TWI661643B

TWI661643B - 並聯電池管理系統及方法

Info

Publication number: TWI661643B
Application number: TW107122097A
Authority: TW
Inventors: 李成泰; 陳韋匡
Original assignee: 加百裕工業股份有限公司
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2019-06-01
Also published as: TW202002451A

Abstract

本發明公開一種並聯電池管理系統及方法。系統包括彼此並聯多個電池區塊及通訊匯流排。電池區塊各包括開關元件、電池模組及管理模組。管理模組包括處理器及偵測模組。偵測模組用於偵測電池模組的電性資訊及開關元件的開關狀態。處理器經配置以執行管理程序，包括將當前電路布局資料基於戴維寧定理轉換為戴維寧等效電路資料，同時基於等效電壓值、等效電阻值及電性資訊，計算開關元件切換為導通狀態後電池模組的充放電電流值，根據預定電流閾值及充放電電流值判斷是否可將對應的開關元件切換為導通狀態，而產生判斷結果。

Description

並聯電池管理系統及方法

本發明涉及一種並聯電池管理系統及方法，特別是涉及一種基於戴維寧定理進行電池管理的並聯電池管理系統及方法。

大功率電池組發展迅速，但電池重量與安全性問題，使得運輸問題，受到很大的限制。

若能將小功率電池模組，依應用組合成所需之一大功率電池模組，再加上理想的並聯管理，如此運輸問題便可得到舒緩，又能滿足多樣之市場需求。

然而，於現有的並聯電池模組中，當多個電池模組並聯時，依據電氣特性，電流會從電壓較高的電池模組流向電壓較低的電池模組，若多個電池模組之間的電壓差異過大，不僅會產生過大電流，更甚至會產生火花，輕則元件受損，重則引起爆炸，因此亟需一種管理機制來控制多個電池模組並聯的時間點。

故，如何通過管理機制的改良，來精確且適當的控制電池模組並聯的時間點，來克服上述的缺陷，已成為該項事業所欲解決的重要課題之一。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種並聯電池管理系統，其包括彼此並聯多個電池區塊及通訊匯流排彼此並聯，多個電池區塊各包括開關元件、電池模組及管理模組。開關元件設置於第一節點及第二節點之間，經配置以在導通狀態及關斷狀態之間切換。電池模組連接於開關元件及第二節點之間。管理模組分別連接開關元件及電池模組，管理模組包括處理器及偵測模組。偵測模組用於偵測電池模組的電性資訊及開關元件的開關狀態。通訊匯流排，分別連接各電池區塊的管理模組，其中，各處理器經配置以執行管理程序，該管理程序包括：通過該通訊匯流排取得各該開關元件的該開關狀態及各該電池模組的該電性資訊；依據該些開關狀態及該些電性資訊，產生當前電路布局資料；將該當前電路布局資料基於戴維寧定理轉換為戴維寧等效電路資料，其中，該戴維寧等效電路資料定義有戴維寧等效電路，該戴維寧等效電路具有呈現開路狀態的第一埠及第二埠，該第一埠對應於該第一節點，該第二埠對應於該第二節點，且該戴維寧等效電路包括等效電壓源及等效電阻；依據該當前電路布局資料及該戴維寧等效電路資料計算該等效電壓源的等效電壓值及該等效電阻的等效電阻值；基於該等效電壓值、該等效電阻值及該些電性資訊，計算該開關元件切換為該導通狀態後該電池模組的充放電電流值；以及根據預定電流閾值及該充放電電流值判斷是否可將對應的該開關元件切換為導通狀態，而產生判斷結果；依據該判斷結果控制對應的該開關元件的該開關狀態。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是，提供一種並聯電池管理方法，其包括：將多個電池區塊彼此並聯，該些電池區塊各包括開關元件、電池模組及管理模組。開關元件設置於第一節點及第二節點之間，經配置以在導通狀態及關斷狀態之間切換。電池模組連接於開關元件及第二節點之間。管理模組分別連接開關元件及電池模組，管理模組包括處理器及偵測模組。偵測模組用於偵測電池模組的電性資訊及開關元件的開關狀態。進一步，通過通訊匯流排分別連接各電池區塊的管理模組；配置各處理器經配置以執行管理程序，管理程序包括：通過通訊匯流排取得各開關元件的開關狀態及各電池模組的電性資訊；依據該些開關狀態及該些電性資訊，產生當前電路布局資料；將當前電路布局資料基於戴維寧定理轉換為戴維寧等效電路資料，其中，戴維寧等效電路資料定義有戴維寧等效電路，戴維寧等效電路具有呈現開路狀態的第一埠及第二埠，第一埠對應於第一節點，第二埠對應於第二節點，且戴維寧等效電路包括等效電壓源及等效電阻；依據當前電路布局資料及戴維寧等效電路資料計算等效電壓源的等效電壓值及等效電阻的等效電阻值；基於等效電壓值、等效電阻值及該些電性資訊，計算開關元件切換為導通狀態後電池模組的充放電電流值；以及根據預定電流閾值及充放電電流值判斷是否可將對應的開關元件切換為導通狀態，而產生判斷結果；依據判斷結果控制對應的開關元件的開關狀態。

本發明的有益效果在於，本發明所提供的並聯電池管理系統及方法，其能通過“將當前電路布局資料基於戴維寧定理轉換為戴維寧等效電路資料”以及“基於等效電壓值、等效電阻值及電性資訊，計算開關元件切換為導通狀態後電池模組的充放電電流值”的技術方案，以使本發明能根據預定電流閾值及充放電電流值判斷是否可將對應的該開關元件切換為導通狀態，而能夠精確且適當的控制電池模組並聯的時間點，藉此以克服現有技術的缺陷。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

1、2、3‧‧‧並聯電池管理系統

10A、10B、…、10N‧‧‧電池模組

12A、12B、…、12N‧‧‧開關元件

13‧‧‧通訊匯流排

14A、14B、...、14N‧‧‧管理模組

140‧‧‧處理器

142‧‧‧偵測模組

A、B、...、N‧‧‧電池區塊

A0、A0’‧‧‧第一埠

B0、B0’‧‧‧第二埠

N1A、N1B、...、N1N‧‧‧第一節點

N2A、N2B、...、N2N‧‧‧第二節點

R1、R2、R3、R4‧‧‧內電阻

S1、S2、S3、S4‧‧‧電池源

I1、I12、I13、I2、I21、I23、I3、I31、I32、I4、I1’、I12’、I14’、I2’、I21’、I24’、I3’、I4’、I41’、I42’‧‧‧電流

Rth、Rth’、Rno‧‧‧等效電阻

Vth、Vth’‧‧‧電壓值

Ino‧‧‧電流源

圖1為本發明第一實施例的並聯電池管理系統的方塊圖。

圖2為本發明第一實施例的並聯電池管理系統的電池區塊A的放大圖。

圖3為本發明的第二實施例的並聯電池管理系統的管理程序的流程圖。

圖4為本發明第三實施例的並聯電池管理系統的操作範例的電路布局圖。

圖5A為依據本發明第三實施例的的電路布局圖等效後的戴維寧等效電路圖。

圖5B為依據本發明第三實施例的的電路布局圖等效後的諾頓等效電路圖。

圖6為依據本發明第三實施例的開關元件12D導通後的戴維寧等效電路圖。

圖7為本發明第三實施例的並聯電池管理系統的另一操作範例的電路布局圖。

圖8為依據本發明第三實施例的另一電路布局圖等效後的戴維寧等效電路圖。

圖9為依據本發明第三實施例的開關元件12C導通後的戴維寧等效電路圖。

圖10為本發明的第四實施例的並聯電池管理方法的流程圖。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“並聯電池管理系統及方法”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。

應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件或者信號，但這些元件或者信號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

為了解釋清楚，在一些情況下，本技術可被呈現為包括包含功能塊之獨立功能塊，其包含裝置、裝置元件、軟體中實施之方法中的步驟或路由，或硬體及軟體的組合。

實施根據這些揭露方法之裝置可以包括硬體、韌體及/或軟體，且可以採取任何各種形體。這種形體的典型例子包括大型儲能系統、電動交通工具等大電流的裝置。本文描述之功能也可以實施於週邊設備或內置卡。透過進一步舉例，這種功能也可以實施在不同晶片或在單個裝置上執行之不同程序之電路板。

該指令、用於傳送這樣的指令之介質、用於執行其之計算資源或用於支持這樣的計算資源的其他結構，係為用於提供在這些公開中所述的功能之手段。

[第一實施例]

請參閱圖1所示，圖1為本發明第一實施例的並聯電池管理系統的方塊圖。如圖所示，並聯電池管理系統1包括彼此並聯連接的多個電池區塊A、B、...、N以及通訊匯流排13，且電池區塊A、B、...、N分別包括開關元件12A、12B、…、12N、電池模組10A、10B、…、10N及管理模組14A、14B、...、14N。電池模組10A、10B、…、10N分別與開關元件12A、12B、…、12N串聯連接。

請進一步參閱圖2，其為本發明第一實施例的並聯電池管理系統的電池區塊A的放大圖。以電池區塊A而言，電池區塊A包括開關元件12A、電池模組10A及管理模組14A。開關元件12A，設置於第一節點N1A及電池模組10A之間，經配置以在導通狀態及關斷狀態之間切換。電池模組10A，連接於開關元件12A、管理模組14A及第二節點N2A。

請同時參考圖1及圖2，電池模組10A、10B、…、10N可以適當的透過管理模組14A、14B、...、14N的操作，使得並聯的電池區塊A、B、...、N之間維持適當的電壓分佈。在本發明的一個或多個實施例中，電池區塊A、B、...、N可分別為電池組，電池模組10A、10B、…、10N可分別為電芯，可依照需求調整串/並聯的數量。操作開關元件12A、12B、…、12N以適當地管理電流在電池模組10A、10B、…、10N之間的流動，且能以適當的電子特性進行充放電。電池模組10A、10B、…、10N可各自具備多個電芯，多個電芯的每一個例如是鋰離子電池或鉛電池等二次電池。

在本實施例中，管理模組14A分別連接開關元件12A及電池模組10A，管理模組14A包括處理器140及偵測模組142。

偵測模組142可用於偵測電池模組10A的電性資訊，例如，開路電壓(open-circuit voltage,OCV)，並個別產生電性資訊訊號，並可配置處理器140處理此電性資訊訊號，以取得電池模組10A的開路電壓。另一方面，偵測模組142亦可用於偵測開關元件12A的開關狀態，開關元件12A的開關狀態可由處理器140所控制。偵測模組142可為類比前端(analog front end；AFE)電路，例如可包括純類比電路或數位類比混合電路，並可執行訊號抓取(signal capture)、類比濾波(analog filtering)、數位類比轉換(DAC)、類比數位轉換(ADC)、功率放大等功能。

需要說明的，偵測模組142可從屬於處理器140，且處理器140可藉由使用一或多個處理器而實施。處理器140可為可程式化單元，諸如微處理器、微控制器、數位信號處理器(digital signal processor；DSP)晶片、場可程式化閘陣列(field-programmable gate array；FPGA)等。處理器140的功能亦可藉由一個或若干個電子裝置或IC實施。換言之，處理器140執行的功能可藉由硬體、軟體或硬體與軟體的組合所實施。

續言之，並聯電池管理系統1還包括通訊匯流排13，其分別連接各電池區塊A、B、...、N的管理模組14A、14B、...、14N。因此，所取得的各電池模組10A、10B、…、10N的電性資訊及各開關元件12A、12B、…、12N的開關狀態可藉由通訊匯流排13傳輸至各管理模組14A、14B、...、14N。

其中，各個處理器，例如處理器140，可經配置以執行管理程序。詳細來說，此管理程序主要依據當前各電池模組10A、10B、…、10N的電性資訊及各開關元件12A、12B、…、12N的開關狀態，基於戴維寧定理，來判定對應的開關元件，例如開關元件12A，是否能夠切換為導通狀態，以及當切換為導通狀態後，是否會對其他的電池模組產生不良影響。因此，可藉由上述管理機制，使對應的電池區塊可以計算出精確且適當的時機來切換開關元件，同時確保正在進行充放電的電池區塊仍能維持正常運作。

[第二實施例]

請同時參考圖2及圖3，為本發明的第二實施例的並聯電池管理系統的管理程序的流程圖。如圖所示，管理程序包括以下步驟：

步驟S100：通過通訊匯流排13取得各開關元件12A、12B、…、12N的開關狀態及各電池模組10A、10B、…、10N的電性資訊。各電池模組10A、10B、…、10N可包括電池源以及電池內阻，因此電性資訊可包括電池源的開路電壓值以及電池內阻值。

步驟S102：依據該些開關狀態及該些電性資訊，產生當前電路布局資料。此外，處理器140更可經配置以依據該些開關狀態、該些開路電壓值及該些電池內阻值，產生當前電路布局資料。當前電路布局資料包括目前並聯電池管理系統1中所有的電性資訊，亦即，各電池模組10A、10B、…、10N中，電池源的開路電壓值以及電池內阻值，並可以數位資料的形式儲存於管理模組14A、14B、...、14N內建的記憶單元中(未圖示)。

步驟S104：將當前電路布局資料基於戴維寧定理轉換為戴維寧等效電路資料。戴維寧定理(Thevenin's theorem)又稱等效電壓源定律，此定理陳述出一個具有電壓源及電阻的電路可以被轉換成戴維寧等效電路，此電路包含了一個理想的電壓源串聯一個理想的電阻。而本實施例的電路架構可基於上述定理，將當前電路布局資料經由處理器140處理，進而產生戴維寧等效電路資料。

其中，戴維寧等效電路資料定義有戴維寧等效電路，戴維寧等效電路具有呈現開路狀態的第一埠及第二埠，第一埠對應於第一節點，第二埠對應於第二節點，且戴維寧等效電路包括等效電壓源及等效電阻。以電池區塊A而言，若為了判斷開關元件12A切換至導通狀態後產生的效應，可將開關元件12A及電池模組10A暫時移除，而以第一節點N1A及第二節點N2A分別做為戴維寧等效電路中的第一埠及第二埠，而在此情況下，將開關元件12B、…、12N中，處在導通狀態下對應的電池模組10B、…、10N所包括的電池源及內電阻等效為戴維寧等效電路中的等效電壓源及等效電阻。

步驟S106：依據該當前電路布局資料及該戴維寧等效電路資料計算等效電壓源的等效電壓值及等效電阻的等效電阻值。具體而言，可在第一埠及第二埠兩端開路(在沒有任何外電流輸出，亦即當第一埠及第二埠之間的阻抗無限大)的狀況下計算第一埠及第二埠之間的輸出電壓，此輸出電壓就是等效電壓值。在第一埠及第二埠短路(亦即負載電阻為零)的狀況下計算第一埠及第二埠之間的輸出電流，此時等效電阻值等於等效電壓值除以輸出電流。

步驟S108：基於該等效電壓值、該等效電阻值及該些電性資訊，計算該開關元件切換為該導通狀態後該電池模組的一充放電電流值。

步驟S110：根據預定電流閾值及該充放電電流值判斷是否可將對應的開關元件切換為導通狀態。換言之，預定電流閾值可為電池模組10A、10B、…、10N的電流容許範圍。若所計算出的充放電電流值在電池模組10A、10B、…、10N的電流容許範圍內，則判定開關元件，例如開關元件12A，可切換為導通狀態，而不致產生不利影響。另一方面，若所計算出的充放電電流值超過電池模組10A、10B、…、10N的電流容許範圍時，則判定此時間點下，開關元件，例如開關元件12A，不應切換為導通狀態。

若是，則進入步驟S112：依據判斷結果將對應的開關元件切換為導通狀態。以電池區塊A而言，若所計算出的充放電電流值在電池模組10A的電流容許範圍內時，則依據此判定結果，處理器140可將開關元件12A切換為導通狀態。

若否，則進入步驟S114：依據判斷結果將對應的開關元件維持在關斷狀態。以電池區塊A而言，若所計算出的充放電電流值超過電池模組10A的電流容許範圍，則依據此判定結果，處理器140可將開關元件12A維持在關斷狀態。

類似的，在步驟S104中，亦可將當前電路布局資料基於諾頓定理轉換為一諾頓等效電路資料。諾頓定理(Norton's theorem)陳述出一個具有電壓源及電阻的電路可以被轉換成諾頓等效電路，此電路包含了一個理想的電流源並聯一個理想的電阻。其中，該諾頓等效電路資料定義有一諾頓等效電路，該諾頓等效電路具有呈現開路狀態的第一埠及第二埠。第一埠對應於第一節點，第二埠對應於第二節點，且諾頓等效電路包括一等效電流源及一等效電阻。以電池區塊A而言，若為了判斷開關元件12A切換至導通狀態後產生的效應，可將開關元件12A及電池模組10A暫時移除，而以第一節點N1A及第二節點N2A分別做為諾頓等效電路中的第一埠及第二埠，而在此情況下，將開關元件12B、…、12N中，處在導通狀態下對應的電池模組10B、…、10N所包括的電池源及內電阻等效為諾頓等效電路中的等效電流源及等效電阻。

因此，後續可依據當前電路布局資料及諾頓等效電路資料計算該等效電流源的等效電流值及該等效電阻的等效電阻值。具體而言，可在第一埠及第二埠兩端短路(亦即負載電阻為零)的狀況下計算第一埠及第二埠之間的輸出電流，此輸出電流就是等效電流值。在第一埠及第二埠開路(在沒有任何往外電流輸出，亦即當第一埠及第二埠之間的阻抗無限大)的狀況下計算第一埠及第二埠之間的輸出電壓，此時等效電阻值等於輸出電壓值除以等效電流值。

類似的，可同樣在步驟S108中，基於等效電流值、等效電阻值及該些電性資訊，以計算該開關元件切換為該導通狀態後該電池模組的一充放電電流值。其中，戴維寧等效電路與諾頓等效電路之間可依據Rth=Rno、Vth=Ith*Rno及Vth/Rth=Ino的關係式進行互換，其中，其中Rth、Rno、Vth及Ino分別代表戴維寧等效電阻、諾頓等效電阻、戴維寧等效獨立電壓源以及諾頓獨立電流源。

依據本發明所提供的並聯電池管理系統，其能通過“將當前電路布局資料基於戴維寧定理轉換為戴維寧等效電路資料”以及“基於等效電壓值、等效電阻值及電性資訊，計算開關元件切換為導通狀態後電池模組的充放電電流值”的技術方案，以根據預定電流閾值及充放電電流值判斷是否可將對應的該開關元件切換為導通狀態，能夠精確且適當的控制電池模組並聯的時間點，來克服現有技術的缺陷。

[第三實施例]

現將請參閱圖4、圖5A及圖5B說明本發明的並聯電池管理系統的操作範例。圖4為本發明第三實施例的並聯電池管理系統的操作範例的電路布局圖，圖5A為依據本發明第三實施例的的電路布局圖等效後的戴維寧等效電路圖。圖5B為依據本發明第三實施例的的電路布局圖等效後的諾頓等效電路圖。

如圖4所示，提供了並聯電池管理系統2的簡化電路圖。並聯電池管理系統2包括電池區塊A、B、C、D，且各包括開關元件12A、12B、12C及12D及電池模組10A、10B、10C及10D。在此情境中，開關元件12A、12B、12C已經處在導通狀態，而開關元件12D尚未導通，且電池模組10A、10B、10C及10D各包括內電阻R1、R2、R3、R4及電池源S1、S2、S3、S4，其中，內電阻R1、R2、R3、R4的電阻值相同，均為20mΩ，電池源S1、S2、S3、S4的開路電壓值分別為V1、V2、V3、V4，且分別為4V、3.8V、3.6V及4.2V。

其中，並聯電池管理系統2的簡化電路架構中內電阻R1、R2、R3、R4的電阻值及電池源S1、S2、S3、S4的開路電壓值可儲存作為前述的當前電路布局資料。

此時，如圖5A所示，為了判斷開關元件12D導通後對系統產生的效應，可從電池區塊D的視野出發，將第一節點N1D及第二節點N2D做為戴維寧等效電路中的第一埠A0及第二埠B0，來求取第一埠A0及第二埠B0兩點的戴維寧等效電路，戴維寧等效電路包括等效電壓源Vth及與之串聯的等效電阻Rth。

另一方面，亦可從電池區塊D的視野出發，將第一節點N1D及第二節點N2D做為諾頓等效電路中的第一埠A0及第二埠B0，來求取第一埠A0及第二埠B0兩點的諾頓等效電路。諾頓等效電路包括等效電流源Ith及與之並聯的等效電阻Rno。

為了方便說明，以下將以戴維寧等效電路進行說明，而諾頓等效電路可依據前述關係式進行轉換，故在此不再贅述。首先，求取第一埠A0及第二埠B0兩點的跨壓，利用重疊定理，電壓源短路的特性，可由下述式(1)求得如圖所示的電流I1：

因此，由分壓定理，可得到電流I12=66.7A，電流I13=66.7A。可由下述式(2)求得如圖所示的電流I2。

由分壓定理，可得到電流I23=63.3A，電流I21=63.3A。可由下述式(3)求得如圖所示的電流I3。

由分壓定理，可得到電流I31=60A，電流I32=60A。

因此，由上述數據，可進一步由下式(4)、(5)、(6)求得內電阻R1、R2、R3的跨壓VR1、VR2及VR3：VR1=(I1-I21-I31)*20mΩ=0.2V..........式(4)

VR2=(I2-I12-I32)*20mΩ=0..........式(5)

VR3=(I3-I13-I23)*20mΩ=-0.2V..........式(6)

可由下式(7)、(8)進一步求得戴維寧等效電路中，等效電阻Rth的電阻值及等效電壓源的電壓值Vth為：Rth=R1//R2//R3=6.66mΩ..........式(7)

Vth=3.8V..........式(8)

因此，可假定開關元件12D導通後，形成的等效電路如圖6所示，圖6為依據本發明第三實施例的開關元件12D導通後的戴維寧等效電路圖。其中，在電池區塊D中，電池模組10D的電池源的開路電壓值V4為4.2。因此，可由重疊定理，下式(9)、(10)求得戴維寧等效電路的等效電流值Ith及電流I4：Ith=Vth/(Rth+R4)=142.5A..........式(9)

I4=V4/(Rth+R4)=157.5A..........式(10)

因此，可取得流經第一節點N1D及第二節點N2D的電流I0=Ith-I4=-15A。由於為負值，依據電流方向的定義，可知此電流I0為放電電流IDSG。因此，藉此可得知，若開關元件12D切換為導通狀態，則電池區塊D將承受15A的放電電流。

在另一範例中，若電池模組10D的電池源的開路電壓值V4為3.4，可由重疊定理，式(9)、(11)、(12)求得戴維寧等效電路的等效電流值Ith、電流I4及I0’。

I4=V4/(Rth+R4)=127A..........式(11)

I0’=Ith-I4=15.5A..........式(12)

由於為正值，依據電流方向的定義，可知此電流I0’為充電電流ICHG。因此，藉此可得知，若開關元件12D切換為導通狀態，則電池區塊D將承受15.5A的充電電流。

計算出電流I0及I0’後，進一步配置處理器判斷是否滿足下式(13)：IDSGMAX<I0(I0’)<ICHGMAX..........式(13)

其中IDSGMAX為最大放電電流容許值，ICHGMAX為最大充電電流容許值，若判定I0及I0’是在此範圍內，則處理器判斷開關元件12D切換為預備導通狀態時，將不會超出電池區塊D所能承受的電流範圍。而在判斷完電池區塊D的狀況後，須依據上述計算結果進一步以類似的方式計算開關元件12D切換為導通狀態後，電池模組A、B、C的充放電電流值，若判斷電池模組A、B、C的充放電電流值均在電流容許值，則綜合電池模組A、B、C、D的充放電電流值的計算結果，判定是否要控制開關元件12D切換為導通狀態。

此外，應當理解的是，亦可由諾頓等效電路及重疊定理，判斷出開關元件12D切換為導通狀態時，是否會超出電池區塊D所能承受的電流範圍，以及進一步以類似的方式計算開關元件12D切換為導通狀態後，電池模組A、B、C的充放電電流值，若判斷電池模組A、B、C、D的充放電電流值均在電流容許值，則配置管理模組14D控制開關元件12D切換為導通狀態。

以下將進一步針對電池模組C的計算進行說明。請參閱圖7及圖8說明本發明的並聯電池管理系統的操作範例。圖7為本發明第三實施例的並聯電池管理系統的另一操作範例的電路布局圖，圖8為依據本發明第三實施例的另一電路布局圖等效後的戴維寧等效電路圖。

延續圖4，圖7提供了並聯電池管理系統3的簡化電路圖。在此情境中，假定開關元件12A、12B、12D已經處在導通狀態，而需判斷開關元件12C是否能導通，且電池模組10A、10B、10C及10D各包括內電阻R1、R2、R3、R4及電池源S1、S2、S3、S4，其中，內電阻R1、R2、R3、R4的電阻值相同，均為20mΩ，電池源S1、S2、S3、S4的開路電壓值分別為V1、V2、V3、V4，且分別為4V、3.8V、3.6V及4.2V。

其中，並聯電池管理系統3的簡化電路架構、內電阻R1、R2、R3、R4的電阻值及電池源S1、S2、S3、S4的開路電壓值可儲存作為前述的當前電路布局資料。

此時，為了判斷開關元件12C導通後對系統產生的效應，可從電池區塊C的視野出發，將第一節點N1C及第二節點N2C做為戴維寧等效電路中的第一埠A0’及第二埠B0’，來求取第一埠A0’及第二埠B0’兩點的戴維寧等效電路。

首先，求取第一埠A0’及第二埠B0’兩點的跨壓，利用重疊定理，電壓源短路的特性，可由下述式(1)’求得如圖所示的電流I1’：

因此，由分壓定理，可得到電流I12’=66.7A，電流I14’=66.7A。可由下述式(2)’求得如圖所示的電流I2’。

由分壓定理，可得到電流I24’=63.3A，電流I21’=63.3A。可由下述式(3)’求得如圖所示的電流I4’。

由分壓定理，可得到電流I41’=70A，電流I42’=70A。

因此，由上述數據，可進一步由下式(4)’、(5)’、(6)’求得內電阻R1、R2、R4的跨壓VR1’、VR2’及VR4’： VR1’=(I1’-I21’-I41’)*20mΩ=0V..........式(4)’

VR2’=(I2’-I12’-I42’)*20mΩ=-0.2..........式(5)’

VR4’=(I4’-I14’-I24’)*20mΩ=0.2V..........式(6)’

可由下式(7)’、(8)’進一步求得戴維寧等效電路中，等效電阻Rth’的電阻值及等效電壓源的電壓值Vth’為：Rth’=R1//R2//R4=6.66mΩ..........式(7)’

Vth’=4V..........式(8)’

因此，可假定開關元件12C導通後，形成的等效電路如圖9所示，圖9為依據本發明第三實施例的開關元件12C導通後的戴維寧等效電路圖。其中，在電池區塊C中，電池模組10C的電池源的開路電壓值V3為3.6V。因此，可由重疊定理，下式(9)’、(10)’求得戴維寧等效電路的等效電流值Ith’及電流I3”：Ith’=Vth’/(Rth’+R3)=150A..........式(9)’

I3’=V3/(Rth’+R3)=135A..........式(10)’

因此，可取得流經第一節點N1C及第二節點N2C的電流I3'''=Ith’-I3=15A。由於為正值，依據電流方向的定義，可知此電流I3'''為充電電流ICHG。因此，藉此可得知，若開關元件12C切換為導通狀態，則電池區塊C將承受15A的充電電流。

計算出電流I3'''後，進一步配置處理器判斷是否滿足下式(11)’：IDSGMAX<I3'''<ICHGMAX..........式(11)’

其中IDSGMAX為最大放電電流容許值，ICHGMAX為最大充電電流容許值，若判定I3'''是在此範圍內，則處理器判斷開關元件12C切換為導通狀態時，將不會超出電池區塊C所能承受的電流範圍。而在判斷完電池區塊C的狀況後，須依據上述計算結果進一步以類似的方式計算開關元件12C切換為導通狀態後，電池模組A、B、D的充放電電流值，綜合電池模組A、B、C、D的充放電電流值的計算結果，判定是否要控制開關元件12C切換為導通狀態。需要說明的是，電池模組A、B、C、D的充放電電流值需要同時以上述流程計算，系統才能決定開關元件12A、12B、12C、12D可在何種開關組合下運作。

此外，應當理解的是，亦可由諾頓等效電路及重疊定理，判斷出開關元件12C切換為導通狀態時，是否會超出電池區塊C所能承受的電流範圍，以及進一步以類似的方式計算開關元件12C切換為導通狀態後，電池模組A、B、D的充放電電流值，綜合電池模組A、B、C、D的充放電電流值的計算結果，判定是否要控制開關元件12C切換為導通狀態。

[第四實施例]

以下將根據附圖詳細說明本發明的並聯電池管理方法的一種態樣。在本實施例中，並聯電池管理方法適用於第一至第三實施例，但不限於此，在所屬領域具有通常知識者能設想的方式或各種可能性下，本實施例提供的方法亦可適用於上文中所描述的任何實施方式。

請參考圖10，其為本發明的第四實施例的並聯電池管理方法的流程圖。

步驟S200：將多個電池區塊彼此並聯。如圖1所示，該些電池區塊各包括開關元件、電池模組及管理模組。開關元件設置於第一節點及第二節點之間，經配置以在導通狀態及關斷狀態之間切換。電池模組連接於開關元件及第二節點之間。管理模組，分別連接開關元件及電池模組，管理模組包括處理器及偵測模組。偵測模組用於偵測電池模組的電性資訊及該開關元件的開關狀態。

步驟S202：通過通訊匯流排分別連接各電池區塊的管理模組。

步驟S204：配置各處理器經配置以執行管理程序。可選的，配置各處理器以在執行管理程序之前，可預先執行步驟S203：判斷對應的開關元件的開關狀態是否為關斷狀態，若是，則配置處理器執行管理程序。管理程序進一步包括下列步驟：

步驟S206：通過該通訊匯流排取得各該開關元件的該開關狀態及各該電池模組的該電性資訊；

步驟S208：依據該些開關狀態及該些電性資訊，產生一當前電路布局資料；

步驟S210：將當前電路布局資料基於戴維寧定理轉換為戴維寧等效電路資料。其中，該戴維寧等效電路資料定義有戴維寧等效電路，該戴維寧等效電路具有呈現開路狀態的第一埠及第二埠，第一埠對應於該第一節點，第二埠對應於第二節點，且戴維寧等效電路包括等效電壓源及等效電阻。進一步說明，各電池模組包括電池源以及電池內阻，電性資訊則包括電池源的開路電壓值以及電池內阻值，且在此步驟中，管理程序更包括配置處理器以依據該些開關狀態、該些開路電壓值及該些電池內阻值，產生當前電路布局資料。

步驟S212：依據該當前電路布局資料及該戴維寧等效電路資料計算該等效電壓源的一等效電壓值及該等效電阻的一等效電阻值。詳細來說，可參考前述實施例，依據該些電池內阻值計算該等效電阻的等效電阻值。

步驟S214：基於等效電壓值、等效電阻值及該些電性資訊，計算開關元件切換為導通狀態後電池模組的充放電電流值。

步驟S216：根據預定電流閾值及該充放電電流值判斷是否可將對應的開關元件切換為導通狀態。換言之，預定電流閾值可為電池模組10A、10B、…、10N的電流容許範圍。若所計算出的充放電電流值在電池模組10A、10B、…、10N的電流容許範圍內，則判定開關元件，例如開關元件12A，可切換為導通狀態，而不致產生不利影響。另一方面，若所計算出的充放電電流值超過電池模組10A、10B、…、10N的電流容許範圍，則判定此時間點下，開關元件，例如開關元件12A，不應切換為導通狀態。

若是，則進入步驟S218：依據針對電池模組10A、10B、…、10N的判斷結果，將對應的開關元件切換為導通狀態。以電池區塊A而言，若所計算出的充放電電流值在電池模組10A的電流容許範圍內，則依據此判定結果，處理器140可將開關元件12A切換為導通狀態。

若否，則進入步驟S220：依據判斷結果將對應的開關元件維持在關斷狀態。以電池區塊A而言，若所計算出的充放電電流值超過電池模組10A的電流容許範圍，則依據此判定結果，處理器140可將開關元件12A維持在關斷狀態。

[實施例的有益效果]

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的並聯電池管理系統及方法，其能通過“將當前電路布局資料基於戴維寧定理轉換為戴維寧等效電路資料”以及“基於等效電壓值、等效電阻值及電性資訊，計算開關元件切換為導通狀態後電池模組的充放電電流值”的技術方案，以根據預定電流閾值及充放電電流值判斷是否可將對應的該開關元件切換為導通狀態，能夠精確且適當的控制電池模組並聯的時間點，來克服現有技術的缺陷。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

Claims

一種並聯電池管理系統，其包括：多個電池區塊彼此並聯，各包括：一開關元件，設置於一第一節點及一第二節點之間，經配置以在導通狀態及關斷狀態之間切換；一電池模組，連接於該開關元件及該第二節點之間；及一管理模組，分別連接該開關元件及該電池模組，該管理模組包括：一處理器及一偵測模組，該偵測模組用於偵測該電池模組的一電性資訊及該開關元件的一開關狀態；以及一通訊匯流排，連接各該電池區塊的該管理模組，其中，各該處理器經配置以執行一管理程序，該管理程序包括：通過該通訊匯流排取得各該開關元件的該開關狀態及各該電池模組的該電性資訊；依據該些開關狀態及該些電性資訊，產生一當前電路布局資料；將該當前電路布局資料基於戴維寧定理轉換為一戴維寧等效電路資料，其中，該戴維寧等效電路資料定義有一戴維寧等效電路，該戴維寧等效電路具有呈現開路狀態的一第一埠及一第二埠，該第一埠對應於該第一節點，該第二埠對應於該第二節點，且該戴維寧等效電路包括一等效電壓源及一等效電阻；依據該當前電路布局資料及該戴維寧等效電路資料計算該等效電壓源的一等效電壓值及該等效電阻的一等效電阻值；基於該等效電壓值、該等效電阻值及該些電性資訊，以計算該開關元件切換為該導通狀態後該電池模組的一充放電電流值；根據一預定電流閾值及該充放電電流值判斷是否可將對應的該開關元件切換為導通狀態，而產生一判斷結果；以及依據該判斷結果控制對應的該開關元件的該開關狀態。
如請求項1所述的並聯電池管理系統，其中，各該電池模組包括一電池源及一電池內阻，各該電性資訊包括該電池源的一開路電壓值以及一電池內阻值，該處理器經配置以依據該些開關狀態、該些開路電壓值及該些電池內阻值，而產生該當前電路布局資料。
如請求項2所述的並聯電池管理系統，其中，該管理程序進一步包括依據該些電池內阻值計算該等效電阻的該等效電阻值。
如請求項2所述的並聯電池管理系統，其中，該管理程序進一步包括依據該些開關狀態、該些開路電壓值及該些電池內阻值計算該等效電壓源的該等效電壓值。
如請求項1所述的並聯電池管理系統，其中，各該處理器經配置以在執行該管理程序之前，預先判斷對應的該開關元件的該開關狀態是否為關斷狀態，若是，則執行該管理程序。
如請求項1所述的並聯電池管理系統，其中該管理程序包括：將該當前電路布局資料基於諾頓定理轉換為一諾頓等效電路資料，其中，該諾頓等效電路資料定義有一諾頓等效電路，該諾頓等效電路具有呈現開路狀態的一第一埠及一第二埠，該第一埠對應於該第一節點，該第二埠對應於該第二節點，且該諾頓等效電路包括一等效電流源及一等效電阻；依據該當前電路布局資料及該諾頓等效電路資料計算該等效電流源的一等效電流值及該等效電阻的一等效電阻值；基於該等效電壓值、該等效電阻值及該些電性資訊，以計算該開關元件切換為該導通狀態後該電池模組的一充放電電流值；根據一預定電流閾值及該充放電電流值判斷是否可將對應的該開關元件切換為導通狀態，而產生一判斷結果；以及依據該判斷結果控制對應的該開關元件的該開關狀態。
一種並聯電池管理方法，其包括：將多個電池區塊彼此並聯，該些電池區塊各包括：一開關元件，設置於一第一節點及一第二節點之間，經配置以在導通狀態及關斷狀態之間切換；一電池模組，連接於該開關元件及該第二節點之間；及一管理模組，分別連接該開關元件及該電池模組，該管理模組包括一處理器及一偵測模組，該偵測模組用於偵測該電池模組的一電性資訊及該開關元件的一開關狀態；通過一通訊匯流排連接各該電池區塊的該管理模組；配置各該處理器經配置以執行一管理程序，該管理程序包括：通過該通訊匯流排取得各該開關元件的該開關狀態及各該電池模組的該電性資訊；依據該些開關狀態及該些電性資訊，產生一當前電路布局資料；將該當前電路布局資料基於戴維寧定理轉換為一戴維寧等效電路資料，其中，該戴維寧等效電路資料定義有一戴維寧等效電路，該戴維寧等效電路具有呈現開路狀態的一第一埠及一第二埠，該第一埠對應於該第一節點，該第二埠對應於該第二節點，且該戴維寧等效電路包括一等效電壓源及一等效電阻；依據該當前電路布局資料及該戴維寧等效電路資料計算該等效電壓源的一等效電壓值及該等效電阻的一等效電阻值；基於該等效電壓值、該等效電阻值及該些電性資訊，計算該開關元件切換為該導通狀態後該電池模組的一充放電電流值；根據一預定電流閾值及該充放電電流值判斷是否可將對應的該開關元件切換為導通狀態，而產生一判斷結果；以及依據該判斷結果控制對應的該開關元件的該開關狀態。
如請求項7所述的並聯電池管理方法，其中，各該電池模組包括一電池源以及一電池內阻，各該電性資訊包括該電池源的一開路電壓值以及一電池內阻值，且該管理程序更包括配置該處理器以依據該些開關狀態、該些開路電壓值及該些電池內阻值，產生該當前電路布局資料。
如請求項8所述的並聯電池管理方法，其中，該管理程序進一步包括依據該些電池內阻值計算該等效電阻的該等效電阻值。
如請求項8所述的並聯電池管理方法，其中，該管理程序進一步包括依據該些開關狀態、該些開路電壓值及該些電池內阻值計算該等效電壓源的該等效電壓值。
如請求項7所述的並聯電池管理方法，更包括：配置各該處理器以在執行該管理程序之前，預先判斷對應的該開關元件的該開關狀態是否為關斷狀態，若是，則配置各該處理器執行該管理程序。
如請求項7所述的並聯電池管理方法，其中該管理程序包括：將該當前電路布局資料基於諾頓定理轉換為一諾頓等效電路資料，其中，該諾頓等效電路資料定義有一諾頓等效電路，該諾頓等效電路具有呈現開路狀態的一第一埠及一第二埠，該第一埠對應於該第一節點，該第二埠對應於該第二節點，且該諾頓等效電路包括一等效電流源及一等效電阻；依據該當前電路布局資料及該諾頓等效電路資料計算該等效電流源的一等效電流值及該等效電阻的一等效電阻值；基於該等效電壓值、該等效電阻值及該些電性資訊，以計算該開關元件切換為該導通狀態後該電池模組的一充放電電流值；根據一預定電流閾值及該充放電電流值判斷是否可將對應的該開關元件切換為導通狀態，而產生一判斷結果；以及依據該判斷結果控制對應的該開關元件的該開關狀態。