專利名稱：恒流電池充電器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種給蓄電池充電的恒流電池充電器。
背景技術：
蓄電池或者可再充電電池已經廣泛地應用在電動工具、便攜式電話以及許多其它便攜電子設備中。為了給例如鎳-鎘電池和鎳-氫電池的電池充電，已經提出給這些電池提供相對均勻電流的恒流電池充電器。通常地，恒定充電重復執(zhí)行如下循環(huán)監(jiān)控提供給電池的充電電流、比較監(jiān)控充電電流和目標電流，并且以均勻的充電率改變充電電流以調節(jié)該電流與目標電流相匹配。因此，當對幾乎放完電的電池充電時，不得不重復大量的上述循環(huán)直到充電電流接近目標電流。
在充電電流接近目標電流后，為了避免充電電流不期望的過量充電或者充電不足選擇相對低的充電速率。因此，當在充電電流與目標電流間存在相當大的差別時上述恒定充電方案原則上很難實現(xiàn)向著目標電流快速增加充電電流。
日本專利公開No.8-336236可以認為是給出依靠恒壓充電而不是恒流充電的解決辦法來進行快速充電，然而充電電流決非目標電流。然而，在恒壓充電期間，由于充電電流可以很大程度上偏離目標電流，所以只要進行恒壓充電就存在不能期望快速地達到目標電流的問題，其最終延長了達到目標電流的時間。

發(fā)明內容
鑒于上述不足，本發(fā)明已經完成提供一種恒流電池充電器，其能快速地增加充電電流到目標電流來確保成功地快速充電。
依照本發(fā)明的電池充電器包括電源，被配置以給蓄電池提供充電電流；電流監(jiān)控器，被配置以監(jiān)控提供給電池的充電電流并且給出表示充電電流的電流信號。為了根據(jù)來自電流監(jiān)控器的電流信號改變充電電流，包括控制器以控制電源?？刂破饔嬎泐A定目標電流和被監(jiān)控的充電電流之間的電流差值，并且產生當電流差值在預定范圍外時以第一充電速率改變充電電流、以及當電流差值在預定范圍內時以第二充電速率改變充電電流的指令。控制器規(guī)律地或者改變間隔地重復產生所述指令以改變充電電流。為了進行快速充電，設定第一充電速率高于第二充電速率直到它接近目標電流。由于瞬間充電電流和目標電流之間的電流差值依賴于轉換第一和第二充電速率之間的充電速率，以真實地表示電池狀態(tài)的精確定時進行該轉換，這確保了快速地充電，也能確保成功地完成充電。事實上，由于充電速率的轉換取決于電流差值，例如，當電池電壓取決于該轉換時，充電能不受從高速率充電到低速率充電的過渡引起的不確定特性變化的影響。
優(yōu)選地，設置該指令以通過每次產生指令時的恒定步長(step)改變充電電流。在這一點上，設置控制器以改變間隔，當電流差值在預定范圍時的該間隔比當它在預定范圍外時的長。因此，通過改變間隔使得第二充電速率小于第一充電速率。
可選擇地，可以設置控制器以規(guī)律的間隔重復地產生指令，同時設置該指令，以通過改變步長改變充電電流，當充電電流在預定范圍內時該改變步長小于它在預定范圍之外的。
電壓監(jiān)控器可以包括在充電器中以檢測出現(xiàn)在蓄電池兩端的電池電壓。設置控制器以根據(jù)檢測的電池電壓改變目標電流，同時電流差值在預定范圍內。因此，為了繼續(xù)成功地恒定電流充電可以適當?shù)乜紤]電池電壓來改變目標電流用于實現(xiàn)成功充電，同時不管電池電壓確保從幾乎完全放電的狀態(tài)進行快速充電。
進一步，在充電器中可以包括檢測蓄電池溫度的溫度監(jiān)控器。在這種情況中，設置控制器以根據(jù)檢測的溫度改變目標電流，同時電流差值在預定范圍內，也就是，在充電電流接近目標電流之后。因此，為了繼續(xù)成功地恒定電流充電，可以以電池溫度的適當反射比改變目標電流，同時不管電池溫度確保在幾乎完全放電的情況下進行快速充電。
當在充電器中包括電壓監(jiān)控器以及溫度監(jiān)控器和電流監(jiān)控器時，控制器優(yōu)選給出，正在被監(jiān)控的瞬間電池電壓和之前剛剛監(jiān)控的在前電池電壓之間的電壓差值，同時電流差值在預定范圍之內，以及在瞬間的電池溫度和之前剛剛監(jiān)控的前面的電池溫度之間的溫度差值。在這一點上，當電壓差值大于預定參考電壓時或者當溫度差值大于預定參考溫度時，控制器產生以第一充電速率改變充電電流的指令，否則保持第二充電速率。因此，當電池溫度或者電池電壓超過預定參考電壓或者溫度時，控制器確認在監(jiān)控的參數(shù)中存在嚴重的錯誤并且對迅速地恢復電池電壓和電池溫度響應以糾正參數(shù)，并且依賴正確的參數(shù)用于改變目標電流。
優(yōu)選地，設置控制器以當充電電流超過上限時抑制電源提供充電電流，同時以第一充電速率改變充電電流。因此，充電器和蓄電池能免受可能損壞充電器和電池的過度的大電流。
為更加安全的操作，充電器可以包括斷路器，該斷路器在用于與外部電力源相連的前端連接到電源。當充電電壓超過上限時通過控制器啟動斷路器以斷開電源和電力源，同時以第一充電速率改變充電電流。
當結合附圖從下面對實施例的具體描述中，本發(fā)明這些和其它有益的特征將變得更加顯而易見。


圖1是依照本發(fā)明優(yōu)選實施例的電池充電器的電路圖。
圖2是描述引起其中充電電流增加的電池充電器的運行的圖。
圖3A和3B描述了充電速率在圖2的運行中如何變化。
圖4和圖5描述了引起其中充電電流減少的電池充電器的運行；以及圖6描述了改變充電速率的另一個方案。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考圖1，示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的電池充電器。電池充電器包括電源30，配置該電源30以從AC電力源10接收AC電壓并將其轉換成用于提供充電電流的DC電壓用于給蓄電池20再充電。電源30包括整流器31，以二極管電橋的形式提供整流DC電壓，隨后通過跨接于整流器31的輸出端的電容器32平滑該電壓。還包括在電源30中的是具有跨接在整流器31輸出端的初級繞組41和跨接在蓄電池20的兩端的次級繞組42的變壓器40。開關元件50，例如，F(xiàn)ET和跨接在整流器31輸出端的初級繞組41串聯(lián)連接，以便周期性地以高頻中斷平滑DC電壓以感應次級繞組42兩端相應的AC電壓。感應電壓被二極管33整流并被電容器34平滑以提供DC充電電流給蓄電池20充電。DC隔直流電容器35連接在整流器31的低電壓側輸出端和次級繞組42的一個末端之間以隔離初級繞組41和次級繞組42。電流監(jiān)控電阻器36和電容器34串聯(lián)連接以給出表示提供給蓄電池20的充電電流的相應電壓。此外，由電阻器37和38組成的分壓器連接在電容器34的兩端以提供施加到蓄電池20的電池電壓。還包括在電源30中的是以電磁繼電器形式的斷路器60，用于當檢測到施加給蓄電池20的過量充電電流時使電源30與電力源10斷開，這將隨后進行討論。而且，充電器包括設置毗鄰于蓄電池20以給出其電池溫度的溫度監(jiān)控器70。
電池充電器包括控制器100，該控制器控制電源30以基本上根據(jù)被監(jiān)控的充電電流控制充電電流。還考慮電池電壓和電池溫度以改變從電源30提供的充電電流，這將在后面進行討論?？刂破?00包括電流監(jiān)控器101、目標電流供應器102、電流鑒別器103以及指令發(fā)生器104，它們在微處理器中實現(xiàn)。電流監(jiān)控器101連接到電阻器36以給出表示提供給蓄電池20的瞬間充電電流的信號。連接目標電流供應器102以分別從電壓監(jiān)控器106和溫度監(jiān)控器108接收電池電壓和電池溫度，并且配置目標電流供應器102以提供根據(jù)電池電壓和電池溫度變化或者改變的目標電流。目標電流和瞬間充電電流輸入到能計算其間的電流差值的電流微分器103。配置指令發(fā)生器104以產生根據(jù)電流差值在預定范圍外或者范圍內以不同速率增加或者減少充電電流的指令，以便如圖2所示在初始周期(PINT)期間以高充電率從電池幾乎完全放電的狀態(tài)快速地對蓄電池20充電，并且在其后以低或者中等的充電速率保持連續(xù)地充電。
在討論運行之前，注意到來自指令發(fā)生器104的指令以變化的間隔例如，在2毫秒(msec)和10毫秒(msec)之間，周期地輸入給開關元件50的驅動器52，由此調節(jié)每次指令產生時的充電電流，以便通過重復地施加驅動開關元件50的指令來接近與目標電流匹配的瞬間充電電流。開關元件50的占空比與從電源30提供的充電電流成正比例。例如，分別地提供占空比為10％、20％、30％、40％和50％的1A、2A、3A、4A和5A的充電電流。
現(xiàn)在參考圖2討論充電器的運行，其中控制充電電流以從0以下增加到由目標電流供應器102決定的4A的目標電流。在這種情況下，高充電速率和低充電速率分別設置為0.1％/2msec(50％/sec)和0.1％10msec(10％/sec)，且預定范圍設置為±0.5A。首先，當從電流監(jiān)控器101看到零電流時，電流鑒別器103輸出遠遠超過±0.5A范圍的4A的電流差值。因此，如圖3A示意性地示出的，指令發(fā)生器104發(fā)出以2msec的固定間隔以0.1％/2msec(50％/sec)的高充電速率增加充電電流的指令。這持續(xù)到恒定充電電流增加到3.5A，也就是，電流差值正好在±0.5A的范圍內。在電流剛達到3.5A之后，通過在周期PINT內以每2msec的高充電速率重復增加充電電流，指令發(fā)生器104響應以將充電速率從0.1％/2msec(50％/sec)的高充電速率轉換到0.1％/10msec(10％/sec)的低充電速率用于適度地增加或者改變充電電流。在本實施例中，通過將采樣間隔從2msec轉換到10msec來實現(xiàn)至低充電速率的轉換，同時保持將占空比增長0.1％的步長，如圖3B所示，由此得到0.1％/10msec(10％/sec)的低充電速率。因此，使得充電電流適度地變化直到充電電流達到目標電流，也就是，沒有引起充電電流的過量充電或者充電不足。其后，以低充電速率或者甚至更低的充電速率通過連續(xù)地改變瞬間充電電流進行控制，以保持充電電流在目標電流。
控制器100監(jiān)控電池溫度、電池電壓以及從充電開始經過的充電時間，以便于如果滿足如下關系之一則確定蓄電池20是完全充電并且停止對電池充電。
1)每單位時間(ΔT/Δt)電池的溫度變化超過預定值；2)每單位時間(-ΔT/Δt)電池的壓降超過預定值；以及3)充電時間超過預定時間。
當繼續(xù)充電時，當蓄電池20認定電池不活躍時，電池電壓增加超過正常值，其需要通過相應地降低充電電流使電池電壓降低。同樣，當電池溫度低于正常溫度時，由于電池化學活性中所期望的延遲需要降低充電電流。在任一種情形中，控制器100響應以限定目標電流到補償電池條件的固定值。
圖4和圖5示出當看到電池電壓超過閾值電壓VTH時目標電流從4A的正常值限制到2A的較低固定值。當電池電壓超過閾值電壓VTH時，目標電流供應器102響應以限制目標電流，例如，從4A到2A的較低固定值，如圖4中所示。當這發(fā)生時，電流鑒別器103提供超過預定范圍±0.5A的電流差值2A，使得指令發(fā)生器104產生以0.1％/2msec(50％/sec)的高速率降低瞬間充電電流的指令，直到瞬間充電電流降低到2.5A以下。其后，以0.1％/10msec(10％/sec)低充電速率適度地將充電電流降低到目標電流2A，并以低速率或者更低的速率通過連續(xù)地變化充電電流保持瞬間充電電流在較低固定值的目標電流，指令發(fā)生器104將充電速率從高充電速率轉化為低充電速率。
一旦電池電壓達到閾值電壓VTH之后，目標電流固定為2A的較低固定值，并且為了改變目標電流回到4A不再參考電池電壓。注意在這方面，當充電電流以高速率變化時，也就是，電流差值超過±0.5A的預定范圍，因為由于充電電流從強電流到弱電流的高速變化導致電池電壓可能出現(xiàn)如圖5的左邊圓圈所示的突變，所以電壓監(jiān)控器106的輸出忽略限制目標電流。
同樣，當發(fā)現(xiàn)電池溫度比預定較低溫度界限還低時，或者比較高溫度上限還高時，目標電流供應器102也響應以限制目標電流從4A的恒定充電電流降低到2A的固定值，以和參見圖4類似的方式論述。也注意到在這一點上，在以高速率改變充電電流的過渡期間，為排除在過渡周期內出現(xiàn)的電池溫度的可能波動，沒有參考來自溫度監(jiān)控器108的電池溫度，由此轉換與檢測到的電池溫度可靠一致的目標電流。而且，一旦將目標電流限制在較低固定值之后，不再參考電池溫度用于改變目標電流返回到4A。
直到目標電流限制在降低的固定值并且同時以低充電速率保持充電，以一(1)秒的規(guī)律間隔監(jiān)控電池電壓和電池溫度，例如，其比產生改變充電電流的指令的間隔大很多。為了獲得電池電壓和電池溫度的可靠數(shù)據(jù)，控制器100重復以完成有效的程序，使得在準確的定時以數(shù)據(jù)的適當反射率限定目標電流。用于電池電壓的有效程序包括步驟1)獲得瞬間電池電壓和緊接著之前監(jiān)控的前一電池電壓之間的電壓差，2)為了在得到的電池電壓中產生快速變化，如果電壓差值大于預定參考電壓，例如，0.1V，臨時地將充電電流從低充電速率轉換到高充電速率，以及3)當電壓差值在參考電壓范圍內時，指定瞬間電池電壓作為真實的電池電壓，并且依賴于由此指定的電池電壓用于限定目標電流。
同樣地，用于電池溫度的有效程序包括以下步驟1)獲得瞬間電池電壓和緊接著之前監(jiān)控的前一電池電壓之間的電壓差，
2)為了在得到的電池溫度中產生快速變化，如果溫度差值大于預定參考溫度，例如，3℃，臨時地將充電電流從低速率轉換到高速率，以及3)當溫度差值在參考溫度內時，指定瞬間電池溫度作為真實的電池溫度，并且依賴于由此指定的電池溫度用于限定目標電流。
當電池電壓和/或者電池溫度由于外部噪音或者其他任何原因出現(xiàn)相當大的波動，控制器100認為這些參數(shù)不可靠且臨時地迫使進行高速率充電而不是低速率充電，由此脈動電池電壓和電池溫度以獲得可靠數(shù)據(jù)。由于進行上述有效程序同時保持充電電流接近目標電流，也就是，電流差值在±0.5A的預定范圍內，通過臨時地從低速率充電轉換到高速率充電，期望在電池電壓和電池溫度中的穩(wěn)定變化，得到用于改變目標電流的可靠數(shù)據(jù)。
當在限制目標電流之前或者之后繼續(xù)低速率充電時，為保護蓄電池20不變地監(jiān)控電池溫度。當電池溫度超過最高溫度或者低于最低溫度時，控制器100進入備用狀態(tài)，其中指令發(fā)生器104發(fā)出使開關元件50不動作來停止電源30運行的無效指令。這一直持續(xù)到預定時間過去或者電池溫度設置在最高溫度和最低溫度之間。如果預定時間過去，控制器100響應以打開繼電器60從而斷開電源30與外部電力源10，由此關閉充電器。當電池溫度在預定時間回到最高和最低溫度之間的正常范圍內時，控制器100響應以從備用狀態(tài)返回正常充電狀態(tài)，繼續(xù)低速率充電用于接近或者保持充電電流到并且在目標電流。在這種情況中，根據(jù)監(jiān)控的電池電壓可以改變目標電流。
在充電電流過度地增加的情況下，設置控制器100以保護蓄電池20和電源30。為了這個目的，響應于充電電流超過預定上限，指令發(fā)生器104發(fā)出停止指令，該指令使開關元件50不動作以停止電源30的運行，且同時打開繼電器60來以斷開電源30和外部電力源30。
在上面的實施例中，通過改變產生指令的間隔實現(xiàn)充電速率的轉換，同時保持每次發(fā)出指令時改變充電電流的恒定步長?？梢赃x擇地，固定間隔，同時改變每次產生指令時的步長是同樣可能的。通過改變用于驅動開關元件50的占空比或者頻率可以改變步長。在該改變中，將改變充電電流的步長設置成當電流差值在預定范圍內時小于在預定范圍外時。如圖6所示，用固定的脈沖周期(T)調整開關元件的接通周期(on-period)(W1，W2)用于改變占空比，或者用固定的接通周期調整脈沖周期(T)。
上述實施例中公開的值或者閾值僅僅是示意性的目的，并且因此不能解釋為是對本發(fā)明的范圍的限制。
權利要求
1.一種給蓄電池充電的電池充電器，所述充電器包括電源(30)，被配置以給所述蓄電池提供充電電流；控制器(100)，包括電流監(jiān)控器(101)，其被配置以監(jiān)控提供給所述電池的充電電流并給出表示充電電流的電流信號；配置所述充電器以控制所述電源用來根據(jù)來自所述電流監(jiān)控器的所述電流信號改變充電電流；所述控制器計算預定目標電流和被監(jiān)控的充電電流之間的電流差值；所述控制器產生一指令，所述指令當所述電流差值在預定范圍外時以第一充電速率改變充電電流，以及當電流差值在所述預定范圍內時以第二充電速率改變充電電流，設置第一充電速率大于第二充電速率，所述控制器以規(guī)律的間隔或者變化的間隔重復產生所述指令用于改變充電它流。
2.根據(jù)權利要求1所述的電池充電器，其中當每次產生指令時，所述指令以恒定的步長改變充電電流，配置所述控制器以改變間隔，當所述電流差值在所述預定范圍內時該間隔比當它在所述預定范圍之外時長。
3.根據(jù)權利要求1所述的電池充電器，其中配置所述控制器以規(guī)律的間隔重復地產生所述指令，所述指令以變化的步長改變充電電流，當所述電流差值在所述預定范圍內時該變化的步長比當它在所述預定范圍之外時短。
4.根據(jù)權利要求1所述的電池充電器，還包括電壓監(jiān)控器(106)，被配置以檢測在所述蓄電池兩端產生的電池電壓，配置所述控制器以根據(jù)檢測的所述電池的電池電壓改變所述目標電流，同時所述電流差值在所述預定范圍內。
5.根據(jù)權利要求1所述的電池充電器，還包括溫度監(jiān)控器(108)，被配置以檢測所述蓄電池的溫度，配置所述控制器以根據(jù)檢測的所述電池的檢測溫度改變所述目標電流，同時所述電流差值在所述預定范圍內。
6.根據(jù)權利要求1所述的電池充電器，還包括電壓監(jiān)控器(106)，被配置以檢測設置在所述蓄電池兩端的電池電壓，溫度監(jiān)控器(108)，被配置以檢測所述蓄電池的電池溫度，配置所述控制器以根據(jù)檢測的電池電壓和電池溫度改變所述目標電流，同時電流差值在所述預定范圍內，配置所述控制器，以當所述電流差值在所述預定范圍內時，給出正在被監(jiān)控的瞬間電池電壓和之前剛剛被監(jiān)控的在前電池電壓之間的電壓差值，配置所述控制器，以當所述電流差值在所述預定范圍內時，給出正在被監(jiān)控的瞬間電池溫度和之前剛剛被監(jiān)控的在前電池溫度之間的溫度差值，配置所述指令，以當所述電壓差值大于預定參考電壓或者當所述溫度差值大于預定參考溫度時以所述第一充電速率改變充電電流，否則以所述第二充電速率改變充電電流。
7.根據(jù)權利要求6所述的電池充電器，其中配置所述控制器來以比產生指令的所述間隔大的間隔給出電壓差值和溫度差值。
8.根據(jù)權利要求1所述的電池充電器，其中配置所述控制器以當所述充電電流大于上限時抑制所述電源提供所述充電電流，同時以所述第一充電速率改變充電電流。
9.根據(jù)權利要求8所述的電池充電器，還包括斷路器，在用于與外部電力源(10)相連的前端連接到所述電源，當所述充電電流超過上限時，所述控制器觸發(fā)所述斷路器以斷開所述電源和所述電力源，同時以所述第一充電速率改變充電電流。
全文摘要
一種恒定電流電池充電器包括給蓄電池提供充電電流的電源，和監(jiān)控提供給電池的充電電流的電流監(jiān)控器。包括控制器，用于根據(jù)監(jiān)控的充電電流而改變充電電流。控制器計算預定目標電流和瞬間充電電流的電流差值，并產生一當電流差值在預定范圍外時以第一充電速率改變充電電流，當電流差值在預定范圍內時以第二充電速率改變充電電流的指令?？刂破饕怨潭ㄩg隔或者變化間隔重復產生用于改變充電電流的指令。為了進行快速充電設置第一充電速率高于第二充電速率，直到它接近目標電流。由于瞬間充電電流和目標電流之間的電流差依賴于第一和第二充電率之間的切換充電率，所以以實際代表電池條件的真實定時進行切換，其能快速充電，也能確保成功地完成充電。
文檔編號H02J7/10GK1770588SQ20051012910
公開日2006年5月10日 申請日期2005年9月30日 優(yōu)先權日2004年9月30日
發(fā)明者久保田篤優(yōu), 三輪達哉, 池田昌樹, 清水直樹 申請人:松下電工株式會社