TW201815008A

TW201815008A - 智慧型快速電池平衡器

Info

Publication number: TW201815008A
Application number: TW105133122A
Authority: TW
Inventors: 王順忠; 劉益華
Original assignee: 龍華科技大學
Priority date: 2016-10-13
Filing date: 2016-10-13
Publication date: 2018-04-16
Also published as: TWI593212B

Abstract

一種智慧型快速電池平衡器，具有：至少一雙向返馳式電路以與一電池組及該電池組之至少一電池單元電氣耦接；以及一控制單元，用以驅動各所述雙向返馳式電路以在所述電池組與各所述電池單元間各進行一電能傳輸程序以在各所述電池單元間達到電壓平衡，其中，所述電能傳輸程序包含一導通週期模糊運算以決定一責任週期，所述責任週期模糊運算包含利用一最小推論引擎依一規則庫進行推論，且所述規則庫係將所述電池組的電壓及所述電池單元的電壓各分為複數個數值等級以對應出所述責任週期的複數個數值等級。

Description

智慧型快速電池平衡器

本發明係有關於一種智慧型快速電池平衡器，特別是關於一種可在一電池組之多個電池單元間快速達到電壓平衡之智慧型快速電池平衡器。

近幾年由於全球暖化影響與能源危機，電動車之應用與再生能源系統之重要性逐漸增加，對於風力和太陽能發電等再生能源系統來說，因受到自然條件之限制，無法隨時供應穩定的能量，因此必須依賴二次電池來儲存與釋放能量，而對於以電能取代燃油的純電動車來說，則必須依賴二次電池來提供動力。

鋰電池在使用上通常會將電池串聯成電池組，以因應高功率與高電壓需求，但是串聯成電池組的電池，會因為生產過程與周遭溫度的不同，使得電池的特性有所差異，而造成使用時每顆電池的內阻、電量與電壓不一致。串聯電池電量的不一致性，使得電池組在充放電時，電量利用率會減少，也會使得電池壽命減短。因此，電池管理系統中的電池平衡器已逐漸受到重視。

電池平衡器種類依照其所使用之能量平衡機制可分為被動式與主動式平衡方式，被動式平衡雖然架構簡單、控制容易，但因是以消耗電池能量方式達成平衡，故平衡效率較差。主動式平衡是以電池間互相傳送能量的方式達到電池平衡，雖然主動式平衡方法的成本與電路實現難度較高，可是其平衡速度及效率都優於被動式，故已漸漸成為主流。

然而，傳統的主動式電池平衡器架構，大都只能在鄰近電池間作電量傳送，加上其平衡電流在電池平衡後期會隨著電池壓差變小而減少，而導致平衡速度相當緩慢。平衡電流主要受開關的責任週期、電池電壓與電池組電壓影響，若平衡過程中維持固定的主開關導通週期，則會因為電池電壓的變化而導致平衡電流減少。為了解決此一問題，有文獻提出根據電池電壓變化即時調整責任週期方式以維持平衡電流，然而因為電池非線性與電路的不理想特性，也使得單純依據數學式調整平衡電流的效能仍有改進的空間。

主動式平衡器依能量傳送的方式可細分為電池傳送給電池、電池傳送給電池組、電池組傳送給電池與電池傳送給電池組再傳送給電池這四種能量傳送方式。這些能量傳送方式均可用不同電路架構來實現：主要分類有電容式、電感式與變壓器隔離之型式。先前技術提出的電容式平衡電路，主要是利用開關切換達到電池間的電荷傳送。雖然其架構簡單、控制容易，但因電池串聯架構限制且平衡後期電流會隨著電壓差變小而減少，導致平衡速度相對較慢。另有文獻提出以降升壓電路為基礎之電感式平衡電路。因其可控制平衡電流，所以可克服後期平衡電流下降之問題，但此方式同樣會受到電池串聯架構之影響，導致電池電量只能在鄰近電池間傳送。另外，先前技術也提出變壓器隔離型式之平衡電路，其主要是以返馳式電路為基礎，因具變壓器隔離，除了可以在任意電池間進行平衡之外，也可在同一週期對多顆電池進行平衡動作。另有文獻根據返馳式電路操作原理，控制平衡電流與操作模式以提高平衡效率。先前技術中基於變壓器隔離型式之平衡電路，主要可分為多變壓器與多二次繞組兩種架構，此兩種架構都可以進行電池對電池組與電池組對電池電能傳輸，但對多繞組變壓器架構而言，若更改平衡電池數則繞組需要重新繞製，所以模組化較不容易。也有文獻提出若將多變壓器型式之二次側以同步整流方式實現，則可讓電路同時擁有電池對電池組與電池組對電池之平衡功能，增加控制彈性。在先前平衡技術中，其平衡電流主要係受開關的責任週期、電池電壓與電池組電壓影響，若平衡過程中維持固定之主開關導通週期，則會因為電池電壓之變化而導致平衡電流減少。為了解決此一問題，另有文獻提出根據電池電壓變化即時調整責任週期方式以維持平衡電流，然而因為電池非線性與電路不理想特性，使得單純依據數學式調整平衡電流的效能仍有改進的空間。

雖然習知已有如上述之多種電池平衡方法，本領域仍亟需一新穎的智慧型快速電池平衡器以改善電池間的平衡效能。

本發明之主要目的在於提供一種可在一電池組與其各電池單元之間進行雙向能量傳輸之模組化雙向返馳式平衡電路，其具有一智慧型平衡電流控制功能，可在不需要精確數學模型之情況下，快速達到該電池組之各所述電池單元間的電壓平衡狀態。

為達到上述目的，一種智慧型快速電池平衡器乃被提出，其具有：

至少一雙向返馳式電路，各所述雙向返馳式電路均具有一第一連接埠、一第一控制端、一第二連接埠以及一第二控制端，各所述雙向返馳式電路之所述第一連接埠係各用以與一電池組之一電池單元電氣耦接，各所述雙向返馳式電路之所述第二連接埠均係用以與該電池組電氣耦接，且各所述雙向返馳式電路之所述第一控制端係各用以接收一第一切換信號，且各所述雙向返馳式電路之所述第二控制端係各用以接收一第二切換信號，俾以使該電池組對任一所述電池單元充電或使任一所述電池單元對該電池組充電；以及

至少一第一類比轉數位電路，各用以將一所述電池單元的類比電壓轉成一第一數位信號；

一第二類比轉數位電路，用以將所述電池組的類比電壓轉成一第二數位信號；以及

一控制單元，用以依所述第二數位信號及各所述第一數位信號在所述電池組與各所述電池單元間各進行一電能傳輸程序以在所述電池組之各所述電池單元間達到電壓平衡，其中，所述電能傳輸程序包含一導通週期模糊運算以依所述第二數位信號及一所述第一數位信號決定所述第一切換信號及所述第二切換信號之一責任週期，所述責任週期模糊運算包含利用一最小推論引擎依一規則庫進行推論，且所述規則庫係將所述第二數位信號及一所述第一數位信號各分為複數個數值等級以對應出所述責任週期的複數個數值等級。

在一實施例中，該雙向返馳式電路包含一變壓器及二功率開關。

在一實施例中，該控制器單元包含一微控制器。

在一實施例中，所述責任週期模糊運算包含利用一加權平均法進行一解模糊化運算。

在一實施例中，所述之智慧型快速電池平衡器進一步包含一LabVIEW人機介面以監控所述電能傳輸程序。

為使　貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如后。

請參照圖1，其繪示本發明智慧型快速電池平衡器之一實施例之方塊圖。如圖1所示，該智慧型快速電池平衡器具有至少一雙向返馳式電路100、至少一第一類比轉數位電路110、一第二類比轉數位電路120以及一控制單元130。

各所述雙向返馳式電路100均具有一第一連接埠C1、一第一控制端A、一第二連接埠C2以及一第二控制端B，其中，各所述雙向返馳式電路100之所述第一連接埠C1係各用以與一電池組300之一電池單元200電氣耦接，各所述雙向返馳式電路100之所述第二連接埠C2均係用以與電池組300電氣耦接，且各所述雙向返馳式電路100之所述第一控制端A係各用以接收一第一切換信號S_AI ，I介於1到N之間，且各所述雙向返馳式電路100之所述第二控制端B係各用以接收一第二切換信號S_BI ，I介於1到N之間，俾以使該電池組300對任一所述電池單元200充電或使任一所述電池單元200對該電池組充電300。另外，該雙向返馳式電路可包含一變壓器及二功率開關以達到雙向傳遞能量的功能。

各所述第一類比轉數位電路110係各用以將一電池單元200的類比電壓V_BI 轉成一第一數位信號D_1,BI ，I介於1到N之間。

第二類比轉數位電路120係用以將所述電池組300的類比電壓V_BM 轉成一第二數位信號D₂ 。

控制單元130，可包含一微控制器，係用以依所述第二數位信號D₂ 及各所述第一數位信號D_1,BI ，I介於1到N之間，在所述電池組300與各所述電池單元200間各進行一電能傳輸程序以在所述電池組300之各所述電池單元200間達到電壓平衡，其中，所述電能傳輸程序包含一導通週期模糊運算以依所述第二數位信號D₂ 及一所述第一數位信號D_1,BI ，I介於1到N之間，決定所述第一切換信號S_AI 及所述第二切換信號S_BI 之一責任週期，I介於1到N之間，所述責任週期模糊運算包含利用一最小推論引擎依一規則庫進行推論，且所述規則庫係將所述第二數位信號D₂ 及一所述第一數位信號D_1,BI 各分為複數個數值等級以對應出所述責任週期的複數個數值等級。另外，所述責任週期模糊運算亦可包含利用一加權平均法進行一解模糊化運算。

另外，所述之智慧型快速電池平衡器可進一步包含一LabVIEW人機介面以監控所述電能傳輸程序。

以下將針對本發明的電路及操作原理做詳細說明：

電路硬體架構與操作分析：

由於本發明希望能在單顆電池與電池組間互傳能量，且兩者之間的平衡電路需具備隔離功能，所以選擇元件數少、成本低的返馳式架構作為平衡器的功率電路。而為了讓平衡器控制能更有彈性，因此採用可雙向傳遞能量的雙向返馳式平衡電路。

雙向返馳式轉換器平衡電路：

將返馳式電路二次側的二極體用主動開關取代後，就變成雙向返馳式轉換器電路。如圖2所示，電池可將能量由一次側傳送到二次側的電池組，也可從二次側電池組傳送能量給一次側的電池，同時具有電池對電池組與電池組對電池的雙向平衡能力。將多組雙向返馳式電路加上微處理器與控制策略，即為本發明所提出的平衡電路，以下介紹本電路平衡電池能量的操作模式。

電池對電池組能量傳達模式：

當電池電量較高時，平衡器進入此操作模式，當主開關Q₁ 導通時Q₂ 截止，其等效電路如圖3a所示，電池將能量儲存至一次側激磁電感L_m 中；而當Q₁ 截止Q₂ 導通時，其等效電路如圖3b所示，此時激磁電感釋能，將能量傳送到二次側給電池組，對整個電池組充電。

電池組對電池能量傳達模式：

若電池電量較低時，平衡器需要進入此模式，當Q₂ 導通時Q₁ 截止，其等效電路如圖4a所示，電池組放電給二次側激磁電感L_m2 進行儲能；當Q₂ 截止時Q₁ 導通，其等效電路如圖4b所示，此時二次側激磁電感釋能，將能量傳送到二次側對單顆電池進行充電。

實際平衡電路操作方式：

本發明所提出之平衡操作概念如圖5所示，左端為單顆電池，若檢測出來某些電池電量較高，則透過雙向返馳式電路進行電池對電池組平衡模式，放電給電池組；反之，若單顆電池電量較低則進行電池組對電池平衡，電池組放電給單顆電池進行充電。而每顆電池與電池組的電壓都會透過類比轉數位電路提供給微控制器進行判斷，並下達平衡命令給各組雙向返馳式電路，以達到電池平衡目的。

平衡電流關係式：

由於返馳式轉換器架構的實際電路運作包含非理想特性，其平衡電流並無法以數學式準確調整，故本發明乃加入模糊控制以調整平衡電路的電流，從而加快平衡速度。理想的電池平衡器應具有平衡時間短、效率高與安全保護等優點，因此，在電池安全使用的前提下，提升平衡速度即為主要訴求，而為提升平衡速度，便須即時調整平衡電流。根據本發明所提出之平衡器架構，若平衡模式為電池傳遞能量給電池組時，V_B 為電池電壓，V_PACK 為電池組電壓，根據圖2之雙向返馳式轉換器架構可推導出平衡電流關係式如下

(1)

其中I_B 為電池電流、I_PACK 為電池組電流、D₁ 為Q₁ 責任週期、R為電池組端等效電阻、N₁ , N₂ 為一、二次側繞組匝數。(1)式經整理後可得

(2)

反之，若平衡模式為電池組傳遞能量給電池時，則可推得平衡電流關係如(3)所示，電感電流與輸出電流關係式則如(4)所示，分別可表示為

(3)

(4)

由上面關係式可知，當硬體參數決定之後，在電池對電池組進行充電操作時，其平衡電流主要受電池與電池組電壓以及導通週期影響，若開關導通週期在進行平衡過程中保持恆定，因電池持續釋能給電池組，所以電池電壓會逐漸下降，由(2)式可知，會因此導致平衡電流減少，而使得平衡後期平衡速度變慢；同樣的，在電池組對電池進行充電操作時，由於電池為充電狀態，所以電池電壓會上升，從(4)式得知，亦會造成平衡電流下降，導致平衡速度減慢，故本發明乃控制開關導通週期以即時調整平衡電流，俾以縮短平衡所需時間。

模糊平衡電流控制法與量測平台：

模糊控制設計：

由(2)和(4)式，雖然根據電池電壓變化即時調整責任週期方式可以維持平衡電流，但由於電路存在非理想特性，且電池之非線性特性亦會導致平衡電流無法依簡單數學式準確調整，故本發明乃加入專家的知識、經驗，找出導通週期與電流間之關係並以模糊控制作為控制手段，使得平衡電路能在電池組電壓與電池電壓均會變動的前提下，即時調整導通週期以維持平衡電流的恆定。為實現針對電池平衡電流進行改善的模糊控制法，本發明乃在規則庫的設計中加入電路實際考量與電池應用經驗，以達到透過電池電壓與電池組電壓的回授來控制一次側開關導通週期之目的，從而在確保電路與電池的安全使用前提下，即時調整平衡電流。請參照圖6，其繪示本發明所提出之模糊控制平衡電流法的實施架構。底下詳細說明本發明的模糊平衡電流控制器的設計方法與步驟：

(1) 變數選擇與歸屬函數設計： 本發明的模糊平衡電流控制器的輸入變數有兩個，分別是單顆電池電壓大小V_B 與整串電池組電壓大小V_PACK ，而其歸屬函數如圖7與圖8所示，此處選用連續三角形函數作為歸屬函數定義。表1.為輸入歸屬函數的語意說明，在論域部分因為大部分鋰電池電壓最低為3V，最高到4.2V，而4顆電池串聯成電池組電壓最低為12V，最高為16.8V，所以在此歸屬函數將電池電壓3V到4.2V與電池組電壓12V到16.8V由低到高分成5個不同程度，依序定義成L到H。

表1. 輸入變數歸屬函數語意定義

在輸出變數方面，由於調整開關導通週期可改變輸出電流，故輸出變數為一次側開關之導通週期，二次側開關則與其互補。由於電池對電池組模式之平衡電流主要受一次側開關導通週期影響，而電池組對電池模式之平衡電流主要受二次側開關導通週期影響，但對模糊控制變數而言輸出變數均為一次側開關之導通週期，所以電池組對電池模式將二次側開關導通週期取補數作為輸出歸屬函數，因此輸出變數在兩種動作模式下之導通週期歸屬函數範圍不同。輸出變數歸屬函數是由電路實際測量之特性決定，目標為使其能在兩種控制模式下維持相同之平衡電流。本發明使用之輸出歸屬函數如圖9a-9b所示，其中圖9a為電池對電池組模式的歸屬函數，而圖9b為電池組對電池模式的歸屬函數。表2為該歸屬函數之語意函數說明，在論域方面，其一次側導通週期在電池對電池組模式範圍為52%到62%而在電池組對電池模式則為43%到47%，故此表將兩種平衡模式之導通週期的值由小到大分成五種程度，由小到大定義為L到H。

表2. 輸出變數歸屬函數語意定義

(2) 規則庫 ：模糊控制平衡電流法之規則庫設計原則為根據即時的電池電壓與電池組電壓來決定控制平衡電流的導通週期。當該電池所對應的平衡模式為電池對電池組充電時，由於電池為放電狀態，故隨著平衡進行會導致電壓慢慢下降，進而造成平衡電流下降，此時模糊控制器會將導通週期加大以增加平衡電流；反之若電池充電電流大於平衡電流而造成電壓上升，則模糊控制器會將導通週期減少，以降低平衡電流。當平衡電路為電池組對電池充電時，電池電壓會上升，則模糊控制器會減少導通週期以維持平衡電流，反之則加大導通週期。表3為模糊平衡電流控制法之規則庫，其規則庫是以IF-THEN條件式的方式表示。

(3) 推論引擎與解模糊化： 本發明提出的模糊控制平衡電流法的推論引擎選用最小推論引擎，而解模糊化方式則採用加權平均法。

本發明的模糊平衡電流控制法的二輸入(電池電壓與電池組電壓)與一模糊輸出(導通週期或責任週期)之三維關係請參照圖10。由圖10可看出輸入電池電壓與電池組電壓的變化如何影響輸出導通週期。在電池對電池組進行充電的模式下，若電池電壓V_B 下降或電池組電壓V_pack 上升則導通週期會增加；反之，導通週期則減少。而在電池組對電池進行充電的模式下，若電池電壓V_B 上升或V_pack 電池組電壓下降則導通週期會減少；反之，則導通週期會增加。

表3. 模糊控制平衡電流法之規則庫

量測平台：

由於在進行電池平衡時，需對電池組進行長時間的監控，以記錄電池的相關數據(如電壓和溫升)，故本發明乃採用美商國家儀器 National Instrument (NI)公司推出的LabVIEW軟體並搭配該公司推出之周邊硬體設備來實現監控介面。所開發之人機介面可同時測量電池電壓及溫度，以在過溫與過壓時送出I/O訊號停止平衡操作；以及所開發之人機介面能長時間記錄平衡時的電池電壓及溫度等數據並將其儲存在Excel檔中。本發明開發一LabVIEW量測平台以針對平衡時的電池電壓及溫度進行長時間的監控，量測工具使用國家儀器所開發之DAQ (Data Acquisition)系統，並使用NI USB-6009 DAQ將電池電壓轉換成數位訊號，並將數值顯示在人機介面上作監控並存成Excel檔，同時也透過軟體分析根據不同電壓與溫度情況送出對應I/O訊號與DSP溝通，以進行過溫及過壓保護。在電池溫度量測方面則使用NI USB-9211，一樣可將數值顯示在人機介面上進行監控並存成Excel檔。請參照圖11，其為電池電壓及溫度量測之一架構圖。監控的程式流程除了每秒取得電池電壓及溫度以進行顯示及資料儲存之外，也使用移動平均法處理資料以提升量測準確度，並計算電池平均電壓、判斷該電池需進行何種平衡模式、計算最大與最小電壓差與進行過壓及過溫保護，而LabVIEW監控介面之一實施例請參照圖12。

韌體程式規劃：

圖13所示為本發明之一整體系統架構圖，其首先先將電池及電池組電壓經過差動放大濾波器再經由微處理器ADC (類比轉數位)轉換成為數位訊號，接著利用有限脈衝響應(FIR)數位濾波器濾除數位雜訊，將濾波結果輸入至模糊平衡電流控制器中進行運算以得到相對應開關導通週期，最後經由開關驅動電路驅動開關。過程中電池電壓及溫度也由人機介面系統進行監控，若發生過溫或過壓保護則送出I/O訊號至微處理器中，達到具保護功能之數位化控制。在程式流程方面，除了實現本發明的模糊平衡電流控制法外，也另外實現一多階段責任週期調整法來和本發明的模糊平衡電流控制法進行性能比較。所述多階段責任週期調整法為將電池組電壓分為四個階段，每階段再將電池電壓分為五個階段，依階段調整對應導通週期以維持平衡電流，而其所使用的調整曲線圖如圖14a-14b所示。從該曲線圖可知導通週期調整與電池電壓變化呈現近似線性的關係，且由(1)式與(3)式得知，此調整方式在電池電壓變化時，依舊可使平衡電流保持在2A左右。

主程式一開始先將資料記憶體、振盪器、中斷、PWM(脈衝寬度調變)、ADC(類比數位轉換)、I/O(輸入輸出)、Timer(計時器)、FIR(有限脈衝響應)濾波器與模糊控制等所需功能作初始設定，如圖15所示。接著進入一多階段責任週期調整法電池平衡副程式或一模糊平衡電流控制法平衡副程式，其流程如圖16所示，首先會讀取電池與電池組電壓，並進入FIR濾波器，由於在平衡時電池內阻會造成量測到的電池電壓為非真正開路電壓，故在量測時平衡器皆需終止動作，而為了避免平衡電流恆定導致在電池電壓接近時造成過度平衡的問題，會先進入一平衡時間判斷副程式，其流程如圖17所示，此程式會根據電池的最大與最小電壓差來設定所需的平衡時間，若電壓差較大則以2分鐘為一循環。若電壓差較小則以30秒為一循環。接下來則是根據各電池的電壓情況判斷需進行何種平衡模式，若該電池電壓大於平均電池電壓，則進入電池對電池組充電模式，反之則進入電池組對電池充電模式，接著進行平衡器的開關導通週期計算，最後則是送出PWM訊號，一直到達所設定的平衡時間後會暫停平衡動作，接著進入下一次的平衡循環，過程中LabVIEW都會進行即時監控，並在過溫及過壓時，送出訊號給微控制器的I/O來停止平衡操作。

實驗結果：

實驗相關參數設定： 本發明實驗使用的電池為日本Panasonic 公司出產之NCR18650B，該電池的容量為3400mAh，額定電壓為3.7V，滿充電池電壓為4.2V，截止電壓為2.75V。而在電路硬體方面，其參數如表4所示，因需求之平衡電流較大，故本發明雙向返馳式電路在兩種平衡模式下都操作在CCM(連續導通模式)，經過實際實驗將非理想因素考慮後，設定模糊輸出一次側導通週期範圍在電池對電池組模式為52%~62%，而電池組對電池模式為43%~47%，其二次側開關導通週期與其互補，並加入約3%的死區時間(Dead time)以避免兩側開關同時導通。

表4. 電路硬體參數

電池平衡曲線：

本發明分別模糊控制平衡電流法與二種習知的電池平衡控制法進行實驗，並比較其結果以驗證本發明所提方法之優越性。圖18為一習知固定責任週期法所得的電池平衡曲線圖，圖19為一習知多階段責任週期調整法所得的電池平衡曲線圖，圖20則為本發明模糊控制平衡電流法所得的電池平衡曲線圖。由這些圖形可觀察在平衡開始時系統判斷V_B1 與V_B2 的電池電壓比平均電壓高，所以一開始為電池對電池組模式，電池電壓下降，而V_B3 與V_B4 比平均電壓低，故在一開始為電池組對電池模式，電池電壓上升。如此在平衡過程中一直進行電壓判斷並進行平衡，由波形可得知經由平衡能有效的使電池電壓趨近一致。

平衡結果比較：

將前述三種平衡控制法之平衡結果進行比較，表5為前述三種控制法在平衡前、後的電池電壓值，表6為平衡前、後的電池SOC(電池剩餘容量)值，此SOC值是由OCV(開路電壓)對SOC曲線對應得知，由表中亦可得知，雖然本實驗利用電壓判斷進行電池平衡，但亦可達到電池電量平衡的效果。

表5. 三種控制法平衡前、後電壓

表6. 三種控制法平衡前、後剩餘容量

最後將前述三種控制法之平衡結果進行比較，如圖21與表7所示，可以得知前述三種平衡控制法皆有辦法完成電池平衡，總SOC量雖然在平衡後下降了，但是還是有85%以上的平衡效率，而在平衡時間方面，固定責任週期調整法完成平衡需92分鐘，而使用多階段責任週期調整法將平衡時間降低至74分鐘，比固定責任週期減少了19%的平衡時間，最後利用模糊控制平衡電流法更可將平衡時間縮短到只有58分鐘，在平衡時間上較多階段法減少了21%，此結果也證明利用固定責任週期法平衡電流至後期會下降的問題，使用多階段責任週期調整法能夠有效的改善其平衡速度，而本發明提出的模糊控制平衡法因可即時調整開關導通週期以維持平衡電流恆定，故平衡速度較多階段責任週期調整法快，亦即，實驗結果證明本發明的模糊控制更能夠有效的根據電池電壓情況即時的調整責任週期以維持平衡電流，加快平衡速度。

表7. 三種控制法之平衡結果比較表

本發明所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本發明之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本發明之專利權範疇。

綜上所陳，本發明無論就目的、手段與功效，在在顯示其迥異於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請　貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。

100‧‧‧雙向返馳式電路

110‧‧‧第一類比轉數位電路

120‧‧‧第二類比轉數位電路

130‧‧‧控制單元

200‧‧‧電池單元

300‧‧‧電池組

圖1繪示本發明智慧型快速電池平衡器之一實施例之方塊圖。圖2繪示本發明所採之雙向返馳式轉換器電路。圖3a-3b為本發明所採之雙向返馳式電路之電池對電池組充電模式操作示意圖。圖4a-4b為本發明所採之雙向返馳式電路之電池組對電池充電模式操作示意圖。圖5為本發明所提出之雙向返馳式平衡電路概念圖。圖6為本發明所採之模糊控制平衡電流法架構圖。圖7為本發明所採之電池電壓歸屬函數圖。圖8為本發明所採之電池組電壓歸屬函數圖。圖9a為本發明之電池對電池組模式的歸屬函數圖。圖9b為本發明之電池組對電池模式的歸屬函數圖。圖10繪示本發明所採之二輸入對一模糊輸出之三維關係圖。圖11.繪示本發明所採之電池電壓與溫度量測架構。圖12為本發明所採之LabVIEW監控人機介面示意圖。圖13為本發明之整體系統架構示意圖。圖14a為一多階段責任週期法之電池對電池組充電模式調整曲線圖。圖14b為一多階段責任週期法之電池組對電池充電模式調整曲線圖。圖15為本發明所採之一主程式流程圖。圖16為本發明所採之一電池平衡副程式流程圖。圖17本發明所採之一平衡時間設定副程式流程圖。圖18為一固定責任週期法的電池平衡曲線圖。圖19為一多階段責任週期調整法的電池平衡曲線圖。圖20為本發明所採之模糊控制平衡電流法的電池平衡曲線圖。圖21為本發明與二種習知控制法之平衡結果比較圖。

Claims

一種智慧型快速電池平衡器，其具有：至少一雙向返馳式電路，各所述雙向返馳式電路均具有一第一連接埠、一第一控制端、一第二連接埠以及一第二控制端，各所述雙向返馳式電路之所述第一連接埠係各用以與一電池組之一電池單元電氣耦接，各所述雙向返馳式電路之所述第二連接埠均係用以與該電池組電氣耦接，且各所述雙向返馳式電路之所述第一控制端係各用以接收一第一切換信號，且各所述雙向返馳式電路之所述第二控制端係各用以接收一第二切換信號，俾以使該電池組對任一所述電池單元充電或使任一所述電池單元對該電池組充電；以及至少一第一類比轉數位電路，各用以將一所述電池單元的類比電壓轉成一第一數位信號；一第二類比轉數位電路，用以將所述電池組的類比電壓轉成一第二數位信號；以及一控制單元，用以依所述第二數位信號及各所述第一數位信號在所述電池組與各所述電池單元間各進行一電能傳輸程序以在所述電池組之各所述電池單元間達到電壓平衡，其中，所述電能傳輸程序包含一導通週期模糊運算以依所述第二數位信號及一所述第一數位信號決定所述第一切換信號及所述第二切換信號之一責任週期，所述責任週期模糊運算包含利用一最小推論引擎依一規則庫進行推論，且所述規則庫係將所述第二數位信號及一所述第一數位信號各分為複數個數值等級以對應出所述責任週期的複數個數值等級。
如申請專利範圍第1項所述之智慧型快速電池平衡器，其中該雙向返馳式電路包含一變壓器及二功率開關。
如申請專利範圍第1項所述之智慧型快速電池平衡器，其中該控制器單元包含一微控制器。
如申請專利範圍第1項所述之智慧型快速電池平衡器，其中所述責任週期模糊運算包含利用一加權平均法進行一解模糊化運算。
如申請專利範圍第1項所述之智慧型快速電池平衡器，其進一步包含一LabVIEW人機介面以監控所述電能傳輸程序。