專利名稱：具強(qiáng)制放電組件的儲能電源供應(yīng)/放電系統(tǒng)及操作方法
具強(qiáng)制放電組件的儲能電源供應(yīng)/放電系統(tǒng)及操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種用以使電池包退役的放電系統(tǒng)，尤其是但不局限于提供一種從用于馬達(dá)車輛、太陽能量儲存裝置或電網(wǎng)儲存應(yīng)用中的電池包進(jìn)行能量排竭的安全方法。
背景技術(shù)：
由于石油供應(yīng)遞減以及碳排放課題的關(guān)注，對于電動車的需求日益提高。具備未來發(fā)展?jié)摿Φ慕鉀Q方案包括純電力以及混合電力或燃料電池式的馬達(dá)車輛。各項解決方案皆需要具有大能量含量的電池包，此含量通常由用于小型混合電動車輛的9KWh乃至于用于EV巴士的300KWh。然當(dāng)此載具因意外或損壞無法修復(fù)而退役時，電池包內(nèi)仍儲存有顯著能量。此外，熱能管理系統(tǒng)可能受損到無法再保護(hù)電池芯的程度。對于牽涉到意外事件的載具，載具沖撞可能會對電池機(jī)殼造成損害。有些電池芯也可能已經(jīng)受損。現(xiàn)已知電池芯在受到?jīng)_撞損害之初至發(fā)生短路之間具有極長的遞延時間。已有報告中指出電池包在沖撞研究進(jìn)行三周之后導(dǎo)致載具發(fā)生火災(zāi)。故而希望能夠具有一種電池放電系統(tǒng)以利安全地排竭所存能量，藉此確保電池包退役的安全性。圖2顯示一種典型的電池模組100，其中具有經(jīng)串聯(lián)的5顆電池芯101到105。典型的電池系統(tǒng)可能擁有20個彼此串聯(lián)這種模組，或是擁有總共100顆彼此串聯(lián)電池芯。就帶有鋰鐵磷酸鹽技術(shù)的電池芯而言，各個電池的輸出電壓約為3.2伏特。此電池系統(tǒng)在其正極與負(fù)極端子108、109之間總共具有320伏特。電池芯可能是由單一個100安培-小時方形電池所建構(gòu)，或是由各具有2安培-小時容量且并聯(lián)連接的50個較小圓柱形式電池所構(gòu)成的串列所建構(gòu)。當(dāng)完全充飽電力時，此電池包內(nèi)所含有的總能量為32KW-小時，足可提供小型電動車行駛100公里的動力。然當(dāng)此載具遭遇到意外事件時，所含的高能量可能會被引生火花從而造成載具起火燃燒，或者底盤短路導(dǎo)致對人員與救援工作的電擊，或是并無即時反應(yīng)而直到數(shù)周之后當(dāng)一或更多受損電池出現(xiàn)短路而以冒煙、起火或電擊危險形式釋放能量。所以希望能夠在這種意外事件之后排竭電池能量?，F(xiàn)有技術(shù)解決方案是采取將電阻器集庫(resistor bank)等外部負(fù)載連接至電池端子，以排竭所存能量。不過,假使電池電路受損，例如在電池芯102及103之間出現(xiàn)斷路，則整個電路變成斷路，而外部解決方案無法發(fā)生作用。另一種情境是電池包為完全充飽電力，但其一電池，如104，因沖撞損害而接近無電力(或低充電狀態(tài))或是充電不平衡。當(dāng)將外部電阻器集庫與電池系統(tǒng)相連接時，電池104電阻值會因在低充電狀態(tài)下的電池化學(xué)性而非?？焖俚靥岣?，并且阻礙其他電池的能量排竭至該電阻器集庫。故而希望尋求一種能夠高成功機(jī)率地以受控方式從受損電池包排竭能量的安全解決方案。也希望尋求一種能夠在發(fā)生意外事件之后盡快從受損電池包進(jìn)行能量排竭的自動解決方案。希望能夠在意外事件之后自動地且安全地立即排竭所存能量，藉以將對于乘客和救援工作人員的安全性風(fēng)險降至最低。 也希望減少電池包中所儲存的能量，藉以對于退役電池包的運送人員以及存放退役電池包的倉庫的保全人員提供操作安全性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明揭示一種電池放電系統(tǒng)，其包括具有低輸入電壓的控制器機(jī)板，以及多個跨設(shè)于電池陣列上的切換放電構(gòu)件。該電池放電系統(tǒng)可人工啟動，或是基于外部感測器感測到如載具撞擊、載具火災(zāi)或者載具翻覆或載具落水等觸發(fā)條件而被自動啟動。因此，本發(fā)明提供一種具有強(qiáng)制放電機(jī)制的電池式電源供應(yīng)組件。該電源供應(yīng)組件包括一放電啟動裝置，以及多個彼此電性連接的電池模組。該等電池模組各包括多個彼此電性連接的電池芯；至少一個串接上述電池芯的放電負(fù)載；至少一個耦接于上述電池芯與上述至少一個放電負(fù)載間的開關(guān)；以及至少一個適于在受上述放電啟動裝置通知時使上述開關(guān)導(dǎo)通的控制器。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種電動車用電源組件的強(qiáng)制放電方法。該電源供應(yīng)組件包括一放電啟動裝置，以及多個彼此電性連接的電池模組。該等電池模組各包括多個電池芯、一個串接于上述電池芯的放電負(fù)載、一個耦接于上述電池芯與上述放電負(fù)載間的開關(guān)、一個溫度感測器及一個適于受上述放電啟動裝置通知時使上述開關(guān)導(dǎo)通的控制器。本發(fā)明放電方法包括下列步驟:a)由上述控制器接收來自于上述放電啟動裝直的啟動放電訊號；b)由上述控制器接收上述溫度感測器所度量的電池模組的溫度，并確認(rèn)該溫度低于一個預(yù)定安全門檻；以及c)指令上述開關(guān)導(dǎo)通形 成回路，讓上述電池模組中的上述電池芯經(jīng)由上述放電負(fù)載釋放電能。在較佳具體實施例里，前述步驟c)更包括下列次步驟:Cl)指令上述開關(guān)導(dǎo)通形成回路，讓上述電池模組中的上述電池芯經(jīng)由該對應(yīng)放電負(fù)載釋放電能達(dá)一個預(yù)定時間；c2)檢測上述電池模組儲存電能狀態(tài)；以及c3)當(dāng)上述電池模組的電能還高于一個危險門檻時，回復(fù)至步驟b)。自后文詳細(xì)說明，且并同參照說明書附圖，將隨能顯知所述的本發(fā)明具體實施例的前揭與其他特性及優(yōu)點。

圖1為一電池放電系統(tǒng)的較佳具體實施例。圖2為典型電池模組的電路圖。圖3為一電池放電系統(tǒng)的較佳具體實施例。圖4為描繪該放電系統(tǒng)的較佳操作方法的處理程序圖。主要元件符號說明10、20、30 電池模組40感測器100電池模組101、102、103、104、105 電池芯108、109 端子111、112、113、114、115 電池芯
116、216溫度感測器117、217、316、317 控制器118、119、218、219 模組端子121、122、123、124、125 開關(guān)131、132、133、134、135 負(fù)載211、212、213、214、215 電池芯221、222、223、224、225 開關(guān)231、232、233、234、235 負(fù)載311、312、313、314、315 電池芯321、322、323、324、325 開關(guān)331、332、333、334、335 負(fù)載341、342、343、344、345 控制器351、352、353、354、355、356 外部端子
具體實施方式茲提供后文說明以供熟 諳本領(lǐng)域技術(shù)的人士能夠制作并運用本發(fā)明，并且是按特定應(yīng)用項目及其要求的情境所提供。熟諳本領(lǐng)域技術(shù)的人士將會明顯知悉對本發(fā)明所述范例進(jìn)行的各種修改和變化，并且本發(fā)明定義的原理可適用于其他具體實施例及應(yīng)用項目而不致背離本發(fā)明的精神與范疇。因此，本發(fā)明不欲受限于具體實施例，而應(yīng)為根據(jù)符合于本文所揭示的原理、特性與教示的最廣范疇。圖1顯示本發(fā)明的一個較佳具體實施例。舉例而言，開關(guān)121和負(fù)載131跨接于各個彼此串聯(lián)的電池芯111。電池模組10由5顆這種經(jīng)串聯(lián)的電池芯111-115所組成。一如低電力的控制器117跨接于模組端子118、119，以供操作。由于控制器117的電壓需求低，因此即使是5顆串聯(lián)電池中有4顆發(fā)生短路，單一個電池電壓亦能供應(yīng)必要的電力以供控制器117運作。開關(guān)121、122、123、124、125是由控制器117所控制。當(dāng)這些開關(guān)關(guān)閉時，電池芯111-115會經(jīng)由它們的個別負(fù)載131-135而放電。雖未以圖示，但控制器117對電池芯111-115兩端的電壓進(jìn)行監(jiān)視。在靠近電池芯處設(shè)置有溫度感測器116。相類似地，另一組對應(yīng)的電池模組20，也是經(jīng)由電池芯211-215及開關(guān)221-225的開關(guān)而經(jīng)個別負(fù)載231-235 放電?？刂破?17及其周邊電路(未圖示)收納在一強(qiáng)固機(jī)殼內(nèi)，其具有高機(jī)率存活于因撞擊事件所產(chǎn)生的沖擊和震動，并且能夠在水中安全地運作。亦設(shè)有一連接至控制器117的感測器40，其發(fā)出訊號以通知出現(xiàn)某項事件且所有電池芯皆必須放電。用于偵測出發(fā)生撞擊、翻滾、流水侵入、起火、煙霧和其他災(zāi)難性事件的感測器40是位在車內(nèi)，并且連接至模組10內(nèi)的控制器117、模組20內(nèi)的控制器217以及電池系統(tǒng)內(nèi)所有其他模組里的控制器。當(dāng)發(fā)生撞擊事件時，各個模組內(nèi)的控制器能夠予以偵得，并且運作使各個模組內(nèi)的電池芯放電。設(shè)置單一開關(guān)，即「恐慌按鍵」，能夠予以按壓以啟動整個電池包的放電作業(yè)可具有實用性。在撞擊事件里，可能有一些電性連接會出現(xiàn)損壞，從而導(dǎo)致受影響電路無法運作。在本較佳具體實施例里，電池包是由20個不同儲能模組所組成，而各模組具備其本身的放電控制器。多數(shù)的模組電子元件將能存活于撞擊事件，并且在控制下進(jìn)行電池芯放電。部份的控制器，如117及217，可能受損而無法發(fā)揮功能，抑或是它們的電力連接切斷而使得它們無法運作。如圖1所示，模組端子118、119、218、219被導(dǎo)引至一簡便位置處，而救援工作者能夠在此處連接外部負(fù)載以啟動放電?？刂破?17可監(jiān)視來自于溫度感測器116的溫度讀數(shù)，藉以決定是否能夠安全地進(jìn)行放電操作。開關(guān)121-125可以由雙極電晶體(BJT)、場效電晶體(FET)或是任何其他能夠執(zhí)行切換操作的已知裝置所組成。負(fù)載131-135可以由能夠在電流傳導(dǎo)經(jīng)過時消散電力的任何類型電阻構(gòu)件所組成。撞擊感測器可以由三軸加速計(triaxial accelerometers)所組成，或是來自于由安全氣囊啟動所導(dǎo)出的訊號。事件感測器資訊亦可位于車內(nèi)的其他位置處，并且經(jīng)由如Canbus、I2C匯流排、RS-232匯流排的通訊鏈結(jié)傳送至各個控制器。在本例中，像是弓I擎起火、艙內(nèi)起火等災(zāi)難性事件亦可觸發(fā)電池放電作業(yè)。圖3顯示本發(fā)明的另一較佳具體實施例。舉例而言，開關(guān)321和負(fù)載331跨接于各個彼此串聯(lián)的電池芯311。電池模組30由5顆這種經(jīng)串聯(lián)的電池芯311-315所組成。低電力的控制器341跨接于外部端子351、352，以供控制器341運作。由于控制器341的電壓需求低，因此單一電池電壓即可供應(yīng)必要的電力以供其運作。開關(guān)321-325是由它們個別的控制器341-345所控制。當(dāng)這些開關(guān)被關(guān)閉時，電池芯311-315會經(jīng)由它們個別的負(fù)載331-335而放電。雖未以圖示，但控制器341-345對位于電池芯311-315兩端的電壓進(jìn)行監(jiān)視?？刂破?41-345及其周邊電路(未以圖示)容納在一或更多個強(qiáng)固機(jī)殼內(nèi)，其具有高機(jī)率存活于因撞擊事件所產(chǎn)生的沖擊和震動，并且能夠在水中安全地運作。圖中亦未顯示被連接至所有控制器341-345的感測器，其發(fā)出訊號以通知出現(xiàn)某項事件且電池必須進(jìn)行放電。用于偵測出發(fā)生撞擊、翻滾、流水侵入、起火、煙霧和其他災(zāi)難性事件的感測器是位在車內(nèi)，并且連接至模組30內(nèi)的控制器341-345以及電池系統(tǒng)內(nèi)所有其他模組里的控制器。當(dāng)發(fā)生撞擊事件時，各個模組內(nèi)的控制器能夠予以偵得并且運作以使各個模組內(nèi)的電池芯放電。在撞擊事件里，可能有一些電性連接會出現(xiàn)損壞，從而導(dǎo)致受影響的電路無法運作。在本較佳具體實施例里，電池由20個不同模組所組成，而各模組具備5個獨立的放電控制器。多數(shù)的模組電子元件將能夠在撞擊事件中存活，并且在其控制下使電池芯放電。部份的控制器，如341及345，可能受損而無法發(fā)揮功能，或是它們的電力連接切斷而使得無法運作。如圖3所示，外部端子351-356系導(dǎo)引至一簡便位置處，而救援工作者能夠在此處連接外部負(fù)載以啟動放電。可將指示器設(shè)置在外部端子(未圖示)附近，藉以對救援工作人員顯示各對端子內(nèi)的剩余電力百分比。經(jīng)顯示，低電力的溫度感測器316、317是由外部端子351與356之間的串聯(lián)堆疊所供電。它們亦可由其他裝置供電。兩個溫度感測器將分開且備援的讀數(shù)提供給控制器341-345，藉以決定是否能夠安全地進(jìn)行放電作業(yè)。開關(guān)321-325可以由雙極電晶體(BJT)、場效電晶體(FET)或是任何其他能夠執(zhí)行切換操作的已知裝置所組成。負(fù)載331-335可以由能夠在電流傳導(dǎo)經(jīng)過時消散電力的任何類型電阻構(gòu)件所組成。圖4顯示該放電系統(tǒng)的較佳操作方法的處理程序圖?？刂破鬟m于從一放電啟動裝置接收放電啟動信號，舉例而言，該放電啟動裝置可以是一個被連接至可按壓而啟動放電的恐慌按鍵的自動中央處理單元，或是一或更多個用以偵測觸發(fā)條件的感測器。當(dāng)控制器透過感測器或恐慌按鍵偵測到應(yīng)該開始進(jìn)行放電操作時，控制器即啟動步驟401。在步驟402中，控制器評估模組內(nèi)的溫度是否可供安全地進(jìn)行放電作業(yè)。如果溫度高于預(yù)定時，則如步驟405打開開關(guān)，只有當(dāng)溫度足夠低而可安全地進(jìn)行放電作業(yè)時，才如步驟403，控制器才會關(guān)閉開關(guān)以進(jìn)行放電。在模組10內(nèi)的控制器117可選擇同時關(guān)閉所有的開關(guān)121-125以啟動電池111-115的放電，或是一次僅關(guān)閉部份的開關(guān)以避免溫度上升超過限值。在等待一段設(shè)定時間404之后，才打開開關(guān)，并且如步驟406，對各個電池內(nèi)剩余的電量或充電狀態(tài)(state of charge ；S0C)進(jìn)行測量。若SOC高于安全限值，則程序前進(jìn)到步驟402并重復(fù)進(jìn)行該程序。若SOC位于安全限值，則持續(xù)打開開關(guān)，并結(jié)束程序于407。本具體實施例并不具有窮舉或限制性質(zhì)，例如本發(fā)明所述電池芯并非局限于狹義的電池，亦可采用例如超級電容等具備儲能功效的儲能元件。此外，上述的安全防護(hù)不僅限于上述設(shè)置有多組儲能模組的新能源車輛，即使在其他應(yīng)用電能的多模組儲能系統(tǒng)，以及運送上述儲能系統(tǒng)時的安全防護(hù)，都可以藉由本發(fā)明所揭示的結(jié)構(gòu)達(dá)成安全防護(hù)功效，故上述各實施例僅為說明之用，本發(fā)明的實際范圍是依權(quán)利要求書范圍所限。
權(quán)利要求
1.一種具強(qiáng)制放電組件的儲能式電源供應(yīng)/放電系統(tǒng)，其包括一放電啟動裝置和多個彼此電性連接的儲能模組，前述儲能模組各包括:多個彼此電性連接的儲能元件；至少一個串接上述儲能元件的放電負(fù)載；至少一個耦接于上述儲能元件與上述至少一個放電負(fù)載間的開關(guān)；以及至少一控制器，其適于在受上述放電啟動裝置通知時使上述開關(guān)導(dǎo)通。
2.如權(quán)利要求1所述的具強(qiáng)制放電組件的儲能式電源供應(yīng)/放電系統(tǒng)，其中上述儲能模組各進(jìn)一步包括至少一個供感測上述儲能元件溫度，并傳輸至上述控制器的溫度感測器。
3.如權(quán)利要求1所述的具強(qiáng)制放電組件的儲能式電源供應(yīng)/放電系統(tǒng)，其中該放電啟動裝置包括一撞擊感測器。
4.如權(quán)利要求1所述的具強(qiáng)制放電組件的儲能式電源供應(yīng)/放電系統(tǒng)，其中該放電啟動裝置是一自動中央處理單元。
5.如權(quán)利要求1所述的具強(qiáng)制放電組件的儲能式電源供應(yīng)/放電系統(tǒng)，其中上述電池模組經(jīng)電性連接到至少一共同外接接頭。
6.如權(quán)利要求1、2、3、4、或5所述的具強(qiáng)制放電組件的儲能式電源供應(yīng)/放電系統(tǒng)，其中上述儲能模組分別為一個電池模組，以及上述儲能元件分別為一個電池芯。
7.一種電動車用電源組件的強(qiáng)制放電方法，其中該電源組件包括一放電啟動裝置及多個彼此電性連接的電池模組，上述電池模組各包括多個電池芯、一個串接于上述電池芯的放電負(fù)載、一個耦接于上述電池芯與上述放電負(fù)載間的開關(guān)、一個溫度感測器及一個適于受上述放電啟動裝置通知時使上述開關(guān)導(dǎo)通的控制器，該放電方法包括下列步驟: a)由上述控制器接收來自于上述放電啟動裝置的啟動放電訊號； b)由上述控制器接收上述溫度感測器所度量的電池模組的溫度，并確認(rèn)該溫度低于一個預(yù)定安全門檻；以及 c)指令上述開關(guān)導(dǎo)通形成回路，讓上述電池模組中的上述電池芯經(jīng)由上述放電負(fù)載釋放電能。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中該步驟c)更包括下列次步驟: Cl)指令上述開關(guān)導(dǎo)通形成回路，讓上述電池模組中的上述電池芯經(jīng)由該對應(yīng)放電負(fù)載釋放電能達(dá)一個預(yù)定時間； c2)檢測上述電池模組儲存 電能狀態(tài)；以及 c3)當(dāng)上述電池模組的電能還高于一個危險門檻時，回復(fù)至步驟b)。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種具有強(qiáng)制放電組件的儲能式電源供應(yīng)放電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括放電啟動裝置，以及多個相互電性連接的電池模組。該等電池模組各包括多個電池芯；一個串接于上述電池芯的放電負(fù)載；一耦接于上述電池芯與上述放電負(fù)載之間的開關(guān)；一溫度感測器；以及一適于受上述放電啟動裝置通知時使上述開關(guān)導(dǎo)通的控制器。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種用以從本發(fā)明電源供應(yīng)組件排竭能量的安全方法。
文檔編號H01M10/44GK103219757SQ201210297799
公開日2013年7月24日 申請日期2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者莊嘉明, 理查德·J·比斯庫普 申請人:莊嘉明, 理查德·J·比斯庫普