专利名称：可替换能源模块的能源装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种 可替换能源模块的能源装置，特别是能够根据电池状态取得更换电池单元时机的能源装置。
背景技术：
在需要持续工作的电子系统中，电カ持续供应是个基本条件，因此有公知技术发展可以在系统运作时执行在线更换电池的技木。公知技术之一可以參考图I所描述利用限电流(current limit)的技术确保可在线更换电池的装置的电カ输出能力的示意图，图示为ー种供应电カ的装置，主要储能的设备为多个电池组(105，106，107，108)组成的储能装置，多个电池组(105，106，107，108)通过ー个电路板(未显示)相连接，并通过一电カ输出単元101对外部装置供电。此电池装置特别设置一限电流单元(current limiter) 103,限电流单元103可以控制输出给电カ输出单元101的电流，在一般供电状态下，可以控制输出平稳的电流；另在变动多个电池组(105，106，107，108)时，包括更换、插入与取出等动作，此限电流单元103亦可确保在变动时输出稳定的电流，不影响供电功能。此类储能系统由多个电池组(Battery Pack)组成,若有其中的一电池组需要取下并换上另ー电池组，储能系统在持续工作的状态下，换上电池组的动作会在系统内产生很大的突波电流(inrush current),原因是备用的电池组的电气性质,如电压、剩余电量、荷电状态(state of charger, SOC)，与运转中的储能系统有一定的差距，这个差距会在两者接触瞬间产生突波电流，而对系统产生影响，严重者可能造成损害。因此，相关的电气保护措施也会相应发展，使得在系统运作中，若有任一电池单元发生损坏，于更换损坏的电池单元时，公知技术的电气保护措施为利用特定电路手段防止电池更换时产生的过电压(overvoltage)或是过电流(over current)等的突波现象。
实用新型内容本实用新型所要解决的问题包括若整个电池组中ー或部分的电池组发生异常而需要更换时，新更换的电池组的电压或相关电气參数势必与目前系统操作的电压不同，而这差异极可能造成很大的突波电流(inrush current)。可替换能源模块的能源装置即提出利用硬件或韧体手段在更换时主动调整或被动侦测来取得适当的连接时机。针对现有技术的不足，本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种可替换能源模块的能源装置，该能源装置主要包括有由多个电性连接的电池单元组成的储能电池组、对储能电池组或其中各电池单元充电的充电单元，或在放电电路上的放电单元、与取得储能电池组与多个电池単元的电气状态并据以控制启闭在线更换的电池单元的控制单元。上述电气状态可为各电池单元与储能电池组的电压、剩余电量或荷电状态。根据实施例，储能电池组具有一测量电气状态的主统控制电路，各电池单元亦具有測量各电池单元电气状态的次统控制电路，特别的是储能电池组中的各电池单元为可单独或多个一次更换。上述放电单元或充电单元通过ー或多个开关电性连接主统控制电路或次统控制电路，控制単元根据电气状态的分析直接控制这些开关，藉此控制充电与放电的时机，使得更换的电池单元可以适时与储能电池组连接。根据控制单元所执行的功能，其中包括有取得储能电池组与多个电池单元的电气状态的电气状态取得模块、比对储能电池组的电气状态与ー或多个在线更换电池单元的电气状态的电气状态比对模块、控制储能电池组或ー或多个在线更换电池単元的电气状态的电气状态控制模块，以及能够根据取得的电气状态控制启闭ー或多个在线更换电池单元的开关控制模块。换句话说，本实用新型提供一种可替换能源模块的能源装置，所述的能源装置包括 一于该能源装置运作中可更换的多个电性连接的电池单元组成的储能电池组，其中该储能电池组具有一测量该储能电池组电气状态的主系统控制电路；各电池单元具有一測量各电池单元电气状态的次系统控制电路，并电性连接该主系统控制电路；一对该储能电池组或其中各电池单元充电或放电的充放电单元，该充放电单元通过ー或多个开关电性连接该主系统控制电路或该次系统控制电路；以及一取得该储能电池组与该多个电池单元的电气状态并据以控制启闭ー或多个在线更换的电池单元的控制单元，该控制单元电性连接该主系统控制电路与该次系统控制电路。所述的ー或多个在线更换的电池单元与所测量电气状态的该储能电池组为同一回路的装置。
该可替换能源模块的能源装置可以在更换电池组时根据整个装置内电池组的电气參数取得一个适当连接时机，以适时更换新的电池组，可以有效防止过电流(电压)，更不会产生突波而避免过电流(电压)产生的损坏。图I为现有技术在线更换电池的装置的电ヵ输出装置示意图；图2为本实用新型可替换能源模块的能源装置示意图；图3为本实用新型可替换能源模块的能源装置的实施例示意图；图4为应用于本实用新型的能源装置的充放电电路示意图；图5为应用于本实用新型的能源装置的充电电路示意图；图6为在线更换电池的实施例步骤之一的流程图；图7为在线更换电池的实施例步骤之ニ的流程图；图8为在线更换电池的实施例步骤之三的流程图。主要元件附图标记说明电池组105，106，107，108 电カ输出单元101限电流单元103主系统20次系统控制电路22主系统控制电路23[0032]损坏电池单元201新电池单元203电池单元a，b，c，d，e，f，g，h充电单元26放电单元28控制单元24电气状态取得模块241电气状态比对模块242电气状态控制模块243开关控制模块244微控制单元30电池单元308充放电开关39外部连接接ロ 38电源开关36控制开关34状态指示器32系统管理信号301电流侦测电路303电阻器305充放电单元311控制单元40充电单元42放电单元44次系统401切换开关403控制单元50充电单元52次系统501，503线路开关505，507步骤S601 S609更换电池流程之一步骤S701 S711更换电池流程之ニ步骤S801 S811更换电池流程之三具体实施方式
本实用新型所涉及的可替换能源模块的能源装置是在替换运转的能源装置中的电池单元吋，能够提供韧体或是硬件手段调整其中电池单元或整个主系统的电气參数，使之在适当时机与主系统连接，实现不间断替换，由此避免两者结合时因为产生突波而发生的不稳定与损害问题。上述能源装置可參阅图2所示的可替换能源模块的能源装置示意图。图中所示的可替换能源模块的能源装置可区分为主系统20与次系统，电池单元较佳为可充电、储能的电池组(battery pack),主系统20也就是运作中的电池组,此例包括有相互串联或/与并联的电池单元a，b，c，d，e, f，g，h，并包括相关控制电路，次系统则指单独的电池单元，可指为脱机的电池单元、被断路的电池单元，与新更换的电池单元。在这个由多个电性连接的电池单元a, b, c, d, e, f, g, h组成的储能电池组中，储能电池组具有一測量储能电池组电气状态的主系统控制电路23，主系统控制电路23可分别电性连接各电池单元(次系统)的次系统控制电路22，负责传递控制信号，并取得各自电池单元的电气參数(包括电压、剩余电量或/和荷电状态)，而测量出整个组的电气状态。各电池单元a，b，c，d，e，f，g，h (包括损坏电池单元201与新电池单元203)具有一测量各电池单元电气状态的次系统控制电路22，电性连接主系统控制电路23，由此电路连接传递控制信号与上述的各种电气參数，特别的是，本实用新型提供的能源装置中多个电池单元于能源装置运作中可为单独或多个一起更换。如图2所示，虚线描述ー个储能电池组中损坏电池单元201，在系统运作中，若有一或多个电池単元损毁，通常会影响整个系统的供电效能，且不能先暂停整个供电系统而进行更换，在同时需要維持整个系统稳定运作的要求下，因此本实用新型所提出的可替换能源模块的能源装置可以在更换电池単元的同时，判断主系统20与各电池单元的次系统的电气状态，经主动或被动的调整，得出适当的衔接时机，实现不间断替换。在此能源装置中，主系统控制电路23由各次系统控制电路22取得各电池单元的电气状态，可以据此关闭已经损坏或是无法正常运作的电池单元，更可得到整个主系统的电气状态。而能源装置更设置有一控制单元24，控制单元24电性连接主系统控制电路23与次系统控制电路22，可以由主系统控制电路23或各次系统控制电路22取得储能电池组与多个电池单元的电气状态。当所判断出应更换的电池单元(如图2中损坏电池単元201)经断路后，将在系统仍持续运作同时插接欲更换得电池单元(如新电池单元203)，控制单元24将根据所取得的主系统20与此新更换的次系统的电气状态，以被动或是主动的方式取得主系统20与次系统一致的时间，而控制启闭ー或多个在线更换的电池单元与主系统20的连接。其中，各电池单元的次系统控制电路22通过多个连接脚位电性连接储能电池组的主系统控制电路23，多个连接脚位至少包括有一组充放电脚位与一组控制在线更换电池単元启闭的信号脚位。在控制单元24执行比对主系统20与各次系统的电压、剩余电量与荷电状态等的电气状态时，将利用装置所提供对储能电池组或其中各电池单元充电或放电的充放电单元进行调整，此充放电单元将通过一或多个开关电性连接主系统控制电路23或次系统控制电路22。请再次參考图2所示,充放电单元可包括对储能电池组或其中各电池单元a, b,c,d，e，f，g，h放电并与控制单元24电性连接的放电单元28，放电单元28实施方式可为电性连接于各电池单元的放电电路上的电阻器，利用放电单元28对电压不一致的主系统20与一或多个在线更换的电池单元进行调整。另再可设置ー对储能电池组或其中各电池单元充电的充电单元26，充电单元26在特定实施例可与放电单元28并存于能源装置内，或是仅需设置其一。此例中，充电单元26与控制单元24电性连接，能根据控制単元24的指令对整个主系统20或是个别次系统进行充电，并可于更换新的电池单元时，对其主系统20或是更换的电池单元充电，使的有一致的电气状态，避免结合时的突波。另外，控制单元24可以硬件或韧体实现，其中依据所提供的功能可以区分为多个硬件或韧体实现的电路模块，包括图标的电气状态取得模块241、电气状态比对模块242、电气状态控制模块243与开关控制模块244。电气状态取得模块241即为控制单元24中取得储能电池组与多个电池单元的电气状态的电路模块，通过电性连接至主系统控制电路23与次系统控制电路22，分别取得各控制电路所测量的电气数值。电气状态包括测量的电压，主系统的整体电压可以为加总所有次系统的电压的平均值，或也可为其他运算出的数值；电气状态亦可为各储能电池单元的剰余电量，整体 储能电量也为主系统20的剩余电量；另，电气状态可为经运算得出的荷电状态(state ofcharge, SOC)，荷电状态一般定义为系统能量的百分比，比如为电池当前容量与额定容量的百分比，反映出储能电池目前内部所储存电量与电池可用电量的百分比。[0067]经电气状态取得模块241取得电气状态后，由电气状态比对模块242比对储能电池组的电气状态与ー或多个在线更换电池单元的电气状态，其中差异可能为插接新更换电池単元会造成突波或是其他不良效应的原因，因此，再由ー电气状态控制模块243控制储能电池组或一或多个在线更换电池单元的电气状态，包括利用充放电单元对主系统20或各次系统进行充放电，或是仅等待其中改变，于适当时机进行更换连接。在本例中新电池单元203更换插接至储能电池组的电路时，其中连接脚位会先为断开的状态，避免插接突然的变化产生突波，控制单元24内的开关控制模块244即根据取得的电气状态产生控制信号，利用次系统控制电路22控制启闭ー或多个在线更换电池单元，本例即针对新电池单元203。图3为本实用新型可替换能源模块的能源装置的实施例示意图。图3中显示由多个串联与/或并联的电池单元308组成的电池组，各电池单元308的次系统控制电路电性连接于一微控制単元30，以此形成本实用新型的能源装置。值得ー 提的是，本实用新型的能源装置可以包括有多个回路，每个回路具有多个相互串并联相接的电池单元，于装置运作时，可以在线更换其中的电池单元，本实用新型所控制的电气參数将可仅针对相同回路中的一或多个在线更换的电池单元，而不一定要整体装置一致性地调节。 其中，多个电池単元308所形成的电池组两端分别连接至一充放电单元311，微控制単元30通过充放电开关39控制此充放电単元311与系统间的电路连接，能源装置即通过此充放电单元311对电池组充电，包括调节时的放电程序。根据实施例，微控制单元30由各电池单元308的次系统控制电路取得相关运作參数，如图所示通过总线取得系统管理信号301，可包括电压、剰余电量或荷电状态等电气状态。微控制単元30可包括图标电流侦测电路303来測量整体装置输出的电压值，如此例经跨接于电阻器305的电路进行測量。整个能源装置即在需要更换新的电池单元时，微控制単元30将根据所取得的各种电气參数做出比对与判断，主系统与次系统间的电气状态处于一致时，将新更换的电池单元连接于主系统，完成更换的步骤。能源装置在构造上具有一指示能源装置内需要更换电池単元的状态指示器32，比如通过灯号或是响声提醒管理者其中包括有运作不正常的一或多个电池単元。能源装置同时具有较为弹性的设计，包括一外部控制多个电池单元运作数量的控制开关34，管理者可以通过控制开关34决定整个电池组中需要运作的部份电池単元。能源装置另包括有提供外部系统内部数据的外部连接接ロ 38，管理者可通过此外部连接接ロ 38取得整个装置的运作參数。另有可启闭整个装置的电源开关36。图4为应用于本实用新型的能源装置的充放电电路示意图，能源装置中的各次系统401 (即指单个电池単元)可同时电性连接于充电单元42与放电单元44，并由一切换开关403连接，由能源装置内的控制单元40根据所取得整个系统与各次系统的电气状态进行控制切換。举例来说，一般状态可以切换连接至充电单元42，充电单元42将持续对次系统401充电；在更换新的电池单元时，更可依据所应用的充放电策略，切换对次系统401充电；或是切换至放电单元44进行放电。图5应用于本实用新型的能源装置的充电电路示意图。如图5所示，控制单元50电性连接于不同的次系统501，503，由此取得各次系统的电气状态。能源装置设置有一充电单元52，分别经由不同的线路开关505，507电性连接于次系统501，503，而控制单元50即连接于线路开关505，507，将根据所取得的主系统与次系统501，503的电气状态进行开关切換。应用上述的电路设计，能源装置的运作分别可采取主动或被动模式，分述如下被动模式能源装置内，于其中一或多个电池单元被更换时，先关闭其电カ连接，经更换接上新的电池单元后，先处于断路的状态，由控制单元(被动)等待整个能源装置的电气状态与新更换上的电池单元一致，才启动连接，次系统与主系统则能顺利一起运作。被动模式通过控制单元对主系统与次系统(新更换的电池单元)进行容量计算， 控制单元将等待主系统的电池容量(可为各电池単元的平均值)变化与新增电池単元一致，再可通过电路开关开启主系统与次系统的电カ连接。因此可以避免突波电流的发生，也能同时延长能源装置的使用寿命。图6为在线更换电池的实施例步骤之一的流程图；如图6所示，以剩余电量为主要电气状态參考的流程。经判断能源装置需要更换新的电池单元时(步骤S601)，控制单元将先測量主系统、次系统目前的电池容量，并于次系统先于(断路)状态连接主系统时，通过信号脚位測量其电池电量(步骤S603)。控制单元接着判断电池电量是否一致？(步骤S605)，若主次系统的电气状态不一致时(否)，将重复步骤S603，电路持续测量主系统与次系统的剩余电池容量，并由控制単元取得数据；若判断主次系统的剩余电量一致(是)，将如步骤S607，控制单元将开启次系统与主系统的连接，比如将相关充放电脚位开启(enable)，主系统即连接新的电池单元(步骤 S609)。主动模式当能源装置中的一或多个电池单元更换时，先关闭欲更换的电池单元的电カ连接，经更换接上新的电池单元后，先处于断路的状态。接着，由控制单元驱动次系统电路，(主动)调整其电气状态，使之与主系统一致后。而调整的方式包括利用电阻(内电阻或外部电阻)消耗新更换的电池单元的电压，使的主系统与次系统(各电池单元，包括新更换的电池单元)的电压一致，之后才开启开关，使得更换的次系统与主系统连接。因此可以防止电池组之间电气状态不均衡产生的突波，并避免造成损害。除了避免突波电流的发生，也能同时延长能源装置的使用寿命。图7为在线更换电池的实施例步骤之ニ的流程图；如图7所示在线更换电池的流程。当可替换能源模块的能源装置中判断有需要更换新的电池单元，即经断路取出欲更换的电池单元，并置换上新的电池单元(步骤S701)，在尚未连接前，相关充放电脚位处于关闭状态(disable)。控制单元将取得由主系统与新增次系统的电气状态，此例为电压(步骤S703)，并经比对判断两者电压是否一致？(步骤S705)。若判断，主系统与新更换的次系统有不同的电压(否)，为避免连接产生突波现象，次系统先处于断路状态。在其中之一方案中，控制单元将驱动充电单元，对其中电压较低者进行充电；或是利用放电电路对其中较高电压者进行放电(步骤S707)，使之处于一致的电气状态。[0090]经判断，包括经过充放电的步骤之后，主系统与次系统的电压状态若为一致(是)，控制单元将控制连接次系统控制电路的充放电脚位开启(步骤S709)，开启与主系统的连接，并顺利连接新的电池单元(步骤S711)。图8为在线更换电池的实施例步骤之三的流程图；如图8所示的流程，比对主次系统的荷电状态(SOC)。开始如步骤S801，能源装置进行更换新的电池单元，经结合主次系统吋，同样次系统将先处于断路状态，经相关控制电路计算主/次系统的荷电状态，由控制单元取得(步骤S803)，将判断荷电状态是否一致？(步骤S805)。若判断目前荷电状态不一致(否)，通过充放电单元执行充电或放电(步骤S807)，视装置所采用的措施而定，并同时计算主次系统的荷电状态，直到一致时(是)，控制单元将开启次系统与主系统的连接(步骤S809)，以连接新的电池单元(步骤S811)。本实用新型提出的可替换能源模块的能源装置主要提出在连接电池组与更换的电池单元前，先通过电气特性侦测手段取得知欲置換上的电池单元与能源装置上同一回路中电池单元的电气状态的差异，包括电池单元与能源装置中其余电池单元的电压、剰余电量或荷电状态，经主动调整或被动侦测后，在电气状态一致的情况下连接更换的电池单元，可以避免差异造成的突波或是相关异常状況。举例来说，上述主次系统的电气状态是否一致的判断中，可以设定ー个差异的范围，而主系统的电气特性可以其中所组成电池単元的总和或是平均来看。比如荷电状态差异在3%内，视为一致，实际操作并不以此为限；或是主次系统差异在2%或另ー适当的百分比以内，视为一致；或是主次系统的剩余电量百分比差异在3. 5%或是其他适当范围内，则视为一致。 综上所述，本实用新型提出的可替换能源模块的能源装置，将除了实现装置运作下更换其中电池组的目的外，更通过取得各系统电气状态来判断更换连接的时机，更可以避免结合不同状态的主次系统所产生的差异造成的损害。但是，以上所述仅为本实用新型的较佳可行实施例，非因此即局限本实用新型的专利保护范围，故凡运用本实用新型说明书及附图内容所为的等效结构变化，均同理包含于本实用新型的权利要求保护范围内，特此声明。
权利要求1.一种可替换能源模块的能源装置，其特征在于，所述的能源装置包括 一于该能源装置运作中可更换的多个电性连接的电池单元组成的储能电池组，其中 该储能电池组具有一测量该储能电池组电气状态的主系统控制电路； 各电池单元具有一测量各电池单元电气状态的次系统控制电路，并电性连接该主系统控制电路； 一对该储能电池组或其中各电池单元充电或放电的充放电单元，该充放电单元通过一或多个开关电性连接该主系统控制电路或该次系统控制电路；以及 一取得该储能电池组与该多个电池单元的电气状态并据以控制启闭一或多个在线更换的电池单元的控制单元，该控制单元电性连接该主系统控制电路与该次系统控制电路。
2.如权利要求I所述的可替换能源模块的能源装置，其特征在于，各电池单元的该次统控制电路通过多个连接脚位电性连接该主系统控制电路。
3.如权利要求2所述的可替换能源模块的能源装置，其特征在于，所述的多个连接脚位至少包括有一组充放电控制脚位与一组控制该在线更换电池单元启闭的信号脚位。
4.如权利要求I所述的可替换能源模块的能源装置，其特征在于，所述的充放电单元包括一对该储能电池组或其中各电池单元放电并与该控制单元电性连接的放电单元；或一对该储能电池组或其中各电池单元充电并与该控制单元电性连接的充电单元。
5.如权利要求4所述的可替换能源模块的能源装置，其特征在于，所述的放电单元为一电性连接于各电池单元的放电电路上的电阻器。
6.如权利要求I或4所述的可替换能源模块的能源装置，其特征在于，所述的控制单元更包括 一取得该储能电池组与该多个电池单元的电气状态的电气状态取得模块； 一比对该储能电池组的电气状态与该一或多个在线更换电池单元的电气状态的电气状态比对模块； 一控制该储能电池组或该一或多个在线更换电池单元的电气状态的电气状态控制模块；以及 一根据该取得的电气状态控制启闭该一或多个在线更换电池单元的开关控制模块。
7.如权利要求6所述的可替换能源模块的能源装置，其特征在于，所述的电气状态取得模块所取得的电气状态为各电池单元与该储能电池组的电压、剩余电量或荷电状态。
8.如权利要求I所述的可替换能源模块的能源装置，其特征在于，所述的能源装置更包括一外部控制该多个电池单元运作数量的控制开关。
9.如权利要求I所述的可替换能源模块的能源装置，其特征在于，所述的能源装置更包括一指示该储能装置内需要更换电池单元的状态指示器。
10.如权利要求I所述的可替换能源模块的能源装置，其特征在于，所述的一或多个在线更换的电池单元与所测量电气状态的该储能电池组为同一回路的装置。
专利摘要一种可替换能源模块的能源装置，所述能源装置包括由多个电性连接的电池单元组成的储能电池组、对各电池单元充电或放电的充放电单元与由系统中控制电路取得电气状态的控制单元，此控制单元将先取得储能电池组与新更换的电池单元的电气状态，再利用充放电手段或是被动等待的方式使得新的电池单元与整体系统的电气特性能够一致，于适当时间连接完成。该能源装置运作时，将根据更换时的电气状态判断出更换电池单元的时机，由此可以避免产生突波现象。
文档编号H02J7/00GK202405805SQ20112042545
公开日2012年8月29日 申请日期2011年11月1日 优先权日2011年11月1日
发明者张莹崟, 林欣模, 林正宗, 林育润, 王俊炜, 蔡瑞宾, 陈文谊 申请人:顺达科技股份有限公司