电池管理系统及应用其的电池系统的制作方法

本发明涉及一种电池管理系统及应用其的电池系统。

背景技术：

电池系统已广泛地被应用在各类电动车、不断电系统以及相关的储能装置等。电池系统可对电池进行管理，以避免对电池过度充/放电或过热等异常事件发生。

传统上，电池系统系集中处理、存储来自各电池组的信息。然而，随着系统中电池组的数量增多，相关处理电路的运算量将大幅增加，且当部分电池组被更换，将需耗费相当的时间及人力成本以重新更新整体电池组的信息，使得系统更新维护不易。

因此，如何提出一种便于管理、维护的电池系统，乃目前业界所致力的课题之一。

技术实现要素：

本发明提出一种电池管理系统及应用其的电池系统，其采用模块化的架构分散测量、分散处理不同电池组的电池信息，由此降低系统中主控电路的运算量，并简化更换电池组的复杂度，进而提升系统的可维护性。

根据本发明的一实施例，提出一种电池系统，其包括单元电池模块、电流电量检测电路以及主控电路。单元电池模块包括电池组以及单元电池管理电路。电池组用以储存电能。单元电池管理电路依据系统电流值、系统电量值、电池组的电压值以及电池组的温度值计算电池组的电池信息。电流电量检测电路耦接单元电池模块，其依据流经电池组的电流产生系统电流值，并对系统电流值进行积分以产生系统电量值，以及将系统电流值以及系统电量值发送至单元电池模块。主控电路耦接单元电池模块，其自 单元电池模块接收电池信息，并依据电池信息产生系统电池信息以提供至外部装置。

根据本发明的一实施例，提出一种电池管理系统，其适于管理电池组的信息。电池管理系统包括单元电池管理电路、电流电量检测电路以及主控电路。单元电池管理电路依据系统电流值、系统电量值、电池组的电压值以及电池组的温度值计算电池组的电池信息。电流电量检测电路耦接单元电池管理电路，其依据流经电池组的电流产生系统电流值，对系统电流值进行积分以产生系统电量值，并将系统电流值和系统电量值发送至单元电池管理电路。主控电路耦接单元电池管理电路，其自单元电池管理电路接收电池信息，并依据电池信息产生系统电池信息以提供至外部装置。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

附图说明

图1是依据本发明一实施例的电池系统100的方块图。

图2是依据本发明一实施例的单元电池模块mi的方块图。

图3是依据本发明一实施例的平衡控制电路212的方块图。

图4是依据本发明一实施例的平衡控制电路212的方块图。

图5是图1的主控电路108的方块图的一例。

图6是图1的电流电量检测电路106的方块图的一例。

【符号说明】

100：电池系统

102_1～102_n、102_i：电池组

104_1～104_n、104_i：电池管理电路

106：电流电量检测电路

108：主控电路

110：外部装置

112：电流传感器

114：主电流开关

m1～mn：单元电池模块

i：系统电流值

q：系统电量值

v1～vn、vi：电压值

t1～tn、ti：温度值

bi1～bin、bii：电池信息

p+、p-：电力输出输入端

el：紧急通报线

sbi：系统电池信息

202：测量电路

204：第一隔离通信电路

206：运算控制电路

208：存储电路

210：供电单元

212：平衡控制电路

b1～bk：电池

304：储能装置

306：开关阵列

308：外部电源

404：放电器

s1：第一充电开关

s2：第二充电开关

s3：第一放电开关

s4：第二放电开关

eqbus：充放电总线

502：第二隔离通信电路

504：主运算控制电路

506：第三隔离通信电路

508：主电源转换器

510：主程序存储电路

512：计时与唤醒电路

514：开关控制电路

516：数据存储电路

602：第四隔离通信电路

604：电流电量运算电路

606：信息存储电路

608：电源转换器

610：程序存储电路

612：电流传感与保护电路

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

在本文中，参照所附图式仔细地描述本发明的一些实施例，但不是所有实施例都有表示在图示中。实际上，这些发明可使用多种不同的变形，且并不限于本文中的实施例。相对的，本发明提供这些实施例以满足应用的法定要求。图式中相同的参考符号用来表示相同或相似的元件。

图1是依据本发明一实施例的电池系统100的方块图。电池系统100主要包括一或多个单元电池模块m1～mn(n为正整数)、电流电量检测电路106以及主控电路108。

每一单元电池模块m1～mn包括各自的电池组以及单元电池管理电路。如图1所示，单元电池模块m1包括电池组102_1及电池管理电路104_1；单元电池模块m2包括电池组102_2及电池管理电路104_2；单元电池模块mn包括电池组102_n及电池管理电路104_n。单元电池模块m1～mn例如为依序串接，也就是说，各电池组102_1～102_n的电流线串接，且各单元电池管理电路104_1～104_n的信号线串接。一般而言，可将电池系统100中不包含电池组(如102_1～102_n)的整体电路组件视为一电池管理系统(batterymanagementsystem，bms)，用以管理、处理各电池组的信息。

电池组102_1～102_n用以储存电能。各单元电池管理电路104_1～104_n可依据系统电流值i、系统电量值q、对应电池组102_1～102_n的电压值v1～vn以及对应电池组102_1～102_n的温度值 t1～tn计算对应电池组102_1～102_n的电池信息。系统电流值i例如代表流经串接电池组102_1～102_n的电流，而基于电流与电量之间的关系式：q＝∫i·dt，系统电流值i对时间t作积分可获得系统电量值q，以表示整体电池组102_1～102_n的总电量。

由于估测电池状态所需的信息大多基于电流、电量、电压及温度四种参数，故各单元电池模块m1～mn在取得上述四种参数的信息后，即可通过运算产生所需的电池信息。举例来说，单元电池管理电路104_1可依据系统电流值i、系统电量值q、电池组102_1的电压值v1以及电池组102_1的温度值t1计算电池组102_1的电池信息bi1；单元电池管理电路104_2可依据系统电流值i、系统电量值q、电池组102_2的电压值v2以及电池组102_2的温度值t2计算电池组102_2的电池信息bi2；单元电池管理电路104_n可依据系统电流值i、系统电量值q、电池组102_n的电压值vn以及电池组102_n的温度值tn计算电池组102_n的电池信息bin。各电池信息bi1～bin例如包括对应电池组的残电量、劣化容量、内阻以及健康状态至少其中之一。

电流电量检测电路106耦接各单元电池模块m1～mn，可依据流经各电池组102_1～102_n的电流产生系统电流值i，并对系统电流值i进行积分以产生系统电量值q，再将系统电流值i以及系统电量值q发送至各单元电池模块m1～mn。举例来说，电流电量检测电路106可经由一通信总线将系统电流值i以及系统电量值q广播(broadcast)至各单元电池模块m1～mn。通信总线可以是控制器局域网络(controllerareanetwork，can)总线、互连式局域网络(localinterconnectnetwork，lin)总线、集成电路间(inter-integratedcircuit，i2c)总线、rs485总线等。在一实施例中，电流电量检测电路106可内建于主控电路108。又一实施例中，电流电量检测电路106可通过一独立于主控电路108的电路来实现。

主控电路108对外主要负责产生电池系统100的代表数据并与外部装置110沟通以收发相关数据与控制指令，对内则是负责与各单元电池模块m1～mn间的沟通，例如接收各单元电池模块m1～mn回传的相关数据，并将其转换成电池系统100的代表数据。如图1所示，主控电路108耦接各单元电池模块m1～mn，其接收各单元电池模块m1～mn对应的电池信 息bi1～bin，并依据电池信息bi1～bin产生系统电池信息sbi以提供至外部装置110。举例来说，主控电路108在接收各单元电池模块m1～mn回传的最高、最低电压、温度、残电量、劣化容量、保护状态等相关电池信息bi1～bin后，将经由运算以取得整体电池系统100的系统电池信息sbi，例如系统温度、电压、残电量等。外部装置110例如是马达、仪表板、充电器或其他耗能装置，可响应系统电池信息sbi调节其耗能状态。

在一实施例中，电池系统100还包括电流传感器112。电流传感器112与单元电池模块m1～mn串接(例如与电流线串接)，并耦接至电流电量检测电路106。电流传感器112用以测量流经单元电池模块m1～mn的电池组102_1～102_n的电流，以供电流电量检测电路106取得系统电流值i。电流传感器112可例如以比流器(currentshunt)、霍尔传感器或其他可检测电流的传感元件来实现。在一实施例中，电流传感器112可整合至电流电量检测电路106当中。

在一实施例中，电池系统100还包括主电流开关114。主电流开关114受控于主控电路108，可选择性地导通或切断电池系统100的充放电路径，以避免电池系统100内的电池因过度充/放电等异常状况而损坏。主电流开关114可设置于电池系统100的输出路径上正负极的任一位置，例如设置在电力输出的正端(p+)或负端(p-)，如图1是以摆放在p+位置为例，但本发明并不以此为限。

当单元电池管理电路(如104_1)检测到对应电池组(如102_1)的电压值(如v1)符合一电压警示条件(如电压高过警戒值或其他电压异常变化)，或检测到对应电池组的温度值(如t1)符合一温度警示条件(如温度高过警戒值或其他温度异常变化)，单元电池管理电路(如104_1)将经由通信总线(如can/lin/i2c/rs485总线等)对主控电路108发送警示信号，使主控电路108关闭主电流开关114以切断电池系统100的充放电路径。一般而言，警示信号在通信总线上相较于其他数据传输会被赋予较高的优先次序(priority)，以实时通报主控电路108异常状况。

另一方面，主控电路108亦可直接通过电流电量检测电路106取得系统电流值i以及系统电量值q，并于检测到系统电流值i符合一电流警示条件(如电流高过警戒值或其他电流值异常变化)，或是检测到系统电量值 q符合一电量警示条件(如电量高过警戒值或其他电量异常变化)时，主动关闭主电流开关114以切断充放电路径。

在一实施例中，单元电池管理电路104_1～104_n亦经由紧急通报线el耦接至主控电路108。当单元电池管理电路(如104_1)发现无法通过通信总线对主控电路108发送警示信号，单元电池管理电路将致能紧急通报线el，使主控电路108关闭主电流开关114以切断充放电路径。致能紧急通报线el的方式可例如通过改变紧急通报线el电压的方式来实现，像是拉高/拉低紧急通报线el的电压、施加脉冲等。借助紧急通报线el，单元电池管理电路104_1～104_n在通信总线传输机制失灵时仍可有效地通知主控电路108进行断电，以强化系统保护机制。

在一实施例中，电池系统100还包括外部电源116。外部电源116例如是12伏特的铅酸电池或其他独立的低压直流电源，用以对主控电路108及单元电池管理电路104_1～104_n中的部分电路进行供电。

图2是依据本发明一实施例的单元电池模块mi的方块图。单元电池模块mi例如是图1中单元电池模块m1～mn的其中之一者，即，1≤i≤n。

单元电池模块mi包括电池组102_i以及单元电池管理电路104_i。单元电池管理电路104_i主要包括测量电路202、第一隔离通信电路204、运算控制电路206以及存储电路208。

测量电路202例如包括电压传感器以及温度传感器，用以测量电池组102_i的电压值vi及温度值ti。

第一隔离通信电路204可作为单元电池模块mi对外收发信息的通信模块，例如接收来自电流电量检测电路106的系统电流值i以及系统电量值q，并将其传输至运算控制电路206。单元电池模块mi亦可通过第一隔离通信电路204与其他单元电池模块(如mi+1)进行信息传递。在一实施例中，第一隔离通信电路204例如由磁耦合元件或光耦合元件来实现，达到隔离模块内外两端的电压位准并传递数据信号。

运算控制电路206可依据电压值vi、温度值ti、系统电流值i以及系统电量值q计算单元电池模块mi中电池组102_i的电池信息bii。运算控制电路206例如是微处理器、微控制器、特定目的应用电路或其他运算处理电路。运算控制电路206可对单元电池模块mi内的电池组102_i进行 实时电池信息估测算法运算，以取得电池的残电量、劣化容量、内阻、健康状态等相关电池信息bii。运算结果(如电池信息bii)将存储于单元电池模块mi内建的存储电路208。存储电路208可以是任一形式的非挥发性存储体。

在一实施例中，单元电池管理电路104_i还包括供电单元210。供电单元210例如是一直流-直流转换器，可将电池组102_i所储存的电能转换为单元电池模块mi内部各功能电路的电力来源。举例来说，当第一隔离通信电路204需要两组电源以正常运作，第一隔离通信电路204一端的电源可由供电单元210供应，另外一端则可由主控电路108(例如主控电路中的主电源转换器)供应。

在一实施例中，单元电池管理电路104_i还包括平衡控制电路212，可依据电池信息bii选择性地对电池组102_i中的一或多个目标电池进行充放电，以平衡整体电压。举例来说，平衡控制电路212可借助通信方式取得单元电池模块mi内最高、最低电压、温度等电池信息bii，并依照电池信息bii通过运算控制电路206进行平衡控制逻辑的运算，再依据运算结果控制的平衡控制电路212中的开关阵列，以选择性地对电池组102_i中的一或多个电池进行充放电。

为帮助了解本发明实施例的平衡控制电路的运作机制，以下分别搭配图3及图4进行说明。

图3是依据本发明一实施例的平衡控制电路212的方块图。平衡控制电路212耦接电池组102_i，其中电池组102_i包括一或多个电池b1～bk(k为正整数)。电池组102_i可以是图1中电池组102_1～102_n中任一者所组成的电池串，但本发明并不以此为限。在图3的例子中，平衡控制电路212系通过充电机制使整体电压达到平衡。

平衡控制电路212包括储能装置304以及开关阵列306。储能装置304为一个类似行动电源的可充电及放电的装置。开关阵列306耦接于电池b1～bk，用以使电池b1～bk中的至少一目标电池选择性地电性耦接至充放电总线eqbus(例如将目标电池的正、负端与充放电总线eqbus相接)。储能装置304借助第一充电开关s1与第一放电开关s3耦接于充电总线eqbus，第一充电开关s1与第一放电开关s3系控制储能装置304与开关 阵列306之间是否导通，储能装置304借助第二充电开关s2耦接于外接的外部电源308，第二充电开关s2系控制储能装置304与外部电源308之间是否导通。

当第一放电开关s3为导通，储能装置304将进行放电而对连接至充放电总线eqbus的目标电池进行充电，以提升目标电池的电压。相反地，若希望目标电池对储能装置304充电时，则导通第一充电开关s1，使挂载于充放电总线eqbus的目标电池对储能装置304充电，以降低目标电池的电压。此外，亦可导通第二充电开关s2，使外部电源308对储能装置304充电。当平常不使用外部电源308对储能装置304充电时，则断开第二充电开关s2，以避免储能装置304持续消耗外部电源308的电力。详细来说，当电池组102_i中任一电池b1～bk需要由储能装置304补充能量时，则储能装置304经由第一放电开关s3搭配开关阵列306可对电池组102_i中任一电池b1～bk充电，此时储能装置304相当于是放电状态。当储能装置304内部的电量不足时，可直接通过同时导通第二充电开关s2与第一放电开关s3路径让外部电源308经过开关阵列306对电池组102_i中任一电池b1～bk充电。此外，储能装置304亦可分别接受两种补充能量的充电方式：一种为外部电源308经由导通第二充电开关s2而对储能装置304充电，外部电源308可以是系统中的独立低电压直流电源(如图1中的外部电源116)，利用12伏特的铅酸电池来实现对储能装置304的充电。另一种以特定电池b1～bk借助开关阵列306经过导通的第一充电开关s1而对储能装置304充电。此设计架构在同一时间仅能选用其中一种充电方法，两种充电方法无法同时运作。

举例来说，若电池组102_i中电池b1的电压低于/明显低于电池组102_i中其他电池b2～bk的电压，开关阵列306将连接电池b1与充放电总线eqbus，并断开其他电池b2～bk与充放电总线eqbus的连接。此时，当第一放电开关s3与第二充电开关s2切换为导通，相当于使用外部电源308单独对电池b1充电，或当储能系统304能量足够时，则单独开启储能装置304的第一放电开关s3以直接经由充放电总线eqbus对电池b1充电，使得电压与其他电池b2～bk的电压趋于一致，由此达到整体的电压平衡。

图4是依据本发明一实施例的平衡控制电路212的方块图。平衡控制电路212耦接电池组102_i，其中电池组102_i包括一或多个电池b1～bk(k为正整数)，电池组102_i可以是图1中电池组102_1～102_n中任一者所组成的电池串，但本发明并不以此为限。在图4的例子中，平衡控制电路212系通过放电机制使整体电压达到平衡。

平衡控制电路212包括放电器404以及开关阵列306。放电器404例如是电阻或其他耗能元件。开关阵列306耦接于电池组102_i，用以选择性地使电池b1～bk中的至少一目标电池电性耦接至充放电总线eqbus。放电器404借助第二放电开关s4耦接于放电器404与充放电总线eqbus之间，第二放电开关s4系控制放电器404与开关阵列306之间是否导通。当第二放电开关s4导通，连接至充放电总线eqbus的目标电池将通过放电器404进行放电，使得电压下降。

举例来说，若电池组102_i中电池b1的电压高于/明显高于电池组102_i中其他电池b2～bk的电压，开关阵列306将连接电池b1与充放电总线eqbus，并断开其他电池b2～bk与充放电总线eqbus的连接。此时，当第二放电开关s4为导通，电池b1将单独地被放电，使得电压与其他电池b2～bk的电压趋于一致，由此达到整体的电压平衡。

图5是图1的主控电路108的方块图的一例。如图5所示，主控电路108主要包括第二隔离通信电路502、主运算控制电路504、第三隔离通信电路506、主电源转换器508、主程序存储电路510、计时与唤醒电路512、开关控制电路514以及数据存储电路516。

第二隔离通信电路502耦接主运算控制电路504，其主要负责和各单元电池模块m1～mn的信息收发。举例来说，第二隔离通信电路502可接收由各单元电池模块m1～mn所回传的信息(如电池信息bi1～bin)，或是发送数据及控制命令至各单元电池模块m1～mn。

主运算控制电路504负责控制整个电池系统100中所有测量、通信、数据存储、开关控制等各部电路，并根据各部电路所提供的信息进行运算与控制动作。举例来说，主运算控制电路504可根据单元电池模块m1～mn回传的信息(如电池信息bi1～bin)计算整体电池系统100的系统电池信息sbi(像是最高/最低电压与温度信息)，或是根据单元电池模块m1～mn回 传的警示信号来判断是否执行断电等操作。同时，主运算控制电路504亦负责接收外部装置110的指令并回复相关信息。

第三隔离通信电路506耦接主运算控制电路504，其主要负责电池系统100对外部装置110回报电池整体的信息(如系统电池信息sbi)，使外部装置110可以依照电池信息调控其耗能状况或进行其他对应操作。

主电源转换器508耦接外部电源116，用以将外部电源116转换为提供整个主控电路108上所有电路部件的电力供应(例如5伏特电压)。此外，由于单元电池模块m1～mn中的隔离通信电路(如图2的隔离通信电路204)需要独立的电源供应才能达到隔离的效果，因此主电源转换器508的输出电源亦可用于供应各单元电池模块m1～mn的隔离通信电路所需的电源。在一实施例中，主电源转换器508可不包含于主控电路108中，并以独立的电路来实现。

主程序存储电路510耦接主运算控制电路504，用以存储主运算控制电路504执行运算与流程控制所需的相关程序代码。进一步说，所有经过隔离通信所接收的数据，若需要经过运算与流程控制等相关处理，并根据不同状态需有不同的控制动作等设计，相关程序代码均可存储在主程序存储电路510。

计时与唤醒电路512耦接主运算控制电路504，用以计算电池系统100的年月日时分等相关时间信息，亦可通过设定固定时间周期以唤醒电池系统100进行自我检测后再进入睡眠模式。

开关控制电路514受控于主运算控制电路504以选择性地切换主电流开关114。举例来说，主运算控制电路504可响应于单元电池模块m1～mn所发送的警示信号、被致能的紧急通报线el或是系统电流值i/系统电量值q达到警示条件的状况，通过开关控制电路514关闭主电流开关114以进行断电操作。

数据存储电路516耦接主运算控制电路504，用以存储电池系统100的相关參數，该些参数例如用来指示电池系统100的型号、出厂日期、电池保护参数，各串电池组的最高/最低电压、温度、残电量、阻抗、健康状态等。

图6是图1的电流电量检测电路106的方块图的一例。电流电量检测电路106包括第四隔离通信电路602、电流电量运算电路604、信息存储电路606、电源转换器608、程序存储电路610以及电流传感与保护电路612。

第四隔离通信电路602耦接电流电量运算电路604，其主要负责电流电量检测电路106与外部电路部件的沟通/信号收发。举例来说，第四隔离通信电路602可通过通信总线将数据(例如系统电流值i以及系统电量值q)发送至各单元电池模块m1～mn及主控电路108。

电流电量运算电路604可根据电流传感器112的电流测量数据取得系统电流值i，并按照设定的取样周期计算充电与放电电量积分结果，以产生系统电量值q。在具备系统电流值i与系统电量值q后，电流电量运算电路604可通过隔离通信电路602将系统电流值i与系统电量值q以广播方式发送至挂载于电池系统100内部通信网络上的所有电路部件，例如单元电池模块m1～mn以及主控电路108。

信息存储电路606耦接电流电量运算电路604，其负责存储电流电量运算电路604的运算结果以及运算过程中所需的参数，像是电流测量数据、系统电流值i以及系统电量值q等。

电源转换器608耦接外部电源116，其可将外部电源116转换为电流电量检测电路106内部各电路部件所需的电力。或者，在一实施例中，电流电量检测电路106可直接由主控电路108的电源系统(如图5的主电源转换器508)进行供电。

程序存储电路610耦接电流电量运算电路604，用以存储电流电量运算电路604运算系统电流值i及系统电量值q所需的相关程序代码，例如包括如何将电流信号转换成实际电流大小、电量积分、以及判断充放电状态等演算程序代码。

电流传感与保护电路612耦接电流传感器112，其可测量电流传感器112上的压差信号以供电流电量运算电路604运算产生系统电流值i。在一实施例中，当电流出现异常时，电流传感与保护电路612亦可直接借助紧急通报线el通报主控电路108以进行断电。

在一实施例中，电流电量检测电路106可整合至主控电路108当中。此时，电流电量检测电路106自电流传感器112取得电流测量数据后，会将测量数据传送给主控电路108的主运算控制电路504进行运算以取得系统电流值i及系统电量值q，再通过第二隔离通信电路502广播给各单元电池模块m1～mn。

综上所述，本发明实施例提出的电池系统可通过各单元电池模块自行运算并存储对应电池组的电池信息。由于各电池组的电池信息皆保存在其对应单元电池模块上，故只要搭配抽换式电池机构设计，即可以将劣化过快或异常的电池组的单元电池模块进行替换，如此不仅可大幅提高电池组的可维护性、再利用性，更能降低电池组因损坏所需负担的隐藏风险与成本。此外，由于各单元电池模块可自行计算对应模块中的电池信息，故可有效分担系统中主控电路的运算量，进而降低对系统运算的要求及成本。另一方面，各单元电池模块亦可搭载平衡控制电路，以根据电池信息自动调整电池组的电压平衡状态，进而提升系统使用效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。