CN1235277A - 蓄电池的满充电检测方法和使用它的满充电检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种蓄电池的满充电检测方法和使用它的满充电检测装置。本发明提供的蓄电池的满充电检测方法,不管充电模式和周围的环境,不要特别的电池结构,就能正确地检测出蓄电池的满充电,并能抑制起因于过充电的电池特性的降低。本发明的满充电检测方法,检测在充电中的蓄电池的内部发生的脉冲振动,当得到的脉冲振动的特性值、例如发生频度比规定的值大时,判定所述蓄电池到达满充电。

Description

蓄电池的满充电检测方法和使用它的满充电检测装置

本发明涉及蓄电池的满充电检测方法。

目前，笔记本型计算机、移动电话等以小型高容量蓄电池为电源的便携式设备迅速地普及，此外，以大容量蓄电池为电源的电气汽车也已实用化。

在这些蓄电池的使用中，要求能防止作为使电池的循环寿命降低大的重要原因的过充电。此外，为了便利使用者，期望能准确检测充电状态并缩短充电时间。

以往，在使用蓄电池的设备和充电器装置中，设置在充电时检测满充电并用于避免过充电的手段。

所用的方法基本上是在测定电池的电压、温度或者内部压力的同时、用比较该值与预先设定的值对充电进行控制。

下面，对其具体的例进行说明。

例如，在日本特开平6-133468号公报中公开了在镍-氢蓄电池的充电中，根据其温度、内压和电压，对满充电进行检测，并在充电后将充电模式变更成连续补充充电(trickle charge)的充电方式。

在日本特开平7-240236号公报中公开了在蓄电池的充电中，设备(或者充电器)对初始安装的电池在慢慢地提高充电电压的同时进行充电，并检测过电压，以后用这时的充电电压值进行恒定电压充电的充电控制方式。

在日本特开平8-70537号公报中公开了在电池的充电中，周期地检测每一定时间的电池的端电压变化量ΔV和温度变化量ΔT，同时在示出ΔV减少而且ΔT增大的倾向时，判定为该电池到达满充电的方法。

在日本特开平7-240243号公报中公开了在周期地检测充电中的电池电压的同时，求出某个周期的电池电压与其前1个周期的电池电压的变化量，当这种变化量和至此为止的周期的变化量的最大值的差，大于或者等于预先设定的值时，减小充电电流或者停止充电的充电方法。

在日本特开平7-27256号公报中公开了对应于充电中的充电电流的变化的充电控制。

根据相同的公报，利用对附加在设备上的外部电源的输出电流限制功能，在设备的动作中对蓄电池进行充电，也能每单位时间地观察其充电电流，一边变更每个单位时间的电池温度上升的检测值，一边算出电池的充电电荷量限制值。

根据前述的电池电压、温度或者内部压力的满充电的检测，有下述的问题。

如果根据电池电压的满充电检测，则在电池温度上升的场合，难于捕捉充电末期的电压变化，难于进行正确的检测。

如果根据电池的内部压力的满充电检测，则因有必要安装用于在电池的内部检测内部压力的传感器，所以在电池中必须有特别的结构。

另一方面，如果根据电池温度的满充电检测，则因依赖于电池内的传热速度，所以对应于电池的状态变化的响应慢。因此，这种方法在短时间切换充放电的电池系统中，不适合于实际的使用。此外，也受到电池放置的环境温度的影响。

在日本特开平7-85892号公报中公开了用RMS电路(rootmean square circuit)检测来自电池的声发射信号，同时在示出得到的值的微分值急剧地上升时，从恒定电流充电切换成恒定电压充电的充电方法。

在这种方法中，虽然在检测电池到达满充电前后的变化后，对连续进行充电比较地容易了解，但对于脉冲的充放电的重复难于找出表示变化的点。此外，在进一步对满充电状态的电池进行充电的场合，不能检知该电池是过充电状态。

本发明提供用于解决前述以往的问题的蓄电池的满充电检测方法，这种方法不管充电模式和周围的环境，此外，不要特别的电池结构，就能正确地检测出蓄电池的满充电，并能抑制起因于过充电的电池特性的降低。

本发明的蓄电池的满充电检测方法，检测在充电中的蓄电池的内部发生的脉冲振动，当得到的脉冲振动的特性值比规定的值大时，判定所述蓄电池到达满充电。

当判定到达满充电时，或者在该时刻结束充电，或者对应于需要变更其后的充电条件。例如，在恒定电流充电中，也能用在该时刻降低充电电流值。此外，也能用在该时刻从恒定电流充电切换成恒定电压充电。

本发明着眼这样的事实，即在铅氧蓄电池、镍-镉蓄电池、镍-氢蓄电池等的使用水溶液系列的电解液的蓄电池中，一到达充电末期就内压上升、同时从电池内部发生脉冲振动的所谓的声发射信号(下面称为AE信号)。

因脉冲振动必定发生在电池的充电末期，所以根据这种脉冲振动的满充电的检测，比以往的根据电池的温度变化和电压变化的满充电检测受环境温度等的影响小。

此外，因能由在电池内发生的气体量直接地判定电池的充电状态，所以即使再次对已满充电的电池进行充电，也能把握该电池的充电状态。此外，也能适用于脉冲充电等的所有的充电模式中。

这里，作为使用的脉冲振动的特性值，包括脉冲振动的发生频度、即单位时间内的计数数和单位时间内的脉冲振动的大小的平均值。

特别，用脉冲振动的发生频度能减小由于噪声引起的误差。对振动进行计数的方法与用RMS电路计测振动信号的积分值的手段相比，难于受到噪声的影响。

此外，如前所述，对于每个单位时间，不限于用在该时间内直接得到的特性值，也能用其特性值的时间变化、即积分值、微分值或者增加量来判定满充电。

此外，因从充电末期到过充电脉冲振动的发生频度连续地变化，所以用经过多个单位时间的特性值的平均值对测定数据进行平坦化，能减小突发生的混入到信号中的噪声的影响。

如果优先地提取所述脉冲振动中的频率为1kHz～500kHz的成分，则能有效地排除噪声。因AE信号是超声波，所以该频率区域以外的振动看作噪声进行排除，能高精度地检测脉冲振动。

为了优先地提取观察到的信号中的特定频率区域的成分，例如共振频率包含在该频率区域中，用对于该频率区域的振动灵敏度高的压电元件，检测电池的振动。

此外，在使用将检测到的振动变换成电信号的振动检测手段的场合，用例如带通滤波器，滤过并提取该输出信号中的与前述相同的频率区域的成分。

图1是表示在本发明一实施例中使用的满充电检测装置的结构的方框图。

图2A是表示在充电中的蓄电池内发生的脉冲振动的计数数。

图2B是表示充电中的蓄电池的电压。

图2C是表示充电中的蓄电池的电池内压。

图3是表示同一实施例中使用的充电装置的结构的方框图。

图4是表示实施同一实施例的满充电检测方法的电池的循环特性图。

图5是表示用不同的速率充电时在蓄电池内发生的脉冲振动的计数数的举动的图。

图6是表示在本发明的其它实施例中使用的充电装置的结构的方框图。

图7A是表示根据在同一充电器装置中利用带通滤波器滤波后的压电元件的输出信号算出的脉冲振动的计数数的举动的图。

图7B是表示在不使用带通滤波器的实施例1的充电装置中观察到的计数数的举动的图。

下面，参照附图对实施本发明的最佳实施例详细地进行说明。

实施例1

下面，对本实施例中根据在充电中电池内发生的脉冲振动数的检测电池的满充电的方法的例进行说明。

使用图1所示的装置对蓄电池进行充电。在蓄电池7中，使用额定容量6.5Ah的密封型镍-氢蓄电池。在蓄电池7的壁面上压着由用锆酸钛酸铅陶瓷制的压电元件(NF电路设计集团(bloc)制：AE-901S)形成的振动检测用的传感器1。这种传感器的共振频率是140kHz。传感器输出对应于检测到的蓄电池7的振动的电信号。在利用前置放大器2(NF电路设计集团制：产品号9913)放大传感器1的输出信号后，输入到信号检测单元5中。

信号检测单元5检测输入信号中具有某个阈值以上的强度的成分，并在规定的时间内计算该成分发生的频度。将这种计算结果记录在存储器6中。

在环境温度25℃利用充电单元10，对蓄电池7供给6.5A的恒定电流，对蓄电池7充电到额定容量的105％为止。图2A示出了在充电中信号检测单元5在1秒间计数的脉冲振动数(下面称为计数数)的变化。同时，图2B和图2C分别示出了这时的电池电压的变化和内部压力的变化。

如图2C所示，当电池的状态进入到充电末期时，电池的内部压力开始上升，同时，如图2A所示，计数数开始上升。在电池的充电深度超过其额定容量的100％的地方，计数数急剧地增加。

一般地，因使用水溶液系列电解液的电池一达到过充电状态，电解液中的水就电解并发生气体，所以前述确认的脉冲振动在利用水的电解发生氧气和氢气的气泡时，在发生的气泡到达电解液上面裂开时，考虑多个气泡被结合并且形成新的气泡时等发出的AE信号。

由前述的比较，当计数数比规定的阈值大时，判定为电池到达满充电，可见能检测电池的满充电。例如，在图2A中，当计数数到达每秒200次时，能判定电池到达满充电。

因此，借助于使用例如图3所示的充电装置，能高精度地控制蓄电池的充电。这种充电装置是图1所示的满充电检测装置和以往的充电器的组合后的产物。

信号检测单元5将关于得到的计数数的信号输出到存储单元6中，同时输出到信号处理单元8中。

信号处理单元8根据来自信号检测单元5的信号，算出计数数的变化量。将在信号处理单元8算出的信息输出到判断单元9中。判断单元9根据来自信号处理单元8的信号，判定是否应该变更蓄电池7的充电条件。在进一步进行变更的场合，决定新的充电条件。例如，当前述的计数数到达每秒200次时，或者停止充电，或者将充电电流值再设定成更加小的值。判断单元9在判断后对充电控制单元10进行操作，并变更电池7的充电条件。

如前所述，如果对脉冲信号进行计数，则能使噪声的影响极小。

例如，在使用RMS电路根据信号的大小进行判定的方式中，虽然混入到信号中的噪声的大小直接地影响到计算值，但采用本实施例的方法、即对脉冲信号数进行计数的方法，则认为混入到信号中的噪声也仅仅是1个脉冲信号。

实际上，使用前述的充电装置，重复电池的充电和放电，考察电池的放电容量的循环特性。图4示出了其结果。此外，充放电的任何一种都在40℃的气氛下进行。用6.5A的恒定电流进行充电，并用6.5A的恒定电流放电到电池电压低到0.9V为止。

作为比较例，与当电压变化量ΔV成为负时停止充电的以往的满充电检测方法合在一起进行评价。图4也示出了其结果。

如图4所示，实施本实施例的满充电检测方法后的电池的循环特性，比实施作为比较例的以往的满充电检测方法的电池的循环特性更好。

下面，对充电电流值和计数数的关系进行说明。

图5示出了在40℃的气氛下，分别用1.0A和6.5A作为一定的充电电流值时的脉冲振动的计数数。

在任何一种情况下，在充电开始后的一会儿时间，计数数小得几乎一定。这时检测出的信号能判断为噪声(起因于气体发生以外的信号)。

从充电开始用6.5A充电大约5.5分钟后，用1.0A充电大约4小时后，计数数急剧地增大。考虑在这种时刻电池内开始发生气体。

然后，计数数的变化因充电速率而不同。也就是说，根据每个单位时间的气体发生频度而不同。如果对于不同的充电电流值任何一种都用相同的阈值，则在使用低的充电电流时，计数数要较长的时间到达阈值。但是，不会由于充电速率的不同，电池被过充电的量产生大的差别。为了更高精度地判定满充电，希望认为到达满充电的计数数的阈值与充电速率之间保持相关。

此外，如果使阈值成为一定，则基于充电环境的变化的噪声的变化的影响增大。因此，在各充电中，希望参照噪声电平决定阈值。例如，由充电开始取得规定时间内的计数数的平均值，并将规定值加到该平均值上后的值作为阈值。

实施例2

下面，对在本实施例中用排除包含在得到的信号中的噪声的更高精度的满充电检测方法的例进行说明。

实际上，用图1所示的装置，在25℃的气氛下用6.5A的恒定电流对任何一种额定容量为6.5Ah的密封型铅氧蓄电池、镍-镉蓄电池、镍-氢蓄电池进行充电时，在任何一种电池中其充电状态从充电末期到过充电为止的阶段，都能确认从电池内部发生1kHz-500kHz的脉冲振动。这时，在传感器1中使用由用锆酸钛酸铅陶瓷制的压电元件(NF电路设计集团制：AE-900S-WB)。

因此，能仅仅提取在传感器1的输出信号中的特定的频率区域的信号，排除噪声。

此外，AE信号的发生基本上起因于水的电解的气泡的产生、破坏或者吸收。因此，在使用水系列的其它的蓄电池中，也能考虑同样的频率区域的振动发生。

实际上，用图6所示的充电装置，对与前述相同的镍-氢蓄电池进行充电。这种充电装置是在实施例1中使用的充电装置中附加带通滤波器3和前置放大器4。此外，在本充电装置中，带通滤波器3和前置放大器4以及信号检测单元5成为整体的测试器11(NF电路设计集团制：产品号9501)。

由前置放大器2放大的传感器1的输出信号在由前置放大器2放大后，输入到带通滤波器3中。带通滤波器3仅使频率为1kHz～500kHz的成分通过。通过带通滤波器3去除噪声后的信号，由前置放大器4进一步放大后，输入到信号检测单元5中。

图7A示出了使用本实施例的充电装置，用带通滤波器3对传感器1的输出信号进行滤波时的计数数。此外，图7B示出了不用带通滤波器3对蓄电池7进行充电时信号检测单元5检测的计数数。由对它们进行比较可知，使用带通滤波器3能去除包含在信号中的噪声。

如前所述，除在一定的时间检测的脉冲振动的计数数外，根据用RMS电路等测定的一定时间的振动强度，也能判定满充电状态。例如，用与前述相同的装置，对在充电中检测到的脉冲振动的大小(用时间积分振幅后的值)与其阈值进行比较，也能高精度地检测电池的满充电。特别，假如积分时间在1秒以上，则能令人满意地减小混入到信号中的噪声的影响。此外，用对信号进行平滑化，能进一步提高可靠性。

为了更高精度地判定满充电，保持与充电速率相关是有效的。

此外，用一定间隔算出计数数，同时也可以用其时间的微分值、即计数数的增加率。这里，因微分值受噪声的影响大，所以在微分前对数据进行平滑化是必要的。计数数的算出间隔在1秒以上为佳。

Claims (13)

1．一种蓄电池的满充电检测方法，其特征在于，

检测在充电中的蓄电池的内部发生的脉冲振动，当得到的脉冲振动的特性值比规定的值大时，判定所述蓄电池到达满充电。

2．如权利要求1所述的蓄电池的满充电检测方法，其特征在于，

所述特性值是在规定的时间内的脉冲振动的计数数。

3．如权利要求1所述的蓄电池的满充电检测方法，其特征在于，

所述特性值是在规定的时间内的脉冲振动的大小的平均值。

4．如权利要求1所述的蓄电池的满充电检测方法，其特征在于，

优先地提取所述脉冲振动中的频率为1kHz～500kHz的成分，并进行评价。

5．如权利要求4所述的蓄电池的满充电检测方法，其特征在于，

用其共振频率包含在所述频率范围内的压电元件，检测所述脉冲振动。

6．如权利要求4所述的蓄电池的满充电检测方法，其特征在于，

用带通滤波器提取检测所述脉冲振动得到的电气信号中的所述频率范围的成分。

7．一种蓄电池的满充电检测装置，其特征在于，包括

检测在充电中的蓄电池的内部发生的脉冲振动的特性值的脉冲振动检测单元，和

比较所述特性值和预先设定的值，判定所述蓄电池的满充电的满充电判定单元手段。

8．如权利要求7所述的蓄电池的满充电检测装置，其特征在于，

所述特性值是在规定的时间内的脉冲振动的计数数。

9．如权利要求7所述的蓄电池的满充电检测装置，其特征在于，

所述特性值是在规定的时间内的脉冲振动的大小的平均值。

10．如权利要求7所述的蓄电池的满充电检测装置，其特征在于，

所述脉冲振动检测单元包括优先地提取所述脉冲振动中的频率为1kHz～500kHz的成分的手段。

11．如权利要求10所述的蓄电池的满充电检测装置，其特征在于，

所述脉冲振动检测单元包括压电元件。

12．如权利要求10所述的蓄电池的满充电检测装置，其特征在于，

所述压电元件的共振频率包含在所述频率的范围内。

13．如权利要求11所述的蓄电池的满充电检测装置，其特征在于，

所述脉冲振动检测单元包括滤过并提取所述压电元件的输出信号中的所述频率的范围的成分的带通滤波器。

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