TWI440280B - Automatic tracking of the best charging frequency of the chord battery charger - Google Patents

Automatic tracking of the best charging frequency of the chord battery charger Download PDF

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Description

自動追蹤最佳充電頻率弦波電池充電器
本發明主要是一種以弦波型式進行電池充電的裝置與方法，更進一步是具有自動追蹤與鎖定於電池諧振頻率，以做為電池之最佳充電頻率之裝置與方法。
近幾年隨著電子技術的日益進步及快速發展，各種攜帶型隨身電器日益普及，如：行動電話、筆記型電腦、MP3......等。而二次電池對於這些攜帶型設備是主要的電力來源。另隨著再生能源及電動車之發展，電池儲能系統成為其關鍵子系統。因此，電池充電的技術相對地日趨重要。目前已經提出許多種的電池充電技術：如定電流點滴式電流充電技術(Constant Trickle Current Charge，CTC)、定電流(Constant Current，CC)充電技術與定電流－定電壓(Constant Current and Constant Voltage，CC-CV)充電技術[參考文獻1]。上述的技術中，「定電壓－定電流」充電方法是最被廣泛使用的，然而其充電性能卻未能滿足使用者的需求。因此後續更提出應用類神經網路、遺傳算法、螞蟻演算法和灰預測法等方式，企圖提升更高的電池充電效能[參考文獻2-6]。然這些充電系統的主要缺點在於電路複雜且價格昂貴，有鑑於此，亦有運用鎖相迴路技術的電池充電器以達到快速充電效果，並且有效降低電路成本[參考文獻7-10]。目前，先進的電池充電系統大多採用脈波充電，此充電方式可以讓電池中電解質的離子更均勻分佈，而達到延緩電池極化的目的，並且可以增加電池充電的速度與使用壽命[參考文獻11]。在脈波充電系統中，充電頻率為電池充電速度與充電電量之重要參數。傳統尋找最佳充電頻率的作法都是採用經驗法或嘗試法，並無探討如何決定其充電頻率[參考文獻12-16]。為了改善傳統方式進而尋找較為客觀的方法，須先了解電池的交流特性。圖1(a)所示為電池的交流阻抗模型，包含一個電子傳遞電阻 R ct (Charge Transfer Resistance)，一個離子擴散電抗 Z w (Warburg Impedance)，一電極與電解液間之等效電容 C d (Capacitance)並聯，一歐姆電阻 R o (Ohmic Resistance)及電極電感 L d (Electrode Inductance)串聯，最後連接一個理想電池(Ideal Battery)[參考文獻17-19]。將上述電池化為等效模型電路則為一個阻抗 z battery 與一個理想的電池串聯，如圖1(b)所示。將電池等效模型經由電路方式來分析，若在電池兩端加入一個變動頻率，則改變頻率的同時其電池阻抗亦隨之改變。所以，電池上電量損失的大小可以透過電源的頻率來控制。換句話說，若要在充電時使電池獲得最大的能量轉移效率，則須選擇電池阻抗的最小值。在此頻率下能使電池溫度不會大量上升，可以有效改善電池使用壽命的問題。
為此，本發明提出一種以弦波充電兼具有自動追蹤與鎖定於電池交流諧振頻率 f r ，以做為電池之最佳充電頻率之充電裝置，用以達成增加電池充電效率與充電速度，並改善電池使用壽命的問題。
參考文獻
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一種電池充電方法，其充電電壓波形或充電電流波形在同一時間至少一個為弦波(Sinusoidal Wave)波形。一種電池充電方法，其充電電壓波形或充電電流波形在同一時間至少一個為一具直流偏移之弦波波形。如上之電池充電方法，其充電頻率會隨電池的充電狀態變化而改變。如上之電池充電方法，其充電頻率為電池交流阻抗(AC Impedance)的諧振頻率。如上之電池充電方法，其充電頻率為電池最低交流阻抗所對應的頻率。
一種電池充電裝置，其至少包括一可控式弦波電源，用以輸出不同頻率的弦波電壓或電流對電池充電。
一種電池充電裝置，其至少包括一相位比較器，用以決定出電池的充電頻率。
一種電池充電裝置，其至少包括一可控式弦波電源、一小信號電壓偵測電路與一相位比較器。如上之電池充電裝置；其中，該可控式弦波電源，接收相位比較器的輸出相位差訊號，用以改變輸出弦波電源的頻率，直到相位比較器的輸出相位差訊號等於零；該小信號電壓偵測電路，用以量測電池的充電電壓，並濾除其直流成份以獲得其小信號電壓訊號，同時並將該小信號電壓訊號放大送至相位比較器；該相位比較器，接收可控式弦波電源傳來的電流相位訊號與小信號電壓偵測電路傳來的電壓相位訊號，並比較出兩者的相位差，並送至可控式弦波電源。如上之電池充電裝置，其可控式弦波電源至少包含一電壓控制振盪器與一電壓/電流轉換器，用以輸出不同頻率的弦波電流。如上之電池充電裝置，其小信號電壓偵測電路至少包含一高通濾波器與一放大器。
一種電池充電裝置，其至少包括一可控式弦波電源、一小信號電流偵測電路與一相位比較器所組成。如上之電池充電裝置；其中，該可控式弦波電源，接收相位比較器的輸出相位差訊號，用以改變輸出弦波電源的頻率，直到相位比較器的輸出相位差訊號等於零；該小信號電流偵測電路，用以量測電池的充電電流，並濾除其直流成份以獲得其小信號電流訊號，同時並將該小信號電流訊號放大送至相位比較器；該相位比較器，接收可控式弦波電源傳來的電壓相位訊號與小信號電流偵測電路傳來的電壓相位訊號，並比較出兩者的相位差，並送至可控式弦波電源。如上之電池充電裝置，其可控式弦波電源至少包含一電壓控制振盪器，用以輸出不同頻率的弦波電流。如上之電池充電裝置，其小信號電流偵測電路至少包含一高通濾波器與一放大器。
一種電池充電裝置，其至少包括一可控式弦波電源、一小信號電流偵測電路、一小信號電壓偵測電路與一相位比較器所組成。如上之電池充電裝置；其中，該可控式弦波電源，接收相位比較器的輸出相位差訊號，用以改變輸出弦波電源的頻率，直到相位比較器的輸出相位差訊號等於零；該小信號電流偵測電路，用以量測電池的充電電流，並濾除其直流成份以獲得其小信號電流訊號，同時並將該小信號電流訊號放大送至相位比較器；該小信號電壓偵測電路，用以量測電池的充電電壓，並濾除其直流成份以獲得其小信號電壓訊號，同時並將該小信號電壓訊號放大送至相位比較器；該相位比較器，接收小信號電壓偵測電路傳來的電壓相位訊號與小信號電流偵測電路傳來的電流相位訊號，並比較出兩者的相位差，同時送至可控式弦波電源。如上之電池充電裝置，其可控式弦波電源至少包含一電壓控制振盪器，用以輸出不同頻率的弦波電壓與電流。如上之電池充電裝置，其可控式弦波電源亦可至少包含一低通濾波器、一電壓控制振盪器、一放大器、一箝位電路與一電壓/電流轉換器，用以輸出不同頻率的弦波電壓與電流。
如圖2(a)所示，此為第一種實施方式的系統方塊圖，其包括一可控式弦波電源20、一小信號電壓偵測電路40、一相位比較器30與一電池10。該可控式弦波電源20，用以輸出不同頻率的弦波電源。該小信號電壓偵測電路40，用以量測電池的充電電壓V b =V b,dc +V b,ac ，並濾除其直流成份V b,dc 以獲得其小信號電壓訊號V b,ac 。該相位比較器30，用以比較電流與電壓兩者的相位差。動作原理如下：首先，可控式弦波電源20產生一弦波電流I C 對電池充電。接著，並透過小信號電壓偵測電路40測得電池的電壓相位訊號，並送至相位比較器30。此時，相位比較器30並接收經由可控式弦波電源20的電流相位訊號，用以得出電池10的電壓與電流之相位差。最後，可控式弦波電源20接收該相位差訊號，並據此改變其弦波電流充電頻率，使電池10的電壓與電流之相位差為零，就能使得電路永遠操作頻率於諧振頻率 f r 上，直至電池充滿電為止。如圖2(b)、2(c)和2(d)所示，為其波形示意圖。可看出可控式弦波電源20產生一弦波電流I C 對電池充電，如圖2(b)，而電池電壓含有一明顯的直流電壓成分V b,dc ，約等於電池的開路電壓，另亦含有一小信號交流電壓V b,ac ，其是由弦波電流流經電池的交流阻抗所造成，如圖2(c)。經過小信號電壓偵測電路40測得電池的小信號交流電壓V b,ac 也就是電壓相位訊號，如圖2(d)。
如圖3(a)所示，此為第二種實施方式的系統方塊圖，其包括一可控式弦波電源20、一小信號電流偵測電路50、一相位比較器30與一電池10。該可控式弦波電源20，用以輸出不同頻率的弦波電源。該小信號電流偵測電路50，用以量測電池的充電電流I C =I C,dc +I C,ac ，並濾除其直流成份I C,dc 以獲得其小信號電流訊號I C,ac 。該相位比較器30，用以比較電流與電壓兩者的相位差。動作原理如下：首先，可控式弦波電源20產生一弦波電壓V b 對電池充電。接著，並透過小信號電流偵測電路50測得電池的電流相位訊號，並送至相位比較器30。此時，相位比較器30並接收經由可控式弦波電源20的電壓相位訊號，用以得出電池10的電壓與電流之相位差。最後，可控式弦波電源20接收該相位差訊號，並據此改變其弦波電壓充電頻率，使電池10的電壓與電流之相位差為零，就能使得電路永遠操作頻率於諧振頻率 f r 上，直至電池充滿電為止。如圖3(b)、3(c)與3(d)所示，為其波形示意圖。可看出可控式弦波電源20產生一具明顯直流偏移之弦波電壓V b 對電池充電。如圖3(b)所示為弦波電壓V b ，其中該直流電壓成分V b,dc ，約等於電池的開路電壓，且弦波電壓的峰值等於電池的滿充電壓。電池的充電電流I C =I C,dc +I C,ac 如圖3(c)所示，其由直流成份I C,dc 與小信號電流訊號I C,ac 所構成。經過小信號電流偵測電路50測得電池的小信號電流波形也就是電流相位訊號如圖3(d)所示。
如圖4(a)所示，此為第三種實施方式的系統方塊圖，其包括一可控式弦波電源20、一小信號電壓偵測電路40、一小信號電流偵測電路50、一相位比較器30與一電池10。該可控式弦波電源20，用以輸出不同頻率的弦波電源。該小信號電壓偵測電路40，用以量測電池的充電電壓V b ，並濾除其直流成份V b,dc 以獲得其小信號電壓訊號V b,ac 。該小信號電流偵測電路50，用以量測電池的充電電流I C ，並濾除其直流成份I C,dc 以獲得其小信號電流訊號I C,ac 。該相位比較器30，用以比較電流與電壓兩者的相位差。動作原理如下：首先，可控式弦波電源20產生一弦波電流對電池充電。接著，並透過小信號電壓偵測電路40測得電池10的電壓相位訊號，及透過小信號電流偵測電路50測得電池10的電流相位訊號。此時，相位比較器30接收小信號電壓偵測電路40與小信號電流偵測電路50傳來的電壓與電流相位訊號，用以得出電池10的電壓與電流之相位差。接著，可控式弦波電源20接收該相位差訊號，並據此改變其弦波電流充電頻率，使電池10的電壓與電流之相位差為零，就能使得電路永遠操作頻率於諧振頻率 f r 上。當電池電壓達到滿充電壓時，可控式弦波電源20產生一弦波電壓對電池充電。接著，並透過小信號電壓偵測電路40測得電池10的電壓相位訊號，及透過小信號電流偵測電路50測得電池10的電流相位訊號。此時，相位比較器30接收該兩者相位訊號，用以得出電池10的電壓與電流之相位差。接著，可控式弦波電源20接收該相位差訊號，並據此改變其弦波電壓充電頻率，使電池10的電壓與電流之相位差為零，就能使得電路永遠操作頻率於諧振頻率 f r 上，直至電池充滿電為止。如圖4(b)與4(c)所示，為第三種實施方式的充電電壓與電流示意圖。系統一開始是用弦波電流對電池充電，當電池的閉路電壓(Close Circuit Voltage)到達電池滿充電壓後，改用弦波電壓對電池充電。
在第一種實施方式中，如圖2(a)所示。其中之可控式弦波電源可表示如圖5，其包含一低通濾波器210(Low Pass Filter)、一放大器220、一電壓控制振盪器230(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)、一箝位電路240(Clamp Circuit)與一電壓/電流轉換器250(Voltage-to-Current Converter)。首先，低通濾波器210接收相位比較器30傳來的相位差訊號，並將該其相位差訊號濾成一直流電壓，並將其送至放大器220放大，同時送至電壓控制振盪器230。接著，電壓控制振盪器230依據該直流電壓改變其輸出頻率。再來，經由箝位電路240調整其直流準位電壓，並將其送至電壓/電流轉換器250。最後，電壓/電流轉換器250就可輸出一弦波電流對電池充電。
在第二種實施方式中，如圖3(a)所示。其中之可控式弦波電源可表示如圖6，其包含一低通濾波器210、一放大器220、一電壓控制振盪器230與一箝位電路240。首先，低通濾波器210接收相位比較器30傳來的相位差訊號，並將該其相位差訊號濾成一直流電壓，並將其送至放大器220放大，同時送至電壓控制振盪器230。接著，電壓控制振盪器230依據該直流電壓改變其輸出頻率。最後，經由箝位電路240調整其直流準位電壓就可輸出一弦波電壓對電池充電。
在第三種實施方式中，如圖4(a)所示。其中之可控式弦波電源可表示如圖6，其包含一低通濾波器210、一放大器220、一電壓控制振盪器230、一箝位電路240、一電壓/電流轉換器250與一切換開關260。當可控式弦波電源工作在弦波電流充電時，切換開關260切至與電壓/電流轉換器250連接。首先，低通濾波器210接收相位比較器30傳來的相位差訊號，並將該其相位差訊號濾成一直流電壓，並將其送至放大器220放大，同時送至電壓控制振盪器230。接著，電壓控制振盪器230依據該直流電壓改變其輸出頻率。再來，經由箝位電路240調整其直流準位電壓，並將其送至電壓/電流轉換器250。最後，電壓/電流轉換器250就可輸出一弦波電流對電池充電。當可控式弦波電源工作在弦波電壓充電時，切換開關260切至與箝位電路240連接。首先，低通濾波器210接收相位比較器30傳來的相位差訊號，並將該其相位差訊號濾成一直流電壓，並將其送至放大器220放大，同時送至電壓控制振盪器230。接著，電壓控制振盪器230依據該直流電壓改變其輸出頻率。最後，經由箝位電路240調整其直流準位電壓就可輸出一弦波電壓對電池充電。
10．．．電池
20．．．可控式弦波電源
210．．．低通濾波器
220．．．放大器
230．．．電壓控制振盪器
240．．．箝位電路
250．．．電壓/電流轉換器
260．．．切換開關
30．．．相位比較器
40．．．小信號電壓偵測電路
50．．．小信號電流偵測電路
C d ．．．電極與電解液間之等效電容
I C ．．．電池電流
I C,ac ．．．電池小信號電流
I C,dc ．．．電池電流直流成分
L d ．．．電極電感
R ct ．．．電子傳遞電阻
R o ．．．歐姆電阻
V b ．．．電池電壓
V b,ac ．．．電池小信號電壓
V b,dc ．．．電池電壓直流成分
Z w ．．．離子擴散電抗
第1圖(a)：電池的交流阻抗模型圖。
第1圖(b)：電池的交流阻抗簡化圖。
第2圖(a)：第一種實施方式的系統方塊圖及其波形示意圖。
第2圖(b)：第一種實施方式的電池充電電流波形示意圖。
第2圖(c)：第一種實施方式的電池電壓波形示意圖。
第2圖(d)：第一種實施方式的電池小信號電壓訊號波形示意圖。
第3圖(a)：第二種實施方式的系統方塊圖及其波形示意圖。
第3圖(b)：第二種實施方式的電池充電電壓波形示意圖。
第3圖(c)：第二種實施方式的電池電流波形示意圖。
第3圖(d)：第二種實施方式的電池小信號電流訊號波形示意圖。
第4圖(a)：第三種實施方式的系統方塊圖及其波形示意圖。
第4圖(b)：第三種實施方式的電池充電電流波形示意圖。
第4圖(c)：第三種實施方式的電池充電電壓波形示意圖。
第5圖：輸出弦波電壓之可控式弦波電源方塊圖。
第6圖：輸出弦波電流之可控式弦波電源方塊圖。
第7圖：輸出弦波電壓/電流之可控式弦波電源方塊圖。
10．．．電池
20．．．可控式弦波電源
30．．．相位比較器
40．．．小信號電壓偵測電路

Claims (13)

  1. 一種電池充電裝置，其至少包括一可控式弦波電源、一小信號電壓偵測電路與一相位比較器；其中，該可控式弦波電源，接收相位比較器的輸出相位差訊號，用以改變輸出弦波電源的頻率，直到相位比較器的輸出相位差訊號等於零或一固定值；該小信號電壓偵測電路，用以量測電池的充電電壓，並濾除其直流成份以獲得其小信號電壓訊號，同時並將該小信號電壓訊號放大送至相位比較器；該相位比較器，接收可控式弦波電源傳來的電流相位訊號與小信號電壓偵測電路傳來的電壓相位訊號，並比較出兩者的相位差，同時送至可控式弦波電源。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池充電裝置，其可控式弦波電源至少包含一電壓控制振盪器與一電壓/電流轉換器，用以輸出不同頻率的弦波電流。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電池充電裝置，其可控式弦波電源至少包含一低通濾波器、一電壓控制振盪器、一放大器、一箝位電路與一電壓/電流轉換器，用以輸出不同頻率與不同直流偏移的弦波電流。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電池充電裝置，其小信號電壓偵測電路至少包含一高通濾波器與一放大器。
  5. 一種電池充電裝置，其至少包括一可控式弦波電源、一小信號電流偵測電路與一相位比較器所組成；其中，該可控式弦波電源，接收相位比較器的輸出相位差訊號，用以改變輸出弦波電源的頻率，直到相位比較器的輸出相位差訊號等於零或一固定值； 該小信號電流偵測電路，用以量測電池的充電電流，並濾除其直流成份以獲得其小信號電流訊號，同時並將該小信號電流訊號放大送至相位比較器；該相位比較器，接收可控式弦波電源傳來的電壓相位訊號與小信號電流偵測電路傳來的電流相位訊號，並比較出兩者的相位差，同時送至可控式弦波電源。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電池充電裝置，其可控式弦波電源至少包含一電壓控制振盪器，用以輸出不同頻率的弦波電壓。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之電池充電裝置，其可控式弦波電源至少包含一低通濾波器、一電壓控制振盪器、一放大器與一箝位電路，用以輸出不同頻率與不同直流偏移的弦波電壓。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之電池充電裝置，其小信號電流偵測電路至少包含一高通濾波器與一放大器。
  9. 一種電池充電裝置，其至少包括一可控式弦波電源、一小信號電流偵測電路、一小信號電壓偵測電路與一相位比較器所組成；其中，該可控式弦波電源，接收相位比較器的輸出相位差訊號，用以改變輸出弦波電源的頻率，直到相位比較器的輸出相位差訊號等於零或一固定值；該小信號電流偵測電路，用以量測電池的充電電流，並濾除其直流成份以獲得其小信號電流訊號，同時並將該小信號電流訊號放大送至相位比較器；該小信號電壓偵測電路，用以量測電池的充電電壓，並濾除其直流成份以獲得其小信號電壓訊號，同時並將該小信號電壓訊號放大送至相位比 較器；該相位比較器，接收小信號電壓偵測電路傳來的電壓相位訊號與小信號電流偵測電路傳來的電流相位訊號，並比較出兩者的相位差，同時送至可控式弦波電源。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電池充電裝置，其可控式弦波電源至少包含一電壓控制振盪器，用以輸出不同頻率的弦波電壓與電流。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之電池充電裝置，其可控式弦波電源至少包含一低通濾波器、一電壓控制振盪器、一放大器、一箝位電路與一電壓/電流轉換器，用以輸出不同頻率與不同直流偏移的弦波電壓與電流。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之電池充電裝置，其小信號電流偵測電路至少包含一高通濾波器與一放大器。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之電池充電裝置，其小信號電壓偵測電路至少包含一高通濾波器與一放大器。
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