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CN101546919A - 一种电池充电方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池充电方法和装置，该装置包括充电电源(401)，恒定电流电路(403)，恒定电压电路(404)，电流检测电路(405)，电压检测电路(406)，控制电路(407)，时钟电路(408)和开关电路(409)；本发明在进入恒压充电持续一定时间后才开始脉冲充电，因此可缩短充电时间；本发明方案不必根据充电电流来终止充电，而是完全通过判断开路电池电压来终止充电，因此适用于各种容量的电池；本发明的充电过程中充电电压始终小于等于充电限制电压，因此可以防止电池过充，较少充电时间。

Description

一种电池充电方法及装置
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种电池充电方法及装置。
背景技术
以下所述电池均为可充电电池。
采用现有技术一对电池进行充电的过程中，电池容量、电压、电流随时间变化的曲线如图1所示。首先进行恒定电流充电，直到电池电压达到设定值，一般为4.20V；在电池电压达到设定值4.20V后，切换到通过设定电压为恒定的4.20V进行恒压充电，以免电池过充导致电池性能的降低；进入恒压充电后开始检测充电电流，当充电电流减小到0.001CA(C为电池容量的数值，A为电流强度单位)时，终止充电。4.2V被称为充电限制电压。
现有技术一具有如下缺点：
进入恒压充电后，充电电流由恒定电流值降低到0.001CA需要很长时间，并且电流越接近0.001CA，所充入电池的容量占整个电池容量的百分比就越少，因此恒压充电过程的效率很低。另外，充电终止时间依赖电池容量而定，由于不同的电池容量可能不同，导致终止充电电流大小值因电池而异，如果更换不知容量的电池，则可能导致充不满电或者充电时间延长。
现有技术二的充电过程中电池电压以及充电电流随时间变化的曲线如图2所示。从图2中可以看出，现有技术二的充电过程如下：首先进行恒定电流充电直到电池电压达到设定值VRC；在电池电压达到设定值VRC后，切换成脉冲电流形式给电池继续充电，脉冲电流的大小等于恒流时电流大小。在脉冲电流中止期间，检测出电池电压，若电池电压降低到设定电压VRP(VRC>VRP)则继续用脉冲电流充电，并且记录本次脉冲电流与上次脉冲电流的时间间隔(P)，若此时间间隔小于设定时间(Pc)则重新开始充电，若此时间间隔大于等于设定时间则认为电池已充满并结束充电。
现有技术二的缺点在于，若VRC≥充电限制电压4.20V，则切换成脉冲充电后电池电压会高于4.2V，导致电池过充，电池性能降低；若VRC<4.20V，则过早的进入脉冲充电阶段，导致充电时间延长。
现有技术三的充电过程中，电池电压以及充电电流随时间变化的曲线如图3所示。从图3中可以看出，现有技术三的充电过程如下：首先进行恒流充电直到电池电压达到设定值V1。由于这一段充电时间T0较长，在图中用省略形式加以表示。在电池电压达到设定值V1后，切换成脉冲电流形式继续给电池充电。在对电池充电持续第一设置时间T1后暂停充电，在脉冲充电暂停期间对从暂停开始起的流逝时间An和在An处的电池电压Bn进行多次测量，并将Bn与第二设置电压V2相比较；在当An达到第二设定时间T2时Bn高于V2的情形中，基于An和Bn的多个测量结果，推测电池电压是否会降到小于等于V2；当推测处电池电压会下降到小于等于V2时，重复进行脉冲充电和电池电压的假设两者；而当推测处电池电压不会下降到小于等于V2时，结束充电。图3纵坐标仅用于说明V1和V2的相对大小，因此也采用省略形式表示电压值。
现有技术三的缺点在于，若V1≥充电限制电压4.20V，则切换成脉冲充电后电池电压会高于4.2V，导致电池过充，电池性能降低；若V1<4.20V，则过早的进入脉冲充电阶段，导致充电时间延长。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种电池充电装置，可有效避免电池过充，并尽量缩短充电时间，提高充电速度。
本发明实施例提出的一种电池充电装置，该装置包括一充电电源(401)，和一时钟电路(408)，所述电池具有恒定的充电限制电压，所述电池在充电过程中具有一定的充电时电池电压或开路电压；在充电过程中构成一充电回路，该充电回路具有一定的电流强度；所述装置还包括：
恒定电流电路(403)，用于向电池(402)提供恒定的充电电流；
恒定电压电路(404)，用于将加载在电池(402)两端的电压稳定在充电限制电压；
开关电路(409)，包括三种状态：接通恒定电流电路(403)、接通恒定电压电路(404)和断开；开关电路(409)接通恒定电流电路(403)，则由充电电源(401)、电池(402)，开关电路(409)、恒定电流电路(403)构成充电回路；开关电路(409)接通恒定电压电路(404)，则由充电电源(401)、电池(402)，开关电路(409)、恒定电压电路(404)构成充电回路；开关电路(409)断开则停止对电池(402)充电；
电流检测电路(405)，用于检测充电回路中的电流强度；
电压检测电路(406)，用于检测电池(402)两端的充电时电池电压或开路电压；
控制电路(407)，用于将开关电路(409)首先接通恒定电流电路(403)，并根据电压检测电路(406)检测到的充电时电池电压，将开关电路(409)切换为接通恒定电压电路(404)，在这之后根据电流检测电路(405)检测到的电流强度将开关电路(409)切换为断开状态，然后根据时钟电路(408)的计时以及电压检测电路(406)检测到的开路电压，使开关电路(409)脉冲性地接通恒定电压电路(404)，直到电压检测电路(406)检测到的开路电压大于等于电压设定值Vr，则使开关电路(409)处于断开状态。
本发明的另一目的在于提出一种电池充电方法，可有效避免电池过充，并尽量缩短充电时间，提高充电速度。
本发明实施例提供一种电池充电方法，所述电池具有恒定的充电限制电压，所述电池在充电过程中具有一定的充电时电池电压或开路电压；在充电过程中构成一充电回路，该充电回路具有一定的电流强度；其特征在于，包括如下步骤：
预先设定充电电流阈值、中止时间长度Toff、开路电压的设定值Vr以及预设脉冲充电时间Ton；
以一恒定电流对电池进行充电，判断所述电池的充电时电池电压是否达到充电限制电压，若是，以电压值等于所述充电限制电压的恒定电压对所述电池进行充电；
对充电电流进行检测，当所述充电电流小于等于设定阈值时，
中止对所述电池进行充电，中止时间达到预设中止时间长度Toff时，判断所述电池的开路电压是否大于等于电压设定值Vr，若否，则以电压值等于所述充电限制电压的恒定电压对所述电池进行充电，持续时间为预设脉冲充电时间Ton，并转至所述中止对所述电池进行充电的步骤；
若是则结束充电。
从以上技术方案可以看出，本发明在进入恒压充电持续一定时间后才开始脉冲充电，因此可缩短充电时间；本发明方案不必根据充电电流来终止充电，而是完全通过判断开路电池电压来终止充电，因此适用于各种容量的电池；本发明的充电过程中充电电压始终小于等于充电限制电压，因此可以防止电池过充。
附图说明
图1为现有技术一对电池进行充电的过程中，电池容量、电压、电流随时间变化的曲线；
图2为现有技术二的充电过程中电池电压以及充电电流随时间变化的曲线；
图3为现有技术三的充电过程中，电池电压以及充电电流随时间变化的曲线；
图4是应用本发明实施例的充电装置功能模块框图；
图5为本发明实施例提出的对电池充电的方法流程图；
图6为本发明实施例的电池电压及充电电流特性曲线图；
图7为本发明实施例的电池电压及充电电流特性的另一曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细阐述。
图4是应用本发明实施例的充电装置功能模块框图。该充电装置被提供来对电池402进行充电，所述充电装置包括充电电源401，恒定电流电路403，恒定电压电路404，电流检测电路405，电压检测电路406，控制电路407，时钟电路408和开关电路409。充电装置中包括用于安放电池的卡口，卡口中有与电池正负极接触的触点，当电池402安放于卡口中，则构成如图4所示的电路。本发明实施例中的电池402为锂电池。
充电电源401为电源适配器或者通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)接口的电源，用于提供充电电流给锂电池402。充电电源401可以是本充电装置中内置，或者为外置的充电电源。
开关电路409用于选择充电回路。开关电路409包括三种状态：接通恒定电流电路403、接通恒定电压电路404或断开。若开关电路409接通恒定电流电路403，则由充电电源401、锂电池402，开关电路409、恒定电流电路403构成充电回路；开关电路409接通恒定电压电路404，则由充电电源401、锂电池402，开关电路409、恒定电压电路404构成充电回路。开关电路409断开
恒定电流电路403用于提供一个恒定的充电电流，该充电电流用于给锂电池充电；
恒定电压电路404是用于将锂电池电压稳定在锂电池的充电限制电压，一般为恒定的4.2V；
电流检测电路405用于检测充电电流的大小；电阻410连接在充电回路中，电流检测电路405检测通过电阻410的电流值，该电流值即为充电电流的大小。
电压检测电路406用于检测锂电池402两端的电压大小；若锂电池402接入充电回路，则电压检测电路406检测的是锂电池402的充电时电池电压，若充电回路断开，则电压检测电路406检测的是锂电池402的开路电压。
控制电路407包括微处理器，用于将开关电路409首先接通恒定电流电路403，并根据电压检测电路406检测到的充电时电池电压，将开关电路409切换为接通恒定电压电路404，在这之后根据电流检测电路405检测到的电流强度将开关电路409切换为断开状态，然后根据时钟电路408的计时以及电压检测电路406检测到的开路电压，使开关电路409脉冲性地接通恒定电压电路404，直到电压检测电路406检测到的开路电压大于等于电压设定值Vr，则使开关电路409处于断开状态。
具体包括：
控制电路407在初始充电时，使开关电路409接通恒定电流电路403，当电压检测电路406检测的充电时电池电压达到充电限制电压，使开关电路409接通恒定电压电路404；当电流检测电路405检测到的电流强度小于等于设定阈值时，使开关电路409处于断开状态，并使时钟电路408进行计时，当计时时间达到预设中止时间长度Toff，将时钟电路408的计时清零并判断电压检测电路406检测的开路电压是否大于等于电压设定值Vr，若否，则循环执行如下操作：
根据时钟电路408的计时使开关电路409接通恒定电压电路404，并且接通时间为预设的脉冲充电时间Ton，使开关电路409处于断开状态的时间为预设中止时间长度Toff，再判断电压检测电路406检测的开路电压是否大于等于电压设定值Vr。
时钟电路408用于计时功能；
本发明实施例提出的对电池充电的方法流程如图5所示，包括如下步骤：
步骤S1：开启开关409，将充电电源401连接到恒定电流电路403，以恒定电流Imax对锂电池402进行充电。
步骤S2：接收电压检测电路406检测的锂电池402的充电时电池电压，并且判断该电压是否已经达到锂电池的充电限制电压4.2V。若没到达锂电池的充电限制电压4.2V，则继续保持恒流充电，回到步骤S1；若达到了锂电池的充电限制电压4.2V，则执行步骤S3；
步骤S3：将开关409置于恒定电压电路404处，以恒定的4.2V给锂电池充电。
步骤S4：通过电流检测电路405检测充电电流的大小，并判断此时的充电电流是否小于等于设定阈值，该设定阈值可以取为恒流充电电流Imax的n％。若当前的充电电流大于Imax×n％，则继续保持恒定电流充电；若当前的充电电流小于等于Imax×n％，则执行步骤S5；
步骤S5：通过开关电路409关闭充电电路，时钟电路408开始计时。
关闭充电电路后，电池电压会逐渐下降，经过一段时间电池电压达到稳定。该时间段可以预先根据实验测定，设置为Toff。
步骤S6至S7：控制电路407判断时钟电路408的计时长度是否达到预先设定Toff时间长度，若是停止时钟电路408的计时，并将时钟电路408的计时清零。
步骤S8：电压检测电路406检测充电电池402的开路电压是否大于等于电压设定值Vr，若电池电压大于等于Vr，则说明电池已满，执行步骤S12；若电池电压小于电压设定值Vr，则执行步骤S9；
步骤S9：继续以恒定电压充电，时钟电路408开始计时。
步骤S10至S11：控制电路407判断时钟电路408的计时长度是否达到预先设定的脉冲充电时间长度Ton，若是则将时钟电路408的计时清零，并转至步骤S5，否则继续执行步骤S10。
步骤S12：停止充电，给出充电结束标志。
图6示出了本发明实施例的电池电压及充电电流特性曲线，其中恒定电流充电时间较长，用省略形式表示。图中显示了可变脉冲电流的中止时间长度Toff是固定值，为电池电压开路稳定时间，一般为1毫秒(ms)至10秒(s)，但不限定于此时间值，本实施例中取10ms。图中的脉冲充电时间长度Ton也是固定的，为周期性脉冲充电时间，此Ton的大小取值较宽，可取几百毫秒或者几秒，甚至几分钟(min)，Ton的取值范围表示为100ms≤Ton≤10min。
图7示出了本发明实施例的电池电压及充电电流特性的另一曲线图，其中恒定电流充电时间较长，用省略形式表示。图中显示了可变脉冲电流的中止时间Toff是固定值，为电池电压开路稳定时间，一般为几个ms，但不限定于此时间值，本实施例中取10ms。图中的Ton的取值是依次递减。本实施例中首次Ton的时间取10分钟，第二个Ton时间取8分钟，当Ton减小到预先设定的最小值时则保持为该值不变。本实施例中，该最小值为1秒。
本发明方案不必根据充电电流来终止充电，而是完全通过判断开路电池电压来终止充电，因此适用于各种容量的电池；本发明在进入恒压充电持续一定时间后才开始脉冲充电，因此可缩短充电时间；本发明的充电过程中充电电压始终小于等于充电限制电压，因此可以防止电池过充。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1、一种电池充电装置，该装置包括一充电电源(401)，和一时钟电路(408)，所述电池具有恒定的充电限制电压，所述电池在充电过程中具有一定的充电时电池电压或开路电压；在充电过程中构成一充电回路，该充电回路具有一定的电流强度；其特征在于，所述装置还包括：
恒定电流电路(403)，用于向电池(402)提供恒定的充电电流；
恒定电压电路(404)，用于将加载在电池(402)两端的电压稳定在充电限制电压；
开关电路(409)，包括三种状态：接通恒定电流电路(403)、接通恒定电压电路(404)和断开；开关电路(409)接通恒定电流电路(403)，则由充电电源(401)、电池(402)，开关电路(409)、恒定电流电路(403)构成充电回路；开关电路(409)接通恒定电压电路(404)，则由充电电源(401)、电池(402)，开关电路(409)、恒定电压电路(404)构成充电回路；开关电路(409)断开则停止对电池(402)充电；
电流检测电路(405)，用于检测充电回路中的电流强度；
电压检测电路(406)，用于检测电池(402)两端的充电时电池电压或开路电压；
控制电路(407)，用于将开关电路(409)首先接通恒定电流电路(403)，并根据电压检测电路(406)检测到的充电时电池电压，将开关电路(409)切换为接通恒定电压电路(404)，在这之后根据电流检测电路(405)检测到的电流强度将开关电路(409)切换为断开状态，然后根据时钟电路(408)的计时以及电压检测电路(406)检测到的开路电压，使开关电路(409)脉冲性地接通恒定电压电路(404)，直到电压检测电路(406)检测到的开路电压大于等于电压设定值Vr，则使开关电路(409)处于断开状态。
2、根据权利要求1所述的电池充电装置，其特征在于，所述控制电路(407)在初始充电时，使开关电路(409)接通恒定电流电路(403)，当电压检测电路(406)检测的充电时电池电压达到充电限制电压，使开关电路(409)接通恒定电压电路(404)；当电流检测电路(405)检测到的电流强度小于等于设定阈值时，使开关电路(409)处于断开状态，并使时钟电路(408)进行计时，当计时时间达到预设中止时间长度Toff，将时钟电路(408)的计时清零并判断电压检测电路(406)检测的开路电压是否大于等于电压设定值Vr，若否，则循环执行如下操作：
根据时钟电路(408)的计时使开关电路(409)接通恒定电压电路(404)，并且接通时间为预设的脉冲充电时间Ton，使开关电路(409)处于断开状态的时间为预设中止时间长度Toff，再判断电压检测电路(406)检测的开路电压是否大于等于电压设定值Vr；
直到电压检测电路(406)检测的开路电压大于等于电压设定值Vr，则使开关电路(409)置于断开状态。
3、根据权利要求1所述的电池充电装置，其特征在于，所述充电限制电压为4.2V。
4、根据权利要求1至3任一项所述的电池充电装置，其特征在于，所述预设脉冲充电时间Ton为恒定值，或随脉冲充电次数增加而递减的值，但若脉冲充电时间Ton已达到预先设定的最小值则保持为该值。
5、根据权利要求1至3任一项所述的电池充电装置，其特征在于，所述预设脉冲充电时间Toff为恒定值。
6、一种电池充电装置的充电方法，所述电池具有恒定的充电限制电压，所述电池在充电过程中具有一定的充电时电池电压或开路电压；在充电过程中构成一充电回路，该充电回路具有一定的电流强度；其特征在于，包括如下步骤：
预先设定充电电流阈值、中止时间长度Toff、开路电压的设定值Vr以及预设脉冲充电时间Ton；
以一恒定电流对电池进行充电，判断所述电池的充电时电池电压是否达到充电限制电压，若是，以电压值等于所述充电限制电压的恒定电压对所述电池进行充电；
对充电电流进行检测，当所述充电电流小于等于设定阈值时，
中止对所述电池进行充电，中止时间达到预设中止时间长度Toff时，判断所述电池的开路电压是否大于等于电压设定值Vr，若否，则以电压值等于所述充电限制电压的恒定电压对所述电池进行充电，持续时间为预设脉冲充电时间Ton，并转至所述中止对所述电池进行充电的步骤；
若是则结束充电。
7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述充电限制电压为4.2V。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述中止时间长度Toff为恒定值。
9、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述中止时间长度Toff的取值范围为1毫秒至10秒。
10、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预设脉冲充电时间Ton为恒定值。
11、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预设脉冲充电时间Ton为恒定值，或为随脉冲充电次数增加而递减的值，但若脉冲充电时间Ton已达到预先设定的最小值则保持为该值。
12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述脉冲充电时间Ton的最小值为1秒。
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