CN1166710A - 带有功率消耗控制的电池充电器 - Google Patents

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Abstract

一种电池充电器，利用不可调DC变压器(100)作为用来经过一通过装置(104)对电池组(101)充电的电源。一个充电器控制器(150)根据电池组(101)的当前电压，环境温度，和充电率瞬时地计算理想充电电流值。充电控制器将计算出的理想充电电流信息发送给功率控制器(103)。功率控制器(103)监视通过装置(104)中的瞬时功率消耗并将理想充电电流定标以防止通过装置(104)中的过度的功率消耗。

Description

带有功率消耗控制的电池充电器
本发明总体涉及电池充电器，更具体地涉及利用通过装置对电池进行快速充电。
电池充电器一般利用将交流(AC)整流为直流(DC)的调节器来对电池充电。在一种称为串联通过充电器的调节器中，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管这样(MOSFET)的线性开关通过装置被连接在调节器和电池之间。当电池充电时，该通过装置消耗的功率等于该通过装置的输入和输出电压之差乘以最大充电电流。当电池被深度充电时，电池电压，即通过装置的输出电压，比调节器电压，即通过装置的输入电压要小的多。由于这一情况，通过装置所消耗的功率可能会超过在便携式电子装置中发现的典型装置集合的最大功率额定值。在该通过装置消耗高功率的这一期间，会产生过热，而且充电器的总体效率非常差。
空间和热量都很关键的用于便携式装置的常规快速充电器利用外部跟踪调节器来限制充电器的通过装置中的功率消耗。跟踪调节器提供一个与被充电的电池电压有恒定的正的偏差的电压，从而保持通过装置的输入和输出电压之差相对恒定。一个微处理器测量电池电压并产生一个与所希望的充电电流成正比的模拟控制电压。该充电电流由测量一个测量电阻上的电压降，对其进行定标，并与控制电压比较的硬件反馈环控制。当充电软件根据电池电压的变化要求改变充电电流时，微处理器相应地改变控制电压。
通过保持通过装置的电压降相对恒定而仅改变充电电流，充电器可容易地控制通过装置的功率消耗。但是这种保持电压降恒定的跟踪调节器是专用的而且很贵。因此，需要一种既能限制功率消耗而又不需要采用很贵的跟踪调节器的电池充电器。
图1表示根据最佳实施例的电池充电器的方框图。
图2表示根据第一最佳实施例的电池充电器。
图3表示根据第二最佳实施例的电池充电器。
具有功率消耗控制的电池充电器包括检测本电池电压，监视通过装置的瞬时功率消耗和产生一个用来给诸如便携式无线电话这样的装置的电池组充电的电流控制信号的反馈环节。反馈环节中的控制器可包括硬件，软件或硬件和软件的组合。控制器根据本通过装置的功率消耗来调整电流控制信号以确保通过装置的功率消耗不超过计算出的长期和短时功率最大值。另外，通过查询电池组中的热敏电阻允许控制器更准确地确定通过装置的最大功率，因为该装置可消耗的最大功率随着该装置周围的温度而变化。
该电池充电器动态地进行调整以改变充电电压，允许以简单的不可调式的DC变压器来取代很贵的传统电池充电装置中采用的外部跟踪调节器。此外，低成本不可调DC变压器在大电流值时的电压跌落减少了通过装置中所需消耗的功率，并且反馈环节监视和利用这一特性。利用低成本不可调DC变压器的软件灵活性和恰当的选择，许多类型的电池，包括镍镉(NiCad)、镍-金属氢化物(NiMH)、和锂离子(LiIon)电池都可被有效地充电至相应容量。
图1表示根据最佳实施例的电池充电器的方框图。在该方案中诸如壁式变压器这样的不可调DC变压器向通过装置104提供不可调电压用来对电池组101充电。电池组101可以是用于便携式无线电话的电池组且包括数据存储装置123，该存储装置可以是诸如EPROM或EEPROM这样的电子可编程只读存储器，用来存放诸如充电率和其它充电参数这样的信息。充电器控制器150可通过数据输入端124从该数据存储装置接收信息以帮助对电池进行有效的充电。
充电器控制器150还可通过利用温度检测输入端122查询装在大多数电池组中的热敏电阻121在充电前确定周围的温度。由于通过装置的最大功率消耗随着温度而变化，环境温度数据可被用来定标通过装置允许的功率消耗的计算最大值。这种定标可根据通过装置104的最坏情形消耗情况来改进充电时间避开任何最坏情形时间。
充电器控制器150还通过电池检测输入端109接收瞬时电池电压。因此，利用来自数据输入端124，温度检测输入端122和电池检测输入端109的信息，充电器控制器150可根据储存的充电率和其它充电参数，环境温度，和本电池电压计算理想的充电电流值。该计算出的理想的充电电流值经理想电流输出端107传输到功率控制器103。
功率控制器103根据来自充电器控制器150的理想充电电流信息和通过功率检测输入端110检测的通过装置104的瞬时功率消耗产生电流控制信号。利用FET的电流输出和计算通过装置104上的电压降可容易地将具有电流检测能力的功率FET用于确定通过装置的瞬时功率消耗。功率控制器103根据来自功率检测输入端110的信息定标来自充电器控制器150的理想充电电流值以产生电流控制信号。该电流控制信号被从功率控制器103的电流控制输出端111发送到通过装置104以保持通过装置104消耗的功率处于可接受的功率额定值以内。
注意到当功率控制器103控制充电电流降低以限制通过装置功率消耗时，电池充电时间可能会增加。时间增加量决定于变压器的设计。如果变压器在输出大电流(这是不可调DC变压器的典型情况)时具有大的电压降，通过装置上的电压降就会较小。但是，如果变压器电压降太大，当电池接近充满时就不能使用大充电电流。
这种方法的一个优点是充电器通过允许充电电压变动而仅控制充电电流来控制通过装置的功率消耗。通过充电器控制器150的第一反馈环节根据本电池电压，环境温度，和来自电池组数据存储装置的信息确定理想电流。该理想电流信息被发送给包括功率控制器103的第二反馈环节。如果理想电流值会导致通过装置上的过度的功率消耗，功率控制器103就降低该理想电流值以产生电流控制信号。这种定标降低是根据来自功率检测输入端110的瞬时功率消耗信息进行的。从电流控制输出端111产生的电流控制信号允许通过通过装置104的最大电流不超过短时和长期功率最大值。
因此，在不可调DC变压器100输出端的电压可改变，且功率控制器103将动态地调整充电电流以避免通过装置104上的过度功率消耗。充电器控制器150与功率控制器103组合在一起计算通过装置的功率消耗绝对最大值和短时最大值并保证这些最大值永远不会被超过，无论不可调DC变压器的工况如何。
图2表示根据第一最佳实施例的电池充电器。图1所示的充电器控制器150和功率控制器103被利用通过电池检测输入端209检测电池电压和通过电源检测输入端210检测来自变压器的充电电压的微处理器250来实现。理想地，检测输入端209，210被联接到微处理器250中的模-数转换器上。注意到在这些实施例的任何一个中的软件功能，包括模-数转换，都可以利用硬件来实现，反之亦然。
利用来自检测输入端的表示通过装置204两侧的电压的信息，微处理器250计算通过装置上的电压降。然后微处理器通过调整电流控制输出端211的控制信号来保证通过装置的功率消耗不超过允许的计算最大值，输出端211引导充电电流控制信号通过运算放大器202，203。理想地，理想电流输出端211处的控制信号是脉冲宽度调制(PWM)波形。作为替代，微处理器250可利用数-模转换器在理想电流输出端211产生控制信号。
允许经过通过装置204的最大功率消耗是从经过与理想地在电池组101中的热敏电阻121相连的温度检测输入端222而来的环境温度信息和来自与电池组101中的数据存储装置123相连的数据输入端224的充电率及其它充电参数计算出来的。其它信息，诸如通过装置或变压器特性及额定值也可被用来确定经过通过装置的计算最大功率消耗。
来自不可调DC变压器100的电压通过检测电阻205和二极管206输入以对电池组101中的电池充电。在充电过程中，检测电阻205上的电压由包括运算放大器202，203并由来自电流控制输出端211的信号控制的硬件反馈环节保持为恒定。运算放大器203控制模拟开关通过装置204将运算放大器202的输出电流设定为由来自微处理器理想电流输出端211的信号控制。运算放大器203在输出端具有用于保持稳定性的低通滤波器215。
图3表示根据第二最佳实施例的电池充电器。在该方法中，理想电流反馈环节和电流控制信号的动态调整二者都被引入到微处理器的软件中。低成本，不可调DC变压器100也被用作通过二极管306对电池组101充电的功率源。微处理器350中的模-数转换装置监视通过电源检测输入端310和电压检测输入端312收到的检测电阻305两侧的电压。微处理器软件利用该电压信息和检测电阻已知的电阻值来计算通过检测电阻的电流，该电流也是经过通过装置304的电流。在该实施例中，检测电阻305为二分之一欧姆。对微处理器软件略作改动可将该电阻值用其它值替换。
对模拟开关通过装置304的控制来自微处理器350的电流控制输出端311的脉冲宽度调制(PWM)波形。该波形由低通滤波器315滤波并在进入通过装置304的门之前被晶体管装置320放大。作为替代，电流控制输出端311的PWM信号可用来自微处理器350中的数-模(D/A)转换软件的模拟信号替换。
理想电流值是以来自温度检测输入端322的环境温度，通过电池检测输入端309收到的本电池电压，和来自数据输入端324为根据的。该理想电流值根据通过装置304的瞬时功率消耗进行调整以产生电流控制信号。通过装置304的瞬时功率消耗等于检测电阻305上的瞬时电流与由电池检测输入端312和电池检测输入端309计算出的通过装置304上的瞬时电压相乘。因此，电流控制信号随着来自不可调DC变压器100的充电电压或由微处理器350计算出的理想电流值的任何变化而改变。
当电流超过变压器的额定电流的一半时许多不可调变压器表现出输出电压纹波。该电压纹波通常为全波整流120/100Hz，它可被电源检测输入端310检测并被微处理器软件滤除。一旦软件确定了纹波的频率和幅值，微处理器350中的误差功能可被用来产生校正信号，用软件实现的累加器可使纹波最小化。注意到利用诸如图2所示的硬件反馈环节，运算放大器可滤除任何电压纹波。
因此，具有功率消耗控制的电池充电器提供了传统快速电池充电方法的一种低成本的替代。虽然上面介绍了具有功率消耗控制的电池充电器的具体的部件和功能，本领域专业人员可在本发明的真实精神和范围内应用更少的或额外的功能。本发明仅受所附的权利要求的限制。

Claims (10)

1.利用不可调变压器对电池组充电的电池充电器，包括：
配置为用来与不可调变压器连接的通过装置；
配置为用来与电池组连接，用来根据电池电压计算理想的电池充电电流值的充电器控制器；
与充电控制器和通过装置连接，用来根据通过装置的瞬时功率消耗将来自充电器控制器的理想电池充电电流值转换为电流控制信号的功率控制器。
2.根据权利要求1的电池充电器，其中充电控制器包括：
配置为与电池组连接，用来检测本电池电压的电池检测输入端。
3.根据权利要求1的电池充电器，其中充电控制器包括：
与通过装置连接，用来检测通过装置的瞬时功率消耗的功率检测输入端。
4.根据权利要求1的电池充电器，其中充电控制器包括：
与通过装置的门连接，用来控制通过装置上的电流的电流控制信号输出端。
5.利用不可调变压器对电池组充电的电池充电器，包括：
具有配置为用来与不可调变压器连接的输入端的通过装置；和
控制器，该控制器具有：
与通过装置的输入端相连的第一电压检测输入端；
配置为用来连接电池组的第二电压检测输入端；
配置为用来连接不可调变压器的第三电压检测输入端；和
与通过装置的门相连的电流控制信号输出端。
6.根据权利要求5的电池充电器，进一步包括：
在第一电压检测输入端和第三电压检测输入端之间连接的检测电阻。
7.根据权利要求5的电池充电器，进一步包括：
在电流控制输出端和通过装置之间连接的晶体管。
8.根据权利要求5的电池充电器，进一步包括：在通过装置和第二电压检测输入端之间相连的二极管。
9.根据权利要求5的电池充电器，其中控制器进一步包括：用来与热敏电阻相连的温度检测输入端。
10.根据权利要求5的电池充电器，其中控制器进一步包括：用来与数据存储装置相连的数据输入端。
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