TWI482714B

TWI482714B - 電動車電池並聯控制系統

Info

Publication number: TWI482714B
Application number: TW101124937A
Authority: TW
Inventors: Yung Chiang Hsu; Shuen Te Ji; Feng Sheng Hsu
Original assignee: Kwang Yang Motor Co
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2015-05-01
Also published as: TW201402369A

Description

電動車電池並聯控制系統

本發明係關於一種電動車電池並聯控制系統，特別是關於一種每一電池皆具有獨立電池管理系統之電動車電池並聯控制系統。

近年來由於全球暖化日益嚴重，使得環保意識抬頭，配合油價高漲，各國政府及企業紛紛尋找新的替代能源或提高二次電池的轉換效率以期望減少石化燃料之使用，進而降低溫室氣體的排放，减緩全球暖化之速度。其中傳統車輛主要是使用石化燃料作為動力來源，不但耗用大量石油資源，也是溫室氣體排放的主要禍首之一。在全球節能减碳的趨勢下，許多國家都將車輛電動化作為二氧化碳減量的重要措施之一，進而積極發展電動車產業。

然而，該電動車在實際使用上仍具有下述問題，例如：目前電動車之發展受到電池容量之限制而局限了其續航能力，因此需要並聯更多電池以增大容量，以延長行駛里程。但是當電池並聯時有可能會因為電池特性不匹配，電壓量測值僅為並聯電池中最高電壓之單體電池電壓，無法反應單體電池之真實特性。另外能量密度、充放電功率以及電池之包裹性及使用過程發生碰撞所發生高壓電伏，皆是威脅電動車安全性能之重要因素；此外，隨著時間充放電次數的增加，所有電池非一致性將隨著時間逐漸明顯，由於電源管理系統對並聯電池組單體特性精確性低，進而造成某單一電池失效而造成整體電池之報廢，增加成本的支出。

故，有必要提供一種電動車電池並聯控制系統，以解決習用技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種電動車電池並聯控制系統，其係利用多個獨立之電池管理系統(battery management system,BMS)，以分別精確監測每一電池的操作狀態、有效淘汰特定電池、減少控制系統生產成本，甚至還可將不正常運作的電池與其他電池隔離，避免整組電池起火或爆炸，以提升電動車的安全性。

本發明之次要目的在於提供一種電動車電池並聯控制系統，其係利用多個獨立之電池管理系統，因每一電池對應一電池管理系統，不僅可就近處理數據，還可分散安裝，避免額外增加的模組製作，以減少材料成本並提升空間之利用率。

為達上述之目的，本發明提供一種電動車電池並聯控制系統，其包含一第一電池模組，具有一第一電池及一第一電池管理系統；一第二電池模組，具有一第二電池及一第二電池管理系統；一傳輸控制匯流排；一電池控制單元(battery control unit,BCU)，通過該傳輸控制匯流排連接該第一及第二電池管理系統；一整車管理系統 (vehicle management system,VMS)，分別連接該第一及第二電池；以及一切換控制模組，接收該整車管理系統之資訊並同時進行控制該第一及第二電池，且包含一切換單元，分別連接該第一及第二電池。

在本發明之一實施例中，該第一電池及第二電池係為二次電池，並連接至一充電器，或者各自連接至一獨立充電器，該充電器連接至該傳輸控制匯流排。

在本發明之一實施例中，該整車管理系統具有一顯示器。

在本發明之一實施例中，該切換單元係由一鎖頭切換開關或一主開關加以控制。

在本發明之一實施例中，該切換單元係為按壓開關、切換開關或液晶開關。

在本發明之一實施例中，該切換單元為一繼電器。

在本發明之一實施例中，該系統還包含一馬達控制器，其係由該整車管理系統加以驅動。

另外，本發明還提供一種電動車電池並聯控制系統，其包含：至少兩個電池模組，各自具有一獨立電池管理系統；一傳輸控制匯流排；一電池控制單元，通過該傳輸控制匯流排連接每一個電池管理系統；一整車管理系統，分別連接每一個電池；一切換控制模組，接收該整車管理系統之資訊並同時進行控制該第一及第二電池，且包含一切換單元，分別連接每一個電池，且負責進行切換作動，以導通任一個電池進行供電；以及一馬達控制器，其係由該整車管理系統加以驅動。

在本發明另一實施例中，該該整車管理系統具有一顯示器。

在本發明另一實施例中，該切換單元係由一鎖頭切換開關或一主開關加以控制。

關於本發明的特徵與實做，茲配合圖式做最佳實施例詳細說明如下：

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」或「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參照第1圖所示，本發明第一實施例之電動車電池並聯控制系統主要包含一第一電池模組11、一第二電池模組12、一傳輸控制匯流排13、一電池控制單元14、一整車管理系統15以及一切換控制模組16，其中該第一電池模組具有第一電池111及第一電池管理系統112；該第二電池模組12具有第二電池121及第二電池管理系統122；該電池控制單元14通過該傳輸控制匯流排13連接該第一及第二電池管理系統112、122；該整車管理系統15通過複數電源線17分別連接該第一及第二電池111、121，並可驅動一馬達控制器18；以及該切換控制模組16接收該整車管理系統15之資訊並同時進行控制該第一及第二電池111、121，且包含一切換單元161，該切換單元161通過啟動線19別連接該第一及第二電池111、121。該該第一及第二電池管理系統112、122不但可精確監測每一電池111、121的操作狀態，還可配合一充電器20第一及第二電池111、121進行充電，此一電池管理系統分散安裝之設計可避免額外增加之模組製作，以减少材料成本並提升空間之利用率。

本發明將於下文利用第1至2b圖逐一詳細說明第一實施例之上述各元件的細部構造、組裝關係及其運作原理。

請再參照第1圖所示，本發明第一實施例之電動車電池並聯控制系統之第一及第二電池模組11、12，其第一及第二電池111、121為二次電池(secondary battery)，又稱可充電電池，例如可為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰電池，但本發明並不局限於此。該第一及第二電池111、121之正負極各自通過電源線17分別電性連接該電池控制單元14及該切換控制模組16。

在本實施例中，該傳輸控制匯流排13係為一控制器區域網路(controller area network,CANbus)，其為一序列匯流排，建立在基於資訊導向傳輸協定之廣播傳輸機制上，利用雙線差動(two-wire differential)傳輸技術提供即時控制。該傳輸控制匯流排13將該第一及第二管理系統112、122及其充電器20與該整車管理系統15連接，以保證各節點之間訊息之傳輸。此外，該傳輸控制匯流排13還可包含偵錯和優先權判別之機制。該傳輸控制匯流排13亦可為RS-485介面或區域網際網路(local interconnect network,LIN)或其他使用封包或ASCII字元碼交換數據之介面，但本發明並不侷限於此。

再者，在本實施例中，該第一及第二管理系統112、122分別用以獨立監控該第一及第二電池111、121之電池狀態、電池性能異常、電池芯溫度、電解液狀態、顯示電池荷電狀態(State of Charge,SOC)健康狀態(state of health,SOH)及高溫示警等狀態，待分別偵測蒐集該第一或第二電池111、121之狀態訊息數據後，再通過該傳輸控制匯流排13連接該電池控制單元14進行處理與分析，其中該電池控制單元14負責各電池模組的散熱裝置運作，並判斷電池目前的電壓、溫度及容量等變化，再將結果傳輸給該整車管理系統15。該整車管理系統15又稱為電子管理系統(electrical management system,EMS)，其用以發出指令，並與外界傳輸及接受訊息。此外，當電動車充電時需與該整車管理系統15進行通訊，並根據該電池控制單元14傳回的數據進行控制，例如控制該電池控制單元14調整電池的充放電、驅動該馬達控制器18並且顯示電池狀態參數供駕駛人即時判讀。

請再參照第2a圖所示，本發明第一實施例之第一電池模組11啟動之電路示意圖，在本實施例中，該切換控制模組16包含一切換單元161，在本實施例中該切換單元161為一繼電器，該繼電器共有三個接點：A、B、C，其中C為一共接點(common)，A及C為常閉(normally close)接點，通過該啟動線19連接該第一電池111之輸出端；此時B及C為常開(normally open)接點，該第一電池111向該整車管理系統15供電，該第二電池121不供電。其中該切換單元161可為按壓開關、切換開關或液晶開關形式，但本發明並不侷限於此。

在本實施例中，使用者可依照電量顯示，使用一鎖頭或主開關(未繪示)控制該切換單元161，以切換任一電池。此時，該切換單元161(繼電器)將切斷另一電池，換言之，一次只能有一次電池作用。該切換單元161亦可由該整車管理系統15通過該第一或第二電池管理系統112、122監測電量驅動一驅動電路(未繪示)，以自動決定停止供電或進行電池切換。

該切換控制模組16之動作可設定於電動車停止行駛的時候執行，可預設為當該整車管理系統15判定車輛速度為零或是零電壓輸入時，為對第一或第二電池111、121進行安全管理，通常包括在車輛故障或發生碰撞的狀態下切斷系統電源等作法，如增加一電池保護電路，使其具備單體電池或電池模組的斷接功能，或是在熱管理上透過風扇等冷却系統，熱電阻等加溫系統使電池處於正常工作溫度範圍。特別在電池系統的高壓保護設計上，還須包括主動及被動式安全設計，如：電池組二次絕緣、絕緣電阻檢測、自動危險電壓斷開、手動電壓切斷等。

在本實施例中，該切換單元161(繼電器)還可在電池之充電狀態異常時，由該整車管理系統15下達指令給該電池控制單元14，進而執行斷路及漏電安全防護動作。由於動力電池相關電路皆為高壓系統，最高電壓可達600伏，故為滿足安全防護可甚至安裝數個繼電器或保險裝置。

請再參照第2b圖所示，本發明第一實施例之第二電池模組12啟動之電路示意圖，當該第一電池111電量不足或出現其他異常情况時，可切換該切換單元161，令常開接點B、C導通，通過該啟動線19改由第二電池進行供電，其工作原理與第一電池模組11啟動相同，於此不再贅述。

在本實施例中，該整車管理系統15還可包含一顯示器，藉由該電池控制單元14接收來自該電池管理系統的訊息，當該第一或第二電池111、121電壓或電量不足時，該整車管理系統15可依照一預設值透過該顯示器輸出相應的燈光、影像或聲音訊號，以提醒使用者進行電池切換。

請參照第3圖，本發明第二實施例之電動車電池並聯控制系統之結構示意圖，其中該電動車電池並聯控制系統可配置兩個、三個、四個或以上之電池111、121...，且每一電池111、121...均配有一獨立電池管理系統112、122...，當使用本發明第二實施例之電動車電池並聯控制系統時，同一時間內只有一個單位的電池用於供電，進而實現多組電池之交替供電，以延長行駛里程。

藉此，不但可精確監測每一電池的操作狀態，有效淘汰特定電池，並可將不正常運作的電池與其他電池隔離，避免整組電池起火或爆炸，因而進一步相對增加電動車的安全性。

如上所述，相較於習用電動車電池並聯控制系統雖能進行並聯電池監控，卻因各電池非一致性將隨著時間逐漸明顯，而導致無法精確各電池狀態之缺點，本發明藉由獨立之電池管理系統，其確實可以有效對各電池進行獨立監控，還可分散安裝，避免額外增加的模組製作，以減少材料成本並提升空間之利用率。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

11‧‧‧第一電池模組

111‧‧‧第一電池

112‧‧‧第一電池管理系統

12‧‧‧第二電池模組

121‧‧‧第二電池

122‧‧‧第二電池管理系統

13‧‧‧傳輸控制匯流排

14‧‧‧電池控制單元

15‧‧‧整車管理系統

16‧‧‧切換控制模組

161‧‧‧切換單元

17‧‧‧電源線

18‧‧‧馬達控制器

19‧‧‧啟動線

20‧‧‧充電器

A‧‧‧接點

B‧‧‧接點

C‧‧‧共接點

第1圖：本發明第一實施例之電動車電池並聯控制系統之結構示意圖。

第2a圖：本發明第一實施例之第一電池模組啟動之電路示意圖。

第2b圖：本發明第一實施例之第二電池模組啟動之電路示意圖。

第3圖：本發明第二實施例之電動車電池並聯控制系統之結構示意圖。