专利名称：具强制放电组件的储能电源供应/放电系统及操作方法
具强制放电组件的储能电源供应/放电系统及操作方法
技术领域：
本发明是关于一种用以使电池包退役的放电系统，尤其是但不局限于提供一种从用于马达车辆、太阳能量储存装置或电网储存应用中的电池包进行能量排竭的安全方法。
背景技术：
由于石油供应递减以及碳排放课题的关注，对于电动车的需求日益提高。具备未来发展潜力的解决方案包括纯电力以及混合电力或燃料电池式的马达车辆。各项解决方案皆需要具有大能量含量的电池包，此含量通常由用于小型混合电动车辆的9KWh乃至于用于EV巴士的300KWh。然当此载具因意外或损坏无法修复而退役时，电池包内仍储存有显著能量。此外，热能管理系统可能受损到无法再保护电池芯的程度。对于牵涉到意外事件的载具，载具冲撞可能会对电池机壳造成损害。有些电池芯也可能已经受损。现已知电池芯在受到冲撞损害之初至发生短路之间具有极长的递延时间。已有报告中指出电池包在冲撞研究进行三周之后导致载具发生火灾。故而希望能够具有一种电池放电系统以利安全地排竭所存能量，藉此确保电池包退役的安全性。图2显示一种典型的电池模组100，其中具有经串联的5颗电池芯101到105。典型的电池系统可能拥有20个彼此串联这种模组，或是拥有总共100颗彼此串联电池芯。就带有锂铁磷酸盐技术的电池芯而言，各个电池的输出电压约为3.2伏特。此电池系统在其正极与负极端子108、109之间总共具有320伏特。电池芯可能是由单一个100安培-小时方形电池所建构，或是由各具有2安培-小时容量且并联连接的50个较小圆柱形式电池所构成的串列所建构。当完全充饱电力时，此电池包内所含有的总能量为32KW-小时，足可提供小型电动车行驶100公里的动力。然当此载具遭遇到意外事件时，所含的高能量可能会被引生火花从而造成载具起火燃烧，或者底盘短路导致对人员与救援工作的电击，或是并无即时反应而直到数周之后当一或更多受损电池出现短路而以冒烟、起火或电击危险形式释放能量。所以希望能够在这种意外事件之后排竭电池能量。现有技术解决方案是采取将电阻器集库(resistor bank)等外部负载连接至电池端子，以排竭所存能量。不过,假使电池电路受损，例如在电池芯102及103之间出现断路，则整个电路变成断路，而外部解决方案无法发生作用。另一种情境是电池包为完全充饱电力，但其一电池，如104，因冲撞损害而接近无电力(或低充电状态)或是充电不平衡。当将外部电阻器集库与电池系统相连接时，电池104电阻值会因在低充电状态下的电池化学性而非常快速地提高，并且阻碍其他电池的能量排竭至该电阻器集库。故而希望寻求一种能够高成功机率地以受控方式从受损电池包排竭能量的安全解决方案。也希望寻求一种能够在发生意外事件之后尽快从受损电池包进行能量排竭的自动解决方案。希望能够在意外事件之后自动地且安全地立即排竭所存能量，藉以将对于乘客和救援工作人员的安全性风险降至最低。 也希望减少电池包中所储存的能量，藉以对于退役电池包的运送人员以及存放退役电池包的仓库的保全人员提供操作安全性。
发明内容本发明揭示一种电池放电系统，其包括具有低输入电压的控制器机板，以及多个跨设于电池阵列上的切换放电构件。该电池放电系统可人工启动，或是基于外部感测器感测到如载具撞击、载具火灾或者载具翻覆或载具落水等触发条件而被自动启动。因此，本发明提供一种具有强制放电机制的电池式电源供应组件。该电源供应组件包括一放电启动装置，以及多个彼此电性连接的电池模组。该等电池模组各包括多个彼此电性连接的电池芯；至少一个串接上述电池芯的放电负载；至少一个耦接于上述电池芯与上述至少一个放电负载间的开关；以及至少一个适于在受上述放电启动装置通知时使上述开关导通的控制器。本发明进一步提供一种电动车用电源组件的强制放电方法。该电源供应组件包括一放电启动装置，以及多个彼此电性连接的电池模组。该等电池模组各包括多个电池芯、一个串接于上述电池芯的放电负载、一个耦接于上述电池芯与上述放电负载间的开关、一个温度感测器及一个适于受上述放电启动装置通知时使上述开关导通的控制器。本发明放电方法包括下列步骤:a)由上述控制器接收来自于上述放电启动装直的启动放电讯号；b)由上述控制器接收上述温度感测器所度量的电池模组的温度，并确认该温度低于一个预定安全门槛；以及c)指令上述开关导通形 成回路，让上述电池模组中的上述电池芯经由上述放电负载释放电能。在较佳具体实施例里，前述步骤c)更包括下列次步骤:Cl)指令上述开关导通形成回路，让上述电池模组中的上述电池芯经由该对应放电负载释放电能达一个预定时间；c2)检测上述电池模组储存电能状态；以及c3)当上述电池模组的电能还高于一个危险门槛时，回复至步骤b)。自后文详细说明，且并同参照说明书附图，将随能显知所述的本发明具体实施例的前揭与其他特性及优点。
图1为一电池放电系统的较佳具体实施例。图2为典型电池模组的电路图。图3为一电池放电系统的较佳具体实施例。图4为描绘该放电系统的较佳操作方法的处理程序图。主要元件符号说明10、20、30 电池模组40感测器100电池模组101、102、103、104、105 电池芯108、109 端子111、112、113、114、115 电池芯
116、216温度感测器117、217、316、317 控制器118、119、218、219 模组端子121、122、123、124、125 开关131、132、133、134、135 负载211、212、213、214、215 电池芯221、222、223、224、225 开关231、232、233、234、235 负载311、312、313、314、315 电池芯321、322、323、324、325 开关331、332、333、334、335 负载341、342、343、344、345 控制器351、352、353、354、355、356 外部端子
具体实施方式兹提供后文说明以供熟 谙本领域技术的人士能够制作并运用本发明，并且是按特定应用项目及其要求的情境所提供。熟谙本领域技术的人士将会明显知悉对本发明所述范例进行的各种修改和变化，并且本发明定义的原理可适用于其他具体实施例及应用项目而不致背离本发明的精神与范畴。因此，本发明不欲受限于具体实施例，而应为根据符合于本文所揭示的原理、特性与教示的最广范畴。图1显示本发明的一个较佳具体实施例。举例而言，开关121和负载131跨接于各个彼此串联的电池芯111。电池模组10由5颗这种经串联的电池芯111-115所组成。一如低电力的控制器117跨接于模组端子118、119，以供操作。由于控制器117的电压需求低，因此即使是5颗串联电池中有4颗发生短路，单一个电池电压亦能供应必要的电力以供控制器117运作。开关121、122、123、124、125是由控制器117所控制。当这些开关关闭时，电池芯111-115会经由它们的个别负载131-135而放电。虽未以图示，但控制器117对电池芯111-115两端的电压进行监视。在靠近电池芯处设置有温度感测器116。相类似地，另一组对应的电池模组20，也是经由电池芯211-215及开关221-225的开关而经个别负载231-235 放电。控制器117及其周边电路(未图示)收纳在一强固机壳内，其具有高机率存活于因撞击事件所产生的冲击和震动，并且能够在水中安全地运作。亦设有一连接至控制器117的感测器40，其发出讯号以通知出现某项事件且所有电池芯皆必须放电。用于侦测出发生撞击、翻滚、流水侵入、起火、烟雾和其他灾难性事件的感测器40是位在车内，并且连接至模组10内的控制器117、模组20内的控制器217以及电池系统内所有其他模组里的控制器。当发生撞击事件时，各个模组内的控制器能够予以侦得，并且运作使各个模组内的电池芯放电。设置单一开关，即「恐慌按键」，能够予以按压以启动整个电池包的放电作业可具有实用性。在撞击事件里，可能有一些电性连接会出现损坏，从而导致受影响电路无法运作。在本较佳具体实施例里，电池包是由20个不同储能模组所组成，而各模组具备其本身的放电控制器。多数的模组电子元件将能存活于撞击事件，并且在控制下进行电池芯放电。部份的控制器，如117及217，可能受损而无法发挥功能，抑或是它们的电力连接切断而使得它们无法运作。如图1所示，模组端子118、119、218、219被导引至一简便位置处，而救援工作者能够在此处连接外部负载以启动放电。控制器117可监视来自于温度感测器116的温度读数，藉以决定是否能够安全地进行放电操作。开关121-125可以由双极电晶体(BJT)、场效电晶体(FET)或是任何其他能够执行切换操作的已知装置所组成。负载131-135可以由能够在电流传导经过时消散电力的任何类型电阻构件所组成。撞击感测器可以由三轴加速计(triaxial accelerometers)所组成，或是来自于由安全气囊启动所导出的讯号。事件感测器资讯亦可位于车内的其他位置处，并且经由如Canbus、I2C汇流排、RS-232汇流排的通讯链结传送至各个控制器。在本例中，像是弓I擎起火、舱内起火等灾难性事件亦可触发电池放电作业。图3显示本发明的另一较佳具体实施例。举例而言，开关321和负载331跨接于各个彼此串联的电池芯311。电池模组30由5颗这种经串联的电池芯311-315所组成。低电力的控制器341跨接于外部端子351、352，以供控制器341运作。由于控制器341的电压需求低，因此单一电池电压即可供应必要的电力以供其运作。开关321-325是由它们个别的控制器341-345所控制。当这些开关被关闭时，电池芯311-315会经由它们个别的负载331-335而放电。虽未以图示，但控制器341-345对位于电池芯311-315两端的电压进行监视。控制器341-345及其周边电路(未以图示)容纳在一或更多个强固机壳内，其具有高机率存活于因撞击事件所产生的冲击和震动，并且能够在水中安全地运作。图中亦未显示被连接至所有控制器341-345的感测器，其发出讯号以通知出现某项事件且电池必须进行放电。用于侦测出发生撞击、翻滚、流水侵入、起火、烟雾和其他灾难性事件的感测器是位在车内，并且连接至模组30内的控制器341-345以及电池系统内所有其他模组里的控制器。当发生撞击事件时，各个模组内的控制器能够予以侦得并且运作以使各个模组内的电池芯放电。在撞击事件里，可能有一些电性连接会出现损坏，从而导致受影响的电路无法运作。在本较佳具体实施例里，电池由20个不同模组所组成，而各模组具备5个独立的放电控制器。多数的模组电子元件将能够在撞击事件中存活，并且在其控制下使电池芯放电。部份的控制器，如341及345，可能受损而无法发挥功能，或是它们的电力连接切断而使得无法运作。如图3所示，外部端子351-356系导引至一简便位置处，而救援工作者能够在此处连接外部负载以启动放电。可将指示器设置在外部端子(未图示)附近，藉以对救援工作人员显示各对端子内的剩余电力百分比。经显示，低电力的温度感测器316、317是由外部端子351与356之间的串联堆叠所供电。它们亦可由其他装置供电。两个温度感测器将分开且备援的读数提供给控制器341-345，藉以决定是否能够安全地进行放电作业。开关321-325可以由双极电晶体(BJT)、场效电晶体(FET)或是任何其他能够执行切换操作的已知装置所组成。负载331-335可以由能够在电流传导经过时消散电力的任何类型电阻构件所组成。图4显示该放电系统的较佳操作方法的处理程序图。控制器适于从一放电启动装置接收放电启动信号，举例而言，该放电启动装置可以是一个被连接至可按压而启动放电的恐慌按键的自动中央处理单元，或是一或更多个用以侦测触发条件的感测器。当控制器透过感测器或恐慌按键侦测到应该开始进行放电操作时，控制器即启动步骤401。在步骤402中，控制器评估模组内的温度是否可供安全地进行放电作业。如果温度高于预定时，则如步骤405打开开关，只有当温度足够低而可安全地进行放电作业时，才如步骤403，控制器才会关闭开关以进行放电。在模组10内的控制器117可选择同时关闭所有的开关121-125以启动电池111-115的放电，或是一次仅关闭部份的开关以避免温度上升超过限值。在等待一段设定时间404之后，才打开开关，并且如步骤406，对各个电池内剩余的电量或充电状态(state of charge ；S0C)进行测量。若SOC高于安全限值，则程序前进到步骤402并重复进行该程序。若SOC位于安全限值，则持续打开开关，并结束程序于407。本具体实施例并不具有穷举或限制性质，例如本发明所述电池芯并非局限于狭义的电池，亦可采用例如超级电容等具备储能功效的储能元件。此外，上述的安全防护不仅限于上述设置有多组储能模组的新能源车辆，即使在其他应用电能的多模组储能系统，以及运送上述储能系统时的安全防护，都可以藉由本发明所揭示的结构达成安全防护功效，故上述各实施例仅为说明之用，本发明的实际范围是依权利要求书范围所限。
权利要求
1.一种具强制放电组件的储能式电源供应/放电系统，其包括一放电启动装置和多个彼此电性连接的储能模组，前述储能模组各包括:多个彼此电性连接的储能元件；至少一个串接上述储能元件的放电负载；至少一个耦接于上述储能元件与上述至少一个放电负载间的开关；以及至少一控制器，其适于在受上述放电启动装置通知时使上述开关导通。
2.如权利要求1所述的具强制放电组件的储能式电源供应/放电系统，其中上述储能模组各进一步包括至少一个供感测上述储能元件温度，并传输至上述控制器的温度感测器。
3.如权利要求1所述的具强制放电组件的储能式电源供应/放电系统，其中该放电启动装置包括一撞击感测器。
4.如权利要求1所述的具强制放电组件的储能式电源供应/放电系统，其中该放电启动装置是一自动中央处理单元。
5.如权利要求1所述的具强制放电组件的储能式电源供应/放电系统，其中上述电池模组经电性连接到至少一共同外接接头。
6.如权利要求1、2、3、4、或5所述的具强制放电组件的储能式电源供应/放电系统，其中上述储能模组分别为一个电池模组，以及上述储能元件分别为一个电池芯。
7.一种电动车用电源组件的强制放电方法，其中该电源组件包括一放电启动装置及多个彼此电性连接的电池模组，上述电池模组各包括多个电池芯、一个串接于上述电池芯的放电负载、一个耦接于上述电池芯与上述放电负载间的开关、一个温度感测器及一个适于受上述放电启动装置通知时使上述开关导通的控制器，该放电方法包括下列步骤: a)由上述控制器接收来自于上述放电启动装置的启动放电讯号； b)由上述控制器接收上述温度感测器所度量的电池模组的温度，并确认该温度低于一个预定安全门槛；以及 c)指令上述开关导通形成回路，让上述电池模组中的上述电池芯经由上述放电负载释放电能。
8.如权利要求7所述的方法，其中该步骤c)更包括下列次步骤: Cl)指令上述开关导通形成回路，让上述电池模组中的上述电池芯经由该对应放电负载释放电能达一个预定时间； c2)检测上述电池模组储存 电能状态；以及 c3)当上述电池模组的电能还高于一个危险门槛时，回复至步骤b)。
全文摘要
本发明揭示一种具有强制放电组件的储能式电源供应放电系统。该系统包括放电启动装置，以及多个相互电性连接的电池模组。该等电池模组各包括多个电池芯；一个串接于上述电池芯的放电负载；一耦接于上述电池芯与上述放电负载之间的开关；一温度感测器；以及一适于受上述放电启动装置通知时使上述开关导通的控制器。本发明进一步提供一种用以从本发明电源供应组件排竭能量的安全方法。
文档编号H01M10/44GK103219757SQ201210297799
公开日2013年7月24日 申请日期2012年8月21日 优先权日2012年1月20日
发明者庄嘉明, 理查德·J·比斯库普 申请人:庄嘉明, 理查德·J·比斯库普