專利名稱：具有溫度梯度檢測的快速電池充電的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有溫度檢測的快速電池充電器，具體涉及檢測充電電池溫度的二階導(dǎo)數(shù)的快速電池充電器。
可再充電的電池可用兩種類型的電池充電器充電，涓流充電器和快速的充電器。涓流充電器用低的幾百毫安(mA)級的電流對一個電池慢慢地充電。涓流充電器用半天左右時間對一個典型的可再充電的(無線電設(shè)備的)電池充電?？焖俪潆娖饔眉s一安培左右的電流對一個電池充電，并且需用約一小時對一個典型的可再充電的(無線電設(shè)備用的)電池充電。因快速充電器對一個電池充電比涓流充電器快約一個數(shù)量級，所以快速充電器受到人們的喜受?？墒牵焖俪潆娖鞔嬖谝恍└郊拥膯栴}。因快速充電器對電池充電使用大電流充電，故可能過充電。而涓流充電器充電是使用低電流，如果單元電池被設(shè)計得可接受連續(xù)的過充電，則該蓄電池它本身能防止進(jìn)一步被充電。相反，快速充電器需要不連續(xù)地對電池充電的電路。在無這樣的電路的情況下，快速充電器將對電池過充電，危及該電池?fù)p壞。由于發(fā)熱和損壞單元電池中的隔離器，或者由于產(chǎn)生高壓使單元電池穿孔導(dǎo)致不能再恢復(fù)的損失容量，故過充電可能縮短電池的壽命。
以前用于控制電池充電的技術(shù)使用定時器。定時器限制電池充電在一個固定時間期間，例如1小時。在1小時之后，該定時器將停止充電安培數(shù)?？墒?，這些定時器電路假定它們是以空的電池開始。這些定時器電路會全部或部分地對充電電池過充電。
美國專利4,806,840公開了根據(jù)電池電壓的一次導(dǎo)數(shù)來控制充電的電路。一次導(dǎo)數(shù)檢測電壓變化的速率。當(dāng)檢測到電壓變化的預(yù)定負(fù)變化率時，充電被中斷?？墒?，電池必須在被中斷充電之前過充電。為了減少過充電，美國專利4,503,378檢測電壓二階導(dǎo)數(shù)以控制該充電。二階導(dǎo)數(shù)檢測電池電壓從增加到減少的變化的斜率。因此僅當(dāng)電壓的二階導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)換時充電才被中斷。但是，檢測電壓的這種技術(shù)不能對電池充電達(dá)到其最充滿的容量，而且易于過早切斷充電。
當(dāng)該充電電池達(dá)到固定的溫度例如40℃時，用其它電路檢測該電池的溫度并停止充電。這些充電電路還使該電池有時充電不足或過充電。根據(jù)檢測電池溫度的一次導(dǎo)數(shù)控制充電的充電電路在美國專利3,852,652和4,755,735中公開了。溫度的一次導(dǎo)數(shù)提供代表電池溫度變化速率的信號。當(dāng)該溫度變化的速率超過預(yù)定的閾值時，電池的充電被中斷。
當(dāng)電池的溫度明顯地低于環(huán)境溫度時，先前已知的充電技術(shù)控制過早斷開并防止電池的充滿電。電池為了充電而從室外的冷汽車內(nèi)帶到室內(nèi)時，電池的溫度將迅速地增加到室內(nèi)環(huán)境溫度。電池溫度變化的快速率使高的一次導(dǎo)數(shù)例如較早地達(dá)到預(yù)定的閾值而且過早斷開不充足的電池充電。
本發(fā)明通過提供一種具有溫度梯度檢測的快速的電池充電方法和設(shè)備來解決上述的這些和其它的問題。根據(jù)電池溫度的二階導(dǎo)數(shù)使電池禁止充電。在充電期間，溫度傳感器檢測電池的溫度。根據(jù)不同的實施例，當(dāng)電池溫度的二階導(dǎo)數(shù)是正的和電池溫度的一次導(dǎo)數(shù)高于預(yù)定的閾值時，禁止充電。根據(jù)電池的電壓可附加地禁止充電。溫度傳感器可以是一個熱敏電阻或最接近于電池組件內(nèi)電池的其它元件。
結(jié)合以下附圖閱讀下面的詳細(xì)描述將會對本發(fā)明的這些結(jié)構(gòu)和其它結(jié)構(gòu)以及特點更為明了。


圖1和2示出本發(fā)明的一個電池組件和充電基座。
圖3—5示出本發(fā)明對于電池充電時間與電池溫度、溫度斜率和溫度梯度關(guān)系的曲線圖。
圖6示出本發(fā)明優(yōu)選實施例的原理性方框圖。
圖7示出本發(fā)明優(yōu)選實施例的方法的流程圖。
圖1示出一個電池組件110，該組件110具有接點130用于與充電基座相耦連。電池組件110含有一個可再充電的電池和一個熱敏電阻用于檢測可再充電電池的溫度。可再充電的電池可包含一個或多個單元電池。圖2表示充電基座120，該充電基座具有至少一個插座140，用于保持具有接到它的接點130的電池組件110。在充電基座120內(nèi)含一個充電控制電路。該充電控制電路根據(jù)可充電電池溫度的二階導(dǎo)數(shù)禁止電池組件110中的電池充電。
圖3—5示出根據(jù)本發(fā)明對于電池充電時間與電池溫度、溫度斜率和溫度梯度的關(guān)系曲線圖。圖3中的曲線202示出電池的升高溫度，當(dāng)一個電池例如為了充電而從冷的環(huán)境的室外拿到室內(nèi)時出現(xiàn)電池溫度的升高。曲線202示出在升溫到室內(nèi)環(huán)境溫度期間電池溫度迅速地升高。圖3中的曲線212示出在電池達(dá)到充滿電之后電池的溫度。如果在電池變?yōu)槌錆M電之后充電電壓仍然連接到該電池上，根據(jù)曲線212該電池的溫度增加。曲線212示出過充電電池的溫度。
圖4中的曲線204示出當(dāng)溫度升到室內(nèi)環(huán)境溫度時電池溫度變化的速率。曲線204是曲線202的一次導(dǎo)數(shù)并且代表溫度變化的速度。圖4的曲線214示出在電池變?yōu)槌錆M電之后充電電壓仍然連接到電池時，過充電電池溫度變化(一次導(dǎo)數(shù))的速率。
圖4中用曲線204示出用于控制充電的充電電路根據(jù)一次導(dǎo)數(shù)如何過早斷開和導(dǎo)致對電池不足夠的充電。隨著電池升溫到環(huán)境溫度，電池的溫度能迅速地增加，產(chǎn)生曲線204的高溫度斜率值。本發(fā)明解決了這些問題，同時仍保持檢測溫度的優(yōu)點，以確定何時可再充電的電池被充滿電。在本發(fā)明中，溫度的二次導(dǎo)數(shù)可用于確定何時可再充電的電池被充滿電。
圖5由曲線206表示升溫到環(huán)境溫度時電池溫度的二次導(dǎo)數(shù)，而過充電用曲線216表示。根據(jù)圖5的兩條曲線的二次導(dǎo)數(shù)，容易檢測以曲線206表示的升溫到環(huán)境溫度的電池和以曲線216表示的過充電電池之間的差別。例如根據(jù)圖5中曲線的簡單極性，可確定曲線204和214的向上和向下的斜率。當(dāng)曲線216的值為正時，曲線206的值為負(fù)。對過零點或閾值的檢測表明電池是否過充電，同時當(dāng)電池被升溫到環(huán)境溫度時可防止過早中斷充電。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的原理性方框圖。電池組件310含有一個可再充電電池320和一個熱敏電阻330?？稍俪潆婋姵?20可以包含一個或多個串聯(lián)或并聯(lián)的單元電池?？稍俪潆婋姵?20和電池組件310的熱敏電阻330經(jīng)接口340與充電基座的充電控制電路相連接。接口340提供用于有選擇性地連接充電電路至電池組件的接點。
電源350經(jīng)接口340對可再充電的電池320充電提供電源。開關(guān)晶體管360或其它合適的繼電器或半導(dǎo)體器件允許和禁止電池充電。電池組件310的熱敏電阻330是一個電阻性元件，它的電阻隨溫度而改變。雖然舉例使用一種熱敏電阻，但其特性隨溫度預(yù)測地變化的其它器件可代替該熱敏電阻。
在圖6所示的實施例中，熱敏電阻330能夠在模/數(shù)(A/D)變換器370的輸入端上提供可變電壓。典型地，要求電源提供一個電壓，該電壓在熱敏電阻330與在A/D變換器370的輸入端上的固定電阻之間分壓。這樣，A/D變換器370的輸出及時提供可再充電電池320溫度的測量。
移位寄存器380對于各種情況及時存儲和延遲可再充電電池320溫度的測量。圖6所示的實施例根據(jù)溫度(Tt、Tt—1和Tt—2)的三種情況計算溫度的導(dǎo)數(shù)。當(dāng)前的和以前的溫度值(Tt和Tt—1)由減法電路390相減。該減法器電路390的輸出提供溫度的一次導(dǎo)數(shù)的近似值。類似地，從移位寄存器380來的先前的和二倍先前的溫度(Tt—1和Tt—2)由減法器電路400相減。減法器電路390和400的輸出在另一個減法器電路410中相減，以提供可再充電電池320溫度的二階導(dǎo)數(shù)的近似值。
比較器420把二階導(dǎo)數(shù)的近似值與零相比較，確定二階導(dǎo)數(shù)是正還是負(fù)。比較器430把一次導(dǎo)數(shù)的近似值與預(yù)定的溫度閾值相比較，確定可再充電電池的一次導(dǎo)數(shù)近似值是否高于這預(yù)定溫度閾值。這個預(yù)定的溫度閾值最好具有對于典型的鎳金屬氫化物(NiMH)電池每三分鐘大約2℃的斷開極限。實際的斷開極限取決于電池的類型、電池容量和電池的實際結(jié)構(gòu)。
“與”門440組合比較器420和430輸出的閾值確定，經(jīng)開關(guān)晶體管360提供用于控制可再充電電池320充電的信號。在第一實施例中，如果只使用比較器420的輸出來控制晶體管開關(guān)360，則本發(fā)明的充電控制器工作。但是，在第二個實施例中最好使用比較器420和430的兩個輸出。
除了上述實施例的溫度二階導(dǎo)數(shù)之外，在不同的實施例中開關(guān)晶體管360能根據(jù)電池的電壓附加地被控制。A/D變換器450經(jīng)接口340檢測可再充電電池320兩端的電壓。計算電路460根據(jù)A/D變換器450的輸出計算該電壓的導(dǎo)數(shù)。該電壓的導(dǎo)數(shù)可計算為一個近似值。該近似值使用一個移位寄存器和一個減法器，例如移位寄存器380和上述的減法器390，計算溫度的導(dǎo)數(shù)。比較器470把計算電路460的電壓導(dǎo)數(shù)值輸出與預(yù)定幅度閾值相比較。計算電路460可交替地計算可再充電電池的電壓的二階導(dǎo)數(shù)，用于與比較器470中不同幅度閾值相比較。
可再充電電池的溫度和電壓二者的導(dǎo)數(shù)可用于控制電源350對可再充電電池320的充電?！芭c”門480組合比較器440的溫度控制輸出與比較器470的電壓控制輸出。這個組和用于控制開關(guān)晶體管360并在這些不同的實施例中使可再充電電池允許充電和禁止充電。
在本發(fā)明的另一個實施例中，提供一個微處理器用于驅(qū)動晶體管360的控制電路，例如一個Motorola 6805微控制器含有內(nèi)設(shè)的A/D變換器，而且能夠驅(qū)動如開關(guān)晶體管360之類的開關(guān)。圖6所示的控制電路可體現(xiàn)在這樣的一個微控制器中，作為本發(fā)明的另一種實施。使用上面討論的關(guān)于圖6的減法運算，該微控制器可被編程計算導(dǎo)數(shù)的近似值。另一種可替代的方案是，微控制器可被編程，執(zhí)行在數(shù)學(xué)上更精確的但復(fù)雜的計算導(dǎo)數(shù)的方法。
圖7示出本發(fā)明最佳實施例的方法。步驟510將電源連接到可再充電電池，以開始充電，初始對電池充電。在步驟510電源與電池相連接開始充電之后，在步驟520測量電池的溫度和電壓。根據(jù)步驟520測量的電池溫度，在步驟530計算電池溫度的一次導(dǎo)數(shù)。此后，在步驟540，將電池溫度的一次導(dǎo)數(shù)與預(yù)定的閾值相比較。如果電池溫度的一次導(dǎo)數(shù)不高于預(yù)定閾值，則流程繼續(xù)經(jīng)步驟550返回到步驟530。但是，如果溫度的一次導(dǎo)數(shù)高于預(yù)定閾值，則流程進(jìn)到步驟560。在步驟560，計算電池溫度的二階導(dǎo)數(shù)。此后，在步驟570將電池溫度的二階導(dǎo)數(shù)通過比較以確定二階導(dǎo)數(shù)是否為正值。如果電池溫度的二階導(dǎo)數(shù)不是正值，則流程進(jìn)到步驟550再返回到步驟530。但是，如果電池溫度的二階導(dǎo)數(shù)是正值，則電池的充電很可能充滿電，并且這時能禁止充電。
還可檢查電池電壓，以保證電池完全充電。如果如在步驟570確定電池溫度的二階導(dǎo)數(shù)是正值，則流程可進(jìn)到步驟580。在步驟580，計算電池電壓的一次導(dǎo)數(shù)。此后，在步驟590，如果電池電壓的一次導(dǎo)數(shù)低于預(yù)定幅度，則在步驟600電源可與電池斷開而結(jié)束充電。但是，在電池電壓的一次導(dǎo)數(shù)不低于預(yù)定幅度的情況下，流程可從步驟590經(jīng)步驟550返回到步驟530。
雖然上文的說明和附圖中已描述和說明了本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)明白這僅是舉例說明。例如，溫度傳感器可以是其特征隨溫度預(yù)測地變化的任何元件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠作出許多變化和修改，而不脫離本發(fā)明的真實精神和范圍。
權(quán)利要求
1. 一種用于電池充電的控制電路，其特征在于，包括溫度傳感器裝置，用于檢測電池的溫度；和開關(guān)裝置，用于根據(jù)電池溫度的二階導(dǎo)數(shù)禁止電池充電。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的控制電路，其特征在于，所述開關(guān)裝置包括第一閾值裝置，用于根據(jù)電池溫度的正的二階導(dǎo)數(shù)，禁止電池充電。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的控制電路，其特征在于，所述開關(guān)裝置還包括第二閾值裝置，用于確定電池溫度的一次導(dǎo)數(shù)是否高于預(yù)定的閾值；和所述開關(guān)裝置根據(jù)電池溫度的二階導(dǎo)數(shù)是正值和電池溫度的一次導(dǎo)數(shù)高于預(yù)定閾值，禁止電池充電。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的控制電路，其特征在于，所述溫度檢測裝置包括一對接點與其相耦聯(lián)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的控制電路，其特征在于，所述溫度檢測裝置包括一個熱敏電阻。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的控制電路，其特征在于，包括多個接點，用于與含有電池的電池組件連接，至少一對所述接點提供電池溫度的信號指示。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的控制電路，其特征在于，包括一個充電器基座，具有至少一個插座，用于保持電池組件與連接到它的充電器基座的所述接點。
8. 一種充電電池的方法，其特征在于，包括以下步驟(a)檢測電池的溫度；和(b)根據(jù)電池溫度的二階導(dǎo)數(shù)禁止電池的充電。
9. 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于，所述步驟(b)包括根據(jù)電池溫度的正的二階導(dǎo)數(shù)禁止電池充電的分步驟(b1)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于，所述步驟(b1)進(jìn)一步包括根據(jù)電池溫度的二階導(dǎo)數(shù)是正的和電池溫度的一次導(dǎo)數(shù)高于預(yù)定閾值禁止電池充電的分步驟(bli)。
全文摘要
根據(jù)電池溫度的二階導(dǎo)數(shù)(410)，提供能夠禁止可再充電電池(320)充電的操作電池充電系統(tǒng)的控制電路和方法?？稍俪潆婋姵亟M件含有熱敏電阻(330)，與可再充電電池(320)一起檢測電池的溫度。當(dāng)電池溫度的二階導(dǎo)數(shù)(410)是正值和電池溫度的一次導(dǎo)數(shù)(390)高于預(yù)定閾值時，電池的充電可被禁止。
文檔編號H02J7/00GK1115192SQ94190737
公開日1996年1月17日 申請日期1994年7月29日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月30日
發(fā)明者特倫斯·J·戈德肯, 戴維·J·西奧博爾德 申請人:莫托羅拉公司