專利名稱：電池的充電方法和裝置的制作方法
當給例如Ni Cd電池類可充電電池充電時，將比該電池端電壓大的電壓施加于該電池的電極上，從而有電流通過該電池。該電流引起一個將能量存儲在該電池中的化學過程。
當電池充足電時，該化學過程停止，再添加的能量將轉換為熱能。由于電池構造成象一個封閉的容器，故電池內壓力增高時會導致化學破壞。這意味著電池的蓄電量下降，并經幾次如此充電后，最后蓄電量可能會大大降低。因此為了以可能的最好方式使用電池，重要的是不僅要確保電池充足電，并且要在熱量產生過大前中斷充電。這樣，最好是控制充電過程以便獲得幾乎最佳充電并且(或者)在合適的時間中斷充電。當希望盡快地給電池充電時，這種對充電過程的精確控制尤為重要。
在常用的充電過程中，電池兩端的電壓在其充電時均勻增加。當電池接近其完全充電態時，該電壓更陡峭地上升到表示完全充電狀態的峰值。然后該電壓由于溫度的上升再下降，因為該電壓的溫度系數是負的。相應地，充電電流通常在完全充電時減小到最小值然后再增大。
本發明提供一種對具有一對電極的可充電電池的充電方法，所述方法包括將電源與電池兩端相連，至少在對該電池進行充電的部分過程中測定該充電過程的至少一個特征參數的值和/或軌跡，將所述至少一個充電參數的值和/或軌跡與所存儲的代表不同類型電池和/或不同電池狀態的理想的或所希望的充電過程標準參數的相應值和/或軌跡相比較，根據比較結果在所述所存儲的標準參數組中選擇一組再根據所選擇組中一個或多個標準參數控制該電池的至少部分充電過程。
根據本發明的第一方面，可以至少在充電的部分過程中控制第一特征參數以獲得一個預先確定的所希望的第二特征參數的軌跡，所述第一參數可以是充電電流，而所述第二參數可以是充電電壓。
當對電池第一次充電時，或者該電池已放了很長時間而沒有充電時，這種電池(下面稱其為“原始電池”(“virgin battery”)，不能立即接受正常的全充電電流。因此，不能用與控制其它雖同類并處于同樣充電狀態但不是原始電池的電池的充電過程的同樣方法來控制這種原始電池的充電過程。因而在實際充電前測試一下該電池以確定其是否是原始電池是有益的，它需要一個單獨的“看護”(nursing)程序，例如可包含一個在較短或較長時間周期內相對小的充電電流。非原始電池也可顯示出一些異常特性。
因此，根據本發明另一方面提供了一種對具有一對電極端的可充電電池的充電方法，所述方法包括將電池兩端與電源相連，開始在一個短的第一時間周期內通過在電池的電極端上施加第一試驗充電電流對該電池進行試驗充電，至少在該試驗充電過程的部分期間或在其結束時測定或檢測至少一個試驗參數，接著在一個短的第二時間周期內對該電池進行試驗放電，至少在該試驗放電過程的部分期間或在其結束時測定或檢測至少一個試驗放電參數，根據對試驗充電和/或放電過程的所述測定或檢測挑選或確定至少一個充電參數的軌跡或值，然后基本上按照所選擇的所述至少一個充電參數的軌跡或值對該電池至少部分地進行充電。
對電池進行試驗充電可以任何合適的方式進行。例如，可以將預先確定的固定的試驗充電電壓加到該電池的電極端上經歷一個預先確定的時間周期。另外，試驗充電電壓可以預先確定的方式逐漸地或階躍地增大。在這兩種情況下，可以普遍地或在該充電和/或放電過程的一個或更多的選擇點上測定或檢測充電電流，電池溫度和/或電池內壓。
另一種可能性是控制試驗充電電壓，以使充電電流穩定在預定的電平或以預定方式使試驗充電電流逐漸地或階躍增大。在后一種情況下，可以測定或檢測充電電壓、電池溫度和/或電池內壓。
重復一次或多次該試驗充電和放電過程可能是有益的。如果這樣，所控制的試驗參數(充電電壓或充電電流)的軌跡對接連的試驗充電過程可以有不同的選擇。
最好是，給電池提供一個相對小的試驗充電電流，例如0.2C/h量級(cm A×h是電池的容量)以避免電池的溫度和/或內壓達到可能對電池有不利影響的值。
每個試驗充電周期與接著的真正的充電時間周期相比最好相對短一點。例如，每次試驗充電可花幾秒鐘，如1或2秒。
基于以上所述試驗所選擇的看護程序可包括電池的整個充電過程甚至接著的放電過程和新的充電過程。假如所選擇的看護程序在電池完全充電前中止，該電池可以進一步充電，所述進一步充電包括至少在電池充電的部分過程中測定至少一個充電過程的特征參數的值和/或軌跡，將所述至少一個充電參數的值和/或軌跡與所存儲的代表不同類型的電池和/或不同電池狀態的理想的或所希望的充電過程的標準參數的相應值和/或軌跡相比較，根據比較結果在所述所存儲的標準參數組中選擇一組，再根據所選擇組中一個或多個標準參數控制該電池的至少部分充電過程。
例如通過電子存儲裝置，如存儲器，多少可將由經驗確定的標準參數加以存儲(如繪制自開始充電過程所經歷的時間周期對該標準參數的值的圖)。當希望對可充電電池進行快速充電而對電池沒有實質損壞時，則理想的或所希望的充電過程主要取決于在開始充電過程前的電池的充電狀態。因此，所存儲的標準參數軌跡代表電池不同的充電開始狀態的理想的或所希望的充電過程。如果待再充電的電池充電狀態已知或可以確定，則可選擇其充電的開始狀態最接近將被再充電的電池的實際充電狀態的標準軌跡，并可控制該電池的充電過程以使所述至少一個參數的軌跡接近所選擇的標準軌跡，從而可以保證該電池在任何時候均不會遭受過度高壓或充電電流或遭受過度加熱。
原則上，待再充電的電池的充電狀態是可以通過特殊的檢測步驟確定的，然后可選擇適合于同樣或相似充電開始狀態的相應標準參數軌跡。例如通過合適的鍵將有關信息提供給電子控制裝置。然而在最佳實施例中，該相關標準軌跡是通過電子控制線路自動挑選的。
充電參數可包括(例如)電池兩端的電壓，提供給電池的充電電流，單個蓄電池的溫度，任一這類參數的變化速率，以及這些參數和/或變化速率的任意組合。
應當明白可用任何合適的使充電參數的軌跡可接近所選擇的標準參數軌跡的方法來控制充電過程。但在最佳實施例中，是通過控制施加于電池兩端的電壓來控制充電過程的。最好這樣來控制電壓，即在充電過程的開始使提供給該電池的充電電流相對小，而在隨后的充電過程主要部分期間最好使充電電流大致穩定在其最大值，以加速充電。
如前面所提到的，標準參數的選擇可以取決于電池的充電狀態。這種充電狀態可通過在充電過程開始前短暫地將電壓施加于該電池以檢測一個或多個充電參數來確定。假如該電池完全充電，該充電過程不會開始。如果電池部分充電，該信息可用來為充電過程挑選正確的標準參數。
控制充電過程可包括當至少一個特征參數值滿足某一預定條件或多個預定條件時確定剩余的充電時間周期，然后當該剩余時間周期期滿時終止充電過程。在根據本發明方法的實施例中，當特征參數，諸如充電電壓，充電電流，電池溫度或電池內壓已獲得一預定值時，確定剩余的充電時間周期。
該充電過程將近結束時，單個電池的內阻可能增大以致于當充電電流穩定在相對高的預定值時充電電壓趨于增大。太高的電壓可能在該電池組內引起有害的溫度上升。因此，最好將施加于電池兩端的電壓限制在一個預定的最大值，當電壓已達所述最大值時，在預定的剩余時間周期期滿時終止充電過程。這意味著在所述預定剩余時間周期期間最好將充電電壓保持在其最大值，在該時間周期中隨著電池組的內阻增大，充電電流通常將逐漸減小，最好將充電電流挑選成當所述時間周期期滿時，該電池基本充足電。最好是，預定的剩余時間周期與所選擇的標準軌跡有關。這意味著每個標準參數軌跡不僅包括有關提供給電池的最大充電電壓的信息，而且包括有關時間周期的信息，在該時間周期中，該最大電壓將維持到充電周期結束。
如上所述，要與實際參數軌跡相比較的標準參數軌跡可能是曲線或圖表，該比較過程可通過借助于設計識別電路的設計識別技術來完成。然而，在本發明最佳實施例中，在充電過程中以短的時間間隔實時地測量充電參數，將所測得的參數值與標準參數軌跡中對應的標準值相比較，根據該所測得的值與標準值的比較選擇相關的標準參數軌跡。在充電過程中可實時地完成該比較過程以致于當連續的比較過程表明第一次所選擇的標準參數軌跡不是最接近實際充電過程的軌跡時，控制電路或控制單元可從一個標準參數軌跡移到另一個。
在將充電參數值與標準值進行比較中，將作為所經歷充電時間函數的參數值變化速率與同樣的標準值相比較是有益的。例如，可將作為經歷的充電時間函數的充電電壓的變化速率與相應的標準值相比較。為能檢測電池的內阻或電勢，可在每次測量電池兩端的電勢差前即刻地在短時間周期內切斷充電電流。
可以均勻的第一時間間隔，測量參數值并確定這些參數的變化速率，以第二時間間隔根據這些測得的參數值確定每一變化速率，第二時間間隔是第一時間間隔的倍數。可以相當頻繁測量這些參數值，這意味著所述第一時間間隔可以相對地短，例如約10秒。然而，變化的速率最好是以大好幾倍例如90秒的時間間隔的測量為依據。
可以在充電過程的起始就開始確定變化速率。然而，可以有利地將對變化速率的確定推遲直到特征參數的測量值超過預定值，當在該參數的預定值之后明顯地發現最可辨別的變化速率時。
在一個特定的實施例中，僅有有限數量的標準值，并僅僅當一個或多個有關參數呈現標準值中之一時確定充電過程新的時間中止點。這導致一個較簡單的卻依然能正常地足夠準確地確定最佳中止時間點的過程。
如上所述，當被測量的參數是電池兩連接端上的電壓時，如果在測量電壓前將對電池的充電電流切斷一個短的周期將獲得更加精確的測量值。原因是電池有串聯內阻，充電電流在該電阻上將產生不包括在電壓測量值中的一個電壓降。
特別是在快速充電模式中使用大的充電電流情況下，隨著時間終止點的接近，逐漸減小充電電流是有益的，因為這樣更容易發現最佳時間終止點。這樣，例如可以用恒定的大充電電流(例如當電池的容量是C ma×小時約為4C ma)進行充電，直到被測量的參數之一到達確定的電平，然后可逐漸減小充電電流。
一個獲得所希望充電電流的有利方法是使用在某種程度上被脈寬調制的恒壓源提供所希望的充電電流。
直到充電過程接近結束才開始確定充電過程的可能時間中止點的程序可能是有益的。這樣，可使用一個更簡單的方法，如簡單測量電流或電壓來決定何時啟動更精確的程序。
在一個特定的實施例中，每一所提到的時間點的每個特征參數的測量值是多個中間測值的平均值從而改善了測量精度。這種測量對例如瞬態值的靈敏度較小。當然，通過將所述參數對從最后測量已經歷的周期進行積分可獲得同樣效果。
作為附加保護，可采用一些在現有技術方法中使用的終止準則。這樣，例如可固定最長充電周期。然后盡管其它終止準則還未出現，最終也要在該時間點上終止充電。也可以固定一個或更多被測量參數的極限值以致于如果這些參數之一超過或低于特定值便終止充電。另外，如果和當所述至少一個被測定值或軌跡與對應的存儲的標準參數值或軌跡相差太遠時，可中斷充電過程。
終止充電后可有利地借助于脈動電流維持電池的充電狀態，這確保電池穩定地被充足電即使充電結束后很長時間才將其從充電器中取出也如此。
存儲的標準參數軌跡不僅可包含代表一個和同類電池理想的或所希望的充電過程的軌跡，而且包含多個代表兩個或多個不同類型電池每一個充電過程的標準參數軌跡，在這種情況下，該過程第一步是確定待充電電池的種類，和選擇有關該類電池的標準參數軌跡。然后，可進行如上所述的充電過程。
本發明也提供了一種裝置，包括用于將電池與電源相連接的連接裝置，用于至少在電池充電的部分過程中測定充電過程的至少一個特征參數的值和/或軌跡的裝置，用于存儲多個代表不同類型電池和/或不同電池狀態下的理想的或所希望的充電過程的標準參數的值和/或軌跡的存儲裝置，用于將所述至少一個充電參數的值和/或軌跡與所存儲的標準參數的值和/或軌跡相比較并根據該比較結果在所述的所存儲的標準參數組中挑選出一組的裝置，以及根據該選出組中的多個標準參數之一來控制電池的至少部分充電過程的裝置。
這種裝置的操作可用(例如)微處理器或別的電子控制裝置進行控制，這些控制裝置也可包含存儲器用于存儲標準參數軌跡或值。
根據本發明的又一方面提供的一種電池系統，包括含一對電池電極端的可充電電池和用于裝有關于電池信息的信息裝置，和含有一對充電器端子的充電裝置，用于將電池與充電裝置可拆卸地相互連接以使電池電極端與充電器端子處于導電接觸中的裝置，以及用于從電池的信息裝置中接收信息的信息接收裝置，從而可以根據所述信息控制電池的充電。該電池系統可包含用于根據由信息接收裝置接收的信息控制充電過程的控制裝置。
電池的信息裝置可能或多或少是復雜的。以最簡單的形式而論，信息裝置可以例如包含一個當電池第一次充電時被取出、失活和/或無效的指示器。這種指示器的存在將通知控制裝置該電池應根據適合于所述電池種類的原始電池的“看護程序”進行充電。另外，該信息裝置可以含有信息碼，該代碼可被充電器的信息接收裝置讀出或檢測。這種信息碼可以用機械、光學、電磁和/或電子讀出或檢測裝置來讀出或檢測，該信息碼還可包含(例如)有關類型、容量、最大充電電壓、最大充電電流、最高溫度、最大內壓和/或其它電池特性等信息。再者，作為替換或補充，該信息裝置還可以包含用于檢測電池溫度的溫度傳感器。
在該電池系統的最佳實施例中，充電電流和/或充電電壓在由溫度傳感器檢測到的溫度低時，可開始增大。
本發明還涉及用在如上所述的電池系統中的可充電電池，所述電池包含一對電池電極端和用于容納電池信息的信息裝置，該信息的形式可被相應的電池充電裝置的合適信息接收裝置所檢測或讀出。
如上所述，該信息裝置可以相當簡單。另外，該信息裝置可含有用于存儲電池信息的電子存儲器。該電池信息可包含有關該電池及其各個單元一次或多次以前充放電過程和/或現在狀態和條件等信息。這樣，電池的信息裝置可詳細通知控制裝置有關該電池條件的詳情，然后控制裝置可根據這些信息控制充電過程。該充電過程可根據上述的任一方法或借助于傳統的充電方法加以控制。電池信息可以包含(例如)有關電池的類型、電池的容量、電池的其它規格、電池的充電狀態、各種電池單元的條件、最后充電過程、最后放電過程、自最后充電和/或放電過程以來所經歷的時間周期、充電參數算法，和/或電池內壓等信息。
為測定電池內壓和/或溫度，該信息裝置可包含一個置于電池內的壓力和/或溫度傳感器。這些傳感器與控制裝置相連接或可連接以致可將有關壓力和/或溫度的信息傳遞給控制裝置。
控制裝置最好是適于響應從信息裝置接收的信息，控制電池獨立單元的充電，從而可確保電池單元的基本均勻充電。
應當明白該電池也可包含一個電子顯示器以直讀形式顯示來自存儲器的信息。也可設想該電池也能包含控制裝置。這意味著充電裝置可以省去或包含在該電池組內。在這種情況下，電池僅應與合適的電源相連。
通常，電池含有若干電池單元，為了使信息裝置獲得有關單獨單元的信息，諸如每個單元的電壓和/或溫度，該電池可進一步包含用于測量每個電池單元的電壓的裝置和用于將所測得的單元值存儲在信息裝置中的裝置。
就上述的充電方法而論，預先假定所述類型電池的標準參數的軌跡或集合是已知的或可以得到的。本發明提供一種方法用于提供這種標準參數的軌跡或集合。這樣，本發明提供一種確定對具有容量為C的可充電電池進行充電過程的方法，所述方法包括確定至少一個充電參數的最大值，控制該充電過程使其不超過該最大值或所確定的值。
通常希望在盡可能短的充電時間周期內給電池充足電。然而，在電池單元內發生的化學反應限制了充電速率。當充電電流相對小時，可通過提高充電電壓來增大充電電流而不升高電池溫度，在充電電流增大時電池溫度甚至會有微小下降。然而，當充電電流已達到其由化學反應所確定的最大值時，充電電壓的再升高會導致電池溫度和內壓激烈地上升，這對電池有害。根據本發明可以確定電池和/或其單元關于溫度、溫度差、內壓、充電電壓和/或端電壓的最大值。然后應控制充電過程使在充電過程期間不超過該一個或多個最大值。
作為例子，當用相對小的充電電流在一定時間周期例如1個小時量級或高達10或15個小時內對電池進行充電時隨著電池/單元的溫度和/或溫度差和/或內壓的獲得可確定電池/單元溫度和/或電池/單元內壓的最大值和/或差值。然后可如此控制充電電壓致使至少在充電過程的較后部分期間充電電流基本保持恒定。提供給電池的充電電流可以是例如0.05-0.3C/h，0.1-0.3C/h，最好是0.2-0.25C/h(C/h是所謂的C速率)。這意味著當被充電的電池容量為例如CmA.h時，充電電流可以是0.05-0.3C mA，0.1CmA，最好是0.2-0.25C mA。這種充電電流相對較小并需要3.3-10個小時的充電時間才能給該電池充足電。
為了得到較短的充電時間，在充電周期的主要部分有必要用較高的充電電流。當在一定的時間周期內將較高的充電電流提供給該電池時，隨著最大電壓的獲得，充電和/或端電壓的最大值被確定。這種相對大的充電電流可以是例如0.75-1.5c/h，最好是約1c/h。當用這種充電電流時，給該電池充足電所必需的充電時間為0.67-1.34小時。
在一段時間周期內將該充電電流提供給該電池足以部分地給該電池充電。然而最好是給該電池繼續提供充電電流直到該電池基本被充足電。
當確定一個或多個上述最大參數值時，最好至少部分地以慢的速率給該電池充電，然后在進一步充電前至少放電一次。還有最好是將相對小的充電電流提供給該電池這樣長的時間周期以致于獲得至少一個所述充電參數的上升例如電池或單元溫度，并且不再檢測出主要參數的變化。
電池容量的實際值往往不同于其生產廠家所稱的容量。這樣，本發明的一個目的是提供一種用于確定電池容量實際值的方法。該方法包括以所述相對慢的速率對電池進行充電并通過計算或測量在充電期間提供給該電池的第一次充電總功率直到該電池基本被充足電來確定該電池的容量值。電池被基本充足電的時間點可以作為在預定的時間周期內還沒有測出參數值的進一步上升的時間點來確定。所述參數值可以是例如電池和/或其單元的溫度和/或端電壓。
當確定充電或端電壓的最大值時，最好是根據所確定的電池容量的實際值以基本等于c速率(C-rate)的充電電流對該電池進行充電。另外，最好是將電壓的最大值確定為在用所述相對小的充電電流充電期間電池或其單元溫度增長到所確定的所述最大溫差的時間點所測量的電池或其單元兩端的電壓。最好還要在開始用于確定充電參數的任一充電過程前將電池充分放電。
如果電池是原始電池，這意味著電池第一次被充電或自最后一次充電已經過了相當長的時間周期，確保電池“啟動”(“gets started)”是重要的，“啟動”意味著其單元內的化學反應是正常的。這可通過如前面說明的看護程序來獲得。這樣，該電池可相當慢地至少部分充電并且然后在確定所述至少一個最大參數的最大值之前至少放電一次。
用上述方法獲得的一組最大值可形成用在如前面所述的充電方法中的標準。另外的標準或參數可通過控制其它充電參數使其不超過所確定的最大充電參數而獲得。
如上述可獲得的一組最大值和/或參數可用于控制充電的方法中。那時在部分充電過程期間用基本恒定的充電電流對電池進行充電，所述基本恒定充電電流最好是基于所確定或測量容量值的C速率的若干倍。作為一個例子，該值或參數可以是電壓。在測定電池或其單元端電壓情況下，并且當在時間Tmax已達到該電池或其單元的預定最大端電壓時，控制充電過程使在充電過程的剩余周期中保持電池或其單元電壓基本恒定。如果該電池至少有兩個單元，可以測定電池每一單元的參數或電壓，并可根據具有首先達到最大單元端電壓的單元的電壓來控制充電過程的剩余周期。應當明白充電過程可以根據任意其它充電參數，諸如電池或其獨立單元的溫度來控制。
還有最好是通過測定充電電流來確定充電過程的剩余充電周期的終止時間點，當在預定的時間周期中沒有檢測出充電電流進一步減小時，可以終止該充電過程。另外，充電過程在時間Tstop中止，剩余充電周期(Tstop-Tmax)通常在到達預定的最大電池或其單元端電壓的時間Tmax時確定。剩余充電時間周期(Tstop-Tmax)可根據將電池或其單元端電壓軌跡與所存儲的標準電壓軌跡相比較的結果來確定，或者該剩余充電時間周期可根據Tmax值來確定。
在本發明的一個最佳實施例中，中止時間點Tstop和剩余充電時間周期是根據將達到最大電壓的時間Tmax與所存儲的標準時間值和相應的剩余充電時間周期相比較的結果來確定的。
關于電池在工作中使用時的放電，本發明提供一種用于控制至少具有兩個單元的可充電電池的放電過程的方法，所述方法包含測定電池每一單元的電壓，當至少一個單元的電壓下降到預定閾值電壓時中斷放電過程。
現將參照附圖進一步說明本發明，附圖中

圖1示出用恒定充電電流對Ni Cd電池進行充電時作為時間函數的電壓的圖解表示或曲線;
圖2以放大比例示出圖1的部分曲線，圖3是對Ni Cd電池進行充電的控制過程中各種充電參數軌跡的圖解表示;
圖4是示出Ni Cd電池在六個不同充電起始狀態下作為充電時間函數的電池電壓的圖解表示;
圖5是根據本發明的裝置的方框圖;
圖6示出如圖5所示裝置的一個實施例的電路圖;
圖7是電池有某些異常時對應圖3所示的各種參數軌跡的圖解表示;
圖8和9分別圖示了原始電池和已充足電的電池在充電過程的開始時的充電曲線;
圖10和11分別圖示了原始電池和已充足電的電池的放電曲線;
圖12示出在用恒定的小充電電流對電池充電的充電電壓曲線和溫度曲線;
圖13、14和15分別示出與圖12中同樣電池在用不同值的基本恒定充電電流進行充電時的充電電壓曲線和溫度曲線;
圖16示出在用0.1c/h范圍內的恒定小充電電流對電池進行試驗充電的充電電壓曲線和溫度曲線;
圖17示出在用1c/h范圍內的恒定充電電流對電池進行試驗充電的充電電壓曲線和溫度曲線;
圖18、19和20示出了Ni Cd電池在用不同值的充電電流對其充電，并且根據本發明一個最佳實施例對充電過程進行控制時的充電電壓曲線、溫度曲線和充電電流曲線;
圖21示出了鎳金屬氫化物(Nickel Metal Hydride)電池在用大的充電電流對其開始充電的充電電壓曲線，溫度曲線和充電電流曲線，圖22是根據本發明的電池的方框圖;
圖23示出其具有6個單元的Ni Cd電池的每一單元在用恒定電流進行放電的放電電壓曲線;
圖24圖示了根據本發明對具有6個單元的Ni Cd電池的受控放電過程;
圖25示出具有6個單元的Ni Cd電池在用恒定充電電流進行充電的每一個單元的充電電壓曲線和溫度曲線，以及圖26、27和28是示出根據本發明電池系統的不同實施例的方框圖。
圖1示出了Ni Cd電池的典型充電時序。該曲線示出了用恒定充電電流充電的作為時間函數的電池電壓。對所有的Ni Cd電池來說總的曲線形狀是相同的，但具體的電壓和時間值會例如隨著實際充電電流的不同而各(電池間)不相同。可將曲線分為代表充電過程中不同階段的區域。圖1指示出4個分別標有A、B、C和D的區域。
A區域構成充電過程的開始階段。當充電過程啟動時，電壓多少根據該電池在開始充電前的充電狀態而有所變化。這樣，該區域中的電壓是相當不確定的，因此在該區域通常不能進行正確的測量。
字母B指示實際充電周期，在這里充電電流通過化學過程被轉化為存儲在該電池內的能量。在該周期中電池電壓僅緩慢上升。在C區域接近完全充電狀態，電壓開始較快地上升。在周期c的末端在電池的各單元中開始產生氧氣，這將導致電池內壓力和溫度的上升。這意味著這時由于其負的溫度系數而使電壓上升得較慢。電池電壓在區域C和D間的過渡期不再增加，這樣該電壓達到其最高值或峰值。
如果充電過程在區域D中是繼續的，則由于這時電能一般轉化為熱能而使電池電壓將下降。由此引起的溫度和壓力的增大將破壞電池充電，電池的容量因而減小。因此，在周期D的開始就切斷充電過程應該是有益的。
本發明基于這樣的事實，即通過試驗發現即使該曲線隨著所用的充電電流和所述電池的“充電歷史”可能有些變化，但在區域A、B和C范圍內不同充電參數間也有著密切相關性，諸如區域C內某一時間或時刻上電壓曲線的斜率和從所述時刻到充電過程的最佳終止時間點的時間差。
如果將有關該相關性的信息存儲在電路中，在一給定時刻測得曲線斜率后，就可相對簡單地計算或確定應對電池繼續多長時間的充電，從而確定充電過程的最佳時間終止點。如果在若干連續時刻進行這種計算，就會得到相應個數的最佳時間終止點的提議。圖2示出了一個進行三次測量的例子。在時間點T1計算出剩余充電周期△T1，在時間點T2計算出剩余充電周期△T2，在時間點T3計算出剩余充電周期△T3。圖中，這三個計算出的終止時間點精確地出現在相同時刻。然而，事實上計算出的終止時間點一般與跟著發生的若干個對終止時間點的提議稍有不同。在本發明這里所述的實施例中，當第一個計算出的終止時間點出現時決定切斷充電過程。由于在下面所述的裝置中安裝有微處理器，更復雜的終止準則也是可能的。這樣，例如把重點放在最后算出的終止時間點將是可能的。例如，如果所有后來的計算集中在一特定值周圍，不考慮某些開始的計算值是可能的。
如上所述，圖1和2示出當使用恒定充電電流時作為時間函數的電池兩端的電壓。如果用恒定充電電壓作為時間的函數繪出充電電流，也將產生相應的典型曲線，即使充電電流和充電電壓都不保持恒定，也將獲得能再現的表示充電過程上述諸階段的曲線。能以上述的類似方法使用這些曲線將被重視。
對其它電池類型將獲得不同外觀的相應曲線。對其中一些來說，實際測量的時間點和最佳剩余充電時間之間的相關不再必然與所述時刻的曲線斜率相關聯，而與曲線的其它參數有關，例如與有關時刻的絕對電壓相關聯。
本發明的一個實施例包含現時地測量電壓曲線的斜率，例如每隔10秒鐘一次。對于每一次測量，計算剩余充電周期從而計算終止時間點的新的提議。然后處理器可以或者將該值與其它值存儲在一起，或者將它編入更復雜的有關充電過程何時中止的計算。
另一個實施例包含預先存儲有限個有關曲線斜率的標準值。在每一次測量中，將實際曲線斜率與標準值相比較，只有當該斜率通過標準值之一時，處理器才計算新的終止時間點。在該方法中，可節省處理器計算時間，而其結果在許多情況中將是完全令人滿意的。
如所提到的，圖1和2中的曲線是在恒定充電電流下產生的。然而，另一種可能是在每次進行電壓測量時短暫地切斷充電電流。用這種方法得到非常一致的曲線，但由于該曲線不包括涉及充電電流通過電池內阻的電壓降，其絕對電壓值將稍低些。由于該內阻一般在充電時序的末端增大，故若沒有該貢獻的電壓測量將是對電池狀態更加精確的測量。
如前所述，即使在整個充電過程中充電電流不保持恒定，也能獲得可再現曲線。因此可將本發明的原理與充電程序很好地結合起來，該程序先用恒定的、大的電流對電池進行充電，然后該電流朝向充電程序的末端減小。通過在充電過程的最后部分期間使用較小的充電電流，有可能更精確地確定最佳終止時間點，而總的充電時間沒有顯著減小。這可與在充電過程的第一部分期間只進行一個簡單的電壓測量的操作相結合。當該電壓達到預定值時，充電電流可被減小，并可開始如上所述的測量曲線的斜率。當然，也可以在一個電壓值減小充電電流而在另一個電壓值開始測量曲線的斜率。
圖3示出了根據本發明方法一個實施例在給Ni Cd電池充電時所獲得的典型充電曲線。該電壓曲線示出了作為時間函數的電池電壓，這時根據本發明為獲得最佳充電電流曲線和最佳電池，溫度曲線控制提供給該電池的電壓。可將該電池電壓曲線分為類似于圖1代表充電過程不同階段的區域。圖3示出分別標有A、B、C和D的4個區域。
標有A的區域構成充電過程的開始階段。這里，控制所提供的電壓使提供給電池的充電電流相對小。
B區域指示實際充電周期，充電電流被轉化為存儲在電池中的能量。這里，如此控制所提供的電壓使充電電流i基本保持在同一最大值，該最大值根據所涉及的電池類型來確定，電池兩端的電壓僅緩慢上升。
在C區域中，電池接近其完全充電狀態，為保持最大充電電流，電池兩端的電壓開始更迅速地上升直到電池兩端的電壓達到預定的最大值Vmax，該最大值對不同類型的電池可不同，并且可以(例如)按前面所述來確定。
在D區域中，如此控制所提供的電壓使所測得的電池兩端的電壓基本維持在最大極限值Vmax。在C和D區域中，電池單元的內阻增大，對于恒定的電池電壓，如D區域中，所得到的充電電流將減小。由于在區域D中電池電壓被保持在恒定值的事實，由此引起的溫度增長相對低使由流到電池單元的充電電流引起的破壞影響處于最小。
在不遲于時間Tmax，當到達Vmax時確定剩余充電周期。在Tmax開始的該剩余充電周期經過后便終止充電過程。通過脈寬調制一個恒壓源來控制供給電池的充電電流。
圖3所示的電壓曲線代表一個對幾乎放空的Ni Cd電池進行充電的過程。圖4示出6個類似的電壓曲線V1-V6，它們代表具有不同起始充電態的同一電池的不同充電過程。曲線V1代表幾乎充足電的電池充電過程，曲線V6代表幾乎全部放電時電池的充電過程。圖4示出當電池的充電起始態下降時獲得最大電壓Vmax所必需的充電周期增大。從圖4中還可以看出，當電池的起始充電態下降時“剩余充電時間”即，從到達Vmax直至充電過程終止的時間周期，增大。
可以將有關所述電池類型的多個電池不同起始充電條件的理想的或所希望的標準電壓曲線的信息存儲在電子存儲器中。通過將實際電壓曲線的軌跡諸如曲線的斜率與所存儲的標準值相比較，可確定相關的標準電壓曲線和與其有關的“剩余充電時間”。
可以在充電過程期間實時地測量電壓曲線的斜率，例如每隔10秒鐘測一次。對于每一測量值均要將其與所存儲的標準斜率相比較并確定一個新的“剩余充電時間”的提議。當所測量的電池電壓達到所存儲的最大電壓Vmax時，取消對該“剩余充電時間”的確定，并應用最后所確定的“剩余充電時間”值。
根據本發明方法也導致圖3和4所示類型的充電曲線的另一個實施例包括預先存儲有限個數的電壓曲線斜率的標準值。在每一次測量中將曲線的實際斜率與標準值相比較，只有當該斜率通過標準值之一時，才確定新的“剩余充電時間”值。
對其它電池類型也可獲得與圖3和4所示的曲線對應的曲線。這些曲線可能是不同的外部特性并對其中一些來說到達電壓Vmax的時間和最佳剩余充電時間之間的相關性將不必與所述電壓曲線的斜率有聯系，但與曲線的其它參數諸如在有關時刻的絕對電壓等有聯系。所測試和存儲的參數越多，為確定最佳剩余充電時間可進行的判定越復雜。
根據本發明方法的又一個導致圖3和4所示類型的充電曲線的實施例包括當達到最大電壓Vmax時在與測量電壓曲線的斜率一起的一個固定時間測量電池電壓。在該實施例中可將電壓與電壓曲線斜率一起包含在對最佳剩余充電時間的更復雜的判定中。
當對電池進行充電時，圖3和4中所示的電壓曲線已通過測量電池兩端的電壓被繪出。然而，另一種可能方案是每次進行電壓測量時短暫地切斷充電電流。用這種方法得到非常類似的曲線，但因為該曲線不包括涉及充電電流通過電池內阻的電壓降，而使其絕對電壓值將稍微小一點。由于該內阻一般在充電時序的末端增大，故在沒有該貢獻情況下的電壓測量將是對電池狀態更為精確的測量。
在上述的實施例中，以下列方式對曲線的斜率進行測量。在每個測量時間點，即例如每隔10秒鐘測量一次電池的電壓，然后電子處理器將此電壓值儲存在一個存儲電路中。然后處理器計算剛測量的值與例如90秒前測量的值間的差值，并將該差值用作為在所述時間對曲線斜率的測值。在該方法中每隔10秒鐘獲得一個在例如90秒周期上測得的新的斜率值。
為避免電壓測量受瞬變值及類似影響，最好是更頻繁地測量電壓，例如在每個所述測量時間點之間測量100次。用處理器儲存這些中間測量的每一個值，并且在實際測量時間點，處理器計算在上個測量時間點以來已完成的100個中間測量值的平均值。
當充電過程已如上所述地被終止時，如果將電池留在充電器內可維持電池的充電。這通過每隔一定時間給電池通以電流脈沖來進行。這些電流脈沖及其時間間隔是如此合適以使它們可補償否則會發生的電池自放電。該脈沖可以例如持續15-30秒，相繼脈沖間的時間間隔可以為數小時。
圖5示出根據本發明裝置的一個實施例的方框圖。借助一個普通插頭1將220V電壓施加到該裝置，該電壓在整流器方框2中被轉換為9v直流電壓。3表示通過電極端4、5將電流供給將被充電的電池的穩流器。電流從電池經電極端5和電阻6經地流回整流器電路2。處理器7經控制級8控制穩流器3。處理器7借助于A/D轉換器9能測量電流和電壓。通過測量電阻6兩端的電壓降測量充電電流的同時獲得作為分別在電極端4和5上測得的電壓之差值的電池電壓。處理器7還與尤其用來存儲所測得的電流和電壓值以及計算出的終止時間點的存儲電路10相連。調節器電路11從整流器電路2的9V電壓產生5v直流電壓。該5V電壓用來提供給電路7、9和10。穩流器3借助于脈寬調制來控制，處理器7以某種方式控制脈寬以使所希望的充電電流恒定地流過電池。正如已述，處理器通過測量電阻6兩端的電壓降測量充電電流。如果需要，處理器可在電流脈沖間的時間間隔內完成對電池兩端電壓的測量。該電壓測量將不受由充電電流通過電池內阻所引起的電壓降的影響。
圖6示出了圖5所示裝置的一個實施例的電路圖。圖5的方框用虛線示出并以與圖5中同樣的參考號碼標出。整流器方框2包含一個變壓器T1以及由四個二極管D1、D2、D3和D4耦合構成的整流器。從該框輸出的電壓是9v直流電壓，其部分地加到穩流器3，并部分加到調節器電路11。穩流器3包含一個晶體管Q4并通過處理器IC1的控制級8控制。控制級8包含電阻R5、R6、R7和R8以及晶體管Q3。當處理器的輸出端P1.1具有高輸出信號時，晶體管Q3通過由電阻R7和R8構成的分壓器而處于導通狀態。借此，電流將流過分壓器R5和R6使Q4呈現導通狀態，從而將電流供給電池。當處理器的輸出端子P1.1是低信號時，晶體管Q3和晶體管Q4均處于截止狀態，沒有充電電流供給電池。
A/D轉換器9含有集成電路IC2以及電阻R2和R3和平滑電容C4、C7。分別表示電池電壓和充電電流的所測得的電壓在集成電路IC2中轉換為數字信息，再將該數字信息傳給處理器的端子P1.2和P1.3。
在該實施例中，處理器電路IC1含有處理器7以及存儲器電路10。而且，電容器C1、C2和C3以及晶體X1與處理器相連接。另外，該處理器電路的操作方式通常是按常規的。
調節器電路11含有集成的電壓調整器IC3以及電容器C5和C6。該路提供5V直流電壓至IC1和IC2電路。
不論決定控制電壓使充電電流維持在一個基本恒定值，還是在對電池充電期間控制電流以維持一個基本恒定的電壓，還是這兩種方法的結合，均可使用所述電路。
當如本文所述的根據本發明對可充電電池進行充電時，可如此控制充電過程，以致當已到達預定最大電壓值Vmax時，使在“剩余充電周期”期間所測得的電池兩端的電壓保持一個恒定值。對于一定類型的電池，可如上所述地確定Vmax。
然而，某些電池決不會達到為所述該類電池所確定的預定值Vmax。該事實可能是由于電池的各種缺陷或偏差引起的。圖7示出了這種異常電池的充電曲線。在充電過程的第一周期期間充電曲線按照如圖3所示的正常軌跡。然而，在低于Vmax的電壓V′處，電壓曲線拉平。因此，不能根據充電電壓到達Vmax的時間來確定充電過程的終止時間點。在這種情況下，可用不同方法來確定最大充電電壓。作為一個例子，可以在預定的時間間隔測量電池電壓，并可比較所測得的值。如果在最后接連測量期間所測得的電池電壓沒有上升并且還未達到Vmax，則可將最后測出的電壓定義為這種電池的最大電壓V′，并可從第一次測出的V′時間點開始確定剩余充電周期。
圖8示出了對原始電池進行試驗充電時典型的首次充電曲線，圖9示出了對已充足電的電池進行試驗充電時的相應充電曲線。當電池第一次被充電或在沒有充電情況下放置很長時間后第一次被充電時，在充電過程中電池內一定會發生的化學反應開始得相當慢。對于這種電池，不能使用上述所控制的大電流充電過程。對于這種“原始電池”該充電過程必須在相對長的時間周期中用相對小的、幾乎恒定的電流提供給該電池以保證電池充足電。因此，在實際充電過程開始前，可將電池置于試驗充電程序，在該程序中根據上述的正常充電過程對電池進行短時間周期的充電。然而，起始充電電流必須相對小，例如在1c/h范圍內，然后增大到能在4c/h范圍內的較高值，c/h是所謂的C速率。在一個短的預定時間周期例如幾秒鐘后，或當電池兩端的電壓達到Vmax時，停止充電過程。用相對大的放電電流對該電池進行放電。圖10圖示了如圖8所示對其進行充電的原始電池的放電曲線。圖11圖示了如圖9所示對其進行充電的滿載電池的放電曲線。
圖8示出了原始電池在一個非常短的時間周期例如不到10秒鐘內將達到電池電壓的最大值Vmax。然而，電池接收的充電電流非常小。從而，如圖10所示，根據圖8對其進行充電的原始電池可以在一個非常短的時間周期例如不到1秒鐘內完全放電。當一個電池所經受的試驗充電產生類似圖8和10的曲線時，充電裝置的控制系統可被指示按原始電池處理該電池，在接著的充電過程期間以相對小的幾乎恒定的充電電流例如0.2c/h數量級提供給電池，直到該電池充電至其滿容量。
當試驗一個滿載電池時，電池兩端的電壓如圖9所示的與原始電池同樣的時間周期內達到Vmax。然而，與提供給原始電池的充電電流相反，提供給滿載電池的充電電流增長得非常快。當在試驗期間對該滿載電池放電時，在試驗周期內從電池流出大的幾乎恒定電流的同時電池電壓如圖11所示非常穩定。當對電池進行試驗充電產生類似圖9和11的曲線時，充電系統可被指示作為滿載電池來處理該電池，這意味著停止充電過程。
作為一個可供選擇的方案，在充放電試驗期間可測量電壓曲線的變化速率。通過將所測出的電壓曲線的變化速率與標準值相比較，可計算出該電池的初始條件，并可為該被試驗的電池挑選充電過程。必要時，該試驗程序可包括若干個連續的充和放電周期以獲得所需信息。
當為電池挑選理想的充電過程時，有一組關于被充電池類型的標準參數是必要的。因此，最好有一種來確定或挑選一組關于新電池類型的標準參數的方法。
這些參數可以包含電池電壓，充、放電電流、電池的內部和外部溫度、和/或電池單元內的化學反應。
最重要參數之一是當電池就要被充足電時的電池溫度，Temp.(100%)。當從這點進一步充電時，電池溫度將上升并且該電池可能被損壞。
為測量未知類型電池的Temp.(100%)而不受電池內串聯電阻的散失熱的太大影響，可用相對小的、幾乎恒定的充電電流在相對長的時間周期(幾小時)內對該電池充電以保證該電池充足電。當電池已被充電時，當試驗其是否真正地被充足電，可以在一個相對長的時間周期內對其進行放電。如果沒有充足電，則用較高的充電電流開始一個新的充電過程。如果是充足電，則用同樣的充電電流開始一個新的充電過程，但這時充電時間周期將較短。當該充電過程終止時，為確定該電池是否已被充足電再次對其進行放電。如果是，用同樣的充電電流開始一個新的充電過程，但其充電時間周期更加短，如果不是，用同樣的充電電流但較長的充電時間周期開始一個新的充電過程。該充、放電過程將以相同的充電電流和新的充電時間周期不斷進行直至發現在此電池剛好被充足電的最小充電時間t(100%)。當在t(100%)測量電池溫度時，可以得到這種類型電池對給定的充電電流的Temp(100%)。通過在t(100%)時測量電池兩端電壓可得到V(100%)的值。圖12示出了一個用相對小的充電電流的典型充電過程的電壓和溫度值的軌跡。圖12中，充電電流為2c/h，Temp(100%)和V(100%)點表示在所示充電電壓和溫度曲線上。
應明白可以用其它方法確定Temp(100%)的值，包括在充電期間對溫度曲線變化率的測量。
在本發明中所用的另一個重要參數是預定最大電壓Vmax，它將隨所涉及的電池類型而變化。當如圖3所示使用高速充電過程時，如此控制充電過程以使電壓已達到Vmax時其在剩余充電過程中基本保持恒定值，經過從到達Vmax開始的預定時間周期后終止充電過程。
為確定新類型電池的Vamx，可用稍微高于在上面確定溫度Temp.(100%)的例子中所用的充電電流的幾乎恒定的充電電流對該電池進行充電。測出電壓曲線的變化率并將其與電池溫度相比較。如果在Temp(100%)電壓的變化率是正的，則用新的、稍高于以前電流的充電電流開始一個新的充電過程。重復該過程直至在Temp(100%)測出的電壓變化率為零或稍負。用與圖12中相同電池時，圖13和14分別圖示了充電電流為0.5C/h和1c/h的該過程。對于充電過程在電壓變化率剛好為零或稍負時測出的V(100%)值是對這種類型電池的Vmax值的令人滿意的測量，所挑選的Vmax值應相當接近該V(100%)的測量值。可用其它方法確定該Vmax值。
圖15圖示了與圖12-14中的同樣電池在用最大充電電流4C/h和已從圖13中所測定的V(100%)值所確定的最大充電電壓Vmax時根據本發明所控制的充電過程。
通過完成上述對t(100%)、Temp.(100%)和V(100%)的測量，可以匯集一組代表電壓、溫度、電流和充電時間標準值的標準參數。可用所有這些標準值確定用在所控制的充電過程中的特征充電參數，包括計算Vmax的另一種方法。
根據本發明的另一個實施例，可通過使用被第二分析充電過程跟著的第一分析充電過程對每一個電池或每一類電池確定將用在所控制的充電過程中的標準參數。由于電池可含有若干電池單元，也可為確定每個電池單元的標準參數而利用分析充電過程。
圖16圖示了第一分析充電過程。在該分析充電過程中，通過在相對長的時間周期內提供一個相對小的、幾乎恒定的充電電流并測定電池溫度和/或電池端電壓來確定最大電池充電溫度差△T。第一分析充電電流應是如此之小致使在充電過程的最初6小時基本檢測不到電池電壓的上升。然而，充電電流應足夠大以確保充電約10小時后電池電壓上升，該充電電流量最好應是0.1c/h左右，盡管在發生第一分析充電過程時不知道該電池容量的準確值。如果所選擇的第一分析充電電流值沒有滿足上述關于電池電壓的要求，則應挑選一個新的第一分析充電電流值，并可重新開始該分析充電的全過程。最好在進行任何分析充電過程前將電池完全放電。
如果已選出一個正確的第一分析充電電流值，則充電數小時后該電池將被充足電并且檢測不到電池溫度有進一步上升。于是通過比較所測出的電池溫度的最低和最高值可確定最大充電溫度差△T。還應指出的是當該電池已獲得完全充電狀態時檢測不到電池電壓有進一步增大。如果電池的每一單元備有溫度傳感器，可因此確定電池每一單元的最大充電溫度差。
本發明的又一方面是提供一種確定將被充電的電池容量的真實值的方法。這也是在第一分析充電過程期間，通過在對預定的時間周期檢測不到電池溫度和/或電池電壓有進一步上升的時候確定第一充電終止時間點t(容量)來完成的，所述預定時間周期至少包含兩個對電池溫度和/或電壓的測量值。另外，可以在電池溫度和/或電池電壓的變化在預定的時間周期內已下降到預定水平以下的時間點來確定t(容量)。通過計算在第一分析充電過程中提供給電池的能量直到時間t(容量)，它等于該電池已被充足電的時間，可以確定該電池容量的真實值。
圖17圖示了第二充電過程。在該分析充電過程期間，通過給電池提供第二個幾乎恒定的分析充電電流來確定最大電池端電壓，第二分析電流等于基于在第一分析充電過程期間所確定的電池真實容量值的C速率。在第二分析充電過程中，測定端電壓和電池溫度并將最大端電壓確定為在電池溫度增量為最大電池充電溫度差△T時測出的電池兩端的電壓，△T是在第一分析充電過程中確定的。如果該端電壓是對電池的每一單元進行測定的，那么可用同樣的方法或者在最大電池充電溫度差，或者如果對每個單元單獨測定溫度，則在該單元的最大充電溫度差處確定電池每一單元的最大端電壓。
圖18、19和20示出了當根據在第一和第二分析充電過程中獲得的結果控制Ni Cd電池充電過程時的充電曲線。這樣，在確定充電過程第一部分期間提供給電池的充電電流時可以應用在第一分析充電過程期間所確定的真實的電池容量值。在圖18、19和20中，該充電電流分別等于C速率的2、3和4倍。在充電過程期間，測定電池端電壓并當其達到在第二分析充電過程中所確定的最大電池端電壓Vmax時，如此控制該充電過程致使該電壓在剩余充電過程期間保持恒定。在達到Vmax的時間Tmax，可根據前面所討論的確定剩余充電周期并在經過該剩余充電周期后終止該充電過程。
然而，剩余充電周期也可以根據Tmax值來確定，在一個最佳實施例中，通過將Tmax值與所存儲的具有相應剩余充電時間周期的標準值相比較并挑選對應于該Tmax值的剩余充電周期來確定該剩余充電周期。
對電池進行充電時，可以測定電池溫度和/或充電電流，當所測出的溫度上升等于在第一分析充電過程中所確定的最大電池溫度差時，可終止該充電過程。另外，當在剩余充電周期期間對一預定時間周期檢測不到充電電流的進一步減小時可終止該充電過程。圖21圖示了在開始時用非常大的充電電流對鎳金屬氫化物電池充電的充電曲線。在這種情況下，很快就到達Vmax，控制該充電過程使電池端電壓保持在Vmax不變，使充電電流下降，并且當檢測不到充電電流有進一步下降時終止該充電過程。
如上所述，電池可含有若干個電池單元。這些單元是串聯連接的并且使電池電壓取決于電池內單元的個數。然而，電池內各電池單元的特性可能各不相同，為獲得對電池的充、放電過程幾乎完全的控制，在電池放電和/或充電期間能測試每個獨立單元的電壓和/或溫度可能是方便的。這樣，本發明的一個方面是提供一個至少有兩個電池單元并有用于測量每個單元電壓的裝置的電池。該電池還可包含用于存儲所測出單元電壓的信息裝置，在該電池的一個最佳實施例中，每個單元也裝有一個溫度傳感器，所測出的溫度存儲在信息裝置中。圖22示出了一個根據本發明的電池20的最佳實施例的框圖。圖22中的電池20含有6個各帶有溫度傳感器27-32的電池單元21-26和諸如EEPROM和/或微處理器的信息裝置33，用于讀出每個單元兩端的電壓和/或每個單元的溫度。
由于電池的每個單元的特性可能是不同的，故在電池放電時就電池單元示出最大單元電壓降控制該放電過程是極其重要的。這圖示在圖23和24中，這兩圖示出了在具有6個單元的Ni Cd電池以恒定電流放電時的每個電池單元的放電曲線。圖23中所有的電池電壓都被用來終止使至少其中一個單元能獲得相對大的電壓降并因此放電程度很高的電池的放電。結果，當該電池接連地被再充電時這個單元不能被充足電，該電池的容量可降低。這可用如圖24所示的放電過程來避免，在這里如此控制該放電過程使當第一個單元電壓曲線下降到預定電平時終止該電池的放電。該電平可在0.8-1V范圍內。
類似地，在充電過程期間在同樣時間達不到最大單元電壓。這在圖25中示出了Ni Cd電池充電期間每個單元的單元電壓曲線。這里可看到其中一個單元在其它單元之前達到最大單元電壓，在本發明的一個最佳實施例中，在其中一個單元電壓首先達到其最大單元電壓的時間點應確定該充電過程的剩余充電周期。
在圖26、27和28中標出了根據本發明的電池系統的不同實施例的框圖。圖26示出的系統中電池40含有信息裝置41諸如EEPROM，充電裝置42含有諸如微處理器的控制裝置43。然而，電池40的信息裝置41，也可含有諸如圖27所示的微處理器的控制裝置。圖28示出了一個實施例，其中充電控制裝置包括在電池40的信息裝置41內，在這種情況下，電池40只需與電源44相連，它受到電池信息裝置41的控制。
應當明白上述第一和/或第二分析充電過程可用在根據本發明的電池，其中在該電池的信息裝置內可確定和/或存儲所測出的數據和參數。另一方面，可由計算機系統收集數據并將這些特征參數提供給具有用于存儲這些參數的存儲器的充電裝置。
還應當明白上述的本發明方法不僅適用于象Ni Cd蓄電池之類的一種電池也應適用于其它類型的可再充電電池，諸如鋰電池和鎳金屬氫化物電池。
權利要求
1.一種對具有一對電極端的可再充電電池進行充電的方法，所述方法包括將電源與該電池的電極端相連接，至少在該電池的部分充電過程期間測定至少一個該充電過程的特征參數的值和/或軌跡；將所述至少一個充電參數的值和/或軌跡與所存儲的代表不同電池類型和/或不同電池條件的理想的或所希望的充電過程的標準參數的對應值和/或軌跡相比較，基于所述的比較選擇一個所述所存儲的標準參數組，以及基于一個或多個所選擇的標準參數組控制該電池的至少部分充電過程。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于至少在部分充電過程期間控制第一特征參數以獲得第二所述特征參數預定的所希望的軌跡。
3.根據權利要求2的方法，其特征在于所述第一參數是充電電流，而所述第二參數是充電電壓。
4.一種對具有一對電極端的可再充電電池進行充電的方法，所述方法包括將該電池電極端與電源相連接，通過在一段短的第一時間周期內將第一試驗充電電流提供給該電池電極端，開始對該電池進行試驗充電，至少在部分試驗充電過程期間或在其末端測定或測量至少一個試驗參數，接著在一段短的第二時間周期內對該電池進行試驗放電，至少在部分試驗放電過程期間或在其末端測定或測量至少一個試驗放電參數，基于所述的對試驗充電和/或放電過程的測定或測量，選擇或確定至少一個充電參數的軌跡或值，接著基本按照所選擇的所述至少一個充電參數的軌跡或值至少部分地對電池進行充電。
5.根據權利要求4的方法，其特征在于通過將一個預定的試驗充電電壓施加到電池兩端對電池進行試驗充電，測定或測量電池的充電電流、放電電流和/或溫度。
6.根據權利要求5的方法，其特征在于所述試驗充電電壓是逐漸或階躍上升的。
7.根據權利要求5或6的方法，其特征在于所述試驗充電和放電繼續重復進行一次或多次。
8.根據權利要求4-7任一種的方法，其特征在于供給該電池的試驗充電電流是相對小的。
9.根據權利要求4-8中的任一種方法，其特征在于在所述至少部分充電后再進一步對該電池進行充電，所述進一步充電包括至少在部分地對該電池充電過程期間測定至少一個該充電過程特征參數的值和/或軌跡，將所述至少一個充電參數的值和/或軌跡同所存儲的代表不同類型電池和/或不同電池條件的理想的或所希望的充電過程的標準參數的相應值和/或軌跡進行比較，基于所述比較選擇一組所述所存儲的標準參數組，和基于所選擇的一組或多組標準參數控制對該電池的至少部分充電過程。
10.根據權利要求1或9的方法，其特征在于所述的至少一個充電參數是選自包括電池兩端的電勢、供給電池的充電電流、電池的內部溫度、這些參數中任一個的變化速率以及這些參數和/或變化速率的任一組合的組。
11.根據權利要求1、9或10中的任一方法，其特征在于通過控制施加于電池兩端的電壓控制充電過程。
12.根據權利要求11的方法，其特征在于控制施加于電池的電壓使供給電池的充電電流在充電過程的主要部分期間保持在基本上相同的最大值上。
13.根據權利要求10-12中的任一方法，其特征在于在開始充電過程前對該電池短暫地施加電壓以便可測量充電參數，這些測量結果確定了是否要開始該充電過程。
14.根據權利要求11-13中任一方法，其特征在于控制施加于該電池的電壓以使充電電流在充電過程的第一周期中保持在較低的電平以下，而在充電過程的以后周期期間將上升到較高的電平。
15.根據權利要求1和9-14中任一方法，其特征在于當所述至少一個特征參數的值滿足某個或多個預定條件時根據所述比較確定剩余充電時間周期，當所述剩余時間周期期滿時終止該充電過程。
16.根據權利要求15的方法，其特征在于當特征參數已獲得預定值時確定剩余時間周期。
17.根據權利要求16的方法，其特征在于當施加于電池兩端的電壓已達到預定的最大值時確定剩余時間周期。
18.根據權利要求1和9-17中任一方法，其特征在于在充電期間以短的時間間隔實時測量所述至少一個充電參數的值，將所測出的參數值與相應的標準值相比較，根據該測出值與標準值的比較選擇有關的標準參數組。
19.根據權利要求18的方法，其特征在于將作為所經歷的充電時間函數的參數值的變化速率與類似的標準值相比較。
20.根據權利要求18或19的方法，其特征在于以均勻的第一時間間隔測量參數值并確定該參數值的變化速率，對每個變化速率的確定是基于以第二時間間隔測出的參數值，這第二時間間隔是第一時間間隔的倍數。
21.根據權利要求1和9-20中的任一方法，其特征在于通過脈寬調制一個恒壓源來控制供給電池的充電電流。
22.根據權利要求10-21中的任一方法，其特征在于當所測出的特征參數值超過一預定值時開始確定所述的變化速率。
23.根據權利要求1和9-22中的任一方法，其特征在于每個參數值是在一定時間周期內多個測量值的平均值。
24.根據權利要求1和9-23中的任一方法，其特征在于將充電周期限制為一預定最大周期。
25.根據權利要求1和9-24中的任一方法，其特征在于如果所測出的參數值之一超出了相應參數的預定值終止充電過程。
26.根據權利要求1和9-25中的任一方法，其特征在于如果和當所測定的所述至少一個值或軌跡與任一相應的所存儲的標準參數值或軌跡相差太大時中斷該充電過程。
27.根據權利要求1和9-26中的任一方法，其特征在于在充電過程終止后通過以脈沖電流供給電池電極端而維持電池的充電狀態。
28.根據權利要求1和9-27中的任一方法，其特征在于在電池進行真正充電過程前須經初始試驗，所述試驗包括通過在一段短的第一時間周期內將第一試驗充電電流供給電池電極端對該電池進行試驗充電，至少在部分試驗充電過程期間或其末端測定或測量至少一個試驗充電參數，接著在一段短的第二時間周期內對電池進行試驗放電，以及至少在部分試驗放電過程期間或其末端測定或測量至少一個試驗放電參數，至少實際充電過程的第一部分受到基于在試驗充電和/或試驗放電過程期間進行的測定或測量的控制。
29.根據權利要求28的方法，其特征在于通過給電池兩端施加預定的試驗充電電壓對電池進行試驗充電，測定或測量充電電流、放電電流和/或電池的溫度。
30.根據權利要求29的方法，其特征在于試驗充電電壓是逐漸或階躍升高的。
31.根據權利要求29或30的方法，其特征在于將試驗充電或放電過程重復一次或多次。
32.一種對可充電電池進行充電的裝置，所述裝置包括用于將電池與電源相連的連接裝置;用于至少在電池的部分充電過程期間測定至少一個充電過程特征參數的值和/或軌跡的裝置;用于儲存多個代表不同類型電池和/或不同電池條件的理想的或所希望的充電過程的標準參數值和/或軌跡的存儲裝置，用于將所述至少一個充電參數值和/或軌跡同所儲存的標準參數的值和/或軌跡相比較并根據所述的比較選擇一組所述的被存儲標準參數組的裝置，以及用于根據所選擇組中一個或多個標準參數來控制電池的至少部分充電過程的裝置。
33.一種對可再充電電池進行充電的裝置，該裝置包括用于將電池與電源相連的連接裝置，用于通過在一段短的第一時間周期內給電池電極端供以第一試驗充電電流而開始對電池進行試驗充電的裝置，用于至少在試驗充電過程的部分期間或在其末端測定或測量至少一個試驗充電參數的裝置，用于在一段短的第二時間周期內對電池進行試驗放電的裝置，用于至少在部分試驗放電過程期間或在其末端測定或測量至少一個試驗放電參數的裝置，用于根據在試驗充電和/或放電過程的所述測定或測量，選擇或確定至少一個充電參數的軌跡的裝置，以及、用于基本上根據所選擇的所述至少一個充電參數的軌跡至少部分地控制電池充電過程的裝置。
34.根據權利要求33的裝置，其特征在于用于對電池進行試驗充電的裝置適合于給電池兩端施加一個預定的試驗充電電壓，測定裝置適合于測定或測量電池的充電電流，放電電流和/或溫度。
35.根據權利要求34的裝置，其特征在于所述試驗充電裝置適合于逐漸地或階躍地增大試驗充電電壓。
36.一種電池系統，它包含一個有一對電池電極端的可再充電電池和用于容納有關電池信息的信息裝置，以及一個有一對充電器端子的充電裝置，用于可分開地將電池與充電裝置相互連接使電池電極端與充電器端子處于導電接觸的裝置，和用于接收來自電池的信息裝置的信息從而可根據所述信息控制電池充電的信息接收裝置。
37.根據權利要求36的電池系統，還包含用于根據由信息接收裝置接收的信息控制充電過程的控制裝置。
38.一種用于根據權利要求36或37的電池系統中的可再充電電池，所述電池包括一對電池電極端和用于以可被相應電池充電裝置的合適的信息接收裝置檢測或讀出的形式容納電池信息的信息裝置。
39.根據權利要求38的電池，其特征在于該信息裝置包含用于儲存電池信息的電子存儲器。
40.根據權利要求38或39的電池，其特征在于所述電池信息包括關于電池的類型、電池的容量、電池的其它規格、電池的充電狀態，不同電池單元的條件、最后充電過程、最后放電過程、從最后充電和/或放電過程以來所經歷的時間周期、充電參數算法和/或電池的內壓等信息。
41.根據權利要求39或40的電池，還包含用于控制充電過程的控制裝置。
42.根據權利要求41的電池，其特征在于該控制裝置適合于響應從信息裝置接收到的信息控制電池的獨立單元的充電。
43.根據權利要求39-42中的任一電池，還包含用于顯示來自存儲器的信息的電子顯示器。
44.一種確定具有容量C的可再充電電池的充電過程的方法，所述方法包括通過在一定時間周期內給電池供以相對小的充電電流對電池進行試驗充電，確定至少一個充電參數的最大值，所述充電參數包括電池和/或其單元的溫度、內壓和充電或端電壓，以及控制隨后的充電過程以避免超過最大值或超過所確定的值。
45.根據權利要求44的方法，其特征在于電池和/或其單元溫度的最大值是在試驗充電期間所述一定時間周期內最大和最小溫度之差。
46.根據權利要求44或45的方法，其特征在于供給電池的試驗充電電流是0.1-0.3c/h，最好是0.2-0.25c/h，c/h是C速率。
47.根據權利要求44或45的方法，其特征在于供給電池的試驗充電電流是0.75-1.5c/h，最好是約1c/h，c/h是C速率。
48.根據權利要求47的方法，其特征在于把充電或端電壓的最大值確定為在將試驗充電電流已供給電池一定時間周期時所獲得的最大電壓。
49.根據權利要求44-48中的任一方法，其特征在于至少部分地以慢速對電池進行充電，接著在所述試驗充電和確定所述至少一個最大參數的最大值之前至少放電一次。
50.根據權利要求44-46中的任一方法，其特征在于將相對小的試驗充電電流供給電池一段長的時間周期以獲得諸如電池或單元溫度的至少一個所述充電參數的上升并且檢測不到基本參數的進一步變化。
51.根據權利要求50的方法，其特征在于在預定的時間周期內檢測不到參數值的進一步上升時確定第一充電終止時間點。
52.根據權利要求51的方法，其特征在于電池的容量值是通過計算或測量在試驗充電期間供給電池的直到第一充電終止時間點為止的總的第一充電能量來確定的。
53.根據權利要求52的方法，其特征在于被確定最大值的充電參數包括電池或其單元的充電和/或端電壓，所述試驗充電包括第二試驗充電過程，在此過程中是用基本等于取決于所確定或測量的容量值的C速率的第二試驗充電電流對該電池進行充電的。
54.根據權利要求53的方法，其特征在于最大電壓被確定為在電池或單元溫度已增長了所述在試驗充電期間所確定的最大和最小溫度之差時的時間點所測出的電池或單元兩端的電壓。
55.根據權利要求44-54中的任一方法，其特征在于電池在開始試驗充電之前被充分放電。
56.根據權利要求53-55中的任一方法，其特征在于在部分所述的隨后充電過程期間用基本恒定的充電電流對電池進行充電，所述基本恒定充電電流是基于所確定或測出的容量值的C速率的若干倍，測定電池或其單元端電壓，以及當在時間Tmax已達到電池或其單元的最大端電壓時，控制充電過程使在充電過程的剩余周期中電池或其單元電壓保持基本恒定。
57.根據權利要求56的方法，其特征在于所述電池至少有兩個單元，測定電池每個單元的電壓，并基于具有首先達到最大單元端電壓的電壓的單元電壓，控制充電過程的剩余周期。
58.根據權利要求56或57的方法，其特征在于通過測定充電電流確定剩余充電周期的終止時間點，并且在預定時間周期中檢測不到充電電流的進一步下降時終止充電過程。
59.根據權利要求56或57的方法，其特征在于時間Tstop終止隨后的充電過程，一般在到達最大電池或單元端電壓的時間Tmax確定剩余充電周期(Tstop-Tmax)。
60.根據權利要求56，57或59的任一方法，其特征在于基于電池或單元端電壓軌跡與所存儲的標準電壓軌跡的比較來確定剩余充電時間周期。
61.根據權利要求59或60的方法，其特征在于根據Tmax值確定剩余充電時間周期。
62.根據權利要求59-61中的任一方法，其特征在于基于將到達最大電壓的時間Tmax同所存儲的標準時間值和相應的剩余充電時間周期相比較而確定終止時間點Tstop和剩余充電時間周期。
63.根據權利要求56-62中的任一方法，其特征在于如果最大和最小電池或單元溫度之差值超過在試驗充電期間所確定的最大值便終止隨后的充電過程。
64.根據權利要求36的電池系統，其特征在于信息裝置包含用于檢測電池溫度的溫度傳感器。
65.根據權利要求36的電池系統，其特征在于當由溫度傳感器檢測的溫度是低溫時開始增大充電電流和/或充電電壓。
66.根據權利要求38-43中的任一可再充電電池，還包含至少兩個電池單元，用于測量每個電池單元電壓的裝置，和用于將所測出的單元電壓儲存在信息裝置中的裝置。
67.根據權利要求66的電池，其特征在于信息裝置還包含一個微處理器。
68.根據權利要求38-43和66-67中的任一電池，其特征在于信息裝置包含用于檢測電池溫度的溫度傳感器。
69.一種控制至少有兩個單元的可再充電電池放電過程的方法，所述方法包括測定電池每個單元的電壓和當至少一個單元的電壓下降到預定的閾值電壓時中斷該放電過程。
全文摘要
可再充電電池的充電方法和裝置。為避免過充電和電池單元內溫度過高，在至少部分充電過程中測定至少一個充電參數的軌跡。將測得的充電參數與代表其有不同起始狀態的電池的理想充電過程的標準參數軌跡進行比較。為確定電池的起始狀態和選擇標準參數軌跡，可開始對電池進行短時間試驗充電，和短時間試驗放電。借助于微處理器進行比較，它也可先擇標準軌跡，然后控制電池充電過程使所述充電參數軌跡接近選擇的標準軌跡。
文檔編號H02JGK1099192SQ94102059
公開日1995年2月22日 申請日期1994年2月26日 優先權日1992年8月14日
發明者J·雷佩爾, E·吉爾-漢森 申請人:沙特克實驗室有限公司