专利名称：一种锂电池包及其充电方法
技术领域：
本发明涉及一种锂电池包及其充电方法，特别是可充电的锂电池包。
背景技术：
在建筑、装修等领域中电动工具的应用越来越广，尤其是便携式工具。更为轻便、容量 更大的可充电锂电池包成为便携式工具重要的能量储存装置之一，但由于锂电池受制于自身 特殊的充电要求，使用者希望有更为安全可靠而高效的可充电锂电池包。现有的锂电池包充电系统分为两大类(1)充电器针对特定电压的电池包输出恒定电流 或者电压来为电池包充电。其局限性在于，充电器和电池包是一一对应的关系。(2)充电器 通过分析电池包内储存单元所存储的电池信息确定充电参数，并通过相应的反馈控制，达到 所需要的输出，从而为不同的电池包进行充电。其局限性在于，首先该方法需要充电器内的 控制模块在充电开始之前先获取电池包的相关信息，才能确定其输出，其复杂性大大增加， 这就意味着出错的可能性大大增加，从而影响其可靠性。发明内容本发明的目的在于提供一种锂电池包及其充电方法，克服现有技术中存在的缺陷，使不 同的锂电池包可以采用同样的充电设备充电；同时充电方法简单可靠。符合本发明的锂电池包包括 一个外壳；复数个电池元件，每个电池元件都是基于锂的 化学物质，每个电池单元有一个单独的电量状态； 一个可以监控至少一个电池单元的单独电 量状态的充电控制模块；至少一个连接端口，可与一个为所述锂电池包提供精准充电电流的 电源适配器相连接。符合本发明的锂电池包的充电方法包括以下步骤 一个具备第一控制端口的适配器通过 对应的端口连接确定是否与一个具备第二控制端口的待充电锂电池包实现电气连接；锂电池 包中的充电控制模块部分的基于至少一个电池元件的单独电量状态执行一种充电模式；充电 控制模块在一种充电模式下执行预定的充电算法。充电控制模块通过连接的第一、第二控制 端口发送充电控制信号到适配器的受控模块，使其输出精准的充电电流。由于符合本发明的锂电池包可以监控整个充电过程，所以这种锂电池包只需用适配器或 普通的充电器就可以被充电，而不需要用只能提供特定充电参数的充电器，于是一个充电设 备可以给不同的锂电池包充电，方便而经济。另外，由于在符合本发明的锂电池的充电方法
的过程中，控制部分是在电池包内部完成的，而执行部分则是在适配器中实现，因此这种在 电池包对其自身充电过程控制的方法将会更加准确、快捷和安全，充电性能更加可靠。
图l是一电池包的立体图。 图2是一适配器的立体图。图3是采用如图1所示的电池包和如图2所示的适配器连接的立体图。 图4是如图3所示的电池充电系统的电气连接示意图。 图5示出了适配器的电路模块图。 图6示出了电池包的电路模块图。图7A、 7B是流程图，示出了符合本发明充电系统的电池包控制充电操作的流程。
具体实施方式
如图1所示的电池包10，可以作为很多便携式装置电源，尤其是直流电动工具的电源使 用。电池包10中包含一组电池单元15,电池单元15为基于锂的可充电电池，且可以具有任 意标称电压。同时，电池包10中的电池单元15的节数也可以是合适范围内的任意数值，因 此电池包10的标称电压可以是任意的。电池包10有一机壳20, —控制电路30位于机壳20内。电池包10还包含一个或多个端 口，可与电气设备，如电动工具或适配器40电气连接。在一些结构中，端口的电气导通需要 电池包10和电气设备的物理连接。而在另一些结构中，端口的电气导通则不需要电池包10 和电气设备的物理连接，仅需要通过以信号的形式来确定电气连接并将电能转化为波的形式 在电池包和电气设备之间传递。在本实施例中，电池包IO包括正输入端口 35，负输入端口 36和第二控制端口37。在其他一些结构中，电池包10可以具备比图中所示结构更多或更少 的端口。在一些结构和一些方面中，电池包包括电气连接到一个或多个电池终端的控制设备、微 控制器、微处理器或控制器，用于分析电池包内电池的信息，确定电池包的充电参数，并提 供给到电气连接的设备(比如电池适配器)，这些信息及充电参数包括串并联节数、标称电压、 最高电压、温度范围、以及电池包充电时电池状态等相关信息。在如图9所示的本实施例中， 电池包10包括具有MCU 61的充电控制模块60。如图2和图3所示，电池适配器40包括外壳41。外壳41提供连接电池包10的连接部 分42，连接部分42包括一个或多个端口，可与电池包10的相应端口电气连接，并传送和接 收来自电池包10中的充电控制信号。该控制信号可以有多种选择，比如，电压、电流、光等
本领域普通技术人员可以想到的各种控制信号。电池适配器40包括正输出端口 43,负输出端口44和第一控制端口45。其中，第一控制 端口 45与电池包10的第二控制端口 37相匹配。电池适配器40还包括AC/DC部分46和受控模块47，其中受控模块47包括受控中心模 块48和反馈模块49。受控中心模块48可以是MCU及其附带电路，反馈模块49可以是光耦 及其附带电路。受控模块47还可以包括指示电路。如图4所示，在电池包10内部，由充电控制模块60根据电池组当前状态，决定将采用 的充电模式，并发送控制信号到第二控制端口37，此功能块的详细内容下文中将有进一步描 述。在适配器40内部，第一控制端口45接收来自外部的控制信号，受控模块47调节AC/DC 部分46将输入的交流电转化成所需的直流电源。如图5所示的适配器40的电路模块图。适配器40包括一个变压器52、 PWM控制器55和 MOSFET功率开关管56。交流电通过电源输入电路60输入后通过EMI抑制电路57以及初级输 入滤波电路，经过变压器52后再经过次级整流输出滤波电路后输出高压直流，高压直流流经 反馈环路、光耦隔离控制电路、PWM控制器55构成的环路，MCU通过控制端口向PWM控制器 55输入充电控制信号，PWM控制器55对MOSFET功率开关管56进行控制从而获得充电电池包 IO所需的电压或电流输出。电源输入电路60可由保险丝、负温度系数电阻、压敏电阻等(未示出)组成，使得在电 源内部发生异常时，电源输入端65不会出现大的短路电流。减小了适配器40接入电源时的 冲击电流，同时可以吸收输入线路上的浪涌电压，防止适配器40内部的元件过压损坏。适配 器40中的整流滤波电路使得输入电压平滑滤波，滤除纹波电压，为适配器40提供相对稳定 的直流电压。同时滤除高频开关噪声，改善了适配器的传导特性。图6示出了电池包的电路模块图。电池包10的充电控制模块60包括MCU 61以及MOSFET 70，电池包的MCU 61通过控制MOSFET 70来控制充电电路的通断。充电控制模块60还包括 电压采样电路71、电流采样电路72、温度采样电路73，在充电过程中MCU61分别通过电压 采样电路71、电流采样电路72、温度采样电路73获取电池当前电压、电流和温度，并通过 匹配网络74向第二控制端口 37发送充电信号。当电池温度在一个预定的的范围内且电池电 压大于预定的预充电压的时候，MCU 61控制适配器40的电压输出使电池包10进入恒流充电 模式；当电池电压大于等于4. 2V时，MCU 61控制适配器40的电压输出使电池包10进入恒 压充电模式，同时检测温度和电流，如果电池电流小于0.1C则结束充电。锂电池包10中包括了保护模块来保证锂电池的安全性。保护模块包括充电保护模块和放 电保护模块。充电保护模块至少具备过流保护、过充保护、过压保护、单节电池电压检测功
能之一；放电保护模块至少具备过流保护、短路保护、过放保护功能之一。图7A、图7B示出了符合本发明充电系统的电池包IO控制充电操作的流程。整个充电控 制流程主要分为两个模块，其中图7A是查询判断模块100，图7B是执行模块150。査询判 断模块100在步骤105确认是否有适配器40接入，这一步骤通过电池包10与适配器40上相 应端口的连接来实现，在确定有适配器40与电池包IO连接的情况下，转入步骤IIO。在步 骤110中，电池包10中的充电控制模块60通过控制端口读取适配器40的类型、电压范围以 及电流范围，并判断适配器40的电压范围、电流范围是否在电池包10允许和需要的范围内， 确定适配器40满足要求后，转入执行模块150。在图7B所示的充电流程中，电池包进入执行模块150。电池包在步骤155查询电池单元 15状态，判断电池15是否达到恒压充电模式下的充电要求。如果电池15达到恒压模式充电 要求转入步骤165，步骤165是恒压模式充电模块，反之则转入步骤160，步骤160是一个恒 流模式充电模块。在步骤160的恒流模式充电过程完成后进入步骤165的恒压模式充电过程。 步骤165完成后进入步骤170，在步骤170中充电控制模块60判断电池单元15是否充满。 如果电池15没有充满转回到步骤155，继续按照上述流程执行，反之则结束充电。电池包通 过MOSFET 70的通断实现充电开始与结束，如果电池包10没有与适配器40断开，则需要 充电控制模块60判断电池是否需要补足充电，需要补足充电转回步骤155，反之则可以关闭 电源。以上恒压充电模式、恒流充电模式充电的实现靠PID控制或者模糊控制均可，两者结 合在不同情况下交互应用会取得更好的效果。电池包中的恒流充电模式充电程序控制模块通过测量所需的变量与期望值相比较，用这 个误差纠正调节控制系统的响应。PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D) 组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为<formula>formula see original document page 7</formula>其中Kp, Kt, Kd分别为比例、积分和微分放大系数。 因此它的传递函数为<formula>formula see original document page 7</formula>电池包中的恒压充电模式充电程序控制模块通过计算输入电压对隶属函数的隶属度，也 即模糊化，并取最小值作为该规则对输出的推荐值。然后将所有的推荐值进行合并，采用重 心法求解，对论域中全部元素的所有组合计算出相应的电压变化值，并写成矩阵，由该矩阵 构成相应的表格即为模糊控制器的控制表，然后由实际电压即时偏差E和偏差的变化率Ec，
按照模糊控制规则运算后得到査表所需的数据，再由这些数据査表得到的电压论域值，论域值乘以比例因子，便可得到当时输入时的模糊控制的输出量u，根据输出量u控制脉冲宽度调制电路PWM的输出，PWM电路根据此值来控制输出电压的大小。电池包10或适配器40上还可以配置一个外部控制的激励装置，使用者可以通过激励装 置为电池包IO设置不同充电速率，适配器40输出不同的功率来满足不同充电速率的要求。上面所描述和图示的结构是以实例型的方式呈现的，并不是意在限制本发明的概念和原 理。同样的，对于本领域普通技术人员来说，很明显在不脱离本发明的精神和范围的情况下, 可以对元件以及他们的设置和排列做出多种更改。
权利要求
1. 一种锂电池包包括一个外壳；复数个电池元件，每个电池元件都是基于锂的化学物质，每个电池单元有一个单独的电量状态；一个可以监控至少一个电池单元的单独电量状态的充电控制模块；至少一个连接端口，可与一个为所述锂电池包提供精准充电电流的电源适配器相连接。
2. 如权利要求l中所述的锂电池包，其特征在于所述的适配器包括一个第一控制端口，所 述锂电池包包括一个第二控制端口，所述充电控制模块通过在所述的第一、第二控制端口的 连接来传递充电控制信号到所述的受控模块。
3. 如权利要求l中所述的锂电池包，其特征在于所述的充电控制模块可以监控单节锂电池 的状态。
4. 如权利要求1中所述的锂电池包，其特征在于所述的充电控制模块包括一个MCU;电 池参数采样电路；锂电池保护电路；以及输出电池包充电控制信号的匹配网络。
5. 如权利要求4中所述的锂电池包，其特征在于所述的电池参数采样电路至少包括一个检 测单节电池电压的电压采样电路， 一个检测电池组电流的电流采样电路， 一个用于检测电池 组温度的温度采样电路。
6. 如权利要求4中所述的锂电池包，其特征在于所述的锂电池保护电路可以在单节锂电池电量状态达到一个预定值时中断充电过程。
7. 如权利要求l中所述的锂电池包，其特征在于所述的受控模块包括受控中心模块和反馈模块。
8. 如权利要求1中所述的锂电池包，其特征在于所述的受控模块可以通过PWM控制调节 AC/DC转化电路，使其输出精准的充电电流。
9. 一种锂电池包的充电方法一个具备第一控制端口的适配器通过对应的端口连接确定是否与一个具备第二控制端口 的待充电锂电池包实现电气连接；锂电池包中的充电控制模块部分的基于至少一个电池元件的单独电量状态执行一种充电模式；充电控制模块在一种充电模式下执行预定的充电算法。充电控制模块通过连接的第一、第二控制端口发送充电控制信号到适配器的受控模块， 使其输出精准的充电电流。
10. 如权利要求9中所述的锂电池包的充电方法，其特征在于所述的充电模式至少包括恒 压充电模式和恒流充电模式。
11. 如权利要求10中所述的锂电池包的充电方法，其特征在于当单节电池温度在允许的范 围内且电压大于允许预充电压的时候，充电控制模块执行恒流充电模式；当单节电池电压大 于等于4.2V时，充电控制模块执行恒压充电模式；同时检测电池的温度和电流，如果单节电 池电流小于O. 1C则结束充电。
12. 如权利要求9中所述的锂电池包的充电方法，其特征在于充电控制模块可以通过分析 存储在电池包内的电池包参数信息和实时监控的电池参数来分析确定所需的充电电流。
全文摘要
本发明揭示了一种锂电池包及其充电方法，其中锂电池包包括一个外壳；复数个电池元件，每个电池元件都是基于锂的化学物质，每个电池单元有一个单独的电量状态；一个可以监控至少一个电池单元的单独电量状态的充电控制模块；至少一个连接端口，可与一个为所述锂电池包提供精准充电电流的电源适配器相连接。充电控制模块包括一个MCU；电池参数采样电路；锂电池充/放电保护电路；以及输出电池包充电控制信号的匹配网络。充电方法是通过位于锂电池包中的充电控制模块来控制电源适配器输出精准的充电电流为锂电池包充电。
文档编号H01M2/10GK101399386SQ200710133620
公开日2009年4月1日 申请日期2007年9月25日 优先权日2007年9月25日
发明者杨德中 申请人:南京德朔实业有限公司