藉此達到減緩電芯提早過放的功效，進而延長電池組放電時間。

因此，本發明之一實施方式在於提供一種主動式放電平衡增程裝置，其係應用於一電動載具，主動式放電平衡增程裝置包含一主電芯組、一平衡選擇電路、一電源轉換器、一週邊電池組以及一控制件。主電芯組之複數電芯互相串聯，各電芯輸出一串聯放電電流。平衡選擇電路電性連接主電芯組之那些電芯，平衡選擇電路包含至少二平衡切換開關，二平衡切換開關分別電性連接主電芯組其中一電芯之兩端。電源轉換器具有一輸入端與一輸出端，輸出端電性連接平衡選擇電路。週邊電池組電性連接電源轉換器之輸入端。控制件電性連接平衡選擇電路及外部一電 壓量測電路以接收那些電芯之複數電壓值，控制件判斷那些電壓值中之一最大電壓值及一最小電壓值之一電壓差值大於一電壓差預設值且那些電壓值中之最小電壓值小於一平衡電壓預設值時，控制件開啟對應最小電壓值之電芯之二平衡切換開關，週邊電池組輸出一平衡電流至最小電壓值之電芯，使最小電壓值之電芯輸出串聯放電電流減去平衡電流之一被平衡電流。

依據前述實施方式之一實施例，更包含一量測開關電路，量測開關電路包含至少二量測切換開關，二量測切換開關對應二平衡切換開關分別電性連接主電芯組其中一電芯之兩端。主電芯組之電芯數量可為十六，平衡切換開關及量測平衡切換開關之數量各可為三十二。主電芯組係用以供電於一電動載具之一動力負載，週邊電池組用以供電於電動載具之一週邊負載。

根據本發明之另一實施方式在於提供一種主動式放電平衡增程裝置控制方法，其步驟包含一開關步驟，提供一量測開關電路連接電壓量測電路及主電芯組，使平衡開關電路及量測開關電路控制開關主電芯組之那些電芯。一量測步驟，利用量測開關電路控制之複數量測切換開關分別控制那些電芯之啟閉，使電壓量測電路分別量測那些電芯之那些電壓值。一判斷步驟，使控制件接收那些電壓值，並使控制件判斷那些電壓值是否同時符合二平衡預設條件，其中一平衡預設條件為那些電壓值中之最大電壓值及最小電壓值之電壓差值大於電壓差預設值，且另一平衡 預設條件係為那些電壓值中之最小電壓值小於一平衡電壓預設值。一平衡步驟，利用控制件控制平衡開關電路開啟最小電壓值之電芯之二平衡切換開關，週邊電池組輸出平衡電流至最小電壓值之電芯，使最小電壓值之電芯輸出串聯放電電流減去平衡電流之被平衡電流。

依據前述實施方式之一實施例，主動式放電平衡增程裝置控制方法更包含當主動式放電平衡增程裝置執行平衡步驟時，量測步驟係持續被執行。

前述實施方式及實施例所提及之量測切換開關實質上為可耐高壓之光繼電器，而平衡切換開關為可承受大電流之光繼電器。根據前述實施方式及實施例之主動式放電平衡增程裝置及其控制方法，其係將週邊電池組電性連接至主電芯組而對主電芯組進行平衡。藉此，被平衡的電芯則因被週邊電池組注入平衡電流，被平衡的電芯則僅輸出串聯放電電流減去平衡電流之被平衡電流，導致被平衡的電芯之輸出電流相對較其他電芯要少，被平衡的電芯之電壓下降速度也會相對減緩，達到減緩電芯提早過放的機會。

100‧‧‧主動式放電平衡增程裝置

200‧‧‧平衡選擇電路

210a、210b‧‧‧平衡切換開關

300‧‧‧電源轉換器

310‧‧‧輸入端

320‧‧‧輸出端

400‧‧‧週邊電池組

400A‧‧‧週邊負載

500‧‧‧控制件

600‧‧‧電池管理系統

610‧‧‧電壓量測電路

620‧‧‧量測開關電路

621a、621b‧‧‧量測切換開關

700‧‧‧主電芯組

701~716‧‧‧電芯

700A‧‧‧動力負載

A~Q‧‧‧電芯端點

A01‧‧‧開關步驟

A02‧‧‧量測步驟

A03‧‧‧判斷步驟

A04‧‧‧平衡步驟

第1圖係繪示應用本發明一實施方式之主動式放電平衡增程裝置的系統方塊圖。

第2圖繪示應用第1圖之主動式放電平衡增程裝置的系統 電路圖。

第3圖繪示第1圖之主動式放電平衡增程裝置的控制方法流程圖。

請參照第1圖及第2圖，其中第1圖係繪示應用本發明一實施方式之主動式放電平衡增程裝置的系統方塊圖，第2圖繪示應用第1圖之主動式放電平衡增程裝置的系統電路圖，其包含一主動式放電平衡增程裝置100及一電池管理系統600。本實施方式之主動式放電平衡增程裝置100應用於一電動載具，但不限於此。主動式放電平衡增程裝置100包含一平衡選擇電路200、一電源轉換器300、一週邊電池組400、一控制件500以及一主電芯組700。在本實施方式中，主動式放電平衡增程裝置100可額外搭配電池管理系統600以量測主電芯組700，但不限於此，技術領域之通常知識者亦可採用其他電路結構及方式量測主電芯組700之電壓。

而本實施方式中，主動式放電平衡增程裝置100中之主電芯組700係用以供電於電動載具之一動力負載700A。而週邊電池組400用以供電於電動載具之一週邊負載400A，例如電動載具之儀表、照明或其餘電子設備。

主電芯組700電性連接動力負載700A，主電芯組700具有十六個電芯701~716，但電芯的數量不限於第2圖所示，且在各電芯701~716的正負極兩端設置複數電芯端 點A~Q。電芯701~716所對應之電芯端點A~Q如下表一：

電池管理系統600係可量測主電芯組700之各電芯701~716之電壓、溫度及電流等電池參數，電池管理系統600包含一電壓量測電路610及一量測開關電路620。電壓量測電路610藉由量測開關電路620之啟閉而可分別量測各電芯701~716之電壓值。

量測開關電路620電性連接主電芯組700及電壓量測電路610。量測開關電路620包含十六組量測切換開關621a、621b(一組為兩量測切換開關，意即總共有三十二個量測切換開關)，其分別電性連接到主電芯組700之電芯701~716之電芯端點A~Q。上述量測切換開關621a、621b需具備以下特性：體積小、驅動簡單、具電氣隔離之功能且可由電壓量測電路610直接控制開啟或關閉，量測切換開關621a、621b為可耐高壓之光繼電器。如第2圖所示，其中第一組量測切換開關621a、621b電性連接至電芯701之電芯端點A、B，其餘各組量測切換開關621a、621b依 序電性連接至電芯702~716之電芯端點B~Q。

主動式放電平衡增程裝置100之平衡選擇電路200電性連接主電芯組700。平衡選擇電路200包含十六組平衡切換開關210a、210b(一組為兩平衡切換開關，意即三十二個平衡切換開關)，其分別對應量測切換開關621a、621b而電性連接到主電芯組700之電芯701~716之電芯端點A~Q。上述平衡切換開關210a、210b需具備以下特性：最大耐流需可達3安培、體積小、驅動簡單、具電氣隔離之功能且可由平衡控制件500直接控制開啟或關閉。平衡切換開關210a、210b可為光繼電器。

電源轉換器300具有一輸入端310與一輸出端320，其中輸出端320電性連接平衡選擇電路200。

週邊電池組400電性連接電源轉換器300之輸入端310及週邊負載400A。

控制件500電性連接電壓量測電路610及平衡選擇電路200，控制件500根據電壓量測電路610所量測各電芯701~716之電壓值進一步判斷其是否符合兩平衡預設條件，藉此控制平衡選擇電路200之平衡切換開關210a、210b。以下將再針對本實施方式之主動式放電平衡增程裝置100所採用之平衡預設條件進行說明。

藉由量測開關電路620依序開啟與每一電芯701~716連接之量測切換開關621a、621b，並由電壓量測電路610量測各電芯701~716之電壓值，控制件500判斷電壓量測電路610所量測電壓值之是否符合兩平衡預設條 件來決定是否平衡主電芯組700。其中一平衡預設條件係各電芯701~716之電壓值中之最大電壓值及最小電壓值之電壓差值大於一電壓差預設值。另一平衡預設條件則為各電芯701~716之電壓值中之最小電壓值必須小於一平衡電壓預設值。當滿足上述平衡預設條件時，控制件500控制平衡選擇電路200之平衡切換開關210a、210b，令週邊電池組400透過電源轉換器300對具最小電壓值之電芯進行平衡，使具有最小電壓值之電芯輸出低於其他電芯之電流，藉此有效提昇主電芯組700放電時之電壓平衡效率。

在此必須說明，前述之主動式放電平衡增程裝置不一定配合電池管理系統，只需主動式放電平衡增程裝置可得知電芯組各電芯之電壓值即可控制平衡選擇電路來進行平衡放電。此外，電池管理系統量測各電芯電壓值之結構也非限定本實施方式所揭露陣列式之量測開關電路。

請參照第3圖，其係繪示前述主動式放電平衡增程裝置的控制方法流程圖。進行放電時電壓平衡的一開始需先設定控制件參數，如待測電芯數、平衡電壓預設值、電壓差預設值設定等。依序執行一開關步驟A01，提供量測開關電路及平衡開關電路而控制開關主電芯組之各電芯。一量測步驟A02，利用量測開關電路控制各電芯之啟閉，使電壓量測電路分別量測各電芯之各電壓值。一判斷步驟A03，使控制件接收那些電壓值，並使控制件判斷那些電壓值是否同時符合二平衡預設條件，其中一平衡預設條件為那些電壓值中之最大電壓值及最小電壓值之電壓差值大於 電壓差預設值，另一平衡預設條件則為那些電壓值中之最小電壓值小於一平衡電壓預設值。如同時符合二平衡預設條件則執行一平衡步驟A04，利用控制件控制平衡開關電路開啟最小電壓值之電芯之二平衡切換開關，週邊電池組輸出平衡電流至最小電壓值之電芯，使最小電壓值之電芯輸出串聯放電電流減去平衡電流之被平衡電流。如任一平衡預設條件不符合時，控制件並不會執行平衡步驟A04。且再參照第2圖所繪示，由於量測開關電路620及平衡選擇電路200並不會互相影響，故在執行平衡步驟A04或者判斷步驟A03不符合平衡預設條件的同時，量測步驟A02是同步且持續在進行的。

前述實施方式之主動式放電平衡增程裝置及其控制方法，使被平衡的最小電壓值之電芯被週邊電池組注入額外之平衡電流，最小電壓值之電芯僅輸出串聯放電電流減去平衡電流之被平衡電流，導致最小電壓值的電芯其輸出電流必然相較其他電芯要少，其電壓下降速度也會相對減緩，可避免電芯過放之可能，藉此使主電芯組之續航力增加。當主電芯組於放電時能各電芯盡可能達到平衡之一致電量，進而達到提高主電芯組之使用效率與續航力的目的。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此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‧‧‧主動式放電平衡增程裝置

200‧‧‧平衡選擇電路

300‧‧‧電源轉換器

400‧‧‧週邊電池組

400A‧‧‧週邊負載

500‧‧‧控制件

600‧‧‧電池管理系統

610‧‧‧電壓量測電路

620‧‧‧量測開關電路

700‧‧‧主電芯組

700A‧‧‧動力負載

Claims (8)

1. 一種主動式放電平衡增程裝置，其係應用於一電動載具，該主動式放電平衡增程裝置包含：一主電芯組，該主電芯組之複數電芯互相串聯，各該電芯輸出一串聯放電電流；一平衡選擇電路，其電性連接該主電芯組之該些電芯，該平衡選擇電路包含至少二平衡切換開關，二該平衡切換開關分別電性連接該主電芯組其中一該電芯之兩端；一電源轉換器，其具有一輸入端與一輸出端，該輸出端電性連接該平衡選擇電路；一週邊電池組，其電性連接該電源轉換器之該輸入端；以及一控制件，其電性連接該平衡選擇電路及外部一電壓量測電路以量測並平衡該些電芯之複數電壓值，該控制件判斷該些電壓值中之一最大電壓值及一最小電壓值之一電壓差值，該電壓差值大於一電壓差預設值且該些電壓值中之該最小電壓值小於一平衡電壓預設值時，該控制件開啟對應該最小電壓值之該電芯之二該平衡切換開關，該週邊電池組輸出一平衡電流至該最小電壓值之該電芯，使該最小電壓值之該電芯輸出該串聯放電電流減去該平衡電流之一被平衡電流。
2. 如請求項1所述之主動式放電平衡增程裝置，更包含一量測開關電路，該量測開關電路包含至少二量測切換開關，二該量測切換開關對應二該平衡切換開關分別電性連接該主電芯組其中一該電芯之該兩端。
3. 如請求項2所述之主動式放電平衡增程裝置，其中該些電芯數量為十六個。
4. 如請求項3所述之主動式放電平衡增程裝置，其中該些平衡切換開關及該些量測平衡切換開關之數量皆為三十二個。
5. 如請求項1所述之主動式放電平衡增程裝置，其中該主電芯組係用以供電於一電動載具之一動力負載，該週邊電池組用以供電於該電動載具之一週邊負載。
6. 如請求項1所述之主動式放電平衡增程裝置，其中該平衡切換開關為光繼電器。
7. 一種主動式放電平衡增程裝置控制方法，其係應用於請求項1所述之主動式放電平衡增程裝置，該主動式放電平衡增程裝置控制方法之步驟包含：一開關步驟，提供一量測開關電路連接該電壓量測電路及該主電芯組，使該平衡開關電路及該量測開關電路控制開關該主電芯組之該些電芯；一量測步驟，利用該量測開關電路之複數量測切換開關分別控制該些電芯之啟閉，使該電壓量測電路分別量測該些電芯之該些電壓值；一判斷步驟，使該控制件接收該些電壓值，並使該控制件判斷該些電壓值是否同時符合二平衡預設條件，其中一該平衡預設條件為該些電壓值中之該最大電壓值及該最小電 壓值之該電壓差值大於該電壓差預設值，且另一該平衡預設條件係為該些電壓值中之該最小電壓值小於一平衡電壓預設值；以及一平衡步驟，利用控制件控制該平衡開關電路開啟該最小電壓值之該電芯之二該平衡切換開關，該週邊電池組輸出該平衡電流至該最小電壓值之該電芯，使該最小電壓值之該電芯輸出該串聯放電電流減去該平衡電流之該被平衡電流。
8. 如請求項7所述之主動式放電平衡增程裝置控制方法，更包含當該主動式放電平衡增程裝置執行該平衡步驟時，該量測步驟係持續被執行。