CN1046384C - 用于具有温度感测的电池充电系统和方法 - Google Patents
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Abstract
根据电池温度的二阶导数(410),提供能够禁止可再充电电池(320)充电的操作电池充电系统的控制电路和方法。可再充电电池组件含有热敏电阻(330),与可再充电电池(320)一起检测电池的温度。当电池温度的二阶导数(410)是正值和电池温度的一次导数(390)高于预定阈值时,电池的充电可被禁止。
Description
本发明涉及用于对具有温度感测的电池充电系统。
可再充电的电池可用两种类型的电池充电器充电,涓流充电器和快速的充电器。涓流充电器用低的几百毫安(mA)级的电流对一个电池慢慢地充电。涓流充电器用半天左右时间对一个典型的可再充电的(无线电设备的)电池充电,快速充电器用约一安培左右的电流对一个电池充电,并且需用约一小时对一个典型的可再充电的(无线电设备用的)电池充电,因快速充电器对一个电池充电比涓流充电器快约一个数量级,所以快速充电器受到人们的喜爱,可是,快速充电器存在一些附加的问题,因快速充电器对电池充电使用大电流充电,故可能过充电,而涓流充电器充电是使用低电流,如果单元电池被设计得可接受连续的过充电,则该蓄电池它本身能防止进一步被充电,相反,快速充电器需要不连续地对电池充电的电路,在无这样的电路的情况下,快速充电器将对电池过充电,危及该电池损坏,由于发热和损坏单元电池中的隔离器,或者由于产生高压使单元电池穿孔导致不能再恢复的损失容量,故过充电可能缩短电池的寿命。
本发明的一个目的是要解决由于环境条件而引起的过早断开的问题。
本发明的另一个目的是在电池温度的一次导数超过阈值时禁止断开误动作。
本发明的再一个目的是利用电池温度的二阶导数。
根据本发明的一个方面,这里提供一种电池充电系统,内含一个控制电路,其特征在于,所述的控制电路包括:一个温度传感器,用于感测电池的温度;一个一次导数计算装置,用于计算该电池温度的一次导数;一个二阶导数计算装置,用于计算该电池温度的二阶导数;和一个开关,可操作地耦合到所述的温度传感器、所述的一次导数计算装置和所述的二阶导数计算装置,在所述的电池温度的二阶导数为正值和所述的电池温度的一次导数高于一个预定阈值时,禁止该电池充电。
根据本发明的另一方面,这里提供一种用于对电池充电的方法,其特征在于,包括以下步骤:(a)感测该电池的温度;(b)计算该电池的温度的一次导数;(c)计算该电池的温度的二阶导数;和(d)当该电池的温度的二阶导数为正值和该电池的温度的一次导数高于一个预定的阈值时,禁止对该电池充电。
结合以下附图阅读下面的详细描述将会对本发明的这些结构和其它结构以及特点更为明了。
图1和2示出本发明的一个电池组件和充电基座。
图3-5示出本发明对于电池充电时间与电池温度、温度斜率和温度梯度关系的曲线图。
图6示出本发明优选实例的原理性方框图。
图7示出本发明优选实施例的方法的流程图。
图1示出一个电池组件110,该组件110具有接点130用于与充电基座相耦连。电池组件110含有一个可再充电的电池和一个热敏电阻用于检测可再充电电池的温度。可再充电的电池可包含一个或多个单元电池。图2表示充电基座120,该充电基座具有至少一个插座140,用于保持具有接到它的接点130的电池组件110。在充电基座120内含有一个充电控制电路。该充电控制电路根据可充电电池温度的二阶导数禁止电池组件110中的电池充电。
图3-5示出根据本发明对于电池充电时间与电池温度、温度斜率和温度梯度的关系曲线图。图3中的曲线202示出电池的升高温度,当一个电池例如为了充电而从冷的环境的室外拿到室内时出现电池温度的升高。曲线202示出在升温到室内环境温度期间电池温度迅速地升高。图3中的曲线212示出在电池达到充满电之后电池的温度。如果在电池变为充满电之后充电电压仍然连接到该电池上,根据曲线212该电池的温度增加。曲线212示出过充电电池的温度。
图4中的曲线204示出当温度升到室内环境温度时电池温度变化的速率。曲线204是曲线202的一次导数并且代表温度变化的速度。图4的曲线214示出在电池变为充满电之后充电电压仍然连接到电池时,过充电电池温度变化(一次导数)的速率。
图4中用曲线204示出用于控制充电的充电电路根据一次导数如何过早断开和导致对电池不足够的充电。随着电池升温到环境温度,电池的温度能迅速地增加,产生曲线204的高温度斜率值。本发明解决了这些问题,同时仍保持检测温度的优点,以确定何时可再充电的电池被充满电。在本发明中,温度的二次导数可用于确定何时可再充电的电池被充满电。
图5由曲线206表示升温到环境温度时电池温度的二次导数,而过充电用曲线216表示。根据图5的两条曲线的二次导数,容易检测以曲线206表示的升温到环境温度的电池和以曲线216表示的过充电电池之间的差别。例如根据图5中曲线的简单极性,可确定曲线204和214的向上和向下的斜率。当曲线216的值为正时,曲线206的值为负。对过零点或阈值的检测表明电池是否过充电,同时当电池被升温到环境温度时可防止过早中断充电。
图6示出根据本发明优选实施例的原理性方框图。电池组件310含有一个可再充电电池320和一个热敏电阻330。可再充电电池320可以包含一个或多个串联或并联的单元电池。可再充电电池320和电池组件310的热敏电阻330经接口340与充电基座的充电控制电路相连接。接口340提供用于有选择性地连接充电电路至电池组件的接点。
电源350经接口340对可再充电的电池320充电提供电源。开关晶体管360或其它合适的继电器或半导体器件允许和禁止电池充电。电池组件310的热敏电阻330是一个电阻性元件,它的电阻随温度而改变。虽然举例使用一种热敏电阻,但其特性随温度预测地变化的其它器件可代替该热敏电阻。
在图6所示的实施例中,热敏电阻330能够在模/数(A/D)变换器370的输入端上提供可变电压。典型地,要求电源提供一个电压,该电压在热敏电阻330与在A/D变换器370的输入端上的固定电阻之间分压。这样,A/D变换器370的输出及时提供可再充电电池320温度的测量。
移位寄存器380对于各种情况及时存储和延迟可再充电电池320温度的测量。图6所示的实施例根据温度(Tt、Tt-1和Tt-2)的三种情况计算温度的导数。当前的和以前的温度值(Tt和Tt-1)由减法电路390相减。该减法器电路390的输出提供温度的一次导数的近似值。类似地,从移位寄存器380来的先前的和二倍先前的温度(Tt-1和Tt-2)由减法器电路400相减。减法器电路390和400的输出在另一个减法器电路410中相减,以提供可再充电电池320温度的二阶导数的近似值。
比较器420把二阶导数的近似值与零相比较,确定二阶导数是正还是负。比较器430把一次导数的近似值与预定的温度阈值相比较,确定可再充电电池的一次导数近似值是否高于这预定温度阈值。这个预定的温度阈值最好具有对于典型的镍金属氢化物(NiMH)电池每三分钟大约2℃的断开极限。实际的断开极限取决于电池的类型、电池容量和电池的实际结构。
“与”门440组合比较器420和430输出的阈值确定,经开关晶体管360提供用于控制可再充电电池320充电的信号。在第一实施例中,如果只使用比较器420的输出来控制晶体管开关360,则本发明的充电控制器工作。但是,在第二个实施例中最好使用比较器420口430的两个输出。
除了上述实施例的温度二阶导数之外,在不同的实施例中开关晶体管360能根据电池的电压附加地被控制。A/D变换器450经接口340检测可再充电电池320两端的电压。计算电路460根据A/D变换器450的输出计算该电压的导数。该电压的导数可计算为一个近似值。该近似值使用一个移位寄存器和一个减法器,例如移位寄存器380和上述的减法器390,计算温度的导数。比较器470把计算电路460的电压导数值输出与预定幅度阈值相比较。计算电路460可交替地计算可再充电电池的电压的二阶导数,用于与比较器470中不同幅度阈值相比较。
可再充电电池的温度和电压二者的导数可用于控制电源350对可再充电电池320的充电。“与”门480组合比较器440的温度控制输出与比较器470的电压控制输出。这个组和用于控制开关晶体管360并在这些不同的实施例中使可再充电电池允许充电和禁止充电。
在本发明的另一个实施例中,提供一个微处理器用于驱动晶体管360的控制电路,例如一个Motorola 6805微控制器含有内设的A/D变换器,而且能够驱动如开关晶体管360之类的开关。图6所示的控制电路可体现在这样的一个微控制器中,作为本发明的另一种实施。使用上面讨论的关于图6的减法运算,该微控制器可被编程计算导数的近似值。另一种可替代的方案是,微控制器可被编程,执行在数学上更精确的但复杂的计算导数的方法。
图7示出本发明最佳实施例的方法。步骤510将电源连接到可再充电电池,以开始充电,初始对电池充电。在步骤510电源与电池相连接开始充电之后,在步骤520测量电池的温度和电压。根据步骤520测量的电池温度,在步骤530计算电池温度的一次导数。此后,在步骤540,将电池温度的一次导数与预定的阈值相比较。如果电池温度的一次导数不高于预定阈值,则流程继续经步骤550返回到步骤530。但是,如果温度的一次导数高于预定阅值,则流程进到步骤560。在步骤560,计算电池温度的二阶导数。此后,在步骤570将电池温度的二阶导数通过比较以确定二阶导数是否为正值。如果电池温度的二阶导数不是正值,则流程进到步骤550再返回到步骤530。但是,如果电池温度的二阶导数是正值,则电池的充电很可能充满电,并且这时能禁止充电。
还可检查电池电压,以保证电池完全充电。如果如在步骤570确定电池温度的二阶导数是正值,则流程可进到步骤580。在步骤580,计算电池电压的一次导数。此后,在步骤590,如果电池电压的一次导数低于预定幅度,则在步骤600电源可与电池断开而结束充电。但是,在电池电压的一次导数不低于预定幅度的情况下,流程可从步骤590经步骤550返回到步骤530。
虽然上文的说明和附图中已描述和说明了本发明,应当明白这仅是举例说明。例如,温度传感器可以是其特征随温度预测地变化的任何元件。本领域的技术人员能够作出许多变化和修改,而不脱离本发明的真实精神和范围。
Claims (7)
1.一种电池充电系统,内含一个控制电路,其特征在于,所述的控制电路包括:
一个温度传感器,用于感测电池的温度;
一个一次导数计算装置,用于计算该电池温度的一次导数;
一个二阶导数计算装置,用于计算该电池温度的二阶导数;和
一个开关,可操作地耦合到所述的温度传感器、所述的一次导数计算装置和所述的二阶导数计算装置,在所述的电池温度的二阶导数为正值和所述的电池温度的一次导数高于一个预定阈值时,禁止该电池充电。
2.根据权利要求1所述的电池充电系统,其特征在于,所述的温度传感器包括一个对接点,与其相耦联。
3.根据权利要求1所述的电池充电系统,其特征在于,所述的温度传感器装置包括一个热敏电阻。
4.根据权利要求2所述的电池充电系统,其特征在于,还包括:一个其内含所述电池的电池组件,和一个电池充电器,所述的电池充电器包括:
多个接点,与所述的电池组件相匹配,所述的接点中至少一对提供温度信号,用于指示该电池组件的温度;
所述的一次和二阶导数计算装置包括:一个导数计算电路,可操作地耦合到所述的接点对,用于接收所述的温度信号,以便计算所述电池组件的温度的导数;及
所述的开关可操作地连接到所述的导数计算电路,当所述的电池组件的温度的二阶导数为正值和所述的电池组件的温度的一次导数高于一个预定阈值时,禁止所述的电池组件充电。
5.根据权利要求4所述的电池充电系统,其特征在于,还包括:一个充电器基座,它具有至少一个插座,用于保持所述的电池组件,所述的电池组件具有与它相连接的充电器基座的接点。
6.根据权利要求1所述的电池充电系统,其特征在于:所述的电池是一个可再充电的单元电池,具有一个温度传感器,它被构造得可感测所述的可再充电的单电池的温度;
7.一种用于对电池充电的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(a)感测该电池的温度;
(b)计算该电池的温度的一次导数;
(c)计算该电池的温度的二阶导数;和
(d)当该电池的温度的二阶导数为正值和该电池的温度的一次导数高于一个预定的阈值时,禁止对该电池充电。
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