电池平衡电路及其操作方法与流程

1.本发明涉及一种电池平衡电路及其操作方法，尤其涉及一种主动式电池平衡电路及其操作方法。


背景技术：

2.在高能量(高功率)、高电压的储能系统的应用中，通常并非由单一颗电池所能运作，因此为了达到高能量(高功率)、高电压的储能应用，会将多个电池芯(battery cell)包装模块化。如图1所示，其为现有技术的具有多个电池芯的电池模块的立体示意图，每一个电池模块100具有18个电池芯101-10n，以两排的方式设置且串联连接。因此，在储能系统的应用，则可同时通过多组的电池模块100提供并联，以达到高能量(高功率)、高电压的供电应用。
3.对于单一颗电池芯101-10n而言，当该电池芯101-10n老化时，则会出现易充饱电、易泄放电的异常现象。以图1所示的单一个电池模块100而言，其具有18个电池芯101-10n，一旦其中有一者提前老化，该老化较严重的电池芯对于其他17个电池芯而言的充、放电影响会在于：充电时，该老化较严重的电池芯的充电电压上升较快，因此对整个电池模块100而言，在持续正常的充电过程，该老化较严重的电池芯会发生过充电的状况(其他的电池芯可能尚未充饱电)，甚至损毁。相反地，放电时，该老化较严重的电池芯的放电电压则下降较快，因此对整个电池模块100而言，在持续正常的放电过程，该老化较严重的电池芯会发生过放电的状况(其他的电池芯可能尚未放完电)，甚至损毁。
4.为此，如何设计出一种电池平衡电路及其操作方法，解决现有技术所存在的问题与技术瓶颈，乃为本案发明人所研究的重要课题。


技术实现要素：

5.本发明的一目的在于提供一种电池平衡电路，解决现有技术的问题。
6.为达成前揭目的，本发明所提出的电池平衡电路包含交流-直流转换器、多个电池芯、多个开关、隔离型直流-直流转换器、线路开关以及控制单元。交流-直流转换器接收交流电源。多个电池芯串联连接以形成电池链。各开关对应地连接各电池芯。隔离型直流-直流转换器的输入侧并联耦接各开关的输入侧，隔离型直流-直流转换器的输出侧串联耦接电池链。线路开关耦接于交流-直流转换器与隔离型直流-直流转换器、该等开关之间。控制单元提供多个控制信号对应地控制该等开关与线路开关。
7.本发明的另一目的在于提供一种电池平衡电路的操作方法，解决现有技术的问题。
8.为达成前揭目的，本发明所提出的电池平衡电路的操作方法，所述电池平衡电路包含：多个电池芯，串联连接以形成电池链；多个开关，各开关对应地连接各电池芯；线路开关，耦接于直流电源与该等开关之间。操作方法包含：在该等电池芯充电过程中，当检测任一电池芯的电池电压高于上临界电压时，控制对应该电池芯的开关导通；该电池芯的电能
释放至电池链；在该等电池芯放电过程中，当检测任一电池芯的电池电压低于下临界电压时，控制线路开关导通，并且控制对应该电池芯的开关导通；以及该电池芯从直流电源接收电能。
9.通过所提出的电池平衡电路以及电池平衡电路的操作方法，对老化较严重的电池芯通过能量的释放与补充而对电池电压进行调整，即当电池芯因蓄电能力下降造成充电过程电压升高较快时，则将较高电压的电池芯能量传送至电池链，而当电池芯因蓄电能力下降造成放电过程电压下降较快时，则通过交流电源对较低电压的电池芯补充能量，如此，可维持老化较严重的电池芯在整个电池模块正常运作，使得在储能系统的应用中，能够在不需要经常更换电池芯的状况下持续地维持电池模块的运作。直等到年度岁修时再将老化严重的电池芯进行汰换，以提高储能系统应用的经济效益。
10.为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
附图说明
11.图1：为现有技术的具有多个电池芯的电池模块的立体示意图；
12.图2：为本发明电池平衡电路的开关单元的第一实施例的电路方块图；
13.图3：为本发明电池平衡电路的开关单元的第二实施例的电路方块图；
14.图4：为本发明电池平衡电路的开关单元的第三实施例的电路方块图；
15.图5：为本发明电池平衡电路较佳实施例的电路方块图；
16.图6：为本发明电池平衡电路较佳实施例的详细电路方块图；
17.图7：为本发明电池平衡电路的操作方法的流程图。
18.附图标号说明：
19.100:电池模块
20.101-10n:电池芯
21.200:充放电电路
22.cell 1-cell m:电池芯
23.s
1a-s
mb
:开关单元
24.s
1-s
m 1
:开关单元
25.sa:开关组
26.300:交流-直流转换器
27.301:交流-直流转换电路
28.400:隔离型直流-直流转换器
29.500:控制单元
30.501:电池充电控制单元
31.502:控制器
32.cell 1-cell 6:电池芯
33.rl1-rl6:开关单元
34.sc:线路开关
1的正极连接一开关单元s1，而最后一个电池芯cell m的负极连接一开关单元s
m 1
，并且居中的电池芯cell 2-cell m-1的正极与负极共接端连接一开关单元s
2-sm，再者通过4个开关单元(容后详述)所组成的开关组sa以实现电池芯cell 1-cell m的充、放电操作，因此开关单元的总数量为电池芯数量加5。因此若电池芯cell 1-cell m的数量为18，则开关单元的数量为23。
51.请参见图4所示，其为本发明电池平衡电路的开关单元的第三实施例的电路方块图。相较于前揭图2与图3的实施例，图4所示的开关单元以继电器rl1-rl6所实现(以电池链l
cell
具6个电池芯为例)，换言之，通过对继电器rl1-rl6的激磁控制，以实现开关导通与关断的效果，提供电池芯cell 1-cell 6充、放电操作的路径。
52.具体地，以图4的实施例为例，本发明电池平衡电路主要包含交流-直流转换器300、多个电池芯cell 1-cell 6、多个开关单元rl1-rl6、隔离型直流-直流转换器400、线路开关sc以及控制单元500。交流-直流转换器300接收交流电源v
ac
，且转换交流电源v
ac
为直流电源。多个电池芯cell 1-cell 6串联连接以形成电池链l
cell
。各开关单元rl1-rl6对应地连接各电池芯cell 1-cell 6。在图4所示的实施例中，各开关单元rl1-rl6为电磁继电器(relay)，利用电磁效应原理令线圈激磁，而使接点改变状态，实现导通与关断的开关功能。再者，开关单元rl1-rl6的数量与电池芯cell 1-cell 6相同，意即第一电池芯cell 1连接第一开关单元rl1、第二电池芯cell 2连接第二开关单元rl2
…
以此类推。
53.隔离型直流-直流转换器400的输入侧并联耦接各开关单元rl1-rl6的第一侧，如图4所示，隔离型直流-直流转换器400输入侧具有正极与负极，且正极连接经交流-直流转换器300转换后的直流电源的正极，而负极连接经交流-直流转换器300转换后的直流电源的负极。各电磁继电器具有第一侧及第二侧，并分别具有正极与负极，第一侧的正极耦接至直流电源的正极与隔离型直流-直流转换器400输入侧的正极，第一侧的负极耦接至直流电源的负极与隔离型直流-直流转换器400输入侧的负极，第二侧则分别耦接至对应电池芯的正极与负极。换言之，所有磁继电器第一侧的正极耦接在一起，再共同耦接至直流电源的正极与隔离型直流-直流转换器400输入侧的正极，而磁继电器第一侧的负极耦接在一起，再共同耦接至直流电源的负极与隔离型直流-直流转换器400输入侧的负极。
54.再者，隔离型直流-直流转换器400的输出侧串联耦接电池链l
cell
，如图4所示，隔离型直流-直流转换器400输出侧具有正极与负极，其中正极耦接电池链l
cell
的正极端(即第一电池芯cell 1的正极)，负极耦接电池链l
cell
的负极端(即第六电池芯cell 6的负极)，使得隔离型直流-直流转换器400的输出侧串联耦接电池链l
cell
。
55.线路开关sc耦接于交流-直流转换器300与隔离型直流-直流转换器400之间，亦为交流-直流转换器300与该等开关单元rl1-rl6之间。其中线路开关sc可为电磁继电器开关或者晶体管开关(例如mosfet)，然不以任一者为限制本发明。
56.本发明所提供的电池平衡电路在该等电池芯cell 1-cell 6充电过程，当所有的电池芯cell 1-cell 6皆为正常状态时，则在充饱电时，所有电池芯cell 1-cell 6的电池电压都不会过高。反之，在该等电池芯cell 1-cell 6放电过程，当所有的电池芯cell 1-cell 6皆为正常状态时，则在放完电时，所有电池芯cell 1-cell 6的电池电压都不会过低。
57.本发明所提供的电池平衡电路当该等电池芯cell 1-cell 6充电过程中发生任一
电池芯cell 1-cell 6的电池电压过高时，则将该(电压过高)电池芯的电能释放至电池链l
cell
，使该电池芯的电池电压降低而不至于发生过充电的状况。再者，当该等电池芯cell 1-cell 6放电过程中发生任一电池芯cell 1-cell 6的电池电压过低时，则通过交流电源v
ac
对该(电压过低)电池芯提供电能，使该电池芯的电池电压升高而不至于发生过放电的状况。
58.具体地，如图4所示，该等电池芯cell 1-cell 6充电过程中，当控制单元500检测任一电池芯cell 1-cell 6的电池电压高于上临界电压时，控制单元500通过提供的开关控制信号srl1-srl6控制对应电压过高的该电池芯的开关单元rl1-rl6导通，使得电压过高的该电池芯rl1-rl6的电能通过隔离型直流-直流转换器400释放至电池链l
cell
。举例来说，在电池链l
cell
的该等电池芯cell 1-cell 6充电过程中，当控制单元500检测到第一电池芯cell 1的电池电压过高(即高于上临界电压)时，控制单元500通过第一开关控制信号srl1控制第一开关单元rl1导通，使得第一电池芯cell 1的电能通过第一开关单元rl1与隔离型直流-直流转换器400释放至电池链l
cell
，除了使第一电池芯cell 1的电池电压降低而不至于发生过充电的状况之外，第一电池芯cell 1的电能亦可作为电池链l
cell
充电的电能而不致浪费。同理，对于其他电池芯的操作原理与前述相同，在此不加以赘述。
59.该等电池芯cell 1-cell 6放电过程中，当控制单元500检测任一电池芯cell 1-cell 6的电池电压低于下临界电压时，控制单元500通过提供的开关控制信号s
cc
控制线路开关sc导通，并且通过提供的开关控制信号srl1-srl6控制对应电压过低的该电池芯的开关单元rl1-rl6导通，使得电压过低的该电池芯从交流电源v
ac
接收电能。其中下临界电压小于前揭的上临界电压。举例来说，在电池链l
cell
的该等电池芯cell 1-cell 6放电过程中，当控制单元500检测到第一电池芯cell 1的电池电压过低(即低于下临界电压)时，控制单元500通过开关控制信号s
cc
控制线路开关sc导通，并且通过第一开关控制信号srl1控制第一开关单元rl1导通，使得交流电源v
ac
经由线路开关sc与第一开关单元rl1对第一电池芯cell 1提供电能，使第一电池芯cell 1的电池电压升高而不至于发生过放电的状况。同理，对于其他电池芯的操作原理与前述相同，在此不加以赘述。
60.藉此，通过电池平衡电路对老化较严重的电池芯通过能量的释放与补充而对电池电压进行调整，即当电池芯因蓄电能力下降造成充电过程电压升高较快时，则将较高电压的电池芯能量传送至电池链l
cell
，而当电池芯因蓄电能力下降造成放电过程电压下降较快时，则通过交流电源对较低电压的电池芯补充能量，如此，可维持老化较严重的电池芯的电压与其他电池芯电压大致相同，以确保整个电池模块正常运作，使得在储能系统的应用中，能够在不需要经常更换电池芯的状况下持续地维持电池模块的运作。直等到年度岁修时再将老化严重的电池芯进行汰换，以提高储能系统应用的经济效益。
61.此外，参见图4，本发明的实施例中，电池平衡电路还包含对应该等电池芯cell 1-cell 6的过电流保护组件，例如但不限制为保险丝f1-f7。藉此，当该等电池芯cell 1-cell 6在充、放电过程中，若发生过电流异常，则可通过对应的保险丝f1-f7提供过电流保护，实现对该等电池芯cell 1-cell 6的保护。
62.请参见图5所示，其为本发明电池平衡电路较佳实施例的电路方块图，其中图5即为搭配前揭图3(即开关单元的第二实施例)的实施例，该电池平衡电路主要包含交流-直流转换器300、隔离型直流-直流转换器400、控制单元500、多个(6个)电池芯cell 1-cell 6串
联连接形成电池链l
cell
、多个(7个)开关单元s
1-s7，以及包含切换开关单元sa1,sa2,sb1,sb2的开关组sa。其中控制单元500提供开关控制信号s1c-s7c分别控制开关单元s
1-s7，切换开关控制信号sa1c-sb2c分别控制开关单元sa1,sa2,sb1,sb2，以及开关控制信号s
cc
控制线路开关sc。在本实施例中，由于通过对开关单元s
1-s7的配置(连接关系)设计，对于电池芯越多的电池模块而言，可大幅地降低开关单元的数量(如前揭图3的说明)，因此，配合开关单元sa1,sa2,sb1,sb2的导通与关断，可实现提供电池芯cell 1-cell 6充、放电操作的路径。
63.具体地，如图5所示，该等电池芯cell 1-cell 6充电过程中，当控制单元500检测任一电池芯cell 1-cell 6的电池电压高于上临界电压时，控制单元500通过提供的开关控制信号s1c-s7c控制对应电压过高的该电池芯的开关单元s
1-s7导通，使得电压过高的电池芯rl1-rl6的电能通过隔离型直流-直流转换器400释放至电池链l
cell
。举例来说，在电池链l
cell
的该等电池芯cell 1-cell 6充电过程中，当控制单元500检测到第一电池芯cell 1的电池电压过高(即高于上临界电压)时，控制单元500通过第一切换开关控制信号sa1c控制第一切换开关单元sa1导通、第二切换开关控制信号sa2c控制第二切换开关单元sa2导通，以及通过第一开关控制信号s1c控制第一开关单元s1导通、第二开关控制信号s2c控制第二开关单元s2导通，使得第一电池芯cell 1的电能通过第一开关单元s1、第二开关单元s2、第一切换开关单元sa1、第二切换开关单元sa2与隔离型直流-直流转换器400释放至电池链l
cell
，除了使第一电池芯cell 1的电池电压降低而不至于发生过充电的状况之外，第一电池芯cell 1的电能亦可作为电池链l
cell
充电的电能。
64.同理，在电池链l
cell
的该等电池芯cell 1-cell 6充电过程中，当控制单元500检测到第二电池芯cell 2的电池电压过高时，控制单元500通过第三切换开关控制信号sb1c控制第三切换开关单元sb1导通、第四切换开关控制信号sb2c控制第四切换开关单元sb2导通，以及通过第二开关控制信号s2c控制第二开关单元s2导通、第三开关控制信号s3c控制第三开关单元s3导通，使得第二电池芯cell 2的电能通过第二开关单元s2、第三开关单元s3、第三切换开关单元sb1、第四切换开关单元sb2与隔离型直流-直流转换器400释放至电池链l
cell
，除了使第二电池芯cell 2的电池电压降低而不至于发生过充电的状况之外，第二电池芯cell 2的电能亦可作为电池链l
cell
充电的电能。
65.该等电池芯cell 1-cell 6放电过程中，当控制单元500检测任一电池芯cell 1-cell 6的电池电压低于下临界电压时，控制单元500通过提供的开关控制信号s
cc
控制线路开关sc导通，并且通过提供的开关控制信号s1c-s7c控制对应电压过低的该电池芯的开关单元s
1-s7导通，使得电压过低的该电池芯从交流电源v
ac
接收电能。举例来说，在电池链l
cell
的该等电池芯cell 1-cell 6放电过程中，当控制单元500检测到第一电池芯cell 1的电池电压过低(即低于下临界电压)时，控制单元500通过开关控制信号s
cc
控制线路开关sc导通，并且通过第一切换开关控制信号sa1c控制第一切换开关单元sa1导通、第二切换开关控制信号sa2c控制第二切换开关单元sa2导通，以及通过第一开关控制信号s1c控制第一开关单元s1导通、第二开关控制信号s2c控制第二开关单元s2导通，使得交流电源v
ac
经由线路开关sc、第一切换开关单元sa1、第二切换开关单元sa2与第一开关单元s1与第二开关单元s2对第一电池芯cell 1提供电能，使第一电池芯cell 1的电池电压升高而不至于发生过放电的状况。
66.同理，在电池链l
cell
的该等电池芯cell 1-cell 6放电过程中，当控制单元500检
测到第二电池芯cell 2的电池电压过低时，控制单元500通过开关控制信号s
cc
控制线路开关sc导通，并且通过第三切换开关控制信号sb1c控制第三切换开关单元sb1导通、第四切换开关控制信号sb2c控制第四切换开关单元sb2导通，以及通过第二开关控制信号s2c控制第二开关单元s2导通、第三开关控制信号s3c控制第三开关单元s3导通，使得交流电源v
ac
经由线路开关sc、第三切换开关单元sb1、第四切换开关单元sb2与第二开关单元s2与第三开关单元s3对第二电池芯cell 2提供电能，使第二电池芯cell 2的电池电压升高而不至于发生过放电的状况。
67.综上说明，图5所示的电池平衡电路的开关组sa(包含切换开关单元sa1,sa2,sb1,sb2)与开关单元s
1-s7的控制原则，根据交流-直流转换器300所转换输出的直流电源的正、负极性对应电池电压过高(或过低)的电池芯cell 1-cell 6的正、负极性一致，以实现对老化较严重的电池芯通过能量的释放与补充而对电池电压进行调整。
68.同样地，图2所示开关单元的第一实施例亦可应用于图5架构，其开关单元的控制原则与图5相似，因此详细的控制与操作说明不再多加赘述。
69.请参见图6所示，其为本发明电池平衡电路较佳实施例的详细电路方块图。图6更具体地揭示交流-直流转换器300包含交流-直流转换电路301与非隔离型直流-直流转换电路(例如降压转换电路，其包含开关s1、开关s2、电感l1、电容c1以及电阻r1)。控制单元500包含电池充电控制单元501与控制器502，以实现对该等电池芯cell 1-cell 6进行充电与放电操作的控制。此外，电池平衡电路更包含控制器局域网络can(包含控制器局域网络集成电路can ic与控制器局域网络总线)，使控制单元500对整体电路进行检测、控制的结果，通过控制器局域网络can对外传送，以利远程操作人员能够获得监控与掌握，在系统发生异常时能够实时地进行维修，以维持系统正常运作。
70.请参见图7所示，其为本发明电池平衡电路的操作方法的流程图。所述电池平衡电路包含：多个电池芯，串联连接以形成电池链；多个开关，各开关对应地连接各电池芯；线路开关，耦接于交流电源与该等开关之间。电池平衡电路具体的架构可参见前揭内容，在此不多加赘述。本发明电池平衡电路的操作方法包含：
71.该等电池芯可为充电操作(s11)与放电操作(s21)。在该等电池芯充电过程中(s11)，当检测任一电池芯的电池电压高于上临界电压时，控制对应该电池芯的开关导通(s12)。进一步地，该电池芯的电能释放至电池链(s13)。在该等电池芯放电过程中(s21)，当检测任一电池芯的电池电压低于下临界电压时，控制线路开关导通，并且控制对应该电池芯的开关导通(s22)。进一步地，该电池芯从交流电源接收电能(s23)。
72.综上所述，本发明具有以下的特征与优点：
73.1、通过如本发明的电池平衡电路对老化较严重的电池芯通过能量的释放与补充而对电池电压进行调整，即当电池芯的电压过高时，将能量传送至电池链l
cell
，而当电池芯的电压过低时，则通过交流电源补充，如此，可维持老化较严重的电池芯在充放电过程的电压与其他电池芯电压大致相同，以确保整个电池模块正常运作，使得在储能系统的应用中，能够在不需要经常更换电池芯的状况下持续地维持电池模块的运作。直等到年度岁修时再将老化严重的电池芯进行汰换，以提高储能系统应用的经济效益。
74.2、在选择特定电池模块通过固态开关耦接电池平衡电路，由此架构连接的方式，其开关可使用固态开关取代双刀单掷开关(传统电磁阀开关)，因而可增加电池平衡电路中
开关的使用寿命，并更优化电池模块之间的电压差异。
75.3、电池链充电：选择最高电压的电池芯，回收其电能，反馈至电池链，延续电池链充电时间。
76.4、电池链放电：选择最低电压的电池芯，由交流电源对其充电，延续电池链放电时间。
77.以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与附图，惟本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的申请专利范围为准，凡合于本发明申请专利范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本案的专利范围。