TWM524000U - 循環充電系統 - Google Patents

Description

循環充電系統

本新型係關於一種充電系統，尤指一種專用於汽／機車發電機對鋰離子電池進行充電的循環充電系統。

對於一般汽車的電力系統而言，其發電機的位置是裝在引擎的前側，並由引擎帶動發電機的轉子運轉並輸出直流電壓，透過一充電模組對一電池組充電，一般發電機的電壓大多在12.8V（單位/伏特）~14.8V（單位/伏特），而該電池組是由多數鋰電芯組成（例如：由四個鋰電芯組成），每一個鋰電芯的工作電壓約3.3V（單位/伏特），因此該電池組的工作電壓約13.2V（單位/伏特），但是當發電機的電壓過低時（如12.8V），一個充電器對應一個鋰電芯只能提供3.2V的充電電壓，而鋰電芯的充電電壓都需比這高很多，以鋰鐵電芯為例，充電電壓需求為3.7V，因此無法充飽電。所以會影響該電池組的使用效能。

為了提升電力系統的使用壽命及效能，近年來市面上有一種由多數鋰鐵電芯所組成的電池組（例如：由四個鋰鐵電芯組成），鋰鐵電芯的循環壽命約是一般鋰離子電芯的4~5倍，由於每一個鋰鐵電芯的工作電壓是3.3V（單位/伏特），所以由4個鋰鐵電芯所組成的電池組的工作電壓約13.2V（單位/伏特）但是當發電機的電壓偏高時（如14.8V），一個充電器對應一個鋰鐵電芯雖能提供3.7V的充電電壓，但由於汽機車發電機有調壓器的關係，在14.8V的時間並不長，因此還是無法充飽鋰鐵電池組。長期無法充飽電池組的情況下，鋰鐵電池組電容量將越來越少，而影響到鋰鐵電池的使用效能。由此可知，現有技術中無論是對鋰離子電芯或鋰鐵電芯，持續的以過低的電壓提供充電，皆對電池組造成不良影響。

再者，一般12V汽機車發電機的電壓大多在13.2V（單位/伏特）~14.2V（單位/伏特），而若該電池組是由多數鋰電芯組成（例如：由四個鋰電芯串連組成），以鋰鐵電池為例；假設每一個鋰電芯的工作電壓約3.3V（單位/伏特），則該電池組的工作總電壓約13.2V（單位/伏特），而充電電壓則需為3.7V/cell（單位/伏特）所以總充電電壓應該為14.8V。但是當發電機的電壓過低時（如13.2V），平均對應一個四串的鋰電芯組，只能對每個電芯提供3.3V的充電電壓，根本無法達到對電芯充電的電壓。因此電池組的電容量就會越來越低，直到完全無法工作為止。當電池組的電容量太低時，就無法使汽機車發動點火。以前的汽機車皆係使用鉛酸電池為主，而鉛酸電池的充電電壓較低，充電電壓只需大於13.2V，就可以充飽鉛酸電池的電。但、對鋰離子電芯的電池組充電電壓是明顯不夠的。以鋰鐵電池而言 若總充電電壓沒有達到14.8V則四串的電池組是無法充飽電的。

而鋰離子電池充電的另一個問題則是無法對每個電芯同時充到飽滿，也就是電池業界所說的充電平衡的問題，以四串電池組為例，使用四個電芯串聯成一個電池組，充電過程中通常四個電芯是無法同時充飽的，總會有一兩個電芯先充飽，此時若再繼續充電，則已充飽的這個電芯將會發生過充的狀況會損壞電芯，而若此時關掉充電，則未充飽電的那顆電芯，必將影響整個電池組對外放電的效率，因此如何能讓電芯平衡充電，也是很重要的技術問題。

由上述現有技術可知，無論是對鋰電芯、鋰離子電芯或鋰鐵電芯，持續的以過低的電壓提供充電，皆對電池組造成不良影響，而前案是透過一個充電器的電源輸出單元將電源直接分配至所有的蓄電池單元體（電芯），以避免發生過度充電現象，但是以前案的技術內容仍然會有充電器供電電壓持續不足、過高或不穩定等問題，在使用上亦容易令電芯損壞並影響充電效能。

有鑑於上述現有技術之不足，本新型主要目的係提供一種循環充電系統，其可根據電芯的電壓狀況及預設的時間分配，讓一電池組中不同的電芯輪流進行充電，並以循環的方式令電池組中的所有電芯都可快速被充飽，並能達到充電平衡及提升使用壽命。

為達成上述目的所採取的主要技術手段係令前述循環充電系統包括： 一鋰離子電池組，具有多數鋰離子電芯； 一充電模組，具有訊號輸入端、訊號輸出端； 一充電分配模組，至少有一組充電模組的訊號輸入，具有多數電源輸出端，多數電源輸出端與多數鋰離子電芯的正、負端連接，並且該充電分配模組與該充電模組的訊號輸出端連接，以構成可循環充電的多數充電迴路； 一第一訊號轉換模組，與一電源端連接，並透過一接線組與該充電模組的訊號輸入端連接。

藉由上述構造，本新型循環充電系統主要應用於汽／機車內，並由一汽／機車專用的發電機做為該電源端，該電源端連接該第一訊號轉換模組，該第一訊號轉換模組透過該接線組與該充電模組的訊號輸入端連接，使得該第一訊號轉換模組將該發電機的電源訊號經轉換後傳送給該充電模組，而且該發電機與該鋰離子電池組之間係設有該第一訊號轉換模組、該充電模組、該充電分配模組，該充電器模組將輸入的電源訊號轉換為該鋰離子電芯的充電電壓及電流，該充電分配模組透過多數電源輸出端與多數鋰離子電芯的正、負端連接，並且該充電分配模組與該充電模組的訊號輸出端連接，以單一充電器、該充電分配模組及單一鋰離子電芯構成一充電迴路，使得每一充電器能以一對多方式分送至每一鋰離子電芯，可以對每個電芯獨立充電，故多數鋰離子電芯則構成多數可循環充電的充電迴路，令所有鋰離子電芯都可被快速充飽，達到提升充電平衡、使用壽命的目的；進一步的，當該鋰離子電池組的鋰離子電芯數量多於該充電模組的充電器數量時，該充電分配模組係根據一充電時間切換不同的充電迴路，並以循環充電的方式令該鋰離子電池組中的所有鋰離子電芯都可被快速充飽，達到提升充電平衡、使用壽命的目的。

關於本新型循環充電系統之一較佳實施例，請參考圖1、2所示，其主要係應用於汽／機車內並包括一做為電源端的汽機車用發電機10、一鋰離子電池組20、一第一訊號轉換模組30、一充電模組40以及一充電分配模組50，該第一訊號轉換模組30、該充電模組40、該充電分配模組50係設置於該汽機車用發電機10與該鋰離子電池組20之間。

該鋰離子電池組20具有正、負端，並由多數鋰離子電芯201,202,203,204串聯組成，本實施例中多數鋰離子電芯的數量為至少四個，其中每一鋰離子電芯201,202,203,204皆具有正、負端，該充電模組40具有訊號輸入端、訊號輸出端，該充電分配模組50具有多數電源輸出端，多數電源輸出端與多數鋰離子電芯201,202,203,204的正、負端連接，並且該充電分配模組50與該充電模組的訊號輸出端連接，以構成可循環充電的多數充電迴路；該第一訊號轉換模組30具有二直流輸入端與二交流輸出端，該第一訊號轉換模組30的二直流輸入端與該汽機車用發電機10連接，該第一訊號轉換模組30的二交流輸出端透過一接線組與該充電模組40的訊號輸入端連接；本實施例中該第一訊號轉換模組30可為一直流／交流轉換器（即DC轉AC轉換器）。

於本實施例中，該汽機車用發電機10的正、負端分別連接該第一訊號轉換模組30、該鋰離子電池組20的正、負端，該接線組包括一第一線組、一第二線組；該充電模組40包括至少一組充電器，該組充電器係可由一個或多數的充電器41所組成，且該等充電器41分別具有二訊號輸入端、二訊號輸出端，其中二訊號輸出端包括正、負端，該第一訊號轉換模組30的二交流輸出端包括正、負端，並由該第一訊號轉換模組30的二交流輸出端分別透過該第一線組、該第二線組與該等充電器41的二訊號輸入端連接，該等充電器41的二訊號輸出端再與該充電分配模組50連接。

該充電分配模組50透過多數電源輸出端與多數鋰離子電芯201,202,203,204的正、負端連接，使得以單一充電器41、該充電分配模組50及單一鋰離子電芯構成一充電迴路，即每一充電器41能以一對一或一對多的方式分送至每一鋰離子電芯201,202,203,204，故多數鋰離子電芯201,202,203,204、多數的充電器41則可構成多數可循環充電的充電迴路，令所有鋰離子電芯201,202,203,204都可被快速充飽而且不會發生過充的現象，因充電器41的最高輸出電壓就是鋰離子電芯201,202,203,204的充電電壓。當鋰離子電芯201,202,203,204充飽後自然會達到它的充電電壓不可能再往上升，自然不可能發生過充的現象。

為說明本較佳實施例中的充電器41之訊號轉換，如圖2所示，該充電器41包括一第二訊號轉換模組411、一變壓模組412，當該第一訊號轉換模組30將該汽機車用發電機10提供的一第一直流訊號轉換為一交流訊號，並由該第一訊號轉換模組30的交流輸出端輸出至該充電器41時，該充電器41的第二訊號轉換模組411將該交流訊號轉換為一第二直流訊號，並由該變壓模組412將該第二直流訊號轉換為一第一電壓訊號，故該變壓模組412具有降壓、穩壓的作用，該充電分配模組50根據收到該第一電壓訊號產生一第二電壓訊號至鋰離子電芯進行充電；本實施例中該第二訊號轉換模組411可為一交流／直流轉換器（即DC轉AC轉換器），該變壓模組412係指一變壓器。

為進一步說明充電模組一對多的充電方式，請參考圖3A、3B所示，其中該充電分配模組50包括一控制器51、至少二切換開關S1,S2，必須先說明的是，切換開關S1,S2的組數可依鋰離子電芯數量及充電器41數量而調整，如圖3A中該充電分配模組50可設有兩組切換開關S1,S2以及至少三個充電器41，而圖3B中該充電分配模組50可設有四組切換開關S1~S4以及至少二個充電器41，致於前述的組數、數量於本實施例中僅為舉例，而非加以限制，在此合先敘明。該等切換開關S1、S2分別具有一常開端b1,b2、一常閉端a1,a2以及一共同端c1,c2，且該控制器51分別與該等切換開關S1、S2的控制端連接，該控制器51可偵測各鋰離子電芯201,202,203,204的電壓訊號並進行判斷，以控制該等切換開關S1、S2的切換狀態以令該第二電壓訊號至各鋰離子電芯201,202,203,204進行充電，此時其中一個充電器41可同時對其中二鋰離子電芯201,202同時充電，而且充電器41的正端接其中一切換開關S1的共同端c1，負端接到另一切換開關S2的共同端c2；其中一鋰離子電芯202的正端接到其中一切換開關S1的常閉端a1、負端接到常開端b1；而另一鋰離子電芯201的正極接到其中一切換開關S1的常閉端a2、負極接到常開端b2。

當切換充電時，如圖3A、3B所示，該控制器51使該等切換開關S1、S2同時處於一常閉狀態，當在常閉端a1,a2位置時是對其中一鋰離子電芯202充電，該等切換開關S1、S2的狀態是同時切換，如圖4所示，該控制器51可根據電芯電壓及一預設的充電時間（T）使該等切換開關S1、S2同時切換致一常開狀態，且該控制器51根據電壓較低的電芯來對其充電，並以該預設的充電時間來輪流切換，當跳轉到常開端b1,b2時是對另一鋰離子電芯201充電，藉此達到切換不同的充電迴路的效果。本實施例中，該等切換開關S1、S2可分別為一繼電器(RELAY)或一金屬氧化物電晶體(MOS)。

舉例而言，該充電模組40具有至少一個充電器41，該汽機車用發電機10的電壓為12.8V（單位/伏特）~14.8V（單位/伏特），當該汽機車用發電機10的電壓為12.8V的低電壓，三個充電器41則分別為3.2V，與鋰離子電芯的工作電壓3.2V相匹配，因此，該控制器51可設定較長的充電時間（T），再間歇的對二切換開關S1,S2進行切換、循環充電，以使該鋰離子電池組20的充電平衡；再者，當該汽機車用發電機10的電壓為14.8V的高電壓，三個充電器41則分別為4.9V，較鋰離子電芯的工作電壓3.2V更高，因此，該控制器51可設定較短的充電時間（T），更頻繁的對二切換開關S1,S2進行切換、循環充電，以維持該鋰離子電池組20的充電平衡、提升使用壽命，而且，該等充電器41中具有變壓模組412，可將4.9V降壓至3.2V，使得該充電器41具有穩壓的效果。

關於本新型循環充電系統之另一較佳實施例，請參考圖5所示，本較佳實施例與前一較佳實施例的技術內容大致相同，惟該充電模組40的構造有所不同，於本實施例中，該充電模組40包括一單電芯42及一第三訊號轉換模組43，該單電芯42係分別與該第一訊號轉換模組30、該第三訊號轉換模組連接43，該第三訊號轉換模組43係與該充電分配模組50連接，本實施例中該第一訊號轉換模組30係指一降壓穩壓模組，該第三訊號轉換模組43係指一升壓穩壓模組。

藉由本新型循環充電系統能以一對多方式分送至每一鋰離子電芯201,202,203,204，並以循環充電的方式令該鋰離子電池組20中的所有鋰離子電芯201,202,203,204都可被快速充飽，提升充電平衡、使用壽命，確實可以解決現有技術中的充電系統持續的以過低或過高的電壓提供充電，皆會對電芯造成不良影響的問題。

10‧‧‧汽機車用發電機
20‧‧‧鋰離子電池組
201,202,203,204‧‧‧鋰離子電芯
30‧‧‧第一訊號轉換模組
40‧‧‧充電模組
41‧‧‧充電器
411‧‧‧第二訊號轉換模組
412‧‧‧變壓模組
42‧‧‧單電芯
43‧‧‧第三訊號轉換模組
50‧‧‧充電分配模組
51‧‧‧控制器

圖1 係本新型一較佳實施例的系統架構圖。 圖2 係本新型一較佳實施例的充電器方塊圖。 圖3A 係本新型一較佳實施例的充電分配模組之應用狀態圖。 圖3B 係本新型又一較佳實施例的充電分配模組之應用狀態圖。 圖4 係本新型之較佳實施例的充電分配模組之另一應用狀態圖。 圖5 係本新型另一較佳實施例的系統架構圖。

10‧‧‧汽機車用發電機

20‧‧‧鋰離子電池組

201,202,203,204‧‧‧鋰離子電芯

30‧‧‧第一訊號轉換模組

40‧‧‧充電模組

41‧‧‧充電器

50‧‧‧充電分配模組

Claims (10)

1. 一種循環充電系統，其包括： 一鋰離子電池組，具有多數鋰離子電芯； 一充電模組，具有訊號輸入端、訊號輸出端； 一充電分配模組，至少有一組充電模組的訊號輸入，具有多數電源輸出端，多數電源輸出端與多數鋰離子電芯的正、負端連接，並且該充電分配模組與該充電模組的訊號輸出端連接，以構成可循環充電的多數充電迴路； 一第一訊號轉換模組，與一電源端連接，並透過一接線組與該充電模組的訊號輸入端連接。
2. 如請求項1所述之循環充電系統，該電源端為一汽機車用發電機，該鋰離子電池組具有正、負端，該第一訊號轉換模組具有二直流輸入端與二交流輸出端，該第一訊號轉換模組的二直流輸入端與該汽機車用發電機連接，該第一訊號轉換模組的二交流輸出端透過該接線組與該充電模組連接。
3. 如請求項1所述之循環充電系統，該第一訊號轉換模組為一直流／交流轉換器。
4. 如請求項1所述之循環充電系統，該充電模組包括至少一組充電器，且該組充電器分別與該第一訊號轉換模組、該充電分配模組連接。
5. 如請求項4所述之循環充電系統，該充電器包括一第二訊號轉換模組、一變壓模組，該第二訊號轉換模組為一交流／直流轉換器，該變壓模組係指一變壓器。
6. 如請求項1所述之循環充電系統，該鋰離子電池組由多數鋰離子電芯串聯組成，多數鋰離子電芯的數量為至少二個；該充電模組具有至少一個充電器。
7. 如請求項1所述之循環充電系統，該充電模組包括一單電芯及一第三訊號轉換模組，該單電芯係分別與該第一訊號轉換模組、該第三訊號轉換模組連接，該第三訊號轉換模組係與該充電分配模組連接。
8. 如請求項7所述之循環充電系統，該第一訊號轉換模組為一降壓穩壓模組，該第三訊號轉換模組為一升壓穩壓模組。
9. 如請求項1至8中任一項所述之循環充電系統，該充電分配模組包括一控制器、至少二切換開關，該控制器分別與該等切換開關連接；該控制器偵測各鋰離子電芯的電壓訊號並根據一預設的充電時間進行判斷，以控制該等切換開關的切換狀態。
10. 如請求項9所述之循環充電系統，該控制器使該等切換開關同時處於一常閉狀態，並只對該鋰離子電池組中的一部分鋰離子電芯充電；或者，該控制器使該等切換開關同時切換至讓另一接點接觸同時斷開原來接觸的接點，並只對該鋰離子電池組中的另一部分鋰離子電芯充電。