CN102231551A - 一种兼顾充电时间和电池寿命的电池充电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种兼顾充电时间和电池寿命的电池充电器，包括主控制器、充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块、保护电路模块、工作状态指示模块、显示模块、电源转换模块，所述的主控器分别与充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块、保护电路模块、工作状态指示模块、显示模块连接，所述的充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块分别与待充电池连接，还包括与主控器连接的人机交互模块。与现有技术相比，本发明具有用户能自定义充电时间和在具有较长充电时间的条件下能通过调整充电倍率实现降低电池老化，延长电池寿命等优点。

Description

一种兼顾充电时间和电池寿命的电池充电器

技术领域

本发明涉及一种电池充电器，尤其是涉及一种兼顾充电时间和电池寿命的电池充电器。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，二次电池被广泛的应用到各个领域。电池实际存储电量的能力是衡量电池性能的重要参数，对于同一块(组)电池，所能放出的电量和能够充入的电量有很大的相关性，所以充入电量是衡量电池续航能力的一个重要指标，为保证设备的长时间正常工作，电池需要存储足够多的电量，这就要求在充电允许的时间内尽可能多的充入电能；其次，电池的使用寿命也是一个至关重要的参数，最大限度的延长电池寿命，对于降低设备成本，保护环境等具有重大意义。在环境条件相同的状况下，电池的充电速度由充电倍率决定，充电倍率越大，充电速度越快，即充电时间越短，但电池寿命与充电倍率之间存在着极大的负相关性，充电倍率越大则电池寿命越短，反之则电池寿命越长。

充电器是对电池能量进行补充的专用设备，但是目前市场上的充电器一般只能按照默认设定的模式充电，该类充电器的不足之处可概括如下：(1)用户无法自行设定充电时间，无法控制充电过程，不能调节充电速度；(2)充电器按照固定设定的充电倍率充电，充电倍率对电池老化的影响即为固定值，在具有较长时间充电的条件下，充电器无法通过调节充电倍率来实现降低电池老化，延长电池寿命的功能。所以兼顾充电时间和电池寿命的电池充电器具有很好的实用价值和广阔的市场前景。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种兼顾充电时间和电池寿命的电池充电器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种兼顾充电时间和电池寿命的电池充电器，包括主控制器、充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块、保护电路模块、工作状态指示模块、显示模块、电源转换模块，所述的主控器分别与充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块、保护电路模块、工作状态指示模块、显示模块连接，所述的充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块分别与待充电池连接，其特征在于，还包括与主控器连接的人机交互模块；

所述的主控制器根据人机交互模块的输入确认工作模式是用户自定义充电时间模式还是***默认模式；

若为用户自定义充电时间模式，人机交互模块将用户输入的充电时间信息发送给主控制器，主控制器根据收到的充电时间信息，结合通过电压采集模块、电流采集模块以及温度检测模块动态采集的电池参数，确定电池的充电状态，计算出合适的充电倍率，然后通过充电控制电路对电池进行充电；

若为***默认模式，则按照默认的模式完成充电任务，并且在该模式下用户可在任何时刻通过人机交互模块设定充电时间，用户自定义充电时间设定完成后，主控制器会将工作模式由***默认模式切换为用户自定义充电时间模式。

所述的电压采集模块采集电池电压，电流采集模块采集充电电流，温度检测模块采集电池温度，主控制器控制电压、电流、温度采样频率，起到实时检测电池状态的作用。

所述的人机交互模块包括键盘，通过键盘实现设定时间的输入。

所述的计算出合适的充电倍率步骤如下：

(1)首先计算电池的实际额定容量；

(2)然后计算目前电池存储的电量；

(3)根据实际额定容量分别计算出预充阶段、恒流阶段、恒压阶段的需要充入的电量；

(4)最后计算确定恒流充电倍率。

与现有技术相比，本发明具有可实现用户自定义设定充电时间，即可在用户要求的时间内在保证电池安全的条件下尽可能多的充入电量，也可在时间允许下通过调整充电倍率实现降低电池老化，延长电池寿命的功能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明总流程图；

图3为本发明充电过程流程图；

图4为本发明用户自定义充电时间模式程序流程图；

图5为本发明存储于充电器中的电压、容量、温带关系示意图；

图6为本发明用户自定义充电时间模式充电倍率计算流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种兼顾充电时间和电池寿命的电池充电器，包括主控制器1、充电控制电路2、电压采集模块3、电流采集模块4、温度检测模块5、保护电路模块6、工作状态指示模块7、显示模块8、电源转换模块9，所述的主控器1分别与充电控制电路2、电压采集模块3、电流采集模块4、温度检测模块5、保护电路模块6、工作状态指示模块7、显示模块8连接，所述的充电控制电路2、电压采集模块3、电流采集模块4、温度检测模块5分别与待充电池连接，还包括与主控器连接的人机交互模块10；

所述的主控制器1根据人机交互模块10的输入确认工作模式是用户自定义充电时间模式还是***默认模式；

若为用户自定义充电时间模式，人机交互模块10将用户输入的充电时间信息发送给主控制器1，主控制器1根据收到的充电时间信息，结合通过电压采集模块3、电流采集模块4以及温度检测模块5动态采集的电池参数，确定电池的充电状态，计算出合适的充电倍率，然后通过充电控制电路2对电池进行充电；

若为***默认模式，则按照默认的模式完成充电任务，并且在该模式下用户可在任何时刻通过人机交互模块设定充电时间，用户自定义充电时间设定完成后，主控制器1会将工作模式由***默认模式切换为用户自定义充电时间模式。

所述的充电器还具有电池性能检测、电池故障提示、根据电池温度动态调节充电电流，以及自动断电保护等功能。

充电器的主控制器1可以选择单片机/DSP/MCU/MPU等来实现控制，根据选择的控制器的不同，相应的硬件电路则需要相应的改变。

电压采集模块3和电流采集模块4可以通过AD转换器实现或通过带AD功能的微处理器实现，根据不同的采样精度要求需要选择合适的AD转换器或微处理器，采样频率可通过充电器主控制器1设定。

温度检测模块5可以由温度传感器或热敏电阻以及相应的电路构成，由充电器主控制器1设定温度采样频率，实现对电池温度的实时监测。

人机交互模块10可由按键或触摸屏等电路组成，通过此模块实现用户设定时间的功能。

主控制器1通过用户设定的充电时间值，结合通过电压采集模块3、电流采集模块4、以及温度检测模块5采集的动态数据来确定电池的状态，计算出合适的充电倍率，根据充电控制电路实现对电池的充电电压和充电电流的可控控制，即根据电池不同的充电模式可以实现不同的充电电压和充电电流的相应变化。通过计时模块实现电池充电时间的倒计时功能，然后通过显示模块8动态呈现信息。

本实施例以锂离子电池为例作详细的说明，但本发明不仅仅局限于锂离子电池，相关技术领域的人员可以很容易的参照本实施例根据不同类型的电池特性作相应的修改和优化。

本发明的总流程如图2所示，***上电初始化后，首先判断充电器工作状态，工作状态有四种(可根据具体的实际需求增加或精简)：接入的电池需要充电、接入的电池已充满、电池故障，和没有连接电池，***根据不同的电池状态自动选择不同的工作模式：

(1)若电池需要充电，则首先根据电池电压判断电池初始充电模式，即开始充电采用预充、恒流、还是恒压方式，并根据设定的充电序列完成充电任务，充电结束，***自动断开充电电路，防止电池过充造成电池的损坏。

(2)若电池已经充满，则显示电池已充满信息，并自动断开充电电路。

(3)若电池存在故障，则显示电池故障信息，并自动断开充电电路。

(4)若无电池联入，则不做任何信息显示，并自动断开所有电路，以节约能源。

图3是完整的充电过程流程图，完整的充电过程分为三个连续阶段，即涓流预充电模式、恒流充电模式、恒压充电模式。首先检测当前电池电压值V_BAT，当低于低电压阈值V_MIN时，开始以较小电流I_YC(一般可取恒流电流I_HL的1％左右)进行涓流预充电。等到电池电压上升到V_MIN后，充电模式转换为恒流充电，电流为I_HL此时电流较大，是充电的主要阶段。在恒流充电阶段，电池电压以较大斜率增长，当电池电压达到充电限制电压值V_MAX后，转为恒压充电模式(充电电压为V_MAX)，此时充电电流I_BAT不断减小，当跌落到一个下限值I_FULL(一般可取I_HL的1％左右)时终止充电，在这个过程中电池电压基本保持不变。其中V_MIN、I_HL、V_MAX、I_YC、I_FULL参数可以根据不同的电池进行调整变化。

根据接入的电池电量状态的不同，充电模式可能只包含其中的第二、三阶段(恒流和恒压阶段)或者仅包含第三阶段(恒压阶段)，具体的判断条件如下：

(1)启动电池充电需满足下列条件：电池温度检测值满足T_MIN≤T_BAT≤T_MAX(T_MIN和T_MAX分别为电池充电状态的最低温度和最高温度)。

(2)当V_BAT＜V_MIN时，启动涓流预充电，使用较小充电电流(譬如可取I_YC＝0.01×I_HL左右)。

(3)当V_MIN≤V_BAT＜V_MAX时，启动恒流充电。

(4)当V_BAT≥V_MAX时，启动恒压充电，充电电流I_BAT将逐渐减小，减小到I_FULL时充电电路自动断开，防止过充对电池造成损坏，并依此实现节约能源的目的。

图4为本发明用户自定义充电时间模式程序流程图，本发明充电器可工作在两种模式下：用户自定义充电时间充电模式和***默认充电模式。

(1)若用户没有设定充电时间，则充电器按照***默认的充电流程和充电倍率对电池充电，并且在该模式下用户可在任何时刻设定充电时间，此后充电器则会工作在用户自定义充电时间模式下；

(2)当用户设定充电时间后，***通过设定的时间值结合当前采集的动态电池参数计算出合适的充电倍率，然后调整电池充电模式实现对电池的充电。

图5是电池容量、电压、以及温度关系示意图，此关系图以数值表的形式存储于充电器的芯片中，充电器主控制器通过电压检测模块和温度检测模块分别获得电池的开路电压(OCV)和当前温度，然后通过查表获得与此相配的电池容量信息，结合用户设定的时间等参数可计算出所需信息。

电池容量、电压、和温度的关系可以通过实验法来确定：取某一型号电池作为样本体(样本数量越多，结果精度则会越高)，在不同的温度下对所选电池进行反复充放电，测得每块电池的容量与电压、温度关系曲线，然后通过平均值可得到该类电池的容量、电压、温度关系曲线。对不同显示精度要求的用户，可适当调节测试点的密度(譬如精度可以选择电池容量的1％、5％、或10％等)，温度间隔值也需根据不同的精度要求划分，示意图中只给出了T1，T2温度下的数据。

图6为本发明用户自定义充电时间模式下充电倍率计算流程。根据设定的充电时间计算合适充电倍率的方法步骤如下：

(1)首先计算电池的实际额定容量；

电池实际容量的检测方法为：***接入电池后，首先，测试当前电压是否为标定电压值，若是则记下此电压值，若不是标定电压值，对电池进行充电或放电(若接入的电池已经充电完毕，则测定容量需要通过放电来计算)，并继续监视电池电压直到一个标定电压值，设此电压值为V1，此时刻为t1。同样的方法找到第二个电压标定点V2，时刻为t2，通过查表得出电池电压为V1时的电池容量百分比P1，电池电压为V2时的容量百分比P2。此段时间的充/放电电量C_bd为此段时间的电流与时间的乘积，则电池的实际容量为：

C＝C_bd/(P2-P1)

其中：

当电池处于预充或恒流充电模式时：

C_bd＝I*t  ＝I*(t2-t1)   I为充电电流

当电池处于恒压充电模式时：

$C_{\mathrm{bd}}={\∫}_0^{t}f\left(t\right)\mathrm{Idt}={\∫}_{t_1}^{t_2}f\left(t\right)\mathrm{Idt}$ f(t)为充电系数

(2)然后计算当前电池存储的电量Ce；

Ce的计算方法为：充电开始后先测试当前电压是否为标定电压值，若是则记下此电压值，若不是标定电压值，对电池进行充电，并继续监视电池电压直到一个标定电压值，设此电压值为V1，时刻t1。同样的方法找到第二个电压标定点V2，时刻t2，通过查表得出电池电压为V1时的电池容量百分比P1，电池电压为V2时的容量百分比P2。此段时间的充/放电电量C_bd为此段时间的电流与时间的乘积，则电池的当前容量为：

Ce＝C_bd*P1/(P2-P1)

其中：当电池处于预充或恒流充电模式时：

C_bd＝I*t  ＝I*(t2-t1)    I为充电电流

当电池处于恒压充电模式时：

$C_{\mathrm{bd}}={\∫}_0^{t}f\left(t\right)\mathrm{Idt}={\∫}_{t_1}^{t_2}f\left(t\right)\mathrm{Idt}$ f(t)为充电系数

涓流预充阶段和恒流充电阶段电流值恒定，充入电量C_bd计算非常方便，即为充电电流I和充电时间t的乘积。在恒压充电阶段，电池电流随着充电时间的加长而逐渐降低，要估算出比较准确的充电容量的方法，可采用积分方式，从开始充电到结束充电这段时间间内，每一个时间点上的电流值对时间积分起来，即可得到很准确的充电容量。故此阶段电池的充电容量可根据下式进行计算：

$C3={\∫}_0^{t_3}f\left(t\right)\mathrm{Idt}$

式中：，f(t)为充电系数，t3为充电时间。

此种方法要求硬件***具有积分功能，为了简化充电器的硬件设计，充电器也可以省略掉积分电路，采用离散的数学计算方式来估算充电电量，故上式可记为：

$C3=\underset{0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(I*\mathrm{\Δt})$

式中：I为充电瞬时电流，Δt为采样间隔，n为采样次数，采样数越大则估算值精度越高。

所以充入电池的电量可表示为：

$C_{\mathrm{ch}}=I1*t1+I2*t2+{\∫}_0^{t_3}f\left(t\right)\mathrm{Idt}$

或： $C_{\mathrm{ch}}=I1*t1+I2*t2+\underset{0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(I*\mathrm{\Δt})$

(3)根据实际额定容量分别计算出预充阶段、恒流阶段、恒压阶段的需要充入的电量：

设***设定的预充阶段、恒流阶段、恒压阶段对应的电池最高容量百分比分别为P_YC，P_HL，P_HY，各充电阶段所需充入的电量分别为：C1、C2、C3，充电开始电池的容量百分比为P，电池的实际容量为C，则

若P≤P_YC，则：

C1＝C*(P_YC-P)

C2＝C*(P_HL-P_YC)

C3＝C*(P_HY-P_HL)

若P_YC＜P≤P_HL，则：

C1＝0

C2＝C*(P_HL-P)

C3＝C*(P_HY-P_HL)

若P_HL＜P≤P_HY，则：

C1＝0

C2＝0

C3＝C*(P_HY-P)

(4)最后计算确定充电倍率

设用户设定的充电时间为T，电池充电过程的三个阶段涓流预充阶段、恒流阶段、恒压阶段需要的充电时间分别为t1，t2，t3，则：

T＝t1+t2+t3

其中：

t1＝C1/I1(C1：涓流预充阶段要充入的电量，I1：涓流充电电流，取I1为一固定小电流或I2*1％的电流，此值需小于最大预充电流I_yc)；

t2＝C2/I2(C2：恒流阶段要充入的电量，I2：恒流充电电流，应小于等于电池安全恒流充电电流的最大值I_MAX)；

t3＝C3/I3(C3：恒压阶段要充入的电量，I3：恒压充电平均电流)。

则可得出恒流充电倍电流I2：

I2＝C2/(T-C1/I1-C3/I3)

涓流预充阶段和恒流充电阶段电流值恒定，充电时间等于充电电量C除以充电电流I。但在恒压充电阶段，电池电流随着充电时间的加长而逐渐降低，充电过程满足下列条件：

$C3={\∫}_0^{t_3}f\left(t\right)\mathrm{Idt}=F\left(t\right)I{|}_0^{t_3}$

dF(t)＝f(t)dt

由上式可计算出恒压阶段充电时间t3，并由此计算出各阶段的电池充电电流，设计算出的充电电流为I_CH，最大的充电安全电流为I_MAX：

若I_CH≤I_MAX，则取恒流充电电流为I_CH；

若I_CH＞I_MAX，则取恒流充电电流为I_MAX。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种兼顾充电时间和电池寿命的电池充电器，包括主控制器、充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块、保护电路模块、工作状态指示模块、显示模块、电源转换模块，所述的主控器分别与充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块、保护电路模块、工作状态指示模块、显示模块连接，所述的充电控制电路、电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块分别与待充电池连接，其特征在于，还包括与主控器连接的人机交互模块；

所述的主控制器根据人机交互模块的输入确认工作模式是用户自定义充电时间模式还是***默认模式；

若为用户自定义充电时间模式，人机交互模块将用户输入的充电时间信息发送给主控制器，主控制器根据收到的充电时间信息，结合通过电压采集模块、电流采集模块以及温度检测模块动态采集的电池参数，确定电池的充电状态，计算出合适的充电倍率，然后通过充电控制电路对电池进行充电；

若为***默认模式，则按照默认的模式完成充电任务，并且在该模式下用户可在任何时刻通过人机交互模块设定充电时间，用户自定义充电时间设定完成后，主控制器会将工作模式由***默认模式切换为用户自定义充电时间模式。

2.根据权利要求1所述的一种兼顾充电时间和电池寿命的电池充电器，其特征在于，所述的电压采集模块采集电池电压，电流采集模块采集充电电流，温度检测模块采集电池温度，主控制器控制电压、电流、温度采样频率，起到实时检测电池状态的作用。

3.根据权利要求1所述的一种兼顾充电时间和电池寿命的电池充电器，其特征在于，所述的人机交互模块包括键盘，通过键盘实现设定时间的输入。

4.根据权利要求1所述的一种兼顾充电时间和电池寿命的电池充电器，其特征在于，所述的计算出合适的充电倍率步骤如下：

(1)首先计算电池的实际额定容量；

(2)然后计算目前电池存储的电量；

(3)根据实际额定容量分别计算出预充阶段、恒流阶段、恒压阶段的需要充入的电量；

(4)最后计算确定恒流充电倍率。

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