TWI660556B - Lithium battery charge and discharge management system and method - Google Patents

Abstract

本發明係一種鋰電池充放電管理系統及方法，包括一電池、一充電裝置，該電池設置一正極端、一負極端，又該外殼內設置一鋰電池芯、一DC/DC轉換器、一充放電控制電路；又該充放電控制電路主要包括一充電電路、一比較器；又該充電裝置包括一輸出充電端、一電源輸入端、一充電單元、一微控制器、一顯示單元，該輸出充電端可與電池之正、負極端連接；又該充電單元連接可輸出對電池充電，且偵測該電池之鋰電池芯電量；又該微控制器可控制充電單元是否動作且令顯示單元可顯示電池電量訊息；藉此本發明可穩定充放電並可便於檢視鋰電池芯電量。

Description

鋰電池充放電管理系統及方法

本發明關於一種鋰電池充放電管理系統及方法，主要指一種可充、放電架構，並可提供電量指示之管理系統及方法。

習知乾電池具有一次性或可充電之型式，該一次性電池一般為鋅錳電池，當使用一次後即丟棄因而造成環境汙染及資源浪費缺失，又該可充電電池又多為鎳氫或鎳鎘電池，並可於電量不足時充電使用以具較佳環保及降低購買電池成本功效，然而該鎳氫或鎳鎘電池之輸出電壓約1.2V，較一般一次性電池電壓約1.5V低，造成部分用電產品可能不能採用前述可充電電池，且該用電設備若採用數電池串聯電壓時前述可充電電池之串聯電壓將較一次性電池之串聯電壓差距更大，造成該充電電池之適用性降低情況。

為改進該鎳氫或鎳鎘可充電電池電壓較低缺失，目前具有於電池之外殼內設置鋰電池及DC/DC轉換器結構，並可將鋰電池約3.0～4.2V電壓轉換成1.5V電壓輸出，如圖四所示為習知一架構，係於電池外殼（圖中未顯示）內設置鋰電池芯11’，該鋰電池芯11’電性連接電池負極端10’、保護電路12’、DC/DC轉換器13’，該DC/DC轉換器13’輸出連接電池正極端14’，又於保護電路12’連接充電端15’，該充電端15’設於外殼中央位置，並可具USB接頭（圖中未顯示），並可提供具充電控制器16’之外部裝置輸入5V電壓對鋰電池芯11’充電。

前述架構之充電控制器16’亦可設於電池內，並該DC/DC轉換器13’可設定輸出對應一次性電池約1.5V電壓，然而該結構之電池充電端15’必須設置額外接頭（如USB接頭）形成三端架構，且充電時該正極端14’外露，將具安全風險。

圖五所示為習知二結構，係於電池外殼（圖中未顯示）內設置鋰電池芯21’，該鋰電池芯21’連接負極端20’及保護電路22’，該保護電路22’電性連接DC/DC轉換器23’及充電控制器24’，該DC/DC轉換器23’及充電控制器24’電性連接迴路控制器25’，並於迴路控制器25’連接電池正極端26’，當放電時鋰電池芯21’約3.0～4.2V電壓可經保護電路22’、DC/DC轉接器23’、迴路控制器25’至正極端26’輸出，又充電時可由正極端26’、迴路控制器25’、充電控制器24’、保護電路22’對鋰電池芯21’充電。

該架構可由DC/DC轉換器23’穩壓設定輸出約1.5V電壓，並由同一正極端26’充、放電，可具有類同傳統可充電電池相同充電方式功效，可符合一般充電習慣，然而由該正極端26’不能量測鋰電池芯21’電量，造成鋰電池芯21’電量不足時該DC/DC轉換器23’正極端26’將瞬間無輸出，導致因未即時充電使得使用該電池之電器產品不能使用情形。

本發明之目的在提供一種二端點及內建鋰電池芯可充放電之電池，並可提供電量指示之管理系統及方法。

本發明系統包括一電池、一充電裝置，該電池具外殼，外殼外側設置一正極端、一負極端，又該外殼內設置一鋰電池芯、一DC/DC轉換器、一充放電控制電路，又該鋰電池芯具正、負端，其負端與電池負極端電性連接；又該DC/DC轉換器輸入側連接鋰電池芯正端，輸出側電性連接電池正、負極端，並可將由鋰電池芯輸入電壓轉換輸出；又該充放電控制電路包括一充電電路、一比較器，該充電電路設於鋰電池芯正端與DC/DC轉換器輸出側間；又該比較器可對應電池正極端及鋰電池芯電壓輸出控制充電電路是否導通；又該充電裝置包括一輸出充電端、一電源輸入端、一充電單元、一微控制器、一顯示單元，該輸出充電端可與電池之正、負極端電性連接；又該電源輸入端連接設於充電裝置內部或外部之電源；又該充電單元連接電源輸入端及輸出充電端，並可對輸出充電端輸出對電池充電，且可透過充電電路偵測該電池之鋰電池芯電量；又該微控制器與充電單元、顯示單元電性連接，並可控制充電單元輸出狀況且令顯示單元可顯示電池電量訊息。

進一步，該充電電路具一電阻、一控制開關，該控制開關可控制充電電路是否導通；又該比較器具一運算放大器，其輸出端連接充電電路之控制開關，又其負輸入端連接鋰電池芯正端，正輸入端電性連接電池正極端，又於正輸入端設置一負電壓源，又該充電裝置更包括一可控電流源，該可控電流源電性連接輸出充電端、電源輸入端，並由微控制器控制輸出。

本發明之管理方法包括以下模式： 放電模式：電池未連接充電裝置時比較器輸出令開關及充電電路斷路，鋰電池芯電量經由DC/DC轉換器穩壓輸出； 待機模式：充電裝置未連接電池時微控制器判斷充電裝置為待機模式。 充電模式：S1充電裝置連接電池並鋰電池芯電壓小於飽合電壓時充電裝置令電池比較器輸出使開關及充電電路導通，並使充電裝置經由充電電路對鋰電池芯充電，又該充電單元經由充電電路讀取鋰電池芯電壓，當鋰電池芯充電飽合時充電單元輸出中止訊號至微控制器並停止輸出充電。 S2充電裝置連接電池並鋰電池芯電壓已達飽合電壓時充電裝置令電池比較器輸出使開關及充電電路導通，充電單元經由充電電路讀取鋰電池芯電壓已飽合，充電單元輸出中止訊號至微控制器並停止輸出充電。

進一步，該S1、S2動作於充電過程中微控制器可經由充電單元偵測鋰電池芯電壓並由顯示裝置顯示。

進一步，該S1、S2當充電單元偵測鋰電池芯電量已達飽合時令開關及充電電路斷路，並使電池為放電模式，待電池與充電裝置脫離後微控制器可判斷使充電裝置重新進入待機模式。

請參閱圖一，本發明包括一電池1、一充電裝置2，該電池1具外殼(圖中未顯示)，外殼外側二端設置一正極端11、一負極端12，又該外殼內設置一鋰電池芯13、一DC/DC轉換器14、一充放電控制電路15；該電池1外殼可為一般電池1圓柱形狀，又該正、負極端11、12分別設於外殼二端；又該鋰電池芯13具正、負端131、132，其負端132與電池1負極端12電性連接，並其飽合電壓約4.2V；又該DC/DC轉換器14輸入側連接鋰電池芯13正端131，輸出側電性連接電池1正、負極端11、12，並可將由鋰電池芯13輸入約3.0~4.2V電壓轉換成1.5V輸出。

充放電控制電路15電性連接電池1正極端11及鋰電池芯13正端131，並可控制電池1可正常放電或外部電源可對電池1充電，該充放電控制電路15包括一充電電路151、一比較器152，該充電電路151設於鋰電池芯13正端131與DC/DC轉換器14輸出側間，可於充電時對DC/DC轉換器14旁路，又該充電電路151具一電阻R、一控制開關SW，該開關SW可控制充電電路151是否導通，又於充電電路151與電池1正極端11間設置一電感L以提升比較器152正輸入端可具圖式A、B端間之阻抗；又該比較器152具一運算放大器，其輸出端連接充電電路151之控制開關SW，又其負輸入端連接鋰電池芯13正端131，正輸入端電性連接電池1正極端11，又於正輸入端設置一負電壓源153。

充電裝置2包括一輸出充電端21、一電源輸入端22、一可控電流源23、一充電單元24、一微控制器25、一顯示單元26，該輸出充電端21可與電池1之正、負極端11、12連接對電池1充電；又該電源輸入端22連接設於充電裝置2內部或外部之電源，而本實施例為5V電源；又該可控電流源23電性連接輸出充電端21、電源輸入端22，並由微控制器25控制輸出；又該充電單元24連接電源輸入端22及輸出充電端21，並可對輸出充電端21輸出對電池1充電，且可偵測該電池1之鋰電池芯13電量；又該微控制器25與可控電流源23、充電單元24、顯示單元26電性連接，並可控制可控電流源23及充電單元24是否動作，並可令顯示單元26可顯示電池1電量或充電裝置2是否待機訊息。

請參閱圖二為本發明電池1放電狀態，本發明當電池1未連接充電裝置2時可為放電模式，又該電池1可連接用電產品3放電，放電模式時電池1正、負極端11、12電壓小於內部鋰電池芯13電壓，由於該比較器152正輸入端設計輸入負電壓源153，因而比較器152輸出為低位準，並使控制開關SW斷路使鋰電池芯13電流不能由充電電路151輸出，並可確保鋰電池芯13電流僅能經由DC/DC轉換器14轉換產生1.5V穩壓輸出。

本發明當充電裝置2未連接電池1時該微控制器25可經由可控電流源23感測輸出充電端21與電源輸入端22之電壓相同，並可判定充電裝置2為待機狀態形成待機模式，並可輸出由顯示單元26顯示待機訊息。

請參閱圖三，本發明當電池1與充電裝置2連接時具以下充電模式： 1. 鋰電池芯13電壓小於其飽合電壓(4.2V)時，該可控電流源23電流會經由電池1正極端11進入A、B端間電感L及充電電路151之電阻R、控制開關SW至鋰電池芯13，而該電感L及電阻R產生電壓將大於比較器152正輸入端之負電壓源153電壓，並使比較器152正輸入端電壓小於負輸入端電壓使得比較器152之輸出為高位準並使控制開關SW維持閉合，使得鋰電池芯13正端131電性連接電池1正極端11，此時充電裝置2之微控制器25可令充電單元24動作進行定電流定電壓對電池1充電同時令可控電流源33關閉，又當鋰電池芯13達充電飽合4.2V時充電單元24送出充電終止訊號至微控制器25並停止充電，此時電池1會進入放電模式使正、負極端11、12為1.5V電壓，而該微控制器25偵測此電壓將令充電裝置2停止輸出充電，又當令電池1與充電裝置2脫離後微控制器25可偵測判斷，並令充電裝置2回復待機模式，並使下一次再電性連接電池1時再進入另一充電周期。 2. 鋰電池芯13電壓大於或等於其飽合電壓4.2V時同前述第一種情況該可控電流源23經由充電電路151至鋰電池芯13正端131，並使比較器152正輸入端電壓大於負輸入端電壓使比較器152輸出為高位準，並使控制開關SW閉合導通且關閉可控電流源23，此時該充電裝置2之充電單元24可立即檢測該鋰電池芯13電壓已達飽合電壓(約4.2V)，並將檢測訊息輸入微控制器25並停止輸出充電，可確保鋰電池芯13不會過充損壞，且充電裝置2停止充電後該電池1之正、負極端11、12為1.5V進入放電模式，並微控制器25可偵測該放電模式電壓停止充電直到該電池1與充電裝置2脫離後微控制器25可偵測判斷，並使充電裝置2可重新回復待機狀態等待下一次充電周期。

此外，本發明充電過程中因該鋰電池芯13正端131經由充電電路151電性連接電池1正極端11及充電裝置2之輸出充電端21，因而微控制器25可經由充電單元24直接讀取鋰電池芯13電壓並可即時輸出至顯示單元26顯示鋰電池芯13電量，可具較佳使用便利性。

是以由以上所述，本發明電池為二端結構可符合一般電池使用者習慣，又本發明系統及實施模式可穩定放電及充電動作，並可提供檢視鋰電池芯電量功效，而前述實施例為本發明例示，並非本發明限制，凡依據本發明精神所為之等效改變亦應屬於本發明範疇內。

1‧‧‧電池

11‧‧‧正極端

12‧‧‧負極端

13‧‧‧鋰電池芯

131‧‧‧正端

132‧‧‧負端

14‧‧‧DC/DC轉換器

15‧‧‧充放電控制電路

151‧‧‧充電電路

152‧‧‧比較器

R‧‧‧電阻

SW‧‧‧控制開關

L‧‧‧電感

153‧‧‧負壓電源

2‧‧‧充電裝置

21‧‧‧輸出充電端

22‧‧‧電源輸入端

23‧‧‧可控電流源

24‧‧‧充電單元

25‧‧‧微控制器

26‧‧‧顯示單元

3‧‧‧用電產品

10’‧‧‧負極端

11’‧‧‧鋰電池芯

12’‧‧‧保護電路

13’‧‧‧DC/DC轉換器

14’‧‧‧正極端

15’‧‧‧充電端

16’‧‧‧充電控制器

21’‧‧‧鋰電池芯

20’‧‧‧負極端

22’‧‧‧保護電路

23’‧‧‧DC/DC轉換器

24’‧‧‧充電控制器

25’‧‧‧迴路控制器

26’‧‧‧正極端

圖一係本發明電池及充電裝置架構示意圖。

圖二係本發明之電池於放電狀態示意圖。

圖三係本發明之電池於充電狀態示意圖。

圖四係習知一電池架構示意圖。

圖五係習知二電池架構示意圖。

Claims (1)

1. 一種鋰電池充放電管理系統，包括：一電池，具外殼，外殼外側設置一正極端、一負極端，又該外殼內設置一鋰電池芯、一DC/DC轉換器、一充放電控制電路，該鋰電池芯具正、負端，其負端與電池負極端電性連接；又該DC/DC轉換器輸入側連接鋰電池芯正端，輸出側電性連接電池正、負極端，並可將由鋰電池芯輸入電壓轉換輸出；又該充放電控制電路包括一充電電路、一比較器，該充電電路設於鋰電池芯正端與DC/DC轉換器輸出側間；又該比較器可對應電池正極端及鋰電池芯電壓輸出控制充電電路是否導通；一充電裝置，包括一輸出充電端、一電源輸入端、一充電單元、一微控制器、一顯示單元，該輸出充電端可與電池之正、負極端電性連接；又該電源輸入端連接設於充電裝置內部或外部之電源；又該充電單元連接電源輸入端及輸出充電端，並可對輸出充電端輸出對電池充電，且可透過充電電路偵測該電池之鋰電池芯電量；又該微控制器與充電單元、顯示單元電性連接，並可控制充電單元輸出狀況且令顯示單元可顯示電池電量訊息；其中該充電電路具一電阻、一控制開關，該控制開關可控制充電電路是否導通；又該比較器具一運算放大器，其輸出端連接充電電路之控制開關，又其負輸入端連接鋰電池芯正端，正輸入端電性連接電池正極端，又於正輸入端設置一負電壓源，又該充電裝置更包括一可控電流源，該可控電流源電性連接輸出充電端、電源輸入端，並由微控制器控制輸出。