CN101872994A - 电池充电器及其充电方法 - Google Patents

Abstract

本文所述的发明有关于一种电池充电器及其充电方法，特别是给电池充电的充电器，这种充电器包含有一个交流/直流电源供应器和一个脉冲宽度控制的直流/直流转换器(2)以及一个与二者同时相连接的控制单元(3)。这种充电器能控制最大的充电功率以避免损坏小节数的电池包，并且其中的控制单元(3)至少能测量被充电的电池包(10)的端子上的电压和电流，用以计算充电功率；并用计算得到的功率值和交流/直流电源供应器的额定最大功率值相比较，然后根据比较的结果来发送信号给脉冲控制的直流/直流转换器(2)去调节提供到被充电的电池包(10)的充电电流。同时，也能测量电池包(10)的温度。

Description

电池充电器及其充电方法

技术领域

本发明涉及一种给电池充电的充电器；这种充电器包含有一个交流到直流的电源供应器、一个由脉冲宽度调制模块控制的直流到直流的转换器以及一个与二者都有连接的控制单元。

背景技术

充电器的设计一般来讲有两种不同的选择。其一是低成本的设计；如果被充电的电池的节数是固定的，而且不考虑一些潜在的故障以及充电过程中的转换效率的话，这种设计是可行的。

其二，对于一些特别定制的电池，比如对不同节数有特殊充电参数的要求以及要求充电器用信号来识别电池等，可以设计非常复杂的充电器；这种设计也适用于宽范围节数的电池。也正因为如此，那些标准电池却不能使用这种充电器。

对于这种非常复杂的设计来讲，为了避免损害到较少节数的电池包，并且要使大节数电池包有足够的充电能量，这种充电器只能工作在很低的效率之下。

图1是标准充电器的主要功能图。这种标准充电器包含一个交流到直流的电源供应器，它的功能和标准的电源供应器是一样的，也就是在满足安全规范的前提下提供足够的能量。电源供应器连接到充电管理模块，然后连接到被充电的电池；同时，从电池来的反馈信号通过反馈环路到达充电管理模块。

因为在整个充电过程中，电源功率的消耗并不是恒定的；那么交流到直流的电源供应器就不能在整个过程中保持最高效率状态运行。一般来讲，在充电过程的开始阶段，电池电压在较低的范围；然后随着电池电压的升高，需要的能量逐渐增加。

一个专利号为US7227337的充电器提到它包含有一个具有两种功能的微处理器；它的微处理器不仅控制充电电路，而且还可以通过控制调整电路来控制充电器的充电功率。微处理器检测灌入电池的充电电流、电压以及可选的电池的温度。调整电路被微处理器控制，微处理器根据灌入电池的充电电流的数值，来决定调整电路的工作脉冲的宽度。

微处理器根据调整电路的输出电流来控制它的脉冲宽度，当输出电流大于预先定义的值，脉冲宽度将被减小；反之，如果充电电流小于预先设定的值，脉冲宽度将被增加。

这个专利号为US7227337的充电器包含一个基于充电电流来控制充电过程的控制器，并且被设计成在调节电流反馈之前，去达到预先定义好的电压终止点。它的工作原理是基于恒流恒压(CCCV)的充电过程，在这里的第一个阶段里，充电电流是恒定的，电流被充电器限制在预先设定好的初始值。直到电池电压达到想要的最终的数值，电流控制模式被切换到电压控制模式，也就是说恒压充电的第二阶段开始了；然后随着充电过程的进行，充电电流会自动的减小。US7227337发布了一个普通的带有微处理器控制的直流到直流转换的充电控制模式。

因此，我们需要一种充电器，它要能适应动态变化的充电参数，并且在避免损坏小节数电池包的情况下获得最大的充电功率输出。

发明内容

本发明的目的是提供这样的一种充电器以及相应的充电模式。我们主张的需要保护的专利主题就是这个首选的，能实现这个目的的方案。

根据本发明的方案，其充电器的控制单元至少测量被充电的电池端子上的电压和电流，然后根据测量所得的值来计算出充电功率，再用计算出的功率值与交/直流电源供应器的额定最大功率值相比较；并根据比较的结果，发出控制信号到直流/直流转换器用以控制提供到电池的充电电流。

这种充电器所能提供的技术优势是，在保证不会损坏电池的情况下能输出最大的充电功率；也就是说充电器总是能工作在最高的效率点。而且，能在最短的时间充满电池，并且充电器能被用在宽范围节数的标准电池包。最后，由于较好的充电因数，电池包的生命周期将被延长，从而避免电池浪费。

根据这个首选的发明方案，控制单元还能更进一步地去测量电池端子上的电压和电流的变化；所以用来控制直流/直流转换器的脉冲宽度的信号中包含了测量出的电压和电流的变化信息。

依照这个首选的发明方案，假如计算出的功率值小于交流/直流转换器的额定最大功率值，控制单元能调节用于控制直流/直流转换器的信号的脉冲宽度，从而增加提供到电池的充电电流；反之，如果计算出的功率值大于交流/直流转换器的额定功率值，控制单元也能调节用于控制直流/直流转换器的信号的脉冲宽度，从而减小提供到电池的充电电流。

在这里，电池的反应一直被检测，也就是说只提供电池所需要的充电功率，从而避免了损坏电池。即便初级侧的能力足够，为了不至于损坏电池，根据本专利设计的充电器也只会在适当减小充电功率的情况下工作。

根据这个发明的一个具体措施，控制单元同时也能测量电池的温度值；并且根据温度的测量结果来调节直流/直流转换器的控制信号的脉冲宽度，从而控制提供到电池的充电电流。

这个发明的另一个具体措施是，控制单元还能测量电池温度的变化，并将这种变化体现到控制直流/直流转换模块的脉宽控制信号里。

本发明的还有另外一个具体措施是提供了一种充电的模式，这里所说的充电模式包含了一个连接到交流/直流转换器和直流/直流转换器的控制单元；这个控制单元至少测量被充电的电池的端子上的电压和电流，并且根据测量的结果计算充电的功率，然后根据计算出来的功率值与交流/直流转换器的额定最大功率值相比较，最后根据这个比较的结果来决定控制直流/直流转换器的脉冲的宽度。

附图说明

图1是标准充电器的主要功能；

图2是根据本发明所设计的充电器的功能方块图；

图3是用本发明所述的充电模式来充电的流程图解；

具体实施方式

接下来，根据图2和图3来对本发明所陈述的电池充电器和电池充电方法进行具体描述。

图2是根据本发明所设计的充电器的功能方块图。它包含一个交流/直流电源供应器(1)和一个脉冲宽度控制的直流/直流转换器(2)，它们彼此互相连接。这个脉冲宽度控制的直流/直流转换器(2)提供充电电流给电池包(10)。

控制单元(3)连接到交流/直流供应器(1)和脉冲宽度控制的直流/直流转换器(2)。根据本文所述的发明，控制单元(3)测量电池包(10)的端子上的电压和电流；并根据测量值计算出充电功率，并与交流/直流供应器(1)的额定功率值相比较；然后控制单元(3)根据比较结果来控制直流/直流转换器(2)的脉冲宽度，用以调节提供到电池包(10)的电流。

即使上面将控制单元(3)描述为测量电池包(10)的端子上的电压和电流，本发明也并不仅限于此。真正来讲，根据本发明的方案，控制单元(3)更进一步的测量电压和电流的变化，也就是说电压的斜率以及电流变化的曲线，并将这些测量结果包含于控制直流/直流转换器的脉冲信息中。这种情况下，万一出现对电池不太适宜的较高的充电功率的话，也能有更快速的反应。

根据本文所述的发明的方案，假如计算出的功率值小于交流/直流供应器(1)的额定最大功率，控制单元(3)发送信号要求脉宽控制的直流/直流转换器(2)增加提供到电池包(10)的充电电流；反之，如果计算出的功率值大于交流/直流供应器(1)的额定最大功率值，控制单元(3)发出信号要求脉宽控制的直流/直流转换器(2)减少提供到电池包(10)的充电电流。

电池的反应一直被检测，也就是说只提供电池所需要的充电功率，从而避免了损坏电池。即便初级测的能力足够，为了不至于损坏电池，根据本专利设计的充电器也只会在适当减小充电功率的情况下工作。

根据本发明的方案，控制单元更进一步地测量电池包(10)的温度并且转换测量结果到直流/直流转换器(2)的脉宽控制信号，用以调节提供到电池包(10)的充电电流。

根据本发明的首选方案，控制单元测量电池包(10)的温度，这个电池温度所带来的信息也会被控制单元(3)用来通过脉宽控制的直流/直流转换器(2)来调节提供到电池包(10)上的充电电流。

这个发明的另一个具体措施是，控制单元(3)还能测量电池包(10)的温度的变化，并将这种变化体现到控制直流/直流转换器(2)的脉宽控制信号里。

对于根据本发明所设计的充电器，充电电流是受控的以使充电器的各个阶段的功率消耗相等。

因此，充电器的充电电流可以是动态的。同时宽范围节数的电池包，比如2-12节的镍氢或者镍镉电池包，或者1-5节的锂电池都能适用。

一个微处理器可以用来处理这个在所有充电阶段的优化充电电流的任务。电池的化学成分以及电池的年龄特别是充电和存储历史很大程度上决定了其充电行为和反应。这些因数必须被在充电管理中，否则很难保证系统的安全和稳定。并且在整个充电过程中要强制地管理电池的关键参数。

为了给电池适合的充电功率，根据动态管理电压，电流以及可选的温度信号的数据，我们创造了一个叫做APB(自动功率平衡)的功能。

从技术上来看，尽管市场上的充电器也普遍使用了微处理器，不过它们的软件总是把注意力放在正确的识别电池是否达到充满条件的时机并终止充电。在充电电流稳定情况下很容易检测到小的电压变化。对被充电的电池来讲，电流级别差不多是固定的。

根据本发明设计的充电器包含了脉冲宽度控制的直流/直流转换器，它被用来根据测量到的电池的参数来实时调节充电电流。假如电池没有坏的反应，充电电流将被增加到差不多是被充电的电池所能承受的值，却不会带来异常。同时原边的交流/直流供应器也会工作在最高效率的工作点。

控制单元评估电池的电压，充电电流以及电池包的温度(假如有温度传感器的连接到充电器的话)。更进一步的数据处理在控制单元内部自动进行，用来计算需要的输出功率。计算的结果用来和交流/直流供应器的额定最大功率相比较。假如有可用的能量空间，在考虑电池的反应的情况下，控制单元调节脉冲宽度控制的直流/直流转换器去达到最大的输出功率点。

图3描述了本发明所述的充电模式，接下来对其进行详细的解释。

充电模式从S0开始，在进入S1时，被应用到脉冲宽度控制的直流/直流转换器(2)提供到电池包(10)的电流是较小的缺省值。

在S2步骤，电池端子上的电压和充电电流被测量。基于测量的结果，在S3步骤计算总的输出功率。并在S4步骤用计算的功率值和交流/直流供应器(1)的额定最大功率值相比较。

假如测量的功率值小于交流/直流供应器(1)的额定最大功率值，在S5步骤增加脉冲宽度，这样提供到电池包(10)充电电流就增加了，然后流程转回到S2，电池端子上的电压和充电电流重新被测量，并在S3，S4中计算，比较。

假如测量的功率值大于交流/直流供应器(1)的额定最大功率值(在S4中比较)，在S6步骤减少脉冲宽度，这样提供到电池包(10)充电电流就减少了，然后流程转回到S2，电池端子上的电压和充电电流重新被测量，并在S3，S4中计算，比较。

假如测量的功率值等于交流/直流供应器(1)的额定最大功率值(在S4中比较)，充电流程将进入S7步骤，也就是说电流级别不需要被调整。然后流程进入S8，在这里检测是否具备终止充电过程的条件。假如否，充电流程返回到S2步骤，然后重复S3和S4。如果充电流程需要终止，那么进入到S9步骤，这是整个流程的终点。

在整个充电过程中，电池电压的变化一直被监控。充电时，电池的内阻增加，电池的电压也随之增加。当电池被充满后，灌进电池的能量再不能被化学转换，那么电池开始发热。当电池开始发热时，电池的内阻也开始减小，电池电压随之开始降低。这样就构成了“负电压增长”的充电效果。当充电电压达到最大，然后开始下降；或者充电电压到达绝对最大值(峰值检测)，充电程序将结束。

本发明所陈述的核心概念是，根据电池节数、电池温度以及电池电压的反应来自动平衡原边功率。在确保最佳的充电过程的前提下，充电器能在充电过程中保护电池不会过载。根据电池的需要，这同时包括增加和减少提供能量。假如没有温度感应器的话，“负电压终止”用来监测电池是否充满；这是自动执行的，并且能适应不同的电压阶段。

Claims (7)

1.一个用来充电池包(10)的充电器，其特征在于，包括交流/直流供应器(1)、脉冲宽度控制的直流/直流转换器(2)以及连接到二者的控制单元(3)，其中控制单元(3)被用来：

a)至少测量被充电的电池包(10)端子上的电压和充电电流；

b)根据测量电压和电流的结果来计算功率；

c)用计算得到的功率值与交流/直流供应器(1)的额定最大功率值相比较；

d)根据比较结果来发送信号给直流/直流转换器(2)的脉冲宽度，用以调节提供到电池包(10)的电流。

2.根据权利要求1所述的充电器，其特征在于，其中的控制单元(3)还能测量被充电的电池包(10)的端子上的电压、电流的变化，并将这些变化的信息体现到脉冲宽度控制的直流/直流转换器(2)的控制信号中。

3.根据权利要求1或2所述的充电器，其特征在于，其中的控制信号是脉冲宽度控制信号。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的充电器，其特征在于，其中的控制单元(3)在计算得到的功率值小于交流/直流供应器(1)的最大额定功率时，适合发送信号要求脉冲宽度控制的直流/直流转换器(2)增加提供到电池包(10)的充电电流；同样在计算得到的功率值大于交流/直流供应器(1)的最大额定功率时，适合发送信号要求脉冲宽度控制的直流/直流转换器(2)减小提供到电池包(10)的充电电流。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的充电器，其特征在于，其中控制单元(3)深入地测量电池包(10)的温度并且转换测量结果到直流/直流转换器(2)的脉宽控制信号，用以调节提供到电池包(10)的充电电流。

6.根据权利要求5所述的充电器，其特征在于，控制单元(3)还能测量电池包(10)的温度的变化，并将这种变化体现到控制直流/直流转换器(2)的脉宽控制信号里。

7.用于充电池包(10)的充电模式，其特征在于，包含以下步骤：

a)一个控制单元(3)，同时连接到交流/直流电源供应器(1)和脉冲宽度控制的直流/直流转换器(2)；

b)至少测量电池包(10)端子上的电压和电流；

c)根据测量电压和电流的结果来计算输出到电池包(10)上的功率；

d)用计算得到的功率值与交流/直流供应器(1)的额定最大功率值相比较；

e)根据比较结果来发送信号给直流/直流转换器(2)的脉冲宽度，用以调节提供到电池包(10)的电流。

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