專利名稱：分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是關(guān)于一種分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前的電動車的電池使用，常常使用數(shù)字溝通接口，做為電動車電力系統(tǒng) 中充、放電的控管，并監(jiān)控電池的殘電量及其它工作狀況。但在電動車輛發(fā)展 的過程中，電池容量及電池功率的逐漸提升，在最佳電池容量組合的考慮下， 多串、并電池組的使用，成為電動車電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，而多串、并電 池組中的更換維護，也成為數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)必須考慮的項目之一。
現(xiàn)今使用電池做為電力主系統(tǒng)、或備援系統(tǒng)的電子、電機設(shè)備，多數(shù)都已 采用數(shù)字通訊接口監(jiān)控電池的狀態(tài)，經(jīng)由這樣的數(shù)字通訊接口，不但可以使電 力使用端的電子、電機設(shè)備估算電池殘留電力，也可在電池異常時發(fā)出適當(dāng)?shù)?警示，避免電池異常后可能造成的危險；由于以往常用的大型電池組多是使用 鉛酸電池，這是因為以往鋰系電池(Lithium Based Battery)具有一定的危險 性，使用于大型電池時的爆炸、起火的風(fēng)險難以接受，更是由于鉛酸電池具有 價格低廉，維護容易的好處；在這樣的鉛酸電池系統(tǒng)中，由于鉛酸電池對于過 電壓、低電壓的耐受性高，而且可以借著電解水及發(fā)熱的方式，解決輕微過充 電的問題，在鉛酸電力電池的系統(tǒng)中，電池監(jiān)控系統(tǒng)多著重于電池容量的監(jiān)控， 而沒有電池電壓平衡、或是單顆電池電壓監(jiān)控的需求，因此可以使用簡單的數(shù) 字接口與使用端的電子、電機設(shè)備溝通；但是隨著電動車及鋰鐵電池(LiFeP04 battery)的發(fā)展，電池監(jiān)控系統(tǒng)所需要的功能不再只是電池容量的監(jiān)控。在電 動車的使用中，電池重量是電能效率重要的因素之一，如何減輕電池重量，以 增加有效的載重能力，或是有效的提升續(xù)航力，成為電動車發(fā)展重要的關(guān)鍵因 素之一；但是鋰鐵電池或是改良的鋰錳電池(Li--Mn battery),雖然在安全性 及工作溫度上，合乎電動車或大型電力系統(tǒng)的需求，但是由于鋰鐵電池、或鋰 錳電池的低內(nèi)阻及充電高效率，使得這些安全的鋰系電池對仍然需要過電壓、 低電壓的保護，以確保它們的使用壽命；由于是大型的電力系統(tǒng)，更由于鋰系 電池芯本身的經(jīng)濟容量，大型電池系統(tǒng)中往往需要數(shù)十個到數(shù)千顆電池芯，以串、并聯(lián)的方式達(dá)到所需要的工作電壓及電池組容量。這樣的電池組中，除了 電池芯串接所形成的電壓差之外，監(jiān)控每一顆電池電壓的需求，勢必要以電池 模塊化的方式完成；以往常見的電池保護模塊，由于電池芯的數(shù)量有限，以傳
統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接口 (IEEE485/IEEE488)，或是常用于汽車電子系統(tǒng)的區(qū)域互連 網(wǎng)絡(luò)(CAN 2.0B)，都可達(dá)成監(jiān)控及溝通的需求。
請參閱圖l，為現(xiàn)有直接串接的數(shù)字接口架構(gòu)圖，具有隔離電路的直接串接 數(shù)字接口，解決了工作參考電壓不同的問題，直接串接的數(shù)字接口，也使得電 池得以模塊化的管理及維護，但由于應(yīng)用于大電力電池組，在圖中顯示的是108 組使用時，電池狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸，即使啟用較高速的傳輸模式，仍需耗時1.53 秒(由圖中可知，其傳輸速率為19200bps，而每筆八位數(shù)據(jù)需求11位的時間， 其下傳命令由4個八位構(gòu)成，另外電池監(jiān)控保護模塊最大響應(yīng)延遲時間為5ms， 因此整個電池組所需之互相溝通時間為(11* (4+12) /19200+0. 005) *108 二 1. 53 秒)，這對于可能完全依賴電力運作的電動車，或大型備援電力系統(tǒng)(UPS)，需 要實時監(jiān)控電池狀態(tài)的電子、電機系統(tǒng)造成運作可靠性上的問題。
而先前與電池管理相關(guān)的數(shù)字接口專利，在數(shù)字信息整合接口中，無論是 使用適用于控制網(wǎng)絡(luò)連接(Network Connection),或星狀連接(Star Connection)的單線式 (One-Wire, Maxim / HDQ Bus, Ti)、或雙線式(Smart Management Bus, Intel / CAN-Bus, Controller Area Network)傳輸接口， 多采用單一電池管理模塊做為決策的核心，或是利用并接網(wǎng)絡(luò)做為彼此相互溝 通，作為各個電池模塊自行決策的依據(jù)。
因此，由上述可知，其現(xiàn)有的大電力電池的使用及管理，通常會有下列問 題產(chǎn)生
1、 在大電力電池組中，除了高電壓及大容量會造成人員作業(yè)上的危險，更 由于大電力電池的價格及重量，必需做適當(dāng)?shù)碾姵厍懈睿越档鸵话憔S護的成 本。
2、 大電力電池的另一個問題在于大量的電池芯的使用，因為考慮電池異常 時的電能釋放，電池芯直接并接的數(shù)目有安全考慮的限制，同時也產(chǎn)生多組電 池電壓同時監(jiān)控的需要。隨著電池容量的增加，監(jiān)控模塊與監(jiān)控數(shù)據(jù)量也隨之 增加；而大量增加的數(shù)據(jù)量，不但占用了與電力使用端電子、電機設(shè)備共享的 接口資源，也使電池監(jiān)控系統(tǒng)獲得各個電池數(shù)據(jù)的時間延遲，各個電池數(shù)據(jù)的參考時間點也可能不同。
3、 另外串接電池組的保護板的工作參考電壓不同，且隨著串接電壓的升高， 工作參考電壓差可能高達(dá)三、五百伏，原本常用的區(qū)域互連控制網(wǎng)絡(luò)
(Controller-area network, CAN-bus)、或星狀連接網(wǎng)絡(luò)(Star network)已 無法使用。
4、 由于區(qū)域互連控制網(wǎng)絡(luò)或星狀連接網(wǎng)絡(luò)的中央控制模塊(Center controller)必須實時監(jiān)控電池以外的眾多組件，直接以并接的網(wǎng)絡(luò)控制各個 電池模塊，有時間及網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的眾多問題；若是以隔離的串接網(wǎng)連接時，雖 然解決了多個電池模塊參考電壓不同的問題，也沒有占用多個辨識編碼
(Identification Number, ID)的需要，但是多個電池模塊同時存在的眾多數(shù) 據(jù)，仍然造成數(shù)據(jù)傳輸時間過長，管理系統(tǒng)決策緩慢的結(jié)果。
5、 由于現(xiàn)在電力需求的大量增加，直接串接網(wǎng)絡(luò)，或是并接網(wǎng)絡(luò)上的電池 模塊數(shù)量也隨之大量增加，間接造成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)量暴增，每一次數(shù)據(jù)傳 輸?shù)臅r間因此增加，更造成決策時間的遲緩；而數(shù)據(jù)傳輸延遲的結(jié)果，可能造 成決策數(shù)據(jù)有時間上的誤差，決策的正確性因此受到嚴(yán)重的影響。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)，由于分層管理 模塊的使用，可以篩選并快速傳遞少而有用的資料，以適應(yīng)大型電池組實時管 理的需求。
本實用新型的另一目的即在于提供一種分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)，能有效 降低電池管理所需的數(shù)據(jù)量，加速電池管理的決策速度，并有效的縮短電力系 統(tǒng)控制端獲得電池組狀態(tài)信息(Status Information)的時間，使電力系統(tǒng)更 接近實時(real-time)監(jiān)控的需求。
為實現(xiàn)以上目的，本實用新型釆取了以下的技術(shù)方案分層架構(gòu)式電池管 理系統(tǒng)，是由電池監(jiān)控保護模塊、分層管理模塊及溝通暨決策模塊所組成；
數(shù)組切割后的電池模塊，該數(shù)組切割后的電池模塊與溝通暨決策模塊相介 接，而該數(shù)組切割后的電池模塊包含有數(shù)組電池監(jiān)控保護模塊及分層管理模塊； 其中該數(shù)組電池監(jiān)控保護模塊與分層管理模塊相介接，并直接與電池連接，另 外每一組電池監(jiān)控保護模塊皆是相介接在一起，并會被分層管理模塊要求讀取各個電池芯的電池電壓及溫度；該分層管理模塊與數(shù)組電池監(jiān)控保護模塊相介 接，并可依需求預(yù)先定時讀取每一組電池監(jiān)控保護模塊；
溝通暨決策模塊，該溝通暨決策模塊與數(shù)組切割后的電池模塊相介接，而 該溝通暨決策模塊可判斷電池電壓平衡的工作指令或計算參數(shù)。
由于大電力電池可能因維護及作業(yè)的需求，將整組電池組做適當(dāng)?shù)那懈睿?如果能同時將電池管理系統(tǒng)依電池組切割的需要，做必要的分層架構(gòu)化建制， 不但可以模塊化的電池組管理更加容易，也可使電池監(jiān)控管理所需的資料，在 分層管理模塊中加以預(yù)先處理、并篩選，如此的修改之后，不但大幅的降低電 池監(jiān)控管理中的資料量，更可以通過各個分割電池模塊的平行分工處理，加速 電池監(jiān)控管理的決策時間。
本實用新型是利用通用電池管理模塊的數(shù)字傳輸接口，并通過直流電位隔 離組件所建構(gòu)的上傳及下傳電路，在適當(dāng)切割大電力的電池組成數(shù)個，或數(shù)十 個電池模塊(sub-pack),通過分層管理模塊的數(shù)據(jù)篩選，以及終端控制模塊所 建構(gòu)成的分層式管理架構(gòu)，由于分層管理模塊的使用，可以篩選并快速傳遞少 而有用的資料，以適應(yīng)大型電池組實時管理的需求。
本實用新型所提供的分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下 優(yōu)點
1. 該分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)，由于分層管理模塊的使用，可以篩選并快 速傳遞少而有用的資料，以適應(yīng)大型電池組必須進行實時管理，使電力 系統(tǒng)更接近實時(real-time)監(jiān)控的需求。
2. 該分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)，其所架設(shè)的大型電池組，不但具有容易維 護、交換的特性，更由于分層管理模式的導(dǎo)入，有效降低電池管理所需 的數(shù)據(jù)量，加速電池管理的決策速度，并有效的縮短電力系統(tǒng)控制端獲 得電池組狀態(tài)信息(Status Information)的時間。


圖1為現(xiàn)有直接串接的數(shù)字接口架構(gòu)圖2為本實用新型分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)的切割電池模塊架構(gòu)圖； 圖3為該分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)的第一實施例圖；以及 圖4為該分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)的第二實施例圖；附圖標(biāo)記說明11、九組電池監(jiān)控保護模塊，12、分層管理模塊，2、十二
組切割后的電池模塊，3、溝通暨決策模塊，4、高壓至低壓轉(zhuǎn)換器，5、十二組 切割后的電池模塊，6、溝通暨決策模塊，7、高壓至低壓轉(zhuǎn)換器。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型的內(nèi)容做進一步詳細(xì)說明。
實施例一
請參閱圖2，為本實用新型分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)的切割電池模塊架構(gòu)
圖，該分層構(gòu)架式管理系統(tǒng)的切割電池模塊包含有
九組電池監(jiān)控保護模塊ll，該九組電池監(jiān)控保護模塊11是與分層管理模塊
12相介接，并直接與電池連接，另外每一組電池監(jiān)控保護模塊皆是串接在一起， 并會被分層管理模塊12要求讀取各個電池芯對電池電壓及溫度，再進行回傳四 組電壓數(shù)據(jù)及一組溫度數(shù)據(jù)至分層管理模塊12;而分層管理模塊12要求讀取九 組電池監(jiān)控保護模塊11的電池電壓及溫度，需要用到(W2"2Bytes:36Bytes， 另外九組電池監(jiān)控保護模塊11回傳36組電壓數(shù)據(jù)及9組溫度數(shù)據(jù)一共需要用 至U (36+9) *2 Bytes =卯Bytes;
分層管理模塊12，該分層管理模塊12是與九組電池監(jiān)控保護模塊11相介 接，并可依需求，預(yù)先定時讀取每一個電池監(jiān)控保護模塊，在記錄各個電池芯 的電壓，及多個監(jiān)控點的溫度值的同時，篩選與電池監(jiān)控保護機制相關(guān)的有效 數(shù)據(jù)，等待電池管理的溝通暨決策模塊對讀取；以常見的電池監(jiān)控保護機制而 言，所需的數(shù)據(jù)為最高、最低、及平均電壓，最高、最低、及平均溫度；
以往一般直接管理模式的電池管理的控制系統(tǒng)，必須循序呼叫每一組電池 監(jiān)控保護模塊，并循序接收每一組電池監(jiān)控保護模塊回傳的每一只電池芯的電 壓，及多個監(jiān)控點的溫度值，例如36只電池芯的應(yīng)用中，電池芯電壓回傳數(shù)據(jù) 量便高達(dá)36t2Bytes二72Bytes，溫度數(shù)據(jù)則需要18 Bytes;若是采取分層架構(gòu)管 理之后，電池管理的溝通暨決策模塊要求讀取分割電池組的指令只需4 Bytes， 而分層管理模塊12回傳數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)便可減少至12Bytes。
請參閱圖3，為本實用新型分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)的第一實施例圖，該使 用分層構(gòu)架式管理后的電池模塊(串接網(wǎng)絡(luò))包含有十二組切割后的電池模塊2，該十二組切割后的電池模塊2的第一組切割后 的電池模塊與第二組切割后的電池模塊相介接，組與組之間進行有順序的介接 (第一組與第二組、第二組與第三組、第三組第四組…等等)，而第十二組切
割后的電池模塊則與溝通暨決策模塊3相介接，該十二組切割后的電池模塊2是 由每一組切割后的電池模塊所并接而成，另外每一組切割后的電池模塊內(nèi)有9個
串接電池監(jiān)控保護模塊及分層管理模塊，而當(dāng)中的電池監(jiān)控數(shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)部的 分層管理模塊的預(yù)先處理及篩選，再通過切割后的電池模塊間的數(shù)字溝通接口，
傳遞至溝通暨決策模塊3，而與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)不同的高電壓、低電壓的數(shù)字訊號也可
通過相同的過程，傳遞到溝通暨決策模塊3;
溝通暨決策模塊3，該溝通暨決策模塊3是與第十二組切割后的電池模塊及 高壓至低壓轉(zhuǎn)換器4相介接，該高壓至低壓轉(zhuǎn)換器4是提供溝通暨決策模塊工作 電源，而該溝通暨決策模塊3可判斷電池電壓平衡的工作指令或計算參數(shù)，再通 過十二組切割后的電池模塊2的分層管理模塊下傳至每一電池監(jiān)控保護模塊；另 外該溝通暨決策模塊3能與電力系統(tǒng)或電力使用端電子、電機設(shè)備進行連接；
如此快速而有效的電池管理系統(tǒng)，大幅的減少數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，提升 電池監(jiān)控保護的反應(yīng)速度；這樣的分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)，也可擴充于更多 層次管理的電池組上，使得電池監(jiān)控保護的反應(yīng)速度，不會隨電力電池的容量 提升，而降低至不可接受的程度。
實施例二
請參閱圖4，為本實用新型分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)的第二實施例圖，該使 用分層構(gòu)架式電池管理系統(tǒng)之電池模塊(并接網(wǎng)絡(luò))包含有
十二組切割后的電池模塊5，該十二組切割后的電池模塊5分別與溝通暨決 策模塊6并接，每一組切割后的電池模塊內(nèi)有9個電池監(jiān)控保護模塊及分層管理 模塊，另外該9個電池監(jiān)控保護模塊分別與分層管理模塊并接，而分層管理模塊 的預(yù)先處理及篩選，可大幅的減少數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，電池監(jiān)控保護的反應(yīng) 速度也隨之提升；
溝通暨決策模塊6，該溝通暨決策模塊6是與十二組切割后的電池模塊5及高 壓至低壓轉(zhuǎn)換器7相介接，而該溝通暨決策模塊6則與十二組切割后的電池模塊5 進行并接，由于以往直接使用區(qū)域互連控制網(wǎng)絡(luò)在大電力電池的最大問題，便是由于并接網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)機過于龐大復(fù)雜，可能造成系統(tǒng)維護，及部份電池模塊更 換時的困難；若依電池組的串接狀態(tài)做適當(dāng)?shù)碾姵厍懈詈?，并?dǎo)入分層架構(gòu)式 電池管理系統(tǒng)，電池監(jiān)控管理的并接數(shù)字網(wǎng)絡(luò)數(shù)目就可維持在可接受的范圍。
上列詳細(xì)說明是針對本實用新型可行實施例的具體說明，該實施例并非用 以限制本實用新型的專利范圍，凡未脫離本實用新型所為的等效實施或變更， 均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。
權(quán)利要求1、一種分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)，其特征在于，包括數(shù)組切割后的電池模塊，該數(shù)組切割后的電池模塊與溝通暨決策模塊相介接，而該數(shù)組切割后的電池模塊包含有數(shù)組電池監(jiān)控保護模塊及分層管理模塊；其中該數(shù)組電池監(jiān)控保護模塊與分層管理模塊相介接，并直接與電池連接，另外每一組電池監(jiān)控保護模塊皆是相介接在一起，并會被分層管理模塊要求讀取各個電池芯的電池電壓及溫度；該分層管理模塊與數(shù)組電池監(jiān)控保護模塊相介接，并可依需求預(yù)先定時讀取每一組電池監(jiān)控保護模塊；溝通暨決策模塊，該溝通暨決策模塊與數(shù)組切割后的電池模塊相介接，而該溝通暨決策模塊可判斷電池電壓平衡的工作指令或計算參數(shù)。
2、 如權(quán)利要求1所述的分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)，其特征在于該分層管理模塊具有數(shù)據(jù)處理及篩選，并與電池監(jiān)控保護模塊和溝通暨決策模塊進行溝通。
3、 如權(quán)利要求1所述的分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)，其特征在于該數(shù)組電池監(jiān)控保護模塊與分層管理模塊的至少其中之一具有直流電位隔離組件的數(shù)字溝通接口。
4. 如權(quán)利要求1所述的分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)，其特征在于該數(shù)組切割后的電池模塊具有分層管理的架構(gòu)。
5. 如權(quán)利要求4所述的分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)，其特征在于該分層管理的架構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)，可為兩層或兩層以上。
6. 如權(quán)利要求1所述的分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)，其特征在于該溝通暨決策模塊是與電力系統(tǒng)或電力使用端電子、電機設(shè)備進行連接。
專利摘要本實用新型公開了一種分層架構(gòu)式電池管理系統(tǒng)，其主要由電池監(jiān)控保護模塊、分層管理模塊及溝通暨決策模塊所組成；該電池監(jiān)控保護模塊直接與電池相介接，而分層管理模塊則與電池監(jiān)控保護模塊及溝通暨決策模塊相介接，另外該溝通暨決策模塊與電力系統(tǒng)或電力使用端電子、電機設(shè)備相互連接，而本實用新型是在于利用通用電池管理的數(shù)字傳輸接口，并利用直流電位隔離組件所建構(gòu)的上傳及下傳電路，通過分層管理模塊的數(shù)據(jù)篩選，以及終端控制模塊所建構(gòu)成的分層式管理架構(gòu)，來篩選并快速傳遞少而有用的數(shù)據(jù)，以適應(yīng)大型電池組實時管理的需求。
文檔編號H01M10/42GK201282174SQ200820119498
公開日2009年7月29日 申請日期2008年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月13日
發(fā)明者李青銓, 王奉垣, 舒英豪, 馬蓬銘 申請人:銓陽能源科技股份有限公司