充電裝置與方法

专利摘要:
本發明提出一種充電裝置與方法，提供一脈衝電流對至少一電池進行充電。所述充電裝置包括一電流產生模組、一偵測模組以及一控制模組。其中，電流產生模組用以產生脈衝電流。偵測模組用以偵測電池所接收之脈衝電流。控制模組比對脈衝電流與一預設電流以產生一比對結果，並依據比對結果控制電流產生模組改變脈衝電流之頻率。藉此，本發明可最佳化脈衝電流，而維持充電過程的穩定性。此外，本發明更運用弦波脈衝電流進行電池的充電，相較於傳統的方波充電來說，弦波脈衝電流有更好的充電效率。
公开号:TW201322588A
申请号:TW100142268
申请日:2011-11-18
公开日:2013-06-01
发明作者:Yung-Chun Wu；An-Chen Lee
申请人:Univ Nat Formosa；
IPC主号:Y02E60-00

专利说明:
充電裝置與方法
本發明有關於一種充電裝置與方法，且特別是有關於應用脈衝充電技術的一種充電裝置與方法。
電池為目前日常生活常見各類電子產品的電力主要來源，為了使電池能夠有效率的充電，許多專家學者正積極研究如何讓充電技術能再進一步的改良與突破。
舉例來說，傳統的充電技術中，利用週期性脈衝電流對電池進行充電便是一種改善的方法。相較於其他種類的充電方法，以脈衝電流充電的技術由於在每一次充電週期內加入一休息時間，可讓電池中濃度不同的電解質得以擴散，緩和電能轉換化學能之反應、內部壓力和溫升等等問題。以一般脈衝充電的技術來說，通常運用方波脈衝電流來替電池充電，但是方波脈衝電流有較高的電流變化率，電池內部的電化學反應往往無法快速配合並儲存電能，而產生大量的熱損失。
因此，目前亟需一種新的充電裝置與充電方法，可在運用脈衝電流充電的過程中減少熱損失，並可提高充電效率。
本發明實施例在於提供一種充電裝置，可調整脈衝電流的頻率與波形，在運用脈衝電流對電池進行充電時，可提高充電效率。
本發明實施例提供一種充電裝置，提供一脈衝電流對至少一電池進行充電。所述充電裝置包括一電流產生模組、一偵測模組以及一控制模組。其中，電流產生模組用以產生脈衝電流。偵測模組用以偵測電池所接收之脈衝電流。控制模組比對脈衝電流與一預設電流以產生一比對結果，並依據比對結果控制電流產生模組改變脈衝電流之頻率。
在本發明一示範實施例中，當該比對結果顯示該脈衝電流與該預設電流不相同時，該控制模組依據該比對結果控制該電流產生模組改變該脈衝電流之該頻率以使該脈衝電流與該預設電流相同。例如，當比對結果顯示脈衝電流與預設電流相同時，控制模組控制電流產生模組保持脈衝電流之頻率；當比對結果顯示脈衝電流大於預設電流時，控制模組控制電流產生模組增加脈衝電流之頻率；當比對結果顯示脈衝電流小於預設電流時，控制模組控制電流產生模組降低脈衝電流之頻率。此外，偵測模組更偵測電池之目前電壓，當控制模組判斷目前電壓大於等於一飽和電壓時，則控制模組輸出一停止信號至電流產生模組，停止信號用以指示電流產生模組停止產生脈衝電流。
本發明實施例在於提供一種充電方法，可調整脈衝電流的頻率與波形，在運用脈衝電流對電池進行充電時，可提高充電效率。
本發明實施例提供一種充電方法，提供一脈衝電流對至少一電池進行充電。所述方法包括下列步驟：產生脈衝電流至電池；偵測電池所接收之脈衝電流；比對脈衝電流與一預設電流以產生一比對結果；依據比對結果改變脈衝電流之一頻率。
綜上所述，本發明實施例所提供的充電裝置與方法，藉由偵測電池之跨壓以及電池接收的脈衝電流，回授調整電流產生模組所輸出之脈衝電流的頻率，可動態調整電池充電效率，且可避免電池過充的情況。此外，本發明實施例所提供的充電裝置與方法更運用弦波脈衝電流進行電池的充電，相較於方波脈衝電流來說，弦波脈衝電流有更好的充電效率，能夠有效的縮短充電時間並減少熱損失。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。 [第一實施例]
請參見圖1與圖2，圖1係繪示依據本發明第一實施例之充電裝置的功能方塊圖。圖2係繪示依據本發明第一實施例之充電裝置的電路示意圖。如圖所示，使用者可將充電裝置1連接於電池2，使得充電裝置1可提供脈衝電流對電池2進行充電。其中，電池2可為鉛酸電池或者其他常見之適於充電的電池，充電裝置1包括電流產生模組10、偵測模組12以及控制模組14，電流產生模組10與偵測模組12分別耦接電池2，控制模組14耦接於電流產生模組10以及偵測模組12之間。以下分別就充電裝置1中之各部元件做詳細的說明。
電流產生模組10可透過電流路徑10a，將產生之脈衝電流輸出至電池2，並可透過電流路徑10b，將電池2輸出之脈衝電流引導回電流產生模組10。於實務上，如圖2所示，電流產生模組10可包含直流電源單元102、換流單元104、諧振電路106、整流單元108以及驅動電路110。其中，直流電源單元102耦接至換流單元104，諧振電路106耦接於換流單元104與整流單元108之間，而驅動電路110用以控制換流單元104。
於電流產生模組10之中，直流電源單元102用以提供直流電流，而所述直流電流係輸出至換流單元104。於實務上，直流電源單元102可以是各種提供直流電流之電池或者是交流/直流整流器的輸出端。本發明在此不限定直流電源單元102的種類，只要能夠用以提供直流電流，皆應屬於本發明所述直流電源單元102的範疇。
換流單元104用以將直流電流轉換成為交流電流，其中換流單元104具有兩個功率開關104a、104b以及用以整流的二極體。一般於直流/交流轉換時，換流單元104可藉由調整功率開關104a與功率開關104b的切換頻率，使得輸出之電流於極性轉換時，具有對應所述切換頻率的週期性。請注意，換流單元104之功能在於以固定頻率改變直流電流的極性，因此轉換出的交流電流之波形應為方波。在此，所述換流單元104可為半橋式換流器、全橋式換流器或者單晶式諧振電路(Class E)等元件，本發明在此並不限定換流單元104的種類，於所述技術領域具有通常知識者可自由變換。
諧振電路106應具有至少一第一電感106a與至少一第一電容106b，用以轉換交流電流成為一弦波交流電流。於所屬技術領域具有通常知識者應可明瞭，當一固定電流輸入第一電感106a與第一電容106b的串聯電路時，所述第一電感106a以及第一電容106b的阻抗特性可將輸入的固定電流之波形調整為弦波之波形。因此，諧振電路106可將換流單元104輸出之方波交流電流改變成為弦波交流電流，相較於傳統的脈衝充電技術來說，本發明藉由增加一改變電流波形之步驟，可大幅改善充電裝置1之充電效率。
整流單元108用以將弦波交流電流以整流成為脈衝電流。其中，整流單元108可為一種半波整流電路，運用兩個二極體截斷負向之弦波交流電流，而僅輸出正向之弦波交流電流，而此正向之弦波交流電流可視為所述脈衝電流。於實務上，本發明之整流單元108不僅可使用半波整流電路，亦可以替換使用其他整流手段，使得整流單元108輸出之弦波電流具有同一極性，即可以是一種連續或不連續之半弦波波形。舉例來說，整流單元108更可以是橋式整流電路或者其他可用以產生脈衝電流的全波整流電路，提升弦波交流電流的利用效率。
驅動電路110受控於控制模組14，可用以控制換流單元104之功率開關104a與功率開關104b的切換頻率，藉以改變換流單元104輸出之交流電流的頻率。由上述可知，改變交流電流的頻率即是改變了整流單元108所輸出之脈衝電流的頻率，也就是電池2於充電時所接收之脈衝電流的頻率。
偵測模組12用以監控電池2之狀態。舉例來說，偵測模組12可偵測電池2所接收之脈衝電流以及電池2之一目前電壓，並將偵測到的結果一併傳送至控制模組14。於實務上，偵測模組12可以是任何具有電壓、電流量測功能之設備，跨接於電池2以偵測充電時的必要參數，做為控制模組14主動調整脈衝電流的依據。
控制模組14用以比對脈衝電流與一預設電流以產生一比對結果，並依據比對結果控制電流產生模組10改變脈衝電流之頻率。其中，所述預設電流可為用以充電電池2的最適當電流值。舉例來說，當比對結果顯示脈衝電流與預設電流相同時，表示脈衝電流位於最適當電流值而應維持現況，控制模組14控制電流產生模組10保持脈衝電流之頻率；當比對結果顯示脈衝電流大於預設電流時，表示脈衝電流過高而應向下修正，控制模組14控制電流產生模組10增加脈衝電流之頻率；當比對結果顯示脈衝電流小於預設電流時，表示脈衝電流過低而應向上提升，控制模組14控制電流產生模組10降低脈衝電流之頻率。
承接上述，於所屬技術領域具有通常知識者應明瞭，當控制模組14透過驅動電路110控制半橋式換流單元104之功率開關104a、104b的切換頻率時，切換頻率提高會使得脈衝電流降低，反之，切換頻率降低會使得脈衝電流升高。因此，控制模組14可透過控制半橋式換流單元104之功率開關104a、104b的切換頻率，調整脈衝電流至最適當值，維持充電過程的穩定性。
此外，當控制模組14判斷電池2的目前電壓大於等於一飽和電壓時，輸出一停止信號至電流產生模組10，所述停止信號指示電流產生模組10停止產生脈衝電流。也就是說，控制模組14可判斷電池2是否充飽，若控制模組14的判斷結果顯示電池2已經充飽，則停止繼續充電，以防止過充情況的發生，增加電池2的使用壽命。 [第二實施例]
本發明第一實施例中，說明了充電裝置1對一個電池2的充電過程，然而本發明之充電裝置1更可同時對多個電池2進行充電。請參見圖3，圖3係繪示依據本發明第二實施例之充電裝置的電路示意圖。如圖所示，第二實施例與第一實施例不同的地方在於，第二實施例揭露了同時對多個電池2進行充電之電路架構，而偵測模組12可用以監控多個電池2之狀態。此外，圖3繪示的充電裝置更包括了一個整流開關電路107，所述整流開關電路107耦接在諧振電路106與整流單元108之間，並且受控於控制模組14。當其中之一的電池2充飽時，控制模組14可透過整流開關電路107切斷提供給已充飽電池2的電流路徑，避免已充飽電池2持續被充電而浪費電能或是產生危險。
舉例來說，整流開關電路107中具有第一組整流開關單元107a與第二組整流開關單元107b。當圖3上方的電池2已被充飽而圖3下方的電池2尚未被充飽時，控制模組14可控制第一組整流開關單元107a導通，使得諧振電路106所饋入弦波交流電流之正半週期電流，會直接經過第一組整流開關單元107a而不再進入已被充飽的電池2。另外，控制模組14可控制第二組整流開關單元107b截止，使得諧振電路106所饋入弦波交流電流之負半週期電流，仍會進入尚未被充飽的電池2而不經過第二組整流開關單元107b。
相反的，當圖3下方的電池2已被充飽而圖3上方的電池2尚未被充飽時，控制模組14可控制第一組整流開關單元107a截止，使得諧振電路106所饋入弦波交流電流之正半週期電流，仍會進入尚未被充飽的電池2而不經過第一組整流開關單元107a。另外，控制模組14可控制第二組整流開關單元107b導通，使得諧振電路106所饋入弦波交流電流之負半週期電流，會直接經過第二組整流開關單元107b而不再進入已被充飽的電池2。
於實務上，第一組整流開關單元107a與第二組整流開關單元107b中的開關S1、S2可為一種電晶體開關，由控制模組14控制電晶體開關的導通與否。或者，開關S1、S2可利用繼電器實現，所述繼電器同樣由控制模組14控制導通與否。此外，第一組整流開關單元107a與第二組整流開關單元107b中的開關與二極體又可整合成一種閘流體元件(SCR)，使得第一組整流開關單元107a與第二組整流開關單元107b均兼具有開關與整流的功能。 [第三實施例]
以下將前述之充電裝置搭配本發明之充電方法做更清楚的說明。
請一併參見圖1以及圖4，圖4係繪示依據本發明第三實施例之充電方法的流程圖。如圖所示，於步驟S302中，本發明之電流產生模組10產生脈衝電流至電池2，其中脈衝電流之波形可為連續或不連續之半弦波波形。接著於步驟S304中，本發明之偵測模組12可偵測電池2所接收之脈衝電流。當然，偵測模組12更可一併偵測電池2之目前電壓。於步驟S306中，控制模組14用以比對脈衝電流與一預設電流以產生一比對結果，於實務上，脈衝電流與預設電流之數值可一併輸入一減法器，使得脈衝電流減去預設電流，故減法器之輸出結果應為零、正或負值。
而在步驟S308中，控制模組14可依據比對結果控制電流產生模組10改變脈衝電流之頻率。舉例來說，當步驟S306之減法器輸出的結果為零，表示脈衝電流位於最適當電流值而應維持現況，故控制模組14應控制電流產生模組10保持脈衝電流之頻率，使得脈衝電流之電流值不變。若當步驟S306之減法器輸出的結果為正值，表示脈衝電流過高而應向下修正，故控制模組14應控制電流產生模組10增加脈衝電流之頻率，使得脈衝電流之電流值降低。若當步驟S306之減法器輸出的結果為負值，表示脈衝電流過低而應向上提升，控制模組14控制電流產生模組10降低脈衝電流之頻率，使得脈衝電流之電流值提高。
此外，於步驟S308之後，控制模組14更可以進一步比對目前電壓與一飽和電壓之數值。當目前電壓超過或等於飽和電壓時，顯示電池2以被充飽，故控制模組14可控制電流產生模組10停止產生脈衝電流。 [第四實施例]
本發明第二實施例中，說明了一種可同時對多個電池2進行充電之電路架構。然而，諧振電路106之電路架構也可做進一步的變化。請參見圖5，圖5係繪示依據本發明第四實施例之充電裝置的電路示意圖。如圖5所示，第四實施例與第二實施例不同的地方在於，第四實施例之充電裝置1a更具有一CLL諧振電路106’以及變壓器112，使得充電裝置1a與電池2隔離。在此，CLL諧振電路106’更具有一第二電感106c，第二電感106c連接於第一電容106b與系統地面之間，而變壓器112可具有一一次側線圈N1、一二次側線圈N2以及一磁心Tr。藉此，透過CLL諧振電路106’以及用以隔離的變壓器112，第四實施例之充電裝置1a相較於第二實施例來說，整個系統可以更加穩定。
另外，變壓器112更可增加二次側線圈N2的數量，使得充電裝置1a可同時進行更多電池2的充電。請參見圖6，圖6係繪示依據本發明第四實施例之另一充電裝置的電路示意圖。如圖6所示，變壓器112’可具有不只一組的二次側線圈N2，在充電裝置1a可以負擔的情況下，充電裝置1a可以同時提供多組電池2的充電電流。 [第五實施例]
本發明第四實施例中，說明了一種同時具有CLL諧振電路106’以及變壓器112的電路架構，然而實務上充電裝置也可僅有變壓器以達成隔離式的充電。請參見圖7，圖7係繪示依據本發明第五實施例之充電裝置的電路示意圖。如圖7所示，第五實施例與第四實施例不同的地方在於，第五實施例之充電裝置1b以諧振電路106搭配變壓器112，而非以CLL諧振電路106’搭配變壓器112，同樣也可以達成充電裝置1b與電池2隔離的效果。
當然，變壓器112也可增加二次側線圈N2的數量，使得充電裝置1b可同時進行更多電池2的充電。請參見圖8，圖8係繪示依據本發明第五實施例之另一充電裝置的電路示意圖。如圖8所示，變壓器112’可具有不只一組的二次側線圈N2，在充電裝置1b可以負擔的情況下，充電裝置1b可以同時提供多組電池2的充電電流。 [第六實施例]
除了諧振電路可以加以變化之外，換流單元也可以作適當的變化。請參見圖9，圖9係繪示依據本發明第六實施例之充電裝置的電路示意圖。如圖9所示，第六實施例之充電裝置1c減少了換流單元中的功率開關數量，使得換流單元104’與諧振電路106組成一種單晶式(class E)諧振之電路架構。於實務上，直流電源單元102可透過第三電感106d分別電性連接至換流單元104’與諧振電路106，其中第一電感106a、第一電容106b與第三電感106d皆為諧振元件。 [第七實施例]
請參見圖10，圖10係繪示依據本發明第七實施例之充電裝置的電路示意圖。如圖10所示，第七實施例之充電裝置1d示範了另一種單晶式(class E)諧振之電路架構。在此，直流電源單元102可透過第四電感106e分別電性連接至換流單元104’與一諧振電路106”，其中諧振電路106”中包括了第二電容106f、第一電感106a以及第一電容106b。在此，第四電感106e具有大電感值不參與諧振，而第二電容106f、第一電感106a以及第一電容106b皆為諧振元件。
綜上所述，本發明實施例所提供的充電裝置與方法，可偵測電池之跨壓以及電池接收的脈衝電流，並回授調整電流產生模組所輸出之脈衝電流的頻率，藉以控制脈衝電流至最適當值，而維持充電過程的穩定性。另外，本發明更藉由監控電池的目前電壓以決定是否繼續充電，可避免電池過充的情況。再者，本發明實施例所提供的充電裝置與方法更運用弦波脈衝電流進行電池的充電，相較於方波脈衝電流來說，弦波脈衝電流有更好的充電效率，能夠有效的縮短充電時間並減少熱損失。
以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之等效技術變化，均包含於本發明之範圍內。
1、1a、1b、1c、1d．．．充電裝置
2．．．電池
10．．．電流產生模組
10a、10b．．．電流路徑
12．．．偵測模組
14．．．控制模組
102．．．直流電源單元
104、104’．．．換流單元
104a、104b．．．功率開關
106、106’、106”．．．諧振電路
106a、106c、106d、106e．．．電感
106b、106f．．．電容
107．．．整流開關電路
107a．．．第一組整流開關單元
107b．．．第二組整流開關單元
S1、S2．．．開關
108．．．整流單元
110．．．驅動電路
112、112’．．．變壓器
N1、N2．．．線圈
Tr．．．磁心
S302~S308．．．步驟流程
圖1係繪示依據本發明第一實施例之充電裝置的功能方塊圖。
圖2係繪示依據本發明第一實施例之充電裝置的電路示意圖。
圖3係繪示依據本發明第二實施例之充電裝置的電路示意圖。
圖4係繪示依據本發明第三實施例之充電方法的流程圖。
圖5係繪示依據本發明第四實施例之充電裝置的電路示意圖。
圖6係繪示依據本發明第四實施例之另一充電裝置的電路示意圖。
圖7係繪示依據本發明第五實施例之充電裝置的電路示意圖。
圖8係繪示依據本發明第五實施例之另一充電裝置的電路示意圖。
圖9係繪示依據本發明第六實施例之充電裝置的電路示意圖。
圖10係繪示依據本發明第七實施例之充電裝置的電路示意圖。
1．．．充電裝置
2．．．電池
10．．．電流產生模組
10a、10b．．．電流路徑
12．．．偵測模組
14．．．控制模組

权利要求:
Claims (10)
[1] 一種充電裝置，提供一脈衝電流對至少一電池進行充電，該充電裝置包括：一電流產生模組，用以產生該脈衝電流；一偵測模組，耦接該電池，用以偵測該電池所接收之該脈衝電流；以及一控制模組，耦接於該電流產生模組以及該偵測模組之間，比對該脈衝電流與一預設電流以產生一比對結果，該控制模組依據該比對結果控制該電流產生模組改變該脈衝電流之一頻率。
[2] 如申請專利範圍第1項所述之充電裝置，其中該脈衝電流之波形係為一半弦波波形。
[3] 如申請專利範圍第1項所述之充電裝置，其中當該比對結果顯示該脈衝電流與該預設電流不相同時，該控制模組依據該比對結果控制該電流產生模組改變該脈衝電流之該頻率以使該脈衝電流與該預設電流相同。
[4] 如申請專利範圍第1項所述之充電裝置，其中該偵測模組更偵測該電池之一目前電壓，當該控制模組判斷該目前電壓大於等於一飽和電壓時，則該控制模組輸出一停止信號至該電流產生模組，該停止信號指示該電流產生模組停止產生該脈衝電流。
[5] 如申請專利範圍第1項所述之充電裝置，其中該電流產生模組包括：一直流電源單元，用以提供一直流電流；一換流單元，耦接該直流電源單元，用以將該直流電流轉換成為帶有該頻率之一交流電流；一諧振電路，耦接該換流單元，該諧振電路具有至少一第一電感與至少一第一電容，用以轉換該交流電流成為一弦波交流電流；一整流單元，耦接該諧振電路，將該弦波交流電流整流成為該脈衝電流；以及一驅動電路，耦接該換流單元以及該控制模組，受控於該控制模組以控制該換流單元改變該頻率。
[6] 如申請專利範圍第5項所述之充電裝置，更包括：一整流開關電路，耦接於該諧振電路與該整流單元之間，受控於該控制模組，用以選擇性地導通該脈衝電流至該電池。
[7] 一種充電方法，提供一脈衝電流對至少一電池進行充電，所述方法包括下列步驟：產生該脈衝電流至該電池；偵測該電池所接收之該脈衝電流；比對該脈衝電流與一預設電流以產生一比對結果；以及依據該比對結果改變該脈衝電流之一頻率。
[8] 如申請專利範圍第7項所述之充電方法，其中該脈衝電流之波形係為一半弦波波形。
[9] 如申請專利範圍第7項所述之充電方法，其中於比對該脈衝電流與該預設電流以產生該比對結果之步驟中，更包括下列步驟：判斷該脈衝電流係大於、等於或小於該預設電流，據以產生該比對結果；其中，當該比對結果顯示該脈衝電流與該預設電流不相同時，依據該比對結果改變該脈衝電流之該頻率以使該脈衝電流與該預設電流相同。。
[10] 如申請專利範圍第7項所述之充電方法，更包括下列步驟：偵測該電池之一目前電壓；其中，當該目前電壓大於等於一飽和電壓時，則停止產生該脈衝電流。

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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TWI441412B|2014-06-11|

引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2018-03-11| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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TW100142268A|TWI441412B|2011-11-18|2011-11-18|充電裝置與方法|TW100142268A| TWI441412B|2011-11-18|2011-11-18|充電裝置與方法|