TWI610486B - Active balance charging device - Google Patents

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Abstract

一種主動式平衡充電裝置及使用所述充電裝置對二次電池充電的方法，二次電池包含一蓄電單元，蓄電單元包含串聯的數個電池模組；主動式平衡充電裝置包含一控制單元、一充電單元、一電壓偵測單元及一溫度偵測單元，其中，控制單元與充電單元耦接，用於控制充電單元，電壓偵測單元與控制單元及各電池模組耦接，用於偵測各電池模組的電壓，溫度偵測單元與控制單元耦接，用於偵測蓄電單元的溫度；充電單元包含一第一充電器、一第一開關、數個第二充電器及數個第二開關，其中，第一充電器與蓄電單元及一外部的電力源耦接，用於對各電池模組充電，第一開關用於變化第一充電器與蓄電單元的電路通/斷，第二充電器及第二開關的數目與電池模組的數目配合，各第二充電器分別與一電池模組及電力源耦接，各電池模組分別與一第二充電器耦接，各第二開關分別用於變化各第二充電器與電池模組的電路通/斷，各電池模組在同一時間只被第一充電器或一第二充電器充電。
藉由首創的迴路，使二次電池的多個電池模組充電平衡。

Description

主動式平衡充電裝置
本發明涉及二次電池的充電裝置，詳而言之，尤指一種主動式平衡充電裝置及使用所述充電裝置對二次電池充電的方法。
二次電池是一種可反覆充/放電的電池，二次電池大量應用作為各種移動式裝置(例如：汽/機車、行動電話…等)的電力來源。隨著各種移動式裝置的不同用電需求，產生了各種不同規格(例如：蓄電量、電壓…等)的二次電池；二次電池主要包含一蓄電單元及一控制電路，蓄電單元主要包含數個電池芯串聯構成的電池芯串，各電池芯串進一步串聯，蓄電單元用於蓄積電力，控制電路係為電子電路，控制電路與蓄電單元電性連接，蓄電單元藉由控制電路與外部的用電設備或充電裝置電性連接，據使蓄電單元充/放電。
二次電池進行充電時，需要使各電池芯串的充電平衡，避免單一電芯串的電池芯充電過度，影響電池芯的壽命及充電的安全性，習知充電裝置採用消耗電力手段或中止充電手段達到各電池芯串充電平衡的目的，其中，消耗電力手段主要是利用耗能形式的平衡電路將電壓到達預設飽和電壓的電池芯串的電力予以消耗，中止充電手段則是利用迴路設計，使電壓到達預設飽和電壓的電池芯串中止充電。
I483507及I502849專利係兩種不同迴路設計的充電裝置及方 法，I483507及I502849專利分別公開採用中止充電手段達到充電平衡的充電裝置及充電方法。
本發明主要目的在於提供一種主動式平衡充電裝置及使用所述充電裝置對二次電池充電的方法，藉由首創的迴路，使二次電池的多個電池模組充電平衡。
本發明係一種主動式平衡充電裝置，用於對二次電池充電，二次電池包含一蓄電單元，蓄電單元包含串聯的數個電池模組；所述的主動式平衡充電裝置包含一控制單元、一充電單元、一電壓偵測單元及一溫度偵測單元，其中，控制單元係電子電路構成，控制單元與充電單元耦接，用於控制充電單元，電壓偵測單元與控制單元及各電池模組耦接，電壓偵測單元係電壓偵測電路，用於偵測各電池模組的電壓，溫度偵測單元與控制單元耦接，溫度偵測單元係溫度偵測電路，用於偵測蓄電單元的溫度；充電單元包含一第一充電器、一第一開關、數個第二充電器及數個第二開關，其中，第一充電器與蓄電單元及一外部的電力源耦接，用於對各電池模組充電，第一開關與第一充電器及蓄電單元耦接，用於變化第一充電器與蓄電單元的電路通/斷，控制單元控制第一開關，第二充電器及第二開關的數目與電池模組的數目配合，各第二充電器分別與一電池模組及電力源耦接，各電池模組分別與一第二充電器耦接，各第二開關分別與一第二充電器及一電池模組耦接，用於變化各第二充電器與電池模組的電路通/斷，控制單元控制各第二開關，第一充電器輸出的充電電壓為 V1，第二充電器輸出的充電電壓為V2，第二充電器的數量為n，V1>n×V2。
如前所述之主動式平衡充電裝置，其中，控制單元與一無線通訊單元連接，無線通訊單元用於向雲端傳送二次電池的蓄電單元的電壓及溫度數值。
本發明係一種使用前述主動式平衡充電裝置對二次電池充電的方法，包含以下步驟：蒐集電池資訊：電壓偵測單元偵測各電池模組的電壓，溫度偵測單元偵測蓄電單元的溫度，控制單元基於電壓偵測單元及溫度偵測單元的偵測所得電壓及溫度資訊，控制充電單元；前期平衡充電：若至少一電池模組的電壓低於平均電壓值，第一開關保持斷開狀態，第一充電器與蓄電單元形成斷路，電壓低於平均電壓值的電池模組耦接的第二開關作動形成導通狀態，其他第二開關保持斷開狀態，充電單元只對電壓低於平均電壓值的電池模組充電；當各電池模組11的電壓均等於或高於平均電壓值，停止前期平衡充電；所述的平均電壓值係由電池模組的內阻抗值決定；全體充電：若各電池模組的電壓均等於或高於平均電壓值，各第二開關均保持斷開狀態，第一開關作動形成導通狀態，第一充電器與蓄電單元形成通路，第一充電器對各電池模組充電；當至少一電池模組的電壓等於飽和電壓值，停止全體充電；後期平衡充電：若至少一電池模組的電壓等於飽和電壓值，第一開關斷開，第一充電器與蓄電單元形成斷路，電壓等於飽和電壓值的電池模組耦接的第二開關斷開，電壓低於飽和電壓值的電池模組耦接的第 二開關作動形成導通狀態，充電單元只對電壓低於飽和電壓值的電池模組充電；當各電池模組電壓均等於飽和電壓值，各第二開關均斷開，完成二次電池的充電；過熱保護：當蓄電單元的溫度等於或大於預設的安全溫度，第一開關及第二開關均保持斷開狀態，中止對蓄電單元充電；各電池模組在同一時間只被第一充電器或一第二充電器充電。
1‧‧‧蓄電單元
11‧‧‧電池模組
2‧‧‧控制單元
3‧‧‧充電單元
31‧‧‧第一充電器
32‧‧‧第一開關
33‧‧‧第二充電器
34‧‧‧第二開關
4‧‧‧電壓偵測單元
5‧‧‧溫度偵測單元
9‧‧‧電力源
第一圖係本發明實施例一的主動式平衡充電裝置的電路方塊示意圖。
第二圖係本發明實施例一的主動式平衡充電裝置對二次電池充電的方法的流程圖。
第三圖係本發明實施例一的主動式平衡充電裝置執行前期充電步驟的電路方塊示意圖。
第四圖係本發明實施例一的主動式平衡充電裝置執行全體充電步驟的電路方塊示意圖。
第一圖係本發明實施例一的一種主動式平衡充電裝置的電路方塊示意圖，顯示主動式平衡充電裝置與二次電池的蓄電單元1耦接的組態，蓄電單元1包含串聯的數個電池模組11，電池模組11係多個電池芯串聯組成，電池模組11也可以是單一個電池芯。
所述的主動式平衡充電裝置包含一控制單元2、一充電單元 3、一電壓偵測單元4及一溫度偵測單元5，其中，控制單元2係電子電路構成，控制單元2與充電單元3耦接，用於控制充電單元3，電壓偵測單元4與控制單元2及各電池模組11耦接，電壓偵測單元4係電壓偵測電路，用於偵測各電池模組11的電壓，提供控制單元2作為控制充電單元3的依據，溫度偵測單元5與控制單元2耦接，溫度偵測單元5係溫度偵測電路，用於偵測蓄電單元1的溫度，提供控制單元2作為控制充電單元3的依據。
充電單元3包含一第一充電器31、一第一開關32、數個第二充電器33及數個第二開關34，其中，第一充電器31與蓄電單元1及一外部的電力源9耦接，用於對各電池模組11充電，電力源9可以是提供電力的發電機或市電，第一開關32與第一充電器31及蓄電單元1耦接，用於變化第一充電器31與蓄電單元1的電路通/斷，且控制單元2控制第一開關32，第二充電器33及第二開關34的數目與電池模組11的數目配合，各第二充電器33分別與一電池模組11及電力源9耦接，各電池模組11分別與一第二充電器33耦接，據使各第二充電器33分別對各電池模組11充電，各第一開關34分別與一第二充電器33及一電池模組11耦接，用於變化各第二充電器33與電池模組11的電路通/斷，且控制單元2控制各第二開關34，第一充電器31輸出的充電電壓為V1，第二充電器33輸出的充電電壓為V2，第二充電器33的數量為n，V1>n×V2。
使用前述實施例一的主動式平衡充電裝置對二次電池充電時，首先將主動式平衡充電裝置與二次電池及外部的電力源9耦接，即可利用主動式平衡充電裝置對二次電池充電。
如第二圖所示，使用前述實施例一的主動式平衡充電裝置對 二次電池充電的方法，包含以下步驟：蒐集電池資訊：電壓偵測單元4偵測各電池模組11的電壓，溫度偵測單元5偵測蓄電單元1的溫度，控制單元2基於電壓偵測單元4及溫度偵測單元5的偵測所得電壓及溫度資訊，控制充電單元3。
前期平衡充電：如第三圖所示，若至少一電池模組11的電壓低於平均電壓值，第一開關32保持斷開狀態，第一充電器31與蓄電單元1形成斷路，電壓低於平均電壓值的電池模組11耦接的第二開關34作動形成導通狀態，其他第二開關34保持斷開狀態，充電單元3只對電壓低於平均電壓值的電池模組11充電；當各電池模組11的電壓均等於或高於平均電壓值，停止前期平衡充電。所述的平均電壓值係由電池模組11的內阻抗值決定。
全體充電：如第四圖所示，若各電池模組11的電壓均等於或高於平均電壓值，各第二開關34均保持斷開狀態，第一開關32作動形成導通狀態，第一充電器31與蓄電單元1形成通路，第一充電器31對各電池模組11充電；當至少一電池模組11的電壓等於飽和電壓值，停止全體充電。
後期平衡充電：若至少一電池模組11的電壓等於飽和電壓值，第一開關32斷開，第一充電器31與蓄電單元1形成斷路，電壓等於飽和電壓值的電池模組11耦接的第二開關34斷開，電壓低於飽和電壓值的電池模組11耦接的第二開關34作動形成導通狀態，充電單元3只對電壓低於飽和電壓值的電池模組11充電；當各電池模組11電壓均等於飽和電壓值，各第二開關34均斷開，完成二次電池的充電。
過熱保護：當蓄電單元1的溫度等於或大於預設的安全溫度時，第一開關32及第二開關34均保持斷開狀態，中止對蓄電單元1充電，避 免二次電池充電時由於溫度過高而損壞。
各電池模組11在同一時間只被第一充電器31或一第二充電器33充電。
二次電池充電的初期，若至少一電池模組11的電壓低於平均電壓值時，執行前期平衡充電，藉此保護電池模組11，避免構成蓄電單元1的某一電池模組11的蓄電能力降低。
各電池模組11的電壓均等於或大於平均電壓值，則執行全體充電，第一充電器31對蓄電單元1的全體電池模組11充電，各電池模組11可快速的充電，然而，若主動式平衡充電裝置與二次電池耦接，在蒐集電池資訊時，各電池模組11的電壓均等於或大於平均電壓值，則可不執行前期平衡充電，直接執行全體充電。
至少一電池模組11的電壓等於飽和電壓值，則執行後期平衡充電，利用輸出電壓V2較低的各第二充電器33分別對尚未充飽電的各電池模組11繼續充電。據此，充電單元3可有效地利用一個第一充電器31及數個第二充電器33對各電池模組11執行充電，各電池模組11的充電平衡，執行充電所耗用時間與充電單元3的體積之間得以取得平衡。
本發明實施例二的一種主動式平衡充電裝置係於前述實施例一之控制單元進一步與一無線通訊單元連接，無線通訊單元用於向電池供應商的雲端管理系統傳送二次電池的蓄電單元1的電壓數值及溫度數值，雲端管理系統得以監測二次電池的電壓及溫度，記錄二次電池的充電次數、每次充電的電壓數值及充電所耗用時間，據此判斷二次電池是否發生異常，當二次電池的電壓及溫度異常時，雲端管理系統可連繫二次電池 使用者進行二次電池的維修或更換，二次電池完成充電時，雲端管理系統亦可主動通知使用者。

Claims (1)

  1. 一種使用主動式平衡充電裝置對二次電池充電的方法，其中：所述的二次電池包含一蓄電單元，蓄電單元包含串聯的數個電池模組；所述的主動式平衡充電裝置包含一控制單元、一充電單元、一電壓偵測單元及一溫度偵測單元，其中，控制單元係電子電路構成，控制單元與充電單元耦接，用於控制充電單元，電壓偵測單元與控制單元及各電池模組耦接，電壓偵測單元係電壓偵測電路，用於偵測各電池模組的電壓，溫度偵測單元與控制單元耦接，溫度偵測單元係溫度偵測電路，用於偵測蓄電單元的溫度；充電單元包含一第一充電器、一第一開關、數個第二充電器及數個第二開關，其中，第一充電器與蓄電單元及一外部的電力源耦接，用於對各電池模組充電，第一開關與第一充電器及蓄電單元耦接，用於變化第一充電器與蓄電單元的電路通/斷，控制單元控制第一開關，第二充電器及第二開關的數目與電池模組的數目配合，各第二充電器分別與一電池模組及電力源耦接，各電池模組分別與一第二充電器耦接，各第二開關分別與一第二充電器及一電池模組耦接，用於變化各第二充電器與電池模組的電路通/斷，控制單元控制各第二開關，第一充電器輸出的充電電壓為V1，第二充電器輸出的充電電壓為V2，第二充電器的數量為n，V1>n×V2；所述充電的方法包含以下步驟：蒐集電池資訊：電壓偵測單元偵測各電池模組的電壓，溫度偵測單元偵測蓄電單元的溫度，控制單元基於電壓偵測單元及溫度偵測單元的偵測所得電壓及溫度資訊，控制充電單元； 前期平衡充電：當至少一電池模組的電壓低於平均電壓值，第一開關保持斷開狀態，第一充電器與蓄電單元形成斷路，電壓低於平均電壓值的電池模組耦接的第二開關作動形成導通狀態，其他第二開關保持斷開狀態，充電單元只對電壓低於平均電壓值的電池模組充電；當各電池模組11的電壓均等於或高於平均電壓值，停止前期平衡充電；所述的平均電壓值係由電池模組的內阻抗值決定；全體充電：當各電池模組的電壓均等於或高於平均電壓值，各第二開關均保持斷開狀態，第一開關作動形成導通狀態，第一充電器與蓄電單元形成通路，第一充電器對各電池模組充電；當至少一電池模組的電壓等於飽和電壓值，停止全體充電；後期平衡充電：當至少一電池模組的電壓等於飽和電壓值，第一開關斷開，第一充電器與蓄電單元形成斷路，電壓等於飽和電壓值的電池模組耦接的第二開關斷開，電壓低於飽和電壓值的電池模組耦接的第二開關作動形成導通狀態，充電單元只對電壓低於飽和電壓值的電池模組充電；當各電池模組電壓均等於飽和電壓值，各第二開關均斷開，完成二次電池的充電；過熱保護：當蓄電單元的溫度等於或大於預設的安全溫度，第一開關及第二開關均保持斷開狀態，中止對蓄電單元充電；各電池模組在同一時間只被第一充電器或一第二充電器充電。
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