本发明的实施例涉及用于电池充电的方法和系统。
背景技术：
1、用于对电池再充电的基本电池充电系统(例如锂离子电池)通常向可再充电电池的终端施加恒定电功率或脉冲电功率。通常，用于锂离子电池的充电周期可以包括初始恒定电流操作，在初始恒定电流操作期间，将电池充电系统控制为在充电周期的第一时间段期间达到对电池的基本恒定的供应电流。一旦跨电池终端的电压已经达到预定水平，通常就将传统的电池充电系统控制为在充电周期的第二时间段(即充电周期的恒定电压操作)期间跨那些终端达到恒定电压或者甚至恒定功率。最终，一旦电池被基本完全充电，则或者充电周期终止，或者可以向电池提供偶尔的电功率供应来维持保养或备用操作，以补偿自我放电。
2、大多数传统充电器在电池为充满电的60％至80％之间时从恒定电流切换到恒定电压或者甚至充电周期的恒定功率操作。
3、不希望被理论所束缚，可以认为，经过再充电的电池的正电极到达电池的负电极的离子倾向于在插入到或朝向负电极的边界以前堆积起来，负电极朝向正电极(即在固态电解质的中间相(sei)层)。可以认为，这种堆积使离子在负电极中的插入变缓，并且在电池中产生更高的电阻。
4、传统充电也通常使得sei层生长(即变厚)，当足够厚并且随后有很多充电周期时，sei层的生长使得电池的充电容量减小，并且最终使得电池失效。
5、传统电池充电系统使用相对复杂的电路，以便提供用于传统充电周期所需的恒定电压或者甚至是恒定功率和电流操作，并且需要额外电子电路以提供功率因子校正。这些复杂的电子电路使用很多相对昂贵的部件。
技术实现思路
1、因此，期望缓解与传统电池充电周期和系统相关联的一个或更多问题。
2、这样，本发明的一方面提供用于电池充电的方法，所述方法包括如下步骤：向电池提供充电电流；基本上连续地在充电期间确定的电池特性；并且根据电池的确定特性改变充电电流的特性。通过基本上连续地测量电池的特性，随后供应到电池的充电电流基本实时地变化，以提供更加优化的电池充电电流，允许安全的电池充电时间的最小化。一般来说，可以确定多于一个的电池特性以提供有关电池状态的信息，该电池状态能够有助于确定所需的充电电流特性。可选地，充电电流具有振荡dc波形。可选地，充电电流具有脉冲dc波形。使用随时间变化的dc充电电流—例如这些能够允许特性(例如电池的内阻抗)更加容易地测得，而不中断充电过程。为了效率，波形的至少一部分具有基本上经整流的正弦波的形式。可选地，波形的至少一部分具有基本上为正弦平方波的形式。这些波形能够提供具有高功率因子而又易于生成的有利的电池充电。可选地，波形具有最小值，该最小值出现在小于约0.5安培的电流值处，优选为小于约0.1安培，更优选为约零安培的电流值处。通过具有约为零安培的最小值的波形，电池特性中的静态构建和/或内部电势上升的效果可以被减弱。可选地，从电流波形中确定该确定特性。电流波形相对直接地测量，并且能够用于确定电池的更多特性。可选地，至少以波形的频率来确定该确定特性。至少以基本上连续地提供对电池特性的监控的波形的频率来确定该特性，至少每个波形周期一次地确定这些特性。这允许频繁地或者基本上连续地更新充电电流，以防止电池的任何过载。可选地，在波形的上升部分期间确定这些确定特性。为了准确，通过在波形的最小值处开始测量来确定该确定特性。波形的最小值提供了用于测量的便利的起始点，并且能够导致特性中更大的测量变化，因此，减小了相对误差。可选地，在波形的下降部分期间确定该确定特性。除了在波形的上升部分期间以外还在波形的下降部分期间测量特性允许从不同的起始点来确定该特性，这能够帮助检测到或减小误差。可选地，以约为电压供应频率的整数倍的频率提供波形。以电源电压供应的整数倍提供波形能够导致更高的功率因子，提高充电的效率。可选地，以电源电压供应频率的约两倍的频率来提供波形能够提供更加有效的充电。可选地，将波形锁定为电源电压供应频率。通过提供锁定至电源频率的波形，以这种方式意味着基本上在相同的时间出现电流波形的最小值和电压波形的零值，能够提供更高的功率因子。可选地，根据电池处测量的电流变化以及测量的电压变化来确定电池内阻抗。这允许间接地测量内阻抗。可选地，电池的确定特性包括电池单元内阻抗。可选地，电池的确定特性包括最大电池单元阻抗。其中，电池包括多个电池单元，每个电池单元的电池单元阻抗可以不同。具有最高阻抗的电池单元将确定安全充电电流的限制。可选地，电池的确定特性包括电池温度。可选地，电池的确定特性包括电池单元温度。电池温度和/或电池单元温度能够指示有关电池状态和/或电池单元状态的信息，例如，当前使用的充电电流是否安全。可选地，变化的特性包括：电流平均值、电流最大值、电流幅度、占空比，和/或充电模式。改变电流的这些特性能够改变供应到电池的功率，将其保持在安全限制以内，同时将电池充电时间最小化。可选地，该方法还包括以下步骤：测量电池已被充电的时间，由此确定电池接收到的充电量。这允许监控电池的充电的状态。可选地，电池是锂离子电池。锂离子电池在各种不同的应用中使用。根据本发明的另一方面，提供的电池充电系统包括：电流源，能够适于向电池提供充电电流；以及控制单元，其中控制单元被配置为在充电期间基本上连续地确定电池的特性，其中控制单元被配置为根据电池的确定特性来变化充电电流的特性。控制单元允许充电电流基于基本上连续确定的电池特性而变化以提供充电电流，该充电电流的特性对充电有效同时还保持在安全限制以内，以便不会损坏电池。可选地，将充电电流提供为振荡dc波形。可选地，将充电电流提供为脉冲dc波形。使用随时间变化的dc充电电流使得这些电流能够允许例如电池的内阻抗的特性被更加容易地测量而不中断充电过程。可选地，波形的至少一部分具有基本上经整流的正弦波的形式。可选地，波形的至少一部分具有基本上为正弦平方的形式。这些波形能够提供有利的电池充电，同时简单易于生成。可选地，波形具有最小值，该最小值出现在小于约0.5安培的电流值处，优选为小于约0.1安培，更优选约为零安培。这能够减小电池特性的静态构建和/或内部电势上升的效果。为了效率，从电流波形确定该确定特性。电流波形相对地直接测量，并且能够用于确定电池的更多特性。为了安全，至少以波形的频率来确定这些确定特性中的一个或多个。可选地，至少以波形的频率的两倍来确定这些确定特性中的一个或多个。至少以波形的频率来确定该特性以基本上连续地提供对电池特性的监控，以每个波形周期最小一次的频率确定这些特性。这允许频繁地或者基本上连续地更新充电电流，以防止电池的任何过载。可选地，在波形的上升部分期间确定这些确定特性。为了准确，根据从波形的最小值处开始的测量来确定该确定特性。波形最小值提供用于测量的便利的起始点，并且能够导致更大的测量的特征变化，因此减小了相对误差。可选地，在波形的下降部分期间确定该确定特性。除了在波形的上升部分以外还在波形的下降部分期间测量特性允许从不同的起始点确定特性，这能够帮助检测到或减少误差。为了易于生成，以电压供应的整数倍的频率来提供波形。可选地，以电压供应的约两倍的频率来提供波形。可选地，将波形提供为锁定至电压供应的频率。这提供高功率因子，提升了效率。可选地，电流源包括回扫变换器。使用回扫变换器以产生能够减小或消除对大容量电容的需求的电流波形，以产生充电电流。可选地，该系统还包括电压测量装置和/或电流测量装置。确定电流和电压(或者电流变化和电压变化)能够允许确定电池的特性而不中断到电池的电流供应。可选地，为了指示电池的状态，电池的一个或多个确定特性包括电池内阻抗。内阻抗可以用于指示电池的状态。可选地，从跨电池测量的电流变化和测量的电压变化来计算电池的内阻抗。这允许间接地确定电池的内阻抗。可选地，电池的确定特性包括一个或多个电池单元内阻抗。可选地，电池的确定特性包括最大电池单元阻抗。其中，电池包括多个电池单元，每个电池单元的电池单元阻抗可以不同。具有最高阻抗的电池单元将确定安全的充电电流的限制。可选地，电池的确定特性包括电池温度。电池温度和/电池单元温度能够指示有关电池状态的信息。可选地，变化的特性至少包括以下之一：电流平均值、电流最大值、电流幅度、占空比，和/或充电模式。改变电流的这些特性能够改变供应到电池的功率，使其保持在安全限制以内同时将电池充电时间最小化。可选地，系统还包括时钟，其中时钟被配置为测量电池已被充电的时间，由此确定电池接收到的充电量。这允许监控电池的充电状态。为了启用自我学习和自我更新，控制单元能够被配置为将电池的多个确定特性存储在数据库和/或查询表中。根据本发明的又一方面，提供一种用于在充电期间监控电池的内阻抗的方法，该方法包括以下步骤：向电池提供随时间变化的电流；基本上连续地测量电流中的变化；基本上连续地测量电压中的相应变化；并且从电流中的变化以及电压中的相应变化来确定电池的内阻抗。可选地，以振荡dc波形的形式提供随时间变化的电流。可选地，波形的至少一部分具有基本上为正弦平方波的形式。这些波形能够提供有利的电池充电同时易于生成。可选地，为了准确，波形具有的最小值出现在小于约0.5安培的电流值处，优选为小于约0.1安培，更优选为约零安培。这能够减小电流变化和电压变化的测量的静态构建和/或内部电势上升的效应。可选地，至少以波形的频率确定阻抗。这提供了基本上连续的对电池阻抗的确定。可选地，在波形的上升部分期间测量电流中的变化和/或电压中的变化。为了准确，在波形的最小值处开始测量电流中的变化和/或电压中的变化。波形最小值提供用于测量的便利的起始点，并且能够导致电流中的更大测量变化，因此减小了相对误差。为了灵活性，在波形的下降部分期间测量电流中的变化和/或电压中的变化。根据本发明的另一方面提供电池充电器，电池充电器适于提供具有振荡波形的电流，其中波形最小值为0a或接近0a。可选地，波形最小值小于0.1a，更优选地小于0.01a，并且更加优选地小于0.001a。在0a或接近0a处提供波形最小值能够减小电池中堆积的静电荷和/或内部电势。可选地，电流的峰间值大于1a，并且优选为在约10a和约30a之间。提供大的峰间值电流能够提高阻抗测量的准确性。为了准确，波形的每个振荡周期的至少0.5ms为0a或接近0a，优选为至少1ms，更优选为至少5ms，并且更加优选至少为10ms。为了准确，波形的每个振荡周期的至少0.5％的周期时间段为0a或接近0a，优选为至少1％，更优选为至少5％，更加优选为至少10％。可选地，提供多个电池充电系统，每个电池充电系统被配置为从多相输入的单相中接收输入，并且生成公共输出。根据本发明的另一方面，提供对电池充电的方法，该方法包括将ac功率源变换为到电池的充电电流，其中该电流具有振荡波形，该波形最小值为0a或接近0a。可选地，该波形对应于以上根据本发明的其他方面描述的一种或多种波形。根据另一方面，提供了用于向电池提供充电电流的电池充电器，该电池充电器包括切换模式功率变换器以及控制器，该控制器适于变化切换频率和/或占空比以提供具有期望波形的电流。通过改变切换频率和/或占空比，提供的电流能够随时间变化；这能够提供具有期望波形的电流。对电池使用特定的波形充电能够因很多原因受益，包括被电池摄取的电流的优化、减少电池发热、评估电池健康状况、减少电池充电时间，以及优化电池寿命。控制器可以适于在切换模式的功率变换器的一个或多个占空比以后变化切换频率和/或占空比。通过相对频繁地改变切换频率和/或占空比，可以实现平滑的波形。为了平滑波形，控制器可以适于在切换模式功率变换器的每个占空比以后改变切换频率和/或占空比。控制器可以适于根据ac功率源的电压振荡而变化切换频率和/或占空比。这能够有效地生成振荡电流波形。因为能够实现依赖高功率因子。这能够避免对功率因子改正硬件的需要，该硬件可能是笨重、庞大和沉重的。控制器可以适于变化切换频率和/或在ac功率源的每个电压振荡期间多次变化占空比，优选为每个电压振荡期间至少三次，优选为至少10次，更优选为在每个电压振荡期间至少100次，更加优选为至少在每个电压振荡期间800次。这能够实现电压振荡的良好复制。为了准确，电池充电器还可以包括电压传感器，电压传感器适于提供到控制器的ac功率源的电压的指示。为了准确，电压传感器可以适于至少像控制器变化切换频率那样频繁地感测电压。可以根据ac功率源的整流后(优选为全波整流后)的电压振荡改变切换频率和/或占空比。整流能够使振荡频率变为两倍，并且确保振荡不会改变极性，这有利于根据电压振荡变化切换频率。期望的波形可以具有约为ac功率源的整数倍的频率的频率，优选地约为ac功率源的频率的两倍。这能够提供特别有效地生成具有特别高的功率因子的振荡电流波形。为了效率，可以将期望的波形锁定为ac功率源的频率。期望的波形可以为正弦波、全波整流的正弦波、正弦平方波，或以上的组合。这些波形能够提供有利的电池充电同时易于生成。切换模式功率变换器可以为回扫变压器。回扫变压器能够提供适当的切换频率和/或占空比范围。为了有效性，切换模式功率变换器可以适于以临界传导模式操作。切换频率和/或占空比可以在1至1000khz的范围内变化，并且优选地在10至500khz的范围内，并且更加优选地在40至200khz的范围内。这与50或60hz以及100或120hz的整流频率的典型的主电源供应频率相比更高，并且因此能够平滑地产生频率在25至150hz之间的期望的波形。为了适应性，控制器可以适于根据到电池的期望的最大充电电流而改变切换频率和/或占空比。期望的最大充电电流可以取决于以下一者或多者：电池温度、电池电压、电池电流、电池电压变化、电池电流变化、电池阻抗、充电时间，以及积累的电池充电量。这些尤其可以是指示那些相对高或相对低的充电电流可能有利的条件或情况。控制器可以适于改变切换频率和/或占空比使得提供给电池的最小充电电流小于1a，优选为小于0.1a，更优选地小于0.01a，并且更加优选地约为0a。这能够减小迟滞效应并且启用有利的电池行为并充电。控制器可以适于变化切换频率和/或占空比，使得提供给电池的峰间值电流大于1a，优选地在约10a和约30a之间。这能够启用对电池(例如锂离子电池、用于手持设备的电池)的有效的充电，而没有过高的和危险的电流。电流充电器还可以包括平滑器，平滑器适于将来自功率变换器的输出电流平滑化。多个电池充电器中的每一个可以被配置为连接到多项输入，并且可以被连接到公共输出。这能够从整流波形生成平滑的波形。平滑的波形有利于电池充电，因为它能够启用有效的充电。根据另一方面，提供了对电池充电的方法，包括：使用切换模式功率变换器将ac功率源变化为到电池的充电电流；其中，切换频率和/或占空比根据期望的波形而变化。通过变化切换模式和/或占空比，提供的电流可以随时间变化；这能够提供具有期望波形的电流。使用特定的波形对电池充电能够因很多原因而受益，包括优化被电池摄取的电流、减少电池发热、评估电池健康、减少电池充电时间，以及优化电池寿命。可以在切换模式功率变换器的一个或多个占空比后变化切换频率和/或占空比，优选为在每个占空比后。通过相对频繁地变化切换频率能够实现平滑的波形。可以根据ac功率源的电压振荡变化切换频率和/或占空比。这能够实现有效地生成振荡电流波形。因为能够实现依赖高功率因子。这能够避免对功率因子改正硬件的需求，该硬件可能是笨重、庞大和沉重的。在ac功率源的每个电压振荡期间，可以多次变化切换频率和/或占空比，优选为在每个电压振荡期间至少三次，再优选地至少10次，更优选地至少100次，更加优选地在每个电压振荡期间至少800次。这能够实现对电压振荡的良好复制。为了准确，该方法还可以包括感测ac功率源的电压，并且根据电压变化切换频率和/或占空比，并且优选地包括以至少与变化切换频率同样频繁地来感测电压。可以在1至1000khz的范围内变化切换频率和/或占空比，优选地在10至500khz的范围内，并且更优选地在40至200khz的范围内。与典型的50至60hz的主电源供应频率以及100或120hz的整流频率相比较，前述频率更高，并且因此能够实现平滑地生成具有在25和150hz之间的频率的期望的波形。可以根据ac功率源的整流(优选为全波整流)电压振荡来变化切换频率和/或占空比。整流能够使振荡频率变为两倍，并且确保振荡不会改变极性，这有利于根据电压振荡变化切换频率。为了适应性，可以根据到电池的预期最大充电电流来变化切换频率和/或占空比，可选地，其中期望的最大充电电流取决于以下中的一者或多者：电池温度、电池电压、电池电流、电池电压变化、电池电流变化、电池阻抗、充电时间，以及积累的电池充电量。这些尤其可以指示那些相对高或相对低的充电电流可能是有利的条件或情况。可以变化切换频率和/或占空比，使得提供给电池的最小充电电流小于1a，优选地小于0.1a，更优选地小于0.01a，并且更加优选地约为0a。这能够减小迟滞效应并且实现有利的电池行为及充电。可以变化切换频率使得提供给电池的峰间值电流大于1a，并且优选地在约10a和约30a之间。根据另一方面，提供了一种电池充电系统，其包括以下特征中的一者或多者：
3、●变压器，优选地包括第一主绕组和/或第一次绕组；
4、●主切换设备，该主切换设备优选地被配置为控制传递到变压器的电流，例如从电功率供应到第一主绕组的电流；
5、●终端，其被配置为接收来自变压器(例如来自变压器的第一次绕组)的电功率，并且被配置为连接到将被充电的电池；
6、●控制子系统，其被配置为控制主切换设备的操作；
7、●控制子系统，其被配置为控制主切换设备，使得变压器通过峰间值电流大于约1a的电流波形向终端提供电功率；
8、●控制子系统，其被配置为确定将被使用电流波形充电的电池的电阻抗；
9、●控制子系统，其被配置为至少部分地基于将被充电的电池的确定电阻抗来控制主切换设备；
10、●电流波形，其具有大于约60hz的频率，优选为约100hz至120hz；
11、●电流波形，其具有约10a至约30a的峰间值电流；
12、●电流波形，其在约0a的低电流和峰值电流之间变化；
13、●电流波形，其具有的频率基本上为电功率供应的频率的两倍；
14、●主切换设备，根据至少部分地基于将被充电的电池的确定电阻抗而变化的频率和/或占空比来操作它；
15、●传递到变压器的电流的一个或多个脉冲的包络线基本上跟随电功率供应的电压波形；
16、●变压器为回扫变压器；
17、●在大于约60hz的频率处确定将被充电的电池的电阻抗，并且优选为在约100hz和约120hz的频率之间；
18、●变压器，其可连接到整流ac电功率供应；
19、●控制子系统，其被配置为控制主切换设备，使得变压器向终端提供具有电流波形的电功率，该电流波形具有基本上为整流的正弦波形电流和/或恒定均方根的正弦波形；
20、●控制子系统，其被配置为控制主切换设备，使得变压器向终端提供具有电流波形的电功率，该电流波形具有基本上为ac电功率供应的电压的频率的两倍的频率。
21、●控制子系统，其被配置为控制主切换设备，从而以随时间变化的频率在开状态和关状态之间致动主切换设备；以及
22、●控制子系统，其被配置为控制主切换设备，从而以取决于ac电功率供应的电压的幅值和/或电池电流的幅值和/或电池电压的幅值的频率在开状态和关状态之间致动主切换设备。
23、根据另一方面，提供一种操作电池充电系统的方法，该电池充电系统包括以下特征中的一者或多者：
24、●该电池充电系统包括变压器，优选地包括第一主绕组、第一次绕组，
25、●该电池充电系统包括主切换设备，该主切换设备优选地被配置为控制从电功率供应传递到第一主绕组的电流；
26、●终端，其被配置为从变压器的第一次绕组接收电功率，并且被配置为连接到将被充电的电池；
27、●控制子系统，其被配置为控制主切换设备的操作；
28、●控制主切换设备，使得变压器向终端提供具有大于约1a的峰间值电流的电流波形的电功率；
29、●确定将被使用电流波形充电的电池的电阻抗；
30、●进一步至少部分地基于将被充电的电池的确定电阻抗来控制主切换设备；
31、●控制主切换设备包括控制主切换设备使得电流波形具有大于约60hz的频率，优选为约100hz至120hz；
32、●控制主切换设备包括控制主切换设备使得电流波形具有约10a至约30a的峰间值电流；
33、●控制主切换设备包括控制主切换设备使得电流波形在约0a的低电流和峰值电流之间变化；
34、●控制主切换设备包括控制主切换设备使得电流波形具有基本上为电功率供应的频率的两倍的频率；
35、●控制主切换设备还包括控制主切换设备，使得主切换设备的频率和/或占空比至少部分地基于将被充电的电池的确定电阻抗而变化；
36、●控制主切换设备包括，控制主切换设备使得传递到变压器的电流的一个或多个脉冲的包络线基本上跟随电功率供应的电压波形；以及
37、●在大于约60hz的频率处确定将被充电的电池的电阻抗，并且优选地频率在约100hz和约120hz之间。
38、如在本文中使用的，dc优选地指的是具有恒定极性的电压和/或电流。dc电压和/或电流可以例如以脉冲、振荡或其他变化的波形而随时间变化。在切换模式电流变换器中，切换频率的变化导致占空比的变化，反之亦然。可以通过变化占空比实现变化切换频率，反之亦然。其中，本文中指的是切换频率的变化，其可以通过占空比的变化来替代。本发明扩展至基本上如本文所描述和/或如参照附图所示出的电池充电器和/或电池充电系统。本发明还扩展至用于对基本上如本文所描述和/或如参考附图所示出的电池充电的方法。本发明还扩展至确定基本上如本文所描述和/或参考附图所示出的电池的阻抗的方法。
39、如本文所描述的任何设备的特征也提供为方法的特征，反之亦然。如在本文中所使用的，装置加功能的特征可以被可替代地表示为它们的相应结构。
40、本发明的一方面的任何特征可以以任何适当的组合应用于本发明的其他方面。特别地，方法方面可以被应用于设备方面，反之亦然。而且，一方面中的任何、某些和/或所有特征可以被以任何适当的组合应用于任何其他方面的任何、某些和/或所有特征。
41、应理解，本发明的任何方面中描述和限定的各种功能的特定组合可以被独立地实现和/或供应和/或使用。
1.一种用于向电池提供充电电流的电池充电器，所述电池充电器包括切换模式功率变换器以及适于改变切换频率的控制器，从而提供具有期望的波形的电流。
2.根据权利要求1所述的电池充电器，其中：
3.根据前述权利要求中任一项所述的电池充电器，还包括电压传感器，所述电压传感器适于向所述控制器提供ac功率源的电压的指示。
4.根据权利要求3所述的电池充电器，其中所述电压传感器适于至少与所述控制器改变所述切换频率同样频繁地感测所述电压。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池充电器，其中所述切换模式功率变换器适于以临界传导模式操作。
6.一种三相电池充电器，包括三个根据前述权利要求中任一项所述的电池充电器，其中三个电池充电器中的每一个被配置为连接到三相输入的单个相，并且连接到公共输出。
7.根据权利要求6所述的三相电池充电器，其中所述三个电池充电器中的每一个电池充电器被连接到所述三相输入的分别的单个相。
8.根据权利要求7所述的三相电池充电器，其中提供至电池的充电电流是所述三个电池充电器提供的三个平方正弦波电流的组合输出。
9.一种对电池充电的方法，包括：
10.根据权利要求9所述的方法，其中：
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中：
12.一种在充电期间监控电池的内阻抗的方法，所述方法包括以下步骤：
