TWI556539B - Battery pack series and parallel matrix connection application module - Google Patents

Description

電池組串聯及並聯矩陣聯接應用模組

本發明係關於一種電池組應用模組，特別是一種可同時串聯及並聯且以矩陣聯接的應用模組。

國際油價不斷上漲，加上環保意識抬頭，電動車已逐漸邁入蓬勃發展的階段，不僅已常見於市面的電動自行車、電動機車，各類的電動汽車也逐漸問世，諸如BEV(Battery only Electric Vehicle，純電動車)、HEV(Hybrid Electric Vehicle，複合電動車)以及PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，插電式複合電動車)。

為了使電動車具有更長的續航力或使電動車具有更強的驅動馬力，習知技術中採用將多個電池串聯與並聯多個電池的方式，來分別提高電壓以及提供更長的續航力。

惟，即使是同規格的電池，電池仍存有不一致性的問題，當電池串聯數較低時，問題較不明顯，但是當電池串聯數高，電池間彼此不一致性問題就會特別嚴重，由於電池裝設在車體內，一旦只要開始燃燒就是悶燒，一般的滅火設備無法進行處理，危險性相當高。且電池故障或損毀的原因通常是從眾多電池中的其中一顆開始故障而連鎖影響到整個電池組。

因此，當前在電動車領域中最需克服的技術瓶頸，係在於如何在需提供高電壓及提高容量的前提下確保電池對電動車的供電安全。

爰是，發明人特別針對此問題潛心研究，而創設出一種電池組串聯及並聯矩陣聯接應用模組。

本發明之目的在於提供一種可同時將電池組串聯及並聯矩陣聯接的應用模組，可達到安全、穩定地提供電動車電力系統所需的電壓及續航力者。

根據前述目的，本發明提出一種電池組串聯及並聯矩陣聯接應用模組，包括：至少一可設為依序串聯連接的並聯電池組，該並聯電池組包括一控制開關、複數保護二極體、複數電池單元及一共同輸出端，該些保護二極體分別與該些電池單元串聯，該些電池單元分別包含至少一電池，其中，該些保護二極體的N端分別與該控制開關的一端電性連接，該些保護二極體的P端分別與該些電池單元的一端電性連接；以及一控制電路，包括至少一訊號處理單元及一微處理器，該訊號處理單元的輸入端與該共同輸出端連接，該訊號處理單元的輸出端與該微處理器電性連接，該微處理器分別與該控制開關的控制端電性連接。

本發明特色在於透過將保護二極體聯接，以逆向不導通防止逆流，以及控制電路防止過電流、低壓、開路、電池組短路或電池組內部電芯短路等的保護，而形成一可同時串聯數個並聯電池組的矩陣聯接模組，當單一電池組的標稱電壓為VB伏特(V)、IB安時(Ah)，即可針對不同電動車的電力系統需求應用設置，例如當標稱電壓及容量為VB及IB時，串聯N個並聯M個電池的電池組時，此 整合的電池組的電壓及容量分別為N×VB伏特(V)及M×IB安時(Ah)。

1、2、3‧‧‧並聯電池組

11、21、31‧‧‧控制開關

121、122、123、124、221、222、223、224、321、322、323、324‧‧‧保護二極體

131、132、133、134、231、232、233、234、331、332、333、334‧‧‧電池單元

14、24、34‧‧‧共同輸出端

1311、1321、1331、1341、2311、2321、2331、2341、3311、3321、3331、3341‧‧‧電池

1312、1322、1332、1342、2312、2322、2332、2342、3312、3322、3332、3342‧‧‧BMS系統

4‧‧‧控制電路

41、42、43‧‧‧訊號處理單元

44‧‧‧微處理器

5‧‧‧電動車

第1圖：為本發明電池組連接示意圖。

第2圖：為本發明控制單元電路連接示意圖。

以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明本發明的結構及其如何組合、使用，應當更容易瞭解本發明的目的、技術內容、特點及其所達成的功效。

請參閱第1圖及第2圖，本發明實施例係以N為3、M為4，即，本實施例以串聯三組各並聯四個電池的電池組說明，其包括複數依序串聯連接的並聯電池組1、2、3，該些並聯電池組1、2、3分別包括一可為開關元件的控制開關11、21、31，該開關元件可為MOSFET、IGBT、POWER RELAY等具有開關特性之元件、複數可為蕭特基二極體或快速二極體或整流二極體的保護二極體121、122、123、124、221、222、223、224、321、322、323、324、複數電池單元131、132、133、134、231、232、233、234、331、332、333、334及一共同輸出端14、24、34，該些電池單元131、132、133、134、231、232、233、234、331、332、333、334包含至少一可為不同化學性質種類不同電量之電池、不同化學性質種 類相同電量之電池、同化學性質種類相同電量之電池或同化學性質種類不同電量的電池1311、1321、1331、1341、2311、2321、2331、2341、3311、3321、3331、3341及一與該電池組整合串聯的BMS系統(Battery Management System，其中包含主動或被動平衡電池系統)1312、1322、1332、1342、2312、2322、2332、2342、3312、3322、3332、3342，而本發明最佳實施方式為電池並聯時應以電壓相近之電池並聯、串聯時應以容量相近之電池組串聯，電池組串聯需採容量相近電池組，使該電池組串並聯後供應負載效率較高；若電池組串並聯採相同電化學電壓及容量之電池組一同供應負載效率最高，若電池組串並聯採不同電化學電壓及容量之電池組一同供應負載效率最差，其中該些保護二極體121、122、123、124、221、222、223、224、321、322、323、324的N端分別電性連接於該些控制開關11、21、31的一端，該些保護二極體121、122、123、124、221、222、223、224、321、322、323、324的P端分別電性連接於該些電池單元131、132、133、134、231、232、233、234、331、332、333、334的一端，此種二極體的接法係作為防止逆流而將電池燒毀或生命週期急驟衰減等保護，其中，該依序連接的並聯電池組1、2、3中，以該並聯電池組1、2為例，該後一組並聯電池組2的控制開關21的另一端係與其前一組並聯電池組1的該些電池單元131、132、133的另一端電性連接，在該控制開關11、21、31都連通的情況下，對電動車5供電；以及一控制電路4，包括複數訊號處理單元41、42、43及一可為單晶片的微處理器44，該些訊號處理單元41、42、43的輸入端 係分別與該些電池單元的BMS系統1312、1322、1332、1342、2312、2322、2332、2342、3312、3322、3332、3342中的異常輸出訊號線及該共同輸出端14、24、34電性連接，透過異常訊號或電壓異常來判斷電池1311、1321、1331、1341、2311、2321、2331、2341、3311、3321、3331、3341是否故障，而該訊號處理單元41的輸出端與該微處理器44電性連接，該微處理器44分別與該些並聯電池組1、2、3的控制開關11、21、31的控制端電性連接，當單顆電池芯或單顆電池組發生異常，即可透過微處理器44斷開該些控制開關11、21、31，使並聯電池組1、2、3停止對電動車供電，並可隔離電池組間之連通，防止串聯電池組間環流之流通；此外，因為只要斷開該些控制開關11、21、31的其中一個，整個串並聯模組就停止供電，故，多組並聯電池組1、2、3串聯時可僅在首組該並聯電池組1設置一個控制開關11，該控制開關11同樣與該微處理器44連接，後續串聯連接的該些並聯電池組2、3不需設置該些控制開關21、31，同樣可達到在訊號異常時停止整個串並聯模組供電的功效。

本發明電池單元131、132、133、134、231、232、233、234、331、332、333、334亦可以僅包含至少一電池1311、1321、1331、1341、2311、2321、2331、2341、3311、3321、3331、3341，即不包含BMS系統1312、1322、1332、1342、2312、2322、2332、2342、3312、3322、3332、3342的結構來實施，而該控制電路4僅需連接該些共同輸出端14、24、34即可偵測並聯電池組1、2、3中的電池1311、1321、1331、1341、2311、2321、2331、2341、3311、3321、3331、3341電壓是否異常如整組電池組是否短路開路、電池組電池芯是否開路短路，進而控制該些控 制開關11、21、31，因此，本發明可同時適用於具有BMS系統的電池或不具BMS系統的電池(裸電池)的串並聯應用。

本發明具有下列優點：

1.本發明可因應所需電壓及電流值分別以串聯多個並聯的電池組而達到電動車所需的電壓及續航力；

2.將保護二極體聯接，即可個別對並聯的電池單元以及串聯後的並聯電池組作為防逆流保護；

3.內含BMS系統的電池或不含BMS系統的電池皆適用於本發明的矩陣聯接模組；

4.使用單晶片控制，耗能低。

5.可依照電池組織通訊協定與訊號處理單元及微處理器經通訊取得控制法，控制開關元件開斷以停止供電，達到對電池及電動車保護功能。

6.不需對電池組內之BMS更改，更具彈性。

綜上所述，本發明以串並聯矩陣的整合電池組以及保護二極體聯接與控制電路的保護，達到安全、穩定地提供電動車電力系統所需的電壓及續航力。

惟前述者僅為本發明的較佳實施例，其目的在使熟習該項技藝者能夠瞭解本發明的內容而據以實施，並非用來限定本發明實施的範圍；故舉凡依本發明申請範圍所述的形狀、構造及特徵所為的均等變化或修飾，均應包括在本發明的申請專利範圍內。

1、2、3‧‧‧並聯電池組

11、21、31‧‧‧控制開關

121、122、123、124、221、222、223、224、321、322、323、324‧‧‧保護二極體

131、132、133、134、231、232、233、234、331、332、333、334‧‧‧電池單元

14、24、34‧‧‧共同輸出端

1311、1321、1331、1341、2311、2321、2331、2341、3311、3321、3331、3341‧‧‧電池

1312、1322、1332、1342、2312、2322、2332、2342、3312、3322、3332、3342‧‧‧BMS系統

5‧‧‧電動車

Claims (7)

1. 一種電池組串聯及並聯矩陣聯接應用模組，包括：至少一可設為依序串聯連接的並聯電池組，該並聯電池組包括一控制開關、複數保護二極體、複數電池單元及一共同輸出端，該些保護二極體分別與該些電池單元串聯，該些電池單元分別包含至少一電池，其中，該些保護二極體的N(負)端分別與該控制開關的一端電性連接，該些保護二極體的P(正)端分別與該些電池單元的一端電性連接；該並聯電池組設為複數，該並聯電池組與該並聯電池組之間係依序串聯連接，該依序連接的並聯電池組中，該後一組並聯電池組的控制開關的另一端係與其前一組並聯電池組的該些電池單元另一端電性連接；該些電池單元的該電池與一BMS系統串聯；以及一控制電路，包括至少一訊號處理單元及一微處理器，該訊號處理單元的輸入端與該共同輸出端及該BMS系統的異常輸出訊號線電性連接，該訊號處理單元的輸出端與該微處理器電性連接，該微處理器分別與該控制開關的控制端電性連接。
2. 如申請專利範圍第1項之電池組串聯及並聯矩陣聯接應用模組，其中，該控制開關可為開關元件。
3. 如申請專利範圍第1項之電池組串聯及並聯矩陣聯接應用模組，其中，該保護二極體可為蕭特基二極體或快速二極體或整流二極體。
4. 如申請專利範圍第1項之電池組串聯及並聯矩陣聯接應用模組，其中，該電池可為不同化學性質種類不同電量之電池或不同化學性質種類相同電量之電池或同化學性質種類相同電量之電池或同化學性質種類不同電量的電池。
5. 如申請專利範圍第4項之電池組串聯及並聯矩陣聯接應用模組，其中，如該電池並聯需採電壓相近的電池，該電池組串聯需採容量相近的電池組，使該電池組串並聯後供應負載效率較高，或該電池組串並聯可採相同電化學電壓及容量之電池組一同供應負載效率最高，或該電池組串並聯可採不同電化學電壓及容量之電池組一同供應負載效率最差。
6. 如申請專利範圍第1項之電池組串聯及並聯矩陣聯接應用模組，其中，該微處理器可為單晶片。
7. 如申請專利範圍第1項之電池組串聯及並聯矩陣聯接應用模組，其中，該並聯電池組設為複數時，可在首組並聯電池組設置有該控制開關，後續串聯之並聯電池組可不需設置該控制開關。