CN111316526B - 用于对电池充电的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对电池的单元充电的方法，该方法包括以下步骤：(32)向电池的输入端子施加测试电流；(34)测量电压输出，其中电压输出由单元的电压和跨电池的内阻抗由测试电流感应出的电压降构成；以及(38)如果(36)测量的电压输出高于预定电压，则向电池的输入端子施加充电电流，其中充电电流大于测试电流。

Description

用于对电池充电的方法和系统
背景技术
本公开涉及用于对电池充电的方法、设备和系统。
发明内容
下文提及的所有示例和特征均可以任何技术上可能的方式组合。
在一个方面，一种对电池的单元充电的方法包括以下步骤：向电池的输入端子施加测试电流；测量电压输出，其中该电压输出包括单元的电压和跨至少电池的内阻抗由测试电流感应出的电压降；以及如果测量的电压输出高于预定电压，则向电池的输入端子施加充电电流，其中充电电流大于测试电流。
实施方案可包括以下特征中的一个特征，或它们的任何组合。跨电池的内阻抗由测试电流感应出的电压降与电池的单元的电压相比可相对较小。跨电池的内阻抗由测试电流感应出的电压降可小于电压输出的百分之十。测试电流可由第一电源施加并且充电电流可由第二电源施加。测试电流可小于或等于10mA。
实施方案可包括以下特征中的一个特征，或它们的任何组合。测试电流可通过保护电路，然后再被施加到电池的输入端子，使得电压输出还包括跨保护电路由测试电流感应出的电压降。电池保护电路可处于断开状态，其中电池与负载断开。测试电流可通过至少一条迹线，然后再被施加到电池的输入端子，使得电压输出还包括跨至少一条迹线由测试电流感应出的电压降。跨电池的内阻抗、保护电路和至少一条迹线由测试电流感应出的累积电压降与电池的单元的电压相比可相对较小。累积电压降小于电压输出的百分之十。
在另一方面，一种用于对电池的单元充电的系统包括：电源，该电源被配置为将测试电流传送到电池的输入端子；控制器，该控制器被配置为：测量电压输出，其中该电压输出由单元的电压和跨至少电池的内阻抗由测试电流感应出的电压降构成；将测量的电压输出与预定阈值进行比较；以及如果测量的电压输出高于预定电压，则向电池的输入端子施加充电电流，其中充电电流大于测试电流。
实施方案可包括以下特征中的一个特征，或它们的任何组合。跨电池的内阻抗由测试电流感应出的电压降与电池的单元的电压相比可相对较小。跨电池的内阻抗由测试电流感应出的电压降可小于电压输出的百分之十。测试电流可由第一电源施加并且充电电流可由第二电源施加。测试电流可小于或等于10mA。
实施方案可包括以下特征中的一个特征，或它们的任何组合。测试电流可通过保护电路，然后再被施加到电池的输入端子，使得电压输出还包括跨保护电路由测试电流感应出的电压降。电池保护电路可处于断开状态，其中电池与负载断开。测试电流可通过至少一条迹线，然后再被施加到电池的输入端子，使得电压输出还包括跨至少一条迹线由测试电流感应出的电压降。跨电池的内阻抗、保护电路和至少一条迹线由测试电流感应出的累积电压降与电池的单元的电压相比可相对较小。累积电压降小于电压输出的百分之十。
附图说明
图1是用于对电池充电的示例性系统的示意图。
图2是用于对电池充电的示例性系统的示意图。
图3是用于对电池充电的示例性方法的流程图。
具体实施方式
某些类型的电池(诸如锂离子电池)在放电超过本公开中称为抑制电压的特定电压后可能无法进行充电。电池放电超过抑制电压将导致电池寿命的急剧下降，并且在放电超过抑制电压后对电池再充电可能是不安全的。电池保护电路的作用是，一旦电池放电超过高于抑制电压的预定电压，则将电池与负载断开，这保护电池免于放电超过抑制电压。然而，一旦保护电路已将电池与负载断开，则可能无法准确读取电池的电压以确定电池是否可安全充电。因此，本领域需要一种用于在保护电路与电池断开之后准确确定电池电压的系统和方法。
图1描绘了用于对电池充电的系统10的示意图。如图所示，该系统可包括：电池12；电源14，该电源被配置为传送测试电流或充电电流中的一个；保护电路16，该保护电路设置在电源和电池之间并且被配置为一旦电池的电压下降到低于预定电压，则将电池与负载断开；以及控制器18，该控制器被配置为测量电池的电压，该电压由测试电流感应到并且被配置为确定是否施加充电电流。测试电流与充电电流相比可相对较小，以最小化电池的内阻抗和其他中间阻抗对测量电压的影响。
电池12可包括一个或多个单元并且可表现出内阻抗。如上面所讨论的，电池12还可表现出抑制电压，出于本公开的目的，该抑制电压为如下电压，高于该电压时单元可安全地充电和/或低于该电压时单元受到应力并且单元的寿命缩短(例如，由于内阻抗的急剧增加)。该电压通常为每电池的单元2.4V左右；然而，随着电池技术的发展，不同的电池可具有不同的抑制电压。电池12可为表现出内阻抗和抑制电压的任何类型的电池，诸如锂离子电池或铅-酸电池。
电源14可为例如电流源，其被耦接以向电池12的输入端子20提供测试电流I测试或充电电流I充电。输入端子20可为适于接收电流的电池12的任何输入，通过该电流可对电池12的至少一个单元充电。
电源14可为被配置为向电池12的输入端子20提供电流的集成电路。例如，电源可为DC-DC充电电路，诸如Maxim Integrated提供的MAX8971，它能够向锂离子电池提供1.55A的充电电流。如图1所示，电源14可为能够传送测试电流I测试和充电电流I充电两者的单个电源。然而，由于大多数电源不能传送两个明显不同的电流水平，因此电源14相反可由两个电源构成(如图2所示)：第一电源14，用于施加测试电流I测试；以及第二电源22，用于施加充电电流I充电。这些电源14和22可例如并联耦接到输入端子20，使得每个电源都可独立地传送其相应的电流。
保护电路16可设置在电源14和电池12的输入端子20之间并且可操作为当电池的电荷下降到低于预定值VUVP时，将电池12与负载断开，该预定值高于电池的抑制电压。因此，保护电路16可被配置为测量电池12的一个或多个单元的电压并且将测量的电压与预定阈值电压VUVP进行比较。如果测量的电压低于阈值电压VUVP，则保护电路16将电池12与负载断开。将电池12与负载断开可通过例如将设置在电池12的端子20(或其他端子)之间的一个或多个晶体管或FET在关断状态下断开来实现。
控制器18可为例如微控制器或包括非暂态存储介质并且被编程为执行图3的方法的步骤的其他集成电路。例如，控制器18可为与电源14相同的集成电路的一部分。另选地，控制器18可与电源14分开。如结合图3的方法将讨论的，控制器可被配置为测量如图1和图2所示的点A处的电压。如果测量的电压高于预定阈值，则控制器18可被配置为施加充电电流I充电。在此背景下，施加充电电流I充电可通过致使充电电流I充电被施加到电池12的输入端子20来实现。例如，控制器18可与电源14(或22，在另选的实施方案中)通信，充电电流I充电应被传送到输入端子20。另选地，控制器可将定位在电源14(或22)和输入端子20之间的晶体管/FET置于接通状态，使得充电电流I充电被传送到输入端子20。
另选地，控制器18可为集成电路或其他电路，并且被构造成执行图3的方法的步骤。例如，控制器18可包括比较器，该比较器被配置为测量点A处的电压，并且取决于测量的电压是否高于预定阈值，激活将电池的输入端子20连接到电源14或22的开关，从而传送充电电流I充电。该拓扑结构仅仅是可使用的一个电路的示例，并且可使用其他拓扑结构来测量电压并且确定是否施加充电电流。
图3描绘了一种用于确定是否向电池施加充电电流的方法的流程图30。在步骤32处，向电池12的输入端子20施加测试电流I测试。施加测试电流I测试以感应出可由控制器18测量的电压输出。当施加了测试电流时，电池保护电路16可处于断开或连接状态。
在步骤34处，由控制器18测量由测试电流I测试感应出的电压输出。电压输出可如图1所示在例如点A处测量并且因此可包括跨保护电路16的电压降V保护、跨电池12的内阻抗的电压降V阻抗以及由于施加了测试电流I测试而由将电源14连接到电池12的布线/迹线24的阻抗引入的电压降V迹线。测量的电压也将包括电池12的至少一个单元的电压V电池。因此，测量的电压V输出可根据公式(1)来表示：
V输出＝V电池+V内阻抗+V保护+V迹线 公式(1)
在另选的实施方案中，可在电路中除点A之外的其他地方测量由测试电流I测试感应出的电压；然而，尽可能接近电池12的输入端子20进行测量将减小可能会使测量电压V输出失真的其他阻抗。
由于电池12的内阻抗可能很大，因此由跨电池12的内阻抗的电压降V内阻抗造成的V输出的分量可能导致测量的电压输出比V电池大得多，因此无法用于确定电池12的单元的电压是否已下降到低于抑制电压V抑制。因此，与充电电流I充电相比，测试电流I测试应相对较小，以使跨电池12的内阻抗的电压降以及跨保护电路16的电压降、跨布线/迹线24的电压降和跨任何其他中间阻抗的电压降最小化。换句话讲，测试电流I测试应选择成使得跨电池12的内阻抗的电压降V内阻抗、跨保护电路的电压降V保护和跨布线/迹线的电压降V迹线与单元的电压V电池相比相对较小，使得电压输出V输出非常接近V电池的电压。实际上，如果由测试电流I测试引入的电压降很小到可忽略不计，则可根据公式(2)来表示测量的电压V输出：
这允许相对准确地测量电池12的单元的电压。
在一个实施方案中，测试电流I测试的量值可小于或等于10mA，而充电电流I充电的量值可在600mA左右。在其他实施方案中，测试电流的量值可选择成使得跨电池的内阻抗的电压降小于测量的电压输出的百分之十。尽管当施加了测试电流I测试时，电池12的内阻抗不是直接已知的，但当电池处于或接近抑制电压V抑制时，可选择测试电流I测试以跨电池的内阻抗施加相对小的电压降。例如，如果当单元的电压为2.5V时，电池12的内阻抗已知为约300mOhms，则响应于10mA的测试电流I测试，跨内电阻的电压降预期为3.0mV，其为在抑制电压下单元的电压的约0.1％。这些值仅用作示例。类似地，由于迹线24和保护电路16的阻抗是已知的，因此这些值可与电池12在抑制电压下的内阻抗的近似值结合使用来选择测试电流I测试。因此，测试电流I测试的量值可选择成使得跨这些阻抗(或这些阻抗的任何组合)的累积电压降导致小于测量电压V输出的百分之十。另选地，测试电流I测试的量值可选择成使得跨这些阻抗的累积电压降导致小于单元的电压V电池的百分之十。
在步骤36处，可将测量的输出电压与预定值进行比较。在一个实施方案中，预定值可为电池的单元的抑制电压。在另选的实施方案中，由于测量的电压输出将必然大于单元的电压，因此预定值可被设定为大于单元的抑制电压的值以说明由电池以及电池保护电路和迹线的内阻抗所引入的附加电压降。例如，如果当单元的电压处于抑制电压下时，附加电压降预期会引起测量的输出电压增加百分之十，则预定电压可被设定为比抑制电压高百分之十。这样，预定电压可被设定为说明由附加阻抗所引入的误差。
在步骤38处，如果测量的电压大于预定电压，则由控制器18施加充电电流。同样，如上所述，该步骤可通过如下方式来完成：控制器18通知电源14开始施加充电电流，或以其他方式诸如通过将晶体管或FET设定在接通状态来施加充电电流。如果测量的电压小于预定电压，则控制器18不施加充电，因为对电池12充电可能不安全。如果发生这种情况，则控制器18可经由用户界面或指示灯通知用户电池可能未被安全地充电。
虽然本文已描述和示出了若干发明实施方案，但本领域的普通技术人员将易于设想用于执行本文所述的功能和/或获得本文所述的结果和/或优点中的一个或多个的多种其他装置和/或结构，并且此类变型和/或修改中的每一个都被视为在本文所述的发明实施方案的范围内。更一般地，本领域的技术人员将容易理解，本文所述的所有参数、尺寸、材料和配置都旨在为示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用发明教导内容的一个或多个具体应用。本领域的技术人员将认识到或仅使用常规实验就能够确定本文所述的具体的发明实施方案的许多等同物。因此，应当理解，上述实施方案仅以举例的方式呈现，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，可以不同于具体描述和要求保护的方式来实践发明实施方案。本公开的发明实施方案涉及本文所述的每个单独的特征、系统、制品、材料和/或方法。此外，如果此类特征、系统、制品、材料和/或方法不相互矛盾，则两个或更多个此类特征、系统、制品、材料和/或方法的任何组合都包括在本公开的发明范围内。

Claims (16)

1.一种对电池的单元充电的方法，所述方法包括：
向所述电池的输入端子施加测试电流；
测量电压输出，其中所述电压输出包括所述单元的电压和由所述测试电流感应出的跨至少所述电池的内阻抗的电压降；以及
如果所述测量的电压输出高于预定电压，则向所述电池的所述输入端子施加充电电流，其中所述充电电流大于所述测试电流；
其中所述测试电流被选择为使得：由所述测试电流感应出的跨所述电池的所述内阻抗的所述电压降小于所述测量的电压输出的百分之十，导致所述测量的电压输出非常接近所述电池的电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中由第一电源施加所述测试电流并且由第二电源施加所述充电电流。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述测试电流通过保护电路，然后被施加到所述电池的所述输入端子，使得所述电压输出还包括由所述测试电流感应出的跨所述保护电路的电压降。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述电池保护电路处于断开状态，其中所述电池与负载断开。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述测试电流通过至少一条迹线，然后被施加到所述电池的所述输入端子，使得所述电压输出还包括由所述测试电流感应出的跨所述至少一条迹线的电压降。
6.根据权利要求5所述的方法，其中由所述测试电流感应出的跨所述电池的所述内阻抗、所述保护电路和所述至少一条迹线的累积电压降与所述电池的所述单元的所述电压相比相对较小。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述累积电压降小于所述电压输出的百分之十。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述测试电流小于或等于10mA。
9.一种用于对电池的单元充电的系统，所述系统包括：
电源，所述电源被配置为将测试电流传送到所述电池的输入端子；
控制器，所述控制器被配置为：
测量电压输出，其中所述电压输出包括所述单元的电压和由所述测试电流感应出的跨至少所述电池的内阻抗的电压降；
将所述测量的电压输出与预定电压进行比较；以及
如果所述测量的电压输出高于所述预定电压，则向所述电池的所述输入端子施加充电电流，其中所述充电电流大于所述测试电流，其中所述测试电流被选择为使得：由所述测试电流感应出的跨所述电池的所述内阻抗的所述电压降小于所述测量的电压输出的百分之十，导致所述测量的电压输出非常接近电池的电压。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述测试电流由第一电源施加并且所述充电电流由第二电源施加。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述测试电流通过保护电路，然后被施加到所述电池的所述输入端子，使得所述电压输出还包括由所述测试电流感应出的跨所述保护电路的电压降。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述电池保护电路处于断开状态，其中所述电池与负载断开。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述测试电流通过至少一条迹线，然后被施加到所述电池的所述输入端子，使得所述电压输出还包括由所述测试电流感应出的跨所述至少一条迹线的电压降。
14.根据权利要求13所述的系统，其中由所述测试电流感应出的跨所述电池的所述内阻抗、所述保护电路和所述至少一条迹线的累积电压降与所述电池的所述单元的所述电压相比相对较小。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述累积电压降小于所述电压输出的百分之十。
16.根据权利要求9所述的系统，其中所述测试电流小于或等于10mA。
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电动汽车用铅蓄电池组的智能充电;苏玉刚;夏永峰;陈强;杜伟炯;;重庆工学院学报(自然科学版);20080215(02);全文 *

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