TWI697182B - 具有湧浪電流抑制功能之雙向電量平衡系統 - Google Patents

Abstract

一種具有湧浪電流抑制功能之雙向電量平衡系統，包含：一電池平衡開關組；一雙向返馳式轉換器，電池平衡開關組連接於雙向返馳式轉換器的一次側以及各個電池之間，且雙向返馳式轉換器的二次側連接於電池組的二端；一電池監控模組；以及一控制模組，依據電池監控模組所量測出的電壓與電流而控制雙向返馳式轉換器及電池平衡開關組，控制模組將指定之開關導通而進行電量平衡前，控制雙向返馳式轉換器以使電池組透過雙向返馳式轉換器而對一次側升壓至一預充電壓，以對湧浪電流進行抑制。

Description

具有湧浪電流抑制功能之雙向電量平衡系統

本發明相關於一種電量平衡系統，特別是相關於一種雙向電量平衡系統。

由於電池組中的各個電池因製造誤差及使用條件差異……等，而使得各個電池可能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電或過放電，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電量較高的電池。主動式電量平衡系統是以電量較高的電池對電量較低的電池進行充電，而具有較佳的電量使用效率。然而，主動式電量平衡系統的運作過程中，系統中的開關會進行多次的狀態切換。每一次開關的導通的瞬間，會短暫地產生遠高於穩態的湧浪電流，而導致開關及其他元件壽命的縮減。

因此，本發明的目的即在提供一種雙向電量平衡系統，具有湧浪電流抑制功能，以降低湧浪電流所造成的損害及延長使用壽命。

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雙向電量平衡系統，用於在對於一電池組進行電量平衡時抑制湧浪電流，該電池組具有串聯的複數個電池，該雙向電量平衡系統包含：一電池平衡開關組，具有複數個一次側開關，每個該電池對應於一個該一次側開關；一雙向返馳式轉換器，該電池平衡開關組的各個該一次側開關連接於該雙向返馳式轉換器的一次側以及各個該電池之間，且該雙向返馳式轉換器的二次側係連接於該電池組的二端；一電池監控模組，連接於各個該電池以量測各個該電池的電壓與電流；一控制模組，連接於該雙向返馳式轉換器、複數個該一次側開關及該電池監控模組，該控制模組依據該電池監控模組所量測出的該電壓與電流而決定出複數個電池之中的待平衡電池，並控制該雙向返馳式轉換器及該待平衡電池所對應之該一次側開關，且將該待平衡電池所對應之該一次側開關設定為一指定之一次側開關，該待平衡電池的電壓為待平衡電池電壓，其中，該控制模組將該指定之一次側開關導通前，控制該雙向返馳式轉換器以使該電池組透過該雙向返馳式轉換器而對該雙向返馳式轉換器的該一次側升壓至一預充電壓，在該預充電壓與該待平衡電池電壓的差距為0時，該控制模組控制該指定之一次側開關導通。

在本發明的一實施例中係提供一種雙向電量平衡系統，該一次側開關為光繼電器。

在本發明的一實施例中係提供一種雙向電量平衡系統，該一次側開關為功率開關、固態繼電器或電磁繼電器。

在本發明的一實施例中係提供一種雙向電量平衡系統，更包括一電量狀態估測模組以及一電量狀態估測開關，該控制模組連接於該電量狀態估測模組，該控制模組透過該電量狀態估測模組而量測出各個電池的阻抗，該電量狀態估測開關連接於該電量狀態估測模組以及該電池組之間，該控制模組依 據該電池監控模組所量測出的該電壓與電流以及透過電量狀態估測模組所量測出的該阻抗而決定出複數個電池之中的待平衡電池，並控制該雙向返馳式轉換器及複數個該一次側開關，且該控制模組連接於該電量狀態估測開關以控制該電量狀態估測開關。

在本發明的一實施例中係提供一種雙向電量平衡系統，該控制模組所決定出的該待平衡電池之數量為低於所有的該電池之數量的複數個。

在本發明的一實施例中係提供一種雙向電量平衡系統，該控制模組之估測電量狀態的方式為利用抽載期間之電池電壓變化與電池電流變化之關係進行計算。

在本發明的一實施例中係提供一種雙向電量平衡系統，該控制模組之估測電量狀態的方式，為採用卡爾曼濾波器、類神經網路、基因演算法或多階層RC等效建模等的估測方式實現電量估測。

經由本發明的雙向電量平衡系統所採用之技術手段，控制模組將指定之一次側開關導通前，會控制雙向返馳式轉換器以使電池組透過雙向返馳式轉換器而對雙向返馳式轉換器的一次側升壓至預充電壓。在預充電壓於預定範圍時，控制模組控制指定之一次側開關導通。因此時一次側開關二側的電壓差為0，一次側開關導通所產生的湧浪電流較弱。藉此抑制開關導通時產生的湧浪電流，而減少湧浪電流所導致元件的損壞及電池壽命降低的問題，進而提高系統穩定度。

100:雙向電量平衡系統

1:電池平衡開關組

11:一次側開關

11':指定之一次側開關

2:雙向返馳式轉換器

3:電池監控模組

4:控制模組

5:電量狀態估測模組

6:電量狀態估測開關

B:電池

B':待平衡電池

P:電池組

Vb:待平衡電池電壓

Vc:預充電壓

〔第1圖〕為顯示根據本發明的一實施例的雙向電量平衡系統的方塊示意圖； 〔第2圖〕為顯示根據本發明的一實施例的雙向電量平衡系統的局部的電路示意圖；〔第3圖〕為顯示根據本發明的一實施例的雙向電量平衡系統的局部的電路示意圖；〔第4圖〕為顯示根據本發明的一實施例的雙向電量平衡系統的局部的電路示意圖；〔第5圖〕為顯示根據本發明的一實施例的雙向電量平衡系統的流程圖；

以下根據第1圖至第5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1圖至第4圖所示，依據本發明的一實施例的一雙向電量平衡系統100，用於在對於一電池組P進行電量平衡時抑制湧浪電流，電池組P具有串聯的複數個電池B，雙向電量平衡系統100包含：一電池平衡開關組1，具有複數個一次側開關11，每個電池B對應於一個一次側開關11；一雙向返馳式轉換器2，電池平衡開關組1的各個一次側開關11連接於雙向返馳式轉換器2的一次側以及各個電池B之間，且雙向返馳式轉換器2的二次側係連接於電池組P的二端；一電池監控模組3，連接於各個電池B以量測各個電池B的電壓與電流；一控制模組4，連接於雙向返馳式轉換器2、複數個一次側開關11及電池監控模組3，控制模組4依據電池監控模組3所量測出的電壓與電流而決定出複數個電池B之中的待平衡電池B'，並控制雙向返馳式轉換器2及待平衡電池B'所對應之一次側開關11，且將待平衡電池B'所對應之一次側開關11設定為一指定之一次側開關11'，待平衡電池B'的電壓為待平衡電池電壓Vb，其中，控制模組將指定之一次側開關11'導通前，控制雙向返馳式轉換器以使電池組透過雙向返馳式轉換器而對雙向返馳 式轉換器的一次側升壓至一預充電壓，在預充電壓Vc與待平衡電池電壓Vb的差距為0時，控制模組控制指定之一次側開關11'導通。

一次側開關11為光繼電器，相較於傳統功率開關，本實施例具有較低的系統控制複雜度及製作成本。而在其他實施例中，一次側開關11也可以是功率開關、固態繼電器或電磁繼電器。

雙向返馳式轉換器2的一次側以及二次側的功能為相同，能夠雙向地運作而具有較佳的使用彈性。詳細而言，本發明的電量平衡可以是第一側的待平衡電池B'能對二次側的電池組P進行充電，或者是二次側的所有電池B能對第一側的待平衡電池B'進行充電。再者，透過電池平衡開關組的使用，本發明的雙向返馳式轉換器2得以僅用一組雙繞組變壓器即能達成電池組P的電量平衡，而降低變壓器繞組數及變壓器線圈的使用，大幅降低系統複雜度。

如第1圖所示，電量狀態估測開關6連接於電量狀態估測模組5以及電池組P之間。控制模組4連接於電量狀態估測開關6。在進行電量狀態估測時，控制模組4控制電量狀態估測開關6導通而使得電量狀態估測模組5連接到電池組P，以計算各個電池B的阻抗。

詳細而言，電量狀態估測模組5為一諧振負載。控制模組4連接於電量狀態估測模組5而控制電量狀態估測模組5對各個電池B進行可預設振幅之弦波抽載。在本實施例中，抽載型態為自電池B抽出弦波電流。控制模組4依據於抽載的期間由電池監控模組3量測出的電壓變化與電流變化而計算出電池B的阻抗，進而估測出各個電池B的電量狀態(state of charge,SOC)。控制模組4亦可採用卡爾曼濾波器、類神經網路、基因演算法或多階層電阻-電容(resistor-capacitor,RC)等效建模等的估測方式，依據各個電池B的阻抗、電壓及電流而估測出各個電池B的SOC。相較於僅依據電壓而估測出各個電池B之 SOC的估測方法，本實施例考量到各個電池B的壽命及性能而使得SOC的估測更為精確。

控制模組4依據各個電池B的SOC而決定出複數個電池B之中的待平衡電池B'，並控制雙向返馳式轉換器2及待平衡電池B'所對應的指定之一次側開關11'。

如第4圖所示，控制模組4所決定出的待平衡電池B'的數量為一個。而在其他實施例中，控制模組4所決定出的待平衡電池B'之數量也可為低於所有的電池B之數量的複數個，而一次對SOC最高或SOC最低的多顆電池進行電量平衡。舉例而言，電池組P共有四顆電池，控制模組4依據SOC而決定出SOC最高或SOC最低的一至三顆電池為待平衡電池B'。

在SOC估測完成後，控制模組4控制電量狀態估測開關6為切斷，然後對雙向返馳式轉換器2的一次側進行預充電，以降低指定之一次側開關11'的二端之電壓差，也就是降低預充電壓Vc與待平衡電池電壓Vb的差距。

在預充電壓Vc與待平衡電池電壓Vb的差距為0時，意即在預充電壓Vc等於待平衡電池電壓Vb時，控制模組4控制指定之一次側開關11'導通，而具有抑制湧浪電流效果。

如第5圖所示，電池監控模組3為不斷地量測各個電池B的電壓及電流，並在有電池B的電壓或電流超出安全工作條件時，停止本發明的雙向電量平衡系統100，而具有欠電壓、過電壓及過電流保護的功能。在各個電池B的電壓或電流符合安全工作條件時，才會進行後續的SOC估測、預充電以及電量平衡的流程。

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:雙向電量平衡系統

1:電池平衡開關組

2:雙向返馳式轉換器

3:電池監控模組

4:控制模組

5:電量狀態估測模組

6:電量狀態估測開關

P:電池組

Claims (7)

1. 一種具有湧浪電流抑制功能之雙向電量平衡系統，用於在對於一電池組進行電量平衡時抑制湧浪電流，該電池組具有串聯的複數個電池，該雙向電量平衡系統包含：一電池平衡開關組，具有複數個一次側開關，每個該電池對應於一個該一次側開關；一雙向返馳式轉換器，該電池平衡開關組的各個該一次側開關連接於該雙向返馳式轉換器的一次側以及各個該電池之間，且該雙向返馳式轉換器的二次側係連接於該電池組的二端；一電池監控模組，連接於各個該電池以量測各個該電池的電壓與電流；一控制模組，連接於該雙向返馳式轉換器、複數個該一次側開關及該電池監控模組，該控制模組依據該電池監控模組所量測出的該電壓與電流而決定出複數個電池之中的待平衡電池，並控制該雙向返馳式轉換器及該待平衡電池所對應之該一次側開關，且將該待平衡電池所對應之該一次側開關設定為一指定之一次側開關，該待平衡電池的電壓為待平衡電池電壓，其中，該控制模組將該指定之一次側開關導通前，控制該雙向返馳式轉換器以使該電池組透過該雙向返馳式轉換器而對該雙向返馳式轉換器的該一次側升壓至一預充電壓，在該預充電壓與該待平衡電池電壓的差距為0時，該控制模組控制該指定之一次側開關導通。
2. 如請求項1之雙向電量平衡系統，其中該一次側開關為光繼電器。
3. 如請求項1之雙向電量平衡系統，其中該一次側開關為功率開關、固態繼電器或電磁繼電器。
4. 如請求項1之雙向電量平衡系統，更包括一電量狀態估測模組以及一電量狀態估測開關，該控制模組連接於該電量狀態估測模組，該控制模組透 過該電量狀態估測模組而量測出各個電池的阻抗，該電量狀態估測開關連接於該電量狀態估測模組以及該電池組之間，該控制模組依據該電池監控模組所量測出的該電壓與電流以及透過電量狀態估測模組所量測出的該阻抗而決定出複數個電池之中的待平衡電池，並控制該雙向返馳式轉換器及複數個該一次側開關，且該控制模組連接於該電量狀態估測開關以控制該電量狀態估測開關。
5. 如請求項1之雙向電量平衡系統，其中該控制模組所決定出的該待平衡電池之數量為低於所有的該電池之數量的複數個。
6. 如請求項1之雙向電量平衡系統，其中該控制模組之估測電量狀態的方式為利用該電量狀態估測模組對於抽出該電池的電流期間之電池電壓變化與電池電流變化之關係進行計算。
7. 如請求項1之雙向電量平衡系統，其中該控制模組之估測電量狀態的方式，為採用卡爾曼濾波器、類神經網路、基因演算法或多階層電阻-電容等效建模等的估測方式實現電量估測。

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