CN103636097A - 对锂离子电池组充电 - Google Patents

Abstract

本发明描述了用于对具有至少一个可再充电电池的可再充电电池组充电的技术。一种电池组充电器施加恒定电流以对可再充电电池充电并且周期性地测量可再充电电池的电压值。在对可再充电电池充电所需的时间段内跟踪所述电压值以使所测量的电压值基本上等于可再充电电池的交变电压值。施加基本上等于交变电压的恒定电压并且持续第二时间段，其中第二时间段是基于跟踪的时间段来选择的。在经过了第二充电时间段之后，终止充电。

Description

对锂离子电池组充电

背景技术

锂离子电池组一般是通过组合的恒定电流和恒定电压技术来充电的。首先将电池组以恒定电流充电，直到电池组电压达到通常称为交变电压的设定电压值。在达到该电压之后，充电器随着电流逐渐减小保持恒定充电电压。充电器将保持充电，直到达到终止电流值（通常为对应于CC额定电流的5-10%的电流）。通常，充电器要求充电电路对电压和电流调节保持紧密度容限。为了支持该类型的充电，一般使用电流感测电路。然而，电流感测显著地增加了成本，例如，需要利用电流感测精度分路电阻器和运算放大器以放大低电压信号，如常规上使用的那样。

限制可再充电电池组的充电便利性的一种因素是充电器和/或电池组发生过热的危险。此类过热可损害充电器和/或电池组，并且可造成安全隐患。因此，常规充电器被构造成施加对应于约1C的充电速率的充电电流。为了避免发生过热状况，有时使用温度传感器来监测充电器和/或电池组的温度，因此可使充电器在检测到过热状况时采取矫正或预防行动（例如，如果电池的温度超过例如45℃的安全限度，则终止充电电流）。

发明内容

本发明公开了充电器，其被构造成对可再充电电池组充电并且提供恰当的CV模式充电终止。对于一些电池组化学组成类型，能够在小于15且通常在大约4-6分钟内充电至大约90-95%的容量。

在一个方面，一种用于对具有至少一个可再充电电池的可再充电电池组充电的方法包括：由电池组充电器施加恒定电流以对所述至少一个可再充电电池充电；由控制器装置周期性地测量可再充电电池的电压值；由控制器装置跟踪对可再充电电池充电所需的时间段以使所测量的可再充电电池的电压值基本上等于可再充电电池的交变电压值；施加基本上等于交变电压的恒定电压并且持续第二时间段，其中第二时间段是基于跟踪的时间段来选择的；以及在经过了第二充电时间段之后，由充电器终止充电电流。

以下为在此方面的范围内的实施例。

该方法包括在达到可再充电电池组的端子处的交变电压之后，周期性地调节充电电流以将可再充电电池组的端子之间的电压保持在交变电压。该方法包括当达到可再充电电池组的端子处的交变电压时，使输出指示器装置启动。该方法包括由控制器装置通过使用跟踪的时间访问存储在计算机可读存储介质中的表来确定第二充电时段，所述表可由微控制器装置访问以提供第二时间值。可再充电电池组的交变电压对于钛酸锂阳极材料和磷酸铁锂阴极材料来讲对应大约3.8V或对于氧化钴锂阳极材料来讲对应4.2V。执行施加充电电流而不监测可再充电电池组的温度。调节由功率转换模块提供的电流包括调节电压变压器部分的运行。所述可再充电电池组为可再充电的基于磷酸铁锂的电池组。施加充电电流包括调节由具有电压变压器部分的功率转换模块提供的电流。

在一个附加方面，一种制造电池组充电器的方法包括：在初始充电状态以恒定电流模式通过向电池组施加恒定电流而对电池组充电；跟踪使电池组达到电池组的交变电压所需的时间；在交变电压下以恒定电压模式对电池组充电，直到电池组被完全充电或基本上完全充电；跟踪使电池组达到完全充电或基本上完全充电所需的时间；对于多个不同的充电状态重复充电步骤和跟踪步骤；制备包括控制器和相关联的存储器电路的充电电路，并且将表存储在存储器电路中，该表关联恒定电流模式下的充电时间与恒定电压模式下的充电时间。

以下为在此方面的范围内的实施例。

所述电池组为第一电池组类型的第一电池组，并且该方法包括：针对对应的至少一个附加的不同电池组类型，对于至少一个附加的电池组化学组成和电池组构造的不同组合的多个不同的充电状态，重复充电步骤和跟踪步骤；在存储器电路中提供至少一个附加表，所述至少一个附加表关联所述至少一个附加的电池组类型在恒定电流模式下的充电时间与在恒定电压模式下的充电时间。

在一个附加方面，一种用以对一个或多个可再充电电池组充电的充电器装置，该装置包括用以容纳一个或多个可再充电电池组的容器，该容器具有被构造成耦合到所述一个或多个可再充电电池组的相应端子的电触头；和控制器。控制器被构造成由充电器施加恒定电流以对可再充电电池充电；测量可再充电电池的电压值；跟踪对可再充电电池充电所需的时间以使所测量的电压值基本上等于电池组的交变电压；施加基本上处在交变电压的恒定电压并且持续第二时间段，第二时间段是根据跟踪的时间来选择的；并且在经过了第二充电时间段之后，终止充电电流。

以下为在此方面的范围内的实施例。

控制器还被构造成在达到可再充电电池组的端子处的预定电压水平之后，周期性地调节充电电流以将可再充电电池组的端子之间的电压保持在预定电压水平。控制器还被构造成当达到可再充电电池组的端子处的预定电压水平时，使输出指示器装置启动。控制器还被构造成通过使用跟踪的时间访问存储在计算机可读存储器装置中的表来选择第二充电时段的值，所述表可由控制器访问以检索第二时间值。该装置包括功率转换模块，该功率转换模块包括电压变压器。该装置包括反馈控制机构，其用以使控制器调节由功率转换模块输出的电流。反馈控制机构被构造成调节电压变压器的运行。该装置反馈控制机构被构造成在所述一个或多个电池组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组的端子处的电压保持在预定上限电压。该装置包括输出指示器装置；并且其中控制器被构造成当达到可再充电电池组的端子处的预定电压水平时，使输出指示器装置启动。该装置被构造成对一个或多个基于磷酸铁锂的可再充电电池组充电。

在一个附加方面，一种计算机程序产品驻留在计算机可读存储装置中以用于控制电池组充电器，该计算机程序产品包括指令，所述指令用于使充电器装置中的控制器导致施加恒定电流以将可再充电电池充电至预定电压值、周期性地测量可再充电电池的电压、跟踪对可再充电电池充电以使所测量的可再充电电池的电压值基本上等于预定电压值所需的时间段、导致施加基本上等于预定电压值的恒定电压并且持续第二时间段，其中第二时间段是基于跟踪的时间段来选择的，并且在经过了第二充电时间段之后导致充电电流的终止。

以下为在此方面的范围内的实施例。

该计算机程序产品包括指令，所述指令用以在达到可再充电电池组的端子处的预定电压水平之后，周期性地调节充电电流以将可再充电电池组的端子之间的电压保持在预定电压水平。该计算机程序产品包括指令，所述指令用以通过使用跟踪的时间访问存储在计算机可读存储介质中的表来确定第二充电时段，所述表可由控制器装置访问以提供第二时间值。

一个或多个方面可提供下列一个或多个优点。

例如磷酸铁锂电池组的相对低的内阻允许此类电池组能够在短时间段内被充电。该充电器被构造成在经过了所指定的时间段之后恰当地终止充电操作，而不必执行任何检查以确定电池组的充电量或电压水平或执行热监测和/或热控制操作。通过评估充电器所需的处于恒定电压充电模式的时间来恰当地终止对锂离子电池组的充电，所述评估是通过测量先前的恒定电流充电模式的持续时间进行的。

该构型最小化了充电器中所需的电路，诸如电流感测和电流反馈电路。此外，还能够减少或消除散热需求。这些优点能够减少充电器的成本和尺寸。在提供减少此类充电器电路的成本和尺寸的这些优点的同时，与更复杂的常规充电器电路相比，还为此类充电器电路提供了类似的性能特性。成本减少是通过移除充电器中的电流感测和控制来实现的，而所述移除是通过使用可靠的用于终止对锂离子电池组的充电的技术来实现。由于基于锂化学组成的电池组性质的缘故，能够以多达10C-15C或更大的充电电流速率完成快速充电（其中1C速率等于1h充电速率）。

本发明的一个或多个实施例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例的方框图。

图2为由图1的充电器执行的充电规程的一个示例性实施例的流程图。

图3为针对不同的初始充电状态的电压对时间图。

图4为初始充电状态对电压的百分比图。

具体实施方式

电化学电池可为一次电池或二次电池。一次电化学电池意味着仅放电（例如至耗尽）一次，然后被废弃。不打算对一次电池进行再充电。一次电池描述于例如David Linden的Handbook of Batteries（McGraw-Hill，第2版，1995）中。另一方面，二次电化学电池，在下文中也称为可再充电电池或电池组，可再充电许多次，例如，五十次，一百次等等。二次电池在例如Falk&Salkind的“Alkaline Storage Batteries”，（John Wiley &Sons，Inc.1969）；美国专利号345,124；和法国专利号164,681中有所描述，这些专利均以引用方式并入。

参见图1，其显示了被构造成对可再充电电池组12充电的充电器10，所述电池组具有至少一个基于磷酸铁锂化学组成的可再充电的电化学电池。这种电池组，有时称为二次电池组，包括电池。在一些实施例中，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组可快速再充电。磷酸铁锂化学组成具有低内阻（R）。起因于此类电池组的内阻的热耗散与I²R（其中I为施加到电池组的充电电流）成比例。由于基于磷酸铁锂化学组成的电池组的低内阻，此类电池组可接受高充电电流。

使用大充电电流来对基于磷酸铁锂化学组成的电池组充电一般导致电池组在大约五（5）分钟内获得90-95%的充电容量。充电器10被构造成在经过了某个时间段之后恰当地终止充电操作，而不必执行任何检查以确定电池组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10使用两个定时器，即一个CC计时器37a和一个CV计时器37b，从而测量两个不同充电时间段的持续时间。第一定时器即CC计时器37a用来测量充电器10在以恒定电流对电池组充电时处于恒定电流模式的时间量。第二定时器CV计时器37b用来测量充电器10保持在恒定电压模式的时间量。在CV充电模式中，CV计时器是倒计时的。当CV计时器37b达到零时，充电器10终止CV充电模式和总体充电操作。CV计时器的初始值为由第一充电时段确定的预指定的时间段，如下所述。

虽然图1显示的是连接到充电器10的单一电池组12，但充电器10可被构造成具有连接到其上的附加电池组。此外，充电器10还可被构造成接纳不同的电池组类型并给不同的电池组类型充电，包括圆柱形电池组、棱柱电池组、硬币电池组或纽扣电池组等。

充电器10被构造成仅向电池组施加恒定电压，但利用最大功率限制电路。在AC供电的充电器情形中，最大功率限制电路放置在隔离阻障的线基准侧上。在开始充电操作时，充电器将使用最大功率限制电路来提供基本上恒定电流调节，直到电池组电压达到交变电压。在其中将恒定电流递送给电池组（即，充电器10以恒定电流或CC模式运行）期间，电池组12的电压增大。充电器10测量该电压并且跟踪充电器10处于CC充电模式的时间量。当电池组的电压达到预定的例如3.8V（对于钛酸锂阳极材料和磷酸铁锂阴极材料）或4.2v（对于氧化钴锂）的上限电压（该上限电压有时候称作交变电压）时，CC计时器37a被停止并且其值被保存。其后充电器10被构造成将电池组的电压保持在该上限电压并且持续充电时段的剩余时间。基于所跟踪的充电器10在CC模式中所花费的时间值来预设定充电操作的剩余部分所用的时间段（其为CV充电模式的持续时间）。在该剩余时段中，充电器10向电池组12施加基本上等于预定交变电压值的恒定电压。在该模式中，据称充电器10是以恒定电压或CV充电模式运行的。

在经过了预设定的用作CV模式的持续时间的该段时间之后，充电操作终止该CV模式。由于充电器10被构造成在经过了预设定的用作CV模式的持续时间的该段时间时无条件地终止充电操作（在此期间电池组和/或充电器10的温度不太可能显著升高），因此在一些实施例中，没有必要监测电池组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的实施例中，充电器10的结构较紧凑并且电路得到简化。

还如图1所示，在一些实施例中，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（这种配置有时称为初级侧电压/电流调节）。换句话讲，控制机构调节功率转换模块16的开关频率或脉冲持续时间，因此调节转换器的输出电压和电流。因此，在此类实施例中，充电器10不包括多个电压转换模式（例如，AC/DC转换模式，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模式功率转换电路中的功率损耗。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端的输入功率百分比）通常在80-90%的范围内。相比之下，两模式的功率转换电路一般每模式获得80-90%的效率，因此两模式功率转换电路的总体功率效率一般在60-80%的范围内。这些功率效率损耗被表示为功率转换模式中的热耗散。

充电器10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。整流器模块14包括基于二极管的全波桥式整流器。电容器15存储用于功率转换模块16的能量。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。在一些实施例中，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的输出端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的输出端处提供电压；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。这种开关转换器使用离散的晶体管（例如，MOSFET晶体管）来实施，或使用用以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使提供在充电器10的输入端处的AC功率转换为适用于对可再充电电池组充电的低D.C.电压（例如，大约介于3.7V至4.2V之间的水平的DC电压）。

在一些实施例中，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电源转换为适用于对可再充电电池充电的DC功率水平。例如，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将该电压水平转换为合适的电压水平。添加的DC-DC转换器可被构造成接受具有各种输出电压例如在1.2V至大约24V范围内的输出电压的DC电源。因此，在一些实施例中，DC-DC转换器为升压转换器，可将1.2V的电压增大为3.7伏至4.2伏的DC充电电压，而在那些4.2伏特以上的应用中，转换器为降压转换器。

电耦合到功率转换模块16的输出端的是滤波电路24，所述滤波电路包括与电容器28串联连接的二极管26。滤波器电路24被构造成减小功率转换模块16的输出端处的电流/电压脉动。滤波器电路24也被构造成在功率转换模块16的输出端处不提供电流时的关断期间将存储在电容器28中的能量释放进电池组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组12的充电电流的有效电流。二极管26被连接成使得由电容器28释放的电流被导向至电池组12并且不导向到功率转换模块16中。

为了控制施加到电池组12的电流和/或电压水平，提供了反馈机构。反馈机构包括控制器30以调节功率转换模块16的DC输出电压。功率转换模块16耦合到充电器10的输出端子（并且因此耦合到电池组12的端子），充电电流即通过所述端子施加。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在其输出端处提供电压。脉宽调制控制单元32将递送在转换器的输出端的功率限制成低于最大功率阈值，从而有效地提供恒定电流充电。初级侧切换控制器的一个例子为脉宽调制3845（模拟装置）。脉宽调制控制单元32控制次级侧上的电流，同时次级侧电路只是驱动反馈以将输出电压调节至CV值。当电池的电压低于CV值时，反馈达到饱和并且转换器电路以最大输出运行并且被构造成将输入和输出电压范围内的最大电流限制在电池组所容许的范围内。一旦电池组电压达到CV值，反馈信号从饱和回退，并且次级侧充电电路开始调节输出电压，如在典型的充电器中那样。

控制器30包括微控制器或微处理器和相应的CC和CV计时器37a和37b（它们被实施为硬件、软件或固件）、和用以存储程序（用以控制控制器或处理器）的存储器、和A/D转换器。

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的输出端撤消。因此，通过将当前反馈电压与预设值进行比较并控制开关脉宽调制控制单元32的运行，并且因此控制功率转换模块16的运行，控制器30可导致基本上等于要施加到电池组12的充电电流的电流。将恒定电流施加到电池组并且持续一段时间。控制器30使用CC计时器37a来跟踪并记录该段时间。当电池组的电压值达到例如3.8或4.2等（取决于电池组化学组成）的交变值时，控制器从恒定电流模式变成恒定电压模式。控制器30访问存储在与控制器30相关联的存储器中的表，并且使用源自CC计时器37a的跟踪的时间段的值来访问由控制器30加载到CV计时器37b中的第二时间值。在CV充电模式期间，CV计时器37b为倒计时的。当CV计时器37b达到零时，恒定电压充电模式被终止并且充电完成。作为另外一种选择，替代使计时器倒计时，能够以其它方式跟踪CV充电模式中的时间段，诸如确定CV充电模式中的该段时间何时等于从所述表中访问的值。

现在参见图2，控制器30被构造成以如下方式控制充电器10的运行：在将电池组12放置到充电器的充电隔室中之后，充电器10可任选地在开始充电操作之前确定62是否存在某些故障状况。因此，例如，充电器10测量电池组12的电压。充电器10确定所测量的电压V₀是否在预定范围内（例如，V₀介于2-3.8V之间）。如果确定了所测量的电压不在预定的可接受范围内因此在当前状况下进行充电操作是不安全的或不必要的，则充电器10不进行充电操作，因而该过程可终止。

如果不存在故障或如果未提供故障程序，则充电器10确定64电池组类型，如果充电器10适于容纳具有不同容量/化学组成的不同类型的电池组的话。充电器10确定插入到充电器10的充电隔室中的电池组12的容量和/或类型。

控制器30进入恒定电流充电模式。控制器起动66第一定时器（CC计时器37a，图1）（其跟踪充电器10在恒定电流模式中所花费的时间）并且以所确定的恒定电流对电池组充电68。控制器30通过测量电池组的电压来确定电池组12的近似的现有充电水平。如果所测量的电压（V）的值等于70具体电池组化学组成的交变电压（V_CO），则控制器30停止CC计时器37a并终止72CC模式。否则，控制器继续以恒定电流模式对电池组充电68，直到所测量的电压（V）的值等于交变电压（V_CO）70。

当所测量的电压（V）的值等于交变电压（V_CO）且CC模式因此被终止时，控制器30使用74CC计时器37a的值来访问某个时间值以起动CV计时器37b。用于CV计时器37b的该时间值被加载76到CV计时器37b中，并且控制器30以交变电压对电池组充电78一段时间并使CV计时器37b倒计时79。当CV计时器37b的值等于零80时，控制器终止CV模式并因此终止82对电池组的充电。在该时刻，控制器能够产生84充电器10终止（充电循环完成）指示。

针对不同的CC持续时间值，以经验方式通过仔细表征电池组化学组成-构造来确定用于CV计时器37b的初始值。处在更低初始充电状态（SOC）的电池组在恒定电压模式中花费更多时间以补偿损耗的能量。即，在CV模式中所花费的时间与初始SOC成反比（如图3所示）。例如，对于一种类型的LiFePO电池组，处在0%SOC的这种电池组能够处于CC模式约60秒并且处于CV模式240秒；而处在20%SOC的电池组能够处于CC模式约25秒并且处于CV模式180秒。对于处在50%SOC及以上的电池组，可能不存在CC模式因而充电器10在测量了初始（充电状态）之后将直接进入CV模式。从恒定电压模式至对电池组完全充电所花费的时间取决于电池组初始SOC。此外，电池组的电压还将根据电池组的初始充电状态（SOC）而变化，如图4所示。其它时间段是可能的，并且实际上很可能取决于电池组的化学组成并且还可能取决于电池组的构造细节。

对于一组电池组类型（电池组化学组成和在一些实施例中构造细节的组合）中的每个电池组，针对不同的初始SOC，记录了该组电池组类型中的每种不同类型的多个电压对时间的充电特征图。通过各种试验和电池组化学组成的知识，为每种类型提供了一组值。将这些针对每种类型的值以例如程序中表的形式编程到控制器中，并且由控制器用来适当地终止CV模式，如上所述。如果充电器10被构造成对各种电池组类型充电，则可提供各种表。

每种电池组类型（其中充电器10被构造成处理各种电池组类型）均具有对应的表。当将充电器10用于单一电池组类型时，使用单一表。

在CC模式中所花费的时间	在CV模式中花费的时间
		TCC1	TCV1
TCC2	TCV2
		TCC3	TCV3
TCC4	TCC4
		***	***
TCCn-1	TCVn-1
		TCCn	TCVn

水平的数目（表中的行）取决于考虑电池组类型的SOC对电压特征的形状（图4）时所期望的或所需的颗粒度。在一些实施例中，控制器能够被编程为对各种电池组类型充电，并且通过使用例如识别机构识别放置在充电器10的充电隔室（未示出）中的电池组类型来确定在CV模式中所花费的时间，所述识别机构提供代表该电池组类型的数据。该类型的识别随后将用来从被编程在控制器中的多个表中选择适当的表。

一种包括基于使用ID电阻器（具有代表电池组容量的电阻）的识别机构的示例性充电器10装置的具体实施方式提供于2007年7月11日提交的Jordan T.Bourilkov等人的名称为“Ultra Fast Battery Charger with BatterySensing”的共同未决的专利申请序列号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。一种可供选择的识别机构描述于2010年12月30日提交的Elik Dvorkin等人的名称为“Single Wire Battery PackTemperature and Identification Method”的共同未决的专利申请序列号12/981,737中，该专利申请的内容据此全文以引用方式并入本文。

使用者界面也可包括输入元件（例如，开关）以启用或禁用充电器10。用户界面也可包括输出指示器装置诸如用以向用户提供关于充电器10和/或与其连接的电池组12的状态信息的LED、被构造成向用户提供输出信息的显示装置等。例如，用户界面可包括LED，当充电器10从恒定电流模式切换至恒定电压模式时所述LED被点亮。一般来讲，当电池组的电压达到交变点（例如，介于3.8V至4.2V之间）时，电池组的充电量通常为电池组的充电容量的80%至90%，并且因此基本上可供使用。被点亮的LED向使用者指示电池组已充电至少80%至90%，如果使用者这时需要立即使用电池组并且不想等到充电操作完全完成，则使用者可选择在充电操作完成之前取出电池组。

在一些实施例中，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装置以指示对电池组12的充电操作正在进行中。

如上所述且如图1所示，控制器30包括处理器装置34，所述装置被构造成控制对电池组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。用于实施控制器30的处理器装置34包括易失性和/或非易失性存储元件，所述存储元件被构造成存储包含计算机指令的软件以使得基于处理器的装置能够进行一般操作、以及实施程序以对连接到充电器10的电池组12执行充电操作，包括在大约5分钟内获得至少90%的充电容量的此类充电操作。

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被构造成接收源自耦合到电池组的传感器（下文描述）的信号，以有利于调节和控制充电操作。在一些实施例中，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。

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、和开关脉宽调制控制单元32布置在充电器10的电路板（未示出）上。

充电器10基于电池组化学组成确定要施加到可再充电电池组12的充电电流。如本文所述，基于磷酸铁锂电化学电池的电池组具有相对低的内阻，因此可用例如大约10C至15C的相对大的充电电流来充电，其中10C的充电速率对应于在6分钟内对可再充电电池组充电的充电电流（1C为在1小时内充电特定可再充电电池组所需的电流），并且15C的电流为在4分钟内对可再充电电池组充电所需的电流。由于磷酸铁锂电池组的低充电电阻，可避免显著的热耗散并且因此此类电池组可经受高充电电流而不会有害地影响电池组的性能或耐久性。

将晶体管的接通时间或工作循环初始地从0%工作循环升高，同时控制器或反馈回路测量输出电流和电压。一旦达到所确定的充电电流，反馈控制回路就使用闭合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10电压输出、或电池组端子电压达到交变电压，类似的控制机构可用来控制晶体管的工作循环。

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。

在一些实施例中，控制器30能够周期性地接收（例如，每隔0.1秒）流过电池组12的电流的测量值，所述电流例如通过电流传感器40来测量。基于此接收到的所测量的电流，控制器30调节工作循环以导致对流过电池组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。

充电器10也包括电耦合到充电器10的充电端子的电压传感器42。电压传感器周期性地测量（例如，每隔0.1秒）电池组12的端子处的电压。这些周期性的电压测量使得控制器30能够控制由功率转换模块16在恒定电压（CV）模式期间提供的电压，使得在CV模式期间施加在电池组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）。该CV模式基于被加载到倒计时的CV计时器37b中的时间值而被终止。

由传感器42测量的电流/电压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确定由电压传感器42测量的电池组12的端子处的电压是否处在电池组12的电压水平的预定范围（例如，2V至3.8V）内。如果测量的值低于该范围的电压下限，则这可指示电池组有缺陷。如果测量的值高于该范围的上限，则这可指示电池组已经充分地充电，因此进一步的充电是不必要的并且可能会损坏电池组。因此，如果测量的电压没有落在预定范围内，则认为存在故障状况。

充电器10可针对经由电流传感器40测量的电流进行类似的确定，并且如果所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。

在一些实施例中，将接收到的测量的信号使用模拟逻辑处理元件（未示出）诸如专用的充电控制器装置来处理，所述装置可包括例如阈值比较器，以确定由传感器42测量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、温度等的错误测量）。

在一些实施例中，控制器30被构造成以如下方式监测电压增大速率：周期性地测量电池组12的端子处的电压，并且调节施加到电池组12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。基于测量的电压增大速率，充电电流水平被调节以增大或减小充电电流，使得预定电压上限可在指定的电压上升时间内达到。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。

本文所述的充电器10在相对短的时间间歇（例如，5分钟）内对电池组例如磷酸铁锂电池组充电。这种充电器在所述短运行时段期间通常不产生显著的热。因此，在一些实施例中，可在容量上减少或从充电器10中完全去除如下的某些模块和/或组件，它们被构造成保护常规充电器的运行以防止由于热的产生而发生的损害和不安全运行。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、附加控制模块等）和/或不具有热监测组件（例如，热传感器诸如热敏电阻器）。

此外，由于本文所述的充电器10的操作时间较短，因此充电器10的各种组件（它们常常被构造成具有大的表面积以耗散所产生的热）的外形尺度可小于用于常规充电器的组件。因此，可将此类较小尺寸的组件适配到较小尺寸的外壳中，因此导致充电器装置的外形尺度一般小于常规充电器装置的外形尺度。

图3绘出了示例性电池组电压对时间图以预测CV模式充电时间。在图3中，示出了五种不同的SOC值。实际上可存在更多或更少的SOC值，这取决于精确地符合具体充电器的CV模式时的恰当的充电时间所需的颗粒度。

图4绘出了示例性电池组初始SOC对电压图，其示出了对应于具体初始充电状态的电池组电压。

确定电池组类型

在一些实施例中，充电器10包括被构造成测量ID电阻器的电阻的识别机构，所述电阻器的电阻值指示电池组12的容量和/或类型。上文提到过用以实现该目的的机构。除此之外和/或作为另外一种选择，可经由用户界面将电池组12的容量和/或类型传达给充电器10，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组的容量和/或类型。充电器10因此能够基于该数据确定要使用的适当的定时表。

控制60由功率转换模块16施加的电流/电压，以使恒定电流被施加到可再充电电池组12。如所述的那样，充电器10实施包括控制器30和开关脉宽调制控制单元32的初级侧反馈机构，操作所述机构来调节功率转换模块16的输出端处的电流/电压。在功率转换模块16的关断期间（即，当模块16的输出端处的电流/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组12。从功率转换模块16施加的电流和从电容器28中释放的电流导致有效的恒定充电电流。

将电池组12用基本上恒定电流充电，直到电池组端子处的电压达到预定电压上限。因此，周期性地测量62电池组12端子处的电压以确定何时达到预定电压上限（即，交变电压）。当电池组12的端子处的电压达到预定电压上限例如4.2V时，对（也在62处进行）功率转换模块16进行控制以在电池组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。

此外，还可点亮充电器10的使用者界面上的LED以指示已达到交变电压点，并且指示电池组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组，则使用者可取出电池组12。

在CV计时器倒计时至零（基本上等于CV充电时间段）之后，终止施加到电池组12上的充电电流（例如，通过使用开关脉宽调制控制模块32和/或变压器控制单元20来中止功率转换模块16的电启动）。

其它实施例

已描述了本发明的许多实施例。然而应当理解，在不背离本发明实质和范围的条件下，可以进行各种修改。例如，充电器10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，例如手机、计算机、个人数字助理等等。因此，其它实施例在以下权利要求的范围之内。

Claims (15)

1.一种用于对可再充电电池组充电的方法，所述可再充电电池组具有至少一个可再充电电池，所述方法包括：

由电池组充电器施加恒定电流以对所述至少一个可再充电电池充电；

由控制器装置周期性地测量所述可再充电电池的电压值；

由所述控制器装置跟踪对所述可再充电电池充电所需的时间段，以使所测量的所述可再充电电池的电压值基本上等于所述可再充电电池的交变电压值；

施加基本上等于所述交变电压的恒定电压并且持续第二时间段，其中所述第二时间段是基于所述跟踪的时间段来选择的；以及

在经过了所述第二充电时间段之后，由所述充电器终止所述充电电流。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在达到所述可再充电电池组的端子处的所述交变电压之后，周期性地调节所述充电电流以将所述可再充电电池组的端子之间的电压保持在所述交变电压。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

当达到所述可再充电电池组的端子处的所述交变电压时，使输出指示器装置启动。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

由所述控制器装置通过使用所述跟踪的时间访问存储在计算机可读存储介质中的表来确定所述第二充电时段，所述表可由所述微控制器装置访问以提供所述第二时间值。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述可再充电电池组的交变电压对于钛酸锂阳极材料和磷酸铁锂阴极材料来讲对应大约3.8V或对于氧化钴锂阳极材料来讲对应4.2V。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中执行施加所述充电电流而不监测所述可再充电电池组的温度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中调节由所述功率转换模块提供的电流包括调节所述电压变压器部分的运行。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述可再充电电池组为可再充电的基于磷酸铁锂的电池组。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中施加所述充电电流包括调节由具有电压变压器部分的功率转换模块提供的电流。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述电池组为第一电池组类型的第一电池组，所述方法还包括：

针对对应的至少一个附加的不同电池组类型，对于至少一个附加的电池组化学组成和电池组构造的不同组合的多个不同的充电状态，重复充电步骤和跟踪步骤；

在所述存储器电路中提供至少一个附加表，所述至少一个附加表对于所述至少一个附加电池组类型关联恒定电流模式下的充电时间与恒定电压模式下的充电时间。

11.一种用以对一个或多个可再充电电池组充电的充电器装置，所述装置包括：

用以容纳一个或多个可再充电电池组的容器，所述容器具有被构造成耦合到所述一个或多个可再充电电池组的相应端子的电触头；和

控制器，所述控制器被构造成：

由所述充电器施加恒定电流以对所述可再充电电池充电；

测量所述可再充电电池的电压值；

跟踪对所述可再充电电池充电所需的时间，以使所测量的电压值基本上等于所述电池组的交变电压；

施加基本上处在所述交变电压的恒定电压并且持续第二时间段，所述第二时间段是根据所述跟踪的时间来选择的；以及在经过了所述第二充电时间段之后，终止所述充电电流。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述控制器还被构造成：

在达到所述可再充电电池组的端子处的预定电压水平之后，周期性地调节所述充电电流以将所述可再充电电池组的端子之间的电压保持在所述预定电压水平。

13.根据权利要求11或12所述的装置，其中所述控制器还被构造成：

当达到所述可再充电电池组的端子处的所述预定电压水平时，使输出指示器装置启动。

14.根据权利要求11-13中任一项所述的装置，其中所述控制器还被构造成：

通过使用所述跟踪的时间访问存储在计算机可读存储器装置中的表来选择所述第二充电时段的值，所述表可由所述控制器访问以检索所述第二时间值。

15.根据权利要求11-14中任一项所述的装置，还包括：

功率转换模块，所述功率转换模块包括电压变压器。

Images