TWI618330B

TWI618330B - 電子裝置、電池模組與電池的充放電方法

Info

Publication number: TWI618330B
Application number: TW105135178A
Authority: TW
Inventors: 梁世豪; Shih-Hao Liang; 凌守弘; Shou-Hung Ling; 闕志克; Tzi-Cker Chiueh
Original assignee: 財團法人工業技術研究院; Industrial Technology Research Institute
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-03-11
Also published as: US20180123371A1; EP3316442B1; TW201817116A; US10277051B2; EP3316442A1

Abstract

一種電池模組具有晶格型電池、偵測電路、控制電路與擾動電路。偵測電路電性連接晶格型電池。控制電路電性連接偵測電路。擾動電路電性連接控制電路與晶格型電池。當晶格型電池充電時或放電時，偵測電路用以偵測晶格型電池的阻抗。控制電路用以比較阻抗與門檻值，並據以產生控制信號。擾動電路用以依據控制信號選擇性地提供擾動信號給晶格型電池。

Description

電子裝置、電池模組與電池的充放電方法

本發明係關於一種電子裝置、電池模組與電池的充放電方法，以及應用於晶格型電池的一種電子裝置、電池模組與電池的充放電方法。

為了使電子產品便於移動，目前的電子產品往往都設置有電池，以便隨時隨地經由電池進行供電。基於環保與實用性，可以重複使用的充電型電池成為目前市場上的主流。而依據所使用的材料的不同，充電型電池可以分成相當多種的類型。其中，晶格型電池係被廣泛的使用於各種的電子產品。

當晶格型電池開始被使用之後，即使是在正常的使用之下，其電極中的部分晶格也有可能會遭到導電用的離子佔據，或者說部分的晶格被嵌入導電用的離子，阻礙了其他離子往電極的其他晶格移動，而降低了導電的效率。時間久了，甚至有可能導致晶格坍塌，從而不可逆的降低了儲電量，縮短了電池的壽命。

本發明在於提供一種電子裝置、電池模組與電池的充放電方法以提升晶格型電池的耐用程度。

本發明揭露了一種電池的充放電方法，所述的充放電方法於當晶格型電池充電時或放電時，偵測晶格型電池的阻抗。而當阻抗大於或等於門檻值時，提供擾動信號給晶格型電池

本發明揭露了一種電池模組，所述的電池模組具有晶格型電池、偵測電路、控制電路與擾動電路。偵測電路電性連接晶格型電池。控制電路電性連接偵測電路。擾動電路電性連接控制電路與晶格型電池。當晶格型電池充電時或放電時，偵測電路用以偵測晶格型電池的阻抗。控制電路用以比較阻抗與門檻值，並據以產生控制信號。擾動電路用以依據控制信號提供擾動信號給晶格型電池。

本發明揭露了一種電子裝置，所述的電子裝置適於以晶格型電池提供電能。電子裝置具有控制電路與擾動電路。擾動電路電性連接控制電路與晶格型電池。控制電路用以比較晶格型電池的阻抗與門檻值，並據以產生控制信號。擾動電路用以依據控制信號提供擾動信號給晶格型電池。

綜合以上所述，本發明在於提供一種電子裝置、電池模組與電池，藉由判斷晶格型電池在充放電時的阻抗大小，適時地提供擾動訊號給晶格型電池，以避免晶格型電池的電極中，局部區域的晶格被嵌入過多的離子，在快速充放電時，這些不均勻擴散的離子有機會在電極板表面析出零電價的產物，這些產物使得參與作用的離子減少，且會造成正負極間的微短路。以鋰離子電池為例，鋰離子電池的金屬鋰離子在低溫快速充電的情況極易在負極析出鋰金屬。因此，擾動訊號延長了電池的壽命，增加了電池的耐用程度。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參照圖1，圖1係為根據本發明一實施例所繪示之電池的充放電方法的步驟流程圖。如圖1所揭示地，在電池的充放電方法中的步驟S101係當晶格型電池充電或放電時，偵測晶格型電池的阻抗。而在步驟S103中，當阻抗大於或等於門檻值時，提供擾動信號給晶格型電池。其中，在本實施例中，晶格型電池是正極或負極極板使用晶格型材料的電池。

請參照圖2以做更進一步的說明，圖2係為根據本發明一實施例所繪示之電池模組的功能方塊圖。圖2揭示了一種電池模組10，電池模組10具有晶格型電池101、偵測電路103、控制電路105與擾動電路107。晶格型電池101電性連接偵測電路103與擾動電路107。控制電路105電性連接偵測電路103與擾動電路107。

在一實施例中，晶格型電池101的正極或負極例如具有晶格結構，而正極與負極之間具有膠態聚合物或固態聚合物以做為正極與負極之間的電流傳輸的介質。晶格型電池101例如為鋰離子電池（Lithium-ion polymer batteries）。更具體地來說，晶格型電池101例如為鋰鈷電池、鋰鎳電池、鋰鎳鈷電池、磷酸鋰鐵電池或鋰錳電池。上述僅為舉例示範，但並不以此為限。

當晶格型電池101充電時或放電時，偵測電路103用以偵測晶格型電池101的阻抗。所述的阻抗例如為選自由直流阻抗、交流阻抗、氧化還原阻抗與擴散阻抗所組成的群組其中至少之一。在此並不限制偵測得晶格型電池101的阻抗的方式。偵測電路103例如為微控制器（micro control unit, MCU）、特殊應用積體電路（Application-specific integrated circuit）、現場可程式化閘陣列(Field-programmable gate array，FPGA)或是任意架構的積體電路（integrated circuit, IC）。在一實施例中，偵測電路103為德州儀器（Texas Instrument）公司的BQ76920晶片、BQ76930晶片或BQ76940晶片。所屬技術領域具有通常知識者經詳閱本說明書後，當可依實際所需決定要偵測晶格型電池101的何種阻抗、以何種方式量測或以什麼樣的硬體架構進行量測，而不以所舉之例為限制。

控制電路105用以比較量測得的阻抗與門檻值，並據以產生控制信號。在一實施例中，當控制電路105判斷量測得的阻抗大於或等於門檻值時，控制電路105產生控制信號。所述的門檻值例如為晶格型電池101的最小阻抗的一預設倍率。在一實施例中，門檻值例如為晶格型電池101的最小阻抗的1.1倍，但並不以此為限。所謂最小阻抗例如為由晶格型電池101在使用過程中的量測得的即時阻抗判斷而來。在一實施例中，偵測模組103會將量測得的阻抗值提供給控制電路105，控制電路105會紀錄至少部分的阻抗值。理論上，當晶格型電池101由充滿電開始放電時，晶格型電池101的阻抗會先由大變小，再由小增大。因此，當控制電路105判斷晶格型電池101的阻抗值開始增加時，即判斷阻抗值開始增加時的起始值或相近於起始值的其他阻抗值為所述的最小阻抗值。換句話說，在此實施例中，當電池模組101的最小阻抗值改變時，前述的門檻值也會隨著電池模組10的即時最小阻抗值而變化。或者，在另一類的實施例中，最小阻抗值可以是電池模組101出廠時即設定好的一個定值。此定值可以是電池模組101出廠時的最小阻抗值的1.1倍。控制電路105例如為微控制器（micro control unit, MCU）、特殊應用積體電路（Application-specific integrated circuit）、現場可程式化閘陣列(Field-programmable gate array，FPGA)或是任意架構的積體電路（integrated circuit, IC）。

擾動電路107用以依據控制信號選擇性地提供擾動信號給晶格型電池101。擾動信號例如具有擾動頻率，擾動頻率的頻率值例如實質上等於晶格型電池101的本質頻率（natural frequency）。於一實施例中，擾動頻率不大於500千赫茲（Kilohertz, kHz）且擾動頻率不小於300千赫茲。於另一實施例中，擾動頻率不大於410千赫茲且擾動頻率不小於350千赫茲。擾動信號的波形可以是方波、弦波或三角波。

請接著參照圖3以說明擾動電路107的實施態樣，圖3係為根據本發明一實施例所繪示之擾動電路的電路示意圖。擾動電路107具有負載電阻RL、負載電阻rosc與開關單元SW。開關單元SW串聯負載電阻rosc，而串聯的開關單元SW與負載電阻rosc並聯於負載電阻RL。其中，串聯的開關單元SW與負載電阻rosc並聯於晶格型電池101，且負載電阻RL並聯於晶格型電池101。另一方面，開關單元SW電性連接控制電路105，開關單元SW受控於控制信號而選擇性地導通。在一實施例中，當控制電路105判斷量測得的阻抗大於或等於門檻值時，開關單元SW係依據控制信號而重複地導通與中斷。

隨著開關單元SW導通或不導通，晶格型電池101所電性連接的輸出阻抗會有所不同，而使得晶格型電池101所輸出電流亦跟著變化。從另一個角度來說，藉由重複地導通與斷開開關單元SW，晶格型電池101的輸出電流的電流值不再是一個定值而會隨開關單元SW的導通或斷開有所增減，相當於提供一擾動信號給晶格型電池101。所述的震盪可以是周期性地或非周期性地，在此並不加以限制。而藉由提供所述的擾動信號給晶格型電池101，晶格型電池101內部的導電介質也會對應地產生擾動，晶格型電池101內部的擾動可以是關聯於結構上的震動或者是電動勢的變化，於此不再贅述。此時，原本被嵌入電極晶格中的至少部分的離子會因所述的擾動而脫離電極的晶格，而不再阻礙其他離子往電極的其他晶格移動，使得擴散的離子可更均勻的分佈至極板，不會有局部離子濃度較高的現象。

其中，負載電阻rosc的電阻值遠大於負載電阻RL的電阻值。所謂「遠大於」的定義係為所屬技術領域中具有通常知識者所熟知，在此不加贅述。在一實施例中，負載電阻rosc的電阻值為負載電阻RL的電阻值的10倍以上。

擾動電路除了可以是如圖3所示出的態樣之外，凡是使晶格型電池101輸出的電壓或電流產生擾動者皆屬本發明所涵蓋的擾動電路的範疇。在一實施例中。擾動電路例如具有電容或電感等可以用以儲能的元件。在這樣的實施例中，擾動電路相當於具有諧振子電路，藉由諧振子電路，得以使晶格型電池101的輸出電壓或輸出電流產生變化，而施予擾動信號給晶格型電池101。在此並不限制電容或電感的感值、容值、數量或連接方式。在一實施例中，擾動電路例如具有電感與開關單元。開關單元依據控制信號選擇性地導通。當開關單元導通時，電感電性連接晶格型電池。也就是說，當開關單元導通時，晶格型電池對電感充電，當開關單元斷開時，電感例如藉由其他的電流路徑放電，所述的電流路徑可以包含也可以不包含晶格型電池。藉此，得以改變晶格型電池的輸出電流，而等效地提供擾動信號給晶格型電池。上述僅為舉例示範，實際上並不以此為限。

在另一實施例中，擾動電路例如具有升壓轉換器（boost converter）、降壓轉換器（buck converter）或者是升/降壓轉換器（buck-boost converter），以改變晶格型電池101的輸出電壓或輸出電流，在此並不限制升壓轉換器、降壓轉換器或者是升/降壓轉換器的各項參數或者是連接方式。

除了如上述的電池模組之外，本發明更提供了一種電子裝置，請參照圖4以進行說明，圖4係為根據本發明一實施例所繪示之電子裝置的功能方塊圖。電子裝置40適於以晶格型電池301提供電能。在圖4中，繪示有電子裝置40與電池模組30。在此實施例中，電子裝置40具有控制電路401與擾動電路403，電池模組30具有晶格型電池301與偵測電路303。晶格型電池301、偵測電路303、控制電路401與擾動電路403的相關結構與做動方式係相仿於前述的晶格型電池101、偵測電路103、控制電路105與擾動電路107。換句話說，雖然在此實施例中，控制電路401與擾動電路403係設置於電子裝置40中，但所屬技術領域具有通常知識者當可由前述之內容推得電子裝置40與電池裝置30的做動方式，相關細節不再贅述。

請參照圖5，圖5係為根據本發明一實施例所繪示之電池模組的儲電量相對於放電次數的示意圖。圖5係以LIR2032鋰電池進行多次充放電的實驗結果。圖5的橫軸為當次放電量相對於最大儲電量的比值，單位為百分比，縱軸為輸出電壓，單位為伏特（volt, V）。在圖5中繪示有30條放電曲線，分別代表第一次到第三十次的放電。每次放電後，電池模組中的晶格型電池會再被充電至當次所能儲存的最大電量。每一條放電曲線代表電池的輸出電壓降低至3伏特時的放電量變化。為避免圖式紊亂，在圖5中僅標示有放電曲線T1、T10、T11、T20、T21、T30，但在放電曲線T1至放電曲線T10之間尚有放電曲線T2~T9，在放電曲線T11至放電曲線T20之間尚有放電曲線T12~T19，在放電曲線T21至放電曲線T30之間尚有放電曲線T22~T29。其中，放電曲線的標號中的數字代表的是第幾次的放電，例如，放電曲線T1代表的是第一次的放電，放電曲線T11代表的是第十一次的放電，後續係依此類推不再贅述。

其中，更詳細地來說，放電曲線T1至放電曲線T10是代表未使用前述之充放電方法，也就是未如前述地提供擾動信號給晶格型電池的放電情況。放電曲線T11至放電曲線T20是代表有使用前述之充放電方法，也就是前述地提供擾動信號給晶格型電池的放電情況。放電曲線T21至放電曲線T30是代表未使用前述之充放電方法，也就是未如前述地提供擾動信號給晶格型電池的放電情況。

如圖5所示，隨著放電次數的增加，電池模組的初始輸出電壓會逐漸遞減，且至輸出電壓下降至3伏特為止，電池模組每次的放電量也會逐漸下降。但如圖5所示，放電曲線T11至放電曲線T20會較放電曲線T1至放電曲線T10與放電曲線T21至放電曲線T30來的密集，放電曲線T1至放電曲線T10之LIR2032鋰電池的衰減率(decay rate)約為19%；放電曲線T11至放電曲線T20之LIR2032鋰電池的衰減率約為7.4%；放電曲線T21至放電曲線T30之LIR2032鋰電池的衰減率約為13.6%。也就是說，在採用前述的充放電方法的情況下，電池模組的輸出電壓與放電量（或者說是儲電量）都會較未使用前述的充放電方法的情況下降得更少。也就是說，在使用如前述的充放電方法的情況之下，電池模組的老化速度較慢，壽命更長。

請接著參照圖6，圖6係為根據本發明另一實施例所繪示之電池模組的儲電量相對於放電次數的示意圖。圖6係以LIR2032鋰電池進行多次充放電的實驗結果。圖6中的標示方式係相仿於圖5中的標示方式，相關細節不予贅述。其中，放電曲線T1’至放電曲線T15’為未採用前述的充放電方法的情況，放電曲線T16’至放電曲線T30’為有採用前述的充放電方法的情況，其中放電曲線T1’至放電曲線T15’ 之LIR2032鋰電池的衰減率約為5.6%；放電曲線T16’至放電曲線T30’ 之LIR2032鋰電池的衰減率約為3.8%。在圖6所示的實施例中，也可以看出在採用前述的充放電方法時，電池模組的初始輸出電壓與放電量也較未採用前述的充放電方法的情況下降得更少。

綜合以上所述，本發明在於提供一種電子裝置、電池模組與電池的充放電方法，藉由判斷晶格型電池在充放電時的阻抗是否大於或等於一門檻值，以判斷出晶格型電池的電極是否被嵌入了過多的導電用離子，而可能影響到充放電的效率以及晶格型電池的儲電量。而當判斷所述的阻抗大於或等於門檻值時，適時地提供擾動訊號給晶格型電池，以使被暫時嵌入晶格中的部分離子能夠脫離晶格。所述的擾動訊號例如具有相仿於電池的本質頻率的擾動頻率。藉此，延長了電池的壽命，並增加了電池的耐用程度。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

10‧‧‧電池模組

101‧‧‧晶格型電池

103‧‧‧偵測電路

105‧‧‧控制電路

107‧‧‧擾動電路

30‧‧‧電池模組

301‧‧‧晶格型電池

303‧‧‧偵測電路

40‧‧‧電子裝置

401‧‧‧控制電路

403‧‧‧擾動電路

RL、rosc‧‧‧負載電阻

SW‧‧‧開關單元

T1~T30、T1’~T30’‧‧‧放電曲線

圖1係為根據本發明一實施例所繪示之電池的充放電方法的步驟流程圖。圖2係為根據本發明一實施例所繪示之電池模組的功能方塊圖。圖3係為根據本發明一實施例所繪示之擾動電路的電路示意圖。圖4係為根據本發明一實施例所繪示之電子裝置的功能方塊圖。圖5係為根據本發明一實施例所繪示之電池模組的儲電量相對於放電次數的示意圖。圖6係為根據本發明另一實施例所繪示之電池模組的儲電量相對於放電次數的示意圖。

Claims

一種電池模組，包含：一晶格型電池；一偵測電路，電性連接該晶格型電池，當該晶格型電池充電時或放電時，該偵測電路用以偵測該晶格型電池的一阻抗；一控制電路，電性連接該偵測電路，該控制電路用以比較該阻抗與一門檻值，並據以產生一控制信號；以及一擾動電路，電性連接該控制電路與該晶格型電池，該擾動電路用以依據該控制信號提供一擾動信號給該晶格型電池。
如請求項1所述之電池模組，其中該擾動信號具有一擾動頻率，該擾動頻率實質上等於該晶格型電池的一本質頻率。
如請求項2所述之電池模組，其中該擾動頻率不大於300千赫茲，且該擾動頻率不小於500千赫茲。
如請求項3所述之電池模組，其中該擾動頻率不大於410千赫茲，且該擾動頻率不小於350千赫茲。
如請求項1所述之電池模組，其中該擾動電路具有一開關單元與一負載，該開關單元串聯該負載，串聯的該開關單元與該負載並聯於該晶格型電池，該開關單元用以依據該控制信號而以該擾動頻率重覆地導通與中斷。