专利名称：电池充电方法
技术领域：
本发明涉及一种可再充电电池的充电和监测方法。
用于便携式电动工具和一些厨房和家用器具的无绳电源的一些优点已经导致了电源组或电池组，即所包含的一组电池，其尺寸范围的广泛发展。这些电池可包括镍镉电池(NiGd)、镍金属氢化物电池(NiMH)、锂电池、或铅酸电池等。
图2表示在充电期间电池的典型电压和温度曲线。如电压曲线V所示，电池的电压典型地不会线性上升。而是直到到达区域A时电池电压才上升，这时电池电压缓慢上升。然后，电池电压迅速增加直到达到电压峰值B。电池充满电刚好发生在电压峰值B之前。
如果该充电处理不结束的话，那么电池将会过充电，这很可能使电池损坏。如电压曲线V所示，当电池过充电时，电池电压也会降低。
在充电过程中，电池温度也会变化。图2还表示在充电之前电池温度在室温附近时电池充电的典型温度曲线T。如温度曲线T所示，电池温度在到达区域A或以后时开始升高。然后温度持续升高直到终止充电过程。如果当电池充满电时不停止充电过程的话，电池将会过充电，并由此会由于温度的升高而损坏。因此，电池温度和电池电压通常会作为充满电状态的标志而加以监测。
在电压监测方法之中，优选采用美国专利号4,388,582和4,392,101中所述的Saar双偏差终止(double inflection termination)方法，用以检测电池达到充满电。然而，在双偏差方法避免了已完全放电的电池过充电的同时，该方法对于已经充满或基本充满的电池则难以处理，该电池也未表示，如NiMH电池，该电池压低电压曲线。
典型采用的其他电压监测方法是(1)负增量(minus-delta)电压方法，(2)峰值检测方法，和(3)电压斜率检测方法。在负增量电压方法中，可将电池峰值电压的取样加以储存，并与最近的电压进行比较。当最近的电压降到设置点以下时，通常在0.5％和1.0％储存的峰值电压之间的范围内，或每个电池大约为10-20毫伏，会出现终止。
峰值检测方法要比负增量电压方法更加现代一些。基本上，采用了相同的方法，只是通过使用更加精确的仪器将设置点设置的更加接近于峰值。然而，这两种方法会造成电池的过充电，从而降低电池的寿命。
斜率检测方法是另一种电压监测方法。按照该方法，电压峰值B可通过计算电压曲线V的斜率或电压变化率(dV/dt)而进行检测。当电压变化率为0或负时，会终止。该方法还会使电池过充电，从而降低电池的寿命。
然而，斜率检测方法还具有另一缺点。采用该方法，使区域A会因小的斜率而与电压峰值B混淆。这将使充电过程终止，从而导致充电不足。
电流温度检测方法也有问题。所使用的温度检测方法典型地为(1)绝对温度终止，和(2)温度变化率终止。绝对温度终止依赖于当电池充满电时出现的温度升高。采用该方法，当电池温度达到一定温度时充电过程将停止。然而，由于最大温升通常出现在电池充满电以后和过充电期间，因此电池的寿命和性能会受到不利影响。
温度变化率终止方法需要检测电池充电过程中电池温度的变化斜率，或温度变化率(dT/dt)。当温度变化率达到和/或超过一预定速率时则终止。换句话说，当达到和/或超过断开点(trip point)时则终止。然而，选择适当的断开点是个问题，尤其是在环境温度改变的情况下。因此，该方法会使电池充电不足或过充电。
最好是提供一种不会导致使电池充电不足或过充电的充电和监测方法。
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种使可再充电电池充电和监测的方法。该充电方法包括使可再充电电池充电，检测所述电池的温度，并且计算温度的变化率。该方法进一步包括在温度变化率达到预定值以后检测所述电池的电压，计算电压的变化率，并且当电压变化率达到预定值时降低传送给电池的电流。
同样地，该充电方法可包括使可再充电电池充电，检测所述电池的温度和电压，并且计算温度和电压的变化率。该方法还包括在温度变化率达到预定值后检测最大电压变化率，并且当检测到最大电压变化率时降低传送给电池的电流。另外，该方法可包括在检测最大变化率之前检测最小电压变化率，其中检测最大变化率将在温度变化率达到预定值以后或在检测到最小电压变化率以后开始。
本发明的其他特征和优点将参照附图进行详细描述，相信通过下列描述将使本发明更加清楚。
附图示出了按照本发明原理实际应用的本发明优选实施例，其中
图1是按照本发明方法使电池充电的电路示意图；图2是一曲线图，其表示在充电过程中图1电池的电压和温度曲线；图3是一流程图，其表示按照本发明的监测和充电过程；和图4是另一流程图，其表示按照本发明的另一监测和充电过程。
现在将参照附图来描述本发明，其中同样标号表示同样部分。然而，下面所公开的装置只是用于进行实施的描述，所述方法还可以通过其它电池充电器组合来完成。另外，Saar的美国专利号4,388,582和4,392,101的所有公开内容均可结合到本说明书中作参考。参见图1，电池10可与充电器20连接。电池10包括一个或多个电池单元11，其表示电池10的电压和储存容量。
电池10包括三个电池充电触点第一电池触点12，第二电池触点13，和第三电池触点14。电池触点12为电池10的B+(正端)。电池触点13为B-或地(ground)端。电池触点14为S或检测端。
如图1所示，电池单元11连接在电池触点12和13之间。另外，在触点13和14之间所连接的是温度检测装置，如负温度系数(NTC)电阻，或热敏电阻，RT。温度检测装置可用于监测电池的温度。本技术领域的专业人员将会认识到，其它元件如电容器等，或电路均可用于提供表示电池温度的信号。
充电器20包括正和负(B+和B-)端，其通过电池触点12和13而与电池10连接。正端还起着模拟/数字输入A/DINPUTV的作用，以便检测电池电压。另外，充电器20包括模拟/数字输入A/DINPUTT，其通过第三电池触点14(S)与电池10连接。由此使充电器20可监测电池的温度。
图3是在所述方法中所包含的不同步骤流程图。第一步(ST1)开始充电过程。充电器20将电流传送给电池，以便使电池再充电。充电器20通过其A/D输入而获得原始或起始电池温度T0(ST2)。充电器20将持续监测和存储电池温度(ST3)，以便计算温度的变化率(dT/dt)(ST4)。
然后，充电器20检查是否温度变化率等于或超过了预定温度变化率X(ST5)。变化率X通常进行经验选择，以保证当达到变化率X时电池电压处于区域A和电压峰值B之间，如图2所示。例如，用于许多电池的适当变化率的引发(change rate trigger)将在每分钟0.1和2度(degree)之间，对于NiCd电池来说，在每分钟0.5和1.2度(degree)之间的范围是优选的范围。如果没有达到预定变化率X的话，充电器20会将原始温度T0设定为最后检测的温度T(ST6)，检测新的电池温度T(ST3)并计算温度变化率(ST4)。充电器20将继续该过程直到达到预定变化率X。
一旦达到预定变化率X，充电器20将检测原始或初始电池电压V0(ST7)。充电器20将持续监测并存储电池电压(ST8)，以便计算电压的变化率(dV/dt)(ST9)。然后，充电器20检查是否电压变化率等于或小于预定电压变化率Y(ST10)。例如，预定电压变化率可以为每分钟约0伏，使得可确定电压峰值B。然而，本技术领域的专业人员将会认识到，可选择其它的变化率，如小的正变化率，这将使充电过程在达到电压峰值B之前终止，从而保证了电池将不会过充电。因此，预定电压变化率Y最好是每节电池每分钟小于0.2毫伏，并且最好是在每节电池每分钟(per cell per minute)0.1和0.0毫伏之内。
一旦达到预定电压变化率Y，充电过程将通过降低传送到电池的电流而减慢(ST12)。最好是降低电流，使得电池得到维护充电或降低充电(参见Saar的美国专利号4,388,582和4,392,101)。然后，维护充电电流在一定时间周期以后完全被切断。尽管如此，本技术领域的专业人员仍将认识到，如果一旦达到预定电压变化率Y而不将电流传送给电池的话，电流实际上会降低。
如果还未达到预定变化率Y时，充电器20将设置原始电压V0为最后检测的电压V(ST11)，检测新的电池电压V(ST8)，并且计算电压变化率(ST9)。充电器20将持续该过程直到达到预定电压变化率Y。
本技术领域的专业人员将会认识到，上述过程可以并行地来进行，即充电器20将在同时而不是顺序地进行电压和温度的比较。
图4是在所述方法的另一实施例中包含的不同步骤的流程图。第一步(ST20)是开始充电过程。如上所述，充电器20将传送电流给电池，以便使电池再充电。充电器20可获得原始或起始电池温度T0和原始或起始电压V0(ST21)。然后，充电器20将原始或起始电压变化率dV/dt(0)设置为等于数值M。数值M可为高数值，并且实际上最好是非实际高值。
充电器20持续地监测和存储电池的温度和电压(ST23)，以便计算温度变化率(dT/dt)(ST24)。然后，充电器20检查是否温度变化率等于或超过预定温度变化率X(ST25)。如上所述，温度变化率X通常可经验地加以选择，以便保证在达到变化率X时电池的电压将处于区域A和电压峰值B之间，如图2所示。例如，用于许多电池的适当变化率的引发将在每分钟0.1和2度(degree)之间，对于NiGd电池来说，每分钟0.5和1度之间的范围是优选范围。
如果没有达到预定温度变化率X的话，充电器20可计算电压变化率(dV/dt)(ST26)。充电器20将检查是否电压变化率等于或小于原始电压变化率(ST27)。如果是的话，充电器20将原始电压变化率设置为等于该电压变化率(ST28)。由此，当最后电压变化率大于原始电压变化率时，充电器20将再进行检测，如此来识别是否已经达到最小变化率(其将为图2中的邻近点L)。然后，充电器20持续地检测电池温度和电压(ST23)，并且检查是否已经达到预定温度变化率X。
如果已经达到预定温度变化率X的话，或如果已经达到最小电压变化率的话，那么充电器20将开始检测最大电压变化率。由此，充电器20将原始电压变化率设置为等于最后电压变化率(ST29)。然后，充电器20检测电池电压(ST30)，并计算电压变化率(ST31)。
充电器20可检查是否电压变化率等于或大于原始电压变化率(ST32)。如果是这样的话，充电器将持续地将原始电压变化率设置为等于最后电压变化率(ST29)，检测电池电压(ST30)，并比较电压变化率(ST31和ST32)，直到最后电压变化率小于原始变化率。当满足该条件时，就检测到和识别出该最大电压变化率(通常在图2的点H附近)，通知相对靠近电压峰值B。
为了防止电池的过充电，最好是通过降低传送给电池的电流而使充电过程变慢(ST33)。还有，最好是降低电流，使得电池可接收到维护充电(maintenance charge)(参见Saar的美国专利号4,388,582和4,392,101)。然后在一定时间周期以后完全切断维护充电电流。尽管如此，本技术领域的普通专业人员仍将会认识到，如果不将电流传送给电池的话，一旦检测到最大电压变化率，电流将会有效地降低。
本技术领域的专业人员对于所述的装置或步骤将认识到其它的可替换或附加的装置。例如，可以按照监测和充电的方法来实现电平阈值，以便避免根据信号噪声、未示出的测量等而进入到下一步骤。然而所有这些附加的和/或替换装置均被认为是本发明的等价物。
权利要求
1.一种使可再充电电池充电的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤使可再充电电池充电；检测所述电池的温度；计算温度的变化率；当温度的变化率达到第一预定值以后，检测所述电池的电压；计算电压的变化率；和当电压变化率达到第二预定值时，降低传送给该电池的电流。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，该电流降低步骤包括了不传送任何电流给电池。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一预定值是在每分钟约0.1度和2度之间。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一预定值是在每分钟0.5度和1度之间。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，该第二预定值小于每节电池0.2毫伏。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，该第二预定值小于每节电池0.1毫伏。
7.一种使可再充电电池充电的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤使可再充电电池充电；检测所述电池的温度和电压；计算温度和电压的变化率；当温度的变化率达到第一预定值以后，检测最大电压变化率；和当最大电压变化率达到第二预定值时，降低传送给该电池的电流。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括在检测最大变化率之前检测最小电压变化率的步骤。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，检测最大变化率是在温度变化率达到第一预定值以后或最小电压变化率达到第三预定值以后开始的。
10.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，该电流降低步骤包括不传送任何电流给电池。
11.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，该第一预定值是在每分钟约0.1度和2度之间。
12.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，该和一预定值是在每分钟0.5度和1度之间。
13.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，该第二预定值小于每节电池0.2毫伏。
14.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，第二预定值小于每节电池0.1毫伏。
15.一种使可再充电电池充电的充电器，其特征在于，该充电器包括至少三个端点，用于将充电器连接到可再充电电池；一电流源，其连接于至少一个端点上，用以将电流提供给电池；一控制器，其连接于该电流源和至少一个端点上，用以控制传送给电池的电流，检测电池的电压和温度，并计算温度和电压的变化率；其中所述控制器可在温度变化率达到第一预定值以后检测所述电池的电压，并且当电压变化率达到第二预定值时降低传送给电池的电流。
16.按照权利要求15所述的充电器，其特征在于，第一预定值是在每分钟约0.1度和2度之间。
17.按照权利要求15所述的充电器，其特征在于，第二预定值小于每节电池0.2毫伏。
18.一种使可再充电电池充电的充电器，其特征在于，该充电器包括至少三个端点，用于将充电器连接于可再充电电池；一电流源，其连接于至少一个端点上，用以将电流提供给电池；一控制器，其连接于电流源和至少一个端点上，用以控制传送给电池的电流；检测电池的电压和温度，并计算温度和电压的变化率；其中所述控制器可在温度变化率达到第一预定值以后检测最大电压变化率，并且当最大电压变化率达到第二预定值时降低传送给电池的电流。
19.按照权利要求18所述的充电器，其特征在于，该控制器可在检测最大变化率之前检测最小电压变化率。
20.按照权利要求19所述的充电器，其特征在于，检测最大变化率是在温度变化率达到第一预定值以后或最小电压变化率达到第三预定值以后开始。
全文摘要
一种使可再充电电池充电和监测的方法,包括:使可再充电电池充电,检测电池的温度,并计算温度的变化率并且还包括在温度变化率达到预定值后检测电池的电压,计算电压的变化率,并当电压变化率达到预定值时降低传送给电池的电流。另外,该方法还包括检测电池的温度和电压,并计算温度和电压的变化率,在温度变化率达到预定值后检测最大电压变化率,在检测最大变化率之前检测最小电压变化率,其中检测最大变化率将在温度变化率达到预定值以后或在检测到最小电压变化率以后开始。
文档编号H02J7/04GK1242618SQ99110958
公开日2000年1月26日 申请日期1999年7月9日 优先权日1999年7月9日
发明者丹尼尔·C·布罗托 申请人:布莱克和戴克公司