TWI532294B - Portable compound battery system - Google Patents

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Description

可攜式複合型電池系統
本發明係關於一種可攜式複合型電池系統，特別是指一種可搭載於各式電動車上使用，並藉由可攜式高能量電池組及定置式動力電池組的能源提供系統以達成方便補充能源、更大的動態功率提供及足夠行駛距離的多重需求之改良型可攜式複合型電池系統。
隨著電力電子技術的發展，電動車輛馬達動力充足平順的輸出，都已逐步的克服實現，但是如何補充電動車的電能，以適應現今的使用習慣，卻一直還是電動車發展最重要的課題。
電動車輛由於其特殊的使用情境，需要同時滿足其對續航力及馬力的需求，在不易由單一電池組同時滿足各種特性需求的客觀條件之下，先前已有提出結合高能量電池及高功率電池的複合式電池系統來達成此目的。其基本概念在於各種電池都有其不同的特性表現，通常高功率密度電池其能量密度表現較差，反之亦然。然而在一般電動車輛等高負載變動率的應用中，對電池系統的要求則是需要兼具高功率及高能量的表現，如中華民國2002年7月11日公告第494071號專利案中，其目的在使用一種切換開關來調變高能量電池組及高功率電池組的輸出功率分配，以提供電動車輛的動態功率需求。該專利技術必須同時偵測兩組電池的輸出電壓 及電流，加上操作感測器(即油門命令)及扭力感測器等訊號經電腦計算後決定切換開關的導通方式。然而該專利所提出的雙向切換開關實務上並無法達成即時分配兩組電池輸出功率的功能，也就是說無法應付電動車輛快速的功率需求變化。
又如另一個I259816專利技術其目的也在結合高能量電池及高功率電池的優點，且僅利用一個簡單的複合型電池管理系統(即DC/DC轉換器)來限制高能量電池組的最大輸出，並將電壓轉換至與高功率電池組相同的電壓後並聯輸出，當負載需求大過該轉換器所能提供的功率上限時，便藉由並聯的高功率電池組提供所需的額外功率；反之當負載未消耗功率時，則該轉換器由高能量電池所轉換的功率則全部充入高功率電池，以補充該高功率電池先前所釋放的能量。該設計雖然較為簡單也能具體的實施該項專利技術，但由於該複合型電池管理系統之輸出功率必須合理的負責負載的平均消耗功率，通常功率不能太小，而且並不會依照負載需求而調整大小，因此可能會有對高功率電池(尤其是鉛酸電池)以高率(high C rate)充電的情況發生，此舉可能導致高功率電池的使用壽命減短。
另一個需要付出的代價是因高功率電池其內阻會因快速充電時的大電流而產生較大的壓降，進而轉變為熱能消耗，降低充電效率，浪費寶貴的電池能量。有鑑於此，後來又有新型第M455644號專利的提出，將上述的複合型電池管理系統(即直流/直流轉換器)一分為二，該兩組直流/直流轉換器的第一組輸出與高功率電池組相連結，而第二組輸出則與負載端直接連結。再藉由一組智慧型開關可將複合型電池管理模組的兩組直流/直流轉換器的輸出以及高功率電池組的輸出做不同的切換以因應不同的負 載需求，同時保護高功率電池組避免被太快速的充電而影響到能源使用效率及電池組壽命。此舉雖有改善效果，但將連續變動式的行車負載簡化成兩段輸出變化加以控制，對於補充高功率電池組之電能仍會受行車負載變動而變動，對延長高功率電池組壽命及能源轉換使用效率仍不夠理想。
因此，為了克服上述問題，本發明藉由結合可攜式高能量電池組及定置式高功率電池組的優點，以應付電動車輛這種大負載變化，同時滿足高能量及高功率的應用需求，並提出了新的可變輸出管理系統模組以改善複合型電池組的運作效率及使用壽命，如此應為一最佳解決方案。
本發明即在於提供一種可攜式複合型電池系統，能夠應付電動車輛這種大負載變化，且同時滿足高能量及高功率的應用需求。
本發明即在於提供一種可攜式複合型電池系統，能夠提高可攜式高能量電池組及定置式高功率電池組之間的能源使用效率及延長整體電池系統之使用壽命。
可達成上述可攜式複合型電池系統，係包含：一負載資訊中心，係與一負載電性連接，用以計算該負載所需之總功率，並偵測系統所有電池組之殘餘容量及放電能力之資訊後，加上對定置式高功率電池組所應施加的充電功率，以得出該可攜式高能量電池組所應輸出之功率值，並能夠產生一輸出功率控制訊號；至少一組或一組以上的可攜式高能量電池組，係與該負載資訊中心電性連接，該可攜式高能量電池組係內建有一電池管理模組；一定置式高功率電池組，係與該負載資訊中心電性連接，用以補足該可攜式高能量電池組所提供之功率較負載所需不足之功率；一可 變輸出功率複合型電池管理模組，係與該可攜式高能量電池組、該負載資訊中心、定置式高功率電池組及一負載電性連接，該可變輸出功率複合型電池管理模組係包含一可接受該負載資訊中心傳來的輸出功率控制訊號之訊號溝通介面模組及一可變輸出功率直流/直流轉換器，該可變輸出功率直流/直流轉換器用以將該可攜式高能量電池組的電能轉換成該負載運轉時所需的功率需求，且當超過負載需求時，該可變輸出功率複合型電池管理模組能夠將多餘的能量以適當的功率回充至該定置式高功率電池組。
更具體的說，所述訊號溝通介面模組係為數位訊號介面或類比訊號介面。
更具體的說，所述可攜式高能量電池組係為高能量的鋰離子電池、鋰聚合物電池、交換式燃料電池，且該可攜式高能量電池組將不限制只同時使用一組。
更具體的說，所述可攜式高能量電池組之電池管理模組，係用以降低該可攜式複合型電池系統管理的難度，並降低整體電子控制成本及提高整體系統穩定性，而該電池管理模組係能夠進行低電量指示或低電量截止的控制，以簡化後端之可變輸出功率直流/直流轉換器的控制機制。
更具體的說，所述可攜式高能量電池組更能夠與一外接式充電器電性連接，用以藉由該外接式充電器進行充電。
更具體的說，所述可變輸出功率直流/直流轉換器係為一組具有可變輸出功率及最大電流限制的充電器；因此可在行駛中保持輸出電能，除可降低電動機控制器(負載)對定置式高功率電池組的負荷，也可隨時補充定置式高功率電池組的電能，除非單次行駛里程超過可攜式高能 量電池組的電能，否則只需對輕便的可攜式高能量電池組充電；若單次行駛里程超過可攜式高能量電池組的電能，則使用者可以可攜式高能量電池組充電二次或使用兩組可攜式電池組或者直接對整組複合電池充電，即可完全補充定置式高功率電池組的電能。
更具體的說，所述可變輸出功率直流/直流轉換器係為升壓轉換器、降壓轉換器或升降壓型轉換器。
更具體的說，所述定置式高功率電池組係為一能在瞬時及長時間提供相對較高的電流放電能力的電池，在不同動力電池的使用中，可將電池芯相互串並或於電池組之間串併使用。
更具體的說，所述定置式高功率電池組係為動力型鉛酸(Lead-acid)電池、鎳氫(Ni-MH)電池、鎳鋅(Ni-Zn)電池、鋰錳/鋰鐵(Li-Mn/Li-Fe)電池或鋰聚合物(Li-Polymer)電池。
〔本發明〕
1‧‧‧可攜式複合型電池系統
11‧‧‧可攜式高能量電池組
111‧‧‧電池管理模組
12‧‧‧負載資訊中心
13‧‧‧定置式高功率電池組
14‧‧‧可變輸出功率複合型電池管理模組
141‧‧‧訊號溝通介面模組
142‧‧‧可變輸出功率直流/直流轉換器
2‧‧‧負載
3‧‧‧外接式充電器
第1圖係本發明可攜式複合型電池系統之整體架構示意圖；第2圖係本發明可攜式複合型電池系統之可變輸出功率複合型電池管理模組之內部架構示意圖。
有關於本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
如第1圖及第2圖所示，為本發明之可攜式複合型電池系統之整體架構示意圖及可變輸出功率複合型電池管理模組之內部架構示意 圖，如圖中所示，其中該可攜式複合型電池系統1係包含至少一組或一組以上的可攜式高能量電池組11、一負載資訊中心12、一定置式高功率電池組13以及一可變輸出功率複合型電池管理模組14。
其中該可攜式高能量電池組11係內建有一電池管理模組111，係能夠降低該可攜式複合型電池系統1管理的難度，並降低整體電子控制成本及提高整體系統穩定性，而該電池管理模組111係能夠進行低電量指示或低電量截止的控制，以簡化後端之可變輸出功率直流/直流轉換器142的控制機制；另外該可攜式高能量電池組11，主要著重在較高的能量-重量比，以便能在合理的重量及體積下，提供足夠每日行駛所需的能量，但由於其並非設計來做為大功率充放電之用，因此其最大輸出功率必須受到限制以免影響自身使用壽命或導致安全上的疑慮。目前可用的電池種類包含有高能量的鋰離子電池、鋰聚合物電池、交換式燃料電池，且該可攜式高能量電池組，可藉由外接式充電器3進行充電，而使用時也將不限制只同時使用一組。
而該負載資訊中心12能夠計算該負載2所需之總功率並偵測該可攜式複合型電池系統1之所有電池組之殘餘容量及放電能力之資訊後，用以判斷該可攜式高能量電池組11所應輸出的功率值，並藉由數位或類比訊號發送功率控制訊號至該可變輸出功率複合式電池管理模組14；而該負載2所需之總功率以電動車而言基本上是馬達的工作轉速與輸出扭力的乘積，除以馬達動力系統的轉換效率即可得出，該負載資訊中心12在電動車上可以是獨立的模組，也可以依附在馬達控制器或是儀表板等可獲取負載變動資訊之處，同時具有訊號溝通介面的功能。
而該可變輸出功率複合型電池管理模組14係包含一可接受該負載資訊中心12傳來的輸出功率控制訊號之訊號溝通介面模組141及一可變輸出功率之可變輸出功率直流/直流轉換器142，其中該訊號溝通介面模組141係為數位訊號介面或類比訊號介面，尤其目前數位溝通介面的成本已大為降低，如CAN-bus之類的數位溝通介面在此是一個理想的選擇；由於該可攜式高能量電池組11與定置式高功率電池組13的電壓不會相同，因此需要該可變輸出功率複合型電池管理模組14來處理電壓轉換的問題，該可變輸出功率複合式電池管理模組14在接到功率控制訊號後，則將該可攜式高能量電池組11所提供之電能透過該可變輸出功率直流/直流轉換器142轉換其電壓至與該定置式高功率電池組13的電壓一致後，再並聯至該定置式高功率電池組13以提供該負載2運轉時所需的功率需求；另外當輸出功率超過負載2需求時，該可變輸出功率複合型電池管理模組14能夠將多餘的能量以適當的功率回充至該定置式高功率電池組13。
綜上所述，本發明之定置式高功率電池組13可視為是一個可快速充放電的緩衝器，當負載2所消耗的功率大於該可攜式高能量電池組11所能提供的最大輸出功率時，該定置式高功率電池組13可供應不足的部分，使整體的動力輸出不受影響。
舉例來說，當負載2所需的功率(例如：4KW)大過可攜式高能量電池組11透過該可變輸出功率複合型電池管理模組14所能提供的功率(例如：1KW)時，其不足的功率(3KW)即由該定置式高功率電池組13加以補足，因此定置式高功率電池組13的功效即類似電量水庫一般，以 應付突增的負載2需求。反之，當負載2需求降低時(例如：0.7KW)，則此時可攜式高能量電池組11透過該可變輸出功率複合型電池管理模組14所能提供的功率(例如：1KW)將超過所需(多出0.3KW)，而這些超出的部份則可對該定置式高功率電池組13進行充電，以補充定置式高功率電池組13先前所釋出的能量。定置式高功率電池組13的選擇則著重於大功率放電的能力及安全性，目前可用的電池有動力型鉛酸(Lead-acid)電池、鎳氫(Ni-MH)電池、鎳鋅(Ni-Zn)電池、鋰錳/鋰鐵(Li-Mn/Li-Fe)電池或鋰聚合物(Li-Polymer)電池等。
而為了更清楚闡述本發明，提供以下實施例，若一電動機車具有一最大輸出功率為4KW的馬達驅動系統(本實施例負載2為電動機車之馬達)，其正常行駛時之平均消耗功率約800W。本實施例選定之可攜式高能量電池組11為一鋰電池組(容量是29.6V/40.6Ah)，而定置式高功率電池組13為一鉛酸電池(容量是48V/20Ah)，至於可變輸出功率複合式電池管理模組14內建CAN-bus通訊系統，且具有一可變輸出功率直流/直流轉換器，其最大輸出能力為58V/20.7A，即1200W。
本實施例之定置式高功率電池組13之最佳充電功率為250W，則該負載資訊中心12發送給可變輸出功率複合式電池管理模組14之輸出功率控制訊號應為負載需求加上充電功率250W，可以下列公式表示之：輸出功率控制訊號=(馬達轉速*馬達扭力)/系統效率+充電功率；以電動機車之定速30Km/hr為例，若此時馬達轉速為3000RPM，而扭力為1.53Nm，以馬達驅動系統效率80%來計算，則此時負載(馬達)需求為600W，因此負載資訊中心12會產生850W的控制訊號 要求該可變輸出功率複合式電池管理模組14輸出850W的功率到與該定置式高功率電池組13並聯，其中600W為負載所需，多餘的250W則可對定置式高功率電池組13進行充電。
倘若此時駕駛者轉動油門訊號希望加速，換算出來的馬達扭力增加到2Nm，此時負載功率增加到628W，以效率仍維持在80%的條件來計算，則負載(馬達)需求增加到785W，因此負載資訊中心12會產生785W+250W=1035W的控制訊號給可變輸出功率複合式電池管理模組14，依此類推。但當負載2需求加上250W超過1200W時，則因可變輸出功率複合式電池管理模組14之最大輸出功率限制在1200W，因此轉換出來的輸出功率則為1200W。
由上述實施例可知，不管負載2如何變動，對於定置式高功率電池組13的充電功率始終維持在250W，這對提升能源使用效率及延長電池壽命都有實質的助益。若是定置式高功率電池組13已處於滿電的狀態，則因為可變輸出功率複合式電池管理模組14之最大輸出電壓已被限制在58V，等同於定置式高功率電池組13已充滿電之電壓，因此實質上不會再對定置式高功率電池組13進行充電，也就不會損壞該定置式高功率電池組13了。因此本發明可說是利用簡單的方法改善了習用的複合型電池管理系統。
本發明所提供之可攜式複合型電池系統，與其他習用技術相互比較時，其優點如下：
1.本發明係為一結合可攜式高能量電池組及高功率電池組二者優點的電力系統，將可滿足使用者方便補充能源、價廉可靠、充足的 動力及續航力的多重需求。
2.本發明係可應用於各式電動車輛中，並考慮多數使用者短距離行駛之需求，可有效降低能源補充之困難度，使高能量電池達成輕量可攜帶的要求，以方便使用者於充電時，可攜行至高樓住宅或其他電動車無法進入之地點來進行充電。
3.本發明所使用的可攜式高能量電池組，其著重在較高的能量-重量比，以便能在合理的重量及體積下，傳遞足夠每日行駛所需的能量，目前可用的電池種類包含有高能量的鋰離子電池、鋰聚合物電池等。
4.本發明藉由可變輸出功率複合式電池管理模組，可維持適當的功率對高功率電池進行充電，能有效改善充電時的能源使用效率及延長該高功率電池組的使用壽命。
5.本發明之負載資訊中心在電動車上可以是獨立的模組，也可以依附在馬達控制器或是儀表板等可獲取負載變動資訊之處，同時具有訊號溝通介面的功能。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
1‧‧‧可攜式複合型電池系統
11‧‧‧可攜式高能量電池組
111‧‧‧電池管理模組
12‧‧‧負載資訊中心
13‧‧‧定置式高功率電池組
14‧‧‧可變輸出功率複合型電池管理模組
2‧‧‧負載
3‧‧‧外接式充電器

Claims (9)

  1. 一種可攜式複合型電池系統，係包含：一負載資訊中心，係與一負載電性連接，用以計算該負載所需之總功率，並偵測系統所有電池組之殘餘容量及放電能力之資訊後，加上對定置式高功率電池組所應施加的充電功率，以得出該可攜式高能量電池組所應輸出之功率值，並能夠產生一輸出功率控制訊號；至少一組或一組以上的可攜式高能量電池組，係與該負載資訊中心電性連接，該可攜式高能量電池組係內建有一電池管理模組；一定置式高功率電池組，係與該負載資訊中心電性連接，用以補足該可攜式高能量電池組所提供之功率較負載所需不足之功率；一可變輸出功率複合型電池管理模組，係與該可攜式高能量電池組、該負載資訊中心、定置式高功率電池組及負載電性連接，該可變輸出功率複合型電池管理模組係包含一可接受該負載資訊中心傳來的輸出功率控制訊號之訊號溝通介面模組及一可變輸出功率直流/直流轉換器，該可變輸出功率直流/直流轉換器用以將該可攜式高能量電池組的電能轉換成該負載運轉時所需的功率需求，且當超過負載需求時，該可變輸出功率複合型電池管理模組能夠將多餘的能量以適當的功率回充至該定置式高功率電池組。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式複合型電池系統，其中該訊號溝通介面模組係為數位訊號介面或類比訊號介面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式複合型電池系統，其中該可攜式高能量電池組係為高能量的鋰離子電池、鋰聚合物電池、交換式燃料電池。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式複合型電池系統，其中該可攜式高能量電池組之電池管理模組，係用以降低該可攜式複合型電池系統管理的難度，而該電池管理模組係能夠進行低電量指示或低電量截止的控制。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式複合型電池系統，其中該可攜式高能量電池組更能夠與一外接式充電器電性連接，用以藉由該外接式充電器進行充電。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式複合型電池系統，其中該可變輸出功率直流/直流轉換器係為一組具有可變輸出功率及最大電流/電壓限制的充電器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式複合型電池系統，其中該可變輸出功率直流/直流轉換器係為升壓轉換器、降壓轉換器或升降壓型轉換器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式複合型電池系統，其中該定置式高功率電池組係為一能在瞬時及長時間提供相對較高的放電電流能力的電池，在不同電池的使用中，可將電池芯相互串並或於電池組之間串併使用。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之可攜式複合型電池系統，其中該定置式高功率電池組係為動力型鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鋅電池、鋰錳/鋰鐵電池或鋰聚合物電池。
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