專利名稱：一種鋰電池包及其充電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋰電池包及其充電方法，特別是可充電的鋰電池包。
背景技術(shù)：
在建筑、裝修等領(lǐng)域中電動工具的應(yīng)用越來越廣，尤其是便攜式工具。更為輕便、容量 更大的可充電鋰電池包成為便攜式工具重要的能量儲存裝置之一，但由于鋰電池受制于自身 特殊的充電要求，使用者希望有更為安全可靠而高效的可充電鋰電池包。現(xiàn)有的鋰電池包充電系統(tǒng)分為兩大類(1)充電器針對特定電壓的電池包輸出恒定電流 或者電壓來為電池包充電。其局限性在于，充電器和電池包是一一對應(yīng)的關(guān)系。(2)充電器 通過分析電池包內(nèi)儲存單元所存儲的電池信息確定充電參數(shù)，并通過相應(yīng)的反饋控制，達(dá)到 所需要的輸出，從而為不同的電池包進(jìn)行充電。其局限性在于，首先該方法需要充電器內(nèi)的 控制模塊在充電開始之前先獲取電池包的相關(guān)信息，才能確定其輸出，其復(fù)雜性大大增加， 這就意味著出錯(cuò)的可能性大大增加，從而影響其可靠性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種鋰電池包及其充電方法，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，使不 同的鋰電池包可以采用同樣的充電設(shè)備充電；同時(shí)充電方法簡單可靠。符合本發(fā)明的鋰電池包包括 一個(gè)外殼；復(fù)數(shù)個(gè)電池元件，每個(gè)電池元件都是基于鋰的 化學(xué)物質(zhì)，每個(gè)電池單元有一個(gè)單獨(dú)的電量狀態(tài)； 一個(gè)可以監(jiān)控至少一個(gè)電池單元的單獨(dú)電 量狀態(tài)的充電控制模塊；至少一個(gè)連接端口，可與一個(gè)為所述鋰電池包提供精準(zhǔn)充電電流的 電源適配器相連接。符合本發(fā)明的鋰電池包的充電方法包括以下步驟 一個(gè)具備第一控制端口的適配器通過 對應(yīng)的端口連接確定是否與一個(gè)具備第二控制端口的待充電鋰電池包實(shí)現(xiàn)電氣連接；鋰電池 包中的充電控制模塊部分的基于至少一個(gè)電池元件的單獨(dú)電量狀態(tài)執(zhí)行一種充電模式；充電 控制模塊在一種充電模式下執(zhí)行預(yù)定的充電算法。充電控制模塊通過連接的第一、第二控制 端口發(fā)送充電控制信號到適配器的受控模塊，使其輸出精準(zhǔn)的充電電流。由于符合本發(fā)明的鋰電池包可以監(jiān)控整個(gè)充電過程，所以這種鋰電池包只需用適配器或 普通的充電器就可以被充電，而不需要用只能提供特定充電參數(shù)的充電器，于是一個(gè)充電設(shè) 備可以給不同的鋰電池包充電，方便而經(jīng)濟(jì)。另外，由于在符合本發(fā)明的鋰電池的充電方法
的過程中，控制部分是在電池包內(nèi)部完成的，而執(zhí)行部分則是在適配器中實(shí)現(xiàn)，因此這種在 電池包對其自身充電過程控制的方法將會更加準(zhǔn)確、快捷和安全，充電性能更加可靠。


圖l是一電池包的立體圖。 圖2是一適配器的立體圖。圖3是采用如圖1所示的電池包和如圖2所示的適配器連接的立體圖。 圖4是如圖3所示的電池充電系統(tǒng)的電氣連接示意圖。 圖5示出了適配器的電路模塊圖。 圖6示出了電池包的電路模塊圖。圖7A、 7B是流程圖，示出了符合本發(fā)明充電系統(tǒng)的電池包控制充電操作的流程。
具體實(shí)施方式
如圖1所示的電池包10，可以作為很多便攜式裝置電源，尤其是直流電動工具的電源使 用。電池包10中包含一組電池單元15,電池單元15為基于鋰的可充電電池，且可以具有任 意標(biāo)稱電壓。同時(shí)，電池包10中的電池單元15的節(jié)數(shù)也可以是合適范圍內(nèi)的任意數(shù)值，因 此電池包10的標(biāo)稱電壓可以是任意的。電池包10有一機(jī)殼20, —控制電路30位于機(jī)殼20內(nèi)。電池包10還包含一個(gè)或多個(gè)端 口，可與電氣設(shè)備，如電動工具或適配器40電氣連接。在一些結(jié)構(gòu)中，端口的電氣導(dǎo)通需要 電池包10和電氣設(shè)備的物理連接。而在另一些結(jié)構(gòu)中，端口的電氣導(dǎo)通則不需要電池包10 和電氣設(shè)備的物理連接，僅需要通過以信號的形式來確定電氣連接并將電能轉(zhuǎn)化為波的形式 在電池包和電氣設(shè)備之間傳遞。在本實(shí)施例中，電池包IO包括正輸入端口 35，負(fù)輸入端口 36和第二控制端口37。在其他一些結(jié)構(gòu)中，電池包10可以具備比圖中所示結(jié)構(gòu)更多或更少 的端口。在一些結(jié)構(gòu)和一些方面中，電池包包括電氣連接到一個(gè)或多個(gè)電池終端的控制設(shè)備、微 控制器、微處理器或控制器，用于分析電池包內(nèi)電池的信息，確定電池包的充電參數(shù)，并提 供給到電氣連接的設(shè)備(比如電池適配器)，這些信息及充電參數(shù)包括串并聯(lián)節(jié)數(shù)、標(biāo)稱電壓、 最高電壓、溫度范圍、以及電池包充電時(shí)電池狀態(tài)等相關(guān)信息。在如圖9所示的本實(shí)施例中， 電池包10包括具有MCU 61的充電控制模塊60。如圖2和圖3所示，電池適配器40包括外殼41。外殼41提供連接電池包10的連接部 分42，連接部分42包括一個(gè)或多個(gè)端口，可與電池包10的相應(yīng)端口電氣連接，并傳送和接 收來自電池包10中的充電控制信號。該控制信號可以有多種選擇，比如，電壓、電流、光等
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以想到的各種控制信號。電池適配器40包括正輸出端口 43,負(fù)輸出端口44和第一控制端口45。其中，第一控制 端口 45與電池包10的第二控制端口 37相匹配。電池適配器40還包括AC/DC部分46和受控模塊47，其中受控模塊47包括受控中心模 塊48和反饋模塊49。受控中心模塊48可以是MCU及其附帶電路，反饋模塊49可以是光耦 及其附帶電路。受控模塊47還可以包括指示電路。如圖4所示，在電池包10內(nèi)部，由充電控制模塊60根據(jù)電池組當(dāng)前狀態(tài)，決定將采用 的充電模式，并發(fā)送控制信號到第二控制端口37，此功能塊的詳細(xì)內(nèi)容下文中將有進(jìn)一步描 述。在適配器40內(nèi)部，第一控制端口45接收來自外部的控制信號，受控模塊47調(diào)節(jié)AC/DC 部分46將輸入的交流電轉(zhuǎn)化成所需的直流電源。如圖5所示的適配器40的電路模塊圖。適配器40包括一個(gè)變壓器52、 PWM控制器55和 MOSFET功率開關(guān)管56。交流電通過電源輸入電路60輸入后通過EMI抑制電路57以及初級輸 入濾波電路，經(jīng)過變壓器52后再經(jīng)過次級整流輸出濾波電路后輸出高壓直流，高壓直流流經(jīng) 反饋環(huán)路、光耦隔離控制電路、PWM控制器55構(gòu)成的環(huán)路，MCU通過控制端口向PWM控制器 55輸入充電控制信號，PWM控制器55對MOSFET功率開關(guān)管56進(jìn)行控制從而獲得充電電池包 IO所需的電壓或電流輸出。電源輸入電路60可由保險(xiǎn)絲、負(fù)溫度系數(shù)電阻、壓敏電阻等(未示出)組成，使得在電 源內(nèi)部發(fā)生異常時(shí)，電源輸入端65不會出現(xiàn)大的短路電流。減小了適配器40接入電源時(shí)的 沖擊電流，同時(shí)可以吸收輸入線路上的浪涌電壓，防止適配器40內(nèi)部的元件過壓損壞。適配 器40中的整流濾波電路使得輸入電壓平滑濾波，濾除紋波電壓，為適配器40提供相對穩(wěn)定 的直流電壓。同時(shí)濾除高頻開關(guān)噪聲，改善了適配器的傳導(dǎo)特性。圖6示出了電池包的電路模塊圖。電池包10的充電控制模塊60包括MCU 61以及MOSFET 70，電池包的MCU 61通過控制MOSFET 70來控制充電電路的通斷。充電控制模塊60還包括 電壓采樣電路71、電流采樣電路72、溫度采樣電路73，在充電過程中MCU61分別通過電壓 采樣電路71、電流采樣電路72、溫度采樣電路73獲取電池當(dāng)前電壓、電流和溫度，并通過 匹配網(wǎng)絡(luò)74向第二控制端口 37發(fā)送充電信號。當(dāng)電池溫度在一個(gè)預(yù)定的的范圍內(nèi)且電池電 壓大于預(yù)定的預(yù)充電壓的時(shí)候，MCU 61控制適配器40的電壓輸出使電池包10進(jìn)入恒流充電 模式；當(dāng)電池電壓大于等于4. 2V時(shí)，MCU 61控制適配器40的電壓輸出使電池包10進(jìn)入恒 壓充電模式，同時(shí)檢測溫度和電流，如果電池電流小于0.1C則結(jié)束充電。鋰電池包10中包括了保護(hù)模塊來保證鋰電池的安全性。保護(hù)模塊包括充電保護(hù)模塊和放 電保護(hù)模塊。充電保護(hù)模塊至少具備過流保護(hù)、過充保護(hù)、過壓保護(hù)、單節(jié)電池電壓檢測功
能之一；放電保護(hù)模塊至少具備過流保護(hù)、短路保護(hù)、過放保護(hù)功能之一。圖7A、圖7B示出了符合本發(fā)明充電系統(tǒng)的電池包IO控制充電操作的流程。整個(gè)充電控 制流程主要分為兩個(gè)模塊，其中圖7A是查詢判斷模塊100，圖7B是執(zhí)行模塊150。査詢判 斷模塊100在步驟105確認(rèn)是否有適配器40接入，這一步驟通過電池包10與適配器40上相 應(yīng)端口的連接來實(shí)現(xiàn)，在確定有適配器40與電池包IO連接的情況下，轉(zhuǎn)入步驟IIO。在步 驟110中，電池包10中的充電控制模塊60通過控制端口讀取適配器40的類型、電壓范圍以 及電流范圍，并判斷適配器40的電壓范圍、電流范圍是否在電池包10允許和需要的范圍內(nèi)， 確定適配器40滿足要求后，轉(zhuǎn)入執(zhí)行模塊150。在圖7B所示的充電流程中，電池包進(jìn)入執(zhí)行模塊150。電池包在步驟155查詢電池單元 15狀態(tài)，判斷電池15是否達(dá)到恒壓充電模式下的充電要求。如果電池15達(dá)到恒壓模式充電 要求轉(zhuǎn)入步驟165，步驟165是恒壓模式充電模塊，反之則轉(zhuǎn)入步驟160，步驟160是一個(gè)恒 流模式充電模塊。在步驟160的恒流模式充電過程完成后進(jìn)入步驟165的恒壓模式充電過程。 步驟165完成后進(jìn)入步驟170，在步驟170中充電控制模塊60判斷電池單元15是否充滿。 如果電池15沒有充滿轉(zhuǎn)回到步驟155，繼續(xù)按照上述流程執(zhí)行，反之則結(jié)束充電。電池包通 過MOSFET 70的通斷實(shí)現(xiàn)充電開始與結(jié)束，如果電池包10沒有與適配器40斷開，則需要 充電控制模塊60判斷電池是否需要補(bǔ)足充電，需要補(bǔ)足充電轉(zhuǎn)回步驟155，反之則可以關(guān)閉 電源。以上恒壓充電模式、恒流充電模式充電的實(shí)現(xiàn)靠PID控制或者模糊控制均可，兩者結(jié) 合在不同情況下交互應(yīng)用會取得更好的效果。電池包中的恒流充電模式充電程序控制模塊通過測量所需的變量與期望值相比較，用這 個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D) 組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為<formula>formula see original document page 7</formula>其中Kp, Kt, Kd分別為比例、積分和微分放大系數(shù)。 因此它的傳遞函數(shù)為<formula>formula see original document page 7</formula>電池包中的恒壓充電模式充電程序控制模塊通過計(jì)算輸入電壓對隸屬函數(shù)的隸屬度，也 即模糊化，并取最小值作為該規(guī)則對輸出的推薦值。然后將所有的推薦值進(jìn)行合并，采用重 心法求解，對論域中全部元素的所有組合計(jì)算出相應(yīng)的電壓變化值，并寫成矩陣，由該矩陣 構(gòu)成相應(yīng)的表格即為模糊控制器的控制表，然后由實(shí)際電壓即時(shí)偏差E和偏差的變化率Ec，
按照模糊控制規(guī)則運(yùn)算后得到査表所需的數(shù)據(jù)，再由這些數(shù)據(jù)査表得到的電壓論域值，論域值乘以比例因子，便可得到當(dāng)時(shí)輸入時(shí)的模糊控制的輸出量u，根據(jù)輸出量u控制脈沖寬度調(diào)制電路PWM的輸出，PWM電路根據(jù)此值來控制輸出電壓的大小。電池包10或適配器40上還可以配置一個(gè)外部控制的激勵(lì)裝置，使用者可以通過激勵(lì)裝 置為電池包IO設(shè)置不同充電速率，適配器40輸出不同的功率來滿足不同充電速率的要求。上面所描述和圖示的結(jié)構(gòu)是以實(shí)例型的方式呈現(xiàn)的，并不是意在限制本發(fā)明的概念和原 理。同樣的，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，很明顯在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下, 可以對元件以及他們的設(shè)置和排列做出多種更改。
權(quán)利要求
1. 一種鋰電池包包括一個(gè)外殼；復(fù)數(shù)個(gè)電池元件，每個(gè)電池元件都是基于鋰的化學(xué)物質(zhì)，每個(gè)電池單元有一個(gè)單獨(dú)的電量狀態(tài)；一個(gè)可以監(jiān)控至少一個(gè)電池單元的單獨(dú)電量狀態(tài)的充電控制模塊；至少一個(gè)連接端口，可與一個(gè)為所述鋰電池包提供精準(zhǔn)充電電流的電源適配器相連接。
2. 如權(quán)利要求l中所述的鋰電池包，其特征在于所述的適配器包括一個(gè)第一控制端口，所 述鋰電池包包括一個(gè)第二控制端口，所述充電控制模塊通過在所述的第一、第二控制端口的 連接來傳遞充電控制信號到所述的受控模塊。
3. 如權(quán)利要求l中所述的鋰電池包，其特征在于所述的充電控制模塊可以監(jiān)控單節(jié)鋰電池 的狀態(tài)。
4. 如權(quán)利要求1中所述的鋰電池包，其特征在于所述的充電控制模塊包括一個(gè)MCU;電 池參數(shù)采樣電路；鋰電池保護(hù)電路；以及輸出電池包充電控制信號的匹配網(wǎng)絡(luò)。
5. 如權(quán)利要求4中所述的鋰電池包，其特征在于所述的電池參數(shù)采樣電路至少包括一個(gè)檢 測單節(jié)電池電壓的電壓采樣電路， 一個(gè)檢測電池組電流的電流采樣電路， 一個(gè)用于檢測電池 組溫度的溫度采樣電路。
6. 如權(quán)利要求4中所述的鋰電池包，其特征在于所述的鋰電池保護(hù)電路可以在單節(jié)鋰電池電量狀態(tài)達(dá)到一個(gè)預(yù)定值時(shí)中斷充電過程。
7. 如權(quán)利要求l中所述的鋰電池包，其特征在于所述的受控模塊包括受控中心模塊和反饋模塊。
8. 如權(quán)利要求1中所述的鋰電池包，其特征在于所述的受控模塊可以通過PWM控制調(diào)節(jié) AC/DC轉(zhuǎn)化電路，使其輸出精準(zhǔn)的充電電流。
9. 一種鋰電池包的充電方法一個(gè)具備第一控制端口的適配器通過對應(yīng)的端口連接確定是否與一個(gè)具備第二控制端口 的待充電鋰電池包實(shí)現(xiàn)電氣連接；鋰電池包中的充電控制模塊部分的基于至少一個(gè)電池元件的單獨(dú)電量狀態(tài)執(zhí)行一種充電模式；充電控制模塊在一種充電模式下執(zhí)行預(yù)定的充電算法。充電控制模塊通過連接的第一、第二控制端口發(fā)送充電控制信號到適配器的受控模塊， 使其輸出精準(zhǔn)的充電電流。
10. 如權(quán)利要求9中所述的鋰電池包的充電方法，其特征在于所述的充電模式至少包括恒 壓充電模式和恒流充電模式。
11. 如權(quán)利要求10中所述的鋰電池包的充電方法，其特征在于當(dāng)單節(jié)電池溫度在允許的范 圍內(nèi)且電壓大于允許預(yù)充電壓的時(shí)候，充電控制模塊執(zhí)行恒流充電模式；當(dāng)單節(jié)電池電壓大 于等于4.2V時(shí)，充電控制模塊執(zhí)行恒壓充電模式；同時(shí)檢測電池的溫度和電流，如果單節(jié)電 池電流小于O. 1C則結(jié)束充電。
12. 如權(quán)利要求9中所述的鋰電池包的充電方法，其特征在于充電控制模塊可以通過分析 存儲在電池包內(nèi)的電池包參數(shù)信息和實(shí)時(shí)監(jiān)控的電池參數(shù)來分析確定所需的充電電流。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種鋰電池包及其充電方法，其中鋰電池包包括一個(gè)外殼；復(fù)數(shù)個(gè)電池元件，每個(gè)電池元件都是基于鋰的化學(xué)物質(zhì)，每個(gè)電池單元有一個(gè)單獨(dú)的電量狀態(tài)；一個(gè)可以監(jiān)控至少一個(gè)電池單元的單獨(dú)電量狀態(tài)的充電控制模塊；至少一個(gè)連接端口，可與一個(gè)為所述鋰電池包提供精準(zhǔn)充電電流的電源適配器相連接。充電控制模塊包括一個(gè)MCU；電池參數(shù)采樣電路；鋰電池充/放電保護(hù)電路；以及輸出電池包充電控制信號的匹配網(wǎng)絡(luò)。充電方法是通過位于鋰電池包中的充電控制模塊來控制電源適配器輸出精準(zhǔn)的充電電流為鋰電池包充電。
文檔編號H01M2/10GK101399386SQ200710133620
公開日2009年4月1日 申請日期2007年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月25日
發(fā)明者楊德中 申請人:南京德朔實(shí)業(yè)有限公司