TWI634416B - Energy storage battery power supply system - Google Patents

Abstract

一種儲能電池供電系統，其包括至少一鋰電池模組，且一電壓平衡裝置收容內建於前述鋰電池模組內，用以進行電壓平衡；及一電池模組電壓監測裝置設置於前述負載至前述鋰電池模組間，用以監測控制所有鋰電池模組的工作電壓區間。透過每個鋰電池模組內建的電壓平衡裝置，控制製程或後天造成電容量差異之鋰電池單元做充電修正動作，防止因電容量差異造成鋰電池單元過充損壞，配合連外線路上的電池模組電壓監測裝置，僅需提供正確的總充電電壓即可對鋰電池模組充電。

Description

儲能電池供電系統

本發明是關於一種儲能電池供電系統，尤指一種使用鋰電池的儲能供電系統。

隨著雲端運算運用及網路儲存裝置的普及，企業及個人工作室對於不斷電電源裝置(UPS)的需求也日漸增多，但是現今不斷電電源裝置慣用的內部電源為鉛酸電池，卻無法符合未來相關產品技術發展的趨勢，另外一方面鋰電池的產品優點會驅使鋰電池未來全面取代鉛酸電池，成為新一代不斷電電源裝置的內部電源。

不斷電電源裝置(UPS)係指發生停電或是電源變動等電源問題時，以內部電池為電源，針對個人電腦及其周邊設備暫時供電的裝置，UPS供電的期間，會進行系統停止的處理，以確保安全地結束系統作業，不斷電電源裝置多半供應給個人工作室(SOHO)或是企業，通常期望能夠穩定地運作線上伺服器產品及電子設備等生產製程中的產業設備，尤其在雲端運算的應用日益普及的今天，許多企業紛紛裝設陣列式磁碟裝置或是網路儲存系統(NAS)作為主要儲存媒介，對於UPS的需求也日趨增加，以避免瞬間的電力不穩造成的資料遺失，形成巨大的企業損失。

就全球的UPS技術發展趨勢來說，大抵分為三部分：節能與環保，高效率與高可靠性，以及數位化，智慧化與網路化，因此高效節能與綠色材料，高度可靠性以及更易維護與管理便成為現今與未來UPS的設計重點，當今UPS的內部電源仍以鉛酸電池為主，但是鉛酸電池的本質跟特性卻與整體的UPS技術發展趨勢相違背，同時隨著鉛極板與鉛酸電池本身生產成本的上升，在未來鋰電池取代鉛酸電池成為UPS的內部電源勢必是一種趨勢。

與鉛酸電池相比，鋰電池有著下列的優點，恰恰與當今UPS技術發展趨勢不謀而合，使其更適合用於不斷電電源裝置：

1.超過95%的放電深度，放電時間相對較長，更能確保伺服器產品等系統在UPS結束放電前完成工作。

2.支持高倍率的放電電流，適用於大功率的應用場合。

3.放電電壓穩定，可避免設備因電壓不穩而故障。

4.低自放電率，鋰電池的自放電率每月僅1%~1.5%，遠優於鉛酸電池的30%，在電力穩定的場合，不斷電系統無需隨時對電池涓流充電進行保養，進而達到節能的目的。

5.壽命較長，鋰鐵電池在3000次充放電之後仍可維持原始容量的75%，是鉛酸電池的10倍，且免保養，相對地可節省大量的電池維護成本。

6.安全性高，無酸液洩漏風險。

7.鋰電池的原材料係為綠色材料，無重金屬以及高污染性物質。

由於鋰電池與鉛酸電池特性不同，充電曲線及迴路不同，充電設備隨著不同廠牌UPS不同規格也有不同，所以在舊有UPS使用客戶端在每年更替電池時，將鉛酸電池更換成鋰電池將會是相當大的工程。以昔知電池系統為例，一電池系統可由數個電池模組串連而成。每個電池模組內有內建電池組電壓檢測功能用於監測單電池組電壓(相當於一顆單電池電壓)。當任意電池組之電壓過高或過低時，電池模組可發報過充或低壓之訊號。然而此一監測訊號之傳輸規格，可造成與現有UPS系統(以UPS為例)相容性及可靠度之問題。因此，如何使鋰電池模組易於取代現有鉛酸電池並與現有UPS系統相容成為本發明之目的。

於是，為解決習知使用鉛酸電池更換成使用鋰電池不便的問題，本發明透過鋰電池模組內所內建的電壓平衡裝置，對鋰系電池芯在製程或後天造成電池單元電容量差異做充電修正動作。配合連外線路上的電池模組電壓監測裝置，控制該鋰電池模組之工作電壓區間，透過電池模組內電壓平衡裝置及外部電池模組電壓監測裝置即可有效管控鋰電池模組，如此就不需要外部複雜的控制裝置與接線，僅需提供正確的電池系統總充電電壓及總放電電壓即可對電池模組進行充放電。

為達上述目的，本發明揭露一種儲能電池供電系 統，係用於供電給負載，其主要包括有至少一鋰電池模組，該鋰電池模組包含數個鋰電池單元，這些鋰電池單元以並聯或/及串聯的方式形成該鋰電池模組；每個鋰電池模組內收容內建一電壓平衡裝置，該電壓平衡裝置係分別耦接該鋰電池模組內的鋰電池單元，用以進行每個鋰電池單元間的電壓平衡；及一電池模組電壓監測裝置設置於前述負載至該鋰電池模組間，用以監測控制該鋰電池模組之工作電壓區間，以單一模組總電壓控制的方式，達到對電池供電系統健康狀態之監控及掌握。

其中，該鋰電池單元係為鋰鐵電池、鋰三元素電池。當該鋰電池模組內有鋰電池單元超過預設電壓值時，將觸發該電壓平衡裝置使該鋰電池單元以一定時間長度放電的方式放電，或以定時間定次數的方式放電，使每個鋰電池單元間的電壓平衡。

實施上，進一步可透過一直流匯流排電性連接至前述負載；數組鋰電池模組並聯到該直流匯流排，每個鋰電池模組包含數個鋰電池單元，這些鋰電池單元以並聯或/及串聯的方式形成該鋰電池模組；且每個鋰電池模組內收容內建一電壓平衡裝置，該電壓平衡裝置係分別耦接該鋰電池模組內的鋰電池單元，用以進行每個鋰電池單元間的電壓平衡；及數個電池模組電壓監測裝置分別設置於該直流匯流排至每組鋰電池模組間，用以監測該組鋰電池模組的工作電壓區間，以單一模組總電壓控制的方式，達到對電池供電系統健康狀態之監控及掌握。

其中，進一步包含至少一能源發電系統或/及一市 電，以並聯的方式饋入該直流匯流排，其中該能源發電系統為太陽能發電系統、風力發電系統及發電機系統。

本發明的優點在於，透過每個鋰電池模組內建的電壓平衡裝置，對鋰系電池芯在製程或後天造成電池單元電容量差異做充電修正動作。防止因電容量差異造成鋰電池單元過充損壞，配合連外線路上的電池模組電壓監測裝置，監測所連接的鋰電池模組的工作電壓區間，如此就不需要外部複雜的控制裝置與接線，僅需提供正確的總充電電壓即可對鋰電池模組充電。

且，在電池系統充電過程中，若有任何電池模組超過預設之過充電壓，即顯示此電池模組需要維修(更換)，以此方法達到對電池模組健康狀態(SOH)之監控及掌握。而上述之外部電壓之控制為大多數現有UPS或使用鉛酸電池系統所已有之監測設備，透過本系統可以解決習知使用鉛酸電池更換成使用鋰電池不便的問題。

100‧‧‧鋰電池模組

110‧‧‧鋰電池單元

120‧‧‧電壓平衡裝置

200‧‧‧電池模組電壓監測裝置

300‧‧‧負載

310‧‧‧直流匯流排

400‧‧‧能源發電系統

500‧‧‧市電

圖1為本發明儲能電池供電系統之示意圖一。

圖2為本發明儲能電池供電系統之示意圖二。

圖3為本發明儲能電池供電系統之示意圖三。

圖4為本發明配置能源發電系統之示意圖。

圖5為本發明配置能源發電系統及市電之示意圖。

茲有關本發明之詳細內容及技術說明，現以實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

請參閱圖1及圖2，本發明揭露一種儲能電池供電系統，係用於供電給負載300，其主要包括至少一鋰電池模組100，如圖1為由單一個鋰電池模組100供電給該負載300；或如圖2，由多個鋰電池模組100以並聯或/及串聯方式總合供電給該負載300。

而，每個鋰電池模組100內包含數個鋰電池單元110，該些鋰電池單元110係為鋰鐵電池、鋰三元素電池，這些鋰電池單元110以並聯或/及串聯的方式組成該鋰電池模組100。依負載300需要的電壓值及電流值搭配該鋰電池模組100內鋰電池單元110的數目，透過並聯、串聯、或並聯-串聯、或串聯-並聯方式連接複數個鋰電池單元110組成所需要的該鋰電池模組100。

又，每個鋰電池模組100內收容內建一電壓平衡裝置120，該電壓平衡裝置100係分別耦接該鋰電池模組100內的鋰電池單元110，用以進行每個鋰電池單元110間的電壓平衡。一般實施上為印刷電路板(PCBA)的電壓平衡裝置120對各鋰電池單元110進行平衡充電或放電的機制；當該鋰電池模組100內有鋰電池單元110超過預設電壓值時，將觸發該電壓平衡裝置120使該鋰電池單元110以一定時間長度放電的方式放電(例如1hr)，或以定時間定次數的方式放電(例如1次/sec，以連續或間接放電3600次)，使每個鋰電池單元110間的電壓平衡。其中，放電之電流取決於電池單元電 壓以及與其並聯之電阻阻抗。

舉例來說，假設該些鋰電池單元110分別為四個串連的電池單元，當任一電池單元的電壓大於一定電壓時(例如3.5V於鋰鐵電池)，一定量之電容量(從總電容量之0.1%到10%)會以旁路的方式，讓電流經過一電阻消耗掉。由於電容量的降低可促使其他電池單元的電壓昇高，因此會有電池單元以輪流的方式做定電容量之放電動作，以此達到電池平衡之目的。此一定電容量旁路放電之方法可以以一定時間長度放電或以定時間定次數之方式達成。由此說明，可得知當電池單元在某一次(或數次)充電過程中觸發各電池單元輪流放電的動作後，電池即可在下次充電的過程中避免過充(例如4V於鋰鐵電池)的現象產生。除此之外，此電池平衡之方式亦與充電電流大小無關。

因為需總電壓控制該鋰電池模組100的充電，因此設置一電池模組電壓監測裝置200於前述負載300至該鋰電池模組100間(如圖1所示)，或該電池模組電壓監測裝置200於前述負載300至所有鋰電池模組100間(如圖2所示)，用以監測在該電池模組電壓監測裝置200連接的所有該鋰電池模組200的工作電壓區間，以單一模組總電壓控制的方式，達到對電池供電系統健康狀態之監控及掌握。

請再參閱圖3，實施上，進一步可透過一直流匯流排310電性連接至前述負載300，數組鋰電池模組100並聯到該直流匯流排310，每個鋰電池模組100包含數個鋰電池單元110，該些鋰電 池單元110係為鋰鐵電池、鋰三元素電池，這些鋰電池單元110以並聯或/及串聯的方式形成該鋰電池模組100，依負載300需要的電壓值及電流值搭配該鋰電池模組100內鋰電池單元110的數目，透過並聯、串聯、或並聯-串聯、或串聯-並聯所連接之複數個鋰電池單元110組成所需要的該鋰電池模組100。數組鋰電池模組100的數目也是依負載300所需工作電壓做需要的串連，圖3係以一組由二個鋰電池模組100串連為說明例。

每個鋰電池模組100內收容內建一個電壓平衡裝置120，該電壓平衡裝置120係分別耦接該鋰電池模組100內的鋰電池單元110，用以進行每個鋰電池單元110間的電壓平衡，經由電壓平衡裝置120的電壓控制，使其不會發生過充問題損壞該些鋰電池模組100。

而，數個電池模組電壓監測裝置200分別設置於該直流匯流排310至每組鋰電池模組100間，用以監測該組鋰電池模組100的工作電壓區間，以單一模組總電壓控制的方式，達到對電池供電系統健康狀態之監控及掌握。

請再參閱圖4及圖5，實施上，本系統進一步包含至少一電流源，一能源發電系統400或/及一市電500以並聯的方式饋入該直流匯流排310，其中該能源發電系統400較佳者其為再生能源發電，如太陽能發電系統或/及風力發電系統，或各種發電機系統。該電流源(能源發電系統400及市電500)主要是用於饋電予上述之該些鋰電池模組100；或者是該電流源也可以直接饋電於負載 300，取決於電力控制系統的設定。

實施使用上，在電池系統充電過程中，若有任何鋰電池模組100超過預設之過充電壓，即顯示此鋰電池模組100需要維修(更換)，以此方法達到對鋰電池模組100健康狀態(SOH)之監控及掌握。而上述之外部電壓之控制為大多數現有UPS或使用鉛酸電池系統所已有之監測設備，透過本系統可以解決習知使用鉛酸電池更換成使用鋰電池不便的問題。

實際應用上，以標準型電池儲能系統(不斷電電源裝置(UPS))大多數為以12V、24V、48V與72V四種電壓平台的電池模組所組成之電池系統產品為例(總電壓為上述電池模組電壓之整數倍數)，在電池模組電壓監測裝置200將充電電壓控制在10V~14.5V、20V~29V、40V~58V與60V~86V的設定下，透過鋰電池模組100內建的電壓平衡裝置120，防止因電容量差異造成鋰電池單元110過充損壞，本系統的鋰電池模組100可完全取代現今不斷電電源系統使用的鉛酸電池。

又，以傳統鉛酸電池在機動車輛中擔任儲備電力功能為例，本發明的鋰電池模組100直接替換傳統鉛酸電池不僅儲備電能還兼顧提升燃燒效率及耐久的使用壽命(預期壽期可超過十年)，也就是正常使用下，每一部汽車(機車)只需裝載一顆鋰電池模組100就可以不用再換(鉛酸電池二~三年要換一顆)。

汽車(機車)(負載300)發動時，由電瓶電源供應啟動馬達發動引擎(鉛酸電池<12V)，發動後，由發電機(發電機輸出 13.5V~14.5V)供應全車電器用電，發電機輸出滿載不足供電時，由備用電池補充供應。發電機輸出低載時，則將多餘電力供給充飽電池(>13.5V可充飽鋰電池模組100)。電瓶充飽、電器負荷低時，發電機電壓調整器會降低轉子磁場，減少發電量以維持定電壓輸出。電瓶電壓不足、電器負荷增加時，發電機又逐漸增強磁場以提高發電量仍維持一定電壓輸出。

汽車(機車)發電機之最高電壓輸出為14.5V，傳統鉛酸電池充飽時為12.0V(二年壽命可能9.0V會充不飽電，因此常常無法發動，尤其冬天)，而鋰電池模組100以鋰鐵電池為例，鋰鐵電池充飽時為13.2V，低於發電機之最高電壓，絕對不會傷害汽車零件壽命，電壓穩定有助益電器壽命。

本發明透過鋰電池模組100內建的電壓平衡裝置120，控制製程或後天造成電容量差異之鋰電池單元110做充電修正動作，防止因電容量差異造成鋰電池單元110過充損壞，配合連外線路上的電池模組電壓監測裝置200，監測該鋰電池模組200的工作電壓區間，透過電壓平衡裝置120及電池模組電壓監測裝置200可有效將鋰電池模組100內鋰電池單元110的電壓進行均壓，如此就不需要外部複雜的控制裝置與接線，僅需提供正確的總充電電壓即可對鋰電池模組100充電。尤其對於現有裝有二次電池的載體裝置，大多設有的電池模組電壓監測裝置200，透過本系統可以解決習知使用鉛酸電池更換成使用鋰電池不便的問題。

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，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (11)

1. 一種儲能電池供電系統，係用於供電給負載，其主要包括有：至少一鋰電池模組，前述鋰電池模組包含數個鋰電池單元，這些鋰電池單元以並聯或/及串聯的方式形成該鋰電池模組；每個鋰電池模組內收容內建一電壓平衡裝置，該電壓平衡裝置係分別耦接該鋰電池模組內的鋰電池單元，用以進行每個鋰電池單元間的電壓平衡；及一電池模組電壓監測裝置，設置於前述負載至前述鋰電池模組間，用以監測前述所有鋰電池模組的工作總電壓區間，以單一模組總電壓控制的方式，在充電過程中，若有任何鋰電池模組超過預設之過充電壓，即顯示有鋰電池模組需要維修，達到對電池供電系統內鋰電池模組健康狀態之監控及掌握。
2. 如申請專利範圍第1項所述之儲能電池供電系統，其中，該鋰電池單元係為鋰鐵電池、鋰三元素電池。
3. 如申請專利範圍第1項所述之儲能電池供電系統，其中，當該鋰電池模組內有鋰電池單元超過預設電壓值時，將觸發該電壓平衡裝置使該鋰電池單元以一定時間長度放電的方式放電。
4. 如申請專利範圍第1項所述之儲能電池供電系統，其中，當該鋰電池模組內有鋰電池單元超過預設電壓值時，將觸發該電壓平衡裝置使該鋰電池單元以定時間定次數的方式放電。
5. 一種儲能電池供電系統，係用於供電給負載，其主要包括有：一直流匯流排，其電性連接至前述負載； 數組鋰電池模組並聯到該直流匯流排，每個鋰電池模組包含數個鋰電池單元，這些鋰電池單元以並聯或/及串聯的方式形成該鋰電池模組；且每個鋰電池模組內收容內建一電壓平衡裝置，該電壓平衡裝置係分別耦接該鋰電池模組內的鋰電池單元，用以進行每個鋰電池單元間的電壓平衡；及數個電池模組電壓監測裝置，分別設置於該直流匯流排至每組鋰電池模組間，用以監測該組鋰電池模組的工作總電壓區間，以單一模組總電壓控制的方式，在充電過程中，若該組鋰電池模組有任何鋰電池模組超過預設之過充電壓，即顯示有鋰電池模組需要維修，達到對電池供電系統內鋰電池模組健康狀態之監控及掌握。
6. 如申請專利範圍第5項所述之儲能電池供電系統，其中，該鋰電池單元係為鋰鐵電池、鋰三元素電池。
7. 如申請專利範圍第5項所述之儲能電池供電系統，其中，當該鋰電池模組內有鋰電池單元超過預設電壓值時，將觸發該電壓平衡裝置使該鋰電池單元以一定時間長度放電的方式放電。
8. 如申請專利範圍第5項所述之儲能電池供電系統，其中，當該鋰電池模組內有鋰電池單元超過預設電壓值時，將觸發該電壓平衡裝置使該鋰電池單元以定時間定次數的方式放電。
9. 如申請專利範圍第5項所述之儲能電池供電系統，其中，進一步包含至少一能源發電系統，其以並聯的方式饋入該直流匯流排。
10. 如申請專利範圍第9項所述之儲能電池供電系統，其中，該能源發電系統為太陽能發電系統、風力發電系統及發電機系統。
11. 如申請專利範圍第5項所述之儲能電池供電系統，其中，進一步包含一市電，該市電以並聯的方式饋入該直流匯流排。