CN1148908A - 处理电池的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

披露了电池的处理方法和装置，包括使用处理器装置(100)用于在电池正在放电时监视电池电压并且在检测到电压变化速率已超过表征电池的某单元消耗情况的中断类型时中断放电过程。确定工作是通过在放电时检测其电压且检测其电压曲线何时呈现出第一凸处继以凹形这一现象而进行的。凸(3)和凹(4)的程度以及它们必须发生在的时间段，均由处理器装置确定。如果电压达到某预定电压，或如果在检测到中断类型后且在电压达到所说预定电压前从电池中已移去预定数量的电荷，那么也可使放电中断。本发明也设想先以高速率对电池充电直至返回电池的电荷量不大于在放电中断前从电池移去的电荷量。然后充电过程可以较低速率继续直至电池被过充电至某预定程度。

Description

处理电池的方法和装置
发明背景
本发明涉及处理充电电池的方法和装置。术语“处理”适用于新电池的整理、旧电池或可能由于不使用致使性能有所退化的新电池的再处理，以及(在最广义意义上)对正用于工作环境的电池的充电。该处理过程可作为预防性手段。
那些通常最适于作根据本发明的处理的对象的电池是密封镍镉型电池，尽管本发明在适当场合可用于其它电池。密封镍镉型电池有几个缺陷，它们是：
(a)电池单元的充电容量倾向于彼此不等，而且这些差别在反复使用后也倾向于进一步扩大。
(b)在电池不被使用时各单元的活性材料倾向于采取不那么活跃的形式。同样，电池未作最大限度使用时，那些未被使用的活性材料部分也会采取不太活跃的形式。
被称为“记忆”(memory)的电池缺陷有时便是由这些缺陷所致。
(c)在过充电和过放电的过程中倾向于产生气体。产生的气体主要是氢气和氧气。在设计各单元时考虑了所产生氧气的再利用但一般不会再利用氢气。由于各单元是密封的，多余的氢气将导致它们穿孔并且最终性能变差。氢气从单元的产生和排放可能构成一次爆炸事故，并且由于电解液的损失而导致单元容量降低。
在电池的各单元中充电容量不均匀的问题经常可由对电池过充电来解决。这一过程可以在仅有各单元充电后容量不均并且各单元的固有容量很好匹配时成功进行。用于该目的的过程被称为均衡充电。
在电池各单元的充电容量不匹配时，无论是作为电池处理一部分的放电还是在电池驱动设备中使用电池带来的放电都有某些危险。主要问题发生于最低容量单元在放电过程中完全消耗之时。如果在此情况下继续放电，该耗尽后的单元产生氢气以及引起与之有关的问题。如此过放电的单元的固有容量也许进一步退化。为减少单元过放电的可能性，使电池放电的设备通常设计成在电池电压低于每单元约1伏或者例如对12伏、10个单元电池来说为10伏。这个方法对具有少量单元的电池来说是有效的，但当单元数增加时越来越不可靠。对于单元数越多的电池，电池内各单元固有容量的匹配至关重要。如果制造过程中做到的固有单元匹配由于使用(或甚至不用)或误用而性能下降，那么该电池可能很快地变得无用或甚至是危险的。
在附图的图1中，以曲线1给出匹配较好的电池的放电电压随时间稳步下降的关系。曲线2给出其中一个单元具有较低充电后容量的电池的放电电压对时间的曲线。图1和图2作一比较，可以看出低容量单元能量耗尽的影响。在电压突然下降的点3处电压下降率急剧增大。然后点4处电压下降率急剧降低，电压又恢复其原有的较低下降速度。
如果充电(和过充电)速率相当低，通常低于每小时标称容量的1/10的速率，那么密封镍镉电池可被安全地大量过充电。只要电池没有一个单元被过充电，那么以速率每小时1个标称容量的快充电一般视为是安全的。
通过过充电来使电池各单元的充电后容量均衡(即将它们全部充电至其固有容量)的电池充电方法已是众所周知。对电池作重复循环的充电和放电的电池处理通常用于使各单元中所有活性材料最具活性。该通用方法对已作储备用或作持续充电的电池来说特别适用。已知这一方法可能破坏一些单元。发明综述
本发明一方面适用于处理充电电池的装置，另一方面适用于处理充电电池的方法。对于本发明的一种形式来说，重要的是在放电过程中甚至在电池电压高于被视为最小安全电压的某一电压时仍可检测单元的消耗情况，所说最小安全电压是指为避免对电池造成损害应当结束充电过程的电压。根据本发明的一个方面，这可由通过用处理装置来判断放电过程中电池电压的变化率来获得。这可用于检测电压的某个中断类型并且此后中断放电。
正如现在所预计的，中断类型通常，但本质上不是必要的，相应于表征电池的某个单元的消耗情况。对表示单元消耗情况的变化率的估计可依上述结合图1或以其它适当方式进行。
放电可在如上预期的检测单元消耗之后，立即被中断。但是，如果少量的额外放电可认为是良性的话，那么通常在单元容量方面的产品差异可通过允许在某个单元已耗尽的那一点之后继续放电来加以处理。在此条件下可被放电的额外容量的大小可以被看作是“失配”容限(allowance)。当使用失配容限时，电池将被放电，直至要么已达到某个被选作为放电中断电压的电压(在此情况中电池被认为是较好的匹配的)，要么直至检测到单元消耗事件并且又有一些电荷从电池移去(失配容限)。总之，如果放电中断电压已达到，那么放电即被中止。单元匹配的程度可根据在电池电压达到放电中断电压前所使用的失配容限的大小的估值加以判断。这里应当注意该过程测量最小容量单元和次最低容量单元之间的容量差别。如果一些足以导致电池电压降至放电中断电压的单元同时耗尽，即使该电池的其它单元具有较大容量，那么该电池也应视为较好匹配。
放电中断电压可选成对应于结束点电压，而结束点电压通常由电池制造商选定，用于减少在放电时单元过早消耗的发生。然而，为了更为准确地表示典型的电池使用情况，放电中断电压可选择为反映主要使用电池的电池供电设备的实际“关闭”电压的电压。
因此，作为本发明的一个方面，如果在所说中断类型被检测到之前，电压达到一个基本上相应于由处理器确定的电池放电中断电压的值，那么处理器装置也应被安排来中断放电；并且本发明的另一方面是，如果在所说中断类型已检测到且在电压达到所说放电中断电压之前在所说放电过程中从电池移去由处理器装置决定的一定数量电荷，那么也可将处理器装置有利地用于中断放电。
检测中断类型的一种途径是使得处理器装置周期地对电压取样并且将其中的变化与表征在同样条件下放电时电池电压中已知变化的数据进行比较。
处理器装置可以便利地用于对电压进行时间微分以便确定电压变化率。
如上所述，本发明主要应用于新电池的整理和旧或不合格电池的再处理。就此而言，可以由中断类型的检测特别是单元消耗的检测构成另一个用法。本发明的一种形式是，处理器装置用于计算从电池移去的电荷量。该计算值可以进行，直至所说中断类型被检测到和/或如果其后放电继续、在放电中断前被移去所说的电荷量。处理器使用该计算值来确定在放电中断后电池以高速率可以进行多长时间的安全充电。如前所示，如果然后以高速率对电池的充电所返还给电池的电荷量基本上不大于移去量，那么认为该充电是安全的。充电的高速率是考虑，尤其是，防止单元中氢气放出的需要之后设定的。
因此，本发明的一个方面是，安排处理器装置用于，在充电中断后，使充电装置首先以高速率然后较低速率对电池充电，两个充电速率均由处理器装置确定。
在本发明的一个方面中，电池以高速率充电，直至返还给电池的电荷量基本上等于由处理器装置计算出的、在放电中断前从电池移去的电荷量，或者是，如果在中断类型被检测到之后放电仍继续的话，处理器装置算出的在中断类型被检测到之前已被移去的电荷量。然后充电过程以较低速率继续，直至电池被过充电至由处理器装置确定的或如此后表明的某个程度。
在本发明的一个方面中，处理器用于，如果在电池正在被充电的同时电压超过该处理器规定的某个限值，那么将充电速率降至由处理器确定的某个数值，或中断充电过程。该数值和电压限值可以固定并存放在处理器的存储器中或可在充电过程中确定。由于电池温度的变化，电压限值可以不同。特别是，如果电池温度或其上升率超过由处理器确定的限值，那么充电速率可能降低并且最后充电中止。
如果需要，充电速率的降低可以重复为渐进递减的充电速率。该过程被发现适用于将已为通常方法处理过并被视为不合格的电池进行恢复的许多例子。
根据本发明的又另一个方面，特别适用于但不仅仅局限于新电池，电池以预定高速率在一个短的初始时段内进行充电，并且此后以低速率充电直至电池被过充电至由处理器确定的某个程度。该初始时段长度必须足以保证所有单元的电压大于零，这样不必再继续一段比至多数分钟还长的时间。
以上述方式对电池充电的方法和装置(就其本身而言被认为是新颖且有创造性的)也许会有一些商业应用，而与监视电池放电的方式或事实上放电究竟是否被监视无关。
术语“由处理器装置确定”在此处无论何时被引用，总是意在涉及至少下述情况，即其中数量指(a)具有某个数值，它由操作者插入并作为数据存放在处理器中；与(b)有某变量值，它由处理器装置计算。
在本发明的一种形式中，所说装置用于存储、记录、播放或另外存放关于电池状态的信息，该信息在使用时由该装置处理。该信息可以播放出来以便，例如表明电池处于良好状态或不在良好状态。附图简述
本发明将参考附图作进一步说明，附图中：
图2是电池处理系统的前后关系图；
图3是电池处理系统中数据的流向图；
图4是在作为电池处理系统一部分的一个控制器中的数据的流向图；
图5是系统的充电/放电模块的方框图；
图6是电压检测电路；以及
图7是温度检测电路图。
图8是一个电源的方框图。
本发明实施模式
本发明包括处理充电电池的方法和装置，以使其有用寿命得以延长，或在某些场合下评估其状态以便进行安全处理或修理。
在处理时，电池连接至一个装置，该装置包括经设计用于以受控方式对电池充电和放电的部件。该装置也包括用于在充电和放电过程中记录和分析电池电压以及其它特性的部件。分析结果用于判定是否要执行进一步的电池处理。该部件包括一个显示装置，用于将电池的有关信息传送给装置操作者。处理方法和装置的有关功能现在将作详细讨论。
首先参看图2至4；1设计和文献方法
此处公开的电池处理方法遵循数据流设计原理以便给本发明的实现提供指导。所使用方法基于Tom Demarco的工作，它详细阐述在其著书“结构分析和系统说明”(Structured Analysis and SystemSpecification)(ISBN 0-13-854380-1)。那些在电子设备、特别是同时涉及模拟和数字设计的设备设计领域的技术人员将发现这里有足够的信息来实施本发明。如果需要，可以进一步参考Demarco、Yourdon“现代结构化分析”(Modern Structured Analysis ISBN 0-13-598632-X)和Hatley & Pirbhi-实时系统策略说明(Strategies forReal Time System Specification ISBN 0-932663-11-0)的工作。2.系统说明
电池处理方法在参照图2、3和4中的数据流图后得到最好的说明。随后说明所涉及的各个过程。所说明的每个过程可伴有软件和硬件组件。3.电池处理系统(过程1)
实现该系统的硬件表示在图5中。
“电池处理系统”在图2中表示为1，该图表示了本发明系统的主要概况。图2也简要表示了电池2和操作者3，并且标记了与每个有关的数据流。数据流在另一节中说明。电池处理系统包括下述的几个过程：3.1.1控制器(过程1.1)
该过程由图5中的控制器10执行。负责该过程的硬件包括元件14、15、16、18、12、42、和24，这些元件将在下文说明。该过程接收来自模数转换器1.2与操作者控制面板1.4过程(下文说明)的数据，并且产生用于数字显示过程1.3的数据流“显示”以及用于数模转换器过程1.5的“电流”(两者均在下文说明)。控制器过程1.1包括下述的几个过程：3.1.1.1原始电压处理器(过程1.1.1)
实现该过程的硬件包括图5中的单元14、15、16和18。过程采用(数字)“电池电压”数据流并且在周期性基础(由过程激活控制流“TBC1”确定)上记录电池电压，将之放在数据存储块“电池电压”中。过程“原始电压处理器1.1.1”可有一些通常所使用类型的信号滤波和数据压缩能力，但这对本发明来说不重要。3.1.1.2电压文件分析器(过程1.1.2)
该过程由图5中的控制器10实施，在由控制流“TBC2”确定的周期性基础上执行这里说明的数学分析，并且产生数据流输出“消息1”，它被馈给时间基准控制器以对其动作起作用。为了确定何时中断电池放电，这为本发明的大多数形式所要求，在放电过程中检测“电池电压”数据存储块(它被周期性更新并且在处理过程中保留电池电压的足够历史)。如果发现现有的最新电压比电池的放电中断电压(由电池制造商推荐或其它)要小，那么“好”中断输出消息被送至“时间基准控制器”过程1.1.3并且，如果需要，至“数字显示”过程1.3。如果记录在“电池电压”数据存储块中的电池电压的最近历史有着与电池中某个单元完全耗尽有关的特性类型，那么“不合格”消息被送至“时间基准控制器”过程1.1.3。
众所周知，在放电过程中电池电压大部分时间作缓慢下降。然而，电池中某个单元的消耗导致电池电压快速下降然后恢复(通常的)下降慢速。这种电压变化类型被记录在”电池电压“数据存储块中，并且可易于为任何通常的数学技术所检测。例如，这可由检测dv/dt成为大的负值然后回到小的负值的情况而实现，这里dv/dt是指由“电池电压”中的记录值计算出的电池电压对时间的导数。
当充电过程的中断是基于电池电压(而不是时间)时，该过程也可利用通常已知的技术手段确定充电过程的中断。3.1.1.3时间基准控制(过程1.1.3)
该过程由图5中的控制器10实施，给电池处理器的各操作定序以使所需操作按预期序列执行。该过程通过数据流“控制”接收操作者命令并且通过数据流“消息1”接收由电压文件分析器过程1.1.2执行的任何操作的结果作为输入信号，并且经过过程激活控制流“TBC1”、“TBC2”、“TBC3”控制电池处理器的各操作。“TBC1”在如前所述的周期性基础上激活“原始电压处理器”过程1.1.1。“TBC2”在需要执行其各操作时激活“电压文件分析器”过程1.1.2。“TBC3”激活“充电和放电电流控制器”1.1.4，以便对电池充电或放电。“时间基准控制器”过程1.1.3是作为简单的状态装置以及作为处理器中一个控制的某部分或其它进行运作的。3.1.1.4充电和放电电流控制器(过程1.1.4)
该过程由图5中的控制器10实施，实现该过程的硬件包括控制单元10中的微处理器、微控制器22、DAC24和分别用于充电或放电的SMPS28或30。
该过程包括两个独立过程：一个对电池充电，另一个对电池放电。这些过程概念简单，在数据流图中不再作说明。这些过程的每个独立地由控制流“TBC3”的不同组件激活，以及以由存放在数据存储块“电池特性”中的预置值所确定的电流对电池作主动充电(或对应地放电)。该过程的输出数据流设置经数模转换器1.5和模拟至电流转换器1.6的充电或放电电流。3.1.2模数转换器(过程1.2)
该过程接收模拟数据流并对之处理以产生数据流“电池电压”。所涉及处理包括用于数据收集的通常类型的输入缓冲过程，随后是将模拟值转换成数字形式。所使用分辨率相应于大约15比特。
12比特的数模转换器设定一个电压窄窗的开始电压，它由一个8比特模数转换器转换成数字形式。实际电压由微处理器从DAC窗的设定和来自ADC的转换值计算出来。
每3秒钟1次转换的转换速率即可胜任。
该过程由图5中的元件14、15、16和18实现。3.1.3数字显示(过程1.3)
该过程由图5中的单元42实现，接收数据流“显示”并将之转换成可读形式(例如以LED显示格式)并且执行实际的显示操作。3.1.4操作者控制面板(过程1.4)
该过程由图5中的单元12实现，是至设备操作者的接口。该过程将操作者的动作转换成适于控制电池处理器的形式。该过程为方便起见要求使用旋转或按钮开关或键盘。3.1.5数模转换器(过程1.5)
该过程由图5中的单元24实现，它接收控制器1.1的输出作为数据流“电流”，这是数字形式的，并将之转换成模拟形式。所得到的模拟形式的数据流是“模拟”电流，它流向“模拟至电流转换器”过程1.6。根据所使用电池和应用，需要有8至12比特的分辨率。3.1.6模拟至电流转换器(过程1.6)
该过程由图5中的分别用于充电和放电的单元28和30实现，它接收“模拟电流”数据流(它可表示放电和充电电流，尽管不是同时)并且将充电(或相对地放电)电流置为所表示的值。实际电流源(或相对地汇)将典型地采用线性或开关模式，由所需应用功率确定。在每一情况下，设计遵循常规方法。4数据说明
这里说明一下在数据流图表示的数据流、控制流和存储块。4.1电池数据
该过程由图5中的控制单元10实现。
这是一个连续的模拟数据流，具体地，被处理电池的电压。4.2操作者控制
该过程由图5中的单元12实现。
这是离散的数据流，是操作者对电池处理器各操作的选择。5  操作者显示
这是离散的数据流，特别是由操作者所见的处理器输出，它包括但不限于“好”或“不合格”状态的显示。
该过程由图5中的单元42实现。6  充电电流
这是连续模拟数据流，是充电(或放电)电池电流。
该过程由图5中的单元28或30实现。7  电池电压
该过程由图5中的单元10实现。
这是连续数字数据流，是“电池数据”流的数字型式。8  显示
这是离散数据流，是驱动操作者显示的数字信号。
该过程由图5中的单元42实现。9  控制
该离散数字数据流是操作者的数据流“操作者控制”的数字表示，由图5中的控制单元10实现。10 电流
该过程由图5中的控制单元10实现，并且是一个连续数据流，是待充电或放电的电流的数字值。11 模拟电流
这是一个连续模拟数据流，是数字流“电流”的模拟量，由图5中的控制单元10实现。12 充电电流
这是由模拟值“模拟电流”确定的模拟电流流，由图5中的单元28或30实现。13 电池电压
该过程由图5中的控制单元10实现。
这是一个数据存储块和有关数据的数据流，且包括一组数字电压值。该组可为200个元素，每个元素16比特。14 TBC1
这是一个过程激活控制流，它导致电压值被存放在“电池电压”存储块中。激活速率可简单为1/3Hz。15 TBC2
这是一个过程激活控制流，它导致进行“电压文件分析器”过程1.1.2的电压分析。16 TBC3
这是一个过程激活控制流，它用于激活在“充电和放电电流控制器”过程1.1.4中任何受控子过程。例如它可启动充电或放电过程。如果实行脉冲充电或放电，那么该信号将对脉冲定时。17 消息1
该离散数据流可接收至少数值“好”和“不合格”，且用于将“电压文件分析器”1.1.2中的处理结果转送给“时间基准控制器”过程1.1.3，以便对在该过程中运作的状态装置作用。
过程TBC1、TBC2、TBC3和消息1由图5中的控制单元10实现。18 电池特性
该数据存储块保存了与被处理电池所需的充电和放电电流有关的信息。它可以在制造时或在使用前装入，它可以使用易变、可再编程或永久的存放装置，视系统要求而定。
现在参看图5，用于处理电池的装置100包括一个控制单元10，该单元提供中心控制操作并负责实现所有重要的控制决定并且执行所有必须的计算。该单元包括RAM、EPROM、和微处理器，按标准结构安排。在本例中，微处理器是摩托罗拉型68HC11F1，它执行保存在英特尔型EPROM27C512中的指令。从电池读出的电压保留在日立型RAM存储器62256。特殊控制功能
除了下文将作说明的其它功能外，控制单元10还执行处理电池所需的特殊功能。
至于中断电池的充电或放电过程，控制单元保持了在放电(或充包)过程中记录下来的电池电压记录。在本例子中，该记录每3秒钟取1次，并经平滑以除去不重要的变化。数据被压缩以减小所需存放的数量。控制单元10检查该记录并且寻找其中的某些特征。该操作包含对记录中的数据的数值分析，该分析由单元10以数字形式进行。然后它可通过将该记录视为放电(或充电)电压对时间的模拟曲线而得到最好解释。可为本领域的技术人员理解的是，记录是该曲线的内在表示。
具体地，为检测单元的耗尽情况，控制单元寻找电压/时间曲线上可被描述成“中断类型”的特征。在本例子中控制单元将电压对时间微分并且寻找两个特征。首先曲线必须超过所呈现凸度的某个预定值，在该处测得的电池电压低于电压/时间曲线的切线，该切线是在此前某个时间作出。在其后的某个时间内，曲线必须超过所呈现凹度的某个预定值，在该处测得电压大于电压曲线的切线，同样该切线是在此前某个时间、但在所需凸形状态被检测到之后作出的。在所有情况下，所寻找的状态必须在足够程度上保持足够时间以使其可被认为已发生过。正是如前所说的凸形伴随以凹形这一型式构成了对电池耗尽情况的判定。在该判定过程中，同时遵守几个检测原则。检测参数是基于已知的或此前由实验确定的电池性能而被确定的。通常这些参数是通过对此前一些具有相似容量的电池在相似条件下放电所得到的电压/时间曲线的记录值求平均而建立的。然而这样的数据建立后，即被存放在控制单元的存储器中。
中断类型的检测方法不必局限于前文所述方法。例如电池电压的变化率的确定可通过以固定时间间隔对电压抽样，并将在每个间隔处测得的电压与在前一间隔或前一些间隔中测得电压进行比较而进行。这实际上也涉及电压/时间数据的微分问题。
例如，通常参考“放电时间”对电池定级，放电时间通常大约5小时，它是完全充电的电池在给定负载下完全耗尽的时间。通常，如果在放电时间的具有预定百分比(通常1％)的时间段中，在同样负载下电池电压下降量与一个单元的电压数量级相当，那么也认为单元已经耗尽。中断类型通常选择成与某个单元消耗时在同样条件下电池放电的电压/时间曲线相一致。
再次参看图5，元件12表示了一组操作者控制，它们是操作者接口的一部分。它们包括几个选择器开关和一个按钮，用于表示操作者对控制单元10的指令。操作者控制通过未示出的LED/开关接口和一个LED显示单元42相连。
处理装置包括一个12比特数模转换器14，它设置用于电池电压测量的电压窗。MUX单元16与模数转换器15结合使用以测量电池电压。具体地，该单元用于选择哪一个电池将被测量。MUX的操作处于控制单元10中的微处理器的控制下。
单元18是一个前端电压/温度监视器，它提供模拟电平变换、滤波和放大功能，以将电池电压输入值变换成可为模数转换器和MUX所用的形式。该单元通过对来自数模转换器14的输入值进行缓冲和电平变换，在电池电压上实现给定功能。单元18使用一个电阻/电容时间常数电路结合以微处理器10中的数字定时器，将放置在电池内的一个热敏电阻的(依赖于温度的)阻抗特性曲线转换成温度读数。
单元20提供充电组件的硬件接口。高达3个充电组件可经该单元连接。该单元的主要功能是对充电组件进出的信号进行缓冲。每个充电组件均由微控制器22控制。控制信息自微处理器10经单元20送往微控制器22。电流读数和状态自微控制器22经单元20返回控制器10。在充电和放电之时，微控制器22将所需电流的数字信号送往数模转换器24。DAC24有一个电压输出值被送往电压至电流转换器28和30。
控制单元26接收来自微控制器22的信号以使电压至电流转换器28或30启动。该电路也禁止同时对充电28和放电30进行操作。
元件28是一个SMPS，它工作于补偿(buck)模式，并从150V直流电源对电池充电。输出电流由转换器24设定，并且对于该设定用电流检测电阻32对输出电流进行测量。
元件30是一个SMPS，它工作于回扫(flyback)模式，并且通过将能量从电池取出并将之转换成150V直流电能对电池放电，以使电能为其它模块再利用或由未示出的一个功率撤消电路撤出。该放电电流由转换器24设定，并且对于该设定由电流检测电阻32来测量该放电电流。
该装置包括一个保安电路34，该电路与其有关的保险丝一起用于提高单元的安全性，防止危险电压出现在充电器的输出端上。一旦充电器内出现一些内部故障，保安电路就独立地将任何这类的危险电压固定，也许这会导致保险丝断开。
在图8中所示的功率模块104将输入电源功率转换成可用形式，并在需要之处将具有潜在危险的电源电压与其它模块作安全隔离。该模块可在110V或240V电源下工作。
元件57是一个RFI滤波器单元，用于防止可能由电源操作引发的不可接受电平的冲突信号出现在电源输入端。为满足测试和许可部门的正规要求该单元是必需的，并且不会影响充电器操作。
元件58是一个整流器/滤波器，它将交流输入功率转换成直流形式并对所得到的直流滤波以使之适用于后面的处理过程。该单元也负责对110V和240V交流输入进行处理，使之分别用在电压倍压器或电桥模式。
标号59表示一个半桥SMPS，它接收单元58的直流输入，并且通过一个超音速斩波过程以及使用所连接的变压器60将输入功率转换成150V直流。150V直流出现在整流器和滤波器单元61上。该单元接收单元59的斩波后输出值(由变压器60变压)，并将它转换成平滑的150V直流以便为后续的充电模块所用。150V输出量出现在65。
单元62产生8V和16V直流输出，以提供用于控制电池处理过程的低电平功率。该单元也为半桥SMPS提供电压反馈以使150V直流输出稳定。8V和16V输出分别出现在66和67。
功率撤出电路64被连接至1.50V直流功率输出端并且被用于消除被处理电池放电形成的功率。充电器将努力利用电池放电产生的功率(例如去给其它电流充电)但所剩余功率将由该单元处理。当电源电压超过约160V时，简单地将一个功率电阻跨接在标称150V电源两端即可使单元工作。
用在处理器的单元18中的电压检测电路和温度检测电路分别表示在图6和7中。这些电路是可为本领域技术人员理解的常规电路。电压检测电路106的输入端38被连接至电池，输出端50被连接至控制单元10中的微处理器。运算放大器49是LM2902N器件，它可从摩托罗拉公司得到。
图7中所示的温度检测电路102是一个简单电阻/电容(RC)定时电路。该温度是通过测量对于热敏电阻51的依赖于外部温度电阻特性来说对定时电路52放电所需时间来算得的。转换过程由微处理器控制。首先定时电容52由晶体管53充电。其次，晶体管53被关闭，晶体管54被接通并且启动一个内部定时器。外部热敏电阻51将定时电容52放电直至电压比较器55(也为LM2902N)的输入端的电压达到某预置电平。这时输出端56的信号被送往控制单元10中的微处理器，以停止内部定时器。然后所经历时间被用于计算温度。
现在对典型的处理时间段，其中包括电池放电以及使用上述处理器报告其单元差值，进行描述。电池被连接至充电器的充电输出端36。电池也被连接至单元18的输入端38和40以便对电池电压和温度分别进行监视。然后操作者使用操作者控制12选择所需过程并且通过观看LED显示42来确认该过程的正确起动。也可用蜂鸣器44来确认各操作的开始。然后控制单元10发送信号给转换器单元22，这些信号通过数模转换器24确定回扫SMPS的适当放电电流。来自控制单元10的信号也指示控制逻辑单元26启动回扫SMPS的运作，由此开始对电池放电。同时控制单元10经MUX16和ADC15每3秒钟记录一次电池电压。控制单元10检查电池电压记录，并如前所述在电压中寻找某中断类型，表示某个单元已完全耗尽。
与这些操作同时，对瞬时电池电压进行监视。如果瞬时电池电压降至一个预定的放电中断电压，那么中断放电过程。中断电压存放在控制单元中，它可以是电池制造商推荐的结束点电压。如果找到中断类型，并且电池电压保持高于中断电压的时间大于存放在控制单元中的失配许可值，那么放电被中断并且表示电池是失配的。失配程度可从测得时间估算并被显示出来。另一方面，可以将不可接收的失配的简单事实显示出来。在两种情形下，放电操作被中止，并且用蜂鸣器44提醒操作者注意发生事件，且用显示42告之以结果。
控制单元计算由电池移去的电荷量，直至达到所说中断类型为止，并且如果放电在那点后仍继续，那么直至放电被中断为止。该信息被存放在存储器控制单元中。
下面以举例形式来说明典型的处理时间段，其中使用参照图5说明的处理器对电池作了充电。该例假定处理过程是在容量为1.0安培小时、包括20个单元的镍镉密封型电池上进行的。
该时间段自被称为成形充电(forming charge)的那点开始。它是指电池主要以低速率接收电流的一个充电阶段。对该例而言，这应被认为是以10小时周期对完全放电后的电池进行完全充电的速率。然而，该成形充电阶段也可包括一小段时间的大电流充电。
成形充电阶段可如下进行。电池被连接至如前所说的处理器的端子36、38和40。处理器被连接至图8中所示的电源104。处理器让1.0安培的电流流过电池计20秒之久。接着，处理器调节充电电流为0.1安培，该电流流经电池计20小时之久。这样做的目的是确保电池中的20个单元都受到完全的充电。1.0安培小时密封型电池的各单元被设计成按0.1安培充电电流作长时间运作而不会造成损坏，因此不会被该过程损坏。这里应注意，虽然出于制造容限与在使用中的退化许可限度的考虑这些单元的标称容量是1.0安培小时，但电池的各单元的实际容量通常可超过1.3安培小时。因此在该成形充电阶段中所充电的容量大约为2.0安培小时。需要作额外的充电(大于上述1.3安培小时实际容量)，以弥补不足100％的充电效率，而这是这些单元尤其是在刚从贮存室取出时常有的情形。该成形充电的重要之处不是定时，而是一小段初始时间大电流充电的引入(在此情形下是1.0安培计20秒)，这一点在结合本发明实施的实验中被发现可导致在其它情况下较顽固的某些单元接受其后的慢充电。
在成形充电之后通常是如上所述对电池进行放电。处理器可能被设置成0.2安培的(放电)电流。选择0.2安培的电流是因为这是测量该例所选用单元型号的容量的标准放电电流。当然出于方便也可使用其它标准电流或选用其它电流。当电池的放电过程进行时，处理器以不变间隔(例如每3秒)记录电池端点电压并将之存储，并且所读取的值在内部对所经历时间画曲线。读数是连续取得还是以其它间隔取得，不会对本发明有实质改变。如上所示，通过对该曲线微分，处理器可以检测电压中表示单元消耗的中断类型。通常电池的单个单元的耗尽将导致电池电压快速下降，下降值约为电池电压的1/20(对于20个单元情况)。该下降通常发生计约3分钟时间之久。
放电过程可在如上所述参考图1中的曲线2检测到单元消耗之时被中断。然而，也可允许放电在该时间后继续一段等同于失配许可值的预定时间。制造商通常根据电池在给定百分比内匹配情况(关于其单元容量)来对电池定级。对于一个定级在例如5％的电池；其失配许可通常可设定为电池标称容量的8％。在该例中，在检测到单元消耗之后相当于电池标称容量8％的电荷量将被移去。
包括匹配不好单元的电池在一或多个单元消耗之后不受控制地重复继续进行放电过程将带来一个危险，尤其是电池性能永久退化的危险。对电池造成破坏的危险与一些因素包括电池结构以及电池所作用途在内有关。例如，将电池用在可使该电池放电超过所推荐结束点电压的设备上，可增加单元失配程度，这种用法和/或电池结构的知识会影响失配许可的选择。单元失配容限选择较高可允许一些可疑电池的改进，虽然电池进一步损坏的危险也增大。本发明提供一个较早识别递增的单元失配情况的装置，以及一种更为可靠的修复电池的方法，使电池在使用时具有比迄今为止所有的情形还要小的单元失配。
在任何情况下，如果电池电压达到某个预定的放电中断电压，那么也可以将电池放电过程中断。在现例子中放电中断电压设定为20.0伏。如果检测到某个单元消耗并且电池进一步释放了相当于失配许可的量，但电池电压未降至放电中断电压之下，那么可认为该电池是无效的。这是因为单元容量失配。
然而，在根据本发明系统对电池处理之时，发现某些电池如果进行数次充电和放电，那么它们的匹配情况会有所改善。
在放电过程之后，可对电池进行充电。通常，只要投放到电池中的电荷未超过其未充电容量，对本例中使用的该类型电池进行快速充电就是安全的。由于电池刚刚释放了一定量的电荷，电荷量由处理器计算，因此对此前放电过程中移走的电荷量作替换是安全的。无论放电过程是否检测到某个单元失配，这都是成立的。因此为了节约时间，可使用设成1.0安培的电源对电池充电，并且定时以使得替换的电荷量不大于放电过程中移去的数量。通常在快速充电速率下可以额外加上少量的电荷，但是按该速率进行的明显的过充电可能会损坏电池。
在该被定时的快速充电之后，可以通过用控制单元将电源设成0.1安培进一步对电池充电，并且由控制单元结束充电过程以使得总计达(通常地)电池标称容量的140％被替换。返回电池的超出其标称容量的那部分电荷有两个基本功能。首先，充电过程的效率并非100％，因此为获得100％返回电荷，必须对电池作大于100％的充电。其次，电池的各单元在多种特性(例如充电效率)上可能不匹配，施加过剩电荷可导致匹配情况改善。
在使用或处理电池时，电池应基本上如前所述重复地充电和放电。通常，在最新放电之后的电池状态被认为指示了电池的质量。充/放电过程的精确的重复次数并不重要，但是由于该过程冗长，重复次数过大是不利的。对于完好的电池来说，典型的系统应能提供一个成形充电过程，随后进行一次放电过程和一次充电过程。
如果在充电过程中电池电压或电池温度二者之一达到由存放在处理器中的某个数值确定的上限，那么充电被中断或者处理器改成较慢速率的充电。如果电池温度或其上升速率超过处理器确定的某个限度。那么可减小电压限值并最终将充电过程中断。通常，电池制造商设定每个单元1.55V的限值为15℃。该限值在26℃时通常降低为1.505V。
前述改换可继续到电池被完全充电为止。
本发明不应限定于对电池变化速率中表征单元消耗的一种中断类型的检测。可以推断操作者可以在由对电池变化速率的分析可以检测出的其它情况下中断放电过程。
根据包括本说明书的申请而授予的专利其范围并不排除对这里定义的本发明精神内所说明和/或示意的实施例的修改和/或改进，或者被这类实施例的、并不是区别本发明和已有技术的必要特征的细节所限定。

Claims (20)

1.处理充电电池的装置，其特征在于，它包括一个处理器装置(100)，用于当电池正被放电时监视电池电压的变化速率，以及在参考所说变化速率检测到电压已越过所说处理器装置确定的中断类型后中断放电过程。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，所说中断类型相应于表示电池的某个单元消耗的类型(3，4)。
3.根据权利要求2的装置，其特征在于，该处理器装置用于，如果在检测到所说中断类型前电压达到一个基本上相应于电池的预定放电中断电压，中断放电过程。
4.根据权利要求3的装置，其特征在于处理器装置用于，如果在检测到所说中断类型之后且在电压达到所说放电中断电压之前在所说放电中由处理器装置确定的电荷量已从电池移去，中断放电过程。
5.根据权利要求1-4之一的装置，其特征在于处理器装置用于通过周期性地采样电压，并将其中的变化与表征电池在相似条件下放电时电池电压中的已知变化的数据进行比较，来检测该中断类型。
6.根据权利要求1-5之一的装置，其特征在于处理器装置用于对电压关于时间微分以便确定电压的改变速率。
7.根据权利要求1-6之一的装置，其特征在于处理器装置用于，在放电被中断之后，导致充电装置先以高速率然后以较低速率对电池充电，两种充电速率均由处理器装置确定。
8.根据权利要求7的装置，其特征在于电池以高速率充电直至返回电池的电荷量基本上等于由处理器装置算出的、在放电被中断前已从电池移去的电荷量或者是，如果放电过程在检测到中断类型之后仍继续，直至检测到中断类型之时所移去的电荷量。
9.根据权利要求7或8的装置，其特征在于处理器装置用于，如果在电池正被充电时电压达到由处理器装置确定的某个上限时，将充电速率降至处理器装置所确定的一个数值。
10.根据权利要求9的装置，其特征在于所说上限相应于电池温度的变化而改变。
11.充电电池的处理方法，其特征在于包括提供处理器装置(100)的步骤，所说处理器装置用于当电池正被放电时监视电池电压的变化速率，以及在参考所说变化速率检测到电池已越过该处理器装置确定的中断类型之后，中断放电。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于所说中断类型相应于表征电池的某个单元消耗的一个类型(3，4)。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于处理器装置用于，如果在检测到所说中断类型之前电压达到某个基本上相应于电池的预定放电中断电压，对放电中断。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于处理器装置用于，如果在所说中断类型被检测到之后并且在电池已达到所说放电中断电压之前在所说放电中已由电池移去了的、为处理器装置所确定的某个电荷量，中断所说放电。
15.根据权利要求11-14之一的方法，其特征在于处理器装置用于通过周期地采样电压并且将其中的变化与表征电池被置于相似条件下放电时电池电压的已知变化的数据进行比较。
16.根据权利要求11-15之一的方法，其特征在于处理器装置用于对电压进行时间微分以确定电压的变化速率。
17.根据权利要求11-16之一的方法，其特征在于处理器装置用于，在放电中断后，使充电装置首先以高速率然后以较低速率对电池重新充电，两个充电速率都由处理器装置确定。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于，电池以高速率充电直至所返回电池的电荷量基本上等于由处理器装置算出的在放电被中断前从电池移去的电荷量或者，如果在中断类型检测到之后放电过程继续，直至该中断类型被检测到为止所移去的电荷量。
19.根据权利要求17或18的方法，其特征在于处理器装置用于，如果在电池正被充电时电压达到处理器装置所确定的某个上限，降低充电速率至处理器装置所确定的某个数值。
20.根据权利要求19的方法，其特征在于所说上限相应于电池温度的变化而改变。
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