TWI403071B - A charging method for a rechargeable battery and a charging device thereof - Google Patents

A charging method for a rechargeable battery and a charging device thereof Download PDF

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Description

用於充電電池的充電方法及其充電裝置
本發明係關於充電方法與充電裝置，其特別係關於用於充電電池的充電方法及其充電裝置，能夠縮短整體充電時間。
美國專利公開公報US20080309293A1「多段式充電電池模組的方法(Method for charging battery module in multiple stages)」，已揭露一種多段式充電電池模組的方法，適用於包括多個電芯並聯組之電池模組。US20080309293A1採用電壓控制或電流控制的方式，在對電池模組充電之初維持定電流充電，而當電池模組中某個電芯並聯組的電壓達到其安全值，或是電池模組之總電壓達到額定電壓時，大幅度調降充電電流以降低充電速度，因此能夠避免電池發生安全性的問題，並提升電池的壽命。然而，由於US20080309293A1大幅度調降充電電流以降低充電速度，而使得整體充電時間變長。
本發明發明人有鑑於上述習知技藝的缺失，乃亟思發明改良，而改良出一種一種用於充電電池的充電方法及其充電裝置，可縮短充電電池的整體充電時間。
本發明的目的乃是提供一種用於充電電池的充電方法及其充電裝置，可用來縮短充電電池的整體充電時間。
為了達成本發明上述目的，本發明提供一種用於充電電池的充電方法，適用於充電電池，該充電方法先將該充電電池充電達到第一預設電壓，然後再將該充電電池充電達到第二預設電壓，該充電方法包括下列步驟：a.以第一預設電流作為充電電流，以該第一預設電流對該充電電池進行定電流充電，直到該充電電池第一次達到該第一預設電壓；b.將該充電電池前一次達到該第一預設電壓所使用的充電電流減去一個電流差值作為新的充電電流，以該新的充電電流對該充電電池進行定電流充電，直到該充電電池再次達到該第一預設電壓；c.重複步驟(b)一直到該新的充電電流等於第二預設電流為止。d.以步驟(c)的第二預設電流作為另一新的充電電流，以第二預設電流對充電電池進行定電流充電，直到充電電池第一次達到第二預設電壓。
再者，為了達成本發明上述目的，本發明提供一種用於充電電池的充電裝置，適用於充電電池，該充電裝置係用於先將該充電電池充電達到第一預設電壓，然後再將該充電電池充電達到第二預設電壓，該充電裝置包括：控制器其係連接充電電路以及電壓偵測電路，以及係用於執行下列程序：程序(a)係以第一預設電流作為充電電流，以該第一預設電流對該充電電池進行定電流充電，直到該充電電池第一次達到該第一預設電壓；程序(b)係將該充電電池前一次達到該第一預設電壓所使用的充電電流減去電流差值作為新的充電電流，以該新的充電電流對該充電電池進行定電流充電，直到該充電電池再次達到該第一預設電壓；程序(c)係重複程序(b)一直到該新的充電電流等於第二預設電流為止；程序(d)係以程序(c)的第二預設電流作為另一新的充電電流，以該第二預設電流對該充電電池進行定電流充電，直到該充電電池第一次達到該第二預設電壓；該充電電路其係受控於該控制器，以及係連接該充電電池，以及係用於提供該程序(a)至程序(d)的所有充電電流；該電壓偵測電路其係受控於該控制器，以及係連接該充電電池，以及係用於偵測該充電電池的電壓。
為使　貴審查委員對本發明之構造、特徵及其使用功效有更深一層的認識與瞭解，茲舉較佳之可行實施例並配合圖式詳細說明如下：
第一圖顯示本發明用於充電電池的充電方法的流程圖，以及第二圖顯示應用本發明用於充電電池的充電裝置的架構圖。本發明的充電方法10可實施於多段式充電方法。在多段式(Multiple stages)充電方法中，充電電池30要從各階段的目前電池電壓Vn 要被充電到電壓Vn+1 ，其中n是大於0的正整數，即可採用本發明的充電方法10。本發明的充電方法10可適用於由至少一個以上的鋰離子充電電池蕊或鋰聚合物充電電池蕊或其它可充電電池蕊所組成的充電電池30。
茲舉以鋰聚合物充電電池作為充電電池30的範例，用來詳細說明本發明充電方法10是如何對鋰聚合物充電電池30進行充電，但本發明並不挶限在本範例。依據製造本範例的鋰聚合物充電電池30廠商所提供的產品規格(Product specification)，鋰聚合物充電電池30的額定電壓為3.65V，最大充電電壓(Vchg )為4.2V。鋰聚合物充電電池30在介於20℃至50℃之間的定電流充電作業條件為：採以0.8C定電流充電到4.0V；在4.0V~4.1V之間，採以0.2C定電流充電；在4.1V~4.2V之間，採以0.1C定電流充電。鋰聚合物充電電池30在介於20℃至50℃之間的定電壓充電作業條件為：以定電壓4.2V充電，且在充電電流小於或等於0.05C的情形發生時即完成充飽電作業。
為了要符合對上述鋰聚合物充電電池30的定電流充電作業條件，乃必須採用多段式充電方法。在第一階段(First stage)中，鋰聚合物充電電池30例如要從目前電池電壓3V(V1 )要被充電到電壓4.0V(V2 )。在第二階段(Second stage)中，鋰聚合物充電電池30要從目前電池電壓4.0V(V2 )要被充電到電壓4.1V(V3 )。在第三階段(Third stage)中，鋰聚合物充電電池30要從目前電池電壓4.1V(V3 )要被充電到電壓4.2V(V4 )。本發明充電方法10可分別實施於各個第一、二、三階段。
本發明充電方法10包括步驟101至步驟107，茲分別說明如下內文。步驟101係以第一預設電流作為充電電流，以第一預設電流對充電電池30進行定電流充電，直到充電電池30第一次達到第一預設電壓。請配合參見第二、三圖，以及第三圖的曲線40是代表上述鋰聚合物充電電池30在充電進行當中的目前電壓變化曲線。茲舉出上述鋰聚合物充電電池30在第一階段中，鋰聚合物充電電池30例如要從目前電池電壓3V(V1 )要被充電到電壓4.0V(V2 )，來詳細說明步驟101。依據上述的定電流充電作業條件，第一預設電流採用為0.8C，第一預設電壓採用為4.0V。控制器201令充電電路203產生0.8C定電流，對鋰聚合物充電電池30進行充電。同時，控制器201每間隔一預定時間(例如1秒)，令電壓偵測電路205偵測鋰聚合物充電電池30的目前電壓，然後，控制器201判斷目前電壓是否達到4.0V。如果鋰聚合物充電電池30的目前電壓已達到4.0V，則跳入執行步驟103。如果鋰聚合物充電電池30的目前電壓尚未達到4.0V，則繼續以0.8C定電流充電，直到第一次達到4.0V。
茲再舉出上述鋰聚合物充電電池30在第二階段中，鋰聚合物充電電池30要從目前電池電壓4.0V(V2 )要被充電到電壓4.1V(V3 )，來詳細說明步驟101。依據上述的定電流充電作業條件，第一預設電流採用為0.2C，第一預設電壓採用為4.1V。控制器201令充電電路203產生0.2C定電流，對鋰聚合物充電電池30進行充電。同時，控制器201每間隔一預定時間(例如1秒)，令電壓偵測電路205偵測鋰聚合物充電電池30的目前電壓，然後，控制器201判斷目前電壓是否達到4.1V。如果鋰聚合物充電電池30的目前電壓已達到4.1V，則跳入執行步驟103。如果鋰聚合物充電電池30的目前電壓尚未達到4.1V，則繼續以0.2C定電流充電，直到第一次達到4.1V。
茲再舉出上述鋰聚合物充電電池30在第三階段中，鋰聚合物充電電池30要從目前電池電壓4.1V(V3 )要被充電到電壓4.2V(V4 )，來詳細說明步驟101。依據上述的定電流充電作業條件，第一預設電流採用為0.1C，第一預設電壓採用為4.2V。控制器201令充電電路203產生0.1C定電流，對鋰聚合物充電電池30進行充電。同時，控制器201每間隔一預定時間(例如1秒)，令電壓偵測電路205偵測鋰聚合物充電電池30的目前電壓，然後，控制器201判斷目前電壓是否達到4.2V。如果鋰聚合物充電電池30的目前電壓已達到4.2V，則跳入執行步驟103。如果鋰聚合物充電電池30的目前電壓尚未達到4.2V，則繼續以0.1C定電流充電，直到第一次達到4.2V。
步驟103係將充電電池30前一次達到第一預設電壓所使用的充電電流減去一電流差值作為新的充電電流，以該新的充電電流對充電電池30進行定電流充電，直到充電電池30再次達到第一預設電壓。茲承續上述鋰聚合物充電電池30的範例，來詳細說明步驟103。此時，鋰聚合物充電電池30已完成第一階段的步驟101。控制器201進行計算，以將第一階段的第一預設電壓4.0V(V2 )所使用的0.8C充電電流減去一個電流差值(例如50mA)，來作為新的充電電流，接著，控制器201令充電電路203產生這新的充電電流的定電流，對鋰聚合物充電電池30進行充電。同時，控制器201每間隔一預定時間(例如1秒)，令電壓偵測電路205偵測鋰聚合物充電電池30的目前電壓，然後，控制器201判斷目前電壓是否再次達到第一預設電壓(4.0V)。如果鋰聚合物充電電池30的目前電壓再次達到4.0V，則跳入執行步驟105。如果鋰聚合物充電電池30的目前電壓尚未達到4.0V，則繼續以這新的充電電流的定電流充電，直到再次達到4.0V。
另一方面，上述電流差值可以採取介於0.8C至0.2C的遞減等差數列的公差數或是其它數列，依據鋰聚合物充電電池30的定電流充電作業條件，其中0.8C乃是第一階段的充電電流，而0.2C乃是第二階段的充電電流。
茲再舉出上述鋰聚合物充電電池30已完成第二階段的步驟101的範例，來加以說明步驟103。控制器201進行計算，以將第二階段的第一預設電壓4.1V(V3 )所使用的0.2C充電電流減去一個電流差值(例如50mA)，來作為新的充電電流，接著，控制器201令充電電路203產生這新的充電電流的定電流，對鋰聚合物充電電池30進行充電。同時，控制器201每間隔一預定時間(例如1秒)，令電壓偵測電路205偵測鋰聚合物充電電池30的目前電壓，然後，控制器201判斷目前電壓是否再次達到第一預設電壓(4.1V)。如果鋰聚合物充電電池30的目前電壓再次達到4.1V，則跳入執行步驟105。如果鋰聚合物充電電池30的目前電壓尚未達到4.1V，則繼續以這新的充電電流的定電流充電，直到再次達到4.1V。
另一方面，上述電流差值可以採取介於0.2C至0.1C的遞減等差數列的公差數或是其它數列，依據鋰聚合物充電電池30的定電流充電作業條件，其中0.2C乃是第二階段的充電電流，而0.1C乃是第三階段的充電電流。
茲再舉出上述鋰聚合物充電電池30已完成第三階段的步驟101的範例，來加以說明。此時的鋰聚合物充電電池30的電壓是第一次到達充電電壓(Vchg )的值，這時的鋰聚合物充電電池30僅再進行定電壓充電，不再進行充電電路203調降充電電流的充電方式。鋰聚合物充電電池30的實際電流會因鋰聚合物充電電池30與充電裝置20間的電壓差縮小而自動減少，直至平均電流小於0.05C之時，控制器201會判定為充電完成並停止充電。
步驟105係重複步驟103一直到該新的充電電流等於第二預設電流為止。第二預設電流可採用任何小於第一預設電流的值。茲承續上述鋰聚合物充電電池30的範例，來詳細說明步驟105。此時，鋰聚合物充電電池30已完成第一階段的步驟103，並且鋰聚合物充電電池30的目前電壓已經發生抵達到4.0V的情況。控制器201判斷該新的充電電流是否等於第二預設電流，如果判斷為真的話，則跳入執行步驟107；如果判斷為偽的話，則返回執行步驟103。此處的第二預設電流的範例值是0.2C。
茲再舉出上述鋰聚合物充電電池30已完成第二階段的步驟103，再來詳細說明步驟105。鋰聚合物充電電池30的目前電壓已經發生抵達到4.1V的情況。控制器201判斷該新的充電電流是否等於第二預設電流。鋰聚合物充電電池30的目前電壓只要抵達到4.1V，則控制器201必須馬上切斷充電，此時的鋰聚合物充電電池30的電壓可能會下降。如果判斷為真的話，則跳入執行步驟107；如果判斷為偽的話，則返回執行步驟103。此處的第二預設電流的範例值是0.1C。
在鋰聚合物充電電池30的目前電壓尚未第一次到達到達充電電壓(Vchg )之前，步驟103與步驟105的功能乃是逐次地小幅度遞減對充電電池30的充電電流，以降低對充電電池30的負面影響，如此可縮短充電電池30的整體充電時間。同時，步驟103與步驟105的另項功能乃可確保充電電池30在這階段所完成充電作業，可讓充電電池30的目前電壓能夠維持或非常接近在第一預設電壓，如此使得下一個充電階段開始進行後，充電電池30的目前電壓即會自第一預設電壓開始上升，或是自非常接近於第一預設電壓開始上升。
步驟107係以步驟105的第二預設電流作為另一個新的充電電流，以該第二預設電流對充電電池30進行定電流充電，直到充電電池30第一次達到第二預設電壓。茲承續上述鋰聚合物充電電池30的範例，來詳細說明步驟107。此時，鋰聚合物充電電池30已完成第一階段的步驟101、步驟103與步驟105，接著將要繼續進行第二階段的定電流充電作業。由於鋰聚合物充電電池30的目前電壓能夠維持或非常接近在第一預設電壓4.0V(V2 )，鋰聚合物充電電池30的目前電壓會因為第二預設電流(0.2C)定電流進行充電的原因，即會自第一預設電壓4.0V(V2 )開始上升，或是自非常接近於第一預設電壓4.0V(V2 )開始上升。控制器201令充電電路203產生第二預設電流(0.2C)的定電流，對鋰聚合物充電電池30進行充電。同時，控制器201每間隔一預定時間(例如1秒)，令電壓偵測電路205偵測鋰聚合物充電電池30的目前電壓，然後，控制器201判斷目前電壓是否第一次達到第二預設電壓(4.1V)。如果鋰聚合物充電電池30的目前電壓乃第一次達到第二預設電壓(4.1V)，則結束步驟107。如果鋰聚合物充電電池30的目前電壓尚未達到第二預設電壓(4.1V)，則繼續以第二預設電流(0.2C)進行定電流充電，直到第一次達到第二預設電壓(4.1V)。
茲再舉出上述鋰聚合物充電電池30已完成第二階段的步驟101、步驟103與步驟105，接著將要繼續進行第三階段的定電流充電作業。由於鋰聚合物充電電池30的目前電壓能夠維持或非常接近在第一預設電壓4.1V(V3 )，鋰聚合物充電電池30的目前電壓會因為第二預設電流(0.1C)進行定電流充電的原因，即會自第一預設電壓4.1V(V3 )開始上升，或是自非常接近於第一預設電壓4.1V(V3 )開始上升。控制器201令充電電路203產生第二預設電流(0.1C)的定電流，對鋰聚合物充電電池30進行充電。同時，控制器201每間隔一預定時間(例如1秒)，令電壓偵測電路205偵測鋰聚合物充電電池30的目前電壓，然後，控制器201判斷目前電壓是否第一次達到第二預設電壓(4.2V)。如果鋰聚合物充電電池30的目前電壓乃第一次達到第二預設電壓(4.2V)，則結束步驟107。如果鋰聚合物充電電池30的目前電壓尚未達到第二預設電壓(4.2V)，則繼續以第二預設電流(0.1C)進行定電流充電，直到第一次達到第二預設電壓(4.2V)。
另一方面，上述步驟107的第二預設電流乃可直接依據鋰聚合物充電電池30的定電流充電作業條件，來予以設定。
當充電電池30完成第三階段的步驟101至步驟107後，此時的鋰聚合物充電電池30的目前電壓會發生第一次到達到達充電電壓(Vchg )的情況，接著，依據鋰聚合物充電電池30的定電壓充電作業條件，以定電壓4.2V再接續進行充電，並且當充電電流小於或等於0.05C的情形發生時，即完成充電作業，此時，充電電池30已被充飽電。
在第二圖中，充電裝置20是實現了本發明上述的充電方法10，充電裝置20乃包括：控制器201、充電電路203與電壓偵測電路205。控制器201乃分別連接與控制充電電路203與電壓偵測電路205，以及用於執行充電方法10的步驟101至步驟107。充電電路203乃受控於控制器201，以及係連接充電電池30，以及係用於提供該步驟101至步驟107的所有充電電流。電壓偵測電路205乃受控於控制器201，以及係連接充電電池30，以及係用於偵測充電電池30的電壓，並將偵測到的電壓訊號傳輸至控制器201。
控制器201、電壓偵測電路205以及鋰聚合物充電電池30是可以被包裝成一個電池包(Battery pack)，這電池包在第二圖中採以虛線框表示。控制器201、充電電路203與電壓偵測電路205乃分別可直接採用對應的相關習知電路技藝或是習知電路元件。
本發明充電方法10與充電裝置20所使用的充電電壓(Vchg )其電壓值，乃可依據鋰聚合物充電電池30的定電流充電作業條件，採用最大充電電壓4.2V。
本發明的充電方法及其充電裝置，可用來縮短充電電池的整體充電時間，可改善習知多段式充電手段在充電階段轉換中，大幅度地且立即性地下降充電電流，而衍生延長整體充電時間的問題，本發明的顯著功效增進即在此處。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能用以限定本發明可實施之範圍，凡熟悉於本技藝人士所明顯可作變化與修飾，皆應視為不悖離本發明之實質內容。
10．．．充電方法
20．．．充電裝置
30．．．充電電池
40．．．曲線
101~107．．．步驟
201．．．控制器
203．．．充電電路
205．．．電壓偵測電路
第一圖顯示本發明用於充電電池的充電方法的流程圖。
第二圖顯示應用本發明用於充電電池的充電裝置的架構圖。
第三圖顯示依照本發明充電方法的對充電電池進行充電的充電曲線圖。
10．．．充電方法
101~107．．．步驟

Claims (20)

  1. 一種用於充電電池的充電方法，適用於一充電電池，該充電方法先將該充電電池充電達到一第一預設電壓，然後再將該充電電池充電達到一第二預設電壓，該充電方法包括下列步驟：a.　以一第一預設電流作為一充電電流，以該第一預設電流對該充電電池進行定電流充電，直到該充電電池第一次達到該第一預設電壓；b.　將該充電電池前一次達到該第一預設電壓所使用的充電電流減去一電流差值作為新的充電電流，以該新的充電電流對該充電電池進行定電流充電，直到該充電電池再次達到該第一預設電壓；c.　重複步驟(b)一直到該新的充電電流等於一第二預設電流為止；d.　以步驟(c)的該第二預設電流作為另一新的充電電流，以該第二預設電流對該充電電池進行定電流充電，直到該充電電池第一次達到該第二預設電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之充電方法，其中該步驟(a)至該步驟(d)的定電流充電步驟，係皆在相同的充電壓壓值下進行。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之充電方法，其中該步驟(c)的該第二預設電流係為以該新的充電電流對該充電電池一開始進行定電流充電之時，該充電電池的電壓是維持或抵達在該第一預設電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之充電方法，其中該步驟(c)的該第二預設電流係直接依據該充電電池的定電流充電作業條件而予以設定，或是小於該第一預設電流的值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之充電方法，其中該步驟(a)至該步驟(d)，係在該充電電池的電壓係小於等於一充電電壓之前執行。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之充電方法，進一步包括：當該充電電池的電壓係第一次達到一充電電壓時，對該充電電池改為進行定電壓充電至該充電電池的充電電流小於一預定值為止的步驟。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之充電方法，其中該充電電池，係至少包括一個以上的鋰聚合物充電電池蕊。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之充電方法，其中該充電電池，係至少包括一個以上的鋰離子充電電池蕊。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之充電方法，其中該充電電池，係至少包括一個以上的可充電電池蕊。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之充電方法，其中該步驟(d)的第二預設電流，係可直接設定一充電電流值，以取代該新的充電電流。
  11. 一種用於充電電池的充電裝置，適用於一充電電池，該充電裝置係用於先將該充電電池充電達到一第一預設電壓，然後再將該充電電池充電達到一第二預設電壓，該充電裝置包括：一控制器，係連接一充電電路以及一電壓偵測電路，以及係用於執行下列程序：a.　以一第一預設電流作為一充電電流，以該第一預設電流對該充電電池進行定電流充電，直到該充電電池第一次達到該第一預設電壓；b.　將該充電電池前一次達到該第一預設電壓所使用的充電電流減去一電流差值作為新的充電電流，以該新的充電電流對該充電電池進行定電流充電，直到該充電電池再次達到該第一預設電壓；c.　重複程序(b)一直到該新的充電電流等於一第二預設電流為止；d.　以程序(c)的該第二預設電流作為另一新的充電電流，以該第二預設電流對該充電電池進行定電流充電，直到該充電電池第一次達到該第二預設電壓；該充電電路，係受控於該控制器，以及係連接該充電電池，以及係用於提供該程序(a)至程序(d)的所有充電電流；該電壓偵測電路，係受控於該控制器，以及係連接該充電電池，以及係用於偵測該充電電池的電壓。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之充電裝置，其中該程序(a)至該程序(d)的定電流充電步驟，係皆在相同的充電壓壓值下進行。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之充電裝置，其中該程序(c)的該第二預設電流係為以該新的充電電流對該充電電池一開始進行定電流充電之時，該充電電池的電壓是維持或抵達在在該第一預設電壓。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之充電裝置，其中該程序(c)的該第二預設電流係直接依據該充電電池的定電流充電作業條件而予以設定，或是小於該第一預設電流的值。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之充電裝置，其中該程序(a)至該程序(d)，係在該充電電池的電壓係小於等於一充電電壓之前執行。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之充電裝置，進一步包括：當該充電電池的電壓係第一次達到一充電電壓時，對該充電電池改為進行定電壓充電至該充電電池的充電電流小於一預定值為止的程序。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之充電裝置，其中該充電電池，係至少包括一個以上的鋰聚合物充電電池蕊。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之充電裝置，其中該充電電池，係至少包括一個以上的鋰離子充電電池蕊。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之充電裝置，其中該充電電池，係至少包括一個以上的可充電電池蕊。
  20. 如申請專利範圍第11項所述之充電裝置，其中該程序(d)的第二預設電流，係可直接設定一充電電流值，以取代該新的充電電流。
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