TWI633739B - 具有調節迴路之電池充電系統及充電方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種用於電子裝置的電池(140)之充電系統(100、200)。 該充電系統(100、200)包括一轉接器(110)，其構成從電源取得轉換電壓(121)下的轉換電流。此外，該充電系統(100、200)包括一電池充電器(130)，其構成利用轉換電壓(121)下的轉換電流，使用電池電壓(141)下的電池電流來充電該電子裝置的電池。此外，該充電系統(100、200)包括電力傳輸構件，其構成將該轉換電壓(121)下的該轉換電流傳輸至該電池充電器(130)。此外，該充電系統(100、200)包括通信構件，其構成將指示該電池電壓(141)及/或電池電流的回饋資訊從該電池充電器(130)傳輸至該轉接器(110)。該轉接器(110)構成根據該回饋資訊來設定該轉換電壓(121)及/或該轉換電流。

Description

具有調節迴路之電池充電系統及充電方法

本發明有關一種使用功率有效方式進行充電電池之系統及方法。

具有20V(伏特)範圍輸入電壓Vin的高電壓(HV，High Voltage)電池充電器通常利用實現約90%範圍轉換效能的基於電感器的電源轉換器。此相當低效能是由於電感式降壓功率變換器的效能對於僅略微低於輸入電壓Vin的輸出電壓Vout(即是對於轉換比Vout/Vin近似1)為最佳的實際情況。

電池或輸出電壓通常是Vout=3.6V(即是<4.2V)，且來自外部電源供應器的輸入電壓Vin(在本說明書亦稱為轉換電壓)可高達20V(伏特)。因此，Vin/Vout轉換比是相當高，且功率轉換的效率通常會降低。影響電感降壓轉換器效率的一參數是切換頻率，其中當降低切換頻率時，電源轉換器的效率通常會增加。另一方面，在相對低切換頻率下的合理電流突波通常需要具有相當高電感的電感器。一電感器的尺寸通常會隨著電感的增加而提高。因此，使用具有相當高電感的電感器通常無法與諸如輸入板個人電腦或智慧型電話的現代可攜式電子裝置兼容。因此，可攜式電子裝置的電池充電器通常利用相當低的電感線圈，藉此觸發相當高的切換頻率，且藉由其以限制電池充電器的電源轉換器的可實現最大轉換效能。

本發明解決提供用於充電電子裝置電池的電力效能與小型系統的技術問題。技術問題是藉由獨立請求項加以解決。此外，改良物是在附屬項中描述。

根據一態樣，描述一種用於電子裝置的電池之充電系統。充電系統包括一轉接器，其構成從電源取得轉換電壓下的電力。特別是，轉接器可構成取得轉換電壓下的轉換電流。如實例所示，電源可在AC電壓下提供AC電力(例如，在110V(伏特)或230V(伏特)，具有60Hz(赫茲)或50Hz(赫茲)的AC頻率)。另一方面，轉換電壓通常是DC電壓(例如在10V(伏特)範圍內)，且轉換電流通常是DC電流。同樣地，轉接器可包括一AC/DC轉換器，用於從電源提供的AC電力取得在DC轉換電壓下的電力。轉接器可包括一壁式插頭轉接器，即是轉接器可包括一電源插頭，用於耦接轉接器與一壁式插座，例如，市電電源的壁式插座。

此外，充電系統包括一電池充電器，其構成利用轉換電壓下的電力，使用在電池電壓下的電池電流來充電電子裝置的電池，特別是利用轉換電壓下的轉換電流。同樣地，在電池充電器的輸出端提供在電池電壓下的電池電流。電池電流可調節至一(可能預定)目標電池電流(例如，至遵守預定充電曲線之一恆定目標電池電流或一目標電池電流；目標電池電流可例如隨溫度而變化、及/或取決於要充電電池的歷史、及/或取決於先前的充電行為)。電池電流的調節可經由電池充電器中的電流調節器或經由電源轉接器中的電流調節器來執行。電池充電器可實施為一部分的電子裝置。通常，轉接器與電池充電器是以分離的實體單元實施，特別是在分開的積體電路(IC，Integrated Circuit)中。

充電系統還包括電力傳輸構件，其構成將在轉換電壓下的電力(即是，在轉換電壓的轉換電流)傳輸至電池充電器。特別是，電力傳輸構件可 包括一充電纜線，特別是一通用串列匯流排(USB，Universal Serial Bus)充電纜線，用以導電方式傳輸電力。或者(或此外)，電力傳輸構件可包括一無線電力傳輸單元(例如，當作轉接器的一部分)，其構成利用轉換電壓下的電力(即是，在轉換電壓下的轉換電流)來產生電磁充電場。無線電力傳輸單元可包括一針對此目的使用之傳輸線圈。此外，電力傳輸構件可包括一無線電力接收單元(例如，當作電池充電器的一部分)，其構成從電磁充電場取得轉換電壓下的電力(即是，在轉換電壓下的轉換電流)。無線電力傳輸單元可包括一針對此目的使用之接收線圈。

電力傳輸構件通常顯現一電壓降及/或功率消耗。因此，在電池充電器輸入端的轉換電壓及/或轉換電流(即是轉換功率)通常是較低於在電源轉接器輸出端的轉換電壓及/或轉換電流(即是轉換功率)。電力傳輸構件的電壓降及/或功率消耗可預先知道(例如透過系統設計)、及/或可如同回饋資訊從電池充電器傳輸至電源轉接器。因此，當設定(特別是當調節)轉換電壓及/或轉換電流時，電源轉接器可考慮電力傳輸構件的電壓降及/或功率消耗。應注意，當在電源轉接器中調節轉換電流時，通常會自動補償電力傳輸構件(例如電纜)中的任何電壓降。另一方面，當建構或設定轉換電壓的上限時，可考慮在電力傳輸構件端的最大電壓降。特別是，可調節轉換電流，使得轉換電壓不會超過一預定最大轉換電壓。預定最大轉換電壓可取決在電力傳輸構件端的電壓降。

此外，充電系統包括通信構件，其構成將指示電池電壓及/或電池電流的回饋資訊從電池充電器傳輸至轉接器。特別是，回饋資訊可指示一目標電池電壓及/或一目標電池電流，其是在用於充電電池的電池充電器的輸出端提供。目標電池電壓及/或目標電池電流可經由電池充電器的控制單元來決定(例如，根據有關電池的充電狀態(SOC，State of Charge)的資訊)。

電池充電器可包括一傳輸通信模組，其構成透過通信通道以傳輸回饋資訊。此外，轉接器可包括一接收器通信模組，其構成經由通信通道接收回饋資訊。通信通道可包括一充電纜線的電線，其用於將轉換電壓下的電力或轉換電流從轉接器傳導至電池充電器。或者(或此外)，通信通道可包括一射頻鏈路，例如藍牙(Bluetooth)鏈路、WLAN鏈路、UMTS鏈路及/或LTE鏈路。

轉接器構成根據該回饋資訊來設定(特別是調節)轉換電壓及/或轉換電流。特別是，轉接器可構成設定(特別是調節)轉換電壓或轉換電流。因此，電力可提供給電池充電器，使得可增加(例如最大化)電池充電器的效能及/或使得可降低(例如最小化)電池充電器的功率消耗。因此，可提供充電系統的功率效能(與可能的規模效能)。

特別是，轉接器可構成設定(例如調節)轉換電壓，使得運用在電池充電器中，以使用在電池電壓下的電池電流來充電電池(特別是使用在(恆定)目標電池電壓下的(變化)電池電流來充電電池)的一電壓轉換比(Vin/Vout，即是電池充電器的電源轉換器的輸入電壓與電源轉換器的輸出電壓的相比較)是等於或大於1的整數值n。因此，輸出電壓比輸入電壓小n倍。電壓轉換比亦可稱為降壓轉換比，其中電源轉換器的輸出電壓是較小於電源轉換器的輸入電壓的n倍。

或者(或此外)，轉接器可構成設定(例如調節)轉換電流，使得運用在電池充電器中，以使用在電池電壓下的電池電流來充電電池(特別是使用在(變化)電池電壓下的(恆定)目標電池電流來充電電池)的一電流轉換比(Iout/Iin，即是電池充電器的電源轉換器的輸出電流與電源轉換器的輸入電流的相比較)是等於或大於1的整數值n。因此，輸出電流比輸入電流高n倍。因此，可進一步增加功率效能。電流轉換比亦可稱為升流轉換比，其中電源轉換器的輸出電流是較高於電源轉換器的輸入電流的n倍。

電池充電器可包括一電流調節器，其構成利用轉換電壓下的電力來調節充電電池的電池電流。或者(或此外)，電源轉接器可包括一電流調節器，用以經由調節在電源轉接器輸出端的轉換電流以間接調節電池電流。

電池充電器可包括一控制單元，其構成選擇充電電池的充電策略，及構成基於該選定充電策略以控制在電池充電器及/或在電源轉接器端的電流調節器。充電策略可(例如)將一目標電池電流定義為電池充電狀態(SOC)的函數。充電策略可(例如)設計成增加(例如最大化)電池充電週期的壽命及/或次數。控制單元可構成決定電池的充電狀態(SOC)(有關其的資訊)。此外，控制單元可構成基於SOC(與通常基於一預定充電策略)(關於其資訊)以決定目標電池電流。目標電池電流可由電流調節器用來將電池電流調節至目標電池電流。此可能需要將電池電壓設定成一特定值，以使電池電流符合目標電池電流。藉由提供指示所需電池電壓、及/或指示轉接器的目標電池電流的回饋資訊，轉接器可修改在本發明中概述的轉換電壓及/或轉換電流，藉此增加充電系統的功率效能。

換句話說，電池充電器可包括一控制單元，其構成決定一目標電池電流。電流調節器(在電池充電器及/或在電源轉接器端)可構成根據目標電池電流來取得電池電壓，特別是使得在電池充電器輸出端的電池電流符合目標電池電流。因此，電池電壓可隨時間變化。因此，可將變化的回饋資訊提供給轉接器。

電流調節器可包括一電池開關及/或一低壓降(LDO，Low Drop-Out)調節器。此外，電流調節器可能顯現一調節器電壓降Vrdrop。轉接器(特別是轉接器的電壓調節器)可構成根據調節器電壓降Vrdrop來設定轉換電壓，藉此進一步增加充電系統的功率效能。為了此效能，使Vrdrop減少到最小/最小化Vrdop是特別有利，此是當關閉電池開關時(即是當LDO是以旁路模式工作時)的情況。一旦LDO從調節插入壓差(Dropout voltage)，功 率消耗便會增加，且效能降低。同樣地，將調節電池電流的任務轉移至轉接器是有利的，其可構成根據所需的電池電流(即是，根據目標電池電流)來提供一(經調節)轉換電流。換句話說，將電流調節器從電池充電器移到電源轉接器是有利的。因此，電池充電器不包括一電流及/或電壓調節器。

電池充電器可包括一電源轉換器，其構成及/或操作成是以降壓轉換比n來執行轉換電壓的降壓轉換(在電池充電器的輸入端)，其中n是等於或大於1的整數值。同樣地，電源轉換器可構成及/或可操作成是以升流轉換比n來執行轉換電流的升流轉換(在電池充電器的輸入端)，其中n是等於或大於1的整數值。具有此特徵的電源轉換器可顯現特別高的轉換效能。此特別是包括或符合一電容性電源轉換器的電源轉換器之情況。轉接器可構成根據降壓或升流轉換比n來設定(特別是調節)轉換電壓及/或轉換電流(在轉接器的輸出端)。因此，可進一步增加充電系統的功率效能。

電源轉換器可顯現一轉換器電壓降Vcdrop。轉接器可構成根據轉換器電壓降Vcdrop來設定(特別是調節)轉換電壓及/或轉換電流(在轉接器的輸出端)，藉此進一步增加充電系統的功率效能。

如前述，轉接器可包括一電壓調節器，其構成根據該回饋資訊(特別是根據目標電池電壓)來調節轉換電壓。特別是，轉換電壓Vin可調節至符合Vin=n x(Vbat+Vcdrop)+Vrdrop，其中Vbat是想要的電池電壓(即是，目標電池電壓)，其中Vcdrop是在電池充電器的電源轉換器端的電壓降，且其中Vrdrop是在電力傳輸構件端的電壓降。或者(或此外)，轉換電壓可經由設定或調節，使得(僅)利用降壓轉換比n的降壓轉換，電池充電器可從轉換電壓取得(目標)電池電壓，其中n是等於或大於1的整數值。

轉接器可構成根據電池充電器、電源轉換器、電力傳輸路徑(例如，充電纜線或無線電力傳輸裝置)的電流額定值、或根據最大電池電流來限制最大轉換電流。

此外，轉接器可構成提供(特別是調節)一恆定轉換電流與因此設定的轉換電壓。轉換電壓可限制在最大位準，該最大位準可從電池充電器的輸入電壓額定值取得，或可利用最大電池電壓(加上在電源轉換器的電壓降)乘以轉換比n來決定。此配置允許除去電池充電器(特別是在電池充電器端的電流調節器)及其損耗。

同樣地，轉接器可構成根據該回饋資訊(特別是根據目標電池電流)來設定(例如，調節)轉換電流，使得(僅)利用降壓轉換比n的降壓轉換，電池充電器可從轉換電壓取得電池電壓，其中n是等於或大於1的整數值(使得轉換器的輸出電壓較轉換器的輸入電壓小n倍)；及/或使得(僅)利用升流轉換比n的升流轉換，電池充電器可從轉換電流取得(目標)電池電流，其中n是等於或大於1的整數值(使得轉換器的輸出電流較轉換器的輸入電流大n倍)。為了此目的，轉接器可包括一電流調節器。因此，可提供沒有電流調節器的電池充電器，藉此進一步增加電池充電器的效能。特別是，電池充電器中的能量路徑(用於從電池充電器輸入端的電力取得用於充電在電池充電器輸出端電池的電力)可只包括一具有整數轉換比的電源轉換器。

轉接器可構成調節轉換電壓，使得轉換電流不會超過一預定最大轉換電流。或者，轉接器可構成調節轉換電流，使得轉換電壓不會超過一預定最大轉換電壓。最大轉換電流及/或最大轉換電壓可固定。或者，最大轉換電流及/或最大轉換電壓可利用電池充電器經由通信構件進行設定。特別是，回饋資訊可指示最大轉換電流及/或最大轉換電壓。

根據一進一步態樣，描述一種用於充電電子裝置的電池之充電系統的轉接器。轉接器包括一接收器通信模組，其構成接收回饋資訊，該回饋資訊指示要用於充電電池的一電池電壓及/或一電池電流(特別是，回饋資訊可為指示要在電池充電器輸出端提供用於充電電池的目標電池電壓、及/或目標電池電流)。一對應電池充電器的電流調節器可根據一預定目標電池電流 將電池電壓用來設定電池電流。電池電壓可隨時間變化，以提供根據一預定目標電池電流(例如，一恆定目標電池電流)設定(例如，經調節)的電池電流。或者(或此外)，可由轉接器調節電池電流。

此外，轉接器包括一電壓調節器及/或電流調節器，其構成根據該回饋資訊從電源取得轉換電壓下的電力(例如，一轉換電流)。特別是，轉換電壓可根據針對充電電池設定的電池電壓取得(即是，根據目標電池電壓)。或者(或此外)，轉換電流可根據用於充電電池的電池電流取得(即是，根據目標電池電流)。鑑於電池電壓及/或電池電流可隨時間變化的實際情況，轉換電壓及/或電池電流可因此隨時間變化。此外，轉接器包括一電力傳輸介面(例如，一適當插頭或插座)，以透過電力傳輸構件(例如，透過一充電纜線)將轉換電壓下的電力(例如，轉換電流)提供給一電池充電器供充電電池。

在一較佳實例中，轉接器包括一接收器通信模組，其構成接收指示用於充電電池的一目標電池電壓及/或一目標電池電流的回饋資訊。目標電池電壓及/或目標電池電流可由電子裝置的對應電池充電器的控制單元設定。如實例所示，在電池達到一預定充電狀態(SOC，State of Charge)(例如90%)以前，一(通常恒定)目標電池電流可經由控制單元設定。在達到預定充電狀態(SOC)以後，一(通常恒定)目標電池電壓可經由控制單元設定，以完成電池的充電(例如，實質高達100% SOC)。

此外，轉接器可包括一電壓調節器及/或一電流調節器，其構成根據該回饋資訊從電源(例如，來自市電電源)取得轉換電壓下的轉換電流。特別是，電壓調節器可根據目標電池電壓來調節轉換電壓(例如，當電池充電器的控制單元設定恆定目標電池電壓以請求恆定電壓充電時)。或者(或此外)，電流調節器可根據目標電池電流來調節轉換電流(例如，當電池充電器的控制單元設定一恆定目標電池電流以請求一恆定電流充電時)。

電壓調節器可構成根據該回饋資訊(特別是根據目標電池電壓)來調節轉換電壓，使得(僅)利用降壓轉換比n的電子裝置(或電池充電器)端的降壓轉換，充電電池的電池電壓(在電池充電器的輸出端)可調節至目標電池電壓，其中n是等於或大於1的整數值。特別是，轉換電壓可調節至一目標轉換電壓，其符合目標電池電壓(加上在電力傳輸構件及/或在電池充電器的電源轉換器端的可能電壓降)的n倍。

電流調節器可構成根據該回饋資訊(特別是根據目標充電電流)來調節轉換電流，使得(僅)利用升流轉換比n的電子裝置(或電池充電器)的升流轉換，充電電池的電池電流(在電池充電器的輸出端)可調節至目標電池電流，其中n是等於或大於1的整數值。特別是，轉換電流可調節至一目標轉換電流，其符合目標電池電流除以n(加上在電池充電器中消耗的可能電流)。

此外，轉接器包括一電力傳輸介面，用於將在電力傳輸構件的轉換電壓下的轉換電流提供給電池充電器供充電電池。

根據另一態樣，描述一種用於充電電子裝置的電池之電池充電器。電池充電器包括一電力接收介面(例如，一適當插頭或插座)，用於透過電力傳輸構件(例如，透過一充電纜線)接收轉換電壓下的電力(例如，一轉換電流)。此外，電池充電器可包括一電流調節器，其構成利用轉換電壓下的電力來調節充電電池的電池電流。電池電流是以電池電壓提供。特別是，電流調節器可構成設定在電流調節器輸出端的電壓，使得電池可利用(例如，恆定)電池電流進行充電。電池電壓可能隨時間變化。特別是，電池電壓可隨電池的充電狀態(SOC，State of Charge)發生變化。

電池充電器可包括一傳輸通信模組，其構成透過通信通道來傳輸指示(目標)電池電壓及/或(目標)電池電流的回饋資訊。因此，一對應轉接器可利用回饋資訊作為提供轉換電壓下的電力，其中轉換電壓可取決於回饋資訊 (特別是在取決於充電電池(例如，在電池充電器的輸出端)的(目標)電池電壓及/或(目標)電池電流)。

在一較佳實例中，電池充電器包括一電力接收介面，用於透過電力傳輸構件接收轉換電壓下的轉換電流。此外，電池充電器可包括一控制單元，其構成決定用於充電電池的一目標電池電流及/或一目標電池電壓。特別是，控制單元可構成決定有關電池SOC的資訊。控制單元然後可根據有關SOC的資訊來決定用於充電電池的目標電池電流、及/或目標電池電壓。有關電池SOC的資訊可包括(空載)電池電壓(即是，當電池沒有充電或放電時在電池端的電壓降)。通常，(空載)電池電壓會隨著增加電池的SOC而增加，藉此提供精確的SOC指示。

電池可利用高達一預定(空載)電池電壓及/或高達一預定SOC的恆定目標電池電流來充電。隨後，電池可利用一恆定目標電池電壓來充電。同樣地，控制單元可決定在充電週期的第一階段期間用於充電電池的目標電池電流。此外，控制單元可決定在充電週期的第二階段期間用於充電電池的目標電池電壓。從第一階段轉變至第二階段的瞬時取決於有關電池SOC的資訊。回饋資訊可指示從第一階段轉變至第二階段的瞬時。

此外，電池充電器可包括一電源轉換器(例如，一電容性電源轉換器)。電源轉換器可構成或可操作成執行降壓轉換比n的轉換電壓的降壓轉換(在電池充電器的輸入端)，以提供充電電池的電池電壓，其中n是大於或等於1的整數值(特別是n=2)。換句話說，電源轉換器可設定成執行降壓轉換比n的轉換電壓的降壓轉換，使得充電電池的電池電壓符合轉換電壓除以n(除了在電源轉換器端的電壓降)。

或者(或此外)，電源轉換器可構成或可操作成執行升流轉換比n的轉換電流的升流轉換(在電池充電器的輸入端)，以提供充電電池的電池電流，其中n是大於或等於1的整數值。換句話說，電源轉換器可設定成執行 升流轉換比n的轉換電流的升流轉換，使得用於充電電池的電池電流符合轉換電流乘以n。通常，電源轉換器執行一(近似)降壓轉換與一(精確)升流轉換。利用整數轉換比允許在電池充電器中的功率效能與空間效能的功率轉換。

在一較佳實例中，電池充電器不包括一電壓調節器(用於將電池電壓調節至目標電池電壓)及/或一電流調節器(用於將電池電流調節至目標電池電流)。相反地，電池充電器包括一傳輸通信模組，其構成透過通信通道來傳輸指示目標電池電壓及/或目標電池電流的回饋資訊。

回饋資訊可由一對應電源轉接器接收，其構成根據目標電池電壓來調節轉換電壓、及/或其構成根據目標電池電流來調節轉換電流。特別是，在一恆定電流充電階段期間，電源轉接器可構成調節轉換電流(在電源轉接器的輸出端)，使得電池充電器只藉由執行整數轉換比n的升流轉換而可從轉換電流取得(恆定)目標充電電流(在電池充電器的輸入端)。在一恆定電壓充電階段期間，電源轉接器可構成調節轉換電壓(在電源轉接器的輸出端)，使得電池充電器只藉由執行整數轉換比n的降壓轉換而可從轉換電壓取得(恆定)目標充電電壓(在電池充電器的輸入端)。

在目標電池電流、及/或目標電池電壓改變時，(僅)可提供回饋資訊。同樣地，從電池充電器至轉接器傳輸回饋資訊可由電池充電器的控制單元觸發。如實例所示，如果在電池充電器(例如，藉由控制單元)決定要改變用於充電電池的目標電池電流、及/或目標電池電壓，可將回饋資訊提供給轉接器，其中回饋資訊是指示目標電池電流、及/或目標電池電壓的請求變化。同樣地，電池的(整個)充電週期可利用選擇性傳輸的回饋資訊而經由電池充電器的控制(特別是藉由控制單元)。

當電池SOC增加時，轉接器可能需要實質增加轉換電壓，以根據一目標電池電流來調節轉換電流。為了保護在電源轉接器及/或電池充電器 端的組件，電源轉接器(特別是電流調節器)可構成調節轉換電流，使得轉換電壓不會超過一預定最大轉換電壓。同樣地，根據目標電池電壓調節轉換電壓可能導致過度的轉換電流。轉接器(特別是電壓調節器)可構成調節轉換電壓，使得轉換電流不會超過一預定最大轉換電流。

在進一步示例中，轉接器與電池充電器可構成提供閉調節迴路，以利用在轉接器端的一電壓調節器及/或一電流調節器來調節在電池充電器輸出端的電池電壓及/或電池電流。為了此目的，從電池充電器至轉接器可重複或週期性(例如，在頻率1Hz(赫茲)、10Hz(赫茲)、100Hz(赫茲)或更高)提供回饋資訊。(週期性)回饋資訊然後指示在電池充電器輸出端的(實際)電池電壓及/或(實際)電池電流。電池充電器可包括測量構件，用於測量在電池充電器輸出端的(實際)電池電壓及/或(實際)電池電流。

轉接器端的電壓調節器及/或電流調節器可利用回饋資訊來調適轉換電壓及/或轉換電流，使得在電池充電器輸出端的(實際)電池電壓及/或(實際)電池電流調節至目標電池電壓及/或目標電池電流。特別是，在轉接器端提供一閉迴路電壓調節器，其根據(實際)電池電壓(特別是根據(實際)電池電壓與目標電壓的偏差)來設定轉換電壓(在轉接器的輸出端)，藉此提供電池電壓的閉迴路電壓調節。或者(或此外)，在轉接器端提供一閉迴路電流調節器，其根據(實際)電池電流(特別是根據(實際)電池電流與目標電流的偏差)來設定轉換電流(在轉接器的輸出端)，藉此提供電池電流的閉迴路電流調節。藉由在轉接器與電池充電器兩端提供閉迴路調節，可進一步增加電池電壓及/或電池電流的調節品質(在回饋資訊的週期性或重複傳輸的情況下)。

根據一進一步態樣，描述一種供利用轉接器與電池充電器以充電電子裝置的電池之方法。轉接器與電池充電器是彼此分開。該方法包括利用轉接器從電源取得轉換電壓下的電力(例如，轉換電流)。此外，該方法包括將轉換電壓下的電力(例如，轉換電流)從轉接器傳輸至電池充電器。此外，該 方法包括利用電池電壓下的電池電流以充電電子裝置的電池，其中電池電流是利用電池充電器從轉換電壓下的電力(例如，轉換電流)取得。該方法還包括傳輸回饋資訊，該回饋資訊指示從電池充電器至轉接器的電池電壓及/或電池電流，其中轉換電壓及/或轉換電流是由轉接器根據該回饋資訊進行設定(特別是經調節)。回饋資訊可特別指示在用於充電電池的電池充電器輸出端提供的目標電池電壓及/或目標電池電流。同樣地，根據目標電池電壓及/或目標電池電流可調節在轉接器輸出端的轉換電壓及/或轉換電流。

應注意，包括如在本發明中所述較佳具體實施例的方法與系統可單獨或結合在本說明書所揭露的其他方法與系統一起使用。此外，在系統關係中所述的特徵亦適用於一對應的方法。此外，本發明中所述方法與系統的所有態樣可任意組合。特別是，文後申請專利範圍的特徵能夠以任意方式彼此組合。

在本發明中，術語「耦接」或「經耦接」是指電氣元件彼此電通信，不管其是否直接連接(例如，經由電線)；或者，採用某些其他方式連接。

100‧‧‧充電系統

110‧‧‧轉接器

111‧‧‧AC/DC調節器

112‧‧‧通信模組

120‧‧‧充電纜線

121‧‧‧轉換電壓

122‧‧‧通信電線

130‧‧‧電池充電器

131‧‧‧電源轉換器

132‧‧‧通信模組

133‧‧‧充電單元

134‧‧‧控制單元

135‧‧‧系統電壓

140‧‧‧電池

141‧‧‧電池電壓

200‧‧‧充電系統

211‧‧‧無線電力傳輸器

212‧‧‧無線通信模組

221‧‧‧無線電力傳輸

222‧‧‧無線通信

231‧‧‧無線電力接收器

232‧‧‧無線通信模組

300‧‧‧方法

301、302、303、304‧‧‧步驟

410‧‧‧AC/DC整流器

411‧‧‧DC/DC電源轉換器

412‧‧‧控制單元

413‧‧‧控制單元

431‧‧‧電流監視器

432‧‧‧計量單元

433‧‧‧過電壓保護電路

本發明在下面是以參考附圖的示例性方式加以解釋，其中：圖1顯示充電電池之一實例系統的方塊圖；圖2顯示充電電池之另一實例系統的方塊圖；圖3顯示充電電池之一實例方法的流程圖；及圖4顯示充電電池之另一實例系統的方塊圖。

如前述，本發明是採取一功率與空間有效方式以解決充電電子裝置的電池之技術問題。特別是，想要增加充電系統(特別是在充電系統的電池充電器內含的電源轉換器)的效能至95%或更高，以降低電子裝置中的功率消耗。

圖1顯示一實例充電系統(100)的方塊圖，其中充電系統(100)包括一壁式插座轉接器(110)、一充電纜線(120)(例如一USB電纜)與一電池充電器(130)。通常，電池充電器(130)結合在電子裝置，諸如一智慧型電話或一輸入板個人電腦(Tablet PC)，以充電電子裝置的電池(140)。轉接器(110)包括一AC/DC調節器(111)(特別是一電壓調節器)，其構成從交流(AC，Alternating Current)電源電壓(例如，來自例如110V(伏特)、220V(伏特)或240V(伏特)的AC市電電壓)產生直流(DC，Direct Current)轉換電壓(121))。DC轉換電壓(121)是經由充電纜線(120)提供給電池充電器(130)的電源轉換器(131)，其中電源轉換器(131)構成將轉換電壓(121)轉換成系統電壓(135)，其中系統電壓(135)通常符合用於充電電池(140)的電池電壓Vbat(141)加上在充電單元(133)(其可包括或可為一電流調節器)端的電壓降Vcdrop。一實施例中，轉接器(110)更可包括一電流調節器。

充電單元(133)(或電流調節器)可構成將在(通常變化)電池電壓(141)的預定電池電流提供給電池(140)供充電電池(140)。為了此目的，充電單元(133)可包括一電池開關及/或一電池調節器(例如一低壓降(LDO，Low-drop Out)電壓調節器)、以及用於感測電池電流的電流感測構件。利用一控制單元(134)可控制充電單元(133)。特別是，充電單元(133)可受控制，使得可提供根據一(預定)目標電池電流的電池電流。

此外，充電系統(100)包括通信構件，以允許電池充電器(130)能夠與轉接器(110)進行通信。特別是，通信構件允許電池充電器(130)能對轉接器(110)提供回饋資訊。此外，轉接器(110)可構成根據該回饋資訊以調適AC/DC調節器(111)的操作。該通信構件包括：一通信模組(132)，其在電池充電器(130)中；及一對應通信模組(112)，其在轉接器(110)中。回饋資訊可由電池充電器(130)的通信模組(132)透過充電纜線(120)(例如，透過充電纜線(120)的通信電線(122))傳輸至轉接器(110)的通信模組(112)。回饋資訊可 由電池充電器(130)的控制單元(134)提供。回饋資訊可指示或可符合電池電壓(141)，其是由充電單元(133)用於充電電池(140)。

利用電池充電器(130)與轉接器(110)間的雙向溝通，轉接器(110)可在初始協商期間通知電池充電器(130)其能力(例如，最大電壓及/或電流)。轉接器(110)還可發送從電池充電器(130)接收的指令確認或標示通信錯誤(例如，無效指令)。

如前述，本發明的目標是要增加(例如，最大化)電池充電器(130)的效能。為了此目的，轉換電壓(121)(其還稱為電池充電器(130)的輸入電壓)可設定為剛好是n倍的電池電壓Vbat(141)加上在充電單元(133)的電壓降Vcdrop，且可能加上在電源轉換器(131)中的某些電壓降Vpdrop。此可藉由根據需要的電池電壓Vbat(141)來調節在AC/DC調節器(111)輸出端的電壓達成。如圖1所示，從電池充電器(130)至轉接器(110)的通信可利用充電纜線(120)經由壁式插頭通信達成。特別是，電池電壓(141)及/或需要的轉換電壓(121)能夠以回饋資訊傳輸至轉接器(110)。AC/DC調節器(111)然後可操作，使得需要的轉換電壓(121)提供給電池充電器(130)的輸入。

電源轉換器(131)可包括一電容式電源轉換器。此外，電源轉換器(131)可構成能夠以功率有效方式提供整數降壓轉換比n，例如當利用一適當設計的電容式電源轉換器的情況。因此，在提供輸入電壓(121)至電源轉換器(131)後，其是想要電池電壓(141)(通常加上在電源轉換器(131)及/或充電單元(133)端的電壓降)的n倍，電源轉換器(131)可工作在具有最大轉換效能的最佳工作點。

應注意，電池充電器(130)與轉接器(110)間的通信不限於經由一充電纜線(120)(例如，經由USB電線)的通信。如圖2的充電系統(200)所示，可利用適當的無線通信模組(232、212)執行利用一壁式插座轉接器(110)的 無線通信(222)。實例無線通信方案是藍牙(Bluetooth)、無線區域網路、通用行動通訊系統(UMTS)、行動網路(LTE)等等。

此外，應注意，充電系統(200)可構成利用在轉接器(110)端的一無線電力傳輸器(211)與在電池充電器(130)端的一對應無線電力接收器(231)進行無線電力傳輸(221)。無線電力傳輸(221)通常利用電感器供電力傳輸。一電感式電力傳輸的實例是Qi標準。

應注意，對於n=1的情況，電源轉換器(131)可經旁路及/或移除，藉此進一步增加充電系統(100、200)的功率效能。

同樣地，一整合型電容轉換器可使用在電池充電器(130)中，以將輸入電壓(121)進行分壓。整合型電容轉換器可結合調節迴路一起使用，以將輸入電壓(121)動態控制在剛好n x(Vbat+Vcdrop)。或者(或此外)，電容轉換器可用來控制要提供給電池(140)的恆定電流。只要轉換器的轉換比Vin/Vout是整數比，電容轉換器可達成高效能。一典型實施可為2：1電容轉換器。電容轉換器中可不使用調節，藉此提供電容轉換器的最佳效能。

相較於基於電感器電源轉換器，一電容轉換器(131)的另一優點是電容器相對於電感器具有10-1000較高能量密度。因此，即使電容轉換器(131)的切換頻率是相對較低，使用在電容轉換器(131)中的能量儲存元件可為超小。

圖1和圖2所示的充電系統(100、200)利用轉接器(110)的AC/DC調節器(111)來調節在充電單元(133)輸入端的系統電壓(135)。為了此目的，指示電池電壓Vbat(141)的回饋資訊是利用通信構件提供給轉接器(110)。特別是，可提供電子裝置中的電池充電器(130)的積體電路(IC)與外部電源供應器(即是在轉接器(110)中)中的AC/DC調節器(111)的積體電路間的(閉迴路)通信。

藉由改變轉換電壓可在AC/DC調節器(111)提供「閉」迴路。應注意，一較高電壓還可觸發較高電流，此會導致增加在充電系統(100)的電流饋送組件的電壓降。因此，在電池充電器(130)輸入端的轉換電壓可增加至小於AC/DC調節器(111)。在構成恆定電流的情況，利用充電系統(100)提供此電流可視為一閉迴路。不過，在最大轉換電壓的情況，構成的電流可能無法始終提供給電池充電器(130)。

通信可經由充電纜線(120)達成，其中可使用各種技術，諸如VBUS信號、D+/D-信號、及/或透過充電纜線(120)的Type-C連接器之通信。或者(或此外)，在壁式插頭轉接器(110)中的充電器IC與調節器IC間的通信可利用無線連接實施。一典型應用是無線充電。使用電力傳輸器(即是，使用轉接器(110))的通信可經由負載調變及/或透過無線射頻(RF，Radio Frequency)鏈路(藍牙(Bluetooth)等等)實施，例如Rezence^TM無線充電標準的規範。

圖1和圖2所示的充電系統(100、200)在即使Vin/Vout轉換比=2,3,4...，仍允許高效能的功率轉換。因此，可增加轉換電壓(121)，藉此在電池充電器(130)中允許以高效能(例如95%)與低功率消耗(例如，減少50%)，利用相同電力纜線(120)(電線/連接器)來增加電力量傳輸。同樣地，充電系統(100、200)允許高電壓(HV，High Voltage)電池充電的電力效能。

如前述，在轉換比Vin/Vout=1的情況，電源轉換器(131)可從電池充電器(130)移除。因此，轉換電壓(121)直接提供給充電單元(133)，其可構成提供用於充電電池(140)的穩壓電池電流。在此情況，轉換電壓(121)是由轉接器(110)的AC/DC調節器(111)設定成電池電壓(141)加上跨充電單元(133)兩端的電壓降。因此，可進一步減小電池充電器(130)的功率消耗與空間需求。

圖3顯示用於充電電子裝置的電池(140)之一實例方法(300)的流程圖。電池(140)可包括一或多個電池單元，其可串聯及/或並聯配置。電池單元可例如利用LiIon技術實施。電子裝置可包括一可攜式電子裝置，諸如一智慧型電話或一輸入板個人電腦。方法(300)可利用一轉接器(110)與一電池充電器(130)實施，其中轉接器(110)與電池充電器(130)通常是彼此分離。

方法(300)包括：步驟(301)，其利用轉接器(110)從電源(例如，來自市電電源)取得轉換電壓(121)下的電力。轉換電壓(121)是一DC電壓，其中電源可提供AC電壓下的AC電力；方法(300)還包括：步驟(302)，其將轉換電壓(121)下的電力從轉接器(110)傳輸至電池充電器(130)(例如，使用一傳導充電纜線或使用無線電力傳輸技術)。

此外，方法(300)包括：步驟(303)，其利用電池電壓(141)下的電池電流來充電電子裝置的電池(140)，其中電池電流通常是利用電池充電器(130)從轉換電壓(121)下的電力取得。特別是，經調節的電池電流(例如，經調節至一恆定目標電池電流)可提供用於充電電池(140)。為了此目的，電池充電器(130)可包括一電流調節器(在本說明書稱為一充電單元(133))。

方法(300)還包括：步驟(304)，其將指示電池電壓(141)的回饋資訊從電池充電器(130)傳輸至轉接器(110)。然後轉接器(110)根據該回饋資訊來設定轉換電壓(121)。特別是，轉換電壓(121)可根據該回饋資訊進行調節。如實例所示，轉換電壓(121)可設定(例如經過調節)，使得需要在電池充電器(130)中執行以獲得電池電壓(141)的降壓轉換是等於或大於1的整數值n。特別是，可決定一目標降壓轉換比n與一實際降壓轉換比間的偏差。轉換電壓(121)可設定(例如經過調節)，使得減小偏差的大小(例如最小化)。因此，可增加充電電池的功率效能。

如圖3所示，在步驟(304)傳輸回饋資訊、與在步驟(301)基於該回饋資訊取得轉換電壓(121)下的電力之處理能夠以反覆方式來重複。特別是，可實施(連續)調節迴路。

圖4顯示一實例系統，其包括一電源轉接器(110)；一電池充電器(130)；及一電池(140)，其係待充電。在示意的實例中，電源轉接器(110)包括一AC/DC整流器(410)、與一DC/DC電源轉換器(411)(共同形成一AC/DC調節器(111))，其中DC/DC電源轉換器(411)構成設定(特別是調節)經由電力傳輸構件(120)提供的轉換電壓(121)及/或轉換電流。電力傳輸構件(120)可包括一USB電纜(特別是一USB Type-C電纜(例如，用於3A轉換電流))。此外，電源轉接器(110)可包括一或多個控制單元(412、413)，用於控制DC/DC電源轉換器(411)。

電池充電器(130)包括一DC/DC電源轉換器(131)(工作在降壓或降流轉換比n，例如n=2)。電池充電器(130)還包括一控制單元(134)，其可構成決定目標電池電流及/或目標電池電壓。此外，電池充電器(130)可包括一電流監視器(431)，其構成感測用於充電電池(140)的電池電流。此外，電池充電器(130)可包括一計量單元(432)，其構成感測有關電池(140)的SOC的資訊。此外，電池充電器(130)可包括一過電壓保護電路(433)。USB電纜(120)的UTP(例如D+及/或D-)連接埠可提供回饋資訊。

應注意，闡述與圖式只是示意說明所提出方法與系統的原理。熟諳此技者將能夠實施各種配置，雖然在本說明書沒有明確闡述或顯示，不過可具體實施本發明的原理且包括在本發明的精神與範疇內。此外，本發明中描述的所有實例與具體實施例主要僅明確用於解釋目的，以幫助熟諳此技者瞭解所提出方法與系統的原理。此外，本說明書提供本發明的原理、態樣、與具體實施例的所有闡述、以及其具體實例是涵蓋其相等專利。

Claims (14)

1. 一種用於電子裝置的電池(140)之充電系統(100、200)，其中該充電系統(100、200)包括：一轉接器(110)，其構成從電源取得轉換電壓(121)下的轉換電流；一電池充電器(130)，其構成利用在該轉換電壓(121)下的該轉換電流，使用電池電壓(141)下的電池電流來充電該電子裝置的電池(140)，該電池充電器(130)包含一電源轉換器(131)；一電力傳輸構件，其構成傳輸該轉換電壓(121)下的該轉換電流至該電池充電器(130)；及一通信構件，其構成傳輸回饋資訊，該回饋資訊持續地從該電池充電器(130)傳遞至該轉接器(110)，該回饋資訊指示該電池電壓(141)及/或該電池電流；其中該轉接器(110)構成根據該回饋資訊以設定該轉換電壓(121)及/或該轉換電流；其中該轉接器(110)包括一電壓調節器(111)，該電壓調節器(111)被配置為根據持續接收的該回饋資訊以調節該轉換電壓(121)的調節迴路，該電源轉換器(131)基於降壓轉換比n的降壓轉換，調節該電池電壓(141)至目標電池電壓，其中n為大於1的整數值。
2. 如請求項1所述之充電系統(100、200)，其中，-該轉接器(110)與該電池充電器(130)是以分離的實體單元實施，特別是在分離的積體電路中；及/或-該電池充電器(130)是當作一部分電子裝置實施。
3. 如請求項1所述之充電系統(100、200)，其中該轉接器包括一電流調節器，其構成根據該回饋資訊以調節該轉換電流，使得利用升流 轉換比n的升流轉換，其中n為等於或大於1的整數值，該電池充電器(130)可從該轉換電壓(121)取得用於充電電池(140)的電池電流。
4. 如請求項3所述之充電系統(100、200)，其中，該電流調節器配置為根據一目標電池電流導出該電池電壓(141)的一目標電池電壓，而該回饋資訊指示該目標電池電壓。
5. 如請求項1所述之充電系統(100、200)，其中，該電池充電器(130)包括一控制單元(134)，其構成決定用於充電電池(140)的一目標電池電流及/或一目標電池電壓；及該回饋資訊指示該目標電池電壓及/或目標電池電流。
6. 如前述請求項任一所述之充電系統(100、200)，其中該電源轉換器(131)包括一電容性電源轉換器。
7. 如請求項6所述之充電系統(100、200)，其中，該電源轉換器(131)顯現一轉換器電壓降；及該轉接器(110)構成還根據該轉換器電壓降以設定該轉換電壓(121)及/或該轉換電流。
8. 如請求項1所述之充電系統(100、200)，其中該電力傳輸構件包括：一充電纜線(120)，特別是一USB充電纜線；及/或一無線電力傳輸單元，其構成使用該轉換電壓(121)下的該轉換電流，以產生電磁充電場；及一無線電力接收單元，其構成從該電磁充電場取得該轉換電壓(121)下的電力。
9. 如請求項1所述之充電系統(100、200)，其中， 該電池充電器(130)包括一傳輸通信模組(132)，其構成透過通信通道以傳送該回饋資訊；及該轉接器(110)包括一接收器通信模組(112)，其構成透過該通信通道以接收該回饋資訊。
10. 如請求項9所述之充電系統(100、200)，其中該通信通道包括：一充電纜線(120)的電線，其用於將該轉換電壓(121)下的該轉換電流，從該轉接器(110)傳導至該電池充電器(130)及/或一無線電力傳輸單元；及/或一射頻鏈路，例如藍牙(Bluetooth)鏈路、WLAN鏈路、UMTS鏈路、及/或LTE鏈路。
11. 如請求項1所述之充電系統(100、200)，其中該轉接器構成：調節該轉換電壓，使得該轉換電流不會超過一預定最大轉換電流；或調節該轉換電流，使得該轉換電壓不會超過一預定最大轉換電壓。
12. 一種用於充電電子裝置的電池(140)之充電系統(100、200)的轉接器(110)，其中該轉接器(110)包括：一接收器通信模組(112)，其構成持續接收回饋資訊，該回饋資訊指示一電池充電器(130)用於充電電池(140)的一電池電壓(141)及/或一電池電流；一電壓調節器(111)，其構成根據該回饋資訊從電源取得轉換電壓(121)下的轉換電流，其中該電壓調節器(111)被配置為根據持續接收的該回饋資訊以調節該轉換電壓(121)的調節迴路，令一設於該電池充電器(130)內並基於降壓轉換比n進行降壓轉換的電源轉換器(131)，調節充電該電池(140)的該電池電壓(141)至目標電池電壓，其中n為大於1的整數值；及 一電力傳輸介面，用於透過電力傳輸構件(120)將該轉換電壓(121)下的該轉換電流提供給用於充電電池的該電池充電器(130)。
13. 一種用於充電電子裝置的電池(140)之電池充電器(130)，其中該電池充電器(130)包括：一電力接收介面，用於透過電力傳輸構件(120)接收轉換電壓(121)下的轉換電流；一控制單元(134)，其構成決定用於充電電池(140)的一目標電池電流、及/或一目標電池電壓；一電源轉換器(131)，其構成：利用降壓轉換比n執行該轉換電壓(121)的降壓轉換，以提供用於充電電池(140)的電池電壓，其中n為大於1的整數值；及一傳輸通信模組(132)，其構成透過通信通道以持續傳輸指示該電池電壓及/或該電池電流的回饋資訊。
14. 一種供使用轉接器(110)與電池充電器(130)以充電電子裝置的電池(140)之方法(300)，其中該轉接器(110)與該電池充電器(130)是彼此分離；該方法(300)包括下列步驟：在步驟(301)，使用該轉接器(110)從電源取得轉換電壓(121)下的轉換電流；在步驟(302)，將該轉換電壓(121)下的該轉換電流從該轉接器(110)傳輸至該電池充電器；在步驟(303)，利用電池電壓(141)下的電池電流來充電該電子裝置的電池(140)，其中該電池電流是利用該電池充電器(130)從該轉換 電壓(121)下的該轉換電流取得，該電池充電器(130)包含一電源轉換器(131)；及在步驟(304)，持續將指示該電池電壓(141)及/或該電池電流的回饋資訊從該電池充電器(130)傳輸至該轉接器(110)；其中該轉換電壓(121)及/或該轉換電流是由該轉接器(110)根據該回饋資訊進行設定；其中該轉接器(110)包含一電壓調節器(111)，該電壓調節器(111)被配置為根據持續接收的該回饋資訊以調節該轉換電壓(121)的調節迴路，該步驟(301)所取得的該轉換電流是由該電壓調節器(111)執行，該電源轉換器(131)基於降壓轉換比n的降壓轉換，調節充電該電池(140)的該電池電壓(141)至目標電池電壓，其中n為大於1的整數值。