TWI703790B

TWI703790B - 電池管理系統及方法

Info

Publication number: TWI703790B
Application number: TW108117137A
Authority: TW
Inventors: 余弘傑; 陳韋匡
Original assignee: 加百裕工業股份有限公司
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2020-09-01
Also published as: TW202044717A

Abstract

一種電池管理系統，其包括多個串聯電池組、通訊匯流排及電源管理模組。多個串聯電池組彼此並聯，且與負載裝置或電源並聯連接，串聯電池組包括多個電池區塊，各包括開關元件、電池模組、編號指示器及電池管理模組。編號指示器供使用者設定用於標記該電池模組的數位編號，數位編號包括並列編號及串列編號，且並列編號用於指示該電池模組的並聯組態，串列編號用於指示該電池模組的串聯組態。電源管理模組及各電池管理模組經配置以判斷電池區塊的數位編號是否重複。若並未重複，則依據充放電需求及電性資訊決定開關元件的導通狀態。

Description

電池管理系統及方法

本發明涉及一種電池管理系統及方法，特別是涉及一種具有靈活串聯及並聯機制的電池管理系統及方法。

大功率電池組發展迅速，但電池重量與安全性問題，使得運輸問題，受到很大的限制。若能將小功率電池模組，依應用組合成所需之一大功率電池模組，再加上理想的串並聯管理，如此運輸問題便可得到舒緩，又能滿足多樣之市場需求。

然而，將大功率電池組分拆為小模組後，會面臨電氣兩大特性的考驗，也就是如何進行靈活串聯與並聯，同時這也是儲能系統的瓶頸。其中，對於並聯問題而言，當兩個電池組並聯時，電壓高的電池依電氣特性，電流會流向電壓低的，若壓差很大，不僅會產生大電流更甚之產生火花，輕則元件受損，重則引起爆炸，因此並聯的時機，極為重要。另一方面，串聯問題在於，由於儲能系統應用多元，高電壓(220V如冷暖氣)與低電壓(48V如LEV)均屬家用，與並聯相輔相成，才符合人類目前的使用現況。

故，如何在製造電池模組時在軟體、韌體或硬體層面上保持一致性，又能保有串聯以及並聯上的靈活性，已成為該項事業所欲解決的重要課題之一。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種具有靈活串聯及並聯機制的電池管理系統及方法。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是，提供一種電池管理系統，其包括多個串聯電池組、通訊匯流排及電源管理模組。多個串聯電池組彼此並聯，且與負載裝置或電源並聯連接，該些串聯電池組各包括彼此串聯的多個電池區塊，且該些電池區塊各包括開關元件、電池模組、編號指示器及電池管理模組。電池模組連接於開關元件，編號指示器經配置以供使用者設定用於標記該電池模組的數位編號，其中，數位編號包括並列編號及串列編號，且並列編號用於指示該電池模組的並聯組態，串列編號用於指示該電池模組的串聯組態。電池管理模組分別連接開關元件、電池模組及編號指示器，經配置以偵測電池模組的數位編號、電性資訊、開關元件的開關狀態及負載裝置或電源的充放電電流。通訊匯流排分別連接該些電池區塊的該些電池管理模組。電源管理模組通過通訊匯流排連接該些電池管理模組，其中，電源管理模組及各電池管理模組經配置以執行管理程序，管理程序包括：通過通訊匯流排取得該些電池區塊的該些數位編號；判斷該些電池區塊的該些數位編號是否重複，若是，則產生警示訊號；若判斷該些電池區塊的該些數位編號並未重複，則通過該通訊匯流排取得該些電池區塊的電性資訊，依據負載裝置的放電需求或電源的一充電需求，以及電性資訊決定開關元件的導通狀態。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外一技術方案是，提供一種電池管理方法，適用於多個串聯電池組，其中該些串聯電池組彼此並聯，且與一負載裝置或一電源並聯連接，該些串聯電池組各包括彼此串聯的多個電池區塊，且該些電池區塊各包括一開關元件、連接於該開關元件的一電池模組、一編號指示器及一電池管理模組，該電池管理方法包括：配置該些編號指示器以設定用於標記該些電池模組的多個數位編號，其中各該數位編號包括一並列編號及一串列編號，且該並列編號用於指示該電池模組的一並聯組態，該串列編號用於指示該電池模組的一串聯組態；配置該些電池管理模組以偵測該些電池模組的該數位編號、電性資訊、該些開關元件的開關狀態；配置一電源管理模組及該些電池管理模組執行一管理程序，該管理程序包括：通過該通訊匯流排取得該些電池區塊的該些數位編號；判斷該些電池區塊的該些數位編號是否重複，若是，則產生一警示訊號；若判斷該些電池區塊的該些數位編號並未重複，則通過該通訊匯流排取得該些電池區塊的電性資訊，依據該負載裝置的一放電需求或該電源的一充電需求，以及該電性資訊決定該開關元件的導通狀態。

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的電池管理系統及方法，其能通過在系統中增加檢核機制，將人為因素降至最低，因此，在製造電池模組時在軟體、韌體或硬體層面上均能保持一致性，又能保有串聯以及並聯上的靈活性。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“電池管理系統及方法”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。

應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者信號，但這些元件或者信號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

參閱圖1、圖2所示，圖1為本發明實施例的電池管理系統的方塊示意圖，圖2為本發明實施例的電池管理系統的另一方塊示意圖。本發明實施例提供一種電池管理系統1，其包括多個串聯電池組10、11、通訊匯流排12及電源管理模組13。

串聯電池組10、11彼此並聯，且與負載裝置/電源14並聯連接，串聯電池組10、11各包括串聯的多個電池區塊，例如串聯電池組10包括串聯的多個電池區塊B11、B12、B13及B14，串聯電池組11包括串聯的多個電池區塊B21、B22、B23及B24。

其中，如圖2所示，以電池區塊B11、B12來舉例說明。電池區塊B11包括開關元件B110、電池模組B111、編號指示器B112及電池管理模組B113，電池區塊B12包括開關元件B120、電池模組B121、編號指示器B122及電池管理模組B123。電池模組B111連接於開關元件B110，編號指示器B112用於供使用者設定用於標記電池模組B111的數位編號。

例如，如圖3所示，其為本發明實施例以指撥開關實現編號指示器的示意圖。編號指示器B112可為指撥開關(Dip Switch)，且可通過通用型之輸入輸出(General-purpose input/output, GPIO)介面連接於電池管理模組B113。指撥開關(Dip Switch)也稱為撥碼開關、DIP開關，是一種能用手指撥動，完成開關動作的小型開關，依照用途不同有很多種不同的形式。請參閱圖3，提供了示例的指撥開關B112，有4個切換開關，用於指示編號指示器B112的數位編號。當開關為「ON」時，表示數位編號為1，當開關為「OFF」時，表示數位編號為0。

其中，數位編號包括並列編號P及串列編號S，且並列編號用於指示電池模組B111的並聯組態，可對應參考圖2，串列編號用於指示電池模組B111的串聯組態。例如，並列編號P可包括兩個位碼P1、P2，且串列編號S可包括兩個位碼S1及S2。可如下表一所示：

表一

DIP SW
bit3	bit2	bit1	bit0
P1	P0	S1	S0

其中，圖3的並列編號P可用於指示此電池模組B111隸屬於何組串聯電池組，串列編號S則用於指示電池模組B111於該串聯電池組中的位置。例如，可以二進位來指示，例如有兩組串聯電池組10、11，則並列編號P可分別為00、01。例如圖1所示，每一組串聯電池組有四個電池模組，則串列編號S可為00、01、10、11，使用者可依據電池模組的位置，由小到大依序編列並對指撥開關進行設定。需要說明的是，指撥開關的設定，同時也是指定電池模組於通訊匯流排12上的ID。

另一方面，請復參考圖2，電池管理模組B113分別連接開關元件B110、電池模組B111及編號指示器B112，用於偵測電池模組B111的數位編號、電性資訊、開關元件B110的開關狀態及負載裝置/電源14的充放電電流。在本發明的一或多個實施例中，操作電池管理模組B113、B123以適當地管理電流在電源及電池模組B111、B121之間的流動，使其能以適當的電壓進行充放電。

為了解釋清楚，在一些情況下，本技術可被呈現為包括包含功能塊之獨立功能塊，其包含裝置、裝置元件、軟體中實施之方法中的步驟或路由，或硬體及軟體的組合。實施根據這些揭露方法之裝置可以包括硬體、韌體及/或軟體，且可以採取任何各種形體。大型儲能系統本文描述之功能也可以實施於週邊設備或內置卡。透過進一步舉例，這種功能也可以實施在不同晶片或在單個裝置上執行之不同程序之電路板。

進一步，電池管理系統1還包括通訊匯流排12，分別連接該些電池區塊B11、B12、B13、B14、B21、B22、B23及B24的該些電池管理模組。例如，電池區塊B11的電池管理模組B113及電池區塊B12的電池管理模組B123，而電源管理模組(Battery Management System, BMS)13通過通訊匯流排12連接該些電池區塊B11、B12、B13、B14、B21、B22、B23及B24的該些電池管理模組。

具體而言，電源管理模組13及各電池管理模組經配置以執行管理程序，請參考圖4，其為本發明實施例的管理程序的流程圖。管理程序包括下列步驟：

步驟S100：通過通訊匯流排12取得電池區塊B11、B12、B13、B14、B21、B22、B23及B24的多個數位編號。

步驟S101：判斷電池區塊B11、B12、B13、B14、B21、B22、B23及B24的數位編號是否重複，若是，則進入步驟S102，產生警示訊號。若判斷該些電池區塊的該些數位編號並未重複，則進入步驟S103，通過通訊匯流排12取得電池區塊B11、B12、B13、B14、B21、B22、B23及B24的電性資訊，依據負載裝置/電源14的充放電需求，以及電性資訊決定開關元件的導通狀態。

換言之，由於編號指示器為人為處理，難以避免人為設定錯誤導致系統無法運作，因此，特別在系統中增加檢核機制，可將人為因素降至最低。此外，除了比對數位編號是否重複外，還可包括其他條件。

舉例來說，請參照圖5，其為本發明實施例的電池管理系統的編號指示器設定正確示意圖。如圖所示，依據電池區塊B11、B12、B13、B14、B21、B22、B23及B24於系統中的並聯組態及串聯組態，設定對應的編號指示器B112、B122、B132、B142、B212、B222、B232及B242分別為0011、0010、0001、0000、0111、0110、0101、0100。

在系統上電之後，電池區塊B11、B12、B13、B14、B21、B22、B23及B24的電池管理模組將被喚醒，並通過通訊匯流排12彼此進行通訊。在執行前述的管理程序時，更包括依據數位編號判斷每一個串聯電池組中的電池區塊的數量是否相同。

例如，會先判斷被設定為[01XX]及[00XX]的數量是否一致，換言之，管理程序可統計具有相同並列編號的串列編號的數量，並比對具有不同該並列編號的該些數量是否相同。以本實施例而言，具有相同並列編號01的串列編號的數量為4，具有相同並列編號00的串列編號的數量亦為4，因此，電池陣列設定正確，可繼續執行管理程序，如步驟S103。

換言之，完成編號指示器的設定之後，電池區塊B11、B12、B13、B14、B21、B22、B23及B24在系統中的並聯組態、串聯組態及在通訊匯流排12上用於識別的ID亦已經確立。以圖5為例，電池區塊B11、B12、B13、B14為串聯關係，電池區塊B21、B22、B23及B24為串聯關係，而電池區塊B11及B21為並聯關係。假設電池區塊B11、B12、B13、B14或電池區塊B21、B22、B23及B24之間，彼此電壓不同，電池區塊B11、B12、B13、B14中的電池管理模組可透過通訊匯流排12得知彼此的電壓差異，並啟動平衡機制以同步電壓差異。

而另一方面，在具有相同並列編號的電池區塊中，例如電池區塊B11、B12、B13、B14，具有最大或最小的串列編號的電池區塊，例如電池區塊B11或B14，其電池管理模組將會依據負載裝置/電源14的充放電需求，以及各電池模組的電性資訊決定對應的串聯電池組是否可與其他的串聯電池組並聯，例如，決定串聯電池組10是否可與串聯電池組11並聯。

換言之，若以具有最大串列編號的電池區塊B11及B21為主，電池區塊B11及B21的電池管理模組兼負有並聯的責任，其同樣可通過通訊匯流排12進行通訊以得知彼此電壓，並可下達指令給所有串聯的電池，啟動平衡機制。因此，完成所有電壓檢查後，就能完成所有電池區塊B11、B12、B13、B14、B21、B22、B23及B24的串聯及並聯。

另一方面，請參照圖6，其為本發明實施例的電池管理系統的編號指示器設定錯誤示意圖。如圖所示，依據電池區塊B11、B12、B13、B14、B21、B22、B23及B24於系統中的並聯組態及串聯組態，設定對應的編號指示器B112、B122、B132、B142、B212、B222、B232及B242分別為0011、0010、0001、0000、0101、0110、0101、0100。

很明顯的，編號指示器B212的數位編號應為0111，而被錯誤設定為0101。在系統上電之後，電池區塊B11、B12、B13、B14、B21、B22、B23及B24的電池管理模組將被喚醒，並通過通訊匯流排12彼此進行通訊。

例如，會先判斷被設定為[01XX]及[00XX]的數量是否一致，換言之，管理程序可統計具有相同並列編號的串列編號的數量，並比對具有不同該並列編號的該些數量是否相同。

於此同時，[00xx]統計的數量為4，而[01xx]統計的數量為3，兩者不一致，此時，電池管理模組產生錯誤訊號，以提示可能有數量不一致或是數位編號設定錯誤的情形發生。

此時，請參照圖7，其為本發明實施例的電池管理系統的編號指示器設定錯誤示意圖。如圖所示，此時系統中僅有電池區塊B12、B13、B14、B21、B22、B23及B24，而設定對應的編號指示器B122、B132、B142、B212、B222、B232及B242分別為0010、0001、0000、0111、0110、0101、0100。

很明顯的，由於缺少了電池區塊B11，因此對應的數位編號0011亦不存在。在系統上電之後，電池區塊B12、B13、B14、B21、B22、B23及B24的電池管理模組將被喚醒，並通過通訊匯流排12彼此進行通訊。

於此同時，[00xx]統計的數量為3，而[01xx]統計的數量為4，兩者不一致，此時，電池管理模組產生錯誤訊號，以提示數量不一致的情形發生，而進一步使整個系統被禁用，以確保安全性。

請參考圖8，本發明還提供一種電池管理方法，其適用於如圖1、2所示的電池管理系統1。電池管理方法可包括下列步驟：

步驟S200：配置編號指示器以設定用於標記電池模組的多個數位編號。如先前描述的，數位編號包括並列編號及串列編號，且並列編號用於指示電池模組的並聯組態，串列編號用於指示電池模組的串聯組態。

步驟S201：配置電池管理模組以偵測電池模組的數位編號、電性資訊、開關元件的開關狀態。

步驟S202：配置電源管理模組及電池管理模組執行管理程序。管理程序包括：

步驟S203：通過通訊匯流排取得電池區塊的數位編號；

步驟S204：統計具有相同並列編號的串列編號的數量；

步驟S205：比對具有不同並列編號的數量是否相同，若否，則進入步驟S206，產生警示訊號。

若是，則進入步驟S207，判斷具有相同並列編號的串列編號是否重複，若是，則進入步驟S206，產生警示訊號，若否，則進入步驟S208，通過通訊匯流排取得電池區塊的電性資訊，依據負載裝置/電源的充放電需求，以及電性資訊決定開關元件的導通狀態。

[實施例的有益效果]

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

1:電池管理系統 10、11:串聯電池組 12:通訊匯流排 13:電源管理模組 14:負載裝置/電源 B11、B12、B13、B14、B21、B22、B23、B24:電池區塊 B110、B120:開關元件 B111、B121:電池模組 B112、B122、B132、B142、B212、B222、B232、B242:編號指示器 B113、B123:電池管理模組 P:並列編號 P1、P2、S1、S2:位碼 S:串列編號

圖1為本發明實施例的電池管理系統的方塊示意圖。

圖2為本發明實施例的電池管理系統的另一方塊示意圖。

圖3為本發明實施例以指撥開關實現編號指示器的示意圖。

圖4為本發明實施例的管理程序的流程圖。

圖5為本發明實施例的電池管理系統的編號指示器設定正確示意圖。

圖6為本發明實施例的電池管理系統的編號指示器設定錯誤示意圖。

圖7為本發明實施例的電池管理系統的編號指示器的另一設定錯誤示意圖。

圖8為本發明實施例的電池管理方法的流程圖。

1:電池管理系統

10、11:串聯電池組

12:通訊匯流排

13:電源管理模組

14:負載裝置/電源

B11、B12、B13、B14、B21、B22、B23、B24:電池區塊

Claims

一種電池管理系統，其包括：多個串聯電池組彼此並聯，且與一負載裝置或一電源並聯連接，該些串聯電池組各包括彼此串聯的多個電池區塊，且該些電池區塊各包括：一開關元件；一電池模組，連接於該開關元件；一編號指示器，經配置以供使用者設定用於標記該電池模組的一數位編號，其中該數位編號包括一並列編號及一串列編號，且該並列編號用於指示該電池模組的一並聯組態，該串列編號用於指示該電池模組的一串聯組態；以及一電池管理模組，分別連接該開關元件、該電池模組及該編號指示器，經配置以偵測該電池模組的該數位編號、一電性資訊、該開關元件的一開關狀態及該負載裝置或該電源的一充放電電流；及一通訊匯流排，分別連接該些電池區塊的該些電池管理模組；一電源管理模組，通過該通訊匯流排連接該些電池管理模組，其中，該電源管理模組及各該電池管理模組經配置以執行一管理程序，該管理程序包括：通過該通訊匯流排取得該些電池區塊的該些數位編號；判斷該些電池區塊的該些數位編號是否重複，若是，則產生一警示訊號；若判斷該些電池區塊的該些數位編號並未重複，則通過該通訊匯流排取得該些電池區塊的電性資訊，依據該負載裝置的一放電需求或該電源的一充電需求，以及該電性資訊決定該開關元件的導通狀態。
如申請專利範圍第1項所述的電池管理系統，其中該管理程序更包括：依據該些數位編號判斷每一該串聯電池組中的該些電池區塊的數量是否相同，若是，則通過該通訊匯流排取得該些電池區塊的電性資訊，若否，則產生另一警示訊號。
如申請專利範圍第1項所述的電池管理系統，其中該編號指示器係為一指撥開關。
如申請專利範圍第3項所述的電池管理系統，其中該管理程序更包括：統計具有相同該並列編號的該些串列編號的數量，並比對具有不同該並列編號的該些數量是否相同，若是，則通過該通訊匯流排取得該些電池區塊的電性資訊，若否，則產生該警示訊號。
如申請專利範圍第4項所述的電池管理系統，其中該管理程序更包括：判斷具有相同該並列編號的該些串列編號是否重複，若是，則產生該另一警示訊號，若否，則通過該通訊匯流排取得該些電池區塊的電性資訊。
如申請專利範圍第5項所述的電池管理系統，其中在具有相同該並列編號的該些電池區塊中，具有最大或最小的該串列編號的該電池區塊的該電池模組經配置以依據該負載裝置的該放電需求或該電源的該充電需求，以及該電性資訊決定對應的該串聯電池組是否可與其他的該些串聯電池組並聯。
一種電池管理方法，適用於多個串聯電池組，其中該些串聯電池組彼此並聯，且與一負載裝置或一電源並聯連接，該些串聯電池組各包括彼此串聯的多個電池區塊，且該些電池區塊各包括一開關元件、連接於該開關元件的一電池模組、一編號指示器及一電池管理模組，該電池管理方法包括：配置該些編號指示器以設定用於標記該些電池模組的多個數位編號，其中各該數位編號包括一並列編號及一串列編號，且該並列編號用於指示該電池模組的一並聯組態，該串列編號用於指示該電池模組的一串聯組態；配置該些電池管理模組以偵測該些電池模組的該數位編號、電性資訊及該些開關元件的開關狀態；配置一電源管理模組及該些電池管理模組執行一管理程序，該管理程序包括：通過該通訊匯流排取得該些電池區塊的該些數位編號；判斷該些電池區塊的該些數位編號是否重複，若是，則產生一警示訊號；若判斷該些電池區塊的該些數位編號並未重複，則通過該通訊匯流排取得該些電池區塊的電性資訊，依據該負載裝置的一放電需求或該電源的一充電需求，以及該電性資訊決定該開關元件的導通狀態。
如申請專利範圍第7項所述的電池管理方法，其中該管理程序更包括：依據該些數位編號判斷每一該串聯電池組中的該些電池區塊的數量是否相同，若是，則通過該通訊匯流排取得該些電池區塊的電性資訊，若否，則產生另一警示訊號。
如申請專利範圍第7項所述的電池管理方法，其中該編號指示器係為一指撥開關。
如申請專利範圍第9項所述的電池管理方法，其中該管理程序更包括：統計具有相同該並列編號的該些串列編號的數量，並比對具有不同該並列編號的該些數量是否相同，若是，則通過該通訊匯流排取得該些電池區塊的電性資訊，若否，則產生該警示訊號。
如申請專利範圍第10項所述的電池管理方法，其中該管理程序更包括：判斷具有相同該並列編號的該些串列編號是否重複，若是，則產生該另一警示訊號，若否，則通過該通訊匯流排取得該些電池區塊的電性資訊。
如申請專利範圍第11項所述的電池管理方法，更包括：配置在具有相同該並列編號的該些電池區塊中，具有最大或最小的該串列編號的該些電池區塊的該些電池模組，以依據該負載裝置的該放電需求或該電源的該充電需求，以及該電性資訊決定對應的該串聯電池組是否可與其他的該些串聯電池組並聯。