TWI667862B

TWI667862B - High voltage battery management and balancing circuit architecture

Info

Publication number: TWI667862B
Application number: TW106145743A
Authority: TW
Inventors: 吳祈陞; 鍾智賢; 江炫樟; 戴滄禮
Original assignee: 國家中山科學研究院
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2019-08-01
Also published as: TW201929377A

Abstract

本發明係提供一種高壓電池管理與平衡電路架構及其應用，係用於電動大客車的高壓動力電池系統管理與平衡。本發明具有階層式的電池管理系統與電力平衡系統，可以快速、精準的對多個電池串聯成的大型儲電系統進行管理，並於充放電時對每一電池芯進行補償充電或放電。

Description

高壓電池管理與平衡電路架構

本發明係與電動車技術有關，特別係指一種用於電動大客車或大型儲能裝置之高壓電池管理與平衡電路架構及其應用。

高壓電池系統由於有許多電池模組串聯，長久運轉及多次充放電下，難免出現電池模組儲電量不一致情況，有些模組可能過充，有些模組可能過放，這將降低響整個電池系統的SOC容量，甚至降低電池模組的壽命。雖然電池管理系統可以監控電池狀態以適時對電池模組做出保護動作，然而要改善上述問題尚需要電池平衡電路，適時矯正每個電池的不一致性，才能確保電池模組之壽命與容量。為了解決鋰離子電池組各單電壓不平衡之問題，必須將其電池組做均勻平衡之動作，其目的在於串聯電池組每一顆電池都為相同電量狀態，當串聯電池組各電池電壓不同或電量不均勻時，對較高電量或電壓之電池進行較少能量進行充電，反之對較低電壓或電量之電池進行較高能量充電，就能達到均勻平衡電池組電芯電壓之目的，以目前均勻平衡電池技術主要分為主動式技術與被動式技術兩種平衡方式。

被動式平衡技術主要是以長時間過充及消耗電池能量的兩種方式達到平衡效果，不主動拉抬串聯電池組中最低電壓或電量之單電芯電量，因而稱之為被動式平衡法。然而長時間過充將造成原本已達到過充電壓之電芯永久不可逆之損壞；而消耗電池能量不僅無謂耗費電池能量，也將浪費寶貴的平衡時間，如欲加強平衡效率縮短平衡時間，勢必得提高負載功率，如此設計裝置體積與散熱機制將變得棘手。因此被動式平衡法雖然能達到電池平衡的效果，但卻犧牲了電池本身的能量與寶貴的時間，就整體效果而言其平衡效率是偏低的。主動式平衡法針對電池組中最小電壓電芯進行充電，將其電壓提高至與最大電壓相同，然後繼續將其餘電芯進行相同的動作，直到所有的電芯電壓達到平衡狀態。此平衡方法能有效率的使電池組在短時間內達到平衡，充電電流只要電源供應器之功率夠大以及線路耐流許可，就能提高電池平衡的速度，有別於被動式平衡法需要長時間的等待，主動式平衡的效率會比被動式平衡的效率還要高。

過去主動式平衡法主要針對電池模組內多顆電池芯之平衡，其電路大致可分為：

A、電感式平衡法及電容式平衡法

電感式平衡法或電容式平衡法是在串聯電池組中，並聯帶有電感或電容以及開關的均勻平衡副電路，偵測最高電壓或電量之電芯將之能量儲存於電感或電容，並經由開關之效果來對個別電芯進行補電、以達到整個電池組的平衡。

B、獨立均勻平衡電源配合開關電路法

利用一獨立平衡電源與可切換對應於任一單電芯之開關電路進行均勻平衡。獨立電源可利用外加的電源供應器亦或可以是利用反馳式電力電子轉換器將同一充電電源進行隔離接地並將電壓轉成單電芯之充電電壓，直接對較低電壓或電量電芯進行較大能量之均勻平衡充電，持續偵測最小電壓或電量之電芯將之電量拉抬至與最大電壓或電量之單電芯相同，將可在短時間內達到平衡之效果。

然而上述方法限於電路能承受之電壓與電流，均僅適用於較小容量或僅限於模組內電池芯之平衡，難以推廣至由許多電池模組串聯而成之高壓電池系統，兼顧每一電池模組以及每一電池芯之平衡。特別是電動大客車使用多電池模組串聯的高壓電池系統，由於電池數量與系統電壓、電流均相當大，控制難度也隨之上升。單以現有的主動式平衡方法無法符合電動大客車的高壓電池系統能量平衡與智慧管理需求。

為解決先前技術之缺點，本發明係提供一種高壓電池管理與平衡電路架構及其應用，係用於電動大客車的高壓動力電池系統管理與平衡。本發明具有階層式的電池管理系統與電力平衡系統，可以快速、精準的對多個電池串聯成的大型儲電系統進行管理，並於充放電時對每一電池芯進行補償充電或放電。

本發明係提供一種高壓電池管理與平衡電路架構，係包括：電池櫃，該電池櫃由複數電池單元組成，該電池單元由複數電池群組成，該電池群由複數電池模組組成，該電池模組由複數電池芯組成；階層式電力管理系統(Hierarchical Power Management System,HPMS)，其具有電池芯監控單元(Cell Monitor Unit,CMU)與電池管理單元(Battery Management Unit,BMU)；以及階層式能量平衡系統(Hierarchical Energy Balance System,HEBS)，其具有電池芯平衡電路(cell balance circuit,CBC)、模組平衡電路(module balance circuit,MBC)與電池群平衡電路(battery group balance circuit,GBC)，分別負責對各電池芯、各電池模組與各電池群的電量平衡動作；其中該電池芯平衡電路的動作由該電池芯監控單元控制，該模組平衡電路與該電池群平衡電路的動作由該電池管理單元控制。

本發明之一實施例中，該電池芯監控單元係監測所有電池芯的電壓與溫度，並透過一通訊匯流排與該電池管理單元通訊。該電池管理單元係量測與監控所有電池芯的電量(State of Charge,SOC)、充放電電壓及電流。該電池管理單元係根據該電池芯監控單元提供之電池溫度參數，在任一電池芯溫度過高時執行保護動作。

本發明之一實施例中，該電池芯平衡電路與模組平衡電路係分別具有隔離式雙向之反馳式轉換器。該電池群平衡電路係具有隔離式雙向之推挽式轉換器。

本發明係提供一種應用該高壓電池管理與平衡電路架構之電池平衡方法，該方法步驟係為：電池監控單元(CMU)量測所有電池芯的電壓、並回報給電池管理單元(BMU)S001；電池管理單元(BMU)同時啟動各電池芯平衡電路(CBC)、模組平衡電路(MBC)與電池群平衡電路(GBC)的電力平衡動作，讓電池櫃內所有電池芯的電壓達成一致S002；進行整個電池櫃的充電或放電動作S003；持續監測各電池芯的平衡狀態，若該電池櫃中某個部分(任一電池群、電池模組或電池芯)的不平衡狀態超過容忍範圍，則啟動階層式能量平衡系統(HEBS)中相對應階層的平衡電路進行平衡S004。

本發明之一實施例中，該容忍範圍係比較電池芯之間的最高電壓與最低電壓差，並將該電壓差與最低的電池芯電壓相除，以得到的數值化為百分比來判斷電池芯之間的電壓平衡差距是否超過預設之容忍範圍。本發明亦可以各電池群、各電池模組之間的平均電壓差來判斷是否執行平衡動作。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

11、12‧‧‧電池單元

111、112、211、212、213‧‧‧電池群

111A、111B、111C、111D、311A、311B、311C、311D、411A‧‧‧電池模組

411A_1、411A_2、411A_3、411A_4‧‧‧電池芯

GBC_1、GBC_2、GBC_3‧‧‧電池群平衡電路

MBC_1、MBC_2、MBC_3、MBC_4‧‧‧模組平衡電路

CBC_1、CBC_2、CBC_3、CBC_4、50‧‧‧電池芯平衡電路

CMU、CMU_1、CMU_2、CMU_3、CMU_4‧‧‧電池芯監控單元

BMU‧‧‧電池管理單元

51‧‧‧CBC放電控制端

52‧‧‧CBC充電控制端

53、63‧‧‧反馳式轉換器

I_cc‧‧‧充電命令

I_dc‧‧‧放電命令

S1‧‧‧一次側開關

S2‧‧‧二次側開關

61‧‧‧MBC放電控制端

62‧‧‧MBC充電控制端

64、73‧‧‧電壓控制器

65‧‧‧光耦合器

71‧‧‧主動鉗位之電流源推挽式轉換器

72‧‧‧全橋式轉換器

74‧‧‧電流控制器

75‧‧‧PWM開關

76‧‧‧主動式鉗位器

Q₁,Q_1p‧‧‧一階側開關

Q₂,Q_2p‧‧‧二階側開關

S001~S004‧‧‧方法步驟

圖1係為本發明之電池櫃實施例結構示意圖。

圖2係為本發明之階層式電力管理系統第一實施例架構示意圖。

圖3係為本發明之階層式電力管理系統第二實施例架構示意圖。

圖4係為本發明之階層式電力管理系統第三實施例架構示意圖。

圖5係為本發明之電池芯平衡電路(CBC)控制架構實施例示意圖。

圖6係為本發明之模組平衡電路(MBC)控制架構實施例示意圖。

圖7係為本發明之電池群平衡電路(GBC)控制架構實施例示意圖。

圖8係為應用該高壓電池管理與平衡電路架構之電池平衡方法流程圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。

請參閱圖1，係為本發明之電池櫃實施例結構示意圖，如圖所示，該電池櫃具有一階層式的電池組成架構，電池櫃(battery cabinet)1由複數電池單元(battery unit)11、12組成，電池單元由複數電池群(battery group)111、112、...組成，電池群由複數電池模組(battery module)111A、111B、111C、111D組成，電池模組即為一般習知由複數電池芯(battery cell)串聯組成的電池組。本發明一實施例中，可由14.7V 4S4P 200Ah(50Ah*4)的電池模組(battery module)為單位進行電池管理，首先以4組電池模組形成一電池群(battery group)，再由10組電池群串聯成600V/120kWh之高串聯電池單元(battery unit)，並可由2電池單元組成一240kWh之電池櫃(battery cabinet)。

圖2係為本發明之階層式電力管理系統第一實施例架構示意圖，如圖所示，該實施例係顯示本發明於電池群層級的管理與平衡電路架構。在一電池單元(battery unit)中包含複數電池群，每個電池群211、212、213、...都搭配一組電池群平衡電路GBC_1、GBC_2、GBC_3、...，各電池群平衡電路採用隔離式雙向之推挽式轉換器(push-pull converter)，可在整系統進行充電或放電的同時提供電池群額外之充電及放電電流，加速每一電池群211、212、213、...儲電之平衡。該階層式電力管理系統HPMS具有電池監控單元CMU負責各電池的電壓與溫度監控，同時透過通訊介面與BMU溝通，電池管理單元BMU則負責所有電池的電量(State of Charge,SOC)計算，充放電電壓及電流量測，模組溫度保護，對內與CMU及對外代表整個電池單元(battery unit)層級與系統之通訊等。需特別指出的是，電池監控單元CMU的數量並非限定為本實施例圖式揭露之一組，由於CMU必須監控到電池芯(battery cell)層級的狀態，因此該CMU實際上可能包含多個個別的控制硬體CMU_1、CMU_2、...分別對所有電池群中的每一電池模組進行監控，以達成對電池群層級的充放電管理與平衡動作。該電池單元中的電池群的數量亦可由使用者自行決定，並不限定於本發明所揭示的態樣。

圖3係為本發明之階層式電力管理系統第二實施例架構示意圖，如圖所示，該實施例係顯示本發明於電池模組(battery module)層級的管理與平衡電路架構。在本實施例中，該電池群311內包含四個電池模組，每個電池模組311A、311B、311C、311D都搭配一組模組平衡電路MBC_1、MBC_2、MBC_3、MBC_4，同時搭配各自的電池監控單元CMU_1、CMU_2、CMU_3、CMU_4、負責該電池群311儲電平衡的電池群平衡電路GBC_1，以及電池管理單元BMU，達成對電池模組層級的充放電管理與平衡動作。該模組平衡電路採用隔離式雙向之反馳式轉換器(flyback converter)，可在系統進行充電或放電的同時提供電池模組額外之充電及放電電流，加速每一電池模組儲電之平衡。每一電池群中所包含的電池模組數量可由使用者自行決定，並不限定於本發明所揭示的態樣。

圖4係為本發明之階層式電力管理系統第三實施例架構示意圖，如圖所示，該實施例係顯示本發明於電池芯(battery cell)層級的管理與平衡電路架構。在本實施例中，該電池模組411A內包含四個電池芯，每一電池芯411A_1、411A_2、411A_3、411A_4都搭配一組電池芯平衡電路CBC_1、CBC_2、CBC_3、CBC_4，同時搭配所屬電池模組之模組平衡電路MBC_1、所屬電池群之電池群平衡模組GBC_1以及電池監控單元CMU_1與電池管理單元BMU。該電池芯平衡電路採用隔離式雙向之反馳式轉換器(flyback converter)，可在系統進行充電或放電的同時提供電池芯額外之充電及放電電流，加速每一電池芯儲電之平衡。每一電池模組中所包含的電池芯數量可由使用者自行決定，並不限定於本發明所揭示的態樣。

本發明之一實施例中，多組電池芯平衡電路(CBC)之輸出連接到同一組模組平衡電路(MBC)的輸入，而多組模組平衡電路(MBC)之輸出又連接到同一組電池群平衡電路(GBC)的輸入，因此模組平衡電路(MBC)提供其管轄之複數組電池芯平衡電路(CBC)間能量之交換，而電池群平衡電路(GBC)提供其管轄之複數組模組平衡電路(MBC)間能量之交換，藉由這些階層的轉換器，每一電池芯均能將能量傳遞至該電池單元的能量池中，亦能由電池單元的能量池中獲取能量，而且由於該些平衡電路之轉換器可同時動作，因此整個系統有能力以最快速的方式達到平衡。

圖5係為本發明之電池芯平衡電路(CBC)控制架構實施例示意圖，如圖所示，該電池芯平衡電路(CBC)50具有CBC放電控制端51、CBC充電控制端52與具有變壓器之反馳式轉換器53，其工作範圍舉例而言可為15W、3.7V15V，反馳式轉換器53其一次側及二次側均採用峰值電流控制方法，根據接收到的充電命令(I_cc)或放電命令(I_dc)執行對電池芯411A_1進行充電或放電動作，當執行充電動作時僅二次側之CBC充電控制端52動作，一次側開關S1為截止，利用其旁路之二極體作整流動作。反之，當執行放電動作時僅一次側之CBC放電控制端51動作，二次側開關S2為截止，利用其旁路之二極體作整流動作。充電命令(I_cc)或放電命令(I_dc)則由CMU(圖未示)產生。

圖6係為本發明之模組平衡電路(MBC)控制架構實施例示意圖，如圖所示，該模組平衡電路(MBC)具有MBC放電控制端61、MBC充電控制端62、具有變壓器之反馳式轉換器63、電壓控制器64與光耦合器65，其一次側及二次側均採用峰值電流控制方法，MBC的控制目的在於維持所在電池模組之功率平衡，其輸出電壓(60V)由GBC所維持，而其本身利用維持模組輸入電壓V_module之方式決定MBC是做充電亦或放電的動作。若所在電池模組內電池芯CBC的電池平衡總和需要放電，則電壓控制器64會產生一次側放電電流命令(I_dc)給一次側的MBC放電控制端(係可為峰值電流控制器)；若所在電池模組內電池芯CBC的平衡總和需要充電，則電壓控制器64會產生二次側放電電流命令(I_dc)並經由光耦合器65傳遞給二次側的MBC充電控制端62(係可為峰值電流控制器)。以上模組之電壓命令(V_mc)則由電池管理單元(BMU)(圖未示)所設定。

圖7係為本發明之電池群平衡電路(GBC)控制架構實施例示意圖，如圖所示，該電池群平衡電路(GBC)具有主動鉗位之電流源推挽式轉換器(active-clamped current-fed push-pull converter,ACCFPPC)71及全橋式轉換器72，其電路一次側採用主動鉗位之電流源推挽式轉換器(active-clamped current-fed push-pull converter,ACCFPPC)，二次側則採用全橋式轉換器以作為同步整流電路，該主動鉗位之電流源推挽式轉換器中包含電壓控制器73、電流控制器74、PWM開關75、主動式鉗位器76、一階側開關(Q₁,Q_1p)、二階側開關(Q₂,Q_2p)與線圈，該全橋式轉換器具有同步整流器77與四個開關，此種設計可控制一次側之開關作雙向之電力潮流控制。GBC的控制目的在於維持所在電池群(battery group)之功率平衡，其輸出電壓(600V)即為高串聯電池單元(battery unit)之電壓，而其本身利用維持電池群輸入電壓(V_group)之方式決定GBC是做充電亦或放電的動作。若所在電池群內電池模組MBC的平衡總和需要放電，則電壓控制器73會產生正的電流命令(I_bc)給電流控制器74；反之若所在電池群內電池模組MBC的平衡總和需要充電，則電壓控制器73會產生負的電流命令(I_bc)。藉由電流控制器74可以使輸入之電感電流雙向流通，以上電池群之電壓命令(V_gc)則由電池管理單元(BMU)(圖未示)所設定。

藉由以上所述之由各層級之平衡電路所組成之階層式能量平衡系統(Hierarchical Energy Balance System,HEBS)，本發明可以使電池單元(battery unit)內各層級的各電池芯、電池模組、電池群同時作能量的平衡動作，而且所有的CBC、MBC、GBC均具備允許充電或放電的最大容量，因此可以最快的速度達成所有電池芯能量的平衡，但考慮電路工作仍會耗電，因此本發明可加入智慧節能判斷，考慮工作模式之平衡電路工作模式以增進電池儲電能力及壽命。

本發明進一步提供一種供電動大客車進廠維修、充電時(非行駛狀態)的電池平衡方法，以電動大客車(電動巴士)之高壓動力電池系統為例，本發明之階層式電力管理系統HPMS(置於車上)可與階層式電力平衡系統HEBS(置於廠內)分離，每次進廠充電期間或定時進廠維護期間才作平衡。HPMS需持續監控電池之狀態因此必須置於車上，然而HEBS僅在電池不平衡時才啟動，因此若電池平衡狀態佳，HEBS不一定要隨車。本工作模式之概念為車輛到廠充電或維護時，即便是行駛路程中臨時之充電站，在充電或維護過程若能同時做電池平衡動作，且可以確實保證出廠時電池為平衡，則在幾十或幾百公里行駛的里程內，發生電池不平衡之機率可以被降到最低。同時由於電池一直都保持良好狀態，電池的容量以及電池的壽命都能被確保。

本發明係提供一種應用該高壓電池管理與平衡電路架構之電池平衡方法，如圖8所示，該方法步驟係為：電池監控單元(CMU)量測所有電池芯的電壓、並回報給電池管理單元(BMU)S001；電池管理單元(BMU)同時啟動各電池芯平衡電路(CBC)、模組平衡電路(MBC)與電池群平衡電路(GBC)的電力平衡動作，讓電池櫃內所有電池芯的電壓達成一致S002；進行整個電池櫃的充電或放電動作S003；持續監測各電池芯的平衡狀態，若該電池單元中某個部分(某一電池群、電池模組或電池芯)的不平衡狀態超過容忍範圍，則啟動階層式能量平衡系統(HEBS)中相對應階層的平衡電路進行平衡S004。

綜上所述，本發明係提供一種高壓電池管理與平衡電路架構及其應用，本發明具有階層式的電池管理系統與能量平衡系統，可快速、準確的對電動大客車上多個電池組串聯而成的高壓動力電池系統進行充放電的平衡補償。藉由智慧型的電能管理，以及完備的電池平衡電路，使得所有電池芯均能夠即時達到平衡，在充放電下所有電池芯都能得到完善保護，以確保電池系統的儲電與充放電能力、壽命以及安全性。相較於先前技術，本發明可以更準確的得知高壓電池系統中任一電池芯的充放電狀態，並即時迅速的進行補償。本發明的階層式電池管理系統與階層式能量平衡系統可達到精準管控電池系統消耗與節省控制補償用電的功效，並且可自由搭配在單一裝置(大客車)或不同裝置(大客車與修護廠分開)，具有高運用彈性與高擴充性。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims

一種高壓電池管理與平衡電路架構，係包括：電池櫃，該電池櫃由複數電池單元組成，該電池單元由複數電池群組成，該電池群由複數電池模組組成，該電池模組由複數電池芯組成；階層式電力管理系統，其具有電池芯監控單元與電池管理單元；以及階層式能量平衡系統，其具有電池芯平衡電路、模組平衡電路與電池群平衡電路，分別負責對各電池芯、各電池模組與各電池群的電量平衡動作；其中該電池芯平衡電路的動作由該電池芯監控單元控制，該模組平衡電路與該電池群平衡電路的動作由該電池管理單元控制。
如請求項1所述之高壓電池管理與平衡電路架構，其中該電池芯監控單元係監測所有電池芯的電壓與溫度，並透過一通訊匯流排與該電池管理單元通訊。
如請求項2所述之高壓電池管理與平衡電路架構，其中該電池管理單元係量測與監控所有電池芯的電量、充放電電壓及電流。
如請求項3所述之高壓電池管理與平衡電路架構，其中該電池管理單元係根據該電池芯監控單元提供之電池溫度參數，在任一電池芯溫度過高時執行保護動作。
如請求項1所述之高壓電池管理與平衡電路架構，其中該電池芯平衡電路與模組平衡電路係具有隔離式雙向之反馳式轉換器。
如請求項1所述之高壓電池管理與平衡電路架構，其中該電池群平衡電路係具有隔離式雙向之推挽式轉換器。
如請求項1所述之高壓電池管理與平衡電路架構，其中該電池芯平衡電路具有放電控制端、充電控制端與反馳式轉換器。
如請求項1所述之高壓電池管理與平衡電路架構，其中該模組平衡電路具有放電控制端、充電控制端、反馳式轉換器、電壓控制器與光耦合器。
如請求項1所述之高壓電池管理與平衡電路架構，其中該電池群平衡電路具有主動鉗位之電流源推挽式轉換器及全橋式轉換器，該主動鉗位之電流源推挽式轉換器中包含電壓控制器、電流控制器、PWM開關、主動式鉗位器、一階側開關、二階側開關與線圈，該全橋式轉換器具有同步整流器與四個開關。