TWI758814B - 具有複數級串電池芯及輪替式補電裝置的可充電電池系統 - Google Patents

Abstract

一種具有複數級串電池芯及輪替式補電裝置的可充電電池系統，包括：複數對供串聯使用的電池芯對，每對電池芯依照級串順序，分別被標定為一奇數電池芯和一偶數電池芯；至少一供串聯充電上述電池芯對的充電電極對；在各相鄰的奇數電池芯和偶數電池芯間，分別設置有旁路導接的補電電極；複數個補電裝置數目恰對應上述成對電池芯對數目；以及一組分別在一個斷路位置、一個導通上述奇數電池芯和前述補電裝置的奇數位置和一個導通上述偶數電池芯和前述補電裝置的位置間切換的切換單元，藉此選擇個別補電充電上述奇數電池芯或上述偶數電池芯。

Description

具有複數級串電池芯及輪替式補電裝置的可充電電池系統

本發明揭露一種可充電電池系統，尤其係指一種具有複數級串電池芯及輪替式補電裝置的可充電電池系統。

隨著電子工藝進步及環保潮流，可重複充能之充電電池組已是諸多電動產品之動力來源，免除普通電池需頻繁汰換之不便，且對用電量大的耗電裝置，目前主要以大量電池單體作為能量來源，以日益普及的電動車輛為例，目前常採用串連眾多充電電池芯級串組合作為電源、供應電能。依照目前技術水準，一般電動車輛的續航距離僅數百公里，隨後就需要進行充電，而且因為所需電能動輒數千瓦，配備的電源必須能提供數十伏特電壓搭配數十安培電流，並且頻繁地幾乎每日進行充電。

一般充電電池的充電曲線如圖1所示，當以一固定電流持續充電時，在前期充入電能將如L1所示呈線性增加，但隨著電池蓄電量接近飽和，持續充入的電能將如L2逐步減少，若保持原先的大電流輸入，無疑造成充電效率降低。因此，部分充電電路的設計，將會採用前期大電流，而後期電流降低的模式進行充電。

但是考量例如電動車等大電能用電裝置，必須採用多電池芯的配置，即使原先出廠時的電池芯規格一致，但在長期頻繁充電放電使用後，往往會造成相異的老化程度、充電效率以及蓄電量，無法統一上述大 電流和小電流的分界。此外在快速充電的市場需求下，一般都會將這種級串式電池芯直接採用如圖2所示的串聯式充電，由外部直流電源90以大電流和高於電池滿載電壓的充電電壓進行快速充電。此種充電模式雖然可以在較短時間內以高速快充，但不幸地，當其中有任一電池芯92已經達到滿電時，將迫使整條充電電路斷路，其他同一級串上的其他電池芯將無法再繼續充電，由此造成整組級串電池芯92的充電無法達成飽和。

為解決上述充電問題，如圖3台灣第I358146號發明專利所示，在每一電池芯82旁分別設置一組並連電路84，且分別量測每一電池芯的充電狀態，當任一電池芯已經達到滿載，就會由充電的串聯電路中被離線，並且讓外部直流電源80所提供的充電電流經由旁路越過該電池芯82，直到所有電池芯均被充飽為止。

然而，此種充電方式存在下列問題，一方面由於每一電池芯都必須搭配一組旁路元件組，使得控制系統複雜化；更糟的是，由於完全依賴同一組充電裝置，即使將充飽的電池芯離線而停止持續對其進行不必要的過度充電，但由於整條線路必須串聯導通，使得尚未完成充電的電池芯仍然被持續充電，充電電流在避開充飽的電池芯時，需要經過旁路電路組件，使得原本應該用來充電的電能被旁路元件無謂消耗，尤其是此時仍採用大電流灌入，充電效能相對較低，不符合用電的效率考量。

因此，若能在整體電池芯電量均低的情況下，採取高電流快充，並且在部分電池芯已經充飽的狀態，提供低電流補電的差異化充電，並且在補電狀態時提供低電能輸入狀態，將可讓充電效率和充電速率兩者達成良好匹配，使得搭配消耗大電能的移動式電動裝置的電源，可以被有 效率且環保節能地反覆充電。

本發明主要目的在提供一種具有複數級串電池芯及輪替式補電裝置的可充電電池系統，藉由旁路導接的補電電極，讓大電流地高效能充電模式和低電流的補電模式分路，減少不必要資源浪費。

本發明的另一目的在提供一種具有複數級串電池芯及輪替式補電裝置的可充電電池系統，藉由奇數電池芯和偶數電池芯輪流補電，讓每一補電裝置同時搭配兩組電池芯，簡化補電機具。

本發明的再一目的在提供一種具有複數級串電池芯及輪替式補電裝置的可充電電池系統，讓每一電池芯均可藉由補電而被分別充飽，達成用電需求。

依照本發明所揭露的一種具有複數級串電池芯及輪替式補電裝置的可充電電池系統，包括複數對供串聯使用的電池芯對，每對上述電池芯依照級串順序，分別被標定為一奇數電池芯和一偶數電池芯；至少一供串聯充電複數對上述電池芯對的充電電極對；在各相鄰的上述奇數電池芯和上述偶數電池芯間，分別設置有旁路導接的補電電極；複數個補電裝置，前述補電裝置數目恰對應上述成對電池芯對數目；一組分別在一個導通上述奇數電池芯和前述補電裝置的奇數位置和一個導通上述偶數電池芯和前述補電裝置的位置間切換的切換單元，藉此選擇個別補電充電上述奇數電池芯或上述偶數電池芯。

由於補電電極是由每一奇數電池芯和相鄰的偶數電池芯之間旁路導接，和主要的充電電極採用串接充電不同，因此在各電池芯儲電 都已經消耗大部分的狀況下，可以選擇用充電電極施加大電流快速充電，但當所有級串電池芯中已經有部分充飽時，將改用補電電極，以低於上述串接充電的小電流，經由複數補電裝置輪流選擇性地向奇數電池芯或偶數電池芯充電，直到全數充飽。此種充電方式既可以達成初步充電時的高速率快充，又可以在後期改以低電流高充電效率補滿各電池芯中的電能，尤其是補電裝置僅需配置所有電池芯的一半數目，一舉達成上述目的。

1:可充電電池系統

10:充電電極

11、13:奇數電池芯

12、14:偶數電池芯

20、21、22、23、24:補電電極

31、32、33、34:切換裝置

4:量測裝置

5:控制裝置

6:儲存裝置

70、80、90:外部直流電源

71、72:補電電源

82、92:電池芯

84:並連電路

L1、L2:曲線

圖1是一般充電電池芯在恆定電流及恆定電壓下的蓄電電壓-時間曲線。

圖2是習知串接電池芯充電結構示意圖。

圖3是習知採用旁路組件的級串電池芯充電結構示意圖。

圖4是本發明較佳實施例的結構示意圖，說明充電狀態。

圖5是圖4實施例的補電狀態示意圖，說明補電至奇數電池芯的作動情況。

圖6是圖4實施例的補電狀態示意圖，說明補電至偶數電池芯的作動情況。

圖7是圖4實施例的電路方塊示意圖。

為了便於理解關於本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚呈現；此外，在各實施例中，相同之單元將以相似標號表示。本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、尺寸大小等，均僅用以供熟悉此技藝之人士瞭解與閱 讀，並非用以限定本發明實施之限定條件，任何結構之修飾、大小之調整或比例關係，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。

如圖4所示，本發明的具有複數級串電池芯及輪替式補電裝置的可充電電池系統1，包括複數電池芯，在本例中是以16個級串電池芯為例，為便於說明起見，僅繪示其中4個，並且將每兩個電池芯分為一對，依級串順序將第1、3...訂為奇數電池芯11、13...，而第2、4...訂為偶數電池芯12、14...。由於本例中所有電池芯都是串接，因此在整串電池芯的頭尾兩側，分別設置有一個充電電極，當所有電池芯都需要同步充電時，由一外部直流電源70導接至該對充電電極10，對所有串接回路上的每一電池芯同步進行大電流快速充電。

如上所述，由於每一電池芯11、12、13、14...的老化程度不一，各自的蓄電容量會逐步差異化，使得快速充電無法同步滿足每一電池芯；因此當已經有部分電池芯接近滿載時，將會停止快充的大電流充電模式，改為啟動本發明的補電模式。由於依照本發明所揭露的結構設計，在各相鄰的上述奇數電池芯11、13...和上述偶數電池芯12、14...間，分別設置有旁路導接的補電電極20、21、22、23、24...，因此當複數個切換裝置31、32、33、34...從上述充電模式的斷路位置，分別轉換為圖5所示，導接至標號A的奇數位置時，外部補電電源71、72...的正負極，將分別透過例釋為接頭的補電裝置，分別向奇數電池芯11、13...進行低電流補電，由於此時的電流量會小於上述串接充電，因此使得各奇數電池芯的補電狀態不會無謂大量耗費電能，提升後期的補電效率。

在本例中，每當補電例如五分鐘後，將會暫停對此奇數電池 芯11、13...的補電，並且對每一奇數電池芯的電壓進行量測並暫存至控制裝置，隨後如圖6所示，在例如六秒鐘後，將前述切換裝置31、32、33、34...再分別轉換為導接至標號B的偶數位置，對偶數電池芯12、14...進行低電流的補電五分鐘，並且輪流進行奇數電池芯和偶數電池芯的補電，直到所有電池芯都儲存預定電能為止。過程中如圖7所示，是由量測裝置4分別量測各電池芯所儲存的電能，控制裝置5在判定各電池芯的電能後，將輸出該數值至儲存裝置6暫存，藉此作為最新電量的依據。

由於切換裝置可在斷路位置、奇數位置和偶數位置之間切換，前期充電時旁路的補電電極將不發生任何作用，單純藉由充電電極以大電流串接上述奇數電池芯和偶數電池芯進行高速充電，但在充電達到一預定電能後，切換裝置將會輪流切換至奇數位置和偶數位置，藉此讓外部的補電電源71、72...輪流分別對個別奇數電池芯和偶數電池芯進行高效率且低電流補電，可以同時兼顧前期的快速充電和後期補電時的充電效率，避免浪費長時間充電，也避免不必要的電能浪費，加以，補電的外部電源數目僅需要設置為電池芯數目的一半，也可以降低補電所需要的設備成本。

當然，如本技術領域具有專業知識人士所能輕易理解，本實施例中的輪流對奇數電池芯和偶數電池芯輪流充電五分鐘僅是舉例，並非限制條件，無論是補電的時間長短，例如將每次補電輪換的時間縮短至例如100ms，且中間暫停1ms作為量測之用，或者是單次將所有奇數電池芯先補電至飽和，再輪換成對偶數電池芯進行補電，都無礙於本發明的實施。惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，不能以此限定本發明實施 之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

10:充電電極

11、13:奇數電池芯

12、14:偶數電池芯

20、21、22、23、24:補電電極

31、32、33、34:切換裝置

71、72:補電電源

Claims (5)

1. 一種具有複數級串電池芯及輪替式補電裝置的可充電電池系統，包括：複數對供串聯使用的電池芯對，每對上述電池芯依照級串順序，分別被標定為一奇數電池芯和一偶數電池芯；至少一供串聯充電複數對上述電池芯對的充電電極對；在各相鄰的上述奇數電池芯和上述偶數電池芯間，分別設置有旁路導接的補電電極；一連接於上述充電電極對的充電電源，供對上述串聯的電池芯對同步進行大電流快速充電；複數個補電裝置，前述補電裝置數目恰對應上述成對電池芯對數目；以及一組分別在一個斷路位置、一個導通上述奇數電池芯和前述補電裝置的奇數位置和一個導通上述偶數電池芯和前述補電裝置的位置間切換的切換單元，藉此選擇對上述電池芯對進行串聯大電流快速充電、個別補電充電上述奇數電池芯或上述偶數電池芯。
2. 如申請專利範圍第1項所述的可充電電池系統，更包括分別量測上述每一上述奇數電池芯和上述偶數電池芯電能的量測裝置。
3. 如申請專利範圍第2項所述的可充電電池系統，更包括用以接受上述量測裝置的量測結果，判別每一上述奇數電池芯和上述偶數電池芯電能的控制裝置。
4. 如申請專利範圍第3項所述的可充電電池系統，更包括用以儲存上述電 池芯能量數值的儲存裝置。
5. 如申請專利範圍第1項所述的可充電電池系統，其中上述補電裝置係輪流進行上述奇數電池芯和上述偶數電池芯的補電。

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