电池充电器以及系统及其使用方法
【技术领域】
[0001]一般而言，本发明涉及电池或电芯充电装置，特别地，本发明涉及一种电池充电器以及一种系统及使用所述系统为电池快速充电的方法。
【背景技术】
[0002]常用的电池充电方法是采用恒定电流充电，直到电池端电压达到基准电压，然后继续充电，此时电池端电压维持在一个恒定电压上。先前技术如图1和2所示，恒压充电时，充电电流减少到一个最小值，此时充电结束。充电电流减少是由于电池内阻的存在。随着电池内部电压增加，电池内阻上的电压因充电电流减小到一个预设值而不断减小，随后充电结束。因此，由于充电电流较低，恒压模式充电会增加充电时间。因此，业界需要一种能减少电池充电时间的充电技术。
【发明内容】
[0003]获得一个使用恒定电流使电池被完全充满从而最小化电池充电时间的电池充电系统是有益的。而且，实现一种通过间接测量内部电池阻抗重点解决此问题的电子化解决方案是理想的。为了更好的解决这些问题，本文特公开一种快速可重复给电池充电的电池充电器和系统以及它们的使用方法。在所述电池充电器的一种实施例中，电力充电电源输入端被配置为通过置于其与电池之间的输出电路部分向可充电电池提供电力的充电能量。
[0004]传输函数电路部分被配置为感测可充电电池的电压，而感测电压的改变与可充电电池的内阻成正比。控制逻辑电路部分被配置为可在恒定电流、可变电压运行模式，恒定电流、可缩放电压运行模式以及可变电流、恒定电压运行模式之间进行选择，以向可充电电池供给快速的充电。在一个实施例中，控制逻辑电路部分被配置为在一个恒定电流、可变电压运行模式和一个恒定电流、可缩放电压运行模式之间进行选择。本发明的各个方面将通过以下对实施例的阐述变得显而易见。
【附图说明】
[0005]为更全面地理解本发明特征和优点，参见下文对本发明的详细描述以及附图，其中不同附图中的标号与相应的部件对应，其中:
[0006]图1是一种现有技术电池充电器的典型示意图；
[0007]图2是图1所示现有技术电池充电器的电芯电压(V)对抗时间(小时)的性能示意图；
[0008]图3是按照本文中提出的方法实现的一种电池充电器的示意框图；
[0009]图4是采用根据本文教示的电池充电器为可充电电池充电的方法的一个实施例的流程图；
[0010]图5A是图3所示电池充电器的一个实施例的典型示意图；
[0011]图5B是图5所示电池充电器的一个实施例的典型示意图，其描述了电流回路电路的一个操作性实施例；
[0012]图5C是图5所示电池充电器的一个实施例的典型示意图，其描述了电压回路电路的一个操作性实施例；
[0013]图6是图3所示电池充电器的另外一个实施例的典型示意图；
[0014]图7是图3所示电池充电器的进一步实施例的典型示意图；
[0015]图8是图3所示电池充电器的更进一步实施例的典型示意图；
[0016]图9是图3所示电池充电器的一个附加实施例的典型示意图；
[0017]图10到图19是图3所示的电池充电器的性能示意图。
【具体实施方式】
[0018]虽然下文具体讨论了本发明各种实施例的形成与使用，但应理解本发明提供了许多可应用的创造性概念，可在宽泛的特定背景下实施。在此处讨论的具体实施例只是本发明形成和使用的特定方式的示例性说明，并不限定本发明的范围。
[0019]现在参照图3，其描述了一个用于增加可充电电池12的电量的电池充电器10。电力充电电源的输入端14被配置为通过一个置于其与可充电电池之间的输出电路部分向可充电电池12提供电力充电功率。正如将在下文中进一步详细描述的那样，输出电路部分16含有与其相关的预定的基准电压(VREF)。传输函数电路部分18被配置为感测可充电电池12的电压(VB)，并将此电压作为感测电压(VSNS)，而感测电压的变化(AVSNS)与可充电电池12的内阻直接成正比。
[0020]控制逻辑电路部分20包括第一和第二放大器电路部分，分别定义了电流回路电路22和电压回路电路24以及一个比较器。所述控制逻辑电路部分被配置为可在恒定电流、可变电压运行模式，恒定电流、可缩放电压运行模式，以及可变电流、恒定电压运行模式之间进行选择。在恒定电流、可变电压运行模式下，输出电路部分16受驱动向可充电电池12提供恒定电流、可变电压的电力充电功率，直到感测电压(VSNS)等于预定的基准电压(VREF)。应当理解，正如在下文将进一步详细讨论的那样，恒压、可变电流运行模式可被排除在外。
[0021]在恒定电流、可缩放电压运行模式下，输出电路部分16受驱动向所述可充电电池12提供恒定电流、可缩放电压的电力充电功率，以响应感测电压(VSNS)超出预定基准电压(VREF)的情况。其中可缩放电压随感测电压的变化(AVSNS)而缩放。最后，在可变电流、恒定电压运行模式下，输出电路部分16受驱动向可充电电池12提供可变电流、恒定电压的电力充电功率，以响应所感测电压超出比较电压(VCOMP)的情况。
[0022]补偿电路部分26位于控制逻辑电路部分和输出电路部分之间，以在恒定电流、可缩放电压运行模式下产生它们之间的感测电压的变化。所述补偿电路部分可以是一个初值设置为0Ω的可变电阻器。
[0023]参照图4，在一种可操作的方法中，用电池充电器为可充电电池充电的方法包括，在方块30中，向可充电电池提供一个恒定电流以按恒定电流模式开始一个充电周期,其中带有一个已经设置初始值(可以为O Ω)的可变电阻器。
[0024]在方块32中，比较器比较感测电压(VSNS)和基准电压(VREF)，在方块34，当感测电压(VSNS)大于或等于基准电压(VREF)时，流向可充电电池的恒定电流被截止。停止动作使得感测电压(VSNS)与可充电电池的内阻成正比地下降。此停止动作是在充电周期开始后电流的第一个停止。在方块36中，所述可变电阻器的值(RCOMP)在此停止后相对于感测电压的变化(Λ VSNS)以可缩放的方式增加。在方块38中，比较器比较比较电压(VCOMP)和感测电压(VSNS)。在方块40中，当比较电压(VCOMP)小于或等于感测电压(VSNS)时，提供恒定电流给可充电电池，从而阻止可变电阻器的值(RCOMP)的增加。
[0025]在一个实施例中，通过比较器对感测电压(VSNS)与基准电压(VREF)的比较，此方法论继续有效。所述感测电压包括可变电阻器两端的第二电压降，并且此第二压降与可充电电池的内阻抗成正比。在本实施例中，当感测电压(VSNS)大于或等于基准电压(VREF)时，所述方法最终切换到这个恒压模式。
[0026]现在参照图5Α至5C，其中在图3中描述的电池充电器的一个实施例在此得到了更详细的描述。在讨论充电周期开始之前，将概括地讨论电流回路电路22(例如图5Β中的运行实施例)和电压回路电路24(例如在图5C中的运行实施例)。为了使电池12能完全地再充电，VSNS电压应与VREF电压相等(例如，1.8V)。如果电池12在充电周期开始的时候未完全充电，那么VSNS电压小于VREF，并且放大器Al的输出较高，引起M2截止。为了启动流向电流回路电路22中的电流槽路(其在图5Β中得到描述，其中电压回路电路22为解释方便而被移除)的电流，ISUM将通过RSUM将节点VSUM的电压拉低，使得放大器A3接通晶体管M3和Ml。电流将增加，直到IA电流等于ISET。充电电流取决于放大器Al增加电流IA直到电阻器RA两端电压等于电阻器RS两端电压，以使如下方程成立:
[0027]方程{1}IS = (IA*RA)/RS
[0028]方程⑵IA = (IS*RS)/RA
[0029]根据方程{1}，如果ISET = 20 μ A , RA = IK Ω , RS = 0.01 Ω ,那么 IS =(20μ Α*1Κ Ω)/(0.01 Ω) = 2A。
[0030]关于电压回路24(图5C中描述，电流回路电路22为了解释方便而被移除)，随着电池电压达到期望的终止电压(VREF)，而且VSNS节点的电压等于或稍大于VREF时，放大器A2将迫使VSUM节点电压稍微高于VREF电压，从而促使放大器A3引起晶体管Ml减少流向电池12的电流。放大器A2将在VB模式下保持电压等于期望的电池最终电压，同时由晶体管Ml提供给电池的电流将继续减小。尽管电压在VB处是常数，电池(VBATT)继续增加，同时充电电流减少，IS*RBATT电压下降，产生图1所示的一个恒压轮廓线，除非应用了本文中提出的方法，即电池阻抗(RBATT)由电阻器RCOMP补偿以使电池在恒定电流模式充电直到内部电芯电压达到期望的最终电压，从而显著地减少电压模式所需时间，甚或完全消除。
[0031]回到对充电周期开始的讨论，开关设置为SI打开，SlZ关闭和S2打开，SlZ作为SI的补充，如此使得当SI关闭时，SlZ打开。充电周期启动时，所述恒定电流模式下，RCOMP设定为O Ω并保持该模式直到VSNS电压等于VREF。继续充电周期的启动，Rl和R2设置如下:
[0032]方程{3}VSNS = (VB*R2)/(R1+R2)
[0033]当VSNS稍微大于VREF时，比较器COMP通知控制逻辑关闭开关SI并打开开关S1Z，据此开始增加RC0MP。结果，随着晶体管Ml和M2关闭以及由于没有充电电流，RBATT上的电压引起VB减少。现在，ISET来自VREF并流经RCOMP，引起RCOMP上的电压降，ISET —直增加到VCOMP等于或小于VSNS电压，致使比较器COMP的输出走高。此控制逻辑随后引起RCOMP停止增加，从而开关SI打开，S2关闭。电池充电器10随后返回到一个恒定电流操作模式，电池继续得到充电，直到VSNS等于或稍微大于VC0MP，其引起比较器COMP的输出走高。结果，此控制逻辑关闭开关S2，从而将电池充电器10置于恒压模式。
[0034]导出RCOMP值的传输函数为K = R2/(R1+R2)，其时充电器处于电流模式且RCOMP=O Ω。
[0035]方程{4}VB = (IS*RBATT)+VBATT
[0036]当电压VB接近期望的电池电压时，VSNS处的电压为:
[0037]方程{5}VSNS = K*VB
[0038]方程{6}VSNS = K(IS*RBATT+VBATT)
[0039]现在，如果IS = 0，则根据方程{4}:
[0040]方程{7} VSNS = K*VBATT，所以VSNS的差值为等式{7}减去等式{6}或
[0041]Δ VSNS = K*VBATT-K(IS*RBA