TWI818561B

TWI818561B - 充電系統及充電方法

Info

Publication number: TWI818561B
Application number: TW111119996A
Authority: TW
Inventors: 洪啟斌
Original assignee: 松下產業科技股份有限公司
Priority date: 2022-05-30
Filing date: 2022-05-30
Publication date: 2023-10-11
Also published as: TW202347918A

Abstract

本發明提供一種充電系統(20)，具備：充電電池(25)；具有電力供應部(14)及控制部(15)，藉由前述電力供應部供應輸入電壓(Vin)至充電電池的充電器(21)；位於充電電池中，接收充電電壓(Vcell)的充電電池單元(23)；檢測出輸入電壓與充電電壓之差作為損耗電壓(△CHG)的檢測部(31)；根據檢測部的檢測結果，將損耗電壓即時回饋至充電器的控制部的回饋部(33)；其中，損耗電壓因充電電池中的一個或複數個電子元件的阻抗造成；控制部，在接收到損耗電壓的回饋後，控制電力供應部加上補償電壓(Vcom)至輸入電壓。

Description

充電系統及充電方法

本發明係有關於充電系統、充電方法，特別是鋰離子電池的快速充電系統及充電方法。

近年來，隨著智慧手機、平板電腦、筆記型電腦以及電動車等的發展，充電電池已成為不可或缺的電力來源。又，鋰離子電池作為充電電池已被廣泛地應用。

從前的充電系統10，如圖1所示，充電器1，具有電力供應部4，電連接至充電電池5以對充電電池5供應輸入電壓Vin。又，於充電電池5中，具有充電電池單元3，經由內部導線2連接電晶體6、保險絲7、電阻器8等各種電子元件。然而，從充電器1將輸入電壓Vin供應至充電電池單元3時，因為前述電晶體6、保險絲7、電阻器8等電子元件及內部導線2的阻抗會造成輸入電壓的損耗，該損耗的電壓會導致充電電池單元3實際接收到的充電電壓Vcell比來自充電器1供應的輸入電壓Vin還低。

其結果，因為損耗電壓，會有充電效率不佳的問題。

作為解決上述充電效率不佳的問題的技術，專利文獻1(特開平9-19073)揭示一種充電電池的快速充電方法，使用具有定電壓定電流輸出特性的充電用電源，以恆定提高的充電電壓，加總至基準充電電壓，以對充電電池進行補償充電。

但是，專利文獻1的快速充電方法中，因為採用定電壓定電流進行補償充電，充電電池的充電電壓V_OUT會超過電壓上限V_CHG，導致充電電池的損壞。因此，為了防止充電電池的損壞，在超過電壓上限V_CHG時，如專利文獻1的圖3所示，必須藉由重複充電/停止的動作來控制電池的滿充電。這種充電方法，反而會增加充電時間，導致充電效率低下。而且，在滿充電的判定上也較為不準確，充電量並不穩定。

另一方面，專利文獻2(特開平7-240235)揭示一種充電方法，採用固定式的電壓調整(依電流區間對應充電電壓)，其提升的充電電壓大小非線性調整，電壓降幅大，效率差。而且，如專利文獻2的圖2所示，在充電過程中，輸入至充電電池的定電壓充電電壓Vout會先超過電壓上限範圍(最高達4.25V)，等待電流下降到下個區間(例如，2<I<3的區間)後，才會再次調降電壓(例如，調降成4.2V)。

專利文獻2的充電方法，必須依照電流表來決定輸入至充電電池的定電壓充電電壓Vout，待電流下降後才調降充電電壓。而且，專利文獻2的充電方法，也必須先將電池充電超過其電壓上限Voff，然後才降低電壓控制截止點，在充電期間中，充電電池的電壓會一直超過其上限範圍(例如，4.1V)，會有電池容易老化及安全上的問題。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]特開平9-19073

[專利文獻2]特開平7-240235

有鑑於上述問題，本發明的目的為提供充電系統及充電方法，能夠提高充電效率，且在充電過程中充電電池的電壓不會超過其上限範圍，降低充電電池的老化速度並增加安全性。

根據本發明的充電系統，具備：充電電池；具有電力供應部及控制部，藉由前述電力供應部供應輸入電壓至前述充電電池的充電器；位於前述充電電池中，接收充電電壓的充電電池單元；檢測出前述輸入電壓與前述充電電壓之差作為損耗電壓的檢測部；根據前述檢測部的檢測結果，將前述損耗電壓即時回饋至前述充電器的前述控制部的回饋部；其中，前述損耗電壓因前述充電電池中的一個或複數個電子元件的阻抗造成；前述控制部，在接收到前述損耗電壓的回饋後，控制前述電力供應部加上補償電壓至前述輸入電壓。

藉此，能夠提供充電系統，提高充電電池的充電效率，同時降低充電電池的老化速度並增加安全性。

根據本發明的充電系統，其中，前述檢測部，可檢測出前述任何一個或複數個電子元件的阻抗造成的前述損耗電壓。

藉此，能夠輕易檢測出任何一個或複數個電子元件的損耗電壓。

根據本發明的充電系統，其中，前述任何一個或複數個電子元件為內部導線、電晶體、保險絲、或電阻器。

根據本發明的充電系統，其中，前述充電器為有線充電器。

藉此，能夠以簡單的連接線路利用有線充電器對充電電池進行充電。

根據本發明的充電系統，其中，前述充電器為無線充電器。

藉此，能夠減少充電器與充電電池的端子間接觸，降低了將充電器與充電電池裝卸時端子間的損傷風險。

根據本發明的充電系統，其中，前述回饋部，經由有線通信將前述損耗電壓即時回饋至前述充電器的前述控制部。

根據本發明的充電系統，其中，前述回饋部經由連接至前述控制部的有線匯流排來實現有線通信。

藉此，能夠以簡單的電路實現對充電器的損耗電壓的回饋。

根據本發明的充電系統，其中，前述回饋部，經由無線通信將前述損耗電壓即時回饋至前述充電器的前述控制部。

根據本發明的充電系統，其中，前述回饋部更具有無線信號發送部；前述控制部更具有無線信號接收部。

藉此，能夠減少充電電池與充電器的實體接觸，降低接觸損傷。又，能夠減少連接回饋部與充電器的導線數量。

根據本發明的充電方法，包含：由充電器的電力供應部供應輸入電壓至充電電池的充電步驟；檢測出前述輸入電壓與位於前述充電電池中的充電電池單元接收到的充電電壓之差作為損耗電壓的檢測步驟；根據檢測結果，將前述損耗電壓即時回饋至前述充電器的控制部的回饋步驟；在接收到前述損耗電壓的回饋後，由前述控制部控制前述電力供應部，進行加上補償電壓至前述輸入電壓的補償步驟；其中，前述損耗電壓因前述充電電池中的一個或複數個電子元件的阻抗造成。

藉此，能夠提供充電方法，提高充電電池的充電效率，同時降低充電電池的老化速度並增加安全性。

根據本發明的充電系統及充電方法，能夠提高充電效率，且在充電過程中充電電池的電壓不會超過其上限範圍，降低充電電池的老化速度並增加安全性。

10:充電系統

1:充電器

2:內部導線

3:充電電池單元

5:充電電池

6:電晶體

7:保險絲

8:電阻器

20:充電系統

21:充電器

14:電力供應部

15:控制部

22:內部導線

23:充電電池單元

25:充電電池

26:電晶體

27:保險絲

28:電阻器

31:檢測部

33:回饋部

211:電力輸出部

201:電力接收部

311,312,313,314:開關

[圖1]從前的充電系統的示意圖。

[圖2]實施形態1的充電系統的示意圖。

[圖3]實施形態2的充電系統的示意圖。

[圖4]實施形態3的充電方法的示意圖。

[圖5]比較例的充電圖。

[圖6]實施例的充電圖。

以下的說明中，相同元件或具有相同機能的元件會使用相同符號來表示，並省略重複的說明。又，圖式僅為示意圖，並非用來限定本發明，實際的配置狀態可以任意變更。

[充電系統] [實施形態1]

首先，參照圖2，實施形態1的充電系統20，具有充電電池25、充電器21、充電電池單元23、檢測部31、回饋部33。其中，充電電池25可以是鋰離子充電電池，但不以此為限。

其中，充電器21為有線充電器，具有電力供應部14及控制部15，經由線路以有線充電的方式，藉由電力供應部14供應輸入電壓Vin至充電電池25。藉此，能夠以簡單的連接線路利用有線充電器對充電電池25進行充電

充電電池25中具有充電電池單元23，輸入電壓Vin經由充電電池單元23中的內部導線22成為充電電壓Vcell輸入至充電電池單元23。

又，在充電電池單元23中，除了內部導線22之外，還具有例如電晶體26、保險絲27、或電阻器28等各種電子元件，但不以此為限，可視需要增加/減少電子元件。該內部導線22、電晶體26、保險絲27、電阻器28等各種電子元件的阻抗，會造成輸入電壓Vin的損耗，導致充電電池單元23實際上接收到的充電電壓Vcell比輸入電壓Vin還低。在這裡，將輸入電壓Vin與充電電壓Vcell之差(Vin-Vcell)設為損耗電壓△CHG。該損耗電壓△CHG使得充電速度降低，成為充電效率低下的主因。

在實施形態1的充電系統20中，設置有檢測部31，用以檢測出輸入電壓Vin與充電電壓Vcell之差(即損耗電壓△CHG)。檢測部31，例如，可以是電壓檢出計、也可以是電池管理控制器，但不以此為限。

如同前述，損耗電壓△CHG為電流通過充電電池25中的內部導線22、電晶體26、保險絲27、或電阻器28等各種電子元件時，因該等電子元件的阻抗而造成的電壓下降。因此，如圖2所示，一般會將檢測部31電連接至電晶體26、保險絲27、及電阻器28等電子元件的兩端，以測定電流通過該等電子元件後的損耗電壓△CHG。

但是，檢測部31與該等電子元件的連接方式不以此為限，可視需要調整檢測部31的連接位置，以調整檢測部31的檢測對象。例如，將檢測部31電連接至電晶體26的兩側，僅檢測阻抗較大的電子元件(例如，電晶體)的損耗電壓也可以。藉此，能夠降低內部導線的長度，並減少檢測誤差。

又，檢測部31檢測的對象也可以是可變的。例如，如圖2所示，將電晶體26、保險絲27、電阻器28的兩端，使用具有開關311、312、313、314的複數導線(其中，以虛線所示的導線可因應待測電子元件而任意增減)，分別電連接至檢測部31的兩端。藉此，藉由控制各導線的開關311、312、313、314的通導及關閉，能夠檢測任何一個或複數個電子元件間的電壓。藉此，能夠輕易檢測出任何一個或複數個電子元件的損耗電壓。

例如，欲檢測電晶體26兩端的電壓時，可以將開關312、313通導並將開關311、314關閉。又，欲檢測保險絲27兩端的電壓時，可以先將開關311、313通導並將開始312、314關閉，檢測出保險絲27及電晶體26兩端的電壓後，再將開關312、313通導並將開關311、314關閉，檢測電晶體26兩端的電壓，最後再將保險絲27與電晶體26兩端的電壓減去電晶體26兩端的電壓，即可得到保險絲27兩端的電壓。當然，該例僅為一例，並非用來限定本發明，可以經由不同的導線連接方式或檢測部31的設計，分別檢測任何一個或複數個電子元件兩端的電壓。

接著，回饋部33，會根據檢測部31的檢測結果，將檢測出的損耗電壓△CHG即時回饋至充電器21的控制部15。藉此，能夠以簡單的電路實現損耗電壓△CHG的即時回饋。

又，回饋部33，可以經由有線通信將損耗電壓△CHG，以有線的方式回饋至充電器21的控制部15。其中，回饋部33，經由連接至充電器21的控制部15的有線匯流排來實現有線通信，但不以此為限。藉由有線通信將損耗電壓△CHG回饋至充電器21的控制部15，能夠以簡單的電路實現對充電器21的損耗電壓△CHG的回饋。

此外，回饋部33，也可以經由無線通信將損耗電壓△CHG，以無線的方式回饋至充電器21的控制部15。例如，回饋部33及控制部15能分別具有無線信號發送部及無線信號接收部(圖皆未示)，回饋部33藉由無線信號發送部發送損耗電壓△CHG，控制部15藉由無線信號接收部接收該損耗電壓△CHG。藉由無線通信將損耗電壓△CHG回饋至充電器21的控制部15，能夠減少充電電池25與充電器21的實體接觸，降低接觸損傷。又，能夠減少連接回饋部33與充電器21的導線數量。

控制部15在接收到損耗電壓△CHG的回饋之後，控制電力供應部14加上補償電壓Vcom至輸入電壓Vin。其中，補償電壓Vcom通常會與損耗電壓△CHG相同，但不以此為限，可視需要改變補償電壓Vcom的大小。此外，亦可在充電電池25中加裝電壓補償部，藉由該電壓補償部將補償電壓Vcom補償至輸入電壓Vin。

藉此，因為根據實際的損耗電壓△CHG，對輸入電壓Vin進行補償，能夠提升充電電池25的充電效率。又，因為藉由回饋部33將檢測部31實際檢測到的損耗電壓△CHG即時回饋至充電器21的控制部15，即便充電電池25中的各電子元件的阻抗因溫度及濕度等環境因素而產生變化，充電器21也能夠根據該損耗電壓△CHG的變化結果，即時變更補償電壓Vcom。

此外，因為補償電壓Vcom係根據損耗電壓△CHG的大小而設定，只要輸入電壓Vin不超過充電電池單元23的電壓上限，在充電的過程中，充電電壓Vcell就不會超過充電電池單元23的電壓上限。藉此，能夠降低充電電池的老化速度並增加安全性。

[實施形態2]

接著，說明實施形態2的充電系統20，在以下的說明，除有特別明示以外，與實施形態1的充電系統20相同。

說明實施形態2的充電系統20，如圖3所示，為無線充電系統。在實施形態2中，充電器21為無線充電器，具有電力輸出部211。相對於此，充電電池20，具有電力接收部201，接收來自充電器21的電力輸出部211輸出的電力。其中，無線充電的方式，可以是電磁感應方式、電磁共振方式或無線電波方式，但不以此為限。

又，在說明實施形態2的充電系統20中，如圖3所示，回饋部33，較佳為經由無線通信將損耗電壓△CHG回饋至充電器21的控制部15。藉此，如同前述，能夠降低接觸損傷並減少導線數量。

根據實施形態2的充電系統20，除了具有與實施形態1的充電系統20一樣的功效外，因為進行無線充電，能夠減少充電器21與充電電池25的端子間接觸，降低了將充電器21與充電電池25裝卸時端子間的損傷風險。

[充電方法] [實施形態3]

以下，參照圖4，說明實施形態3的充電方法。

如圖4所示，實施形態3的充電方法，首先，進行由充電器21的電力供應部14供應輸入電壓Vin至充電電池25的充電步驟(S01)。其中，如同前述，充電步驟可以經由實施形態1的有線充電或實施形態2的無線充電來實現，在此不再詳述。

接著，藉由檢測部31，進行檢測出輸入電壓 Vin與充電電池單元23接收到的充電電壓Vcell之差的檢測步驟(S02)。又，在檢測步驟(S02)中，將輸入電壓Vin與充電電壓Vcell之差作為損耗電壓△CHG。

接著，藉由回饋部33，進行根據檢測結果，將損耗電壓△CHG即時回饋至充電器21的控制部15的回饋步驟(S03)。又，如同前述，回饋步驟(S03)可以經由有線通信或無線通信來實現，在此不再詳述。

接著，在接收到損耗電壓△CHG的回饋後，由控制部15控制電力供應部14，進行加上補償電壓Vcom至輸入電壓Vin的補償步驟(S04)。

又，如同前述，損耗電壓△CHG因充電電池25中的一個或複數個電子元件(內部導線22、電晶體26、保險絲27、或電阻器28等)的阻抗造成。

實施形態3的充電方法，例如，能藉由前述實施形態1與實施形態2的充電系統20來完成，但不以此為限，藉由具有其他構造的充電系統20來完成也可以。

根據實施形態3的充電方法，具有與前述實施形態1與實施形態2一樣的功效。

[比較例及實驗例]

以下，以實施形態1的充電系統20為基礎，進行實際的實驗，量測各數值。

在比較例中，如圖5所示，以充電電壓Vcell的上限為4.2V的充電電池單元為例，使用輸入電壓Vin為 4.2V的充電器，以充電電流3A進行充電。

如圖5所示，因為以固定的輸入電壓(Vin=4.2V)進行充電，將充電電池單元充滿電，需花費2小時55分。

相對於此，在實驗例中，如圖6所示，與比較例同樣以充電電壓Vcell的上限為4.2V的充電電池單元為例，充電器的輸入電壓(Vin=4.2V)，會再加上等同於損耗電壓△CHG(Vin-Vcell)的補償電壓Vcom，以充電電流3A進行充電。

如圖6所示，因為對輸入電壓(Vin=4.2V)加上補償電壓Vcom(△CHG)，合計的實際輸入的電壓成為(4.2V+△CHG)，將充電電池單元充滿電，僅花費了2小時50分。

因此，實驗例與比較例相比，不但縮短了充電時間，提升了充電效率，充電電壓Vcell也不會超過上限(4.2V)，能夠降低充電電池的老化速度並增加安全性。

以上，雖說明各種實施形態，但本發明不限於該等實施形態，將該等實施形態適宜組合也可以。又，上述實施形態的說明並非用來限定本發明，該所屬技術領域的通常知識者，能夠根據上述實施形態適宜地進行變更、轉換、修飾。