CN105529801B - 充电系统及其充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种充电系统及其充电方法，充电系统包括无线功率发射装置，用于发射电磁能量；无线电源接入单元；有线电源接入单元；信号检测模块,用于检测外部有线电源或无线电源接入的状态；控制单元，所述控制单元能够根据所述信号检测模块检测到的无线电力和有线电力的接入状态对电力通道进行管理；以及充电电路，用于从无线电源接入单元或有线电源接入单元获取电能，并给电池充电。本发明充电系统及其充电方法采用无线电力传输和有线电力传输两种方式对电池进行充电，大大提升了电池充电的便利性。

Description

充电系统及其充电方法

技术领域

本发明涉及充电领域，特别涉及一种可以以多种方式对电池进行充电的充电系统及其充电方法。

背景技术

由电池包供电的电动工具主要通过具有有线接口的充电器或者是电源连接器进行充电，而采用电池包由于其续航能力有限，需要频繁对其进行更换或及时充电。在很多地区，因为环境或者使用场景限制不具备电源接口，不能及时对电池包进行充电，因此不能保证在特殊环境以及长时间的工作需要。

另一方面，由于各种电池包中的电池元件的化学物质、电池包的标称电压等特征不相同，往往需要匹配不同的充电设备。这样对于使用者来说，对于不同的电池包需要购买不同的充电器，而且携带起来非常不方便，此外，还可能造成电池包插错充电器的情况，如果充电设备中没有相应的识别和保护系统，类似的误操作会导致电池包的损坏，给使用者带来不必要的损失。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种可以方便地对可充电电池进行充电的充电系统及其充电方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种充电系统，包括:

无线功率发射装置，用于发射电磁能量；

无线电源接入单元，所述无线电源接入单元包括用来无线地接收来自无线功率发射装置发射的电磁能量的接收线圈和用于对接收电力进行整流和电力检测的接收电路模块；

有线电源接入单元，所述有线电源接入单元包括用来接入有线电力的连接器；

信号检测模块，用于检测外部有线电源或无线电源接入的状态；及

控制单元，所述控制单元能够根据所述信号检测模块检测到的无线电力或有线电力的接入状态对电力通道进行管理；

以及充电电路，用于从无线电源接入单元或有线电源接入单元获取电能，并给可充电电池充电。

进一步地，所述无线功率发射装置包括电气连接的电源、发射电路以及发射线圈。

进一步地，所述无线电源接入单元发射线圈与所述无线功率发射装置接收线圈之间能够进行功率传输与数据通信。

进一步地，所述接收电路模块电气连接在接收线圈与充电电路之间，所述接收电路模块包括谐振电路和整流电路。

本发明还提供一种可以方便的对可充电电池进行充电的方法，所述方法包括如下动作：

接入无线功率发射装置或有线电源；

信号检测模块检测电力通道的接入状态；

控制单元判定接入的电力通道是否有效，并且判定有效的通道数；

如果只有一个电力通道有效，则将此通道设定为允许供电的电力通道；如果两个电力通道都有效，比较一下两者的接入时间，选择先接入的电力通道，将其配置为有效通道状态并进行供电。

进一步地，所述接收电路模块包括谐振电路和整流电路，在选择无线电源接入单元进行供电时，控制单元控制整流电路中的开关管的通断进而控制无线电源接入单元的电力输出。

进一步地，所述整流电路是全桥整流电路，其包括至少两个三极管，所述控制单元能够提供控制信号控制所述三极管的开通与关断进而控制整流电路的输出。

进一步地，信号检测模块检测到电力接入后，将采样电信号输入到控制单元，控制单元将采样电信号与预定阈值进行比较判定是否存在有效电力输入。

进一步地，在充电过程中，优先电力通道移除后，控制单元能够将电力通道切换到现有的其他有效的电力通道。

进一步地，在充电过程中，充电电路实时检测可充电电池的电量，判定电池电量是否达到额定值，一旦电池电量达到额定值，则停止充电。

本发明充电系统及其充电方法采用无线电力传输和有线电力传输两种方式对电池进行充电，大大提升了电池充电的便利性。

附图说明

图1为本发明第一种实施方式的充电系统的电路原理框图；

图2a、2b分别是本发明实施方式中的两种不同的整流电路的电路原理框图；

图3为本发明第一种实施方式的带有电池包的钻类工具的主视图；

图4为本发明第一种实施方式的用于对钻类工具的电池包进行充电的充电器；

图5为发明第二种实施方式的电池包的电路原理框图；

图6为本发明第二种实施方式的带有电池包的钻类工具和无线功率发射装置的主视图；

图7为本发明第三种实施方式的带有自动调节功能的充电系统的电路原理框图；

图8为本发明第三种实施方式的电池内置的钻类工具和充电装置的主视图；

图9为本发明第三种实施方式中的适配器的电路原理框图；

图10为本发明第四种实施方式的充电系统的电路原理框图；

图11a、11b为本发明充电系统的逻辑控制图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。

请参阅图1至图3，图1为本发明第一种实施方式的充电系统100的电路原理框图，图中标示110代表无线功率发射装置，本领域技术人员容易理解的是，无线功率发射装置包括电源111、发射电路112和发射线圈113，具体的，无线发射线圈111与发射电路112电性连接。这里的电源一般是指AC电源，与AC电源连接后，AC电源经发射电路的AC-DC模块(图未示)转化为直流电源为电路中的其他模块供电。应当理解，无线充电技术通常在本领域中是已知的，其主要分为电磁感应方式和磁共振方式。电磁感应方式通过将AC电流施加与用于无线电力传输的发送线圈来改变磁场，并通过由于磁场的变化而从相邻的接收线圈产生的感应电流对电池进行充电。在磁共振方式中，发送线圈以特定频率辐射磁场，如果具有与发送线圈的频率相同的频率的接收线圈接近发送线圈，则发送线圈通过由于共振而产生的能量隧道接收电力以对电池提供电力，本发明并未限定采用无线充电的具体方式，也就是说，可以采用任意一种无线充电方式对无线电源接入单元进行无线供电。

图1中120代表电力接收装置，其包括两个电力接入单元，分别是无线电源接入单元121和有线电源接入单元122，信号检测模块123，控制单元124以及充电电路125。

其中无线电源接入单元121包括接收线圈1211和接收电路模块1212。接收线圈用来无线地接收来自无线功率发射装置110发射的电磁能量，接收电路模块1212对接收电力进行整流和电力检测，并将信号传递给信号检测模块123。具体的，接收电路模块1212包括谐振电路和整流电路(图未标)。请同时参照图2a和图2b，图2a和图2b分别表示不同的整流电路的具体实现方式，图2a表示可以作为交流输入的由两个二极管D1、D2和两个三极管Q11和Q12组成的全桥整流电路，其通过控制Q11和Q12的CTL1、CTL2信号，控制Q11、Q12的开通和关断，实现输入整流；如果Q11、Q12同时关断，那么VOUT没有电压输出；其中CTL1、CTL2的控制信号由控制单元124提供。图2b表示可以作为交流输入的由四个三极管Q1、Q2、Q3、Q4组成的全桥整流电路，通过控制Q1、Q4与Q2、Q3的CTL1、CTL4、CTL2、CTL3信号，控制Q1、Q2、Q3、Q4的开通和关断，实现同步整流；如果Q1、Q2、Q3、Q4同时关断，那么VOUT没有电压输出；CTL1、CTL2、CTL3、CTL4的控制信号由控制单元124提供。

本发明的实施方式中无线电源接入单元121采用通过控制单元124控制整流桥开关的方式进行充电，可以降低电路热损耗，提高充电效率。与在整流桥后增加新的控制开关管相比，控制整流桥开关的方案可以减少元件数量，减少待机功耗，提升充电效率。

接收线圈1211用于接收无线功率发射装置提供的电磁能量，并通过谐振电路将高频稳定正弦波传递给整流电路。整流电路用于对高频正弦波进行整流，将高频稳定正弦波转化为直流。所述接收电路模块1212还可以包括通信电路模块(图未示)，用来与可充电电池130以及无线功率发射装置110之间进行数据通信，通信数据可以是电池无线充电状态及控制指令，也可以是电池的其他电气特性参数。

有线电源接入单元122包括连接器1221，用来接入有线电力，该连接器1221与外部供电部件连接后，可以通过控制单元124向可充电电池130输送电力。

控制单元124通过信号检测模块123检测有线电源或无线电源接入的状态，信号检测模块123检测到电力接入时，唤醒控制单元124进行状态检测。信号检测模块123将采样电信号输入到控制单元124，控制单元124检测有线电力和无线电力的接入状态。如果无线电力先接入且有效，控制单元124控制接收电路模块1212中整流电路中的半导体开关的状态，选定供电通道。控制单元124中具有控制器MCU或者其他处理器以及存储单元(图未示)，存储单元中存有电池充电控制模型的程序代码。通过程序执行，控制单元124提供驱动信号控制整流电路中半导体开关的开关状态，当开关闭合时控制充电电路125给可充电电池130充电。选择有线通道供电时，控制单元控制开关K1的关断进行电力输出。

具体地，无线电力接入时，接收线圈1211与发射线圈113耦合，向发射线圈113中施加交变电流，变化的电场产生磁场，磁场通过耦合的接收线圈1211产生电流。产生的电流为交流电，交流电经过二极管组成的半波整流电路及电容(图未示)斩波为直流采样信号，采样信号经信号检测模块123进行检测；如果采样信号达到预定阈值，这个预定阈值为某个信号区间，控制单元124判定存在有效电力输入，否则判定不存在有效电力，如果输入电力超出预定阈值则进行警告，切断信号检测。

当有线电力接入时，控制单元124通过一个采样电阻(图未示)获取采样信进号行检测，如果检测电压达到预定阈值，这个预定阈值为某个信号区间，控制单元124判定存在有效电力输入，否则判定不存在有效电力。

优选地，控制单元124根据电力通道的接入状态，按照接入的先后顺序，控制电力的传输通道。当其中一种电力输入有效时，控制单元124中的控制器MCU或者其他处理器，选择该路电力进行供电。当两种电力都为有效接入时，控制单元124根据预先设定的优先供电原则，选择供电通道；在正常供电过程中，优先供电通道移除后，控制单元124会将供电通道切换到现有的其他有效供电通道，具体的充电过程如下：当电池温度在允许的范围内且电池电压大于允许预充电压的时候，充电电路125控制电压输出使可充电电池130进入恒流充电模式；当电池电压大于等于设定值时，充电电路125控制电压输出使可充电电池130进入恒压充电模式，同时检测电池的温度和电流，如果电池电流小于预设值则结束充电，以上充电过程为本领域技术人员所熟知，这里不再详细描述。

可以理解，也可以用其他方式对有线或无线电力通道进行选择，其中控制单元124通过检测可充电电池130的充电电流，从而检测可充电电池130的充电状态，当检测到无线电源正在对电池进行充电的状态，在该状态下，若电池此时连接了有线电源，则控制单元124断开无线电源的电力通道，从而采用能够快速对电池进行充电的有线充电电力通道对可充电电池130进行充电。另一种实施方式中，通过检测无线电源以及有线电源的充电状态或连接，比较选择无线电源和有线电源其中一个对电池进行充电，通过选择最佳的充电方式对可充电电池130进行充电，从而能够始终以优选的状态对电池进行充电。

本实施方式中的可充电电池130可以为电动工具提供电力输出，这里的可充电电池可以是镍镉电池、镍氢电池或者是锂电池。所述的电动工具可以是钻锤类、锯类或者花园工具类中的任意一种，也可以是本领域技术人员所熟知的其他类型的电动工具。请同时参阅图3和4，对应本发明第一种实施方式的充电系统在电动工具10上的应用，这里是一种钻类工具，电池包11中含有可充电电池130，并且电池包11通过可拆卸的方式安装到电动工具10上，对应本实施方式中的电力接收装置120是一个充电器，该充电器包括上述提到的无线电源接入单元121和有线电源接入单元122，信号检测模块123，控制单元124以及充电电路125，因此可以通过有线或无线电力通道中的至少一种对安装到其上的电池包11进行充电。

请参阅图5，对应本发明第二种实施方式的具有充电系统200的电池包21的电路原理框图，与第一种实施方式的区别在于第二种实施方式将电力接收装置120中的电路模块直接集成到一个电池包21中，电池包21支持有线电力接入和无线电力接入两种充电方式。具体地，图中标示210代表无线功率发射装置，其与实施方式一中的无线功率发射装置110相同，无线功率发射装置210包括发射线圈213，电池包21包括无线电源接入单元211和有线电源接入单元212、信号检测模块213、控制单元214及可充电电池216，其中无线电源接入单元211至少含有接收线圈2111和接收电路模块2112，有线电源接入单元包括连接器2121。上述电池包21所采用的有线或无线充电的工作原理以及逻辑控制方法与实施方式一相同，区别在于电池包21中具有充放电电路215，充放电电路215包括一个与第一实施方式中相同的充电电路(图未示)，该充电电路用于从无线电源接入单元或有线电源接入单元获取电能并给所述可充电电池充电216，此外，电池包21还可以通过连接器2121对外放电，可充电电池216的放电状态可以通过控制单元214进行检测和控制。

请同时参阅图6，对应本发明第二种实施方式的具有充电系统200的电池包31在电动工具上的应用，对应本实施方式中的电池包21，所述电池包21可以是通过可拆卸的方式安装到电动工具20上，可以理解的是，电池包21也可以是内置于电动工具20中。

请同时参阅图7和图8，对应本发明第三种实施方式的具有带有自动调节功能的充电系统300的电路原理框图，与前两种实施方式的区别在于本实施方式的充电系统300带有自动调节功能，具体的，上述充电系统300在控制单元324与可充电电池326之间电气连接有充电检测电路325，此外，还包括电池监控模块和充放电控制模块(图未示)，所述的控制单元324包括一个控制器，上述电池监控模块和充放电控制模块集成在控制单元324的控制器中，这样在充电时，控制单元324利用电池监控模块从充电检测电路325得到电池的电压，电流，温度等参数然后生成正确的充电方法给电池充电，其中控制单元324通过MOSFET来控制充电电路的通断。可以理解的是，电池监控模块和充放电控制模块也可以设置在电动工具30中。具体的，充电检测电路325还包括电压采样电路、电流采样电路、温度采样电路，在充电过程中控制单元324分别通过电压采样电路、电流采样电路、温度采样电路采得可充电电池326当前电压、电流和温度从而向有线或无线充电单元输出充电信号，最终获得可充电电池326所需的电压或电流的输出。

请再次参阅图8，对应本发明第三种实施方式的带有自动调节功能的充电系统在电动工具30上的应用，电动工具30包括具有可充电电池326的电池包31，所述电池包31内置于电动工具30中，无线功率发射装置310以及有线的适配器330，其中无线电源接入单元321由无线功率发射装置310提供无线电力输出，无线功率发射装置310包括电源311、发射电路312和发射线圈313，以及供电控制单元(图未示)，无线电源接入单元321包括接收线圈3211和接收电路模块3212，其中发射线圈313与接收线圈3211之间可以进行功率传输与数据通信。具体地，充电检测电路325检测可充电电池326的电压状态，将其发送至控制单元324，由控制单元324基于上述检测的数据通过无线电源接入单元321将充电控制信号传递至无线功率发射装置310，无线功率发射装置310的供电控制单元根据接收到的控制指令对发射线圈313的工作频率以及输出功率自动调节，达到无线电源供电单元321的充电需求。相较于普通的电子产品，电动工具的电池包31其需求的充电功率较高，采用自动调节功能使得无线功率发射装置310可以根据无线电源接入单元321输出功率的需求变化，调节输出功率大小，使得输出功率和电压保持稳定，可以较大程度的满足用户的需求。

另一方面，有线电源接入单元322由适配器330提供有线电力输出，其中适配器330包含正负端子以及控制端子(图未示)，有线电源接入单元322的连接器3221包含正负端子以及控制端子，用户选择有线电力通道时，适配器330与电池包31相联接，其正负端子和控制端子分别与电池包的正负端子以及控制端子相接触，在充电过程中，控制单元324采得电池包31当前电压、电流和温度从而通过匹配网络向适配器的控制端子输出充电信号，并且控制适配器的充电过程。当电池温度在允许的范围内且电池电压大于允许预充电压的时候，控制适配器330的电压输出使电池包31进入恒流充电模式；当电池电压大于预设值时，控制适配器330的电压输出使电池包31进入恒压充电模式，同时检测温度和电流，如果电流小于一定值则结束充电。

如图9所示的为本发明第三种实施方式中的适配器330的电路原理框图。适配器330包括变压器331、反馈环路332、光耦隔离控制电路333、PWM控制器334、MOSFET功率开关管335。交流电通过电源输入电路336输入后通过EMI抑制电路337以及初级输入滤波电路338，经过变压器331后再经过次级整流输出滤波电路后输出高压直流，高压直流流经反馈环路332、光耦隔离控制电路333、PWM控制器334构成的环路，控制单元324通过适配器330的控制端口向PWM控制器334输入充电控制信号，PWM控制电路对MOSFET功率开关管335进行控制从而获得电池包31所需的电压或电流的输出。电源输入电路336可由保险丝、负温度系数电阻、压敏电阻等(未示出)组成，使得在电源内部发生异常时，电源输入端不会出现大的短路电流。减小了电源开机时的冲击电流，同时可以吸收输入线路上的浪涌电压，防止电源内部的期间被过压损坏，适配器330中的整流滤波电路使得输入电压平滑滤波，滤除纹波电压，为适配器330提供相对稳定的直流电压。同时滤除高频开关噪声，改善了适配器的传导特性。请参阅图10，对应本发明第四种实施方式的有线或无线充放电系统400的电路原理框图，与第三种实施方式相比，本实施方式的区别在于无线电源接入单元421的接收电路模块4212与控制单元424之间增加了开关K2，因此控制单元424通过控制开关K2的开通与关断进而控制无线电源接入单元421的电力输出，因此无需控制接收电路模块4212中整流模块的半导体开关。可以理解的是，在前两种实施方式中，也可以采用增加开关K2的方式直接控制无线电源接入单元的电力输出。

下面将详细描述本发明实施方式中根据电力通道的接入状态控制电力传输的流程。图11所示为本发明充电系统的逻辑控制图，以下同时结合图11b详细说明该充电系统工作的全过程。

首先，在步骤S01中，用户可以根据工况接入有线或无线电源，在步骤S02中，信号检测模块对电力接入状态进行检测，在步骤S03中，判断是否检测到电气信号，如未检测到返回步骤S02继续检测，如检测到电信号后，则进入判断步骤S04，判断接入的电力是否是有效，具体地，可以通过标识接入方式特征的各种特性参数，如标识电平、阻抗、标识脉冲串等判断接入是否有效。如果接入无效，返回检测步骤S02，不执行充电操作。在具体的产品中还可以通过指示灯、语音提醒等方式提醒用户充电无法进行，接入无效。

如果接入有效，则进入到下一步骤，对电力通道进行选择并对电池充电，这里结合图11b对电力通道选择进行详细描述，在步骤S04中，判定电力是否有效，具体判定是否为额定配置连接，如果结果是否，则进入步骤S13，无操作；如果结果为是，则进入到通道选择步骤A到G，通过控制单元来判定具体的有线充电单元和无线充电单元中哪些电力通道有效，在步骤S05中，判定有效的通道数N，如果只有一个电力通道有效，则进入到步骤S06，将此通道设定为允许供电的电力通道；如果两个电力通道都有效，则进入到步骤S07，比较一下两者的接入时间，选择先接入的电力通道，在通道选定后再次进入到设定步骤S06,将选定的有效通道配置为有效通道状态并进行供电，此时，后接入的电力通道计时在位但不允许供电。在充电过程中，如果优先接入的电力通道断开接，则配置其他有效的电力通道进行供电。选定有效的供电通道后，进入到步骤S09，通过控制单元控制开关的状态进行供电。

具体的，在前三种实施方式中，在选择无线电源接入单元121、221、321进行供电时，控制单元124、224、324控制与之对应的整流电路中的开关进行供电，在第四种实施方式中，控制单元424控制开关K2的接通与关断控制无线电源接入单元421进行供电。选择有线通道供电时，上述实施方式均由控制单元控制开关K1进行电力输出。选择的电力通道接入后，该电力通过充电电路按照充电模型对可充电电池进行充电。

步骤A到G的选定有效供电通道并进行供电过程中，还包括步骤S09，在步骤S09中，控制单元或者充电电路中的控制模块会实时检测可充电电池的电量，在步骤S10中判定电池电量是否达到额定值，一旦电池电量达到额定值，则进入步骤S11停止充电；否则，进行步骤S12，继续充电。此外，充电过程中如果人为将电力去除，可充电电池将停止充电。可以理解的是，针对电池及电路特性可以根据实际设计的需要进行相应的充电保护设计，如温度保护、过流保护、过压保护等。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种充电系统，包括：

无线功率发射装置，用于发射电磁能量；

无线电源接入单元，所述无线电源接入单元包括用来无线地接收来自无线功率发射装置发射的电磁能量的接收线圈和用于对接收电力进行整流和电力检测的接收电路模块；

有线电源接入单元，所述有线电源接入单元包括用来接入有线电力的连接器；信号检测模块，用于检测外部有线电源或无线电源接入的状态；及

控制单元，所述控制单元能够根据所述信号检测模块检测到的无线电力或有线电力的接入状态对电力通道进行管理；

以及充电电路，用于从无线电源接入单元或有线电源接入单元获取电能，并给可充电电池充电；

所述信号检测模块将采样电信号输入到所述控制单元，控制单元将所述采样电信号与预定阈值进行比较判定是否存在有效电力输入；所述有效电力为额定配置连接的电力；所述预定阈值为一个信号区间；

所述电力通道包括有线电力通道和无线电力通道，所述控制单元在两个所述电力通道有效时选择先接入的电力通道，将其配置为有效通道状态并进行供电，并断开后接入的电力通道。

2.根据权利要求1所述的充电系统，其特征在于，所述无线功率发射装置包括电气连接的电源、发射电路以及发射线圈。

3.根据权利要求2所述的充电系统，其特征在于，所述无线电源接入单元发射线圈与所述无线功率发射装置接收线圈之间能够进行功率传输与数据通信。

4.根据权利要求1所述的充电系统，其特征在于，所述接收电路模块电气连接在接收线圈与充电电路之间，所述接收电路模块包括谐振电路和整流电路。

5.一种利用权利要求1中所述的充电系统对可充电电池进行充电的方法，所述方法包括如下动作：

接入无线功率发射装置或有线电源；

信号检测模块检测电力通道的接入状态；

控制单元判定接入的电力通道是否有效，并且判定有效的通道数；

如果只有一个电力通道有效，则将此通道设定为允许供电的电力通道；如果两个电力通道都有效，比较一下两者的接入时间，选择先接入的电力通道，将其配置为有效通道状态并进行供电。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述接收电路模块包括谐振电路和整流电路，在选择无线电源接入单元进行供电时，控制单元控制整流电路中的开关管的通断进而控制无线电源接入单元的电力输出。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述整流电路是全桥整流电路，其包括至少两个三极管，所述控制单元通过提供控制信号控制所述三极管的开通与关断进而控制整流电路的输出。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，信号检测模块检测到电力接入后，将采样电信号输入到控制单元，控制单元将采样电信号与预定阈值进行比较判定是否存在有效电力输入。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在充电过程中，优先电力通道移除后，控制单元能够将电力通道切换到现有的其他有效的电力通道。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在充电过程中，控制单元实时检测可充电电池的电量，判定电池电量是否达到额定值，一旦电池电量达到额定值，则停止充电。

Images