TWI538345B - 具有電池單元平衡系統的充電站 - Google Patents

Description

具有電池單元平衡系統的充電站

本發明關於一種充電站，特別是關於一種具有電池單元平衡系統的充電站。因而，每一由該充電站充電的電池組不須包含一電池單元平衡系統以延長電池的壽命。電池的尺寸與成本也能因而減少。

以電池作為動力來源變得越來越普遍，對於最大化電池壽命有著同樣強烈的需求。在大型鋰離子電池組的電池平衡(亦即在一電池組內電池單元的電量狀態匹配狀態)成為了一個問題，該問題是由製造過程的差異性、工作狀態及電池老化所造成。電池不平衡可能會減少電池組的整體容量，也可能會傷害電池組。由充電到放電階段的電池不平衡無法追查。如果沒有密切監控，電池可能會導致過充電或過放電，其將永久損壞電池。對於車子使用的電池，上述的問題變得更加顯著，尤其是對於鋰電池。

通常而言，每一鋰電池的電壓並不高且電流量不大。因此，需要串連及並連多顆鋰電池來增強電壓與電流。然而，當這樣的電池串聯和並聯連接時，也容易造成"不平衡"而縮短電池組的放電時 間(即，壽命時間縮短)，並加速電池組的老化。

電池管理系統是一種保護機制，它被用來監視整個電池組。當電池組被偵測出具有某些不平衡的電池單元時，電池管理系統將會關閉整個電池組系統，該電池組不再供電。電池管理系統使用一種平衡迴路以達成上述目的。多數的平衡迴路於電池組充電中使用，鮮少使用於電池組放電。該平衡迴路可被分為兩種類型，主動型式與被動型式。主動型式平衡迴路具有高效率的優點，但同時亦具有高成本與大尺寸的缺點。被動型式平衡迴路則有低廉成本的優點。然而，其缺點是低效率，且低效率會產生多餘熱量，平衡效果有限。雖然主動型式是高效率，但考慮價格，多數電池組還是選擇內建被動型式平衡迴路。

對於電動車而言，並不希望電池組過於巨大。因此，電池的電池管理系統應正確地設計。一習知技術可以是個很好的例子。請參閱第1圖。美國專利申請案第20120105001揭露一種電池管理系統。該電池管理系統包括幾個子系統區塊、一儲能主單元100及電池組系統104。該儲能主單元100可與車輛主控制器101銜接，藉控制器區域網路或其他聯通方法，由儲能主單元100連通到外部充電器102。車輛主控制器101可與外部充電器102直接或經由一充電站銜接。能量儲存系統可包括數個於電動車內的電池串103。在每一電池串103內，有數個電池組104。每個電池組104則包括數個電池模組。經由一第二控制器區域網路，電池組104能與儲能主單元100聯繫。兩個電池組104可組成一電池串103。電池組104能被一電池組管理員所管控，該電池組管 理員可與該儲能主單元100，藉由使用用於整個系統的單一控制器區域網路而聯通。每個電池組管理員可與其區域模組單元，藉使用序列周邊介面而聯通。區域模組單元與電池組管理員的聯通是可以分離的。每一電池組包含10個棱柱電池單元，兩個電池組裝於一電池串中，數個電池串置於車輛中(通常3到4個)。

依照該發明，帶有電池單元平衡系統的電池組仍顯笨重。然而，它提供人們一種縮減尺寸的方式：由電池組中取出電池單元平衡系統。如果一或多組電池單元平衡系統能在電池組外設置，電池單元平衡系統的成本就能減省。此外，電池組的尺寸也能縮小。更經濟方便的是，充電站能結合電池單元平衡系統，以提供電池組電力且監視電池單元或電池組的狀態。這即是發明人創作本發明的要點。

本段文字提取和編譯本發明的某些特點。其他特點將被揭露於後續段落中。其目的在涵蓋附加的申請專利範圍之精神和範圍中，各式的修改和類似的排列。

依照本發明的一種態樣，一種具有一電池單元平衡系統的充電站，包含：複數個平衡充電單元，每一平衡充電單元具有：一偵測元件，用以偵測一電池單元的電量狀態；及一充電元件，用以對該電池單元進行充電；一電源單元，用以提供電力；及一充電控制單元，連接至該些平衡充電單元與該電源單元，用以控制來自該電源單元的電力至該充電元件以充電該電池單元。該電池單元於一電池組內，以串聯或並聯方式與其他電池單元連結，當該電池單元由該偵測 元件偵測的電量狀態是飽滿的或超過一預定值時，該充電控制單元停止該電源單元向該電池單元充電。

根據本案構想，該電量狀態能由該電池組的溫度、伏特數或電流量所決定。

根據本案構想，該電量狀態以百分比的形式指出在一電池單元內的電量剩餘量。

根據本案構想，該平衡充電單元為一主動型式或一被動型式。

根據本案構想，當該平衡充電單元為主動型式時，該平衡充電單元能由一充電較高的電池單元到一充電較低的電池單元傳遞電力。

根據本案構想，當該平衡充電單元為被動型式時，進一步包含一電阻以吸收或消耗由一充電較高的電池單元來的電力。

根據本案構想，進一步包含一記憶單元，連接至該充電控制單元，用以提供該電池單元的歷史資料，以便該充電控制單元能知道何時該電池單元是充電飽滿的或超過一預定值。

根據本案構想，該歷史資料為當該電池單元於任何時間被量測時，該電池單元的溫度、伏特數或電流量。

100‧‧‧儲能主單元

101‧‧‧車輛主控制器

102‧‧‧外部充電器

103‧‧‧電池串

104‧‧‧電池組

20‧‧‧充電站

201‧‧‧充電控制單元

2021‧‧‧平衡充電單元

2021a‧‧‧偵測元件

2021b‧‧‧充電元件

2021c‧‧‧電阻

2022‧‧‧平衡充電單元

2022a‧‧‧偵測元件

2022b‧‧‧充電元件

2022c‧‧‧電阻

2023‧‧‧平衡充電單元

2023a‧‧‧偵測元件

2023b‧‧‧充電元件

2023c‧‧‧電阻

2024‧‧‧平衡充電單元

2024a‧‧‧偵測元件

2024b‧‧‧充電元件

2024c‧‧‧電阻

203‧‧‧電源單元

204‧‧‧記憶單元

30‧‧‧電池組

300‧‧‧外殼

3021‧‧‧電池單元

3021a‧‧‧接點

3012b‧‧‧接點

3022‧‧‧電池單元

3023‧‧‧電池單元

3024‧‧‧電池單元

第1圖顯示電池單元平衡系統的一習知技術。

第2圖為本發明的一第一實施例的示意圖。

第3圖說明依照本發明使用的一電池。

第4圖為本發明的一第二實施例的示意圖。

本發明現在將藉由以下的實施例，更具體地描述。

第一實施例

請參閱第2圖與第3圖。第2圖為本發明的第一實施例的示意圖。第3圖說明依照本發明使用的一電池。一充電站20具有一電池單元平衡系統。它包含數個平衡充電單元2021、2022、2023與2024、一充電控制單元201及一電源單元203。每一個平衡充電單元2021、2022、2023與2024各具有一偵測元件2021a、2022a、2023a與2024a。每一個平衡充電單元2021、2022、2023與2024也各具有一充電元件2021b、2022b、2023b與2024b。

偵測元件2021a、2022a、2023a與2024a能偵測電池單元3021、3022、3023與3024的電量狀態。充電元件2021b、2022b、2023b與2024各別被使用於對該電池單元3021、3022、3023與3024進行充電。電源單元203能提供電力。在實作上及本實施例中，電源單元203為一直流發電機並提供直流電。充電控制單元201連接至平衡充電單元2021、2022、2023與2024，及電源單元203。它能控制由電源單元203到充電元件2021b、2022b、2023b與2024b的電力，以對電池單元進行充電。

由第2圖，很明顯的充電站具有4個用作電池單元3021、3022、3023與3024充電管理的平衡充電單元。需要強調的是平衡充電 單元的數量並不限定於四個。實作上，其數量應高於電池組中的電池單元。依照本發明，電池單元以串聯或並聯方式，與其他電池單元連接於一電池組30中(請見第3圖)。在本實施例中，2個電池單元3021與3022(或3023與3024)以串連方式連接；2個串連電池串以並聯方式連接。電池組30具有4個電池單元3021、3022、3023與3024且每一電池單元3021、3022、3023與3024由平衡充電單元2021、2022、2023與2024所控制。

當由偵測元件2021a、2022a、2023a或2024a所偵測的電池單元3021、3022、3023或3024電量狀態是飽滿的或超過一預定值時，充電控制單元201停止電源單元203向電池單元3021、3022、3023與3024充電。在此，電量狀態一電池單元中的電量剩餘量，且相當於一電池驅動電動車內電池組30的能量計。電量狀態的單位是百分比(0%=空；100%=滿)。電量狀態能由電池組30的溫度、伏特數或電流量所決定。亦即，由上述手段，人們能知道電池單元302飽滿的程度。

平衡充電單元有兩種型式：主動型式或被動型式。第一實施例說明本發明如應用一主動型式平衡充電單元。當於一段時間充電後伏特數差異量已達到某個程度時，主動型式平衡充電單元被設計為對一電池單元放電。對每一電池單元3021、3022、3023或3024而言不必要是100%充滿電。電池單元3021、3022、3023與3024的一限定電量狀態能被用來假定該電池單元3021、3022、3023或3024是充電飽滿的或超過一預定值。平衡充電單元2021、2022、2023或2024能由一充電較高的電池單元到一充電較低的電池單元傳遞電力。舉例而言，當 電池單元3022的電量狀態是99%飽滿時，過剩充電量將被傳遞到90%飽滿的電池單元3024。同時，只要其它2個電池單元3021與3023不是100%充滿電力，它們仍然正常地進行充電。當然，充電控制單元201能停止對電池單元3022充電卻又維持對其它電池單元3021、3023與3024充電。

傳統上，平衡充電單元內建於一電池組，以便該電池組能控制每一單元的充電，進而防止電池組因電池單元不平衡而老化。然而，這將造成電池單元的笨重與過於昂貴。本發明提供的設計，乃自電池組取出所有的平衡充電單元，並將這些平衡充電單元放進一充電站中。當然，本發明也需要電池組30具有某些特定的設計方式：在電池組30的一外殼300上的電池單元(例如3021)接點(例如3021a與3021b)應各自滿足偵測元件2021a與充電元件2021b的規格要求。

理想上，充電站20能進一步包括一記憶單元204。該記憶單元204連接至該充電控制單元201。記憶單元204能提供電池單元3021、3022、3023與3024的歷史資料，以便充電控制單元201能知道何時電池單元3021、3022、3023或3024是充電飽滿的或超過一預定值。該歷史資料為當該電池單元3021、3022、3023與3024於任何時間被量測時，電池單元3021、3022、3023與3024的溫度、伏特數或電流量。

第二實施例

請參閱第4圖。該圖說明一第二實施例。為了不費時於定義第一實施例中的相同元件，對於二個實施例中具有相同的號碼的元件，其具有相同的功能。從第4圖，很明顯的4個電阻2021c、2022c、2023c與2024c內建於此且各自連接至平衡充電單元2021、2022、2023 與2024。

如上所述，第一實施例說明本發明如何應用一主動型式平衡充電單元。第二實施例說明本發明應用一被動型式平衡充電單元。被動型式平衡充電單元通常由電阻2021c、2022、2023c或2024c，吸收或消耗來自一充電較高的電池單元的電力。根據不同的設計，電阻2021c、2022、2023c與2024c能被設計成單一形式。只要多餘的電力可以被帶走，它也可以是其他的形式，且不影響每一電池單元3021、3022、3023或3024的效率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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。

100‧‧‧儲能主單元

101‧‧‧車輛主控制器

102‧‧‧外部充電器

103‧‧‧電池串

104‧‧‧電池組

20‧‧‧充電站

201‧‧‧充電控制單元

2021‧‧‧平衡充電單元

2021a‧‧‧偵測元件

2021b‧‧‧充電元件

2022‧‧‧平衡充電單元

2022a‧‧‧偵測元件

2022b‧‧‧充電元件

2023‧‧‧平衡充電單元

2023a‧‧‧偵測元件

2023b‧‧‧充電元件

2024‧‧‧平衡充電單元

2024a‧‧‧偵測元件

2024b‧‧‧充電元件

203‧‧‧電源單元

204‧‧‧記憶單元

Claims (8)

1. 一種具有一電池單元平衡系統的充電站，包含：複數個平衡充電單元，每一平衡充電單元具有：一偵測元件，用以偵測一電池單元的電量狀態；及一充電元件，用以對該電池單元進行充電；一電源單元，用以提供電力；及一充電控制單元，連接至該些平衡充電單元與該電源單元，用以控制來自該電源單元的電力至該充電元件以充電該電池單元；其中該電池單元於一電池組內，以串聯或並聯方式與其他電池單元連結，且當該電池單元由該偵測元件偵測的電量狀態是飽滿的或超過一預定值時，該充電控制單元停止該電源單元向該電池單元充電。
2. 如申請專利範圍第1項所述之充電站，其中該電量狀態能由該電池組的溫度、伏特數或電流量所決定。
3. 如申請專利範圍第1項所述之充電站，其中該電量狀態以百分比的形式指出在該電池單元內的電量剩餘量。
4. 如申請專利範圍第1項所述之充電站，其中該平衡充電單元為一主動型式或一被動型式。
5. 如申請專利範圍第4項所述之充電站，其中當該平衡充電單元為主動型式時，該平衡充電單元能由一充電較高的電池單元到一充電較低的電池單元傳遞電力。
6. 如申請專利範圍第4項所述之充電站，其中當該平衡充電單元為被動型式時，進一步包含一電阻以吸收或消耗由一充電較高的電池單元來的電力。
7. 如申請專利範圍第1項所述之充電站，進一步包含一記憶單元，連接至該充電控制單元，用以提供該電池單元的歷史資料，以便該充電控制單元能知道何時該電池單元是充電飽滿的或超過一預定 值。
8. 如申請專利範圍第7項所述之充電站，其中該歷史資料為當該電池單元於任何時間被量測時，該電池單元的溫度、伏特數或電流量。