TW201436420A - 主動式電池電量均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明之目的在於提出一種主動式電池電量均衡控制方法，係依據每顆電池的容量及電壓，來計算每顆電池所需的平衡能量，並發展出充電模式、放電模式及閒置模式等三種電池電量均衡的控制方法，達到有效避免電池過度充電及過度放電。

Description

主動式電池電量均衡控制方法

　　本發明係關於一種電池電量均衡控制方法，特別是一種主要以每顆電池的容量及電壓作為均衡依據的電池電量均衡控制方法。

　　由於單顆電池的電壓有限，因此需將多顆電池串聯才能達到使用電壓的需求，由於製造過程的些微差異，電池經使用一段時間後，各個電池內部的化學反應、電解液及極板劣化程度的差異，都將越來越大，這將影響電池充放電能力及電量儲存能力，特別是性能略差的電池，會造成惡性循環，達不到標準壽命，這都是因為電池電量不均衡的問題，導致電池壽命縮短及電池效率降低。

　　目前廣泛使用的因應方式為電池電壓均化技術（Battery Voltage Equalization），其目的在於將一串電池組之各個電池的充放電電壓均等化，使電池的電壓均保持在相同的電壓值，避免電池過度充電及過度放電的情形發生；其中，電池均化技術的方法可分為被動式及主動式。

　　被動式電量均衡技術有並聯電阻均化法及過壓放電均化法。並聯電阻均化法，是將電阻直接並聯在電池上，藉以達成分流的作用，但由於電阻是永久並聯在電池上，所以會消耗過多的能量，而過壓放電均化法，主要是改善並聯電阻均化法之能量消耗過多的缺點，但其仍然有電阻散熱之問題，它只適用在小容量的電池系統中。

　　主動式電量均衡為非消耗型技術，改進被動式電量均衡的問題，且適用於大容量的電池系統中，其中，最常見及廣泛被應用的係以DC/DC轉換器作為電池均衡的方法，其以電池電壓相等做為依據，當電池電壓達到所設定之電壓值時，DC/DC轉換器動作，此時會將多餘的電能從單一電池傳送回電池組上，但其均衡效果仍不如預期。

　　舉例而言，請參照附件一為8顆鉛酸電池串聯電池組之放電電壓曲線圖， 由於該電池組並未使用均衡電路，故經一段時間使用後，如附件1曲線所示，該電池組的每顆電池實際容量差異明顯已經達10%左右，但在放電過程中，從放電初期至中期，約80%的放電時間，每顆電池之電壓仍然非常接近，僅在放電後期，電池的電量快要用完時，每顆電池之電壓才出現明顯不同。

　　故此，電池電量均衡之控制若僅以電壓作為均衡依據，電池電量均衡的效果可能十分有限，無法有效使電池電量達到均衡。

　　本發明之目的在於提出一種主動式電池電量均衡控制方法，有效地均衡控制電池的電量，避免電池因過度充電或過度放電而造成材質劣化。

　　根據前述目的，本發明提出一種主動式電池電量均衡控制方法， 藉由數位訊號處理器DSP（或單晶片或電腦） 為控制核心，經由雙向DC/DC轉換器，使電池在充電狀態、放電狀態及閒置狀態均能進行電池電量均衡控制。

　　本發明的主動式電池電量均衡方法包括：

　(a)放電模式之能量均衡控制方法，其中，放電模式之能量均衡控制方法，是於電池放電的狀態下，以複數顆串聯電池的電量加總並取一平均值，若任一電池電量高於該平均值，則該電量高於該平均值的電池進行放電，若任一電池電量低於該平均值，則該電量低於該平均值的電池進行充電，又，當電池的電量差在誤差範圍內時，即以複數顆串聯電池的電壓加總並取一平均值，若任一電池電壓高於該平均值，則該電壓高於該平均值的電池進行放電，若任一電池電壓低於該平均值，則該電壓低於該平均值的電池進行充電；

　(b)充電模式之能量均衡控制方法，其中，該充電模式之能量均衡控制方法，是於電池充電的狀態下，以個別電池殘電量占該個別電池實際最大儲存容量的百分比為基準值，若任一電池殘電量占其自身實際最大儲存容量的百分比高於該基準值，則對其充入較多的電量，若任一電池殘電量占其自身實際最大儲存容量的百分比低於該基準值，則對其充入較少的電量，使每個電池維持相同的殘電量比率，又，當電池的電量差在誤差範圍內時，即以複數顆串聯電池的電壓加總並取一平均值，若任一電池電壓高於該平均值，則該電壓高於該平均值的電池進行放電，若任一電池電壓低於該平均值，則該電壓低於該平均值的電池進行充電；

　(c)閒置模式之能量均衡控制方法，其中，該閒置模式之能量均衡控制方法，是當電池閒置時若任一電池之電量低於平均值時，則對該電池進行充電以提高其電量(SOC，State of Charge，即「充電電池容量」)，並且所充入之能量與其原殘電量總和小於該電池所能儲存的最大容量，又，若任一電池之電量高於平均值時，則對該電池進行放電以降低其電量(SOC)，並且，當電池放電輸出電量至直流匯流排時，需考量匯流排的電壓，不可高於系統的最大電壓。

　　本發明的特點在於，依據 每顆電池的容量及電壓，來計算每顆電池所需之均衡能量，藉由數位訊號處理器DSP為控制核心，經由雙向DC/DC轉換器，於電動車充電狀態、放電狀態及閒置狀態均能進行電池電量均衡控制，使每顆電池不致過充或過放，當電池電量達到均衡時，電池組之儲能可被充分使用，使整組電池的輸出不會因為少數性能較差的電池而被影響。

1．．．信號處理單元

2．．．迴路

3．．．負載電力單元

4．．．閘極驅動單元

5．．．雙向DC/DC轉換單元

6．．．偵測單元

7．．．電池

第1圖：為本發明應用結構示意方塊圖。
附件一：為8顆鉛酸電池串聯電池組之放電電壓曲線圖。

　　以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明本發明的結構及其如何組合、使用，應當更容易瞭解本發明的目的、技術內容、特點及其所達成的功效。

　　首先，請先參閱第1圖，本發明原則上是包括一信號處理單元1、分別與迴路2及該信號處理單元1電性連接的一負載電力單元3、與該信號處理單元1電性連接的一閘極驅動單元4、分別與該閘極驅動單元4電性連接的複數雙向DC/DC轉換單元5、分別與個別的雙向DC/DC轉換單元5電性連接並將偵測信號輸入至該信號處理單元1的一偵測單元6，以及彼此串聯並分別與該些雙向DC/DC轉換單元5並聯的複數電池7，以實現本發明的主動式電池電量均衡控制方法。其中，該信號處理單元1為DSP（Digital Signal Processing，數位信號處理器）或單晶片或電腦，本實施例以DSP為例說明，該DSP用以處理自負載電力單元及偵測單元輸入的信號，經過計算及處理後，作為控制電池電量均衡的依據。

　　本發明的主動式電池電量均衡控制方法，包括：(a)放電模式之能量均衡控制方法、(b)充電模式之能量均衡控制方法以及(c)閒置模式之能量均衡控制方法，以下將依序詳細說明。

　　首先，關於放電模式之能量均衡控制方法，是於電池放電的狀態下，以複數顆串聯電池的電量加總並取一平均值，假設，有n顆電池串聯，則將n顆電池的電量加總再取一平均值，以數學式表示則為 ，其中， 為平均電量， 為第k顆電池的電量；

　　若任一電池電量高於該平均值（假設第k顆電池的電量大於 ），則該電量高於該平均值的電池進行放電（對第k顆電池進行放電運轉），藉由雙向DC/DC轉換器，將多餘的能量從該電池移轉至高壓直流匯流排，所需移轉的電量大小以數學式表示為 （ 為第k顆電池所需移出之電量），相反地，若任一電池電量低於該平均值（假設第k個電池的電量小於 ），藉由雙向DC/DC轉換器，將能量從高壓直流匯流排移轉至該電池，所需移轉的電量大小以數學式表示為 （ 為第k顆電池所需移入之電量）。

　　又，由於電量估算法具有一定的誤差（約3~5%以上），所以當每顆電池的電量差在誤差範圍內時，則改採電壓均衡控制法，以電池電壓來做為能量轉移之依據，即，將n個串聯電池的電壓加總並取一平均值，以數學式表示為 ，其中 為平均電壓， 代表第k顆電池的電壓；

　　若任一電池電壓高於該平均值（ ），則該電壓高於該平均值的電池進行放電，藉由雙向DC/DC轉換器，將能量從電池移轉至直流匯流排，若任一電池電壓低於該平均值，則該電壓低於該平均值的電池進行充電，藉由雙向DC/DC轉換器，將能量從直流匯流排移轉至該電池。

　　接續著，關於充電模式之能量均衡控制方法，需先說明的是， 電池在充電狀態時，需特別注意較弱電池，因為它比較會發生過度充電，故充電過程中，需降低較弱電池的電量，對其充入較少的電流，此時電池均衡的方法，不應以維持相同殘電量為控制方式，而本發明提出的充電模式之能量均衡控制方法，是於電池在充電狀態時，以個別電池殘電量占該個別電池實際最大儲存容量的百分比為基準值，以數學式表示則為 ，其中， 為第n顆電池之最大容量， 為第n顆電池的殘電量，若任一電池殘電量占其自身實際最大儲存容量的百分比高於該基準值，則對其充入較多的電量，若任一電池殘電量占其自身實際最大儲存容量的百分比低於該基準值，則對其充入較少的電量，換言之，藉由雙向DC/DC轉換器，將能量注入較強的電池中，使它充入較多的電量，等到供電至負載時，再讓它放出較多的電量，以增加電池的使用效能；

　　同理，對於較弱的電池充入較少的電量，也就是藉由雙向DC/DC轉換器，將能量從較弱的電池移出，使其維持相同的殘電量比率，將可避免較弱電池的過度充電。使每個電池維持相同的殘電量比率。

　　又，由於電量估算法具有一定的誤差（約3~5%以上），所以當每顆電池的電量差在誤差範圍內時，則改採電壓均衡控制法，以電池電壓來做為能量轉移之依據，即，將n個串聯電池的電壓加總並取一平均值，以數學式表示為 ，其中 為平均電壓， 代表第k顆電池的電壓；

　　若任一電池電壓高於該平均值（ ），則該電壓高於該平均值的電池進行放電，藉由雙向DC/DC轉換器，將能量從電池移轉至直流匯流排，若任一電池電壓低於該平均值，則該電壓低於該平均值的電池進行充電，藉由雙向DC/DC轉換器，將能量從直流匯流排移轉至該電池。

　　接續著，本發明提出於電動車閒置時間，也進行能量均衡控制。通常為了不增加電動車的重量，並降低能量均衡控制電路之裝置成本，因此均衡電路功率之能力，會遠低於外部充電器與馬達負載之額定功率。在此條件下，可藉由電動車閒置時間，包括回程等待時間、靠站時間及等紅燈時間，全都進行電池間之能量移轉，以改善電池組於大功率充操作時所發生的能量不均衡問題，盡量達成電池在放電後期與充電後期的能量均衡。

　　承上段所述，閒置模式之能量均衡控制方法，是當電池 閒置時若任一電池之電量低於平均值時，則對該電池進行充電以提高其電量(SOC，State of Charge，即「充電電池容量」)，並且所充入之能量與其原殘電量總和小於該電池所能儲存的最大容量， 舉例而言，在閒置模式下， 當第k顆電池之電量低於平均值時，所需移轉的電量的數學式（與充電模式的電量均衡相同）為 及 ，而 為了避免有些電池過度充電，因此必須加入限制條件，其數學式為 ， 也就是說，當第k顆電池之電量低於平均值時，需對該電池進行充電以提高其電量(SOC)，但所充電入之能量與其原殘電量總和需小於該電池所能儲存的最大容量，避免該電池過度充電；

　　同理，若任一電池之電量高於平均值時，則對該電池進行放電以降低其電量(SOC)，假設第k顆電池之電量高於平均值時，因此需對該電池進行放電以降低其電量(SOC)，使每個電池能量維持均衡狀態，但若此時輸出的電量無法被低電量電池所吸收，將導致直流匯流排電壓的上升，可能會使 系統發生過電壓，造成電池的損壞，因此，於閒置期間，若某個電池需輸出電量至直流匯流排時，需考量匯流排的電壓，不可高於系統的最大電壓。

　　本發明適用於串聯電池或串聯電池組並可廣泛應用於電動汽、機、自行車等行動載具，亦可應用再生能源之電池儲能系統、UPS之電池系統，以及鋰電池、鎳氫電池及鉛酸電池的產品上。

　　綜上所述，本發明具有下列特點與優點：

　1. 依據每顆電池的容量及電壓來計算所需之均衡能量，有效達成電池電量的平衡，可靠性高。

　2. 在充電狀態、放電狀態及閒置狀態，都能進行穩定的電池電量均衡控制。

　3. 提高串聯電池組容量使用率與壽命，進而降低因電池損壞而需更換的成本。

　　惟前述者僅為本發明的較佳實施例，其目的在使熟習該項技藝者能夠瞭解本發明的內容而據以實施，並非用來限定本發明實施的範圍；故舉凡依本發明申請範圍所述的形狀、構造及特徵所為的均等變化或修飾，均應包括在本發明的申請專利範圍內。

1．．．信號處理單元

2．．．迴路

3．．．負載電力單元

4．．．閘極驅動單元

5．．．雙向DC/DC轉換單元

6．．．偵測單元

7．．．電池

Claims (4)

1. 一種主動式電池電量均衡控制方法，包括：放電模式之能量均衡控制方法，其中，放電模式之能量均衡控制方法，是於電池放電的狀態下，以複數顆串聯電池的電量加總並取一平均值，若任一電池電量高於該平均值，則該電量高於該平均值的電池進行放電，若任一電池電量低於該平均值，則該電量低於該平均值的電池進行充電，又，當電池的電量差在誤差範圍內時，即以複數顆串聯電池的電壓加總並取一平均值，若任一電池電壓高於該平均值，則該電壓高於該平均值的電池進行放電，若任一電池電壓低於該平均值，則該電壓低於該平均值的電池進行充電。
2. 一種主動式電池電量均衡控制方法，包括：充電模式之能量均衡控制方法，其中，該充電模式之能量均衡控制方法，是於電池充電的狀態下，以個別電池殘電量占該個別電池實際最大儲存容量的百分比為基準值，若任一電池殘電量占其自身實際最大儲存容量的百分比高於該基準值，則對其充入較多的電量，若任一電池殘電量占其自身實際最大儲存容量的百分比低於該基準值，則對其充入較少的電量，使每個電池維持相同的殘電量比率，又，當電池的電量差在誤差範圍內時，即以複數顆串聯電池的電壓加總並取一平均值，若任一電池電壓高於該平均值，則該電壓高於該平均值的電池進行放電，若任一電池電壓低於該平均值，則該電壓低於該平均值的電池進行充電。
3. 一種主動式電池電量均衡控制方法，包括：閒置模式之能量均衡控制方法，其中，該閒置模式之能量均衡控制方法，是當電池 閒置時若任一電池之電量低於平均值時，則對該電池進行充電以提高其電量(SOC，State of Charge，即「充電電池容量」)，並且所充入之能量與其原殘電量總和小於該電池所能儲存的最大容量，又，若任一 電池之電量高於平均值時，則對該電池進行放電以降低其電量(SOC)，並且，當電池放電輸出電量至直流匯流排時，需考量匯流排的電壓，不可高於系統的最大電壓。
4. 如申請專利範圍第1或2或3項之主動式電池電量均衡控制方法，可實現其方法的電路架構包括至少一信號處理單元、分別與迴路及該信號處理單元電性連接的一負載電力單元、與該信號處理單元電性連接的至少一閘極驅動單元、分別與該閘極驅動單元電性連接的複數雙向DC/DC轉換單元、分別與個別的雙向DC/DC轉換單元電性連接並將偵測信號輸入至該信號處理單元的一偵測單元，以及彼此串聯並分別與該些雙向DC/DC轉換單元並聯的複數電池，其中，該信號處理單元為DSP（Digital Signal Processing，數位信號處理器）或單晶片或電腦。