CN1767312A

CN1767312A - 电池充电设备

Info

Publication number: CN1767312A
Application number: CNA2005101167722A
Authority: CN
Inventors: 船桥一彦; 高野信宏; 石丸健朗; 荒馆卓央
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2006-05-03
Anticipated expiration: 2025-10-28
Also published as: EP1653584A3; JP2006129619A; CN100578886C; US20060108986A1; US7592780B2; EP1653584A2

Abstract

一种电池充电设备包括：用于将电流提供给电池组的开关电源、用于检测开关电源的输入电压的输入电压检测单元、检测电池的充电电流并根据充电电流设定值控制充电电流的充电电流控制单元、以及基于输入电压检测单元的检测信号检测提供给将被充电的电池的电流是否小于预定值并且根据输入电压控制充电电流设定值的微型计算机。当基于检测信号判定该输入电压小于预定值时，微型计算机将充电电流的设定值设定为小于预定值的一个值。

Description

电池充电设备

技术领域

本发明涉及一种对诸如镍镉电池(Ni-Cd电池)、镍氢电池等的蓄电池进行充电的电池充电设备，更具体地讲，涉及一种能够在施加于电池充电设备的输入电压剧变的功率条件下使用的电池充电设备。

背景技术

诸如镍镉电池或镍氢电池等之类的高容量蓄电池被广泛地用作诸如电动工具之类的便携装置的电源。同时，随着蓄电池容量增加，已经开发了具有大输出和高容量的在短时间内对电池充电的充电装置。

已经开发了下述的充电装置。当由充电装置执行充电时，充电装置检测诸如充电期间的电池电压、电池温度、和充电电流之类的各种电池信息，以防止由于用大电流充电而降低电池寿命，其后基于检测到的电池信息执行最佳充电控制。例如，在美国专利第5973480号中公开了检测充电期间的电池电压来控制充电电流的充电装置。

发明内容

然而，在使用用于电动工具(无电连线的工具)的电池充电器的地方，并不必很好地调整电力条件。当在工作区域附近没有合适的商业电源时，通过来自于距工作区域很远的电缆盘组件(电源线)提供商业电源，其后，能够使用电池充电器和商业电源的另一电动工具(具有电连线的工具)连接到电缆盘组件的一个插头以便工作。

在此情况下，通过电缆盘组件的长电源线为电池充电器供电，以便为电池充电，并且通过该长电源线将功率提供给另一电动工具。供给电池充电器的电源电压由于电源线的电阻而明显下降。即使当电源线的电阻值例如是大约1Ω时，如果另一电动工具的负载电流变为大电流例如20A，那么电压降低也是很大的，并且电池充电器的输入电压也会显著降低。例如，如图4所示，如果同时使用借助商业电源工作的多个电动工具，则供给电池充电器的电源的电压的下降将达将到不可忽视的程度。即使输入电压下降，由用于电池充电器的开关电路构成的电源电路也工作从而获得预定充电电流(与输出电流相应，即在下降之前的输入电压)。例如，作为开关元件的诸如FET之类的功率元件过度发出热量，从而存在在最糟情况中的烧坏电源电路的问题。

因此，本发明的一个目的是提供一种能够在施加于充电装置的输入电压剧烈变化的功率条件下使用的充电装置。

通过对以下说明书和附图的描述，本发明的上述目的和新特征将变得清楚。

根据本发明的一个方案，一种电池充电设备包括：输入电源；供电单元，用于将充电电流提供给与输入电源相连的电池组；输入电压检测单元，用于检测输入电源的电压变化；充电电流控制单元，与供电单元电连接，并根据设定值控制提供给电池组的充电电流；以及设定值控制单元，用于控制将被施加于充电电流控制单元的设定值。在此情况下，基于输入电压检测单元检测到的输入电压的下降，设定值控制单元通过改变充电电流控制单元的设定值来降低提供给电池组的充电电流。因此，根据输入电源的电压变化，将充电电流控制在允许的输入电功率范围内，从而提供给电池组的电流小于预定值。

根据本发明的另一个方案，供电单元由开关电源电路构成。开关电源电路包括：变压器，具有初级线圈和次级线圈；开关元件，与初级线圈串联连接；驱动信号控制单元，用于将脉冲驱动信号提供给开关元件的控制电极；以及整流器平滑电路，其与次级线圈相连接并且将充电电流提供给电池组。基于输入电压检测单元检测到的输入电压的下降，充电电流控制单元通过控制驱动信号控制单元的脉冲驱动信号的脉冲宽度来控制整流器平滑电路的输出，并且降低充电电流。

根据本发明的又一个方案，控制施加于充电电流控制单元的充电电流的设定值的设定值控制单元由微型计算机构成。当基于输入电压检测单元的检测信号判断出输入电压低于预定值时，微型计算机将充电电流设定值设定为小于预定值。

根据本发明的又一个方案，构成设定值控制单元的微型计算机存储充电装置输入电源的电压和能够由供电单元提供给电池的电流之间的关系，其后基于存储的输入电压和低功率之间的关系来确定设定值。

根据本发明的又一个方案，供电单元的输入功率由来自交流电源通过整流器电路而被整流的功率构成，并且输入电压检测单元检测整流器电路的整流电压。

根据本发明的上述方案，当充电装置的输入电压降低时，充电电流降低并且执行充电，从而在允许的输入电功率范围内将电功率提供给将被充电的电池。因此，可在输入电压降低的功率条件下为蓄电池充电。

根据本发明的上述方案，由于不需要特定的升压器并且根据充电装置的输入功率设定充电电流，所以充电装置可由具有高精确度的充电控制单元和具有高效率的电源电路构成。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的充电装置的电路框图。

图2是根据本发明实施例的充电装置的操作流程图。

图3是示出根据本发明实施例的充电装置的输入和输出特性的曲线图。

图4是示出根据现有技术的充电装置中由于输入电压降低引起输出电压降低的曲线图。

具体实施方式

下面，将参照图1至3详细描述本发明的实施例。

图1是根据本发明实施例的电池充电设备的电路图。在图1中，将由充电装置充电的电池组2由多个串联可充电蓄电池单元2A和诸如热敏电阻的热敏元件2B构成，将该热敏元件2B布置在与蓄电池单元2A接触的位置或与电池单元2A靠近的位置。例如，电池组2由8个彼此串联并且每一个均具有大约1.2V电压的镍镉电池单元2A构成，以获得大约9.6V的电压。

为电池组2提供电功率(充电电压和充电电流)的供电单元包括第一整流器平滑电路10、开关电路20、和第二整流器平滑电路30。

第一整流器平滑电路10由全波整流器电路11和平滑电容器12构成。开关电路20由高频变压器(降压器)21、与变压器21的初级线圈串联连接的MOSFET(开关元件)22、用于调制施加于MOSFET22的栅极的驱动脉冲信号的脉冲宽度的PWM控制IC(驱动信号控制单元)23。基于充电电流信号发送单元5输入的控制输入信号，通过改变提供给MOSFET 22的栅极的驱动脉冲宽度，PWM控制IC 23控制MOSFET 22处于接通状态的时间，以调节第二整流器平滑电路30的输出电压和电池组2的充电电流。第二整流器平滑电路30由二极管31和32构成，二极管31和32与变压器21的次级线圈侧、扼流线圈33、和平滑电容器34相连。将功率通过电源开关59从商业交流电源1提供给第一整流器平滑电路10。

充电电流控制单元60与供电单元电连接，该电压提供单元包括第一整流器平滑电路10、开关电路20、和第二整流器平滑电路30。充电控制单元60包括由运算放大器61和62、输入电阻器63和65、以及反馈电阻器64和65构成的计算放大电路。

充电电流控制单元60的输入侧与用于检测电池组2的充电电流的电流检测单元3相连接。另外，充电电流控制单元60的输出侧通过充电电流信号发送单元5与上述PWM控制IC 23电连接。而且，充电电流设定单元80与运算放大器62的反相输入端相连接。充电电流设定单元80响应于从下述的微型计算机(设定值控制单元)50的输出端口56a输出的控制信号设定充电电流强度。即，施加于运算放大器62的反相输入端的电压值根据从输出端口56a输出的控制信号改变。在这种结构中，充电电流控制单元60根据充电电流设定单元80的设定值控制充电电流，所述充电电流被提供给电池组2。

充电电流设定单元80的充电电流设定值由设定值控制单元控制，该设定值控制单元由微型计算机50构成。微型计算机50由以下每一功能块构成，所述功能块包括：用于执行控制程序的CPU(中央处理单元)51、用于存储CPU 51的控制程序的ROM(只读存储器)52、将被用作数据的临时存储区域的RAM(随机存取存储器)53、定时器54、将用于下述电池组2的电池电压检测信号和温度检测信号的转换模拟信号转换为数字信号的A/D转换器55、控制信号被输出到的输出端口56a、下述输入电源的检测信号被输入到其的输入端口56b、以及在通电状态下复位信号被输入到其的复位输入端口57。所述功能块通过内部总线58互相连接。例如，CPU 51根据存储在RAM 53中的最新电池温度和存储在RAM 53中的关于每一采样时间的采样电池温度来计算电池温度相对于时间的斜率。

由分压电阻器41和42构成的电池电压检测单元40检测电池组2的电压，其后将该电压输出到微型计算机50的A/D转换器。

通过将安装在电池组2中的热敏元件2B与由串联到5V的恒压电源上的电阻器91和92构成的电池温度检测单元90相连接，根据温度变化检测电池组2的温度作为分压。其后，将检测到的电压输入到微型计算机50的A/D转换器55。

输入电压检测单元100检测为开关电路20提供输入电源(电源)的电压变化。输入电压检测单元100由对第一整流器平滑电路10的输出电压进行分压的分压电阻器101和102、电容器103、和输入电压下降检测电路104构成。添加电容器103，以便不检测过渡的电压的下降，该过渡的电压的下降是在比预定时间周期短的时间段内由于噪音所引起的。输入电压传送单元6将输入电压检测单元100检测到的输入电压的下降信号输入到微型计算机50的输入端口56b。

根据微型计算机50的控制程序，从输出端口56b通过充电控制信号发送单元4，把指示电池组2的充电开始和停止的信号提供到PWM控制IC 23的控制输入端口。开关电路20根据充电控制信号发送单元4的控制信号控制充电的开始和停止。

微型计算机50、充电电流控制单元60、和电池温度检测单元90的功率或偏压功率由恒压电源70提供，恒压电源70构成了商业交流电源1的电压电源。恒压电源70由电源变压器71、全波整流器电路72、三端调节器(IC)73、平滑电容器74和75、复位IC 76构成。

恒压电源70的复位IC 76将复位信号输出到复位输入端口57，以便在通电的状态下将微型计算机50初始化。

接下来，将参照图2来描述根据图1中示出的本发明实施例的电池充电电路的操作。

如果电源开关59提供电压，则针对处于备用状态的电池组2而开始充电程序。如果操作进行到步骤101，则微型计算机50判断电池组2是否连接到充电装置。如果电池组2连接到充电装置，则微型计算机50通过从电池电压检测单元40获得的信号来判断电池组2的连接。其后，如果确认电池组2的连接，则操作前进到下一步骤102。

在步骤102，由于开始以初始充电电流IO对电池组2充电，所以微型计算机50通过输出端口56a输出控制信号，以将通过充电电流设定单元80设定初始充电电流IO所需的初始充电电流设定基准电压VIO加到运算放大器62的反相输入端。

接下来，在步骤103，允许用从微型计算机50的输出端口56a输出的初始充电电流IO对电池组2充电的充电开始信号被输出，其后通过充电控制信号发送单元4输入到PWM控制IC 23。因此，PWM控制IC 23处于工作状态，以便开始用初始充电电流IO对电池组2进行充电。

在此情况下，充电电流设定单元80把与初始充电电流IO相对应的初始充电电流设定基准电压VIO作为“基准电压”而加到运算放大器62，并且充电电流控制单元60根据提供给运算放大器62的初始充电电流设定基准电压VIO将电池组2的充电电流控制为初始充电电流IO。

这里，即使输入电压检测单元100检测到的输入电源的电压下降，从充电电流设定单元80施加的初始充电电流设定基准电压VIO也被设定为提供充足的充电电流所需的值。

另外，在充电开始时，电流检测单元3检测到流入电池组2的充电电流，并且充电电流控制单元60放大与充电电流相应的检测电压和初始充电电流设定基准电压VIO之间的差信号。之后，通过充电电流信号发送单元5将差信号反馈给PWM控制IC 23。因此，根据差信号的幅度调制PWM控制IC 23产生的驱动脉冲信号的脉冲宽度。结果，如果电池组2的充电电流较大，则开关元件22将具有窄脉冲宽度的脉冲电压(或电流)提供给高频变压器21。相反，如果电池组2的充电电流较小，则开关元件22将具有宽脉冲宽度的脉冲电压(或电流)提供给高频变压器21。其后，第二整流器平滑电路30对脉冲电压进行平滑处理以保持电池组2的充电电流恒定。即，电流检测单元3、充电电流控制单元60、充电电流信号发送单元5、开关电路20、和第二整流器平滑电路30构成了充电电流控制电路，以将充电电流控制为初始充电电流IO。

在开始对电池组充电之后，如果操作进行到步骤104，则微型计算机50启动采样定时器以在预定时间获得数据。该数据包括输入电压检测单元100检测到的输入电压、电池电压检测单元40检测到的充电期间的电池电压、和电池温度检测单元90检测到的电池温度。

在步骤105，在输入端口56b读取与输入电压传送单元6相连接的输入电压检测单元100的输出。

接下来，如果操作进行到步骤106，则判断供电单元的开关电路20的输入电压(第一整流器平滑电路10的输出电压)是否下降。如果判断结果被判定为“否”，即，输入电压没有下降，则操作进行到步骤107。

在步骤107，由于输入电压没有下降，所以微型计算机50将通过充电电流设定单元80由输出端口56a施加于运算放大器62的充电电流设定基准电压值设定为预定值VI10(以下，称作“预定基准电压值”)，并且使充电电流控制单元60工作，以便预定充电电流I10(以下，称作“预定充电电流值”)流到电池组2。将充电电流设定单元80新设定的预定基准电压值VI10直接与关于电流检测单元3检测到的充电电流的电压相比较，其后充电电流控制单元60通过充电电流信号发送单元5将预定基准电压值VI10和关于充电电流的电压之间的差反馈给PWM控制IC 23，从而将流到电池组2的充电电流控制为预定充电电流值I10。

另外，如果步骤106的判断结果被判定为“是”，即，输入电压检测单元100检测到输入电压下降，则操作进行到步骤108。

在步骤108，通过电池电压检测单元40的输出在微型计算机50的A/D转换器55得到电池组2的电池电压。

接下来，在步骤109，根据输入电压的下降来判断预定充电电流值I10是否流入电池组2。如果判断结果被判定为“是”，即，预定充电电流值IO可以流入电池组，则操作进行到步骤107，其后，微型计算机50将输出端口56a通过充电电流设定单元80施加于运算放大器62的充电电流设定基准电压值设定为预定基准电压值VI10。基于将充电电流设定基准电压值设定为预定基准电压值VI10，通过充电电流控制单元60的反馈操作将电池组2的充电电流设定为预定充电电流值I10。

在步骤109，如果判断结果被判定为“否”，即，不能用预定充电电流I10对电池组充电，则操作进行到步骤110。

在步骤110，微型计算机50将输出端口56a通过充电电流设定单元80施加于运算放大器62的充电电流设定基准电压值设定为低于预定基准电压值VI10的基准电压值VI08。充电电流控制单元60通过将充电电流设定基准电压值设定为低的基准电压值来将电池组2的充电电流设定为低于预定充电电流值I10的充电电流I08。即，运算放大器62将由充电电流设定单元80新设定的充电电流设定基准电流值I08与电流检测单元3检测到的充电电流相比较，其后，充电电流控制单元60通过充电电流信号发送单元5将充电电流设定基准电压值VI08和关于充电电流的电压之间的差反馈给PWM控制IC 23，从而用低于预定充电电流I10的充电电流I08来对电池组2进行充电。

这里，预定充电电流值I10根据电池组2的类型而改变，并且被选择为适于电池组的特性的充电电流值。根据本发明的实施例，更清楚地讲，当充电装置的输入电功率(第一整流器平滑电路10的输出电压)由于商业交流电源1的电压改变而下降时，降低充电电流的电池组2的充电过程在输入电功率允许的输出电功率范围内继续进行，而不会使充电装置的输出停止(第二整流器平滑电路30)。

可通过充电装置的输入和输出特性来设定适于充电的对低于预定充电电流值I10的充电电流I08的设定。例如，设想设定具有图3所示的输入和输出特性的充电装置的充电电流。在预定充电电流值I10是10A并且对具有大约10V的电池电压的电池组2充电的情况下，如果开关电路20的输入电压是100V，则输出电功率是100W。当输入电压下降到80V时，输出电功率是80W。由此，当输入电压为100V时，可将充电电流设定为预定充电电流值(I10)10A(＝100W/10V)。同时，如果输入电压下降到80V，则允许的电功率为80W。因此，可讲充电电流设定为8A(＝80W/10V)，其为低于10A的预定充电电流值I10的值(I08)。

如果由同一充电装置充电的电池的电池电压是8V，则在对具有10A的预定充电电流值I10的另一电池组充电的情况下，即使输入电压下降到80V，也可用10A(80W/8V＝10A)来对电池组充电。因此，不必将充电电流重置低电流值(I08)。就是说，即使输入电压下降，也可用预定充电电流值I10对电池连续充电。因此，响应于充电装置的输入和输出特性，可通过预先把在输入电压下降时有限的充电电流存储在微型计算机50的ROM 52中，根据输入电压的下降来设定充电电流。

在步骤111，在步骤104中启动的采样定时器判断是否经过预定时间。如果判断结果被判定为“是”，即，定时器判定经过了预定时间，则采样定时器在步骤112重新启动。

接下来，在步骤113，A/D转换器55将电池温度检测单元90的分压电阻器92的电压分压进行A/D转换，从而微型计算机50得到电池温度。

另外，如果操作进行到步骤114，则在电池电压检测单元40的分压电阻器41和42对在电池组2充电期间的电池电压进行分压。其后，A/D转换器55对分压值进行A/D转换，以便微型计算机50得到电池电压。这里，在每一采样时间将得到的电池温度和电池电压存储到微型计算机50的RAM 53中，用于下一步骤115中的充满电处理。

在步骤115，判断电池组2是否被充满电。可采用一种检测方法作为判断是否充满电的方法。例如，可采用已知的“-ΔV检测”方法，其中通过检测从充满电时的峰值电压开始的预定量的电池电压下降，基于电池电压检测单元40的输出来控制充电。而且，可采用“二阶差分”方法或“ΔT检测”方法作为另一方法。在“二阶差分“方法中，在电池电压到达峰值之前停止充电。因此，通过按时间对电池电压的变化进行二阶差分来获得二阶差分值，其后，当二阶差分值为负值时判定充电完成。在ΔT检测方法中，基于电池温度检测单元90的输出从充电开始检测电池组2的温度升高率，其后，当该温度升高幅度高于预定温度升高幅度时判定充电完成。另外，例如，在JP-A-62-193518、JP-A-2-246739、JP-UM-A-3-34638、和JP-A-2001-169473中公开了“dT/dt检测”方法，并且这些技术可用在本发明实施例中。在这些dT/dt检测方法中，在充电期间检测每一预定时间的电池温度升高幅度(温度斜率)，其后，当该每一预定时间的电池温度升高幅度高于预定值时判定充电完成。

在步骤115，如果将电池组2判断为充满电(判断结果被判定为“是”)，则操作进行到步骤116。其后，微型计算机50通过充电控制信号发送单元4从输出端口56a将充电停止信号发送到PWM控制IC 23，以停止充电。

接下来，如果操作进行到步骤117，则判断电池组2是否由充电装置移走。当判断电池组2被移走时，操作返回到步骤101，以处在下一次充电的待机状态。

在步骤115，当判断电池组2未被充满电时，则从步骤105重新执行处理。

根据本发明的实施例，更清楚地讲，在将功率提供给建筑工地上充电装置的输入电源的电压剧烈变化的功率条件下，即使输入电压下降，也可通过检测和监控充电装置的输入电压来用适当的充电电流值或输出功率对电池组充电。因此，可防止由充电装置的效率下降引起的热量的产生。

如上所述，尽管基于实施例详细描述了发明者的发明，但是本发明不限于所述实施例并且可在本发明的范围内作出各种改变。

Claims

1.一种电池充电设备，包括：

开关电源，用于将电流提供给将被充电的电池；

输入电压检测单元，用于检测开关电源的输入电压；

充电电流控制单元，检测开关电源提供的电池的充电电流并根据充电电流设定值控制充电电流；以及

微型计算机，基于输入电压检测单元的检测信号判断提供给电池组的电流是否小于预定值，并且根据输入电压的幅度控制充电电流设定值，

其中，当基于输入电压检测单元的检测信号判定输入电压小于预定值时，微型计算机将充电电流的设定值设定为小于预定值的一个值。

2.如权利要求1所述的电池充电设备，其中，开关电源的输入功率具有通过整流器电路从交流电源输出的功率，并且

其中，输入电压检测单元检测整流器电路的输出电压。

3.如权利要求1所述的电池充电设备，其中，开关电源还包括：

变压器，具有初级线圈和次级线圈；

开关元件，与初级线圈串联连接；

驱动信号控制单元，用于将脉冲驱动信号提供给开关元件的控制电极；以及

整流器平滑电路，其与次级线圈相连接，其中该充电电流控制单元通过控制驱动信号控制单元的脉冲驱动信号的脉冲宽度来控制充电电流。

4.如权利要求1所述的电池充电设备，其中，微型计算机存储整流器电路的输出电压和开关电源提供给电池的电流之间的关系，并且

其中，微型计算机基于存储的关系确定充电电流设定值。

5.一种电池充电设备，包括：

输入电源；

供电单元，用于将充电电流提供给与输入电源相连的将被充电的电池；

输入电压检测单元，用于检测输入电源的电压变化；

充电电流控制单元，与供电单元电连接，并根据设定值控制提供给电池组的充电电流；以及

设定值控制单元，用于控制将被施加于充电电流控制单元的设定值，

其中，基于输入电压检测单元检测到的输入电压的下降，设定值控制单元通过改变充电电流控制单元的设定值来降低提供给电池组的充电电流。

6.如权利要求5所述的电池充电设备，其中，输入电源具有通过整流器电路从交流电源整流得到的功率，并且输入电压检测单元检测整流器电路的整流电压。

7.如权利要求5所述的电池充电设备，其中，设定值控制单元还包括微型计算机，

将输入电压检测单元检测到的输入电压的检测信号输入到微型计算机的输入端口，以及

微型计算机的输出端口输出改变充电电流控制单元的设定值的控制信号。

8.如权利要求7所述的电池充电设备，其中，微型计算机存储输入电源的电压和能够由供电单元提供给电池的电流之间的关系，并且

微型计算机基于存储的输入电压和电功率之间的关系来确定设定值。

9.一种电池充电设备，包括：

开关电源，用于将充电电流提供给将被充电的电池；

电池电压检测单元，用于检测将被充电的电池的电池电压；

充电电流控制单元，控制从开关电源输出的输出电流；以及

输入电压检测单元，检测输入到开关电源的输入电压，

其中，如果输入到开关电源的输入电压等于或小于预定值，并且从电池电压检测单元输出的输出值等于或大于预定值，则根据输入电压检测单元和电池电压检测单元的输出把要被充电的电池的充电电流控制为小于预定值。