FR2733093A1 - Battery charging control process, self-adapting to different cell types - Google Patents
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Abstract
Description
CHARGEUR DE BATTERIE
La présente invention concerne des circuits de charge de batteries rechargeables, et plus particulièrement des circuits de recharge de batteries à ions lithium.BATTERY CHARGER
The present invention relates to charging circuits of rechargeable batteries, and more particularly charging circuits for lithium ion batteries.
Les batteries rechargeables sont très couramment utilisées dans des équipements portables tels que des téléphones, des caméras vidéo, des ordinateurs personnels. Ces batteries rechargeables doivent avoir une capacité de charge aussi grande que possible, être aussi légères que possible et être rechargeables en un temps aussi court que possible. Rechargeable batteries are very commonly used in portable equipment such as telephones, video cameras, personal computers. These rechargeable batteries should have the largest possible charging capacity, be as light as possible and be rechargeable in as short a time as possible.
Le type actuellement le plus courant de batterie rechargeable comprend des cellules au nickel-cadmium (NiCd). The currently most common type of rechargeable battery includes nickel-cadmium (NiCd) cells.
Ces cellules peuvent fournir un courant maximum élevé ; une charge rapide peut être réalisée en 10 minutes ; et elles sont relativement peu coûteuses. Toutefois, elles contiennent du cadmium qui est dangereux pour 1 environnement, ce qui les rend difficiles à jeter à la fin de leur durée de vie. La charge stockée par unité de volume et de poids est relativement faible.These cells can provide a high maximum current; fast charging can be done in 10 minutes; and they are relatively inexpensive. However, they contain cadmium which is hazardous to the environment, making them difficult to discard at the end of their life. The stored charge per unit volume and weight is relatively small.
Un type de batterie plus récent comporte des cellules à base d'hydrures de nickel-métal (NiMH). Ces batteries ont une plus forte capacité de charge par unité de volume et de poids mais prennent jusqu'à une heure pour être chargées. La capacité de courant maximale n'est pas aussi élevée que pour des cellules
NiCd, mais elles ne contiennent pas de cadmium dangereux. A newer type of battery includes cells based on nickel metal hydrides (NiMH). These batteries have a higher load capacity per unit volume and weight but take up to an hour to charge. The maximum current capacity is not as high as for cells
NiCd, but they do not contain dangerous cadmium.
Les cellules NiCd et NiMH ont toutes deux une tension nominale de sortie de 1,2 V par cellule. NiCd and NiMH cells both have a nominal output voltage of 1.2 V per cell.
Des cellules à ions lithium (ions Li) ont récemnent fait leur apparition. Ces cellules fournissent une tension de sortie nominale de 3,6 V par cellule, ce qui signifie qu'un plus petit nombre est nécessaire pour une application donnée. Elles ont un taux d'énergie stocké par unité de poids deux fois plus élevé que celui des cellules NiMH et une énergie stockée par unité de volume également supérieure à celle des cellules NiMH. Lithium ion (Li ion) cells have recently appeared. These cells provide a nominal output voltage of 3.6 V per cell, which means that a smaller number is needed for a given application. They have a stored energy rate per unit weight twice that of NiMH cells and a stored energy per unit volume also greater than that of NiMH cells.
Toutefois, elles sont plus coûteuses que les cellules NiCd et
NiMH.However, they are more expensive than NiCd cells and
NiMH.
Une comparaison de ces trois types de batterie est donnée dans le tableau ci-dessous.
<tb><Tb>
<SEP> NiCd <SEP> NiMH <SEP> Li-ions
<tb> <SEP> Disponible <SEP> Depuis <SEP> 1965 <SEP> Depuis <SEP> 1990 <SEP> Depuis <SEP> 1991
<tb> <SEP> Densité <SEP> d'énergie <SEP> 1,0 <SEP> 1,36 <SEP> 1,6
<tb> <SEP> par <SEP> unité <SEP> de <SEP> volume
<tb> <SEP> Densité <SEP> d'énergie <SEP> 1,0 <SEP> 1,22 <SEP> 2,4
<tb> <SEP> par <SEP> unité <SEP> de <SEP> poids
<tb> <SEP> Courant <SEP> maximum <SEP> TRES <SEP> ELEVE <SEP> ELEVE <SEP> FAIBLE
<tb> <SEP> Terlsicxl <SEP> de <SEP> cellule <SEP> 1,2 <SEP> v <SEP> V <SEP> 1,2 <SEP> v <SEP> V <SEP> 3,6 <SEP> 6 <SEP> v
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<tb> type ; le chargeur de batterie peut détecter quel type de batterie est en cours de charge par des moyens d'identification mécaniques. <SEP> NiCd <SEP> NiMH <SEP> Li-ions
<tb><SEP> Available <SEP> Since <SEP> 1965 <SEP> Since <SEP> 1990 <SEP> Since <SEP> 1991
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<tb>type; the battery charger can detect which type of battery is being charged by mechanical identification means.
Etant donné que les cellules NiCd et NiMH fournissent une tension de borne de seulement 1,2 V, plusieurs cellules sont généralement chargées en série. Ceci entraîne un problème de détection de fin de charge. Dans une combinaison série, quand une fin de charge est détectée, une cellule peut être surchargée ce qui provoque éventuellement un endommagement. Par contre, d'autres cellules de la série peuvent être sous-chargées, ce qui entraîne que ces cellules ne sont pas utilisées à leur pleine capacité. Since NiCd and NiMH cells provide a terminal voltage of only 1.2 V, several cells are typically charged in series. This causes a problem of end of charge detection. In a serial combination, when an end of charge is detected, a cell may be overloaded, possibly causing damage. On the other hand, other cells of the series can be undercharged, which means that these cells are not used to their full capacity.
La figure 1 représente schématiquement le circuit équivalent d'une cellule électrochimique. La cellule fournit une tension électrochimique Vint, désignée par la référence 10, et a une résistance série interne Rint. La cellule a une borne positive 12 et une borne négative 14. La tension apparaissant à ses bornes est la tension de borne Vext. La résistance Rint varie avec l'état de charge, la température et l'âge de la cellule. Figure 1 shows schematically the equivalent circuit of an electrochemical cell. The cell provides an electrochemical voltage Vint, designated by the reference 10, and has an internal series resistor Rint. The cell has a positive terminal 12 and a negative terminal 14. The voltage appearing at its terminals is the terminal voltage Vext. The resistance Rint varies with the state of charge, the temperature and the age of the cell.
Pendant la charge, Vext sera supérieur à Vint, d'une quantité égale à Rint multiplié par le courant de charge Ichg.During charging, Vext will be greater than Vint by an amount equal to Rint multiplied by the charging current Ichg.
Dans une cellule à ions Li, la résistance Rint diminue quand la charge ou la température augmente mais augmente avec le vieillissement. Cette résistance est typiquement de 0,5 ohm à 25"C et de 0,3 ohm à 35"C. La tension électrochimique Vint varie avec l'état de charge de la cellule à ions Li. Le niveau de charge de 100 % correspond à environ 4,2 volts. Il chute en dessous de 2,7 volts pour une cellule complètement déchargée. In a Li ion cell, the Rint resistance decreases as the charge or temperature increases but increases with aging. This resistance is typically 0.5 ohm at 25 ° C and 0.3 ohm at 35 ° C. The electrochemical voltage Vint varies with the charge state of the Li ion cell. The charge level of 100% corresponds to about 4.2 volts. It drops below 2.7 volts for a completely discharged cell.
Toutefois, une décharge inférieure à 2,7 volts doit être évitée car ceci pourrait endomnager la cellule. Ce niveau représente donc un niveau de charge de O %. Différentes compositions d'électrode peuvent amener ces valeurs de tension à varier légèrement.However, a discharge of less than 2.7 volts should be avoided as this could damage the cell. This level represents a load level of 0%. Different electrode compositions can cause these voltage values to vary slightly.
Quand on charge une cellule NiCd, la tension de borne de la batterie en cours de charge croit jusqu'à une valeur maximale d'environ 1,55 V à pleine charge. Au-delà de ce point, la tension de borne commence à chuter et une variation de tension de borne négative peut être détectée pour indiquer la fin de charge. When charging a NiCd cell, the terminal voltage of the battery being charged increases to a maximum of about 1.55 V at full load. Beyond this point, the terminal voltage begins to drop and a negative terminal voltage change can be detected to indicate the end of charging.
La température de la cellule augmente rapidement vers la fin de charge et un thermomètre mesurant la température de la cellule peut être utilisé comme détecteur secondaire de fin de charge. The temperature of the cell increases rapidly towards the end of charging and a thermometer measuring the temperature of the cell can be used as a secondary end of charge detector.
Un temporisateur peut également être incorporé à la batterie pour fournir une troisième condition de fin de charge si aucun des deux points de fin précédemment décrits n'a été détecté après par exemple 80 minutes, la charge est interrompue car la batterie est probablement "morte" et doit être remplacée. A timer may also be incorporated into the battery to provide a third end of charge condition if none of the two end points described above have been detected after eg 80 minutes, the load is interrupted because the battery is probably "dead" and must be replaced.
Les cellules NiMH se comportent de façon similaire mais la tension de borne des cellules NiMH ne chute pas à la fin d'un cycle de charge. Un point d'inflexion de la courbe de tension indique la fin de charge. The NiMH cells behave similarly but the terminal voltage of the NiMH cells does not drop at the end of a charge cycle. An inflection point of the voltage curve indicates the end of charge.
Pendant la charge d'une cellule à ions Li par une source de courant consistant de 1 A, la tension de borne Vext augmente d'environ 3,2 V à l'état déchargé jusqu'à plus de 4,5 V à la fin de la charge. Bien qu'une charge complète d'une cellule à ions Li soit réalisée quand sa tension électrochimique atteint 4,2 V, il n'y a pas de changement dans la courbe de tension en fonction du temps pour indiquer ce point. On risque donc de surcharger et d'endommager une cellule à ions Li en utilisant comme chargeur une source de courant consistant. During charging of a Li-ion cell by a current source of 1A, the terminal voltage Vext increases from about 3.2V in the discharged state to more than 4.5V at the end. of the charge. Although a full charge of a Li ion cell is achieved when its electrochemical voltage reaches 4.2 V, there is no change in the voltage versus time curve to indicate this point. There is a risk of overloading and damaging a Li-ion cell by using a constant current source as a charger.
La charge d'une cellule à ions Li provoque un échauffement de la cellule, comme pour les autres types de cellules. The charge of a Li ion cell causes the cell to heat up, as for other types of cells.
Toutefois, cet échauffement amène la résistance interne de la cellule à ions Li à diminuer, ce qui réduit la puissance dissipée dans la cellule. La température de la cellule se stabilise donc. Ceci évite d'endommager la cellule par surchauffe mais ne fournit pas d'indication de fin de charge.However, this heating causes the internal resistance of the Li-ion cell to decrease, which reduces the power dissipated in the cell. The temperature of the cell is thus stabilized. This avoids damaging the cell by overheating but does not provide an indication of end of charge.
La façon la plus simple de charger une cellule à ions
Li consisterait à appliquer un courant pendant une durée connue, par exemple 1 A pendant 1 heure pour une cellule de 1 Ah. Ceci n'est pas acceptable en pratique puisque, bien qu'une cellule soit vendue pour une capacité nominale de 1 Ah, la capacité réelle de cellules apparemment identiques peut varier entre 0,9 et 1,5 Ah. Une charge pendant une durée prédéterminée entrai- nerait inévitablement une surcharge ou une sous-charge.The easiest way to charge an ion cell
Li would be to apply a current for a known duration, for example 1 A for 1 hour for a 1 Ah cell. This is not acceptable in practice since, although a cell is sold for a nominal capacity of 1 Ah, the actual capacity of apparently identical cells may vary between 0.9 and 1.5 Ah. Charging for a predetermined time would inevitably result in overload or underload.
Un procédé connu pour charger des cellules à ions Li tout en évitant une surcharge consiste à charger séquentiellement à courant constant (par exemple 1 A, une valeur maximale typique pour les cellules à ions Li) puis à tension constante fixée au niveau de charge à 100 % de la tension électrochimique de la cellule. De cette façon, aucune surcharge de la batterie n'est possible. A known method for charging Li-ion cells while avoiding an overload is to load sequentially at constant current (for example 1 A, a typical maximum value for Li-ion cells) and then at a constant voltage set at the charge level of 100. % of the electrochemical voltage of the cell. In this way, no overcharging of the battery is possible.
Ceci est représenté en figures 2 et 3 qui illustrent des courbes de tension (Vint, Vext) et de courant (Ichg) en fonction du temps. This is represented in FIGS. 2 and 3 which illustrate voltage (Vint, Vext) and current (Ichg) curves as a function of time.
Pendant la charge initiale à courant constant, par exemple pendant les 30 premières minutes, la tension de borne
Vext augmente d'une valeur initiale de 3,2 V (ce qui correspond au niveau de charge de O % plus Rint. Ichg) vers la valeur limite de tension du chargeur de 4,2 volts. Pendant cette première partie de la durée de charge, la cellule à ions Li est chargée à environ 30 % de sa capacité.During initial charging at constant current, for example during the first 30 minutes, the terminal voltage
Vext increases from an initial value of 3.2 V (which corresponds to the charge level of O% plus Rint Ichg) to the charger voltage limit value of 4.2 volts. During this first part of the charging time, the Li ion cell is charged to about 30% of its capacity.
Pendant la période de charge à tension constante, le courant de charge Ichg diminue progressivement. La tension électrochimique Vint approche asymptotiquement de la tension de borne, limitée à 4,2 V. La charge est habituellement interrompue quand Ichg a chuté à 10 % de sa valeur initiale. Pour charger une cellule à ions Li complètement déchargée, ceci représente une charge de plus de 99 % et est réalisé en une durée d'environ 2 heures, pour une cellule d'une capacité de 1 Ah. During the constant voltage charging period, the charging current Ichg gradually decreases. The electrochemical voltage Vint approaches asymptotically the terminal voltage, limited to 4.2 V. The charge is usually interrupted when Ichg has dropped to 10% of its initial value. To charge a fully discharged Li-ion cell, this represents a charge of more than 99% and is performed in about 2 hours, for a cell with a capacity of 1 Ah.
La durée de charge pourrait être réduite en utilisant une limite de courant plus élevée du chargeur si la batterie peut le supporter. Par exemple, avec un courant de charge limité à 2A, on pourrait réaliser une charge en 1 heure. Toutefois, ceci nécessiterait un chargeur plus encombrant, plus lourd et plus coûteux que le chargeur à 1 A précédemment exposé. Ces problèmes sont particulièrement accentués quand on veut réaliser un chargeur à faible coût, pour le grand public et pour des applications portables. Egalement, il est préférable qu'un même chargeur puisse charger indifféremment tout type de cellule rechargeable. Utiliser une capacité de courant plus élevé imposerait un coût et une dépense non-nécessaires à des personnes n'utilisant que des cellules NiCd et/ou NiMH. Charging time could be reduced by using a higher current limit of the charger if the battery can withstand it. For example, with a load current limited to 2A, a charge could be made in 1 hour. However, this would require a larger, heavier, and more expensive charger than the previously exposed 1A charger. These problems are particularly accentuated when one wants to realize a low cost charger, for the general public and for portable applications. Also, it is preferable that the same charger can charge any type of rechargeable cell. Using higher current capacity would impose an unnecessary cost and expense on people using only NiCd and / or NiMH cells.
Un objet de la présente invention est de prévoir un circuit de chargeur de batterie capable de charger tout type de cellule rechargeable en une durée minimale. An object of the present invention is to provide a battery charger circuit capable of charging any type of rechargeable cell in a minimum period.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé de charge de cellules à ions Li en une durée très réduite par rapport au temps nécessaire pour charger ces batteries par les procédés connus. Another object of the present invention is to provide a method for charging Li-ion cells in a very short time compared to the time required to charge these batteries by known methods.
Un autre objet de la présente invention est de permettre une détection de fin de charge précise de cellules à ions lithium par mesure de la tension électrochimique Vint. Another object of the present invention is to enable precise end-of-charging detection of lithium ion cells by measuring the electrochemical voltage Vint.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir une cellule à ions Li chargée sensiblement à courant constant sans risque de surcharge. Another object of the present invention is to provide a Li ion cell charged substantially constant current without risk of overload.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir un chargeur de batterie simplifié pour charger des batteries à ions lithium. Another object of the present invention is to provide a simplified battery charger for charging lithium ion batteries.
Les inventeurs ont étudié le comportement des cellules à ions Li pendant la charge et ont observé que les valeurs de
Vint à une charge de 100 % et à une charge de O % sont répétitives. L'état de charge des cellules à ions Li peut donc être répété et déterminé de façon fiable à partir de la tension élec- trochimique de la cellule.The inventors have studied the behavior of Li-ion cells during charging and observed that
Came to a 100% load and a 0% load is repetitive. The state of charge of the Li ion cells can therefore be repeated and reliably determined from the electrochemical voltage of the cell.
En conséquence, l'invention prévoit un procédé de charge de batterie comprenant les étapes consistant à charger la batterie à courant constant pendant une première durée prédéterminée ; interrompre le courant de charge pendant une seconde durée prédéterminée ; mesurer la tension en circuit ouvert de la batterie au cours de la seconde durée prédéterminée ; comparer la tension mesurée à une tension prédéterminée ; et répéter les étapes ci-dessus si la tension mesurée est inférieure à la tension prédéterminée. Accordingly, the invention provides a battery charging method comprising the steps of charging the constant current battery for a first predetermined duration; interrupting the charging current for a second predetermined duration; measuring the open circuit voltage of the battery during the second predetermined duration; comparing the measured voltage with a predetermined voltage; and repeat the above steps if the measured voltage is below the predetermined voltage.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend en outre l'étape consistant à indiquer que la charge est achevée quand la tension mesurée dépasse la tension connue en circuit ouvert à pleine charge. According to an embodiment of the present invention, the method further comprises the step of indicating that charging is completed when the measured voltage exceeds the known open circuit voltage at full load.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le courant constant a une amplitude égale au courant de charge maximum autorisé pour le type de batterie à charger. According to one embodiment of the present invention, the constant current has an amplitude equal to the maximum load current allowed for the type of battery to be charged.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend en outre les étapes consistant à mesurer la température de la batterie en cours de charge ; et à interrompre le processus de charge si la température mesurée dépasse une température maximum prédéterminée. According to an embodiment of the present invention, the method further comprises the steps of measuring the temperature of the battery being charged; and interrupting the charging process if the measured temperature exceeds a predetermined maximum temperature.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la batterie est une batterie à ions lithium. According to one embodiment of the present invention, the battery is a lithium ion battery.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la batterie est une batterie au plomb. According to one embodiment of the present invention, the battery is a lead battery.
L'invention prévoit aussi un circuit de charge d'une batterie comprenant un générateur de courant constant connecté par un commutateur aux bornes d'une batterie ; une horloge pour fixer des première et seconde durées prédéterminées ; un circuit de charge pour commander le commutateur pour connecter le générateur à courant constant aux bornes de la batterie pendant la première durée prédéterminée et pour déconnecter le générateur de courant constant pendant la seconde durée prédéterminée ; un comparateur de tension pour comparer la tension aux bornes en circuit ouvert de la batterie à une tension aux bornes en circuit ouvert à pleine charge connue, pendant une partie de la seconde durée prédéterminée ; et un circuit de réaction pour commander le commutateur pour déconnecter le générateur de courant constant de la batterie quand la tension aux bornes en circuit ouvert de la batterie dépasse la tension aux bornes en circuit ouvert à pleine charge connue. The invention also provides a charging circuit of a battery comprising a constant current generator connected by a switch to the terminals of a battery; a clock for setting first and second predetermined durations; a charging circuit for controlling the switch for connecting the constant current generator across the battery for the first predetermined duration and for disconnecting the constant current generator for the second predetermined duration; a voltage comparator for comparing the open-circuit voltage of the battery to a known full-load open circuit voltage for a portion of the second predetermined duration; and a feedback circuit for controlling the switch to disconnect the constant current generator from the battery when the open-circuit voltage of the battery exceeds the open-circuit voltage at full-load known load.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'horloge, le circuit de commande, le circuit de réaction et le comparateur de tension sont constitués par un microcontrôleur associé à une mémoire et un convertisseur analogique/numérique, le microcontrôleur fournissant un signal de sortie Sw qui débranche le générateur de courant constant de la batterie quand la tension aux bornes en circuit ouvert de la batterie dépasse la tension aux bornes en circuit ouvert à pleine charge connue. According to one embodiment of the present invention, the clock, the control circuit, the feedback circuit and the voltage comparator are constituted by a microcontroller associated with a memory and an analog / digital converter, the microcontroller providing a signal of SW output that disconnects the constant current generator from the battery when the open-circuit voltage of the battery exceeds the open-circuit voltage at known full load.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le circuit comprend en outre un support de batterie incorporant des moyens d'identification de type de cellule, la mémoire contenant des programmes pour fixer le fonctionnement du microcontrôleur, pour permettre au courant de charge et à la détection de fin de charge d'être réalisés différemment selon le type de cellule identifié par les moyens d'identification. According to an embodiment of the present invention, the circuit further comprises a battery holder incorporating cell type identification means, the memory containing programs for setting the operation of the microcontroller, to enable the charging current and end of charge detection to be performed differently depending on the type of cell identified by the identification means.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la mémoire contient un programme qui commande le microcontrôleur pour fournir un courant de charge constant, interrompu périodiquement pour permettre la mesure de la tension aux bornes de la batterie, et pour détecter la fin de charge et arrêter ainsi la charge de la batterie quand la tension aux bornes en circuit ouvert dépasse la tension prédéterminée, si la batterie est du type à ions lithium ; la tension aux bornes en circuit ouvert mesurée est inférieure à une tension aux bornes en circuit ouvert mesurée précédente, si la batterie est du type NiCd ; et le taux d'augmentation de la tension aux bornes en circuit couvert tombe en dessous d'une certaine valeur prédéterminée, si la batterie est du type NiMH. According to one embodiment of the present invention, the memory contains a program that controls the microcontroller to provide a constant load current, interrupted periodically to allow measurement of the voltage across the battery, and to detect the end of charge and thus stop the charging of the battery when the open circuit voltage exceeds the predetermined voltage, if the battery is of the lithium ion type; the measured open circuit voltage is less than a previous measured open circuit voltage, if the battery is of the NiCd type; and the rate of increase of the voltage at the covered circuit terminals falls below a certain predetermined value, if the battery is of the NiMH type.
Des modes de réalisation de la présente invention seront décrits à titre d'exemple en relation avec les dessins joints parmi lesquels
la figure 1 représente le schéma électrique équivalent d'une cellule électrochimique
la figure 2 représente une courbe de tension en fonction du temps, caractéristique de la charge d'une cellule à ions
Li par un chargeur connu
la figure 3 représente une courbe de courant de charge en fonction du temps, caractéristique de la charge d'une cellule à ions Li par un chargeur connu
la figure 4 représente une courbe de tension en fonction du temps, caractéristique de la charge d'une cellule à ions
Li par un chargeur selon la présente invention
la figure 5 représente une courbe de courant de charge en fonction du temps, caractéristique de la charge d'une cellule à ions Li par un chargeur selon la présente invention
la figure 6 représente un mode de réalisation d'un circuit de chargeur de batterie selon la présente invention
les figures 7A, 7B, 7C sont des chronogrammes de divers signaux produits et utilisés par le circuit de la figure 6 ; et
la figure 8 représente un autre mode de réalisation d'un circuit de chargeur de batterie selon la présente invention.Embodiments of the present invention will be described by way of example in connection with the accompanying drawings, among which
FIG. 1 represents the equivalent electrical diagram of an electrochemical cell
FIG. 2 represents a voltage versus time curve characteristic of the charge of an ion cell.
Li by a known loader
FIG. 3 represents a charging current versus time curve, characteristic of the charge of a Li-ion cell by a known charger.
FIG. 4 represents a voltage versus time curve characteristic of the charge of an ion cell
Li by a charger according to the present invention
FIG. 5 represents a charging current versus time curve, characteristic of the charge of a Li-ion cell by a charger according to the present invention.
FIG. 6 shows an embodiment of a battery charger circuit according to the present invention
FIGS. 7A, 7B, 7C are timing diagrams of various signals produced and used by the circuit of FIG. 6; and
Figure 8 shows another embodiment of a battery charger circuit according to the present invention.
La présente invention prévoit un procédé de charge de batterie à courant constant combiné à une mesure périodique de la tension électrochimique Vint pendant la période de charge. Le courant maximum est appliqué pendant la charge jusqu'à ce qu'une tension électrochimique égale à la valeur de charge à 100 % soit détectée. La charge est alors arrêtée. Comme un courant de charge constant est appliqué, la tension électrochimique Vint n'approche pas de la tension de borne Vext mais reste inférieure d'une quantité Ichg.Rint. The present invention provides a constant current battery charging method combined with periodic measurement of the electrochemical voltage Vint during the charging period. The maximum current is applied during charging until an electrochemical voltage equal to the 100% charge value is detected. The charge is then stopped. As a constant charging current is applied, the electrochemical voltage Vint does not approach the terminal voltage Vext but remains lower by an amount Ichg.Rint.
Les figures 4 et 5 montrent comment cette mesure est réalisée. Figures 4 and 5 show how this measurement is done.
La tension électrochimique Vint n'est pas directement mesurable puisqu'elle est inséparable de la résistance interne d'une cellule. Toutefois, la tension de borne Vext d'une cellule à courant nul est égale à la tension électrochimique Vint car la différence Ichg.Rint est alors nulle. The electrochemical voltage Vint is not directly measurable since it is inseparable from the internal resistance of a cell. However, the terminal voltage Vext of a zero current cell is equal to the electrochemical voltage Vint because the difference Ichg.Rint is then zero.
Comme le représente la figure 5, le procédé selon l'invention nécessite que le courant de charge Ichg soit périodiquement interrompu. Pendant la durée d'interruption, la tension de borne Vext devient égale à la tension électrochimique
Vint. En mesurant la tension électrochimique pendant cette période d'interruption et en la comparant à la valeur de charge à 100 %, on peut détecter la fin de charge.As shown in FIG. 5, the method according to the invention requires that the charge current Ichg be periodically interrupted. During the interruption period, the terminal voltage Vext becomes equal to the electrochemical voltage
Vint. By measuring the electrochemical voltage during this interruption period and comparing it with the 100% load value, the end of charge can be detected.
Les interruptions peuvent avoir une durée de l'ordre de 1,5 s. Cette durée est nécessaire pour que la cellule retrouve sa tension électrochimique après une période de charge, dans un état de courant nul. La tension électrochimique varie légèrement pendant environ une seconde avant d'atteindre sa vraie valeur. Une mesure significative de la tension électrochimique ne peut en conséquence être effectuée qu'après une seconde de courant de charge nul. Ces mesures sont réalisées après des durées de charge répétées au courant maximum. Cette durée est choisie pour être suffisamment longue pour que les périodes de mesure ne rallongent pas notablement la durée totale de charge mais suffisamment courte pour que la durée totale de charge ne risque pas d'endommager la cellule par surcharge. Interruptions can have a duration of the order of 1.5 s. This time is necessary for the cell to recover its electrochemical voltage after a charge period, in a state of zero current. The electrochemical voltage varies slightly for about one second before reaching its true value. A significant measurement of the electrochemical voltage can therefore be performed only after one second of zero load current. These measurements are performed after repeated charging times at the maximum current. This time is chosen to be long enough so that the measurement periods do not significantly extend the total charging time but short enough so that the total charge time does not risk damaging the cell overload.
Cette durée est par exemple comprise entre 15 secondes et une minute, par exemple 20 secondes.This duration is for example between 15 seconds and a minute, for example 20 seconds.
La figure 6 représente schématiquement un exemple de circuit de chargeur de batterie mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. Un générateur de signal d'horloge 30 fournit deux signaux d'horloge à la même fréquence, à savoir un signal d'horloge de commutation de charge Cck et un signal d'horloge de mesure Mck. Les fronts descendants des deux signaux d'horloge sont synchronisés. Une porte OU 32 reçoit le signal d'horloge de charge Cck sur une première entrée et fournit un signal de sortie Sw à une borne de commande d 'un commutateur 44. Le commutateur 44 agit pour relier une première borne d'une source de courant constant 46 à une borne de masse GND. La source de courant constant 46 a une seconde borne connectée à la borne positive 12 d'une cellule à ions Li 48.La borne négative 14 de la cellule à ions Li est connectée à la tension de masse GND. Un comparateur de tension 50 a une entrée non-inverseuse reliée à la borne positive 12 de la cellule à ions Li 48 et une entrée inverseuse reliée à une sortie de tension de référence 52. La tension Vref fournie par la référence de tension 52 est égale à la valeur de charge à 100 % de la tension électrochimique Vint de la cellule à ions Li. Une sortie du comparateur de tension 50 fournit un signal oe à une première entrée d'une porte ET 54. FIG. 6 schematically represents an exemplary battery charger circuit implementing the method according to the invention. A clock generator 30 provides two clock signals at the same frequency, namely a load switching clock signal Cck and a measuring clock signal Mck. The falling edges of the two clock signals are synchronized. An OR gate 32 receives the charge clock signal Cck on a first input and provides an output signal Sw to a control terminal of a switch 44. The switch 44 acts to connect a first terminal of a power source. constant 46 at GND ground terminal. The constant current source 46 has a second terminal connected to the positive terminal 12 of a Li-ion cell 48. The negative terminal 14 of the Li-ion cell is connected to the GND ground voltage. A voltage comparator 50 has a non-inverting input connected to the positive terminal 12 of the Li-ion cell 48 and an inverting input connected to a reference voltage output 52. The voltage Vref supplied by the voltage reference 52 is equal the charge value at 100% of the electrochemical voltage Vint of the Li ion cell. An output of the voltage comparator 50 provides a signal oe at a first input of an AND gate 54.
Une deuxième entrée de la porte ET 54 reçoit le signal d'horloge de mesure Mck. La sortie de la porte ET 54 fournit un signal de fin de charge F à l'entrée d'une bascule 56. La bascule 56 reçoit un signal R de remise à O. La borne de sortie de cette bascule est reliée à une seconde entrée de la porte OU 32 et à une première borne d'une résistance 58. La seconde borne de la résistance est connectée à l'anode d'une diode photoémettrice 60. La cathode de la diode 60 est connectée à la masse GOND. A second input of the AND gate 54 receives the measurement clock signal Mck. The output of the AND gate 54 provides an end of charge signal F at the input of a flip-flop 56. The flip-flop 56 receives a reset signal R at O. The output terminal of this flip-flop is connected to a second input of the OR gate 32 and a first terminal of a resistor 58. The second terminal of the resistor is connected to the anode of a light emitting diode 60. The cathode of the diode 60 is connected to ground GOND.
Les tensions d'alimentation et de masse sont fournies à toutes les portes, au générateur de signal d'horloge, à la source de tension de référence, au comparateur, et à la source de courant constant mais n'ont pas été représentées par souci de simplicité. Supply and ground voltages are provided to all gates, clock generator, reference voltage source, comparator, and constant current source but have not been shown for of simplicity.
Dans la description suivante du circuit de la figure 6, on se réfèrera aux chronogramnes des figures 7A, 7B et 7C. In the following description of the circuit of FIG. 6, reference will be made to the chronograms of FIGS. 7A, 7B and 7C.
Quand une alimentation est initialement appliquée au circuit de charge de batterie, un signal de remise à 0 actif R est fourni pour mettre la bascule 56 dans un état de sortie basse. L'état du circuit est tel que représenté à l'instant tO en figures 7A, 7B, 7C. Le signal d'horloge de charge Cck est bas. La sortie de la porte OU 32 est également basse et le commutateur 44 est fermé. Ceci correspond à une période de charge de par exemple 20 secondes. When a power supply is initially applied to the battery charging circuit, a reset signal R is provided to turn the flip-flop 56 into a low output state. The state of the circuit is as shown at time t0 in FIGS. 7A, 7B, 7C. The charge clock signal Cck is low. The output of the OR gate 32 is also low and the switch 44 is closed. This corresponds to a charging period of, for example, 20 seconds.
A l'instant t40, le signal d'horloge de charge Cck passe à son niveau haut. Le canmutateur 44 s'ouvre et le courant de charge dans la cellule à ions Li 46 est interrompu. Pendant la durée allant de t40 à t42, par exemple une seconde, le signal d'horloge de mesure Mck est à niveau bas, la porte ET 54 est donc invalidée, et le signal de fin de charge F est maintenu à niveau bas, maintenant la bascule 56 à un état de sortie basse. At time t40, the charge clock signal Cck goes to its high level. The switch 44 opens and the charging current in the Li-ion cell 46 is interrupted. During the time from t40 to t42, for example one second, the measurement clock signal Mck is low, the AND gate 54 is therefore disabled, and the end of charge signal F is kept low, now flip-flop 56 to a low output state.
La diode électroluminescente 60 est éteinte.Light-emitting diode 60 is off.
A l'instant t42, le signal d'horloge de mesure Mck passe à niveau haut. Ceci amène la porte ET 54 à être validée. At time t42, the measurement clock signal Mck goes high. This causes the AND gate 54 to be validated.
Le signal de sortie CO du comparateur 50 est transmis à 1 'entrée de la bascule 56.The output signal CO of the comparator 50 is transmitted to the input of the flip-flop 56.
Tant que la batterie n'est pas complètement chargée, la tension en circuit ouvert Vint est inférieure à la tension de référence Vref et le signal oe est bas. Le signal de fin de charge F et la sortie de la bascule 56 restent à niveau bas et le circuit reste stable. As long as the battery is not fully charged, the open circuit voltage Vint is lower than the reference voltage Vref and the signal oe is low. The end of charge signal F and the output of the flip-flop 56 remain low and the circuit remains stable.
A l'instant t'O, par exemple 0,5 seconde après t42, les deux signaux Mck et Cck passent à bas niveau. Ceci amène le signal Sw à passer à bas niveau et à fermer le canmutateur 44. At the instant t'O, for example 0.5 seconds after t42, the two signals Mck and Cck go low. This causes the signal Sw to go low and close the switch 44.
Le courant constant fourni par le générateur de courant constant 46 circule à nouveau et charge la cellule à ions Li 48. Cet état continue pendant une durée de 20 secondes jusqu'à un instant t'40 où le signal d'horloge de charge Cck passe à nouveau à haut niveau.The constant current supplied by the constant current generator 46 flows again and charges the Li-ion cell 48. This state continues for a period of 20 seconds until a time when the charge clock signal Cck passes again at high level.
Le signal Sw passe à haut niveau, ouvrant le canmutateur 44. Le courant cesse de circuler à travers la cellule à ions Li 48. The signal Sw goes to high level, opening the switch 44. The current stops flowing through the Li 48 ion cell.
A l'instant t'42, le signal d'horloge de mesure Mck passe à haut niveau, la porte ET 54 est validée et la sortie CO du comparateur devient à niveau le signal de fin de charge F d'entrée de la bascule 56. At the instant t'42, the measurement clock signal Mck goes high, the AND gate 54 is enabled and the CO output of the comparator becomes level with the end of charge signal F input of the flip-flop 56 .
Si la cellule à ions Li n'est pas encore complètement chargée, la sortie CO du comparateur 50 passe à bas niveau. Le signal de fin de charge F reste à bas niveau. La diode 60 reste éteinte. On retrouve la situation existant à l'instant t42. A l'instant t"O, les signaux d'horloge Cck, Mck passent à nouveau à bas niveau. Le signal Sw passe à bas niveau et la batterie recommence à se charger. If the Li ion cell is not yet fully charged, the CO output of the comparator 50 goes low. The end of charge signal F remains at low level. Diode 60 remains off. We find the situation existing at time t42. At time t "0, the clock signals Cck, Mck go back to low level, the signal Sw goes low and the battery starts charging again.
On suppose que, à un instant ultérieur t"x, la cellule à ions Li approche de sa pleine charge et que la tension de borne Vext dépasse la tension de référence Vref. La sortie CO du comparateur 50 sera à haut niveau. Toutefois, ce signal n' est pas transmis par la porte 54 puisqu'elle est invalidée par un niveau bas de Mck. Quand la charge est interrompue, lors du front descendant de Cck, à 1' instant t"40, la tension de borne
Vext de la cellule chute d'une quantité Rint. Ichg et est inférieure à la tension de référence Vref. Le signal CO passe à nouveau à bas niveau et ce niveau bas est transmis par la porte 54 au moment du niveau haut suivant de Mck à l'instant t"42.It is assumed that, at a later time t "x, the ion cell Li approaches its full charge and that the terminal voltage Vext exceeds the reference voltage Vref The output CO of the comparator 50 will be at a high level. signal is not transmitted by gate 54 since it is disabled by a low level of Mck When the load is interrupted, at the falling edge of Cck, at time t "40, the terminal voltage
Vext of the cell drops by a quantity Rint. Ichg and is below the reference voltage Vref. The signal CO goes low again and this low level is transmitted by gate 54 at the time of the next high level Mck at time t "42.
Lors du cycle de charge suivant, entre l'instant t"'O et l'instant t"'40, la batterie atteint sa pleine charge. La charge s'interrompt à 1' instant t"'40 quand le signal d'horloge de charge Cck passe à haut niveau. La sortie CO du comparateur 50 reste alors haute étant donné que la tension en circuit ouvert de la batterie 48 dépasse la tension de référence Vref. During the next charging cycle, between the instant t "'0 and the instant t" '40, the battery reaches its full charge. The charge is interrupted at time t "'40 when the charging clock signal Cck goes high, the CO output of the comparator 50 remains high since the open circuit voltage of the battery 48 exceeds reference voltage Vref.
A l'instant t"'42, une seconde après l'arrêt de la charge, le signal d 'horloge de mesure Mck devient haut, validant la porte ET 54. La tension haute sur CO devient le signal de fin de charge F et est verrouillée par la bascule 56. La diode 60 s'éclaire, indiquant à un utilisateur que la charge est achevée. Ce signal haut est appliqué à la seconde entrée de la porte
OU 32, ce qui maintient le signal de commande Sw vers le commutateur à niveau haut. Le commutateur 44 est maintenu ouvert et la charge est interrompue. Cet état est stable et le circuit de chargeur de batterie y reste jusqu ce qu'un signal de remise à
O R soit appliqué à la bascule 56 ou que la tension d'alimentation sur le chargeur de batterie soit enlevée.Même quand les signaux d'horloge Mck, Cck changent à nouveau à l'instant t40, le signal Sw restera bas, maintenu par l'état haut du signal de fin de charge F verrouillé par la bascule 56 comme cela est illustré en figure 7C.At time t "'42, one second after stopping the charge, the measurement clock signal Mck becomes high, validating the AND gate 54. The high voltage on CO becomes the end of charge signal F and is latched by flip-flop 56. LED 60 illuminates, indicating to a user that the charge is complete This high signal is applied to the second input of the door
OR 32, which maintains the control signal Sw to the high level switch. The switch 44 is kept open and the load is interrupted. This state is stable and the battery charger circuit remains there until a reset signal is received.
OR is applied to the flip-flop 56 or the supply voltage on the battery charger is removed. Even when the clock signals Mck, Cck change again at time t40, the signal Sw will remain low, maintained by the high state of the end of charge signal F locked by flip-flop 56 as illustrated in FIG. 7C.
On atteint donc les fonctionnalités requises en ce qu'un courant constant est appliqué à la cellule à ions Li pendant une certaine durée (to à t40), puis interrompu. Après une période de récupération (t40 à t42) la tension électrochimique Vint de la cellule à ions Li est comparée (t42 à t'o) au niveau de charge à 100 %, Vref. Si Vint est inférieur à Vref, la charge recommence. Si Vint est supérieur à Vref, la charge est arrêtée et cet état est indiqué à un utilisateur. The required functionalities are thus achieved in that a constant current is applied to the Li-ion cell for a certain period of time (to -40), and then interrupted. After a recovery period (t40 to t42) the electrochemical voltage Vint of the Li ion cell is compared (t42 to t'o) at the 100% charge level, Vref. If Vint is less than Vref, the charge starts again. If Vint is greater than Vref, the load is stopped and this state is indicated to a user.
Le chargeur de batterie décrit ci-dessus l'a été dans le but de faciliter la compréhension de l'invention. En pratique, un comparateur de tension 50 et une référence de tension peuvent ne pas être suffisamment précis pour une détection fiable de fin de charge et on préfère utiliser un circuit numérique. The battery charger described above was for the purpose of facilitating the understanding of the invention. In practice, a voltage comparator 50 and a voltage reference may not be accurate enough for reliable end of charge detection and it is preferred to use a digital circuit.
De préférence, on prévoit un chargeur de batterie unique permettant de charger dans les meilleures conditions possibles des cellules NiCd, NiMH et à ions Li. Ceci est réalisé en utilisant un microcontrôleur classique en relation avec une source de courant, des moyens de mesure de courant, de tension et de température, et des moyens pour identifier le type de cellule en cours de recharge. Preferably, there is provided a single battery charger for charging in the best possible conditions NiCd, NiMH and Li ion cells. This is achieved using a conventional microcontroller in relation to a current source, current measuring means , voltage and temperature, and means for identifying the type of cell being recharged.
La figure 8 représente un mode de réalisation préféré d'un chargeur de batterie commandé par microprocesseur selon un aspect de la présente invention. Le générateur d'horloge 30, le comparateur 50, le générateur de tension de référence 52, la bascule 56 et les portes logiques 32 et 54 sont remplacées par un microcontrôleur 72 et ses circuits associés de mémoire 74 et d'entrée/sortie. Une mesure de tension numérique est utilisée étant donné que 1 'on peut alors obtenir une meilleure précision à coût donné. Fig. 8 shows a preferred embodiment of a microprocessor controlled battery charger according to one aspect of the present invention. The clock generator 30, the comparator 50, the reference voltage generator 52, the flip-flop 56 and the logic gates 32 and 54 are replaced by a microcontroller 72 and its associated memory 74 and input / output circuits. A digital voltage measurement is used since a better accuracy at a given cost can then be obtained.
La batterie 48 à recharger a une borne positive 12 et une borne négative 14. La borne négative 14 est connectée par une résistance de détection de courant Rsens à la masse GND. La borne positive 12 est connectée à une première borne d'une source de courant 46. Une seconde borne de la source de courant 46 est connectée par un commutateur 44 à la masse. Les bornes de batterie 12 et 14 sont connectées à des entrées + et -, respectivement, d'un convertisseur analogique/numérique 70 lui-même commandé par le microcontrôleur 72. Une source de tension de référence 75 fournit une tension de référence VADC au convertisseur analogique/numérique 70. Cette tension de référence doit être très stable et précise pour permettre une mesure précise par le convertisseur.Cette tension de référence peut être incluse dans le microcontrôleur ou bien la tension d'alimentation du microcontrôleur peut être utilisée comme référence, si elle est suffisamment précise. Le microcontrôleur fonctionne selon un programme mémorisé dans une mémoire morte associée 74. The battery 48 to be recharged has a positive terminal 12 and a negative terminal 14. The negative terminal 14 is connected by a current sensing resistor Rsens to GND ground. The positive terminal 12 is connected to a first terminal of a current source 46. A second terminal of the current source 46 is connected by a switch 44 to ground. The battery terminals 12 and 14 are connected to inputs + and -, respectively, of an analog / digital converter 70 itself controlled by the microcontroller 72. A reference voltage source 75 supplies a reference voltage VADC to the converter Analog / digital 70. This reference voltage must be very stable and accurate to allow accurate measurement by the converter. This reference voltage can be included in the microcontroller or the supply voltage of the microcontroller can be used as a reference, if it is sufficiently precise. The microcontroller operates according to a program stored in an associated read-only memory 74.
Le microcontrôleur fournit le signal Sw pour commander le commutateur et commande l'anode d'une diode électroluminescente 60 dont la cathode est à la masse. Un générateur d'horloge 76 fournit un signal à haute fréquence pour le microcontrôleur. On peut prévoir un thermocouple 78 en contact thermique avec la batterie 48. Celui-ci peut être logé dans le boitier de la batterie 48 ou inclus dans un support de batterie 80 qui maintient la batterie pendant la charge. Ce thermocouple est électriquement connecté à une entrée du convertisseur analogique/ numérique 70. Le support de batterie 80 contient des microcontacts 82, 84, 86 électriquement connectés entre la masse et des entrées Batt, Y1 et Y2, respectivement, du microcontrôleur.The microcontroller provides the signal Sw to control the switch and controls the anode of a light emitting diode 60 whose cathode is grounded. Clock generator 76 provides a high frequency signal for the microcontroller. A thermocouple 78 can be provided in thermal contact with the battery 48. This can be housed in the battery box 48 or included in a battery holder 80 which holds the battery during charging. This thermocouple is electrically connected to an input of the analog / digital converter 70. The battery holder 80 contains microswitches 82, 84, 86 electrically connected between the ground and inputs Batt, Y1 and Y2, respectively, of the microcontroller.
Chacune de ces entrées est en outre connectée à des résistances de mise sous tension 88, 90, 92, respectivement.Each of these inputs is further connected to energizing resistors 88, 90, 92, respectively.
En supposant qu'une batterie à ions lithium 48 est en cours de charge, des rainures d'identification mécanique 93 amènent les microcontacts 84, 86 à être fermé et ouvert, respec tivement. Des entrées Y1, Y2 vers le microcontrôleur 72 sont ainsi à O et 1, respectivement, indiquant une batterie du type à ions 1 ithium. En utilisant diverses combinaisons de rainures d 'identification 93, jusqu'à quatre types de batterie différents peuvent être identifiés. D'autres rainures et entrées du microcontrôleur peuvent être ajoutées si plus de 4 types de batteries doivent être identifiés. Ces rainures d'identification peuvent être utilisées pour indiquer les types exacts de batterie : la capacité, le niveau de charge à 100 %, ainsi qu'un type de cellule simple. Assuming that a lithium ion battery 48 is being charged, mechanical identification grooves 93 cause the microswitches 84, 86 to be closed and opened, respectively. Inputs Y1, Y2 to the microcontroller 72 are thus 0 and 1, respectively, indicating a battery of the 1-ion type. By using various combinations of identification grooves 93, up to four different battery types can be identified. Other grooves and microcontroller inputs may be added if more than 4 types of batteries are to be identified. These identification grooves can be used to indicate the exact types of battery: capacity, 100% charge level, and a simple cell type.
D'autres repères d'identification équivalents pewent être utilisés, par exemple une reconnaissance optique d'une combinaison de régions noires et brillantes sur la surface de la batterie 48, ou par contact électrique à des circuits simples d'identification logés dans le boîtier de la batterie. Other equivalent identification markers may be used, for example an optical recognition of a combination of black and bright regions on the surface of the battery 48, or by electrical contact to simple identification circuits housed in the battery case. drums.
Dans le schéma, le microcontact 82 est couvert, quel que soit le type de la batterie. Ceci amène l'entrée Batt du contrôleur de batterie à être à niveau haut quand une batterie d'un type quelconque est complètement insérée dans le support de batterie 80. In the diagram, the microswitch 82 is covered, regardless of the type of the battery. This causes the battery controller's Batt input to be high when any type of battery is fully inserted into the battery holder 80.
La mémoire morte 74 contient un programme pour charger des cellules à ions lithium selon un procédé selon la présente invention, pour charger des batteries NiCd selon un régime optimal pour les batteries NiCd, pour charger des batteries NiMH selon un programme optimal pour les batteries NiMH. The ROM 74 contains a program for charging lithium ion cells according to a method according to the present invention, for charging NiCd batteries at an optimal rate for NiCd batteries, for charging NiMH batteries according to an optimal program for NiMH batteries.
Le thermocouple 78 envoie une tension représentative de la température de la batterie au convertisseur analogique/ numérique 70 qui convertit cette information en une représentation numérique utilisable par le microcontrôleur 72. Lors de la charge de batteries à ions lithium selon la présente invention, cette température est utilisée uniquement comme signal de sécurité pour arrêter la charge si la température de la batterie devient trop élevée. Dans ces conditions, la diode électroluminescente 60 peut être amenée à clignoter pour alerter un utilisateur. The thermocouple 78 sends a voltage representative of the temperature of the battery to the analog / digital converter 70 which converts this information into a digital representation usable by the microcontroller 72. When charging lithium ion batteries according to the present invention, this temperature is used only as a safety signal to stop charging if the battery temperature becomes too high. Under these conditions, the light emitting diode 60 may be flashed to alert a user.
La résistance Rsens est de valeur faible. La tension à ses bornes représente le courant de charge, c'est-à-dire la tension à l'entrée - par rapport à la masse. Resistance Rsens is of low value. The voltage at its terminals represents the charging current, that is to say the voltage at the input - with respect to the mass.
Initialement, le circuit mesure 1 'état de charge de la cellule. Le signal Sw est mis à niveau haut et ouvre le commutateur 44. La tension électrochimique Vint de la cellule 48 est mesurée : la différence de tension entre les entrées + et - est convertie en une représentation numérique par le convertisseur analogique/numérique 70 et comparée par le microprocesseur 72 à un niveau de charge à 100 % stocké sous forme d'une représentation numérique dans la mémoire morte 74. Si la tension électrochimique Vint est inférieure à ce niveau, le signal Sw est commuté à niveau bas permettant à un courant de charge constant de par exemple un 1 A de circuler dans la batterie 48. Ceci continue pendant une première période, par exemple pendant 20 secondes, comme cela est déterminé par le microcontrôleur 72. Initially, the circuit measures the state of charge of the cell. The signal Sw is leveled high and opens the switch 44. The electrochemical voltage Vint of the cell 48 is measured: the voltage difference between the inputs + and - is converted into a digital representation by the analog / digital converter 70 and compared. by the microprocessor 72 at a 100% charge level stored as a digital representation in the ROM 74. If the electrochemical voltage Vint is below this level, the signal Sw is switched to low level allowing a current of constant charge of for example a 1 A to flow in the battery 48. This continues for a first period, for example for 20 seconds, as determined by the microcontroller 72.
A la fin de cette première période, le signal Sw est amené à niveau haut, le courant de charge est donc interrompu pendant une seconde période, par exemple 1,5 seconde. At the end of this first period, the signal Sw is brought high, the charging current is interrupted for a second period, for example 1.5 seconds.
Pendant cette seconde période, par exemple 1 seconde après l'interruption du courant de charge, le microcontrôleur 72 lit la tension électrochimique Vint par l'intermédiaire du convertisseur analogique/numérique 70 et la compare au niveau de charge à 100 %. Si la tension électrochimique Vint devient supérieure au niveau de charge à 100 %, le microcontrôleur met le signal Sw à un état haut permanent, empêchant une charge supplémentaire de la batterie 48 et détermine également 1 'éclai- rement de la diode 60 pour signaler à l'utilisateur que la batterie est complètement chargée. During this second period, for example 1 second after the interruption of the charging current, the microcontroller 72 reads the electrochemical voltage Vint via the analog / digital converter 70 and compares it to the 100% charge level. If the electrochemical voltage Vint becomes greater than the 100% charge level, the microcontroller sets the signal Sw to a permanent high state, preventing further charging of the battery 48 and also determines the illumination of the diode 60 to signal the user that the battery is fully charged.
Pour atteindre la précision nécessaire, un convertisseur analogique/numérique à 10 bits peut être nécessaire. La tension de référence 75 doit également être précise et stable. To achieve the necessary accuracy, a 10-bit analog-to-digital converter may be necessary. The reference voltage 75 must also be precise and stable.
Après la charge, la batterie 48 est enlevée du support 80. Ceci amène le microcontact 82 à se fermer, amenant le signal
Batt à bas niveau, et signalant au microcontrôleur qu'il doit revenir à un état initial, prêt à déterminer le type de batterie suivante à insérer dans le support 80.After the charge, the battery 48 is removed from the support 80. This causes the microswitch 82 to close, bringing the signal
Batt at low level, and signaling to the microcontroller that it must return to an initial state, ready to determine the next type of battery to be inserted in the medium 80.
Si le microcontrôleur identifie une cellule NiCd, il commande au circuit de la charger à courant constant jusqu'à ce qu'une décroissance de tension de borne soit détectée ou jusqu'à ce qu'une température de cellule déterminée soit atteinte. S'il identifie une cellule NiMH, il commande au circuit de la charger par un courant constant jusqu'à ce qu'un arrêt d'augmentation de tension de borne soit détecté ou à noweau jusqu'à ce qu'une certaine température soit atteinte. Le procédé d'interruption du courant de charge tandis que des mesures de tension sont effectuées peut également être utilisé avec avantage pour les cellules NiCd et NiMH. Typiquement, le courant de charge est fourni par une alimentation à découpage qui introduit du bruit sur la tension de borne.En interrompant le courant pendant la mesure de la tension de borne de batterie, on évite des erreurs de mesures éventuelles provoquées par le bruit ou par des varie tions brutales de courant de charge. Ceci s 'applique tout particulièrement à la détection de fin de charge de batteries à ions lithium où la mesure de tension doit être très précise. If the microcontroller identifies a NiCd cell, it commands the circuit to charge it with constant current until a decay of terminal voltage is detected or until a determined cell temperature is reached. If it identifies a NiMH cell, it commands the circuit to charge it with a constant current until a terminal voltage increase stop is detected or at least until a certain temperature is reached . The process of interrupting the charging current while voltage measurements are being performed can also be used with advantage for NiCd and NiMH cells. Typically, the charging current is provided by a switching power supply which introduces noise on the terminal voltage. By interrupting the current during the measurement of the battery terminal voltage, possible measurement errors caused by the noise or noise are avoided. by sudden variations in charge current. This applies especially to the end-of-charge detection of lithium ion batteries where the voltage measurement must be very accurate.
Le microcontrôleur peut également temporiser la charge et l'arrêter après un certain temps si aucun des autres points de fin de charge n'a été détecté. La diode 60 peut alors être mise en clignotement pour alerter l'utilisateur de cet état ou bien une diode électroluminescente supplémentaire peut être ajoutée dans ce but particulier. The microcontroller can also time the load and stop it after a certain time if none of the other end of charge points has been detected. The diode 60 may then be blinked to alert the user of this state or an additional light emitting diode may be added for this particular purpose.
La source de courant 46 peut donc être conçue pour fournir une valeur constante, égale au courant de charge. La source de courant est ainsi utilisée à sa pleine capacité et une charge aussi rapide que possible de chaque type de cellule est donc réalisée avec un coût et un poids minimum pour le chargeur. The current source 46 may therefore be designed to provide a constant value equal to the charging current. The current source is thus used to its full capacity and a load as fast as possible of each type of cell is therefore achieved with a minimum cost and weight for the charger.
Bien que l'invention ait été décrite en relation avec des cellules à ions Li, le procédé pourrait s'appliquer à d'autres types de cellules rechargeables de caractéristiques similaires en ce qui concerne la tension de borne Vext en fonction du temps de charge, qui ne permettent pas d'utiliser les procédés classiques de détection de fin de charge basés sur une variation de tension de borne en fonction du temps et dont 1 'état de charge peut être déterminé avec précision à partir de la tension électrochimique Vint. Les batteries au plomb tombent dans cette catégorie. Although the invention has been described in relation to Li-ion cells, the method could be applied to other types of rechargeable cells of similar characteristics with regard to the terminal voltage Vext as a function of the charging time, which do not make it possible to use conventional end-of-charge detection methods based on terminal voltage variation as a function of time and whose state of charge can be determined accurately from the electrochemical voltage Vint. Lead-acid batteries fall into this category.
Les durées des première et seconde périodes sont données uniquement à titre d'exemple et d'autres durées pourraient être utilisées à condition d'éviter d'éventuelles surcharges et d' interrompre la charge suffisamment longtemps pour permettre une mesure précise de la tension électrochimique. The durations of the first and second periods are given by way of example only and other durations could be used provided that possible overloads are avoided and the charge is interrupted long enough to allow accurate measurement of the electrochemical voltage.
On peut prévoir un circuit permettant d'extraire un courant de décharge pendant la seconde période, avant la mesure de la tension électrochimique. Ceci amène la tension électrochimique à s'établir plus rapidement à sa valeur vraie, et permet donc de réduire la durée de la seconde période. A circuit may be provided for extracting a discharge current during the second period, prior to measuring the electrochemical voltage. This causes the electrochemical voltage to settle more quickly at its true value, and thus reduces the duration of the second period.
On a décrit à titre d'exemple deux circuits de chargeur de batterie mais de nombreuses variantes apparaîtront à l'homme de l'art. Un mode de réalisation utilisant un simple microcontrô leur universel à convertisseur analogique/numérique et mémoire morte incorporée, tel que le circuit ST6210, est actuellement préféré en raison de son faible coût de fabrication et de son adaptabilité à tous les types de batterie. Two battery charger circuits have been described by way of example, but many variations will be apparent to those skilled in the art. An embodiment using a simple universal microcontroller with analog / digital converter and read-only memory, such as the ST6210 circuit, is currently preferred because of its low manufacturing cost and its adaptability to all types of battery.
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Also Published As
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|---|---|
| FR2733093B1 (en) | 1997-07-04 |
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