CN101647174A - 紧凑的超快电池充电器 - Google Patents

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CN101647174A CN200880009769A CN200880009769A CN101647174A CN 101647174 A CN101647174 A CN 101647174A CN 200880009769 A CN200880009769 A CN 200880009769A CN 200880009769 A CN200880009769 A CN 200880009769A CN 101647174 A CN101647174 A CN 101647174A
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Abstract

本发明公开了一种充电器装置(10)。该充电器装置包括限定体积的外壳，所述充电器装置包括：用以提供介于3W至300W之间的输出功率的功率转换模块(16)；和控制器，所述控制器被配置成确定要引导到一个或多个可再充电电池上的电流水平，并且使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一个或多个可再充电电池上。被引导到所述一个或多个可再充电电池上的输出功率和体积的比率等于至少10W/in3。

Description

紧凑的超快电池充电器
背景技术
可再充电电池通常使用交变电压为例如4.2V的恒定电压/恒定电流(CV/CC)源来充电。初始时将电池使用恒定电流(即，以CC模式)充电直到达到交变点(例如，4.2V)，在该点处充电器切换至恒定电压模式以将可再充电电池的端子处的电压保持在基本上约交变电压。获得90％至100％容量所需的充电时间通常为2小时至4小时，其中CC阶段在1C充电速率(即，对应于可在一个小时内将电池充电完毕的充电电流水平的充电速率)下为约40分钟。一般来讲，在CC阶段完结时，可再充电电池可获得为电池充电容量的60％至70％的充电水平。充电过程的CV阶段一般需用1小时至3小时来完成。在此期间，充电电流水平会减小，并且在充电过程完结时通常会达到对应于0.1C的充电速率的水平。
发明内容
常规电池充电器通常具有介于1W/in3和4W/in3之间的体积输出功率密度(被定义为由充电器输出的功率和其中设置了充电器电路的外壳的体积的比率)。此类体积输出功率密度受充电器电路所占据的体积的影响。促成充电器的总体积的一种因素为在充电器内引入了热监测元件(例如，温度传感器)和热控制元件(例如，散热器组件)以避免发生过热状况。促成由充电器电路所占据的总体积的另一种因素为引入了模块诸如功率因数校正器(PFC)模块以提高充电器的功率效率。
在一个方面，本发明公开了一种充电器装置。该充电器装置包括限定体积的外壳，所述充电器装置包括：用以提供介于3W至300W之间的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要引导到一个或多个可再充电电池上的电流水平，并且使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一个或多个可再充电电池上。被引导到所述一个或多个可再充电电池上的输出功率和体积的比率等于至少10W/in3。
实施方案可包括下列一个或多个。
该充电器装置可不含下列中的一个或多个：例如，功率因数校正器模决、输出电容器和/或第二级DC-DC电压转换器模块。
控制器可被配置成确定要引导到所述一个或多个可再充电电池上的电流水平，使得所述一个或多个电池在15分钟或更短的充电时间段内获得预定充电量。所述一个或多个电池的预定充电量可为所述一个或多个可再充电电池的充电容量的至少80％，并且充电时间段可大约介于3至15分钟之间。所述一个或多个可再充电电池的预定充电量可为所述一个或多个电池的充电容量的大约80％，并且充电时间段可大约介于3至4分钟之间。所述一个或多个可再充电电池的预定充电量可为所述一个或多个电池的充电容量的至少90％至95％，并且充电时间段可为大约5分钟。
控制器还可被配置成在经过了基本上等于特定时间段的充电时间段之后使充电电流终止。
功率转换模块可包括电压变压器。该装置还可包括反馈控制机构以使控制器调节由功率转换模块输出的电流。反馈控制机构可被配置成调节电压变压器的运行。反馈控制机构可被配置成在所述一个或多个可再充电电池处的电压达到预定上限电压水平之后，将所述一个或多个可再充电电池的各自端子处的电压保持在预定上限电压。
被配置成确定电流水平的控制器可被配置成确定要引导到一个或多个基于磷酸铁锂的可再充电电池上的电流水平。
被配置成使输出功率被引导到所述一个或多个可再充电电池上的控制器可被配置成使输出功率被引导到所述一个或多个可再充电电池上，而不监测所述一个或多个可再充电电池的温度。
在另一方面，本发明公开了一种用于对一个或多个可再充电电池充电的方法。该方法包括确定要引导到所述一个或多个可再充电电池上的电流水平，并且将介于3W至300W之间的输出功率以基本上等于所确定的电流水平的充电电流引导到所述一个或多个电池上，输出功率由具有限定体积的外壳的充电器装置提供。输出功率和体积的比率等于至少10W/in3。
该方法的实施方案可包括对应于如上文关于该装置所述的任一部件的任何部件。例如，充电器装置可不含下列中的一个或多个：例如，功率因数校正器模块、输出电容器和/或第二级DC-DC电压转换器模块。该方法还可包括在经过了基本上等于特定时间段的充电时间段之后终止充电电流。
以上各方面可包括下列一个或多个优点。该紧凑充电器被配置成提供一般介于3W至300W之间的输出功率，并且具有至少10W/in3的体积输出功率密度。该充电器被配置成间歇地运行和/或以短持续时间(例如，5分钟)运行，并且被实施成不含常用于常规充电器的元件/模块，因此使充电器可获得其相对高的体积输出功率密度。例如，本文所公开的充电器疲实施成具有较小的散热器元件和/或不具有热监测和控制模块。该充电器也可被实施成不具有功率因数校正器模块。由于本文所公开的紧凑充电器被配置成对具有内部电容(所述电容可对由充电器装置输出的脉动电流/电压进行滤波)的电池充电，因此在一些实施方案中，这种充电器装置可被实施成具有相对小的电容器(或甚至不具有那些电容器中的一个或多个)。在一些实施方案中，本文所述的充电器可在大约4至6分钟内将可再充电电池充电至大约90％至95％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。
附图说明
图1为充电器的一个示例性实施方案的方框图。
图2为描述一个具有可变定时的实施方案的流程图。
图3为由图1的充电器执行的充电规程的一个示例性实施方案的流程图。
图4A至B为显示使用图1的充电器的1Ah锂离子电池的充电电压行为和充电电流行为的图。
具体实施方式
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，可再充电许多次，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，这些专利均据此以引用方式并入本文。
参见图1，其显示了被配置成充电可再充电电池12的充电器10，所述电池具有至少一个基于磷酸铁锂化学物质的可再充电的电化学电池单元。这种电池(有时称为二次电池)包括电池单元。在一些实施方案中，所述电池具有钛酸锂阳极材料和磷酸铁锂阴极材料，它们适于使基于此类材料的可再充电电池可快速再充电。磷酸铁锂化学物质具有低内阻(R)。起因于此类电池的内阻的热耗散与I R2成比例(其中I为施加到电池上的充电电流)。由于基于磷酸铁锂化学物质的电池具有低内阻，因此此类电池可接受大充电电流。
因此，通过使用低内阻电池诸如磷酸铁锂电池，可以恒定电流(CC)模式在3至4分钟内将电池充电至大约80％容量，并且可在大约5分钟内将它们充电至大约90％至95％容量。如在下文中所显而易见，使用大充电电流来充电基于磷酸铁锂化学物质的电池一般可导致电池在五(5)分钟内获得90％至95％充电容量，因此充电器被配置成在经过了该时间段之后终止充电操作而不必执行任何检查以确定电池的充电量或电压水平或执行热监测和/或热控制操作。充电器可使用定时器来测量充电时间，并且在定时器达到预指定的充电时间段例如5分钟时终止充电操作。虽然图1显示的是连接到充电器10上的单一电池12，但充电器10可被配置成具有连接到其上的附加电池。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被配置成在充电操作开始时以恒定充电电流将一般介于3W至300W之间的输出功率提供给电池12。在其中将恒定电流递送给电池(即，充电器以恒定电流或CC模式运行)期间，电池12的电压会增大。当电池的电压达到例如3.8V的预定上限电压时(此上限电压有时称为交变电压)，充电器被配置成在充电时间的其余部分中将电池的电压保持在该上限电压。在将基本上等于预定交变值的恒定电压施加到电池12上期间，据称充电器10以恒定电压或CV模式运行。
在一些实施方案中，在经过了预定时间段例如从充电操作开始时算起的5分钟之后，充电操作终止。由于充电器被配置成在相对短的时间段内无条件地终止充电操作(在此期间电池和/或充电器10的温度不太可能显著升高)，因此在一些实施方案中，没有必要监测电池12和/或充电器10的温度。因此，在其中不执行热监测和控制操作并且因此不使用用以实施那些操作的元件和模块或将它们小型化的实施方案中，充电器10在外形上更紧凑并且电路被简化。
还如图1所示，在一些实施方案中，充电器10被实施成使得电流/电压调节可使用例如反馈控制机构直接在充电器的功率转换部分(例如，图1所示的功率转换模块16)上执行(这种配置称为初级侧电压/电流调节)。换句话讲，控制机构调节功率转换模块16的开关频率或脉冲宽度，因此调节转换器的输出电压/电流。因此，在此类实施方案中，充电器10不包括多个电压转换阶段(例如，AC/DC转换阶段，后接例如降压转换器电路)，因此充电器10可减小一般持续发生在多级功率转换电路中的功率损耗。例如，通过实施初级侧电压/电流控制，功率效率(例如，最终递送给功率转换电路的输出的输入功率的百分比)通常在80％至90％范围内。相比之下，两级式功率转换电路的每阶段的效率一般为80％至90％，因此两级式功率转换电路的总体功率效率一般在60％至80％范围内。功率效率中的这些损耗以功率转换阶段中的热耗散来表示。
充电器10可包括整流器模块14，所述模块电耦合到AC电源诸如以额定的85V-265V和50Hz-60Hz提供功率的电源。可将用以执行滤波操作(例如，整平脉动)的电容器15(有时称为存储电容器)耦合到整流器。由于可再充电电池具有内部电容，因此电池自身有利于要执行的滤波操作中的一些。因此，在一些实施方案中，电容器15(和/或电容器28)的尺寸可减小，因为电池12将具有足够的电容来执行(与电容器15一起)滤波操作。
耦合到整流器模块14的是功率转换模块16，所述功率转换模块包括变压器18和有利于调节变压器18的运行的变压器控制单元20。在一些实施方案中，将功率转换模块16实施为开关转换器，其中功率转换模块16的输出处所需的电压水平通过接通或关断功率转换模块16来获得。在开关的接通期间，在功率转换模块16的输出处提供电压；并且在关断期间，在功率转换模块16的输出端子处不提供电压。在一些实施方案中，这种开关转换器可使用离散的晶体管(例如，MOSFET晶体管)来实施，或可使用可执行切换操作的合适的集成电路(IC)来实施。
使用耦合到功率转换模块16的整流器模块14可使提供在充电器10的输入处的AC功率转换为适用于充电可再充电电池的低DC电压(例如，大约介于3.7V至4.2V之间的水平的DC电压)。
在一些实施方案中，将附加DC-DC转换器19引入到功率转换模块16中，以将外部DC电源诸如汽车的DC电源转换为适用于充电可再充电电池的DC功率水平。例如，在一些实施方案中，汽车的DC电源以大约11V至14.4V提供DC功率，因而DC-DC转换器19可将该电压水平转换为合适的电压水平。所添加的DC-DC转换器可被配置成接受在1.2V至大约24V范围内的DC电源。因此，在一些实施方案中，DC-DC转换器为升压转换器，从而将例如1.2V的电压增大至例如3.7伏至4.2伏的DC充电电压；而在其中外部DC电源具有超过4.2V的电压的那些实施方案中，转换器为降压转换器。
电耦合到功率转换模块16的输出的是整流器/滤波电路24，所述电路包括串联连接到电容器28上且并联连接到电池输出上的二极管26。在一些实施方案中，可使用MOSFET基同步整流电路来替代二极管26。整流器/滤波电路24被配置成减小功率转换模块16的输出处的电流/电压脉动并且耗散26的热量。滤波器电路24也被配置成在功率转换模块16的输出处不提供电流的关断期间将存储在电容器28中的能量释放进电池12中。因此，由功率转换模块16在其接通期间提供的电流和由电容器28在功率转换模块16的关断期间提供的电流可导致基本上等于所需的要施加到电池12上的平均充电电流的有效电流。二极管26被连接成使得由电容器28释放的电流被导向电池12并且不导向到功率转换模块16中。
还如图所示，将分路电阻器29(标记为Rsh)耦合到电池12的端子中的一个。由于分路电阻器两端的电压降与电池的充电电流成比例，因此分路电阻器29可用作电流传感器以测量施加到电池12上的电流水平。因此，可将分路电阻器29处的测量的电流水平提供给充电器的反馈机构，以有利于控制充电电流(例如，当充电器10以CC模式运行时将充电电流保持在基本上恒定的水平)。
为了控制被引导到电池12上的功率，使用包括控制器30的反馈机构来调节功率转换模块16的DC输出电压。控制器30电耦合到开关脉宽调制(PWM)控制单元32，所述单元接收源自控制器30的控制信号并且相应地生成脉宽调制的信号，所述脉宽调制的信号被提供给变压器控制单元20以使功率转换模块16在其输出处提供电压。当脉宽调制的信号撤消时，变压器控制单元20使电压从功率转换模块16的输出撤消。因此，通过使用反馈机构，可调节施加到电池12上的电流，以便例如基本上等于充电电流的电流被施加到电池12上。
控制器30还被配置成在经过了指定或预定的时间段(例如，5分钟)之后使充电电流终止。
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：使用例如可提供代表电池容量和/或电池类型的数据的识别机构来识别连接到充电器10上的电池的容量。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“Ultra Fast Battery Charger with BatterySensing”的美国专利申请序列号11/776,261中，该专利申请的内容据此全文以引用方式并入本文。
对要施加到电池12上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紧凑充电器10上的使用者界面(未示出)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，在一些实施方案中，该界面可被配置成让使用者指定与充电过程密切相关的其它参数，例如充电时间(在其中需要较长充电时间例如10至15分钟的情况下)。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。例如，如果使用者指定要将500mAh容量的磷酸铁锂电池再充电，则可检索到查找表中的对应于此指定容量的条目。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。
使用者界面也可包括输入元件(例如，开关)以启用或禁用充电器10。使用者界面也可包括输出指示器装置(未示出)诸如LED以向使用者提供关于连接到其上的充电器和/或电池12的状态信息、被配置成向使用者提供输出信息的显示装置等。例如，使用者界面可包括当充电器从恒定电流模式切换至恒定电压模式时被点亮的LED。一般来讲，当电池的电压达到交变点(例如，介于3.8V至4.2V之间)时，电池的充电量通常为电池的充电容量的80％至90％，并且因此基本上可供使用。点亮的LED向使用者指示电池上的充电量至少为在例如全充电量的80％至90％的范围内的值，如果这时使用者需要立即使用电池因而不希望等待充电操作全部完成，则使用者可选择在充电操作完成之前取出电池。
在一些实施方案中，使用者界面还可包括例如附加输出装置以提供附加信息。例如，使用者界面可包括被点亮的红色LED(如果发生了故障状况诸如过电压)，并且可包括另一个LED例如黄色或绿色LED装置以指示对电池12的充电操作正在进行中。
还如图1所示，控制器30包括处理器装置34，所述装置被配置成控制对电池12执行的充电操作。处理器装置26可为任何类型的计算和/或处理装置，诸如源自Microchip Technology Inc.的PIC18F1320微控制器。用于控制器30的具体实施的处理器装置34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、以及用来对耦合到充电器的电池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分钟内达到至少90％充电容量的充电操作。
处理器34包括模-数(A/D)转换器36，所述转换器带有多个模-数输入和输出线。A/D转换器36被配置成接收源自耦合到电池的传感器(下文描述)的信号，以有利于调节和控制充电操作。在一些实施方案中，控制器30也可包括数字信号处理器(DSP)，以执行如本文所述的控制装置的处理功能中的一些或全部。
在一些实施方案中，控制器30可包括模拟控制器的具体实施。在此类实施方案中，将源自模拟控制器的探针耦合到分路电阻器29的端子。探针可向控制器提供关于分路电阻器29处的电流和/或电压水平的信息，基于所述信息可控制施加到电池29上的充电电流。
可将充电器的各种模块，包括整流器单元14、变压器控制单元20、处理器34、和开关PWM控制单元32布置在充电器10的电路板(未示出)上。
在一些实施方案中，充电器10确定要施加到可再充电电池12上的充电电流，使得电池12可在大约4至6分钟内被充电至例如电池12的大约80％至95％充电容量。如本文所述，基于磷酸铁锂电化学电池单元的电池具有相对低的内阻，因此可用例如10C至15C数量级的相对大的充电电流来充电(1C对应于在1小时内充电特定可再充电电池所需的电流，因此15C的充电速率对应于在4分钟内充电可再充电电池所需的电流，并且10C的充电速率对应于在6分钟内充电可再充电电池所需的电流)。由于磷酸铁锂电池的低充电电阻的缘故，可避免显著的热耗散，并且此类电池因此可经受大充电电流而不会有害地影响电池的性能或耐久性。
为了以基本上等于所确定的平均电流的充电电流将输出功率引导到电池12上，可调节功率转换模块16的接通时间或占空比，直到施加到电池12上的充电电流(基于在分路电阻器29处测量的电流/电压来确定)达到基本上等于所确定的电流值的水平。具体地讲，在一些实施方案中，控制器30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，所述电流例如在分路电阻器29处测量。基于此接收到的测量的电流，对占空比进行调节以调节流过电池12的电流，以便该电流收敛至基本上等于充电电流水平的值。
充电器10也可包括电池电压传感器(例如，传感器40和42)，所述传感器电耦合到充电器10的充电端子。电压传感器周期性地测量(例如，每隔0.1秒)电池12的端子处的电压，尤其是在充电过程的恒定电压阶段中。这些周期性的电压测量可控制由功率转换模块16在恒定电压(CV)阶段中提供的电压，以便在CV阶段中施加在电池12的端子处的电压处在基本上恒定的水平(例如，预定上限电压)。
由传感器29、40和42测量的电流/电压也可用来确定是否存在故障状况，所述故障状况要求终止充电操作或不开始充电操作。例如，控制器30可确定由电压传感器40和42测量的电池12的端子处的电压是否处在电池12的电压水平的预定范围(例如，2V至3.8V)内。如果测量值低于该范围的电压下限，则这可指示电池有缺陷。如果测量值高于该范围的上限，则这可指示电池已经充分地充电，因此进一步的充电是不必要的并且可能损坏电池。因此，如果测量的电压没有落在预定范围内，则认为存在故障。
充电器可针对通过分路电阻器29测量的电流进行类似的确定，并且如果测量的电流在预定电流范围之外，则可认为存在故障，因此充电操作将不开始，或将被终止。
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，以确定由传感器29和/或40和42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(未示出)，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、电流等的错误测量)。
在一些实施方案中，控制器30被配置成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。对充电电流水平的调节可例如根据使用卡尔曼滤波器的预测校正技术来进行。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。
如所述的那样，由于本文所述的充电器可以相对短的间隔(例如，5分钟)将电池例如磷酸铁锂电池充电，因此这种充电器在该操作期间通常不会产生大量的热。因此，可从充电器中消除被配置成保护常规充电器的操作，以防止由于产生热而造成的损害和不安全操作的某些模块和/或组件。例如，可构造充电器10而不使用热控制组件(例如，风扇、散热器元件、其它类型的控制模块等)和/或不具有热监测组件(例如，热传感器诸如热敏电阻器)。
在一些实施方案中，充电器装置10可被实施成具有减小尺寸的散热器元件，以耗散由例如开关PWM控制单元32和/或二极管26产生的热。由于充电器10以短时间段间歇地运行，因此具有减小尺寸的散热器元件(或不具有散热器)的充电器10运行起来较安全，所述元件用于开关PWM控制单元、二极管26和/或用于充电器10的具体实施的任何其它产热组件。
此外，通过不使用散热器元件，或作为另外一种选择，通过减小散热器元件的外形尺寸(在很多情况下，散热器元件和其它类型的组件被配置成具有较大表面积以耗散所产生的热)，可减小充电器装置10的尺寸要求，因此可减小充电器外壳的总体尺寸(例如，体积)。
另一种可用来减小充电器10的尺寸的具体实施为使用MOSFET基整流器来替代二极管26。与二极管或双极晶体管的具体实施相比，同步MOSFET基整流器不会产生显著量的热。因此，当使用MOSFET基整流器时，可使用减小尺寸的散热器元件(因此导致减小尺寸的充电器)。
另一种可减小充电器10的尺寸(例如，体积)的具体实施是，减小电容器(例如，电容器15和/或28)的尺寸，所述电容器用来对充电器10的输入和/或输出电流/电压执行滤波操作。具体地讲，如上所述，包括可再充电的磷酸铁锂电池在内的电池具有固有的内部电容，所述电容足够高而可使那些电池整平施加到它们上的电流/电压脉动，因此可使电池避免不安全的操作条件(例如，对电池的阳极电极产生锂镀覆的条件)。因此，电池的内部电容可使电池执行滤波操作中的一些，所述操作否则的话将必须由常规电源和/或功率转换模块的专用滤波电路来执行。因此，在充电器装置10的一个具体实施中，可减小输出电容器28的电容值；或作为另外一种选择，将电容器28从充电器装置10的具体实施中移除。通过减小电容器28的值或消除电容器28，可获得对应的充电器外壳的体积的减小。
类似地，在一些实施方案中，可减小耦合到整流器14的存储电容器15的电容值。
可减小充电器的总体外形尺寸(因此减小外形尺寸，包括包纳充电器装置电路的外壳的体积)的另一种布置为其中功率因数校正器(PFC)模块不包括在充电器10中的布置。PFC模块(其有时用于常规充电器中)被配置成消除AC电流/电压的功率谐波，并且一般使用包括电容器、电感器和/或附加开关的滤波器来实施。常规电源和/或功率转换模块有时将PFC模块引入到它们的具体实施中以提高功率效率。
然而，由于充电器10间歇地和/或以短持续时间运行，因此可通过将PFC模块用于充电器10而获得的总体功率效率一般较小。因此，在一些实施方案中，充电器装置10被实施成不具有PFC模块。通过不包括PFC模块(其包括滤波器元件诸如电容器、电阻器、和有源组件)，可减小充电器装置的总体尺寸要求。
因此，在一些实施方案中，充电器装置10被实施成使得其不含下列中的一个或多个：例如，散热器元件、输出电容器诸如电容器28、和/或PFC模块。此外，在一些实施方案中，充电器10还被实施成具有减小的存储电容器诸如电容器15。
不含散热器元件、输出电容器、存储电容器和/或PFC模块中的一个或多个的紧凑充电器装置的一种示例性具体实施可被配置成输出大约50W的功率(3.6V-5V/10A-12.5A)以充电每个均具有3.3V的标称电压和1Ah的容量的磷酸铁锂电池。(作为另外一种选择，在一些具体实施中，与通常用于具有相当的性能例如大约50W的输出功率的充电器装置的电容器相比，充电器10的存储电容器和输出电容器具有较小的电容，因此具有较小的尺寸。)对于被配置成输出50W的功率的紧凑充电器装置，可将充电器装置容纳在小于5立方英寸(5in3)的体积中。因此，示例性紧凑充电器装置10的体积输出功率密度(被定义为特定充电器装置的输出功率和保持该特定充电器装置的电路的外壳的体积的比率)为大约50W/5in3＝10W/in3。
如下表所示，对于具有变化性能的充电器(例如，输出功率范围介于3W至300W之间的充电器)，可获得类似的体积输出功率密度。
  输出电流[A]   输出功率[W]   充电器体积小于[in3]
  2   8   0.8
  4   16   1.6
  6   24   2.4
  8   32   3.2
  10   40   4.0
  12   48   4.8
  14   56   5.6
  16   64   6.4
  18   72   7.2
  20   80   8.0
  22   88   8.8
  24   96   9.6
因此，对于这些各种充电器装置，可获得的体积功率输出密度为至少10W/in3。
现在参见图2，在一些实施方案中，控制器30可被配置成确定51电池12的近似的现有充电水平(例如，通过测量电池的电压来确定)，并且基于所确定的近似的现有充电水平来确定53应当将充电电流施加到电池12上的持续时间段。将所确定的充电水平施加到电池上持续所确定的时间段，并且其后充电器将中止操作。此实施方案可提供灵活的定时器，所述定时器可根据现有的电池充电量自我调节充电时间。因此，取决于电池的初始充电状态，充电操作可持续一分钟或更短的时间(如果电池原先接近完全充电)直至例如约5分钟或6分钟(如果电池原先基本上完全放电)。
参见图3，为用以再充电可再充电电池12的充电规程60的一个示例性实施方案。电池12可被接纳在充电器10的充电隔室中，或在一些实施方案中，充电器10可电耦合到容纳在可用电池运行的装置(例如，移动电话)内的电池12。初始地，在开始充电操作之前，充电器10可任选地确定是否存在某些故障状况。因此，例如，充电器10测量62电池12的电压。充电器10确定64测量的电压V0是否在预定范围内(例如，V0介于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，因而规程60可终止。
充电器10确定66要施加到电池12上的充电电流。在一些实施方案中，所确定的充电电流可使得电池12在大约4至6分钟内获得至少90％充电容量。
如果充电器10适于接纳不同容量的不同类型的电池，则充电器10可确定65被插入到充电器10的充电隔室中的电池12的容量和/或类型。在一些实施方案中，充电器10包括被配置成测量连接到电池12上的ID电阻器的电阻的识别机构，所电阻代表电池12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12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10的主体上。因此，通过识别机构、使用者界面、或其它方式传达的数据可代表电池的容量和/或类型。充电器可因此基于此数据来确定要施加到电池上的适当的充电电流。例如，在充电器10计算电池12的ID电阻器的电阻的情况下，充电器10可访问存储在充电器10的记忆存储模块中的查找表，所述查找表可索引对应于与计算出的电阻相关联的容量的合适的充电电流。
在确定了要施加到电池12上的充电电流之后，可启动68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34的专用定时器模块，或可为以由处理器34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70由功率转换模块16施加的电流/电压，以使一般介于3W至300W之间的输出功率以基本上等于所确定的充电电流的恒定电流被引导到可再充电电池12上。充电器10输出功率，使得体积输出功率密度为至少10W/in3。
如所述的那样，充电器10实施包括控制器30和开关PWM控制单元32的初级侧反馈机构，所述机构用来调节功率转换模块16的输出处的电流/电压。在功率转换模块16的关断期间(即，当模块16的输出处的电流/电压被抑制时)，存储在电容器28中的能量以电流形式释放给电池12。由功率转换模块16施加的电流、和从电容器28中释放出的电流组合起来可导致基本上等于所确定的充电电流的有效电流。
将电池12用基本上恒定电流充电，直到电池端子处的电压达到预定电压上限。因此，周期性地测量72施加到电池12上的电压，以确定何时达到预定的电压上限(即，交变电压)。当电池12的端子处的电压达到了预定电压上限例如4.2V时，对(也在72处进行)功率转换模块16进行控制以在电池12的端子处保持基本上等于交变电压水平的恒定电压水平。
任选地，可点亮充电器10的使用者界面上的LED以指示已达到了交变电压点，并且指示电池因此已具有用来正常运行的足够的充电量。这时，如果使用者期望立即使用电池，则使用者可取出电池12。
可周期性地测量(操作未在图3中示出)电压增大速率，以使预定电压上限可在指定的电压上升时间段内达到。基于测量的电压增加速率，调整充电电流水平(相应地调节施加到电流/电压调节电路上的启动信号)以增大或减小充电电流，使得在指定的电压升高时间内达到预定的电压上限。
在确定74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，通过使用开关PWM控制模块32和/或变压器控制单元20来中止电启动功率转换模块16)。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。
图4A和4B分别示出了1Ah磷酸铁锂电池的示例性充电电压行为和充电电流行为，使用图1所示类型的充电器使所述电池在4.2V CV/12A CC下经受5分钟的充电。如图4B所示，在充电操作开始时，将大约12A的恒定电流施加到电池上。在12A的充电电流时，1Ah的电池将在大约5分钟内(1Ah/12A＝0.0833h＝5分钟)被完全充电(如果其原来是基本上完全耗尽的话)。
如所述的那样，充电器10被配置成使基本上恒定的电流产生并施加到电池12上，因此，响应于电流的波动(如图中显现的尖峰所示)，充电器将使平均充电电流保持恒定在大约12A。当最初施加充电电流时，充电器和/或电池12的充电端子处的电压为大约3.7V。电压开始增大并且在约3分钟后达到4.2V的平均水平(如图4A所示)。其后，充电端子处的电压保持在该水平。
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，充电器可与对接底座相关联或嵌入在其内，所述对接底座用于电子装置，例如移动电话、计算机、个人数字助理等等。因此，其它实施方案也在以下权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种用以对一个或多个可再充电电池充电的充电器装置，所述充电器装置包括限定体积的外壳，所述充电器装置包括：
用以提供介于3W至300W之间的输出功率的功率转换模块；和
控制器，所述控制器被配置成：
确定要引导到所述一个或多个可再充电电池上的电流水平，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一个或多个可再充电电池上；
其中被引导到所述一个或多个可再充电电池上的输出功率与所述体积的比率等于至少10W/in3。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述充电器装置不含下列中的一个或多个：功率因数校正器模块、输出电容器和第二级DC-DC电压转换器模块。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器被配置成确定要引导到所述一个或多个可再充电电池上的所述电流水平，使得所述一个或多个电池在15分钟或更短的充电时间段内获得预定充电量。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器还被配置成：
在经过了基本上等于特定时间段的充电时间段之后使所述充电电流终止。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述功率转换模块包括电压变压器。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述装置还包括反馈控制机构以使所述控制器调节由所述功率转换模块输出的电流。
7.如权利要求1所述的装置，其中被配置成确定所述电流水平的控制器被配置成确定要引导到一个或多个基于磷酸铁锂的可再充电电池上的所述电流水平。
8.一种用于对一个或多个可再充电电池充电的方法，所述方法包括：
确定要引导到所述一个或多个可再充电电池上的电流水平；并且
将介于3W至300W之间的输出功率以基本上等于所确定的电流水平的充电电流引导到所述一个或多个电池上，所述输出功率由具有限定体积的外壳的充电器装置提供，其中所述输出功率与所述体积的比率等于至少10W/in3。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述充电器装置不含下列中的一个或多个：功率因数校正器模块、输出电容器和第二级DC-DC电压转换器模块。
10.如权利要求8所述的方法，所述方法还包括：
在经过了基本上等于特定时间段的充电时间段之后终止所述充电电流。
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