TWI473385B - 具充電平衡的充電裝置及其充電方法 - Google Patents

Description

具充電平衡的充電裝置及其充電方法

本發明為有關於一種充電平衡裝置及其充電方法，特別是指一種設置在電池組外部且應用並聯的齊納二極體(Zener diode)對電池單元進行被動式充電平衡之具充電平衡的充電裝置及其充電方法。

近年來，隨著行動裝置的普及與蓬勃發展，二次電池的使用已屬常態，因此，如何提高二次電池的使用壽命便成為各家廠商亟欲解決的問題之一。

一般而言，二次電池是以電池組的方式呈現，此電池組內部包含至少一個電池單元，且電池單元包含一個電池芯或多個串聯的電池芯。由於各個電池單元的電氣特性不盡相同，為了避免過充電而影響電池單元的使用壽命，通常會搭配電池管理系統(Battery management system,BMS)來管理及保護電池單元，所述電池管理系統會透過充電平衡的方式對電池單元進行充電以避免過充電的情況發生。基本上，充電平衡大致分為兩大部分，即：主動式充電平衡與被動式充電平衡。其中，又以被動式充電平衡因具有低成本、電路簡單等優點而被廣泛應用在電池組中，例如：將電阻與電池單元並聯，以便利用電阻消耗電池單元多餘的電能，達到避免過度充電的目的。然而，此方式除了浪費電能之外，更容易造成廢熱影響電池單元的使用壽命。

有鑑於此，便有廠商提出使用齊納二極體跨接於電池單元兩端的方法，利用其定電壓負載的特性，使電池單元在充飽電的狀態時，將電能改由齊納二極體通過。如此一 來，便不會造成廢熱及電池單元過充電的情況。不過，此方式將充電平衡的電路設置在電池組內部，具有無法重複利用且可擴充性不佳的問題。

綜上所述，可知先前技術中長期以來一直存在充電平衡電路無法重複利用且可擴充性不佳之問題，因此實有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。

有鑒於先前技術存在的問題，本發明遂揭露一種具充電平衡的充電裝置及其充電方法。

本發明所揭露之具充電平衡的充電裝置，用以與具有電池單元的電池組電性連接，所述電池單元包含電池芯，其包含：電源線、充電平衡電路及連接線路。其中，電源線用以提供充電電流；充電平衡電路包含齊納二極體群組(Zener diode group)，每一齊納二極體群組包含並聯的多個齊納二極體(Zener diode)，以及每一齊納二極體群組並聯對應所述電池單元其中之一，當所述電池單元為充飽電狀態時，與所述電池單元並聯對應的齊納二極體群組為導通狀態，並且使充電電流通過導通狀態的齊納二極體；連接線路用以電性連接充電平衡電路及電池單元，當所述電池單元為未充飽電狀態時，充電電流通過此連接線路對電池單元進行充電。

至於本發明之具充電平衡的充電方法，應用在與具有電池單元的電池組電性連接的環境，所述電池單元包含電池芯，其步驟包括：提供充電電流及充電平衡電路，其中充電平衡電路包含齊納二極體群組，每一齊納二極體群組包含並聯的多個齊納二極體，以及每一齊納二極體群組並聯對應電池單元其中之一；將連接線路電性連接充電平衡電路及電池單元；當電池單元為未充飽電狀態時，充電電流通過連接線路持續對所述電池單元進行充電；當所述電池單元為充飽電狀態時，並聯於所述電池單元的齊納二極體群組切換為 導通狀態，並且使充電電流通過導通狀態的齊納二極體群組。

本發明所揭露之裝置與方法如上，與先前技術之間的差異在於本發明是透過連接線路電性連接充電平衡電路及包含多個電池單元的電池組，所述充電平衡電路包含齊納二極體群組且齊納二極體群組包含並聯的齊納二極體，以便在電池單元為充飽電狀態時，使充電電流通過導通的齊納二極體群組，以及在電池單元為未充飽電狀態時，使充電電流通過連接線路對電池單元進行充電。

透過上述的技術手段，本發明可以達成提高充電平衡的可利用性之技術功效。

10、10a、10b‧‧‧電池組

11、12‧‧‧電池單元

11a~11c‧‧‧電池芯

31~33‧‧‧電池單元

110‧‧‧電源線

120、120a‧‧‧充電平衡電路

121、121a~121c‧‧‧齊納二極體群組

122‧‧‧齊納二極體

130、130a~130d‧‧‧連接線路

500‧‧‧電路板

501~504‧‧‧插槽

510‧‧‧可抽換式電路板

511‧‧‧插接端點

步驟210‧‧‧提供一充電電流及一充電平衡電路，其中該充電平衡電路包含至少一齊納二極體群組，每一齊納二極體群組包含並聯的多個齊納二極體，以及每一齊納二極體群組並聯對應所述電池單元其中之一

步驟220‧‧‧將一連接線路電性連接該充電平衡電路及所述電池單元

步驟230‧‧‧當所述電池單元為未充飽電狀態時，該充電電流通過該連接線路持續對所述電池單元進行充電

步驟240‧‧‧當所述電池單元為充飽電狀態時，並聯於所述電池單元的齊納二極體群組切換為導通狀態，並且使該充電電流通過導通狀態的齊納二極體群

第1圖為本發明具充電平衡的充電裝置之裝置方塊圖。

第2圖為本發明具充電平衡的充電方法之方法流程圖。

第3A圖及第3B圖為本發明具充電平衡的充電裝置之第一電路示意圖。

第4圖為本發明具充電平衡的充電裝置之第二電路示意圖。

第5圖為本發明以模組化的方式設置齊納二極體群組於可抽換式電路板之示意圖。

以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。

在說明本發明所揭露之具充電平衡的充電裝置及其充電方法之前，先對本發明所自行定義的名詞作說明，本發明所述的齊納二極體群組(Zener diode group)是指並聯 多個齊納二極體(Zener diode)的電路，其並聯的齊納二極體數量與充電電流的大小成正相關。舉例來說，電動車使用的電池組具有較大的充電電流，所以齊納二極體群組中並聯的齊納二極體數量也越多。在實際實施上，每一個齊納二極體群組分別並聯一個電池單元，當電池單元充飽電後，由於電池單元的電壓可能大於或等於齊納二極體群組的崩潰電壓，導致原本通過電池單元的充電電流轉而通過與此電池單元並聯的齊納二極體群組。如此一來，充電電流便不會再對此電池單元進行充電。再則，本發明所述的電池單元可為單一電池芯，或複數個電池芯之串聯組合。

以下配合圖式對本發明具充電平衡的充電裝置及其充電方法作進一步說明，請參閱「第1圖」，「第1圖」為本發明具充電平衡的充電裝置之裝置方塊圖，用以與具有電池單元(11、12)的電池組10電性連接，此裝置包含：電源線110、充電平衡電路120及連接線路130。其中，電源線110用以提供充電電流。在實際實施上，此電源線110為包含陽極與陰極的金屬導線，用以提供直流電的充電電流，以便對電池單元11進行充電。另外，電源線110亦可與變壓器(圖中未示)搭配以便將交流電轉換為直流電並提供充電電流。特別要說明的是，所述電池單元可為單一電池芯，如圖中示意的電池單元12；或是電池單元可為複數個電池芯之串聯組合，如圖中示意的電池單元11包含各電池芯(11a~11c)。在實際實施上，電池組10可包含電池單元11及電池單元12，或是僅包含兩者其中之一。

充電平衡電路120包含齊納二極體群組121(請搭配參閱「第3A圖」)，由於齊納二極體群組121已於自行定義的名詞中作解釋，故在此不再多作贅述。每一齊納二極體群組121包含並聯的多個齊納二極體122(請搭配參閱「第3A圖」)，以及每一齊納二極體群組121並聯對應所述電池單元11其中之一。當所述電池單元11為充飽電狀態時，與所 述電池單元11並聯對應的齊納二極體群組121會成為導通狀態，並且使充電電流通過導通狀態的齊納二極體群組121，而不會通過電池單元11。如此一來，充電電流便不會再對充飽電的電池單元11進行充電而導致過充電的情況發生。特別要說明的是，在實際實施上，假設電池組10具有多個電池單元11時，齊納二極體群組121的數量與電池單元11的數量相同。另外，齊納二極體群組121具有崩潰電壓，此崩潰電壓為電池單元11過充電時的臨界電壓，也就是說，當電池單元為單一電池芯(如電池單元12)時，該電池單元12之過充電的臨界電壓為該電池單元12之臨界電壓，當電池單元為複數個電池芯之串聯組合(如電池單元11)時，該電池單元11之過充電的臨界電壓為該複數個電池芯(11a~11c)之個別臨界電壓之總和，以電池單元11為例，當電池單元11過充電的臨界電壓之總和為“5”伏特時，齊納二極體群組121的崩潰電壓將設為“5”伏特。

連接線路130用以電性連接充電平衡電路120及所述電池單元(11、12)，當所述電池單元(11、12)為未充飽電狀態時，充電電流通過連接線路130對所述電池單元(11、12)進行充電。稍後將配合圖式說明連接線路130電性連接充電平衡電路120及各電池單元(11、12)的方式。

接著，請參閱「第2圖」，「第2圖」為本發明具充電平衡的充電方法之方法流程圖，應用在與具有電池單元(11、12)的電池組10電性連接的環境，其步驟包括：提供充電電流及充電平衡電路120，其中所述充電平衡電路120包含齊納二極體群組，每一齊納二極體群組包含並聯的多個齊納二極體，以及每一齊納二極體群組並聯對應所述電池單元(11、12)其中之一(步驟210)；將連接線路130電性連接充電平衡電路120及電池單元(11、12)(步驟220)；當電池單元(11、12)為未充飽電狀態時，充電電流通過連接線路130持續對所述電池單元(11、12)進行充電(步驟230)； 當所述電池單元(11、12)為充飽電狀態時，並聯於所述電池單元(11、12)的齊納二極體群組切換為導通狀態，並且使充電電流通過導通狀態的齊納二極體群組(步驟240)。透過上述步驟，即可透過連接線路130電性連接充電平衡電路120及包含多個電池單元(11、12)的電池組10，所述充電平衡電路120包含齊納二極體群組且齊納二極體群組包含並聯的齊納二極體，以便在電池單元(11、12)為充飽電狀態時，使充電電流通過導通的齊納二極體群組，以及在電池單元(11、12)為未充飽電狀態時，使充電電流通過連接線路130對電池單元(11、12)進行充電。

以下配合「第3A圖」至「第6圖」以實施例的方式進行如下說明，請先參閱「第3A圖」及「第3B圖」，「第3A圖」及「第3B圖」為本發明具充電平衡的充電裝置之第一電路示意圖。首先，如「第3A圖」所示意，在與具有單一電池單元12的電池組10電性連接的情況下，當使用者欲對此電池組10充電時，需將連接線路130連接電池組10及充電平衡電路120，由於電池組10僅具有單一電池單元12，故使用包含一個齊納二極體群組121的充電平衡電路120，此齊納二極體群組121包含並聯的多個齊納二極體122，並且齊納二極體群組121亦與電池單元12並聯對應。

當電源線110提供充電電流並透過連接線路130對電池單元12進行充電時，電池單元12的電壓將持續增加，直到電池單元12為充飽電狀態時，其電壓等於齊納二極體群組121的崩潰電壓，進而造成充電電流不再流經電池單元12而是流經齊納二極體群組121。如此一來，即可在電池組10的電池單元12充飽電時，避免充電電流仍然繼續對電池單元12進行充電。至於「第3B圖」與「第3A圖」的差異僅在於電池組10a中的電池單元11包含多個串聯的電池芯，其餘皆與「第3A圖」的運作相同，故在此不再多作贅述。

如「第4圖」所示意，「第4圖」為本發明具充 電平衡的充電裝置之第二電路示意圖。在與具有多個電池單元(31~33)的電池組10b電性連接的情況下，當使用者欲對此電池組10b充電時，需將連接線路(130a~130d)連接電池組10b及充電平衡電路120a。在此例中，由於電池組10b具有三個電池單元(31~33)，因此，使用包含三個齊納二極體群組(121a~121c)的充電平衡電路120a，這些齊納二極體群組(121a~121c)皆包含並聯的多個齊納二極體122，並且各齊納二極體群組(121a~121c)與電池單元(31~33)並聯對應，如：齊納二極體群組121a與電池單元31並聯、齊納二極體群組121b與電池單元32並聯及齊納二極體群組121c與電池單元33並聯。至於連接線路(130a~130d)則由四條導線所組成。

當電源線110提供充電電流並透過連接線路(130a~130d)對電池單元(31~33)進行充電時，電池單元(31~33)的電壓將持續增加。在經過一段時間後，假設電池單元32成為充飽電狀態、電池單元(31、33)仍為未充飽電狀態，此時，電池單元32的電壓等於其對應的齊納二極體群組121b之崩潰電壓，所以齊納二極體群組121b為導通狀態，造成電源線110提供的充電電流經由連接線路130a、電池單元31、連接線路130b、齊納二極體群組121b、連接線路130c、電池單元33及連接線路130d流動以持續對電池單元(31、33)進行充電。如此一來，即可在電池組10b的電池單元32充飽電時，避免充電電流仍然繼續對電池單元32進行充電。當三個電池單元(31~33)皆為充飽電狀態時，則各齊納二極體群組(121a~121c)皆成為導通狀態，充電電流會直接流經各齊納二極體群組(121a~121c)，而不會流向電池單元(31~33)。至此，即完成被動式充電平衡。

接下來，請參閱「第5圖」，「第5圖」為本發明以模組化的方式設置齊納二極體群組於可抽換式電路板之示意圖。前面提到，為了適用於電池規格與充電電流較高的電 池組，如：電動車的電池組。在實際實施上，可以增加並聯的齊納二極體122數量，以及增加齊納二極體群組121的數量來適應各種不同的充電需求。因此，為了方便增加並聯的齊納二極體122數量，以及增加齊納二極體群組121的數量，可將齊納二極體群組121以模組化方式設置在可抽換式電路板510上(即通過插接端點511與電路板500上的充電平衡電路電性連接)，至於串聯各齊納二極體群組121的電路則設置在電路板500，並且電路板500還提供插槽(501~504)以供可抽換式電路板510進行設置。假設需要一個齊納二極體群組121則僅需在其中一個插槽設置可抽換式電路板510即可；假設需要兩個齊納二極體群組121，則僅需在其中二個插槽設置可抽換式電路板510……並以此類推，當設置一個以上的可抽換式電路板510時，電路板500上的電路會將所有齊納二極體群組121串聯。如此一來，使用者可透過抽換可抽換式電路板510來調整齊納二極體群組121的數量。另外，可抽換式電路板510上的齊納二極體122的並聯數量也可以預先根據各種電池規格及充電電流的大小進行設置。

綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於透過連接線路電性連接充電平衡電路及包含多個電池單元的電池組，所述充電平衡電路包含齊納二極體群組且齊納二極體群組包含並聯的齊納二極體，以便在電池單元為充飽電狀態時，使充電電流通過導通的齊納二極體群組，以及在電池單元為未充飽電狀態時，使充電電流通過連接線路對電池單元進行充電，藉由此一技術手段可以解決先前技術所存在的問題，進而達成提高充電平衡的可利用性之技術功效。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧電池組

11、12‧‧‧電池單元

11a~11c‧‧‧電池芯

110‧‧‧電源線

120‧‧‧充電平衡電路

130‧‧‧連接線路

Claims (10)

1. 一種具充電平衡的充電裝置，用以與具有至少一電池單元的電池組電性連接，該裝置包含：一電源線，用以提供一充電電流；一充電平衡電路，該充電平衡電路包含至少一齊納二極體群組，每一齊納二極體群組包含並聯的多個齊納二極體，以及每一齊納二極體群組並聯對應所述電池單元其中之一，當所述電池單元為充飽電狀態時，與所述電池單元並聯對應的齊納二極體群組為導通狀態，並且使該充電電流通過導通狀態的齊納二極體群組；及一連接線路，用以電性連接該充電平衡電路及所述電池單元，當所述電池單元為未充飽電狀態時，該充電電流通過該連接線路對所述電池單元進行充電。
2. 根據申請專利範圍第1項之具充電平衡的充電裝置，其中所述齊納二極體群組的數量與所述電池單元的數量相同。
3. 根據申請專利範圍第1項之具充電平衡的充電裝置，其中所述齊納二極體群組具有一崩潰電壓，該崩潰電壓為所述電池單元過充電的臨界電壓。
4. 根據申請專利範圍第1項之具充電平衡的充電裝置，其中所述齊納二極體的並聯數量與該充電電流的大小成正相關。
5. 根據申請專利範圍第1項之具充電平衡的充電裝置，其中所述齊納二極體群組係以模組化的方式設置在一可抽換式電路板上，該可抽換式電路板通過插接端點與該充電平 衡電路電性連接，當所述齊納二極體群組的數量在一個以上時，各齊納二極體群組為串聯。
6. 一種具充電平衡的充電方法，應用在與具有至少一電池單元的電池組電性連接的環境，其步驟包括：提供一充電電流及一充電平衡電路，其中該充電平衡電路包含至少一齊納二極體群組，每一齊納二極體群組包含並聯的多個齊納二極體，以及每一齊納二極體群組並聯對應所述電池單元其中之一；將一連接線路電性連接該充電平衡電路及所述電池單元；當所述電池單元為未充飽電狀態時，該充電電流通過該連接線路持續對所述電池單元進行充電；及當所述電池單元為充飽電狀態時，並聯於所述電池單元的齊納二極體群組切換為導通狀態，並且使該充電電流通過導通狀態的齊納二極體群組。
7. 根據申請專利範圍第6項之具充電平衡的充電方法，其中所述齊納二極體群組的數量與所述電池單元的數量相同。
8. 根據申請專利範圍第6項之具充電平衡的充電方法，其中所述齊納二極體群組具有一崩潰電壓，該崩潰電壓為所述電池單元過充電的臨界電壓。
9. 根據申請專利範圍第6項之具充電平衡的充電方法，其中所述齊納二極體的並聯數量與該充電電流的大小成正相關。
10. 根據申請專利範圍第6項之具充電平衡的充電方法，其中所述齊納二極體群組係以模組化的方式設置在一可抽換式電路板上，該可抽換式電路板通過插接端點與該充電平衡電路電性連接，當所述齊納二極體群組的數量在一個以上時，各齊納二極體群組為串聯。