EA000240B1

EA000240B1 - Управление процессом зарядки аккумуляторной батареи и его завершением

Info

Publication number: EA000240B1
Application number: EA199800053A
Authority: EA
Inventors: Юри М. Подражански; Борис Центер
Original assignee: Эдвенст Чарджер Текнолоджи, Инк.
Priority date: 1995-07-11
Filing date: 1996-07-10
Publication date: 1999-02-25
Also published as: EP0846361A1; AU6459796A; CN1078397C; EP0846361A4; NO980111D0; MX9800293A; NO980111L; KR19990028876A; IL122821A0; NZ312602A; CA2226411A1; EA199800053A1; AU710799B2; WO1997003489A1; JPH11509078A; CN1190499A; BR9609599A

Description

Данное изобретение относится к зарядным устройствам и касается, в частности, способа и устройства для управления процессом зарядки аккумуляторной батареи и для завершения процесса зарядки.

Известно несколько способов зарядки аккумуляторной батареи и несколько способов определения того момента, когда необходимо завершить процесс зарядки. Недостатком всех этих способов является одна и та же проблема излишней зарядки батареи. Если аккумуляторная батарея излишне заряжается, то это вызывает появление кислорода на положительном электроде. Этот кислород затем поглощается отрицательным электродом и батарея нагревается. Риск повреждения аккумуляторной батареи из-за чрезмерной зарядки являются обычным для большинства способов зарядки. Изготовители аккумуляторных батарей с учетом этого разрабатывают батареи с дополнительным объемом материала отрицательного электрода. Однако чрезмерная зарядка необратимо расходует отрицательный электрод и, как только дополнительный материал использован, будущая чрезмерная зарядка уменьшает объем отрицательного электрода, доступный для хранения заряда, и емкость батареи уменьшается.

Хорошим подтверждением излишней зарядки, особенно при зарядке с использованием постоянного тока, является уменьшение напряжения батареи. Это уменьшение напряжения батареи часто обозначается как минус дельта V. Один из способов определения состояния зарядки батареи состоит в том, чтобы обнаруживать появление минус дельта V и завершать при этом процесс зарядки. Однако этот способ сокращает срок службы батареи, потому что минус дельта V появляется, когда излишек кислорода создается положительным электродом и поглощается отрицательным электродом. Как следствие, этот способ допускает повышение температуры батареи, а также создание давления внутри батареи.

Другой способ определения момента завершения процесса зарядки используется, если батарея заряжается пропусканием через нее импульсов тока и разрядные импульсы подаются после каждого зарядного импульса. При этом способе процесс зарядки завершается в ответ на средний разрядный ток в течение разрядного импульса или в ответ на отношение энергии, удаленной разрядным импульсом, по сравнению с энергией, подаваемой на батарею в течение предшествующего зарядного импульса. Однако не имеется тесной связи между значением разрядного напряжения и состоянием заряда батареи.

Еще один способ завершения процесса зарядки предусматривает снятие отсчетов напряжения на клеммах батареи в промежутке между зарядными импульсами через определенное время после начала зарядки.

Еще один способ предусматривает измерение напряжения батареи, когда подается зарядный ток, и измерение напряжения батареи во время подачи разрядного тока. Два измеренных значения напряжения сравниваются и процесс зарядки завершается, если имеется заданная разность между этими напряжениями. Однако заданная разность должна быть выбрана в зависимости от типа заряжаемой батареи и ее емкости. Кроме того, этот способ не предотвращает генерации кислорода, совпадающей с чрезмерным зарядом, так как не позволяет точно определять состояние заряда батареи. Причиной является то, что если батарея заряжается с большой скоростью и если имеется длинный разрядный импульс, то никель-кадмиевая (NiCd) или никель-металлгидридная (NiMH) батарея будет нагреваться и амплитуда зарядного напряжения будет изменяться из-за изменения температуры батареи. Таким образом, этот способ недостаточно точен для зарядки больших батарей с высокой скоростью, потому что незначительная погрешность в определении состояния батареи может привести к повреждению батареи. Еще более усложняет проблему то, что характеристики батареи изменяются в течение цикла зарядки и различаются у разных экземпляров батарей.

Другой способ управления циклом зарядки использует считывание напряжения без сопротивления. Напряжение на клеммах батареи без нагрузки (напряжение без сопротивления) измеряется после окончания зарядного импульса. Это напряжение сравнивается с опорным напряжением, чтобы определить зарядный ток. Опорное напряжение может зависеть, например, от температуры окружающей среды, внутренней температуры, внутреннего давления, зарядного тока или изменения величины зарядного тока. Однако измерение напряжения без сопротивления должно производится, когда все элементы в батарее находятся в состоянии равновесия. Если состояние равновесия не было достигнуто, то результаты измерения напряжения в разомкнутой цепи могут различаться в зависимости от времени, прошедшего после окончания предыдущего зарядного импульса. Время равновесия зависит от зарядного тока и возможности массообмена в батарее. Кроме того, точность измерения напряжения без сопротивления будет зависеть от концентрации электролита в батарее и от срока изготовления батареи. Концентрация электролита будет изменяться из-за пористой структуры поверхности пластин, поэтому измерение напряжения в разомкнутой цепи через несколько миллисекунд после окончания зарядного импульса не будет давать точных результатов. Таким образом, батарея может перегреться или разрушиться. Далее, имеются различия между батареями, различия между типами батарей и различия в одной батарее, которые возникают во время цикла заряда. Поэтому выбор надле3 жащего опорного напряжения может быть трудным или требовать много времени.

Любой способ, позволяющий быстро заряжать батарею, должен учитывать постоянно изменяющиеся параметры батареи, такие как внутреннее сопротивление, сопротивление поляризации, условия массопереноса и температуру. Система быстрой зарядки обычно использует спадающий ток, чтобы избежать излишнего заряда и избежать появления газа. В патенте США № 5307000 описывается использование нескольких разрядных импульсов между зарядными импульсами, что обеспечивает быструю зарядку батареи с высокими токами зарядных импульсов в течение более длительного периода времени без критических напряжений на элементах и без выделения тепла. Без множества деполяризующих импульсов напряжение батареи будет повышаться очень быстро из-за быстро увеличивающейся концентрации электролита вокруг электродов, особенно в конце зарядного импульса.

Процесс быстрой зарядки должен быть основан на надежном и точном способе управления зарядкой и ее завершением. Некоторые известные способы зарядки связаны с отключением при заданной температуре или с другими способами, которые не подходят и/или неодинаковы для всех типов батарей и требуют выбора емкости батареи, даже когда заряжаются аккумуляторные батареи одного и того же типа (свинцово-кислотные, NiCd, NiMH). Другие известные способы зарядки связаны с отключением по напряжению. Однако фиксированный порог напряжения не является надежным, потому что надлежащий порог напряжения изменяется в зависимости от режима батареи, температуры, предыдущей эксплуатации батареи и предыстории зарядки.

Из известного уровня техники следует, что предпочтительный способ быстрой зарядки батареи предполагает подачу высокого зарядного тока в батарею, предпочтительно путем прикладывания последовательностей зарядных и деполяризующих импульсов к батарее. Поскольку процесс зарядки становится быстрее и мгновенные зарядные токи возрастают, становится намного труднее определить момент, когда батарея полностью заряжена и когда наступает оптимальное время для завершения или модификации процесса зарядки. Без точной информации о том, что батарея полностью заряжена, время и энергия тратятся впустую из-за излишней зарядки батареи.

Однако, как установлено выше, излишняя зарядка вызывает выделение газов, создает нагрев, увеличивает давление внутри батареи и вследствие этого вызывает повреждение батареи или же в батарее потенциально начинается катастрофический тепловой разгон. Известно, что батарея заряжена, когда зарядный ток стабилизировался или начал увеличиваться после постепенного уменьшения в течение зарядки с постоянным напряжением. Однако этот способ основывается на изменении конечных характеристик батареи, которые происходят, когда батарея находится близко к режиму теплового разгона. Таким образом, желательно определить, заряжена ли батарея, без ее приближения к переходу в режим теплового разгона.

Можно избежать проблем выделения газов, нагрева, теплового разгона и других повреждений батареи путем уменьшения зарядных токов, увеличения времени зарядки или завершения процесса быстрой зарядки в более ранней точке, исходя из некоторых выбранных критериев, например времени процесса зарядки, ампер-часов заряда, введенного в батарею, или температуры батареи. Однако эти способы могут привести к преждевременному завершению процесса зарядки, вследствие чего - к недозарядке батареи, или существенно увеличить время, которое требуется для последующей, например, непрерывной (или дозовой) подзарядки, чтобы довести батарею до полной зарядки. Кроме того, использование времени или амперчасов зарядки в качестве определяющего критерия вызовет катастрофический отказ в случае полностью заряженной или почти полностью заряженной батареи, если для нее применяется процесс быстрой зарядки, потому что батарея не будет способна принять высокие импульсные зарядные токи. В этом случае выделение газов и чрезмерный нагрев батареи начнут происходить почти немедленно.

Следовательно, имеется потребность в способе точного определения состояния заряда батареи, особенно в течение процесса быстрой зарядки, чтобы процесс быстрой зарядки мог использоваться как можно дольше, позволяя доводить батарею до состояния полной зарядки или близкого к нему, однако так, чтобы процесс быстрой зарядки завершался до повреждения батареи.

Кроме того, в процессе быстрой зарядки в некоторый момент, когда батарея становится фактически заряженной, она может быть неспособна принимать полный ток зарядного импульса. Таким образом, часть зарядного тока, подаваемого в течение зарядного импульса, вызывает выделение газов и нагревание. Однако завершение процесса быстрой зарядки в это время было бы преждевременным, потому что батарея полностью не заряжена и все еще поддается быстрой зарядке, но с более низким зарядным током.

Следовательно, имеется потребность в изменении процесса быстрой зарядки по мере того, как батарея становится заряженной, чтобы продолжать быструю зарядку батареи эффективным образом.

Настоящее изобретение направлено на точное определение того момента, когда батарея заряжена. Это позволяет как можно дольше ис5 пользовать процесс быстрой зарядки, таким образом эффективно заряжая батарею, но завершить процесс быстрый зарядки в нужный момент, чтобы предотвратить излишний заряд батареи и таким образом предотвратить напрасные затраты времени и энергии и повреждение батареи.

В соответствии с настоящим изобретением, чтобы определить, когда батарея заряжена, на батарею подается зарядный импульс и затем, по меньшей мере, два разрядных (деполяризующих) импульса. Напряжение батареи измеряется в определенной точке во время паузы (периода ожидания) после первого деполяризующего импульса и в такой же относительной точке во время паузы после второго деполяризующего импульса. Деполяризующий импульс создается приложением нагрузки к клеммам батареи и имеет обычно значительно меньшую продолжительность по сравнению с зарядным импульсом.

Когда зарядный импульс подается на выводы свинцово-кислотной батареи, сульфат свинца в растворе электролита батареи превращается в свинец, окись свинца и ионы электролита. Свинец и окись свинца осаждаются на соответствующих электродах. Ионы электролита формируются на электродах и окружают их. Эти ионы электролита рассеиваются вследствие явления переноса из-за разности в концентрациях ионов вокруг электродов и в растворе.

Когда батарея в основном не заряжена, концентрация электролита мала. Поэтому ионы электролита, сформированные вокруг электродов, быстро рассеиваются в растворе. Однако, когда батарея становится в основном заряженной, разность в концентрациях мала и поэтому ионы рассеиваются более медленно. Пока ионы не рассеиваются, сульфат свинца не может перемещаться в окрестностях электродов. Таким образом, ионы формируют барьер вокруг электродов и препятствуют эффективному приему электродами другого зарядного импульса. Далее, имеется меньшее количество раствора, которое может быть преобразовано процессом зарядки. Если это происходит, зарядное напряжение должно увеличиваться, чтобы вынудить батарею принять ту же самую величину зарядного тока. Однако увеличение зарядного напряжения вызывает диссоциацию воды в батарее с образованием газообразного водорода и кислорода. Газообразный кислород быстро повторно поглощается в растворе. Однако газообразный водород поглощается очень медленно, и таким образом в батарее создается внутреннее давление. Если происходит выброс в атмосферу, то газообразный водород теряется, и таким образом батарея теряет воду. Батарея откажет, если это будет происходить много раз. Кроме того, повышенное напряжение, необходимое для зарядки батареи, вызывает нежелательное нагревание батареи, а чрезмерный нагрев может вызвать выход батареи из строя.

Согласно настоящему изобретению, состояние заряда батареи, то есть концентрация электролита в растворе, может быть определено путем измерения напряжения разомкнутой батареи в течение пауз, следующих за разрядными импульсами. Если напряжение холостого хода остается приблизительно неизменным от одной паузы до последующей паузы, то батарея не заряжается излишне, поэтому зарядный ток не требуется изменять. Если напряжение холостого хода уменьшается от одной паузы до последующей паузы, то батарея заряжается излишне или заряжается со скоростью большей, чем допустимо, поэтому должен быть уменьшен зарядный ток или завершен процесс зарядки.

Таким образом, когда батарея становится заряженной, зарядный ток должен быть уменьшен до уровня, который батарея будет эффективно принимать.

Согласно настоящему изобретению, батарея эффективно принимает заряд и зарядный ток не требуется изменять до тех пор, пока результат второго измерения напряжения приблизительно совпадает с результатом первого измерения напряжения.

Согласно настоящему изобретению также считается, что батарея в основном заряжена и зарядный ток должен быть уменьшен, когда результат второго измерения напряжения меньше, чем результат первого измерения напряжения на некоторую заданную разность напряжений (AV).

Таким образом, данное изобретение обеспечивает точное определение состояния заряда батареи в процессе быстрой зарядки и управление процессом зарядки или его завершением так, чтобы избежать повреждения батареи.

Следовательно, одной из целей настоящего изобретения является создание способа более точного определения состояния заряда аккумуляторной батареи путем сравнения напряжений батареи в различных паузах.

Настоящее изобретение предлагает способ зарядки батареи. Этот способ предусматривает приложение зарядного импульса, который обеспечивает средний зарядный ток, приложение первого деполяризующего импульса, выдержку первой паузы, измерение напряжения в заданной точке в первой паузе, приложение второго деполяризующего импульса, выдержку второй паузы, измерение напряжения в заданной точке во второй паузе, определение разности между напряжением в заданной точке в первой паузе и напряжением в заданной точке во второй паузе и изменение среднего зарядного тока в зависимости от величины и полярности этой разности. В одной форме осуществления настоящего изобретения операции подачи зарядного импульса, подачи первого и второго деполяризующих импульсов, выдержки первой и второй пауз и из7 мерения напряжений в заданных точках в первой и второй паузах повторяются, если разность находится в установленных пределах.

В соответствии с еще одной формой осуществления настоящего изобретения зарядный импульс характеризуется длительностью зарядного импульса, а операция изменения среднего зарядного тока включает изменение длительности зарядного импульса.

В соответствии с еще одной формой осуществления настоящего изобретения зарядный импульс характеризуется амплитудой тока зарядного импульса, а операция изменения среднего зарядного тока включает изменение амплитуды тока зарядного импульса.

В соответствии с еще одной формой осуществления настоящего изобретения зарядный импульс характеризуется частотой повторения зарядного импульса, а операция изменения среднего зарядного тока включает изменение частоты повторения зарядного импульса.

В соответствии с еще одной формой осуществления настоящего изобретения каждый деполяризующий импульс характеризуется амплитудой тока деполяризующего импульса, а способ дополнительно включает изменение амплитуды тока деполяризующего импульса, когда средний зарядный ток изменяется.

В соответствии с еще одной формой осуществления настоящего изобретения каждый деполяризующий импульс характеризуется длительностью деполяризующего импульса, а способ дополнительно включает изменение длительности деполяризующего импульса, когда изменяется средний зарядный ток.

В соответствии с еще одной формой осуществления настоящего изобретения за каждым зарядным импульсом следует несколько деполяризующих импульсов, а способ дополнительно включает изменение числа деполяризующих импульсов, когда изменяется средний зарядный ток.

Настоящее изобретение предлагает также способ зарядки батареи с помощью процесса импульсной зарядки. Способ включает приложение первого зарядного импульса, приложение первого деполяризующего импульса, выдержку первой паузы, измерение напряжения в заданной точке в первой паузе, приложение второго деполяризующего импульса, выдержку второй паузы, измерение напряжения в заданной точке во второй паузе, определение разности между напряжением в заданной точке в первой паузе и напряжением в заданной точке во второй паузе и завершение процесса импульсной зарядки, если разность превышает заданный порог.

Данное изобретение предлагает также способ определения состояния батареи. Способ включает подачу первого зарядного импульса на батарею, подачу первого деполяризующего импульса на батарею, выдержку первой паузы, измерение напряжения батареи в первой заданной точке в первой паузе, измерение напряжения батареи во второй заданной точке в первой паузе, приложение второго деполяризующего импульса к батарее, выдержку второй паузы, определение разности между напряжением в первой заданной точке и напряжением во второй заданной точке и индикацию того, что вода должна быть добавлена в батарею, если разность превышает заданный порог.

Настоящее изобретение предлагает также способ завершения процесса зарядки батареи. Способ включает подачу первого зарядного импульса на батарею, подачу первого деполяризующего импульса на батарею, выдержку первой паузы, измерение напряжения батареи в первой заданной точке в первой паузе, измерение напряжения батареи во второй заданной точке в первой паузе, подачу второго деполяризующего импульса на батарею, выдержку второй паузы, измерение напряжения в первой заданной точке во второй паузе, измерение напряжения батареи во второй заданной точке во второй паузе, определение первой разности между напряжениями в первой и во второй заданных точках в первой паузе, определение второй разности между напряжениями в первой и во второй заданных точках во второй паузе и завершение процесса зарядки, если и первая и вторая разность больше, чем заданный порог.

Другие цели, отличительные признаки и преимущества данного изобретения станут очевидными после прочтения следующего описания предпочтительной формы осуществления изобретения вместе с чертежами и формулой изобретения.

На фиг. 1 показана блок-схема схемы зарядки батареи, используемой в настоящем изобретении;

на фиг. 2А-2В - формы колебаний, поясняющие процесс зарядки батареи и то, как с помощью сравнения измеренных значений напряжения в различных паузах определяется состояние заряда батареи;

на фиг. 3 - блок-схема алгоритма, поясняющая процесс определения состояния заряда батареи;

на фиг. 4 - формы сигналов, которые поясняют процесс зарядки батареи и то, как определяется состояние батареи;

на фиг. 5 - модификация блок-схемы алгоритма фиг. 3, которая поясняет процесс определения состояния батареи.

Обратимся теперь к чертежам. На фиг. 1 показана блок-схема зарядной схемы батареи, используемая в данном изобретении. Схема 10 зарядки и разрядки батареи содержит клавишную панель 12, контроллер 13, дисплей 14, заряд ную схему 15, разрядную (деполяризующую) схему 16 и цепь 20 контроля тока. Клавишная панель 12 соединена с входом К контроллера 13 и позволяет пользователю вводить заданные параметры, такие как тип батареи (свинцово-кислотная, NiCd, NiMH и т.д.) и другую необходимую информацию, такую как номинальное напряжение батареи или число последовательно включенных элементов. Клавишная панель 12 может быть клавиатурой, номеронабирателем, набором переключателей или другим устройством для ввода информации. Для упрощения эксплуатации пользователем, контроллер 13 может быть предварительно запрограммирован путем ввода параметров для множества видов батарей. В этом случае пользователь просто будет вводить вид батареи, например номер модели, а контроллер 13 будет автоматически использовать параметры, подходящие для этого вида батареи. Дисплей 14 соединен с выводом S контроллера 13 и отображает для оператора информацию, выбранные данные, параметры и т.д., а также подает оператору слышимые и видимые аварийные сигналы или сигналы оповещения.

Выход С контроллера 13 подключен к зарядной схеме 15. Зарядная схема 15 подает зарядный ток в аккумуляторную батарею 11. В зависимости от применения зарядная схема 15 может быть сконфигурирована контроллером 13 так, чтобы работать как источник постоянного напряжения или как источник постоянного тока. Выход D контроллера 13 подключен к разрядной (деполяризующей) схеме 16, которая может быть сконфигурирована контроллером 13 так, чтобы подавать постоянный деполяризующий ток в батарею 11, прикладывать выбранную нагрузку к батарее 11 или прикладывать более низкое напряжение или обратное напряжение к батарее 11. Длительность импульсов, создаваемых схемами 15 и 16, регулируется контроллером 13. Выход зарядной схемы 15 и разрядной схемы 16 соединен с положительной клеммой батареи 11 через проводник 21. Отрицательная клемма батареи 11 соединена с землей схемы через резистор 20 контроля тока. Следовательно, ток, втекающий в батарею 11 или вытекающий из нее, может быть определен путем измерения напряжения на резисторе 20 контроля тока и проводнике 22. Следовательно, резистор контроля тока функционирует как устройство контроля и ограничения тока. Конечно, для задания тока батареи могут использоваться и другие устройства.

Напряжение батареи контролируется путем измерения напряжения между проводником и землей схемы. Влияние резистора контроля тока может быть устранено путем измерения напряжения между проводниками 21 и 22 или вычитания напряжения на проводнике 22 из напряжения на проводнике 21. Проводники 21 и подключены соответственно к входам V и I контроллера 13.

Наличие батареи может быть определено путем включения зарядной схемы 15 и путем контроля выходного напряжения на резисторе 20 контроля тока, чтобы определить, течет ли зарядный ток; включением разрядной схемы 16 и контролем выходного напряжения на резисторе 20 контроля тока, чтобы определить, течет ли разрядный ток; контролем напряжения при неработающих схемах 15 и 16, чтобы определить, присутствует ли батарея, и т.д.

Датчик 23 температуры контролирует температуру батареи 11 так, чтобы контроллер 13 мог регулировать амплитуду, число и длительность зарядных и деполяризующих импульсов, а также длительность пауз, для поддержания заданной температуры батареи. Хотя на фиг. 1 показан только один датчик, в предпочтительном случае датчики 23 температуры погружаются в раствор электролита в каждом элементе батареи, чтобы точно контролировать внутреннюю температуру батареи. Датчиком 23 температуры может быть терморегулятор, терморезистор, термопара или аналогичное устройство. Он подключен к входу Т контроллера 13.

Контроллер 13 содержит микропроцессор, запоминающее устройство, по меньшей мере, часть которого содержит команды для контроллера 13, таймеры и аналого-цифровой преобразователь. Использование контроллера на основе микропроцессора выгодно потому, что микропроцессор может очень быстро принимать решения, хранить данные измерений напряжения и тока, а также выполнять обработку данных, такую как усреднение, сравнение и обнаружение пиков. Таймеры, которые могут быть отдельными или выполненными на базе микропроцессора, могут использоваться для регулирования длительности любых зарядных импульсов, деполяризующих импульсов или пауз, а также обеспечивать привязку по времени последовательных деполяризующих импульсов или пауз. Аналого-цифровой преобразователь, который может быть отдельным или выполненным на микропроцессоре, может использоваться для преобразования сигналов напряжения или тока в форму, пригодную для использования цифровым микропроцессором. Цифровой контроллер рассматривается потому, что он является предпочтительной формой осуществления изобретения, но для реализации изобретения может быть использован также и аналоговый контроллер.

На фиг. 2А-2В показаны формы сигналов, которые поясняют процесс зарядки батареи и то, как определяется состояние заряда батареи. Состояние заряда определяется сравнением измеренных значений напряжения в различных паузах. Формы напряжений и токов в целом поясняют процесс зарядки, при котором применяется один или большее количество зарядных импульсов С1, за которыми предпочтительно следует пауза CW1 и множество деполяризующих импульсов D1 - D3, а за каждым деполяризующим импульсом D1 - D3 предпочтительно следует пауза DW1 - DW3, соответственно.

Для удобства пояснения зарядные импульсы и импульсы деполяризации изображены как прямоугольные импульсы, но следует понимать, что это часто не имеет места в реальной практике и таким образом должно быть понятно, что настоящее изобретение включает прямоугольную форму колебаний, но не ограничивается ею. Также только для удобства, а не с целью ограничения, зарядные импульсы С1, С1' показаны имеющими одинаковую длительность и одинаковую амплитуду зарядного тока IA, а деполяризующие импульсы D1 - D3 показаны имеющими одинаковую длительность и одинаковую амплитуду разрядного тока IB. Кроме того, число деполяризующих импульсов показано только для удобства, а не с целью ограничения. Паузы CW1 и DW1 - DW3 показаны имеющими одинаковую продолжительность только для удобства, а не с целью ограничения. Контроллер 13 может изменять продолжительность таких пауз на основании контролируемых изменений состояния заряда батареи.

Сначала, в связи со сравнением измеренных значений напряжения в различных паузах, определенные измеренные значения напряжения V1 и V2 показаны на фиг. 2А-2В. Значения V1 и V2 являются выходными напряжениями батареи, измеренными, когда батарея находится в разомкнутой конфигурации в течение пауз DW1 и DW2, соответственно. Должно быть ясно, что первое измерение выходного напряжения V1 может быть сделано в начале, середине или конце паузы DW1, а последующее измерение выходного напряжения V2 производится в той же самой относительной точке в следующей паузе DW2. Уровни напряжения в течение пауз DW1 - DW3 измеряются и оцениваются в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2А видно, что напряжение V1 приблизительно равно напряжению V2. Это приблизительное равенство напряжений указывает на то, что эта батарея не заряжается излишне. Следовательно, зарядный ток 1А не нужно регулировать.

На фиг. 2В видно, что напряжение V1 больше, чем напряжение V2. Если разность между V1 и V2 на фиг. 2В составляет менее 10 мВ на элемент, то тогда зарядный ток IA не нуждается в регулировке. Однако, если разность между V1 и V2 на фиг. 2В больше, чем 10 мВ на элемент, то тогда это уменьшение напряжения от V1 до V2 указывает, что эта батарея заряжается излишне. Это может быть связано с тем, что батарея достигла полного заряда или неспособна принять полный зарядный ток IA длительностью С1 по какой-либо причине. Следовательно, зарядный ток IA должен уменьшаться до тех пор, пока разность не составит менее 10 мВ на элемент.

На фиг. 3 показана блок-схема алгоритма определения, заряжена ли батарея, путем сравнения напряжений, измеренных в течение одной или нескольких пауз. На шаге 301 пользователем устанавливаются начальные параметры зарядки, например напряжение батареи или число элементов в батарее и степень разряда (С) батареи. Затем контроллер 13 определяет зарядный ток IA и деполяризующий ток IB для батареи. Это определение может быть основано на поисковой таблице или уравнении.

На шаге 303 контроллер 13 подаст зарядный импульс С1 с амплитудой тока IA на батарею, предпочтительно, но не обязательно, за этим следует пауза CW1, и затем подает на батарею деполяризующий импульс D1 с амплитудой тока IB. Контроллер 13 выжидает в течение определенного периода паузы DW1 и измеряет выходное напряжение V1 батареи в заданной точке паузы DW1. Затем контроллер 13 подает другой деполяризующий импульс D2 с амплитудой тока IB на батарею. Контроллер снова выжидает определенный период паузы DW2 и измеряет другое выходное напряжение V2 батареи в соответствующей заданной точке второй паузы DW2. Должно быть понятно, что первое измерение выходного напряжения V1 может быть сделано в начале, середине или конце первой паузы DW1, а следующее измерение выходного напряжения V2 в следующей паузе DW2 производится в той же самой относительной точке относительно начала паузы.

На шаге 309 решения проверяется, является ли разность (V1-V2) большей, чем некоторая максимальная разность напряжений (VDMAX). Если нет, то батарея еще не заряжена и средний зарядный ток не должен корректироваться. В этом случае контроллер 13 переходит к шагу 313.

Если VD > VDMAX, то батарея заряжается излишне или заряжается со скоростью большей, чем допустимо для батареи. Поэтому на шаге 311 контроллер 13 уменьшает средний зарядный ток. Затем контроллер 13 переходит к шагу 313. На шаге 313 контроллер 13 определяет, завершить ли процесс импульсной зарядки. Цикл импульсной зарядки может быть закончен по какой-либо из нескольких различных причин. Например, может истечь установленное пользователем время зарядки, или температура батареи может выйти из допустимого диапазона, или амплитуда зарядного тока IA может уменьшиться до С/10 или менее.

Если возникла причина для завершения процесса импульсной зарядки, то тогда на шаге 315 контроллер 13 завершит процесс импульсной зарядки и переключится на другой процесс зарядки, например процесс непрерывной подзарядки, если завершение произошло потому, что зарядный ток равен С/10, или контроллер 13 полностью остановит процесс зарядки, например, если завершение произошло потому, что время истекло или температура стала недопустимой. Также оператору может быть обеспечена визуальная или акустическая индикация завершения процесса зарядки.

Если на шаге 313 контроллер 13 определяет. что процесс импульсной зарядки не должен быть закончен, то контроллер 13 возвращается к шагу 303.

На фиг. 4 показаны формы сигналов, которые поясняют процесс зарядки батареи и то, как определяется состояние батареи. При этой процедуре напряжение разомкнутой батареи измеряется в начале и в конце пауз. Для удобства иллюстрации, но не в качестве ограничения, напряжение показано по существу постоянным в течение паузы. Однако на практике напряжение в течение паузы может измениться и это обеспечивает дополнительную информацию о состоянии батареи, особенно для свинцовокислотных и NiCd батарей. Если в течение паузы напряжение падает больше, чем на заданную величину (VD1 = V5-V6 и VD1 > VD1MAX), то тогда концентрация электролита выше нормальной и в батарею должна быть добавлена вода. Акустические и визуальные сигналы тревоги могут использоваться, чтобы предупредить оператора об этом состоянии и процесс зарядки может автоматически заканчиваться. Предпочтительно измерения производятся в течение первой паузы DW1.

Также, если измеренное значение напряжения в начале и в конце одной паузы (V5 и V6, соответственно) отличаются больше, чем на некоторую заданную величину (VD1 = V5-V6 и VD1 > VD2MAX), и измеренное значение напряжения в начале и в конце последующей паузы (V7 и V8, соответственно, или V9 и V10, соответственно) также отличаются больше, чем на некоторую заданную величину (VD2 = V7-V8 и VD2 > VD2MAX), то это указывает, что батарея не принимает заряд соответствующим образом и, следовательно, процесс зарядки должен быть закончен.

На фиг. 5 показана блок-схема алгоритма, поясняющая модификацию процесса определения состояния батареи. Процесс на фиг.5 идентичен процессу на фиг. 3 за исключением того, что шаг 503 заменяет шаг 303, а шаг 513 решения обеспечивает объяснение некоторых из шагов 313 решения о завершении. На шаге 513 производятся дополнительные измерения напряжений V5, V6, V7, V8 и определяются разности напряжений VD1 и VD2.

На шаге 513 А решения контроллер 13 определяет. является ли разность напряжений VD1 большей, чем заданная максимальная разность VD1MAX. Если это так, то на шаге 513В контроллер 13 начинает подавать сигнал тревоги, чтобы сообщить оператору о необходимости долить воду в батарею, и затем предпочтительно завершает процесс зарядки. Если это не так, то на шаге 513С решения контроллер определяет, превышает ли VD1 заданный максимум VD2MAX, a VD2 - максимум VD2MAX. Если оба условия выполняются, то контроллер 13 завершает процесс зарядки. Контроллер 13 может также подавать оператору сигнал о завершении. Если условия не выполняются, контроллер 13 возвращается к шагу 503.

Как описано выше, в настоящем изобретении зарядный ток может регулироваться подстройкой IA, регулировкой длительности зарядного импульса, регулировкой частоты повторения зарядных импульсов, регулировкой числа или длительности деполяризующих импульсов или регулировкой продолжительности одной или нескольких пауз CW1, DW1, DW2 и т.д. Предпочтительно, чтобы наряду с коррекцией зарядного тока аналогично корректировался деполяризующий ток, например регулировкой IB, регулировкой длительности деполяризующих импульсов или регулировкой числа деполяризующих импульсов между зарядными импульсами.

В качестве примера вышеописанного процесса для свинцово-кислотной герметичной батареи с емкостью 0,62 ампер-часа (С = 0,62) IA составляет 2,4 А в течение 150 мс, IB равен 5 А в течение 2 мс, DW1 и DW2 равны 12 мс, а частота повторения зарядных импульсов (приблизительно 2 зарядных импульса в секунду) такова, что средний зарядный ток равен 0,75 А (около 1,2С). Пауза CW1 может использоваться или может отсутствовать. В этом примере процесс импульсной зарядки будет закончен, когда средний зарядный ток понизится до 0,0623 А (0,1С). В другом примере для свинцовокислотной герметичной батареи емкостью 52 ампер-часа (С=52) IA составляет 100 A, IB равен 250 А, длительность зарядного импульса такова, что средний зарядный ток равен 60 А (около 1,2С), а процесс импульсной зарядки будет закончен, когда средний зарядный ток понизится до 5,2 А (0,1C).

Сравнение измеряемых выходных напряжений батареи для последовательных пауз после деполяризующих импульсов обеспечивает лучшую индикацию состояния заряда по сравнению с известным уровнем техники. В результате этот способ: (1) позволяет заряжать батарею так быстро, как только возможно, (2) позволяет избежать нагрева и повреждения батареи, что может происходить при непрерывной зарядке или чрезмерной зарядке, и (3) допускает более раннее окончание или изменение процесса зарядки без излишней зарядки батареи.

Хотя предпочтительно использовать напряжения батареи, измеряемые в течение пауз DW1 и DW2, настоящее изобретение этим не ограничивается. Напряжение батареи может измеряться для любых двух последовательных или непоследовательных пауз между разрядными импульсами, которые не разделены зарядным импульсом. Например, могут использоваться DWHi DW3 или DW1 и DW3.

Далее, деполяризующие импульсы могут иметь одинаковую амплитуду или могут иметь различные амплитуды. Аналогично, деполяри15 зующие импульсы могут иметь одинаковую длительность или могут иметь различные длительности. Кроме того, паузы могут иметь одинаковую продолжительность или могут иметь различные продолжительности.

Хотя представленное изобретение было описано применительно к герметичным свинцово-кислотным батареям, это никоим образом не ограничивает его объема. Настоящее изобретение полезно также для других типов батарей, например NiCd, NiMH, железно-никелевых, никель-цинковых, серебряно-цинковых, на основе лития - оксида металла, на основе ионов лития оксида металла, негерметичных свинцовокислотных и т.д.

В свете вышеизложенного ясно, что представленное изобретение предлагает способ и устройство для быстрой зарядки батареи без ее перегрева.

В свете вышеизложенного также ясно, что данное изобретение предлагает способ и устройство для зарядки батареи до такой степени, которую можно допустить без повреждения батареи.

Настоящее изобретение предлагает также способ и устройство для определения состояния батареи, включая определение того, не нужно ли добавить в батарею воду.

После прочтения вышеприведенного подробного описания предпочтительной формы осуществления данного изобретения специалистам будет ясно, что возможны и другие формы осуществления изобретения. Следовательно, объем данного изобретения ограничивается только приводимой ниже формулой изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ зарядки аккумуляторной батареи, в соответствии с которым подают зарядный импульс, который обеспечивает средний зарядный ток, подают первый деполяризующий импульс, выдерживают первую паузу, измеряют напряжение батареи в заданной точке в первой паузе, подают второй деполяризующий импульс, выдерживают вторую паузу, измеряют напряжение батареи в упомянутой заданной точке во второй паузе, определяют разность между напряжением в заданной точке в первой паузе и напряжением в заданной точке во второй паузе и, если упомянутая разность больше заданного порога, то уменьшают упомянутый средний зарядный ток.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно повторяют упомянутые операции подачи зарядного импульса, подачи первого и второго деполяризующих импульсов, выдержки первой и второй пауз и измерения напряжений в первой и второй паузах.
3. Способ зарядки аккумуляторной батареи, в соответствии с которым подают зарядные импульсы, которые обеспечивают средний зарядный ток, подают первый деполяризующий импульс, выдерживают первую паузу, измеряют напряжение упомянутой батареи в заданной точке в первой паузе, подают второй деполяризующий импульс, выдерживают вторую паузу, подают следующий деполяризующий импульс, выдерживают следующую паузу, измеряют напряжение упомянутой батареи в заданной точке в упомянутой следующей паузе, определяют разность между напряжением в заданной точке в первой паузе и напряжением в заданной точке в упомянутой следующей паузе и, если разность превышает заданный порог, то уменьшают упомянутый средний зарядный ток.
4. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что упомянутая операция уменьшения среднего зарядного тока включает уменьшение длительности зарядного импульса.
5. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что упомянутая операция уменьшения среднего зарядного тока включает уменьшение амплитуды тока зарядного импульса.
6. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что упомянутая операция уменьшения среднего зарядного тока включает уменьшение частоты повторения зарядного импульса.
7. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что способ дополнительно включает операцию уменьшения амплитуды тока деполяризующего импульса, когда уменьшают упомянутый средний зарядный ток.
8. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что способ дополнительно включает операцию уменьшения длительности деполяризующего импульса, когда уменьшают упомянутый средний зарядный ток.
9. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что за каждым зарядным импульсом подают несколько деполяризующих импульсов, а способ дополнительно включает операцию уменьшения числа упомянутых деполяризующих импульсов, когда уменьшают упомянутый средний зарядный ток.
10. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что операция уменьшения среднего зарядного тока включает увеличение длительности деполяризующего импульса.
11. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что упомянутая операция уменьшения среднего зарядного тока включает увеличение длительности паузы.
12. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что операция уменьшения упомянутого среднего зарядного тока включает увеличение числа деполяризующих импульсов.
13. Способ зарядки аккумуляторной батареи с помощью процесса импульсной зарядки, в соответствии с которым подают зарядный импульс, подают первый деполяризующий импульс, выдерживают первую паузу, измеряют напряжение батареи в заданной точке в первой паузе, подают второй деполяризующий импульс, выдерживают вторую паузу, измеряют напряжение упомянутой батареи в заданной точке во второй паузе, определяют разность между напряжением в заданной точке в первой паузе и напряжением в заданной точке во второй паузе и, если упомянутая разность больше заданного порога, то завершают процесс импульсной зарядки.
14. Способ определения состояния аккумуляторной батареи, в соответствии с которым подают зарядный импульс на батарею, подают первый деполяризующий импульс на батарею, выдерживают первую паузу, измеряют напряжение батареи в первой заданной точке в первой паузе, измеряют напряжение батареи во второй заданной точке в первой паузе, подают второй деполяризующий импульс на батарею, выдерживают вторую паузу, определяют разность между упомянутым напряжением в первой заданной точке и упомянутым напряжением во второй заданной точке и осуществляют индикацию того, что в батарею должна быть добавлена вода, если разность превышает заданный порог.

Г ho ! , !

Фиг. 1
15. Способ зарядки аккумуляторной батареи, в соответствии с которым подают зарядный импульс на батарею, подают первый деполяризующий импульс на батарею, выдерживают первую паузу, измеряют напряжение батареи в первой заданной точке в первой паузе, измеряют напряжение батареи во второй заданной точке в первой паузе, подают второй деполяризующий импульс на батарею, выдерживают вторую паузу, измеряют напряжение батареи в первой заданной точке во второй паузе, измеряют напряжение батареи во второй заданной точке во второй паузе, определяют первую разность между напряжением в первой заданной точке в первой паузе и напряжением во второй заданной точке в первой паузе, определяют вторую разность между напряжением в первой заданной точке во второй паузе и напряжением во второй заданной точке во второй паузе и, если первая разность больше, чем заданный порог, и вторая разность больше, чем указанный заданный порог, то завершают процесс зарядки.