CN1052824C - 便携式可充电电池的充电方法和充电器 - Google Patents

Abstract

便携式可充电电池的充电方法产生一个代表电池输出电压的电信号。当代表电池输出电压的信号降到一个预选的较低门限以下时，通过向电池提供大充电电流来开始对电池快速充电。在这一较低门限上的电池电压足以维持由电池供电的设备继续工作。当代表电池输出电压的信号上升到一个预选的较高门限之后，就停止对电池快速充电，在较高门限处的电池电压明显地低于电池被充电到其100%额定容量时的输出电压。

Description

便携式可充电电池的充电方法和充电器

本发明涉及为便携式可充电电池充电的方法和充电系统，例如用于手提蜂窝电话的电池的充电。这类电池通常是镍-镉电池或镍-金属氢化物电池。

一般来说，这类电池需要进行充电以维持手提蜂窝电话或其它设备由电池供电。目前有各种充电器来向这些电池充电，例如，美国专利No.5,325,040，题为用于向电池充电的方法和装置。以及美国专利No.4,910,103，题为“用于便携式无线电报装置的电池组“以及美国专利No.4,081,739题为“用于向电池快速充电的电路。”

本发明的主要目的是提供一种改进的电池充电系统，它可以在各种各样的工作条件下为便携式可充电电池迅速并安全地充电。不同的条件可以包括大范围的环境温度和湿度，向充电系统提供宽变化范围的输入电压的车辆电力系统，并且可以使用各种不同厂商制造的电池，电池可以具有不同的尺寸，容量和充电特性。

本发明的一个重要的目标是提供这样一种改进的充电系统，在电池被充电的整段时间期间，允许电池维持由电池供电的蜂窝电话或其他设备的工作。

本发明的目的之一是提供这样一种改进的电池充电系统，它在为电池迅速充电的同时还能保护电池免受过充电的损害。在这种连接方式下，与此有关的一个目的是提供一种改进的充电系统，它可以自动补偿温度的变化或是车辆电力系统所提供的输入电压的变化。

本发明的另一目的是提供一种改进的电池充电系统，它在充电过程期间利用电池的固有特性来补偿电池的使用。

本发明的又一目的是提供一种改进的电池充电系统，它在充电周期中的快速充电部分期间可以高效率地操作，从而不必使用复杂的散热器。

本发明的再一目的是提供一种电池充电系统，它可以改善电池的过充电保护。

通过以下结合附图的说明可以看到本发明的其它目的和优点。

按照本发明，为便携式可充电电池充电的方法，其特征在于包括以下步骤：产生一个代表电池输出电压的电信号；当代表电池输出电压的信号下降到一个预选的较低门限以下时，就提供一个大充电电流，开始对电池快速充电，对应上述较低门限的电池输出电压是足以维持由上述电池供电的设备继续工作；以及在代表电池输出电压的信号上升到预选的较高门限时停止对电池的快速充电，对应上述较高门限的电池输出电压明显地低于该电池被充电到其100％额定容量时的输出电压。便携式可充电电池的充电器，其特征在于该充电器包括：一个传感器，用于产生代表电池输出电压的电信号，一个电流源，当来自传感器的信号表示电池输出电压的信号降到一个预选的较低门限以下时，向电池提供一个大充电电流，开始对电池快速充电，对应上述较低门限的电池输出电压足以维持由上述电池供电的设备能正常操作；以及一个开关，在来自传感器的信号表示电池输出电压的信号上升到一个预选的较高门限后，用于停止对电池快速充电。

图1是体现本发明的一个电池充电系统的方框图；以及

图2是用于实现图1所示电池充电系统的一个专用电路的示意图。

首先参见图1，图1示出了一个电池充电系统，用于从普通车辆的电力系统11为便携式可充电电池10充电。充电系统的电源通常是从车中的香烟点火器插座上获得的。由车辆电力系统11供给充电系统的额定电压应为13.8伏，但在实际情况下这一输入电压是在10.5伏到33伏的范围内变化的。

图示的充电系统包括两个充电恒流源12和13，用于向电池10提供充电电流。两个电流源均由车辆电力系统11供电。电流源12是一个提供相对较大的充电电流例如700mA的大电流源，用于电池的快速充电。第二电流源13是一个提供相对较小的充电电流例如25mA的小电流源。用于以缓慢的速率为电池充电。如果把电池充电系统连接在车辆电力系统11和电池10之间，小电流源13就连续地工作。而大电流源12则仅当其被一个电压比较器14接通时才工作。

比较器14不断地把通过电压检测器15确定的电池10的输出电压与采自基准电压源16的基准电压进行比较。如下文中所述，因此便携式可充电电池的电池电压与充电容量百分数之间的关系是已知的，所以该基准电压被用来确定由检测器15监测的电池输出电压何时代表了预定的充电百分效。

当可充电电池的温度由于环境温度的变化和/或充电的延续而上升时，对应任一给定的电荷输入量(通常用电池额定容量的百分数来表示)的电池电压就会下降。因此，最好把来自源16的基准电压值作为一或多个检测温度的函数来调节，以便在一个宽的温度范围内使这一基准电压值更准确地体现特定的电荷输入量。例如，当电池的充电温度为25℃时，可以用1.44伏的基准电压来代表50％的电荷输入量，但是，如果温度上升到60℃，就可以仅用1.4伏的基准电压来表示50％的电荷输入量。为了补偿这种变化，需要采用温度传感器17的输出连续地调节基准电压源16的输出。传感器17可以设在仅检测环境温度的位置，环境温度是影响电池温度的主要因素之一，或是使传感器能更直接地反映出电池的温度。例如，传感器可以由通常包含在蜂窝电话的电池操作电路中的热敏电阻构成，或是使传感器靠近甚至附着在电池的壳体上。

必要时可以采用多个温度传感器，将传感器的输出加以组合，以便向基准电压源16提供一个补偿输入信号。然而本发明充电系统的特点是使用了一个环境温度传感器，这是通用的充电器中最便利的形式，它可以用于任意可充电电池及任何由电池操作的设备。如下文中所述，本发明充电系统中的安全装置允许使用一个环境温度传感器，而不会使电池或充电系统的可靠性受到威胁。

还可以把基准电压源16的输出作为车辆电力系统11所提供的输入电压的函数来调节，在实际操作中，该输入电压会在相对较宽的范围内变化。加到充电器上的输入电压的变化会对充电电流的幅值产生虽然小但却明显的影响，这种影响随后会使电池电压上升或下降1/10或2/10伏。为了补偿这种变化，用一个输入电压电流检测器18监测从车辆电力系统11供给充电系统的输入，并且响应输入电压的变化而连续地调节源16输出的基准电压。

电压比较器14不断地把通过电压检测器15监测的被充电电池的端电压与基准电压源16的输出所设定的一个门限值进行比较。选择的较低门限电压对应的电荷输入量大约占电池额定容量的50％，而选择的较高门限电压对应的电荷输入量大约占电池额定容量的70％。

随着电池的使用和放电，其端电压(由检测器15监测)最终会下降到较低门限电压以下。当电池电压下降到由基准电压源16的输出设定的较低门限电平以下时，比较器14就相应地产生一个输出信号，接通大电流源12。结果使大电流源12输出的大电流为电池10快速充电，直至电流源12被关断为止。在电池放电到不能再操作蜂窝电话或其它由电池供电的设备的程度之前，这一快速充电过程就开始了，因此，充电工作不会使电话或其它设备的操作发生中断。

可以看出，如果把一个已经低于50％电荷量的电池连接到充电系统，比较器14会立即检测到这一状态，并且接通大电流源12为电池快速充电。这样就可使电池的电荷量迅速上升到足以操作其正在供电的设备的程度，并且能在持续快速充电的同时使用用电设备。

每当比较器14接通大电流源12时，由源16的输出设定的门限电平就被升高到预选的较高门限电压。如果采用一个等于较高和较低门限之间的所需差值的量值来人为地改变输入到比较器的电池电压，并且同时维持固定的基准电压输入，也可以获得相同的效果。

当电池10被充电到接近其额定容量的70％时，由检测器15监测的电池端电压就上升到较高门限电压的电平。比较器14在该点处向终止定时器19输出一个信号，开始一个预选时间周期的测量。这一预选时间周期大约为25分钟，所选的这一时间长度足以令大电流源把电荷输入量从电池额定容量的70％增加到80％，甚至达到85％至90％。当这一时间周期结束时，终止定时器19就产生一个关断大电流源12的输出信号。然后由小电流源以缓慢的速率继续对电池10充电。

在电池额定容量的80％至90％处停止对电池快这充电的理由是为了有效地消除任何由于大电流源12对电池过度充电而损坏电池的可能性。镍-镉电池特别容易受到过度充电的损害。为了针对过充电提供进一步的保护，每当充电器被连接到电池10或车辆电力系统11时，就用后备定时器20测量第二个较长的时间间隔。可以用开关21调整第二时间间隔，以便为不同类型的电池选择不同的间隔。后备定时器可以选择的典型时间间隔范围是45至75分钟。当充电器被连接到车辆电力系统11或电池10时，后备定时器20就被清零。

经过了由定时器20测量的后备时间间隔之后，定时器20就产生一个输出信号，使较高和较低门限电压二者的值下降。在大多数操作状态下，这一调整会使较高门限电压下降到一个低于电池端电压的值，其效果是通过比较器14关断大电流源12，从而结束快速充电模式，从而使电池仅按照缓慢模式被继续充电。例如，若是快速充电没有使电池端电压上升到较高门限值以上，如果在此状态下把充电器连接到电池上，快速充电可以在现有的环境条件下继续进行，超过由后备定时器设定的时间限制。如上所述，通过降低代表所需门限电平的基准电压，或是在维持基准电压不变的同时人为地增大代表电池电压的信号，都可以使门限电压下降。

如果电池10随着电话或其它由电池供电的设备的连续工作而被连续地放电，电池电压最终还会降到降低了的较低门限以下。在这种情况下，比较器将接通大电流源12，重新开始快速充电周期，而电池将会被重新充电到一定的电池荷量，即由降低的较高门限表示的电荷输入量再加上在由终止定时器19所测量的时间间隔内获得的电荷量。因此，由于门限值的降低，电池在这种模式下不会象正常操作时那样被充满。但是，电池会维持在足够高的充电状态，从而允许电话或其它由电池供电的设备继续工作。

图2中示出了用于实现图1的系统的一个最佳电路方案。该电路的端子20和21连接到车辆电力系统，而端子22和23连接到电池。来自输入端20和21的电源通过电阻R1提供给开关控制器24，由电阻R1确定该控制器的电流输出幅值。控制器24的输出通过电感L1和二极管D3提供给输出端22。电感L1和电容C3构成一个滤波器，用于平滑控制器24的输出。输出端22同样从输入端20、21通过电阻R7和二极管D3接受一个缓慢充电的电流。如上所述，无论开关控制器24在操作中是否提供快速充电电流，这一缓慢充电电流都会连续地流动。钳位二极管D1从控制器24的输出连接到地。

电池的端电压由一个分压电路来监测，该分压电路包括三个串联电阻R8，R15和R14，以及一个与电阻R15和R14并联的滤波电容C5。电压比较器25的一个输入端被连在电阻R8和R15之间的点上，使比较器的这一输入端接收一个与电池端电压成正比的电压。加到比较器25的第二输入端上的基准电压是从一个分压器获得的，该分压器由串联在输入端20与地之间的电阻R9，二极管D5，电阻13，二极管D7及电阻R20构成。一个齐纳二极管D6与电阻R13，R20和二极管D7并联连接。由于这一串联电路两端的电压降就是由车辆电力系统提供给输入端20和21的电压，提供给比较器25的基准电压的电平随着加到输入端20和21的输入电压的波动而变化。基准电压的这种变化可以补偿由车辆电力系统提供的输入电压的变化。基准电压随着来自车辆电力系统的输入电压的升降而升降。由二极管D7提供温度补偿，其电压降作为二极管温度的函数而变化。

只要是输入到比较器25的电池电压高于其基准电压输入，比较器25的输出就是高电平，以便维持电容C4上的电荷。这样就为第二电压比较器26提供了一个高输入电压。比较器26的另一输入端从齐纳二极管D6接收一个基准电压。只要是电容C4保持充电状态，比较器26的输出就维持高电平。这一输出电压被连接在由电阻对R2和R3构成的分压器两端，为开关控制器24提供了一个控制输入。高电平的控制输入使控制器24保持关断状态。

当输入到比较器25的电池电压下降到基准电压输入值以下对，比较器25的输出变低，使得电容C4通过二极管D10和比较器25放电。电容C4的放电使比较器26的输入电压下降，使得比较器26的输出变低，这样就使控制器24接通。此时就开始对电池快速充电。

当第一比较器25的输出为高电平时，就在反馈电阻R12上形成一个电压降，该电压降的效果是人为地增大了加到比较器25上的电池输入电压。当比较器25的输出变低时，就去掉了人为增加的电池电压输入，其作用与升高较高门限电平的基准电压的效果一样。这样就会继续对电池快速充电，直到提供给比较器25的降低的电池电压输入信号上升到基准电压输入值以上时为止。

电池的电压信号最终会上升到基准电压的电平以上，这会使比较器25的输出再次变高，并通过电阻R11对电容C4充电。电容C4和电压比较器26的组合构成了一个终止定时器。终止时间间隔部分取决于电容C4所需的充电时间。在比较器25的输出变高之后，电容C4被充电到提供给比较器26的基准电压电平。当电容器C4上的电荷达到了提供给比较器26的基准电压电平时，比较器26的输出变高，其结果升高了提供给开关控制器24的控制电压，使开关控制器关断。这样就停止了电池的快速充电，直到开关控制器24被再次接通为止。

在开关控制器24已被关断之后，在端子22和23上的电池端电压逐渐消失，最终会使比较器25的输出再次变低。定时电容C4则再次放电，从而接通控制器24，重复上述循环。

电阻R12和电容C8相互并联地连接在比较器25的输出与电池电压输入之间。电容C8积累的电荷随着电池的端电压而变化，因此，终止时间间隔随着电池电压的上升而缩短。当电池的充电接近完成时，其电池内电阻增大，这样就可以在电流急剧增大和消失时使电池富于弹性。图2的电路在电池完成或接近完成充电时利用这一效果来缩短终止时间间隔，从而提供了防止过度充电的辅助保护。此外，通过提供一个预选的电压偏移，例如在电池的输出上增加0.8伏，可以防止由于电池电压信号在基准电压附近小范围变化引起比较器25的反复动作。

当电池充电电路被连接到车辆电力系统或是电池上时，后备定时器27就通过齐纳二极管D4接收一个升高的电压。这一升高的电压被加到后备定时器27的复位输入端，以便开始测量后备定时间隔。当后备定时器到时时，它就把电阻R17连接到+5伏，从而人为地增大比较器25输入端的电池电压。如上所述，人为增大比较器25输入端的电池电压与降低基准电压具有相同的效果。例如，人为地把比较器25输入端的电池电压升高0.3伏的效果与把基准电压降低0.3伏的效果相同。

控制器24的控制输入端还要接收一个代表控制器输出电压的反馈信号。这一反馈信号是由连接在控制器24的控制输入端与电感L1的电池一侧之间的电阻R4产生的。电阻R4的值使得控制器24的输出电压不会降到5.5伏以下，从而使充电器在必要时可以起到一个电池放电器(eliminator)的作用。

尽管本发明是参照一种以车辆电力系统供电的充电系统的特例来描述的，本发明同样还适用于由其他诸如插在墙上插座上的AC-DC连接器那样的其它电源获得电力的充电系统。例如，它可以在没有过度充电危险的条件下为便携式电池充电，并能同时维持由电池供电的设备的持续工作，这些特别适用于镍-镉电池(它容易因过度充电而损坏)的桌面充电器。

Claims (10)

1.为便携式可充电电池充电的方法，其特征在于包括以下步骤：

产生一个代表电池输出电压的电信号；

当代表电池输出电压的信号下降到一个预选的较低门限以下时，就提供一个大充电电流，开始对电池快速充电，对应上述较低门限的电池输出电压是足以维持由上述电池供电的设备继续工作；以及

在代表电池输出电压的信号上升到预选的较高门限时停止对电池的快速充电，对应上述较高门限的电池输出电压明显地低于该电池被充电到其100％额定容量时的输出电压。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于还包括以下步骤：

当上述代表电池输出电压的信号上升到上述预选的较高门限时，就开始测量一个预选的时间间隔；并且

经过上述预选的时间间隔之后，就停止对电池快速充电，并且向电池提供小充电电流，开始对其缓慢地充电。

3.按照权利要求2的方法，其特征是包括以下步骤：

响应电池输出电压的幅值，调节上述预选的时间间隔。

4.按照权利要求2的方法，其特征是包括以下步骤：

每当充电系统被通电，就开始测量后备时间间隔，并且如果在充电系统被断电之前，上述后备时间间隔期满，就降低上述门限电压。

5.按照权利要求1的方法，其特征是包括检测环境温度的步骤，并且至少要调节上述较高门限，以便补偿上述环境温度的变化。

6.按照权利要求5的方法，其特征是对上述较高和较低门限进行调节，以便补偿上述环境温度的变化。

7.按照权利要求1的方法，其特征是包括对提供给充电系统的输入电压进行监测，并且调节上述门限，以便补偿上述输入电压的变化。

8.按照权利要求1的方法，其特征是包括监测电池温度的步骤，并且调节上述门限，以便补偿上述电池温度的变化。

9.按照权利要求1的方法，其特征是，在电池未被快速充电时，人为地增大上述代表电池输出电压的信号电平，在上述较高和较低门限之间形成差值，并且在开始对电池快速充电时除去上述人为增大的电平。

10.便携式可充电电池的充电器，其特征在于该充电器包括：

一个传感器，用于产生代表电池输出电压的电信号，

一个电流源，当来自传感器的信号表示电池输出电压的信号降到一个预选的较低门限以下时，向电池提供一个大充电电流，开始对电池快速充电，对应上述较低门限的电池输出电压足以维持由上述电池供电的设备能正常操作；以及

一个开关，在来自传感器的信号表示电池输出电压的信号上升到一个预选的较高门限后，用于停止对电池快速充电。

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