大型电动车电池供应系统的制作方法
【专利摘要】一种大型电动车电池供应系统，包含：一电池组，其包含：一总汇流排，连接至少一负载；至少一电池串，这些电池串以并联的方式并联于该总汇流排。该电池串是由数个电池模块以串联的方式构成，其中该电池模块是由多个单体电池以串联或并联的方式构成；至少一DC to DC 电压转换器，用于将电池串侧不特定的电压转换成固定系统电压；本实用新型尚包含四大新颖特征：1.具有缓冲电池串，负责车辆启动及剎车的瞬间大电流。2.具有电压平衡控制系统，可平衡各个电池串的电压。3.具有数个DC to DC 电压转换器，用于调整每个电池串的输出电压维持成固定系统电压。4.具有单体电池侦测系统，可分别侦测出每个单体电池的状态，并发出异常讯号。
【专利说明】大型电动车电池供应系统
【技术领域】
[0001]本实用新型是有关于电池供应系统，尤其是一种可在现场更换单体电池且具备缓冲电池及电池组所形成的大型电动车电池供应系统。
【背景技术】
[0002]一般传统大型电动车锂电池系统的基本架构是由单体电池组成，由于单体锂电池的电压一般约在3.2V~4.2V之间，而大型电动车需要高电压驱动电机，其电压在576V~600V之间故需要大量的串联。且单体锂电池能量低，故需要大量并联。基于上述的情况，一套大容量的大型电动锂电池是由复杂且大量的串并联所形成。单体锂电池由于能量密度比高，有下列特性:1.基于工厂制造工艺，材料特性，环境状况，导致单体电池化学反应并无法完全相同。2.在实际使用中，由于安装位置温度差异，快速充/放电流，导致电池基板的特性改变。3.单体电池隔离膜因外力因素，导致漏电情况不一。
[0003]因此单体电池在使用一段时间后，电压及蓄电能量，会逐渐发生差异。在单体电池串并联形成电池模块后，当某单体电池电压及蓄电能量低于或高于其它电池时。电池模块内部将会形成回流，并发生电压不均衡。此现象若不改善(电压一致性)，当某一电池串的单体电池电压过高将会发生自己本身电池串率先充饱但其它电池串却无法充饱。当某一电池串的单体电池电压过低，在系统整组放电时，该电池串将会发生过放电状况，导致该单体电池将劣化并可能形成负载发热，而导致电池燃烧。
[0004]目前锂电池工厂，为了要符合用户使用习惯，大多依照客户的电压及容量的需求，先以单体电池串并成24V/48V@50AH/100AH的电池模块。再由电池模块串联成高电压的电池串。在依照电动车容量的需求，将数个电池串以直流汇流排进行并联后，形成电池组直接供应给电动车的电机。系统并安装了电池监视系统，监测电池模块的电压，随时检测电池模块电压的一致性，避免电池模块的特性不一而导致灾害。如此设计有下列优缺点:
[0005]优点:1.串并联工艺简单。2.电池监控器以电池模块为监测单元，监测数量大幅度减少，节约电池监控器数量成本。
[0006]缺点:1.电池模块内部由许多单体电池所串并联而成，电池监控器无法监测单体电池的状况。2.单体电池异常导致电池模块异常，虽然电池监视器监测异常，提醒更换，但由于电池已进行大量的串并联并形成巨大的能量，要把电池串中的电池模块更换相当不容易，且危险。3.且若当电池模块更新或修复异常单体电池，形成电池串后，由于电池串电压与直流汇流排电压不相等，故无法直接并联，必需通过电阻放电或其它方式将二端电压一致时，再并联，其过程非常繁琐。4.当更换某一单体电池后，由于新电池特性好，故在充电时容易形成电池串电压增高，但由于电池串是并联于直流汇流排，电池串电压无法增高，除形成电池串回流外，在此电池串中会持续影响到特性较差的电池，长久形成恶性循环，会间接的影响电池组的寿命。5.电池系统通过汇流排直接与电机连接，在车辆启动及刹车时，会有瞬间大放电电流及瞬间大回充电流，冲击电流对于锂电池的长期寿命是不好的状况。6.电池监测器侦测电池模块异常后，送回电池工厂，电池工厂必需拆解电池模块变成电池单元再逐一检验，更换异常单体电池后，再组合回电池模块，然而新旧单体电池串，特性无法控制，电池模块性能不易维持。7.汇流排电压会随着电池系统放电的情况逐一下降，其电压变动可尚达25%。
[0007]故本实用新型希望提出一种崭新的可以在现场更换单体电池且具备缓冲电能池及电池组所形成的大型电动车的电池供应系统，以解决先前技术上的缺陷。
实用新型内容
[0008]所以本实用新型的目的是为解决上述现有技术上的问题，提出一种可在现场更换单体电池且具备缓冲电池及电池组所形成的大型电动车电池供应系统，其优点在于利用缓冲电池串负责车辆启动及刹车的瞬间大电流，保护其他电池串(锂电池)，延长其他电池串寿命；电池串的每一个单体电池均监视，并进行平衡电路，确保任何时刻电池串中的单体电池均衡性；电池串通过直流双向DC to DC电压转换器再与总汇流排连接，各电池串可依照自己均衡电路的需求，调整串电压(不影响其它电池串)。
[0009]为达到上述目的本实用新型中提出一种可在现场更换单体电池且具备缓冲电池及电池组的大型电动车电池供应系统，包含:
[0010]一电池组，其包含:一总汇流排，包含两排线，分别为第一排线及第二排线，该第一排线及第二排线的极性相反，该两排线另外并联或串联至少一接受该电池组提供的电力的负载；至少一电池串，这些电池串以并联的方式并联于该两排线之间，该电池串是由数个电池模块以串联的方式构成，其中该电池模块是由多个单体电池以串联或并联的方式构成；至少一 DC to DC电压转换器各该DC (direct current，直流)to DC电压转换器连接于对应的第一排线及电池串之间并将电池串侧不特定的电压转换成第一排线侧的固定系统电压；关闭该DC to DC电压转换器时，该电池串脱离总汇流排；在充放电时，该DC to DC电压转换器对电池串独立进行充放电。
[0011]本实用新型尚包含四大新颖特征:1.具有缓冲电池串，负责车辆启动及刹车的瞬间大电流。2.具有电压平衡控制系统，可平衡各个电池串的电压。3.具有数个DC to DC电压转换器，用于调整每个电池串的输出电压维持成固定系统电压。4.具有单体电池侦测系统，可分别侦测出每个单体电池的状态，并发出异常讯号。
[0012]由下文的说明可更进一步了解本实用新型的特征及其优点，阅读时并请参考附图。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1显示本实用新型元件的结构方块图。
[0014]图2显示本实用新型元件的另一结构方块图，其中尚包含电压平衡控制系统。
[0015]图3显示本实用新型的电压平衡控制系统示意图。
[0016]图4显示本实用新型的单体电池侦测系统，应用于单体电池示意图。
[0017]图5显示本实用新型的单体缓冲电池侦测系统，应用于单体缓冲电池示意图。
[0018]【主要元件符号说明】
[0019]10电池串
[0020]11电池模块
[0021]12单体电池
[0022]13电压/电流测量器
[0023]14电压/电流测量处理器
[0024]15记忆体
[0025]16逻辑单元
[0026]17警报器及显示器
[0027]20缓冲电池串
[0028]21缓冲电池模块
[0029]22单体缓冲电池
[0030]30平衡电路汇流排
[0031]31正极排线
[0032]32负极排线
[0033]40平衡器
[0034]50电池串控制器
[0035]60通讯汇流排
[0036]100总汇流排
[0037]111电池模块控制器
[0038]200子汇流排
[0039]300负载
[0040]311正极次分线
[0041]312正极继电器
[0042]321负极次分线
[0043]322负极继电器
[0044]400DC to DC 电压转换器。
【具体实施方式】
[0045]兹谨就本实用新型的结构组成，及所能产生的功效与优点，配合图式，举本实用新型的一较佳实施例详细说明如下。
[0046]请参考图1至图5所示，显示本实用新型的一种可在现场更换单体电池且具备缓冲电池及电池组所形成的大型电动车电池供应系统，该电池系统可输出高伏特的电压，以供大型电动车使用(例如电动巴士)，目前实际使用上该高伏特的电压可为300V (伏特)、440V、576V、600V，本实用新型的电池系统包含下列元件:
[0047]—电池组，其包含:
[0048]一总汇流排100，包含两排线，分别为第一排线及第二排线，该第一排线及第二排线的极性相反，该两排线可以另外并联或串联至少一负载300，以将电池组的电力提供于该负载300。其中本文中以一并联的马达作为负载300，但此并不用于限制本实用新型的范围。
[0049]至少一电池串10，这些电池串10以并联的方式并联于该两排线之间。该电池串10由数个电池模块11以串联的方式构成。其中该电池模块11由为数极多的单体电池12以串联或并联的方式构成。
[0050]本实用新型主要具有下列四大新颖性特征:
[0051](一)具缓冲电池串20
[0052]其中该至少一电池串10包含至少一缓冲电池串20并联到该总汇流排100，该缓冲电池串20是由数个缓冲电池模块21以串联的方式构成。其中该缓冲电池模块21是由为数极多的单体缓冲电池22以串联或并联的方式构成，该单体缓冲电池22为铅酸电池、钛酸锂电池或超级电容的其中一种。
[0053]缓冲电池串20适合冲击电流(瞬间大容量充电/放电)的应用，瞬间冲击电流并不会急剧影响缓冲电池串20。所以当整个供电系统的负载300突然上升(如车辆启动或煞车时)而使得电流急剧增加时，该缓冲电池串20可以快速的提升所供应的电流以符合系统的需要。
[0054]其他电池串10 ( —般为锂电池所形成的电池串10，下文以锂电池作说明)并联到该总汇流排100 ;利用锂电池适合深循环充放电特性及能量密度比高的特性，因锂电池不适合冲击电流(瞬间大容量充电/放电)的应用。瞬间冲击电流会影响锂电池寿命，所以系统使用锂电池作为稳态电流时的供电电源，可以使得整个系统的寿命延长。
[0055]操作时，当系统的负载300突然上升(如车辆启动或煞车时)，该缓冲电池串20可快速提供所需的瞬间冲击电流，并与其他电池串10—起供电于该负载300。当该总汇流排100的电流供应达到一稳定值时，则以其他电池串10为主要供应电流源，此时该缓冲电池串20的电流供应比例会降低。
[0056]( 二)电压平衡控制系统
[0057]本实用新型尚包含至少一电压平衡控制系统，与该至少一电池串10结合运用，其包含:
[0058]一子汇流排200，其中该数个电池模块11以串联的方式连接该子汇流排200，该子汇流排200并联至该总汇流排100上。
[0059]一平衡器40，其具有电压平衡功能，连接该子汇流排200，用于平衡该电池串10中各个电池模块11的电压，以防止某些电池模块11的电压相对于其他电池模块11的电压过高或过低。
[0060]一平衡电路汇流排30，包含一正极排线31及一负极排线32。其中该正极排线31的一端连接该平衡器40的正输入端，而另一端则分成多个并联的正极次分线311。各该正极次分线311的末端连接到各个对应电池模块11的正极输出端。于对应的电池模块11内，各该正极次分线311包含一对应的正极继电器312，该正极继电器312可用于控制流经该正极次分线311的电流。
[0061]该负极排线32的一端连接该平衡器40的负输入端，而另一端则分成多个并联的负极次分线321。各该负极次分线321的末端连接到各个对应电池模块11的负极输出端。于对应的电池模块11内，各该负极次分线321包含一对应的负极继电器322，该负极继电器322可用于控制流经该负极次分线321的电流。
[0062]数个电池模块控制器111，其中各个该电池模块控制器111分别连接一对应的该电池模块11，可用于侦测各个对应的电池模块11在串联子汇流排200两端的电压；且该电池模块控制器111可用于控制该负极次分线321的负极继电器322及该正极次分线311的正极继电器312。该电池模块控制器111也可用于测量各个电池模块11的温度。
[0063]一电池串控制器50，可用于控制整个电池串10的电流，以达到各该电池模块11电压的平衡。该电池串控制器50通过一通讯汇流排60 (如RS-485、RJ-45及其他等通讯方式)并联各该电池模块11的电池模块11控制器。其中该电池串控制器50尚通过另一通讯汇流排60连接该平衡器40 ;该电池串控制器50尚控制每次操作时只有一个电池模块11的正极继电器312与负极继电器322会开启，其余皆会关闭。
[0064]操作时，各该电池模块控制器111测量各该电池模块11的电压，并将该电压传送回该电池串控制器50，由该电池串控制器50依据内定的逻辑决定电压与平均电压乖离过大的电池模块11，以便经由该平衡器40进行电流的平衡。其中该内定的逻辑可以使对所有电池模块11电压进行平均后，取该电池模块11电压与电压平均值的差值超过一预定的比例(如20%)，即认为乖离过大，所以必须进行电压平衡。
[0065]此时该电池串控制器50将须进行电压平衡的电池模块11报告该平衡器40，并通知该电池模块11的电池模块控制器111以连通该负极次分线321的负极继电器322及该正极次分线311的正极继电器312。而使得该电池模块11与平衡器40形成一连通的电流回路。
[0066](三)数个DCto DC电压转换器400
[0067]本实用新型尚包含数个DC to DC电压转换器400:
[0068]各该DC(direct current，直流)to DC电压转换器400是连接于对应的第一排线及电池串10之间，其中该缓冲电池串20并不串联该DC to DC电压转换器400，该DC toDC电压转换器400具有平衡各该电池串10的电压输出功能，用于将电池串10侧不特定的电压转换成第一排线侧的固定系统电压。
[0069]该DC to DC电压转换器400的作用在于:当系统运作时各个电池串10两端的电压并不会相等，因此在运转时，电压较低的电池串10将成为负载300而会吸收其余高电压电池串10的能量，使得总体电池的出力无法达到预期的目标值，长久下来将会减短电池的寿命。而该DC to DC电压转换器400则会使得每一电池串10的电压为固定系统电压，所以不会产生上述的负载300效应。
[0070]经由关闭该DC to DC电压转换器400，即可让该电池串10脱离总汇流排100，进行电池串10的整修工作，当总汇流排100短路时，由于个电池串10有DC to DC电压转换器400的隔离保护，因此应用上较为安全。
[0071]在充放电操作时，该DC to DC电压转换器400可对电池串10独立进行充放电，因此不同的电池串10彼此之间不会有互相干扰的情况发生，每个电池串10都是独立进行自己的充放电作业。
[0072](四)单体电池侦测系统
[0073]本实用新型尚包含单体电池侦测系统，各自与各该电池模块11连接，该单体电池侦测系统包含:
[0074]多个电压/电流测量器13，各电压/电流测量器13是用于测量所连接的对应一或数个单体电池12的输出电压/电流值，并且将电压/电流值向外传送。
[0075]一电压/电流测量处理器14，接收来自该多个电压/电流测量器13的测量值并加以汇总处理；
[0076]一记忆体15，内建于该电压/电流测量处理器14中，用于储存该电压/电流测量处理器14的数值；
[0077]该电压/电流测量处理器14包含一逻辑单元16，具有逻辑判断与运算功能，该逻辑单元16可依内定的逻辑判断出各该单体电池12是否正常运作，当该逻辑单元16判断出某个单体电池12的电压/电流异常时，会输出该单体电池12的异常资讯，以提醒维护人员更换该单体电池12。
[0078]一警报器及显示器17，连接该逻辑单元16，接收该单体电池12的异常资讯，并且于显示器中显示，而该警报器则会发出警告声响提醒操作或维护人员。
[0079]该单体电池侦测系统可独立侦测各个单体电池12的供电状态，因此可以快速找出故障的单体电池12进行替换，不需要将整个电池模块11拆卸下来，再逐一检查出故障的单体电池12，而且由于本实用新型尚有电压平衡控制系统，可平衡电池模块11的电压值，所以更换新的单体电池12后其电压会较高的问题可因此降到最低。
[0080]上述的单体电池侦测系统尚可应用于缓冲电池串20中，称为单体缓冲电池侦测系统，其不同之处在于该电池模块11为缓冲电池模块21，而该单体电池12为单体缓冲电池22，其余应用方式皆相同。
[0081]本实用新型的优点在于:1.利用缓冲电池串负责车辆启动及刹车的瞬间大电流，保护其他电池串(锂电池)，延长其他电池串寿命。由于缓冲电池串可能因为长期大量瞬间的充放电电流，导致寿命减少，可单独更换缓冲电池串，成本远比整组电池系统更换，具有降低成本。2.电池串的每一个单体电池均监视，并进行平衡电路，确保任何时刻电池串中的单体电池均衡性。3.电池串通过直流双向DC to DC电压转换器再与总汇流排连接，各电池串可依照自己均衡电路的需求，调整串电压(不影响其它电池串)。4.当侦测单体电池异常时，只要将直流双向DC to DC电压转换器关闭，即可脱离总汇流排，在现场进行电池串检修。当电池串的异常单体电池修复或更新后，虽然电池串电压与其它不同，但可轻易通过DC to DC电压转换器的隔离，并入总汇流排并On-Line，安全且容易维护。5.各电池串自行均衡控制，不受总汇流排电压干扰，均衡容易。6.在充电时，通过DC to DC电压转换器，可单独把电池串依照所需电压及电流充饱，不会因为全部并联后，因为别组电压串已达到高限而无法继续充电。在放电时，可持续把电池串电能通过DC to DC电压转换器转换到总汇流排，确保电池放电的容量。7.总汇流排短路时，由于各电池串有DC to DC电压转换器隔离，故短路能量较小，应用上较为安全。8.由于通过DC to DC电压转换器的隔离与转换，总汇流排电压变动率低，适合车上马达及电器的使用。9.大型电动车由于充电电压等级响应各个国家或地区法规不同而有所不同，对此通过DC to DC电压转换器可以适应各类不同的充电机电压。大型电动车采用本电池系统，不需要响应各地充电机电压或容量的需求，而更换电池系统设计。
[0082]综上所述，本实用新型的创新设计，相当符合实际需求。其具体改进现有缺失，相较于现有技术明显具有突破性的进步优点，确实具有功效的增进，且非易于达成。本实用新型未曾公开或揭露于国内与国外的文献与市场上，已符合专利法规定。
[0083]上列详细说明是针对本实用新型的一可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施或变更，均应包含于本实用新型的专利范围中。
【权利要求】
1.一种可在现场更换单体电池且具备缓冲电池及电池组的大型电动车电池供应系统，其特征在于包含: 一电池组，其包含: 一总汇流排，包含两排线，分别为第一排线及第二排线，该第一排线及第二排线的极性相反，该两排线另外并联或串联至少一接受该电池组提供的电力的负载； 至少一电池串，这些电池串以并联的方式并联于该两排线之间，该电池串是由数个电池模块以串联的方式构成，其中该电池模块是由多个单体电池以串联或并联的方式构成； 至少一DC to DC电压转换器，各该DC to DC电压转换器连接于对应的第一排线及电池串之间并将电池串侧不特定的电压转换成第一排线侧的固定系统电压；关闭该DC to DC电压转换器时，该电池串脱离总汇流排；在充放电时，该DC to DC电压转换器对电池串独立进行充放电。
2.如权利要求1所述的可在现场更换单体电池且具备缓冲电池及电池组的大型电动车电池供应系统，其特征在于:该至少一电池串尚包含至少一缓冲电池串并联到该总汇流排，该缓冲电池串是由数个缓冲电池模块以串联的方式构成，其中该缓冲电池模块是由多个单体缓冲电池以串联或并联的方式构成，该单体缓冲电池为铅酸电池、钛酸锂电池或超级电容的其中一种。
3.如权利要求1所述的可在现场更换单体电池且具备缓冲电池及电池组的大型电动车电池供应系统，其特征在于:尚包含至少一电压平衡控制系统，与该至少一电池串结合，其包含: 一子汇流排，其中该数个电池模块以串联的方式连接该子汇流排，该子汇流排连接至该总汇流排上； 一具有电压平衡功能的平衡器，其连接该子汇流排并平衡该电池串中各个电池模块的电压； 一平衡电路汇流排，包含一正极排线及一负极排线，其中该正极排线的一端连接该平衡器的正输入端，而另一端则分成多个并联的正极次分线；各该正极次分线的末端连接到各个对应电池模块的正极输出端；于对应的电池模块内，各该正极次分线包含一对应的用于控制流经该正极次分线的电流的正极继电器； 该负极排线的一端连接该平衡器的负输入端，而另一端则分成多个并联的负极次分线，各该负极次分线的末端连接到各个对应电池模块的负极输出端；于对应的电池模块内，各该负极次分线包含一对应的用于控制流经该负极次分线的电流的负极继电器； 数个电池模块控制器，其中各个该电池模块控制器分别连接一对应的该电池模块并侦测各个对应的电池模块在串联子汇流排两端的电压及/或测量各个电池模块的温度；且该电池模块控制器连接负极次分线和正极次分线并控制该负极次分线的负极继电器及该正极次分线的正极继电器； 一用于控制整个电池串的电流以达到各该电池模块电压的平衡的电池串控制器，该电池串控制器通过一通讯汇流排并联各该电池模块的电池模块控制器并控制每次操作时只有一个电池模块的正极继电器与负极继电器会开启其余皆会关闭，其中该电池串控制器尚通过另一通讯汇流排连接该平衡器。
4.如权利要求1所述的可在现场更换单体电池且具备缓冲电池及电池组的大型电动车电池供应系统，其特征在于:尚包含单体电池侦测系统，各自与各该电池模块连接，该单体电池侦测系统包含: 多个电压/电流测量器，各电压/电流测量器连接对应的一或数个单体电池并用于量测所连接的对应一或数个单体电池的输出电压/电流值，具有将电压/电流值向外传送的传送端； 一电压/电流测量处理器，与该多个电压/电流测量器连接并接收来自该多个电压/电流测量器的测量值并加以汇总处理； 一记忆体用于储存该电压/电流测量处理器的数值； 该电压/电流测量处理器包含一具有逻辑判断与运算功能并依内定的逻辑判断出各该单体电池是否正常运作的逻辑单元，具有供输出该单体电池的异常资讯的输出端。
5.如权利要求2所述的可在现场更换单体电池且具备缓冲电池及电池组的大型电动车电池供应系统，其特征在于:尚包含单体缓冲电池侦测系统，各自与各该缓冲电池模块连接，该单体缓冲电池侦测系统包含: 多个电压/电流测量器，各电压/电流测量器与对应的一或数个单体缓冲电池连接并用于测量所连接的对应一或数个单体缓冲电池的输出电压/电流值，具有将电压/电流值向外传送的传送端； 一电压/电流测量处理器，与该多个电压/电流测量器连接并接收来自该多个电压/电流测量器的测量值并加以汇总处理； 一记忆体用于储存该电压/电流测量处理器的数值； 该电压/电流测量处理器包含一具有逻辑判断与运算功能并依内定的逻辑判断出各该单体缓冲电池是否正常运作的逻辑单元，具有供输出该单体缓冲电池的异常资讯的输出端。
6.如权利要求4所述的可在现场更换单体电池且具备缓冲电池及电池组的大型电动车电池供应系统，其特征在于:尚包含一警报器及显示器，该显示器连接该逻辑单元接收该单体电池的异常资讯并且于显示器中显示，而该警报器连接该逻辑单元接收该单体电池的异常资讯并且发出警告声响提醒操作或维护人员。
7.如权利要求5所述的可在现场更换单体电池且具备缓冲电池及电池组的大型电动车电池供应系统，其特征在于:尚包含一警报器及显示器，该显示器连接该逻辑单元接收该单体缓冲电池的异常资讯并且于显示器中显示，而该警报器连接该逻辑单元接收该单体电池的异常资讯并且发出警告声响提醒操作或维护人员。
【文档编号】B60R16/04GK204230982SQ201420768651
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月9日 优先权日:2014年12月9日
【发明者】李坤锺 申请人:健格科技股份有限公司, 李坤锺