TWI702747B

TWI702747B - 電池及對其電池芯進行充電的方法

Info

Publication number: TWI702747B
Application number: TW108102808A
Authority: TW
Inventors: 林志鴻; 高育彬; 陳佳駿
Original assignee: 大陸商太普動力新能源（常熟）股份有限公司
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2020-08-21
Also published as: TW202029562A

Abstract

本發明揭露一種電池及對其電池芯進行充電的方法。其中當電池芯的溫度為第一溫度時，電池的控制電路每一第一週期時間對電池芯充電一第一充電時間，而第一週期時間等於一不充電時間與第一充電時間的和。當電池芯的溫度為第二溫度時，控制電路每一第二週期時間對電池芯充電一第二充電時間，第二溫度不等於第一溫度，第二週期時間等於上述不充電時間與第二充電時間的和，而第二週期時間不等於第一週期時間。

Description

電池及對其電池芯進行充電的方法

本發明係相關於一種電池及對其電池芯進行充電的方法，尤指一種可變頻充電的電池及對其電池芯進行充電的方法。

傳統搭載內燃機馬達的機車，會搭配一組鉛酸電池當作啟動電源使用。車內會有一組發電機，當車輛啟動後，發電機對鉛酸電池充電。鉛酸電池充電不易受限環境溫度影響。當發電機產生電能時，鉛酸電池幾乎可吸收所有發電能量。但鉛酸電池的缺點為體積大且重量重。為此，有部分的應用會改用鋰電池，這是因為鋰電池具有單位能量密度大的特性，故不僅其體積得以縮小，其重量也可變輕。然而，鋰電池的特性與鉛酸電池不相同，其充電條件非常地受到環境溫度的影響。當溫度越低，鋰電池允許充電的電流會越小。但是先前技術中的發電機組並沒有可調變輸出的機制，若在低溫的環境下，以相同大小的電流對鋰電池進行充電的話，就會超過電池芯製造商所規範的充電條件。長時間使用下，會造成鋰電池老化速度加劇。為了解決此問題，通常透過脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，簡稱PWM)的方式，調變鋰電池內之充電路徑的開關之工作週期(duty cycle)，使流入至鋰電池內的充電電流的平均值下降。進一步來說，工作週期可由開關的開啟時間(duty on)和關閉時間(duty off)來決定。其中，工作週期可以如下表示：工作週期=100%×開啟時間/(開啟時間+關閉時間)

在傳統的調變方式下，開啟時間和關閉時間的總和是固定的，而當開啟時間減少時，關閉時間就會相對地增加；而當開啟時間增加時，關閉時間就會相對地減少。藉由調整開啟時間和關閉時間的比例即可改變充電電流的平均值，以使其符合電池芯製造商所規範的充電條件。然而，對於採用金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，簡稱MOSFET)作為充電開關的電池來說，在關閉時間(duty off)時，因其會在電路上形成一個內接二極體(body diode)，而使得電流還是會流過充電開關。當上述的關閉時間越長時，充電開關所產生的熱就會會越多，長久下來就會縮短充電開關的使用壽命。

本發明的一實施例揭露一種對電池的電池芯進行充電的方法。所述的方法包含：偵測電池芯的溫度；當電池芯的溫度為一第一溫度時，每一第一週期時間對電池芯充電一第一充電時間，其中第一週期時間等於一不充電時間與第一充電時間的和；以及當電池芯的溫度為一第二溫度時，每一第二週期時間對電池芯充電一第二充電時間，其中第二溫度不等於第一溫度，第二週期時間等於不充電時間與第二充電時間的和，而第二週期時間不等於第一週期時間。

本發明的一實施例揭露一種電池，其包含至少一電池芯、一溫度感測器以及控制電路。溫度感測器用以感測電池芯的溫度。控制電路耦接於溫度感測器，用以依據溫度感測器所感測到的電池芯的溫度，對電池芯充電。其中當電池芯的溫度為一第一溫度時，控制電路每一第一週期時間對電池芯充電一第一充電時間，而第一週期時間等於一不充電時間與第一充電時間的和。其中當電池芯的溫度為一第二溫度時，控制電路每一第二週期時間對電池芯充電一第二充電時間，第二溫度不等於第一溫度，第二週期時間等於不充電時間與第二充電時間的和，而第二週期時間不等於第一週期時間。

10:電池

12:電池芯

14:溫度感測器

16:控制電路

18:充電開關

20:放電開關

22:正電極

24:負電極

P1:第一週期時間

P2:第二週期時間

P3:第三週期時間

S1、S2:控制訊號

S42至S46:步驟

Tf:不充電時間

T1:第一充電時間

T2:第二充電時間

T3:第三充電時間

第1圖是本發明一實施例之電池的功能方塊圖。

第2圖是第1圖之電池的簡易電路圖。

第3圖是第1圖之電池的控制電路在不同的溫度下所產生的控制訊號之時序圖。

第4圖是本發明一實施例對第1圖之電池的電池芯進行充電的方法之流程圖。

請同時參考第1圖至第2圖，第1圖是本發明一實施例之電池10的功能方塊圖，第2圖是第1圖之電池10的簡易電路圖。電池10包含至少一電池芯(Battery cell)12、溫度感測器14、控制電路16、正電極22及負電極24。電池芯12用以儲存電能，並可在控制電路16的控制下進行充電及放電。在本實施例中，電池芯12為鋰電池芯(Lithium battery cell)，但本發明並不以此為限。例如，在本發明的其他實施例中，電池芯12可以是鉛酸電池、鎳氫電池...等可重複循環充電的電池芯。此外，溫度感測器14設置在電池芯12的旁邊，用以感測電池芯12的溫度。控制電路16耦接於溫度感測器12，用以依據溫度感測器所12所感測到的電池芯12的溫度，對電池芯12充電。進一步來說，控制電路16具有充電開關18及放電開關20，而控制電路16會產生控制訊號S1以控制充電開關18，並產生另一控制訊號S2以控制充電開關20。此外，電池10可用於啟動一內燃機馬達，並於內燃機馬達啟動後可接收來自內燃機馬達的電能以對電池芯12進行充電。電池10的正電極22及負電極24可分別耦接至內燃機馬達的正負兩端。在內燃機馬達尚未被啟動前，控制電路16會將充電開關18及放電開關20都關閉。當要啟動內燃機馬達時，控制電路16會同時開啟充電開關18及放電開關20，而使得電池芯12可提供電力給內燃機馬達，以促使內燃機馬達開始運轉。當內燃機馬達被啟動後，控制電路16會使放電開關20維持在開啟的狀態，並依據溫度感測器所12所感測到的電池芯12的溫度，間斷性且週期性地開啟充電開關18，以形成內燃機馬達至電池芯12的充電路徑，並使得電池芯12的平均充電電流可以符合電池芯製造商所規範的充電條件。

如上所述，控制電路16會依據溫度感測器所12所感測到的電池芯12的溫度，對電池芯12充電。請同時參考第1圖至第3圖，第3圖是第1圖之電池10的控制電路16在不同的溫度下所產生的控制訊號S1之時序圖。當控制訊號S1為高電位時(如：第一充電時間T1、第二充電時間T2及第三充電時間T3的期間)，充電開關16會被開啟；當控制訊號S1為低電位時(如：不充電時間Tf的期間)，充電開關16會被關閉。當溫度感測器14所感測到的電池芯12的溫度為第一溫度時，控制電路16會每一第一週期時間P1對電池芯12充電一第一充電時間T1，而第一週期時間P1等於一不充電時間Tf與第一充電時間T1的和(sum)。當溫度感測器14所感測到的電池芯12的溫度為第二溫度時，控制電路16會每一第二週期時間P2對電池芯12充電一第二充電時間T2，其中第二溫度不等於第一溫度，第二週期時間P2等於不充電時間Tf與第二充電時間T2的和，而第二週期時間P2不等於第一週期時間P1，且第二充電時間T2不等於第一充電時間T1。更進一步地來說，上述的第一溫度可低於第二溫度，故電池芯12在第一溫度時可以承受的平均電流會小於在第二溫度時可以承受的平均電流，因此在不充電時間Tf固定的情況下，第一充電時間T1會小於第二充電時間T2。

類似地，當溫度感測器14所感測到的電池芯12的溫度為第三溫度時，控制電路16會每一第三週期時間P3對電池芯12充電一第三充電時間T3，其中第三溫度不等於第一溫度及第二溫度，第三週期時間P3等於不充電時間Tf與第三充電時間T3的和，而第三週期時間P3不等於第一週期時間P1及第二週期時間P2，且第三充電時間T3不等於第一充電時間T1及第二充電時間T2。更進一步地來說，上述的第三溫度可高於第一溫度及第二溫度，故電池芯12在第三溫度時可以承受的平均電流可大於在第一溫度及第二溫度時可以承受的平均電流，因此在不充電時間Tf固定的情況下，第三充電時間T3可大於第一充電時間T1及第二充電時間T2。

由於不論是在第一溫度、第二溫度或是在第三溫度，控制電路16所控制充電開關18的不充電時間Tf都是固定的，被改變的是第一充電時間T1、第二充電時間T2及第三充電時間T3，故控制電路16在第一溫度、第二溫度及第三溫度對電池芯12充電的工作週期(duty cycle)互不相同，而得以使電池芯12的平均充電電流在不同的溫度下仍可以符合電池芯製造商所規範的充電條件。此外，由於控制電路16所控制充電開關18的不充電時間Tf在任何溫度下都是固定的，因此當充電開關18為金氧半場效電晶體(MOSFET)時，即使充電開關18在不充電時間Tf會在電路上形成一個內接二極體(body diode)，但由於不充電時間Tf的長度可依據充電開關18的設計而進行調整，故藉由使上述不充電時間Tf固定不變的方式，充電開關18不會因為不充電時間Tf過長而有過熱的情況，故可確保充電開關18的使用壽命。值得瞭解的，雖然上述實施例是以充電開關18為金氧半場效電晶體作說明，但本發明並不以此為限。例如，在本發明的另一個實施例中，充電開關18可以是一個繼電器(Relay)。

請參考第4圖，第4圖是本發明一實施例對第1圖之電池10的電池芯12進行充電的方法之流程圖。所述的方法包含下列步驟：步驟S42：溫度感測器14偵測電池芯12的溫度；步驟S44：控制電路16依據電池芯12的溫度，決定充電時間的長度(如：第一充電時間T1、第二充電時間T2及第三充電時間T3)；以及步驟S46：控制電路16以所決定的充電時間的長度(如：第一充電時間T1、第二充電時間T2及第三充電時間T3)和固定長度的不充電時間Tf，控制充電開關18，以週期性地對電池芯12進行充電。

綜上所述，本發明的電池不論是在何種操作溫度下，其控制電路所控制的充電開關的不充電時間(即：Tf)都是固定的，被改變的是其對應的充電時間(如：T1、T2及T3)，藉此即可調整電池芯的平均充電電流，使平均充電電流在不同的溫度下仍可以符合電池芯製造商所規範的充電條件。此外，由於不充電時間的長度可依據充電開關的設計而進行調整，故藉由使上述不充電時間固定不變的方式，充電開關不會因為不充電時間過長而有過熱的情況，而可避免充電開關受損，故可確保充電開關的使用壽命。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

S42至S46:步驟

Claims

一種對一電池的電池芯進行充電的方法，包含：偵測該電池芯的溫度；當該電池芯的溫度為一第一溫度時，每一第一週期時間對該電池芯充電一第一充電時間，其中該第一週期時間等於一不充電時間與該第一充電時間的和；以及當該電池芯的溫度為一第二溫度時，每一第二週期時間對該電池芯充電一第二充電時間，其中該第二溫度不等於該第一溫度，該第二週期時間等於該不充電時間與該第二充電時間的和，而該第二週期時間不等於該第一週期時間。
如請求項第1項所述之方法，另包含：當該電池芯的溫度為一第三溫度時，每一第三週期時間對該電池芯充電一第三充電時間，其中該第三溫度不等於該第一溫度及該第二溫度，該第三週期時間等於該不充電時間與該第三充電時間的和，該第三週期時間不等於該第一週期時間及該第二週期時間。
如請求項第1項所述之方法，其中該電池芯為鋰電池芯。
一種電池，包含：至少一電池芯；一溫度感測器，用以感測該電池芯的溫度；以及一控制電路，耦接於該溫度感測器，用以依據該溫度感測器所感測到的該電池芯的溫度，對該電池芯充電；其中當該電池芯的溫度為一第一溫度時，該控制電路每一第一週期時間對該電池芯充電一第一充電時間，而該第一週期時間等於一不充電時間與該第一充電時間的和；以及其中當該電池芯的溫度為一第二溫度時，該控制電路每一第二週期時間對該電池芯充電一第二充電時間，該第二溫度不等於該第一溫度，該第二週期時間等於該不充電時間與該第二充電時間的和，而該第二週期時間不等於該第一週期時間。
如請求項第4項所述之電池，其中當該電池芯的溫度為一第三溫度時，該控制電路每一第三週期時間對該電池芯充電一第三充電時間，該第三溫度不等於該第一溫度及該第二溫度，該第三週期時間等於該不充電時間與該第三充電時間的和，該第三週期時間不等於該第一週期時間及該第二週期時間。
如請求項第4項所述之電池，其中該控制電路包含一充電開關及一放電開關，該控制電路於該第一充電時間及該第二充電時間開啟該充電開關及該放電開關，且該控制電路於該不充電時間關閉該充電開關。
如請求項第6項所述之電池，其中該充電開關為一個繼電器。
如請求項第6項所述之電池，其中該充電開關為一個金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，簡稱MOSFET)。
如請求項第4項所述之電池，其中該電池芯為鋰電池芯。