TWI552481B - 兼顧分充之電芯主動平衡充電方法及其控制系統 - Google Patents

Description

兼顧分充之電芯主動平衡充電方法及其控制系統

本發明係有關於一種電池電壓平衡方法，尤指一種兼顧分充之電芯主動平衡充電方法及其控制系統。

鋰離子電池具有高能量密度、功率密度、自放電率極低與零環境汙染等優點，再加上其過充過放時不會發生自燃與爆炸的危險，被公認為是非常安全的儲能裝置，因此較適合作為電動車的動力來源。一般鋰離子電池組通常需要搭配電池管理系統進行管理，電池管理系統功能包含量測單電芯電壓及電流、過充過放的保護機制、殘電量估測，藉此提供完善的充電機制。

為了解決鋰離子電池組間各串聯電芯間單電壓不平衡之問題，電池管理系統必須將鋰離子電池組做均勻平衡之動作，係當各電芯電壓不同或殘電量不均勻時，對較高殘電量或電壓之電芯進行較少能量充電，反之對較低電壓或殘電量之電芯進行較高能量充電，就能達到均勻平衡 電池組電芯電壓之目的，使每一顆電芯都處於相同之殘電量狀態。

目前均勻平衡電池技術主要分為主動式技術與被動式技術兩種平衡方式，其中被動式的平衡技術主要是以長時間過充及使用電阻消耗電池能量的兩種方式來達到平衡的效果。由於其不主動去拉抬鋰離子電池組中最低電壓或電量之單電芯電量，因而稱之為被動式平衡法。然而，被動式平衡除了耗費時間長與整體電能上的浪費外，也會降低整個鋰離子電池組的能量，此法雖然能達到各電芯平衡的效果，但是卻犧牲了電池本身的能量與寶貴的時間，就整體效果而言其平衡效率不佳。

主動式平衡法則是增加鋰離子電池組中最低電壓或電量之單電芯的方式來達到平衡的效果，其方法為將具最小電壓的電池進行電能移轉或充電的動作。主動式平衡法可利用電容或電感等儲能元件做電芯間的電能移轉。主動式平衡法有別於被動式平衡法需要長時間的等待，因此主動式平衡法的效率會比被動式平衡法的效率還要高。

然而，現行使用的鄰近或局部互補的主動式平衡方式當中，若鋰離子電池組的串聯的電芯數目過高(例如16顆以上電芯串聯)，就有可能發生電能移轉次數過多導致平衡效率減低的現象，一般主動式平衡法於電芯過充時即切離充電迴路，但往往其中只有部分電芯達過充條件且其餘電芯則尚有充電空間，此時若進行放電將出現未充飽之電芯會提早過放的現象，隨後拿去充電依然是那部分電芯達 過充且放電時依然是部分電芯過放，如此循環造成電池組續航力大幅降低。此外，在兩電芯間進行小電流的高頻充放電或電荷移轉，也會降低電芯的壽命。

本發明之目的是在提供一種兼顧分充之電芯主動平衡充電方法及其控制系統，解決前述平衡電池技術中電壓平衡時間過長、電壓平衡效率不好以及電池過充過放等問題。

因此，本發明之一實施方式在於提供一種兼顧分充之電芯主動平衡充電方法，其步驟包含：一串充步驟，提供一平衡電源對一電芯組進行充電。一開關步驟，提供一量測開關電路及一平衡開關電路而控制開關電芯組之複數電芯。一量測步驟，提供一電壓量測電路而利用量測開關電路之啟閉分別量測電芯之複數電壓值。一判斷步驟，提供一控制件接收電壓值，使控制件判別電芯組中具有一最小電壓值之電芯。一平衡步驟，啟閉平衡開關電路，使平衡電源同時對電芯組串充及最小電壓之電芯平衡充電。一排序步驟，利用控制件依據電壓值而對各電芯進行排序，前面必須超過過充電壓。以及一分充步驟，使控制件根據電芯之排序而依序啟閉平衡開關電路，使平衡電源依序對各電芯進行定電壓充電。

依據前述實施方式之一實施例，其中量測步驟後更包含一預判步驟，使控制件判斷任一電芯之電壓值是否大 於一預設電壓值，如結果為是則直接進行排序步驟。前述預設電壓值可為3.6伏特。判斷步驟後更包含一計算步驟，使控制件判別電芯組中具有一最大電壓值之電芯，使控制件計算最大電壓之電芯及最小電壓之電芯之間一電壓差值是否大於一預設電壓差值，如結果為是則進行平衡步驟。前述預設電壓差值可為0.05伏特。

根據本發明之另一實施方式在於提供一種兼顧分充之電芯主動平衡充電控制系統，其應用於前述兼顧分充之電芯主動平衡充電方法，兼顧分充之電芯主動平衡充電控制系統係用於一電動載具，其包含電芯組、量測開關電路、平衡選擇電路、一電源轉換器、平衡電源以及控制件。電芯組包含那些電芯，各電芯彼此串聯連接。量測開關電路電性連接電芯組，量測開關電路包含複數量測切換開關，各電芯之兩端分別電性連接其中二量測切換開關。平衡選擇電路電性連接電芯組，平衡選擇電路包含複數平衡切換開關，各電芯之兩端分別對應二量測切換開關而電性連接其中二平衡切換開關。電源轉換器具有一輸入端與一輸出端，輸出端電性連接平衡選擇電路。平衡電源電性連接電芯組及電源轉換器之輸入端。控制件電性連接量測開關電路及平衡選擇電路。

依據前述實施方式之一實施例，其中量測切換開關及平衡切換開關可為光繼電器。平衡電源可為一充電機。

前述實施方式及實施例所提及之量測切換開關實質上為可耐高壓之光繼電器，而平衡切換開關為可承受大 電流之光繼電器。因此，根據前述實施方式及實施例之兼顧分充之電芯主動平衡充電方法及兼顧分充之電芯主動平衡充電控制系統所揭露的內容。兼顧分充之電芯主動平衡充電方法及兼顧分充之電芯主動平衡充電控制系統可進行兩段式之充電方法，藉此，控制件針對需要充電之電芯來開啟平衡切換開關，使平衡電源在各電芯滿足一預設電壓差值時，透過電源轉換器對電芯組同時串充及平衡充電，而當任一電芯滿足一預設電壓值時對各電芯進行分充。

100‧‧‧兼顧分充之電芯主動平衡裝置

200‧‧‧電路板

300‧‧‧量測開關電路

310a~380a、310b~380b‧‧‧量測切換開關

400‧‧‧平衡選擇電路

410a~480a、410b~480b‧‧‧平衡切換開關

500‧‧‧電源轉換器

510‧‧‧輸入端

520‧‧‧輸出端

600‧‧‧控制件

700‧‧‧平衡電源

800‧‧‧電芯組

810~880‧‧‧電芯

A01‧‧‧串充步驟

A02‧‧‧開關步驟

A03‧‧‧量測步驟

A04‧‧‧預判步驟

A05‧‧‧判斷步驟

A06‧‧‧計算步驟

A07‧‧‧平衡步驟

A08‧‧‧排序步驟

A09‧‧‧分充步驟

A~I‧‧‧電芯端點

I1、I2‧‧‧電

第1圖係繪示依照本發明一實施方式之兼顧分充之電芯主動平衡充電方法的流程圖。

第2圖係繪示依照本發明一實施方式之兼顧分充之電芯主動平衡充電控制系統之方塊圖。

第3圖繪示第1圖之兼顧分充之電芯主動平衡充電控制系統之電路圖。

請參照第1圖，其係繪示依照本發明一實施方式之兼顧分充之電芯主動平衡充電方法的流程圖。兼顧分充之電芯主動平衡充電方法之步驟包含：一串充步驟A01，提供一平衡電源對一電芯組進行充電I1。一開關步驟A02，提供一量測開關電路及一平衡開關電路而控制開關電芯組 之複數電芯。一量測步驟A03，提供一電壓量測電路而利用量測開關電路之啟閉分別量測電芯之複數電壓值。一預判步驟A04，使控制件判斷任一電芯之電壓值是否大於一預設電壓值，如結果為是則直接進行排序步驟A08。一判斷步驟A05，提供一控制件接收電壓值，使控制件判別電芯組中具有一最小電壓值之電芯。一計算步驟A06，使控制件判別電芯組中具有一最大電壓值之電芯，使控制件計算最大電壓值之電芯及最小電壓值之電芯之間一電壓差值是否大於一預設電壓差值，如結果為是則進行平衡步驟A07。一平衡步驟A07，啟閉平衡開關電路，使平衡電源同時對電芯組串充電I1及最小電壓之電芯平衡充電I2。一排序步驟A08，利用控制件依據電壓值而對各電芯進行排序。以及一分充步驟A09，使控制件根據電芯之排序而依序啟閉平衡開關電路，使平衡電源依序對各電芯進行定電壓充電I2，直到各電芯平衡地充滿電。藉此，直到各電芯平衡地充滿電則完成兼顧分充之電芯主動平衡充電方法。

在開始進行充電之前，需先透過軟體來進行各項數據的設定，如過充電壓、待測電池數、電池的預設電壓差值、預設電壓值、電源供應器的電壓與電流的設定...等。啟動充電電源開始串充步驟A01之後，利用開關步驟A02及量測步驟A03來分別量測電芯組中各電芯之電壓值，此時執行預判步驟A04，假若任一電芯之電壓值大於預設電壓值，則直接進行排序步驟A08。如果預判步驟A04中任一電芯之電壓值小於預設電壓值，則再進行判斷步驟A05 來找出最小電壓值之電芯。接著，計算步驟A06判斷各電芯中最大電壓值及最小電壓值之電壓差值是否大於預設電壓差值，如結果為否則回到串充步驟A01。如判斷步驟A05中結果為是，則執行平衡步驟A07讓平衡電源對最小電壓值電芯進行平衡充電，直到預判步驟A04中任一電芯之電壓值大於預設電壓值，而可進行排序步驟A08及分充步驟A09，對各電芯進行電壓值之排序，從最小電壓值之電芯開始進行充電直到其電壓值大於預設電壓值才對下一排序之電芯進行充電。

請參照第2圖及第3圖，其中第2圖係繪示應用於前述兼顧分充之電芯主動平衡充電控制系統的方塊圖，第3圖繪示第2圖之兼顧分充之電芯主動平衡充電控制系統的電路圖，其包含一兼顧分充之電芯主動平衡裝置100及一電芯組800。

於此先說明本實施方式中，電芯組800具有複數個電芯810~880，但電芯的數量不限於第3圖所示，且在各電芯810~880的正負極兩端設置複數電芯端點A~I。電芯810~880所對應之電芯端點A~I如下表一：

兼顧分充之電芯主動平衡裝置100包含一電路板200、一量測開關電路300、一平衡選擇電路400、一電源 轉換器500、一控制件600以及一平衡電源700。

電路板200電性連接電芯組800。

量測開關電路300設於電路板200上且電性連接電芯組800。量測開關電路300包含複數量測切換開關310a、310b、320a、320b、330a、330b、340a、340b、350a、350b、360a、360b、370a、370b、380a、380b，其分別電性連接到電芯組800之電芯810~880之電芯端點A~I。上述量測切換開關310a~380a、310b~380b需具備以下特性：體積小、驅動簡單、具電氣隔離之功能且可由控制件600直接控制開啟或關閉，量測切換開關310a~380a、310b~380b為可耐高壓之光繼電器。舉例來說，電芯810之電芯端點A、B分別電性連接至量測切換開關310a、310b。各電芯810~880之電芯端點A~I所對應連接之量測切換開關310a~380a、310b~380b如下表二：

平衡選擇電路400設於電路板200上且電性連接電芯組800。平衡選擇電路400包含複數平衡切換開關410a、 410b、420a、420b、430a、430b、440a、440b、450a、450b、460a、460b、470a、470b、480a、480b，其分別對應量測切換開關310a~380a、310b~380b而電性連接到電芯組800之電芯810~880之電芯端點A~I。上述平衡切換開關410a、410b、420a、420b、430a、430b、440a、440b、450a、450b、460a、460b、470a、470b、480a、480b需具備以下特性：最大耐流需可達3安培、體積小、驅動簡單、具電氣隔離之功能且可由控制件600直接控制開啟或關閉。平衡切換開關410a~480a、410b~480b為可承受較大充電電流之光繼電器。舉例來說，電芯810之電芯端點A、B分別電性連接至量測切換開關310a、310b以及平衡切換開關410a、410b。各電芯810~880之電芯端點A~I所對應連接之平衡切換開關410a~480a、410b~480b如下表三：

電源轉換器500設於電路板200上且具有一輸入端510與一輸出端520，其中輸出端520電性連接平衡選擇電路400。

控制件600設於電路板200上且電性連接量測開關電路300及平衡選擇電路400，控制件600用以控制啟閉量測開關電路300之量測切換開關310a~380a、310b~380b及平衡選擇電路400之平衡切換開關410a~480a、410b~480b。

平衡電源700電性連接電芯組800及電源轉換器500之輸入端510。平衡電源700可為一充電機。

藉由控制件600透過量測開關電路300依序開啟與每一電芯810~880連接之量測切換開關310a~380a、310b~380b，並由控制件600量測各電芯810~880之電壓值後，由控制件600判斷各電芯810~880最小電壓值及最大電壓值之電壓差值大於0.05V後，控制平衡選擇電路400之平衡切換開關410a~480a、410b~480b，對其中最小電壓值之電芯進行平衡充電。當各電芯810~880中之電壓值大於3.6V時，則利用平衡切換開關410a~480a、410b~480b輪流開關各電芯810~880，使平衡電源700從最小電壓值之電芯開始進行充電，藉此有效提昇電壓平衡效率。

前述實施方式之兼顧分充之電芯主動平衡充電方法及兼顧分充之電芯主動平衡充電控制系統：

1.在電芯組進行整體串充電I1時，同時利用平衡開關切換電路對最小電壓值之電芯進行平衡充電I2。而當各電芯平衡完成就進行各電芯之分充動作，能使電芯組達到最高蓄電量且各電芯處於電量平衡狀態且不會過充。

2.配合外接之平衡電源來當作電芯組之平衡來源，可增大平衡電流加速各電芯之電壓平衡。

3.同時可避免電芯過充之可能，當電芯組於分充時能盡可能達到各電芯分別滿電量，進而達到提高電芯組之使用效率與續航力的目的。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此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。

A01‧‧‧串充步驟

A02‧‧‧開關步驟

A03‧‧‧量測步驟

A04‧‧‧預判步驟

A05‧‧‧判斷步驟

A06‧‧‧計算步驟

A07‧‧‧平衡步驟

A08‧‧‧排序步驟

A09‧‧‧分充步驟

Claims (9)

1. 一種兼顧分充之電芯主動平衡充電方法，其步驟包含：一串充步驟，提供一平衡電源對一電芯組進行充電(I1)；一開關步驟，提供一量測開關電路及一平衡開關電路而控制開關該電芯組之複數電芯；一量測步驟，提供一電壓量測電路而利用該量測開關電路之啟閉分別量測該些電芯之複數電壓值；一判斷步驟，提供一控制件接收該些電壓值，使該控制件判別該電芯組中具有一最小電壓值之該電芯；一平衡步驟，啟閉該平衡開關電路，使該平衡電源同時對該電芯組串充電(I1)及該最小電壓之該電芯平衡充電(I2)；一排序步驟，利用該控制件依據該些電壓值而對該些電芯進行排序；以及一分充步驟，使該控制件根據該些電芯之排序而依序啟閉該平衡開關電路，使該平衡電源依序對該些電芯進行定電壓充電(I2)；其中，該平衡電源、該量測開關電路、該平衡開關電路及該控制件均設於一電路板上，藉此有效提昇電壓平衡效率，能使該電芯組達到最高蓄電量且各該電芯處於電量平衡狀態且不會過充。
2. 如請求項1所述之兼顧分充之電芯主動平衡充電方法，其中該量測步驟後更包含：一預判步驟，使該控制件判斷任一該電芯之該電壓值是 否大於一預設電壓值，如結果為是則直接進行該排序步驟。
3. 如請求項2所述之兼顧分充之電芯主動平衡充電方法，其中該預設電壓值為3.6伏特。
4. 如請求項1所述之兼顧分充之電芯主動平衡充電方法，其中該判斷步驟後更包含：一計算步驟，使該控制件判別該電芯組中具有一最大電壓值之該電芯，使該控制件計算該最大電壓之該電芯及該最小電壓之該電芯之間一電壓差值是否大於一預設電壓差值，如結果為是則進行該平衡步驟。
5. 如請求項4所述之兼顧分充之電芯主動平衡充電方法，其中該預設電壓差值為0.05伏特。
6. 一種兼顧分充之電芯主動平衡充電控制系統，其應用於請求項1所述之兼顧分充之電芯主動平衡充電方法，該兼顧分充之電芯主動平衡充電控制系統係用於一電動載具，該兼顧分充之電芯主動平衡充電控制系統包含：該電芯組，其包含該些電芯，該些電芯彼此串聯連接；該量測開關電路，其電性連接該電芯組，該量測開關電路包含複數量測切換開關，各該電芯之兩端分別電性連接其中二該量測切換開關；該平衡選擇電路，其電性連接該電芯組，該平衡選擇電路包含複數平衡切換開關，各該電芯之兩端分別對應二該量測切換開關而電性連接其中二該平衡切換開關； 一電源轉換器，其具有一輸入端與一輸出端，該輸出端電性連接該平衡選擇電路；該平衡電源，其電性連接該電芯組及該電源轉換器之該輸入端；該控制件，其電性連接該量測開關電路及該平衡選擇電路；以及該電路板，其用以設置該平衡電源、該量測開關電路、該平衡開關電路及該控制件。
7. 如請求項6所述之兼顧分充之電芯主動平衡充電控制系統，其中該些量測切換開關為光繼電器。
8. 如請求項6所述之兼顧分充之電芯主動平衡充電控制系統，其中該些平衡切換開關為光繼電器。
9. 如請求項6所述之兼顧分充之電芯主動平衡充電控制系統，其中該平衡電源為一充電機。