TWI886881B

TWI886881B - 電池充電方法及裝置

Info

Publication number: TWI886881B
Application number: TW113112283A
Authority: TW
Inventors: 陳勝建; 郭昆讓; 許家彰; 陳威廷; 張書毫; 歐勝源; 柯其廷; 嚴文清; 王伽誠
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2024-04-01
Filing date: 2024-04-01
Publication date: 2025-06-11
Also published as: TW202541387A

Abstract

本案提供一種電池充電方法及裝置，電池充電方法包含：於充電週期的第一時段，設置直流電流產生電路產生直流電流，以直流電流作為充電電流對電池充電；以及於充電週期的第二時段，設置弦波電流產生電路產生弦波電流，以直流電流及弦波電流作為充電電流對電池充電；其中充電電流的最小值等於直流電流。

Description

電池充電方法及裝置

本案係關於一種充電方法及裝置，尤指一種電池充電方法及裝置。

常見的電池的充電方式採用定電流搭配定電壓充電法以確保電池充滿電。然而，現今講求快速充電之需求，必須能有效降低充電時間，但又能避免電池因充電造成的溫度上升太高而減損電池壽命。

因此，如何發明一種可改善上述現有技術的電池充電方法及裝置，實為目前迫切的需求。

本案的目的在於提供一種電池充電方法及裝置，以解決前述的技術問題。

為達上述目的，本案提供一種電池充電方法，包含：於充電週期的第一時段，設置直流電流產生電路產生直流電流，以直流電流作為充電電流對電池充電；以及於充電週期的第二時段，設置弦波電流產生電路產生弦波電流，以直流電流及弦波電流作為充電電流對電池充電；其中充電電流的最小值等於直流電流。

為達上述目的，本案另提供一種電池充電裝置，包含弦波電流產生電路、直流電流產生電路及控制電路。控制電路耦接於弦波電流產生電路及直流電流產生電路。於充電週期的第一時段，控制電路設置直流電流產生電路產生直流電流，以直流電流作為充電電流對電池充電。於充電週期的第二時段，控制電路設置弦波電流產生電路產生弦波電流，以直流電流及弦波電流作為充電電流對電池充電。充電電流的最小值等於直流電流。

前述的實施例能夠有效地降低電池的充電時間，並且能夠實現充電速度與溫度的均衡以維護電池的壽命。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍。

第1圖為本案一實施例之電池充電裝置及電池的示意圖。如第1圖所示，電池充電裝置1架構於對電池2進行充電。在本實施例中，電池充電裝置1包含控制電路10、弦波電流產生電路11、直流電流產生電路12、電池阻抗量測電路13及頻率產生電路14，為了使圖面簡潔而便於說明，第1圖中未畫出電池充電裝置1的其他元件。在本實施例中，電池充電裝置1劃分為控制電路10、弦波電流產生電路11、直流電流產生電路12、電池阻抗量測電路13及頻率產生電路14以清楚地說明電池充電裝置1的運作方式，上述電路可以分別採用合適的電路元件實施，也可以整合或分別以一個或多個電路元件實施。例如，將控制電路10和電池阻抗量測電路13以整合為同一微控制器的方式實施，而弦波電流產生電路11及直流電流產生電路12則整合為同一電流產生電路，並依據控制電路10的設置而提供所需的充電電流。在另一實施例中，控制電路10、弦波電流產生電路11及直流電流產生電路12也可以離散元件及/或積體電路元件組成的同一電路執行上述三個元件的功能。控制電路10可包含邏輯電路等元件，用以控制弦波電流產生電路11、直流電流產生電路12、電池阻抗量測電路13及頻率產生電路14的運作。例如，控制電路10可以依據頻率產生電路14的信號，於合適的時間點設置弦波電流產生電路11產生弦波電流Is，設置直流電流產生電路12產生直流電流Idc。直流電流產生電路12可以採用直流對直流轉換器或交流對直流轉換器等合適的電路架構，以提供所需的直流電流Idc。在一實施例中，頻率產生電路14包含震盪電路，並輸出一個或多個固定頻率的週期信號，使控制電路10能夠依據該一個或多個週期信號推估時間，而對應地設置其他電路區塊的運作，如控制弦波電流產生電路11產生弦波電流Is的時段及所產生的弦波電流Is的頻率等。

在以弦波電流Is為電池2充電的過程中，弦波電流Is的頻率與電池充電速度和溫升相關。第2圖例示出電池2的交流阻抗模型的一實施例，如第2圖所示，於此交流阻抗模型中，等效阻抗Z包含有串聯連接的歐姆電阻Ro、等效電容Cd、電極電感Ld和理想電池Batt，且等效電容Cd並聯連接於電阻Rcf。由此模型可知，當以弦波電流Is為電池2充電時，若弦波電流Is的頻率改變，則電池2的等效阻抗Z亦隨之改變。控制電路10可以適當地設置弦波電流產生電路11產生的弦波電流Is的頻率，以盡量匹配電池2的等效阻抗Z，而能減少能量的損耗以提升充電效率，並減少廢熱造成的溫度提升。

有鑒於此，於本實施例中，控制電路10可以設置電池阻抗量測電路13量測電池2的等效阻抗Z。基於電池2的等效阻抗Z，控制電路10設置弦波電流產生電路11所產生之弦波電流Is的頻率與電池2的等效阻抗Z相匹配，從而使充電電流Io以較佳效率為電池2充電，藉此進一步提升充電效率。舉例而言，弦波電流Is的頻率使電池2的等效阻抗Z接近最小值，從而獲得較大的能量轉移效率，同時可避免電池2的溫度大幅上升，以改善使用壽命。例如，控制電路10可以設置弦波電流產生電路11發送一個頻率的弦波信號至電池2，並設置電池阻抗量測電路13量測電池2對應於該頻率的弦波信號的等效阻抗Z。在另一實施例中，控制電路10可以設置弦波電流產生電路11發送多個頻率的弦波信號至電池2，並設置電池阻抗量測電路13量測等效阻抗Z，當等效阻抗Z較小時，控制電路10紀錄該弦波信號的頻率。在另一實施例中，電池充電裝置1用於對特定規格的電池充電，該些電池的特性近似，因此，電池充電裝置1也可以不包含電池阻抗量測電路13及相關的量測步驟，而由控制電路10設置弦波電流產生電路11以預設頻率的弦波電流Is對電池2充電。

第3圖為本案一實施例之電池充電方法的示意圖，此電池充電方法適用於第1圖所示之電池充電裝置1。請參閱第3圖並搭配第1圖，電池充電方法100包含如下步驟。於步驟S1中，將電池充電裝置1連接於電池2。於步驟S2中，控制電路10設置直流電流產生電路12產生直流電流Idc對電池2充電。於步驟S3中，控制電路10依據頻率產生電路14的輸出，判斷是否應設置弦波電流產生電路11產生弦波電流Is對電池2充電。於步驟S4中，控制電路10設置弦波電流產生電路11產生所設置的頻率的弦波電流Is對電池2充電。在電池充電裝置1提供充電電流Io至電池2的每一充電週期T中，於時段T1，充電電流Io包含直流電流Idc，於時段T2，充電電流Io包含直流電流Idc加上弦波電流Is。因此，充電電流Io的最小值為直流電流Idc。

為使弦波電流產生電路11產生特定頻率的弦波電流Is對電池2充電，使弦波電流Is的頻率與電池2的等效阻抗Z相匹配，以達到最佳充電效率，於一些實施例中，如第4圖所示 (搭配第1圖)，本案之電池充電方法100a還包含步驟S3a，其中與第3圖所示電池充電方法100相似之步驟以相同標號表示，於此不再贅述。於此實施例中，在步驟S3a中，控制電路10設置電池阻抗量測電路13量測電池2的等效阻抗Z，且根據電池阻抗量測電路13的量測結果，對應地設置弦波電流產生電路11所產生之弦波電流Is的頻率，以使弦波電流Is的頻率與電池2的等效阻抗Z相匹配而提升充電效率。

在一實施例中，步驟S3a可僅執行一次，並於後續的充電中，控制電路10設置弦波電流產生電路11皆產生相同頻率的弦波電流Is，以對電池2充電。在另一實施例中，步驟S3a可以每間隔一預設時間或者每間隔一預設電池充電程度變化後執行，以因應電池2因充電程度不同所致的等效阻抗變化。在另一實施例中，步驟S3a也可以在每次控制電路10設置弦波電流產生電路11產生弦波電流Is前，皆量測電池2的等效阻抗Z。

前述實施例的電池充電方法也可搭配其他的步驟，例如；預充電(pre-charging)、定電壓充電或停止充電等步驟，但該些步驟並未繪於前圖中。

為便於理解前述段落中提及的充電電流Io，第5圖例示出本案一實施例之充電電流的波形。於第5圖中，電流值Imax代表充電電流Io的最大值，等於弦波電流Is的最大值加上直流電流Idc；電流值Imin代表充電電流Io的最小值，亦等同於充電電流Io中之直流電流Idc。電流值Imax大於電流值Imin，電流值Imin大於零，意即直流電流Idc的電流值大於零。如第5圖所示，在充電電流Io中，弦波電流Is和直流電流Idc皆可依據不同的設計考量而調整。於一些實施例中，控制電路10設置弦波電流產生電路11和直流電流產生電路12產生弦波電流Is的電流值及頻率和直流電流Idc的電流值，使直流電流Idc於時段T1的充電量 (即第5圖中的面積A1) 和弦波電流Is於時段T2的充電量 (即第5圖中的面積A2) 的總和維持不變，從而使充電總量維持一致，但對於電池2有更佳的充電效率。

在上述的實施例中，控制電路10可以設置弦波電流產生電路11產生適當時間的弦波。例如，弦波電流產生電路11可產生sin(2*π* f* t)的弦波信號，其中f為弦波頻率，t為時間。故於時段T1中，控制電路10可以設置弦波電流產生電路11產生sin(θ1)~sin(θ2) 間的弦波或部分弦波作為弦波電流Is，並以弦波電流Is與直流電流Idc對電池2充電，其中θ1和θ2為合適的數值。例如，控制電路10可以設置弦波電流產生電路11產生sin(0)~sin(π) 間的正半弦波、產生sin(π/8)~sin(7π/8) 間的部分正半弦波、產生sin(0)~sin(4*π) 間的兩個正半弦波等，作為弦波電流Is。

此外，在調升或調降弦波電流Is和直流電流Idc之電流值時，均會對應導致電池2在充電過程中的溫升增加或減小。但相較之下，電池溫升對於調整弦波電流Is之峰值具有更高的敏感度。舉例而言，相較於調升直流電流Idc之大小，調升弦波電流Is之峰值會使得電池溫升的增加幅度更大。由此可知，通過結合可調整的弦波電流Is和直流電流Idc，本案對於電池溫升的調整具有更高的靈活度，從而可在提升充電效率的同時兼顧電池2在充電過程中的溫升。

綜上所述，本案提供一種電池充電方法及裝置，通過結合弦波電流和直流電流來提升充電效率，且可通過調整弦波電流的振幅和直流電流的大小兼顧電池在充電過程中的溫升。再者，可通過調整弦波電流的頻率與電池的等效阻抗相匹配，以進一步提升充電效率。

須注意，上述僅是為說明本案而提出的較佳實施例，本案不限於所述的實施例，本案的範圍由如附專利申請範圍決定。且本案得由熟習此技術的人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附專利申請範圍所欲保護者。

1:電池充電裝置 2:電池 10:控制電路 11:弦波電流產生電路 12:直流電流產生電路 13:電池阻抗量測電路 14:頻率產生電路 Io:充電電流 Is:弦波電流 Idc:直流電流 Z:等效阻抗 Ro:歐姆電阻 Cd:等效電容 Ld:電極電感 Batt:理想電池 Rcf:電阻 100:電池充電方法 S1、S2、S3、S4:步驟 T:充電週期 T1、T2:時段 100a:電池充電方法 S3a:步驟 Imax、Imin:電流值 A1:反映充電電流於時段T1的充電量的面積 A2:反映充電電流於時段T2的充電量的面積

第1圖為本案一實施例之電池充電裝置及電池的示意圖。

第2圖例示出電池2的交流阻抗模型的一實施例。

第3圖為本案一實施例之電池充電方法的流程示意圖。

第4圖為本案另一實施例之電池充電方法的流程示意圖。

第5圖例示出本案一實施例之充電電流的波形。

100:電池充電方法

S1、S2、S3、S4:步驟

Claims

一種電池充電方法，包含：於一充電週期的一第一時段，設置一直流電流產生電路產生一直流電流，以該直流電流作為一充電電流對一電池充電；以及於該充電週期的一第二時段，設置一弦波電流產生電路產生一弦波電流，以該直流電流及該弦波電流作為該充電電流對該電池充電；其中該充電電流的最小值等於該直流電流。
如請求項1所述之電池充電方法，還包含：設置一電池阻抗量測電路量測該電池的一等效阻抗，且設置該弦波電流產生電路根據該等效阻抗控制該弦波電流的一頻率，使該弦波電流的該頻率與該電池的該等效阻抗相匹配。
如請求項1所述之電池充電方法，其中該直流電流產生電路產生的該直流電流大於零。
如請求項1所述之電池充電方法，其中於該充電週期中，該充電電流於該第一時段的一第一充電量和該充電電流於該第二時段的一第二充電量的總和為一定值。
一種電池充電裝置，包含：一弦波電流產生電路；一直流電流產生電路；以及一控制電路，耦接於該弦波電流產生電路及該直流電流產生電路；其中，於一充電週期的一第一時段，該控制電路設置該直流電流產生電路產生一直流電流，以該直流電流作為一充電電流對一電池充電；於該充電週期的一第二時段，該控制電路設置該弦波電流產生電路產生一弦波電流，以該直流電流及該弦波電流作為該充電電流對該電池充電；其中該充電電流的最小值等於該直流電流。
如請求項5所述之電池充電裝置，還包含一電池阻抗量測電路，其中該控制電路耦接於該電池阻抗量測電路，該控制電路設置該電池阻抗量測電路量測該電池的一等效阻抗，且該控制電路設置該弦波電流產生電路根據該等效阻抗控制該弦波電流的一頻率，使該弦波電流的該頻率與該電池的該等效阻抗相匹配。
如請求項5所述之電池充電裝置，其中該控制電路設置該直流電流產生電路產生的該直流電流大於零。
如請求項5所述之電池充電裝置，其中於該充電週期中，該控制電路設置該弦波電流產生電路及該直流電流產生電路，使該充電電流於該第一時段的一第一充電量和該充電電流於該第二時段的一第二充電量的總和為一定值。