TWI665846B - 電池模組 - Google Patents

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TWI665846B TW107117413A TW107117413A TWI665846B TW I665846 B TWI665846 B TW I665846B TW 107117413 A TW107117413 A TW 107117413A TW 107117413 A TW107117413 A TW 107117413A TW I665846 B TWI665846 B TW I665846B
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Abstract

本發明係關於一種電池模組，包括：一電池管理系統、一第一電池芯 組及一第二電池芯組。電池管理系統包括相互電連接之一控制單元、一電壓感測電路、一控制電路及一開關電路，開關電路包括一第一開關、一第二開關及一第三開關，第一開關可切換為導通或不導通，第二開關包括可切換導通位置之一第一接點及一第二接點，第一開關與第二開關電連接，第三開關包括可切換導通位置之一第一接點及一第二接點，第二開關之第二接點與第三開關之第一接點導通，第一電池芯組與第一開關及第三開關電連接，第二電池芯組與第二開關及第三開關電連接。

Description

電池模組
本發明係關於一種電池模組，尤指一種利用電池管理系統調整電池芯組電連接方式之電池模組。
現今常用之個人交通工具一般有汽車及機車，機車形式之交通工具為一種由引擎驅動，主要利用手把操縱方向的二輪、三輪或四輪等之車輛，由於有著操縱簡單、行動方便及價格低廉的特點，成為目前最常利用的交通工具。
在科技不斷進步及環保觀念高漲下，除了針對使用汽油之內燃機機車進行環保節能設計外，也發展出使用蓄電池之電動機車，由於電動機車在行駛時不會排放廢氣，相較於使用汽油之內燃機機車不會污染環境，因此電動機車逐漸受到消費者的青睞。
目前市面上之電動機車，不管是設計為可進行換電的電動機車類型，或是可以將電池模組抽取起來進行充電的電動機車類型，其電池模組多以複數電池芯組以串聯方式或並聯方式組成，在常見的使用96V(高電壓系統)的電動機車電源，通常設計為兩顆48V(低電壓系統)電池模組以串聯方式提供電源使電動機車運作，但此設計在使用便利性上並不夠完善，例如當只有一顆電池模 組時便無法使電動機車正常運作，此設計形式之電池模組的使用彈性較低，也無法應用於不同電壓範圍之車輛。
因此，為解決上述電池模組配置靈活性不足與共用性不足的問題，本發明人基於積極發明創作之精神，構思出一種電池模組，利用電池模組內部之電池管理系統(BMS：Battery Management System)控制複數的電池芯組之間的電連接方式，使電池模組可以廣泛地應用於不同電壓系統之電動機車輛，改善電池模組的使用便利性，幾經研究實驗終至完成本發明。
本發明之主要目的在於解決上述問題，提供一種電池模組，其利用電池管理系統調整電池芯組電連接方式，改善電池模組的使用便利性，本發明人思及以下方式。
為達成上述目的，本發明之電池模組供應電源至一具有一整車控制器之機車，電池模組包括有：一電池管理系統、一第一電池芯組及一第二電池芯組。第一電池芯組及第二電池芯組皆為由一個或多個電池芯所組成，電池管理系統包括有相互電連接之一控制單元、一電壓感測電路、一控制電路及一開關電路，整車控制器電連接電池管理系統並指示電連接方式，開關電路包括有一第一開關、一第二開關及一第三開關，其中，第一開關可切換為導通或不導通，第二開關包括有可切換導通位置之一第一接點及一第二接點，第一開關與第二開關電連接，第三開關包括有可切換導通位置之一第一接點及一第二接點，第二開關之第二接點與第三開關之第一接點導通，第一電池芯組之兩端分 別與第一開關及第三開關之第二接點電連接，第二電池芯組之兩端分別與第二開關之第一接點及第三開關電連接。
上述電池管理系統更可包括一通訊介面，其用以進行電池模組與整車控制器之間的訊號交換。
上述通訊介面可包括有一控制器區域網路(CANBUS：Controller Area Network bus)介面、一K-Line介面、一藍牙傳輸介面、一紅外線傳輸介面、一Wi-Fi傳輸介面、一無線射頻辨識(RFID：Radio Frequency IDentification)傳輸介面及一近場通訊(NFC：Near Field Communication)傳輸介面之至少其一。
上述開關電路可為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)、繼電器(Relay)及電磁開關之至少其一所構成之開關。
本發明中，在電門關閉(key off)狀態時，第一開關切換為不導通，第二開關切換至第二開關之第一接點，第三開關切換至第三開關之第一接點。
本發明中，在電門開啟(key on)狀態時，第一開關切換為導通，第二開關切換至第二開關之第一接點，第三開關切換至第三開關之第二接點，使第一電池芯組及第二電池芯組成為並聯狀態。
本發明中，在電門開啟狀態時，第一開關切換為導通，第二開關切換至第二開關之第二接點，第三開關切換至第三開關之第一接點，使第一電池芯組及第二電池芯組成為串聯狀態。
本發明中，當電池管理系統偵測第一電池芯組及第二電池芯組之電壓不均等時，第一開關切換為導通，第二開關切換至第二開關之第一接點，第三開關切換至第三開關之第一接點，使第一電池芯組得以進行充電或放電。
本發明中，當電池管理系統偵測第一電池芯組及第二電池芯組之電壓不均等時，第一開關切換為不導通，第二開關切換至第二開關之第一接點，第三開關切換至第三開關之第二接點，使第二電池芯組得以進行充電或放電。
上述整車控制器可用以指示電池管理系統整車所需電壓、電池模組之裝置數量及電池模組之電連接方式。
以上概述與接下來的詳細說明，皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍，為使本發明之上述目的、特性與優點能更淺顯易懂，將在後續的說明與圖示加以闡述。
1,1A~1I‧‧‧電池模組
11‧‧‧電池管理系統
111‧‧‧控制單元
112‧‧‧電壓感測電路
113‧‧‧控制電路
114‧‧‧開關電路
1141‧‧‧第一開關
1141a‧‧‧第一接點
1141b‧‧‧第二接點
1142‧‧‧第二開關
1142a‧‧‧第一接點
1142b‧‧‧第二接點
1143‧‧‧第三開關
1143a‧‧‧第一接點
1143b‧‧‧第二接點
115‧‧‧通訊介面
12‧‧‧第一電池芯組
13‧‧‧第二電池芯組
2‧‧‧機車
21‧‧‧整車控制器
圖1係應用本發明之電池模組之機車及電池模組之構成示意圖。
圖2係本發明之電池模組之開關電路之第一實施例之電連接方式示意圖。
圖3係本發明之電池模組之開關電路之第二實施例之電連接方式示意圖。
圖4係本發明之電池模組之開關電路之第三實施例之電連接方式示意圖。
圖5係本發明之電池模組之開關電路之第四實施例之電連接方式示意圖。
圖6係本發明之電池模組之開關電路之第五實施例之電連接方式示意圖。
圖7係本發明之電池模組之開關電路之第六實施例之電連接方式示意圖。
圖8係本發明之電池模組之開關電路之第七實施例之電連接方式示意圖。
參閱圖1，其為應用本發明之電池模組之機車及電池模組之構成示意圖，本發明之電池模組1供應電源至一具有一整車控制器21之機車2，電池模組1包括有：一電池管理系統11(BMS：Battery Management System)、一第一電池芯組12及一第二電池芯組13，第一電池芯組12及第二電池芯組13皆為由一個或多個電池芯所組成。
電池管理系統11包括有相互電連接之一控制單元111、一電壓感測電路112、一控制電路113、一開關電路114及一通訊介面115，整車控制器21電連接電池管理系統11並指示電連接方式，開關電路114包括有一第一開關1141、一第二開關1142及一第三開關1143，其中，第一開關1141包括有一第一接點1141a及一第二接點1141b，第一開關1141之第一接點1141a與第二接點1141b可切換導通(on)與不導通(off)，第二開關1142包括有可切換導通位置之一第一接點1142a及一第二接點1142b，第一開關1141之第二接點1141b可切換與第二開關1142之該第一接點1142a導通或與該第二開關1142之該第二接點1142b導通，第三開關1143包括有可切換導通位置之一第一接點1143a及一第二接點1143b，第一電池芯組12之兩端分別與第一開關1141之第一接點1141a及第三開關1143之第二接點1143b導通，第二電池芯組13之兩端分別與第二開關1142之第一接點1142a導通及第三開關1143之第一接點導通1143a或與第三開關1143之第二接點1143b導通，通訊介面115用以進行電池模組1及整車控制器21之間的訊號交換，整車控制器21用以指示電池管理系統11整車所需電壓、電池模組1之裝置數量及電池模組1之電連接方式。
在本發明中，開關電路114為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)、繼電器(Relay)及電磁開關之至少其一所構成之開關，導通及不導通之切換也有其先後順序，先使導通之開關不導通，再使不導通之開關導通，以避免在切換開關時使電池模組1短路。。
另外，通訊介面115包括有一控制器區域網路(CANBUS：Controller Area Network bus)介面、一K-Line介面、一藍牙傳輸介面、一紅外線傳輸介面、一Wi-Fi傳輸介面、一無線射頻辨識(RFID：Radio Frequency IDentification)傳輸介面及一近場通訊(NFC：Near Field Communication)傳輸介面之至少其一，也就是說，電池模組1與整車控制器21之間可使用有線的CANBUS及K-Line之通訊介面115、類比訊號及無線訊號來進行訊號交換。
接下來，說明本發明之開關電路之電連接方式，參閱圖2，其為本發明之電池模組之開關電路之第一實施例之電連接方式示意圖，並配合參閱圖1，由於第一實施例至第七實施例之電池模組1A,1B,1C,1D,1E,1F,1G,1H,1I之內部構成與電池模組1相同，以下不再贅述，在第一實施例至第七實施例中，電池管理系統11會根據整車控制器21所指示之整車狀態來調整開關電路114之電連接方式，另外，在本發明中為方便說明，將第一電池芯組12及一第二電池芯組13皆設定為可提供48V之電壓，但不僅限於此。
在本發明之開關電路之第一實施例中，電池模組1A為閒置或放置於機車2上待命，整車為電門關閉(key off)狀態，此時，開關電路114之第一開關1141之第一接點1141a與第二接點1141b切換為不導通，第二開關1142切換至第二開關1142之第一接點1142a，即第一開關1141之第二接點1141b切換 與該第二開關1142之第一接點1142a導通，第三開關1143切換至第三開關1143之第一接點1143a，即第二電池芯組13切換與該第三開關1143之該第一接點1143a導通，然而，基本設計上電池模組1A可供應最基本之電源給電池本身的電池管理系統11等待整車啟動電池開始輸出運作。
參閱圖3，其為本發明之電池模組之開關電路之第二實施例之電連接方式示意圖，並配合參閱圖1，在本發明之開關電路之第二實施例中，機車2之整車控制器21判斷機車2上裝置二電池模組1B,1C，二電池模組1B,1C為串聯狀態，且供應機車整車電源需要96V之電壓，整車控制器21透過通訊介面115指示電池管理系統11，使機車2在電門開啟(key on)狀態時，開關電路114之第一開關1141之第一接點1141a與第二接點1141b切換為導通，第二開關1142切換至第二開關1142之第一接點1142a，即第一開關1141之第二接點1141b切換與該第二開關1142之第一接點1142a導通，第三開關1143切換至第三開關1143之第二接點1143b，即即第二電池芯組13切換與該第三開關1143之該第二接點1143b導通，使二電池模組1B,1C之第一電池芯組12及第二電池芯組13成為並聯狀態，如此，電池模組1B,1C可提供機車整車電源所需96V之電壓。
參閱圖4，其為本發明之電池模組之開關電路之第三實施例之電連接方式示意圖，並配合參閱圖1，在本發明之開關電路之第三實施例中，機車2之整車控制器21判斷機車2上裝置一電池模組1D，且供應機車整車電源需要96V之電壓，整車控制器21透過通訊介面115指示電池管理系統11，使機車2在電門開啟(key on)狀態時，開關電路114之第一開關1141之第一接點1141a與第二接點1141b切換為導通，第二開關1142切換至第二開關1142之第二接點1142b，即第一開關1141之第二接點1141b切換與該第二開關1142之第二接點 1142b導通，第三開關1143切換至第三開關1143之第一接點1143a，即該第二電池芯組13切換與該第三開關1143之該第一接點1143a導通，使電池模組1D之第一電池芯組12及第二電池芯組13成為串聯狀態，如此，電池模組1D可供應機車整車電源所需96V之電壓。
參閱圖5，其為本發明之電池模組之開關電路之第四實施例之電連接方式示意圖，並配合參閱圖1，在本發明之開關電路之第四實施例中，機車2之整車控制器21判斷機車2上裝置一電池模組1E，且供應機車整車電源需要48V之電壓，整車控制器21透過通訊介面115指示電池管理系統11，使機車2在電門開啟狀態時，開關電路114之第一開關1141之第一接點1141a與第二接點1141b切換為導通，第二開關1142切換至第二開關1142之第一接點1142a，即第一開關1141之第二接點1141b切換與該第二開關1142之第一接點1142a導通，第三開關1143切換至第三開關1143之第二接點1143b，即該第二電池芯組13切換與該第三開關1143之該第二接點1143b導通，使電池模組1E之第一電池芯組12及第二電池芯組13成為並聯狀態，如此，電池模組1E可供應機車整車電源所需48V之電壓。
參閱圖6，其為本發明之電池模組之開關電路之第五實施例之電連接方式示意圖，並配合參閱圖1，在本發明之開關電路之第五實施例中，機車2之整車控制器21判斷機車2上裝置二電池模組1F,1G，二電池模組1F,1G為並聯狀態，且供應機車整車電源需要48V之電壓，整車控制器21透過通訊介面115指示電池管理系統11，使機車2在電門開啟狀態時，開關電路114之第一開關1141之第一接點1141a與第二接點1141b切換為導通，第二開關1142切換至第二開關1142之第一接點1142a，即第一開關1141之第二接點1141b切換與該第 二開關1142之第一接點1142a導通，第三開關1143切換至第三開關1143之第二接點1143b，即該第二電池芯組13切換與該第三開關1143之該第二接點1143b導通，使二電池模組1F,1G之第一電池芯組12及第二電池芯組13成為並聯狀態，如此，電池模組1F,1G可供應機車整車電源所需48V之電壓。
在上述第一實施例至第五實施例中，利用開關電路114之不同電路導通方式，使裝配不同電池模組數量及不同電壓需求之車輛皆可使用相同規格設計之電池模組，不但使供應整車電源之電池模組之規格設計得以統一，同時也減少針對不同車種及不同電壓系統所需電池模組之重複設計。
參閱圖7，其為本發明之電池模組之開關電路之第六實施例之電連接方式示意圖，並配合參閱圖1，在本發明之開關電路之第六實施例中，當電池模組1H之電池管理系統11偵測第一電池芯組12及第二電池芯組13之電壓不均等時，開關電路114之第一開關1141之第一接點1141a與第二接點1141b切換為導通，第二開關1142切換至第二開關1142之第一接點1142a，即第一開關1141之第二接點1141b切換與該第二開關1142之第一接點1142a導通，第三開關1143切換至第三開關1143之第一接點1143a，即該第二電池芯組13切換與該第三開關1143之該第一接點1143a導通，使第一電池芯組12得以進行充電或放電。
詳細而言，當單顆電池模組1H內之第一電池芯組12及第二電池芯組13以串聯方式運作一段時間後，若要回復並聯方式使用時，第一電池芯組12及第二電池芯組13可能電壓不均等，若直接改變開關電路114之電連接方式使第一電池芯組12及第二電池芯組13直接並聯，可能造成極大內部電流，造成第一電池芯組12及第二電池芯組13損壞，因此，在串聯使用後要回復並聯狀態 時，若電壓差異過大，可以透過開關電路114調整電路，僅使用第一電池芯組12對整車輸出能量，當第一電池芯組12及第二電池芯組13之電壓差異縮小時再切換成並聯狀態，抑或可在充電時透過開關切換方式先將電壓較低之第一電池芯組12充電，當第一電池芯組12及第二電池芯組13之電壓差異縮小時再切換成並聯狀態。
參閱圖8，其為本發明之電池模組之開關電路之第七實施例之電連接方式示意圖，並配合參閱圖1，在本發明之開關電路之第七實施例中，當電池模組1I之電池管理系統11偵測第一電池芯組12及第二電池芯組13之電壓不均等時，開關電路114之第一開關1141之第一接點1141a與第二接點1141b切換為不導通，第二開關1142切換至第二開關1142之第一接點1142a，即第一開關1141之第二接點1141b切換與該第二開關1142之第一接點1142a導通，第三開關1143切換至第三開關1143之第二接點1143b，即該第二電池芯組13切換與該第三開關1143之該第二接點1143b導通，使第二電池芯組13得以進行充電或放電。
本發明之開關電路之第七實施例可達到與第六實施例相同之效果，在此不再贅述，差異在於第六實施例是使電池模組1H之第一電池芯組12得以單獨進行充電或放電，第七實施例是使電池模組1I之第二電池芯組13得以單獨進行充電或放電。
由上述內容可知，本發明之電池模組藉由電池管理系統11調整電池模組可提供之電壓，因而可以應用於不同電池模組數量及不同車輛系統之電壓，提升電池模組之使用便利性，同時，電池管理系統11也可在電池模組內之第一電池芯組12及第二電池芯組13之電壓不均等時，使第一電池芯組12或第 二電池芯組13單獨進行充電或放電，避免電壓差異過大時造成第一電池芯組12及第二電池芯組13損壞，延長電池模組之使用壽命。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

Claims (10)

  1. 一種電池模組，係供應電源至一具有一整車控制器之機車，包括有：一電池管理系統(BMS：Battery Management System)，係包括有相互電連接之一控制單元、一電壓感測電路、一控制電路及一開關電路，該整車控制器電連接該電池管理系統並指示電連接方式，該開關電路包括有一第一開關、一第二開關及一第三開關，其中，該第一開關包括有一第一接點及一第二接點，該第一開關之該第一接點可切換與該第二接點為導通或不導通，該第二開關包括有可切換導通位置之一第一接點及一第二接點，該第一開關之該第二接點可切換與該第二開關之該第一接點導通或與該第二開關之該第二接點導通，該第三開關包括有可切換導通位置之一第一接點及一第二接點；一第一電池芯組，其兩端係分別與該第一開關之該第一接點及該第三開關之該第二接點電連接；以及一第二電池芯組，其一端係與該第二開關之該第一接點導通，另一端可切換與該第三開關之該第一接點導通或與第三開關之該第二接點導通。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，該電池管理系統更包括一通訊介面，其用以進行該電池模組與該整車控制器之間的訊號交換。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電池模組，其中，該通訊介面係包括有一控制器區域網路(CANBUS：Controller Area Network bus)介面、一K-Line介面、一藍牙傳輸介面、一紅外線傳輸介面、一Wi-Fi傳輸介面、一無線射頻辨識(RFID：Radio Frequency IDentification)傳輸介面及一近場通訊(NFC：Near Field Communication)傳輸介面之至少其一。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，該開關電路係為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)、繼電器(Relay)及電磁開關之至少其一所構成之開關。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，在電門關閉(key off)狀態時，該第一開關之該第一接點與該第一開關之該第二接點切換為不導通，該第一開關之該第二接點切換與該第二開關之該第一接點導通，該第二電池芯組切換與該第三開關之該第一接點導通。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，在電門開啟(key on)狀態時，該第一開關之該第一接點與該第一開關之該第二接點切換為導通，該第一開關之該第二接點切換與該第二開關之該第一接點導通，該第二電池芯組切換與該第三開關之該第二接點導通，使該第一電池芯組及該第二電池芯組成為並聯狀態。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，在電門開啟狀態時，該第一開關之該第一接點與該第一開關之該第二接點切換為導通，該第一開關之該第二接點切換與該第二開關之該第二接點導通，該第二電池芯組切換與該第三開關之該第一接點導通，使該第一電池芯組及該第二電池芯組成為串聯狀態。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，當該電池管理系統偵測該第一電池芯組及該第二電池芯組之電壓不均等時，該第一開關之該第一接點與該第一開關之該第二接點切換為導通，該第一開關之該第二接點切換與該第二開關之該第一接點導通，該第二電池芯組切換與該第三開關之該第一接點導通，使該第一電池芯組得以進行充電或放電。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，當該電池管理系統偵測該第一電池芯組及該第二電池芯組之電壓不均等時，該第一開關之該第一接點與該第一開關之該第二接點切換為不導通，該第一開關之該第二接點切換與該第二開關之該第一接點導通，該第二電池芯組切換與該第三開關之該第二接點導通，使該第二電池芯組得以進行充電或放電。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中，該整車控制器係用以指示該電池管理系統整車所需電壓、該電池模組之裝置數量及該電池模組之電連接方式。
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