專利名稱：帶有功率消耗控制的電池充電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及電池充電器，更具體地涉及利用通過裝置對(duì)電池進(jìn)行快速充電。
電池充電器一般利用將交流(AC)整流為直流(DC)的調(diào)節(jié)器來對(duì)電池充電。在一種稱為串聯(lián)通過充電器的調(diào)節(jié)器中，諸如金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管這樣(MOSFET)的線性開關(guān)通過裝置被連接在調(diào)節(jié)器和電池之間。當(dāng)電池充電時(shí)，該通過裝置消耗的功率等于該通過裝置的輸入和輸出電壓之差乘以最大充電電流。當(dāng)電池被深度充電時(shí)，電池電壓，即通過裝置的輸出電壓，比調(diào)節(jié)器電壓，即通過裝置的輸入電壓要小的多。由于這一情況，通過裝置所消耗的功率可能會(huì)超過在便攜式電子裝置中發(fā)現(xiàn)的典型裝置集合的最大功率額定值。在該通過裝置消耗高功率的這一期間，會(huì)產(chǎn)生過熱，而且充電器的總體效率非常差。
空間和熱量都很關(guān)鍵的用于便攜式裝置的常規(guī)快速充電器利用外部跟蹤調(diào)節(jié)器來限制充電器的通過裝置中的功率消耗。跟蹤調(diào)節(jié)器提供一個(gè)與被充電的電池電壓有恒定的正的偏差的電壓，從而保持通過裝置的輸入和輸出電壓之差相對(duì)恒定。一個(gè)微處理器測量電池電壓并產(chǎn)生一個(gè)與所希望的充電電流成正比的模擬控制電壓。該充電電流由測量一個(gè)測量電阻上的電壓降，對(duì)其進(jìn)行定標(biāo)，并與控制電壓比較的硬件反饋環(huán)控制。當(dāng)充電軟件根據(jù)電池電壓的變化要求改變充電電流時(shí)，微處理器相應(yīng)地改變控制電壓。
通過保持通過裝置的電壓降相對(duì)恒定而僅改變充電電流，充電器可容易地控制通過裝置的功率消耗。但是這種保持電壓降恒定的跟蹤調(diào)節(jié)器是專用的而且很貴。因此，需要一種既能限制功率消耗而又不需要采用很貴的跟蹤調(diào)節(jié)器的電池充電器。


圖1表示根據(jù)最佳實(shí)施例的電池充電器的方框圖。
圖2表示根據(jù)第一最佳實(shí)施例的電池充電器。
圖3表示根據(jù)第二最佳實(shí)施例的電池充電器。
具有功率消耗控制的電池充電器包括檢測本電池電壓，監(jiān)視通過裝置的瞬時(shí)功率消耗和產(chǎn)生一個(gè)用來給諸如便攜式無線電話這樣的裝置的電池組充電的電流控制信號(hào)的反饋環(huán)節(jié)。反饋環(huán)節(jié)中的控制器可包括硬件，軟件或硬件和軟件的組合。控制器根據(jù)本通過裝置的功率消耗來調(diào)整電流控制信號(hào)以確保通過裝置的功率消耗不超過計(jì)算出的長期和短時(shí)功率最大值。另外，通過查詢電池組中的熱敏電阻允許控制器更準(zhǔn)確地確定通過裝置的最大功率，因?yàn)樵撗b置可消耗的最大功率隨著該裝置周圍的溫度而變化。
該電池充電器動(dòng)態(tài)地進(jìn)行調(diào)整以改變充電電壓，允許以簡單的不可調(diào)式的DC變壓器來取代很貴的傳統(tǒng)電池充電裝置中采用的外部跟蹤調(diào)節(jié)器。此外，低成本不可調(diào)DC變壓器在大電流值時(shí)的電壓跌落減少了通過裝置中所需消耗的功率，并且反饋環(huán)節(jié)監(jiān)視和利用這一特性。利用低成本不可調(diào)DC變壓器的軟件靈活性和恰當(dāng)?shù)倪x擇，許多類型的電池，包括鎳鎘(NiCad)、鎳-金屬氫化物(NiMH)、和鋰離子(LiIon)電池都可被有效地充電至相應(yīng)容量。
圖1表示根據(jù)最佳實(shí)施例的電池充電器的方框圖。在該方案中諸如壁式變壓器這樣的不可調(diào)DC變壓器向通過裝置104提供不可調(diào)電壓用來對(duì)電池組101充電。電池組101可以是用于便攜式無線電話的電池組且包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置123，該存儲(chǔ)裝置可以是諸如EPROM或EEPROM這樣的電子可編程只讀存儲(chǔ)器，用來存放諸如充電率和其它充電參數(shù)這樣的信息。充電器控制器150可通過數(shù)據(jù)輸入端124從該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置接收信息以幫助對(duì)電池進(jìn)行有效的充電。
充電器控制器150還可通過利用溫度檢測輸入端122查詢裝在大多數(shù)電池組中的熱敏電阻121在充電前確定周圍的溫度。由于通過裝置的最大功率消耗隨著溫度而變化，環(huán)境溫度數(shù)據(jù)可被用來定標(biāo)通過裝置允許的功率消耗的計(jì)算最大值。這種定標(biāo)可根據(jù)通過裝置104的最壞情形消耗情況來改進(jìn)充電時(shí)間避開任何最壞情形時(shí)間。
充電器控制器150還通過電池檢測輸入端109接收瞬時(shí)電池電壓。因此，利用來自數(shù)據(jù)輸入端124，溫度檢測輸入端122和電池檢測輸入端109的信息，充電器控制器150可根據(jù)儲(chǔ)存的充電率和其它充電參數(shù)，環(huán)境溫度，和本電池電壓計(jì)算理想的充電電流值。該計(jì)算出的理想的充電電流值經(jīng)理想電流輸出端107傳輸?shù)焦β士刂破?03。
功率控制器103根據(jù)來自充電器控制器150的理想充電電流信息和通過功率檢測輸入端110檢測的通過裝置104的瞬時(shí)功率消耗產(chǎn)生電流控制信號(hào)。利用FET的電流輸出和計(jì)算通過裝置104上的電壓降可容易地將具有電流檢測能力的功率FET用于確定通過裝置的瞬時(shí)功率消耗。功率控制器103根據(jù)來自功率檢測輸入端110的信息定標(biāo)來自充電器控制器150的理想充電電流值以產(chǎn)生電流控制信號(hào)。該電流控制信號(hào)被從功率控制器103的電流控制輸出端111發(fā)送到通過裝置104以保持通過裝置104消耗的功率處于可接受的功率額定值以內(nèi)。
注意到當(dāng)功率控制器103控制充電電流降低以限制通過裝置功率消耗時(shí)，電池充電時(shí)間可能會(huì)增加。時(shí)間增加量決定于變壓器的設(shè)計(jì)。如果變壓器在輸出大電流(這是不可調(diào)DC變壓器的典型情況)時(shí)具有大的電壓降，通過裝置上的電壓降就會(huì)較小。但是，如果變壓器電壓降太大，當(dāng)電池接近充滿時(shí)就不能使用大充電電流。
這種方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是充電器通過允許充電電壓變動(dòng)而僅控制充電電流來控制通過裝置的功率消耗。通過充電器控制器150的第一反饋環(huán)節(jié)根據(jù)本電池電壓，環(huán)境溫度，和來自電池組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的信息確定理想電流。該理想電流信息被發(fā)送給包括功率控制器103的第二反饋環(huán)節(jié)。如果理想電流值會(huì)導(dǎo)致通過裝置上的過度的功率消耗，功率控制器103就降低該理想電流值以產(chǎn)生電流控制信號(hào)。這種定標(biāo)降低是根據(jù)來自功率檢測輸入端110的瞬時(shí)功率消耗信息進(jìn)行的。從電流控制輸出端111產(chǎn)生的電流控制信號(hào)允許通過通過裝置104的最大電流不超過短時(shí)和長期功率最大值。
因此，在不可調(diào)DC變壓器100輸出端的電壓可改變，且功率控制器103將動(dòng)態(tài)地調(diào)整充電電流以避免通過裝置104上的過度功率消耗。充電器控制器150與功率控制器103組合在一起計(jì)算通過裝置的功率消耗絕對(duì)最大值和短時(shí)最大值并保證這些最大值永遠(yuǎn)不會(huì)被超過，無論不可調(diào)DC變壓器的工況如何。
圖2表示根據(jù)第一最佳實(shí)施例的電池充電器。圖1所示的充電器控制器150和功率控制器103被利用通過電池檢測輸入端209檢測電池電壓和通過電源檢測輸入端210檢測來自變壓器的充電電壓的微處理器250來實(shí)現(xiàn)。理想地，檢測輸入端209，210被聯(lián)接到微處理器250中的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器上。注意到在這些實(shí)施例的任何一個(gè)中的軟件功能，包括模-數(shù)轉(zhuǎn)換，都可以利用硬件來實(shí)現(xiàn)，反之亦然。
利用來自檢測輸入端的表示通過裝置204兩側(cè)的電壓的信息，微處理器250計(jì)算通過裝置上的電壓降。然后微處理器通過調(diào)整電流控制輸出端211的控制信號(hào)來保證通過裝置的功率消耗不超過允許的計(jì)算最大值，輸出端211引導(dǎo)充電電流控制信號(hào)通過運(yùn)算放大器202，203。理想地，理想電流輸出端211處的控制信號(hào)是脈沖寬度調(diào)制(PWM)波形。作為替代，微處理器250可利用數(shù)-模轉(zhuǎn)換器在理想電流輸出端211產(chǎn)生控制信號(hào)。
允許經(jīng)過通過裝置204的最大功率消耗是從經(jīng)過與理想地在電池組101中的熱敏電阻121相連的溫度檢測輸入端222而來的環(huán)境溫度信息和來自與電池組101中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置123相連的數(shù)據(jù)輸入端224的充電率及其它充電參數(shù)計(jì)算出來的。其它信息，諸如通過裝置或變壓器特性及額定值也可被用來確定經(jīng)過通過裝置的計(jì)算最大功率消耗。
來自不可調(diào)DC變壓器100的電壓通過檢測電阻205和二極管206輸入以對(duì)電池組101中的電池充電。在充電過程中，檢測電阻205上的電壓由包括運(yùn)算放大器202，203并由來自電流控制輸出端211的信號(hào)控制的硬件反饋環(huán)節(jié)保持為恒定。運(yùn)算放大器203控制模擬開關(guān)通過裝置204將運(yùn)算放大器202的輸出電流設(shè)定為由來自微處理器理想電流輸出端211的信號(hào)控制。運(yùn)算放大器203在輸出端具有用于保持穩(wěn)定性的低通濾波器215。
圖3表示根據(jù)第二最佳實(shí)施例的電池充電器。在該方法中，理想電流反饋環(huán)節(jié)和電流控制信號(hào)的動(dòng)態(tài)調(diào)整二者都被引入到微處理器的軟件中。低成本，不可調(diào)DC變壓器100也被用作通過二極管306對(duì)電池組101充電的功率源。微處理器350中的模-數(shù)轉(zhuǎn)換裝置監(jiān)視通過電源檢測輸入端310和電壓檢測輸入端312收到的檢測電阻305兩側(cè)的電壓。微處理器軟件利用該電壓信息和檢測電阻已知的電阻值來計(jì)算通過檢測電阻的電流，該電流也是經(jīng)過通過裝置304的電流。在該實(shí)施例中，檢測電阻305為二分之一歐姆。對(duì)微處理器軟件略作改動(dòng)可將該電阻值用其它值替換。
對(duì)模擬開關(guān)通過裝置304的控制來自微處理器350的電流控制輸出端311的脈沖寬度調(diào)制(PWM)波形。該波形由低通濾波器315濾波并在進(jìn)入通過裝置304的門之前被晶體管裝置320放大。作為替代，電流控制輸出端311的PWM信號(hào)可用來自微處理器350中的數(shù)-模(D/A)轉(zhuǎn)換軟件的模擬信號(hào)替換。
理想電流值是以來自溫度檢測輸入端322的環(huán)境溫度，通過電池檢測輸入端309收到的本電池電壓，和來自數(shù)據(jù)輸入端324為根據(jù)的。該理想電流值根據(jù)通過裝置304的瞬時(shí)功率消耗進(jìn)行調(diào)整以產(chǎn)生電流控制信號(hào)。通過裝置304的瞬時(shí)功率消耗等于檢測電阻305上的瞬時(shí)電流與由電池檢測輸入端312和電池檢測輸入端309計(jì)算出的通過裝置304上的瞬時(shí)電壓相乘。因此，電流控制信號(hào)隨著來自不可調(diào)DC變壓器100的充電電壓或由微處理器350計(jì)算出的理想電流值的任何變化而改變。
當(dāng)電流超過變壓器的額定電流的一半時(shí)許多不可調(diào)變壓器表現(xiàn)出輸出電壓紋波。該電壓紋波通常為全波整流120/100Hz，它可被電源檢測輸入端310檢測并被微處理器軟件濾除。一旦軟件確定了紋波的頻率和幅值，微處理器350中的誤差功能可被用來產(chǎn)生校正信號(hào)，用軟件實(shí)現(xiàn)的累加器可使紋波最小化。注意到利用諸如圖2所示的硬件反饋環(huán)節(jié)，運(yùn)算放大器可濾除任何電壓紋波。
因此，具有功率消耗控制的電池充電器提供了傳統(tǒng)快速電池充電方法的一種低成本的替代。雖然上面介紹了具有功率消耗控制的電池充電器的具體的部件和功能，本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員可在本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍內(nèi)應(yīng)用更少的或額外的功能。本發(fā)明僅受所附的權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.利用不可調(diào)變壓器對(duì)電池組充電的電池充電器，包括配置為用來與不可調(diào)變壓器連接的通過裝置；配置為用來與電池組連接，用來根據(jù)電池電壓計(jì)算理想的電池充電電流值的充電器控制器；與充電控制器和通過裝置連接，用來根據(jù)通過裝置的瞬時(shí)功率消耗將來自充電器控制器的理想電池充電電流值轉(zhuǎn)換為電流控制信號(hào)的功率控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電池充電器，其中充電控制器包括配置為與電池組連接，用來檢測本電池電壓的電池檢測輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電池充電器，其中充電控制器包括與通過裝置連接，用來檢測通過裝置的瞬時(shí)功率消耗的功率檢測輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電池充電器，其中充電控制器包括與通過裝置的門連接，用來控制通過裝置上的電流的電流控制信號(hào)輸出端。
5.利用不可調(diào)變壓器對(duì)電池組充電的電池充電器，包括具有配置為用來與不可調(diào)變壓器連接的輸入端的通過裝置；和控制器，該控制器具有與通過裝置的輸入端相連的第一電壓檢測輸入端；配置為用來連接電池組的第二電壓檢測輸入端；配置為用來連接不可調(diào)變壓器的第三電壓檢測輸入端；和與通過裝置的門相連的電流控制信號(hào)輸出端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的電池充電器，進(jìn)一步包括在第一電壓檢測輸入端和第三電壓檢測輸入端之間連接的檢測電阻。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的電池充電器，進(jìn)一步包括在電流控制輸出端和通過裝置之間連接的晶體管。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的電池充電器，進(jìn)一步包括在通過裝置和第二電壓檢測輸入端之間相連的二極管。
9.根據(jù)權(quán)利要求5的電池充電器，其中控制器進(jìn)一步包括用來與熱敏電阻相連的溫度檢測輸入端。
10.根據(jù)權(quán)利要求5的電池充電器，其中控制器進(jìn)一步包括用來與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置相連的數(shù)據(jù)輸入端。
全文摘要
一種電池充電器，利用不可調(diào)DC變壓器(100)作為用來經(jīng)過一通過裝置(104)對(duì)電池組(101)充電的電源。一個(gè)充電器控制器(150)根據(jù)電池組(101)的當(dāng)前電壓，環(huán)境溫度，和充電率瞬時(shí)地計(jì)算理想充電電流值。充電控制器將計(jì)算出的理想充電電流信息發(fā)送給功率控制器(103)。功率控制器(103)監(jiān)視通過裝置(104)中的瞬時(shí)功率消耗并將理想充電電流定標(biāo)以防止通過裝置(104)中的過度的功率消耗。
文檔編號(hào)H01M10/46GK1166710SQ9710540
公開日1997年12月3日 申請(qǐng)日期1997年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月29日
發(fā)明者羅伯特·巴拉諾斯基, 馬修·W·泰勒 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司