CN1030361C

CN1030361C - 电池充电方法和装置

Info

Publication number: CN1030361C
Application number: CN92112419A
Authority: CN
Inventors: 下本贤吉
Original assignee: KIYOMI HANASHIRO
Current assignee: KIYOMI HANASHIRO
Priority date: 1992-02-17
Filing date: 1992-10-26
Publication date: 1995-11-22
Anticipated expiration: 2007-10-26
Also published as: WO1993016518A1; JP3108529B2; JPH0622465A; AU2390092A; EP0584362A4; AU663331B2; EP0584362A1; CA2108570A1; TW209919B; KR0143056B1; BR9205905A; US5500584A; EP0584362B1; CN1075577A

Abstract

本发明涉及一种电池充电方法，用于对诸如铅酸蓄电池之类的电池进行快速充电；以及一种电池充电装置，用于执行上述电池充电方法。其中，一个初始充电阶段、一个快速充电阶段以及一个最终充电阶段依次连续进行。在初始充电阶段，其电量是逐渐增加的充电电流施加到电池上；在快速充电阶段，其电量大于初始充电阶段充电电流之电量的充电电流间断式地施加到电池上；在最终充电阶段，当电池端电压达到充电终点电压时，其电量逐渐减小的充电电流加到电池上。

Description

本发明涉及用于诸如铅的蓄电池的快速充电的方法，以及用于完成所述方法的电池充电装置。

通常的电池充电方法有恒定电压充电方法，即将一个恒定的电压施加到电池上用于充电;以及恒定电流充电方法，即持续地施加一个恒定的电流到电池上用于充电。在这些方法中，虽然各有其优点和不足，但是，就现存的任何方法而言，要大大地缩短充电时间是不容易的。

近几年，从环境保护的观点出发，实际使用的所谓电瓶车就迫切希望能使用电池作驱动电源。为使电瓶车能得以广泛使用，必须大大缩短电池的充电时间，但时，满足上述需求的电池充电方法迄今仍未开发出来。

另外，电池的容量是由安培一小时容量（Ah）与小时之比率来确定的。例如，当10Ah/10小时的电池容量以1A电流放电时，它能连续使用10小时;当这个电池以4A电流放电时，经计算可知连续可使用的时间是2.5小时，事实上，大约1.5小时就达到了放电终点电压。按相同的方式，当以10A电流放电时，计算可知连续可使用时间是1小时，实际上，连续可使用的时间大约是35分钟。

类似地，这也可应用到充电上，例如，当10Ah/10小时电池容量的电池，以1A的恒定电流充电10小时即达到完全充电状态;当以10A的恒定电流充电时，在电流中进行的化学反应速度快于计算值，事实上，仅以所计算的时间即1个小时的一半就可按近于完全充电状态。

然而，如果单纯地增加充电电流，容易发生过充电，且可能损伤电流的电极。此外，还存在一个问题，即仅仅只有电极的表面被充电，所充电荷不能渗透到电极内部。

本发明就是鉴于上述问题设计出来的，因此，本发明的目的是提供一种电池充电方法及其装置，它能以非常短的时间充电并且所充电荷能渗入到电极内部且不损伤电池。

根据本发明的电池充电方法，其特征在于：有一个初始充电阶段，它所施加的充电电流的电量是逐渐增加的以开始充电;有一个快速充电阶段，它间歇式地将充电电流施加到电池上以进行充电，所述电流的电量大于初始充电阶段的电流的电量，同时，还要观察电池的端电压;还有一个最终充电阶段，当电池端电压达到充电终点电压时，对电池施加其电量逐渐减少的充电电流以终止充电，这三个阶段依次连续进行以完成充电过程。

本发明的电池充电装置包括：在充电电路中提供一个控制开关，一个充电电流检测器，一个电池端电压检测器，以及一个控制单元，该控制单元可根据充电电流检测器和端电压检测器的检测结果，将与每个充电阶段相对应的控制信号加到控制开关上以按阶段控制充电电流;所述的控制单元包括：一个第一信号发生装置，用于产生一个控制信号，该控制信号施加到电量逐渐增加的初始阶段充电电流上;一个第二信号发生装置，用于产生一个控制信号，该控制信号间歇式地施加到其电量大于初始阶段充电电流之电量的充电电流上;一个第三信号发生装置，用于产生一个控制信号，该控制信号施加到其电量是逐渐减小的最终阶段充电电流上;一个第一判定装置，用于将充电电流检测器得到的检测值与一参考值相比较，以判断电池故障;一个第二判定装置，用于将端电压检测器得到的检测值与充电终点电压相比较，以判断电池端电压是否达到充电终止电压;一个第一转换装置，用于根据第一判定装置的判断操作，使第一信号发生装置的工作移向第二信号发生装置;以及一个第二转换装置，用于根据第二判定装置的判断操作，使第二信号发生装置的工作移向第三信号发生装置。

在本发明的另一个电池充电方法中，通过观察初始阶段的充电电池来判断电池故障。

在本发明的另一个方法中，在快速充电过程中，一个持续充电周期和一个充电悬置周期交替出现，直到电池端电压达到充电终止电压为止;在持续充电周期中，充电电流的间断式供电是持续的;在充电悬置周期，快速充电电流的间断式供电暂停。

在本发明的电池充电装置中，控制单元包括：一个周期置定装置，它交替置定着持续充电周期和充电悬置周期，直到电池端电压达到充电终止电压为止，在持续充电周期中，充电电流的间断或供电是持续的;在充电悬置周期，快速充电电流的间断式供电暂停。

图1是表示本发明的电池充电方法的原理说明图。

图2是根据本发明电池充电装置的电路图的一个例子的电路图。

图3是表示控制单元的框图。

图4是表示驱动控制单元的特定例子的方框图。

图5是表示在控制信号发生单元中，控制信号的发生原理说明图。

图6是操作控制单元的控制程序的流程图;

图7是表示驱动控制单元的电路工作的时间图。

图1表示本发明的一个实施例的电池充电方法的原理。

在图中，时间的延伸是沿着横坐标标绘的。在该电池充电方法中，时间“O”到“t₁”之间是初始充电阶段“a”，时间“t₁”到“t₂”之间是快速充电阶段“b”;以及在时间“t₂”到“t₃”之间是最终充电阶段“c”。整个充电过程是依次且连续完成的。

电池端电压和充电电流是沿纵坐标标绘的，在图中，符号Q（V）表示在充电时，电池端电压的变化，符号Q（I）表示在充电时，充电电流每单位时间平均值（以下称为“平均电流值”）的变化。

初始阶段a是这样一个过程，即充电电流的电量是逐渐增加的，以使电池开始充电。在本实施值中，充电电流是脉冲式施加的，在开始充电后不久，脉冲状的充电电流的脉冲宽度T_N就被置定为一个足够小的值，随着时间的推移，脉冲宽度T_N相对于脉冲间隔t_F在每一设定时间段上依次被置为更大，以增加电量或增加平均电流值。

在初始充电阶段中，通过观察充电电流可判断电池故障，当一个设定的时间段（假设为30秒）消逝时，那么在该时刻上的平均电流值就达到了一个预定的参考值，这时可判断电池是正常的，且充电阶段可移向b阶段;当参考值未能达到时，则可判断电池不正常，需采取诸如停止充电等这样的额外措施。

按下来的快速充电阶段b是这样一个过程，即对电池施加一间断式充电电流以对电池充电，该电流的电量大于初始阶段充电电流的电量，同时观察电池端电压。在此快速充电阶段b中，脉冲宽度t_N设置得相对较大，因此可使充电电流的电量（平均电流值）大于初始充电阶段a的电量。

充电电流一个值（脉冲高度）被设定为电池容量的2～4倍，即当电池容量为10AH/10小时，它可设为10A的2～4倍。

而且，在该快速充电阶段b中，持续充电周期T1（设为约10秒）与充电悬置周期T2（设为约2秒）交替设定直到电池端电压达到充电终点电压V_E时为止，在所述持续充电周期中，充电电流的间断式供电是持续的，在所述充电悬置周期中，充电电流的间断式供电暂停。

在每一充电悬置周期T2中，最好在下一持续充电周期T1开始的时刻，测量出电池的端电压。在该图中，符号P表示的是电池端电压的测量时刻。

最终充电阶段是这样一个过程，即当电池端电压达到充电终止电压V_E时，通过对电池施加一个其电量逐渐减小的充电电流来结束电池的充电。在该实施值中，通过间断式地施加充电电流，并且随时间的延伸在每一时间段依次使脉冲宽度T_N相对于脉冲间隔t_F设置得更小，来使电量逐渐减小。

图2是一个电池充电装置的电路结构图，它用于执行上述电池充电方法。

在图中所示的充电装置中，充电电路包括一个主电路1和一个次电路2，它们用一个变压器3相连接。在主电路1中提供了一个电源输入端5，5与单相A.C.电源4相连;在次电路2中提供了电池连接端7，7与电池6相连。

在主电路1中，提供有一个控制开关8，它由例如SSR的半导体开关构成。控制开关8是由从控制单元9给出的控制信号操作接通和断开，并且，根据控制信号输入的开一关操作的时间是利用A.C.输入端的一个零叉点来自动加以选择。

在次级电路2中，提供有一个整流器10用于执行变压器3的次级输出的全波整流，还有用于检测流经次级电路2的充电电流的充电电流检测器11以及用于检测电池6端电压的端电压检测器12。由充电电流检测器11和端电压检测器12得到的检测值送到控制单元9中。

在图中，数字13表示一个电源电路，用于提供控制单元9操作所需要的D.C电压，还包括一个变压器14，一个整流器15和一个电压转换器16。

图3是控制单元9的示意框图。

在控制单元9中包括：一个操作控制单元20，一个时钟发生器21，一个驱动控制单元22。一个显示控制单元23和计时器24。控制开关8连接到驱动单元22，一个LED组连接到显示控制单元23。LED组26由多个LED组成，它用来在显示控制单元23控制下指示出电池充电装置的工作状态。

操作控制单元20由微机构成，包括一个作为控制和操作主体的CPU27，一个存储程序的ROM28和一个读/写数据的RAM29。充电电流检测器11和端电压检测器12经过总线25连接到CPU27，此外，还有驱动控制单元22、显示控制单元23和计时器24。

图4表示驱动控制单元22的一个特定的电路图，它由控制信号发生单元30，周期设定单元31、门电路单元32和下降沿检测电路33组成。

控制信号发生单元30用于产生一个控制信号，以控制控制开关8的连通和断开操作，包括一个锯齿波发生电路34，一个比较器35，一个设定器36和一个反相电路37。

图5表示在控制信号发生器30中控制信号的产生原理。

图5（1）是由锯齿波发生电路34产生的锯齿波〔1〕。比较器35比较锯齿波〔1〕的电压电平和由设定器36设定的设定点TH的大小。当锯齿波〔1〕的电压电平高于设定点TH时，如图5（2）表示的，比较器35的输出电平变为“1”。当锯齿波的电压电平低于设定点TH时，比较器的输出电平变为“0”。比较器35的比较输出〔2〕是由反相电路37来反相的，并且作为反相输出，如图5（3）表示的就得到了一个控制信号〔3〕。

当设定点TH被设定为高电平时，控制信号〔3〕的脉冲宽度变得大于脉冲间隔，所以，在快速充电阶段（b）中，具有大电量的充电电流是由设定这样一个高电平的设定点TH以产生控制信号〔3〕来达到的。

当设定点TH被设定为低电平时，控制信号〔3〕的脉冲宽度变得小于脉冲间隔，因此，在初始充电阶段a和最终充电阶段C中，充电电流的电量是逐渐增加和减小，是由设定这样一个在每个固定时间段依次变化的低电平设定点TH，以产生控制信号〔3〕来达到的。

再回到图4，周期设定单元31用于在控制信号〔3〕提供到控制开关8的期间设定一个它包括一个计数器39，该计数器39可接收经过“与”电路38供给的时钟信号CK，还有第一和第二比较器40，41，这些比较器将计数器39的计数值与由设定器42、43设定的设定点的值相比较。从时钟发生器21来的时钟信号CK供给到“与”门电路38，当从CPU27给出一个启动信号时，“与”门电路38输出时钟信号CK到计数器39。

在初始充电阶段a和最终充电阶段C中，在设定器42、43中设定有足够大的任意值;在快速充电阶段b中，对应于持续充电周期T1的值设定在设定器42中，而对应于持续充电周期T1与充电悬置周期T2之和或一个循环长度T3的值设定在另一个设定器43中。

当计数器39的计数值达到设定器42、43各自的设定点时，第一和第二比较器40、41的比较值变为“1”，第二比较器41的比较输出经过“或”门电路44供给到计数器39，作为复位信号。

第一比较器40的比较输出经过反相器46与启动信号一起供给到“与”门电路46。利用“与”门电路46的输出可控制门电路单元32的打开和关闭，当门电路处于打开状态时，控制信号〔3〕供给到控制开关8作为输出信号。

下降沿检测电路33检测“与”门电路46的下降沿输出，并输出一个边沿检测信号到CPU27;当CPU27接收到边沿检测信号时，在一定时间内，CPU27接收端电压检测器12的检测值。

图6表示操作控制单元20的控制过程;图7表示驱动控制单元22的时间图。

在图6中，步骤1（在图中表示为“ST1”）到步骤9表示在初始充电阶段的控制过程，步骤10到步骤13表示在快速充电阶段中的控制过程，步骤14到步骤19表示在最终充电阶段中的控制过程。在下文中，将根据图6和图7详细说明电池充电装置的工作。

首先，在图6的步骤1（在图中表示为“ST1”），CPU27判断电源是否接通，当判断为“Yes”时，在控制信号发生单元30的设定器36中设定一个初始充电阶段的设定点TH，并在周期设定单元31中的设定器42、43设定任意足够大的值之后，CPU接通启动信号〔4〕（参见图7（1）），并且启动计时器24（步骤2到步骤4）。

在图7中，符号TM1表示初始充电阶段a启动时间，由此控制信号发生单元30产生具有对应于初始设定点TH的脉冲宽度的控制信号〔3〕（参见图7（4））。虽然周期设定单元31的计数器39开始计数操作，但是它的计数值是小于设定器42、43的设定点的。第一比较器41的比较输出〔5〕（参见图7（2））仍然是“0”，而“与”门电路46的“与”输出〔6〕（参见图7（3））是“1”，所以，门电路单元32是保持在打开状态;在初始充电阶段a中，控制信号〔3〕经过门电咱32提供给控制开关用为输出信号〔7〕（参见图7（5））。

在计时器24中，设定初始充电阶段a的持续时间，在下一步骤5中，可判断计时器24的时间是否达到，在随后的步骤6中，可判断是否经过了预定的时间。

当预定时间已经消逝时，在步骤6中可判断为“是”，并且CPU27移向步骤7，以在控制信号发生单元30的设定器36中设定下一个设定点TH，而且产生具有对应于设定点TH的脉冲宽度的控制信号〔3〕。

在每次预定时间消逝之后，通过更新设定点TH，并且产生具有对应于设定点TH的脉冲宽度的控制信号，一直到计时器24的时间达到为止，就可得到电量是逐渐增加的充电电流。

当计时器24的时间达到时，在步骤5中可判断为“是”。CPU27移到步骤8，以接收由充电电流检测器11得到的检测值，并与一个预定的参考值进行比较。当检测值高于参考值时，尽管在步骤9中判断为“是”，CPU27也要移到下一步骤10的快速充电阶段b，当检测值低于参考值时，CPU27可判断为电池故障，这时则执行非常措施，例如暂停充电。

在快速充电阶段b的第一个步骤10中，CPU27在控制信号发生单元30的设定器36中设定一个预定的设定点TH，在周期设定单元31的一个设定器42中，设定一个相应于持续充电时间T1的值，在另一个设定器43中，设定一个相应于一个循环长度73的值，并使周期设定单元31的计数器39复位。

在图7中，符号TM₂表示快速充电阶段b的启动时间，由此控制信号发生单元30产生具有相应于设定点TH的脉冲宽度的控制信号〔3〕。尽管周期设定单元31的计数器39继续着计数操作，直到所计数的值达到相应于连续充电周期的设定器42的设定点为止，那么，第一比较器40的比较输出〔5〕是“0”，而“与”门电路46的与输出〔6〕则是“1”（参见图7（2）、（3），因此，门电路单元32设定在打开状态，控制信号〔3〕就照这样经过门电路单元32提供给控制开关8，作为输出信号〔7〕（参见图7（5））。

当计数器39的计数值变得大于设定器42的设定点时，充电悬置周期T2呈现，第一比较器40的比较输出〔5〕变为“1”，而“与”门电路46的“与”输出〔6〕变为“0”（参见图7（2）、（3），因此，门电路单元32设定在关闭状态，控制信号〔3〕被门电路阻断，且输出信号〔7〕是“0”（参见图7（4）、（5））。

当“与”门电路46的“与”输出〔6〕从“1”下降到“0”时，由下降沿检测电路33可检测下降，而且边沿检测信号输出到CPU27，因此，在步骤11中判断为“是”，CPU27接收端电压检测器12得到的检沿值，去与充电终点电压V_E（步骤12）相比较，当检测值已经达到充电终点电压V_E时，在步骤13如可判断为“是”，CPU移向最终充电阶段即下一步骤14;当检测值小于充电终点电压V_E时，CPU27返回到步骤11的快速充电阶段b，并作好准备接收下一个边沿检测信号。

当计数器39的计数值变得大于在快速充电阶段b中的检测器43的设定点时，第二比较器41的比较输出变为“1”，利用这个比较输出使计数器39复位，其结果是计数器39的计数值变得小于设定器42的设定点，比较器40的比较输出变为“0”，而“与”门电路46的与输出〔6〕变为“1”（参见图7（2）、（3）），因此，门电路单元32设定在打开状态，控制信号〔3〕就这样经过门电路单元32，供给到控制开关8，作为输出信号〔7〕，于是从充电悬置周期T2返回到持续充电周期T1（参见图7（5））。

在这样的操作重复进行时，当由端电压检测器12检测的值达到充电终点电压V_E时，在步骤13中判断为“是”，CPU27就移到下一步骤14即最终充电阶段。

在最终充电阶段c的第一步骤14中，在控制信号发生单元30的设定器36的最终充电阶段c中设定第一设定点TH，以及在周期设定单元31的设定口在42、42中设定任何足够大的值之后，CPU27就启动计时器24（步骤14、15）。

在图7中，符号TM3表示最终充电阶段c的启动时间，由此控制信号发生单元30产生具有相应于第一设定点TH的脉冲宽度的控制信号〔3〕（参见图7（4））。尽管周期设定单元31的计数器39开始计数操作，因为计数值是小于设定器42、43的设定点，所以第一比较器41的比较输出〔5〕（参见图7（2））仍然是“0”，而与门电路46的与输出〔6〕（参见图7（3））是“1”，于是，门电路单元32维持在打开状态，在最终充电阶段c中，控制信号〔3〕就这样经过门电路单元32并供给控制开关8，作为输出信号〔7〕（参见图7（5））。

在计数器24中，设定一个最终充电阶段c的预定持续时间，在步骤16中判断计时器24的时间是否达到，在随后的步骤17中，判断预定的时间是否已经经过。

当预定时间已经消逝时，在步骤17中判断为“是”时，CPU27就进行到步骤18，以在控制信号发生单元的设定器36中，设定下一个设定点TH，并产生具有相应于设定点TH的脉冲宽度的控制信号〔3〕。

在每一预定的时间消逝之后，通过产生具有相应于设定点TH的脉冲宽度的控制信号作为新的设定点TH，直到计时器24的时间达到为止，就可获得电量逐渐减小的充电电流。

当计时器24的时间达到时，在步骤16中判断为“是”时，CPU27就进行到步骤19，以断开启动信号〔4〕完成充电。

在上述实施例中，虽然在初始充电阶段a和最终充电阶段c两个阶段中，充电电流是间断式施加的，但决不仅仅限于此，充电电流也可以是连续施加的。

根据本发明的电池充电方法和电池充电装置，由一施加了初始阶段充电电流之后，对电池施加了大电量间断式充电电流来充电，因此充电能在短时间完成，并且能深入到电极而又不损伤电池的电极。

因为在快速充电期间观察电池的端电压，而且当电池端电压达到充电终点电压时，电池的快速充电过程就移向最后充电过程，因此可以防止过度充电，另外电池不会受到损伤。

在上面所述的电池充电方法中，由于通过观察初始充电阶段的充电电流可观察电池故障，那么，快速充电仅在正常的电池上进行。

另外，在上述的电池充电方法和电池充电装置中，由于在充电悬置周期内充电电流的间断式供给处于暂停状态，充电就能渗透到电极内，且扩散到整个电池，所以，可在电极之间保持充电的平稳。

Claims

1、一种通过使电流流过一个电池而使之充电的方法，改进包括下列步骤：

第一步：逐渐增加对电池充电的电流至一预定值，

第二步：在同时监视上述电池的端电压时，交替地接通或断开大于第一步骤中的电流的电流，从而将电池快速地充电至充电终点电压，以及

第三步：逐渐减少电流，结束充电。

2、根据权利要求1所述的电池充电方法，其中在所述的第一步骤中，通过把充电电流与所述的预定电压加以比较来判断电池故障。

3、一种电池充电装置，包括：

一个使电流流过电池的充电电路，

一个设在所述充电电路中、用于接通或切断流过该电路的电流的控制开关，

一个用于检测流经所述充电电路的电流的第一检测器，

一个用于检测该电池端电压的第二检测器，以及

一个用于控制所述充电电路的电流供应的控制单元，根据所述两个检测器的检测值向所述的控制开关发送控制信号，

其特征在于：

所述的控制单元包括：

第一信号发生装置，用于产生使流经该充电电路的电流逐渐增大的控制信号，

第二信号发生装置，用于间歇地产生使一个大于所述的第一发生装置中的电流的电流流经该充电电路的控制信号，

第三信号发生装置，用于产生使流经充电电路的电流逐渐减小的控制信号，以及

用于使第一至第三信号发生装置分步连续工作的转换装置，该转换装置在所述第一检测器的检测电流达到一个预定值时，将操作从第一信号发生装置转换到第二信号发生装置;在所述第二检测器的检测电压达到充电终点电压时，将操作从第二信号发生装置转换到第三信号发生装置。

4、根据权利要求3的电池充电装置，其特征在于第二信号发生装置包括一个周期设置装置，用于交替地设定产生所述控制信号的周期以及停止产生该控制信号的周期。