CN1973416A

CN1973416A - 电池充电方法及其装置

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Publication number: CN1973416A
Application number: CNA2005800208795A
Authority: CN
Inventors: 施蒂格·拉夫恩·汉森; 埃米尔·弗罗丁; 弗兰克·乔根森
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2025-06-27
Also published as: CN100438262C; KR100884022B1; WO2006000921A3; US7301307B2; KR20070030220A; US20050285568A1; WO2006000921A2; EP1759444A2

Abstract

一种对电池进行充电的方法，该方法包括向电池施加输入充电电流，中断输入充电电流，以确定从电池输出的负载电流，以及取决于所确定的负载电流控制输入充电电流。

Description

电池充电方法及其装置

技术领域

本发明涉及电池充电方法，更特别地涉及用于集成在移动电话等便携手持设备内的电池的这种方法。

背景技术

移动电话等便携式手持设备的固有要求是包含性能足以获得必要的用于对那个便携式手持设备进行操作电子电源的电池。这种电池的一个示例是锂离子电池。由于其高能量密度，锂离子电池通常用于手持设备。但是，为了获得其全部电量，必须将其充电至最大电压，通常是4.2V。如果仅仅充电至，例如，4.0V，电池将仅仅具有其最大电量的大约75％。但是将锂离子电池充电至高于最大电压(4.2V)是危险的，这是因为，这可以导致电池的过热、熔化、以及短路。

显然，有必要有规律地对电池进行充足但是也是尽可能安全的再充电。对于手持设备，也有可能在进行充电操作的同时继续使用设备。在这种情况下，在对电池进行充电的同时，还可能对设备的操作提供相对高的负载电流。这可能在保证可以维持获得完全充电状态所必要的特定目标电压方面产生一些问题。

先前，为了尝试获得完全充电，已经得到无负载或者最小负载开路电池电压(OCV)的测量，以调整用于完全充电状态所必要的定义目标电压。由于实际和安全原因，并不在电池突出物上直接测量电池电压，而是在电源电路中的一个点上测量的，该电源电路可能有一些线路并且通常是测量点和电池突出物之间的安全电路。但是，电池端子和测量点之间的阻抗连同负载电流将导致电压下降，因此与那个电池的实际开路电压相比较，所测量的开路电池电压较低。可以使用欧姆定律计算出测量开路电压和实际开路电压之间的差值。无论怎样，将了解到，高负载通常导致所测量开路电压和电池的实际开路电压之间的高偏差。在这种情况下，先前的电池充电方式通常保证电池的完全充电延迟直至电池负载电流很低，这就是说，便携手持设备未进行操作。这对于用户来说可能是不方便的。

发明内容

依照本发明，提供一种用于便携手持设备的电池充电方法，该方法包括对跨接电池施加充电电流，用于对电池进行充电，以获得充电电压，以及通过在充电电流施加中的周期性中断确定负载电流，从而将电池的充电电流向对负载电流的确定之间的充电电压的定义目标值进行调整，用于维持对电池的充电，而无论负载电流要求如何变化。

一般而言，向所定义目标值的调整用于进行一致的电池充电，而无论负载电流要求是否到达预先确定的限制。

一般而言，周期性的中断是在每六十秒的数量级上的。另外，中断持续的时间段是一秒。

通常，方法仅仅在电池获得最小电池充电电压的时候执行。

进一步依照本发明，提供一种电池充电装置，包括将电池与该装置耦合的装置，向电池施加充电电流以获得充电的装置，以及通过在充电电流施加中的周期性中断确定负载电流从而将充电电流向对电池负载电流的确定之间的充电电压的定义目标值进行调整的装置。

进一步依照本发明，提供一种用于对便携式手持设备的电池进行充电的方法，该方法包括：

(a)向电池施加充电电流；

(b)中断充电电流，以确定对电池的负载电流要求值；以及

(c)向电池施加调整的充电电流，其中，调整的充电电流取决于在充电电流中断期间确定的对电池的负载电流要求值。

一般而言，该方法包括在进一步通过施加调整的充电电流将电池充电至充电电压的定义目标值之前，确定充电电压最小值的存在。

通常，充电电流的每次调整取决于中断期间对电池的上一次负载电流确定。

或者，充电电流的调整取决于在施加于电池的充电电流的各个中断中的多个先前的对电池负载电流要求的确定。

可能地，充电电压的定义目标值是电池最终充电的期望电平。此外，电池最终充电的期望电平是电池的最大容量充电。

另外，依照本发明，提供一种电池充电装置，包括耦合器，用于将电池与装置耦合；充电器，用于向电池施加充电电流；开关，用于中断施加于电池的充电电流；传感器，用于在充电电流中断期间确定对电池的电流负载要求；以及控制器，用于取决于所确定的电流负载要求调整充电电流。

通常，控制器通过参考存储在该控制器中的对该电池的负载电流要求、充电电压以及充电电流之间的关系，提供对该充电电流的调整，以用于进行一致的电池充电，而无论负载电流要求是否超出负载电流要求值的范围。

有利地，控制器用于将充电电流限制为最大值，使得，在充电器对电池充电期间将充电电压维持在对电池的负载电流要求的预先确定的限制值。

通常，充电器用于通过对施加于电池的充电电流的脉冲宽度调制(PWM)向电池施加充电电流。

可能地，控制器与充电电压传感器相关联，并且用于监控充电电压传感器，以在开关在对电池充电电流施加中提供中断之前确定最小充电电压的获得，以便允许传感器确定负载电流以及允许控制器调整由充电器所提供的充电电流。

有利地，开关提供对电池的充电电流的周期性中断，用于确定对电池的负载电流要求。

进一步依照本发明，提供一种对电池进行充电的方法，该方法包括向电池施加输入充电电流，中断输入充电电流以确定从电池输出的负载电流，以及取决于所确定的负载电流控制输入充电电流。

附图说明

现在，将通过示例的方式，参考附图描述本发明的一个实施方式，在附图中：

图1是以时间线以及相对于那些时间线的充电电压值的图形表示说明负载电流和充电状态的示意性说明；以及

图2是以目标电压对负载电流形式的目标电压确定的图形表示。

具体实施方式

如上所述，希望对电池进行完全充电，而不会对电池过度充电，过度充电可能产生安全问题，包括电池的过热和/或爆炸。传统上，已经通过使用通过线路与电池耦合的传感器来获得对电池的适度充电。传感器线路可能直接与电池相连，线路的阻抗并非问题，这是因为没有显著的电流通过这个线路。但是，由于多种原因传感器线路是不期望的：其增加成本，其可能产生附加的电子信号噪声，以及，由于其将对安全电路造成分流可能产生安全问题。

将了解到，大多数电池充电方法和装置具有的容量足以使相关电子设备，例如，便携手持设备，继续进行操作，并且对电池自身进行充电。所需要的是，适当考虑对跨接电池施加的电流，而无论用于手持设备自身进行操作所需的功率供给怎样变化，以便获得电池充电电压的目标值。

显然，就位于电子设备中的电池具有适当的连线，以使那个电池与电子设备耦合。充电电流适当地跨接这个连线进行施加。

通过使用比较技术，可以安排传感器的阻抗负载对于两种比较是一致的，并且因此应当不会引入误差。从而，通过对电池电流(也就是在其进行充电时通过电池的电流)以及通过电池的设备负载电流(也就是相关电子设备的工作负载)进行适当的独立确定，可能更加一致地保证跨接电池维持必要的电池目标充电电压用于对那个电池进行再充电。将了解到，将在电池电流和设备负载电流的确定中使用基本上相同的布线。但是，为了确定设备负载，有必要中断充电电流。在这种情况下，依照本发明，周期性地，通常是每六十秒一次，关闭充电电流对电池的充电，使得，可以进行对负载电流的确定，然后通过随后的计算，为随后周期，也就是六十秒，设定必要目标充电电压的充电电流。

一般而言，为了避免过热问题，通常使用脉冲宽度调制(PWM)充电模式，其中在充电期间对充电电流进行快速的开启和关闭。本发明将使用那种充电模式。

将了解到，必须施加的总充电电流将等于电池充电电流减去驱动电子设备所必要的负载电流。在这种情况下，将了解到，负载电流越大，使得电池将被完全再充电至目标充电电压的必要充电电流的变化就越大。无论电池与负载阻抗是串联还是并联，那个负载阻抗将明显地改变对充电电压所呈现的阻抗，并且因此，改变流经电池以对其进行再充电的充电电流。

图1是以时间线以及充电电池电压的图形表示说明负载电流I_load和充电状态的示意性说明。从而，，通常负载电流I_load呈现于一种模式中，使得在闭路充电中，作为充电初始部分(其可能是电池的半小时时间段)中电压累积的结果，充电电池电压1依照所示斜率进行增加。

在时段1中，电池具有低的“开启”容量，并且电池电压低于4.0伏。在这些情况下，使用最大的允许电流对电池进行充电。这是恒定电流充电(cc)阶段，并且在初始阶段期间，充电电池电压将爬升至4V，在此之后，在A点将充电模式改变为OCV充电，其中对充电电流进行修改，以保持电池电压恰恰低于/位于目标充电电压。在时段4中，所测量的电池电压下降，这是因为所施加的负载电流I_load较高(80mA)。

在这种情况下，在恒定电流充电阶段期间，电池电压1依照所示曲线增加，如前面所示接近一般为4伏的目标。但是，在点A之后，充电电流有所变化，以获得更理想的4.2伏的目标电池电压2，以用于进行最大充电。在充电的同时，负载电流I_load通常将来自于手持便携设备。从而，当在A切换为开路电压充电时，待机中的设备将具有3毫安数量级的相对小的负载电流I_load。在这个阶段，将向电池提供经过调整的充电电流。此外，在调整充电电流用于优化充电电压时，充电电压由将具有通用初始斜率3。在这种情况下，通常通过激活4.2伏的目标电池电压，将电池充电至接近其最大充电容量。

在负载电流时间线的点B上，通常如上所述，作为电话等手持便携设备的电子设备将切换为主操作，使得将需要更高的80毫安数量级的负载电流以驱动那个手持便携设备。那个手持便携设备的工作将明显在点B的开启并且在点C的关闭之间所定义的时间段上进行。在这个时间段中，可以看出，提供给电池的充电电池电压4的值有所下降。在点C之后，除去了更高的负载电流，使得充电电流5重新基本上返回到免开路充电模式(free open circuit chargingregime)中的值。注意到，一旦电池进行了完全充电，将维持简单的维持充电，而不会获得对电池的进一步实质性充电。这个点在图1以相对于充电状态的点D以及电池电压线的部分6表示。显然，如果开关状态返回到闭路，如果通过向电子设备提供功率而使电池耗尽，或者如部分6所示通过满足待机负载电流要求而有所下降，则来自电池充电装置的充电电流将以下斜率进行减少。

对充电电流4进行调整，以维持电池充电电压目标，同时电子设备使用显著的电流，这是本发明的核心。

最初，在开路电压充电的早期阶段期间，也就是说在部分2中，确定所施加的、用于获得目标充电电压2的电子充电电流。如所述，在部分3所示的初始电压目标调整阶段中，充电电流有所变化。从而，在继续进行充电过程之前，为了一致性，必须确定至少三个相同的充电电流值I char。

图1a说明确定充电电流I char的方法。从而最初，充电开关，也就是将电池充电器装置和充电电流耦合到电池的开关在点7上开启，以中断这种充电，所以可以在时段8中确定负载电流I_load。一旦已经确定了负载电流I_load，就在点9处将充电器开关掷为闭合位置，此时在时段10中确定电池电流I_bat。在时段10的结尾，在点11处开关再次处于开启，以允许随后对负载电流I_load进行确定。重复这个过程直至获得可接受的一致和稳定的值。将了解到，充电装置依照本发明所提供的充电电流I_char是对电池电流(I_bat)减去向诸如手持便携设备或者移动电话等电子设备提供电能的所需的负载电流(I_laod)的简单求和。如前面所述，一般地，当电子设备基本上关闭或者处于待机状态时，作为具有电池的相关电子设备工作的结果的这个负载电流(I_laod)将非常低，由此使得电池电流将基本上等于用于那个电池的充电电流。对充电电流的这种确定最初将基于对充电调整(在点A之后)模式的输入，而且继续在随后的连续充电周期中进行确定。负载电流I_load可能有所变化，并且进行周期性的确定，通常确定之间的时间跨度是60秒的数量级。每秒确定一次电池电流I_bat。

图1b说明对负载电流I_load的确定模式。从而，通过开启充电器开关，在点12处除去充电电流，从而，可在除去充电电流的时段13期间确定负载电流I_load。接近用于确定负载电流的设定时段的结尾，也就是，在点14处，依照本发明的配置从电池电流I_bat和对那个时间上的负载电流I_load的确定，设定获得目标充电电压所必要的充电电流I_char。一旦计算出对必要充电电流的确定，在点15上，充电开关再次闭合，以便施加充电电流I_char，因此获得用于对电池进行完全或者较完全充电的电池充电目标电压。如所示，这种用于确定负载电流I_load的模式通常将在一秒的时段内进行，同时在这种确定之间将有六十秒数量级的时段。但是，确定之间的时段可能减少或者加长，这取决于对使用负载电流的设备的所期望使用。将了解到，使用六十秒的跨度，短的电话交谈可能完全发生在六十秒的时间帧中，因此，在可用的时间中将不对负载电流I_load的变化进行确定。

如上所示，希望调整用于必要的充电电压目标值的充电电流，因此，对电池进行完全再充电。但是，当试图确定适当的目标电压时可能有过高的负载周期，并且因此充电电流将有所失真。从而，当存在超出例如250mA的负载电流时，对于这种短期重负载电流使用，将目标电压设定为例如4V的固定电平。

图2在目标电压与负载电流I_load方面说明目标电压确定。在这种情况下，通常提供目标电压V_T，以适当地对电池进行再充电。在图2所示的实施方式中，通过下面的关系确定目标电压

目标电压V_T＝4195毫伏-(I_load+20％)×R_system

其中，R_system是功率线上由于测量点和电池端子之间的传感、接触、保险丝以及其它因素造成的等效阻抗。一般地，R_system将是150毫欧姆的数量级。从而，图2中所述的表示做下列假设：

用于功率消耗充电的电子电流限制-250毫安

最大开路电压(无阻抗) -4230毫伏

最大电池电压误差 -20毫伏

最大电池电流误差 -20％加或减10毫安

用于充电的最小电池电流 -55毫安

最大电压充电误差 -5毫伏

R system -150毫欧姆

可以看出，在这种情况下，在55毫安的最小电池电流Z上，目标电压是4195毫伏的数量级。在确定的最小电池电流和最大功率消耗之间，由上述的关系给出目标电压V_T，这就是，目标电压V_T由下列公式定义：

V_T＝4195毫伏-(I_load＋20％)×R_system

在这些情况下，线20所示范围内的目标电压V_T由I_load的确定进行周期性的设定。先前所示的这个时段通常将是每六十秒。此外，将通过下列关系找到每个确定处的I_load：

I_load＝I_bat-I_charge

其中，I_load在初始充电以及当确定对于I_charge的三个相同值之后的每个六十秒时采用前面所示的值，同时通常通过适当的传感在一秒的间隔上有规律地确定I_bat。通过这种方法，可以确定目标电压V_T，以保证在55毫安至250毫安负载电流要求的范围内，将满足对电池的充电以及运行电子设备的要求。

I_char通常由脉冲宽度调制(PWM)进行施加，因此，充电电流形成脉冲，使得施加因子由PWM/脉冲周期给出，其中PWM是总和脉冲个数，在这个示例中，每秒的全占空周期脉冲是255。从而，I_char通常是适当的，以给出I_load＝I_bat-I_char(PWM/255)。

虽然在前述说明书中进行强调，以注意到本发明中被认为具有特别重要性的那些特性，但是应当了解到，对于在此之前所引用或者在附图中所示的任何可取得专利的特性或者特性组合将受到权利要求书的保护，无论是否对其进行了特别地强调。

Claims

1.一种用于便携手持设备的电池充电方法，该方法包括对电池施加充电电流以用于对该电池进行充电，以获得充电电压；以及通过在该充电电流施加中的中断来确定负载电流，从而将该电池的充电电流向对该负载电流的确定之间的充电电压的定义目标值进行调整，以维持对该电池的充电，而无论该负载电流要求如何变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，向该定义目标值的调整用于一致的电池充电，而无论负载电流要求怎样。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的方法，其中，将充电电压维持到对于该负载电流的预先确定的限制值。

4.根据权利要求1至3中任何一个权利要求所述的方法，其中，该中断是在每六十秒一次的数量级上的。

5.根据前述任何一个权利要求所述的方法，其中，该中断持续的时段是一秒。

6.根据前述任何一个权利要求所述的方法，其中，将该充电电流进行脉冲宽度调制(PWM)。

7.根据前述任何一个权利要求所述的方法，其中，该方法仅仅在该电池获得最小电池充电电压时进行，以在随后进一步将该电池充电至该充电电压的目标值。

8.一种电池充电装置，包括将电池与该装置耦合的装置，向该电池施加充电电流以获得充电电压的装置，以及通过在该充电电压施加中的中断来确定负载电流从而将该充电电流向该电池负载电流的确定之间的该充电电压的定义目标值进行调整的装置。

9.一种用于对便携手持设备的电池进行充电的方法，该方法包括：

(a)向该电池施加充电电流；

(b)中断该充电电流，以确定对该电池的负载电流要求值；以及

(c)向该电池施加调整的充电电流，其中，该调整的充电电流取决于在该充电电流中断期间确定的对该电池的负载电流要求值。

10.根据权利要求1至7中任何一个权利要求所述的方法，其中，该方法包括在进一步通过施加该调整的充电电流将电池充电至该充电电压的定义目标值之前，确定该充电电压最小值的存在。

11.根据权利要求1至7或者权利要求9中任何一个权利要求所述的方法，其中，该充电电流的每次调整取决于中断期间对电池的上一次负载电流确定。

12.根据权利要求1至7或者权利要求9或者权利要求10中任何一个权利要求所述的方法，其中，该充电电流的调整取决于在施加于该电池的充电电流的各个中断中的多个先前的对该电池负载电流要求的确定。

13.根据权利要求1至7或者权利要求10至12中任何一个权利要求所述的方法，其中，该充电电压的定义目标值用于该电池的最终充电的期望电平。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，该电池最终充电的期望电平用于该电池的最大容量充电。

15.一种用于对便携手持设备的电池进行充电的方法，基本上如之前参考附图所述。

16.一种电池充电装置，包括耦合器，用于将电池与该装置耦合；充电器，用于向电池施加充电电流；开关，用于中断施加于该电池的该充电电流；传感器，用于在该充电电流中断期间确定对该电池的电流负载要求；以及控制器，用于取决于所确定的电流负载要求调整该充电电流。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，该控制器通过参考存储在该控制器中的对该电池的负载电流要求、充电电压以及充电电流之间的关系，提供对该充电电流的调整，以用于进行一致的电池充电，而无论负载电流要求是否超出负载电流要求值的范围。

18.根据权利要求16或者权利要求17所述的装置，其中，该控制器用于将该充电电流限制为最大值，使得在该充电器对该电池充电期间将充电电压维持在对该电池的负载电流要求的预先确定的限制值。

19.根据权利要求16至18中任何一个权利要求所述的装置，其中，该充电器用于通过施加于该电池的充电电流的脉冲宽度调制(PWM)向电池施加充电电流。

20.根据权利要求16至19中任何一个权利要求所述的装置，其中，该控制器与充电电压传感器相关联，并且用于监控该充电电压传感器，以在该开关在对该电池的充电电流施加中提供中断之前确定最小充电电压的获得，以便允许该传感器确定负载电流以及允许该控制器调整由该充电器所提供的该充电电流。

21.根据权利要求16至20中任何一个权利要求所述的装置，其中，该开关提供对该电池的该充电电流的周期性中断，用于确定对该电池的负载电流要求。

22.一种对电池进行充电的方法，该方法包括向电池施加输入充电电流，中断该输入充电电流以确定从电池输出的负载电流，以及取决于该确定的负载电流控制该输入充电电流。