TWI510949B - 電池充放電控制系統及方法 - Google Patents

Description

電池充放電控制系統及方法

本發明涉及一種電池充放電控制系統及方法。

電池是電動汽車的關鍵要素。由於單塊電池的額定電壓較低（一般為幾伏特），要驅動電動汽車的發動機，需要幾十到上百塊電池組成的級聯電池組進行供電。由於電池材料物理特性之間的差異，每塊電池的額定電壓存在不同程度的差異，儘管在出廠階段差異微乎其微，當隨著使用過程中充放電次數的增加，額定電壓的差異會逐漸增大。而充電過程是對電池組的所有電池同時進行充電，但額定電壓小的電池達到其額定電壓而額定電壓大的電池尚未到達其額定電壓，如果繼續充電，就會導致額定電壓小的電池過度充電，縮短這部分電池的使用壽命。另外，電池組在驅動發動機的過程中可能會發生充放電同時進行的情況，例如在電池組對發動機供電（放電）的過程中，可能透過外部電源充電或透過太陽能、風能等充電，這種情況容易引起電池溫度迅速升高影響電池性能甚至引起爆炸。

鑒於以上內容，有必要提供一種電池充放電控制系統及方法，可以避免對電池性能的損害，提高電池的使用壽命。

一種電池充放電控制系統，該系統與包括多塊電池的電池組、能量轉換控制系統及用電設備電連接。該系統包括參數設置模組、電壓監測模組及電池分組模組。參數設置模組設置電池組的放電組及充電組所包括的電池的數量要求，以及電池組的所有電池的終止電壓及額定電壓。電壓監測模組在用電設備啟動時，接收與每塊電池相連接的感測器傳送的相對應電池的開路電壓值。電池分組模組按照開路電壓值的高低及上述設置的數量要求將各電池加入放電組或充電組。電壓監測模組還用於在放電組向用電設備供電及/或能量轉換系統向充電組供電過程中，即時監測各電池的開路電壓變化情況。電池分組模組還用於在放電組向用電設備供電過程中，將放電組中開路電壓低於終止電壓的電池從放電組切換到充電組，以避免任意一塊電池過度放電，並在能量轉換系統向充電組供電過程中，將充電組中開路電壓等於額定電壓的電池從充電組切換到放電組，以避免任意一塊電池過度充電。

一種電池充放電控制方法，用於控制包括多塊電池的電池組向用電設備或接受能量轉換控制系統向該電池組供電的過程，該方法包括：（A）設置電池組的放電組及充電組所包括的電池的數量要求，以及電池組的所有電池的終止電壓及額定電壓；（B）在用電設備啟動時，接收與每塊電池相連接的感測器傳送的相對應電池的開路電壓值；（C）按照開路電壓值的高低及上述設置的數量要求將各電池加入放電組或充電組；（D）在放電組向用電設備供電及/或能量轉換系統向充電組供電過程中，即時監測各電池的開路電壓變化情況；及（E）在放電組向用電設備供電過程中，將放電組中開路電壓低於終止電壓的電池從放電組切換到充電組，以避免任意一塊電池過度放電，及在能量轉換系統向充電組供電過程中，將充電組中開路電壓等於額定電壓的電池從充電組切換到放電組，以避免任意一塊電池過度充電。

相較於習知技術，本發明提供的電池充放電控制系統及方法，將電池組的電池分為放電組和充電組，放電組用於放電，充電組用於充電，並根據電池在充放電過程中開路電壓的變化進行分組切換，避免了電池過度放電或過度充電對電池性能的損害，可以提高電池的使用壽命。

參閱圖1所示，係本發明電池充放電控制系統2較佳實施方式之應用環境圖。該電池充放電控制系統2與電池組1、能量轉換控制系統3及用電設備4電連接。能量轉換控制系統3包括太陽能、風能等自然能轉換裝置或電力充電器。用電設備4可以為電動汽車的發動機或其他需要供電的設備，例如車載空調或其他電子設備。

電池組1包括放電組11及充電組12。放電組11及充電組12分別包括多塊電池10，放電組11的電池10向用電設備4供電，充電組12的電池10由能量轉換控制系統3進行充電。放電組11及充電組12的每塊電池10分別連接一個感測器13，用於感測各電池10在放電或充電過程中的即時電壓值，並將感測到的電壓值傳送到電池充放電控制系統2。

參閱圖3所示，係本發明電池充放電控制系統2較佳實施方式之功能模組圖。該電池充放電控制系統2包括參數設置模組21、電壓監測模組22、電池分組模組23、警示模組24、微處理器25及儲存器26。本實施例所述的模組是一種能夠被電腦微處理器25所執行並且能夠完成固定功能的電腦程式段，其儲存在儲存器26中。

參數設置模組21用於設置放電組11及充電組12所包括的電池10的數量要求，以及電池組1的所有電池10的終止電壓及額定電壓。例如，放電組11所包括的電池10的第一數量N1可以設置為所有電池10數量N的第一比例（例如50%）或者大於第一比例（例如50%）而小於第二比例（例如90%），充電組12所包括的電池10的第二數量N2可以設置為N-N1。終止電壓是指電池10放電時，電壓下降到不宜再繼續放電的最低工作電壓。額定電壓是指電池在常溫下的標準工作電壓。

電壓監測模組22用於在用電設備4啟動時，接收各感測器13傳送的相對應電池10的開路電壓值。開路電壓是指電池10不放電時，正、負兩級的電位差。

電池分組模組23用於按照開路電壓值的高低及上述設置的數量要求將各電池10加入放電組11或充電組12。例如，電池分組模組23按照開路電壓值的從高到低的順序選擇N1個電池10加入放電組11，並將餘下的電池10加入充電組12。參閱圖2所示，加入放電組11的電池10的連接觸角101連接到放電級聯匯流排14，加入充電組12的電池10的連接觸角101連接到充電級聯匯流排15。

電壓監測模組22還用於即時監測放電組11放電（即放電組11向用電設備4供電）過程中各電池10的開路電壓變化情況，以及監測充電組12充電（即能量轉換控制系統向充電組12充電）過程中各電池10的開路電壓變化情況。

電池分組模組23還用於在放電組11放電過程中，將放電組11中開路電壓低於終止電壓的電池10從放電組11切換到充電組12（具體介紹參閱圖5），以避免任意一塊電池10過度放電，並在充電組12充電過程中，將充電組12中開路電壓等於額定電壓的電池10從充電組12切換到放電組11（具體介紹參閱圖6），以避免任意一塊電池10過度充電。

警示模組24用於當放電組11在放電過程中、充電組12中開路電壓高於終止電壓的電池10的數量少於預設的第三數量，例如組成電池組1的所有電池10數量N的第三比例（例如10%）時，發出低電量警告，以及用於當充電組12在充電過程中、所有電池10的開路電壓都等於額定電壓時，提示充電完成。

參閱圖4所示，係本發明電池充放電控制方法較佳實施方式之流程圖。該流程圖中步驟S40、S50的順序可以調換。

步驟S10，參數設置模組21設置放電組11及充電組12所包括的電池10的數量要求，以及電池組1的所有電池10的終止電壓及額定電壓。例如，放電組11所包括的電池10的第一數量N1可以設置為所有電池10數量N的第一比例（例如50%）或者大於第一比例（例如50%）而小於第二比例（例如90%），充電組12所包括的電池10的第二數量N2可以設置為N-N1。

步驟S20，當用電設備4啟動時，電壓監測模組22接收各感測器13傳送的相對應電池10的開路電壓值。電池分組模組23按照開路電壓值的高低及上述設置的數量要求將各電池10加入放電組11或充電組12。例如，電池分組模組23按照開路電壓值的從高到低的順序選擇N1個電池10加入放電組11，並將餘下的電池10加入充電組12。

步驟S30，電壓監測模組22即時監測放電組11放電過程中各電池10的開路電壓變化情況，並監測充電組12充電過程中各電池10的開路電壓變化情況。

步驟S40，電池分組模組23在放電組11放電過程中，將放電組11中開路電壓低於終止電壓的電池10從放電組11切換到充電組12（具體介紹參閱圖5），以避免任意一塊電池10過度放電。

步驟S50，電池分組模組23在充電組12充電過程中，將充電組12中開路電壓等於額定電壓的電池10從充電組12切換到放電組11（具體介紹參閱圖6），以避免任意一塊電池10過度充電。

參閱圖5所示，係圖4中步驟S40之具體流程圖。

步驟S400，放電組11的電池10對用電設備4進行供電。

步驟S402，電壓監測模組22接收各感測器13即時監測到的電池組1的各電池10的開路電壓值。

步驟S404，電壓監測模組22判斷放電組11中是否存在開路電壓低於終止電壓的電池10。若放電組11中不存在開路電壓低於終止電壓的電池10，則流程返回步驟S400。若放電組11中存在開路電壓低於終止電壓的電池10，則流程進入步驟S406。

步驟S406，電壓監測模組22判斷充電組12中開路電壓高於終止電壓的電池10的數量是否小於預設的第三數量，例如組成電池組1的所有電池10數量N的第三比例（例如10%）。若充電組12中開路電壓高於終止電壓的電池10的數量小於預設的第三數量，則流程進入步驟S408，警示模組24發出低電量警告，之後流程再進入步驟S410。若充電組12中開路電壓高於終止電壓的電池10的數量不小於預設的第三數量，則流程直接進入步驟S410。

步驟S410，電池分組模組23將放電組11中開路電壓低於終止電壓的電池10與充電組12中開路電壓最高的電池10進行分組切換，以避免該電池10過度放電。切換過程可以透過電池分組模組23發送控制指令觸發相對應的控制電路（圖中未示出）將該開路電壓低於終止電壓的電池10的連接觸角101從放電級聯匯流排14上移開後連接至充電級聯匯流排15，並將充電組12中開路電壓最高的電池10的連接觸角101從充電級聯匯流排15上移開後連接至放電級聯匯流排14。

步驟S412，電壓監測模組22判斷是否電池組1中所有電池10的開路電壓都不高於終止電壓。若還有電池10的開路電壓高於終止電壓，則流程返回步驟S400。若所有電池10的開路電壓都不高於終止電壓，則電池組1停止向用電設備4供電，流程結束。

圖4中步驟S408發出的低電量警告可以保證用電設備4在被停止供電前正常運行一段時間。在電池組1放電的過程中採取逐一切換電量低的電池10，而不是將多塊電池10同時切換可以避免電池組1的供電總量突然降低導致用電設備的不穩定。

參閱圖6所示，係圖4中步驟S50之具體流程圖。

步驟S500，能量轉換控制系統3對充電組12的電池10進行充電。

步驟S502，電壓監測模組22接收各感測器13即時監測到的電池組1的各電池10的開路電壓值。

步驟S504，電壓監測模組22判斷充電組12是否有電池10的開路電壓等於額定電壓。若充電組12所有電池10的開路電壓都低於額定電壓，則表明充電組12不存在充電完成的電池10，流程返回步驟S500；若充電組某塊電池10的開路電壓等於額定電壓，則表明該電池10充電完成，流程進入步驟S506。

步驟S506，電池分組模組23將充電組12中開路電壓等於額定電壓的電池10與放電組11中開路電壓最低的電池10進行分組切換，以避免該開路電壓等於額定電壓的電池10過度充電。切換過程可以透過電池分組模組23發送控制指令觸發相對應的控制電路（圖中未示出）將該開路電壓等於額定電壓的電池10的連接觸角101從充電級聯匯流排15上移開後連接至放電級聯匯流排14，並將放電組11中開路電壓最低的電池10從放電級聯匯流排14上移開後連接至充電級聯匯流排15。

步驟S508，電壓監測模組22判斷電池組1中是否還有電池10的開路電壓低於額定電壓。若電池組1中還有電池10的開路電壓低於額定電壓，則流程返回步驟S500；若電池組1中所有電池10的開路電壓都等於額定電壓，則流程進入步驟S510。

步驟S510，警示模組24提示充電完成。

最後應說明的是，以上實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施方式對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。

1．．．電池組

2．．．電池充放電控制系統

3．．．能量轉換控制系統

4．．．用電設備

10．．．電池

11．．．放電組

12．．．充電組

13．．．感測器

14．．．放電級聯匯流排

15．．．充電級聯匯流排

21．．．參數設置模組

22．．．電壓監測模組

23．．．電池分組模組

24．．．警示模組

25．．．微處理器

26．．．儲存器

101．．．連接觸角

圖1係本發明電池充放電控制系統較佳實施方式應用環境圖。

圖2係電池之分組示意圖。

圖3係本發明電池充放電控制系統較佳實施方式之功能模組圖。

圖4係本發明電池充放電控制方法較佳實施方式之流程圖。

圖5係圖4中步驟S40之具體流程圖。

圖6是圖4中步驟S50的具體流程圖。

1．．．電池組

2．．．電池充放電控制系統

3．．．能量轉換控制系統

4．．．用電設備

10．．．電池

11．．．放電組

12．．．充電組

13．．．感測器

Claims (10)

1. 一種電池充放電控制系統，該系統與包括多塊電池的電池組、能量轉換控制系統及用電設備電連接，該系統包括：
   參數設置模組，用於設置電池組的放電組及充電組所包括的電池的數量要求，以及電池組的所有電池的終止電壓及額定電壓；
   電壓監測模組，用於在用電設備啟動時，接收與每塊電池相連接的感測器傳送的相對應電池的開路電壓值；
   電池分組模組，用於按照開路電壓值的高低及上述設置的數量要求將各電池加入放電組或充電組；
   電壓監測模組，還用於在放電組向用電設備供電及/或能量轉換系統向充電組充電的過程中，即時監測各電池的開路電壓變化情況；及
   電池分組模組，還用於在放電組向用電設備供電過程中，將放電組中開路電壓低於終止電壓的電池從放電組切換到充電組，並在能量轉換系統向充電組充電的過程中，將充電組中開路電壓等於額定電壓的電池從充電組切換到放電組。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池充放電控制系統，其中，所述放電組所包括的電池的第一數量N1設置為總電池數量N的第一比例或者大於第一比例且小於第二比例，充電組所包括的電池的第二數量N2設置為總電池數量N減去第一數量N1。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電池充放電控制系統，還包括：
   警示模組，用於在放電組向用電設備供電過程中、充電組中開路電壓高於終止電壓的電池的數量少於預設的第三數量時，發出低電量警告，以及用於能量轉換系統向充電組供電過程中、所有電池的開路電壓都等於額定電壓時，提示充電完成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電池充放電控制系統，其中，所述終止電壓是指電池放電時，電壓下降到不宜再繼續放電的最低工作電壓，額定電壓是指電池在常溫下的標準工作電壓，開路電壓是指電池不放電時，正、負兩級的電位差。
5. 一種電池充放電控制方法，用於控制包括多塊電池的電池組向用電設備供電或接受能量轉換控制系統向該電池組充電的過程，該方法包括：
   參數設置步驟：設置電池組的放電組及充電組所包括的電池的數量要求，以及電池組的所有電池的終止電壓及額定電壓；
   電壓監測步驟：在用電設備啟動時，接收與每塊電池相連接的感測器傳送的相對應電池的開路電壓值；
   電池分組初始化步驟：按照開路電壓值的高低及上述設置的數量要求將各電池加入放電組或充電組；
   電壓監測步驟：在放電組向用電設備供電及/或能量轉換系統向充電組充電的過程中，即時監測各電池的開路電壓變化情況；及
   電池分組切換步驟：（a）在放電組向用電設備供電的過程中，將放電組中開路電壓低於終止電壓的電池從放電組切換到充電組，及（b）在能量轉換系統向充電組充電的過程中，將充電組中開路電壓等於額定電壓的電池從充電組切換到放電組。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電池充放電控制方法，其中，所述參數設置步驟包括：
   設置放電組所包括的電池的第一數量N1為總電池數量N的第一比例或者大於第一比例且小於第二比例；及
   設置充電組所包括的電池的第二數量N2為總電池數量N減去第一數量N1。
7. 如申請專利範圍第5項所述之電池充放電控制方法，其中，所述電池分組切換步驟中的步驟（a）包括：
   （a1）接收各感測器即時監測到的各電池的開路電壓值；
   （a2）判斷放電組中是否存在開路電壓低於終止電壓的電池，若放電組中不存在開路電壓低於終止電壓的電池，則返回步驟（a1），若放電組中存在開路電壓低於終止電壓的電池，則執行步驟（a3）；
   （a3）判斷充電組中開路電壓高於終止電壓的電池的數量是否小於預設的第三數量，若充電組中開路電壓高於終止電壓的電池的數量小於預設的第三數量，則發出低電量警告，之後執行步驟（a4），若充電組中開路電壓高於終止電壓的電池的數量大於或等於預設的第三數量，則直接執行步驟（a4）；
   （a4）將放電組中開路電壓低於終止電壓的電池與充電組中開路電壓最高的電池進行分組切換；及
   （a5）判斷是否電池組中所有電池的開路電壓都不高於終止電壓，若還有電池的開路電壓高於終止電壓，則繼續向用電設備供電，若所有電池的開路電壓都不高於終止電壓，則停止向用電設備供電。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電池充放電控制方法，其中，所述步驟（a4）包括：發送控制指令觸發相對應的控制電路將該開路電壓低於終止電壓的電池的連接觸角從放電級聯匯流排上移開後連接至充電級聯匯流排，並將充電組中開路電壓最高的電池的連接觸角從充電級聯匯流排上移開後連接至放電級聯匯流排。
9. 如申請專利範圍第5項所述之電池充放電控制方法，其中，所述電池分組切換步驟中的步驟（b）包括：
   （b1）接收各感測器即時監測到各電池的開路電壓值；
   （b2）判斷充電組是否有電池的開路電壓等於額定電壓，若充電組所有電池的開路電壓都低於額定電壓，則繼續接受能量轉換系統的供電，若充電組某塊電池的開路電壓等於額定電壓，則執行步驟（b3）；
   （b3）將充電組中開路電壓等於額定電壓的電池與放電組中開路電壓最低的電池進行分組切換；及
   （b4）判斷是否還有電池的開路電壓低於額定電壓，若還有電池的開路電壓低於額定電壓，則繼續接受能量轉換系統的充電，若所有電池的開路電壓都等於額定電壓，則提示充電完成。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電池充放電控制方法，其中，所述步驟（b3）包括：發送控制指令觸發相對應的控制電路將該開路電壓等於額定電壓的電池的連接觸角從充電級聯匯流排上移開後連接至放電級聯匯流排，並將放電組中開路電壓最低的電池的連接觸角從放電級聯匯流排上移開後連接至充電級聯匯流排。