TWI519035B - 用於充電電池的充電器及其充電方法 - Google Patents

Description

用於充電電池的充電器及其充電方法

本發明係關於一種充電器及其充電方法。特別是關於一種用於充電電池交替充電的充電器及其充電方法。

充電電池廣泛地應用於許多產品中，諸如筆記型電腦、平板電腦、行動電話，甚至是大型電動車與機器人。雖然充電電池多由充電電池芯串或並聯而組成，然而，依照電源供應對象的不同，有著不同的輸出電流與電量的規格。

一般來說，電動車使用相同之數個大電流充電電池作為動力來源。由於電動車的普及，許多充電站(包含家用大型充電設備)逐漸架設於人們生活的周遭。該等設備在可以直接同時對電動車內的充電電池進行電，其充電的方式多是一組充電器對應一個充電電池。這樣的充電方式存在著兩個問題：第一，各個進行充電的充電電池的電量狀況不見得一致，當某一個充電電池充電完畢時，其它的充電電池還未完畢，就要進行放電使用，容易造成電動車電量不能達到預定目標的情況；第二，充電設備需要具備多個交流轉直流 電路與分電電路，造成設備購置的成本增加。

是故，近來有一種以一組交流轉直流電路與分電電路，分別對不同充電電池充電的充電設備，開始佈設於市面。除了可以節省建置成本外，該等充電設備應用於可於較長時間充電的大型電動裝置(如電動車)之充電電池，可在離峰時間充電，節省電費。

雖然有上述的優點，前述的充電設備還是需要克服一個問題：如何控制各個充電電池充電時的電量狀況能一致的增加(平均充電)？為此，一個習知技術可以提供解決的方向。請見第1圖，一種充放電電路1，其能減小充電和放電時之電力消耗量而不會縮短蓄電池之使用時間。此充放電電路1包括充電電流控制電路2呈並聯地連接至充電電池3，用以實施供應至此充電電池3之充電電流的旁通控制。一電位差探測電路4，探測充電電池3之間的電壓差，並依照此電壓差而控制此充電電流控制電路2，以選擇性地旁通此供應至充電電池3之充電電流。

上述技術使用充電電池電壓差作為充電時的旁通控制依據，並設定引發與截止充電的電壓差門閥值，不失為一個能夠控制充電時，各充電電池平均充電的好方法。然而，由於充電電池的可充電量會隨時間變異，量測到的電壓差僅僅能表示當下的充電電池狀況，而無法隨時間反映真實的充電電池充電情況；又，隨著科技的進步，電池管理系統 的發展已臻成熟，更多的充電電池特性可以被探知而加強其充電管理。是故，上述技術的施行技巧有必要再精進，以符合實作上的需求。

因此，可以控制各個充電電池在充電時，電量狀況能一致的增加(平均充電)之方法與對應的充電器，有待業界努力研發。

已知的多充電電池充電設備，因具多組交流轉直流電路與分電電路，成本較高。利用一組交流轉直流電路與分電電路進行充電的充電設備也能對各充電電池進行充電，因而需要可以控制各個充電電池在充電時，電量狀況能一致的增加(平均充電)之方法與對應的充電器，本發明所提供的充電方法及其充電器即滿足上述需求。

依照本發明的一種態樣，一種用於充電電池的充電器，包含：一電力轉換裝置，連接至一交流電源，用以將該交流電源之交流電，轉為定額輸出的直流電，以一次對一個充電電池，進行充電；複數個充電裝置，每一充電裝置包含：一充電切換單元，連接至該電力轉換裝置，用以在接收一導通訊號後，傳導來自電力轉換裝置的直流電；一防逆向充電單元，連接至該充電切換單元，接收並傳導來自充電切換單元的直流電，用以防止一充電電池在充電完畢後對充電切換單元逆向充電；及一輸出單元，連接至該防逆向充電單 元，用以將來自防逆向充電單元的直流電，對該充電電池進行充電；及一充電控制裝置，與各連接輸出單元之充電電池中的一電池管理系統電連接，用於持續接收來自該電池管理系統的一電池資訊、判斷對哪一個充電電池進行充電，並發送該導通訊號給與要進行充電的充電電池連接之充電裝置所屬的充電切換單元。該充電控制裝置對來自各電池管理單元的電池資訊數值持續進行排序，充電裝置對具有最小電池資訊數值的充電電池進行充電，直到該進行充電之充電電池最新的電池資訊數值成為最大，且超過排序第二之充電電池的電池資訊數值一超越量後，停止對該充電電池充電，轉而對最近之排序中電池資訊數值最小的充電電池充電。

依照本案構想，該導通訊號為一電壓值。

依照本案構想，該電池資訊為電量狀態或電壓。

依照本案構想，該充電切換單元由一二極體與一金屬氧化物半導體場效電晶體並聯組成，該金屬氧化物半導體場效電晶體的閘極由該導通訊號所控制。

依照本案構想，該防逆向充電單元由一二極體與一金屬氧化物半導體場效電晶體並聯組成，該金屬氧化物半導體場效電晶體的閘極由來自充電切換單元的直流電電壓所控制。

依照本發明的另一種態樣，一種對數個充電電池進行充電的方法，包含步驟：設定一電池資訊的數值之一超 越量；持續接收來自該各充電電池中電池管理系統提供的該電池資訊；持續對來自各電池管理單元的電池資訊數值進行排序；對具有最小電池資訊數值的充電電池進行充電；當該進行充電之充電電池最新的電池資訊數值成為最高，且超過排序第二之充電電池的電池資訊數值一超越量後，停止對該充電電池充電；及對最近之排序中電池資訊數值最小的充電電池充電。

依照本案構想，該電池資訊為電量狀態或電壓。

本發明所提供的充電方法與充電器，可輪流對充電電池進行充電。其增加的幅度是可以控制的。這樣的結果導致各充電電池平均地充電至飽足，不會有過充或不充飽情形。

1‧‧‧充放電電路

2‧‧‧充電電流控制電路

3‧‧‧充電電池

4‧‧‧電位差探測電路

10‧‧‧充電器

110‧‧‧電力轉換裝置

120‧‧‧充電控制裝置

130‧‧‧第一充電裝置

131‧‧‧第一充電切換單元

132‧‧‧第一防逆向充電單元

133‧‧‧第一輸出單元

140‧‧‧第二充電裝置

141‧‧‧第二充電切換單元

142‧‧‧第二防逆向充電單元

143‧‧‧第二輸出單元

150‧‧‧第三充電裝置

151‧‧‧第三充電切換單元

152‧‧‧第三防逆向充電單元

153‧‧‧第三輸出單元

301‧‧‧第一充電電池

302‧‧‧第二充電電池

303‧‧‧第三充電電池

第1圖為一蓄電池充放電電路前案的方塊示意圖。

第2圖為依照本發明之充電器的方塊示意圖。

第3圖為該充電器的細部電路設計。

第4圖為依照本發明之充電方法的流程圖。

第5圖描述依照該充電方法，各充電電池電量狀態隨時間變化情形。

本發明將藉由參照下列的實施例而更具體地描 述。

請參閱第2圖至第5圖。第2圖為依照本發明之充電器的方塊示意圖，第3圖為該充電器的細部電路設計，第4圖為依照本發明之充電方法的流程圖，第5圖描述依照該充電方法，各充電電池電量狀態隨時間變化情形。

本發明所提供的一種用於充電電池的充電器10，是由一個電力轉換裝置110、三個充電裝置(第一充電裝置130、第二充電裝置140與第三充電裝置150)及一個充電控制裝置120所組成。依照本發明的精神，充電裝置的數量不限定於三個，最少兩個以上即可。本實施例利用三個充電裝置來描述較複雜的充電順序，其目的並非限定數量，合先敘明。

電力轉換裝置110連接至一交流電源200，用以將該交流電源200所提供的交流電，轉為定額輸出的直流電；可以一次對一個充電電池，進行充電。在本實施例中，該交流電源200為一市電供應端(市電插座)。實務上，也可以是一台發電機。任何可供應交流電的機具或設備，都是本發明所稱的交流電源。在本實施例中，較佳的定額輸出直流電具有48V及電流10A。由於大型電動機具，如電動車等，所需要的驅動電池的電流，相對普通電池驅動的小家電所需的電流都來的大得多。因此，在設計上，該定額輸出直流電至少要有10A以上的電流，10A到20A間的電流量是較適合的。

每個充電裝置包含一個充電切換單元、一個防逆 向充電單元與一個輸出單元。即，一第一充電裝置130包含一第一充電切換單元131、一第一防逆向充電單元132與一第一輸出單元133；一第二充電裝置140包含一第二充電切換單元141、一第二防逆向充電單元142與一第二輸出單元143；一第三充電裝置150包含一第三充電切換單元151、一第三防逆向充電單元152與一第三輸出單元153。第一充電切換單元131、第二充電切換單元141與第三充電切換單元151連接至電力轉換裝置110，可各自在收到一導通訊號後，傳導來自電力轉換裝置110的直流電。此處，導通訊號是一預設電壓值，其運作方式將於較後段說明書中，配合第3圖而解說。

第一防逆向充電單元132、第二防逆向充電單元142與第三防逆向充電單元152，各自與第一充電切換單元131、第二充電切換單元141與第三充電切換單元151連接，可接收並傳導來自連接之充電切換單元的直流電。充電切換單元的用途為防止一充電電池在充電完畢後，向對應的充電切換單元逆向充電。

第一輸出單元133、第二輸出單元143與第三輸出單元153，各自連接至第一防逆向充電單元132、第二防逆向充電單元142與第三防逆向充電單元152。每一輸出單元可將來自對應防逆向充電單元的直流電，對與其連接的一個充電電池進行充電。對照第2圖，第一輸出單元133對一第一充電電池301充電，第二輸出單元143對一第二充電電池302充電， 第三輸出單元153對一第三充電電池303充電。

各充電切換單元(第一充電切換單元131、第二充電切換單元141與第三充電切換單元151)結構功能相同，各防逆向充電單元(第一防逆向充電單元132、第二防逆向充電單元142與第三防逆向充電單元152)結構功能亦相同，茲舉第一充電切換單元131與第一防逆向充電單元132為例，解說其內部構造與運作，請見第3圖。第一充電切換單元131由一二極體1311與一金屬氧化物半導體場效電晶體1312並聯組成。該金屬氧化物半導體場效電晶體1312的閘極啟動由導通訊號所控制。導通訊號之電壓加至一三極管1313的基極，形成一順向偏壓，進而導通電力轉換裝置110至第一防逆向充電單元132電路。反之，在無導通訊號情形下，通路關閉。此處，金屬氧化物半導體場效電晶體1312為P通道金屬氧化物半導體場效電晶體，其汲極與二極體1311之陽極連接。

又，第一防逆向充電單元132由一二極體1321與一金屬氧化物半導體場效電晶體1322並聯組成，該金屬氧化物半導體場效電晶體1322的閘極由來自充電切換單元的直流電電壓所控制。此處，金屬氧化物半導體場效電晶體1322為N通道金屬氧化物半導體場效電晶體，其源極與二極體1321之陽極連接。當接收來自電力轉換裝置110的直流電力時，第一防逆向充電單元132可將電力傳導給第一輸出單元133，進而對第一充電電池301充電。反之，若不在充電情形下，防止第 一充電電池301在充電完畢後，向第一充電切換單元131逆向充電。

充電控制裝置120與各充電電池(第一充電電池301、第二充電電池302與第三充電電池303)中的電池管理系統(未繪示)電連接，用於持續接收來自該電池管理系統的一電池資訊。此處並不限定電池管理系統的種類，但必須得持續偵測及發送該電池資訊。依照本發明，該電池資訊是充電電池的電量狀態；充電電池的限電流充電階段，電池資訊也可以是電壓。充電控制裝置120判斷對哪一個充電電池進行充電，並發送前述的導通訊號給與要進行充電的充電電池連接之充電裝置所屬的充電切換單元。舉例而言，若充電控制裝置120判斷要對第二充電電池302進行充電，就會將導通訊號傳給第二充電切換單元141。

依據本發明所提供的充電方法揭露於下，請同時參閱第4圖與第5圖。首先，由各充電電池內部電池管理系統所量測到的電量狀態如下：第一充電電池301為20%，第二充電電池302為23%，第三充電電池303為25%。由於充電控制裝置120是持續收到來自各電池管理系統所偵測到的電量狀態(本實施例以電量狀態為該電池資訊，實作上也可為電壓)，其數值可能會在非常小範圍內波動，上述數值為充電前進行判斷時所量測的結果。

在充電前，首先會設定電量狀態數值的一個超越 量(S01)。在本實施例中，該超越量為1%。這個意思就是說當某個充電電池的電量狀態之數值超過比較充電電池的電量狀態1%，充電控制裝置120會做某種控制。充電控制裝置120會持續接收來自各充電電池中電池管理系統提供的電量狀態(S02)。藉此，充電控制裝置120會對來自各電池管理單元的電量狀態數值持續進行排序(S03)。在開始充電前的排序結果為第三充電電池303電量狀態數值>第二充電電池302電量狀態數值>第一充電電池301電量狀態數值。

此時，第一充電裝置130對具有最小電量狀態數值的第一充電電池301進行充電(S04)，直到該進行充電之第一充電電池301最新的電量狀態數值成為最大，且超過排序第二之第三充電電池303的電量狀態數值1%(超越量)後，停止對該充電電池充電(S05)。此時，時間點進行至t1，第一充電電池301最新的電量狀態數值為26%，高於排序第二的第三充電電池303的1%(請注意，電量狀態數值的排序持續進行)。待充電控制裝置120調整充電對象後，在時間點t2時，開始對最近之排序中電量狀態數值最小的充電電池充電。在t2前最新的排序結果是第一充電電池301電量狀態數值>第三充電電池303電量狀態數值>第二充電電池302電量狀態數值。因此，第二充電裝置140對具有最小電量狀態數值的第二充電電池302進行充電。當時間到t3時，第二充電電池302的電量狀態數值到達27%，成為最大值也超越最近排序第二大的第一充電電池 301的1%，第二充電電池302的充電暫停。相同地，待充電控制裝置120調整充電對象後，在時間點t4時，開始對最近之排序中電量狀態數值最小的充電電池充電(此時為第三充電電池303)，直到下一個超越量出現的時間點，t5。

從以上的敘述可知，三個充電電池可依照本發明所提供的充電方法與充電器，輪流充電。其增加的幅度是可以控制的(即超越量)。這樣的結果導致各充電電池平均地充電至飽足，不會有過充或不充飽情形。值得注意的是，第5圖中各時間點的設定是為了解說之用，通常充電控制裝置120調整充電對象的時間間隔非常短，舉例而言，t2到t3遠長於t1到t2的時間，並非用來限制本發明的充電時間長度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，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。

10‧‧‧充電器

110‧‧‧電力轉換裝置

120‧‧‧充電控制裝置

130‧‧‧第一充電裝置

131‧‧‧第一充電切換單元

132‧‧‧第一防逆向充電單元

133‧‧‧第一輸出單元

140‧‧‧第二充電裝置

141‧‧‧第二充電切換單元

142‧‧‧第二防逆向充電單元

143‧‧‧第二輸出單元

150‧‧‧第三充電裝置

151‧‧‧第三充電切換單元

152‧‧‧第三防逆向充電單元

153‧‧‧第三輸出單元

301‧‧‧第一充電電池

302‧‧‧第二充電電池

303‧‧‧第三充電電池

Claims (7)

1. 一種用於充電電池的充電器，包含：一電力轉換裝置，連接至一交流電源，用以將該交流電源之交流電，轉為定額輸出的直流電，以一次對一個充電電池，進行充電；複數個充電裝置，每一充電裝置包含：一充電切換單元，連接至該電力轉換裝置，用以在接收一導通訊號後，傳導來自電力轉換裝置的直流電；一防逆向充電單元，連接至該充電切換單元，接收並傳導來自充電切換單元的直流電，用以防止一充電電池在充電完畢後對充電切換單元逆向充電；及一輸出單元，連接至該防逆向充電單元，用以將來自防逆向充電單元的直流電，對該充電電池進行充電；及一充電控制裝置，與各連接輸出單元之充電電池中的一電池管理系統電連接，用於持續接收來自該電池管理系統的一電池資訊、判斷對哪一個充電電池進行充電，並發送該導通訊號給與要進行充電的充電電池連接之充電裝置所屬的充電切換單元， 其中，該充電控制裝置對來自各電池管理單元的電池資訊數值持續進行排序，充電裝置對具有最小電池資訊數值的充電電池進行充電，直到該進行充電之充電電池最新的電池資訊數值成為最大，且超過排序第二之充電電池的電池資訊數值一超越量後，停止對該充電電池充電，轉而對最近之排序中電池資訊數值最小的充電電池充電。
2. 如申請專利範圍第1項所述之充電器，其中該導通訊號為一電壓值。
3. 如申請專利範圍第1項所述之充電器，其中該電池資訊為電量狀態或電壓。
4. 如申請專利範圍第1項所述之充電器，其中該充電切換單元由一二極體與一金屬氧化物半導體場效電晶體並聯組成，該金屬氧化物半導體場效電晶體的閘極由該導通訊號所控制。
5. 如申請專利範圍第1項所述之充電器，其中該防逆向充電單元由一二極體與一金屬氧化物半導體場效電晶體並聯組成，該金屬氧化物半導體場效電晶體的閘極由來自充電切換單元的直流電電壓所控制。
6. 一種對數個充電電池進行充電的方法，包含步驟：設定一電池資訊的數值之一超越量； 持續接收來自該各充電電池中電池管理系統提供的該電池資訊；持續對來自各電池管理單元的電池資訊數值進行排序；對具有最小電池資訊數值的充電電池進行充電；當該進行充電之充電電池最新的電池資訊數值成為最高，且超過排序第二之充電電池的電池資訊數值一超越量後，停止對該充電電池充電；及對最近之排序中電池資訊數值最小的充電電池充電。
7. 如申請專利範圍第6項所述之充電的方法，其中該電池資訊為電量狀態或電壓。