CN1582522A - 智能串联式电池充电器及充电线路块 - Google Patents

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Abstract

一种包括多个串联电池充电区段的串联电池充电器，其中所述电池充电区段的特征在于有第一和第二并联分路。所述第一并联分路包括用于连接到正在充电的电池的端子和一隔流装置，所述第二并联分路包括一旁路开关，该旁路开关在接通时在过所述第一并联分路的端子间产生分路。所述第一并联分路中的隔流装置在无电源时阻止电流从所述电池流入所述充电器，它还起阻隔电流的作用以在供给所述充电区段的电源工作时避免从所述电池到所述分路旁路开关的反向流动。本发明提供一种简单的解决方法来满足智能串联式电池充电器的相矛盾的要求。

Description

智能串联式电池充电器及充电线路块
技术领域
本发明涉及可为可充电电池作串联式充电的电池充电器。本发明尤其涉及配有一组多个充电区段串联连接的电池充电器。尽管不限于此，本发明更具体地涉及一种可以从任何串联充电区段中取出或旁路一块或多块电池而实质上并不影响充电器其它区段中充电电池的充电条件的串联式电池充电器。本发明更进一步地来说涉及一种以较简单的电子元件，同时达致充电区段在无电源以及在被分路或旁路的状态下产生一相对较高阻抗现象以阻止来自电池的反向电流而在充电过程中却为充电线路提供一低阻抗路由的一种串联式电池充电器。
背景技术
可充电电池广泛地使用在许多便携式和移动电气和电子装置和器具中，例如是蜂窝式或无绳电话、远程中继器、遥控部件、遥控传感器、便携式照明装置、便携式收音机、便携式钻孔机和许多其它设备等。由于可充电电池比一次性电池更有利于环境并长期而言可更省钱，可充电池更受优选。对于远程及遥远应用的使用，可充电电池也许更是唯一的实际选择。
可充电电池需要重复充电以为安装了这些电池的装置和器具供应电力。现今常见的便携式装置通常需要由多个(通常为二到十块)单元电池组成的电池组来操作。因此，能够提供同时可为一组多个及不同数目可充电电池充电的智能型电池充电器为大众所需求。现今的电池充电器主要分为两种类型。第一类是并联式充电器。在并联式充电器中，所有的电池承受同一充电电压但可用不同的充电电流充电。另一类是串联式充电器。在串联式充电器中，相同的充电电流通常通过所有正在充电的串联电池。
在一般需要将充电池交替地经过多次充电和放电过程的用途中，充电电源一般的要求大致在3到12伏特之间的，而每块可充电电池的电压通常在1-2伏特的范围内。在这些串联用途中，由于电池组一般已预先作固定串联连接，充电必须使用串联式电池充电器。
由于可充电电池的广泛使用，对快速电池充电器的需求也在日益增长。快速电池充电器的一般日常定义为能够在大约一小时内给空电池完全充电(一般简称“1C”充电器)。快速电池充电器的使用者一般不必浪费太长时间等待电池的充分充电。为了达致快速有效的电池充电，快速电池充电器一般使用具有相对地较高额定电流的高频脉冲充电电流。举例来说，对于一个1,600mAH的可充电电池来说，1C充电器需要提供的额定电流大约是1.6A。在充电过程中，电池电极上产生氧气而负极对氧的消耗会使电池发热。总的来说，1C的额定充电电流在现有电池技术条件下被认为能够在减少充电时间与保持电池不过热受损之间取得平衡而受到广泛采用。随着电池技术的进一步发展，电池可能会用更大的额定充电电流而不会过热。到时，能提供大于1C或更大额定充电电流的电池充电器将会更流行。总括来说，由于并联式快速充电器需要提供非常大电流的电源致使其成本高昂，较优选的快速电池充电器，尤其是为1.5-2伏特的低电压可充电电池充电的快速电池充电器，应是串联充电形式以减低对电源电流的要求。然而，串联充电意味着同样的电流须流过每一个串联的充电区段，这一现象亦可带来许多问题。例如，为了避免电池过热受损或在电池已经受损的情况下将电池从充电器中取出时，充电电流会在替换电池的加入前被中断。另外，当不同容量的可充电电池或将好与坏的电池混在一起充电时亦会发生类似的问题。
再例如，当容量较小的电池已被完全充电时，容量较大的电池很可能仍然需要充电。对于无监测和控制电路的简单串联式充电器来说，这些电池将继续被充电。结果，电池可能会发生过热而引致电池损坏或甚而至爆炸。
另一方面，对于那些具有较复杂的充电情况监测和充电控制电路的串联式电池充电器来说，电池充电器可能在一旦检测出任何一块正在充电的电池已完全充电就会停止运作。此外，对现有串联式充电器而言，在充电过程中任何时候将电池插入充电器或从充电器中取出都会令整个充电过程中断。由于在上述情况下其余的电池仍然可能需要进一步充电，这样的充电器并不理想。因此，假若能够提供一种个别单元电池在充电过程中的充电电流大体上不受其它电池的充电电流影响的智能串联式电池充电器将为大众所渴求。
许多现有的电池充电器在当电池充电器的电源关闭时可能会出现电流从电池流向充电器或其他周边电路或系统的反向漏电。串联电池间的反向漏电流现象能够引起电池间的反向相互充电而可能导致满充的电池耗尽容量且甚至损坏充电器。这些现象显然是使用者所不愿见得到的。故此，若果能够为每个充电区段都提供能防止或减低反向漏电的装置及旁路电路系统，使个别充电区段的充电条件不受其它充电区段充电情况的影响的串联式电池充电器将裨益大众。
可以应用于串联式充电器以减少串联充电区段中不良反向影响的各种旁路电路系统、电路排列或拓扑结构的方案虽然已被提出，然而它们一般都非常复杂并且不能同时包括避免反向漏电流或防止电池放电的装置或电路。
由于需要同时满足几个相互矛盾的要求，提供一种能满足上述各项要求的串联电池充电器将是一项艰巨的任务。首先，为了避免反向漏电流或电池的反向放电，每一充电区必须一个具有高反向阻抗的隔流装置与该区段的电池串联。其次，该隔流装置在电池充电期间当正向充电电流流入电池时必须具有低阻抗性质。同时，假若隔流装置在旁路开关开动或导通时(这通常在充电器仍向电池充电端子供电时发生)为一低正向阻抗，该低阻抗隔流装置将会与该旁路开关竞争以取得电流。结果，不良充电电流将持续流入该电池。
同时，隔流装置在旁路开关启动或接通(即导通)时必须为高阻抗，否则，不良的大电流将会在由电池、隔流装置及旁路开关形成的环路流动。因此，能够提供可以满足上述相矛盾的要求的串联式电池充电器将为大众所渴求。再者，这样的改进电池充电器要是能利用简单的电路块和元件来实现以达到高可靠性和低成本的话将更是大众更希冀的。
发明内容
观乎以上，本发明的目的之一是针对现有或已知的串联式电池充电器有关的问题或缺陷而作出改善。其中，本发明的特定目的之一是为改进电池充电区段的表现而提供一种可以使充电区段能被选择地分路或旁路而又同时可以提供可以阻止反向电流的隔流装置以应用于串联充电器的电路排列。
本发明的其中一个重要目的是提供一种充电电流或串联系统中的一块电池的充电情况条件大体上不受串联系统中其它电池充电情况影响的智能式串联式充电器。
本发明的另一个同样重要的目的是提供一种在任何时候可从一组串联的电池中取出电池而不中断其它电池的充电而同时亦可防止或抑压电池反向电流流动的智能串联式充电器。
本发明的一个最低限度目的是为公众提供一种配有在充电器没有提供充电电源时避免电池反向放电的装置的串联电池充电器的选择。该装置最好亦时提供有用的电池旁路。
根据本发明，提供了一种改进的串联电池充电器。该电池充电器至少包括第一和第二并联的分路，所述第一并联分路包括一电子可控旁路开关，所述第二并联分路包括分别接收电池正负端子的正负端子和一与所述正负端子串联的单向电子装置，该旁路开关在接通时有一低阻抗且在关闭时有一高阻抗，该单向电子装置的特征是：在电流从所述充电区段流入所述电池端子时有一低阻抗而在所述旁路开关接通时有一高阻抗。
根据本发明的另一方面，提供一种用于至少包括第一和第二并联分路的串联电池充电器的充电线路块，所述第一并联分路包括一电子可控旁路开关，所述第二并联分路包括分别接收电池正负端子的正负端子和一与所述正负端子串联的单向电子装置，该旁路开关在接通时有一低阻抗且在关闭时有一高阻抗，该单向电子装置的特征是：在电流从所述充电区段流入所述电池端子时有一低阻抗而在所述旁路开关接通时有一高阻抗。
根据本发明的再一方面，提供一种包括电池充电区段的串联电池充电器，该电池充电区段至少包括第一和第二并联分路，其中，所述第一分路包括与用于连接要充电的电池的端子串联的一个二极管，所述第二分路包括一个MOSFET旁路开关，该旁路开关与所述第一分路跨接并在接通时提供一个低阻抗分路，该隔流二极管在电流流入所述要充电的电池时有一低阻抗，在无来自所述电池充电器的电源时或所述旁路开关接通时有一高阻抗。
根据本发明的再一方面，提供一种包括一组串联的电池充电区段的电池充电器，其中，所述每个充电区段包括第一和第二并联分路，所述第一并联分路包括一电子可控旁路开关，所述第二并联分路包括分别接收电池正负端子的正负端子和一与所述正负端子串联的单向电子装置，该旁路开关在接通时有一低阻抗且在关闭时有一高阻抗，该单向电子装置的特征是：在电流从所述充电区段流入所述电池端子时有一低阻抗而在所述旁路开关接通时有一高阻抗。
所述电池充电器优选进一步包括一个用来监测正在充电中电池的至少一个参数的微控制器，微控制器在当被测电池的一个或更多参数满足一预定条件时通过形成一跨接于所述第一并联分路的低阻抗分路以接通所述旁路开关，所述被接通的旁路开关实质上将所述电池与所述充电区段的线路分离。
优选所述单向电子装置是一二极管。
优选所述旁路开关是一个场效晶体管(“FET”)，包括一个MOSFET。
优选地，所述分路MOSFET的栅极优选连接到一微控制器，该微控制器控制所述MOSFET的栅压来接通或关闭所述MOSFET，这样的话，当所述MOSFET接通时，通过所述MOSFET的漏极-源极端子的阻抗就低，因此就启动了旁路功能，当所述MOSFET关闭时，通过所述MOSFET的漏极-源极端子的阻抗就非常高，因此就停止了旁路功能。
附图说明
本发明不同的优选实施例将通过举例和参考附图做进一步的详细解释，在这些图中：
图1是本发明一个优选实施例的串联电池充电器的电路总体框图。
图2是一个表明用于每个串联充电区段的元件的具体例子框图。
图3是一个表明图1和图2中的串联电池充电更多连接细节的总体框图。
图4是一个表明本快速串联电池充电器一个优选实施例的更详细硬件连接的总体框图。
具体实施方式
参看图1的框图，该框图表明了本发明智能型串联式电池充电器一个优选实施例的第一个例子。该电池充电器包括一直流电源(100)，一恒流源(200)，一微控制器(300)和一组串联的电池充电区段(410，420，430，440)。其中，所述串联的电池充电区段连接到所述直流电源的正负端子以便取得正确极性的直流电。
参看图1，每个电池充电区段(410，420，430，440)包括与电池的正负端子串联连接以控制电池的充电的一个单向电子装置。为了可在必须时，例如，当在某一充电区段的电池已充满、有缺陷或过热时，提供跨接于充电区段的低阻抗分路，每一充电区段都提供一可控制的旁路路径。本充电器提供了一如图所示的电子可控开关(413)。其中，该旁路开关与电池端子及单向电子装置的串联组合相并联。旁路开关在打通或启动(闭路)时为单向电子装置与电池端子的串联组合提供跨接的低阻抗分路。在本具体实施例中，旁路开关采用了一三端装置。在此装置中，跨接于旁路开关的两个端子的阻抗可由第三端子控制。
与正在被充电的电池串联连接的单向电子装置应尽量满足以下各项相矛盾的要求。第一，当电池在充电时(即，当正向电流流入电池时)，它最好有一低阻抗。其次，当充电器无电源时或者当电池端子间的电压超过充电的电压时，它最好有一高阻抗，以避免来自电池的逆放电或反向电流。否则，电池会在直流电源(100)无供电时会被耗干。第三，隔流装置在旁路开关导通或启动(即闭路)时应有非常高的阻抗，否则，由于旁路开关本质上是低阻抗的，由电池、单向装置及旁路开关形成的电流环路可能会很大而导致电路烧坏，在旁路开关导通或启动时和当充电端子间的电压超过电池端子间的电压时，隔流装置的阻抗应远远大于旁路开关在启动时(即，当它导通时)的阻抗，以避免不良反向电流通过单向电子装置而流入电池。
除了可提供一旁路路径之外，电子可控旁路开关与所述单向电子装置的结合同时亦可允许通过电池两极端子的进行反复的高频断路测量。当中，断路测量方法为取得足够的电池参数来对电池的充电情况作出评估的优选方法。取得电池的断路电气参数的步骤将在下面作为例子解释。
例如，当微控制器(300)需要读出正在第二串联充电线路块(420)中充电的电池(422)的断路参数时，它通过其I/O接口向所述三端旁路开关的控制端子发出电子控制信号并导通旁路开关413、433和443。结果，穿过旁路开关413、433和443的其余两个端子之间的阻抗将会非常低。同时，由于隔流装置在此情况下为高阻抗，电池412、432和442将会实质地被旁路。
当旁路开关413、433和443被导通时，因为所有其它的电池，即，412、432和442，已被因隔流装置411、431和441的隔流而隔绝于测量电路系统之外，第二电池(422)的正端子(图2中的A/D2)和接地间测得的电压将会只代表电池422的特征。在此瞬间，单向电子装置411、431和441会将所述电池412、432和442与所述充电区段隔离开以测量电池422的断路参数。
完成参数测量步骤之后，微控制器再向电子控制开关413、433和443的第三端发出另外一控制信号以使旁路开关另外两极端子恢复高阻抗状态来停止旁路。结果，电流又重新通过单向电子装置正向流入正在充电的电池。
另一方面，第二电池(422)的参数亦可在所述第二旁路开关(423)导通(即关闭)的情况下进行测量。在此情况下，第二电池会被隔流装置(412)隔离从而可直接在电池的两极端子进行参数测量。当然，使用这交替量度方法将需要额外的模拟-数字变换器(ADC)以取得电池两极端子的电位差。为了确保断路参数的精确度，当电池所属的旁路开关关闭(即断开)时，应该尽量确保电流不会流入或流出电池，否则，此断路测量的读数方法会不精确。
为了避免电流在进行断路或闭路测量时从电池中流出，单向电子装置在旁路闭路(即导通)时，应具有非常高的阻抗使足够避免电流即使在充电区段的端子电压在旁路开关闭路之前和之后高于电池的两端子电压的情况下，从电池反向流出的。同时，在旁路开关被闭路导通时(即闭路或启动时，即旁路开关的两极端子的阻抗处于低的状态)可能流入电池端子之间的电流优选最小化。
为了在旁路开关闭路(启动)时能避免不良电流从电源流到电池，单向电子装置(411、421、431、441)的阻抗当在旁路开关闭路时应远远高于相应旁路开关(413、423、433、443)的阻抗。
另一方面，当旁路开关断开时(即非启动状态)单向电子装置对来自充电器电源的电流应为非常低阻抗，以使充电电流能顺利通过该单向电子装置流入电池。
为了提供具有高和低阻抗状态的电子可控开关，MOSFET为一可行选择。一般来说，当MOSFET的栅压调至合适时，该MOSFET的漏极-源极端子表现为低阻抗。另一方面，当调至另一适当的栅压时，MOSFET的漏极-源极端子之间的阻抗将非常高而不通导。其中，MOSFET的选择亦是因为它有一相对较高的带宽，可使旁路开关在瞬间内可多次重复导通和关闭以达致关闭操作以取得所有的必要的断路测量结果和读数。
为确保能在观察到电池的不正常状态时便采取迅速回应行动，高带宽的MOSFET为优选开关。同时，高频带开关也可确保电池从充电器中取出时使任何可观察到对其它充电区段的打断最小化。当然，具有类似电子特征的其它电子装置也可选择交替使用。
对于单向电子装置来说，MOSFET被认为是合适的侯选者。在将MOSFET用作所述单向装置的试验中，将所述微控制器编程以使相反效果的栅压发送到这些MOSFET(一个用作单向装置，另一个用作旁路开关)。这样安排下，当一个MOSFET导通时，另一个将会关闭，反之亦然。因此，单向装置闭路导通时将为充电电流提供一低阻抗路径。当旁路MOSFET闭路导通开时，单向装置将会开路关闭，由此形成高阻抗串联电阻器将电池与所述电路的其余部分隔离开的。不过，测试效果说明MOSFET或其它FET并不适合用作本发明实施例的单向电子装置或隔流装置。将MOSFET根据本发明图1所示实施例中应用作单向电子装置或隔流装置的试验都由于它们很快被烧坏了而失败。进一步测试显示，浮动电压的MOSFET栅极往往在充器电源开关时发生烧坏现象。采用其它较复杂的电路排列以提供较佳解决方法的努力都未能带来满意的解决方案。另外，采用二极管作为单向装置或隔流装置亦似乎是可行的，但是在应用时发觉，当电源打开时或当充电区段的端子电压超过所述电池的端子电压的情况下，二极管都似乎不能够提供一高阻抗线路块。
更进一步的研究和鉴定为另一个可行的实施例提了根据。参看图2本发明的一个优选实施例，此图显示了一单向电子装置和一旁路开关的一个具体的组合。在此实施例中，MOSFET用作旁路开关，二极管用作单向电子装置。该二极管以图2所示的方式与电池两极端子串联以使充电电流能够通过一低阻抗路径流入电池而阻断逆电流。当MOSFET旁路开关(413等)导通时，漏极-源极阻抗及电压变得非常低，一般大约在0.2伏特左右。由于MOSFET漏端子和源端子之间的低导通电压比一般二极管阈值电压大约0.6伏特左右低得多，MOSFET导通电压不足以导通二极管，二极管就变成阻止电流流入电池的高阻抗隔流装置。通过结合在一起的上述两种装置的协同使用，即，利用MOSFET导通时的漏极-源极电压大约为0.2伏特及二极管时的阈值电压为0.6伏特，就可提供一满足上述相矛盾的要求的电池充电器的电池充电区段。如图所示，各组充电区段可用串联的方式连接以提供一个优选的串联充电器。
参看图3的原理图，该原理图显示了电源(100)、CPU(300)和串联的充电区段(410，420，430，440)之间的更详细的连接。该充电区段包括一隔流二极管(411等)。在低阻抗开关(413等)导通初期时，虽然二极管还是处于一前向偏压之下但前向偏压不足导通二极管，二极管为电池两极端子提供了一个高阻抗隔绝以阻止电流从电池的反向流动。在此具体实施例中且如图3所显示，每个充电区段配有插座以便于给AAA或AA电池充电。
参看图4，它显示了图3中充电区段的更详细的电路分布。在此具体实施例中，对所述的这些旁路MOSFET、二极管以及控制连接在这些旁路MOSFET与所述CPU之间的电路系统的所述MOSFET栅极进行了更详细的描述。此栅极控制电路系统仅作为范例用来对该旁路开关的一个工作作出解释，许多其它电路变化当然也能在实质上达到相同或类似的效果。
上述各项不同具体实施例的引用仅为方便解释及辅助理解本发明。在任何情况下也不应依赖于这些实施例来限制或约束本发明的范围。此外，也应理解本发明的范围应根据上述发明的精神来解释并自然涵盖了对本领域的技术人员来说是明显的或平常的修正或变化。特别是，本发明公开了一种相当简单的元件的协同利用来提供一种电路系统或电路分布，在这些电路系统或电路分布中，以非常简单的方式并用相对简单的元件和简单的分布满足并提供了对电池充电区段不同的相互矛盾的要求。

Claims (14)

1.一种包括一充电区段的串联式电池充电器，该充电区段至少包括第一和第二并联分路，所述第一并联分路包括一电子可控旁路开关，所述第二并联分路包括分别接收电池正负端子的正负端子和一与所述正负端子串联的单向电子装置，该旁路开关在接通时有一低阻抗且在关闭时有一高阻抗，该单向电子装置的特征是：在电流从所述充电区段流入所述电池端子时有一低阻抗而在所述旁路开关接通时有一高阻抗。
2.如权利要求1的电池充电器，进一步包括一个用来监测正在充电中电池的至少一个参数的微控制器，微控制器在当被测电池的一个或更多参数满足一预定条件时通过形成一跨接于所述第一并联分路的低阻抗分路以接通所述旁路开关，所述被接通的旁路开关实质上将所述电池与所述充电区段的线路分离。
3.如权利要求1的电池充电器，其特征在于所述单向电子装置是一个二极管。
4.如权利要求1的电池充电器，其特征在于所述旁路开关是一个场效应晶体管(“FET”)，包括MOSFET。
5.如权利要求4的电池充电器，其特征在于所述FET的栅极连接到上述微控制器以接通和关闭所述旁路开关。
6.如权利要求2的电池充电器，其特征在于所述电池参数包括以下参数中的一个或更多：
断路电压，闭路电压和该电池的温度。
7.如权利要求6的电池充电器，其特征在于所述电池参数进一步包括对所述电池的类型和电池存在的检测。
8.一种用于串联电池充电器的充电线路块，该电池充电器至少包括第一和第二并联分路，所述第一并联分路包括一电子可控旁路开关，所述第二并联分路包括分别接收电池正负端子的正负端子和一与所述正负端子串联的单向电子装置，该旁路开关在接通时有一低阻抗且在关闭时有一高阻抗，该单向电子装置的特征是：在电流从所述充电区段流入所述电池端子时有一低阻抗而在所述旁路开关接通时有一高阻抗。
9.如权利要求8的充电线路块，进一步包括一个用来监测正在充电中电池的至少一个参数的微控制器，微控制器在当被测电池的一个或更多参数满足一预定条件时通过形成一跨接于所述第一并联分路的低阻抗分路以接通所述旁路开关。
10.一种包括一个电池充电区段的串联电池充电器，该电池充电区段至少包括第一和第二并联分路，所述第一并联分路包括一个二极管，该二极管与用于连接正在充电的电池的端子串联，所述第二并联分路包括一个MOSFET旁路开关，该旁路开关跨接于所述第一并联分路并在接通时提供低阻抗分路，该隔流二极管在电流流入所述正在充电的电池时有一低阻抗且在无来自所述电池充电器的电源时或所述旁路开关接通时有一高阻抗。
11.如权利要求10的电池充电器，其特征在于所述旁路MOSFET连接到一微控制器，该微控制器控制该MOSFET的栅压来接通或关闭该MOSFET，这样当该MOSFET接通时，穿过该MOSFET的漏极-源极端子的阻抗就低，因此就接通了所述旁路功能，且该MOSFET关闭时，穿过该漏极-源极端子的阻抗就非常高，因此就关闭了所述旁路功能。
12.一种包括一组串联的电池充电区段的电池充电器，其特征在于所述每个充电区段至少包括第一和第二并联分路，所述第一并联分路包括一电子可控旁路开关，所述第二并联分路包括分别接收电池正负端子的正负端子和一与所述正负端子串联的单向电子装置，该旁路开关在接通时有一低阻抗且在关闭时有一高阻抗，该单向电子装置的特征是：在电流从所述充电区段流入所述电池端子时有一低阻抗而在所述旁路开关接通时有一高阻抗。
13.如权利要求12的电池充电器，进一步包括一个用来监测正在充电中电池的至少一个参数的微控制器，微控制器在当被测电池的一个或更多参数满足一预定条件时通过形成`跨接于所述第一并联分路的低阻抗分路以接通所述旁路开关。
14.如权利要求12的电池充电器，其特征在于所述单向电子装置是一个二极管。
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