TWI472123B - 電池系統及操作方法 - Google Patents

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Description

電池系統及操作方法
本發明係關於電池系統及操作方法。
本申請案主張2009年4月16日申請之美國專利第12/425,321號之優先權。
可充電電池係為具有不同電能需求之各種應用而設計並用於此等應用中。一些可充電電池系統包括複數個可充電電池單元，該複數個可充電電池單元在充電操作期間接收電能並在放電期間供應電能至一負載。可充電電池單元可具有不同化學成分且在一實例中可包含鋰離子電池單元。不同應用中使用的可充電電池單元數目取決於負載之需求而變化，且在一些實施(例如運輸實施)中電池單元數目可為許多。
該等可充電電池單元之個別電池單元可(舉例而言)由於製造製程及容限而不同於該等可充電電池單元之其他電池單元。更特定言之，一電池之該等可充電電池單元之一者或多者可具有與該等可充電電池單元之其他電池單元耦合之不同內部電阻、阻抗等等。因此，在該電池之充電及/或放電操作期間，該等電池單元之一者或多者可不同於該等可充電電池單元之其他電池單元而操作。舉例而言，該等電池單元之一者或多者可在不同於該等可充電電池單元之其他電池單元之一速率下充電或放電。此可能在一些應用中係非所欲的。
根據一實施例，一種電池系統包括：轉換電路；複數個主端子，該複數個主端子經組態以與一負載、一充電器及在該等主端子中間相互串聯耦合之複數個可充電電池模組耦合；切換電路，其經組態以耦合該等電池模組之一第一電池模組與該轉換電路之一輸出，且該轉換電路經組態以修改自該等電池模組之該第一電池模組接收的電能之一電特性並輸出具有該修改特性之該電能至該電池模組之一第二電池模組。
根據另一實施例，一種電池系統包括：複數個可充電電池模組，其串聯耦合於經組態以與一負載及一充電器耦合的複數個主端子之間；及平衡電路，其經組態以自該等可充電電池模組之一第一可充電電池模組接收電能、修改該電能並自該等可充電電池模組之該第一可充電電池模組提供該修改電能至該等可充電電池模組之一第二可充電電池模組以實現減小該等電池模組之該第一電池模組之電荷狀態及增加該等電池模組之該第二電池模組之電荷狀態之至少一者。
根據一額外實施例，一種可充電電池系統操作方法包括：充電一可充電電池之互相串聯耦合的複數個可充電電池模組；自該等電池模組放電電能至一負載；選擇該等電池模組之一第一電池模組；由於該選擇，修改該等電池模組之該第一電池模組之電能之一電特性；及在該修改之後，施加該修改電能至該等電池模組之一第二電池模組以實現減小該等電池模組之該第一電池模組之電荷狀態及增加該等電池模組之該第二電池模組之電荷狀態之至少一者。
根據又一實施例，一種可充電電池操作方法包括：監測互相串聯耦合的複數個可充電電池模組之電荷狀態；偵測該等電池模組之一第一電池模組具有低於該等電池模組之一第二電池模組之一電荷狀態之一電荷狀態；修改來自該等電池模組之該第二電池模組之電能；及在該修改之後，施加來自該等電池模組之該第二電池模組之該電能至該等電池模組之該第一電池模組，以實現增加該等電池模組之該第一電池模組之電荷狀態及減小該等電池模組之該第二電池模組之電荷狀態之至少一者。
下文參考下列隨附圖式描述揭示內容之諸例示性實施例。
參考圖1，繪示根據一實施例之一電氣系統1之一實例。該描繪的電氣系統1包含一源8、電池系統10及一負載12。在該描述的實施例中，電池系統10係一可充電電池系統，其經組態以一充電操作模式操作，其中來自源8之電能對電池系統10之複數個可充電電池單元之一者或多者充電。此外，電池系統10可以一放電操作模式操作，其中該電池系統10放電電能至負載12。在一實施例中之操作期間，該電池系統10可經受各種充電及放電循環。
電池系統10可包含複數個可充電電池單元(圖1中未繪示)，其以適於電力負載12之串聯及/或並聯組態配置。更特定言之，電池系統10可用於在具有不同電力需求之負載12之不同組態下之不同應用。因此，電池系統10可包含不同數目可充電電池單元，其以適於在不同實施例中之不同負載12之不同串聯及/或並聯配置而配置。
然而，該等可充電電池單元之一者或多者可舉例而言由於製造容限而不同於該等可充電電單元池之其他電池單元。特定言之，該等可充電電池單元之一者或多者相較於該等可充電電池單元之其他電池單元可具有不同電特性(例如阻抗)。歸因於該等變化，在該電池系統10之操作期間該等可充電電池單元之該一者或多者可在相較於該等可充電電池單元之其他電池單元不同之速率下充電及/或放電。揭示內容之至少一些態樣係關於在充電及/或放電操作期間增加及/或保持該電池系統10之該等可充電電池單元之電荷之等化或平衡。
參考圖2，繪示電池系統10之一實施例。在該描繪的實施例中，電池系統10包含複數個主端子14、16、可充電電能儲存電路20、切換電路22及轉換電路24。電池系統10之其他實施例可能包含更多組件、更少組件及/或替代組件。
儘管未在圖2中繪示，一充電器及一負載可與主端子14、16耦合。該源8及該負載12可在不同時刻或同時與主端子14、16耦合。該源8作為一充電器操作以對該電池系統10充電，之後該電池系統可放電儲存的電能至該負載12。主端子14、16係在不同電壓位準下之端子並在一實施例中可包含正主端子及負主端子。
在一些配置中，該描繪的電路20、22、24、26可具有一共同外殼。在其他實施例中，可期望在不同時刻使用具有不同儲存電路20(例如電池)之該切換電路22、轉換電路24及控制電路26。舉例而言，呈一可充電電池形式之儲存電路20可具有一固定使用壽命並可更換(例如具有固定數目的充電及放電循環)，且因此，在該電池系統10之使用壽命期間電路22、24、26可在不同時間與不同儲存電路20相關聯。
在一實施例中，儲存電路20可包含一個或多個可充電電池單元。由源8提供的充電電能可由主端子14、16接收以對該儲存電路20充電。此外，在電池系統10之放電操作期間儲存於該儲存電路20內的電能亦可經由主端子14、16提供至負載12。在一實施例中，該等可充電電池單元可為具有大約3.65伏特之一操作(例如完全充電)電壓之鋰離子電池單元。
如下文所述，該儲存電路20可包含複數個電池模組，該複數個電池模組可個別包含該等可充電電池單元之一者或多者。在電池系統10之不同配置中，該等可充電電池單元可以不同組態配置，舉例而言，取決於該負載12之需求。另外，在至少一實施例中，一給定電池系統10之電池模組通常具有相同配置之可充電電池單元，儘管一給定電池系統10之不同電池模組亦可具有不同配置之可充電電池單元。在一例示性實施例中，該等電池模組可個別具有一4s10p配置，其中四個組之可充電電池單元經串聯配置於該電池模組之正端子與負端子(圖中未繪示)之間，同時各個組包含並聯耦合的十個電池單元。儲存電路20之其他配置為可能，包含其中該儲存電路20之個別電池模組僅包含一單一可充電電池單元之一實施例。
在儲存電路20之操作(例如充電或放電)期間，該等電池模組通常具有大體相同電荷狀態，此可被稱為一標稱電荷狀態。然而，該等電池模組之一者或多者之電荷狀態可舉例而言歸因於該等電池模組之可充電電池單元之製造容限而不同於標稱電荷狀態(例如大於或小於標稱電荷狀態達超出臨限值之一量，諸如在一實施例中為1%)。在一實施例中，若一電池模組的各自電荷狀態相對於標稱電荷狀態小於該臨限值，則該電池模組可被認為與其他電池模組(即標稱電荷狀態)平衡。
本文描述的諸例示性實施例經組態以執行操作以相較於其中未執行該等操作之配置增加該等電池模組之電荷狀態之平衡。在一更具體實施例中，執行操作以在該電池系統10之充電或放電操作期間提供該等電池模組大體相同標稱電荷狀態。切換電路22、轉換電路24及控制電路26可被稱為平衡電路，其經組態以相對於不同電池模組實施平衡操作。
在該描述的實施例中，切換電路22經組態以耦合該儲存電路20與該轉換電路24。在一實施例中，切換電路22包含 耦合於該儲存電路20與轉換電路24中間的複數個開關(圖2中未繪示)。切換電路22可包含電晶體、繼電器、多工器及/或其他切換裝置。在一實施例中，轉換電路24具有一個或多個輸入及輸出，且切換電路22經組態以選擇性地耦合該儲存電路20之該等電池模組之一者或多者與該轉換電路24之該等輸入及該等輸出。如下文根據一實施例所述，切換電路22可在不同時刻耦合該儲存電路20之該等電池模組之不同模組與該轉換電路24之該等輸入及該等輸出。
轉換電路24經組態以修改在該轉換電路24之一輸入處接收的電能之一電特性並輸出該修改電能。轉換電路24之不同組態可用於不同實施例。下文根據說明性實施例論述的該轉換電路24包含個別經組態以修改包括由該轉換電路24接收的該電能之電壓之電特性的一個或多個DC對DC轉換器。作為DC對DC轉換器實施的該轉換電路24經組態以接收具有在一範圍(例如2.5V至4.5V)內之一電壓之電能並輸出具有一大體恆定電壓之修改電能。在一實施例中，該轉換電路24經組態以輸出具有對應於在一完全電荷狀態(例如3.65V)下之該等可充電電池單元之一個別電池單元之一電壓之一電壓之該修改電能。在另一實施例中，該輸出電壓為可調整。
在一實例中，該等轉換器係實施為隔離DC對DC轉換器，其中該等給定轉換器之一個別轉換器之該輸入及該輸出並不共享與該轉換器之該輸入及該輸出之該等負端子耦合的一共同參考(例如接地)。在一實施例中，相較於共享一共同參考之非隔離配置，隔離DC對DC轉換器之使用提供關於選擇哪些電池模組可與該等轉換器之該等輸入及輸出耦合之增加的靈活性。在一實例中，該等可用電池模組之不同模組可用於供應電能以增加具有低於標稱電荷狀態之一電荷狀態之一電池模組之電荷狀態，而不管該等可用電池模組是否具有與具有減小電荷狀態之該電池模組共同之一參考電壓。在該描述的實施例中，一隔離DC對DC轉換器配置容許選擇任何具有足夠電荷之該等可用電池模組以供應該電能至該轉換器之該輸入，以在對具有較低電荷狀態之該電池模組充電中使用。此外，一些DC對DC轉換器配置可包含控制輸入，該等控制輸入允許控制電路26在故障或其他可能損壞條件期間為了保護而使該等轉換器無效。於其他實施例中可使用轉換電路及/或轉換器之其他組態。
如下文在說明性實例中所述，該轉換電路24包含一個或多個輸入及輸出。具有不同電荷狀態(例如相較於標稱電荷狀態之較低電荷狀態)之該選擇的電池模組可與該轉換電路24之一輸出耦合且該等電池模組之另一模組可與該轉換電路24之一輸入耦合以提供電能至該轉換電路24，以用於增加具有較低電荷狀態之該選擇的電池模組之電荷狀態。在一實施例中，該等選擇的電池模組係與轉換電路24直接耦合(例如，在一實施例中，該等選擇的電池模組可經由切換電路22與該轉換電路24之一DC對DC轉換器之該輸入及該輸出直接耦合)。
在另一實例中，具有不同電荷狀態(例如相較於標稱電荷狀態之較高電荷狀態)之該選擇的電池模組可與該轉換電路24之一輸入耦合且該儲存電路20之該等電池模組之另一電池模組可與該轉換電路24之一輸出耦合。在此實例中，來自該選擇的電池模組之電能被提供至該轉換電路24之該輸入以洩放過量電荷並使與該轉換電路24之該輸入耦合的該電池模組之電荷狀態均等於該儲存電路20之其他電池模組之電荷狀態。
在一實施例中，控制電路26經配置以處理資料、控制資料存取與儲存、發出命令及控制其他所需操作。在至少一實施例中，控制電路26可包括經組態以實施由適當媒體提供的所需程式化之電路。舉例而言，該控制電路26可作為經組態以執行可執行指令(包含(舉例而言)軟體及/或韌體指令)及/或硬體電路之處理器及/或其他結構之一者或多者而實施。控制電路26之例示性實施例包含硬體邏輯、PGA、FPGA、ASIC、狀態機及/或其他單獨結構或與一處理器組合之結構。控制電路26之此等實例係用於說明且其他組態為可能的。
在一實施例中，控制電路26經組態以監測及控制電池系統10之操作。舉例而言，該控制電路26經組態以監測該等電池模組10及回應於監測而控制切換電路22。
在一更具體實例中，控制電路26經組態以在充電及放電操作期間存取關於該等電池模組之個別電池模組之電荷狀態之資訊。在一實施例中，控制電路26經組態以回應於該控制電路26之監測而選擇及耦合儲存電路20之一個或多個選擇的電池模組與該轉換電路24，該控制電路26偵測該等選擇的電池模組之至少一者具有不同於該儲存電路20之該等電池模組之其他電池模組之標稱電荷狀態之一電荷狀態，以試圖平衡或等化該至少一選擇的電池模組之電荷與該儲存電路20之其他電池模組之電荷。在一實施例中，該控制電路26經組態以由於該等電池模組之該個別電池模組之電荷狀態偏離標稱電荷狀態達超出一臨限值之一量，而實施關於該等電池模組之一個別電池模組之平衡操作。舉例而言，在一配置中，本文描述的平衡操作可相對於一給定電池模組而實施，前提為該各自電池模組之電荷狀態偏離標稱電荷狀態達大於1%之一量(例如，在一實施例中，對應於該給定電池模組相對於該等經平衡電池模組之大約2 mV之電壓差)。
在說明性實例中，若該等電池模組之一電池模組小於標稱電荷狀態，則該控制電路26實施操作以使用該轉換電路24及來自該等電池模組之其他電池模組之一者或多者之電能而增加該等電池模組之該一電池模組之電荷狀態。若該等電池模組之一電池模組大於標稱電荷狀態，則該控制電路26實施操作以藉由施加來自該等電池模組之該一電池模組之電能至該轉換電路24及該等電池模組之其他電池模組之一者或多者而減小該等電池模組之該一電池模組之電荷狀態。下文參考不同例示性實施例描述額外細節。
參考圖3，該描繪實例之電池系統10包含儲存電路20，其包括串聯耦合於主端子14、16之間的四個電池模組30a-30d。在該描繪的實例中，電池模組30a係與端子14直接耦合，而電池模組30d係與端子16直接耦合。該儲存電路20之其他組態為可能，包含更多、更少及/或電池模組30a-30d之其他配置。
在圖3之該描繪的實例中，複數個模組端子21係與該等可充電模組30a-30d之個別可充電模組之正端子及負端子耦合。該等電池模組30a-30d之個別電池模組具有以串聯配置及/或並聯配置而配置於如上文所論述之該等模組端子21之間的一個或多個可充電電池單元。
切換電路22連接該等電池模組30a-30d之模組端子21與該轉換電路24之複數個轉換器50a-50d之各自轉換器。在該繪示的組態中，切換電路22包括複數個開關40以實施該等模組端子21與該等轉換器50a-50d之耦合。如下文在一實施例中所述，與該等轉換器50a-50d之一轉換器之一輸入耦合的一電池模組30a-30d之電能用於對與該等轉換器50a-50d之該一轉換器之該輸出耦合的該等電池模組30a-30d之另一電池模組充電。
更特定言之，在圖3之該繪示的組態(其中該等電池模組30a-30d自頂至底可被稱為第一電池模組至第四電池模組)中，該第二電池模組30b用於充電該第一電池模組30a，該第三電池模組30c用於充電該第二電池模組30b，該第四電池模組30d用於充電該第三電池模組30c，且該第一電池模組30a用於充電該第四電池模組30d。在一實例中，複數個該等轉換器50a-50d可在相同時刻傳送能量。
在圖3之該實施例之一更具體實例中，控制電路26經組態以監測該等電池模組30a-30d之個別電池模組之電荷狀態(例如在充電、放電、非傳導等等期間監測)及控制該切換電路22以試圖平衡或等化該等電池模組30a-30d之電荷狀態。舉例而言，若該第一電池模組30a被偵測具有小於其他電池模組30b-30d之標稱電荷狀態之一電荷狀態，則控制電路26可控制切換電路22之該等適當開關40，以耦合該第二電池模組30b之該等模組端子21與該各自第二轉化器50b之該輸入，以增加該第一電池模組30a之電荷狀態。在此配置中，電池模組30a及30b係與該DC對DC轉換器50b同時耦合，且切換電路22經組態以自各自轉換器50a、50c、50d隔離電池模組30a、30c、30d。一旦電池模組30a與其他電池模組30b、30c、30d平衡之後，切換電路22可自轉換器50b之該輸入斷開電池模組30b。
類似地，若該等電池模組30a-30d之一模組被測定具有大於該等電池模組30a-30d之其他模組之標稱電荷狀態之一電荷狀態，則該一電池模組30a-30d可經由切換電路22與該電池模組的各自轉換器50a-50d耦合以對該鄰近電池模組30a-30d充電，以試圖洩放該一電池模組30a-30d之電荷至其他三個電池模組30a-30d之一者或多者。在一實施例中，在自具有較高電荷狀態之該一電池模組30a-30d洩放電荷期間遠離該一電池模組30a-30d之其他電池模組30a-30d之一者或多者可自該等各自轉換器50a-50d隔離。
在一實施例中，切換電路22可同時耦合不同電池模組30a-30d與其等各自轉換器50a-50d，以在相同時刻提供複數個電池模組30a-30d群組之平衡。一個別群組包含與一給定轉換器50a-50d之一輸入耦合的該等電池模組30a-30d之一電池模組及與該給定轉換器50a-50d之該輸出耦合的該等電池模組30a-30d之另一電池模組並在一時刻建立該二電池模組30a-30d中間之一路徑。在一說明性實例中，電池模組30d可對電池模組30c充電並被稱為一群組，而電池模組30b可對電池模組30a充電並被稱為另一群組。
在一例示性實施例中，可持續實施電池模組30a-30d之平衡，直到該電池系統10之該等電池模組30a-30d互相平衡(例如該等電池模組30a-30d具有在一臨限值(諸如小於1%)內之相同電荷狀態)且在之後保持該平衡。不同電池模組30a-30d可在不同時刻失衡並需要被平衡。在一實施例中，控制電路26持續監測該等個別電池模組30a-30d之電荷狀態，並由於該監測而控制切換電路22以實施平衡操作及使該等電池模組30a-30d之電荷狀態均等於標稱電荷狀態。在一實施例中，可在充電、放電及備用(例如其中儲存電路20既未充電又未放電)狀態期間實施該等平衡操作。如上文所提到，亦可在電池模組30a-30d已經平衡且一個或多個電池模組30a-30d隨後被偵測失衡之後實施平衡操作。
在一更具體實例中，在放電期間該等電池模組30a-30d之一電池模組可舉例而言由於電容及製造容限而相較於該等電池模組30a-30d之其他電池模組較快放電。可經由該轉換電路24並使用經組態以對該等電池模組30a-30d中之具有較低電荷狀態之該一電池模組30a-30d充電的該各自其他電池模組30a-30d而對該一電池模組充電。在一實施例中，對該等電池模組30a-30d的該等電池模組30a-30d中之具有較低電荷狀態之該一電池模組充電容許該等其他電池模組30a-30d繼續放電且該等電池模組30a-30d之該一電池模組之電荷狀態將均等於該等其他電池模組30a-30d。
以圖3之電池系統10之該例示性組態中之一菊鏈方式配置該等轉換器50a-50d。舉例而言，在一實施例中電荷可自電池模組30d提供至電池模組30c至電池模組30b至電池模組30a。此外，該電池系統10亦可被稱為一充電迴路，這是因為來自與該主端子14耦合的電池模組30a之電荷可經由轉換器50a施加至與主端子16耦合的電池模組30d。如上文根據一些例示性實施例所論述，在一實施例中，一個以上轉換器50a-50d可自不同電池模組30a-30d同時接收電能並施加該電能至不同電池模組30a-30d以實施平衡操作。
參考圖4，繪示電池系統10a之另一配置。在該繪示的實例中儲存電路20包含串聯耦合於主端子14、16中間的三個電池模組30a-30c。在該繪示的實例中電池系統10a亦包含作為包含複數個輸入開關42及複數個輸出開關44之一雙埠多工器實施的切換電路22a。在該繪示的實例中轉換電路24a包含一單一DC對DC轉換器50。圖4中之切換電路22a之該配置經組態以使該等電池模組30a-30c之任一電池模組可視需要對該等電池模組30a-30c之任何其他電池模組充電。在一實施例中，與轉換器50之該輸入及該輸出耦合的該等電池模組30a-30c係互相隔離，如上文所論述。
在一實施例中，控制電路26經組態以監測個別電池模組30a-30c之電荷狀態及由於該監測而控制該切換電路22a。圖4之該配置提供該控制電路26靈活性以選擇形成待與該轉換器50耦合的一群組之該等電池模組30a-30c之該等個別電池模組。更特定言之，該控制電路26可選擇具有等於或高於待與該轉換器50之該輸入耦合的標稱電荷狀態之一電荷狀態之該等電池模組30a-30c之一電池模組，並選擇具有小於待與該轉換器50之該輸出耦合的標稱電荷狀態之一電荷狀態之該等電池模組30a-30c之一電池模組。在一實施例中，控制電路26可控制切換電路22a之開關42a-42c及44a-44c以耦合所需電池模組30a-30c與該轉換器50之該輸入及該輸出。此外，在一實施例中，控制電路26可控制該切換電路22a以在不同時刻耦合該等電池模組30a-30c之不同電池模組與轉換器50之該輸入及該輸出以實施平衡操作。
舉例而言，若電池模組30a具有相較於電池模組30b、30c較低之一電荷狀態，則控制電路26可控制輸入開關42b、42c之一者以耦合該等電池模組30b、30c之一電池模組與該轉換器50之該輸入，及控制該等輸出開關44a以耦合該轉換器50之該輸出與電池模組30a。在一實施例中，控制電路26可選擇具有最高電荷狀態之該等電池模組30b、30c之該一電池模組，以在一實施例中對電池模組30a充電。在該描述的實施例中，該等電池模組30a-30c之任一電池模組可經選擇以使用轉換器50對該等電池模組30a-30c之任何其他電池模組充電。因此，在該描述的實施例中，控制電路26相較於圖3之該配置具有增加的靈活性以選擇該等電池模組30a-30c之該一電池模組以提供電能至該等電池模組30a-30c之另一電池模組，而無需使用預定義電池模組群組，其中一給定電池模組係與另一電池模組相關聯。
此外，若該等電池模組30a-30c之一電池模組具有高於該等電池模組30a-30c之其他電池模組(即標稱電荷狀態)之一電荷狀態，則該等電池模組30a-30c之該一電池模組可經由各自輸入開關42a-42c與轉換器50之該輸入耦合且該轉換器50之該輸出可與該等電池模組30a-30c之一不同電池模組耦合以自該等電池模組30a-30c之該一電池模組洩放電荷。
在一實施例中，電池系統10a之該配置容許該等電池模組30a-30c之任何所需電池模組對該等電池模組30a-30c之另一所需電池模組直接充電，並相較於其中複數個轉換器用於在所需電池模組之間傳送電荷之一配置具有增加的效能，這是因為使用複數個轉換器通常相較於使用一單一轉換器較不有效率。
參考圖5，繪示電池系統10b之另一配置。圖5之其他組態為可能。在該描繪的實施例中，儲存電路20b包含串聯耦合於端子14、16中間的三個電池模組30a-30c。切換電路22b包含複數個輸入多工器46a、46b及複數個輸出多工器48a、48b。轉換電路24b包含分別與多工器46a、46b及48a、48b耦合的複數個DC對DC轉換器50a、50b。在一實施例中，轉換器50a、50b可為隔離DC對DC轉換器，其中該等轉換器之該等輸入及輸出並不共享一共同參考。
如上文所述，控制電路26可監測該等個別電池模組30a-30c之電荷狀態並由於該監測而控制切換電路22b之該等操作，以形成用於充電之所需電池模組30a-30c群組。在該繪示的配置中，該控制電路26可控制輸入多工器46a、46b及輸出多工器48a、48b，以由於該充電而選擇任何配對之該等電池模組30a-30c，以形成用於充電之一群組。舉例而言，若電池模組30a相對於其他電池模組30b-30c具有一低電荷狀態，則控制電路26可控制該等多工器46a、46b之任一者以連接電池模組30b、30c之一電池模組與該各自轉換器50a、50b之該輸入，及控制該各自輸出多工器48a、48b以耦合該選擇的轉換器50a、50b與電池模組30a。
在一實施例中，控制電路26可控制切換電路22b以使複數個電池模組30a-30c對該等電池模組30a-30c之一單一電池模組充電。舉例而言，若電池模組30a具有相較於該等電池模組30b、30c之其他模組較低之一電荷狀態，則在一實施例中，輸入多工器46a可受控制以耦合電池模組30b與轉換器50a之一輸入，而輸入多工器46b可受控制以耦合電池模組30c與轉換器50b之一輸入，且輸出多工器48a、48b可耦合該等轉換器50a、50b之該等輸出與該電池模組30a，以在相較於僅使用該等電池模組30b、30c之一單一電池模組用於充電較快之一速率下對電池模組30a快速充電。
在一實施例中，多工器46a、48a可被認為形成一路徑，而多工器46b、48b可被認為形成另一路徑。在一實施例中，電池系統10b可控制切換電路22b以同時形成複數個電池模組群組。舉例而言，若電池系統10b包含串聯於該等主端子14、16之間之額外電池模組(圖中未繪示)，則該控制電路26可控制多工器46a、48a以使用電池模組30a對電池模組30b充電，及同時控制多工器46b、48b以使用該額外電池模組對電池模組30c充電。因此，在一實施例中，一個以上轉換器50a-50b可同時自不同電池模組30a-30c接收電能並施加該電能至不同電池模組30a-30c以實施平衡操作。
本發明揭示內容之至少一些態樣利用隔離轉換電路(例如隔離DC對DC轉換器)，其提供相對於選擇可與該轉換電路耦合以提供該等電池模組之電荷狀態之平衡之電池模組增加的靈活性。根據上文描述的額外態樣，相較於未使用該平衡電路之其他組態可自與該揭示的平衡電路之配置連用的該等可充電電池模組擷取額外能量。舉例而言，如上文所述，在放電期間可自該等電池模組之一電池模組提供電能至具有小於一標稱電荷狀態之一電荷狀態之該等電池模組之另一電池模組，以試圖避免該等電池模組之該另一電池模組(及電池)獲得一完全放電狀態。因此，本發明揭示內容之一些配置可減少或避免其中當該電池含有額外電荷(即在該等電池模組之一者或多者中)時指示該電池為放電(及可能採取離線)之情況。本發明揭示內容之一些配置亦藉由直接耦合所需電池模組至轉換電路之輸入及輸出而無須使用複數個不同電路使電荷往復跨過複數個不同位準而提供增加的效能。
此外，本文中之諸態樣已為本發明揭示內容之說明性實施例之構造及/或操作之導引而呈現。本發明申請者認為此等描述的說明性實例亦包含、揭示及描述除明確揭示的此等態樣之外之進一步發明態樣。舉例而言，該等額外發明態樣可包含相較於在該等說明性實施例中描述的此等特徵更少、更多及/或替代特徵。在更具體實例中，申請者認為本發明揭示內容包含、揭示及描述包含相較於明確揭示的此等步驟更少、更多及/或替代步驟之方法以及包含相較於該明確揭示的結構更少、更多及/或替代結構之裝置。
遵照法令，關於結構性及方法性特徵已用語言較具體或較不具體描述本發明。然而，應瞭解本發明並不限於繪示及描述的該等具體特徵，因為本文揭示的該等方法包括實施本發明之較佳形式。因此，本發明主張在根據等效論適當解譯的附屬申請專利範圍之合適範圍內之本發明之任何形式或修改。
1．．．電氣系統
8．．．源
10．．．電池系統
10a．．．電池系統
10b．．．電池系統
12．．．負載
14．．．主端子
16．．．主端子
20．．．儲存電路
20a．．．儲存電路
20b．．．儲存電路
21．．．模組端子
22．．．切換電路
22a．．．切換電路
22b．．．切換電路
24．．．轉換電路
24a．．．轉換電路
24b．．．轉換電路
26．．．控制電路
30a．．．電池模組
30b．．．電池模組
30c．．．電池模組
30d．．．電池模組
40．．．開關
42a．．．輸入開關
42b．．．輸入開關
42c．．．輸入開關
44a．．．輸出開關
44b．．．輸出開關
44c．．．輸出開關
46a．．．輸入多工器
46b．．．輸入多工器
48a．．．輸出多工器
48b．．．輸出多工器
50a．．．轉換器
50b．．．轉換器
50c．．．轉換器
50d．．．轉換器
圖1係根據一實施例之一電氣系統之一功能方塊圖；
圖2係根據一實施例之一電池系統之一功能方塊圖；
圖3係根據一實施例之一電池系統之一示意圖；
圖4係根據一實施例之一電池系統之一示意圖；及
圖5係根據一實施例之一電池系統之一示意圖。
10．．．電池系統
14．．．主端子
16．．．主端子
20．．．儲存電路
22．．．切換電路
24．．．轉換電路
26．．．控制電路

Claims (43)

  1. 一種電池系統，其包括：轉換電路；複數個主端子，該複數個主端子經組態以與一負載、一充電器及在該等主端子中間相互串聯耦合之複數個可充電電池模組耦合；切換電路，其經組態以耦合該等電池模組之一第一電池模組與該轉換電路之一輸入；該轉換電路經組態以自該等電池模組之該第一電池模組接收具有一第一電壓之電能，將經接收之電能之電壓自該第一電壓轉換至一第二電壓，並輸出具有該第二電壓之該電能至該等電池模組之一第二電池模組；其中該轉換電路包含一第一轉換器及一第二轉換器，該第一轉換器與該第一電池模組及該第二電池模組耦合；及其中該切換電路係經組態以在該等電池模組之該第一電池模組與該第一轉換器之一輸入之耦合期間，選擇性地耦合該第二轉換器之一輸入與該等電池模組之一第三電池模組，及選擇性地將該第二轉換器之一輸出耦合至該等電池模組之該第一電池模組或該第二電池模組。
  2. 如請求項1之系統，其中該轉換電路包括至少一DC對DC轉換器，該至少一DC對DC轉換器經組態以修改自該等電池模組之該第一電池模組所接收之該電能之電壓。
  3. 如請求項2之系統，其中該DC對DC轉換器經組態以接收 具有不同電壓之電能並輸出具有一大體恆定電壓之該電能。
  4. 如請求項2之系統，其中該至少一DC對DC轉換器包括一隔離轉換器，其中該DC對DC轉換器之一輸入及一輸出不共享一共同參考電壓。
  5. 如請求項1之系統，其中該等電池模組之該第一電池模組及該第二電池模組係與包括該電池系統之該正端子及該負端子之該等主端子個別直接耦合。
  6. 如請求項1之系統，其中該切換電路經組態以在一第一時刻選擇性地耦合該轉換電路之該輸入與該等電池模組之僅該第一電池模組，及在一第二時刻選擇性地耦合該轉換電路之該輸入與該等電池模組之僅該第三電池模組。
  7. 如請求項1之系統，其進一步包括經組態以監測該等電池模組，並由於該監測而控制該切換電路，以選擇性地耦合該等電池模組之該第一電池模組與該轉換電路之控制電路。
  8. 如請求項7之系統，其中該控制電路經組態以控制該切換電路以由於該等電池模組之該第一電池模組具有小於該等電池模組之其他模組之電荷狀態之一電荷狀態，而選擇性地耦合該等電池模組之該第一電池模組與該轉換電路。
  9. 如請求項7之系統，其中該控制電路經組態以控制該切換電路以選擇性地耦合該等電池模組之該第二電池模組 與該轉換電路之該輸出。
  10. 如請求項9之系統，其中該控制電路經組態以控制該切換電路以由於該等電池模組之該第二電池模組相較於該等電池模組之其他模組之電荷狀態具有一減小的電荷狀態而選擇性地耦合該等電池模組之該第二電池模組與該轉換電路之該輸出。
  11. 如請求項1之系統，其中該切換電路及轉換電路經組態以自該第一電池模組提供電能至該第二電池模組以增加該第二電池模組之一電荷狀態。
  12. 如請求項1之系統，其中該切換電路經組態以直接耦合該轉換電路之該輸入與該等電池模組之該第一電池模組，且其中該轉換電路之該輸出係與該等電池模組之該第二電池模組直接耦合。
  13. 如請求項1之系統，其中該第一電池模組及該第二電池模組之模組端子並非直接互相耦合。
  14. 如請求項1之系統，其進一步包括個別經組態以儲存電能之若干可充電電池模組。
  15. 如請求項1之系統，其中該切換電路經組態以在該等電池模組之充電期間電耦合該等電池模組之該第一電池模組與該轉換電路。
  16. 如請求項1之系統，其中該切換電路經組態以在該等電池模組之放電期間電耦合該等電池模組之該第一電池模組與該轉換電路。
  17. 如請求項1之系統，其中該切換電路經組態以電耦合該 第一電池模組及該第二電池模組與該轉換電路，以平衡該第一電池模組及該第二電池模組之電荷狀態。
  18. 如請求項1之系統，其中該切換電路經組態以耦合該等電池模組之僅該第一電池模組與該轉換電路之該輸入。
  19. 一種電池系統，其包括：轉換電路；複數個主端子，該複數個主端子經組態以與一負載、一充電器及在該等主端子中間相互串聯耦合之複數個可充電電池模組耦合；切換電路，其經組態以耦合該等電池模組之一第一電池模組與該轉換電路之一輸入；該轉換電路經組態以自該等電池模組之該第一電池模組接收具有一第一電壓之電能，將經接收之電能之電壓自該第一電壓轉換至一第二電壓，並輸出具有該第二電壓之該電能至該等電池模組之一第二電池模組；其中該轉換電路包括：一第一轉換器，其與該第一電池模組及該第二電池模組耦合；及一第二轉換器，且其中該切換電路經組態以在該第一轉換器至該等電池模組之該第一電池模組及該第二電池模組之耦合期間，選擇性地耦合該第二轉換器之一輸入與該等電池模組之一第三電池模組，及選擇性地耦合該第二轉換器之一輸出與該等電池模組之一第四電池模組。
  20. 一種電池系統，其包括：複數個可充電電池模組，該複數個可充電電池模組串聯耦合於複數個主端子之間，該複數個主端子經組態以與一負載及一充電器耦合；及平衡電路，其經組態以自該等可充電電池模組之一第一可充電電池模組接收具有一第一電壓之電能、將自該第一可充電電池模組所接收之該電能之電壓修改至一第二電壓，並將該經修改之具有該第二電壓之電能提供至該等可充電電池模組之一第二可充電電池模組，以實現減小該等可充電電池模組之該第一可充電電池模組之電荷狀態及增加該等可充電電池模組之該第二可充電電池模組之電荷狀態中之至少一者，其中該平衡電路包含一與該第一可充電電池模組及該第二可充電電池模組耦合之第一轉換器，一第二轉換器，及切換電路，其經組態以在該等可充電電池模組之該第一可充電電池模組與該第一轉換器之一輸入之耦合期間，選擇性地耦合該第二轉換器之一輸入與該等可充電電池模組之一第三可充電電池模組，及選擇性地將該第二轉換器之一輸出耦合至該等可充電電池模組之該第一可充電電池模組或該第二可充電電池模組。
  21. 如請求項20之系統，其中該平衡電路經組態以提供該修改電能至該等可充電電池模組之該第二電池模組，以相較於在提供該修改電能至該等可充電電池模組之該第二電池模組之前的該等可充電電池模組之該第一可充電電 池模組及該第二可充電電池模組之電荷狀態提供該等可充電電池模組之該第一可充電電池模組及該第二可充電電池模組之該等電荷狀態之增加的平衡。
  22. 如請求項20之系統，其中該平衡電路經組態以修改來自該等可充電電池模組之僅該第一電池模組之該電能。
  23. 如請求項20之系統，其中該平衡電路包括經組態以修改該電能之電壓的一DC對DC轉換器。
  24. 一種可充電電池系統操作方法，其包括：充電一可充電電池之互相串聯耦合的複數個可充電電池模組；自該等電池模組釋放電能至一負載；選擇該等電池模組之一第一電池模組；由於該選擇，耦合該等電池模組之該第一電池模組與一第一轉換器之一輸入且耦合該等電池模組之一第二電池模組與該第一轉換器之一輸出，該第一轉換器經組態以自該等電池模組之該第一電池模組接收具有一第一電壓之電能，藉由將該經接收之電能之電壓自該第一電壓轉換至該第二電壓而修改該經接收之電能之電壓，及將該具有該第二電壓之電能輸出至該等電池模組之該第二電池模組，以實現減小該等電池模組之該第一電池模組之電荷狀態及增加該等電池模組之該第二電池模組之電荷狀態中之至少一者；及在該等電池模組之該第一電池模組與該第一轉換器之該輸入之耦合期間，耦合一第二轉換器之一輸入與該等 電池模組之一第三電池模組及耦合該第二轉換器之一輸出與該等電池模組之該第一電池模組或該第二電池模組。
  25. 如請求項24之方法，其中該選擇包括：由於該等電池模組之該第一電池模組具有相較於該等電池模組之該第二電池模組之電荷狀態較高之一電荷狀態而進行選擇。
  26. 如請求項24之方法，其中該選擇包括：回應於小於該等電池模組之一標稱電荷狀態的該等電池模組之該第二電池模組之一電荷狀態而進行選擇。
  27. 如請求項24之方法，其中該輸出包括：自該複數個電池模組之僅該第一電池模組施加電能至該等電池模組之該第二電池模組。
  28. 如請求項24之方法，其中該選擇、該修改及該輸出包括：由於該等電池模組之該第二電池模組具有小於該等電池模組之一標稱電荷狀態之一電荷狀態而進行選擇、修改及施加。
  29. 如請求項24之方法，其進一步包括使用該等電池模組之該第一電池模組及該第二電池模組之各自電池模組直接傳導電流至該等可充電電池之複數個主端子之個別主端子。
  30. 如請求項24之方法，其中該輸出包括：在該充電期間進行施加。
  31. 如請求項24之方法，其中該輸出包括：在該放電期間進行施加。
  32. 如請求項24之方法，其中該修改該電壓包括：使用一DC對DC轉換器進行修改。
  33. 如請求項24之方法，其中該輸出包括：施加以平衡該等電池模組之該第二電池模組之電荷狀態與該等電池模組之其他電池模組之電荷狀態。
  34. 如請求項24之方法，其中該輸出包括：施加以平衡該等電池模組之該第一電池模組之電荷狀態與該等電池模組之其他電池模組之電荷狀態。
  35. 如請求項24之方法，其進一步包括，由於該選擇，耦合該等電池模組之該第一電池模組與一DC對DC轉換器，且其中該修改包括使用該DC對DC轉換器進行修改。
  36. 一種可充電電池系統操作方法，其包括：監測互相串聯耦合的複數個可充電電池模組之電荷狀態；偵測該等電池模組之一第一電池模組之一電荷狀態，其係低於該等電池模組之一第二電池模組之一電荷狀態；耦合該等電池模組之該第二電池模組與一第一轉換器之一輸入且耦合該等電池模組之該第一電池模組與該第一轉換器之一輸出，該第一轉換器經組態以：自該等電池模組之該第二電池模組接收具有一第一電壓之電能，藉由將該經接收之電能之電壓自該第一電壓轉換至該第二電壓而修改該經接收之電能之電壓，及將該具有該第二電壓之電能自該等電池模組之該第二電池模組輸出至 該等電池模組之該第一電池模組以實現增加該等電池模組之該第一電池模組之電荷狀態及減小該等電池模組之該第二電池模組之電荷狀態中之至少一者；及在該等電池模組之該第二電池模組與該第一轉換器之該輸入之耦合期間，耦合一第二轉換器之一輸入與該等電池模組之一第三電池模組及耦合該第二轉換器之一輸出與該等電池模組之該第一電池模組或該第二電池模組。
  37. 如請求項36之方法，其中該修改及該輸出包括：由於該等電池模組之該第一電池模組具有小於該等電池模組之一標稱電荷狀態之一電荷狀態而進行修改及施加。
  38. 如請求項36之方法，其中該修改及該輸出包括：由於該等電池模組之該第二電池模組具有大於該等電池模組之一標稱電荷狀態之一電荷狀態而進行修改及施加。
  39. 如請求項36之方法，其中該修改該電壓包括：使用一DC對DC轉換器進行修改。
  40. 如請求項36之方法，其中該修改包括：接收具有複數個不同電壓之該電能；及輸出具有一大體恆定電壓之該電能。
  41. 如請求項36之方法，其中該偵測包括：偵測該等電池模組之該第一電池模組具有相較於該等電池模組之一標稱電荷狀態較低之一電荷狀態。
  42. 如請求項36之方法，其中該輸出包括：組態切換電路以僅耦合該等電池模組之該第二電池模 組與一DC對DC轉換器之一輸入；及自該DC對DC轉換器輸出該電能至該等電池模組之該第一電池模組。
  43. 如請求項36之方法，其中該輸出包括：施加來自該等電池模組之僅該第二電池模組之該電能。
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