CN103545860A - 具有能量采集特征的蓄电装置及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有能量采集特征的蓄电装置及保护方法，包含有采集单元以采集外部能量，能量转换单元接收外部能量转换成电荷，并输出电荷形成电流，充电控制单元接收并输出低于预设电压电流限制的充电电流，蓄电单元接收该充电电流以储存电荷。依据本发明的技术内容可具有外部能量采集较低门槛的优势，无须充沛的外部能量才能对蓄电单元进行充电，利用此较低门槛的能量采集，即避免蓄电单元的损坏，并且可使蓄电单元长期接收外部能量，以维持蓄电单元最低电量，蓄电单元即使长期不使用，也不会发生深度放电。

Description

具有能量采集特征的蓄电装置及保护方法

技术领域

本发明涉及一种具有能量采集特征的蓄电装置及保护方法，特别涉及一种以电磁波、振动、光线、冷热温差、风能或波潮的能量采集，以避免二次电池过放电的蓄电装置及保护方法。

背景技术

现行的二次电池可应用范围广泛，例如移动通讯***、精密电子仪器或是常见的相机，甚至在车载电池装置、不断电***，或是照明***都可以见到二次电池的身影。

而在电池的使用规格上，大致上可分为由单一电芯构成的电池单元，所应用范围如前述的移动通讯***、精密电子仪器或是常见的相机所用的电池，当有多个电池单元称为电池模块，而当有多个电池模块时则称的为电池***，所应用范围如前述的车载电池装置、不断电***，或是照明***。

然而在这些二次电池在充电之后，其电量会因电芯本身的内阻或电池平衡***电路板(Battery Management System，BMS)，抑是其他电池保护电路的自身会耗电而使电池的电量逐渐消失，这种现象为电池的自耗电现象（或称自然放电、漏电）。

而在二次电池的使用过程中，必须要小心避免二次电池会因完全耗尽电能，而发生电池材料结构损坏，将对二次电池产生不可挽回的损害。

虽然在现行的技术当中对于二次电池材料结构损坏的问题，可以通过检测设备来进行检测二次电池的放电电压，使电芯电压下降到一定程度时，自动关闭二次电池与设备之间的回路，以避免二次电池持续放电，进而达到保护二次电池。

然而，即使利用检测设备以对二次电池在使用上提供一定的保护，但是由于二次电池放着不使用时，仍然还是会因本身的自耗电现象，使二次电池持续深度放电，当二次电池的放电深度愈大，二次电池可使用的放电循环寿命减损的程度就越严重。

依目前现有技术，有可提供避免二次电池持续深度放电的方法，例如是在使用说明书中提醒消费者定期进行充电，然而一旦消费者没有注意或忘记，使用说明书的实质作用形同无效，或是当二次电池低电量时，由电池保护电路发出警告声响来警告使用者，然而过于频繁警告声响不但会让使用者困扰，况且若是二次电池的存放环境是在于一些高噪音的使用环境，使用者也是听不到，这样的设计也只会让二次电池的电量耗电更快。

而在二次电池的电量若是因为持续深度放电，开始低于大约0.5伏特时，二次电池便会造成永久性损害，开始产生充容量减损，最严重的情况则是二次电池难以再充电使用。

有鉴于此，可知目前极需要有一种维持蓄电单元电量准位的具有能量采集特征的蓄电装置及保护方法来保护二次电池免于持续深度放电而造成永久性损害，因此发明人针对上述产生的问题进行研究与探讨，藉由近年来能量采集的技术进步，应用在电池能量准位的补充，提出一种具有能量采集特征的方式达成蓄电装置保护的方法，得以改善以上所述的缺陷。

发明内容

为改善以上所述的缺陷，本发明的主要目的，在于提供一种具有能量采集特征的蓄电装置及保护方法，并不针对蓄电单元充电至饱和为目的，利用外部能量进行采集并转换成电荷之后，再转以输出充电电流至蓄电单元以抵销蓄电单元自耗电，仅以维持蓄电单元最低电量为目的，因此本发明具有外部能量采集较低门槛的优势，无须充沛的外部能量才能对蓄电单元进行充电利用此较低门槛的能量采集，因此本发明可避免蓄电单元持续深度放电，而造成蓄电单元的损坏。

本发明的又一目的，在于提供一种具有能量采集特征的蓄电装置及保护方法，利用外部能量转以输出充电电流至蓄电单元，因此本发明可使蓄电单元长期接收外部能量，以维持最低电量，蓄电单元即使长期不使用，也不会立即发生深度放电，因此本发明可提供蓄电单元在使用上更具有耐久性。

为达上述的目的，本发明提供一种具有能量采集特征的蓄电装置，包含有采集单元以采集外部能量，能量转换单元电性连接采集单元，以接收外部能量转换成电荷，并输出电荷形成电流，充电控制单元电性连接能量转换单元，接收电流并输出低于预设电压电流限制的充电电流，蓄电单元电性连接充电控制单元，接收充电电流以储存电荷。

本发明还提供一种具有能量采集特征的蓄电装置的保护方法，可以保护蓄电单元、蓄电模块或蓄电***，其包含有下列步骤：采集外部能量，转换外部能量成电荷，以输出电荷形成电流，接收并输出低于预设电压电流限制的充电电流至蓄电单元。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明具有外部能量采集较低门槛的优势，利用此较低门槛的能量采集，即可避免蓄电单元持续深度放电，而造成蓄电单元的损坏，且利用本发明的技术内容可长期进行接收外部能量，以维持蓄电单元最低电量，蓄电单元即使长期不使用，也不会立刻发生深度放电，因此本发明可使蓄电单元更具使用上的耐久性。

附图说明

图1为本发明的具有能量采集特征的蓄电装置方块示意图。

图2为本发明的具有能量采集特征的蓄电装置的保护方法步骤流程图。

图3为电芯及蓄电装置保护电路板放电曲线图。

图4为电芯及蓄电装置保护电路板放电另一曲线图。

图5为本发明的电芯放电曲线图。

附图标记说明：10-具有能量采集特征的蓄电装置；12-采集单元；14-外部能量；16-能量转换单元；20-充电控制单元；22-蓄电单元；24-蓄电装置保护电路板；L1-电芯工作放电及自耗电的量值；L2-蓄电装置保护电路板的耗电量；L3-自耗电总量；区间A-深度放电损坏区间；区间B-低电压保护区间；区间C-蓄电单元正常工作区间；SOC-蓄电单元的残留电量。

具体实施方式

关于本发明的实施方式及其所欲解决的问题、解决问题的技术手段及对照先前技术的功效，在搭配参考图式的详细说明中，得以一一呈现。

本发明的具有能量采集特征的蓄电装置可使用在单一电芯构成的蓄电单元（或俗称电池单元）上，所应用范围例如是移动通讯***、精密电子仪器或是常见的相机所用的电池，当有多个电池单元则称为蓄电模块，多个蓄电模块则称的为蓄电***，所应用范围如前述的车载电池装置、不断电***，或是照明***，然不论是蓄电单元、蓄电模块或是蓄电***皆是单一电芯构成的蓄电单元为基础。

依据前述蓄电单元的应用基础，本发明于此可列举一实施例，首先参阅图1，以说明本发明的具有能量采集特征的蓄电装置方块示意图，如图所示，本发明的具有能量采集特征的蓄电装置10包含有采集单元12，并依据摆放设置环境的不同，可以进行采集例如是电磁波、振动、光线、冷热温差、风能或波潮的外部能量14，能量转换单元16电性连接采集单元12，接收外部能量转换成电荷，并输出电荷形成电流，充电控制单元20电性连接能量转换单元16，以接收电流并输出低于预设电压电流限制的充电电流，蓄电单元22电性连接充电控制单元20，接收充电电流以储存电荷。

承前文所述，本发明以一组容量为1000毫安培小时的蓄电单元22的典型案例以作说明，由于蓄电单元22的自放电电流大小除了与放电深度（意即蓄电单元22端电压）有关之外，各制造商的产品因材料配方与制程工艺的不同，也有很大的差异，因此维持蓄电单元22特定电压所需的充电电流也会有所不同。依据本发明所揭示的具有能量采集特征的蓄电装置10，其外型空间的大小设计的采集单元12可以提供蓄电单元22一定范围的终端充电的充电电流，例如0.02毫安培(mA)至1毫安培之间，可使蓄电单元22的电压差可至少维持在大约0.5伏特(V)至3.6伏特之间；如果设计的采集单元12可以提供蓄电单元22大约为0.01毫安培至0.5毫安培之间可充电的充电电流，则可以使蓄电单元22的电压差可至少维持在大约0.5伏特至2.8伏特之间。其中当使用蓄电单元22的容量增加或减少时，维持相同电压所需的充电电流通常也以相同比例增加或减少。

如前所述的采集单元12、能量转换单元16、充电控制单元20可模块化至蓄电装置保护电路板24上。且其中蓄电单元22为电芯，且电芯的种类可为铅酸电芯、镍氢电芯、镍锌电芯、镍铁电芯、镍氢电芯、镍镉电芯、锂锰电芯、锂镍电芯、锂钴电芯、磷酸锂铁电芯、锂离子电芯、锂离子聚合物电芯或全钒氧化还原液流电芯或其组合。

依据本发明前述的具有能量采集特征的蓄电装置，本发明于此可列举一方法实施例，用以保护蓄电单元、蓄电模块或蓄电***。

参阅图2、图3及图4，以说明本发明的具有能量采集特征的蓄电装置的保护方法步骤流程图及电芯及蓄电装置保护电路板放电曲线图以及电芯及蓄电装置保护电路板放电另一曲线图，参阅同时辅以图1，为使本发明所属技术领域具有通常知识者更能了解其内容，并可据以实施，以作为公众利用的技术文献，本发明于此先叙明图3及图4的图式内容以利于公众知悉，如图3及图4所示的X轴为蓄电单元22的电芯及蓄电装置保护电路板24电压值、Y轴为自耗电电流值、区间A为深度放电损坏区间、区间B为低电压保护区间的区间、区间C为蓄电单元22正常工作区间，曲线L1表示电芯工作放电及自耗电的量值，其中自耗电的量值为蓄电单元22、蓄电装置保护电路板24或其组合的耗电量，曲线L2表示蓄电装置保护电路板24的耗电量，在图式中的曲线L2在进入2.8伏特区间时，因蓄电装置保护电路板24（或俗称电池管理***）的作用将会刻意压低耗电量，以得到更多的蓄电单元22储存时间，在计算L1及L2的总和之后，则可得到曲线L3为自耗电总量。

承前文所述，本发明所揭示一种具有能量采集特征的蓄电装置的保护方法包含有下列步骤：如步骤S10，采集单元12依据环境的不同可进行采集例如是电磁波、振动、光线、冷热温差、风能或波潮的外部能量，步骤S12，能量转换单元16转换外部能量成电荷，并输出电荷以形成电流，步骤S14，接收并输出低于预设电压电流限制的充电电流至蓄电单元22，接续进行步骤S16，充电控制单元20确认充电电流的量值是否大于自耗电的量值，若是，则如同步骤18所示，充电控制单元20可使蓄电单元22电压值及自耗电值上升，并且程序返回步骤S16，若否，则进行步骤S20，充电控制单元20确认充电电流的量值是否小于自耗电的量值，若是，则如同步骤S22所示，充电控制单元20使蓄电单元22电压值及自耗电值下降，并且程序返回步骤S20，若否，则进行步骤S24，充电控制单元20确认充电电流的量值是否等于自耗电的量值，若是，则如同步骤S26所示，充电控制单元20使蓄电单元22电压值及自耗电值保持恒定，并且程序返回步骤S24，若否，则程序返回步骤S16。

续前文，当充电电流的电流值大约为0.02毫安培至1毫安培之间，本发明的具有能量采集特征的蓄电装置10可使蓄电单元22的电压差可至少维持在大约0.5伏特至3.6伏特之间；当充电电流的电流值大约为0.01毫安培至0.5毫安培之间，具有能量采集特征的蓄电装置10可使蓄电单元22的电压差可至少维持在大约0.5伏特至2.8伏特之间。

综上所述，本发明所揭示的技术内容在于提供保护蓄电单元22免于进入深度放电损坏区间的区间A，通过具有能量采集特征的蓄电装置的保护方法即可使蓄电单元22的电芯电压值维持在大约至少0.5伏或以上，视采集单元12所采集的外部能量状况，能量转换单元16接收外部能量转换成电荷，并输出电荷形成电流，充电控制单元20以接收并输出低于预设电压电流限制的充电电流至蓄电单元22以进行储存电荷。

因此，当外部能量较大时，充电控制单元20即输出较大充电电流，例如大约是0.02毫安培至1毫安培之间的充电电流至蓄电单元22，以使蓄电单元22的电芯电压维持在大约至少0.5伏以上至大约3.6伏之间；当外部能量较小时，充电控制单元20则输出较小充电电流，例如大约是0.01毫安培至0.5毫安培之间的充电电流至蓄电单元22，以使蓄电单元22的电芯电压维持在大约至少0.5伏特以上至大约2.8伏特之间。

接续参阅图5，以说明本发明的电芯放电曲线图，参阅同时辅以图1及图4，如图5所示的技术内容，X轴为蓄电单元电流值、Y轴为蓄电单元的电压值，并且本发明以蓄电单元的电容量1000毫安时(mAh)，蓄电单元22以4.2伏特持续放电至2.8伏特作为假设情境说明的依据。在蓄电单元在经过5个小时的100毫安培的连续放电之后，电压值为3.8伏特，残留电量(State Of Charge，SOC)为50％，7个小时的工作放电之后，电压值为3.6伏特残留电量为30%，接着当蓄电单元经过10小时的工作放电后，电压值仅剩为2.8伏特，蓄电单元的残留电量为0%，以下本发明于此针对蓄电单元2.8伏特及3.8伏特两种起始条件，与0.08毫安培及0.25毫安培两种能量采集的具有能量采集特征的蓄电装置的保护方法做为举例说明：

假设情境一：蓄电单元22在经过10小时的100毫安培持续放电后，电压值仅剩为2.8伏特，蓄电单元22的残留电量为0%，此时蓄电单元22几乎难以再持续放出工作电量，仅能产生自耗电现象，因此以本发明技术开始进行能量采集并取得0.25毫安培对蓄电单元22进行充电，使蓄电单元22的端电压可由2.8伏特逐渐回复到3.6伏特，而蓄电单元22因本身电芯自耗电和蓄电装置保护电路板24所造成的平均自耗电大约是0.23毫安培，抵销后剩余小量充电电流大约是0.02毫安培，在蓄电单元22存放并采集外部能量15000小时再乘上0.02毫安培等于是300毫安时，因此经过大约15000小时蓄电单元22端电压预期将可提升到达3.6伏特(残留电量增加到30%)。此时蓄电单元22自耗电电流增加到0.25毫安培，完全抵销能量采集所取得0.25毫安培，因此维持在平衡状态，蓄电单元22的电压停留在3.6伏特，残留电量则停留在30％。

假设情境二：在蓄电单元22在放完电后电压值为3.8伏特(残留电量等于50%)，本发明进行能量采集0.25毫安培，部分自耗电（平均值约0.27毫安培）后，抵销扣减0.25毫安培后，剩余自耗电约0.02毫安培，经过10000小时乘上0.02毫安培，蓄电单元22将耗电200毫安培小时容量，因此剩余流电量30％（端电压约3.6伏特)，此时自耗电量也是0.25毫安培刚好抵销能量采集所得的充电电流，因此蓄电单元22电压将持续维持在此准位；若是蓄电单元22无采集的情况下，经过2000小时乘上0.25毫安培，在蓄电单元22因本身电芯自耗电和蓄电装置保护电路板的所造成的平均自耗电，蓄电单元22的端电压降掉落到可得电量仅剩为2.8伏特(残留电量等于0%)。此时虽然在低电压保护区间的区间B，蓄电装置保护电路板24的耗电量进入节电模式降低部分耗电，但因蓄电单元22电量耗尽，端电压仍会很快掉落到0.5V以下，造成蓄电单元22过放电而损坏。

假设情境三：在蓄电单元22在放完电后电压值2.8伏特(残留电量等于0%)，采用功率较小的具有能量采集特征的蓄电装置10，运用本发明经由能量转换取得充电电流约本发明进行能量采集0.08毫安培，仍小于低电压保护区间的区间B的自耗电总量（约0.1毫安培），因此蓄电单元22的端电压继续下降，直到端电压约2.0V时，经采集单元12所采集的外部能量14，能量转换单元16输出电流刚好可以完全抵销自耗电电流时，蓄电单元22电量不再减少，端电压不再下降。从2.8V下降至2.0V之间平均自耗电电流约0.09毫安培，扣减来自能量采集所得0.08毫安培，剩余自耗电约0.01毫安培。因此经过500小时之后，蓄电单元22电量消耗约5毫安培小时（相当于再消耗0.5％容量），其端电压值约2.0伏特(残留电量大约-0.5%)，此时因为自耗电电流完全得到能量采集的0.08毫安培的充电电流补充，因此蓄电单元22电量不再降低，端电压维持在2.0V；反观若此过程蓄电单元22没有采用本发明的具有能量采集特征的蓄电装置及保护方法，蓄电单元22在2.8V到2.0V之间平均自耗电约0.08毫安培，仅需62.5小时即可将前述5毫安培小时的电量用完。

从2.0V到0.5V的损坏区约有0.1％的容量，相当于1毫安培小时电量。这段区间的平均自耗电约0.05毫安培，因此大约只需20小时即因进入深度放电损坏区间的区间A而造成蓄电单元22的永久性损坏。从本案例可以看出本发明利用具有能量采集特征的蓄电装置10对于蓄电单元22保护的明显效益：即使以很小量的能量采集设计（0.08毫安培），可以使得一个具有能量采集特征的蓄电装置10原本会再82.5小时候发生永久性损坏的蓄电单元22，即使经过500小时放置，仍可维持在可恢复的低电压保护状态，而且不论持续多久，只要具有能量采集特征的蓄电装置10持续有效工作，蓄电单元22仍可长时间保存，都不会有损坏的状况发生。

综上所述，依据上述所列举的说明，可明确得知本发明的具有能量采集特征的蓄电装置及保护方法，对于蓄电单元22进行保护方法所产生的效果，在假设情境一及假设情境二的情况下，可以看出因采集单元12所采集的外部能量14值较大，可得大约0.02毫安培至1毫安培之间的充电电流，以对蓄电单元22进行充电，因此蓄电单元22可维持在2.8伏特～3.6伏特之间电压值，此些外部能量14虽然无法提供足够的能量可使蓄电单元22充至饱和状态，但是已经能提供蓄电单元22进入低电压保护区间的区间B以及具有工作电压正常工作区间的区间C，更能完全阻绝蓄电单元22进入深度放电损坏区间的区间A，而在当蓄电单元22因工作放电，也能因具有能量采集特征的蓄电装置10采集外部能量14而使蓄电单元22延长工作放电时间，以增加蓄电单元22的使用率。

而在假设情境三的情况下，由于采集单元12所采集的外部能量14值较小，仅得到大约0.01毫安培至0.5毫安培之间的充电电流，可对蓄电单元22进行充电，因此蓄电单元22可维持在0.5伏特～2.8伏特之间电压值，虽然蓄电单元22无法进入具有工作电压正常工作区间的区间C，但至少已经进入低电压保护区间的区间B，因此可得以延长蓄电单元22避免进入深度放电损坏区间的区间A的时间，如假设情境三的情况下，若有使用本发明的具有能量采集特征的蓄电装置及保护方法，蓄电单元22可延长500小时进入深度放电损坏区间的区间A，若是无采用本发明的具有能量采集特征的蓄电装置及保护方法，蓄电单元22仅需82.5小时之后，即进入深度放电损坏区间的区间A，就已经造成蓄电单元22的损坏。

本发明依据前述的实施例当中技术手段的展现，以维持蓄电单元最低电量为目的，因此本发明具有外部能量采集较低门槛的优势，利用此较低门槛的能量采集，即可避免蓄电单元持续深度放电，而造成蓄电单元的损坏，且利用本发明的技术内容可长期进行接收外部能量，以维持蓄电单元最低电量，蓄电单元即使长期不使用，也不会立刻发生深度放电，因此本发明可使蓄电单元更具使用上的耐久性。

本领域普通技术人员应该知道，蓄电单元的容量依据实际情况可能有不同的放电容量，且依据蓄电单元的规格上的不同，蓄电单元可提供不同的电压量值，例如设定在大约2.8伏特或以上，因此如本发明前文所述的情境假设的量值数据，当然并非是用以限定本发明的保护范围。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种具有能量采集特征的蓄电装置，其特征在于，至少包括：

一采集单元，以采集外部能量；

一能量转换单元，电性连接该采集单元，接收该外部能量转换成一电荷，并输出该电荷形成一电流；

一充电控制单元，电性连接该能量转换单元，接收并限制该电流转以输出一充电电流；以及

一蓄电单元，电性连接该充电控制单元，接收该充电电流，以储存该电荷。

2.如权利要求1所述的具有能量采集特征的蓄电装置，其特征在于，该外部能量为电磁波、振动、光线、冷热温差、风能或波潮。

3.如权利要求1所述的具有能量采集特征的蓄电装置，其特征在于，该充电电流维持在0.02毫安培至1毫安培之间，使该蓄电单元的电压差至少维持在0.5伏特至3.6伏特之间；当该充电电流维持在为0.01毫安培至0.5毫安培之间，使该蓄电单元的电压差至少维持在0.5伏特至2.8伏特之间。

4.如权利要求1所述的具有能量采集特征的蓄电装置，其特征在于，该蓄电单元为一电芯。

5.如权利要求4所述的具有能量采集特征的蓄电装置，其特征在于，该电芯的种类为铅酸电芯、镍氢电芯、镍锌电芯、镍铁电芯、镍氢电芯、镍镉电芯、锂锰电芯、锂镍电芯、锂钴电芯、磷酸锂铁电芯、锂离子电芯、锂离子聚合物电芯或全钒氧化还原液流电芯或其组合。

6.一种具有能量采集特征的蓄电装置的保护方法，以保护一蓄电单元，其特征在于，该具有能量采集特征的蓄电装置的保护方法至少包括下列步骤：

采集一外部能量；

转换该外部能量成一电荷，并输出该电荷以形成一电流；以及

接收并输出低于预设电压电流限制的一充电电流至该蓄电单元。

7.如权利要求6所述的具有能量采集特征的蓄电装置的保护方法，其特征在于，于该接收输出低于预设电压电流限制的一充电电流至该蓄电单元之后，更包括该蓄电单元进行储存该电荷。

8.如权利要求7所述的具有能量采集特征的蓄电装置的保护方法，其特征在于，该充电电流的电流值为0.02毫安培至1毫安培之间，使该蓄电单元的电压差至少维持在0.5伏特至3.6伏特之间；当充电电流的电流值为0.01毫安培至0.5毫安培之间，使该蓄电单元的电压差至少维持在0.5伏特至2.8伏特之间。

9.如权利要求7所述的具有能量采集特征的蓄电装置的保护方法，其特征在于，当该充电电流的量值大于该自耗电的量值时，该蓄电单元电压值及该自耗电值上升。

10.如权利要求7所述的具有能量采集特征的蓄电装置的保护方法，其特征在于，当该充电电流的量值小于该自耗电的量值时，该蓄电单元电压值及该自耗电值下降。

11.如权利要求7所述的具有能量采集特征的蓄电装置的保护方法，其特征在于，当该充电电流的量值等于该自耗电的量值时，该蓄电单元电压值及该自耗电值恒定。

12.如权利要求6所述的具有能量采集特征的蓄电装置的保护方法，其特征在于，该外部能量为电磁波、振动、光线、冷热温差、风能或波潮。

13.如权利要求9所述的具有能量采集特征的蓄电装置的保护方法，其特征在于，该蓄电单元为一电芯。

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