TW202112027A - 電池充電器之常溫降流及高溫脈衝充電方法 - Google Patents

電池充電器之常溫降流及高溫脈衝充電方法 Download PDF

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Abstract

電池充電器之充電方法，包括：提供充電器電路；測量充電器內部元件的溫度；測量充電器的輸出電壓；測量充電器的輸出電流；若溫度大於或等於一溫度預設值且持續第一時間段，停止對電池充電持續第二時間段；若輸出電壓小於第一電壓臨界值且持續一第三時間段，以第一定電流值對電池充電；若該輸出電壓介於第一電壓臨界值與第二電壓臨界值之間且持續一第四時間段，以第二定電流值對電池充電；若輸出電壓大於或等於第二電壓臨界值，以定電壓模式對電池充電；及若該輸出電流小於第一電流預設值且持續第五時間段，則進入浮動充電。

Description

電池充電器之常溫降流及高溫脈衝充電方法
本發明涉及一種充電器的控制策略，特別是一種用於電池充電器之常溫降流及高溫脈衝充電方法。
於充電過程中，如果電池過熱，應用於電池充電的充電器會的充電效率會降低並且會影響電池的壽命。目前的作法是利用溫度感測器偵測充電中的電子裝置，當充電中的電子裝置高於一設定溫度時就中斷充電、又或者於常溫時，採取降低充電電流的方式，以避免因溫度過高而損傷電子裝置或電動車輛中的電池。
常溫充電時降流策略雖然對於降低電子元件溫度有幫助，但是目前電器節能法規日趨嚴格。電池充電器，特別是應用在電動輔助車輛的充電器需要符合加州能源委員會(California Energy Commission；CEC)及北美康復工程和輔助技術學會(the Rehabilitation Engineering and Assistive Technology Society of North America；RESNA)7176所要求的8小時80%常溫充電效率規範。
為了使充電器在常溫降流操作時降低內部零件溫度以增加充電器產品的可靠度，例如於50℃環境溫度下，大量減少散熱片以及散熱膠需求，所以常溫的降流設定需要考量元件溫度及充電效率這兩個部分來做調整，但是針對高溫的部分目前僅有充電器的降流對策是不夠的，有鑑於此，本發明提出充電器的降流對策以及於高溫充電時需要導入脈衝充電法來做進一步改善。
本發明藉由軟體的控制策略，在不增加充電器硬體成本的條件下 可以將充電器變壓器以及其內部電晶體的溫度控制在降額規範內，使其能夠通過安規認證。
本發明之目的是提供一種用於電池充電器之常溫降流及高溫脈衝充電方法，其包括：提供一電性耦接電池的電池充電器電路，該電路位於該電池充電器內；測量該電池充電內部元件的溫度；測量該電池充電器的輸出電壓；測量該電池充電器的輸出電流；若該溫度大於或等於一溫度預設值且持續一第一時間段，透過操作該電池充電器電路停止對該電池充電持續一第二時間段；若該輸出電壓小於一第一電壓臨界值且持續一第三時間段，則透過操作該電池充電器電路以一固定電流模式且以一第一固定電流值對該電池充電；若該輸出電壓介於一第一電壓臨界值與一第二電壓臨界值之間且持續一第四時間段，則透過操作該電池充電器電路以一固定電流模式且以一第二固定電流值對該電池充電；若輸出電壓大於或等於該第二電壓臨界值，則透過操作該電池充電器電路切換充電模式，以一固定電壓模式且以該第二臨界值電壓對該電池充電；及若該輸出電流小於一第一電流預設值且持續一第五時間段，則透過操作該電池充電器電路進入浮動充電檢測程序。
所述用於電池充電器之常溫降流及高溫脈衝充電方法，其中上述浮動充電檢測程序包括：若該輸出電流小於一第二電流預設值且持續一第六時間段，則透過操作該電池充電器電路切換充電模式，由上述定電壓充電模式進入浮動充電模式對該電池充電；及若該輸出電流小於一第三電流預設值且持續一第七時間段，則透過操作該電池充電器電路將該充電器由充電模式設定為停止充電模式，然後結束充電，否則回到該浮動充電檢測程序。
所述電池充電器電路包括：其中該電池充電器電路包括：一功率轉換單元；及一充電控制電路電性地與該功率轉換單元耦合；其中該充電控制電路包含：一開關電路；一微控制單元，電性地連接至該開關電路；一定電壓/定電流迴路，電性地連接至該微控制器；提供電池電性地連接至該充電控制裝置，使該充電控制電路利用該功率轉換單元對該電池提供充電管理；及其中該 微控制器可以偵測該電池充電器的輸出電壓、輸出電流、以及該電池充電器中內部元件的溫度電壓，並據以調整充電程序。
101、103‧‧‧曲線
30‧‧‧功率轉換單元
31‧‧‧充電控制電路
301‧‧‧EMI濾波與浪湧限制器(inrush limiter)
303‧‧‧返馳式轉換器(flyback converter)
303a‧‧‧返馳式控制器(flyback controller)
305‧‧‧整流器
307‧‧‧背靠背開關電路
309‧‧‧微控制單元(MCU)
311‧‧‧定電壓/定電流(CC/CV)迴路
400‧‧‧常溫降流及高溫脈衝充電方法的具體操作流程圖
401、403、405、407、409、411、411a、413、415、417、419、421、431、433、435、437、439‧‧‧步驟
419‧‧‧浮動充電方法的具體操作流程圖
圖1描繪了根據本發明較佳實施例中，利用充電器常溫降流及高溫脈衝充電的方法，於一個完整充電過程之輸出電流(I_output)及輸出電壓(V_output)曲線。
圖2描繪了根據本發明較佳實施例所用充電器常溫降流及高溫脈衝充電的方法，設定轉態點(圖1)，電壓25V、電流由2.5A至2.0A，經過8小時測試，其充電效率數據。
圖3描繪了根據本發明較佳實施例中用於操作圖2測試的充電器電路的功能方塊示意圖。
圖4(A)描繪了根據本發明較佳實施例中所提出常溫降流及高溫脈衝充電方法的具體操作流程圖。
圖4(B)描繪了根據本發明較佳實施例中所提出常溫降流及高溫脈衝充電方法中浮動充電方法的具體操作流程圖。
此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可藉由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之功效性與其優點。且本發明亦可藉由其他具體實施例加以運用及實施，本說明書所闡述之各項細節亦可基於不同需求而應用，且在不悖離本發明之精神下進行各種不同的修飾或變更。
如前所述，本發明提出一種常溫降流及高溫脈衝充電方法。具體軟體控制策略分為兩部分：(a)常溫兩段電流控制，其針對不同輸出的充電器設定不同的限流轉態點；(b)高溫脈衝充電法，其藉由充電器內部NTC(Negative Temperature Coefficient)熱敏電阻，即負溫度係數電阻，來偵測溫度，如果溫度超過設定值就會停止充電，以免充電器內部零件溫度過高。
具體以2.5A充電器為例子，先確認規格所需的鉛酸電池容量：BB廠牌電池、型號EB20-12、額定電池容量20AHr(C/10)、標準尺寸或電池類型2cell。圖1顯示，充電器於一個完整充電過程之輸出電流(I_output)及輸出電壓(V_output)曲線，其中曲線101表示充電器之輸出電流(I_output)、曲線103表示充電器之輸出電壓(V_output)。整個充電程序依序包括：固定電流充電模式(constant current mode)、固定電壓模式(constant voltage mode)以及浮動充電模(float charg mode)式。根據前段敘述的方法，設定轉態點(圖1)，電壓25V、電流由2.5A至2.0A，經過8小時測試，其效果如圖2所示，充電瓦數為442.984Wh、電池瓦數為480Wh，常溫充電效率為92.28%。
圖3則顯示於操作上述測試時的電路功能方塊圖，其中AC輸入電壓(100~240Vac)經由EMI濾波與浪湧限制器(inrush limiter)301濾波整流後形成直流(DC)電壓再輸出至返馳式轉換器(flyback converter)303中的變壓器初級側的輸入端，並透過返馳式控制器(flyback controller)303a控制能量儲存，配合連接返馳式轉換器303中變壓器二次側的整流器305而可以將直流輸出(DC output)輸出，功率轉換單元30由上述EMI濾波與浪湧限制器(inrush limiter)301、返馳式轉換器(flyback converter)303、整流器305、以及返馳式控制器303a組合而成。直流輸出(DC output)輸出經由一背靠背開關電路307對電池充電，上述背靠背開關電路307是由微控制單元(MCU)309所偵測的電壓及溫度來控制電路的on/off以調節對電池輸出的電流，以一實施例而言，微控制單元(MCU)309可以經由其相關腳位偵測到電池電壓、充電電流、充電器內部元件溫度等參數，以VADC、IADC等訊號饋入微控制單元(MCU)309透過運算並對定電壓/定電流(CC/CV)迴路311輸出控制訊號Icon及Vcon。定電壓/定電流(CC/CV)迴路311 包含低通濾波器以及CC/CV回授補償放大器(未顯示)，接收由微控制單元309所輸出的控制訊號，Icon及Vcon，分別經過低通濾波器輸出至定電壓/定電流(CC/CV)迴路311中相應的電壓迴路迴授補償運算放大器與電流迴路迴授補償運算放大器(未顯示)作為輸入參考訊號，其參考輸入會與實際由整流器輸出的I、V訊號相減以得到誤差訊號，藉由負回授控制調整CP的準位，返馳式控制器303a根據CP大小調整返馳式轉換器303的輸出進而可以調節整流器305的DC輸出，上述背靠背開關電路307、微控制單元(MCU)309、以及定電壓/定電流(CC/CV)迴路311組成充電控制電路31。
為了更詳細說明本發明所提常溫降流及高溫脈衝充電策略，圖4(A)顯示本發明所提出常溫降流及高溫脈衝充電方法的具體操作流程圖400。流程圖400由步驟401開始，接著於步驟403(根據圖3，由微控制器309偵測電池電壓)判斷是否完全充電，如果完全充電則停止充電程序。接著由步驟405(根據圖3，由微控制器309偵測到的充電器元件溫度)判定充電器內部元件(晶片)的溫度是否高於100℃且持續3秒，如果高於100℃且持續3秒則進行步驟407，停止充電1分鐘，亦即高溫脈衝充電，(根據圖3，由微控制器309控制背靠背開關電路307)然後再進行步驟409-判斷充電器電壓是否大於等於25V且持續1秒(即前面所提的限流轉態點)，否則進行步驟411以定電流2.5A對電池充電(根據圖3，由微控制器309控制定電壓/定電流迴路311以定電流模式充電)，然後回到步驟405。於步驟409，如果判定充電器電壓大於等於25V且持續1秒，則進行步驟411a以定電流2.0A，亦即降流，對電池充電(根據圖3，由微控制器309控制定電壓/定電流迴路311以定電流模式充電)。接著於步驟413，判斷充電器電壓是否大於等於29.6V且持續1秒(根據圖3，由微控制器309偵測)，否則回到步驟411a以定電流2.0A對電池充電，如果判定充電器電壓大於等於29.6V且持續1秒，則進行步驟415以定電壓29.6V對電池充電。接著於步驟417，判斷充電器電壓是否滿足浮動充電條件，即判斷充電器輸出電流IOUT_L是否大於800mA且持續60秒，如果滿足則回到步驟415繼續以定電壓29.6V對電池充電，否則進行步驟419以浮動充電檢測程序-P4對電池充電，然後於步驟421結束充電程序。
圖4(B)顯示浮動充電方法的具體操作流程圖419，流程圖419由步驟431開始，接著於步驟433(根據圖3，微控制器309偵測充電器輸出電流IOUT_L)判斷充電器輸出電流IOUT_L是否小於550mA且持續1秒，如果小於550mA且持續1秒則進行步驟435由定電壓充電模式轉換為浮動充電模式，接著於步驟437(根據圖3，微控制器309偵測充電器輸出電流IOUT_L)判斷充電器輸出電流IOUT_L是否小於60mA且持續300微秒，否則就回到P5(即圖4A中步驟417)。於步驟437，如果判斷充電器輸出電流IOUT_L是小於60mA且持續300微秒則由微控制器設定停止充電模式(CHON=0)，接著結束充電程序421。
綜上所述，本發明所提出的常溫降流及高溫脈衝充電方法除了具有降低充電器零件溫度以及增加產品可靠度的優點外，最顯著的效果是在滿足50℃環境溫度要求上相對較為簡單，可以減少散熱片以及散熱膠需求。
在不脫離本文範疇之情況下，可對上述常溫降流及高溫脈衝充電方法做出改變。因此，應當注意，包含在以上描述中並且在附圖中示出之內容應當被解釋為說明性的而非限制性之意義。以下申請專利範圍旨在涵蓋本文中所描述之所有一般特徵及特定特徵，以及本發明抗脫層半導體裝置及用於防止多層結構脫層之方法之範疇的所有陳述，其在語言上可被說成落在其間。
400‧‧‧常溫降流及高溫脈衝充電方法的具體操作流程圖
401、403、405、407、409、411、411a、413、415、417、419、421‧‧‧步驟

Claims (9)

  1. 一種用於電池充電器之常溫降流及高溫脈衝充電方法，其包括：提供一電性耦接電池的電池充電器電路，該電路位於該電池充電器內；測量該電池充電內部元件的溫度；測量該電池充電器的輸出電壓；測量該電池充電器的輸出電流；若該溫度大於或等於一溫度預設值且持續一第一時間段，透過操作該電池充電器電路停止對該電池充電持續一第二時間段；若該輸出電壓小於一第一電壓臨界值且持續一第三時間段，則透過操作該電池充電器電路以一固定電流模式且以一第一固定電流值對該電池充電；若該輸出電壓介於一第一電壓臨界值與一第二電壓臨界值之間且持續一第四時間段，則透過操作該電池充電器電路以一固定電流模式且以一第二固定電流值對該電池充電；若輸出電壓大於或等於該第二電壓臨界值，則透過操作該電池充電器電路切換充電模式，以一固定電壓模式且以該第二臨界值電壓對該電池充電；及若該輸出電流小於一第一電流預設值且持續一第五時間段，則透過操作該電池充電器電路進入浮動充電檢測程序。
  2. 如請求項1所述用於電池充電器之常溫降流及高溫脈衝充電方法，其中上述浮動充電檢測程序包括：若該輸出電流小於一第二電流預設值且持續一第六時間段，則透過操作該電池充電器電路切換充電模式，由上述定電壓充電模式進入浮動充電模式 對該電池充電；及若該輸出電流小於一第三電流預設值且持續一第七時間段，則透過操作該電池充電器電路將該電池充電器由充電模式設定為停止充電模式，然後結束充電，否則回到該浮動充電檢測程序。
  3. 如請求項1所述用於電池充電器之常溫降流及高溫脈衝充電方法，其中該電池充電器電路包括：一功率轉換單元；及一充電控制電路電性地與該功率轉換單元耦合；其中該充電控制電路包含：一開關電路；一微控制單元，電性地連接至該開關電路；及一定電壓/定電流迴路，電性地連接至該微控制器；提供電池電性地連接至該充電控制裝置，使該充電控制電路利用該功率轉換單元對該電池提供充電管理；及其中該微控制器可以偵測該電池充電器的輸出電壓、輸出電流、以及該電池充電器中內部元件的溫度電壓，並據以調整充電程序。
  4. 如請求項1所述用於電池充電器之常溫降流及高溫脈衝充電方法，其中上述溫度預設值為100℃。
  5. 如請求項1所述用於電池充電器之常溫降流及高溫脈衝充電方法，其中上述 第一時間段為3秒、上述第二時間段為1分鐘、上述第三時間段為1秒、上述第四時間段為1秒、上述第五時間段為1分鐘。
  6. 如請求項2所述用於電池充電器之常溫降流及高溫脈衝充電方法，其中上述第六時間段為1秒、上述第七時間段為300微秒。
  7. 如請求項1所述用於電池充電器之常溫降流及高溫脈衝充電方法，其中上述第一電壓臨界值為25V、上述第二電壓臨界值為29.6V。
  8. 如請求項1所述用於電池充電器之常溫降流及高溫脈衝充電方法，其中上述第一固定電流值為2.5A、上述第一固定電流值為2A、上述第一電流預設值為800mA。
  9. 如請求項2所述用於電池充電器之常溫降流及高溫脈衝充電方法，其中上述第二電流預設值為550mA、上述第三電流預設值為60mA。
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