TW202023142A - 串聯電池開關模組及其模式切換方法及儲能系統 - Google Patents

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Abstract

一種串聯電池開關模組包含一電池、一雙向開關、一單向限流元件及一單向開關，該電池具有一正極端及一負極端，該雙向開關之兩端分別電性連接該電池之該正極端及一第一節點，該單向限流元件之兩端分別電性連接該第一節點及一第二節點，該單向開關之兩端分別電性連接該第一節點及該第二節點，藉由控制該雙向開關及該單向開關可讓該電池操作於正常充放電模式或是旁路充放電模式，使得多電池串聯使用時，可依據各自狀態決定參與充放電時間，以延續其使用壽命。

Description

串聯電池開關模組及其模式切換方法及儲能系統
本發明是關於一種串聯電池，特別是關於一種串聯電池開關模組。
隨著電池的應用範圍越來越廣泛，如電動車、電動機車或綠色儲能系統皆使用電池作為其電源或是儲能單元，但由於單一個電池之容量可能無法符合各種應用所需之額定電壓或額定電流，因此，將多個電池串聯，使其輸出之電壓提高，或是將多個電池並聯，使其輸出之電流提高為電池應用的重點之一。
隨著電池的大量應用，淘汰電池的處理問題也日趨嚴重，以電動車電池組為例，其應用情境會需要電池瞬間輸出較大能量，因此當電動車電池組之健康狀態(State of health)降至新品電池的70%~80%時，已不適合電動車之應用，需進行淘汰；而汰渙之電池組直接報廢的作法不符合經濟效益；若作為其他場合應用，如儲能系統，若將汰換電池組進行重新篩選與組裝，會衍生高成本的二次加工費用，若直接應用，則會面臨各不同電池組的狀況皆不相同，其電池組使用壽命會受限於最差條件之電池組，無法有效二次應用汰換之電池組。
本發明的主要目的在於藉由雙向開關、單向限流元件及單向開關讓電池能達成正常充放電、旁路放電或旁路充電，讓狀況較差的電池仍可正常地串入或並入電池組中使用，而延續其使用壽命，發揮電池組最大效益。
本發明之一種串聯電池開關模組包含一電池、一雙向開關、一單向限流元件及一單向開關，該電池具有一正極端及一負極端，該雙向開關之兩端分別電性連接該電池之該正極端及一第一節點，該單向限流元件之兩端分別電性連接該第一節點及一第二節點，該單向開關之兩端分別電性連接該第一節點及該第二節點。
本發明之一種串聯電池開關模組之模式切換方法包含：提供一串聯電池開關模組，該串聯電池開關模組具有一電池、一雙向開關、一單向限流元件及一單向開關，該電池具有一正極端及一負極端，該雙向開關之兩端分別電性連接該電池之該正極端及一第一節點，該單向限流元件之兩端分別電性連接該第一節點及一第二節點，該單向開關之兩端分別電性連接該第一節點及該第二節點，其中，導通該雙向開關並截止該單向開關，使該電池處於一正常充放電模式，截止該雙向開關並導通該單向開關，使該電池處於一旁路充電模式，以及截止該雙向開關並截止該單向開關，使該電池處於一旁路放電模式。
本發明之一種儲能系統包含複數個串聯電池開關模組及一DC-DC電壓轉換器，該些串聯電池開關模組串聯於一第一電壓端及一第二電壓端之間，其中各該串聯電池開關模組具有一電池、一雙向開關、一單向限流元件及一單向開關，該電池具有一正極端及一負極端，該雙向開關之兩端分別電性連接該電池之該正極端及一第一節點，該單向限流元件之兩端分別電性連接該第一節點及一第二節點，該單向開關之兩端分別電性連接該第一節點及該第二節點，該DC-DC電壓轉換器具有一第一電容、一第一開關組、一電感組、一第二開關組及一電容組，該第一電容之兩端電性連接該第一電壓端及該第二電壓端，該第一開關組電性連接該第一電壓端及該第二電壓端，該電感組電性連接該第一開關組及該第二開關組，該第二開關組電性連接一第三電壓端及一第四電壓端，該電容組電性連接該第三電壓端及該第四電壓端。
本發明之該串聯電池開關模組藉由該雙向開關、該單向限流元件及該單向開關的限流或導通，使得該電池可正常的充放電或是旁路於充放電迴路外，這讓狀況較差的電池仍可與狀況較佳的電池進行串接使用，而延續其使用壽命。
請參閱第1圖，為本發明之一實施例，一種串聯電池開關模組100之電路圖，該串聯電池開關模組100包含一電池110、一雙向開關120、一單向限流元件130及一單向開關140，該電池110具有一正極端111及一負極端112，該雙向開關120之兩端分別電性連接該電池110之該正極端111及一第一節點n1，該單向限流元件130之兩端分別電性連接該第一節點n1及一第二節點n2，該單向開關140之兩端分別電性連接該第一節點n1及該第二節點n2。其中，該串聯電池開關模組100之該第二節點n2可電性連接至另一該串聯電開關100之該第一節點n1，使該些串聯電池開關模組100形成串聯結構，且各該電池110為一充放電電池，而可供電至負載，或是透過電源對該些電池110進行充電。
請參閱第1及2(a)圖，該雙向開關120具有一第一電晶體121及一第二電晶體122，該第一電晶體121及該第二電晶體122串聯於該第一節點n1及該電池110之該正極端111之間，在本實施例中，該第一電晶體121及該第二電晶體122皆為NMOS電晶體，該第一電晶體121之一汲極電性連接該第一節點n1，該第一電晶體121之一源極電性連接該第二電晶體122之一源極，該第二電晶體122之一汲極電性連接該電池110之該正極端111，該雙向開關120藉由該第一電晶體121及該第二電晶體122的串聯，可避免在該第一電晶體121或該第二電晶體122在截止的狀態下，電流由其寄生二極體流過。在其他實施例中，該雙向開關120能由單一個可控制之開關，如繼電器取代。
請參閱第1圖，該單向限流元件130為一二極體，該單向限流元件130具有一陽極端131及一陰極端132，該單向限流元件130之該陽極端131電性連接該第二節點n2，該單向限流元件130之該陰極端132電性連接該第一節點n1，其中，該單向限流元件130允許電流由該第二節點n2經由該單向限流元件130流向該第一節點n1，並避免電流由該第一節點n1經由該單向限流元件130流向該第二節點n2。
請參閱第1及2(b)圖，該單向開關140具有一第一單向限流單元141及一開關元件142，該第一單向限流單元141及該開關元件142串聯於該第一節點n1及該第二節點n2之間。在本實施例中，該第一單向限流單元141為一二極體，該開關元件142為一NMOS電晶體，該第一單向限流單元141具有一陽極端141a及一陰極端141b，該第一單向限流單元141之該陽極端141a電性連接該第一節點n1，該第一單向限流單元141之該陰極端141b電性連接該開關元件142之一汲極，該開關元件142之一源極電性連接該第二節點n2。其中，當該開關元件142截止時，該第一單向限流單元141及該開關元件142可避免電流由該第二節點n2經由該單向開關140流向該第一節點n1，而該開關元件142導通時，該第一單向限流單元141及該開關元件142可允許電流由該第一節點n1藉由該單向開關140流向該第二節點n2。在其他實施例中，該單向開關140能由單一個可控制之開關，如繼電器取代。
請參閱第3、4及5圖，為多個該串聯電池開關模組100相互串聯的示意圖，圖中僅有4個該串聯電池開關模組100串聯，在其他實施例中，可串聯更多或較少的該串聯電池開關模組100，串聯之數量並非本發明之所限。藉由對各該串聯電池開關模組100之該雙向開關120及該單向開關140的控制可讓各該電池110操作於三種模式。
請先參閱第3圖，以位於最上方之該串聯電池開關模組100之該電池110為例，若該電池110處於可正常串入迴路進行充放電的階段時，可藉由一控制單元(圖未繪出)輸出控制訊號至該雙向開關120及該單向開關140，以導通該雙向開關120並截止該單向開關140，使該電池110操作於一正常充放電模式，此時，該電池110之輸出電流可經由該雙向開關120流至該第一節點n1進行放電，或是電流可由該第一節點n1經由該雙向開關120流入該電池110進行充電。
請參閱第4圖，若位於最上方之該串聯電池開關模組100之該電池110較其他之該串聯電池開關模組100之該電池110早完成充電時，為了避免該電池110被過度充電，可藉由該控制單元輸出控制訊號至該雙向開關120及該單向開關140，以截止該雙向開關120並導通該單向開關140，使該電池110操作於一旁路充電模式，此時，由於該雙向開關120為截止且該單向開關140為導通，因此迴路電流並不會流至該電池110，而是會旁路至該單向開關140再流至其他之該串聯電池開關模組100，藉此可避免已完成之該電池110過度充電而損壞或是產生危險。
請參閱第5圖，若位於最上方之該串聯電池開關模組100之該電池110在放電過程中，該電池110之該輸出電流能力較其他之該串聯電池開關模組110小，而可能影響整體迴路之輸出電流時，可藉由該控制單元輸出控制訊號至該雙向開關120及該單向開關140，以截止該雙向開關120及該單向開關140，使該電池110處於一旁路放電模式，此時，由於該雙向開關120及該單向開關140為截止，因此迴路電流並不會流至該電池110及該單向開關140，而是會旁路至該單向限流元件130，藉此可避免輸出電流較低之該電池110影響其他之該電池110。
由於各該串聯電池開關模組100可透過該些開關的切換使得串聯之該電池數量改變，導致其輸出電壓隨之改變，因此，較佳的，可透過一電壓轉換器轉換輸出電壓的電位，使輸出電壓之電位能夠穩定。又或是當該些串聯之該電池數量改變時，所需之充電電壓也會改變，因此，可透過該電壓轉換器轉換充電電壓的電位，使充電電壓的電位符合不同串聯數量之該電池。
請參閱第6圖，為一儲能系統R的電路示意圖，其中該儲能系統R包含複數個串聯電池開關模組100及一DC-DC電壓轉換器200，該些串聯電池開關模組100串聯於一第一電壓端V1及一第二電壓端V2之間，其中各該串聯電池開關模組100的結構及操作模式的切換與第1至5圖相同，於此並不再贅述。在本實施例中，該DC-DC電壓轉換器200具有一第一電容210、一第一開關組220、一電感組230、一第二開關組240及一電容組250，其中，該第一電容210之兩端電性連接該第一電壓端V1及該第二電壓端V2，該第一開關組220電性連接該第一電壓端V1及該第二電壓端V2，該電感組230電性連接該第一開關組220及該第二開關組240，該第二開關組240電性連接一第三電壓端V3及一第四電壓端V4，該電容組250電性連接該第三電壓端V3及該第四電壓端V4。
請參閱第6圖，在本實施例中，該第一開關組220具有一第一開關221、一第二開關222、一第七開關223及一第八開關224，該第一開關221及該第二開關222之一端電性連接該第一電壓端V1，該第一開關221之另一端電性連接該第七開關223之一端，該第二開關222之另一端電性連接該第八開關224之一端，該第七開關223之另一端電性連接該第二電壓端V2，該第八開關224之另一端電性連接該第二電壓端V2。
該電感組230具有一第一電感231及一第二電感232，該第一電感231之一端電性連接該第一開關221之另一端及該第七開關223之一端，該第一電感231之另一端電性連接一第三節點n3，該第二電感232之一端電性連接該第二開關222之另一端及該第八開關224之一端，該第二電感232之另一端電性連接一第四節點n4。
該第二開關組240具有一第三開關241、一第四開關242、一第五開關243及一第六開關244，該第三開關241及該第五開關243之一端電性連接該第三節點n3，該第四開關242之一端電性連接該第四節點n4，該第三開關241及該第四開關242之另一端電性連接該第二電壓端V2，該第五開關243之另一端電性連接該第三電壓端V3，該第六開關244之一端電性連接該第二電壓端V2，該第六開關244之另一端電性連接該第四電壓端V4。
該電容組250具有一第二電容251及一第三電容252，該第二電容251之一端電性連接該第三電壓端V3，該第二電容251之另一端電性連接該第四節點n4，該第三電容252之一端電性連接該第四節點n4，該第三電容252之另一端電性連接該第四電壓端V4。
其中，該DC-DC電壓轉換器200可透過對該些開關的控制，而處於該第一電壓端V1及該第二電壓端V2用以輸入電壓及該第三電壓端V3及該第四電壓端V4用以輸出電壓的一放電模式，或處於該第三電壓端V3及該第四電壓端V4用以輸入電壓及該第一電壓端V1及該第二電壓端V2用以輸出電壓的一充電模式。且透過該些該開關之責任週期的分配，讓該DC-DC電壓轉換器200具有高升降壓比，由於該些串聯電池開關模組100可能因為改變其電池串聯數量改變，使得該第一電壓端V1及該第二電壓端V2之間的電壓差可能會有著大幅的變化，因此，該DC-DC電壓轉換器200的高升降壓比相當符合其需求。
本發明之該串聯電池開關模組100藉由該雙向開關120、該單向限流元件130及該單向開關140的限流或導通，使得該電池110可正常的充放電或是旁路於充放電迴路外，讓狀況較差電池仍可與狀況較佳電池進行串接使用，以延續其使用壽命。
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，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。
100:串聯電池開關模組110:電池111:正極端112:負極端120:雙向開關121:第一電晶體122:第二電晶體130:單向限流元件131:陽極端132:陰極端140:單向開關141:第一單向限流單元142:開關元件141a:陽極端141b:陰極端200:DC-DC電壓轉換器210:第一電容220:第一開關組221:第一開關222:第二開關223:第七開關224:第八開關230:電感組231:第一電感232:第二電感240:第二開關組241:第三開關242:第四開關243:第五開關244:第六開關250:電容組251:第二電容252:第三電容n1:第一節點n2:第二節點n3:第三節點n4:第四節點R:儲能系統V1:第一電壓端V2:第二電壓端V3:第三電壓端V4:第四電壓端
第1圖：依據本發明之一實施例，一種串聯電池開關模組的電路圖。 第2圖：依據本發明之一實施例，一雙向開關及一單向開關的電路圖。 第3圖：依據本發明之一實施例，該串聯電池開關模組操作於正常充放電模式的示意圖。 第4圖：依據本發明之一實施例，該串聯電池開關模組操作於旁路充電模式的示意圖。 第5圖：依據本發明之一實施例，該串聯電池開關模組操作於旁路放電模式的示意圖。 第6圖：依據本發明之一實施例，一儲能系統的電路圖。
100:串聯電池開關模組
110:電池
111:正極端
112:負極端
120:雙向開關
130:單向限流元件
131:陽極端
132:陰極端
140:單向開關
141:第一單向限流單元
141a:陽極端
141b:陰極端
142:開關元件
n1:第一節點
n2:第二節點

Claims (10)

  1. 一種串聯電池開關模組，其包含： 一電池，具有一正極端及一負極端； 一雙向開關，其兩端分別電性連接該電池之該正極端及一第一節點； 一單向限流元件，其兩端分別電性連接該第一節點及一第二節點；以及 一單向開關，其兩端分別電性連接該第一節點及該第二節點。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之串聯電池開關模組，其中該雙向開關具有一第一電晶體及一第二電晶體，該第一電晶體及該第二電晶體串聯於該第一節點及該電池之該正極端之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之串聯電池開關模組，其中該第一電晶體及該第二電晶體皆為NMOS電晶體，該第一電晶體之一汲極電性連接該第一節點，該第一電晶體之一源極電性連接該第二電晶體之一源極，該第二電晶體之一汲極電性連接該電池之該正極端。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之串聯電池開關模組，其中該單向限流元件為一二極體，該單向限流元件具有一陽極端及一陰極端，該單向限流元件之該陽極端電性連接該第二節點，該單向限流元件之該陰極端電性連接該第一節點。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之串聯電池開關模組，其中該單向開關具有一第一單向限流單元及一開關元件，該第一單向限流單元及該開關元件串聯於該第一節點及該第二節點之間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之串聯電池開關模組，其中該第一單向限流單元為一二極體，該開關元件為一NMOS電晶體，該第一單向限流單元具有一陽極端及一陰極端，該第一單向限流單元之該陽極端電性連接該第一節點，該第一單向限流單元之該陰極端電性連接該開關元件之一汲極，該開關元件之一源極電性連接該第二節點。
  7. 一種串聯電池開關模組之模式切換方法，其包含： 提供一串聯電池開關模組，該串聯電池開關模組具有一電池、一雙向開關、一單向限流元件及一單向開關，該電池具有一正極端及一負極端，該雙向開關之兩端分別電性連接該電池之該正極端及一第一節點，該單向限流元件之兩端分別電性連接該第一節點及一第二節點，該單向開關之兩端分別電性連接該第一節點及該第二節點； 導通該雙向開關並截止該單向開關，使該電池處於一正常充放電模式； 截止該雙向開關並導通該單向開關，使該電池處於一旁路充電模式；以及 截止該雙向開關並截止該單向開關，使該電池處於一旁路放電模式。
  8. 一種儲能系統，其包含： 複數個串聯電池開關模組，串聯於一第一電壓端及一第二電壓端之間，其中各該串聯電池開關模組具有一電池、一雙向開關、一單向限流元件及一單向開關，該電池具有一正極端及一負極端，該雙向開關之兩端分別電性連接該電池之該正極端及一第一節點，該單向限流元件之兩端分別電性連接該第一節點及一第二節點，該單向開關之兩端分別電性連接該第一節點及該第二節點；以及 一DC-DC電壓轉換器，具有一第一電容、一第一開關組、一電感組、一第二開關組及一電容組，該第一電容之兩端電性連接該第一電壓端及該第二電壓端，該第一開關組電性連接該第一電壓端及該第二電壓端，該電感組電性連接該第一開關組及該第二開關組，該第二開關組電性連接一第三電壓端及一第四電壓端，該電容組電性連接該第三電壓端及該第四電壓端。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之儲能系統，其中該第一開關組具有一第一開關及一第二開關，該第一開關及該第二開關之一端電性連接該第一電壓端，該電感組具有一第一電感及一第二電感，該第一電感之一端電性連接該第一開關之另一端，該第一電感之另一端電性連接一第三節點，該第二電感之一端電性連接該第二開關之另一端，該第二電感之另一端電性連接一第四節點，該第二開關組具有一第三開關、一第四開關、一第五開關及一第六開關，該第三開關及該第五開關之一端電性連接該第三節點，該第四開關之一端電性連接該第四節點，該第三開關及該第四開關之另一端電性連接該第二電壓端，該第五開關之另一端電性連接該第三電壓端，該第六開關之一端電性連接該第二電壓端，該第六開關之另一端電性連接該第四電壓端，該電容組具有一第二電容及一第三電容，該第二電容之一端電性連接該第三電壓端，該第二電容之另一端電性連接該第四節點，該第三電容之一端電性連接該第四節點，該第三電容之另一端電性連接該第四電壓端。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之儲能系統，其中該第一開關組另具有一第七開關及一第八開關，該第七開關之一端電性連接該第一開關之另一端及該第一電感之一端，該第七開關之另一端電性連接該第二電壓端，該第八開關之一端電性連接該第二開關之另一端及該第二電感之一端，該第八開關之另一端電性連接該第二電壓端。
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