专利名称：根据电池温度控制电池充电电压的装置和方法
技术领域：
本发明涉及电池的充电，具体地说是涉及根据电池温度充电的方法和装置。
充电电池的温度是充电过程中进行适当控制以及设备和人员最终安全的关键因素。如果电池温度显著增高，电池的内阻就会下降，从而使充电电流增大，这会引起电池内阻进一步下降。这种累积效应很快会导致“热失控”，最终使电池毁坏，并可能使设备和人员周围的环境遭到破坏。
现有的电池充电系统已经可以根据电池的温度控制充电电压。这些系统通常在电池温度以简单的线性斜率或单一电压阶跃上升至某电压或温度极限时降低电池充电电压。多数电池制造商建议将充电电压以X mV/℃/cell的固定值降低或“补偿”增加的温度。这一点Y.Nagai和K.Ozaki在十二届国际通信能量会议的会议文集中的论文#CH2928—0/90/0000/0155，IEEE(New York 1990)PP.155—160中进行了讨论(见图3)，文中给出在℃和50℃之间3mV/℃/cell的充电电压变化。另一种是在0—35°的范围内以2.275V/cell充电。在35°—50℃以2.215V/cell充电。A.I.Harrison在十四届国际通信能量会议的会议文集中的论文#0—7803—0779—8/92，IEEE(New York 1992)，PP28—34中(见图5)给出在0到40℃的温度范围内充电电压从2.36V稳定地下降到2.20V。Bell—core Technical Advisory TA—NWT—001515第1期，1993年12月，建议当电池或电池组温度高于环境温度10±1℃到15±1℃时电压下降为3mV/℃/cell，直到极限2.17V/cell。可将浮动float电压以1.5mV/℃/cell减小。多数警报是当电池温度高于环境温度10±1℃以及电池温度高于环境温度15±1℃时发出的。也可按阶跃函数将电压在电池温度高于环境温度10±1℃时减小到2.21V/cell、在电池温度高于环境温度15±1℃时减小到2.17V/cell。由于测量到的环境温度可能在很大范围内变动，根据环境与电池的温度差控制电压不是控制电池充电特性的精确方法。并且，测量环境温度需要一个或多个额外的传感器并非常依赖传感器的位置，从而降低了可靠性，增加了成本。
电压随温度升高而阶跃及斜线下降在电池温度没有远高于环境温度的正常工作条件下可保护电池和环境。然而，这些受控充电电压的变化没有真正反映电池电流和温度能够连续增加到电池外壳材料熔化及/或产生出爆炸性氢气的程度的热失控情况。如果电池组中有一个或多个电池由于短路或密封不良处于低电压电平而其余电池在实际更高的浮动电压下充电就可能出现这种情况。
根据本发明所述，提供一种充电方法和装置。在浮置充电应用中，室温下调阀(value—regulated)铅酸电池的恒压充电通常在2.25到2.35V/cell电压范围内进行。在需要快速充电的应用中，室温下电压范围通常为2.30到2.55V/cell。本发明将用于这些充电模式中的任一种。体现本发明原理的电池充电系统根据电池温度的不同温度范围控制并调整电池充电整流器的输出电压。在始于低温的较低温度范围(如从0°到25℃的范围直到约53℃)，整流器电压随温度升高而下降以防止电池温度升高时充电电流增大。这个变化是根据使电压变化与电池温度相关的线性斜线进行的。适当的电压变化率可能是3mV/℃/cell。范围在1.5mV/℃/cell到5mV/℃/cell对于高于电池完全充电后开路电压25—50mV的电压范围是可接受的。在这个范围内降低充电电压减小了电池高温工作的老化效率。
在接下来的电池温度范围内(如53℃到75℃)加在电池上的充电电压保持在恒定值以防止电池内铅板的加速腐蚀，这种腐蚀通常在电压接近电池开路电压电平时发生。
在达到第二温度范围(如55到85℃，最好是60到80℃)高端的高阈值温度时，充电电压按阶跃函数下降到低于电池放电阈电压的电平以阻止热失控情况。在这个电平下，电池保持由整流器部分(而不是完全)充电的状态，并产生报警信号以警告维修人员有这种情况出现。
这种分级的放电控制有利于防止电池热失控及严重失效同时仍能使电池提供其所供能的负载可接受的工作电压范围内的电压。
在用来说明的实施例中，充电系统可在电池温度超过设定高温值的情况下保护电池和环境。
本发明的工艺给电池提供保护并给出最大放电时间，即使是当电池电压下降到高于开路电压20到50mV/cell(如2.17V)而电池温度仍继续上升的时候。即使在不适当的充电温度和有效充电电压下也可通过提供最佳充电电压来使电池寿命达到最大。
图1是说明充电电压与电池温度关系的图；图2是电池充电系统和控制的示意图。
图3是部分控制电路的示意图。
图4是说明电池充电系统工作模工的流程图。
如图1所示的温度响应电池充电控制被用于调阀铅酸电池或电池组的充电。由于这些电池或电池组的维修需要低，它们通常用在偏远地方。但这些电池通常对可能导致充电过程中热失控的温度效应很敏感。
图1的曲线将电池充电整流器的输出电压与电池温度联系起来。垂直的电压轴以电池电压描述，水平方向的温度是用电池温度表不。
曲线上标有101的一段是从大约0延伸到不超过25℃的水平线。在这段间隔中，电池的温度不太高因而整流器提供的充电电压保持在恒定的调节充电电压电平。如果温度达到25°到53℃范围内的温度，充电电压电平按照斜线102进行控制，斜线102的斜坡继续向下直到电池电压下降到高于电池完全充电后开路电压20到50mV的范围内(最好是30到40mV)。通常这个范围内整流器提供的减小后的充电电压足以防止热失控。较低充电电压引起的较小充电电流也减轻了电池高温工作的老化效应。
如果电池温度上升至标明的53℃以上并且充电电压在高于开路电压20到50mV/cell的范围内，整流器的充电电压就被调节为一恒定值(如水平线103所示)直到达到约60到80℃。在这个范围充电电压的幅度大于电池完全充电后的开路电压。选择该恒定充电电压是为阻止电池中铅板腐蚀，在开路电压附近腐蚀可能会很严重。
当电池温度达到设定的临界值(在说明用的实施例中设为75℃)时，充电电压按阶跃函数104突然下降到低于电池放电阈电压范围的电压值。该电压选在低于放电电压阈值以使电池慢慢放电但继续在任何所附负载设备的正常电压范围内工作。与此相关的步骤是发出放电警报以警告维修人员电池正在放电并需要检修。
图2公开的电池充电系统显示电池充电整流器201被连接以在其输入端202和203接收一交流(AC)电源电压。AC电压被整流，并且直流(DC)充电电压被加到电池接线端205和206。
电池温度由与将温度转换成代表电压的温度检测电路208相连的温度传感器207进行检测。该电压由放大器210放大并加到调节控制电路215。
连接调节控制电路215是要通过具有与电池接线端相连的引线的电压检测电路213监视电池的端电压。检测电路将控制信号加到整流器的调节控制部分。温度输入和电压检测输入被调节控制部分用于设定整流器的电压输出以便根据示于图1的控制曲线调节其DC充电。电压检测电路也包括警报输出端217以发射电池放电警告的信号。
调节控制部分的调节电路示于图3。检测的电池端电压的正和负电压被加到接线端301和302。温度信号被加到可编程电压源303，其将正电压检测端301和电阻309与包括电阻305和306的分压器分开。与分压器另一端相连的是负电压检测端302。控制整流器DC电压输出的控制信号在分压器中心节点从引线端307获得。可编程电压源303响应温度检测信号并在其接线端间产生压降，将其与分压器接头串联以使引线端307上的电压在调节方案中影响图1中电压/温度分布曲线的再现。市场上可得到的可编程电压源为集成电路，相信没有必要详细描述。
调节控制部分215可以包括硬件逻辑线路或具有与可编程电压源307一起工作的存储程序指令的微计算机，从而使进行的调节与图1所示调节曲线一致。这些指令流程的例子示于图4的流程图。控制过程开始于方框401的指令以使电池电压浮置(float)在2.7V/cell。接下来的方框403的指令是使电池温度被监视。判断框405的指令是确定电池温度是否超过25℃。如果温度是25℃或更低，则流程返回方框401。但如果电池温度超过25℃，下一个方框407的指令命令将电池电压浮动到使方框401的值减小3mV/℃/cell的值。
在接下来的判断框409中，进行查询以确定电池浮动电压是否已被减至高于完全充电后开路电压20到50mV/cell。否定回答使流程返回判断框405，系统计算相对于25℃的电池温度电平。
如果电池电压已减小到高于完全充电后开路电压20到50mV/cell的范围内。下一个指令框411将电池浮置电压保持在标称值2.187V/cell。接下来的判断框判定电池温度是否等于或大于75℃。如果还没有达到75℃电平，流程返回判断框409。如果达到了75℃，流程继续到下面的指令框415，其命令立即将浮置电压减小到使电池放电的电平，如2.02V/cell。这个电压值低于电池的放电电平，从而使热失控情况被避免。流程接下来返回方框413以判断电池温度是否保持或高于75℃。
在电池充电系统的实验测试中，系统整流器提供的充电电压按图1的曲线被准确控制，直到90℃。
权利要求
1.在电池充电系统中，防止充电过程中热失控的方法，其包括下列步骤监视电池充电状态；在电池充电过程中监视电池温度；根据电池充电状态和所监视的电池的温度状态控制充电电压；其特征为通过按照充电电压/温度控制曲线控制充电电压来响应所监视的温度；如果所监视的电池温度超过临界的高温，则将电池充电电压减小到低于电池放电阈值电压的电平。
2.在如权利要求1所述的电池充电系统中防止充电过程中热失控的方法，其还包括在第一低电池温度范围内用第一高恒定充电电压给电池充电；当电池温度在高于第一低电池温度范围的第二中等电池温度范围内增高时，用按斜坡函数线性下降的第二充电电压给电池充电；在高于第二温度范围直到达到阈值高温的第三温度范围内用低于第一和第二充电电压的第三中等恒定充电电压给电池充电。
3.如权利要求2所述的电池充电系统中防止充电过程中热失控的方法，其中控制充电电压的步骤包括将代表电池温度的误差电压反馈给充电电源调节控制电路；调节控制电路对充电电压进行调节该调节控制电路包括其中带有被编程的分布曲线的可编程器件和响应误差电压的可编程器件。
4.如权利要求3所述的电池充电系统中防止充电过程中热失控的方法，其还包括下列步骤如果电池处于放电状态就产生报警信号。
5.电池充电装置，其包括用来接收(205，206)欲充电电池的装置，其包括用来测量(208)电池电压的装置和用来测量电池温度的装置；电池充电电压源(201)，其与接收装置相连以给与其相连的电池充电，包括响应测量电池温度装置的调节控制电路(215)，调节控制电路具有确定的控制充电的电压随温度的变化曲线；在第一低电池温度范围内用第一高恒定充电电压给电池充电；其特征为当电池温度在高于第一低电池温度范围的第二中等电池温度范围内升高时，用以斜坡函数线性下降的第二充电电压给电池充电；在高于第二温度范围的第三温度范围内用低于第一和第二充电电压的第三中等恒定充电电压给电池充电；如果监视的电池温度超过阈值高温，就将电池充电电压减小到低于电池放电阈值电压的电平。
6.如权利要求5所述的电池充电装置，其包括调节控制电路，其包括被连接用来测量电池端电压的装置(213)，包括连接在电池接线端之间并响应测量电池温度的装置以控制与调节控制电路相连的电压的可编程电压源。
7.如权利要求1所述的电池充电系统中防止充电过程中热失控的方法，其中将电池充电电压降低到电池放电电压以下的步骤包括如果电池超过55℃到85℃的范围内的阈值高温就将电池充电电压减小到低于电池放电阈值电压的电平。
8.如权利要求1所述的电池充电系统中防止充电过程中热失控的方法，其中将电池充电电压降低到电池放电电压以下的步骤包括如果所监视的电池温度超过60°到80℃的范围内的阈值高温，就将电池充电电压降低到低于电池放电阈值电压的电平。
9.如权利要求2所述的在电池充电系统中防止充电过程热失控的方法，其中随温度增加降低电池充电电压的斜坡函数是在—1.5mV/℃/cell到—5mV/℃/cell的斜率范围内，第三中等恒定充电电压在高于电池完全充电后开路电压20到50mV的范围内。
全文摘要
电池充电系统根据电池温度的不同范围控制和调节充电整流器的输出电压。在低温范围，整流器电压随温度升高而降低以防止电池温度升高时充电电流增大。这减小了电池高温工作的老化效应。在接下来的温度范围内保持一恒定值以防止电池内加速的铅板腐蚀，这种腐蚀通常在电压接近电池完全充电后的开路电压电平时发生。在达到第二温度范围高温端时，充电电压以阶跃函数下降到电池完全充电后开路电压以下以阻止热失控情况。并且产生一报警信号。
文档编号H01M10/42GK1115048SQ9510705
公开日1996年1月17日 申请日期1995年6月20日 优先权日1994年6月22日
发明者诺马·凯思林·布洛克, 道格拉斯·G·芬特, 特朗·V·努古伊 申请人:美国电报电话公司