串联电池组的主动平衡模块及其控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明是关于一种串联电池组的主动平衡模块及其控制方法，尤其是一种结合电 感型及模块化平衡结构的串联电池组的主动平衡模块及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 由于环保意识抬头，以电力为动力来源的应用日益蓬勃，如：全电动汽车（EV或 BEV)、混合燃气/电动汽车（HEV)、插电式混合电动汽车（PHEV)或储能系统（ESS)等，在 上述应用中，普遍需要使用电池组（Battery)储存及供应动力，该电池组可由数个高功率 密度、高峰值功率锂聚合物或锂铁磷酸（LiFeP(M)电池串联组成。以锂电池组为例，大量 串联的锂电池使用过程中，会因老化而导致电池容量不同，每次充电时，因电池间的残余电 荷、充电速度等差异，将导致电池中的电荷状态（SoC)不平衡，为避免锂电池因过压（over voltage)而降低效能或损坏，通常需由电池管理系统（BMS)管控电池组的电荷平衡状态。
[0003] 为免电池充电过量，可采用简单低廉的被动平衡（passive balance)方式，将储电 量较高的电池分流至旁路电阻（bypass resistor),以免有些电池过量充电，其余电池却充 电不足，只是此方式除会耗散功率外，还有发热及充电速度慢等情况尚待改进。因此，逐渐 发展出可重新分配电荷状态的主动平衡（active balance)方式，可于充放电过程中，可补 偿电压较低的电池，除确保各电池均不会过量充电外，且可快速充电及降低充电温度，进一 步提高电池的效能、可靠性及安全性，并可降低系统成本。是以，主动平衡式电池管理系统 实乃促进电动应用产业发展的关键技术。
[0004] 现有主动平衡式电池管理系统主要分为电容型平衡、电感型平衡及模块化平衡方 式，电容型平衡方式虽易控制且不需电压侦测电路，但其平衡时间较长，不适用于须快速充 电的应用；另，电感型平衡方式虽可快速平衡电荷且能量转换效率高，只是须克服变压器互 感及漏感等情况；又，模块化平衡方式虽可提供稳定的电压，然其所需成本较高，且各模块 仅能控制有限的电池数量（区域式电池平衡），无法达成全域式电池平衡。
[0005] 有鉴于此，有必要改善上述现有技术的缺点，以符合实际需求，提升其实用性。
【发明内容】
[0006] 本发明是提供一种串联电池组的主动平衡模块，可快速达成全域式电池平衡。
[0007] 本发明揭示一种串联电池组的主动平衡模块，其包含：一转换单元，设有一初级侧 线圈及数个次级侧线圈；一返驰开关，电性连接该转换单元的初级侧线圈；一初级侧调控 器，电性连接该转换单元及该返驰开关，该初级侧调控器、该返驰开关及该转换单元共同构 成具有初级侧调节功能的返驰式架构；数个分时切换器，电性连接于该转换单元的数个次 级侧线圈与一串联电池组的数个蓄电单元之间；及一处理器，电性连接该分时切换器及该 初级侧调控器，该处理器用以分时切换各分时切换器的导通状态，使各次级侧线圈分时输 出一定电流至各蓄电单元，并由该初级侧调控器分时取得一参考讯号，用以估算各蓄电单 元的充电量。
[0008] 所述初级侧调控器具有一取样端及一调节端，该取样端电性连接该转换单元的初 级侧线圈，该调节端电性连接该返驰开关。
[0009] 所述转换单元设有一辅助线圈，该辅助线圈的极性与各次级侧线圈的极性相同。
[0010] 所述初级侧调控器具有一取样端及一调节端，该取样端电性连接该转换单元的辅 助线圈，该调节端电性连接该返驰开关。
[0011] 所述处理器由该初级侧调控器的调节端分时取得一脉宽调变讯号，并依据该脉宽 调变讯号的工作周期等比换算各蓄电单元的电压值。
[0012] 所述串联电池组的主动平衡模块，另包含一限流元件，该限流元件电性连接于该 返驰开关与一接地端之间。
[0013] 所述串联电池组的主动平衡模块，另包含一变阻切换器，该变阻切换器电性连接 于该返驰开关及该处理器。
[0014] 所述变阻切换器设有一变阻开关、一小阻元件及一大阻元件，该变阻开关电性连 接该返驰开关及该处理器，该小阻元件及该大阻元件电性连接该变阻开关。
[0015] 所述串联电池组的主动平衡模块，另包含数个隔离器，各隔离器电性连接于该处 理器与各分时切换器之间。
[0016] 所述隔离器为一光耦合器。
[0017] 所述串联电池组的主动平衡模块，另包含一电压侦测器，该电压侦测器设有数个 侦测端及数个管控端及一个通信埠，各侦测端电性连接各蓄电单元，各管控端电性连接各 分时切换器，该通信埠电性连接该处理器。
[0018] 所述电压侦测器设有一指示灯，用以指示该电压侦测器的工作状态。
[0019] 所述各分时切换器分别设有一分时开关，该分时开关具有一输入端、一输出端及 一受控端，该输入端电性连接至该次级侧线圈，该输出端电性连接该蓄电单元，该受控端电 性连接该处理器。
[0020] 所述各分时开关的输入端与各次级侧线圈之间电性连接一逆止元件，该逆止元件 与各次级侧线圈之间电性连接一 RC并联回路。
[0021 ] 所述逆止元件为一肖特基二极管。
[0022] 所述分时开关为一 PMOS电晶体。
[0023] 所述返驰开关为一 NMOS电晶体。
[0024] 所述初级侧调控器的取样端与该转换单元的辅助线圈之间电性连接一分压器。
[0025] 所述初级侧调控器与该处理器之间电性连接一电子开关。
[0026] 所述处理器设有二擷取端及数个切控端，该二擷取端电性连接该初级侧调控器的 取样端及调节端，各切控端电性连接各分时切换器。
[0027] 所述处理器另设有一通讯埠。
[0028] 所述通讯埠电性连接一电压侦测器。
[0029] 所述处理器设有一换阻端，该换阻端电性连接该变阻切换器。
[0030] 本发明另揭示一种主动平衡模块的控制方法，是应用于上述的串联电池组的主动 平衡模块，该控制方法包含一补充步骤，是由该主动平衡模块的处理器接收一补充电池名 单，该补充电池名单具有需要补充电力的蓄电单元，导通该补充电池名单所列蓄电单元与 该转换单元的次级侧线圈之间的充电路径，使该次级侧线圈分时以一定电流补充电力至该 补充电池名单所列蓄电单元。
[0031] 所述处理器设有一通讯埠，并由该通讯埠接收该补充电池名单。
[0032] 所述补充步骤前另包含一侦测步骤，是由该处理器分时导通各蓄电单元与该转换 单元的各次级侧线圈之间的充电路径，排序各次级侧线圈分时耦合至该初级侧调控器的电 性特征，依据排序结果选择至少一蓄电单元列入该补充电池名单。
[0033] 所述处理器计算该辅助线圈对应各蓄电单元的电压值与该等电压值中的最大值 的差异值，将该差异值大于一门槛值的蓄电单元列入该补充电池名单。
[0034] 所述门槛值为该最大值与一百分比的乘积。
[0035] 所述补充步骤的次级侧线圈输出的电流为一补充电流，所述侦测步骤的次级侧线 圈输出的电流为一侦测电流，该侦测电流小于或等于该补充电流。
[0036] 上揭串联电池组的主动平衡模块主要借助该转换单元的初级侧线圈或辅助线圈 耦合次级侧线圈的电气讯号，利用分时导通所有次级侧线圈的过程，即可得知各蓄电单元 的充电状态，并输出补充电流至电荷状态不平衡的蓄电单元。相较于现有模块化平衡方式 仅能调节电池组中的某一区域（全域平衡须用多个控制模块），本申请仅需一组控制电路， 即可达成全域式电池平衡，改善现有返驰式转换器（次级侧调节）的「初级侧无法接收多组 回授讯号」及「用于多线圈控制时，易造成磁饱和而致线圈毁损」等问题。另，上揭主动平衡 模块的控制方法可利用分时导通所有次级侧线圈，即可侦测所有次级侧线圈连接的蓄电单 元状态，可进一步补充电力至蓄电单元，并可降低功率消耗。借此，可达成「节省设置成本」、 「有利于量产」、「避免电池电压过高」、「降低功率消耗」等功效。
【附图说明】
[0037] 图1 :本发明的串联电池组的主动平衡模块的第一实施例的电路示意图。
[0038] 图2 :本发明的串联电池组的主动平衡模块的输出电压与输出电流的关系曲线 图。
[0039] 图3 :本发明的串联电池组的主动平衡模块的第二实施例的电路示意图。
[0040] 图4 :本发明的串联电池组的主动平衡模块的第三实施例的电路示意图。
[0041] 图5 :本发明的串联电池组的主动平衡模块的第四实施例的电路示意图。
[0042] 图6 :本发明的串联电池组的主动平衡模块的不同输出电流的输出电压关系曲线 图。
[0043] 图7 :本发明的串联电池组的主动平衡模块的初级侧调控器的取样端的电压曲线 图。
[0044] 图8 :本发明的串联电池组的主动平衡模块的初级侧调控器的调节端的电压曲线 图。
[0045] 图9 :本发明的主动平衡模块的控制方法实施例的流程示意图。
[0046] 【主要元件符号说明】
[0047] 1转换单元
[0048] 11初级侧线圈12, 12a，12b次级侧线圈
[0049] 12c，12d次级侧线圈13辅助线圈
[0050] 2返驰开关
[0051] 21输入端22输出端
[0052] 23受控端
[0053] 3初级侧调控器
[0054] 31取样端32调节端
[0055] 4, 4a，4b分时切换器4c，4d分时切换器
[0056] 41分时开关411输入端
[0057] 412输出端413受控端
[0058] 42逆止元件
[0059] 5处理器
[0060] 51，51a, 51b 擷取端 52, 52a, 52b 切控端
[0061] 52c, 52d切