TWI253195B - Charging method and system for serially connected batteries - Google Patents

Description

1253195 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種充電方法及系統，特別是有關於 一種_聯電池模組之充電方法及其充電系統。 【先前技術】 習知電池之充電方式有：定電壓限電流、脈衝式及多 階段定電流…等。第1 a、1 b圖顯示定電壓限電流充電方式 之電池電壓示意圖，其中，第1 a圖代表電池未經等化程序 之電池電壓示意圖。第1 b圖代表電池經過等化程序之電池 電壓示意圖。 如第1 a圖所示，曲線1〜3代表不同電池之電壓，曲線4 代表充電電流。在時間h前係以定電流方式對多個電池充 電。由於電池未經過等化程序，故每個電池具有不同之電 壓。當任一電池之電壓到達上限電壓時，則結束充電動 作。因此，易造成其它電池未充飽之情形。 如第1 b圖所示，由於電池已經過等化程序，故每一電 池之電壓幾乎相同。在時間t2前係以定電流方式對電池充 電，當電池之端電壓（曲線1 0 )達到上限電壓時，則降低充 電電流。曲線1 2代表電池之開回路電壓，是將電池靜置3 0 分鐘後的端電壓。由此端電壓的高低是判斷電池容量狀態 的重要依據。通常定電壓限電流充電器的電壓值設定是以 1 0 0 %容量狀態的開回路電壓作為充電器的輸出電壓設定 值。在時間tg之後的充電電流大小5係以電源供應為'與電 池間的壓差決定，當兩者間的壓差愈小時，則充電電流愈 小。雖可充飽每個電池，但缺點在於，充電時間過長。

0178-A20115TW(Nl);05-92040;joanne.ptd 第6頁 1253195 五、發明說明（2) 第2圖顯示脈衝充電方式之電池電壓示意圖◦曲線2 0 代表經過等化程序後之電池電壓，曲線2 1代表充電電流； 曲線2 2代表電池之開回路電壓。如圖所示，充電電流係以 脈衝方式對電池充電；由於充電時間t3不容易由電池的端 電壓判斷，因而不易控制充電的容量；並且，當電池充完 電之後，需於時間t4時，方能測量電池電壓。時間t3〜t4約 為10〜30分鐘。 第3圖顯示多階段定電流充電方式之電池電壓示意 圖。曲線3 0代表電池電壓，曲線3 1代表充電電流，曲線3 2 代表電池之開回路電壓。此方法需一直偵測電池電壓，根 據電池電壓提供所對應之充電電流，但多階段定電流充電 電路設計繁雜’且成本南。 綜上所述，不同之充電方式之缺點如下所述： 一、 定電壓限電流方式：當電池未經等化程序時，易 有充不飽情形發生；當電池經等化程序時，充電時間過 長。 二、 脈衝式：無法立即判斷電池電壓，不易控制電池 的充電電位到適當的容量。 三、 多階段定電流方式：需隨時監視電池狀態以提供 正確之充電電流，其電路設計複雜且成本較高。 【發明内容】 有鑑於此，本發明之一目的為提出一種充電方法，以 可控制的多階段定電壓方式將電池充電到達飽滿的容量狀 態；避免個別電池單元的端電壓達到充電的限制電壓，因

0178-A20115TW(Nl);05-92040;joanne.ptd 第7頁 1253195 五、發明說明（3) 而提早結束充電程序。 為了達到上述目的，本發明提供一種充電方法，適用 於串聯串聯電池模組，其中，串聯電池模組係由複數電池 串聯而成，本發明之充電方法，包括下列步驟：提供充電 電壓予串聯電池模組；偵測串聯電池模組中每一電池電 壓。當任一電池電壓到達一第一預設電壓時，則減小充電 電壓◦接著，再偵測串聯電池模組之充電電流；當充電電 流小於第一預設電流時，則提高充電電壓，並降低第一預 設電流。持續偵測每一電池電壓及串聯電池模組之充電電 流，用以調整充電電壓及第一預設電流；當第一預設電流 降低至第二預設電流，且充電電流小於第二預設電流時， 則停止對上述串聯電池模組充電。 基於上述充電方法，本發明另一目的為提出一種充電 系統，具有優於習知充電裝置之充電速率，可以用較少的 時間，將電池充電到較飽滿的容量狀態。 本發明之充電系統，用以對串聯電池模組充電，其 中’串聯電池模組係由複數電池串聯所構成’本發明之充 電系統包括：一電源供應電路以及一充電偵測電路。上述 電源供應電路，用以輸出一充電電壓。上述充電偵測電 路，耦接於電源供應裝置與串聯電池模組之間，以進行一 充電程序。 其中，充電程序包括：提供電源供應電路之充電電壓 予串聯電池模組；偵測串聯電池模組中之每一電池電壓， 當任一電池電壓到達第一預設電壓時，則減小電源供應電

0178-A20115TW(N1);05-92040;j oanne.ptd 第8頁 1253195 五、發明說明（4) 路之充電電壓；持續偵測每一電池電壓，用以調整充電電 壓◦當串聯電池模組之總電壓達第二預設電壓時，則停止 對串聯電池模組充電。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 細說明如下： 【實施方式】 本發明首先提供一充電電壓予串聯電池模組，以進行 充電動作。充電器的初始定電壓輸出可以設定高於當時電 池總電壓的適當電壓值，並以限電流防止充電器受到過度 負載。當串聯電池模組之總電壓接近充電電壓時，則提高 充電電壓，並且偵測串聯電池模組中之每一電池電壓。 當任一電池電壓到達第一預設電壓時，則降低充電電 壓，然後再依據串聯電池模組之狀態（電流狀態或是電壓 狀態），決定提高或減小充電電壓。 其中，當串聯電池模組之總電壓未達到第二預設電壓 時，則降低充電電壓。因此，每一電池電壓略微下降，但 仍有充電電流進入串聯電池模組，以持續進行小量充電； 之後待電池内部因擴散或反應平衡，以及電池本體溫度下 降等因素，使得電池電壓下降，則可再提高充電電壓；當 總電壓到達第二預設電壓時，則停止充電動作。 除了根據電池電壓作為充電電壓上昇或下降的決定依 據之外，亦可根據串聯電池模組之充電電流來決定提高或 降低充電電壓：由於降低充電電壓，因此，充電電流亦會

0178-A20115TW(N1);05-92040;joanne.ptd 第9頁 1253195 五、發明說明（5) 下降。當串聯電池模組之充電電流未降低到達弟*^預设電 流時，則減小充電電壓，以避免某一單元電池的電壓超過 充電上限電壓；若充電電流降低到達第一預設電流，則再 提高充電電壓；當充電電流到達第二預設電流時，則停止 充電動作。 第4圖顯示本發明充電方法之一可能實施例。在本實 施例中，係偵測串聯電池模組之充電電流，依據充電電流 之狀態，提供不同之充電電壓。其中，串聯電池模組係由 多個充電電池串接所構成。 如第4圖所示，本發明之充電方法，包括下列步驟： 步驟1 0 0 :開始充電動作，然後執行步驟1 1 0。 步驟11 0 :提供一充電電壓予串聯電池模組；然後執 行步驟1 2 0。充電的初始電壓可以設定成預定最終完成充 電程序的串聯電池模組總電壓，或者是任一高於當時串聯 電池模組總電壓的任一適當電壓值。 步驟1 2 0 :偵測串聯電池模組中之每一充電電池的電 壓。當任一充電電池充電大於上限電壓時，則執行步驟 1 3 0 ;反之，則執行步驟1 4 0，繼續對串聯電池模組充電， 並判斷充電電流是否小於第一預設電流。雖然在充電過程 中，充電電池的電壓小幅超過充電的上限電壓並不會對充 電電池產生立即性的傷害或危險，但是充電電池的電壓經 常超過上限電壓時，則將減短充電電池的使用壽命。 步驟1 3 0 :降低串聯電池模組之充電電壓，然後執行 步驟11 0。為了降低充電電流，以降低充電電池的電壓，

0178-A20115TW(Nl);05-92040;joanne.ptd 第10頁 1253195 五、發明說明（6) 並持續進行充電動作。充電電壓下降的幅度應以不使充電 電壓低於當時充電電池的開回路電壓為原則。 步驟1 4 0 :判斷串聯電池模組之充電電流。隨著持續 充電使電池總電壓緩緩上昇，充電電流也逐漸降低。當串 聯電池模組之充電電流小於第一預設電流時，則執行步驟 1 5 0 ;反之，則執行步驟1 1 0，繼續對串聯電池模組充電。 步驟1 5 0 :增加充電電壓，然後執行步驟1 6 0。當充電 電流小於第一預設電流時，待充電電池的電壓回復到比較 接近開回路電壓值後，如果電池仍有充電空間，可以在藉 由提高充電電壓充入更多能量。並且因為提高電壓使得充 電電流增大，藉以加快串聯電池模組之充電速度。 步驟1 6 0 :減小第一預設電流，然後執行步驟1 7 0。步 驟1 6 0並非一定必要，此步驟的目的在於逐步減少第一預 設電流，使充電程序停留在較高充電電壓的時間比較長， 使充電電池的電壓更接近實際的開回路電壓。如果省略此 一步驟，整個程序仍可達到本發明的目的，唯最後完成充 電的充電電池電容量比較不易接近100% ^ 步驟1 7 0 :再次判斷串聯電池模組之充電電流。當串 聯電池模組之充電電流小於第二預設電流時，則執行步驟 1 8 0。反之，則執行執行步驟11 0，持續對電池模組進行充 電。 步驟1 8 0 :結束對串聯電池模組充電。當充電電流小 於第二預設電流時，則充電電池的電壓已接近開回路電 壓，如果此時的充電電壓已經無法再提高，即代表無法再

0178 -A20115TW(N1);05- 92040;j oanne.p t d 第11頁 1253195 五、發明說明（7) 充入更多容量’因此結束充電程序。 第5圖顯示本發明之一實施例方塊圖。如圖所示，本 實施例之充電系統用以對一串聯電池模組6 4充電，其中， 串聯電池模組6 4，係由複數充電電池串聯而成。本實施例 之充電系統，包括··一電源供應電路6 0以及一充電偵測電 路62。電源供應電路60，提供一充電電壓。充電偵測電路 62，耦接於電源供應裝置60與串聯電池模組64之間，以進 行一充電程序，以下將會詳細說明充電程序。 電源供應電路6 0，包括：一電源供應裝置6 0 2以及一 充電控制裝置6 0 4。電源供應裝置6 0 2，用以輸出充電電 壓。充電控制裝置6 0 4，控制電源供應裝置6 0 2，用以改變 電源供應裝置6 0 2所輸出之充電電壓。 充電偵測電路6 2，包括：一電池管理裝置6 2 6、一處 理裝置6 2 4以及一開關裝置6 2 2。電池管理裝置6 2 6，用以 偵測串聯電池模組6 4之充電電流、充電電池的電壓或溫 度…等狀態。處理裝置6 2 4，根據電池管理裝置6 2 6所偵測 的狀態，控制充電控制裝置6 0 4及開關裝置6 2 2。 例如：當電池管理裝置6 2 6偵測出串聯電池模組6 4之 溫度異常時，則透過處理裝置6 2 4，控制充電控制裝置 6 04，用以改變充電電壓，或是關閉開關裝置6 2 2，使得串 聯電池模組6 4無法接收充電電壓，直到異常現象排除。 另外，開關裝置6 2 2係為一電晶體或繼電器開關，根 據處理裝置6 2 4的觸發信號，決定是否將充電電壓輸出至 串聯電池模組6 4。

0178-A20115TW(Nl);05-92040;joanne.ptd 第12頁 五、發明說明（8) ^電偵:]電路62所執行之充電程序，包括： 622，使得電路62之處理裝置624觸發開關裝置 電電^串^池模組64接收電源供應置⑽所輸出之充 (2 )充電偵測電路6 2之雷、a $ 模紐64中之每—古+官理裝置6 2 6偵測串聯電池 測電路62所偵測之；：池^充；;里裝置624根據充電侦 變電源供應置_之輸出二充電控制裝麵’藉以改 當串聯電池模έ且4巾夕/工 _ 設電壓時，則處理;置m—//電池電^於第-預 源供應置6〇2所輸出：置充電充電控制袭置6。4，減小電 Μ充電。由於充電出二=二繼， 小。 文』故對應之充電電流亦會變 當串聯電池模組64之充電電 則處理裝置624透過充電控制裝置6〇4，、二二預設電流時， 602所輸出之充電電壓，用以加快充電、亲為電源供應置 預設電流。 、 ^度，並降低第一 (4)電池管理裝置m持續偵測串 充电電池電壓及串聯電池模組以之 池模組64中之每 充弘電壓及第—預設電流；去一 ^二％流，用以調整 電流，且充電電流小於第二預設電漭日t兔旋小於第二預設 池模組64充電。 、叹級守’則停止對串聯電 1253195 五、發明說明（9) 為了使得每個充電電池在充電後，均能達到飽和狀 態，故針對每個充電電池作等化程序，用以需縮小每個充 電電池間的電壓差距。故本實施例之充電系統更包括：一 電壓平衡裝置6 2 8，用以平衡串聯電池模組6 4中，每一充 電電池之電壓。 縮小每個充電電池間的電壓差距的方法有 > —.一疋將 每個充電電池並聯一電阻器，並以一可控制開關在適當的 時機使電池的電能經由此一電阻器消耗，來降低其電壓， 使其端電壓與其他電池接近；另一方法是，利用一電能轉 換裝置，藉以將電池電能在每個充電電池間轉移，使得各 充電電池之間的電壓接近。 第6圖顯示本發明之充電示意圖。假設，串聯電池模 組中之充電電池，在充電過程中，同時啟動電池模組内的 電池平衡裝置，使單元電池之間的電壓逐漸等化。在本發 明當中，採用的等化方式是以電阻消耗式將電池模組當中 電壓較高的單元以並接電阻器進行放電。使用電池平衡裝 置配合本發明的充電方法，可以減緩容量較高的電池單元 的充電速率。延後該電池電壓到達充電上限電壓的時間， 對於將模組電池充入較多能量也有明顯的幫助。 接著將舉例說明本發明之充電方法。一開始在區域A1 中，電源供應裝置602提供之充電電壓為30V，由於充電電 壓與串聯電池模組中之充電電池之電壓相差超過一額定 值，故一開始充電器的電壓受限於電流額定限制，因而係 以定電流方式充電，如區域A3所示，假設，此時充電電流

0178-A20115TW(Nl);05-92040;joanne.ptd 第14頁 1253195 、發明說明（10) 為3 A ’而串聯電池模組中之充電電池之電壓慢慢上升，如 區域A 2所示。 當某一充電電池之電壓大於預設之電池電壓4.15V f ’則充電電壓由30V減小至29. 8V，如區域B1所示。此 時’區域B2之充電電池電壓將往下降，並且區域B3之充電 電流亦會下降。由A3區進入B3區過程當中，因為總電壓驟 降0 · 2 V，使得充電電流驟降。同時也使各充電電池的電壓 也有小幅驟降’然後隨著充電電池的電壓上昇，充電電流 也緩和下降。雖然在B3區當中，充電電流低於^，充電電 源是處於定電壓模式。然而，由於電源供應裝置6〇與串聯 電池模組64之間導線與開關阻抗等因素造成 y 充電電池的電壓並非固定。 + 當某一充電電池之電壓再度大於預設之電池電壓 = 15V時，則充電電壓由29.8¥再減小至29·6ν /如區^或以 :示。同樣地’在B1，C1，D1等區域之間的充電電壓變 '，也使充電電流以及單元電池電壓具有祧 此時，區域C2之充電電池電壓將往下降， Λ 電電流亦會向下調整。 亚且區域C3之充 當充電電流小於第一預設電流時（本實 提高充電電壓，如區域D1所示，用以加快充：列為 Ji 且，區域D2之充電電池電壓將往上升。此电速度；亚 電流由1Α減小至G.9A。利用提高的充電電:，將第一預設 電池充電，當某一充電電池電壓大於4二，繼續對充電 充電電壓，此時，充電電流亦會降低。〗，則再降低

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1253195 五、發明說明（π) 當充電電流小於第一預設電流〇 . 9Α時，則再提高充電 電壓，並減小第一預設電流，直到第一預設電流小於第二 預設電流。在本實施例中，第二預設電流為〇. 1 Α。當充電 電流小於0. 1 A時，表示充電電池處於充飽狀態，便可結束 充電程序◦本發明並不限定充電電壓及充電電流所減小之 值。 第7a圖顯示習知（一）之充電曲線圖。習知（一）未經過 等化程序，故一充電電池間之壓差很大，並且，習知（一） 亦不具有充電控制器，因此，當某一充電電池達到上限電 壓時，則結束充電動作，將造成使得其它充電電池並未充 飽。 第7b圖顯示習知（二）之充電曲線圖。習知（二）具備有 等化程序之電壓平衡裝置，雖然在電池充電結束之前，各 電池之間的電壓尚未完全平衡，但各電池之間的電壓差異 比第7a圖當中的各電池差異較小。但習知（二）不具有充電 控制器，故需較長之充電時間。 第7c圖顯示本發明之充電曲線圖。由於本發明之充電 電池在充電的過程當中同時進行等化程序，並且採用本發 明之充電控制器，用以適時控制充電電壓及充電電流。在 充電的過程中，一方面消耗端電壓較高的電池容量，以延 後碰觸到上限電壓的情況發生，爭取較多的時間來充入更 多的容量。同時利用充電電壓的設定調整充電速率，因 此，本發明可在短時間内，充飽每一充電電池。從第7 a圖 到第7 c圖的實驗，可以歸納出三種充電方式所花費的充電

0178-A20115TW(Nl);05-92040;joanne.ptd 第16頁 1253195 五、發明說明（12) 時間與最後充電容量。 表一為第7a〜7c圖之比較結果 測試内容 充電時間 充電容董 無等化無充電控制器（第7a ® ) 2小時47分 82% 有等化無充電控制器（苐7b圖） 6小時27分 95% 有等化有充電控制器（苐7c遛） 4小時48分 98% 由表一可知，習知（一）之充電方法，雖然充電時間很 短，並非每一充電電池均充飽。在量測所有充電電池之電 壓並與充電容量對開回路電壓曲線比較後，得知最小電池 電壓之充電容量只有8 2 %。而習知（二）之最小電池電壓之 充電容量可達9 5 %，但需要非常長之充電時間。本發明之 最小電池電壓之充電容量可達9 8 %，並且，減小充電電池 的充電時間。 綜上所述，本發明具有以下優點： 一、 電路設計簡單，根據充電電池之充電狀態，調整 充電電壓及充電電流，便可得到高充電效率之充電電路。 二、 充電效率高：透過充電電壓及充電電流之控制， 便可大幅降低充電電池的充電時間，並且提高充電電池之 充電容量。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，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 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，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。

0178-A20115TW(Nl);05-92040;joanne.ptd 第17頁 1253195 圖式簡單說明 第1 a、1 b圖顯示定電壓限電流充電方式之電池電壓示 意圖。 第2圖顯示脈衝充電方式之電池電壓示意圖。 第3圖顯示多階段定電流充電方式之電池電壓示意 圖。 第4圖顯示本發明充電方法之一可能實施例。 第5圖顯示本發明之一實施例方塊圖。 第6圖顯示本發明之充電示意圖。 第7 a圖顯示習知（一）之充電曲線圖。 第7 b圖顯示習知（二）之充電曲線圖。 第7 c圖顯示本發明之充電曲線圖。 【符號說明】 60 ： 電源供應電路； 62 ： 充電偵測電路； 64 ： 串聯電池模組； 602 電源供應裝置； 604 充電控制裝置； 622 開關裝置； 624 處理裝置； 626 電池管理裝置； 628 電壓平衡裝置。

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Claims (1)

1253195 六、申請專利範圍 1. 一種充電方法，適用於一串聯電池模組，包括下列 步驟： 提供一充電電壓予上述串聯電池模組； 偵測上述串聯電池模組中之每一電池電壓； 當任一上述電池電壓大於一第一預設電壓時，則降低 上述充電電壓； 持續偵測每一上述電池電壓，用以改變上述充電電 壓，直到上述串聯電池模組之狀態到達一預設條件，則停 止對上述串聯電池模組充電。 2. 如申請專利範圍第1項所述之充電方法，其中，當 上述串聯電池模組之充電電流小於一第一預設電流時，則 提高上述充電電壓。 3. 如申請專利範圍第2項所述之充電方法，其中，當 串聯電池模組之充電電流小於上述第一預設電流時，則降 低上述第一預設電流。 4. 如申請專利範圍第3項所述之充電方法，其中，當 上述第一預設電流小於一第二預設電流時，且上述串聯電 池模組之充電電流小於上述第二預設電流時，則停止對上 述串聯電池模組充電。 5. 如申請專利範圍第1項所述之充電方法，更包括： 一等化步驟，用以平衡上述串聯電池模組中之電池電壓。 6. —種充電系統，用以對一串聯電池模組充電，其 中，上述串聯電池模組係由複數電池串聯所組成，上述充 電系統，包括：

0178-A20115TW(Nl);05-92040;joanne.ptd 第19頁 1253195 六、申請專利範圍 一電源供應電路，提供一充電電壓； 一充電偵測電路，耦接於上述電源供應裝置與串聯電 池模組之間，以進行一充電程序； 其中，上述充電程序包括：提供上述充電電壓予上述 串聯電池模組；偵測上述串聯電池模組中之每一電池電 壓；當任一上述電池電壓大於一第一預設電壓時，則降低 上述充電電壓；持續偵測每一上述電池電壓，用以改變上 述充電電壓，直到上述串聯電池模組之狀態到達一預設條 件，則停止對上述串聯電池模組充電。 7. 如申請專利範圍第6項所述之充電系統，更包括： 一電壓平衡裝置，用以平衡上述串聯電池模組中之每一電 池之電壓。 8. 如申請專利範圍第7項所述之充電系統，其中，上 述電源供應電路，包括： 一電源供應裝置，用以輸出上述充電電壓；以及 一充電控制裝置，控制上述電源供應裝置，用以改變 上述充電電壓。 9. 如申請專利範圍第8項所述之充電系統，其中，上 述充電偵測電路，包括： 一電池管理裝置，用以偵測上述串聯電池模組之狀 態； 一處理裝置，根據上述電池管理裝置之偵測結果，控 制上述充電控制裝置。 1 0.如申請專利範圍第9項所述之充電系統，其中，上

0178-A20115TW(N1);05- 92040;j oanne.p td 第20頁 1253195_ 六、申請專利範圍 述充電偵測電路，更包括：一開關裝置，耦接上述電源供 應電路及•聯電池模組之間。 11 .如申請專利範圍第1 0項所述之充電系統，其中， 當上述串聯電池模組之充電電流小於一第一預設電流時， 則上述充電控制裝置提高上述充電電壓。 1 2 .如申請專利範‘圍第1 1項所述之充電系統，其中， 當上述充電電壓被提高時，則上述處理裝置降低上述第一 預設電流。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項所述之充電系統，其中， 當上述串聯電池模組之充電電流小於一第二預設電流時， 則上述處理裝置不導通上述開關裝置，用以停止對上述串 聯電池模組充電。 1 4.如申請專利範圍第1 0項所述之充電系統，其中， 當上述串聯電池模組之溫度大於一預設值時，則上述處理 裝置不導通上述開關裝置，用以停止對上述串聯電池模組 充電。

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