TWI524628B - Battery Manager - Google Patents

Description

電池管理器

本發明係為一種電池管理器，尤係指一種可主動平衡電池組內每顆電池電壓及容量之電池管理器。

眾人皆知鉛酸電池的效益可被許多不同因素影響，如產品多樣性，不同成熟特性，電池組內不均等溫度分佈…等等。電池組內的電池是非常難維護或是非常難固定一個電壓值或容量。於是在某些應用中，當電池組中某一顆電池的效益變得較差，在一段時間內整個電池組的效益會快速遞減。較差的電池在充電的過程中成為一個阻止電池組達到滿電壓或滿容量一個限制的因子。較差效益的電池也會在放電過程中停止提供滿額的電量及電壓。電池管理器的存在已知可有效的減少電池間效益的差異，如此一來可增進整體電池組效益。然而，一般來說傳統的電池管理器是以被動的方式來達到平衡電壓和容量，依靠的是在充電操作中使用電阻來消耗較差電池的過多能量，這種方式造成能量浪費及在電池間產生溫度升高效應。現今所知主動平衡方法如同直流對直流返回轉換器，它們一般來說反應時間較慢，而且控管應用端比較沒有效率，如同管理電池組用來驅動電動車馬達。此研發的目標是提供增進電池管理器能力，並最小化現今傳統電池管理器已知的問題。

本發明是一個有同步顯示並取得每顆獨立電池電壓的主動平衡系統。連續的電壓數據立即傳達提供給中央處理單位。充電及放電操作期間，電池組內的電池電壓和容量會主動平衡。電池管理器讓電池組最佳化其效益，讓損耗的能量最小化，增進整體電壓和容量並增加電池組的 壽命。由同步監控取得電壓資料，電池組中效益差的電池會立即偵測並被標示。高速並聯能量轉移被效益較差的電池利用來主動平衡電壓和容量並且使它們與其他電池至連續的平衡狀態。電池管理器對於增進整體電池組用於應用端效益特別有用，他需要時常提供高能量輸出率，相對深度放電及快速充電操作，如同電池組用於電動車上。

一種主動電池平衡系統用於電池組包括一系列電池和電池管理器；(A)一系列同步電壓偵測用於測量電池組內每個電池個別電壓和電壓數據傳達給中央控制單元透過一個平衡控制；(B)高迴路控制器與電池組的正極端栓在一起；(C)低迴路控制器與電池組的負極端栓在一起；(D)一系列的能量轉移單元被整合成並聯而且在電池組中電池各自連接。

俾使審查委員能對於本發明之技術特徵，有更進一步之了解，以下謹以一具體實施例，且佐以圖式作詳細說明。

100‧‧‧能量轉移單元

100-1‧‧‧放電形式能量轉移控制

100-2‧‧‧充電形式能量轉移控制

101‧‧‧電池

102‧‧‧電壓監控

105‧‧‧平衡控制單元

106‧‧‧同步讀取介面

110‧‧‧溫度偵測器

200‧‧‧中央控制單元

300‧‧‧高迴路控制器

400‧‧‧低迴路控制器

301，401‧‧‧電流感應器

302，402‧‧‧充電迴路開關

303，403‧‧‧放電迴路開關

304，404‧‧‧充電開關閘門驅動

305，405‧‧‧放電開關閘門驅動

603‧‧‧電池組

604‧‧‧電池組

605‧‧‧充電作業

607‧‧‧充電作業才會恢復

608‧‧‧電池有最高的電壓和最低的容量時將固定被監測和標誌

609‧‧‧並聯能量轉移單元

611‧‧‧電池組

612‧‧‧放電作業

614‧‧‧直到它們的電壓介於極限值門檻之內，之後放電作業才會恢復

615‧‧‧電池有最低的電壓和最高的容量時將固定被監測和標誌

802‧‧‧電壓儲存處

803‧‧‧閘門

804‧‧‧類比至數位轉換器

805‧‧‧緩衝裝置

第一圖 本發明用於電池管理組串之系統架構圖。

第二圖 各式主種管理方法之差異示意圖。

第三圖 能量轉移示意圖。

第四圖 主動能量之轉移方向示意圖。

第五圖 充電過程之平衡電池的時機與方法之示意圖。

第六圖 放電過程之平衡電池的時機與方法之示意圖。

第七圖 能量轉移至有利方向示意圖。

第八圖 電池組中單一電池獨立電壓之顯示示意圖。

第九圖 電池管理器之邏輯操作之流程圖。

實施例一，在此研發創新中，參考資料將更能具體化電池管理器的細部，各式的例子將搭配圖形說明；將此研發創新說明的更具體化，它將更被了解不斷創新所產生之實例。經由圖形美術中的一個方式更被認識，現今的研發創新也許需要不斷更新才能更接近細部規格需求。

並聯功率轉移，圖一，說明主動電池管理器搭配電池組；電池管理器有一系列能量轉移單元100。能量轉移單元是以並聯組裝整合。每個能量轉移單位100是被獨立連接至電池組中的其中一個電池101。每個電池的電壓101被同步電壓監測102個別監控。電壓監控102與一個中央控制單元200進行平衡控制105。電池組的溫度以溫度偵測器110進行測量。溫度也與中央控制單元200有聯繫。按照電池間的預設電壓差之極限值，平衡控制單元105立刻判斷是否有電池組中的任何一顆電池與其他電池平均電壓之間未達平衡。一旦電壓差被偵測到大於極限值，霎時主動平衡作業立即啟動。主動平衡的發生是依據兩迴路控制器所決定。高迴路控制器300與電池組的正極柱拴在一起，而低迴路控制器400與電池組的負極柱拴在一起。任一個迴路控制器300，400是由一個電流感應器301，401，一個充電迴路開關302，402，一個放電迴路開關303，403，一個充電開關閘門驅動304，404，和一個放電開關閘門驅動305，405。迴路控制器300，400從中央控制單元200決定執行主動平衡作業送出個人指定訊號給一個對應能量轉移單元100介於低效益電池和其他電池之間開始並轉移能量。電池組內其他電池的在平衡的過程中如同一整合單元功能。基本上，由並聯能量單元執行主動平衡作業進而在電池組間轉移能量，用來維護達到平衡電壓和容量。此作業之關鍵在於防止較差的電池狀態更差，延長電池組的循環壽命，和讓電池組所有電壓及容量都能完全被使用。

圖2A，說明傳統電池管理器從一個慢慢逐步能源轉化過程依次使用直流對直流返馳式轉換器。這逐步的過程對於命令需求高能量的輸出和快速充電效率的應用端狀態是效率較差的。相對的，圖2B說明現在的研發有整個並聯能量轉移單元，使的它們一起工作如同一個單元來主動平衡電池。並聯能量單元遇到要求高效率的應用端有快速的反應時間，如 同驅動電動車的馬達，此類型需要頻繁瞬間的大量電能輸出率，如同電池組的頻繁深度放電和縮短充電作業。

圖3，更進一步說明現今的電池管理器研發中並聯能量轉移單元100的細節。各個能量轉移單元是直流到直流的轉換器裡面包括一個放電形式能量轉移控制100-1和一個充電形式能量轉移控制100-2。充電作業的期間，一個較差的電池比其他電池更快達到高電壓極限值，一個放電形式能量轉移控制100-1如同一個脈衝寬度變調控制器，主動轉移過多的能量，從差的電池至其餘電池組的電池成為整合單元，因此降低較差的電壓與其他電池組的電池去達到一致性。換句話說，放電作業的期間，一個充電形式能量轉移控制100-2主動從電池組中好的電池轉移能量當作一個整合單元通過脈衝寬度變調控制器到差的電池，使的好的電池比其他電池更快達到低電壓，而且主動能量轉移提高差電池的電壓與電池組內其他電池達到平衡狀態。圖4更進一步說明充電作業期間，一個脈衝寬變調控制器被使用當作能量轉移控制器以轉換能量到電池組內的好的電池來下降較差電池的電壓成為整合單元。然而放電作業期間，一個脈衝寬變調控制器被使用當作能量轉移控制器以轉換能量到電池組內的好的電池來上升較差電池的電壓成為整合單元。在研發的電池管理器中直流對直流調變器和傳統平衡操作比較增進電池間轉移能量的效率和微不足道的熱能損失。一般而言，電池管理器有高達90%的能量轉移和能源損失小於10%。

能源轉移的有利方向，圖5，6，說明當電池組內的多數電池的電池都在接近範圍內，例如在充電和放電的操作中，大約在平均電壓值附近。隨著時間一些電池將比大多數電池組內的電池更快逐漸惡化。充電過程中，電池組內較差的電池將比好的電池更容易達到充滿電的狀態，而且會表現出更高的電壓值。一旦較差的電池達到電壓值的門檻，電池組內好的電池的充電程序將受到阻礙。相對而言，放電的操作中較差電池將會容量較小和電壓下降更快，從好電池到差電池的充電程序在主動能量轉移進去時需要更緩慢。沒有管理放電程序的情況下，電池組太早達到高電壓限制而且變得不能提供全滿的容量。圖7，說明一個電池管理器研發的基本原理：最適當地能量轉移方向。充電或放電作業中，電池的能量轉移方式無特別固定。每當電池被偵測高於平均電壓值達到一定門檻，電池管理 器可以立即主動平衡電池，讓電池脫離限制門檻，如此連續平衡電壓和所有電池容量達到一個可接受的小範圍平均電壓值和電池組所有電池的容量。

同步電壓監測，現階段創新使用同步電壓監測。圖8，說明同步電壓監測組成。每個監測都有同步讀取介面106與電池個別的連接。採樣器的序列讀取同時讀取每個電壓值，而且在電壓儲存處802儲存類比資料。在電壓儲存處的類比資料經過閘門803程序處理，由一個類比至數位轉換器804轉換成數位資料並且儲存在一個緩衝裝置805。緩衝裝置的資料805與中央控制單元200互相溝通為了對電池組內每個電池作主動平衡決定。同步電壓監測被設計成防止資訊錯誤導致電磁波短暫干擾，這是一般電動車在負載使用下的錯誤。電池被讀取電壓的同時，電池的電壓差不會被短暫的電磁波干擾所影響，因為每個電池干擾的程度都維持相同程度。精準的電壓數值是極度重要用來作中央控制單元200正確的主動平衡判斷。

電池管理作業流程圖，圖9說明一個電池管理器研發作業流程圖。為了確認資料精準，所有資料會被自動進行初始校準。電流感應器301，401確認是否電池組603在充電或放電作業。在充電作業中，同步電壓監測102連續與中央控制單元200提供電壓數據為了決定是否有任何較差的電池在電池組604內達到相對於平均電池的平均電壓值的上限門檻。一旦門檻的極限值超過，充電迴圈開關302，402，停止對較差電池的充電作業605，直到它們的電壓介於極限值門檻之內，之後充電作業才會恢復607。電池有最高的電壓和最低的容量時將固定被監測和標誌608。電池組內主動平衡執行能量轉移從被標誌的電池到其他平均的電池如同一個整合單元通過並聯能量轉移單元609為了平衡電池電壓。換句話說，當電池組在充電的作業當中，同步電壓偵測102連續提供電壓資訊給中央控制單元200去決定是否有任何較差的電池在電池組611內達到相對於平均電池的平均電壓值的下限門檻。一旦門檻的極限值超過，放電迴圈開關303，403，停止對較差電池的放電作業612，直到它們的電壓介於極限值門檻之內，之後放電作業才會恢復614。電池有最低的電壓和最高的容量時將固定被監測和標誌615。電池組內主動平衡執行能量轉移從其他平均的電池如同一個整合單元通過並聯能量轉移單元609為了平衡電池電壓。

上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明；因此，習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明已具備產業上利用性、新穎性及進步性，並符合發明專利要件，爰依法提起申請。

100‧‧‧能量轉移單元

101‧‧‧電池

102‧‧‧電壓監控

105‧‧‧平衡控制單元

106‧‧‧同步讀取介面

110‧‧‧溫度偵測器

300‧‧‧高迴路控制器

400‧‧‧低迴路控制器

301，401‧‧‧電流感應器

302，402‧‧‧充電迴路開關

303，403‧‧‧放電迴路開關

304，404‧‧‧充電開關閘門驅動

305，405‧‧‧放電開關閘門驅動

Claims (4)

1. 一種電池管理器用於電池組包括一系列電池和電池管理器，(A)一系列同步電壓監測用於測量電池組內每個電池個別電壓和電壓數據傳達給中央控制單元透過一個平衡控制；(B)高迴路控制器與電池組的正極端栓在一起；(C)低迴路控制器與電池組的負極端栓在一起；(D)一系列的能量轉移單元被整合成並聯而且在電池組中電池各自連接；其中，中央控制單元主動平衡超過極限值門檻較差電池容量和電壓，相對於平均電壓和其他電池而言；其中，迴路控制器執行主動平衡作業靠送出個別命令訊號至一個對應的能量轉移單元介於電池組內較差的電池和其他電池之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池管理器，其中，電池管理器有高能量轉移效率高於90%，而且能源損失低於10%。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電池管理器，其中，每一個能量轉移單元是一個直流對直流轉變器包括一個放電形式能源轉移控制和一個充電形式能源轉移控制，其中，放電形式轉移控制主動轉移多餘能量從差的電池到電池組中其餘電池成為一個整合單元而且充電形式能源轉移控制主動轉移能源從電池組中其他的電池至較差電池。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電池管理器，其中，同步電壓監測同時讀取電池的電壓而且短暫電磁波干擾不會影響電池間的電壓差。