可携式复合型电池管理系统 【技术领域】
本发明涉及一种可携式复合型电池管理系统，特别是指一种可搭载于各式电动车上使用，并通过可携式高能量电池组及主动力电池组相互搭配使用，实现方便补充能源、价廉可靠、适当的动力及足够行驶距离的多重需求的可携式复合型电池管理系统。
背景技术
近几年来，城市的发展及环保意识的逐渐抬头，中短距离而且符合环保期望的个人交通工具，已俨然成为未来城市发展中不可或缺的要素。但相对而言，创新的电池技术、电力控制技术及电力控制元件的进展，则给轻型电动车的未来发展提供了无限的想象空间。
然而在一般公知的电池系统的技术中，设计考虑的重点多半是在如何通过复杂的控制方法，在不同的功率需求下，调配高能量电池及高动力电池的输出比例，实现最理想的复合电池系统(台湾2002年7月11日公告第494071号专利案)；或者使用日后可能成为电力供给主流的燃料电池，搭配一个高功率电池，以确保燃料电池得以长期工作于较高效率点，并利用此不得不附加地二次电池，提供燃料电池运作时，所必需的控制电力(台湾2003年11月1日公告第559602号专利案)；然而在这些公知的引证案技术中，却往往忽略了可能使用者的真正需求，以及电动车推广中常见的问题。由于致力推广电动车的地区，多数属于成熟而大楼林立的城市，充电站设置不易以及长时间充电难以实行，已经成为今日电动车发展最不利的非技术性问题。根据统计资料显示，在多数都市化的地区，使用个人交通工具的里程都在二十～三十公里以内，相对而言，对于只考虑行驶里程在六十公里以上的电池系统，在充电及电池维护上，不免成为一个过于沉重的系统设计。再者，公知的电池系统设计过于徧重于电子控制技术的展示，以及复合式电力输出的调控系统，所给与的不单只是技术含量高的电池保护及动力特性，在此复杂系统中所有的多次能源转换效率的折损及电子控制的高成本，都将造成电动车在推广上的窒碍难行。
随着电力电子技术的发展，电池寿命的保护，动力充足平稳的输出，都已逐步的克服实现，但是如何补充电动车的电能，以适应现今的使用习惯，已成为电动车发展最重要的课题。以往研发的角度多半在电池系统的概念下提出许多新颖而具体想法，但技术的精神则多半在于如何在可接受的重量及价格内，提供最大的行驶里程，可惜的是对于如何让电动车的使用者，在现有的能源供应网络中轻易取得能量的补充，以有效降低整体电池组中的电子控制成本，却研发及论述不足。
由此可见，上述现有技术仍有诸多缺点，有待改进。
【发明内容】
本发明可携式复合型电池管理系统的发明目的在于：多数燃油机车每日行驶里程都在三十公里之内，如何能提供一个简单的电池系统，能够符合每日快速充电，全系统又可满足最大行驶里程大于六十公里的要求。
本发明的主要技术方案是：该可携式复合型电池管理系统，包括
一个可携式高能量电池组，其内建有电池管理系统，并与直流转换器相连接；
一个主动力电池组，用于提供电动机运转所需的电能，具有一个电池管理系统或最大电流限制的元件，与直流转换器相连接，并提供系统内的直流转换器及后方的电动机控制器运作时所需电池讯息；
一个直流转换器，与可携式高能量电池组及主动力电池组相连接，用来将可携式高能量电池组的电能转换成主动力电池组的电能，或者将可携式高能量电池组的可输出电能转换成电动机控制器运转所需的能量，根据可携式高能量电池组与主动力电池组之间的额定电压的不同，而为升压、降压或升降压型转换器。
本发明所提供的可携式复合型电池管理系统，与前述引证案及其他现有技术相互比较时，具有下列优点：
一、本发明可携式复合型电池管理系统，是一个结合可携式高能量电池组及主动力电池组二者优点的电力系统，将可满足使用者方便补充能源、价廉可靠、适当的动力及足够行驶距离的多重需求。
二、本发明可携式复合型电池管理系统，可应用于各式电动车辆中，并考虑多数使用者短距离行驶的需求，可有效降低能源补充的困难度，使高能量电池达到轻量可携带的要求，以方便使用者于充电时，可携行至高楼住宅或其他电动车无法进入的地点来进行充电。
三、本发明可携式复合型电池管理系统，其中所使用的可携式高能量电池组，其着重在较高的能量-重量比，以便能在合理的重量及体积下，传递足够每日行驶所需的能量，目前可用的电池种类包含有高能量的锂离子电池、锂聚合物电池，未来也可利用电脑产业所推展的笔记型电脑用的交换式燃料电池，由于这种笔记型电脑所用的交换式燃料电池具有价廉轻巧的特质，将同样可符合本发明对于可携式高能量电池组的规格要求。
【附图说明】
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明可携式复合型电池管理系统的可携式高能量电池组架构图；
图2为该可携式复合型电池管理系统的主动力电池组架构图；
图3为该可携式复合型电池管理系统的直流转换器架构图；
图4为该可携式复合型电池管理系统的电能转换控制示意图；
图5为该可携式复合型电池管理系统的实施例示意图。
【具体实施方式】
如图1所示，为本发明可携式复合型电池管理系统的可携式高能量电池组架构图，由图中可知，本发明可携式复合型电池管理系统的可携式高能量电池组1，主要着重在较高的能量-重量比，以便能在合理的重量及体积下，传递足够每日行驶所需的能量，目前可用的电池种类包含有：高能量的锂离子电池或锂聚合物电池，未来也可利用电脑产业所推展的笔记型电脑用的交换式燃料电池，由于这种笔记型电脑所用的交换式燃料电池，具有价廉轻巧的特质，且该可携式高能量电池组1，可通过外接式充电器4进行充电，而使用时也将不限制只同时使用一组，因此这样的可携行高能量电池组1，必需内建有相对于电池种类的电池管理系统11，以确保脱离电动车时的稳定及安全；同时如此独立运作的电池管理系统11，可降低整体系统管理的难度，并降低整体电子控制成本及提高整体系统稳定性。再者，该电池管理系统11需具有低电量指示或低电量截止的功能，以简化后端直流转换器的控制机制。
如图2所示，为本发明可携式复合型电池管理系统的主动力电池组架构图，由图中可知，本发明可携式复合型电池管理系统的主动力电池组2，是用以提供电动机控制器5运转所需的电能，是指能在瞬时及长时间提供相对较高的电流放电能力的电池，它可能的电池种类包含所有电动车的常用电池，例如：动力型铅酸/铅钙酸(Pb/Ca-SO4)电池、镍氢电池(Ni-mH)、镍锌(Ni-Zn)电池、锂锰/锂钴(Li-Mn/Li-Co)电池，乃至于锂聚合物(Li-Polymer)电池等；该电池系统内的主动力电池组2是电动机电力的主要来源，因此在不同动力电池的使用中，不但会有电池芯相互串并的结构，甚至会有电池组之间的串并使用。为了考虑电池使用的安全、寿命及稳定性，电池组内必需包含一个必要的电池管理系统21或最大电流限制的元件，以确保电池运作的安全，进而提供系统内的直流转换器3及后方的电动机控制器5运作时所需电池讯息。
如图3及图4所示，为本发明可携式复合型电池管理系统的直流转换器架构图及电能转换控制示意图，由图中可知，本发明可携式复合型电池管理系统的直流转换器3，就是一组简单的电池充电器，是用来将可携式高能量电池组1的电能转换成主动力电池组2的电能，它可能因为可携式高能量电池组1与主动力电池组2之间的额定电压的不同，而为升压(Boost)、降压(Buck)或升降压(Buck-Boost/Cuk)型转换器，它的控制机制Output＝(HDQ2≠0)·(Motor On+HDQ1＜1)只考虑可携式高能量电池组1电量是否为零，主动力电池组2是否在满充状态，以及电动机控制器5是否在运作状态中，简而言之，此直流转换器3就是将可携式高能量电池组1的可输出电能转换成主动力电池组2的电能，或者将可携式高能量电池组1的可输出电能转换成电动机控制器5运转所需的能量；由于常见直流转换器3型式，均可轻易实现输出最大电流及最大电压的控制，因此可在低成本且高效率的情形下，达到电池系统稳定及双向电池组充放电保护的要求；由于此直流转换器3也是一组具有最大电流限制的充电器，因此可在行驶中保持输出电能，除可降低电动机控制器5对主动力电池组2的负荷，也可随时补充主动力电池组2的电能，除非单次行驶里程超过可携式高能量电池组1的电能，例如：三十公里以上，否则使用者只需对轻便的可携式高能量电池组1充电；若单次行驶里程超过可携式高能量电池组1的电能，则使用者可通过外接式充电器4对可携式高能量电池组1充电二次或使用两组可携式高能量电池组1或者直接对整组系统进行充电，即可完全补充主动力电池组2的电能。
如图5所示，为本发明可携式复合型电池管理系统的实施例示意图，由图中可知，本发明可携式复合型电池管理系统100，在设计条件为500W轻型电动机车所需的电池系统，设计的目标是可使此轻型电动机车在载重70公斤，全部重量在130公斤的条件下，可行驶最大行程为70公里，单次可携式高能量电池组1充电可行驶35公里，行驶平均时速为30公里的情况下实施。因此，合理的主动力电池组2选择为36V/17Ah/20Kg/动力铅酸电池，附加满充电量指示；而可携式高能量电池组1选择为12串/10Ah/5kg/锂聚合电池组，具有单电池电压监控、最大充放电电流、被动式电池容量平衡、工作温度保护及电池容量指标等功能的电池管理系统；而该直流转换器3为一定电流(5A)转定电压(43.5V)的电池充电器(Buck，downconverter)，具有条件工作的控制电路。由于可携式高能量电池组1的总功率在450Wh左右，通过直流转换器3后的功时约在430W，可提供轻型电动机车以时速30公里行驶1.2小时以上，因此在一般使用中，使用者只需取出可携式高能量电池组1于住家或办公室之内充电，则可常保整两电池组在满充的状态；若有长距离行驶的需求时，整组复合电池系统100可提供一仟瓦时的电能，足可供轻型电动机车以时速30公里行驶3小时以上，因此最大行程可提升至90公里，而使用者在如此长距离使用之后，可以考虑将可携式高能量电池组1安置在复合电池系统100中，对整组复合电池系统进行同步充电，或仍以单独对可携式高能量电池组1做多次充电，而此系统的最大的持续输出功率约在1.0KW。此架构的复合电池系统100不但可以考虑高能量电池及高功率电池的搭配，也可在设计性能要求下考虑总体成本的要求，而以合理的电池架构，更低的成本下满足使用者的需求，则是本发明架构的精神。由于可携式高能量电池组1已内建电池管理系统，一般低成本的定电流转定电压锂电池外接式充电器4，已可满足可携式高能量电池组1充电保养的需求；而系统末端的电动机控制器5，也只需考虑最大持续输入电流，最低工作电压30V的技术规格，便可以在此系统下稳定工作；至于系统的核心电子电路，只是个具有最大输出电压电流的降压转换器，只要是核心控制晶片具有低电流休眠的功能，再加上以二组电池组的电量及电动机控制器是否工作(电动车是否启动)的简单逻辑判断，则可完成电池系统的结合，并确保系统的稳定。