CN109075583A - 快速充电装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种方法包括：在第一充电步骤中设置第一终止电压、第一充电电流和第一终止电流，其中第一终止电流仅是第一充电电流的几分之一；通过充电器将电流从电源传递到电池，其中充电器以第一恒定电流模式工作，并且所述电流等于第一充电电流；监测所述电池两端的电压，并将充电器配置成在所述电池两端的电压等于第一终止电压时以第一恒定电压模式工作；以及监测第一恒定电压模式中的电流，并将充电器配置成在电流等于第一终止电流时，在第二充电步骤中工作。

Description

快速充电装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请涉及2016年3月31日申请的题为“Fast Charging Apparatus and Method(快速充电装置和方法)”的美国临时申请号62/316,221并主张该临时申请的优先权，该临时申请以引用的方式并入到本文。

技术领域

本发明涉及电池充电控制方案，并且在特定实施例中，涉及用于在电池充电器系统中实现快速充电的方法。

背景技术

随着技术进一步发展，诸如移动电话、平板PC、数码相机、MP3播放器和/或类似设备的各种电池供电的便携式设备变得普及。每个便携式设备可采用多个可充电电池单元。这些可充电电池单元可串联或并联连接以便形成用于储存电能的可充电电池组。

根据可充电电池中使用的电极材料和电解质的不同组合，可将可充电电池分成各种类别。最常见的可充电电池包括镍镉(NiCd)电池、镍-金属氢化物(NiMH)电池、锂离子电池、锂离子聚合物电池、锂空气电池、磷酸铁锂电池等。

采用电池充电器来将能量重新储存到电池中。对电池充电器进行控制以便将电压(例如，恒定电压充电模式)和电流(例如，恒定电流充电模式)提供给电池，从而将能量重新储存到电池中。取决于不同应用和设计需要，充电速度以及施加到电池的功率量可改变。

由于功率消耗变得越来越重要，所以需要减少对电池充电的时间长度。但是，快速充电可能会造成复杂的充电控制方案。实现快速充电的方案的复杂度已经成为显著的问题，由此对电池充电器系统的设计者提出挑战。

发明内容

在特定实施例中提供一种简单的控制方案可实现快速充电并改善电池充电器系统的性能。

根据一个实施例，一种方法包括：在第一充电步骤中设置第一终止电压、第一充电电流和第一终止电流；其中，第一终止电流仅是第一充电电流的几分之一；通过充电器将电流从电源传输到电池；其中，充电器以第一恒定电流模式工作，并且所述电流等于第一充电电流；监测所述电池两端的电压，并将充电器配置成在所述电池两端的电压等于第一终止电压时以第一恒定电压模式操作；以及监测第一恒定电压模式中的电流，并将充电器配置成在所述电流等于第一终止电流时，以第二充电步骤工作。

根据另一个实施例，一种方法包括：通过充电器对电池运用第一恒定电流模式；在第一恒定电流模式中，监测所述电池两端的电压，并将充电器配置成在所述电池两端的电压等于第一终止电压时，以第一恒定电压模式工作；在第一恒定电压模式，监测流过所述电池的电流，并将充电器配置成在流过所述电池的电流等于第一终止电流时，以第二恒定电流模式工作；其中，所述第一终止电流仅是在第一恒定电流模式中流过所述电池的电流的几分之一；

在第二恒定电流模式，监测电池两端的电压，并将充电器配置成在所述电池两端的电压等于第二终止电压时，以第二恒定电压模式工作；以及在第二恒定电压模式，监测流过所述电池的电流，并将充电器配置成在流过电池的电流等于第二终止电流时，以第三恒定电流模式工作；其中，所述第二终止电流仅是在第二恒定电流模式中流过电池的电流的几分之一。

根据又一个实施例，一种装置包括：充电器，被配置成对电池施加充电电流；以及控制器，被配置成监测所述电池两端的电压和流过电池的电流；其中，基于所述电池两端的电压和流过电池的电流，控制器配置充电器在多个恒定电流模式和多个恒定电压模式下工作；

其中，所述多个恒定电流模式和所述多个恒定电压模式依次在所述充电器中执行，所述多个恒定电流模式和所述多个恒定电压模式形成多个充电步骤，每个充电步骤包括终止电压、充电电流、终止电流和超时的四个参数，每个充电步骤的行为由所述四个参数确定。

本发明的较佳实施例的优点是，通过多步快速充电机制改善电池充电器系统的性能。

上文相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下对本发明的详细描述。下文将描述本发明的额外特征和优点，它们形成本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应明白，可容易地利用公开的概念和特定实施例作为修改或设计用于实现本发明的相同目的的其它结构或过程的基础。本领域技术人员还应意识到，此类等效构造没有偏离随附权利要求中所阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更全面地了解本发明及其优点，现在结合附图谈及以下描述，图中：

图1示出根据本申请的实施例的电池充电器系统的框图；

图2是根据本申请的实施例示出图1中示出的电池充电器系统的操作原理的充电速率图表；

图3-4示出根据本申请的实施例用于控制图1中示出的电池充电器系统的充电方法的流程图；以及

图5是根据本申请的实施例示出图1中示出的电池充电器系统的操作原理的另一个充电速率图表。

除非另外指示，不同附图中对应的数字和符号一般表示对应的部分。绘制的附图用于清楚地说明各种实施例的相关方面，它们不一定按比例绘制。

具体实施方式

下面详细论述目前较佳的实施例的制作和使用。但是，应明白，本发明提供可在各种各样的特定情境中实施的许多适用的发明概念。论述的特定实施例只是说明制作和使用本发明的特定方式，而不是限制本发明的范围。

在特定情境中的较佳实施例，被命名为电池充电系统的快速充电装置来描述本发明。但是，本发明也可适用于包括单个电池单元、串联连接的多个电池单元、并联连接的多个电池单元、其任意组合等的各种系统。下文中，将参考附图详细解释各种实施例。

图1示出根据本申请的实施例的电池充电器系统的框图。电池充电器系统100耦合在电源Vin和电池108之间。电源Vin可以是用于将公共线路电压转换为dc电压的电源适配器。可选地，电源Vin可以是诸如太阳能电池板阵列的可再生能源。此外，电源Vin可以是诸如可充电电池、燃料电池和/或类似的能量储存设备。

电池108可以是镍镉(NiCd)电池、镍-金属氢化物(NiMH)电池、锂离子电池、锂离子聚合物电池、锂空气电池、磷酸铁锂电池等。在一些实施例中，电池108可包括单个单元。在可选的实施例中，电池108可包括串联或并联连接的多个可充电电池单元。

应当说明的是，尽管图1示出了一个电池充电器系统，但是本领域技术人员可以理解的是图1中的电池充电器系统只是一个实例而不用于要限制当前实施例。

电池充电器系统100包括电池充电器102和控制器110。电池充电器102连接在电源Vin和电池108之间。在一些实施例中，电池充电器102提供用于对电池108充电的导电路径。在一些实施例中，电池充电器102可由隔离式dc/dc转换器、非隔离式dc/dc转换器、线性调节器等实现。

在一些实施例中，控制器110可作为包括多个寄存器的数字控制器实现。数字控制器可以用硬件、软件、其任意组合等实现。采用控制器110来接收检测的电流信号(例如，Isense)和电压信号(例如，VBAT)，并相应地调整充电过程。更具体来说，检测的电流信号表示流过电池108的电流。可通过利用诸如与电池108串联连接的电流检测电阻器、与电池充电器102的主电源开关并联连接的电流检测晶体管、其任意组合等的合适电流检测装置来获得电流检测信号Isense。电池电压VBAT可直接在电池108的两端测量获得。

图2是根据本申请的实施例说明图1中示出的电池充电器系统的操作原理的电池充电速率图表。图2中有两个垂直轴，第一个垂直轴Y1表示电池108两端的电池电压。第二个垂直轴Y2表示流过电池108的电池充电电流。图2的水平轴表示五步充电过程的充电时间。

在另一些实施例中，1C的速率表示在一小时中，对能量耗尽的电池充电的速率。“速率C”被定义为通过一个小时，将具有容量C的电池充满所需的电流。例如，2000mAh电池的1C速率是施加2000mA的电流，充电一个小时使电池充满电。这样的，对于同样的电池，5C速率是施加10A的电流，充电12分钟使电池充满电。

如图2所示，电池充电器系统100的充电速率曲线包括五个部分，即，包括第一直线部分211和第一倾斜部分212的第一部分、包括第二直线部分221和第二倾斜部分222的第二部分、包括第三直线部分231和第三倾斜部分232的第三部分、包括第四直线部分241和第四倾斜部分242的第四部分、以及包括第五直线部分251的第五部分。

图2中示出的五个部分表示快速电池充电控制方案的五个步骤。时刻标记t2、t4、t6和t8是不同步骤之间的切换时刻的标记。在一些实施例中，为了实现图2中示出的不同充电步骤之间的自动切换，选择五个终止电流。例如，第一终止电流仅是第一充电步骤的充电电流的几分之一。如图2所示，第一充电步骤的充电电流具有5C速率。第一充电步骤的终止电流是用户选择的值。例如，第一充电步骤的终止电流可具有4C速率。应当说明的是，尽管图2中的实例示出第一充电步骤的终止电流等于第二充电步骤的充电电流，但是本领域技术人员可以理解这只是一个实例。还可能有其他多种的变化。例如，在用高于1C充电速率的电流对电池充电之后，电池需要电池放松时间，在此时间，对电池施加诸如0.5C充电速率的较低充电电流，然后充电器继续下一个快速充电步骤。因此，在第一充电步骤和第二充电步骤之间可存在中间步骤。这样的，第一充电步骤的终止电流可以不等于第二充电步骤的充电电流。

在一些实施例中，第二充电步骤(在图2中从t2到t4)的第二终止电流具有3C速率。第三充电步骤(在图2中从t4到t6)的第三终止电流具有2C速率。第四充电步骤(在图2中从t6到t8)的第四终止电流具有1C速率。第五充电步骤(在图2中从t8到t9)的第五终止电流仅是第五充电步骤中的充电电流的几分之一。

应当说明的是，图2中示出的图表只是一个实例，它不应过度地限制权利要求的范围。本领域技术人员可以理解存在许多改变、备选和修改。例如，取决于不同应用和设计需要，上文描述的充电电流和终止电流可改变。此外，图2只示出快速充电控制方案的五个步骤，快速充电控制方案可包括数百个这样的步骤。限制本文中示出的步骤的数量只是为了清楚地说明各种实施例的发明方面。本发明不限于任何特定数量的充电步骤。

在一些实施例中，在电池过度放电之后，电池的电压可能会下降至过度低的输出电压。过度放电的电池可能会具有内部短路。在对过度放电的电池运用快速充电之前，对电池提供弱充电电流，直到电池的输出电压达到诸如3.2V的预定电压(例如，图2中示出的V0)。

返回参考图2，在t0，电池108已经预先充电至诸如3.2V的合适电压V0。然后，对电池充电器系统100运用快速充电控制方案，以使得电池在五个充电步骤中达到它的容量已满时的电池电压V5，如4.4V。

从t0到t1，充电器以具有5C充电速率的恒定电流模式工作，与恒定电流模式相对应的，电池电压以线性方式增加，如第一向上斜线213所指示。在电池电压达到第一终止电压V1之后，充电器系统在t1进入到恒定电压模式，并且保持在恒定电压模式下工作直到t2，如第一直线214所指示。与恒定电压模式相对应地，充电电流以线性方式下降，如第一向下斜线212所指示。当充电电流达到第一充电步骤的终止电流(如图2所示的4C)时，控制器检测到这种情况，并在t2将工作模式切换为具有4C充电速率的恒定电流模式。

应当说明的是，上文描述的切换可通过缩放方法来实现。例如，当充电器系统以5C充电速率操作时，缩放因子可设置成80％。电池充电器系统以5C充电速率对电池充电，并进入到恒定电压模式，且等待充电电流下降到5C的80％，即等于4C。换句话说，当流过电池的电流下降至5C的80％时，对电池充电器系统运用新的恒定电流模式(例如，4C充电速率)。此外，在第二充电步骤中，控制器设置第二终止电压(例如，图2中示出的V2)、第二终止电流和第二充电电流。

缩放方法具有的一个优势是，电池充电器系统无需读取下一个4C充电步骤，因为已经在内部设置了80％的缩放因子。可基于第一个5C步骤和80％的缩放因子计算下一个4C步骤。这种原理可适用于图2中示出的所有步骤和不同步骤之间的切换。

从t2到t3，充电器以具有4C充电速率的恒定电流模式工作。与恒定电流模式相对应的，电池电压以线性方式增加，如第二向上斜线223所指示。在电池电压达到第二终止电压V2之后，充电器系统在t3进入到恒定电压模式，并且保持在恒定电压模式下工作直到t4，如第二直线224所指示。与从t3开始的恒定电压模式相对应地，充电电流以线性方式下降，如第二向下斜线222所指示。当充电电流达到第二充电步骤的第二终止电流(例如，如图2所示的3C)时，控制器可以检测到这种情况，并在t4将工作模式切换为具有3C充电速率的恒定电流模式。同时在t4时刻，充电器进入到，由控制器设置第三终止电压(例如，图2中示出的V3)、第三终止电流和第三充电电流的第三充电步骤。

从t4到t5，充电器以具有3C充电速率的恒定电流模式工作。与恒定电流模式相对应的，电池电压以线性方式增加，如第三向上斜线233所指示。在电池电压达到第三终止电压V3之后，充电器系统在t5进入到恒定电压模式，并且保持在恒定电压模式下工作直到t6，如第三直线234所指示。与从t5开始的恒定电压模式相对应的，充电电流以线性方式下降，如第三向下斜线232所指示。当充电电流达到第三充电步骤的第三终止电流(例如，如图2所示的2C)时，控制器检测到这种情况，并在t6将工作模式切换为具有2C充电速率的恒定电流模式。同时在t6时刻，充电器进入到由控制器设置第四终止电压(例如，图2中示出的V4)、第四终止电流和第四充电电流的第四充电步骤。

从t6到t7，充电器以具有2C充电速率的恒定电流模式工作。与恒定电流模式相对应的，电池电压以线性方式增加，如第四向上斜线243所指示。在电池电压达到第四终止电压V4之后，充电器系统在t7进入到恒定电压模式，并且保持在恒定电压模式下工作直到t8，如第四直线244所指示。与从t7始的恒定电压模式相对应的，充电电流以线性方式下降，如第四向下斜线242所指示。当充电电流达到第四充电步骤的第四终止电流(例如，如图2所示的1C)时，控制器检测到这种情况，并在t8将工作模式切换为具有1C充电速率的恒定电流模式。同时在t8时刻，充电器进入到由控制器设置第五终止电压(例如，图2中示出的V5)、第五终止电流和第位充电电流的第五充电步骤。

从t8到t9，充电器以具有1C充电速率的恒定电流模式工作，直到电池达到它的满充容量。与恒定电流模式相对应的，电池电压以线性方式增加，如第五向上斜线253所指示。

在上文描述的五步充电过程期间，电池充电器系统自动进入到新的工作模式。这使得实现最快充电时间成为可能，因为这种控制方案不需要预期下一个步骤，也不需要已知下一个充电设置。这简化了控制器110的状态机，并使得状态机更稳定且更易于实现。此类自动切换有助于提高充电速度。因此，电池充电器系统可实现快速充电。

另外，图2中示出的快速充电控制方案允许在对充电状态机进行简单修改的情况下将单步充电器(例如，常规充电器)容易地转换成在电池充电电压范围内具有多个充电电流设置的自动快速充电器。特别是，这样的简单修改可以快速的实现，因为它只涉及数字的改变，而无需改变充电器的模拟电路部分中的任何东西。此类简单修改有助于加快产品的上市时间，并缩短电池充电器的设计时间。

应当说明的是，图2中的充电步骤、终止电压、充电电流和终止电流只是实例。本领域技术人员可以理解可以有许多备选、修改和改变。例如，可在切换为用于确定下一个终止电压、充电电流和终止电流的下一个寄存器集合之前，充电步骤随着对终止电压、充电电流和用于检测终止电流的充电电流的比例的简单增加而增加。因此，解决方案可以容易的被放大至多个步骤。

此外，可基于电池的化学组成修改图2中示出的五步充电过程。例如，电池的化学组成允许高于1C充电。例如，可允许2C充电，但只在诸如3.6V-3.8V的特定电压范围中。通过利用图2中示出的五步充电过程的控制方案、知道在特定电池电压范围中允许最大充电电流，可通过基于电池电压和它们的相应允许电流将充电过程分解成分段线性函数而实现最快充电过程。分段线性函数的每个部分视为是多步充电过程的一个步骤。基于分段线性函数的每个部分的电池电压和允许电流，可相应地设置对应的终止电压、终止电流和充电电流。

图3-4示出根据本申请实施例用于控制图1中示出的电池充电器系统100的充电的方法300的流程图。图3-4中示出的该流程图只是一个实例，它不应过度地限制权利要求的范围。本领域技术人员理解可以有许多改变、备选和修改。例如，如图3-4所示的各种步骤可增加、移除、取代、重新排列和重复。

方法300由步骤302开始，在步骤302，控制器重设多个寄存器。例如，重设控制器的寄存器单元中的各种故障标志。在步骤304，控制器确定是否出现异常情况。例如，当变量VIN_CK设置成LOW(＝0)时，出现欠压锁定(UVLO)。另一方面，当变量DIS_CHG设置成高(＝1)时，出现流过电池的过度放电电流。在步骤304，如果没有出现异常情况，那么方法300继续进行至步骤306。

在步骤306，控制器确定电池是否处于短路模式。在一些实施例中，短路阈值电压在从约2.4V到约2.5V的范围中。如果电池电压小于2.5V，那么电池处于短路模式，并且控制器用第一充电电流对电池缓慢充电，直到电池电压达到第一预定阈值。在一些实施例中，第一预定阈值为约2.5V。第一充电电流为约25mA。

在步骤308，如果电池电压超过第一预定阈值(例如，2.5V)，那么方法300继续进行至步骤310。在步骤310，控制器首先确定电池是否处于预充电模式。在一些实施例中，如果电池电压在从约2.5V到约3.2V的范围中，那么电池处于预充电模式。

在步骤310中，如果电池电压小于3.2V，那么电池处于预充电模式，并且控制器用第二充电电流对电池充电，直到电池电压达到第二预定阈值。在一些实施例中，第二预定阈值为约3.2V。第二充电电流在从约25mA到约200mA的范围中。并且在步骤310，控制器保持检测电池电压。如果电池电压小于第一预定阈值(例如，2.5V)，那么方法300返回到如图3所示的步骤306至步骤314。

在步骤312，控制器确定电池是否已经离开预充电模式。如果电池电压超过第二预定阈值(例如，3.2V)，那么方法300继续进行至步骤320。在本说明书中，第二预定阈值可被称为预充电阈值。

图3-4中示出的方法基于三步快速充电过程。在图3-4中示出的流程图中，步骤320、402和408分别表示第一充电步骤、第二充电步骤和第三充电步骤。为了在不同充电步骤之间自动切换，在快速充电过程的每个步骤中，控制器设置终止电压、充电电流和终止电流(终止电流是充电电流的几分之一)。例如，在第一充电步骤中，第一终止电压是3.8V，并且第一充电电流是3C充电速率。第一终止电流是用户选择的值，它是第一充电电流的几分之一。在第二充电步骤中，第二终止电压是4.2V，并且第二充电电流是2C充电速率。第二终止电流是用户选择的值，它是第二充电电流的几分之一。在第三充电步骤中，第三终止电压是4.4V，并且第三充电电流是1C充电速率。第三终止电流是用户选择的值，它是第三充电电流的几分之一。

应当说明的是，终止电压(例如，3.8V)和充电电流的充电速率(例如，3C充电速率)的值只是实例。本领域技术人员可以理解取决于不同应用和设计需要，可利用其它合适的值和充电速率。

重新参阅图3，在步骤320，电池进入到包括两个不同模式的第一充电步骤。对电池运用具有3C充电速率的第一恒定电流模式，令电池电压从约3.2V增加到约3.8V。在步骤326，在电池电压达到第一终止电压(例如，3.8V)之后，控制器对电池运用第一恒定电压模式，使电池电压保持处于第一终止电压。在第一恒定电压模式中，充电电流相应的下降。

在步骤326，在充电电流小于或等于第一恒定充电模式的电流(ICHG1)的几分之一(n1)之后，控制器将充电器的工作模式从第一恒定电压模式切换为具有充电电流的第二恒定电流模式。在此之后，方法300继续进行至步骤402。

应当说明的是，n1是用户选择的数字，它在0-1的范围内。取决于不同应用和设计需要，n1可相应改变。

在步骤402，电池进入到第二充电步骤。在第二充电步骤，对电池运用具有2C充电速率的第二恒定电流模式，令电池电压从约3.8V增加到约4.2V。在步骤406，在电池电压达到4.2V之后，控制器对电池运用第二恒定电压模式，使电池电压保持处于4.2V。在第二恒定电压模式中，充电电流相应下降。

在步骤406，在充电电流小于或等于第二恒定充电模式的电流(ICHG2)的几分之一(n2)之后，控制器将充电器的工作模式从第二恒定电压模式切换为第三恒定电流模式。在此之后，方法300继续进行至步骤408。

应当说明的是，n2是用户选择的数字，它在0-1的范围内。取决于不同应用和设计需要，n2可相应改变。

在步骤408，电池进入到第三充电步骤。在第三充电步骤，对电池运用具有1C充电速率的第三恒定电流模式，令电池电压从约4.2V增加到约4.4V。在步骤412，在电池电压达到4.4V之后，控制器对电池运用第三恒定电压模式，使电池电压保持处于4.4V。在第三恒定电压模式中，充电电流相应下降。在步骤412，在充电电流小于或等于第三恒定充电模式的电流(ICHG3)的几分之一(n3)之后，方法300继续进行至步骤414。

应当说明的是，n3是用户选择的数字，它在0-1的范围内。取决于不同应用和设计需要，n3可相应改变。

每个充电步骤的终止电压、充电电流和终止电流(由几分之一表示)可保存在控制器的用户可编程控制寄存器中。在常规的单步充电器中，可利用三个寄存器来设置终止电压、充电电流和终止电流。这种常规的单步充电器可利用多路转换器，在正确时间改变这三个寄存器的设置而发挥多步充电器的功能。因此，可简单的使用对常规单步充电器的三个寄存器数字部分的改变而获得多步充电器。

在步骤414，电池以第三恒定电压模式工作。在步骤418，如果电池电压大于或等于第三终止电压(例如，4.4V)并且流过电池的电流小于或等于预定终止电流，那么方法300继续进行至电池容量测试阶段，它包括图4中示出的步骤420、422、424、426、428和430。

在步骤420，对电池持续施加预定的灌电流(sink current)约250毫秒。在一些实施例中，预定的灌电流为约2.5mA。在步骤422，如果电池电压小于预定的电池汇电压阈值，那么方法300继续进行至步骤426。另一方面，在对电池施加灌电流之后，如果连续三次采样的电池电压均大于预定的电池汇电压阈值，那么电池已经充满电，并且方法300继续进行至步骤432。在步骤432，隔离电池与充电器。

在步骤426，对电池持续施加预定的源电流(source current)约250毫秒。在一些实施例中，预定的源电流约为25mA。在步骤428，如果电池电压大于预定的电池源电压阈值，那么方法300从步骤426返回到步骤420。另一方面，在对电池施加源电流之后，如果连续三次采样的电池电压均小于预定的电池源电压阈值，那么电池已经充满电，并且方法300继续进行至步骤432。在步骤432，将电池与充电器隔离。

在步骤432，将充电器的输出电压调节为略高于电池的满电电压的电压。例如，电池的满电电压为4.4V。在步骤432，充电器的输出电压在从约4.55V到约4.6V的范围中。

方法300包括各种保护步骤。如图3所示，当电池处于步骤306、310和320并且出现异常情况时，方法300可禁用充电电流并分别跳转至执行保护步骤328至步骤316、318和322。在步骤328，设置各种故障标志。方法300可从步骤328至步骤330返回到步骤302，其中与各种异常情况相对应设置的各种寄存器单元。异常情况包括计时器超时、热故障和/或类似情形。

此外，为了在快速充电过程期间保护电池，当电池电压小于预充电阈值时，电池可返回到预充电模式。例如，在步骤324，如果电池电压小于预充电阈值，那么方法300离开第一充电步骤并返回到步骤310的预充电模式。同样地，在步骤404，如果电池电压小于预充电阈值，那么方法300离开第二充电步骤并返回到步骤310的预充电模式。在步骤410，如果电池电压小于预充电阈值，那么方法300离开第三充电步骤并返回到步骤310的预充电模式。在步骤416，如果电池电压小于预充电阈值，那么方法300离开步骤414并返回到步骤310的预充电模式。

另外，在电池充满并且方法300停留在步骤432之后，电池的电压波动可能会使充电器离开满电模式。例如，在步骤434，如果电池电压为150mV，它小于满电电压，但是大于预充电阈值，那么方法300离开满电模式并返回到步骤408。同样地，在步骤436，如果电池电压小于预充电阈值，那么方法300离开满电模式并返回到步骤302。

具有图3-4中示出的方法300的一个优势是，三步快速充电过程可在没有固件介入的情况下实现，并且可通过提供对控制终止电压、终止电流和充电电流的设置的用户可编程寄存器的接入自动地完成。图3-4只说明三步快速充电过程。上文描述的方法还可以扩展为多个步骤。

具有图3-4中示出的方法300的另一个优势是，通过方法300控制的充电器可实现完全自动的充电。例如，一旦确定并表征了电池类型，图3-4中示出的方法300便可非常便利地实现完全自动的充电。这避免了控制器跟踪电池电压并在合适时间改变充电速率的负担。在其它快速充电方法则需要来自充电算法的输入的情况下，只要在三个寄存器中写入某一个步骤的终止电压、终止电流和充电电流，图3-4中示出的方法便可以自动的执行。在快速充电过程中，这样的自动执行能力有助于改善充电器系统的性能。

在图3-4中，每个充电步骤包括三个参数，即终止电压、充电电流和终止电流。根据上文关于图3-4的描述，当流过电池的电流等于当前充电步骤的终止电流时，充电器退出当前充电步骤并进入到新的充电步骤。在一些实施例中，每个充电步骤可以包括超时参数(用户选择的计时器)。在每个充电步骤开始时，设置所有四个参数。在充电步骤中，如果在电流达到终止电流之前出现超时事件，那么超时参数优先于终止电流参数。在出现超时事件之后，充电器立即进入到新的充电步骤。

图5是根据本申请的实施例示出在图1中示出的电池充电器系统的操作原理的另一个充电速率图表。图5中示出的充电速率图表与图2中示出的充电速率图表类似，其区别在于通过三步充电过程对电池充电。第一充电步骤包括第一恒定电流模式(由线条502表示)和第一恒定电压模式(由线条512表示)。第二充电步骤包括第二恒定电流模式(由线条522表示)和第二恒定电压模式(由线条532表示)。第三充电步骤包括第三恒定电流模式(由线条542表示)。

不同步骤之间的自动切换已经在上文关于图2的部分中详细描述(例如，从3C充电速率切换为2C充电速率)，因此不再论述以免不必要的重复。

图5还示出考虑电池的内阻(IR)的压降的充电控制方案。虚线504、514、524、534和544表示充电器的输出电压。线条503、513、523、533和543表示实际电池电压。在一些实施例中，可能会在充电器的输出端和电池之间设置各种电阻元件。例如，电阻元件包括跟踪电阻、电池连接器电阻、电池保护开关电阻和电池内部电阻等。

为了补偿由各种电阻元件造成的压降，在充电器的输出电压中增加了电流相关补偿因子。例如，在从t1到t2的第一恒定电压模式中，流过电池的电流以线性方式下降，如线条512所指示。为了补偿由流过电池的电流造成的内阻的压降，充电器的输出电压以类似方式下降，如虚线514所指示。图5示出，充电器的输出电压以线性方式从V2下降到V1。

尽管详细描述了本发明的实施例及其优点，但是应当理解在不偏离由随附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可进行各种改变、替换和变更。

此外，本申请的范围并不局限于本说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法和步骤的特定实施例。本领域技术人员将从本发明的公开容易地明白，根据本发明，可利用执行与本文中描述的对应实施例大体相同的功能或实现大体相同的结果的目前现有或以后要开发的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法和步骤。因此，权利要求请求的范围内包括此类过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

在第一充电步骤中设置第一终止电压、第一充电电流和第一终止电流；其中，所述第一终止电流仅是所述第一充电电流的几分之一；

通过充电器将电流从电源传输到电池；其中，所述充电器以第一恒定电流模式工作，并且所述电流等于所述第一充电电流；

监测所述电池两端的电压，并将所述充电器配置成在所述电池两端的电压等于所述第一终止电压时以第一恒定电压模式工作；以及

监测所述第一恒定电压模式中的电流，并将所述充电器配置成在所述电流等于所述第一终止电流时，以第二充电步骤工作。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

在所述第二充电步骤中，设置第二终止电压、第二充电电流和第二终止电流；其中，所述第二终止电流仅是所述第二充电电流的几分之一；

监测所述电池两端的电压，并将所述充电器配置成在所述电池两端的电压等于所述第二终止电压时以第二恒定电压模式工作；以及

监测所述第二恒定电压模式中的电流，并将所述充电器配置成在所述第二恒定电压模式中的所述电流等于所述第二终止电流时，以第三充电步骤工作。

3.如权利要求2所述的方法，其中：

通过数字控制器的三个寄存器的第一数字变化设置所述第一终止电压、所述第一充电电流和所述第一终止电流；以及

通过所述数字控制器的所述三个寄存器的第二数字变化设置所述第二终止电压、所述第二充电电流和所述第二终止电流。

4.如权利要求3所述的方法，其中：

所述第一终止电压约等于3.8V；并且

所述第二终止电压约等于4.2V。

5.如权利要求3所述的方法，其中：

基于所述电池的化学特性确定所述第一终止电压、所述第一充电电流和所述第一终止电流。

6.如权利要求3所述的方法，其中：

在所述第一恒定电压模式中，所述电池两端的所述电压等于所述第一终止电压；并且

在所述第二恒定电压模式中，所述电池两端的所述电压等于所述第二终止电压。

7.如权利要求1所述的方法，还包括：

对所述电池运用预充电模式，直到所述电池两端的电压达到预充电阈值；其中，在所述预充电模式中，流过所述电池的电流的范围在约25mA到约200mA之间。

8.如权利要求1所述的方法，还包括：

提供表示所述电池的充电曲线的分段线性函数；其中，所述分段线性函数包括多个部分；

在第一充电步骤中设置包括所述第一终止电压、所述第一充电电流、所述第一终止电流和第一超时的四个参数；其中，所述第一充电步骤对应于所述分段线性函数的第一部分；

重复设置所述四个参数的所述步骤以便构建多个后续充电步骤；其中，每个后续充电步骤对应于所述分段线性函数的一个部分，并且在每个充电步骤中，通过对应于所述充电步骤的所述四个参数确定每个充电步骤的充电行为；以及

级联所述第一充电步骤和多个所述后续的充电步骤以便形成整个充电曲线；其中，所述充电曲线可以为快速充电，进行修改从而与各种电池和它们的特定充电曲线相适配；

并且，可通过添加或移除每个步骤的所述四个参数来增加或减少所述充电曲线的步骤数量。

9.如权利要求1所述的方法，还包括：

在所述第一充电步骤中设置超时；以及

将所述充电器配置成在所述第一充电步骤中出现超时事件时，优先于所述第一终止电流而在所述第二充电步骤中工作。

10.一种方法，包括：

通过充电器对电池运用第一恒定电流模式；

在所述第一恒定电流模式中，监测所述电池两端的电压，并将所述充电器配置成在所述电池两端的电压等于第一终止电压时以第一恒定电压模式工作；

在所述第一恒定电压模式中，监测流过所述电池的电流，并将所述充电器配置成在流过所述电池的电流等于第一终止电流时以第二恒定电流模式工作；其中，所述第一终止电流仅是在所述第一恒定电流模式中流过所述电池的所述电流的几分之一；

在所述第二恒定电流模式中，监测所述电池两端的电压，并将所述充电器配置成在所述电池两端的电压等于第二终止电压时以第二恒定电压模式工作；以及

在所述第二恒定电压模式中，监测流过所述电池的电流，并将所述充电器配置成在流过所述电池的电流等于第二终止电流时以第三恒定电流模式操作；其中，所述第二终止电流仅是在所述第二恒定电流模式中流过所述电池的电流的几分之一。

11.如权利要求10所述的方法，还包括：

在所述第一恒定电流模式中，用3C速率对所述电池充电；

在所述第二恒定电流模式中，用2C速率对所述电池充电；以及

在所述第三恒定电流模式中，用1C速率对所述电池充电。

12.如权利要求10所述的方法，还包括：

在所述第一恒定电压模式中，将所述电池两端的电压调节为所述第一终止电压；以及

在所述第二恒定电压模式中，将所述电池两端的电压调节为所述第二终止电压。

13.如权利要求10所述的方法，还包括：

在所述第一恒定电压模式中，将所述充电器配置成使得所述充电器的输出电压以线性方式下降以补偿所述电池的内阻(IR)的压降。

14.如权利要求10所述的方法，还包括：

所述第一终止电压约等于3.8V；并且

所述第二终止电压约等于4.2V。

15.如权利要求10所述的方法，还包括：

在所述第三恒定电流模式中，监测所述电池两端的电压，并将所述充电器配置成在所述电池两端的电压等于第三终止电压时以第三恒定电压模式工作；其中，所述第三终止电压约等于4.4V。

16.一种装置，包括：

充电器，被配置成对电池施加充电电流；以及

控制器，被配置成监测所述电池两端的电压和流过所述电池的电流，其中基于所述电池两端的电压和流过所述电池的电流，所述控制器配置所述充电器在多个恒定电流模式和多个恒定电压模式下工作；

其中，所述多个恒定电流模式和所述多个恒定电压模式依次在所述充电器中执行，所述多个恒定电流模式和所述多个恒定电压模式形成多个充电步骤，每个充电步骤包括终止电压、充电电流、终止电流和超时的四个参数，每个充电步骤的行为由所述四个参数确定。

17.如权利要求16所述的装置，其中：

在第一恒定电流模式中，所述充电器被配置成在所述控制器检测到所述电池两端的电压等于第一终止电压之后，退出所述第一恒定电流模式并进入到第一恒定电压模式；并且

在所述第一恒定电压模式中，所述充电器被配置成在所述控制器检测到流过所述电池的电流等于第一终止电流之后，退出所述第一恒定电压模式并进入到第二恒定电流模式。

18.如权利要求17所述的装置，其中：

所述第一终止电流仅是在所述第一恒定电流模式中流过所述电池的电流的几分之一。

19.如权利要求17所述的装置，其中：

所述充电器被配置成以自动的方式，退出所述第一充电步骤并进入到所述第二充电步骤。

20.如权利要求17所述的装置，其中：

在所述第一恒定电压模式中，所述电池两端的电压等于所述第一终止电压。