充电控制方法、充电设备及充电系统的制作方法

充电控制方法、充电设备及充电系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及快速充电技术领域，尤其涉及一种充电控制方法、充电设备及充电系统。
【背景技术】
[0002]随着便携电子终端，特别是智能电子终端配置的提升，对电量的消耗量也越来越大。近年来，相同体积下电池容量提升技术遇到瓶颈，已经不能满足智能便携电子终端的续航要求，导致的结果是便携电子终端的充电频率越发频繁，充电次数的增加导致花在充电上的时间也越来越长，已经严重影响到了用户体验。
[0003]如图1所示，是现有技术中电子终端的示例充电环境的框图。该环境包括充电设备10，该充电设备10能够经由充电输出连接器11提供充电电流。充电设备10可以具有电源插头13以获得来自常规电力插座的电力，以及使用常规组件(未示出)，以将交流电(AC)转换成预定电压的直流电(DC)，该预定电压适用于经由常规电缆20对电子终端30进行充电。
[0004]在另一种现有技术中，电源插头13可以是连接到常规组件(未示出)的常规DC电源插头(未示出)，该常规组件将进入的DC电流和电压转变成用于对电子终端30进行充电的适当的DC电流和电压。
[0005]在另一现有技术中，充电设备10可以包括电池12，该电池12用于在没有可以使用的AC电源或充电设备10不包括电源插头的情况下来提供充电电流。充电设备10的示例包括:输出功率在100W以内，输出电压在20V以下的充电设备，包括但不限于手机充电器/设备、便携计算机充电器/设备、USB接口充电器/设备、台式计算机和便携式计算机等。
[0006]充电设备1的充电输出连接器11经由兼容类型的连接器21连接到电缆20的一端。电缆20的另一端经由兼容类型的连接器22连接到电子终端30的连接器31。当电缆20耦合到充电设备1和电子终端30时，充电设备10的连接器11将表现为至电子终端30的充电输出端口。电子终端30的接口将表现为充电输入端口。
[0007]在另一现有技术中，电缆20的连接器21和充电设备10的连接器11被组合成不可以从充电设备1拆分的一个连接器。
[0008]电子终端30是能够经由连接器31接收充电电流的任何便携式设备，以及对电子终端30内耦合到电子终端30的电池32进行充电。电子终端30的一些示例包括便手机、携式电话、mp3/mp4播放器、笔记本电脑、智能手表、智能手环、平板电脑和个人游戏机等。
[0009]为了缩短充电时间，需要使用较大的充电电流对电池充电，电流从充电设备经充电线缆传输到便携电子终端过程中会依次经过充电设备、充电线缆、便携电子终端内部充电线路及若干连接器，最后才到达充电电池，这些位置均存在不可忽略的电阻，由公式P =I2*R，电流增加3倍，发热量会增大9倍，损耗会增加9倍。
[0010]现有的第一种快速充电技术:充电设备通过加大输出电流的方式在单位时间内将更大的功率经过充电线缆输入到便携电子终端给电池充电，简称低压快充。低压快充需要加粗线缆及走线导体横截面积、增加连接器金手指数量及加厚镀金层，的方式降低线缆、走线及连接器功率损耗，使用此类技术的便携电子终端充电时对线缆阻抗十分敏感，必须使用专用的低阻抗线缆才能进行快速充电，如果更换通用的USB线缆则不能安全的进行快速充电。
[0011 ]现有的第二种快速充电技术:充电设备通过升尚输出电压的方式在单位时间内将更大的功率经过充电线缆输入到便携电子终端给电池充电，简称高压快充。高压快充需要在便携电子终端中增加直流加压装置，目前普遍使用电感充放电方式来做直流降压。电感充放电做直流降压的技术典型转化效率为90%。充电设备输出24W的功率，在电感充放电直流降压单元损耗的功率为2.4W。
[0012]另外，第一现有技术使用分别放置在充电设备中的单片机与放置在便携电子终端中的单片机的输入输出接口对连的方式传输充电设备与便携电子终端之间的沟通信号。其接口的低电平噪声容限和高电平噪声容限不足，当线缆IR drop大于一定程度时，便携电子终端与充电设备之间的通信不能稳定进行。
[0013]第二现有技术在电子终端端通过以一定规律大电流小电流交替抽电的方式完成对充电设备的单向沟通，第一缺点是只能便携电子终端对充电设备单向通信，充电设备无法对便携电子终端发送信号，第二缺点是传输的指令有限，不能实现充电设备输出电压的密集调整，第二缺点是传输过程中充电电流不可避免地减小，延长了充电时间。
[0014]第三现有技术通过便携电子终端交替改变第一信号线和第二信号线的电平实现便携电子终端对充电设备沟通，第一缺点是只能便携电子终端对充电设备单向通信，充电设备无法对便携电子终端发送信号，第二缺点是传输的指令有限，不能实现充电设备输出电压的密集调整。
[0015]如图2所示，是图1的充电环境的连接关系示意图，在一个通用的电子终端充电行为中:充电设备10输出电流经由连接器11电源脚流经充电线缆连接器21的电源脚，经过充电线缆的电源线流到连接器22的电源脚，再流到电子终端充电输入连接器31的电源脚，流经电子终端充电输入回路线路及电芯后，耦合到充电输入连接器31的地脚，再一次经由充电线缆连接器22的地脚，充电线缆的地线，充电线缆的连接器21的地脚，回到充电设备10的充电输出连接器11的地脚。在该回路中，依次通过电源线缆及连接器串联等效电阻RS121，RS201，RS231;电子终端内部走线串联等效电阻Rpcbl，Rpcb2，电芯等效电阻Rcell;地线缆及连接器串联等效电阻RS232，RS202，RSl 22。
[0016]上述现有技术中至少存在以下技术问题:
[0017]1、通信稳定性问题
[0018]充电设备10经由电缆20对电子终端30充电时，电流依次通过电源线及连接器串联等效电阻RS121，RS201，RS231，电子终端充电线路等效电阻Rpcbl，Rpcb2;然后依次通过地线及连接器串联等效电阻RS232，RS202，RS122回到充电设备10。被设计为高压快充的电源路径串联等效电阻Rhp = RS121+RS201 +RS231 +Rpcb I被设计为150mR，地回路串联等效电阻Rhg = Rpcb2+RS232+RS202+RS122被设计为150mR，设计最大充电电流为Imax = 3A，则地回路压降为 Δ Vgnd = Rgnd*Imax = 0.45Vο
[0019]被设计为低压快充的充电设备到电子终端的缆地回路串联等效电阻Rhg= Rpcb2+RS232+RS202+RS12被设计为60mR，设计最大充电电流为Imax = 6A，则地回路初始压降为ΔVgnd = Rgnd*Imax = 0.36V。随着线缆插接次数的增加连接器插针出现磨损、氧化、变形之后地回路中RS122和RS232增大20mR，则地回路串联等效电阻增大为60mR+20mR = 80mR.此时地回路初始压降为 Δ Vgnd = Rgnd*Imax = 6A*0.08r = 0.48V O
[0020]现有技术分别在充电设备端和电子终端端放置一个工作电压为3.3V的单片机其输入输出口的低电平容限为O?0.4V;高电平容限为(VDD-0.4V)?VDD，如将VDD接到3.3 V，则高电平容限为2.9?3.3V，将两个单片机的输入输出口直接连接来作为充电过程中通信的物理媒介。
[0021]当电子终端端发出信号，充电设备端接收信号时:被放置于电子终端端的单片机通信输出口输出电平OV，到达充电设备端的单片机通信输入端口的电压为OV+ Δ Vgnd =0.48V;被放置于电子终端端的单片机通信输出口输出高电平3.3V，到达充电设备端的单片机输入端口的电压为3.3V+ Δ Vgnd = 3.78Vo
[0022]当充电设备端发出信号，电子终端端接收信号时:被放置于充电设备端的单片机通信输出口输出低电平OV，到达充电设备端的单片机通信输入端口的电压为OV- △ Vgnd =-0.48V;被放置于充电设备端的单片机通信输出口输出高电平3.3V，到达电子终端端的单片机输入端口的电压为3.3V- Δ Vgnd = 2.82V。
[0023]由此可见，不论是使用高压快充还是使用低压快充，当充电电流较大或插接次数增加到一定程度时，放置于充电设备端的单片机与放置于电子终端中的单片机通信电平已超出其正常耐受范围，通信将不能稳定进行。
[0024]2、低压快充时线缆功率损耗大传输效率低问题
[0025]目前配置了低压快充技术的充电设备，充电线缆以及电子终端的充电回路阻抗
[0026]Rh=(RS121+RS201+RS231+Rpcbl+Rcell+Rpcb2+RS232+RS202+RS122)
[0027]被控制在120mR附近，在通过4.5A直流电时，其功率损耗由公式P = I2*R计算线缆损耗P2 = 2.43W。电池达到典型的最高电压4.35V时，由P = I*V计算输入到电池的功率为P1 =19.57￥，因此最高传输效率为11 = ?2/(?1+?2) =88%；
[0028]电池为典型可快充的最低电压3V时，由P=I*V计算输入到电池的功因此最低传输效率为η=Ρ1/(Ρ1+Ρ2) =84%，故线缆平均传输效率为86%
[0029]3、低压快充对线缆阻抗要求高，充电线缆通用性差问题
[0030]以一条典型的通用USB线缆为例，其回路阻抗Rh被设计为250mR，连接器回路阻被设计为40mRο如使用该线缆连接支持低压快充技术的充电设备和电子终端对电池充电，则线缆的功率损耗由P=I2*R计算为5.06W，Micro USB或者typeC连接器位置功率损耗同样由P = I2*R计算为0.81W。总功率损耗为5.87W，同样方法计算线缆平均效率仅为73.3%。线缆传输效率已经低到不可接受的程度。同时，由于线缆上有5.06W的功率损耗，其发热也相当可观，更有，由于Micro USB或者TypeC连接器位置面积很小，散热能力也很小，0.81W的足以造成有安全隐患的温升。
[0031]另外，线缆上的压降AV=I*R计算为1.305V。而目前使用低压快充技术的充电设备标称最高输出电压为5V，无法以4.5A的恒流电流将典型的电池充电到CV (4.35V)点。如要想将典型的电池快速充电到CV(4.35V)点，仅考虑线缆和Micro USB或者TypeC连接器损耗，充电器输出电压至少要保证4.35+1.305V = 5.66V。
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