TW201739137A - 充電裝置及其充電控制電路與控制方法 - Google Patents

充電裝置及其充電控制電路與控制方法 Download PDF

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Abstract

本發明提出一種充電裝置，包含：一電源轉換電路，用以對一電池進行充電，其中，該電池具有一電池淨電壓；以及一充電控制電路，包括：一轉換控制電路，用以控制該電源轉換電路產生複數組不同之直流輸出電壓位準和直流輸出電流位準，其中每一直流輸出電壓位準和對應的直流輸出電流位準構成一電壓-電流對；一感測電路，用以感測該直流輸出電壓位準及／或該直流輸出電流位準；及一判斷電路，根據複數之該電壓-電流對而得知該電池淨電壓。

Description

充電裝置及其充電控制電路與控制方法
本發明係有關一種充電裝置，特別是指一種可補償充電路徑或電池內部之寄生電阻的充電裝置。本發明也有關於用於充電裝置中之充電控制電路以及控制方法。
第1圖顯示一種先前技術之充電裝置的方塊圖，充電裝置1包含一電源轉換電路30，用以轉換一輸入電源而VIN產生一直流輸出電源，直流輸出電源包括一直流輸出電壓VBUS以及一直流輸出電流IDC，用以對電池20充電。電池20包括一電池儲能核心(battery cell) 201。就電池20的外部看來，電池20具有一電池電壓VBATS，但電池20的內部具有內電阻，其以RI來等效表示，因此電池儲能核心201上的實際電壓低於電池電壓VBATS，以VBAT來表示，以下稱為電池淨電壓(battery net voltage)。電池20的內電阻RI可能來自於其內部組成之寄生電阻、線路電阻、接觸電阻、或其他電阻等。
第1圖中所示之先前技術，其缺點在於，由於內電阻RI的存在，使得電池電壓VBATS不等於電池淨電壓VBAT，且在較高的充電電流下，電池電壓VBATS與電池淨電壓VBAT之間有顯著的壓降。然而，先前技術的充電裝置，僅是根據從電池20外部取得的資訊(直流輸出電壓VBUS或電池電壓VBATS)來進行充電控制，因此當電池電壓VBATS與電池淨電壓VBAT之間有顯著壓降時，會誤判電池淨電壓VBAT，而未能對電池20有效充電。舉例而言，常用的充電控制方式是在充電階段的前期，當電池電壓距離目標電壓差距較大時，以定電流充電，此時電流量較大，而在充電階段的後期，當電池電壓距離目標電壓差距較小時，以定電壓充電，此時電流量較小。但是當誤判電池淨電壓VBAT時，會過早改以定電壓充電，造成充電時間延長，且因為誤判電池儲能核心的實際電壓(即電池淨電壓VBAT)，以致造成電池充電不足。
本發明相較於第1圖之先前技術，可準確感測電池淨電壓，免除電池內電阻或充電路徑寄生電阻所造成的影響，並據此輸出較佳的充電電流或電壓，可對電池充分充電，或是縮短充電時間。
就其中一個觀點言，本發明提供了一種充電裝置，包含：一電源轉換電路，用以提供一直流輸出電源經由一充電路徑對一電池進行充電，該直流輸出電源包括一直流輸出電壓以及一直流輸出電流，其中，該電池具有一電池淨電壓，且該直流輸出電壓與該電池淨電壓間因一電阻效應而造成一壓降；以及一充電控制電路，包括：一轉換控制電路，用以控制該電源轉換電路使該直流輸出電壓和該直流輸出電流具有複數組不同之直流輸出電壓位準和直流輸出電流位準，其中每一直流輸出電壓位準和對應的直流輸出電流位準構成一電壓-電流對；一感測電路，用以感測該直流輸出電壓位準及／或該直流輸出電流位準；及一判斷電路，根據複數之該電壓-電流對而得知該電阻效應之阻值及／或該電池淨電壓。
所述電阻效應，可包括該充電路徑之線路電阻及／或該電池之內電阻。
在一較佳實施例中，該充電裝置更包括：一纜線，其一端耦接於該電源轉換電路，另一端用以耦接於該電池。該纜線可包括電源線及第一與第二連接器，其中該電源線經由該第一與第二連接器而分別用以與該電源轉換電路和該電池耦接。
在一較佳實施例中，該充電裝置更包括：一開關，耦接於該電源轉換電路與該電池之間。
在一較佳實施例中，在得知該電阻效應之阻值及／或該電池淨電壓後，該轉換控制電路根據該電阻效應之阻值及／或該電池淨電壓，控制該電源轉換電路對該電池進行定電流或定電壓充電。
在一較佳實施例中，該複數之該電壓-電流對係於一感測時段內取得，在此感測時段內，該電池淨電壓之變化小於一電壓變化值。
就另一個觀點言，本發明也提供了一種用以控制一充電裝置之充電控制電路，其中該充電裝置包含：一電源轉換電路，用以提供一直流輸出電源經由一充電路徑對一電池進行充電，該直流輸出電源包括一直流輸出電壓以及一直流輸出電流，其中，該電池具有一電池淨電壓，且該直流輸出電壓與該電池淨電壓間因一電阻效應而造成一壓降；該充電控制電路包括：一轉換控制電路，用以控制該電源轉換電路使該直流輸出電壓和該直流輸出電流具有複數組不同之直流輸出電壓位準和直流輸出電流位準，其中每一直流輸出電壓位準和對應的直流輸出電流位準構成一電壓-電流對；一感測電路，用以感測該直流輸出電壓位準及／或該直流輸出電流位準；以及一判斷電路，根據複數之該電壓-電流對而得知該電阻效應之阻值及／或該電池淨電壓。
再就另一個觀點言，本發明也提供了一種充電控制方法，包含：控制一電源轉換電路，以提供一直流輸出電源經由一充電路徑對一電池進行充電，該直流輸出電源包括一直流輸出電壓以及一直流輸出電流，其中，該電池具有一電池淨電壓，且該直流輸出電壓與該電池淨電壓間因一電阻效應而造成一壓降；以第一直流輸出電流位準對該電池進行充電，並感測對應之第一直流輸出電壓位準，或以第一直流輸出電壓位準對該電池進行充電，並感測對應之第一直流輸出電流位準，而獲得第一電壓-電流對；以第二直流輸出電流位準對該電池進行充電，並感測對應之第二直流輸出電壓位準，或以第二直流輸出電壓位準對該電池進行充電，並感測對應之第二直流輸出電流位準，而獲得第二電壓-電流對；以及根據該第一與第二電壓-電流對而得知該電阻效應之阻值及／或該電池淨電壓。
在一較佳實施例中，該充電控制方法更包含：得知該電阻效應之阻值及／或該電池淨電壓後，當該電池淨電壓距離一目標電壓差距大於一預設值時，以一第三直流輸出電流位準對該電池進行充電；當該電池淨電壓距離該目標電壓差距小於一預設值時，以一第三輸出電壓位準對該電池進行充電。
在一較佳實施例中，該第一與第二電壓-電流對於一感測時段內取得，在此感測時段內，電池淨電壓之變化小於一電壓變化值。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
請參閱第2A圖，圖中所示為本發明之充電裝置的一種實施例（充電裝置2），充電裝置2包含：電源轉換電路30以及充電控制電路50。電源轉換電路30，用以轉換一輸入電源VIN而產生一直流輸出電源，直流輸出電源包括一直流輸出電壓VBUS以及一直流輸出電流IDC，用以經一充電路徑對電池20充電。電池20包括一電池儲能核心(battery cell) 201。就電池20的外部看來，電池20具有一電池電壓VBATS，但電池20的內部具有內電阻RI，此電阻效應造成電池儲能核心201上的實際電壓為電池淨電壓VBAT，低於電池電壓VBATS。電池20的內電阻RI可能來自於其內部組成之寄生電阻、線路電阻、接觸電阻、或其他電阻等。
充電控制電路50包括：轉換控制電路51、感測電路52以及判斷電路53。轉換控制電路51產生一轉換控制訊號CTRL，用以控制該電源轉換電路30產生直流輸出電壓VBUS與直流輸出電流IDC，施加於該電池20。感測電路52，用以感測直流輸出電壓VBUS及／或直流輸出電流IDC（當直流輸出電壓VBUS為受控或已知時，只需要感測直流輸出電流IDC；或是當直流輸出電流IDC為受控或已知時，只需要感測直流輸出電壓VBUS；或當然，即使直流輸出電壓VBUS或直流輸出電流IDC為已知，仍可對其進行感測）。判斷電路53根據複數組之直流輸出電壓VBUS與直流輸出電流IDC，而確定電池淨電壓VBAT或內電阻RI。在一實施例中，轉換控制電路51根據該電池淨電壓VBAT或該內電阻RI以決定一充電電壓位準VDCc或一充電電流位準IDCc，且轉換控制電路51控制電源轉換電路30，以該充電電壓位準VDCc或該充電電流位準IDCc對電池20充電。
由於電池淨電壓VBAT對應於不同位準之電流並不會有太大的變化，然而內電阻RI上之跨壓，則與流經其上的電流具有線性關係，因此，直流輸出電壓VBUS、直流輸出電流IDC以及電池淨電壓VBAT之間可以以下等式表示：
VBUS=IDC*RIP+VBAT (式1)
上式中，RIP表示內電阻RI的電阻值。請參閱第2B圖，在一實施例中，上述根據複數組之直流輸出電壓VBUS與直流輸出電流IDC，而確定電池淨電壓VBAT或內電阻RI之方法，舉例而言，可以下述之步驟而確定。首先，以第一直流輸出電流位準IDC1對電池20充電，並感測直流輸出電壓VBUS，而得知直流輸出電壓VBUS等於第一直流輸出電壓位準VDC1；或是，以第一直流輸出電壓位準VDC1對電池20充電，並感測直流輸出電流IDC，而得知直流輸出電流IDC等於第一直流輸出電流位準IDC1。以上步驟，例如可在第2B圖的時點t1進行。根據式1，可得到式2，其中VDC1與IDC1為第一電壓-電流對：
VDC1=IDC1*RIP+VBAT (式2)
其次，以第二直流輸出電流位準IDC2對電池20充電，並感測直流輸出電壓VBUS，而得知直流輸出電壓VBUS等於第二直流輸出電壓位準VDC2；或是，以第二直流輸出電壓位準VDC2對電池20充電，並感測直流輸出電流IDC，而得知直流輸出電流IDC等於第二直流輸出電流位準IDC2，其中VDC2與IDC2為第二電壓-電流對。以上步驟，可緊接在第2B圖的時點t1之後進行，例如時點t2；時點t1和時點t2之間宜不要間距過長，以免電池淨電壓VBAT因為充電而顯著地改變。亦即，第一與第二電壓-電流對係於一感測時段內取得，而較佳地，在此感測時段內，電池淨電壓之變化小於一電壓變化值。根據式1，可得到式3：
VDC2=IDC2*RIP+VBAT (式3)
解上述(式2)及(式3)可得
RIP=(VDC1-VDC2)/(IDC1-IDC2) (式4)
VBAT=VDC2-IDC2*RIP=VDC2-IDC2*[(VDC1-VDC2)/(IDC1-IDC2)] =VDC2-(IDC2*VDC1-IDC2*VDC2)/(IDC1-IDC2) (式5)
據此，可得知內電阻值RIP以及電池儲能核心201上的目前實際電壓，即目前的電池淨電壓VBAT。式5所得知之電池淨電壓VBAT為時點t2時的電池淨電壓VBAT。前述之方程式僅為舉例，並非限制，在某些情況下，電池淨電壓VBAT對應於不同位準之電流可能會有某些非線性關係，其仍可利用類似之方式而確定電池淨電壓VBAT或內電阻值RIP，在此不予贅述。
在一實施例中，於得知內電阻值RIP以及目前的電池淨電壓VBAT後，可根據這些資訊，來進一步地控制充電流程。舉例而言，在充電階段的前期，當電池淨電壓VBAT距離目標電壓差距較大（例如，大於一預設值）時，以定電流充電，此時電流量較大(例如第2B圖的時點t2與t3之間，以充電電流位準IDCc充電)，而在充電階段的後期，當電池淨電壓VBAT距離目標電壓差距較小（例如，小於上述預設值）時，以定電壓充電(例如第2B圖的時點t3與t4之間，以充電電壓位準VDCc充電)。在內電阻值RIP為已知的情況下，判斷電路53可以根據感測電路52所感測得知的目前直流輸出電壓VBUS與目前直流輸出電流IDC，來持續或間歇地計算目前的電池淨電壓VBAT。圖中時點t0起至t3止之充電行為，可稱為「直接充電模式(direct charge mode)」，因為是由充電裝置2中的充電控制電路50來直接決定對電池20充電的電流量。
請參閱第3圖，在一實施例中，本發明之充電裝置（充電裝置3）為可分離之裝置，例如但不限於包含一充電電路2a以及一纜線40，充電電路2a可透過纜線40而對電池20充電。充電電路2a例如但不限於可為一旅行充電器；電池20例如但不限於可為一智慧型手機內之電池或是一獨立之電池（例如行動電源power bank）；纜線40例如但不限於可為符合USB或USB PD規範之纜線（USB係指Universal Serial Bus，即通用序列匯流排；USB PD係指Universal Serial Bus Power Delivery，即通用序列匯流排供電）。纜線40例如但不限於可包含電源線41、及連接器42、43，其中，電源線41經由連接器42、43而分別與電源轉換電路30和電池20耦接。
本實施例顯示：在纜線40的電源線41與連接器42、43上，可能具有電阻，其總和以線路電阻RP來表示。在此情況下：
VBUS=IDC*(RPP+RIP)+VBAT (式6)
其中，RPP表示線路電阻RP的電阻值。根據本發明，以前述相似的方式，可以得知線路電阻RP和內電阻RI所造成的總和電阻效應，即，同樣可施予兩不同的直流輸出電流位準對電池20充電，並感測直流輸出電壓，或施予兩不同的直流輸出電壓位準對電池20充電，並感測直流輸出電流，即可計算獲知線路電阻RP和內電阻RI的總和電阻值與目前的電池淨電壓VBAT，並據此進一步地控制充電流程。
當然，若是電池20的內部不具有內電阻，而僅是在充電路徑上具有線路電阻RP，即
VBUS=IDC*RPP+VBAT (式7)
則以前述相似的方式，本發明同樣可以計算出線路電阻RP的電阻值RPP與目前的電池淨電壓VBAT，並據此進一步地控制充電流程。
請參閱第4圖，在一實施例中，本發明之充電裝置4在其充電電路2b中更包括一開關60，此開關60於一直接充電模式時導通，以對電池20進行直接充電。於直接充電模式之外的其他情況，充電電路2b可藉由其他路徑(未示出)而對其他電路供電，並可(但非必須)經由該其他電路而間接對電池20進行充電，但不直接控制對電池20充電的電流量。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。所說明之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合；舉其中一例，開關60可應用於第2A圖的實施例中；再舉一例，前述之複數電壓與電流之施加與感測，可以混合並用，例如，施加電流而感測電壓以獲得第一電壓-電流對，另施加電壓而感測電流以獲得第二電壓-電流對；又如，前述之實施例中，係感測電源轉換電路之輸出端之電流電壓對，而感測並確定充電路徑上之整體寄生電阻值，然而前述之電流電壓對亦可於充電路徑上之某中間節點進行感測，而獲得節點至電池端點之部分寄生電阻值。又例如，本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算或產生某輸出結果」，不限於根據該訊號的本身，亦包含於必要時，將該訊號進行電壓電流轉換、電流電壓轉換、及／或比例轉換等，之後根據轉換後的訊號進行處理或運算產生某輸出結果。由此可知，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，其組合方式甚多，在此不一一列舉說明。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
1, 2, 3, 4, 5‧‧‧充電裝置
2a、2b‧‧‧充電電路
20‧‧‧電池
201‧‧‧儲能核心
30‧‧‧電源轉換電路
40‧‧‧纜線
41‧‧‧電源線
42、43‧‧‧連接器
50‧‧‧充電控制電路
51‧‧‧轉換控制電路
52‧‧‧感測電路
53‧‧‧判斷電路
60‧‧‧開關
CTRL‧‧‧轉換控制訊號
IDC‧‧‧直流輸出電流
IDC1-IDC2‧‧‧直流輸出電流位準
IDCc‧‧‧充電電流位準
RI‧‧‧內電阻
RP‧‧‧寄生電阻
t0-t4‧‧‧時點
VBUS‧‧‧直流輸出電壓
VBAT‧‧‧電池淨電壓
VBATS‧‧‧電池電壓
VDC1-VDC2‧‧‧直流輸出電壓位準
VDCc‧‧‧充電電壓位準
VIN‧‧‧輸入電源
第1圖顯示一種先前技術之充電裝置方塊圖。 第2A圖顯示本發明之充電裝置的一種實施例方塊圖。 第2B圖舉例顯示本發明之充電方法之示意圖。 第3圖顯示本發明之充電裝置的一種實施例方塊圖。 第4圖顯示本發明之充電裝置的一種實施例方塊圖。
無
2‧‧‧充電裝置
20‧‧‧電池
201‧‧‧儲能核心
30‧‧‧電源轉換電路
50‧‧‧充電控制電路
51‧‧‧轉換控制電路
52‧‧‧感測電路
53‧‧‧判斷電路
CTRL‧‧‧轉換控制訊號
IDC‧‧‧直流輸出電流
RI‧‧‧內電阻
VBUS‧‧‧直流輸出電壓
VBAT‧‧‧電池淨電壓
VBATS‧‧‧電池電壓
VIN‧‧‧輸入電源

Claims (13)

  1. 一種充電控制方法，包含： 控制一電源轉換電路，以提供一直流輸出電源經由一充電路徑對一電池進行充電，該直流輸出電源包括一直流輸出電壓以及一直流輸出電流，其中，該電池具有一電池淨電壓，且該直流輸出電壓與該電池淨電壓間因一電阻效應而造成一壓降； 以第一直流輸出電流位準對該電池進行充電，並感測對應之第一直流輸出電壓位準，或以第一直流輸出電壓位準對該電池進行充電，並感測對應之第一直流輸出電流位準，而獲得第一電壓-電流對； 以第二直流輸出電流位準對該電池進行充電，並感測對應之第二直流輸出電壓位準，或以第二直流輸出電壓位準對該電池進行充電，並感測對應之第二直流輸出電流位準，而獲得第二電壓-電流對；以及 根據該第一與第二電壓-電流對而得知該電阻效應之阻值及／或該電池淨電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之充電控制方法，其中該電阻效應包括該充電路徑之線路電阻及／或該電池之內電阻。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之充電控制方法，更包含：得知該電阻效應之阻值及／或該電池淨電壓後，當該電池淨電壓距離一目標電壓差距大於一預設值時，以一第三直流輸出電流位準對該電池進行充電；當該電池淨電壓距離該目標電壓差距小於一預設值時，以一第三輸出電壓位準對該電池進行充電。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之充電控制方法，其中該第一與第二電壓-電流對於一感測時段內取得，在此感測時段內，該電池淨電壓之變化小於一電壓變化值。
  5. 一種充電裝置，包含： 一電源轉換電路，用以提供一直流輸出電源經由一充電路徑對一電池進行充電，該直流輸出電源包括一直流輸出電壓以及一直流輸出電流，其中，該電池具有一電池淨電壓，且該直流輸出電壓與該電池淨電壓間因一電阻效應而造成一壓降；以及 一充電控制電路，包括： 一轉換控制電路，用以控制該電源轉換電路使該直流輸出電壓和該直流輸出電流具有複數組不同之直流輸出電壓位準和直流輸出電流位準，其中每一直流輸出電壓位準和對應的直流輸出電流位準構成一電壓-電流對； 一感測電路，用以感測該直流輸出電壓位準及／或該直流輸出電流位準；以及 一判斷電路，根據複數之該電壓-電流對而得知該電阻效應之阻值及／或該電池淨電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之充電裝置，其中該電阻效應包括該充電路徑之線路電阻及／或該電池之內電阻。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之充電裝置，更包括：一纜線，其一端耦接於該電源轉換電路，另一端用以耦接於該電池。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之充電裝置，其中該纜線包括電源線及第一與第二連接器，其中該電源線經由該第一與第二連接器而分別用以與該電源轉換電路和該電池耦接。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之充電裝置，更包括：一開關，耦接於該電源轉換電路與該電池之間。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之充電裝置，其中在得知該電阻效應之阻值及／或該電池淨電壓後，該轉換控制電路根據該電阻效應之阻值及／或該電池淨電壓，控制該電源轉換電路對該電池進行定電流或定電壓充電。
  11. 一種用以控制一充電裝置之充電控制電路，其中該充電裝置包含：一電源轉換電路，用以提供一直流輸出電源經由一充電路徑對一電池進行充電，該直流輸出電源包括一直流輸出電壓以及一直流輸出電流，其中，該電池具有一電池淨電壓，且該直流輸出電壓與該電池淨電壓間因一電阻效應而造成一壓降；該充電控制電路包括： 一轉換控制電路，用以控制該電源轉換電路使該直流輸出電壓和該直流輸出電流具有複數組不同之直流輸出電壓位準和直流輸出電流位準，其中每一直流輸出電壓位準和對應的直流輸出電流位準構成一電壓-電流對； 一感測電路，用以感測該直流輸出電壓位準及／或該直流輸出電流位準；以及 一判斷電路，根據複數之該電壓-電流對而得知該電阻效應之阻值及／或該電池淨電壓。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之充電控制電路，其中在得知該電阻效應之阻值及／或該電池淨電壓後，該轉換控制電路根據該電阻效應之阻值及／或該電池淨電壓，控制該電源轉換電路對該電池進行定電流或定電壓充電。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之充電控制電路，其中該複數之該電壓-電流對係於一感測時段內取得，在此感測時段內，該電池淨電壓之變化小於一電壓變化值。
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