TWI670913B - 電池管理系統及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明係一種電池管理系統及其方法，其提供電池組於不同級之電池可個別管理，而避免電池整體毀損或不當消耗，並避免電池組的其中一電池放完電而轉變為逆向充電。

Description

電池管理系統及其方法

本發明係關於一種管理系統及其方法，特別係指一種電池管理系統及其方法。

一般而言，現有的電池管理系統能提供的安全性保護項目包含充電過電壓保護、充電過電流保護、放電過熱保護、充電過熱保護及充電時間保護等等。當電池管理系統執行充電過電壓保護時，電池管理系統會在電池充電時電壓超過一電壓門檻值時啟動保護機制，如切斷電池之充電開關，並於電壓下降至低於此電壓門檻值時解除保護機制。

隨著現今電子科技高度發展，高電壓的串聯電池組已廣泛應用於電動車、油電混合車以及工業備用電池等領域。其中，尤以鋰電池為現今較為廣泛之應用，而現有鋰電池之管理系統不管充電狀態或放電狀態，對於電池電壓監測皆以量測電池之正、負端子間的電壓，這兩端子間的電壓是由電池電動勢所對應之電壓加上電流流動時在電池內阻上所產生的電壓降所得的總和電壓，因此，電池之正、負端子間所量出之電壓會隨量測時的使用電流大小所影響，不管儲能設備或車輛之使用電流隨時在改變，但目前管理系統量測各個電池之電壓都採用循序量測方式，並非同一時間量測各點電壓，尤其鋰鐵電池在使用時，電壓從滿載到使用90%相對於電壓降低量小於10%，其相對應使用電流之變化量最小差異變化常在10倍以上，所以此種電流變化量反應在電池內阻上產生的壓降變化達到電池電量差異所產生的電動勢變化的數倍以上，導致在此種電池電量變化情況下，目前電壓監測無法正確測出電池狀況。

再者，現有電池管理系統在充電或放電過程會若一顆(或數顆)電池充飽電後，啟動充電平衡功能，以在等其他電池權充飽後才斷電，這些平衡 裝置若要完全滿電池需求，必須消耗很大能量，在小功率電池組之電池管理上，影響較低，如手提電腦或筆記型電腦之電池管理系統(功率在100瓦特左右時，負載變化不大)，但在儲能設備或車輛之使用電池的功率超過數千瓦特以上，若要達到完全滿足電池需求時，電池管理系統需要非常高的功率值，如此電池管理系統的成本較高且體積會大幅增加，又會導致產生大量熱，所以目前上市產品較難以適合並滿足上述較大功率的需求，另外，在使用過程中，只要電池組中儲電量較小之電池放完電，整個電池組也不能繼續使用，所以充電時浪費大量能源讓電池多充的電也不能用。

另外，電動車或油電混合汽車所使用之高電壓電池為透過複數個電池串聯而成的電池組，藉由電池串聯而獲得高電壓，如此每一個電池設立平衡模組或監測模組，將會造成電池管理系統需要大面積的電路設置複數個平衡模組或監測模組，以對每一級的電池進行監測，如此習知電池管理系統將會導致電路面積增加並增加電路複雜度。

如此現有電池管理系統之電路架構不易精確判斷電池組過度充放電之狀況，且電路複雜在啟動平衡功能時需消耗很大能量會產生高熱，所以要有很大的散熱裝置，否則故障率會很高，導致現有電池管理系統之成本較高且充放電過程中浪費較多能源，另外，量測電池狀態不精確的情況下，讓電池處在較高電壓充電或過度放電之邊緣時間拉長，而造成電池壽命縮短。

針對上述之問題，本發明提供一種電池管理系統及其方法，提供一電池組設置複數個惠斯通電橋並聯至單一監測電路，即可針對電池組的每一級電池分開監測，並減少監測電路負載，當任一電池將達飽和時即降低充電電流避免過飽和充電，待達設定之充電電量即刻停止充電，不做平衡充電而避免過飽和充電。

本發明之一目的，在於提供一種電池管理系統，其藉由一電池組中每一電池經惠斯通電橋獨立監測並依據監測結果，，當任一電池將達飽和時 即降低充電電流避免過飽和充電，待達設定之充電電量即刻停止充電，不做平衡充電而避免過飽和充電，避免傷害電池壽命。

為了達到上述之目的，本發明之一實施例係揭示一種電池管理系統，其包含至少一電池模組、至少一參考電阻模組、至少一控制電路與一顯示控制裝置。電池模組依據控制電路之一第一參考點分為一第一電池組與一第二電池組，該第一電池組包含複數個第一電池，該第二電池組包含複數個第二電池，且控制電路之一第一參考點連接於第一電池組與第二電池組之間，而參考電阻模組連接於第一電池組與第二電池組之一端，且參考電阻模組連接於控制電路之一第二參考點連接，藉此第一電池組與第二電池組以及參考電阻模組形成複數個惠斯通電橋(Wheatstone bridge)，因此該些個惠斯通電橋並聯連接於控制電路，控制電路進一步連接至顯示控制裝置，顯示控制裝置藉由該些個第一電池與該些第二電池之電性的偵測結果控制該些個第一電池與該些第二電池。透過該些個惠斯通電橋量測該些個電池組，不同電流在該些個電池組之電池內阻上產生的電壓降會互相抵銷，不會干擾量測結果，以精確量測該些個電池組之電池狀態，藉此管理電池之充電與放電，而在電池充電充滿的狀態下關閉充電，以避免電池過飽和充電。

本發明提供一實施例，其該些個第一電池與該些第二電池為串聯連接，該控制電路並聯連接該些個第一電池與該些第二電池。

本發明提供一實施例，其更包含一電流檢測單元，其串聯連接該至少一電池模組，量測該至少一電池模組之電流。

本發明提供一實施例，其更包含一電流檢測單元，其串聯連接該至少一電池模組，量測該至少一電池模組之電流；以及一充放電控制開關單元，其電性連接至少一控制電路與該顯示控制裝置，以依據該至少一電池模組之電流與該些個第一電池與該些第二電池的電性，而經由該控制電路控制該些個第一電池與該些第二電池的充電與放電。

本發明提供一實施例，其中該控制電路為一單晶片(MCU)或一應用積體電路(APIC)。

本發明提供一實施例，其中該些個第一電池與該些第二電池的電性為該些個第一電池與該些第二電池的電壓或電流。

本發明提供一實施例，其中該參考電阻模組包含一第一參考電阻與一第二參考電阻，該第一參考電阻與該第二參考電阻之一端連接該第二參考點，該第一參考電阻與該第二參考電阻之另一端分別連接該第一電池組與該第二電池組。

本發明之另一實施例係揭示一種電池管理之方法，其步驟包含：一控制電路經複數個惠斯通電橋偵測一電池模組之電性；以及依據該電池模組之電性的一偵測結果調整該電池模組之電量平衡，其中，該電池模組包含一第一電池組與一第二電池組，該第一電池組包含複數個第一電池，該第二電池組包含複數個第二電池，該控制電路之一第一參考點連接於該第一電池組與該第二電池組之間，該些個惠斯通電橋並聯該些個第一電池與該些第二電池至該控制電路，該控制電路依據該些個惠斯通電橋控制該些個第一電池與該些第二電池之充電與放電，並控制該些個第一電池與該些第二電池之至少一者於電量飽和後關閉充電。透過該些個惠斯通電橋量測該些個電池組，不同電流在該些個電池組之電池內阻上產生的電壓降會互相抵銷，不會干擾量測結果，以精確量測該些個電池組之電池狀態，藉此管理電池之充電與放電而避免電池過飽和充電。

本發明提供另一實施例，其步驟更包含量測該電池模組之電流；以及依據該電池模組之電流控制該電池模組之充電與放電。

本發明提供另一實施例，其中該電池模組的電性為該電池模組的電壓或電流。

10‧‧‧電池管理系統

12‧‧‧電池模組

122‧‧‧第一電池組

122a‧‧‧第一電池

122r‧‧‧第一內阻

124‧‧‧第二電池組

124a‧‧‧第二電池

124r‧‧‧第二內阻

14‧‧‧參考電阻模組

142‧‧‧第一電阻

144‧‧‧第二電阻

16‧‧‧控制電路

Ref1‧‧‧第一參考點

Ref2‧‧‧第二參考點

18‧‧‧顯示控制裝置

20‧‧‧電流檢測單元

22‧‧‧充放電控制開關單元

30‧‧‧電池管理系統

32‧‧‧電池模組

322‧‧‧第一電池組

322a‧‧‧第一電池

322r‧‧‧第一內阻

324‧‧‧第二電池組

324a‧‧‧第二電池

324r‧‧‧第二內阻

34‧‧‧參考電阻模組

342‧‧‧第一電阻

344‧‧‧第二電阻

36‧‧‧控制電路

38‧‧‧顯示控制裝置

40‧‧‧電流檢測單元

42‧‧‧充放電控制開關單元

cell1‧‧‧第一儲能單元

cell2‧‧‧第二儲能單元

第一圖：其係本發明之一實施例之系統示意圖； 第二圖：其係本發明之一實施例之流程圖；以及第三圖：其係本發明之另一實施例之系統示意圖。

為使 貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：在下文中，將藉由圖式來說明本發明之各種實施例來詳細描述本發明。然而本發明之概念可能以許多不同型式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例式性實施例。

本發明為了打破傳統電池模組中的每一電池皆為設置一控制電路用以偵測電池電性的方式，因而提供一種電池管理之方法，使用者可單一控制電路通過惠斯通電橋切換受偵測的電池。

首先，請參閱第一圖，其為本發明之一實施例之系統示意圖。如圖所示，本發明之電池管理系統10，其包含一電池模組12、一參考電阻模組14、一控制電路16與一顯示控制裝置18。電池模組12包含一第一電池組122與一第二電池組124，該第一電池組122包含複數個第一儲能單元cell1，該些個第一儲能單元cell1分別包含一第一電池122a與一第一內阻122r，該第二電池組124包含複數個第二儲能單元cell2，該些個第二儲能單元cell2分別包含一第二電池124a與一第二內阻124r。參考電阻模組14包含一第一電阻142與一第二電阻144。控制電路16設有一第一參考點(V0'腳位)Ref1與一第二參考點(V0腳位)Ref2，第一參考點Ref1連接該第一電池組122與該第二電池組124之間，第二參考點Ref2連接參考電阻模組14，進一步來說，第二參考點Ref2連接於第一電阻142與第二電阻144之間。

顯示控制裝置18電性連接該控制電路16，顯示該控制電路16偵測該些個第一電池122a與該些第二電池124a的電性並依據該些個第一電池122a與該些第二電池124a的電性設定該些個第一電池122a與該些第二電池124a之至少 一者之充電與放電。此外，控制電路16為並聯於該些個第一電池122a與該些第二電池124a，因而依據第一參考點Ref1與第二參考點Ref2，以及該些個第一電池122a與該些第二電池124a的內電阻(第一內阻122r與第二內阻124r)搭配第一電阻142與第二電阻144，因而形成複數個惠斯通電橋。透過該些個惠斯通電橋量測該些個電池組，不同電流在該些個電池組之電池內阻上產生的電壓降會互相抵銷，不會干擾量測結果，以精確量測該些個電池組之電池狀態

電池管理系統10更進一步包含一電流檢測單元20與一充放電控制開關單元22，電流檢測單元20串聯連接電池模組12，也就是電流檢測單元20串聯連接該些個第一電池122a與該些個第二電池124a以及該些個第一內阻122r與該些個第二內阻124r，以獲得電池模組12的電流，其中電流檢測單元20可為庫倫計量器，透過電流檢測單元20監測電池模組12之該些個第一電池122a與該些個第二電池124a的充放電程度。充放電控制開關單元22連接控制電路16與該顯示控制裝置18，以依據該電池模組12之電流、該顯示控制裝置18的設定與該些個第一儲能單元cell1與該些第二儲能單元cell2的電性，而經由該控制電路16控制該些個第一電池122a與該些第二電池124a的旁路，例如：產生一充放電訊號Signal至控制電路16，以在該些個第一電池122a與該些第二電池124a的其中一電池儲電量滿載或接近滿載(儲電量超過90%)的情況下，將該儲電量超過90%之電池旁路，進而避免電池充電過飽和。

其中本實施例之該控制電路16以單晶片(MCU)作為舉例說明，除此之外，該控制電路16更可為一應用積體電路(APIC)；該些個第一電池122a與該些第二電池124a的電性為該些個第一電池122a與該些第二電池124a的電壓或電流。其中該些個第一電池122a與該些個第二電池124a於本實施例中，串聯4個電池，其提供12伏特電壓，除此之外，更可讓該些個第一電池122a與該些個第二電池124a於本實施例中，串聯8個電池，以提供24伏特電壓。此外，該些個第一電池122a分別電性連接一第一內阻122r，且該些個第二電池124a分別連接該第二內阻124r。

首先，請參閱第二圖，其為本發明之一實施例之流程圖。如圖所示，本發明之電池管理之方法，其步驟包含：步驟S1：一控制電路經複數個惠斯通電橋偵測一電池模組之電性；以及步驟S3：依據該電池模組之電性的一偵測結果調整該些個第一電池與該些第二電池之電量平衡。

以下將說明本發明之一實施例之流程，請參閱搭配第一圖及第二圖。

於步驟S1中，並一併參閱第一圖，由於電池模組12包含一第一電池組122與一第二電池組124，該第一電池組122包含複數個第一儲能單元cell1，該些個第一儲能單元cell1分別包含一第一電池122a與一第一內阻122r，該第二電池組124包含複數個第二儲能單元cell2，該些個第二儲能單元cell2分別包含一第二電池124a與一第二內阻124r。參考電阻模組14包含一第一電阻142與一第二電阻144，且控制電路16為並聯於該些個第一電池122a與該些第二電池124a，因而依據第一參考點Ref1與第二參考點Ref2，以及該些個第一電池122a與該些第二電池124a的內電阻(第一內阻122r與第二內阻124r)搭配第一電阻142與第二電阻144，因而形成複數個惠斯通電橋。因此，控制電路16透過該些個惠斯通電橋分別量測該些個第一電池122a與該些第二電池124a的電性，也就是分別量測該些個第一電池122a與該些第二電池124a及其內電阻(第一內阻122r與第二內阻124r)並搭配第一電阻142與第二電阻144所測得之電壓與電流。

於步驟S3中，並一併參閱第一圖，控制電路將步驟S1中的電性偵測結果傳送至顯示控制裝置，並設定控制電路16與充放電控制開關單元22，以及顯示步驟S1中的電性偵測結果，例如：設定充放電控制開關單元22於步驟S1中的電性偵測結果為其中一第一電池122a或一第二電池124a儲電量低於10%，立即充電，或者是其中一第一電池122a或一第二電池124a儲電量已超過90%，而其他第一電池122a或第二電池124a，仍然低於70%，藉此立即將儲電量已90%之電 池旁路。透過上述之充電與放電之控制，避免其中一第一電池122a或一第二電池124a之儲電量過載。

請參閱第三圖，其本發明之另一實施例之系統示意圖。如圖所示，本發明之電池管理系統30其包含複數個電池模組32、複數個參考電阻模組34、複數個控制電路36與一顯示控制裝置38、一電流檢測單元40以及一充放電控制開關單元42。其中該些個電池模組32、該些個參考電阻模組34、該些個控制電路36的連接關係已於前一實施例中說明，所以本實施例中不再贅述。

顯示控制裝置38除了個別設定控制電路36之外，更進一步設定電池模組32之間的充電，並在電池處於電量飽和狀態下旁路。其中該些個電池模組32中，每一個電池模組32分別具有第一電池組322與第二電池組324，第一電池組322中具有複數個第一儲能單元cell1，該些個第一儲能單元cell1分別具有一第一電池322a與一第一內阻322r，第二電池組324中具有複數個第二儲能單元cell2，該些第二儲能單元cell2分別具有一第二電池324a與一第二內阻324r。該些個控制電路36可分別控制該些個電池模組32，該些個控制電路36亦可交由單一控制電路36做控制，並由該些個控制電路36分別監測每一第一儲能單元cell1與每一第二儲能單元cell2之電性。

由於上述實施例中，並未採用平衡系統，因而讓整體系統的耗能大幅降低，且建置系統的成本也是大幅降低，而可應用於大功率的電池應用，例如儲能設備、車輛用電池組。再者，上述實施例中，可透過低壓半導體電路做成控制電路，並可透過串聯而應用於高壓應用，而減少高壓半導體電路，藉此可降低成本，並可提供穩定性較高、偵測靈敏度較高及效率較高之電池管理系統。

綜上所述，本發明為一種電池管理系統及其方法，其透過惠斯通電橋方式量測各電池之狀態，使不同電流在電池內阻上產生的電壓降會互相抵銷，而不易干擾量測結果，以精確測量電池狀態，另外，電流檢測單元監控電池之充放電程度，並透過惠斯通電橋監控電池之狀態，以管理電池組，因而不需建置平衡系統，以降低系統成本，以及節省系統所消耗之能源。還有本發明 之控制電路可採用較低之電壓模組，而高壓之應用時，只要把低壓模組串連起來就可使用，而減少使用高壓半導體，以降低應用成本，並提高效率及穩定性，以及提高監控靈敏度。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

本發明係實為依據有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。

Claims (10)

1. 一種電池管理系統，其步驟包含：至少一電池模組，其包含一第一電池組與一第二電池組，該第一電池組包含複數個第一電池，該第二電池組包含複數個第二電池；至少一參考電阻模組，其分別連接該第一電池組與該第二電池組之一端；至少一控制電路，其一第一參考點連接於該第一電池組與該第二電池組之間並連接於該些個第一電池之間與該些第二電池之間，該控制電路之一第二參考點連接該參考電阻模組；以及一顯示控制裝置，其電性連接該控制電路，顯示該控制電路偵測該些個第一電池與該些第二電池的電性並依據該些個第一電池與該些第二電池的電性設定該些個第一電池與該些第二電池之至少一者之充電與放電；其中，該些個第一電池與該些第二電池之內阻與該至少一參考電阻模組形成複數個惠斯通電橋，以電性連接至該至少一控制電路，該至少一控制電路依據該些個惠斯通電橋分別偵測該些個第一電池與該些第二電池之電性。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池管理系統，其中該些個第一電池與該些第二電池為串聯連接，該控制電路並聯連接該些個第一電池與該些第二電池。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電池管理系統，更包含：一電流檢測單元，其串聯連接該至少一電池模組，量測該至少一電池模組之電流。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電池管理系統，更包含：一電流檢測單元，其串聯連接該至少一電池模組，量測該至少一電池模組之電流；以及 一充放電控制開關單元，其電性連接至少一控制電路與該顯示控制裝置，以依據該至少一電池模組之電流與該些個第一電池與該些第二電池的電性，而經由該控制電路控制該些個第一電池與該些第二電池的充電與放電。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電池管理系統，其中該控制電路為一單晶片(MCU)或一應用積體電路(APIC)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電池管理系統，其中該些個第一電池與該些第二電池的電性為該些個第一電池與該些第二電池的電壓或電流。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電池管理系統，其中該參考電阻模組包含一第一參考電阻與一第二參考電阻，該第一參考電阻與該第二參考電阻之一端連接該第二參考點，該第一參考電阻與該第二參考電阻之另一端分別連接該第一電池組與該第二電池組。
8. 一種電池管理方法，其步驟包含：一控制電路經複數個惠斯通電橋偵測一電池模組，該電池模組包含一第一電池組與一第二電池組，該第一電池組包含複數個第一電池，該第二電池組包含複數個第二電池，該控制電路之一第一參考點連接於該第一電池組與該第二電池組之間，該些個惠斯通電橋並聯該些個第一電池與該些第二電池至該控制電路；以及依據該電池模組之一偵測結果控制該些個第一電池與該些第二電池之至少一者旁路；其中，該控制電路依據該些個惠斯通電橋控制該些個第一電池與該些第二電池之充電與放電。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電池管理方法，其步驟更包含：量測該電池模組之電流；以及依據該電池模組之電流控制該電池模組之充電與放電。
10. 如申請專利範圍第8項所述之電池管理方法，其中該電池模組的電性為該電池模組的電壓或電流。