具有电池传感件的超快电池充电器的制作方法

专利名称：具有电池传感件的超快电池充电器的制作方法
具有电池传感件的超快电池充电器
背景技术：
锂离子可充电电池用如下的电源来充电所述电源提供恒定电流，继 而提供恒定电压(CC/CV)，其间在大约4. 2V处经历从恒定电压到恒定电 流的交变(即，当电池的电压达到大约4. 2V时充电操作从恒定电流模式 切换至恒定电压模式)。可提供这种充电特征的电源由电子反馈机构来控 制。为了在给定时间段内充电可充电电池，并且为了避免因施加不正确的 充电电流而对电池造成损害，需要细致且精确地调节充电装置的充电机 构。为了有利于精确地调节充电电流，需要精确地测量电池的电压和/或 电流。此外，由于电池具有不同的容量并且需要不同水平的充电电流，因 此需要利用关于电池容量的精确信息来使充电操作在给定时间段内完成并 且避免损害可充电电池和/或充电器。

发明内容
本发明公开了 一种超快充电器，所述充电器可在给定充电时间段例如 5分钟内将不同的可充电电池和/或不同充电容量的电池充电至90%容量。
在一个方面，本发明公开了一种用于对具有至少一个可充电电化学电 池单元的可充电电池充电的方法。该方法包括基于从可充电电池接收到 的识别信息确定对应的电池容量；基于所确定的对应的电池容量确定要施 加到可充电电池上的充电电流水平，使得电池获得在15分钟或更短的充 电时间段内达到的预定充电量；和将具有基本上约所确定的电流水平的充 电电流施加到电池上。
实施方案可包括下列一个或多个。确定对应的电池容量可包括将测试电流施加到可充电电池的识别电阻 器上(识别电阻器代表对应的电池容量)和测量识别电胆器处的识别电压 降。
确定充电电流可包括基于识别电压降从查找表中检索出对应于要施加 到可充电电池上的充电电流水平的值。
确定充电电流可包括基于测量的识别电压降和测试电流计算出电阻 值，并且基于计算出的电阻值从查找表中选择要施加到可充电电池上的充 电电流水平。
该方法还可包括确定可充电电池的温度，并且基于所确定的温度调整 充电电5充。
后终止充电电流。
电池的预定充电量可为电池的电池容量的至少90%,并且充电时间段 可为大约5分钟。
施加充电电流包括通过充电器装置的第 一组端子将充电电流施加到可 充电电池上，第一组端子被配置成施加电流。该方法还可包括通过充电器 装置的第二组传感端子监测可充电电池的端子处的电压，第二组端子被配 置成测量电压。
在另一方面，本发明公开了一种用于对具有至少一个可充电电化学电 池单元的可充电电池充电的方法。该方法包括通过充电器装置的第一组 充电端子将充电电流施加到可充电电池上，第一组端子#>配置成施加电 流；以及通过充电器装置的第二組传感端子监测可充电电池的端子处的电 压，第二组端子被配置成测量电压。
如同上述第一方法的方面一样，另一种方法的实施方案可包括对应于 如关于第一方法的方面所述的任一部件的任何部件。
在另一方面，本发明公开了被配置成对具有至少一个可充电电化学电 池单元的可充电电池充电的充电器装置，可充电电池包括电池识别机构， 所述机构被配置成传达代表与可充电电池相关的对应的电池容量的识别信 息。该装置包括被配置成接纳可充电电池的充电隔室，所述充电隔室包 括被配置成耦合到可充电电池的各自的电池端子的充电端子；以及电池识别阅读机构，所述机构被配置成与可充电电池的电池识别机构通信并且能 接收识别信息。该装置还包括控制器，所述控制器被配置成基于所传达的 可充电电池的识别信息确定对应的电池容量、基于所确定的对应的电池容
量确定要施加到可充电电池上的充电电流水平使得电池获得在15分钟或 更短的充电时间段内达到的预定充电量、以及将具有基本上约所确定的电
流7JC平的充电电流施加到可充电电池上。
如同该方法的各方面一样，该装置的实施方案可包括对应于如上文关 于这些方法所述的任一部件的任:何部件、以及以下部件。
该装置可包括可充电电池。
在又一方面，本发明公开了被配置成对具有至少一个可充电电化学电 池单元的可充电电池充电的充电器装置。该装置包括净皮配置成接納可充电 电池的充电隔室，所述充电隔室包括被配置成将电流施加到可充电电池的
各自的端子的第一组充电端子、以;s^皮配置成测量可充电电池的电压的第 二组传感端子。该装置还包括控制器，所述控制器被配置成通过第一组充 电端子将充电电流施加到可充电电池上，并且通过第二組传感端子监测可 充电电池单元的端子之间的电压。
该装置的实施方案可包括对应于如上文关于这些方法和装置所述的任 一部件的任何部件。
在又一方面，本发明公开了一种充电器设备。该设备包括具有至少一 个可充电电化学电池单元的可充电电池，可充电电池具有电池识别机构， 所述才几构被配置成传达代表与可充电电池相关的对应的电池容量的识别信
息。该设备还包括被配置成接纳可充电电池的充电隔室，所述充电隔室 包括被配置成耦合到可充电电池的各自的端子的充电端子；以及电池识别 阅读才几构，所述才几构,皮配置成与可充电电池的电池识别才几构通信，并且能 接收识别信息。该设备也包括控制器，所述控制器被配置成基于可充电电 池的识别信息确定对应的电池容量、基于所确定的对应的电池容量确定要 施加到可充电电池上的充电电流水平使得电池获得在15分钟或更短的充 电时间段内达到的预定充电量、以及将具有基本上约所确定的电流水平的 充电电流施加到电池上。该设备的实施方案可包括对应于如上文关于这些方法和装置所述的任 一部件的任何部件。
在一个附加方面，本发明公开了对接底座系统。对接系统包括被配置 成接纳具有至少一个可充电电池的可用电池操作的装置的充电隔室，充电
隔室包括连接到可用电池操作的装置的相应的连接件上的连接件；以及 被配置成与可用电池操作的装置的识别机构通信的识别阅读机构，所述识 别机构被配置成传达代表与至少 一个可充电电池相关的电池容量的识别信 息。对接底座系统还包括控制器，所述控制器被配置成基于所传达的识别 信息确定对应的电池容量、并且基于所确定的对应的电池容量确定要施加 到可用电池操作的装置的所述至少一个可充电电池上的充电电流水平，使 得所述至少一个可充电电池获得在15分钟或更短的充电时间段内达到的 预定充电量。
对接底座系统的实施方案可包括对应于如上文关于这些方法、装置和 设备所述的任一部件的任何部件、以及以下部件。
该系统还可包括可用电池操作的装置。可用电池操作的装置包括例如 下列中的一种移动电话、个人数字助理(PDA)、数字照相机、音频装 置和/或多媒体装置。
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。


图1为充电器设备的一个示例性实施方案的方框图，所述设备包括充 电器和电池。
图2为图1所示的充电器的一个示例性实施方案的方框图。 图3为图2的充电器的一种示例性电路的电路示意图。 图4为AC/DC转换开关的一个示例性实施方案。 图5为充电规程的一个示例性实施方案的流程图。 图6为用以接纳可用电池操作的装置的对接底座的一个示例性实施方 案的#见图。
具体实施例方式
图1显示被配置成对具有至少一个电化学电池单元的电池12充电的 充电器10。电池12可为二次电池单元(或电池)或一次电池单元。 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 of Batteries (McGraw-Hill,第2版，1995 )中。二次电化学 电池单元可以被多次再充电，例如超过五十次、超过一百次或更多次。在 一些情况下，二次电池单元可包括相对坚固的分隔体，例如具有许多层的 那些和/或相对较厚的那些。二次电池单元还可设计成使其能适应可能在 电池单元中发生的变化，如溶胀。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，这些专利均据此以 引用方式并入本文。在本文所述的实施方案中，电池12是二次或可充电 电池。
在一些实施方案中，可充电电池12包括锂离子电池单元，所述电池 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，它们适于 使基于此类材料的可充电电池快速再充电。充电器10还可被配置成充电 不同类型的电池，包括例如圆柱形电池、棱柱形电池、纽扣电池等等。
电池12被接纳在充电器10的充电隔室内，使得充电端子14a和14b 分别电耦合且机械耦合到电池12的端子18a和18b，并且传感端子16a 和16b分别电耦合且机械耦合到电池12的传感端子20a和20。在一些实 施方案中，端子18a、 18b、 20a和20为销轴，所述销轴适于以配合配置 与定位在充电器10的充电隔室内的相应的端子14a、 14b、 16a和16b连 接。充电器IO确定要施加到电池12上的适当的充电电流，并且将该充电 电流通过端子14a和14b经由电池12的端子18和18施加到电池12上。 电耦合到端子16a和16b的电压传感器测量端子20和20b处的电压(所 述电压对应于电池12的端子18a和18b处的电压)。基于测量的电压， 充电器10对施加到电池12上的充电电压和/或电流进行必要的调节，以 便充电器10可根据电池12的特定充电特征(例如，在小于15分钟的时间内获得80°/。至90%充电容量)来完成电池12的充电操作。在一些实施 方案中，充电器10也可包括一个或多个电流传感器，所述传感器连接到 充电器10的充电端子14a和14b上。虽然图1显示的是单电池12，但充 电器IO可适于接纳并充电附加可充电电池。此外，充电器10还可被配置 成接纳并充电不同的电池类型，包括圆柱形电池、棱柱电池、硬币电池或 纽扣电池等。
充电器10被配置成对具有不同容量的电池充电。充电器可确定连接 到充电器10上的可充电电池12的容量。基于所确定的电池容量，充电器 10确定要施加到可充电电池12上的电流水平，使得电池12的预定充电 量(例如，90%容量)可在例如大约5分钟内达到。为了获得这种充电性 能，需要对应于大约10C至15C的充电电流(其中1C为对应于可导致特 定可充电电池在1小时内充电完毕的充电电流的充电速率，而12C的充电 速率对应于可在5分钟(即， 一小时的1/12)内将特定电池充电完毕的 电流水平)。
由于该充电器被配置成对具有不同容量的电池充电，而电池12的容 量可为多种可能的容量中的一种，因此需根据电池12的容量施加不同水 平的充电电流。通常，电池的容量在50mAh至3Ah的范围内，其中"Ah" 为电池容量单位安培小时。也可适用于其它容量。因此，例如，为了以 12C的充电速率(即，在大约五分钟内)将500mAh容量的电池充电至大 于全容量的90%,需要大约6A的充电电流(即，6A*1/12小时= 500mAh);另一方面，为了以12C的充电速率充电700mAh的电池，需要 大约8. 5A的充电电流。
充电器10还被配置成控制充电过程，包括调节施加到电池12上的电 压和/或电流，以确保(a)电池12在给定时间段内被充电至其预定充电水 平、(b)电池的电压不超过预定电压上限、以及/或(c)电压增加速率 (即，随着充电操作的进行，电池12的充电端子处的电压增加的速率) 符合指定充电特征(例如，其在充电操作的第一 1分钟内以特定速率增 加)。
控制充电过程需要监测电池12的端子处的电压。因此，为了执行所 需的对施加到电池12上的电压和/或电流的调节，需要精确地测量电池12的端子处的电压。然而，由于充电器的充电端子具有不可忽略的电 阻，因此在其中电压传感件耦合到充电器的充电端子的情形中，测量的电 压降将包括由充电器的充电端子的电阻所引起的充电器10的充电端子处 的电压降。因此，包括直接耦合到充电器的充电端子的电压传感件的充电 器可导致某种程度的测量误差。
因此，为了减小电压测量的不精确性效应，充电器10使用一组端子 (即，端子14a和14b)来施加充电电流，并且使用一组独立的专用端子 (即，端子16a和16b)来测量电池的电压。充电器10的两个充电端子 14a和14b适于耦合到电池12的对应的充电端子18a和18b，并且充电器 10的两个独立的传感端子16a和16b适于电耦合到电池12的对应的专用 传感端子20a和20b。这种4端子配置(如图1所示的配置)有时称为开 氏配置，或开氏连接。充电器10的传感端子16a和16b与充电器10的充 电端子14a和14b电隔离，因此可减小电压测量误差，所述误差可因这两 组端子彼此耦合而导致。使用独立的充电端子和独立的传感端子可使充电 过程得到精确的调节。端子18a与传感端子20a电气连通，并且端子18b 同样地与传感端子20b电气连通，因此电压反馈对应于电池12的充电端 子处的电压。
在一些实施方案中，充电器的充电隔室中的附加端子或销轴可用来确 定电池容量、以及/或其它有关电池12的相关信息。具体地讲，充电器 10包括包括ID传感端子22的电池识别阅读机构，所述阅读机构被配置 成机械耦合且电耦合到电池12的识别机构，所述识别才几构^皮配置成向充 电器10提供代表电池的容量、类型、型号、以及/或其它数据的识别信 息，所述数据与要对可充电电池12执行的充电操作密切相关。充电器10 被配置成与电池识别机构通信并且能接收识别信息。基于从电池12接收 到的识别信息，充电器10确定要施加到电池12上的充电电流。
电池识别机构的一个此类实例为电池ID电阻器26,所述电阻器具有 代表电池12的对应的电池容量、类型、以及/或型号的电阻值。ID电阻 器26可设置在电池12的壳体的内部，或其可设置在电池12的外部上。 在图l所示的实例中，ID电阻器26电耦合到专用电池ID端子24，所述 端子适于机械耦合且电耦合到充电器10的端子22。ID电阻器26电耦合到电池10的功率端子18b和传感端子20b。因 此，在由充电器10的端子22向电池12的ID端子24施加电流或电压 时，在电池12的端子18b和24之间形成闭合电通路，从而导致电流流过 ID电阻器26。为了获得代表电池的容量和/或身份的信息，充电器10通 过ID端子24将预定测试电流I测试施加到ID电阻器26上，ID电阻器26 两端的电压降U吏用耦合到端子22的充电器10的电压传感器来测量。 ID电阻器26处的测量的电压降被传达给充电器10，所述充电器使用测量 的电压根据R1 = VJI测试来计算ID电阻器26的电阻。
可使用计算出的对应于ID电阻器26的电阻Rl来查阅存有每个与多 +不同的电阻值相关的数据的查找表。此类数据可包括与电阻值相关的相 应的电池容量、容许施加到电池上的充电电流值、以及/或可与充电过程 密切相关的其它信息。作为另外一种选择，可使用测量的电压V^来查阅 查找表。
在一些实施方案中，ID电阻器26为热敏电阻器，其电阻可随变化的 温度而变化。因此，这种ID热敏电阻器可同时用来识别有待充电的电池 的类型并且监测电池的温度。充电器10基于热敏电阻器的电阻的变化来 确定电池的温度。例如，对电池的温度的确定可以如下方式执^f亍测量由 施加某个预定水平的电流所引起的热敏电阻器处的电压，并且将测量的电 压、或基于测量的电压和所施加的电流计算出的电阻与查找表相匹配，所 述查找表针对特定的电池容量或类型将测量的值与对应的温度相关联。当 电池的温度达到被认为不安全的水平时，充电器10即基于所确定的温度 降低或或终止充电电流以使电池的温度下降。在一些实施方案中，可实施 充电器10而无需热控制和/或热监测机构，因此在此类实施方案中，不执 行确定电池和/或充电器的温度的操作和相应的响应操作。
也可利用其它类型的电池识别机构。合适的电池识别机构可包括射频 识别(RFID)机构，其中RFID装置响应于激活信号(例如，无线电信 号)向充电器IO传达代表电池的容量、类型、电池的充电状态/性能状态 等的电信号。其它合适的识別机构包括实施串行通信技术来识别电池的机 构，例如智能电池SMBus标准，以使代表电池的容量和/或类型的识别数 据通过串行数据通信接口被传达给充电器10。在一些实施方案中，对充电电流的确定可以如下方式来进行测量可指示电池的容量和/或类型 (例如，电池的DC充电电阻)的电池电特性中的至少一种。 一种可基于 电池的测量的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 提供于同时提交的题目为"Adaptive Charger Device and Method"的专 利申请中，该专利申请的内容据此全文以引用方式并入本文。
还如图1所示，充电器10包括使用者界面30。使用者界面30包括 输出装置诸如LED,它们向使用者提供有关连接到其上的充电器10和/或 电池12的状态信息。使用者界面30包括例如"充电器开启"蓝色 LED32，当充电器处在运行中因而连接到外部电源诸如通过AC电源端口 28连接到充电器10上的AC电源上时，所述LED被点亮。使用者界面包 括例如红色LED34,当将不能够适用于充电器10的电池插入到充电隔室 中时，所述LED被启动以产生稳定的红色灯光。这种电池可包括例如一次 性不可充电电池、或可充电电池，所述可充电电池的ID电阻器26具有代 表充电器10的配置所不能处理的电池的容量或类型的值。当将缺陷电池 插入到充电隔室中时，红色LED34也可被启动以产生闪烁的红色灯光。例 如，初始电压水平低于例如2V的电池可能已受损，因此充电器IO不能够 开始充电操作，直到净皮怀疑受损的电池被移除。红色LED也可在检测到故 障状况时被点亮，所述故障状况会不利地影响充电器的运行和/或损害充 电器或电池。此类故障状况包括检测到电池端子处的异常电压水平、电池 和/或充电器的过热状况(例如，如果检测到温度超过60'C的话)等。对 用以检测和响应发生在对电池克电的过程中的故障状况的示例性规程的发 明详述提供于同时提交的题目为"Fast Battery Charger Device and Method"的专利申请中，该专利申请的内容据此全文以引用方式并入本 文。
使用者界面30也包括黄色LED36，当充电器正以例如6A的电流将电 池12充电时，所述LED^L点亮。这种充电电流可指示放置在充电器10 的充电隔室内的电池具有500mAh的容量，其在6A的充电电流下将在大约 5分钟内完成充电操作。使用者界面30也包括绿色LED38。当充电器正以 例如8. 5A的电流将电池12充电时，所述LED^皮点亮。这种充电电流可指 示放置在充电器10的充电隔室内的电池具有700mAh的容量，其在8. 5A的充电电流下也将在大约5分钟内完成充电操作。使用者界面30可 包括附加LED,它们可各自对应于不同的状况(例如，不同的故障状 况)、不同的电池容量等。此外，还可改进本文所述的颜色和/或灯光方 案，以便不同的颜色可对应于不同的电池容量或不同的状况。
使用者界面30可包括被配置成向使用者提供输出信息的显示装置。 例如，在其中被怀疑受损的电池、或非法电池-皮放置在了充电隔室中的情 形中，使用者界面可使"缺陷电池"、或"非法电池"的讯息被显示出 来。
使用者界面30也可包括使用者输入区(未示出)，所述区可包括开 关、按钮和/或旋钮，使用者可通过它们指示例如充电时间、以及/或与充 电过程相关的其它类型的参数。因此，如果使用者期望以不同于可在大约 5分钟内导致电池成为至少90%充电的速率的速率将电池充电，则使用者 可通过界面3G的使用者输入区作出这样的指示。基于电池的身份(其可 通过识别机构诸如ID电阻器以如下方式确定通过使用者输入区、或通 过其它电池确定方案指定电池类型和/或容量)，充电器可查阅查找表， 所述查找表可基于充电时间和电池身份和/或容量索引到合适的充电电流 值。在一些实施方案中，可使用计算技术来确定适当的充电电流。使用者 界面30的使用者输入区也可包括输入元件(例如，开关)以启用或禁用 充电器IO。
在一些实施方案中，充电器10可适于充电放置在插座或某个装置中 的电池(例如移动电话，其中在充电操作期间可充电电池保留在移动电译: 内)。在此类实施方案中，被嵌入装置中的电池电耦合到例如设置在装置 壳体上的5销轴端子。作为另外一种选择，这种电池可耦合到母型连接器 以避免电池短路。在这些情况下，充电器可包括对接底座，所述对接底座 由AC或CLA (12V的汽车点烟适配器)供电并且被结构化成能接纳具有嵌 置的可充电电池的装置。可将该装置以配合配置放置在对接底座中。对接 底座起动ID检查，并且施加基于电池容量(如由ID检查确定的容量)所 确定的对应的充电电流，以在大约5分钟内充电该装置的电池。参见图 6，其显示了示例性对接底座100和可用电池操作的装置诸如个人数字助 理(PDA) 102,所述装置被配置成被接纳成与对接底座100成配合配置。对接底座包括连接件104，所述连接件耦合到设置在可用电池操作的装置 (在此情形中为PDA102)上的相应的连接件(也未示出)。在一些实施 方案中，可用电池操作的装置包括下列中的一种移动电话、个人数字助 理(PDA)、数字照相机、音频装置和多^^某体装置。在一些实施方案中， 充电器10可使充电电流緩慢增大以防止充电器的连接器电弧^:电。
图2描迷充电器10的一个示例性实施方案的细节。充电器10包括包 括AC-DC转换器42的功率转换模块40，所述转换器在充电器的外部电耦 合到AC电源诸如以额定的85V-265V和50Hz至60Hz提供功率的电源，并 且可将该AC功率转换为低DC电压(例如，5V-24V)，并且例如可将此低 D.C.电压输入给例如DC-DC转换器44以提供适用于将可充电电池充电的 水平(例如，用于上述的锂离子电池单元的大约介于3. 7V-4. 2V之间的 DC电压水平。其它类型的电池单元可具有不同的电压水平。)可将AC-DC 转换器42实施为分离的AC/DC转换开关，所述转换开关被配置成接受 第一交变电压形式的输入功率，并且将其变换为较低的恒定DC电压。 AC/DC转换开关70的一个示例性实施方案显示于图4中。AC-DC转换器 42包括AC输入线和DC输出之间的电隔离，以防止输入AC电流达到AC-DC转换器42的DC输出区。
AC-DC转换器42也可包括反馈机构(未示出)以调节转换器42的DC 输出电压，以便可将基本上恒定电压水平提供到转换器的输出处。
在一些实施方案中，将DC-DC转换器44引入到功率转换才莫块40中， 以将外部DC电源诸^(o汽车的DC电源转換为适用于充电可充电电池的DC 功率水平。例如，汽车的DC电源可提供大约11. 5V-14. 3V的DC功率，因 而DC-DC转换器44可将该功率水平转换为合适的功率水平。也可采用其 它电源转换构型。
在一些实施方案中，功率转换模块40设置在充电器10的外壳内。作 为另外一种选择，功率转换模块40可设置在适于电连接到充电器10上的 独立的外壳中。
充电器10包括控制器50，所述控制器确定要施加到电池12上的充 电电流，并且使所确定的充电电流被施加到电池12上。控制器50也可使 充电电流在经过了指定或预定时间段之后被终止。控制器50也可被配置成一旦达到了预定的电池电压或充电水平即使充电电流终止。如本文所
述，对充电电流的确定可以如下方式来执行使用例如可传达代表电池 12的容量和/或类型的数据的识别机构来识别放置在充电器10的充电隔 室中的电池的容量和/或类型。
控制器50包括处理器装置52,所述装置被配置成控制对电池12进 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孩￡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和/或非易 失存储元件，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、以及用以对连接到充电器上的电池12执行充电操作的具体实施程 序，所述充电操作包括在大约5分钟内获得至少90%充电容量的充电操 作、以及识别或换句话讲确定电池12的容量和/或类型的操作。
处理器52包括模-数(A/D)转换器54，所述转换器具有多个模数输 入和输出线。A/D转换器54被配置成从耦合到电池12的传感器诸如耦合 到充电器10的传感端子16a和16b的电压传感器接收信号，以有利于调 节和控制充电操作。在一些实施方案中，控制器50也可包括数字信号处 理器(DSP)以执行控制装置的一些或全部处理功能。
控制器50也包括数-模(D/A)转换器装置56、以及/或脉冲宽度调 制器(PWM) 58，所述装置和/或调制器接收由处理器装置52生成的数字 信号并且相应地生成电信号，所述电信号调节充电器10的开关电路诸如 降压转换器60。 "
在一些实施方案中，充电器10可包括自动装载/卸载机构(未示 出)，以自动地将电池和/或充电隔室从充电器10上的第一入口位置移位 至第二位置，使得电池的端子(充电端子和/或传感端子)与充电器10的 相应的端子电气连通。在充电操作结束时，充电器10将使自动装载/卸载 机构卸载电池，因此将电池从它们的第二位置移位至它们的入口位置，如 同时提交的题目为 "Battery Charger with Mechanism to Automatically Load and Unload Batteries"的专利申请中所公开的那 样，该专利申请的内容据此全文以引用方式并入。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40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40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。
从电源转换才莫块40传输到电池12的能量通过控制施加到晶体管62 和64基极上的电压水平而控制。为了使源自功率转换模块40的功率被施 加到电池12的端子18a和18b上，将源自控制器50的端子50d (标记为 SW1)的启动电信号施加到晶体管62的基极上，从而导致电流从功率转换 模块40流向晶体管62并且流向电池12。
当撤消施加到晶体管62的基极上的启动信号时，源自功率转换才莫块 40的电流将停止，并且电感器66和/或电容器68由存储在它们中的能量 来提供电流。在晶体管62的关断期间，第二起动信号由控制器50的端子 50e (标记为SW2)施加到晶体管64的基极上，以使电流可流过(使用在 晶体管62的接通期间存储在电感器66和/或电容器68中的能量)电池 12。在一些实施方案中，使用整流二极管来替代晶体管64，该二极管可 提供与晶体管64类似的功能性。
晶体管的开期间或工作周期从0%工作周期开始向上爬升，同时控制 器或者反馈回路测量输出电流和电压。 一旦达到了所确定的要施加到电池 12上的充电电流，反馈控制回路就使用闭回路线性反馈方案来管理晶体 管工作循环，例如，使用比例积分微分或PID机理。 一旦充电器电压输出
或电池的端子处的电压达到交变电压，可采用类似的控制机构来控制晶体 管的工作周期。
因此，在晶体管62的接通期间由功率转换^^莫块40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 基本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12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"电流传感器")传达测量值。基于此接收到的测量的电流，控制器50调节工作循环以导致对流过 电池12的电流的调节，以便该电流收敛至基本上等于充电电流水平的 值。降压变换器60因此被配置成能够随着可调的工作周期运行，导致可 调的电流水平被供应给电池12。
除了电压传感器和/或电流传感器以外，充电器10还可包括被配置成 测量电池12和/或充电器10的其它属性的其它传感器。例如，充电器10 可包括温度传感器，所述传感器耦合到电池12和/或其上布置了控制器 50的电路板。如所述的那样，在其中电池12包括热敏电阻器以用作ID 电阻器26的情形中，热敏电阻器被用来测量电池的温度并且确定电池12 是否过热。充电器10也可包括温度传感器(例如，热敏电阻器基传感器 或温度计)以测量其上布置了控制器50的各模块的电路板的温度，以使 控制器50可在板过热(例如，板的温度超过60°C )的情况下釆取矫正或 预防行动。用以排除不安全操作条件的矫正和/或预防行动包括终止充电 操作，或减小充电电流以使电池12和/或充电器10的温度降低。
在一些实施方案中，使用模拟逻辑处理元件(未示出)诸如可包括例 如阈值比较器的专用充电控制器装置来处理所接收到的测量的信号，以确 定由电压和/或电流传感器所测得的电压水平和电流水平。充电器10也可 包括用于对模拟和/或数字输入信号进行信号滤波和处理的信号调整部件 诸如滤波器51和53，以防止可能由外界因素诸如电路水平噪声造成的错 误测量(例如，对电压、温度等的错误测量)。
-控制器50还被配置成将电池12的端子处的电压保持在约基本上恒定 的预定电压上限(也称为交变电压)(一旦达到了该上限时)。在将电池 12用基本上等于充电电流的电流充电期间，电池端子处的电压会增加。 为了确保电池端子处的电压不超过预定电压上限(以便电池不会过热，或 电池的运行或预期使用寿命不会否则的话受到不利影响)，使用电压传感 器来周期性地测量(例如，每隔0.1秒)电池12的端子处的电压，以确 定何时达到了预定电压上限。测量的电压通过端子50b (标记为VSENSE) 传达给控制器50。当电池12的端子处的电压达到了预定电压上限时，控 制电流/电压调节电路以导致电池12的端子处的基本上恒定的电压。以如下方式监测电压增大速 率周期性地测量电池12的端子处的电压，并且调节施加到电池12上的 充电电流，使得预定电压上限可在某个指定的电压上升时间段内达到。根 据测得的电压增加速率，调整充电电流水平来增大或减小充电电流，使得 在规定的电压升高时间内达到预定的电压上限。例如，调整充电电流水平 可根据采用Kalman滤波器的预测校正技术来执行。也可使用用于确定对 电流的调节以获得预定电压上限的其它方法。
图5描述用以再充电插入到充电器10的充电隔室中的可充电电池12 的一种示例性充电规程80。当放置在充电隔室内时，充电器10的充电端 子14a和14电耦合到电池12的充电端子18a和18b,并且充电器10的 传感端子16a和16b电耦合到电池12的充电端子20a和20b。如本文所 述，通过充电器10的专用传感端子而非通过充电器10的充电端子来测量 电池的电压和/或电流可减少测量误差的发生，因此可导致对由充电器10 执行的充电规程的更精确的调节。
任选地，在开始充电操作之前，充电器10确定是否存在任何故障状 况。因此，充电器10测量82电池12的温度和电压。充电器10确定84 初始测量的温度T。和电压V。是否在预定范围内(例如，该V。介于2V至 3.8V之间，并且该温度T。低于60'C )。在其中已确定测量的温度和/或电 压不在预定的容许范围内因此致使当前条件下的充电操作不安全的情形 中，充电器不继续进行充电操作，并且规程80将终止。
如果&确定测量的温度T。和电压V。在预定的相应的范围内，则充电 器10将预定值的测试电流I测试施加86到电池12的ID电阻器26上。ID 电阻器26处的所得电压降V"吏用耦合到充电器10的端子22的电压传感 器来测量。
在测量了电压Vu之后，如下计算88ID电阻器26的电阻
J測试
计算出的电阻代表连接到充电器10上的电池"，因此代表电池的容 量。因此，计算出的电阻值被用来确定要施加到电池l2上的90充电电流。处理器50查阅查找表，所述查找表可索引到对应于与计算出的电阻 值相关的容量的合适的充电电流。在其中所确定的容量与多个充电电流条 目相关的情形中，可使用使用者所需的充电时间(例如，使用4吏用者界面 30的输入区来指定)来选择与电池容量和/或类型相关的适当的条目，所 述容量和/或类型由计算出的代表电池特性的ID电阻器26的电阻来识 别。 一般来讲，在其中要使用5分钟的充电时间的实施方案中，可在5分 钟内对具有所确定的电池容量的电池12充电的充电电流值可从查找表中 检索到。例如，如果已基于计算出的ID电阻器26的电阻确定了所连接的 电池具有500mAh的容量，则指示6A充电电流的值可从查找表中检索到。
在确定了要施加到电池12上的充电电流之后，控制92电流/电压调 节电路诸如图3所示的降压转换器60,以使源自功率转换模块40的电压 向可充电电池12提供恒定电流。如上所述，处理在90处所计算的充电电 流水平值以生成工作周期信号使基本上等于充电电流的电流施加到电池 12上。将控制器的输出信号施加到例如降压转换器60的晶体管62上， 以使源自功率转换模块40的电压被施加到电池12上。在特定工作循环的 关断期间，功率转换模块40与电池12截止，并且存储在电感器66和/或 电容器68中的能量以电流形式释放给电池。由功率转换模块40施加的电 流、以及从电感器66和/或电容器68中释放出的电流組合起来可导致基 本上等于所确定的充电电流的有效电流。
在将电池12用基本上恒定的电流充电期间，电池端子处的电压会增 加。为了确保电池端子处的电压不超过预定电压上限 ，周期性地测量94 (例如，每隔0.1秒)电池12的端子处的电压，以确定何时达到了预定 电压上限。当电池12的端子处的电压已达到预定电压上限时，控制(例 如，通过电启动晶体管62和64)电流/电压调节电路，以^便在电池12的 端子处产生恒定电压水平。
任选地，可周期性地测量电压增加速率(96)以在规定的电压升高时 段内达到预定的电压上限。根据测得的电压增加速率，调整充电电流水平 (相应调整施加到电流/电压调节电路上的实际信号)以增大或减小充电 电流，使得在规定的电压升高时间内达到预定的电压上限。在确定98经过了基本上等于充电时间段的时间段之后，终止施加到 电池12上的充电电流(例如，通过中止晶体管62的电启动以使由功率转 换模块40递送的功率被终止)。在达到了电池12的预定电压上限之后， 或在达到了电池12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。
其它实施方案
现在已描述了本发明的一些实施方案。但是应当理解，在不背离本发 明精神和范風的条件下可以进行各种修改。因此，其它实施方案也在以下 权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种用于对具有至少一个可充电电化学电池单元的可充电电池充电的方法，所述方法包括基于从所述可充电电池接收到的识别信息确定对应的电池容量；基于所确定的对应的电池容量确定要施加到所述可充电电池上的充电电流水平，使得所述电池获得在15分钟或更短的充电时间段内达到的预定充电量；以及将具有基本上约所确定的电流水平的充电电流施加到所述电池上。
2. 如权利要求1所述的方法，其中确定所述对应的电池容量包括 将测试电流施加到所述可充电电池的识别电阻器上，所述识别电阻器4戈表所述对应的电池容量；以及测量所述识别电阻器处的识别电压降。
3. 如权利要求2所述的方法，其中确定所迷充电电流包括 基于所述识别电压降从查找表中检索出对应于要施加到所述可充电电池上的所述充电电流水平的值。
4. 如权利要求2所述的方法，其中确定所述充电电流包括 基于测量的所述识别电压降和所述测试电流计算电阻值；以及 基于所计算出的电阻值从查找表中选择要施加到所述可充电电池上的充电电流水平。
5. 如权利要求2所述的方法，所述方法还包括 确定所述可充电电池的温度；以及 基于所确定的温度调节所述充电电流。
6. 如权利要求1所述的方法，所述方法还包括 在经过了基本上等于所述充电时间段的充电时间段之后终止所述充电电流0
7. 如权利要求1所述的方法，其中所述电池的预定充电量为所述电池 的电池容量的至少90%,并且其中所述充电时间段为大约5分钟。
8. 如权利要求1所述的方法，其中施加所述充电电流包括通过充电器 装置的第 一组端子将充电电流施加到所述可充电电池上，所述第 一组端子 -故配置成施加电流。
9. 一种用于对具有至少一个可充电电化学电池单元的可充电电池充电 的方法，所述方法包括通过充电器装置的第 一组充电端子将充电电流施加到所述可充电电池 上，所述第一组端子被配置成施加电流；以及通过所述充电器装置的第二组传感端子监测所述可充电电池的端子处 的电压，所述第二組端子被配置成测量电压。
10. —种充电器装置，所述充电器装置被配置成对具有至少一个可充 电电化学电池单元的可充电电池充电，所述可充电电池包括电池识别机 构，所述电池识别机构被配置成传达代表与所述可充电电池相关的对应的 电池容量的识别信息，所述装置包括被配置成接纳所述可充电电池的充电隔室，所述充电隔室包括充电端子，所述充电端子^L配置成耦合到所述可充电电池的各自 的电池端子；和电池识别阅读4几构，所述电池识别阅读才几构,皮配置成与所述可充 电电池的电池识别机构通信，以及接收所迷识别信息；和 控制器，所述控制器被配置为基于所传达的所述可充电电池的所述识别信息确定所述对应的电池容量；基于所确定的对应的电池容量确定要施加到所述可充电电池上的 充电电流水平，使得所述电池获得在15分钟或更短的充电时间段内达到 的预定充电量；以及将具有基本上约所确定的电流水平的充电电流施加到所述可充电电池上。
全文摘要
本发明公开了一种用于对具有至少一个可充电电化学电池单元的可充电电池充电的方法。该方法包括基于从可充电电池接收到的识别信息确定对应的电池容量；基于所确定的对应的电池容量确定要施加到可充电电池上的充电电流水平使得电池获得在15分钟或更短的充电时间段内达到的预定充电量；以及将具有基本上约所确定的电流水平的充电电流施加到电池上。
文档编号H02J7/00GK101641850SQ200880009819
公开日2010年2月3日 申请日期2008年3月25日 优先权日2007年3月26日
发明者D·C·罗特森, D·N·克莱恩, J·M·罗托多, J·T·鲍瑞库夫 申请人:吉列公司