TWM502278U - 可對多種電池自動辨識之充電裝置 - Google Patents

Description

可對多種電池自動辨識之充電裝置

本創作係關於一種可對電池充電的充電裝置，尤其是一種可提供對多種不同規格的電池作自動辨識之充電裝置。

隨著全球暖化及石油資源的供給漸少，低汙染的電動車之發展性日趨重要，電動車的動力來自可重複充電使用的電池，因此本創作中所稱的電池，均係指可重複充電使用的電池。電動車亦如同燃料車需要進行能量的補給，也就是在電池電力不足時，需要進行充電。由於目前已開發的電池的單節電芯，其標稱電壓都在4伏以下，對電動車及電動器具的應用，電壓都太低。因電動車及電動器具所需求之電池的電壓較高、容量較大，故均採取多節電芯串聯及並聯的方式，組合成各種規格的電池。但，典型的充電方式係為一種充電器對應一種規格的電池充電，難以配合各式各樣的電池組合並同時充電使用。

再者，多數電動車的租用管理業者或是電動車充電站，為因應多種電動車型號、電池廠牌、電池類型等，需要準備多套的充電裝置，於管理及使用上相當麻煩，尤其充電站的充電作業幾乎必需全部依賴人工方式進行，不僅耗費大量人力資源及提高營運成本，一旦人工確認之充電條件發生錯誤時，除了可能使充電作業無法順利進行，嚴重時，可能造成 電動車、電池及充電裝置的毀損，風險性及使用成本則隨之巨增。電動車雖可減少環境影響，但電動車之成本及售價仍高於燃料車，故，於電動車電池之充電應帶給消費者及充電站之營運者之更高的信心與便利性。再者，除了電動車以外，仍有許多電動器具係藉由電池供給電能，亦需使用充電器進行充電，造成市面上有各種不同型號及規格的電池，皆難以藉由單一充電器進行自動充電的結果。

因此，本創作在針對上述之困擾，提出一種可對多種電池自動辨識之充電裝置，以讓各種不同型號及規格的電池充電更具有便利性。

本創作之主要目的係在提供一種可對多種電池自動辨識之充電裝置，其係利用在充電時偵測出各種不同電池的檢識電壓值，以獲得各種不同電池所對應的充飽電壓值和可容許的最大充電電流值，藉由這兩項資訊作為充電的依據，以同時提供多種不同充飽電壓及不同充電電流至各種不同型號及規格之電池並完成充電之技術。

為了達到上述的目的，本創作提供一種可對多種電池自動辨識之充電裝置，其係包含一檢識電壓器及一充電控制器，檢識電壓器係可電性連接至一電池內之一內電阻兩端，以形成一檢識迴路，並在檢識電壓器自動產生電池之一檢識電壓值；一充電控制器設有一正接收端及一負接收端，正接收端係可電性連接電池之正極、負接收端係可電性連接電池之負極，且充電控制器與檢識電壓器電性連接，充電控制器係可接收檢識電壓器所傳輸之檢識電壓值，以獲得電池之一充飽電壓值和一可容許的最大充電電流值，及可傳輸輸出電流及輸出電壓對電池充電。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本創作之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

10‧‧‧可對多種電池自動辨識之充電裝置

12‧‧‧檢識電壓器

14‧‧‧充電控制器

16‧‧‧參考電壓源

18‧‧‧基準電阻

20‧‧‧電池

22‧‧‧內電阻

26‧‧‧正接收端

28‧‧‧負接收端

30‧‧‧正極

32‧‧‧負極

36‧‧‧溫度控制電路

38‧‧‧微控器

Vdc‧‧‧參考電壓值

Bd‧‧‧檢識電壓值

Ic(max)‧‧‧可容許的最大充電電流值

Iout‧‧‧輸出電流

L‧‧‧檢識迴路

Vout‧‧‧輸出電壓

Vc(max)‧‧‧充飽電壓值

第一圖為本創作之方塊示意圖。

第二圖為本創作電性連接電池之方塊示意圖。

第三圖為本創作檢識迴路之電路圖。

目前的電動車輛及電動器具所使用的電池有許多種類，而利用這些電池的並聯及串聯組合，可組成各種需求的不同電壓及不同容量的電池，而本創作更提供一種可對多種電池自動辨識之充電裝置以電性連接各種不同的電池，以有效充電至各種不同電壓及不同容量的電池。

首先，請先參照本創作第一圖、第二圖及第三圖所示，一種可對多種電池自動辨識之充電裝置10，其係包括一檢識電壓器12及一充電控制器14；檢識電壓器12係包含一參考電壓源16及一基準電阻18，參考電壓源16之一端電性連接基準電阻18之一端，參考電壓源16之另一端則電性連接至一電池20內之一內電阻22之一端，基準電阻18之另一端則電性連接內電阻22另一端，以形成一檢識迴路L，如此連接時，一參考電壓值Vdc即可經由基準電阻18與內電阻22，在基準電阻18與內電阻22的連接點上產生分壓，作為電池20之一檢識電壓值Bd；一充電控制器14係設有一正接收端26及一負接收端28，正接收端26係可電性連接電池20之正極30，負接收端28係可電性連接電池20之負極32，充電控制器14並可電性連接檢識電壓器 12，以接收檢識電壓器12所傳輸之檢識電壓值Bd，藉以獲得電池20之一充飽電壓值Vc(max)和一可容許的最大充電電流值Ic(max)，且可傳輸一輸出電壓Vout及一輸出電流Iout以對電池20充電。

承接上段，電池20係可為鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池或任何鋰系電池。其中鋰系電池又係為鋰鐵電池、鋰離子電池、鋰聚電池、鋰鈷電池、鋰錳電池或鋰三元素電池等。充電控制器14中主要設有一微控器(Micro-Controller)38，並更設有一溫度控制電路36，溫度控制電路36係可檢測充電時充電控制器14之溫度，以避免溫度過高使充電控制器14燒毀；微控器38則係可根據每一檢識電壓值Bd，產生對應輸出一充飽電壓值Vc(max)和一可容許的最大充電電流值Ic(max)，並控制所傳輸之輸出電壓Vout，且輸出電壓Vout不會大於充飽電壓值Vc(max)及控制所傳輸之輸出電流Iout，且輸出電流Iout不會大於可容許的最大充電電流值Ic(max)。

說明完本創作之電性連接關係後，再接續說明本創作之實施方式：為了便於說明本創作的具體實施方式，茲以一個可辨識六種電池20，及電池20未接至充電控制器14的例子，並配合一表1作說明。承接上段，表1：電池類別辨識例，

上例子中，六類電池20為B(1)、B(2)、B(3)、B(4)、B(5)、B(6)，而B(0)類則表示電池20未接至充電控制器14的情況。各電池20的種類_應用車輛_容量(Ah)_標稱電壓值Vb(V)_[充飽電壓值Vc(max)(V)_可容許的最大充電電流值Ic(max)(A)]等資訊，分別如下(詳如表1)：B(1)：鉛酸1類_小轎車_200Ah_60V_[72V_40A]；B(2)：鉛酸2類_觀光車_120Ah_72V_[87.6V_24A]；B(3)：鉛酸3類_電動摩托車_30Ah_48V_[57.6V_7.5A]；B(4)：鋰三元_電動摩托車_25Ah_51.8V_[58.8V_25A]；B(5)：鋰鐵1類_電動摩托車_20Ah_51.2V_[60.0V_30A]； B(6)：鋰鐵2類_小轎車_160Ah_76.8V_[86.4V_80A]；若參考電壓值Vdc為5V，電壓誤差為+/-3%，則參考電壓值Vdc的範圍為5.15V~4.85V。若基準電阻18為10k(k=kOhm)，基準電阻18誤差為+/-1%，則基準電阻18的範圍則為10.1k~9.9k。再假設B(1)~B(6)類電池20之內電阻22，分別選擇如下(亦見表1)：B(1)之內電阻=56k、B(2)之內電阻=20k、B(3)之內電阻=10k、B(4)之內電阻=5.6k、B(5)之內電阻=3k及B(6)之內電阻=1.2k。假設各個內電阻誤差為+/-1%，則各個內電阻的範圍如下：B(1)之內電阻=56.6k~55.4k、B(2)之內電阻=20.2k~19.8k、B(3)之內電阻=10.1k~9.9k、B(4)之內電阻=5.66k~5.54k、B(5)之內電阻=3.03k~2.97k及B(6)之內電阻=1.21k~1.19k。若電池20未電性連接至充電控制器14，則在理論上B(0)之內電阻22應為無限大，在實際應用時假設為大於10000k。

在將上述參考電壓值Vdc、基準電阻18及內電阻22的誤差加以考量後，檢識電壓值Bd則為一個範圍，而非為固定值。以B(1)類電池為例，若參考電壓值Vdc為精確的5V，基準電阻18為精確的10k，內電阻22為精確的56k，則檢識電壓值Bd應為5V*56k/(10k+56k)=4.242V。但若參考電壓值Vdc為最大的5.15V，基準電阻18為最小的9.9k，內電阻22為最大的56.6k，則檢識電壓值Bd應為5.15V*56.6k/(9.9k+56.6k)=4.383V。而若參考電壓值Vdc為最小的4.85V，基準電阻18為最大的10.1k，內電阻22為最小的55.4k，則檢識電壓值Bd應為4.85V*55.4k/(10.1k+55.4k)=4.103V。因此，在參考電壓值Vdc為5V +/-3%，基準電阻18及內電阻22的誤差為+/-1%的考量下，依上述對B(1)的方式計算，可得各類電池20在檢測點的檢識電壓值Bd(i)，i=0,1,...,6之：[精確電壓值_最大電壓值_最小電壓值]如下： Bd(0)：[4.995_5.145_4.845]V；Bd(1)：[4.242_4.383_4.103]V；Bd(2)：[3.333_3.456_3.212]V；Bd(3)：[2.500_2.601_2.401]V；Bd(4)：[1.795_1.872_1.719]V；Bd(5)：[1.154_1.207_1.102]V；Bd(6)：[0.536_0.562_0.510]V；為更明確的將相鄰兩類電池作最佳區隔，茲定義第i類與第i+1類間之檢識臨界電壓值(critical Battery detection voltage)，標示為Bd^(i)，為第(i)類Bd之最小電壓與第(i+1)類Bd之最大電壓的中間值，亦即：Bd^(i)=[Bd(i)min+Bd(i+1)max]/2(取至小數第2位即可)，依此定義所得之各類電池之檢識臨界電壓，Bd^(i)，i=0,1,...,6，如下：Bd^(0)=[Bd(0)min+Bd(1)max]/2=[4.845+4.383]/2=4.61V

Bd^(1)=[Bd(1)min+Bd(2)max]/2=[4.103+3.456]/2=3.78V

Bd^(2)=[Bd(2)min+Bd(3)max]/2=[3.212+2.601]/2=2.91V

Bd^(3)=[Bd(3)min+Bd(4)max]/2=[2.401+1.872]/2=2.14V

Bd^(4)=[Bd(4)min+Bd(5)max]/2=[1.719+1.207]/2=1.46V

Bd^(5)=[Bd(5)min+Bd(6)max]/2=[1.102+0.562]/2=0.83V

Bd^(6)=[Bd(6)min+0]/2=[0.510+0]/2=0.26V藉此定義之檢識臨界電壓，電池的類別即可以下述條件依序作辨識：若Bd(i)>Bd^(i)，則電池為第i類，i=0,1,...,6。此第(i)類檢識臨界電壓：Bd^(i)，與Bd(i)min之差量，意即可能導至錯誤辨識第(i)類電池的最小電壓干擾量， 標示為EM(i)，定義為EM(i)=Bd(i)min-Bd^(i)，稱為(i)類辨識的錯誤邊際(Error Margin)。此錯誤邊際越大，即表示要導致錯誤辨識所需的電壓干擾也越大，亦即越不容易產生錯誤辨識。

再者，第(i)類檢識臨界電壓Bd^(i)，與Bd(i+1)max之差量，亦為可能導至錯誤辨識第(i)類與第(i+1)類電池的最小電壓干擾量，標示為EM(i,i+1)，定義為EM(i,i+1)=Bd^(i)-Bd(i+1)max，稱為(i)與(i+1)類間辨識的錯誤邊際。同樣的，此錯誤邊際越大，即表示會導至錯誤辨識所需的電壓干擾也越大，亦即越不容易產生錯誤辨識。

依此定義，本實施對各類電池辨識的錯誤邊際EM(i)及EM(i,i+1)，i=0,1,...,6，計算如下：EM(0)=Bd(0)min-Bd^(0)=4.845-4.61=0.24V；EM(0,1)=Bd^(0)-Bd(1)max=4.61-4.383=0.23V

EM(1)=Bd(1)min-Bd^(1)=4.103-3.78=0.32V；EM(1,2)=Bd^(1)-Bd(2)max=3.78-3.456=0.32V

EM(2)=Bd(2)min-Bd^(2)=3.212-2.91=0.30V；EM(2,3)=Bd^(2)-Bd(3)max=2.91-2.601=0.31V

EM(3)=Bd(3)min-Bd^(3)=2.401-2.14=0.26V；EM(3,4)=Bd^(3)-Bd(4)max=2.14-1.872=0.27V

EM(4)=Bd(4)min-Bd^(4)=1.719-1.46=0.26V；EM(4,5)=Bd^(4)-Bd(5)max=1.46-1.207=0.25V

EM(5)=Bd(5)min-Bd^(5)=1.102-0.83=0.27V；EM(5,6)=Bd^(5)-Bd(6)max=0.83-0.562=0.27V

EM(6)=Bd(6)min-Bd^(6)=0.510-0.26=0.25V； EM(6,-)=Bd^(6)-0=0.26-0=0.26V由以上的錯誤邊際值最小為0.23V可發現，本實施例對六類電池的辨識，錯誤的機率甚低。在實用上亦可連續多次對檢識電壓值Bd作量測，以更確保辨識的正確性。

綜上所述，本創作對各種電池類別辨識及充電之方式係以讀取電池類別的檢識電壓值Bd為辨識的依據基礎，從最大的檢識電壓向較小的檢識電壓依序作偵測判斷而完成。為能更具體說明本創作的電池辨識與實際充電應用的過程，假設有一個可對多種電池自動辨識之充電裝置，其絕對最大規格為：最大功率Pmax=2250W，最大電壓Vmax=90V，最大電流Imax=35A。為方便說明，以下特別將該一特定的「可對多種電池自動辨識之充電裝置」簡稱為「該充電裝置」。由於該充電裝置有絕對最大電流Imax的限制，故在任何充飽電壓Vc(max)下，該充電裝置實際所能提供的可容許的最大充電電流值應修正為Ic(max)=min[Pmax/Vc(max),Imax]=min[2250/Vc(max),35]A。亦即該充電裝置在任何的應用場合下，均必須同時滿足所有的限制條件。

例如若一個電池的充飽電壓Vc(max)=90V，則該充電裝置可提供的可容許的最大充電電流值為Ic(max)=min[2250/90,35]A=min[25,35]A=25A。

而若一個電池的充飽電壓Vc(max)=75V，則該充電裝置可提供的可容許的最大充電電流值為Ic(max)=min[2250/75,35]A=min[30,35]A=30A。

又若一個電池的充飽電壓Vc(max)=60V，則該充電裝置可提供的最大 充電電流為Ic(max)=min[2250/60,35]A=min[37.5,35]A=35A。

但若電池亦有可容許之最大充電電流為Ib(max)的限制，則該充電裝置實際所提供的最大充電電流應再修正為Ic(max)=min[2250/Vc(max),Ib(max),Imax]。

若使用該充電裝置，應用本創作的方法，對上述例子的6類可能的電池進行自動辨識充電，其電池類別辨識及充電的步驟如下：首先讀取檢識電壓值Bd，若Bd>4.61V，則辨識電池為未接於該充電裝置，亦即上述的B(0)類，則不進行充電作業。若Bd<4.61V，但>3.78V，則辨識電池為B(1)，其係為鉛酸1類，其標稱電壓為60.0V，充飽電壓為72.0V，可容許之最大充電電流為40A，故該充電裝置即自動以最大充電電流=min[2250/72,40,35]A=min[31.25,40,35]A=31.25A，依其對該類電池預設之充電程序進行充電。若Bd<3.78V，但>2.91V，則辨識電池為B(2)，其係為鉛酸2類，其標稱電壓為72.0V，充飽電壓為87.6V，可容許之最大充電電流為24A，故該充電裝置即自動以最大充電電流等於=min[2250/87.6,24,35]A=min[25.68,24,35]A=24A，依其對該類電池預設之充電程序進行充電。若Bd<2.91V，但>2.14V，則辨識電池為B(3)，其係為鉛酸3類，其標稱電壓為48.0V，充飽電壓為57.6V，可容許之最大充電電流為7.5A，故該充電裝置即自動以最大充電電流=min[2250/57.6,7.5,35]A=min[39.06,7.5,35]A=7.5A，依其對該類電池預設之充電程序進行充電。若Bd<2.14V，但>1.46V，則辨識電池組為B(4)，其係為鋰三元電池，其標稱電壓為51.8V，充飽電壓為58.8V，可容許之最大充電電流為25A，故該充電裝置即自動以最大充電電流=min[2250/58.8,25,35]A=min[38.27,25,35]A= 25A，依其對該類電池預設之充電程序進行充電。若Bd<1.46V，但>0.83V，則辨識電池為B(5)，其係為鋰鐵1類電池，其標稱電壓為51.2V，充飽電壓為60.0V，可容許之最大充電電流為30A。故該充電裝置即自動以最大充電電流=min[2250/60.0,30,35]A=min[37.5,30,35]A=30A，依其對該類電池預設之充電程序進行充電。若Bd<0.83V，但>0.26V，則辨識電池為B(6)，其係為鋰鐵2類電池，其標稱電壓為76.8V，充飽電壓為86.4V，可容許之最大充電電流為80A。故該充電裝置即自動以最大充電電流=min[2250/86.4,80,35]A=min[26.0,30,35]A=26.0A，依其對該類電池預設之充電程序進行充電。否則因所量得之電池類別檢識電壓Bd已小於最小的檢識臨界電壓0.26V，表示電池可能有短路的錯誤連接，無法進行電池類別的辨識作業，故亦停止對電池進行充電。

又若本創作以上述方法對一電池進行自動辨識充電時，若將本創作的可對多種電池自動辨識之充電裝置接至一個內部未接有內電阻的電池時，因在此情況下所量得的電池類別檢識電壓值與電池為未接於充電裝置的情況相同，故亦不進行充電作業，而不會發生危險。然而，於實際使用上，當此情況發生時，充電裝置即會自行跳到手動模式，由使用者自行調整所對應的電池的充電電壓及充電電流，以控制充電裝置充電。在表1中，特別將屬於同一類電池材料，但充電特性不相同的電池，歸為不同類別，因為此類電池，雖屬同材料，卻不宜以相同的單節充飽電壓作依據進行充電。例如鉛酸1類、2類、3類電池，單節標稱電壓均為12V，但鉛酸1類及3類的單節充飽電壓為14.4V，而鉛酸2類的單節充飽電壓則為14.6V。又如鋰鐵1類及2類，其單節標稱電壓均為3.2V，但鋰鐵1類的單節充飽電壓 為3.75V，而鋰鐵2類的單節充飽電壓則為3.6V。此種雖屬於同一類的電池，但其充電特性卻不相同的情況，應用本創作之可對多種電池自動辨識之充電裝置時，即可藉由自動辨識的功能，於電性連接未知的電池時，仍可辨識出各種不同類型電池各自的充飽電壓，因此可達到完全正確充電的效果，不會因為過大的充飽電壓造成充電裝置及電池的毀損。

10‧‧‧可對多種電池自動辨識之充電裝置

12‧‧‧檢識電壓器

14‧‧‧充電控制器

16‧‧‧參考電壓源

18‧‧‧基準電阻

26‧‧‧正接收端

28‧‧‧負接收端

36‧‧‧溫度控制電路

38‧‧‧微控器

Claims (7)

1. 一種可對多種電池自動辨識之充電裝置，其係包含：一檢識電壓器，其係可電性連接至一電池內之一內電阻之兩端以形成一檢識迴路，並傳輸偵測該電池之一檢識電壓值；及一充電控制器，其係設有一正接收端及一負接收端，該正接收端係可電性連接至該電池之正極，該負接收端係可電性連接至該電池之負極，並可電性連接該檢識電壓器，該充電控制器係可接收該檢識電壓器所傳輸之該檢識電壓值，以獲得該電池之一充飽電壓值及一可容許的最大充電電流值，且可傳輸一輸出電壓及一輸出電流以對該電池充電。
2. 如請求項1所述之可對多種電池自動辨識之充電裝置，其中該檢識電壓器更包含：一參考電壓源，其係可輸出該參考電壓值；及一基準電阻，其係可連接該內電阻，以偵測連接至該內電阻之共接點之該檢識電壓值。
3. 如請求項2所述之可對多種電池自動辨識之充電裝置，其中該參考電壓源之一端電性連接該基準電阻之一端，另一端電性連接該內電阻之一端、該基準電阻之另一端則電性連接該內電阻之另一端以形成該檢識電路。
4. 如請求項1所述之可對多種電池自動辨識之充電裝置，其中該充電控制器更包含一溫度控制電路，其係可檢測該充電控制器之溫度。
5. 如請求項1所述之可對多種電池自動辨識之充電裝置，其中每一該檢識電壓值係對應該充飽電壓值及該可容許的最大充電電流值。
6. 如請求項5所述之可對多種電池自動辨識之充電裝置，其中該充電控制器 更包含一微控器(Micro-Controller)，其係可根據每一該檢識電壓值，並對應輸出該充飽電壓值及該可容許的最大充電電流值，以控制該輸出電壓及該輸出電流。
7. 如請求項1所述之可對多種電池自動辨識之充電裝置，其中該輸出電壓不大於該充飽電壓值，該輸出電流不大於該可容許的最大充電電流值。