專利名稱：電池充電器及其充電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種給電池充電的充電器；這種充電器包含有一個(gè)交流到直流的電源 供應(yīng)器、一個(gè)由脈沖寬度調(diào)制模塊控制的直流到直流的轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)與二者都有連接的 控制單元。
背景技術(shù)：
充電器的設(shè)計(jì)一般來講有兩種不同的選擇。其一是低成本的設(shè)計(jì)；如果被充電的 電池的節(jié)數(shù)是固定的，而且不考慮一些潛在的故障以及充電過程中的轉(zhuǎn)換效率的話，這種 設(shè)計(jì)是可行的。其二，對(duì)于一些特別定制的電池，比如對(duì)不同節(jié)數(shù)有特殊充電參數(shù)的要求以及要 求充電器用信號(hào)來識(shí)別電池等，可以設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的充電器；這種設(shè)計(jì)也適用于寬范圍節(jié) 數(shù)的電池。也正因?yàn)槿绱?，那些?biāo)準(zhǔn)電池卻不能使用這種充電器。對(duì)于這種非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)來講，為了避免損害到較少節(jié)數(shù)的電池包，并且要使大 節(jié)數(shù)電池包有足夠的充電能量，這種充電器只能工作在很低的效率之下。圖1是標(biāo)準(zhǔn)充電器的主要功能圖。這種標(biāo)準(zhǔn)充電器包含一個(gè)交流到直流的電源供 應(yīng)器，它的功能和標(biāo)準(zhǔn)的電源供應(yīng)器是一樣的，也就是在滿足安全規(guī)范的前提下提供足夠 的能量。電源供應(yīng)器連接到充電管理模塊，然后連接到被充電的電池；同時(shí)，從電池來的反 饋信號(hào)通過反饋環(huán)路到達(dá)充電管理模塊。因?yàn)樵谡麄€(gè)充電過程中，電源功率的消耗并不是恒定的；那么交流到直流的電源 供應(yīng)器就不能在整個(gè)過程中保持最高效率狀態(tài)運(yùn)行。一般來講，在充電過程的開始階段，電 池電壓在較低的范圍；然后隨著電池電壓的升高，需要的能量逐漸增加?！獋€(gè)專利號(hào)為US7227337的充電器提到它包含有一個(gè)具有兩種功能的微處理器； 它的微處理器不僅控制充電電路，而且還可以通過控制調(diào)整電路來控制充電器的充電功 率。微處理器檢測(cè)灌入電池的充電電流、電壓以及可選的電池的溫度。調(diào)整電路被微處理 器控制，微處理器根據(jù)灌入電池的充電電流的數(shù)值，來決定調(diào)整電路的工作脈沖的寬度。微處理器根據(jù)調(diào)整電路的輸出電流來控制它的脈沖寬度，當(dāng)輸出電流大于預(yù)先定 義的值，脈沖寬度將被減??；反之，如果充電電流小于預(yù)先設(shè)定的值，脈沖寬度將被增加。這個(gè)專利號(hào)為US7227337的充電器包含一個(gè)基于充電電流來控制充電過程的控 制器，并且被設(shè)計(jì)成在調(diào)節(jié)電流反饋之前，去達(dá)到預(yù)先定義好的電壓終止點(diǎn)。它的工作原理 是基于恒流恒壓(CCCV)的充電過程，在這里的第一個(gè)階段里，充電電流是恒定的，電流被 充電器限制在預(yù)先設(shè)定好的初始值。直到電池電壓達(dá)到想要的最終的數(shù)值，電流控制模式 被切換到電壓控制模式，也就是說恒壓充電的第二階段開始了 ；然后隨著充電過程的進(jìn)行， 充電電流會(huì)自動(dòng)的減小。US7227337發(fā)布了一個(gè)普通的帶有微處理器控制的直流到直流轉(zhuǎn) 換的充電控制模式。因此，我們需要一種充電器，它要能適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的充電參數(shù)，并且在避免損壞小 節(jié)數(shù)電池包的情況下獲得最大的充電功率輸出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供這樣的一種充電器以及相應(yīng)的充電模式。我們主張的需要保 護(hù)的專利主題就是這個(gè)首選的，能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的方案。根據(jù)本發(fā)明的方案，其充電器的控制單元至少測(cè)量被充電的電池端子上的電壓和 電流，然后根據(jù)測(cè)量所得的值來計(jì)算出充電功率，再用計(jì)算出的功率值與交/直流電源供 應(yīng)器的額定最大功率值相比較；并根據(jù)比較的結(jié)果，發(fā)出控制信號(hào)到直流/直流轉(zhuǎn)換器用 以控制提供到電池的充電電流。這種充電器所能提供的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是，在保證不會(huì)損壞電池的情況下能輸出最大的 充電功率；也就是說充電器總是能工作在最高的效率點(diǎn)。而且，能在最短的時(shí)間充滿電池， 并且充電器能被用在寬范圍節(jié)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)電池包。最后，由于較好的充電因數(shù)，電池包的生命 周期將被延長，從而避免電池浪費(fèi)。根據(jù)這個(gè)首選的發(fā)明方案，控制單元還能更進(jìn)一步地去測(cè)量電池端子上的電壓和 電流的變化；所以用來控制直流/直流轉(zhuǎn)換器的脈沖寬度的信號(hào)中包含了測(cè)量出的電壓和 電流的變化信息。依照這個(gè)首選的發(fā)明方案，假如計(jì)算出的功率值小于交流/直流轉(zhuǎn)換器的額定最 大功率值，控制單元能調(diào)節(jié)用于控制直流/直流轉(zhuǎn)換器的信號(hào)的脈沖寬度，從而增加提供 到電池的充電電流；反之，如果計(jì)算出的功率值大于交流/直流轉(zhuǎn)換器的額定功率值，控制 單元也能調(diào)節(jié)用于控制直流/直流轉(zhuǎn)換器的信號(hào)的脈沖寬度，從而減小提供到電池的充電 電流。在這里，電池的反應(yīng)一直被檢測(cè)，也就是說只提供電池所需要的充電功率，從而避 免了損壞電池。即便初級(jí)側(cè)的能力足夠，為了不至于損壞電池，根據(jù)本專利設(shè)計(jì)的充電器也 只會(huì)在適當(dāng)減小充電功率的情況下工作。根據(jù)這個(gè)發(fā)明的一個(gè)具體措施，控制單元同時(shí)也能測(cè)量電池的溫度值；并且根據(jù) 溫度的測(cè)量結(jié)果來調(diào)節(jié)直流/直流轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)的脈沖寬度，從而控制提供到電池的 充電電流。這個(gè)發(fā)明的另一個(gè)具體措施是，控制單元還能測(cè)量電池溫度的變化，并將這種變 化體現(xiàn)到控制直流/直流轉(zhuǎn)換模塊的脈寬控制信號(hào)里。本發(fā)明的還有另外一個(gè)具體措施是提供了一種充電的模式，這里所說的充電模式 包含了一個(gè)連接到交流/直流轉(zhuǎn)換器和直流/直流轉(zhuǎn)換器的控制單元；這個(gè)控制單元至少 測(cè)量被充電的電池的端子上的電壓和電流，并且根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算充電的功率，然后根 據(jù)計(jì)算出來的功率值與交流/直流轉(zhuǎn)換器的額定最大功率值相比較，最后根據(jù)這個(gè)比較的 結(jié)果來決定控制直流/直流轉(zhuǎn)換器的脈沖的寬度。


圖1是標(biāo)準(zhǔn)充電器的主要功能；圖2是根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的充電器的功能方塊圖；圖3是用本發(fā)明所述的充電模式來充電的流程圖解；
具體實(shí)施例方式接下來，根據(jù)圖2和圖3來對(duì)本發(fā)明所陳述的電池充電器和電池充電方法進(jìn)行具 體描述。圖2是根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的充電器的功能方塊圖。它包含一個(gè)交流/直流電源供 應(yīng)器(1)和一個(gè)脈沖寬度控制的直流/直流轉(zhuǎn)換器(2)，它們彼此互相連接。這個(gè)脈沖寬度 控制的直流/直流轉(zhuǎn)換器(2)提供充電電流給電池包(10)?？刂茊卧?3)連接到交流/直流供應(yīng)器(1)和脈沖寬度控制的直流/直流轉(zhuǎn)換器
(2)。根據(jù)本文所述的發(fā)明，控制單元(3)測(cè)量電池包(10)的端子上的電壓和電流；并根據(jù) 測(cè)量值計(jì)算出充電功率，并與交流/直流供應(yīng)器(1)的額定功率值相比較；然后控制單元
(3)根據(jù)比較結(jié)果來控制直流/直流轉(zhuǎn)換器(2)的脈沖寬度，用以調(diào)節(jié)提供到電池包(10) 的電流。 即使上面將控制單元(3)描述為測(cè)量電池包(10)的端子上的電壓和電流，本發(fā)明 也并不僅限于此。真正來講，根據(jù)本發(fā)明的方案，控制單元(3)更進(jìn)一步的測(cè)量電壓和電 流的變化，也就是說電壓的斜率以及電流變化的曲線，并將這些測(cè)量結(jié)果包含于控制直流/ 直流轉(zhuǎn)換器的脈沖信息中。這種情況下，萬一出現(xiàn)對(duì)電池不太適宜的較高的充電功率的話， 也能有更快速的反應(yīng)。根據(jù)本文所述的發(fā)明的方案，假如計(jì)算出的功率值小于交流/直流供應(yīng)器(1)的 額定最大功率，控制單元(3)發(fā)送信號(hào)要求脈寬控制的直流/直流轉(zhuǎn)換器(2)增加提供到 電池包(10)的充電電流；反之，如果計(jì)算出的功率值大于交流/直流供應(yīng)器(1)的額定最 大功率值，控制單元(3)發(fā)出信號(hào)要求脈寬控制的直流/直流轉(zhuǎn)換器(2)減少提供到電池 包(10)的充電電流。電池的反應(yīng)一直被檢測(cè)，也就是說只提供電池所需要的充電功率，從而避免了損 壞電池。即便初級(jí)測(cè)的能力足夠，為了不至于損壞電池，根據(jù)本專利設(shè)計(jì)的充電器也只會(huì)在 適當(dāng)減小充電功率的情況下工作。根據(jù)本發(fā)明的方案，控制單元更進(jìn)一步地測(cè)量電池包(10)的溫度并且轉(zhuǎn)換測(cè)量 結(jié)果到直流/直流轉(zhuǎn)換器⑵的脈寬控制信號(hào)，用以調(diào)節(jié)提供到電池包(10)的充電電流。根據(jù)本發(fā)明的首選方案，控制單元測(cè)量電池包(10)的溫度，這個(gè)電池溫度所帶來 的信息也會(huì)被控制單元(3)用來通過脈寬控制的直流/直流轉(zhuǎn)換器(2)來調(diào)節(jié)提供到電池 包(10)上的充電電流。這個(gè)發(fā)明的另一個(gè)具體措施是，控制單元(3)還能測(cè)量電池包(10)的溫度的變 化，并將這種變化體現(xiàn)到控制直流/直流轉(zhuǎn)換器(2)的脈寬控制信號(hào)里。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的充電器，充電電流是受控的以使充電器的各個(gè)階段的功
率消耗相等。因此，充電器的充電電流可以是動(dòng)態(tài)的。同時(shí)寬范圍節(jié)數(shù)的電池包，比如2-12節(jié) 的鎳氫或者鎳鎘電池包，或者1-5節(jié)的鋰電池都能適用。一個(gè)微處理器可以用來處理這個(gè)在所有充電階段的優(yōu)化充電電流的任務(wù)。電池的 化學(xué)成分以及電池的年齡特別是充電和存儲(chǔ)歷史很大程度上決定了其充電行為和反應(yīng)。這 些因數(shù)必須被在充電管理中，否則很難保證系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。并且在整個(gè)充電過程中要 強(qiáng)制地管理電池的關(guān)鍵參數(shù)。
為了給電池適合的充電功率，根據(jù)動(dòng)態(tài)管理電壓，電流以及可選的溫度信號(hào)的數(shù) 據(jù)，我們創(chuàng)造了一個(gè)叫做APB(自動(dòng)功率平衡)的功能。從技術(shù)上來看，盡管市場(chǎng)上的充電器也普遍使用了微處理器，不過它們的軟件總 是把注意力放在正確的識(shí)別電池是否達(dá)到充滿條件的時(shí)機(jī)并終止充電。在充電電流穩(wěn)定情 況下很容易檢測(cè)到小的電壓變化。對(duì)被充電的電池來講，電流級(jí)別差不多是固定的。根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的充電器包含了脈沖寬度控制的直流/直流轉(zhuǎn)換器，它被用來根 據(jù)測(cè)量到的電池的參數(shù)來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)充電電流。假如電池沒有壞的反應(yīng)，充電電流將被增加 到差不多是被充電的電池所能承受的值，卻不會(huì)帶來異常。同時(shí)原邊的交流/直流供應(yīng)器 也會(huì)工作在最高效率的工作點(diǎn)?？刂茊卧u(píng)估電池的電壓，充電電流以及電池包的溫度(假如有溫度傳感器的連 接到充電器的話)。更進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理在控制單元內(nèi)部自動(dòng)進(jìn)行，用來計(jì)算需要的輸出功 率。計(jì)算的結(jié)果用來和交流/直流供應(yīng)器的額定最大功率相比較。假如有可用的能量空間， 在考慮電池的反應(yīng)的情況下，控制單元調(diào)節(jié)脈沖寬度控制的直流/直流轉(zhuǎn)換器去達(dá)到最大 的輸出功率點(diǎn)。圖3描述了本發(fā)明所述的充電模式，接下來對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的解釋。充電模式從SO開始，在進(jìn)入S1時(shí)，被應(yīng)用到脈沖寬度控制的直流/直流轉(zhuǎn)換器 (2)提供到電池包(10)的電流是較小的缺省值。在S2步驟，電池端子上的電壓和充電電流被測(cè)量?；跍y(cè)量的結(jié)果，在S3步驟計(jì) 算總的輸出功率。并在S4步驟用計(jì)算的功率值和交流/直流供應(yīng)器(1)的額定最大功率 值相比較。假如測(cè)量的功率值小于交流/直流供應(yīng)器(1)的額定最大功率值，在S5步驟增加 脈沖寬度，這樣提供到電池包(10)充電電流就增加了，然后流程轉(zhuǎn)回到S2，電池端子上的 電壓和充電電流重新被測(cè)量，并在S3，S4中計(jì)算，比較。假如測(cè)量的功率值大于交流/直流供應(yīng)器(1)的額定最大功率值(在S4中比較)， 在S6步驟減少脈沖寬度，這樣提供到電池包(10)充電電流就減少了，然后流程轉(zhuǎn)回到S2， 電池端子上的電壓和充電電流重新被測(cè)量，并在S3，S4中計(jì)算，比較。假如測(cè)量的功率值等于交流/直流供應(yīng)器(1)的額定最大功率值(在S4中比較)， 充電流程將進(jìn)入S7步驟，也就是說電流級(jí)別不需要被調(diào)整。然后流程進(jìn)入S8，在這里檢測(cè) 是否具備終止充電過程的條件。假如否，充電流程返回到S2步驟，然后重復(fù)S3和S4。如果 充電流程需要終止，那么進(jìn)入到S9步驟，這是整個(gè)流程的終點(diǎn)。在整個(gè)充電過程中，電池電壓的變化一直被監(jiān)控。充電時(shí)，電池的內(nèi)阻增加，電池 的電壓也隨之增加。當(dāng)電池被充滿后，灌進(jìn)電池的能量再不能被化學(xué)轉(zhuǎn)換，那么電池開始發(fā) 熱。當(dāng)電池開始發(fā)熱時(shí)，電池的內(nèi)阻也開始減小，電池電壓隨之開始降低。這樣就構(gòu)成了“負(fù) 電壓增長”的充電效果。當(dāng)充電電壓達(dá)到最大，然后開始下降；或者充電電壓到達(dá)絕對(duì)最大 值(峰值檢測(cè))，充電程序?qū)⒔Y(jié)束。本發(fā)明所陳述的核心概念是，根據(jù)電池節(jié)數(shù)、電池溫度以及電池電壓的反應(yīng)來自 動(dòng)平衡原邊功率。在確保最佳的充電過程的前提下，充電器能在充電過程中保護(hù)電池不會(huì) 過載。根據(jù)電池的需要，這同時(shí)包括增加和減少提供能量。假如沒有溫度感應(yīng)器的話，“負(fù) 電壓終止”用來監(jiān)測(cè)電池是否充滿；這是自動(dòng)執(zhí)行的，并且能適應(yīng)不同的電壓階段。
權(quán)利要求
一個(gè)用來充電池包(10)的充電器，其特征在于，包括交流/直流供應(yīng)器(1)、脈沖寬度控制的直流/直流轉(zhuǎn)換器(2)以及連接到二者的控制單元(3)，其中控制單元(3)被用來a)至少測(cè)量被充電的電池包(10)端子上的電壓和充電電流；b)根據(jù)測(cè)量電壓和電流的結(jié)果來計(jì)算功率；c)用計(jì)算得到的功率值與交流/直流供應(yīng)器(1)的額定最大功率值相比較；d)根據(jù)比較結(jié)果來發(fā)送信號(hào)給直流/直流轉(zhuǎn)換器(2)的脈沖寬度，用以調(diào)節(jié)提供到電池包(10)的電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電器，其特征在于，其中的控制單元(3)還能測(cè)量被充電的 電池包(10)的端子上的電壓、電流的變化，并將這些變化的信息體現(xiàn)到脈沖寬度控制的直 流/直流轉(zhuǎn)換器(2)的控制信號(hào)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的充電器，其特征在于，其中的控制信號(hào)是脈沖寬度控制信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的充電器，其特征在于，其中的控制單元(3)在計(jì) 算得到的功率值小于交流/直流供應(yīng)器(1)的最大額定功率時(shí)，適合發(fā)送信號(hào)要求脈沖寬 度控制的直流/直流轉(zhuǎn)換器⑵增加提供到電池包(10)的充電電流；同樣在計(jì)算得到的功 率值大于交流/直流供應(yīng)器(1)的最大額定功率時(shí)，適合發(fā)送信號(hào)要求脈沖寬度控制的直 流/直流轉(zhuǎn)換器(2)減小提供到電池包(10)的充電電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的充電器，其特征在于，其中控制單元(3)深入地 測(cè)量電池包(10)的溫度并且轉(zhuǎn)換測(cè)量結(jié)果到直流/直流轉(zhuǎn)換器(2)的脈寬控制信號(hào)，用以 調(diào)節(jié)提供到電池包(10)的充電電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的充電器，其特征在于，控制單元(3)還能測(cè)量電池包(10)的 溫度的變化，并將這種變化體現(xiàn)到控制直流/直流轉(zhuǎn)換器(2)的脈寬控制信號(hào)里。
7.用于充電池包(10)的充電模式，其特征在于，包含以下步驟a)一個(gè)控制單元(3)，同時(shí)連接到交流/直流電源供應(yīng)器(1)和脈沖寬度控制的直流 /直流轉(zhuǎn)換器(2)；b)至少測(cè)量電池包(10)端子上的電壓和電流；c)根據(jù)測(cè)量電壓和電流的結(jié)果來計(jì)算輸出到電池包(10)上的功率；d)用計(jì)算得到的功率值與交流/直流供應(yīng)器(1)的額定最大功率值相比較；e)根據(jù)比較結(jié)果來發(fā)送信號(hào)給直流/直流轉(zhuǎn)換器(2)的脈沖寬度，用以調(diào)節(jié)提供到電 池包(10)的電流。
全文摘要
本文所述的發(fā)明有關(guān)于一種電池充電器及其充電方法，特別是給電池充電的充電器，這種充電器包含有一個(gè)交流/直流電源供應(yīng)器和一個(gè)脈沖寬度控制的直流/直流轉(zhuǎn)換器(2)以及一個(gè)與二者同時(shí)相連接的控制單元(3)。這種充電器能控制最大的充電功率以避免損壞小節(jié)數(shù)的電池包，并且其中的控制單元(3)至少能測(cè)量被充電的電池包(10)的端子上的電壓和電流，用以計(jì)算充電功率；并用計(jì)算得到的功率值和交流/直流電源供應(yīng)器的額定最大功率值相比較，然后根據(jù)比較的結(jié)果來發(fā)送信號(hào)給脈沖控制的直流/直流轉(zhuǎn)換器(2)去調(diào)節(jié)提供到被充電的電池包(10)的充電電流。同時(shí)，也能測(cè)量電池包(10)的溫度。
文檔編號(hào)H02J7/04GK101872994SQ20101015406
公開日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者劉阿牛, 英格夫·邦克奧夫 申請(qǐng)人:弗里沃制造有限公司