CN105162206B - 充电电池的充电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的充电电池的充电控制方法，在快充模式下执行以下步骤：对充电电池进行充电，充电电池具有多个串联连接的电芯，各电芯对应地连接有平衡电路；随后测量各电芯的电压；再判断各电芯电压的最大电压值与最小电压值间的差值是否小于临界值，若判断结果为是，则将全部平衡电路控制为开路状态并回到测量步骤，反之则将与具有最大电压值的电芯对应的平衡电路切换为闭路状态，其他平衡电路为开路状态，并将充电电流的电流值调整为等于最大电压值除以平衡电路电阻值所得的计算值，之后回到测量步骤；最后完成充电后停止充电；由此，在充电过程中可以控制平衡电路，从而能够避免在快充模式下电芯之间电压的差值过大的问题。

Description

充电电池的充电控制方法

技术领域

本发明涉及一种充电电池的充电控制方法，尤其涉及一种利用平衡电路与充电电流调整措施来使充电电池的各电芯可以均匀充电的充电控制方法。

背景技术

传统的充电电池在进行充电时是依序以预充模式、快充模式以及定电压模式等三种模式进行充电。首先进行预充模式时，以低电流的方式对充电电池的各电芯进行充电，当每个电芯的电压都达到第一转态电压时，进入快充模式并改以大电流的方式对各电芯充电，直到其中一个电芯的电压达到第二转态电压时进入定电压模式，再以定电压的方式对各电芯进行充电。

传统的充电电池在制造过程中，虽然会预先筛选电芯再进行组装，然而，电芯的特性，特别是内电阻是很难控制到完全相同。现有的充电方法很容易导致各电芯之间的电压差值有离群的现象，使各电芯之间的电压差值越变越大。如此一来，将导致电池在充电时，会有部分电芯先充饱，其他电芯却没有充饱，让使用者无法有效地利用电池所有的电容量。此外，当电池充电次数持续增多，该现象将更为明显。

台湾第I343141号专利公开了一种电池的充电方法，请参考其附图5。该专利是先以第一预设电流I1进行定电流充电，并检测电池模块的各个电芯并联组的电压。之后，当其中一个电芯并联组达到第一预设电压值V1时，调降上述电芯并联组的电流至第二预设电流I2，并且在该电芯并联组又回到第一预设电压值V1时，即判断电芯并联组的电力已几近充饱。然而，上述专利并没有说明如何调降达到第一预设电压值V1的电芯并联组的电流。

另外，中国专利CN103532191A号中也公开了一种充电方法，请参考其附图1。其中，第一电池组与第二电池组呈并联关系，并且都经由开关电源而连接到电源5。此外，该专利使用电压检测装置来检测第一电池组和第二电池组的电压值，当两者的电压差值过大时，充电处理器将调整充电电流，使具有较低电压的电池组的充电电流大于具有较高电压的电池组的充电电流。

上述专利主要是针对并联连接的电池组，并没有针对串联连接的电池组的充电方式提供任何技术方案。

发明内容

相较于现有技术，本发明提供了一种崭新的充电电池的充电控制方法，可以在快充模式下进行充电时降低串联的各电芯之间的电压差值。

为了达成上述目的，本发明提供了一种充电电池的充电控制方法，其在快充模式下，包含有以下步骤：步骤a)对充电电池进行充电，充电电池的内部包含有多个串联连接的电芯，各个电芯分别对应地连接有平衡电路，该平衡电路可以在闭路状态与开路状态之间切换，并在该闭路状态时消耗与其连接的电芯的电能；步骤b)测量各个电芯的电压值；以及步骤c)判断电芯的电压值中的最大电压值与最小电压值的差值是否小于临界值，若判断结果为是，则将各平衡电路控制为开路状态并回到步骤b)，反之则将与具有最大电压值的电芯对应的平衡电路控制为闭路状态，而使其他平衡电路为开路状态，并将充电电流的电流值调整为等于上述最大电压值除以平衡电路的电阻值所得的计算值。

由此，在快充模式的充电过程中，若发现各电芯之间电压的差值过大，即可对平衡电路进行控制而使具有最大电压值的电芯的电压维持为固定值，并使其他电芯继续充电且电压值持续增加，进而控制所有电芯电压的差值在临界值内，使电芯在充电过程能够均衡的完成充电。

本发明的充电控制方法具有至少以下二个优点：

优点1：电芯串联型的充电电池多半设置有平衡电路，用来避免部分电芯在充电过程中过度充电的问题。本发明的充电控制方法利用已有的平衡电路来降低各电芯之间的电压差值，不需要额外增添其他硬件，因此不会增加硬件成本。

优点2：本发明的充电控制方法可以使各电芯都均衡地达到深度充电，不只可以延长充电电池的使用时间，更可维护充电电池的寿命。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的电池充电模块的硬件结构的示意图。

图2a是本发明较佳实施例的步骤流程图。

图2b是接续图2a的步骤流程图。

图2c是接续图2a的步骤流程图。

图3是本发明较佳实施例的充电电池在充电时，充电电流与电芯电压对时间的变化图。

图4是对照组的充电电池在充电时，充电电流与电芯电压对时间的变化图。

(符号说明)

1 电池充电模块 10 充电电池

12 平衡电路 121 开关

122 消耗电阻 13 第一电芯

14 第二电芯 ΔV 差值

20 微控制器 30 充电器

I 预充模式 II 快充模式

III 定电压模式 S1.1-1.18 步骤

T1 第一转态电压 T2 第二转态电压

具体实施方式

为了能更了解本发明之特点所在，本发明提供了一个较佳实施例并结合附图说明如下，请参考图1至图4。在以下的实施例中相同或类似的部件将使用相同的部件符号，以方便辨识。

本说明书中所谓的充电电池10，至少可以是(但不限于)锂电池、镍氢电池、铅酸电池中的任一种。

请首先参考图1电池充电模块的硬件结构示意图，电池充电模块1包含有充电电池10、微控制器20、以及充电器30。其中，充电电池10包含有两个串联连接的第一电芯13和第二电芯14，第一电芯13和第二电芯14都对应连接有平衡电路12。本实施例的平衡电路12包含有一个开关121和一个消耗电阻122，第一电芯13和第二电芯14的正电压端均耦接在与其对应的平衡电路12的开关121的一端，并且消耗电阻122的两端分别连接开关121的另一端以及第一电芯13和第二电芯14的负电压端，因此，平衡电路12的电阻值实质等于消耗电阻122的电阻值。须说明的是，充电电池10的电芯的数量可以是两个以上，不限于本实施例。

微控制器20包含有通用型输入输出(GPIO)来执行信号的输入与输出，并经由例如模拟数字转换器(ADC)接口而分别与第一电芯13的正电压端和负电压端以及第二电芯14的正电压端和负电压端电性连接，用于测量第一电芯13和第二电芯14的电压值。此外，微控制器20经由例如内部整合电路(I2C)或序列周边接口(SPI)而与充电器30连接，并向充电器30提供控制命令以对其进行控制。另一方面，微控制器20通过上述通用型输出输入(GPIO)接口而控制各平衡电路12的开关121，通过控制开关121的导通与否，从而控制平衡电路12在闭路状态与开路状态之间进行切换。

充电器30受到微控制器20控制而供电给充电电池10的第一电芯13和第二电芯14，并且能够进行预充模式、快充模式以及定电压模式。

本实施例的硬件结构已说明完毕，以下将详细说明充电电池的充电控制方法的各个步骤，请参考图2a至图3。

请首先参考图2a和图3。在步骤S1.1中，充电电池10开始进行充电，此时，本实施例第一电芯13和第二电芯14的电压值均低于第一转态电压T1(参考图3)，使充电器30在预充模式I下以例如0.1安培的充电电流进行充电(步骤S1.2)。

之后执行步骤S1.3，微控制器20测量第一电芯13和第二电芯14的电压值，并执行步骤S1.4，判断第一电芯13和第二电芯14的电压值是否都达到或超过第一转态电压T1，若判断结果为是，微控制器20将控制充电器30改以快充模式II进行充电(步骤S1.5)。反之则回到步骤S1.2，维持以预充模式I的方式进行充电。

在快充模式II中，充电器30将加大充电电流的电流值(例如1安培)来对第一电芯13和第二电芯14进行充电。之后进入步骤S1.6，微控制器20测量第一电芯13和第二电芯14的电压值，并进入步骤S1.7判断是否有任何一个电芯的电压值到达第二转态电压T2，若判断结果为是，则进入步骤S1.12，反之则进入步骤S1.8。

在步骤1.8中，微控制器20将重新测量取得第一电芯13和第二电芯14的电压值中的最大电压值与最小电压值，并计算出该最大电压值与最小电压值的差值ΔV，并判断该差值ΔV是否小于临界值。如果判断结果为是，则将平衡电路控制为开路状态并回到步骤S1.5，持续在快充模式II下进行充电。反之则进入步骤S1.9。

在本实施例中，上述临界值是设定为荷电状态(State Of Charge、SOC)的3％，但不限于此。

请结合参考图2b和图3。在步骤S1.9中，本实施例假设第一电芯13的电压值大于第二电芯14的电压值，且最大电压值与最小电压值的差值ΔV大于临界值，此时，微控制器20将第一电芯13和第二电芯14的平衡电路12分别控制为闭路状态和开路状态，并将充电电流的电流值调整为等于第一电芯13的电压值(即最大电压值)除以消耗电阻122的电阻值所得到的计算值。此时，第一电芯13的电能将因开关121的导通而被消耗电阻122所消耗，使第一电芯13的电压不再上升，而第二电芯14的电压值还是持续增加，进而使第一电芯13与第二电芯14的电压值可以逐渐缩小而趋近相同。

在步骤S1.9之后，进入步骤S1.10测量第一电芯13和第二电芯14的电压值，再进入步骤S1.11中判断第一电芯13和第二电芯14的电压值的差值ΔV是否等于0。若差值ΔV不等于0，则回到步骤S1.9。反之则回到步骤S1.5，恢复成快充模式的充电电流的最大电流值并继续进行充电。

请结合参考图2c，如果有任何一个电芯的电压值达到第二转态电压T2(接续步骤S1.7)，不管第一电芯13与第二电芯14的差值ΔV是否小于临界值，都进入步骤S1.12。其中，在步骤S1.12中，假设第一电芯13已经达到第二转态电压T2且第二电芯14尚未达到第二转态电压T2，此时将导通第一电芯13的平衡电路12的开关121使其切换为闭路状态，其他的平衡电路12则为开路状态，并且调整充电电流的电流值，使其等于较高电压的第一电芯13的电压值(即第二转态电压T2)除以消耗电阻122的电阻值所得到的计算值。此时，第一电芯13的电能将因开关121的导通而被消耗电阻122所消耗，使得第一电芯13的电压值将维持在第二转态电压T2，第二电芯14的电压值则持续上升。

之后进入步骤S1.13，测量第一电芯13和第二电芯14的电压值，并进入步骤S1.14判断第一电芯13与第二电芯14的电压值的差值是否等于0，如果差值不等于0则回到步骤S1.12，之后再重复步骤S1.13和S1.14，直到第一电芯13与第二电芯14的电压值的差值等于0、即两者的电压值都达到第二转态电压T2之后才进入步骤S1.15。

在步骤S1.15中，微控制器10将控制充电器30以定电压模式III进行充电，在本实施例中，充电电流的电流值将会下降(如图3)。之后再执行步骤S1.16，测量第一电芯13与第二电芯14的电压值，并进入步骤S1.17中判断第一电芯13或第二电芯14是否有任何一个达到截止电压。如果第一电芯13或第二电芯14没有任何一个电芯达到截止电压，则重复执行步骤S1.15至步骤S1.17。反之则微控制器20控制充电器30停止充电(步骤S1.18)，避免电池10过充而发生危险。

在以上的实施例中，一旦微控制器20发现各电芯之间电压的差值ΔV过大，即可通过将与具有最大电压值的电芯对应的平衡电路12控制为闭路状态，并调整充电电流的电流值，而使具有最大电压值的电芯的电压维持在固定值，并使其他电芯的电压值持续增加，从而均衡各电芯的充电状态。

图4是使用传统充电方法的电池模块作为对照组的数据，从图中可以看出，在进入快充模式II之后，电芯之间的电压差值ΔV逐渐扩大，使得两者的充电状态有明显差异，而无法对整个充电电池进行深度充电。如此一来，在历经多次的充放电后，如果一直有部分的电芯无法被深度充电，可能造成充电电池10的寿命被缩短。

须说明的是，在充电过程中，具有最大电压值的电芯与最小电压值的电芯有可能在不同的时间点而发生异动，因此不应该被本实施例所局限。

最后，再次强调，本发明的上述实施例中所公开的实施步骤，仅为举例说明，并非用来限制本申请的范围，举凡其他可能的替代变化也应包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种充电电池的充电控制方法，其特征在于，

在快充模式下，包含有以下步骤：

a)对充电电池进行充电，所述充电电池内部包含有多个串联连接的电芯，各个所述电芯分别对应地连接有平衡电路，各个所述平衡电路能够在闭路状态与开路状态之间切换，并在所述闭路状态时消耗与其连接的所述电芯的电能；

b)测量各个所述电芯的电压值；

c)判断各个所述电芯的电压值中的最大电压值与最小电压值的差值是否小于临界值，若判断结果为是，则将各个所述平衡电路控制为开路状态并回到步骤b)，反之则执行下一步骤d)；

d)将与具有所述最大电压值的所述电芯对应的所述平衡电路控制为闭路状态，而将其他的平衡电路控制为开路状态，并将充电电流的电流值调整为等于所述最大电压值除以该平衡电路的电阻值所得的计算值。

2.如权利要求1所述的充电控制方法，其特征在于，

各个所述平衡电路包含有电性连接的开关和消耗电阻，且所述开关和所述消耗电阻分别与所对应的所述电芯的正电压端和负电压端电性连接，其中，各个所述平衡电路的电阻值实质等于所述消耗电阻的电阻值。

3.如权利要求1或2所述的充电控制方法，其特征在于，

在步骤d)中调整充电电流的电流值之后，进一步执行步骤d1)：重新测量各个所述电芯的电压值，并判断各个所述电芯的电压值中的最大电压值与最小电压值的差值是否等于0，若判断结果为是，则回到步骤b)，反之则回到步骤d)。

4.如权利要求3所述的充电控制方法，其特征在于，

在步骤b)中，进一步判断是否有任意一个所述电芯的电压值达到第二转态电压，若判断结果为否，则执行步骤c)，反之则执行步骤d2)：使达到所述第二转态电压的所述电芯所对应的所述平衡电路为闭路状态，而使其他的平衡电路为开路状态，并将充电电流的电流值调整为等于各个所述电芯中的最大电压值除以该平衡电路的电阻值所得的计算值；

在完成步骤d2)后，执行步骤d3)：重新测量各个所述电芯的电压值，并判断各个所述电芯的电压值中的最大电压值与最小电压值的差值是否等于0，若判断结果为否，则回到步骤d2)，反之则执行步骤e)：改以定电压模式对所述充电电池进行充电。

5.如权利要求4所述的充电控制方法，其特征在于，

步骤e)进一步包含步骤e1)：测量各个所述电芯的电压值，并判断是否有任意一个所述电芯的电压值达到截止电压，若判断结果为是，则停止充电，反之则回到步骤e)。

6.如权利要求1所述的充电控制方法，其特征在于，

在进入所述快充模式之前还包含执行预充模式的步骤，在所述预充模式下对各个所述电芯进行充电时，将测量各个所述电芯的电压值，并判断各个所述电芯的电压值是否均达到或超过第一转态电压，若判断结果为是，则进入所述快充模式，反之则维持在所述预充模式。