TWI524626B - 模組化雙向推挽式電池平衡監控系統 - Google Patents

Description

模組化雙向推挽式電池平衡監控系統

本發明係為一模組化雙向推挽式電池平衡監控系統，尤指一種推挽式轉換器可平衡電池串聯充電時，電池單元間之電量，以防止電池充電與放電時電量不平衡，並達成每一電池單元和電池單元之間電量平衡的效果。

近年來，由於電池技術的快速發展，使鋰鐵電池能運用之範圍大為提升，例如︰不斷電系統(UPS)、電動車(EV)及油電混和車(HEV)…等。然而，單顆鋰鐵電池的電壓一般介於2.6~3.8V之間，並不足以推動電動車，因此，必須將多顆電池單元串聯使用，例如︰將12顆電池單元(battery cell)串聯、3顆並聯，以組成一3P12S之電池模組。由於電池串聯充電時，會因每一電池單元的內部差異，而造成模組內每一電池單元具不同電壓，當鋰鐵電池內部具有不同電壓之電池單元時，則會因電池過充或過放電之情況，而損壞其內部結構或產生容量降低…等問題。

目前解決上述問題之作法，主要是透過於串聯充電時額外加入電池平衡電路，以防止電池過充或過放電。而其相關技術如下︰

中華民國公告第M441267號專利，係揭露一種「模組化雙向返馳式電池平衡電路」，係發明人先前所設計之電池平衡電路，其改良主要在於變壓器第一側繞組連接一主開關元件，於其複數個第二側繞組分別並聯平衡單元，平衡單元分別包括有連接第二側繞組第一端與第二端之第一開關元件以及第二開關元件，將複數個電池單元之正極與負極分別連接對應平衡單元之第一開關元件與第二開關元件；藉此，控制主開關元件以及第一、二開關元件的導通與截止，即可達到充電與放電時電池單元間電量之平衡，且於電池組間可進一步外加一電容，藉由電容將電池組間的能量互相傳遞，以達電池組和電池組之間電量平衡的功效。

中華民國公告第512568號專利，係揭露一種「模組電池充電均壓器及其控制方法」，其改良在於該電池充電均壓化係利用可以交錯關係連接之模組於串聯之電池串中電池對之間實施。各模組被標準化並具有與其他模組相同之結構。模組可被構成以提供單向充電分佈下該串，自更高充電電池至較低充電電池並自串中之更高充電最後電池回至串中之較低充電第一電池，或可被構成以提供雙向充電再分佈，上或下電池串。當在模組連接之二電池上之電壓均壓化時，充電均壓器模組以向前為基礎且減少充電電流。然而，該結構之均充元件過多，造成電路複雜度增加，而使成本提高。

中華民國公告第502900號專利，係揭露一種「電池充電等化裝置」，其改良在於可配合充電器以對串聯連接電池組做均等充電；組成包含電池電壓檢測電路、微控制器、邏輯及驅動電路，返馳式轉換器；在充電時取得串聯連接之電池組的各個電池電壓，數位化後與預設電壓值做比較，如果有任何一個電池電壓高於預設之電壓值，則將啟動返馳式轉換器抽取電池之電流，對整個串聯連接之電池組做回充動作，以避免個個電池過度充電，如此達到均等充電的目的，可延長串聯連接之電池組的壽命。然而，上述技術僅能單方向進行電池電壓平衡，故其平衡效果不佳。

中華民國公開第201110504號專利，係揭露一種「電池電壓平衡電路及方法」，此發明提供了一種電池電壓平衡電路以平衡串聯之複數個電池單元之電壓。電池電壓平衡電路包含一電池電壓平衡單元以及一電池電壓判斷單元。電池電壓平衡單元包含複數個平衡單位，每一平衡單位對應耦接該複數個電池單元之一電池單元之一正端及一負端，並於接收一平衡訊號時導通一平衡電流。電池電壓判斷單元耦接該複數個電池單元之該些正端及該些負端，該電池電壓判斷單元於該複數個電池單元其中任一電池單元達到一平衡電壓時，發出平衡訊號以導通對應之該平衡單位。然而，該技術是透過平衡元件使用電阻來平衡，使多餘的電能消耗在電阻上，因此容易產生散熱問題。

中華民國公告第M414756號專利，係揭露一種「多個電池單元電池組之主動式平衡電路」，主要是提供一種多個電池單元電池組之主動式平衡電路。該多個電池單元電池組之主動式平衡電路包括：一儲能元件，包括一第一線圈和多個第二線圈，第一線圈透過一磁芯與多個第二線圈耦合；一電池組，包括串聯連接的多個電池單元，電池組係透過一第一開關與第一線圈串聯耦接；多個第二開關，每一第二開關耦接至多個電池單元中之一相對應電池單元及至多個第二線圈中之一相對應第二線圈；以及一開關控制單元，耦接第一開關以及多個第二開關，並控制第一開關以及多個第二開關之閉合及關斷。由於此儲能期間，開關的責任週期需控制以確保不會產生電池單元的反向放電電流，因此，其開關控制上需有較高成本之電流偵測與複雜開關控制計算單元，此外，若開關提前截止或延後截止皆會在開關上產生高壓，而有導致開關燒毀之虞。

有鑑於習用電池平衡電路具有元件過多、成本過高及開關不易控制等問題，而仍有改進之空間。

因此，本發明之目的乃是將電池單元能量透過推挽式轉換器與控制開關傳送到共同電容儲存，再將共同電容能量透過推挽式轉換器傳遞至電池單元，以達到模組化電池單元充電量平衡之目的。

為達前揭目的，本發明提供一種模組化雙向推挽式電池平衡監控系統，並透過此系統平衡電池組內每個串聯電池單元的電壓，以及平衡串接之每一電池單元與電池單元間之能量，且利用推挽式轉換器的特點與多組開關之控制，而能於開關導通時，先將電壓較高的電池單元能量透過變壓器傳送到共同電容組，再於開關導通時將共同電容組能量透過變壓器傳送到電壓較低的電池單元，以達成平衡每一電池單元充電電量之效果。

該共同電容為電池單元與推挽式轉換變壓器間之暫存能量中心，而能協助於模組化雙向推挽式電池組充放電時之電量平衡。電池平衡監控系統能量測每一電池單元電壓，並計算該電池單元電壓之平均值，透過比較每一電池單元電壓與所計算之平均值，以進一步設定誤差值。

藉此，當電池單元電壓大於計算之平均值時，該雙向推挽式操作於電池單元傳遞至共同電容能量傳遞模式，以便將能量傳遞至變壓器一次側共同電容；而當電池單元小於計算之平均值時，該雙向推挽式操作於共同電容傳遞至電池單元能量傳遞模式，使能量傳遞至變壓器二次側電池單元以進行均充。此外，當每一電池單元進行均充時，若誤差值過大，將控制電池充電器來緩和均充電流，藉以達到保護與均充之功效。

為使  貴審查委員瞭解本發明欲達成目的所運用之技術、手段及功效，茲舉一較佳實施例並配合圖式，詳細說明如后︰

首先，請參閱第1圖所示，係本發明之系統架構圖，該系統主要包含一模組平衡控制單元（1）、一共同電容（2）、一雙向推挽式電池平衡電路模組（3）、一電池組（4）、一電池量測單元（5）以及一充電控制單元（6）。

該模組平衡控制單元（1）係於接收到電池量測單元（5）所量測電池組（4）內每一電池單元（41）之電壓值後，開始計算電池組（4）之電壓平均值，並於比較每一電池單元（41）與所計算之平均值後，進一步設定誤差值。當每一電池單元（41）量測之電壓值大於或小於計算之平均值時，模組平衡控制單元（1）便會發出驅動訊號給雙向推挽式電池平衡電路模組（3）以針對電池組（4）進行均充；若誤差值過大時，則能利用模組平衡控制單元（1）控制充電控制單元（6）來緩和均充電流，以達到保護與均充。

其次，請仍然參閱第1圖並配合第2圖所示，為達成平衡每一電池單元充電電量之功效，在雙向推挽式電池平衡電路模組中（3）設有複數平衡電路單元（31），且每一平衡電路單元（31）包括有一變壓器（311），其具有一次側繞組（312）以及與一次側繞組（312）感應之複數個二次側繞組（313）。於本實施例中，該一次側繞組（312）具有分別以 ， ， ， 表示之四線圈；二次側繞組（313）具有分別以 ， 表示之二線圈。且於變壓器（311）之一次側繞組（312）電路中，設有分別以 ， ， 表示之三切換開關、分別以 ， 表示之二切換二極體以及一共同電容（2）；另在變壓器（311）之二次側繞組（313）電路中，設有以 、 表示之二切換開關以及一電池單元（41）。

接著，請仍然參閱第2圖並配合第3圖所示，其係包含複數個雙向推挽式電池平衡電路單元（31），且每一雙向推挽式電池平衡電路單元（31）之二次側繞組（313）係對應連接於每一電池單元（41），於本實施例中，具有複數個雙向推挽式電池平衡電路單元（31），且該雙向推挽式電池平衡電路單元（31）之一次側繞組（312）係以並聯方式連接一共同電容（2），而該共同電容（2）係供電池單元（41）與變壓器（311）暫存能量，藉此，能透過雙向推挽式電池平衡電路模組（3）對電池組（4）進行均充。

請接著參閱第4-A圖並配合第5圖所示，於本發明之一充電狀態中，該電池單元（41）之電壓值係大於模組平衡控制單元（1）所計算之平均值（請回顧第1圖），此時，平衡電路單元（31）之一次側繞組（312）電路的切換開關 、切換二極體 以及二次側繞組（313）電路的切換開關 係為導通狀態，使電池單元（41）高於平均值之能量透過變壓器（311）的操作，而將能量傳遞至變壓器（311）之一次側繞組（312）的共同電容（2）中儲存（請回顧第3圖）。

於本發明之另一充電狀態中，請參閱第4-B圖並配合第5圖所示，該電池單元（41）之電壓值係大於模組平衡控制單元（1）所計算之平均值（請回顧第1圖），此時，平衡電路單元（31）之一次側繞組（312）電路的切換開關 、切換二極體 以及二次側繞組（313）電路的切換開關 係為導通狀態，使電池單元（41）高於平均值之能量透過變壓器（311）的操作，而將能量傳遞至變壓器（311）之一次側繞組（312）的共同電容（2）中儲存（請回顧第3圖）。

接著，請參閱第6-A圖並配合第7圖所示，於本發明之一充電狀態中，該電池單元（41）之電壓值係小於模組平衡控制單元（1）所計算之平均值（請回顧第1圖），此時，平衡電路單元（31）之一次側繞組（312）電路的切換開關 以及二次側繞組（313）電路的切換開關 係為導通狀態，使儲存於共同電容（2）之能量透過變壓器（311）的操作（請回顧第3圖），將能量傳遞至變壓器（311）之二次側繞組（313）的電池單元（41），以進行均充。

於本發明之另一充電狀態中，請參閱第6-B圖並配合第7圖所示，該電池單元（41）之電壓值係小於模組平衡控制單元（1）所計算之平均值（請回顧第1圖），此時，平衡電路單元（31）之一次側繞組（312）電路的切換開關 以及二次側繞組（313）電路的切換開關 係為導通狀態，使儲存於共同電容（2）之能量透過變壓器（311）的操作（請回顧第3圖），將能量傳遞至變壓器（311）之二次側繞組（313）的電池單元（41），以進行均充。

是以，由上述之實施說明可知，使用本發明之模組化雙向推挽式電池平衡監控系統顯然能達成如下之功效︰ 1.     本發明模組化雙向推挽式電池平衡監控系統係透過其電路設計，使變壓器於䆁能期間能自動調整開關電路。 2.     本發明透過可模組化之平衡電路單元，讓使用者能依據使用設備所需負載之電量進行數量的增減，而能提升擴充性與使用彈性。 3.     本發明之模組化雙向推挽式電池平衡監控系統係使用小功率開關，故於使用電壓變動時，不需另外繞制變壓器或增大開關耐壓，因此，能有效降低成本。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之實施範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

綜上所述，本發明確實已突破傳統並具有改良及創新之創作內容且能具體實施，理應符合發明專利之法定要件，爰依法提出專利申請，懇請　鈞局審查委員授予合法專利權，以勵創作，至感德便。

本發明︰
（1）‧‧‧模組平衡控制單元
（2）‧‧‧共同電容
（3）‧‧‧雙向推挽式電池平衡電路模組
（31）‧‧‧平衡電路單元
（311）‧‧‧變壓器
（312）‧‧‧一次側繞組
（313）‧‧‧ 二次側繞組
（4）‧‧‧電池組
（41）‧‧‧電池單元
（5）‧‧‧電池量測單元
（6）‧‧‧充電控制單元

第1圖係本發明之系統架構圖。 第2圖係本發明之電路架構圖。 第3圖係本發明之電池單元對共同電容平衡充電示意圖。 第4-A圖係本發明之電池單元對共同電容平衡充電狀態(a)示意圖。 第4-B圖係本發明之電池單元對共同電容平衡充電狀態(b)示意圖。 第5圖係本發明之電池單元對共同電容平衡充電狀態時序圖。 第6-A圖係本發明之共同電容對電池單元平衡充電狀態(a)示意圖。 第6-B圖係本發明之共同電容對電池單元平衡充電狀態(b)示意圖。 第7圖係本發明之共同電容對電池單元平衡充電狀態時序圖。

(31)‧‧‧平衡電路單元

(311)‧‧‧變壓器

(312)‧‧‧一次側繞組

(313)‧‧‧二次側繞組

(41)‧‧‧電池單元

Claims (1)

1. 一種模組化雙向推挽式電池平衡監控系統，包含一模組平衡控制單元，該模組平衡控制單元係連接並供控制一雙向推挽式電池平衡電路模組、一電池量測單元以及一充電控制單元，其中，該雙向推挽式電池平衡電路模組係連接有一共同電容以及由複數電池單元串聯構成之一電池組，該電池量測單元係供量測該電池單元之電壓，該充電控制單元係供控制該共同電容之電流；其特徵在於︰ 該雙向推挽式電池平衡電路模組中設有複數平衡電路單元，且該平衡電路單元包括一變壓器，而該變壓器包含︰ 一一次側繞組，該一次側繞組具有四線圈，該線圈係連接於三切換開關、二切換二極體，以及一共同電容以構成其電路；以及 複數二次側繞組，係與該一次側繞組感應，並具有二線圈，該線圈連接有二切換開關以及一電池單元以構成其電路； 藉此，使該雙向推挽式電池平衡電路模組之每一平衡電路單元的一次側繞組以並聯方式連接於該共同電容，並使該平衡電路單元之二次側繞組對應連接於該電池單元，以利用該模組平衡控制單元控制該雙向推挽式電池平衡電路模組來平衡該電池組內每一電池單元的電壓。