TWM449728U - 電池電源管理系統 - Google Patents

Description

電池電源管理系統

本創作係關於一種電池電源管理系統，尤其是一種將複數個直流充電電池串聯升壓，再經由一電源轉換器將該複數個直流蓄電池之總電壓降至系統需求電壓，以提升額定輸出電流值之電池電源管理系統。

習知蓄電池已然成為民生必需品，日常生活隨處可見其應用，舉凡手機、相機、電腦和隨身聽等消費性電子產品，或是數位家電、無線吸塵器、緊急照明燈和電動工具等家用電器產品，亦或電動輪椅、電動腳踏車、電動機車和油電混合車等交通運輸工具，都需要選擇適當的蓄電池以滿足產品各自的用電需求。其中，電動交通工具產業的發展更直接仰賴蓄電池技術，蓄電池的額定輸出功率與容量將直接限制電動交通工具的性能與續航力，因此如何有效利用現有的蓄電池產品，在滿足系統用電需求的同時兼顧成本與安全性的考量，成為電動交通工具開發的重要目標。

相較於小型電子產品往往以尺寸為選擇蓄電池的首要條件，車用蓄電池由於所需的電壓和電流較高，因此開發電動車輛時，蓄電池的電壓、電流、功率與容量等參數成為選用車用電池的重要考量。其中，電流不足乃電動車之電池系統最常面臨的問題之一，為了能使電動車輛達到與傳統內燃機驅動車輛相同的性能，往往需要高電流來驅 動馬達高速運轉，連帶使得電動車之電池系統需運作於高電流輸出的情況，所以非常容易有電流輸出不足的情況產生。為了解決此問題，建構電動車之電池系統時必須選擇效能與品質較高的蓄電池，如高電流鋰電池，以提供足夠的額定輸出電流，然而這種方式會大幅提高生產成本。

此外，電動車輛為了提升續航力，系統時常具備多種不同的運作模式，常見的有怠速模式、低速模式、高速模式與爬坡模式等，系統在不同的模式由於所需的馬力輸出不同，皆運作於不同的電壓條件下。然而，由於直流蓄電池只能提供單一電壓輸出，因此必須在車輛中設置其它變壓器或轉換器等外部電力電子裝置來進行電壓調節動作，容易產生額外的電能損失。

如上所述，車用電池需要運作在高電壓、高電流的條件下，很容易產生溫度升高卻散熱不及的情形，更由於蓄電池通常對溫度相當敏感，故當溫度條件改變時，電池特性也會隨之改變，造成所能提供的電壓、電流輸出都有所不同。且，隨著蓄電池的電量消耗，輸出電壓往往會隨著下降，此因素亦致使蓄電池所能提供的電壓、電流輸出都會產生改變。習知電動車之電池系統缺乏針對此問題的完整解決策略，無法有效掌控電池的輸出特性，甚至發生從電池汲取過量電流，導致電池壽命折損的情況。

基於上述原因，有必要進一步提供改良之電池電源管理系統，以期不僅能夠有效解決電池輸出電流不足的問題，亦能夠針對電池輸出電壓、電流的變動進行監控調整，同時可提供電池系統溫度保護與過流保護，藉以降低 生產成本，並增加該電池電源管理系統的使用壽命。

本創作主要目的係提供一種電池電源管理系統，該電池電源管理系統透過將複數個直流蓄電池串聯升壓，再經由一電源轉換器將該複數個直流蓄電池之總電壓降至系統需求電壓，可提升額定輸出電流值，具有降低系統建構成本之功效。

本創作另一目的係提供一種電池電源管理系統，該電池電源管理系統可因應系統運作需求電壓不同，調整該電源轉換器之變壓比，以提供不同的輸出電壓，具有增加應用範圍之功效。

本創作又一目的係提供一種電池電源管理系統，該電池電源管理系統具有過流保護與溫度保護功能，因此具有提高系統安全性與延長系統使用壽命之功效。

本創作再一目的係提供一種電池電源管理系統，該電池電源管理系統可接收不同之外加充電電壓，再透過調整該電源轉換器之變壓比，將該不同之外加充電電壓轉換為該複數個直流蓄電池的額定充電電壓，具有提升使用便利性之功效。

根據本創作之電池電源管理系統，係包含至少一電池模組，係由複數個蓄電池組串聯組成，該至少一電池模組具有一正極端與一負極端，且各該電池模組係耦接一模組量測單元；一電源轉換器，具有一第一輸入端、一第二輸入端與一命令接收端，該第一輸入端耦接該至少一電池 模組之正極端，該第二輸入端耦接該至少一電池模組之負極端；一電池控制器，用以接收資訊並進行決策運算；以及一電源轉換器控制單元，係耦接該電池控制器，以供接收一控制命令，該電源轉換器控制單元另耦接該電源轉換器之命令接收端，用以根據該控制命令控制該電源轉換器。

所述之電池控制器係包含一類比感測單元，係耦接至少一類比感測器；一控制單元，係耦接該類比感測單元、該模組感測單元與一外部網路；一繼電器驅動單元，係耦接該控制單元，以供該控制單元控制該繼電器驅動單元驅動一繼電器，該繼電器之兩端分別電性連接該至少一電池模組之正極端與該電源轉換器之第一輸入端，或者分別電性連接該至少一電池模組之負極端與該電源轉換器之第二輸入端。

本創作之電池電源管理系統，其中，該至少一模組量測單元分別用以量測該至少一電池模組之充電狀態、總電壓、充放電電流以及溫度等電池狀態訊息。

本創作之電池電源管理系統，其中，該電源轉換器為一變壓閘數可調之電源轉換器。

本創作之電池電源管理系統，其中，該至少一類比感測器包含一電流感測器、一內部溫度感測器與一外部溫度感測器。

本創作之電池電源管理系統，其中，該電流感測器耦接於該至少一電池模組之正極端與該電源轉換器之第一輸入端之間，或者耦接於該至少一電池模組之負極端與該 電源轉換器之第二輸入端之間。

本創作之電池電源管理系統，其中，該內部溫度感測器設置於該電池電源管理系統內部，該外部溫度感測器設置於該電池電源管理系統外部。

為讓本創作之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本創作之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，係繪示本創作第一較佳實施例之電池電源管理系統1，其中該電池電源管理系統1包含至少一電池模組11、一電源轉換器12、至少一模組量測單元13、一電池控制器14與一電源轉換器控制單元15。

該至少一電池模組11係由複數個直流蓄電池所串聯組成，該直流蓄電池可為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池或燃料電池等，本創作並不加以限制。當該至少一電池模組11的數量係為複數個時，該數個電池模組11係串聯連接。因此，該至少一電池模組11的數量為一個或數個時皆具有一正極端111與一負極端112，該正極端111與負極端112間之電位差即為該至少一電池模組11所能提供之總電壓。

該電源轉換器12係為一具有變壓功能，且變壓閘數可調之直流轉直流電源轉換器，該電源轉換器12包含一第一輸入端121、一第二輸入端122、一第一輸出端123、一第二輸出端124與一命令接收端125。該第一輸 入端121與第二輸入端122分別耦接該至少一電池模組11之正極端111與負極端112，以接收該至少一電池模組11所提供之總電壓作為輸入電壓。該第一輸出端123與第二輸出端124分別供耦接一系統負載(未繪示於圖中)之兩端，以供應經電壓調整後之輸出電壓。該命令接收端125可接收控制命令，以改變該電源轉換器12之變壓閘數，進而改變該電源轉換器12之變壓比。

該至少一模組量測單元13對應該至少一電池模組11設置，即每一電池模組11皆耦接一相對應之模組量測單元13。該模組量測單元13可量測該電池模組11之充電狀態、總電壓、充放電電流以及電池溫度等電池狀態訊息。

該電池控制器14包含一類比感測單元141、一控制單元142、一繼電器驅動單元143與一風扇驅動單元144。該類比感測單元141可耦接各式偵測裝置，以接收該偵測裝置所量測之資訊，並轉換為可供該電池控制器14運算使用之感測結果訊號。該類比感測單元141耦接至少一類比感測器，在本實施例當中，該類比感測單元141係耦接一電流感測器1411、一內部溫度感測器1412與一外部溫度感測器1413。其中，該電流感測器1411可為檢流計或比流器等，係耦接於該至少一電池模組11之正極端111與該電源轉換器12之第一輸入端121之間，或者耦接於該至少一電池模組11之負極端112與該電源轉換器12之第二輸入端122之間，以量測該至少一電池模組11所輸出之總電流。該內部溫度感測器1412係設置 於該電池電源管理系統1內部，且較佳設置於接近該至少一電池模組11的位置，以量測該電池電源管理系統1內部溫度。該外部溫度感測器1413係設置於該電池電源管理系統1外部，以量測該電池電源管理系統1所處系統環境之溫度。

該電池控制器14之控制單元142分別耦接各該模組量測單元13與該類比感測單元141，以接收各該模組量測單元13所量測之電池狀態訊息與該類比感測單元141之感測結果訊號。該控制單元142另耦接一外部網路2，用以接收該外部網路2所下達之命令(例如用電需求)，或是回傳該電池電源管理系統1之資訊至該外部網路2。綜上所述，該控制單元142所接收的資訊包含各該電池模組11之充電狀態、總電壓、充放電電流、溫度、該至少一電池模組11所輸出之總電流、該電池電源管理系統1之內外部溫度以及該外部網路2所下達之命令等，且該控制單元142可依據接收到的資料進行決策運算，以下達控制命令。

該控制單元142所進行之決策運算係包含比對該至少一電池模組11所輸出之總電流是否超出額定值；比較運算該池管理系統1之內部溫度與外部溫度之差距幅度；以及推算該至少一電池模組11之個別供電能力與總供電能力並比對該總供電能力是否達到該外部網路2所要求之用電需求等。在本實施例當中，推算該至少一電池模組11之個別供電能力的方法係為利用各該模組量測單元13所測得之充電狀態、總電壓、放電電流與電池溫度等電池 狀態訊息進行查表推算，例如當各該電池模組11係由四個鉛酸電池串聯組成時，若其中一模組量測單元13測得一電池模組11之四個鉛酸電池平均狀態為電壓：12.5V/溫度：25℃/充電狀態(12Ah)：72%，此時該控制單元142進行查表可得到該四個鉛酸電池之安全放電流為24A，最大放電電流為120A且只能放電10秒之結果，進而推算出該電池模組11之供電能力為50V/24A。

此外，計算該至少一電池模組11之總供電能力的方法可為利用上述方式分別推算該至少一電池模組11之個別供電能力，並擇一作為計算該至少一電池模組11總供電能力之參考基準值。舉例而言，若該電池電源管理系統1具有四個電池模組11，且根據所測得之電池狀態訊息推算出該四個電池模組11之供電能力分別為55V/25A、50V/24A、50V/20A、45V/20A時，可選擇45V/20A作為供電能力參考基準值，視該四電池模組11之總供電能力為180V/20A；或者，可綜合各該模組量測單元13所測得之電池狀態訊息，透過預設之運算函數評估計算該至少一電池模組11之總供電能力。

該電池控制器14之繼電器驅動單元143耦接該控制單元142以接收控制命令，且該電池電源管理系統1搭配該繼電器驅動單元143另設有一繼電器1431，該繼電器1431之兩端分別電性連接該至少一電池模組11之正極端111與該電源轉換器12之第一輸入端121，或者分別電性連接該至少一電池模組11之負極端112與該電源轉換器12之第二輸入端122。該繼電器1431耦接該繼電器驅動 單元143，因此，該繼電器驅動單元143可驅動該繼電器1431作動，根據該控制命令改變該繼電器1431之兩端的電性連接狀態。

該電池控制器14之風扇驅動單元144耦接該控制單元142以接收控制命令，該風扇驅動單元144另耦接一設置於該電池電源管理系統1外部之風扇3，該風扇3係為一可正反轉且轉速可調之散熱/加溫風扇。由於該風扇3耦接該風扇驅動單元144，因此，該風扇驅動單元144可驅動該風扇3，根據該控制命令改變該風扇3之轉速以調整氣流量，或者改變正反轉狀態以使該風扇3運作於排氣或進氣模式，例如當該電池電源管理系統1之內部溫度較外部溫度高時，該風扇3可正轉以將該電池電源管理系統1之內部熱氣排出；當該電池電源管理系統1之內部溫度較外部溫度低時，該風扇3可反轉以將外部熱空氣吹入該電池電源管理系統1，上述該風扇3之動作分別達成對該電池電源管理系統1散熱與加溫的效果。

該電源轉換器控制單元15耦接該控制單元142以接收控制命令，且該電源轉換器控制單元15另耦接該電源轉換器12之命令接收端125，藉此，該電源轉換器控制單元15可依據所接收之控制命令調整該電源轉換器12之變壓比。

該電池電源管理系統1可於系統外部額外設置一斷電裝置16，該斷電裝置16係串聯連接於該至少一電池模組11之正極端111端或負極端112。該斷電裝置16可包含一保險絲或無熔絲開關，當系統電流超出負荷上限時提 供保護功能。該斷電裝置16亦可包含一手動電閘，供使用者自行切斷該電池電源管理系統1與系統負載之連接。

請參照第2圖所示，係為本創作第一較佳實施例之電池電源管理系統1的放電控制流程圖，當該外部網路2依據其運作狀態判斷需要該電池電源管理系統1供電時，該控制單元142首先自該外部網路2接收用電需求命令；接著該控制單元142會接收各該模組量測單元13所測得之充電狀態、總電壓、放電電流與電池溫度等電池狀態訊息推算該至少一電池模組11之總供電能力；該控制單元142齊備該用電需求及供電能力訊息後，比較該用電需求及供電能力訊息之數值以判斷該至少一電池模組11之總供電能力是否達到該外部網路2所要求之用電需求。

若該總供電能力可滿足該用電需求，例如該外部網路2要求100V/30A的用電量，而該至少一電池模組11係分別由5個常溫下可提供20V/20A之直流蓄電池串聯組成，且該至少一電池模組11的數量為二，則各該模組量測單元13在常溫且電池電量充足的情況下可能測得該至少一電池模組2之總供電能力為200V/20A，該控制單元142依據所得資料可判定該總供電能力可滿足該用電需求，此時該控制單元142將計算所需的變壓比，係為200V：100V=2：1，該電源轉換器控制單元15將依據該變壓比調整該電源轉換器12之閘數，進而達成所需之該變壓比；因此，該電源轉換器12可將該至少一電池模組2之輸出電壓由200V降為100V，由於原200V/20A之總供電能力相當於100V/40A，滿足該外部網路2之用電需求 100V/30A，該電池電源管理系統1進入放電模式。

若該總供電能力無法滿足該用電需求，例如該外部網路2要求100V/50A的用電量，而如上所述之該至少一電池模組2之總供電能力為200V/20A，即使將輸出電壓由200V降為100V，原200V/20A之總供電能力僅相當於100V/40A，不足該外部網路2之用電需求100V/50A，則該控制單元142依據所得資料可判定該總供電能力無法滿足該用電需求，此時該控制單元142將回傳一警示訊息至該外部網路2，該外部網路2可視情況啟動其它電力源或動力來源，以緩解供電能力不足的情形。該控制單元142欲繼續進行放電動作時，需啟動輸出電流監控的機制，該類比感測單元141開始接收該電流感測器1411所量測該至少一電池模組11所輸出之總電流，並回報至該控制單元142；接著該控制單元142將同樣計算所需的變壓比，係為200V：100V=2：1，該電源轉換器控制單元15將依據該變壓比調整該電源轉換器12之閘數，進而達成所需之該變壓比；因此，該電源轉換器12可將該至少一電池模組2之輸出電壓由200V降為100V，由於原200V/20A之總供電能力相當於100V/40A，無法滿足該外部網路2之用電需求100V/50A，該電池電源管理系統1在具備輸出電流監控的機制的情況下進入放電模式，控制單元142隨時比對至少一電池模組11所輸出之總電流是否超出供電能力上限，一但發現該至少一電池模組11輸出超過40A的電流，該控制單元142將立即下達命令控制該繼電器驅動單元143以斷開該繼電器1431之兩端的電性連接狀 態，係達成過流保護的功能。

無論該總供電能力是否能滿足該用電需求，當該電池電源管理系統1進入放電模式後，皆會啟動操作溫度監控的機制，該類比感測單元141開始接收該內部溫度感測器1412與該外部溫度感測器1413之讀數，並回報至該控制單元142，該控制單元142可比較運算該電池電源管理系統1之內部溫度與外部溫度之差距幅度，並據以產生命令控制該風扇驅動單元144驅動該風扇3之情形。在本實施例當中，該風扇驅動單元144透過一PWM脈寬調製訊號控制該風扇3，當該控制單元142判定該電池電源管理系統1之內部溫度高於外部溫度時，控制該風扇驅動單元144發出正電壓驅動訊號，使該風扇3正轉，對該電池電源管理系統1吹氣而達成散熱效果；當該控制單元142判定該電池電源管理系統1之內部溫度低於外部溫度時，控制該風扇驅動單元144發出負電壓驅動訊號，使該風扇3反轉，對該電池電源管理系統1抽氣而達成加溫效果。此外，該控制單元142依據該電池電源管理系統1之內部溫度與外部溫度之差距幅度，決定該風扇驅動單元144對該風扇3發出之驅動訊號的總導通時間，在本實施例當中，當該電池電源管理系統1之內部溫度與外部溫度之正負差距幅度超過20%時，該驅動訊號之總導通時間將達到最大值，使該風扇3達到最大轉速。

請參照3圖所示，係為本創作第一較佳實施例之電池電源管理系統1的充電控制流程圖，當該外部網路2依據其運作狀態判斷需要對該電池電源管理系統1充電時， 該控制單元142首先自該外部網路2接收充電通知命令；接著該控制單元142將計算所需的變壓比，例如如上所述之該至少一電池模組11的總電壓為200V，若該充電命令中通知將以一50V之外加充電電壓對該電池電源管理系統1充電，則該變壓比係為50V：200V=1：4，該電源轉換器控制單元15將依據該變壓比調整該電源轉換器12之閘數，進而達成所需之該變壓比；因此，該電源轉換器12可將該外加充電電壓由50V升至200V，以符合該至少一電池模組11的額定充電電壓；在充電過程中，該控制單元142會接收各該模組量測單元13所測得之充電狀態、充電電流等電池狀態訊息；該控制單元142根據所接收之電池狀態訊息以判斷充電是否完成，若充電未完成則持續接收各該模組量測單元13所測得之充電狀態的步驟，若判定充電完成則回傳充電完成訊息至該外部網路2。

藉由上述電路結構，本創作之電池電源管理系統可有效將複數個直流蓄電池串聯升壓，再經由一電源轉換器將該複數個直流蓄電池之總電壓降至系統需求電壓，以提升額定輸出電流值，達成降低系統建構成本之功效。且，該電池電源管理系統可因應系統運作需求電壓不同，調整該電源轉換器之變壓比，以提供不同的輸出電壓，達成增加應用範圍之功效。又，該電池電源管理系統具有過流保護與溫度保護功能，係可達成提高系統安全性與延長系統使用壽命之功效。此外，該電池電源管理系統可接收不同之外加充電電壓，再透過調整該電源轉換器之變壓比，將 該不同之外加充電電壓轉換為該複數個直流蓄電池的額定充電電壓，因此本創作亦具有提升使用便利性之功效。

雖然本創作已利用前述較佳實施例詳細揭示，然其並非用以限定本創作，任何熟習此技藝者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改，因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

〔本創作〕

1‧‧‧電池電源管理系統

11‧‧‧電池模組

111‧‧‧正極端

112‧‧‧負極端

12‧‧‧電源轉換器

121‧‧‧第一輸入端

122‧‧‧第二輸入端

123‧‧‧第一輸出端

124‧‧‧第二輸出端

125‧‧‧命令接收端

13‧‧‧模組量測單元

14‧‧‧電池控制器

141‧‧‧類比感測單元

1411‧‧‧電流感測器

1412‧‧‧內部溫度感測器

1413‧‧‧外部溫度感測器

142‧‧‧控制單元

143‧‧‧繼電器驅動單元

1431‧‧‧繼電器

144‧‧‧風扇驅動單元

15‧‧‧電源轉換器控制單元

16‧‧‧斷電裝置

2‧‧‧外部網路

3‧‧‧風扇

第1圖：本創作電池電源管理系統之第一較佳實施例電路方塊圖。

第2圖：本創作電池電源管理系統之第一較佳實施例之放電控制流程圖

第3圖：本創作電池電源管理系統之第一較佳實施例之充電控制流程圖

1‧‧‧電池電源管理系統

11‧‧‧電池模組

111‧‧‧正極端

112‧‧‧負極端

12‧‧‧電源轉換器

121‧‧‧第一輸入端

122‧‧‧第二輸入端

123‧‧‧第一輸出端

124‧‧‧第二輸出端

125‧‧‧命令接收端

13‧‧‧模組量測單元

14‧‧‧電池控制器

141‧‧‧類比感測單元

1411‧‧‧電流感測器

1412‧‧‧內部溫度感測器

1413‧‧‧外部溫度感測器

142‧‧‧控制單元

143‧‧‧繼電器驅動單元

1431‧‧‧繼電器

144‧‧‧風扇驅動單元

15‧‧‧電源轉換器控制單元

16‧‧‧斷電裝置

2‧‧‧外部網路

3‧‧‧風扇

Claims (6)

1. 一種電池電源管理系統，係包含：至少一電池模組，係由複數個蓄電池組串聯組成，該至少一電池模組具有一正極端與一負極端，且各該電池模組係耦接一模組量測單元；一電源轉換器，具有一第一輸入端、一第二輸入端與一命令接收端，該第一輸入端耦接該至少一電池模組之正極端，該第二輸入端耦接該至少一電池模組之負極端；一電池控制器，該電池控制器係包含：一類比感測單元，係耦接至少一類比感測器；一控制單元，係耦接該類比感測單元、該模組感測單元與一外部網路；一繼電器驅動單元，係耦接該控制單元，以供該控制單元控制該繼電器驅動單元驅動一繼電器，該繼電器之兩端分別電性連接該至少一電池模組之正極端與該電源轉換器之第一輸入端，或者分別電性連接該至少一電池模組之負極端與該電源轉換器之第二輸入端；以及一風扇驅動單元，係耦接該控制單元，以供該控制單元控制該風扇驅動單元驅動一風扇；以及一電源轉換器控制單元，係耦接該電池控制器之控制單元，以供接收一控制命令，該電源轉換器控制單元另耦接該電源轉換器之命令接收端，用以根據該控制命令控制該電源轉換器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池電源管理系統，其中，該至少一模組量測單元分別用以量測該至少一電池模組之充電狀態、總電壓、充放電電流以及溫度等電池狀態訊息。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電池電源管理系統，其中，該電源轉換器為一變壓閘數可調之電源轉換器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電池電源管理系統，其中，該至少一類比感測器包含一電流感測器、一內部溫度感測器與一外部溫度感測器。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電池電源管理系統，其中，該電流感測器耦接於該至少一電池模組之正極端與該電源轉換器之第一輸入端之間，或者耦接於該至少一電池模組之負極端與該電源轉換器之第二輸入端之間。
6. 如申請專利範圍第4項所述之電池電源管理系統，其中，該內部溫度感測器設置於該電池電源管理系統內部，該外部溫度感測器設置於該電池電源管理系統外部。