TWI568122B - 電池系統與其控制方法 - Google Patents

電池系統與其控制方法 Download PDF

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Description

電池系統與其控制方法
本案是有關於一種電池系統與其控制方法。
以可充式電池為電力來源的動力系統及可將電能儲在可充式電池的儲電系統對於電池一致性及電池壽命有高要求。這類系統大致有以下要求：(1)電池一致性要高；(2)電池差異度(divergence)必需維持長時間(如8-20年)；(3)考量電池壽命，電池組的高儲能區段是優先選擇；以及(4)從單一輸入電壓轉換成多輸出電壓，增加電壓轉換的損耗。
對第(1)點來說，要對電池芯進行分級來選擇高品質電池，這使得系統成本提升。對第(2)點來說，以目前技術而言，電池差異度隨使用時間與次數呈現發散，故而，要能長時間維持電池差異度是件不容易之事。對第(3)點說，即便是老化後電池仍保有70%的剩餘容量，但為求保險，這類電池可能會被替換。對第(4)點來說，目前系統大部份都會遇到此缺點。
因此，需要有較佳的電池系統，以期改善上述缺點。
本案係有關於一種電池系統與其控制方法，其中， 所用的電池模組具有啟用(enable)模式與略過(bypass)模式。根據負載特性，來決定電池模組是否被啟用。
本案係有關於一種電池系統與其控制方法，其中，所用的電池模組具有恒電流切換。於操作模式切換中，電池模組所輸出的電流保持恒電流值。
根據本案一實施例，提出一種電池系統，包括：主控模組與電池包。電池包耦接至該主控模組與一電壓轉換器。該電池包包括複數個串聯之電池模組，該些電池模組於模式切換中，保持恒電流輸出。該些電池模組監控該些電池模組之各自電池狀態。該主控模組根據一負載需求、該些電池模組之該各自電池狀態與一轉換效率，動態地控制該電池系統之該電壓轉換器之一電壓轉換操作模式與動態地控制該些電池模組之各自操作模式。
根據本案一實施例，提出一種電池系統之控制方法。監控該電池系統之複數個電池模組之各自電池狀態。根據一負載需求、該些電池模組之該各自電池狀態與一轉換效率，動態地控制該電池系統之一電壓轉換操作模式與動態地控制該些電池模組之各自操作模式。該些電池模組於模式切換中，保持恒電流輸出。
為了對本案之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100‧‧‧電池系統
110‧‧‧主控模組
120‧‧‧電池包
130‧‧‧電壓轉換器
50‧‧‧負載
120_1、120_2、…、120_M‧‧‧電池模組
STi‧‧‧電池狀態信號
CV_CNT‧‧‧轉換器控制信號
BT_CNTi‧‧‧電池控制信號
200‧‧‧電池模組
210‧‧‧開關控制單元
220‧‧‧電池狀態監控單元
BT‧‧‧電池
S1、S2‧‧‧開關
I1、I2、I‧‧‧電流
V+、V-‧‧‧電壓
T1-T3‧‧‧時序
410-430‧‧‧步驟
a-f‧‧‧曲線
第1圖顯示根據本案一實施例之電池系統之功能方塊圖。
第2圖顯示根據本案一實施例之電池模組之功能方塊圖。
第3圖顯示根據本案一實施例之電池模組的操作模式示意圖。
第4圖顯示根據本案一實施例之電池系統之控制方法之流程圖。
第5圖顯示根據本案一實施例之電壓轉換器的轉換效率曲線圖。
本說明書的技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。本揭露之各個實施例分別具有一或多個技術特徵。在可能實施的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施任一實施例中部分或全部的技術特徵，或者選擇性地將這些實施例中部分或全部的技術特徵加以組合。
第1圖顯示根據本案一實施例之電池系統之功能方塊圖。如第1圖所示，電池系統100包括：主控模組110、電池包(battery pack)120與電壓轉換器130。電池系統100可輸出功率至負載50。
電池包120耦接至主控模組110與電壓轉換器130，電池包120包括複數個串接之電池模組120_1、120_2、…、120_M(M為正整數)。電池包120的電池模組120_1、120_2、…、 120_M可監控本身的電池狀態，以輸出電池狀態信號STi(i=1-M)給主控模組110。
主控模組110根據電壓轉換器130的轉換效率、電池包120所輸出的電池狀態信號STi(i=1-M)，以及負載需求(例如，負載電壓需求及/或負載電流需求)，來產生轉換器控制信號CV_CNT與電池控制信號BT_CNTi(i=1-M)。在本案實施例中，主控模組110可以實現為硬體電路架構，或者以軟體方式來實現。
電壓轉換器130的電壓轉換操作模式由主控模組110所傳來的轉換器控制信號CV_CNT所決定。電壓轉換器130例如但不受限於為直流-直流轉換器(DC-DC converter)。
電池包120的電池模組120_1、120_2、…、120_M的操作模式由主控模組110所傳來的電池控制信號BT_CNTi(i=1-M)所決定。
現請參考第2圖，其顯示根據本案一實施例之電池模組之功能方塊圖。如第2圖所示，電池模組200至少包括：開關控制單元210、電池狀態監控單元220、一或多個電池BT，以及開關S1與S2。電池模組200可用於實現第1圖之電池模組120_1、120_2、…、120_M。另外，在第2圖中，該些電池BT以串聯連接，但在本案其他可能實施例中，該些電池BT也可並聯連接，或者是串並聯混合連接。
開關控制單元210耦接至主控模組110。開關控制單元210用以根據由主控模組110所傳來的電池控制信號 BT_CNTi(i=1-M)來控制開關S1與S2。
電池狀態監控單元220耦接至主控模組110與開關控制單元210。電池狀態監控單元220用以監控該些電池BT的狀態(電池電流、電池電壓或電池容量)，以產生電池狀態信號STi(i=1-M)，來回傳給主控模組110。例如但不受限於，電池狀態監控單元220所產生的電池狀態信號STi(i=1-M)指示該電池模組200的電池容量。
另外，電池狀態監控單元220也會監控電流I1與I2，以傳給開關控制單元210，讓開關控制單元210據以控制開關S1與S2。
該些電池BT耦接至電池狀態監控單元220與電壓轉換器130。開關S1與S2受控於開關控制單元210。
簡言之，開關控制單元210根據由主控模組110所傳來的電池控制信號BT_CNTi(i=1-M)來控制開關S1與S2是要呈短路狀態(short condition)或呈開路狀態(open condition)，而且，開關控制單元210根據由電池狀態監控單元220所傳來的監控結果(電流I1與I2之值)，讓開關控制單元210據以控制開關S1與S2的開關速度。
在本案實施例中，電池模組200具有兩種操作模式：啟用(enable)模式，以及略過(bypass)模式。當處於啟用模式時，電池模組200的該些電池BT輸出電流與電壓。當處於略過模式時，電池模組200的該些電池BT不輸出電流與電壓。
第3圖顯示根據本案一實施例之電池模組200的操作模式示意圖。如第3圖所示，當電池模組200處於啟用模式(時序T1之前)時，第一電流路徑(包括該些電池BT)上有電流I1，而另一電流路徑上的電流I2則為一既定值(例如，I2=0)。電流I1與I2之總和為總電流I(其中，I1=I，而I2=0)。在啟用模式下，開關S1為短路狀態，而開關S2為開路狀態。
假設電池模組200所接到的電池控制信號BT_CNTi指示該電池模組200要從啟用模式切換至略過模式。故而，時序T2之內，電池模組200進行模式切換。在進行模式切換中，電池狀態監控單元220會持續監控電流I1與I2，並將監控結果傳給開關控制單元210，以讓開關控制單元210能逐漸地將開關S1開路(亦即，逐漸地將開關S1由短路狀態切換至開路狀態)，並逐漸地將開關S2短路(亦即，逐漸地將開關S2由開路狀態切換至短路狀態)。然而，在時序T2之內，電流I1與I2之總和仍不變，保持為總電流I(I1+I2=I)，其中，在進行模式切換中，電流I1逐漸降低，而電流I2逐漸增加。
在時序T3之後，電池模組200處於略過模式，第一電流路徑的電流I1下降至0(也就是說，開關S1已完全呈開路狀態)，而第二電流路徑的電流I2則上升至總電流I(也就是說，開關S2已完全呈短路狀態)。在略過模式下，電流I1與I2之總和仍為總電流I(I1=0，而I2=I)。
在本案實施例中，電池模組200具有恒電流切換功 能。也就是說，不論是處在啟用模式，略過模式，或者模式切換下，從電池模組200所流出的總電流I都能保持固定不變。
在本案實施例中，電池模組200具有恒電流切換功能的原因在於能讓系統保持穩定操作。也就是說，如果電池模組200不具有恒電流切換功能的話，則在進行模式切換中，電池模組200所輸出的總電流I可能有所變動，導致電池包200的總輸出電流也可能有所變動，這樣將導致系統的操作無法穩定。
第3圖也另外顯示出電池模組200的兩端電壓差(V+-V-)的變化。由此可看出，在啟用模式下，電池模組200可穩定輸出電壓；在模式切換中，電池模組200的輸出電壓逐漸下降；在略過模式下，電池模組200的輸出電壓則為0。
另外，在第3圖中，如果電池模組200處於放電狀態，則電流I之值為正；如果電池模組200處於充電狀態，則電流I之值為負。
在本案實施例中，開關S1與S2例如但不受限於，以金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，或絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等來實現。
現請參考第4圖，其顯示根據本案一實施例之電池系統之控制方法之流程圖。於步驟410中，主控模組110監控電池包120的各電池模組120_1~120_M的各自電池狀態。
於步驟420中，主控模組110判斷負載需求是否有 變，或者電池包120的各電池模組120_1~120_M的各自電池狀態是否有變。其中，主控模組110可以接收電池系統100的負載需求或者主控模組110可以預測電池系統100需要的負載需求。如果這兩者都沒有改變的話，則流程回至步驟410。如果這兩者之一或兩者皆有改變的話，則流程接續至步驟430。
於步驟430中，主控模組110根據負載需求、該些電池模組120_1~120_M之各自電池狀態與一轉換效率，主控模組110動態地控制電壓轉換器130之一電壓轉換操作模式與動態地控制該些電池模組120_1~120_M之各自操作模式。其細節將於底下描述之。主控模組110動態地決定各電池模組120_1~120_M處於啟用模式或略過模式。在本案實施例中，各電池模組的操作狀態是各自獨立的，且電池模組120_1~120_M於模式切換中，保持恒電流輸出。
現將說明如何控制電壓轉換器130的電壓轉換操作模式。第5圖顯示根據本案一實施例之電壓轉換器130的轉換效率曲線圖。在第5圖中，假設電壓轉換器130有6種轉換效率，分別由曲線a至曲線f表示之。曲線a代表電壓轉換器130將48V輸入電壓(48Vin)轉換成24V輸出電壓(24Vout)。曲線b代表電壓轉換器130將24V輸入電壓(24Vin)轉換成12V輸出電壓(12Vout)。曲線c代表電壓轉換器130將48V輸入電壓(48Vin)轉換成12V輸出電壓(12Vout)。曲線d代表電壓轉換器130將24V輸入電壓(24Vin)轉換成48V輸出電壓(48Vout)。曲線e代表電壓轉換器130 將12V輸入電壓(12Vin)轉換成24V輸出電壓(24Vout)。曲線f代表電壓轉換器130將12V輸入電壓(12Vin)轉換成48V輸出電壓(48Vout)。亦即，曲線a，b與c代表電壓轉換器130處於降壓模式(buck mode)，而曲線d，e與f代表電壓轉換器130處於升壓模式(boost mode)。由第1圖可知，電壓轉換器130的輸入電壓是由電池包120所提供。
如果負載需求為24V(代表電壓轉換器130要供應24V輸出電壓給負載50)，則電壓轉換器130的轉換效率可能是從曲線a與e當中擇一。根據負載電流需求，主控模組110控制電壓轉換器130的電壓轉換操作模式，以從轉換效率曲線a與e當中擇一。如果負載電流需求小於7A的話，由第5圖可看出，轉換效率曲線e可提供較佳的轉換效率，所以，在此情況下，主控模組110控制電壓轉換器130操作於轉換效率曲線e。相反地，如果負載電流需求大於7A的話，由第5圖可看出，轉換效率曲線a可提供較佳的轉換效率，所以，在此情況下，主控模組110控制電壓轉換器130操作於轉換效率曲線a。
相同地，如果負載需求為48V(代表電壓轉換器130要供應48V輸出電壓給負載50)，則電壓轉換器130的轉換效率可能是從曲線d與f當中擇一。根據負載電流需求，主控模組110控制電壓轉換器130的電壓轉換操作模式，以從轉換效率曲線d與f當中擇一。由第5圖可看出，不論負載電流需求為何，轉換效率曲線d可提供較佳的轉換效率，所以，主控模組110控制電 壓轉換器130操作於轉換效率曲線d。
如果負載需求為12V(代表電壓轉換器130要供應12V輸出電壓給負載50)，則電壓轉換器130的轉換效率可能是從曲線b與c當中擇一。根據負載電流需求，主控模組110控制電壓轉換器130的電壓轉換操作模式，以從轉換效率曲線b與c當中擇一。由第5圖可看出，不論負載電流需求為何，轉換效率曲線b可提供較佳的轉換效率，所以，主控模組110控制電壓轉換器130操作於轉換效率曲線b。
在本案實施例中，可以將電壓轉換器130的轉換效率曲線a-f事先輸入至主控模組110。或者是，主控模組110具有學習的功能，可以在沒有事先得知電壓轉換器130的轉換效率曲線的情況下，主控模組110從電壓轉換器130的轉換效率來學習出轉換效率曲線。
在本案實施例中，主控模組110可以測試電壓轉換器130的特性，其中，電壓轉換器130可能依轉換比例、升降壓模式及輸出功率而得到不同的轉換效率。
另外，在本案實施例中，主控模組110由負載電壓需求來設定電壓轉換器130的適當輸出電壓。另外，主控模組110可由負載功率需求(負載電壓需求及/或負載電流需求)來決定電壓轉換器130的升降壓模式，及決定電壓轉換器130的輸入電壓。由所決定好的電壓轉換器130的輸入電壓，主控模組110可決定電池包120中的各電池模組120_1~120_M處於啟用模式或略過模 式。簡言之，如果該電池系統100具有複數個不同轉換效率，根據電池系統100之負載電壓需求與負載電流需求，從該些轉換效率中擇一並決定各電池模組120_1~120_M之總輸出電壓，並且依據所決定之各電池模組120_1~120_M之總輸出電壓與各電池模組120_1~120_M之各自電池容量來決定各電池模組120_1~120_M之各自操作模式。本案實施例之特點之一在於，讓該些電池模組120_1~120_M的電池容量能被均衡消耗。也就是說，在可能的情況下，讓電池容量較低的電池模組處於略過模式而讓電池容量較高的電池模組處於啟用模式。如此一來，電池包內的該些電池模組的電力消耗能得到較佳平衡。
例如但不受限於，假設電池包120包括16個串聯的電池模組120_1~120_16，其中，各電池模組120_1~120_16可輸出3V電壓。現將說明要如何控制各電池模組120_1~120_16的操作模式。
當電壓轉換器130操作於第5圖的轉換效率曲線a與c時(電壓轉換器130接收48V的輸入電壓，亦即，電池包120提供48V的輸出電壓)，這16個電池模組120_1~120_16皆要處於啟用模式，以輸出3*16=48V的電池輸出電壓給電壓轉換器130。
當電壓轉換器130操作於第5圖的轉換效率曲線b與d時(電壓轉換器130接收24V的輸入電壓，亦即，電池包120提供24V的輸出電壓)，在這16個電池模組120_1~120_16中， 有8個電池模組處於啟用模式而另外8個電池模組處於略過模式，以輸出3*8=24V的電池輸出電壓給電壓轉換器130。其中，在本案實施例中，可以讓具有較高電池容量的8個電池模組處於啟用模式，而讓具有較低電池容量的8個電池模組處於略過模式。
當電壓轉換器130操作於第5圖的轉換效率曲線e與f時(電壓轉換器130接收12V的輸入電壓，亦即，電池包120提供12V的輸出電壓)，在這16個電池模組120_1~120_16中，有4個電池模組處於啟用模式而另外12個電池模組處於略過模式，以輸出3*4=12V的電池輸出電壓給電壓轉換器130。其中，在本案實施例中，可以讓具有較高電池容量的4個電池模組處於啟用模式，而讓具有較低電池容量的12個電池模組處於略過模式。
另外，在本案實施例中，主控模組110可能會隨著電池模組的電池容量而動態地決定及/或控制及/或改變該電池模組的操作模式。
舉例而言，在某一周期中，要讓具有較高電池容量的4個電池模組處於啟用模式，而讓具有較低電池容量的12個電池模組處於略過模式。其中，假設電池模組120_1、120_3、120_7與120_10的電池容量較高，且假設在電池模組120_1、120_3、120_7與120_10之中，電池模組120_1的電池容量最低，而其餘電池模組的電池容量低於電池模組120_1、120_3、120_7與120_10的電池容量。所以，在此周期中，電池模組120_1、120_3、120_7 與120_10操作於啟用模式，而其餘電池模組操作於略過模式。然而，在下一周期中，主控模組110發現，電池模組120_1的電池容量低於電池模組120_5的電池容量。這是因為在上一個周期中，電池模組120_1在放電，導致其電池容量降低。所以，在下一周期中，主控模組110可控制電池模組120_5(連同120_3、120_7與120_10)處於啟用模式，而電池模組120_1與其他電池模組處於略過模式。
透過本案實施例的動態監控，可有效地讓該些電池模組的電力消耗得到均衡。如此一來，可以避免固定消耗某(些)電池模組的電力但卻沒有讓其他電池模組有提供電力的機會。
更甚者，在上述說明中，以一個周期內，有一個電池模組的模式被切換，但本案並不受限於此。在一個周期中，有多個或0個電池模組的模式被切換，亦在本案精神範圍內。
如上所述，在本案實施例中，透過決定電壓轉換器130的電壓轉換操作模式，能提高電壓轉換器130電壓轉換效率。
另外，在本案實施例中，即便是電池模組中的電池因為老化導致電池容量有所降低，這些老化電池仍有機會能提供功率輸出。故而，本案實施例之電池系統對於電池差異度有高容忍度。亦即，本案實施例之電池系統可以應用較低品質/較低電池容量的電池，所以，可以降低電池系統對電池的要求，進而降低電池系統的成本。
綜上所述，雖然本案已以實施例揭露如上，然其並 非用以限定本案。本案所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
410-430‧‧‧步驟

Claims (16)

  1. 一種電池系統，包括：一主控模組；以及一電池包，耦接至該主控模組與一電壓轉換器，該電池包包括複數個串聯之電池模組，各該些電池模組之操作模式具有一啟用模式與一略過模式，於該啟用模式，該略過模式與模式切換中，各該些電池模組保持恒電流輸出；其中，該些電池模組監控該些電池模組之各自電池狀態，該主控模組根據一負載需求、該些電池模組之該各自電池狀態與一轉換效率，動態地控制該電池系統之該電壓轉換器之一電壓轉換操作模式與動態地控制該些電池模組之各自操作模式。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池系統，其中，各該些電池模組包括：一開關控制單元，耦接至該主控模組；一電池狀態監控單元，耦接至該主控模組與該開關控制單元；至少一電池，耦接至該電池狀態監控單元與該電壓轉換器；以及複數個開關，受控於該開關控制單元。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電池系統，其中，該開關控制單元根據由該主控模組所傳來的一電池控制信號來控制該些開關之呈一短路狀態或呈一開路狀態。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之電池系統，其中，該電池狀態監控單元監控該至少一電池的狀態，以產生該電池模組之一電池狀態信號並回傳給該主控模組。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之電池系統，其中，該電池狀態監控單元監控該電池模組之複數個電流信號，以傳給該開關控制單元，讓該開關控制單元據以控制該些開關之開關速度。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之電池系統，其中，當該些電池模組之一電池模組處於該啟用模式時，包括該電池模組之一第一電流路徑出現一第一電流，而一第二電流路徑上的一第二電流為一既定值，該第一與該第二電流之總和為一總電流，該些開關之一第一開關為一短路狀態，而該些開關之一第二開關為一開路狀態。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電池系統，其中，該些電池模組之該電池模組於模式切換中，該電池狀態監控單元持續監控該第一與該第二電流並傳給該開關控制單元，以讓該開關控制單元逐漸地將該第一開關開路，並逐漸地將該第二開關短路，以及該些電池模組之該電池模組於模式切換中，該第一與該第二電流之總和仍為該總電流，其中，在模式切換中，該第一電流逐漸降低，而該第二電流逐漸增加。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之電池系統，其中， 該些電池模組之該電池模組處於該略過模式時，該第一電流下降至該既定值且該第一開關完全呈該開路狀態，而該第二電流上升至該總電流且該第二開關完全呈該短路狀態。
  9. 如申請專利範圍第2項所述之電池系統，其中，如果該電壓轉換器具有複數個不同轉換效率，該主控模組根據該電池系統之一負載電壓需求與一負載電流需求，從該些轉換效率中擇一並決定該電池包之一輸出電壓，並且依據所決定之該電池包之該輸出電壓與該些電池模組之各自電池容量來決定該些電池模組之各自操作模式。
  10. 一種電池系統之控制方法，包括：監控該電池系統之複數個電池模組之各自電池狀態；以及根據一負載需求、該些電池模組之該各自電池狀態與一轉換效率，動態地控制該電池系統之一電壓轉換操作模式與動態地控制該些電池模組之各自操作模式；其中，各該些電池模組之操作模式具有一啟用模式與一略過模式，於該啟用模式，該略過模式與模式切換中，各該些電池模組保持恒電流輸出。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，更包括：各該些電池模組監控該各該些電池模組之複數個電流信號，據以控制各該些電池模組之複數個開關之開關速度。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，更包括：判斷該負載需求，或者判斷該些電池模組之該各自電池狀態； 以及當該負載需求有變或該些電池模組之該各自電池狀態有變，根據該負載需求、該些電池模組之該各自電池狀態與該轉換效率，動態地控制該電池系統之該壓轉換操作模式與動態地控制該些電池模組之各自操作模式。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之控制方法，其中，當該些電池模組之一電池模組處於該啟用模式時，包括該電池模組之一第一電流路徑出現一第一電流，而一第二電流路徑上的一第二電流為一既定值，該第一與該第二電流之總和為一總電流，該些開關之一第一開關為一短路狀態，而該些開關之一第二開關為一開路狀態。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之控制方法，其中，該些電池模組之該電池模組於模式切換中，持續監控該第一與該第二電流，以逐漸地將該第一開關開路，並逐漸地將該第二開關短路，以及該些電池模組之該電池模組於模式切換中，保持該第一與該第二電流之總和仍為該總電流，其中，在模式切換中，該第一電流逐漸降低，而該第二電流逐漸增加。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之控制方法，其中，該些電池模組之該電池模組處於該略過模式時，該第一電流下降至該既定值且該第一開關完全呈該開路狀態，而該第二電流上升至該總電流且該第二開關完全呈該短路狀態。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中，如果該電池系統具有複數個不同轉換效率，根據該電池系統之一負載電壓需求與一負載電流需求，從該些轉換效率中擇一並決定該些電池模組之一總輸出電壓，並且依據所決定之該些電池模組之該總輸出電壓與該些電池模組之各自電池容量來決定該些電池模組之各自操作模式。
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