用於二次電池的充放電器的製作方法
2023-05-18 19:44:06 1
專利名稱：用於二次電池的充放電器的製作方法
技術領域：
本申請的一方面涉及一種用於二次電池的充放電器，更具體地講，涉及一種用於二次電池的雙向DC/DC轉換器型充放電器，在所述充放電器中，擴展電壓的範圍，從而可通過單獨的裝置執行二次電池的充電和放電。
背景技術：
通常，雙向電源轉換器電路在降壓模式下將高電壓轉換為低電壓，並且在升壓模式下通過使用反電動勢將低電壓轉換為高電壓。在這種情況下，通過使用一個或多個金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)以脈衝寬度調製(以下稱為「PWM」)方法來控制轉換是有效的。利用PWM佔空比來確定從雙向電源轉換器電路輸出的電壓幅值。
發明內容
本發明的一方面提供一種改進的用於二次電池的充放電器。本發明的另一方面提供一種雙向DC/DC轉換器型充放電器，在所述充放電器中， 在用於估計二次電池的壽命和質量的裝置中執行過充電測試，從而檢查二次電池的安全性。本發明的另一方面提供一種雙向DC/DC轉換器型充放電器，在所述充放電器中， 可在一般開關型DC/DC轉換器的升壓模式下將施加到電池上的電壓的範圍擴展到最大負電壓的範圍，而沒有增加另外的輸入電源。根據本發明的一方面，提供一種用於二次電池的充放電器。所述充放電器包括二次電池、第一轉換器電路和第二轉換器電路、以及第一控制器和第二控制器。二次電池連接到所述充放電器的輸出級。第一轉換器電路包括第一脈衝電壓產生器和第一電感器。第一脈衝電壓產生器輸出根據第一佔空比的第一脈衝電壓，第一電感器將與輸出的第一脈衝電壓關於時間的積分值成比例的第一電流輸出到二次電池的正極端。第二轉換器電路設置有第二脈衝電壓產生器和第二電感器。第二脈衝電壓產生器輸出根據第二佔空比的第二脈衝電壓，第二電感器將與輸出的第二脈衝電壓關於時間的積分值成比例的第二電流輸出到二次電池的負極端。 第一控制器控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比。第二控制器控制第二脈衝電壓產生器的第二佔空比。 在充電模式下，第一控制器可控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比為大於0.5 的值，並且第二控制器可控制第二脈衝電壓產生器處於截止狀態。
可選擇地，在充電模式下，第一控制器可控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比為大於0. 5的值，並且第二控制器可控制第二脈衝電壓產生器的第二佔空比為零。在放電模式下，第一控制器可控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比為小於0.5 的值，並且第二控制器可控制第二脈衝電壓產生器處於截止狀態。當二次電池的兩個端子之間施加的電壓通過單獨的第一轉換器電路達到最小輸出電壓時，第一控制器可控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比為零，並且第二控制器可控制第二脈衝電壓產生器的第二佔空比超過0. 5。可選擇地，在放電模式下，第一控制器可控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比為小於0.5的值，並且第二控制器可控制第二脈衝電壓產生器的第二佔空比為零。當二次電池的兩個端子之間施加的電壓通過單獨的第一轉換器電路達到最小輸出電壓時，第一控制器可控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比為零，並且第二控制器可控制第二脈衝電壓產生器的第二佔空比超過0.5。第一脈衝電壓產生器和第二脈衝電壓產生器中的每個可包括一對金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)，所述一對金屬氧化物半導體場效應電晶體根據由相應的第一控制器或第二控制器的控制的相應的佔空比，周期性地輸出高電壓和低電壓。MOSFET可以是N-溝道增強型MOSFET。充放電器還可包括第一低通濾波器和第二低通濾波器。第一低通濾波器設置在第一電感器和二次電池的正極端之間。第二低通濾波器設置在第二電感器和二次電池的負極端之間。第一低通濾波器和第二低通濾波器可以是一次低通濾波器。如上所述，根據本發明的實施例，充放電器被操作為電源轉換器，所述電源轉換器在輸入電壓的範圍內保持靜態電流的同時增大電壓，從而擴展電路的設計範圍，所述輸入電壓的範圍在放電模式下擴展到最大負電壓的範圍。此外，可執行電池的壽命和安全性測試，而不需要單獨的估計裝置。因此，可解決由於大容量電池的拆卸和移動導致的測試時間的延遲以及由於電池的損害引起的問題。此外，可在單獨的裝置中執行包括過充電測試的二次電池的充電和放電操作，從而確保數據的可靠性。
通過參照以下結合附圖考慮時的詳細描述，本發明的更完整的理解及其隨之而來的許多優點將更加清楚，並且變得更好理解，在附圖中，相同的標號指示相同或相似的組件，其中圖1是示出構造為對比示例的使用雙向DC/DC轉換器的用於二次電池的充放電器的電路圖；圖2是示出圖1的充放電器的等效電路的電路圖；圖3是示出圖1的充放電器的輸出級的電壓特性的曲線圖；圖4是示出構造為根據本發明原理的實施例的用於二次電池的充放電器的電路圖；圖5是示出與構造為根據本發明原理的實施例的充放電器的輸出級連接的二次電池的兩個端子之間施加的電壓的特性曲線的曲線圖6是通過實際測量與構造為根據本發明原理的實施例的充放電器的輸出級連接的二次電池的兩個端子之間施加的電壓而獲得的曲線圖。
具體實施例方式在用於電池的充放電器的系統中，用於測試電池的壽命長度的裝置稱為循環器。 循環器在諸如快速充電/放電轉換條件的環境下在範圍從幾天到幾個月的長的時間段內測試電池。作為結果，估計相應電池的響應和耐久性。在傳統充放電器的過充電測試中，必須添加用於產生負電壓的商業電源以執行測試，直到接近OV的電壓範圍。然而，由於電路的基準電壓等，導致實際上難以實現精確的OV 的電壓電平。具體地講，在雙向開關型的情況下，因為電壓低，所以難以在升壓模式下提升電壓。因此，輸入電壓的範圍是最嚴重的問題。基於這個原因，在用於壽命估計的一般充放電器中，到目前為止通過單獨的裝置或虛擬實驗來執行過充電安全性測試。以下，將參照附圖描述根據本發明的特定示例性實施例。這裡，當將第一元件描述為連接到第二元件時，第一元件不僅可直接連接到第二元件，而且也可通過第三元件間接連接到第二元件。此外，為了清晰，省略了對完整理解本發明來說不是必要的一些元件。此外，相同的標號始終指示相同的元件。將參照圖1和圖2描述構造為對比示例的二次電池的雙向DC/DC轉換器型充放電器。圖1是示出構造為對比示例的充放電器的電路圖。圖2是簡要示出圖1的充放電器的電路圖。該對比示例具有這樣的構造輸入電壓Vl施加到轉換器電路10，轉換器電路10 輸出輸出電壓V2。通過將二次電池連接到輸出輸出電壓V2的輸出級來執行充電和放電。 以下，如果必要，將使用術語「二次電池」或「輸出級」來描述輸出電壓V2。同時，在降壓模式和升壓模式下操作轉換器電路10。在降壓模式下，轉換器電路 10使用反電動勢逐步降低輸入電壓VI，以執行對二次電池V2充電的操作。在升壓模式下， 轉換器電路10逐步提升輸入電壓VI，以執行對二次電池V2放電的操作。將參照圖2對此進行詳細描述。如圖2所示，轉換器電路包括控制器110、脈衝電壓產生器120、電感器Ll和低通濾波器130。以下，使用轉換器電路表示包括脈衝電壓產生器、電感器和低通濾波器，由單獨的控制器來操作脈衝電壓產生器、電感器和低通濾波器。脈衝電壓產生器120是在控制器110的控制下通過脈衝寬度調製(PWM)方法來轉換輸入電源並輸出轉換後的電源的電路。PWM方法控制高電平信號(On)和低電平信號(Off)在一個周期中規則地切換。在這種情況下，通過控制高電平信號對周期的時間比 (即，佔空比)來控制平均輸出電壓或電流。在電源中，通常使用佔空比來控制輸出電壓。從脈衝電壓產生器120產生方波，並將方波提供到電感器Li。同時，電感器Ll中的電流幅值被給定為電壓關於時間的積分值。因此，電感器Ll中的電流具有三角波形狀， 其中，當脈衝電壓產生器120的電壓處於高電壓狀態(即，處於導通狀態)時，該電流以一次函數形式增大，當脈衝電壓產生器120的電壓處於低電壓狀態(即，處於截止狀態)時， 該電流以一次函數形式減小。同時，當在降壓模式下執行逐步下降轉換時，電感器Ll用於產生反電動勢。此外，在減小損耗的同時，電感器Ll與低通濾波器130 —起用於移除交流分量，稍後將描述低通濾波器130。在該對比示例中，低通濾波器130實現為一次低通濾波器。在這種情況下，電容器 Cl並聯連接到二次電池BAT。低通濾波器130用於從輸出電壓移除交流分量。將參照圖3描述構造為該對比示例的用於二次電池的充放電器的輸出級的電壓特性。圖3示出根據該對比示例的充放電器的放電級(S卩，輸出級)中二次電池的端子之間施加的電壓。如上所述，通過脈衝電壓產生器120的操作將根據佔空比的平均電壓輸出到二次電池的正極端。因此，根據該對比示例的單獨的脈衝電壓產生器120，連接到二次電池的輸出級的電壓不能無限地減小，而是收斂到恆定電SV_ref。因此，對於過充電測試，這樣的結構是有缺陷的。即，必須提供單獨的構造，來將施加到連接至輸出級的二次電池的電壓降低到從單獨的轉換器電路10輸出的最小輸出電壓V_ref以下。以下，將描述包括這種結構的實施例。將參照圖4描述構造為根據本發明原理的實施例的用於二次電池的充放電器。圖 4是示出構造為根據本發明原理的該實施例的充放電器的電路圖。構造為該實施例的充放電器包括二次電池、第一轉換器電路100和第二轉換器電路 200。二次電池連接到第一轉換器電路100的輸出級和第二轉換器電路200的輸出級。 在這種連接狀態下，執行二次電池的充電和放電操作。如上所述，第一轉換器電路100包括第一脈衝電壓產生器120、第一電感器Li、第一低通濾波器130和第一控制器110。在該實施例中，如上所述，第一脈衝電壓產生器120基於輸入電壓Vl輸出具有根據第一佔空比的平均電壓。第一脈衝電壓產生器120具有一對金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)Ql和Q2。在這種情況下，M0SFETQ1和Q2可實現為N-溝道增強型M0SFET。 N-溝道增強型MOSFET在控制器的控制下將漏電流限制到零。第一控制器110用於控制第一脈衝電壓產生器120的佔空比。即，第一控制器110 可通過增大MOSFET Ql關於周期的信號比(即，佔空比)來控制根據該實施例的充放電器在充電模式下操作。相反，第一控制器110可通過減小MOSFET Ql關於周期的信號比來控制根據該實施例的充放電器在放電模式下操作。同時，佔空比為零表示第一控制器110使 MOSFET Ql截止並保持MOSFET Q2處於導通狀態。第一控制器110使第一脈衝電壓產生器 120截止，或者第一控制器110控制第一脈衝電壓產生器120處於截止狀態，表示第一控制器110通過保持MOSFET Ql和Q2處於截止狀態來允許第一脈衝電壓產生器120自身處於開路。在這種情況下，第一控制器110控制N-溝道增強型M0SFET，使得電流基本上不流過 MOSFET Ql和Q2，從而獲得第一脈衝電壓產生器120處於開路的效果。第一電感器Ll用於接收以PWM方法輸出的電壓，以輸出積分電流。S卩，如上所述， 第一電感器輸出與通過對電壓關於時間的變化進行積分而獲得的值相應的電流。因此，第一電感器中的電流不能被快速地改變，而是具有連續值。第一電感器Ll將這樣的電流輸出到二次電池BAT的正極端。第一低通濾波器130用於從第一電感器Ll輸出的電流移除交流分量並將移除了交流分量的電流輸出到二次電池BAT的正極端。如上所述，第一低通濾波器130可與第一電感器Ll 一起在減小功率損耗的同時移除交流分量。第一低通濾波器130包括與二次電池BAT串聯連接的電阻器R以及與二次電池BAT並聯連接的電容器Cl。即，考慮到功率損耗等，第一低通濾波器130可實現為一次低通濾波器。第二轉換器電路200具有幾乎與第一轉換器電路100相同的構造。S卩，第二轉換器電路200包括第二控制器210、第二脈衝電壓產生器220、第二電感器L2和第二低通濾波器230。第二轉換器電路200具有與第一轉換器電路100相同的構造和功能。然而，第二轉換器電路200與第一轉換器電路100關於二次電池BAT對稱地設置。第二轉換器電路200 與第一轉換器電路100的不同之處在於來自第二轉換器電路200的電流被輸出到二次電池BAT的負極端。可省略第二低通濾波器230的電阻器。同時，第二控制器210以與第一控制器110相同的方式控制MOSFET Q3和Q4輸出具有根據第二佔空比的平均電壓的脈衝電壓。以下，將參照圖5描述構造為根據本發明原理的實施例的充放電器的充電模式和放電模式。圖5是示出與構造為根據本發明原理的該實施例的充放電器的輸出級連接的二次電池的兩個端子之間施加的電壓的特性曲線的曲線圖。首先，將描述充電模式。充電模式可劃分為靜態電流時間段Tl和靜態電壓時間段 T2。在靜態電流時間段Tl中，在將MOSFET Ql和Q2的佔空比控制為約0. 55或更大時對二次電池BAT充電。S卩，在一個周期的55%中，MOSFET Ql導通，而MOSFET Q2截止；然後，在該周期的剩餘45%中，MOSFET Ql截止，而MOSFET Q2導通。在靜態電壓時間段T2中，在當二次電池BAT的電壓變為特定值或更大時，將MOSFET Ql和Q2的佔空比控制在約0. 5至 0. 55的範圍內時，二次電池BAT的電壓保持恆定。在實際的充放電器中，重複地通過保護電路執行自然放電然後以回復電壓執行充電，使二次電池BAT的電壓保持恆定。在這種情況下，第二控制器210可控制第二脈衝電壓產生器220處於截止狀態，或者可控制第二脈衝電壓產生器220的佔空比為零。在第二控制器210控制第二脈衝電壓產生器220處於截止狀態的情況下，根據該實施例的充放電器可獲得第二轉換器電路200處於開路的效果。即，這種情況與對比示例的情況幾乎相似。同時，在第二控制器210控制第二脈衝電壓產生器220的佔空比為零的情況下，MOSFET Q3處於截止狀態，而MOSFET Q4處於導通狀態。因此，從第二電感器L2來看，第二脈衝電壓產生器220的阻抗具有接近零的值。接下來，將描述放電模式。放電模式可以是兩個時間段。即，放電模式可劃分為第一放電時間段T3和第二放電時間段T4。在第一放電時間段T3中，二次電池BAT主要依賴第一轉換器電路100的功能來放電。在第二放電時間段T4中，二次電池BAT主要依賴第二轉換器電路200的功能來放電。在第一放電時間段T3中，如上所述，在第二轉換器電路200保持截止狀態或者其佔空比被控制為零的狀態下，通過第一轉換器電路100執行放電。即，控制第一轉換器電路 100的佔空比為小於0. 5的值。隨著執行放電，施加到二次電池BAT上的電壓通過上面描述的單獨的轉換器電路收斂到臨界電壓V_ref。當二次電池BAT的電壓足夠地接近於臨界電SV_ref時，執行第二放電時間段T4。 在第二放電時間段T4中，在第一轉換器電路100保持截止狀態或者其佔空比被控制為零的狀態下執行放電。即，控制第二轉換器電路200的佔空比為超過0.5的值。在這種情況下，從第二電感器L2輸出的電流流入二次電池BAT的負極端。即，通過第二轉換器電路200在二次電池BAT的負極端形成高電勢。因此，施加到二次電池BAT上的電壓通過單獨的轉換器電路減小到臨界電之下，並且可下降到最大負電壓的範圍。以這種方式，可執行過充電測試。將參照圖6描述從構造為根據本發明原理的該實施例的電路實際測量的數據。圖6是通過實際測量與構造為根據本發明的實施例的充放電器的輸出級連接的二次電池的兩個端子之間施加的電壓而獲得的曲線圖。從通過構造為該實施例的電路實際測量的結果可以看出，放電電壓下降到最大負電壓-1. 5V。儘管已經結合特定示例性實施例描述了本發明，但是應該理解，本發明不限於公開的實施例，而是相反，本發明旨在覆蓋包括在權利要求及其等同物的精神和範圍內的各種修改和等同布置。
權利要求
1.一種用於二次電池的充放電器，所述充放電器包括二次電池；第一轉換器電路，具有第一脈衝電壓產生器和第一電感器，所述第一脈衝電壓產生器輸出根據第一佔空比的第一脈衝電壓，所述第一電感器將與輸出的第一脈衝電壓關於時間的積分值成比例的第一電流輸出到二次電池的正極端；第二轉換器電路，具有第二脈衝電壓產生器和第二電感器，所述第二脈衝電壓產生器輸出根據第二佔空比的第二脈衝電壓，所述第二電感器將與輸出的第二脈衝電壓關於時間的積分值成比例的第二電流輸出到二次電池的負極端；第一控制器，控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比；以及第二控制器，控制第二脈衝電壓產生器的第二佔空比。
2.根據權利要求1所述的充放電器，其中，在充電模式下，第一控制器控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比為大於0.5的值，並且第二控制器控制第二脈衝電壓產生器處於截止狀態。
3.根據權利要求2所述的充放電器，其中，在充電模式的靜態電流時間段中，第一控制器控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比為大於0. 55的值。
4.根據權利要求3所述的充放電器，其中，在靜態電流時間段之後發生的充電模式的靜態電壓時間段中，當二次電池的兩個端子之間施加的電壓超過預定值時，第一控制器控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比在0. 5至0. 55的範圍。
5.根據權利要求1所述的充放電器，其中，在充電模式下，第一控制器控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比為大於0.5的值，並且第二控制器控制第二脈衝電壓產生器的第二佔空比為零。
6.根據權利要求1所述的充放電器，其中，在放電模式下，第一控制器控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比為小於0.5的值，並且第二控制器控制第二脈衝電壓產生器處於截止狀態。
7.根據權利要求6所述的充放電器，其中，當二次電池的兩個端子之間施加的電壓通過單獨的第一轉換器電路達到最小輸出電壓時，第一控制器控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比為零，並且第二控制器控制第二脈衝電壓產生器的第二佔空比超過0. 5。
8.根據權利要求1所述的充放電器，其中，在放電模式下，第一控制器控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比為小於0.5的值，並且第二控制器控制第二脈衝電壓產生器的第二佔空比為零。
9.根據權利要求8所述的充放電器，其中，當二次電池的兩個端子之間施加的電壓通過單獨的第一轉換器電路達到最小輸出電壓時，第一控制器控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比為零，並且第二控制器控制第二脈衝電壓產生器的第二佔空比超過0. 5。
10.根據權利要求1所述的充放電器，其中，第一脈衝電壓產生器和第二脈衝電壓產生器中的每個包括一對金屬氧化物半導體場效應電晶體，包括在第一脈衝電壓產生器中的一對金屬氧化物半導體場效應電晶體根據由第一控制器控制的第一佔空比周期性地輸出高電壓和低電壓，包括在第二脈衝電壓產生器中的一對金屬氧化物半導體場效應電晶體根據由第二控制器控制的第二佔空比周期性地輸出高電壓和低電壓。
11.根據權利要求10所述的充放電器，其中，金屬氧化物半導體場效應電晶體是N-溝道增強型金屬氧化物半導體場效應電晶體。
12.根據權利要求1所述的充放電器，所述充放電器還包括 第一低通濾波器，設置在第一電感器和二次電池的正極端之間； 第二低通濾波器，設置在第二電感器和二次電池的負極端之間。
13.根據權利要求12所述的充放電器，其中，第一低通濾波器和第二低通濾波器是一次低通濾波器。
全文摘要
本發明公開了一種用於二次電池的充放電器，所述充放電器包括二次電池，連接到充放電器的輸出級；第一轉換器電路，包括第一脈衝電壓產生器和第一電感器，所述第一脈衝電壓產生器輸出根據第一佔空比的第一脈衝電壓，所述第一電感器將與輸出的第一脈衝電壓關於時間的積分值成比例的第一電流輸出到二次電池的正極端；第二轉換器電路，包括第二脈衝電壓產生器和第二電感器，所述第二脈衝電壓產生器輸出根據第二佔空比的第二脈衝電壓，所述第二電感器將與輸出的第二脈衝電壓關於時間的積分值成比例的第二電流輸出到二次電池的負極端；第一控制器，控制第一脈衝電壓產生器的第一佔空比；以及第二控制器，控制第二脈衝電壓產生器的第二佔空比。
文檔編號H02M3/155GK102377209SQ20111009009
公開日2012年3月14日 申請日期2011年4月8日 優先權日2010年8月19日
發明者徐尚鐵, 朱利亞, 白承赫, 表永學, 賽爾吉·瓦西凱夫 申請人:三星Sdi株式會社