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    電池平衡系統包括至少一個子疊，每一子疊包含複數個串聯連接之格。系統亦包括用於每一子疊之平衡模組，該平衡模組包含用於子疊中之每一格之獨立雙向平衡器。系統包括雛菊式連接之可堆疊串接埠。平衡系統感測每一子疊中之每一格之充電狀態(SOC)。並決定子疊之平均SOC。對於弱格而言，在電池放電期間內，從弱格個別的子疊提供額外充電。對於強格而言，在電池放電期間內，移除額外充電並提供額外充電至強格個別的子疊。任何數量的子疊可串聯堆疊，同時維持相同的串聯控制，以允許從單一通訊埠支援理論上不限制數量的格，而不需額外的數位隔離器。
    公开号:TW201301626A
    申请号:TW101121598
    申请日:2012-06-15
    公开日:2013-01-01
    发明作者:Samuel H Nork；Mark R Vitunic
    申请人:Linear Techn Inc；
    IPC主号:H02J7-00
    专利说明:
    可堆疊之雙向多格電池平衡器
    本發明大體而言係關於電子領域，且更特定言之，本發明係關於用於平衡電力源之概念與技術。
    包含複數個串聯連接電池格的大型高電壓電池通常係用於多種應用中，包括電子車輛與大型工業電池備用及電網分層負載之應用。電池包裝之安全性與維持壽命可要求監視及平衡包裝中之所有格，以使得每一格在電池的操作壽命期間在固定「充電狀態(SOC)」範圍中操作。若過度充電一格、太強或太快放電，或簡單的過熱，則格更容易減損、著火或甚至爆炸。
    既然格通常並不相同，則格之間的不平衡即為重要。舉例而言，在SOC中可能不同的有格放電率、阻抗、電容量與溫度特性。甚至相同組裝線上之格亦可能存在此等不同。弱格(亦即具有固有低電容量、減損電容量或高內部阻抗之格)可較更強格更快地充電及放電。因此，在充電期間，弱格可更快到達預定高電壓。類似地，在放電期間，弱格可更快到達預定低電壓。就此點而言，弱格在相對長之充電及放電循環中可能更進一步地減弱。對於串聯連接之格，電池(亦即串聯格)之可用之總電容量係由最弱格限制。
    可實行格平衡以隨時均分每一格上之電壓或充電狀態，以落實前述之一些要點。通常，係利用被動式或主動式平衡以實行格平衡。
    第1圖圖示被動式平衡之電路。在被動式平衡中，將可能需要平衡之格(亦即在較平均格更高之SOC之格)放電，以使得符合其他格之充電。然而，放電能量隨著熱消散。相應地，被動式平衡係為浪費能量之方式，特別當格電壓明顯與其他格電壓不同時。
    在主動式平衡中，每一格電壓(例如每一格之SOC)可單獨量測。電容性或電感性充電傳輸可用以平衡在每一格中之充電(代替隨著熱消散之充電)。藉此增加省電率。就此點而言，第2a及2b圖圖示電容性或電感性充電之電路個別地不斷維持(shuttle)主動式平衡。第2a及2b圖之電路二者皆非可堆疊或交錯。
    進一步地，主動式平衡系統可為單向。在第3圖之單向系統中，來自特定格之充電能加入或取出，但非兩者皆能，而使得第3圖之單向系統在平衡中有較低效率。進一步地，先前技術之主動式平衡系統不允許同步平衡數個格，而使得先前技術之主動式平衡系統有較低之時間效率。就此點而言，第4圖圖示與通常先前技術之方式一致之非可堆疊、非同步雙向平衡。
    因此，先前技術之方式通常包括零電容量恢復、高平衡功率消散、長平衡時間與非最佳化能量恢復之限制。進一步地，可能有用於大串列之串聯連接格的隔離I/O控制要求。
    鑒於以上，可描述用於串聯連接格之省時及省能量之雙向平衡之方法與系統。亦可描述能夠將數個格群組堆疊在一起，同時仍然能夠透過單一串接埠定址格群組。
    本發明係關於一種電池平衡系統，該電池平衡系統包含：至少一個子疊(sub-stack)，每一子疊包含複數個串聯連接之格；用於每一子疊之平衡模組，該平衡模組包含用於子疊中之每一格之獨立雙向平衡器；監視模組，該監視模組經配置以感測每一子疊中之每一格之充電狀態(SOC)；微處理器，該微處理器經配置以決定每一子疊之格之平均SOC；以及雛菊式連接(daisy chained)之可堆疊串接埠，該雛菊式連接之可堆疊串接埠經配置以傳送資訊至每一平衡模組，其中每一平衡模組經配置以：在電池之放電期間內，從任何弱格之子疊提供額外充電至任何弱格，且在電池之充電期間內，從任何弱格移除額外充電並提供額外充電至任何弱格之子疊；以及在電池之放電期間內，從任何強格移除額外充電，並提供額外充電至任何強格之子疊，且在電池之充電期間內，從子疊提供額外充電至任何強格。
    本發明亦關於一種平衡電池之方法，該方法包含以下步驟：感測在每一子疊中之每一格之SOC；計算用於每一子疊之平均SOC；決定關於每一子疊中之平均SOC的每一子疊中之每一格之強度；在電池之放電期間內，從弱格個別的子疊同步提供額外充電至弱格；在電池之充電期間內，從弱格同步移除額外充電至弱格個別的子疊；在電池之放電期間內，從強格同步移除額外充電至強格個別的子疊；以及在電池之充電期間內，從強格個別的子疊同步提供額外充電至強格。
    現在敘述圖示之實施例。可額外或代替地使用其他實施例。可能省略明顯或非必要之細節以節省空間或更有效率之呈現。可利用額外部件或步驟及/或不利用所敘述之所有部件或步驟來施行一些實施例。
    第5圖圖示與本發明之實施例一致之用於平衡複數個電池堆疊之變壓器連接電路。複數個格(亦即502至508)可以串聯式堆疊在其他格上方。平衡模組510可包含複數個雙向格平衡器。舉例而言，平衡模組可包含六個此格平衡器。每一平衡器使用預定變壓比以傳輸格與相鄰子疊間之充電(以任一方向)。舉例而言，變壓比可簡單地為1：1。
    不論電池包裝為充電或放電，電路500之雙向平衡可提供格至子疊及子疊至格之省電充電傳輸。進一步地，在子疊中之每一格(例如格1至6)能同步平衡。同步操作減少平衡時間。在可平衡單一格之時間之期間內，確實能平衡在子疊中之複數個格。在一個實施例中，同步平衡能與其他子疊(例如格6至12)一起出現。
    在一個實施例中，每一格之變壓器(例如520)之主要側之第一端子可跨越格直接連接以平衡(例如502)。變壓器之主要側之第二端子係與電晶體(例如功率FET 522)及電流感測電阻(例如524)串聯。每一變壓器(例如521)之次要側可連接至相鄰格。舉例而言，相鄰格可進一步在堆疊中往上，並與電晶體(例如功率FET 523)與次要側電流感測電阻(例如525)串聯。每一次要側變壓器線捲(例如521)之電流感測電阻(例如525)可參照子疊中之最低電壓格。次要側上之最大電壓連接可僅由次要側電晶體523之崩潰電壓限制。
    進一步地，每一平衡器之開/關狀態與充電電流方向控制可為獨立。狀態與方向可透過通用可堆疊串接埠530連通至每一IC。舉例而言，雛菊式連接可堆疊介面可允許所有平衡器透過單一I/O埠530控制，而不限制串聯連接之電池堆疊之格之數量。此特徵稍後將討論更多細節。
    第7圖係為簡單系統圖，該簡單系統圖圖示與本發明之實施例一致之可堆疊之串聯式連通。為了決定充電傳輸之必要條件，與微處理器706相關之至少一個監視模組(例如702與704)首先可決定對應每一子疊(亦即710至716)之每一格的平均SOC。舉例而言，格之電壓可提供格之SOC之量測。若所有格具有類似的電容量，則最低SOC之格(亦即最弱格)可隨著單次校正以從該格之子疊接收額外充電。舉例而言，整個子疊可用於提供充電至子疊中之較弱格。之後，整個子疊可正常地循環而不用任何額外調整。
    然而，若格具有不同於正常格之電容量(例如損壞或減損)，則此格可以不同於正常格之速率充電。係因為具有較小電容量之格充電較正常格快(較正常格更快到達較高電壓或較低電壓)。舉例而言，隨著平衡，在子疊之充電循環期間內，較弱格可較正常格接收更少充電，藉此允許子疊中之所有格在充電循環結束時達成相同電壓。
    在一個實施例中，為維持電池壽命，可認為格在70%電容量為充分充電，且可認為格在30%電容量為充分放電。相應地，在充電循環期間內，子疊之正常格與有缺陷之格將同時充電至70%電容量。類似地，在放電循環期間內，正常格與有缺陷之格將同時放電至30%電容量。
    如上所述，監視模組702與704可監視每一格之SOC。系統中之每一平衡器(亦即710至716)可藉由微處理器706使用單一可堆疊通訊介面720來控制。此雛菊式連接之可堆疊介面允許平衡器710至716透過單一通訊埠(I/O介面720)控制，且無關於串聯連接之電池堆疊之格之數量。相應地，理論上無限制數量之格可從單一通訊埠支援而不需要額外的數位隔離器。
    第6圖圖示與本發明之實施例一致之用於平衡複數個電池子疊之變壓器連接電路。每一子疊之格(例如格1至6)係與相鄰子疊(例如格7至12)串聯連接。子疊中之每一格具有相關聯變壓器的相應主要側。以實例之方式而言，連接變壓器601至606之主要側係跨越在最低電壓子疊中之六個格之每一者，其中變壓器601之主要側跨越格1，變壓器602之主要側跨越格2等。進一步地，變壓器連接之每一相應次要側係跨越相同子疊(亦即格1至6)並以交錯配置加上相鄰更高電壓子疊(亦即格7至12)。
    相應地，在此實例中，格7至12之每一者係關聯於變壓器607至612。變壓器607至612之次要側之線圈係與格7至12與格13至18相關聯。在此實例中，假定格25至30之平均SOC為強，同時格7至12之平均SOC為弱，則藉由下列步驟，來自格25至30之充電(亦即強子疊)能傳輸至格7至12(亦即弱子疊)。
    1.充電格19至24：變壓器619至624之次要側經由變壓器619至624之主要線圈將充電從強子疊傳輸至格19至24(亦即第一中介子疊)。
    2.充電格13至18：變壓器613至618之次要側將充電從第一中介子疊傳輸至格13至18(亦即第二中介子疊)。
    3.充電格7至12：變壓器607至612之次要側將充電從第二中介子疊傳輸至弱子疊。
    相應地，藉由跨立於每一子疊中之格的變壓器之主要側與以交錯方式跨立於複數個(例如2個)子疊之次要側，任何子疊能分享另一子疊之充電，即使其他子疊並不相鄰於弱(或強)子疊。
    關於交錯子疊，本文提供實例以說明變壓器之次要側跨越二個子疊而延伸。鑒於說明書，在本領域具有通常知識者將瞭解，變壓器之次要側能跨越如期望之多的相鄰子疊而延伸。舉例而言，延伸跨越數個子疊可增強在每一平衡器基礎上之充電再分配。就此點而言，來自放電格之充電回傳電流係再分配至更大數量之次要側格。類似地，格之充電供給電流係來自更大數量之相鄰格之來源。相應地，次要側子疊之「放電」係最小化。因此，當平衡特定格時，其他格受到盡可能小的影響。在一個實例中，此舉藉由增加次要側格之數量而達成。進一步地，儘管已由每一子疊說明為六個格，但格之數量能為任何數量N，其中N≧2。
    如上所述與平衡複數個子疊相關之相同概念能應用至平衡單一子疊中之格。以實例之方式而言，假定在第5圖中之格1(502)係為包含格1至6之子疊中之弱格，正常格2至6能透過個別之變壓器提供正常格2至6之部分充電至弱格1。
    充電傳輸係藉由交替切換電源開關(例如522、523)完成，該電源開關(例如522、523)連接至變壓器主要與次要側(開與關)。此舉允許當相關聯之串聯電源開關為開時，電流在變壓器之一個線捲(充電供給側)提升，而接著當因為在變壓器核心儲存的能量而充電供給側開關切換為關時，電流在變壓器之另一個線捲(充電回傳側)下降。此時，在變壓器之充電回傳側的電源開關(連接至格或連接至子疊)切換為開，以提供回傳電流流通之低阻抗路徑。回傳電流亦可傳導通過回傳側電源開關之內接二極體。因此，即使回傳側開關並非切換為開，電流仍為流通。此循環隨著需要重複，直到由監視系統決定已傳輸足夠之充電。
    藉由循環充電傳輸控制之每一平衡器之循環係藉由直接感測通過串聯感測電阻(例如524、525)之變壓器線捲之電流而完成。一旦通過感測電阻之電流達到預定峰值電壓(亦即流通過充電供給側變壓器線捲、電源開關與感測電阻之電流達到預定最大值)，則充電供給側電源開關切換為關。充電回傳側電流係允許流通，直到回傳側電流已衰減至零(隨著可由跨越回傳側感測電阻之零壓降指示)，並接著可重複循環。或者，電流可允許在預定數量之時間中流通過供給側電源開關。在此實例中之峰值電流將藉由供給側為開之時間與供給側線捲電感來決定。如前所述，回傳側電流可允許以流通，直到回傳側電流衰減至零，或直到回傳側電流衰減達允許電流衰減至零之充分預定數量之時間。
    儘管單一有缺陷之格在上述實例中討論，但在本領域中具有通常知識者將理解，鑒於本發明之揭示，本文所述之相同概念能應用至相同子疊中之複數個有缺陷之格。
    已討論之部件、步驟、特徵、目的、效益與優點係僅為說明。已討論之部件、步驟、特徵、目的、效益與優點與相關之討論並不意欲以任何方式限制保護之範疇。亦考量多種其他實施例。此係包括具有更少、額外及/或不同部件、步驟、特徵、目的、效益與優點之實施例。亦包括部件及/或經排列及/或不同順序之步驟之實施例。
    500‧‧‧電路
    502‧‧‧格
    504‧‧‧格
    506‧‧‧格
    508‧‧‧格
    510‧‧‧平衡模組
    520‧‧‧變壓器
    521‧‧‧變壓器
    522‧‧‧功率FET/電源開關
    523‧‧‧功率FET/電源開關
    524‧‧‧電流感測電阻
    525‧‧‧電流感測電阻
    530‧‧‧I/O埠
    601‧‧‧變壓器
    602‧‧‧變壓器
    603‧‧‧變壓器
    604‧‧‧變壓器
    605‧‧‧變壓器
    606‧‧‧變壓器
    607‧‧‧變壓器
    608‧‧‧變壓器
    609‧‧‧變壓器
    610‧‧‧變壓器
    611‧‧‧變壓器
    612‧‧‧變壓器
    613‧‧‧變壓器
    614‧‧‧變壓器
    615‧‧‧變壓器
    616‧‧‧變壓器
    617‧‧‧變壓器
    618‧‧‧變壓器
    619‧‧‧變壓器
    620‧‧‧變壓器
    621‧‧‧變壓器
    622‧‧‧變壓器
    623‧‧‧變壓器
    624‧‧‧變壓器
    702‧‧‧監視模組
    704‧‧‧監視模組
    706‧‧‧微處理器
    710‧‧‧子疊/平衡器
    712‧‧‧子疊/平衡器
    714‧‧‧子疊/平衡器
    716‧‧‧子疊/平衡器
    720‧‧‧介面
    圖式係用於圖示實施例。圖式並非圖示所有實施例。可額外或代替地使用其他實施例。可能省略明顯或非必要之細節以節省空間或更有效率之圖示。可利用額外部件或步驟及/或不利用圖示之所有部件或步驟來施行一些實施例。當相同數字出現在不同圖式時，表示相同或類似部件或步驟。
    第1圖圖示被動式平衡之電路。
    第2a圖圖示非可堆疊、非交錯之電容性充電之電路不斷維持主動式平衡之電路。
    第2b圖圖示非可堆疊、非交錯之電感性充電之電路不斷維持主動式平衡之電路。
    第3圖圖示單向隔離返馳式平衡之二個電路。
    第4圖圖示雙向非同步平衡之電路。
    第5圖圖示與本發明之實施例一致之6格雙向平衡器之電路。
    第6圖圖示與本發明之實施例一致之用於平衡複數個交錯電池堆疊之變壓器連接電路。
    第7圖係為系統圖，該系統圖圖示與本發明之實施例一致之可堆疊之串聯式連通。
    500‧‧‧電路
    502‧‧‧格
    504‧‧‧格
    506‧‧‧格
    508‧‧‧格
    510‧‧‧平衡模組
    520‧‧‧變壓器
    521‧‧‧變壓器
    522‧‧‧功率FET/電源開關
    523‧‧‧功率FET/電源開關
    524‧‧‧電流感測電阻
    525‧‧‧電流感測電阻
    530‧‧‧I/O埠
    权利要求:
    Claims (15)
    [1] 一種電池平衡系統，該電池平衡系統包含：至少一個子疊(sub-stack)，每一子疊包含複數個串聯連接之格；用於每一子疊之一平衡模組，該平衡模組包含用於該子疊中之每一格之一獨立雙向平衡器；一監視模組，該監視模組經配置以感測每一子疊中之每一格之一充電狀態(SOC)；一微處理器，該微處理器經配置以決定每一子疊之該等格之一平均SOC；以及一雛菊式連接(daisy chained)之可堆疊串接埠，該雛菊式連接之可堆疊串接埠經配置以傳送資訊至每一平衡模組，其中每一平衡模組經配置以：在該電池之一放電期間內，從任何弱格之子疊提供一額外充電至任何弱格，且在該電池之一充電期間內，從任何弱格移除額外充電並提供該額外充電至任何弱格之子疊；以及在該電池之該放電期間內，從任何強格移除一額外充電並提供該額外充電至任何強格之子疊，且在該電池之該充電期間內，從該子疊提供一額外充電至任何強格。
    [2] 如請求項1所述之電池平衡系統，其中任何數量之子疊可利用一普通可堆疊串聯控制來串聯堆疊及控制。
    [3] 如請求項1所述之電池平衡系統，其中每一子疊包含六個串聯連接之格。
    [4] 如請求項1所述之電池平衡系統，其中在一子疊中之每一強或弱格係為同步平衡。
    [5] 如請求項4所述之電池平衡系統，其中每一強或弱子疊係為同步平衡。
    [6] 如請求項1所述之電池平衡系統，其中任何數量之子疊係為同步平衡。
    [7] 如請求項1所述之電池平衡系統，更進一步包含：至少一個變壓器，該至少一個變壓器具有一主要側與一次要側，其中每一變壓器包含在該主要側上之每一格之一單獨線圈，與對應於該次要側上之複數個相鄰子疊的一單一線圈；每一線圈包括一第一端子與一第二端子，其中在該主要側上之每一線圈具有與該第二端子串聯之一電晶體與一電阻；其中在該次要側上之每一線圈具有與一第二端子串聯之一電晶體與一電阻；其中每一變壓器之該主要側上之每一線圈之該第一端子連接至一格；其中每一變壓器之該次要側上之該線圈之該第一端子連接至一相鄰獨立雙向平衡器之一變壓器之一次要側上之一第一端子；以及其中與每一變壓器之該次要側之一第二端子串聯之該電阻連接至該子疊之該最低電壓。
    [8] 如請求項7所述之電池平衡系統，其中：每一變壓器經配置成在該子疊與一相鄰子疊之間傳輸充電；每一變壓器之該主要側係連接至該子疊中之個別格，而該次要側連接至該子疊與一相鄰子疊；以及每一變壓器與每一變壓器個別相鄰之子疊之該連接係為交錯。
    [9] 如請求項7所述之電池平衡系統，其中跨過每一線圈之該次要側之一最大電壓係藉由每一線圈個別串聯之電晶體之一崩潰電壓限制。
    [10] 如請求項1所述之電池平衡系統，其中該平衡模組經配置以允許在一子疊中之每一格在一充電循環中之一第一預定點與在一放電循環中之一第二預定點處達成一相同電壓。
    [11] 如請求項10所述之電池平衡系統，其中：該第一預定點係在該子疊內之該等格之70%之電容量；以及該第二預定點係在該子疊內之該等格之30%之電容量。
    [12] 一種平衡一電池之方法，該方法包含以下步驟：感測在每一子疊中之每一格之一SOC；計算用於每一子疊之一平均SOC；決定關於每一子疊中之該平均SOC的每一子疊中之每一格之一強度；在該電池之一放電期間內，從弱格個別的子疊同步提供一額外充電至弱格；在該電池之一充電期間內，從弱格同步移除一額外充電至弱格個別的子疊；在該電池之一放電期間內，從強格同步移除一額外充電至強格個別的子疊；以及在該電池之一充電期間內，從強格個別的子疊同步提供一額外充電至強格。
    [13] 如請求項12所述之方法，更進一步包含以下步驟：透過以一交錯方式的至少一個中介子疊，在該電池之一個子疊與另一子疊之間傳輸充電。
    [14] 如請求項12所述之方法，更進一步包含以下步驟：允許在一子疊中之每一格在一充電循環中之一第一預定點與在一放電循環中之一第二預定點處達成一相同電壓。
    [15] 如請求項14所述之方法，其中：該第一預定點係在該子疊內之該等格之70%之電容量；以及該第二預定點係在該子疊內之該等格之30%之電容量。
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    同族专利:
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    KR20120138707A|2012-12-26|
    引用文献:
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    法律状态:
    优先权:
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