電池充電器以及系統(tǒng)及其使用方法
【技術領域】
[0001]一般而言，本發(fā)明涉及電池或電芯充電裝置，特別地，本發(fā)明涉及一種電池充電器以及一種系統(tǒng)及使用所述系統(tǒng)為電池快速充電的方法。
【背景技術】
[0002]常用的電池充電方法是采用恒定電流充電，直到電池端電壓達到基準電壓，然后繼續(xù)充電，此時電池端電壓維持在一個恒定電壓上。先前技術如圖1和2所示，恒壓充電時，充電電流減少到一個最小值，此時充電結束。充電電流減少是由于電池內阻的存在。隨著電池內部電壓增加，電池內阻上的電壓因充電電流減小到一個預設值而不斷減小，隨后充電結束。因此，由于充電電流較低，恒壓模式充電會增加充電時間。因此，業(yè)界需要一種能減少電池充電時間的充電技術。

【發(fā)明內容】

[0003]獲得一個使用恒定電流使電池被完全充滿從而最小化電池充電時間的電池充電系統(tǒng)是有益的。而且，實現(xiàn)一種通過間接測量內部電池阻抗重點解決此問題的電子化解決方案是理想的。為了更好的解決這些問題，本文特公開一種快速可重復給電池充電的電池充電器和系統(tǒng)以及它們的使用方法。在所述電池充電器的一種實施例中，電力充電電源輸入端被配置為通過置于其與電池之間的輸出電路部分向可充電電池提供電力的充電能量。
[0004]傳輸函數(shù)電路部分被配置為感測可充電電池的電壓，而感測電壓的改變與可充電電池的內阻成正比?？刂七壿嬰娐凡糠直慌渲脼榭稍诤愣娏?、可變電壓運行模式，恒定電流、可縮放電壓運行模式以及可變電流、恒定電壓運行模式之間進行選擇，以向可充電電池供給快速的充電。在一個實施例中，控制邏輯電路部分被配置為在一個恒定電流、可變電壓運行模式和一個恒定電流、可縮放電壓運行模式之間進行選擇。本發(fā)明的各個方面將通過以下對實施例的闡述變得顯而易見。
【附圖說明】
[0005]為更全面地理解本發(fā)明特征和優(yōu)點，參見下文對本發(fā)明的詳細描述以及附圖，其中不同附圖中的標號與相應的部件對應，其中:
[0006]圖1是一種現(xiàn)有技術電池充電器的典型示意圖；
[0007]圖2是圖1所示現(xiàn)有技術電池充電器的電芯電壓(V)對抗時間(小時)的性能示意圖；
[0008]圖3是按照本文中提出的方法實現(xiàn)的一種電池充電器的示意框圖；
[0009]圖4是采用根據(jù)本文教示的電池充電器為可充電電池充電的方法的一個實施例的流程圖；
[0010]圖5A是圖3所示電池充電器的一個實施例的典型示意圖；
[0011]圖5B是圖5所示電池充電器的一個實施例的典型示意圖，其描述了電流回路電路的一個操作性實施例；
[0012]圖5C是圖5所示電池充電器的一個實施例的典型示意圖，其描述了電壓回路電路的一個操作性實施例；
[0013]圖6是圖3所示電池充電器的另外一個實施例的典型示意圖；
[0014]圖7是圖3所示電池充電器的進一步實施例的典型示意圖；
[0015]圖8是圖3所示電池充電器的更進一步實施例的典型示意圖；
[0016]圖9是圖3所示電池充電器的一個附加實施例的典型示意圖；
[0017]圖10到圖19是圖3所示的電池充電器的性能示意圖。
【具體實施方式】
[0018]雖然下文具體討論了本發(fā)明各種實施例的形成與使用，但應理解本發(fā)明提供了許多可應用的創(chuàng)造性概念，可在寬泛的特定背景下實施。在此處討論的具體實施例只是本發(fā)明形成和使用的特定方式的示例性說明，并不限定本發(fā)明的范圍。
[0019]現(xiàn)在參照圖3，其描述了一個用于增加可充電電池12的電量的電池充電器10。電力充電電源的輸入端14被配置為通過一個置于其與可充電電池之間的輸出電路部分向可充電電池12提供電力充電功率。正如將在下文中進一步詳細描述的那樣，輸出電路部分16含有與其相關的預定的基準電壓(VREF)。傳輸函數(shù)電路部分18被配置為感測可充電電池12的電壓(VB)，并將此電壓作為感測電壓(VSNS)，而感測電壓的變化(AVSNS)與可充電電池12的內阻直接成正比。
[0020]控制邏輯電路部分20包括第一和第二放大器電路部分，分別定義了電流回路電路22和電壓回路電路24以及一個比較器。所述控制邏輯電路部分被配置為可在恒定電流、可變電壓運行模式，恒定電流、可縮放電壓運行模式，以及可變電流、恒定電壓運行模式之間進行選擇。在恒定電流、可變電壓運行模式下，輸出電路部分16受驅動向可充電電池12提供恒定電流、可變電壓的電力充電功率，直到感測電壓(VSNS)等于預定的基準電壓(VREF)。應當理解，正如在下文將進一步詳細討論的那樣，恒壓、可變電流運行模式可被排除在外。
[0021]在恒定電流、可縮放電壓運行模式下，輸出電路部分16受驅動向所述可充電電池12提供恒定電流、可縮放電壓的電力充電功率，以響應感測電壓(VSNS)超出預定基準電壓(VREF)的情況。其中可縮放電壓隨感測電壓的變化(AVSNS)而縮放。最后，在可變電流、恒定電壓運行模式下，輸出電路部分16受驅動向可充電電池12提供可變電流、恒定電壓的電力充電功率，以響應所感測電壓超出比較電壓(VCOMP)的情況。
[0022]補償電路部分26位于控制邏輯電路部分和輸出電路部分之間，以在恒定電流、可縮放電壓運行模式下產(chǎn)生它們之間的感測電壓的變化。所述補償電路部分可以是一個初值設置為0Ω的可變電阻器。
[0023]參照圖4，在一種可操作的方法中，用電池充電器為可充電電池充電的方法包括，在方塊30中，向可充電電池提供一個恒定電流以按恒定電流模式開始一個充電周期,其中帶有一個已經(jīng)設置初始值(可以為O Ω)的可變電阻器。
[0024]在方塊32中，比較器比較感測電壓(VSNS)和基準電壓(VREF)，在方塊34，當感測電壓(VSNS)大于或等于基準電壓(VREF)時，流向可充電電池的恒定電流被截止。停止動作使得感測電壓(VSNS)與可充電電池的內阻成正比地下降。此停止動作是在充電周期開始后電流的第一個停止。在方塊36中，所述可變電阻器的值(RCOMP)在此停止后相對于感測電壓的變化(Λ VSNS)以可縮放的方式增加。在方塊38中，比較器比較比較電壓(VCOMP)和感測電壓(VSNS)。在方塊40中，當比較電壓(VCOMP)小于或等于感測電壓(VSNS)時，提供恒定電流給可充電電池，從而阻止可變電阻器的值(RCOMP)的增加。
[0025]在一個實施例中，通過比較器對感測電壓(VSNS)與基準電壓(VREF)的比較，此方法論繼續(xù)有效。所述感測電壓包括可變電阻器兩端的第二電壓降，并且此第二壓降與可充電電池的內阻抗成正比。在本實施例中，當感測電壓(VSNS)大于或等于基準電壓(VREF)時，所述方法最終切換到這個恒壓模式。
[0026]現(xiàn)在參照圖5Α至5C，其中在圖3中描述的電池充電器的一個實施例在此得到了更詳細的描述。在討論充電周期開始之前，將概括地討論電流回路電路22(例如圖5Β中的運行實施例)和電壓回路電路24(例如在圖5C中的運行實施例)。為了使電池12能完全地再充電，VSNS電壓應與VREF電壓相等(例如，1.8V)。如果電池12在充電周期開始的時候未完全充電，那么VSNS電壓小于VREF，并且放大器Al的輸出較高，引起M2截止。為了啟動流向電流回路電路22中的電流槽路(其在圖5Β中得到描述，其中電壓回路電路22為解釋方便而被移除)的電流，ISUM將通過RSUM將節(jié)點VSUM的電壓拉低，使得放大器A3接通晶體管M3和Ml。電流將增加，直到IA電流等于ISET。充電電流取決于放大器Al增加電流IA直到電阻器RA兩端電壓等于電阻器RS兩端電壓，以使如下方程成立:
[0027]方程{1}IS = (IA*RA)/RS
[0028]方程⑵IA = (IS*RS)/RA
[0029]根據(jù)方程{1}，如果ISET = 20 μ A , RA = IK Ω , RS = 0.01 Ω ,那么 IS =(20μ Α*1Κ Ω)/(0.01 Ω) = 2A。
[0030]關于電壓回路24(圖5C中描述，電流回路電路22為了解釋方便而被移除)，隨著電池電壓達到期望的終止電壓(VREF)，而且VSNS節(jié)點的電壓等于或稍大于VREF時，放大器A2將迫使VSUM節(jié)點電壓稍微高于VREF電壓，從而促使放大器A3引起晶體管Ml減少流向電池12的電流。放大器A2將在VB模式下保持電壓等于期望的電池最終電壓，同時由晶體管Ml提供給電池的電流將繼續(xù)減小。盡管電壓在VB處是常數(shù)，電池(VBATT)繼續(xù)增加，同時充電電流減少，IS*RBATT電壓下降，產(chǎn)生圖1所示的一個恒壓輪廓線，除非應用了本文中提出的方法，即電池阻抗(RBATT)由電阻器RCOMP補償以使電池在恒定電流模式充電直到內部電芯電壓達到期望的最終電壓，從而顯著地減少電壓模式所需時間，甚或完全消除。
[0031]回到對充電周期開始的討論，開關設置為SI打開，SlZ關閉和S2打開，SlZ作為SI的補充，如此使得當SI關閉時，SlZ打開。充電周期啟動時，所述恒定電流模式下，RCOMP設定為O Ω并保持該模式直到VSNS電壓等于VREF。繼續(xù)充電周期的啟動，Rl和R2設置如下:
[0032]方程{3}VSNS = (VB*R2)/(R1+R2)
[0033]當VSNS稍微大于VREF時，比較器COMP通知控制邏輯關閉開關SI并打開開關S1Z，據(jù)此開始增加RC0MP。結果，隨著晶體管Ml和M2關閉以及由于沒有充電電流，RBATT上的電壓引起VB減少?，F(xiàn)在，ISET來自VREF并流經(jīng)RCOMP，引起RCOMP上的電壓降，ISET —直增加到VCOMP等于或小于VSNS電壓，致使比較器COMP的輸出走高。此控制邏輯隨后引起RCOMP停止增加，從而開關SI打開，S2關閉。電池充電器10隨后返回到一個恒定電流操作模式，電池繼續(xù)得到充電，直到VSNS等于或稍微大于VC0MP，其引起比較器COMP的輸出走高。結果，此控制邏輯關閉開關S2，從而將電池充電器10置于恒壓模式。
[0034]導出RCOMP值的傳輸函數(shù)為K = R2/(R1+R2)，其時充電器處于電流模式且RCOMP=O Ω。
[0035]方程{4}VB = (IS*RBATT)+VBATT
[0036]當電壓VB接近期望的電池電壓時，VSNS處的電壓為:
[0037]方程{5}VSNS = K*VB
[0038]方程{6}VSNS = K(IS*RBATT+VBATT)
[0039]現(xiàn)在，如果IS = 0，則根據(jù)方程{4}:
[0040]方程{7} VSNS = K*VBATT，所以VSNS的差值為等式{7}減去等式{6}或
[0041]Δ VSNS = K*VBATT-K(IS*RBA