TWI766718B - 可主動平衡電池電壓之電池模組 - Google Patents

Abstract

一種可主動平衡電池電壓之電池模組，其具有：一電池組，具有n個二次電池單元，n為大於1之整數；一電壓平衡電路，具有n-1個雙向降、升壓轉換電路，各所述雙向降、升壓轉換電路之兩個連接埠耦接兩個相鄰的所述二次電池單元的輸出電壓，且各所述雙向降、升壓轉換電路係依作用時間互補之一第一開關信號和一第二開關信號之控制進行電能轉換；以及一微處理器，用以依一計算公式組合及n個所述輸出電壓進行(n-1)個導通時間計算程序以產生(n-1)個第一導通時間及(n-1)個第二導通時間，及依(n-1)個所述第一導通時間及(n-1)個所述第二導通時間對應產生(n-1)個所述第一開關信號和(n-1)個所述第二開關信號，其中，該計算公式組合包括：T _ON1= T _S*(1-α)*(V _B/(V _A+V _B))，及T _ON2= T _S*(1-α)*(V _A/(V _A+V _B))，T _ON1為所述第一導通時間，T _ON2為所述第二導通時間，T _S為一固定時間，α為一盲時占比且其為介於0和1之間的正實數，及V _A和V _B為兩個相鄰的所述二次電池單元的所述輸出電壓。

Description

可主動平衡電池電壓之電池模組

本發明係有關於主動電池組平衡技術，特別是關於一種可主動平衡一電池模組內之多個電池電壓之技術方案。

近年來，全球主要經濟體紛紛制定電動汽車發展規劃及智慧電網等相關能源政策，根據全球汽車信息平台Marklines報告指出，2019年全球電動車銷售量已突破437萬台。在這樣的環境背景下，二次電池的應用已成為世界的趨勢，其中，二次電池依化學特性分為鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池及鋰離子電池，而由於電動車及智慧電網的應用皆需要長時間的運作，因此具有高能量密度、無記憶效應、低自放電率等特點的鋰離子電池，已成為最被廣泛應用之二次電池。

另外，由於單顆鋰離子電池存在額定電壓較低及電量不足的問題，因此一般需將鋰離子電池串、並接成電池組使用。然而，由於電池在製造時會有些許誤差，造成每顆電池化學特性及電氣特性皆有些許的不同，使得電池組於多次充放電後，其內部會有電池間電壓不平衡的問題而導致電池組之電量利用率下降。為了解決上述問題，一般會在電池組中加入電池平衡器以消除電池間之電壓差，從而提升電池組之電量利用率及延長電池組之使用壽命。

電池平衡器依照平衡機制可分為被動式與主動式平衡器：被動式平衡器具有架構及控制方法簡單等優點，其平衡方法是使電量較高之電池經由電阻放電，直到每顆電池的電量相同，然而這種平衡方法會造成能源的浪費；主動式平衡器的平衡方法則是透過電池間能量傳遞方式達到電壓平衡，儘管成本及控制難度皆高於被動式平衡器，但由於其具有良好的能量使用效率，因此被廣泛採用。

另外，主動式平衡器又分為電容式及電感式平衡器：電容式平衡器主要是利用開關切換方式，使電池間能量經由電容傳遞而達到平衡效果，雖然電容式具有架構及控制方法簡單等特點，然而此種架構於平衡後期電池間電壓差變小時，其平衡電流會跟著下降而延長平衡時間；電感式平衡器有隔離型和非隔離型兩種，其中，隔離型之電感式平衡器之架構又分為多變壓器和多二次繞組，其可透過控制責任週期大小改善平衡後期之平衡電流下降問題，但卻有成本較高及體積較大等缺點；而非隔離型電感平衡器則係由雙向降升壓式轉換器組成，雖然其可節省變壓器的空間及成本及改善平衡後期之平衡電流下降的問題，但其平衡速度仍有改善的空間。

為解決上述的問題，本領域亟需一種新穎的主動電池組平衡技術方案。

本發明之主要目的在於揭露一種可主動平衡電池電壓之電池模組，其可依兩個電池之電壓比值動態調整一雙向降、升壓轉換電路之電感充電時間和放電時間，以在低功耗之情況下大幅縮短所述兩個電池之電壓平衡所需時間。

為達前述目的，一種可主動平衡電池電壓之電池模組乃被提出，其具有：

一電池組，具有n個二次電池單元，n為大於1之整數；

一電壓平衡電路，具有n-1個雙向降、升壓轉換電路，各所述雙向降、升壓轉換電路之兩個連接埠耦接兩個相鄰的所述二次電池單元的輸出電壓，且各所述雙向降、升壓轉換電路係依作用時間互補之一第一開關信號和一第二開關信號之控制進行電能轉換；

一電壓感測單元，用以感測n個所述二次電池單元之所述輸出電壓；以及

一微處理器，用以依一計算公式組合及n個所述輸出電壓進行(n-1)個導通時間計算程序以產生(n-1)個第一導通時間及(n-1)個第二導通時間，及依(n-1)個所述第一導通時間及(n-1)個所述第二導通時間對應產生(n-1)個所述第一開關信號和(n-1)個所述第二開關信號，其中，該計算公式組合包括：

T _ON1= T _S*(1-α)*(V _B/(V _A+V _B))，及T _ON2= T _S*(1-α)*(V _A/(V _A+V _B))，T _ON1為所述第一導通時間，T _ON2為所述第二導通時間，T _S為一固定時間，α為一盲時占比且其為介於0和1之間的正實數，及V _A和V _B為兩個相鄰的所述二次電池單元的所述輸出電壓。

在一實施例中，各所述雙向降、升壓轉換電路均包含：

兩個第一連接點以提供一所述連接埠及兩個第二連接點以提供另一所述連接埠；

一第一NMOS電晶體，具有一第一閘極、一第一汲極和一第一源極，該第一汲極係與一所述第一連接點耦接，該第一閘極係與一所述第一開關信號耦接，該第一源極係與一中間接點耦接；

一第二NMOS電晶體，具有一第二閘極、一第二汲極和一第二源極，該第二汲極係與一所述第二連接點耦接，該第二閘極係與一所述第二開關信號耦接，該第二源極係與該中間接點耦接；以及

一電感，其一端係與該中間接點耦接，且其另一端係與另一所述第一連接點及另一所述第二連接點耦接。

在一實施例中，該電壓感測單元係以差動的方式感測n個所述二次電池單元之所述輸出電壓。

為使　貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。

請參照圖1，其繪示本發明之可主動平衡電池電壓之電池模組之一實施例的方塊圖。

如圖1所示，一可主動平衡電池電壓之電池模組100具有一電池組110、一電壓平衡電路120、一電壓感測單元130及一微處理器140。

電池組110具有n個二次電池單元，n為大於1之整數，以提供n個輸出電壓V ₁-V _n。

電壓平衡電路120具有n-1個雙向降、升壓轉換電路121，各所述雙向降、升壓轉換電路121之兩個連接埠耦接兩個相鄰的所述二次電池單元的輸出電壓(V _j、V _j+1，j為1至n-1中之一整數)，且各所述雙向降、升壓轉換電路121係依作用時間互補之一第一開關信號SW(j)和一第二開關信號SW(j) _B之控制進行電能轉換。具體而言，各雙向降、升壓轉換電路121均具有：兩個第一連接點以提供一所述連接埠及兩個第二連接點以提供另一所述連接埠；一第一NMOS電晶體121a，具有一第一閘極、一第一汲極和一第一源極，該第一汲極係與一所述第一連接點耦接，該第一閘極係與一所述第一開關信號SW(j)耦接，該第一源極係與一中間接點耦接；一第二NMOS電晶體121b，具有一第二閘極、一第二汲極和一第二源極，該第二汲極係與一所述第二連接點耦接，該第二閘極係與一所述第二開關信號SW(j) _B耦接，該第二源極係與該中間接點耦接；以及一電感121c，其一端係與該中間接點耦接，且其另一端係與另一所述第一連接點及另一所述第二連接點耦接。

電壓感測單元130係用以利用一差動的方式感測n個所述二次電池單元之所述輸出電壓V ₁-V _n。

微處理器140係用以依一計算公式組合及n個所述輸出電壓V ₁-V _n進行(n-1)個導通時間計算程序以產生(n-1)個第一導通時間及(n-1)個第二導通時間，及依(n-1)個所述第一導通時間及(n-1)個所述第二導通時間對應產生(n-1)個所述第一開關信號SW(1)-SW(n-1)和(n-1)個所述第二開關信號SW(1) _B-SW(n-1) _B，其中，該計算公式組合包括：

T _ON1= T _S*(1-α)*(V _B/(V _A+V _B))，及T _ON2= T _S*(1-α)*(V _A/(V _A+V _B))，T _ON1為所述第一導通時間，T _ON2為所述第二導通時間，T _S為一固定時間，α為一盲時占比且其為介於0和1之間的正實數，及V _A和V _B代表兩個相鄰的所述二次電池單元的所述輸出電壓。

以下將針對本發明的原理進行說明：

一、本發明的平衡器系統架構：

在圖1之電池模組之一實作中，其微處理器140選用了德州儀器(Texas Instrument)公司之TMS320F280049C微處理器，並搭配ADAM-4117差動電壓資料擷取模組，透過 SCI (Serial Communication Interfaces, SCI)通訊的方式接收電池電壓的數值，並配合本發明的平衡控制方法計算所需之責任週期大小，以驅動雙向降升壓平衡電路之開關來達成電池組電量平衡之目的。紀錄電池電壓則使用LabVIEW人機介面的虛擬儀器軟體架構(Virtual Instruments Software Architecture，VISA)，接收DAQ (Data Acquisition，DAQ)回傳之電壓值並記錄。以下分別介紹平衡器系統各組成單元。

1.1雙向降升壓式轉換器

圖2為一雙向降、升壓平衡電路。為了達到能量雙向傳遞的功能，將傳統的降升壓轉換器中的二極體由NMOS電晶體開關取代，並將其輸入電壓源及負載由電池 V _{B 1}及 V _{B 2}取代。

當 V _{B 1}電壓高於 V _{B 2}電壓時，NMOS電晶體開關 Q ₁導通使 V _{B 1}對電感儲能，而此時NMOS電晶體開關 Q ₂為截止狀態，當NMOS電晶體開關 Q ₁截止後NMOS電晶體開關 Q ₂為導通狀態，此時電感電流續流並且對 V _{B 2}進行充電直至電感電流為零。另一方面，當 V _{B 2}電壓高於 V _{B 1}電壓時，NMOS電晶體開關 Q ₂導通使 V _{B 2}對電感儲能，而此時NMOS電晶體開關 Q ₁為截止狀態，當NMOS電晶體開關 Q ₂截止後NMOS電晶體開關 Q ₁為導通狀態，此時電感電流續流並且對 V _{B 1}進行充電直至電感電流為零。

1.2鋰離子電池規格與參數量測

本發明在實作中選用三洋(SANYO)公司出產的UR18650ZY鋰離子電池4顆串聯成一電池組，以作為實驗測試對象，表1為電池規格。 表1. UR18650ZY電池規格表

最小額定容量	2450mAh (0.5A放電於20 )
額定容量	2600 mAh
額定電壓	3.7V
額定截止充電電壓	4.2 0.03V
最小截止放電電壓	3.0V
額定充電電流	1.25A
最大連續放電電流	5A
充電溫度	0  ~ +40
放電溫度	-20  ~ +60

1.2.1電池SOC與阻抗分析

在實驗前需先了解所選用電池之特性，避免操作錯誤使電池損壞，而了解電池特性後，實驗時才能準確判斷實驗結果是否合理與正確。本案使用EC-Lab量測電池相關數據，而量測前必須確認電腦與VSP恆電位/恆電流儀之間是否連接，若顯示綠燈則表示連接成功，接著建立實驗參數設定檔，並依據實驗條件填入參數。在量測100%至0%SOC之交流阻抗後，每次的量測結果都會對應一條阻抗分析曲線，而阻抗分析曲線為實、虛阻抗對頻率之響應變化曲線，稱為電化學阻抗頻譜(Electrochemical Impedance Spectrum, EIS)或奈式圖(Nyquist-plot)，並可選擇電池內部等效電路之樣式，並且根據模型上之參數計算所對應的值，而本案所選用之電池等效電路模型如圖3所示，為歐姆內阻R ₁與極化電阻R ₂及極化電容C ₂組合而成，其中 E _m 為電池開路電壓， V _B 為電池端電壓。

圖4為SOC對電池開路電壓曲線，其中SOC對電池開路電壓曲線於SOC為60%至30%間存在著較平坦區域，因此在平坦區間需要高精度的電壓量測才能求得更精準的SOC值。圖5為SOC對電池內阻之曲線，由量測得知電池最小內阻約為60 mΩ，因此於實作時，將以此內阻大小做為電壓降補償之參數。

1.3差動電壓資料擷取模組

透過ADAM-4117電壓擷取模組即時量測每顆電池電壓，並以SCI通訊方式將電壓資料回傳至TMS320F280049C微處理器及LabVIEW人機介面進行電路控制及電壓記錄，當電池間壓差過大時可即時進入電池平衡程序，進而提升電池組之使用壽命。本案選用研華公司所推出之ADAM-4117差動電壓資料擷取模組(DAQ)，此模組可應用於惡劣環境之場域，其可操作環境溫度於-40°C至85°C之間，並且具有高抗噪能力、靜電防護功能及抗突波雜訊能力。ADAM-4117具有八組差動電壓量測通道及16 bit高解析度，並且支援RS-485通訊協定，因此透過RS-485與RS-232之轉接器即可與微處理器進行通訊。

1.4 TMS320F280049C控制器核心

本實作之控制器核心採用TI公司之TMS320F280049C，其擁有100MHz的系統頻率、32位元的浮點數運算、64 Kbytes資料記憶體空間，並且提供40組獨立可規劃通用型輸出入埠，以及16個具有高解析度(150-ps)的增強型脈波寬度調變器(Enhanced Pulse Width Modulator, ePWM)通道，週邊則有兩個串列外設介面(Serial Peripheral Interface, SPI)、一個積體電路匯流排(Inter-Integrated Circuit, I ²C)、兩個控制器區域網路(Controller Area Network, CAN)及兩組串列通訊介面(Serial Communication Interfaces, SCIs)等匯流排傳輸介面。本實作將包含本發明之方案在內之三種平衡控制法則以韌體方式實現於此微處理器中，而主要應用到控制器核心內部之中斷功能、SCI通訊功能以及PWM控制功能。

二、所提出的平衡控制策略

本實作實現包含本發明之方案在內之三種平衡控制策略並進行並比較，分別為固定責任週期法、變動責任週期法及本發明之主動平衡方法，且三種方法皆令雙向降升壓平衡電路操作於不連續導通模式。固定責任週期法於平衡過程中平衡電流會逐漸減小，而導致平衡後期速度變慢；變動責任週期法可調整週期大小使平衡電流穩定於一電流值(在此實作中為1安培)，進而改善平衡速度，然而，其仍有改善的空間；而本發明之主動平衡方法則可充分利用週期時間傳遞電量，使能量傳遞時間幾乎填滿切換週期時間，從而進一步提升平衡速度。圖6所示為雙向降升壓平衡電路之電感電流於開關 Q ₁導通時之波形，其中 V _{B 1}為相鄰電池具有較高電壓之cell， V _{B 2}為相鄰電池具有較低電壓之cell， I _pk 為電感電流峰值， T _on 為開關 Q ₁導通時間， T _s 為開關切換週期，而電池電壓與電感電流之關係可表示為

(1)

其中 L _m 為磁化電感、 D為 Q ₁之責任週期。在不連續導通模式下，電感儲能時之電流平均值 I _avg 可由圖6切換週期內陰影區塊面積求得為

(2)

又根據磁化電感伏秒平衡可得

，

(3)

由(3)式可推導出開關 Q ₁導通時間與電池電壓及電流平均值之關係式為

(4)

由(4)式可推導得到 Q ₁導通時間為

(5)

其中 f _S = 1/ T _S 為開關切換頻率。為避免兩開關同時導通造成電路錯誤操作，因此需加入盲時區間(dead time)，因此實際上有效導通時間如式(6)所示，其中α為總盲時區間於切換週期所占之比例。

(6)

2.1固定責任週期法

圖7a及7b分別為固定責任週期法主程式流程圖及固定責任週期法電池平衡副程式。固定責任週期法主程式開始時會先將需要用到的模組功能進行初始化設定，而責任週期由平衡前之電池初始電壓( V _{B 1_init})代入式(6)得到，並固定此責任週期直到平衡結束。程序進入電池平衡副程式後等待計時器Timer計數5秒進入Timer中斷，此時停止平衡程序0.5秒並立起通訊旗標，0.5秒後跳出中斷開始與DAQ進行通訊接收電池電壓，並判斷電池組是否達到平衡，若電池組平衡則平衡結束，若未達到平衡標準(電池間最大壓差 ＜ 0.05V)，則選擇平衡方向並開始平衡程序，並且重覆電池平衡副程式的流程直到平衡結束。

2.2變動責任週期法

圖8a及8b分別為變動責任週期法主程式流程圖和變動責任週期法電池平衡副程式。變動責任週期法主程式開始時會先將需要用到的控制核心模組功能進行初始化設定，接著進入電池平衡副程式，而每次流程在選擇平衡方向後，還需要將量測到之電池電壓值帶入式(6)重新計算責任週期大小，使平均平衡電流穩定於1A，接著重複電池平衡副程式的流程直到電池組完成平衡為止。

2.3最佳責任週期法

本發明之最佳責任週期法能在切換週期內傳遞最多的平衡電量，圖9為本發明之主動平衡方案之一開關切換波形，其中開關 Q ₁及 Q ₂的總導通時間為切換週期扣除總盲時區間的時間(2 T _D )，如式(7)所示，而由式(6)，開關 Q ₁及開關 Q ₂導通時間的比例可推導得到為

(7)

(8)

假設電路元件皆為理想(無功率損失)並遵循能量守恆定律， V _{B 1}對電感儲存的能量會與電感對 V _{B 2}充電的能量相同，如式(9)所示，由此可知開關 Q ₁及開關 Q ₂導通時間的比例為電池電壓( V _{B 1}及 V _{B 2})之比例有關，且為反比之關係，如式(10)所示。

(9)

(10)

而由式(7)及式(10)可推導出式(11)及式(12)，並可推導出開關 Q ₁及開關 Q ₂導通時間與切換週期及電池電壓之關係，如式(13)及式(14)所示。

(11)

(12)

(13)

圖10a及10b分別為本發明之主動平衡方法之一主程式流程圖和一電池平衡副程式流程圖。該主程式開始時會先將需要用到的模組功能進行初始化設定，接著進入電池平衡副程式，而流程在選擇平衡方向後，還需要將量測到之電池電壓值帶入式(13)及(14)計算責任週期大小，使能量傳遞時間幾乎填滿切換週期時間，接著重複電池平衡副程式的流程直到平衡結束。

三、模擬與實驗結果

3.1 模擬結果與比較

本實作使用PSIM(Power simulation)模擬軟體來進行4S1P鋰電池組之平衡控制模擬，為了縮短模擬時間，將容量約為7500F的電池以0.5F電容代替。表2為電池模擬參數設定條件，表3為雙向降升壓式平衡器的相關參數設定。

表3. 平衡器相關參數設定

3.1.1 固定責任週期法模擬結果

固定責任週期法之責任週期利用式(6)求得，並且固定此責任週期直至平衡結束，而能量傳遞方向則是由相鄰之電池電壓大小決定，而平衡終止電壓條件為最大電壓差低於50mV，圖11a為固定責任週期法之電池電壓平衡模擬曲線，圖11b為固定責任週期法之平衡電流與責任週期模擬曲線，圖11c為固定責任週期法之最大電壓差曲線，由模擬結果得知平衡電流於平衡過程中逐漸減少，而平衡時間約為0.41秒。

3.1.2 變動責任週期法模擬結果

變動責任週期法之責任週期利用式(6)求得，為了使平衡電流維持在1A，因此平衡過程中將持續更新責任週期大小，而能量傳遞方向則是由相鄰之電池電壓大小決定，而平衡終止電壓條件為最大電壓差低於50mV，圖12a為變動責任週期法之電池電壓平衡模擬曲線，圖12b為變動責任週期法之平衡電流與責任週期模擬曲線，圖12c為變動責任週期法之最大電壓差曲線，由模擬結果得知平衡電流於平衡過程中皆維持在1A，而平衡時間約為0.38秒，相較於固定責任週期法節省約7.3%的平衡時間。

3.1.3 本發明之主動平衡法模擬結果

本發明之主動平衡法之責任週期利用式(13)、(14)求得，於平衡過程中將責任週期開至最佳大小，使能量傳遞時間幾乎填滿整個週期，並依然操作於不連續導通模式，而能量傳遞方向則是由相鄰之電池電壓大小決定，而平衡終止電壓條件為最大電壓差低於50mV。圖13a為本發明之主動平衡法之 電池電壓平衡模擬曲線，圖13b為本發明之主動平衡法之平衡電流與責任週期模擬曲線，圖13c為本發明之主動平衡法之最大電壓差曲線。由模擬結果得知本發明之平衡電流較變動責任週期法大，且依然操作於不連續導通模式，而平衡時間約為0.33秒，相較於固定責任週期法節省約19.5%的平衡時間。

3.2 實驗結果與比較

本案在實作測試中，平衡測試使用四顆UR18650ZY鋰離子電池，並以所提出之平衡控制方法搭配電壓資料擷取卡以及LabVIEW監控軟體紀錄電池電壓完成實驗流程。本節將說明實驗參數設定，並提供測試波形驗證所提出之平衡方法可行性及正確性，表4為實驗所使用之儀器與設備。

3.2.1 變動責任週期法實驗結果

圖14為三組平衡器於變動責任週期法下之測試波形，其中包含初始(平衡初期)電池開路電壓V _B1、V _B2、V _B3、V _B4分別為4.10V、3.74V、3.30V、3.13V，以及Q ₁功率開關閘級驅動訊號V _GS1與三組電感電流I _L1、I _L2、I _L3，而平衡(電感)電流分別為0.97A、0.96A、0.97A，由實驗波形可知三組平衡器於變動責任週期法下之平衡電流I _avg 皆操作約等於目標值1A。

3.2.2 最佳責任週期法實驗結果

圖15為三組平衡器於本發明之主動平衡法下之測試波形，其中包含初始(平衡初期)V _B1、V _B2、V _B3、V _B4分別為4.10V、3.74V、3.30V、3.13V，以及Q ₁功率開關閘級驅動訊號V _GS1與三組平衡(電感)電流I _L1、I _L2、I _L3，而電感電流分別為1.54A、1.45A、1.42A，由實驗波形可知三組平衡器於最佳責任週期法下之平衡階段將責任週期開至最佳大小，並且依然操作於不連續導通模式。

3.2.3 電池電壓平衡曲線

由前一小節之測試結果驗證了平衡方法及電路之正確性後，本小節將呈現三種不同的初始電壓(平衡前)情況下之電池平衡過程電壓變化曲線圖及最大電壓差變化曲線。測試情況一之初始電壓為(V _B1=4.196V、V _B2=3.716V、V _B3=3.315V、V _B4=3.060V)，圖16a及16b分別為測試情況一之電池電壓平衡曲線及最大電壓差曲線圖。由實驗結果可得固定責任週期法、變動責任週期法及本發明之主動平衡法之平衡時間分別為2小時36分鐘、2小時20分鐘及1小時40分鐘，且皆滿足所設定的電壓差皆小於50mV之平衡終止條件。測試情況二之初始電壓為(V _B1=4.197V、V _B2=3.600V、V _B3=3.600V、V _B4=3.020V)，圖17a及17b分別為測試情況二之電池電壓平衡曲線及最大電壓差曲線圖。由實驗結果可得固定責任週期法、變動責任週期法及本發明之主動平衡法之平衡時間分別為2小時33分鐘、2小時15分鐘及1小時37分鐘，且皆滿足所設定的電壓差皆小於50mV之平衡終止條件。測試情況三之初始電壓為(V _B1=3.350V、V _B2=4.197V、V _B3=3.700V、V _B4=3.020V)，圖18a及18b分別為測試情況三之電池電壓平衡曲線及最大電壓差曲線圖。由實驗結果可得固定責任週期法、變動責任週期法及本發明之主動平衡法之平衡時間分別為1小時15分鐘、1小時03分鐘及47分鐘，且皆滿足所設定的電壓差皆小於50mV之平衡終止條件。

3.2.4 三種平衡控制法比較

最後將本案所測試之三種平衡控制方法於三種測試情況下之實驗結果進行比較，由實驗結果可知，測試情況一之變動責任週期法及本發明之主動平衡法，相較於固定責任週期法分別節省10.3%及35.9%之平衡時間。測試情況二之變動責任週期法及本發明之主動平衡法，相較於固定責任週期法分別 節省11.7%及36.6%之平衡時間。測試情況三之變動責任週期法及本發明之主動平衡法，相較於固定責任週期法分別節省16%及37.3%之平衡時間。由此可知本發明之主動平衡法於三種測試情況下之平衡時間皆為最短。

藉由前述所揭露的設計，本發明乃具有以下的優點：

1.本發明之可主動平衡電池電壓的電池模組可依兩個電池之電壓比值動態調整一雙向降、升壓轉換電路之電感充電時間和放電時間，以在低功耗之情況下大幅縮短所述兩個電池之電壓平衡所需時間。

2.在三次實驗中，本發明之技術方案較一般的固定責任週期法分別節省了35.9%、36.6%及37.3%之平衡時間。

本案所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。

100:主動平衡電池電壓之電池模組

110:電池組

120:電壓平衡電路

121:雙向降、升壓轉換電路

121a:第一NMOS電晶體

121b:第二NMOS電晶體

121c:電感

130:電壓感測單元

140:微處理器

圖1繪示本發明之可主動平衡電池電壓之電池模組之一實施例的方塊圖。 圖2繪示一雙向降、升壓平衡電路。 圖3繪示本案所選用之電池等效電路模型。 圖4繪示SOC對電池之一開路電壓曲線。 圖5繪示SOC對電池內阻之一曲線。 圖6繪示圖2之雙向降升壓平衡電路之電感電流於開關Q1導通時之波形。 圖7a及7b分別繪示固定責任週期法主程式流程圖及固定責任週期法電池平衡副程式。 圖8a及8b分別繪示變動責任週期法主程式流程圖和變動責任週期法電池平衡副程式。 圖9繪示本發明之主動平衡方案之一開關切換波形。 圖10a及10b分別繪示本發明之主動平衡方法之一主程式流程圖和一電池平衡副程式流程圖。 圖11a繪示固定責任週期法之一電池電壓平衡模擬曲線；圖11b繪示固定責任週期法之一平衡電流與責任週期模擬曲線；及圖11c繪示固定責任週期法之一最大電壓差曲線。 圖12a繪示變動責任週期法之一電池電壓平衡模擬曲線；圖12b繪示變動責任週期法之一平衡電流與責任週期模擬曲線；及圖12c繪示變動責任週期法之最大電壓差曲線。 圖13a繪示本發明之主動平衡法之電池電壓平衡模擬曲線；圖13b繪示本發明之主動平衡法之平衡電流與責任週期模擬曲線；及圖13c繪示本發明之主動平衡法之最大電壓差曲線。 圖14繪示三組平衡器於變動責任週期法下之測試波形。 圖15繪示三組平衡器於本發明之主動平衡法下之測試波形。 圖16a及16b分別繪示測試情況一之電池電壓平衡曲線比較圖及最大電壓差曲線比較圖。 圖17a及17b分別繪示測試情況二之一電池電壓平衡曲線比較圖及一最大電壓差曲線比較圖。 圖18a及18b分別繪示測試情況三之一電池電壓平衡曲線比較圖及一最大電壓差曲線比較圖。

100:主動平衡電池電壓之電池模組

110:電池組

120:電壓平衡電路

121:雙向降、升壓轉換電路

121a:第一NMOS電晶體

121b:第二NMOS電晶體

121c:電感

130:電壓感測單元

140:微處理器

Claims (3)

1. 一種可主動平衡電池電壓之電池模組，其具有：一電池組，具有n個二次電池單元，n為大於1之整數；一電壓平衡電路，具有n-1個雙向降、升壓轉換電路，各所述雙向降、升壓轉換電路之兩個連接埠耦接兩個相鄰的所述二次電池單元的輸出電壓，且各所述雙向降、升壓轉換電路係依作用時間互補之一第一開關信號和一第二開關信號之控制進行電能轉換；一電壓感測單元，用以感測n個所述二次電池單元之所述輸出電壓；以及一微處理器，用以依一計算公式組合及n個所述輸出電壓進行(n-1)個導通時間計算程序以產生(n-1)個第一導通時間及(n-1)個第二導通時間，及依(n-1)個所述第一導通時間及(n-1)個所述第二導通時間對應產生(n-1)個所述第一開關信號和(n-1)個所述第二開關信號，其中，該計算公式組合包括：T_ON1=T_S*(1-α)*(V_B/(V_A+V_B))，及T_ON2=T_S*(1-α)*(V_A/(V_A+V_B))，T_ON1為所述第一導通時間，T_ON2為所述第二導通時間，T_S為一開關切換週期，α為一盲時占比且其為介於0和1之間的正實數，及V_A和V_B為兩個相鄰的所述二次電池單元的所述輸出電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可主動平衡電池電壓之電池模組，其中各所述雙向降、升壓轉換電路均包含：兩個第一連接點以提供一所述連接埠及兩個第二連接點以提供另一所述連接埠；一第一NMOS電晶體，具有一第一閘極、一第一汲極和一第一源極，該第一汲極係與一所述第一連接點耦接，該第一閘極係與一所述第一開關信號耦接，該第一源極係與一中間接點耦接；一第二NMOS電晶體，具有一第二閘極、一第二汲極和一第二源極，該第二汲極係與一所述第二連接點耦接，該第二閘極係與一所述第二開關信號耦接，該第二源極係與該中間接點耦接；以及一電感，其一端係與該中間接點耦接，且其另一端係與另一所述第一連接 點及另一所述第二連接點耦接。
3. 如申請專利範圍第1項所述之可主動平衡電池電壓之電池模組，其中該電壓感測單元係以差動的方式感測n個所述二次電池單元之所述輸出電壓。

Images