TWI558062B - 電池平衡系統與平衡電池堆疊的方法 - Google Patents

電池平衡系統與平衡電池堆疊的方法 Download PDF

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Description

電池平衡系統與平衡電池堆疊的方法 對相關申請案的交互參照
本申請案為2011年9月23日申請的的美國申請案第13/242,836號的接續案，該案根據專利法主張申請於2011年6月15日，名稱為「Stackable Bi-Directional Multicell Battery Balancer」的美國臨時專利申請案第61/497,381號的優先權，美國臨時專利申請案第61/497,381號之內容在此全文併入本文中以做為參考。本申請案亦主張對申請於2011年10月21日的美國臨時專利申請案第61/550,128號的優先權，美國臨時專利申請案第61/550,128號地內容在此全文併入本文中以做為參考。
本發明一般地相關於電氣領域，更特定言之，本發明相關於平衡電源的概念與技術。
包含複數個串聯連接的電池細胞元的大型高電壓電池，被常見地用於各種應用中，包含電動載具與大型工業電池支援與網格負載調平(grid load leveling)應用。電池組的 安全與生命期保持，可需要監視與平衡電池組內的所有細胞元，而在電池的操作生命中使每一細胞元操作於固定的「電量狀態」(state of charge；SOC)範圍。若細胞元被過充電、放電太深度或太快速或單純地過熱，則細胞元可更輕易地惡化、起火、甚至爆炸。
因為細胞元通常不全相同，細胞元之間的不平衡受到關注。例如，在SOC、細胞元放電速率、阻抗、容量與溫度特性中可存在差異。即使細胞元來自相同的生產線，這些差異仍可存在。較弱的細胞元(亦即，天生具有較低容量、惡化的容量或高內部阻抗的細胞元)的充電與放電可比較強的細胞元要快速。因此，在充電期間，較弱的細胞元可較快地抵達預定的高電壓。類似的，在放電期間，較弱的細胞元可較快地抵達預定的低電壓。因此，較弱的細胞元可被相對長的充電與放電週期進一步的減弱。對於串聯連接的細胞元，電池(亦即細胞元串聯)的可用總容量受限於最弱的細胞元。
可執行細胞元平衡以隨著時間使每一細胞元的電壓或電量狀態均等，以解決一些上述關注之處。通常使用被動平衡或主動平衡來執行細胞元平衡。
第1圖圖示說明具有被動平衡的電路。在被動平衡中，可需要平衡的細胞元(亦即，SOC比平均細胞元高的細胞元)被放電，而使細胞元符合其他細胞元的電量。然而，放電出的能源作為熱被消散。因此，被動平衡是浪費能源的做法，特別是在細胞元電壓彼此顯著不同時。
在主動平衡中，可個別測量每一細胞元電壓(例如細胞元的SOC)。可使用電容性或電感性電荷傳輸來平衡每一細胞元中的電荷(而非將電荷消散為熱)。藉此提升了電力效率。對此，第2a圖與第2b圖分別圖示說明具有電容性與電感性電荷運輸主動平衡的電路。第2a圖與第2b圖的電路並非是可堆疊的，也並非是交插的。
再者，主動平衡系統可為單向。在第3圖的單向系統中，來自特定細胞元的電荷可被增加或抽取，但不可同時被增加與抽取，這使單向系統的平衡較無效率。對此，第4圖圖示說明與典型的先前技術作法一致的不可堆疊式非同時雙向平衡。
因此，先前技術做法通常受限於零容量回復、高平衡電力消散、長平衡時間與非最佳化能源回復。再者，對於大串的串聯連接細胞元而言，可存在隔離的I/O控制要求。
鑑於上述內容，可需要兼具時間與能源效率之雙向平衡串聯連結細胞元的方法與系統。亦將需要在電池組中達成電量狀態平衡而同時將平衡器能源消耗與總和平衡器執行時間最小化的方法與系統。
本發明揭示一種電池平衡系統。該電池平衡系統包含：串聯連接的複數個細胞元，其中該複數個細胞元包含最小電量細胞元與最大電量細胞元；對於每一細胞元的平衡器；監視器，該監視器經配置以決定每一細胞元的電 量狀態(SOC)；微處理器，該微處理器經配置以：基於該最小電量細胞元與該最大電量細胞元的理論平衡，遞迴地計算每一細胞元的SOC誤差，直到每一細胞元的該SOC誤差小於或等於預定第一臨限；在該SOC誤差小於或等於預定第一臨限的同時，使用對於每一平衡器的經計算淨充電或放電時間，遞迴地重新計算每一細胞元的該SOC誤差，直到每一細胞元的該SOC誤差小於或等於預定第二臨限；以及在該SOC誤差小於或等於預定第二臨限的同時，基於各別的該經計算淨充電或放電時間來指示每一平衡器，藉由增加電荷至各別的每一細胞元或從各別的每一細胞元移除電荷，來實體地平衡各別的每一細胞元。
500‧‧‧電路
502‧‧‧細胞元
504‧‧‧細胞元
506‧‧‧細胞元
508‧‧‧細胞元
510‧‧‧平衡模組
520‧‧‧變壓器一次側
522,533‧‧‧電力開關
524‧‧‧電流感測電阻
521‧‧‧變壓器二次側
523‧‧‧功率FET
525‧‧‧二次側電流感測電阻
530‧‧‧共用可堆疊序列埠
601-606‧‧‧變壓器
607-612‧‧‧變壓器
613-618‧‧‧變壓器
619-624‧‧‧變壓器
625-630‧‧‧變壓器
631-636‧‧‧變壓器
637-642‧‧‧變壓器
700‧‧‧系統
702‧‧‧監視模組
704‧‧‧監視模組
706‧‧‧微處理器
710‧‧‧平衡模組
712‧‧‧平衡模組
714‧‧‧平衡模組
716‧‧‧平衡模組
800‧‧‧方法
802-820‧‧‧步驟
圖式說明了示例性的具體實施例。圖式並未圖示說明所有的具體實施例。可額外地或替代地使用其他具體實施例。可省略可為顯然或非必要的細節，以節省篇幅或更有效率地說明。可使用額外的部件或步驟及/或不使用所圖示說明的所有部件或步驟，來實施一些具體實施例。在相同的編號出現在不同的圖式中時，相同的編號代表相同或類似的部件或步驟。
第1圖圖示說明使用被動平衡的電路。
第2a圖圖示說明使用不可堆疊、非交插之電容性電荷運輸主動平衡的電路。
第2b圖圖示說明使用不可堆疊、非交插之電感性電荷運輸主動平衡的電路。
第3圖圖示說明使用單向性隔離之返馳(flyback)平衡的兩個電路。
第4圖圖示說明使用非同時雙向平衡的電路。
第5圖圖示說明與本發明具體實施例一致之具有六細胞元雙向平衡器的電路。
第6圖圖示說明與本發明具體實施例一致之，具有用以平衡複數個交插電池子堆疊之變壓器連結的電路。
第7圖為圖示說明與本發明具體實施例一致之可堆疊序列通訊的系統圖。
第8圖圖示說明與本發明具體實施例一致之用以平衡細胞元電荷的示例性流程。
現在說明示例性的具體實施例。可使用額外的或替代的其他具體實施例。為了節省篇幅或為了更有效率的展示，可省略一些可為顯然或不為必要的細節。在實施一些具體實施例時，可使用額外的部件或步驟，及/或不使用所有所說明的部件或步驟。
第5圖圖示說明與本發明之具體實施例一致的，具有變壓器連結以平衡複數個電池子堆疊的電路。複數個細胞元(亦即502至508)可被串聯堆疊在彼此的頂端。平衡模組501可包含複數個雙向細胞元平衡器。例如，平衡模組可包含六個此種細胞元平衡器。每一平衡器使用預定的變壓器比例，以在細胞元與鄰接的子堆疊之間(於任一方向)傳送電荷。例如，變壓器比例可為單純的1：1。
電路500的雙向平衡可提供高電力效率的細胞元至子堆疊(以及子堆疊至細胞元)電荷傳輸，而不論電池組是否正被充電或放電。再者，子堆疊內的每一細胞元(例如細胞元1至6)可被同時平衡。同時的作業減少了平衡時間。當然，在可所需平衡單一細胞元的時間內，可平衡子堆疊內的複數個細胞元。在一種具體實施例中，亦可與其他子堆疊(例如細胞元7至12)同時平衡。因此，在此具體實施例中，可同時平衡細胞元1至12。
在一種具體實施例中，每一細胞元的變壓器的一次側的第一端(例如520)可被連接為跨所要平衡的細胞元(例如502)。變壓器一次側的第二端係與電晶體(例如功率FET 522)以及電流感測電阻(例如524)串聯連接。每一變壓器的二次線圈側(例如521)係連接至鄰接的細胞元。例如，鄰接的細胞元可在子堆疊的較上方並與電晶體(例如功率FET 523)串聯連接。這個二次側電晶體523有一二次側電流感測電阻(例如525)耦接至二次側電晶體523的源極。每一二次側變壓器線圈(例如521)的電流感測電阻(例如525)係參照至子堆疊中的最低電壓細胞元。在一種具體實施例中，二次側上的最大電壓連結僅受限於二次側電晶體523的崩潰電壓。
再者，對於每一平衡器的ON/OFF狀態與電荷電流方向控制可為獨立。可透過共用可堆疊序列埠530將狀態與方向通訊至每一IC。例如，菊鍊(daisy chained)可堆疊介面可允許透過單一I/O埠530來控制所有平衡器， 而不限制串聯連接電池堆疊中的細胞元數量。此特徵將於下文更詳細討論。
平衡方法可包含精確地決定電池組中每一細胞元之相對SOC的測量或監視系統(例如，藉由精確地測量個別的細胞元電壓及/或細胞元溫度及/或細胞元阻抗或任何其他有用的細胞元參數)。雙向主動平衡方法與其他平衡拓樸相較之下，在平衡時間與平衡能源消耗方面提供了顯著的改進。將總和平衡器執行時間最佳化(亦即，使達成SOC平衡所需的總和執行時間最小化)，在平衡效能(如由所消耗的平衡器能源、所回復的電池組能源等等所測量)方面提供了進一步的改進。
雙向拓樸在個別細胞元與鄰接細胞元群組(子堆疊)之間傳輸電荷。在雙向系統中，可將電荷在細胞元與此細胞元的子堆疊或鄰接的子堆疊之間雙向移動，以達成SOC平衡。因為理想上需在電池堆疊整體中使細胞元的SOC匹配，子堆疊可為交插(interleaved)，以在電池堆疊整體中提供電荷傳輸路徑。
例如，將交插的電池系統平衡，為遞迴的程序，因為任何個別的細胞元平衡作業影響鄰接細胞元與子堆疊中的電量狀態。可使用不同的演算法以在電池堆疊整體中達成SOC平衡。然而，決定最少的平衡時間(與電荷傳輸方向，從每一細胞元的觀點來看)包含遞迴預測與校正計算，遞迴預測與校正計算係基於預定的平衡器參數(例如平衡電流與傳輸效率)與每一細胞元之相對SOC之初始測 量值。
在一種具體實施例中，決定每一細胞元的初始細胞元容量(亦即最大細胞元容量)。在電池堆疊內細胞元與平均細胞元之間的電量差異(△Q)，取決於最大電量細胞元的SOC與容量兩者，因為△Q為絕對值。△Q與最大電量細胞元將於較後的區段更詳細討論。
第7圖為圖示說明與本發明之具體實施例一致的可堆疊序列通訊的簡化系統圖。例如，為了決定電荷傳輸要求，連接微處理器706的至少一個監視器模組(例如702與704)可首先決定每一子堆疊(例如平衡模組710至716)內的每一細胞元的平均SOC。若所有細胞元具有類似的容量，則具有最低SOC的細胞元(亦即最弱的細胞元)，可從具有最低SOC的細胞元的子堆疊接收額外的電荷，作為一次性校正。例如，子堆疊整體被用以提供電荷給子堆疊內較弱的細胞元。此後，子堆疊整體可正常地循環，而不進行任何額外的調整。
然而，若有細胞元具有與正常細胞元不同的容量(例如受到傷害或惡化)，則此細胞元的充電速率可與正常細胞元不同。此係因為，具有較少容量的細胞元的充電較正常細胞元要快(比正常細胞元更快抵達較高電壓)。例如，使用平衡，在電池堆疊的充電週期內，較弱的細胞元可接收較正常細胞元為少的電荷，從而允許電池堆疊內的所有細胞元在充電週期末端達成相同的SOC。
在一種具體實施例中，為了保持電池生命，在70% SOC處將細胞元視為已充足充電，而在30% SOC處將細胞元視為已充足放電。因此，在充電週期內，電池堆疊的正常細胞元與缺陷細胞元在同一時間被充電至70% SOC。類似地，在放電週期內，正常細胞元與缺陷細胞元在實質上同一時間被放電至30% SOC。
如上文所討論，監視器模組702與704可監視每一細胞元的SOC。系統中的每一平衡器(亦即710至716)可由微處理器706使用單一可堆疊通訊介面720來控制。此菊鏈可堆疊介面允許透過單一通訊埠(I/O介面720)來控制平衡器710至716，而無關於串聯連接電池堆疊中的細胞元數量。因此，理論上可由單一通訊埠支持不限數量的細胞元，而無需額外的數位隔離器。
第6圖圖示說明與本發明之具體實施例一致的，具有變壓器連結以平衡複數個電池子堆疊的電路。每一細胞元子堆疊(例如細胞元1至6)係與鄰接的子堆疊(例如細胞元7至12)串聯連接。子堆疊內的每一細胞元在所相關聯的變壓器上具有對應的一次側。示例說明，變壓器601至606的一次側連結分別跨最低電壓子堆疊中的六個細胞元的每一者。例如，變壓器601的一次側跨細胞元1、變壓器602的一次側跨細胞元2，等等。再者，變壓器連結的每一對應的二次側，以交插配置跨相同的子堆疊(亦即細胞元1至6)加上鄰接的較高電壓子堆疊(亦即細胞元7至12)。
因此，在此範例中，細胞元7至12之每一者相關 聯於變壓器607至612。變壓器607至612的二次側線圈相關於細胞元7至12與細胞元13至18。在此範例中，假定細胞元25至30的平均SOC為強，同時細胞元7至12的平均SOC為弱，則來自細胞元25至30(亦即強的子堆疊)的電荷可藉由下列步驟，被傳輸至細胞元7至12(亦即弱的子堆疊)：
1.將細胞元19至24充電：變壓器619至624的二次側將電荷從強的子堆疊，經由變壓器619至624的一次線圈傳輸到細胞元19至24(亦即第一中間子堆疊)。
2.將細胞元13至18充電：變壓器613至618的二次側將電荷從第一中間子堆疊傳輸到細胞元13至18(亦即第二中間子堆疊)。
3.將細胞元7至12充電：變壓器607至612的二次側將電荷從第二中間子堆疊傳輸到弱的子堆疊。
因此，由於變壓器一次側跨立於每一子堆疊內的細胞元上，且二次側以交插方式跨立於複數個(例如兩個)子堆疊上，任何子堆疊可與另一子堆疊共享電荷，即使另一子堆疊並未鄰接於弱的(或強的)子堆疊。
對於交插的子堆疊，在此所提供的範例圖示說明變壓器二次側係跨接兩個子堆疊。在本發明領域中具有通常知識者參考說明書後將瞭解到，變壓器二次側可依所需跨接任意多個鄰接子堆疊。例如，跨接數個子堆疊可增進以每平衡器標準看來的電荷重分配。有鑑於此，來自放電細胞元的電荷返回電流，被重分配至較多數量的二次側細 胞元。類似的，對於正被充電細胞元的電荷供應電流，係源自較多數量的鄰接細胞元。因此，二次側子堆疊的「放電」被最小化。因此在特定細胞元被平衡時，對於其他細胞元的影響被盡可能減小。在一個範例中，此係由提升二次側細胞元的數量來達成。再者，雖然已圖示說明每子堆疊具有六個細胞元，但細胞元的數量可為任何數量N，其中N≧2。
上述的概念，連同於平衡複數個子堆疊，亦可被應用於平衡單一子堆疊內的細胞元。示例說明，假定第5圖中包含細胞元1至6的子堆疊中的細胞元1(502)為弱的細胞元，則正常細胞元2至6可透過他們各別的變壓器來提供細胞元2至6的部分電荷給弱的細胞元1。
電荷傳輸係由交替地將連接至變壓器一次側與二次側的電力開關(例如522、533)開啟與關閉來完成。此允許在變壓器相關聯的系列電力開關開啟時，電流在變壓器的一個線圈中(亦即電荷供應側)上升，且隨後在電荷供應側開關關閉時，電流由於儲存於變壓器核心中的能量而在另一個線圈中(亦即電荷返回側)下降。此時，變壓器(連接至細胞元或子堆疊)電荷返回側上的電力開關被開啟，以對返回電流提供低阻抗流動路徑。返回電流亦可傳導通過返回側電力開關的體極二極體。因此，電流即使在返回側開關未開啟時仍會流動。此週期可重複，直到已傳輸了充足的電荷為止，如由各別的監視模組(例如702與704)所決定。
對每一平衡器的週期至週期電荷傳輸控制，係由透過串聯感測電阻(例如524與525)直接感測變壓器線圈電流來完成。一旦通過感測電阻的電流到達預定的峰值電壓(亦即，流動通過電荷供應側變壓器線圈、電力開關以及感測電阻的電流到達預定的最大值)，電荷供應側電力開關即被關閉。電荷返回側電流被允許流動，直到返回側電流已下降至零或接近零為止(如可由跨返回側感測電阻的電壓降所指示)。在此後可重複週期。或者，電流可在預定的時間內被允許流動通過供應側電力開關。在此例中，峰值電流係由供應側開啟時間與供應側線圈電感來決定。如前述，返回側電流可在預定的時間內流動，直到返回側電流下降至零或接近零為止(例如在足以允許電流下降至零或接近零的時間內)。
第8圖圖示說明用以平衡所有細胞元的電量狀態的示例性流程800。方法於步驟802開始並包含兩個迴圈。在第一迴圈的步驟804中，決定電池堆疊中的每一細胞元的SOC。例如，電池堆疊可包含複數個交插的子堆疊。根據此決定，計算出電池堆疊的平均電量狀態。例如，由將每一細胞元(例如在每一子堆疊中)的電量狀態加總且隨後除以電池堆疊整體中的細胞元數量，來計算出平均電量狀態。平均電量狀態被用以計算電池堆疊內細胞元與平均細胞元之間電荷的差異(△Q)。換言之，△Q為需被加至細胞元(或從細胞元移除)以匹配電池堆疊平均SOC的電荷。△Q計算係對每一細胞元執行。若存在數個子堆疊， 則此計算可一次對一個子堆疊執行，或同時對數個子堆疊執行。
因此，決定每一細胞元的SOC，包含決定每一細胞元的實際容量。每一細胞元的SOC與容量被用以決定△Q，△Q為絕對值。因此，若細胞元的SOC可被決定，則隱含著細胞元的容量為已知。
在步驟806中，基於△Q與IBAL(其中△Q/IBAL=時間)決定對每細胞元的充電時間與放電時間。
在步驟807中，基於先前步驟決定最小電量與最大電量細胞元為何者。例如，最小電量細胞元為要加入最多電荷的細胞元，同時最大電量細胞元為要移除最多電荷的細胞元，以更貼近平均SOC。
最小/最大電量係關於細胞元之當前電荷位準相 對於欲匹配電池堆疊中所有細胞元之平均SOC位準的電荷位準。例如，在完全放電時，細胞元位於0%電量狀態；在完全充電時，細胞元位於100%電量狀態位準。
如上文討論，細胞元(例如最小電量與最大電量細胞元)的電荷的平衡，影響鄰近細胞元的電荷。此係因為電荷所傳輸至的細胞元，係從鄰近的細胞元接收電荷。類似的，對於強的細胞元，從強細胞元移除的電荷會到達鄰近的細胞元。因此，任何平衡都會影響子堆疊與(位於變壓器二次線圈內的)鄰近子堆疊中的所有細胞元。在一種具體實施例中，在對每一細胞元計算電荷重分配的同時，計算係僅基於由「平衡」最小/最大電量細胞元所造成 的電荷重分配。此係因為最小與最大電量細胞元傳輸最多的電荷自/至鄰接的細胞元。將所模擬的平衡限制至最小/最大電量細胞元，確保在計算中的每一遞迴中，系統逐漸讓每一細胞元平衡。例如，將所模擬的平衡限制至最小/最大電量細胞元，確保演算法收斂。當然，若不將所模擬的平衡限制至最小/最大電量細胞元，則可能存在電荷單純地在鄰接細胞元間來回傳輸，且僅在電池堆疊中的總體電量狀態平衡中產生增量型的改進。相反的，將所模擬的平衡限制至電池堆疊中的最小/最大電量細胞元，一般地確保了收斂。
在步驟808中，在計算電荷重分配之後，計算每一細胞元的SOC。此計算係不同於上文所討論之步驟804中的SOC實體測量。此係因為在步驟808中，SOC被基於理論的電荷重分配來數學地計算，而在步驟804中存在實體測量。
在步驟810中，決定每一細胞元的SOC是否小於或等於預定的第一臨限。若每一細胞元的SOC誤差不小於或不等於預定的第一臨限，則遞迴計算程序回到步驟804以繼續進行迴圈1。換言之，若細胞元與平均值之間的SOC誤差太大，則重複第一迴圈。然而，若每一細胞元的SOC位於預定的第一臨限內，則方法繼續對所有遞迴計算每平衡器的累積充電與放電時間(亦即步驟812)。因為平衡一個細胞元可影響鄰接細胞元的電量狀態，在一次遞迴中要求額外電荷的細胞元，可在另一次遞迴中要求移除電荷， 由於隨後在較後遞迴中鄰接細胞元的平衡。對細胞元充電與放電兩者以在數次遞迴之後達到SOC平衡的量，為鄰接細胞元的SOC誤差分配與相對細胞元容量的函數，且對於不同的電池堆疊而言也不同。
步驟812為第二計算迴圈的部分。在此步驟中，決定來自迴圈1的每平衡器淨充電/放電時間。例如，若平衡器1需要充電7分鐘與放電1分鐘，則提供6分鐘(7-1)的充電與0分鐘的放電。
在步驟814中，使用每一細胞元的初始細胞元SOC值(亦即在進行迴圈1中的任何所模擬「平衡」之前的值)，且應用淨充電/放電時間至每一平衡器。在一種具體實施例中，由於閉合的平衡系統中的電荷守恆，電池堆疊中的所有細胞元被同時計算性地再平衡。再次說明，此係於計算性層級上執行(電荷尚未被實體地重分配)。
在步驟816中，於在步驟814使用初始細胞元SOC值(亦即，在迴圈1中任何所模擬之「平衡」之前的值)計算性地再平衡之後，再計算電池堆疊中每一細胞元的SOC。由此，所有所產生的電荷重分配被處理。在此階段，所有細胞元的所計算SOC位準將比步驟804時接近平衡，僅對每一平衡器使用必要的充電或放電時間。
在步驟818中，決定SOC誤差是否足夠小(小於或等於第二預定臨限)。第二預定臨限可等於或大於第一預定臨限的量值。若SOC不小於或不等於第二預定臨限，則方法繼續進行第一迴圈的步驟804，其中每一細胞元之充 電與放電時間的初始值，以及用以計算每一細胞元△Q值的初始SOC值，係基於來自步驟812與816的數學結果。步驟804之後的所有執行步驟被類似地執行。例如，只有第一個執行步驟使用實際的電池堆疊測量來決定△Q值。隨後的遞迴係基於在步驟816中計算出的每一細胞元的電荷。然而，若SOC誤差小於或等於第二預定臨限，則細胞元被基於前述對每一細胞元的計算值來平衡(亦即步驟820)。
現在討論第二預定臨限與第一預定臨限之間的關係可為有幫助的。例如，於在迴圈2開始處(亦即步驟812)使用淨充電/放電時間時，SOC平衡實際上可變得更差或保持不變。因此，若第二臨限較小(亦即，需要較小的SOC誤差以退出迴圈)，則可產生無限迴圈。因此，第二預定臨限通常係大於第一預定臨限的量值。
所產生的淨充電(CHG)與淨放電(DCHG)時間，代表每一平衡器的最小平衡器執行時間。這些時間係基於對於在任何特定時間點處的所給定的電池堆疊的初始測量的SOC位準、所假定(或測量到)的平衡電流、與平衡器效率，以達到平衡的SOC。現在平衡器可序列地或同時地以所產生的時間操作，以達到SOC平衡。
前述方法提供了對於包含兩個或更多個子堆疊的交插拓樸的細胞元平衡最佳化。考量到此，平衡器執行以在電池堆疊全體中達到SOC平衡的聚合時間被最小化。例如，電荷守恆與疊加允許同時的平衡器作業。因此，可將 容量回復最大化，並將總和平衡器執行時間與能源消耗最小化。因此，方法基於每一平衡器的預定平衡電流，計算與最小化平衡時間，並最小化平衡器能源消耗。
第一迴圈可包含冗餘的平衡步驟。因此，第一迴圈提供SOC平衡，但仍可包含冗餘的平衡步驟。考慮到此，使用第二迴圈以藉由移除冗餘的平衡步驟來最佳化執行時間。
在一種具體實施例中，在電池堆疊正充電及/或放電時將細胞元平衡，而使所有細胞元在電池堆疊充電/放電終點處達到SOC平衡。如上文所討論，30%的SOC位準可代表最小電量狀態(在電池堆疊放電時所達到)，而70%容量的SOC位準可代表最大電量狀態(在電池堆疊充電時所達到)。在本發明領域中具有通常知識者將輕易瞭解到，可根據電池類型與其他特定狀態來使用其他的值。藉由預測充電與放電時間以在操作終點處達到平衡，可決定在電池堆疊充電與放電週期期間內的最小平衡器操作時間。
例如，計算細胞元SOC誤差的外插值，可包含每一細胞元的容量(亦即在完全充電時的容量)、當前SOC、以及所有細胞元的剩餘容量。對於此範例，亦假定電池堆疊充電與放電電流均等地施加至每一細胞元。應注意到，在此範例中充電與放電電流並非平衡電流。相反的，這些電流代表對整體電池堆疊的負載與充電電流(例如，將電池堆疊視為單一電池)。在電池堆疊正充電或放電的同時決定終點平衡的方法，於下文更詳細說明。
示例說明，下文說明如何決定在所有細胞元的平均SOC到達70%時，每細胞元的外插剩餘容量以及每細胞元的外插SOC。細胞元的剩餘容量(A＊hrs)(使用電池監視系統(BMS))係以下列方程式決定：剩餘容量=(當前SOC)＊(細胞元最大容量)
接著，計算加至每一細胞元以讓電池堆疊達到70% SOC終點(平均)的電荷：增加容量=(0.70-電池堆疊平均SOC)＊(電池堆疊平均最大容量)
由以下方程式計算每細胞元所外插的「70%」容量、「70%」SOC：「70%」容量=(剩餘容量)+(增加容量)
「70%」SOC=(「70%」容量)/(細胞元最大容量)
可使用上文討論的方法論，來計算「70%」SOC誤差與校正這些誤差的額外充電/放電平衡時間。類似的，可計算外插「30%」終點SOC誤差。例如，每一細胞元的剩餘容量(A＊hrs)(使用BMS)係由下列方程式決定：剩餘容量=(當前SOC)＊(細胞元最大容量)
再者，從每一細胞元移除以達到電池堆疊30% SOC終點(平均)的電荷，可由下列方程式計算出：移除容量=(電池堆疊平均SOC-0.30)＊(電池堆疊平均最大容量)
可由以下方程式計算每細胞元所外插的「30%」容量、「30%」SOC： 「30%」容量=(剩餘容量)-(移除容量)
「30%」SOC=(「30%」容量)/(細胞元最大容量)
可使用與上文討論相同的方法，來計算「30%」SOC誤差與校正這些誤差的額外充電/放電平衡時間。
對於「30%」/「70%」平衡工作因數(BDF)，在一種具體實施例中，一旦充電與放電平衡時間被計算以在一個(或另一個)SOC終點處達到平衡，則平衡器可被操作在「依所需」的基礎上，根據電池堆疊充電(或放電)得多快。可基於下列比例，在每平衡器的基礎上決定平衡器開啟時間對關閉時間的比例(亦即工作因數)：「30%」平衡工作因數=(「30%」平衡時間)/(到30%平均SOC的電池堆疊放電時間)
「70%」平衡工作因數=(「70%」平衡時間)/(到70%平均SOC的電池堆疊充電時間)
「30%」與「70%」平衡工作因數，代表每一平衡器可操作以在電池堆疊達到30%或70%平均SOC終點時，讓所有細胞元達到SOC平衡的時間比例。此開啟時間對關閉時間比例隨著總體電池堆疊負載與電池堆疊充電電流變化。例如，若電池堆疊正緩慢地充電或放電，則30%/70%工作因數為低。因此，平衡器不需要經常執行。例如，給定充電與放電電流的未來方向為未知，則適當的作法可為，僅在工作因數等於接近100%(但少於100%)的一些值時執行平衡器，以保證平衡器在SOC限制被達到之前有充足的時間來完成平衡器的工作。以此方式，平衡器不消 耗容量，除非(與直到)需要延伸電池堆疊的執行時間(在達到SOC下限的情況下)，或保護細胞元不受過充電的傷害(在達到SOC上限)。電池堆疊達到30%/70%平均SOC終點的時間，係基於電池堆疊平均細胞元容量(亦即電池堆疊中每一細胞元的平均容量)、電池堆疊平均SOC、與電池堆疊充電與放電電流，如以下：到30%平均SOC的電池堆疊放電時間=(平均SOC-0.30)＊電池堆疊平均細胞元容量/電池堆疊放電電流到70%平均SOC的電池堆疊充電時間=(0.70-平均SOC)＊電池堆疊平均細胞元容量/電池堆疊充電電流
例如，(1)基於外插終點SOC誤差的預測與平衡以及(2)基於「30%/70%」BDF而依所需平衡的益處為，在完全電池堆疊充電與放電終點處達到SOC平衡的累積平衡器執行時間可被最小化。考慮到此，由於電池堆疊充電對於放電的總體(淨)方向以及對應的電池堆疊平均SOC改變，對應的平衡時間(與方向)亦可改變。
雖然在上文的範例中討論單一的缺陷細胞元，在本發明領域中具有通常知識者將瞭解到，根據所揭示內容，可將與本文所揭示相同的概念應用至相同子堆疊或電池堆疊中的複數個缺陷細胞元。名詞「堆疊」與「子堆疊」在本文中被可交換地使用，以廣泛地代表鄰接細胞元群組。再者，在一些具體實施例中，電池堆疊可包含數個子堆疊。在本發明領域中具有通常知識者基於本揭示內容將輕易瞭解到，本文所討論的方法可被延伸以包含作為整體 而包含電池堆疊的交插子堆疊群組。
上文所概述的教示內容，可被實施為處理來自應用至電腦的測量工具的資料，以提供細胞元上電荷的平衡的方法。教示內容亦可被實施於軟體產品中(特別是程式)，以讓電腦或其他資料處理裝置執行上文所概述的資料處理。
諸如「機器可讀取媒體」與「電腦可讀取媒體」的名詞，代表參與提供指令及/或資料給可程式處理器的任何媒體，可程式處理器諸如可處理電荷測量資料的個人電腦、伺服器電腦或主機電腦的CPU。此種媒體可為許多形式，包含但不限於非揮發性媒體、揮發性媒體與傳輸媒體。非揮發性媒體包含(例如)光學或磁性磁碟。揮發性媒體包含動態記憶體，諸如主記憶體或快取。實體傳輸媒體包含同軸纜線；銅線與光纖，包含網路的有線與無線鏈結，以及包含位於電腦內的匯流排的線等等。然而，傳輸媒體亦可為電氣或電磁訊號、或聲學或光波的形式，諸如在光學、射頻(RF)與紅外線(IR)資料通訊期間產生者。
所討論的部件、步驟、特徵、物件、益處與優點僅為示例性。這些，與相關的討論，係不意為以任何方式限制保護範圍。亦思量了數種其他的具體實施例。這些其他的具體實施例包含具有較少、額外及/或不同的部件、步驟、特徵、物件、益處與優點的具體實施例。這些其他的具體實施例亦包含其中部件及/或步驟被不同地設置及/或排序的具體實施例。
500‧‧‧電路
502‧‧‧細胞元
504‧‧‧細胞元
506‧‧‧細胞元
508‧‧‧細胞元
510‧‧‧平衡模組
520‧‧‧變壓器一次側
522,533‧‧‧電力開關
524‧‧‧電流感測電阻
521‧‧‧變壓器二次側
523‧‧‧功率FET
525‧‧‧二次側電流感測電阻
530‧‧‧共用可堆疊序列埠

Claims (29)

  1. 一種電池平衡系統，該系統包含：串聯連接的複數個細胞元，其中該複數個細胞元包含一最小電量細胞元與一最大電量細胞元；對於每一細胞元的一平衡器；一監視器，該監視器經配置以決定每一細胞元的一電量狀態(SOC)；一微處理器，該微處理器經配置以：基於該最小電量細胞元與該最大電量細胞元的一理論平衡，遞迴地計算每一細胞元的一SOC誤差，直到每一細胞元的該SOC誤差小於或等於一預定第一臨限；在該SOC誤差小於或等於該預定第一臨限的同時，使用對於每一平衡器的一經計算淨充電或放電時間，遞迴地重新計算每一細胞元的該SOC誤差，直到每一細胞元的該SOC誤差小於或等於一預定第二臨限；以及在該SOC誤差小於或等於該預定第二臨限的同時，基於各別的該經計算淨充電或放電時間來指示每一平衡器，藉由增加電荷至各別的每一細胞元或從各別的每一細胞元移除電荷，來實體地平衡各別的每一細胞元。
  2. 如請求項1所述之電池平衡系統，其中該微處理器進一步經配置以：指示該監視器以決定每一細胞元的一第一SOC；計算該複數個細胞元的一平均SOC； 計算每一細胞元與該平均SOC之間的一電荷差異(△Q)；以及計算對於該電池中每一細胞元的一充電或放電時間，而使每一細胞元匹配該平均SOC。
  3. 如請求項1所述之電池平衡系統，其中該最小電量細胞元為需要一最多電荷增加量的一細胞元，且該最大電量細胞元為需要一最多電荷移除量的一細胞元，以達到該平均SOC。
  4. 如請求項1所述之電池平衡系統，其中：該最小電量細胞元需要來自該電池的一最多電荷以匹配該平均SOC；且該最大電量細胞元需要捐贈一最多電荷給該電池以匹配該平均SOC。
  5. 如請求項1所述之電池平衡系統，其中該電池包含複數個串聯連接的子堆疊。
  6. 如請求項5所述之電池平衡系統，其中所有子堆疊被同時平衡。
  7. 如請求項5所述之電池平衡系統，其中每一子堆疊被序列地平衡。
  8. 如請求項1所述之電池平衡系統，其中該預定第一臨限的一量值係等於該預定第二臨限的一量值。
  9. 如請求項1所述之電池平衡系統，其中該預定第一臨限的一量值係小於該預定第二臨限的一量值。
  10. 一種平衡一電池堆疊的方法，該方法包含以下步驟：藉由以下步驟執行第一迴圈計算：決定該電池堆疊中的每一細胞元的一第一電量狀態(SOC)；計算該電池堆疊的一平均SOC；計算每一細胞元與該電池堆疊的該平均SOC之間的一電荷差異(△Q)；計算該電池堆疊中每一細胞元的一充電或放電時間，而使每一細胞元匹配該電池堆疊的該平均SOC；基於每一細胞元的該△Q，決定一最小電量細胞元與一最大電量細胞元；基於所計算出的該電池堆疊的該最小電量細胞元與該最大電量細胞元的一平衡，計算該電池堆疊中每一細胞元的一電荷重分配；基於所計算出的該最小電量細胞元與該最大電量細胞元的該平衡，計算該電池堆疊中每一細胞元的一第二SOC； 藉由計算該細胞元的該第二SOC與該平均SOC之間的一百分比差異，決定該電池堆疊中每一細胞元的一SOC誤差；且若該SOC誤差的一量值高於一預定第一臨限，則返回計算該電池堆疊中每一細胞元的該△Q的步驟；否則計算每一平衡器的累積充電與放電時間；以及在該SOC誤差的一量值少於或等於該預定第一臨限時，藉由以下步驟執行第二迴圈計算：基於第一迴圈計算，計算每一細胞元的一淨充電或放電時間；基於第一迴圈計算與所決定的每一細胞元的該第一SOC，使用每一細胞元的淨充電/放電時間計算性地再平衡每一細胞元；計算該電池堆疊中的每一細胞元的一第三理論SOC；若該電池堆疊的任何細胞元的量值高於一預定第二臨限，則使用每一細胞元的該第三理論SOC返回計算該等第一迴圈計算的該電池堆疊的一平均SOC的步驟；否則藉由基於每一細胞元的該淨充電或放電時間，分別將電荷加至每一細胞元或從每一細胞元移除電荷，以實體地平衡每一細胞元。
  11. 如請求項10所述之方法，其中計算該電池堆疊中每一細胞元的該充電或放電時間的步驟，係基於每一細胞元的該△Q與一平衡電流(IBAL)。
  12. 如請求項10所述之方法，其中該最小電量細胞元為需要一最多電荷增加量的一細胞元，且該最大電量細胞元為需要一最多電荷移除量的一細胞元，以在該電池堆疊中達到該平均SOC。
  13. 如請求項10所述之方法，其中：該最小電量細胞元需要來自該電池堆疊的一最多電荷以匹配該平均SOC；且該最大電量細胞元需要捐贈一最多電荷給該電池堆疊以匹配該平均SOC。
  14. 如請求項10所述之方法，其中該電池堆疊包含複數個串聯連接的子堆疊。
  15. 如請求項14所述之方法，其中所有子堆疊被同時平衡。
  16. 如請求項14所述之方法，其中每一子堆疊被序列地平衡。
  17. 如請求項10所述之方法，其中計算每一細胞元的該△Q的步驟係同時執行。
  18. 如請求項10所述之方法，其中該預定第一臨限的一量值係等於該預定第二臨限的一量值。
  19. 如請求項10所述之方法，其中該預定第一臨限的一量值係小於該預定第二臨限的一量值。
  20. 一種平衡一電池堆疊的方法，該方法包含以下步驟：在一第一計算迴圈中：決定該電池堆疊中的每一細胞元的一第一電量狀態(SOC)；計算該電池堆疊的一平均SOC；計算要加入該電池堆疊中每一細胞元或從該電池堆疊中每一細胞元移除的一電荷，而使該電池堆疊中每一細胞元的電荷較接近該電池堆疊的該平均SOC；基於所計算之要加入該電池堆疊中每一細胞元或從該電池堆疊中每一細胞元移除的該電荷，來模擬一電荷重分配；基於所模擬的該電荷重分配來計算每一細胞元的一第二SOC；藉由返回計算該電池堆疊的一平均SOC的步驟，而遞迴地重複進行該第一計算迴圈，直到每一細胞元的一 SOC誤差位於一預定第一臨限內；其中在每一遞迴中，記錄每一細胞元的一充電或放電時間；在一第二計算迴圈中：藉由基於在該第一計算迴圈中對每一細胞元計算所遞迴記錄的該充電或放電時間，來計算每一細胞元的一淨充電或放電時間，以減少該電池堆疊中每一細胞元的電荷平衡時間；基於每一細胞元的所減少的該電荷平衡時間與該第一SOC，來模擬每一細胞元的一平衡；決定該電池堆疊中每一細胞元的一新SOC誤差；以及若該新SOC誤差的一量值高於一預定第二臨限，則藉由返回計算要加入該電池堆疊中每一細胞元或從該電池堆疊中每一細胞元移除的該電荷的步驟來重複該第一計算迴圈的計算，而使該電池堆疊中每一細胞元中的電荷更接近該電池堆疊的該平均SOC；否則，基於該淨充電或放電時間來平衡該電池堆疊中的每一細胞元。
  21. 如請求項20所述之方法，其中模擬該電池堆疊中每一細胞元的該電荷重分配的步驟係基於：計算每一細胞元與該電池堆疊的該平均SOC之間的一電荷差異(△Q)；基於每一細胞元的該△Q，決定一最小電量細胞元與一最大電量細胞元； 計算該電池堆疊的一最小電量細胞元與一最大電量細胞元的一平衡；計算該電池堆疊中每一細胞元的一充電或放電時間。
  22. 如請求項21所述之方法，其中計算該電池堆疊中每一細胞元的一充電或放電時間的步驟，係基於每一細胞元的該△Q與一平衡電流(IBAL)。
  23. 如請求項21所述之方法，其中該最小電量細胞元為需要一最多電荷增加量的一細胞元，且該最大電量細胞元為需要一最多電荷移除量的一細胞元，以在該電池堆疊中達到該平均SOC。
  24. 如請求項20所述之方法，其中該電池堆疊包含複數個串聯連接的子堆疊。
  25. 如請求項24所述之方法，其中所有子堆疊被同時平衡。
  26. 如請求項24所述之方法，其中每一子堆疊被序列地平衡。
  27. 如請求項21所述之方法，其中計算每一細胞元的該△Q的步驟係同時執行。
  28. 如請求項20所述之方法，其中該預定第一臨限的一量值係等於該預定第二臨限的一量值。
  29. 如請求項20所述之方法，其中該預定第一臨限的一量值係小於該預定第二臨限的一量值。
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