CN102231548B - 具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置及其应用，其中装置包括主控制器、充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块、保护电路模块、工作状态指示模块、显示模块和为其余模块供电的电源转换模块，所述的主控制器分别与充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块、保护电路模块、工作状态指示模块、显示模块连接；其中应用包括上电初始化后，主控制器通过电压采集模块、电流采集模块以及温度检测模块动态采集电池参数，计算电池实际容量并通过显示模块显示等步骤。与现有技术相比，本发明具有能够显示电池的实际容量和充入电池的电量，充电倒计时估算功能等优点。

Description

具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种电池充电装置及其应用，尤其是涉及一种具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置及其应用。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，二次电池被广泛的应用到各个领域。市面上合格的电池都会标注额定容量，但随着电池的老化以及使用工况的不同，额定容量并不能很好的反应电池的实际性能，所以用户很有必要了解所使用电池的实际容量；其次，对于同一块(组)电池，所能放出的电量和能够充入的电量有很大的相关性，所以充入电量是衡量电池续航性能的一个重要指标，对用户来说，可以通过充入的电量判断电池的工作能力；再次，电池的充电速度以及充电所需时间对于用户来说，也是一个至关重要的参数。

充电器是对电池能量进行补充的专用设备，但是目前市场上的充电器一般只具有充电/充满两个基本的状态显示，不具备上述参数信息的呈现功能，该类充电器的不足之处可概括如下：(1)用户无法获得所使用电池实际容量的大小，无法对电池性能做出准确判断；(2)不能显示已充入电池的电量，用户无法获知电池的实际储能状况；(3)不能显示电池充电速度和充满所需时间，用户无法了解电池充电过程。所以具有容量动态显示和充电倒计时功能的电池充电器具有很好的实用价值和广阔的市场前景。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置，其特征在于，包括主控制器、充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块、保护电路模块、工作状态指示模块、显示模块和为其余模块供电的电源转换模块，所述的主控制器分别与充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块、保护电路模块、工作状态指示模块、显示模块连接，所述的充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块分别与待充电池连接。

所述的电源转换模块进行充电器所需电压的转换以及对整个系统的供电，包括对主控制器、充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块、保护电路模块、工作状态指示模块、显示模块的供电，并在主控制器的控制下提供可控的充电电流和充电电压。

一种所述的具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置的应用，包括以下步骤：

上电初始化后，首先主控制器通过电压采集模块、电流采集模块以及温度检测模块动态采集电池参数，计算电池实际容量并通过显示模块显示，同时根据采集的电池参数和计算的电池容量来判断充电器工作状态，工作状态设有四种：充电状态、充满状态、电池故障状态、无电池状态，主控制器根据不同的电池状态自动选择不同的工作模式：

(1)若为充电状态，则首先根据充电状态的不同阶段来选择初始充电模式，根据选择的充电模式完成充电任务，充电过程中主控制器实时计算充入电池的电量并通过显示模块动态显示，同时主控制器进行充电倒计时计算并通过显示模块显示，充电结束后，系统自动断开充电电路，防止电池过充造成电池的损坏；

(2)若为充满状态，则显示电池已经充满信息，并自动断开充电电路；

(3)若为电池故障状态，则显示电池故障信息，并自动断开充电电路；

(4)若为无电池状态，则不做任何信息显示，并自动断开所有电路。

所述的充电状态的不同阶段包括涓流预充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段：

(1)当V_BAT＜V_MIN时，进入涓流预充电阶段；

(2)当V_MIN≤V_BAT＜V_MAX时，进入恒流充电阶段；

(3)当V_BAT≥V_MAX时，进入恒压充电阶段；

其中V_BAT为当前电池电压值，V_MIN为低电压阈值，V_MAX为充电限制电压值；

充电模式的选择包括以下几种：(1)(2)(3)三个阶段；(2)(3)二个阶段；(3)一个阶段。

所述的计算电池实际容量包括以下步骤：

1)测试当前电池电压是否为标定电压值；

2)若为是则记下此电压值，并执行步骤4)；

3)若不是标定电压值，对电池进行充电或放电，并继续监视电池电压直到标定电压值，并返回步骤1)；

4)设标定电压值为V1，此时刻为t1；

5)通过再一次执行步骤1)至4)找到第二个电压标定点V2，时刻为t2，通过查找数值表得出电池电压为V1时的电池容量百分比P1，电池电压为V2时的容量百分比P2；t1至t2的充/放电电量C_bd为此段时间的电流与时间的乘积，则电池的实际容量C为：

C＝C_bd/(P2-P1)

其中：

当电池处于预充或恒流充电模式时：

C_bd＝I*t＝I*(t2-t1)          I为充电电流

当电池处于恒压充电模式时：

$C_{\mathrm{bd}}={\∫}_0^{t}f\left(t\right)\mathrm{Idt}={\∫}_{t_1}^{t_2}f\left(t\right)\mathrm{Idt}$ f(t)为充电系数

所述的步骤5)中的数值表为存储在电池充电装置中的电池电压、容量百分比、温度关系的数值表。

所述的计算充入电池的电量包括以下步骤：

1)首先计算本次充电前电池含有的电量Ce；

2)然后计算本次充电充入的电量C_ch；

3)最后计算电池已经充入的电量C_IN，电池已经充入的电量为充电前已有的电量Ce加上本次充电充入的电量C_ch：

C_IN＝Ce+C_ch

所述的主控制器进行充电倒计时计算并通过显示模块显示步骤如下：

1)充电器判断电池的当前充电状态；

2)分别计算出每个阶段的充电时间；

3)最后计算总的充电所需时间并通过显示模块显示，在整个充电过程中循环检测充电状态和计算充电所需时间，并动态修正时间直到充电结束显示电池已充满。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)能够显示电池的实际容量，实际容量通过主控制器计算得出，然后通过显示电路在显示屏上显示。

2)能够动态显示充入电池的电量，充入电量通过主控制器计算得出，然后通过显示电路在显示屏上动态显示。

3)具有充电倒计时估算功能，即充电器能够显示距电池充满电需要的时间。距充满所需时间由主控制器计算得出，然后通过显示模块在显示屏上动态显示。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的主流程图；

图3为本发明充电过程流程图；

图4为本发明存储于充电器中的电压、容量、温度关系示意图；

图5为本发明电池实际容量检测流程图；

图6为本发明充入电量计算程序流程图；

图7为本发明充电倒计时程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置，包括主控制器1、充电控制电路2、电压采集模块3、电流采集模块4、温度检测模块5、保护电路模块6、工作状态指示模块7、显示模块8和为其余模块供电的电源转换模块9，所述的主控制器1分别与充电控制电路2、电压采集模块3、电流采集模块4、温度检测模块5、保护电路模块6、工作状态指示模块7、显示模块8连接，所述的充电控制电路2、电压采集模块3、电流采集模块4、温度检测模块5分别与待充电池连接。主控制器1通过电压采集模块2、电流采集模块3以及温度检测模块4动态采集电池参数，据此确定电池的充电状态，然后通过充电控制电路2实现对电池的充电，同时主控制器1结合采集的动态电池参数计算并显示出电池的实际容量、充入电池的电量，以及至电池饱和所需的充电时间。此外本发明还具有电池性能检测、电池故障提示、根据电池温度动态调节充电电流、以及自动断电保护等功能。

主控制器1可以选择单片机/DSP/MCU/MPU等来实现控制，根据选择的控制器的不同，相应的硬件电路则需要相应的改变。

电压采集模块2和电流采集模块3可以通过AD转换器实现或通过带AD功能的微处理器实现，根据不同的采样精度要求需要选择合适的AD转换器或微处理器，采样频率可通过主控制器1设定。

温度检测模块5可以由温度传感器或热敏电阻以及相应的电路构成，由主控制器1设定温度采样频率，实现对电池温度的实时监测。

本发明通过电压采集模块3、电流采集模块4、以及温度检测模块5动态采集电池参数以此来确定电池的状态，根据充电控制电路2实现对电池的充电电压和充电电流的可控控制，即根据电池不同的充电状态可以实现不同的充电电压和充电电流的相应变化。

通过主控制器1计算出电池实际容量、充入电池的电量、以及充满电池所需时间，然后通过显示模块8动态呈现信息。

本实施例以锂离子电池为例作详细的说明，但本发明不仅局限于锂离子电池，相关技术领域的人员可以很容易根据本发明原理参照本实施例根据不同类型的电池特性作相应的修改与优化。

本发明的总流程如图2所示，系统上电初始化后，首先判断充电器工作状态，工作状态有四种(可根据具体的实际需求增加或精简)：接入的电池需要充电、接入的电池已充满、电池故障，和没有连接电池，系统根据不同的电池状态自动选择不同的工作模式：

(1)若电池需要充电，则首先根据电池电压判断电池初始充电模式，即开始充电采用预充、恒流、还是恒压方式，并根据设定的充电序列完成充电任务，充电结束，系统自动断开充电电路，防止电池过充造成电池的损坏。

(2)若电池已经充满，则显示电池已经充满信息，并自动断开充电电路。

(3)若电池存在故障，则显示电池故障信息，并自动断开充电电路。

(4)若无电池联入，则不做任何信息显示，并自动断开所有电路，以节约能源。

图3是完整的充电过程流程图，完整的充电过程分为三个连续阶段，即涓流预充电模式、恒流充电模式、恒压充电模式。首先检测当前电池电压值V_BAT，当低于低电压阈值V_MIN时，开始以较小电流I_YC(一般可取恒流电流I_HL的1％左右)进行涓流预充电。等到电池电压上升到V_MIN后，充电模式转换为恒流充电，电流为I_HL，此时电流较大，是充电的主要阶段。在恒流充电阶段，电池电压以较大斜率增长，当电池电压达到充电限制电压值V_MAX后，转为恒压充电模式(充电电压为V_MAX)，此时充电电流I_BAT不断减小，当跌落到一个下限值I_FULL(一般可取I_HL的1％左右)时终止充电，在这个过程中电池电压基本保持不变。其中V_MIN、I_HL、V_MAX、I_YC、I_FULL参数可以根据不同的电池进行调整变化。

根据接入的电池电量状态的不同，充电模式可能只包含其中的第二、三阶段(恒流和恒压阶段)或者仅包含第三阶段(恒压阶段)，具体的判断条件如下：

(1)启动电池充电需满足下列条件：电池温度检测值满足T_MIN≤T_BAT≤T_MAX(T_MIN和T_MAX分别为电池充电状态的最低温度和最高温度)。

(2)当V_BAT＜V_MIN时，启动涓流预充电，使用较小充电电流(譬如可取I_YC＝0.01×I_HL左右)。

(3)当V_MIN≤V_BAT＜V_MAX时，启动恒流充电。

(4)当V_BAT≥V_MAX时，启动恒压充电，充电电流I_BAT将逐渐减小，减小到I_FULL时充电电路自动断开，防止过充对电池造成损坏，并依此实现节约能源的目的。

图4是电池容量、电压、以及温度关系示意图，此关系图以数值表的形式存储于充电器的芯片中，充电器主控制器通过电压检测模块和温度检测模块分别获得电池的开路电压(OCV)和当前温度，然后通过查表获得与此相配的电池容量信息，通过计算则能得到显示所需信息。

电池容量、电压、和温度的关系可以通过实验法来确定：取某一型号电池作为样本体(样本数量越多，结果精度则会越高)，在不同的温度下对所选电池进行反复充放电，测得每块电池的容量与电压、温度关系曲线，然后通过平均值可得到该类电池的容量、电压、温度关系曲线。对不同显示精度要求的用户，可适当调节测试点的密度(譬如精度可以选择电池容量的1％、5％、或10％等)，温度间隔值也需根据不同的精度要求划分，示意图中只给出了T1，T2温度下的数据。

图5是电池实际容量检测流程图，电池实际容量的检测方法为：系统接入电池后，首先，测试当前电压是否为标定电压值，若是则记下此电压值，若不是标定电压值，对电池进行充电或放电(若接入的电池已经充电完毕，则测定容量需要通过放电来计算)，并继续监视电池电压直到一个标定电压值，设此电压值为V1，此时刻为t1。同样的方法找到第二个电压标定点V2，时刻为t2，通过查表得出电池电压为V1时的电池容量百分比P1，电池电压为V2时的容量百分比P2。此段时间的充/放电电量C_bd为此段时间的电流与时间的乘积，则电池的实际容量为：

C＝C_bd/(P2-P1)

其中：

当电池处于预充或恒流充电模式时：

C_bd＝I*t＝I*(t2-t1)      I为充电电流

当电池处于恒压充电模式时：

$C_{\mathrm{bd}}={\∫}_0^{t}f\left(t\right)\mathrm{Idt}={\∫}_{t_1}^{t_2}f\left(t\right)\mathrm{Idt}$ f(t)为充电系数

图6是充入电量计算程序流程图，电池已充入电量的计算方法为：

(1)首先计算本次充电前电池含有的电量Ce，Ce的计算方法为：充电开始后先测试当前电压是否为标定电压值，若是则记下此电压值，若不是标定电压值，对电池进行充电，并继续监视电池电压直到一个标定电压值，设此电压值为V1，此时刻为t1。同样的方法找到第二个电压标定点V2，时刻t2，通过查表得出电池电压为V1时的电池容量百分比P1，电池电压为V2时的容量百分比P2。此段时间的充/放电电量C_bd为此段时间的电流与时间的乘积，则电池的当前容量为：

Ce＝C_bd*P1/(P2-P1)

其中：当电池处于预充或恒流充电模式时：

C_bd＝I*t＝I*(t2-t1)        I为充电电流

当电池处于恒压充电模式时：

$C_{\mathrm{bd}}={\∫}_0^{t}f\left(t\right)\mathrm{Idt}={\∫}_{t_1}^{t_2}f\left(t\right)\mathrm{Idt}$ f(t)为充电系数

(2)然后计算本次充电充入的电量，充电器主控制器通过记录充电电流和充电时间，设涓流预充阶段充电时间为t1，充入电量为C1，恒流充电阶段充电时间为t2，充入电量为C2，恒压阶段充电时间为t3，充入电量为C3，则本次充电充入电量C_ch的计算公式为：

C_ch＝C1+C2+C3

涓流预充阶段和恒流充电阶段电流值恒定，充入电量计算非常方便，即为充电电流I和充电时间t的乘积。在恒压充电阶段，电池电流随着充电时间的加长而逐渐降低，要估算出比较准确的充电容量的方法，可采用积分方式，从开始充电到本次时刻充电这段时间内，每一个时间点上的电流值对时间积分起来，即可得到很准确的充电容量。故恒压阶段电池的充电容量可根据下式进行计算：

$C3={\∫}_0^{t_3}f\left(t\right)\mathrm{Idt}$

式中：，f(t)为充电系数，t3为充电时间。

此种方法要求硬件系统具有积分功能，为了简化充电器的硬件设计，充电器也可以省略掉积分电路，采用离散的数学计算方式来估算充电电量，故上式可记为：

$C3=\underset{0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(I*\mathrm{\Δt})$

式中：I为充电瞬时电流，Δt为采样间隔，n为采样次数，采样数越大则估算值精度越高。

所以充入电池的电量可表示为：

$C_{\mathrm{ch}}=I1*t1+I2*t2+{\∫}_0^{t_3}f\left(t\right)\mathrm{Idt}$

或： $C_{\mathrm{ch}}=I1*t1+I2*t2+\underset{0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(I*\mathrm{\Δt})$

(3)最后计算电池已经充入的电量C_IN，电池已经充入的电量为充电前已有的电量加上本次充入的电量：

C_IN＝Ce+C_ch

图7是本发明充电倒计时功能流程图，首先充电器判断电池的当前充电状态，然后分别计算出每个阶段的充电时间，最后计算总的充电所需时间并显示出来，在整个充电过程中系统循环检测充电状态和计算充电所需时间，并动态修正时间直到充电结束显示电池已充满。

电池充满所需时间的计算方法和步骤如下：

(1)计算每个阶段需要充入的电量：设系统设定的预充阶段、恒流阶段、恒压阶段对应的电池最高容量百分比分别为P_YC，P_HL，P_HY，各充电阶段所需充入电量分别为：C1、C2、C3，充电开始电池的容量百分比为P，电池的实际容量为C，则

若p≤P_YC，则：

C1＝C*(P_YC-P)

C2＝C*(P_HL-P_YC)

C3＝C*(P_HY-P_HL)

若P_YC＜P≤P_HL，则：

C1＝0

C2＝C*(P_HL-P)

C3＝C*(P_HY-P_HL)

若P_HL＜P≤P_HY，则：

C1＝0

C2＝0

C3＝C*(P_HY-P)

(2)计算每个阶段充电时间：设定电池充电过程的三个阶段涓流预充阶段、恒流阶段、恒压阶段需要的充电时间分别为t1，t2，t3，则总的充电需求时间T为：

T＝t1+t2+t3

其中：t1＝C1/I1(C1：涓流预充阶段要充入的电量，I1：涓流充电电流)

t2＝C2/I2(C2：恒流阶段要充入的电量，I2：恒流充电电流)

t3＝C3/I3(C3：恒压阶段要充入的电量，I3：恒压充电平均电流)

涓流预充阶段和恒流充电阶段电流值恒定，充电时间等于充电电量C除以充电电流I。但在恒压充电阶段，电池电流随着充电时间的加长而逐渐降低，充电过程满足下列条件：

$C3={\∫}_0^{t_3}f\left(t\right)\mathrm{Idt}=F\left(t\right)I{|}_0^{t_3}$

dF(t)＝f(t)dt

由以上二式可计算出恒压阶段充电时间。

(3)计算总的充电所需时间并通过显示模块显示，在整个充电过程中循环检测充电状态和计算充电所需时间，并动态修正时间直到充电结束显示电池已充满。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置的应用，其特征在于，具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置包括主控制器、充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块、保护电路模块、工作状态指示模块、显示模块和为其余模块供电的电源转换模块，所述的主控制器分别与充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块、保护电路模块、工作状态指示模块、显示模块连接，所述的充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块分别与待充电池连接；

具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置的应用，包括以下步骤：

上电初始化后，首先主控制器通过电压采集模块、电流采集模块以及温度检测模块动态采集电池参数，计算电池实际容量并通过显示模块显示，同时根据采集的电池参数和计算的电池容量来判断充电器工作状态，工作状态设有四种：充电状态、充满状态、电池故障状态、无电池状态，主控制器根据不同的电池状态自动选择不同的工作模式：

（1）若为充电状态，则首先根据充电状态的不同阶段来选择初始充电模式，根据选择的充电模式完成充电任务，充电过程中主控制器实时计算充入电池的电量并通过显示模块动态显示，同时主控制器进行充电倒计时计算并通过显示模块显示，充电结束后，系统自动断开充电电路，防止电池过充造成电池的损坏；

（2）若为充满状态，则显示电池已经充满信息，并自动断开充电电路；

（3）若为电池故障状态，则显示电池故障信息，并自动断开充电电路；

（4）若为无电池状态，则不做任何信息显示，并自动断开所有电路。

2.根据权利要求1所述的一种具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置的应用，其特征在于，所述的电源转换模块进行充电器所需电压的转换以及对整个系统的供电，包括对主控制器、充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块、保护电路模块、工作状态指示模块、显示模块的供电，并在主控制器的控制下提供可控的充电电流和充电电压。

3.根据权利要求1所述的一种具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置的应用，其特征在于，所述的充电状态的不同阶段包括涓流预充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段：

（1）当V_BAT＜V_MIN时，进入涓流预充电阶段；

（2）当V_MIN≤V_BAT＜V_MAX时，进入恒流充电阶段；

（3）当V_BAT≥V_MAX时，进入恒压充电阶段；

其中V_BAT为当前电池电压值，V_MIN为低电压阈值，V_MAX为充电限制电压值；

充电模式的选择包括以下几种：（1）（2）（3）三个阶段；（2）（3）二个阶段；（3）一个阶段。

4.根据权利要求1所述的一种具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置的应用，其特征在于，所述的计算电池实际容量包括以下步骤：

1）测试当前电池电压是否为标定电压值；

2）若为是则记下此电压值，并执行步骤4）；

3）若不是标定电压值，对电池进行充电或放电，并继续监视电池电压直到标定电压值，并返回步骤1）；

4）设标定电压值为V1，此时刻为t1；

5）通过再一次执行步骤1）至4）找到第二个电压标定点V2，时刻为t2，通过查找数值表得出电池电压为V1时的电池容量百分比P1，电池电压为V2时的容量百分比P2；t1至t2的充/放电电量C_bd为此段时间的电流与时间的乘积，则电池的实际容量C为：

C=C_bd/(P2-P1)

其中：

当电池处于预充或恒流充电模式时：

C_bd=I*t=I*(t2-t1) I为充电电流

当电池处于恒压充电模式时：

$C_{\mathrm{bd}}={\∫}_0^{t}f\left(t\right)\mathrm{Idt}={\∫}_{t_1}^{t_2}f\left(t\right)\mathrm{Idt},$  f(t)为充电系数

。

5.根据权利要求4所述的一种具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置的应用，其特征在于，所述的步骤5）中的数值表为存储在电池充电装置中的电池电压、容量百分比、温度关系的数值表。

6.根据权利要求1所述的一种具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置的应用，其特征在于，所述的计算充入电池的电量包括以下步骤：

1）首先计算本次充电前电池含有的电量Ce；

2）然后计算本次充电充入的电量C_ch；

3）最后计算电池已经充入的电量C_IN,电池已经充入的电量为充电前已有的电量Ce加上本次充电充入的电量C_ch：

C_IN=Ce+C_ch

。

7.根据权利要求1所述的一种具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置的应用，其特征在于，所述的主控制器进行充电倒计时计算并通过显示模块显示步骤如下：

1）充电器判断电池的当前充电状态；

2）分别计算出每个阶段的充电时间；

3）最后计算总的充电所需时间并通过显示模块显示，在整个充电过程中循环检测充电状态和计算充电所需时间，并动态修正时间直到充电结束显示电池已充满。

Images