TWI470901B - 鉛酸電池快速充電系統 - Google Patents

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Description

鉛酸電池快速充電系統
本發明係有關一種鉛酸電池快速充電系統，係提供一適於連結鉛酸電池，以對鉛酸電池進行充電的系統。
近年來全國環保意識不斷提升，節能減碳與綠色能源成為全國最受關注的議題，台灣民眾每天外出代步工具，大多數都以傳統汽油引擎的汽機車為主，因排放廢氣導致空氣汙染，可見汽機車是一個最大宗的移動式汙染源，在未來石油能源日益減少，電動車將會逐漸取代傳統汽油引擎的汽機車，由於電動車不排放廢氣、噪音小、安全性高、低公害…等，將會是未來交通工具的首選。
因此，政府積極推動使用電動機車，而電動機車所使用的蓄電池種類繁多，分別為鎳氫電池、鋰離子電池、鋰錳電池、鋰鐵電池以及鉛酸電池…等，鎳氫電池有記憶效應，電池使用越久，容量越小；鋰離子電池的容量會隨著時間衰退與充電次數無關，且不能過度充放電；鋰錳電池具有高溫特性，且使用壽命短；鋰鐵電池具有無記憶效應、超低自放電率、安全穩定且使用壽命長，但價錢過高；鉛酸電池則無記憶效應、價格低廉、技術成熟、安全性高且有良好的壽命循環。
故由於開發成本、電池價格、品質安全性以及易於取得之考 量，現階段電動機車所使用的電池大多以鉛酸電池為主，然電動機車在使用上最大之弊端即為充電速度過慢，在外不便於充電，且一般要短時間內充電會導致電池溫度快速上升，並產生激烈的電能化學反應而形成電池內部壓力與氣體，會降低電池壽命且造成無效電能的產生，因此能夠短時間內充電又不會使電池溫度急速上升的快速充電系統顯為一種相當值得研究、探討與發明的目標者。
有鑑於上述缺失弊端，本發明人認為其有急待改正之必要，遂以其從事相關產品設計製造之多年經驗，及其一貫秉持具有之優良設計理念，針對以上不良處加以研究創作，在經過不斷的努力後，終乃推出本發明鉛酸電池快速充電系統，其以更正優良之產品結構提升產品之功效。
本發明鉛酸電池快速充電系統之主要目的，為提出以控制晶片設計數位轉換器來改善正負脈衝的充電脈衝佔空比，以改善鉛酸電池在快速充電中溫度上升變化太快之弊端。
為達到前揭之目的，本發明鉛酸電池快速充電系統包含充電單元與控制單元所構成，該充電單元主要係由一外接電源連接一電流轉換器，而電流轉換器能將外接電源交流110V轉變成直流24V並傳至雙向轉換器，該雙向轉換器可分別具有充電端與放電端，繼雙向轉換器可連接至一鉛酸電池，其鉛酸電池一端並連接至控制單元，該控制單元主要係由設有一數位轉換器，數位轉換器係連接在鉛酸電池一端，該數位轉換器可將鉛酸電池的電壓、電流類比信號轉換為數位信號並傳送至控制晶片，該控制晶 片可產生二組充、放電脈衝數位PWM來控制一驅動電路，該驅動電路則可再連接雙向轉換器，使得雙向轉換器可調整切換充、放電的電壓，藉數位轉換器來改善正負脈衝的充電脈衝佔空比，使鉛酸電池在快速充電中溫度不致於上升變化太快，進而降低鉛酸電池在快速充電下造成的損害者。
1‧‧‧充電單元
11‧‧‧外接電源
12‧‧‧電流轉換器
13‧‧‧雙向轉換器
131‧‧‧充電端
132‧‧‧放電端
14‧‧‧鉛酸電池
2‧‧‧控制單元
21‧‧‧數位轉換器
22‧‧‧控制晶片
23‧‧‧驅動電路
24‧‧‧監控器
A‧‧‧第一模式
B‧‧‧第二模式
C‧‧‧第三模式
第一圖：本發明充電系統之示意圖
第二圖：本發明充電系統實施充電策略之方塊流程示意圖
本發明係有關一種鉛酸電池快速充電系統，〔請參閱第一圖〕主要包含：一充電單元(1)，主要係由外接電源(11)、電流轉換器(12)、雙向轉換器(13)與鉛酸電池(14)所組成，該由一外接電源(11)連接一電流轉換器(12)，外接電源(11)為一般交流110V的室電，而電流轉換器(12)能將交流110V轉變成直流24V傳至雙向轉換器(13)，該雙向轉換器(13)係可分別具有充電端(131)與放電端(132)，該可依充電或放電狀態作轉換，繼該雙向轉換器(13)可再連接至鉛酸電池(14)，其鉛酸電池(14)一端並連接至控制單元(2)的數位轉換器(21)與監控器(24)；一控制單元(2)，主要係由數位轉換器(21)、控制晶片(22)、驅動電路(23)與監控器(24)所組成，該數位轉換器(21)係連接在充電單元(1)之鉛酸電池(14) 的一端，該數位轉換器(21)可將鉛酸電池(14)的電壓、電流類比信號轉換為數位信號並傳送至控制晶片(22)，該控制晶片(22)係使用為FPGA晶片，繼該監控器(24)亦連接鉛酸電池(14)的一端，監控器(24)可利於觀察鉛酸電池(14)的電壓、電流，進而可做適時的調整；藉此，該所述之控制晶片(22)可產生二組充、放電脈衝數位PWM來控制一驅動電路(23)，該驅動電路(23)則可再連接雙向轉換器(13)，使得雙向轉換器(13)可分別調整充電端(131)的充電脈衝佔空比，進而調整充電輸出電壓，亦加入一小段脈衝到放電端(132)，使得鉛酸電池(14)有適當時間放電，進而可使電解溶液充分融合降低內阻，充電期間較不會因內阻上升致使電池內部溫度上升，以保護電池壽命，而同時，控制晶片(22)係經由MATLAB軟體之Simpower tool與FPGA硬體描述程式DSP builder tool來設計出所提之充電控制策略於控制晶片(22)中，經轉檔成VHDL語言之後下載至控制晶片(22)內，使得該控制晶片(22)可對鉛酸電池(14)執行該充電策略者。
本發明鉛酸電池快速充電系統，〔請參閱第一圖〕該提出一可供寫入控制單元(2)之控制晶片(22)內的充電模式做為其充電策略，該係以與正脈衝一定比例的負脈衝放電，讓充電單元(1)之鉛酸電池(14)內的電解液有充分反應時間，可避免充電時之溫度急劇上升，該設定以35℃為一臨界點，〔請一併參閱第二圖〕分別設定有第一模式(A)、第二模式(B)與第三模式(C)三個方式來做切換： 第一模式(A)係當鉛酸電池(14)兩端電壓值<11伏，且鉛酸電池(14)溫度低於35℃時，控制定電流1A通過一雙向轉換器(13)至鉛酸電池(14)電路上的一小電阻R=0.02Ω，在達上述條件可驅動充電端(131)導通，此階段定義為定電流1A充電，此模式之目的是當長期不用的電池、新電池、充電初期或處於深度放電狀態的電池，若一開始就使用大電流充電會影響電池壽命，因此一開始先以穩定小電流充電，而一旦未滿足上述條件則切換至第二模式(B)；第二模式(B)係當鉛酸電池(14)兩端電壓值11伏，電壓值12.8伏，且鉛酸電池(14)溫度低於35℃時，控制定電流10A通過一小電阻R=0.02Ω，在達上述條件可驅動充電端(131)導通，此階段定義為定電流10A充電，此模式之目的是將電池容量快速提升，縮短充電時間，而一旦未滿足上述條件則再切換至第三模式(C)；第三模式(C)係當鉛酸電池(14)兩端電壓值>12.8伏，且鉛酸電池(14)溫度低於35℃時，在達上述條件可驅動放電端(132)不導通，並控制電壓到達14伏，此階段定義為浮充定電壓充電，此模式之目的是將電池進行補足充電，讓電池容量處於充足狀態；經此，若在第三模式(C)狀態持續10分鐘則便會停止充、放電，也就是讓充電端(131)、放電端(132)不導通，亦即，當電池溫度高達35℃以上時，也會使得充電端(131)、放電端(132)不導通；藉此，將上述之充電策略經由MATLAB軟體之Simpower tool與FPGA硬體描述程式DSP buil der tool寫入至控制晶片(22)中，使得該控制晶片(22)可對鉛酸電池(14)執行該充電策略者。
本發明鉛酸電池快速充電系統，其優點在於，由於控制晶片的運用可改善正負脈衝的充電脈衝佔空比，使鉛酸電池在快速充電中溫度不致於上升變化太快，進而減少電池使用的危險以及提升電池壽命，而且可根據不同電池的廠牌提供不同的充電策略，該不僅是策略較具彈性，維修也相當容易者。
綜上所述，當知本發明具有新穎性，且本發明未見之於任何刊物，當符合專利法第21、22條之規定。
唯以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能以之限定本發明之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧充電單元
11‧‧‧外接電源
12‧‧‧電流轉換器
13‧‧‧雙向轉換器
131‧‧‧充電端
132‧‧‧放電端
14‧‧‧鉛酸電池
2‧‧‧控制單元
21‧‧‧數位轉換器
22‧‧‧控制晶片
23‧‧‧驅動電路
24‧‧‧監控器

Claims (2)

  1. 一種鉛酸電池快速充電系統，主要包含：一充電單元，主要係由外接電源、電流轉換器、雙向轉換器與鉛酸電池所組成，該由該外接電源連接該電流轉換器，該電流轉換器能將外接電源的交流110V轉變成直流24V傳至雙向轉換器，該雙向轉換器分別具有充電端與放電端，繼該雙向轉換器可再連接至鉛酸電池，其鉛酸電池一端並連接至一控制單元的數位轉換器；該控制單元，主要係由數位轉換器、控制晶片與驅動電路所組成，該數位轉換器係連接在充電單元之鉛酸電池的一端，該數位轉換器可將鉛酸電池的電壓、電流類比信號轉換為數位信號並傳送至該控制晶片，該控制晶片係使用為FPGA晶片，該控制晶片可產生二組充、放電脈衝數位PWM來控制該驅動電路，該驅動電路則可再連接雙向轉換器，使得雙向轉換器可分別調整充電端之輸出電壓，亦可加入一小段脈衝到放電端，使得鉛酸電池有適當時間放電；繼此，該可藉數位軟體寫入與下載充電策略至控制晶片內，使得該控制晶片可對鉛酸電池執行該充電策略，使得鉛酸電池可根據不同廠牌提供實具彈性的充電策略，所述之充電策略設定以35℃為一臨界點，其分別設定有第一模式、第二模式與第三模式三個方式來做切換，第一模式係當鉛酸電池兩端電壓值<11伏，且鉛酸電池溫度低於35℃時，控制定電流1A通過雙向轉 換器至鉛酸電池電路上的一小電阻R=0.02Ω，在達上述條件可驅動充電端導通，此階段定義為定電流1A充電，此模式之目的是當長期不用的電池、新電池、充電初期或處於深度放電狀態的電池，若一開始就使用大電流充電會影響電池壽命，因此一開始先以穩定小電流充電，而一旦未滿足上述條件則切換至第二模式，第二模式係當鉛酸電池兩端電壓值>11伏，電壓值<12.8伏，且鉛酸電池溫度低於35℃時，控制定電流10A通過一小電阻R=0.02Ω，在達上述條件可驅動充電端導通，此階段定義為定電流10A充電，此模式之目的是將電池容量快速提升，縮短充電時間，而一旦未滿足上述條件則再切換至第三模式，第三模式係當鉛酸電池兩端電壓值>12.8伏，且鉛酸電池溫度低於35℃時，在達上述條件可驅動放電端不導通，並控制電壓到達14伏，此階段定義為浮充定電壓充電，此模式之目的是將電池進行補足充電，讓電池容量處於充足狀態，經此，在第三模式狀態持續10分鐘或當電池溫度高達35℃以上時，令充電端、放電端不導通者。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之鉛酸電池快速充電系統，其中，充電單元之鉛酸電池的一端可連接一監控器，該監控器可觀察鉛酸電池的電壓與電流者。
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