TW201438369A - 電池的充電系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種電池的充電系統及方法，其用以使一電源輸出一電源信號給一電池，該充電系統包含：至少二感測器，分別耦接至該電池以感測該電池的至少二回授信號；一可切換充電器，其包含：一第一充電器，在一第一充電模式時，用以提供一第一充電信號給該電池；及一第二充電器，在一第二充電模式時，並聯至該第一充電器，用以提供一第二充電信號給該電池；以及一核心控制器，根據該二回授信號控制該切換充電器切換成該第一或第二充電模式。

Description

電池的充電系統及方法

本發明係關於一種電池的充電系統及方法，特別是關於一種可藉由切換二種充電裝置以達到充電高效率之電池的充電系統及方法。

現今可攜式電子產品功能日趨複雜，內建處理器通常必須具備強大的運算效能，故耗電量極大。由於可攜式電子產品皆以電池作為電源；隨著可攜式電子產品的迅速發展，各種電池的用量大增，並且開發出許多新型的可再次充電式電池，例如：鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子(Li-ion)電池與鋰聚合物(Li-ion polymer)電池。

舉例而言，鋰電池是目前應用最為廣泛的可再次充電式電池，它根據不同的電子產品的要求可以做成扁平長方形(prismatic or rectangular)、圓柱形(cylindrical)、及扣式(button-type)，可以單節電池使用於低功率應用，也可以將多節電池進行串並聯組合得到更高電壓與容量，用於電動工具與筆記型電腦，此外，鋰離子電池還具備體積小、無記憶效應、低自放電、高穩定、快速充電等優點，成為輕薄短小的可攜式電子產品或要求高續航力之電動車應用中電源供應的最佳選擇。

當鋰電池內部儲存電量耗盡後需重新充電時，定電流/定電壓(constant-current/constant-voltage,CC/CV)模式為鋰電池最常見的充電方式。並且，為因應國際間節能減碳趨勢，轉換效率成為充電器設計實務上之一重要考量。傳統鋰電池之充電系統中所使用的切換式電源轉換器(switching-mode power converter)充電架構，於定電流充電模式操作時，有較佳的轉換效率，然而當切換式電源轉換器以定電壓充電模式操作時處於輕載範圍，而切換式電源轉換器之輕載操作會因高頻切換造成切換損耗(switching power loss)比例增加，使轉換效率因而降低。

故，有必要提供一種電池的充電系統及方法，以解決習用技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種電池的充電系統及方法，其係採用可重組態(reconfigurable)充電架構，在定電流、定電壓模式分別採用不同充電架構對電池進行充電，以便有效提升轉換效率，並且，由於轉換效率增加，更進而由電源輸出之功率轉換為電池儲存能量之過程效率提高，亦可得到減少充電時間之優點。

本發明之次要目的在於提供一種電池的充電系統及方法，其係採用可重組態(reconfigurable)充電架構，在定電流、定電壓模式分別採用不同充電架構對電池進行充電，以便增加轉換效率，並且，由於轉換效率增加等效減少因功率損耗(power loss)造成的廢熱，因此可減輕可攜式裝置充電過程因過熱帶來的種種問題，增加充電過程內部電子元件之可靠度其電池安全性。

為達上述之目的，本發明提供一種電池的充電系統，其用以使一電源輸出一電源信號給一電池，該充電系統包含：至少二感測器、一可切換充電器以及一核心控制器。該二感測器分別耦接至該電池以感測該電池的至少二回授信號。該可切換充電器包含一第一充電器及一第二充電器。該第一充電器在一第一充電模式時，用以提供一第一充電信號給該電池。該第二充電器在一第二充電模式時，並聯至該第一充電器，用以提供一第二充電信號給該電池。該核心控制器根據該二回授信號控制該可切換充電器切換成該第一或第二充電模式。

在本發明之一實施例中，該電池是鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池與鋰聚合物電池中的一種。

在本發明之一實施例中，該二感測器分別是一電流感測器及一電壓感測器。

在本發明之一實施例中，該充電系統另包含一回授網路，通過該回授網路，該二感測器將該二回授信號回授至該核心控制器。

在本發明之一實施例中，該第一充電模式是定電流充電模 式。

在本發明之一實施例中，該第二充電模式是定電壓充電模式。

在本發明之一實施例中，該第一充電器是一切換式電源轉換器。

在本發明之一實施例中，該第二充電器是一低壓降線性電源轉換器。

在本發明之一實施例中，該可切換充電器另包含一切換開關，由該核心控制器根據該二回授信號以切換該切換開關。

本發明一實施例提供一種電池的充電方法，其包含步驟：(a)提供一電池的充電系統，其用以使一電源輸出一電源信號給一電池，該充電系統包含：至少二感測器、一可切換充電器以及一核心控制器；(b)利用該二感測器量測該電池的電壓信號及電流信號；(c)回傳該電池的電壓信號及電流信號給該核心控制器以決定將該電池切換成一第一充電模式或一第二充電模式；(d)由該核心控制器切換該可切換充電器，以選擇提供一第一充電信號或一第二充電信號給該電池以及(e)完成充電過程並停止輸出該電源信號。

在本發明之一實施例中，該第一充電模式是一定電流充電模式，及該第二充電模式是一定電壓充電模式。

10‧‧‧電池

20‧‧‧電源

30‧‧‧充電系統

31‧‧‧感測器

311‧‧‧電流感測器

312‧‧‧電壓感測器

32‧‧‧可切換充電器

321‧‧‧第一充電器

322‧‧‧第二充電器

33‧‧‧核心控制器

34‧‧‧回授網路

S1、S2‧‧‧切換開關

S01、S02、S03、S04、S05‧‧‧步驟

第1圖：本發明較佳實施例之電池的充電系統之核心電路方塊圖。

第2圖：本發明較佳實施例之電池的充電系統之充電電壓及充電電流變化特性曲線圖。

第3圖：本發明本發明較佳實施例之電池的充電方法之流程圖。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、 內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參照第1圖所示，其揭示了本發明較佳實施例之電池10 的充電系統30之核心電路方塊圖，其用以使一電源20輸出一電源信號給一電池10，該充電系統30主要包含至少二感測器31、一可切換充電器32以及一核心控制器33。該二感測器31分別耦接至該電池10以感測該電池10的至少二回授信號。該可切換充電器32包含一第一充電器321及一第二充電器322。該第一充電器321在一第一充電模式時，用以提供一第一充電信號給該電池10。該第二充電器322在一第二充電模式時，並聯至該第一充電器321，用以提供一第二充電信號給該電池10。該核心控制器33根據該二回授信號控制該可切換充電器32切換成該第一或第二充電模式。

在本實施例中，該電池10係可再次充電式電池，例如鎳鎘 電池、鎳氫電池、鋰離子電池與鋰聚合物電池中的一種。以鋰電池為例，該電池10中的電解液可以是擬膠體、聚合物(例如鋰離子/鋰聚合物電池)、或擬膠體與聚合物的混合物。因目前尚未發現能夠在室溫條件下有效運送鋰離子的聚合物，故大多數的鋰離子/鋰聚合物電池實際上是結合擬膠體與聚合物的混合型電池。一般電池的性能參數主要有最大充電電壓、開路電壓、電量狀態、充放電能力、電池內電阻與容量等。該些性能參數必須由電池供應商提供給設計電路者，用來作功率損耗分析(power loss analysis)，以求得分別使用該第一充電器321及該一第二充電器322時，分別對應的功率耗損與輸入電壓及充電電流的關係，這些分析將提供給設計該核心控制器33時使用。

此外，該二感測器31分別是一電流感測器311及一電壓感 測器312，由於如果充電電流過大時，也會產生電池溫度過高，不僅會產損壞電池並可能會引起***；因此在大電流充電時，也需要使用一溫度感測器對電池進行溫度檢測，使得在超過設定充電溫度時能停止充電以保證安全。該充電系統30另包含一回授網路34，通過該回授網路34，該二感測器31將該二回授信號，例如一電壓信號及一電流信號，回授至該核心控制 器33，該電壓信號及該電流信號提供該核心控制器33以決定目前該電池10是處與何種模式的狀態下。後面會更仔細說明該核心控制器33的控制動作。

再者，在本實施例中，該第一充電模式是定電流 (constant-current)充電模式。該第二充電模式是定電壓(constant-voltage)充電模式。因目前一般電池的充電器常採用的是三段充電法，即預充電模式(pre-charging mode or trickle current mode)、定電流充電模式(fast charging mode or constant current mode)及定電壓充電模式(constant voltage mode)；設計完善的充電器可對過度放電的電池進行修復，即在正式充電前進行預處理，讓處於過度放電狀態下而溶解的鈍化膜進行還原；此外，當電池過度放電時，電池內電阻會增加，若以大電流進行充電，將會導致電池過熱，而預充電階段則能變免這種現象發生，但因本發明未著重在此階段的設計重點，故並不贅述。

請參照第2圖所示，其係為本發明較佳實施例之電池10的 充電系統30充電時電池端電壓及充電電流隨充電時間之變化曲線，從第2圖中可看見，該電池10在定電流充電模式及定電壓充電模式時，電池端電壓及充電電流與充電時間之關係。由圖中可知，充電初期由於電能耗盡，電池端電壓遠低於該電源20的輸入電壓，故一開始在該定電流充電模式中，在此階段，電池電壓以較快的斜率上升，隨著電池電力儲存的增加，電池電壓上升斜率會逐步降低，上升到接近約電池充滿其額定電壓值時，定電流充電階段結束，此時，充電器改以一固定電壓充電。在定電壓階段充電時，電壓幾乎不變，但充電電流持續下降；當充電電流降到某一值時，通常會啟動一計時器，經一段時間後結束充電，完成充電過程。

目前可選擇的電池的充電架構有切換式架構充電器 (switching-mode charger)、線性式架構充電器(linear charger)及電荷泵(charge pump)。它們各有其優缺點及應用特徵，以切換式架構充電器而言，其適合操作於輸出入電壓差較大的情況，並且也適用於高輸出電流的場合，其效率最高，溫度問題容易解決，價錢也較高，但有高電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)或輸出漣波的問題，在電路板佈局(Layout)時要更費心。

而線性式架構充電器具有容易使用的優點，只需於輸入輸出 端各加一個外部電容即可，用料成本最低，且無高電磁干擾或輸出漣波的問題；，當輸入電壓等於輸出電壓時，效率可達85%以上，而輸入電壓甚高於輸出電壓時，效率可滑落至25%以下，使充電器容易發熱。電荷泵架構充電器相較於線性式架構充電器，電路效率較高；相較於切換式架構充電器，電磁干擾與輸出漣波均較低。

根據實際應用上，轉換效率、使用壽命及充電時間等等考 量，目前市場上的整合性電源管理元件仍以切換式架構充電器及線性式架構充電器為主流，但結合二者的優點以合適的切換二者以達到更高效率，有習知方法以串聯的方式結合二者，但本發明乃揭示以並聯的方式結合二者，並藉一控制核心切換使得轉換效率更有效的被提升。故，在本實施例中，該第一充電器321可以是一切換式電源轉換器(switching-mode power converter)。該第二充電器322可以是一低壓降線性電源轉換器(Low-drop linear regulator,LDO)。並且，該可切換充電器32另包含一切換開關(可為一二擇一之多工器(2-1 multiplexer))或是二切換開關S1、S2，由該核心控制器33根據該二回授信號及電池相關係數以切換該些切換開關S1、S2。

故，當可切換充電器32在該定電壓充電階段輕載操作時， 因切換式電源轉換器的高頻切換將產生較大的切換損耗，是造成轉換效率降低的主要原因。因此本發明之電池充電器，在不同充電模式將切換至相對應充電架構，便可消除因高頻切換產生的功率損耗，此為本發明的精神，至於使用哪種的充電電路架構，可針對電池的相關參數及電壓、電流進行功率損耗的分析後以做決定，並不受本發明所提電路架構所限定。以下將以一方法流程圖，更清楚說明本發明之充電方法。

請再參照第3圖所示，其係為本發明較佳實施例之電池10 的充電方法的流程圖，其首先包含步驟(S01)：(a)提供一電池10的充電系統30，其用以使一電源20輸出一電源信號給一電池10，該充電系統30包含：至少二感測器31、一可切換充電器32以及一核心控制器33。在本步驟中，由電池供應商所提供的電池相關係數，都會提供給電路設計者針對電池作功率耗損分析，以決定該核心控制器33的細部設計。

本發明較佳實施例之電池10的充電方法，接著包含步驟 (S02)：(b)利用該二感測器31量測該電池10的電壓信號及電流信號。此外，為了保護該電池10免於充電池溫度過高，也可提供一溫度感測器以做偵測，或是其他考量等，因非本發明著重處，不在此贅述。

本發明較佳實施例之電池10的充電方法，然後包含步驟 (S03)：(c)回傳該電池10的電壓信號及電流信號給該核心控制器33以決定將該鋰電池10切換成一第一充電模式或一第二充電模式。在本步驟中，該核心控制器33的設計取決於功率耗損分析及該回授信號；並且，該第一充電模式為一定電流充電模式，該第二充電模式為一定電壓充電模式。

本發明較佳實施例之電池10的充電方法，之後包含步驟 (S04)：(d)由該核心控制器33切換該可切換充電器32以選擇提供一第一充電信號或一第二充電信號給該電池10；於該定電流充電模式時，切換該切換開關使得該切換式電源轉換器開始提供該第一充電信號充電，因為此階段輸入輸出電壓差大，故適合採用高效率的切換式架構充電器；而當於該定電壓充電模式時，便切換該切換開關使得該低壓降線性電源轉換器開始提供該第二充電信號充電，由於此階段輸入輸出電壓差變小，使用線性式架構充電器可以減少切換式架構充電器所產生的轉換效率損失，並以85%的高效率做電源轉換。

本發明較佳實施例之電池的充電方法，最後包含步驟 (S05)：(e)完成充電過程並移出該電源20以及該充電系統30以停止輸出該電源信號。

傳統電池充電器為求高轉換效率，多採用切換式電源轉換器 進行設計。電池充電過程分為定電流充電及定電壓充電階段，當充電器在定電壓充電階段輕載操作時，因高頻切換產生之切換損耗是造成轉換效率降低的主要原因。因此本發明提出可重組態或稱可切換之高效率的電池充電器，在不同充電模式時切換至相對應充電架構，以消除因高頻切換產生的功率損耗。採用本專利技術可有效改善充電過程中輕載範圍之轉換效率，比起傳統設計，可提升10%以上轉換效率。並且由於轉換效率增加，更進而由電源輸出之功率轉換為電池儲存能量之過程效率提高，亦可得到 減少充電時間之優點。再者，由於轉換效率增加等效減少因功率損耗(power loss)造成的廢熱，因此還可減輕可攜式裝置充電過程因過熱帶來的種種問題，增加充電過程內部電子元件之可靠度及電池安全性。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧電池

20‧‧‧電源

30‧‧‧充電系統

31‧‧‧感測器

311‧‧‧電流感測器

312‧‧‧電壓感測器

32‧‧‧可切換充電器

321‧‧‧第一充電器

322‧‧‧第二充電器

33‧‧‧核心控制器

34‧‧‧回授網路

S1、S2‧‧‧切換開關

Claims (11)

1. 一種電池的充電系統，其用以使一電源輸出一電源信號給一電池，該充電系統包含：至少二感測器，分別耦接至該電池以感測該電池的至少二回授信號；一可切換充電器，其包含：一第一充電器，在一第一充電模式時，用以提供一第一充電信號給該電池；及一第二充電器，在一第二充電模式時，並聯至該第一充電器，用以提供一第二充電信號給該電池；以及一核心控制器，根據該二回授信號控制該可切換充電器切換成該第一或第二充電模式。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池的充電系統，其中該電池是鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池與鋰聚合物電池中的一種。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電池的充電系統，其中該二感測器分別是一電流感測器及一電壓感測器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電池的充電系統，其中該充電系統另包含一回授網路，通過該回授網路，該二感測器將該二回授信號回授至該核心控制器。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電池的充電系統，其中該第一充電模式是定電流充電模式。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電池的充電系統，其中該第二充電模式是定電壓充電模式。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電池的充電系統，其中該第一充電器是一切換式電源轉換器。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電池的充電系統，其中該第二充電器是一低壓降線性電源轉換器。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電池的充電系統，其中該可切換充電器另包含一切換開關，由該核心控制器根據該二回授信號以切換該切換開關。
10. 一種電池的充電方法，其包含步驟：(a)提供一電池的充電系統，其用以使一電源輸出一電源信號給一電池，該充電系統包含：至少二感測器、一可切換充電器以及一核心控制器；(b)利用該二感測器量測該電池的電壓信號及電流信號；(c)回傳該電池的電壓信號及電流信號給該核心控制器以決定將該電池切換成一第一充電模式或一第二充電模式；(d)由該核心控制器切換該可切換充電器，以選擇提供一第一充電信號或一第二充電信號給該電池；以及(e)完成充電過程並停止輸出該電源信號。
11. 如申請專利範圍第10項所述之電池的充電系統，其中該第一充電模式是一定電流充電模式，及該第二充電模式是一定電壓充電模式。