專利名稱：：緊湊的超快電池充電器的制作方法緊湊的超快電池充電器
背景技術(shù)：
：可再充電電池通常使用交變電壓為例如4.2V的恒定電壓/恒定電流(CV/CC)源來充電。初始時將電池使用恒定電流(即，以CC模式)充電直到達(dá)到交變點(diǎn)(例如，4.2V),在該點(diǎn)處充電器切換至恒定電壓模式以將可再充電電池的端子處的電壓保持在基本上約交變電壓。獲得90%至100%容量所需的充電時間通常為2小時至4小時，其中CC階段在1C充電速率(即，對應(yīng)于可在一個小時內(nèi)將電池充電完畢的充電電流水平的充電速率)下為約40分鐘。一般來講，在CC階段完結(jié)時，可再充電電池可獲得為電池充電容量的60%至70%的充電水平。充電過程的CV階段一般需用1小時至3小時來完成。在此期間，充電電流水平會減小，并且在充電過程完結(jié)時通常會達(dá)到對應(yīng)于0.1C的充電速率的水平。
發(fā)明內(nèi)容常規(guī)電池充電器通常具有介于lW/iW和々W/in3之間的體積輸出功率密度(被定義為由充電器輸出的功率和其中設(shè)置了充電器電路的外殼的體積的比率)。此類體積輸出功率密度受充電器電路所占據(jù)的體積的影響。促成充電器的總體積的一種因素為在充電器內(nèi)引入了熱監(jiān)測元件(例如，溫度傳感器)和熱控制元件(例如，散熱器組件)以避免發(fā)生過熱狀況。促成由充電器電路所占據(jù)的總體積的另一種因素為引入了模塊諸如功率因數(shù)校正器(PFC)模塊以提高充電器的功率效率。在一個方面，本發(fā)明公開了一種充電器裝置。該充電器裝置包括限定體積的外殼，所述充電器裝置包括用以提供介于3W至300W之間的輸出功率的功率轉(zhuǎn)換模塊；和控制器，所述控制器^:配置成確定要引導(dǎo)到一個或多個可再充電電池上的電流水平，并且使輸出功率以基本上等于所確定的電流水平的充電電流被引導(dǎo)到所述一個或多個可再充電電池上。被引導(dǎo)到所述一個或多個可再充電電池上的輸出功率和體積的比率等于至少雨/in3。實(shí)施方案可包括下列一個或多個。該充電器裝置可不含下列中的一個或多個例如，功率因數(shù)校正器模塊、輸出電容器和/或第二級DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器模塊?？刂破骺蒦皮配置成確定要引導(dǎo)到所述一個或多個可再充電電池上的電流水平，使得所述一個或多個電池在15分鐘或更短的充電時間段內(nèi)獲得預(yù)定充電量。所述一個或多個電池的預(yù)定充電量可為所述一個或多個可再充電電池的充電容量的至少80%，并且充電時間段可大約介于3至15分鐘之間。所述一個或多個可再充電電池的預(yù)定充電量可為所迷一個或多個電池的充電容量的大約80%,并且充電時間段可大約介于3至4分鐘之間。所述一個或多個可再充電電池的預(yù)定充電量可為所述一個或多個電池的充電容量的至少90%至95%，并且充電時間段可為大約5分鐘?？刂破鬟€可被配置成在經(jīng)過了基本上等于特定時間段的充電時間段之后使充電電流終止。功率轉(zhuǎn)換模塊可包括電壓變壓器。該裝置還可包括反饋控制機(jī)構(gòu)以使控制器調(diào)節(jié)由功率轉(zhuǎn)換模塊輸出的電流。反饋控制機(jī)構(gòu)可被配置成調(diào)節(jié)電壓變壓器的運(yùn)行。反饋控制機(jī)構(gòu)可^L配置成在所述一個或多個可再充電電池處的電壓達(dá)到預(yù)定上限電壓水平之后，將所述一個或多個可再充電電池的各自端子處的電壓保持在預(yù)定上限電壓。被配置成確定電流水平的控制器可被配置成確定要引導(dǎo)到一個或多個基于磷酸鐵鋰的可再充電電池上的電流水平。被配置成使輸出功率被引導(dǎo)到所述一個或多個可再充電電池上的控制器可被配置成使輸出功率被引導(dǎo)到所述一個或多個可再充電電池上，而不監(jiān)測所述一個或多個可再充電電池的溫度。在另一方面，本發(fā)明公開了一種用于對一個或多個可再充電電池充電的方法。該方法包括確定要引導(dǎo)到所述一個或多個可再充電電池上的電流水平，并且將介于3W至300W之間的輸出功率以基本上等于所確定的電流水平的充電電流引導(dǎo)到所述一個或多個電池上，輸出功率由具有限定體積的外殼的充電器裝置提供。輸出功率和體積的比率等于至少10W/in3。該方法的實(shí)施方案可包括對應(yīng)于如上文關(guān)于該裝置所述的任一部件的任何部件。例如，充電器裝置可不含下列中的一個或多個例如，功率因數(shù)校正器模塊、輸出電容器和/或第二級DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器模塊。該方法流。以上各方面可包括下列一個或多個優(yōu)點(diǎn)。該緊湊充電器#_配置成提供一般介于3W至300W之間的輸出功率，并且具有至少10W/iW的體積輸出功率密度。該充電器被配置成間歇地運(yùn)行和/或以短持續(xù)時間(例如，5分鐘)運(yùn)行，并且被實(shí)施成不含常用于常規(guī)充電器的元件/模塊，因此使充電器可獲得其相對高的體積輸出功率密度。例如，本文所公開的充電器疲實(shí)施成具有較小的散熱器元件和/或不具有熱監(jiān)測和控制模塊。該充電器也可被實(shí)施成不具有功率因數(shù)校正器模塊。由于本文所公開的緊湊充電器被配置成對具有內(nèi)部電容(所述電容可對由充電器裝置輸出的脈動電流/電壓進(jìn)行濾波)的電池充電，因此在一些實(shí)施方案中，這種充電器裝置可被實(shí)施成具有相對小的電容器(或甚至不具有那些電容器中的一個或多個)。在一些實(shí)施方案中，本文所述的充電器可在大約4至6分鐘內(nèi)將可再充電電池充電至大約90%至95%容量。本發(fā)明一個或多個實(shí)施方案的細(xì)節(jié)闡述于附圖和以下說明中。通過閱讀說明書、附圖以及權(quán)利要求書，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。圖1為充電器的一個示例性實(shí)施方案的方框圖。圖2為描述一個具有可變定時的實(shí)施方案的流程圖。圖3為由圖1的充電器執(zhí)行的充電規(guī)程的一個示例性實(shí)施方案的流程圖。圖4A至B為顯示使用圖1的充電器的1Ah鋰離子電池的充電電壓行為和充電電流行為的圖。具體實(shí)施方式電化學(xué)電池單元可為一次電池單元或二次電池單元。一次電化學(xué)電池單元意味著僅放電(例如至耗盡)一次，然后被廢棄。一次電池單元不打算再充電。一次電池單元描述于例如DavidLinden的HandbookofBatteries(McGraw-Hill,第2版，1995)中。另一方面，二次電化學(xué)電池單元，在下文中也稱為可再充電電池單元或電池，可再充電許多次，例如，五十次，一百次等等。二次電池單元描述在例如Falk&Salkind的"AlkalineStorageBatteries'，(JohnWiley&Sons,Inc.1969);美國專利345,124;和法國專利164,681中，這些專利均據(jù)此以引用方式并入本文。參見圖1，其顯示了被配置成充電可再充電電池12的充電器10,所述電池具有至少一個基于磷酸鐵鋰化學(xué)物質(zhì)的可再充電的電化學(xué)電池單元。這種電池(有時稱為二次電池)包括電池單元。在一些實(shí)施方案中，所述電池具有鈦酸鋰陽極材料和磷酸鐵鋰陰極材料，它們適于使基于此類材料的可再充電電池可快速再充電。磷酸鐵鋰化學(xué)物質(zhì)具有低內(nèi)阻(R)。起因于此類電池的內(nèi)阻的熱耗散與IR2成比例(其中I為施加到電池上的充電電流)。由于基于磷酸鐵鋰化學(xué)物質(zhì)的電池具有低內(nèi)阻，因此此類電池可接受大充電電流。因此，通過使用低內(nèi)阻電池諸如磷酸鐵鋰電池，可以恒定電流(CC)模式在3至4分鐘內(nèi)將電池充電至大約80%容量，并且可在大約5分鐘內(nèi)將它們充電至大約90%至95%容量。如在下文中所顯而易見，使用大充電電流來充電基于磷酸鐵鋰化學(xué)物質(zhì)的電池一般可導(dǎo)致電池在五(5)分鐘內(nèi)獲得90%至95%充電容量，因此充電器被配置成在經(jīng)過了該時間段之后終止充電操作而不必執(zhí)行任何檢查以確定電池的充電量或電壓水平或執(zhí)行熱監(jiān)測和/或熱控制操作。充電器可使用定時器來測量充電時間，并且在定時器達(dá)到預(yù)指定的充電時間段例如5分鐘時終止充電操作。雖然圖1顯示的是連接到充電器10上的單一電池12，但充電器10可被配置成具有連接到其上的附加電池。此外，充電器10還可被配置成接納并充電不同的電池類型，包括圓柱形電池、棱柱電池、石更幣電池或紐扣電池等。充電器10被配置成在充電操作開始時以恒定充電電流將一般介于3W7至300W之間的輸出功率提供給電池12。在其中將恒定電流遞送給電池(即，充電器以恒定電流或CC模式運(yùn)行)期間，電池12的電壓會增大。當(dāng)電池的電壓達(dá)到例如3.8V的預(yù)定上限電壓時(此上限電壓有時稱為交變電壓)，充電器被配置成在充電時間的其余部分中將電池的電壓保持在該上限電壓。在將基本上等于預(yù)定交變值的恒定電壓施加到電池12上期間，據(jù)稱充電器10以恒定電壓或CV模式運(yùn)行。在一些實(shí)施方案中，在經(jīng)過了預(yù)定時間段例如從充電操作開始時算起的5分鐘之后，充電操作終止。由于充電器被配置成在相對短的時間段內(nèi)無條件地終止充電操作(在此期間電池和/或充電器1Q的溫度不太可能顯著升高)，因此在一些實(shí)施方案中，沒有必要監(jiān)測電池12和/或充電器10的溫度。因此，在其中不執(zhí)行熱監(jiān)測和控制操作并且因此不使用用以實(shí)施那些操作的元件和模塊或?qū)⑺鼈冃⌒突膶?shí)施方案中，充電器10在外形上更緊湊并且電路^^皮簡化。還如圖1所示，在一些實(shí)施方案中，充電器10被實(shí)施成使得電流/電壓調(diào)節(jié)可使用例如反饋控制機(jī)構(gòu)直接在充電器的功率轉(zhuǎn)換部分(例如，圖1所示的功率轉(zhuǎn)換模塊16)上執(zhí)行(這種配置稱為初級側(cè)電壓/電流調(diào)節(jié))。換句話講，控制機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換模塊16的開關(guān)頻率或脈沖寬度，因此調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓/電流。因此，在此類實(shí)施方案中，充電器10不包括多個電壓轉(zhuǎn)換階段(例如，AC/DC轉(zhuǎn)換階段，后接例如降壓轉(zhuǎn)換器電路)，因此充電器10可減小一般持續(xù)發(fā)生在多級功率轉(zhuǎn)換電路中的功率損耗。例如，通過實(shí)施初級側(cè)電壓/電流控制，功率效率(例如，最終遞送給功率轉(zhuǎn)換電路的輸出的輸入功率的百分比)通常在80%至90%范圍內(nèi)。相比之下，兩級式功率轉(zhuǎn)換電路的每階段的效率一般為80%至90%，因此兩級式功率轉(zhuǎn)換電路的總體功率效率一般在60%至80%范圍內(nèi)。功率效率中的這些損耗以功率轉(zhuǎn)換階段中的熱耗散來表示。充電器10可包括整流器模塊14,所述模塊電耦合到AC電源諸如以額定的85V-265V和50Hz-60Hz提供功率的電源?？蓪⒂靡詧?zhí)行濾波操作(例如，整平脈動)的電容器15(有時稱為存儲電容器)耦合到整流器。由于可再充電電池具有內(nèi)部電容，因此電池自身有利于要執(zhí)行的濾波操作中的一些。因此，在一些實(shí)施方案中，電容器15(和/或電容器28)的尺寸可減小，因?yàn)殡姵?2將具有足夠的電容來執(zhí)行(與電容器15—起)濾波操作。耦合到整流器模塊14的是功率轉(zhuǎn)換模塊16，所迷功率轉(zhuǎn)換模塊包括變壓器18和有利于調(diào)節(jié)變壓器18的運(yùn)行的變壓器控制單元20。在一些實(shí)施方案中，將功率轉(zhuǎn)換模塊16實(shí)施為開關(guān)轉(zhuǎn)換器，其中功率轉(zhuǎn)換模塊16的輸出處所需的電壓水平通過接通或關(guān)斷功率轉(zhuǎn)換模塊16來獲得。在開關(guān)的接通期間，在功率轉(zhuǎn)換模塊16的輸出處提供電壓；并且在關(guān)斷期間，在功率轉(zhuǎn)換模塊16的輸出端子處不提供電壓。在一些實(shí)施方案中，這種開關(guān)轉(zhuǎn)換器可使用離散的晶體管(例如，M0SFET晶體管)來實(shí)施，或可使用可執(zhí)行切換操作的合適的集成電路(IC)來實(shí)施。^^用耦合到功率轉(zhuǎn)換模塊16的整流器才莫塊14可〗吏提供在充電器10的輸入處的AC功率轉(zhuǎn)換為適用于充電可再充電電池的4氐DC電壓(例如，大約介于3.7V至4.2V之間的水平的DC電壓)。在一些實(shí)施方案中，將附加DC-DC轉(zhuǎn)換器19引入到功率轉(zhuǎn)換模塊16中，以將外部DC電源諸如汽車的DC電源轉(zhuǎn)換為適用于充電可再充電電池的DC功率水平。例如，在一些實(shí)施方案中，汽車的DC電源以大約IIV至14.4V提供DC功率，因而DC-DC轉(zhuǎn)換器19可將該電壓水平轉(zhuǎn)換為合適的電壓水平。所添加的DC-DC轉(zhuǎn)換器可被配置成接受在1.2V至大約24V范圍內(nèi)的DC電源。因此，在一些實(shí)施方案中，DC-DC轉(zhuǎn)換器為升壓轉(zhuǎn)換器，從而將例如1.2V的電壓增大至例如3.7伏至4.2伏的DC充電電壓；而在其中外部DC電源具有超過4.W的電壓的那些實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)換器為降壓轉(zhuǎn)換器。電耦合到功率轉(zhuǎn)換模塊16的輸出的是整流器/濾波電路24，所述電路包括串聯(lián)連接到電容器28上且并聯(lián)連接到電池輸出上的二極管26。在一些實(shí)施方案中，可使用M0SFET基同步整流電路來替代二極管26。整流器/濾波電路24被配置成減小功率轉(zhuǎn)換模塊16的輸出處的電流/電壓脈動并且耗散26的熱量。濾波器電路24也被配置成在功率轉(zhuǎn)換模塊16的輸出處不提供電流的關(guān)斷期間將存儲在電容器28中的能量釋放進(jìn)電池12中。因此，由功率轉(zhuǎn)換模塊16在其接通期間提供的電流和由電容器28在功率轉(zhuǎn)換模塊16的關(guān)斷期間提供的電流可導(dǎo)致基本上等于所需的要施加到電池12上的平均充電電流的有效電流。二極管26被連接成使得由電容器28釋放的電流被導(dǎo)向電池12并且不導(dǎo)向到功率轉(zhuǎn)換模塊16中。還如圖所示，將分路電阻器29(標(biāo)記為Rsh)耦合到電池12的端子中的一個。由于分路電阻器兩端的電壓降與電池的充電電流成比例，因此分路電阻器29可用作電流傳感器以測量施加到電池12上的電流水平。因此，可將分路電阻器29處的測量的電流水平提供給充電器的反饋機(jī)構(gòu)，以有利于控制充電電流(例如，當(dāng)充電器10以CC模式運(yùn)行時將充電電流保持在基本上恒定的水平)。為了控制被引導(dǎo)到電池12上的功率，使用包括控制器30的反饋機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換模塊16的DC輸出電壓?？刂破?0電耦合到開關(guān)脈寬調(diào)制(PWM)控制單元32，所述單元接收源自控制器30的控制信號并且相應(yīng)地生成脈寬調(diào)制的信號，所述脈寬調(diào)制的信號被提供給變壓器控制單元20以使功率轉(zhuǎn)換模塊16在其輸出處提供電壓。當(dāng)脈寬調(diào)制的信號撤消時，變壓器控制單元20使電壓從功率轉(zhuǎn)換模塊16的輸出撤消。因此，通過使用反饋機(jī)構(gòu)，可調(diào)節(jié)施加到電池12上的電流，以便例如基本上等于充電電流的電流凈皮施力口到電池12上。控制器30還被配置成在經(jīng)過了指定或預(yù)定的時間段(例如，5分鐘)之后使充電電流終止。在一些實(shí)施方案中，對充電電流的確定可以如下方式來進(jìn)行使用例如可提供代表電池容量和/或電池類型的數(shù)據(jù)的識別機(jī)構(gòu)來識別連接到充電器IO上的電池的容量。一種包括基于使用ID電阻器(具有代表電池容-'量的電阻)的識別機(jī)構(gòu)的示例性充電器裝置的發(fā)明詳述提供于2007年7月11日提交的題目為"UltraFastBatteryChargerwithBatterySensing"的美國專利申請序列號11/776，261中，該專利申請的內(nèi)容據(jù)此全文以引用方式并入本文。對要施加到電池12上的充電電流的確定也可至少部分地基于使用者所指定的輸入，所述輸入通過設(shè)置在緊湊充電器10上的使用者界面(未示出)來提供。這種使用者界面可包括例如開關(guān)、按鈕和/或旋鈕，使用者可通過它們指示例如有待再充電的電池的容量。此外，在一些實(shí)施方案中，該界面可被配置成讓使用者指定與充電過程密切相關(guān)的其它參數(shù)，例如充電時間(在其中需要較長充電時間例如10至15分鐘的情況下)。為了確定所要使用的具體充電電流，可查閱可指示對應(yīng)于使用者所指定的參數(shù)的合適的充電電流的查找表。例如，如果使用者指定要將500mAh容量的磷酸鐵鋰電池再充電，則可檢索到查找表中的對應(yīng)于此指定容量的條目。在一些實(shí)施方案中，可使用計(jì)算技術(shù)來確定適當(dāng)?shù)某潆婋娏?。使用者界面也可包括輸入元?例如，開關(guān))以啟用或禁用充電器10。使用者界面也可包括輸出指示器裝置(未示出)諸如LED以向使用者提供關(guān)于連接到其上的充電器和/或電池12的狀態(tài)信息、被配置成向使用者提供輸出信息的顯示裝置等。例如，使用者界面可包括當(dāng)充電器從恒定電流模式切換至恒定電壓模式時被點(diǎn)亮的LED。一般來講，當(dāng)電池的電壓達(dá)到交變點(diǎn)(例如，介于3.8V至4.2V之間)時，電池的充電量通常為電池的充電容量的80%至90%，并且因此基本上可供使用。點(diǎn)亮的LED向使用者指示電池上的充電量至少為在例如全充電量的80%至90%的范圍內(nèi)的值，如果這時使用者需要立即使用電池因而不希望等待充電操作全部完成，則使用者可選擇在充電操作完成之前取出電池。在一些實(shí)施方案中，使用者界面還可包括例如附加輸出裝置以提供附加信息。例如，使用者界面可包括被點(diǎn)亮的紅色LED(如果發(fā)生了故障狀況諸如過電壓)，并且可包括另一個LED例如黃色或綠色LED裝置以指示對電池12的充電操作正在進(jìn)行中。還如圖1所示，控制器30包括處理器裝置34,所述裝置被配置成控制對電池12執(zhí)行的充電操作。處理器裝置26可為任何類型的計(jì)算和/或處理裝置，諸如源自MicrochipTechnologyInc.的PIC18F1320微控制器。用于控制器30的具體實(shí)施的處理器裝置34包括被配置成存儲軟件的易失和/或非易失存儲元件，所述軟件包含用來實(shí)現(xiàn)處理器基裝置的一般操作的計(jì)算機(jī)指令、以及用來對耦合到充電器的電池12執(zhí)行充電操作的具體實(shí)施程序，所述充電操作包括在大約5分鐘內(nèi)達(dá)到至少90%充電容量的充電操作。處理器34包括模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器36，所述轉(zhuǎn)換器帶有多個模-數(shù)輸入和輸出線。A/D轉(zhuǎn)換器36被配置成接收源自耦合到電池的傳感器(下文描述)的信號，以有利于調(diào)節(jié)和控制充電操作。在一些實(shí)施方案中，控制器30也可包括數(shù)字信號處理器(DSP),以執(zhí)行如本文所述的控制裝置的處理功能中的一些或全部。在一些實(shí)施方案中，控制器30可包括^t擬控制器的具體實(shí)施。在此類實(shí)施方案中，將源自模擬控制器的探針耦合到分路電阻器29的端子。探針可向控制器提供關(guān)于分路電阻器29處的電流和/或電壓水平的信息，基于所述信息可控制施加到電池29上的充電電流?？蓪⒊潆娖鞯母鞣N模塊，包括整流器單元14、變壓器控制單元20、處理器34、和開關(guān)PWM控制單元32布置在充電器10的電路板(未示出)上。在一些實(shí)施方案中，充電器10確定要施加到可再充電電池12上的充電電流，使得電池12可在大約4至6分鐘內(nèi)被充電至例如電池12的大約80%至95%充電容量。如本文所述，基于磷酸鐵鋰電化學(xué)電池單元的電池具有相對低的內(nèi)阻，因此可用例如10C至15C數(shù)量級的相對大的充電電流來充電(1C對應(yīng)于在1小時內(nèi)充電特定可再充電電池所需的電流，因此15C的充電速率對應(yīng)于在4分鐘內(nèi)充電可再充電電池所需的電流，并且10C的充電速率對應(yīng)于在6分鐘內(nèi)充電可再充電電池所需的電流)。由于磷酸鐵鋰電池的低充電電阻的緣故，可避免顯著的熱耗散，并且此類電池因此可經(jīng)受大充電電流而不會有害地影響電池的性能或耐久性。為了以基本上等于所確定的平均電流的充電電流將輸出功率引導(dǎo)到電池12上，可調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換模塊16的接通時間或占空比，直到施加到電池12上的充電電流(基于在分路電阻器29處測量的電流/電壓來確定)達(dá)到基本上等于所確定的電流值的水平。具體地講，在一些實(shí)施方案中，控制器30周期性地接收(例如，每隔0,1秒)流過電池12的電流的測量值，所述電流例如在分路電阻器29處測量?；诖私邮盏降臏y量的電流，對占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)以調(diào)節(jié)流過電池12的電流，以^"更該電流收斂至基本上等于充電電流水平的值。充電器10也可包括電池電壓傳感器(例如，傳感器40和42)，所迷傳感器電耦合到充電器10的充電端子。電壓傳感器周期性地測量(例如，每隔0.1秒)電池12的端子處的電壓，尤其是在充電過程的恒定電壓階段中。這些周期性的電壓測量可控制由功率轉(zhuǎn)換模塊16在恒定電壓(CV)階段中提供的電壓，以便在CV階段中施加在電池12的端子處的電壓處在基本上恒定的水平(例如，預(yù)定上限電壓)。由傳感器29、40和42測量的電流/電壓也可用來確定是否存在故障狀況，所述故障狀況要求終止充電操作或不開始充電操作。例如，控制器30可確定由電壓傳感器40和42測量的電池12的端子處的電壓是否處在電池12的電壓水平的預(yù)定范圍(例如，2V至3.8V)內(nèi)。如果測量值低于該范圍的電壓下限，則這可指示電池有缺陷。如果測量值高于該范圍的上限，則這可指示電池已經(jīng)充分地充電，因此進(jìn)一步的充電是不必要的并且可能損壞電池。因此，如果測量的電壓沒有落在預(yù)定范圍內(nèi)，則認(rèn)為存在故障。充電器可針對通過分路電阻器29測量的電流進(jìn)行類似的確定，并且如果測量的電流在預(yù)定電流范圍之外，則可認(rèn)為存在故障，因此充電操作將不開始，或?qū)⒈唤K止。在一些實(shí)施方案中，使用模擬邏輯處理元件(未示出)諸如可包括例如閾值比較器的專用充電控制器裝置來處理所接收到的測量的信號，以確定由傳感器29和/或40和42所測得的電壓水平和電流水平。充電器10也可包括用于對模擬和/或數(shù)字輸入信號進(jìn)行信號濾波和處理的信號調(diào)整部件(未示出)，以防止可能由外界因素諸如電路水平噪聲造成的錯誤測量(例如，對電壓、電流等的錯誤測量)。在一些實(shí)施方案中，控制器30被配置成以如下方式監(jiān)測電壓增大速'率周期性地測量電池12的端子處的電壓，并且調(diào)節(jié)施加到電池12上的充電電流，使得預(yù)定電壓上限可在某個指定的電壓上升時間段內(nèi)達(dá)到。根據(jù)測得的電壓增加速率，調(diào)整充電電流水平來增大或減小充電電流，使得在規(guī)定的電壓升高時間內(nèi)達(dá)到預(yù)定的電壓上限。對充電電流水平的調(diào)節(jié)可例如根據(jù)使用卡爾曼濾波器的預(yù)測校正技術(shù)來進(jìn)行。也可使用用于確定對電流的調(diào)節(jié)以獲得預(yù)定電壓上限的其它方法。如所述的那樣，由于本文所述的充電器可以相對短的間隔(例如，5分鐘)將電池例如磷酸鐵鋰電池充電，因此這種充電器在該操作期間通常不會產(chǎn)生大量的熱。因此，可從充電器中消除被配置成保護(hù)常規(guī)充電器的操作，以防止由于產(chǎn)生熱而造成的損害和不安全操作的某些模塊和/或組13件。例如，可構(gòu)造充電器10而不使用熱控制組件(例如，風(fēng)扇、散熱器元件、其它類型的控制模塊等)和/或不具有熱監(jiān)測組件(例如，熱傳感器諸如熱敏電阻器)。在一些實(shí)施方案中，充電器裝置10可被實(shí)施成具有減小尺寸的散熱器元件，以耗散由例如開關(guān)PWM控制單元32和/或二極管26產(chǎn)生的熱。由于充電器10以短時間段間歇地運(yùn)行，因此具有減小尺寸的散熱器元件(或不具有散熱器)的充電器10運(yùn)行起來較安全，所述元件用于開關(guān)PWM控制單元、二極管26和/或用于充電器10的具體實(shí)施的任何其它產(chǎn)熱組件。此外，通過不使用散熱器元件，或作為另外一種選擇，通過減小散熱器元件的外形尺寸(在很多情況下，散熱器元件和其它類型的組件被配置成具有較大表面積以耗散所產(chǎn)生的熱)，可減小充電器裝置10的尺寸要求，因此可減小充電器外殼的總體尺寸(例如，體積)。另一種可用來減小充電器10的尺寸的具體實(shí)施為使用MOSFET基整流器來替代二極管26。與二極管或雙極晶體管的具體實(shí)施相比，同步M0SFET基整流器不會產(chǎn)生顯著量的熱。因此，當(dāng)使用M0SFET基整流器時，可使用減小尺寸的散熱器元件(因此導(dǎo)致減小尺寸的充電器)。另一種可減小充電器10的尺寸(例如，體積)的具體實(shí)施是，減小電容器(例如，電容器15和/或28)的尺寸，所述電容器用來對充電器10的輸入和/或輸出電流/電壓執(zhí)行濾波操作。具體地講，如上所述，包括可再充電的磷酸鐵鋰電池在內(nèi)的電池具有固有的內(nèi)部電容，所述電容足夠高而可使那些電池整平施加到它們上的電流/電壓脈動，因此可使電池避免不安全的操作條件(例如，對電池的陽極電極產(chǎn)生鋰鍍覆的條件)。因此，電池的內(nèi)部電容可使電池執(zhí)行濾波操作中的一些，所述操作否則的話將必須由常規(guī)電源和/或功率轉(zhuǎn)換模塊的專用濾波電路來執(zhí)行。因此，在充電器裝置10的一個具體實(shí)施中，可減小輸出電容器28的電容值；或作為另外一種選擇，將電容器28從充電器裝置10的具體實(shí)施中移除。通過減小電容器28的值或消除電容器28,可獲得對應(yīng)的充電器外殼的體積的減小。類似地，在一些實(shí)施方案中，可減小耦合到整流器14的存儲電容器15的電容值?？蓽p小充電器的總體外形尺寸(因此減小外形尺寸，包括包納充電器裝置電路的外殼的體積)的另一種布置為其中功率因數(shù)校正器(PFC)模塊不包括在充電器10中的布置。PFC模塊(其有時用于常規(guī)充電器中)被配置成消除AC電流/電壓的功率諧波，并且一般使用包括電容器、電感器和/或附加開關(guān)的濾波器來實(shí)施。常規(guī)電源和/或功率轉(zhuǎn)換模塊有時將PFC模塊引入到它們的具體實(shí)施中以提高功率效率。然而，由于充電器10間歇地和/或以短持續(xù)時間運(yùn)行，因此可通過將PFC模塊用于充電器10而獲得的總體功率效率一般較小。因此，在一些實(shí)施方案中，充電器裝置10被實(shí)施成不具有PFC模塊。通過不包括PFC模塊(其包括濾波器元件諸如電容器、電阻器、和有源組件)，可減小充電器裝置的總體尺寸要求。因此，在一些實(shí)施方案中，充電器裝置10被實(shí)施成使得其不含下列中的一個或多個例如，散熱器元件、輸出電容器諸如電容器28、和/或PFC模塊。此外，在一些實(shí)施方案中，充電器10還被實(shí)施成具有減小的存儲電容器諸如電容器15。不含散熱器元件、輸出電容器、存儲電容器和/或PFC模塊中的一個或多個的緊湊充電器裝置的一種示例性具體實(shí)施可^f皮配置成輸出大約50W的功率(3.6V-5V/10A-12.5A)以充電每個均具有3.3V的標(biāo)稱電壓和1Ah的容量的磷酸鐵鋰電池。(作為另外一種選擇，在一些具體實(shí)施中，與通常用于具有相當(dāng)?shù)男阅芾绱蠹s50W的輸出功率的充電器裝置的電容器相比，充電器10的存儲電容器和輸出電容器具有較小的電容，因此具有較小的尺寸。)對于被配置成輸出50W的功率的緊湊充電器裝置，可將充電器裝置容納在小于5立方英寸(5in3)的體積中。因此，示例性緊湊充電器裝置10的體積輸出功率密度(被定義為特定充電器裝置的輸出功率和保持該特定充電器裝置的電路的外殼的體積的比率)為大約50W/5in3=雨/in3。如下表所示，對于具有變化性能的充電器(例如，輸出功率范圍介于3W至300W之間的充電器)，可獲得類似的體積輸出功率密度。<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>因此，對于這些各種充電器裝置，可獲得的體積功率輸出密度為至少雨/in3?，F(xiàn)在參見圖2，在一些實(shí)施方案中，控制器30可被配置成確定51電池12的近似的現(xiàn)有充電水平(例如，通過測量電池的電壓來確定)，并且基于所確定的近似的現(xiàn)有充電水平來確定53應(yīng)當(dāng)將充電電流施加到電池12上的持續(xù)時間段。將所確定的充電水平施加到電池上持續(xù)所確定的時間段，并且其后充電器將中止操作。此實(shí)施方案可提供靈活的定時器，所述定時器可根據(jù)現(xiàn)有的電池充電量自我調(diào)節(jié)充電時間。因此，取決于電池的初始充電狀態(tài)，充電操作可持續(xù)一分鐘或更短的時間(如果電池原先接近完全充電)直至例如約5分鐘或6分鐘(如果電池原先基本上完全放電)。參見圖3，為用以再充電可再充電電池12的充電規(guī)程60的一個示例性實(shí)施方案。電池12可-皮接納在充電器10的充電隔室中，或在一些實(shí)施方案中，充電器10可電耦合到容納在可用電池運(yùn)行的裝置(例如，移動電話)內(nèi)的電池12。初始地，在開始充電操作之前，充電器10可任選地確定是否存在某些故障狀況。因此，例如，充電器10測量62電池12的電壓。充電器IO確定64測量的電壓VO是否在預(yù)定范圍內(nèi)(例如，VO介于2V至3.8V之間)。在已確定測量的電壓不在預(yù)定的容許范圍內(nèi)因此使得現(xiàn)有條件下的充電操作不安全的情況下，充電器不會繼續(xù)進(jìn)行充電操作，因而規(guī)程60可終止。充電器10確定66要施加到電池12上的充電電流。在一些實(shí)施方案中，所確定的充電電流可使得電池12在大約4至6分鐘內(nèi)獲得至少90%充電容量。如果充電器IO適于接納不同容量的不同類型的電池，則充電器10可確定65被插入到充電器10的充電隔室中的電池12的容量和/或類型。在一些實(shí)施方案中，充電器10包括被配置成測量連接到電池12上的ID電阻器的電阻的識別機(jī)構(gòu)，所電阻代表電池12的容量和/或類型。除此之外和/或作為另外一種選擇，可通過使用者界面將電池12的容量和/或類型傳達(dá)給充電器，所述界面設(shè)置在例如充電器10的主體上。因此，通過識別機(jī)構(gòu)、使用者界面、或其它方式傳達(dá)的數(shù)據(jù)可代表電池的容量和/或類型。充電器可因此基于此數(shù)據(jù)來確定要施加到電池上的適當(dāng)?shù)某潆婋娏?。例如，在充電?0計(jì)算電池12的ID電阻器的電阻的情況下，充電器IO可訪問存儲在充電器10的記憶存儲模塊中的查找表，所述查找表可索引對應(yīng)于與計(jì)算出的電阻相關(guān)聯(lián)的容量的合適的充電電流。在確定了要施加到電池12上的充電電流之后，可啟動68定時器，所述定時器被配置成測量預(yù)指定的充電操作時間段。定時器可為例如處理器34的專用定時器模塊，或可為以由處理器34的內(nèi)部或外部時鐘測量的規(guī)則時間間隔遞增的計(jì)數(shù)器?？刂?0由功率轉(zhuǎn)換模塊16施加的電流/電壓，以使一般介于3W至300W之間的輸出功率以基本上等于所確定的充電電流的恒定電流被引導(dǎo)到可再充電電池12上。充電器10輸出功率，使得體積輸出功率密度為至少10W/in3。17如所述的那樣，充電器10實(shí)施包括控制器30和開關(guān)PWM控制單元32的初級側(cè)反饋機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)用來調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換模塊16的輸出處的電流/電壓。在功率轉(zhuǎn)換模塊16的關(guān)斷期間(即，當(dāng)模塊16的輸出處的電流/電壓被抑制時)，存儲在電容器28中的能量以電流形式釋放給電池12。由功率轉(zhuǎn)換模塊16施加的電流、和從電容器28中釋放出的電流組合起來可導(dǎo)致基本上等于所確定的充電電流的有效電流。將電池12用基本上恒定電流充電，直到電池端子處的電壓達(dá)到預(yù)定電壓上限。因此，周期性地測量72施加到電池12上的電壓，以確定何時達(dá)到預(yù)定的電壓上限(即，交變電壓)。當(dāng)電池12的端子處的電壓達(dá)到了預(yù)定電壓上限例如4.2V時，對(也在72處進(jìn)行)功率轉(zhuǎn)換模塊16進(jìn)行控制以在電池12的端子處保持基本上等于交變電壓水平的恒定電壓水平。任選地，可點(diǎn)亮充電器10的使用者界面上的LED以指示已達(dá)到了交變電壓點(diǎn)，并且指示電池因此已具有用來正常運(yùn)行的足夠的充電量。這時，如果使用者期望立即使用電池，則使用者可取出電池12?？芍芷谛缘販y量(操作未在圖3中示出)電壓增大速率，以使預(yù)定電壓上限可在指定的電壓上升時間段內(nèi)達(dá)到?；跍y量的電壓增加速率，調(diào)整充電電流水平(相應(yīng)地調(diào)節(jié)施加到電流/電壓調(diào)節(jié)電路上的啟動信號)以增大或減小充電電流，使得在指定的電壓升高時間內(nèi)達(dá)到預(yù)定的電壓上限。在確定74經(jīng)過了基本上等于充電時間段的時間段之后，終止施加到電池12上的充電電流(例如，通過使用開關(guān)PWM控制模塊32和/或變壓器控制單元20來中止電啟動功率轉(zhuǎn)換模塊16)。在達(dá)到了電池12的預(yù)定電壓上限之后，或在達(dá)到了電池12的某個指定充電水平之后，充電規(guī)程在經(jīng)過了特定時間段時終止。圖4A和4B分別示出了1Ah磷酸4失鋰電池的示例性充電電壓行為和充電電流行為，使用圖1所示類型的充電器使所迷電池在4.2VCV/12ACC下經(jīng)受5分鐘的充電。如圖4B所示，在充電操作開始時，將大約12A的恒定電流施加到電池上。在12A的充電電流時，1Ah的電池將在大約5分鐘內(nèi)(1Ah/12A=0.0833h=5分鐘)被完全充電(如杲其原來是基本上完全耗盡的話)。如所述的那樣，充電器10被配置成使基本上恒定的電流產(chǎn)生并施加到電池12上，因此，響應(yīng)于電流的波動(如圖中顯現(xiàn)的尖峰所示)，充電器將使平均充電電流保持恒定在大約12A。當(dāng)最初施加充電電流時，充電器和/或電池12的充電端子處的電壓為大約3.7V。電壓開始增大并且在約3分鐘后達(dá)到4.2V的平均水平(如圖4A所示)。其后，充電端子處的電壓保持在該水平。其他實(shí)施方案上文已對本發(fā)明的許多實(shí)施方案進(jìn)行了描述。但是應(yīng)當(dāng)理解，在不背離本發(fā)明精神和范圍的條件下可以進(jìn)行各種修改。例如，充電器可與對接底座相關(guān)聯(lián)或嵌入在其內(nèi)，所述對接底座用于電子裝置，例如移動電話、計(jì)算機(jī)、個人數(shù)字助理等等。因此，其它實(shí)施方案也在以下權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1.一種用以對一個或多個可再充電電池充電的充電器裝置，所述充電器裝置包括限定體積的外殼，所述充電器裝置包括用以提供介于3W至300W之間的輸出功率的功率轉(zhuǎn)換模塊；和控制器，所述控制器被配置成確定要引導(dǎo)到所述一個或多個可再充電電池上的電流水平，并且使所述輸出功率以基本上等于所確定的電流水平的充電電流被引導(dǎo)到所述一個或多個可再充電電池上；其中被引導(dǎo)到所述一個或多個可再充電電池上的輸出功率與所述體積的比率等于至少10W/in3。2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述充電器裝置不含下列中的一個或多個功率因數(shù)校正器模塊、輸出電容器和第二級DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器模塊。3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述控制器被配置成確定要引導(dǎo)到所述一個或多個可再充電電池上的所述電流水平，使得所述一個或多個電池在15分鐘或更短的充電時間段內(nèi)獲得預(yù)定充電量。4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述控制器還被配置成終止。，、土、'、，、15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述功率轉(zhuǎn)換模塊包括電壓變壓器。6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述裝置還包括反饋控制機(jī)構(gòu)以使所述控制器調(diào)節(jié)由所述功率轉(zhuǎn)換模塊輸出的電流。7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中被配置成確定所述電流水平的控制器被配置成確定要引導(dǎo)到一個或多個基于磷酸鐵鋰的可再充電電池上的所述電流水平。8.—種用于對一個或多個可再充電電池充電的方法，所述方法包括確定要引導(dǎo)到所述一個或多個可再充電電池上的電流水平；并且將介于3W至300W之間的輸出功率以基本上等于所確定的電流水平的充電電流引導(dǎo)到所述一個或多個電池上，所述輸出功率由具有限定體積的外殼的充電器裝置提供，其中所迷輸出功率與所述體積的比率等于至少雨/in3。9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述充電器裝置不含下列中的一個或多個功率因數(shù)校正器模塊、輸出電容器和第二級DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器模塊。10.如權(quán)利要求8所述的方法，所述方法還包括在經(jīng)過了基本上等于特定時間段的充電時間段之后終止所述充電電流。全文摘要本發(fā)明公開了一種充電器裝置(10)。該充電器裝置包括限定體積的外殼，所述充電器裝置包括用以提供介于3W至300W之間的輸出功率的功率轉(zhuǎn)換模塊(16)；和控制器，所述控制器被配置成確定要引導(dǎo)到一個或多個可再充電電池上的電流水平，并且使輸出功率以基本上等于所確定的電流水平的充電電流被引導(dǎo)到所述一個或多個可再充電電池上。被引導(dǎo)到所述一個或多個可再充電電池上的輸出功率和體積的比率等于至少10W/in³。文檔編號H02J7/00GK101647174SQ200880009769公開日2010年2月10日申請日期2008年3月20日優(yōu)先權(quán)日2007年3月26日發(fā)明者D·N·克萊恩,J·T·鮑瑞庫夫申請人:吉列公司