CN1279831A - 电池充电维护系统和方法 - Google Patents

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W·P·泽加尔
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Abstract

一种具有启动电池和储备电池的车辆电气系统。通过在一个控制器的控制下由充电维护装置维持对启动电池的充电,在车辆未使用期间或在启动电池电压需要附加充电的运行期间,该充电维护装置将来自储备电池的能量耦合到启动电池。

Description

电池充电维护系统和方法
技术领域
本发明一般涉及电池充电系统，尤其涉及一种双电池系统中维持一或多个电池的充电的系统。
发明背景
汽车和其它内燃机作动力的车辆一般都包括用以启动内燃机运转的电气启动电动机。在这点上，将启动电动机耦合到通常从车载的蓄电池接收电能的启动电路。启动电路有选择地将来自电池的电能耦合到启动电动机，使内燃机循环发动、维持运转。在公交车辆行业，电池还向各种用电设备诸如引擎控制电子电路、照明系统和车辆附件供电。适合这些应用的传统电池(通常称为启动、照明和点火(SLI)电池)为多电池、铅酸蓄电池。即，该电池是由铅板涂浆活性材料并堆叠构成。该堆叠插入电池壳体内分隔的隔间内，电连接并注满稀释的酸性电解液。
如此构成的SLI电池更适合于提供启动引擎所需的较大的功率，以及在车辆运行与非运行期间维持电气附件所需的较小的功率。然而，由于功能不同，SLI电池需要担负短期大功率输出和长期小功率输出，故无法将电池设计成对上述任一任务都能最佳应付。这些电池的另一缺陷是，由于其铅板和电解液的重量，与其他电池结构相比其比能(千瓦小时／克(kWh／g)较低。
已有建议一种车辆用电池系统，它包括两个电池。系统中的第一个电池为启动电池，它最佳用于引擎启动，即专门为短期大功率输出设计。系统中的第二个电池为备用电池，它最佳用于运行和维护非启动电气负载。这种系统的优点在于启动电池可以做得更小、更轻，但却能提供短期大功率输出。此外，备用电池可以做得更小、更轻，但却能满足车辆附件的较小功率需求。与单个常规SLI电池相比，这两个电池系统结合在一起仅需更小的空间和更轻的重量。
对这样一种系统的限制在于启动电池。小巧、轻便、能够进行高速放电的电池通常具有较高的自放电速率。即，无人维护时，启动电池将自行放电到无法为启动引擎提供足够电能的电平。车辆运行期间，用车辆电气系统向启动电池充电。因此，车辆有规律使用时，启动电池的自放电没有问题。然而，如果车辆长时期未使用，或此期间车辆仅极短期使用时，车辆电气系统就不足以为启动电池充电，启动电池将变成放电而使操作员一筹莫展。
因此，非常希望一种用于车辆启动和运行的双电池系统，其优点在于减小尺寸和重量，但克服了启动电池自放电的缺点。
发明概述
本发明构成一种电池，它具有第一类电耦合形成第一电池部分的多个电池单元。第二类多个电池单元电耦合形成第二电池部分。一充电维护装置将第一电池部分与第二电池部分耦合。充电维护装置将来自第一电池部分的能量施加到第二电池部分，以维护第二电池部分的充电状态。
在本发明较佳实施例中，充电维护装置包括一个充电泵电路。例如，该充电维护装置具有一个电路，其中的电阻器与一个二极管串联耦合，一个电容器并联到该电阻器和二极管。一个晶体管连接到电阻器和二极管的中间，并由一个控制元件控制，该控制元件可以根据第一和第二电池部分中至少一个电池部分的充电状态，使充电维护装置响应于第一和第二电池部分的至少一个部分的充电状态而停止工作。
附图简述
图1是根据本发明一个较佳实施例的用于车辆启动和运行的一种双电池系统的示意图；
图2是根据本发明一个较佳实施例的一个充电控制电路的电路图；
图3是根据本发明一个较佳实施例的一个充电控制电路的电路图；
图4是根据本发明一个较佳实施例的一个充电控制电路的电路图；
图5是根据本发明另一个较佳实施例的一个用于车辆启动的双电池系统的电路图。
较佳实施例详细描述
本发明用几个较佳实施例描述，它们适用于以双电池为基础的车辆电气系统。该系统的电池为各种车辆运行功能提供电能，并从车辆电气系统接受充电。当然，本发明的范围并非局限于车辆应用或双电池系统。例如，本发明也可以应用于任何多电池系统。本发明也可以应用于车辆启动系统，其中，启动电池由一个启动电容器替代提供启动能量。
参见图1，车辆电气系统10包括电池系统12，其启动电池14连接成经由开关16向引擎启动电动机18提供电能。如本领域众所周知的，启动电动机18机械上耦合到车辆的引擎(未图示)以启动引擎。启动电池14较佳地为一种高速率电池，它也经由充电维护装置22耦合至备用电池20以及电气系统10的其它部件。
储备电池20较佳地为具有高储备容量的吸收性玻璃底板(AGM)型结构。即，储备电池20适合于长时间地提供相对低速率的放电。储备电池20连接到电气系统10，特别是车辆负载26，在正常的车辆运行期间和空闲期间提供电能。
启动电池14和储备电池20的每一个耦合到交流发电机24。交流发电机24以本领域众所周知的方法机械地耦合至引擎，并在车辆运行期间供电，向启动电池14和储备电池20充电。在正常运行期间，交流发电机24还向车辆负载26供电。交流发电机24的输出通过励磁电压调整或其它合适的装置，在引擎控制器32的操作下得到控制，如本领域众所周知的那样。
根据本发明的一个较佳实施例，提供充电维护装置22，并在控制器30的控制下将来自储备电池20的能量耦合到启动电池14，以维持启动电池22的充电状态。例如，在车辆未使用期间，或启动电池电压需要附加充电的运行期间，可以将能量引导到启动电池14。由于从储备电池20得到的较小的功率可以用来将启动电池14维持在整个充电状态而不会反过来影响储备电池20的充电状态，故启动电池14的自放电现象可以得到克服。
参见图2，它表示充电维护装置22的一个较佳实施例，其中的电路200将来自储备电池20的一个低电平、毫安级的电流脉冲提供给启动电池14。电路200包括与非门202、212和214，电阻器204和208，二极管206以及电容器210，它们耦合形成一个脉冲发生器。储备电池20经由开关238耦合到与非门202的第一输入端。与非门202的第二输入端和与非门202的输出端连接到电阻器204和208、二极管206以及电容器210，并共同形成一个振荡器。即，当开关236闭合时，与非门202产生一个周期脉冲串。在该较佳实施例中，脉冲串的精确频率对于电路200的操作并不重要，但较佳地设置在5-30千赫(kHz)。该脉冲串经由与非门212和214缓冲并放大，并经由包含电阻器216和218的门电阻器网络耦合到晶体管220的栅极，以周期性地通／断循环操作。晶体管220较佳地是场效应晶体管(FET)，但应当认为，在不脱离本发明合理的范围内，任何合适的开关器件都能采用。
当晶体管220为导通位置时，允许电流流经电感器226(它在“B”点耦合到储备电池20)，晶体管220和电阻器224。当晶体管220截止时，在电感器226内部累积的电压经由限流电阻器234耗散到耦合于“C”点的启动电池14，提供充电维护电流。二极管228提供反向电流保护，电阻器230和齐纳二极管236提供一条电压清除通路，保护晶体管220免遭过度的电压积累。齐纳二极管236较佳地为一个15伏的器件，以将电感器226的电压箝位在15伏与16伏之间。
控制器30的作用是断开和闭合开关238，激活或不激活电路200。可以允许电路200连续工作，不会对启动电池14或者储备电池20产生不利影响。然而，为了使较佳的系统的备用容量最大，当启动电池14的电压下降到一个阈值以下时才激活电路200。例如，控制器30可以用来感测启动电池14的电压，当该电压低于约12．75伏时，闭合开关238以激活电路200。一旦激活，控制器30启动一个定时器，允许电路200根据启动电池14的容量和电路200的能力工作6-24小时之间，为启动电池14提供充电电流。在定时周期末尾，开关238断开不激活电路200。控制器30也可以用来感测启动电池14何时超出阈值以不激活电路200，或者，控制器30可以响应于各种工作条件，例如周围极冷之类的环境条件，连续地激活电路200。
控制器30示于图1，它与引擎控制器32分离。应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，控制器30的功能可以在引擎控制器32或另一个车载车辆控制器内实现。进一步应当理解，控制器30可以适合于以一种复杂方式(启动电池14的充电状态)工作的监视器，以启动电路200工作。第5，321，627号美国专利披露了用于充电状态监视的一例装置和方法。而且，尽管图2未显示，仍提供一条直流通路，在车辆运行期间，由交流发电机24直接向启动电池14充电。
现在参照图3，充电维护装置22的另一种实施方法是所示的一个电路300，它用于启动电池14和储备电池具有不同电压的一个系统中
本发明范围内所期望的是，由于启动电池的高速率特性，与传统的12伏启动电池相比，启动电池例如可以专用于10伏。在一个示范性的实施例中，储备电池20维持作为一个12伏电池。电路300包括一个限流电阻器304和阻塞二极管306。由于储备电池20比之启动电池14具有足够高的电位，故通过电阻器304启动电流，维持对启动电池14的充电。
电路300进一步包括一条拥有二极管310、312和314的电流通路。当车辆不运行，即交流发电机24不产生电能时，二极管310-314两端的固定电压降基本上禁止电流流经该通路。然而，当车辆正在运行以及交流发电机正在以大致14伏发电时，电流流经二极管310-314，对启动电池14快速充电。
从图3进一步可见，继电器302为耦合至启动电池14和储备电池20提供选择。当控制器308激励线圈310时，继电器302闭合(控制器308示于图3，但应当理解，其功能可以结合到控制器30中)。控制器308耦合以感测启动电池14的电压和储备电池20的电压。闭合时，启动电池14和储备电池20并联耦合，在此种配置中，储备电池20可以提供附加的能量启动车辆。诸如启动电池14的电压较低或周围环境较冷的情况都可以由控制器308感测到，以闭合继电器302。
图4表示与图3所示类似的一个电路，它用于这样一个系统中，其中，启动电池14和储备电池具有不同的电压，此外，储备电池20比启动电池14至少高大约2伏。电路400包括限流电阻器404和阻塞二极管406，为启动电池14提供一条电流通路，以维持对启动电池14的充电。电路400进一步包括在控制器408(所示控制器408与控制器30分离，但其功能可以很方便地结合在控制器30内)控制下工作的开关晶体管418，它允许控制器408断开储备电池20与启动电池14之间的电路通路。控制器408将较佳地如上所述操作，根据启动电池14的电压、感测的充电状态或其它工作情况，有选择地断开和闭合该电流通路。电路400也包括拥有二极管410、412和414的电流通路，如上所述直接向启动电池14充电，继电器402和线圈用以选择地耦合启动电池和储备电池。
现在参见图5，电路500表示充电维护装置20的另一个实施例，它具有一个变换的启动电池，为清楚起见用参照号14’表示。启动电池14’划分为两个电池部分514和516。每个电池部分由少于总的电池单元数的启动电池14’的一组电池单元组成。电压抽头520有选择地将每个电池部分514和516与充电维护装置22连接在一起。每个电池部分514和516的电池单元数可以改变，但要将电池单元数限制到每个电池部分514和516的电压电位足以低于储备电池20的电压电位。在这点上，启动电池14’的总电压电位可以超过储备电池20的电压电位。例如，启动电池14’可以是14、16或更高电压的电池，但每个电池部分514和516应当维持于或低于约10伏(本例中所示为每个6伏)。因此，尽管启动电池14’具有较高的电压，也可以由储备电池20维持对启动电池14’的充电。
现在，继续参见图5，电路500包括用箭头“A”表示的第一电流通路，以及用箭头“B”表示的第二电流通路。电路500进一步包括继电器502，它具有至少两个，较佳地为3个工作位置，通过控制器508有选择地激发线圈而得到控制(所示控制器508与控制器30分离，但其功能可以方便地结合在控制器30内)。在第一位置，继电器502沿着包含阻塞二极管506、控制器508、限流电阻器504和抽头520的电流通路“A”，将储备电池20耦合到电池部分516。在第二位置，继电器502沿着包含抽头520、限流电阻器504和控制器508的电流通路“B”，将储备电池29耦合到电池部分514。在第三位置，继电器502未将储备电池20与启动电池14’耦合。尽管未图示，应当理解，也可以如前所述将附加的开关加到电路500，以并联耦合启动电池14’和储备电池20。
根据本发明的较佳实施例，控制器508有选择地将电池部分514和516耦合到储备电池20，以维持对每个部分的充电。控制器可以根据下降到一个阈值的电池部分的电压、感测的充电状态、时间进度表或其它条件操作。应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，任何充电策略都可以采用。在一个较佳实施例中，当电池部分514和516的一个或另一个电压下降到一个阈值以下时，该部分即耦合到储备电池20一个时期，然后将另一个部分耦合一个时期。照此，可以维持启动电池14’的总电压电位。
本发明已经根据用于车辆的几个较佳实施例的电池和电池系统作了描述。然而，其范围并非局限于上述一些例子，本领域的熟练人员将很容易地将它推广应用。

Claims (53)

1．一种电池，包括电耦合形成第一电池部分的第一组多个电池单元以及电耦合形成第二电池部分的第二组多个电池单元；
将第一电池部分与第二电池部分耦合的充电维护装置。
2．如权利要求1所述的电池，其特征在于充电维护装置包括一个充电泵电路。
3．如权利要求1所述的电池，其特征在于充电维护装置包括一个电路，一电阻器与一个二极管串联耦合，一电容器与该电阻器和二极管并联。
4．如权利要求3所述的电池，其特征在于，充电维护装置包括一个电路，一晶体管位于该电阻器与二极管中间，该晶体管耦合到控制元件。
5．如权利要求4所述的电池，其特征在于，根据第一电池部分和第二电池部分的至少一个部分的充电状态，控制元件能使充电维护装置无效。
6．如权利要求1所述的电池，其特征在于，充电维护装置将充电电流耦合在第一电池部分与第二电池部分之间。
7．如权利要求6所述的电池，其特征在于，充电维护装置响应于第一电池部分和第二电池部分的至少一个部分的充电状态。
8．如权利要求6所述的电池，其特征在于充电维护装置包括一控制元件，用以有选择地激活和不激活充电维护装置。
9．如权利要求1所述的电池，其特征在于，第一电池部分最佳地用于高速率放电。
10．如权利要求1所述的电池，其特征在于，第一电池部分最佳地用于储备容量。
11．如权利要求1所述的电池，其特征在于，充电维护装置包括用以有选择地将第一电池部分与第二电池部分并联耦合的开关。
12．如权利要求1所述的电池，其特征在于，充电维护装置用以检测第一电池部分的电压电位低于一个阈值，并根据对电压电位低于阈值的检测，有选择地将第二电池部分耦合到第一电池部分。
13．如权利要求1所述的电池，其特征在于，充电维护装置用以检测第一电池部分的电压电位低于一个阈值，并根据对电压电位低于阈值一个预定时间的检测，有选择地将第二电池部分耦合到第一电池部分。
14．一种电池系统，包括：第一电池；第二电池；可操作地耦合在第一电池与第二电池之间的充电维护装置。
15．如权利要求14所述的电池系统，其特征在于，第一电池包括多个相互连接的电化学电池单元。
16．如权利要求14所述的电池系统，其特征在于，第一电池最佳用于高速率放电与储备容量之一。
17．如权利要求14所述的电池系统，其特征在于，充电维护装置包括充电泵电路。
18．如权利要求14所述的电池系统，其特征在于充电维护装置包括一个电路，一电阻器与一个二极管串联耦合，一电容器与该电阻器和二极管并联。
19．如权利要求18所述的电池系统，其特征在于，充电维护装置包括一个电路，一晶体管位于该电阻器与二极管中间，该晶体管耦合到控制元件。
20．如权利要求19所述的电池系统，其特征在于进一步包括一个控制元件，根据第一电池部分和第二电池部分的至少一个部分的充电状态，控制元件能使充电维护装置无效。
21．如权利要求14所述的电池系统，其特征在于，充电维护装置将充电电流耦合在第一电池部分与第二电池部分之间。
22．如权利要求21所述的电池系统，其特征在于，充电维护装置响应于第一电池部分和第二电池部分的至少一个部分的充电状态。
23．如权利要求21所述的电池系统，其特征在于充电维护装置包括一控制元件，用以有选择地激活和不激活充电维护装置。
24．如权利要求14所述的电池系统，其特征在于，充电维护装置包括用以有选择地将第一电池部分与第二电池部分并联耦合的开关。
25．如权利要求14所述的电池系统，其特征在于，充电维护装置用以检测第一电池的电压电位低于一个阈值，并根据对电压电位低于阈值的检测，有选择地将第二电池耦合到第一电池。
26．如权利要求14所述的电池系统，其特征在于，充电维护装置用以检测第一电池的电压电位低于一个阈值，并根据对电压电位低于阈值一个预定时间的检测，有选择地将第二电池耦合到第一电池。
27．一种车辆电气系统，包括可操作地耦合的第一电池；第二电池；充电维护装置；由车辆供电的电能源。
28．如权利要求27所述的车辆电气系统，其特征在于，第一电池最佳地用于高速率放电与储备容量之一。
29．如权利要求27所述的车辆电气系统，其特征在于，充电维护装置包括充电泵电路。
30．如权利要求27所述的车辆电气系统，其特征在于充电维护装置包括一个电路，一电阻器与一个二极管串联耦合，一电容器与该电阻器和二极管并联。
31．如权利要求30所述的车辆电气系统，其特征在于，充电维护装置包括一晶体管位于该电阻器与二极管中间，该晶体管耦合到控制元件。
32．如权利要求27所述的车辆电气系统，其特征在于，根据第一电池部分和第二电池部分的至少一个部分的充电状态，控制元件能使充电维护装置无效。
33．如权利要求32所述的车辆电气系统，其特征在于，控制元件包括一车辆系统控制器。
34．如权利要求27所述的车辆电气系统，其特征在于，充电维护装置将充电电流耦合在第一电池部分与第二电池部分之间。
35．如权利要求34所述的车辆电气系统，其特征在于，充电维护装置响应于第一电池部分和第二电池部分的至少一个部分的充电状态。
36．如权利要求35所述的车辆电气系统，其特征在于，充电维护装置包括一控制元件，用以有选择地激活和不激活充电维护装置。
37．如权利要求36所述的车辆电气系统，其特征在于，控制元件包括一车辆系统控制器。
38．如权利要求27所述的车辆电气系统，其特征在于，在车辆运行期间，电能源适合于有选择地耦合向第一和第二电池充电。
39．如权利要求27所述的车辆电气系统，其特征在于，车辆电源系统耦合到至少一个车辆负载，其中，当车辆未运行时，第二电池适合于向车辆负载供电。
40．如权利要求27所述的车辆电气系统，其特征在于，充电维护装置包括用以有选择地将第一电池与第二电池并联耦合的开关。
41．如权利要求27所述的车辆电气系统，其特征在于，充电维护装置用以检测第一电池的电压电位低于一个阈值，并根据对电压电位低于阈值的检测，有选择地将第二电池耦合到第一电池。
42．如权利要求27所述的车辆电气系统，其特征在于，充电维护装置用以检测第一电池的电压电位低于一个阈值，并根据对电压电位低于阈值一个预定时间的检测，有选择地将第二电池耦合到第一电池。
43．一种电池系统，包括：具有多个电池部分的第一电池，每个部分具有一电压电位；一电压电位高于该电池部分的电压电位的第二电池；有选择地将第二电池耦合到该电池部分的充电维护装置。
44．如权利要求43所述的电池系统，其特征在于，第一电池最佳用于高速率放电与储备容量之一。
45．如权利要求43所述的电池系统，其特征在于，充电维护装置包括通过一限流装置，有选择地将第二电池耦合到该电池部分的开关装置。
46．如权利要求43所述的电池系统，其特征在于进一步包括一个控制元件，根据该电池部分的至少一个部分的充电状态，控制元件能使充电维护装置生效。
47．如权利要求43所述的电池系统，其特征在于，充电维护装置包括用以有选择地并联耦合电池部分的开关。
48．如权利要求43所述的电池系统，其特征在于，充电维护装置用以检测该电池部分之一的电压电位低于一个阈值，并根据对电压电位低于阈值的检测，有选择地将第二电池耦合到电池部分之一。
49．如权利要求43所述的电池系统，其特征在于，充电维护装置用以检测电池部分之一的电压电位低于一个阈值，并根据对电压电位低于阈值一个预定时间的检测，有选择地将第二电池耦合到电池部分之一。
50．一种用以对车辆内的启动电池维持充电的方法，该车辆拥有启动电池和储备电池，所述方法包括：将来自储备电池的充电电流耦合到启动电池。
51．如权利要求50所述的方法，其特征在于，将来自储备电池的充电电流耦合到启动电池的步骤包括：根据启动电池的电压、启动电池的充电状态、消逝的时期以及环境条件之一，有选择地将来自储备电池的充电电流耦合到启动电池。
52．如权利要求50所述的方法，其特征在于，将来自储备电池的充电电流耦合到启动电池的步骤包括：检测启动电池的情况，将来自储备电池的充电电流耦合到启动电池一个预定的时期。
53．如权利要求52所述的方法，其特征在于，检测启动电池的情况的步骤包括检测电压和充电状态的至少一个情况。
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