система и способ индуктивной зарядки аккумулятора

Формула изобретения

1. Система индуктивной зарядки, содержащая:

первичную цепь, включающую источник мощности, контроллер, электрически связанный с указанным источником мощности, и первичную обмотку, электрически связанную с указанным контроллером, причем указанный контроллер подает мощности с частотой на указанную первичную обмотку от указанного источника мощности;

вторичную цепь, включающуюся вторичную обмотку, индуктивно связанную с указанной первичной обмоткой, цепь обратной связи, электрически связанную с указанной вторичной обмоткой, и аккумулятор, электрически связанный с указанной вторичной обмоткой и подзаряжаемый питанием от нее;

причем указанная цепь обратной связи включает в себя детектор перенапряжения и детектор избыточного тока, выполненные с возможностью управления ключом, причем в ответ на состояние перенапряжения или состояние избыточного тока указанная цепь обратной связи передает сигнал обратной связи указанной первичной цепи через указанную индуктивную связь, путем приведения в действие указанного ключа для направления тока от указанной вторичной обмотки через резистивный элемент для изменения вносимого полного сопротивления указанной вторичной цепи, и

при этом указанный контроллер управляет характеристикой указанной мощности, подаваемой на указанную первичную обмотку, для корректирования указанного состояния перенапряжения или состояния избыточного тока по меньшей мере частично, в ответ на указанный сигнал обратной связи.

2. Система индуктивной зарядки по п.1, включающая в себя детектор обратной связи, электрически связанный с указанной первичной обмоткой, которая генерирует сигнал обнаружения в ответ на обнаружение изменения вносимого полного сопротивления указанной вторичной цепи.

3. Система индуктивной зарядки по п.1, отличающаяся тем, что указанная первичная цепь включает в себя датчик тока, причем в ответ на направление указанного тока через указанный резистивный элемент указанный ток через указанную вторичную обмотку возрастает, вносимое полное сопротивление указанной вторичной цепи изменяется и ток через указанную первичную обмотку возрастает; при этом указанный датчик тока обнаруживает указанный возросший ток в указанной первичной цепи.

4. Система индуктивной зарядки по п.1, в которой указанная характеристика указанной мощности представляет собой частоту.

5. Система индуктивной зарядки, содержащая:

первичную цепь, включающую источник мощности, контроллер, электрически связанный с указанным источником мощности, и первичную обмотку, электрически связанную с указанным контроллером, причем указанный контроллер подает мощности с частотой на указанную первичную обмотку от указанного источника мощности;

вторичную цепь, включающуюся вторичную обмотку, индуктивно связанную с указанной первичной обмоткой, цепь обратной связи, электрически связанную с указанной вторичной обмоткой, и аккумулятор, электрически связанный с указанной вторичной обмоткой и подзаряжаемый питанием от нее;

причем указанная цепь обратной связи передает сигнал обратной связи указанной первичной цепи через указанную индуктивную связь, путем приведения в действие указанного ключа для направления тока от указанной вторичной обмотки через резистивный элемент для изменения вносимого полного сопротивления указанной вторичной цепи, и

при этом указанная первичная цепь включает пиковый детектор, который выдает сигнал обнаружения указанному контроллеру в ответ на обнаружение состояния перенапряжения или состояния избыточного тока; и

при этом указанный контроллер управляет характеристикой указанной мощности, подаваемой на указанную первичную обмотку, для корректирования указанного состояния перенапряжения по меньшей мере частично, в ответ на указанный сигнал обратной связи от цепи обратной связи.

6. Система индуктивной зарядки по п.5, отличающаяся тем, что контроллер регулирует указанную частоту указанной мощности, подаваемой на указанную первичную обмотку, для корректировки указанного состояния перенапряжения или указанного состояния избыточного тока.

7. Система индуктивной зарядки по п.5, отличающаяся тем, что контроллер включает в себя инвертор, причем рабочая частота указанного инвертора уменьшается для сдвига указанной частоты указанной мощности, подаваемой на указанную первичную обмотку, ближе к резонансной частоте указанной первичной цепи, и указанная рабочая частота повышается для сдвига указанной частоты указанной мощности, подаваемой на первичную обмотку, от указанной резонансной частоты указанной первичной цепи.

8. Система индуктивной зарядки по п.7, в которой указанная цепь обратной связи включает участок цепи для изменения вносимого полного сопротивления указанной вторичной цепи.

9. Система индуктивной зарядки по п.7, включающая детектор обратной связи, электрически соединенный с указанной первичной обмоткой, которая генерирует сигнал обнаружения в ответ на обнаружение изменения вносимого полного сопротивления указанной вторичной цепи.

10. Система индуктивной зарядки по п.7, в которой указанной характеристикой указанной мощности является частота.

11. Система индуктивной зарядки по п.5, в которой указанная цепь обратной связи включает участок цепи для изменения вносимого полного сопротивления указанной вторичной цепи.

12. Система индуктивной зарядки по п.5, включающая детектор обратной связи, электрически соединенный с указанной первичной обмоткой, которая генерирует сигнал обнаружения в ответ на обнаружение изменения вносимого полного сопротивления указанной вторичной цепи.

13. Система индуктивной зарядки по п.5, в которой указанной характеристикой указанной мощности является частота.

14. Способ работы системы индуктивной зарядки в соответствии с графиком зарядки, указанная система индуктивной зарядки имеет цепь зарядного устройства с первичной обмоткой, вторичную цепь с вторичной обмоткой и аккумулятором, способ содержит стадии, на которых:

определяют состояние перенапряжения и состояние избыточного тока согласно графику зарядки;

подают мощность на первичную обмотку при некоторой частоте;

получают питание на вторичной обмотке;

заряжают аккумулятор полученным питанием;

генерируют сигнал обратной связи путем приведения в действие ключа для направления тока от указанной вторичной обмотки через резистивный элемент для изменения вносимого полного сопротивления указанной вторичной цепи в ответ на возникшее состояние перенапряжения или состояние избыточного тока;

оценивают сигнал обратной связи от вторичной цепи, поступающий через первичную обмотку и индуктивную связь вторичной обмотки; и

регулируют частоту мощности, поданной на первичную обмотку для корректировки указанного состояния перенапряжения или указанного состояния избыточного тока, в зависимости от сигнала обратной связи от вторичной цепи.

15. Способ работы системы индуктивной зарядки по п.14, отличающийся тем, что цепь зарядного устройства включает в себя колебательный контур с резонансной частотой, и указанная регулировка содержит стадию, на которой:

сдвигают частоту мощности, поданной на первичную обмотку, ближе к резонансной частоте колебательного контура, или сдвигают частоту мощности, поданную на первичную обмотку, дальше от резонансной частоты колебательного контура.

16. Способ работы системы индуктивной зарядки по п.14, отличающийся тем,

что

оценка содержит определение, принят ли сигнал обратной связи от цепи зарядного устройства цепью зарядного устройства; и

регулировка содержит сдвиг частоты мощности, поданной на первичную обмотку, дальше от резонанса в ответ на получение сигнала обратной связи, и

сдвиг частоты мощности, поданной на первичную обмотку, ближе к резонансу в ответ на неполучение сигнала обратной связи по истечении заданного времени.

17. Способ работы системы индуктивной зарядки по п.14, отличающийся тем, что регулировка содержит:

пошаговое перемещение частоты мощности, поданной на первичную обмотку, ближе к резонансу до тех пор, пока не получен сигнал обратной связи;

в ответ на сигнал обратной связи пошаговый сдвиг частоты мощности, приложенной к первичной обмотке, дальше от резонанса до тех пор, пока не перестанет поступать сигнал обратной связи; и подачу мощности на первичную обмотку на отрегулированной частоте в течение времени зарядки.

18. Способ работы системы индуктивной зарядки по п.14, отличающийся тем, что указанная оценка содержит определение тока в цепи зарядного устройства и сравнение определенного тока с заданным порогом.

19. Способ работы системы индуктивной зарядки по п.14, дополнительно содержащий стадии, на которых заряжают аккумулятор за один или несколько циклов зарядки и прекращают зарядку аккумулятора, когда время для завершения одного цикла зарядки меньше минимального времени цикла зарядки.

20. Способ работы системы индуктивной зарядки по п.14, дополнительно содержащий стадии, на которых заряжают аккумулятор за один или несколько циклов зарядки и прекращают цикл зарядки, когда частота мощности, поданной на первичную обмотку, удовлетворяет верхнему или нижнему порогу.

21. Способ работы системы индуктивной зарядки по п.14, отличающийся тем, что оценка содержит стадии, на которых:

подают импульс мощности на первичную обмотку на заданной частоте зондирования;

определяют вносимое полное сопротивление; и

определяют, имеется ли аккумулятор, в зависимости от определенного вносимого полного сопротивления.

22. Переносное электронное устройство с вторичной цепью, имеющей вносимое полное сопротивление, для приема питания от индуктивного зарядного устройства, имеющего первичную обмотку, причем указанное переносное электронное устройство содержит:

вторичную обмотку;

аккумулятор, электрически связанный с указанной вторичной обмоткой и подзаряжаемый питанием от нее; и

цепь обратной связи, электрически связанную с указанной вторичной обмоткой, при этом указанная цепь обратной связи изменяет вносимое полное сопротивление указанной вторичной цепи, для генерации сигнала обратной связи в указанной вторичной обмотке в ответ на состояние перенапряжения или избыточного тока, путем приведения в действие ключа для направления тока от указанной вторичной обмотки через резистивный элемент, при этом сигнал обратной связи обеспечивает характеристику мощности, подаваемой к указанной первичной обмотке для изменения указанного состояния перенапряжения или указанного состояния избыточного тока.

23. Переносное электронное устройство по п.22, отличающееся тем, что указанная цепь обратной связи включает в себя детектор перенапряжения и датчик избыточного тока, выполненные с возможностью управлять ключом;

причем в ответ на состояние перенапряжения или избыточного тока указанный ключ приводится в действие, и ток от вторичной обмотки отводится от указанного аккумулятора через резистивный элемент.

24. Переносное электронное устройство по п.22, в котором указанное состояние перенапряжения и состояние избыточного тока определяются в соответствии с графиком зарядки аккумулятора.

Описание изобретения к патенту

Зарядка аккумуляторов при помощи индуктивного источника питания известна.

Индуктивная зарядка аккумуляторов для электромобилей, а также зарядка небольших электрических аккумуляторов для бытовых приборов, таких как зубные щетки, имела определенный успех. Поскольку индуктивная зарядка не требует физического соединения между аккумулятором и зарядным устройством, зарядка становится значительно более удобной. Однако не все аккумуляторы легко заряжаются индуктивным образом. Один тип таких аккумуляторов - литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion).

Перезарядка литий-ионных аккумуляторов не является столь же прямолинейной, как зарядка других аккумуляторов. Литий-ионные аккумуляторы не способы поглотить избыточный заряд. Если подавать на полностью заряженный литий-ионный аккумулятор постоянный ток, может возникнуть электроосаждение металлическое лития, что может привести к выходу аккумулятора из строя. Таким образом, следует проявлять осторожность, чтобы не допустить избыточной зарядки аккумулятора.

В то же время зарядка литий-ионного аккумулятора до полной емкости представляет некоторую трудность. Максимальное напряжение литий-ионного аккумулятора может быть достигнуто относительно быстро при зарядке посредством подачи к аккумулятору постоянного тока. Однако после достижения на литий-ионном аккумуляторе максимального напряжения, литий-ионный аккумулятор может оказаться неполностью заряженным. Без дальнейшей зарядки аккумулятор будет заряжен лишь приблизительно на 65%. Если непрерывно подавать на аккумулятор постоянный ток после того, как на аккумуляторе установилось максимальное напряжение, то аккумулятор может оказаться избыточно заряженным, что может привести к преждевременному выходу аккумулятора из строя.

Были разработаны обычные зарядные устройства для аккумуляторов для обеспечения полной зарядки литий-ионного аккумулятора. Как правило, в зарядном устройстве для аккумулятора используется схема постоянного тока, постоянного напряжения для зарядки аккумулятора. Разряженный аккумулятор сначала заряжают при постоянном уровне тока в диапазоне от 0,1С до 1С ампер, где С - емкость аккумулятора в ампер-часах, до тех пор пока на аккумулятор не установится требуемое напряжение, равное примерно 4,2 вольта. В этот момент зарядное устройство для аккумулятора переключается в режим постоянного напряжения, обеспечивая достаточную мощность для поддержания аккумулятора при этом окончательном напряжении и при этом обеспечивая дополнительную зарядку аккумулятора.

График зарядки для типичного литий-ионного аккумулятора приведен на Фиг.1. Постоянный ток подается в течение заданного промежутка времени. Во время этой фазы зарядка литий-ионного аккумулятора является в общем постоянной. Для типичного аккумулятора эта фаза длится чуть меньше часа. Литий-ионный аккумулятор в конечном счете показывает постоянное напряжение вблизи предпочтительного значения напряжения еще до получения полного заряда. Затем на литий-ионный аккумулятор подается постоянное напряжение. Приблизительно после часовой зарядки при постоянном напряжении аккумулятор обычно получает полный заряд.

Если зарядка литий-ионного аккумулятора осуществляется не в соответствии с графиком зарядки, приведенным на фиг.1, то существует риск, что аккумулятор будет не полностью заряжен или зарядка повредит аккумулятор.

Зарядка литий-ионного аккумулятора осложняется еще и тем, что аккумулятор зачастую не полностью разряжен перед зарядкой. Если на аккумуляторе остается некоторый остаточный заряд, то оптимальная зарядка может требовать некоторого объема зарядки при постоянном токе, после чего следует зарядка при постоянном напряжении или в альтернативном варианте оптимальная зарядка может требовать лишь зарядки при постоянном напряжении. Для повышения эффективности зарядное устройство для аккумулятора должно обеспечивать механизм компенсации состояния заряда аккумулятора.

Зарядка литий-ионных аккумуляторов является особенно затруднительной при использовании индуктивной зарядки. В индуктивном зарядном устройстве для аккумулятора первичная обмотка, расположенная в зарядном устройстве, подает мощность на индуктивную вторичную обмотку, расположенную в аккумуляторе. Напряжение на вторичной обмотке затем выпрямляется и подается на аккумулятор для подзарядки аккумулятора. Физическое соединение между аккумулятором и зарядным устройством аккумулятора отсутствует. Поскольку между аккумулятором и зарядным устройством для аккумулятора отсутствует физическое соединение, информация о состоянии аккумулятора не является непосредственно доступной для зарядного устройства для аккумулятора.

В то же время переносные устройства должны быть легкими. Таким образом, сложная электрическая схема для контроля зарядового состояния аккумулятора и передачи этой информации индуктивному зарядному устройству повышает стоимость, размеры и вес переносного устройства.

Крайне желательно создать индуктивную систему, выполненную с возможностью заряжать аккумулятор, имеющий уникальный цикл зарядки, при помощи относительно простой схемы, непосредственно соединенной с аккумулятором.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Индуктивная система для подзарядки аккумулятора, такого как литий-ионный аккумулятор, имеющего уникальный цикл заряда, обычно включает в себя цепь зарядного устройства, имеющую первичную обмотку для индуктивной подачи заряжающей мощности, и вторичную цепь для индуктивного приема заряжающей мощности и подачи этой мощности на аккумулятор. Вторичная цепь включает в себя механизм обратной связи для обеспечения обратной связи к цепи зарядного устройства через индуктивную связь первичной обмотки и вторичной обмотки. Цепь зарядного устройства включает в себя механизм управления частотой для управления частотой мощности, подаваемой на первичную обмотку, по меньшей мере, частично в ответ на информацию обратной связи от механизма обратной связи.

В одном варианте выполнения механизм обратной связи включает в себя участок цепи для изменения вносимого полного сопротивления вторичной цепи. В этом варианте выполнения цепь зарядного устройства может включать в себя детектор обратной связи для контроля характеристики мощности в цепи зарядного устройства, которая изменяется, по меньшей мере, частично в ответ на изменение во вносимом полном сопротивлении вторичной цепи. В этом варианте выполнения детектор обратной связи может быть соединен с первичной обмоткой, чтобы контроллер мог контролировать ток через первичную обмотку.

В одном варианте выполнения механизм обратной связи включает в себя детектор перенапряжения или детектор избыточного тока или оба таких детектора. В этом варианте выполнения детекторы могут быть выполнены с возможностью управлять одним или несколькими переключателями, такими как транзисторы. В случае обнаружения во вторичной цепи либо состояния перенапряжения, либо состояния избыточного тока переключатель переводится в положение "включено", и ток с вторичной обмотки шунтируется относительно аккумулятора через резистор. Таким образом, аккумулятор защищен от значительного воздействия состояний перенапряжения или избыточного тока. Механизм обратной связи может быть непосредственно соединен с аккумулятором.

В одном варианте выполнения детектор обратной связи представляет собой датчик тока, соединенный с первичным колебательным контуром. В этом варианте выполнения, когда ток шунтируется через сигнальный резистор обратной связи во вторичной цепи, ток через вторичную обмотку возрастает, что изменяет вносимое полное сопротивление вторичной цепи, что приводит к повышению тока через первичную обмотку. Увеличение тока через первичную обмотку обнаруживается датчиком тока в первичной цепи, который может включать в себя пиковый детектор, и, тем самым, на контроллер подается сигнал обратной связи для того, чтобы обнаружить, что аккумулятор не находится в состоянии перезаряженности или избыточного тока. В одном варианте выполнения механизм управления частотой вносит соответствующие поправки в частоту для коррекции состояния перезаряженности или избыточного тока посредством уменьшения мощности, подаваемой на вторичную обмотку.

В одном варианте выполнения цепь зарядного устройства включает в себя инвертор и колебательный контур. В этом варианте осуществления рабочая частота инвертора уменьшается для смещения частоты мощности, подаваемой на первичную обмотку, ближе к резонансной частоте колебательного контура, тогда как рабочая частота инвертора увеличивается для смещения частоты мощности, подаваемой на первичную обмотку, дальше от резонансной частоты колебательного контура. Было бы в такой же степени возможно выполнить систему так, чтобы повышение частоты инвертора смещало мощность, приложенную к первичной обмотке, ближе к резонансной частоте и, тем самым, повышало передачу мощности, тогда как снижение частоты инвертора смещало бы мощность, приложенную к первичной обмотке, дальше от резонансной частоты колебательного контура и, тем самым, уменьшало бы передачу мощности.

В другом аспекте настоящее изобретение обеспечивает также способ управления индуктивной зарядной системой, имеющей цепь зарядного устройства с первичной обмоткой и вторичную цепь с вторичной обмоткой. Способ, в общем, включает в себя стадии определения, имеется ли во вторичной цепи аккумулятор, и зарядки аккумулятора при помощи одного или циклов заряда. Стадия зарядки обычно включает в себя стадии подачи мощности к первичной обмотке на некоторой частоте, оценки сигнала обратной связи от вторичной обмотки через индуктивную связь между первичной обмоткой и вторичной обмоткой, и коррекции частоты мощности, подаваемой на первичную обмотку, в зависимости от сигнала обратной связи от вторичной обмотки. Таким образом, частота мощности, подаваемой на первичную обмотку, изменяется для оптимизации зарядки аккумулятора. Для полного заряда аккумулятора может потребоваться несколько циклов заряда.

В одном варианте выполнения этот способ используется вместе с цепью зарядного устройства, имеющей колебательный контур. В этом варианте выполнения цикл заряда может включать в себя альтернативные стадии смещения мощности, подаваемой на первичную обмотку, ближе к резонансной частоте колебательного контура, или смещения мощности, подаваемой на первичную обмотку, дальше от резонансной частоты колебательного контура. Цепь зарядного устройства может включать в себя инвертор. В таких вариантах выполнения стадии смещения частоты мощности, подаваемой на первичную обмотку, можно также определить как смещение рабочей частоты инвертора.

В одном варианте выполнения стадия зарядки включает в себя стадии, на которых: подают мощность на первичную обмотку при определенной частоте; определяют, получен ли сигнал обратной связи от цепи зарядного устройства цепью зарядного устройства; и изменяют частоту мощности, подаваемой на первичную обмотку, в зависимости от сигнала обратной связи для повышения или снижения мощности, подаваемой во вторичную цепь. В одном варианте выполнения стадия изменения частоты дополнительно определяется как стадия, включающая стадии, на которых: смещают частоту мощности, подаваемой на первичную обмотку, дальше от резонансной, если принят сигнал обратной связи от механизма обратной связи, или смещают частоту мощности, подаваемой на первичную обмотку, если сигнал обратной связи от механизма обратной связи не принят.

В одном варианте выполнения стадия зарядки, в общем, включает стадии, на которых пошагово смещают частоту мощности, подаваемой на первичную обмотку, ближе к резонансной до тех пор, пока не принят сигнал обратной связи; после получения сигнала обратной связи пошагово смещают частоту мощности, подаваемой на первичную обмотку, дальше от резонанса до тех пор, пока не прекратится прием сигнала обратной связи; и подают мощность на первичную обмотку на этой частоте в течение времени зарядки. Процесс можно повторить. В одном варианте выполнения стадия определения, принят ли сигнал обратной связи, включает в себя стадии, на которых определяют датчиком ток в цепи зарядного устройства и сравнивают определенный ток с заданным порогом.

В одном варианте выполнения способ дополнительно включает в себя стадию, на которой прекращают цикл заряда, когда время для завершения одного цикла заряда меньше минимального времени цикла заряда. Способ может дополнительно включать в себя стадию, на которой прекращают цикл зарядки, когда частота мощности, подаваемой на первичную обмотку, удовлетворяет верхнему и (или) нижнему порогу.

В одном варианте выполнения стадия обнаружения дополнительно включает стадии, на которых: подают импульс мощности на первичную обмотку на заданной частоте зондирования, определяют вносимое полное сопротивление и определяют наличие аккумулятора в зависимости от вносимого полного сопротивления.

Настоящее изобретение обеспечивает простую и эффективную цепь индуктивной зарядки, которая позволяет реализовать нелинейный график зарядки в индуктивной системе при помощи малого числа компонентов. Детекторы избыточного тока и перенапряжения не только обеспечивают обратную связь, используемую для регулирования частоты зарядной мощности, но также защищают аккумулятор от потенциально вредных условий мощности. График зарядки можно легко менять, изменяя число сохраненных значений, которые определяют работу системы. Настоящее изобретение подходит для зарядки переносных электронных устройств, таких как сотовые телефоны, карманные персональные компьютеры, переносные игровые устройства, персональные медиапроигрыватели и другие подобные устройства. В этом контексте вторичную цепь можно включать в состав переносного электронного устройства так, чтобы устройство можно было поместить в непосредственной близости от цепи зарядного устройства для его зарядки, тем самым, устраняя необходимость присоединять устройство к зарядному устройству.

Эти и другие цели, преимущества и признаки изобретения можно будет в полной мере понять и оценить при обращении к описанию текущего варианта выполнения и к чертежам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - график зарядки для типичного литий-ионного аккумулятора;

Фиг.2 - система для индуктивной зарядки аккумулятора;

Фиг.3 - кривая передачи мощности между первичной обмоткой и вторичной обмоткой;

Фиг.4 - принципиальная схема цепи, соответствующей блок-схеме на фиг.2, для цепи зарядного устройства;

Фиг.5 - принципиальная схема цепи, соответствующей блок-схеме на фиг.2, для стороны аккумулятора;

Фиг.6 - выходной сигнал пикового детектора, вызванный повышенным током через вторичную обмотку; и

Фиг.7 - блок-схема последовательности операций для способа работы зарядного устройства аккумулятора.

ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ВАРИАНТА ВЫПОЛНЕНИЯ

На фиг.2 приведена индуктивная зарядная система в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения. Индуктивная зарядная система 4 выполнена с возможностью индуктивной зарядки аккумулятора, имеющего нелинейный график заряда, такого как литий-ионный аккумулятор. В общем виде система 4 включает в себя цепь 6 зарядного устройства и вторичную цепь 8. Цепь 6 зарядного устройства в общем виде включает в себя первичную обмотку 15, регулятор 80 частоты для подачи мощности на первичную обмотку при желательной частоте, и детектор 82 обратной связи для приема обратной связи от вторичной цепи 8. Вторичная цепь 8 в общем виде включает в себя вторичную обмотку 30 для приема индуктивной мощности от цепи 6 зарядного устройства и механизм обратной связи 84 для обеспечения обратной связи с цепью 6 зарядного устройства 6, характеризующей напряжение или ток во вторичной цепи 8. Регулятор 80 частоты изменяет частоту мощности, подаваемой на первичную обмотку 15 в зависимости от обратной связи, поступающей от вторичной цепи 8. Хотя настоящее изобретение описано в отношении зарядки обычного литий-ионного аккумулятора, оно подходит для зарядки аккумуляторов иного типа, в том числе аккумуляторов, имеющих иные графики зарядки.

Как указано выше, цепь 6 зарядного устройства в общем виде включает в себя регулятор 80 частоты, первичную обмотку 15 и датчик 82 обратной связи. В приведенном варианте выполнения регулятор 80 частоты включает в себя контроллер 20, генератор 18, управляющую схему 16 и инвертор 10. В этом варианте выполнения эти компоненты совместно управляют колебательным контуром 12. Более конкретно инвертор 10 подает на колебательный контур 12 мощность переменного тока от источника мощности 14 постоянного тока. Колебательный контур 12 включает в себя первичную обмотку 15. Колебательный контур 12 может быть последовательным резонансным колебательным контуром или параллельным резонансным колебательным контуром. В этом варианте выполнения управляющая схема 16 выдает сигналы, необходимые для управления ключами в инверторе 10. Управляющая схема 16, в свою очередь, работает на частоте, установленной генератором 18. Генератором 18, в свою очередь, управляет контроллер 20. Контроллер 20 может быть микроконтроллером, таким как PIC 18LF1320, или микропроцессором более общего назначения. Хотя в приведенном варианте выполнения компоненты показаны в виде отдельных устройств, управляющая схема 16, генератор 18 могут альтернативно быть объединены и могут быть реализованы в виде модулей в контроллере 20.

В показанном варианте выполнения детектор 82 обратной связи определяет ток в колебательном контуре 12. В процессе работы контроллер 20 использует сигналы от пикового детектора 22 для помощи в определении частоты работы генератора 18 и, следовательно, частоты инвертора 10. Хотя детектор 82 обратной связи приведенного варианта выполнения определяет ток в колебательном контуре 12, могут определяться и другие характеристики мощности в цепи 6 зарядного устройства для получения зарядовой информации в отношении аккумулятора.

Вторичная цепь 8, в общем, включает в себя вторичную обмотку 30, выпрямитель 32 и механизм 84 обратной связи. Вторичная обмотка 30 индуктивным образом принимает мощности от первичной обмотки 15. Выпрямитель 32 обеспечивает подачу мощности постоянного тока для зарядки аккумулятора 34. В этом варианте выполнения механизм 84 обратной связи выполнен с возможностью обеспечения обратной связи, когда ток, подаваемый на аккумулятор 34, превышает пороговое значение или когда напряжение, подаваемое на аккумулятор 34, превышает пороговое значение. Как показано на чертежах, механизм обратной связи этого варианта выполнения, в общем, включает в себя детектор 36 перенапряжения, детектор 40 избыточного тока, схему ИЛИ 38, ключ 42 и резистор 44. Выходной сигнал детектора 36 перенапряжения указывает, превышает ли напряжение на аккумуляторе 34 заданный уровень. Аналогично выходной сигнал детектора 40 избыточного тока указывает, превышает ли ток на аккумуляторе 34 заданную величину. Выход детектора 40 тока, так же как и выход детектора 36 напряжения, соединены с входами схемы ИЛИ 38. Схема ИЛИ 38 может быть отдельной схемой, или она может быть соединительной схемой между выходами датчиков. Выход схемы ИЛИ 38 соединен с ключом 42. Ключ 42 управляется выходным сигналом со схемы ИЛИ 38 и включен последовательно между выпрямителем 32 и резистором 44. Ключ 42 может быть любым подходящим ключом, таким как биполярный транзистор, полевой транзистор или биполярный транзистор с изолированным затвором. Резистор 44 соединен последовательно между ключом 42 и землей.

В процессе работы, если выходной сигнал детектора 36 перенапряжения или детектора 40 избыточного тока указывает на ситуацию перенапряжения или избыточного тока, то выходной сигнал схемы ИЛИ 38 включает ключ 42. Когда ключ 42 включен, ток от выпрямителя 32 течет через резистор 44 на землю.

Поскольку полное сопротивление резистора 44 намного меньше полного сопротивления аккумулятора 34, в резисторе 44 возникает выброс тока, что вызывает выброс тока, текущего по вторичной обмотке 30. Диод 64 не позволяет аккумулятору 34 подавать какой-либо ток, когда ключ 42 включен. Выброс тока через вторичную обмотку 30 создает аналогичный выброс тока в цепи зарядного устройства 6 через первичную обмотку 15. Пиковый детектор 22 обнаруживает выброс тока. Контроллер 20 затем изменяет частоту генератора 18.

В приведенном варианте выполнения первичная обмотка 15 и вторичная обмотка 30 являются слабосвязанными. Поскольку эти две обмотки являются в этом варианте выполнения слабосвязанными, наклон кривой передачи мощности вокруг резонансной частоты является не столь крутым, как если бы обмотки 15, 30 были сильно связаны. Пример кривой передачи мощности для обмоток 15, 30 приведен на фиг.3. В этом варианте выполнения передача мощности максимальна, когда инвертор 10 работает на резонансной частоте. Однако даже если инвертор 10 работает не на резонансной частоте, может иметь место значительная передача мощности, когда инвертор смещен относительно резонанса. Как правило, инвертор 10 работает между частотой А и частотой В. Частота В несколько меньше резонансной частоты. Между частотой А и частотой В кривая передачи мощности может быть кусочно линеаризована при помощи программной таблицы соответствия, расположенной в контроллере 20. Так, уменьшение рабочей частоты инвертора 10 приводит к предсказуемому, в общем, повышению мощности, передаваемой от первичной обмотки 15 к вторичной обмотке 30. Как может быть видно на графике, было бы в равной степени эффективно использовать рабочую частоту меньшей резонансной частоты. В этом случае увеличение рабочей частоты привело бы к повышению передаваемой мощности и наоборот.

На фиг.4 приведена принципиальная схема, соответствующая блок-схеме на фиг.2, для цепи 6 зарядного устройства системы. Пиковый детектор 22 (состоящий из 22А и 22В) последовательно соединен с первичной обмоткой 15 и при помощи трансформатора 50 выдает сигнал, пропорциональный току через первичную обмотку 15. Сигнал выпрямляется диодом 52 и затем используется для зарядки конденсатора 54. Операционные усилители 56, 58 используются для сглаживания сигнала для его дискретизации контроллером 20. Эта частная принципиальная схема является примерной и не предназначена для того, чтобы ограничивать объем изобретения какой-либо определенной конструкцией схемы.

На фиг.5 приведена принципиальная схема для вторичной цепи 8 системы. Как и в случае с принципиальной схемой зарядного устройства на фиг.4, принципиальная схема вторичной цепи на фиг.5 является примерной и не предназначена для того, чтобы ограничивать объем изобретения какой-либо определенной конструкцией схемы. Мощность со вторичной обмотки 30 используется для зарядки конденсатора 60, который, в свою очередь, используется в качестве источника питания для схемы, соединенной с аккумулятором 34. Выпрямитель 32 создает постоянный ток из переменного тока, подаваемого вторичной обмоткой 30. Конденсатор 62 заряжается и служит источником питания постоянного тока для зарядки аккумулятора 34. Блокировочный диод 64 не позволяет аккумулятору 34 разряжаться, когда вторичная обмотка 30 не принимает мощность или когда механизм обратной связи сигнализирует о наличии состояния перенапряжения или избыточного тока.

Если детектор 36 перенапряжения или детектор 40 избыточного тока определяет, что на аккумулятор 34 подается слишком большое напряжение или слишком большой ток, то открывается транзистор 42, тем самым, разряжая конденсатор 62 через резистор 44, что приводит к снижению напряжения на аккумуляторе 34. В этом варианте выполнения вторичная цепь 8 включает в себя блокировочный диод 64, который препятствует току из аккумулятора 34 в конденсатор 62.

Когда ток течет через резистор 44, из вторичной обмотки 30 оттягивается дополнительный ток, что, в свою очередь, приводит к увеличению тока через первичную обмотку 15.

Из-за падения напряжения на конденсаторе 62 напряжение на аккумуляторе 34 падает, как и ток, протекающий через аккумулятор 34. Таким образом, снимается состояние перенапряжения или состояние избыточного тока. Детекторы 36, 40 перестают фиксировать эти состояния, что приводит к закрытию транзистора 42. Промежуток времени между открытием транзистора 42 из-за избыточного тока или перенапряжения и закрытием транзистора вследствие снятия состояния избыточного тока или перенапряжения называется сигнальным временем.

В этом приведенном варианте схемы цепи продолжительностью сигнального времени управляют две RC-цепочки 66, 68, расположенные в цепях детекторов 36, 40. В этом варианте выполнения детектор 36 напряжения выполнен с возможностью наличия гистерезиса приблизительно 80 мВ для уменьшения колебаний, когда напряжение аккумулятора 34 находится вблизи состояния перенапряжения.

Как указано выше, когда транзистор 42 открывается, через вторичную обмотку 30 течет увеличенный ток, что вызывает увеличение тока через первичную обмотку 15. Это увеличение тока обнаруживает пиковый детектор 22. Выходной сигнал пикового детектора, вызванный увеличением тока через первичную обмотку, приведен на фиг.6. Выходной сигнал пикового детектора в приведенных вариантах выполнения возрастает примерно на 1,55 В примерно на 10 мс. Характеристики этого сигнала могут меняться от области применения к области применения в зависимости от характеристик компонентов цепи. Например, можно по своему усмотрению управлять величиной возрастания и длительностью повышенного сигнала.

Контроллер 20 непрерывно снимает отсчеты выходного сигнала пикового детектора 22. При обнаружении внезапного роста выставляется внутренний флажок, называемый FB_флажок. При обнаружении падения FВ_флажок снимается. Однако выставляется также копия FВ_флажка, называемая далее FВ_защелкой. При обнаружении падения FВ_защелка не снимается. Ее может снять только контроллер 20. Поэтому контроллер может периодически проверять FВ_защелку, чтобы определить, возникало ли состояние перенапряжения или состояние избыточного тока за данный промежуток времени. Таким образом, система обеспечивает механизм обратной связи с контроллером.

Пользователь мобильного устройства может убрать устройство от цепи 6 зарядного устройства до того, как оно полностью зарядится. Кроме того, пользователь может поместить устройство в зарядное устройство до того, как аккумулятор полностью разрядится. Для оптимального заряда аккумулятора индуктивное зарядное устройство для аккумуляторов может обнаруживать наличие аккумулятора, а также компенсировать уникальный график зарядки аккумулятора.

На фиг.7 приведена блок-схема последовательности операций для одного варианта выполнения процесса определения, находится ли вторичная цепь 8 вблизи цепи 6 зарядного устройства и оптимальной зарядки аккумулятора, если вторичная цепь 8 наличествует.

Процесс запускается. Стадия 100. Начинается процесс 99 зондирования. Контроллер 20 ждет в течение заданного промежутка времени ИНТЕРВАЛ_ЗОНДИРОВАНИЯ. Стадия 102. По истечении ИНТЕРВАЛА_ЗОНДИРОВАНИЯ контроллер 20 обеспечивает создание инвертором 10 низкочастотного тока на ЧАСТОТЕ_ЗОНДИРОВАНЯ через первичную обмотку 15. Стадия 104. Обнаруживается ток через первичную обмотку 15.

Стадия 106.

При наличии вторичной цепи 8 зондирование, выполняемое цепью 6 зарядного устройства 6, вызовет ток зондирования во вторичной обмотке 30. В процессе зондирования аккумулятор 34 не будет поврежден, даже если он будет полностью заряжен. В этом варианте выполнения зондирование сначала осуществляется на короткой длительности порядка 10-20 миллисекунд, тогда как пауза обычно длится несколько секунд. Кроме того, детектор 36 перенапряжения и детектор 40 избыточного тока направляют при помощи транзистора 42 избыточный ток зондирования через резистор 44, а не через аккумулятор 34.

В этом варианте выполнения величина тока через первичную обмотку на ЧАСТОТЕ_ЗОНДИРОВАНИЯ была заранее экспериментально определена и сохранена в памяти контроллера. Если ток через первичную обмотку 15 приблизительно равен заранее определенному первичному току без нагрузки (стадия 108), то вторичная цепь 8 отсутствует во вторичной цепи 8. ФЛАЖОК_ЗАРЯЖЕНО снимается. Стадия 109. Система ожидает истечения следующего ИНТЕРВАЛА_ЗОНДИРОВАНИЯ, прежде чем начать процесс заново.

Если ток, текущий через первичную обмотку 15, не равен приблизительно заранее определенному первичному току без нагрузки, то вторичная цепь 8 присутствует.

Затем проверяется ФЛАЖОК_ЗАРЯЖЕНО. Стадия 111. ФЛАЖОК_ЗАРЯЖНО показывает, заряжен ли аккумулятор полностью. Если ФЛАЖОК_ЗАРЯЖЕНО не выставлен, то начинается процесс зарядки.

Частота инвертора установлена контроллером 20 в значение НАЧАЛЬНАЯ_ЧАСТОТА. Стадия 110. Затем система выполняет задержку на заданный промежуток времени для устранения переходных процессов. Стадия 112.

Затем контроллер 20 определяет, был ли принят рассмотренный выше сигнал обратной связи. Если не был, то частота уменьшается на величину ЧАСТОТА. Стадия 116. В этом варианте выполнения снижение частоты сдвигает систему в направлении резонанса и, тем самым, увеличивает мощность, передаваемую от цепи 6 зарядного устройства к аккумулятору 34.

Значение ЧАСТОТА может быть константой или его можно определить из таблицы соответствия, проиндексированной по рабочей частоте инвертора, имеющей место в тот момент, когда применяется ЧАСТОТА. Значения, выбранные для ЧАСТОТА, могут зависеть от частоты и выбираться таким образом, чтобы при уменьшении или увеличении рабочей частоты на величину ЧАСТОТА соответствующее увеличение или уменьшение тока было примерно одинаковым при всех значениях ЧАСТОТА для всех рабочих частот. Например, если цепь 6 зарядного устройства работает вблизи резонансной частоты колебательного контура 12, то уменьшение рабочей частоты на 100 Гц существенно увеличит ток через колебательный контур 12. Если же цепь 6 зарядного устройства работает относительно далеко от резонанса, то изменение на 100 Гц не приведет к существенному увеличению тока через первичную цепь. Поэтому значение ЧАСТОТА можно выбрать так, чтобы создать приблизительно одинаковое изменение первичного тока при низкой частоте или при высокой частоте.

Затем частота сравнивается со значением Мин_ЧАСТОТА. Стадия 118. Мин_ЧАСТОТА - это заданная минимальная рабочая частота для инвертора. Вообще говоря, Мин_ЧАСТОТА несколько больше резонансной частоты колебательного контура 12. Если частота меньше или равна значению Мин_ЧАСТОТА, то контроллер 20 возвращается к зондированию. В противном случае контроллер 20 ждет в течение заданного промежутка времени (Стадия 112) и затем проверяет наличие сигнала обратной связи. Стадия 114.

Таким образом, пока сигнал обратной связи не обнаружен контроллером 20, частота инвертора 10 постоянно уменьшается, чтобы сделать максимальной передачу мощности аккумулятору 34.

Если сигнал обратной связи обнаружен, то передачу мощности к аккумулятору 34 нужно уменьшить. Поэтому частота увеличивается на величину, равную двойному значению ЧАСТОТА, которое вновь можно получить из таблицы соответствия. Стадия 122. Частота сравнивается со значением Макс_ЧАСТОТА. Стадия 124. Макс_ЧАСТОТА - это заданное значение, указывающее максимальную частоту работы инвертора. Если частота превысит заданную максимальную частоту Макс_ЧАСТОТА, то цепь 6 зарядного устройства возвращается к процессу 99 зондирования. В противном случае контроллер 20 ждет (стадия 126) и затем проверяет наличие сигнала обратной связи. Стадия 128.

Если сигнал обратной связи был обнаружен, то частота инвертора вновь уменьшается на двойное значение ЧАСТОТА. Стадия 122. Затем процесс продолжается. С другой стороны, если сигнал обратной связи не обнаружен, то система ждет, и при этом на первичную обмотку 15 подается текущая частота. Стадия 130. Долгая задержка зарядки 130 обычно намного больше задержек на стадии 112 или стадии 126. Долгая задержка зарядки позволяет передать аккумулятору 34 значительное количество энергии.

Таким образом, поскольку заряд на аккумуляторе 34 возрос и обнаружен сигнал обратной связи, то система постепенно увеличивает рабочую частоту инвертора 10, тем самым, снижая передачу энергии аккумулятору 34. Увеличение рабочей частоты продолжается до тех пор, пока не перестанут приниматься сигналы обратной связи, и тогда мощность подается на аккумулятор 34 в течение длительного промежутка времени, давая возможность аккумулятору зарядиться до максимума.

Вернемся к стадии 124. Если рабочая частота больше значения Макс_ЧАСТОТА, то контроллер 20 сравнивает ВРЕМЯ_ЗАРЯДКИ с МИН_ВРЕМЯ_ЗАРЯДКИ. Стадия 132. ВРЕМЯ_ЗАРЯДКИ - это длительность предыдущего цикла зарядки, тогда как МИН_ВРЕМЯ_ЗАРЯДКИ - минимальное желательное время для цикла зарядки. Если ВРЕМЯ_ЗАРЯДКИ меньше МИН_ВРЕМЯ_ЗАРЯДКИ, то аккумулятор 34 считается полностью заряженным, и выставляется ФЛАЖОК_ЗАРЯЖЕНО. Стадия 134. Дополнительно может включиться светодиод, чтобы сообщить пользователю о полной зарядке аккумулятора 34.

Система может быть выполнена с возможностью реагирования на сбои. В одном варианте выполнения контроллер 20 может включать в себя счетчик, который возрастает на единицу всякий раз, когда случается полный цикл зарядки без генерации сигнала обратной связи. Когда значение счетчика превысит заданное максимальное число сбоев, система входит в состояние неотменяемого сбоя. В этом случае контроллер 20 может отключить управляющий сигнал или может вызывать быстрое мигание красного светодиода. В этом варианте выполнения цепь 6 зарядного устройства может только быть возвращена в рабочее состояние повторной подачей питания на зарядное устройство. А именно цепь 6 зарядного устройства 6 необходимо отключить от внешнего источника питания.

Кроме того, если обратная связь уводит частоты выше заданной безопасной частоты, обозначаемой БЕЗОПАСНАЯ_ЧАСТОТА_ЗАПУСКА, то устанавливается минимальная частота БЕЗОПАСНАЯ_МИНИМАЛЬНАЯ_ЧАСТОТА. Если же алгоритм уводит ее ниже этого уровня, система продолжает зондирование обычным образом. Если в системе возникает сбой, то наступает состояние сбоя, и цепь 6 зарядного устройства будет заблокирована до тех пор, пока цепь 6 зарядного устройства не будет отключена от питания и повторно подключена.

Хотя настоящее изобретение описано в отношении варианта выполнения, в котором для генерации сигнала обратной связи используются изменения полного сопротивления вторичной цепи (например, в результате изменений активного сопротивления) для генерации сигнала обратной связи, настоящее изобретение не ограничивается методикой обратной связи приведенного варианта выполнения. Настоящее изобретение может для генерации сигнала обратной связи использовать, в частности, изменения активного, емкостного и (или) индуктивного сопротивления в последовательных или параллельных конфигурациях.

Вышеприведенное описание является описанием существующих вариантов выполнения изобретения. Могут быть внесены различные модификации и изменения без отхода от сущности и объектов изобретения в их широком понимании.