TWI784465B - 串聯電池陣列的平衡充電方法 - Google Patents

Abstract

一種平衡充電方法將該些電池模組之充電時間以左右對齊的方式快速地完成串聯電池陣列的充電排程，可在整體充電過程中各電池模組電壓變化差異較小的情況下完成所有之該些電池模組的充電，由於充電時間較短的電池模組會較早與充電迴路解聯或較晚併入充電迴路進行充電，而可避免影響其他電池模組的充電，以提升該些電池模組的使用效率。

Description

串聯電池陣列的平衡充電方法

本發明是關於一種平衡充電方法，特別是關於一種串聯電池陣列的平衡充電方法。

電動載具或綠色能源目前為科技發展的重點項目之一，但不論是電動載具或是綠色能源皆需要有儲能裝置提供能量的供應或儲存，且因為單一個電池模組的電壓限制，一般儲能裝置會將複數個電池模組串聯以達到所需之電壓大小。但由於每個電池模組從製造到使用的條件可能都有所差異，例如製程條件、使用環境的不同都會造成其內部化學能或是電氣特性不同，導致位在同一充放電路徑上的部分電池模組有著健康狀態較低的情形，而健康狀態較低的電池模組會較快放完電或是較快完成充電，使得整體儲能裝置內個電池模組的電壓大小不平衡，造成儲能裝置使用效率低或是使用壽命減短的問題。

本發明的主要目的在於提供一種串聯電池陣列的平衡充電方法，可透過左右對齊的方式快速地完成充電排程，讓串聯電池陣列在充電過程中各電池模組電壓變化差異較小的情況下完成充電，而提高各個電池模組的使用效 率及使用壽命。

本發明的一種平衡充電方法包含提供一串聯電池陣列，該串聯電池陣列具有一充電迴路及複數個電池模組，各該電池模組可選擇性地併入該充電迴路進行充電或由該充電迴路解聯；估算各該電池模組充電至一參考電壓所需的一充電時間，各該充電時間具有一起始充電時間點及一結束充電時間點；根據各該電池模組的該充電時間決定該串聯電池陣列的一總充電排程，其中，將具有最長之該充電時間的該電池模組的該起始充電時間點及該結束充電時間點作為該總充電排程的一總起始充電時間點及一總結束充電時間點，將具有次長之該充電時間的該電池模組的該起始充電時間點對齊該總起始充電時間點，使具有次長之該充電時間的該電池模組的該結束充電時間點位在該總起始充電時間點及該總結束充電時間點之間，將具有第三長之該充電時間的該電池模組的該結束充電時間點對齊該總結束充電時間點，使具有第三長之該充電時間的該電池模組的該起始充電時間點位在該總起始充電時間點及該總結束充電時間點之間。

本發明之該平衡充電方法可以簡單且快速地完成該些電池模組的充電排程，以避免各該電池模組的相互干擾而能夠提高該些電池模組的使用效率，並在整體之該充電過程中各電池模組電壓變化差異較小的情況下讓該些電池模組完成充電，以避免影響各該電池模組的使用壽命。

請參閱第1圖，為本發明之一實施例，一種平衡充電方法10的流程圖，該平衡充電方法10包含「提供串聯電池陣列11」、「估算電池模組的充電時間12」及「決定串聯電池陣列的總充電排程13」。請參閱第1及2圖，於步驟11中提供一串聯電池陣列100，該串聯電池陣列100具有一充電迴路CL及複數個電池模組110，該些電池模組110相互串聯，該充電迴路CL則是一外部電源(圖未繪出)對該串聯電池陣列100進行充電時的充電電流路徑，在本實施例中，該串聯電池陣列100是以串聯4個該電池模組110進行說明，但在其他實施例中，可以串聯更多或較少之該電池模組110。

請參閱第2圖，各該電池模組110具有一雙向開關111、一電池單元112及一旁路開關113，該雙向開關111之一端電性連接一第一節點n1，該雙向開關111之另一端電性連接該電池單元112之一端，該電池單元112之另一端電性連接一第二節點n2，該旁路開關113之兩端分別電性連接該第一節點n1及該第二節點n2。

請參閱第2及3圖，各該電池模組110藉由控制該雙向開關111及該旁路開關113的導通或截止可以讓各該電池模組110選擇性地併入該充電迴路CL進行充電或由該充電迴路CL解聯。請參閱第2圖，若各該電池模組110欲併入該充電迴路CL進行充電時，藉由一控制訊號(圖未繪出)控制該雙向開關111導通並截止該旁路開關113，使充電電流可經由該雙向開關111流至該電池單元112而進行充電。請參閱第3圖，若各該電池模組110欲由該充電迴路CL解聯時，藉由該控制訊號控制該雙向開關111截止並導通該旁路開關113，使得充電電流能夠旁路至該旁路開關113而不通過該電池單元112。藉此讓健康度較低的該電池模組110在完成充電後由該串聯電池陣列100解聯，而避免影響其餘尚未完成充電之該電池模組110。

請參閱第2及4圖，較佳的，在本實施例中，該雙向開關111由一第一電晶體111a及一第二電晶體111b構成，該第一電晶體111a之兩端分別電性連接該第一節點n1及該第二電晶體111b之一端，該第二電晶體111b之另一端電性連接該電池單元112，透過該第一電晶體111a及該第二電晶體111b的設置，可避免充電電流由截止之該電晶體的寄生二極體流過。

請參閱第2及5圖，該旁路開關113由一第三電晶體113a構成，該第三電晶體113a之兩端分別電性連接該第一節點n1及該第二節點n2，其中該第三電晶體113a具有一旁路二極體113b，該旁路二極體113b之一正極端電性連接該第二節點n2，該旁路二極體113b之一負極端電性連接該第一節點n1，該旁路二極體113b用以在各該電池模組110進行旁路放電時提供旁路放電路徑。

接著，請參閱第1圖，於步驟12中估算各該電池模組110充電至一參考電壓所需的一充電時間，估算而得之各該充電時間具有一起始充電時間點及一結束充電時間點，各該電池模組110在該充電時間的該起始充電時間點併入該充電迴路CL進行充電，各該電池模組110在該充電時間的該結束充電時間點由該充電迴路CL解聯而停止充電，較佳的，各該電池模組110於各該充電時間內連續不中斷的進行充電。

在本實施例中，估算各該電池模組110之該充電時間的方式是量測並紀錄各該電池模組110於充電狀態下之複數個時間點的電壓值，並藉由該些電壓值計算各該電池模組110的一電壓-時間方程式。其中，各該電池模組110之該電壓-時間方程式可表示為：v _i =a _i t ²+b _i t+c _i ，其中，v _i 為第i個該電池模組110的電壓值，a _i 、b _i 及c _i 為該電壓-時間方程式的係數，t為時間，以該些時間點的電壓值求得該充電時間的表示式為：

其中，△t為不同電壓量測時間點之間的時間差，透過最小平方法即可由上式求得該些電壓-時間方程式的係數a _i 、b _i 及c _i ，而得到各該電池模組110的該電壓-時間方程式。最後以各該電池模組110的該電壓-時間方程式即可估算各該電池模組110充電至該參考電壓的該充電時間，第i個該電池模組110的該充電時間可表示 為：

，

為第i個該電池模組110充電至該參考電壓所需 的該充電時間，

為該參考電壓。

請參閱第1圖，完成各該電池模組110之該充電時間的估算後，於步驟13中根據各該電池模組110的該充電時間決定該串聯電池陣列100的一總充 電排程。舉例說明，請參閱第6圖，為4個該電池模組110估算而得之該充電時間的長短的示意圖，T_A至T_D分別為由長至短排列的該些電池模組110之該充電時間，而各該充電時間的左端即為該起始充電時間點，各該充電時間的右端即為該結束充電時間點。

請參閱第7圖，為該串聯電池陣列100依據該些電池模組110之充電時間T_A~T_D進行充電排程的示意圖，首先，請先參閱第7圖最上方的圖式，將具有最長之該充電時間T_A的該電池模組110的該起始充電時間點及該結束充電時間點作為該總充電排程的該總起始充電時間點t _t,s 及該總結束充電時間點t _t,e 。接著，請參閱第7圖的第2個圖式，將具有次長之該充電時間T_B的該電池模組110的該起始充電時間點對齊該總起始充電時間點t _t,s ，使具有次長之該充電時間T_B的該電池模組110的該結束充電時間點位在該總起始充電時間點t _t,s 及該總結束充電時間點t _t,e 之間。接著，請參閱第7圖的第3個圖式，將具有第三長之該充電時間T_C的該電池模組110的該結束充電時間點對齊該總結束充電時間點t _t,e ，使具有第三長之該充電時間T_C的該電池模組110的該起始充電時間點位在該總起始充電時間點t _t,s 及該總結束充電時間點t _t,e 之間。最後，請參閱第7圖的第4個圖式，將具有最短之該充電時間T_D的該電池模組110的該起始充電時間點對齊該總起始充電時間點t _t,s ，使具有最短之該充電時間T_D的該電池模組110的該結束充電時間點位在該總起始充電時間點t _t,s 及該總結束充電時間點t _t,e 之間而完成該串聯電池陣列100的充電排程。本實施例在估算完該些電池模組110的該些充電時間T_A-T_D後，將該些電池模組110之該些充電時間T_A-T_D由長至短的依序左右對齊該起始充電時間及該結束充電時間即可快速地完成該串聯電池陣列100的充電排程。

請參閱第7圖最下方的圖式，將具有第三長之該充電時間T_C填補至 具有次長之該充電時間T_B後方空缺位置，並將具有最短之該充電時間T_D填補至具有第三長之該充電時間T_C前方空缺位置後，能夠更清楚的看出在不同時間點整體之該串聯電池陣列100的充電電流變化。由圖中可以看到藉由該平衡充電方法10除了可以簡單且快速地完成該些電池模組110的充電排程以避免各該電池模組110相互干擾而能夠提高該些電池模組110的使用效率外，還可讓整體之該充電過程中各電池模組電壓變化差異較小的情況下讓該些電池模組110完成充電，以避免影響各該電池模組110的使用壽命。

本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。

100:串聯電池陣列

110:電池模組

111:雙向開關

111a:第一電晶體

111b:第二電晶體

112:電池單元

113:旁路開關

113a:第三電晶體

113b:旁路二極體

CL:充電迴路

n1:第一節點

n2:第二節點

T_A、T_B、T_C、T_D:充電時間

t _t,s :總起始充電時間點

t _t,e :總結束充電時間點

10:平衡充電方法

11:提供串聯電池陣列

12:估算電池模組的充電時間

13:決定串聯電池陣列的總充電排程

第1圖：依據本發明之一實施例，一種串聯電池陣列之平衡充電方法的流程圖。

第2圖：依據本發明之一實施例，一串聯電池陣列之複數個電池模組併入充電迴路進行充電的電路圖。

第3圖：依據本發明之一實施例，該電池模組與充電迴路解聯的電路圖。

第4圖：依據本發明之一實施例，該電池模組之一雙向開關的電路圖。

第5圖：依據本發明之一實施例，該電池模組之一旁路開關的電路圖。

第6圖：依據本發明之一實施例，該些電池模組之充電時間的示意圖。

第7圖：依據本發明之一實施例，該串聯電池陣列依據該些電池模組之充電時間進行充電排程的示意圖。

10:平衡充電方法                                     11:提供串聯電池陣列 12:估算電池模組的充電時間                  13:決定串聯電池陣列的總充電排程

Claims (9)

1. 一種平衡充電方法，其包含：提供一串聯電池陣列，該串聯電池陣列具有一充電迴路及複數個電池模組，各該電池模組可選擇性地併入該充電迴路進行充電或由該充電迴路解聯；估算各該電池模組充電至一參考電壓所需的一充電時間，各該充電時間具有一起始充電時間點及一結束充電時間點；以及根據各該電池模組的該充電時間決定該串聯電池陣列的一總充電排程，其中，將具有最長之該充電時間的該電池模組的該起始充電時間點及該結束充電時間點作為該總充電排程的一總起始充電時間點及一總結束充電時間點，將具有次長之該充電時間的該電池模組的該起始充電時間點對齊該總起始充電時間點，使具有次長之該充電時間的該電池模組的該結束充電時間點位在該總起始充電時間點及該總結束充電時間點之間，將具有第三長之該充電時間的該電池模組的該結束充電時間點對齊該總結束充電時間點，使具有第三長之該充電時間的該電池模組的該起始充電時間點位在該總起始充電時間點及該總結束充電時間點之間。
2. 如請求項1之平衡充電方法，其中各該電池模組具有一雙向開關、一電池單元及一旁路開關，該雙向開關之一端電性連接一第一節點，該雙向開關之另一端電性連接該電池單元之一端，該電池單元之另一端電性連接一第二節點，該旁路開關之兩端分別電性連接該第一節點及該第二節點。
3. 如請求項2之平衡充電方法，其中該雙向開關由一第一電晶體及一第二電晶體構成，該第一電晶體之兩端分別電性連接該第一節點及該第二電晶體之一端，該第二電晶體之另一端電性連接該電池單元。
4. 如請求項2或3之平衡充電方法，其中該旁路開關由一第三電晶體構成，該第三電晶體之兩端分別電性連接該第一節點及該第二節點。
5. 如請求項4之平衡充電方法，其中該第三電晶體具有一旁路二極體，該旁路二極體之一正極端電性連接該第二節點，該旁路二極體之一負極端電性連接該第一節點。
6. 如請求項2之平衡充電方法，其中各該電池模組併入該充電迴路時各該雙向開關導通且各該旁路開關截止，而各該電池模組由該充電迴路解聯時各該雙向開關截止且各該旁路開關導通。
7. 如請求項1或6之平衡充電方法，其中各該電池模組在該充電時間中併入該充電迴路進行充電，各該電池模組在該充電時間外由該充電迴路解聯而停止充電。
8. 如請求項1之平衡充電方法，其中各該電池模組於該充電時間內連續不中斷的進行充電。
9. 如請求項1之平衡充電方法，其中估算各該電池模組之該充電時間的方式是紀錄各該電池模組在充電狀態下之複數個時間點的電壓值，並藉由該些電壓值計算各該電池模組的一電壓-時間方程式，最後以該電壓-時間方程式估算各該電池模組的該充電時間。

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