專利名稱：根據電池溫度控制電池充電電壓的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及電池的充電，具體地說是涉及根據電池溫度充電的方法和裝置。
充電電池的溫度是充電過程中進行適當控制以及設備和人員最終安全的關鍵因素。如果電池溫度顯著增高，電池的內阻就會下降，從而使充電電流增大，這會引起電池內阻進一步下降。這種累積效應很快會導致“熱失控”，最終使電池毀壞，并可能使設備和人員周圍的環境遭到破壞。
現有的電池充電系統已經可以根據電池的溫度控制充電電壓。這些系統通常在電池溫度以簡單的線性斜率或單一電壓階躍上升至某電壓或溫度極限時降低電池充電電壓。多數電池制造商建議將充電電壓以X mV/℃/cell的固定值降低或“補償”增加的溫度。這一點Y.Nagai和K.Ozaki在十二屆國際通信能量會議的會議文集中的論文#CH2928—0/90/0000/0155，IEEE(New York 1990)PP.155—160中進行了討論(見圖3)，文中給出在℃和50℃之間3mV/℃/cell的充電電壓變化。另一種是在0—35°的范圍內以2.275V/cell充電。在35°—50℃以2.215V/cell充電。A.I.Harrison在十四屆國際通信能量會議的會議文集中的論文#0—7803—0779—8/92，IEEE(New York 1992)，PP28—34中(見圖5)給出在0到40℃的溫度范圍內充電電壓從2.36V穩定地下降到2.20V。Bell—core Technical Advisory TA—NWT—001515第1期，1993年12月，建議當電池或電池組溫度高于環境溫度10±1℃到15±1℃時電壓下降為3mV/℃/cell，直到極限2.17V/cell。可將浮動float電壓以1.5mV/℃/cell減小。多數警報是當電池溫度高于環境溫度10±1℃以及電池溫度高于環境溫度15±1℃時發出的。也可按階躍函數將電壓在電池溫度高于環境溫度10±1℃時減小到2.21V/cell、在電池溫度高于環境溫度15±1℃時減小到2.17V/cell。由于測量到的環境溫度可能在很大范圍內變動，根據環境與電池的溫度差控制電壓不是控制電池充電特性的精確方法。并且，測量環境溫度需要一個或多個額外的傳感器并非常依賴傳感器的位置，從而降低了可靠性，增加了成本。
電壓隨溫度升高而階躍及斜線下降在電池溫度沒有遠高于環境溫度的正常工作條件下可保護電池和環境。然而，這些受控充電電壓的變化沒有真正反映電池電流和溫度能夠連續增加到電池外殼材料熔化及/或產生出爆炸性氫氣的程度的熱失控情況。如果電池組中有一個或多個電池由于短路或密封不良處于低電壓電平而其余電池在實際更高的浮動電壓下充電就可能出現這種情況。
根據本發明所述，提供一種充電方法和裝置。在浮置充電應用中，室溫下調閥(value—regulated)鉛酸電池的恒壓充電通常在2.25到2.35V/cell電壓范圍內進行。在需要快速充電的應用中，室溫下電壓范圍通常為2.30到2.55V/cell。本發明將用于這些充電模式中的任一種。體現本發明原理的電池充電系統根據電池溫度的不同溫度范圍控制并調整電池充電整流器的輸出電壓。在始于低溫的較低溫度范圍(如從0°到25℃的范圍直到約53℃)，整流器電壓隨溫度升高而下降以防止電池溫度升高時充電電流增大。這個變化是根據使電壓變化與電池溫度相關的線性斜線進行的。適當的電壓變化率可能是3mV/℃/cell。范圍在1.5mV/℃/cell到5mV/℃/cell對于高于電池完全充電后開路電壓25—50mV的電壓范圍是可接受的。在這個范圍內降低充電電壓減小了電池高溫工作的老化效率。
在接下來的電池溫度范圍內(如53℃到75℃)加在電池上的充電電壓保持在恒定值以防止電池內鉛板的加速腐蝕，這種腐蝕通常在電壓接近電池開路電壓電平時發生。
在達到第二溫度范圍(如55到85℃，最好是60到80℃)高端的高閾值溫度時，充電電壓按階躍函數下降到低于電池放電閾電壓的電平以阻止熱失控情況。在這個電平下，電池保持由整流器部分(而不是完全)充電的狀態，并產生報警信號以警告維修人員有這種情況出現。
這種分級的放電控制有利于防止電池熱失控及嚴重失效同時仍能使電池提供其所供能的負載可接受的工作電壓范圍內的電壓。
在用來說明的實施例中，充電系統可在電池溫度超過設定高溫值的情況下保護電池和環境。
本發明的工藝給電池提供保護并給出最大放電時間，即使是當電池電壓下降到高于開路電壓20到50mV/cell(如2.17V)而電池溫度仍繼續上升的時候。即使在不適當的充電溫度和有效充電電壓下也可通過提供最佳充電電壓來使電池壽命達到最大。
圖1是說明充電電壓與電池溫度關系的圖；圖2是電池充電系統和控制的示意圖。
圖3是部分控制電路的示意圖。
圖4是說明電池充電系統工作模工的流程圖。
如圖1所示的溫度響應電池充電控制被用于調閥鉛酸電池或電池組的充電。由于這些電池或電池組的維修需要低，它們通常用在偏遠地方。但這些電池通常對可能導致充電過程中熱失控的溫度效應很敏感。
圖1的曲線將電池充電整流器的輸出電壓與電池溫度聯系起來。垂直的電壓軸以電池電壓描述，水平方向的溫度是用電池溫度表不。
曲線上標有101的一段是從大約0延伸到不超過25℃的水平線。在這段間隔中，電池的溫度不太高因而整流器提供的充電電壓保持在恒定的調節充電電壓電平。如果溫度達到25°到53℃范圍內的溫度，充電電壓電平按照斜線102進行控制，斜線102的斜坡繼續向下直到電池電壓下降到高于電池完全充電后開路電壓20到50mV的范圍內(最好是30到40mV)。通常這個范圍內整流器提供的減小后的充電電壓足以防止熱失控。較低充電電壓引起的較小充電電流也減輕了電池高溫工作的老化效應。
如果電池溫度上升至標明的53℃以上并且充電電壓在高于開路電壓20到50mV/cell的范圍內，整流器的充電電壓就被調節為一恒定值(如水平線103所示)直到達到約60到80℃。在這個范圍充電電壓的幅度大于電池完全充電后的開路電壓。選擇該恒定充電電壓是為阻止電池中鉛板腐蝕，在開路電壓附近腐蝕可能會很嚴重。
當電池溫度達到設定的臨界值(在說明用的實施例中設為75℃)時，充電電壓按階躍函數104突然下降到低于電池放電閾電壓范圍的電壓值。該電壓選在低于放電電壓閾值以使電池慢慢放電但繼續在任何所附負載設備的正常電壓范圍內工作。與此相關的步驟是發出放電警報以警告維修人員電池正在放電并需要檢修。
圖2公開的電池充電系統顯示電池充電整流器201被連接以在其輸入端202和203接收一交流(AC)電源電壓。AC電壓被整流，并且直流(DC)充電電壓被加到電池接線端205和206。
電池溫度由與將溫度轉換成代表電壓的溫度檢測電路208相連的溫度傳感器207進行檢測。該電壓由放大器210放大并加到調節控制電路215。
連接調節控制電路215是要通過具有與電池接線端相連的引線的電壓檢測電路213監視電池的端電壓。檢測電路將控制信號加到整流器的調節控制部分。溫度輸入和電壓檢測輸入被調節控制部分用于設定整流器的電壓輸出以便根據示于圖1的控制曲線調節其DC充電。電壓檢測電路也包括警報輸出端217以發射電池放電警告的信號。
調節控制部分的調節電路示于圖3。檢測的電池端電壓的正和負電壓被加到接線端301和302。溫度信號被加到可編程電壓源303，其將正電壓檢測端301和電阻309與包括電阻305和306的分壓器分開。與分壓器另一端相連的是負電壓檢測端302。控制整流器DC電壓輸出的控制信號在分壓器中心節點從引線端307獲得。可編程電壓源303響應溫度檢測信號并在其接線端間產生壓降，將其與分壓器接頭串聯以使引線端307上的電壓在調節方案中影響圖1中電壓/溫度分布曲線的再現。市場上可得到的可編程電壓源為集成電路，相信沒有必要詳細描述。
調節控制部分215可以包括硬件邏輯線路或具有與可編程電壓源307一起工作的存儲程序指令的微計算機，從而使進行的調節與圖1所示調節曲線一致。這些指令流程的例子示于圖4的流程圖。控制過程開始于方框401的指令以使電池電壓浮置(float)在2.7V/cell。接下來的方框403的指令是使電池溫度被監視。判斷框405的指令是確定電池溫度是否超過25℃。如果溫度是25℃或更低，則流程返回方框401。但如果電池溫度超過25℃，下一個方框407的指令命令將電池電壓浮動到使方框401的值減小3mV/℃/cell的值。
在接下來的判斷框409中，進行查詢以確定電池浮動電壓是否已被減至高于完全充電后開路電壓20到50mV/cell。否定回答使流程返回判斷框405，系統計算相對于25℃的電池溫度電平。
如果電池電壓已減小到高于完全充電后開路電壓20到50mV/cell的范圍內。下一個指令框411將電池浮置電壓保持在標稱值2.187V/cell。接下來的判斷框判定電池溫度是否等于或大于75℃。如果還沒有達到75℃電平，流程返回判斷框409。如果達到了75℃，流程繼續到下面的指令框415，其命令立即將浮置電壓減小到使電池放電的電平，如2.02V/cell。這個電壓值低于電池的放電電平，從而使熱失控情況被避免。流程接下來返回方框413以判斷電池溫度是否保持或高于75℃。
在電池充電系統的實驗測試中，系統整流器提供的充電電壓按圖1的曲線被準確控制，直到90℃。
權利要求
1.在電池充電系統中，防止充電過程中熱失控的方法，其包括下列步驟監視電池充電狀態；在電池充電過程中監視電池溫度；根據電池充電狀態和所監視的電池的溫度狀態控制充電電壓；其特征為通過按照充電電壓/溫度控制曲線控制充電電壓來響應所監視的溫度；如果所監視的電池溫度超過臨界的高溫，則將電池充電電壓減小到低于電池放電閾值電壓的電平。
2.在如權利要求1所述的電池充電系統中防止充電過程中熱失控的方法，其還包括在第一低電池溫度范圍內用第一高恒定充電電壓給電池充電；當電池溫度在高于第一低電池溫度范圍的第二中等電池溫度范圍內增高時，用按斜坡函數線性下降的第二充電電壓給電池充電；在高于第二溫度范圍直到達到閾值高溫的第三溫度范圍內用低于第一和第二充電電壓的第三中等恒定充電電壓給電池充電。
3.如權利要求2所述的電池充電系統中防止充電過程中熱失控的方法，其中控制充電電壓的步驟包括將代表電池溫度的誤差電壓反饋給充電電源調節控制電路；調節控制電路對充電電壓進行調節該調節控制電路包括其中帶有被編程的分布曲線的可編程器件和響應誤差電壓的可編程器件。
4.如權利要求3所述的電池充電系統中防止充電過程中熱失控的方法，其還包括下列步驟如果電池處于放電狀態就產生報警信號。
5.電池充電裝置，其包括用來接收(205，206)欲充電電池的裝置，其包括用來測量(208)電池電壓的裝置和用來測量電池溫度的裝置；電池充電電壓源(201)，其與接收裝置相連以給與其相連的電池充電，包括響應測量電池溫度裝置的調節控制電路(215)，調節控制電路具有確定的控制充電的電壓隨溫度的變化曲線；在第一低電池溫度范圍內用第一高恒定充電電壓給電池充電；其特征為當電池溫度在高于第一低電池溫度范圍的第二中等電池溫度范圍內升高時，用以斜坡函數線性下降的第二充電電壓給電池充電；在高于第二溫度范圍的第三溫度范圍內用低于第一和第二充電電壓的第三中等恒定充電電壓給電池充電；如果監視的電池溫度超過閾值高溫，就將電池充電電壓減小到低于電池放電閾值電壓的電平。
6.如權利要求5所述的電池充電裝置，其包括調節控制電路，其包括被連接用來測量電池端電壓的裝置(213)，包括連接在電池接線端之間并響應測量電池溫度的裝置以控制與調節控制電路相連的電壓的可編程電壓源。
7.如權利要求1所述的電池充電系統中防止充電過程中熱失控的方法，其中將電池充電電壓降低到電池放電電壓以下的步驟包括如果電池超過55℃到85℃的范圍內的閾值高溫就將電池充電電壓減小到低于電池放電閾值電壓的電平。
8.如權利要求1所述的電池充電系統中防止充電過程中熱失控的方法，其中將電池充電電壓降低到電池放電電壓以下的步驟包括如果所監視的電池溫度超過60°到80℃的范圍內的閾值高溫，就將電池充電電壓降低到低于電池放電閾值電壓的電平。
9.如權利要求2所述的在電池充電系統中防止充電過程熱失控的方法，其中隨溫度增加降低電池充電電壓的斜坡函數是在—1.5mV/℃/cell到—5mV/℃/cell的斜率范圍內，第三中等恒定充電電壓在高于電池完全充電后開路電壓20到50mV的范圍內。
全文摘要
電池充電系統根據電池溫度的不同范圍控制和調節充電整流器的輸出電壓。在低溫范圍，整流器電壓隨溫度升高而降低以防止電池溫度升高時充電電流增大。這減小了電池高溫工作的老化效應。在接下來的溫度范圍內保持一恒定值以防止電池內加速的鉛板腐蝕，這種腐蝕通常在電壓接近電池完全充電后的開路電壓電平時發生。在達到第二溫度范圍高溫端時，充電電壓以階躍函數下降到電池完全充電后開路電壓以下以阻止熱失控情況。并且產生一報警信號。
文檔編號H01M10/42GK1115048SQ9510705
公開日1996年1月17日 申請日期1995年6月20日 優先權日1994年6月22日
發明者諾馬·凱思林·布洛克, 道格拉斯·G·芬特, 特朗·V·努古伊 申請人:美國電報電話公司