TWI658676B - 一種新型電池平衡器 - Google Patents
一種新型電池平衡器 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI658676B TWI658676B TW107131048A TW107131048A TWI658676B TW I658676 B TWI658676 B TW I658676B TW 107131048 A TW107131048 A TW 107131048A TW 107131048 A TW107131048 A TW 107131048A TW I658676 B TWI658676 B TW I658676B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- battery
- voltage
- duty cycle
- balance
- secondary batteries
- Prior art date
Links
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims abstract description 33
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 27
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 72
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 26
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 19
- 238000007600 charging Methods 0.000 description 17
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 16
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 13
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 9
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 4
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 3
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 3
- 150000002642 lithium compounds Chemical class 0.000 description 3
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000011067 equilibration Methods 0.000 description 2
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 150000002816 nickel compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000010277 constant-current charging Methods 0.000 description 1
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 description 1
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Secondary Cells (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Abstract
一種新型電池平衡器，具有：一電池組，包含至少一組電池單元，各組所述電池單元包含兩個二次電池；至少一雙向降升壓電路，各具有兩個連接埠以與一組所述電池單元的所述兩個二次電池分別電氣耦接，以及兩個開關以依兩個開關控制信號控制所述兩個二次電池之間的能量轉換；以及一控制單元，用以依所述兩個二次電池的兩個開路電壓及一多項式函數公式進行一責任週期計算以決定所述兩個開關控制信號的責任週期，該多項式函數公式為:
Duty(V
OC ，ΔV) = 0.03313(V
OC)
2+ 0.02388(ΔV)
2-0.2692(V
OC) - 0.352(ΔV) + 0.07974(V
OC) (ΔV)+1.2
其中，
V
OC 為所述兩個開路電壓中較低之開路電壓，
ΔV為所述兩個開路電壓之電壓差，
Duty為所述的責任週期。
Description
本發明係關於電池平衡器，特別是一種可在一電池組之多個電池 單元所包含之兩個獨立電池間快速達到雙向能量傳輸之電池平衡器。
由於全球暖化及溫室效應加劇，使得綠色環保與節能減碳等議題 受到全世界各國極力重視，也使得再生能源與電動車輛之開發與應用成為必然趨勢。由於這些系統之發展均需大量電池儲能與供電系統之設置，可充電電池之製造材料、充電、電能轉換與管理技術之發展亦備受矚目。
近十幾年來，鋰離子電池已成為行動裝置電源之唯一選擇，而電 動汽車之動力電池和再生能源發電系統之儲能裝置亦是以配置鋰離子電池為主。鋰化合物電池因為其具有比鎳氫電池或鉛酸電池多達一倍以上之電容量密度，充電時間亦較為縮短，還具有重量輕、體積小、厚度薄、使用壽命長、耐大電流放電、無記憶效應、平均工作電壓高、自放電率低、尺寸變化大及環保性佳等優點，目前已大量應用於3C電子產品、再生能源發電儲能系統、電動車等高功率產業。
串聯之電池組(Battery Pack)雖可提供足夠電壓，但在多節串聯之 電池組中，為縮短充電時間，而用較大電流對電池組充電時，除了有發生爆炸危險之外，亦會使電池溫度升高而造成電池老化、容量衰退及循環壽命減短等問題。此老化現象係因為在高工作電流之環境下，電化學反應過度激烈而使得溫度上升引起電池內阻逐漸變大所造成。另外，由於生產製造時每節電池之電與化學性質不同，使得串聯電池組充電時會造成電池芯(cell)之電量不平衡(imbalance)現象，隨著充放電次數增加，電量不平衡現象會愈來愈嚴重，而導致串聯電池組之充放電容量急劇減少，進而造成安全疑慮和電池組壽命縮短問題。
選擇優良充電方法和適當的電荷平衡器，對高壓大功率用電池組 的壽命影響很大，為了能在短時間內將電池能量提高，習知技術之充電方法多使用大充電電流進行快速充電，然此種快速充電方式易造成激烈電化學反應，使得電池內部壓力與溫度增加，進而造成電池毀損或老化縮短壽命。
一個合適之電池組平衡器能延長電池之使用壽命，提高用電負載 之可靠度、安全性及成本效益。因此，為使電池發揮最大成本效益，須有能減緩電池老化之充電策略和適合之平衡機制，配合可改善充電效率及延長使用壽命之充電器。
而高電壓、高效率和長壽命之電池系統，包含保護、管理和平衡 三部分。其中，電池芯(cell)之平衡與電池壽命關係最密切，如果未具有好的平衡方法，電池組內電池芯間之電壓差會隨時間累積而使得差距變大，整個電池組之容量於操作期間亦會快速下降，最終導致電池組損壞。
電池芯之平衡方法主要可分為三大類，如下所述：
一、電池篩選法:係利用事先篩選特性相近之電池芯來組成電池 組，以抑制電池芯間之不平衡，目前筆電等產品用之低壓電池組，大多採用此法。
二、被動式平衡法：僅適用於鉛酸與鎳化合物電池，因為鉛酸與 鎳化合物電池不會造成永久損害電池芯之的過充情形，然而被動式平衡法係將電壓高的電池芯之電能直接消耗在被動元件上變成熱散逸掉，使得平衡效率差且平衡時間長。
三、主動式平衡法：係使用外部電路主動地轉移電池芯間之電荷，以達到電量平衡之目的。主動式平衡法可用於大多數現代化的電池系統，因為此種平衡機制與被平衡的電池之特性無關，此方法亦是鋰化合物電池唯一適用之平衡方法，因為鋰化合物電池之溫度和電壓均須被嚴格控制在安全操作範圍內。
而主動式平衡法中，以電荷能量流向(energy flow)轉移來分類可 分成以下五類：
(1)電池芯旁路(bypass)法：係將到達電壓上限值的電池芯之電流 予以旁路。
(2)電池芯對電池芯法：係將電量最高的電池芯之電荷轉移給相 鄰之最低電量電池芯。
(3)電池芯對電池組法：係將電壓最高之電池芯之電荷轉移給整 個電池組。
(4)電池組對電池芯法：係藉由隔離之直流轉直流轉換器將電池 組之電荷轉移給單一電池芯。
(5)電池芯對電池組對電池芯法：係先將電荷由設定之電池芯轉 移到電池組，然後再由電池組轉給較低電壓之目標電池芯，或由所設定之電池芯轉移到目標電池芯。
其中，電池芯對電池組對電池芯法因為透過電荷直接轉移，而具 有極佳之平衡性能和速度。然而因電池組內各電池芯之參考電位不同，需使用雙向開關或用變壓器作為電氣隔離，而大部分雙向開關須用浮接(floating)驅動且所述雙向開關之電壓應力高(約為電池組電壓)，使得平衡器實現之成本較高且體積增大。相鄰之電池芯對電池芯之平衡電路因開關和二極體之電壓應力低而具有成本效益高和體積小之特性，然而在雙向電荷轉移電路中使用雙向開關亦會增加元件成本與控制複雜度，因此本領域亟需一新穎的電池平衡器。
本發明之一目的在於揭露一種新型電池平衡器，其藉由優化之電 感式平衡電路實現兩個獨立電池間之雙向能量傳輸，以達到減少開關、電感元件數量，進而具有體積較小、成本較低等優點。
本發明之另一目的在於揭露一種新型電池平衡器，其藉由二次電 池於休息模式時所讀取到之開路電壓進行補償以得到更精確估測目前電池剩餘容量之效果。
本發明之又一目的在於揭露一種新型電池平衡器，其藉由曲線擬 合得出近似電壓差與責任週期之關係控制方程式，使系統能在電池之電壓產生變化時，即時調整導通責任週期以維持平衡電流之恆定。
本發明之又一目的在於揭露一種新型電池平衡器，其進一步包含 一LabVIEW人機介面以監控該電池組之一溫度變化值及一電壓變化值，以在該溫度變化值或該電壓變化值大於一預設閥值時，送出一保護訊號至該微控制器以禁能所述兩個開關控制信號，對電池進行平衡監控與保護，使電池組能夠達到安全和快速之主動平衡目的。
本發明之再一目的在於揭露一種新型電池平衡器，其平衡速度更 快，較習知技術之固定責任週期法和責任週期調整法，分別縮短27.1％和18.6％之平衡時間。
為達前述目的，一種新型電池平衡器乃被提出，其具有：一電池 組，包含至少一組電池單元，各組所述電池單元包含兩個二次電池；至少一雙向降升壓電路，各具有兩個連接埠以與一組所述電池單元的所述兩個二次電池分別電氣耦接，以及兩個開關以依兩個開關控制信號控制所述兩個二次電池之間的能量轉換；以及一控制單元，用以依所述兩個二次電池的兩個開路電壓及一多項式函數公式進行一責任週期計算以決定所述兩個開關控制信號的責任週期，該多項式函數公式為:
Duty(V
OC ，ΔV) = 0.03313(V
OC)
2+ 0.02388(ΔV)
2-0.2692(V
OC) - 0.352(ΔV) + 0.07974(V
OC) (ΔV)+1.2
其中，
V
OC 為所述兩個開路電壓中較低之開路電壓，
ΔV為所述 兩個開路電壓之電壓差，
Duty為所述的責任週期。
在一實施例中，所述兩個開路電壓係所述兩個二次電池於休息模 式時所讀取到的電壓。
在一實施例中，所述雙向降升壓電路包含一激磁電感。
在一實施例中，該控制單元包含一微控制器以執行一控制程式以 進行所述的責任週期計算。
在一實施例中，該微控制器包括：一記憶體以儲存該控制程 式；一輸入埠以接收所述兩個開路電壓；一脈波寬度調變模組以依所述的責任週期產生所述兩個開關控制信號；以及一輸出埠以輸出所述兩個開關控制信號。
在一實施例中，其進一步包含一LabVIEW人機介面以監控 該電池組之一溫度變化值及一電壓變化值，以在該溫度變化值或該電壓變化值大於一預設閥值時，送出一保護訊號至該微控制器以禁能所述兩個開關控制信號。
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。
請一併參照圖1a至1b，其中圖1a其繪示本案之新型電池平衡器 之一實施例之方塊圖，圖1b其繪示本案之新型電池平衡器之另一實施例之方塊圖。
如圖1a所示，該新型電池平衡器具有一電池組100、至少一雙向 降升壓電路200以及一控制單元300。
該電池組100，包含至少一組電池單元110，各組所述電池單元 包含兩個二次電池111、112且均具有一開路電壓
V
OC1、V
OC2 。
各所述雙向降升壓電路200均具有一第一連接埠C
1、一第一開關 Q
1、一第二連接埠C
2以及一第二開關Q
2。其中，各所述雙向降升壓電路200之一所述第一連接埠C
1與所述第二連接埠C
2與一組所述電池單元110的所述兩個二次電池111、112分別電氣耦接，以依所述第一開關Q
1及所述第二開關Q
2之開關控制信號S
1、S
2控制所述兩個二次電池111、112之間的能量轉換。
該控制單元300用以依所述兩個二次電池之所述兩個開路電壓
V
OC1 、V
OC2 及一多項式函數公式進行一責任週期計算以決定所述兩個開關控制信號S
1、S
2的責任週期。
該多項式函數公式為:
Duty(V
OC ，ΔV) = 0.03313(V
OC)
2+
0.02388( ΔV)
2-0.2692(V
OC) - 0.352(ΔV) + 0.07974(V
OC) (ΔV)+1.2
其中，
V
OC 為所述兩個開路電壓
V
OC1、V
OC2 中較低之開路電壓，
ΔV為所述兩個開路電壓
V
OC1、V
OC2 之電壓差，
Duty為所述的責任週期。
所述兩個開路電壓
V
OC1、V
OC2 係所述兩個二次電池111、112於休 息模式時所讀取到的電壓；各所述雙向降升壓電路200均例如但不限於包含一激磁電感。
如圖1b所示，該控制單元300例如但不限於包含一微控制器310 以執行一控制程式以進行所述的責任週期計算。
該微控制器310包括：一記憶體311；一脈波寬度調變模組312； 一輸入埠P
in；以及一輸出埠P
out。
該記憶體311係用以儲存該控制程式；該輸入埠P
in係用以接收 所述兩個開路電壓
V
OC1、V
OC2 ；該脈波寬度調變模組312係用以依所述的責任週期
Duty產生所述兩個開關控制信號S
1、S
2；該輸出埠P
out係用以輸出所述兩個開關控制信號S
1、S
2。
另外，所述之新型電池平衡器可包含一LabVIEW人機介面400 以監控該電池組100之一溫度變化值及一電壓變化值，以在該溫度變化值或該電壓變化值大於一預設閥值時，送出一保護訊號至該微控制器310以禁能所述兩個開關控制信號S
1、S
2。
以下將針對本發明之原理進行說明：
如前所述，本案之新型電池平衡器所採用之電池芯之平衡方法 為主動式平衡法之電池芯對電池組對電池芯法，因為係透過電荷直接轉移，而具有極佳之平衡性能和速度。
然而習知技術之雙向電荷轉移電路因需使用雙向開關而增加元 件成本及控制複雜度；習知技術之單向電荷轉移電路，係透過使用二極體取代開關來實現減少元件數目之目的，但卻因電荷只能單向移動使得平衡速度較慢。
請參照圖2，其繪示本案之雙向降升壓電路之示意圖。
如圖所示，本案係採用優化之電感式平衡電路，以達到減少開關、電感元件數量，進而具有體積較小成本較低等優點。本案係將習知技術之二極體以第一開關Q
1、第二開關Q
2取代；負載端以電池組取代以形成雙向降升壓電路，其中，第一開關Q
1與第二開關Q
2之訊號控制互補。
請一併參照圖3a至圖3d，其中圖3a其繪示電池B
1電量較高時， 雙向降升壓電路之一實施例之操作示意圖，圖3b其繪示電池B
1電量較高時，雙向降升壓電路之另一實施例之操作示意圖，圖3c其繪示電池B
2電量較高時，雙向降升壓電路之一實施例之操作示意圖，圖3d其繪示電池B
2電量較高時，雙向降升壓電路之另一實施例之操作示意圖。
如圖3a所示，當電池B
1之電量較高時，第一開關Q
1導通而第二 開關Q
2截止，電池B
1將能量儲存激磁電感L
m中；如圖3b所示，第一開關Q
1截止而第二開關Q
2導通時，激磁電感L
m釋能傳送到給電池B
2，因此電池B
1可將能量經由激磁電感L
m傳送到負載端的電池B
2。
反之，當電池B
2之電量較高時，如圖3c所示，電池B
2之能量會 往電池B
1轉移，第二開關Q
2導通而第一開關Q
1截止，電池B
2將能量儲存激磁電感L
m中；如圖3d所示，第二開關Q
2截止而第一開關Q
1導通時，激磁電感L
m釋能傳送到給電池B
1，因此電池B
2可將能量經由激磁電感L
m傳送到負載端的電池B
1。因此，本案之雙向降升壓電路具有電池對電池的雙向平衡能力。
目前電池電量估測係偵測電池內部剩餘電量之多寡，以利使用者 得知電池之續航力情況，進而能有效率地使用電池並決定何時停止充放電能，以避免因為過充或過放發生造成電池之損壞或老化。
請參照圖4，其繪示本案之電池特性量測平台之架構示意圖。
如圖所示，本量測平台係利用Bio-Logic多功能模組化恆電位儀 進行電池分析，搭配EC-Lab軟體進行一系列不同的電池特性分析。其中，EC-Lab軟體能進行定電流之充放電、定電壓充電、恆電位交流阻抗量測等測試；在限制部分也可以選擇每段測試步驟之電壓、電流或時間限制；在資料儲存部分，EC-Lab軟體亦能夠自動儲存每次測試之電壓、電流、充放容量、時間等參數，並能夠藉此產生圖形。
本案之電池電量估測法係以開路電壓法為主，查表法為輔:
近年來由於使用者對電池電量估測之精確度要求逐漸提高，而不 同的電池電量估測法不但需考慮到不同硬體設備之差異，同時亦受到電池使用條件之影響。
習知技術之電池電量估測法有開路電壓法、庫倫積分法(安培小 時法)、查表法及阻抗追蹤法，而為提高精確度並達到即時估測的目的，會同時採用兩種以上的方式來估測。除了選用合適之估測方式外，亦需針對影響估測之因素進行補償以得到更精確之估測。
本案在實驗之電池篩選部分選用LG公司之LGDS318650鋰三元 電池，其規格如表1所示。
表1
| 額定容量 | 2200mAh |
| 額定電壓 | 3.6V |
| 標準充電條件 | CC-CV，1075 mA，4.2V |
| 截止電壓 | 3V |
| 最大充電電流 | 2150mA (0.9C) |
| 最大放電電流 | 3225mA (1.5C) |
| 尺寸 | 18mm (diameter)，65.05 mm (height) |
| 重量 | 50g |
| 工作溫度 | -20˚C to +60˚C |
| 充電溫度 | 0˚C to +45˚C |
| 放電溫度 | -20˚C to +60˚C |
實驗前，所有受測電池須先經篩選，篩選內容包含進行開路電壓 (Open-Circuit Voltage，OCV)、內阻量測、電池容量及電池重量等特性之測試以篩選出特性相近之電池以進行測試。
請一併參照圖5a至5c，其中圖5a其繪示開路電壓對目前電池剩 餘容量百分比之關係曲線圖，圖5b其繪示電池內阻對目前電池剩餘容量百分比之關係曲線圖，圖5c其繪示本案之目前電池剩餘容量補償之示意圖。
首先以定電流-定電壓(CC-CV)充電並靜置一個小時後以確保電 池穩定，其中定電流充電階段係設定以0.5C作為充電電流，定電壓則為4.2V並小於0.05mA完成充電，接著以0.01C電流進行放電一小時，再靜置一個小時使電池穩定後，可直接利用測得之電壓對應找出容量百分比以及直流內阻對容量百分比之關係。經100次放電測試後以建立如圖5a及圖5b所示之開路電壓(OCV)與目前電池剩餘容量(SOC)及電池內阻(R)與目前電池剩餘容量之關係曲線圖。
當電池單元進行休息模式時，使用LabVIEW軟體之資料擷取以 讀取電池電壓，由圖5a中對應到該電池之目前電池剩餘容量，並以查表法之內插方式將數值精確估測至小數點第三位，但由於休息模式較短，電池尚未達到穩定狀態，使得量測得到之電池電壓並非實際之開路電壓，導致得到之目前電池剩餘容量不夠精確。
如圖5c所示，本案之新型電池平衡器之所述兩個開路電壓係所 述兩個二次電池於休息模式時所讀取到的電壓，並以該電壓作為判斷容量，推估出較正確之目前電池剩餘容量進行補償以得到更精確估測之效果。
本案之量測監控平台與人機介面介紹：
本案之新型電池平衡器進一步包含一LabVIEW人機介面以監控 該電池組之一溫度變化值及一電壓變化值，以在該溫度變化值或該電壓變化值大於一預設閥值時，送出一保護訊號至該微控制器以禁能所述兩個開關控制信號。
電池組進行平衡時，需要對電池組進行長時間之監控以記錄電池 之相關數據，本案係採用美商國家儀器公司(National Instrument，NI)推出之LabVIEW軟體來實現監控介面。該人機介面能同時測量電池之電壓及溫度，並能長時間記錄平衡時電池之電壓及溫度等數據並儲存在Excel檔中。
其中，LabVIEW能控制美商國家儀器公司所出產之資料擷取卡 (DAQ)，透過此隨插可用之資料擷取卡以進行讀取類比輸入訊號、產生類比輸出訊號、讀取及產生數位訊號與安排內建計時器來量測頻率等相關應用。
請一併參照圖6a至6c，其中圖6a其繪示本案之量測監控平台之 架構示意圖，圖6b其繪示本案之量測監控平台之監控程式之流程示意圖，圖6c其繪示本案之量測監控平台之人機介面之主畫面示意圖。
如圖6a所示，量測平台係對平衡時電池之電壓及溫度進行長時 間監控，並使用NI USB-6009資料擷取卡將電池之電壓轉換成數位訊號，再將該數位訊號之數值顯示在人機介面以進行監控並存成Excel檔，同時亦能透過軟體根據不同電壓情況進行目前電池剩餘容量之估測，並使用NI USB-6211資料擷取卡送出對應之責任週期類比訊號及輸入/輸出訊號與微處理器溝通。
而在電池溫度量測方面則使用NI USB-9211資料擷取卡，一樣將 數值顯示在人機介面上以進行監控並存成Excel檔，以達到過溫及過壓保護之功效。
如圖6b所示，監控程式除了每秒取得電池之電壓及溫度以進行 顯示及資料儲存之外，也使用移動平均法處理資料以提升量測準確度，並以查表法估測出目前電池剩餘容量以判斷電池間需進行何種平衡模式、計算最大與最小電壓差及容量差及進行過壓及過溫保護，量測監控平台之人機介面之主畫面示意圖如圖6c所示。
本案之平衡控制法介紹：
習知技術係透過電能轉換器作為電池之電荷平衡，然而採用固定 責任週期法作為控制策略時，在平衡後期會因為電池之電壓差變小而使平衡電流下降導致平衡完成時間延長。而為了達到電池之電壓差變小卻仍能維持一定大小之平衡電流，亦有文獻提出調整責任週期法，卻因電路與電池之非線性特性使得效果有所侷限。
為使電池平衡期間維持一固定平衡電流以加快平衡速度，本案之 平衡演算法係於平衡過程中根據目前電池剩餘容量之差異以適應性地調整責任週期，達到保持平衡電流之恆定。
如前所述，本案之電池間電荷轉移係透過雙向降升壓平衡電路， 當電池B
1電量高於電池B
2時，電路在穩態操作下，根據伏秒平衡原理，可推導得到V
B1和V
B2之關係式如方程式(1)所示。
(1)
其中，V
B1為電池B
1之電壓，V
B2為電池B
2之電壓，D為責任週 期。
若電路元件為理想狀態，輸入功率等於輸出功率，則可得兩電池 之電壓與電流間之關係式如方程式(2)所示。
(2)
其中I
B1為電池B
1之平衡電流，I
B2為電池B
2之平衡電流，R為電 池內阻，D為責任週期。
由上式可知，當硬體參數決定後，電池對電池進行平衡時，平衡 電流主要受到電池之電壓及導通責任週期之影響。若開關導通責任週期在進行平衡過程中保持恆定，由於電池之電壓差會逐漸接近，由方程式(2)可知，平衡電流會因此減少使得平衡後期速度變慢。
另有文獻提出改變開關之導通責任週期以即時調整平衡電流，以 加速平衡時間之方法。由電池間之電壓差及導通責任週期之關係式如方程式(3)所示。
(3)
其中，DV為電池B
1與電池B
2間之電壓差。
本案係將量測之電池電壓及電池間之電壓差代入方程式(3)，即 可得出對應之導通責任週期以維持平衡電流，因此在電池之電壓產生變化時，能使平衡電流保持固定值左右。
由於電路存在非理想特性(開關切換損、線阻等)，且電池之非線 性特性亦會導致平衡電流無法簡單依數學式準確調整，故本案將方程式(3)之關係式分為12種電池狀態及12種電壓差，針對不同電池電壓及電壓差情況所對應的責任週期進行實測及優化。
為使本案能適用於所有操作範圍內之所有電池電壓及電壓差情 況，將表中數據進行曲線擬合得到一近似之電壓差與責任週期關係控制方程式，系統可根據量測到電量較低之電池電壓和兩電池之電壓差，即時調整導通責任週期以維持平衡電流之恆定。
欲維持1A平衡電流之責任週期對照表如表2及表3所示，其中， V
B2表電量較低電池之電壓，DV=V
B1-V
B2為電壓差。
表2
| V B2DV=V B1-V B2 | 3V | 3.1V | 3.2V | 3.3V | 3.4V | 3.5V |
| D0.1 V | 0.667 | 0.666 | 0.665 | 0.662 | 0.659 | 0.657 |
| D0.2 V | 0.663 | 0.662 | 0.661 | 0.658 | 0.656 | 0.654 |
| D0.3 V | 0.659 | 0.656 | 0.653 | 0.652 | 0.651 | 0.649 |
| D0.4 V | 0.654 | 0.648 | 0.642 | 0.641 | 0.640 | 0.639 |
| D0.5 V | 0.644 | 0.639 | 0.634 | 0.633 | 0.636 | 0.631 |
| D0.6 V | 0.636 | 0.632 | 0.631 | 0.630 | 0.626 | 0.619 |
| D0.7 V | 0.629 | 0.628 | 0.626 | 0.624 | 0.618 | 0.617 |
| D0.8 V | 0.618 | 0.617 | 0.616 | 0.615 | 0.614 | |
| D0.9 V | 0.608 | 0.607 | 0.604 | 0.603 | ||
| D1.0 V | 0.606 | 0.602 | 0.592 | |||
| D1.1 V | 0.596 | 0.588 | ||||
| D1.2 V | 0.586 |
表3
| V B2DV=V B1-V B2 | 3.6V | 3.7V | 3.8V | 3.9V | 4V | 4.1V |
| D0.1 V | 0.655 | 0.654 | 0.653 | 0.652 | 0.651 | 0.65 |
| D0.2 V | 0.652 | 0.647 | 0.645 | 0.642 | 0.641 | |
| D0.3 V | 0.646 | 0.644 | 0.641 | 0.64 | ||
| D0.4 V | 0.638 | 0.637 | 0.635 | |||
| D0.5 V | 0.627 | 0.625 | ||||
| D0.6 V | 0.618 | |||||
| D0.7 V | ||||||
| D0.8 V | ||||||
| D0.9 V | ||||||
| D1.0 V | ||||||
| D1.1 V | ||||||
| D1.2 V |
請參照圖7，其繪示本案之電壓差與責任週期之曲線擬合關係 圖。
如圖所示，本案係利用MATLAB之cftool功能以完成曲線擬合， 所得到之關係式如方程式(4)所示。
(4)
其中，
V
OC 為兩個開路電壓中較低之開路電壓，Δ
V為兩個開路 電壓之電壓差，
Duty為責任週期。
請參照圖8，其繪示本案之所需平衡時間之判斷流程之示意圖。 如圖所示，本案進入電池平衡時，程式會讀取LabVIEW依平衡控制法所運算出之責任週期並經資料擷取卡傳送至微處理器，接下來藉由輸入/輸出埠判斷進行傳遞能量方向，將容量較大電池之能量傳遞給容量較小電池，接著依最大電量差決定所需平衡時間。其中，DSOC
1＞ DSOC
2＞ DSOC
3，Tb
1＞ Tb
2＞ Tb
3＞ Tb
4，亦即當電量差愈大時所需之平衡時間也相對較長。最後則是送出脈波寬度調變訊號進行平衡，在平衡過程中，為了縮短平衡時間需使用較短休息時間，本案每一次平衡程序結束便進行五秒鐘的休息狀態，並進行電池電量量測再進行下個平衡循環判斷，本案全程以LabVIEW人機介面進行即時監控，並在發生過溫及過壓時，送出保護訊號給微處理器的輸入/輸出埠來停止平衡。
本案與習知技術之實驗結果與比較：
本案係利用雙向降升壓式電路作為平衡器之功率級電路，並提出 恆定平衡電流的方式，以克服平衡後期平衡速度下降的問題。以下將透過實驗以驗證本案之平衡方法之可行性與正確性，並與習知技術之固定責任週期法與責任週期調整法進行比較，以突顯本案之性能改善情形。
本案實際完成一個以四顆鋰離子電池所組成之電池組之實體電 池平衡器，實驗使用之電池為LG公司出產之LGDS318650，該電池容量為2200mAh，額定電壓為3.6V，滿充電池電壓為4.2V，截止電壓為3V，在電路硬體方面，其設計參數如表4所示，經實際實驗將非理想因素引入考慮後，加入約3%的死區時間(Dead time)以避免兩側開關同時導通，而雙向降升壓式電路之電感值為20mH。
表4
| 參數名稱 | 電池電壓 | 死區時間 | 切換頻率 | 電感 |
| 數值 | 3~4.2 V | 1μs | 30 kHz | 20 μH |
請一併參照圖9a至9c，其中圖9a其繪示本案之電池電壓平衡曲 線圖，圖9b其繪示本案之電壓差變化曲線圖，圖9c其繪示本案之電池溫度變化曲線圖。
如圖所示，可得知平衡開始時系統會判斷電池間之電量關係，由 電量較高之電池傳遞給電量較低之電池，在平衡過程中一直進行電量判斷並進行平衡，由圖9a之波形得知經由平衡能有效的使電池電壓趨近一致，由圖9b得知一開始電池組內最高之電池電壓與最低之電池電壓之電壓差約為700mV，平衡過後電池組內最高電壓與最低電壓之電壓差縮小到預設之20mV以內，由圖9c得知在平衡時能使電池溫升保持在1
oC以內，可避免過高的溫升導致電池平衡時的充放電效率下降之情形。
將習知技術之固定責任週期法、習知技術之責任週期調整法及本 案等三種平衡控制法之平衡結果進行比較，所述三種方法在平衡前、後之電池電壓值如表5所示。
表5
| 平衡前 | 平衡後 | |||||||
| 電池電壓 | V B1 | V B2 | V B3 | V B4 | V B1 | V B2 | V B3 | V B4 |
| 固定責任週期法 | 4.17V | 3.93V | 3.65V | 3.45V | 3.64V | 3.63V | 3.63V | 3.63V |
| 責任週期調整法 | 4.17V | 3.93V | 3.64V | 3.46V | 3.64V | 3.63V | 3.63V | 3.63V |
| 本案 | 4.16V | 3.95V | 3.65V | 3.45V | 3.65V | 3.64V | 3.64V | 3.64V |
三種控制法在平衡前、後之電池剩餘容量(SOC)如表6所示。
表6
| 平衡前 | 平衡後 | |||||||
| 電池剩餘容量 | SOC 1 | SOC 2 | SOC 3 | SOC 4 | SOC 1 | SOC 2 | SOC 3 | SOC 4 |
| 固定責任週期法 | 98% | 78% | 48% | 13% | 48% | 47% | 47% | 47% |
| 責任週期調整法 | 98% | 79% | 49% | 12% | 48% | 47% | 47% | 47% |
| 本案 | 98% | 78% | 49% | 12% | 49% | 48% | 48% | 48% |
分別以電池電量(1%)和電池電壓差(20mV)作為平衡終止條件之 平衡結果如表7所示，能得知利用電池電量判斷進行電池平衡，更可達到電池電量平衡之效果。
表7
| 以1%作為 平衡終止條件 | 平衡前 | 平衡後(1%) | ||||||
| 電池剩餘容量 | SOC 1 | SOC 2 | SOC 3 | SOC 4 | SOC 1 | SOC 2 | SOC 3 | SOC 4 |
| 本案 | 98% | 78% | 49% | 12% | 48% | 47% | 47% | 47% |
| 以20mV作為 平衡終止條件 | 平衡前 | 平衡後(20mV) | ||||||
| 電池剩餘容量 | SOC 1 | SOC 2 | SOC 3 | SOC 4 | SOC 1 | SOC 2 | SOC 3 | SOC 4 |
| 本案 | 98% | 78% | 49% | 12% | 49% | 48% | 47% | 47% |
習知技術之固定責任週期法、習知技術之責任週期調整法及本案 三種平衡控制法之平衡結果比較表，如表8所示。
表8
| 項目 | 平衡前 | 平衡後 | ||
| 電池最大與最小電壓差 | 總電池 剩餘容量 | 平衡所需時間(1%) | 總電池 剩餘容量 | |
| 固定責任週期法 | 717mV | 237% | 96分鐘 | 189% |
| 責任週期調整法 | 720mV | 238% | 86分鐘 | 189% |
| 本案 | 711mV | 237% | 70分鐘 | 193% |
請參照圖10，其繪示三種平衡控制法之平衡時間比較圖。
如圖所示，習知技術之固定責任週期法、習知技術之責任週期調 整法及本案三種平衡控制法均能完成電池平衡，總電池剩餘容量雖在平衡後均下降了，但仍有80%以上之平衡效率；在平衡時間方面，習知技術之固定責任週期法完成平衡需96分鐘，而習知技術之責任週期調整法降低至86分鐘，而本案更將時間縮短到70分鐘，較習知技術之固定責任週期法和責任週期調整法，分別縮短27.1％和18.6％之平衡時間。
綜上，本發明因經過實測調整開關導通責任週期以維持平衡電流 恆定，故平衡速度較習知技術之固定責任週期法及責任週期調整法更快。
藉由前述所揭露的設計，本發明乃具有以下的優點：
1.本發明揭露一種新型電池平衡器，其藉由優化之電感式平衡電 路實現兩個獨立電池間之雙向能量傳輸，以達到減少開關、電感元件數量，進而具有體積較小、成本較低等優點。
2.本發明揭露一種新型電池平衡器，其藉由二次電池於休息模式 時所讀取到之開路電壓進行補償以得到更精確估測目前電池剩餘容量之效果。
3.本發明揭露一種新型電池平衡器，其藉由曲線擬合得出近似電 壓差與責任週期之關係控制方程式，使系統能在電池之電壓產生變化時，即時調整導通責任週期以維持平衡電流之恆定。
4.本發明揭露一種新型電池平衡器，其進一步包含一LabVIEW人 機介面以監控該電池組之一溫度變化值及一電壓變化值，以在該溫度變化值或該電壓變化值大於一預設閥值時，送出一保護訊號至該微控制器以禁能所述兩個開關控制信號，對電池進行平衡監控與保護，使電池組能夠達到安全和快速之主動平衡目的。
5.本發明揭露一種新型電池平衡器，其平衡速度更快，較習知技 術之固定責任週期法和責任週期調整法，分別縮短27.1％和18.6％之平衡時間。
本發明所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於 本發明之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本發明之專利權範疇。
綜上所陳，本發明無論就目的、手段與功效，在在顯示其迥異於 習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。
100‧‧‧電池組
110‧‧‧電池單元
111‧‧‧二次電池
112‧‧‧二次電池
200‧‧‧雙向降升電路
300‧‧‧控制單元
310‧‧‧微控制器
311‧‧‧記憶體
312‧‧‧脈波寬度調變模組
圖1a繪示本案之新型電池平衡器之一實施例之方塊圖。 圖1b繪示本案之新型電池平衡器之另一實施例之方塊圖。 圖2繪示本案之新型電池平衡器之雙向降升壓電路之示意圖。 圖3a繪示電池B1電量較高時，雙向降升壓電路之一實施例之操作示意圖。 圖3b繪示電池B1電量較高時，雙向降升壓電路之另一實施例之操作示意圖。 圖3c繪示電池B2電量較高時，雙向降升壓電路之一實施例之操作示意圖。 圖3d繪示電池B2電量較高時，雙向降升壓電路之另一實施例之操作示意圖。 圖4繪示本案之電池特性量測平台之架構示意圖。 圖5a繪示開路電壓對目前電池剩餘容量百分比之關係曲線圖。 圖5b繪示電池內阻對目前電池剩餘容量百分比之關係曲線圖。 圖5c繪示本案之目前電池剩餘容量補償之示意圖。 圖6a繪示本案之量測監控平台之架構示意圖。 圖6b繪示本案之量測監控平台之監控程式之流程示意圖。 圖6c繪示本案之量測監控平台之人機介面之主畫面示意圖。 圖7繪示本案之電量較低電池電壓、電壓差、與責任週期之曲線擬合關係圖。 圖8繪示本案之所需平衡時間之判斷流程之示意圖。 圖9a繪示本案之電池電壓平衡曲線圖。 圖9b繪示本案之電壓差變化曲線圖。 圖9c繪示本案之電池溫度變化曲線圖。 圖10繪示三種平衡控制法之平衡時間比較圖。
Claims (6)
- 一種新型電池平衡器，具有：一電池組，包含至少一組電池單元，各組所述電池單元包含兩個二次電池；至少一雙向降升壓電路，各具有兩個連接埠以與一組所述電池單元的所述兩個二次電池分別電氣耦接，以及兩個開關以依兩個開關控制信號控制所述兩個二次電池之間的能量轉換；以及一控制單元，用以依所述兩個二次電池的兩個開路電壓及一多項式函數公式進行一責任週期計算以決定所述兩個開關控制信號的責任週期，該多項式函數公式為：Duty(V OC ，△V)=0.03313(V OC ) 2 +0.02388(△V) 2 -0.2692(V OC )-0.352(△V)+0.07974(V OC )(△V)+1.2其中，V OC 為所述兩個開路電壓中較低之開路電壓，△V為所述兩個開路電壓之電壓差，Duty為所述的責任週期。
- 如申請專利範圍第1項所述之新型電池平衡器，其中，所述兩個開路電壓係所述兩個二次電池於休息模式時所讀取到的電壓。
- 如申請專利範圍第1項所述之新型電池平衡器，其中所述雙向降升壓電路包含一激磁電感。
- 如申請專利範圍第1項所述之新型電池平衡器，其中該控制單元包含一微控制器以執行一控制程式以進行所述的責任週期計算。
- 如申請專利範圍第4項所述之新型電池平衡器，其中該微控制器包括：一記憶體以儲存該控制程式；一輸入埠以接收所述兩個開路電壓；一脈波寬度調變模組以依所述的責任週期產生所述兩個開關控制信號；以及一輸出埠以輸出所述兩個開關控制信號。
- 如申請專利範圍第5項所述之新型電池平衡器，其進一步包含一LabVIEW人機介面以監控該電池組之一溫度變化值及一電壓變化值，以在該溫度變化值或該電壓變化值大於一預設閥值時，送出一保護訊號至該微控制器以禁能所述兩個開關控制信號。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW107131048A TWI658676B (zh) | 2018-09-04 | 2018-09-04 | 一種新型電池平衡器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW107131048A TWI658676B (zh) | 2018-09-04 | 2018-09-04 | 一種新型電池平衡器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI658676B true TWI658676B (zh) | 2019-05-01 |
| TW202011661A TW202011661A (zh) | 2020-03-16 |
Family
ID=67348950
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW107131048A TWI658676B (zh) | 2018-09-04 | 2018-09-04 | 一種新型電池平衡器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI658676B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI771871B (zh) * | 2021-01-14 | 2022-07-21 | 光陽工業股份有限公司 | 多電池串聯之電壓平衡系統 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102593884A (zh) * | 2011-01-06 | 2012-07-18 | 三星Sdi株式会社 | 电池系统和包括其的能量存储系统 |
| CN102651563A (zh) * | 2011-02-25 | 2012-08-29 | 香港理工大学 | 电池能量平衡电路 |
| CN103296716A (zh) * | 2012-02-27 | 2013-09-11 | 英飞凌科技奥地利有限公司 | 用于电池管理的系统和方法 |
| CN104104130A (zh) * | 2013-04-05 | 2014-10-15 | 凌力尔特有限公司 | 电压补偿的主动电池平衡 |
| CN105529949A (zh) * | 2014-10-17 | 2016-04-27 | 丰田自动车株式会社 | 电源系统 |
-
2018
- 2018-09-04 TW TW107131048A patent/TWI658676B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102593884A (zh) * | 2011-01-06 | 2012-07-18 | 三星Sdi株式会社 | 电池系统和包括其的能量存储系统 |
| CN102651563A (zh) * | 2011-02-25 | 2012-08-29 | 香港理工大学 | 电池能量平衡电路 |
| CN103296716A (zh) * | 2012-02-27 | 2013-09-11 | 英飞凌科技奥地利有限公司 | 用于电池管理的系统和方法 |
| CN104104130A (zh) * | 2013-04-05 | 2014-10-15 | 凌力尔特有限公司 | 电压补偿的主动电池平衡 |
| CN105529949A (zh) * | 2014-10-17 | 2016-04-27 | 丰田自动车株式会社 | 电源系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202011661A (zh) | 2020-03-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104935045B (zh) | 一种采用镍系二次电池的储能系统的电池组均衡方法 | |
| US8922063B2 (en) | Circuit for rendering energy storage devices parallelable | |
| US20130187465A1 (en) | Power management system | |
| KR102151652B1 (ko) | 척컨버터 토폴로지를 이용한 리튬이온 전지 셀밸런싱 장치 | |
| CN103023085B (zh) | 独立式光伏蓄电池分组管理方法 | |
| CN105871021B (zh) | 用于电动自行车电池组快速充电的电池管理系统及方法 | |
| CN104701918A (zh) | 一种充电组合及其控制方法 | |
| CN108847696A (zh) | 一种电池充电均衡装置及均衡方法 | |
| KR101555660B1 (ko) | 이차전지의 충전량 유지 장치 및 방법 | |
| CN104734231A (zh) | 基于双向直流变换器的串联电池组均衡装置和均衡方法 | |
| CN205829227U (zh) | 一种锂充电电池转换电路 | |
| CN101145625A (zh) | 串联电池组均衡充放电方法及电路 | |
| CN103607002A (zh) | 一种电池均衡充电方法 | |
| CN101976744A (zh) | 二次电池的充电和放电方法 | |
| CN202309117U (zh) | 一种蓄电池组均衡系统 | |
| CN107192965A (zh) | 一种直流电源老化测试系统及其方法 | |
| CN109274149B (zh) | 电能量交换设备、电池装置及电池维护系统 | |
| TWI658676B (zh) | 一種新型電池平衡器 | |
| CN209592234U (zh) | 一种电池电量平衡补偿装置 | |
| CN202309118U (zh) | 变压器扫描链式蓄电池组均衡电路 | |
| CN201797333U (zh) | 蓄电池电量转移电路 | |
| TWI635301B (zh) | 採用多個判飽條件以精準顯示電量之方法及相關電池管理單元 | |
| TWI766718B (zh) | 可主動平衡電池電壓之電池模組 | |
| CN204258377U (zh) | 一种锂电池组智能平衡恢复充电器 | |
| US9614255B2 (en) | Acid/alkaline hybrid resonance battery device with damping function |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |