專利名稱：充電裝置和充電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種充電裝置和充電方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，包括鋰離子電池、NiCd電池或鎳氫電池等二次 電池在內(nèi)的電池《且是7>知的。
公知的電池組具有計算電池剩余容量并與使用電池作為電源的 電子設(shè)備通信的微型計算機(jī)；微型計算機(jī)的外圍電路；以及檢測用于 通過微型計算機(jī)計算電池剩余容量的電池單元(battery cell)的狀態(tài)的 電路。日本專利申請/>開No. 9-247864 7>開了一種在計算電池單元的 剩余容量時，根據(jù)充電/放電時的電流累計量來檢測電池單元的剩余容 量的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
近年來，人們常常關(guān)注原油等能源的枯竭問題，節(jié)能在我們的生 活中變得很重要。當(dāng)對鋰離子二次電池進(jìn)行充電時，充電電流,皮i殳定 得很高來進(jìn)行充電，從而由于充電路徑的阻抗而導(dǎo)致發(fā)熱量增加。由 于發(fā)熱而在充電時無用地消耗了電力。
本發(fā)明鑒于上述問題而作出，希望提供一種新的政進(jìn)的充電裝置 和充電方法，能夠考慮到電力消耗而有效地對電池進(jìn)行充電。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供一種充電裝置，包括充電單元， 對電池進(jìn)行充電；剩余容量檢測單元，檢測電池的剩余容量；必要充 電容量取得單元，取得電池充電完成后的使用所必要的充電容量；追 加充電容量計算單元，根據(jù)電池的剩余容量和必要充電容量，計算對 電池進(jìn)行追加充電的追加充電容量；充電電流確定單元，根據(jù)在對追
4加充電容量進(jìn)行充電時產(chǎn)生的電力消耗，計算充電單元對追加充電容
量進(jìn)行充電時的充電電流；和控制單元，根據(jù)所確定的充電電流，控 制充電單元。
充電裝置可以包括充電時間計算單元，根據(jù)所確定的充電電流 和追加充電容量，計算對追加充電容量進(jìn)行充電所需的充電時間。
充電裝置可以包括充電時間輸出單元，輸出所計算的充電時間。
充電裝置可以包括希望充電時間取得單元，取得對追加充電容 量進(jìn)行充電時的希望充電時間，充電電流確定單元可以4艮據(jù)電力消耗 和希望充電時間，確定充電電流。
必要充電容量取得單元可以取得電池的預(yù)期使用時間，從而計算 電池充電完成后的使用所必要的充電容量。
而且，根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，提供一種充電方法，包括以 下步驟對電池進(jìn)行充電；檢測電池的剩余容量；取得電池充電完成 后的使用所必要的充電容量；根據(jù)電池的剩余容量和必要充電容量， 計算對電池進(jìn)行追加充電的追加充電容量；根據(jù)在對追加充電容量進(jìn) 行充電時產(chǎn)生的電力消耗，計算充電單元對追加充電容量進(jìn)行充電時 的充電電流；以及根據(jù)所確定的充電電流，控制充電單元。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，可以考慮到電力消耗而有效地對電池進(jìn) 行充電。


圖l是示出本發(fā)明的一個實施方式的電池組的結(jié)構(gòu)的電路圖。 圖2是示出本實施方式的電池組的充電裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。 圖3是示出本實施方式的由于充電路徑的阻抗而產(chǎn)生的電力消 耗百分比與充電率之間、以及充電時間與充電率之間的關(guān)系的曲線圖。
圖4是示出本實施方式的充電裝置的充電操作的流程圖。 圖5是示出本實施方式的充電裝置根據(jù)剩余容量的充電操作的 流程圖。
5圖6是示出本實施方式的充電裝置根據(jù)剩余容量的充電操作的 流程圖。
圖7是示出本實施方式的充電裝置根據(jù)剩余容量的充電操作的 流程圖。
圖8是示出本實施方式的充電裝置充電時的顯示例的說明圖。
圖9是示出以往的充電裝置的充電操作的流程圖。
圖IO是示出以往的充電裝置充電時的顯示例的說明圖。
具體實施例方式
以下參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。注意，在該_沈明 書以及附圖中，具有基本相同的功能和結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)要素被標(biāo)注相同的 附圖標(biāo)記，省略對這些結(jié)構(gòu)要素的重復(fù)說明。
(電池組的結(jié)構(gòu))
說明本發(fā)明的一個實施方式的電池組的結(jié)構(gòu)。圖l是示出本發(fā)明 的實施方式的電池組的結(jié)構(gòu)的電路圖。
電池單元20例如是鋰離子二次電池。圖l所示的本實施方式的 電池組1具有被充電和放電的電池單元20、電流檢測單元80和孩丈型 計算機(jī)10。電流檢測單元80檢測電池單元20的充電/放電電流i[mA， 并且將其放大預(yù)定的增益GV/mA，以輸出電壓e[V。
微型計算機(jī)10具有A/D轉(zhuǎn)換部件和運算部件。A/D轉(zhuǎn)換部件以 量化步長(quantizing step)q[V/LSBI對來自電流檢測單元80的電流檢 測電壓e[V進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以得到數(shù)字值x。運算部件使用來自A/D 轉(zhuǎn)換部件的數(shù)字值x，在每個恒定周期th:小時I計算電池單元20的 剩余容量Y[mAhl。
在本實施方式的電池組1中，電池單元20的正極與電池組1的 正端子TM+連接，電池單元20的負(fù)極經(jīng)由電流電壓檢測電阻R7與 電池組1的負(fù)端子TM-連接。
來自包括串聯(lián)穩(wěn)壓器和復(fù)位電路的微型計算機(jī)電源16的電源被 提供給包含在電池組1中的微型計算機(jī)10，微型計算機(jī)10利用從樣炎
6型計算機(jī)電源16提供的電源而進(jìn)行操作。微型計算機(jī)10的充電電流 檢測輸入端子DI1與用于檢測充電電流的運算放大器13的輸出端子 連接。放電電流檢測輸入端子DI2與用于檢測放電電流的運算放大器 14的輸出端子連接。而且，微型計算機(jī)10的中斷輸入端子與兩個輸 入端子被分別連接到運算放大器13和14的輸出端子的兩輸入NAND 門15的輸出端子連接。兩輸入NAND門15的輸出端子經(jīng)由上拉電阻 R8與^:型計算機(jī)電源16連接。
微型計算機(jī)10的溫度檢測輸入端子與檢測電池單元20的周邊溫 度的溫度傳感器19的輸出端子連接。電壓檢測輸入端子與檢測電池 單元20的端子間電壓的電壓檢測電路18的輸出端子連接。接地端子 與電池單元20的負(fù)極連接。用于通信的輸入端子(SIN端子)和輸出端 子(SOUT端子)分別與緩沖放大器11和12連接。
進(jìn)行模擬輸入的所有充電電流檢測輸入端子DIl、放電電流檢測 輸入端子DI2、溫度檢測輸入端子和電壓檢測輸入端子都是A/D輸入 端口。因此，微型計算機(jī)10包含將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的A/D 轉(zhuǎn)換器。
運算放大器13的非反轉(zhuǎn)輸入端子經(jīng)由電阻R3和用于檢測電流 和電壓的電阻R7與電池單元20的負(fù)極連接，反轉(zhuǎn)輸入端子與用于設(shè) 定增益的負(fù)反饋電阻R2和電阻R1連接。因此，通過根據(jù)電阻R1和 R2的值之比(R2/Rl)來it大在電池組1中流動的電流值(充電時的電流 值)而得到的電壓值從運算放大器13的輸出端子輸出。
另一方面，運算放大器14的非反轉(zhuǎn)輸入端子經(jīng)由電阻R6與電 池單元20的負(fù)極連接，反轉(zhuǎn)輸入端子與負(fù)反饋電阻R5和電阻R4連 接。因此，通過根據(jù)電阻R4和R5的值之比(R5/R4)來放大在電池組 1中流動的電流值(放電時的電流值)而得到的電壓值從運算放大器14 的輸出端子輸出。
(電池剩余容量的計算)
以下說明微型計算機(jī)10中的電池剩余容量的計算，即，基于運 算放大器13和14的輸出值的充電/放電電流值的累計運算。運算放大
7器13和14用作電流檢測單元80的充電電流檢測放大器和放電電流檢測放大器。
電流檢測單元80檢測在電阻R7中流動的充電/放電電流imA。電流檢測單元80執(zhí)行電流-電壓轉(zhuǎn)換，從而使用預(yù)定的增益GV/mA放大充電/放電電流imA，輸出電壓e-iGV。電流檢測單元80將該電壓e[V]發(fā)送到作為運算部件的微型計算機(jī)10的A/D輸入端口 ，即充電電流檢測輸入端子DI1和放電電流檢測輸入端子DI2。
微型計算機(jī)10中的A/D轉(zhuǎn)換部件(A/D轉(zhuǎn)換器)使用預(yù)定的量化寬度或量化步長q[V/LSB對輸入電壓e[V進(jìn)行量化，以將其轉(zhuǎn)4灸成數(shù)字值x=e/q(=iG/q)。微型計算機(jī)10中的運算部件根據(jù)數(shù)字值x,在每個恒定運算周期T[h:小時進(jìn)行計算。
由于在運算周期T期間電流i的流動而導(dǎo)致的電池剩余容量的增加/減少AY成為iT=(xq/G).TmAh。當(dāng)增加/減少AY用通過A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)x表達(dá)時，AY-(qT/G) .x。當(dāng)值q、 T和G被z沒定成使得此時的乘數(shù)系數(shù)qT/G成為2"時，AY=2n .x，從而可以筒單地通過位移動(bit shift)來計算電池的剩余容量的增加/減少AY。
電流i的正(+)對應(yīng)于充電，負(fù)(-)對應(yīng)于放電。此時，在圖1的例子中，運算放大器13檢測在電阻R7中流動的充電/》文電電流中的充電電流in運算方文大器14檢測放電電流i2,從而將它們作為正電壓e,和e2發(fā)送到微型計算機(jī)10的充電電流檢測輸入端子DI1和》文電電流檢測輸入端子DI2。
因此，每個運算周期T中的電池剩余容量數(shù)據(jù)Y[mAh的增加/減少AYmAhl成為
AY=( i廣i2)xT=(ei- e2)xT/G=(x廣x2)xqT/G
xl是通過利用^t型計算機(jī)10中的A/D轉(zhuǎn)換器對發(fā)送到充電電流檢測輸入端子DI1的電壓q進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換而得到的數(shù)字值。x2是通過利用微型計算機(jī)10中的A/D轉(zhuǎn)換器對發(fā)送到放電電流檢測輸入端
8子DI2的電壓e2進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換而得到的數(shù)字值。當(dāng)qT/G=2n時，AY-( x廣x2)x2n
可以通過位移動容易地進(jìn)行計算。(電池剩余容量的運算操作)
以下說明基于微型計算機(jī)IO中的充電/放電電流值的累計的、電池剩余容量的運算操作。
在第一步驟中，將電池剩余容量數(shù)據(jù)Y[mAh設(shè)定為剩余容量初始值Y。[mAhj。這用Y—Y。來表達(dá)。
在第二步驟中，將增加/減少AY、即(x廠X2)x2"加到之前的電池剩余容量數(shù)據(jù)YmAh上，并將所得到的值作為新的電池剩余容量數(shù)據(jù)Y[mAh存儲在微型計算機(jī)10的未示出的內(nèi)部存儲器中。這用Y—Y+( xr x2)x2n來表達(dá)。
在第三步驟中，在處理等待運算周期的一定時間T后，處理返回到第一步驟。
包括電流檢測單元80的電流-電壓轉(zhuǎn)才灸在內(nèi)的增益G[V/mA、微型計算機(jī)10的A/D轉(zhuǎn)換時的量化步長q[V/LSB、以及微型計算機(jī)10中的充電/放電電流值的累計運算的周期、即電池剩余容量的更新周期T[h之間的關(guān)系被選擇為qT/G=2n。結(jié)果，電流值累計量或電池剩余容量無需進(jìn)行系數(shù)的累計而通過位移動即可計算。
構(gòu)成電流檢測單元80的運算放大器13的》欠大增益如上所述由電阻R1與R2之比確定，運算放大器14的放大增益如上所迷由電阻R4與R5之比確定。電流-電壓轉(zhuǎn)換比由電阻R7確定。用于檢測充電電流的運算放大器13的放大增益與用于檢測放電電流的運算放大器14的放大增益相同，但是也可以彼此不同。孩史型計算機(jī)10中的A/D轉(zhuǎn)換的量化步長q大多數(shù)由IC固定。運算周期T可以通過軟件任意改變。
例如，當(dāng)q/G=2kmA/LSB]、 T[h=l/2m [h(k和m為整數(shù))時，每個運算周期T中的增加/減少AY[mAh變成<formula>formula see original document page 10</formula>
由于每個運算周期T中的電池剩余容量數(shù)據(jù)Y[mAhl可以按照Y—Y+( x!-X2)x2k-""進(jìn)行更新，因此，可以僅通過加法和減法運算以及(n-m)次的位移動就可以計算電流量累計值。
在本發(fā)明的實施方式的電池組和電池剩余容量數(shù)據(jù)輸出方法中，檢測出要充電或放電的電池單元的充電/放電電流i[mAI ，并且將其放大預(yù)定的增益GV/mA，從而輸出電壓eV。以量化步長qV/LSB對該電流檢測電壓e[V進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù)字值x。在每個恒定周期Th:小時計算電池單元剩余容量Y[mAh，從而使用在每個恒定周期T得到的數(shù)字值x，將用于計算電池單元剩余容量Y的增加/減少AY表達(dá)為
AY=( xq/G)xT=(qT/G)xx
電流檢測單元的增益G[V/mA]、 A/D轉(zhuǎn)換時的量化步長q[V/LSB]、以及運算部件的運算周期T[h]的關(guān)系表達(dá)為qT/G=2n (n為整數(shù))
電池剩余容量的增加/減少AY如下計算AY = 2nxx
根據(jù)本實施方式，設(shè)定增益G[V/mA、量化步長q[V/LSB、以及運算周期th的關(guān)系，使得通過對電流檢測電壓e[V進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換而得到的數(shù)字值的LSB為2n。結(jié)果，通過簡單的運算即可得到電流累計量，從而可以防止微型計算機(jī)的軟件量的增加和運算時間的增加。
(通常操作模式和省電模式)
進(jìn)一步說明本實施方式的圖l所示的電池組l。本實施方式的圖1所示的電池組1還具有晶體管開關(guān)Trl和晶體管開關(guān)Tr2。
晶體管開關(guān)Trl由場效應(yīng)晶體管構(gòu)成，其柵極與微型計算機(jī)10的切換控制輸出端子SW1連接，插入電阻Rl以連接在其漏極和源極
10之間。
因此，當(dāng)來自微型計算機(jī)10的切換控制輸出端子S W1的信號電 平為高(H)電平時，晶體管開關(guān)Trl接通。結(jié)果，電阻R1的值幾乎為 O(僅晶體管開關(guān)Tr 1的內(nèi)部電阻)，根據(jù)電阻Rl和R2的值之比(R2/R1) 設(shè)定的運算放大器13的放大增益變大。
另一方面，當(dāng)來自微型計算機(jī)10的切換控制輸出端子SW2的信 號電平為低(L)電平時，晶體管開關(guān)Trl斷開。結(jié)果，運算放大器13 的放大增益成為按照電阻R1和R2的值之比(R2/R1)的放大增益，即， 小于晶體管開關(guān)Trl接通時的放大增益。
同樣，晶體管開關(guān)Tr2由場效應(yīng)晶體管構(gòu)成，其柵極與微型計 算機(jī)10的切換控制輸出端子SW2連接，插入電阻R4以連接在其漏 極和源極之間。
因此，當(dāng)來自微型計算機(jī)10的切換控制輸出端子SW2的信號電 平為高(H)電平時，晶體管開關(guān)Tr2接通。結(jié)果，電阻R4的值幾乎為 O(僅晶體管開關(guān)Tr2的內(nèi)部電阻)，運算放大器14的放大增益變大。
另一方面，當(dāng)來自微型計算機(jī)10的切換控制輸出端子SW2的信 號電平為低(L)電平時，晶體管開關(guān)Tr2斷開。結(jié)果，運算放大器14 的放大增益變小。
微型計算機(jī)10在通常操作模式(Run)下，始終監(jiān)^見充電電流檢測 輸入端子DI1和放電電流檢測輸入端子DI2的電平。當(dāng)端子DI1和 DI2處于一定電平以上時，切換控制輸出端子SW1和SW2的信號電 平都處于低電平。結(jié)果，晶體管開關(guān)Trl和Tr2都斷開，運算放大器 13和14的放大增益都變小。
因此，通常操作模式(Run)下的微型計算機(jī)10可以使用放大增益 小的運算放大器13和14的輸出值來測量電池組1的電流值(充電時的 電流值或放電時的電流值)。因此，孩史型計算機(jī)10能夠識別充電和放 電時的電流值，從而能夠計算充電W文電電流累計值。
相反，在通常操作模式(Run)時，當(dāng)電池組1中的充電/放電電流 值成為不大于預(yù)定值的微小電流值時，使放大增益較小，從而運算放大器13和14的輸出值變小。即，微型計算機(jī)10的充電電流檢測輸 入端子DI1和放電電流檢測輸入端子DI2的電平變小。這時，端子 DI1和DI2的電平變得不大于一定值，如果該狀態(tài)持續(xù)一定時間以上， 則微型計算機(jī)10確定處于無負(fù)載狀態(tài)，進(jìn)入節(jié)能模式(睡眠模式)。在 該節(jié)能模式下，電力消耗小于通常操作模式下的電力消耗，從而可以 節(jié)省電路的能量。
該節(jié)能模式(睡眠模式)下的微型計算機(jī)10使切換控制輸出端子 SW1和SW2的信號電平都成為高電平。結(jié)果，晶體管開關(guān)Trl和Tr2 都接通，運算放大器13和14的放大增益變大。因此，節(jié)能模式(睡眠 模式)下的微型計算機(jī)10可以使用放大增益大的運算放大器13和14 的輸出值來測量電池組1的微小電流值(充電時的微小電流值或放電 時的微小電流值)。
在節(jié)能模式下，當(dāng)電池組l中的充電/放電電流值變成不小于預(yù) 定值的值時，放大增益小的運算放大器13和14的輸出值都變大。即， 兩輸入NAND門15的兩個輸入端子的電平處于高電平，從而，兩輸 入NAND門15的輸出處于低電平。當(dāng)提供給中斷輸入端子的兩輸入 NAND門15的輸出電平變成低電平時，微型計算機(jī)10取消節(jié)能模式 而進(jìn)入通常操作模式。
如上所述，根據(jù)圖l的結(jié)構(gòu)，由于節(jié)能模式下的電力消耗小于通 常操作模式下的電力消耗，因此可以節(jié)省電路的能量。根據(jù)圖l的結(jié) 構(gòu)，微型計算機(jī)10在切換控制輸出SW1和SW2上控制晶體管Trl 和Tr2的接通/斷開狀態(tài)，從而能夠切換運算放大器13和14的》丈大增 益。結(jié)果在該結(jié)構(gòu)中可以檢測出節(jié)能模式下的微小電流值，并且可以 測量通常操作模式下的電流值。
(電池組1和充電裝置之間的通信)
向電池組1至少設(shè)置孩i型計算機(jī)10、電池單元20和電流檢測單 元80。微型計算機(jī)10包括與充電裝置100通信的通信電路和生成表 示電池組1的狀態(tài)的信息的信息生成電路。
信息生成電路生成電池剩余容量信息、充電/放電電流檢測信息、
12電池單元電壓檢測信息、溫度檢測信息和達(dá)到最大充電/^t電周期時的 標(biāo)志，作為表示電池組1的狀態(tài)的信息。電池組1的孩i型計算機(jī)10 與充電裝置IOO之間的通信經(jīng)由電池組1側(cè)的緩沖放大器11和12以 及控制端子TMc建立。
充電裝置100經(jīng)由控制端子109c從電池組1接收表示電池組1 的狀態(tài)的信息。充電裝置100將接收到的信息發(fā)送給充電控制電路 113,充電控制電路113執(zhí)行各種計算，將要顯示的信息被發(fā)送給顯 示單元117。從將要顯示在顯示單元117上的信息生成顯示信號，顯 示單元117顯示電池剩余容量和最大充電/》丈電周期的超過，作為電池 組l的電池狀態(tài)。能夠進(jìn)行有線或無線信息交換的電路用于充電裝置 100與電池組1之間的通信。
(充電裝置的結(jié)構(gòu))
以下說明本實施方式的電池組1的充電裝置100的結(jié)構(gòu)。圖2 是示出本實施方式的電池組1的充電裝置100的結(jié)構(gòu)的框圖。充電裝 置100具有一次電路和控制恒定電壓/恒定電流的充電控制電路113， 其中， 一次電路包括輸入濾波器102、整流電路103和107以及PWM 控制電路106。
向充電裝置100設(shè)置插頭101，并且例如向插頭101提供AC 100V的商用電源。提供給插頭101的商用電源經(jīng)由輸入濾波器102 被提供給整流電路103。
在整流電路103的輸出側(cè)得到的整流和平滑后的DC電壓被提供 給變壓器104的初級繞組104a的一端。初級繞組104a的另一端連接 到構(gòu)成切換元件的npn型晶體管105的集電極。晶體管105的發(fā)射極 接地。在脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制電路106的輸出側(cè)獲得的脈沖寬度 調(diào)制信號被提供給晶體管105的基極。脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制電路 106的輸出切換晶體管105，從而控制在變壓器104的次級繞組104b 獲得的輸出信號。
變壓器104的次級繞組104b的一端連接到整流電路107的輸入 側(cè)，次級繞組104b的另一端接地。整流電路107向連接到電池組1
13的正極的正極充電端子109a提供在變壓器104的次級繞組104b上得 到的用于充電的DC電壓，從而對電池組1進(jìn)4亍充電。
連接到電池組1的負(fù)極的負(fù)極充電端子109b經(jīng)由包括防止回流 開關(guān)110、充電開關(guān)111和電流檢測電阻112的串聯(lián)電路接地。
防止回流開關(guān)IIO和充電開關(guān)111由充電控制電路113控制，從 而以一定間隔重復(fù)充電期間tO和開路期間tl。這種情況下，充電期 間tO是較長的預(yù)定期間，開路期間tl是足夠用于計算電池組1的規(guī) 定電壓、例如鋰離子二次電池的上限電壓Vh與鋰離子二次電池8的 電池開路電壓Vt之間的差電壓AV的較短的時間。
充電控制電路113在充電期間tO使防止回流開關(guān)110和充電開 關(guān)111接通。充電控制電路113在開路期間tl使防止回流開關(guān)110 接通并使充電開關(guān)111斷開。充電控制電路113得到充電開關(guān)111斷 開時的防止回流開關(guān)110和充電開關(guān)lll之間的連接中點處的電池組 l的電池開路電壓Vt。結(jié)果，充電控制電路113檢測出鋰離子二次電 池的上限電壓Vh與電池開路電壓Vt等規(guī)定電壓之間的差電壓 AV(=Vh-Vt)。
恒定電流/恒定電壓控制電路114以電池組1的上限電壓Vh內(nèi)的 較高的第一設(shè)定電壓Vcl，以恒定電流將電池組1充電到由差電壓AV 預(yù)設(shè)的切換差電壓AV1。當(dāng)差電壓AV低于切換差電壓AVI時，恒定 電流/恒定電壓控制電路114將設(shè)定電壓切換成低于第一設(shè)定電壓Vcl 的第二設(shè)定電壓Vc2，從而以恒定電壓對電池組1進(jìn)4亍充電。第一i殳 定電壓Vcl是電池組1的上限電壓Vh或上限電壓Vh附近的電壓。 第二設(shè)定電壓Vc2是低于第一設(shè)定電壓Vcl的電壓。
當(dāng)差電壓AV低于預(yù)設(shè)的切換差電壓AVI時，充電控制電路113 生成設(shè)定電壓切換信號。設(shè)定電壓切換信號是用于將設(shè)定電壓從第一 設(shè)定電壓Vcl切換到第二設(shè)定電壓Vc2的信號。當(dāng)差電壓AV在低于 預(yù)設(shè)的切換差電壓AVI的完成差電壓AVO內(nèi)時，充電控制電路113 完成充電0
另外，在本實施方式中，在整流電路107的輸出側(cè)得到的充電電壓a被提供給恒定電流/恒定電壓控制電路114，在電流檢測電阻112 上得到的充電電流b被提供給恒定電流/恒定電壓控制電路114。設(shè)定 電壓切換信號進(jìn)一步從充電控制電路113提供給恒定電流/恒定電壓 控制電路114。
恒定電流/恒定電壓控制電路114經(jīng)由光電耦合器115將用于恒 定電流充電的控制信號提供給脈沖寬度調(diào)制控制電路106。恒定電流/ 恒定電壓控制電路114經(jīng)由光電耦合器115將用于恒定電壓充電的控 制信號提供給脈沖寬度調(diào)制控制電路106。該控制信號控制脈沖寬度 調(diào)制控制電路106。
^f艮據(jù)本實施方式，由于以電池組1的上限電壓Vh內(nèi)的較高的第 一i殳定電壓Vcl并以恒定電流對電池組1進(jìn)4亍充電，直到電池組1的 規(guī)定電壓(例如電池組1的上限電壓Vh)與電池開路電壓Vt之間的差 電壓AV成為切換差電壓AV1。結(jié)果，在本實施方式的充電裝置100 中，可以延長恒定電流充電時間，可以縮短充電完成之前的充電時間。 而且，當(dāng)差電壓AV小于預(yù)定的切換差電壓AV1時，將設(shè)定電壓切換 成低于第一設(shè)定電壓Vcl的第二設(shè)定電壓Vc2,從而以恒定電壓對電 池組l進(jìn)行充電。結(jié)果，在本實施方式的充電裝置100中，不會生成 過度的電壓，從而電池組1不會有劣化的危險。
(計算推薦充電時間的方法)
以下說明本實施方式的充電裝置100中的計算推薦充電時間的方法。
本實施方式的充電裝置100的充電控制電路例如具有剩余容量
檢測單元、必要充電容量取得單元、附加充電容量計算單元、充電電 流確定單元、充電時間計算單元、充電時間輸出單元和希望充電時間 取得單元。
剩余容量檢測單元檢測電池組1的剩余容量。必要充電容量取得 單元取得電池組1的充電完成之后的使用所必要的充電容量。必要充
電容量取得單元經(jīng)由操作單元116的用戶操作而取得電池組1的期望 使用時間，可以計算在電池組1的充電完成之后的使用所必要的充電
15容量。
追加充電容量計算單元根據(jù)電池組1的剩余容量和電池組1的充 電完成之后的使用所必要的充電容量，計算對電池組1進(jìn)行追加充電 的追加充電容量。充電電流確定單元根據(jù)對追加充電容量進(jìn)行充電時
產(chǎn)生的電力消耗，確定通過充電裝置IOO對追加充電容量進(jìn)行充電時
的充電電流。
充電時間計算單元根據(jù)所確定的充電電流和追加充電容量，計算 對追加充電容量進(jìn)行充電所需的充電時間。充電時間輸出單元例如向
顯示單元117輸出所計算的充電時間。希望充電時間取得單元經(jīng)由操 作單元116的用戶操作取得在對追加充電容量進(jìn)行充電時的希望充電 時間。此時，充電電流確定單元根據(jù)電力消耗和希望充電時間確定充 電電;危。
鋰離子二次電池的充電電流通常具有ic的上限值。1C是當(dāng)具
有標(biāo)稱容量值的容量的電池單元以恒定電流放電并且在1小時內(nèi)完成
》文電時的電流值。例如，具有1000mAh的標(biāo)稱容量的電池單元的1C 為1000mA。當(dāng)4吏1C為1000mA的電池組的充電率為 一半時， 0.5C=500inA。
圖3是示出由于充電路徑的阻抗而產(chǎn)生的電力消耗百分比與充 電率之間、以及充電時間與充電率之間的關(guān)系的曲線圖。在圖3中， 理論地計算出當(dāng)改變充電率時由于充電路徑的阻抗(假定為恒定值)而 產(chǎn)生的電力消耗的百分比的變化。圖3中的第一縱坐標(biāo)軸(曲線上的左 側(cè))表示在以1C充電時由于充電路徑的阻抗(假定為恒定值)而產(chǎn)生的 電力消耗的百分比為100%。
計算公式P=RxI2
P是電力消耗，R是充電路徑的阻抗，I是充電電流。 圖3是示出當(dāng)充電率改變時，電池組從0%充電到100%時的充 電時間的代表性例子的曲線圖。圖3中的第二縱坐標(biāo)軸(曲線上的右側(cè)) 表示電池組從0 %充電到100 %時的充電時間的代表性例子。
(l)當(dāng)充電時充電電流低時，理論上可以抑制自身發(fā)熱。因此，
16可以將推薦充電電流設(shè)定成使得由于充電電流而產(chǎn)生的自身發(fā)熱被抑制。
(2) 當(dāng)充電率(充電電流)降低時，可以減輕由于充電/放電周期而導(dǎo)致的容量劣化。在代表性例子中，當(dāng)將l個周期后的某個樣本的放電容量與300個周期后的放電容量相比較時，以0.7C充電時的容量劣化為-20%，而以0.2C充電時的容量劣化為-7% ，即，極大減輕了容量劣化。因此，目標(biāo)推薦充電電流可以是能夠減輕由于充電/放電周期導(dǎo)致的容量劣化的0.2C左右。
(3) 當(dāng)考慮到用戶的便利時，可以將推薦充電電流設(shè)定成在一個晚上(大約6小時)完成剩余容量從0°/。到100%的充電的電流值。
由于下述原因，在本實施方式的代表性例子中，以0.2C充電的時間是推薦充電時間。
(1) 自身發(fā)熱的觀點當(dāng)1C充電時的自身發(fā)熱為100%時，以0.2C充電時的發(fā)熱約為4%，從而可以抑制由于發(fā)熱而產(chǎn)生的電力消耗。
(2) 容量劣化的觀點在0.2C充電的情況下，即^f吏在300個周期后，容量劣化也減輕到-7%。
(3) 充電時間的;f見點以0.1C充電時，充電時間為大約8小時30分鐘，從而沒有在一個晚上完成充電，但是以0.2C充電時，充電時間為大約4小時15分鐘，從而在一個晚上完成充電，
推薦充電時間不限于以0.2C充電的時間，可以從上述3個觀點出發(fā)，以其它充電率來確定。
追加充電時間按照公式1計算
追加充電時間={(由用戶設(shè)定的剩余容量)-(充電前的剩余容量)}+充電電流 ......O式l)
最大充電電流由于電池單元的電壓(剩余容量)與來自充電裝置100的充電電壓之差而變化，并且在每種類型的電池單元中得到幾乎恒定的值。因此，事先調(diào)查剩余容量與最大充電電流之間的關(guān)系，并將該數(shù)據(jù)保持在電池組1或充電裝置100中。
當(dāng)用戶指定了希望的預(yù)期使用時間(或預(yù)期使用剩余容量)時，在充電裝置100的顯示單元117上顯示保存在電池組1或充電裝置100中的0.2C充電時的估計充電時間，作為推薦充電時間。
推薦充電時間由于充電前的剩余容量而變化。圖5~圖7中的流程圖示出在用戶選擇了必要的剩余容量后如何能夠選擇充電時間的例子。圖5~圖7是示出本實施方式的充電裝置IOO根據(jù)剩佘容量的充電操作的流程圖。
參照圖5說明充電操作。將電池組1連接到充電裝置IOO(步驟S201)。檢測剩余容量并顯示可使用時間(剩余容量)(步驟S202)。
當(dāng)確定剩余容量大于卯％且小于100%時(步驟S203)，執(zhí)行步驟S204 步驟S211的操作。首先，用戶指定希望的充電剩余容量(時間)(步驟S204)。充電裝置100根據(jù)該希望的充電剩余容量而顯示推薦充電時間(步驟S205)。當(dāng)用戶確定所顯示的推薦充電時間可以時(步驟S206)，充電裝置100選擇0.2C充電(步驟S207)，從而開始0.2C充電(步驟S208)。將電池組1充電到在步驟S2(H中指定的容量(步驟S211)。
另一方面，當(dāng)用戶確定所顯示的推薦充電時間不可以、充電時間可以更長時(步驟S206)，充電裝置100選擇0.1C充電(步驟S209),從而開始0.1C充電(步驟S210)。將電池組1充電到在步驟S204中指定的容量(步驟S211)。在步驟SM9和S210中，充電時間比步驟S207和S208中的充電時間長，但是可以減少電力消耗。
當(dāng)剩余容量大于卯％且小于100%時，由于電池組的性能，充電裝置100不進(jìn)行0.3C充電，從而將0.3C充電從選項中省略。
參照圖6說明充電操作。當(dāng)根據(jù)所檢測的剩余容量確定剩余容量大于等于80%且小于等于90%時(步驟S301)，執(zhí)行步驟S302~步驟S309的操作。用戶指定希望的充電剩余容量(時間)(步驟S302)。結(jié)果，充電裝置100根據(jù)該希望的充電剩余容量而顯示推薦充電時間(步驟S303)。當(dāng)用戶確定所顯示的推薦充電時間可以時(步驟S304),充電裝置100選擇0.2C充電(步驟S305),從而開始0.2C充電(步驟S306)。將電池組1充電到在步驟S302中指定的容量(步驟S309)。
另一方面，當(dāng)用戶確定所顯示的推薦充電時間不可以、最好是更短的充電時間時(步驟s別^，充電裝置100選擇0jc充電(步驟s307)，
從而開始0.3C充電(步驟S308)。將電池組1充電到在步驟S302中指定的容量(步驟S309)。在步驟S307和S308中，充電時間比步驟S305和S306中的充電時間短，但電力消耗變得略高。
在步驟S304之后，可以提供用于選擇和開始O.IC充電的選項。此時，充電時間比步驟S305和S306中的充電時間長，但可以降低電力消耗。
參照圖7說明充電操作。當(dāng)根據(jù)所檢測的剩余容量確定剩余容量為100%時(步驟S401),不需要充電操作從而結(jié)束充電操作。另一方面，當(dāng)根據(jù)所檢測的剩余容量確定剩余容量小于80%時(步驟S401),執(zhí)行步驟S402 步驟S412的操作。首先，用戶指定希望的充電剩余容量(時間)(步驟S402)。結(jié)果，充電裝置100根據(jù)該希望的充電剩余容量而顯示推薦充電時間(步驟S403)。當(dāng)用戶確定所顯示的推薦充電時間可以時(步驟S404)，充電裝置100選擇0.2C充電(步驟S405)，從而開始0.2C充電(步驟S406)。將電池組1充電到在步驟S402中指定的容量(步驟S412)。
另一方面，當(dāng)用戶確定由于所顯示的推薦充電時間慢，所顯示的推薦充電時間不可以、最好是更短的充電時間時(步驟S407)，充電裝置100接收操作單元116的用戶操作，選擇0.3C充電 1C充電的充電(步驟S408)，從而以所選擇的充電率開始充電(步驟S409)。將電池組1充電到在步驟S402中指定的容量(步驟S412)。在步驟S408和S409中，充電時間比步驟S405和S406中的充電時間短，但電力消耗變得略高。
另一方面，當(dāng)用戶確定所顯示的推薦充電時間不可以、最好是更長的充電時間時(步驟S4(T7)，充電裝置100選擇0.1C充電(步驟S"0),從而開始0.1C充電(步驟S411)。將電池組1充電到在步驟S402中指定的容量(步驟S412)。在步驟S410和S411中，充電時間比步驟S405和S406中的充電時間長，但是可以減少電力消耗。
(設(shè)定剩余容量和充電時間的方法)當(dāng)電池組1連接到充電裝置100時，充電裝置100顯示檢測剩余 容量的結(jié)果作為可使用時間(剩余容量)。因此，用戶通過操作單元116 的操作來設(shè)定使剩余容量比當(dāng)前的剩余容量高多少。
對于充電時間，當(dāng)電池組1連接到充電裝置100時，充電裝置 IOO顯示推薦充電時間。因此，用戶通過操作單元116的操作來i殳定 充電時間比推薦充電時間快還是慢(用戶希望的可使用時間(剩余容 量))。
接收用戶操作的操作單元116例如是數(shù)字鍵(ten key)或上下按 鈕。在顯示單元117上顯示由用戶設(shè)定的必要充電容量和充電時間。 操作單元116具有接收確定的按下按鈕。用于接收確定的按下按鈕還 可以用作用于開始充電的觸發(fā)按鈕，但觸發(fā)按鈕也可以單獨設(shè)置。
(用于切換充電電流的方法)
在用戶選擇了必要的剩余容量并且確定了充電時間后，根據(jù)公式 2來確定充電電流。
充電電流={(由用戶設(shè)定的剩余容量)-(充電前的剩余容量)}+充 電時間 ......(/>式2)
充電裝置100使用下述方法以所計算的充電電流來進(jìn)行充電?？?以通過利用通過阻抗分割而將充電裝置100的充電電流分割成多個電 流的部件、PWM或D/A轉(zhuǎn)換，線性地改變電流，來切纟灸對電池《且1 的充電電流(見圖2)。
(充電裝置的充電操作和充電時的顯示)
作為比較例說明以往的充電裝置的充電操作和從充電開始到結(jié) 束的充電顯示的例子。圖9是示出以往的充電裝置的充電操作的流程 圖。圖IO是示出以往的充電裝置充電時的顯示例的說明圖。
說明以往的充電裝置的顯示例。在充電裝置接通電源后，當(dāng)沒有 連接電池組時，顯示如圖IOA所示。在電池組連接到充電裝置上后(步 驟Sll)，緊接充電開始之后如圖10B所示(步驟Sl2)。當(dāng)充電裝置正
在檢查電池組的充電量時，如圖ioc所示顯示"-"作為充電時間。當(dāng)
充電裝置檢查了電池組的充電量時，如圖10F所示，顯示可使用時間(步驟S13)。在充電期間，充電燈打開。
從圖10F的狀態(tài)開始，當(dāng)按下一次充電裝置的顯示切換按鈕時 (步驟S14)，如圖10D所示，顯示到實用充電(大約滿充電的90%)的 充電完成的時間(步驟S15)。從圖10D的狀態(tài)開始，當(dāng)按下一次充電 裝置的顯示切換按鈕時，如圖10E所示，顯示滿充電完成的時間(步 驟S15)。從圖IOE的狀態(tài)開始，當(dāng)按下一次充電裝置的顯示切換按鈕 時，顯示返回到圖10F的狀態(tài)，顯示可^f吏用時間。當(dāng)完成滿充電時， 如圖IOG所示，例如在電池標(biāo)記上顯示"FULL，，(步驟S16)。
以下說明本實施方式的充電裝置的充電操作和顯示例。圖4是示 出本實施方式的充電裝置的充電操作的流程圖。圖8是示出本實施方 式的充電裝置IOO充電時的顯示例的說明圖。
在充電裝置IOO接通電源后，當(dāng)沒有連接電池組l時，顯示如圖 8A所示。在電池組1連接到充電裝置100上后(步驟SlOl)，當(dāng)充電 裝置100確認(rèn)電池組1的充電量時，如圖8B所示顯示可使用時間(步 驟S102)。如圖8C所示，充電裝置IOO要求用戶輸入希望的可使用時 間。當(dāng)用戶輸入并確定了希望的可使用時間時，顯示如圖8D所示(步 驟S103)。
如圖8E所示，充電裝置IOO顯示用于指定的希望可使用時間的 充電的推薦充電時間(步驟S104)。當(dāng)用戶確定所顯示的推薦充電時間 可以時(步驟S105)，通過按下按鈕確定該推薦充電時間(步驟S106)， 按下充電開始按鈕(步驟S108),開始充電(步驟S109)。
另一方面，當(dāng)確定所顯示的推薦充電時間不合適(步驟S105)并且 按下了顯示切換按鈕時，將顯示切換到可以輸入希望充電時間的顯 示。當(dāng)用戶輸入了希望充電時間時，顯示如圖8F所示。當(dāng)用戶確定 了希望充電時間(步驟S107)并且按下充電開始按鈕(步驟S108)時，開 始充電(步驟S109)。在開始充電后，充電燈打開，顯示可使用時間(剩 余容量)，并且如圖8G所示以倒計時的方式按分鐘顯示充電完成之前 的時間(步驟SllO)。將電池組1充電到指定的剩余容量(步驟Slll)。 當(dāng)完成滿充電時，如圖8H所示，例如在電池標(biāo)記上顯示"FULL"。
21以下說明本實施方式的效果。
(1) 當(dāng)對電池組1充電時，由于電池組1中的充電路徑具有阻抗， 因此電池組l由于充電電流的流動而自身發(fā)熱。由于該發(fā)熱而使從充
電裝置100提供的電力被無用地消耗。
發(fā)熱量(電力消耗)可以根據(jù)電路內(nèi)的阻抗和充電電流而按照以
下公式計算
計算公式P=Rxl2
P是電力消耗，I是充電電流，R是充電路徑的阻抗。 因此，當(dāng)用戶急于以必要的充電量對電池組1進(jìn)行充電時，相對 于在如圖4所示指定了必要的剩余容量后顯示的推薦充電時間，通過 操作單元116減慢充電時間(使其更長)，從而可以將充電裝置100的 充電電流設(shè)定得較低。當(dāng)抑制了由于電池組1的充電電流而產(chǎn)生的自 身發(fā)熱時，可以降低額外的電力消耗。
(2) 當(dāng)在通常溫度環(huán)境下以高的剩余容量(每個電池單元大約 4.2V)將包含在電池組1中的電池單元20放置了 3個月時，剩余容量 由于自身放電而減少大約10%。因此，當(dāng)不需要大量的剩余容量并且 滿充電的電池組用得很少并被放置時，由于自身放電而無用地耗能。
但是，如圖9中的以往的充電裝置的充電操作的流程圖所示，當(dāng) 電池組一直在以往的充電裝置的控制下進(jìn)行充電時，只要用戶不在充 電過程中將電池組l從充電裝置上取下，電池組就會滿充電。并且， 用戶難以選擇必要的剩余容量。
另一方面，根據(jù)本實施方式，如圖4中的本實施方式的充電操作 的流程圖所示，當(dāng)電池組1連接到充電裝置100時，電池組l的充電 前的剩余容量作為可使用時間顯示在顯示單元117上。用戶可以使用 數(shù)字鍵等操作單元116來增加所顯示的可使用時間，從而指定必要的 可使用時間(充電量的增加)。
(3) 在現(xiàn)有技術(shù)中，由于用戶不能指定剩余容量而將電池組滿充 電，因此僅顯示滿充電或大約90%的充電所需的充電時間。另一方面， 在本實施方式中，如圖4中的本實施方式的充電操作的流程圖所示，
22在用戶指定了更好的可使用時間(剩余容量)后，在充電裝置100的顯 示單元117上顯示推薦充電時間。當(dāng)用戶希望比推薦充電時間更快或 更慢地充電時，用戶可以經(jīng)由操作單元116改變充電時間。
用于計算推薦充電時間的充電電流應(yīng)當(dāng)根據(jù)包含在電池組1中 的電池單元20的剩余容量和種類來切換。預(yù)先檢查電池單元20的充 電特性，將剩余容量與充電電流之間的關(guān)系存儲在充電裝置100的內(nèi) 部存儲器中。將該充電電流用于計算推薦充電時間。
本發(fā)明包含與2008年8月22日向日本專利局提交的日本優(yōu)先專 利申請JP 2008 -214617中記載的主題相關(guān)的主題，該申請的全部內(nèi) 容通過引用結(jié)合在本申請中。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要在所附權(quán)利要求及其等同技術(shù)方 案的范圍內(nèi)，取決于設(shè)計需要和其它因素，可以進(jìn)行各種變形、組合、 子組合和改換。
上述實施方式說明了對電池組1進(jìn)行充電的裝置是充電裝置 100，但本發(fā)明不限于此。例如，該裝置可以是攝像機(jī)、數(shù)字照相機(jī)、 移動電話或個人計算機(jī)，只要其能夠?qū)﹄姵亟Ml進(jìn)行充電、能夠從電 池組l取得與充電有關(guān)的信息并且能夠顯示與充電有關(guān)的信息即可。
權(quán)利要求
1.一種充電裝置，包括充電單元，對電池進(jìn)行充電；剩余容量檢測單元，檢測電池的剩余容量；必要充電容量取得單元，取得電池充電完成后的使用所必要的充電容量；追加充電容量計算單元，根據(jù)電池的剩余容量和必要充電容量，計算對電池進(jìn)行追加充電的追加充電容量；充電電流確定單元，根據(jù)在對追加充電容量進(jìn)行充電時產(chǎn)生的電力消耗，計算充電單元對追加充電容量進(jìn)行充電時的充電電流；和控制單元，根據(jù)所確定的充電電流，控制充電單元。
2. 如權(quán)利要求l所述的充電裝置，包括充電時間計算單元， 根據(jù)所確定的充電電流和追加充電容量，計算對追加充電容量進(jìn)行充 電所需的充電時間。
3. 如權(quán)利要求1所述的充電裝置，包括充電時間輸出單元，輸出所計算的充電時間。
4. 如權(quán)利要求l所述的充電裝置，包括希望充電時間取得單元，取得對追加充電容量進(jìn)行充電時的希望 充電時間，其中，充電電流確定單元根據(jù)電力消耗和希望充電時間，確定充 電電;充。
5. 如權(quán)利要求1所述的充電裝置，其中，必要充電容量取得單 元取得電池的預(yù)期使用時間，從而計算電池充電完成后的使用所必要 的充電容量。
6. —種充電方法，包括以下步驟 對電池進(jìn)4亍充電； 檢測電池的剩余容量；取得電池充電完成后的使用所必要的充電容量；根據(jù)電池的剩余容量和必要充電容量，計算對電池進(jìn)行追加充電的追加充電容量；根據(jù)在對追加充電容量進(jìn)行充電時產(chǎn)生的電力消耗，計算充電單 元對追加充電容量進(jìn)行充電時的充電電流；以及根據(jù)所確定的充電電流，控制充電單元。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠考慮到電力消耗而有效地對電池進(jìn)行充電的充電裝置和充電方法。該充電裝置包括充電單元，對電池進(jìn)行充電；剩余容量檢測單元，檢測電池的剩余容量；必要充電容量取得單元，取得電池充電完成后的使用所必要的充電容量；追加充電容量計算單元，根據(jù)電池的剩余容量和必要充電容量，計算對電池進(jìn)行追加充電的追加充電容量；充電電流確定單元，根據(jù)在對追加充電容量進(jìn)行充電時產(chǎn)生的電力消耗，計算充電單元對追加充電容量進(jìn)行充電時的充電電流；和控制單元，根據(jù)所確定的充電電流，控制充電單元。
文檔編號H02J7/00GK101656426SQ20091016588
公開日2010年2月24日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月22日
發(fā)明者宮島洋一, 田代圭, 竹下俊夫, 長島修 申請人:索尼株式會社