TWI845155B - 電池充放電功率動態調配系統及調配方法 - Google Patents

Abstract

一種電池充放電功率動態調配系統及調配方法，用於一電池組，電池組為與一負載或與一電源直接連接，電池充放電功率動態調配系統包含：複數個能量均衡裝置、一正極共用總線、一負極共用總線以及一控制器。在充電模式下，控制器控制能量均衡裝置的雙向轉換器對至少一個電池無抽取電流且無補充電流的方式而對其他電池調配電量。在放電模式下，控制器控制雙向轉換器對至少一個電池無抽取電流且無補充電流的方式而對其他電池調配電量。以使所有電池同時完成充電或放電。

Description

電池充放電功率動態調配系統及調配方法

本發明相關於電量平衡，特別是相關於一種電池充放電功率動態調配系統及調配方法。

隨著電動載具的大量使用，在長期的使用下，產生了大量汰換下來的電池。這些電池可能因健康度不一，而於阻抗或容量有差異。在不進行電量平衡的情況下，對於這些電池共同充電或放電會使得有電池會過充或過放，而導致電池的壽命及性能進一步受到削減。

電量平衡系統分為被動式平衡以及主動式平衡。被動式電量平衡系統是單純消耗能量較高的電池。主動式電量平衡系統是將能量較高之電池的能量轉移至能量較低的電池。然而，習知的電量平衡系統於效率上仍有改善的空間。

因此，本發明的目的即在提供一種電池充放電功率動態調配系統及調配方法，具有較佳的能源效率。

本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係提供一種電池充放電功率動態調配系統，用於一電池組，該電池組為與一負載或與一電源 直接連接，該電池組包括複數個串聯的電池而以複數個該電池形成一主路徑，該電池充放電功率動態調配系統包含：複數個能量均衡裝置，各個該能量均衡裝置包括一感測模組以及一雙向轉換器，各個該感測模組連接於一個該電池以感測出該電池的電量，該雙向轉換器具有主要側以及次要側，各個該雙向轉換器的該主要側連接於一個該電池；一正極共用總線，該正極共用總線連接於各個該雙向轉換器的該次要側的一正極端，且該正極共用總線連接於該電池組的正極以及該負載或該電源；一負極共用總線，該負極共用總線連接於各個該雙向轉換器的該次要側的一負極端，且該負極共用總線連接於該電池組的負極以及該負載或該電源；以及一控制器，連接於各個該感測模組以及各個該雙向轉換器，在充電模式下，該控制器依據該電量而計算出該主路徑上的一標準充電電流，該控制器選定該電池的至少一個而使選定之該電池以無受抽取電流或受補充電流的方式以該標準充電電流充電，對於可充能量比選定之該電池較少的該電池，該控制器控制對應的該雙向轉換器自該主路徑上抽取電流至該正極共用總線，以及對於可充能量比選定之該電池較多的該電池，該控制器控制對應的該雙向轉換器自該正極共用總線抽取電流至該主路徑上，以使所有該電池同時完成充電，在放電模式下，該控制器依據該電量而計算該主路徑上的一標準放電電流，該控制器選定該電池的至少一個而使選定的該電池以無受抽取電流或受補充電流的方式以該標準放電電流放電，對於剩餘能量比選定之該電池較多的該電池，該控制器控制對應的該雙向轉換器自該主路徑上抽取電流至該正極共用總線，以及對於剩餘能量比選定之該電池較少的該電池，該控制器控制對應的該雙向轉換器自該正極共用總線之電流抽取至該主路徑上，以使所有該電池同時完成放電。

在本發明的一實施例中係提供一種電池充放電功率動態調配系統，在該充電模式下，該控制器選定可充能量最接近一平均可充能量的的該電 池以該標準充電電流充電，該放電模式下，該控制器選定剩餘能量最接近一平均剩餘能量的該電池以該標準放電電流放電。在本發明的一實施例中係提供一種電池充放電功率動態調配系統，該感測模組感測該電池的電荷狀態。

本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係提供一種電池充放電功率動態調配方法，用於一電池組，該電池組為與一負載或與一電源直接連接，該電池組包括複數個串聯的電池而以複數個該電池形成一主路徑，該電池充放電功率動態調配方法包含：提供複數個能量均衡裝置、一正極共用總線、一負極共用總線以及一控制器，各個該能量均衡裝置包括一感測模組以及一雙向轉換器，各個該感測模組連接於一個該電池，該雙向轉換器具有主要側以及次要側，各個該雙向轉換器的該主要側連接於一個該電池，該正極共用總線連接於各個該雙向轉換器的該次要側的一正極端，且該正極共用總線連接於該電池組的正極以及該負載或該電源，該負極共用總線連接於各個該雙向轉換器的該次要側的一負極端，且該負極共用總線連接於該電池組的負極以及該負載或該電源，控制器連接於各個該感測模組以及各個該雙向轉換器；透過複數個該充電裝置的各個該感測模組感測出所連接的該電池的電量；在充電模式下，該控制器依據該電量而計算出該主路徑上的一標準充電電流，該控制器選定該電池的至少一個而使選定之該電池以無受抽取電流或受補充電流的方式以該標準充電電流充電，對於可充能量比選定之該電池較少的該電池，該控制器控制對應的該雙向轉換器自該主路徑上抽取電流至該正極共用總線，以及對於可充能量比選定之該電池較多的該電池，該控制器控制對應的該雙向轉換器自該正極共用總線抽取電流至該主路徑上，以使所有該電池同時完成充電；以及在放電模式下，該控制器依據該電量而計算出該主路徑上的一標準放電電流，該控制器選定該電池的至少一個而使選定的該電池以無受抽取電流或受補充電流的方式以該標準放電電流放電，對於剩餘能量比選定之該電池較多的該電 池，該控制器控制對應的該雙向轉換器自該主路徑上抽取電流至該正極共用總線，以及對於剩餘能量比選定之該電池較少的該電池，該控制器控制對應的該雙向轉換器自該正極共用總線抽取電流至該主路徑上，以使所有該電池同時完成放電。

經由本發明的電池充放電功率動態調配系統及調配方法所採用之技術手段，由於電池組直接連接於電源或負載，充電的或放電的電能不經過轉換器，僅有需轉換的電能才會有能量損失，而具有較佳的能源效率。在充電模式下，本發明的電池充放電功率動態調配系統及調配方法能避免有電池尚未充飽時，有其他電池為過充的情況。以及在放電模式下，本發明的電池充放電功率動態調配系統能避免有電池尚未放完電時，有其他電池為過放的情況。此外，本發明的電池充放電功率動態調配系統及調配方法能夠只在充電或放電時運作，避免電池在沒使用的情況下產生電量均衡所需的電能損耗。

100:電池充放電功率動態調配系統

1:能量均衡裝置

11:感測模組

12:雙向轉換器

2:正極共用總線

3:負極共用總線

4:控制器

B:電池

B1:電池

B2:電池

B3:電池

L:負載

P:電池組

S:電源

〔第1a圖〕為顯示根據本發明的一實施例的電池充放電功率動態調配系統連接於一電源的示意圖；〔第1b圖〕為顯示根據本發明的實施例的電池充放電功率動態調配系統連接於一負載的示意圖；〔第2圖〕為顯示根據本發明的實施例的電池充放電功率動態調配系統的能量均衡裝置與控制器的方塊圖；〔第3圖〕為顯示根據本發明的實施例的電池充放電功率動態調配系統於充電模式下的示意圖； 〔第4圖〕為顯示根據本發明的實施例的電池充放電功率動態調配系統於放電模式下的示意圖。

以下根據第1a圖至第4圖，而說明本發明的實施方式。該說明並非為限制本發明的實施方式，而為本發明之實施例的一種。

如第1a圖及第1b圖所示，依據本發明的一實施例的一電池充放電功率動態調配系統100，用於一電池組P。電池組P為與一負載L或與一電源S直接連接。電池組P包括複數個串聯的電池B而以複數個電池B形成一主路徑。詳細而言，主路徑為途經電池組P的所有電池B及負載L或電源S的迴路。電池充放電功率動態調配系統100適用於健康度有差異的電池B。電池充放電功率動態調配系統100為以電池充放電功率動態調配方法運作。

如第1a圖至第2圖所示，電池充放電功率動態調配系統100包含：複數個能量均衡裝置1、一正極共用總線2、一負極共用總線3以及一控制器4。

詳細而言，各個能量均衡裝置1包括一感測模組11以及一雙向轉換器12。

各個感測模組11連接於一個電池B以感測出電池B的電量。具體而言，感測模組11感測電流及電池B的電壓而得出電池B的電荷狀態(SOC)。另外，感測模組11還有感測流至雙向轉換器12的電流。

雙向轉換器12具有主要側以及次要側。各個雙向轉換器12的主要側連接於一個電池B。由於電池組P直接連接於電源S或負載L，充電的或放電的電能不經過雙向轉換器12，僅有需轉換的電能才會有能量損失，而具有較佳的能源效率。

正極共用總線2連接於各個雙向轉換器12的次要側的一正極端，且正極共用總線2連接於電池組P的正極以及連接於負載L或電源S的正極。

負極共用總線3連接於各個雙向轉換器12的次要側的一負極端，且負極共用總線3連接於電池組P的負極以及連接於負載L或電源S的負極。

控制器4連接於各個感測模組11以及各個雙向轉換器12。

在充電模式下，如第1a圖所示，控制器4計算出所有電池B的可充能量以及主路徑上的一標準充電電流。控制器4選定電池B的至少一個而使選定之電池B以無抽取電流或補充電流的方式以標準充電電流充電。對於可充能量比選定之電池B較少的電池B，控制器4控制對應的雙向轉換器12自主路徑上抽取電流至正極共用總線，而使得可充能量比選定之電池B較少的電池B以受抽取電流的方式充電。且對於可充能量比選定之電池B較多的電池B，控制器4控制對應的雙向轉換器12自正極共用總線抽取電流至主路徑上，而使得可充能量比選定之電池B較多的電池B以受補充電流的方式充電。從選定之電池B的電量以及標準充電電流大小能得知充電所需時間，控制器4依據充電所需時間及其他電池B的電量而計算抽取或補充的電流大小，以使所有電池B同時完成充電。藉由此電量調配方法能避免有電池尚未充飽時，有其他電池為過充的情況。

具體而言，控制器4依據所有電池B的可充能量而計算出平均可充能量，並選定可充能量最接近平均可充能量的電池B以該標準充電電流充電。

舉例而言，如第3圖及表1所示，電池可充能量由多至少依序為：電池B3、電池B2、電池B1。也就是在無電量均衡下，電池B3需要最長的充電時間。電池B1需要最短的充電時間。電池B1、電池B2、電池B3的平均可充能量為1.92Ah。控制器4選定可充能量最接近平均可充能量的電池B2而使電池B2以無抽取電流且無補充電流的方式以標準充電電流充電。控制器4控制雙向轉換器12對 電池B1抽取電流，且控制雙向轉換器12對電池B3補充電流，抽取/補充的電流大小使得電池B1、電池B2、電池B3同時完成充電。

選定之電池B2的可充能量為1.41Ah，標準充電電流設為1.41A而以1小時完成充電。電源S以標準充電電流1.41A對這些電池進行充電。電池B1需抽取之電流為[1.41(Ah)-1.18(Ah)]/1(h)=0.23A。電池B3需補充之電流為[3.18(Ah)-1.41(Ah)]/1(h)=1.77A。控制器4控制電池B1及電池B3所連接的雙向轉換器12對電池B1抽取電流及對電池B3補充電流，以使所有電池以1小時同時完成充電。

在放電模式下，如第1b圖所示，控制器4計算出所有電池B的剩餘能量以及主路徑上的一標準放電電流。控制器4選定電池B的至少一個而使選定之電池B以無抽取電流或補充電流的方式以標準放電電流放電。對於剩餘能量比選定之電池B較多的電池B，控制器4控制對應的雙向轉換器12自主路徑上抽取電流至正極共用總線，而使得剩餘能量比選定之電池B較多的電池B以受抽取電流的方式放電。且對於剩餘能量比選定之電池B較少的電池B，控制器控制對應的雙向轉換器自該正極共用總線抽取電流至主路徑上，而使得剩餘能量比選定之電池B較少的電池B以受補充電流的方式放電。從選定之電池B的電量以及標準放電電流大小能得知放電所需時間，控制器4依據放電所需時間及其他電池B的電量而計算抽取或補充的電流大小，以使所有電池B同時完成放電。藉由此電量調配方法能避免有電池尚未放完電時，有其他電池為過放的情況。

具體而言，控制器4依據所有電池B的剩餘能量而計算出平均剩餘能量，並選定剩餘能量最接近平均剩餘能量的電池B以該標準充電電流充電。

舉例而言，如第4圖及表2所示，電池剩餘能量由多至少依序為：電池B3、電池B2、電池B1。也就是在無電量均衡下，電池B3需要最長的放電時間。電池B1需要最短的放電時間。電池B1、電池B2、電池B3的平均剩餘能量為3.59Ah。控制器4選定剩餘能量最接近平均剩餘能量的電池B2而使電池B2以無抽取電流且無補充電流的方式以標準充電電流充電。控制器4控制雙向轉換器12對電池B1補充電流，且控制雙向轉換器12對電池B3抽取電流，補充/抽取的電流大小使得電池B1、電池B2、電池B3同時完成放電。

選定之電池B2的剩餘能量為3.055Ah，標準放電電流設為3.055A而以1小時完成放電。這些電池以標準放電電流3.055A對負載L進行放電。電池B1需補充之電流為[3.055(Ah)-2.95(Ah)]/1(h)=0.105A。電池B3需抽取之電流為[4.77(Ah)-3.055(Ah)]/1(h)=1.715A。控制器4控制電池B1及電池B3所連接的雙向轉換器12對電池B1補充電流及對電池B3抽取電流，以使所有電池以1小時同時完成放電。

本發明的電池充放電功率動態調配系統100能夠只在充電或放電時運作，避免電池在沒使用的情況下進行電量均衡產生電量均衡所需的電能損耗，而進一步具有良好的效率。

以上之敘述以及說明僅為本發明之較佳實施例之說明，對於此項技術具有通常知識者當可依據以下所界定申請專利範圍以及上述之說明而作其他之修改，惟此些修改仍應是為本發明之發明精神而在本發明之權利範圍中。

100:電池充放電功率動態調配系統

1:能量均衡裝置

11:感測模組

12:雙向轉換器

2:正極共用總線

3:負極共用總線

B:電池

P:電池組

S:電源

Claims (4)

1. 一種電池充放電功率動態調配系統，用於一電池組，該電池組為與一負載或與一電源直接連接，該電池組包括複數個串聯的電池而以複數個該電池形成一主路徑，該電池充放電功率動態調配系統包含：複數個能量均衡裝置，各個該能量均衡裝置包括一感測模組以及一雙向轉換器，各個該感測模組連接於一個該電池以感測出該電池的電量，該雙向轉換器具有主要側以及次要側，各個該雙向轉換器的該主要側連接於一個該電池；一正極共用總線，該正極共用總線連接於各個該雙向轉換器的該次要側的一正極端，且該正極共用總線連接於該電池組的正極以及該負載或該電源；一負極共用總線，該負極共用總線連接於各個該雙向轉換器的該次要側的一負極端，且該負極共用總線連接於該電池組的負極以及該負載或該電源；以及一控制器，連接於各個該感測模組以及各個該雙向轉換器，在充電模式下，該控制器依據該電量而計算出該主路徑上的一標準充電電流，該控制器選定該電池的至少一個而使選定之該電池以無受抽取電流且無受補充電流的方式以該標準充電電流充電，對於可充能量比選定之該電池較少的該電池，該控制器控制對應的該雙向轉換器自該主路徑上抽取電流至該正極共用總線，以及對於可充能量比選定之該電池較多的該電池，該控制器控制對應的該雙向轉換器自該正極共用總線抽取電流至該主路徑上，以使所有該電池同時完成充電，在放電模式下，該控制器依據該電量而計算出該主路徑上的一標準放電電流，該控制器選定該電池的至少一個而使選定的該電池以無受抽取電流且無受補充電流的方式以該標準放電電流放電，對於剩餘能量比選定之該電池較多的該電池，該控制器控制對應的該雙向轉換器自該主路徑上抽取電流至該正極共用總線，以及對於剩餘能量比選定之該電池較少的該電池，該控制器控制對應 的該雙向轉換器自該正極共用總線抽取電流至該主路徑上，以使所有該電池同時完成放電。
2. 如請求項1之電池充放電功率動態調配系統，其中在該充電模式下，該控制器選定可充能量最接近一平均可充能量的的該電池以該標準充電電流充電，該放電模式下，該控制器選定剩餘能量最接近一平均剩餘能量的該電池以該標準放電電流放電。
3. 如請求項1之電池充放電功率動態調配系統，其中該感測模組感測該電池的電荷狀態。
4. 一種電池充放電功率動態調配方法，用於一電池組，該電池組為與一負載或與一電源直接連接，該電池組包括複數個串聯的電池而以複數個該電池形成一主路徑，該電池充放電功率動態調配方法包含：提供複數個能量均衡裝置、一正極共用總線、一負極共用總線以及一控制器，各個該能量均衡裝置包括一感測模組以及一雙向轉換器，各個該感測模組連接於一個該電池，該雙向轉換器具有主要側以及次要側，各個該雙向轉換器的該主要側連接於一個該電池，該正極共用總線連接於各個該雙向轉換器的該次要側的一正極端，且該正極共用總線連接於該電池組的正極以及該負載或該電源，該負極共用總線連接於各個該雙向轉換器的該次要側的一負極端，且該負極共用總線連接於該電池組的負極以及該負載或該電源，控制器連接於各個該感測模組以及各個該雙向轉換器；透過複數個該充電裝置的各個該感測模組感測出所連接的該電池的電量；在充電模式下，該控制器依據該電量而計算出該主路徑上的一標準充電電流，該控制器選定該電池的至少一個而使選定之該電池以無受抽取電流或受補充電流的方式以該標準充電電流充電，對於可充能量比選定之該電池較少的該電池，該控制器控制對應的該雙向轉換器自該主路徑上抽取電流至該正極共用 總線，以及對於可充能量比選定之該電池較多的該電池，該控制器控制對應的該雙向轉換器自該正極共用總線抽取電流至該主路徑上，以使所有該電池同時完成充電；以及在放電模式下，該控制器依據該電量而計算出該主路徑上的一標準放電電流，該控制器選定該電池的至少一個而使選定之該電池以無受抽取電流或受補充電流的方式以該標準放電電流放電，對於剩餘能量比選定之該電池較多的該電池，該控制器控制對應的該雙向轉換器自該主路徑上抽取電流至該正極共用總線，以及對於剩餘能量比選定之該電池較少的該電池，該控制器控制對應的該雙向轉換器自該正極共用總線抽取電流至該主路徑上，以使所有該電池同時完成放電。

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