TWI653774B - Battery charging system and its operation method - Google Patents

Abstract

一種電池充電系統及其運作方法，電池充電系統用以對至少一電池充電，電池充電系統包含有波形產生模組、偵測模組以及一控制模組，其中波形產生模組具有一電源側以及一負載側，電源側電性連接一電能供應源，而負載側電性連接至少一電池；偵測模組電性連接電池並用以偵測電池的狀態，其中電池的狀態形成一參數值；控制模組電性連接偵測模組與波形產生模組，並用以依據偵測模組所測得的參數值控制波形產生模組輸出由複數個充電波形所組合成的複合波形之充電電能對對應的電池充電，藉此充電系統可以針對不同的電池，而輸出不同的充電電能。

Description

電池充電系統及其運作方法

本發明係與電池充電系統有關；特別是指一種利用複合波形之充電電能對電池充電的電池充電系統及其運作方法。

請參圖1所示，為習用的一充電裝置1與一電池組2電性連接的示意圖，其中電池組2包含有至少一電池2a；而充電裝置1用以對電池組2進行充電，其中，習用的充電裝置1並無法針對不同的電池2a使用不同充電電能對電池2a充電，且充電裝置1也無法同時對不同種類的電池2a充電，而是只能針對特定種類的電池2a充電。

此外，習用的充電裝置1並不具有偵測電池2a充電狀態的功能，因此，當使用者使用充電裝置1對電池2a充電時，並無從得知電池2a是否於充飽電、損壞或是儲能效率下降的狀態，故當電池2a於充飽電的狀態時，充電裝置1會繼續對其充電，進而可能造成電池2a壽命下降；而當電池2a於損壞或儲能效率不佳的狀態下，往往須於使用者使用電池組2時，才會發現電池組2的異常狀態；此外，當電池組2於充電或放電時，若電池組2中有損壞或儲能效率下降的電池2a，會連帶影響電池組2整體的充電或放電的效率。由此可見，習用的充電裝置與充電方法仍有諸多亟待改善的地方。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種可以提供各種電池充電的電池充電系統。

本發明之另一目的在於提供一種電池充電系統可以提昇電池的效能。

本發明之目的在於提供一種電池充電系統的運作方法可以對電池提供較佳的充電模式。

緣以達成上述目的，本發明提供的一種電池充電系統，用以對至少一電池充電，其包含有一波形產生模組、一偵測模組以及一控制模組，其中該波形產生模組具有一電源側以及一負載側，該電源側電性連接一電能供應源並用以接收該電能供應源所輸出之電能，該負載側電性連接至該至少一電池；該偵測模組電性連接該至少一電池，並用以偵測該至少一電池之複數個狀態參數，以取得對應各該狀態參數之一參數值；該控制模組電性連接該偵測模組與該波形產生模組，用以依據該偵測模組所測得之該些參數值控制該波形產生模組，以使該波形產生模組將自該電能供應源接收之電能轉換為具有分別對應各該參數值之複數個充電波形，並將該些充電波形混合形成一具有複合波形之充電電能後由該負載側輸出予該至少一電池。

本發明提供的一種電池充電系統的運作方法，該電池充電系統用以對至少一電池充電，該電池充電系統包含有一波形產生模組、一偵測模組以及一控制模組，其中該波形產生模組具有一電源側以及一負載側，該電源側電性連接一電能供應源，該負載側電性連接該至少一電池；該偵測模組電性連接該至少一電池；該控制模組電性連接該波形產生模組以及該偵測模組，該運作方法包含下列步驟：A、該偵測模組偵測該至少一電池之複數個狀態參數，以取得對應各該狀態參數的一參 數值；B、該控制模組依據該偵測模組所測得之該參數值控制該波形產生模組，使該波形產生模組自該電能供應源接收之電能轉換為具有對應該參數值之複數個充電波形；C、將對應該些充電波形混合形成一具有複合波形之充電電能後由該負載側輸出予該至少一電池。

本發明之效果在充電系統可以針對不同的電池或不同的電池狀態，藉由波形產生模組產生不同的充電波形對不同的電池充電或不同的電池狀態對電池充電，藉此電池可以有較佳的充電效能以及維持較佳的活性，讓電池的使用壽命延長，達到節能環保的效果。

〔習用〕

1‧‧‧充電裝置

2‧‧‧電池組

2a‧‧‧電池

〔本發明〕

3‧‧‧電池

3a‧‧‧正端

3b‧‧‧負端

4‧‧‧電能供應源

10‧‧‧波形產生模組

10a‧‧‧電源側

10b‧‧‧負載側

20‧‧‧偵測模組

30‧‧‧控制模組

32‧‧‧資料儲存單元

34‧‧‧運算單元

圖1為習用的充電裝置對電池組充電的示意圖；圖2為本發明一較佳實施例之電池充電系統的電路圖；圖3A為上述一較佳實施例之波形產生模組所產生的實驗數據；圖3B為上述一較佳實施例之波形產生模組所產生的實驗數據；圖3C為上述一較佳實施例之波形產生模組所產生的實驗數據；圖3D為上述一較佳實施例之波形產生模組所產生的實驗數據；圖4為上述較佳實施例之電池充電系統的運作方法之流程圖。

為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。請參圖2所示，為本發明一較佳實施例之電池充電系統用以對至少一電池3充電，其包含有一波形產生模組10、一偵測模組20以及一控制模組30。且於本實施例中，電池3的種類包含有電池正極以離子化合物作為材料，而負極以石墨、石墨烯、矽化合物、鋁化合物、鋰 金屬等嵌入材料的電池3。其中離子化合物舉例而言，可以是尖晶石氧化物、磷酸鹽、矽酸鹽等，但不以此為限。

該波形產生模組10具有一電源側10a以及一負載側10b，其中電源側10a用以電性連接一電能供應源4，且電能供應源4是用以提供波形產生模組10所需求的電能；而波形產生模組10的負載側10b則電性連接電池3的正端3a與負端3b。於本實施例中，波形產生模組10同時對多個電池3輸出不同的充電波形，且該些電池3是以串聯的方式彼此電性連接，而波形產生模組10分別電性連接各電池3的正端3a與負端3b。於其他實施例中，該些電池3可以是以並聯的方式，或是以串並聯混合的方式彼此電性連接。

該偵測模組20分別電性連接於各電池3的正端3a與負端3b，並透過電池3的正端3a與負端3b偵測電池3的複數個狀態參數其中，狀態參數於本實施例中包含有電池3的直流內阻(DCIR)、交流內阻(ACIR)以及健康狀態(State of Health，SOH)。於其他實施例中，電池3狀態參數可以是直流內阻(DCIR)、交流內阻(ACIR)、健康狀態(State of Health，SOH)以及充電狀態(state of Charge，SOC)等的其中至少一者或其組合。當偵測模組20偵測到各個電池3的狀態參數後，偵測模組20會依據各個電池3的狀態參數進一步取得對應各狀態參數的一參數值，而參數值舉例而言可以是電阻值、電壓值以及功率值，但不以此為限，更可以是電流值等。

該控制模組30電性連接偵測模組20與波形產生模組10，且控制模組30是依據偵測模組20所取得的各參數值控制波形產生模組10將自電能供應源4接收之電能轉換為對應各參數值之複數個充電波形，且該些充電波形形成一具有複合波形的充電電能由負載側10b輸 出，進而對電池3充電，請再配合圖3A至3D所示，為本實施例中，為該些充電波形組合而成之充電電能的複合波形實驗數據，但充電電能之複合波形並不以此為限。

於本實施例中，當偵測模組20偵測電池3的直流內阻時，取得之參數值為電阻值，並根據電阻值得知電池的種類與其電容量大小，進一步設定充電電能的振幅範圍，舉例而言，當電池3的種類為鋰電池時，根據鋰離子的特性，選定其振幅範圍在±1.0V VS L/Li+區間；偵測交流內阻時，取得之參數值為電阻值，並依據電阻值的大小決定充電電能的頻率是否採用高頻率。舉例而言，當電池3老化時，會令交流電阻之電阻值越大，此時，充電電能會使用高頻率，進而使交流內阻的電阻值降低，於本實施例中，針對鋰電池所指的高頻率是介於500Hz至1500Hz之間。此外，當偵測電池3的健康狀態時，取得的參數值為電壓值，並以取得的電壓值設定複合波形的偏移電壓，於本實施例中，電壓值指的是電池3的開路電壓，並以開路電壓作為充電電能之偏移電壓，舉例而言，當偵測電池3的健康狀態而取得的開路電壓為3.6V，則充電電能的偏移電壓為3.6V。於其他實施例中，充電電能的偏移電壓可以是接近開路電壓者，舉例而言當開路電壓為3.6V，充電電能的偏移電壓可以是介於3.6±10%V之間者。

此外，控制模組30更包含有一資料儲存單元32以及一運算單元34，資料儲存單元32是用以儲存偵測模組20取得之參數值與波形產生模組10依據參數值對電池3充電的充電數據，並藉由運算單元34運算參數值與對應的充電數據之間的關聯性。舉例而言，當偵測模組20偵測到電池3的狀態參數為健康狀態以及直流內阻時，控制模組30會取得健康狀態所對應的電壓值以及直流內阻所對應的電阻值，並將電壓值以及 電阻值存入資料儲存單元32，且波形產生模組10依據電壓值以及電阻值對電池3輸出複合波形的充電電能，並將充電電能之波形數據、充電後之電池3的健康狀態以及直流內阻之數據形成充電數據儲入資料儲存單元32，進而形成一資料庫，再由運算單元34對資料庫中的數據進行運算，並將運算結果回授至控制模組30進而修正控制模組30控制波形產生模組10所轉換的充電波形，進而達到優化充電系統的效果。

藉由上述充電系統之架構，即可進行本實施例的運作方法，該運作方法包含圖4所示之下列步驟：首先，於步驟S1中，藉由偵測模組20偵測各電池3的複數個狀態參數以取得對應各狀態參數的參數值，於本實施例中，直流內阻與交流內阻分別對應的參數值為電阻值；健康狀態對應的參數值為電壓值。於其他實施例中，狀態參數也可以包含有電池3的充電狀態，且其對應的參數值可以是電壓值與電流值的其中至少一者或其組合，且偵測模組20所偵測的狀態參數以及對應各狀態參數的參數值，並不以上述為限。

於步驟S2中，控制模組30依據測得的參數值控制波形產生模組10，使波形產生模組10將自電能供應源4接收之電能轉換為具有對應各參數值之充電波形，且該些充電波形混合形成一具有複合波形之充電電能，其中，所述的充電波形於本實施例中包含有方波、脈衝波、弦波以及三角波的其中至少一者。舉例而言，該些充電波形可以包含有不同屬性(如不同振幅及/或頻率)的方波，並依據電池3參數值的不同，由各參數值分別形成對應的方波，並由該些方波組成複合波形的充電電能。

於步驟S3中將充電電能由負載測10b輸出予電池3，於本實施例中，由偵測模組20所取得的參數值可以設定充電電能的振幅大小、頻率以及偏移電壓的其中至少一者。

舉例而言，當偵測模組20偵測電池3的直流內阻時，取得對應直流內阻的電阻值而控制模組30會依據電阻值設定波形產生模組10所輸出的充電電能之振幅大小，控制模組30依據直流內阻所對應的電阻值取得電池3種類以及其電容量大小，並再依據電池3種類以及其電容量大小控制波形產生模組10所輸出的振幅強度；當偵測模組20偵測電池3的健康狀態，而取得對應健康狀態的電壓值時，而控制模組30會設定波形產生模組10所輸出的充電電能之偏移電壓，其中設定偏移電壓的原因在於不同健康狀態下的電池3會有不同的電壓值，且電壓值越高，偏移電壓越高；當偵測模組20偵測電池3的交流內阻時，而取得對應交流內阻的電阻值時，控制模組30會依據電阻值設定波形產生模組10所輸出的充電電能之頻率，其中設定頻率的基礎在於，依據電阻值的大小決定是否採用高頻率，當電阻值大於控制模組30內所設定的預定值時，所輸出的充電電能採用高頻率，進而降低電阻值。

此外，於步驟S3之後，更包含有一步驟S4：藉由控制模組30中的資料儲存單元32儲存偵測模組20所取得之各電池3的參數值與波形產生模組10對電池3充電後，偵測模組20偵測電池3所產生的充電數據，且儲入資料儲存單元32之數據會形成資料庫，並藉由運算單元34運算資料庫中各數據之間的關係，並將運算結果回授至控制模組30進而修正控制模組30控制波形產生模組10所輸出的充電波形，進而達到優化充電系統的效果，以使充電系統於對電池3充電時，可以提供電池3較佳的充電效果。

於本實施例中，於步驟S3之後更包含偵測模組20偵測各電池3的充電電量，而重複執行步驟S1至S4，舉例而言，電池3的充電電量可以是每上升5%時，於其他實施例，可以是每上升10%時，但不以此為限。於其他實施例中，重複執行步驟S1至S4，可以是依據充電時間重複執行，其中充電時間舉例而言可以是每間隔1分鐘，但不以此為限。藉此，電池充電系統可以對電池3有較佳的充電效果。

綜上所述，為本發明之電池充電系統及其運作方法，藉由控制模組控制波形產生模組產生的充電電能，可以於電池充電時，讓老化的電池或者效能較差的電池，可以回復到較佳的狀態，舉例而言，當電池3老化時，交流內阻的電阻值會升高，而採用高頻率的充電電能可以有效降低交流內阻的電阻值，而使電池回復到較佳的狀態。

波形產生模組可以產生複數種充電波形所組合而成的充電電能，且可以分別對各電池充電，故本發明的充電系統可以同時對各種不同的電池充電，並根據各電池的參數值分別給予最佳的充電效果，進而使各種電池可以維持較佳的活性，藉此讓電池的使用壽命延長，達到節能環保的效果。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

Claims (10)

1. 一種電池充電系統，用以對至少一電池充電，其包含有：一波形產生模組，具有一電源側以及一負載側，該電源側電性連接一電能供應源並用以接收該電能供應源所輸出之電能，該負載側電性連接至該至少一電池；一偵測模組，電性連接該至少一電池，並用以偵測該至少一電池之複數個狀態參數，以取得對應各該狀態參數之一參數值；一控制模組，電性連接該偵測模組與該波形產生模組，用以依據該偵測模組所測得之該些參數值控制該波形產生模組，以使該波形產生模組將自該電能供應源接收之電能轉換為具有分別對應各該參數值之複數個充電波形，並將該些充電波形混合形成一具有複合波形之充電電能後由該負載側輸出予該至少一電池。
2. 如請求項1所述之電池充電系統，其中該些充電波形包含有方波、脈衝波、弦波以及三角波的其中至少一者。
3. 如請求項1所述之電池充電系統，其中該些狀態參數包含有該至少一電池的直流內阻(DCIR)、交流內阻(ACIR)以及健康狀態(State of Health，SOH)其中至少一者；該些參數值包含電阻值、電壓值以及功率值的其中至少一者；而該充電電能包含有振幅大小、頻率以及偏移電壓的其中至少一者。
4. 一種電池充電系統的運作方法，該電池充電系統用以對至少一電池充電，該電池充電系統包含有一波形產生模組、一偵測模組以及一控制模組，其中該波形產生模組具有一電源側以及一負載側，該電源側電性連接一電能供應源，該負載側電性連接該至少一電池；該偵測 模組電性連接該至少一電池；該控制模組電性連接該波形產生模組以及該偵測模組，該運作方法包含下列步驟：A、該偵測模組偵測該至少一電池之複數個狀態參數，以取得對應各該狀態參數的一參數值；B、該控制模組依據該偵測模組所測得之該參數值控制該波形產生模組，使該波形產生模組將自該電能供應源接收之電能轉換為具有對應該參數值之複數個充電波形，並將該些充電波形混合形成一具有複合波形之充電電能；C、由該負載側輸出予該至少一電池。
5. 如請求項4所述之電池充電系統的運作方法，其中於步驟B與步驟C中所述的該些充電波形包含有方波、脈衝波、弦波以及三角波的其中至少一者。
6. 如請求項4所述之電池充電系統的運作方法，其中該些狀態參數包括有直流內阻(DCIR)；於步驟A中，該偵測模組係偵測該至少一電池的直流內阻，以取得對應該直流內阻的該參數值；於步驟B中，係根據該參數值設定該充電電能的振幅大小。
7. 如請求項4所述之電池充電系統的運作方法，其中該些狀態參數包括有健康狀態(State of Health，SOH)；於步驟A中，該偵測模組係偵測該至少一電池的健康狀態，以取得對應該健康狀態的該參數值；於步驟B中，係根據該參數值設定該充電電能的偏移電壓(offset voltage)。
8. 如請求項4所述之電池充電系統的運作方法，其中該些狀態參數包括有交流內阻(ACIR)；於步驟A中，該偵測模組係偵測該至少 一電池的交流內阻，以取得對應該交流內阻的參數值；於步驟B中，係根據該參數值設定該充電電能的頻率。
9. 如請求項4所述之電池充電系統的運作方法，其中該控制模組更包含有一資料儲存單元以及一運算單元，且於步驟C之後更包含步驟D：該資料儲存單元儲存該些參數值與複數個充電數據，且藉由該運算單元運算該些參數值與對應的各該充電數據之間的關聯性。
10. 如請求項4所述之電池充電系統的運作方法，其中於步驟C之後更包含該偵測模組偵測各該電池之充電電量或依據各該電池的充電時間，而重複執行步驟A、步驟B、步驟C與步驟D。