TWI343160B - Apparatus and method for bucking voltage of battery pack - Google Patents

Description

1343160 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種利用脈寬調變（pulse…齡 modu丨ati0n，PWM)使電池放電之裝置與方法，當用於電動交 5通工具、複合交通工具、或類似之裝置之電池組的電池平 衡時。 | 【先前技術】 例如，利用電能做為能量來源的電動車，其備有一由 10複數個電池構成的電池組以提供所需之能量。由於電池組 包含有複數個電池，因此，需要均一化每一個電池的電壓， 以提昇其穩定度與壽命，並且得到高功率。根據載體結構， 電動車可備有複數個電池組，每一個電池組由十個電池組 成電池管理系統（battery management system ，BMS)充電 15 或放電電池組裡的電池，使每一個電池擁有適當的電壓。 藝然而，由於各種原因，如内部阻抗改變…等等，複數個電 池要穩定的維持平衡狀態是很困難的。因此，需提供此電 • 池管理系統一平衡功能，來平衡複數個電池的充電狀態。 根據習知技術，為了統一高電壓電池組中，複數個電 2〇池的電壓，放電電阻器（降壓電阻器）連接到一顯示高電壓 (超過平均電壓）之電池。因此，電池能量被電阻器消耗，進 而降低整個電池組中不同電壓的差異。此方法是藉由控制 電路，以開/關（on/off)模式來放電。然而，此方法在放電操 作時，電池的電壓會下降。若電池的電壓下降，並且電阻 5 1343160

V '9 益固定不動，則根據歐姆定律（V = IR)，電流流量也會下 降。因此’當放電進行時，放電的效果也會降低。此外， 由於固態繼電器（solid state relay ，SSR)允許之最大電流流 量有限制，如果利用SSR，初始放電是由低電壓開始進行。 5 再者，由於放電時間很長，因此想要在限制時間内完全完 成放電操作是不可能的。 圖1顯示當電池以傳統方式放電時，其電池電壓、電池 電流、與放電能量。在傳統的放電方法中，放電目標電池 與放電電阻連接，使目標放電電池的電壓降低。此時，如 10圖1所示，由於放電電阻是固定的，所以放電效果隨著時間 經過而降低。 例如’定義電池的最高電壓為4·5 V，放電電阻消耗的 力率為1 W，電流⑴約為220 mA (P=VI)。因此，電阻（R)為 22·5 (V=IR)。習知之方法，是採用固定電阻。當電池電壓 15變成2.5V時’若使用此電阻（R=22.5)，則經過的電流約為u〇 mA (V=IR) 〇 ® 此時’電阻消耗的放電功率P約為0.275W (P=VI)。 換句話說’由於功率被放電電阻消耗，電壓和電流會 奴著時間的推移而減少，因此被放電電阻消耗的能量也 -20 少。 I綜上所述，習知技術的放電效果會隨著時間流逝而減 少，而使電池壓降被延遲。因此，習知技術無法在有限定 的時間中，使電池完全放電。 6 1 1343160 【發明内容】 本發明可解決上述問題。本發明的目標是提供一電池 放電之裝置和方法，適用於電壓不均一之電池組中的電池 快速放電。 5 本發明提供一降低具有電池管理系統（battery management system，BMS)之特定電池的電壓的方法。此電 池管理系統是用來均勻化電池組中複數個電池的電壓。其 _ 中，電池與放電電阻經由一固態劑繼電器（SSR)連接。並且 SSR可接受的最大電流限制、以及放電電阻器可接受的最大 10功率，利用SSR的控制訊號均可被脈寬調變（PWM)所控制。 根據電池電壓，而允許流入SSR的平均電流流量與最大可接 受電流流量相同，因此，當SSR的操作穩定度安全時，電池 剩餘的充電量於短時間内下降。換句話說，根據本發明， 提供SSR — PWM形式之控制訊號，以使放電電阻器（降壓電 15 阻器）所消耗之能量固定不變。 據此，本發明提供一電池之壓降方法，其步驟包括： • 量測一電池組之複數個電池中之一目標放電電池的一電 壓’利用里測得到之該電壓之數值與一放電電阻之數值， 。十算一連接於該目標放電電池、與該放電電阻之開關區塊 20之一脈寬調變功率；以及根據該功率控制該開關區塊，以 維持該放電電阻所消耗之能量固定不變。 另外，本發明提供一電池壓降裝置，包括：一放電電 阻’連接於該電池組中複數個電池其中一目標放電電池， 並且使該目標放電電池之電壓下降；一開關區塊，連接於 7 1343160 5玄目標放電電池、與該放電電阻；-電壓量測區塊，用來 •量測目Τ放電電池之電壓；以及—控制區塊，係根據該電 池所測量到之電壓值來控制該開關區塊以維持該放電電 阻所消耗之能量固定不變。 ^5 * 【實施方式】 在下文，本發明之一較佳實施例以及對應之圖式將被 描述在本發明的下列描述中，當已知功能的詳細的說明 • 與此中與其搭配結合之結構，其描述可能使本發明的主要 10 内谷相當不清楚時，將被忽略。 圖2係本發明一較佳實施例之電池壓降裝置之結構示 意圖。圖3Α〜3C顯示本發明實施時，電池電壓、電池有效 電流 '與放電功率之圖形。圖4則為本發明一較佳實施例之 電池放電方法之流程圖。 15 首先，如圖1所示’電池降壓裝置包括一電池104、一放 電電阻Rb用來降低電池104之功率，一開關區塊1 〇2連結電 _ 池1 和放電電阻Rb ’ 一電壓量測區塊1 〇6用來測電池j〇4 的電壓，以及一控制區塊100,其係根據電池測得的電壓用 來控制開關區塊。如此一來，放電電阻所消耗的能量可維 •20 持固定不變。 上述發明結構之技術特徵為，提供於放電電阻之有效 電流可藉由PWM控制而使放電電阻消耗之放電功率維持固 定不變。因此，一固定能量可被放掉，而與電池隨著時間 的電壓降無關。 8 1343160 在下文，本發明的過程將被明確描述。 首先，如果一電池104為了平衡在電動車或者複合式車 輛裡的電池組而放電，電壓量測區塊106週期性地測量電 池104的電壓，例如每1秒測量，直到電池1 〇4的壓降完成為 、 止。當所測得的電壓數值提供給控制區塊丨〇〇時，控制區塊 100使用电池104所測董得到的電壓數值和放電電阻的數值 來計算PWM功率。計算過程如下。 P = VI (方程式1) 鲁 v = IR (方程式2) 10 另外，定義Rb為放電電阻：放電時的最低電壓並可計 算放電電阻Rb ’也就是在電池之使用範圍内的最低電壓為 Vmin ;在最低電壓之電流為Imin ;以及放電電阻Rb消耗之 放電功率為Pmax。下列方程式是由方程式1和2而來的。

Rb = VmJ/Pmax (方程式 3) 15 當利用放電電阻來放電時’為了控制提供給放電電阻

Rb的電流’在脈寬調變（pulse width modulation，PWM)模 鲁 式方面進行開關操作來調整有效電流。這個時期，定義可調 整的電流是IPWM ;不受PWM功率調整影響的電流，亦即當 • 功率是1 〇〇%時的電流為Inormal ;以及目前的電壓是vb。一 20 個PWM功率的計算方程式可從下列兩個方程式獲得。

IpWM = Pmax/Vb (方程式 4)

In〇rma丨=Vb/Rb (方程式 5) PWM duty rate = (IPWM’In〇rmai)*100 (%)(方程式 6) 由上述三個方程式，可導出下式： 9 1343160 P WM duty rate = (Rb*Pmax/vb2)* 丨 〇〇 (%)(方程式 7) 而且，由方程式3和7可得到下式： PWM duty rate = (Vmin2/ Vb2)* 1〇〇 (%)(方程式 8) ，了使理解變得容易’以方程式3和7為例敘述如下。 5 若PmaX = 1W且Vmin = 2.5V，則可由方程式3得到

Rb( 6.25)。在這個時期’當Vb達到時，功率 應該是100〇/〇。因此，可從方程式8得知，當Vb是2 5 v。 夺PWM功率成為1 〇〇%，而當vb是4.5 V時，p\VM功率根 籲據方程式8大約為30.86%。 10 換句話說，控制區塊1〇〇能從方程式3來決定Rb，並且 利用電池電壓Vb獲得功率。每當電壓被測量的時候，根據 方程式8可獲得Vb。 當功率是根據目前測量的電池電壓來計算時，基於被 計算的PWM功率’控制區塊1〇〇控制開關區塊1〇2，以開關 15 放電電池1 與放電電阻Rb的連接狀態。 例如，開關區塊1 〇〇能延長其壽命，並且藉由使用一固 φ 態繼電器（solid state relay，SSR)表現出更確實的開關動作。 此固態繼電器為一半導體繼電器。 ' 藉由週期性地測量目前的電池電壓，上述過程反覆進 •20 行’直到相應電池104的壓降被完成。 如上所述，根據本發明，有效電流透過開關區塊的PWM 控制而被調整，此亦對應於電動或複合式車輛的電池組的 電池放電時，產生的電池壓降。因此，無論電池的電壓為 何’放電功率均可保持恆定，因此，電池便可以快速放電。 1343160 另外，由於用來放電的電阻器的瓦特（W)數，在考慮電 池的最大電壓時並未決定，反而是由被PWM控制的有效功 率计算出來。因此，不需要使用一遠大於所需之高瓦特數 電阻器，進而在產品的裝備以及價格上具有許多優勢。

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此外，固態繼電器被用做開關區塊時，因為固態繼電 器有一可接受的電流流量上限，所以當電池在最高電壓進 行放電時，元件可能被損壞。但是，根據本發明，由於 放電操作，是透過PWM控制所調整的電壓來進行，因此， /μ入固態繼電器的平均電流流量是在固態繼電器可接受的 最大的電流流量内。此故，元件沒有受到損害的可能性， 並且操作的穩定也被改進。 雖然本發明以及其較佳實施例已被描述，需了解本發 明之技術可在種類以及細節上做各種變化，而不離開本發 明之精神以及所申請之專利範圍。 Χ 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發 主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述 " ..,.4·· ife / ί …卡’而非僅限 【圖式簡單說明】 與優點，可藉由 更明顯的表示出 上述以及本發明之其他標的、特色、 以下的詳細的描述以及其對應之圖式， 來，其中： 圖1Α〜1C係當一電池以傳統方式放電時，電、、也 電流、與放電功率之波形圖。 電壓、電池 20 1343160 圖2係本發明一較佳實施例之電池壓降裝置之結構示意圖。 圖3A〜3C係本發明一較佳實施例之—電池放電時，電池電 壓、電池有效電流、與放電功率之波形圖。 圖4係本發明一較佳實施例之電池放電方法之流程圖。 【主要元件符號說明】 控制區塊100 電愿量測區塊106 開關區塊102 電池1 04

Claims (1)

1343160 、’第 95101328 號，98 年 8 月修正頁 ^ ' 一~—'------ 、- 切幻正停換I * - ——.__ —一j 十、申請專利範圍： 1. 一種電池組之降壓裝置，包括： 一放電電阻，連接於該電池組中複數個電池其中—目 - 標放電電池’並且使該目標放電電池之電壓下降； .5 一開關區塊，連接於該目標放電電池、與該放電電阻； ^ 一電壓量測區塊，用來量測目標放電電池之電壓；以 及 φ 一控制區塊，係根據該電池所測量到下降之電壓值來 增加該開關區塊之一功率（duty rate)以控制該放電電阻之 10 一有效電流，藉此維持該放電電阻所消耗之能量固定不變。 2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該開關 區塊為一固態繼電器（solid state relay，SSR)。 3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該控制 區塊控制該開關區塊以在一脈寬調變模式調整該功率。 15 4.如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中，流入該 固態繼電器中之一平均電流流量，為一可接受之最大電流 流量。 5. 如申請專利範圍第3項所述之裝置，其中，由於該 放電電阻之數值已被決定，因此，當該電池之一測量值 20 (Vb)，於該電池之使用範圍内達到最低電壓（Vniin)時，該 功率變成100%。 6. 如申請專利範圍第3項所述之裝置，其中，該脈寬 調變之功率係由下列方程式計算獲得， PWM duty rate = (Rb*Pmax/Vb2)* 100 (〇/〇) = (Vmin2/Vb2)*]00 (%) 13 1343160 __ ―以>|修(更)正替換頁 其中，vb :該電池之量測電壓； Vmin:該電池之使用範圍内之最低電壓； Pmax :該放電電阻（Rb)消耗之功率。 7. —種電池組之降壓方法，其步驟包括： 5 量測一電池組之複數個電池中之一目標放電電池的一 : 電壓； 根據該電池所測量到下降之電壓值來增加該開關區塊 之一功率（duty rate);以及 • 根據該功率控制該開關區塊以控制該放電電阻之一有 1〇 效電流，藉此維持該放電電阻所消耗之能量固定不變。 8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，該開關 區塊為一固態繼電器。 9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，該控制 區塊控制該開關區塊以在一脈寬調變模式調整該功率。 15 1〇.如申清專利範圍第8項所述之方法，其中，流入該 固態繼電器中之一平均電流流量，為—可接受之最二電流 拳 流量。 11·如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，由於該 放電電阻之數值已被決定，因此，當該電池之一測量值 20 (Vb)，於該電池之使用範圍内達到最低電壓（Vmin)時，該 功率變成100%。 12.如申請專利範圍第7項所述之方法’其中，該脈寬 調變之功率係由下列方程式計算獲得， PWM duty rate = (Rb*Pmax/Vb2)M00 (〇/〇) = (Vmin2/vb2)M〇〇 (〇/〇) 25 其中’ Vb :該電池之量測電壓； 1343160

厂 9S. Vmin :該電池之使用範圍内之最低電壓； Pmax :該放電電阻（Rb)消耗之功率。

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