TWI399899B - 電池組電路、電池系統及電池組保護方法 - Google Patents

電池組電路、電池系統及電池組保護方法 Download PDF

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Description

電池組電路、電池系統及電池組保護方法
本發明係關於一種電路保護裝置，特別是一種與電池相關的電路保護裝置。
電力工具以及電動車等電力設備可由電池組提供電力。具有多個電池單元的電池組可能遇到電池單元或電池模組間的開路問題。如果電池組操作在開路狀況下，電池組的全部電壓將加於開路部分之上。因此而產生的高電壓會導致電池組中的測量電路(例如，電池單元電壓測量電路)有誤或失效。開路情況會導致電池組被關閉(shut down)(例如，電池管理系統與整個電池組或部分電池組的通信中斷)。因此，電池組將無法為負載(例如，例如電動汽車系統)供電。這樣，電動汽車系統可能無法啟動或操作。
本發明提供一種電池組電路，多個電池模組；以及多個保護電路，分別耦接至該多個電池模組，每一該電池模組包括：一控制器，耦接至該多個電池模組中一相對應電池模組，並檢測與該相對應電池模組相關的一故障；以及一旁路電路，耦接至該相對應電池模組和該控制器，並在該控制器檢測到與該相對應電池模組相關的該故障時，將一電流從該相對應電池模組分流開。
本發明還提供一種電池系統，包括：一負載；以及一電池組，耦接至該負載，並為該負載提供一電能，該電池組包括：多個電池模組；多個電池管理單元，耦接至該多個電池模組，檢測每一該電池模組的一狀態，並基於該狀態從該多個電池模組中識別一故障電池模組；以及多個旁路電路，耦接至該多個電池模組和該多個電池管理單元，將一電流從該故障電池模組分流開。
本發明還提供一種電池組保護方法，包括：分別監測一電池組中多個電池模組的多個狀態；基於該多個狀態，將發生一故障的該多個電池模組之其中之一識別為一故障電池模組；以及將一電流從該故障電池模組分流開。
以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。
此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，提供了大量的具體細節。然而，於本技術領域中具有通常知識者將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。
根據本發明一實施例，一組保護電路可保護一組電池 模組使免於故障或非預期狀況，例如，電池單元間之開路或不良連接(loose connection)。在一實施例中，每一保護電路與一相對應之電池模組並聯耦接，並包括一控制器和一旁路(shunt)電路。控制器監測相對應電池模組的狀態，並檢測相對應電池模組是否發生故障或非預期狀況。換言之，控制器將與故障或非預期狀況相關的電池模組識別為一故障電池模組。當控制器檢測到故障或非預期狀況存在時，旁路電路將電流從故障電池模組分流開。這樣，故障電池模組被短路而其他正常電池模組可繼續工作，例如，供電或充電。由於電池組並非被徹底關斷，電池管理系統可與電池組的至少一部分進行通信。另外，在一實施例中，電池管理系統依靠減弱的電量維持，可有足夠的時間發送故障警報信號和/或執行校正的動作以解決偵測到之故障。
圖1所示為根據本發明一實施例包含增強電池組的系統100方塊圖。系統100包括一電池組120和一負載130。電池組120包括多個電池單元並對負載130供電。多個電池單元可串聯、並聯或串並組合的連接方式互相耦接，以為負載130提供所需電壓、電量、或功率。在一實施例中，電池單元被分成多個電池模組。在圖1所示的實施例中，電池組120包括電池模組122、124和126。每一電池模組包括一或多個電池單元。在一實施例中，每一電池模組進一步包括一正端和一負端，以與相鄰之電池模組耦接。圖1中的電池模組數目為示意性而並非限制性。電池組120可包含任意個數的電池模組。
在電池組120中，電池模組122、124和126分別透過正、負端與保護電路108、110和128耦接。保護電路108、110和128保護電池組120使免於故障或非預期狀況，例如，電池單元間之開路。保護電路108、110和128彼此之間類似。
圖2所示為根據本發明一實施例的保護電路108示意圖。保護電路108包括一旁路電路106和一控制器118。
在一實施例中，控制器118持續監測電池模組122的狀態。控制器118可根據電池模組122的狀態檢測電池模組122中之多個電池單元間的開路。在一實施例中，控制器118包括一檢測模組142和一控制模組146。檢測模組142根據電池模組122的狀態檢測電池模組122中的開路。如果檢測模組142檢測出電池模組122中有開路，控制模組146致能旁路電路106將電流從電池模組122分流開。
圖3A所示為根據本發明一實施例電池模組122在正常狀態下的電池模組電壓波形圖。圖3A將結合圖1與圖2進行描述。在圖3A中，橫軸X代表時間，縱軸Y代表電池模組122的電池模組電壓。在圖3A的示例中，波形為一方波302，因為圖1中由電池組120向負載130傳遞的電量可受控於一由脈衝寬度調變信號(PWM)控制之開關(圖中未示)。在一實施例中，方波302的頻率可隨PWM信號之責任週期的變化而改變。同時，方波302的振幅也可基於電池模組122中電池單元的電荷狀態(State of Charge，SOC)和健康狀態(State of Health，SOH)而 改變。
圖3B所示為根據本發明一實施例電池模組122在開路狀況下的電池模組電壓波形圖。圖3B將結合圖2進行描述。在圖3B中，橫軸X代表時間，縱軸Y代表電池模組122的電池模組電壓。如果電池模組122中的電池單元在時間T1時發生開路，波形304的斜率，即電池模組電壓的電壓變化率，亦相應的發生變化。同時，因為開路處的相對高壓，電池模組電壓在時間T2可能超過一電壓臨界值V1。
如圖2所示，在一實施例中，檢測模組142包括一電壓檢測器134和/或一電壓變化率(dv/dt)檢測器132。電壓檢測器134檢測電壓模組122的電池模組電壓，並比較檢測到的電池模組電壓與一電壓臨界值(例如，圖3B中所示之電壓臨界值V1)。在一實施例中，如果檢測到的電池模組電壓超出電壓臨界值，檢測模組142指示控制模組146輸出一控制信號致能旁路電路106。因此，旁路電路106將電流從電池模組122分流開。換言之，電池模組122被旁路電路106短路。電壓變化率檢測器132監測電池模組122的電池模組電壓的電壓變化率，以檢測開路狀況，例如，電壓變化率檢測器132可比較電池模組電壓的電壓變化率與一臨界值。在一實施例中，如果電壓變化率超出臨界值，電壓變化率檢測器132指示控制模組146輸出一控制信號致能旁路電路106。
在一實施例中，耦接至電池模組122之旁路電路106包括電晶體102和104。電晶體102和104分別耦接至一 本體二極體112和114。在一實施例中，電晶體102與104串聯耦接以建立一電流路徑。具體地說，如果電池模組122在放電過程中遇到開路狀況，例如，當電池組120為負載130供電時，電晶體102導通而電晶體104關斷。因此，電流沿著本體二極體114至電晶體102的方向流經旁路電路106。如果電池模組122在充電過程中遇到開路狀況，例如，當電池組120在充電時，電晶體102關斷而電晶體104導通。因此，電流沿著本體二極體112至電晶體104的方向流經旁路電路106。
在一實施例中，待旁路電路106被致能後，控制器118持續監測電池模組122的狀態，當電池模組122回到正常狀態時(例如，當電池模組電壓下降至電壓臨界值以下時)，旁路電路106即被除能。
在一實施例中，檢測模組142包括電壓檢測器134或電壓變化率檢測器132中之其中之一。在另一實施例中，檢測模組142同時包括電壓檢測器134和電壓變化率檢測器132，以增強安全性和可靠性。另外，在一實施例中，當電壓檢測器134或電壓變化率檢測器132中之其中之一檢測到開路狀況時，控制模組146可輸出一控制信號致能旁路電路106。
在圖2的示例中，保護電路108為一獨立設備。在另一實施例中，保護電路108中的控制器118被整合於電池管理單元(BMU)中。在圖2中未示出電池管理單元，將在圖4中詳細描述。電池管理單元可包括多個監測器，每一監測器用來檢測電池模組122中的每一相對應電池單元 的狀態，例如，電壓。
如圖1所示，保護電路110和保護電路128具有與保護電路108相似的結構，分別保護電池模組124和電池模組126使免於故障或非預期狀況，例如，電池單元間之開路。
總之，透過檢測電池組120中電池模組的狀態，例如，電壓或電壓變化率，保護電路108、110或128可檢測出相對應之電池模組122、124或126是否發生故障或非預期狀況，例如，電池單元間之開路。保護電路108、110或128進一步利用一旁路電路106將故障之電池模組短路，以避免開路處出現相對高壓。因此，電池組120中的電池單元電壓測量電路(圖1中未示)可保持正常工作。另外，電池組120中其餘之正常電池模組可正常工作。這樣，電池組120仍可為負載130提供減弱的電力，而非徹底關斷。因此，負載130，例如一電動車，可避免發生電源故障。此外，依靠減弱的電量維持，電池管理電路(圖1中未示)可有足夠的時間發送故障警報信號和/或執行校正動作以解決所檢測到之故障。這樣的構造提供了電動車領域中所需的“緊急操作”(Limp home)能力。
圖4所示為根據本發明一實施例保護電路208示意圖。保護電路208包括一旁路電路206和一電池管理單元248。旁路電路206可為一矽控整流器(Semiconductor Controlled Rectifier，SCR)、一三端雙向可控矽開關(Triode AC semiconductor switch，TRIAC)、或類似裝置。旁路電路206與電池模組122並聯耦接。
與圖2所示之獨立保護架構不同，控制器118係整合於電池管理單元248中以實現電池管理單元整合保護架構。因此，電池管理單元248可檢測並回應電池組120中的開路。在一實施例中，電池管理單元248檢測電池模組122中的電池模組電壓或電池模組電壓的電壓變化率，並據此致能/除能旁路電路206。如果電池模組122發生了開路，旁路電路206可將電流從電池模組122分流開。在此情形下，電池模組122被旁路電路206短路。其餘正常的電池模組，例如電池模組124和126，可繼續供電以維持系統100的工作。
圖5所示為根據本發明另一實施例增強電池組500示意圖。除電池模組122、124和126，以及保護電路108、110和128之外，電池組500進一步包括冗餘(redundant)端502、504和506。冗餘端502耦接至電池模組122的負端512。冗餘端504耦接至電池模組124的負端514。冗餘端506耦接至電池模組126的負端516。除了置於最頂端之電池模組122的正端510直接耦接至保護電路108以外，保護電路108、110和128係透過冗餘端502、504和506耦接至電池模組122、124和126，而非直接耦接至電池模組122、124和126之正負端。因為此種結構，每一一電池模組，相對應之冗餘端以及冗餘端間的連線被視為一整體元件(例如，一個黑匣子)與相對應之保護電路合作。
有利之處在於，如果開路發生於電池模組122、124和126之間，保護電路108、110和128仍然可識別出發 生開路的故障電池模組並將電流從故障電池模組分流開。例如，如果電池模組122與124間發生開路，保護電路110可透過冗餘端502及504感應電壓以檢測開路發生。據此，電流從電池模組124分流開。另外，如前文關於圖2之所述，每一電池模組中的電池單元間之開路都可由相對應的保護電路檢測得之。這樣，電池模組122、124和126內部的開路和電池模組122、124和126之間的開路都可被透過保護電路108、110和128檢測到，保護電路108、110和128的可靠性可進一步得到加強。
在一實施例中，冗餘端502、504和506分別與負端512、514和516完全相同。例如，冗餘端502、504和506具有與負端512、514和516基本相當的電流承載能力。另外，圖5中所示的電池模組數目為示例性的，並非限制性的。電池組500可包含任意數目個電池模組。
或者，在另一實施例中，冗餘端可分別耦接至電池模組的正端。除置於最底端之電池模組的負端直接耦接至相對應的保護電路以外，保護電路係透過冗餘端耦接至電池模組，而非直接耦接至電池模組之正負端。此種結構的電池組工作方式與圖5中電池組500相類似。
根據本發明實施例的保護電路可適用於檢測與電池組120相關的不良連接或其他類似故障。
圖6所示為根據本發明一實施例保護電池組的方法流程600。儘管在圖6中揭示了具體的步驟，這些步驟僅為示例性的。也即，本發明可執行其他步驟或圖6中步驟的變形。圖6將結合圖1和圖2進行說明。
在步驟610中，電池組中的電池模組之狀態被分別監測。例如，耦接至電池模組122的保護電路108包括一電壓檢測器134，用於監測電池模組122的電池模組電壓，以及一電壓變化率檢測器132，用於監測電池模組122的電池模組電壓的電壓變化率，以檢測電池模組122的開路。
在步驟620中，基於電池模組之狀態，發生故障的電池模組被識別為故障電池模組。當一相關於電池模組122的故障(例如，開路)發生後，控制器118可檢測到故障的存在並將電池模組122識別為故障電池模組。在一實施例中，如果被檢測到之電池模組122的電池模組電壓超出一電壓臨界值，控制器118將電池模組122識別為故障電池模組。
在步驟630中，將電流從故障電池模組分流開。例如，控制器118致能旁路電路106，以使電流從電池模組122分流開。在一實施例中，電池模組122在放電過程中遇到開路時之電流方向係與在充電過程中遇到開路時相反。有利之處在於，電池組120中其餘之正常電池模組並非被徹底關斷，仍可向負載130提供一個減弱的電量。
上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離後附申請專利範圍所界定的本發明精神和保護範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本技術領域中具有通常知識者應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而 非限制，本發明之範圍由後附申請專利範圍及其合法均等物界定，而不限於此前之描述。
100‧‧‧系統
102‧‧‧電晶體
104‧‧‧電晶體
106‧‧‧旁路電路
108‧‧‧保護電路
110‧‧‧保護電路
112‧‧‧本體二極體
114‧‧‧本體二極體
118‧‧‧控制器
120‧‧‧電池組
122‧‧‧電池模組
124‧‧‧電池模組
126‧‧‧電池模組
128‧‧‧保護電路
130‧‧‧負載
132‧‧‧電壓變化率檢測器
134‧‧‧電壓檢測器
142‧‧‧檢測模組
146‧‧‧控制模組
206‧‧‧旁路電路
208‧‧‧保護電路
248‧‧‧電池管理單元
302‧‧‧方波
304‧‧‧波形
500‧‧‧電池組
502‧‧‧冗餘端
504‧‧‧冗餘端
506‧‧‧冗餘端
512‧‧‧負端
514‧‧‧負端
516‧‧‧負端
600‧‧‧流程
610、620、630‧‧‧步驟
以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：圖1所示為根據本發明一實施例包含增強電池組的系統方塊圖。
圖2所示為根據本發明一實施例的保護電路示意圖。
圖3A所示為根據本發明一實施例電池模組在正常狀態下的電池模組電壓波形圖。
圖3B所示為根據本發明一實施例電池模組在開路狀況下的電池模組電壓波形圖。
圖4所示為根據本發明一實施例保護電路示意圖。
圖5所示為根據本發明另一實施例增強電池組示意圖。
圖6所示為根據本發明一實施例保護電池組的方法流程。
102‧‧‧電晶體
104‧‧‧電晶體
106‧‧‧旁路電路
108‧‧‧保護電路
112‧‧‧本體二極體
114‧‧‧本體二極體
118‧‧‧控制器
122‧‧‧電池模組
132‧‧‧電壓變化率檢測器
134‧‧‧電壓檢測器
142‧‧‧檢測模組
146‧‧‧控制模組

Claims (13)

  1. 一種電池組電路，包括：多個電池模組；以及多個保護電路，分別耦接至該多個電池模組，每一該保護電路包括：一控制器，耦接至該多個電池模組中一相對應電池模組，並檢測與該相對應電池模組相關的一故障；以及一旁路電路，耦接至該相對應電池模組和該控制器，並在該控制器檢測到與該相對應電池模組相關的該故障時，將一電流從該相對應電池模組分流開，其中，當該故障發生於該多個電池模組的一放電過程中時，流經該旁路電路中的該電流以一第一方向流過，當該故障發生於該多個電池模組的一充電過程中時，流經該旁路電路中的該電流以一第二方向流過。
  2. 如申請專利範圍第1項的電池組電路，其中，該多個電池模組串聯耦接，且其中，該故障包括串聯耦接的該多個電池模組中的一開路狀況。
  3. 如申請專利範圍第1項的電池組電路，其中，該控制器包括一電壓檢測器，耦接至該相對應電池模組，並檢測該相對應電池模組的一電池模組電壓，並比較該電池模組電壓與一電壓臨界值，以決定該故障的存在。
  4. 如申請專利範圍第1項的電池組電路，其中，該控制器包括一電壓變化率檢測器，耦接至該相對應電池模 組，並檢測該相對應電池模組的一電池模組電壓的一電壓變化率，以決定該故障的存在。
  5. 如申請專利範圍第1項的電池組電路，其中，該旁路電路包括多個電晶體。
  6. 如申請專利範圍第1項的電池組電路，其中，該旁路電路包括一矽控整流器(SCR)。
  7. 如申請專利範圍第1項的電池組電路，其中，該控制器係整合於一電池管理單元中。
  8. 如申請專利範圍第7項的電池組電路，其中，該電池管理單元檢測該電池模組的一狀態，並基於該狀態識別該電池模組為一故障電池模組。
  9. 如申請專利範圍第1項的電池組電路，其中，每一該保護電路為一獨立裝置。
  10. 如申請專利範圍第1項的電池組電路，其中，每一該電池模組包括一正端、一負端和一冗餘端，且其中，每一該電池模組透過該冗餘端耦接至該多個保護電路之其中之一。
  11. 如申請專利範圍第1項的電池組電路，其中，該故障包括一開路。
  12. 如申請專利範圍第1項的電池組電路，其中，當該故障發生在該放電過程中時，流經該旁路電路的該電流從該電池模組的一負端流向該電池模組的一正端。
  13. 如申請專利範圍第1項的電池組電路，其中，當該故障發生在該充電過程中時，流經該旁路電路的該電流從該電池模組的一正端流向該電池模組的一負端。
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