CN100431240C - 充电装置 - Google Patents

Abstract

一种充电装置包括：充电单元；检测单元，用于检测可充电电池的温度和温度升高率；控制器，用于控制充电单元以向充电电流提供给可充电电池；以及补偿单元，如果在将可充电电池安装到充电装置上时可充电电池的温度等于或者低于第二阈值，补偿单元就将第一阈值设定为更大，反之则设定为更小。如果温度升高率等于或者大于第一阈值，则充电单元停止向可充电电池提供充电电流。

Description

充电装置

技术领域

本发明涉及一种用于对可充电电池进行充电的充电装置；尤其涉及一种用于在低温下控制其充电操作的方法。

背景技术

通常，在电动工具等中使用具有可充电电池的电池组，该可充电电池设置有用于检测其温度的温度检测单元。电池组由工具主体独立形成并且可以在充电操作期间与工具主体分开以安装到充电装置上。如图10所示，当充电操作结束时，通过温度检测单元检测到的可充电电池的温度升高率(ΔT/Δt)大大升高。基于这个原理，控制器对温度检测单元的检测结果作出反应，确定当温度升高率(ΔT/Δt)等于或者大于第一预定值时达到可充电电池的全容量充电，并且相应地停止充电操作。

在低温下进行电池组的充电操作会导致其寿命缩短是公知的。鉴于此，已知有这样一种充电装置，其在例如不大于0℃的低温下，即使电池组安装在充电装置上，充电装置也不会进行正常的充电操作，而是进入低温待机模式，在该模式下为电池组只提供最小的电流或不为其提供电流。还知道一种充电装置，即使当其正在进行充电操作时，如果电池的温度达到如上所述的低温充电操作也会切换到低温待机模式。之后，当可充电电池的温度达到例如5℃时就重新开始充电操作。

然而，甚至在受低温待机模式保护的电池组中，由于电池组暴露到其中的温度增加所以也会使正常模式的充电操作进行。为此，在被单独放在等于或者低于-10℃的寒冷的室外环境中的电池组被拿到大约30℃的室内然后放置在充电装置上的情况下，温度升高率由于室外温度和室内温度之间的差异而变得相当大。结果，尽管事实是充电操作还没有完成，但是还是会作出充电操作已经完成的误判，如图11所示，从而导致被称为“过早充电停止”的不良充电问题。

日本专利特开平公报No.H6-141481公开了一种用于避免这种不良充电问题的现有技术。根据这种现有技术，在对应于可充电电池在充电操作开始时的的温度的一段时间内不检测温度升高率。这不仅有助于避免不良充电问题而且有助于防止开始检测温度升高率的时间被有害地延长。

上面引用的现有技术在避免过早充电停止以及将可充电电池充电到比较可接受的容量水平方面是有效的。然而，如此设置的可充电电池根据其使用条件而表现出不同的性能，并且在低温下性能表现出明显的下降。虽然现有技术考虑到对应于可充电电池温度的时间而不检测温度增长率，但是仍然存在可充电电池不能充满的可能性。这是因为由预定的温度升高率的阈值来确定充电操作的完成。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种充电装置，即使当电池处于低温时该充电装置也能够以可靠的方式使电池充满。

根据本发明，提供一种充电装置，其包括：充电单元；检测单元，用于检测可充电电池的温度和温度升高率；控制器，用于控制充电单元以向可充电电池提供充电电流，其中如果温度升高率等于或者大于第一阈值时充电单元就停止向可充电电池提供充电电流；以及补偿单元，用于如果在将可充电电池安装到充电装置上时可充电电池的温度等于或者小于第二阈值，则就将第一阈值的值设置得更大，反之则将第一阈值的值设置得更小。

附图说明

从下面结合附图对优选实施例进行的说明中本发明的上述和其他目的和特征将变得显而易见，在附图中：

图1是示出根据本发明第一优选实施例的充电装置的电气结构的方框图；

图2给出用于解释根据第一优选实施例所示出的充电装置的操作的流程图；

图3给出用于解释根据第一优选实施例所示出的充电装置的操作的曲线图；

图4A和4B示出用于解释根据第一实施优选例的充电装置的另一操作的流程图；

图5示出用于解释根据第一实施优选例的充电装置的另一操作的流程图；

图6示出用于解释根据第一实施优选例的充电装置的另一操作的流程图；

图7是示出根据本发明第二优选实施例的充电装置的电气结构的方框图；

图8给出用于解释根据第二优选实施例的充电装置的操作的流程图；

图9给出根据本发明第三优选实施例的充电装置的电气结构的方框图；

图10示出随同可充电电池的充电操作一起的温度变化的常规例子的曲线图；以及

图11示出用于解释常规充电装置的操作的曲线图。

具体实施方式

第一优选实施例

图1是示出根据本发明第一优选实施例的充电装置1的电气结构的方框图。充电装置1例如构成可充电电动工具箱的一部分。安装在充电装置1上的是与诸如可充电钻头驱动器的可充电电动工具的主体分开的电池组2。充电装置1用于对设置在电池组2内的可充电电池3进行充电。

可充电电池3的例子包括Ni-Cd(镍镉)电池，Ni-MH(镍金属氢化物)电池，锂基二次电池等等。在电池组2的内部，将温度传感器4设置成与可充电电池3接触。温度传感器4是由热敏电阻等构成并且根据可充电电池3的组成物和容量(额定电压或额定电流)由不同的材料制成，允许充电装置1检测其类型。温度传感器4与可充电电池3具有公共接地端，并且电池组2通过三个端子连接到充电装置1。

充电装置1通常由功率变换器电路11和其控制电路12构成。功率变换器电路11包括：整流器电路14，用于将由电源13所提供的商用交流电整流和平滑成直流电；开关元件15，用于对直流电进行切换；变压器16，其初级线圈连接到与开关元件15串联连接的整流器电路14；开关控制电路17，用于控制开关元件15的开关操作；以及二极管18和平滑电容器19，用于将在变压器16的次级线圈上感应的电压进行整流和平滑，以将其施加到电池组2的可充电电池3。

控制电路12包括：电流-电压转换电阻器21，设置在功率变换器电路11的次级侧上；充电电流测量电路22，用于由电流-电压转换电阻器21的端子间电压测量功率变换器电路11的输出电流；输出电压检测电路23，用于测量功率变换器电路11的次级侧上的输出电压；目标电流设定电路24，用于在恒流充电期间设定目标电流；电池温度检测电路25，用于由温度传感器4的端子间电阻值测量可充电电池3的温度。控制电路12还包括充电电流控制电路26，其由微机等构成，用于响应来自电路22到25的输入而操作控制输出；信号传输电路27，其用于对从充电电流控制电路26接收到的控制输出进行功率放大，以将该放大的控制输出施加到开关控制电路17并且用于控制开关元件15的操作；以及用于切换阈值的补偿电路28，该阈值是用于以下述方式在充电电流控制电路26中根据来自电池温度检测电路25的输出判断电池是否已经充满。

根据如上所述构造的充电装置1，用作控制器的充电电流控制电路26通过控制用作充电单元的功率变换器电路11的操作来控制提供给可充电电池3的充电电流，通过根据用作温度检测单元的温度传感器4的输出监测由电池温度检测电路25检测到的可充电电池3的温度升高率(ΔT/Δt)，来进行上述对功率变换器电路11的操作的控制。如果温度升高率(ΔT/Δt)变得等于或者大于第一预定值，即用于判断满容量充电的阈值，则充电电流控制电路26执行基于ΔT/Δt的过充电控制，从而判定可充电电池3已经充满并且接着停止充电操作。用于测量温度增加量ΔT的时间Δt例如可以是30秒或一分钟。

根据第一优选实施例，如果在将可充电电池3安装到充电装置1时通过温度传感器4由电池温度检测电路25检测到的可充电电池3的温度等于或者小于第二预定值(例如，0℃)，则操作进入低温待机模式，在该模式下不执行充电操作，并且维持低温待机模式直到可充电电池的温度变成等于或者小于第三预定值(例如，5℃)为止。如果可充电电池的温度超过第三预定值，则补偿电路28增加充电电流控制电路26中的第一预定值，并且使充电电流控制电路26执行充电操作(充电模式)。此时，通过利用增加的第一预定值来进行基于ΔT/Δt的过充电控制。在该操作的准备过程中，充电电流控制电路26具有，作为第一预定值的，如表1所示的正常ΔT/Δt控制表(当可充电电池在被安装时的温度超过第二预定值时使用该表)以及如表2所示的低温ΔT/Δt控制表(当可充电电池在被安装时的温度等于或者小于第二预定值并且然后超过第三预定值时使用该表)，低温ΔT/Δt控制表的值比正常ΔT/Δt控制表的值大。如果判定可充电电池3处在低温下，则补偿电路28将正常ΔT/Δt控制表切换为低温ΔT/Δt控制表。也就是说，充电模式具有正常充电模式(使用正常ΔT/Δt控制表作为第一预定值)和低温充电模式(使用低温ΔT/Δt控制表作为第一预定值)。

表1

表2

如上所述，可充电电池3具有各种容量，与此相对应根据可充电电池3的类型将ΔT/Δt控制表设为正常ΔT/Δt控制表和低温ΔT/Δt控制表。此外，根据将可充电电池3安装到充电装置1上时的温度范围将ΔT/Δt控制表设为不同的值。例如，在正常充电模式下对8A类型的大容量可充电电池进行充电期间，如果在30秒的测量时间Δt内在电池组2在被安装时的温度等于或者小于15℃的情况下，温度增加量ΔT达到1.8℃或者更高，则判定电池已经充满。相反，当低温待机模式切换为低温充电模式时，不判定全容量充电除非在同样为30秒的测量时间内温度增加量ΔT达到3.6℃或者更高。

为此，将温度传感器4设计成根据电池容量而具有不同长度的热敏电阻以在安装可充电电池3时允许充电装置1识别该可充电电池3的类型。因此，温度传感器4和电池温度检测电路25形成电池组检测单元，其根据热敏电阻的电阻值检测被安装的电池组2的类型。根据电池组2的类型所选择的热敏电阻之间的电阻值之差明显大于特定热敏电阻在实际使用温度范围内的变化程度，使得能够在任何温度下精确判定所安装的电池组2的类型。

图2是用于解释上述构造的充电装置1的操作的流程图。在步骤S1，电池温度检测电路25给温度传感器4通电以确定电池组2是否安装到充电装置1上。重复执行步骤S1直到安装了电池组2，而且一旦确定安装了电池组2就将操作转到步骤S2。在步骤S2，测量电池组2的温度T以确定其是否大于0℃。如果电池组2的温度T超过了0℃，则操作就继续进行到步骤S3，以通过利用如表1所示的正常ΔT/Δt控制表来执行正常充电模式。在步骤S4，如果温度升高率(ΔT/Δt)大于基于ΔT/Δt的过充电控制的阈值，则判定满容量充电已经完成。

相反，如果在步骤S2判定电池组2的温度T等于或者小于0℃，则操作转到步骤S5，进入低温待机模式并且保持在该低温待机模式下直到电池组2的温度T达到5℃以上为止。如果在步骤S5电池组2的温度T超过了5℃，则操作就继续进行到步骤S6，以通过利用如表2所示的低温ΔT/Δt控制表来执行低温充电模式。接着，在步骤S4′，如果温度升高率(ΔT/Δt)变得大于基于ΔT/Δt的过充电控制的阈值，则判定满容量充电已经完成。如上所述，通过将进入低温待机模式时的阈值(例如，第二预定值)设为大于切换为低温充电模式时的阈值(例如，第三预定值)，可以防止系统过早进入低温充电模式。

在具有这种结构的充电装置1中，如图3所示，即使在通过将低温待机模式转换为低温充电模式而对可充电电池3进行基于ΔT/Δt的过充电控制的情况下，将可充电电池3从低温环境移到一般室温环境下，也可以确定可充电电池是否已经成功地充电到其全容量，以防止过早停止并且以可靠的方式将电池充电到其全容量，其原因在于，与正常充电模式相比，在低温充电模式期间基于ΔT/Δt的过充电控制的阈值变化较大，导致通过除掉因为由环境变化而产生的温度差所引起的温度增加量而得到只反映在所得到的固有充电操作中所涉及的温度增加量。

此外，如上所述，可充电电池3可以在组分物以及诸如额定电压或额定电流的容量上有差别。具有不同组分物的可充电电池3的例子包括Ni-Cd(镍镉)电池，Ni-MH(镍金属氢化物)电池，锂基二次电池等。考虑到这一点，可以将用作电池组检测单元的温度传感器4和电池温度检测电路25设计成检测可充电电池3的组分物。在这种情况下，将表2所示的低温ΔT/Δt控制表如所希望地变为，例如，如下表3所示的控制表。

表3

通过根据随着可充电电池3的成分、容量等因素变化的温度升高率来改变ΔT/Δt控制表，即，用于判定的阈值，而可以适当地对不同类型的电池组2进行充电而不会过量或不足，从而允许充电装置1可以通用。

此外，当从低温待机模式返回时，ΔT/Δt控制表可以根据安装时的温度范围变为其他形式，而且当安装时的温度下降时可以不定地变为更大的值。

此外，可以在从充电操作开始的预定时间段内进行ΔT/Δt控制表的改变。之后，ΔT/Δt控制表的值可以返回到正常值或者变为小于所改变的值但大于正常值的值。或者，ΔT/Δt控制表的值可以随着充电操作开始后时间的流逝而逐渐降低，或可以根据充电操作开始后逝去的时间范围而不定地变化。作为另一种选择，可以利用愈加变化的值来控制ΔT/Δt控制表的值直到可充电电池3的温度升高到预定温度，之后，可以返回到正常值。

图4A和4B示出这种操作的例子。这里，将与图2所示的流程图类似的操作标注以相同的步骤编号，并且省略对它们的说明。在图4A和4B所示的例子中，如果在步骤S1检测到安装了电池组2，则在步骤S10检测电池组2中的可充电电池3的类型。在可充电电池3是Ni-Cd电池的情况下，操作继续进行到步骤S2。接着，如果在步骤S2电池组2的温度T超过了0℃，则操作转到步骤S3以通过利用如表3所示的Ni-Cd电池的正常ΔT/Δt控制表来执行正常充电模式。在步骤S4，如果温度升高率(ΔT/Δt)变得大于基于ΔT/Δt的过充电控制的阈值，则判定已经完成了全容量充电。

同时，如果在步骤S2确定电池组2的温度T等于或者小于0℃，则操作转到步骤S5同时保持在低温待机模式下直到电池组2的温度T达到5℃以上为止。当在步骤S5温度T超过了5℃，则操作转到步骤S6以通过利用Ni-Cd电池的低温ΔT/Δt控制表来执行低温充电模式。之后，在步骤S7确定在低温充电模式之后是否已经过去了20分钟，并且在步骤S4′确定可充电电池是否已经充满。如果确定甚至在20分钟过去之前可充电电池也没有充满，则操作转到步骤S6，并且如果确定在20分钟之内已经完成了全容量充电，则结束低温充电模式。在步骤S7，一旦在低温充电模式之后过去了20分钟，操作就转到步骤S3以执行正常充电模式。通过调整利用本实施例中的大表值控制充电操作的时间段，可以有效防止任何过量充电。

如果在步骤S10判定可充电电池3是Ni-MH电池，则操作继续进行到步骤S2a至S7a，其中Ni-MH电池的ΔT/Δt控制表用于执行与步骤S2到S7相同的操作。

此外，只有在从充电操作开始到电池组2达到预定温度时的这段时间间隔之内，才可以进行ΔT/Δt控制表的改变。之后，ΔT/Δt控制表可以变为正常模式。

图5示出这种操作的另一个例子。这里，将与图2所示的流程图类似的操作标注以相同的步骤编号，并且省略对它们的说明。在图5所示的例子中，如果在步骤S5温度T超过了5℃，则流程转到步骤S6以执行低温充电模式。在步骤S8，确定温度T是否等于或者小于10℃。如果在步骤S8确定温度小于10℃，则操作转到步骤S4′，在该步骤S4′确定是否已经完成了全容量充电。接着，如果确定已经完成了全容量充电，则结束低温充电模式，并且如果确定没有完成全容量充电，则操作返回到步骤S6。在步骤S8，如果温度T等于或者大于10℃，则操作转到步骤S3以通过利用正常ΔT/Δt控制表来执行正常充电模式。通过调整利用本实施例中的大表值控制充电操作的时间段，可以有效防止任何过量充电。

此外，本结构中充电操作以低温ΔT/Δt控制表作为开始，其中当可充电电池的温度保持不大于第二预定值时，充电操作进入低温待机模式。然而，如果可充电电池的温度在充电操作期间下降到第二预定值或者更低，从而进入低温待机模式，并且随后从低温待机模式恢复到正常模式而重新开始充电操作，则可以不需要改变第一预定值。

图6示出这种操作的另一个例子。这里，将与图2所示的流程图类似的操作标注以相同的步骤编号，并且省略对它们的说明。在图6的例子中，如果在步骤S2判定电池组2的温度T大于0℃，则操作继续进行到步骤S3以执行正常充电模式。接着，在步骤S9，如果温度T等于或者小于0℃，则操作转到步骤S20以进入低温待机模式。在步骤S20，维持低温待机模式直到温度T超过5℃。如果温度T超过了5℃，则操作返回到步骤S3以通过利用表1所示的正常ΔT/Δt控制表来执行正常充电模式。在以正常充电模式开始之后，切换到低温待机模式并且紧接着从低温待机模式恢复，这样可以通过利用最初的ΔT/Δt控制表来有效防止任何过量充电。

此外，在图6的操作中，操作从步骤S2转到步骤S5同时在安装电池组2时进入低温待机模式。之后，如果电池组2的温度T变得大于5℃，则操作转到步骤S13以执行正常充电模式同时减小充电电流使其小于正常充电模式下的电流。接着，在步骤S11确定在低温充电模式之后是否已经过去了10分钟，如果已经过去了10分钟，则操作转到步骤S3。然而，在步骤S11没有过去10分钟的情况下，如果在步骤S4′判定已经完成了全容量充电，则结束充电操作，但是如果判定没有完成全容量充电则操作转到步骤S13。

第二优选实施例

图7是示出根据本发明第二优选实施例的充电装置31的电气结构的方框图。充电装置31与前述图1所示的充电装置1相似，因此将与图1所示相同的部件标注以相同的参考标记，并且省略对它们的说明。根据第二优选实施例，充电装置31的控制电路32包括由热敏电阻等构成的环境温度传感器34和响应于环境温度传感器34的输出用于检测环境温度的环境温度检测电路35。对应于环境温度和可充电电池3的温度之差，补偿电路38将充电电流控制电路36中的ΔT/Δt控制表改为，例如，如下表4所示的表。环境温度传感器34和环境温度检测电路35共同形成环境温度检测单元。

表4

此外，根据本发明的第二优选实施例，在从低温待机模式切换到正常模式之后在预定的时间段内，例如大约20分钟，补偿电路38允许环境温度传感器34检测环境温度，同时进行充电操作。响应于环境温度和由电池温度传感器4检测到的可充电电池3的温度之差，补偿电路38逐步改变ΔT/Δt控制表。

图8示出用于解释上述构造的充电装置31的操作的流程图。这里，将与图2所示的流程图类似的操作标注以相同的步骤编号，并且省略对它们的说明。在图8的例子中，操作转到步骤S5进入低温待机模式。接着，在步骤S12检测环境温度之后，通过利用由表4所示的环境温度传感器34和电池温度传感器4之间的温度差所设定的ΔT/Δt控制表来执行充电操作。之后，如果从充电操作开始之后没有过去20分钟，则操作转到步骤S4′以确定电池是否已经充满。在步骤S4′，如果确定已经完成了全容量充电，则结束充电操作，并且如果确定没有完成，则操作返回到步骤S12。在步骤S14在20分钟过去之后，操作转到步骤S3以通过利用正常ΔT/Δt控制表来执行正常充电操作。

在环境温度传感器34和电池温度传感器4之间存在较大温差的情况下，通过预先设定能够防止会在环境温度的影响下以不同方式出现的过早充电停止的大表值，并且还通过针对上述温差详细设定该表值，可以根据与充电装置3 1的安装环境相应的可充电电池的温度升高率来更精确地判定全容量充电。此外，通过调整利用第二优选实施例中的大表值控制充电操作的时间段，可以有效防止任何过量充电。

第三优选实施例

图9给出根据本发明第三优选实施例的充电装置41的电气结构的方框图。充电装置41与图1所示的前述充电装置1相似，因此将与图1所示相同的部件标注以相同的参考标记，并且省略对它们的说明。根据第三优选实施例，控制电路42的充电电流控制电路46不仅执行基于ΔT/Δt的过充电控制还执行-ΔV充电控制或者由安全定时器管理的第二和第三充电控制。

-ΔV充电控制是以这样的方式执行的，当一旦电池充满输出电压检测电路23就检测到电池电流开始下降时，充电操作完成。此外，安全定时器适用于即使当根本没有执行基于ΔT/Δt的过充电控制和-ΔV充电控制时，在从充电操作开始后经过了预定时间，例如一个小时之后，就强制停止充电操作。

这样，提供作为故障安全单元的第二和第三充电控制单元有助于以更可靠的方式防止电池被过量充电。

如前所述，根据本发明的充电装置，具有可充电电池的电池组单独由充电装置构成并且在充电操作时安装在该充电装置上，所述可充电电池设置有用于检测可充电电池的温度的温度检测单元。在这种充电装置中，控制器监测温度检测单元的检测结果，并且根据可充电电池接近全容量充电时的温度升高率(ΔT/Δt)来判定可充电电池已经充满，从而停止充电操作。在这个控制过程中，如果在将可充电电池安装到充电装置上时可充电电池的温度等于或者小于第二预定值，则补偿单元大大改变第一预定值，即，用于判定全容量充电的阈值。

因此，即使在将可充电电池从低温环境移到一般室温环境下并且接着在该状态下进行充电的情况下，根据除去由室温引起的温度增加量之后的在固有充电操作中所涉及的温度增加量，也可以判定全容量充电是成功还是失败，从而以可靠的方式完成全容量充电。

虽然针对优选实施例本对发明进行了展示和说明，但是本领域技术人员应该理解的是，可以在不脱离由所附权利要求书所限定的本发明的范围的情况下进行各种该变和修改。

Claims (4)

1、一种充电装置，包括：

充电单元；

检测单元，用于检测可充电电池的温度和温度升高率；

控制器，用于控制所述充电单元以向所述可充电电池提供充电电流，其中如果所述温度升高率等于或者大于第一阈值，则所述充电单元停止向所述可充电电池提供所述充电电流；以及

补偿单元，用于如果在将所述可充电电池安装到所述充电装置上时所述可充电电池的温度等于或者小于第二阈值，则将所述第一阈值设得更大，反之则将其设得更小。

2、根据权利要求1所述的充电装置，其中所述检测单元还适用于检测所述可充电电池的类型，并且

其中所述补偿单元还根据所述可充电电池的类型改变所述第一阈值的值。

3、根据权利要求1或2所述的充电装置，还包括用于检测环境温度的环境温度检测单元，

其中所述补偿单元根据由所述环境温度检测单元所检测到的所述环境温度和由所述检测单元所检测到的所述可充电电池的温度之间的差来改变所述第一阈值的值。

4、根据权利要求3所述的充电装置，其中所述补偿单元在所述可充电电池被充电的同时，根据分别由所述环境温度检测单元和所述检测单元所检测到的所述环境温度和所述可充电电池的温度之间的差来改变所述第一阈值的值。

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