CN108429301A - 充电系统以及对电池组充电的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种充电系统以及对电池组充电的方法。充电系统包括为电池组提供充电电流的充电器。充电器包括耦合于电源和所述电池组之间的充电开关，以及控制所述充电开关的控制器。控制器包括与电池组耦合的电压监测端口。其中，控制器在多个离散时隙中通过电压监测端口测量电池组的电池电压，并根据电池电压调整多个离散时隙中两个相邻时隙之间的时间间隔。本发明在保障充电安全的前提下简化了电池组的设计，节省了成本。

Description

充电系统以及对电池组充电的方法
技术领域
本发明涉及充电系统，尤其涉及对电池组充电的系统及对电池组充电的方法。
背景技术
图1所示为一种传统的充电系统100，包括充电器102和电池组104，充电器102用于给电池组104充电。充电器102包括交流/直流变换器108。交流/直流变换器108在充电控制器110的控制下将输入的交流电变换为输出的直流电对电池组104充电。电池组104包括用于控制第一开关114的第一保护电路118和用于控制第二开关116的第二保护电路120。在充电阶段，开关114和116都导通。当电池单元122的电压增大到第一阈值VCV，第一保护电路118断开开关114以停止充电。如果第一保护电路118没能成功执行保护操作，比如电池单元122的电压继续增大，则第二保护电路120监测到这种情况，并在电池单元122的电压增大到第二阈值VOV时断开第二开关116。
对于一些低成本应用或是一些印制电路板(PCB)尺寸受限的应用(比如电动牙刷)，用于实现保护操作的开关114和116以及对应的保护电路118和120不仅会增加成本，而且也会占据有限的印制电路板空间。为了降低成本并缩小印制电路板尺寸，需要一种新的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种充电系统。充电系统包括为电池组提供充电电流的充电器。充电器包括耦合于电源和所述电池组之间的充电开关，以及控制所述充电开关的控制器。控制器包括与电池组耦合的电压监测端口。其中，控制器在多个离散时隙中通过电压监测端口测量电池组的电池电压，并根据电池电压调整多个离散时隙中两个相邻时隙之间的时间间隔。
本发明还提供了一种充电系统。充电系统包括为电池组提供充电电流的充电器。电池组包括耦合于电池单元和电池组的正极之间的电阻；以及与电阻并联的二极管。二极管的阴极与电池单元的阳极耦合，二极管的阳极与电池组的正极耦合。其中，充电器包括耦合于电源和电池组之间的充电开关和与充电开关耦合的控制器。控制器包括与电池组耦合的电压监测端口。其中，控制器通过电压监测端口测量电阻的阻值，根据阻值识别电池组的标识信息，并根据标识信息配置充电参数。
本发明还提供了一种对电池组充电的方法，该方法包括：利用充电器为电池组提供充电电流；利用充电器在多个离散时隙中测量电池组的电池电压；以及利用充电器根据电池电压调整多个离散时隙中两个相邻时隙之间的时间间隔。
本发明为小尺寸印制电路板的应用场景(比如紧凑型电动工具)提供了低成本的充电方案。本发明披露的实施例在保障充电安全的前提下简化了电池组的设计。并且通过识别电池组的标识信息，可以针对性的优化充电策略。
附图说明
以下通过结合本发明的一些实施例及其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。
图1所示为一种传统的充电系统；
图2所示为根据本发明一个实施例的充电系统；
图3所示为根据本发明一个实施例的充电系统的相关波形图；
图4所示为根据本发明一个实施例的对电池组充电的方法流程图。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例给出详细的说明。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。
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所示为根据本发明一个实施例的充电系统200。充电系统200包括充电器202和电池组204。
充电器202包括用于控制交流/直流变换器的交流/直流控制器206。在一个实施例中，交流/直流变换器包括整流器209和变压器203。交流/直流变换器在充电器的输出端口CHG+提供充电电流ICH给电池组204。充电器202还包括充电开关212，电流监测器210以及充电器控制器208。充电开关212耦合于交流/直流变换器和输出端口CHG+之间。电流监测器210与交流/直流变换器耦合，用于监测充电电流的大小。在图2的例子中，充电器控制器208包括电流监测端口ISEN，电源端口VCC，驱动端口DRV，反馈端口FB和电压监测端口VSEN。电流监测端口ISEN与电流监测器210耦合，用于监测充电电流。电源端口VCC从交流/直流变换器接收电能，为充电器控制器208供电。充电器控制器208通过VCC端口监测交流/直流变换器的输出电压，并将反馈信号通过光耦205传送至交流/直流控制器206，从而调整交流/直流变换器的输出电压。比如，如果输出电压低于目标值，充电器控制器208通过调节光耦205的电流将反馈信号传送到交流/直流控制器206。交流/直流控制器206响应反馈信号，通过增大脉冲宽度调制信号的占空比来增大输出电压。驱动端口DRV与充电开关212耦合，输出驱动信号以控制充电开关212。反馈端口FB经过光耦205与交流/直流控制器206耦合。电压监测端口VSEN通过充电器202的输出端口CHG+与电池组204耦合。充电器控制器208利用电压监测端口VSEN测量电池组204的电池电压。
电池组204包括电池单元218和与电池单元218串联的二极管214。在图2的例子中，二极管214耦合于电池单元218的阳极和电池组204的正极BAT+之间，用于防止电池组204的正极BAT+和电池组204的负极BAT-之间的短路。二极管214的阴极与电池单元218的阳极耦合。二极管214的阳极与电池组的正极BAT+耦合。电阻216与二极管214并联。虽然图2中仅示出了一个电池单元218，在不同的实施例中，电池组204可以包括多个串联或并联的电池单元。
图3所示为根据本发明一个实施例的充电系统(如图2中的充电系统200)的相关波形图。图3将结合图2描述。
充电器202在充电器控制器208的控制下对电池组204充电。充电过程可以包括恒流(CC)充电阶段和恒压(CV)充电阶段。在电池单元较少、充电电流较小的应用场景中，电池组的电量可以被充到总电量的90％，为了简化充电器和电池组的设计，充电过程中可以不包含恒压充电阶段。一种合理的恒流充电策略能进一步补偿因恒压充电阶段缺失所造成的电量损失，其具体实现方式将在下面进行详细描述。
初始状态下，充电开关212断开。当电池组204与充电器202连接，充电器控制器208通过电压监测端口VSEN检测到电池组204(比如，充电器控制器208在电压监测端口VSEN检测到电池电压VBATT)。根据电池电压VBATT，充电器控制器208设置充电模式，比如将充电模式设置为恒流充电模式并开始用电流值为CC1的充电电流对电池组204充电。
更具体的，充电器控制器208在驱动端口DRV具有产生第一状态的驱动信号DRV1以导通充电开关212。交流/直流变换器产生电流值为CC1的充电电流。充电电流经过电流监测器210和充电开关212流向电池组204。在充电过程中，随着电池组204的电池电压VBATT的增大，电压监测端口VSEN上测量到的电压VSEN也随之增大。忽略电阻216的影响，电压VSEN等于电池电压VBATT和二极管214上的压降VD之和。在一个实施例中，二极管214上的压降VD被视为恒定值，充电器控制器208在充电开关212接通期间将测得的电压VSEN减去压降VD以获得电池电压VBATT。然而，在实际情况中，二极管214上的压降VD将随着温度改变，造成电压VSEN不能精确反映电池电压VBATT。在另一个实施例中，充电器控制器208通过暂时中断充电来测得更为精确的电池电压VBATT。具体而言，充电器控制器208每隔一段时间在驱动端口产生具有第二状态的驱动信号DRV(即，断开信号)从而在多个离散的时隙TS中断开充电开关212，并在其中的每个时隙里测量电池电压VBATT。多个离散时隙中的任何一个时隙都不和另一个时隙重合或交叠(部分重合)。在一个实施例中，充电器控制器208根据电压VSEN或根据电池电压VBATT调整所述多个离散时隙中两个相邻时隙之间的时间间隔。换言之，每个时隙和与其相邻的时隙之间都具有一个时间间隔，充电器控制器208可以调整这个时间间隔的长度。如图3中所示，当电压VSEN(或电池电压VBATT)增大，充电器控制器208减小两个相邻时隙之间的时间间隔。在一个实施例中，如果VSEN增大x个百分比，则充电器控制器208将时间间隔的长度减小相同的百分比，或对应x个百分比按一定比例将时间间隔的长度减小。在图3的例子中，随着电压VSEN增大，充电器控制器208将时间间隔T3调整为比时间间隔T2更短，将时间间隔T2调整为比时间间隔T1更短。另一方面，虽然充电器控制器208可以调整时隙之间的时间间隔，每个时隙自身的长度可以是相对固定的，或者可以是与电压VSEN或电池电压VBATT无关的。
更进一步的，充电器控制器208可以根据电池电压VBATT调整充电参数或充电算法。在一个实施例中，如果电池电压VBATT大于第一阈值(比如恒压充电阈值)V1，充电器控制器208减小充电电流。比如在时间t1，充电器控制器208断开充电开关212并检测到电池电压VBATT大于第一阈值V1，则充电器控制器208通过光耦205控制交流/直流变换器，把充电电流的值从CC1降低到CC2。具体来说，充电器控制器208把一个电流参考信号从对应CC1的第一值调整到对应CC2的第二值，利用放大器检测充电电流和对应CC2的电流参考信号之间的差值并以此调整光耦205的电流，从而将反馈信号传送至交流/直流控制器206。根据该反馈信号，交流/直流控制器206调整输出电能从而把充电电流的值调整为CC2。因此，当充电开关212再次导通时，充电电流的值从CC1变为CC2。
在另一个实施例中，如果电池电压VBATT大于第一阈值(比如恒压充电阈值)V1，充电器控制器208并不调整充电电流，而是将充电模式从恒流(CC)充电模式调整为恒压(CV)充电模式。在恒压充电模式下，充电器202以恒定电压对电池组204进行充电(图3中未示出)。
在一个实施例中，如果电池电压VBATT大于第二阈值(比如过压阈值)V2，充电器控制器208断开充电电流。比如在时间t2，充电器控制器208断开充电开关212并检测到电池电压VBATT大于第二阈值V2，则充电器控制器208保持充电开关212断开，结束充电。在另一个实施例中，在时间t2，如果充电器控制器208检测到电池电压VBATT大于第二阈值V2并且还检测到充电电流已经被减小到多个预设值中的最小值，则充电器控制器208保持充电开关212断开，结束充电。
在充电结束后，如果电池组204还保持与充电器202相连，充电器202将执行再充电功能以保持电池容量最大化。在一个实施例中，充电器控制器208在充电开关212断开的情况下持续测量电池电压VBATT。如果电池电压VBATT降至再充电阈值以下，充电器202对电池组204恢复充电，直到电池电压VBATT增大到一个指示结束充电的阈值(比如第二阈值V2)。
在一个实施例中，充电器202能够识别电池组204的标识信息，并根据该标识信息配置充电参数或充电算法。在一个实施例中，电池组204中电阻216的阻值RB指示电池组204的标识信息。该标识信息可以指示电池组的生产厂商、电池单元的类型或特性、电池单元的数量，等等。充电器202通过电压监测端口VSEN测量电阻216的阻值，从而识别电池组204的标识信息，并设置对应的充电参数，如充电电流的值、第一阈值V1、第二阈值V2、再充电阈值，或者选择最适合电池组的充电算法。
具体而言，当充电器控制器208检测到电池组204与充电器202连接，充电器控制器208保持充电开关212断开，并在充电开关212断开期间测量得到电池组204的第一电池电压VBATT1。然后充电器控制器208从电压监测端口VSEN拉入预设电流IDR。比如，充电器控制器208使能一个电流槽(图2中未示出)，该电流槽集成于充电器控制器208中并与电压监测端口VSEN耦合，从而控制电池组204中的电池单元218放电以产生电流IDR。电流IDR从电池单元218的阳极经过电阻216、电池组204的正端BAT+、电压监测端口VSEN流入充电器控制器208。充电器控制器208在电流IDR持续且充电开关212断开的期间测量电池组204的第二电池电压VBATT2，并根据第一电池电压VBATT1和第二电池电压VBATT2之差来识别电池组204的标识信息。
电阻216的阻值RB可以通过计算(VBATT1-VBATT2)/IDR得到。在一个实施例中，充电器控制器208包括存储单元(图2中未示出)。该存储单元存有多个阻值和与多个阻值对应的多个充电参数。该存储单元可以是存储有查找表的非易失性存储器或其他类型的存储器。获得阻值RB后，充电器控制器208将阻值RB与预存的多个阻值进行比对并获取对应的充电参数。比如在一个例子中，如果在查找表中阻值RB与100K欧姆最为匹配，则充电器控制器208把充电电流的值、第一阈值V1、第二阈值V2、再充电阈值分别设置为0.1C、4.25V、4.30V、4.2V(C为充电倍率)。在另一个例子中，如果在查找表中阻值RB与200K欧姆最为匹配，则充电器控制器208把充电电流的值、第一阈值V1、第二阈值V2、再充电阈值分别设置为0.2C、4.45V、4.5V、4.35V。
图4所示为根据本发明一个实施例的对电池组充电的方法流程图400。图4将结合图2描述。
在步骤402中，充电器202通过电压监测端口检测电池组204是否与充电器202连接。
在步骤404中，充电器202通过测量电池组204中一个电阻的阻值识别电池组204的标识信息。
在步骤406中，充电器202根据电池组204的标识信息配置充电参数或充电算法。
在步骤408中，充电器202在多个离散时隙中测量电池组204的电池电压。
在步骤410中，充电器202根据电池电压调整两个相邻时隙之间的时间间隔。在一个实施例中，如果电池电压增大，充电器202减小时间间隔。
如前所述，本发明为小尺寸印制电路板的应用场景(比如紧凑型电动工具)提供了低成本的充电方案。本发明披露的实施例在保障充电安全的前提下简化了电池组的设计。并且通过识别电池组的标识信息，可以针对性的优化充电策略。
上文具体实施方式和附图仅为本发明的常用实施例。显然，在不脱离权利要求书所界定的本发明精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露的实施例仅用于说明而非限制，本发明的范围由所附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前的描述。

Claims (19)

1.一种充电系统，包括：
充电器，为电池组提供充电电流，其中，所述充电器包括：
耦合于电源和所述电池组之间的充电开关；以及
控制器，用于控制所述充电开关，所述控制器包括与所述电池组耦合的电压监测端口，
其中，所述控制器在多个离散时隙中通过所述电压监测端口测量所述电池组的电池电压，并根据所述电池电压调整所述多个离散时隙中两个相邻时隙之间的时间间隔。
2.根据权利要求1所述的充电系统，其特征在于，如果所述电池电压增大，所述控制器减小所述时间间隔。
3.根据权利要求1所述的充电系统，其特征在于，所述控制器还包括与所述充电开关耦合的驱动端口，其中，所述控制器导通所述充电开关从而为所述电池组提供所述充电电流，所述控制器根据所述驱动端口上的信号的状态在所述多个离散时隙中断开所述充电开关。
4.根据权利要求1所述的充电系统，其特征在于，所述控制器识别所述电池组的标识信息，并根据所述标识信息配置充电参数。
5.根据权利要求4所述的充电系统，其特征在于，所述电池组包括耦合于电池单元的阳极和所述电池组的正极之间的电阻，
其中，所述控制器断开所述充电开关，并在所述充电开关断开期间测量所述电池组的第一电池电压，
所述控制器控制所述电池组产生放电电流，所述放电电流从所述电池单元的阳极经过所述电阻和所述电压监测端口流入所述控制器，
所述控制器在所述放电电流持续且所述充电开关断开的期间测量所述电池组的第二电池电压，
所述控制器根据所述第一电池电压和所述第二电池电压之差识别所述电池组的标识信息。
6.一种充电系统，包括：
充电器，为电池组提供充电电流，其中，所述电池组包括：
耦合于电池单元和所述电池组的正极之间的电阻；以及
与所述电阻并联的二极管，所述二极管的阴极与所述电池单元的阳极耦合，所述二极管的阳极与所述电池组的正极耦合。
7.根据权利要求6所述的充电系统，其特征在于，所述充电器包括：
耦合于电源和所述电池组之间的充电开关；以及
控制器，与所述充电开关耦合，所述控制器包括与所述电池组耦合的电压监测端口，
其中，所述控制器通过所述电压监测端口测量所述电阻的阻值，根据所述阻值识别所述电池组的标识信息，并根据所述标识信息配置充电参数。
8.根据权利要求7所述的充电系统，其特征在于，所述控制器还包括与所述充电开关耦合的驱动端口，所述控制器通过在所述驱动端口提供断开信号以断开所述充电开关，并在所述充电开关断开期间测量所述电池组的第一电池电压，
所述控制器控制所述电池组产生放电电流，所述放电电流从所述电池单元的阳极经过所述电阻和所述电压监测端口流入所述控制器，
所述控制器在所述放电电流持续且所述充电开关断开的期间测量所述电池组的第二电池电压，
所述控制器根据所述第一电池电压和所述第二电池电压之差测量所述电阻的阻值。
9.根据权利要求7所述的充电系统，其特征在于，所述控制器在多个离散时隙中通过所述电压监测端口测量所述电池组的电池电压，并根据所述电池电压调整所述多个离散时隙中两个相邻时隙之间的时间间隔。
10.根据权利要求9所述的充电系统，其特征在于，如果所述电池电压增大，所述控制器减小所述时间间隔。
11.根据权利要求9所述的充电系统，其特征在于，所述控制器导通所述充电开关从而为所述电池组提供所述充电电流，所述控制器在所述多个离散时隙中断开所述充电开关。
12.一种对电池组充电的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
利用充电器为所述电池组提供充电电流；
利用充电器在多个离散时隙中测量所述电池组的电池电压；以及
利用所述充电器根据所述电池电压调整所述多个离散时隙中两个相邻时隙之间的时间间隔。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述调整步骤还包括：
如果所述电池电压增大，则减小所述时间间隔。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
导通所述充电器内的充电开关从而为所述电池组提供所述充电电流；以及
在所述多个离散时隙中断开所述充电开关。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
识别所述电池组的标识信息；以及
根据所述标识信息配置充电参数。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述识别步骤还包括：
断开所述充电器内的充电开关；
在所述充电开关断开期间测量所述电池组的第一电池电压；
控制所述电池组产生放电电流，所述放电电流从所述电池组中电池单元的阳极经过电阻流入所述充电器；
在所述放电电流持续且所述充电开关断开的期间测量所述电池组的第二电池电压，
根据所述第一电池电压和所述第二电池电压之差识别所述电池组的标识信息。
17.一种对电池组充电的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
利用充电器为所述电池组提供充电电流；
利用所述充电器测量所述电池组中电阻的阻值；
利用所述充电器根据所述阻值识别所述电池组的标识信息；以及
利用所述充电器根据所述标识信息配置充电参数。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，测量所述电池组中所述电阻的阻值的步骤包括：
断开所述充电器内的充电开关；
在所述充电开关断开期间测量所述电池组的第一电池电压；
控制所述电池组产生放电电流，所述放电电流从所述电池组中电池单元的阳极经过所述电阻流入所述充电器；
在所述放电电流持续且所述充电开关断开的期间测量所述电池组的第二电池电压，
根据所述第一电池电压和所述第二电池电压之差测量所述电阻的阻值。
19.一种电池组，其特征在于，包括：
耦合于电池单元和所述电池组的正极之间的电阻；以及
与所述电阻并联的二极管，所述二极管的阴极与所述电池单元的阳极耦合，所述二极管的阳极与所述电池组的正极耦合。
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