TWI484719B - 電池充電器，電氣系統，以及可充電電池之充電方法 - Google Patents

Description

電池充電器，電氣系統，以及可充電電池之充電方法

本發明係關於電池充電器、電氣系統及可充電電池之充電方法。

本申請案主張2009年4月20日申請之美國專利第12/426,855號之優先權。

可充電電池係為具有不同電能需求之各種應用而設計並用於此等應用中。該等可充電電池系統包括數個可充電電池單元，該等可充電電池單元在充電操作期間接收電能並在放電操作期間供應電能至一負載。可充電電池單元可具有不同化學性質且在一實例中可包含鋰離子電池單元。用於不同應用的可充電電池單元之數目隨負載需求而改變，且在一些實施方案電池單元之數目可為許多。

一電池之可充電電池單元可例如由於該等可充電電池單元之製程而為不均勻。更明確言之，一電池之不同的可充電電池單元可具有不同或不均勻之參數(例如，電壓、內部電阻或阻抗、充電-放電效率)。電池單元之不均勻性使該電池之性能實際上與其最小容量之可充電電池單元相聯繫。此外，具有不均勻電壓-容量特性曲線之可充電電池單元的重複循環可導致該電池之容量縮減更多。

在一些配置中，電池可具有例如串聯連接在一起之數百個或數千個可充電電池單元。通常，以串聯方式對該等可充電電池單元充電。然而，該等可充電電池單元可由於其等之不均勻性而不同地執行，且該等可充電電池單元之充電狀態可由於不均勻性而在其等之充電期間改變。更明確言之，該等可充電電池單元之電壓-容量特性曲線在充電或放電期間可能不為線性。由於電池單元的不均勻性，該等可充電電池單元之一些可能比其他可充電電池單元更快地完全充電或完全放電，此可能限制該電池容量，在隨後之充電/放電循環中該電池容量亦可能進一步減少。

圖1繪示一種用以解決一給定電池之可充電電池單元在充電期間的不均勻性之習知方法。特定言之，各包含一電阻器14及邏輯控制開關16(諸如一功率MOSFET)之複數個分流電路可與各自之可充電電池單元12並聯地耦合。該等分流電路可操作以將快速達到其最大電壓之該等可充電電池單元12之各自者周圍的過量電流分流，藉此部分或完全旁通此等可充電電池單元12且減緩此等電池單元12之充電。

使用該等分流電路可分流之電流總量可能由於傳導過量電流之電阻器14產生之熱而受限，在使用封閉電池封裝之應用中尤為如此。因此，在一些實施方案中可限制充電電流以避免產生過量熱。此外，在具有相對大數目電池單元之相對大電池中，若該等可充電電池單元之容量相差數個百分比以上，則此等電路可能並不有效。

本發明之至少一些態樣係關於經改良之充電器件、電氣系統及相關方法，如下文更詳細地描述。

本發明之至少一些態樣係關於可充電電池之充電操作。該等可充電電池可個別地包括複數個可充電電池單元。例如，由於製造程序及製造容限，一給定電池之諸可充電電池單元之間可能存在不均勻性。本發明之至少一些態樣係關於使一電池之可充電電池單元大體上平衡地充電，其中在充電程序期間該等可充電電池單元之充電狀態為大體上相同。本發明之一實施例對一電池中正被充電且具有比該電池之其他可充電電池單元更低充電狀態的一或多個可充電電池單元提供增加總量之充電電能(相較於對該電池之該等其他可充電電池單元提供的充電電能之總量)。在一實例中，使用電能之複數個脈衝(包含主脈衝及副脈衝)以對電池充電。下文討論額外實施例及態樣。

根據一實施例，一電池充電器包括充電電路，該充電電路經組態以：在一電池之一共同充電循環期間，施加電能之複數個主充電脈衝至該電池之複數個可充電電池單元以對該等可充電電池單元充電；及在該電池之該共同充電循環期間，施加電能之複數個副充電脈衝至該電池之該等可充電電池單元的少數者以對該等可充電電池單元之該等少數者充電。

根據一額外實施例，一電池充電器包括充電電路，該充電電路經組態以在一電池之一共同充電循環期間施加不同數目之電能充電脈衝至該電池之複數個可充電電池單元的不同者，且對應於具有不同充電狀態之該等可充電電池單元。

根據另一實施例，一電氣系統包括：一電池，其包括經個別組態以接收充電電能且將電能放電至一負載之複數個可充電電池單元；充電電路，其經組態以：在該電池之一共同充電循環期間施加複數個主充電脈衝至該等可充電電池單元以對該等可充電電池單元充電，及在該電池之該共同充電循環期間施加複數個副充電脈衝至該等可充電電池單元之至少一者；監測電路，其經組態以：在該電池之該共同充電循環期間監測該等可充電電池單元的充電狀態，及偵測具有比該電池之該等可充電電池單元之其他者的充電狀態更低之一充電狀態的該等可充電電池單元之該至少一者；及控制電路，其與該監測電路耦合且經組態以在該電池之該共同充電循環期間使用該監測電路之監測，以控制該充電電路將該等副充電脈衝施加至相較於該電池之該等可充電電池單元之該等其他者的該等充電狀態具有該較低充電狀態的該等可充電電池單元之該至少一者，從而使該電池之該等可充電電池單元的該等充電狀態大體上平衡。

根據又一實施例，一可充電電池之充電方法包括：在一電池之一共同充電循環期間，在複數個第一時刻施加電能以對該電池的第一數目之可充電電池單元充電；監測該等可充電電池單元之一電氣特性；及使用該監測，在該電池之該共同充電循環期間，在複數個第二時刻施加電能以對該電池的第二數目之該等可充電電池單元充電，且其中該第二數目小於該第一數目。

根據另一實施例，一可充電電池之充電方法包括：在一電池之一共同充電循環期間，施加電能之複數個主充電脈衝以對該電池之複數個可充電電池單元充電；及在該電池之該共同充電循環期間，施加電能之複數個副充電脈衝以對相較於該電池之該等可充電電池單元之其他者的充電狀態具有一較低充電狀態之該電池的該等可充電電池單元之至少一者進行充電。

下文將參照以下附圖描述本發明之例示性實施例。

為促成美國專利法「為促進科學及實用技術的發展(to promote the progress of science and useful arts)」(第1章第8節)之憲法目的而遞交本發明。

參照圖2，其描繪根據一實施例之一電氣系統20。該電氣系統20包含與一電池充電器24耦合之一可充電電池22。在一實施例中，電池22包含複數個可充電電池單元28。電池充電器24經組態以提供充電電能至可充電電池單元28以對電池22充電。雖然圖2中未展示一負載，但電池22可經配置以在該電池22之放電操作期間將可充電電池單元28內所儲存之電能提供至一外部負載。在一些配置中，在使用電池充電器24對電池22充電後，電池22可與電池充電器24斷開以在放電操作時用於對一負載供電。在其他實施例中，電池充電器24可位於電池22之一外殼的內部且可視為電池22之一部分或與電池22成一體。此外，根據本發明之額外實例實施例，封裝電路26之一些或所有可為電池充電器24之一部分或與電池充電器24成一體，且例如在一實例中其可位於容置可充電電池單元28之一電池外殼的外部。

圖2所示之電池22之實例實施例包含例如配置成電池22之一電池封裝之封裝電路26及複數個可充電電池單元28。可充電電池單元28在充電操作期間可充電(及儲存電能)且在放電操作期間可放電。不同電池22可包含不同數目之可充電電池單元28，其等取決於待供電之負載的需求可配置成不同的串聯及/或並聯組態。在一實施例中，可使用個別地提供1伏特至5伏特及約10安培小時(Ah)之容量的可充電電池單元28。在一實施例中，可充電電池單元28可體現為例如購自Valance Technology公司之鋰離子電池單元，且在一實例中可個別地具有3.2伏特之一操作電壓。在其他實施例中可使用具有不同組態及/或化學性質之其他可充電電池單元28。

封裝電路26經組態以執行電池22之各種操作。如下文進一步描述，封裝電路26經組態以提供可充電電池單元28之監測操作且控制可充電電池單元28之充電操作。

如前文所提及，在實例實施例中電池充電器24可與電池22成為一體或提供為與電池22分離之一實體。電池充電器24可從一外部源(圖中未展示)接收電能，諸如AC電源、交流發電機或其他適當之AC或DC源。電池充電器24經組態以施加電能至電池22以對可充電電池單元28充電。

根據一實施例，電池充電器24之充電電路(充電電路展示於圖2及圖3中之實例組態中)經組態以在電池22之一共同充電循環期間提供不同總量之電能(例如，不同數目之電能充電脈衝)至該等可充電電池單元28之不同者，從而使該等可充電電池單元28大體上平衡地充電。如下文根據一實施例進一步討論，相較於施加至具有如本文所討論之一平衡標稱充電狀態之該等可充電電池單元28的其他者之充電電能總量，電池充電器24之充電電路對具有較低充電狀態之可充電電池單元28提供增加總量之充電電能。在一實施例中，充電電路以複數個充電脈衝施加充電電能，且充電電路對具有較低充電狀態之可充電電池單元28施加增加數目之充電脈衝。其他充電實施例為可行。

在一實施例中，電池充電器24包括充電電路，該充電電路經組態以提供主充電電能及副充電電能至可充電電池單元28。電池充電器24之充電電路提供主充電電能至該等可充電電池單元28之所有者，及提供副充電電能至該等可充電電池單元28之少數者(例如，將副充電電能施加至較可充電電池單元28之一標稱充電狀態具有較低充電狀態之可充電電池單元28的一或多者，如下文所討論)。電池充電器24之充電電路提供副充電電能至具有較低充電狀態之可充電電池單元28以增加該等可充電電池單元28之充電速率及充電狀態。例如，提供副充電電能至具有較低充電狀態之可充電電池單元28可比未接收副充電電能之可充電電池單元28更快地對具有較低充電狀態之該等可充電電池單元28充電。

根據一實例實施例，電池充電器24之充電電路提供呈複數個主充電脈衝形式之主充電電能及呈複數個副充電脈衝形式之副充電電能。在一實施例中，電池充電器24之充電電路可包含一主充電器及一或多個副充電器(圖2中未展示)以提供主充電電能及副充電電能之各自者至可充電電池單元28。在一實施例中，該主充電器與該(該等)副充電器可為彼此電隔離。例如，在一實施例中，主充電器與副充電器可經配置以不共用相同接地，且在一組態中，(該等)副充電器可經由一變壓器而與主充電器之接地(例如，在一實施例中，其與外部電源之接地處於相同基準)隔離。下文描述關於根據本發明之實例實施例之充電操作的額外細節。

參照圖3，其展示封裝電路26之一實施例。在一實施例中，封裝電路26包含監測電路30、控制電路32及切換電路34。包含更多、更少及/或替代電路之封裝電路26的其他實施例係可行。

在一組態中，監測電路30經組態以監測可充電電池單元28之一電氣特性。例如，在一實施例中，期望監測可充電電池單元28之個別者的充電狀態以使該等可充電電池單元28大體上平衡地充電。在一實施例中，監測電路30經組態以監測可充電電池單元28之個別者的電壓，且該等電壓可用於提供關於可充電電池單元28之充電狀態資訊。在其他實施例中，可監測可充電電池單元28或電氣系統20之額外及/或替代電氣特性。例如，在一些配置中可監測充電電流。

在所繪示之組態中，控制電路32經組態以處理資訊及控制電池22之各種操作。在一實施例中，控制電路32包含一處理器，其經組態以執行呈順序指令形式之可執行程式碼。另外或另一選擇是控制電路32可包含其他硬體(例如，ASIC)以控制電池22之操作。在一實施例中，控制電路32經組態以監測電池22(例如，使用來自監測電路30之輸出來監測電池22之電氣特性)且回應於該監測而控制電池22之操作。在一特定實例中，控制電路32經組態以從監測電路30接收關於可充電電池單元28之一或多個電氣特性(例如，可充電電池單元28之電壓)之資訊，及使用所接收之資訊來判定該等可充電電池單元28之充電狀態。如下文根據本發明之實例實施例之額外細節所述，控制電路32可使用該等可充電電池單元28之充電狀態資訊來控制切換電路34以提供不同總量之電能至可充電電池單元28之不同者，從而使該等可充電電池單元28大體上平衡地充電。

在一實施例中，切換電路34經組態以選擇性地施加副充電電能至該等可充電電池單元28之一或多者。根據實例實施例，切換電路34可將電池充電器24之一或多個副充電器分別與該等可充電電池單元28之一或多者耦合，或可使用多工功能在不同時刻將一單一副充電器與該等可充電電池單元28之一或多者耦合。

參照圖4，其展示根據一實施例之一電氣系統20之一實例。電池22包含彼此串聯耦合之複數個可充電電池單元28的一單一串29。在一些組態中，包含串聯耦合之可充電電池單元28的額外電池單元串可與所繪示之可充電電池單元28之串29並聯地耦合，以增加電池22之容量。此外，在所繪示之實例實施例中，圖3之監測及控制電路30、32係展示為在一單一電路組件內。在其他實施例中，監測及控制電路30、32可實施為分離組件。此外，在所繪示之實施例中，圖2之電池充電器24的充電電路40包含一主充電器42及一副充電器44。

在一實施例中，主充電器42經組態以在電池22之一充電循環期間提供主充電電能至電池22之所有可充電電池單元28。如上文所提及且根據一實施例，主充電器42經組態以在電池22之一共同充電循環期間提供呈複數個主充電脈衝形式之主充電電能，該等主充電脈衝係在複數個時刻(例如，根據一週期)施加至電池22之所有可充電電池單元28。在一實施例中，電池22之一共同充電循環係指電池22之可充電電池單元28在該等可充電電池單元28部分或完全放電至增加之充電狀態(例如，電池22之滿量充電)之後及在該等可充電電池單元28之隨後放電之前的充電。在一實施例中，主充電器42在整個充電循環期間根據一週期來提供主充電脈衝。

另外，副充電器44亦可在主充電器42對可充電電池單元28充電之電池22之一共同充電循環期間施加副充電電能至該等可充電電池單元28之一或多者。在一實施例中，副充電器44提供呈複數個副充電脈衝形式之副充電電能。在一實例中，在一對主充電脈衝中間將副充電脈衝個別地提供至該一或多個可充電電池單元28。

如前文所討論，本發明之一些實施例在電池22之充電操作期間使可充電電池單元28大體上平衡地充電。例如，在一實施例中，該等可充電電池單元28在一充電循環期間具有大體上相同之充電狀態。若可充電電池單元28係理想上均勻的，則其等將以大體上相同之標稱速率充電。此外，均勻之可充電電池單元28例如僅使用主充電電能而可在充電期間具有大體上相同之標稱充電狀態。然而，可充電電池單元28可例如由於製造容限而為不均勻，且可具有可能導致可充電電池單元28以不同速率充電之不均勻性(諸如不同內部阻抗)。因此，該等可充電電池單元28之一或多者的充電狀態可能與使用主充電電能的該等可充電電池單元28之其他者之標稱充電狀態不平衡。在一實施例中，監測電路30與控制電路32經組態以監測可充電電池單元28之一或多個電氣特性，且該一或多個電氣特性可用於控制電池22及/或電池充電器24之充電操作以在可充電電池單元28之充電狀態係大體上平衡(例如，該等可充電電池單元28之充電狀態係在彼此之約1%內)之共同充電循環期間使該等可充電電池單元28大體上平衡地充電。

根據一實施例，監測及控制電路30、32監測各自個別可充電電池單元28₁ 至28_n (或可包含所描繪之電池單元28₁ 至28_n 及包含可個別地與所繪示串之個別電池單元28₁ 至28_n 並聯地耦合之其他串之電池單元的各自個別電池單元組)的電壓V₁ 至V_n 。在一實施例中，監測及控制電路30、32可使用所接收之電壓V₁ 至V_n 來判定可充電電池單元28₁ 至28_n 之充電狀態。

監測及控制電路30、32經組態以控制切換電路34，從而將來自一或多個副充電器44之副充電電能施加至可充電電池單元28₁ 至28_n 中充電狀態小於具有大體上相同之充電狀態的其他可充電電池單元28₁ 至28_n 之標稱充電狀態(例如，如該等電池單元之所接收電壓指示)的一或多者。如上文所提及，在電池22之一充電循環期間可充電電池單元28₁ 至28_n 通常以相同標稱充電速率進行充電，且在該充電循環期間通常使大多數可充電電池單元28₁ 至28_n 處於相同之增加標稱充電狀態(即，可充電電池單元28(及電池22)之標稱充電狀態在該充電循環期間增加)。然而，如上文所提及，一或多個可充電電池單元28₁ 至28_n (或電池單元組)可能由於不均勻性而較其他可充電電池單元28之標稱充電速率更慢地充電。在一實施例中，若一或多個可充電電池單元28₁ 至28_n 之充電狀態與其他可充電電池單元28₁ 至28_n 之標稱充電狀態相差約1%以上，則可將該一或多個可充電電池單元28₁ 至28_n 視為不平衡。在一實施例中，施加副充電電能至該一或多個不平衡之可充電電池單元28₁ 至28_n 可以相較於僅接收主充電電能之平衡可充電電池單元28₁ 至28_n 的充電速率更快之速率對此等電池單元充電。

在施加副充電電能(例如，脈衝)期間，具有減少之充電狀態且接收副充電電能之一或多個可充電電池單元28₁ 至28_n 的充電狀態可變成與其他可充電電池單元28₁ 至28_n 之標稱充電狀態相平衡。監測及控制電路30、32可控制切換電路34，以在共同充電循環期間在該一或多個可充電電池單元28₁ 至28_n 達到大體上平衡之充電狀態(其中此等電池單元之充電狀態係與其他平衡之可充電電池單元28₁ 至28_n 的標稱充電狀態大體上相平衡)之後，停止施加副充電脈衝至此等電池單元。

參照圖5，其參考元件符號20a展示電氣系統之另一實施例。在所繪示之實例實施例中，控制電路32及主充電器42係實施為一單一組件，且圖中未明確地展示監測電路30。在所描繪之實施例中，四個可充電電池單元28₀ 至28₃ 係串聯地耦合。主充電器42及副充電器44可(經由DC或AC輸入)與一DC或AC外部源耦合。控制電路32經組態以在一充電循環期間接收關於節點b₁ 至b₄ 處之電壓之資訊且判定可充電電池單元28₀ 至28₃ 之充電狀態。

在一實施例中，在電池22之一充電循環期間，主充電器42提供主充電電能至所有可充電電池單元28。控制電路32可控制切換電路34(例如，經由控制信號a₀ 至a₃ )以選擇性地施加副充電電能(例如，該副充電電能係經由連接c₀ 及c₁ 而自副充電器44接收)至與其他可充電電池單元28₀ 至28₃ 不平衡之一或多個可充電電池單元28₀ 至28₃ 。在所描繪之實施例中，切換電路34經由各自之節點b₁ 至b₄ 而施加副充電電能至適當的可充電電池單元28₀ 至28₃ 。在一實施例中，控制電路32可控制一切換器件46以在一充電循環期間選擇性地施加呈主充電脈衝形式之主充電電能及呈副充電脈衝形式之副充電電能至可充電電池單元28₀ 至28₃ 。

參照圖6，其展示呈一多工器50之形式之圖5的切換電路34的一實施例。多工器50包含複數個開關52，其等經組態以選擇性地將經由端子c₀ 及c₁ (例如，圖5)所接收之副充電電能施加至節點b₁ 至b₄ 之各自者。圖5之控制電路32施加定址控制信號a₀ 至a₃ 至開關52，以控制將副充電電能從副充電器44施加至分別與節點b₁ 至b₄ 耦合且不平衡之一或多個可充電電池單元28₀ 至28₃ 。所繪示之配置容許在一單一共同充電循環期間(其中主充電電能亦用於充電)將來自一單一副充電器44的副充電電能施加至一或多個可充電電池單元28。在一些實施例中，可使用額外副充電器以提供副充電電能至複數個可充電電池單元28之各自者。

參照圖7，其展示根據一實施例之繪示施加充電脈衝(例如，DC充電脈衝)至一電池22之可充電電池單元28關於向右推移之時間的一時序圖。特定言之，根據一實施例，在複數個第一時刻提供複數個主充電脈衝60至電池22之所有可充電電池單元28。在一實例中，在電池22之充電循環期間根據一週期來判定該等第一時刻。

圖7亦描繪複數個副充電脈衝62a、62b，在該充電循環之充電期間，將其等分別施加至相較於電池22之其他可充電電池單元28的標稱充電狀態具有較低充電狀態的兩個可充電電池單元28(或個別地包括並聯地耦合之複數個可充電電池單元28的兩個組)。在一實施例中，可在主脈衝60之作用時間循環的關閉部分期間將副脈衝62a、62b施加至該一或多個可充電電池單元28。例如，在一實施例中，可在對應於主充電脈衝60之該等第一時刻中間的複數個第二時刻施加副脈衝62a、62b。

第一個副充電脈衝62a可施加至一個不平衡之可充電電池單元28且另一個副充電脈衝62b可施加至另一個不平衡之可充電電池單元28，直至此等不平衡之可充電電池單元28的充電狀態係與電池22之平衡之可充電電池單元28的標稱充電狀態大體上相平衡。在另一實施例中，亦可提供額外副充電脈衝以對其他不平衡之可充電電池單元28充電。如上文所提及，可在主充電電能之作用時間循環的關閉部分期間施加副充電脈衝62a、62b至各自之可充電電池單元28。在圖7隨時間自左向右推移之實例中，按時間發生之第一副脈衝62a、62b係在緊鄰於該等第一副脈衝62a、62b之一對主充電脈衝60(在圖7中為按時間發生之最前兩個脈衝60)之間。

在一實施例中，可使用由一單一副充電器44提供之副充電電能的分時多工而產生該等副充電脈衝62a、62b。或者，可提供複數個副充電器44以產生該等副充電脈衝62a、62b之各自者。在包括複數個副充電器44之此類實例配置中，可在相同時刻或不同時刻產生用於不同可充電電池單元28的副脈衝62a、62b並且將其等施加至各自可充電電池單元28。

在不同實施例中，充電電路40可經組態以提供具有不同特性之主充電脈衝60及副充電脈衝62。例如，對於不同實施例，主充電脈衝60及副充電脈衝62之振幅(或量值)及/或作用時間循環可不同。在一實施例中，可選擇主充電脈衝60及副充電脈衝62之電氣特性以對應於電池22之容量。

在一些配置中，在可充電電池單元28(例如，鋰離子電池)之一充電循環期間可使用一恆定電流/恆定電壓充電方案對該等可充電電池單元28充電。在使用恆定電流/恆定電壓充電方案之一個更特定的實例中，起初使用具有一恆定電流之主充電脈衝60及副充電脈衝62對可充電電池單元28充電。在將該等可充電電池單元28充電至一指定充電狀態(例如，90%)後，電池充電器24可切換操作以提供恆定電壓脈衝60、62。在其他實施例中，其他充電方案為可行。

在一實施例中，可使用電池22之容量及脈衝60、62之作用時間循環來判定主充電脈衝60及副充電脈衝62在充電循環之恆定電流部分期間的電流。例如，若電池22具有10 Ahr之容量，則一半容量之充電電流為5安培。在一實例中，在脈衝60、62具有10%之作用時間循環的情況下，主脈衝60及副脈衝62之5安培之十倍的充電電流將以大體上相同之速率對可充電電池單元28充電，就如同利用具有5安培電流之恆定非脈衝充電電能來對其等充電一般。在一實例實施例中，在充電循環之恆定電流部分期間主脈衝60及副脈衝62可個別地具有20安培與50安培之間的恆定電流及10%之作用時間循環。使用具有較高電流之脈衝60、62可縮短可充電電池單元28之充電時間。在一些實施例中，副脈衝62可具有低於主脈衝60之電流(例如，20安培至30安培)。在具有10秒之週期之圖7的一實例中，脈衝60、62可個別地具有1秒之持續時間。

在一實施例中，控制電路32(圖3)經組態以在充電操作期間監測可充電電池單元28之電氣特性以控制電池充電器24之操作。例如，控制電路32可監測可充電電池單元28之一或多個電氣特性，以判定一適當時刻以將電池充電器24之操作從一恆定電流操作模式切換為一恆定電壓操作模式。在一實施例中，控制電路32在充電操作期間監測可充電電池單元28之電壓以監測該等可充電電池單元28之充電狀態。在一實施例中，對於每個週期可在脈衝60後且在脈衝62a前監測電池單元28a之電壓。在一實施例中，可充電電池單元28在用恆定電流電能充電期間達到該等電池單元之一最大電壓(例如，對於石墨/鋰離子磷酸鹽電池單元為每個電池單元3.7伏特)指示該等可充電電池單元28已達到一經界定之充電狀態(例如，約80%至90%容量)。

回應於控制電路32偵測到可充電電池單元28達到最大電壓，控制電路32可控制電池充電器24以在電池單元28之充電循環期間將操作模式從恆定電流操作模式切換為恆定電壓操作模式，在該恆定電壓操作模式中使用個別地具有一恆定電壓之主充電電能及副充電電能來對可充電電池單元28充電。在一實施例中，在該恆定電壓操作模式期間，可使用個別地具有可充電電池單元28之最大電壓之一電壓(例如，3.7伏特)的主脈衝形式之主充電電能及副脈衝形式之副充電電能。在一實施例中，可充電電池單元28之恆定電壓充電可視為滴流式(trickle)充電，其將可充電電池單元28充電至一最大充電狀態且可用於將可充電電池單元28維持在最大電壓及最大充電狀態。在一充電循環之恆定電壓充電部分期間，恆定電壓充電電能之電流可從一起始總量(例如，1安培至2安培)下降至零(或一相對小之電流(~mA))，此指示該等可充電電池單元28係經完全充電(且在一實施例中，可斷開電池充電器24)。在其他實施例中，可使用該等可充電電池單元28之其他充電狀態以從使用恆定電流充電電能切換為恆定電壓充電電能。此外，在其他實施例中，可使用其他充電方案。

本發明之至少一些配置使包含複數個可充電電池單元28之電池22有效地充電。例如，在一實施例中，可使用相對大的電流脈衝以對電池22快速充電，同時使該等可充電電池單元28大體上平衡地充電。在一些實施例中，相較於僅使用主充電電能來充電之配置，(除了施加至所有可充電電池單元的主充電電能之外)選擇性施加副充電電能至具有比其他可充電電池單元28更低之充電狀態之可充電電池單元28可使電池22之可充電電池單元28之充電狀態更加平衡。另外，根據一些實施例之使用主充電電能及副充電電能可提供電池之滿容量(或大體上滿容量)下的操作且可在多個充電及放電循環內維持該電池之該容量。此外，本發明之至少一些實施例在無需可能導致產生熱及操作溫度升高之電阻器分流方案的情況下實施平衡。

已遵循法規用語言大致上明確地描述本發明之結構特徵及方法特徵。然而，應瞭解本發明並不限於所展示及描述之特定特徵，因為本文所揭示之構件包括將本發明付諸實踐之較佳形式。因此，以根據均等論適當地解釋之隨附申請專利範圍之恰當範疇內的任何形式或修改來主張本發明。

此外，提出文中之諸態樣以指導本發明之說明性實施例的建構及/或操作。其申請人認為此等所描述之說明性實施例亦包含、揭示及描述除明確揭示之態樣外的其他發明態樣。例如，額外發明態樣可包含比該等說明性實施例中所描述之更少、更多及/或替代特徵。在更特定之實例中，申請人認為本發明包含、揭示及描述比明確揭示之方法包含更少、更多及/或替代步驟的方法，及比明確揭示之結構包含更少、更多及/或替代結構的裝置。

10．．．充電器

12．．．可充電電池單元

14．．．電阻器

16．．．邏輯控制開關

20．．．電氣系統

20a．．．電氣系統

22．．．可充電電池

24．．．電池充電器

26．．．封裝電路

28．．．可充電電池單元

28₀ 至28_n ．．．可充電電池單元

29．．．可充電電池單元之串

30．．．監測電路

32．．．控制電路

34．．．切換電路

40．．．充電電路

42．．．主充電器

44．．．副充電器

46．．．切換器件

50．．．多工器

52．．．開關

60．．．主充電脈衝

62a至62b．．．副充電脈衝

a₀ 至a₃ ．．．控制信號

b₀ 至b₄ ．．．節點

c₀ 至c₁ ．．．連接/端子

圖1係一習知電池及充電器之一說明性表示圖。

圖2係根據一實施例之一電氣系統的一功能方塊圖。

圖3係根據一實施例之一電池之封裝電路的一功能方塊圖。

圖4係根據一實施例之一電氣系統的一說明性表示圖。

圖5係根據一實施例之一電氣系統的一說明性表示圖。

圖6係根據一實施例之切換電路的一說明性表示圖。

圖7係描繪根據一實施例之複數個主脈衝及複數個副脈衝的一時序圖。

20．．．電氣系統

22．．．可充電電池

28₁ -28_n ．．．可充電電池單元

29．．．可充電電池單元之串

30．．．監測電路

32．．．控制電路

34．．．切換電路

40．．．充電電路

42．．．主充電器

44．．．副充電器

Claims (35)

1. 一種電氣系統，其包括：充電電路，其經組態以：在一電池之一共同充電循環期間，施加電能之複數個主充電脈衝至該電池之複數個可充電電池單元以對該等可充電電池單元充電，及在該電池之該共同充電循環期間，施加電能之複數個副充電脈衝至該電池之該等可充電電池單元的部分以對該等可充電電池單元之該等部分充電；其中該充電電路經組態以施加包括恆定電流充電脈衝及恆定電壓充電脈衝之該等主充電脈衝；及其中該充電電路進一步經組態以將該等恆定電流充電脈衝施加至具有小於一經界定充電狀態之充電狀態的該等可充電電池單元，及將該等恆定電壓充電脈衝施加至具有大於該經界定充電狀態之充電狀態的該等可充電電池單元。
2. 如請求項1之電氣系統，其中該充電電路在該電池之該共同充電循環期間施加電能之該等副充電脈衝至該電池之該等可充電電池單元的該等部分，該等部分個別地具有比未接收電能之該等副充電脈衝之該等可充電電池單元的其他者之充電狀態更低的一充電狀態。
3. 如請求項2之電氣系統，其中該充電電路在該電池之該共同充電循環期間施加電能之該等副充電脈衝至該等可充電電池單元之該等部分的個別者，從而以相較於未接收電能之該等副充電脈衝之該等可充電電池單元的該等 其他者之充電速率更快的一充電速率對該等可充電電池單元之該等部分充電。
4. 如請求項1之電氣系統，其中該充電電路經組態以在該電池之該共同充電循環期間，回應於具有比未接收電能之該等副充電脈衝之該等可充電電池單元的其他者之充電狀態更低的一充電狀態之該電池之該等可充電電池單元之該等部分的個別者，而施加電能之該等副充電脈衝至該電池之該等可充電電池單元的該等部分。
5. 如請求項1之電氣系統，其中該充電電路施加電能之該等副充電脈衝至該等可充電電池單元之僅一者。
6. 如請求項1之電氣系統，其中該充電電路經組態以：在緊鄰於電能之該等副充電脈衝之個別者的各自對該等主充電脈衝中間，施加電能之該等副充電脈衝之個別者至該等可充電電池單元之該等部分的個別者。
7. 如請求項1之電氣系統，其中該充電電路包括：一主充電器，其經組態以施加電能之該等主充電脈衝至該等可充電電池單元；及複數個副充電器，其等經組態以施加電能之該等副充電脈衝的各自者至該等可充電電池單元之該等部分的各自者。
8. 如請求項1之電氣系統，其中該充電電路包括：一主充電器，其經組態以施加電能之該等主充電脈衝至該等可充電電池單元；及一副充電器，其經組態以產生該等副充電脈衝；且該充電電路進一步包括切換電路，該切換電路經組態以提供該等副充電脈衝至該等可充電電池單 元之該等部分的不同者。
9. 如請求項1之電氣系統，其中該充電電路經組態以在該電池之該共同充電循環期間施加該等主充電脈衝及該等副充電脈衝至該等可充電電池單元，從而使該等可充電電池單元大體上平衡地充電，其中該等可充電電池單元在該共同充電循環期間具有大體上相同之充電狀態。
10. 一種電池充電器，其包括：充電電路，其經組態以在一電池之一共同充電循環期間施加不同數目之電能充電脈衝至該電池之複數個可充電電池單元的不同者，且對應於具有不同充電狀態之該等可充電電池單元；其中該充電電路經組態以施加包括恆定電流充電脈衝及恆定電壓充電脈衝之該等電能充電脈衝；及其中該充電電路進一步經組態以將該等恆定電流充電脈衝施加至具有小於一經界定充電狀態之充電狀態的該等可充電電池單元，及將該等恆定電壓充電脈衝施加至具有大於該經界定充電狀態之充電狀態的該等可充電電池單元。
11. 如請求項10之充電器，其中該等可充電電池單元之至少一者相較於該等可充電電池單元之其他者的充電狀態具有一較低充電狀態，且其中該充電電路經組態以：相較於在該共同充電循環期間施加至該等可充電電池單元之該等其他者的該等電能充電脈衝之個別數目，在該共同充電循環期間施加增加數目之該等電能充電脈衝至該等 可充電電池單元之該至少一者。
12. 如請求項10之充電器，其中該等可充電電池單元之至少一者相較於該等可充電電池單元之其他者的充電狀態具有一較低充電狀態，且其中該充電電路經組態以：在該共同充電循環期間施加包括主充電脈衝之複數個該等電能充電脈衝至該等可充電電池單元的所有者，且施加包括副充電脈衝之複數個該等電能充電脈衝至該等可充電電池單元之僅該至少一者。
13. 一種電氣系統，其包括：一電池，其包括經個別組態以接收充電電能且將電能放電至一負載之複數個可充電電池單元；充電電路，其經組態以：在該電池之一共同充電循環期間施加複數個主充電脈衝至該等可充電電池單元以對該等可充電電池單元充電，及在該電池之該共同充電循環期間施加複數個副充電脈衝至該等可充電電池單元之至少一者；監測電路，其經組態以：在該電池之該共同充電循環期間監測該等可充電電池單元的充電狀態，及偵測具有比該電池之該等可充電電池單元之其他者的充電狀態更低之一充電狀態的該等可充電電池單元之該至少一者；及控制電路，其與該監測電路耦合且經組態以：在該電池之該共同充電循環期間，使用該監測電路之該監測，以控制該充電電路將該等副充電脈衝施加至相較於該等可充電電池單元之該等其他者的該等充電狀態具有該較 低充電狀態的該等可充電電池單元之該至少一者，從而使該等可充電電池單元之該至少一者的該充電狀態與該等可充電電池單元之該等其他者的該等充電狀態大體上平衡；其中該充電電路經組態以施加包括恆定電流充電脈衝及恆定電壓充電脈衝之該等主充電脈衝；及其中該充電電路進一步經組態以將該等恆定電流充電脈衝施加至具有小於一經界定充電狀態之充電狀態的該等可充電電池單元，及將該等恆定電壓充電脈衝施加至具有大於該經界定充電狀態之充電狀態的該等可充電電池單元。
14. 如請求項13之系統，其中該控制電路經組態以：在該等可充電電池單元之該至少一者的該充電狀態與該等可充電電池單元之該等其他者的該等充電狀態大體上平衡後，停止在該共同充電循環期間施加該等副充電脈衝至該等可充電電池單元之該至少一者。
15. 一種可充電電池之充電方法，其包括：在一電池之一共同充電循環期間，在複數個第一時刻施加電能至該電池的第一數目之可充電電池單元，以對該第一數目之可充電電池單元充電，其中施加電能至該第一數目之可充電電池單元包含施加具有恆定電流充電脈衝及恆定電壓充電脈衝的多個充電脈衝；及其中施加電能至該第一數目之可充電電池單元進一 步包含將該等恆定電流充電脈衝施加至具有小於一經界定充電狀態之充電狀態的該等可充電電池單元，及將該等恆定電壓充電脈衝施加至具有大於該經界定充電狀態之充電狀態的該等可充電電池單元；監測該等可充電電池單元之一電氣特性；及在該電池之該共同充電循環期間，使用該監測而在複數個第二時刻施加電能至該電池的第二數目之該等可充電電池單元，以對該第二數目之該等可充電電池單元充電，且其中該第二數目小於該第一數目。
16. 如請求項15之方法，其中在該等第一時刻及該等第二時刻施加該電能個別地包括：施加該電能之複數個充電脈衝。
17. 如請求項15之方法，其中該第二數目之該等可充電電池單元之個別者相較於在該等第二時刻未接收電能之該等可充電電池單元的充電狀態具有一較低充電狀態。
18. 如請求項17之方法，其中施加該電能至該第二數目之該等可充電電池單元係回應於監測偵測到具有該較低充電狀態的該第二數目之該等可充電電池單元之個別者。
19. 如請求項17之方法，其中施加電能至該第二數目之該等可充電電池單元增加該第二數目之該等可充電電池單元的個別者之充電速率。
20. 如請求項15之方法，其中施加該電能至該第二數目之該等可充電電池單元包括：施加至該等可充電電池單元之僅一者。
21. 如請求項15之方法，其中施加該電能至該第二數目之該等可充電電池單元包括：在該等第二時刻之一者前施加該電能至該等可充電電池單元之一第一者及一第二者；及在該等第二時刻之該一者後僅施加該電能至該等第一者及第二可充電電池單元之一者。
22. 如請求項21之方法，其中施加該電能至該第二數目之該等可充電電池單元包括：在該等第二時刻之該一者後，停止施加該電能至該等可充電電池單元之該第一者及該第二者的一另一者。
23. 如請求項22之方法，其中該停止包括：回應於監測偵測到與該第一數目之該等可充電電池單元的充電狀態大體上平衡之該等可充電電池單元之該第一者及該第二者的該另一者之一充電狀態而停止。
24. 如請求項15之方法，其中施加該電能至該第二數目之該等可充電電池單元包括：在個別地處於緊鄰於該等第二時刻之該個別者的一對該等第一時刻中間的該等第二時刻，施加該電能。
25. 如請求項15之方法，其中該等施加電能包括：在該共同充電循環期間施加電能以使該電池之該等可充電電池單元大體上平衡，使該等可充電電池單元在該共同充電循環期間處於大體上相同之充電狀態。
26. 如請求項15之方法，其中施加該電能至該第一數目之可充電電池單元包括：施加該電能至該電池之該等可充電電池單元的所有者。
27. 如請求項15之方法，其中施加電能至該第一數目之可充電電池單元包括：起初第一次施加具有一恆定電流之複數個充電脈衝，且隨後第二次施加具有一恆定電壓之複數個充電脈衝。
28. 如請求項27之方法，其進一步包括：在該等可充電電池單元已獲得一經界定充電狀態後，將該第一次施加電能改變為該第二次施加電能。
29. 如請求項15之方法，其進一步包括：使用一副充電器提供該電能以對該第二數目之該等可充電電池單元充電，且其中施加該電能至該第二數目之該等可充電電池單元包括：在不同時刻，選擇性耦合該副充電器與該第二數目之該等可充電電池單元的個別者。
30. 一種可充電電池之充電方法，其包括：在一電池之一共同充電循環期間，施加電能之複數個主充電脈衝以對該電池之複數個可充電電池單元充電；及在該電池之該共同充電循環期間，施加電能之複數個副充電脈衝以對相較於該電池之該等可充電電池單元的其他者之充電狀態具有一較低充電狀態之該電池之該等可充電電池單元的至少一者充電；其中施加該等主充電脈衝包含施加具有恆定電流充電脈衝及恆定電壓充電脈衝的充電脈衝；及其中施加該等主充電脈衝進一步包含將該等恆定電流充電脈衝施加至具有小於一經界定充電狀態之充電狀態的該等可充電電池單元，及將該等恆定電壓充電脈衝 施加至具有大於該經界定充電狀態之充電狀態的該等可充電電池單元。
31. 如請求項30之方法，其中施加該等主充電脈衝包括施加至該電池之該等可充電電池單元的所有者，且施加該等副充電脈衝包括施加至該電池之該等可充電電池單元的部分。
32. 如請求項30之方法，其進一步包括：監測該電池之該等可充電電池單元的一電氣特性；及偵測具有該較低充電狀態之該等可充電電池單元之該至少一者，且其中施加該等副充電脈衝係回應於該偵測。
33. 如請求項30之方法，其進一步包括：回應於與該等可充電電池單元之該等其他者的該等充電狀態大體上平衡之該等可充電電池單元之該至少一者的該充電狀態，而停止在該共同充電循環期間施加該等副充電脈衝。
34. 如請求項30之方法，其中相較於該等可充電電池單元之該等其他者的充電速率，施加該等副充電脈衝使該等可充電電池單元之該至少一者的一充電速率增加。
35. 如請求項30之方法，其中施加該等副充電脈衝以對具有該較低充電狀態之該等可充電電池單元之該至少一者充電包括：在該等主充電脈衝之各自對之間施加該等副充電脈衝之個別者。