TWI403074B - 電池分群系統及其分群方法 - Google Patents

Description

電池分群系統及其分群方法

本發明是有關於一種電池分群系統及其分群方法，特別是有關於一種可提升電池效能和使用壽命之電池分群系統及其分群方法。

針對電源使用的管理，現有的電子裝置通常沒有一個完善的電源使用分析，導致整體電源無法作有效的運用。例如，一般需使用大量電池的人形機器人，當該人形機器人在做各種動作時，其電源耗損量非常大且迅速消耗。因此，若沒有一個完善的電源管理系統來分配使用，其電池很容易在一個沒有效率的情形下被消耗殆盡。

此外，一般市面上除了單顆出售的電池外，尚有將數個電池透過串聯或並聯形式所成的組合。此類方式除了能延長壽命外，也能提供較佳的功率、電壓、電流。但要決定電池的串聯或並聯個數，往往依據電池廠商的經驗來判斷。如此，在電源管理中，在考慮電池壽命的情況下，如何讓其使用時間及用電量都能夠最大化，而電池的續航力、輸出功率、是否能提供的最大電壓及電流等功能，皆成為相當重要的問題。

因此，以需求來說，設計一個可提升電池效能和使用壽命之電池分群系統及其分群方法，已成市場應用上之一個刻不容緩的議題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種電池分群系統及其分群方法，以解決目前電池效能的運用和電池使用壽命不盡理想的問題。

根據本發明之目的，提出一種電池分群系統，其包含一電能模組以及一處理模組。電能模組係包含複數個電池。處理模組係將影響該複數個電池之複數個效能因子各自給予不同之一權重值，以得到一總體績效值，該處理模組根據該複數個電池之數量與該總體績效值，排列該複數個電池的串並聯組合。

其中，該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一輸出功率。

其中，該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一體積。

其中，該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一電壓值或一電流值。

其中，該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一熱能消耗。

其中，該處理模組係根據各該效能因子與各自的該權重值之組合，將該總體績效值取一最大值，以排列該複數個電池的串並聯組合。

根據本發明之目的，再提出一種電池分群方法，包含下列步驟：提供複數個電池；由一處理模組將影響該複數個電池之複數個效能因子各自給予不同之一權重值，以得到一總體績效值；以及透過該處理模組根據該複數個電池之數量與該總體績效值，排列該複數個電池的串並聯組合。

其中，該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一輸出功率。

其中，該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一體積。

其中，該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一電壓值或一電流值。

其中，該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一熱能消耗。

其中，此方法更包含透過該處理模組根據各該效能因子與各自的該權重值之組合，將該總體績效值取一最大值，以排列該複數個電池的串並聯組合。

根據本發明之目的，又提出一種電池組，其包含複數個電池。各該電池之間的串並聯係根據一總體績效值。其中，該總體績效值係由影響該複數個電池之複數個效能因子各自乘上不同之一權重值而得。

承上所述，依本發明之電池分群系統及其分群方法，其可具有下述優點：

此電池分群系統及其分群方法可在考慮現實應用及環境限制下，根據電池的數量、輸出功率、體積、電壓值及一電流值以及熱能消耗等等之情況，將該複數個電池的串並聯組合最佳化，使最佳化的電池組之各項功能，都可能達到使用者需求。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之電池分群系統及其分群方法之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參閱第1圖，其係為本發明之電池分群系統一實施例之方塊圖。如圖所示，本發明之電池分群系統1包含了一電能模組10以及一處理模組11。電能模組係包含複數個電池。處理模組11係電性連接電能模組10，其可為運算積體電路及處理積體電路，或為一整合之特定應用積體電路；且本發明於實際實施時，並不限於此。處理模組11可將影響該複數個電池之複數個效能因子各自給予不同之一權重值；例如，就輸出功率（Power Efficiency）111、體積（Volume）112、電壓值及電流值（Voltage and Current）113以及熱能消耗（Heat Consumption）114，分別乘上一第一權重值、一第二權重值、一第三權重值以及一第四權重值，以得到一總體績效值。接著，處理模組11可將該總體績效值取一最大值，以得到該複數個電池一個理想的串並聯組合。

為求清楚理解，在此將以最佳化電池封裝為另一實施例，說明本發明之電池分群系統，其包含四種可影響該複數個電池之複數個效能因子（輸出功率111、體積112、電壓值及電流值113以及熱能消耗114），及該複數個效能因子各自所對應不同的權重值。如此，將可得到一個目標函式如下：

其中，f₁ 、f₂ 、f₃ 和f₄ 係分別包含關於輸出功率111、體積112、電壓值及電流值113以及熱能消耗114的部分；w₁ 、w₂ 、w₃ 和w₄ 係分別為輸出功率111、體積112、電壓值及電流值113以及熱能消耗114各自所對應不同的權重值；因為總體績效值取一最大值，所以希望輸出功率(f₁ )為最大值，因此，用加的；體積(f₂ )為最小值，因此，用減的；電壓值或電流值(f₃ )為最大值，因此，用加的；熱能消耗(f₄ )為最小值，因此，用減的；第五條限制式 係為一修正值，有其懲罰機制（penalty）的存在，比如說一共只有10顆電池，但卻想要package能使用11個單位時間，這樣根本無法達到，就會啟動此懲罰機制（penalty）。

此外，本發明的電池分群系統，需滿足下列各項條件：

(1)此電池分群系統的電能：

其中，F及A係分別為此電池分群系統電能的下限值以及上限值；x及y係分別為分群後的電池系統之串聯數目以及並聯數目；I及V係分別為單一電池之電流以及電壓；I_new 係為分群後的電池系統之總電流；r₁ 為串聯兩電池的焊接點電阻值；r₂ 為封裝的焊接點電阻值；N係為總電池數目。

（2）此電池分群系統的體積：

其中，K及B係分別為此電池分群系統體積的下限值以及上限值；H係為單一電池之高度；d_weld 係皆為串聯兩電池的焊接點距離；W係為單一電池之寬度；L係為單一電池之長度。

（3）此電池分群系統的電壓：

其中，G係為分群後電池系統電壓的下限值；C係為分群後電池系統電壓的上限值。

（4）此電池分群系統的電流：

其中，J係為分群後電池系統電流的下限值；D係為分群後電池系統電流的上限值。

（5）此電池分群系統的操作時間：

其中，E係為此電池分群系統操作時間的下限值；操作時間主要由分群後的電池系統之並聯數目y決定。

（6）其他需滿足的條件：

其中，a和b係為使用者輸入的變數；主要為使用者來加以調整所需的輸出電壓和電流。

由於輸出功率、體積、電壓電流值以及熱能消耗所代表的四個子目標函數不同，因此，其變數必須為沒有維度的。且該複數個子目標函數皆除以所有可能組合的最大值（該些電池係由一整體性的串聯或並聯來封裝），使得f₁ 、f₂ 、f₃ 和f₄ 的值會落在0和1之間。

在本實施例中，包含最佳化電池封裝輸出功率（Power Efficiency）的f₁ ，係滿足下列條件：

也就是說，將包含輸出功率的f₁ 取最大值（Maximum），來確保使用者的需求。若輸出功率過小的話，則可應用此最佳化電池封裝的產品將是有限的，甚至於有可能只能應用在小型電子產品上。並且，上述f₁ 的分子部分係為最佳電池連接解的輸出功率。

如此，將可得到如下的方程式：

其中，V_new 及R_new 係分別為分群後的電池系統之總電壓及總電阻。

包含最佳化電池封裝體積的f₂ ，係滿足下列條件：

也就是說，將包含體積的f₂ 取最小值（Minimum），來確保在實際實施中能節省最多的體積。上述f₂ 的分子部分係為最佳電池連接解的體積。代表體積的子目標函數除以所有可能組合的最大值（該些電池係由一整體性的串聯或並聯來封裝），使得f₂ 的值會落在0和1之間。

包含最佳化電池封裝電壓電流值的f₃ ，係滿足下列條件：

也就是說，將包含電壓電流值的f₃ 取最大值（Maximum）。一般來說，電壓和電流成反比；因此，f₃ 可允許使用者來設定a和b的加權值，來加以調整所需的輸出電壓和電流。上述f₃ 的分子部分係為最佳電池連接解的電壓及電流。代表電壓及電流的子目標函數除以所有可能組合的最大值（該些電池係由一整體性的串聯或並聯來封裝）。

包含最佳化電池封裝熱能消耗的f₄ ，係滿足下列條件：

也就是說，將包含熱能消耗的f₄ 取最小值（Minimum）。熱能係由電池的焊接點、電池的連接和封裝間的連接所產生。若所有焊接點產生的熱能相同，則可結合焊接點和電池的總數來計算熱能消耗。上述f₄ 的分子部分係為最佳電池連接解的熱能消耗。代表熱能消耗的子目標函數除以所有可能組合的最大值（該些電池係由一整體性的串聯或並聯來封裝）。

值得注意的是，在本發明所屬領域中具有通常知識者應當明瞭，前面敘述雖僅提及輸出功率、體積、電壓電流值以及熱能消耗這四種效能因子，然其係僅為實施態樣的舉例而非限制；也就是說，於實際實施時，其可依不同的使用者需求來進一步增加不同的效能因子，在此先行敘明。

請參閱第2A圖及第2B圖，其分別為本發明之電池分群系統一實施例之第一分群示意圖以及本發明之電池分群系統一實施例之第二分群示意圖。本發明之電池分群系統也考慮到電池平衡的問題，所謂電池平衡即為電池在串並聯過程中，電池個數都必須對稱性，這樣才能確保在充放電時不會有過度充放電的情形發生。如第2A圖所示，其分群之結果為兩串聯兩並聯，這樣的組合將不會發生過度充放電的問題。反之，如第2B圖所示，這樣的組合在充放電時將會有不平衡的狀況產生，因為並聯兩邊的電池不對稱，故會導致某一邊的電池已充放電完畢，但另一邊的電池仍然在進行中。

儘管前述在說明本發明之電池分群系統的過程中，亦已同時說明本發明之電池分群系統之電池分群方法的概念，但為求清楚起見，以下仍另繪示流程圖詳細說明。

請參閱第3圖，其係為本發明之電池分群方法之流程圖。如圖所示，本發明之電池分群方法，其適用於一電池分群系統，該電池分群系統包含一電能模組以及一處理模組。電池分群系統之電池分群方法包含下列步驟：

（S31）提供複數個電池；

（S32）由一處理模組將影響該複數個電池之複數個效能因子各自給予不同之一權重值，以得到一總體績效值；以及

（S33）透過該處理模組根據該複數個電池之數量與該總體績效值，排列該複數個電池的串並聯組合。

本發明之電池分群系統之電池分群方法的詳細說明以及實施方式已於前面敘述本發明之電池分群系統時描述過，在此為了簡略說明便不再敘述。

綜上所述，本發明所提出之電池分群系統及其分群方法可在考慮現實應用及環境限制下，根據電池的數量、輸出功率、體積、電壓值及一電流值以及熱能消耗等等的情況，將該複數個電池的串並聯組合最佳化，使最佳化的電池組之各項功能，都可能達到使用者需求。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧電池分群系統

10‧‧‧電能模組

11‧‧‧處理模組

111‧‧‧輸出功率

112‧‧‧體積

113‧‧‧電壓值及電流值

114‧‧‧熱能消耗

S31~S33‧‧‧步驟

第1圖係為本發明之電池分群系統一實施例之方塊圖。
第2A圖係為本發明之電池分群系統一實施例之第一分群示意圖。
第2B圖係為本發明之電池分群系統一實施例之第二分群示意圖。
第3圖係為本發明之電池分群方法之流程圖。

1‧‧‧電池分群系統

10‧‧‧電能模組

11‧‧‧處理模組

111‧‧‧輸出功率

112‧‧‧體積

113‧‧‧電壓值及電流值

114‧‧‧熱能消耗

Claims (18)

1. 一種電池分群系統，其包含：
   一電能模組，係包含複數個電池；以及
   一處理模組，係將影響該複數個電池之複數個效能因子各自給予不同之一權重值，以得到一總體績效值，該處理模組根據該複數個電池之數量與該總體績效值，排列該複數個電池的串並聯組合。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池分群系統，其中該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一輸出功率。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電池分群系統，其中該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一體積。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電池分群系統，其中該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一電壓值或一電流值。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電池分群系統，其中該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一熱能消耗。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電池分群系統，其中該處理模組係根據各該效能因子與各自的該權重值之組合，將該總體績效值取一最大值，以排列該複數個電池的串並聯組合。
7. 一種電池分群方法，包含下列步驟：
   提供複數個電池；
   由一處理模組將影響該複數個電池之複數個效能因子各自給予不同之一權重值，以得到一總體績效值；以及
   透過該處理模組根據該複數個電池之數量與該總體績效值，排列該複數個電池的串並聯組合。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電池分群方法，其中該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一輸出功率。
9. 如申請專利範圍第7項所述之電池分群方法，其中該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一體積。
10. 如申請專利範圍第7項所述之電池分群方法，其中該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一電壓值或一電流值。
11. 如申請專利範圍第7項所述之電池分群方法，其中該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一熱能消耗。
12. 如申請專利範圍第7項所述之電池分群方法，包含下列步驟：
    透過該處理模組根據各該效能因子與各自的該權重值之組合，將該總體績效值取一最大值，以排列該複數個電池的串並聯組合。
13. 一種電池組，其包含：
    複數個電池，各該電池之間的串並聯係根據一總體績效值；
    其中，該總體績效值係由影響該複數個電池之複數個效能因子各自乘上不同之一權重值而得。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電池組，其中該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一輸出功率。
15. 如申請專利範圍第13項所述之電池組，其中該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一體積。
16. 如申請專利範圍第13項所述之電池組，其中該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一電壓值或一電流值。
17. 如申請專利範圍第13項所述之電池組，其中該複數個效能因子包含該複數個電池經由不同串並聯組合之一熱能消耗。
18. 如申請專利範圍第13項所述之電池組，其中該複數個電池係根據該總體績效值之一最大值，以完成串並聯組合。