TWI774571B - 鋰電池的充電系統及方法 - Google Patents

Abstract

本發明為一種鋰電池的充電系統及方法，該充電系統包含一充電裝置及一鋰電池組，在該充電裝置與該鋰電池組之間係建立一充電迴路及一通訊迴路，其中該鋰電池組中包含一電池芯組及一電池管理系統(BMS)，該電池管理系統接收該電池芯組的狀態，並判斷後產生一充電命令，經由該通訊迴路發送該充電命令給該充電裝置，令該充電裝置根據該充電命令輸出對應大小的該充電電源，經由該充電迴路對該鋰電池組充電；藉此，該電池管理系統(BMS)能主導控制充電作業，根據電池芯組的即時情況，選擇較佳的充電電流，令電池芯組能夠有效率且安全地完成充電作業。

Description

鋰電池的充電系統及方法

本發明關於一種鋰電池的充電系統，特別是指一種基於鋰電池的當前狀態決定合適充電方式的充電系統。

請參考圖7所示，為現有鋰電池充電系統的示意圖，包含有一充電裝置300及可重複充電的一鋰電池組310。該充電裝置300例如是能源站、充電樁、充電座、車充用充電器等，該鋰電池組310為電動交通工具之電池，例如電動機車、電動汽車等。

該鋰電池組310的方式完全取決於該充電裝置300的設計，一般來講，該充電裝置300使用固定的充電模式對該鋰電池組310進行充電，例如採用定電流充電法(CC)及定電壓充電法(CV)。該充電裝置300會根據其本身輸出端偵測到的輸出電壓、輸出電流，而決定對該鋰電池組310進行定電流充電或定電壓充電，一般是先採取定電流充電，當鋰電池組310的電壓上升到一預設值之後再進行定電壓充電。

但鋰電池組310若在充電過程中發生異常，採用固定充電模式的充電裝置300通常無法即使作出適當的應對處理。舉例而言，若鋰電池組310的溫度過高時，若該充電裝置300仍以大電流對其充電，易使鋰電池組310的電池芯快速劣化，減少電池壽命。除此之外，因為鋰電池組310的充電作業完全由該充電裝置300主導決定，因此鋰電池組310有可能會受到充電裝置300的誤差影響，導致無法完全充飽電力或是過度充電。

[發明欲解決之技術問題]

傳統充電方式僅採用固定充電模式，無法對鋰電池組提供較有效率的充電，本發明係提出一種鋰電池的充電系統及方法，由該鋰電池組依據本身狀態發出命令予充電裝置，調整合適的電流大小對該鋰電池組進行充電。

[解決問題之技術手段]

本發明提供一種鋰電池的充電系統，包含：

一充電裝置，包含有： 一控制單元； 一充電電路，連接該控制單元，用於輸出一充電電源； 一通訊單元，連接該控制單元；

一鋰電池組，與該充電裝置連接而形成一充電迴路，該鋰電池組透過該充電迴路接收該充電電源，其中，該鋰電池組包含： 一電池芯組，包含有複數個電池芯； 一電池管理系統，包含有一通訊模組，該通訊模組與該通訊單元連接而形成一通訊迴路；

該電池管理系統接收該電池芯組的狀態，並判斷後產生一充電命令，經由該通訊迴路對該充電裝置發送該充電命令，令該充電裝置根據該充電命令輸出對應大小的該充電電源，經由該充電迴路對該鋰電池組充電。

本發明提供一種鋰電池的充電方法，包含：

S1:連接該鋰電池組與該充電裝置，在該鋰電池組與該充電裝置之間形成一充電迴路及一通訊迴路；

S2:該電池管理系統接收該電池芯組的狀態，並根據該電池芯組的狀態決定一充電命令；

S3:該電池管理系統透過該通訊迴路向該充電裝置發送該充電命令，其中，該充電裝置根據該充電命令輸出一充電電源給該電池芯組；

S4:該電池管理系統判斷該電池芯組的電力是否充飽，若否，則重複執行該步驟S2；

S5:若該電池管理系統判斷該電池芯組的電力已經充飽，該電池管理系統透過該通訊迴路對該充電裝置發送一結束充電命令。

[發明之功效]

本發明以該鋰電池組內部的電池管理系統(BMS)判斷電池芯組當下的狀態後，決定一合適的充電命令，並對該充電裝置發送該充電命令，要求該充電裝置根據該充電命令輸出合適大小的電流對該電池芯組進行充電，在充電過程中可即時根據電池芯組當下的狀態調整充電電流大小，令電池芯組能夠有效率且安全地完成充電作業，同時在過低溫或過高溫的狀態下還可發揮停止充電的保護機制，延長電池壽命。

請參考圖1所示，本發明的鋰電池充電系統包含有一充電裝置10及一鋰電池組20。該充電裝置10可以是一用於交換電池的能源站、一充電樁、一充電座、一車充用充電器等充電設備，其內部包含有一控制單元11、一充電電路12及一通訊單元13。其中，該控制單元11負責控制該充電裝置10的運作；該充電電路12連接該控制單元11，用以對外輸出一充電電源；該通訊單元13連接該控制單元11，用於與該鋰電池組20互相連接通訊以建立一通訊迴路B，並接收來自該鋰電池組20的一充電命令。

該鋰電池組20係與該充電裝置10連接以建立一充電迴路A，透過該充電迴路A接收該充電裝置10輸出的充電電源。該鋰電池組20包含一電池芯組21及一電池管理系統(battery management system, BMS)22。該電池芯組21由複數個電池芯構成，該電池管理系統22係用於監測及管理該電池芯組21，其中，該電池管理系統22中包含有一通訊模組221、一溫度感測模組222、一電壓感測模組223、一電流感測模組224。該通訊模組221與該充電裝置10的該通訊單元13對應連接；該溫度感測模組222、該電壓感測模組223以及該電流感測模組224分別偵測該電池芯組的溫度、電壓及電流。

在本發明中，該鋰電池組20連接該充電裝置10之後，在兩者之間係建立該充電迴路A及該通訊迴路B，該電池管理系統22根據感測該電池芯組21所得到感測狀態輸出一充電命令給充電裝置10，要求該充電裝置10根據該充電命令輸出一充電電源，其詳細的方法流程如圖2所示，包含有以下步驟S21~S25。

S21：連接鋰電池組20與充電裝置10，其中該鋰電池組20與該充電裝置10之間的充電迴路A可以透過線材(如充電線)連接，或是以導電接點(contact)互相接觸以傳輸電力，而該通訊迴路B可以是有線連接或無線連接，只要可以雙方傳輸資料即可。

S22：該電池管理系統22接收該電池芯組21的狀態，並根據該狀態決定一充電命令，其中，該電池芯組21的狀態可包含有其溫度及電池電量(state of charge, SOC)，其中電池電量的計算可根據該電池芯組21之電流、電壓計算得到，因其計算方式非本案特徵，在此不再贅述。關於該充電命令的產生方式，是由該電池管理系統22查表內建之充電命令曲線而決定，請參考圖3A~3F所示，其中，每一張圖的橫軸座標代表電池芯組21的電池電量(SOC)百分比，縱軸座標代表欲輸出的充電電流大小，是以充放電率(C-rate)為單位表示，該充放電率是以電池的額定容量有關，例如對一顆100Ah的電池進行充電，若以1C對其電，代表用100A的電流充電，0.5C代表電池用50A的電流對其充電。

圖3A代表當電池芯組21的溫度在-5℃、0℃、55℃三種溫度值時所對應的充電命令，這3種溫度的充電命令曲線相同，也就是充電電源的電流皆為0，充電裝置10無論電池電量的多寡皆不會輸出充電電流給鋰電池組20，若電池管理系統22判斷目前電池芯組21的溫度大於等於0℃且小於5℃ (即 0℃≦ t ＜5℃)時，也是不會輸出充電電流給鋰電池組20。

再以圖3B為例，若電池管理系統22判斷目前電池芯組21的溫度大於等於5℃且小於10℃ (即 5℃≦ t ＜10℃)時，則會選用圖3B的曲線來參考當前的電池電量決定充電電流，例如當目前電池芯組21的電池電量為40%，即會輸出充電電流為 0.4C (即C-rate為40%)的充電命令；若電池芯組21的溫度仍維持在相同區間(即5℃≦ t ＜ 10℃)，但電池電量已提升至70%，則充電命令會轉為要求充電裝置10輸出充電電流為0.2C(即C-rate 為20%)。

同理，圖3C的曲線為溫度介於10℃ ≦ t ＜ 15℃時所採用的充電命令；圖3D的曲線為溫度介於15℃ ≦ t ＜ 40℃時所採用的充電命令；圖3D的曲線為溫度介於15℃≦ t ＜ 40℃時所採用的充電命令；圖3E的曲線為溫度介於40℃≦ t ＜ 50℃時所採用的充電命令；以及圖3F的曲線為溫度介於50℃ ≦ t ＜ 55℃時所採用的充電命令，其中圖3F與圖3E的曲線一致。

在對電池芯組21的充電過程中，該電池管理系統22會隨時判斷該電池芯組21的溫度而選用對應的充電命令曲線，本發明圖3A~3F所示的溫度端點值僅作為一較佳實施例說明；可以視實際情況增減或改變溫度端點值。本發明以0℃作為低溫下限值，當電池芯組21的溫度低於等於0℃時，即控制充電電流為0，可避免電池芯於低溫環境時因接收大電流而導致電池芯材料損壞的問題。另一方面，本發明以55℃作為高溫上限值，當電池芯組21的溫度高於等於55℃時，即控制充電電流為0，可避免電池芯於高溫環境時因容量增加而造成過充情形。

S23：電池管理系統22透過該通訊迴路B向充電裝置10發送該充電命令，其中，當該充電裝置10接收到該充電命令後，即根據該充電命令輸出充電電源給該電池芯組21。

S24：電池管理系統22判斷電池芯組21的電力是否充飽，若否，則回歸步驟S22；若是，則進行下一步驟S25。

S25：電池管理系統22透過該通訊迴路B對該充電裝置10發送一結束充電命令。當充電裝置10接收到該結束充電命令之後，即停止輸出充電電流。

請參考圖4所示，為本發明方法的另一實施例。與圖2實施例的差別在於步驟S21之後，進一步執行一裝置確認流程，該裝置確認流程包含以下步驟：

S41：電池管理系統22向充電裝置10發送一連線請求，其中，該連線請求用於要求該充電裝置10回傳其一裝置識別碼。

S42：電池管理系統22判斷該裝置識別碼是否有效，若是接收到的裝置識別碼有效，則接續進行下一步驟S22；若是無效或未接收到裝置識別碼，則結束充電作業。其中，該電池管理系統22可根據該裝置識別碼而區分不同種類之充電裝置，例如是能源站、充電樁、充電座或車充用充電器的其中一種；若是回傳之該裝置識別碼無法識別其格式，則判斷該充電裝置10為無效而停止充電作業。

請參考圖5所示，為本發明方法的另一實施例。與圖2實施例的差別在於步驟S22之前，進一步包含一預充電流程，該預充電流程包含以下步驟：

S51：電池管理系統22向該充電裝置10發出一預充電命令，要求充電裝置10先輸出一預充電電流並持續一預設時間，其中該預充電電流的大小相對正常充電電流較低，例如該預充電電流僅為1A，而該預設時間只要足以供電池管理系統22判斷雙方是否正常作業即可，例如30秒時間。

S52：在預充電過程中，電池管理系統22判斷充電裝置10與鋰電池組20之間的通訊、線路連接、雙方狀態等是否正常連結；若雙方正常連結，則接續進行至下一步驟S22；若有異常，則停止充電。本發明先以一小電流進行預充電的用意是確保充電裝置10及鋰電池組20雙方均可正常運作，避免其中一方若有異常情況而直接輸出一大電流對鋰電池組20造成損壞。

在本發明方法的另一實施例中，也可以結合圖4、圖5的實施例，在先執行該確認裝置流程後，再執行該預充電流程。

前述各實施例中該電池管理系統22會隨時監測電池芯組21的狀態，當發現電池芯組21突然有異常狀態產生時或是需要進行保養作業時，該電池管理系統22會發送一零電流的充電命令給該充電裝置10，令該充電裝置10暫停充電；待電池狀態恢復或保養作業完成後，再繼續恢復原本的充電作業。該保養作業可以是電池芯組21內的電池芯電壓不平衡，該電池管理系統22對電池芯組21進行壓差平衡的管理工作。

當充電裝置10的輸出電壓無法滿足充電命令時，該充電裝置10會進入至一定電壓模式(CV mode)，此時充電裝置10輸出的電流會小於充電命令要求之電流大小，若無強迫充電裝置10停止，將導致充電工作無法結束。因此，若電池管理系統22判斷充電裝置10已經進入該定電壓模式，電池管理系統22將發出一結束充電命令給該充電裝置10，終止充電裝置10的作業，避免沒有效率的充電作業。

根據本發明方法對一鋰電池組20進行充電實測時，可量測該鋰電池組20之電壓、電流、電池電量(SOC)的波形變化分別如圖6A、圖6B及圖6C所示。該充電裝置10最大可輸出17A之定電流，鋰電池組20自電池電量為4%的狀態下開始充電，在充電過程中該電池管理系統22根據圖3A~3F的充電命令曲線即時變化充電命令並發送給該充電裝置10，因此圖6B可以看出電流變化的波形。在最後充飽電池電量為100%時，此時電池電壓為57.4V。

本發明利用鋰電池組內的電池管理系統(BMS)主導控制充電作業，在判斷電池芯組的狀態後，對充電裝置發送充電命令，使電池芯組接收適當的充電電流後逐漸充飽，同時在過低溫或過高溫的狀態下可發揮停止充電的保護機制，延長電池壽命。

10:充電裝置 11:控制單元 12:充電電路 13:通訊單元 20:鋰電池組 21:電池芯組 22:電池管理系統 221:通訊模組 222:溫度感測模組 223:電壓感測模組 224:電流感測模組 300:充電裝置 310:鋰電池組 A:充電迴路 B:通訊迴路

圖1：本發明鋰電池的充電系統電路方塊圖。 圖2：本發明鋰電池的充電方法第一實施例之流程圖。 圖3A：本發明在-5℃、0℃、55℃之充電命令曲線圖。 圖3B：本發明在電池溫度介於5℃≦ t ＜ 10℃之充電命令曲線圖。 圖3C：本發明在電池溫度介於10℃≦ t ＜ 15℃之充電命令曲線圖。 圖3D：本發明在電池溫度介於15℃≦ t ＜ 40℃之充電命令曲線圖。 圖3E：本發明在電池溫度介於40℃≦ t ＜ 50℃充電命令曲線圖。 圖3F：本發明在電池溫度介於50℃≦ t ＜ 55℃之充電命令曲線圖。 圖4：本發明鋰電池的充電方法第二實施例之流程圖。 圖5：本發明鋰電池的充電方法第三實施例之流程圖。 圖6A：利用本發明方法對鋰電池組進行充電實測之電壓變化波形圖。 圖6B：利用本發明方法對鋰電池組進行充電實測之電流變化波形圖。 圖6C：利用本發明方法對鋰電池組進行充電實測之電池電量(SOC)變化波形圖。 圖7：習用鋰電池充電系統的方塊圖。

10:充電裝置

11:控制單元

12:充電電路

13:通訊單元

20:鋰電池組

21:電池芯組

22:電池管理系統

221:通訊模組

222:溫度感測模組

223:電壓感測模組

224:電流感測模組

A:充電迴路

B:通訊迴路

Claims (19)

1. 一種鋰電池的充電系統，包含一充電裝置，包含有：一控制單元；一充電電路，連接該控制單元，用於輸出一充電電源；一通訊單元，連接該控制單元；一鋰電池組，與該充電裝置連接而形成一充電迴路，該鋰電池組透過該充電迴路接收該充電電源，其中，該鋰電池組包含：一電池芯組，包含有複數個電池芯；一電池管理系統，包含有一通訊模組，該通訊模組與該通訊單元連接而形成一通訊迴路；其中，該電池管理系統接收該電池芯組的狀態，並判斷後產生一充電命令，經由該通訊迴路對該充電裝置發送該充電命令，令該充電裝置根據該充電命令輸出對應大小的該充電電源，經由該充電迴路對該鋰電池組充電；當該鋰電池組與該充電裝置相連接後，該電池管理系統係輸出一連線請求給該充電裝置，要求該充電裝置回覆一裝置識別碼。
2. 如請求項1所述之鋰電池的充電系統，其中，該電池管理系統進一步包括：一溫度感測模組，用以感測該電池芯組的溫度；一電壓感測模組，用以感測該電池芯組的電壓；一電流感測模組，用以感測該電池芯組的電流。
3. 如請求項2所述之鋰電池的充電系統，其中，當該電池管理系統判斷該電池芯組的溫度低於等於一溫度下限值時，該電池管理系統輸出代表零電流的充電命令給該充電裝置，令充電裝置停止充電。
4. 如請求項2所述之鋰電池的充電系統，其中，當該電池管理系統判斷該電池芯組的溫度高於等於一溫度上限值時，該電池管理系統輸出代表零電流的充電命令給該充電裝置，令充電裝置停止充電。
5. 如請求項2所述之鋰電池的充電系統，其中，該電池管理系統根據該電池芯組當下的溫度及電池電量(SOC)，調整該充電命令以改變該充電電源的大小。
6. 如請求項5所述之鋰電池的充電系統，其中，該電池管理系統內部預設有多組對應不同溫度區間的充電命令曲線，該電池管理系統根據該電池芯組當下的溫度查表找出對應的充電命令曲線，並根據該電池芯組當下的電池電量從該對應的充電命令曲線上決定欲輸出的該充電命令。
7. 如請求項1所述之鋰電池的充電系統，其中，當該鋰電池組與該充電裝置相連接後，該電池管理系統係輸出一預充電命令給該充電裝置。
8. 如請求項1所述之鋰電池的充電系統，其中，當該電池管理系統判斷該鋰電池組目前為異常狀態或需進行保養作業時，該電池管理系統發出一代表零電流的充電命令給該充電裝置，令該充電裝置暫停充電。
9. 如請求項1所述之鋰電池的充電系統，其中，當該電池管理系統判斷該充電裝置已進入一定電壓模式時，該電池管理系統發出一結束充電命令給該充電裝置，令該充電裝置停止充電。
10. 一種鋰電池的充電方法，係適用於相連結的一充電裝置與一鋰電池組，其中該鋰電池組中具有一電池芯組及一電池管理系統，該鋰電池的充電方法包含：S1：連接該鋰電池組與該充電裝置，在該鋰電池組與該充電裝置之間形成一充電迴路及一通訊迴路，該電池管理系統向該充電裝置發送一連線請求，要求該充電裝置回傳一裝置識別碼； S2：該電池管理系統接收該電池芯組的狀態，並根據該電池芯組的狀態決定一充電命令；S3：該電池管理系統透過該通訊迴路向該充電裝置發送該充電命令，其中，該充電裝置根據該充電命令輸出一充電電源給該電池芯組；S4：該電池管理系統判斷該電池芯組的電力是否充飽，若否，則重複執行該步驟S2；S5：若該電池管理系統判斷該電池芯組的電力已經充飽，該電池管理系統透過該通訊迴路對該充電裝置發送一結束充電命令。
11. 如請求項10所述之鋰電池的充電方法，其中，在該步驟S1後，係進一步執行一裝置確認流程，該裝置確認流程包含：該電池管理系統判斷該裝置識別碼是否有效，若判斷該裝置識別碼有效，則接續進行該步驟S2；若判斷該裝置識別碼無效或未接收到該裝置識別碼，則結束充電。
12. 如請求項10所述之鋰電池的充電方法，其中，在該步驟S2前，係進一步執行一預充電流程，該預充電流程包含：該電池管理系統向該充電裝置發送一預充電命令，要求該充電裝置輸出一預充電電流並持續一預設時間；該電池管理系統判斷該充電裝置與該鋰電池組之間是否正常連結，若是，則接續進行該步驟S2；若否，則結束充電。
13. 如請求項10所述之鋰電池的充電方法，其中，在該步驟S1之後及該步驟S2之前，係依序執行一裝置確認流程以及一預充電流程，其中，該裝置確認流程包含：該電池管理系統向該充電裝置發送一連線請求，要求該充電裝置回傳一裝置識別碼； 該電池管理系統判斷該裝置識別碼是否有效，若判斷該裝置識別碼有效，則接續進行該預充電流程；若判斷該裝置識別碼無效或未接收到該裝置識別碼，則結束充電；該預充電流程包含：該電池管理系統向該充電裝置送出一預充電命令，要求該充電裝置輸出一預充電電流並持續一預設時間；該電池管理系統判斷該充電裝置與該鋰電池組之間是否正常連結，若是，則接續進行該步驟S2；若否，則結束充電。
14. 如請求項10所述之鋰電池的充電方法，其中，當該電池管理系統判斷該電池芯組的溫度低於等於一溫度下限值時，該電池管理系統輸出代表零電流的充電命令給該充電裝置，令該充電裝置停止充電。
15. 如請求項10所述之鋰電池的充電方法，其中，當該電池管理系統判斷該電池芯組的溫度高於等於一溫度上限值時，該電池管理系統輸出代表零電流的充電命令給該充電裝置，令該充電裝置停止充電。
16. 如請求項10所述之鋰電池的充電方法，其中，該電池管理系統根據該電池芯組當下的溫度及電池電量(SOC)，調整該充電命令以改變該充電電源的大小。
17. 如請求項16所述之鋰電池的充電方法，其中，該電池管理系統內部預設有多組對應不同溫度區間的充電命令曲線，該電池管理系統根據該電池芯組當下的溫度查表找出對應的充電命令曲線，並根據該電池芯組當下的電池電量從該對應的充電命令曲線上決定欲輸出的該充電命令。
18. 如請求項10所述之鋰電池的充電方法，其中，當該電池管理系統判斷該鋰電池組目前為異常狀態或需進行保養作業時，該電池管理系統發出一代表零電流的充電命令給該充電裝置，令該充電裝置暫停充電。
19. 如請求項10所述之鋰電池的充電方法，其中，當該電池管理系統判斷該充電裝置已進入一定電壓模式時，該電池管理系統發出一結束充電命令給該充電裝置，令該充電裝置停止充電。

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