TWI655826B - Method of balancing battery voltage - Google Patents

Abstract

一種平衡電池電壓的方法由一電池管理系統所執行，該電池管理系統包括N個電池單元、一主控制器、N個電池管理單元，及N個主動平衡單元，一外部充電裝置對該N個電池單元進行充電，以驅動該N個電池單元的被動平衡，其中，N為正整數，該方法為該N個電池管理單元分別量測該N個電池單元的電壓值，每一電池管理單元據以產生一指示所對應的該電池單元的該電壓值的量測信號，並將該量測信號傳送至該主控制器，該主控制器判斷該等電池單元中的第一個電池單元的電壓值是否低於一第一平均值，並決定是否由該主動平衡單元對該電池單元執行充電。

Description

平衡電池電壓的方法

本發明是有關於一種電池充電的方法，特別是指一種可使電池模組的數個電池電壓達到平衡的充電方法。

現今汽、機車的動力來源大多數是以石油為主，然而長久以來，燃油所排放的廢氣已對環境空氣造成嚴重汙染，除此之外，地球現有的石化資源也已日漸短缺，為了因應此類問題，以電力作為汽、機車主要的動力來源的議題已逐漸受到重視。目前市售電動汽、機車主要以電池模組供應電力，且為符合環保及經濟需求，電池模組通常會設計為可重複充電使用，因此如何有效的讓電池模組充電重複利用是目前發展電動汽、機車主要的挑戰。

電池模組目前現有的充電方法主要為放電式的被動平衡，由於製程差異、使用習慣，及使用環境等影響變因，電池模組的各個電池即便以同一電力來源同時充電，每一電池也不一定可同時達到相同的電量，因此為避免先達到較高電量的電池被過度充電 而造成不可回復的損壞，目前的充電機制會由一主控制器監控電池模組的各電池充電狀況，將電量較高的電池對外部電阻放電以避免過度充電，而其餘電池則可同時間繼續充電，然而這樣的做法雖可避免電池過充損壞，但釋放過多電量無形中也造成了浪費，因此如何同時使具有較高電量的電池不需消耗電量避免過充又能使較低電量的電池可繼續充電是一值得探討的充電管理議題。

因此，本發明的目的，即在提供一種可使一電連接一外部充電裝置的電池模組達到電壓平衡的平衡電池電壓的方法。

於是，本發明平衡電池電壓的方法，由一電池管理系統所執行，該電池管理系統包括N個電池單元、一電連接每一電池單元的主控制器、N個分別電連接該N個電池單元的電池管理單元，及N個電連接該N個電池單元的主動平衡單元，一外部充電裝置提供一電力信號對該N個電池單元進行充電，以驅動該N個電池單元的被動平衡，其中，N為正整數，且N>1，該方法包含一步驟(A)、一步驟(B)、一步驟(C)、一步驟(D)，及一步驟(E)。

該步驟(A)為該N個電池管理單元分別量測該N個電池單元的電壓值，每一電池管理單元據以產生一指示所對應的該電池單元的該電壓值的量測信號，並將該量測信號傳送至該主控制器。

該步驟(B)為該主控制器判斷該等電池單元中的第一個電池單元的電壓值是否低於一第一平均值。

該步驟(C)為若該步驟(B)的判斷結果為是，則該主控制器控制電連接該第一個電池單元的該主動平衡單元對該電池單元執行充電。

該步驟(D)為若該步驟(B)的判斷結果為否，該主控制器判斷該等電池單元中的第二個電池單元的電壓值是否低於該第一平均值。

該步驟(E)為若該步驟(D)的判斷結果為是，則該主控制器控制電連接第二個電池單元的該主動平衡單元對該第二個電池單元充電。

本發明的另一目的，即在提供一種可使一電連接一外部裝置，並對該外部裝置放電的電池模組達到電壓平衡的方法。

該平衡電池電壓的方法，由一電池管理系統所執行，該電池管理系統包括N個電池單元、一電連接每一電池單元的主控制器、N個分別電連接該N個電池單元的電池管理單元、N個電連接該N個電池單元的主動平衡單元，該N個電池對一外部裝置提供一電力信號，其中，N為正整數，且N>1，該方法包含一步驟(A’)、一步驟(B’)、一步驟(C’)、一步驟(D’)，及一步驟(E’)。

該步驟(A’)為每一電池管理單元量測各自所電連接的電池單元的電壓值，並將每一電壓值傳送至該主控制器。

該步驟(B’)為該主控制器判斷該等電池單元中的第一個電池單元的電壓值是否低於一第二平均值。

該步驟(C’)為若該步驟(B’)的判斷結果為是，則該主控制器控制電連接該第一個電池單元的該主動平衡單元對該電池單元執行充電。

該步驟(D’)為若該步驟(B’)的判斷結果為否，該主控制器判斷該等電池單元中的第二個電池單元的電壓值是否低於該第二平均值。

該步驟(E’)為若該步驟(D’)的判斷結果為是，則該主控制器控制電連接第二個電池單元的該主動平衡單元對該第二個電池單元充電。

本發明的另一目的，即在提供一種可使電池模組電壓達到平衡的電池管理系統。

該電池管理系統電連接一外部充電裝置。

該電池管理系統包含N個電池單元、一主控制器、N個電池管理單元，及N個主動平衡單元。

該N個電池單元，與該外部充電裝置電連接並由該外部 充電裝置提供一電力信號而進行充電，其中，N為正整數，且N>1。

該主控制器電連接於該等電池單元。

該N個電池管理單元，分別電連接該N個電池單元。

該N個主動平衡單元，分別電連接該N個電池單元。

該N個電池管理單元分別量測該N個電池單元的電壓值，每一電池管理單元據以產生一指示所對應的該電池單元的該電壓值的量測信號，並將該量測信號傳送至該主控制器，該主控制器判斷該等電池單元中的第一個電池單元的電壓值是否低於一第一平均值，若該判斷結果為是，則該主控制器控制電連接該第一個電池單元的該主動平衡單元對該電池單元執行充電，若該判斷結果為否，該主控制器判斷該等電池單元中的第二個電池單元的電壓值是否低於該第一平均值，若該判斷結果為是，則該主控制器控制電連接第二個電池單元的該主動平衡單元對該第二個電池單元充電。

本發明的功效在於：藉由多數個主動平衡單元及多數個電池管理單元對應電連接多數個電池單元，及電連接該等電池單元的主控制器控制該等電池單元充電或不充電，使該等電池單元達到充電電壓平衡且無需消耗浪費多餘的電力。

A~E‧‧‧對電池充電的步驟

F~G‧‧‧檢查電池電壓的子步驟

A0~A2‧‧‧判斷充電電流的子步驟

C0~C4‧‧‧判斷充電時間的子步驟

A’~E’‧‧‧對電池充電的步驟

F’~G’‧‧‧檢查電池電壓的子步驟

B0’~B4’‧‧‧判斷放電條件的子步驟

C0’~C4’‧‧‧判斷充電時間的子步驟

2‧‧‧電池單元

3‧‧‧主控制器

4‧‧‧電池管理單元

5‧‧‧主動平衡單元

Vth‧‧‧門檻值

K1‧‧‧第一放電條件值

K2‧‧‧第二放電條件值

K3‧‧‧第三放電條件值

K4‧‧‧第四放電條件值

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式 中清楚地呈現，其中：圖1是一流程圖，說明本發明平衡電池電壓的方法的一第一實施例；圖2是一系統方塊圖，說明一實施該第一實施例的電池管理系統；圖3是一時序圖，說明該實施例中電池管理系統的控制充電方式；圖4是一流程圖，說明本發明平衡電池電壓的方法的一第二實施例；及圖5是一時序圖，說明該實施例中電池管理系統的控制充電方式。

在本發明被詳細描述前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示

參閱圖1、2，本發明平衡電池電壓的方法的一第一實施例，由一電池管理系統所執行，該電池管理系統包括N個串聯的電池單元2、一電連接每一電池單元2的主控制器3、N個分別電連接該N個電池單元2的電池管理單元4，及N個電連接該N個電池單元2的主動平衡單元5，一外部充電裝置(圖未示)提供一電力信號對 該N個電池單元2進行充電，以驅動該N個電池單元2的被動平衡，其中，N為大於1的正整數，該電池管理系統執行該平衡電池電壓的方法的實施例時，是執行一步驟(A)、一步驟(B)、一步驟(C)、一步驟(D)，及一步驟(E)。

在該步驟(A)中，該N個電池管理單元4分別量測該N個電池單元2的電壓值，每一電池管理單元4據以產生一指示所對應的該電池單元2的該電壓值的量測信號，並將該量測信號傳送至該主控制器3，而該等量測信號即為對該等電池單元2的電壓值。

需進一步說明的是，由於本實施例中的電池單元2為多數個，且彼此串聯，而該N個分別電連接該N個電池單元2的電池管理單元4除了可分別量測所對應的每一電池單元2的電壓值外，每一電池管理單元4還可量測該N個電池單元2的整體電壓值。

在該步驟(B)中，該主控制器3判斷該等電池單元2中的第一個電池單元2的電壓值是否低於一第一平均值，而該第一平均值即為該步驟(A)中該N個電池單元2的電壓值總和的平均值。

該步驟(C)為若該步驟(B)的判斷結果為是，則該主控制器3控制電連接該第一個電池單元2的該主動平衡單元5對該電池單元2執行充電。

該步驟(D)為若該步驟(B)的判斷結果為否，該主控 制器3判斷該等電池單元2中的第二個電池單元2的電壓值是否低於該第一平均值。

該步驟(E)為若該步驟(D)的判斷結果為是，則該主控制器3控制電連接第二個電池單元2的該主動平衡單元5對該第二個電池單元2充電。

本實施例中，在該步驟(E)之後還進一步地包含以下一步驟(F)，及一步驟(G)。

該步驟(F)為若該步驟(D)的判斷結果為否，則該主控制器3判斷該等電池單元2中的第N個電池單元2的電壓值是否低於該第一平均值，N=3。

該步驟(G)為若該步驟(F)的判斷結果為是，則該主控制器3控制電連接第N個電池單元2的該主動平衡單元5對該第N個電池單元2充電，本實施例是以N=3個電池單元2為例，若該步驟(F)的判斷結果為否，則繼續判斷第N+1個電池單元2的電壓值是否低於該第一平均值，後續步驟則如同前述步驟(E)及其後續步驟，在此不再贅述。

本實施例在該步驟(A)之後，還進一步地包含以下一步驟(A0)、一步驟(A1)，及一步驟(A2)。

參閱圖3，以N=2舉例而言。

該步驟(A0)為在被動平衡時，該主控制器3判斷該二電池單元2被該電力信號的一電流充電時是否為定電流(Constant Current)充電，以避免該等電池單元2被過度充電。

該步驟(A1)為若該步驟(A0)的判斷結果為是，則執行該步驟(B)，即判斷該二電池單元2中的第一個電池單元2的電壓是否低於該第一平均值，在本實施例中，是先假設第一個電池單元2電壓較低，因此第一個主動平衡單元5對該第一個電池單元2充電。

該步驟(A2)為若該步驟(A0)的判斷結果為否，則執行該步驟(A)。

本實施例中，在該步驟(C)之後還進一步地包含以下一步驟(C0)、一步驟(C1)、一步驟(C2)、一步驟(C3)，及一步驟(C4)。

該步驟(C0)為該主控制器3判斷該主動平衡單元5對該第一個電池單元2執行充電的時間是否已達一預設充電時間。

該步驟(C1)為若該步驟(C0)的判斷結果為否，則回到步驟(B)並繼續執行後續步驟。

該步驟(C2)為若該步驟(C0)的判斷結果為是，該主控制器3控制該主動平衡單元5在一檢查時間內停止對該第一個電 池單元2充電；並判斷每一電池單元2的電壓值是否已達一門檻值Vth，需進一步說明的是，即是判斷每一電池單2元是否已達定電壓(Constant Voltage)充電狀態。

該步驟(C3)為若該步驟(C2)的判斷結果為是，該主控制器3控制該主動平衡單元5停止對該電池單元2充電。

該步驟(C4)為若該步驟(C2)的判斷結果為否，則回到該步驟(B)並繼續執行後續步驟。

上述本發明平衡電池電壓的方法的該第一實施例藉由該主控制器先透過該等電池管理單元判斷由一外部充電裝置充電的該等電池單元的電壓，再控制該等主動平衡單元對該等電池單元充電或不充電，確實可使先達到較高電量的電池單元不需對外放電而保留電力，同時可使較低電量的電池單元能繼續被充電而使該等電池單元達到電壓平衡。

參閱圖4，本發明平衡電池電壓的方法的一第二實施例，由一電池管理系統所執行，該電池管理系統包括N個電池單元2、一電連接每一電池單元的主控制器3、N個分別電連接該N個電池單元2的電池管理單元4、N個電連接該N個電池單元2的主動平衡單元5，該N個電池對一外部裝置(圖未示)提供一電力信號，其中，N為大於1的正整數，該電池管理系統執行該平衡電池電壓的方法的 實施例時，是執行一步驟(A’)、一步驟(B’)、一步驟(C’)、一步驟(D’)，及一步驟(E’)。

在該步驟(A’)中，每一電池管理單元4量測各自所電連接的電池單元2的電壓值，並將每一電壓值傳送至該主控制器3。

需進一步說明的是，由於本實施例中的電池單元2為多數個，且彼此串聯，而該N個分別電連接該N個電池單元2的電池管理單元4除了可分別量測所對應的每一電池單元2的電壓值外，每一電池管理單元4還可量測該N個電池單元2的整體電壓值。

在該步驟(B’)中，該主控制器3判斷該等電池單元2中的第一個電池單元2的電壓值是否低於一第二平均值，而該第二平均值即為該步驟(A’)中該N個電池單元2的電壓值總和的平均值。

在該步驟(C’)中，若該步驟(B’)的判斷結果為是，則該主控制器2控制電連接該第一個電池單元2的該主動平衡單元5對該電池單元2執行充電。

在該步驟(D’)中，若該步驟(B’)的判斷結果為否，該主控制器3判斷該等電池單元2中的第二個電池單元2的電壓值是否低於該第二平均值。

在該步驟(E’)中，若該步驟(D’)的判斷結果為是，則該主控制器3控制電連接第二個電池單元2的該主動平衡單元5對 該第二個電池單元2充電。

本實施例中，在該步驟(E’)之後還進一步地包含以下一步驟(F’)，及一步驟(G’)。

該步驟(F’)為若該步驟(D’)的判斷結果為否，則該主控制器3判斷該等電池單元2中的第N個電池單元2的電壓值是否低於該第二平均值，N=3。

該步驟(G’)為若該步驟(F’)的判斷結果為是，則該主控制器3控制電連接第N個電池單元2的該主動平衡單元5對該第N個電池單元2充電，本實施例是以N=3個電池單元2為例，若該步驟(F’)的判斷結果為否，則繼續判斷第N+1個電池單元2的電壓值是否低於該第二平均值，後續步驟則如同前述步驟(E’)及其後續步驟，在此不再贅述。

本實施例中，在該步驟(B’)之前，還進一步地包含以下一步驟(B0’)、一步驟(B1’)、一步驟(B2’)、一步驟(B3’)，及一步驟(B4’)。

參閱圖5，以N=2舉例而言。

該步驟(B0’)為該主控制器3判斷該等電池單元2中的第一個電池單元2的電壓值是否低於一第一放電條件值K1，其中，該放電條件(State Of Charge)為電壓放電或電流放電的百分比。

該步驟(B1’)為若該步驟(B0’)的判斷結果為否，則回到該步驟(A’)，並繼續執行後續步驟。

該步驟(B2’)為若該步驟(B0’)的判斷結果為是，則該主控制器3再判斷該第一個電池單元2的電流值是否介於一第二放電條件值K2與一第三放電條件值K3之間。

該步驟(B3’)為若該步驟(B2’)的判斷結果為是，則回到該步驟(A’)，並重新執行後續步驟。

該步驟(B4’)為若該步驟(B2’)的判斷結果為否，則繼續執行該步驟(B’)。

在本實施例中，在該步驟(C’)之後，還進一步地包含以下一步驟(C0’)、一步驟(C1’)、一步驟(C2’)、一步驟(C3’)，及一步驟(C4’)。

該步驟(C0’)為該主控制器3判斷該主動平衡單元5對該充電單元2執行充電的時間是否已達一預設充電時間。

該步驟(C1’)為若該步驟(C0’)的判斷結果為否，則回到步驟(B’)並繼續執行後續步驟。

該步驟(C2’)為若該步驟(C0’)的判斷結果為是，該主控制器3控制該主動平衡單元5在一檢查時間內停止充電，並判斷該電池單元2的電壓值是否低於一第四放電條件值K4。

該步驟(C3’)為若該步驟(C2’)的判斷結果為是，該主控制器3控制該主動平衡單元5停止對該電池單元2充電。

該步驟(C4’)為若該步驟(C2’)的判斷結果為否，則回到該步驟(A’)並繼續執行後續步驟。

上述本發明平衡電池電壓的方法的該第二實施例藉由該主控制器先透過該等電池管理單元判斷對一外部裝置供應電力的該等電池單元的電壓，再控制該等主動平衡單元對該等電池單元充電或不充電，確實可使具有較高電量的電池單元不需對外放電而保留電力，同時可使較低電量的電池單元能繼續被充電而使該等電池單元達到電壓平衡。

綜上所述，本發明平衡電池電壓的方法藉由該主控制器透過電連接該等由一外部充電裝置充電或對一外部裝置供電的電池單元的電池管理單元偵測各電池單元的電壓狀況，再控制電連接該等電池單元的主動平衡單元對該等電池單元充電或不充電，不僅可使具有較高電量的電池不需額外放電，還可使具有較的電量的電池繼續被充電，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍 內。

Claims (7)

1. 一種平衡電池電壓的方法，由一電池管理系統所執行，該電池管理系統包括N個串聯的電池單元、一電連接每一電池單元的主控制器、N個分別電連接該N個電池單元的電池管理單元，及N個電連接該N個電池單元的主動平衡單元，一外部充電裝置提供N個電力信號對該N個電池單元進行充電，以驅動該N個電池單元的被動平衡，其中，N為正整數，且N>1，該方法包含以下步驟：(A)該N個電池管理單元分別量測該N個電池單元的電壓值，每一電池管理單元據以產生一指示所對應的該電池單元的該電壓值的量測信號，並將該量測信號傳送至該主控制器；(A0)當被動平衡時，該主控制器判斷該等電池單元被該電力信號的一電流充電時的電流值是否固定；(A1)若該步驟(A0)為是，則進到步驟(B)；(A2)若該步驟(A0)為否，則進到步驟(A)；(B)該主控制器判斷該等電池單元中的第一個電池單元的電壓值是否低於一第一平均值；(C)若該步驟(B)的判斷結果為是，則該主控制器控制電連接該第一個電池單元的該主動平衡單元對該電池單元執行充電；(D)若該步驟(B)的判斷結果為否，該主控制器判斷該等電池單元中的第二個電池單元的電壓值是否低 於該第一平均值；(E)若該步驟(D)的判斷結果為是，則該主控制器控制電連接第二個電池單元的該主動平衡單元對該第二個電池單元充電；(F)若該步驟(D)的判斷結果為否，則該主控制器判斷該等電池單元中的第N個電池單元的電壓值是否低於該第一平均值，N=3；及(G)若該步驟(F)的判斷結果為是，則該主控制器控制電連接第N個電池單元的該主動平衡單元對該第N個電池單元充電。
2. 如請求項1所述的平衡電池電壓的方法，在該步驟(C)之後，還包含以下步驟：(C0)該主控制器判斷該主動平衡單元對該第一個電池單元執行充電的時間是否已達一預設充電時間；(C1)若該步驟(C0)為否，則回到步驟(B)並繼續執行後續步驟；(C2)若該步驟(C0)為是，該主控制器控制該主動平衡單元在一檢查時間內停止對該第一個電池單元充電；並判斷每一電池單元的電壓值是否已達一門檻值；(C3)若該步驟(C2)為是，該主控制器控制該主動平衡單元停止對該電池單元充電；及(C4)若該步驟(C2)為否，則回到該步驟(B)並繼續執行後續步驟。
3. 如請求項2所述的平衡電池電壓的方法，其中，該第一平均值為該N個電池單元的電壓值總和的平均值。
4. 一種平衡電池電壓的方法，由一電池管理系統所執行，該電池管理系統包括N個電池單元、一電連接每一電池單元的主控制器、N個分別電連接該N個電池單元的電池管理單元、N個電連接該N個電池單元的主動平衡單元，該N個電池對一外部裝置提供電力，其中，N為正整數，且N>1，該方法包含以下步驟：(A’)每一電池管理單元量測各自所電連接的電池單元的電壓值，並將每一電壓值傳送至該主控制器；(B’)該主控制器判斷該等電池單元中的第一個電池單元的電壓值是否低於一第二平均值；(C’)若該步驟(B’)的判斷結果為是，則該主控制器控制電連接該第一個電池單元的該主動平衡單元對該電池單元執行充電；(D’)若該步驟(B’)的判斷結果為否，該主控制器判斷該等電池單元中的第二個電池單元的電壓值是否低於該第二平均值；及(E’)若該步驟(D’)的判斷結果為是，則該主控制器控制電連接第二個電池單元的該主動平衡單元對該第二個電池單元充電。
5. 如請求項4所述的平衡電池電壓的方法，還包含以下步驟：(F’)若該步驟(D’)的判斷結果為否，則該主控制 器判斷該等電池單元中的第N個電池單元的電壓值是否低於該第二平均值，N=3；及(G’)若該步驟(F’)的判斷結果為是，則該主控制器控制電連接第N個電池單元的該主動平衡單元對該第N個電池單元充電。
6. 如請求項5所述的平衡電池電壓的方法，在該步驟(B’)之前，還包含以下步驟：(B0’)該主控制器判斷該等電池單元中的第一個電池單元的電壓值是否低於一第一放電條件值；(B1’)若該步驟(B0’)的判斷結果為否，則回到該步驟(A’)，並重新執行後續步驟；(B2’)若該步驟(B0’)的判斷結果為是，則該主控制器再判斷該第一個電池單元的電流值是否介於一第二放電條件值與一第三放電條件值之間；(B3’)若該步驟(B2’)的判斷結果為是，則回到該步驟(A’)，並重新執行後續步驟；及(B4’)若該步驟(B2’)的判斷結果為否，則繼續執行該步驟(B’)。
7. 如請求項6所述的平衡電池電壓的方法，在該步驟(C’)之後，還包含以下步驟：(C0’)該主控制器判斷該主動平衡單元對該充電單元執行充電的時間是否已達一預設充電時間；(C1’)若該步驟(C0’)的判斷結果為否，則回到步 驟(B’)並繼續執行後續步驟；(C2’)若該步驟(C0’)的判斷結果為是，該主控制器控制該主動平衡單元在一檢查時間內停止充電，並判斷該電池單元的電壓值是否低於一第四放電條件值；(C3’)若該步驟(C2’)的判斷結果為是，該主控制器控制該主動平衡單元停止對該電池單元充電；及(C4’)若該步驟(C2’)的判斷結果為否，則回到該步驟(A’)並繼續執行後續步驟。