CN101976857A - 充电装置及用于对NiMH电池进行充电的算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了对NiMH电池进行充电或再充电的方法。本发明还公开了充电站及系统。本发明方法包括：a)提供恒定充电电流，直到达到预定阈电压为止；b)当达到预定阈电压时，通过降低充电电流而保持电压恒定；其中，预定阈电压根据电池温度确定。本发明解决了提供以相对短的时间对电池充电同时在寿命降级方面相对柔和的充电算法的技术问题。本发明具有在充电速度和电池寿命之间折衷的优点。本发明可用于便携式通信装置如听音装置，如听力仪器。

Description

充电装置及用于对NiMH电池进行充电的算法 
技术领域
本发明涉及可再充电电池的充电，尤其涉及NiMH电池的充电。本发明还涉及用于对可再充电电池进行充电或再充电的充电站。 
例如，本发明可用在如便携式通信装置的应用中，便携式通信装置如听音装置，如听力仪器。 
背景技术
可再充电电池日益用在便携式消费产品如通信装置、照相机、听音装置等之中。 
在包括安装在用户耳朵之处或之中的部分的听音装置如听力仪器或头戴式耳机中，大小和可靠性是决定性的参数。可用于本机能源如可再充电电池的空间有限，及具有参数如大小(mm)、容量(mAh)、额定电池电压(V)、可能的再充电周期数(#)的适当组合的电池的选择范围不大。单位mAh是毫安培小时即10-3安培小时的缩写。 
已证实NiMH(镍金属氢化物)电池构成相应候选电池。 
对于医疗装置如听力仪器或植入的装置，电池寿命(在此由可能的再充电(没有明显降级)周期数定义)是重要参数。充电算法对电池寿命具有相当的影响。充电算法的重要参数是：充电电流(充电率)、充电时间、过充电程度等。通常假定，在正常充电情况下，NiMH电池的充电效率约为2/3(即，为从电池得到660mAh，必须将电池(过)充电到1000mAh)。对于给定额定容量，必要的过充电假定随着增加充电率而增加。 
在普通大小的NiMH氢化物电池中，温度增加可用于确定充电端点。US6,731,096B1公开了用于NiMH电池的充电算法。该算法基于充电过程的温度控制并具体提出了(高于)某一大小/容量的电池。 
发明内容
因此，需要用于相对小的NiMH电池的有效充电算法。 
本发明的目标是提供以相对短的时间对电池充电同时在寿命降级方面相对柔和的充电算法。 
本发明的目标由所附权利要求及下面的描述中描述的发明实现。 
充电算法
本发明的目标由对NiMH电池进行充电或再充电的方法实现。该方法包括： 
a)提供恒定充电电流，直到达到预定阈电压为止； 
b)当达到预定阈电压时，通过降低充电电流而保持电压恒定； 
其中，预定阈电压根据电池温度确定。 
这具有提供在充电速度和电池寿命之间折衷的充电算法的优点。电池的充电在过程的第一部分期间最强大，其时电池相对“空”(放电)；及在过程的稍后部分期间更放松，其时电池逐渐变“满”(充电)。该方法的优点在于，只要对可再充电电池(或其所处装置)的用户方便，充电过程可持续，而不会使电池寿命降级。即，充电过程不必故意结束，例如在特定充电时间之后。这具有电池的固有放电过程(即使没有电池负载)在充电过程的稍后部分可得到持续补偿的优点，使得不管用户在何时从充电站取下电池(只要已充电最小时间量，例如在4-8小时的范围中，如6小时)，用户均可获得再充电后的电池的最大容量。在实施例中，在电池已满充之后仍允许充电过程继续。在实施例中，充电过程继续，直到用户结束(例如通过从充电站取下电池或包含电池的装置)充电过程为止。 
在特定实施例中，恒定充电电流在0.1C到5C的范围中，优选0.5C到2C。单位C用于指示对电池再充电一小时(h)所需要的充电电流。例如，如果可再充电电池具有22mAh的容量，对于该电池，1C的电流将是22mA。在实施例中，充电电流小于或等于50mA，如小于或等于30mA，如小于或等于 15mA，如小于或等于10mA。在实施例中，充电电流在从10mA到50mA的范围中，如20mA到35mA。 
通常，预定阈电压Vth确定为NiMH电池在当前温度T下随温度而定的额定电池电压VN(T)。在特定实施例中，1.480V＜VN(T0)＜1.500V，其中T0为参考温度如室温。在特定实施例中，-0.004＜dVN/dT[V/℃]＜-0.002。在实施例中，VN(T0)＝1.485V。在实施例中，dVN/dT＝-0.003V/℃。在特定实施例中，预定阈电压Vth确定为Vth(T)＝VN(T0)+(T-T0)·dVN/dT，如Vth(T)[V]＝1.485-0.003·(T[℃]-25)，其中T为温度，T0为参考温度，及VN(T0)为在参考温度T0下的额定电池电压。在实施例中，电池温度实质上等于环境温度。在实施例中，电池温度假定为等于电池充电或再充电期间电池(或电池对其供电的装置)所处并连接到充电源(如可控、可变电流源)的充电室的温度。 
在特定实施例中，NiMH电池具有小于或等于100mA的容量，如小于或等于50mA或小于或等于30mA。在这样的相对小容量的电池中，充电期间的温度增加有限，如≤5℃，如≤3℃，如≤1℃。在这些情形下，电池的温度实质上等于环境的温度，例如电池外壳或电池形成其一部分的装置的温度。 
在实施例中，电池的最大尺寸(如直径)小于或等于10mm，如≤8mm，如≤6mm，如≤5mm。 
该充电算法特别适合NiMH可再充电电池。优选地，其它可再充电或普通(所谓的原电池)不放在充电站中。在特定实施例中，本发明方法包括检查电池是否为适当的可再充电电池(充电算法所针对的电池)。例如，这可通过测量短时(如≤1分钟，如≤20s)再充电程序的效果(如电压增加)实现，其结果可用于表明电池是可再充电电池还是非可再充电电池，相对高的电压变化(如导致电池电压＞1.85V)表明为原电池。优选地，提供出错消息，和/或充电自动结束。 
在特定实施例中，本发明方法包括在预定时间未达到预定阈电压的情况下结束充电。在实施例中，假定在充电过程开始时是实质上空的电池，预定时间 比以该特定充电电流和温度达到阈电压的额定时间至少大25％。在特定实施例中，预定时间≤30分钟。 
在充电周期结束时，由于化学反应在电池中产生热量，因为氧开始在电极处形成并将在催化剂处再结合。本发明算法通过控制充电过程使该无意的化学处理最小化从而避免能量损耗和电池降级。 
在实施例中，在再充电过程期间电池的过充电小于或等于35％，如小于或等于25％，如小于或等于15％。优选地，这通过在充电过程的稍后部分期间保持充电电压恒定实现。这具有使电池易于佩戴的有益效果，从而实现相对更长的可再充电电池寿命(即在电池经历明显降级之前增加充电周期数)。 
充电站
本发明进一步提供用于对可再充电电池进行充电或再充电的充电站。该充电站包括： 
A)用于接收可再充电电池或包括可再充电电池的装置的充电室； 
B)用于对位于充电室中的可再充电电池进行充电的可变电流源； 
C)用于将能量从充电站转移到可再充电电池及用于将状态信息从可再充电电池传给充电站的接口； 
D)包括处理器和程序代码的数据处理系统，用于使用所述充电室、所述可变电流源和所述接口使处理器执行上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法的至少部分步骤。 
当由对应的结构特征替代时，上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的充电方法的结构特征可与充电站结合，反之亦然。充电站的实施例具有与对应充电方法一样的优点。 
系统
一方面，提供包括充电站及包含可再充电电池的装置的系统。该系统包括上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的充电站和包括可再充电NiMH电池的便携装置，其中充电站和便携装置适于在便携装置位 于充电站中时使能对NiMH电池再充电。在实施例中，便携装置为通信装置、照相机、娱乐设备，如听音装置等。在特定实施例中，听音装置为听力仪器、头戴式耳机、头戴受话器、耳朵保护装置或其组合。 
有形计算机可读介质
本发明进一步提供保存包括程序代码的计算机程序的有形计算机可读介质，当计算机程序在数据处理系统上运行时，使得数据处理系统执行上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法的至少部分(如大部分或所有)步骤。除了保存在有形介质如磁盘、CD-ROM、DVD、或硬盘、或任何其它机器可读的介质上，计算机程序也可经传输介质如有线或无线链路或网络如因特网进行传输并载入数据处理系统从而在不同于有形介质的位置处运行。 
数据处理系统
本发明进一步提供数据处理系统，包括处理器和程序代码，程序代码使得处理器执行上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法的至少部分(如大部分或所有)步骤。 
本发明的进一步的目标通过从属权利要求和本发明的详细描述中限定的实施方式实现。 
除非明确指出，在此所用的单数形式的含义均包括复数形式(即具有“至少一”的意思)。应当进一步理解，在说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”表明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。应当理解，除非明确指出，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，可以是直接连接或耦合到其他元件，也可以存在中间插入元件。此外，如在此使用的“连接”或“耦合”可包括无线连接或耦合。如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个列举的相关项目的任何及所有组合。除非明确指出，在此公开的任何方法的步骤不必须精确按所公开的顺序执行。 
附图说明
下面参考附图、结合优选实施例更充分地阐释本发明，其中： 
图1示出了根据本发明实施例的充电算法的流程图的一般实施例，及图1b示出了更专门的实施例。 
图2示出了根据本发明实施例的NiMH电池的典型充电曲线。 
图3示出了用于NiMH电池或包括NiMH电池的装置的充电站。 
图4示出了使用根据本发明的充电算法与现有技术充电算法比较的充电(图4a)和放电(图4b)曲线的例子。 
为清晰起见，这些附图均为示意性及简化的图，它们只给出了对于理解本发明必要的细节，而省略其他细节。 
通过下面给出的详细描述，本发明进一步的适用范围将显而易见。然而，应当理解，在详细描述和具体例子表明本发明优选实施例的同时，它们仅为说明目的给出，因为，对于本领域的技术人员来说，通过这些详细说明在本发明精神和范围内做出各种变化和修改是显而易见的。 
具体实施方式
例子
充电过程的目标是确保相对小容量的可再充电NiMH电池的适当充电，该电池由Varta(德国Ellwangen的VARTA Microbattery GmbH)制造的纽扣型P312accu例示。进一步的目标是确保锌-空气、碱性及氧化银型的逆电池(reversed cell)和原电池不被意外充电。NiMH和相关电池后面的基本技术例如在美国专利4,623,597中论述。 
图1示出了根据本发明实施例的充电算法的流程图的一般实施例，及图1b示出了更专门的实施例。 
图1示出了根据本发明实施例的对NiMH电池进行充电或再充电的方法的一般步骤。该方法包括步骤： 
-将电池或包括电池的便携装置(在此假定为助听器(HA))连接到充电站； 
-从温度传感器读电池(或其直接环境)的温度T； 
-根据温度T确定适当的阈电压Vth； 
-以恒定电流Ic＝Ic，max开始对电池进行充电，且提供恒定充电电流直到达到预定阈电压Vth为止； 
-当电池电压U＝Vth时，降低Ic以保持U恒为Vth。 
这具有提供有效充电方法的优点。其具有充电过程的结束时间不重要(因为进一步的充电对电池寿命具有有限的降级影响)的进一步的优点，这使用户能将电池或便携装置保留在充电器中直到他或她需要它们为止。 
图1b示出了用于对NiMH电池进行充电的更具体的算法，该算法包括下述步骤： 
  步骤  编号 方法步骤 注释
  S1 将(位于其所供电的装置中的)电池电连接到充电器
  S2 检查温度是否在允许范围内Tmin＜T＜Tmax[如果否，停止充电，提供出错消息“温度错误”；否则继续] 例如在Tmin＝0℃和Tmax＝40℃之间
  S3 检查电池的极性是否正确[如果否，停止充电，提供出错消息“极性错误”；否则继续]
  S4 检查电池的电压U是否低于额定电池电压VN[如果否，提供消息“充电结束”但继续充电；否则继续] 例如U＜1.4V
  S5   使电池或其供电的装置空载   例如通过将装置  设定为关模式
  S6   向电池施加充电电流Ic相当短的时间tcheck1   例如tcheck1＝10s
  S7   检查电池的电压是否高于预定值Vcheck[如  果是，停止充电，提供出错消息“原电  池”；否则继续]   例如Vcheck＞1.85  V
  S8   根据电池的温度T确定预定阈电压Vth   例如Vth(T)＝  1.485·V    -  0.003·(T[℃]-  25)V
  S9   开始充电及监视时间t
  S9.1   提供恒定充电电流Ic，max直到达到预定阈电  压Vth为止   例如Ic，max＝1C
  S9.2   通过降低充电电流Ic而保持电压恒为Vth
  S10   在预定充电时间tcheck2之后，检查充电电  流Ic是否小于Ic，max[如果否，停止充电，  提供出错消息“充电器或电池有缺陷”；  否则继续]   例如tcheck2＝30  分钟
  S11   在预定充电时间tcharge之后，提供消息  “充电结束”但继续充电   例如tcharge＝6小  时
故障检测 
除了基本充电算法步骤(S8，S9，S9.1，S9.2)之外，本发明方法包括故障检测步骤(S3，S7，S10)。 
定义了三种类型的故障。 
1、助听器向后插入充电器中，导致充电器中的极性反向。这可在施加充电电流之前通过电压测量进行检测。当电压为负时，连接到充电器的装置反向 或电池为反向插入，将出错消息通知给用户(S3)。 
2、如果正确物理尺寸的原电池插入助听器中，充电器必须优选能够检测到该情况，以异常中止充电程序并显示出错消息以通知用户。例如，原电池的存在通过检测充电早期期间的过度电压升高进行检测。例如，如果以最大充电电流Ic，max(如Ic，max＝1C)在短时间tcheck1(如tcheck1＝10s)内电池电压U(t)＞1.85V，则假定电池为原电池；充电异常中止及以出错消息通知用户(S7)。 
3、充电器或电池有缺陷及电池不能在指定时间内达到恒定电压水平Vth。为避免电池严重过充电，如果充电电流未在预定时间tcheck2(如tcheck2＝30分钟)内减小，则中断充电，且以出错消息通知用户以寻求服务(S10)。 
与包括可再充电电池的装置交互作用 
充电器优选应迫使包括NiMH电池的装置(如助听器)在开始充电之前关闭。例如，这可通过把将要充电的装置的电池电压降低到足以启动装置(如助听器)的电池保护的程度而实现。这可通过将电池电压降低到0.8V或更低并持续预定的短时间(如在从1ms到10ms的范围内)而完成。 
用户通过充电站的显示器上显示的消息得到关于可能故障的状态或其它服务消息的通知，例如充电过程在6小时后结束，尽管充电以滴流充电率继续从而确保即使离开充电延长的时间段助听器仍为满充。 
图2示出了根据本发明实施例的NiMH电池的典型充电曲线。 
充电算法为恒定电流充电，之后以递减电流保持电压恒定。恒定电流充电期间的电流为在从5到50mA范围中的预定值，如22mA或11mA。当达到恒定电压Vth(等于所涉及温度下的额定电池电压)时，充电器必须切换到恒定电压充电模式。在图2的例子中，在约10分钟后达到恒定电压水平Vth(约1.48V，左侧刻度)。直到该时间为止充电电流Ic均为Ic，max，在此为22mA(右侧刻度)。在该时间之后，通过持续降低充电电流Ic而保持电压恒为Vth。在图2的例子中电池被充电6小时。在6小时充电之后充电电流Ic约为1mA(仍然渐减)。 
为了恒定电压，电压水平Vth必须进行温度补偿。对于NiMH电池，补偿因子为-3mV/℃，而在室温(25℃)的电压为1.485V。 
充电站 
图3示出了用于NiMH电池或包括NiMH电池的装置的充电站。充电站10包括用于接收可再充电电池或包括可再充电电池21的装置20(如便携听音装置)的充电室11。充电站还包括用于在可再充电电池21位于充电室11中时对其进行充电的可变电流源12。充电站和包括可再充电电池的装置还包括对应的接口13、22，使能将能量从充电站转移到可再充电电池从而当电池/装置20安装在充电站10的充电室11中时对电池进行再充电(参见箭头A，指明接口13、22将被使得紧密接触如电连接)。电流源12经连接14连接到接口13。接口13、22还使充电站能接收关于可再充电电池的状态信息，如其电流、电压或电池温度。在实施例中，充电站包括用于测量环境的当前温度的温度传感器，该环境如将被充电的装置的电池、将被充电的装置的外壳、或充电站或其充电室的温度。作为备选或另外，温度传感器可提供在包括可再充电电池的装置20中。充电站还包括数据处理系统(DPS)15，数据处理系统包括处理器和用于使处理器执行(例如结合图1所述的)充电算法的步骤的程序代码。可变电流源12经连接17由数据处理系统根据充电算法进行控制。 
在实施例中，充电算法用于位于听音装置20如听力仪器中的NiMH电池并用于对前述仪器进行供电。在图3的实施例中，示出了包括充电站10及便携装置20的系统，其中便携装置20包括可再充电电池21。装置20包括具有功能模块的听音仪器，功能模块如用于将声输入信号转换为电信号的输入变换器(传声器)，其连接到模数转换器(AD)，进而连接到与数模转换器(DA)相连的信号处理单元(SP)，数模转换器连接到输出变换器(接收器)以将处理后的输出信号呈现给用户。由点线矩形23包围的功能模块形成听音仪器的正向通路的一部分，例如用于将输入信号的随频率而变的增益提供给用户从而补偿听力受损。 
在实施例中，充电站和包括NiMH电池的装置适于以无线方式对NiMH电池进行充电(因为接口13、22的至少一部分如能量转移以无线方式进行，如感应，参见WO 2006/077192A1)。作为备选，充电站和包括NiMH电池的装置适于经电化电连接13、22(例如包括电连接器，例如属于插头/插座型，或经充电装置10和便携装置20上的对应协作电接触端子将电流源电连接到可再充电电池)对NiMH电池进行充电。 
图4示出了使用根据本发明的充电算法与现有技术充电算法比较的充电(图4a)和放电(图4b)曲线的例子。在两个曲线图中，线性电压轴为从0.8V延伸到1.7V的左侧垂直轴，电流轴为右侧垂直轴。在图4a中，线性电流轴从0A延伸到0.025A(25mA)，而在图4b中，线性电流轴从0A延伸到0.01A(10mA)。水平轴分别表示充电容量(图4a)和放电容量(图4b)。充电容量轴(图4a)从0Ah延伸到0.035Ah(35mAh)，及放电容量轴(图4b)从0Ah延伸到0.025Ah(25mAh)。 
图4a示出了NiMH电池的充电曲线的不同例子。总共四个电池被充电6小时。电池之中的两个(曲线IM1、IM2)使用根据本发明的方法充电并接收约22mAh的充电，而另两个电池(曲线TM1、TM2)根据传统方法充电并接收30mAh(5mA，6小时，参见TM3)；换言之，多余或不必要的过充电为36％。根据传统方法进行充电的两个电池在充电期间达到比根据本发明进行充电的两个电池(～1.48V)更高的电压水平(～1.56-1.58V)。然而，对于根据本发明方法进行充电的电池，可用于放电的容量稍高(参见图4b中的放电曲线)。 
图4b示出了NiMH电池的放电曲线的不同例子。水平线是恒定电流放电曲线。总共四个电池在分别以传统方法(TM1、TM2)和根据本发明的方法(IM1、IM2)充电之后进行放电。具有最高放电容量(分别为20.5mAh和21mAh)的两个电池均使用根据本发明的方法充电。具有最低容量(分别为18mAh和20mAh)的两个电池均因根据传统恒定电流充电方法进行充电(参见 图4a中的曲线TM3)。 
除了稍高的可用放电容量之外，更柔和的充电方法(包括更少的过充电)及当需要装置时总是提供满充电池的可能性(通过将电池/装置留在充电器中直到需要其为止)，本发明充电方法相比于传统方法具有优点，即不需要计时器来停止充电过程。 
本发明由独立权利要求的特征限定。从属权利要求限定优选实施例。权利要求中的任何附图标记不意于限定其范围。 
一些优选实施例已经在上述内容中进行了说明，但是应当强调的是，本发明不受这些实施例的限制，而是可以权利要求限定的主题内的其它方式实现。 
参考文献
US 6,731,096 B1(MOTOROLA)04-05-2004 
US 4,623,597(ENERGY CONVERSION DEVICES)18-11-1986 
WO 2006/077192 A1(OTICON)27-07-2006 

Claims (14)

1.对NiMH电池进行充电或再充电的方法，包括：
a)提供恒定充电电流，直到达到预定阈电压为止；
b)当达到预定阈电压时，通过降低充电电流而保持电压恒定；
其中，预定阈电压根据电池温度确定。
2.根据权利要求1的方法，其中恒定充电电流在从0.5C到2C的范围中。
3.根据权利要求1或2的方法，其中在参考温度T0下的参考电压VN(T0)由1.480V＜VN(T0)＜1.500V给出。
4.根据权利要求3的方法，其中额定参考电压VN与温度之间的关系满足-0.004＜dVN/dT[V/℃]＜-0.002，其中T为电池温度。
5.根据权利要求4的方法，其中预定阈电压确定为Vth(T)＝VN(T0)+(T-T0)·dVN/dT，如Vth(T)＝1.485·V-0.003·(T[℃]-25)V。
6.根据权利要求5的方法，其中NiMH电池具有小于或等于50mAh的容量。
7.根据权利要求6的方法，其中所述方法包括检查电池是否为适当的可再充电电池。
8.根据权利要求7的方法，其中所述方法包括在预定时间中未达到预定阈电压时结束充电。
9.根据权利要求8的方法，适于实现：在再充电过程期间电池的过充电小于或等于35％，如小于或等于25％，如小于或等于15％。
10.根据权利要求9的方法，适于实现：充电期间的温度增加有限，如≤5℃，如≤3℃，如≤1℃。
11.根据权利要求10的方法，其中在电池已充满之后允许充电过程继续。
12.用于对可再充电电池进行充电或再充电的充电站，该充电站包括：
A)用于接收可再充电电池或包括可再充电电池的装置的充电室；
B)用于对位于充电室中的可再充电电池进行充电的可变电流源；
C)用于将能量从充电站转移到可再充电电池及用于将状态信息从可再充电电池传给充电站的接口；
D)包括处理器和程序代码的数据处理系统，用于使用所述充电室、所述可变电流源和所述接口使处理器执行根据权利要求1-11任一所述的方法的至少部分步骤。
13.包括根据权利要求12的充电站及包含可再充电NiMH电池的装置的系统，其中充电站和便携装置适于在便携装置位于充电站中时使能对NiMH电池再充电。
14.根据权利要求13的系统，其中便携装置为通信装置、照相机、娱乐设备，如听音装置等，如听力仪器、头戴式耳机、头戴受话器、耳朵保护装置或其组合。
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