TW201421774A - 電池充電方法 - Google Patents

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Abstract

一種電池充電方法，係用於對一目標電池充電，該方法包含：一測試單元利用最小平方差之片段逼近法計算求得一目標電池之剩餘電容量與端電壓的關係式，並儲存於一電量計算單元中；該電量計算單元依據該目標電池在充電前的端電壓及該關係式計算得知該目標電池在充電前的剩餘電容量以及待充電量；將該待充電量除以該目標電池之容量加乘係數及一定電流源之定電流值的乘積以獲得一總充電時間，以該定電流值作為充電電流對該目標電池持續充電至該總充電時間結束。

Description

電池充電方法
本發明係關於一種電池充電方法，尤其是一種預先計算一電池待充電量之快速電池充電方法。
目前市售車輛大多是以燃油作為主要動力來源，然而為了因應全球面臨的石油短缺問題，近年來，各界均對電動車的研究投注大量心力，以做好替代傳統燃油車輛的準備，俾將石油短缺對於車輛驅動的不良影響降到最低。其中，各車廠無不極積思考以電力代替石油作為車輛動力來源，當前過渡時期部份車廠更已推出油電混合車款，以減少車輛用油量。此外，諸如電動機車或輕型電動汽車也在市場中嶄露頭角，並已完全捨棄汽油改採電力為動力源。
順應此波趨勢，未來電池使用量及產值將會日益提高，諸多亟需解決的相關問題也因此油然而生。其中，蓄電池的額定容量將直接限制電動交通工具的續航力，市售電動車輛為達成較佳續航力，常以大容量電池作為動力來源，然而目前市面上的充電器對大容量電池的充電速度不佳，冗長的充電時間降低使用者對產品的購買意願。
習知充電器對電池充電的方式常見的有定電壓(Constant Voltage Charging)充電以及定電壓定電流充電(Constant-Current Constant-Voltage Charging)，其中，定電壓充電由於充電速度過於緩慢，僅適用於夜間充電或是小容量電池之充電。而定電壓定電流充電乃針對充電速度的 問題進行改良，係採用一較高之定電流值對一電池充電，待該電池之端電壓超過一電壓上限值(upper voltage limit)時，改採定電壓充電方式以完成充電。藉此可提升充電速度，同時預防單純使用定電流充電容易產生之過充(overcharging)或過熱(overheating)問題，避免折損電池的使用壽命。
然而，上述定電壓定電流充電方式仍須用到定電壓充電策略，拖緩整體充電速度。因此，請參照第1圖所示，中華民國公告第I255922號專利案提出一種習知電池充電方法，係偵測一電池之閉路電壓Vc，並選定一取樣週期，當該閉路電壓Vc小於4.2V時，以一充電電流對該電池進行定電流充電直至該取樣周期結束，重複量測該閉路電壓Vc，當該閉路電壓Vc仍小於4.2V時，重複上述定電流充電步驟；若該閉路電壓Vc已大於或等於4.2V，推測該電池充飽時之閉路電壓，並據以計算另一充電電流，以該充電電流對該電池充電一取樣週期，最後檢驗該電池之開路電壓Vo是否達到4.2V。
該習知電池充電方法相較習知定電壓定電流充電方式，可進一步提升充電速度。然而，由於已預先選定一取樣週期的緣故，該習知電池充電方法需使用不同的充電電流，以避免導致該電池過充，因此需要相關充電電力控制電路以調整該電池之充電電流，大大增加系統的複雜度與製造成本。
有鑑於此，必須要進一步提供一種電池充電方法，可改善上述習知電池充電技術所存在之缺點，達到快速對一 電池充電之目的。
本發明的目的乃改良上述之缺點，以提供一種電池充電方法，僅使用定電流充電方式完成對一目標電池充電，大幅減低充電時間，具有提升電池充電效率之功效。
本發明另一目的係提供一種電池充電方法，該電池充電方法使用單一定電流值對一目標電池充電，可節省充電電力控制電路，達成降低系統建構成本之功效。
根據本發明電池充電方法，係包含：以一測試單元單元操作一目標電池分別以不同之放電電流進行放電，且每釋放該目標電池一固定之電容量，即停止放電並紀錄該目標電池之端電壓與剩餘電容量，由該測試單元根據各該放電電流之各時段的端電壓及剩餘電容量，利用最小平方差之片段逼近法計算求得該目標電池之剩餘電容量與端電壓的關係式，並將計算結果儲存於一電量計算單元中；該電量計算單元依據該目標電池在充電前的端電壓及該關係式計算得知該目標電池在充電前的剩餘電容量；將該目標電池之額定電容量減去該充電前的剩餘電容量以求得一待充電量；將該待充電量除以該目標電池之容量加乘係數及一定電流源之定電流值的乘積以獲得一總充電時間，以該定電流值作為充電電流對該目標電池持續充電至該總充電時間結束。
本發明之電池充電方法，其中在該定電流源以該充電電流對該目標電池持續充電時，該電量計算單元係根據該 充電電流及已執行之充電時間，即時計算該目標電池在持續充電過程中的剩餘電容量。
本發明之電池充電方法，其中該電量計算單元係於該總充電時間結束時再次計算該目標電池之剩餘電容量，且在該剩餘電容量低於該額定電容量時重新計算該待充電量及總充電時間，並重新以該充電電流對該目標電池持續充電至該總充電時間結束。
本發明之電池充電方法，其中該關係式為一5階多項式。
本發明之電池充電方法，其中該關係式為一6階多項式。
本發明之電池充電方法，其中該關係式為一TRVR多項式。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參閱第2圖所示，其係本發明電池充電方法較佳實施例之系統架構圖。其中，藉由一目標電池1、一定電流源2、一可控開關3及一控制模組4作為執行架構。該目標電池1、該定電流源2與該可控開關3係串聯連接，該控制模組4則耦接該可控開關3。
該目標電池1係為一待充電二次電池，可為各式習知蓄電池，例如：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池 或燃料電池等。該定電流源2可提供具有固定電流值之直流電力，以對該目標電池1進行充電。該可控開關3與該目標電池1以及該定電流源2構成一充電迴路，且該可控開關3耦接於該控制模組4，可導通或斷開該充電迴路。
此外，雖然在理想狀態下，該充電迴路的電流值，只會有零以及該定電流源2之定電流值兩種數值，分別發生於該可控開關3為斷開或導通兩種情況，然而由於實作上該電流源2並非一理想電流源，因此較佳設有一電流偵測器5，串聯連接於該充電迴路中，供實際量測該充電迴路之電流值。
該控制模組4包含一電壓感測器41、一電量計算單元42以及一充電控制器43。該電壓感測器41具有兩感測端，分別電性連接該目標電池1之兩端，供量測該目標電池1之端電壓。該電量計算單元42耦接於該電流偵測器5與該電壓感測器41，以接收該充電迴路之電流值與該目標電池1之端電壓。該充電控制器43耦接於該電量計算單元42，以接收該目標電池1之電池容量，該充電控制器43另耦接該可控開關3，供控制該可控開關3之導通狀態。
欲開始對一目標電池1充電前，需先建立該目標電池1之端電壓與其剩餘電容量之關係式，該關係式可供後續步驟依據該目標電池1之端電壓評估其剩餘電容量。欲建立該關係式，需以一測試單元耦接該目標電池1，以操作該目標電池1分別以不同之放電電流進行放電，且每釋放該目標電池1一固定之電容量，即停止放電並測量該目標電池1之端電壓，其中，該目標電池1之電容量可由下式 求得：電容量(C)=放電電流(A)×實際量測時間(s)×K
其中，實際量測時間為以該放電電流對該目標電池1放電之時間，K為容量加乘係數，係為該目標電池1之物理參數，可由電池製造商所提供之操作手冊中得知。該不同之放電電流較佳有三組以上之預定電流值。在本實施例當中，該不同之放電電流選擇0.5A、1A以及1.5A，對一目標電池1放電且每釋放該目標電池1額定電容量的百分之十時，即停止放電並紀錄該目標電池1之端電壓與剩餘電容量，可得到如下表所示之數據：
其中，由於該目標電池1之剩餘電容量接近0%時端電壓將驟降，因此分別取剩餘電容量為5%以及1%時所得之結果。該測試單元根據上表之數據，對各該放電電流之各時段的端電壓及剩餘電容量，施以最小平方差之片段逼近法計算，可產生該目標電池1之端電壓與其剩餘電容量之關係式如下式所示：V=-0.028×Z 6+0.11×Z 5-0.025×Z 4-0.11×Z 3+0.091×Z 2+0.17×Z+3.8
其中，V為該目標電池1之端電壓，Z為該目標電池1之剩餘電容量。在本實施例當中，該關係式為一6階多項式，惟本發明不以此為限，該關係式較佳為一5階多項式、6階多項式或TRVR多項式。
針對單一目標電池1，只需於首次對該目標電池1充電前建立該關係式，並儲存於該控制模組4之電量計算單元42中，即可供往後欲對該目標電池1充電時使用。此外，針對隸屬於同一廠牌同一型號之複數個該目標電池1，由於其特性相似，可僅針對單一目標電池1建立該關係式，即可供該複數個該目標電池1使用。
請參照第3圖所示，係為本發明電池充電方法較佳實施例之控制流程圖。欲開始一目標電池1充電時，首先透過該電壓感測器41測量該目標電池1之端電壓。該電量計算單元42依據前述步驟所得到之關係式以及該目標電池1之端電壓，計算出該目標電池1於充電前的剩餘電容量。該充電控制器43將該目標電池1之額定電容量減去該剩餘電容量，可求得一待充電量，接著將該待充電量除以該目標電池1之容量加乘係數以及該定電流源2之定電流值的 乘積，可獲得一總充電時間。該充電控制器43係控制該可控開關3導通該總充電時間後斷開，該定電流源2即以其定電流值作為充電電流對該目標電池1充電至該總充電時間結束，完成該目標電池1之充電。此外，該定電流源2以該充電電流對該目標電池1持續充電時，該電量計算單元42係根據該充電電流及已執行之充電時間，即時計算該目標電池1在持續充電過程中的剩餘電容量。
請參照第4圖所示，係為本發明電池充電方法另一較佳實施例之控制流程圖，由於該目標電池1可能受環境溫度等外在因子的影響，導致依據該目標電池1之端電壓及該關係式所估算之殘餘電容量不夠準確，使該定電流源2對該目標電池1充電至該總充電時間結束後，該目標電池1未成達到其額定電容量。因此，本實施例與前述實施例相異之處在於，該定電流源2對該目標電池1充電至該總充電時間結束後，透過該電壓感測器41再次測量該目標電池1之端電壓。該電量計算單元42依據前述步驟所得到之關係式以及該目標電池1之端電壓，計算出該目標電池1充電中的剩餘電容量，並判斷該剩餘電容量是否已達到該目標電池1之額定電容量之100%，若該剩餘電容量達到100%，則判定充電完成；若該剩餘電容量尚未達100%，則將該剩餘電容量再度傳輸至該充電控制器43，重複計算一待充電量及一總充電時間，以及以該定電流源2對該目標電池1充電至該總充電時間結束之步驟，並繼續透過該電壓感測器41再次測量該目標電池1之端電壓，直至該目標電池1之殘餘電容量確實達到其額定容量之100%時為 止。
藉由上述方法，本發明之電池充電方法僅使用定電流充電方式對一目標電池充電，直至該目標電池之殘餘電容量達到其額定容量為止，具有提升電池充電效率之功效。此外，本發明之電池充電方法使用單一定電流值即可完成對一目標電池充電，無須設置相關充電電力控制電路調整輸出至該目標電池之充電電壓或充電電流，係達成降低系統建構成本之功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
〔本發明〕
1‧‧‧目標電池
2‧‧‧定電流源
3‧‧‧可控開關
4‧‧‧控制模組
41‧‧‧電壓感測器
42‧‧‧電量計算單元
43‧‧‧充電控制器
5‧‧‧電流偵測器
第1圖：一種習知電池充電方法之運作流程圖
第2圖：本發明電池充電方法較佳實施例之系統架構圖
第3圖：本發明電池充電方法較佳實施例之運作流程圖
第4圖：本發明電池充電方法另一較佳實施例之運作流程圖

Claims (6)

  1. 一種電池充電方法，其包含：以一測試單元單元操作一目標電池分別以不同之放電電流進行放電，且每釋放該目標電池一固定之電容量，即停止放電並紀錄該目標電池之端電壓與剩餘電容量，由該測試單元根據各該放電電流之各時段的端電壓及剩餘電容量，利用最小平方差之片段逼近法計算求得該目標電池之剩餘電容量與端電壓的關係式，並儲存於一電量計算單元中；該電量計算單元依據該目標電池在充電前的端電壓及該關係式計算得知該目標電池在充電前的剩餘電容量；將該目標電池之額定電容量減去該充電前的剩餘電容量以求得一待充電量；將該待充電量除以該目標電池之容量加乘係數及一定電流源之定電流值的乘積以獲得一總充電時間，以該定電流值作為充電電流對該目標電池持續充電至該總充電時間結束。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之電池充電方法，其中在該定電流源以該充電電流對該目標電池持續充電時，該電量計算單元係根據該充電電流及已執行之充電時間，即時計算該目標電池在持續充電過程中的剩餘電容量。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之電池充電方法，其中該電量計算單元係於該總充電時間結束時再次計算該目標電池之剩餘電容量，且在該剩餘電容量低於該額定電容 量時重新計算該待充電量及總充電時間，並重新以該充電電流對該目標電池持續充電至該總充電時間結束。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之電池充電方法，其中該關係式為一5階多項式。
  5. 依申請專利範圍第1項所述之電池充電方法，其中該關係式為一6階多項式。
  6. 依申請專利範圍第1項所述之電池充電方法，其中該關係式為一TRVR多項式。
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