專利名稱：電池充電器和充電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及電池充電器和充電方法。
背景技術(shù)：
便攜式電動(dòng)工具、戶外工具以及某些廚房及家用電器的電池組可能包括可再充電電池，如鋰、鎳鎘、鎳金屬氫化物以及鉛酸電池，這樣它們可以被再充電而不是被替換掉。因此節(jié)省很大成本。
但是用戶仍然面臨許多問(wèn)題。通常地，用戶發(fā)現(xiàn)電池會(huì)自放電，并且就在想使用該裝置的時(shí)候還需要再充電，在大多數(shù)情況下再充電需要費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。
一個(gè)解決辦法是提供維持充電系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，在兩次使用之間將電池放在恒定充電狀態(tài)下。假如用戶在使用之后沒(méi)有將電池放回充電狀態(tài)下，甚至連該系統(tǒng)也是沒(méi)有用的；另外，實(shí)際上大多數(shù)維持充電系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致電池隨時(shí)間而慢慢變質(zhì)。
解決上述所有問(wèn)題的方法是提供一個(gè)足夠快速的充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在最短的可能時(shí)間內(nèi)可靠地將電池充電到滿電荷而又不會(huì)產(chǎn)生任何損壞。雖然現(xiàn)有技術(shù)充滿這樣的企圖，也就是提供一個(gè)良好的快速充電系統(tǒng)，但是還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出滿意的系統(tǒng)?，F(xiàn)在大多數(shù)的快速充電系統(tǒng)要求非常特殊的條件，如能接受快速充電系統(tǒng)輸出的非常昂貴的電池。甚至在這些特殊條件下，也還存在對(duì)電池或充電器損壞的危險(xiǎn)。另外，現(xiàn)有快速充電技術(shù)并沒(méi)有正確地向電池充電。依據(jù)使用的終端模式，我們已知的所有快速充電技術(shù)對(duì)電池充電要么過(guò)充要么欠充，任何一種情況都會(huì)導(dǎo)致電池逐漸變質(zhì)并過(guò)早損壞。
原有技術(shù)失敗的部分原因是由于不能夠精確地指示電池滿充；這是由于要么現(xiàn)有技術(shù)選擇正確指示模式的失敗，要么是由于這樣的事實(shí)，既使選擇了合理的良好指示器，但是電池充電的要求實(shí)際上是隨單個(gè)電池單元的化學(xué)特性、單個(gè)電池單元的歷史情況和周圍環(huán)境溫度而變化的。這樣，甚至為特定的電池類型選擇了非常合理指示模式，該指示模式實(shí)際上可能只為一些具有理想特性的電池單元，并且只有電池單元在正確周圍環(huán)境溫度下充電提供準(zhǔn)確指示。
例如，以前快速充電系統(tǒng)的主要類別依賴于溫度截止點(diǎn)來(lái)終止快速充電模式。但是，這些系統(tǒng)遇到幾個(gè)困難由于恒定重復(fù)的高溫條件，它們可能會(huì)損壞電池，甚至在理論設(shè)計(jì)接受高溫而特別制造(和昂貴的)電池單元中；這樣的系統(tǒng)因?yàn)榕c帶有缺陷的電池單元一起使用可能會(huì)不安全；在較高周圍環(huán)境溫度條件下，實(shí)際上它們并沒(méi)有將電池充電到滿容量；充電效率比較低，因而系統(tǒng)很浪費(fèi)；在較低的周圍環(huán)境溫度下，電池由于冒煙或可能的爆炸而可能被自毀。
現(xiàn)有技術(shù)快速充電系統(tǒng)的另一個(gè)主要類別依賴于電壓截止點(diǎn)。但是，在很多種包括鎳-鎘電池的系統(tǒng)中，由于隨溫度一起產(chǎn)生較大電壓變化，或者是由于電池單元的歷史或單個(gè)電池單元的特性，這種終止模式是不可靠的。這樣，電壓截止點(diǎn)系統(tǒng)使電池冒煙而損壞。除了在非常理想的條件下之外，它永遠(yuǎn)不會(huì)將電池充電到電池的滿容量。
現(xiàn)有技術(shù)快速充電終止的第三個(gè)主要類別是依據(jù)簡(jiǎn)單的時(shí)間過(guò)程。但是，該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性依賴于電池在充電開(kāi)始時(shí)是一種假定的充電狀態(tài)。但是很可能不是這種情況，并且電池將會(huì)過(guò)充或欠充。
最新使用的其他多數(shù)充電方法是根據(jù)一種或多種上述技術(shù)結(jié)合的技術(shù)。雖然這些結(jié)合的技術(shù)避免了一些問(wèn)題，但是至少還有一些問(wèn)題是存在的。即使最好的快速充電系統(tǒng)也要求有昂貴的電池單元結(jié)構(gòu)；但是附加的成本僅僅用于延遲由充電系統(tǒng)引起的電池變質(zhì)。
一種最新技術(shù)，由美國(guó)專利號(hào)4,052,656的專利說(shuō)明，是尋找對(duì)于給定的電池，電壓-時(shí)間曲線的斜率為0的點(diǎn)。但是，即使這種技術(shù)也遇到了一些困難；它可能檢測(cè)到電壓斜率是0的另外一個(gè)點(diǎn)，但是在該點(diǎn)上只是部分充電；另外，即使它正確地位于接近滿充電的0斜率點(diǎn)上，可本質(zhì)上也會(huì)使電池過(guò)充，并且由于發(fā)熱而使電池變質(zhì)。
一般地，多數(shù)電池充電系統(tǒng)包含上述技術(shù)中的一種或另一種技術(shù)，并且會(huì)遇到以上列舉的一個(gè)或多個(gè)缺陷。確實(shí)是這樣的，盡管最普遍為人所知的電池充電器設(shè)計(jì)是僅使用一種類型電池，并且一般地只用那種特定類型的所選數(shù)量的電池單元。能將各種各樣不同的電池，這些電池包含不同數(shù)量的電池單元或不同類型的幾個(gè)電池，精確而又快速地達(dá)到滿充，這種概念完全超出了現(xiàn)在電池充電技術(shù)的情況。
美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?,392,101和4,388,582(以下稱為“薩爾(Saar)專利”)的申請(qǐng)中揭示了對(duì)這些問(wèn)題的解決方案。特別地，薩爾專利根據(jù)充電曲線的拐點(diǎn)揭示了一種新方法。
在鎳鎘電池的再充電過(guò)程中，如果將漸增的電池電壓畫(huà)成時(shí)間的函數(shù)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了一條非常典型的曲線。圖1表示在恒定電流充電周期中得到的一條這種類型的典型曲線。通過(guò)畫(huà)出電壓恒定充電周期中電流對(duì)時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，可以得到一條相似的典型曲線，并且，如果電壓不保持恒定，電流也不保持恒定，就還會(huì)產(chǎn)生一種可復(fù)制的形式。該曲線可以被分成多個(gè)顯著的區(qū)域，如加在這條曲線的垂直線之間的羅馬數(shù)字所示。雖然這條曲線受限于電壓或時(shí)間具體值的變化，但是，對(duì)包含一個(gè)或多個(gè)電池單元的鎳鎘電池來(lái)說(shuō)，總的形式是相似地，并且以下的討論將等同地應(yīng)用于這樣的電池中。
圖1中的區(qū)域I代表了充電周期先開(kāi)始時(shí)電壓變化的初始階段。在該區(qū)域中，根據(jù)電池的初始充電值、其充電或放電的歷史等等，該電壓服從顯著的變化。由于該區(qū)域的形狀是可變化的，因此在圖1中用虛線表示。
因?yàn)閰^(qū)域I的信息是變化的，最好忽略該段曲線。電池一般在頭30秒到60秒的充電時(shí)間內(nèi)完全穿過(guò)區(qū)域I而進(jìn)入?yún)^(qū)域II；一般地，區(qū)域I中的電壓和周期從初始的儲(chǔ)藏電壓相對(duì)快速地增大，但是在這個(gè)區(qū)域中可能出現(xiàn)的短峰值沒(méi)有什么害處。
隨著電池接近更穩(wěn)定的充電時(shí)間段，它將進(jìn)入標(biāo)明區(qū)域II的曲線部分。區(qū)域II可能是一段相當(dāng)長(zhǎng)的幾乎沒(méi)有或沒(méi)有電壓增加的持續(xù)時(shí)間。在這段時(shí)間中，將發(fā)生充電過(guò)程中多數(shù)內(nèi)部化學(xué)變化。當(dāng)活性材料的很大部分已經(jīng)轉(zhuǎn)換后，電池將開(kāi)始接近滿充，并且電壓也開(kāi)始更快速地增大。在曲線上從電壓增大的漸減速率到電壓增大的漸增速率的拐點(diǎn)A，被識(shí)別為從區(qū)域II到區(qū)域III的轉(zhuǎn)換。
區(qū)域III的特征在于隨著越來(lái)越多的活性材料被轉(zhuǎn)換到充電狀態(tài)，出現(xiàn)了相對(duì)快速的電壓增大。隨著電池更接近滿充，也就是當(dāng)其活性材料中大概有90％到95％已經(jīng)發(fā)生了化學(xué)變化，開(kāi)始放出氧氣。這將引起內(nèi)部壓力的增加，還有電池單元溫度的增加。由于這些效果，電池電壓的快速增長(zhǎng)開(kāi)始變緩，并且在曲線上出現(xiàn)了另一個(gè)拐點(diǎn)。這第二個(gè)拐點(diǎn)B被識(shí)別為區(qū)域III和區(qū)域IV之間轉(zhuǎn)換點(diǎn)，即點(diǎn)B。
在區(qū)域IV內(nèi)，活性材料的最后部分被轉(zhuǎn)換成被滿充電池的化學(xué)成分。同時(shí)，由于氧氣從已經(jīng)變化的材料中放出，內(nèi)部壓力增加了，發(fā)熱促使電壓增大速率放緩，直到電壓穩(wěn)定在某個(gè)峰值上一段較短時(shí)間。這被指定為區(qū)域IV和區(qū)域V之間的轉(zhuǎn)換。
在區(qū)域V中，如果繼續(xù)充電，那么隨著實(shí)際上所施加的能量被轉(zhuǎn)化成熱量，由附加的發(fā)熱的原因，電壓開(kāi)始降低，并且電池電壓負(fù)溫度系數(shù)引起電壓降低。在該區(qū)域中繼續(xù)施加充電能量將最終導(dǎo)致電池?fù)p壞，要么冒煙，要么損壞隔離物(separator)。
如前所述，該曲線的相對(duì)時(shí)間持續(xù)段、斜率或任意部分的值都可以通過(guò)這樣的因素如電池的初始溫度、電池的充電和放電歷史、電池單元的特定制造特性和個(gè)體特性等而被修改。但是，在任何沒(méi)有缺陷的鎳鎘電池中，并且該鎳鎘電池是在恒定的、相對(duì)較高的電流下從充分放電狀態(tài)充電到滿充狀態(tài)，該曲線的主要方面以及其區(qū)域中每一個(gè)的主要方面都將是可以確定的。
在薩爾專利中揭示的充電方法基本上涉及精確識(shí)別特定電池充電過(guò)程及相應(yīng)控制充電電流的施加。當(dāng)具體應(yīng)用于鎳鎘電池時(shí)，薩爾專利的方法涉及到通過(guò)識(shí)別后續(xù)的或隨后的區(qū)域III和區(qū)域IV之間的拐點(diǎn)來(lái)識(shí)別區(qū)域II和區(qū)域III之間的拐點(diǎn)。一旦這兩個(gè)拐點(diǎn)被識(shí)別出來(lái)，就能確認(rèn)它們的出現(xiàn)是精確地按順序的，并且只有到這時(shí)，如果希望的話電池充電電流才可以不連續(xù)或減小到一個(gè)維持或充滿(topping)模式，并且完全保證電池已經(jīng)到滿充狀態(tài)，而不管它的溫度、歷史或單個(gè)電池單元的特性。由于這種確定的準(zhǔn)確性，該方法甚至能應(yīng)用于這樣的電池，即構(gòu)造上只與涓流(trickle)充電器一起使用的電池。
薩爾專利還揭示了第二種派生電壓符號(hào)隨時(shí)間的變化。具體地說(shuō)，區(qū)域II的特征在于電壓電荷的斜率或速率隨時(shí)間遞減。對(duì)于一個(gè)完全放電的電池，區(qū)域II構(gòu)成充電周期的絕大部分，而大部分這個(gè)時(shí)間段上的電壓以相對(duì)低的速率增加。隨著電池接近滿充，該電壓再次開(kāi)始增加到更快的程度。這樣，在進(jìn)展中已經(jīng)變得越來(lái)越小的斜率又開(kāi)始變大。這可以解釋為一個(gè)拐點(diǎn)或第二種派生電壓符號(hào)隨時(shí)間的變化。這樣，我們就在指示電池接近滿充狀態(tài)下，出現(xiàn)第一個(gè)符號(hào)上的這種變化。
在區(qū)域III的過(guò)程中，隨著電池接近滿充，電壓-時(shí)間曲線的斜率越增越大。在或者接近滿充電點(diǎn)上，在區(qū)域III和IV之間出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)換，在此處斜率停止增加并隨著向區(qū)域IV的進(jìn)展而減為越來(lái)越小的值。在第二種派生電壓-時(shí)間曲線的符號(hào)中再次出現(xiàn)一個(gè)變化。這個(gè)在區(qū)域IV上減少的斜率表示實(shí)際上電池單元中所有活性材料已經(jīng)變成了被充電的狀態(tài)，并且進(jìn)入電池單元中的能量正開(kāi)始變換為熱量而不繼續(xù)充電過(guò)程。這樣，希望在電壓時(shí)間曲線的區(qū)域IV的前部和中部終止充電過(guò)程。
在第二種派生電壓-時(shí)間曲線的符號(hào)中，兩種上述所說(shuō)明的變化是充電過(guò)程中鎳鎘和其他電化學(xué)電池單元的特性。它們提供了一種電池充電狀態(tài)的唯一和可靠的指示。因此，薩爾專利方法的一個(gè)特別重要方面是使用第二種派生電壓-時(shí)間曲線符號(hào)中這些可觀察的變化來(lái)確定什么時(shí)候終止電池的充電。
但是，薩爾專利并不是萬(wàn)能的。實(shí)際上，薩爾專利說(shuō)明了“在一些情況下，適合于正常條件的拐點(diǎn)技術(shù)可能是不夠的，例如，如果電池被損壞了或有缺陷，或者如果用戶疏忽對(duì)滿充電的電池充電”。
一種可能的情況是當(dāng)在電池組中一個(gè)“休眠”的電池單元在充電過(guò)程開(kāi)始后某個(gè)時(shí)間被“喚醒”。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，電池充電器將不會(huì)注意到電池電壓的突然增加，這種電池電壓的突然增大就是熟知的“電壓階躍”C，如圖2所示。
在這樣的情況下，充電器可能將電壓階躍C的開(kāi)始即點(diǎn)CP1解釋為第一個(gè)拐點(diǎn)，即在該點(diǎn)上電壓增大的漸減速率變化為電壓增大的漸增速率。進(jìn)一步，充電器可能將電壓階躍C的結(jié)束即點(diǎn)C2解釋為第二個(gè)拐點(diǎn)，即在該點(diǎn)上電壓增大的漸增速率變化為電壓增大的漸降速率。在薩爾專利的方法中，由于充電器發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)拐點(diǎn)，所以不久之后就使它停止充電，即使電池組還沒(méi)有被滿充電。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種改進(jìn)的電池充電器方法。該充電方法包括步驟向電池組充電，感測(cè)電池組的電壓，計(jì)算電壓變化速率，只要沒(méi)有檢測(cè)到電壓階躍，就根據(jù)電壓變化速率檢測(cè)第一個(gè)拐點(diǎn)，只要沒(méi)有檢測(cè)到電壓階躍，就根據(jù)電壓變化速率檢測(cè)第二個(gè)拐點(diǎn)，以及當(dāng)?shù)谝粋€(gè)和第二個(gè)拐點(diǎn)被檢測(cè)到后，減小發(fā)送到電池組的電流。
依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種向電池充電的充電設(shè)備，該設(shè)備包括電流源，用于向電池組提供電流；以及控制器，與電流源連接并控制電流源，其中所述控制器進(jìn)行下列操作(a)感測(cè)電池組電壓，(b)計(jì)算電壓變化速率，(c)只要沒(méi)有檢測(cè)到電壓階躍，就根據(jù)電壓變化速率檢測(cè)第一個(gè)拐點(diǎn)，(d)只要沒(méi)有檢測(cè)到電壓階躍，就根據(jù)電壓變化速率檢測(cè)第二個(gè)拐點(diǎn)，以及(e)當(dāng)?shù)谝粋€(gè)和第二個(gè)拐點(diǎn)都被檢測(cè)到后，減少發(fā)送到電池組的電能。
依據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，還提供了一種向電池充電的方法，該方法包括步驟提供電流源，用于向電池組提供電流，該電流源具有一個(gè)安培數(shù)額定；重復(fù)地使電流源脈動(dòng)以向電池組提供脈動(dòng)電流，其中該脈動(dòng)電流的脈沖具有第一個(gè)預(yù)定時(shí)間周期的接通時(shí)間，以及第二個(gè)預(yù)定時(shí)間周期的關(guān)斷時(shí)間；其中第一個(gè)預(yù)定時(shí)期周期大約在5毫秒和250毫秒之間。
下面將說(shuō)明本發(fā)明另外的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，并且從下述附圖和詳細(xì)說(shuō)明中將會(huì)很清楚這些特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。


本文的附圖示出了按照本發(fā)明原理的實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)選實(shí)施例，在這些附圖中圖1表示在鎳鎘電池組充電周期中電壓作為時(shí)間函數(shù)變化的示意圖；圖2表示在鎳鎘電池組充電周期中，其中發(fā)生了電壓階躍，電壓作為時(shí)間函數(shù)變化的示意圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明的充電過(guò)程的流程圖；圖4表示在充電過(guò)程的均衡部分過(guò)程中，電壓和電流作為時(shí)間函數(shù)變化的示意圖；圖5表示在充電過(guò)程的維持部分中，電壓和電流作為時(shí)間函數(shù)變化的示意圖；圖6表示電池組和充電器的電路示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，其中相同的數(shù)字表示相同的部分。薩爾專利方法觀點(diǎn)作為參考一并列于此。
一般的電池組和充電器如圖6所示。在該圖中，電池組10連接到充電器20上。電池組10可以包括多個(gè)串聯(lián)和/或并聯(lián)的電池單元11，這些電池單元規(guī)定了電池組10的電壓和存儲(chǔ)的容量。電池組10還可以包括單個(gè)電池觸點(diǎn)第一個(gè)電池觸點(diǎn)12，第二個(gè)電池觸點(diǎn)13和第三個(gè)電池觸點(diǎn)14。電池觸點(diǎn)12是電池組10的B+(正)端。電池觸點(diǎn)14是B-或負(fù)/公共端。電池觸點(diǎn)13是S或感測(cè)端。電池觸點(diǎn)12和14是接收從充電器20(最好從電流源22來(lái)，如下討論的)發(fā)送的充電電流，來(lái)向電池組10充電。
如圖6所示，電池單元11連接在電池觸點(diǎn)12和14之間。另外，最好有一個(gè)溫度傳感裝置15連接在電池觸點(diǎn)13和14之間，如負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電阻或熱電阻RT。溫度傳感裝置最好更靠近在電池單元11附近以監(jiān)視電池的溫度。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)出其它如電容器等元件或電路可用于提供代表電池溫度的信號(hào)。
電池組10還可以包括一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)中所熟知的識(shí)別器，這樣充電器20可識(shí)別電池組的類型和容量，并以進(jìn)行充電。
充電器20最好包括一個(gè)控制器21，控制器21反過(guò)來(lái)又包括正端(B+)16和負(fù)端(B-)17，這兩端通過(guò)電池觸點(diǎn)12和14分別連接到電池組10上。正端還可以用作輸入，最好是模擬/數(shù)字輸入，以便控制器21檢測(cè)電池組電壓。另外，控制器21可以包括另一個(gè)輸入TC，最好是模擬/數(shù)字輸入，通過(guò)第三個(gè)電池觸點(diǎn)13(S)連接到溫度傳感裝置15上。這樣使控制器21監(jiān)視電池溫度。
控制器21還包括一個(gè)控制充電和監(jiān)視操作的微處理器23?？刂破?1可以控制一個(gè)充電電源，向電池組10提供電能，如向電池組10提供電流的電流源22。該電流可以是快速充電電流、均衡電流和/或維持電流。電流源22可以集成在控制器21的內(nèi)部。
控制器21還可以包括一個(gè)保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器26。存儲(chǔ)器26可以集成在控制器21和/或微處理器23內(nèi)部。
控制器21還可以包括一個(gè)用于保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器棧25。存儲(chǔ)器棧25最好是一個(gè)先進(jìn)先出(FIFO)數(shù)據(jù)棧，如下所述，用于保存電壓數(shù)據(jù)。棧25最好具有保存16個(gè)值的足夠空間。棧25可以集成在控制器21和/或微處理器23內(nèi)部。
充電器20及其內(nèi)部元件包括控制器21、微處理器23和電流源22，從電源24中接收必要的電能，電源24可以連接在汽車電池、發(fā)電機(jī)或AC插座上。電源24可以將從汽車電池、發(fā)電機(jī)或AC插座上接收的電能轉(zhuǎn)換為不同元件的必要電能需求，如現(xiàn)有技術(shù)中所熟知的那樣。
基本上，為了避免由于電壓階躍C而錯(cuò)誤地終止充電過(guò)程，最好為薩爾專利充電過(guò)程提供一種檢測(cè)電壓階躍然后修正保存的數(shù)據(jù)的方法，這樣控制器21不會(huì)登記錯(cuò)誤的拐點(diǎn)。
圖3表示實(shí)施這樣一個(gè)過(guò)程。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)可下面討論的步驟是可以改變的。
當(dāng)用戶(ST1)將一個(gè)電池組插入充電器時(shí)，充電過(guò)程就開(kāi)始了，因此，從電流源22來(lái)的快速充電電流被送到電池組10中?？焖俪潆婋娏髯詈檬谴蠹s2.5Amps。
當(dāng)電流被送到電池組10時(shí)，存儲(chǔ)器棧被初始化(ST2)。因此，在棧25中的所有存儲(chǔ)器槽被置為0。
另外，可能保存于存儲(chǔ)器26中的變量MSLOPE，可以置為一個(gè)較高的值，如999等(ST3)。如下所述，MSLOPE可以表示充電過(guò)程不同時(shí)間中電壓曲線的最小或最大斜率。
如上所提到的，控制器21可以感測(cè)電池組電壓(ST4)。這可通過(guò)正端B+來(lái)完成。然后感測(cè)電壓被保存于棧25(ST5)。這兩個(gè)步驟在充電過(guò)程開(kāi)始可以執(zhí)行幾次，以便向棧25裝載電壓值。
然后，控制器21檢查保存在棧25中的次新電壓值(V1)是否等于(或不等于)0(ST5A)。如果V1是0，那么，控制器21可能需要感測(cè)另一個(gè)電壓值(ST4)，并將其保存于棧25(ST5)。
然后，控制器21將最新電壓值(V0)與保存在棧25(ST6)中的次新電壓值(V1)進(jìn)行比較。如果這兩個(gè)電壓之間的差值大于預(yù)定閾值Z，那么將出現(xiàn)電壓階躍。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)可所比較的電壓可不必是伏特值，如2.3伏特等。因?yàn)殡妷褐悼梢酝ㄟ^(guò)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換輸入，電壓值就可以由A/D的計(jì)數(shù)值表示。通過(guò)如模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的輸入(10位到12位)的大小等等，可以確定A/D計(jì)數(shù)值和伏特值之間的等同。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將知道如何確定與它們實(shí)際裝置相關(guān)的等同。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還將認(rèn)可閾值Z應(yīng)該選得比較高，以避免正常充電曲線的誤觸發(fā)，并且還應(yīng)該足夠低以識(shí)別出電壓階躍。因此，應(yīng)該將閾值Z設(shè)置為一個(gè)電池單元值(為或大約為1.0伏特到為或大約為1.4伏特)與這樣的電池單元值(為或大約為0.33伏特)的1/3之間。最好將閾值Z設(shè)置為大約0.50伏特。
假定閾值Z低于一個(gè)電池單元值是有優(yōu)點(diǎn)的，這是因?yàn)樗鼘?huì)識(shí)別出電壓階躍，即使當(dāng)發(fā)生電壓階躍時(shí)感測(cè)到電池組電壓。換句話說(shuō)，如果控制器21在電壓階躍當(dāng)中測(cè)量電池組，將會(huì)發(fā)現(xiàn)電池組電壓出現(xiàn)大約0.50伏而不是1.4伏的跳躍。通過(guò)將閾值Z設(shè)置得足夠低，控制器21就會(huì)識(shí)別出這樣的電壓跳躍是電壓階躍。
如果識(shí)別出電壓階躍，那么棧25最好被初始化為0，而MSLOPE最好被置為一個(gè)較高的值(ST2，ST3)。因此，重新開(kāi)始感測(cè)來(lái)防止控制器21識(shí)別出第一個(gè)拐點(diǎn)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以認(rèn)可控制器21可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)顯示器(未示出)來(lái)顯示出錯(cuò)信息和/或表示電池組可能有缺陷。
如果沒(méi)有識(shí)別出電壓階躍，那么，控制器21可以檢查保存于棧25中最舊的電壓值(V15)是否等于(或不等于)0(ST6A)。如果V15等于0，那么，控制器21可能還需要感測(cè)另一個(gè)電壓值(ST4)，并將其保存在棧25(ST5)中。
如果V15不是0，那么，整個(gè)棧是滿的。然后可以計(jì)算電壓曲線的斜率(ST7)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)可這樣的斜率可以采用不同的方法計(jì)算。一種方法是比較棧25中最新的八個(gè)電壓讀數(shù)之和與在棧25中最舊的八個(gè)電壓讀數(shù)之和。換句話說(shuō)，斜率＝(V0+V1+V2+V3+…+V7)-(V8+V9+V10+V11+…+V15)這樣的算法對(duì)噪聲不敏感，因?yàn)樗ㄟ^(guò)計(jì)算一段較長(zhǎng)時(shí)間段中的斜率，有效地得出平均值讀數(shù)，而不是由兩個(gè)立即讀數(shù)計(jì)算斜率。
在計(jì)算了斜率之后，控制器21可以將計(jì)算的斜率與MSLOPE比較(ST8)。如果該斜率小于MSLOPE，那么，MSLOPE被設(shè)置為等于所計(jì)算的斜率(ST9)。采用這種方法，MSLOPE有效地保持跟蹤最小的斜率。
不管所計(jì)算的斜率是否小于MSLOPE，控制器21都可以檢查所計(jì)算的斜率是否等于和/或大于帶有預(yù)定閾值X的MSLOPE之和(ST10)。如果不是，控制器21繼續(xù)充電并感測(cè)電池組電壓(ST4)。
但是，如果計(jì)算的斜率等于和/或大于帶有預(yù)定閾值X的MSLOPE之和，這就被解釋為第一個(gè)拐點(diǎn)A，即在電壓曲線從電壓增大的漸減速率到電壓增大的漸增速率的點(diǎn)。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)可閾值X最好根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。在優(yōu)選實(shí)施例中，閾值X對(duì)于10位模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)被設(shè)置為20個(gè)A/D計(jì)數(shù)值，它大約等于33mV/分?？闪硗膺x擇的是，閾值X對(duì)于12位模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)可以被設(shè)置為45個(gè)A/D計(jì)數(shù)值，它大約等于24mV/分。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)可以設(shè)置不同值來(lái)代替這些值。
由于在電壓曲線下一部分中快速的電壓增大，最好加快斜率的計(jì)算。這可能利用在斜率計(jì)算中較小的電壓讀數(shù)來(lái)完成，如下討論。因此，控制器可以“切開(kāi)”棧25，這樣，代替使用所有十六個(gè)槽，它僅使用八個(gè)槽(ST11)?？蛇x擇地，棧25可能不必切開(kāi)。相反，控制器21僅僅忽略八個(gè)最舊保存的電壓值。
另外，控制器21可以將MSLOPE設(shè)置為0(ST12)，這樣，MSLOPE就可以保存最大(或最大值)的斜率。
如前所述，控制器21可以感測(cè)電池組電壓(ST13)。這可以通過(guò)正端B+完成。然后被感測(cè)的電壓保存于棧25(ST14)。
控制器21可以檢測(cè)保存在棧25中的次新電壓值(V1)是否等于(或不等于)0(ST14A)。如果V1是0，那么，控制器21還可能需要感測(cè)另一個(gè)電壓值(ST13)，并將它保存于棧25(ST14)。
如果V1不是0，那么控制器21可以將最新的電壓值與保存在棧25中的以前的電壓值(V1)比較(ST14)。如果在兩個(gè)電壓讀數(shù)之間的差大于預(yù)定的閾值Z’，那么，就已經(jīng)出現(xiàn)了電壓階躍。最好地，在這個(gè)步驟中的閾值Z’等于ST6中的Z。上述討論的相同原則可以運(yùn)用于此。但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到也可以不這樣做。
如果識(shí)別出電壓階躍，那么，棧25最好被初始化為0(ST16)，MSLOPE最好設(shè)置為0(ST12)。因此，重新開(kāi)始感測(cè)以防止控制器21識(shí)別出第二個(gè)拐點(diǎn)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以認(rèn)可控制器21可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)顯示器(未示出)來(lái)顯示出錯(cuò)信息，和/或表示電池組10可能有缺陷。
如果沒(méi)有識(shí)別出電壓階躍，那么，控制器21可以檢查保存在棧25中最舊的電壓值(V7)是否等于(或不等于)0(ST15A)。如果V7等于0，那么，控制器21可能還需要感測(cè)另一個(gè)電壓值(ST13)，并將其保存在棧25(ST14)中。
如果V7不是0，那么，棧25完全填滿了電壓值。然后就可以計(jì)算電壓曲線的斜率(ST17)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)可這樣的斜率可以采用不同的方法計(jì)算。一種方法是比較棧25中最新的四個(gè)電壓讀數(shù)之和與在棧25中最舊的四個(gè)電壓讀數(shù)之和。換句話說(shuō)，斜率＝(V0+V1+V2+V3)-(V4+V5+V6+V7)在計(jì)算了斜率之后，控制器21可以將計(jì)算的斜率同MSLOPE比較(ST18)。如果該斜率大于MSLOPE，那么，MSLOPE被設(shè)置為等于所計(jì)算的斜率(ST19)。采用這種方法，MSLOPE有效地保持跟蹤最大(最大值)的斜率。
不管所計(jì)算的斜率是否大于MSLOPE，控制器21可以檢查所計(jì)算的斜率是否等于和/或小于MSLOPE與預(yù)定閾值Y的差值(ST20)。如果不是，控制器21繼續(xù)充電并感測(cè)電池組電壓(ST13)。
但是，如果計(jì)算的斜率等于和/或小于MSLOPE與預(yù)定閾值Y的差值(ST20)，這就被解釋為第二個(gè)拐點(diǎn)B，即電壓曲線上電壓增大的漸增速率到電壓增大的漸減速率的點(diǎn)。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)可閾值Y最好根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。在優(yōu)選實(shí)施例中，閾值X對(duì)于10位模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)被設(shè)置為3個(gè)A/D計(jì)數(shù)值，它大約等于20mV/分?？蛇x擇地，閾值X對(duì)于12位模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)可以被設(shè)置為7個(gè)A/D計(jì)數(shù)值，它大約等于13mV/分。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)可，可以設(shè)置不同值來(lái)代替這些值。
因?yàn)檫@樣已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)拐點(diǎn)，于是充電器20可以停止快速電流充電，而開(kāi)始均衡充電(ST21)。該步驟將幫助均衡電池組10中所有電池單元11的電壓。電流源22最好是脈沖形式的，使得它不會(huì)向電池組10發(fā)送滿電流。圖4表示電池組上的電流脈沖及效果。選擇電流開(kāi)關(guān)的周期長(zhǎng)度以便依據(jù)下述方程向電池組10提供希望的輸出電流IO＝(tON/(tON+tOFF))I，其中，IO是向電池組10的有效輸出電流，tON是電流脈沖的接通時(shí)間，tOFF是電流脈沖的關(guān)斷時(shí)間，即周期的剩余部分，I是脈動(dòng)前的安培數(shù)。
因此，在2.5A的充電器(即I＝2.5A)中，如果tON和tOFF分別是1秒和24秒，那么，有效輸出電流將是100mA。一般地，有效輸出電流在83mA和100mA之間，另外，這樣的電流脈沖將繼續(xù)一個(gè)預(yù)定時(shí)間段，通常是大約2個(gè)小時(shí)。
當(dāng)這樣預(yù)定的時(shí)間段過(guò)去后，最好進(jìn)入維持充電階段(ST22)。這個(gè)階段的目的是維持電池組10充電，直到從充電器20上去掉。在這個(gè)階段中，電流再次脈動(dòng)到電池組10上，這樣電流源22不向電池組10發(fā)送滿電流。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果均衡階段的電流脈動(dòng)是無(wú)限連續(xù)的，電池組10就可能被損壞。如圖4所示，當(dāng)電池組10接收電流脈沖時(shí)，電池電壓增加。因?yàn)殡娏髅}沖較長(zhǎng)接通時(shí)間，電池組電壓很快爬升到電壓平均值VA以上，如破折線所示。這就可能在電池單元上產(chǎn)生超時(shí)損壞。
因此，希望縮短電流脈沖的接通時(shí)間，這樣電池組電壓就不會(huì)爬升這么很。如圖5所示，較短的電流脈沖不會(huì)引起電池電壓象均衡階段爬升那么很(在均衡階段的電壓峰值如破折線所示)。
最好電流周期的接通和關(guān)斷時(shí)間是受控制的，使得輸出電流保持在大約1mA和大約100mA之間。但是，這些周期不能太小，因?yàn)檫@會(huì)產(chǎn)生電感等問(wèn)題。
因此，發(fā)現(xiàn)電流脈沖接通時(shí)間的最好范圍是在大約5ms和大約250ms之間。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)知道使用前面所討論的方程，以便為了獲得希望的輸出電流而計(jì)算合適的關(guān)斷時(shí)間。對(duì)于一個(gè)2.5Amp的充電器，接通和關(guān)斷時(shí)間最好分別是10ms和240ms。
因此，這樣的維持階段脈動(dòng)可以是無(wú)限連續(xù)的，而不損壞電池組10。然后，當(dāng)電池組10被從充電器20上去掉時(shí)，或在一個(gè)預(yù)定時(shí)間段過(guò)去后，充電過(guò)程就可以結(jié)束。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)以對(duì)這里討論的方法做其他的增加或替換。但是，所有這些增加和/或替換被認(rèn)為是本發(fā)明等效物。
權(quán)利要求
1.一種向電池充電的方法，該方法包括步驟向電池組發(fā)送電能；感測(cè)電池組電壓；計(jì)算電壓變化速率；只要沒(méi)有檢測(cè)到電池組電壓階躍，就根據(jù)電壓變化速率檢測(cè)第一個(gè)拐點(diǎn)；只要沒(méi)有檢測(cè)到電池組電壓階躍，就根據(jù)電壓變化速率檢測(cè)第二個(gè)拐點(diǎn)；當(dāng)?shù)谝粋€(gè)和第二個(gè)拐點(diǎn)被檢測(cè)到后，減少發(fā)送到電池組的電能。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述減少步驟包括減少發(fā)送到電池組的電流。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中所述電池組至少具有一個(gè)電池單元，該電池單元具有一個(gè)電壓額定。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中要檢測(cè)的電池組電壓階躍小于至少一個(gè)電池單元的電壓額定。
5.如權(quán)利要求3的方法，其中要檢測(cè)的電池組電壓階躍小于至少一個(gè)電池單元的電壓額定的50％。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中發(fā)送步驟包括向電池組發(fā)送電流。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中感測(cè)步驟包括在存儲(chǔ)器棧中保存電壓值。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中所述電池組電壓階躍是通過(guò)比較存儲(chǔ)器棧中連續(xù)電壓值來(lái)檢測(cè)的。
9.如權(quán)利要求7的方法，其中如果檢測(cè)到電池組的電壓階躍，則存儲(chǔ)器棧將被初始化。
10.如權(quán)利要求1的方法，其中第一個(gè)拐點(diǎn)是通過(guò)將電壓變化速率與最小電壓變化速率比較來(lái)檢測(cè)的。
11.如權(quán)利要求1的方法，其中第二個(gè)拐點(diǎn)是通過(guò)將電壓變化速率與最大電壓變化速率比較來(lái)檢測(cè)的。
12.如權(quán)利要求1的方法，還包括均衡充電步驟，在該步驟中均衡電池組中單個(gè)電池單元的電壓。
13.如權(quán)利要求1的方法，還包括維持充電步驟，在該步驟中維持電池組電壓。
14.一種向電池充電的充電設(shè)備，該設(shè)備包括電流源，用于向電池組提供電流；以及控制器，與電流源連接并控制電流源，其中所述控制器進(jìn)行下列操作(a)感測(cè)電池組電壓，(b)計(jì)算電壓變化速率，(c)只要沒(méi)有檢測(cè)到電壓階躍，就根據(jù)電壓變化速率檢測(cè)第一個(gè)拐點(diǎn)，(d)只要沒(méi)有檢測(cè)到電壓階躍，就根據(jù)電壓變化速率檢測(cè)第二個(gè)拐點(diǎn)，以及(e)當(dāng)?shù)谝粋€(gè)和第二個(gè)拐點(diǎn)都被檢測(cè)到后，減少發(fā)送到電池組的電能。
15.如權(quán)利要求14的設(shè)備，其中所述電池組至少具有一個(gè)電池單元，該電池單元具有一個(gè)電壓額定。
16.如權(quán)利要求15的設(shè)備，其中要檢測(cè)的電池組電壓階躍小于至少一個(gè)電池單元的電壓額定。
17.如權(quán)利要求15的設(shè)備，其中要檢測(cè)的電池組電壓階躍小于至少一個(gè)電池單元的電壓額定的50％。
18.如權(quán)利要求14的設(shè)備，還包括一個(gè)連接到控制器用于保存感測(cè)電壓值的存儲(chǔ)器棧。
19.如權(quán)利要求18的設(shè)備，其中所述電池組電壓階躍是通過(guò)比較存儲(chǔ)器棧中連續(xù)電壓值來(lái)檢測(cè)的。
20.如權(quán)利要求18的設(shè)備，其中如果檢測(cè)到一個(gè)電池組的電壓階躍，就初始化存儲(chǔ)器棧。
21.如權(quán)利要求14的設(shè)備，其中第一個(gè)拐點(diǎn)是通過(guò)將電壓變化速率與最小電壓變化速率比較來(lái)檢測(cè)的。
22.如權(quán)利要求14的設(shè)備，其中第二個(gè)拐點(diǎn)是通過(guò)將電壓變化速率與最大電壓變化速率比較來(lái)檢測(cè)的。
23.如權(quán)利要求14的設(shè)備，其中所述控制器控制電流源，以便向電池組發(fā)送均衡電流，使得電池組中單個(gè)電池單元的電壓均衡。
24.如權(quán)利要求14的設(shè)備，其中所述控制器控制電流源以向電池組發(fā)送維持電流，以便保持電池組的電壓。
25.一種向電池充電的方法，該方法包括步驟提供電流源，用于向電池組提供電流，該電流源具有一個(gè)安培數(shù)額定；重復(fù)地使電流源脈動(dòng)以向電池組提供脈動(dòng)電流，其中該脈動(dòng)電流的脈沖具有第一個(gè)預(yù)定時(shí)間周期的接通時(shí)間，以及第二個(gè)預(yù)定時(shí)間周期的關(guān)斷時(shí)間；其中第一個(gè)預(yù)定時(shí)期周期大約在5毫秒和250毫秒之間。
26.如權(quán)利要求25的方法，其中脈動(dòng)電流的有效輸出電流在大約1毫安和大約100毫安之間。
27.如權(quán)利要求26的方法，其中電流源的安培數(shù)額定大約為2.5安培。
28.如權(quán)利要求26的方法，其中第二個(gè)預(yù)定時(shí)間周期由下列方程確定tOFF＝tON(I/IO)-tON，其中IO是脈動(dòng)電流的有效輸出電流，tON是第一個(gè)預(yù)定時(shí)間周期，tOFF是第二個(gè)預(yù)定時(shí)間周期，以及I是電流源的安培數(shù)額定。
29.如權(quán)利要求25的方法，其中第一個(gè)預(yù)定時(shí)間周期安培數(shù)額定大約是10毫秒。
30.如權(quán)利要求29的方法，其中第二個(gè)預(yù)定時(shí)間周期安培數(shù)額定大約是240毫秒。
31.如權(quán)利要求25的方法，其中電流源的電流強(qiáng)度增長(zhǎng)速率大約是2.5amps。
32.如權(quán)利要求25的方法，其中第二個(gè)預(yù)定時(shí)間周期大約是240毫秒。
33.如權(quán)利要求32的方法，其中電流源的安培數(shù)額定大約為2.5安培。
34.如權(quán)利要求32的方法，其中第一個(gè)預(yù)定時(shí)間周期大約是10毫秒。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種充電方法及相應(yīng)的充電設(shè)備，包括步驟向電池組充電，感測(cè)電池組電壓，計(jì)算電壓變化速率，只要沒(méi)有檢測(cè)到電壓階躍就根據(jù)電壓變化速率檢測(cè)第一個(gè)拐點(diǎn)，只要沒(méi)有檢測(cè)到電壓階躍就根據(jù)電壓變化速率檢測(cè)第二個(gè)拐點(diǎn)，以及當(dāng)檢測(cè)到第一個(gè)和第二個(gè)拐點(diǎn)后，減小發(fā)送到電池組的電流。
文檔編號(hào)H02J7/10GK1441511SQ0310676
公開(kāi)日2003年9月10日 申請(qǐng)日期2003年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月28日
發(fā)明者丹·T·特林, 保羅·S·懷特, 丹尼爾·C·布羅托 申請(qǐng)人:布萊克和戴克公司