CN101026252A - 一种充电电池的充电方法及充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及充电电池的充电方法及充电电路，该方法包括：通过调节PWM控制信号的占空比，控制输出的充电电流在特定时间段t1至t2内，由零值上升到充电电流峰值Im，t1、t2分别为电流上升阶段的开始、结束时刻，设t为时间，作为X轴，i为充电电流，作为Y轴；在t2至t3时段保持峰值Im的大小持续输出充电电流，t3为电流稳定阶段的结束时刻。该电路包括MCU处理电路和电流控制转换电路，MCU处理电路在特定时间段t1至t2内向电流控制转换电路中的开关管输出占空比单调变化的PWM控制信号，电流控制转换电路的输出电流相应由零值上升到充电电流峰值Im。本发明能够防止冲击损坏充电器，延长充电电池使用寿命。

Description

一种充电电池的充电方法及充电电路

[技术领域]

本发明涉及一种能够延长充电电池使用寿命的充电方法及充电电路。

[背景技术]

由于充电电池具有能够多次循环使用的特点，已经被广泛应用于便携式电子产品中，在手机上的应用尤为突出。现有的充电机、充电器等对充电电池进行充电的产品，不管采用什么充电的方式，如恒流、恒压、PWM多节均恒充方式，都会对充电电池的寿命有很大影响，以恒流、恒压为例，当充电电池过度放电后，充电电池电压很低，若直接用恒流或恒压的方式对该充电电池进行充电，会严重影响充电电池各方面的性能，进而影响到充电电池的使用寿命。在快充电技术中，带放电的(脉冲)PWM对电池的充电效果比较理想，每个PWM波形都由许多冲击电流组成。

众所周知，若充电方式适当，可以有效延长充电电池的使用寿命，还能提高充电电池放电的稳定性，若充电方式不当，则可能会极大地减少充电电池的使用寿命。现有技术中这些充电方式的缺点在于：

1、在开始对充电电池充电的瞬间，充电器输出都为冲击电流或脉冲电流，由于冲击电流在瞬间突然加到充电电池上，容易造成充电电池内部在一定程度上的损坏，从而缩短了充电电池的使用寿命。

2、在充电瞬间所产生的冲击电流还会对开关元件、充电器与充电电池的接触点形成慢性损坏，也会造成不必要的麻烦。

3、锯齿波充电虽然可以对冲击电流有所缓冲，但会使充电电能得不到有效利用，造成电能的浪费，同时也会影响充电的效果。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种充电电池的充电方法及充电电路，能够缓冲开始充电瞬间的冲击电流，提高充电电能的利用率，延长充电电池的使用寿命。

本发明的技术方案是：

一种充电电池的充电方法，至少包括以下步骤：

101、电流上升阶段：通过调节PWM控制信号的占空比，控制输出的充电电流在t1至t2时间段内，由零值上升到充电电流峰值Im，其中，t1、t2分别为电流上升阶段的开始、结束时刻，t为时间，作为X轴，i为充电电流，作为Y轴；

102、电流稳定阶段：在t2至t3时段保持峰值Im的大小持续输出充电电流，其中，t3为电流稳定阶段的结束时刻。

步骤101电流上升阶段中：充电电流由零值上升到峰值Im的波形为一斜线段，所述斜线段的一端坐标为(t1，0)，另一端坐标为(t2，Im)。

步骤101电流上升阶段中：充电电流由零值上升到峰值的波形分为两段，一段为斜线段，另一段为垂线段；所述斜线段的一端坐标为(t1，0)，另一端坐标为(t2，I1)，所述垂线段的一端坐标为(t2，I1)，另一端坐标为(t2，Im)；或所述垂线段的一端坐标为(t1，0)，另一端坐标为(t1，I1)，所述斜线段的一端坐标为(t1，I1)，另一端坐标为(t2，Im)；其中I1大于0，小于Im。

步骤101电流上升阶段中：充电电流由零值上升到峰值的波形分为两段，一段为垂线段，一段为单调递增曲线段，所述垂线段的一端坐标为(t1，0)，另一端坐标为(t1，I1)，所述单调递增曲线段的一端坐标为(t1，I1)，另一端坐标为(t2，Im)；或所述单调递增曲线段的一端坐标为(t1，0)，另一端坐标为(t1，I1)，所述垂线段的一端坐标为(t1，I1)，另一端坐标为(t2，Im)；其中I1大于0，小于Im。

步骤101电流上升阶段中：充电电流由零值上升到峰值的波形为一充电电流值随时间单调递增的曲线段。

所述步骤101和步骤102以周期T循环反复执行，其中T大于等于t3减去t1的差值。

一种充电电池的充电电路，包括原边电路、PWM控制电路、变压器和副边电路，所述PWM控制电路向所述变压器原边电路中的主开关管输出控制主开关管导通/关断的PWM控制信号，所述变压器的原边绕组根据主开关管的导通/关断，将原边电路的电能耦合在副边绕组上，通过副边电路输出；

还包括MCU处理电路和反馈电路，所述MCU处理电路检测所述副边电路的输出，并通过反馈电路控制所述PWM控制电路在特定时间段t1至t2内输出占空比单调变化的PWM控制信号，所述副边电路的输出电流相应由零值上升到充电电流峰值Im。

所述占空比单调变化为占空比由0％上升变到100％或者由100％下降变到0％。

一种充电电池的充电电路，包括原边电路、PWM控制驱动电路、反馈电路、变压器和副边电路，所述反馈电路向PWM控制驱动电路反馈副边电路的输出，使PWM控制驱动电路关闭，给出固定的PWM控制信号驱动所述原边电路，所述变压器的原边绕组将原边电路的电能耦合在副边绕组上；

还包括MCU处理电路和电流控制转换电路，所述电流控制转换电路与所述副边电路电连接，所述MCU处理电路检测所述电流控制转换电路的输出，并在特定时间段t1至t2内向所述电流控制转换电路中的开关管输出占空比单调变化的PWM控制信号，所述电流控制转换电路的输出电流相应由零值上升到充电电流峰值Im。

所述电流控制转换电路为升压电路或降压电路。

本发明的有益效果是：

在开始或中间对充电电池进行充电时，把充电电流波形的上升沿变成缓慢上升的方式，电流值由小到大分阶段上升，一直到达稳定峰值，起到缓冲的作用，避免出现冲击电流直接加在充电电池上，减小了充电时对充电电池的损坏，可以增加对充电电池的充电次数，有效延长了充电电池的使用寿命，也能够防止冲击损坏充电器；采用本发明方法得到的充电波形中有电流稳定阶段，这就保证了相对于锯齿波形的充电方式提高了电能的利用率。

[附图说明]

图1是本发明充电电流的波形示意图(一)。

图2是本发明充电电流的波形示意图(二)。

图3是本发明充电电流的波形示意图(三)。

图4是本发明充电电流的波形示意图(四)。

图5是本发明充电电流的波形示意图(五)。

图6是本发明充电电流的波形示意图(六)。

图7是本发明充电电流的波形示意图(七)。

图8是本发明充电电流的波形示意图(八)。

图9是应用本发明充电方法的充电电路原理图(一)。

图10是应用本发明充电方法的充电电路原理图(二)。

图11是应用本发明充电方法的充电电路原理图(三)。

[具体实施方式]

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述：

为了克服现有技术中在对充电电池开始充电瞬间存在冲击电流的问题，本发明采用的充电电流波形主要是用电流上升阶段代替波形的上升沿，起到缓冲充电电流的作用，减小充电瞬间的冲击给充电电池带来的损坏，同时，为了提高充电电能的利用率，本发明的充电电流波形中还设置有电流稳定阶段，以保证有足够大的积分面积电能得到有效利用。

本发明的充电方法，至少包括以下两个步骤：

1、电流上升阶段：通过调节PWM控制信号的占空比，控制输出的充电电流在特定时间段t1至t2内，由零值上升到充电电流峰值Im，其中，t1、t2分别为电流上升阶段的开始、结束时刻，t1大于等于0，t2大于t1，设t为时间，作为X轴，i为充电电流，作为Y轴；在该步骤中，充电电流峰值是经过了t1至t2时间段才达到的，即充电电流波形的上升沿不是在瞬间就上升到电流峰值，而是延迟了一段时间，所以对于充电电池来说，起到了缓冲保护的作用，不易使充电电池内容造成损坏。

2、电流稳定阶段：在t2至t3时段保持峰值Im的大小持续输出充电电流，其中，t3为电流稳定阶段的结束时刻；该步骤有利于保证电能合理利用。

图1是本发明充电电流的波形示意图(一)，该波形的电流上升阶段中充电电流由零值上升到峰值Im的波形为一斜线段，该斜线段的一端坐标为(t1，0)，另一端坐标为(t2，Im)。在刚开始充电t1时刻，充电电流为0，在经过一段时间后，在t2时刻，充电电流的值上升到最大值(峰值)，之后，充电电流一直峰值对充电电池进行充电。如：t1至t2为1ms，PWM＝100％对应的电流最大，PWM＝0％对应的电流最小，在充电开始时，每0.01ms加1％的占空比一直加到100％；也可以是PWM＝0％对应的电流最大，PWM＝100％对应的电流最小，在充电开始时，每0.01ms减1％的占空比，一直减到0％；这样就可以得到图1所示的充电电流波形。

图2是本发明充电电流的波形示意图(二)，该波形的电流上升阶段中充电电流由零值上升到峰值的波形分为两段，一段为斜线段，另一段为垂线段；垂线段的一端坐标为(t1，0)，另一端坐标为(t1，I1)，而斜线段的一端坐标为(t1，I1)，另一端坐标为(t2，Im)，其中I1大于0，小于Im。该波形表示在充电开始时刻t1，充电电流值先突变到I1，再由I1值上升到峰值Im，虽然这里也存在冲击电流，但I1的值相对于Im来说要小，因此对充电电池的损坏也很小，充电电池的使用寿命也相对较长。该图所示的充电电流波形可以这样实现，如：t1至t2为1ms，PWM＝100％对应的充电电流最大，PWM＝0％对应的充电电流最小，在起动时直接输出60％，然后每0.025ms加1％的占空比，一直加到100％。

需要指出的是，图2所示的波形还可以是斜线段的一端坐标为(t1，0)，另一端坐标为(t2，I1)，垂线段的一端坐标为(t2，I1)，另一端坐标为(t2，Im)；这两种情况斜线段和垂线段产生的先后顺序相反。

图3是本发明充电电流的波形示意图(三)，该波形的电流上升阶段中充电电流由零值上升到峰值的波形分为两段，一段为垂线段，一段为单调递增曲线段，所述垂线段的一端坐标为(t1，0)，另一端坐标为(t1，I1)，所述单调递增曲线段的一端坐标为(t1，I1)，另一端坐标为(t2，Im)，其中I1大于0，小于Im。该波形表示在充电开始时刻t1，充电电流值先突变到11，再由I1值上升到峰值Im，虽然这里也存在冲击电流，但I1的值相对于Im来说要小，因此对充电电池的损坏也很小，充电电池的使用寿命也相对较长。如：t1至t2为1ms，PWM＝100％对应的充电电流最大(如1A)，PWM＝0％对应的充电电流最小，在起动时直接输出60％，然后每0.025ms(或者0.01ms)调用一次表格中的电流所需的占空比(大于60％，如61％、67％、75％、80％等一系列的占空比)，调用的次数与调用间隔的乘积加起来的时间等于1ms就能满足要求，如0.01ms*20+0.04ms*20＝1ms、0.02ms*20+0.03ms*20＝1ms、0.025*40＝1ms等，这里调用的次数上限为40次，表格是指表格方式记录的占空比数据，表格中的电流占空比可以实测出来，也可算出来。

简表举例如下：

100％	99％	……	……	50％	……	30％	……	1％	0％
										1000mA	990mA			500mA		300mA		10mA	0mA

需要指出的是，图3所示的波形还可以是单调递增曲线段的一端坐标为(t1，0)，另一端坐标为(t1，I1)，所述垂线段的一端坐标为(t1，I1)，另一端坐标为(t2，Im)；这两种情况垂线段和单调递增曲线段产生的先后顺序相反。

图4、图5和图6分别是本发明充电电流的波形示意图(四)、(五)和(六)，这种类型的电流上升阶段波形为一充电电流值随时间单调递增的曲线段，在整个电流上升阶段内，电流值始终随时间单调增大。如：先把电流占空比用算法或实测出来并保存当时占空比数据，然后按曲线段要求每0.01ms调用一次表格中的电流所需的占空比。

在充电电流中，存在周期性充电的情况，即在对充电电池进行充电的整个过程中，存在包含电流上升阶段和电流稳定阶段的多个充电周期，以周期T循环反复进行，其中T大于等于t3减去t1的差值。

图7和图8所示的波形图都属于周期性充电的情况，其一个周期内的实现过程分别与图2和图3的过程类似，这里不再赘述。

需要指出的是，上述的充电电流波形的上升实际上是台阶状上升的，只是台阶很小而已，可以近似看为曲线上升。

综上所述，本发明的充电电流波形至少包括电流上升阶段和电流稳定阶段，电流稳定阶段也可以一直保持到充电结束，也可以是电流上升阶段和电流稳定阶段都周期性出现，同样能够实现本发明的目的。

为了应用本发明的充电方法，可以通过以下几种(本发明列举了三种)电路来实现：

图9是应用本发明充电方法的充电电路原理图(一)，该充电电路包括原边电路、PWM控制电路、变压器、副边电路、MCU处理电路和反馈电路；

这里原边电路含有电源输入部分、起到干扰隔离作用的EMI电路(防止充电电路本身产生的干扰进入电源输入部分，同时防止电源线上的干扰进入充电电路)、整流电路、削尖峰电路、启动电路和驱动电路，其中，驱动电路包含有原边电路的主开关管，削尖峰电路可以防止开关管开、关时产生的脉冲尖峰；

这里副边电路含有整流电路、削尖峰电路、防反罐电路、电压取样电路、电流取样电路和放电电路；

为了在改变输出电流时有参照，所述MCU处理电路通过所述电压取样电路及电流取样电路来检测所述副边电路的输出(检测当时的电流，从而可以适当调整电流)，并通过反馈电路控制所述PWM控制电路在特定时间段t1至t2内输出占空比单调变化的PWM控制信号，占空比由0％上升变到100％或者由100％下降变到0％，驱动电路中的主开关管根据该PWM控制信号相应导通/关断，所述变压器的原边绕组根据主开关管的导通/关断，将原边电路的电能耦合在副边绕组上，通过副边电路输出，所述副边电路的输出电流相应由零值上升到充电电流峰值Im。

以上是通过控制原边的方式对充电电流进行控制的电路原理图。

下面通过控制副边的方式对充电电流进行控制：

图10是应用本发明充电方法的充电电路原理图(二)，该充电电路包括原边电路、PWM控制驱动电路、反馈电路、变压器、副边电路、MCU处理电路和降压电路，当发光管有电流通过时，光电耦合的接收方开作，从而使PWM控制驱动电路关闭，在PWM控制脚不受控制时，给出固定的PWM控制信号并驱动变压器原边电路工作，所述变压器的原边绕组将原边电路的电能耦合在副边绕组上；所述降压电路与所述副边电路电连接，为了在改变输出电流时有参照，所述MCU处理电路检测所述电流控制转换电路的输出，并在特定时间段t1至t2内向所述降压电路中的开关管输出占空比单调变化的PWM控制信号，所述降压电路的输出电流相应由零值上升到充电电流峰值Im。

图11是应用本发明充电方法的充电电路原理图(三)，该图与图10的区别在于，采用了升压电路---boost电路代替降压电路，其他工作原理相同。

Claims (10)

1、一种充电电池的充电方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

101、电流上升阶段：通过调节PWM控制信号的占空比，控制输出的充电电流在t1至t2时间段内，由零值上升到充电电流峰值Im，其中，t1、t2分别为电流上升阶段的开始、结束时刻，t为时间，作为X轴，i为充电电流，作为Y轴；

102、电流稳定阶段：在t2至t3时段保持峰值Im的大小持续输出充电电流，其中，t3为电流稳定阶段的结束时刻。

2、根据权利要求1所述的一种充电电池的充电方法，其特征在于，步骤101电流上升阶段中：充电电流由零值上升到峰值Im的波形为一斜线段，所述斜线段的一端坐标为(t1，0)，另一端坐标为(t2，Im)。

3、根据权利要求1所述的一种充电电池的充电方法，其特征在于，步骤101电流上升阶段中：充电电流由零值上升到峰值的波形分为两段，一段为斜线段，另一段为垂线段；所述斜线段的一端坐标为(t1，0)，另一端坐标为(t2，I1)，所述垂线段的一端坐标为(t2，I1)，另一端坐标为(t2，Im)；或所述垂线段的一端坐标为(t1，0)，另一端坐标为(t1，I1)，所述斜线段的一端坐标为(t1，I1)，另一端坐标为(t2，Im)；其中I1大于0，小于Im。

4、根据权利要求1所述的一种充电电池的充电方法，其特征在于，步骤101电流上升阶段中：充电电流由零值上升到峰值的波形分为两段，一段为垂线段，一段为单调递增曲线段，所述垂线段的一端坐标为(t1，0)，另一端坐标为(t1，I1)，所述单调递增曲线段的一端坐标为(t1，I1)，另一端坐标为(t2，Im)；或所述单调递增曲线段的一端坐标为(t1，0)，另一端坐标为(t1，I1)，所述垂线段的一端坐标为(t1，I1)，另一端坐标为(t2，Im)；其中I1大于0，小于Im。

5、根据权利要求1所述的一种充电电池的充电方法，其特征在于，步骤101电流上升阶段中：充电电流由零值上升到峰值的波形为一充电电流值随时间单调递增的曲线段。

6、根据权利要求1所述的一种充电电池的充电方法，其特征在于，所述步骤101和步骤102以周期T循环反复执行，其中T大于等于t3减去t1的差值。

7、一种充电电池的充电电路，包括原边电路、PWM控制电路、变压器和副边电路，所述PWM控制电路向所述变压器原边电路中的主开关管输出控制主开关管导通/关断的PWM控制信号，所述变压器的原边绕组根据主开关管的导通/关断，将原边电路的电能耦合在副边绕组上，通过副边电路输出；其特征在于：

还包括MCU处理电路和反馈电路，所述MCU处理电路检测所述副边电路的输出，并通过反馈电路控制所述PWM控制电路在特定时间段t1至t2内输出占空比单调变化的PWM控制信号，所述副边电路的输出电流相应由零值上升到充电电流峰值Im。

8、根据权利要求7所述的一种充电电池的充电电路，其特征在于：所述占空比单调变化为占空比由0％上升变到100％或者由100％下降变到0％。

9、一种充电电池的充电电路，包括原边电路、PWM控制驱动电路、反馈电路、变压器和副边电路，所述反馈电路向PWM控制驱动电路反馈副边电路的输出，使PWM控制驱动电路关闭，给出固定的PWM控制信号驱动所述原边电路，所述变压器的原边绕组将原边电路的电能耦合在副边绕组上；其特征在于：

还包括MCU处理电路和电流控制转换电路，所述电流控制转换电路与所述副边电路电连接，所述MCU处理电路检测所述电流控制转换电路的输出，并在特定时间段t1至t2内向所述电流控制转换电路中的开关管输出占空比单调变化的PWM控制信号，所述电流控制转换电路的输出电流相应由零值上升到充电电流峰值Im。

10、根据权利要求9所述的一种充电电池的充电电路，其特征在于：所述电流控制转换电路为升压电路或降压电路。

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