TW201403994A - 多段式電池模組充電方法及其裝置 - Google Patents
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Abstract
一種多段式電池模組充電方法及其裝置,該方法包括下列步驟a.以一第一預設電流對電池模組進行第一階段充電;b.以一判斷單元判斷該電池模組是否達到一預設電壓;c.若判斷該預設電壓達到時,以一第二預設電流對電池模組進行第二階段充電;d.若判斷該預設電壓再度達到,且各電芯之間達到一預設壓差或其中一電芯超過該預設電壓時,針對電壓較低之電芯以一第三預設電流進行第三階段充電;e.若判斷該預設電壓再度達到時,以該預設電壓對該電池模組進行定電壓充電,並以該第二預設電流做為起始充電電流,至該電池模組充飽。其中,預設電壓是由一充電器供應,判斷單元為一電池管理系統,此電池管理系統連接於各該電芯的兩極,且對應各電芯設有一開關迴路,電池管理系統若偵測到所述預設壓差或所述預設電壓,該開關迴路便會與充電迴路導通,使電流通過開關迴路,直接對低電壓的電芯進行充電。此方法可避免電池模組充電時,有部分電芯過充或尚未充飽電的狀態,即能穩定電壓、提升電池充電效率、延長電池使用壽命。
Description
本發明涉及一種電池模組的充電方法及裝置,可調整電流方向,針對電壓較低之電芯,進行充電的多段式電池模組充電方法及裝置。
傳統對電池模組的充電,多採取單串電池組或電池整體模組的狀態進行多段式充電,第一階段為定電流充電,第二階段為定電壓充電。如第五圖所示為一傳統電池充電狀態示意圖。電池第一階段(t=t0~t1)進行定電流(IB)充電,曲線(VPC)代表電池模組電壓的變化。當電池模組電壓達到電器提供的電壓(Vinc)時,則進入第二階段(t=t1~t2)定電壓(Vinc)充電,直到電池模組充飽(t=t2)為止。此做法是先提供一定電流對電池模組充電一段時間至預設電壓,充電過程中不僅溫度會隨之升高,且因是對電池模組整體的電壓進行充電,並無法針對其中各個電芯的充電狀態做調整,但每個電芯的電阻值、初始電壓未必相同,因此充電達預設電壓的過程中,有可能某一電芯或電芯組之電壓已經超過安全值(即每一電芯或每一電芯組之間的電壓不平衡),會造成電池模組過熱而影響壽命的問題。
為解決上述問題,遂有人提供另一種電池充電狀態,如第六圖所示。此充電方法是先測出各電芯組之最大電壓以及最小電壓的變化。第一階段(t=t0~t1)是採用定電流(IB)充電,當電芯組最大電壓(Vemax)達到額定電壓(Vcoff)時,就關閉充電器,當電芯組之最大電壓下降至電壓下限(Vcon)時,充電器再恢復供電至電芯組,待再次達到額定電壓(Vcoff)時,再關閉充電器,如此反覆開關充電器,直到各電芯充飽電為止。第二階段(t=t1~t2)中,是根據電芯組最小電壓的變化來決定電流的大小,當電芯組最小電壓(Vemin)超過充電器給予的電壓(Vinc)時,即進入第二階段逐步調降充電電流的大小,並同樣隨著電芯組最大電壓的變化,間斷地給予供電,直到電池充飽(t=t2)為止。此充電方法雖能平衡各電芯組(或電芯)之間的電壓,避免電流過充、電壓過高、溫度過高的問題,但反覆開關充電器,頻繁地對電池充電、放電會折損電池壽命,並且延長整個充電的時間。
第七圖提供了另一種充電方式,其是以第一預設電流(I1)對電池模組進行第一階段(t=t0~t1)充電,當電池模組中,有電芯達到預設電壓(V1),則改以一小於第一預設電流(I1)之第二預設電流(I2)進行第二階段(t=t1~t2)充電,當電池模組中有電芯達到預設電壓(V1),則以該預設電壓V1進行充電,直到電池模組充飽為止。此種方式,是利用調整電流大小,將各電芯之電壓控制在預設電壓以下,雖然也可以避免電芯之電壓過大,但其每階段充電只觀察是否有電芯超過預設電壓,仍無法確保每顆電芯都達到預設電壓,各電芯之間的電壓無法平衡。
而中華民國專利公告第I366322號,提供了一種充電裝置,包含一第一電壓轉換器、一第二電壓轉換器及一控制模組。第一電壓轉換器會輸出電力,對第一儲能元件及第二儲能元件充電,第二電壓轉換器會輸出電力,對該第二儲能元件充電。當第二儲能元件充電達一飽和臨界電壓時,控制模組控制第二電壓轉換器停止對第二儲能元件充電,同時使欲流進第二儲能元件的電流回授至第一電壓轉換器進行轉換,第一電壓轉換器轉換後,再對第一儲能元件充電,以降低供應電源之輸出電力,達到節能之功效。其中,欲流進第二儲能元件的電流會先流向一電感,該電感因發生反向激磁而開始儲能,並經控制模組控制開關後,電感會釋放其所儲存之能量,並回授至第一電壓轉換器進行轉換。
上述充電裝置雖能避免單個儲能元件過充,以及可針對電壓較低之儲能元件進行充電,但因電感無法用於控制多餘的電流之流向,多的電流僅能止於鄰近的儲能元件,因此,當充電裝置需要對多個儲能元件充電時,每個儲能元件都需搭配一電壓轉換器,以進行充電的判斷,進而達到平衡各儲能元件之電壓的目的。
據此,這種充電技術在針對高功率儲能的應用,如電動腳踏車(E-bike)、電動車(EV)或儲能裝置(ESS)時,會因為該等裝置中儲能元件動輒上百顆,甚至千顆,迫使該充電裝置必須相應該儲存元件的數目增加使用電壓轉換器,不僅增加整體充電電路的複雜度和不確定因素,也會造成整體成本的提高。
因此,如何使充電模組中之各電芯或電芯組之間的電壓達到平衡,進而避免電池模組溫度過高、提高電池模組壽命,為待解決之課題。
有鑑於此,本發明的目的在於,提供一種多段式電池模組充電方法,該方法是將定電流充電分成數階段,每階段有不同的電流值以及充電時間,當充電達預定電壓後,再進行定電壓充電。採階段式定電流充電的方法,可以解決習知在一短時間內一次充達預設電壓而導致電池溫度過高,降低電池壽命的問題。
本發明的另一目的在於,提供一種多段式電池模組充電方法,該方法是將定電流充電分成第一階段充電、第二階段充電及第三階段充電,並在第二階段充電達預設電壓時,調整電流值,以一微小電流對尚未充達預設電壓之電芯進行第三階段充電,等待預設電壓再度達到後,進行定電壓充電。針對充電未達預設電壓的電芯充電之方法,可以避免充電器不斷的對已經充飽的電芯充電,造成過充、溫度過高的問題,也可確保每個電芯皆能充達預設電壓,維持各電芯間電壓平衡。
本發明的又一目的在於,提供一種多段式電池模組充電裝置,以實現前述之多段式電池模組充電方法。
為達上述各項目的,本發明的一手段是,提供一多段式電池模組充電方法,該方法包括下列步驟:
a.以一第一預設電流對電池模組進行第一階段充電;
b.以一判斷單元判斷該電池模組是否達到一預設電壓;
c.若判斷該預設電壓達到時,以一第二預設電流對電池模組進行第二階段充電;
d.若判斷該預設電壓再度達到,且各電芯之間達到一預設壓差或其中一電芯超過所述預設電壓時,針對電壓較低之電芯以一第三預設電流進行第三階段充電;
e.若判斷該預設電壓再度達到時,以該預設電壓對該電池模組進行定電壓充電,並以該第二預設電流做為起始充電電流,至該電池模組充飽。
其中,本發明使第二預設電流為該第一預設電流減去一電流差值,該第三預設電流為該第二預設電流減去一電流差值,且每階段電流搭配適當的充電時間,如此一步一步的充電達預設電壓,可改良習知,在一短時間內一次充達預設電壓的做法,使本發明電池模組充電時,不會發生溫度過高而影響電池壽命的問題。
其中,本發明針對電壓較低之電芯進行第三階段充電的手段,是對應各電芯設置一開關迴路,當判斷有電芯充電達預設電壓或各電芯間達一預設壓差時,該開關迴路便被導通,供電流通過,並對電壓較低之電芯進行充電,使各電芯皆能充電達預定電壓,不會有電芯過充的情形發生。
本發明的另一手段是,提供一多段式電池模組充電裝置,該裝置包括:
一電池模組,包括複數串聯之電芯;
一充電器,與該電池模組連接形成一充電迴路,以提供電流給該電池模組;以及
一電池管理系統,連接於各該電芯的兩極,用以監測各電芯之電壓或各電芯之間的壓差,並據以調整該充電迴路。
其中,該電池管理系統對應於各該電芯設置一所述開關迴路,開關迴路包括一電阻、一開關元件。該開關迴路初始為尚未與充電迴路導通之狀態,當電池管理系統監測到各電芯之間達一預設壓差或其中一電芯超過一預設電壓時,則透過控制該開關元件來導通開關迴路與充電迴路,此時,電流不會再流向已充飽的電芯,而會流向開關迴路,先經由該電阻消耗掉一部分電流,剩下的微小電流(第三預設電流)再對電壓較低之電芯進行充電。
上述手段可以實現本發明「針對電壓較低之電芯進行充電」的目的,且相較於前述習知技術,以電感儲能,再以多數開關引導電流方向的充電裝置,本發明更能節省成本。
以下配合圖式及元件符號對本發明的實施方式做更詳細的說明,俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
請參閱第一圖為本發明多段式電池模組充電方法之步驟流程圖。該方法包括下列步驟:以一第一預設電流對電池模組進行第一階段充電(步驟S10);以一判斷單元判斷該電池模組是否達到一預設電壓,若尚未達到該預設電壓,則繼續以該第一預設電流充電,直到達到預設電壓(步驟S20);若判斷該預設電壓達到時,以一第二預設電流對電池模組進行第二階段充電(步驟S30);以該判斷單元判斷該電池模組是否達到該預設電壓,若尚未達到該預設電壓,則繼續以該第二預設電流充電,直到達到預設電壓(步驟S40);若判斷該預設電壓再度達到,且各電芯之間達到一預設壓差或其中一電芯超過所述預設電壓時,針對電壓較低之電芯以一第三預設電流進行第三階段充電(步驟S50);以該判斷單元判斷該電壓較低之電芯是否達到該預設電壓,若該電芯尚未達到預設電壓,則繼續以第三預設電流充電,直到該電芯達到預設電壓(步驟S60);若判斷該預設電壓再度達到時,以該預設電壓對該電池模組進行定電壓充電,並以該第二預設電流做為起始充電電流,至該電池模組充飽為止(步驟S70)。
請配合參閱第二圖為本發明電池模組充電狀態示意圖。其中橫軸代表電流充電的時間,縱軸同時表現出電流大小以及一預設電壓值。本發明之較佳實施方式是,先提供一第一預設電流I1對電池模組進行時間為t=t0~t1之第一階段定電流充電,然後以一判斷單元(容後揭露)判斷電池模組是否達到一預設電壓V1,圖中,S1為第一階段充電時,電池模組的電壓曲線變化,圖中顯示當時間到t1時,電池模組的電壓值正好達到該預設電壓V1;其中預設電壓V1代表一個電芯安全運作時,所能承受之電壓最大值,例如4.1V。接下來改以一第二預設電流I2對電池模組進行時間為t1~t2之第二階段定電流充電,由於考量到第一階段充電時,電池模組可充電的位置已經減少,所以第二階段所提供之電流必須為第一預定電流減去一電流差值ΔIa後的數值,以維護電池模組的安全性。然後以該判斷單元判斷電池模組是否達到該預設電壓V1,圖中,S2為第二階段充電時,電池模組的電壓曲線變化,圖中顯示當時間到達t2時,電池模組的電壓值正好達到該預設電壓V1;同時,判斷單元會監測各電芯之間是否達到一預設壓差或是否有其中一電芯超過預設電壓V1(即判斷是否有電芯已經充飽電,但其他電芯尚未充飽電的狀況),若達到該預設壓差或其中一電芯超過預設電壓,則改以一第三預設電流I3對電壓較低之電芯進行時間為t2~t3之第三階段定電流充電,同理,第三階段所提供之電流必須為第二預定電流減去一電流差值ΔIB的數值。然後以該判斷單元判斷電池模組是否達到該預設電壓V1,圖中,S3為第三階段充電時,電池模組的電壓曲線變化,圖中顯示當時間達到t3時,電池模組的電壓值正好達到該預設電壓V1。再以該判斷單元判斷電池模組是否達到該預設電壓V1,若達到預設電壓,則改以該預設電壓V1及第二預設電流I2對電池模組進行時間為t3~t4之定電壓充電,直到電池模組充飽為止,圖中顯示S4為此階段的電壓曲線,係維持在一定電壓,隨著電池模組幾近充飽電,所需電流量逐漸減少。
請將第二圖配合參閱第四圖,更能理解電池模組在各充電階段的溫度變化。該第一階段充電是以第一預設電流I1在t0~t1這段時間內充電,過程中當電壓達到預設電壓V1時,其相應溫度會上升至T1,而使電池模組有過熱的危機,因此,本發明將對該電池模組進行第二次充電,該第二階段的充電是以遠低於第一預設電流I1的第二預設電流I2對電池模組充電,該電池模組由一較低的電壓開始進行充電至該預設電壓V1,第二階段充電歷經時間為t1~t2,相較於第一階段充電時間為長,該電池模組的溫度因而從T1降至T2;接著,進行該第三階段充電,本階段充電是以第三預設電流I3對尚未達到預設電壓V1的電芯進行充電,其中,I3小於I2和I1;而該階段由啟始的充電電壓達到預設電壓V1,需要歷經時間為t2~t3,小於第二階段充電的時間,溫度則從T2降至T3;最後一個充電階段相較於前幾個充電階段不同的是以預設電壓V1進行定電壓充電,並以第二預設電流I2做為起始的充電電流,本階段充電歷經的時間為t3~t4,溫度大約維持在T3左右。
請參閱第三圖為本發明多段式電池模組充電裝置電路示意圖。包括一電池模組1、一電池管理系統2及一充電器3。該電池模組1可如圖所示為複數串聯之電芯11,12,亦可為複數相互串接之電芯串聯組(圖未示);該充電器3與該電池模組1連接形成一充電迴路,以提供一電流給該電池模組1;該電池管理系統2,連接於各該電芯11,12的兩極,用以監測各電芯11,12的電壓及各電芯11,12之間的壓差,並據以調整該充電迴路,使各電芯11,12之電壓能保持平衡。其中,該電池管理系統2還包括一開關迴路22,用以調整對於各電芯充電的迴路,此開關迴路22初始為尚未與充電迴路導通之狀態;其中,該開關迴路22具有用於控制充電迴路的開關元件21,該開關元件21為場效電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET),分別設置在對應於各電芯電路的位置,該開關元件21的源極211透過一電阻23連接於各電芯的正極,汲極212則連接於各該電芯的負極,而閘極213與該電池管理系統2連接。電池管理系統2、充電器3及電池模組1之間連結有一放電控制開關24及一充電控制開關25,該放電控制開關24係於電芯電壓過低、放電電流過大、短路時啟動保護,該充電控制開關25作為電芯電壓過高保護。
請同時參閱第一圖至第三圖,來理解本發明多段式電池模組之充電方法。由充電器3供應第一預設電流I1,對電池模組1進行第一階段充電(步驟10),以判斷單元(即電池管理系統2)判斷電池模組1是否達到預設電壓V1,若尚未達到該預設電壓V1,則繼續以該第一預設電流I1充電,直到達到預設電壓(步驟S20),若判斷到達該預設電壓V1,充電器3改以供應第二預設電流I2對電池模組1進行第二階段充電(步驟S30),由第二圖可知,第二階段充電之第二預定電流I2小於第一階段充電之第一預設電流I1;其中,在第一階段充電及第二階段充電時,電流走向如第三圖中所標示之I1及I2方向。以該判斷單元(即電池管理系統2)判斷該電池模組1是否達到該預設電壓V1,若尚未達到該預設電壓,則繼續以該第二預設電流I2充電,直到達到預設電壓(步驟S40),若判斷單元(電池管理系統2)判斷充電到達預設電壓V1,判斷單元(電池管理系統2)會同時偵測各電芯11,12間是否達到一預設壓差或是否有其中一電芯超過預設電壓V1(如第三圖電芯11在歷經兩階段充電後,電壓已達預設電壓,而下面的電芯12則尚未充飽),此時,電池管理系統2會透過提供電訊號給開關元件21的閘極213,使源極211與汲極212相導通,開關迴路22便與充電迴路連通,充電器3釋出的電流不再流向電芯11,而會流向開關迴路22,並先經由電阻23消耗掉一部分電流,剩下的微小電流(第三預設電流I3)會流至下面的電芯12(步驟S50),再以該判斷單元(電池管理系統2)判斷電芯12是否達到該預設電壓V1,若該電芯12尚未達到預設電壓,則繼續以第三預設電流I3充電,直到該電芯12達到預設電壓V1(步驟S60),當判斷單元(電池管理系統2)偵測每顆電芯11,12皆達到預設電壓V1時,充電器3會改以所述預設電壓V1進行定電壓充電,直到電池模組1充飽為止(步驟S70)。
本發明主要特徵在於,充電器對電池模組進行數階段充電後,電池管理系統會啟動開關迴路,使充電器針對最小電壓的電芯進行充電,以使各電芯間電壓平衡,避免已經飽和的電芯過充,導致溫度過高影響電池壽命。另一特徵在於,本發明對電池模組分數階段充電,每階段以不同的電流值配合不同充電時間來充到預設電壓,相較習知技術,以一定電流一次對電池充到預設電壓的方式,或是反覆開關充電器的方式,本發明的做法能避免充電時電池溫度隨之升高,以及提升充電效率,延長電池壽命。此外, 本發明所提供之多段式電池模組充電方法,可應用於各種移動式電源管理與儲能系統。
以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例,並非企圖具以對本發明做任何形式上之限制,是以,凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更,皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
S10~S70...為本發明實施例之多段式電池模組充電方法之各步驟
I1...第一預設電流
I2...第二預設電流
I3...第三預設電流
V1...預設電壓
S1...第一階段充電時,電池模組的電壓曲線變化
S2...第二階段充電時,電池模組的電壓曲線變化
S3...第三階段充電時,電池模組的電壓曲線變化
S4...最後一階段定電流充電,電池模組的電壓曲線變化
△Ia...電流差值
△Ib...電流差值
1...電池模組
11...電芯
12...電芯
2...電池管理系統
21...開關元件
211...源極
212...汲極
213...閘極
22...開關迴路
23...電阻
24...放電控制開關
25...充電控制開關
3...充電器
IB...定電流
Vpc...電池模組電壓的變化
Vinc...電壓
Vemax...電芯組最大電壓
Vcoff...額定電壓
Vcon...電壓下限
Vemin...電芯組最小電壓
第一圖為本發明多段式電池模組充電方法之步驟流程圖。
第二圖為本發明電池模組充電狀態示意圖。
第三圖為本發明多段式電池模組充電裝置電路示意圖。
第四圖表現電池模組每階段充電時之溫度變化示意圖。
第五圖為一傳統電池充電狀態示意圖。
第六圖為另一傳統電池充電狀態示意圖。
第七圖為又一傳統電池充電狀態示意圖。
S1...第一階段定電流充電時,電池模組的電壓曲線變化
S2...第二階段定電流充電時,電池模組的電壓曲線變化
S3...第三階段定電流充電時,電池模組的電壓曲線變化
S4...最後一階段定電壓充電,電池模組的電壓曲線變化
I1...第一預設電流
I2...第二預設電流
I3...第三預設電流
△Ia...電流差值
△Ib...電流差值
V1...預設電壓
t0~t1...第一階段定電流充電時間
t1~t2...第二階段定電流充電時間
t2~t3...第三階段定電流充電時間
t3~t4...最後一階段定電壓充電時間
Claims (15)
- 一種多段式電池模組充電方法,該方法包括下列步驟:a.以一第一預設電流對電池模組進行第一階段充電;b.以一判斷單元判斷該電池模組是否達到一預設電壓;c.若判斷該預設電壓達到時,以一第二預設電流對電池模組進行第二階段充電;d.若判斷該預設電壓再度達到,且各電芯之間達到一預設壓差或其中一電芯超過所述預設電壓時,針對電壓較低之電芯以一第三預設電流進行第三階段充電;e.若判斷該預設電壓再度達到時,以該預設電壓對該電池模組進行定電壓充電,並以該第二預設電流做為起始的充電電流,至該電池模組充飽。
- 依據申請專利範圍第1項所述之多段式電池模組充電方法,其中,該第二預設電流為該第一預設電流減去一電流差值,該第三預設電流為該第二預設電流減去一電流差值。
- 依據申請專利範圍第1項所述之多段式電池模組充電方法,其中,所述預設電壓為各電芯安全運作時,所能承受之一電壓最大值。
- 依據申請專利範圍第1項所述之多段式電池模組充電方法,其中,所述判斷單元為一電池管理系統。
- 依據申請專利範圍第4項所述之多段式電池模組充電方法,其中,該電池管理系統提供一開關迴路,於步驟d中,當各該電芯達到一預設壓差或其中一電芯超過所述預設電壓時,該電池管理系統控制導通該開關迴路,供所述第三預設電流通過,以對電壓較低之電芯,進行第三階段充電。
- 依據申請專利範圍第5項所述之多段式電池模組充電方法,其中,所述開關迴路包括一電阻及一開關元件,該開關元件為場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET),所述開關迴路設置在對應於各電芯電路的位置。
- 依據申請專利範圍第6項所述之多段式電池模組充電方法,其中,該開關元件的一源極和一汲極兩端分別連接相應電芯的兩極,而一閘極與該電池管理系統連接。
- 依據申請專利範圍第1項所述之多段式電池模組充電方法,其中,所述電芯為一串聯之電芯組。
- 依據申請專利範圍第1項所述之多段式電池模組充電方法,其中,所述電芯為複數相互串接之串連電芯組。
- 一種多段式電池模組充電裝置,包括:一電池模組,包括複數串聯之電芯;一充電器,與該電池模組連接形成一充電迴路,以提供一電流給該電池模組;以及一電池管理系統,連接於各該電芯的兩極,用以監測各電芯之電壓與各電芯間的壓差,並據以調整該充電迴路。
- 依據申請專利範圍第10項所述之多段式電池模組充電裝置,其中,該電池管理系統對應於各該電芯設置一開關迴路,該開關迴路初始為尚未與充電迴路導通之狀態,當電池管理系統監測到各電芯之間達一預設壓差或其中一電芯超過一預設電壓時,則控制將該開關迴路與充電迴路導通,供電流通過,使充電器對較小電壓之電芯進行充電。
- 依據申請專利範圍第11項所述之多段式電池模組充電裝置,其中,所述開關迴路包括一電阻及一開關元件,該開關元件為場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET),所述開關迴路設置在對應於各電芯電路的位置。
- 依據申請專利範圍第12項所述之多段式電池模組充電裝置,其中,該開關元件的一源極和一汲極兩端,分別連接相應電芯的兩極,而一閘極與該電池管理系統連接。
- 依據申請專利範圍第10項所述之多段式電池模組充電裝置,其中,所述電池模組包括複數串接之電芯串聯組。
- 依據申請專利範圍第10項所述之多段式電池模組充電裝置,其中,所述電流為第一預設電流、第二預設電流及第三預設電流,該第一預設電流大於該第二預設電流,該第二預設電流大於該第三預設電流。
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