专利名称：电池充电器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于二次电池的充电电池组的电池充电器。
背景技术：
已知用于<吏用商用电源来对二次电池进4亍充电的电池充电器。 本发明的发明人已提出了在日本专利第3430264号(日本未审查专 利申请公开(KOKAI)第H06-14473号专利文件1 )中所述的电池 充电器。
图1示出了与专利文件1类似的配置。商用交流电(下文中为 方便称为"AC")电源通过输入滤波器1和整流电^各2被转换为DC 电源。开关电源包括脉宽调制控制电路3、晶体管Q1和变压器T1。 作为开关元件的晶体管Ql通过脉宽调制控制电路3的输出脉沖以 例如100 kHz进行开关操作。连接至变压器Tl的三次绕组N3的二 极管Dl和电容器Cl的整流输出被提供作为脉宽调制控制电路3 的电源。
晶体管Ql调节流过一次绕纟且N1的电;充，在二次绕纟且N2和三 次绕组N3上感应出相应电力。二次绕组N2上的感应电压净皮二才及 管D2和电容器C2整流，以得到整流输出Vo。通过在输出端5a[正 极(+)侧]和5b[负极(-)侧]之间的由FET Fl 、 FET F2和晶体管Trl等 构成的开关单元4 l是耳又整流，lr出Vo。
将诸如锂离子二次电池的二次电池BAT连接至输出端5a和5b 之间。二次电池BAT以可连接/分离的方式连接至电池充电器/与电 池充电器分离。电池充电器包4舌用于4企测二次电池BAT的连4姿/分 离的开关SW。当连4妄二次电池BAT，开关SW导通，并且表示二 次电池BAT连接的处于L (指低电平，下文中同样适用)的检测信 号Batt提供给由微型计算机构成的控制器11。
整流输出Vo经过电阻器R7和电阻器R8分压，以输入至运算 放大器AMP1的负极(-)端。另一方面，运算放大器AMP1的正极(+) 端被施以参考电压REF1。输出电压Vo与参考电压REF1比较，并 且指示与参考电压的差异的误差信号经由二极管D3被提供给光电
耦合器PH1。
从光电耦合器PH1的二次侧向一次侧传送的误差信号纟是供给 脉宽调制控制电路3。脉宽调制控制电路3控制晶体管Ql的输出 脉沖的ON时期，以控制将被提供给二次侧的电力，从而提取通过 在二次侧上的参考电压所设置的输出电压。
通过电阻器R2 4企测输出(充电)电流Io。电阻器R2的负载 侧(输出侧)端经由电阻器R5连接至运算放大器AMP2的负极端。 经过电阻器R4和R6对参考电压REF1进行分压后得到的电压被提 供给运算放大器AMP2的正极端，从而提高了运算放大器AMP2 的正4及端的电压电平。 丰#出电流Io的流动感生了由于l俞出电流Io带来的电阻器R2 上的电压降。因而，经过电阻器R4和R6分压后的电压降^氐。输出 电流Io的增大引起在运算》文大器AMP2的正4及端上的进一步电压 降。当运算放大器AMP2的正极端的电位降至负极端的电位或以下 时，运算放大器AMP2的输出信号从H (指高电平，下文中同样适 用)变成L。
运算放大器AMP2的输出信号经由二极管D4和光电耦合器 PH1祐:提供给脉宽调制控制电i 各3，从而类似于电压控制地进行电 力控制(power control )。更具体地，4艮据流经电阻器R2的电流量， 在运算放大器AMP2的正极端出现电压降，正才及端的电位与负才及端 的相比较，并且控制输出电流的量，以使在电阻器R2产生的电压 保持恒定。以此方式将输出电流调节在恒定电平。
通过调节器12从输出电压Vo稳定化后得到的预定电压被作为 电源电压提供给控制器11 。用于指示充电操作状态的显示元件LED (发光二极管)13连接至控制器11。
通过从控制器11输出的驱动脉沖信号DR1 、 DR2和DR3操作 开关单元4。当控制器11通过接收检测信号Batt来检测二次电池 BAT的连接时，充电操作开始以在监控电池电压Vbatt时执行预定 的充电才喿作。
上述电池充电器基于作为恒流充电和恒压充电的组合系统的 CC-CV (恒流-恒压)充电系统来只t二次电池BAT进4亍充电。图2 示出了上述电池充电器的输出特性。4黄坐标表示充电电流，纵坐标 表示充电电压。首先，电池充电器以例如1.0 A下的恒流控制模式 才喿作，然后以例如4.2 V下的恒压控制才莫式#:作。在充电初期的初 始充电模式下，执行初始充电电流If的充电。当电压达到快速切换 电压(例如2.7V)时，充电模式切换至快速充电模式。
图3示出了充电时充电电压和充电电济u随时间的变^f匕(充电曲 线)。例如，在电池电压等于或小于恒压4空制电压(例如，4.2 V) 的区域进行恒流控制，从而以恒流(例如，l.OA)来执行恒流充电。 当电池电压(内部电动势)由于充电而升高到4.2 V时，电池充电 器将操作切换成恒压控制下的操作，从而充电电流逐渐降低。当充 电电流经4企测达到充电终止#:测值15时，枱r测到充电终止。从这个 时间点开始，浮动计时器启动，并且对电池进4亍充电直到超时，/人 而4亭止对电池的充电。由于即4吏在才企测到充电全冬止的时间点之后， 电容也可能会略微增加，所以充电中使用浮动计时器。
在图l所示的配置中，在恒流充电期间，运算》文大器AMP2的 输出经由二极管D4 ^皮提供给光电耦合器PH1,并且电源经过调节 以给出恒定输出电流。在恒压充电期间，运算》文大器AMP1的输出 经由二极管D3被提供给光电耦合器PH1，并且通过运算放大器 AMP1的输出电压来调节电源，从而给出恒定输出电压Vo。在图1 所示的配置中，电流检测电阻器R2的负载侧的一端连接至比较器 6的负极端，负载侧的另一端连接至参考电压REF2的负极侧，而 参考电压REF2的正才及侧连4妾至比4交器6的正才及端。充电电流通过 电阻器R2 ^皮转换为电压，并且此电压与参考电压REF2比较。当 充电电流减小时，在比较器6的正极端的参考电压变得大于其负极 端的检测电压，从而比较器6的输出Cs反向。比较器6的输出Cs 被提供给控制器11，控制器11检测充电终止。
以此方式4企测充电终止的已知电池充电器需要4是供用于检测 充电终止的参考电压REF2，并且需要4吏用具有小偏压的准确偏移 比较器来作为用于检测充电终止的比较器6,这是很昂贵的元件。
曰本未审查专利申请公开(KOKAI)第2007-20299号(专利文件 2)也描述了类似的电池充电器。
发明内容
专利文件2提出了 一种改进电流检测灵敏度的方法。当充电电 流降至低于设定值后，通过将检测充电电流的电阻值切换至更大值 来执行该方法。在此情况下，用于改变电阻值的转换开关是必需的。 例如，在任4可试图4吏用FET元件用于开关时，都必需选4奪电阻值相 当小的FET，这就导致需要昂贵的FET。
因此，需要提供一种电池充电器，其可以j氐成本来配置，而无 需在用于检测充电终止的配置中使用任何昂贵元件或转换开关。
根据本发明的实施例，提供了一种电池充电器，用于使用将 AC输入转换为DC输出的电源电路来对二次电池进行充电，包括 用于纟全测恒流控制的第 一电阻器以及用于4企测充电终止的第二电 阻器。所述第 一电阻器和第二电阻器串联地插入充电电流的电流通 路。所述电源电路具有恒流控制特性和恒压特性的输出特性。利用 在第一电阻器处产生的第一4全测电压来执行恒流控制。通过使用比 较器将在由第一电阻器和第二电阻器构成的串联电阻器处产生的 第二检测电压与参考电压进行比较，并且检测由降到参考电压之下 的第二检测电压所表示的充电终止，执行恒压控制。
才艮据本发明的实施例，能够提高电流在充电完成时的才佥测电 平，这样就没有必要使用昂贵的小偏移比较器。因而，可以实施低 成本的电池充电器，并且也更容易设置参考电压REF2。
此外，才艮据本发明的实施例，用于4全测恒流控制的4企测电阻器 和用于4企测充电终止的电阻器串:f关连4妄，乂人而纟是供以下〗尤点可以 通过设置各个电阻器的电阻值来单独设置用于恒流控制的电流值 和用于充电纟冬止#:测的电流<直，而无需改变内部参考电压电平，以 及提高了电流设置的设计自由度，从而使设置更加容易。
电池充电器可以包4舌只于充电电流的正偏二才及管，与用于充电 终止才企测的电阻器并联连接。才艮据这样的结构，如果电阻器上产生 的电压等于或大于二才及管的正偏电压降时，电流可以 一皮二才及管分 流。由此，可以降j氐电阻器的损寿毛。
本发明的以上概述并非意欲描述本发明的每个所示实施例或 每个实施方式。以下的附图和详细描述将更具体描述这些实施例。
图1是已知电池充电器的实例的4妻线图2是示出了已知电池充电器的输出特性的示图3是示出了已知电池充电器在充电4乘作期间的电压和电流变 化的示图4是才艮据本发明实施例的电池充电器的接线图； 图5是示出了根据本发明实施例的处理的流程电压和电流变4匕的示图7是示出了当本发明的一个实施例中连接了肖特基二极管时 得到的在各个元件上的电压和电流变化的示图。
具体实施例方式
以下各段将参考图4来阐述本发明的实施例。图4中所示的电 池充电器具有从图1所示的已知电池充电器改进的配置，并且基于
CC-CV (恒流-恒压)充电系统对二次电池BAT充电，CC-CV充电 系统是恒流充电和恒压充电的组合系统。通过二才及管D2和电容器 C2整流后的输出电压Vo经由开关单元4 ^皮施加至二次电池BAT 的两端。
输出电压Vo的变化被电阻器R7、电阻器R8、运算放大器AMP1 以及参考电压REF1 一企测到，并经过脉宽调制控制电路3调节后保 持所需电压。
在本发明的实施例中，用于4佥测充电终止的电阻器R22串联连 接至用于4企测充电电流的电阻器R21 。关于充电电流Io的正偏二极 管(例如，肖特基二极管D5 )与电阻器R22并联连接。
电阻器R21 ;寸应于图1配置中的电阻器Rl。更具体:l也，电阻 器R21的负载侧(输出侧)端经由电阻器R5连接至运算放大器 AMP2负极端，而运算放大器AMP2正极端4皮施以通过电阻器R4 和R6对参考电压REF1进行分压后得到的电压，从而提高了运算 ;改大器AMP2正纟及端的电位。
由于^T出(充电)电流Io的流动，在电阻器R21上出现由于 输出电流而带来的电压降。因此，通过电阻器R4和R6分压后的电 压下降。此外，输出电流Io的增大进一步降低了运算放大器AMP2 的正极端上的电压。当运算放大器AMP2的正极端的电位降至其负 极端的电位或以下时，运算放大器AMP2的输出信号从H变成L 。
运算放大器AMP2的输出信号经由二极管D4和光电耦合器 PH1被提供给脉宽调制控制电路3,从而类似于电压控制，在一次 侧上通过脉宽调制电路3进行电力控制。更具体地，根据流过电阻 器R21的电流量，在运算放大器AMP2的正极端引起电压降，所得
电位与负极端的电位进行比较，然后控制输出电流的量，从而使在
电阻器R21产生的电压保持恒定。因而，输出电流被调节成恒定值。
电阻器R22的电源侧(输入侧)的一端连接至参考电压REF2 的负极侧，并将参考电压REF2的正极侧连接至比较器6的正极端。 比较器6的负极端连接至电阻器R21的负载侧(输出侧)的一端。 比较器6的比较输出Cs被提供给控制器11。
当输出电流Io很大时，比较器6的比较输出Cs为L，而如果 输出电流Io下降至^f氐于预定电流值(例如，O.IA)时，则比较器6 的输出变为H。结果，装置进入充电终止检测模式。
通过控制器111Ir出的驱动4言号DR1、 DR2和DR3分别切:換开 关单元4中的晶体管Trl、 FETF1和FETF2。开关SW产生的指示 二次电池BAT是否连接的检测信号Batt被提供给控制器11。从串 联连接的FET Fl和FET F2的连接点提耳又电池电压Vbatt，然后将 电池电压Vbatt提供给控制器11。指示充电状态的LED 13连接至 控制器11。
将参考图5中所示的流程图阐述控制器11的充电控制。
当开关SW 4企测到二次电池BAT的连4姿时，；险测信号Batt变 为L, /人而开始充电才喿作。
在步骤S1中，驱动信号DR1变为H以使FET Fl截止，驱动 信号DR2变为L以使FET F2导通，以及驱动信号DR3变为L以 使晶体管Trl导通。结果，通过晶体管Trl、电阻器R10和FETF2 开始充电二次电池BAT。在初始充电模式中，在备用模式中保持截 止的LED 13发光。
初始充电电流I用以下等式(1)来表达。在等式(1)中，Vtr 表示晶体管Trl的发射极-集电极电压。
If=(Vo-Vtr)/R10 (1)
在步骤S2中，判断电池电压Vbatt是否超过预定电压，例如， 2.7 V。如果判断出电池电压Vbatt超过预定电压(例如，2.7 V)， 则在步骤S3启动快速计时器，从而装置进入快速充电模式。
在快速充电模式中(步骤S4)，驱动信号DR1变为L从而使 FETF1导通，驱动信号DR2变为L从而使FETF2导通，以及驱动 信号DR3变为H乂人而4吏晶体管Trl截止。结果，通过FET Fl和FET FF2充电二次电池BAT。在快速充电模式中，LED13保持发光。
在快速充电模式中，在步骤S5中判断快速计时器是否终止。 如果判断出快速计时器没有终止，则在步骤S6判断充电是否终止。 如果充电电流降至低于预定值(例如，O.l安培)，则判断充电终止， 比较器6的检测信号Cs变为H。如果快速计时器没有终止并且没 有才企测到充电终止，则步骤S4的快速充电才莫式继续。
如果在步骤S5中判断出快速计时器终止，或者在步骤S6中检 测出充电终止，则装置进入步骤S7的充电终止检测模式。在充电 终止检测模式中，驱动信号DR1变为L从而使FETF1导通，马区动 信号DR2变为L从而使FET F2导通，驱动信号DR3变为H从而 使晶体管Trl截止，并且用于浮动充电的计时器(浮动计时器)启 动。结果，通过FETF1和FETFF2充电二次电池BAT。在充电终 止检测模式中，LED 13关闭。通过熄灭LED 13告知用户充电终止。
在步骤S8中，判断浮动计时器是否终止(时间结束)。如果判 断出浮动计时器已终止，则装置进入步骤S9的充电停止模式。在 充电停止才莫式中，驱动信号DR1变为H以4吏FETF1截止，驱动信 号DR2变为H以使FET F2截止，驱动信号DR3变为H以使晶体 管Trl截止。通过关闭开关单元4，充电电流:帔中断，并且二次电 池BAT的充电结束。LED 13仍保持关闭状态。
如图6A所示，在电池电压低于恒压控制电压(例如，4.2V) 的区域中进行恒流充电，因此在恒定充电电流(例如，l.OA)下进 4亍恒流充电。如果电池电压V (内部电动势)由于充电而升高达到 4.2V，则电池充电器将其才喿作切换成恒压控制才喿作，乂人而充电电流 逐洋斤卩争^f氐。当冲企测到充电电流达到充电终止4企测《直Is时，；险测到充 电纟冬止。/人这个时间点开始，浮动计时器启动，7寸电池充电，并且 在时间结束之前一直乂于电池充电。这些充电才喿作与图l所示的电池 充电器中发生的操作类似。
图6B示出了用于才企测充电电流的电阻器R21两端的电压变化， 以及由用于纟企测充电电流的电阻器R21和用于^r测充电终止的电 阻器R22构成的串联电^各(充电终止^r测电路)两端的电压变化。 示例性条件包括R21-0.1 Q、 R22=0.9 Q、快速充电电流Ic = 1.0 A 以及充电终止电流Is = 0.1 A。
在充电电流恒定保持恒定在1.0 A的恒流控制期间，在电阻器 R21上出if见电压卩条(才企测电压V21 = Ic x R21 = 1.0 A x 0.1 Q = 0.1 V)。将得到的0.1 V设为等于将被输入至运算放大器AMP2的正极 端的参考电压，乂人而1.0 A的充电电流流经电阻器R2L结果，运 算放大器AMP2的正极端的电位降低，达到与运算放大器AMP2 的负才及端相同的电4立，乂人而进4亍例如维持充电电流1.0 A不变的电 力控制。
此时，在由电阻器R21和R22构成的串联电路上出现电压降(检 测电压V2122 = Ic x(R21 +R22)= l.OAx(O.l + 0.9) Q = 1.0 V)。将该
电压施加至参考电压REF2的负极端侧。通过比较器6将在串联连 4妄的电阻器R21和R22之间产生的4企测电压V2122与参考电压 REF2进行比较。因为串联电阻器电路具有比单个电阻器R21大的 电阻值，所以4企测电压V2122大于4企测电压V21。在恒流充电中， 比较器6的输出Cs为L。
当才莫式从恒流充电变成恒压充电时，充电电流逐渐降低，从而 才企测电压V2122降4氐。当充电电流降^f氐至充电终止电流ls=0.1 A或 以下时，V2122变为(V2122 = 0.1 Ax (0.1+0.9)n = 0.1 V)。将具 有此电压相同值的电压作为连接至比较器6的正极端侧的参考电压 REF2。在此情况下，比4交器6的l命出电平/人L变成H。如果判断 控制器11的输出电平从L变成H,则装置进入充电终止检测模式。
现在参考图l所示的已知电池充电器，讨论在上述相同条件下 关于利用电阻器R2对恒流Ic和充电终止电流Is的 一企测，々H殳电阻 器R2二R21 =0.1 Q，并且在电阻器R2出现电压降V2。因为充电 结束时的电流4直为Is = V2/R2，由jt匕《寻到(V2 = Is x R2 = 0.1 A x 0.1
n = o.oi v)。
这个电压值仅仅是上述的本发明实施例中的电压值V2122=0.1 V的1/10。这意味着必须将用于充电终止检测的参考电压REF2设 为极小的值，并且必须使用具有小偏移电压的因此也是昂贵的准确 偏移比较器作为比较器6。本发明的一个实施例可以解决这个问题， 并才是高充电终止一全测的准确性。
此外，本发明的一个实施例可以降低电阻器R22上的电力损 耗，这是因为肖特基二极管D5与电阻器R22并联连接。图6B中 所示的检测电压V2122是在没有肖特基二极管D5的情况下下获得 的，并且在恒流控制下给出为V2122-0.9 V。例如，肖特基二才及管 D5引起的正偏电压降Vf为0.4 V。如图7所示，肖特基二极管D5
将才企测电压V2122抑制为低至0.4 V或以下。因此，电阻器R22的 损耗可减少 一半或以下。还可以采用除肖特基二极管以外的任何二 极管，其中，从抑制损耗的角度来看，使得正偏电压降尽可能小的 那些二才及管是优选的。
上述的本发明的一个实施例可以取得如下效果。
1 )利用以下配置电阻器R22与用于恒流控制的电流4企测电 阻器R21串联连接，并使用比较器将在串联电阻器(R21+R22)处 产生的电压与参考电压REF2进4于比4交，可以才是高充电终止时的枱r 测电平，乂人而可采用通常偏移水平(level)的比4交器。因此，可以 更容易i殳置参考电压REF2。
2)可以通过电阻器R21的电阻值来设置恒压控制的电流，同 样，可以通过与电阻器R21串联的电阻器R22的电阻值来设置充电 终止;f企测的电流值，/人而可以扩大i殳置电流的自由度而无需改变内 部参考电压值，这就带来了使电路设计容易的优势。
3 )通过将二极管D5与用于充电终止检测的串联接入的电阻器 R22串联连接，如果电阻器R22上产生的电压等于或大于二极管的 正偏电压降时，电流可以通过二才及管分流，这才羊可以降^氐电阻器 R22上的损-毛。在4交大充电电流的情况下下，电阻器R22上的损库毛 降低可以提供非常明显的优势。
已描述了本发明的一个实施例；然而，本发明并不限于本发明 的一个实施例。在不脱离本发明精神的情况下，本发明允许有各种 变型和应用。
例^口，可以同时乂十多个二次电;也进4亍充电，并JUIr出充电电压 和充电电流的电源电路可以是除了在一个实施例中所示的那些电 ^各外的任何电^各。
权利要求
1.一种电池充电器，用于使用将AC输入转换为DC输出的电源电路来对二次电池进行充电，所述电池充电器包括第一电阻器，用于检测恒流控制；以及第二电阻器，用于检测充电终止，其中，所述第一电阻器和所述第二电阻器串联地插入充电电流的电流通路，以及其中，所述电源电路具有恒流控制特性和恒压控制特性的输出特性，利用在所述第一电阻器处产生的第一检测电压来执行所述恒流控制，以及通过使用比较器将在由第一电阻器和第二电阻器构成的串联电阻器处产生的第二检测电压与参考电压进行比较，并且检测由降到所述参考电压之下的第二检测电压所表示的充电终止，执行所述恒压控制。
2. 根据权利要求1所述的电池充电器，还包括对充电电流的正 偏二才及管，所述正偏二才及管与所述第二电阻器并联连4妻，以及当在所述第二电阻器处产生的电压变为不小于所述二^L 管的正偏电压降时，所述充电电流^皮所述二极管分流，从而降 低所述第二电阻器的损耗。
3. 根据权利要求2所述的电池充电器，其中，所述二极管是肖特 基二极管。
4. 根据权利要求1所述的电池充电器，其中，由所述电源电路的 输出电压产生第三检测电压，从而使用所述第三检测电压来执 行恒压控制。
5. 根据权利要求1所述的电池充电器，其中，根据所述第 一 电阻 器的电阻值来i殳置用于所述恒流控制的电流值，并且才艮据由所 述第 一 电阻器和所述第二电阻器构成的串联电阻的电阻值来 设置用于充电终止检测的电流值。
6. 根据权利要求1所述的电池充电器，还包括脉宽调制控制电;洛，用于所述电源电3各的电力控制，其中，所述脉宽调制控制电路通过变压器与所述第一和 第二电阻器绝纟彖，以及所述第 一检测电压经由光电耦合器被提供给所述脉宽调 制控制电路。
全文摘要
一种电池充电器，用于使用将AC输入转换为DC输出的电源电路来对二次电池进行充电，电池充电器包括用于检测恒流控制的第一电阻器以及用于检测充电终止的第二电阻器。将第一电阻器和第二电阻器串联地插入充电电流的电流通路。电源电路具有恒流控制特性和恒压控制特性的输出特性。利用在第一电阻器处产生的第一检测电压来执行恒流控制，通过使用比较器将在由第一电阻器和第二电阻器构成的串联电阻器处产生的第二检测电压与参考电压进行比较，并且检测由降到参考电压之下的第二检测电压所表示的充电终止，执行所述恒压控制。
文档编号H02J7/04GK101355263SQ200810135018
公开日2009年1月28日 申请日期2008年7月24日 优先权日2007年7月25日
发明者梅津浩二 申请人:索尼株式会社