CN108347089B - 电能传输控制器、电能传输系统和电能传输方法 - Google Patents

电能传输控制器、电能传输系统和电能传输方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种电池电能传输控制器、方法和系统。所述控制器包括:第一端口提供第一信号使能直通通路,使得电能从接口传输至电池以便为电池充电;第二端口提供第二信号使能转换电路,使得将接口接收的输入电能转换成输出电能以便为电池充电;以及控制电路,确定是第一适配器还是第二适配器与接口相连,如果是第二适配器与接口相连,则控制电路产生第二信号,如果是第一适配器与接口相连,则控制电路产生第一信号和请求,并将请求通过接口提供给第一适配器,其中请求包括指示目标值的信息和指令,所述指令要求第一适配器提供具有目标值的电能给接口。利用本发明,可以根据适配器的类型以及外接便携设备的类型兼容快速充电与普通充电,提高充电效率。

Description

电能传输控制器、电能传输系统和电能传输方法
技术领域
本发明涉及电能传输领域,尤其涉及电池的充电,包括电池的快速充电以及普通充电的技术。
背景技术
图1所示为现有的电能传输系统100的模块图,用于将电能传输至电池108。如图1所示,电能传输系统100包括适配器102和主机设备104。主机设备104包括电能传输接口142(power-delivery interface,简称PD 接口)、电能转换电路110(例如开关充电器)、控制器106和系统电路。电能转换电路110包括开关电路(例如,包括高位开关112和低位开关116)、电感114、和滤波电路,例如电容118。在实际应用中,适配器102 将交流输入电压VAC转换为直流输出电压VDC,并将DC(Direct Current, 直流)电压VDC提供给主机设备104的PD接口142。PD接口142将DC 电压VDC传输至电能转换电路110。控制器106通过交替地导通开关112 和116控制电能转换电路110将DC电压VDC转换为充电电压VCH,为电池108充电。例如,当开关112导通,开关116断开时,电感114从PD 接口142接收电能VDC,流过电感114的电感电流IL增加。当开关112断开,开关116导通时,电感114释放电能,电感电流IL减小。当控制器 106交替地导通开关112和116时电感电流IL斜坡上升和下降。电容118 滤除电感电流IL中的AC(Alternating Current,交流)交流部分,并将 DC充电电流ICH提供给电池108进行充电。控制器106可以通过增加开关112和116的占空比增加充电电流ICH或者减小开关112和116的占空比减小充电电压VCH。因此,电能传输系统100可以将传输至充电电池 108的电能调整至特定的值。
现有的电池108快速充电方法包括:控制电能转换电路110将DC电压VDC转换为相对比较大的充电电流ICH为电池108充电。然而,当大电流流过电能转换电路110中元件(例如,开关112和116以及电感114) 时,电能转换电路110消耗相对比较大的电能。这是因为这些元件工作在开关模式(例如:开关112和116交替地导通和断开)时具有非零阻抗。这样,电能转换电路110的转换效率相对比较低。另外,现有的电能传输系统100中,PD接口142具有电流限制要求,规定了主机设备104的输入电流的最大值。为了产生相对比较高的充电电流ICH,为电池108充电,适配器102提供相对比较高的输出电压VDC作为电能为主机设备104供电。所以,电能转换电路110上的电压相对比较高,这也使得电能转换电路110耗能高。而且电能转换电路110的能耗会转换成大量的热量导致电能转换电路110和电池108的温度增加,这会导致电池108恶化以及降低电池108的使用寿命。此外,能够支持大电流和/或大电压的电感(或开关)通常尺寸很大且昂贵。所以包含有上述电感114和开关112、116的电能转换电路110的PCB板(printed circuit board,印制电路板)尺寸相对比较大,而相应地费用也很高。因此,找到能够解决上述这些缺点的方案显得很有必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于通过提供电池电能传输控制器、电池电能传输系统以及电池电能传输方法,实现电池的快速充电以及普通充电的兼容,以及降低充电能耗,减小电池的充电周期。
本发明公开了一种电池电能传输控制器,所述控制器包括:第一端口,配置成提供第一信号,所述第一信号使能连接在接口与电池之间的直通通路,使得所述直通通路将电能从所述接口传输至所述电池以便为所述电池充电;第二端口,配置成提供第二信号,所述第二信号使能连接在所述接口和所述电池之间的转换电路,使得所述转换电路将所述接口接收的输入电能转换成输出电能以便为所述电池充电;以及与所述第一端口和第二端口连接的控制电路,配置成确定是第一适配器还是第二适配器与所述接口相连,如果是所述第二适配器与所述接口相连,则所述控制电路产生所述第二信号,如果是所述第一适配器与所述接口相连,则所述控制电路产生所述第一信号和请求,并将所述请求通过所述接口提供给所述第一适配器,其中所述请求包括指示目标值的信息和指令,所述指令要求所述第一适配器提供具有所述目标值的电能给所述接口。
本发明还公开了一种电池电能传输的方法,所述方法包括:确定是第一适配器还是第二适配器与接口相连;如果所述第二适配器与所述接口相连,使能与所述接口相连的转换电路将从所述第二适配器接收的电能转换成输出电能以便为所述电池充电;如果所述第一适配器与所述接口相连,使能与所述接口相连的直通通路将从所述第一适配器接收的电能传输至所述电池以便为所述电池充电;以及如果所述第一适配器与所述接口相连,通过所述接口向所述第一适配器发送请求,所述请求包括指示目标值的信息和包括使得所述第一适配器提供具有所述目标值的电能至所述接口的指令。
本发明又公开了一种电池电能传输系统,所述系统包括:接口,所述接口在与第一适配器连接时向所述第一适配器发送请求并且从所述第一适配器接收电能,所述接口在与第二适配器连接时从所述第二适配器接收电能,其中,所述请求包括指示目标值的信息,所述请求还包括使得所述第一适配器提供具有所述目标值的电能给所述接口的指令;与所述接口相连的直通通路,当所述直通通路被使能时,所述直通通路将从所述第一适配器接收的电能传输至所述电池以便为所述电池充电;与所述接口相连的转换电路,当所述转换电路被使能时,所述转换电路将从所述第二适配器接收的电能转换为输出电能以便为所述电池充电;以及与所述直通通路和所述转换电路相连的控制电路,所述控制电路确定是所述第一适配器还是所述第二适配器与所述接口相连,如果所述第一适配器与所述接口相连,所述控制电路使能所述直通通路并且产生所述请求,以及如果所述第二适配器与所述接口相连,所述控制电路使能所述转换电路。
通过本发明的电池电能传输控制器、方法或系统,可以提高电池电能转换效率,减小主机设备的能耗,同时减小充电周期。
附图说明
以下通过对本发明的一些实施例结合其附图的描述,可以进一步理解本发明的目的、具体特征和优点。
图1所示为现有的电池电能传输系统的模块图。
图2所示为根据本发明的一个实施例,电池电能传输系统的模块图。
图2A所示为根据本发明的一个实施例,电池电能传输系统的模块图。
图2B所示为根据本发明的一个实施例,电池电能传输系统的模块图。
图2C所示为根据本发明的一个实施例,电池电能传输系统的模块图。
图3所示为根据本发明的一个实施例,电池电能传输系统的模块图。
图4所示为根据本发明的一个实施例,电池电能传输系统的模块图。
图5所示为根据本发明的一个实施例,电池电能传输系统的模块图。
图6所示为根据本发明的一个实施例,一种电池电能传输方法的流程图。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例给出详细的参考。尽管本发明通过这些实施方式进行阐述和说明,但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反,本发明涵盖后附权利要求所定义的发明精神和发明范围内的所有替代物、变体和等同物。
以下的具体实施方式中的某些部分是以进程、逻辑块、处理过程和其他对计算机存储器中数据位的操作的象征性表示来呈现的。这些描述和表示法是数据处理领域内的技术人员最有效地向该领域内的其他技术人员传达他们工作实质的方法。在本申请中,一个进程、逻辑块、处理过程、或相似的事物,被构思成有条理的步骤或指令的序列以实现想要的结果。所述的步骤是需要对物理量进行物理操作的步骤。通常,但不是必然的,这些物理量的形式可为电或磁信号,可在计算机系统中被存储、传输、结并、比较等等。
然而,应该明白的是,这些术语及其相似表述都与适当的物理量相关,并仅仅是运用于这些物理量的便利的标记。除非在之后的讨论中特别说明,在本申请的内容中,运用“识别”、“产生”、“比较”、“确定”、“设置”、“估算”或类似术语之处,指的是计算机系统或类似电子计算设备中的操作和处理过程,所述的计算机系统对以物理(电子)量形式存在于所述计算机系统的寄存器和存储器中的数据进行操作,并转换为类似地以物理量形式存在于所述计算机系统的寄存器、存储器或其他此类信息存储、传输或显示设备中的其他数据。
在此所述的实施例是以计算机可执行指令为讨论的大背景的,所述的计算机指令可位于某种形式的计算机可用的媒体(如,程序模块)中,被一个或多个计算机或其他设备执行。通常,程序模块包括可执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例行程序、编制程序、对象、元件、数据结构等。所述程序模块将在不同的实施例中结合或分开描述。
作为举例,且并不局限于其中,计算机可用的媒体可包括计算机存储媒体和通讯媒体。计算机存储媒体包括以任何方法或技术实现的用以存储信息的挥发性和非挥发性的、移动和不可移动的媒体,所述信息可为计算机可读的指令、数据结构、程序模块或其他数据。计算机存储媒体包括(但不局限于):随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除只读存储器(EEPROM)、闪存或其他存储器技术,光盘ROM (CD-ROM),多功能数码光盘(DVD)或其他光学存储器、盒式磁带、磁带、磁盘存储器或其他磁的存储器设备、或任何其他可被用来存储所需信息的媒体。
通讯媒体可具体化为计算机可读的指令、数据结构、程序模块或其他数据,并包括任何信息传输媒体。作为举例,且并不局限于其中,通讯媒体包括有线媒体,如有线网络或直线连接;和无线媒体,如声学的、无线电的(RF)、红外线的和其他无线的媒体。上述任何媒体的组合都应包括在计算机可读媒体的范围内。
另外,为了更好的说明本发明,在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解,没有这些具体细节,本发明同样可以实施。在另外一些实例中,对于大家熟知的方法、流程、元件和电路未作详细描述,以便于凸显本发明的主旨。
图2所示为根据本发明的一个实施例,充电电池208的电能传输系统 200的模块示意图。电能传输系统200包括适配器202和主机设备204。在一个实施例中,主机设备204可以是便携设备,例如移动电话、笔记本电脑、平板电脑等等。主机设备204也可以是其他的便携设备,例如相机、电动牙刷、电动剃须刀和无线耳机等等。在一个实施例中,主机设备204 由适配器202和/或电池208供电。主机设备204也可以结合适配器202 为电池208充电。电池208可以是锂电池、锂离子聚合物电池、铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池等等,但不局限于此。
如图2所示,适配器202包括电能转换电路220、适配器端的控制电路224以及电能传输接口(Power-Delivery interface,下文简称PD接口) 222。电能转换电路220接收AC(Alternating-Current,交流,下文简称 AC)交流电,例如电源提供的220V、110V的AC电压VAC等等,并将接收的AC交流电能转换为DC(Direct-Current,直流,下文简称DC) 输出电能228,例如输出DC电压和/或DC电流。适配器端的控制电路 224包括与电能转换电路220相连的一个或多个控制端口,并在在所述控制端口产生一个或多个控制信号230来控制电路220的电能转换。适配器端的控制电路224控制电能转换电路220使输出电能228调整至目标值。在一个实施例中,适配器端的控制电路224包括可执行计算机指令的处理单元。PD接口222从电能转换电路220接收输出电能228,并将输出电能228通过通路234传输至主机设备204。PD接口222可以通过通路234 接收来自于主机设备204的请求(例如:数据包)以及提供/转发该请求 232至适配器端的控制电路224。请求232包括指示输出电能228的目标值的信息。请求232也可包括一个或多个指令,例如计算机可读指令,请求适配器端的控制电路224控制电能转换电路220使输出电能228调整为目标值,以及请求适配器202将调整为目标值的电能提供给主机设备204。在一个实施例中,PD接口222包括可传输电能和接收/传输数据的接口。例如:PD接口222包括通用串行总线(Universal Serial Bus,简称为: USB)接口、或对接接头(Dock Connecter)等等,但不局限于此。
在一个实施例中,主机设备204至少与第一种类型适配器202(下文称为第一适配器202)和第二种类型的适配器(下文简称第二适配器)兼容。第一适配器202从主机设备204接收上文提到的请求,并调整输出电能228为目标值,例如调整输出电压或输出电流为目标值,其中目标值通过请求中的信息来指示。换句话说,第一适配器202包含有可调节输出电压和/或可调节输出电流,输出电压/电流的值通过请求确定。与第一适配器202相比第二适配器(图2未示出)的电路结构较简单、功能较少。第二适配器提供固定的输出电压,其输出电流由主机设备204的负载决定。在一个实施例中,第二适配器的最大输出电能小于第一适配器202的最大输出电能。
具体地,在一个实施例中,主机设备204包括:PD接口242、连接在PD接口242和电池208之间的直通通路244、连接在PD接口242和电池208之间的电能转换电路210、与PD接口242、直通通路244、电能转换电路210相连的主机端的控制电路206和电池208。电能转换电路210 包括开关电路(例如,包括高位开关212和低位开关216)、电感214以及滤波电路(例如:电容218)。电能转换电路210的操作与图1中的电能转换电路110相同。在一个实施例中,PD接口242包括可传输电能和接收/传送数据的接口。例如,PD接口242包括USB接口、对接接口等等,但不局限于此。
在一个实施例中,如果适配器202与主机设备204相连,例如PD接口222通过电缆与PD接口242相连或者PD接口222插入PD接口242 的插槽,这样主机端的控制电路206产生上述提到的请求,以及PD接口 242将请求提供给第一适配器202。PD接口242从第一适配器202接收电能,以及将电能传输至直通通路244。主机端的控制电路206使能直通通路244,将第一适配器202的电能传输至电池208,为电池208充电。因此,主机设备204可以通过直通通路244将第一适配器202电能传输至电池208,该电能已经被调整为目标值或者期望值。在一个实施例中,主机设备204可以对电池进行快速充电,例如从第一适配器202传输一个相对比较大的电流为电池208充电,而不需要电能转换,也就是不需要图1 中提到的转换电路110就可传输电能充电。这样,与图1中的主机设备 104相比,当电池208的充电电流相对比较高时,主机设备204能耗更小以及产生的热量更少。
在一个实施例中,如果第二适配器与主机设备204相连,则PD接口 242从第二适配器接收电能,以及将电能传输至电能转换电路210。主机端的控制电路206使能电能转换电路210,将PD接口242接收的输入电能转换为预设值的输出电能为电池208充电。在一个实施例中,第二适配器的输出电能(例如:包括输出电压和输出电流)的最大值与第一适配器202相比相对较小。所以,电能转换期间,电能转换电路210上的电流和 /或电压相对比较小,这样可以减小电能转换电路210的能耗。另外,由于电能转换电路210中省略了支持大电流和/或大电压的元件,则电能转换电路210的PCB板尺寸减小,以及电能转换电路210的成本减小。
在一个实施例中,主机端的控制电路206包括一个或多个通信端口 260、控制端口240、控制端口254和256以及监测端口236和258。一个或多个通信端口260包含一个请求提供端口,用于提供上述请求给PD接口242。一个或多个通信端口260还包括一个身份接收端口,用于接收指示身份的信息,例如与PD接口242相连的适配器的类型。请求提供端口和身份接收端口可以是相同的或者不同的端口。控制端口240可以提供使能信号用于导通直通通路244或者禁用信号用于断开直通通路244。控制端口254和256可以提供使能信号使能电能转换电路210(例如:通过交替地导通开关212和216),或者禁用信号禁用电能转换电路210(例如:断开开关212和216)。监测端口258监测/感应电池208的电池电压VBAT。监测端口236和258监测/感应电阻RS两端的电压,继而监测/感应电池 208的充电电流ICH
主机端的控制电路206识别与PD接口242相连的适配器,例如根据通信端口260接收的身份信息或者类型信息确定是否为上述提到的第一适配器202或者第二适配器。如果是第二适配器与PD接口242相连,则主机端的控制电路206产生使能信号使能电能转换电路210。如果是第一适配器202与PD接口242相连,则主机端的控制电路206产生使能信号使能直通通路244。主机端的控制电路206还可以产生上述提到的请求,并将请求通过PD接口242发送至第一适配器202。
另外,主机端的控制电路206监测电池208的状态,例如包括电池 208的充电电流ICH和/或电池电压VBAT,以及根据电池208的状态产生请求,例如在请求中设置内容。在一个实施例中,请求中包括计算机可读指令,用于根据电池208的状态指示第一适配器202工作在恒流充电模式 (Constant-Current Charging Mode,简称CC充电模式)和恒压充电模式(Constant-Voltage Charging Mode,简称CV充电模式)。
具体地,在一个实施例中,电池208在充电过程中,电池电压VBAT逐渐增加。当电池电压VBAT增加至接近于电池208的满充电压VFULL,则充电电流ICH可逐渐减小。当充电电流ICH减小至预设的电流值IFULL,电池208认为已经处于满充状态。在一个实施例中,当电池电压VBAT高于第一电压参考值V1以及小于第二电压参考值V2(V1<V2<VFULL),主机端的控制电路206产生请求,其中包括指示第一适配器202工作在CC充电模式的指令。该请求还包括指示充电电流ICH的目标值的信息。在CC充电模式下,第一适配器202以恒定的充电电流ICH为电池208充电,该恒定的充电电流ICH的值为目标电流值。这里所说的“恒定的充电电流”不限制于一直恒定。“恒定的充电电流”包括在第一时间间隔内充电电流ICH保持在第一电流值ICC1,在第二时间间隔内,充电电流ICH保持在第二电流值ICC2等情况。例如,在CC充电模式下,当电池电压VBAT从第一电压值VCC1增加至第二电压值VCC2(V1≤VCC1<VCC2≤V2)时,主机端的控制电路206将充电电流ICH的目标电流值从第一电流值ICC1减小至第二电流值ICC2(ICC1>ICC2>IFULL),例如,通过提供一个新的请求给适配器202。
当电池电压VBAT增加至接近于电池208的满充电压VFULL时,例如电池电压VBAT高于第二电压参考值V2,主机端的控制电路206产生一个请求,其中包括指示第一适配器202工作在CV充电模式的指令。该请求还包括提供给电池208的充电电压VCH的目标电压值VCV信息。在CV充电模式下,第一适配器202提供具有目标电压值VCV的恒定充电电压VCH为电池208充电,则充电电流ICH逐渐减小。目标电压值VCV可以等于满充电压VFULL或者接近于满充电压,例如稍高于满充电压VFULL,但不局限于此。
当电池208为满充状态,例如充电电流ICH已经减小至预设的电流值 IFULL,主机端的控制电路206产生请求,该请求包含有指示第一适配器 202中断充电进程的指令。例如,该指令使第一适配器202停止向主机设备204提供电能。再例如,该指令使第一适配器202减小其输出电能至由主机设备204的系统负载所确定的一个值,例如,足够支持主机设备204的系统电路工作的所需电能总量。此外,在一个实施例中,主机端的控制电路206可以控制直通通路244使电池208与PD接口242断开,而主机设备204内的系统电路仍从第一适配器202接收电能。在另一个实施例中,主机端的控制电路206控制直通通路244使电池208和系统电路与PD接口242断开。在一个实施例中,在操作过程中,当适配器与PD接口242 相连,主机端的控制电路206识别适配器的类型。如果适配器为上述提到的第一适配器202,则主机端的控制电路206产生请求指示第一适配器202 提供目标值的电能,以及使能直通通路244向电池208传输电能。主机端的控制电路206根据电池208的状态发送一个或多个请求给第一适配器 202,这样第一适配器202可以工作在CC充电模式或者CV充电模式。在所述CC充电模式下,主机端的控制电路206指示第一适配器202向电池208提供相对比较大的充电电流,执行快速充电。由于该充电电流流经直通通路244流向电池208,因此该充电电流所产生的能耗相对比较低。如果与PD接口242相连的适配器为上述提到的第二适配器,则主机端的控制电路206使能电能转换电路210,将从第二适配器(例如固定的输出电压)接收的电能转换为预设值的输出电能(例如,充电电压)为电池 208充电。在一个实施例中,由于第二适配器的最大输出电能相对较小,所以电能转换电路210的能耗也相对较小。另外,与图1中电能转换电路 110相比,电能转换电路210的PCB板尺寸更小,电能转换电路210的成本更低。进一步地,主机端的控制电路206除了上述公开的模块以外,还可以是上述各元件结合便携设备内的主机(例如,中央处理器,图2 未示出)来实现控制直通通路244以及电能转换电路210等,即实现上述主机端控制电路206所实现的功能。
图2A所示为根据本发明的一个实施例,电池208的电能传输系统 200A的模块图。电能传输系统200A是图2中电能传输系统200的一种实施例。如图2A所示,主机端的控制电路206包括充电器控制电路262、 PD控制电路264、监测器电路266以及中央控制电路268。控制电路262、 264、266以及268可以包含在一个或者多个集成电路中。例如,在一个实施例中,控制电路262、264、266和268包含在集成的电路控制器中(例如IC芯片)。在另一个实施例中,控制电路262和266包含一个IC芯片中,而PD控制电路264和中央控制电路268包含在另一个IC芯片中,或者包含在主机中(图2A中未示出,如便携设备内的中央处理器内)。在另一个实施例中,控制电路262、264和266包含在一个IC芯片中,而中央控制电路268包含在另一个IC芯片中。在又一个实施例中,PD控制电路264包含在一个IC芯片中,而控制电路262、266和268包含在一个或者多个其他的IC芯片中。
在一个实施例中,PD控制电路264从PD接口242接收身份/类型信息,用于确定与PD接口242相连的适配器的类型,相应地产生指示信号。 PD控制电路264将指示信号提供给中央控制电路268。如果上文提到的第一适配器202与PD接口242相连,则PD控制电路264在中央控制电路268的控制下发送上文提到的请求给PD接口242,并且控制PD接口 242将请求转发至第一适配器202的PD接口222。在中央控制电路268 的控制下,充电器控制电路262产生控制信号240使能/禁用直通通路244,以及产生一个或者多个控制信号255控制电能转换电路210的电能转换过程。监测电路266监测电池208的状态,例如监测电池208的充电电流ICH、电池电压VBAT等等,以及提供指示电池状态的一个或多个信号给中央控制电路268。中央控制电路268根据电池208的状态和从PD控制电路264接收的指示上述身份/类型信息的指示信号控制充电器控制电路 262。例如,如果指示信号指示为上述第二适配器与PD接口242相连,则中央控制电路268控制充电器控制电路262使能电能转换电路210。如果指示信号指示为上述第一适配器202与PD接口242相连,则中央控制电路268控制充电器控制电路262使能直通通路244。中央控制电路268 也产生或者控制PD控制电路264产生请求,请求第一适配器202提供与电池208的状态对应的目标值输出电能。在一个实施例中PD控制电路264和/或中央控制电路268不限于内置于上述主机端的控制电路206内,可以是内置于主机(图2A未示出)电路,且不局限于此。
图2B所示为根据本发明的一个实施例,电池208的电能传输系统 200B的模块示意图。电能传输系统200B是图2中电能传输系统200的一个实施例。如图2B所示,主机设备204还包括非瞬态计算机可读存储介质238。存储介质238可以内置或者外置于主机端的控制电路206。在一个实施例中,主机端的控制电路206包括可执行计算机指令的处理单元。存储介质238中包括有计算机可读指令。当主机端控制电路206执行计算机可读指令时,主机端的控制电路206可以根据与PD接口242相连的适配器的身份/类型信息执行上述操作,比如使能直通通路或者使能电能转换电路210,以及根据电池208的状态产生请求。
图2C为根据本发明的又一个实施例,电池电能传输系统200C的模块图。图2C中的电能传输系统类似于图2中的电能传输系统,区别在于主机设备204内还包括经过通路235和237与主机端的控制电路206相连接的主机290,主机290结合主机端的控制电路206’实现图2中PD接口与PD控制电路实现的功能,例如包括但不限于,检测与主机设备204相连的适配器的类型,以及产生指示信号用于调整适配器的输出电能的目标值。本实施例中的主机端的控制电路206’结合主机290实现上述实施例中主机端的控制电路206所实现的功能。在一个实施例中,主机端的控制电路206’与主机端的控制电路206的区别在于:不包含上述图2A中的PD 控制电路。为简约起见,相似的描述不另赘述。如图2C所示,主机设备 204中包括与图2中相似的元件如:主机端的控制电路206’、由高侧开关 212、低侧开关216、电感214以及滤波电路(例如电容218)组成的电能转换电路210、直通通路244。此外主机设备204还包括第一开关282、第二开关284、第三开关286以及第四开关288。第一开关282连接在电能转换器210和适配器202之间。在一个实施例中,第一开关282置于电能转换器210的外面,但不局限于此种连接。第二开关284连接在直通通路244与适配器202之间。第一开关282和第二开关284分别受控于主机端的控制电路206’的控制信号272和274,其中第一开关282和第二开关284用于隔离系统电路和适配器202之间的漏电流。第三开关286连接在电能转换器210和电阻RS之间,第四开关288连接在电能转换器210 和电池208之间。在一个实施例中,第三开关286和第四开关288分别受控于主机端的控制电路206的控制信号276和278。当电池208处于充电过程时控制信号276指示使能第三开关286,控制信号278指示禁用第四开关288。而当电池208处于放电过程时,控制信号276指示使能第三开关286,控制信号278指示使能第四开关288。与图2中电池208放电为系统电路供电相比,图2C中减小了电池208与系统电路之间的阻抗,继而减小主机设备204的能耗。
具体的,在一个实施例中,主机设备204检测到有上述描述的适配器 (例如,第一适配器或者第二适配器)插入,具体是由主机端的控制电路的接口(图2C中未示出),例如图2中的PD接口242,这里的PD接口可以是USB、SPI(Serial Peripheral Interface,串行外设接口)等数据传输接口,但不局限于这些接口,通过通路237接收到指示适配器身份/ 类型的信号。主机290通过通路235从主机端的控制电路206’上的信号高低判断适配器的类型。例如,主机端控制电路的接口上包括有第一端和第二端,第一端和第二端同时从插入的适配器接收信号。当第一端从适配器接收的信号高于第二端从适配器接收的信号时,则判定插入主机端控制电路的接口的适配器为第一适配器。当第一端从适配器接收的信号等于第二端从适配器接收的信号时,判定插入主机端控制电路的接口的适配器为第二适配器,这里所说的信号可以是电平或者其他的数据信号,但不局限于此。具体地,在一个实施例中,适配器和主机端的控制电路206’上均上包括有第一端D+和第二端D-(例如:数据接口端),适配器上的D+和D- 与主机端的控制电路206’上的D+和D-相对应。D+和D-上传输的分别是高电平和低电平信号。主机端的控制电路206’通过判断D+和D-上的电压可识别适配器的类型。例如,当D+为高电平、D-为低电平时,表示接入的为第一适配器,可以支持快速充电,而当D+和D-同时为高电平时,表示接入的为第二适配器,支持普通充电模式。本领域的技术人员应当理解,上述通过D+和D-数据接口上的信号判断适配器类型的方法是用于描述本发明的一个实施例,而非本发明的限制。当主机290读取到插入适配器的类型后,例如检测到插入的适配器为第一适配器,主机290通过通路235 获取主机端的控制电路206’检测到的电池电压和充电电流的大小,通过通路235(例如时钟线SCL、双向数据线SDA)发出控制信号指示第一适配器调整第一适配器的输出电能228,例如输出电压和输出电流。
具体地,主机290指示主机端的控制电路206’向第一适配器202发出请求,使得第一适配器202提供具有目标值的电能,并且指示主机端的控制电路206’使能直通通路244向电池208传输电能。主机端的控制电路 206根据电池208的状态发送一个或多个请求给第一适配器202,这样第一适配器202可以工作在CC充电模式或者CV充电模式。在一个实施例中,在CC充电模式下,主机端的控制电路206’指示第一适配器202向电池208提供相对比较大的充电电流,执行快速充电。由于该充电电流流经第二开关284、直通通路244流向电池208,所以由该充电电流产生的能耗相对比较低。如果与主机端的控制电路206’相连的适配器为上述提到的第二适配器,则主机端的控制电路206’使能第一开关282、电能转换电路 210,将从第二适配器(例如固定的输出电压)接收的电能转换为预设值的输出电能(例如,充电电压)为电池208充电。进一步地,在一个实施例中,由于第二适配器的最大输出电能相对较小,所以电能转换电路210 的能耗也相对较小。
另外,在电能转换电路210禁用的情况下(例如,第一适配器与主机设备204相连,使能直通通路244的情况下),第一开关282隔离系统电路与适配器202之间的漏电流。具体来说,当电能转化器210禁用时,即开关212(例如开关为N-channel Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,简称N-MOSFET) 断开时,通过断开第一开关282可以隔离漏电流流向适配器202,进一步保护主机设备204。这里不限于N-MOSFET,其他类型的开关管也适用。同理,在直通通路244禁用的情况下(例如,第二适配器与主机设备204 相连,使能电能转换电路210的情况下),第二开关284也可以隔离系统电路和适配器202之间的漏电流。图2C中通过使用第一开关282或第二开关284分别在第二适配器或第一适配器与主机设备相连的情况下隔离系统电路和适配器202之间的漏电流。如图2C所示,本领域的技术人员可知第一开关282和第二开关284可实现共用,也就是说通过其中的一个开关就可以实现第一适配器和第二适配器充电情况下,隔离系统电路和适配器202之间的漏电流。图2C与图2相比,通过主机290控制适配器202 的输出电能,同时通过第一开关282和第二开关284隔离系统电路和适配器202之间的漏电流。进一步的,当电池208处于充电过程中时,主机端的控制电路206’的控制信号276使能第三开关286,控制信号278禁用第四开关288,为电池208充电。当电池208处于放电过程时,控制信号278 使能第四开关288,控制信号276使能第三开关286,电池208为系统电路供电,电池208和系统电路之间的阻抗减小,继而节省能耗。图2C中第一开关282、第二开关284、第三开关284以及第四开关288可同样适用于图2中的实施例以及下面公开的实施例。另外,图2C中通过主机设备204内的主机290传输控制信号调整适配器的输出电能,例如输出电压和输出电流,也适用于下面公开的实施例。
图3所示为根据本发明的一个实施例,电池208的电能传输系统300 的模块图。图3中的存储介质238A是图2B中存储介质238的一种实施例。如图3所示,存储介质238A包括适配器识别模块346,例如为包含一组计算机可读指令的程序模块,直通通路控制模块348,例如为包含一组计算机可读指令的程序模块。在一个实施例中,当主机端控制电路206 执行适配器识别模块346时,主机端的控制电路206识别与PD接口242 连接的适配器的类型,例如确定是否为第一适配器202或第二适配器302 与PD接口242相连。当主机端控制电路206执行直通通路控制模块348 时,主机端的控制电路206根据与PD接口242相连的适配器的身份/类型使能直通通路244或者电能转换电路210。
图4所示为根据本发明的一个实施例,电池208的电能传输系统400 的模块图。图4中的存储介质238B为图2B中存储介质238的一个实施例,存储介质238B包括自我诊断模块450,例如为包含一组计算机可读指令的程序模块。在一个实施例中,当主机端的控制电路206执行自我诊断模块450时,主机端的控制电路206执行自我诊断来检查是否处于异常状态。
具体地,在一个实施例中,上述提到的请求发送给第一适配器202 后,主机端的控制电路206执行自我诊断模块450检查第一适配器202是否工作在主机端的控制电路206所请求的工作方式下。例如,主机端的控制电路206发送请求给第一适配器202,所述请求的内容包括第一适配器 202输出电能的目标值。主机端的控制电路206将从第一适配器202接收的电能与请求中的目标值做比较,判断是否存在异常状态。如果第一适配器202接收的电能与目标值的差值高于预设的参考值,则主机端的控制电路206判断为存在异常状态。
举例说明,主机端的控制电路206请求第一适配器202提供电流值为 IAD的输出电流,并在发送请求后检测实际接收的电流IHOST(例如检测到充电电流ICH)。如果电流值IHOST远大于电流值IAD,例如电流值IAD和IHOST之间的差值大于预设的电流参考值,则主机端的控制电路206确定在第一适配器202和电池208之间的某处存在泄漏电流。而主机设备204B中充电电流泄漏会损坏主机设备204B。所以,在检测到所述异常状态时,主机端的控制电路206中断充电进程并且指示第一适配器202停止提供电能。
再举例说明,主机端的控制电路206请求第一适配器202提供电压值为VAD的输出电压,并且在发送请求后检测实际接收的电压VHOST(例如检测电池电压VBAT或者充电电压VCH)。如果电压值VHOST远小于电压值 VAD,例如电压值VAD和电压值VHOST之间的差值大于预设的电压参考值,则主机端的控制电路206确定PD接口222和PD接口242之间的连接存在问题,例如彼此之间连接松散或者PD接口222和PD接口242之间的接触电阻异常地增大。当大电流流过这样的PD接口222和242时会导致高能耗,并产生大量的热量破坏PD接口222和242。因此,当检测到的所述异常状态时,主机端的控制电路206会中断充电进程并指示第一适配器202停止提供电能。
图5所示为根据本发明的一个实施例,电池208的电能传输系统500 的模块图。图5中的存储介质238C为图2B中的存储介质238的一种实施例。如图5所示,存储介质238C包括内阻压降补偿模块 (Internal-Resistance Drop Compensation Module,简称IR压降补偿模块)552,例如为包含一组计算机可读指令的程序模块。在一个实施例中,当主机端的控制电路206执行IR压降补偿模块552时,主机端的控制电路206估算PD接口242和电池208之间的内阻RIN的电压降VDR,并根据估算的电压降VDR来设置第一适配器202输出电能的目标值从而补偿电压降VDR。在一个实施例中,内阻RIN包括电池208的电阻、直通通路244 中元件的电阻(例如,充电开关,感应电阻等等)以及PCB板连接线的电阻等等。
在一个实施例中,主机端的控制电路206提供第一请求和第二请求给第一适配器202,将第一请求下电池208的第一状态与第二请求下电池208 的第二状态做比较,从而估算PD接口242和电池208之间的内阻RIN的电压降VDR。举例说明,第一请求包括使得第一适配器202输出电流为第一电流值ICH1的指令,而第二请求包括使得第一适配器202输出电流为第二电流值ICH2的指令。当主机设备204C接收的充电电流为第一电流值ICH1时,主机端的控制电路206检测或者监测到PD接口242的电压为第一电压值VPD1。当主机设备204C接收的充电电流值为第二电流值ICH2时,主机端的控制电路206检测或者监测到PD接口242的电压为第二电压值 VPD2。在一个实施例中,第一请求产生的时间距离第二请求产生的时间之间的时间间隔ΔT相对比较短,并且电流值ICH1和ICH2也相对比较小。所以,可以认为电池208的实际电池电压VBAT在时间间隔ΔT内没有改变。因此,可以获得下述公式:
ICH1=(VPD1-VBAT)/RIN,以及 (1)
ICH2=(VPD2-VBAT)/RIN. (2)
根据公式(1)和(2)可知,内阻RIN可以通过公式(3)获得:
RIN=(VPD1-VPD2)/(ICH1-ICH2) (3)
因此,PD接口242和电池208之间的内阻RIN可以估算出来。内阻 RIN的电压降VDR为:VDR=ICH*RIN,其中ICH表示当前的充电电流。
在一个实施例中,主机端的控制电路206根据电池208的状态和电压降VDR在请求中设置一个目标值,并将请求发送给第一适配器202。例如,当电池208接近于满充状态时,主机端的控制电路206发送一个请求指示第一适配器202工作在CV充电模式。主机端的控制电路206也监测电池 208当前的充电电流ICH,以及根据以下公式估算电压降VDR: VDR=ICH*RIN。主机端的控制电路206将第一适配器202的输出电压的目标值VPD设置成电池电压VBAT的目标值VTARGET与电压降VDR之和,例如VPD=VTARGET+VDR。所以,可以更精确地控制电池电压VBAT以及减小电池208的充电周期。
图6所示为根据本发明的一个实施例,控制电池电能传输的方法流程图。图6将结合图2、图2A、图2B、图3、图4以及图5进行描述。
步骤602,主机端的控制电路206确定是否为第一适配器202或者第二适配器302与PD接口242相连。
步骤604,如果是第二适配器302与PD接口242相连,主机端的控制电路206使能电能转换电路210将从第二适配器302接收的电能转换为输出电能,为电池208充电。
步骤606,如果是第一适配器202与PD接口242相连,主机端的控制电路206使能直通通路244将从第一适配器202接收的电能传输至电池 208,为电池208充电。
步骤608,如果是第一适配器202与PD接口242相连,主机端的控制电路206通过PD接口242将请求提供给第一适配器202。所述请求包括指示目标值的信息。所述请求还包括要求第一适配器202向PD接口242 提供具有所述目标值的电能的指令。
总的来说,根据本发明的实施例涉及为电池充电的电能传输系统。电能传输系统包括主机设备,该主机设备至少与第一适配器(例如高级适配器)和第二适配器(例如,普通适配器)相兼容。第一适配器可以提供相对比较大的充电电流对电池快速充电。当第一适配器与主机设备相连,主机设备发送请求指示第一适配器提供具有目标值的电能,并使能直通通路将第一适配器的电能传输至电池,为电池充电,这样可以减小主机设备的能耗。如果是第二适配器与主机设备相连,则主机设备使能电能转换电路将第二适配器的电能转换为期望的输出电能为电池充电。在一个实施例中,电能转换电路从第二适配器接收相对比较低的电能。这样,电能转换电路的能耗相对比较低。此外,与传统主机设备中的电能转换电路相比,本发明公开的主机设备内的电能转换电路具有更小的PCB尺寸和成本。另外,主机设备可结合第一适配器进行自我诊断,检测是否存在异常状态,如果检测到异常状态,则保护主机设备和电池。主机设备还可以结合第一适配器补偿IR电压降,从而更精确地控制电池电压并且减小电池的充电周期。
最后所应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明进行修改或者等同替换,而不脱离本发明的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (26)

1.一种电池电能传输控制器,所述控制器包括:
第一端口,配置成提供第一信号,所述第一信号使能连接在接口与所述电池之间的直通通路,使得所述直通通路将电能从所述接口传输至所述电池以便为所述电池充电;
第二端口,配置成提供第二信号,所述第二信号使能连接在所述接口和所述电池之间的转换电路,使得所述转换电路将所述接口接收的输入电能转换成输出电能以便为所述电池充电;以及
与所述第一端口和所述第二端口连接的控制电路,配置成确定是第一适配器还是第二适配器与所述接口相连,其中,
如果是所述第二适配器与所述接口相连,则所述控制电路产生所述第二信号,以及
如果是所述第一适配器与所述接口相连,则所述控制电路产生所述第一信号和请求,并将所述请求通过所述接口提供给所述第一适配器,其中所述请求包括指示目标值的信息以及要求所述第一适配器提供具有所述目标值的电能给所述接口的指令,其中,所述控制电路根据所述电池的状态产生所述请求,并且所述请求包括的指令使得所述第一适配器工作在恒流充电模式和恒压充电模式中一种充电模式。
2.根据权利要求1所述的控制器,其中,如果所述请求包括的指令使得所述第一适配器工作在所述恒流充电模式,则所述信息指示为所述电池充电的目标电流值。
3.根据权利要求1所述的控制器,其中,如果所述请求包括的指令使得所述第一适配器工作在所述恒压充电模式,则所述信息指示提供给所述电池的目标电压值。
4.根据权利要求1~3中的任一项所述的控制器,其中,所述控制电路将从所述第一适配器接收的电能与所述目标值做比较来判断是否存在异常状态。
5.根据权利要求4所述的控制器,其中,如果从所述第一适配器接收的电能和所述目标值之间的差值大于预设的参考值,则所述控制电路判断为存在所述异常状态。
6.根据权利要求1~3中的任一项所述的控制器,其中,所述控制电路提供第一请求和第二请求给所述第一适配器,并将所述第一请求下所述电池的第一状态与所述第二请求下所述电池的第二状态做比较,通过比较结果估算所述接口和所述电池之间电阻的电压降。
7.根据权利要求6所述的控制器,其中,所述控制电路根据所述电压降设置所述目标值。
8.根据权利要求1~3中的任一项所述的控制器,其中,所述接口包括第一端和第二端,如果所述第一端从与所述接口连接的适配器接收的电平高于所述第二端从所述适配器接收的电平,所述控制器将所述适配器判断为所述第一适配器。
9.根据权利要求8所述的控制器,其中,当所述第一端从所述适配器接收的电平等于所述第二端从所述适配器接收的电平时,所述控制器将所述适配器判断为所述第二适配器。
10.一种电池电能传输的方法,所述方法包括:
确定是第一适配器还是第二适配器与接口相连;
如果所述第二适配器与所述接口相连,使能与所述接口相连的转换电路,将从所述第二适配器接收的电能转换成输出电能以便为所述电池充电;
如果所述第一适配器与所述接口相连,使能与所述接口相连的直通通路,将从所述第一适配器接收的电能传输至所述电池以便为所述电池充电;以及
如果所述第一适配器与所述接口相连,通过所述接口向所述第一适配器发送请求,所述请求包括指示目标值的信息以及使得所述第一适配器提供具有所述目标值的电能至所述接口的指令,其中,根据所述电池的状态产生所述请求,并且所述请求包括的指令使得所述第一适配器工作在恒流充电模式和恒压充电模式中的一种充电模式。
11.根据权利要求10所述的方法,其中,如果所述请求包括的指令使得所述第一适配器工作在所述恒流充电模式,则所述信息指示为所述电池充电的目标电流值。
12.根据权利要求10所述的方法,其中,如果所述请求包括的指令使得所述第一适配器工作在所述恒压充电模式,则所述信息指示提供给所述电池的目标电压值。
13.根据权利要求10~12中的任一项所述的方法,还包括:将从所述第一适配器接收的电能与所述目标值做比较来判断是否存在异常状态。
14.根据权利要求13所述的方法,还包括:如果从所述第一适配器接收的所述电能与所述目标值之间的差值大于预设的参考值,则判断为存在异常状态。
15.根据权利要求10~12中的任一项所述的方法,还包括:
提供第一请求和第二请求给所述第一适配器;
将所述第一请求下所述电池的第一状态与所述第二请求下所述电池的第二状态做比较;以及
根据比较结果估算所述接口和所述电池之间电阻的电压降。
16.根据权利要求15所述的方法,还包括:
根据所述电压降设置所述目标值。
17.根据权利要求10所述的方法,其中,所述确定是所述第一适配器还是所述第二适配器与所述接口相连的步骤包括:比较所述接口的第一端和第二端所接收的电平,其中当所述第一端从适配器接收的电平高于所述第二端从所述适配器接收的电平时,判断所述适配器为所述第一适配器;而当所述第一端从所述适配器接收的电平等于所述第二端从所述适配器接收的电平时,判断所述适配器为所述第二适配器。
18.一种电池电能传输系统,所述系统包括:
接口,所述接口在与第一适配器连接时向所述第一适配器发送请求并且从所述第一适配器接收电能,所述接口在与第二适配器连接时从所述第二适配器接收电能,其中,所述请求包括指示目标值的信息以及使得所述第一适配器提供具有所述目标值的电能给所述接口的指令;
与所述接口相连的直通通路,当所述直通通路被使能时,所述直通通路将从所述第一适配器接收的电能传输至所述电池以便为所述电池充电;
与所述接口相连的转换电路,当所述转换电路被使能时,所述转换电路将从所述第二适配器接收的电能转换为输出电能以便为所述电池充电;以及
与所述直通通路和所述转换电路相连的控制电路,所述控制电路确定是所述第一适配器还是所述第二适配器与所述接口相连,如果所述第一适配器与所述接口相连,所述控制电路使能所述直通通路并且产生所述请求,以及如果所述第二适配器与所述接口相连,所述控制电路使能所述转换电路,其中,所述控制电路根据所述电池的状态产生所述请求,并且所述请求包括的指令使得所述第一适配器工作在恒流充电模式和恒压充电模式中一种充电模式。
19.根据权利要求18所述的系统,其中,如果所述请求包括的指令使得所述第一适配器工作在所述恒流充电模式,则所述信息指示为所述电池充电的目标电流值。
20.根据权利要求18所述的系统,其中,如果所述请求包括的指令使得所述第一适配器工作在所述恒压充电模式,则所述信息指示提供给所述电池的目标电压值。
21.根据权利要求18~20中的任一项所述的系统,其中,所述控制电路将从所述第一适配器接收的电能与所述目标值做比较来判断所述系统是否存在异常状态。
22.根据权利要求21所述的系统,其中,如果从所述第一适配器接收的电能与所述目标值之间的差值大于预设的参考值,则所述控制电路判断为所述系统存在异常状态。
23.根据权利要求18~20中的任一项所述的系统,其中,所述控制电路提供第一请求和第二请求给所述第一适配器,并将所述第一请求下所述电池的第一状态与所述第二请求下所述电池的第二状态做比较,并根据比较结果估算所述接口和所述电池之间电阻的电压降。
24.根据权利要求23所述的系统,其中,所述控制电路根据所述电压降设置所述目标值。
25.根据权利要求18~20中的任一项所述的系统,其中,所述系统还包括与所述控制电路相连的主机,当适配器与所述系统连接时,所述主机通过所述控制电路获取所述适配器的类型,并调整所述适配器的输出电能。
26.根据权利要求18~20中的任一项所述的系统,其中,所述系统还包括开关模块,配置成隔离系统电路与所述适配器之间的漏电流。
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