Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам для зарядки литиевых аккумуляторов (аккумуляторных батарей) с одновременным регулированием наружной температуры литиевой аккумуляторной батареи.
Уровень техники
По мере развития и распространения мобильных устройств все более широкое применение находят вторичные источники тока - аккумуляторные батареи высокой емкости, такие как никель-кадмиевые или никель-гидридные аккумуляторы, используемые в качестве источников питания в переносных CD плеерах с радиоприемниками, видеокамерах, портативных персональных компьютерах, устройствах связи, таких как сотовые телефоны, и машинах, таких как автономный электроинструмент. Литиевые аккумуляторы, будучи одним из видов аккумуляторов с высокой электрической емкостью, привлекают внимание с точки зрения их использования в портативной аппаратуре в силу того, что литиевый аккумулятор способен производить больше электрической энергии, нежели аккумуляторы других типов.
Номинальное напряжение литиевого аккумулятора приблизительно в два-три раза больше, чем напряжение никель-кадмиевого или никель-гидридного аккумулятора. Удельная энергия литиевого аккумулятора примерно в три раза выше, чем удельная энергия никель-кадмиевого аккумулятора. К тому же, литиевый аккумулятор имеет малые габариты, вес и высокую эффективность разряда. Аккумулятор может разряжаться даже при относительно низких температурах окружающей среды и давать постоянное напряжение в широком диапазоне температур.
С учетом этих отличительных особенностей литиевых аккумуляторов авторами настоящего изобретения была исследована возможность использования литиевой аккумуляторной батареи в качестве источника питания для привода электродвигателей в автономном электроинструменте, чтобы такой электроинструмент можно было делать сколь возможно малогабаритным и легким. В частности, желательно, чтобы автономный электроинструмент был как можно более легким, так как рабочим приходится держать такой инструмент в руках в течение долгого времени на рабочих местах, где он используется. В свете вышеприведенных обстоятельств использование литиевых аккумуляторов для автономного электроинструмента является желательным. В отличие от других электронных устройств в автономном электроинструменте используются большие электродвигатели. Следовательно, использование литиевых аккумуляторов, обладающих большой электрической емкостью, т.е. большой емкостью разряда, в качестве источника питания привода является выгодным.
Зарядные устройства, предназначенные для зарядки аккумуляторных батарей, встроенных в автономный электроинструмент, рабочие часто приносят вместе с самим инструментом на свое рабочее место, например на строительную площадку. Если автономный электроинструмент используется в течение длительного времени, энергия аккумуляторной батареи, используемой в этом инструменте, будет снижаться. В результате аккумуляторную батарею придется подзаряжать посредством зарядного устройства. Кроме того, если зарядное устройство используется на строительной площадке в холодном районе, аккумуляторную батарею невозможно будет зарядить должным образом. В силу этого зарядное устройство должно заряжать аккумуляторную батарею как можно быстрее (обладать функцией быстрого заряда) в таких условиях, чтобы не ухудшить зарядно-разрядную характеристику аккумуляторной батареи.
Хорошо известны зарядные устройства традиционной конструкции, в которых имеется функция управления температурой воздуха, окружающего аккумулятор (внешней температурой). В опубликованной заявке Японии HEI 7-87673 раскрывается зарядное устройство, в котором до начала зарядки аккумулятора устанавливается заданное значение его внешней температуры, так что ухудшения разрядной емкости аккумулятора не возникает.
Зарядка аккумулятора при слишком низких температурах приводит к тому, что из электролита выделяется нежелательный газ. Зарядка аккумулятора при слишком высоких температурах будет сокращать срок его службы. Поэтому в опубликованной заявке Японии HEI 8-185897 раскрывается зарядное устройство, в котором устанавливается нижняя температурная граница, которая равна или выше заданного значения, и устанавливается верхняя температурная граница, которая равна или ниже заданного значения.
Далее, в опубликованной заявке Японии HEI 8-223815 раскрывается зарядное устройство, в котором осуществляется регулирование внешней температуры аккумулятора, например свинцовой аккумуляторной батареи, путем применения нагревательного устройства с целью предотвратить снижение емкости аккумулятора. В опубликованной заявке Японии HEI 11-55869 раскрывается зарядное устройство, в котором осуществляется регулирование внешней температуры аккумулятора в заданном интервале температур (0-40°С) с целью не допустить снижения характеристик аккумулятора. В опубликованной заявке Японии HEI 11-288744 раскрывается зарядное устройство, которое заряжает аккумуляторы при некоторой заданной температуре, одновременно управляя значениями температуры нескольких аккумуляторов, составляющих аккумуляторную батарею, и поддерживая их температуры на том же уровне.
В опубликованной заявке Японии HEI 2001-155783 раскрывается устройство для заряда литиевых аккумуляторов для применения на искусственных спутниках, которое препятствует замерзанию при низких температурах аккумуляторов с неводным электролитом, и препятствует ухудшению характеристик аккумуляторов при высоких температурах, обеспечивая тем самым стабильные заряд-разрядные характеристики.
Литиевый аккумулятор, как вторичный источник тока, по своей природе отличается от никель-гидридного аккумулятора. Поэтому, чтобы сохранить заряд-разрядные характеристики и обеспечить длительный срок службы, литиевый аккумулятор следует заряжать способом, отличающимся от вышеописанных способов зарядки никель-гидридных аккумуляторов. Если литиевый аккумулятор заряжать стандартным способом, просто постоянным током в определенном интервале температур, то невозможно ни сократить время быстрой зарядки, ни увеличить срок службы (число циклов заряда-разряда) литиевого аккумулятора.
Корме того, температура саморазогрева при зарядке литиевого аккумулятора невысока. Если литиевый аккумулятор заряжать при внешней температуре более низкой, чем температура, попадающая в диапазон оптимальных температур зарядки (например, от 15°С до 35°С), то по соображениям сохранения характеристик литиевый аккумулятор следует заряжать низким током. Традиционный метод зарядки не дает результата, если только не сокращать время зарядки.
Раскрытие изобретения
Принимая во внимание вышеизложенные недостатки, задачей настоящего изобретения является создание зарядного устройства для зарядки литиевых аккумуляторов, входящих в состав литиевого батарейного источника питания, которое может сократить время зарядки без ухудшения характеристик аккумуляторов, например долговечности, выраженной числом циклов заряда-разряда.
Другой задачей настоящего изобретения является создание зарядного устройства для зарядки литиевых аккумуляторов, входящих в состав литиевого батарейного источника питания, которое можно использовать без снижения характеристик аккумуляторов, даже если их наружная температура или температура зарядного устройства является более низкой, чем любая температура из диапазона оптимальных температур зарядки.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание зарядного устройства для зарядки литиевых аккумуляторов, которое можно использовать без снижения их характеристик, даже если наружная температура беспроводного электроинструмента, имеющего в своем составе аккумуляторную батарею, очень низкая, например ниже точки замерзания воды.
Для решения вышеуказанных и иных задач настоящее изобретение предлагает первый вариант зарядного устройства для зарядки литий-ионной аккумуляторной батареи. Зарядное устройство включает в себя блок регулирования температуры и источник тока. Блок регулирования температуры выполнен с возможностью регулирования температуры литий-ионной аккумуляторной батареи для ее нахождения в заданном диапазоне температур. Указанный заданный диапазон подразделен на множество температурных интервалов. Источник тока снабжает литий-ионную аккумуляторную батарею током, зависящим от температуры, т.е. от температурного интервала, в котором находится температура литий-ионной аккумуляторной батареи.
Другим аспектом настоящего изобретения является создание второго варианта зарядного устройства для зарядки литий-ионной аккумуляторной батареи. Данное зарядное устройство содержит блок регулирования температуры, память, блок выбора тока и источник тока. Блок регулирования температуры выполнен с возможностью регулирования температуры литий-ионной аккумуляторной батареи для ее нахождения в заданном диапазоне температур. Заданный диапазон подразделен на множество температурных интервалов. В памяти хранится таблица соответствий между током и каждым температурным интервалом. Блок выбора тока идентифицирует температурный интервал, в котором находится температура литий-ионной аккумуляторной батареи, и выбирает ток путем обращения к таблице. Источник тока снабжает литий-ионную аккумуляторную батарею током при помощи блока выбора тока.
Перечень фигур чертежей
Вышеприведенные и прочие задачи, отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из последующего описания предпочтительных вариантов осуществления и прилагаемых чертежей, где
фиг.1 представляет собой принципиальную схему зарядного устройства аккумуляторов, соответствующую одному варианту осуществления;
фиг.2 представляет собой вид с частичным разрезом зарядного устройства и аккумуляторной батареи;
фиг.3 представляет собой вид зарядного устройства фиг.2 с частичным разрезом по линии III-III;
фиг.4 представляет собой таблицу, иллюстрирующую работу схемы контроля, предусмотренную в зарядном устройстве;
фиг.5 представляет собой таблицу, иллюстрирующую работу зарядного устройства;
на фиг.6А-6С представлены временные диаграммы, иллюстрирующие различные режимы зарядки, реализованные в зарядном устройстве;
фиг.7 представляет собой схему алгоритма, поясняющую процесс зарядки литиевого аккумулятора зарядным устройством; и
фиг.8 представляет собой схему алгоритма, на которой показаны этапы зарядки аккумулятора, следующие за последним этапом, приведенным на фиг.7.
Осуществление изобретения
Ниже приведено описание зарядного устройства, соответствующего настоящему изобретению со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых, чтобы многократно не повторять описание, сходные детали и элементы обозначены одинаковыми позициями.
В последующем описании термины "передний", "задний", "верхний", "нижний", "правый" и "левый" использованы для указания различных частей, когда зарядное устройство ставят в положение, предусмотренное для его применения.
Схема зарядного устройства
На фиг.1 приведена принципиальная схема, на которой показано зарядное устройство 200, соответствующее настоящему изобретению. Как видно из фиг.1, литиевая аккумуляторная батарея 2 (в дальнейшем "батарея"), которая подлежит зарядке зарядным устройством 200, составлена из нескольких перезаряжаемых литиевых элементов 2А и датчика 2 В температуры. Литиевые элементы 2А (в дальнейшем "элементы") соединены последовательно. Датчик 2В температуры (в дальнейшем "датчик") установлен так, что соприкасается с элементами 2А (аккумуляторной батареи 2) или находится вблизи их с целью определения наружной температуры, то есть температуры аккумуляторной батареи 2 (в дальнейшем "температуры батареи"). Датчик 2В представляет собой, например, термистор и работает в качестве датчика температуры. Элементы 2А и датчик 2В заключены в корпус (не показан), который выполнен из синтетической смолы. Четыре элемента 2А, каждый с номинальным напряжением 3,6 В, в аккумуляторной батарее 2 соединены, например, последовательно. Поэтому аккумуляторная батарея 2 может вырабатывать напряжение около 14,4 В.
Зарядное устройство 200 оснащено питающим устройством 201, устройством 60 управления током заряда, токоизмерительным устройством 3, устройством 90 управления постоянным напряжением, устройством 202 регулирования температуры, схемой 7 привода вентилятора, микрокомпьютером 50, источником 70 питания постоянного напряжения и схемой контроля 110.
Питающее устройство 201 включает в себя первую схему 10 выпрямления/сглаживания, ключевую схему 20 и вторую схему 30 выпрямления/сглаживания. Первая схема выпрямления/сглаживания состоит из двухполупериодного выпрямителя 11 и сглаживающего конденсатора 12 и осуществляет двухполупериодное выпрямление тока, подаваемого от источника 1 переменного тока (стандартно доступной сети переменного тока). Ключевая схема 20 состоит из высокочастотного трансформатора 21, полевого MOSFET транзистора 22 (ключевой элемент) и микросхемы 23 широтно-импульсного преобразователя. MOSFET транзистор 22 соединен последовательно с первичной обмоткой трансформатора 21. Микросхема 23 широтно-импульсного преобразователя модулирует ширину импульсов задающего импульсного сигнала и подает полученный сигнал на затвор MOSFET транзистора 22 в соответствии с сигналом управления от устройства 5 передачи сигнала тока заряда. Таким образом, микросхема 23 широтно-импульсного преобразователя осуществляет регулирование напряжения на выходе второй схемы 30 выпрямления/сглаживания и тока заряда аккумуляторной батареи 2. Вторая схема 30 выпрямления/сглаживания состоит из диодов 31 и 32, дроссельной катушки 33 и сглаживающего конденсатора 34, которые присоединены к вторичной обмотке трансформатора 21.
Устройство 60 управления током заряда и устройство 90 управления постоянным напряжением электрически соединены с питающим устройством 201.
Устройство 60 управления током заряда состоит из операционных усилителей 61 и 62, входных резисторов 63 и 65, резистора 64 обратной связи и устройства 66 задания тока заряда. Вход устройства 60 управления током заряда соединен с токоизмерительным устройством 3, состоящим из резистора или подобного элемента. Токоизмерительное устройство 3 воспринимает ток заряда, который подается на аккумуляторную батарею 2. Выход устройства 60 управления током заряда электрически соединен с микросхемой 23 широтно-импульсного преобразователя через диод 130 и устройство 5 передачи сигнала тока заряда.
Устройство 66 задания тока заряда соединено с контактом инвертирующего входа операционного усилителя 62. Устройство 66 задания тока заряда предназначено для установки величины тока заряда в соответствии с управляющим сигналом, подаваемым с выходного порта 51е микрокомпьютера 50, который работает в качестве управляющего устройства и будет описан далее. То есть, устройство 66 задания тока заряда изменяет величину напряжения, которое прикладывается к инвертирующему входу операционного усилителя 62 в соответствии с сигналом управления, поступающим из выходного порта 51е. Таким образом, устройство 60 управления током заряда осуществляет управление током заряда аккумуляторной батареи 2 в соответствии с величиной, заданной устройством 66 задания тока заряда.
Устройство 90 управления постоянным напряжением содержит резисторы 91 и 92, операционный усилитель 93 и устройство 94 задания напряжения. Вход устройства 90 управления постоянным напряжением соединен с положительным полюсом аккумуляторной батареи 2. Таким образом, устройство 90 воспринимает напряжение заряда аккумуляторной батареи 2. Устройство 94 задания напряжения соединено с контактом инвертирующего входа операционного усилителя 93. Устройство 94 задания напряжения предназначено для установки величины напряжения заряда в соответствии с управляющим сигналом, подаваемым с выходного порта 51е микрокомпьютера 50.
Устройство 202 регулирования температуры установлено рядом с аккумуляторной батареей 2 и осуществляет регулирование температуры аккумуляторной батареи 2 таким образом, чтобы температура попадала в диапазон температур заряда или оптимальный интервал температур заряда (описание приведено ниже). Устройство 202 регулирования температуры включает в себя вентилятор 6, нагреватель 101 и схему 102 управления. Нагреватель 101 соединен со схемой 102 управления, состоящей, например, из полевого транзистора, который работает в качестве переменного резистора, управляя током нагрева, который подается на нагреватель 101. Схема 102 управления принимает управляющий сигнал от выходного порта 51d микрокомпьютера 50. В соответствии с управляющим сигналом схема 102 управления включает или выключает подачу тока на нагреватель 101 для управления величиной этого тока.
Вентилятор 6 содержит двигатель (не показан), который приводится во вращение и останавливается посредством схемы 7 управления вентилятором. Схема 7 управления вентилятором состоит из транзистора 7а и резисторов 7b и 7с смещения. Как будет описано ниже, управление самой схемой 7 осуществляется управляющим сигналом, поступающим с выходного порта 51b микрокомпьютера 50. Устройство 202 регулирования температуры дополнительно к вентилятору 6 может включать в себя какое-либо охлаждающее устройство, например элемент Пельтье, если зарядное устройство 200 используется при наружной температуре, значительно более высокой, чем верхняя граница диапазона оптимальных температур заряда, и, следовательно, аккумуляторную батарею 2 необходимо постоянно охлаждать.
Микрокомпьютер 50 управляет питающим устройством 201, устройством 60 управления током заряда, устройством 90 управления постоянным напряжением и устройством 202 регулирования температуры. Микрокомпьютер 50 включает в себя центральное процессорное устройство (CPU) 51, постоянное запоминающее устройство (ROM) 56, оперативное запоминающее устройство (RAM) 53 и таймер 54. CPU 51 осуществляет исполнение управляющих программ. ROM 56 осуществляет хранение управляющих программ, исполняемых CPU 51. RAM 53 используется в качестве рабочей области для CPU 51 и области временного хранения данных. Кроме того, микрокомпьютер 50 содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 52, выходные порты 51а, 51b, 51с, 51d и 51е, а также входной порт 55 сброса. АЦП 52 преобразует аналоговые входные сигналы в цифровые выходные сигналы. Для вывода управляющих сигналов предусмотрены выходные порты 51а-51е. Входной порт 55 сброса предусмотрен для приема сигнала сброса, когда выключатель питания в зарядном устройстве 200 переводят в положение включения. В ROM 56 хранится таблица (фиг.4 и 5), которая описывает соответствие величины тока каждому температурному интервалу (описание приведено ниже). Указанные функциональные блоки связаны друг с другом посредством внутренней шины 58.
Сигнал, зависящий от температуры, который формируется датчиком 2В, подается на один из входов АЦП 52 через устройство 120 измерения температуры батареи. Устройство 120 измерения температуры батареи состоит из резисторов 121 и 122.
Напряжение аккумуляторной батареи 2 приложено к другому входу АЦП 52 через схему 40 измерения напряжения батареи. Схема 40 измерения напряжения батареи состоит из резисторов 41 и 42 делителя напряжения.
Управляющий сигнал, который запускает или останавливает процесс заряда аккумуляторной батареи 2, поступает с выходного порта 51с на микросхему 23 широтно-импульсного преобразователя через устройство 4 передачи сигнала управления зарядом, в соответствии с управляющей программой, которая хранится в микрокомпьютере 50. Когда управляющий сигнал указывает начало процесса заряда, микросхема 23 широтно-импульсного преобразователя посылает на MOSFET транзистор 22 сигналы управления, чтобы транзистор начал процесс коммутации. С другой стороны, когда управляющий сигнал указывает на прекращение процесса заряда, микросхема 23 широтно-импульсного преобразователя посылает на MOSFET транзистор 22 сигнал управления, чтобы транзистор прекратил процесс коммутации.
Микрокомпьютер 50, устройство 60 управления током заряда, устройство 202 регулирования температуры, устройство 120 измерения температуры батареи и прочие устройства снабжаются питанием от источника 70 постоянного напряжения. Источник 70 постоянного напряжения представляет собой источник, формирующий напряжение постоянного тока из напряжения переменного тока, которое поступает от стандартного имеющегося источника 1 переменного тока (сети). Источник 70 постоянного напряжения состоит из питающего трансформатора 71, схемы 72 двухполупериодного выпрямителя, цепи формирования постоянного напряжения, трехполюсного регулятора 78, сглаживающих конденсаторов 77 и 79 и микросхемы 80 формирования сигнала сброса. Цепь формирования постоянного напряжения состоит из транзистора 73, стабилитрона 75 и резистора 74. Микросхема 80 формирования сигнала сброса выдает сигнал сброса на входной порт 55 для инициализации микрокомпьютера 55, когда выключатель питания зарядного устройства 200 переводят в положение включения.
Схема 110 контроля осуществляет индикацию рабочего режима зарядного устройства 200. То есть схема 110 контроля показывает, что аккумуляторная батарея 2 вставлена в зарядное устройство, что зарядное устройство 200 находится в режиме ожидания, поскольку температура Т аккумуляторной батареи 2 слишком низкая или высокая, что аккумуляторная батарея 2 заряжается, или что аккумуляторная батарея 2 полностью заряжена.
Схема 110 контроля содержит сборку 111 светодиодов для индикации рабочего режима. Сборка 111 включает в себя красный светодиод R и зеленый светодиод G. Сборка 111 содержит резисторы 112 и 113, которые задают токи соответствующих светодиодов R и G. Красный светодиод R и зеленый светодиод G включаются и выключаются в зависимости от сигналов с выходного порта 51а. Когда красный светодиод R и зеленый светодиод G излучают свет одновременно непрерывно или одновременно прерывисто, сборка 111 непрерывно или прерывисто излучает оранжевый свет.
Конструкция устройства регулирования температуры
Фиг.2 представляет собой вид с частичным разрезом зарядного устройства 200 с аккумуляторной батареей 2, которая установлена в зарядное устройство 200 (подключена к нему) и может с него сниматься. Фиг.3 представляет собой вид зарядного устройства 200 с частичным разрезом по линии III-III фиг.2. На одной стороне зарядного устройства 200 предусмотрен стыковочный выступ 200С. Соответственно, на зарядном устройстве 200 образовано и стыковочное гнездо 200В. На нижнем конце стыковочного гнезда 200В сформирован электрод. В стыковочный выступ 200С встроены вентилятор 6 и нагреватель 101. На верхней поверхности стыковочного выступа 200С выполнено сквозное отверстие 200А, через которое вентилятор 6 подает воздух к аккумуляторной батарее 2.
Аккумуляторная батарея 2 состоит из стыковочной секции 2G и основной секции 2Н. Стыковочная секция 2G вставляется в стыковочное гнездо 200В зарядного устройства 200. Основная секция 2Н содержит несколько элементов 2А. Как показано на фиг.2, аккумуляторная батарея 2 имеет Т-образное поперечное сечение. Датчик 2В (на фиг.2 не показан) расположен между элементами 2А с целью измерения температуры Т аккумуляторной батареи 2. В стыковочной секции 2G установлена монтажная плата 2D, соединенная с элементами 2А и датчиком 2В. На наружной поверхности нижнего конца стыковочной секции 2G предусмотрен электрод, соединенный с монтажной платой 2D. Таким образом, когда аккумуляторную батарею 2 устанавливают на зарядное устройство 200, она электрически соединяется с зарядным устройством 200. На нижней поверхности основной секции 2Н образовано сквозное отверстие 2С.
Сквозное отверстие 2С сообщается со сквозным отверстием 200А зарядного устройства 200. Через сквозное отверстие 200А и сквозное отверстие 200С горячий или холодный воздух от устройства 202 регулирования температуры может подаваться к внешней периферической поверхности аккумуляторной батареи 2. Как показано на фиг.3, отверстие 6а выпуска воздуха вентилятора 6 расположено вблизи нагревателя 101. Таким образом, горячий воздух может подаваться от нагревателя 101 в направлении сквозного отверстия 200А. Вентилятор 6 электрически соединяется со схемой 7 вентилятора (см. фиг.1) через провод 7d. Нагреватель 101 электрически соединяется через питающий провод 101а с источником 70 постоянного напряжения. Процесс управления вентилятором 6 и нагревателем 101 будет описан ниже.
Работа схемы контроля
На фиг.4 показано, каким образом при помощи светодиодов схема 110 контроля отображает режим работы зарядного устройства 200. Для отображения состояния "до установки батареи", когда аккумуляторная батарея 2 еще не вставлена в зарядное устройство 200 и электрически не соединена с ним, зеленый светодиод G и красный светодиод R излучают свет одновременно и прерывисто, создавая, таким образом, "мигающее оранжевое свечение". Для отображения состояния "ожидания при низкой температуре", когда температура Т аккумуляторной батареи 2 ниже, чем нижняя граница диапазона температур заряда (а именно Т<-15°С), и батарея находится в режиме ожидания, только красный светодиод R прерывисто излучает свет, создавая "мигающее красное свечение". Для отображения состояния "зарядки", когда температура Т аккумуляторной батареи 2 попадает в границы диапазона температур заряда (-15°С≤Т<55°С), и батарея заряжается, зеленый светодиод G и красный светодиод R излучают свет одновременно, создавая "непрерывное оранжевое свечение". Для отображения состояния "ожидания при высокой температуре", когда температура Т аккумуляторной батареи 2 равна или выше верхней границы диапазона температур заряда (а именно 55°С≤Т), и батарея находится в режиме ожидания, только зеленый светодиод G прерывисто излучает свет, создавая "мигающее зеленое свечение". Для отображения состояния "завершения зарядки", когда батарея полностью заряжена, только зеленый светодиод G непрерывно излучает свет, создавая "непрерывное зеленое свечение". Таким образом, схема 110 контроля дает пользователю возможность знать текущий режим работы зарядного устройства 200.
Режимы зарядки элементов
Далее, со ссылками на фиг.5 и 6 будет объяснено, каким образом микрокомпьютер 50 осуществляет управление устройством 60 управления током заряда и устройством 202 регулирования температуры. В зарядном устройстве 200, в соответствии с настоящим изобретением, микрокомпьютер 50 осуществляет управление устройством 60 управления током заряда и устройством 202 регулирования температуры в соответствии с температурой Т аккумуляторов, измеренной датчиком 2В. То есть, микрокомпьютер 50 задает ток заряда в соответствии с температурой Т аккумуляторов, регулируя температуру аккумуляторной батареи 2. Далее, со ссылками на фиг.5 будет описана зависимость между температурой Т аккумуляторной батареи 2 и током заряда, а также связь температуры Т аккумуляторов с процессом регулирования температуры, который осуществляется устройством 202 регулирования температуры.
В настоящем варианте осуществления изобретения диапазон температур, в котором может осуществляться заряд аккумуляторной батареи 2, разбит на ряд температурных интервалов. Нижняя и верхняя границы диапазона температур заряда по величине такие, что не могут привести к уменьшению срока службы аккумуляторов. В данном варианте осуществления батарея может заряжаться, когда температура попадает в диапазон -15°С≤Т<55°С, как это показано на фиг.5.
В настоящем варианте осуществления изобретения диапазон температур заряда (-15°С≤Т<55°С) разбит на четыре температурных интервала, показанных на фиг.5, а именно, интервал В (-15°С≤Т<0°С), интервал С (0°С≤Т<15°С), интервал D (15°C≤Т<35°С) и интервал Е (35°С≤Т<55°С). Далее, токи заряда, гарантирующие минимальное снижение срока службы батареи, устанавливаются в соответствии с указанными температурными интервалами. А именно, как показано на фиг.5, для температурных интервалов В, С, D и Е устанавливаются токи заряда 1А, 4А, 9А и 4А соответственно. Зависимость между указанными температурными интервалами и токами заряда хранится в ROM 56 микрокомпьютера 50. Микрокомпьютер 50 выдает управляющий сигнал исходя из температуры Т аккумуляторов, измеренной датчиком 2В. Управляющий сигнал заставляет устройство 60 управления током заряда подавать в аккумуляторную батарею 2 ток заряда, зависящий от температуры Т аккумуляторов.
Указанный ток заряда имеет тенденцию увеличиваться по мере того, как температура Т аккумуляторов приближается к оптимальному температурному интервалу (т.е. интервалу D на фиг.5), который включает в себя комнатную температуру (25°С). Максимальный ток заряда 9А задается в оптимальном температурном интервале. С другой стороны, если температура Т аккумуляторов попадает в интервал Е, который лежит выше интервала D, ток заряда задается величиной 4А, что ниже максимального тока заряда 9А. Это потому что, если аккумуляторы заряжать большим током 9А при температурах более высоких, чем верхняя граница оптимального температурного интервала заряда, температура Т аккумуляторов будет нарастать из-за их саморазогрева, что приведет к снижению срока службы литиевой аккумуляторной батареи по причине заряда большим током.
В настоящем варианте осуществления изобретения заряда аккумуляторной батареи 2 не происходит, когда температура Т остается в интервале А (Т<-15°С), который лежит ниже диапазона температур заряда. Вместо этого приводится в действие устройство 202 регулирования температуры, состоящее из нагревателя 101 и вентилятора 6, чтобы увеличить температуру Т аккумуляторов так, чтобы она вошла в диапазон температур заряда. Поэтому нагреватель 101 и вентилятор 6 включаются одновременно, интенсивно нагревая аккумуляторную батарею 2. Когда температура Т аккумуляторов вырастет и войдет в диапазон температур заряда, ток заряда устанавливается в соответствии с температурным интервалом, и тогда происходит заряд батареи.
В настоящем варианте осуществления изобретения устройство 202 регулирования температуры не выключается немедленно, даже если температура Т аккумуляторов нарастает и входит в нижний температурный интервал (например, интервал В) диапазона температур заряда, и, следовательно, начинается зарядка. В процессе заряда литиевая батарея выделяет незначительное количество тепла. Поэтому, если батарея заряжается, ее температура едва ли будет увеличиваться. Таким образом, как показано на фиг.5, нагреватель 101 и вентилятор 6 устройства 202 регулирования температуры приводятся в действие для нагревания аккумуляторной батареи 2 в температурных интервалах В и С, которые лежат ниже интервала D. То есть, в соответствии с настоящим вариантом осуществления изобретения устройство 202 регулирования температуры выводит температуру аккумуляторной батареи на такое значение, чтобы оно попадало в оптимальный температурный интервал (т.е. в интервал D).
С другой стороны, наоборот, если температура Т аккумуляторов лежит в верхнем температурном интервале (т.е. интервале Е или D), устройство 202 регулирования температуры выводит температуру аккумуляторной батареи на такое значение, чтобы оно также попадало в оптимальный температурный интервал (т.е. в интервал D). В этом случае в действие приводится только вентилятор 6, который, как показано на фиг.5, выполняет операцию охлаждения.
Таким образом, в настоящем варианте осуществления изобретения осуществляется одновременное управление током заряда и температурой батареи в соответствии с температурой Т аккумуляторов аккумуляторной батареи 2, измеренной датчиком 2В. В результате, как показано на фиг.6А-6С, в способе зарядки, который соответствует настоящему изобретению, может быть грубо выделено три следующих режима.
В первом режиме, представленном на фиг.6А, батарею заряжают постоянным током. Например, заряд начинают, когда температура батареи находится либо в интервале D, либо в интервале С, ближнем к интервалу D. Подачу постоянного тока прекращают непосредственно перед тем моментом, когда батарея окажется полностью заряженной. Следует обратить внимание, что любую литиевую батарею отличает то, что ток заряда начинает уменьшаться, когда напряжение заряда достигает максимального значения, и затем батарея оказывается полностью заряженной.
Во втором режиме, представленном на фиг.6В, ток заряда увеличивают ступенями, в соответствии с температурными интервалами. То есть, когда аккумуляторную батарею 2 вставляют в зарядное устройство 200 (или соединяют с ним), а температура Т аккумуляторов оказывается в интервале А (Т<-15°С), то никакого заряда не производят. Вместо этого устройство 202 регулирования температуры нагревает аккумуляторную батарею 2, пока температура не попадет в интервал В, после чего батарею заряжают током 1А. Поскольку аккумуляторная батарея 2 в процессе заряда слабо подвержена саморазогреву, при помощи устройства 202 регулирования температуры ее нагревают до температур интервала С и производят заряд током 4А. Когда температура Т аккумуляторов поднимется до температурного интервала D (15°С≤Т<35°С), устройство 202 регулирования температуры прекращает нагрев, а ток заряда затем переключают на значение оптимального тока заряда 9А.
В третьем режиме, представленном на фиг.6С, ток заряда уменьшают ступенями, в соответствии с температурными интервалами. Точнее, заряд начинают при токе 9А, потому что вначале температура Т аккумуляторов находится в интервале D (15°C≤Т<35°С). Когда температура Т аккумуляторов из-за саморазогрева аккумуляторной батареи 2 поднимается и заходит в интервал Е, ток заряда уменьшают до 4А.
Блок-схема алгоритма заряда
Далее, со ссылками на фиг.7 и 8 объясняется принцип действия зарядного устройства 200, соответствующего настоящему изобретению.
Как показано на фиг.7, на этапе S101, когда еще не вставив аккумуляторную батарею 2 в зарядное устройство 200, выключатель питания зарядного устройства 200 переводят во включенное положение, зеленый светодиод G и красный светодиод R схемы 110 контроля прерывисто излучают свет, создавая "мигающее оранжевое свечение". Следовательно, схема 110 контроля отображает состояние "до установки батареи".
На этапе S102 производится проверка условия: вставлена ли аккумуляторная батарея 2 в зарядное устройство 200 и тем самым электрически подключена к нему. Если аккумуляторная батарея 2 не вставлена в зарядное устройство 200 (результат S102: НЕТ), то производится возврат к этапу S102. Если аккумуляторная батарея 2 вставлена в зарядное устройство 200 (результат S102: ДА), то на этапе S103 производится проверка условия: находится ли температура Т батареи за пределами интервала А (Т≥-15°С). Если температура Т батареи не находится за пределами интервала А, то есть температура Т батареи попадает в интервал А (результат S103: НЕТ), то схема 110 контроля на этапе S110 создает "мигающее красное свечение", а на этапах S111 и S112 приводятся в действие нагреватель 101 и вентилятор 6 для нагревания аккумуляторной батареи 2. Следует обратить внимание, что нагреватель 101 производит нагрев "высокой интенсивности". Затем, действия возвращаются к этапу S103.
Если температура Т батареи находится за пределами интервала А (Т≥-15°С) (результат S103: ДА), то на этапе S104 производится проверка, находится ли температура Т батареи за пределами интервала В (-15°С≤Т<0°С). Если температура Т батареи не находится за пределами интервала В, то есть температура Т батареи попадает в интервал В (результат S104: НЕТ), то схема 110 контроля на этапе S113 создает "оранжевое свечение", а на этапах S114 и S115 приводятся в действие нагреватель 101 и вентилятор 6 для нагревания аккумуляторной батареи 2. Следует обратить внимание, что нагреватель 101 производит нагрев "средней интенсивности". Затем на этапе S116 зарядное устройство 200 начинает зарядку аккумуляторной батареи 2 током 1А.
Если температура Т батареи находится за пределами интервала В (результат S104: ДА), то на этапе S105 производится проверка, находится ли температура Т батареи за пределами интервала С (0°С≤Т<15°С). Если температура Т батареи не находится за пределами интервала С, то есть температура Т батареи попадает в интервал С (результат S105: НЕТ), то схема 110 контроля на этапе S117 создает "оранжевое свечение", а на этапах S118 и S119 приводятся в действие нагреватель 101 и вентилятор 6 для нагревания аккумуляторной батареи 2. Следует обратить внимание, что нагреватель 101 производит нагрев "слабой интенсивности". Затем на этапе S120 зарядное устройство 200 начинает зарядку аккумуляторной батареи 2 током 4А.
Если температура Т батареи находится за пределами интервала С (результат S105: ДА), то на этапе S106 производится проверка, находится ли температура Т батареи за пределами интервала D (15°С≤Т<35°С). Если температура Т батареи не находится за пределами интервала D, то есть температура Т батареи попадает в интервал D (результат S106: НЕТ), то схема 110 контроля на этапе S121 создает "оранжевое свечение", а зарядное устройство 200 на этапе S122 начинает зарядку аккумуляторной батареи 2 током 9А. В этом случае в действие не приводится ни нагреватель 101, ни вентилятор 6, потому что интервал D является оптимальным температурным интервалом для зарядки батареи.
Если температура Т батареи находится за пределами интервала D (результат S106: ДА), то на этапе S107 производится проверка, находится ли температура Т батареи за пределами интервала Е (35°С≤Т<55°С). Если температура Т батареи не находится за пределами интервала Е, то есть температура Т батареи попадает в интервал Е (результат S107: НЕТ), то схема 110 контроля на этапе S123 создает "оранжевое свечение", а на этапе S124 приводится в действие вентилятор 6 для охлаждения аккумуляторной батареи 2. В данном случае нагреватель 101 не включается. Затем на этапе S125 зарядное устройство 200 начинает зарядку аккумуляторной батареи 2 током 4А.
Если температура Т батареи находится за пределами интервала Е (результат S107: ДА), то есть температура Т батареи попадает в интервал F (Т≥55°С), то схема 110 контроля на этапе S108 создает "мигающее зеленое свечение", и на этапе S109 приводится в действие вентилятор 6 для охлаждения аккумуляторной батареи 2. Затем действия возвращаются к этапу S107. В этом случае заряд батареи не производится до тех пор, пока температура Т батареи не понизится и войдет в температурный интервал Е.
Как показано на фиг.8, после того, как зарядное устройство 200 начинает заряд аккумуляторной батареи по фиг.7, производится периодическая проверка температуры Т батареи.
Вначале, на этапе S126 производится проверка, находится ли температура Т батареи за пределами температурного интервала, оптимального для заряда батареи (т.е. интервала D), а именно, проверка температуры Т батареи на равенство или превышение уровня 35°С (Т≥35°C). Если температура Т батареи находится за пределами интервала D (результат S126: ДА), то на этапе S132 производится выключение нагревателя 101, а на этапе S133 производится включение вентилятора 6 для охлаждения аккумуляторной батареи 2. Затем на этапе S134 производится переключение тока заряда на 4А.
Если температура Т батареи не находится за пределами интервала D (результат S126: НЕТ), то на этапе S127 производится проверка, попадает ли температура Т батареи в интервал D (15°C≤Т<35°С), то есть, проверка температуры Т батареи на равенство или превышение уровня 15°С (Т≥15°С). Если температура батареи попадает в интервал D (результат S127: ДА), то на этапе S135 производится выключение нагревателя 101, а на этапе S136 производится выключение вентилятора 6. Затем на этапе S137 производится переключение тока заряда на 9А. В данном случае в действие не приводится ни нагреватель 101, ни вентилятор 6, потому что интервал D является оптимальным температурным интервалом для зарядки батареи.
Если температура Т батареи не попадает в интервал D (результат S127: НЕТ), то на этапе S128 производится проверка, попадает ли температура Т батареи в интервал С (0°С≤Т<15°С). Если температура Т батареи попадает в интервал С (результат S128: ДА), то на этапе S129 производится включение нагревателя 101, а на этапе S130 производится включение вентилятора 6 для нагревания аккумуляторной батареи 2. Следует обратить внимание, что нагреватель 101 осуществляет нагрев "слабой интенсивности". Затем на этапе S131 производится переключение тока заряда на 4А.
Если температура Т батареи не попадает в интервал С (результат S128: НЕТ), то температура Т батареи попадает в интервал В, поскольку температура батареи лежит вне интервала А на фиг.5. Затем на этапе 8138 производится включение нагревателя 101, а на этапе S139 - включение вентилятора 6. Следует отметить, что нагреватель 101 осуществляет нагрев "средней интенсивности". Затем на этапе S140 производится переключение тока заряда на 1А.
Когда аккумуляторная батарея 2 будет почти полностью заряжена, напряжение, до которого зарядилась аккумуляторная батарея 2, достигнет максимального значения, и затем ток заряда уменьшится. На этапе S141 производится проверка, произошла ли полная зарядка батареи. Если батарея зарядилась полностью (результат S141: ДА), то схема 110 контроля создаст "зеленое свечение", показывая, что на этапе S142 батарея зарядилась полностью.
В настоящем варианте осуществления изобретения, после того как аккумуляторная батарея 2 будет заряжена полностью, устройство 202 регулирования температуры осуществляет регулирование температуры с целью увеличения срока службы аккумуляторной батареи 2 (этапы S143 - S153).
Более конкретно, устройство 202 регулирования температуры регулирует температуру Т батареи таким образом, чтобы она попадала в оптимальный температурный интервал для заряда (15°С≤Т<35°С). На этапе S154 производится проверка, извлечена ли аккумуляторная батарея 2 из зарядного устройства 200.
Если аккумуляторную батарею 2 извлекли (результат S154: ДА), то действия возвращаются к этапу S101. Затем зарядное устройство 200 остается в режиме ожидания до тех пор, пока к нему не будет подключена аккумуляторная батарея 2.
Как описано выше, зарядное устройство, соответствующее данному варианту осуществления изобретения, может осуществлять заряд литиевых аккумуляторов, одновременно управляя током заряда и температурой аккумуляторов в соответствии с температурой аккумуляторов аккумуляторной батареи, содержащей указанные аккумуляторы. Таким образом, режим заряда может быть установлен исходя из температуры аккумуляторов.
Прежде, если через литиевый аккумулятор при низкой температуре пропускали большой ток заряда, то характеристики аккумулятора, такие как срок службы, могли ухудшаться, потому что литиевый аккумулятор почти не испытывает саморазогрева. Поскольку зарядное устройство, соответствующее данному варианту осуществления изобретения, может заряжать аккумулятор, одновременно управляя температурой аккумулятора и переключаясь с одного тока заряда на другой, время, необходимое для зарядки аккумулятора, может быть сокращено, без влияния на характеристики аккумулятора, такие как срок службы. В частности, при использовании на рабочей площадке в холодной местности совместно с автономным электроинструментом, в состав которого входит аккумуляторная батарея, зарядное устройство, соответствующее данному варианту осуществления изобретения, может осуществлять быструю зарядку батареи, способствуя увеличению эффективности работы на площадке.
Хотя изобретение было подробно описано со ссылкой на конкретный вариант его осуществления, для специалиста в данной области должно быть понятно, что в него могут быть внесены различные изменения и модификации, не выходящие за рамки изобретения.
Например, диапазон температур заряда в данном варианте осуществления разбит на интервалы от В до Е. Однако диапазон температур заряда может быть разбит на большее число температурных интервалов.
Зарядное устройство для зарядки литий-ионной аккумуляторной батареи включает в себя блок регулирования температуры и источник тока. Блок регулирования температуры регулирует температуру литий-ионной аккумуляторной батареи для ее нахождения в заданном диапазоне температур. Указанный диапазон подразделен на множество температурных интервалов. Источник тока снабжает литий-ионную аккумуляторную батарею током, зависящим от температуры и соответствующим тому температурному интервалу, в котором находится температура литий-ионной аккумуляторной батареи. Техническим результатом является сокращение времени зарядки и увеличение срока службы батареи. 2 н. и 27 з.п. ф-лы, 10 ил.
| JP 11055869, 26.02.1999 | |||
| БЛОК ПИТАНИЯ И ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА, ЗАПИТЫВАЕМОГО ОТ БАТАРЕИ, И СПОСОБ | 1997 |
|
RU2195064C2 |
| US 6861824 A, 01.03.2005 | |||
| JP 2005065476 10.03.2005. | |||
