專利名稱：電池充電器、電池組件與二次電池的充電方法
技術領域：
本發明涉及一種用于給配有一個二次電池的電池組件充電的充電器，一種配有一個二次電池的電池組件與一種給每個配有一個二次電池的多個電池組件充電的二次電池充電方法。
各種便攜式電子裝置例如移動電話與筆記本電腦能在同商業電力線斷開的情況下長期使用是人們的理想。為此目的，實施了例如增大用作驅動電子裝置電源的可更換電池組件的功率貯存能力與減小電子裝置功率消耗的措施。
尤其是移動電話，由于經它提供的服務種類日益增多，因此隨著它日益增多的各種功能與使用在日益增大的頻率下，趨向于有更大的功率損耗。然而，即使在這種情況下，仍然要求它們能長期工作。
為此使用者攜帶替換的電池組件使能長期工作。也可使用帶有多個充電槽的充電器給多個電池組件充電。
現有技術的電池組件通過例如聯合恒電流充電與恒電壓充電進行充電，也就是說，電池組件在恒電流下充電直至其電壓達到一個預定的電壓水平，繼之以一個預定時間周期的恒電壓充電。在恒電流充電期間充電器中流過的電流由使用的交流適配器確定。
但是，即使當充電器有兩個充電槽時，在只提供一條充電電路的情況下，充滿兩個電池組件所需要的時間為充滿一個電池組件所需要的時間的2倍。這個情況使得同使用只有單個充電槽的充電器逐個地按順序給兩個電池組件充電的情況沒有區別。
為了使它能同時給兩個電池組件充電同時縮短充電時間，可提供兩條充電電路，但這樣做將使充電器較昂貴并增大它的尺寸，因此在制造一個小型充電器的角度看來產生了問題。
鑒于現有技術的上述問題提出了本發明，因而本發明的一個目的是提供一種當給多個電池組件充電時能縮短充電時間并能制成尺寸較小的充電器，一種用于此充電器的電池組件與一種當給多個電池組件充電時能縮短充電時間并縮小充電器尺寸的二次電池充電方法。
為達到上述目的，本發明的充電器包括多個電池插入部分-其中插入多個具有控制二次電池充電的充電控制功能的電池組件與/或一個裝有電池組件的電子裝置，與一個供給充電電流的電源-其中來自電源的充電電流并聯供給插入電池插入部分的各電池組件與/或電子裝置。
充電控制功能指的是當電源輸出電壓超過某一預定的門限時開始充電操作的功能。
上述充電器把電源輸出電壓并聯施加于各電池插入部分。
為達到上述目的，本發明的電池組件包括一個其中發生充電與放電的二次電池與一個用于檢測充電電源輸出電壓以控制充電的開始與停止的充電控制部分，其中該電池組件同其它電池組件并聯連接到充電電源，而充電控制部分檢測輸出電壓中由于其它電池組件的充電而引起的變化以控制充電操作的開始與停止。
當輸出電壓超過某一預定的門限時，充電控制部分可開始充電操作。
上述電池組件同其它電池組件并聯連接到充電電源，而充電控制部分檢測充電電源輸出電壓中由于其它電池組件充電引起的變化以控制充電操作的開始與停止。
為達到上述目的，用于給每個配有一個二次電池的多個電池組件充電的本發明的二次電池充電方法，包括一個用于檢測來自充電電源并聯供給多個電池組件的電流供給步驟，與一個充電控制步驟-其中利用充電電源輸出電壓中由于多個電池組件之中的至少一個電池組件的充電而引起的變化以控制其它電池組件充電的開始與停止。
在充電控制步驟中，當輸出電壓超過某一預定的門限時可開始充電操作。
在充電控制步驟中，根據多個電池組件的電壓水平還可在恒電流充電與恒電壓充電之間切換充電操作方式。
此外，在恒電流充電操作中多個電池組件逐個充電，在恒電壓充電操作中多個電池組件同時充電，而當所有多個電池組件的電壓水平達到某一預定的電壓水平時開始所有電池組件的恒電壓充電操作。
根據上述二次電池充電方法，在充電控制步驟中，檢測充電電源輸出電壓中由于多個電池組件之中的至少一個電池組件的充電而引起的變化以控制其它電池組件充電的開始與停止。
本發明的充電器包括多個電池插入部分-其中插入多個具有控制二次電池充電的充電控制功能的電池組件與/或裝有電池組件的電子裝置，與一個供給充電電流的電源-其中來自電源的充電電流并聯供給插入電池插入部分的各電池組件與/或電子裝置。
當電源輸出電壓超過某一預定的門限時充電控制功能能起作用以開始充電操作。
結果，上述充電器由于有較簡單的結構使不但能制造尺寸較小的充電器，而且還能降低制造成本。此充電器還能以一個恒定電壓同時給多個電池組件充電，因而當未安裝附加充電電路而給多個電池組件充電時能縮短充電時間。
本發明的電池組件包括一個其中發生充電與放電的二次電池，與一個用于檢測充電電源輸出電壓以控制充電的開始與停止的充電控制部分，其中電池組件同其它電池組件并聯連接到充電電源，而充電控制部分檢測輸出電壓中由于其它電池組件充電而引起的變化以控制充電操作的開始與停止。
當輸出電壓超過某一預定的門限時，充電控制部分可開始充電操作。
因此，上述電池組件使能縮短充電時間。
用于給每個配有一個二次電池的多個電池組件充電的本發明二次電池充電方法包括從充電電源向多個并聯的電池組件供給充電電流的電流供給步驟與檢測充電電源輸出電壓中由于多個電池組件之中的至少一個電池組件的充電而引起的變化以控制其它電池組件充電的開始與停止的充電控制步驟。
在充電控制步驟中，當輸出電壓超過某一預定的門限時能開始充電操作。
在充電控制步驟中，根據多個電池組件的電壓水平在恒電流充電與恒電壓充電之間切換充電操作方式。
此外，在恒電流充電操作時多個電池組件逐個充電，在恒電壓充電操作時多個電池組件同時充電，而當所有多個電池組件的電壓水平達到某一預定的電壓水平時開始所有電池組件的恒電壓充電操作。
因此上述二次電池充電方法由于有較簡單的結構使不但能制造尺寸較小的充電器，而且還能降低制造成本。二次電池充電方法還能同時以恒定電壓給多個電池組件充電，因此當充電器未安裝附加充電電路而給多個電池組件充電時能縮短充電時間。
下面簡介本說明書的幾個附圖。
圖1表示一個根據本發明的電池組件與用于給電池組件充電的充電器組成的例子；圖2是一個表示根據本發明的電池組件組成的一個例子的框圖；圖3是一個表示根據本發明的充電器組成的一個例子的框圖；圖4表示在使用本發明的充電器充電期間跨接電池組件兩端子的電壓與交流適配器的輸出電壓隨時間的變化；和圖5是一個當使用本發明的充電器給一個電池組件充電時充電操作的框圖說明。
作為本發明的一個實施例的上述二次電池充電方法是一個通過使用一個包括其中插入多個電池組件與裝有電池組件的電子裝置的電池插入部分(槽)以執行充電操作的充電器與一個提供充電電流的電源給一個包括一個二次電池與一個充電控制部分的電池組件充電的方法。
電源電壓由充電控制部分的一個電壓檢測電路檢測，當電源電壓達到某一預定的門限時，開始充電從而控制電池組件的充電操作。這使能縮短在多個電池組件充電時花費的時間。此外，通過使用上述二次電池充電方法，充電器可制成較小的尺寸。
圖1表示一個使用此充電器與電池組件進行充電的例子，作為本發明的一個實施例。在本發明的此實施例中，將描述這樣一種情況使用包括安裝在其上的二次電池的電池組件的電子裝置是一部移動電話。
圖1表示給包括二次電池的電池組件1與帶有安裝在其上的電池組件的移動電話10充電的情況，通過使用帶有一個將在后面描述的帶有用于插入待充電的電池組件的插入槽的充電適配器30的充電器20，與一個同交流100V電插座50連接從而把商用交流電轉換為直流電以提供充電電壓的交流適配器40。
電池組件1帶有一個向同它連接的電子裝置供給電流或由另一電源供給電流而被充電的可充電電池單元60，與一個控制電池單元60充電與放電的充/放電控制部分70。
充/放電控制部分70有一個用于檢測至少交流適配器40的輸出電壓的電壓檢測電路71，一個用于檢測跨接電池單元60兩端子間電壓的保護電路72，與一個用于控制充電操作的控制電路73。
電壓檢測電路71檢測交流適配器40的充電電壓以控制將在后面描述的晶體管TR78的導通/關斷操作．在如本發明的實施例所示的電池組件1的電壓檢測電路71中，開始充電的門限設定至例如4.4V。當交流適配器40的輸出電壓超過4.4V時電壓檢測電路71具有使充電操作開始的檢測電壓。
保護電路72檢測電池單元60兩端子間電壓并向控制電路73發出一個指示檢測電壓的信號。當電池單元60兩端子間電壓達到例如4.3V時，保護電路72即發出通知。
控制電路73執行對電池單元60充電操作的控制。具體地，控制電路73執行例如切換預充電、恒電流充電、恒電壓充電等之間的充電狀態，接通發光二極管(LED)80、81等等控制操作。
現在將在下面描述電池組件1的上述以外的組成。
電流檢測電阻器R74與R75是用于檢測與控制充電電流的電阻器。例如，電流檢測電阻器R74的阻值為0.47 ，而電流檢測電阻器R75的阻值為0.15 。電流檢測電阻器R74與R75由將在后面描述的受控制電路73控制的晶體管TR76與TR77的開關操作束切換。由此控制充電電流的量。
晶體管TR76、TR77與TR78是開關半導體器件。通過控制電路73控制晶體管TR76與TR77導通或關斷，從而選擇檢測與控制充電電流的電流檢測電阻器R74、R75并切換電路。根據電壓檢測電路71檢測的交流適配器40的輸出電壓控制晶體管TR78導通或關斷。
通過晶體管TR78的開關操作控制控制電路73的接通或關斷，而晶體管TR78由電壓檢測電路71控制。電容器79是振蕩電路的外部電容器件，此振蕩電路輸出預定頻率的脈沖從而設定開始充電與充電準備之間的定時。當交流適配器40的輸出電壓超過電壓檢測電路71的檢測電壓4.4V時，上述振蕩電路開始振蕩。電容器還起用于計數將在后面描述的預充電的時間與檢測到滿充電后繼續恒電壓充電的時間的充電定時器的作用。
LED80是一個發射綠光的發光二極管，而LED81是一個發射紅光的發光二極管。由控制電路73根據電池組件1的充電狀態控制使LED80與LED81發光或熄滅。
放電控制晶體管TR82是一個場效應晶體管(FET)，當將在后面描述的放電端子92與GND(接地)端子91短路時，或電池單元60過度放電直到此兩個端子間電壓降到低于某一預定的電壓水平時，它使放電停止。該預定電壓水平例如為2.5V。
充電控制晶體管TR83也是一個FET，當上述兩個端子間電壓超過了某一預定的電壓水平而電池單元60仍充電時，它使充電停止。此預定電壓水平為4.3V。
電池組件1除了上述部件之外，還配有一個用于充電的充電端子90、一個GND端子91與一個用于放電的放電端子92。GND91為充電與放電公用。
充電端子90與GND91連接到圖上未表示的連接端子，它們被提供在充電適配器30的裝置插入槽31內與電池組件插入槽32內的規定位置處，由此把由交流適配器40提供的二次電流引入電池組件1。放電端子92與GND91連接到未表示的連接端子，它們被提供在移動電話10的規定位置處，由此向移動電話10供給電源。
從另一方面來說，充電器20由帶有用于其中插入電池組件1與移動電話10的插入槽的充電適配器30，與連接到100V交流電插座50以產生充電電流的交流適配器40組成。
充電適配器30帶有使能給裝在移動電話10上的電池組件1充電的裝置插入槽31，與能給從移動電話10上取下的電池組件1單獨充電的電池組件插入槽32。充電適配器30與交流適配器40通過連接器41可分離地連接。
交流適配器40把100V交流商業電源轉換為直流電并產生充電電流以并聯供給裝置插入槽31與電池組件插入槽32。
雖然在圖中未表示，裝置插入槽31與電池組件插入槽32的電源端子提供在當移動電話10或電池組件1插入槽內時將同充電端子90與GND91嚙合的這些位置處。
充電器20具有如此簡單的結構使來自交流適配器40的充電電流并聯接至各插入槽內的充電端子。
下面將參考圖4說明上面已詳述的通過充電器20給一個電池組件1充電的操作過程。作為本發明實施例的所述充電器20根據電池組件1兩端子間的電壓執行預充電、恒電流充電與恒電壓充電操作。
首先，當把未加載與未經充電的電池組件1插入槽內時，保護電路72檢測電池單元兩端子間的電壓。當此電壓低于2.0V時，控制電路73開始預充電并使指示電池正在充電的紅色LED81發光。
預充電繼續至電池組件1兩端子間電壓超過2.0V，或延續一定時間周期例如30分鐘。當此電池組件1兩端子間電壓超過2.0V時，預充電完成，繼之以下一階段的恒電流充電。但是，在該電壓在30分鐘內未超過2.0V的情況下，控制電路73停止充電，并例如引起紅色LED81閃爍以指示電池組件1有故障。在預充電時，只有晶體管TR76導通而限制電流使電流檢測電阻器R74兩端的電壓為23.5mV。
當未加載與未經充電的電池組件1兩端子間電壓為2.0V或更高但低于4.10V時，控制電路73開始恒電流充電并使紅色LED81發光。
當控制電路73開始恒電流充電時并且在未加載與未經充電的電池組件1兩端子間電壓為4.10V或更高的情況下，電池組件1已幾乎充滿電。這時控制電路73使指示充電準備狀態的綠色LED80發光。
電池組件1兩端子間電壓隨著恒電流充電過程而升高。恒電流充電期間的電流由交流適配器40的容量確定。晶體管TR76側的低功率路徑能承載的電流最高達132mA，而晶體管TR77側的高功率路徑能承載的電流最高達650mA。因此，當晶體管TR76側的低功率路徑與晶體管TR77側的高功率路徑聯合時能承載電流最高達781mA。
當輸入電流超過781mA時，控制電路73檢測此過電流而停止充電。在恒電流充電時，當低功率路徑中跨接的電流檢測電阻器R74的電壓達到62.0mV時，限制電流。當高功率路徑中跨接的電流檢測電阻器R75的電壓達到97.5mV時，控制電路73同樣限制電流并停止充電。
恒電流充電繼續至電池組件1兩端子間電壓最高達到4.30V。當保護電路72檢測到電池單元60兩端子間電壓超過4.30V時，控制電路73使從恒電流充電切換至恒電壓充電。此后執行恒電壓充電同時使充電電壓降低0.1V而為4.20V。
圖4中的VTh表示電壓檢測電路71的阻滯電壓。在后面將描述的給多個電池組件充電期間，當交流適配器40的輸出電壓達到此電壓水平時，電壓檢測電路71切換使開始充電。
在恒電壓充電時，電池單元60兩端子間的電壓保持恒定在4.20V，而充電電流隨時間逐漸減小。在恒電壓充電時，高功率路徑中的晶體管TR77被控制在基本關斷狀態使電流幾乎不流過。結果，雖然低功率路徑中的晶體管TR76中流過恒定的132mA充電電流，但由于還向高功率路徑供給少量電流，因此電流逐漸減小。
當充電電流逐漸減小至某一預定值時，控制電路73設定一個滿充電檢測定時器使開始定時器的計時。當經過預定的時間周期結束時，控制電路73使指示充電完成的綠色LED80發光。當經過另一個預定的時間周期時，充電操作結束。在本發明的實施例中，上述預定電流為110mA。
在預充電與恒電壓充電階段中，也可執行脈沖充電，以便當控制電路73的VCC電壓為5.05V或更高時減少來自晶體管TR76與TR77的發熱。在充電完成后，在電池組件1兩端子間電壓降至低于4.20V時，也可重新開始充電。
現在將在下面參考圖5描述使用上述的給電池組件1充電的充電器20給多個電池組件充電的操作過程。在圖5中，為便于敘述，將把裝在移動電話10中充電的電池組件稱為電池組件1a，而把單獨充電的電池組件稱為電池組件1。盡管電池組件都有相同的組成，將用參考號后加字母“a”表示電池組件1a的各部件。
下面的敘述討論這樣一個操作過程先把裝在移動電話10中的電池組件1a插入裝置插入槽31，然后把電池組件1插入電池組件插入槽32，并按此順序進行充電。裝在移動電話10中的電池組件1a與單獨的電池組件1是相同的，且在裝在移動電話10中的電池組件的充電情況與單獨電池組件的充電情況之間，或由于槽的不同，在充電操作與充電性能方面二者沒有區別。因而，忽略在裝置插入槽31與電池組件插入槽32之間的差別與充電順序上的差別。
當把裝在移動電話10上的電池組件1a插入裝置插入槽31時，保護電路72a檢測電池單元60a兩端子間的電壓。在兩端子間電壓為2.0V或更高的情況下，開始恒電流充電。當此電壓低于2.0V時，控制電路73a執行預充電直至兩端子間電壓變為2.0V或更高，然后開始恒電流充電。當開始恒電流充電時，交流適配器40的電壓降低。
這時如果把電池組件1插入電池組件插入槽32，電池組件1的電壓檢測電路71檢測交流適配器40的輸出電壓。當此輸出電壓低于能開始充電操作的4.4V時，電壓檢測電路71導致充電準備狀態。
在裝置插入槽31內，電池組件1a仍以恒電流充電。隨著充電繼續，電池單元60a兩端子間的電壓恢復且交流適配器40的輸出電壓相應地逐漸恢復。
當交流適配器40的輸出電壓超過4.4V(此為能開始充電操作的電壓)時，電池組件1的電壓檢測電路71消除對控制電路73中振蕩器振蕩的阻滯作用。這使電池組件1的恒電流充電開始。隨著恒電流充電的開始，交流適配器40的輸出電壓再次降低。
當檢測到交流適配器40的輸出電壓已降至低于4.2V(此為導致充電準備狀態的電壓)時，上述振蕩器的振蕩停止。在電池單元60a兩端子間電壓高于交流適配器40的電源電壓的情況下，以恒定的小電流連續給電池組件1a充電。
當電池組件1已開始恒電流充電且交流適配器40的電壓降至低于電池單元60a兩端子間電壓時，電池組件1a切換至充電準備狀態使反向電流不從電池單元60a流入交流適配器40。
隨著電池組件1繼續充電，交流適配器40的輸出電壓恢復，且當此輸出電壓變得高于電池單元60a兩端子間電壓時，電池組件1a的恒電流充電恢復。這時，因為電池組件1的恒電流充電仍在電池組件插入槽32內進行，所以來自交流適配器40的充電電流由于在兩個充電操作中的消耗而稍微減小。
當兩個保護電路72檢測到各自的電池單元60兩端子間電壓已達到4.3V時，各自的控制電路73停止恒電流充電而開始恒電壓充電。
當充電電流逐漸減至110mA時，控制電路73設定滿充電檢測定時器。控制電路73設定定時器，且當經過預定的時間周期時，使綠色LED發光。當經過另一個預定的時間周期時，充電操作結束。
如上所述，通過提供通電控制部分70，使電池組件1能根據由電壓檢測電路71檢測的交流適配器40的電壓控制充電操作的接通與關斷。
同時由于上述充電器20不需要有充電電路，因此可簡化充電器20的結構。由于電池組件1有充電控制部分70，因此只要求充電器20有多個槽使能給多個電池組件充電而不用修改充電器的結構例如提供附加的充電電路。
通過使用電池組件1與充電器20，使同時給多個電池組件恒電壓充電所花費的時間等于給一個電池組件恒電壓充電所要求的時間。因此，根據使用上述的電池組件1與充電器20的二次電池充電方法，與使用現有技術充電器的情況相比在此處理中需要的時間可縮短。
上面所述假定電池組件1是鋰離子二次電池，盡管對電池組件的類型沒有限制只要是可再充電的二次電池即可。對構成電池單元60的電極與電解質的有效材料的類型、電池單元60的結構等等也沒有限制。
對供給充電電流的充電端子90與GND91和連接移動電話10的充電端子92與GND91的形式與結構也沒有限制。例如，無觸點功率傳輸裝置與類似裝置可用于充電端子90與GND91。
當電池組件1裝在移動電話10上被充電時，在移動電話10通電時充電器20也能充電。
把電池組件1裝在其內并同它一起使用的電子裝置不限于移動電話10而可以是其它電子裝置。
雖然充電器20通過使用交流適配器40接收來自商業電源交流電的充電電流，供給交流電流的電源也可以是另一電池或不同的電源裝置。例如，可使用汽車蓄電池作為充電電源。
權利要求
1．一種充電器包括多個可插入多個具有控制二次電池充電的充電控制功能的電池組件與/或一個裝有所述電池組件的電子裝置的電池插入部分；與一個供給充電電流的電源，其中來自所述電源的充電電流并聯供給插入所述電池插入部分的所述電池組件與/或所述電子裝置。
2．根據權利要求1的充電器，其中所述充電控制功能是當所述電源的輸出電壓超過某一預定的門限時開始充電操作的功能。
3．一種電池組件包括一個內部充電與放電的二次電池；與一個檢測充電電源輸出電壓以控制充電的開始與停止的充電控制部分，其中所述電池組件與其它電池組件并聯連接到所述充電電源，所述充電控制部分檢測輸出電壓中由于給所述其它電池組件充電而引起的變化以控制充電的開始與停止。
4．根據權利要求3的電池組件，其中當所述輸出電壓超過某一預定的門限時所述充電控制部分開始充電操作。
5．根據權利要求3的電池組件，其中所述二次電池是鋰離子二次電池。
6．一種可給每個包含二次電池的多個電池組件充電的二次電池充電方法，包括一個從充電電源并聯供給充電電流至所述多個電池組件的電流供給步驟；與一個用于檢測所述充電電源的輸出電壓中由于給所述多個電池組件之中的至少一個電池組件充電而引起的變化以控制其它電池組件充電的開始與停止的充電控制步驟。
7．根據權利要求6的二次電池充電方法，其中在所述充電控制步驟中當所述輸出電壓超過某一預定的門限時開始充電操作。
8．根據權利要求6的二次電池充電方法，其中在所述充電控制步驟中根據所述多個電池組件的電壓水平在恒電流充電與恒電壓充電之間切換充電操作方式。
9．根據權利要求8的二次電池充電方法，其中所述多個電池組件在所述恒電流充電操作時逐個充電而所述多個電池組件在所述恒電壓充電操作時同時充電。
10．根據權利要求9的二次電池充電方法，其中當所有的所述多個電池組件的電壓水平達到某一預定的電壓水平時開始所有電池組件的恒電壓充電操作。
11．根據權利要求6的二次電池充電方法，其中所述電池組件配有一個鋰離子二次電池。
全文摘要
為縮短充電需要的充電時間,提供一種包括給同它連接的電子裝置供電或被來自其它電源的電流充電的電池單元的電池組件,與控制電池單元的充電操作的充/放電控制部分。此充/放電控制部分還包括檢測交流適配器輸出電壓的電壓檢測電路,檢測電池單元兩端子間電壓的保護電路與控制充電操作的控制電路。電池組件通過使用一個充電器進行充電,此充電器包括帶有用于插入電池組件的插入槽的充電適配器與產生充電電流的交流適配器。
文檔編號H02J7/10GK1308380SQ0110325
公開日2001年8月15日 申請日期2001年2月8日 優先權日2000年2月8日
發明者白川浩 申請人:索尼株式會社