具有多个电池的电路布置的制作方法

专利名称：具有多个电池的电路布置的制作方法
具有多个电池的电路布置
背景技术：
可将被引导到可再充电电池的功率计算为充电电压和充电电流的乘积(S卩，P = IV)。因此，特定水平的充电功率可通过如下方式来获得以相对低的充电电压水平引导高 的充电电流水平，或以相对高的电压水平引导较低的电流水平。一般来讲，为了对可再充电电池“快速充电”，向可再充电电池上施加高水平的电 流。与输出相对较低水平电流的充电器相比，使用高充电电流对可再充电电池充电需要能 够处理高充电电流的相对大且相对昂贵的组件，例如半导体、电感器、电容器等。对于电池 来讲，处理大充电电流所需的保护电路例如熔断器、聚合物热熔断路(PTC)熔断器和/或电 子保护板均较昂贵，因此常常难以实施。此外，使用高充电电流对电池进行充电还要求充电 器和电池之间的接口具有大规格的实体尺寸以防止导体的熔融和其它变形。这继而使得接 口体积较大因此不太适合于便携式装置。作为另外一种选择，电池的快速充电可通过以较低水平的充电电流向电池施加高 水平的充电电压来实现。然而，在那些情况下，所述较高电压必须经过降压(例如，通过 使用逐步降压DC/DC转换器诸如降压转换器来降低)，从而导致效率损耗(通常为5%至 20% )、静态消耗、高成本、和用以容纳逐步降压转换器的增加的外形体积。发明概述在一个方面，本发明公开了一种电路布置。该电路布置包括各具有至少一个可再 充电电化学电池单元的多个可再充电电池和载流构件，所述构件连接所述多个电池，使得 当所述多个电池在充电时所述多个电池处于串联电路布置，以及当所述多个电池在放电时 所述多个电池处于并联电路布置。实施方案可包括下列中的一个或多个。所述多个电池可被配置成当被充电时在15分钟或更短的时间内获得所述多个电 池的充电容量的大约90%的充电水平。载流构件可包括至少一个二极管，所述二极管串联连接在一对所述多个电池之 间，使得当所述多个电池被充电时所述至少一个二极管导致充电电流在穿过所述多个电池 的电通路中流动，使得所述多个电池处于串联电路布置。所述至少一个二极管可连接在所 述多个电池中的一个电池的阳极和所述多个电池中的随后一个电池的阴极之间。该电路布置还可包括电端子以将功率引导到负载。电端子可在各自的电通路中电 耦接到所述多个电池，所述电通路从电端子通向所述多个电池中的每一个但它们不穿过所 述多个电池中的另一个。电端子可直接连接到所述多个电池中的一个或多个，使得从端子 通向所述多个电池中的所述一个或多个的对应的电通路不含任一载流构件。所述多个电池 中的至少一个可被配置成当所述多个电池中的一个或多个向负载提供功率时，向所述多个 电池中的所述一个或多个提供功率。在另一方面，本发明公开了一种电池。该电池包括多个可再充电电化学电池单元 和载流构件，所述载流构件连接所述多个电化学电池单元，使得当所述多个电化学电池单 元被充电时所述多个电化学电池单元处于串联电路布置，以及当所述多个电化学电池单元
4被放电时所述多个电化学电池单元处于并联电路布置。该电池的实施方案可包括对应于如上文关于该电路布置所述的任一部件的任何 部件。在另一方面，本发明公开了一种用以对多个可再充电电池进行充电的充电器装 置。该装置包括用以提供输出功率的功率转换模块和控制器，所述控制器被配置成确定对 应于特定充电速率的电流水平(所述电流水平基于所述多个可再充电电池的充电容量来 确定)，并且使输出功率以大体上等于所确定的电流水平的充电电流被引导到所述多个可 再充电电池。实施方案可包括下列中的一个或多个。控制器还可被配置成确定要在布置处保持的交变电压，所述布置包括所述多个可 再充电电池和载流构件。一旦达到了交变电压水平，载流构件就将所述多个可再充电电池 以串联电路布置耦接。为了确定交变电压，控制器可被配置成计算所述多个可再充电电池 的各自的最大电压和载流构件处的电压的总和，所述构件将所述多个可再充电电池以串联 电路布置耦接。被配置成确定电流水平的控制器可被配置成确定对应于快速充电充电速率的电 流水平，所述电流水平在被施加到所述多个可再充电电池上时将导致所述多个可再充电电 池在十五分钟或更短的时间内获得所述多个可再充电电池的充电容量的至少90%的充电 水平。控制器还被配置成导致被引导到所述多个可再充电电池的输出功率在经过了指 定充电时间段之后终止。在又一方面，本发明公开了一种电路布置。该电路布置包括各具有至少一个可再 充电电化学电池单元的多个可再充电电池、多个双向载流构件和多个单向载流构件，所述 多个双向载流构件中的第一个将所述多个电池中的一个电池的第一端子连接到所述多个 电池中的随后一个电池的类似端子，所述多个单向载流构件中的第一个单向载流构件将所 述多个电池中的特定一个电池的第一端子连接到所述多个电池中的相邻一个电池的相对 端子。实施方案可包括下列中的一个或多个。在充电期间，所述多个电池可处于有效的串联布置。在放电期间，所述多个电池可处于有效的并联电路布置。所述多个电池可被配置成(当被充电时)在15分钟或更短的时间内获得所述多 个电池的充电容量的大约90%的充电水平。所述多个双向载流构件可包括至少一个电阻器。所述多个单向载流构件可包括至
少一个二极管。该电路布置还可包括电端子以将功率引导到负载。电端子可在各自的电通路中电 耦接到所述多个电池，所述电通路从电端子通向所述多个电池中的每个，它们不穿过所述 多个电池中的另一个。本文所述的布置、电池和充电器装置的一个优点是载流构件以如下配置连接当 所述布置从一种运行模式(例如，被充电)切换至另一种运行模式(例如，向负载提供功 率)时，所述配置无需更改。因此，这些布置不需要切换机构，诸如用以启动晶体管的控制器、用以重新配置电路通道的手动开关等。本文所述的布置的另一个优点是，以特定充电速率(例如，12C)对串联布置的多 个电池(或电化学电池单元)进行快速充电所需的充电电流低于使用相同的特定充电速率 来对单个电池进行充电所需的充电电流水平，所述单个电池的能量容量等于所述多个电池 布置的合计能量容量。因此，用以充电串联组合的所述多个可再充电电池的充电操作对于 相同的充电电流来讲变得较快速，或者对于相同的充电时间可使用与对于单个电池所需的 电流相比较低的电流，所述单个电池的能量容量等于所述布置中的所述多个电池的合计容 量。此外，在多个电池的布置中，电池的充电器和保护电路的具体实施所需的硬件廉价于且 复杂程度小于单个电池的情况，所述单个电池的能量容量等于所述多个电池的合计容量。本发明一个或多个实施方案的细节阐述于附图和以下说明中。通过阅读说明书、 附图以及权利要求书，本发明的其它特征、目的和优点将变得显而易见。附图概述

图1为具有多个电池的电路布置的一个示例性实施方案的电路图。图2为用以充电图1的电路布置的充电器的一个示例性实施方案的方框图。图3为图2的充电器装置的电路示意图。图4为用以使用图2的充电器来执行充电操作的规程的一个示例性实施方案的流 程图。发明详述本发明公开了可再充电电池(或电化学电池单元)的一种布置，所述电池或电池 单元在再充电操作期间连接成串联电配置，并且在放电期间(当电池连接到负载时)连接 成并联配置。为了实施此类型的双模式电池布置，使用单向载流构件(例如，二极管)和双 向载流构件(例如，电阻器)来连接电池。本文所述的串联/并联电池布置适于使用中等 充电电流来进行超快充电操作。参见图1，显示了具有多个电池12&至(的电池布置10的一个示例性实施方案，所 述电池各包括一个或多个可再充电电化学电池单元。尽管图1描绘的是一个其中布置10 包括三个(3)电池的实施方案，但可将任何数目的电池(例如，三个以上的电池)包括在所 述布置中，并且可以类似于本文所述的三电池布置的连接方式的方式将它们彼此连接。电 池123至(3可为圆柱电池、棱柱电池、纽扣电池等等。可将所描绘的布置实施在包括多个可 再充电电化学电池单元的单电池内部。因此，虽然本文所提供的说明书是针对各包括电化 学电池单元的电池的布置而言的，但该说明书也可适用于单电池中的多个电化学电池单元 的布置。电池12a至c包括锂离子电池单元，所述电池单元具有石墨阳极材料或钛酸锂阳 极材料、以及磷酸铁锂阴极材料，所述材料适于使基于此类材料的可再充电电池能够快速 充电。当由合适的充电器再充电时，如此构造的电池12&至(被配置成在十五(15)分钟或 更短的时间内获得该电池(或电池单元)的充电容量的至少90%的充电水平。在本文所述 的实施方案中，电化学电池单元可为一次电池单元或二次电池单元。一次电化学电池单元 意味着仅放电例如至耗尽一次，然后被废弃。一次电池单元不打算再充电。一次电池单元描 述于例如 David Linden 的 Handbook ofBatteries (McGraw-Hill，第 2 版，1995)中。另一 方面，二次电化学电池单元，在下文中也称为可再充电电池单元或电池，可充电许多次，例如五十次，一百次等等。二次电池单元描述在例如Falk & Salkind的“Alkaline Storage Batteries” (John Wiley & Sons, Inc. 1969)；美国专利 345，124 ；和法国专利 164,681 中， 这些专利均以引用方式并入本文。又如图1所示，电池12a至c通过载流构件彼此电耦接，对于图1所描绘的三电池 实施方案，所述构件包括电阻器14a至d和二极管16a至b。尽管二极管16a至b可使电流 仅在一个方向上流动(例如单向，即当将正向偏压施加到二极管上时)，但电阻器允许电流 在任一方向上流动。载流构件14a至d和16a至b被布置成某种配置，所述配置一般是不 可更改的，使得当充电器(例如，图2所示的充电器40)将充电电流施加到布置10上时电 池12a至(被以串联电路布置耦接，以及当电池12a至(被放电以向负载30 (例如，可用电 池操作的装置诸如移动电话、个人数字助理、手电筒等)提供功率电流时电池12a至(被以 串联电路布置耦接。具体地讲，第一二极管16a将电池12a的阳极耦接到电池12b的阴极，并且第二二 极管16b将电池12b的阳极耦接到电池12c的阴极。电阻器14a至b将电池的各自的阴极 彼此耦接，并且电阻器14c至d电耦接电池的各自的阳极。电阻器14a至d具有足够高的 相关电阻值，以便当充电器40在充电端子20a和20b处施加电压时，由充电器40递送的对 应的充电电流将主要流过由电池12a、二极管16a、电池12b、二极管16b和电池12c所限定 的串联电通路(充电电流所遵循的通路使用箭头18a至g来描绘)。换句话讲，电池12a至c中的一个电池加上二极管16a和16b中的一个二极管的 有效电阻充分地低于耦接在二极管和电池之间的电阻器14a至d中的对应的一个的电阻， 以便当充电器40通过端子20a至b引导电流时只有极小的电流通过电阻器14a至d中的 所述一个。换句话讲，电阻器14a至d中的任一个例如电阻器14a的电阻值R足够高，使得 穿过所述电阻器的电流远远小于电池的充电电流。电阻器14a两端的电压VR等于电池12a 两端的电压加上二极管16a两端的电压(S卩，VR = I电阻器R = V电池12a+V正向16a)， 即对于固定的IR值来讲高电阻值会导致小电阻器电流。使电池处于串联布置需要在第一组端子处施加较高的充电电压(对应于布置中 的电池数目N乘以每个电池的充电电压V电池)，而所需的充电电流小于以相同的充电速率 对单个电池充电所需的充电电流，所述单个电池具有等于所述多个电池的合计容量的能量容量。还如图所示，负载30通过布置10的输出端子22a和22b电耦接到电池布置10。 端子22a和22b直接电耦接到电池12a至c中的一个或多个，即，没有居间载流构件连接在 端子和所述一个或多个电池之间。端子22a和22b通过一个或多个导电构件连接到电池 12a至c中的至少一个。在图1所示的实施方案中，布置10的输出端子22a至b直接电耦 接到中间电池即电池12b，因此当负载30电耦接到布置10时，电池12b以该电池的相关电 池电压V电池向负载30提供功率，所述电压例如对于源自下列中的典型的锂离子电池来讲 为3. 0V至4. 2V(例如，如下的电池其中常规锂离子电池单元的阳极由碳制成，阴极为金属 氧化物，并且电解质为有机溶剂中的锂盐)。在一些实施方案中，可使用不同的电池电压，所 述电压对应于例如其它类型的电池诸如铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池。布置10中通过电阻器(14a禾P 14c用于电池12a，并且电阻器14b和14d用于电 池12b)电耦接到端子22a和22b的其它电池(例如，电池12a和12c)提供功率以补充电
7池12b的充电水平(其电量正被消耗功率的负载30耗尽)。因此，未直接连接到输出端子 22a和22b的电池为电量贮存器，所述贮存器用来在中间电池12的充电水平下降时对中间 电池12进行再充电。当电池12a至(完全充电且以大体上相等的电压水平输出时，在电池之间将只有 极小或没有电流流过，因为在连接所述各种电池的电阻器元件处通常将只有极小或没有电 势差(例如，电阻器例如电阻器14a的一个端子处的电压将与该电阻器的另一个端子处的 电压大约相同，从而导致该电阻器两端的电势差为大约0V)。当布置10开始向负载30供电 因此负载30大体上从电池12b (其通过端子22a和22b直接电耦接到负载)消耗电流时， 由电池12b输出的电压将在某个时刻开始随着电池充电水平的下降而下降。因此，分隔所 述各个电池12a至(的电阻器的两端的各自的电势差将变为非零，因此电流将流过电阻器 (例如，对于特定电阻器，水平等于该特定电阻器两端的电势差除以其电阻的电流将流过该 电阻器)。由于向负载30供电的中间电池所输出的电压的降低而导致的流过电阻器的电流 将被引导进电池12b中，并且将因此导致电池12b中的充电水平增大。布置10因此被配置成在连接到负载时以大体上等于单个电池电压的电压(而不 是以例如源于电池12a至(的串联组合的累加电压)向负载提供功率，并且从以并联电路 布置电耦接到其上的其它电池来再充电向负载提供功率的所述单个电池的充电水平。因 此，布置10提供电压平衡功能性。对布置10的电池中的至少一些的充电可与直接连接到负载的电池向负载递送能 量以为其供电大体上同时执行。该电池布置可通过将所述多个电池连接成串联电布置而使用相对低的充电电流 来充电多个可再充电电池。对于这种布置，对应的充电电压等于布置中的电池的各自的电 压和耦接串联布置中的电池的载流构件处的电压的总和。例如，在类似于图1所示的布置的布置中，其中电池12￡1至c为500mAh的锂离子电 池(“Ah”为电池容量单位安培小时)并且其中二极管16a和16b为肖特基二极管，以12C 的充电速率(1C的充电速率对应于在一个小时内将电池充电完毕所需的电流，因此12C的 充电速率为在1/12小时或五分钟内将电池充电完毕所需的充电电流)将电池充电所需的 充电电流为大约6A(即，6A*1/12小时=500mAh)。将要施加在端子20a至b处的充电电压 为大约13. 4V(3倍的4. 2V加上2倍的0. 4V，所述4. 2V为单个电池12a至c在它们被充电 至足够高的水平例如90%容量时的电压，所述0. 4V为导致肖特基二极管开始传导电流的 正向偏压)。在将单个电池充电之后，连接到布置的负载将从例如一个电池(例如，布置10 中的电池12b)消耗功率，而其它电池(例如，12a和12c)将补充电池12b的充电水平。因 此，可用来提供给负载30的功率为三(3)倍的500mAh，或1500mAh。相比之下，在其中使用具有1500mAh锂离子电池容量的充电电压为4. 2V的单一可 再充电电池来替代以布置10的方式连接的三个500mAh电池的情况下，为获得12C的充电 速率(即，在大约五分钟内将该1500mAh电池充电至至少90%充电容量)所需的充电电流 将为 18A(18Axl/12 小时=1500mAh)。因此，以特定充电速率(例如，12C)快速充电单一可再充电电池所需的充电电流 高于使用相同的特定充电速率来充电串联组合的若干个可再充电电池所需的充电电流水 平，所述若干个可再充电电池的合计能量容量等于所述单一可再充电电池的容量。因此，用以充电串联组合的多个可再充电电池的充电操作较为安全，并且针对用于所述电池的充电 器和保护电路的具体实施所需的硬件较廉价且复杂程度较小。在一些实施方案中，将该电池直接连接到负载以便其可在放电期间处理负载的高 电流峰。取决于装置的使用模式，可选择电阻器的阻值以致允许具有充足的充电均衡时间。 例如，具有较高耗用电流的装置将需要较低的电阻器阻值以允许较高的平衡电流在电池之 间流动。如上所述，尽管图1所示的布置10描绘的是各具有至少一个可再充电电化学电池 单元的多个单个电池的布置，但图1所示的布置可类似地实施于单个电池内。换句话讲，可 再充电电池的内部电配置可包括设置在单电池壳体内的多个电化学电池单元。在这些情况 下，所述单电池将具有两组端子，其中第一组专用端子被配置成接收由外部充电器所施加 的充电电流，并且另一组端子被配置成向可用电池操作的装置输出电池的电压。当充电电流通过第一组端子递送到电池上时，从第一组端子的角度观察，电化学 电池单元的电布置是对应于串联电连接的布置。如关于图1的电路布置所述，所述串联组 合是通过使用载流构件诸如二极管和/或电阻器构建所述布置来实现。因此，当充电电流 通过该第一组端子递送时，充电电流将在穿过电化学电池单元的单通路中流动。电池的所 述多个电化学电池单元之间的电连接将为如下的连接其中一个电化学电池单元的阳极将 连接到另一个电化学电池单元的阴极。在这些情况下，充电器施加在第一组专用端子处的 电压将等于电池的电化学电池单元的电极处的电压和耦接电化学电池单元的载流构件处 的任何电压的总和。另一方面，当电池通过第二组端子向可用电池操作的装置递送功率时，从第二组 端子的角度观察，电化学电池单元的电布置为对应于单个电化学电池单元的并联电连接的 布置。功率从直接耦接到第二组端子的电化学电池单元递送(即，电池单元所递送的电流 不必穿过载流构件诸如电阻器、二极管等)。在这些情况下，施加在第二组端子处的电压大 体上等于在直接耦接到第二组端子的电化学电池单元的电极处所产生的电压。未直接耦接 到第二组端子的其它电化学电池单元向递送功率给可用电池操作的装置的电化学电池单 元提供功率，并且有效地补充(“加满”)正递送功率的电化学电池单元的充电水平，因此可 延长该电化学电池单元在需要进行另一次再充电操作之前的使用时间。电池(其中电化学电池单元被以类似于图1所绘方式的方式耦接)为基于例如使 用果冻卷饼结构的磷酸铁锂电极的电池。对这种电池的描述提供于例如两者均提交于2007 年 7 月 11 日的题目为“A Battery ffithlntegrated Voltage Converter”的美国专利申请 序列号11/776，350、和题目为“Lithium Ion Secondary Batteries”的美国专利申请序列 号11/827，366中，这些专利申请的内容均全文以引用方式并入本文。参见图2，显示了充电器40的一个示例性实施方案。充电器40被配置成向电路 布置10提供功率以导致布置10的电池12a至c再充电。充电器40可为其中设置了电池 12a至c的外壳11 (例如，包括用以接纳并保持电池的室的移动电话的外壳)外部的装置， 或充电器40可为设置在同一外壳(其也保持电池12a至c)中的另一个模块。在一些实施 方案中，充电器40被配置成以充电电流水平提供功率，所述充电电流水平导致电池(例如， 磷酸铁锂电池)在十五(15)分钟或更短的时间内获得那些电池的充电容量的至少90%的 充电水平。
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具体地讲且如上所述，当充电器40在运行并且向电路布置10提供功率时，以所确 定的充电电流向布置递送的功率是通过布置的端子20a至b来施加的。从端子20a至b的 角度观察，当电压/电流施加在端子20a至b处时，布置10的电路配置为对应于电池的串 联布置的布置。在一些实施方案中，充电器40被配置成将恒定充电电流施加到可再充电电 池12&至(上。在其中将恒定电流递送给电池期间(在此期间充电器据称以恒定电流或CC 模式运行)，电池12a至c的电压会增大。当电池的组合电压达到例如11. 4V(对应于可再 充电电池的典型的交变电压3. 8V乘以3)或12. 2V(在二极管的两端具有电压降)的预定 上限电压时，充电器40被配置成在充电时段的其余部分中向电池12a至c的布置施加具有 此值的恒定电压。在将大体上等于预定组合交变电压值的恒定电压施加到电池12&至(上 期间，据称充电器40以恒定电压或CV模式运行。充电器40连接到功率转换模块42。功率转换模块42包括AC/DC转换器44，所述 转换器在充电器的外部电耦接到AC电源诸如以85V-265V和50Hz至60Hz的额定值提供功 率的电源，并且可将该AC功率转换为低D. C.电压(例如，5V至24V)，并且例如可将此低 D. C.电压输入给例如DC-DC电压转换器46以提供适用于将可再充电电池充电的水平(例 如，针对电串联电池布置诸如图1所示的布置中的每个磷酸铁锂电池的大约介于3. 7V至 4. 2V之间的DC电压水平。基于不同化学物质的电池可需要不同的电压水平。)充电器40包括控制器50，所述控制器被配置成确定要施加到电池12&至(的充电 电流、将大体上等于所确定的充电电流的电流施加到电池12&至(上、并且在经过了指定或 预定时间段之后终止充电电流。控制器50可被配置成一旦达到了预定的电池电压或充电 水平即终止充电电流。在一些实施方案中，控制器50调节降压转换器60以施加恒定的例 如12C的充电速率，所述充电速率将导致可再充电电池在大约五(5)分钟内充电完毕。在 一些实施方案中，可使用单级AC/DC转换器而不必使用降压转换级。施加所确定的对应于特定充电速率的充电电流，直到达到了预定的最大充电电压 和/或经过了例如五(5)分钟的时段。一旦达到了最大充电电压，控制器50即改变控制模 式并且将恒定电压施加到电池12a至c，直到(在一些实施方案中)经过了预定的充电时间 例如5分钟。对要在端子20a至b处施加到布置10的对应于特定充电速率的电流水平的确定 是基于电池12a至(的充电容量。例如，对于三(3)电池布置(其中每个电池均为具有 500mAh的容量和4. 2V的最大电压的磷酸铁锂电池)，以12C的充电速率(即，在大约5分 钟内)来充电串联布置的这些电池所需的电流水平为大约6A(500mAh/0. 0833h = 6A)。在 一些实施方案中，控制器50也被配置成确定交变电压水平，所述电压水平旨在保持在端子 20a至b处(一旦达到了该水平)。当电池12a至c被使用载流构件(例如，二极管16a和 16b)以串联电路布置耦接时，所确定的交变电压可基于布置10处的电压来计算。因此，例 如，对于具有4. 2V的最大电压的三个磷酸铁锂电池和各具有0. 4的正向偏压的二极管16a 和16b，由控制器50确定的交变电压可为13. 4V。对要施加到电池12&至c的充电电流的确定也可至少部分地基于使用者所指定的 输入，所述输入通过设置在例如充电器40的外壳(未示出)上的使用者界面来提供。这种 使用者界面可包括例如开关、按钮和/或旋钮，使用者可通过它们指示例如有待再充电的 电池的容量。此外，所述界面可被配置成可使使用者指定与充电过程密切相关的其它参数，例如充电时段。为了确定所要使用的具体充电电流，可查阅可指示对应于使用者所指定的 参数的合适的充电电流的查找表。对要施加的充电电流的确定可以如下方式来执行使用例如可提供代表包括在布 置10中的电池12a至c的容量的数据和/或代表电池类型的数据的识别机构来识别放置 在充电器70的充电隔室中的电池的容量。一种包括基于使用ID电阻器(具有代表电池 容量的电阻)的识别机构的示例性充电器装置的发明详述提供于2007年7月11日提交 的题目为 “UltraFast Battery Charger with Battery Sensing” 的美国专利申请序列号 11/776，261中，该专利申请的内容全文以引用方式并入本文。对充电电流的确定可以如下方式来执行测量可指示所述多个电池的容量和/或 类型的电池的电特性中的至少一种(例如，电池的充电电阻)。一种可基于电池的实测特性 自适应地确定充电电流的示例性充电器装置的发明详述提供于2007年7月11日提交的题 目为“AdaptiveCharger Device and Method”的美国专利申请序列号11/775，987中，该专 利申请的内容全文以引用方式并入本文。控制器50包括处理器装置52，所述装置被配置成控制对布置10的电池12a至c所 执行的充电操作。处理器装置52可为任何类型的计算和/或处理装置，例如来自Microchip Technology Inc.的PIC18F1320微控制器。用于控制器50的具体实施的处理器装置52包 括被配置成存储软件的易失性和/或非易失性存储元件，所述软件包含用来实现处理器基 装置的一般操作的计算机指令，以及对耦接到充电器40的电池12a至c进行充电操作的具 体实施程序，所述充电操作包括导致电池12&至(在小于十五(15)分钟的时间内获得至少 90%充电容量的充电操作。处理器装置52包括模-数(A/D)转换器54，所述转换器带有多 个模数输入和输出线。控制器50也包括数-模(D/A)转换器装置56和/或脉冲宽度调制 器(PWM)58，所述装置和/或调制器可接收由处理器装置52生成的数字信号并且相应地生 成电信号，所述电信号可调节充电器40的开关电路诸如降压转换器60的占空比。图3显示降压转换器60，其包括两个例如双极结晶体管(BJT) 62和64以及电感器 66，所述电感器在功率转换模块42与降压转换器60电气连通时存储能量，并且在功率转换 模块42与降压转换器60电隔离期间以电流形式释放出该能量。图3所示的降压转换器60 也包括电容器68，所述电容器也用作能量存储元件。电感器66和电容器68也用作输出滤 波器，以减小降压转换器60的输出处的开关电流和电压脉动。降压转换器诸如图3所示的 降压转换器60的更多操作细节描述于例如2007年7月11日提交的题目为“Fast Battery Charger Device and Method”的美国专利申请序列号11/776，021中，该专利申请的内容全 文以引用方式并入本文。一般来讲，为了以大体上等于所确定的电流的充电电流将输出功率引导到布置10 的电池12a至c，可通过调节晶体管62的接通时间来调节功率转换模块42的接通时间或占 空比，直到施加到电池12的充电电流达到大体上等于所确定的电流值的水平。因此，在晶体管62的接通期间由功率转换模块42提供的电流、以及在晶体管62 的关断期间由电感器66和/或电容器68提供的电流应当导致大体上等于所需的充电电流 的有效电流。在一些实施方案中，控制器50周期性地接收(例如，每隔0.1秒)流过电池12a 至c的电流的测量值，所述电流例如通过电流传感器来测量，所述传感器通过控制器50的端子50c(标记为ISENSE)传达一个或两个电池中的实测值。基于此接收到的实测电流，控制器50调节占空比以导致对流过电池12a至c的电流的调节，以便该电流收敛至大体上等 于充电电流水平的值。降压转换器60因此被配置成以可调节的占空比来运行，所述占空比 导致可调节的电流水平被提供给电池12a至C。控制器50也可在一旦达到交变电压时周期 性地接收电池电压的测量值，以将端子20a至b处的电压保持在该交变电压水平。除了电压传感器和/或电流传感器以外，充电器40还可包括被配置成测量电池 12a至c和/或充电器40的其它属性的其它传感器。例如，在其中需要热控制充电器40 (例 如，对于具有15分钟以上的充电时段的充电器)的实施方案中，充电器40可包括耦接到电 池12a至c和/或电路板的温度传感器(例如，热敏电阻器)，在所述电路板上可设置充电 器40的模块。在一些实施方案中，充电器40可包括对接底座，所述对接底座由AC或CLA (12V DC 汽车点烟适配器)供电，并且是结构化的以接纳其中设置了电池12a至c的可用电池操作 的装置。所述可用电池操作的装置以配合配置放置在对接底座中。图4描绘了用以对可再充电电池12a至c进行再充电的示例性充电规程70。在一 些实施方案中，电池12a至c设置在旨在由电池12a至c供电的可用电池操作的装置的电 池室内，并且充电器40通过接口例如通过具有3插头连接器的束线接口(未示出)电耦接 到电池12a至C。在那些情况下，充电器装置包括连接到适配器的电缆43(如图2所示)， 所述电缆连接到可用电池操作的装置的外壳的接口。初始地，在开始充电操作之前，充电器40可任选地确定是否存在某些故障状况。 因此，例如，充电器40测量72端子20a至b的电压，并且因此测量对应于串联组合的电池 12a至c的电压。充电器40确定74实测电压VO是否在预定范围内，例如对于包括3个电 池的布置所述范围为6V至11. 4V( S卩，该范围对应于布置10中的电池的数目乘以可再充电 电池的容许的单个电压范围，在一些实施方案中，所述单个电压范围在2V至3. 8V之间)。 在已确定测量的电压不在预定的容许范围内因此使得现有条件下的充电操作不安全的情 况下，充电器不会继续进行充电操作，因此规程70可终止。在一些实施方案中，充电器40 可获得布置10中的电池中的每个的单个电压测量值。充电器40确定76要施加到电池12a至c的充电电流。在一些实施方案中，对对 应于特定充电速率的充电电流水平的确定是基于电池12a至c的充电容量。在一些实施方 案中，所确定的充电电流可使得电池12a至c在小于十五分钟内获得至少90%充电容量。 具体地讲，在一些实施方案中，充电器40确定可在大约4分钟至6分钟(对应于IOC至15C 的充电速率)内获得90%充电容量的充电电流。如果充电器40适于充电不同类型的电池和/或具有不同容量的电池，则充电器40 可确定75电池12a至c的容量和/或类型。在一些实施方案中，充电器40包括被配置成 测量ID电阻器的电阻的识别机构，所述电阻代表电池12a至c的容量和/或类型。除此之 外和/或作为另外一种选择，可通过使用者界面将电池12a至c的容量和/或类型传达给 充电器，所述界面设置在例如充电器40的外壳上。充电器40可因此基于此数据来确定要 施加到电池的适当的充电电流。例如，在充电器40确定电池12￡1至(的ID电阻器的电阻 的情况下，充电器40可访问存储在充电器40的记忆存储模块中的查找表，所述查找表可检 索对应于与计算出的电阻关联的容量的合适的充电电流。
在一些实施方案中，也确定交变电压水平，所述电压水平旨在保持在端子20a至b 处(一旦达到了该水平)。当电池12&至(被使用载流构件(例如，二极管16a和16b)以 串联电路布置耦接时，所确定的交变电压可基于布置10处的电压来计算。在确定了要施加到电池12a至c的充电电流之后，可启动78定时器，所述定时器 被配置成测量预指定的充电操作时间段。定时器可为例如处理器52的专用定时器模块，或 可为以由处理器52的内部或外部时钟测量的规则时间间隔递增的计数器。
控制80由功率转换模块42施加的电流/电压，以使输出功率以大体上等于所确 定的充电电流的恒定电流被引导到电池12a至C。由功率转换模块42施加的电流、以及从 电感器66和/或电容器68中释放出的电流组合起来可导致大体上等于所确定的充电电流 的有效电流。将电池12a至c用大体上恒定的电流充电，直到布置10的端子20a至b处的电压 达到预定电压上限。因此，周期性地测量82施加在端子20a至b处的电压，以确定何时达 到预定电压上限(即，交变电压)。当布置10的端子20a至b处的电压达到了预定电压上 限例如12. 6V(具有二极管时为13. 4V)(对于包括三个电池的布置)时，控制(也在82处) 功率转换模块42以使基本上等于交变电压水平的恒定电压水平保持在布置10的端子20a 至η处。在确定94经过了大体上等于充电时间段的一段时间之后，终止施加到布置10上 (因此电池12&至(上)的充电电流。在达到了电池12a至c的预定电压上限之后，或在达 到了电池12a至c的某个指定充电水平之后，充电规程在经过了特定时间段时终止。其他实施方案上文已对本发明的许多实施方案进行了描述。但是应当理解，在不背离本发明精 神和范围的条件下可以进行各种修改。例如，可将任何数目的电池(或电化学电池单元)布 置成串联/并联配置诸如本文所述的配置。此外，还可使用具有极低导通电阻的MOSFET晶 体管来替代二极管(诸如图1中的二极管16a和16b)。在此类实施方案中，当所述MOSFET 晶体管“接通”时，可形成串联连接可再充电电池的电通路。在放电期间，当负载连接到电 池布置，所述MOSFET晶体管“断开”。使用MOSFET晶体管可消除由二极管的正向电压所引 起的损耗。另一组MOSFET晶体管可通过如下方式来置换电阻器在放电期间“接通”那些 晶体管，并且在充电期间“断开”它们，因此在放电期间并联连接电池。使用MOSFET晶体管 来替代电阻器可消除放电期间的电阻器损耗。在使用MOSFET的情况下，充电器可产生处于 第一状态的指示充电器正在充电的信号，并且电池可具有接收该信号的端子，从而导致替 代电阻器的MOSFET接通并允许电流流动，而替代二极管的MOSFET保持断开。其它实施方 案在以下权利要求的范围之内。
权利要求
一种电路布置，所述电路布置包括多个可再充电电池，所述多个可再充电电池各具有至少一个可再充电电化学电池单元；和载流构件，所述载流构件连接所述多个电池，使得当所述多个电池在充电时所述多个电池处于串联电路布置，以及当所述多个电池在放电时所述多个电池处于并联电路布置。
2.如权利要求1所述的布置，其中所述多个电池被配置成当被充电时在15分钟或更短 的时间内获得所述多个电池的充电容量的大约90%的充电水平。
3.如权利要求1所述的布置，其中所述载流构件包括至少一个二极管，所述二极管串 联连接在一对所述多个电池之间，使得当所述多个电池被充电时，所述至少一个二极管导 致充电电流在穿过所述多个电池的电通路中流动，使得所述多个电池处于串联电路布置。
4.如权利要求3所述的布置，其中所述至少一个二极管连接在所述多个电池中的一个 电池的阳极和所述多个电池中的随后一个电池的阴极之间。
5.如权利要求1所述的布置，所述布置还包括电端子以将功率引导到负载，其中所述 电端子在各自的电通路中电耦接到所述多个电池，所述各自的电通路从所述电端子通向所 述多个电池中的每一个但不穿过所述多个电池中的另一个。
6.如权利要求5所述的布置，其中所述电端子直接连接到所述多个电池中的一个或多 个，使得从所述端子通向所述多个电池中的所述一个或多个的对应的电通路不含任一所述 载流构件。
7.如权利要求5所述的布置，其中所述多个电池中的至少一个被配置成当所述多个 电池中的一个或多个向所述负载提供功率时，向所述多个电池中的所述一个或多个提供功率。
8.一种电池，所述电池包括多个可再充电电化学电池单元；和载流构件，所述载流构件连接所述多个电化学电池单元，使得当所述多个电化学电池 单元被充电时所述多个电化学电池单元处于串联电路布置，以及当所述多个电化学电池单 元被放电时所述多个电化学电池单元处于并联电路布置。
9.一种用以对多个可再充电电池进行充电的充电器装置，所述装置包括 用以提供输出功率的功率转换模块；和控制器，所述控制器被配置成确定对应于特定充电速率的电流水平，所述电流水平基于所述多个可再充电电池的充 电容量来确定，并且使所述输出功率以基本上等于所确定的电流水平的充电电流被引导到所述多个可再 充电电池。
10.一种电路布置，所述电路布置包括多个可再充电电池，所述多个可再充电电池各具有至少一个可再充电电化学电池单元；多个双向载流构件，所述多个双向载流构件中的第一个将所述多个电池中的一个电池 的第一端子连接到所述多个电池中的随后一个电池的类似端子；和多个单向载流构件，所述多个单向载流构件中的第一个将所述多个电池中的特定一个电池的第一端子连接到所述多个电池中相邻一个电池的相对端子.
全文摘要
本发明公开了一种电路布置。该电路布置包括各具有至少一个可再充电电化学电池单元的多个可再充电电池(12a至12c)、和载流构件(14a至14d、15a至b)，所述载流构件连接所述多个电池，使得当所述多个电池在充电时所述多个电池处于串联电路布置，以及当所述多个电池在放电时所述多个电池处于并联电路布置。
文档编号H02J7/00GK101816110SQ200880109862
公开日2010年8月25日 申请日期2008年10月1日 优先权日2007年10月2日
发明者D·克莱恩, J·T·鲍里科夫 申请人:吉列公司