CN1332900A - 给蓄电池充电的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

给蓄电池(3)充电的方法和装置,其中用可调电流源(4)的电流给所述的蓄电池(3)充电。为了调整可调电流源(4)的额定电流(IO),测定所述蓄电池(3)的至少一个工作参数、譬如因充电过程而调节的蓄电池电压,而且据此生成具有与所需额定电流(IO)相应的占空因数的脉冲控制信号(US)。分析该脉冲控制信号(US)的占空因数,并根据它来调整电流源(4)的额定电流(IO)。

Description

给蓄电池充电的方法和装置
本发明涉及一种给蓄电池充电的方法和相应的装置。
在各种蓄电池、譬如铅或锂离子蓄电池中，需要用限流的电压源对蓄电池进行充电，其中电压被调节得非常精确，而且在某些情况下还须根据蓄电池的温度对该电压进行调节，以便均衡充电过程中取决于温度的波动。所述电压源在此具有一种限流器，由它来限制电压源提供的充电电流。对此，如果是一个空的蓄电池与该电压源相连，则该限流器是尤其有用的。
给蓄电池充电的常规方法和所述限流器的作用方式如附图2所示。从图2可以看出，首先在蓄电池上施加一个小于最大允许充电电压Umax的充电电压UL。为了继续该充电过程，充电电压被提高并一直上升到所调整的调节器电压Umax。接着，来自电压源的充电电压UL利用所采用的电压调节器而被限制在所述预先调节的值Umax上。根据该充电过程而调节的内部蓄电池电压、亦即蓄电池的空载电压随着该充电过程的继续而上升。另一方面这意味着，根据此后保持恒定的充电电压UL以及假设为近似恒定的蓄电池内部电阻，蓄电池的电流消耗或充电电流IL从采用电压限制的时间点T2起连续下降。因此可以根据充电电流IL的大小来把蓄电池接通到充电状态。另一方面，必须在不超过预定的下限值方面对该充电电流进行监视，以便在该情形下立即或在某一时间后中断该充电过程，或断开所述的充电电压源。
所述的充电电压源可以实施为高准确度的限流电压源(形式为线性调节器或开关调节器)，该电压源在安放时直接靠近于所述的蓄电池，也即接近所述需充电的蓄电池，或者通过所谓的传感线与该蓄电池相连。该传感线是在那些用于对蓄电池充电的输电线的基础上额外设置的线路，它不输送电流，而只是被装设用来监视蓄电池的充电状态。但该方案有个缺点，就是必须将充电电压源安放在需充电的蓄电池附近，这便带来了位置需要和损耗热，或者通过采用传感线而提高了电路敷设的费用及线路连接的费用。
为了测量充电电流，可以用已知的方法在充电电流回路中插入一个分流电阻，并对该电阻上的压降进行测量。使用这种分流电阻又带来了如下缺点，就是在充电电流回路中会引起附加的电压降，使得充电过程变慢。此外，对分流电阻上的压降进行监视还需要一笔较大的、用于测试值测定的费用。当所述分流电阻不是插入在地线中(譬如因为通过需运行的设备而使蓄电池同大地耦合)而是必须插入在正极线路中时，尤其会出现这种情况。
另外，在上面讲述的常规方案中还会产生如下问题，即因端电压的大小不同而不能同时给不同的蓄电池类型充电(譬如NiCd/NiMH蓄电池或锂离子蓄电池)。NiCd/NiMH蓄电池通常是用恒电流进行充电的，且与充电电压无关。
给蓄电池充电的另一种可能性在于使用一种可调节的、亦即可变的电流源，其中，通过把一个脉冲信号施加到安放在输电导体中的开关、并通过改变脉冲信号的占空因数来调节输入到蓄电池中的充电电流。尤其需要对蓄电池的内部蓄电池电压进行监视，并据此来调节所述的占空因数(亦即开关的脉冲-间歇比)和由此调节充电电流。由于有变化的电流限制，所以利用该方案可以在一个和同一个设备内对不同工艺的蓄电池(譬如NiCd/NiMH蓄电池或锂离子蓄电池)进行充电。但是，在所述开关的切换时间点上会出现电流上冲，这可能导致在该切换时间点上短时间地给蓄电池施加一个过电压，而该过电压会因长期规则的脉冲工作而给蓄电池带来危害。因此对于所采用的这种电流源的电子设计，需要增加一些费用来限制所述切换时间点上的电流上冲，但这样的成本很高。
因此，本发明的任务在于提供一种给蓄电池充电的方法和相应的装置，其中可以克服上述问题，并可用极小的费用可靠地给蓄电池充电。尤其是能够给蓄电池工艺不同的蓄电池充电，而不会增加额外的电路费用。
根据本发明，上述任务由权利要求1的特征部分所述的给蓄电池充电的方法来解决，或由权利要求15的特征部分所述的给蓄电池充电的装置来解决。本发明的优选和有利的实施方案由从属权利要求给出。
类似于上述第二种已知的解决方案，本发明同样也根据工作参数、譬如需充电的蓄电池的瞬时充电状态来生成一个具有某一占空因数的脉冲控制信号。但是，与上述解决方案相反，该脉冲控制信号不是用来给充电电流提供脉冲的，而是被用于根据所述的占空因数来调整由可调、亦即可变的电流源提供的额定电流。因此在本发明的解决方案中，没有给蓄电池输入脉冲充电电流，而且在输电线上没有切换过程，这样在本发明中便避免了上述第二种方案中的问题。
此外在本发明中，电流源的电流不是通过充电电流源的模拟电压限制来调整的，而是由充电控制器借助所述脉冲控制信号的占空因数进行预定的。与上述“脉冲式的”解决方案相反，本发明中可调电流源的电流限制对应于平均的充电电流。
所述的脉冲控制信号-必要时在其根据参考电压进行转换之后-被输经一个低通滤波器或其类似物，以便获得与所需充电电流相应的模拟电压。然后，该模拟电压适合作为所述电流源的电流控制或电流调节的规定值，以便相应地调节由电流源所提供的额定电流。在此，给所述脉冲控制信号的每个占空因数单值地分配一个相应的额定电流值，也就是说，利用所述脉冲控制信号的占空因数来单值地定义所注入的电流源电流大小，并由此通知所述的充电控制器，而无须直接测量该电流。一方面，这减少了电路费用，另一方面又避免了原来需装设用于测量充电电流回路中的电流的分流电阻上的电压降(参照前文所述的第一种已知解决方案)。通过改变所述电流源的电流限制，便避免了有时在充电将近结束时在蓄电池的端子上出现不允许的、取决于蓄电池内部电阻的高电压。
本发明有个优点，就是与上述已知的解决方案相比，电流源的整体费用较低，由此所带来的成本也较低。
本发明的其它优点在于，不需要精确的电压/电流调节器，而且在设备内没有损耗功率。无需附加的硬件费用就可以给不同的蓄电池充电。此外，还可以使用可能已经存在的转换器或用于测定蓄电池电压的测量可能性。对于锂离子蓄电池，在使用不同的充电端电压时无需更多的硬件费用。
下面参考附图并借助优选实施例来详细阐述本发明。
图1示出了本发明优选实施例的简要框图，
图2示出了在蓄电池的充电期间充电电压和充电电流之间的关系图，以及
图3A～3C示出了本发明根据占空因数来调节额定电流的图示。
图1简要示出了本发明给蓄电池充电的装置的优选实施例框图。
在图1中画出了充电电流源单元1、接在该充电电流源单元1上且具有充电控制器的设备2、以及需充电的蓄电池3。
所述的充电电流源单元1包括可调、亦即可变的电流源4，由它提供确定大小的额定电流I0。该电流源4由电流控制单元5进行控制，而该控制单元在其一侧又与脉冲识别单元6相连。所述设备2包括譬如可实施为微控制器形式的充电控制单元7、模数转换器8和充电主开关9，通过该充电主开关可以启动和中断充电过程。所述的蓄电池包括蓄电池单元13、尤其实施为MTC电阻形式的与温度有关的电阻14、以及具有某个固定且是蓄电池特有的电阻值的编码电阻15。
从图1可以看出，除了两个输电的线路11、12外还装设了一个附加的信号线10，这样，充电电流源单元1便可以通过三个线路10～12同譬如为移动电话的设备2相连，并由此与蓄电池3相连。
充电过程运行如下：
在充电过程开始时，由充电控制单元7将输电导体11中安放的主开关9闭合，以便由此闭合充电电流回路。接着，由该充电控制单元7以规则的间隔测量出蓄电池13的瞬间蓄电池电压、也即因充电过程而在蓄电池3中建立起来的电压，并通过模数转换器8进行数字式求平均。图2所示的可调电流源4的电流特性曲线对该充电控制单元7来说是已知的，并由此存储在设备2中。由此，所述充电控制单元7根据所测得的蓄电池3的蓄电池电压来产生一个用于可调电流源4的控制信号，由该控制信号负责达到但不超过每次所需的充电电压。根据本发明，这是以如下方式来实现的，即由充电控制单元7生成一个脉冲控制信号，并根据充电状态、也即根据蓄电池3的蓄电池电压来调节该控制信号的占空因数、即其脉冲-间歇比。该脉冲控制信号通过图1所示的信号线10被输送到充电电流源单元1的脉冲识别单元6中。由此所接收的脉冲控制信号可以-必要时在其根据参考电压进行转换之后-输经(图中未示出的)低通滤波器，以便获得与所需的充电电流或额定电流相应的模拟控制信号。该模拟控制信号被输送到图1所示的电流控制单元5中，以作为需由电流源4提供的网络电流I0的规定值，这样，由电流控制单元5如此地控制该电流源4，使得其输出一个与所述脉冲控制信号的占空因数相应的额定电流I0。因此，通过该脉冲控制信号的占空因数来单值地定义所述电流源4的注入电流大小。
在调整该占空因数的过程中，除了所述的蓄电池电压之外，还可以同时或替换地考虑其它工作参数，譬如尤其是所述蓄电池单元13的温度。为此装设了上述与温度有关的电阻14，使得充电控制单元7可以通过监视电阻14的电阻值、并根据蓄电池单元13的温度来进行闭合，以便通过调整输至所述脉冲识别单元6的脉冲控制信号的占空因数来调节从电流源4输出的额定电流I0。此外，可以如此地构造所述的充电控制单元7，使得其优选地在充电过程开始时测定需充电的蓄电池3的类型，并且在调整所述脉冲控制信号的占空因数时相应地予以考虑。为此，在所述蓄电池3中装设一个上文同样也提到过的编码电阻15，其电阻值单值地定义了所述蓄电池3的类型。因此，通过测量该编码电阻15的电阻值，充电控制单元7可以在充电过程开始之前、亦即在闭合主开关9之前，或者在充电过程期间单值地确定出蓄电池3的类型，并在调整占空因数时加以考虑。在该情形下，所述充电控制单元7内存储有多个指定给不同蓄电池类型的最大充电电流值和/或最大充电电压值。在确定需充电的蓄电池类型之后，所述充电控制单元7读出与所述确定的蓄电池类型相应的值，并接下来调整所述脉冲控制信号的占空因数以使其与该值一致，于是在接下来的充电过程中，可以得出或调节出与各蓄电池类型相应的电流特性曲线，如图2所示的电流特性曲线。
在充电过程开始时，为了流经一个尽可能小的充电电流，由充电控制单元7调节出一个尽可能小的占空因数。接下来，经信号线10输入到脉冲识别单元6的脉冲控制信号的占空因数被调高，直到达到所述的最大充电电流或最大充电电压。然后借助该最大充电电压继续该充电过程。一旦超过所需的充电电压，便由充电控制单元7缩小所述的占空因数，由此降低充电电流或额定电流I0。相反，如果没有超过所需的充电电压，则扩大所述的占空因数，以便提高输入到蓄电池3的充电电流。所述占空因数的改变步骤可以动态地同所需充电电压和瞬态蓄电池电压之间的相应差值进行匹配。于是在所述电压差较大的情况下，可以由充电控制单元7用较大的步骤改变所述的占空因数，而在所述电压差较小的情况下，可以较细微地改变所述的占空因数。
如此来构造所述的充电控制单元7和电流控制单元5，使得脉冲控制信号的占空因数为100％时对应于可调电流源4的最大充电电流或额定电流I0。在占空因数为100％的情况下，经信号线10而输至脉冲识别单元6的脉冲控制信号连续地具有一个高电平。这如同图3A所示，其中该图表明了在该情形下脉冲识别单元6上的脉冲控制信号电平和可调电流源4所提供的额定电流I0之间的关系。从图3A可以看出，脉冲控制信号US的电平连续地处于高电平，且相应地由电流控制单元5如此地对可调电流源4进行控制，使得其输出最大的额定电流I0＝Imax。图3A所示的情形譬如出现在图2的时间点T2上。
相反，当占空因数为0％时便调节出一个最小的额定电流。在该情形下，所述的脉冲控制信号连续地具有低电平，并且由电流控制单元5如此地控制所述可调的电流源4，使得其输出最小的额定电流I0＝Imin。该情况如图3C所示，并譬如出现在图2的时间点T3上。
在图3A和图3C所示的极限情况之间，通过相应调整所述脉冲控制信号的占空因数来调节可调电流源4的额定电流I0，该电流位于所述极限值Imin和Imax之间。譬如可以根据所述脉冲控制信号的占空因数来线性地改变该额定电流I0，以便譬如在图3B所示的占空因数等于50％的情形下由电流源4提供一个平均额定电流I0。该情形譬如出现在图2的时间点T2。
但是，除了线性地改变可调电流源4的额定电流I0之外，还可以成平方地改变该额定电流。显然，充电控制单元7必须知道是根据占空因数线性地、还是成平方地来改变额定电流I0。此外，显然也可以采取图3A～3C中所示的相反极性。
如图1所示，虽然需要一个固有的信号线10来控制电流源4，但电流源的整体费用和由此带来的成本相对于迄今已知的解决方案还是较低的。
另外，如果本发明的装置需要利用不同的电流源类型、也即利用不同的电源部分或自动充电设备进行工作，那么采用图1所示的信号线10是非常有利的。这譬如可以是如下情况，即出于成本的原因，需要用适当的设备作为标准电源部分来提供功率较低的电流源，而较有效的电源部分是可以作为附件形式买到的。在迄今已知的解决方案中，需要在该情形下对相应电流源的充电电流进行昂贵的测试，以便相互区分所述的电流源。相反，在该情形下可以为此采用图1中所设的附加信号单元10，以便鉴别每次所使用的电流源。在此以如下方面为出发点，即利用各电流源的单值的输入阻抗来表明每个电流源类型的特征。因此，充电控制单元7可以在充电过程开始之前通过信号线10数字式或模拟式地测量所接入的电流源的输入阻抗，并由此根据所述电流源4的类型来进行闭合。在识别出所述电流源的类型之后，充电控制单元7可以通过考虑电流源4的规定类型来调节所述脉冲控制信号的占空因数，所述脉冲控制信号同样也经信号线10被输入到脉冲识别单元6中。

Claims (26)

1.给蓄电池充电的方法，
其中用可变电流源(4)的电流给所述的蓄电池(3)充电，而且
其中测定所述蓄电池(3)的至少一个工作参数，并据此生成具有某一占空因数的脉冲控制信号(US)，
其特征在于：
根据所述脉冲控制信号(US)的占空因数来调整由所述电流源(4)提供的额定电流(I0)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
测定因所述充电过程而调节的、作为所述蓄电池(3)工作参数的蓄电池电压，并据此来调节所述脉冲控制信号(US)的占空因数。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：
所述至少一个被测定的蓄电池(3)工作参数在其被分析之前被数字式地求平均。
4.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：
根据所述电流源固有的电流特性曲线来调整所述脉冲控制信号(US)的占空因数。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：
在所述充电过程之前测量所述电流源(4)的输入阻抗，以便测出所述电流源(4)的类型，并把与该测得的电流源类型相应的电流特性曲线作为所述充电过程的基础。
6.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：
根据所述需充电的蓄电池(3)的类型来调整所述脉冲控制信号(US)的占空因数。
7.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：
测定所述蓄电池(3)的、作为蓄电池(3)工作参数的温度，并据此来调整所述脉冲控制信号(US)的占空因数。
8.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：
以规则的间隔来测量所述蓄电池(3)的至少一个工作参数。
9.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：
随着在所述脉冲控制信号(US)的脉冲时延和间歇时延之间所定义的占空因数的增大，所述电流源(4)的额定电流(I0)也增加。
10.如权利要求2和权利要求9所述的方法，其特征在于：
如此来调整所述脉冲控制信号(US)的占空因数，使得如果所测得的蓄电池(3)的蓄电池电压小于所需的充电电压，则增大所述的占空因数，而如果所测得的蓄电池的蓄电池电压大于所需的充电电压，则减小所述的占空因数。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：
根据所述测定的蓄电池电压和所需的充电电压之间的差值来变化地改变所述的占空因数，其中随着差值的增大，便用较大的步骤改变所述的占空因数。
12.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：
在充电过程开始时把所述脉冲控制信号(US)的占空因数调节到最小值。
13.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：
给所述脉冲控制信号(US)的每个占空因数值单值地分配所述电流源(I0)的某个额定电流值。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：
根据所述测得的至少一个蓄电池(3)工作参数来如此地调整所述脉冲控制信号(US)的占空因数，使得导致成平方地改变所述电流源(4)的额定电流(I0)。
15.给蓄电池充电的装置，
具有可变的电流源(4)，用于给所述的蓄电池(3)提供充电电流，
具有测定装置(8，14，15)，用于测定所述蓄电池(3)的至少一个工作参数，以及
具有控制工具(7)，用于根据所述至少一个测定的蓄电池(3)工作参数来生成具有某一占空因数的脉冲控制信号(US)，
其特征在于：
电流源控制工具(5，6)，其被如此地用来测定所述控制工具(7)的脉冲控制信号(US)的占空因数和为所述可变的电流源(4)生成调整信号，使得根据所述脉冲控制信号(US)的占空因数来调整由所述电流源(4)提供的额定电流(I0)。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于：
由所述测定装置(8，14，15)测定因所述充电过程而调节的、作为所述蓄电池(3)的工作参数的、蓄电池(3)的蓄电池电压。
17.如权利要求15或16所述的装置，其特征在于：
在所述测定装置(14，15)和控制工具(7)之间接有模数转换器(8)。
18.如权利要求15～17之一所述的装置，其特征在于：
如此地构造所述的控制工具(7)，使得由该控制工具调整所述脉冲控制信号(US)的占空因数，以便与可变电流源(4)的固有电流特性曲线相一致。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于：
所述控制工具(7)包含一种电流特性曲线存储器，用于存储不同电流源类型的电流特性曲线，以及
如此地构造所述的控制工具(7)，使得其在充电过程之前测量所述电流源的输入阻抗，并据此根据该电流源(4)的类型来进行闭合，以便把与所测得的电流源类型相应的电流特性曲线作为接下来的充电过程的基础。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于：
所述控制工具(7)通过控制线(10)来测量所连接的电流源(4)的输入阻抗，而所述脉冲控制信号(US)也通过该同一控制线(10)而被输入到所述电流源控制工具(5，6)中。
21.如权利要求15～20之一所述的装置，其特征在于：
所述测定装置包括温度测定工具(14)，用于测定所述蓄电池(3)的、作为蓄电池(3)工作参数的温度；以及
如此地构造所述的控制工具(7)，使得其通过考虑所测得的所述蓄电池(3)的温度来调整所述脉冲控制信号(US)的占空因数。
22.如权利要求15～21之一所述的装置，其特征在于：
所述测定装置包括蓄电池类型识别工具(15)，用于识别所述需充电的蓄电池(3)的类型；以及
如此地构造所述的控制工具，使得其通过考虑所述被识别的、需充电的蓄电池(3)的类型来调整所述脉冲控制信号(US)的占空因数。
23.如权利要求15～22之一所述的装置，其特征在于：
给所述脉冲控制信号(US)的每个占空因数单值地分配一个相应的、电流源(4)的额定电流值(I0)。
24.如权利要求15～23之一所述的装置，其特征在于：
所述的控制工具(7)被安放在一个利用所述蓄电池(3)进行工作的设备(2)内。
25.如权利要求24所述的装置，其特征在于：
所述的设备(2)为移动电话。
26.如权利要求15～25之一所述的装置，其特征在于：
所述的控制工具(7)包括微控制器。
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