TWI667864B - Battery balance management circuit - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一電池平衡管理電路，包含：一主被動測試平衡匯流排；複數個電池組；一主充電轉換器；一次充電系統；一電子負載；以及一電池管理系統，本發明以額外的平衡管理機制來補償電池組的電流損耗，可以有效使電池組提供穩定的大電流輸出。

Description

電池平衡管理電路
本發明係與電池系統控制技術有關，其特別有關於使用外接電源供應電路的電池平衡管理電路，可以有效使電池組提供穩定的大電流輸出。
電池系統已廣泛地被應用在各類電動車、不斷電系統以及相關的儲能裝置等。電池管理系統(Battery Management System，BMS)是電池與應用產品的關鍵控制組件。主要是為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監控電池的狀態。
隨著電池管理系統的發展，目前可以實現以下幾個功能：(1)準確估測SOC：準確估測電池組的電荷狀態(State of Charge，即SOC)，即電池剩餘電量，以保證SOC維持在合理的範圍內，防止由於過充電或過放電對電池的損傷。(2)動態監測：在電池充放電過程中，即時收集電池組中的每一個電池的端電壓、溫度、充放電電流及電池總電壓，防止電池發生過充電或過放電現象。同時能夠及時挑選出有問題的電池，保持整組電池運行的可靠性和高效性。(3)電池間均衡：亦即使電池組中各個電池都達到均衡一致的充電狀態。均衡技術是 目前世界正在致力研究與開發的一項電池能量管理系統的關鍵技術。
公告專利I527341揭示一種電池管理系統、電流平衡方法以及電路。該電池管理系統包括：電池組，包括多個電池模組；以及多個控制電路，與多個電池模組對應，其中，每一控制電路包括：控制單元，管理對應的多個電池模組，控制單元由對應的消耗電流操作；以及補償單元，耦接至控制單元，產生對應的補償電流，以使對應的消耗電流和對應的補償電流的總和等於目標總電流，其中，多個控制電路至少包括第一控制電路和第二控制電路，第一控制電路包括利用第一消耗電流操作的第一控制單元，第二控制電路包括利用第二消耗電流操作的第二控制單元，第一控制電路基於第一消耗電流和第二消耗電流的比較結果產生第一補償電流，第二控制電路基於第一消耗電流和第二消耗電流的比較結果產生第二補償電流。
然而前述技術在實際應用、量產成為電池管理系統電路時尚有需多問題需要克服，以前述專利為例，該專利將電池管理系統與電源供應電路整合、製作於單一電路板上，電流量會受限於該電池管理系統的電流量，且無法穩定提供大電流輸出。因此降低產品的應用性。
為解決先前技術之缺點，本發明係提供一種電池 平衡管理電路，係以額外的平衡管理機制來補償電池電流損耗，可以有效使電池組提供穩定的大電流輸出，本發明並具有記錄執行平衡充放電動作歷程之功能，可供使用者評估電池使用狀態與預估除役壽限。
本發明係提供一種電池平衡管理電路，係包括：複數電池組，每個電池組係分別包含一電池、一連接於該電池正極的上開關與一連接於該電池負極的下開關；一主被動測試平衡匯流排，其具有一正極線與一負極線，該些電池組的上開關均電性連接該正極線，該些電池組的下開關均電性連接該負極線；一主充電轉換器，具有一第一端與一第二端，該第一端電性連接該主被動測試平衡匯流排的該正極線；一次充電系統，係電性連接該主被動測試平衡匯流排之該正極線與該負極線，且藉由該主被動測試平衡匯流排之該正極線電性連接該主充電轉換器的該第一端；一電子負載，係電性連接該主被動測試平衡匯流排之該正極線與該負極線；以及一電池管理系統，係監測該些電池組的狀態，其具有一第一電流線電性連接該主充電轉換器之該第二端、一第二電流線電性連接一應用端。
本發明之一實施例中，該次充電系統與該主被動測試平衡匯流排之該正極線與該負極線之間，包含一組以上之開關控制器。
本發明之一實施例中，該次充電系統係透過該開 關控制器監測、測試該正極線與該負極線之電流。
本發明之一實施例中，該次充電系統測試到該正極線與該負極線之電流異常時，該電子負載會改變其負載量，以平衡該正極線與該負極線之電流。
本發明之一實施例中，該電池管理系統監測到該些電池組中至少一個電池組的狀態異常時，會提供一第一信號給該次充電系統。該次充電系統接收到該第一信號時，將該狀態異常電池組的上開關與該主被動測試平衡匯流排之該正極線斷開，或將狀態異常電池組的下開關與該主被動測試平衡匯流排之該負極線斷開。
本發明之一實施例中，該電池管理系統監測到該些電池組的至少一個電池組的狀態異常時，會提供一第二信號給該電子負載。該電子負載接收來自該電池管理系統的該第二信號後，該電子負載經由該主被動測試平衡匯流排提供一平衡電流，以補償該些異常電池組無法提供的電流損失。
本發明之一實施例中，該次充電系統與該電池管理系統係製作於不同電路板之上。該電子負載與該電池管理系統製作於不同電路板之上。
本發明之一實施例中，該電池為二次電池(汰舊回收之電池)。
本發明之外接電源供應電路的電池管理系統具有以下功效：(1)透過額外的電源供應與平衡途徑，該電池管 理系統可以有效使電池組提供穩定的大電流輸出。(2)由於次充電系統、電子負載獨立於該電池管理系統之外，電流量不會受限於電池管理系統本身的電流量，可適用於不同的電流應用的儲能產品，提高產品的應用性。
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。
10‧‧‧電池平衡管理電路
110‧‧‧主被動測試平衡匯流排
112‧‧‧正極線
114‧‧‧負極線
120‧‧‧電池組
121‧‧‧電池
122‧‧‧電池
123‧‧‧電池
121a‧‧‧上開關
122a‧‧‧上開關
123a‧‧‧上開關
121b‧‧‧下開關
122b‧‧‧下開關
123b‧‧‧下開關
121c‧‧‧開關控制器
122c‧‧‧開關控制器
123c‧‧‧開關控制器
130‧‧‧主充電轉換器
132‧‧‧第一端
134‧‧‧第二端
140‧‧‧次充電系統
142‧‧‧正極線開關
144‧‧‧負極線開關
150‧‧‧電子負載
160‧‧‧電池管理系統
162‧‧‧第一開關
163‧‧‧第一電流線
164‧‧‧第二開關
165‧‧‧第二電流線
166‧‧‧第一訊號
168‧‧‧第二訊號
170‧‧‧監測電路
180‧‧‧應用端
圖1係為本發明之電池平衡管理電路的功能方塊示意圖。
圖2係為本發明之電池平衡管理電路的電池組部分線路連接示意圖。
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。
請參照第1圖，其顯示為本發明之電池平衡管理電路的功能方塊示意圖。同時請參照第2圖，其顯示為本發明之電池平衡管理電路的電池組部分線路連接示意圖。
本發明提出一種電池平衡管理電路10，包含：一主被動測試平衡匯流排110；複數個電池組120；一主充電轉換 器130；一次充電系統140；一電子負載150；以及一電池管理系統160。本發明之電池平衡管理電路100的外接電源供應電路包含該次充電系統140與該電子負載150。
該主被動測試平衡匯流排110，具有一正極線112與一負極線114，係作為本發明之電池平衡管理電路的主要平衡電力調配通道。在該些電池組120中包含了複數個電池組。圖中雖僅畫出三個電池組，但可以接上更多電池組，主要是依照應用時的電壓與電流要求來決定電池組的數目。每一個電池組包含一個電池，以及一個開關控制器，一個連接於電池正極的上開關，與一個連接於電池負極的下開關，該每一個電池組的上開關電性連接該正極線，且該每一個電池組的下開關電性連接該負極線。舉例來說，在一個電池組中包含一個電池121，一個開關控制器121c，以及一個連接於電池正極的上開關121a，與一個連接於電池負極的下開關121b，該每一個電池組的上開關121a電性連接該正極線112，且該每一個電池組的下開關121b電性連接該負極線114。該開關控制器121c用以控制上開關121a與下開關121b連接或者斷開。同理，電池122、123等皆有相同的線路配置。
該些電池組120主要是二次電池，二次電池係指經使用後汰舊回收之電動車動力電池，這些回收後的二次電池雖不符合電動車安全電量的需求，但通常能量密度還很高(約原本容量80%)，能回收作為其他對電池電量較不要求的儲 能用途，亦可減少電動車電池汰換下來衍生的廢棄處理問題。然而這些二次電池依然存在一些缺點，如存儲能量少、壽命短、串並聯使用問題、使用安全性、電池實際電量估算困難等。二次電池的性能曲線會比全新電池複雜，不同類型的電池特性亦相差很大。本發明之電池平衡管理電路係主要解決回收二次電池再利用所遇到的各項問題，特別是電池組間放電電流不一致造成能量管理困難、輸出不穩的情況，因此本發明提出以外接平衡電源來補償該二次電池構成之電池組的放電電流，以更符合使用者的實際需求。
該主充電轉換器130，具有一第一端132與一第二端134，該第一端132電性連接該主被動測試平衡匯流排110的該正極線112。
該次充電系統140係為一主動式平衡系統，其自身具有控制單元與記憶單元(圖未示)。該次充電系統140電性連接該主被動測試平衡匯流排110之該正極線112與該負極線114，且藉由該主被動測試平衡匯流排110之該正極線112電性連接該主充電轉換器130的該第一端132。該次充電系統140係可主動(獨立於電池管理系統外)透過該主被動測試平衡匯流排110監測該電池組的電流量，並藉由該記憶單元記錄使用過程中的充、放電平衡動作歷史記錄，供使用者作為評估電池壽命與狀態的依據。
該電子負載150係作為一被動平衡系統，係可為 高功率電阻等用於消耗功率之元件。該電子負載150電性連接該主被動測試平衡匯流排110之該正極線112與該負極線114。
該電池管理系統160(BMS)藉由一監測電路170監測該些電池組120的狀態，其具有一第一電流線163、藉由一第一開關162電性連接該主充電轉換器130之該第二端134，且具有一第二電流線165、藉由一第二開關164電性連接一應用端180。該第一開關162由該電池管理系統160所控制，決定是否連接或斷開該第一電流線163，以提供或不提供電流給該主充電轉換器130；且該第二開關164由該電池管理系統160所控制，決定是否連接或斷開該第二電流線165以提供電流給該應用端180。應用端係指該電池組供電給其使用的系統、裝置、電網等等，例如將本發明應用於電動車的動力系統中，對電動車輛的動力電池進行平衡管理。或者將本發明應用於二次電池(汰舊回收之電池)組成的儲能系統，此時應用端係指接收該些二次電池電力的使用者、電力裝置、儲能電網等。
該電池管理系統160除了具有傳統習知技術電池管理系統之功能外，還可以建立該些電池組120的使用歷史檔案，為進一步優化和開發新型電池組及主充電轉換器等提供資料，或為離線分析系統故障提供依據。
在該次充電系統140與該主被動測試平衡匯流排110之該正極線112與該負極線114之間，包含一正極線開關142電性連接於該主被動測試平衡匯流排110之該正極線112， 且一負極線開關144電性連接於該主被動測試平衡匯流排110之該正極線114。
在一實施例中，該次充電系統140主動連接該正極線開關142與該負極線開關144，以主動測試該主被動測試平衡匯流排110之該正極線112與該負極線114之電流。電池充放電的過程通常會採用精度高、穩定性好的電流感測器來進行實施檢測。一般電流根據該電池管理系統160的前端電流大小不同，來選擇對應的感測器。電流感測器的要求是具有耐低溫、高溫、強震、精度高，且回應時間快的特點。
當該次充電系統140測試到該主被動測試平衡匯流排110之該正極線112與該負極線114之電流異常時，該電子負載150會改變其負載量，以平衡該主被動測試平衡匯流排110之該正極線112與該負極線114之電流。
在另一實施例中，該電池管理系統160藉由該監測電路170監測到該些電池組120的至少一個電池組的狀態異常時，舉例來說是電池組121的狀態異常，會提供一第一信號166給該次充電系統140。該次充電系統140接收到來自該電池管理系統160的該第一信號166時，將通知該些異常電池組121的開關控制器121c，將該些異常電池組121的上開關121a與該主被動測試平衡匯流排110之該正極線112斷開，或將該些異常電池組121的下開關121b與該主被動測試平衡匯流排110之該負極線114斷開。
同樣地，該電池管理系統160藉由該監測電路170監測到該些電池組120的至少一個電池組的狀態異常時，舉例來說是電池組121的狀態異常，會提供一第二信號168給該電子負載150。該電子負載150接收來自該電池管理系統160的該第二信號168，該電子負載150經由該主被動測試平衡匯流110排提供一平衡電流，以補償該些異常電池組121無法提供的電流損失。
該外接電源供應電路包含該次充電系統140與該電子負載150與該電池管理系統160製作於不同電路板之上，平衡電流量不會受限於電池管理系統的電流量，而能提供更大的穩定電流輸出，因此可以廣泛地應用在各種的儲能系統與電動車能量管理技術。
綜上所述，本發明之外接電源供應電路的電池管理系統具有以下功效：(1)透過外接電源供應電路，該電池管理系統可以有效使電池組提供穩定的大電流輸出。(2)由於的電源供應電路與電池管理系統製作於不同的板子上，電流量不會受限於傳統電池管理系統的電流量，可適用於不同的電流應用的儲能產品，提高產品的應用性。本發明可用於二次電池回收再利用的檢測、充放電平衡，亦可用於電動車上定期檢測電池健康狀態，從本發明記錄的電池充放電平衡歷程來管控、提醒使用者電池除役時間，提高電動車能量管理效率與安全性。
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 (10)

  1. 一種電池平衡管理電路，係包括：複數電池組，每個電池組係分別包含一電池、一連接於該電池正極的上開關與一連接於該電池負極的下開關；一主被動測試平衡匯流排，其具有一正極線與一負極線，該些電池組的上開關均電性連接該正極線，該些電池組的下開關均電性連接該負極線；一主充電轉換器，具有一第一端與一第二端，該第一端電性連接該正極線；一次充電系統，係電性連接該正極線與該負極線，且藉由該正極線電性連接該主充電轉換器的該第一端；一電子負載，係電性連接該正極線與該負極線；以及一電池管理系統，係監測該些電池組的狀態，其具有一第一電流線電性連接該主充電轉換器之該第二端、一第二電流線電性連接至一應用端。
  2. 如請求項1所述之電池平衡管理電路，其中在該次充電系統與該正極線、該負極線之間，包含一組以上開關控制器。
  3. 如請求項2所述之電池平衡管理電路，其中該次充電系統係透過該開關控制器監測、測試該正極線與該負極線之電流。
  4. 如請求項3所述之電池平衡管理電路，其中當該次充電系統測試到該正極線與該負極線之電流異常時，該電子負載會改變其負載量，以平衡該正極線與該負極線之電流。
  5. 如請求項1所述之電池平衡管理電路，其中該電池管理系統監測到該些電池組中至少一個電池組的狀態異常時，會提供一第一信號給該次充電系統。
  6. 如請求項5所述之電池平衡管理電路，其中該次充電系統接收到該第一信號時，將該狀態異常電池組的上開關與該主被動測試平衡匯流排之該正極線斷開，或將狀態異常電池組的下開關與該主被動測試平衡匯流排之該負極線斷開。
  7. 如請求項1所述之電池平衡管理電路，其中該電池管理系統監測到該些電池組中至少一個電池組的狀態異常時，會提供一第二信號給該電子負載。
  8. 如請求項7所述之電池平衡管理電路，其中該電子負載接收來自該電池管理系統的該第二信號後，該電子負載經由該主被動測試平衡匯流排提供一平衡電流，以補償該些異常電池組無法提供的電流損失。
  9. 如請求項1所述之電池平衡管理電路，其中該次充電系統、該電子負載與該電池管理系統係分別製作於不同電路板之上。
  10. 如請求項1所述之電池平衡管理電路，其中該電池為二次電池。
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