TWI609550B - 電池充電電路及其方法 - Google Patents

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Description

電池充電電路及其方法
本發明是有關於一種電池充電電路，且特別是一種具有快速充電模式的電池充電電路。
請參照圖1，圖1繪示為一般充電電路的電壓曲線的示意圖。在電池充電過程中，一開始是以定電流模式對電池進行充電，然後等到電池的外部端點電壓VBATO(正極與負極的電壓差)接近一飽充電壓VFULL時，則轉換為定電壓模式進行充電，而在定電壓模式的充電時間，往往會因為充電電流下降，而用較低的充電電流把電池內部阻抗跨壓△VBIR充滿，導致充電時間會非常漫長。
圖1中，曲線I是一般充電模式的電壓曲線，曲線II則是充電電壓預先加上一電池的內部阻抗跨壓△VBIR，因此其充電過程，在電池外部端點電壓VBATO達到飽充電壓VFULL之後，電池電壓還會持續增加，增加到一定值後，才會開始降至飽充電壓VFULL，然而，一般業界使用的內部阻抗跨壓△VBIR的預估法，多以經驗值為主，然而這樣的充電方式如果搭配不同廠商但相同規格的電池，則容易出現電池損壞的情況。
因此，如何提供一種有效根據電池實際參數而調整的充電電路，實為業界的一個重要課題。
有鑑於此，本發明提供一種電池充電電路，適用於對一電池充電。電池充電電路包括一控制模組以及一充電模式調整模組。充電模式調整模組用於根據電池的一電壓值或是一充電電流值調整充電模式。充電模式調整模組包括一充電單元以及一偵測單元。充電單元提供充電電流或充電電壓以對電池充電。偵測單元電性連接充電單元，以偵測電池的一電壓值或一電流值。其中，控制模組在電池的電壓值位於接近一第一預定電壓的一電壓區間內時，根據充電電流以及電池在一預定時間區間的一電壓變化量，以計算電池的一內部電容。其中，當電池的電壓值達到第一預定電壓時，根據充電電流的一電流變化量進行計算，以得到該電池的一內部阻抗。其中，根據電池的內部電容以及內部阻抗，提供一快速充電模式對該電池充電。
其中，電池充電電路還包括一儲存模組，用於儲存快速充電模式的複數個充電參數。
其中，充電模式調整模組還包括一計時單元，用於提供一時鐘訊號。
其中，當電池的外部端點電壓值位於接近第一預定電壓的電壓區間時，電池充電電路提供一預定電流對電池充電。
其中，當電池充電電路處於快速充電模式時，充電單元提供一預定電流對電池充電，當電池的外部端點電壓達到一第二預定電壓時，即開始降低預定電流，第二預定電壓係根據內部阻抗決定。
本發明提供了一種電池充電方法，適用於對一電池進行充電。電池充電方法包括：在接近一第一預定電壓的一電壓區間內，計算電池的一內部電容；當該電池的一電壓值達到第一預定電壓時，根據一充電電流的變化，計算電池的一內部阻抗；以及根據電池的內部電容以及內部阻抗，提供一快速充電模式，對電池充電。
其中，第一預定電壓係為電池的一額定飽充電壓。
其中，內部電容值係根據位於電壓區間的一電壓變化量以及一時間變化量進行計算。
其中，當提供快速充電模式對該電池充電時，提供一預定電流對電池充電，當電池的一外部端點電壓達到一第二預定電壓時，即開始降低預定電流，其中，第二預定電壓係根據內部阻抗決定。
綜上所述，本發明實施例之電池充電電路在不同的充電區間中偵測電池的內部阻抗以及內部電容，精確取得電池的內部參數，因此可以有效的提供一快速充電模式以對電池進行充電，可以有效降低定電壓模式漫長的充電時間。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
1‧‧‧電池充電電路
2‧‧‧電池
11‧‧‧控制模組
12‧‧‧充電模式調整模組
13‧‧‧儲存模組
121‧‧‧充電單元
122‧‧‧偵測單元
123‧‧‧計時單元
VFULL‧‧‧飽充電壓
I、II、III、IV、i、íi、iii‧‧‧曲線
△VBIR、VBIR‧‧‧內部阻抗跨壓
VBAT‧‧‧內部電容電壓
VOREG‧‧‧額定飽充電壓
RBIR‧‧‧內部阻抗
CBAT‧‧‧內部電容
VBATO‧‧‧外部端點電壓
VSYS‧‧‧系統電壓
VBAT_LOW‧‧‧低電池電壓
I1、Icc‧‧‧電流值
VO2‧‧‧第二預定電壓
△V‧‧‧電壓變化量
T0‧‧‧預定時間
T1‧‧‧第一時間
T2‧‧‧第二時間
T3‧‧‧第三時間
T4‧‧‧第四時間
T5‧‧‧第五時間
S100、S110、S120‧‧‧步驟
圖1繪示為一般充電電路的電壓曲線的示意圖。
圖2繪示為本發明實施例的電池充電電路的示意圖。
圖3繪示為簡化後的本發明實施例的電池充電電路示意圖。
圖4繪示為充電電壓以及充電電流的示意圖。
圖5繪示為本發明實施例的電池充電電路的充電過程示意圖。
圖6繪示為本發明實施例的電池充電方法的流程圖。
在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸 圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。
應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯之列出項目中之任一者及一或多者之所有組合。
以下將以至少一種實施例配合圖式來說明所述電池充電電路，然而，下述實施例並非用以限制本揭露內容。
〔本發明電池充電電路的實施例〕
請參照圖2至圖4，圖2繪示為本發明實施例的電池充電電路的示意圖。圖3繪示為簡化後的本發明實施例的電池充電電路示意圖。圖4繪示為充電電壓以及充電電流的示意圖。
電池充電電路1包括一控制模組11、一充電模式調整模組12以及一儲存模組13。充電模式調整模組12包括一充電單元121、一偵測單元122以及一計時單元123。
電池充電電路1與一電池2電性連接，以提供一充電電壓以及一充電電流對電池2進行充電。
控制模組11電性連接儲存模組13以及充電模式調整模組12。
在本實施例中，充電模式調整模組用於根據電池2的狀態調整不同的充電模式。充電單元121用於提供一充電電流或一充電電壓以對電池2充電。偵測單元122用於偵測電池2的一電壓值或一電流值。計時單元123則是用於提供一時鐘訊號，並且與偵測單元122共同偵測電池2在一時間區間中的電壓變化量或是一時間區間中的充電電流的電流變化量。在本實施例中，計時單元123可提供皮秒級(picosecond)的時鐘訊號。
請參照圖3，圖3是簡化後的充電電路以及電池等效電路。電池2的等效電路可以用內部阻抗RBIR加上內部電容值CBAT表示，也 就是電池2可以簡化為一個阻抗加上一個大型電容。而分別在內部阻抗RBIR以及內部電容CBAT上的跨壓則分別是內部阻抗跨壓VBIR以及電池2的內部電容電壓VBAT。也就是，從電池2外部端點看到的外部端點電壓VBATO，等於內部阻抗跨壓VBIR加上內部電容電壓VBAT。實際電池2所儲存的電量則是以內部電容電壓VBAT進行充電而儲存的電量，內部阻抗跨壓VBIR則是屬於消耗在電池結構的能量。也就是，電池2若要充電完成，則是內部電容電壓VBAT需要達到飽充電壓VFULL。
請參照圖4，圖4的曲線III以及曲線IV分別是電池內部電容電壓以及充電電流在定電壓模式充電過程的變化曲線，其各自的公式如下：
Vc為定電壓模式充電期間的電池內部電容電壓VBAT的變化量，Ic則為定電壓模式充電期間的電流變化量。E為充電電壓，RBIR則為電池內部阻抗，CBAT則為電池2的內部電容值。根據公式1以及公式2可以知道，充電時間越長，內部電容電壓VBAT就越接近充電電壓E，充電電流則會越漸降低，直至小於一預定值。
請參照圖5，圖5繪示為本發明實施例的電池充電電路的充電過程示意圖。
圖5中的曲線i是充電電流的電流時間曲線，曲線ii是內部電容電壓VBAT的電壓時間曲線，曲線iii則是電池2的外部端點電壓VBATO的電壓時間曲線。
首先，請參照圖5的曲線i，在充電一開始時，電池充電電路1會先以一較小的電流值I1對電池2進行充電，直到電池外部端點電壓VBATO夠高之後的預定時間T0，也就是當電池 外部端點電壓VBATO達到一低電池電壓VBAT_LOW，方才利用較大的電流值Icc對電池2進行充電，在這充電區間中，也就是先前所述的定電流模式的充電區間，在利用電流值Icc充電的充電過程中，充電電流會持續以定電流模式電流值Icc對電池2進行充電，由於儲存於電池2中的電量增加，因此曲線ii的內部電容電壓VBAT以及曲線iii的電池外部端點電壓VBATO，都是持續增加的趨勢，當電池2的外部端點電壓VBATO持續增加到介於一預定電壓區間，此區間接近第一預定電壓VOREG，偵測單元122即會偵測電池2的一電壓變化量，在圖5中，係為偵測第一時間T1到第二時間T2之間的外部端點電壓VBATO的電壓變化量△V的，在本實施例中，預定電壓區間的選定，是介於系統電壓Vsys以及額定飽充電壓VOREG之間。而且，在本實施例中，此預定電壓區間是大於90%的額定飽充電壓VOREG。在其他實施例中，可以選定其他的電壓區間，在本發明中不作限制。
由於此時仍是利用定電流模式對電池2進行充電，電池的外部端點電壓VBATO則持續增加。而電池2的內部電容CBAT，則可根據上述參數進行計算，如下列公式3。
在本實施例中，當電池2的外部端點電壓VBATO達到一額定飽充電壓VOREG時，充電模式調整模組12會操作在定電壓模式充電，電池充電電路1的充電單元121就會降低充電電流，在本實施例中，是從第三時間T3開始降低充電電流的電流值Icc，在第四時間T4時，即是充電電流降低到90%的電流值Icc。根據公式2，充電電流Icc變化10%的所需時間，等於是0.1*(RBIR*CBAT)。電池充電電路1的控制模組11就可以根據在第三時間T3以及第四時間 T4之間的電流變化量(10%的充電電流Icc變化量)計算電池2的內部阻抗RBIR。其計算公式如下列公式4。
R BIR =(T 4-T 3)/(0.1*C BAT )-公式4
公式4是利用RC充放電電路的特性，在RC充放電電路中的時間常數是等於阻抗乘上電容。也就是當充電電流從100%的電流值Icc降至90%的電流值Icc時，其時間約等於0.1τ，以下則用實際數值進行演示。
首先，若充電電流從100%的電流值Icc降至90%的電流值Icc的時間為50us，而電池容量為100mF，則電池2的內部阻抗則如下所示。
RBIR=50us/(0.1*100mF)=5mΩ
計算出電池2的內部阻抗RBIR以及電池2的內部電容CBAT後，電池充電電路1即可針對電池2提供適合電池2的快速充電模式。
在本實施例中，適合電池2的快速充電模式係根據電池2的內部阻抗RBIR以及內部電容CBAT值參數提供充電電流以及適當的電壓偵測點。在本實施例中，電池充電電路1持續提供一電流值Icc的充電電流對電池2進行充電，直到電池2的外部端點電壓VBATO達到一第二預定電壓VO2方才開始降低充電電流Icc。第二預定電壓VO2的選定係根據內部阻抗RBIR，在本實施例中VO2等於額定飽充電壓VOREG加上內部阻抗跨壓VBIR，VBIR則等於Icc*RBIR。
由於此時電池2的內部阻抗跨壓VBIR會恰好是電流值Icc乘上內部阻抗RBIR，因此，電池2的內部電容跨壓也就是內部電容電壓VBAT，即等於額定飽充電壓VOREG，也就是電池2已經充電完成，也就是如同圖5之第五時間T5時電壓曲線所示，充電電流從第五時間T5之後即開始降低，直到降低為零。
根據上述電池充電電路1對電池2的充電過程，電池充電電 路1確實可以根據電池內部參數，提供有效的充電常數，以加快充電的速度。在本實施例中，電池內部參數，例如內部阻抗RBIR、內部電容CBAT等，可儲存在儲存模組13中。
〔本發明電池充電方法的實施例〕
請參照圖6，圖6繪示為本發明實施例的電池充電方法的流程圖。
在本實施例中，係適用於先前所述的電池充電電路1以及電池2，其結構在此不再贅述。
在本發明實施例中，提供一種電池充電方法，適用於對一電池2進行充電，本實施例的電池充電方法包括下列步驟：在接近一第一預定電壓的一電壓區間內，計算該電池的一內部電容值(步驟S100)；當電池的一電壓值達到第一預定電壓時，根據一充電電流的變化，計算該電池的一內部阻抗(步驟S110)；以及根據該電池的該內部電容值以及該內部阻抗，提供一快速充電模式，對電池充電(步驟S120)。
在步驟S100中，電池充電電路1係利用一定電流模式對電池2進行，此時電池充電電路1係利用一電流值Icc的充電電流對電池2充電，而電池2的外部端點電壓VBATO則持續增加。當電池2的外部端點電壓VBATO持續增加到介於一預定電壓區間時，偵測單元122即會偵測電池2的一電壓變化量△V，在本實施例中，預定電壓區間的選定，是介於系統電壓Vsys以及額定飽充電壓VOREG之間。而且，在本實施例中，是預定電壓區間是大於90%的額定飽充電壓VOREG。在其他實施例中，可以選定其他的電壓區間，在本發明中不作限制。在本實施例中，系統電壓Vsys係為一足以使一電子裝置正常運作的系統電壓。
而且，電池2的內部電容CBAT，可以根據先前所述之公式3計算而得。在本實施例中，第一預定電壓為額定飽充電壓VOREG。
在步驟S110中，當電池2的外部端點電壓VBATO達到一第一 預定電壓時，在本實施例中，第一預定電壓為額定飽充電壓VOREG，電池充電電路1的充電單元121就會降低充電電流，在本實施例中，是從第三時間T3開始降低充電電流的電流值Icc，在第四時間T4時，即是充電電流降低到90%的電流值Icc。電池充電電路1的控制模組11就可以根據在第三時間T3以及第四時間T4之間的電流變化量(10%的充電電流Icc變化量)計算電池2的內部阻抗RBIR。其計算公式如先前所述之公式4。
在步驟S120中，計算出電池2的內部阻抗RBIR以及電池2的內部電容CBAT後，電池充電電路1即可針對電池2提供適合電池2的快速充電模式。
在本實施例中，適合電池2的快速充電模式係根據電池2的內部阻抗RBIR以及內部電容CBAT提供充電電流以及適當的電壓偵測點。在本實施例中，電池充電電路1持續提供一電流值Icc的充電電流對電池2進行充電，直到電池2的外部端點電壓VBATO達到一第二預定電壓VO2方才開始降低充電電流Icc。第二預定電壓VO2的選定係根據內部阻抗RBIR，在本實施例中，第二預定電壓VO2等於額定飽充電壓VOREG加上內部阻抗跨壓VBIR，內部阻抗跨壓VBIR則等於電流值Icc乘上內部阻抗RBIR。
〔實施例的可能功效〕
綜上所述，本發明實施例之電池充電電路在不同的充電區間中偵測電池的內部阻抗以及內部電容，精確取得電池的內部參數，因此可以有效的提供一快速充電模式以對電池進行充電，可以有效降低定電壓模式漫長的充電時間。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。
1‧‧‧電池充電電路
2‧‧‧電池
11‧‧‧控制模組
12‧‧‧充電模式調整模組
13‧‧‧儲存模組
121‧‧‧充電單元
122‧‧‧偵測單元
123‧‧‧計時單元

Claims (9)

  1. 一種電池充電電路，適用於對一電池充電，該電池充電電路包括：一控制模組；以及一充電模式調整模組，用於根據該電池的一電壓值或是一充電電流值調整充電模式，該充電模式調整模組包括：一充電單元，提供該充電電流或一充電電壓以對該電池充電；以及一偵測單元，電性連接該充電單元，偵測該電池的一電壓值或一電流值；其中，該控制模組在該電池的一外部端點電壓位於接近一第一預定電壓的一電壓區間內時，根據該充電電流以及該電池在一預定時間區間的一電壓變化量，以計算該電池的一內部電容值；其中，當該電池的該電壓值達到該第一預定電壓時，根據該充電電流的一電流變化量進行計算，以得到該電池的一內部阻抗；其中，根據該電池的該內部電容值以及該內部阻抗，提供一快速充電模式，對該電池充電。
  2. 如申請專利範圍第1項之電池充電電路，還包括：一儲存模組，用於儲存該快速充電模式的複數個充電參數。
  3. 如申請專利範圍第1項之電池充電電路，其中，該充電模式調整模組還包括：一計時單元，用於提供一時鐘訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項之電池充電電路，其中，當該電池的該電壓值位於接近該第一預定電壓的該電壓區間內時，該電池充電電路係提供一預定電流對該電池充電。
  5. 如申請專利範圍第1項之電池充電電路，其中，當該電池充電電路處於該快速充電模式時，該充電單元提供一預定電流對該電池充電，當該電池的該外部端點電壓達到一第二預定電壓時，即開始降低該預定電流，該第二預定電壓係根據該內部阻抗決定。
  6. 一種電池充電方法，適用於對一電池進行充電，該電池充電方法包括：在接近一第一預定電壓的一電壓區間內，計算該電池的一內部電容值；當該電池的一外部端點電壓值達到該第一預定電壓時，根據一充電電流的變化，計算該電池的一內部阻抗；以及根據該電池的該內部電容值以及該內部阻抗，提供一快速充電模式，對該電池充電。
  7. 如申請專利範圍第6項之電池充電方法，其中，該第一預定電壓係為該電池的一額定飽充電壓。
  8. 如申請專利範圍第6項之電池充電方法，其中，該內部電容值係根據位於該電壓區間的一電壓變化量以及一時間變化量進行計算。
  9. 如申請專利範圍第6項之電池充電方法，其中，當提供該快速充電模式對該電池充電時，提供一預定電流對該電池充電，當該電池的該外部端點電壓達到一第二預定電壓時，即開始降低該預定電流，其中，該第二預定電壓係根據該內部阻抗決定。
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