CN102377209A - 用于二次电池的充放电器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于二次电池的充放电器，所述充放电器包括：二次电池，连接到充放电器的输出级；第一转换器电路，包括第一脉冲电压产生器和第一电感器，所述第一脉冲电压产生器输出根据第一占空比的第一脉冲电压，所述第一电感器将与输出的第一脉冲电压关于时间的积分值成比例的第一电流输出到二次电池的正极端；第二转换器电路，包括第二脉冲电压产生器和第二电感器，所述第二脉冲电压产生器输出根据第二占空比的第二脉冲电压，所述第二电感器将与输出的第二脉冲电压关于时间的积分值成比例的第二电流输出到二次电池的负极端；第一控制器，控制第一脉冲电压产生器的第一占空比；以及第二控制器，控制第二脉冲电压产生器的第二占空比。

Description

用于二次电池的充放电器
本申请参照于2010年8月19日提交到韩国知识产权局并适时分配了序列号10-2010-0080292的申请，将所述申请的全部内容并入本说明书中，并且要求所述申请的全部权益。
技术领域
本申请的一方面涉及一种用于二次电池的充放电器，更具体地讲，涉及一种用于二次电池的双向DC/DC转换器型充放电器，在所述充放电器中，扩展电压的范围，从而可通过单独的装置执行二次电池的充电和放电。
背景技术
通常，双向电源转换器电路在降压模式下将高电压转换为低电压，并且在升压模式下通过使用反电动势将低电压转换为高电压。在这种情况下，通过使用一个或多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)以脉冲宽度调制(以下称为“PWM”)方法来控制转换是有效的。利用PWM占空比来确定从双向电源转换器电路输出的电压幅值。
发明内容
本发明的一方面提供一种改进的用于二次电池的充放电器。
本发明的另一方面提供一种双向DC/DC转换器型充放电器，在所述充放电器中，在用于估计二次电池的寿命和质量的装置中执行过充电测试，从而检查二次电池的安全性。
本发明的另一方面提供一种双向DC/DC转换器型充放电器，在所述充放电器中，可在一般开关型DC/DC转换器的升压模式下将施加到电池上的电压的范围扩展到最大负电压的范围，而没有增加另外的输入电源。
根据本发明的一方面，提供一种用于二次电池的充放电器。所述充放电器包括二次电池、第一转换器电路和第二转换器电路、以及第一控制器和第二控制器。
二次电池连接到所述充放电器的输出级。
第一转换器电路包括第一脉冲电压产生器和第一电感器。第一脉冲电压产生器输出根据第一占空比的第一脉冲电压，第一电感器将与输出的第一脉冲电压关于时间的积分值成比例的第一电流输出到二次电池的正极端。
第二转换器电路设置有第二脉冲电压产生器和第二电感器。第二脉冲电压产生器输出根据第二占空比的第二脉冲电压，第二电感器将与输出的第二脉冲电压关于时间的积分值成比例的第二电流输出到二次电池的负极端。
第一控制器控制第一脉冲电压产生器的第一占空比。第二控制器控制第二脉冲电压产生器的第二占空比。
在充电模式下，第一控制器可控制第一脉冲电压产生器的第一占空比为大于0.5的值，并且第二控制器可控制第二脉冲电压产生器处于截止状态。
可选择地，在充电模式下，第一控制器可控制第一脉冲电压产生器的第一占空比为大于0.5的值，并且第二控制器可控制第二脉冲电压产生器的第二占空比为零。
在放电模式下，第一控制器可控制第一脉冲电压产生器的第一占空比为小于0.5的值，并且第二控制器可控制第二脉冲电压产生器处于截止状态。当二次电池的两个端子之间施加的电压通过单独的第一转换器电路达到最小输出电压时，第一控制器可控制第一脉冲电压产生器的第一占空比为零，并且第二控制器可控制第二脉冲电压产生器的第二占空比超过0.5。
可选择地，在放电模式下，第一控制器可控制第一脉冲电压产生器的第一占空比为小于0.5的值，并且第二控制器可控制第二脉冲电压产生器的第二占空比为零。当二次电池的两个端子之间施加的电压通过单独的第一转换器电路达到最小输出电压时，第一控制器可控制第一脉冲电压产生器的第一占空比为零，并且第二控制器可控制第二脉冲电压产生器的第二占空比超过0.5。
第一脉冲电压产生器和第二脉冲电压产生器中的每个可包括一对金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，所述一对金属氧化物半导体场效应晶体管根据由相应的第一控制器或第二控制器的控制的相应的占空比，周期性地输出高电压和低电压。MOSFET可以是N-沟道增强型MOSFET。
充放电器还可包括第一低通滤波器和第二低通滤波器。第一低通滤波器设置在第一电感器和二次电池的正极端之间。第二低通滤波器设置在第二电感器和二次电池的负极端之间。第一低通滤波器和第二低通滤波器可以是一次低通滤波器。
如上所述，根据本发明的实施例，充放电器被操作为电源转换器，所述电源转换器在输入电压的范围内保持静态电流的同时增大电压，从而扩展电路的设计范围，所述输入电压的范围在放电模式下扩展到最大负电压的范围。
此外，可执行电池的寿命和安全性测试，而不需要单独的估计装置。
因此，可解决由于大容量电池的拆卸和移动导致的测试时间的延迟以及由于电池的损害引起的问题。此外，可在单独的装置中执行包括过充电测试的二次电池的充电和放电操作，从而确保数据的可靠性。
附图说明
通过参照以下结合附图考虑时的详细描述，本发明的更完整的理解及其随之而来的许多优点将更加清楚，并且变得更好理解，在附图中，相同的标号指示相同或相似的组件，其中：
图1是示出构造为对比示例的使用双向DC/DC转换器的用于二次电池的充放电器的电路图；
图2是示出图1的充放电器的等效电路的电路图；
图3是示出图1的充放电器的输出级的电压特性的曲线图；
图4是示出构造为根据本发明原理的实施例的用于二次电池的充放电器的电路图；
图5是示出与构造为根据本发明原理的实施例的充放电器的输出级连接的二次电池的两个端子之间施加的电压的特性曲线的曲线图；
图6是通过实际测量与构造为根据本发明原理的实施例的充放电器的输出级连接的二次电池的两个端子之间施加的电压而获得的曲线图。
具体实施方式
在用于电池的充放电器的系统中，用于测试电池的寿命长度的装置称为循环器。循环器在诸如快速充电/放电转换条件的环境下在范围从几天到几个月的长的时间段内测试电池。作为结果，估计相应电池的响应和耐久性。
在传统充放电器的过充电测试中，必须添加用于产生负电压的商业电源以执行测试，直到接近0V的电压范围。然而，由于电路的基准电压等，导致实际上难以实现精确的0V的电压电平。具体地讲，在双向开关型的情况下，因为电压低，所以难以在升压模式下提升电压。因此，输入电压的范围是最严重的问题。
基于这个原因，在用于寿命估计的一般充放电器中，到目前为止通过单独的装置或虚拟实验来执行过充电安全性测试。
以下，将参照附图描述根据本发明的特定示例性实施例。这里，当将第一元件描述为连接到第二元件时，第一元件不仅可直接连接到第二元件，而且也可通过第三元件间接连接到第二元件。此外，为了清晰，省略了对完整理解本发明来说不是必要的一些元件。此外，相同的标号始终指示相同的元件。
将参照图1和图2描述构造为对比示例的二次电池的双向DC/DC转换器型充放电器。图1是示出构造为对比示例的充放电器的电路图。图2是简要示出图1的充放电器的电路图。
该对比示例具有这样的构造：输入电压V1施加到转换器电路10，转换器电路10输出输出电压V2。通过将二次电池连接到输出输出电压V2的输出级来执行充电和放电。以下，如果必要，将使用术语“二次电池”或“输出级”来描述输出电压V2。
同时，在降压模式和升压模式下操作转换器电路10。在降压模式下，转换器电路10使用反电动势逐步降低输入电压V1，以执行对二次电池V2充电的操作。在升压模式下，转换器电路10逐步提升输入电压V1，以执行对二次电池V2放电的操作。将参照图2对此进行详细描述。
如图2所示，转换器电路包括控制器110、脉冲电压产生器120、电感器L1和低通滤波器130。以下，使用转换器电路表示包括脉冲电压产生器、电感器和低通滤波器，由单独的控制器来操作脉冲电压产生器、电感器和低通滤波器。
脉冲电压产生器120是在控制器110的控制下通过脉冲宽度调制(PWM)方法来转换输入电源并输出转换后的电源的电路。PWM方法控制高电平信号(On)和低电平信号(Off)在一个周期中规则地切换。在这种情况下，通过控制高电平信号对周期的时间比(即，占空比)来控制平均输出电压或电流。在电源中，通常使用占空比来控制输出电压。
从脉冲电压产生器120产生方波，并将方波提供到电感器L1。同时，电感器L1中的电流幅值被给定为电压关于时间的积分值。因此，电感器L1中的电流具有三角波形状，其中，当脉冲电压产生器120的电压处于高电压状态(即，处于导通状态)时，该电流以一次函数形式增大，当脉冲电压产生器120的电压处于低电压状态(即，处于截止状态)时，该电流以一次函数形式减小。同时，当在降压模式下执行逐步下降转换时，电感器L1用于产生反电动势。此外，在减小损耗的同时，电感器L1与低通滤波器130一起用于移除交流分量，稍后将描述低通滤波器130。
在该对比示例中，低通滤波器130实现为一次低通滤波器。在这种情况下，电容器C1并联连接到二次电池BAT。低通滤波器130用于从输出电压移除交流分量。
将参照图3描述构造为该对比示例的用于二次电池的充放电器的输出级的电压特性。图3示出根据该对比示例的充放电器的放电级(即，输出级)中二次电池的端子之间施加的电压。
如上所述，通过脉冲电压产生器120的操作将根据占空比的平均电压输出到二次电池的正极端。因此，根据该对比示例的单独的脉冲电压产生器120，连接到二次电池的输出级的电压不能无限地减小，而是收敛到恒定电压V_ref。因此，对于过充电测试，这样的结构是有缺陷的。即，必须提供单独的构造，来将施加到连接至输出级的二次电池的电压降低到从单独的转换器电路10输出的最小输出电压V_ref以下。以下，将描述包括这种结构的实施例。
将参照图4描述构造为根据本发明原理的实施例的用于二次电池的充放电器。图4是示出构造为根据本发明原理的该实施例的充放电器的电路图。
构造为该实施例的充放电器包括二次电池、第一转换器电路100和第二转换器电路200。
二次电池连接到第一转换器电路100的输出级和第二转换器电路200的输出级。在这种连接状态下，执行二次电池的充电和放电操作。
如上所述，第一转换器电路100包括第一脉冲电压产生器120、第一电感器L1、第一低通滤波器130和第一控制器110。
在该实施例中，如上所述，第一脉冲电压产生器120基于输入电压V1输出具有根据第一占空比的平均电压。第一脉冲电压产生器120具有一对金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)Q1和Q2。在这种情况下，MOSFETQ1和Q2可实现为N-沟道增强型MOSFET。N-沟道增强型MOSFET在控制器的控制下将漏电流限制到零。
第一控制器110用于控制第一脉冲电压产生器120的占空比。即，第一控制器110可通过增大MOSFET Q1关于周期的信号比(即，占空比)来控制根据该实施例的充放电器在充电模式下操作。相反，第一控制器110可通过减小MOSFET Q1关于周期的信号比来控制根据该实施例的充放电器在放电模式下操作。同时，占空比为零表示第一控制器110使MOSFET Q1截止并保持MOSFET Q2处于导通状态。第一控制器110使第一脉冲电压产生器120截止，或者第一控制器110控制第一脉冲电压产生器120处于截止状态，表示第一控制器110通过保持MOSFET Q1和Q2处于截止状态来允许第一脉冲电压产生器120自身处于开路。在这种情况下，第一控制器110控制N-沟道增强型MOSFET，使得电流基本上不流过MOSFET Q1和Q2，从而获得第一脉冲电压产生器120处于开路的效果。
第一电感器L1用于接收以PWM方法输出的电压，以输出积分电流。即，如上所述，第一电感器输出与通过对电压关于时间的变化进行积分而获得的值相应的电流。因此，第一电感器中的电流不能被快速地改变，而是具有连续值。第一电感器L1将这样的电流输出到二次电池BAT的正极端。
第一低通滤波器130用于从第一电感器L1输出的电流移除交流分量并将移除了交流分量的电流输出到二次电池BAT的正极端。如上所述，第一低通滤波器130可与第一电感器L1一起在减小功率损耗的同时移除交流分量。第一低通滤波器130包括与二次电池BAT串联连接的电阻器R以及与二次电池BAT并联连接的电容器C1。即，考虑到功率损耗等，第一低通滤波器130可实现为一次低通滤波器。
第二转换器电路200具有几乎与第一转换器电路100相同的构造。即，第二转换器电路200包括第二控制器210、第二脉冲电压产生器220、第二电感器L2和第二低通滤波器230。第二转换器电路200具有与第一转换器电路100相同的构造和功能。然而，第二转换器电路200与第一转换器电路100关于二次电池BAT对称地设置。第二转换器电路200与第一转换器电路100的不同之处在于：来自第二转换器电路200的电流被输出到二次电池BAT的负极端。可省略第二低通滤波器230的电阻器。同时，第二控制器210以与第一控制器110相同的方式控制MOSFET Q3和Q4输出具有根据第二占空比的平均电压的脉冲电压。
以下，将参照图5描述构造为根据本发明原理的实施例的充放电器的充电模式和放电模式。图5是示出与构造为根据本发明原理的该实施例的充放电器的输出级连接的二次电池的两个端子之间施加的电压的特性曲线的曲线图。
首先，将描述充电模式。充电模式可划分为静态电流时间段T1和静态电压时间段T2。在静态电流时间段T1中，在将MOSFET Q1和Q2的占空比控制为约0.55或更大时对二次电池BAT充电。即，在一个周期的55％中，MOSFET Q1导通，而MOSFET Q2截止；然后，在该周期的剩余45％中，MOSFET Q1截止，而MOSFET Q2导通。在静态电压时间段T2中，在当二次电池BAT的电压变为特定值或更大时，将MOSFET Q1和Q2的占空比控制在约0.5至0.55的范围内时，二次电池BAT的电压保持恒定。在实际的充放电器中，重复地通过保护电路执行自然放电然后以回复电压执行充电，使二次电池BAT的电压保持恒定。
在这种情况下，第二控制器210可控制第二脉冲电压产生器220处于截止状态，或者可控制第二脉冲电压产生器220的占空比为零。在第二控制器210控制第二脉冲电压产生器220处于截止状态的情况下，根据该实施例的充放电器可获得第二转换器电路200处于开路的效果。即，这种情况与对比示例的情况几乎相似。同时，在第二控制器210控制第二脉冲电压产生器220的占空比为零的情况下，MOSFET Q3处于截止状态，而MOSFET Q4处于导通状态。因此，从第二电感器L2来看，第二脉冲电压产生器220的阻抗具有接近零的值。
接下来，将描述放电模式。放电模式可以是两个时间段。即，放电模式可划分为第一放电时间段T3和第二放电时间段T4。在第一放电时间段T3中，二次电池BAT主要依赖第一转换器电路100的功能来放电。在第二放电时间段T4中，二次电池BAT主要依赖第二转换器电路200的功能来放电。
在第一放电时间段T3中，如上所述，在第二转换器电路200保持截止状态或者其占空比被控制为零的状态下，通过第一转换器电路100执行放电。即，控制第一转换器电路100的占空比为小于0.5的值。随着执行放电，施加到二次电池BAT上的电压通过上面描述的单独的转换器电路收敛到临界电压V_ref。
当二次电池BAT的电压足够地接近于临界电压V_ref时，执行第二放电时间段T4。在第二放电时间段T4中，在第一转换器电路100保持截止状态或者其占空比被控制为零的状态下执行放电。即，控制第二转换器电路200的占空比为超过0.5的值。在这种情况下，从第二电感器L2输出的电流流入二次电池BAT的负极端。即，通过第二转换器电路200在二次电池BAT的负极端形成高电势。因此，施加到二次电池BAT上的电压通过单独的转换器电路减小到临界电压V_ref之下，并且可下降到最大负电压的范围。以这种方式，可执行过充电测试。
将参照图6描述从构造为根据本发明原理的该实施例的电路实际测量的数据。图6是通过实际测量与构造为根据本发明的实施例的充放电器的输出级连接的二次电池的两个端子之间施加的电压而获得的曲线图。
从通过构造为该实施例的电路实际测量的结果可以看出，放电电压下降到最大负电压-1.5V。
尽管已经结合特定示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于公开的实施例，而是相反，本发明旨在覆盖包括在权利要求及其等同物的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (13)

1.一种用于二次电池的充放电器，所述充放电器包括：
二次电池；
第一转换器电路，具有第一脉冲电压产生器和第一电感器，所述第一脉冲电压产生器输出根据第一占空比的第一脉冲电压，所述第一电感器将与输出的第一脉冲电压关于时间的积分值成比例的第一电流输出到二次电池的正极端；
第二转换器电路，具有第二脉冲电压产生器和第二电感器，所述第二脉冲电压产生器输出根据第二占空比的第二脉冲电压，所述第二电感器将与输出的第二脉冲电压关于时间的积分值成比例的第二电流输出到二次电池的负极端；
第一控制器，控制第一脉冲电压产生器的第一占空比；以及
第二控制器，控制第二脉冲电压产生器的第二占空比。
2.根据权利要求1所述的充放电器，其中，在充电模式下，第一控制器控制第一脉冲电压产生器的第一占空比为大于0.5的值，并且第二控制器控制第二脉冲电压产生器处于截止状态。
3.根据权利要求2所述的充放电器，其中，在充电模式的静态电流时间段中，第一控制器控制第一脉冲电压产生器的第一占空比为大于0.55的值。
4.根据权利要求3所述的充放电器，其中，在静态电流时间段之后发生的充电模式的静态电压时间段中，当二次电池的两个端子之间施加的电压超过预定值时，第一控制器控制第一脉冲电压产生器的第一占空比在0.5至0.55的范围。
5.根据权利要求1所述的充放电器，其中，在充电模式下，第一控制器控制第一脉冲电压产生器的第一占空比为大于0.5的值，并且第二控制器控制第二脉冲电压产生器的第二占空比为零。
6.根据权利要求1所述的充放电器，其中，在放电模式下，第一控制器控制第一脉冲电压产生器的第一占空比为小于0.5的值，并且第二控制器控制第二脉冲电压产生器处于截止状态。
7.根据权利要求6所述的充放电器，其中，当二次电池的两个端子之间施加的电压通过单独的第一转换器电路达到最小输出电压时，第一控制器控制第一脉冲电压产生器的第一占空比为零，并且第二控制器控制第二脉冲电压产生器的第二占空比超过0.5。
8.根据权利要求1所述的充放电器，其中，在放电模式下，第一控制器控制第一脉冲电压产生器的第一占空比为小于0.5的值，并且第二控制器控制第二脉冲电压产生器的第二占空比为零。
9.根据权利要求8所述的充放电器，其中，当二次电池的两个端子之间施加的电压通过单独的第一转换器电路达到最小输出电压时，第一控制器控制第一脉冲电压产生器的第一占空比为零，并且第二控制器控制第二脉冲电压产生器的第二占空比超过0.5。
10.根据权利要求1所述的充放电器，其中，第一脉冲电压产生器和第二脉冲电压产生器中的每个包括一对金属氧化物半导体场效应晶体管，包括在第一脉冲电压产生器中的一对金属氧化物半导体场效应晶体管根据由第一控制器控制的第一占空比周期性地输出高电压和低电压，包括在第二脉冲电压产生器中的一对金属氧化物半导体场效应晶体管根据由第二控制器控制的第二占空比周期性地输出高电压和低电压。
11.根据权利要求10所述的充放电器，其中，金属氧化物半导体场效应晶体管是N-沟道增强型金属氧化物半导体场效应晶体管。
12.根据权利要求1所述的充放电器，所述充放电器还包括：
第一低通滤波器，设置在第一电感器和二次电池的正极端之间；
第二低通滤波器，设置在第二电感器和二次电池的负极端之间。
13.根据权利要求12所述的充放电器，其中，第一低通滤波器和第二低通滤波器是一次低通滤波器。
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