专利名称：一种电池充电装置与充电控制方法
技术领域：
本发明关于一种电池充电装置与充电控制方法，特别是一种可以适应各种充电量大小不同的电池使用的电池充电装置。
充电器在现今生活电器化的环境中是一种使用机会相当高的物品。一些电动刮胡刀、随身听、电动工具等电器用品因随时随地使用的机会多，通常是以镍镉或铅酸电池来提供电力，为了使用方便及节省，消费者大多使用可充电的电池，所以充电器是一项愈来愈普遍的电器配备用品。已往充电器的种类及充电控制方式非常多，充电的电压特性更是没有一定标准。例如定电流式充电电源采用快速充电方式，而充电器又无电流选择功能，当遇到放置较久或过度放电或是天气太冷，而不宜大电流地对电池充电的情形时，往往对电池造成破坏或误动作。如果采用定电流0.1C或定电压充电方式，虽可以将电池充满电，也不会有较明显的破坏，但是充电时间很长，因此电池充电的结果有的是充电量不足，导致电池不能发挥它应有的功能;有的是强行充电造成电池发烫，虽然电池的充电量足够，但浪费电力而且对电池的寿命大有影响。
因此，有必要提供一种能适用于要求充电电流大小不同的电池使用的自调式电池充电器，以降低电池在充电时，因充电不足或过分而损坏电池寿命的机会。
本发明的主要目的在于提供一种可以使电池充电至适当饱和，并确保电池使用寿命的电池充电装置与充电控制方法。
本发明的另一个目的在于提供一种可以使电池在许多不宜大电流充电的状况下，能自动调低充电电流，而在电池可以接受较大电流充电时，能自动提高充电电流，以节省充电时间并对电池作最适度充电的电池充电装置与充电控制方法。
本发明的一种电池充电装置的控制方法包含以下步骤将电池充电时的最高电压值予以记忆并产生一个适当比例的分压，将该比例分压电压与电池停止充电时的电压值相比较，当电池停止充电的电压值小于比例分压电压时，使直流电源停止对电池进行充电。
本发明的一种电池充电装置包含直流电源、限流器、电源控制开关以及充电控制单元，而且所述充电控制单元包含用以检出电池电压的电池电压检出电路;用以根据电压检出电路的检出电压判定充电装置是否负载有电池的空载检测电路;用以在充电装置负载有电池时，记忆充电电压最高值的最高电压记忆电路;利用所述最高值产生一个适当比例分压的比例分压器;用以比较所述分压和电池压而产生一个输出信号的比较器;以及结合所述比较器的输出持续控制所述电源控制开关的启闭，从而控制充电与否的脉冲发生器。
对于实现上述目的的技术和装置，现举出较佳实施例并配合图示，详细说明于后，其中图示分别为
图1是本发明电池充电装置的一个较佳实施例的结构方框图。
图2是本发明一个较佳实施例的充电曲线的示意图。
图3是本发明一个较佳实施例中充电控制单元的结构方框图。
图4是本发明一个较佳实施例中充电控制单元的电路图。
图5是本发明一个较佳实施例中电源供应单元的电路图。
图6是本发明另一个较佳实施例中充电控制单元的结构方框图。
图7-1是本发明另一个较佳实施例中充电控制单元的电路图。
图7-2是图1所示电路图中电压记忆电路的详细电路图。
图8是本发明另一个较佳实施例中充电控制单元的一种结构方框图。
图9是本发明另一个较佳实施例中充电控制单元的一种电路图。
图10是本发明另一个较佳实施例充电曲线的示意图。
图11是本发明另一个较佳实施例中电池充电装置的结构方框图。
图12是本发明另一个较佳实施例中电池充电装置的电路结构方框图。
图13-1至13-2分别是本发明又一个较佳实施例中电池充电装置的各部份电路图。
首先请参阅图1所示本发明电池充电装置一个较佳实施例的结构方框图，由图可知，本发明的电池充电装置基本上由直流电源11、限流器或定电流器12、电源控制开关13组成的电源供给单元1与充电控制单元2所组成。其中，经由充电控制单元2可控制电流控制开关13的启闭，以控制对电池3的充电。图2所示是本发明一个较佳实施例的充电曲线的示意图。充电控制单元2的控制原理主要是将电池3充电时的最高电压值(V1)记忆起来并产生一个适当比例分压(V2)，此分压再与电池3停止充电时的电压值(Voff)相比较，如果电池3停止充电的电压值(Voff)小于比例分压(V2)，则充电控制单元2就令电源供给单元停止对电池3进行充电。
图3及图4所示分别是本发明充电控制单元一个较佳实施例的结构方框图及电路图。根据前述控制方法，本发明的充电控制单元2由电池电压检出电路21、空载检测电路22、最高电压记忆电路23、比例分压器24、比较器25、脉冲发生器26以及与门(ANDgate)27所组成。如图4所示，电池电压检出电路21由电容、电阻所构成，可随时取得电池3的电压，并将该电压值送到空载电压检测电路22，以检测充电装置是否有电池负载。空载检测电路22主要由运算放大器、二极管以及齐纳二极管所构成。利用齐纳二极管从充电电压可产生一个固定电压值，用来与前述电池电压相比较，如果电池电压大于齐纳二极管固定的电压值，则运算放大器输出高电位，二极管无法导通，因而不影响最高电压记忆电路23的动作。在最高电压记忆电路23中，利用电容器储存电池充电电压值，并利用运算放大器随时将电池电压与该记忆电压作比较，如果电池电压大于记忆电压则运算放大器输出高电位使电容器充电;相反的，如果电池电压小于记忆电压则电容器保持最高电压记忆值。
所述最高电压记忆值(V1)送至比例分压器24中施以适当比例的分压而获得一个分压电压(V2)。此比例分压器24的分压比例大小由分压电阻来决定。前述最高记忆电压(V1)的比例分压(V2)将在比较器25中与电池电压(Voff)作比较，如果电池电压(Voff)大于所述比例分压(V2)，则比较器25的输出为高电位。另外，脉冲发生器26同时输出脉冲信号，脉波信号与比较器25的输出信号同时送入与门27，当脉冲信号为高电平且比较器25的输出为高电平时，与门27输出为高电平，供晶体管导通。于是充电控制单元2的输出端A输出低电平，供电电源单元1即对电池3进行充电;相反的，当脉冲信号为低电平时，即使比较器25的输出为高电平，与门27的输出仍为低电平，而使得晶体管无法导通，于是充电控制单元2的输出为高电平，供电电源单元1将不对电池3进行充电。由上面的说明可知，利用脉冲信号的高、低电平控制，会使电池有充电与不充电两种情况，于是电池有充电时的电压(V1)与不充电时的电压(Voff)产生。至于充电控制单元2如何控制供电电源单元1对电池3充电，以下有进一步的说明。
图5所示是本发明供电电源单元1的一个较佳实施例的电路图。如图所示，当充电控制单元2的输出端A为低电平时，电源控制开关13中的继电器11将导通，于是经过整流的直流电源将对电池3进行充电，这段充电的时间即为脉冲信号为高电平的时间。因为当脉冲信号由高电平变为低电平时，充电控制单元2的输出端A同时由低电平变为高电平，而使得继电器11截止跳开，于是直流电源不再对电池3进行充电。
如此情况一再重覆，借助脉冲信号的控制使得电池3的充电电压有二种变化，一种是脉冲信号为高电平时的充电电压(Von即V1)，另一种则是脉冲信号为低电平时的停止充电电压(Voff)。再请配合参阅图2所示，当电池3未被充电至饱和时，电池3的充电电压(V1)为一个不断上升的电压，而电池3停止充电的电压(Voff)也为一个不断上升的电压，但是在电池3未充电至饱合状态时，电池停止充电电压(Voff)小于充数器以及运算放大器所构成。其中，利用振荡电路产生脉冲使计数器不断往上计数，而运算放大器则将计数结果与电池电压相比较，如果小于电池电压则使振荡器继续输出脉冲让计数器往上数，如果计数结果大于电池电压，则运算放大器输出低电平使振荡电路停止振荡，于是计数器停止计数，并将该计数结果作为最高电压(V1)输出。之后，同样地，该电池充电的最高电压(V1)将经过比例分压器24′而产生一个适当比例的分压(V2)，此分压再送至比较器25′与电池电压(Voff)比较。如果电池电压(Voff)大于比例分压(V2)，则比较器25′的输出为低电平，使晶体管无法导通，则脉冲发生器26′的电阻、电容所构成的充放电电路产生适当的脉冲输出。脉冲信号将使充电控制单元2′的输出端A产生高电平或低电平。该高、低电平将使电源供给单元1(如图5所示)对电池进行充电或不充电。随着脉冲信号高、低电平的变化，重覆前述的控制过程，直到电池停止充电的电压(Voff)小于电池充电电压(V1)的分压(V2)，则比较器25′的输出变为高电平，使得晶体管导通而让电源供应单元1′停止对电池进行充电。
图8及图9所示是本发明一个较佳实施例充电控制单元的又一种结构方框图及电路图。图8和图9所具有的控制原理及动作方式与图6和图7-1所揭露的大致相同，于此不再多加详述。惟一的差异在于图8和图9的充电控制单元更包括有一个复位(reset)控制器29。此控制器基本上是由一个电阻电容(RC)充放电路所构成，且该RC充放电路接受脉冲发生器26″的控制，其输出端则接至空载检测电路22″输入端。当脉冲发生器26″的输出(即A端)由高电平变为为低电平时，使最高电压记忆电路23″复位，于是所记忆的最高电压消除。然后，在脉冲发生器26″输出为高电平期间，最高电压记忆电路23″恢复正常的动作，重新记忆电池充电时的最高电压。
前面所述实施例都是对电池作限电流或定电流式的充电，本发明也可扩充为可自动调整对电池进行充电的电流的设计，以适用于不同充电电流规格的电池。参阅图10所示本发明另一个较佳实施例充电曲线的示意图，本实施例的动作原理是将电池充电时的电压(Von)分成高、低比例的分压(V1、V2)，而后将该比例分压与电池停止充电的电压(Voff)相比较。如果电池停止充电的电压(Voff)大于高比例分压(V1)则充电装置将有大充电电流。如果电池停止充电的电压(Voff)小于高比例分压(V1)，则充电装置将降低充电电流，而使电池停止充电的电压(Voff)持续维持在高、低比例分压(V1、V2)之间。直到充电电流小于设定规格时才停止对电池充电。
依据前述的控制原理，参阅图11所示本发明另一个较佳实施例结构方框图。如图所示，本实施例的充电装置大体上由充电控制器3、脉冲发生器4、状态控制器5、定电流控制器6、充电状态指示器60、电压控制定电流器7、切断控制器8、充电指示灯71以及电源72所组成。根据图11以及上述原理可以衍生出如图12所示的电池充电装置电路结构方框图。以下就图12说明本发明应用上述原理下的另一个较佳实施例。图13-1至图13-3为图12所示结构方框图的详细电路图。如图可知，图12实施例的充电控制器3即为前一个实施例的充电控制单元，唯一的不同在于本实施例的充电控制器3具有两组比例分压器31与比较器32，用以将最高电压记忆器33中所记录的最高电压(Von)施以高、低两种比例的分压(V1、V2)，并将两者与电池10停止充电时的电压(Voff)作比较，比较器32的比较结果送至状态控制器5，配合脉冲发生器4的脉冲信号，分别使定电流控制器6产生适当大小的电压输出值。
在本实施例中，定电流控制器6是由可向上、下数计数器61、数/模转换器(D/A)62以及滤波器63所构成。其中，上、下数计数器61依据比较器32的比较结果以及状态控制器5的控制信号决定要往上或往下计数。如果电池10停止充电的电压(Voff)大于高比例分压(V1)则上、下数计数器61往上计数。如果电池10停止充电的电压(Voff)小于高比例分压(V1)，则上、下数计数器61往下计数。上、下计数器61的计数结果经过数/模转换器62产生一个电压信号输出，以使电压控制定电流器7经由电源72的输入产生一个适当的充电电流。如果计数器61往上计数，表示增大对电池10进行充电的充电电流，如果计数器61往下计数，表示降低对电池10进行充电的充电电流。在定电流控制器6输出适当电压值，而使电压控制定电流器7以适当的充电电流对电池10进行充电的同时，充电状态指示器60可依据上、下计数器61的计数结果显示充电电流的档次使用者明白充电电流的大小。
随着电压控制定电流器7以适当大小的电流对电池10进行充电的同时，切断控制器8也随时判定充电的状态是否要截止。在本实施例中，切断控制器8是由最低电压标定器81、定时器82、以及比较器83所构成。定时器82的设置目的在于使电池10一定要进行一段固定时电电压(V1)，且大于电池充电电压(V1)的比例分压(V2)。因此，在充电控制单元2的最高电压记忆电路23将持续储存记忆电池3的充电电压(V1)，而在比较器25中，则将持续以电池3停止充电的电压(Voff)与比例分压(V2)相比较。当电池3充电至近饱合时，电池3停止充电的电压(Voff)将会小于比例分压(V2)，于是比较器25的输出可通过充电控制单元2使电源供给单元1停止对电池3充电。其中，电池3充电饱和的程度依比例分压(V2)的比例而定，以一般使用情况而论，该比例分压(V2)约为电池充电电压(V1)的0.9倍，不过，也可视电池与情况适当调整该比例。
借助采样电池3在充电与不充电时的电压(V1及Voff)并将两者相比较以控制是否对电池3进行充电的方法，可使电池3充电至适当的饱和量。当然，在电源供给单元1的电路设计中可适当增设指示灯，让使用者轻易明了电池3系在充电中或是在已停止充电状态。由于此等设计为已知简单技术，在此不作进一步的描述。
图6以及图7-1和图7-2所示是本发明一个较佳实施例充电控制单元的另一结构方框图及电路图。利用上述同样的控制方法，本发明的充电控制单元2′也可以设计成将比较器25′的输出接到脉冲发生器26′的输入，使充电控制单元2的电路结构与前述不同，如图7-1所示，充电控制单元2′由电池电压检出电路21′、空载检测电路22′、最高电压记忆电路23′、比例分压器24′、比较器25′以及脉冲发生器26′、所组成。其中，各电路的动作原理与图4所示大致相同。不同之处在于如图7-2所示最高电压记忆电路23′是由振荡电路、计间的充电，以预防电池10在开始充电时的瞬间不稳定状态导致充电控制器3的误动作。最低电压标定器81的标定值可设定为电池10的0.1C或是额定充电电流，当定电流控制器6的输出(上、下计数器61的计数结果)使充电电流下降至小于电池10的0.1或额定充电电流时，则比较器83的输出将令电压控制定电流器7停止对电池10进行充电。
切断控制器8也可利用其他手段达到截止充电的目的，如充电时间设定，由于是已有技术或是较简单，故不再以具体实施例说明。由以上的说明可知，本实施例可随时依据电池的充电状况调整适当的充电电流，直到电池充电至饱和状态为止。因此各种不同规格的充电电池都可利用本发明达到充电的目的，而且不会有充电不足或充电电流太大而对电池造成破坏的情况。
由以上的说明可知，本发明的设计具有以下的特点与效果(1)可自动控制电池的充电量只要适当设定分压比例，则本发明的充电控制单元可以持续控制电池的充电量，使其达到一定的饱和值，且此饱和值不受限于电池的充电额度影响。此外，本发明的设计都可自动调整其充电额度，使其充电至一定的饱和量，而不会有充电不足或充电过度的情况发生。
(2)可自动调整充电电流由本发明第二个实施例的设计可知，本发明也可自动调整充电电流的大小，以对电池作最适度的充电，尤其对于具有不同充电电流规格的电池，本发明都可适用。
(3)可确保电池的使用寿命由于本发明的充电控制方法及结构设计不会使电池有充电不足或充电过度的情况发生，而是使电池充电至一定的饱和量，所以，不会使电池因充电而有所损坏，从而可长时间确保充电电池的使用寿命。
权利要求
1.一种电池充电装置的控制方法，其特征在于包含以下步骤将电池充电时的最高电压值予以记忆并产生一个适当比例的分压；将所述比例分压电压与电池停止充电时的电压值相比较；如果电池停止充电的电压值小于比例分压电压，则令电源停止对电池进行充电。
2.一种电池充电装置，包含直流电源、限流器、电源控制开关以及充电控制单元，其特征在于所述充电控制单元包含用以检出电池电压的电池电压检出电路;用以根据电压检出电路的检出电压判定充电装置是否负载有电池的空载检测电路;用以在充电装置负载有电池时，记忆充电电压的最高值的最高电压记忆电路;用以利用所述充电电压最高值产生一个适当比例分压电压的比例分压器;用以比较所述分压电压和电池电压而产生一个输出信号的比较器;以及用以结合所述比较器的输出持续控制所述电源控制开关的启闭，从而控制充电与否的脉冲发生器。
3.依据权利要求2所述的电池充电装置，其特征在于所述充电控制单元包括一个与门，此与门接收比较器与脉冲发生器的输出信号，当所述两信号均为高电平时，电源控制单元对电池进行充电。
4.依据权利要求2所述的电池充电装置，其特征在于包括有一个由电阻电容充放电路所构成的复位控制器，复位控制器接受脉冲发生器的控制，输出端接至空载检测电路的输入端;当脉冲发生器的电平输出使充电装置对电池进行充电时，所述复位控制器即产生一个让空载检测电路输出为低电平的复位信号，使最高电压记忆器可以重新记忆下一次最高电压值。
5.依据权利要求2所述的电池充电装置，其特征在于所述充电控制单元包含两组比例分压器及比较器，且比较器的输出依照顺序连接状态控制器、定电流控制器、充电状态指示器、电压控制定电流器以及切断控制器，用以自动调整充电电流。
全文摘要
一种电池充电装置与充电控制方法，主要由直流电源、限流器、电源控制开关以及充电控制单元组成。其中，充电控制单元由电池电压检出电路、空载检测电路、最高电压记忆电路、比例分压器、比较器以及脉冲发生器组成，使充电控制单元可以将电池充电时的电压值以适当比例分压，再将所述比例分压与电池停止充电时的电压值相比较，当电池停止充电的电压值小于充电时电压值的比例分压时，电源控制单元就停止对电池进行充电。
文档编号H02J7/10GK1079847SQ92104349
公开日1993年12月22日 申请日期1992年6月11日 优先权日1992年6月11日
发明者钱致坚 申请人:钱致坚