TWI617112B - 電池管理系統控制方法 - Google Patents

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林鴻熙
Wei Chun Cheng
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Abstract

本發明提供了一種電池管理系統控制方法，主要包含一控制模式、一開關機模式、一運行模式以及一保護模式。透過該些模式的運用切換，提供電池組在能源分配及安全上最有效率的應用。

Description

電池管理系統控制方法
一種電池管理系統控制方法，尤指一種可以在短暫且特定時間內完成運行前置作業，並且可根據電池種類選定合適電量測定方法的電池管理系統控制方法。
在這個小至攜帶式裝置，大到人員運輸載具皆需要運用電池的時代，電池保護、管理以及控制方式顯得日益重要。
對於電池而言，其管理系統除了影響到能源的利用方式是否最佳化之外，更會直接地影響到電池本身的壽命。此外，當有危險狀況發生時，也能夠在第一時間阻斷危險的的發生。
但在對於電能消耗較大的陸上或水上載具，由於所需電壓較高的緣故，通常無法以單一顆電池滿足能源的需求。因此，往往會利用多顆電池串聯形成電池模組之方式，來供應載具的能源。
由於一個電池模組中包含了相當多個子電池，造就了電池模組的複雜特性。因此，整個電池模組於放電過程中，每個子電池的放電歷程嚴重影響整個電池模組殘餘之電容量。
此外，縱使是同一型號的子電池，於串聯連接的的放電歷程 下，經過一段時間使用後的各別殘餘的電容量也不盡相同，造成電池管理系統內各電池單元電壓不均衡。更重要的是，隨著充放電次數的增加，電池會逐漸喪失其電能儲存能力，造成每個子電池之不一致性提高。
為了解決先前技術所提及的問題，本發明提供了一種電池管理系統控制方法，首先步驟(a)執行一控制模式，使一電池模組得以即時控制，接著執行步驟(b)執行一開關機模式，檢查該電池模組是否可運作，如可運作則執行步驟(c)，反之則重新執行步驟(b)。
如可執行步驟(c)，步驟(c)係執行一運行模式，該運行模式包含步驟(c1)~(c8)，並依序執行步驟(c1)~(c8)，最後執行步驟(d)，執行一保護模式，該保護模式包含步驟(d1)~(d2)，並依序執行步驟(d1)~(d2)。
此外，該電池管理系統控制方法在開始運作的一第一時序、一第二時序、一第三時序及一第四時序依序完成該控制模式、該開關機模式、該保護模式以及該運行模式的執行前置作業。
前述之步驟(c1)~(c8)包含，首先執行步驟(c1)檢測該電池模組充電或放電前的電壓及溫度，並執行步驟(c2)判斷該電池模組需執行充電或放電，並於充電或放電的同時測量該電池模組的一總電流流量及一總開路電壓後，執行步驟(c3)。
步驟(c3)則用以判斷該總電流流量大於或小於一閾值，如大於該閾值則執行步驟(c4)，小於該閾值則執行步驟(c5)。其中，步驟(c4)為以該總電流流量及該總開路電壓計算該電池模組之一第一即時電量狀態，如該電池模組處於充電狀態則執行步驟(c6)，處於放電狀態則執行步驟 (c8)。
而步驟(c5)則為以該總開路電壓計算該電池模組之一第二即時電量狀態，如該電池模組處於充電狀態則執行步驟(c6)，處於放電狀態則執行步驟(c8)。
所述步驟(c6)係用以判定該電池模組之一平均電壓與該電池模組中每顆電池的一電池電壓之間的一電壓差，如該電壓差達到一危險值則執行步驟(c7)，反之則執行步驟(c8)。接著步驟(c7)係用以對該電池模組執行一等化動作，再執行步驟(c8)。
最後，步驟(c8)係將該第一即時電量狀態或該第二即時電量狀態儲存後執行步驟(d)。有關於步驟(d)，如前所述，步驟(d)中之該保護模式包含步驟(d1)~(d2)，並依序執行步驟(d1)~(d2)。
其中步驟(d1)係依序檢測該電池模組是否達到至少一保護條件，如符合任一該至少一保護條件，執行步驟(d2)，反之則執行步驟(b)。而步驟(d2)則是對該電池模組執行至少一保護動作，之後執行步驟(c)。
以上對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍，僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。
100‧‧‧主電池保護板
101‧‧‧子電池保護板
200‧‧‧電池
300‧‧‧通訊線
L‧‧‧電流感測器
G‧‧‧接地受損感測器
F‧‧‧熔斷裝置
(a)~(d)‧‧‧步驟
(c1)~(c8)‧‧‧步驟
圖1係本發明用以實施之電池模組結構示意圖。
圖2(a)係本發明實施例之主要步驟流程圖。
圖2(b)係本發明實施例步驟(c)中之子步驟流程圖。
為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：首先請參照圖1，圖1係本發明用以實施之電池模組結構示意圖。圖1中之電池模組係為船舶上使用之電池模組，其中主電池保護板100包含了微控制器(Microcontroller Unit,MCU)以及可程式化邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)等元件，用以自動且即時控制各個繼電器或其他元件。
所述主電池保護板100與接地受損感測器G連接。圖1中本電池模組內設有接地受損感測器G的原因係為保護船舶上之電池模組。由於船舶是一種運行於海上之載具，因此電池模組無可避免地會面臨到溼氣的問題。為了降低如漏電等意外發生，圖1實施例中之電池模組選用了接地受損感測器G。且所述接地受損感測器G跨接於該電池模組之正負極上。
而主電池保護板100透過通訊線300(虛線表示)與每個子電池保護板101連接，且子電池保護板101又與每個電池200連接。且所有電池200彼此間串聯連接。本實施例中之通訊線300係控制器區域網路(Controller Area Network,CAN)線，用以讓主電池保護板100可以得知每個電池200之個別運作情形。
在本實施例中，子電池保護板101可以用以測量每個電池200之電壓，並將每個電池200之電壓回報給主電池保護板100。此外，每個子電池保護板101更可透過一溫度感測器與電池200連接，用以偵測每個 電池200的溫度，並據以透過子電池保護板101回報給主電池保護板100。
圖1中和主電池保護板100以箭頭符號連接且設於電池模組正極及負極上的個別是正極繼電器及負極繼電器。此外，電池模組的正極上也設有熔斷裝置F及電流感測器L，其中熔斷裝置F可以是保險絲等元件，而電流感測器L則與主電池保護板100連接。
在可實施之船舶電池模組硬體基礎已具備之情況下，請同時參照圖2(a)及圖2(b)，如圖2(a)及圖2(b)所示，本發明提供了一種電池管理系統控制方法，首先步驟(a)執行一控制模式，使一電池模組得以即時控制，接著執行步驟(b)執行一開關機模式，檢查該電池模組是否可運作，如可運作則執行步驟(c)，反之則重新執行步驟(b)。
如順利執行步驟(c)，步驟(c)係執行一運行模式，該運行模式包含步驟(c1)~(c8)，並依序執行步驟(c1)~(c8)。最後執行步驟(d)，執行一保護模式，該保護模式包含步驟(d1)~(d2)，並依序執行步驟(d1)~(d2)。
本實施例所述之電池管理系統控制方法在開始運作的一第一時序、一第二時序、一第三時序及一第四時序會依序完成控制模式、開關機模式、保護模式以及運行模式的執行前置作業。本實施例中，前述之第一時序、第二時序、第三時序及第四時序分別為第10毫秒、第20毫秒、第50毫秒以及第100毫秒內完成。
本實施例中第一時序(第10毫秒)內主要準備步驟(a)控制模式之前置作業，啟動微控制器(Microcontroller Unit,MCU)即時硬體控制之功能，如LED、繼電器、風扇開關等控制命令。而第二時序(第20毫秒)內主要準備步驟(b)開關機模式執行的前置作業，主要啟動需要溝通 的元件係前述之可程式化邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，並立即去執行其控制命令。
第三時序內(第50毫秒)主要啟動步驟(d)中的保護模式前置作業，由於步驟(d)中的保護模式包含多項與電池模組安全性有關的判斷程式(即至少一保護條件)，因此可優先判斷目前電池模組之安全狀態。最後第四時序內(第100毫秒)主要準備步驟(c)運行模式執行時的前置作業，主要準備的讀取、計算項目係如電池電壓、溫度、排序、電量狀態計算等。
首先，步驟(a)中之控制模式在運作時，主要負責個硬體間的通訊以及控制確認，在確認電池模組中的控制器區域網路(Controller Area Network,CAN)線、微控制器(Microcontroller Unit,MCU)以及可程式化邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)及其他感測器等皆能即時控制、通訊及運行後，才能執行步驟(b)。
本實施例中，步驟(b)之開關機模式實際上更包含步驟(b1)~(b4)，並依序執行步驟(b1)~(b4)。首先步驟(b1)係打開該電池模組的一負極繼電器。接著執行步驟(b2)，檢測該電池模組之一預充電壓是否維持0.8伏特以上3秒鐘，是則執行步驟(b3)，否則執行步驟(b)。
步驟(b2)係一個緩衝作用，主要避免瞬間過大的電流產生，進而造成電池模組之損壞。接著執行步驟(b3)，檢查該電池模組是否達符合一運行條件，是則執行步驟(b4)，否則執行步驟(b)。
步驟(b3)中所述之運行條件係指通訊、溫度、絕緣狀態等是否有異常，該步驟(b3)屬於電池模組之自我檢測，如有任一運行條件異常，則可程式化邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)不會允許 正極繼電器導通。
在確認電池模組之狀態無問題之後，便會執行步驟(b4)，打開該電池模組的一正極繼電器，並執行步驟(c)。執行步驟(b4)之後，便宣告電池模組正式開始執行充電或放電任務。
在步驟(b1)~(b4)中，主電池保護板100包含的可程式化邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)主要負責運行各個感測器(如子電池保護板101中之溫度感測器、絕緣感測器等)以及正極繼電器、負極繼電器的運作啟動及自動控制。
接著如圖2(b)所示，步驟(c)之該運行模式包含步驟(c1)~(c8)。在執行步驟(c1)之前，主電池保護板100中的微控制器(Microcontroller Unit,MCU)會先判定整個電池模組之電量狀態是否已經初始化，如電量狀態未初始化，則先進行初始化(校準)後才執行步驟(c1)。
首先，步驟(c1)係檢測該電池模組充電或放電前的電壓及溫度，並執行步驟(c2)判斷該電池模組需執行充電或放電，並於充電或放電的同時測量該電池模組的一總電流流量(如電流感測器L)及一總開路電壓後，執行步驟(c3)。
步驟(c1)~(c2)主要在初步判斷電池模組執行充電或放電時的參數及狀態蒐集及讀取，接著才執行針對電量狀態運算的步驟(c3)。
步驟(c3)則用以判斷該總電流流量大於或小於一閾值，如大於該閾值則執行步驟(c4)，小於該閾值則執行步驟(c5)。本實施例中，所述之閾值為3.5安培。採用該閾值之原因係因需判斷當下電池模組是處於執行 充電或放電之動態狀態，或是未執行充電或放電之靜態狀態；大於該閾值代表電池模組處於執行充電或放電之動態狀態，而小於該閾值代表電池模組處於未執行充電或放電之靜態狀態。
其中如電池模組正在執行充電或放電之動態狀態，則優先執行步驟(c4)。步驟(c4)係以該總電流流量及該總開路電壓計算該電池模組之一第一即時電量狀態，如該電池模組處於充電狀態則執行步驟(c6)，處於放電狀態則執行步驟(c8)。
反之如果電池模組未執行充電或放電，處於靜態狀態，則優先執行，步驟(c5)。步驟(c5)係以總開路電壓計算該電池模組之一第二即時電量狀態，如該電池模組處於充電狀態則執行步驟(c6)，處於放電狀態則執行步驟(c8)。
本實施例中，步驟(c4)及步驟(c5)係可依序以小時安培法及開路電壓查表法來計算電池模組之第一即時電量狀態或第二即時電量狀態。其原因在於，本實施例船舶用電池模組中之電池200有極高的機會使用到磷酸鋰鐵電池(當然其他實施例也有可能是鋰離子電池、鉛酸電池或鋰聚合物電池)。
當電池200為磷酸鋰鐵電池時，需顧慮到磷酸鋰鐵電池的一個重要特性，即該種電池200在實際電量狀態約介於20%~60%時，其產生之開路電壓並不會有太大的變化(例如單顆磷酸鋰鐵電池之電量狀態為20%時，其開路電壓為3.2伏特；而電量狀態為60%時卻為3.32伏特，差異極小)。
此一特性下，如本電池管理系統控制方法對於電池模組之即 時電量狀態僅採用步驟(c5)中之開路電壓查表法，便會造成電量狀態嚴重失準的情況發生。
有鑑於此特性，因此本實施例才會採用以該閾值來區隔較為精準的電池模組電量狀態判斷方式。此外，如果在預知電池模組中使用之電池200為磷酸鋰鐵電池時，更可以在每個電池200之平均電壓為小於3.2伏特或大於3.32伏特的區間且維持至少60秒的條件下，強制切換至步驟(c5)中之開路電壓查表法計算該電池模組之第二即時電量狀態。
其主要原因在於，當電池200為磷酸鋰鐵電池時，如果每顆電池200之電壓在小於3.2伏特或大於3.32伏特的區間時，其電壓會明顯地反應在電量狀態之表現上。因此如電池200為磷酸鋰鐵電池，在前述之電壓區間(小於3.2伏特或大於3.32伏特)內，採用步驟(c5)中之開路電壓查表法是較為正確的測量方式。
本實施例中，前述步驟(c5)中提及的開路電壓查表法係由電池模組之一即時開路電壓根據電池模組之溫度後查表所得出之該第二即時電量狀態。查表動作中所述之表格內記載的電量狀態及溫度關係僅依照選用電池的廠牌、型號種類不同而選用不同的對照表，本發明並不加以限制。
而本實施例步驟(c4)中之小時安培法，其公式為：SOC=(R/F * 100%) *電池循環壽命係數
其中SOC為第一即時電量狀態，R為該電池模組之實際殘餘電量(安培x小時)，F為該電池模組之總電量(安培x小時)。而電池循環壽命係數則依照選用電池的廠牌、型號種類不同而有不同的係數，本發明並不加以限制。
又，本實施例步驟(c4)中之小時安培法之R值係以下列公式求得：R=R'(由總開路電壓校正殘餘電量)+C
C=ʃ 0 t Idt=Σ(I * △t),△t=10微秒(I=總電流流量)其中，R'係由總開路電壓校正後之殘餘電量，而C則為電流流量之變化積分。
在採用步驟(c4)中之小時安培法計算時，會維持每兩分鐘記錄一次R值方式更新儲存。本實施例中可能的實施方式係由主電池保護板100與一外部計算機(如個人電腦等)連接，並將該R值儲存於該外部計算機之硬碟中，本發明並不加以限制。
在獲得第一即時電量狀態或第二即時電量狀態之後，步驟(c6)係用以判定該電池模組之一平均電壓與該電池模組中每顆電池的一電池電壓之間的一電壓差，如該電壓差達到一危險值則執行步驟(c7)，反之則執行步驟(c8)。接著步驟(c7)係用以對該電池模組執行一等化動作，再執行步驟(c8)。
步驟(c6)及步驟(c7)主要在針對電池模組中每顆電池200的狀態進行評估。也就是讓每顆電池200之電壓均一化。步驟(c6)中之危險值為50毫伏(mV)，而步驟(c7)中之等化動作係進行10秒鐘，其後每20秒檢測一次電池模組之電壓差是否到達危險值。
前述之等化動作包含主動等化、被動等化或是單獨斷開該顆達到危險值的電池200，本發明並不加以限制。如當某顆電池200之電壓過高時，可透過獨立將一負載與該顆電池200連接的方式，消耗其電量，達到 等化電壓的效果。
最後，步驟(c8)係將該第一即時電量狀態或該第二即時電量狀態儲存後執行步驟(d)。步驟(c8)中所述之儲存係可透過主電池保護板100與外部計算機(如個人電腦等)連接，並將該第一即時電量狀態或第二即時電量狀態儲存於該外部計算機之硬碟中，本發明並不加以限制。
而關於步驟(d)，步驟(d)中之該保護模式包含步驟(d1)~(d2)，並依序執行步驟(d1)~(d2)。
其中步驟(d1)係依序檢測該電池模組是否達到至少一保護條件，如符合任一該至少一保護條件，執行步驟(d2)，反之則執行步驟(b)。而步驟(d2)則是對該電池模組執行至少一保護動作，之後執行步驟(c)。
也就是說，圖2(a)之中所示之符合係指符合任一該至少一保護條件，反之不符合則為不符合任一該至少一保護條件。
本實施例中，步驟(d1)中之至少一保護條件包含：
(1)第一條件：該電池模組中任一顆電池之該電池電壓大於3.6伏特並小於3.65伏特持續5秒以上。
(2)第二條件：電池模組中任一顆電池之該電池電壓大於3.65伏特持續3秒以上。
(3)第三條件：電池模組中任一顆電池之該電池電壓大於2.1伏特且小於2.3伏特持續5秒以上。
(4)第四條件：電池模組中任一顆電池之該電池電壓小於2.1伏特持續3秒以上。
(5)第五條件：電池模組之溫度高於攝氏45度持續5秒以上。
(6)第六條件：電池模組充電或放電時之該總電流流量過高持續5秒以上。
如果考量在船舶上所使用的電池模組，至少一保護條件也可將濕度列為一額外條件。而針對前述步驟(d1)中之至少一保護條件，本實施例中步驟(d2)記載有至少一保護動作。
所述至少一保護動作包含光學警示、斷開正極繼電器、斷開負極繼電器或打開電池模組中之一風扇以降溫等，本發明並不加以限制。當然前述提及有關於濕度的至少一保護條件，如濕度高達70%時，則至少一保護動作更可包含開啟除溼裝置或是緊急斷電警示等措施，本發明並不加以限制。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。
(a)~(d)‧‧‧步驟

Claims (10)

  1. 一種電池管理系統控制方法，包含：(a)執行一控制模式，使一電池模組得以即時控制；(b)執行一開關機模式，檢查該電池模組是否可運作，如可運作則執行步驟(c)，反之則重新執行步驟(b)；(c)執行一運行模式，該運行模式包含步驟(c1)~(c8)，並依序執行步驟(c1)~(c8)；(c1)檢測該電池模組充電或放電前的電壓及溫度，並執行步驟(c2)；(c2)判斷該電池模組需執行充電或放電，並於充電或放電的同時測量該電池模組的一總電流流量及一總開路電壓後，執行步驟(c3)；(c3)判斷該總電流流量大於或小於一閾值，如大於該閾值則執行步驟(c4)，小於該閾值則執行步驟(c5)；(c4)以該總電流流量及該總開路電壓計算該電池模組之一第一即時電量狀態，如該電池模組處於充電狀態則執行步驟(c6)，處於放電狀態則執行步驟(c8)；(c5)以該總開路電壓計算該電池模組之一第二即時電量狀態，如該電池模組處於充電狀態則執行步驟(c6)，處於放電狀態則執行步驟(c8)；(c6)判定該電池模組之一平均電壓與該電池模組中每顆電池的一電池電壓之間的一電壓差，如該電壓差達到一危險值則執行步驟(c7)，反之則執行步驟(c8)； (c7)對該電池模組執行一等化動作，再執行步驟(c8)；(c8)將該第一即時電量狀態或該第二即時電量狀態儲存後執行步驟(d)；以及(d)執行一保護模式，該保護模式包含步驟(d1)~(d2)，並依序執行步驟(d1)~(d2)；(d1)依序檢測該電池模組是否達到至少一保護條件，如符合任一該至少一保護條件，執行步驟(d2)，反之則執行步驟(b)；(d2)對該電池模組執行至少一保護動作，之後執行步驟(c)；其中，該電池管理系統控制方法在開始運作的一第一時序、一第二時序、一第三時序及一第四時序依序完成該控制模式、該開關機模式、該保護模式以及該運行模式的執行前置作業。
  2. 如請求項1所述之電池管理系統控制方法，其中該第一時序、該第二時序、該第三時序及該第四時序分別為第10毫秒、第20毫秒、第50毫秒以及第100毫秒內完成。
  3. 如請求項1所述之電池管理系統控制方法，步驟(a)中之該控制模式係啟動該電池模組中之一可程式化邏輯控制器以及一微控制器。
  4. 如請求項3所述之電池管理系統控制方法，步驟(b)中之該開關機模式更包含步驟(b1)~(b4)，並依序執行步驟(b1)~(b4)；(b1)打開該電池模組的一負極繼電器；(b2)檢測該電池模組之一預充電壓是否維持0.8伏特以上3秒鐘，是則執行步驟(b3)，否則執行步驟(b)；(b3)檢查該電池模組是否達符合一運行條件，是則執行步驟(b4)， 否則執行步驟(b)；以及(b4)打開該電池模組的一正極繼電器，並執行步驟(c)。
  5. 如請求項1所述之電池管理系統控制方法，步驟(c3)之該閾值為3.5安培。
  6. 如請求項1所述之電池管理系統控制方法，步驟(c6)中之該危險值為50毫伏(mV)。
  7. 如請求項1所述之電池管理系統控制方法，步驟(c7)中該等化動作係進行10秒鐘，其後每20秒檢測一次該電池模組之該電壓差是否到達該危險值。
  8. 如請求項1所述之電池管理系統控制方法，步驟(d1)中之該至少一保護條件包含：一第一條件，該第一條件係該電池模組中任一顆電池之該電池電壓大於3.6伏特並小於3.65伏特持續5秒以上；一第二條件，該第二條件係該電池模組中任一顆電池之該電池電壓大於3.65伏特持續3秒以上；一第三條件，該第三條件係該電池模組中任一顆電池之該電池電壓大於2.1伏特且小於2.3伏特持續5秒以上；一第四條件，該第四條件係該電池模組中任一顆電池之該電池電壓小於2.1伏特持續3秒以上；一第五條件，該第五條件係該電池模組之溫度高於攝氏45度持續5秒以上；以及一第六條件，該第六條件係該電池模組充電或放電時之該總電流流量過高持續5秒以上。
  9. 如請求項4所述之電池管理系統控制方法，步驟(d2)中之該至少一保護動作包含光學警示、斷開該正極繼電器、斷開該負極繼電器或打開該電池模組之一風扇。
  10. 如請求項4所述之電池管理系統控制方法，步驟(b3)中之該運行條件包含通訊、溫度及絕緣狀態正常。
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