TWI482330B - 充電裝置及其控制方法 - Google Patents

Description

充電裝置及其控制方法

本發明有關於一種充電裝置及其控制方法，且特別是一種利用充電電池組中內阻值的變化來控制充電電流大小的充電裝置及其控制方法。

傳統的充電電池充電方法主要包括有涓流電流(constant trickle current)充電法、定電流(constant current)充電法以及定電流-定電壓(constant current-constant voltage)兩段式充電法。

以使用定電流-定電壓兩段式充電法的充電裝置為例，充電裝置一開始是以定電流對充電電池進行充電。當充電電池達到一個預設的電壓位準時，充電裝置改以等值於此電壓位準的定電壓對充電電池進行充電，並且使充電電流逐漸地減少。當充電電流降低至一個預設的閥值電流時，則充電裝置會判斷充電電池已達到充飽狀態而停止充電。

充電電池在出廠時，由於其內阻值較小。因此，在使用傳統的充電方法對充電電池進行充電時，充電電池可達到趨近於100%的充飽狀態。然而，隨著充電電池的充電次數的增加，充電電池內部的電解液會逐漸枯竭以及正、負極的極化現象加劇，使得內阻值會逐漸增加。此時，若同樣依據傳統的充電方法對充電電池進行充電時，只會更加速充電電池內部的正、負極與電解液的劣化速度，進而縮短充電電池的循環使用次數。

本發明在於提供一種充電裝置，此充電裝置透過偵測 充電電池組的電量狀態以及不同電量狀態下的極化電壓，來調整下一次充電時輸出至充電電池組的充電電流，據以使得極化電壓逐漸向預設波形收斂之目的。

本發明實施例提供一種充電裝置，此充電裝置電性連接於外部電源與充電電池組，以執行充電電池組的充電程序，其中此充電電池組包括至少一電池單元。此充電裝置包括偵測模組、處理模組以及充電模組，其中充電模組電性連接於外部電源、充電電池組與處理模組之間，而偵測模組則電性連接於充電電池組與處理模組之間。偵測模組用以偵測充電電池組於充電程序中的電量狀態，以及於不同電量狀態下對應充電電池組內阻值的極化電壓。處理模組根據極化電壓與電量狀態，產生電流調整參數。充電模組接收外部電源，根據電量狀態與電流調整參數，調整輸出至充電電池組的充電電流，使極化電壓的波形符合預設波形。

本發明在於提供一種充電裝置控制方法，此控制方法透過偵測充電電池組的電量狀態以及不同電量狀態下的極化電壓，來調整下一次充電時輸出至充電電池組的充電電流，據以使得極化電壓逐漸向預設波形收斂之目的。

本發明實施例提供一種充電裝置控制方法，此控制方法包括偵測充電電池組於充電程序中的電量狀態以及於不同電量狀態下對應充電電池組內阻值的極化電壓，其中此充電電池組包括至少一電池單元。接著，根據極化電壓與電量狀態，產生電流調整參數。最後，根據電量狀態與電流調整參數，調整輸出至充電電池組的充 電電流，使極化電壓的波形符合預設波形。

綜上所述，本發明實施例提供一種充電裝置及其控制方法，透過恆電流間歇滴定技術之方式，來判斷充電電池組於不同電量狀態下其內部正極與負極之間的極化電壓，並依據上述的極化電壓據以判斷出不同電量狀態下所適合的充電電流，使得極化電壓的波形可以符合預設波形。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

〔充電裝置之實施例〕

請參照圖1，圖1係繪示依據本發明一實施例之充電裝置的功能方塊圖。如圖1所示，充電裝置1電性連接於外部電源2與充電電池組3之間，以執行充電電池組3的充電程序(charging procedure)。此充電裝置1包括一偵測模組10、一處理模組12以及一充電模組14，其中充電模組14電性連接於外部電源2、充電電池組3與處理模組12之間，而偵測模組10則電性連接於充電電池組3與處理模組12之間。

一般來說，外部電源2例如可以為由市電電源所提供之交流電電源，或者是由發電機所產生之交流電電源或直流電電源。當然，於所屬技術領域具有通常知識者更可以將外部電源2視為由一主機裝置(例如為桌上型 電腦或筆記型電腦)透過通用序列匯流排(universal serial bus，USB)或IEEE 1394(亦稱火線)介面所輸出的直流電電源，本發明在此並不加以限制。

充電電池組3包括至少一電池單元(未繪示於圖1)，換句話說，兩個以上的電池單元可以經由串接或並接來形成充電電池組3，本發明在此不加以限制電池單元所使用的數量以及其連接方式。於實務上，電池單元可以為一種鋰離子電池、鎳氫電池、鎳鎘電池或者是鉛蓄電池等類型之蓄電池，本發明在此不加以限制。以下分別就充電裝置1內的各功能模組作詳細的說明。

偵測模組10用以偵測充電電池組3於充電程序中的電量狀態(state of charge，SOC)與於各個電量狀態下對應於充電電池組3內阻值的極化電壓(polarization voltage)，其主要包括有一電量偵測單元與一電壓偵測單元。

在此需先一提的是，本發明實施例所指的充電電池組3的電量狀態亦可稱為充電電池組3的充電程度，或可稱為充電電池組3的剩餘電量。更詳細地說，電量狀態是指目前充電電池組3內所含的電量，一般是以百分比做為表示，電量狀態為100%即表示充電電池組3已完全充滿，電量狀態為0%即表示充電電池組3已完全放電。本發明實施例所指的極化電壓是指充電電池組3於執行充電程序時的充電電壓與開路電壓(open circuit voltage，OCV)之間的差值，因此極化電壓亦可稱為充電電池組3的電壓降。此外，上述的開路電壓是指充電電池組3在不充放電的狀態下，充電電池組3正極與負極 之間的電位差(亦稱電勢差)，因此不同類型的充電電池組3由於正極、負極以及電解液的所使用的材料不同，充電電池組3的開路電壓皆不相同。

電量偵測單元用以偵測充電電池組3於執行充電程序時的電量變化，以獲得此充電電池組3的電量狀態。於實務上，電量偵測單元可以採用開路電壓量測法、電解液比重量測法、負載電壓量測法、電池內阻量測法或是庫倫計(coulometer，亦稱電量計或電荷儀)量測法進行量測，本發明在此不加以限制，且上述多個量測法已屬本技術領域所慣用的量測方式，故不再分別贅述。

電壓偵測單元用以偵測不同電量狀態下對應於充電電池組3內阻值的極化電壓。更詳細地說，由於充電電池組3的內阻值會隨著充電電池組3的電量狀態的高低而變化，因此不同電量狀態下的內阻值皆會不相同，造成極化電壓亦隨著充電電池組3內阻值而變化。換句話說，電壓偵測單元在偵測到充電電池組3於各電量狀態下的極化電壓時，亦能得知此電量狀態下的內阻值。於實務上，電壓偵測單元可以為一種具自動量測功能的歐姆計(ohmmeter，亦稱電阻表)、電壓表(voltmeter)或是萬用表(multimeter)，本發明在此不加以限制。

處理模組12根據上述的極化電壓以及電量狀態，據以產生一組電流調整參數，此電流調整參數對應地指示灌入充電電池組3的充電電流。此外，處理模組12中更可以包括有一記憶單元，此記憶單元例如可以為隨機存取記憶體(random access memory，RAM)、唯讀記憶體(read-only memory，ROM)或是快閃記憶體(flash memory)，其用以儲存上述的電流調整參數。於實務上，處理模組12可以為一種微控制器(microcontroller)或中央處理器(central processing unit，CPU)，本發明在此不加以限制。

充電模組14接收外部電源2所提供之電力，並根據上述的電量狀態與電流調整參數，調整輸出至充電電池組3的充電電流，使極化電壓的波形符合預設波形。換句話說，充電模組14可以依據電流調整參數所指示的欲輸出功率，據以輸出不同大小的充電電流，進而達到動態地調整充電電流的電流大小，以對充電電池組3充入能量的目的。

於實務上，充電模組14可以為一種整流器(converter)、斬波器(chopper)或是其組合電路，舉例來說，若外部電源2為交流電電源時，則充電模組14就會包括有一組用以改變電流波形的交流/直流轉換器(AC/DC converter)以及一組用以調整充電電流大小的直流斬波器，於所屬技術領域具有通常知識者可以依據外部電源2以及充電電池組3的實際狀況，逕行設計出可對應於充電模組14之運作的電路，本發明在此不加以限制。

為更加清楚地說明，本發明之充電裝置1於執行充電電池組3的充電程序時的實際運作，充電電池組3皆採用商用18650-2.6Ah電池，此型號之充電電池組3為一種鋰離子電池，其電容量約為2600毫安培小時(mAh)。值得注意的是，於本發明實施例中是以充電電池組3的電量狀態作為執行充電程序的切割區間，更詳細地說 ，本發明實施例中的充電電池組3的電量狀態是以每2%作為一個區段，但不以此為限，於所屬技術領域具有通常知識者可以依據充電電池組3的實際情況切割出不同比例的區間。此外，不同型號之充電電池組3的開路電壓皆不相同，以下圖式的波形圖僅是用以舉例，並非用以限制本發明實施例之充電電池的波形形狀。

值得注意的是，充電電池組3於第一次執行充電程序時，由於充電裝置1並未產生對應於此充電電池組3的電流調整參數，因此充電模組14一開始會以一組預設電流對充電電池組3進行定電流充電。此外，充電電流的大小是依據充電電池組3的電容量來進行定義，並以C(capacity)作為充電電流的衡量單位。舉例來說，本發明實施例之充電電池組3(商用18650電池)的電容量為2600毫安培小時，即若充電電流為2600毫安培，此充電電池組3的總充電時間僅需一小時即可被充至飽和，而C則為2600毫安培。於本發明實施例中，是以0.7C的預設電流進行定電流充電，換句話說，本發明實施例中充電電池組3於第一次執行充電程序時的總充電時間約為九十分鐘。

請參照圖2，圖2係繪示依據本發明一實施例之充電電池組於第一次執行充電程序時的電壓時序波形圖。如圖2所示，充電電池組3於第一次執行充電程序時，偵測模組10由於需要偵測充電電池組3於不同電量狀態下的極化電壓，充電模組14在充到每2%區段的電量狀態時會暫停一段預設時間，使得偵測模組10可以準確地偵測到此區段內的極化電壓。於本發明實施例中，預 設時間為三十分鐘，於所屬技術領域具有通常知識者可以依據實際的情況逕行設計出合理的預設時間，本發明在此不加以限制。

更清楚地說，圖2所示的電壓時序波形圖的X軸代表時間(分鐘)，Y軸代表電壓(伏特V)，而電壓時序波形中的峰值為每2%電量狀態的充電電壓，電壓時序波形中的谷值為每2%電量狀態的開路電壓，其當中的差值即為此2%電量狀態的極化電壓(亦可稱電壓降)。換句話說，充電電池組3於第一次執行充電程序時，是採用間隔式充電方式，來獲得充電電池組3於各個2%電量狀態下的內阻值。於實務上，上述測得各電量狀態下內阻值之技術稱為恆電流間歇滴定技術(galvanostatic intermittent titration technique，GITT)。

接著，將圖2中的每2%電量狀態的極化電壓逐一收集起來，並將上述資料繪示為以電量狀態為基準的示意圖，如圖3所示，圖3係繪示依據本發明一實施例之充電電池組於第一次執行充電程序時的極化電壓、充電電流與電量狀態的示意圖。圖3所示的X軸代表電容量，且X軸上的每一個區段即代表每2%電量狀態，而Y軸上的直條圖與折線圖分別代表為每2%電量狀態下的極化電壓以及充電電流。

由圖3可以清楚地觀察出，在預設電流以0.7C進行定電流充電時，極化電壓會隨著充電電池組3的電量狀態的不同而改變。極化電壓較高的區段代表此電量狀態下的充電電池組3的內阻值較高，因此在此電量狀態下進行充電程序時較適合以較小的充電電流進行充電，達 到減緩充電電池組3內的極化情形。反之，極化電壓較低的區段代表此電量狀態下的充電電池組3的內阻值較低，因此在此電量狀態下進行充電程序時可以用較大的充電電流進行充電，以縮短於此電量狀態下的充電時間。另外，經調整後的每2%電量狀態的充電電流的平均值須設定為等於預設電流，使得總充電時間維持不變。

此外，充電電流與極化電壓呈現一種線性比例關係，於本發明實施例中，每提高(或降低)1C的充電速度，則極化電壓將會增加(或降低)0.24V，據以使得處理模組12可以產生一組每2%電量狀態下的電流調整參數：

每2%電量狀態當下該使用的充電電流=預設電流-(此電量狀態下的極化電壓-平均極化電壓)/(充電電流與極化電壓的線性比例)，並將計算出來的電流調整參數運用於下一次執行充電電池組3的充電程序中。於本發明實施例中，每2%電量狀態當下該使用的充電電流=0.7-(此電量狀態下的極化電壓-0.18)/0.24。換句話說，由於充電電池組3的電量狀態已區分為複數個區段，處理模組12可以根據每一個區段上的極化電壓，產生一組電流調整參數。

請一併參照圖3與圖4A，圖4A係繪示依據本發明一實施例之充電電池組於第一次校正後的極化電壓、充電電流與電量狀態的示意圖。由圖4A可以清楚地觀察到，充電電池組3藉由電流調整參數之校正，使得充電模組14可以調整各電量狀態下的充電電流之大小，據以使得各電量狀態下的極化電壓逐漸趨向平衡。

接著，處理模組12再依據第一次校正後各電量狀 態下的極化電壓，產生下一組電流調整參數，如圖4B所示，圖4B係繪示依據本發明一實施例之充電電池組於第二次校正後的極化電壓、充電電流與電量狀態的示意圖。由圖4B可以更清楚地觀察到，在經過兩次校正後，各電量狀態下的極化電壓更向平均極化電壓收斂，使得極化電壓的波形為固定在一電壓範圍內的波形。此後的校正皆是同樣於上述的方式(此即嘗試錯誤法，trial-and-error method)，故不再贅述。

除此之外，由圖3、圖4A與圖4B可以清楚地觀察到，若某一區段的電量狀態下的充電電池組3的極化電壓的波形高於預設波形，則充電模組14於下一次在此區段的電量狀態下執行充電程序時，會減少輸出充電電流；若某一區段的電量狀態下的充電電池組3的極化電壓的波形低於預設波形，則充電模組14於下一次在此區段的電量狀態下執行充電程序時，會增加輸出充電電流，據以使得極化電壓的波形可以逐漸向預設波形收斂。

請參照圖5，圖5係繪示依據充電電池組於使用本發明之充電裝置執行充電程序與傳統充電程序的效能示意圖。圖5所示的X軸代表充電電池的循環使用次數(cycle count)，其亦可稱為充放電次數，而Y軸代表充電電池組3的電容量百分比。

如圖5所示，使用本發明之充電裝置執行充電程序的充電電池組3在電容量剩70%時較使用傳統的定電流-定電壓充電的充電電池組9增加了110次使用壽命，而在電容量剩60%時更增加了300次使用壽命，換句話說 ，使用本發明之充電裝置執行充電程序的充電電池組3可以減緩正極與負極材料的劣化速度，進而避免充電電池組3的性能跳水衰退。

除此之外，本發明之充電裝置1亦可以依據充電電池組3的溫度高低以及循環使用次數的多寡，來產生對應的電流調整參數，進而達到延長充電電池組3的循環使用次數之目的。

值得注意的是，雖然本發明實施例中的預設波形係為一種定電壓的波形，但本發明在此不加以限制預設波形是否須為一種定電壓的波形。請參照圖6A與圖6B，圖6A係繪示依據本發明另一實施例之充電電池組的極化電壓、充電電流與電量狀態的示意圖；圖6B係繪示依據本發明再一實施例之充電電池組的極化電壓、充電電流與電量狀態的示意圖。

如圖6A所示，若欲使預設波形為一種梯形波形，則充電裝置1可以依據電量狀態與電流調整參數，來調整不同電量狀態下輸出至充電電池組3的充電電流，據以使得充電電池組3於不同電量狀態下的極化電壓的波形達到梯形波形。同樣地，如圖6B所示，若欲使預設波形為一種三角波形，透過本發明之充電裝置1，可以使充電電池組3於不同電量狀態下的極化電壓的波形達到三角波形。因此，於所屬技術領域具有通常知識者可以依據實際的使用情況，而逕行設定出所需的充電電池組3的極化電壓的波形。

〔充電裝置控制方法之實施例〕

請一併參照圖1以及圖7，圖7係繪示依據本發明 之另一實施例之充電裝置控制方法的步驟流程圖。此充電裝置控制方法中的充電裝置1透過接收外部電源2，而可調整地輸出不同大小的充電電流至充電電池組3以執行充電程序。如圖7所示，在步驟S70中，充電裝置1偵測充電電池組3於此充電程序中的電量狀態以及於不同電量狀態下對應此充電電池組3內阻值的極化電壓，其中此充電電池組3包括至少一電池單元。

接著，在步驟S72中，充電裝置1會根據極化電壓與電量狀態，產生一組電流調整參數。最後，在步驟S74中，充電裝置1會根據電量狀態與上述的電流調整參數，調整輸出至充電電池組3的充電電流，使極化電壓的波形符合預設波形，並在下一次執行充電程序時返回步驟S70，依此類推。

值得注意的是，充電電池組3的電量狀態區分為複數個區段，使得充電裝置1可以根據每一個區段的極化電壓，產生上述的電流調整參數。更詳細來說，若某一區段的電量狀態下的充電電池組3的極化電壓的波形高於預設波形，則於下一次於此電量狀態下執行充電程序時，充電裝置1會減少輸出充電電流，若某一區段的電量狀態下的極化電壓的波形低於預設波形，則於下一次於此電量狀態下執行充電程序時，充電裝置1會增加輸出該充電電流，據以使得此區段電量狀態下的極化電壓的波形逐漸向預設波形收斂。

此外，充電電池組3於第一次執行充電程序時，充電裝置1是以預設電流對充電電池組3進行定電流充電。除此之外，預設波形係為固定在一個電壓範圍內的波 形，換句話說，極化電壓的波形可以為一種定電壓波形。當然，於所屬領域具有通常知識者更可以依據實際的使用情況，將極化電壓的波形改變為梯形波形、三角波形或水平波形(亦稱穩定波形)，本發明在此不加以限制。

於實務上，本發明之充電裝置控制方法更可應用於電動腳踏車或是再生能源(例如太陽能或風力)發電上。詳細來說，市面上的電動腳踏車由於已設置有在煞車時會回充電流至電瓶的裝置，若搭配上本發明之充電裝置控制方法，則在煞車時，充電裝置會依據當下電瓶的狀況來調整回充電流的大小，有效地提升電動腳踏車的續航力並延長電瓶使用上的壽命。若應用在再生能源發電時，再生能源發電裝置可以依據儲能電池內阻值的情況，而選擇性地調整再生能源發電裝置的發電峰值，進而有效地提升再生能源的儲能效率並延長儲能電池使用上的壽命。

〔實施例的可能功效〕

綜上所述，本發明實施例提供一種充電裝置及其控制方法，透過恆電流間歇滴定技術之方式，來判斷充電電池組於不同電量狀態下其內部正極與負極之間的極化電壓，並依據上述的極化電壓據以判斷出不同電量狀態下所適合的充電電流，使得極化電壓的波形可以符合預設波形。藉此，本發明之充電裝置及其控制方法可以提高充電電池組的循環使用次數，進而達到使用者對於充電電池組可快速充電以及使用壽命越長越好的需求。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發 明之專利範圍。

1‧‧‧充電裝置

10‧‧‧偵測模組

12‧‧‧處理模組

14‧‧‧充電模組

2‧‧‧外部電源

3、9‧‧‧充電電池組

S70~S74‧‧‧步驟流程

圖1係繪示依據本發明一實施例之充電裝置的功能方塊圖。

圖2係繪示依據本發明一實施例之充電電池組於第一次執行充電程序時的電壓時序波形圖。

圖3係繪示依據本發明一實施例之充電電池組於第一次執行充電程序時的極化電壓、充電電流與電量狀態的示意圖。

圖4A係繪示依據本發明一實施例之充電電池組於第一次校正後的極化電壓、充電電流與電量狀態的示意圖。

圖4B係繪示依據本發明一實施例之充電電池組於第二次校正後的極化電壓、充電電流與電量狀態的示意圖。

圖5係繪示依據充電電池組於使用本發明之充電裝置執行充電程序與傳統充電程序的效能示意圖。

圖6A係繪示依據本發明另一實施例之充電電池組的極化電壓、充電電流與電量狀態的示意圖。

圖6B係繪示依據本發明再一實施例之充電電池組的極化電壓、充電電流與電量狀態的示意圖。

圖7係繪示依據本發明之另一實施例之充電裝置控制方法的步驟流程圖。

1‧‧‧充電裝置

10‧‧‧偵測模組

12‧‧‧處理模組

14‧‧‧充電模組

2‧‧‧外部電源

3‧‧‧充電電池組

Claims (12)

1. 一種充電裝置，電性連接於一外部電源與一充電電池組，以執行該充電電池組的一充電程序，其中該充電電池組包括至少一電池單元，該充電裝置包括：一偵測模組，用以偵測該充電電池組於該充電程序中的電量狀態以及於不同電量狀態下對應該充電電池組內阻值的一極化電壓；一處理模組，電性連接該偵測模組，根據該極化電壓與電量狀態，產生一電流調整參數；以及一充電模組，電性連接該外部電源、該充電電池組與該處理模組，該充電模組接收該外部電源，根據電量狀態與該電流調整參數，調整輸出至該充電電池組的一充電電流，使該極化電壓的波形符合一預設波形；其中，該極化電壓是指該充電電池組於執行該充電程序時的一充電電壓與一開路電壓(open circuit voltage，OCV)之間的差值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之充電裝置，其中該充電電池組的電量狀態區分為複數個區段，該處理模組根據每一該區段的該極化電壓，產生該電流調整參數。
3. 如申請專利範圍第1項所述之充電裝置，其中該充電電池組於第一次執行該充電程序時，該充電模組以一預設電流對該充電電池組進行定電流充電。
4. 如申請專利範圍第1項所述之充電裝置，其中該預設波形係為固定在一電壓範圍內之波形。
5. 如申請專利範圍第1項所述之充電裝置，其中該預設波 形係為梯形波形、三角波形或水平波形。
6. 如申請專利範圍第1項所述之充電裝置，其中若某一該電量狀態下的該充電電池組的該極化電壓的波形高於該預設波形，則該充電模組於下一次於該電量狀態下執行該充電程序時，減少輸出該充電電流，若某一該電量狀態下的該充電電池組的該極化電壓的波形低於該預設波形，則該充電模組於下一次於該電量狀態下執行該充電程序時，增加輸出該充電電流。
7. 一種充電裝置控制方法，包括：偵測一充電電池組於一充電程序中的電量狀態以及於不同電量狀態下對應該充電電池組內阻值的一極化電壓，其中該充電電池組包括至少一電池單元，而該極化電壓是指該充電電池組於執行充電程序時的一充電電壓與一開路電壓(open circuit voltage，OCV)之間的差值；根據該極化電壓與電量狀態，產生一電流調整參數；以及根據電量狀態與該電流調整參數，調整輸出至該充電電池組的一充電電流，使該極化電壓的波形符合一預設波形。
8. 如申請專利範圍第7項之充電裝置控制方法，其中該充電電池組的電量狀態區分為複數個區段，該充電裝置根據每一該區段的該極化電壓，產生該電流調整參數。
9. 如申請專利範圍第7項之充電裝置控制方法，其中於第一次執行該充電程序時，該充電裝置以一預設電流對該充電電池組進行定電流充電。
10. 如申請專利範圍第7項之充電裝置控制方法，其中該預設波形係為固定在一電壓範圍內之波形。
11. 如申請專利範圍第7項所述之充電裝置控制方法，其中該預設波形係為梯形波形、三角波形或水平波形。
12. 如申請專利範圍第7項之充電裝置控制方法，其中若某一該電量狀態下的該充電電池組的該極化電壓的波形高於該預設波形，則於下一次於該電量狀態下執行該充電程序時，減少輸出該充電電流，若某一該電量狀態下的該充電電池組的該極化電壓的波形低於該預設波形，則於下一次於該電量狀態下執行該充電程序時，增加輸出該充電電流。