CN102904323A - 脉波调制充电方法及脉波调制充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉波调制充电方法和脉波调制充电装置，用以对二次电池装置充电。该方法以一充放电周期提供电流脉波，对二次电池装置反复地以一充电电流脉波宽度进行充电，并以一放电电流脉波宽度进行放电。此外，该方法还进一步设定一或多个电压门槛值。当二次电池装置的端电压大于电压门槛值，则逐渐缩小充电电流脉波宽度，而改善对二次电池装置充电效率。本发明进一步提出一种脉波调制充电装置，依据前述的步骤对二次电池装置充电。

Description

脉波调制充电方法及脉波调制充电装置

技术领域

本发明是有关于二次电池的充电，特别是一种脉波调制充电方法及一种脉波调制充电装置，可快速地将电池容量充电至接近饱和。

背景技术

针对二次电池的充电需求，已知技术中的充电方式是采取连续且固定的电流输出，以对二次电池充电。然而，持续地以固定的电流对二次电池进行充电，容易致使电池的电极发生极化现象，形成对充电电流的阻抗，而降低充电效率。

针对上述问题，许多解决方案被提出，例如美国专利US5,726,551号专利案及美国专利US4746852是将连续且固定的电流输出，改为脉波电流输出，以减轻电极发生极化的现象。台湾I285451号发明专利及M367511号新型专利则进一步在脉波电流中，加入放电脉波，以干扰电极周遭的离子结晶，而加强消除电极极化现象的效果。

除了电极极化现象会影响到充电效率之外，电池本身的电池容量也会改变对充电电流的阻抗。特别是电池容量越接近饱和时，电池对充电电流的阻抗也越大。电池容量超过一定程度时，充电电流速率将大幅降低，使得充电效率突然锐减。因此，若要将电池容量充电至接近饱和，往往需要耗费极长时间，才能完成充电作业。一般若要执行快速充电，则无法将电池容量充电至接近饱和，而必须牺牲部分的电池容量。

发明内容

鉴于已知技术的电池充电方式中，因为电池电极极化现象，导致对电池充电效率不佳，且不易将电池容量充电至接近饱和，本发明提出一种脉波调制充电方法及一种脉波调制充电装置，可提升充电效率，且可以尽可能地将电池的电量充电至接近饱和的状态。

本发明提出一种脉波调制充电方法，用以对二次电池装置充电。该方法系以一充放电周期提供电流脉波，对二次电池装置反复地进行充电及放电。于每一个充放电周期中，先以一充电电流脉波宽度，对二次电池装置进行充电，接着以一放电电流脉波宽度，对二次电池进行放电。其中充电电流脉波宽度恒大于放电电流脉波宽度。此外该方法还包含设定一第一电压门槛值，当二次电池装置的端电压大于第一电压门槛值，缩小充电电流脉波宽度以调整该充放电周期的工作周期(Duty Cycle)，再对二次电池装置反复地进行充电及放电。

本发明进一步提出一种脉波调制充电装置，用以对二次电池装置充电。脉波调制充电装置包含一脉波电流输出模块及一控制模块。

脉波电流输出模块依据一充放电周期提供一电流脉波至二次电池装置。其中，脉波电流输出模块于每一充放电周期中，以一充电电流脉波宽度对二次电池装置进行充电，且以一放电电流脉波宽度对二次电池进行放电。前述的充电电流脉波宽度恒大于放电电流脉波宽度。

控制模块设有一第一电压门槛值，用以持续监测该该二次电池装置的端电压。当端电压大于第一电压门槛值，控制模块控制脉波电流输出模块缩小充电电流脉波宽度，以调整充放电周期的工作周期，而对二次电池装置反复地进行充电及放电。

本发明的脉波调制充电方法及脉波调制充电装置透过对二次电池装置反复充电及放电，降低消除二次电池装置的电极在充电电流脉波宽度中产生的电极极化现象，提升充电效率。而本发明又进一步随着充电状况调整充电电流脉波宽度及放电电流脉波宽度，使二次电池装置处于较佳的充电电流接受状态，更进一步提升充电效率，减少将二次电池装置的电池容量充电至接近饱和所需要的时间。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1为本发明第一实施例中，脉波调制充电装置的电路方块图。

图2为本发明脉波调制充电方法的流程图。

图3、图4、图5及图6为本发明第一实施例中，充放电周期的示意图。

图7为本发明第一实施例中，充电电流的示意图。

图8、图9及图10为本发明第二实施例中，充放电周期的示意图。

主要元件符号说明：

100          脉波调制充电装置

110          脉波电流输出模块

120          控制模块

900          二次电池装置

Vs           电力源

V            端电压

T/T’/T”    充放电周期

T1/T1’/T1” 充电电流脉波宽度

T2           放电电流脉波宽度

T3/T3’      零电流宽度

T3”         附加零电流宽度

V1           第一门槛电压值

V2           第二门槛电压值

V3           第三门槛电压值

I1           充电电流

I2           放电电流

I”          电流门槛速率

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，其为本发明第一实施例所披露的一种脉波调制充电装置100及一种脉波调制充电方法，用以对二次电池装置900充电。脉波调制充电装置100包含一脉波电流输出模块110及一控制模块120。

参阅图1及图2所示，脉波电流输出模块110由一电力源Vs取得电力，并依据一充放电周期T提供电流脉波至该二次电池装置900。前述的电力源Vs通常为家用插座提供的110V-220V的交流电，但不排除来自另一大容量的电池或整流器所提供的直流电。控制模块120用以控制脉波电流输出模块110的输出，并持续监测二次电池装置900的端电压V。

如图1及图2所示，执行脉波调制充电方法时，是先将二次电池装置900连接于脉波电流输出模块110。接着于控制模块120中设定充放电周期T，使充放电周期T至少具备一充电电流脉波宽度T1及一充电电流脉波宽度T2，如步骤110所示。

前述的充电电流脉波宽度T1恒大于放电电流脉波宽度T2。此外，控制模块120中更设定一第一门槛电压值V1、一第二门槛电压值V2及一第三门槛电压值V3，用以与二次电池装置900的端电压V进行比较；其中，第三电压门槛值V3大于第二电压门槛值V2，且第二电压门槛值V2大于第一电压门槛值V1。

如图3所示，控制模块120以充放电周期T控制脉波电流输出模块110，使得脉波电流输出装置110依据充放电周期T提供电流脉波，而反复地对二次电池装置900充电及放电。

如图1、图2及图3所示，于每一个充放电周期T中，执行该方法的控制模块120以控制脉波电流输出模块110执行下列步骤。

脉波电流输出模块110于每一充放电周期T中，以充电电流脉波宽度T1及充电电流I1，对二次电池装置900进行充电，如步骤121所示。

接着，脉波电流输出模块110在充电电流脉波宽度T1结束之后，脉波电流输出模块110再以放电电流脉波宽度T2及放电电流I2，对二次电池装置900进行放电，如步骤122所示。

为了使二次电池装置900于充电完成后的电池容量可以尽可能地接近二次电池装置900的额定饱和电池容量，并进一步改善二次电池装置900的电流接受状态，本发明第一实施例中，控制模块120进一步执行下列步骤，依据设定于控制模块120的第一门槛电压值V1、第二电压门槛值V2及第三电压门槛值V3调整充放电周期T。

如图1、图2及图3所示，在每一充放电周期T之后，接着，控制模块120持续比较二次电池装置900的端电压V是否大于该第一电压门槛值V1，如步骤130所示。

于步骤130中，若二次电池装置900的端电压V不大于该第一电压门槛值V1，则控制模块120回归至步骤121及步骤122，继续以充放电周期T控制脉波电流输出模块110对该二次电池装置900进行充电及放电作业。

于步骤130中，若二次电池装置900的端电压V大于该第一电压门槛值V1，则控制模块120进一步判别二次电池装置900的端电压V是否大于第二门槛电压值V2，如步骤140所示。

如图1、图2及图4所示，于步骤140中，若二次电池装置900的端电压V不大于第二门槛电压值V2(且大于第一门槛电压值V1)，控制模块120控制脉波电流输出模块110缩小充电电流脉波宽度T1’，以调整充放电周期T’的工作周期(Duty Cycle)，如步骤141所示。接着控制模块120回归至步骤121及步骤122，以调整后的充放电周期T’对该二次电池装置900反复地进行充电及放电(141)。

于步骤140中，若二次电池装置900的端电压V大于第二门槛电压值V2，此时控制模块120判别二次电池装置900的端电压V是否大于或等于第三门槛电压值V3，如步骤150所示。

如图1、图2及图5所示，于步骤140中，若二次电池装置900的端电压V大于第二门槛电压值V2，且于步骤150中，端电压V小于第三门槛电压值V3，则控制模块120再度控制脉波电流输出模块110缩小该充电电流脉波宽度T1”，以调整该充放电周期T”的工作周期(duty cycle)，如步骤151所示。

如图1、图2及图6所示，于步骤140中，当二次电池装置900的端电压V大于第二门槛电压值V2，且于步骤150中，端电压V大于或等于第三门槛电压值V3，则控制模块120控制脉波电流输出模块110停止对该二次电池装置900充电或放电。

如图3至图5所示，于一个充放电周期T中，充电电流脉波宽度T1及放电电流脉波宽度T2之间可以是无缝接合。这种无缝接合的型态，会使得施加于二次电池装置900的电流及电压瞬间反转，但二次电池装置900内部的充放电状态却无法及时切换以即时由充电状态改变放电状态。

如图3至图5所示，于本发明的具体实施方式中，每一个充放电周期T更包含一零电流宽度T3，介于充电电流脉波宽度T1及放电电流脉波宽度T2之间。于零电流宽度T3中，脉波电流输出模块110不对二次电池装置900的端点施予电位差，亦即输出零电位且不输出电流，以暂停对二次电池装置900进行充电及放电。

充电电流脉波宽度T1、放电电流脉波宽度T2及零电流宽度T3理想的分配方式为：充电电流脉波宽度T1不小于0.6个充放电周期T，且不大于0.8个充放电周期T。放电电流脉波宽度T2不大于0.3个充放电周期T，且大于0。零电流宽度T3不大于0.4个充放电周期T，且大于0；于一较佳实施例中，零电流宽度T3为0.1个充放电周期T。

于本发明第一实施例中，放电电流脉波宽度T2及该零电流宽度T3分别于上述范围选取后，而分别被设定为定值，此时每一个充放电周期T为不定值，随充电电流脉波宽度T1/T1’/T”被调整而变化。而且充电电流脉波宽度T1逐渐随着二次电池装置900的端电压V的上升而缩小。需注意的是，在设定T1、T2、T3的数值时，T1必须恒大于T2，以确保每个充放电周期T中，都是对二次电池装置900进行充电。

如图7所示，随着二次电池装置900所储存的电能增加，对二次电池装置900输入阻抗也会随的增加。虽然图3至图5所绘制的充电电流I1以定值表示，但是于每一充电电流脉波宽度T1/T1’/T1”中，对二次电池装置900进行充电的充电电流I1实际上是随着时间下降，使得对于二次电池装置900的充电效率随着时间逐渐变差。而于每一放电电流脉波宽度T2中，对二次电池装置900的放电电流I2为定值。

如图7所示，二次电池装置900进行充电到一定时间之后，充电电流I1会快速下降。图7中虚线所表示者，系为充电过程中，完全对二次电池装置900充电而不进行放电，此时，充电电流I1会明显地下降。但是若如实线所表示者，加上以适当的放电电流I2进行放电，则可延缓充电电流I1的下降，而在充电后期仍可保有较佳的充电效率。

由于充电效率会随着二次电池装置900的饱和程度而逐渐降低，呈现充电电流I1逐渐下降的现象。因此除了监控二次电池的端电压V是否大于或等于该第三电压门槛值V3之外，控制模块120也可以透过监控充电电流I1来决定是否停止充放电。

于第一实施例中，控制模块120中进一步设定一电流门槛速率I”。当对二次电池装置900进行充电的电流小于或等于该电流门槛速率I”时，控制模块120切换该脉波电流输出模块110为停止输出，以停止对二次电池装置900充放电。

前述的电流门槛速率I”可以为零，但由于充电电流I1到达零需要耗费较长的充电时间，因此可选择的电流门槛速率I”为0.01至0.02倍二次电池装置900的充放电速率C(C-rate)。电流门槛速率I”与充放电速率C的关系表记为计算式如下：

I”＝0，或0.01C≥I”≥0.02C

如图8及图9所示，于本发明第二实施例中，脉波调制充电装置100的组成及脉波调制充电方法的步骤大致与第一实施例相同，其差异在于第二实施例的每一个该充放电周期T为定值。其中充电电流脉波宽度T1与零电流宽度T3的总和为定值，当充电电流脉波宽度T1’减少时，该零电流宽度T3’则相对应的增加、以维持每一个该充放电周期T为定值。

如图10所示，于本发明第三实施例中，脉波调制充电装置100的组成及运作方式大致与第一实施例相同，其差异在于第三实施例的每一个该充放电周期T更包含一附加零电流宽度T3”，接续于放电电流脉波宽度T2之后，用以使脉波电流输出模块110暂停对二次电池装置900进行充电及放电。

附加零电流宽度T3”同样是会了避免充电电流脉波宽度T1及放电电流脉波宽度T2之间出现无缝接合，从而避免施加于二次电池装置900的电流及电压瞬间反转。第三实施例披露的附加零电流宽度T3”，系可依据本说明书的披露而被结合于第一实施例或第二实施例中进行应用。

本发明透过对二次电池装置900反复充电及放电，降低消除二次电池装置900的电极在充电电流脉波宽度T1中产生的电极极化现象。而本发明又进一步随着充电状况调整充电电流脉波宽度T1及放电电流脉波宽度T2，使二次电池装置900处于较佳的充电电流接受状态，减少将二次电池装置900的电池容量充电至接近饱和所需要的时间。

Claims (22)

1.一种脉波调制充电方法，用以对二次电池装置充电，所述方法包含以下步骤：

以一充放电周期提供电流脉波，对该二次电池装置反复地进行充电及放电，并于每一个充放电周期执行下列步骤：以一充电电流脉波宽度，对该二次电池装置进行充电；及以一放电电流脉波宽度，对该二次电池进行放电，其中该充电电流脉波宽度恒大于该放电电流脉波宽度；及

设定一第一电压门槛值，当该二次电池装置的端电压大于该第一电压门槛值，缩小该充电电流脉波宽度以调整该充放电周期的工作周期，对该二次电池装置反复地进行充电及放电。

2.如权利要求1所述的脉波调制充电方法，其特征在于，还包含：

设定一第二电压门槛值，大于该第一电压门槛值；及

于该二次电池装置的端电压大于该第二电压门槛值之后，再度缩小该充电电流脉波宽度以调整该充放电周期的工作周期。

3.如权利要求2所述的脉波调制充电方法，其特征在于，还包含：

设定一第三电压门槛值，大于该第二电压门槛值；及

当该二次电池装置的端电压大于或等于该第三电压门槛值，停止对该二次电池装置充电或放电。

4.如权利要求1所述的脉波调制充电方法，其特征在于，每一个该充放电周期还包含一零电流宽度，介于该充电电流脉波宽度及该放电电流脉波宽度之间，用以暂停对该二次电池装置进行充电及放电。

5.如权利要求4所述的脉波调制充电方法，其特征在于，每一个该充放电周期为定值，且该充电电流脉波宽度与该零电流宽度的总和为定值，当充电电流脉波宽度减少时，该零电流宽度则相对应的增加。

6.如权利要求4所述的脉波调制充电方法，其特征在于，每一个该充放电周期为不定值，随该充电电流脉波宽度被调整而变化，且该放电电流脉波宽度及该零电流宽度分别为定值。

7.如权利要求1所述的脉波调制充电方法，其特征在于，该充电电流脉波宽度不小于0.6个充放电周期，且不大于0.8个充放电周期。

8.如权利要求1所述的脉波调制充电方法，其特征在于，该放电电流脉波宽度不大于0.3个充放电周期，且大于0。

9.如权利要求4所述的脉波调制充电方法，其特征在于，该零电流宽度不大于0.4个充放电周期，且大于0。

10.如权利要求9所述的脉波调制充电方法，其特征在于，该零电流宽度为0.1个该充放电周期。

11.如权利要求1所述的脉波调制充电方法，其特征在于，于每一该充电电流脉波宽度中对该二次电池装置进行充电的电流，是随时间下降。

12.如权利要求11所述的脉波调制充电方法，其特征在于，还包含设定一电流门槛速率，当对该二次电池装置进行充电的电流速率小于或等于该电流门槛速率时，停止对该二次电池装置进行充放电。

13.如权利要求12所述的脉波调制充电方法，其特征在于，该电流门槛速率为零、0.01至0.02倍二次电池装置的充放电速率。

14.如权利要求1所述的脉波调制充电方法，其特征在于，每一个该充放电周期还包含一附加零电流宽度接续于该放电电流脉波宽度之后，用以暂停对该二次电池装置进行充电及放电。

15.如权利要求1所述的脉波调制充电方法，其特征在于，于每一该放电电流脉波宽度对该二次电池装置进行放电的放电电流为定值。

16.一种脉波调制充电装置，用以对二次电池装置充电，包含：

一脉波电流输出模块，依据一充放电周期提供一电流脉波至二次电池装置，其中该脉波电流输出模块于每一充放电周期中，以一充电电流脉波宽度对该二次电池装置进行充电，且以一放电电流脉波宽度对该二次电池进行放电；其中该充电电流脉波宽度恒大于该放电电流脉波宽度；及

一控制模块，设有一第一电压门槛值，用以持续监测该该二次电池装置的端电压；

其中当该端电压大于该第一电压门槛值，该控制模块控制该脉波电流输出模块缩小该充电电流脉波宽度，以调整该充放电周期的工作周期，而对该二次电池装置反复地进行充电及放电。

17.如权利要求16所述的脉波调制充电装置，其特征在于，该控制模块还设有一第二电压门槛值，大于该第一电压门槛值；且当该端电压大于该第二电压门槛值之后，该控制模块再度控制该脉波电流输出模块缩小该充电电流脉波宽度，以调整该充放电周期的工作周期。

18.如权利要求17所述的脉波调制充电装置，其特征在于，该控制模块更设有一第三电压门槛值，大于该第二电压门槛值；且当该端电压大于或等于该第三电压门槛值，该控制模块控制该脉波电流输出模块停止对该二次电池装置充电或放电。

19.如权利要求16所述的脉波调制充电装置，其特征在于，每一个该充放电周期还包含一零电流宽度，介于该充电电流脉波宽度及该放电电流脉波宽度之间，用以暂停对该二次电池装置进行充电及放电。

20.如权利要求19所述的脉波调制充电装置，其特征在于，每一个该充放电周期为定值，且该充电电流脉波宽度与该零电流宽度的总和为定值，当充电电流脉波宽度减少时，该零电流宽度则相对应的增加。

21.如权利要求19所述的脉波调制充电装置，其特征在于，每一个该充放电周期为不定值，随该充电电流脉波宽度被调整而变化，且该放电电流脉波宽度及该零电流宽度分别为定值。

22.如权利要求16所述的脉波调制充电装置，其特征在于，更包含设定一电流门槛速率，当对该二次电池装置进行充电的电流速率小于或等于该电流门槛速率时，停止对该二次电池装置充放电。

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