专利名称：恒流电池充电器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种给蓄电池充电的恒流电池充电器。
背景技术：
蓄电池或者可再充电电池已经广泛地应用在电动工具、便携式电话以及许多其它便携电子设备中。为了给例如镍-镉电池和镍-氢电池的电池充电，已经提出给这些电池提供相对均匀电流的恒流电池充电器。通常地，恒定充电重复执行如下循环监控提供给电池的充电电流、比较监控充电电流和目标电流，并且以均匀的充电率改变充电电流以调节该电流与目标电流相匹配。因此，当对几乎放完电的电池充电时，不得不重复大量的上述循环直到充电电流接近目标电流。
在充电电流接近目标电流后，为了避免充电电流不期望的过量充电或者充电不足选择相对低的充电速率。因此，当在充电电流与目标电流间存在相当大的差别时上述恒定充电方案原则上很难实现向着目标电流快速增加充电电流。
日本专利公开No.8-336236可以认为是给出依靠恒压充电而不是恒流充电的解决办法来进行快速充电，然而充电电流决非目标电流。然而，在恒压充电期间，由于充电电流可以很大程度上偏离目标电流，所以只要进行恒压充电就存在不能期望快速地达到目标电流的问题，其最终延长了达到目标电流的时间。
发明内容
鉴于上述不足，本发明已经完成提供一种恒流电池充电器，其能快速地增加充电电流到目标电流来确保成功地快速充电。
依照本发明的电池充电器包括电源，被配置以给蓄电池提供充电电流；电流监控器，被配置以监控提供给电池的充电电流并且给出表示充电电流的电流信号。为了根据来自电流监控器的电流信号改变充电电流，包括控制器以控制电源。控制器计算预定目标电流和被监控的充电电流之间的电流差值，并且产生当电流差值在预定范围外时以第一充电速率改变充电电流、以及当电流差值在预定范围内时以第二充电速率改变充电电流的指令。控制器规律地或者改变间隔地重复产生所述指令以改变充电电流。为了进行快速充电，设定第一充电速率高于第二充电速率直到它接近目标电流。由于瞬间充电电流和目标电流之间的电流差值依赖于转换第一和第二充电速率之间的充电速率，以真实地表示电池状态的精确定时进行该转换，这确保了快速地充电，也能确保成功地完成充电。事实上，由于充电速率的转换取决于电流差值，例如，当电池电压取决于该转换时，充电能不受从高速率充电到低速率充电的过渡引起的不确定特性变化的影响。
优选地，设置该指令以通过每次产生指令时的恒定步长(step)改变充电电流。在这一点上，设置控制器以改变间隔，当电流差值在预定范围时的该间隔比当它在预定范围外时的长。因此，通过改变间隔使得第二充电速率小于第一充电速率。
可选择地，可以设置控制器以规律的间隔重复地产生指令，同时设置该指令，以通过改变步长改变充电电流，当充电电流在预定范围内时该改变步长小于它在预定范围之外的。
电压监控器可以包括在充电器中以检测出现在蓄电池两端的电池电压。设置控制器以根据检测的电池电压改变目标电流，同时电流差值在预定范围内。因此，为了继续成功地恒定电流充电可以适当地考虑电池电压来改变目标电流用于实现成功充电，同时不管电池电压确保从几乎完全放电的状态进行快速充电。
进一步，在充电器中可以包括检测蓄电池温度的温度监控器。在这种情况中，设置控制器以根据检测的温度改变目标电流，同时电流差值在预定范围内，也就是，在充电电流接近目标电流之后。因此，为了继续成功地恒定电流充电，可以以电池温度的适当反射比改变目标电流，同时不管电池温度确保在几乎完全放电的情况下进行快速充电。
当在充电器中包括电压监控器以及温度监控器和电流监控器时，控制器优选给出，正在被监控的瞬间电池电压和之前刚刚监控的在前电池电压之间的电压差值，同时电流差值在预定范围之内，以及在瞬间的电池温度和之前刚刚监控的前面的电池温度之间的温度差值。在这一点上，当电压差值大于预定参考电压时或者当温度差值大于预定参考温度时，控制器产生以第一充电速率改变充电电流的指令，否则保持第二充电速率。因此，当电池温度或者电池电压超过预定参考电压或者温度时，控制器确认在监控的参数中存在严重的错误并且对迅速地恢复电池电压和电池温度响应以纠正参数，并且依赖正确的参数用于改变目标电流。
优选地，设置控制器以当充电电流超过上限时抑制电源提供充电电流，同时以第一充电速率改变充电电流。因此，充电器和蓄电池能免受可能损坏充电器和电池的过度的大电流。
为更加安全的操作，充电器可以包括断路器，该断路器在用于与外部电力源相连的前端连接到电源。当充电电压超过上限时通过控制器启动断路器以断开电源和电力源，同时以第一充电速率改变充电电流。
当结合附图从下面对实施例的具体描述中，本发明这些和其它有益的特征将变得更加显而易见。
图1是依照本发明优选实施例的电池充电器的电路图。
图2是描述引起其中充电电流增加的电池充电器的运行的图。
图3A和3B描述了充电速率在图2的运行中如何变化。
图4和图5描述了引起其中充电电流减少的电池充电器的运行；以及图6描述了改变充电速率的另一个方案。
具体实施例方式
现在参考图1，示出根据本发明的优选实施例的电池充电器。电池充电器包括电源30，配置该电源30以从AC电力源10接收AC电压并将其转换成用于提供充电电流的DC电压用于给蓄电池20再充电。电源30包括整流器31，以二极管电桥的形式提供整流DC电压，随后通过跨接于整流器31的输出端的电容器32平滑该电压。还包括在电源30中的是具有跨接在整流器31输出端的初级绕组41和跨接在蓄电池20的两端的次级绕组42的变压器40。开关元件50，例如，FET和跨接在整流器31输出端的初级绕组41串联连接，以便周期性地以高频中断平滑DC电压以感应次级绕组42两端相应的AC电压。感应电压被二极管33整流并被电容器34平滑以提供DC充电电流给蓄电池20充电。DC隔直流电容器35连接在整流器31的低电压侧输出端和次级绕组42的一个末端之间以隔离初级绕组41和次级绕组42。电流监控电阻器36和电容器34串联连接以给出表示提供给蓄电池20的充电电流的相应电压。此外，由电阻器37和38组成的分压器连接在电容器34的两端以提供施加到蓄电池20的电池电压。还包括在电源30中的是以电磁继电器形式的断路器60，用于当检测到施加给蓄电池20的过量充电电流时使电源30与电力源10断开，这将随后进行讨论。而且，充电器包括设置毗邻于蓄电池20以给出其电池温度的温度监控器70。
电池充电器包括控制器100，该控制器控制电源30以基本上根据被监控的充电电流控制充电电流。还考虑电池电压和电池温度以改变从电源30提供的充电电流，这将在后面进行讨论。控制器100包括电流监控器101、目标电流供应器102、电流鉴别器103以及指令发生器104，它们在微处理器中实现。电流监控器101连接到电阻器36以给出表示提供给蓄电池20的瞬间充电电流的信号。连接目标电流供应器102以分别从电压监控器106和温度监控器108接收电池电压和电池温度，并且配置目标电流供应器102以提供根据电池电压和电池温度变化或者改变的目标电流。目标电流和瞬间充电电流输入到能计算其间的电流差值的电流微分器103。配置指令发生器104以产生根据电流差值在预定范围外或者范围内以不同速率增加或者减少充电电流的指令，以便如图2所示在初始周期(PINT)期间以高充电率从电池几乎完全放电的状态快速地对蓄电池20充电，并且在其后以低或者中等的充电速率保持连续地充电。
在讨论运行之前，注意到来自指令发生器104的指令以变化的间隔例如，在2毫秒(msec)和10毫秒(msec)之间，周期地输入给开关元件50的驱动器52，由此调节每次指令产生时的充电电流，以便通过重复地施加驱动开关元件50的指令来接近与目标电流匹配的瞬间充电电流。开关元件50的占空比与从电源30提供的充电电流成正比例。例如，分别地提供占空比为10％、20％、30％、40％和50％的1A、2A、3A、4A和5A的充电电流。
现在参考图2讨论充电器的运行，其中控制充电电流以从0以下增加到由目标电流供应器102决定的4A的目标电流。在这种情况下，高充电速率和低充电速率分别设置为0.1％/2msec(50％/sec)和0.1％10msec(10％/sec)，且预定范围设置为±0.5A。首先，当从电流监控器101看到零电流时，电流鉴别器103输出远远超过±0.5A范围的4A的电流差值。因此，如图3A示意性地示出的，指令发生器104发出以2msec的固定间隔以0.1％/2msec(50％/sec)的高充电速率增加充电电流的指令。这持续到恒定充电电流增加到3.5A，也就是，电流差值正好在±0.5A的范围内。在电流刚达到3.5A之后，通过在周期PINT内以每2msec的高充电速率重复增加充电电流，指令发生器104响应以将充电速率从0.1％/2msec(50％/sec)的高充电速率转换到0.1％/10msec(10％/sec)的低充电速率用于适度地增加或者改变充电电流。在本实施例中，通过将采样间隔从2msec转换到10msec来实现至低充电速率的转换，同时保持将占空比增长0.1％的步长，如图3B所示，由此得到0.1％/10msec(10％/sec)的低充电速率。因此，使得充电电流适度地变化直到充电电流达到目标电流，也就是，没有引起充电电流的过量充电或者充电不足。其后，以低充电速率或者甚至更低的充电速率通过连续地改变瞬间充电电流进行控制，以保持充电电流在目标电流。
控制器100监控电池温度、电池电压以及从充电开始经过的充电时间，以便于如果满足如下关系之一则确定蓄电池20是完全充电并且停止对电池充电。
1)每单位时间(ΔT/Δt)电池的温度变化超过预定值；2)每单位时间(-ΔT/Δt)电池的压降超过预定值；以及3)充电时间超过预定时间。
当继续充电时，当蓄电池20认定电池不活跃时，电池电压增加超过正常值，其需要通过相应地降低充电电流使电池电压降低。同样，当电池温度低于正常温度时，由于电池化学活性中所期望的延迟需要降低充电电流。在任一种情形中，控制器100响应以限定目标电流到补偿电池条件的固定值。
图4和图5示出当看到电池电压超过阈值电压VTH时目标电流从4A的正常值限制到2A的较低固定值。当电池电压超过阈值电压VTH时，目标电流供应器102响应以限制目标电流，例如，从4A到2A的较低固定值，如图4中所示。当这发生时，电流鉴别器103提供超过预定范围±0.5A的电流差值2A，使得指令发生器104产生以0.1％/2msec(50％/sec)的高速率降低瞬间充电电流的指令，直到瞬间充电电流降低到2.5A以下。其后，以0.1％/10msec(10％/sec)低充电速率适度地将充电电流降低到目标电流2A，并以低速率或者更低的速率通过连续地变化充电电流保持瞬间充电电流在较低固定值的目标电流，指令发生器104将充电速率从高充电速率转化为低充电速率。
一旦电池电压达到阈值电压VTH之后，目标电流固定为2A的较低固定值，并且为了改变目标电流回到4A不再参考电池电压。注意在这方面，当充电电流以高速率变化时，也就是，电流差值超过±0.5A的预定范围，因为由于充电电流从强电流到弱电流的高速变化导致电池电压可能出现如图5的左边圆圈所示的突变，所以电压监控器106的输出忽略限制目标电流。
同样，当发现电池温度比预定较低温度界限还低时，或者比较高温度上限还高时，目标电流供应器102也响应以限制目标电流从4A的恒定充电电流降低到2A的固定值，以和参见图4类似的方式论述。也注意到在这一点上，在以高速率改变充电电流的过渡期间，为排除在过渡周期内出现的电池温度的可能波动，没有参考来自温度监控器108的电池温度，由此转换与检测到的电池温度可靠一致的目标电流。而且，一旦将目标电流限制在较低固定值之后，不再参考电池温度用于改变目标电流返回到4A。
直到目标电流限制在降低的固定值并且同时以低充电速率保持充电，以一(1)秒的规律间隔监控电池电压和电池温度，例如，其比产生改变充电电流的指令的间隔大很多。为了获得电池电压和电池温度的可靠数据，控制器100重复以完成有效的程序，使得在准确的定时以数据的适当反射率限定目标电流。用于电池电压的有效程序包括步骤1)获得瞬间电池电压和紧接着之前监控的前一电池电压之间的电压差，2)为了在得到的电池电压中产生快速变化，如果电压差值大于预定参考电压，例如，0.1V，临时地将充电电流从低充电速率转换到高充电速率，以及3)当电压差值在参考电压范围内时，指定瞬间电池电压作为真实的电池电压，并且依赖于由此指定的电池电压用于限定目标电流。
同样地，用于电池温度的有效程序包括以下步骤1)获得瞬间电池电压和紧接着之前监控的前一电池电压之间的电压差，
2)为了在得到的电池温度中产生快速变化，如果温度差值大于预定参考温度，例如，3℃，临时地将充电电流从低速率转换到高速率，以及3)当温度差值在参考温度内时，指定瞬间电池温度作为真实的电池温度，并且依赖于由此指定的电池温度用于限定目标电流。
当电池电压和/或者电池温度由于外部噪音或者其他任何原因出现相当大的波动，控制器100认为这些参数不可靠且临时地迫使进行高速率充电而不是低速率充电，由此脉动电池电压和电池温度以获得可靠数据。由于进行上述有效程序同时保持充电电流接近目标电流，也就是，电流差值在±0.5A的预定范围内，通过临时地从低速率充电转换到高速率充电，期望在电池电压和电池温度中的稳定变化，得到用于改变目标电流的可靠数据。
当在限制目标电流之前或者之后继续低速率充电时，为保护蓄电池20不变地监控电池温度。当电池温度超过最高温度或者低于最低温度时，控制器100进入备用状态，其中指令发生器104发出使开关元件50不动作来停止电源30运行的无效指令。这一直持续到预定时间过去或者电池温度设置在最高温度和最低温度之间。如果预定时间过去，控制器100响应以打开继电器60从而断开电源30与外部电力源10，由此关闭充电器。当电池温度在预定时间回到最高和最低温度之间的正常范围内时，控制器100响应以从备用状态返回正常充电状态，继续低速率充电用于接近或者保持充电电流到并且在目标电流。在这种情况中，根据监控的电池电压可以改变目标电流。
在充电电流过度地增加的情况下，设置控制器100以保护蓄电池20和电源30。为了这个目的，响应于充电电流超过预定上限，指令发生器104发出停止指令，该指令使开关元件50不动作以停止电源30的运行，且同时打开继电器60来以断开电源30和外部电力源30。
在上面的实施例中，通过改变产生指令的间隔实现充电速率的转换，同时保持每次发出指令时改变充电电流的恒定步长。可以选择地，固定间隔，同时改变每次产生指令时的步长是同样可能的。通过改变用于驱动开关元件50的占空比或者频率可以改变步长。在该改变中，将改变充电电流的步长设置成当电流差值在预定范围内时小于在预定范围外时。如图6所示，用固定的脉冲周期(T)调整开关元件的接通周期(on-period)(W1，W2)用于改变占空比，或者用固定的接通周期调整脉冲周期(T)。
上述实施例中公开的值或者阈值仅仅是示意性的目的，并且因此不能解释为是对本发明的范围的限制。
权利要求
1.一种给蓄电池充电的电池充电器，所述充电器包括电源(30)，被配置以给所述蓄电池提供充电电流；控制器(100)，包括电流监控器(101)，其被配置以监控提供给所述电池的充电电流并给出表示充电电流的电流信号；配置所述充电器以控制所述电源用来根据来自所述电流监控器的所述电流信号改变充电电流；所述控制器计算预定目标电流和被监控的充电电流之间的电流差值；所述控制器产生一指令，所述指令当所述电流差值在预定范围外时以第一充电速率改变充电电流，以及当电流差值在所述预定范围内时以第二充电速率改变充电电流，设置第一充电速率大于第二充电速率，所述控制器以规律的间隔或者变化的间隔重复产生所述指令用于改变充电它流。
2.根据权利要求1所述的电池充电器，其中当每次产生指令时，所述指令以恒定的步长改变充电电流，配置所述控制器以改变间隔，当所述电流差值在所述预定范围内时该间隔比当它在所述预定范围之外时长。
3.根据权利要求1所述的电池充电器，其中配置所述控制器以规律的间隔重复地产生所述指令，所述指令以变化的步长改变充电电流，当所述电流差值在所述预定范围内时该变化的步长比当它在所述预定范围之外时短。
4.根据权利要求1所述的电池充电器，还包括电压监控器(106)，被配置以检测在所述蓄电池两端产生的电池电压，配置所述控制器以根据检测的所述电池的电池电压改变所述目标电流，同时所述电流差值在所述预定范围内。
5.根据权利要求1所述的电池充电器，还包括温度监控器(108)，被配置以检测所述蓄电池的温度，配置所述控制器以根据检测的所述电池的检测温度改变所述目标电流，同时所述电流差值在所述预定范围内。
6.根据权利要求1所述的电池充电器，还包括电压监控器(106)，被配置以检测设置在所述蓄电池两端的电池电压，温度监控器(108)，被配置以检测所述蓄电池的电池温度，配置所述控制器以根据检测的电池电压和电池温度改变所述目标电流，同时电流差值在所述预定范围内，配置所述控制器，以当所述电流差值在所述预定范围内时，给出正在被监控的瞬间电池电压和之前刚刚被监控的在前电池电压之间的电压差值，配置所述控制器，以当所述电流差值在所述预定范围内时，给出正在被监控的瞬间电池温度和之前刚刚被监控的在前电池温度之间的温度差值，配置所述指令，以当所述电压差值大于预定参考电压或者当所述温度差值大于预定参考温度时以所述第一充电速率改变充电电流，否则以所述第二充电速率改变充电电流。
7.根据权利要求6所述的电池充电器，其中配置所述控制器来以比产生指令的所述间隔大的间隔给出电压差值和温度差值。
8.根据权利要求1所述的电池充电器，其中配置所述控制器以当所述充电电流大于上限时抑制所述电源提供所述充电电流，同时以所述第一充电速率改变充电电流。
9.根据权利要求8所述的电池充电器，还包括断路器，在用于与外部电力源(10)相连的前端连接到所述电源，当所述充电电流超过上限时，所述控制器触发所述断路器以断开所述电源和所述电力源，同时以所述第一充电速率改变充电电流。
全文摘要
一种恒定电流电池充电器包括给蓄电池提供充电电流的电源，和监控提供给电池的充电电流的电流监控器。包括控制器，用于根据监控的充电电流而改变充电电流。控制器计算预定目标电流和瞬间充电电流的电流差值，并产生一当电流差值在预定范围外时以第一充电速率改变充电电流，当电流差值在预定范围内时以第二充电速率改变充电电流的指令。控制器以固定间隔或者变化间隔重复产生用于改变充电电流的指令。为了进行快速充电设置第一充电速率高于第二充电速率，直到它接近目标电流。由于瞬间充电电流和目标电流之间的电流差依赖于第一和第二充电率之间的切换充电率，所以以实际代表电池条件的真实定时进行切换，其能快速充电，也能确保成功地完成充电。
文档编号H02J7/10GK1770588SQ20051012910
公开日2006年5月10日 申请日期2005年9月30日 优先权日2004年9月30日
发明者久保田笃优, 三轮达哉, 池田昌树, 清水直树 申请人:松下电工株式会社