TW437141B - Battery system and electric vehicle using the battery system - Google Patents

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經濟部中夹螵隼局負工消贵合作江印货 437丨 4 1 A7 __B7___ 五、發明説明（1 ) 【發明所屬技術領域】 本發明係有關於電池系統，特別是有關適用於將電動 車等所使用之鋰電池的模組以數個連接起來的情況下的電 池系統。 【先行技術】 近來，鋰電池就電池重量輕且電池容量多的高密度電 池而在電動車等的用途上受到重視。但是，該電池對於過 度放電，過度充電的耐量少，當使用方法錯誤時會發火或 爆發。故對電池的電壓監視等的控制是必要的。 以往的系統如在文獻「Advanced Battery System For Electric Vehicle」EVS - 13 Ousaka Japan 中介紹有將連接 成數個串聯的模組再接續爲數個串聯的電池系統。各模組 係以單電池控制部來控制的。該單電池控制部爲了要控制 分散的各單電池，而作成設置並聯電路來控制模組內的分 散的單電池。又，全電池的控制則由蓄電池控制部來控 制，係將信號從各單電池控制部送到蓄電池控制部的系 統ΰ 【發明所欲解決之課題】 如上所述以往的系統係由模組內的單電池平衡來控制 的，然並未考慮到分散的模組間方面的控制。但是，就電 池系統言，在將多個模組串聯連接下，當模組間的分散加 大時，會出現僅有某個模組的電壓爲额定電壓而其他的模 良.¾•倀xjmi’aug家樣萆t cns > λ4*見格Υ ：：丨〇_< ；：<广公疫,» : ---------^------ίτ--------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局员工消费合作.7.t印裒 437f 4 ί A7 _B7_ 五、發明説明（2 ) 組爲低電壓，使得電池系統的容量未能被充分利用的課 題。又，當模組間有充電量的不平衡狀況時也會產生對電 路壽命出現不平衡的情事。 【用以解決課題之手段】 爲解決上述課題，於各模組設置並聯電路，再介由模 組控制電路來控制該並聯電路的方式來控制解決模組間的 分散問題。這樣一來，用雙向通信來連結各模組控制電路 與系統控制電路，再以交換各情報方式來控制減少充電分 散的問題。 【發明的實施形態】 首先，以第6圖，第7圖來說明EV (電動車）的構 成及電池系統的構成例。第6圖係混合電動車（Η E V ) 的構成。Ca r爲小客車車體，SH爲方向盤。ShH爲 前部座椅’而ShB爲後部座椅。Ba t爲組電池，係由 M d 1〜M d η的模組所構成的（僅圖示出M d 1〜 M d 6 )。又各模組係由數個單電池而構成的。E n g爲 引擎，由此處所發生的能量使車輪H L旋轉之際同時使發 電機G e η轉動發電，再將其電力通過充電器C h a充電 到組電池B a t 。又，組電池B a t係與電容器C 〇並聯 接續著，蓄積於組電池B a t的能量則介由反向變流器 I n v來轉動電動發動機M G驅動車輪H L。接著，於煞 車中利用聿輪H L讓電動發動機MG轉動發電，再將其電 ---------^------1Τ-----i (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 衣紙浪C度通用巾内闺本漂华i t:NS ) Λ4規格（公堵ΐ -5- 經濟部中央標準局Ν Η消费合阼.仕印" Α37ί4ΐ α7 Β7____ 五、發明説明（3 ) 力由反向變流器I η ν的再生運轉充電到,Ίί且電池B a t ° 又，引擎£ η g會轉動發電機G e η米心電’〗丨由：^電器 C h a充電將組電池B a t加以充電。這些的控制係藉著 系統控制部S Y C，根據控制組電池B a t ’反向變流器 I n v，充電器C h a與波線的信號來控制的3圖中粗的 箭頭表示能量的流程，波線的箭頭則表示信號的流程。 再者，其他的E V—系統中也有將引擎E n g與電動發 動機MG連接，而省略發電機G e η，充電器C h a的例 子。 第7圖爲電池系統的控制構成a組電池B a t係由電 池模組M d數個串聯連接成。模組M d則由數個串聯連接 的單電池所構成的。充電到組電池B a t的方法有從汽車 搭載的發電機G e η通過充電器C h a來進行，與將發生 煞車時的能量以電動發動機MG來發電然後通過充電器 C h a的方法=> 又，也能藉充電台等從商用電源a C通過 充電器C h a的方式進行。來自組電池b a t的放電則通 過反向變流器I n v而轉動電動發動機MG驅動汽車。這 些控制係藉由在系統控制部S Y C與充電器C h a ，組電 池B a t ，反向變流器丨n v之間相互傳遞情報而執行 的。 第8圖爲模組M d的構成^ β 1〜Β 8係由單電池8 個串聯連接構成了 1模組。T r +與T r —爲模組的正負 端子。C Μ則由電壓檢測器S c ,微電腦M〔，驅動器 D I C ’半導體冗件所組成的模組的控制電路所構成。 --------襄------IT-----ά. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本+(mf，： rNS, ΓΤΰΓΓ:07^-¾. ί

經濟部中夹標準局員二消費合阼杜印rR 们 7 "Γ Λ7 Β7____ 五、發明説明（4 ) 第1圖係表示本發明之一例的控制構成圖。顯示出由 電池模組M d 1 ，M d 2所構成之組電池B a t與系統控 制部S Y C的關係。電池模組M d 1係示例出串聯連接8 個單電池B1〜B8。於單電池B 1兩端連接著電阻件 R 1與半導體元件q 1的串聯電路，於單電池B 2〜B 8 也分別連接著各個電阻件R與半導體元件Q的串聯電路。 該半導體元件Q 1〜Q 8係根據來自微電腦M C的指令而 由驅動器D I V來驅動。又，各單電池Β 1〜Β 8的兩端 係被連接著電壓檢測器S C，各單電池的端子電壓用電壓 檢測器S C被測定然後介由檢測母線S S將其値送到微電

腦M C。微電腦M C與驅動器D I V係介由驅動母線D S 而被連接著。顯示部I Ρ被連接於微電腦，依照微電腦 M C的指令於顯示部I ρ顯示出異常等的必要事項。該模 組M d 1與M d 2〜M d η以圖中被串聯地連接方式，其 兩端連接於組電池B a t的正極端子Τ ρ與負極端子 Τ η »又’模組M d 1係介著絕緣元件p C 1與系統控制 部S Y C連接著。模組μ d 1與絕緣元件P C 1則介由母 線S C D i而連接著。同樣地，模組μ d 2〜M d η也介 絕緣元件F C 2〜Ρ C 8與系統控制部S Υ C連接。系統 控制部S Y C係由微電腦S μ C所控制，依照微電腦 S M C的指令於顯示部s Ρ Ρ顯示出異常等的必要事項。 就道種由數個單電池所組成的模組言，用數個組電池 構成該模組的理由舄鋰離子單電池對過充電，過放電的耐 S少’或有發熱，發火情況之故，而將電池分割成區（模| ί

___ I 本坻悵尺度適用肀问闽孓搮隼（) ⑴< :97公揸, '-———1 ----------^------ΐτ-----威 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消资合作社印製 ^37ί 4 1 9 Α7 _____Β7 五、發明説明（5 ) 組）可提高安全性，再者，鋰離子電池的電壓因有3〜 4 V高，將8個電池串連起來作爲模組則其電壓有2 4〜 3 2 V，便可輕易地於安全之電壓範圍做處理。就控制電 路方面便具有模組內的電壓爲2 4〜3 2 V以下，而電壓 之電路零件也齊備，索費少，容易構成等特徵。又，組電 池B a t也會有全體的電壓達3 Ο Ο V以上的情形，因 此，各模組M d與系統控制部S Y C之間就有必要以絕緣 元件P C來加以絕緣。 就第1圖的模組M d 1來說明其動作。各單電池B 1 〜B 8的電壓係被放入模組內的微電腦M C。微電腦MC 會於充電時監視各單電池Β 1〜Β 8的電壓，爲了補正分 散充電，當有電池電壓特別高的電池時，會使電阻件R與 半導體元件Q所構成的並聯電路設成Ο Ν，使充電電流往 並聯電路分流。如此一來由於充電電流會變得較其他的電 池少，故電壓慢慢地就會變得跟其他電池的相同。當電壓 跟其他電池的相等時，則使並聯電路0 F F。以這方式就 能使模組內的分散充電於模組之中進行控制。 其次，於模組M d間的分散充電發生情況下，會在模 組內的微電腦與系統控制部S Y C的微電腦之間相互傳遞 情報，系統控制部S Y C的微電腦會判斷哪個模組的電壓 高而給與各模組指令》例如，當模組M d 1的電壓高於其 他模組的電壓的値時，就會從系統控制部S Y C的微電腦 下達指令到模組M d 1的微電腦M C |使模組內全部的並 聯電路設成Ο Ν =藉此，因模組M d 1的充電電流會變得 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 蒗.

*1T -8- 437ί 4 Α7 Β7 經濟部中央標华局貝工消費合作ft卬焚 五 、發明説明 ( 7 ) ---- I 第 4 I TJ I 圖 爲 副 程式S U B 1的流 程 圖 。副程 式 S U B 1 1 1 1 係 執 行 電 壓 讀 取 的處理 。一開始時 設 定 模組數 η 與 模 組 編 1 ! 號 k — 1 0 其 次 ，要求 從系統控制 部 S y c至 模 組 Μ d 1 V 1 模 組 Μ d 1 的 電 壓V m 1。藉此， 模 組 M d 1 會 接 收 到 來 諳 先 開 1 ! 白 第 1 圖 所 示 之 微電腦 M C的指令 ，測定單電池B 1 讀 背 1 1 B 8 的 電 壓 抑 或從記 憶體中單電 池 B 1〜Β 8 的 電 壓 求 之 注 查 1 1 得 模 組 電 壓 V m 1然後 送至系統控 制 部 S Y C 0 其 次 1 判 事 項 两 ( 1 斷 模 組 編 號 k 曰 疋 否已爲 模組數η， 如 否 ，則進 行 k k + -π* 填 寫 本 袈 1 回 到 相 同 的 副 程式的_ 設定後。讀入模組M d 2 的電壓 頁 I 1 V m 2 〇 反 覆 以 上動作 直到η個模 組 Μ d η的 電 壓 全 都 讀 \ \ I 入 後 結 束 副 程 式 SUB 1回到起點 3 1 1 1 第 5 圖 係 副 程式S U Β 2的流 程 圖 。副程 式 S U B 2 1 訂 係 執 行 各 模 組 Μ .d 1， -M d η的電壓： 異常處 理 > 電 壓 比 1 1 較 並 聯 電 路 的 ON/ OFF。一 開 始 時設定 模 組 數 η 與 1 1 異 常 檢 知 電 壓 V 1 m - 並聯電路0 N 電 壓V u 模 組 編 [Trfe 疏 1 k = 1 其 次 1 比較模組電壓V m L與異常檢知電壓 線 I V ΠΙ 如 在 異 常檢知 電壓V i m 以 上 則在顯 示 部 S I P 1 I 發 出 警 報 執 行 顯示異 常使系統停 止 下 來等異 常 處 理 〇 再 1 1 I 者 ) 異 常 模 組 M d 1 也執行顯示 於 顯 示部I Ρ 後 回 到 起 1 ! I 點 0 如 在 異 常 檢 知電壓 V 1 m以下 則 求 出η個 模 組 的 平 均 1 [ 電 壓 V a 計 算 平均電 壓V a與模 組 的 電壓V m 1 之 差 電 1 1 壓 V d f 判 斷 該差電 壓V d f是 否 超 過一開 始 所 給 的 並 ! 1 聯 電 路 〇 N 電 壓 V u ， 超過時，使 並 聯 電路0 N •J 如 未 超 I 1 過 使 並 聯 電 路 OFF 。其次，判 斷 模 組編號 k 是 否 已 爲 1 1 1 本紙浪尺度通用中3國孓嘌华（rNS ) Λ4規洛（i …- ,10· 經濟部中央樣準局貝工消贽合作社印製 437M I A7 _ B7 _____ 五、發明説明（6 ) 較其他模組低之故，而慢慢地模組M d 1的電壓就會變成 與其他模組的電壓大致相等。 第2圖係表示本發明之其他例子之控制構成圖。與第 1圖相同之記號爲執行同樣的動作。與第1圖相異之點爲 分別於模組設置模組各自的並聯電路’與於組電池B a t 中設置絕緣元件P C。於模組M d 1中說明模組並聯電 路。模組並聯電路係由電阻件R 1 0與半導體元件Q 1 〇 的串聯電路所構成，且連接模組內單電池B 1〜B 8串聯 連接之雨端。該模組並聯電路係依微電腦M C的指令介由 驅動電路D I V而被驅動的。以這方式構成者，則即使模 組內的分散充電與模組間的分散充電同時發生，也能使兩 邊相對應。其次，第1圖之例中在組電池B a t之外配置 有絕緣元件P C，而第2圖中則在組電池B a t裡配置絕 緣元件P C =以這方式構成者，則不論系統控制部s Y C 係如何構成都能相對應，故能增廣其泛用性。 第3圖係表示本發明之一例之軟體的全體流程圖。表 示出第1圖，第2圖中所示之系統控制部S Y C與組電池 B a t的控制流程。當開始進行時，由副程式S U Β 1來 讀取各模組M d 1〜M d η的電壓。其次’由虽>1程式 S UB 2調查各模組Md 1〜Md η的電壓異常’如有異 ί，便進行異常的處理而停止下來u如無異常’則比較各 模組M d ]_〜M d η的電壓’根據該電壓差使並聯電路 〇 Ν / ◦ F F ,>於第4圖，第5圖的流程圓中詳細說明該 動作。 各氓乐乂度逋汛中闵淘孓捃苹.:（:NS 从况格1二丨）< 2<+,7公逢5 . Q . --------I------ΐτ------ ^ {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 11 9 Α7 Β7 五、發明説明（8 ) 模組數η，如否，則進行k = k + 1回到相同的副程式設 定後。使模組M d 2的電壓V m 2反覆進行與上述相同之 操作3當反覆以上動作直到η個模組M d η的電壓的全部 處理都結束時結束副程式S U Β 2回到起點。該例中雖在 平均電壓V a與模組電壓Vm的差電壓V d f超過某一電 壓水準V 1 m時，會設爲並聯電路Ο N的方式，但也可以 設成在相對於各模組電壓V in的最低値的差電壓超過基準 値時使並聯電路Ο N的方式。以上述方式設有控制各模組 的每個電池的模組控制電路，該模組控制電路係至少有1 個由微電腦所控制，本發明之特徵爲模組控制電路的電源 係從各模組所得並且介由電氣的絕緣進行與系統控制電路 之雙向通訊。 【發明之效果】 經濟部中央樣準局員工消费合昨社印" (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 由於以上述方式依本發明可將各模組與系統控制部介 由絕緣元件相互傳遞情報，故在各模組設置並聯電路，以 介由模組控制電路控制該並聯電路的方式來控制解決掉模 組間的分散情形。因此，由雙向通訊來連結各模組控制電 路與系統控制電路，以交換各情報方式來控制減少充電的 分散。本發明的效果有（1 )由於可減少模組間的分散充 電’故能確保系統的容量。（2 )可消除充電的分散，減 低電池模組的壽命低下情形，而得以提高信賴性。(3 ) 由於可減低壽命低下情形，故具經濟性。（4 )由於能分 刮模組與系統的控制，故其控制簡單，：又本發明的電源系 -11 - 437ί 4 1 Α7 __Β7______________ 五、發明说明（9 ) 統除了用於汽車以外也可於電力貯藏等方面使用3 【圖面的簡單說明】 第1圖係表示本發明之一例的控制構成圖。 第2圖係表示本發明之其他例子的控制構成圖。 第3圖係表示本發明之一例的軟體的全體流程圖。 第4圖係表示本發明之一例的副程式S U B 1的流程 圖。 第5圖係表示本發明之一例的副程式S U B 2的流程 圖。 第6圖係表示本發明之一例的混合自動車（Η E V ) 的構成。 第7圖係表示本發明之一例的電池系統的控制構成。 第8圖係表示本發明之一例的電池模組的構成。 【圖號說明】 M d 1〜M d η 電池模組， B 1 〜B 8 單 電 池 Μ C 微 電 腦 7 S c 電 壓 檢 測 器 J D I V 驅 動 器 1 I P 顯 示 部 ， R 1 〜R 8 電 阻 件 經濟部中夹標丰局員工消f"作让印'^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Q 1〜Q 8 半導體元件* 本纸張H適if!中闽改家標卑,:Css ) 210.x 公麾； -12- 437丨 4 A7 B7 五、發明説明（1〇) P C 1〜P C η 絕緣元件 Bat 組電池|

c C Ρ γ Μ Ρ s s S , 腦 部電 制微 控用 統統 系系 部 示 顯 統 系 --------^—— (請先鬩讀背面之注意事項再填寫本頁) ^τ -線 經濟部中央標準局員工消费合作让印製 本紙浪尺度適用中阀阐孓橾华I; CNS ) Λ4吡格·（ 2Ι0+Χ 2<>7公绛） -13-

Claims (1)

1. 4 f«73 4 ABICD 々、申請專利範圍 .1 ‘ 一種電池系統，係將單電池數個串聯連接構成1 個模組’再將串聯或並聯連接數個模組的組電池充電，抑 或將放電後驅動負荷的控制由系統控制電路來執行之電池 系統’其特徵爲具有：測定各模組每個模組電壓的手段， 與並聯連接於模組而將充電電流的1部並聯起來的並聯電 路’依照系統控制電路的指令，來控制並聯電路的動作。 2 . —種電池系統，係將單電池數個串聯連接構成1 個模組，再將串聯或並聯連接數個模組的組電池充電，抑 或將放電後驅動負荷的控制由系統控制電路來執行之電池 系統，其特徵爲具有：測定各模組每個模組電壓，且控制 充放電的模組控制電路，與並聯連接於模組而將充電電流 的1部並聯起來的並聯電路，依照系統控制電路的指令， 來控制並聯電路的動作。 經濟部中央標车局員工消費合作社印製 3 . —種電池系統，係將單電池數個串聯連接構成1 個模組’再將串聯或並聯連接數個模組的組電池充電，抑 或將放電後驅動負荷的控制由系統控制電路來執行之電池 系統，其特徵爲具有：控制各模組每個電池的模組控制電 路’而該模組控制電路係至少有1個由微電腦所控制，模 組控制電路的電源則從各模組所得並且介由電氣的絕緣來 進行與系統控制電路之雙向通訊。 4 ·如申請專利範圍第1項記載之電池系統，其中系 統控制電路係至少有1個由微電腦所控制，與各模組的通 訊係介由微電腦的串行通訊埠來進行的。 5 · - ·種電池系統，係將單電池數個串聯連接構成1 -14- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本ί ) 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS ) Μ現格（21〇X 297公釐） 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 43 7 ίΐ 4 1 as Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 個模組，再將串聯或並聯連接數個模組的組電池充電，抑 或將放電後驅動負荷的控制由系統控制電路來執行之電池 系統，其特徵爲具有：控制各模組每個電池的控制電路， 而該控制電路係至少有1個由微電腦所控制|控制電路的 電源則從各模組所得並且介由電氣的絕緣來進行與系統控 制電路之通訊，再附加供作控制模組間充電分散之並聯電 路。 6 .如申請專利範圍第5項記載之電池系統，其中將 設置於各模組內之供作補正模組內電池的分散之並聯電路 兼用於控制模組間的分散方面。 7 . —種使用電池系統之電動車，係將單電池數個串 聯連接構成1個模組，再將串聯或並聯連接數個模組的組 電池充電，抑或將放電後驅動負荷的控制由系統控制電路 來執行之使用電池系統之電動車 > 其特徵爲具有：控制各 模組每個電池的模組控制電路，而該模組控制電路係至少 有1個由微電腦所控制，模組控制電路的電源則從各模組 所得並且介由電氣的絕緣來進行與系統控制電路之雙向通 訊。 8 .—種使用電池系統之電動車，係將單電池數個串 聯連接構成1個模組•再將串聯或並聯連接數個模組的組 電池充電，抑或將放電後驅動負荷的控制由系統控制電路 來執行之使用電池系統之電動車，其特徵爲具有：控制各 模組每個電池的控制電路，而該控制電路係至少有1個由 微電腦所控制，控制電路的電源則從各模組所得並且介由 本紙張尺度適用中國囷家標準（CNS 说格（210X297公釐） -15- ~ ^------^------線' (請先閔讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 3 7ί 4 f ί ABCD 六、申請專利範圍電氣的絕緣來進行與系統控制電路之通訊，再附加供作控 制模組間充電分散之並聯電路。 ^，1τ------ 0 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部_央標隼局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用t國國家榡準（CNS ) Α4规格（210Χ297公釐） -16-