串聯(lián)電池組的主動平衡模塊及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明是關(guān)于一種串聯(lián)電池組的主動平衡模塊及其控制方法，尤其是一種結(jié)合電 感型及模塊化平衡結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于環(huán)保意識抬頭，以電力為動力來源的應(yīng)用日益蓬勃，如：全電動汽車（EV或 BEV)、混合燃?xì)?電動汽車（HEV)、插電式混合電動汽車（PHEV)或儲能系統(tǒng)（ESS)等，在 上述應(yīng)用中，普遍需要使用電池組（Battery)儲存及供應(yīng)動力，該電池組可由數(shù)個高功率 密度、高峰值功率鋰聚合物或鋰鐵磷酸（LiFeP(M)電池串聯(lián)組成。以鋰電池組為例，大量 串聯(lián)的鋰電池使用過程中，會因老化而導(dǎo)致電池容量不同，每次充電時，因電池間的殘余電 荷、充電速度等差異，將導(dǎo)致電池中的電荷狀態(tài)（SoC)不平衡，為避免鋰電池因過壓（over voltage)而降低效能或損壞，通常需由電池管理系統(tǒng)（BMS)管控電池組的電荷平衡狀態(tài)。
[0003] 為免電池充電過量，可采用簡單低廉的被動平衡（passive balance)方式，將儲電 量較高的電池分流至旁路電阻（bypass resistor),以免有些電池過量充電，其余電池卻充 電不足，只是此方式除會耗散功率外，還有發(fā)熱及充電速度慢等情況尚待改進(jìn)。因此，逐漸 發(fā)展出可重新分配電荷狀態(tài)的主動平衡（active balance)方式，可于充放電過程中，可補(bǔ) 償電壓較低的電池，除確保各電池均不會過量充電外，且可快速充電及降低充電溫度，進(jìn)一 步提高電池的效能、可靠性及安全性，并可降低系統(tǒng)成本。是以，主動平衡式電池管理系統(tǒng) 實乃促進(jìn)電動應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
[0004] 現(xiàn)有主動平衡式電池管理系統(tǒng)主要分為電容型平衡、電感型平衡及模塊化平衡方 式，電容型平衡方式雖易控制且不需電壓偵測電路，但其平衡時間較長，不適用于須快速充 電的應(yīng)用；另，電感型平衡方式雖可快速平衡電荷且能量轉(zhuǎn)換效率高，只是須克服變壓器互 感及漏感等情況；又，模塊化平衡方式雖可提供穩(wěn)定的電壓，然其所需成本較高，且各模塊 僅能控制有限的電池數(shù)量（區(qū)域式電池平衡），無法達(dá)成全域式電池平衡。
[0005] 有鑒于此，有必要改善上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，以符合實際需求，提升其實用性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明是提供一種串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，可快速達(dá)成全域式電池平衡。
[0007] 本發(fā)明揭示一種串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，其包含：一轉(zhuǎn)換單元，設(shè)有一初級側(cè) 線圈及數(shù)個次級側(cè)線圈；一返馳開關(guān)，電性連接該轉(zhuǎn)換單元的初級側(cè)線圈；一初級側(cè)調(diào)控 器，電性連接該轉(zhuǎn)換單元及該返馳開關(guān)，該初級側(cè)調(diào)控器、該返馳開關(guān)及該轉(zhuǎn)換單元共同構(gòu) 成具有初級側(cè)調(diào)節(jié)功能的返馳式架構(gòu)；數(shù)個分時切換器，電性連接于該轉(zhuǎn)換單元的數(shù)個次 級側(cè)線圈與一串聯(lián)電池組的數(shù)個蓄電單元之間；及一處理器，電性連接該分時切換器及該 初級側(cè)調(diào)控器，該處理器用以分時切換各分時切換器的導(dǎo)通狀態(tài)，使各次級側(cè)線圈分時輸 出一定電流至各蓄電單元，并由該初級側(cè)調(diào)控器分時取得一參考訊號，用以估算各蓄電單 元的充電量。
[0008] 所述初級側(cè)調(diào)控器具有一取樣端及一調(diào)節(jié)端，該取樣端電性連接該轉(zhuǎn)換單元的初 級側(cè)線圈，該調(diào)節(jié)端電性連接該返馳開關(guān)。
[0009] 所述轉(zhuǎn)換單元設(shè)有一輔助線圈，該輔助線圈的極性與各次級側(cè)線圈的極性相同。
[0010] 所述初級側(cè)調(diào)控器具有一取樣端及一調(diào)節(jié)端，該取樣端電性連接該轉(zhuǎn)換單元的輔 助線圈，該調(diào)節(jié)端電性連接該返馳開關(guān)。
[0011] 所述處理器由該初級側(cè)調(diào)控器的調(diào)節(jié)端分時取得一脈寬調(diào)變訊號，并依據(jù)該脈寬 調(diào)變訊號的工作周期等比換算各蓄電單元的電壓值。
[0012] 所述串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，另包含一限流元件，該限流元件電性連接于該 返馳開關(guān)與一接地端之間。
[0013] 所述串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，另包含一變阻切換器，該變阻切換器電性連接 于該返馳開關(guān)及該處理器。
[0014] 所述變阻切換器設(shè)有一變阻開關(guān)、一小阻元件及一大阻元件，該變阻開關(guān)電性連 接該返馳開關(guān)及該處理器，該小阻元件及該大阻元件電性連接該變阻開關(guān)。
[0015] 所述串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，另包含數(shù)個隔離器，各隔離器電性連接于該處 理器與各分時切換器之間。
[0016] 所述隔離器為一光耦合器。
[0017] 所述串聯(lián)電池組的主動平衡模塊，另包含一電壓偵測器，該電壓偵測器設(shè)有數(shù)個 偵測端及數(shù)個管控端及一個通信埠，各偵測端電性連接各蓄電單元，各管控端電性連接各 分時切換器，該通信埠電性連接該處理器。
[0018] 所述電壓偵測器設(shè)有一指示燈，用以指示該電壓偵測器的工作狀態(tài)。
[0019] 所述各分時切換器分別設(shè)有一分時開關(guān)，該分時開關(guān)具有一輸入端、一輸出端及 一受控端，該輸入端電性連接至該次級側(cè)線圈，該輸出端電性連接該蓄電單元，該受控端電 性連接該處理器。
[0020] 所述各分時開關(guān)的輸入端與各次級側(cè)線圈之間電性連接一逆止元件，該逆止元件 與各次級側(cè)線圈之間電性連接一 RC并聯(lián)回路。
[0021 ] 所述逆止元件為一肖特基二極管。
[0022] 所述分時開關(guān)為一 PMOS電晶體。
[0023] 所述返馳開關(guān)為一 NMOS電晶體。
[0024] 所述初級側(cè)調(diào)控器的取樣端與該轉(zhuǎn)換單元的輔助線圈之間電性連接一分壓器。
[0025] 所述初級側(cè)調(diào)控器與該處理器之間電性連接一電子開關(guān)。
[0026] 所述處理器設(shè)有二擷取端及數(shù)個切控端，該二擷取端電性連接該初級側(cè)調(diào)控器的 取樣端及調(diào)節(jié)端，各切控端電性連接各分時切換器。
[0027] 所述處理器另設(shè)有一通訊埠。
[0028] 所述通訊埠電性連接一電壓偵測器。
[0029] 所述處理器設(shè)有一換阻端，該換阻端電性連接該變阻切換器。
[0030] 本發(fā)明另揭示一種主動平衡模塊的控制方法，是應(yīng)用于上述的串聯(lián)電池組的主動 平衡模塊，該控制方法包含一補(bǔ)充步驟，是由該主動平衡模塊的處理器接收一補(bǔ)充電池名 單，該補(bǔ)充電池名單具有需要補(bǔ)充電力的蓄電單元，導(dǎo)通該補(bǔ)充電池名單所列蓄電單元與 該轉(zhuǎn)換單元的次級側(cè)線圈之間的充電路徑，使該次級側(cè)線圈分時以一定電流補(bǔ)充電力至該 補(bǔ)充電池名單所列蓄電單元。
[0031] 所述處理器設(shè)有一通訊埠，并由該通訊埠接收該補(bǔ)充電池名單。
[0032] 所述補(bǔ)充步驟前另包含一偵測步驟，是由該處理器分時導(dǎo)通各蓄電單元與該轉(zhuǎn)換 單元的各次級側(cè)線圈之間的充電路徑，排序各次級側(cè)線圈分時耦合至該初級側(cè)調(diào)控器的電 性特征，依據(jù)排序結(jié)果選擇至少一蓄電單元列入該補(bǔ)充電池名單。
[0033] 所述處理器計算該輔助線圈對應(yīng)各蓄電單元的電壓值與該等電壓值中的最大值 的差異值，將該差異值大于一門檻值的蓄電單元列入該補(bǔ)充電池名單。
[0034] 所述門檻值為該最大值與一百分比的乘積。
[0035] 所述補(bǔ)充步驟的次級側(cè)線圈輸出的電流為一補(bǔ)充電流，所述偵測步驟的次級側(cè)線 圈輸出的電流為一偵測電流，該偵測電流小于或等于該補(bǔ)充電流。
[0036] 上揭串聯(lián)電池組的主動平衡模塊主要借助該轉(zhuǎn)換單元的初級側(cè)線圈或輔助線圈 耦合次級側(cè)線圈的電氣訊號，利用分時導(dǎo)通所有次級側(cè)線圈的過程，即可得知各蓄電單元 的充電狀態(tài)，并輸出補(bǔ)充電流至電荷狀態(tài)不平衡的蓄電單元。相較于現(xiàn)有模塊化平衡方式 僅能調(diào)節(jié)電池組中的某一區(qū)域（全域平衡須用多個控制模塊），本申請僅需一組控制電路， 即可達(dá)成全域式電池平衡，改善現(xiàn)有返馳式轉(zhuǎn)換器（次級側(cè)調(diào)節(jié)）的「初級側(cè)無法接收多組 回授訊號」及「用于多線圈控制時，易造成磁飽和而致線圈毀損」等問題。另，上揭主動平衡 模塊的控制方法可利用分時導(dǎo)通所有次級側(cè)線圈，即可偵測所有次級側(cè)線圈連接的蓄電單 元狀態(tài)，可進(jìn)一步補(bǔ)充電力至蓄電單元，并可降低功率消耗。借此，可達(dá)成「節(jié)省設(shè)置成本」、 「有利于量產(chǎn)」、「避免電池電壓過高」、「降低功率消耗」等功效。
【附圖說明】
[0037] 圖1 :本發(fā)明的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的第一實施例的電路示意圖。
[0038] 圖2 :本發(fā)明的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系曲線 圖。
[0039] 圖3 :本發(fā)明的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的第二實施例的電路示意圖。
[0040] 圖4 :本發(fā)明的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的第三實施例的電路示意圖。
[0041] 圖5 :本發(fā)明的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的第四實施例的電路示意圖。
[0042] 圖6 :本發(fā)明的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的不同輸出電流的輸出電壓關(guān)系曲線 圖。
[0043] 圖7 :本發(fā)明的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的初級側(cè)調(diào)控器的取樣端的電壓曲線 圖。
[0044] 圖8 :本發(fā)明的串聯(lián)電池組的主動平衡模塊的初級側(cè)調(diào)控器的調(diào)節(jié)端的電壓曲線 圖。
[0045] 圖9 :本發(fā)明的主動平衡模塊的控制方法實施例的流程示意圖。
[0046] 【主要元件符號說明】
[0047] 1轉(zhuǎn)換單元
[0048] 11初級側(cè)線圈12, 12a，12b次級側(cè)線圈
[0049] 12c，12d次級側(cè)線圈13輔助線圈
[0050] 2返馳開關(guān)
[0051] 21輸入端22輸出端
[0052] 23受控端
[0053] 3初級側(cè)調(diào)控器
[0054] 31取樣端32調(diào)節(jié)端
[0055] 4, 4a，4b分時切換器4c，4d分時切換器
[0056] 41分時開關(guān)411輸入端
[0057] 412輸出端413受控端
[0058] 42逆止元件
[0059] 5處理器
[0060] 51，51a, 51b 擷取端 52, 52a, 52b 切控端
[0061] 52c, 52d切