TW201818631A - 電池組主動式平衡系統 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種電池組主動式平衡系統，其係包括：一電池組，係包含複數彼此串接之電芯單元；一降壓轉換器，係連接該電池組；一主開關單元，係連接該電池組與該降壓轉換器；一電芯電壓感測單元，係連接該電池組；複數電芯開關單元，係分別對應連接該些電芯單元，並連接至該降壓轉換器；一控制單元，係連接該主開關單元、該電芯電壓感測單元與該些電芯開關單元；本發明係利用一外部電源或以串聯電池組本身為電源，搭配可切換對應於任一單電芯之開關電路進行個別單電芯的主動平衡。

Description

電池組主動式平衡系統

本發明係關於一種充電電池的電力平衡技術，特別係指一種電池組主動式平衡系統。

鋰離子電池雖擁有良好的性能與高安全性，但仍然必須避免電芯過充、過放或過溫的狀況發生，為了延長電池的壽命與保護使用者的安全，必須建構電池管理系統(Battery Management System,BMS)來確保電池運作在安全的範圍內，基本上電池管理系統的主要功能為量測單電芯的電壓並進行保護。在串聯電池組中，電池電芯因內阻或製程的不同，會有電芯電壓不一致的狀況發生，這樣的問題會導致串聯電池組因為某顆電芯提早過充或過放，大幅影響電池組的使用效率與壽命。

事實上每一電芯的內阻與容量存在著些微差異，此差異性將隨充放電循環次數逐漸加大，若缺乏管理將從電芯間的差異性擴大到電池模組與模組之間，使得電池模組間無法處於一致的狀態。而模組間的不一致性仍然會引起電池組提早過充、過放的問題，因此不論是電芯間或模組間的不一致性都必須透過適當的管理系統矯正才能完全發揮鋰 鐵電池的效能，要改善這個問題必須加入平衡機制，由此可知BMS與平衡機制的重要性。

在低電壓設備中已有一定程度的管理系統可供選擇，例如在各式各樣的手攜式設備中電池管理技術已經是相當成熟的應用，各大IC公司如Texas Instrument德州儀器公司、Linear Technology公司和Maxism公司等，都有專屬電池管理IC之商用晶片產品，並已廣泛的應用在手攜式產品的應用上，但是這些專屬電池管理IC大都屬於對應管理較小容量、小串並聯數之電池組，幾乎無電芯平衡機制內建其中。

若將電池組規模加大應用於高電壓儲能系統或電動巴士等大型儲電應用上，將不能再忽略電芯間或模組間不平衡所衍生之問題；以電動載具為例，最為人詬病的應為電池的價格與使用年限問題，而其原因即在於現有電池管理技術上如果未確實執行電芯間或模組間的平衡，將造成最弱電芯提早觸發管理系統保護停止運轉，降低使用效率，或系統未即時保護最弱電芯使其面臨過充/過放問題，縮短整體儲能裝置之壽命。

現行之均勻平衡電池技術主要分為主動式技術與被動式技術兩種平衡方式。電芯平衡機制是延長電池組續航力的重要技術，早期的電池管理系統皆以被動式平衡法為主。被動式平衡技術主要是以長時間消耗電池能量的方式達到平衡效果，不主動拉抬串聯電池組中最低電壓或電量之單 電芯電量，因而稱之為被動式平衡法。此法雖然電路簡單且低成本，但有效率低且平衡時間長的缺點，對高容量的電池組來說較不適合。

主動式平衡法針對電池組中最小電壓電芯進行充電，將其電壓提高至與最大電壓相同，然後繼續將其餘電芯進行相同的動作，直到所有的電芯電壓達到平衡狀態。其因作動方式不同可分為下述幾種平衡模式：電感式平衡法、電容式平衡法。電感式平衡法或電容式平衡法是在串聯電池組中，並聯帶有電感或電容以及開關的均勻平衡副電路，偵測最高電壓或電量之電芯將之能量儲存於電感或電容，並經由開關電路將之切換於最低電壓或電量之電芯，重複相同動作直到所有單電芯之電壓或電量為均勻平衡之狀態，但此法之能量轉換受制於電感或電容之容量，平衡時間長，在鋰離子電池可容許大電流充放電之場合將不適用。多重繞組變壓器平衡法：利用二次側為多重繞組且每個繞組外都接有開關電路之變壓器，除了可同時對串聯電池組充電亦可以控制開關對較低電壓或電量之單電芯充電，由於二次側的多重繞組匝數相同，可視為定電壓充電，同時將所有控制開關開啟對所有單電芯充電時，電量較高之電池將獲得較低充電量，反之則獲得較高之充電量，故充電一段時間後即可達到平衡之效果。但實際上耦合繞組存在互感及漏電感，即使匝數相同也不可能獲得相同之電壓，且因多重繞組之緣故，體積將過 於龐大。

於高串聯應用場合中通常將電池組以模組化方式分散管理，以目前市場提供的電池管理系統即使能夠使模組內電芯達到平衡狀態，也無法確保各模組間能夠達到平衡，而模組間的不一致性仍然會造成電池組工作狀態不一致的問題，如此僅存在於模組內的平衡最後仍然功虧一簣。

大容量及高串並聯數的電池組應用環境與3C手攜式的應用上有很大的不同，但目前市面上對於高串聯、大電壓的電池組應用，特別是針對模組間的平衡策略卻還沒有一個完善的管理系統。此一現象在低壓或消費性電子產品中並不會造成太大的影響，但若將電池組規模加大應用於儲能系統、電動巴士等大型儲電應用上將不能再忽略此一現象所衍生之問題。

為解決先前技術之缺點，本發明係提供一種電池組主動式平衡系統，本發明係利用一外部電源或以串聯電池組本身為電源，搭配可切換對應於任一單電芯之開關電路進行個別單電芯的主動平衡。上述電源可利用外加的電源供應器、亦或是利用反馳式電力電子轉換器，將同一充電電源進行隔離接地並將電壓轉換成單電芯之充電電壓，持續對最低電壓之電芯進行大能量之平衡充電，本發明之主動式平衡方法可在電池組充電、放電或靜置時執行，可在短時間內達到 電池組平衡之目標。

本發明係為一種電池組主動式平衡系統，係包括：一電池組，係包含複數彼此串接之電芯單元；一降壓轉換器，係連接該電池組，其具有第一側繞組以及與該第一側繞組感應之第二側繞組；一主開關單元，係連接該電池組與該降壓轉換器；一電芯電壓感測單元，係連接該電池組，用於感測該些電芯單元之個別電壓；複數電芯開關單元，係分別對應連接該些電芯單元，並連接至該降壓轉換器之第二側繞組；一控制單元，係連接該主開關單元、該電芯電壓感測單元與該些電芯開關單元。

本發明之一實施例中，進一步包括：一外部電源，係連接該電池組與該主開關單元。

本發明之一實施例中，該外部電源係為市電。

本發明之一實施例中，該外部電源係為風力發電系統、太陽能發電系統或其他種類之再生能源發電系統。

本發明之一實施例中，該電芯開關單元係為光繼電器。

本發明之一實施例中，每一電芯單元之正負極皆連接一電芯開關單元。

本發明之電池組主動式平衡系統一實施例中，係具有二階段充電模式；第一階段為串充(串聯充電)階段，當電池組缺乏電力時，外部電源將對該電池組進行充電動作，即 由外部電源流出充電電流I₁進入整串電池組，該控制單元藉由該電芯電壓感測單元進行個別單電芯單元之電壓量測，並偵測出最低電壓之電芯單元，同時該外部電源輸出電力至該降壓轉換器，該降壓轉換器將該電力之電壓降至5V，當作外部平衡電力I₂；當最低電壓之電芯單元與最高電壓之電芯單元壓差超過一平衡設定值(例如30mV)，該控制單元將致能該最低電壓之電芯單元所對應的兩個電芯開關單元，該降壓轉換器並挹注外部平衡電力I₂之電流至該最低電壓之電芯單元之中，此時該最低電壓之電芯單元上的電流為I₁+I₂，其他電芯單元之電流則為I₁，藉此可快速拉抬最低電壓之電芯單元之電量、直至其與該電池組之平均電壓相同。第一階段結束條件為電池組中任一顆單電芯超過一高電壓設定值(例如3.6V)後，截止串聯充電，此截止條件設定能避免電池組中任一顆單電芯發生過充狀態，而造成電芯健康狀態、容量及內阻的不良影響，本發明之一實施例中，第一階段(串充階段)截止充電後該電池組通常具備80%以上容量。

本發明之電池組主動式平衡系統一實施例中，當第一階段串聯充電時任一電芯達到該高電壓設定值(3.6V)，則進入第二階段之分充階段，為各別電芯平衡充電；進入分充階段時，該控制單元會依各電芯單元之電壓高低作出排序，並由低至高依序進行個別單電芯之平衡充電，當被平衡充電之電芯單元達到高電壓設定值(例如3.6V)，則依照由低至高排 序進行下一個電芯單元之平衡工作，直至整個電池組之所有電芯單元皆被完整平衡後，即為結束充電。該控制單元根據經由各電芯單元的訊息判斷電池組完成兩階段充電法，即結束一次完整兩階段充電。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

A、B‧‧‧電池組

B0~B15‧‧‧電芯

11、23‧‧‧降壓轉換器

12‧‧‧主開關單元

13‧‧‧電芯電壓感測單元

14、22‧‧‧電芯開關單元

15‧‧‧控制單元

16、21‧‧‧外部電源

S11~S17，S21~S28‧‧‧流程

圖1係為本發明之電池組主動式平衡系統架構示意圖。

圖2係為本發明之電池組主動式平衡系統其中一實施例示意圖。

圖3係為本發明實施例之充電狀態下之電池組主動式平衡機制流程圖。

圖4係為本發明實施例之放電狀態下之電池組主動式平衡機制流程圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。

請參閱圖1，係為本發明之電池組主動式平衡系 統架構示意圖，如圖所示，該電池組主動式平衡系統係包括：一電池組A，係包含複數彼此串接之電芯單元；一降壓轉換器11，係連接該電池組A，其具有第一側繞組以及與該第一側繞組感應之第二側繞組；一主開關單元12，係連接該電池組A與該降壓轉換器11；一電芯電壓感測單元13，係連接該電池組A，用於感測該些電芯單元之個別電壓；複數電芯開關單元14，係分別對應連接該電池組A中之該些電芯單元，並連接至該降壓轉換器11之第二側繞組；一控制單元15，係連接該主開關單元12、該電芯電壓感測單元13與該些電芯開關單元14；一外部電源16，係連接該電池組A與該主開關單元12。

本發明之一實施例中，該降壓轉換器11、該主開關單元12、該電芯電壓感測單元13、該些電芯開關單元14與該控制單元15係整合為一BMS電路板。

本發明之一實施例中，該主開關單元12係可切換開、關狀態，狀態為「開」時係連接該外部電源之正極與負極、與該降壓轉換器之第一側繞組之正極與負極，狀態為「關」時係連接該電池組之正極與負極、與該降壓轉換器之第一側繞組之正極與負極。

本發明之一實施例中，該電池組A中的每一電芯單元之正、負極係分別連接一電芯開關單元14，該些電芯開關單元14並與該降壓轉換器11之第二側繞組之正極與負極連接。

本發明之一實施例中，該控制單元15係根據該電芯電壓感測單元13所量測之各電芯單元個別電壓高低，控制該主開關單元12與該些電芯開關單元14之開關動作，以達到平衡各電芯單元電壓之效果。

本發明之一實施例中，該外部電源係為市電，亦可為風力發電系統、太陽能發電系統或其他種類之再生能源發電系統。該外部電源係作為該電池組主動式平衡系統之外部平衡電力(平衡電源)，用以平衡各電芯單元間電力(電壓、電量)不均之情況，於本發明之一實施例中，亦可將該電池組本身作為外部平衡電力。

本發明之電池組主動式平衡系統係以獨立之外部平衡電力(外部電源)配合開關電路法(該降壓轉換器、該主開關單元、該電芯電壓感測單元、該些電芯開關單元與該控制單元)，以克服前述既有平衡充電法之缺點。該外部電源可利用外加的電源供應器、或是利用反馳式電力電子轉換器將同一充電電源進行隔離接地，並將電壓轉成單電芯之充電電壓，直接對較低電壓(或電量)之電芯單元進行較大能量之均勻平衡充電。同時本發明之電池組主動式平衡系統持續偵測最小電壓之電芯單元，將其電量拉抬至與次低電壓之電芯單元相同，因為平衡電流較大，將可在短時間內達到平衡之效果。

本發明之電池組主動式平衡系統其中一實施例如圖2所示，該實施例係用於說明本發明之主動式平衡電路通 道(即平衡充電)之作動原理，實際應用時、以磷酸鋰鐵電池為例，本發明之電池組主動式平衡系統之最大平衡電流可達6A，平衡後電芯壓差不超過30mV。該實施例係以外部電源21(太陽能、風能或市電)、或可以電池組B本身做為平衡電源，該電池組B由16組電芯(B0、B1、...、B14、B15)串聯組成，搭配32組光繼電器作為電芯開關單元22、即每一電芯之正負極皆連接一組電芯開關單元22。充電時，切換正確之電芯開關單元進行個別單電芯的平衡，充電的流程可分為下列兩階段：(一)串充：當整個電池組缺乏電力時，外部電源21將進行電池組B之充電動作，即由外部電源21流出I₁電流進入整串電池組B進行充電，一微控制器(圖未示)在此階段進行個別單電芯電壓量測、並偵測出最低電壓之電芯，同時藉由外部電源21經過一降壓轉換器23將電壓降至5V，當作外部平衡電力；當最低電壓之電芯與最高電壓之電芯壓差超過平衡設定值(例如30mV)，微控制器(控制單元)將致能該最低電壓電芯所對應的兩個電芯開關單元，降壓轉換器23並挹注I₂電流至該最低電壓電芯之中，此時該最低電壓電芯上的電流為I₁+I₂，其他電芯之電流則為I₁，藉此可快速拉抬最低電壓之電芯直至其電壓與電池組21之平均電壓相同。(二)分充：當第一階段充電時任一電芯達到高電壓設定值(例如3.6V)，則進入第二階段之各別電芯平衡充電；進入分充階段時，該微控制器會依各電芯之電壓高低作出排序，並由低至高依序進行個別單電芯之平衡 充電，當被平衡之電芯電壓達到高電壓設定值(3.6V)時，則依照排序進行下一個電芯之平衡工作，直至整電池組之所有電芯皆被完整平衡後，即結束充電。於該實施例中，係可具有一主開關單元(圖未示)連接至該降壓轉換器。本發明可確保即使磷酸鋰鐵電池有較大的容量或內阻差異，也可以將所有串聯電芯充飽，且不會讓任一電芯發生過充情形，放電的平衡也可以有效延長電池使用的時間，藉由本發明的充電與放電平衡策略，可以在不增加任何硬體的條件下達到增程的效果。

圖3係為本發明實施例之充電狀態下之電池組主動式平衡機制流程圖，在充電階段中，持續量測各電芯單元之電壓S11，並監控任一電芯單元之電壓是否大於高電壓設定值S12，若有任一電芯單元之電壓大於高電壓設定值，則依各電芯單元之電壓高低排序，由低電壓至高電壓依序平衡各電芯單元至高電壓設定值S13(即前述提到之分充階段)；在任一電芯單元之電壓大於高電壓設定值之前，若有任一最低電壓之電芯單元與最高電壓之電芯單元間的壓差超過平衡設定值S14，系統先確認該最低電壓之電芯單元是否正在接受平衡工作S15，若無則開啟平衡充電功能S16(即前述之串充階段)，直到最低電壓之電芯單元的電壓與各電芯單元的平均電壓相同，則關閉平衡充電S17，繼續偵測是否任一最低電壓之電芯單元與最高電壓之電芯單元間的壓差超過平衡設定值。

圖4係為本發明實施例之放電狀態下之電池組主 動式平衡機制流程圖，在放電階段中，持續量測各電芯單元之電壓S21，判斷(找出)最高電壓電芯單元與最低電壓電芯單元S22；判斷最高電壓電芯單元與最低電壓電芯單元間的電壓差是否高於平衡設定值S23；若是，則判斷最低電壓之電芯單元之電壓是否低於平衡起始值S24(即系統設定必須給予平衡之電壓起始值)；若是，則判斷該最低電壓之電芯單元之電壓是否低於低電壓設定值S25，低於低電壓設定值代表該電芯單元可能已退化，故不再對其進行平衡充電；若最低電壓之電芯單元之電壓介於平衡起始值與低電壓設定值間，則開啟平衡功能(平衡充電功能)S26，對該最低電壓之電芯單元進行平衡充電，直到該平衡中的電芯單元與電池組電壓最低電芯單元(該平衡中電芯單元以外的電壓最低者)的壓差大於平衡截止值S27後，則關閉平衡功能S28。

本發明之電池組主動式平衡系統可兼顧全時(充電、放電、靜置)與全電池組(可針對任一串聯電芯單元進行主動平衡)。無論有無外部電源，先持續監測各電芯單元的電壓，以判斷是否開啟平衡電路通道。本發明之電池組主動式平衡系統具有以下操作模式：有外部電源、電池組充電時：電池組由外部電源充電時，藉由本發明之整合型BMS電路板(內建降壓轉換器、主開關單元、電芯電壓感測單元、複數電芯開關單元與控制單元)轉換高壓外部電源為低壓電源，對離散之最低壓電芯進 行平衡(此時主開關單元狀態為「開」)；若任一電芯達到高電壓設定值就停止串聯充電，但平衡機制持續作動、且平衡邏輯轉為各電芯依電壓高低依序分充，至該電池組達到所設定的保護電壓(高電壓設定值)。

有外部電源、電池組放電時：本發明可進行延遲電芯過放的平衡機制，當各電芯電壓狀態呈現過度離散(個別壓差過大)、與電芯電壓低於所設定的平衡起始值時，啟動本發明之電池組主動平衡機制，對需要協助之電芯進行外部電源補電延遲電芯過放(此時主開關單元狀態為「開」)，以達到串聯電芯同時達到過放狀態，即延遲最弱電芯提早過放。

有外部電源、電池組靜置時：電池組靜置時且當各電芯電壓狀態呈現過度離散(個別壓差過大)時，本發明可啟動電池組主動平衡機制(此時主開關單元狀態為「開」)，將離散之低電壓電芯由外部電源平衡至電池組之平均電壓。

無外部電源、電池組放電時：本發明可進行延遲電芯過放的平衡機制，當各電芯電壓狀態呈現過度離散(個別壓差過大)與某單電芯電壓低於所設定的平衡起始值時，啟動本發明之電池組主動式平衡機制(此時主開關單元狀態為「關」)，以整組電池組對最弱電芯進行補電延遲電芯過放，以達到串聯電芯同時達到過放狀態(即電芯互補延遲最弱電芯提早過放)。

無外部電源、電池組靜置時：電池組靜置時且當 各電芯電壓狀態呈現過度離散時，啟動本發明之電池組主動式平衡機制(此時主開關單元狀態為「關」)，將最弱電芯以整組電池組補電平衡至等電壓狀況。

綜上所述，本發明係提供一種電池組主動式平衡系統，本發明係利用一外部電源或以串聯電池組本身為電源，搭配可切換對應於任一單電芯之開關電路進行個別單電芯的主動平衡。上述電源可利用外加的電源供應器、亦或是利用反馳式電力電子轉換器，將同一充電電源進行隔離接地並將電壓轉換成單電芯之充電電壓，持續對最低電壓之電芯進行大能量之平衡充電，本發明之主動式平衡方法可在電池組充電、放電或靜置時執行，可在短時間內達到電池組平衡之目標。本發明可確保即使電池有較大的容量或內阻差異，也可以將所有串聯電芯充飽，且不會讓任一電芯發生過充情形，放電的平衡也可以有效延長電池使用的時間，藉由本發明之電池組主動式平衡系統及其充電與放電平衡策略，可以在不增加任何額外硬體的條件下達到增加電池使用壽命的效果。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (9)

1. 一種電池組主動式平衡系統，係包括：一電池組，係包含複數彼此串接之電芯單元；一降壓轉換器，係連接該電池組，其具有第一側繞組以及與該第一側繞組感應之第二側繞組；一主開關單元，係連接該電池組與該降壓轉換器；一電芯電壓感測單元，係連接該電池組，用於感測該些電芯單元之個別電壓；複數電芯開關單元，係分別對應連接該些電芯單元，並連接至該降壓轉換器之第二側繞組；一控制單元，係連接該主開關單元、該電芯電壓感測單元與該些電芯開關單元。
2. 如請求項1所述之電池組主動式平衡系統，其中進一步包括：一外部電源，係連接該電池組與該主開關單元。
3. 如請求項2所述之電池組主動式平衡系統，其中該外部電源係為市電。
4. 如請求項2所述之電池組主動式平衡系統，其中該外部電源係為風力發電系統、太陽能發電系統或其他種類之再生能源發電系統。
5. 如請求項1所述之電池組主動式平衡系統，其中該電芯開關單元係為光繼電器。
6. 如請求項1所述之電池組主動式平衡系統，其中該電池組主動式平衡系統於充電狀態下之電池組主動式平衡機制流程為：在充電階段中，持續量測各電芯單元之電壓，並監控任一電芯單元之電壓是否大於高電壓設定值，若有任一電芯單元之電壓大於高電壓設定值，則依各電芯單元之電壓高低排序，由低電壓至高電壓依序平衡各電芯單元至高電壓設定值；在任一電芯單元之電壓大於高電壓設定值之前，若有任一最低電壓之電芯單元與最高電壓之電芯單元間的壓差超過平衡設定值，系統先確認該最低電壓之電芯單元是否正在接受平衡工作，若無則開啟平衡充電功能，直到最低電壓之電芯單元的電壓與各電芯單元的平均電壓相同，則關閉平衡充電，繼續偵測是否任一最低電壓之電芯單元與最高電壓之電芯單元間的壓差超過平衡設定值。
7. 如請求項1所述之電池組主動式平衡系統，其中該電池組主動式平衡系統於放電狀態下之電池組主動式平衡機制流程為：在放電階段中，持續量測各電芯單元之電壓，判斷最高電壓電芯單元與最低電壓電芯單元；判斷最高電壓電芯單元與最低電壓電芯單元間的電壓差是否高於平衡設定值；若是，則判斷最低電壓之電芯單元之電壓是否低於平衡起始值；若是，則判斷該最低電壓之電芯單元之電壓是否低於低電壓設定值；若最低電壓之電芯單元之電壓介於平衡起始值與低電壓設定值間，則開啟平衡充電功能，對 該最低電壓之電芯單元進行平衡充電，直到該平衡中的電芯單元與電池組電壓最低電芯單元(該平衡中電芯單元以外的電壓最低者)的壓差大於平衡截止值後，則關閉平衡充電功能。
8. 如請求項2所述之電池組主動式平衡系統，當電池組缺乏電力時，外部電源對該電池組進行充電動作，即由外部電源流出充電電流I ₁進入整串電池組，該控制單元藉由該電芯電壓感測單元進行個別單電芯單元之電壓量測，並偵測出最低電壓之電芯單元，同時該外部電源輸出電力至該降壓轉換器，該降壓轉換器將該電力之電壓降至5V，當作外部平衡電力I ₂；當最低電壓之電芯單元與最高電壓之電芯單元壓差超過一平衡設定值，該控制單元將致能該最低電壓之電芯單元所對應的電芯開關單元，該降壓轉換器並挹注外部平衡電力I ₂之電流至該最低電壓之電芯單元之中，此時該最低電壓之電芯單元上的電流為I ₁+I ₂，其他電芯單元之電流則為I ₁，藉此快速拉抬最低電壓之電芯單元之電量、直至其與該電池組之平均電壓相同，電池組中任一顆單電芯超過一高電壓設定值後，截止充電。
9. 如請求項8所述之電池組主動式平衡系統，任一電芯達到該高電壓設定值，該控制單元會依各電芯單元之電壓高低作出排序，並由低至高依序進行個別單電芯之平衡充電，當被平衡充電之電芯單元達到高電壓設定值，則依照由低 至高排序進行下一個電芯單元之平衡工作，直至整個電池組之所有電芯單元皆被完整平衡後，即為結束充電。