TWI452800B - Battery charging device and method with battery balance - Google Patents

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Description

具電池平衡之電池充電裝置與方法
本發明提出一種具電池平衡之電池充電裝置與方法，其更能同時達到提高功因數之功能，進而省去前級功率因數修正電路，達到效率提升與成本下降之技術領域。
電池組通常串接為一高壓直流電源使用。然因電池的製造容量，內部阻抗與自放電率的差異，使用習知充電系統，如中華民國果專利：I357705、I356560、I347061、I335121、I324410，時會導致部份電池過充電，進而減少使用壽命。因此，充電電池電源系統通常會搭配一電池平衡電路如習知技術-中華民國果專利：I334681、M365010、201014116、200945728，藉以調節所串接的各顆電池容量，以增加電池組之使用壽命。而電池平衡電路需要一電能轉換電路控制各電池電量，以達到電池電量平衡之目的，因而增加電路成本，並且在電池電量之調節過程中，仍有部份電量損耗於轉換器之功率開關元件或被動儲能元件，造成整體發電系統之發電效率下降。為此，本發明提出一種以兼具功因改善及電池電量平衡之電池充電裝置與方法，並改善電池使用壽命問題。
本發明之目的在於解決習知電池系統中，串聯電池組充電不平衡之問題與傳統之電池平衡電路增加電路成本及電量損耗於轉換器之功率開關元件或被動儲能元件之缺點。本發明利用多階式轉換電路架構藉由電池電壓量測裝置量取電池電量狀態，以控制器控制各階層放電週期時間長短之排 序，以達到串聯電池組均勻充電與提高功因數之目的。
一種電池充電裝置，至少包括一電池組、一交流電源、一控制器、一多階轉換電路、一功率開關驅動電路與一電池量測裝置所組成；其中，交流電源：其輸出端電性連接於多階轉換電路之輸入端，用以提供電池充電所需之電能。電池電壓量測裝置：其輸入端電性連接於電池組，其輸出端電性連接於控制器第1輸入端，其用來量測電池組中每顆電池在充電時之電壓值，並將電壓值送至控制器。功率開關驅動電路：其輸出端電性連接於多階轉換電路，其輸入端電性連接於控制器輸出端，其用來接收控制器所送出之控制訊號，並據此驅動多階轉換電路。多階轉換電路：其輸出端電性連接於電池組，其輸入端電性連接於功率開關驅動電路，其用來接收功率開關驅動電路所送出之電氣訊號，並據此改變其功率開關之動作；多階轉換電路是由2個以上的功率開關所組成，藉由功率開關不同的動作組合，可對電池組中不同的電池或不同串接顆數的電池充電。控制器：其第1輸入端電性連接於電池電壓量測裝置，其第2輸入端電性連接於交流電源輸出端，其輸出端電性連接於功率開關驅動電路輸入端，其用來接收電池組中每顆電池電壓值與交流電源電壓值，並據此下命令給功率開關驅動電路使其驅動多階轉換電路對電池組充電。
如前所述之電池充電裝置，其中之控制器可有一第2輸出端，交流電源可有一控制端，且控制器第2輸出端電性連接於交流電源控制端，用以控制交流電源之輸出電流或電壓。如前所述之電池充電裝置，其中之交流電源是由一限流器與市電所構成。如前所述之電池充電裝置，其中之多階轉換 電路更包含1個全波整流，該全波整流可將交流電源電壓整流成正電壓，藉此減少功率開關個數。
一種電池充電方法，其步驟如下：測量電池組中每一顆電池電壓值：接著，判斷電池組中是否有任一顆電池電壓大於或等於滿充電壓；若是，立即結束電池充電，避免產生電池過充電現象；若不是，量取交流電源之瞬間電壓值v ac ，並決定出要對串接n個電池來進行充電，其中n要符合方程式(n+1)V b >v ac nV b ，其中V b 為單一顆電池之電壓值，也就是n個串接電池的電壓要低於交流電源之瞬間電壓值v ac ，且n+1個串接電池的電壓要大於交流電源之瞬間電壓值v ac ；若所求出之n和上一次取樣時間所求得的相同，則保持相同充電方式並返回到測量電池組中每一顆電池電壓值；若所求出之n和上一次取樣時間所求得的不同，則改變對串接電池的個數與組合來充電，並返回到測量電池組中每一顆電池電壓值。
如前所述之電池充電方法，其中改變對串接電池的組合的方法是先找出電池組中電壓最低的電池，接著找出含該電壓最低的電池且n個電池串接之組合，並在該多種電池串接組合中找出最低電壓的組合來對其充電。
如前所述之電池充電方法，其中改變對串接電池的組合的方法是先找出電池組中電壓最高的電池，接著找出不含該電壓最高的電池且n個電池串接之組合，並在該多種電池串接組合中找出最低電壓的組合來對其充電。
如前所述之電池充電方法，其中改變對串接電池的組合的方法可包含兩種的子方法；方法一：先找出電池組中電壓最低的電池，接著找出含該電壓最低的電池 且n個電池串接之組合，並在該多種電池串接組合中找出最低電壓的組合來對其充電。方法二：找出電池組中電壓最高的電池，接著找出不含該電壓最高的電池且n個電池串接之組合，並在該多種電池串接組合中找出最低電壓的組合來對其充電。當n值小於等於一預設值N時採用方法一，當n值大於該預設值N時採用方法二；或不管n值，輪循交替使用方法一與方法二，或採隨機決定使用方法一或方法二。
一種電池充電裝置，其至少包括一多階轉換電路，該多階轉換電路藉由功率開關不同的動作組合，可對電池組中不同的電池或不同串接顆數的電池進行充電。
一種電池充電方法，其依據交流電源之瞬間電壓值v ac 來決定對不同的串接電池的個數與組合來充電。
如第1圖所示，為本發明所揭示之電池平衡充電裝置及方法之表示方塊圖，其包含一電池電壓量測裝置10、控制器20、功率開關驅動電路30、多階轉換電路40、電池組50與交流電源60所組成。其中，如第2圖所示，交流電源60可以是由市電610與一限流器620所構成。電池電壓量測裝置10輸入端係接於電池組50而電池電壓量測裝置10輸出端則接於控制器20第1輸入端201，而控制器20之第2輸入端202連接於交流電源60輸出端。該控制器20的輸出端係與功率開關驅動電路30輸入端相接，而功率開關驅動電路30輸出端係與多階轉換電路40相接，而交流電源60輸出端則接於多階轉換電路40之輸入端，而多階轉換電路40輸出端則接於電池組50。 電池電壓量測裝置10是用來量測電池組50在充電時之電壓值。控制器20是用來接收電池電壓量測裝置所量測到的值，並據此下命令給功率開關驅動電路30使其驅動多階轉換電路40並控制電池組50充電之週期導通時間長短。
如第11圖所示，為本發明所揭示之電池平衡充電裝置及方法之另一表示方塊圖，和第1圖最大不同在於其控制器20有兩個輸出端203與204，控制器20第1輸出端203連接於功率開關驅動電路30之輸入端，控制器20第2輸出端204連接交流電源60的控制端601。如此，控制器20可控制交流電源60的輸出電流大小。如第2圖所示，交流電源60可以是由市電610與一限流器620所構成，控制器20第2輸出端204即是控制該限流器620。
為便於說明，以4顆電池串接的電池組來說明之，並假設單一電池電壓為V b 。第一較佳實施例如第3圖所示，多階轉換電路40主要由16個功率開關S a1 、S a2 、S a3 、S a4 、S b1 、S b2 、S b3 、S b4 、、、、、、、、與12個二極體D a1 、D a2 、D a3 、D b1 、D b2 、D b3 、、、、、、所構成。圖4為其工作波形示意圖，各階段動作簡述如下：
(1)時間t 0 ~t 1 ：此時各功率開關皆不導通，故其交流電源60不對電池充電，電壓為0。
(2)時間t 1 ~t 2 ：此段時間功率開關S b1 、、、、與二極體D b1導通(ON)， 故交流電源60對電池B 4 充電，電壓為V b 。相同原理，如第5圖所列，可藉由適當的功率開關安排，使交流電源60同樣可選擇對電池B 1 、B 2 或B 3 進行充電。
(3)時間t 2 ~t 3 ：此段時間功率開關S b1 、S b2 、、、、與二極體D b2導通(ON)，交流電源60對電池B 3 與B 4 串接充電，電壓為2V b 。相同原理，如第5圖所列，可藉由適當的功率開關安排，使交流電源60也可選擇對電池B 1 +B 2 或B 2 +B 3 串接充電，“+”表電池串接。
(4)時間t 3 ~t 4 ：此段時間功率開關S b1 、S b2 、S b3 、、、、與二極體D b3導通(ON)，交流電源60對電池B 2 、B 3 與B 4 串接充電，電壓為3V b 。相同原理，如第5圖所列，可藉由適當的功率開關安排，使交流電源60也可對電池B 1 +B 2 +B 3 串接充電。
(5)時間t 4 ~t 5 ：此段時間功率開關S b1 、S b2 、S b3 、S b4 、、、、為導通(ON)，交流電源60對電池B 1 、B 2 、B 3 與B 4 串接充電，電壓為4V b 。
(6)時間t 5~t 6：同時間t 3 ~t 4 。
(7)時間t 6~t 7：同時間t 2~t 3。
(8)時間t 7~t 8：同時間t 1~t 2。
(9)時間t 8 ~t 9 ：同時間t 0~t 1。
(10)時間t 9 ~t 10 ： 此段時間功率開關S a1 、、、、與二極體D a1 導通(ON)，故交流電源60對電池B 4 充電，電壓為-V b 。相同原理，如第6圖所列，可藉由適當的功率開關安排，使交流電源60也可選擇對電池B 1 、B 2 或B 3 進行充電。
(11)時間t 10 ~t 11 ：此段時間功率開關S a1 、S a2 、、、、與二極體D a2 導通(ON)，交流電源60對電池B 3 與B 4 串接充電，電壓為-2V b 。相同原理，如第6圖所列，可藉由適當的功率開關安排，使交流電源60也可選擇對電池B 1+B 2或B 2+B 3串接充電。
(12)時間t 11 ~t 12 ：此段時間功率開關S a1 、S a2 、S a3 、、、、與二極體D a3 導通(ON)，交流電源60對電池B 2 、B 3 與B 4 串接充電，電壓為-3V b 。相同原理，如第6圖所列，可藉由適當的功率開關安排，使交流電源60也可對電池B 1+B 2+B 3串接充電。
(13)時間t 12~t 13：此段時間功率開關S a1 、S a2 、S a3 、S a4 、、、和為導通(ON)，交流電源60對電池B 1 、B 2 、B 3 與B 4 串接充電，電壓為-4V b 。
(14)時間t 13 ~t 14 ：同時間t 11 ~t 12 。
(15)時間t 14~t 15：同時間t 10 ~t 11 。
(16)時間t 15~t 16：同時間t 9 ~t 10 。
觀察第4圖可看出充電電壓與輸入交流電源完全匹配，故可達到高功因 之功效，進而省去前級功率因數修正電路，並達到效率提升與成本下降之益處。
第7圖為本發明所揭示之第一較較佳實施例之流程圖，簡述如下：首先，電池電壓量測裝置10測量電池組50中每一顆電池電壓值，並送至控制器20。控制器20會判斷電池組50中是否有任一顆電池電壓大於或等於滿充電壓；若是，立即結束電池充電，避免產生電池過充電現象。若沒有一顆電池大於或等於滿充電壓時，則量取交流電源60之瞬間電壓值v ac ，並決定出要對串接n個電池來進行充電，其中n要符合方程式(n+1)V b >v ac nV b ，也就是n個串接電池的電壓要低於交流電源60之瞬間電壓值v ac ，且n+1個串接電池的電壓要大於交流電源60之瞬間電壓值v ac 。若所求出之n和上一次取樣時間所求得的相同，則保持相同充電方式並返回到測量電池組50中每一顆電池電壓值。若所求出之n和上一次取樣時間所求得的不同，則控制器20透過功率開關驅動電路30令多階轉換電路40的功率開關動作組合改變，其可能的動作組合如第5圖與第6圖所示。而其第一種策略可如第8(a)圖所示，先找出電壓最低的電池，接著參照第5圖與第6圖找出含該電壓最低的電池且n個電池串接之組合，接下來，找出n個電池串接組合中最低電壓的組合來對其充電。第二種策略可如第8(b)圖所示，先找出電壓最高的電池，接著參照第5圖與第6圖找出不含該電壓最高的電池且n個電池串接之組合，接下來，找出n個電池串接組合中最低電壓的組合來對其充電。當然，上述兩種策略可混合使用，例如當n值小於等於一預設值N時採用第一種策略，當n值大於該預設值N時採用第二種策略。又第一種策 略與第二種策略可不管n值，輪循交替使用，或採隨機決定之。最後返回到測量電池組50中每一顆電池電壓值。如此，系統會重複上述之動作程序，直到電池組50充飽為止。
如第9圖所示，為本發明所揭示第二較佳實施例之方塊圖，為便於描述，以4串的電池組來說明之。其多階轉換電路主要由1個全波整流410、8個功率開關S b1、S b2、S b3、S b4、、、、與6個二極體D b1、D b2、D b3、、、所構成。圖10為其工作波形示意圖各階段動作簡述如下：
(2)時間t 0 ~t 1 ：此時各功率開關皆不導通，故其交流電源60不對電池充電，電壓為0。
(2)時間t 1 ~t 2 ：此段時間功率開關S b1 、、、、與二極體D b1導通(ON)，故交流電源60對電池B 4 充電，電壓為V b 。相同原理，如第5圖所列，可藉由適當的功率開關安排，使交流電源60同樣可選擇對電池B 1 、B 2 或B 3 進行充電。
(3)時間t 2 ~t 3 ：此段時間功率開關S b1 、S b2 、、、、與二極體D b2導通(ON)，交流電源60對電池B 3 與B 4 串接充電，電壓為2V b 。相同原理，如第5圖所列，可藉由適當的功率開關安排，使交流電源60也可選擇對電池B 1 +B 2 或B 2 +B 3 串接充電。
(4)時間t 3 ~t 4 ： 此段時間功率開關S b1 、S b2 、S b3 、、、、與二極體D b3導通(ON)，交流電源60對電池B 2 、B 3 與B 4 串接充電，電壓為3Vb。相同原理，如第5圖所列，可藉由適當的功率開關安排，使交流電源60也可對電池B 1 +B 2 +B 3 串接充電。
(5)時間t 4 ~t 5 ：此段時間功率開關S b1 、S b2 、S b3 、S b4 、、、、為導通(ON)，交流電源60對電池B 1 、B 2 、B 3 與B 4 串接充電，電壓為4V b 。
(6)時間t 5~t 6：同時間t 3 ~t 4 。
(7)時間t 6~t 7：同時間t 2~t 3。
(8)時間t 7~t 0：同時間t 1~t 2。
觀察第10圖可看出充電電壓與輸入交流電源完全匹配，故可達到高功因之功效，進而省去前級功率因數修正電路，並達到效率提升與成本下降之益處。
第7圖為本發明所揭示之第二較佳實施例之流程圖，簡述如下：首先，電池電壓量測裝置10測量電池組50中每一顆電池電壓值，並送至控制器20。控制器20會判斷電池組50中是否有任一顆電池電壓大於或等於滿充電壓；若是，立即結束電池充電，避免產生電池過充電現象。若沒有一顆電池大於或等於滿充電壓時，則量取交流電源60之瞬間電壓值v ac ，並決定出要對串接n個電池來進行充電，其中n要符合方程式(n+1)V b >v ac nV b ，也就是n個串接電池的電壓要低於交流電源60之瞬間電壓值v ac ，且n+1個串接電池的電壓要大於交流電源60之瞬間電壓值v ac 。若所求出之n和上一次取 樣時間所求得的相同，則保持相同充電方式並返回到測量電池組50中每一顆電池電壓值。若所求出之n和上一次取樣時間所求得的不同，則控制器20透過功率開關驅動電路30令多階轉換電路40的功率開關動作組合改變，其可能的動作組合如第5圖所示。而其第一種策略可如第8(a)圖所示，先找出電壓最低的電池，接著參照第5圖找出含該電壓最低的電池且n個電池串接之組合，接下來，找出n個電池串接組合中最低電壓的組合來對其充電。第二種策略可如第8(b)圖所示，先找出電壓最高的電池，接著參照第5圖找出不含該電壓最高的電池且n個電池串接之組合，接下來，找出n個電池串接組合中最低電壓的組合來對其充電。當然，上述兩種策略可混合使用，例如當n值小於等於一預設值N時採用第一種策略，當n值大於該預設值N時採用第二種策略。又第一種策略與第二種策略可不管n值，輪循交替使用，或採隨機決定之。最後返回到測量電池組50中每一顆電池電壓值。如此，重複上述之電路動作程序，電池平衡功能之多階轉換電路40可輕易達到電池均充的功能。本發明充電波形如第10圖所示，可看出其與輸入交流電完全匹配，故可達到高功因之功效，進而省去前級功率因數修正電路，並達到效率提升與成本下降之益處。
10‧‧‧電池電壓量測裝置
20‧‧‧控制器
201‧‧‧控制器第1輸入端
202‧‧‧控制器第2輸入端
203‧‧‧控制器第1輸出端
204‧‧‧控制器第2輸出端
30‧‧‧功率開關驅動電路
40‧‧‧多階轉換電路
410‧‧‧全波整流
50‧‧‧電池組
60‧‧‧交流電源
601‧‧‧交流電源控制端
610‧‧‧市電
620‧‧‧限流器
S a1 、S a2 、S a3 、S a4 、S b1 、S b2 、S b3 、S b4 、、、、、、、、‧‧‧功率開關
D a1 、D a2 、D a3 、D b1 、D b2 、Db 3 、、、、、、‧‧‧二極體
第1圖：本發明所揭示之充電裝置方塊圖。
第2圖：交流電源示意圖。
第3圖：第一較佳實施例示意圖。
第4圖：工作波形示意圖。
第5圖：多階轉換電路於正半週時之功率開關動作組合。
第6圖：多階轉換電路於負半週時之功率開關動作組合。
第7圖：本發明所揭示之充電裝置與方法之流程圖。
第8(a)圖：第一種串接電池組合方法。
第8(b)圖：第二種串接電池組合方法。
第9圖：第二較佳實施例之方塊圖。
第10圖：工作波形示意圖。
第11圖：本發明所揭示之充電裝置方塊圖。
10‧‧‧電池電壓量測裝置
20‧‧‧控制器
201‧‧‧控制器第1輸入端
202‧‧‧控制器第2輸入端
203‧‧‧控制器第1輸出端
30‧‧‧功率開關驅動電路
40‧‧‧多階轉換電路
50‧‧‧電池組
60‧‧‧交流電源

Claims (4)

  1. 一種電池平衡之電池充電裝置，至少包括一電池組、一交流電源、一控制器、一功率開關驅動電路、一多階轉換電路與一電池量測裝置所組成；其中，交流電源：其輸出端電性連接於多階轉換電路之輸入端，用以提供電池充電所需之電能；電池電壓量測裝置：其輸入端電性連接於電池組，其輸出端電性連接於控制器第1輸入端，其用來量測電池組中每顆電池之電壓值，並將電壓值送至控制器；功率開關驅動電路：其輸出端電性連接於多階轉換電路，其輸入端電性連接於控制器輸出端，其用來接收控制器所送出之控制訊號，並據此驅動多階轉換電路；多階轉換電路：其輸出端電性連接於電池組，其輸入端電性連接於功率開關驅動電路，其用來接收功率開關驅動電路所送出之電氣訊號，並據此改變其功率開關之動作；多階轉換電路是由2個以上的功率開關所組成，藉由功率開關不同的動作組合，可對電池組中不同的電池或不同串接顆數的電池進行充電；以及多階轉換電路更包含1個全波整流，該全波整流可將交流電源電壓整流成正電壓，藉此減少功率開關個數；控制器：其第1輸入端電性連接於電池電壓量測裝置，其第2輸入端電性連接於交流電源輸出端，其輸出端電性連接於功率開關驅動電路輸入端，其用來接收電池組中每顆電池電壓值與交流電源電壓值，並據此下命令給功 率開關驅動電路使其驅動多階轉換電路對電池組充電。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池平衡之電池充電裝置，其中之交流電源是由一限流器與市電所構成。
  3. 一種電池平衡之電池充電方法，其步驟如下：測量電池組中每一顆電池電壓值；接著，判斷電池組中是否有任一顆電池電壓大於或等於滿充電壓；若是，立即結束電池充電，避免產生電池過充電現象；若不是，量取交流電源之瞬間電壓值v ac ，並決定出要對串接n個電池來進行充電，其中n要符合方程式(n+1)V b >v ac nV b ，其中V b 為單一顆電池之電壓值，也就是n個串接電池的電壓要低於交流電源之瞬間電壓值v ac ，且n+1個串接電池的電壓要大於交流電源之瞬間電壓值v ac ；若所求出之n和上一次取樣時間所求得的相同，則保持相同充電方式並返回到測量電池組中每一顆電池電壓值；若所求出之n和上一次取樣時間所求得的不同，則改變對串接電池的個數與組合來充電，並返回到測量電池組中每一顆電池電壓值；其主要充電方法係在於：改變對串接電池的組合的方法是先找出電池組中電壓最低的電池，接著找出含該電壓最低的電池且n個電池串接之組合，並在該多種電池串接組合中找出最低電壓的組合來對其充電；以及改變對串接電池的組合的方法是先找出電池組中電壓最高的電池，接著找出不含該電壓最高的電池且n個電池串接之組合，並在該多種電池串接組合中找出最低電壓的組合來對其充電。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電池平衡之電池充電方法，其中改變對串接 電池的組合的方法可包含兩種的子方法；方法一：先找出電池組中電壓最低的電池，接著找出含該電壓最低的電池且n個電池串接之組合，並在該多種電池串接組合中找出最低電壓的組合來對其充電；方法二：找出電池組中電壓最高的電池，接著找出不含該電壓最高的電池且n個電池串接之組合，並在該多種電池串接組合中找出最低電壓的組合來對其充電；當n值小於等於一預設值N時採用方法一，當n值大於該預設值N時採用方法二；或不管n值，輪循交替使用方法一與方法二，或採隨機決定使用方法一或方法二。
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