TW201318307A - 具備充放電控制功能之行動終端充電裝置 - Google Patents

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Tadatsugu Kosugi
Masao Tsukagoshi
Takeshi Kimura
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Abstract

本發明提供一種可實現快速充電、且可實現充電效率化之具備充放電控制功能之行動終端充電裝置。該行動終端充電裝置中，設置有對可快速充電之電池(電池單元)藉由CCCWCV方式進行快速充電時，可將定電流充電區域(以下稱作定功率充電區域CW)分為多階段進行控制之機構。

Description

具備充放電控制功能之行動終端充電裝置
本發明係關於一種具備充放電控制功能之行動終端充電裝置，尤其是關於一種適合於對鋰離子電池進行充電，並將該電池作為如行動式終端般攜帶使用之行動終端的電源而利用之情形的行動終端用充電裝置。
最近，提出例如將作為氧化鈷化合物之氧化鋰鈷(LiCoO2)用作正極材料之技術。
又，鋰離子電池搭載於眾多製品中，且已實用化。亦應用於例如行動式終端等行動終端中，且正在普及。
關於該鋰離子電池，已知其具有安全性及可獲得高容量等優點，與此相反，亦已知於充電時會引起體積變化而易招致電極之破損。
因此，一般而言，嚴格地確定了充電方式(操作說明)或充電電流、充電開始電壓、充電停止電壓等。尤其是，一般會將充電電流量(施加電壓之大小)抑制得比電池容量低。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2007-143382號公報
非專利文獻
非專利文獻1：林登的電池手冊「Linden's Handbook of Batteries」(第4版)第5章「電池組設計」，D.D.Friel P5.15~5.22第7章「電池的電解質」，G.E.Blomgren P7.6~7.11第15章「蓄電池的介紹」，T.B.Reddy P15.3~15.19第26章「鋰離子電池」，J.Dahn and G.M.Ehrlich P26.1~26.7第29章「用於電動和混合動力車輛的電池」，D.Corrigan and A.Masias P29.3~29.46"
最近，伴隨著行動終端之普及，資料通信量亦增加。就此種行動終端而言，對於經常進行資料通信之使用者來說，存在以下之問題：需要頻繁地對行動終端之電池進行充電，且該充電需花費時間。
例如，對行動終端之充電係攜帶著存儲有電池之可攜式充電器並根據需要對行動終端進行充電，但現狀是搭載於該可攜式充電器上之電池亦作為充電之對象，至充滿電為止，通常花費數小時。
因此，就使用者而言，期望實現該充電時間之縮短化。
最近，鑒於該充電時間之縮短化之期望，開發出快速充電、例如可實現2C(容量：Capacity)以上之快速充電的鋰離子電池，該電池作為行動終端之充電用產品正呈現於市場中。
又，電池製造商正考慮例如電池之電極材料或電解液等，而開發出可實現2C以上快速充電之鋰電池。
又，與此同時，亦積極地進行充電器之改良。作為該充電器之一例，提出例如自商用電源生成3.7 V之低電壓， 並可利用該低電壓實現對電池之快速充電者。
一般而言，此時之鋰離子電池之充電一般係藉由定電流/定電壓CCCV(Constant Current Constant Voltage)充電方式進行充電控制。
然而，可知，於該充電之情形時，該充電速度之方面無法得到滿足，故而存在需要進一步改善之新問題。換言之，就本案申請人所知，於利用先前之CCCWCV方式之充電控制下，追求快速充電及決定電池壽命之充電安全性之並存的行動終端充電裝置並不存在。
本發明係鑒於上述問題而完成，其目的在於提供一種可實現快速充電與充電效率化並存之具備充放電控制功能之行動終端受電裝置。
本發明為了達成上述目的，於具備充放電控制功能之行動終端充電裝置中，設置定電流充電區域，該定電流充電區域係於電池充電時根據電池電壓之狀態而接受定電流充電。
進而，藉由導入測定充電電流值與電壓值之電路，設置定功率充電區域(Constant Watt，以下稱作CW)，將CW區域設定為多階段、例如2~3階段，且將該CW區域加長，結果可使CV(Constant Voltage，定電壓)區域極少化而實現充電時間之縮短，並且可使充電效率(例如與為了縮短充電時間而省略CV過程之僅CC之充電相比)提高。
本發明進而詳述如下。
一種具備充放電功能之行動終端充電裝置，其係可對快速充電對應電池藉由定電流/定功率/定電壓CCCWCV(Constant Current Constant Watt Constant Voltage)方式進行快速充電者；該行動終端充電裝置中設置有：檢測部，其檢測上述電池之電壓；控制部，其當該檢測部於上述CCCWCV方式之定功率充電區域中檢測到第1電壓時設為第1定功率充電控制，於檢測到高於該第1電壓之第2電壓時設為第2定功率充電控制，且於檢測到高於該第2電壓之上限電壓時設為定電壓充電控制。
該具備充放電功能之行動終端充電裝置中，上述電池為鋰離子電池，且上述控制部包括包含電壓感測器、電流感測器、記憶體之MCU。
一種具備充放電功能之行動終端充電裝置，其係可對快速充電對應電池藉由CCCWCV方式進行快速充電者；該行動終端充電裝置中設置有控制機構，其於自上述電池之充電開始時間點至最上限電壓為止之期間內之定功率充電區域中，檢測上述電池之電壓，並根據該電壓而將上述定功率充電控制分成2個以上之多階段進行控制。
該具備充放電功能之行動終端充電裝置中，上述電池為鋰離子電池，且上述控制機構包含：電壓檢測部，其檢測上述電池之電壓；及控制部，其切換控制定功率充電與定電壓充電而進行上述CCCWCV控制。
一種具備充放電功能之行動終端充電裝置，其係可對快速充電對應電池藉由CCCWCV方式進行快速充電者；且該 具備充放電功能之行動終端充電裝置，包括：上述電池，其可裝卸地連接於充電適配器及行動終端，接受來自該充電適配器之低電壓，並藉由該電壓進行充電；及電池電路部，其使該低電壓升壓至上述行動終端可使用之電壓，並將該經升壓之電壓向該行動終端側輸出；且上述電池電路部設置有：檢測部，其檢測上述電池之電壓；控制部，其當該檢測部於上述CCCWCV方式之定功率充電區域中檢測到第1電壓時設為第1定功率充電控制，於檢測到高於該第1電壓之第2電壓時設為第2定功率充電控制，且於檢測到高於該第2電壓之上限電壓時設為定電壓充電控制。
該具備充放電功能之行動終端充電裝置中，上述電池電路部收容於以可攜帶之方式構成之電池盒中，該電池盒可與上述行動終端一體化而使用。
根據本案申請人之實驗驗證，可確認：例如可以數分鐘~10分鐘左右對行動終端充電裝置進行充電。
根據本發明，可糾正先前之問題，而提供一種可實現快速充電且可實現充電效率化之具備充放電控制功能之行動終端充電裝置。
以下，參照圖式對本發明之實施形態進行說明。
實施例
圖1係表示本發明之概念之方塊圖。於該圖中，1為電源電路部，其包含接受商用電源並產生定電流電壓之定電流 電壓產生電源電路。
2為電池電路部，其構成為可裝卸地連接於電源電路部1，且包含例如鋰離子電池等接受來自電源電路部1之電壓而可進行快速充電之快速充電對應電池、管理該電池之電池管理電路、及使該電池電壓升壓之升壓電路。
電源電路部1收容於充電適配器內，電池電路部2收容於電池盒內，而構成具備充放電功能之行動終端充電裝置。
3為行動電話等行動終端，其可裝卸地連接於電池電路部2，並自該電池電路部接受充電。
一般而言，電源電路部1根據使用之電流量而使尺寸及重量增大，從而缺乏可攜性，因此可將電源電路部1與電池電路部2分離，僅使較輕之電池電路部2獨立地構成。例如，使電源電路部1與電池電路部2為單獨模組構成。藉此，可容易地攜帶收容電池電路部2之行動終端充電裝置。
收容電池電路部2之電池盒可為較行動終端3大一圈之尺寸，又，成為可一次性地完成行動終端3之滿量充電之充電殼體，但無需限定於此。
圖2係表示本發明之電源電路部1與電池電路部2之一形態之方塊圖。於該圖中，搭載有電源電路部1之充電適配器包含：商用電源插座11；AC-DC(alternate current-direct current，交流-直流)轉換器12，其將來自該插座之交流電壓轉換為直流電壓；低電壓輸出電路13，其包含接受來自該轉換器之直流電壓並轉換為所期望之低電壓而予以輸出 之例如PWM(脈衝寬度調變器，Pulse Width Modulation)、及開關；控制電路14，其包含控制該電路之微控制單元(MCU，Micro Control Unit)；低阻抗之電流檢測電阻15，其測量在低電壓輸出電路13之輸出側流動之電流IVC；感測器16，其檢測該電阻中流動之電流；充電適配器之過電壓保護用電壓感測器17；及輸出端子，其包含與收容電池電路部2之電池盒側之輸入端子連接之例如輸出插孔(或輸出插頭)18。
此處，作為低電壓輸出電路13之低電壓，考慮到充電時間，於本發明中，設定為低於通常之低電壓之例如2.3 V。代替如此將電壓較低地抑制為2.3 V，而使用可進行10 C左右之充電之鋰離子電池。利用該電池，可期待快速充電，並可期待更加縮短其充電時間。
收容電池電路部2之電池盒包含：輸入插頭21，其裝設且電性地連接有充電適配器之輸出插孔18；電路22，其經由該插頭而接受自充電適配器供給之低電壓，並具備低輸入、逆電壓、過電壓保護功能；升壓電路23，其將來自該電路之低電壓(2.3 V)升壓至行動終端3可能需要之電壓(例如5.0 V)；電池(電池單元)24，例如為鋰離子電池；低阻抗之電流檢測電阻(或溫度檢測電阻)25，其於上述升壓電路之前段與接地之間，與該電池24串聯連接，並測量該電池之電流IB；及控制電路26，其包含電流感測器(或溫度感測器)、電壓感測器、記憶體(EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，電子可抹除唯 讀記憶體))、及MCU等。
電路22為對電源輸入電壓過高、或過低、或根據情形存在產生負電壓之虞之應用(application)進行保護者。此可藉由例如2個比較器輸入，且使用電阻分割器，而進行過電壓(OV)與低電壓(UV)之設定。又，藉由關機接腳(shutdown pin)，除了具備可將例如開關元件之MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金氧半導體場效電晶體)之啟動(enable)/關閉(disable)用於外部控制以外之功能，亦具有可使裝置為低電流之關機狀態之功能。
控制電路26接受電流檢測電阻25之電流或電壓，並控制具備低輸入、逆電壓、過電壓保護功能之電路22及升壓電路23。
鋰離子電池24可使用周知者。
圖3係表示本發明之電源電路部1(充電適配器)及電池電路部2(具備電池盒之充放電功能之充電裝置)之更加詳細之實施形態的電路圖。
於該圖中，221、222表示包含複數個MOSFET(場效電晶體)之開關元件，223表示對該開關元件進行開關之比較器，且224~226表示包含電阻之電阻分割器，其等構成圖2之電路22。再者，27為差動放大器。比較器223包括：供給有被供給至電池盒之電壓之輸入接腳1、低電壓接腳2(UV)、過電壓接腳3(OV)、接地接腳4(GND)、對FET221、222進行開關控制之接腳8(GATE)、電壓輸出接 腳7(VOUT)、用以告知GATE接腳8為「L」之接腳6(/FALT)、及連接於控制電路26之MCU之接腳5(/STDN)。
此處，控制電路25及比較器223係以如下之方式動作：進行控制，以使當連接於升壓電路23之電壓輸入接腳1(VIN)為1 V~4.5 V(例如電池24之電壓VB>1.0 V)之時，通過GATE接腳6而接通開關元件FET221、222。
藉由該控制，可與先前同樣地，進行自定功率充電區域CW向定電壓充電區域CV之區域切換。
又，當電池24之電壓VB例如上升至最上限之2.7 V時，由包含MCU之控制電路26檢測該電壓之上升，藉由該控制電路26以使比較器223之接腳5(/STDN)為低(L)並斷開FET221、222之方式進行控制動作。藉由該控制，可進行電池電路2之低輸入、逆電壓、過電壓保護。
即，接受自充電適配器供給之低電壓，並以輸出至比較器223之電壓輸出接腳7(VOUT)之電壓來對電池單元進行定電流充電與定電壓充電之控制。
其次，關於對本發明之電池電路部2中之電池之充電，對一般為人所周知之藉由CCCWCV方式進行之充電進行說明。
首先，參照圖6對藉由充電器之CCCWCV方式進行之線性充電進行說明。圖6係表示標準鋰離子電池之CCCWCV充電特性之圖，縱軸表示電池之端子電壓VB及電流IB，橫軸表示充電時間T。
於該圖中，作為充電器，首先進行電池(以下稱作電池 單元)之充電前檢查，確認為可充電之狀態、又可對該電池單元安全地進行快速充電，於電池單元電壓為特定之電壓(例如2.5 V以下)以下之情形時，藉由1C充電會使電池單元產生不可逆之損傷。
因此，於CCCWCV控制時，必需於1C以下緩慢地進行扭矩充電，並進行如使電池單元電壓上升至可開始充電電壓(VB1)般之控制。
至可對電池單元進行充電為止之區域係稱作充電限制區域(PREQUALIFICATION)CC。
其次，若處於電池單元可充電之充電開始時間點S1，則線性充電電路將開關元件FET控制為接通，使得能夠對電池單元進行定電流充電。
此時，電流VI及電壓VB如圖示般變化，該電池單元電壓持續至達到定電壓充電開始電壓(VB2)為止。於此期間，於S1-S2之區域CW中進行定電流充電。該區域一般稱作定電流(CONSTANT CURRENT)充電區域。
進而，電池單元電壓上升，若到達最上限電壓(VB2)、即定電壓充電開始時間點S2之電壓，則之後變為top off充電。
電流IB隨著時間而減少，持續至充電電流之測量值降低至扭矩充電時之值為止，於充電停止時間點E停止充電。於該時間點S2-充電結束時間點E之間的S2-E之區域中，進行定電壓充電。此時之區域係稱作定電壓充電區域(CONSTANT VOLTAGE)CV。
如此之具有充電循環之充電控制方法已為人所周知。然而，以如此將定電流充電切換為定電壓充電而具有定電流區域CW與定充電區域CV之方式進行控制之方法係如圖6所示，於定電壓充電區域CV中之電流IB緩慢且平穩地減少直至充電結束時間點E為止，該定電壓充電區域CV之時間比定電流充電區域CW長、或相同程度，其結果，導致至充電結束時間點E為止之時間變長。就充電效率之方面而言，此指存在問題。
本發明係為了糾正此點，而如以下般進行該充電控制者。
即，本發明係以定電流充電區域(於本發明中稱作定功率充電區域CW)為多階段、例如2~3階段之方式以定電流進行定功率充電控制，並使該控制下之定功率充電區域CW(充電時間)變長，且相應地使進行定電壓充電之定電壓充電區域CV變短，從而滿足電池單元之快速充電並且提高充電效率。即，可提高充電效率，而不會改變自充電開始時間點S至充電停止時間E為止之總時間。
本發明中，為了對應於電池單元24之經年變化等自使用歷程產生之性能變化，而設置利用基準電流之充電相，以判定充電性能。根據自判定相之初期電壓至預先決定之該時間段之最終電壓之到達時間，預測電池性能之變化，算出電流值或充電時間。
於鋰離子電池充電之時，就安全性上而言，必需正確地進行自定功率充電區域CW向定電壓充電區域CV之轉換或 充電終止電壓之判定。
於下述之E-MAX公司製造之M2電池中，可知：與其他鋰離子電池相比，若接近充電結束則電池單元電壓上升之傾向較強，因此，檢測電壓之上升程度△V，將其作為自定功率充電區域CW向定電壓充電區域CV之轉換點。
然而，亦可因某種理由而使△V變高，因此，僅於測定充電電壓且其處於一定範圍內時，才可將△V檢測作為有效觸發而轉移至定電壓充電(定電壓充電區域CV)。又，並不對於區域CV中之充電時間設置限制。於本發明中，使用E-MAX公司製造之M2電池，將定功率充電區域CW之時間設定為例如約3.5分鐘與5+α分鐘之2個階段(藉由2個控制圖案進行控制)，將定電壓充電區域CV之時間設定為約1分鐘，將總時間設定為約10分鐘。
又，於本發明中，亦可於收容電池電路部2之模組之電池收容箱內設置EEPROM等記憶體晶片，記憶電池單元之充電歷程，並基於該資料而決定充電規格。
以下，對該充電循環之控制進行說明。
圖4係表示本發明之電源電路部1與電池電路部2之間之序列及各部分之控制處理的圖。
於該圖中，充電適配器側之電源電路部1於步驟S411中進行AC-DC轉換，於步驟S412中生成定電流電壓，並將其輸出至電池Battery側之電池電壓部2。
電池電路部2接受該定電流電壓，並於步驟421中判斷該電壓是否為過電壓等。判斷之結果係，若不存在問題，則 成為可對電池單元24進行充電之狀態。
其次，於步驟S422中，檢測電池單元24之電壓VB是否到達2.0 V(電壓VB)，若該電壓VB到達2.0 V，則於步驟S425中，開始對電池單元進行充電，以直至電壓VB到達2.3 V為止均為第1定功率充電控制CW1狀態之方式進行控制。
進而，於步驟S423中，若電壓VB到達2.3 V，則於步驟S426中，以電流IB減少之方式，且以控制定電流電壓使其為第2定功率充電控制狀態CW2之方式進行控制，持續該狀態至最上限電壓2.7 V為止。
其次，於步驟S424中，若電壓VB到達最上限電壓2.7 V，則於步驟S427中，以電流IB進一步減少之方式，且以控制定電流電壓使其為定電壓充電控制狀態CV之方式進行控制。
再者，於步驟428中，將低電壓升壓至所期望之電壓(5.0 V)為止，並將其輸出至行動終端3側。
圖5係表示此時之本發明之充電循環之一例之特性圖，與圖7同樣地，縱軸表示電池單元24之電壓VB及電流IB，橫軸表示充電時間T。
此處，重點在於：於定功率充電區域CW中，檢測電壓VB之變化，對應於該電壓，多階段地切換定功率充電。
於該圖中，於自充電開始時間點S之2.0 V(A點)起至到達最上限電壓2.7 V(C點)之前，首先，將自電壓2.0 V(A點)至電壓2.3 V(B點)設定為定功率充電(定功率充電區域 CW1)，於自電壓2.3 V(B點)達到最上限之電壓2.7 V(C點)時，以自定功率充電切換為定電壓充電之方式進行控制，如圖所示，以充電循環之區域成為CW1→CW2→CV之方式進行控制。
此種控制可利用包含電池電路部2之MCU之控制電路26進行。例如，監視電池單元24之電壓VB，檢測該電壓達到特定之值、即2.0 V、2.3 V及2.7 V之情形。於電壓VB達到2.0 V之時，利用包含比較器223之電路22，與先前同樣地以成為定功率充電(區域CW1)之方式進行控制；其次，於達到2.3 V之時，以成為定功率充電(區域CW2)之方式進行控制；而於達到2.7 V之時，與先前同樣地以自定功率充電(區域CW2)成為定電壓充電(區域CV)之方式進行控制，充電控制可以利用複數個控制圖案進行控制之方式構成。於本例中，該定功率充電之多階段化(控制圖案)為3階段，但亦可為3階段以上。
產業上之可用性
於上述實施例中，係以對鋰離子電池之充電為前提而進行說明者，但只要為可進行快速充電之電池，便可應用。
1‧‧‧電源電路部
2‧‧‧電池電路部
3‧‧‧行動終端(行動機器)
11‧‧‧商用電源插座
12‧‧‧AC-DC轉換器
13‧‧‧PWM
14‧‧‧包含MCU之控制電路
15‧‧‧電阻
16‧‧‧電流感測器
17‧‧‧電壓感測器
18‧‧‧輸出插孔(或輸出插頭)
21‧‧‧輸入插頭
22‧‧‧具備低輸入、逆電壓、過電壓保護功能之電路
23‧‧‧升壓電路
24‧‧‧電池(電池單元)
25‧‧‧電阻
26‧‧‧控制電路
圖1係表示本發明之全體概要之功能方塊圖。
圖2係表示發明之一實施例之功能圖。
圖3係表示本發明之充電適配器及具備充放電功能之受電裝置之一例的電路圖。
圖4係表示本發明之行動終端充電裝置之電源電路部與 電池電路部之間之序列及兩部分之充電處理流程的圖。
圖5係說明本發明之行動終端充電裝置之CCCWCV充電控制之一例的特性圖。
圖6係說明藉由先前之CCCWCV方式進行之充電控制之例的特性圖。
1‧‧‧電源電路部
2‧‧‧電池電路部
11‧‧‧商用電源插座
12‧‧‧AC-DC轉換器
13‧‧‧PWM
14‧‧‧包含MCU之控制電路
15‧‧‧電阻
16‧‧‧電流感測器
17‧‧‧電壓感測器
18‧‧‧輸出插孔(或輸出插頭)
21‧‧‧輸入插頭
22‧‧‧具備低輸入、逆電壓、過電壓保護功能之電路
23‧‧‧升壓電路
24‧‧‧電池(電池單元)
25‧‧‧電阻
26‧‧‧控制電路

Claims (6)

  1. 一種具備充放電功能之行動終端充電裝置，其係可對快速充電對應電池藉由CCCWCV方式進行快速充電者，其特徵在於設置有：檢測部，其檢測上述電池之電壓；控制部，其當該檢測部於上述CCCWCV方式之定功率充電區域中檢測到第1電壓時設為第1定功率充電控制，於檢測到高於該第1電壓之第2電壓時設為第2定功率充電控制，且於檢測到高於該第2電壓之上限電壓時設為定電壓充電控制。
  2. 如請求項1之具備充放電功能之行動終端充電裝置，其中上述電池為鋰離子電池，且上述控制部包括包含電壓感測器、電流感測器、記憶體之MCU。
  3. 一種具備充放電功能之行動終端充電裝置，其係可對快速充電對應電池藉由CCCWCV方式進行快速充電者，其特徵在於：設置有控制機構，其於自上述電池之充電開始時間點至最上限電壓為止之期間內之定功率充電區域中，檢測上述電池之電壓，並根據該電壓而將上述定功率充電控制分成2個以上之多階段進行控制。
  4. 如請求項2之具備充放電功能之行動終端充電裝置，其中上述電池為鋰離子電池，且上述控制機構包含：電壓檢測部，其檢測上述電池之電壓；及控制部，其切換控制定功率充電與定電壓充電而進行上述CCCWCV控制。
  5. 一種具備充放電功能之行動終端充電裝置，其係可對快 速充電對應電池藉由CCCWCV方式進行快速充電者，其特徵在於包括：上述電池，其可裝卸地連接於充電適配器及行動終端，接受來自該充電適配器之低電壓，並藉由該電壓進行充電；及電池電路部，其使該低電壓升壓至上述行動終端可使用之電壓，並將該經升壓之電壓向該行動終端側輸出；且，上述電池電路部設置有：檢測部，其檢測上述電池之電壓；及控制部，其當該檢測部於上述CCCWCV方式之定功率充電區域中檢測到第1電壓時設為第1定功率充電控制，於檢測到高於該第1電壓之第2電壓時設為第2定功率充電控制，且於檢測到高於該第2電壓之上限電壓時設為定電壓充電控制。
  6. 如請求項5之具備充放電功能之行動終端充電裝置，其中上述電池電路部收容於以可攜帶之方式構成之電池盒中，該電池盒可與上述行動終端一體化而使用。
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