CN2586281Y - 智能串联式电池充电器 - Google Patents

Abstract

一种智能串联式电池充电器，包括多个串联电池充电区段，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；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，第二并联分路包括一旁路开关，该旁路开关在接通时穿过第一并联分路的端子而分路；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该充电器，它还起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；本实用新型以较简单的电子元件，而实现了可在任何串联区段中取出或旁路一块或多块电池而不影响其它区段中充电电池的充电。

Description

智能串联式电池充电器

技术领域

本实用新型涉及电池充电器，尤其是一种智能串联式电池充电器。

背景技术

可充电电池在许多便携式和移动电器和电子装置和器具中，例如蜂窝式或无绳电话、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，广泛使用。由于可充电电池比一次性电池更有利于环境并可长期省钱，可充电电池更受广泛使用。对于很多应用场合下的电器，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便为安装了这些电池的装置和器具供应电力。现今的便携式装置通常需要由2到10块电池组来操作。因此，能够提供同时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。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都通过所有正在充电的串联电池。

在一般用途中，充电池会交替地经过多次充电和放电的过程。一般要求的充电电源大致在3到12伏特之间，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)。快速电池充电器的用户一般不必为等待电池充分充电而浪费太长的时间。为了达到快速有效的电池充电，快速电池充电器一般使用具有相对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。总的来说，由于并联式充电器需要提供大电流的电源，特别是为1.5-2伏特的低电压可充电电池充电的快速电池充电器，较优的快速电池充电器，最好是串联充电形式以减少对电源电流的要求。然而，串联充电意味着同样的电流必须流过每一个串联的充电区段的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也会发生类似的问题。例如，当容量较小的电池已完全充电时，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至是爆炸而使用者应该将小电池在损坏前移离充电器。另一方面，对于那些具有充电情况监测和充电控制电路的较复杂的串联电池充电器来说，电池充电器可能一旦在检测出任何一块正在充电的电池已完全充电就会关闭。

整体而言，对现有串联式充电器而言，不管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可能仍然需要进一步充电，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移动大体上不影响其它电池电流的智能串联式电池充电器将为大众所渴求。

此外，当电池充电器的电源关闭时，许多已知的电池充电器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。同时，串联电池间的相互反向漏电流现象也能够引起对其它电池的反向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条件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已被提出，然而它们一般都非常复杂并且不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，每一充电区必须是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接通时(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。

另一方面，该隔流装置在旁路开关启动或接通时必须为高阻抗，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

综上，本实用新型的目的之一就是解决与现在或已知的串联式电池充电器有关的问题或缺陷。其中，本实用新型的特别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在被选择时能被分路或旁路、而又同时可以提供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。

因此本实用新型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条件大体上不受串联系统中其它电池充电条件影响的智能串联式充电器。

本实用新型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制电池反向电流流动的智能串联式充电器。

本实用新型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。该装置最好亦同时提供有用的电池旁路。

根据本实用新型，提供了一种改进的智能串联式电池充电器，该智能串联式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一电池和一串联的单向电子装置正负端子的正负端子，该旁路开关在接通时有一非常低的阻抗且在关闭时有一非常高的阻抗，该单向电子装置在电流从所述充电区段流入所述电池端子时有一非常低的阻抗且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用来监测所述正在充电电池的至少一个参数的微控制器，并在一个或更多上述测得的电池参数满足一预定的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来接通所述旁路开关。

优选所述单向电子装置是一二极管。

优选所述旁路开先是一个场效晶体管(“FET”)，包括一个MOSFET。

所述旁路MOSFET的栅极优选连接到一微控制器，该微控制器控制该MOSFET的栅压来接通或关闭该MOSFET，该MOSFET接通，穿过该MOSFET的漏极-源极端子的阻抗低，因此就启动了所述旁路功能，而该MOSFET关闭，则穿过该漏极-源极端子的阻抗高，因此就停止了所述旁路功能。

综上，本实用新型实际上是一种可以在任何串联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。本实用新型以较简单的电子元件，同时达成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。

附图说明

图1是本实用新型一个优选实施例的串联电池充电器的电路总体连接图；

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连接图；

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连接图；

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连接图。

具体实施方式

参看图1的一个连接图，该连接图表明了本实用新型智能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分别包括与电池的正负端子串联连接以控制电池充电的一个单向电子装置411、421、431和441。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，每一充电区段都分别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，电池412与单向电子装置411串联，二者的串联组合再与旁路开关413相并联。旁路开关413在打通或启动(闭路)时为单向电子装置411与电池412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413、423、433、及443分别采用了一三端装置。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。

与正在充电的电池412、422、432、442分别串联连接的单向电子装置411、421、431、441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打通或启动(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环路内电流可能会很大而导致电路烧坏，在旁路开关接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，当它接通时)的阻抗，以减低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允许通过电池两极端子的进行反复地高频断路测量。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，当所述微控制器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接通旁路开关413、433和443。结果，穿过旁路开关413、433和443的其余两个端子的阻抗将会非常低。同时，由于在此情况下隔流装置的高阻抗，电池412、432和442将会大体上被旁路。

当旁路开关413、433和443被打通时，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9(图2中的A/D2)和接地间测得的电压将只会代表电池422的性能。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。

所述电池参数包括以下参数中的一项或多项：断路电压，闭路内电压和该电池的温度。所述电池参数进一步包括对所述电池的类型和存在的检测。

完成参数测量步骤后，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打通(关闭)的情况下进测量。在此情况下，第二电池会被隔流装置421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(打通)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。

为了避免电流在断路测量进行时(即在旁路开关闭路时)从电池中流出，单向电子装置在旁路闭路(即打通)时，应具有足够高的阻抗以便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。同时，在旁路开关闭路接通时(即闭路或启动时，使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导通。是因为MOSFET有一相对较高的带宽，可使旁路开关在瞬间内可多次接通和选择MOSFET开关作为旁路开关，关闭以达到重复开关操作以取得所有的必要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采取迅速回应行动。高频带的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是合适的候选者。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。

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本实用新型的一个优选实施例。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漏极端子和源极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。该充电区段包括一阻塞二极管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M0SFET、隔流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实用新型。在任何情况下也不应依赖于这些实施例来限制或约束本实用新型的范围。此外，也应理解本实用新型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，本实用新型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 (9)

1.一种智能串联式电池充电器，其特征是：包括一充电区段，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一充电电池的充电端子和一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，该单向电子装置在电流从所述充电区段流入所述电池端子时有一低阻抗且在所述旁路开关接通时有一高阻抗。

2.如权利要求1所述的智能串联式电池充电器，其特征是：进一步包括一用来监测所述正在充电电池的至少一个参数的微控制器，并在监测上述电池参数时通过形成一跨接于所述第一并联分路的低阻抗分路来接通所述旁路开关。

3.如权利要求1所述的智能串联式电池充电器，其特征是：所述单向电子装置包括一个二极管。

4.如权利要求1所述的智能串联式电池充电器，其特征是：所述旁路开关是一个场效应晶体管，包括MOSFET。

5.如权利要求4所述的智能串联式电池充电器，其特征是：所述场效应晶体管的栅极连接到上述微控制器以接通或关闭所述旁路开关。

6.如权利要求2所述的智能串联式电池充电器，其特征是：所述电池参数包括以下参数中的一项或多项：

断路电压，闭路内电压和该电池的温度。

7.如权利要求6所述的智能串联式电池充电器，其特征是：所述电池参数进一步包括对所述电池的类型和存在的检测。

8.如权利要求1的电池充电器，其特征在于：充电器包括多个如权利要求1所述的充电区段串连相接及微控制器，微控制器可选择性地接通各充电区段的旁路开关。

9.如权利要求8所述的智能串联式电池充电器的充电线路块，其特征是：微控制器进一步用来监测所述正在充电电池的至少一个参数，并在一个或更多上述测得的电池参数满足一预定的条件监测上述电池参数时通过形成一跨接于所述第一并联分路的低阻抗分路来打开接通所述旁路开关。

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