用于为电池组充电的充电系统的制作方法
专利名称：用于为电池组充电的充电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括二次电池如锂离子二次电池的电池组、 一种用于 为所述电池组充电的充电装置、以及一种包括所述用于为所述电池组充电 的充电装置的充电系统。
背景技术：
通常，无线的电动工具使用具有充电装置的可充电二次电池组作为电
源。锂离子(Li-ion)电池芯普遍地用于构成这种二次电池组。用于锂离 子型电池组的充电装置通常在恒定充电电流和恒定充电电压下对电池组 充电。特别地，为了避免对每个电池芯反向充电，充电装置先以恒定充电 电流对电池组充电，直到电池电压达到预定值，例如4.2V/电池芯，然后 在恒定充电电压下充电，直到流过电池组的电流因充满而降低到预定值以 下。
由这种充电装置充电的电池组有两种类型第一类型电池组和第二类 型电池组。第一类型电池组是具有14.4V标称电压的4S1P型电池组，其 中四个电池芯串联。第二类型电池组是具有14.4V标称电压的4S2P型电 池组，其中一对电池芯并联，并且四对并联的电池芯串联。每个电池组通 常具有识别电阻，用来识别电池组中电池芯的配置形式。
如果一个充电装置选择性地对上述两种不同类型的电池组充电，并为 每个电池组提供相同大小的充电电流，那么流经4S1P型每个电池芯的电 流是流经4S2P型每个电池芯的电流的两倍。与4S2P型的使用寿命相比， 这种现象可能导致4S1P型的使用寿命縮短。
充电装置具有用来检测电池组的识别电阻以确定其类型的单元。当具 有14.4V标称电压的第一电池组(其包括四个串联的电池芯)包括电阻值 为a的电阻，且具有18V标称电压的第二电池组(其包括五个串联的电池芯)包括电阻值为b的电阻时，充电装置的微型计算机检测参考电压在电 阻a或b和充电装置的内部电阻w上产生的分压，然后确定与充电装置连
接的是第一还是第二电池组。
如上所述，每个电池组都包括具有特定电阻值的识别电阻。然而，如 果充电装置错误地确定识别电阻的阻值，充电装置将向电池组提供不适当 的电流，从而不利地影响电池组的使用寿命。
本发明的目的是提供一种充电系统，其中充电装置适于根据电池组的 类型向电池组提供充电电流。
发明内容
本发明提供一种电池组，其具有电池芯、以及一个或多个用来识别电 池芯的配置形式的识别元件。
本发明还提供一种充电装置，其具有充电单元、信号传输单元、读取 单元、以及控制单元。充电单元对电池组充电。当电池组连接到充电单元 时，信号传输单元分别地向电池组传输第一信号和第二信号以读取电池组 中的多个识别元件。读取单元根据第一和第二信号读取电池组中的多个识 别元件，以便确定包含在电池组中的电池芯的配置形式。控制单元根据电 池芯的配置形式控制充电单元。
此外，本发明可应用于包括根据本发明的电池组和充电装置的充电系 统。在此情况下，充电系统表现出与本发明的电池组和充电装置相类似的 优点。
通过以下描述并结合附图，本发明的特征和优点以及其它目的将变得
明显，其中
图1是根据本发明的充电装置的电路图2是显示了使用图1所示的充电装置对电池组充电的过程的流程
图3A至3D显示了输入到微型计算机的分压，其依赖于电池组的配 置，并用以确定电池组的配置；以及
5图4是根据本发明用来对电池组充电的充电装置的电路图。
具体实施例方式
以下描述将解释根据本发明实施例的充电系统200，参见图1和2。 图l显示了充电系统200的电路图，充电系统200包括以交流电源P供电 并对电池组2充电的充电装置1。
充电装置1可以对不同类型电池组的任何一种充电。在该实施例中， 电池组2包括第一类型电池组2和第二类型电池组2，其电池芯2a具有不 同的配置形式。电池芯2a的配置形式是指串联的电池芯的数量和电池芯 在电池组中的连接方式串联或并联、多少个电池芯串联、以及多少个电 池芯并联。第一和第二类型电池芯2a分别包括单个电池芯2a或多个电池 芯2a，并具有正极端子和负极端子。电池芯2a由锂离子(Li-ion) 二次电 池构成。电池组2还包括保护IC2b，其用来监视施加在每个电池芯2a上 的充电电压，并且在检测到电池芯2a过充电或过放电时产生一个信号。
第一类型电池组包括单个电池芯2a或串联的多个电池芯2a，即所谓 的1P型电池组。 一个例子是具有14.4V标称电压的4S1P电池组。4S1P 电池组包括四个串联的电池芯2a。
第二类型电池组包括单个电池单元或串联的多个电池单元，每个电池 单元包括两个并联的电池芯2a。第二类型电池组是所谓的2P型电池组。 一个例子是具有14.4V标称电压且包括八个电池芯2a的4S2P电池组，其 中两个电池芯2a并联连接以形成一个电池单元，四个电池单元再串联连 接。第二类型电池组2中的每个电池单元可以由多于两个的电池芯2a并 联构成。如上所述，第二类型电池组包括多-P类型电池组(多是指大于l 的整数)。例如，4S3P电池组包括十二个电池芯2a，其中每三个电池芯2a 并联连接以形成一个电池单元，四个电池单元再串联连接。
电池组2还包括电池类型识别元件7、热敏元件8、以及开关部分120。 电池类型识别元件7表示电池组2中电池芯2a的配置形式。特别地，电 池类型识别元件7表示电池组2中电池芯2a的数量和它们的连接方式如 串联和/或并联。电池类型识别元件7包括串联连接的第一电池识别电阻 7a和第二电池识别电阻7b。第一电池识别电阻7a识别串联连接的电池芯
62a的数量，用于充电装置1确定在电池组2中有多少个电池芯2a串联连 接。第二电池识别电阻7b识别电池芯2a的配置形式。当第二电阻7b可 操作地与第一电阻7a串联连接时，第二电池识别电阻7b用于确定电池芯 2a的配置形式，简单串联或并联。特别地，第二电池识别电阻7b识别电 池组2的配置形式，例如简单串联或并联。在本实施例中，简单串联是指 多个电池芯2a串联连接，而不包括任何并联的电池芯2a。
热敏元件8是靠近或在电池芯2a之上设置的热敏电阻，用来检测电 池组2中的温度。周围所提供的电阻2c、 2d、 2e、 2f以及FETs2g、 2h用 来与热敏元件8—同工作。
开关部分120包括FET 121和电阻122和123，并连接到第一和第二 电池识别电阻7a和7b之间的节点。FET 121由充电装置1所提供的控制 信号控制。在正常操作中，开关部分120接收来自充电装置1的输入电压 Vcc并且保护IC 2b不产生任何信号，从而输入电压Vcc施加到FET 2g 和2h的栅极以接通FET2h。
另一方面，如果电池芯2a发生过放电，保护IC2b生成LOW (低电 平)信号以断开FET 2h并接通FET 2f。相应地，电池组2向充电装置1 输出电压Vcc而不是与电池组2的温度相关的电压，以通知充电装置l电 池芯2a发生了过放电。
充电装置1具有电流检测单元3、充电控制信号传输单元4、充电电 流信号传输单元5、整流平滑电路6、电池类型判决电阻9、整流平滑电路 10、开关电路20、整流平滑电路30、电源40、微型计算机50、充电电流 控制电路60、充电电流设置单元70、电池温度检测单元80、电池电压检 测单元90、充电电压控制单元IOO、显示单元130、以及开关单元140。
电流检测单元3为电阻，检测该电阻上的电压以获得流经电池组2的 充电电流。
整流平滑电路10包括全波整流电路11和平滑电容12。全波整流电路 11对来自交流电源P的交流电进行整流，平滑电容12平滑全波整流电路 11的直流输出。
开关电路20包括具有初级线圈和次级线圈的高频变压器21、与初级 线圈串联的MOSFET (开关元件)22、以及PWM控制IC (开关控制IC)23。
驱动PWM控制IC23的电源来自整流平滑电路(直流电源)6。整流 平滑电路6包括变压器6a、整流二极管6b、以及平滑电容6c，并将电力 由电源40传递给PWM控制IC 23 。 PWM控制IC 23通过由光电耦合器构 成的充电电流信号传输单元5接收来自充电电流控制电路60的充电电压 控制信号和充电电流控制信号。PWM控制IC 23通过由光电耦合器构成 的充电控制信号传输单元4接收来自微型计算机50的开始信号和停止信 号，以便控制电池组2充电的开始和停止。PWM控制IC 23改变施加到 MOSFET22的栅极上的驱动脉宽，以便调整输出到整流平滑电路30的输 出电压和改变流经电池组2的充电电流。
整流平滑电路30包括与变压器21的次级线圈连接的二极管31、平滑 电容32、以及放电电阻33。 二极管31对来自开关电路20的交流电进行 整流，平滑电容32平滑二极管31的直流输出。
判决电阻9与识别元件7—起对参考电压(稳定的直流电压)Vcc分 压。该分压作为显示电池组2中电池芯2a的数量和它们的配置形式的电 池芯配置信息输出。
电源40包括变压器41a至41c、开关元件42、控制元件43、整流二 极管44、三端稳压器46、连接到稳压器46的输入端的平滑电容45、连接 到稳压器46的输出端的平滑电容47、以及复位IC48，并将电力提供给微 型计算机50和整流平滑电路6。当商用电源P向充电装置1供电时，复位 IC48向微型计算机50的复位端口 53输出复位信号。
微型计算机50包括输出端口 51a和51b、 A/D输入端口52、以及复 位端口 53。微型计算机50还包括中央处理单元(CPU)、用来存储CPU 的控制程序和与电池组2的类型相关的数据的只读存储器(ROM)、用作 CPU的工作区和数据的临时存储区的随机存取存储器(RAM)、以及时钟。 从判决电阻9输出的电池芯配置信息、从电池温度检测单元80输出的电 池温度信息、从电池电压检测单元90输出的电池电压信息、以及通过电 流检测单元3检测到的电压输入到A/D端口 52。因此，微型计算机50确 定电池温度和电池电压。微型计算机50生成控制信号给电源40和充电电 流控制电路60，并由输出端口 51a向充电控制信号传输单元4和显示单元130输出控制信号和充电状态信号。
微型计算机50根据电池芯配置信息确定电池组2中串联电池芯的配 置形式和数量，并由输出端口 51b向充电电压控制单元100输出与串联电 池芯的数量相对应的充电电压控制信号。微型计算机50根据电池芯配置 信息向充电电流设置单元70输出充电电流控制信号。微型计算机50输出 控制信号以接通/断开开关单元140中的FET 141。复位端口53接收来自 复位IC 48的复位信号。
充电电流控制电路60包括具有运算放大器(op-amps) 61和65的运 算放大器电路、运算放大器61和65的输入电阻62和64和反馈电阻63 和66、 二极管68、以及限流电阻67。运算放大器61的反相输入端连接到 电流检测单元3。运算放大器65的非反相输入端连接到充电电流设置单元 70。充电电流控制电路60的输出端经由充电电流信号传输单元5连接到 PWM控制IC 23。充电电流控制电路60根据电流检测单元3检测到的充 电电流(电压)和充电电流设置单元70输出的参考值输出电流控制信号。 运算放大器61的输出端连接到A/D转换器52以监测充电电流，从而微型 计算机50确定电池组2充满时充电电流的减少。
充电电流设置单元70根据电池组2的类型设置流经电池组2的充电 电流的大小。充电电流设置单元70包括串联连接在参考电压Vcc和地之 间的电阻71和72。充电电流设置单元70还包括可与电阻72并联连接的 电阻73。参考电压Vcc被电阻71和72分压，并且该分压作为设置充电 电流的参考值输出。电阻73与电阻72并联连接，根据电池组2的类型， 以便充电电流设置单元70改变充电电流的大小。
例如，如果微型计算机50未生成控制信号而只有电阻72被选中与电 阻71串联连接，微型计算机50设置流经电池组2的第一充电电流I,。如 果微型计算机50生成LOW信号以控制电阻73被选中与电阻72并联并且 电阻71与并联的电阻72和73连接，微型计算机50设置流经电池组2的 第二充电电流12。在这种情况下，微型计算机50设置的第一充电电流大 于第二充电电流。
在充电电流控制电路60中，电阻62和63以及运算放大器61反相并 放大电流检测单元3上的电压。运算放大器65对运算放大器61的输出和与充电电流设置单元70设置的充电电流值相对应的设置电压之间的差值
进行放大。充电电流控制电路60的输出经由充电电流信号传输单元5提 供给PWM控制IC 23以控制MOSFET 22的开关操作。换句话说，电流检 测单元3、充电电流控制电路60、充电电流信号传输单元5、开关电路20、 以及整流平滑电路30将流经电池组2的实际充电电流调整至充电电流设 置单元70设置的充电电流。
电池温度检测单元80包括串联连接在参考电压Vcc和地之间的电阻 81和82(分压电路)。当FET2h接通时，参考电压Vcc被电阻81和热敏 元件8与电阻82的合成电阻分压。该代表热敏元件8的电阻温度变化的 分压作为电池温度信息输出给微型计算机50的A/D转换器52。
电池电压检测单元90包括电阻91和92，并与电池组2的正极端子连 接。电池电压被电阻91和92分压，该分压作为电池电压信息输出给微型 计算机50的A/D转换器52。
充电电压控制单元100控制施加在电池组2上的充电电压，包括电阻 101、 105、 106、 107、 108和109、分压器102、电容器104、旁路稳压器 110、整流二极管lll、以及FET112。充电电压以这样的方式来确定，即 由电阻101和分压器102的串联电阻、电阻105和/或106、电阻109的分 压变得等于旁路稳压器110的参考电压。例如，由电阻101和分压器102 的串联电阻、以及电阻105定义的充电电压用来对具有四个串联电池芯的 电池组2进行充电。并且，由电阻101和分压器102的串联电阻、以及电 阻105和106的并联电阻定义的充电电压用来对具有五个串联电池芯的电 池组2进行充电。在后一情形中，FET112接通。
显示单元130指示电池组2的充电状态，包括LED 131、电阻132和 133。 LED 131包括绿色发光二极管G和红色发光二极管R。当输出端口 51a输出的充电状态信号经电阻132输入至红色发光二极管R时，红色发 光二极管R点亮发出红色光，显示电池组2等待充电。当充电状态信号经 电阻133输入至绿色发光二极管G时，绿色发光二极管G点亮发出绿色 光，显示电池组2完成充电。此外，当充电状态信号同时经电阻133输入 至绿色发光二极管G和经电阻132输入至红色发光二极管R时，LED 131 发出橙色光，显示电池组2正在充电。该实施例中，LED131在充电之前发出红色光、在充电过程中发出橙色光、以及在充电完成后发出绿色光。
开关单元140包括FET141和电阻142、 143,用来控制电池组2中的 FET121。 FET141由来自微型计算机50的控制信号控制。当接收到来自 微型计算机50的LOW信号时，FET 141接通以使参考电压Vcc施加到电 池组2中FET121的栅极。当FET121接通时，参考电压Vcc被判决电阻 9和第一电池识别电阻7a分压，并且微型计算机50检测该分压。另一方 面，当FET121断开时，参考电压Vcc被判决电阻9和第一、第二电池识 别电阻7a、 7b的串联电阻分压，并且微型计算机50检测该分压。
参见图2，将描述根据本发明的充电系统200中的充电装置1对电池 组2进行充电的充电控制过程。
在本实施例中，充电装置1具有对第一类型电池组2如4S1P和5S1P 型、以及对第二类型电池组2如4S2P和5S2P型进行充电的能力。4S1P 型电池组2具有四个串联的电池芯2a、电阻值为"a"的第一电池识别电阻 7a、以及电阻值为"c"的第二电池识别电阻7b。配置形式为串联。4S2P型 电池组2具有八个电池芯2a和电阻值为"a"的第一电池识别电阻7a。 4S2P 型没有第二电池识别电阻7b。在4S2P型中，两个电池芯2a并联连接成一 个电池单元，四个电池单元串联连接成电池组2。相应地，配置形式为并 联。
5S1P型电池组2具有五个串联的电池芯2a、电阻值为"b"的第一电池 识别电阻7a、以及电阻值为"d"的第二电池识别电阻7b。配置形式为串联。 5S2P型电池组2具有十个电池芯2a和电阻值为"d"的第一电池识别电阻 7a。 5S2P型没有第二电池识别电阻7b。在4S2P型中，两个电池芯2a并 联连接成一个电池单元，四个电池单元串联连接成电池组2。相应地，配 置形式为并联。在上述情形中，电阻a小于电阻b，并且电阻(a+c)之和 等于电阻(b+d)之和。
在步骤201，当加电时微型计算机50初始化输出端口 51a和51b。从 而显示单元130显示电流条件为等待充电。在本实施例中，微型计算机50 从输出端口 51a输出HIGH (高电平)信号，经电阻133至显示单元130， 从而显示单元130点亮发出红色光，显示充电装置1等待充电。
在步骤202，在电池组接入充电装置1中之前，微型计算机50从输出
ii端口 51b输出LOW信号，经电阻142至开关单元140以接通FET 141。 由于FET141导通，参考电压Vcc准备好施加到电池组2。
在步骤203，微型计算机50判断电池组2是否已经接入到充电装置1 中。如果微型计算机50检测到接收电池温度检测单元80的输出信号的 A/D端口 52出现电压变化，则微型计算机50确定电池组己经接入到充电 装置l中。
在步骤204，微型计算机50根据从判决电阻9输入到A/D端口 52的 电压，在时间to判断电池组2中有多少个电池芯2a串联。在此情况下， 由于FET141导通，参考电压Vcc施加到电池组2中FET121的栅极以接 通FET121。因此，参考电压Vcc施加到串联的第一电池识别电阻7a和判 决电阻9的两端。
基于第一电池识别电阻7a和判决电阻9之间的电阻值比，对电压Vcc 分压获得的电压输入到微型计算机50的A/D端口 52。例如，假定判决电 阻9的阻值为w。如果电池组2具有四个串联的电池芯，电压Vccxa/(a+w) 输入到A/D端口52，如图3A或3B所示。如果电池组具有五个串联的电 池芯，电压Vccxb/(b+w)输入到A/D端口 52，如图3C或3D所示。从而， 输入到A/D端口 52的电压根据串联的电池芯2a的数量改变，以便微型计 算机50基于A/D端口 52处的电势差AV!判断接入到充电装置1中的电池 组2是否具有四个串联电池芯2a。
如果微型计算机50在步骤204确定了电池组2具有四个串联电池芯 2a(图3A和3B)，则过程转到步骤205，其中微型计算机50在时间t，断 开FET 141。微型计算机50通过其输出端口 51b输出HIGH信号经电阻 142至开关单元140而断开FET 141。在步骤206，微型计算机50确定电 池组2的类型，是第一类型1P还是第二类型2P。下面将描述微型计算机 50如何在步骤206确定电池组的类型。
由于FET 141在步骤205断开，FET 121也在时间t！断开。当FET 121 断开时，如果电池组2包括第二电池识别电阻7b，第二电池识别电阻7b 将可操作地与第一电池识别电阻7a串联。因此，如果电池组2具有第二 电池识别电阻7b，对电压Vcc分压获得的电压基于判决电阻9的电阻值 与电池识别电阻7a和7b的串联电阻值的比值改变，并输入到微型计算机50的A/D端口 52，如图3B所示。在本实施例中，如果电池组2是第一 类型4S1P，由于存在第二电池识别电阻7b，分压由Vccxa/(a+w)变为 Vccx(a+c)/((a+c)+w)并输入到A/D端口 52，如图3B所示。如果电池组2 是第二类型，输入到A/D端口 52的电压Vccxa/(a+w)不变，如图3A所示。 这是因为第二类型4S2P没有第二电池识别电阻7b。微型计算机50根据 A/D端口 52处的电势差AV2判断电池组2是第一类型还是第二类型。
如果微型计算机50确定了电池组2是第二类型(步骤206为"是")， 则微型计算机50在步骤207判定电池组2为4S2P型。在步骤208，微型 计算机50设定对4S2P型电池组2充电的充电电压，然后断开FET 112以 设置4S2P型的充电电压。例如，采用16.8V电压作为对4S2P型电池组2 充电的充电电压。在步骤209，微型计算机50将充电电流设置为I1。为了 将充电电流设置为Il，微型计算机50不从输出端口 51b输出信号，以使 电阻73不被可操作地电连接到串联电阻71和72。相应地，例如将充电电 流II设定为7.5A。
如果微型计算机50在步骤206确定了电池组2不是第二类型，则微 型计算机50在步骤210判定电池组2为4S1P型。在步骤211，微型计算 机50设定4S1P型电池组2的充电电压。微型计算机50断开FET 112以 设置4S1P型的充电电压。例如，采用16.8V电压作为对4S1P型充电的充 电电压。在步骤212，微型计算机50将充电电流设置为I2 (12<11)。为了 将充电电流设置为12，微型计算机50从输出端口 51b输出LOW信号， 以使电阻73可操作地与电阻72并联连接。相应地，例如采用3.75A充电 电流作为电流值I2。
另一方面，如果微型计算机50在步骤204确定了电池组2中不是四 个电池芯2a串联，换句话说，如果微型计算机50确定了电池组2具有五 个串联电池芯2a，即为5S型。微型计算机50在步骤213时间t,断开FET 141。为了断开FET141，微型计算机50从输出端口 51b输出HIGH信号 经电阻142至开关单元140。
在步骤214，微型计算机50确定电池组2是否为5S2P型。下面给出 微型计算机50如何在步骤214确定电池组2的类型。
由于FET 141在步骤213断开，FET 121也在时间t,断开。当FET 121
13断开时，如果电池组2包括第二电池识别电阻7b，第二电池识别电阻7b 可操作地与第一电池识别电阻7a串联。因此，如果电池组2具有第二电 池识别电阻7b，对电压Vcc分压获得的电压基于判决电阻9的电阻值与 电池识别电阻7a和7b的串联电阻值的比值改变，并输入到微型计算机50 的A/D端口52，如图3D所示。在本实施例中，如果电池组2是第一类型 5S1P，由于存在第二电池识别电阻7b，分压由Vccxb/(b+w)变为 Vccx(b+d)/((b+d)+w)并输入到A/D端口 52，如图3D所示。如果电池组2 是第二类型，输入到A/D端口 52的电压Vccxb/(b+w)不变，如图3C所示。 这是因为第二类型5S2P没有第二电池识别电阻7b。微型计算机50根据 A/D端口 52处的电势差AV3判断电池组2是第一类型还是第二类型。
如果微型计算机50确定了电池组2是第二类型(步骤214为"是")， 则微型计算机50在步骤215判定电池组2为5S2P型。在步骤216，微型 计算机50设定对5S2P型电池组2充电的充电电压，然后接通FET 112以 设置5S2P型的充电电压。例如，采用21V电压作为对第二类型电池组2 充电的充电电压。在步骤217，微型计算机50将充电电流设置为I1。为了 将充电电流设置为Il，微型计算机50不从输出端口 51b输出信号，以使 电阻73不被可操作地连接到串联电阻71和72。相应地，例如将充电电流 II设定为7.5A。
如果微型计算机50在步骤214确定了电池组2不是第二类型，则微 型计算机50在步骤218判定电池组2为5S1P型。在步骤219，微型计算 机50设定5S1P型电池组2的充电电压。微型计算机50接通FET 112以 设置5S1P型的充电电压。例如，采用21V电压作为对5S1P型充电的充 电电压。在步骤220，微型计算机50将充电电流设置为I2 (12<11)。为了 将充电电流设置为12，微型计算机50从输出端口 51b输出LOW信号， 以使电阻73可操作地与电阻72并联电连接。相应地，例如采用3.75A充 电电流作为电流值I2。
微型计算机50如上所述设置充电电压和充电电流后，在步骤221，微 型计算机50从输出端口 51b输出LOW信号经电阻142至开关单元140， 从而在时间t2再次接通FET 141 。
在步骤222，微型计算机50从输出端口 51a输出L0W信号经充电控制信号传输单元4至PWM控制IC 23，从而开始对电池组2充电。在步 骤223，在充电装置l对电池组2进行充电的过程中，显示单元130中的 LED131点亮发出橙色光，以显示电池组2处于充电过程中。换句话说， 微型计算机50从输出端口 51a输出HIGH信号经电阻132和133至显示 单元130，从而显示单元130点亮发出橙色光，以显示充电状态。
在步骤224，在充电装置l对电池组2进行充电的过程中，微型计算 机50确定电池组2是否是第二类型。在步骤206或步骤214已经确定了 电池组2的类型。如果微型计算机50确定了电池组2为第二类型，微型 计算机50在步骤225判断实际充电电流是否等于或小于13(13<11)。例如， 假定采用3A的电流作为电流值13。在本实施例中，充电装置1在恒定电 流和恒定电压充电控制下对电池组2进行充电。当充电电压达到预定值时， 微型计算机50开始减小充电电流。此后，当充电电流达到小于预定值的 另一预定值时，微型计算机50判定电池组2已经充满。如果微型计算机 50已经在步骤225确定充电电流等于或小于I3，微型计算机50判定电池 组2已经充满。为了停止充电，微型计算机50从输出端口 51a输出HIGH 信号经光电耦合器4至PWM控制IC 23，从而停止PWM控制IC 23的工 作。注意电流值I3可以根据电池组2的电池芯配置形式调整或改变。
如果微型计算机50在步骤224确定电池组2不是第二类型，微型计 算机50在步骤226判断充电电流是否等于或小于I4 (14<12)。例如，假定 采用1.5A的电流作为电流值I4。注意电流值I4可以根据电池组2的电池 芯配置形式调整或改变。在本实施例中，充电装置l在恒定电流和恒定电 压充电控制下对电池组2进行充电。当充电电压达到预定值时，微型计算 机50开始减小充电电流。此后，当充电电流达到小于预定值的另一预定 值时，微型计算机50判定电池组2已经充满。如果微型计算机50己经在 步骤226确定充电电流等于或小于14，微型计算机50在步骤227判定电 池组2已经充满。为了停止充电，微型计算机50从输出端口51a输出HIGH 信号经光电耦合器4至PWM控制IC 23，从而停止PWM控制IC 23的工 作。
在电池组2充电结束后，在步骤228显示单元130发出绿色光，以显 示停止状态。为了使显示单元130发出绿色光，微型计算机50从输出端口 51a输出HIGH信号经电阻133至显示单元130。在步骤229，微型计 算机50判断电池组2是否己从充电装置1中拿走。如果电池组2从充电 装置1中拿走了，过程返回至步骤201。
图4显示了具有没有开关单元140的传统充电装置1的另一充电系统， 其中充电装置1根据本发明对电池组2充电。
由于充电装置1没有图1所示的开关单元140，所以电压Vcc总是施 加在FET121的栅极上，从而使FET121保持导通。因此，基于判决电阻 9的电阻值与电池识别电阻7a的电阻值的比值对电压Vcc分压获得的电压 输入到微型计算机50的A/D端口 52。例如，假定第一电池识别电阻7a 具有对应四个串联电池芯的电阻值a，另一第一电池识别电阻7a具有对应 五个串联电池芯的电阻值b，判决电阻9具有电阻值w，则以下电压之一 将输入到微型计算机50的A/D端口 52。如果电池组2具有四个串联电池 芯2a，电压Vccxa/(a+w)输入到A/D端口 52。如果电池组2具有五个串联 电池芯2a，电压Vccxb/(b+w)输入到A/D端口 52。微型计算机50根据A/D 端口 52处的电势差判断连接到充电装置1的电池组2是否具有四个串联 电池芯。在这种情形下，微型计算机50只确定电池组2中串联电池芯2a 的数量。微型计算机50不能确定电池组2是第一类型还是第二类型。然 而，基于电池组2中串联电池芯2a的数量，充电装置1能够根据本发明 对电池组2充电。在此情形下，如果充电电流按照第一类型电池组2如4S1P 或5S1P型设置，采用该设置的充电电流对电池芯2a充电不会带来任何使 电池组2寿命縮短的问题，不管电池组2的类型是什么。
如上所述，电池组2的电池类型识别元件7包括两个不同的电池识别 电阻7a和7b:第一电池识别电阻7a用来识别串联电池芯2a的数量；第 二电池识别电阻7b用来识别电池组2中电池芯2a的配置形式。充电装置 l通过两个过程来确定电池芯2a的电池芯配置形式和数量。因此，与只具 有一个电池识别电阻的电池组2相比，可以精确地确定电池组2中电池芯 2a的电池芯配置形式和数量。换句话说，可以提高判断电池组2配置形式 的准确性。
另一方面，充电装置1具有开关单元140，以便控制向电池组2施加 参考电压并参与确定电池组2的配置形式和电池组2中串联电池芯2a的
16数量。因此，与传统的充电装置相比，充电装置1可以准确地确定电池组 2的类型及其配置形式。更准确地，电池组具有两个不同的电池组识别电 阻； 一个用来确定串联电池芯的数量，另一个用来确定电池芯的配置，1P 还是2P。另一方面，充电装置通过两个过程确定电池组中电池芯的配置形 式，从而可以更准确地确定电池组中电池芯的配置形式，进而避免缩短电 池组的使用寿命以及对电池组的任何伤害。
应当注意串联电池芯2a的数量并不局限于如上所述的四个或五个。 任意串联电池芯2a的数量都在本发明的范围内。
权利要求
1、一种充电系统(200)，包括电池组(2)和充电装置(1)，其中所述电池组(2)包括电池芯(2a)；和多个识别元件(7a，7b)，用来识别电池芯的配置，以及所述充电装置(1)包括充电单元(20，30，60，100)，用来对所述电池组充电；信号传输单元(50，140)，用来在所述电池组连接到所述充电单元时分别地向所述电池组传输第一信号和第二信号，以便读取所述多个识别元件；读取单元(9，50，52)，用来根据所述第一和第二信号读取所述多个识别元件，以便确定电池芯的配置；和控制单元(50，60，70，100)，用来根据所述电池芯的配置控制所述充电单元。
2、 如权利要求l所述的充电系统，其中所述电池组(2)为第一类型或第二类型，所述第一类型电池组包括 单个电池芯(2a)和串联的第一多个电池芯(2a)，所述第二类型电池组 包括单个电池单元和串联的第二多个电池单元，所述第二多个电池单元中 的每一个都包括至少并联的两个电池芯(2a);所述多个识别元件包括第一电池识别电阻(7a)和与第一电池识别电 阻串联的第二电池识别电阻(7b)，所述第一和第二电池识别电阻分别具 有第一电阻值和第二电阻值，所述电池组(2)还包括与所述第二电池识别电阻(7b)并联连接的 开关部分(120)，以便通过所述信号传输单元短路所述第二电池识别电阻，所述开关部分在接收所述第一信号时短路所述第二电池识别电阻，并 且所述读取单元只读取所述第一电阻值以确定串联电池芯的数量，所述开关部分在接收到第二信号时操作地使所述第二电池识别电阻 与所述第一电池识别电阻串联连接，所述读取单元读取所述第一和第二电池识别电阻的合成电阻值，以确定接入所述充电单元的电池组是所述第一 类型还是所述第二类型，以及所述控制单元根据串联电池芯的数量和确定的电池组的类型控制所 述充电单元。
3、 如权利要求l所述的充电系统，其中 所述充电单元提供流经所述电池组的充电电流，以及 所述控制单元根据所述电池芯的配置确定所述充电电流。
4、 如权利要求l所述的充电系统，其中所述控制单元进行恒定电压和恒定电流控制以对所述电池组充电，所 述控制单元根据所述电池芯的配置调整阈值电流以便停止对所述电池组 充电。
全文摘要
一种充电系统，包括电池组和充电装置。电池组包括电池芯和用来识别电池芯的配置形式的多个识别元件。充电装置包括充电单元、信号传输单元、读取单元和控制单元。充电单元对电池组充电。信号传输单元在电池组接入充电单元时分别地向电池组传输第一信号和第二信号，以便读取多个识别元件。读取单元根据第一和第二信号读取多个识别元件，以便确定电池芯的配置形式。控制单元根据电池芯的配置形式控制充电单元。
文档编号H02J7/02GK101499674SQ200910118729
公开日2009年8月5日 申请日期2009年1月24日 优先权日2008年1月28日
发明者船桥一彦, 荒馆卓央, 高桥滋 申请人:日立工机株式会社
技术领域：
本发明涉及一种包括二次电池如锂离子二次电池的电池组、 一种用于 为所述电池组充电的充电装置、以及一种包括所述用于为所述电池组充电 的充电装置的充电系统。
背景技术：
通常，无线的电动工具使用具有充电装置的可充电二次电池组作为电
源。锂离子(Li-ion)电池芯普遍地用于构成这种二次电池组。用于锂离 子型电池组的充电装置通常在恒定充电电流和恒定充电电压下对电池组 充电。特别地，为了避免对每个电池芯反向充电，充电装置先以恒定充电 电流对电池组充电，直到电池电压达到预定值，例如4.2V/电池芯，然后 在恒定充电电压下充电，直到流过电池组的电流因充满而降低到预定值以 下。
由这种充电装置充电的电池组有两种类型第一类型电池组和第二类 型电池组。第一类型电池组是具有14.4V标称电压的4S1P型电池组，其 中四个电池芯串联。第二类型电池组是具有14.4V标称电压的4S2P型电 池组，其中一对电池芯并联，并且四对并联的电池芯串联。每个电池组通 常具有识别电阻，用来识别电池组中电池芯的配置形式。
如果一个充电装置选择性地对上述两种不同类型的电池组充电，并为 每个电池组提供相同大小的充电电流，那么流经4S1P型每个电池芯的电 流是流经4S2P型每个电池芯的电流的两倍。与4S2P型的使用寿命相比， 这种现象可能导致4S1P型的使用寿命縮短。
充电装置具有用来检测电池组的识别电阻以确定其类型的单元。当具 有14.4V标称电压的第一电池组(其包括四个串联的电池芯)包括电阻值 为a的电阻，且具有18V标称电压的第二电池组(其包括五个串联的电池芯)包括电阻值为b的电阻时，充电装置的微型计算机检测参考电压在电 阻a或b和充电装置的内部电阻w上产生的分压，然后确定与充电装置连
接的是第一还是第二电池组。
如上所述，每个电池组都包括具有特定电阻值的识别电阻。然而，如 果充电装置错误地确定识别电阻的阻值，充电装置将向电池组提供不适当 的电流，从而不利地影响电池组的使用寿命。
本发明的目的是提供一种充电系统，其中充电装置适于根据电池组的 类型向电池组提供充电电流。
发明内容
本发明提供一种电池组，其具有电池芯、以及一个或多个用来识别电 池芯的配置形式的识别元件。
本发明还提供一种充电装置，其具有充电单元、信号传输单元、读取 单元、以及控制单元。充电单元对电池组充电。当电池组连接到充电单元 时，信号传输单元分别地向电池组传输第一信号和第二信号以读取电池组 中的多个识别元件。读取单元根据第一和第二信号读取电池组中的多个识 别元件，以便确定包含在电池组中的电池芯的配置形式。控制单元根据电 池芯的配置形式控制充电单元。
此外，本发明可应用于包括根据本发明的电池组和充电装置的充电系 统。在此情况下，充电系统表现出与本发明的电池组和充电装置相类似的 优点。
通过以下描述并结合附图，本发明的特征和优点以及其它目的将变得
明显，其中
图1是根据本发明的充电装置的电路图2是显示了使用图1所示的充电装置对电池组充电的过程的流程
图3A至3D显示了输入到微型计算机的分压，其依赖于电池组的配 置，并用以确定电池组的配置；以及
5图4是根据本发明用来对电池组充电的充电装置的电路图。
具体实施例方式
以下描述将解释根据本发明实施例的充电系统200，参见图1和2。 图l显示了充电系统200的电路图，充电系统200包括以交流电源P供电 并对电池组2充电的充电装置1。
充电装置1可以对不同类型电池组的任何一种充电。在该实施例中， 电池组2包括第一类型电池组2和第二类型电池组2，其电池芯2a具有不 同的配置形式。电池芯2a的配置形式是指串联的电池芯的数量和电池芯 在电池组中的连接方式串联或并联、多少个电池芯串联、以及多少个电 池芯并联。第一和第二类型电池芯2a分别包括单个电池芯2a或多个电池 芯2a，并具有正极端子和负极端子。电池芯2a由锂离子(Li-ion) 二次电 池构成。电池组2还包括保护IC2b，其用来监视施加在每个电池芯2a上 的充电电压，并且在检测到电池芯2a过充电或过放电时产生一个信号。
第一类型电池组包括单个电池芯2a或串联的多个电池芯2a，即所谓 的1P型电池组。 一个例子是具有14.4V标称电压的4S1P电池组。4S1P 电池组包括四个串联的电池芯2a。
第二类型电池组包括单个电池单元或串联的多个电池单元，每个电池 单元包括两个并联的电池芯2a。第二类型电池组是所谓的2P型电池组。 一个例子是具有14.4V标称电压且包括八个电池芯2a的4S2P电池组，其 中两个电池芯2a并联连接以形成一个电池单元，四个电池单元再串联连 接。第二类型电池组2中的每个电池单元可以由多于两个的电池芯2a并 联构成。如上所述，第二类型电池组包括多-P类型电池组(多是指大于l 的整数)。例如，4S3P电池组包括十二个电池芯2a，其中每三个电池芯2a 并联连接以形成一个电池单元，四个电池单元再串联连接。
电池组2还包括电池类型识别元件7、热敏元件8、以及开关部分120。 电池类型识别元件7表示电池组2中电池芯2a的配置形式。特别地，电 池类型识别元件7表示电池组2中电池芯2a的数量和它们的连接方式如 串联和/或并联。电池类型识别元件7包括串联连接的第一电池识别电阻 7a和第二电池识别电阻7b。第一电池识别电阻7a识别串联连接的电池芯
62a的数量，用于充电装置1确定在电池组2中有多少个电池芯2a串联连 接。第二电池识别电阻7b识别电池芯2a的配置形式。当第二电阻7b可 操作地与第一电阻7a串联连接时，第二电池识别电阻7b用于确定电池芯 2a的配置形式，简单串联或并联。特别地，第二电池识别电阻7b识别电 池组2的配置形式，例如简单串联或并联。在本实施例中，简单串联是指 多个电池芯2a串联连接，而不包括任何并联的电池芯2a。
热敏元件8是靠近或在电池芯2a之上设置的热敏电阻，用来检测电 池组2中的温度。周围所提供的电阻2c、 2d、 2e、 2f以及FETs2g、 2h用 来与热敏元件8—同工作。
开关部分120包括FET 121和电阻122和123，并连接到第一和第二 电池识别电阻7a和7b之间的节点。FET 121由充电装置1所提供的控制 信号控制。在正常操作中，开关部分120接收来自充电装置1的输入电压 Vcc并且保护IC 2b不产生任何信号，从而输入电压Vcc施加到FET 2g 和2h的栅极以接通FET2h。
另一方面，如果电池芯2a发生过放电，保护IC2b生成LOW (低电 平)信号以断开FET 2h并接通FET 2f。相应地，电池组2向充电装置1 输出电压Vcc而不是与电池组2的温度相关的电压，以通知充电装置l电 池芯2a发生了过放电。
充电装置1具有电流检测单元3、充电控制信号传输单元4、充电电 流信号传输单元5、整流平滑电路6、电池类型判决电阻9、整流平滑电路 10、开关电路20、整流平滑电路30、电源40、微型计算机50、充电电流 控制电路60、充电电流设置单元70、电池温度检测单元80、电池电压检 测单元90、充电电压控制单元IOO、显示单元130、以及开关单元140。
电流检测单元3为电阻，检测该电阻上的电压以获得流经电池组2的 充电电流。
整流平滑电路10包括全波整流电路11和平滑电容12。全波整流电路 11对来自交流电源P的交流电进行整流，平滑电容12平滑全波整流电路 11的直流输出。
开关电路20包括具有初级线圈和次级线圈的高频变压器21、与初级 线圈串联的MOSFET (开关元件)22、以及PWM控制IC (开关控制IC)23。
驱动PWM控制IC23的电源来自整流平滑电路(直流电源)6。整流 平滑电路6包括变压器6a、整流二极管6b、以及平滑电容6c，并将电力 由电源40传递给PWM控制IC 23 。 PWM控制IC 23通过由光电耦合器构 成的充电电流信号传输单元5接收来自充电电流控制电路60的充电电压 控制信号和充电电流控制信号。PWM控制IC 23通过由光电耦合器构成 的充电控制信号传输单元4接收来自微型计算机50的开始信号和停止信 号，以便控制电池组2充电的开始和停止。PWM控制IC 23改变施加到 MOSFET22的栅极上的驱动脉宽，以便调整输出到整流平滑电路30的输 出电压和改变流经电池组2的充电电流。
整流平滑电路30包括与变压器21的次级线圈连接的二极管31、平滑 电容32、以及放电电阻33。 二极管31对来自开关电路20的交流电进行 整流，平滑电容32平滑二极管31的直流输出。
判决电阻9与识别元件7—起对参考电压(稳定的直流电压)Vcc分 压。该分压作为显示电池组2中电池芯2a的数量和它们的配置形式的电 池芯配置信息输出。
电源40包括变压器41a至41c、开关元件42、控制元件43、整流二 极管44、三端稳压器46、连接到稳压器46的输入端的平滑电容45、连接 到稳压器46的输出端的平滑电容47、以及复位IC48，并将电力提供给微 型计算机50和整流平滑电路6。当商用电源P向充电装置1供电时，复位 IC48向微型计算机50的复位端口 53输出复位信号。
微型计算机50包括输出端口 51a和51b、 A/D输入端口52、以及复 位端口 53。微型计算机50还包括中央处理单元(CPU)、用来存储CPU 的控制程序和与电池组2的类型相关的数据的只读存储器(ROM)、用作 CPU的工作区和数据的临时存储区的随机存取存储器(RAM)、以及时钟。 从判决电阻9输出的电池芯配置信息、从电池温度检测单元80输出的电 池温度信息、从电池电压检测单元90输出的电池电压信息、以及通过电 流检测单元3检测到的电压输入到A/D端口 52。因此，微型计算机50确 定电池温度和电池电压。微型计算机50生成控制信号给电源40和充电电 流控制电路60，并由输出端口 51a向充电控制信号传输单元4和显示单元130输出控制信号和充电状态信号。
微型计算机50根据电池芯配置信息确定电池组2中串联电池芯的配 置形式和数量，并由输出端口 51b向充电电压控制单元100输出与串联电 池芯的数量相对应的充电电压控制信号。微型计算机50根据电池芯配置 信息向充电电流设置单元70输出充电电流控制信号。微型计算机50输出 控制信号以接通/断开开关单元140中的FET 141。复位端口53接收来自 复位IC 48的复位信号。
充电电流控制电路60包括具有运算放大器(op-amps) 61和65的运 算放大器电路、运算放大器61和65的输入电阻62和64和反馈电阻63 和66、 二极管68、以及限流电阻67。运算放大器61的反相输入端连接到 电流检测单元3。运算放大器65的非反相输入端连接到充电电流设置单元 70。充电电流控制电路60的输出端经由充电电流信号传输单元5连接到 PWM控制IC 23。充电电流控制电路60根据电流检测单元3检测到的充 电电流(电压)和充电电流设置单元70输出的参考值输出电流控制信号。 运算放大器61的输出端连接到A/D转换器52以监测充电电流，从而微型 计算机50确定电池组2充满时充电电流的减少。
充电电流设置单元70根据电池组2的类型设置流经电池组2的充电 电流的大小。充电电流设置单元70包括串联连接在参考电压Vcc和地之 间的电阻71和72。充电电流设置单元70还包括可与电阻72并联连接的 电阻73。参考电压Vcc被电阻71和72分压，并且该分压作为设置充电 电流的参考值输出。电阻73与电阻72并联连接，根据电池组2的类型， 以便充电电流设置单元70改变充电电流的大小。
例如，如果微型计算机50未生成控制信号而只有电阻72被选中与电 阻71串联连接，微型计算机50设置流经电池组2的第一充电电流I,。如 果微型计算机50生成LOW信号以控制电阻73被选中与电阻72并联并且 电阻71与并联的电阻72和73连接，微型计算机50设置流经电池组2的 第二充电电流12。在这种情况下，微型计算机50设置的第一充电电流大 于第二充电电流。
在充电电流控制电路60中，电阻62和63以及运算放大器61反相并 放大电流检测单元3上的电压。运算放大器65对运算放大器61的输出和与充电电流设置单元70设置的充电电流值相对应的设置电压之间的差值
进行放大。充电电流控制电路60的输出经由充电电流信号传输单元5提 供给PWM控制IC 23以控制MOSFET 22的开关操作。换句话说，电流检 测单元3、充电电流控制电路60、充电电流信号传输单元5、开关电路20、 以及整流平滑电路30将流经电池组2的实际充电电流调整至充电电流设 置单元70设置的充电电流。
电池温度检测单元80包括串联连接在参考电压Vcc和地之间的电阻 81和82(分压电路)。当FET2h接通时，参考电压Vcc被电阻81和热敏 元件8与电阻82的合成电阻分压。该代表热敏元件8的电阻温度变化的 分压作为电池温度信息输出给微型计算机50的A/D转换器52。
电池电压检测单元90包括电阻91和92，并与电池组2的正极端子连 接。电池电压被电阻91和92分压，该分压作为电池电压信息输出给微型 计算机50的A/D转换器52。
充电电压控制单元100控制施加在电池组2上的充电电压，包括电阻 101、 105、 106、 107、 108和109、分压器102、电容器104、旁路稳压器 110、整流二极管lll、以及FET112。充电电压以这样的方式来确定，即 由电阻101和分压器102的串联电阻、电阻105和/或106、电阻109的分 压变得等于旁路稳压器110的参考电压。例如，由电阻101和分压器102 的串联电阻、以及电阻105定义的充电电压用来对具有四个串联电池芯的 电池组2进行充电。并且，由电阻101和分压器102的串联电阻、以及电 阻105和106的并联电阻定义的充电电压用来对具有五个串联电池芯的电 池组2进行充电。在后一情形中，FET112接通。
显示单元130指示电池组2的充电状态，包括LED 131、电阻132和 133。 LED 131包括绿色发光二极管G和红色发光二极管R。当输出端口 51a输出的充电状态信号经电阻132输入至红色发光二极管R时，红色发 光二极管R点亮发出红色光，显示电池组2等待充电。当充电状态信号经 电阻133输入至绿色发光二极管G时，绿色发光二极管G点亮发出绿色 光，显示电池组2完成充电。此外，当充电状态信号同时经电阻133输入 至绿色发光二极管G和经电阻132输入至红色发光二极管R时，LED 131 发出橙色光，显示电池组2正在充电。该实施例中，LED131在充电之前发出红色光、在充电过程中发出橙色光、以及在充电完成后发出绿色光。
开关单元140包括FET141和电阻142、 143,用来控制电池组2中的 FET121。 FET141由来自微型计算机50的控制信号控制。当接收到来自 微型计算机50的LOW信号时，FET 141接通以使参考电压Vcc施加到电 池组2中FET121的栅极。当FET121接通时，参考电压Vcc被判决电阻 9和第一电池识别电阻7a分压，并且微型计算机50检测该分压。另一方 面，当FET121断开时，参考电压Vcc被判决电阻9和第一、第二电池识 别电阻7a、 7b的串联电阻分压，并且微型计算机50检测该分压。
参见图2，将描述根据本发明的充电系统200中的充电装置1对电池 组2进行充电的充电控制过程。
在本实施例中，充电装置1具有对第一类型电池组2如4S1P和5S1P 型、以及对第二类型电池组2如4S2P和5S2P型进行充电的能力。4S1P 型电池组2具有四个串联的电池芯2a、电阻值为"a"的第一电池识别电阻 7a、以及电阻值为"c"的第二电池识别电阻7b。配置形式为串联。4S2P型 电池组2具有八个电池芯2a和电阻值为"a"的第一电池识别电阻7a。 4S2P 型没有第二电池识别电阻7b。在4S2P型中，两个电池芯2a并联连接成一 个电池单元，四个电池单元串联连接成电池组2。相应地，配置形式为并 联。
5S1P型电池组2具有五个串联的电池芯2a、电阻值为"b"的第一电池 识别电阻7a、以及电阻值为"d"的第二电池识别电阻7b。配置形式为串联。 5S2P型电池组2具有十个电池芯2a和电阻值为"d"的第一电池识别电阻 7a。 5S2P型没有第二电池识别电阻7b。在4S2P型中，两个电池芯2a并 联连接成一个电池单元，四个电池单元串联连接成电池组2。相应地，配 置形式为并联。在上述情形中，电阻a小于电阻b，并且电阻(a+c)之和 等于电阻(b+d)之和。
在步骤201，当加电时微型计算机50初始化输出端口 51a和51b。从 而显示单元130显示电流条件为等待充电。在本实施例中，微型计算机50 从输出端口 51a输出HIGH (高电平)信号，经电阻133至显示单元130， 从而显示单元130点亮发出红色光，显示充电装置1等待充电。
在步骤202，在电池组接入充电装置1中之前，微型计算机50从输出
ii端口 51b输出LOW信号，经电阻142至开关单元140以接通FET 141。 由于FET141导通，参考电压Vcc准备好施加到电池组2。
在步骤203，微型计算机50判断电池组2是否已经接入到充电装置1 中。如果微型计算机50检测到接收电池温度检测单元80的输出信号的 A/D端口 52出现电压变化，则微型计算机50确定电池组己经接入到充电 装置l中。
在步骤204，微型计算机50根据从判决电阻9输入到A/D端口 52的 电压，在时间to判断电池组2中有多少个电池芯2a串联。在此情况下， 由于FET141导通，参考电压Vcc施加到电池组2中FET121的栅极以接 通FET121。因此，参考电压Vcc施加到串联的第一电池识别电阻7a和判 决电阻9的两端。
基于第一电池识别电阻7a和判决电阻9之间的电阻值比，对电压Vcc 分压获得的电压输入到微型计算机50的A/D端口 52。例如，假定判决电 阻9的阻值为w。如果电池组2具有四个串联的电池芯，电压Vccxa/(a+w) 输入到A/D端口52，如图3A或3B所示。如果电池组具有五个串联的电 池芯，电压Vccxb/(b+w)输入到A/D端口 52，如图3C或3D所示。从而， 输入到A/D端口 52的电压根据串联的电池芯2a的数量改变，以便微型计 算机50基于A/D端口 52处的电势差AV!判断接入到充电装置1中的电池 组2是否具有四个串联电池芯2a。
如果微型计算机50在步骤204确定了电池组2具有四个串联电池芯 2a(图3A和3B)，则过程转到步骤205，其中微型计算机50在时间t，断 开FET 141。微型计算机50通过其输出端口 51b输出HIGH信号经电阻 142至开关单元140而断开FET 141。在步骤206，微型计算机50确定电 池组2的类型，是第一类型1P还是第二类型2P。下面将描述微型计算机 50如何在步骤206确定电池组的类型。
由于FET 141在步骤205断开，FET 121也在时间t！断开。当FET 121 断开时，如果电池组2包括第二电池识别电阻7b，第二电池识别电阻7b 将可操作地与第一电池识别电阻7a串联。因此，如果电池组2具有第二 电池识别电阻7b，对电压Vcc分压获得的电压基于判决电阻9的电阻值 与电池识别电阻7a和7b的串联电阻值的比值改变，并输入到微型计算机50的A/D端口 52，如图3B所示。在本实施例中，如果电池组2是第一 类型4S1P，由于存在第二电池识别电阻7b，分压由Vccxa/(a+w)变为 Vccx(a+c)/((a+c)+w)并输入到A/D端口 52，如图3B所示。如果电池组2 是第二类型，输入到A/D端口 52的电压Vccxa/(a+w)不变，如图3A所示。 这是因为第二类型4S2P没有第二电池识别电阻7b。微型计算机50根据 A/D端口 52处的电势差AV2判断电池组2是第一类型还是第二类型。
如果微型计算机50确定了电池组2是第二类型(步骤206为"是")， 则微型计算机50在步骤207判定电池组2为4S2P型。在步骤208，微型 计算机50设定对4S2P型电池组2充电的充电电压，然后断开FET 112以 设置4S2P型的充电电压。例如，采用16.8V电压作为对4S2P型电池组2 充电的充电电压。在步骤209，微型计算机50将充电电流设置为I1。为了 将充电电流设置为Il，微型计算机50不从输出端口 51b输出信号，以使 电阻73不被可操作地电连接到串联电阻71和72。相应地，例如将充电电 流II设定为7.5A。
如果微型计算机50在步骤206确定了电池组2不是第二类型，则微 型计算机50在步骤210判定电池组2为4S1P型。在步骤211，微型计算 机50设定4S1P型电池组2的充电电压。微型计算机50断开FET 112以 设置4S1P型的充电电压。例如，采用16.8V电压作为对4S1P型充电的充 电电压。在步骤212，微型计算机50将充电电流设置为I2 (12<11)。为了 将充电电流设置为12，微型计算机50从输出端口 51b输出LOW信号， 以使电阻73可操作地与电阻72并联连接。相应地，例如采用3.75A充电 电流作为电流值I2。
另一方面，如果微型计算机50在步骤204确定了电池组2中不是四 个电池芯2a串联，换句话说，如果微型计算机50确定了电池组2具有五 个串联电池芯2a，即为5S型。微型计算机50在步骤213时间t,断开FET 141。为了断开FET141，微型计算机50从输出端口 51b输出HIGH信号 经电阻142至开关单元140。
在步骤214，微型计算机50确定电池组2是否为5S2P型。下面给出 微型计算机50如何在步骤214确定电池组2的类型。
由于FET 141在步骤213断开，FET 121也在时间t,断开。当FET 121
13断开时，如果电池组2包括第二电池识别电阻7b，第二电池识别电阻7b 可操作地与第一电池识别电阻7a串联。因此，如果电池组2具有第二电 池识别电阻7b，对电压Vcc分压获得的电压基于判决电阻9的电阻值与 电池识别电阻7a和7b的串联电阻值的比值改变，并输入到微型计算机50 的A/D端口52，如图3D所示。在本实施例中，如果电池组2是第一类型 5S1P，由于存在第二电池识别电阻7b，分压由Vccxb/(b+w)变为 Vccx(b+d)/((b+d)+w)并输入到A/D端口 52，如图3D所示。如果电池组2 是第二类型，输入到A/D端口 52的电压Vccxb/(b+w)不变，如图3C所示。 这是因为第二类型5S2P没有第二电池识别电阻7b。微型计算机50根据 A/D端口 52处的电势差AV3判断电池组2是第一类型还是第二类型。
如果微型计算机50确定了电池组2是第二类型(步骤214为"是")， 则微型计算机50在步骤215判定电池组2为5S2P型。在步骤216，微型 计算机50设定对5S2P型电池组2充电的充电电压，然后接通FET 112以 设置5S2P型的充电电压。例如，采用21V电压作为对第二类型电池组2 充电的充电电压。在步骤217，微型计算机50将充电电流设置为I1。为了 将充电电流设置为Il，微型计算机50不从输出端口 51b输出信号，以使 电阻73不被可操作地连接到串联电阻71和72。相应地，例如将充电电流 II设定为7.5A。
如果微型计算机50在步骤214确定了电池组2不是第二类型，则微 型计算机50在步骤218判定电池组2为5S1P型。在步骤219，微型计算 机50设定5S1P型电池组2的充电电压。微型计算机50接通FET 112以 设置5S1P型的充电电压。例如，采用21V电压作为对5S1P型充电的充 电电压。在步骤220，微型计算机50将充电电流设置为I2 (12<11)。为了 将充电电流设置为12，微型计算机50从输出端口 51b输出LOW信号， 以使电阻73可操作地与电阻72并联电连接。相应地，例如采用3.75A充 电电流作为电流值I2。
微型计算机50如上所述设置充电电压和充电电流后，在步骤221，微 型计算机50从输出端口 51b输出LOW信号经电阻142至开关单元140， 从而在时间t2再次接通FET 141 。
在步骤222，微型计算机50从输出端口 51a输出L0W信号经充电控制信号传输单元4至PWM控制IC 23，从而开始对电池组2充电。在步 骤223，在充电装置l对电池组2进行充电的过程中，显示单元130中的 LED131点亮发出橙色光，以显示电池组2处于充电过程中。换句话说， 微型计算机50从输出端口 51a输出HIGH信号经电阻132和133至显示 单元130，从而显示单元130点亮发出橙色光，以显示充电状态。
在步骤224，在充电装置l对电池组2进行充电的过程中，微型计算 机50确定电池组2是否是第二类型。在步骤206或步骤214已经确定了 电池组2的类型。如果微型计算机50确定了电池组2为第二类型，微型 计算机50在步骤225判断实际充电电流是否等于或小于13(13<11)。例如， 假定采用3A的电流作为电流值13。在本实施例中，充电装置1在恒定电 流和恒定电压充电控制下对电池组2进行充电。当充电电压达到预定值时， 微型计算机50开始减小充电电流。此后，当充电电流达到小于预定值的 另一预定值时，微型计算机50判定电池组2已经充满。如果微型计算机 50已经在步骤225确定充电电流等于或小于I3，微型计算机50判定电池 组2已经充满。为了停止充电，微型计算机50从输出端口 51a输出HIGH 信号经光电耦合器4至PWM控制IC 23，从而停止PWM控制IC 23的工 作。注意电流值I3可以根据电池组2的电池芯配置形式调整或改变。
如果微型计算机50在步骤224确定电池组2不是第二类型，微型计 算机50在步骤226判断充电电流是否等于或小于I4 (14<12)。例如，假定 采用1.5A的电流作为电流值I4。注意电流值I4可以根据电池组2的电池 芯配置形式调整或改变。在本实施例中，充电装置l在恒定电流和恒定电 压充电控制下对电池组2进行充电。当充电电压达到预定值时，微型计算 机50开始减小充电电流。此后，当充电电流达到小于预定值的另一预定 值时，微型计算机50判定电池组2已经充满。如果微型计算机50己经在 步骤226确定充电电流等于或小于14，微型计算机50在步骤227判定电 池组2已经充满。为了停止充电，微型计算机50从输出端口51a输出HIGH 信号经光电耦合器4至PWM控制IC 23，从而停止PWM控制IC 23的工 作。
在电池组2充电结束后，在步骤228显示单元130发出绿色光，以显 示停止状态。为了使显示单元130发出绿色光，微型计算机50从输出端口 51a输出HIGH信号经电阻133至显示单元130。在步骤229，微型计 算机50判断电池组2是否己从充电装置1中拿走。如果电池组2从充电 装置1中拿走了，过程返回至步骤201。
图4显示了具有没有开关单元140的传统充电装置1的另一充电系统， 其中充电装置1根据本发明对电池组2充电。
由于充电装置1没有图1所示的开关单元140，所以电压Vcc总是施 加在FET121的栅极上，从而使FET121保持导通。因此，基于判决电阻 9的电阻值与电池识别电阻7a的电阻值的比值对电压Vcc分压获得的电压 输入到微型计算机50的A/D端口 52。例如，假定第一电池识别电阻7a 具有对应四个串联电池芯的电阻值a，另一第一电池识别电阻7a具有对应 五个串联电池芯的电阻值b，判决电阻9具有电阻值w，则以下电压之一 将输入到微型计算机50的A/D端口 52。如果电池组2具有四个串联电池 芯2a，电压Vccxa/(a+w)输入到A/D端口 52。如果电池组2具有五个串联 电池芯2a，电压Vccxb/(b+w)输入到A/D端口 52。微型计算机50根据A/D 端口 52处的电势差判断连接到充电装置1的电池组2是否具有四个串联 电池芯。在这种情形下，微型计算机50只确定电池组2中串联电池芯2a 的数量。微型计算机50不能确定电池组2是第一类型还是第二类型。然 而，基于电池组2中串联电池芯2a的数量，充电装置1能够根据本发明 对电池组2充电。在此情形下，如果充电电流按照第一类型电池组2如4S1P 或5S1P型设置，采用该设置的充电电流对电池芯2a充电不会带来任何使 电池组2寿命縮短的问题，不管电池组2的类型是什么。
如上所述，电池组2的电池类型识别元件7包括两个不同的电池识别 电阻7a和7b:第一电池识别电阻7a用来识别串联电池芯2a的数量；第 二电池识别电阻7b用来识别电池组2中电池芯2a的配置形式。充电装置 l通过两个过程来确定电池芯2a的电池芯配置形式和数量。因此，与只具 有一个电池识别电阻的电池组2相比，可以精确地确定电池组2中电池芯 2a的电池芯配置形式和数量。换句话说，可以提高判断电池组2配置形式 的准确性。
另一方面，充电装置1具有开关单元140，以便控制向电池组2施加 参考电压并参与确定电池组2的配置形式和电池组2中串联电池芯2a的
16数量。因此，与传统的充电装置相比，充电装置1可以准确地确定电池组 2的类型及其配置形式。更准确地，电池组具有两个不同的电池组识别电 阻； 一个用来确定串联电池芯的数量，另一个用来确定电池芯的配置，1P 还是2P。另一方面，充电装置通过两个过程确定电池组中电池芯的配置形 式，从而可以更准确地确定电池组中电池芯的配置形式，进而避免缩短电 池组的使用寿命以及对电池组的任何伤害。
应当注意串联电池芯2a的数量并不局限于如上所述的四个或五个。 任意串联电池芯2a的数量都在本发明的范围内。
权利要求
1、一种充电系统(200)，包括电池组(2)和充电装置(1)，其中所述电池组(2)包括电池芯(2a)；和多个识别元件(7a，7b)，用来识别电池芯的配置，以及所述充电装置(1)包括充电单元(20，30，60，100)，用来对所述电池组充电；信号传输单元(50，140)，用来在所述电池组连接到所述充电单元时分别地向所述电池组传输第一信号和第二信号，以便读取所述多个识别元件；读取单元(9，50，52)，用来根据所述第一和第二信号读取所述多个识别元件，以便确定电池芯的配置；和控制单元(50，60，70，100)，用来根据所述电池芯的配置控制所述充电单元。
2、 如权利要求l所述的充电系统，其中所述电池组(2)为第一类型或第二类型，所述第一类型电池组包括 单个电池芯(2a)和串联的第一多个电池芯(2a)，所述第二类型电池组 包括单个电池单元和串联的第二多个电池单元，所述第二多个电池单元中 的每一个都包括至少并联的两个电池芯(2a);所述多个识别元件包括第一电池识别电阻(7a)和与第一电池识别电 阻串联的第二电池识别电阻(7b)，所述第一和第二电池识别电阻分别具 有第一电阻值和第二电阻值，所述电池组(2)还包括与所述第二电池识别电阻(7b)并联连接的 开关部分(120)，以便通过所述信号传输单元短路所述第二电池识别电阻，所述开关部分在接收所述第一信号时短路所述第二电池识别电阻，并 且所述读取单元只读取所述第一电阻值以确定串联电池芯的数量，所述开关部分在接收到第二信号时操作地使所述第二电池识别电阻 与所述第一电池识别电阻串联连接，所述读取单元读取所述第一和第二电池识别电阻的合成电阻值，以确定接入所述充电单元的电池组是所述第一 类型还是所述第二类型，以及所述控制单元根据串联电池芯的数量和确定的电池组的类型控制所 述充电单元。
3、 如权利要求l所述的充电系统，其中 所述充电单元提供流经所述电池组的充电电流，以及 所述控制单元根据所述电池芯的配置确定所述充电电流。
4、 如权利要求l所述的充电系统，其中所述控制单元进行恒定电压和恒定电流控制以对所述电池组充电，所 述控制单元根据所述电池芯的配置调整阈值电流以便停止对所述电池组 充电。
全文摘要
一种充电系统，包括电池组和充电装置。电池组包括电池芯和用来识别电池芯的配置形式的多个识别元件。充电装置包括充电单元、信号传输单元、读取单元和控制单元。充电单元对电池组充电。信号传输单元在电池组接入充电单元时分别地向电池组传输第一信号和第二信号，以便读取多个识别元件。读取单元根据第一和第二信号读取多个识别元件，以便确定电池芯的配置形式。控制单元根据电池芯的配置形式控制充电单元。
文档编号H02J7/02GK101499674SQ200910118729
公开日2009年8月5日 申请日期2009年1月24日 优先权日2008年1月28日
发明者船桥一彦, 荒馆卓央, 高桥滋 申请人:日立工机株式会社
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