TW201308829A - 複合電池裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種結合鋰鐵電池與鉛酸電池的複合電池裝置，該裝置並包括具有充電、放電切換開關的轉換器，以及具有充電、放電控制器的微處理器；透過結合鋰鐵電池與鉛酸電池之優缺點，再由微處理器電性控制轉換器先後對鋰鐵電池與鉛酸電池進行充放電控制，使本發明可做為如太陽能光電板、市電或風力發電機等電源供應單元的儲電裝置，以具有快充且可承受大啟動電流特性之鋰鐵電池優先充放電，達到短時間充電即可使用，亦減少鉛酸電池放電深度，提供負載穩定的電力供應，具有提升負載動能及延長鉛酸電池使用壽命之功效。

Description

複合電池裝置

本發明係有關於一種蓄電池裝置，特別是指一種具複合電池且應用於經常性充放電之蓄電系統或太陽能光電、風能等發電系統的蓄電池裝置。

按，隨著地球暖化，能源日益短缺，促使環保意識覺醒。傳統使用之鉛酸電池，因汙染回收及使用壽命問題漸被歸類為非環保材料。基於環保需求，市場逐漸發展出新一代壽命更長、體積小、重量輕的環保儲能電池，如鋰鐵、鋰錳電池...等。但該類電池目前多應用於小型儲能系統，對於較大型的儲能系統，因其成本高昂而難以讓市場接受，在成本及容量限制之考量下，傳統鉛酸電池仍無可取代。

然而，鉛酸電池在使用時，因電解液揮發、極板老化，使鉛酸電池約使用5~8年即需更換，如UPS電池；若鉛酸電池用於如電動車、電動堆高機等電動機具上循環使用，約3~5年即需要更換；而鉛酸電池以浮充使用於汽機車時，其使用壽命更僅約2~3年就要更換。

再者，鉛酸電池充電需一符合電池特性之充電器，依電池容量、加水或凝膠式，施以定電流、定電壓模式充電。由於快速充電之大電流對鉛酸電池的衝擊會影響其電池壽命，因此鉛酸電池在循環應用上，尚須考量電池充電完成可在使用時間，而不符合使用者於短時間內達到充電飽和使用之期望。

此外，目前應用於自然能源的儲能系統如太陽光電及風力發電系統，每日供電量為儲電量之25%，其餘75%則為陰天發電量不足時之備載(耐陰天數)，且該儲能系統通常使用如鉛酸電池的凝膠式(GEL Type)蓄電池，其中25%放電深度(DOD)約1800次循環，因此，鉛酸電池受限於充放電循環次數，約每4~5年須全部更換。又，太陽光電發電系統於日間發電，風力發電系統於風速較強時發電，當產生珍貴電力時，若能將太陽能或風力快速轉化為電能儲存，將能大幅提升自然能源的利用率。

有鑑於上述問題，本案發明人認為『恆久才環保』，因此有必要設計一種具延長使用壽命、減少更換次數、降低耗材回收汙染、可快速充電、可提高蓄電池利用率的複合電池裝置。

本發明之主要目的在於提供一種複合電池裝置，該裝置係與一電源供應單元及一負載電性連接，該電源供應單元輸出一電力儲存於該裝置並供該負載使用；該裝置包括一轉換器、一鉛酸電池、一鋰鐵電池及一微處理器；其中，該轉換器具有一充電切換開關及一放電切換開關；該鉛酸電池及該鋰鐵電池係分別與該轉換器之該充電切換開關或該放電切換開關電性連接，且該二電池各具有一飽和電壓值及一低點電壓值；微處理器係與該轉換器電性連接，並具有一充電控制單元及一放電控制單元，該充電控制單元與該充電切換開關電性連接，該放電控制單元與該放電切換開關電性連接；令該微處理器偵測該鉛酸電池及該鋰鐵電池之該飽和電壓值及該低點電壓值，並根據該飽和電壓值電性控制該充電控制單元停止充電，或根據該低點電壓值電性控制該放電控制單元停止放電。

藉此，該微處理器配合鋰鐵電池的快充且可承受大啟動電流之特性，以該鉛酸電池與該鋰鐵電池之該飽和電壓值或該低點電壓值做為判斷依據，並透過驅動該轉換器依先鋰鐵、後鉛酸的順序進行充放電控制，達到在短時間內充電即可使用，且減少鉛酸電池放電深度，提供負載穩定的電力供應，具有提升負載動能及延長鉛酸電池使用壽命之功效。

本發明之另一目的在於，該複合電池裝置之該電源供應單元係為一太陽能光電板、一風力發電機或一市電。

本發明之再一目的在於，該複合電池裝置之該電源供應單元為該太陽能光電板時，該微處器係根據該太陽能光能板輸出之一電壓值，驅動該充電控制單元電性控制該轉換器之該充電切換開關與該鉛酸電池或該鋰鐵電池電性連通；或驅動該放電控制單元電性控制該放電控制單元與該鉛酸電池或該鋰鐵電池電性連通；或驅動該充電控制單元電性控制該轉換器之充電速度。

為使貴審查委員對本發明之目的、特徵及功效能夠有更進一步之瞭解與認識，以下茲請配合【圖式簡單說明】詳述如后：首先，請配合參閱第1圖所示，本發明複合電池裝置係與一電源供應單元10及一負載60電性連接，該電源供應單元10輸出一電力儲存於該裝置，並自該裝置輸出該電力供該負載60使用，該電源供應單元10係為一太陽能光電板、一風力發電機或一市電，透過將太陽能或風力轉換為該電力輸出使用。

本發明所提供一種複合電池裝置的較佳實施例，該裝置包括一轉換器20、一鉛酸電池30、一鋰鐵電池40及一微處理器50；其中：該轉換器20，係電性連接一充電切換開關21及一放電切換開關22；該轉換器20係與該電源供應單元10電性連接，供偵測該電源供應單元10輸出電力之電壓值，並調整至具適當電壓電流之直流電後輸出；於本實施例中，該轉換器20並為輸出該裝置充放電控制之最後命令以及該負載60之驅動電路；該鉛酸電池30，係與該轉換器20之該充電切換開關21或該放電切換開關22電性連接，且該鉛酸電池30具有一飽和電壓值及一低點電壓值；其中，令該充電切換開關21與該鉛酸電池30電性導通，則該轉換器20輸出該直流電至該鉛酸電池30；令該放電切換開關22與該鉛酸電池30電性導通，則輸出該電力供該負載60使用；該鋰鐵電池40，係與該轉換器20之該充電切換開關21或該放電切換開關22電性連接，且該鋰鐵電池40具有一飽和電壓值及一低點電壓值；其中，令該充電切換開關21與該鋰鐵電池40電性導通，則該轉換器20輸出該直流電至該鋰鐵電池40；令該放電切換開關22與該鋰鐵電池40電性導通，則輸出一電力供該負載60使用；該微處理器50，係與該轉換器20電性連接並具有一充電控制單元51及一放電控制單元52，該充電控制單元51與該充電切換開關21電性連接，該放電控制單元52與該放電切換開關22電性連接；令該微處理器50偵測該鉛酸電池30及該鋰鐵電池40之該飽和電壓值及該低點電壓值，並根據該飽和電壓值電性控制該充電控制單元51停止對該鉛酸電池30或該鋰鐵電池40充電，或根據該低點電壓值電性控制該放電控制單元52停止該鉛酸電池30或該鋰鐵電池40放電。

以上所述即為本發明實施例主要構件及其組態說明，至於本發明較佳實施例的運作方式及其功效，做以下說明：本發明複合電池裝置係以鋰鐵電池40為主、鉛酸電池30為輔，將鉛酸電池30儲電量大、成本低但使用壽命短、充放電效率低之特性，與鋰鐵電池40充放電效率極佳、使用壽命極長，但成本相對遠高於鉛酸電池30之特性結合，達到整體具有使用壽命長、充放電效率佳、儲電量大且未大幅增加成本的複合電池；藉此，透過上述電池特性，本發明複合電池裝置之充電及供電流程如第2、3圖所示：如第2圖所示，顯示本發明判斷充電之流程，該微處理器50係優先偵測並判斷鋰鐵電池40是否呈充飽狀態，當鋰鐵電池40的電壓值達到其飽和電壓值時，表示其充電量已呈飽和狀態，此時才會偵測判斷鉛酸電池30是否呈充飽狀態，當鉛酸電池30達到其飽和電壓值而呈飽和狀態時，該即停止充電，並由微處理器50持續依該優先順序偵測判斷該複合電池之蓄電量；如第3圖所示，顯示本發明判斷供電之流程，該微處理器50係優先偵測並判斷鋰鐵電池40的蓄電量是否呈低電壓狀態，當鋰鐵電池40供電至蓄電量的電壓值下降達低點電壓值時，該微處理器50才會切換偵測鉛酸電池30的蓄電量並判斷是否呈低電壓狀態，當鉛酸電池30供電至蓄電量達低點電壓值時即停止供電，並由微處理器50持續依該優先順序偵測判斷該複合電池之蓄電量，配合該電源供應單元10及該負載進行充、放電作業；其中，該電源供應單元10可為太陽能光電板、風力發電機或市電，或者以三者同時配合該複合電池裝置，以彌補太陽能或風力等自然能源不足以提供該裝置產生足夠電力之情況。

請以第1圖配合第4、5圖觀之，說明本發明應用於太陽能照明系統，並以太陽能光電板做為該電源供應單元10，以發光單元做為該負載60之實施方式：該電源供應單元10接收太陽光能轉換為具有一電壓值之直流電輸出至該轉換器20；該微處理器50透過該轉換器20偵測該電壓值，以判斷驅動該充電控制單元51電性控制該轉換器20輸出一充電命令，使該充電切換開關21與該鉛酸電池30或該鋰鐵電池40電性連通；或驅動該放電控制單元52電性控制該轉換器20輸出一放電命令，使該鉛酸電池30或該鋰鐵電池40與該放電切換開關22電性連通，以輸出電力至該負載60；或驅動該充電控制單元51電性控制該轉換器20之充電速度。

該複合電池裝置應用於太陽能充電系統的充放電控制，是透過該微處理器50根據該該電源供應單元10的電壓值大小做為日照強弱之對應，形成「強日照模式」以及「弱日照模式」，以判斷驅動該充電控制單元51或該放電控制單元52電性控制該轉換器20，使該轉換器20對該複合電池輸出最終的充放電命令；當太陽能充足時，微處理器50依「強日照模式」先後對鋰鐵電池40、鉛酸電池30進行充電；當太陽光能不足時，則依「弱日照模式」對照明系統的發光單元進行放電，或者降低該轉換器20的充電速度；如第4圖所示，說明「強日照模式」之裝置運作方塊圖；在日照強的狀態下，電源供應單元10轉換輸出的電流大，如第4圖之路徑A1，該轉換器20的充電切換開關21與該鋰鐵電池40電性連通，而優先對可快速充電的鋰鐵電池40充電，以快速儲存累續蓄電量；當鋰鐵電池40飽和後，如第4圖之路徑A2，該充電切換開關21即切換與該鉛酸電池30電性連通，以繼續對鉛酸電池30充電；藉此，利用鋰鐵電池40之特性及優先順序，配合鉛酸電池30之蓄電量，達到提高整體充電效率。

如第5圖所示，說明「弱日照模式」之裝置運作方塊圖；在如清晨、傍晚或陰天等日照較弱的狀態下，電源供應單元10輸出的電流小，當鋰鐵電池40達飽和後，該轉換器20的充電切換開關21與該鉛酸電池30電性連通，對鉛酸電池30進行慢速低電流充電，達到利用鉛酸電池30低電流慢充之特性並增加該複合電池之整體蓄電量；又，在如夜晚無日照的狀態下，該電源供應單元10無太陽能轉換成電流輸出時，如第5圖之路徑B1，該轉換器20的放電切換開關22優先與該鋰鐵電池40電性連通，以釋出電能供發光單元使用；待鋰鐵電池40達低電壓狀態時，放電切換開關22即與鉛酸電池30電性連通，如第5圖之路徑B2，達到穩定持續對發光單元供電。

綜上所述，本發明係結合該鉛酸電池30電容量大、設置成本低，以及該鋰鐵電池40充放電效率佳、使用壽命長之優點，形成本發明之複合電池，配合該微處理器50與該轉換器20的充放電控制，在太陽能或風力充足時可快速充電提高複合電池的充電效率、蓄電量及利用率；而太陽能或風力不足時，則可降低充電速度或依複合電池之蓄電量大小對負載60進行放電控制，達到避免電池過度充放電造成損壞，同時具提高負載60續航力之複合電池裝置。

10．．．電源供應單元

20．．．轉換器

21．．．充電切換開關

22．．．放電切換開關

30．．．鉛酸電池

40．．．鋰鐵電池

50．．．微處理器

51．．．充電控制單元

52．．．放電控制單元

60．．．負載

A1．．．路徑

A2．．．路徑

B1．．．路徑

B2．．．路徑

第1圖　本發明之架構示意圖。

第2圖　本發明之供電流程示意圖。

第3圖　本發明之充電流程示意圖。

第4圖　本發明應用於太陽能照明系統之強日照模式運作方塊示意圖。

第5圖　本發明應用於太陽能照明系統之弱日照模式運作方塊示意圖。

10．．．電源供應單元

20．．．轉換器

21．．．充電切換開關

22．．．放電切換開關

30．．．鉛酸電池

40．．．鋰鐵電池

50．．．微處理器

51．．．充電控制單元

52．．．放電控制單元

60．．．負載

Claims (5)

1. 一種複合電池裝置，該裝置係與一電源供應單元及一負載電性連接，該電源供應單元輸出一電力至該複合電池裝置儲存以供該負載使用；其中，該裝置包括：一轉換器，係與該電源供應單元電性連接；該轉換器具有一充電切換開關及一放電切換開關；一鉛酸電池，係與該轉換器之該充電切換開關或該放電切換開關電性導通，且該鉛酸電池具有一飽和電壓值及一低點電壓值；一鋰鐵電池，係與該轉換器之該充電切換開關或該放電切換開關電性導通，且該鋰鐵電池具有一飽和電壓值及一低點電壓值；一微處理器，係與該轉換器電性連接，並具有一充電控制單元及一放電控制單元，該充電控制單元與該充電切換開關電性連接，該放電控制單元與該放電切換開關電性連接；令該微處理器依先鋰鐵電池後鉛酸電池之順序偵測該飽和電壓值或該低點電壓值，並根據該飽和電壓值電性控制該充電控制單元停止充電，或根據該低點電壓值電性控制該放電控制單元停止放電。
2. 如申請專利範圍第1項所述之複合電池裝置，其中，該電源供應單元為一太陽能光電板並輸出一電壓值，該微處器係根據該電壓值驅動該充電控制單元電性控制該轉換器之該充電切換開關與該鉛酸電池或該鋰鐵電池電性連通；或驅動該放電控制單元電性控制該放電控制單元與該鉛酸電池或該鋰鐵電池電性連通；或驅動該充電控制單元電性控制該轉換器之充電速度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之複合電池裝置，其中，該電源供應單元為一市電。
4. 如申請專利範圍第1項所述之複合電池裝置，其中，該電源供應單元為一風力發電機。
5. 如申請專利範圍第1項所述之複合電池裝置，其中，該電源供應單元更進一步包括一太陽能光電板、一市電及一風力發電機。