CN1578054A - 用于确定完全充电的能够准确检测电池温度的电池充电器 - Google Patents

Abstract

根据在基于所检测到的电池温度的两个值的每个采样时间处所计算的电池温度梯度来确定电池的完全充电状态。但是，由于电池侧端子和充电器侧端子的接触部分存在的接触电阻，当切换充电电流的电平时所检测到的电池温度不能显示电池的准确温度，这导致完全充电状态的不准确检测。在切换充电电流的电平之后，微计算机校正所检测到的电池温度，并使用已校正电池温度，通过电池温度梯度的计算来进行完全充电确定。

Description

用于确定完全充电的能够准确检测电池温度的电池充电器

技术领域

本发明涉及一种充电二次电池的电池充电器，例如镍镉电池和镍氢电池。

背景技术

将其中包括镍镉电池或镍氢电池的电池组用作多种类型便携式设备的电源，例如无绳电动工具。用于无绳电动工具的电池组典型地包括与电池一起的温度传感器。温度传感器所检测的电池电压用于确定电池的完全充电状态。

日本专利申请公开No.HEI-6113475公开了一种dT/dt检测方法，用于使用所检测到的电池温度来确定完全充电状态。特别地，当利用温度传感器在每一个采样时间检测电池温度时，在每次检测到电池温度时，根据最新和之前检测到的电池温度来计算电池温度的梯度(以下简称为“BTG”)。在当前所计算的BTG值乘以预定值大于最小BTG值时，确定对电池进行了完全充电。

当电池电量减少时，从便携式设备上取下电池组并利用电池充电器对其进行充电，随后重新装入该便携式设备中。只要电池组的周期使用寿命允许，则多次重复上述的一系列操作。但是，重复将电池组装入便携式设备以及从便携式设备取出磨损了电池组的接触器，或是作为长期变化的结果，腐蚀了接触器。接触器的磨损或腐蚀增大了接触器电阻。对于与电池组的接触器电连接的电池充电器的端子也是同样的。

电池组具有与电池端子相连的正和负端子。电池组还具有在电池充电器一侧处与温度传感端子相连的温度测量端子。将温度传感器两端的电压通过温度测量端子和温度感知端子的接触器施加到电池充电器。在电池组的三个端子中，负端子用作温度传感器和电池的公共端子。当将其正和负端子与对应电池端子相连的同时对电池组充电时，由于在两个端子的接触区域存在的接触电阻，引入了接触电压Vc。电池侧端子上的电压高于充电器侧端子上的电压。由于接触电压Vc，温度感知端子的输出电压高于真实值。

充电操作期间切换充电电流改变了接触电压，并依次改变了温度传感器的输出电压。因此，切换充电电流导致实际较大的温度变化。因此，所计算的BTG值可能错误地指示了电池组已经达到了完全充电状态。

发明内容

考虑到前述，本发明的目的是提供一种消除了传统电池充电器具有的前述缺点的电池充电器，并且即使由于长期变化损坏了电池组端子和充电器端子之间的接触状态，也能够确保准确的完全充电判断。

为了实现以上及其它目的，提供了一种用于充电电池组的电池充电器。所述电池组具有电池、用于感知电池温度的温度传感器和电池端子。基本地，电池充电器包括充电器端子、充电电流产生电路、电池温度检测器和控制器。当对电池充电时，将电池端子与充电器端子相连。充电电流产生电路产生用于充电电池的充电电流。电池温度检测器与温度传感器协同操作来检测电池的温度，并输出指示了电池温度的温度信号。从电池温度检测器将温度信号提供给控制器，控制器校正温度信号并提供已校正温度信号。已校正温度信号实质上免于电池端子和充电器端子的接触部分中产生的接触电阻的影响。

电池充电器还包括充电电流控制电路。充电电流控制电路改变充电电流的电平。从实际的角度出发，希望当充电电流控制电路将充电电流改变为其它电平时，控制器校正温度信号。当充电期间切换充电电流的电平时，电池端子和充电器端子的接触部分中产生的接触电阻影响了电池温度信号。如果受到接触电阻的影响，则电池温度信号不会表示出准确的电池温度。

优选地，控制器使用根据在充电电流控制电路改变充电电流的电平之前由电池温度检测器所检测到的第一温度信号和在充电电流控制电路改变充电电流的电平之后由电池温度检测器所检测到的第二温度信号所获得的校正值来校正温度信号。在这种情况下，校正值等于通过从第二温度信号中减去第一温度信号所获得的值。

可以不校正在充电电流控制电路改变充电电流的电平之前由电池温度检测器所检测到的温度信号。

控制器根据从已校正温度信号和多个温度信号中所选择的两个信号来计算电池温度梯度，并根据所计算的温度梯度来确定电池已经达到了完全充电状态。

附图说明

从结合了附图的以下说明中，本发明的具体特点和优点以及其它目的会变得显而易见，其中：

图1是根据本发明优选实施例的电池充电器和电池组的电路设置；

图2是示出了电池充电器和电池组的典型透视图；

图3A示出了从图2的方向B看过去的电池充电器端子；

图3B示出了与电池组端子相接触的电池充电器端子；

图4是彼此接触的电池充电器和电池组的等效电路图；

图5是示出了用于控制优选实施例的电池充电器的方法的步骤的流程图；

图6A是示出了电池电压变化的时序图；

图6B是示出了充电电流变化的时序图；

图6C是示出了电池温度变化的时序图；

图6D是示出了当执行检测到的电池温度值校正时，已模数转换的BTG值的变化的定时图；以及

图6E是示出了当未执行检测到的电池温度值校正时，已模数转换的BTG值的变化的时序图。

具体实施方式

参考附图，对本发明的优选实施例进行说明。

图1示出了根据本发明优选实施例的电池充电器和电池组的电路设置。如图所示，电池组2包括可充电电池2a和温度传感器2b。电池2a包括串联的多个蓄电池组电池。将温度传感器2b放置于电池2a附近或与其相接触。例如，将热敏电阻器用作温度传感器2b。电池组2具有正端子2c、负端子2d和温度测量端子2e，其中将负端子2d用作电池2a和温度传感器2b的公共端子。

电池充电器3具有正端子3c、负端子3d和电池温度感知端子3e，当将电池组2装入电池充电器3中时，正端子3c、负端子3d和电池温度感知端子3e分别与正端子2c、负端子2d和温度测量端子2e相连。

电池充电器3是其中包含微计算机50的计算机控制设备。微计算机50包括中央处理单元(CPU)51、只读存储器(ROM)52、随机存取存储器(RAM)53、定时器54、模数(A/D)转换器55、输出端口56和复位输入端口57。CPU51根据存储在ROM52中的程序来实现电池温度采样操作、BTG计算操作、比较操作和其它操作。特别地，CPU51在每个预定时间间隔处对电池温度进行采样。来自电池组2的温度测量端子2e的输出是电池温度的指示。CPU51根据当前的电池温度和之前所检测到的电池温度来计算BTG值。将预定数目的采样次数插入这些用作BTG值的计算基础的两个电池温度之间。此外，当对新计算的BTG值与完全充电辨别值进行比较，CPU51确定电池组2已经达到完全充电状态。

RAM53具有电池温度存储区域531、校正值存储区域532和BTG值存储区域533。电池温度存储区域531存储预定数目的最近的电池温度。当每一次检测到电池温度时，擦除存储在存储区域531中的最早的电池温度并存储新检测到的电池温度。当充电电流的电平切换到另一个电平时，校正值存储区域532存储已使用的校正值。BTG值存储区域533存储所计算的BTG值。

电池充电器3还包括开关电源。开关电源由与商用100VAC电源1相连的初级侧整流/平滑电路10、与电路10的输出相连的开关电路20和次级侧整流/平滑电路30构成。初级侧整流/平滑电路10包括全波整流电路11和平滑电容器12。开关电路20包括高频变压器21、MOSFET22和PWM控制IC23。PWM控制IC23与MOSFET22的栅极相连，MOSFET22用于通过改变施加到MOSFET22上的脉冲的宽度来调整次级侧整流/平滑电路30的输出电流。次级侧整流/平滑电路30包括二极管31和32、扼流圈33和平滑电容器34。

电池充电器3还包括充电电流控制电路。充电电流控制电路具有与电流检测电阻器4相连的输入侧，所述电流检测电阻器4依次经过电池充电器3的负端子3d与电池组2的负端子2d相连。电路60的输出侧经过光电耦合器6与开关电路20相连。电路60包括级联的运算放大器61和62，输入电阻器63和第一级运算放大器61的反馈电阻器64，以及输入电阻器65和第二级运算放大器62的反馈电阻器66。将从微计算机50的输出端口56输出的指令信号施加到充电电流设置器80，并且充电电流设置器80的输出施加到第二级运算放大器62的反向输入端子。设置充电电流设置器80，以便根据来自微计算机50的指令信号，通过改变施加到第二级运算放大器62的反向输入端子的电压来设置充电电流。充电电流控制电路60控制PWM控制IC23，以调整输出电流，使其与在充电电流设置器80中所设置的电流值相匹配。

微计算机50的输出端口56通过光电耦合器5与PWM控制IC23相连。从输出端口56输出充电开始/停止控制信号，并提供给PWM控制IC23。当被施加了充电开始控制信号时，激活PWM IC23，而当被施加了充电停止控制信号时，不激活PWM IC23。

电池充电器3包括与商用100VAC电源1相连的恒压源70并且将正DC电压Vcc(5V)提供给微计算机1、充电电流控制电路60中的运算放大器和其它电路。恒压源70包括电源变压器71、全波整流器电路72、三端子调节器74、平滑电容器73和复位IC75。复位IC75与微计算机50的复位输入端口57相连。

电池充电器3还包括电池电压检测电路40和电池温度检测电路90。电池电压检测电路40包括在电池2a两端串联的两个电阻器41和42。电阻器42两端的电压指示了电池2a两端的电压。电池温度检测电路90包括在正电压Vcc和地之间串联的两个电阻器91和92。热敏电阻器2b与电阻器92并联，因此将依赖于电池组2的温度而变化的热敏电阻器2b的电阻转换为电压，并将结果电压输入到微计算机50的A/D转换器55。

在操作中，当将电池组装入电池充电器3用于充电时，充电电流控制电路60接收来自电流检测电阻器4的电流信号并经过光电耦合器6将电流信号反馈到PWM控制IC23。PWM控制IC23控制MOSFET22的开关占空比，从而将提供给电池组2的充电电流保持在充电电流设置器80中所设置的电平。

图2示出了电池组2的外观和电池充电器3的电池组插入凹槽22的内部结构。电池组2具有其中容纳电池2a和温度传感器2b的外壳2f。电池组2设置了插入部分。端子2c、2d和2e暴露于插入部分的外表面。电池充电器3包括由电池组插入凹槽202形成的外壳203。如图2的箭头A所示，将电池组2的插入部分插入插入凹槽202中。外壳203中容纳了其上安装了图1所示电路的衬底201。图2中没有显示该电路。在衬底201上设置了电池充电器3的端子3c、3d和3e，所述端子暴露于电池组插入凹槽202之内。

图3A示出了从图2的方向B看过去的电池充电器的正端子3c。图3B示出了其中电池充电器3的正端子3c与电池组2的正端子2c相接触的接触状态。电池充电器3的每个端子3c、3d和3e由具有弹性的细长的金属片制成。如图3A所示，折叠了端子3c并将其附于衬底201上。如图3B所示，当将电池组2的插入部分插入凹槽202时，电池组2的端子2c从内部压住折叠的端子3c。类似地定形和变形了电池充电器3的端子3d和3e。

如前所述，作为长期变化的结果，端子连接部分的接触电阻值变得明显。图4示出了连接部分的等效电路。如图所示，接触电阻值Rcc存在于电池充电器3的正端子3c和电池组2的对应正端子2c之间；接触电阻值Rcd存在于负端子3d和2d之间；以及接触电阻值Rce存在于电池组2的温度测量端子2e和电池充电器3的温度测量端子3e之间。

现在假设与电池2a中流动的充电电流Ic相比，在温度传感器2b中流动的电流Ith足够小。下面给出的接触电压Vc是负端子2d和3d之间的部分的两端电压，其中电阻值Rcd作为接触电阻。

Vc＝Rcd×Ic            (1)

利用Rth表示温度传感器2b的电阻值，由下面的方程给出通过电池温度检测电路90施加到微计算机50的A/D转换器55上的输入电压Vin。

Vin＝R92·Rth·Vcc/(R91·R92+R92·Rth+Rth·R91)+R91·R92·Vc/(R91·R92+R92·Rth+Rth·R91)  (2)

其中R91和R92分别表示电阻器R91和R92的电阻值。

从方程(2)可以理解，表示电池温度的输入电压Vin受到了接触电压Vc的影响。

当将充电电流切换到较低电平时，如方程(1)所示，接触电压Vc减小。如方程(2)清楚所示，接触电压Vc的减小还降低了输入电压Vin。当将NTC热敏电阻器用作温度传感器2b时，电池组2的温度升高降低了输入电压Vin。因此，如果将充电电流切换到较低的电平，会检测到电池温度高于实际值。

当电池组2和电池充电器3的接触理想时，接触部分产生的接触电压Vc足够小，因此可以忽略接触电压Vc对输入电压Vin的影响。但是，当由于端子的磨损或腐蚀导致端子接触状态不良时，不能忽略接触电压Vc对输入电压Vin的影响。尽管在正端子2c和温度测量端子2e的接触部分存在接触电阻，但是在这些接触部分，接触电阻并没有影响到输入电压Vin。由于与充电电流相比，在其中流动的电流Ith非常小，因此可以忽略温度测量端子2e的接触部分中的接触电阻Rce。此外，电流Ith的电平的变化也非常小，因此没有影响。

接下来，将参考图5的流程图和图6A到6D的时序图，对用于控制电池充电器的方法进行说明。图6A示出了电池电压的变化；图6B示出了充电电流的变化；以及图6C示出了电池温度的变化。图6D根据随后所述的实施例所计算的已模拟数字转换的BTG值。

当对电池充电器3加电时，CPU51等待，直到将电池组2插入电池充电器3的电池组插入凹槽202(S501)。当将电池组2插入插入凹槽202时，CPU51开始利用充电电流I0对电池组2进行充电(S502)。在图6A到图6D的时间轴上，由“0”表示开始充电电池组2的时间。

接下来，对六个最近的电池温度值Ti-06，Ti-05，…，Ti-01、最小BTG值dT/dt(min)、电流换向(CCO)标志和电池温度校正值Tk执行初始化设置(S503)。应当注意，流程图的S503中的符号∞表示所有可能的已A/D转换值中的最大值。即，将最大已A/D转换值设为多个参数。将六个最近的电池温度值Ti-06，Ti-05，…，Ti-01存储在电池温度存储区域531中。随后将说明如何计算BTG值dT/dt(min)。将所计算的BTG值中的最小BTG值保存在BTG值存储区域533中。

接下来，启动采样定时器(S504)。将定时器54用作采样定时器。当采样时间Δt已经届满时(S505：是)，重新启动采样定时器(S506)。在此实施例中，将采样时间Δt设置为10秒。

CPU51检测预校正电池温度Tin’(S507)。预校正电池温度Tin’是电阻器22两端的电压的A/D转换值。接下来，执行电池温度校正(S508)。通过从预校正电池温度Tin’中减去校正值Tk来计算后校正电池温度Tin，即Tin＝Tin’-Tk(S508)。应当注意，在切换充电电流的电平之前，不需要执行电池温度校正。因此，将校正值Tk设为0(Tk＝0)，因此Tin＝Tin’。

接下来，根据与新检测到的预校正电池温度Tin’相对应的后校正电池温度Tin和在新检测到的电池温度之前的六个采样时间处所计算和检测到的最早的后校正电池温度Ti-06来计算BTG值dT/dt(min)(S509)。在随后的步骤中，以确定如此计算的BTG值dT/dt(min)是否小于零(S510)。如果从开始电池温度检测的时间开始还没有届满六个采样时间，则在S510进行的确定是“是”。在这种情况下，程序跳转到S513。当在S510进行的确定显示出BTG值dT/dt不小于零(S510：否)，则对新计算的BTG值dT/dt与保存在BTG值存储区域533中的最小BTG值dT/dt(min)进行比较(S511)。如果新计算的BTG值dT/dt小于最小BTG值dT/dt(min)(S511：是)，则利用新计算的BTG值dT/dt来替换在BTG值存储区域533中保存的值，并将前者用作更新的最小BTG值dT/dt(min)(S512)。另一方面，如果新计算的BTG值dT/dt不小于最小BTG值dT/dt(min)(S511：否)，则程序跳转到其中确定CCO标志是否是“1”的S513。当CCO标志是“1”时，程序跳转到S515，以便确定电池组2已经达到了完全充电状态。

当CCO标志不是“1”时(S513：否)，CPU51确定新检测和校正的电池温度Tin是否高于45℃。在时间tb进行该确定(检图6A到6D)。当新检测和校正的电池温度Tin等于或高于45℃时(S514：是)，将CCO标志设为“1”(S517)。如果电池温度等于或高于45℃，会缩短电池的周期使用寿命。因此，为了抑制电池温度的升高，通过控制充电电流设置器80来将充电电流的电平减小到I1(I0＞I1)(S518)。

如果降低了充电电流的电平，由于地电平的变化，所检测到的电池温度没有表示出真实的温度。为了校正所检测到的电池温度，在充电电流的电平变化之后立即检测电池温度Tin’(S519)，从而获得校正值Tk。通过从电池温度Tin’中减去在充电电流变化之前即刻检测到的电池温度Tin来计算校正值Tk(S520)。使用校正值Tk，通过从电池温度Tin’中减去校正值Tk来计算已校正电池温度Tin，并将其存储在电池温度存储区域531中，于是程序返回S505。

应当注意，与电池温度的采样时间相比，执行步骤519到521所需的时间周期足够短。当电池温度Tin低于45℃时(S514：否)，CPU51确定从当前计算的BTG值dT/dt中减去最小BTG值dT/dt(min)所得到的值是否大于预定值P(S515)。如果减法值大于值P(S515：是)，则确定完全充电了电池组2，因此停止充电电池组2(S522)。充电的结束出现在图6A到6D的时序图的时间te。当电池组2从电池充电器3上断开时(S523：是)，程序返回S501。

当减法值dT/dt(in)-dT(min)等于或小于预定值P时(S515：否)，存储在电池温度存储区域531中的六个电池温度值Ti-05，Ti-04，…，Ti-01移向已经存储了Ti-06，Ti-05，…，Ti-02的存储位置，同时将最早的电池温度值Ti-06排除到存储区域531之外。将新检测到的电池温度Tin存储为Ti-01。

尽管已经参考特定实施例详细说明了本发明，对于本领域的技术人员，在不脱离本发明精神的前提下，可以进行多种改变和修改是显而易见的，本发明的范围由所附的权利要求所限定。

在上述实施例中，根据新检测到的电池温度和在新检测到的电池温度之前六个采样时间处所检测到的电池温度来计算BTG值。可以使用不同的数据来计算BTG值。例如，可以使用在新检测到的电池温度之前十二个采样时间处所检测到的电池温度来计算BTG值。尽管所述实施例当电池温度达到45℃时将充电电流的电平从I0切换到I1，但临界温度并不局限于45℃。如果能够利用在电池充电器3设置的冷却扇来冷却电池组2，则可以当电池温度达到高于45℃的温度(例如50℃)时来降低充电电流的电平。此外，采样时间并不局限于10秒，而是可以设置为短于或长于10秒(例如5秒)。

图6E所示是示出了当未执行电池温度校正时，所计算的A/D转换的BTG值的时序图。在这种情况下，在降低了充电电流的电平之后，减法值dT/dt(in)-dT(min)立刻超过了预定值P。因此，在电池组2达到完全充电状态之前停止充电电池组2。

根据所述的实施例，利用使用了已校正电池温度值计算BTG值dT/dt(in)，即使由于长期变化而使电池组2和电池充电器3之间的接触状态变得退化，也能够令人满意地将电池组2充电到完全充电。

Claims (12)

1.一种用于充电电池组的电池充电器，所述电池组具有电池、用于感知电池温度的温度传感器和电池端子，所述电池充电器包括：

充电器端子，当对电池充电时，将电池端子与充电器端子相连；

充电电流产生电路，用于产生用于来充电电池的充电电流，所述充电电流具有电平；

电池温度检测器，用于与温度传感器协同操作来检测电池的温度，并输出指示了电池温度的温度信号；以及

控制器，将电池温度检测器的温度信号提供给控制器，控制器校正温度信号并提供已校正温度信号，已校正温度信号实质上免于电池端子和充电器端子的接触部分中产生的接触电阻的影响。

2.根据权利要求1所述的电池充电器，其特征在于还包括充电电流控制电路，用于改变充电电流的电平，其中当充电电流控制电路将充电电流的电平改变为其它电平时，控制器校正温度信号。

3.根据权利要求2所述的电池充电器，其特征在于控制器使用根据在充电电流控制电路改变充电电流的电平之前由电池温度检测器所检测到的第一温度信号和在充电电流控制电路改变充电电流的电平之后由电池温度检测器所检测到的第二温度信号所获得的校正值来校正温度信号。

4.根据权利要求3所述的电池充电器，其特征在于所述校正值等于通过从第二温度信号中减去第一温度信号所获得的值。

5.根据权利要求4所述的电池充电器，其特征在于使用校正值来校正在充电电流控制电路改变了充电电流的电平之后由电池温度检测器所检测到的温度信号，以及控制器提供已校正的温度信号。

6.根据权利要求5所述的电池充电器，其特征在于还包括第一存储设备，用于存储已校正的温度信号。

7.根据权利要求4所述的电池充电器，其特征在于不使用校正值来校正在充电电流控制电路改变了充电电流的电平之前由电池温度检测器所检测到的温度信号。

8.根据权利要求7所述的电池充电器，其特征在于还包括第一存储设备，用于存储从电池温度检测器输出的温度信号，其中使用校正值来校正在充电电流控制电路改变了充电电流的电平之后由电池温度检测器所检测到的温度信号，以及控制器提供已校正的温度信号，将已校正的温度信号进一步存储在第一存储设备中。

9.根据权利要求8所述的电池充电器，其特征在于还包括第二存储设备，用于存储校正值。

10.根据权利要求9所述的电池充电器，其特征在于控制器根据从已校正温度信号和存储在第一存储设备中的多个温度信号中所选择的两个信号来计算电池温度梯度，并根据所计算的温度梯度来确定电池已经达到了完全充电状态。

11.根据权利要求10所述的电池充电器，其特征在于还包括第三存储设备，用于存储所计算的电池温度梯度中最小的电池温度梯度。

12.根据权利要求11所述的电池充电器，其特征在于控制器还根据存储在第三存储设备中的最小电池温度梯度来确定电池已经达到了完全充电状态。

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