CN1167168C - 电池充电器、电池组件与二次电池的充电方法 - Google Patents

电池充电器、电池组件与二次电池的充电方法 Download PDF

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Abstract

为缩短充电需要的充电时间，提供一种包括给同它连接的电子装置供电或被来自其它电源的电流充电的电池单元的电池组件，与控制电池单元的充电操作的充/放电控制部分。此充/放电控制部分还包括检测交流适配器输出电压的电压检测电路，检测电池单元两端子间电压的保护电路与控制充电操作的控制电路。电池组件通过使用一个充电器进行充电，此充电器包括带有用于插入电池组件的插入槽的充电适配器与产生充电电流的交流适配器。

Description

电池充电器、电池组件与二次电池的充电方法
技术领域
本发明涉及一种用于给配有一个二次电池的电池组件充电的充电器，一种配有一个二次电池的电池组件与一种给每个配有一个二次电池的多个电池组件充电的二次电池充电方法。
背景技术
各种便携式电子装置例如移动电话与笔记本电脑能在同商业电力线断开的情况下长期使用是人们的理想。为此目的，实施了例如增大用作驱动电子装置电源的可更换电池组件的功率贮存能力与减小电子装置功率消耗的措施。
尤其是移动电话，由于经它提供的服务种类日益增多，因此随着它日益增多的各种功能与使用在日益增大的频率下，趋向于有更大的功率损耗。然而，即使在这种情况下，仍然要求它们能长期工作。
为此使用者携带替换的电池组件使能长期工作。也可使用带有多个充电槽的充电器给多个电池组件充电。
现有技术的电池组件通过例如联合恒电流充电与恒电压充电进行充电，也就是说，电池组件在恒电流下充电直至其电压达到一个预定的电压水平，继之以一个预定时间周期的恒电压充电。在恒电流充电期间充电器中流过的电流由使用的交流适配器确定。
但是，即使当充电器有两个充电槽时，在只提供一条充电电路的情况下，充满两个电池组件所需要的时间为充满一个电池组件所需要的时间的2倍。这个情况使得同使用只有单个充电槽的充电器逐个地按顺序给两个电池组件充电的情况没有区别。
为了使它能同时给两个电池组件充电同时缩短充电时间，可提供两条充电电路，但这样做将使充电器较昂贵并增大它的尺寸，因此在制造一个小型充电器的角度看来产生了问题。
发明内容
鉴于现有技术的上述问题提出了本发明，因而本发明的一个目的是提供一种当给多个电池组件充电时能缩短充电时间并能制成尺寸较小的充电器，一种用于此充电器的电池组件与一种当给多个电池组件充电时能缩短充电时间并缩小充电器尺寸的二次电池充电方法。
为达到上述目的，本发明提供一种充电器，包括：
多个电池插入部分，其中可插入多个具有控制二次电池充电的充电控制功能的电池组件与/或一个装有所述电池组件的电子装置；与
交流适配器，用于产生充电电流并将所述充电电流并联供给插入所述电池插入部分的所述电池组件与/或所述电子装置，其中所述交流适配器电连接到并联充电端子，以及
其中所述充电控制功能是当电源的输出电压超过某一预定的门限时开始充电操作的功能。
为达到上述目的，本发明还提供一种电池组件，包括：
在其中充电与放电的二次电池；与
检测充电电源输出电压以控制充电的开始与停止的充电控制部分，当所述输出电压超过某一预定的门限时所述充电控制部分开始充电操作，其中
所述电池组件与其它电池组件并联连接到所述充电电源，所述充电控制部分检测输出电压中由于给所述其它电池组件充电而引起的变化以控制充电的开始与停止。
上述电池组件同其它电池组件并联连接到充电电源，而充电控制部分检测充电电源输出电压中由于其它电池组件充电引起的变化以控制充电操作的开始与停止。
为达到上述目的，本发明还提供一种用于二次电池充电的方法，其中给多个电池组件充电，每个电池组件包含所述二次电池，所述方法包括：
从充电电源并联供给充电电流至所述多个电池组件的电流供给步骤；与
用于检测所述充电电源的输出电压中由于给所述多个电池组件之中的至少一个电池组件充电而引起的变化以控制其它电池组件充电的开始与停止的充电控制步骤，
其中在所述充电控制步骤中当所述输出电压超过某一预定的门限时开始充电操作，
其中在所述充电控制步骤中根据所述多个电池组件的电压电平在恒电流充电与恒电压充电之间切换充电操作方式，
其中所述多个电池组件在所述恒电流充电操作时逐个充电，而所述多个电池组件在所述恒电压充电操作时同时充电。
此外，当所有多个电池组件的电压水平达到某一预定的电压水平时开始所有电池组件的恒电压充电操作。
根据上述二次电池充电方法，在充电控制步骤中，检测充电电源输出电压中由于多个电池组件之中的至少一个电池组件的充电而引起的变化以控制其它电池组件充电的开始与停止。
结果，本发明的充电器由于有较简单的结构使不但能制造尺寸较小的充电器，而且还能降低制造成本。此充电器还能以一个恒定电压同时给多个电池组件充电，因而当未安装附加充电电路而给多个电池组件充电时能缩短充电时间。
因此本发明的二次电池充电方法由于有较简单的结构使不但能制造尺寸较小的充电器，而且还能降低制造成本。二次电池充电方法还能同时以恒定电压给多个电池组件充电，因此当充电器未安装附加充电电路而给多个电池组件充电时能缩短充电时间。
附图说明
下面简介本说明书的几个附图。
图1表示一个根据本发明的电池组件与用于给电池组件充电的充电器组成的例子；
图2是一个表示根据本发明的电池组件组成的一个例子的框图；
图3是一个表示根据本发明的充电器组成的一个例子的框图；
图4表示在使用本发明的充电器充电期间跨接电池组件两端子的电压与交流适配器的输出电压随时间的变化；和
图5是一个当使用本发明的充电器给一个电池组件充电时充电操作的框图说明。
具体实施方式
作为本发明的一个实施例的上述二次电池充电方法是一个通过使用一个包括其中插入多个电池组件与装有电池组件的电子装置的电池插入部分(槽)以执行充电操作的充电器与一个提供充电电流的电源给一个包括一个二次电池与一个充电控制部分的电池组件充电的方法。
电源电压由充电控制部分的一个电压检测电路检测，当电源电压达到某一预定的门限时，开始充电从而控制电池组件的充电操作。这使能缩短在多个电池组件充电时花费的时间。此外，通过使用上述二次电池充电方法，充电器可制成较小的尺寸。
图1表示一个使用此充电器与电池组件进行充电的例子，作为本发明的一个实施例。在本发明的此实施例中，将描述这样一种情况：使用包括安装在其上的二次电池的电池组件的电子装置是一部移动电话。
图1表示给包括二次电池的电池组件1与带有安装在其上的电池组件的移动电话10充电的情况，通过使用带有一个将在后面描述的带有用于插入待充电的电池组件的插入槽的充电适配器30的充电器20，与一个同交流100V电插座50连接从而把商用交流电转换为直流电以提供充电电压的交流适配器40。
电池组件1带有一个向同它连接的电子装置供给电流或由另一电源供给电流而被充电的可充电电池单元60，与一个控制电池单元60充电与放电的充/放电控制部分70。
充/放电控制部分70有一个用于检测至少交流适配器40的输出电压的电压检测电路71，一个用于检测跨接电池单元60两端子间电压的保护电路72，与一个用于控制充电操作的控制电路73。
电压检测电路71检测交流适配器40的充电电压以控制将在后面描述的晶体管TR78的导通/关断操作。在如本发明的实施例所示的电池组件1的电压检测电路71中，开始充电的门限设定至例如4.4V。当交流适配器40的输出电压超过4.4V时电压检测电路71具有使充电操作开始的检测电压。
保护电路72检测电池单元60两端子间电压并向控制电路73发出一个指示检测电压的信号。当电池单元60两端子问电压达到例如4.3V时，保护电路72即发出通知。
控制电路73执行对电池单元60充电操作的控制。具体地，控制电路73执行例如切换预充电、恒电流充电、恒电压充电等之间的充电状态，接通发光二极管(LED)80、81等等控制操作。
现在将在下面描述电池组件1的上述以外的组成。
电流检测电阻器R74与R75是用于检测与控制充电电流的电阻器。例如，电流检测电阻器R74的阻值为
Figure C0110325700081
而电流检测电阻器R75的阻值为
Figure C0110325700082
电流检测电阻器R74与R75由将在后面描述的受控制电路73控制的晶体管TR76与TR77的开关操作束切换。由此控制充电电流的量。
晶体管TR76、TR77与TR78是开关半导体器件。通过控制电路73控制晶体管TR76与TR77导通或关断，从而选择检测与控制充电电流的电流检测电阻器R74、R75并切换电路。根据电压检测电路71检测的交流适配器40的输出电压控制晶体管TR78导通或关断。
通过晶体管TR78的开关操作控制控制电路73的接通或关断，而晶体管TR78由电压检测电路71控制。电容器79是振荡电路的外部电容器件，此振荡电路输出预定频率的脉冲从而设定开始充电与充电准备之间的定时。当交流适配器40的输出电压超过电压检测电路71的检测电压4.4V时，上述振荡电路开始振荡。电容器还起用于计数将在后面描述的预充电的时间与检测到满充电后继续恒电压充电的时间的充电定时器的作用。
LED80是一个发射绿光的发光二极管，而LED81是一个发射红光的发光二极管。由控制电路73根据电池组件1的充电状态控制使LED80与LED81发光或熄灭。
放电控制晶体管TR82是一个场效应晶体管(FET)，当将在后面描述的放电端子92与GND(接地)端子91短路时，或电池单元60过度放电直到此两个端子间电压降到低于某一预定的电压水平时，它使放电停止。该预定电压水平例如为2.5V。
充电控制晶体管TR83也是一个FET，当上述两个端子间电压超过了某一预定的电压水平而电池单元60仍充电时，它使充电停止。此预定电压水平为4.3V。
电池组件1除了上述部件之外，还配有一个用于充电的充电端子90、一个GND端子91与一个用于放电的放电端子92。GND91为充电与放电公用。
充电端子90与GND91连接到图上未表示的连接端子，它们被提供在充电适配器30的装置插入槽31内与电池组件插入槽32内的规定位置处，由此把由交流适配器40提供的二次电流引入电池组件1。放电端子92与GND91连接到未表示的连接端子，它们被提供在移动电话10的规定位置处，由此向移动电话10供给电源。
从另一方面来说，充电器20由带有用于其中插入电池组件1与移动电话10的插入槽的充电适配器30，与连接到100V交流电插座50以产生充电电流的交流适配器40组成。
充电适配器30带有使能给装在移动电话10上的电池组件1充电的装置插入槽31，与能给从移动电话10上取下的电池组件1单独充电的电池组件插入槽32。充电适配器30与交流适配器40通过连接器41可分离地连接。
交流适配器40把100V交流商业电源转换为直流电并产生充电电流以并联供给装置插入槽31与电池组件插入槽32。
虽然在图中未表示，装置插入槽31与电池组件插入槽32的电源端子提供在当移动电话10或电池组件1插入槽内时将同充电端子90与GND91啮合的这些位置处。
充电器20具有如此简单的结构使来自交流适配器40的充电电流并联接至各插入槽内的充电端子。
下面将参考图4说明上面已详述的通过充电器20给一个电池组件1充电的操作过程。作为本发明实施例的所述充电器20根据电池组件1两端子间的电压执行预充电、恒电流充电与恒电压充电操作。
首先，当把未加载与未经充电的电池组件1插入槽内时，保护电路72检测电池单元两端子间的电压。当此电压低于2.0V时，控制电路73开始预充电并使指示电池正在充电的红色LED81发光。
预充电继续至电池组件1两端子间电压超过2.0V，或延续一定时间周期例如30分钟。当此电池组件1两端子间电压超过2.0V时，预充电完成，继之以下一阶段的恒电流充电。但是，在该电压在30分钟内未超过2.0V的情况下，控制电路73停止充电，并例如引起红色LED 81闪烁以指示电池组件1有故障。在预充电时，只有晶体管TR76导通而限制电流使电流检测电阻器R74两端的电压为23.5mV。
当未加载与未经充电的电池组件1两端子间电压为2.0V或更高但低于4.10V时，控制电路73开始恒电流充电并使红色LED81发光。
当控制电路73开始恒电流充电时并且在未加载与未经充电的电池组件1两端子间电压为4.10V或更高的情况下，电池组件1已几乎充满电。这时控制电路73使指示充电准备状态的绿色LED80发光。
电池组件1两端子间电压随着恒电流充电过程而升高。恒电流充电期间的电流由交流适配器40的容量确定。晶体管TR76侧的低功率路径能承载的电流最高达132mA，而晶体管TR77侧的高功率路径能承载的电流最高达650mA。因此，当晶体管TR76侧的低功率路径与晶体管TR77侧的高功率路径联合时能承载电流最高达781mA。
当输入电流超过781mA时，控制电路73检测此过电流而停止充电。在恒电流充电时，当低功率路径中跨接的电流检测电阻器R74的电压达到62.0mV时，限制电流。当高功率路径中跨接的电流检测电阻器R75的电压达到97.5mV时，控制电路73同样限制电流并停止充电。
恒电流充电继续至电池组件1两端子间电压最高达到4.30V。当保护电路72检测到电池单元60两端子间电压超过4.30V时，控制电路73使从恒电流充电切换至恒电压充电。此后执行恒电压充电同时使充电电压降低0.1V而为4.20V。
图4中的VTh表示电压检测电路71的阻滞电压。在后面将描述的给多个电池组件充电期间，当交流适配器40的输出电压达到此电压水平时，电压检测电路71切换使开始充电。
在恒电压充电时，电池单元60两端子间的电压保持恒定在4.20V，而充电电流随时间逐渐减小。在恒电压充电时，高功率路径中的晶体管TR77被控制在基本关断状态使电流几乎不流过。结果，虽然低功率路径中的晶体管TR76中流过恒定的132mA充电电流，但由于还向高功率路径供给少量电流，因此电流逐渐减小。
当充电电流逐渐减小至某一预定值时，控制电路73设定一个满充电检测定时器使开始定时器的计时。当经过预定的时间周期结束时，控制电路73使指示充电完成的绿色LED80发光。当经过另一个预定的时间周期时，充电操作结束。在本发明的实施例中，上述预定电流为110mA。
在预充电与恒电压充电阶段中，也可执行脉冲充电，以便当控制电路73的VCC电压为5.05V或更高时减少来自晶体管TR76与TR77的发热。在充电完成后，在电池组件1两端子间电压降至低于4.20V时，也可重新开始充电。
现在将在下面参考图5描述使用上述的给电池组件1充电的充电器20给多个电池组件充电的操作过程。在图5中，为便于叙述，将把装在移动电话10中充电的电池组件称为电池组件1a，而把单独充电的电池组件称为电池组件1。尽管电池组件都有相同的组成，将用参考号后加字母“a”表示电池组件1a的各部件。
下面的叙述讨论这样一个操作过程：先把装在移动电话10中的电池组件1a插入装置插入槽31，然后把电池组件1插入电池组件插入槽32，并按此顺序进行充电。装在移动电话10中的电池组件1a与单独的电池组件1是相同的，且在装在移动电话10中的电池组件的充电情况与单独电池组件的充电情况之间，或由于槽的不同，在充电操作与充电性能方面二者没有区别。因而，忽略在装置插入槽31与电池组件插入槽32之间的差别与充电顺序上的差别。
当把装在移动电话10上的电池组件1a插入装置插入槽31时，保护电路72a检测电池单元60a两端子间的电压。在两端子间电压为2.0V或更高的情况下，开始恒电流充电。当此电压低于2.0V时，控制电路73a执行预充电直至两端子间电压变为2.0V或更高，然后开始恒电流充电。当开始恒电流充电时，交流适配器40的电压降低。
这时如果把电池组件1插入电池组件插入槽32，电池组件1的电压检测电路71检测交流适配器40的输出电压。当此输出电压低于能开始充电操作的4.4V时，电压检测电路71导致充电准备状态。
在装置插入槽31内，电池组件1a仍以恒电流充电。随着充电继续，电池单元60a两端子间的电压恢复且交流适配器40的输出电压相应地逐渐恢复。
当交流适配器40的输出电压超过4.4V(此为能开始充电操作的电压)时，电池组件1的电压检测电路71消除对控制电路73中振荡器振荡的阻滞作用。这使电池组件1的恒电流充电开始。随着恒电流充电的开始，交流适配器40的输出电压再次降低。
当检测到交流适配器40的输出电压已降至低于4.2V(此为导致充电准备状态的电压)时，上述振荡器的振荡停止。在电池单元60a两端子间电压高于交流适配器40的电源电压的情况下，以恒定的小电流连续给电池组件1a充电。
当电池组件1已开始恒电流充电且交流适配器40的电压降至低于电池单元60a两端子间电压时，电池组件1a切换至充电准备状态使反向电流不从电池单元60a流入交流适配器40。
随着电池组件1继续充电，交流适配器40的输出电压恢复，且当此输出电压变得高于电池单元60a两端子间电压时，电池组件1a的恒电流充电恢复。这时，因为电池组件1的恒电流充电仍在电池组件插入槽32内进行，所以来自交流适配器40的充电电流由于在两个充电操作中的消耗而稍微减小。
当两个保护电路72检测到各自的电池单元60两端子间电压已达到4.3V时，各自的控制电路73停止恒电流充电而开始恒电压充电。
当充电电流逐渐减至110mA时，控制电路73设定满充电检测定时器。控制电路73设定定时器，且当经过预定的时间周期时，使绿色LED发光。当经过另一个预定的时间周期时，充电操作结束。
如上所述，通过提供通电控制部分70，使电池组件1能根据由电压检测电路71检测的交流适配器40的电压控制充电操作的接通与关断。
同时由于上述充电器20不需要有充电电路，因此可简化充电器20的结构。由于电池组件1有充电控制部分70，因此只要求充电器20有多个槽使能给多个电池组件充电而不用修改充电器的结构例如提供附加的充电电路。
通过使用电池组件1与充电器20，使同时给多个电池组件恒电压充电所花费的时间等于给一个电池组件恒电压充电所要求的时间。因此，根据使用上述的电池组件1与充电器20的二次电池充电方法，与使用现有技术充电器的情况相比在此处理中需要的时间可缩短。
上面所述假定电池组件1是锂离子二次电池，尽管对电池组件的类型没有限制只要是可再充电的二次电池即可。对构成电池单元60的电极与电解质的有效材料的类型、电池单元60的结构等等也没有限制。
对供给充电电流的充电端子90与GND91和连接移动电话10的充电端子92与GND91的形式与结构也没有限制。例如，无触点功率传输装置与类似装置可用于充电端子90与GND91。
当电池组件1装在移动电话10上被充电时，在移动电话10通电时充电器20也能充电。
把电池组件1装在其内并同它一起使用的电子装置不限于移动电话10而可以是其它电子装置。
虽然充电器20通过使用交流适配器40接收来自商业电源交流电的充电电流，供给交流电流的电源也可以是另一电池或不同的电源装置。例如，可使用汽车蓄电池作为充电电源。

Claims (5)

1.一种充电器，包括：
多个电池插入部分，其中可插入多个具有控制二次电池充电的充电控制功能的电池组件与/或一个装有所述电池组件的电子装置；与
交流适配器(40)，用于产生充电电流并将所述充电电流并联供给插入所述电池插入部分的所述电池组件与/或所述电子装置，其中所述交流适配器(40)电连接到并联充电端子，以及
其中所述充电控制功能是当电源的输出电压超过某一预定的门限时开始充电操作的功能。
2.一种电池组件，包括：
在其中充电与放电的二次电池；与
检测充电电源输出电压以控制充电的开始与停止的充电控制部分，当所述输出电压超过某一预定的门限时所述充电控制部分开始充电操作，其中
所述电池组件与其它电池组件并联连接到所述充电电源，所述充电控制部分检测输出电压中由于给所述其它电池组件充电而引起的变化以控制充电的开始与停止。
3.根据权利要求2的电池组件，其中所述二次电池是锂离子二次电池。
4.一种用于二次电池充电的方法，其中给多个电池组件充电，每个电池组件包含所述二次电池，所述方法包括：
从充电电源并联供给充电电流至所述多个电池组件的电流供给步骤；与
用于检测所述充电电源的输出电压中由于给所述多个电池组件之中的至少一个电池组件充电而引起的变化以控制其它电池组件充电的开始与停止的充电控制步骤，
其中在所述充电控制步骤中当所述输出电压超过某一预定的门限时开始充电操作，
其中在所述充电控制步骤中根据所述多个电池组件的电压电平在恒电流充电与恒电压充电之间切换充电操作方式，
其中所述多个电池组件在所述恒电流充电操作时逐个充电，而所述多个电池组件在所述恒电压充电操作时同时充电。
5.根据权利要求4的二次电池充电方法，其中当所有的所述多个电池组件的电压电平达到某一预定的电压电平时开始所有电池组件的恒电压充电操作。
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