CN1139167C - 充电装置 - Google Patents

Abstract

一种充电装置，用于以这样的方式来进行控制，即用等于或小于恒压的恒流来对连接的可充电电池进行充电，当可充电电池的端电压升高到所述恒压时，用等于或小于恒流的恒压进行充电，该装置包括：开关装置，用于在某段时间切断充电电流；比较装置，用于将开关装置切断充电电流时，电源侧的第一电压和可充电电池侧的第二电压之间的差与基准电压进行比较；以及控制装置，当根据所述比较的结果完成充电时，将电压切换到等于所述第一电压的一个电压上。

Description

充电装置

本发明涉及对可充电电池进行充电的充电装置。

在对可充电电池如锂电池等进行充电的充电装置中，通常是进行恒流充电和恒压充电。这就是说，当可充电电池的电压等于或小于设定的充电电压时，电池被恒流充电，并且电池的电压升高。当电池电压达到设定的电压时，充电电流减小，电池由恒压充电。

采用这种充电系统的充电装置具有例如图1所示的结构。图2表示充电电压V和充电电流I之间的关系(充电装置的输出特性)。图3表示充电电压V、充电电流I和充电时间T之间的关系(充电特性曲线)。

在充电装置10中，可充电电池11和电流检测电阻12与电源13串联。即可充电电池11的正端与电源13的正端相连，可充电电池11的负端与电流检测电阻12的一端相连，电流检测电阻12的另一端与电源13的负端相连。比较器14的正和负输入端与电流检测电阻12的两端相连。比较器13的输出端与充电控制单元15相连。充电控制单元15和显示单元16相连。

在这种的结构中，在对可充电电池11用司流Ib1进行充电完成以后，在充电的最后阶段，开始用恒压Vb1进行充电，于是充电电流I下降。因此，充电电流I被电流检测电阻12检测到，比较器14将检测到的充电电流I与基准电压E1设定的电流进行比较，并向充电控制单元15输出检测信号。当检测信号处于高电平时，充电控制单元15确定继续进行充电，并使显示单元16显示电池正在充电。当检测信号处于低电平时，充电控制单元15确定充电完成，并使显示单元16显示充电结束。

至于常规的充电装置10中从充电开始到充电结束的充电时间，现在假定需要由恒流充电的时间为t，由恒压充电的时间为3t，那么需要的时间为4t。特别是，恒压充电时间由可充电电池中的阻抗确定。因此为了缩短充电时间，需要提高用恒流充电的充电电流。结果，不仅占充电时间四分之三的恒压充电时间不能缩短，而且还带来了高输出(高电能)的设备价格昂贵的问题。

本发明旨在解决上述问题，其目的是为了提供充电时间短的价格低廉的充电装置。

为了实现上述目的，提供了一种充电装置，用于以这样的方式来控制充电进程，即在可充电电池的端电压低于阈值电压的时候用恒流来对连接的所述可充电电池进行初始充电，并且当所述端电压升高到所述阈值电压时，用小于所述阈值电压的恒压对可充电电池进行充电，该充电装置包括：开关装置，用于在预定时间切断充电电流；脉宽调制控制装置，用于控制电源的输出电压；第一放大器，用于根据所述电源的输出电压控制所述脉宽调制控制装置的占空比；第二放大器，用于根据所述电源的输出电流控制所述脉宽调制控制装置的占空比；充电电流切断开关和电流检测电阻，它们串联连接在所述电源的输出端和所述充电电池的一个端子之间；电路连接装置，用于将所述电流检测电阻和所述充电电流切断开关之间的连接点连接到所述第二放大器的输入端；比较装置，用于所述充电电流被切断时电源的输出电压和可充电电池侧的电压之间的差与基准电压进行比较；以及控制装置，用于当提供所述充电电流时，将充电电压切换到高于所述电源的所述输出电压的一个电压上，当所述充电电流切断开关切断所述充电电流时，将充电电压切换到等于所述电源的所述输出电压的一个电压上，当根据所述比较装置的输出结果完成充电时，将充电电压切换到等于所述电源的所述输出电压的一个电压上。。

根据本发明的另一方面，还提供了一种充电装置，用于以这样的方式来控制充电进程，即在该可充电电池的端电压低于阈值电压的情况下用恒流来对可充电电池进行初始充电，并且当所述端电压升高到所述阈值电压时，用小于所述阈值电压的恒压对可充电电池进行充电，该充电装置包括：其中在预定时间停止充电，当充电停止时，将电源侧的第一电压和所述可充电电池侧的第二电压之间的差与基准电压进行比较，当充电时，将充电电压切换到高于第一电压的电压上，当充电停止时，根据所述比较的结果将充电电压切换到等于所述第一电压的电压上，完成充电之后，由等于所述第一电压的电压继续进行充电。

根据上述的结构，只有未切断充电电流时，即只有在充电期间，才将电压切换到高于电源的输出电压的电压上，因此，可以缩短占充电时间四分之三的恒压充电时间。

通过以下结合附图所进行的详细描述，本发明的上述目的和其它目的将变得非常清楚。

图1是表示常规的充电装置的一个例子的结构图；

图2是表示输出电压和充电电流之间的一般关系的图(充电装置的输出特性)；

图3是表示图1的充电装置的充电电压\电流等和时间之间的关系的图(充电特性曲线)；

图4A和4B是表示本发明的充电装置的一个实施例的结构图；

图5是说明图4A和4B所示的充电装置的一个操作例子的流程图；

图6是表示图4A和4B所示的充电装置的充电电压/电流等和时间之间的关系的第一图(充电特性曲线)；

图7是图6所示的X部分的放大图；

图8是表示图4A和4B所示的充电装置的电压部分的图；

图9是表示图4A和4B所示的充电装置的充电电压/电流等和时间之间的关系的第二图(充电特性曲线)；

图10是图9所示的Y部分的放大图；

图11是结构图，其中简化了图4A和4B所示的充电装置的主要部分以外的部分；以及

图12是表示本发明的充电装置的另一实施例的结构图。

下面参照附图详细地描述本发明的最佳实施例。

由于下面将要描述的实施例是本发明的最佳实施例，所以加进了在技术上优化的各种限制。然而，本发明不受这些实施例的限制。

图4A和4B是表示本发明的充电装置的实施例的结构图。

在充电装置100中，可充电电池101、充电电流切断开关102和电流检测电阻103与整流电路104串联。这就是说，可充电电池101的正端与整流电路104相连，可充电电池101的负端与充电电流切断开关102的一端相连，充电电流切断开关102的另一端与电流检测电阻103的一端相连，电流检测电阻103的另一端与整流电路104相连。此外，可充电电池101的负端与比较器105的正输入端相连。基准电源106的正端与比较器105的负输入端相连。比较器105的输出端与充电控制单元107相连。充电电流切断开关102、基准电源转换开关108和显示单元109与充电控制单元107相连。

可充电电池101的正端和整流电路104之间的连线部分与放大器110的负输入端相连。用于切换基准电源111a和111b的基准电源转换开关108的一端与放大器110的正输入端相连。放大器110的输出端与二极管112相连。

充电电流切断开关102和电流检测电阻103之间的连线部分与放大器113的负输入端相连。基准电源114的正输入端与放大器113的负输入端相连。放大器113的输出端与二极管115相连。

二极管112和115之间的连线部分以及可充电电池101的正端和整流电路104之间的连线部分与光耦合器116相连。光耦合器116、PWM控制电路117和开关电路118串联。

整流电路120和输入滤波器121串联连接到变压器119的原边侧的一端。开关电路118与原边侧的另一端相连。整流电路104与变压器119的副边侧相连。

现在说明本发明的实施例的充电装置100缩短充电时间的方法。由于在常规的充电装置10中，电源13的输出电压总是恒定的，所以在完成恒流充电后充电模式进入恒压充电时，充电电流下降。

充电电流的下降是由可充电电池11的内部电压、可充电电池11的内阻以及可充电电池11和充电装置10之间的导线电阻确定的。如果即使在本发明的实施例的充电装置100中也出现充电电流下降的现象，假定可充电电池101的内阻r0例如等于0.3欧姆，可充电电池101和充电装置100之间的导线电阻r1等于0.1欧姆，那么总的电阻r＝r0+r1等于0.4欧姆。假定充电电流IB设为1A，电压降Vr＝r×IB等于0.4V。电压降Vr还对流经可充电电池101的充电电流IB产生影响。

假定电池电压例如等于8.4V，作为可充电电池101的锂电池进入完全充电状态，充电到8.4V的电池开路电压VB。因此，可充电电池101的内阻r0以及可充电电池101和充电装置100之间的导线电阻r1较小，可以缩短充电时间。

如上所述，在本发明的实施例的充电装置100中，虽然在预定周期重复进行充电和停止充电，但是电池是以常规的充电电压，即电源的输出电压V0充电的，例如在主电期间充电电压V01高于8.4V，如8.7V，在充电停止期间电压回到电源的输出电压V0，如8.4V，从而缩短了整个充电时间。

下面参照图5的流程图，图6的表示基准电源111a或111b的电压EV1或EV2、充电电压V、充电电流I、电压差ΔV和充电时间T之间的关系(充电特性曲线)的图，图7中的X部分的放大图，和图8中的表示电压部分的图，描述上述结构的操作的例子。

在步骤1首先连接可充电电池101，交流连接器122与交流电源(100V)相连，电能通过输入滤波器121和整流电路120送至变压器119的原边侧。开关电路118利用下面将要详细描述的方法切换变压器119，将电能从原边侧传到副边侧，并通过整注电路104送至可充电电池101。

比较器105将切断充电电流时正输入端无负载情况下的电源的输出电压V0和电池开路电压VB，即可充电电池101的负端电压，之间的差ΔV，与输入至负输入端的基准电源106的基准电压EC进行比较，并向充电控制单元107输出检测信号。

当检测信号处于低电平时，充电控制单元107确定充电完成，使显示单元109显示充电结束，并完成充电操作(步骤2、11)。

当检测信号处于高电平时，充电控制单元107确定继续进行充电操作，将基准电源转换开关108切换到基准电源111a侧，即高于电源的输出电压V0的充电电压EV1，并使显示单元109显示正在进行充电操作(步骤2、3)。

放大器110将提供给可充电电池101的电压V0与基准电源111a的电压EV1进行比较。放大器113将流经可充电电池101的由电流检测电阻103检测的充电电流IB与基准电源114的电压EI设定的电流进行比较。光耦合器116将加上二极管112和115的放大器110和113的输出从副边侧转换到原边侧，并将经转换的输出送至PWM控制电路117。根据来自光耦合器116的电压/电流控制信号，PWM控制电路117以这样的方式控制开关电路118的接通周期，也就是说输出电压和充电电流等于设定值，即由基准电源111a的电压EV1和基准电源114的电压EI设定的电压(电源的输出V01)/电流。这样，可以得到恒定的电压/恒定的电流输出特性。

充电控制单元107开始快速充电并启动计时器(步骤4、5)。当计时器停止时，快速充电停止(步骤6、7)。这就是说，开始快速充电以后，充电控制单元107以预定的周期或任意的周期控制充电电流切断开关102的接通/关断操作。例如，在快速充电开始以后，充电电流切断开关102仅接通三分钟，提供充电电流，经过三分钟后，充电电流发断开关102关断仅几秒至几十秒的一段时间，切断充电电流，重复以上操作。

在充电停止期间，充电控制单元107将基准电源转换开关108切换到基准电源111b侧，即与电源的输出电压V0相同的充电电压EV2(步骤8)。

放大器11 0将提供给可充电电池101的电压V0与基准电源111b的电压EV2进行比较，并通过光耦合器116向PWM控制电路117提供输出信号，以便控制电源输出电压V0。PWM控制电路117控制开关电路118的导通周期。这样，电源的输出电压设为V0。

比较器105将切断充电电流时正输入端无负载情况下的电源的输出电压V0和电池开路电压VB、即可充电电池101的负端电压，之间的差ΔV，与输入至负输入端的基准电源106的基准电压EC进行比较，并向充电控制单元107输出检测信号。

当检测信号处于高电平时，充电控制单元107确定继续进行充电，处理过程返回到步骤3，重复进行前面的步骤(步骤9)。

当检测信号处于低电平时，充电控制单元107确定充电完成。然而，当检测到检测信号设为低电平时的电压差ΔV以后，将会出现下面的问题。例如，如图9中的充电特性曲线和图10中的Y部分的放大图所示，当检测到第一次的检测信号设为低电平时的电压差ΔVa或ΔVb以后，当基准电压从EV1(电压V01)变为EV2(电压V0)并且继续充电时，连续下降的充电电注I和电压差ΔV升高一次。

在出现这种情况时，如果在第一次的检测信号设为低电平时检测到电压差ΔVa或ΔVb，并由此判断充电结束，那么这将导致错误的判断。因此，如果至少连续两次检测到检测信号设为低电平的电压差ΔV，即检测到检测信号设为低电平时的电压差ΔVc或ΔVd，然后判断充电结束，那么可以肯定地判断充电结束。

作为一个具体操作的例子，充电控制单元107检测处于第一次低电平的检测信号(步骤9)。接下来检验低电平的检测信号是否连续地被检测到两次(步骤10)。作为此处的判断装置，例如当第一次的检测信号设为低电平时，检测计时器设为“1”。当第二次的检测信号设为高电平时，检测计时器设为“0”。这样，仅当低电平的检测信号被连续两次检测到时，检测计时器才设为“2”，因此可以进行判断。

在步骤10，如果对处于低电平的检测信号的检测仍是第一次检测的话，那么处理过程返回到步骤3。充电电压切换到EV1(VO1)，并再次进行充电。

在步骤10，当对处于低电平的检测信号连续检测到两次的话，显示充电结束(步骤11)。在这种情况下，通过继续将电源输出作为充电电压EV2(V0)，进行充电操作。

在上述实施例中，虽然连续两次检测到处于低电平的检测信号，但本发明不限于此。检测至少两次或两次以上是足够的。

仅对切断充电电流I的周期来说比较器105的检测信号输出才是有效的，并且确定除切断周期以外的时间检测是无效的。因此，根据电路的设置，未切断充电电流I时检测信号输出处于高电平或低电平。

如上所述，根据充电装置100，虽然恒流充电时间延长了，但是恒压充电时间却缩短了。因此，例如在可充电电池101是1200mAH的情况下，虽然需要90分钟的常规的充电时间4t，但是本发明的实施例中的充电时间tt可缩短几乎一半，即大约50分钟。

图11是结构图，其中简化了实施例中的充电装置100的主要部分以外的部分。虽然电压差ΔV设为例如80mV，但是这只是因为考虑到大约5mV的电压偏移，一般的IC都可用作比较器105来检测80mV的电压差ΔV，而不会出现什么问题。由于充电控制单元107不检测高精度的模拟电压，所以可以采用例如廉价的1kROM的IC，如逻辑电路，单片微机等。因此，充电装置100可以采用通用比较器检测电压。可以用通用微机控制充电。这样，装置的成本可以降低。

电压差ΔV的检测装置不限于比较器105，而是可以如图12所示，用其中具有模/数转换器的CPU130来代替比较器105，CPU130中有CPU131和模/数转换器132，电压差ΔV由模/数转换器132检测。

如上所述，根据本发明的装置结构简单，成本低。充电可以在很短的时间内进行，因此可靠性增加了。

本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可做各种修改和改进。

Claims (2)

1.一种充电装置，用于以这样的方式来控制充电进程，即在可充电电池的端电压低于阈值电压的时候用恒流来对连接的所述可充电电池进行初始充电，并且当所述端电压升高到所述阈值电压时，用小于所述阈值电压的恒压对可充电电池进行充电，该充电装置包括：

开关装置(107)，用于在预定时间切断充电电流；

脉宽调制控制装置(117)，用于控制电源的输出电压；

第一放大器(110)，用于根据所述电源的输出电压控制所述脉宽调制控制装置的占空比；

第二放大器(113)，用于根据所述电源的输出电流控制所述脉宽调制控制装置的占空比；

充电电流切断开关(102)和电流检测电阻(103)，它们串联连接在所述电源的输出端和所述充电电池的一个端子之间；

电路连接装置，用于将所述电流检测电阻(103)和所述充电电流切断开关(102)之间的连接点连接到所述第二放大器的输入端；

比较装置(105)，用于所述充电电流被切断时电源的输出电压和可充电电池侧的电压之间的差与基准电压进行比较；以及

控制装置(107、108)，用于当提供所述充电电流时，将充电电压切换到高于所述电源的所述输出电压的一个电压上，当所述充电电流切断开关切断所述充电电流时，将充电电压切换到等于所述电源的所述输出电压的一个电压上，当根据所述比较装置的输出结果完成充电时，将充电电压切换到等于所述电源的所述输出电压的一个电压上。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于比较装置的比较结果至少两次或两次以上检测到表示充电结束以后，所述控制装置才完成充电。

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