TW201223068A - Sinusoidal wave battery charger capable of automatically tracing the optimal charging frequency - Google Patents

Sinusoidal wave battery charger capable of automatically tracing the optimal charging frequency Download PDF

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Description

201223068 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明主要是一種以弦波型式進行電池充電的裝置與方法’更進一步 是具有自動追蹤與鎖定於電池諧振頻率，以做為電池之最佳充電頻率之裝 置與方法。 【先前技術】 近幾年隨著電子技術的曰益進步及快速發展，各種攜帶型隨身電器曰 φ 益普及，如：行動電話、筆記型電腦、MP3......等。而二次電池對於這些 攜帶型設備是主要的電力來源。另隨著再生能源及電動車之發展，電池儲 能系統成為其關鍵子系統。因此，電池充電的技術相對地日趨重要。目前 已經提出許多種的電池充電技術：如定電流點滴式電流充電技術（Constant
Trickle Current Charge，CTC)、定電流（Constant Current ’ CC)充電技術 與定電流一定電壓（Constant Current and Constant Voltage，CC-CV )充電技 術[參考文獻1]。上述的技術中，「定電壓—定電流」充電方法是最被廣泛 # 使用的，然而其充電性能卻未能滿足使用者的需求。因此後續更提出應用 類神經網路、遺傳算法、螞犧演算法和灰預測法等方式企圖提升更高的 電池充電效能[參考文獻2-6]。然這些充電系統的主要缺點在於電路複雜且 偏格叩貝，有鑑於此，亦有運用鎖相迴路技術的電池充電器以達到快速充 電放果並且有效降低電路成本[參考文獻7_1〇]。目前，先進的電池充電系 統大多採用脈波充電，此充電方式可以讓電池中電解質的離子更均勻分 ^ ’而達到延緩電池極化的目的’並且可以增加電池充電的速度與使用壽 °卩[參考文獻11]。在脈波充電系統中，充電頻料電池充電速度與充電電量 201223068 之重要參數。傳統尋找最佳充電頻率的作法都是採用經驗法或嘗試法，並 無探討如何決定其充電頻率[參考文獻⑸6]。為了改善傳統方式進而尋找 較為客觀的方法’須先了解電池的交流特性。圖i (a)所示為電池的交流 阻抗模型’包含一個電子傳遞電阻化（Charge Transfer歸伽⑷，一個 離子舰電抗Zh> (WartogImpedanee)，—t極與t解液n效電容^ (P kance)並聯，一歐姆電阻(Ohmic Resistance)及電極電威^ (Electrode Inductance)串聯，最後連接一個理想電池（1_ Battery)[參 籲考文獻Π-l9]。將上述電池化為等效模型電路則為一個阻抗與一個理 想的電池串聯，如圖i (b)所示。將電池等效模型經由電路方式來分析， 若在電池兩端加入一個變動頻率，則改變頻率的同時其電池阻抗亦隨之改 變。所以，電池上電量損失的大小可以透過電源的頻率來控制。換句話說， 若要在充電時使電池獲得最大的能量轉移效率，則須選擇電池阻抗的最小 值。在此頻率下能使電池溫度不會大量上升，可以有效改善電池使用壽命 的問題。 • 為此，本發明提出一種以弦波充電兼具有自動追蹤與鎖定於電池交流 諧振頻率/r，以做為電池之最佳充電頻率之充電裝置，用以達成增加電池 充電效率與充電速度，並改善電池使用壽命的問題。 參考文獻 [1] R. C. Cope and Y. Podrazhansky, uThe art of battery charging,Proc. 14th Battery Conf. on Applications and advances, Long Beach ΓΑ Ian 1999, pp. 233-235. ' 5 ' [2] H. Surmann, “Genetic optimization of a fuzzy system for charge batteries,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 43, pp. 541-548, Oct. 1996. ’ 201223068 [3] Z. Ullah, B. Burford, and S. Dillip/Tast intelligent battery charging: neural-fuzzy approach," IEEE Aerospace and Electron. Sys.Magazine, vol. 11, iss. 6, pp. 26-34, June 1996.
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[S1 9 201223068 【實施方式】 如圖2(a)所示’此為第-種實施方式的系統方塊圖，其包括—可控式％ 波電源20、一小信號電壓偵測電路4〇、一相位比較器3〇與一電池]〇。誃可 控式弦波電源2G ’贱輸出不同頻率的弦波電源。該小信號龍偵測電略 40，用以量測電池的充電電壓慮除其直流成份匕此以獲 得其小信航壓訊號I。該相位比較器3〇,用以比較電流與電壓兩者的 相位差。動作原理如下：首先，可控式弦波電源2G產生—弦波電流^斜電 • 池充電。接著，並透過小信號電壓偵測電路40測得電池的電壓相位訊號， 並送至相位比較器30。此時，相位比較器3〇並接收經由可控式弦波電源功 的電流相位訊號，用以得出電池10的電壓與電流之相位差。最後，可控式 弦波電源20接收該相位差訊號，並據此改變其弦波電流充電頻率，使電池 10的電壓與電流之相位差為零，就能使得電路永遠操作頻率於諧振頻率 J r 上，直至電池充滿電為止。如圖2(b)、2(c)和2(d)所示，為其波形示意圖。 可看出可控式弦波電源20產生一弦波電流/c對電池充電，如圖2(b)，而 • β 电 搴池電壓含有-明顯的直流電壓成分‘，約等於電池的開路電壓，另亦含有 一小信號交流電壓，其是由弦波電流流經電池的交流阻抗所造成，如圖 2(c)。經過小信號電壓偵測電路4〇測得電池的小信號交流電壓^讲也就是電 壓相位訊號，如圖2(d)。 如圖3(a)所示，此為第二種實施方式的系統方塊圖，其包括一可控式弦 波電源20、一小信號電流偵測電路5〇、一相位比較器3〇與一電池1〇。該可 控式弦波電源20，用以輸出不同頻率的弦波電源。該小信號電流偵測電路 5〇，用以量測電池的充電電流/C=/Crfc+/Cfl〆並濾除其直流成份心也以獲得【 201223068 其小城m號n相位比翻3G，肋比較電流與電壓兩者的相 位差。動作原理如下：料，可控式弦波電源繼生—弦波電壓κ對電 池充電。接著，並透過小信號電流偵測電路50測得電池的電流相位訊號， 並送至相位比較器3G。此時，相位比較㈣並接收經由可控式弦波電_ 的電壓相位訊號，用以得出祕1G的電壓與電流之相位差。最後，可控式 弦波電源20触該相位差減’並據此改變其弦波電壓充電鮮，使電池 10的電壓與電流之相位差為零，就能使得f路永遠操作解於諧振頻 J r 上，直至電池充滿電為止。如圖3(b)、3(c)||3(d)所示，為其波形示意圖。 可看出可控式弦波電源2〇產生一具明顯直流偏移之弦波電壓^對電池充 電。如圖3(b)所不為弦波電壓匕，其中該直流電壓成分4及約等於電池 的開路電壓，且弦波電壓的峰值等於電池的滿充電壓。電池的充電電流 々一/〇+/〇〇如圖3(c)所示，其由直流成份/c&與小信號電流訊號所構 成。經過小信號電流偵測電路5〇測得電池的小信號電流波形也就是電流相 位訊號如圖3(d)所示。 如圖4(a)所示，此為第三種實施方式的系統方塊圖，其包括一可控式弦 波電源20、一小信號電壓偵測電路4〇、一小信號電流偵測電路5〇、—相伋 比較器30與一電池1〇。該可控式弦波電源2〇，用以輸出不同頻率的弦波電 源。該小信號電壓偵測電路4〇 ,用以量測電池的充電電壓匕，並濾除其直 流成份4办以獲得其小信號電壓訊號。該小信號電流偵測電路5〇，用 以量測電池的充電電流/c，並濾除其直流成份/〇&以獲得其小信號電流訊 號/c.ac。該相位比較器30，用以比較電流與電壓兩者的相位差。動作原理 如下：首先，可控式弦波電源2〇產生一弦波電流對電池充電。接著，並遷 201223068 過小#號電壓偵測電路4〇測得電池1〇的電塵相位訊號，及透過小信號電流 偵測電路5G^f：池1G的電流她訊號。此時，相位比較㈣接收小信號 電壓偵測電路4〇與小信號電流傾測電路％傳來的電壓與電流相位訊號，用 以得出電池1〇的電壓與電流之相位差。接著，可控式弦波電源20接收該相 位差訊號’並據此改變其弦波電流充電頻率，使電池]〇的電壓與電流之相 位差為零’就歧得電路永遠操作頻率於譜振頻率々上。當電池電壓達到 滿充電壓時’可控式弦波電源2〇產生一弦波電壓對電池充電。接著，並透 籲過小L號電壓偵測電路4〇測得電池1〇的電壓相位訊號，及透過小信號電流 偵測電路50測得電池10的電流相位訊號。此時，相位比較器如接收該兩者 相位訊號’用以得出電池10的電壓與電流之相位差。接著，可控式弦波電 源20接收該相位差訊號，並據此改變其弦波電壓充電頻率，使電池職電 壓與電流之相位差為零，就能使得電路永遠操作頻率於諧振頻率八上直 至電池充滿電為止。如圖4(b)與4(c)所*，為第三種實施方式的充電電壓與 電流示意圖。系統一開始是用弦波電流對電池充電，當電池的閉路電壓 ® (Cl〇se Circuit v〇ltage)到達電池滿充電壓後，改用弦波電壓對電池充電^ 在第一種實施方式中，如圖2(a)所示。其中之可控式弦波電源可表示如 圖5 ’其包含一低通濾波器210(Low Pass ^Filter) ' —放大器220 ' —電壓控 制振盪器230(Voltage-Controlled Oscillator，VCO)、一箝位電路24〇(Clamp
Circuit)與·一電堡/電流轉換益250(Voltage-to-Current Converter)。首先，低通 慮波器210接收相位比較器30傳來的相位差訊號，並將該其相位差訊號滤成 一直流電壓，並將其送至放大器220放大，同時送至電壓控制振盪器23〇。 接著’電壓控制振盪器230依據該直流電壓改變其輸出頻率。再來，經由箱[s] 201223068 位電路24〇調整其直鱗位電壓，並將其送至電壓/電鱗㈣25Q。最後， 電壓/電流轉換器250就可輸出一弦波電流對電池充電。 在第二種實施方式中，如圖3(a)所示。其巾之可控式弦波電源可表示如 圖6 ’其包含-低通據波器210、一放大器22〇、一電壓控制紐器23〇與一 柑位電路240。首先，低通滤波器21〇接收相位比較器轉來的相位差訊號， 並將該其相位差訊號渡成-直流電壓，並將其送至放大器22〇放大同時送 至電壓控制振盛器230。接著，電壓控制振盪器23〇依據該直流電壓改變其 _ 輸出頻率。最後，經由箝位電路240調整其直流準位電壓就可輸出一弦波電 壓對電池充電。 在第三種實施方式中，如圖4⑷所示。其中之可控式弦波電源可表示如 圖6，其包含一低通濾波器210、一放大器220、一電壓控制振盪器23〇、一 箝位電路240、一電壓/電流轉換器250與一切換開關26〇。當可控式弦波電源 工作在弦波電流充電時，切換開關260切至與電壓/電流轉換器25〇連接。首 先，低通濾波器210接收相位比較器3〇傳來的相位差訊號，並將該其相位差 • 訊號濾成一直流電壓，並將其送至放大器220放大，同時送至電壓控制振盪 器230。接著，電壓控制振盪器230依據該直流電壓改變其輸出頻率。再來， 經由箝位電路240調整其直流準位電壓，並將其送至電壓/電流轉換器25〇。 最後，電屢/電流轉換|§250就可輸出一弦波電流對電池充電。當可控式弦波 電源工作在弦波電壓充電時，切換開關260切至與箝位電路24〇連接。首先， 低通濾波器210接收相位比較器30傳來的相位差訊號，並將該其相位差訊號 濾成一直流電壓，並將其送至放大器220放大，同時送至電壓控制振盪器 230。接著，電壓控制振盪器230依據該直流電壓改變其輸出頻率。最後，[s] 201223068 經由箝位電路240調整其直流準位電壓就可輸出一弦波電壓對電池充電。 201223068 【圖式簡單說明】 第1圖（a):電池的交流阻抗模型圖。 第1圖（b):電池的交流阻抗簡化圖。 第2圖（a):第一種實施方式的系統方塊圖及其波形示意圖。 第2圖（b):第一種實施方式的電池充電電流波形示意圖。 第2圖（c):第一種實施方式的電池電壓波形示意圖。 第2圖（d):第—種實施方式的電池小信號電壓訊號波形示意圖° 第3圖（a):第二種實施方式的系統方塊圖及其波形示意圖。 第3圖（b):第二種實施方式的電池充電電壓波形示意圖。 ® 第3圖（c):第二種實施方式的電池電流波形示意圖。 第3圖（cl):第二種實施方式的電池小信號電流訊號波形示意圖。 第4圖（a):第三種實施方式的系統方塊圖及其波形杀意圖。 第4圖（b):第三種實施方式的電池充電電流波形示意圖。 第4圖（c):第三種實施方式的電池充電電壓波形示意圖。 第5圖：輪出弦波電壓之可控式弦波電源方塊圖。 第6圖：輸出弦波電流之可控式弦波電源方塊圖。 第7圖：輸出弦波電壓/電流之可控式弦波電源方塊圖。 • 【主要元件符號說明】 10 電池 2〇 可控式弦波電源 210 低通濾波器 220 放大器 230 電壓控制振盪器 240 箝位電路 250 電壓/電流轉換器 260 切換開關 30 相位比較器 40 小信號電壓偵測電路 201223068 50 小信號電流偵測電路
Cd 電極與電解液間之等效電容
Ic 電池電流
Ic.ac 電池小信號電流 lc.de 電池電流直流成分
Ld 電極電感
Rct 電子傳遞電阻
Ra 歐姆電阻
Vb 電池電壓
Vb.ac電池小信號電壓 Vb，dc電池電壓直流成分 • Zw 離子擴散電抗 [S] 16

Claims (1)

  1. 201223068 七、申請專利範圍： 1. 一種電池充電方法，其充電電壓波形或充電電流波形在同一時間至少一 個為弦波(Sinusoidal Wave)波形。 2_ —種電池充電方法’其充電電壓波形或充電電流波形在同一時間至少一 個為一具直流偏移之弦波波形。 3.如申請專利範圍第1或2項所述之電池充電方法’其充電頻率會隨電池的 充電狀態變化而改變。 φ 4·如申請專利範圍第1或2項所述之電池充電方法，其充電頻率為電池交流 阻抗(AC Impedance)的譜振頻率。 5. 如申請專利範圍第1或2項所述之電池充電方法，其充電頻率為電池最低 交流阻抗所對應的頻率。 6. —種電池充電裝置，其至少包括一可控式弦波電源，用以輸出不同頻率 的弦波電壓或電流對電池充電。 7. —種電池充電裝置，其至少包括一相位比較器，用以決定電池的充電頻 • 率。 8. —種電池充電裝置，其至少包括一可控式弦波電源、一小信號電壓偵測 電路與一相位比較器；其中， 戎可控式弦波電源，接收相位比較器的輸出相位差訊號，用以改變輸出 弦波電源的頻率，直到相位比較器的輪出相位差訊號等於零或一固定 值； 該小信號電壓该測電路，用以量測電池的充電電壓，並渡除其直流成份 以U彳于其小彳s號電壓訊號，同時並將該小信號壓訊號放大送至相位比 201223068 較器； 該相位比較器’接收可控式弦波電源傳來的電流相位訊號與小信號電壓 债測電路傳來的電壓相位訊號’並比較出.兩者的相位差，同時送至可控 式弦波電源。 9.如申請專利範圍第8項所述之電池充電裝置，其可控式弦波電源至少包 含一電壓控制振盪器與一電壓/電流轉換器，用以輸出不同頻率的弦波 電流。 _ 10.如申請專利範圍第8項所述之電池充電裝置，其可控式弦波電源至少包 含一低通濾波器、一電壓控制振盪器、一放大器、一箝位電路與一電壓 /電流轉換器，用以輸出不同頻率與不同直流偏移的弦波電流。 11.如申請專利範圍第8項所述之電池充電裝置，其小信號電壓備測電路至 少包含一高通濾波器與一放大器。 -種電池充電裝置’其至少包括一可控式弦波電源、一小信號電流偵測 電路與一相位比較器所組成；其中， 鲁 5玄可控式弦波電源，接收相位比較器的輸出相位差訊號，用以改變輸出 弦波電源的頻率’直到相位比較器的輸出相位差訊號等於零或一固定 值； 忒小b號電流偵測電路’用以量測電池的充電電流，並濾除其直流成份 以獲得其小㈣電流喊，同時並_小舰電流減放大送至相位比 較器； 該相位比較器，接收可控式弦波電源傳來的電壓相位訊號與小信號電流 偵測電路傳來的電流相位訊號，並比較出兩者的相位差，同時送至可控⑸ 18 201223068 式弦波電源。 13.如申晴專纖圍第12項所述之電池充電裝置，其可控式弦波電源至少包 含一電壓控制振盪器，用以輸出不同頻率的弦波電壓。 如申請專利範圍第項所述之電池充電裝置，其可控式弦波電源至少包 含一低通濾波器、一電壓控制振盪器、一放大器與一箝位電路，用以輸 出不同頻率與不同直流偏移的弦波電壓。 15. 如申請專利範圍第12項所述之電池充電裝置，其小信號電流偵測電路至 # 少包含一高通濾波器與一放大器。 16. —種電池充電裝置，其至少包括一可控式弦波電源、一小信號電流偵測 電路、一小信號電壓偵測電路與一相位比較器所組成；其中， 該可控式弦波電源’接收相位比較器的輸出相位差訊號，用以改變輸出 弦波電源的頻率，直到相位比較器的輸出相位差訊號等於零或一固定 值； 該小信號電流偵測電路，用以量測電池的充電電流，並濾除其直流成份 鲁 以獲得其小信號電流訊號，同時並將該小信號電流訊號放大送至相位比 較器； 該小信號電壓偵測電路’用以量測電池的充電電壓，並濾除其直流成份 以獲得其小信號電壓訊號’同時並將該小信號電壓訊號放大送至相位比 較器； 該相位比較器，接收小信號電壓偵測電路傳來的電壓相位訊號與小信號 電流偵測電路傳來的電流相位訊號，並比較出兩者的相位差，同時送至 可控式弦波電源。 [S] 19 201223068 Π.如申請賴關第16卿述之電池充魏置，射控式酿電源至少包 含-電壓控制振盛器’用以輸出不同頻率的弦波電顯電流。 队如帽專珊圍第_所叙魏充魏置，討控式弦波電源至少包 含-低通紐器一電壓控制缝器、—放大器、—触電路與一電壓 /電流轉換器，用以輸出不同頻率與不同直流偏移的弦波電壓與電流。 I9·如申請專利範圍第項所述之電池充電裝置，其小信號電流_電路至 少包含—高通渡波器與-放大器。
    20·如申請專利範圍第16項所述之電池充電裝置， 至少包含—高通濾波器與-放大器。 其小信號電壓偵測電路
    [S] 20
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