智慧充电系统与方法与流程

1.本发明涉及一种智慧充电系统与方法，更详而言之，为优化电池充电时的充电步骤与条件，改进充电效率与电池寿命的充电系统与方法。


背景技术：

2.近年来，由于电动车的充电器研发朝向小型化、轻量化发展，因此其建立充电据点的困难度降低、充电时的转换效率高，且充电速度亦有长足的改善。在目前的市场上，用于电动车的锂电池充电器，普遍采取先恒流再恒压(constant current-constant voltage，cc-cv)的充电方式，这种方式在恒流阶段采用固定电流对电池充电，当达到充电电压上限值时，再转换为恒压限流的方式，保持充电电压不变逐步降低充电电流，至充电电流降至足够小时，则完成充电过程。
3.然而，以上充电方式具有三个可能的缺点：其一为当电池处于低电压状态下，一开始就采用大电流进行充电，使电池在预充电阶段时电压上升太快，容易造成电池内部反应剧烈发生失控，使温度快速上升，而减损电池寿命或甚至发生起火、爆炸等意外；其二为在预充电阶段时，电池处于低电压的状况下，由于习知充电器的输入电流通过限流电阻控制，限流电阻两端的电压会随着电池的电压变化，所以在一开始充电电流会偏大，充电过程中电压上升，以至于预充电电流变化量大，习知充电器缺乏对于上述现象的控制机制，而又由于限流电阻必须承受较高的功率损耗，因此必须选用额定功率较高的电阻，热损失大，不利于小型化充电器的设计，也使电池寿命受到很大的影响。最后，第三个缺点，在于传统先恒流再恒压的充电方式，其未考虑充电温度对电池的影响，若环境温度发生变化，但充电电流固定不变，将对充电效率产生影响。当电池因反复充电而出现容量衰退的现象后，如果采用原额定电流对电池进行充电，则此较大的电流会使电池的使用寿命进一步缩短。
4.以上述先恒流再恒压的充电方式来举例，中国发明专利公开号cn102009595a提出了一种电动汽车锂电池能量管理方法，包含借由独立的控制晶片实时监测每个锂电池的参数变化，并在该案图3和图4的充电过程中，讨论了常规涓流充电、恒流充电、恒压充电等充电步骤的技术特征。但如同前述，恒流充电、恒压充电的过程对于电池处于低电压，突然输入的充电电流可能会使电池内部初始的化学反应速度过快，即便在常规的技术中加入涓流充电的步骤，以试图改善电池在预充电阶段时的电压上升过快的问题，但分段进行的涓流充电可能会使所输入的电流不稳定，同时使电池承受多次的电流脉冲，在目前电动车的电池成本仍然高昂的情况下，对于电池寿命的改进帮助依然有限。
5.因此，基于传统的充电器仍有以上的缺失，尤其是预充电阶段的充电电流变化量较大，不利于充电器的小型化、安全性、充电效率与电池寿命，故现有的充电方式与充电器仍有近一步改善的空间。


技术实现要素：

6.有鉴于此，为了解决上述的问题，本发明提出了一种智慧充电系统，其系统架构包
含：控制模块(micro control unit，mcu)，用以控制系统的运作；功率转换模块，耦接控制模块，并将所输入的交流电(ac)转换为系统所需的电力；切换模块，切换充电所需的电力；预充电模块，耦接控制模块，当电池的总容量不足电池总容量的5％，即电池的荷电状态时(soc:state-of-charge)，或是电池电压vb小于电池电压上限的第一预设范围时，首先采用0.01c-0.5c的电流对电池进行预充电；以及，电压侦测模块，侦测电池的电池电压vb，以及功率转换模块的输出电压v
ipre
，并将侦测的结果馈入控制模块中。其中，所述的c，一般通称c-rate，为用来表示电池充放电时电流大小的比率单位。
7.承上述，在本发明一实施例中，电压侦测模块可设置于原边绕组(primary side)与副边绕组(secondary side)和切换模块之间，以及电池和切换模块之间，分别针对智慧充电系统中不同的电路区域进行电压测量。
8.根据本发明内容，智慧充电系统于上述预充电阶段时，其预充电电流的公式为i
ipre
＝(v
ipre-vb)/r
precharge
。其中，v
ipre-vb＝δv表示为第一预设范围预充模块两端电压差为一预设参数，v
ipre
表示预充电模块的输入电压(即功率转换模块的输出电压)，其输出电压公式为v
ipre
＝vb+δv，vb表示电池电压，r
precharge
表示一预充限流电阻参数，可依据所需的电力大小或应用的情况加以调整，因为为电阻，只要控制功率转换模块的输出电压，保持电阻两端固定的电压差(δv)，即可控制输出电流，以稳定充电时输入至电池的电流。
9.根据本发明内容，智慧充电系统包含温度侦测模块，侦测电池的温度，并将所侦测的温度馈入控制模块，使控制模块得以调整预充电电流的大小，避免电池内部的升温过快肇生意外。
10.根据本发明内容，智慧充电系统包含电流侦测模块，以侦测电池所输出的充电电流ib。
11.根据本发明内容，智慧充电系统包含回授模块，控制模块根据电池电压vb，输出一控制讯号i
ref
与v
ref
。在本发明一实施例中，回授模块耦接电流侦测模块与电压侦测模块，并将上述讯号分别对应充电电流与电池电压的参考讯号i
ref
与v
ref
，修正并控制输出的电力，以使智慧充电系统在各个充电的阶段，对电池的充电电压与充电电流得以稳定。
12.为了解决传统充电方式的问题，本发明提出了一种智慧充电方法，其方法流程包含：借由电压侦测模块测量电池电压vb，将测量结果馈入控制模块，控制模块依据电池电压vb的量测结果，判断电池的状况处于何种阶段；当电池电压vb为第一预设范围时，控制模块判断为预充电阶段，需以0.01c-0.5c的电流对电池充电；当电池电压vb为第二预设范围时，控制模块判断为恒流阶段，需以一固定电流对电池充电；当电池电压vb为第三预设范围时，控制模块判断为恒压阶段，需设定一固定电压对应的充电电压对电池充电；当电池电流ib下降达到一结束条件时，控制模块判断为充电完成阶段，停止对电池充电。其中，第一预设范围，为电池电压上限(电池处于电力全满时的电压)的7％-70％。
13.根据本发明的内容，智慧充电方法的方法流程中，还包含借由温度侦测模块确认电池的连结情况，并测量电池的温度。在本发明一实施例中，可为一热敏电阻(thermistor)的形式提供，以及电压侦测模块是否能侦测到电池的电压，当大于一温度预设值时，则不予充电。
14.以上所述是用以说明本发明的目的、技术手段以及其可达成的功效，相关领域内熟悉此技术的人可以经由以下实施例的示范与伴随的图式说明及申请专利范围更清楚明
了本发明。
附图说明
15.如下所述对本发明的详细描述与实施例的示意图，应使本发明更被充分地理解；然而，应可理解此仅限于作为理解本发明应用的参考，而非限制本发明于一特定实施例之中。
16.图1说明智慧充电系统的系统架构。
17.图2说明进一步说明本发明实施例中，智慧充电系统的详细系统架构。
18.图3显示利用智慧充电系统与方法进行充电时，其各个充电阶段中的电力曲线图。
19.图4说明智慧预充电方法的方法流程。
20.符号说明
21.智慧充电系统100
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控制模块101
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功率转换模块103
22.整流单元103a
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预充电模块105
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电压侦测模块107
23.温度侦测模块109
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电池111
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电流侦测模块115
24.切换模块117
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回授模块113
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智慧预充电方法400
25.方法流程s1-s7
具体实施方式
26.本发明将以较佳的实施例及观点加以详细叙述。下列描述提供本发明特定的施行细节，使阅者彻底了解这些实施例的实行方式。然该领域的熟习技术人员须了解本发明亦可在不具备这些细节的条件下实行。此外，本发明亦可借由其他具体实施例加以运用及实施，本说明书所阐述的各项细节亦可基于不同需求而应用，且在不悖离本发明的精神下进行各种不同的修饰或变更。本发明将以较佳实施例及观点加以叙述，此类叙述是解释本发明的结构，仅用以说明而非用以限制本发明的申请专利范围。以下描述中使用的术语将以最广义的合理方式解释，即使其与本发明某特定实施例的细节描述一起使用。此外，应注意的是，本发明所述的智慧充电系统与方法，较佳地可应用于锂电池的充电应用，但本发明领域的熟知技术人员亦可依本领域通常知识，加以修改并应用至其余种类的电池，如碳氢电池、镍镉电池、镍氢电池等等，其同样仅用以说明而非限制本发明的申请专利范围。
27.本发明的目的，在于希望改善传统充电器中，所普遍采取的先恒流再恒压(cc-cv)的充电方式，在一开始即采用固定电流时容易因为使电池电压上升过快，而减损电池寿命或甚至引起意外。同时在预充电阶段时，限流电阻两端的电压会随着电池的电压变化，所以在一开始充电电流偏大，因此若在限流电阻大小固定下，导致限流电阻承受较高的功率损耗，因此必须选用额定功率较高的电阻，热损失大，不利于小型化充电器的设计，即使在预充电的过程中，利用相对较小的涓流充电的步骤，但分段进行的涓流充电可能会使所输入的电流不稳定，同时使电池承受多次的电流脉冲，因此本发明提出的智慧充电系统与方法，借由进一步优化传统充电系统的架构，与预充电阶段、恒流阶段、恒压阶段等各个充电阶段时的判断条件，以解决上述传统充电器的对于电池寿命与安全性的问题，其详细的技术手段则将详如下述。
28.为达以上目的，请参阅图1，本发明提出了一种智慧充电系统100，其系统架构包
含：控制模块101，用以控制系统的运作；功率转换模块103，耦接控制模块101，并将所输入的交流电转换为系统所需的电力；切换模块117，切换充电所需的电力；预充电模块105，耦接控制模块101，当电池111的电量不足总容量的5％，或是电池电压vb小于其上限的第一预设范围时，首先采用0.01c-0.5c的充电电流对电池进行预充电；以及，功率转换模块103的输出电压v
ipre
，并将侦测的结果馈入控制模块101中。其中，所述的第一预设范围，为电池电压vb上限(电池处于电力全满时的电压)的7％-70％；第二预设范围，为电池电压vb上限的70-97％；最后，第三预设范围，则为电池电压vb上限的97％以上。
29.此外，在本发明中，所述的控制模块101，为整合中央处理器、存储器、定时/计数器、各种输入输出界面的微控制器(micro control unit，mcu)，以通常已知方式加以整合与运作，提供智慧充电系统100充电程序的的运算资源，与处理程序的协调。在本发明的观点中，控制模块101可为单个或多个，以分别包含单个，或是多个微控制器，使其可依照使用上的需要，提供系统中各个元件整合式的控制，或是当需要增强，或拆分某一个元件的功能时，可以使用专用的微控制器加以控制。例如，在本发明一实施例中，可以借由一个整合的控制模块101控制整个智慧充电系统100的运作，或是回授模块113单独也具有一控制模块101，使智慧充电系统100整体包含了两颗的微处理器来控制。应注意的是，上述仅为本发明较佳的实施例，本领域熟知技术人员在阅读本说明书后，当可知晓其余的系统元件亦可包含单独的微控制器。
30.其中，根据本发明一实施例，所述的切换模块117依据电池111的各个充电阶段需要，接收来自控制模块101的控制讯号，切换电池所需的充电线路，决定是由功率转换模块103直接提供充电所需的电源，抑或需间接地经由预充电模块105提供预充电阶段所需的电源。例如，当电池111的电池电压vb小于其上限的第一预设范围时，则会经由切换模块117切换充电线路，使预充电模块105能如前述先采用0.01c-0.5c的充电电流对电池111进行预充电，直到电池电压vb脱离第一预设范围。
31.请参阅图2，其进一步说明在本发明中，智慧充电系统100包含了温度侦测模块109，侦测电池111的温度，以调整预充电阶段时，预充电电压与预充电电流的大小。在本发明一实施例中，预充电电压所采用的公式为：
[0032]vipre
＝vb+δv+v(t)；
[0033]
其中v
ipr
表示功率转换模块103的输出电压，vb表示电池电压，δv表示为第一预设范围预充模块两端电压差为一预设参数，v(t)与温度有关的修正函数，其单位因此为电压，使智慧充电系统100在预充电的阶段时，能对电池111维持0.01c-0.5c预充电电流的范围。在本发明一较佳地实施例中，当电池111的温度处于-10℃-45℃时，v(t)较佳的修正数值大小范围为0-5v，以使电池111内部的化学反应不至于太过激烈，降低了智慧充电系统100的发热量，增加在各个充电阶段中，充电电压与充电电流的调整空间，而不会在充电过程中因温度上升太快影响电池111的使用寿命，同时能在充电速度与使用寿命之中，求取一最佳的平衡，同时亦可达到将充电小型化的目标。
[0034]
根据本发明内容，智慧充电系统100包含一回授模块113，耦接电流侦测模块115。其中，在本发明一实施例中，请参阅图2，于primary side(原边绕组)与secondary side(副边绕组)和切换模块117之间，亦设有一电压侦测模块107，耦接回授模块113，以根据在各个充电阶段中的电池电压vb，与充电电流ib的状况，使智慧充电系统100能借由控制模块101控
制功率转换模块103的充电电压追随电池电压vb+δv，使充电电压固定，而不会随着外界输入功率转换模块103的电力扰动而有过大的变化，可得稳定的充电电流，亦可随前述温度侦测模块109侦测电池温度调整充电电流大小，兼顾电池111充电效率与寿命。在本发明一实施例中，以预充电阶段举例，在图2-图3中，控制模块101分别输出类比形式的参考讯号i
ref
与v
ref
，所述的参考讯号为分别对应预充电阶段中，充电电流与充电电压的参考值，使回授模块113可通过比较预充电电压v
ipre
与参考讯号i
ref
与v
ref
之间的差值，得到一误差讯号(comp)或称为回授补偿讯号，以控制功率转换模块103的输出电压，稳定预充电电压v
ipre
的准位，使其可以一稳定且缓慢的速率在预充电阶段对电池111进行充电，并在电池电压vb达到一预定的条件后再转换为恒流阶段。其中，应注意的是，在上列实施例中所述，控制模块101所输出类比形式的参考讯号i
ref
与v
ref
，并不仅止于预充电阶段时的参考讯号，控制模块101中亦储存了恒流阶段、恒压阶段等各个充电阶段的参考值，以使智慧充电系统100在任何阶段均可稳定依据电池111充电的状况，调整充电电压与充电电流的大小，即便电池111的健康状态不佳，亦能有效延长其能使用的寿命。
[0035]
根据本发明一实施例，上述功率转换模块103包含一整流单元103a，以将外界所输入的电源由交流电转换为所需的直流电。上述的交直流转换可为但不限于全波整流或半波整流，同时整流单元103a将所输出的直流电平滑化，提升功率因数，降低谐波失真度，以进一步提高智慧充电系统100的供电品质。
[0036]
请参阅图4，为了解决传统充电方式的问题，本发明提出了一种智慧充电方法400，其方法流程包含：于流程s2中，借由电压侦测模块107测量电池电压vb，将测量结果馈入控制模块101，控制模块101依据电池电压vb的量测结果，判断电池111的状况处于何种阶段；在流程s4中，当电池电压vb为第一预设范围时，控制模块101判断为预充电阶段，需以0.01c-0.5c的充电电流对电池111充电；在流程s5中，当电池电压vb为第二预设范围时，控制模块101判断为恒流阶段，需以一固定大小的充电电流对电池111充电；于流程s6中，当电池电压vb为第三预设范围时，控制模块101判断为恒压阶段，需设定一与固定大小的充电电压所对应的充电电流对电池111充电；在流程s7中，当电池电压vb达到一结束条件时，控制模块101判断为充电完成阶段，停止对电池111充电。其中，第一预设范围，为电池电压上限(指电力全满时的电压)的7％-70％；第二预设范围，为电池电压上限的70％-97％；第三预设范围，为电池电压上限的97％以上。
[0037]
根据本发明的一实施例，智慧充电方法400在流程s2中，当所侦测到的电池电压vb为第一预设范围以下时，不予充电。以一般市售锂电池作为举例，当其电力容量为全满时，其电池电压vb约为4.2v(以单节电池的额定电压4.2v为例，一般应用会串并接多颗电池)，而当其电力容量耗尽时，其电池电压vb则在3v左右，因此对于第一预设范围在以下时(此时电池电压vb的大小约0.03v)，则代表此时锂电池可能产生破损、故障，或其连结的状况有所异常，因此在流程s2中不予充电，以避免发生意外。
[0038]
根据本发明内容，智慧充电方法400包含流程s1，借由温度侦测模块109确认电池111的连结情况，并测量电池111的温度，当大于一温度预设值时，或温度上升的速率大于一温度梯度时，则不予充电。此外，若当智慧充电方法400处于流程s4，即电池111在预充电阶段时，预充电电压和预充电电流分别所采用的充电公式为：
[0039]vipre
＝vb+δv+v(t)；
[0040]iipre
＝(v
ipre-vb)/r
precharge
；
[0041]
其中，v(t)为一电压与温度有关的修正函数。在本发明另一实施例中，当电池111的温度处于-10℃-45℃时，v(t)较佳的修正数值大小范围为0-5v，以使电池111的电池电压vb为充电电压在第一预设范围时，能配合温度侦测模块109所侦测的温度条件，并以此流程控制功率转换模块103的输出，达成本发明希望控制稳定的预充电电流的目的。
[0042]
以上为本发明较佳实施例及观点，此类叙述是解释本发明的结构，仅用以说明而非用以限制本发明的申请专利范围。因此，除说明书中的较佳实施例之外，本发明亦可广泛实行于其他实施例中。