专利名称：用于电池充电的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制浸渍式深循环铅酸电池的再充电处理终止的方法。尤其涉及，其关于提供给上述的电池一些再充电能量的步骤，该再充电的能量直接与按照上一次先前电池充电事件泄放的能量有关系。其还关于用于实现上述的步骤的装备。
背景技术：
有许多不同种类的可再充电的贮电电池是公知的，如镍镉、镍金属混合物(nickel metal hydride)、镍铁、锂、银镉和深循环铅酸电池。深循环铅酸电池不同于例如在常规车辆中使用的SLI(起动、点火(lighting)、触发(ignition))铅酸电池；SLI电池不是被设计或者说构造用于承受实质上重复的循环放电和再充电，因此不是在本发明意义上的可再充电电池。
诸如根据美国专利4,392,101和4,503,378，已知某些与类别无关的可充电电池的特征在电池再充电期间是变化的，这种变化以各种方式表明电池处于满荷充电或处于某一未达到但接近满荷充电状态的相对可预测的点。这些专利和其他出版物描述了用于监控这些特征和用于检测它们的特定事件、条件或状态的装置和方法，以及对应于预定时间或者以预定方式，利用上述检测终止电池充电处理或者继续充电。这些预定方式典型采用的充电处理与那些在检测事件时使用的不同。这些充电事件检测方法被称为拐点分析方法，因为它们依靠检测在基于时间的特性曲线中的某些拐点，其中上述特性曲线例如描述在充电处理时在电池电压或电池电流方面的变化。虽然迄今为止所描述的拐点分析适用于控制大多数类型可再充电电池的再充电，但对于控制浸渍式深循环铅酸电池的再充电，其中电池电解液是某种未封闭于任何支持基质(supporting matrix)如凝胶中的液体(通常是硫酸)，已经发现迄今为止所描述的拐点分析作用并不令人满意。
浸渍式深循环铅酸电池(flooded deep-cycle lead acid battery)被广泛用作电力交通工具如高尔夫球车、叉式起重车以及杠杆式升降机车辆的能源。它们也被用作医院及其他建筑物和设施中的非中断电源和光电动力装置的组成部分。迄今所描述的拐点分析技术为何不适于控制浸渍式深循环铅酸电池的理由，举例来说可以通过电动高尔夫球车中对这类电池的使用来理解。
电动高尔夫球车是由大约4、6组浸渍式深循环铅酸电动电池供电的。在一个假定的高尔夫球场上，有一队这样的高尔夫球车可供高尔夫球手使用。队中的不同车辆可在其中装有比队中其他车辆更旧的电池。一些车辆可以使用得比其他车辆更频繁。一些车辆在给定的一天可以比其他车辆使用更久。一些车辆在给定的一天会经历比其他车辆更严酷的使用情况，这除了其它原因外还取决于高尔夫球手的使用情况或者所穿越地形上的差别。同样众所周知的是，即使队中的所有电池来自同一制造商并具有相同的标定寿命，但在各类电池间仍会产生有长久影响的变化，而这影响到电池的性能、寿命，并且重要的是影响到它们如何响应再充电处理。因此，在一天结束、要为该队中的高尔夫球车再充电时，各个车辆的电池的放电状态间会有显著差别，由此在需要如何从一辆车到另一辆车为电池充电方面也会有显著差别。整队范围平匀再充电的处理将使某些电池充电不足，或更可能的是，实际上许多电池将实质上过充电。这种电池实质上过充电降低了电池寿命。非常普遍的是，受雇为高尔夫球车队再充电的人员并不了解实际上过充电的结果，以及如何确定过充电何时出现。因此，希望能用避免实质过充电的装置和方法使在电动高尔夫球车中所用的电池再充电，并且希望以根本上可适应和处理电池之间由于放电状态、寿命以及制造改型(除其他因素外)而产生的差别的方式来进行电池再充电。
深循环铅酸电池被设计成能承受从满荷充电状态放电以及从某个放电状态重新充电到满荷充电状态的重复循环。与不使用液体电解质的其他类型的可再充电电池相比，浸渍式深循环铅酸电池的液体酸性电解液具有特殊条件，其要求一个给定的电池，或者给定的一组彼此配合重复使用的小数量电池，以这样一种方式重新充电在一定程度上，相对于电池在充电事件开始时刻的状态，提供受到控制的过充电量。换句话说，浸渍式深循环铅酸电池的有效重新充电理论上应包括受控的过充电量，该过充电量是根据电池在其上一次工作周期(上一次充电事件后的使用期)中(通过放电)取用的能量数值而确定的。其理由与液体电解质在前一工作周期和其后再充电事件期间发生的事有关。
随着铅酸电池的一个单元放电，电解液中的酸性离子移动到该单元的电极，而氧原子则从该单元的活性材料移动到电解液内与电解液氢离子形成水。因此，电解液酸就逐渐变得更稀薄，并且其比重逐渐地从较高的起始比重接近1.0。当该单元被再充电时，离子交换过程是反向的，从而使电解液酸和活性材料再生。如果单元中的电解液作为自由液体存在(即电池是浸渍式的)，与存在于凝胶基质中的形成对比，则重于稀释电解液的再生的酸当其产生时就沉到该单元底部。随再充电处理继续，越来越多浓缩的再生酸聚集在单元底部。此刻，该单元的活性材料已被充分再生，该单元从理论上说在库仑基础充分地充电了。但是因为电解液的分层，对用于输送所存储的电能而言，该单元并未处于良好状态。电解液在整个单元中不是酸性均匀的，所以在再生活性材料的整个区域上，再生的酸性电解液没有均匀地与再生的活性材料有效地接触；如果此时要用该单元放电，放电电化学过程将主要出现在电池的底部，这里电解液酸过度地集中。该单元将不会在所需电平上释放能量，并且在单元底部过度浓缩酸将使得相邻的活性材料过快地老化。其结果是该单元性能达不到要求，而在某种意义上实质上降低了电池寿命。
对于铅酸电池单元的再充电处理，在直接处于活性材料完全再生之前的那部分处理中，在单元中产生作为再充电处理的一个标准部分的气体。气泡穿过电解液上升到单元顶部，而且在处理中促使电解液在单元中循环(搅动)。但是，如果在活性材料完全再生时终止再充电处理，则已产生的气体发生量将不足以充分地搅动电解液，而使其在整个单元中具有相同的酸浓度(一致的比重)的性质。因此缘故，通常的做法是在满荷充电点之上继续进行浸渍式深循环铅酸电池的再充电处理，即使气体发生过程延长一段时间，以使再生电解液搅动足够。也就是说，有意地使该单元过充电。
现行的办法是以一预定量令包含多个单元的上述电池过充电，该预定量被限定为适于在一个或多个需要最大搅动的单元中充分搅动电解液的量；过充电的该预定量的限定基于这样的假设该单元在其前一工作周期中已最大限度地放电，而且该单元具有一定的寿命、状态和温度等属性。但是，如以上关于一队电动高尔夫球车的操作的描述所显示的，该假设关于需要再充电的电池的基本部分是不恰当的。因此，依靠这种关于要应用到再充电浸渍式深循环铅酸电池充电最后阶段的过充电量的假设，会使大量的(如果不是多数的话)电池被有长久影响地过充电。上述这种电池有长久影响的过充电，尤其是若重复超过几次的话，实质上降低了这类电池的有效寿命。
上文描述提供了一个基础，用以了解现有的描述拐点分析技术在应用于浸渍式深循环铅酸电池的再充电、控制电池再充电处理时为什么是有缺陷的。
美国专利4,392,101是一个在控制可再充电电池的再充电方面利用拐点分析的早期描述。其指导可再充电电池通常具有大致相同的对再充电处理的响应特性。其指导如果在再充电期间的电池电压或电流例如相对于时间以图形标绘，则得到的电压/时间或者电流/时间关系曲线将具有广泛的相似性。在启动充电处理之后，与用于构造电池单元的特定材料无关，这些特性曲线将显示出至少一对拐点，图形曲线在该拐点产生曲率反转即转折。该专利公开了这些拐点表明或者说表示出电池对所施加充电能量的响应的不同状态，并且对于每种类型的单元，这些转折在处理中出现于相对可预测的时刻——在电池达到满荷充电状态之前或者在电池达到满荷充电状态的时刻。该专利公开了拐点出现的可预测性通常不受诸如电池实际电压、个别单元的特性、特殊充电历史、或实际周围温度状况等因素的影响。该专利公开了拐点可以通过观察被监控电池特性(电压或电流)关于时间的一阶导数或者二阶导数的状态或者说符号来识别。尤其是该专利指导了在充电处理期间，二阶导数曲线将穿过零轴(导数的符号将从正变为负或相反)至少两次，且该导数的第二次零轴相交将出现于电池达到满荷充电的时刻，或者将出现于获得满荷充电之前不久的某个区间。但是，在铅酸电池的例子中，该专利未试图描述何时出现相对于满荷充电电压的该基于时间的二阶导数。该专利主要描述的是在镍镉电池的背景下，在检测到该导数的第二次零轴穿越后，使再充电终止一段预定时间。镍镉电池不使用作为化学处理的一部分出现的可变密度电解液，因而这类电池不受益于过充电或需要过充电措施。
美国专利4,503,378对镍锌电池应用了拐点分析再充电控制，并且公开了对于该类型电池，一旦出现第二例电池电压关于时间的二阶导数的符号改变(零轴相交)，再充电即被终止。该专利还注意到在二阶导数从正到负与零轴相交的同一时刻，电池电压关于时间的一阶导数值为最大值或者峰值，这一个事实使二阶导数的零轴相交能够被确认。
标题为“通过检波电压拐点在15分钟内安全地对电池充电(Chargebatteries safely in 15 minutes by detecting voltage inflection points)”的论文发表于1994年9月1日发行的EDN杂志上。该论文主要着眼点是镍镉电池的快速再充电。其认为拐点分析还适用于铅酸电池。在这一点上，该论文陈述“在铅酸电池中，在电池达到满荷充电之前，在一个可预测的时间间隔上出现第二个dV/dt拐点，但是根据电池的安培小时额定容量，你可以容易地导出获得满荷充电量所需要的额外充电持续时间”。出于至少两个原因，该项陈述并未对如何依据电池对再充电的实际需要而高效、可靠和实用地为浸渍式深循环铅酸电池充电但又不使其有长久影响地过充电的问题提供一种解决方案。首先，铅酸电池的Ahr(安培小时)额定容量不是一个可以从工艺信息中准确确定的精确数值。反之，这是电池制造商作为特定于该制造商的商业因素的结果而给一种型号或者类型的电池指定的数值，上述商业因素例如为销售目标、保修措施及其他因素。电池的安培小时额定容量仅仅是制造商在或许未指明的条件下，对该型号或者类型的标准电池的预期性能的声明。对于一特定电池在完成一个特定工作周期后的充电需要，即在经历一个再充电事件之前该电池放电的深度，尚无可靠关系。其次，安培小时额定容量是一个需要从不同于电池本身的来源知道的数值。而需要的是一种利用得自电池本身的信息对浸渍式深循环铅酸电池充电的方法，上述信息描述了电池的放电状态，并且该信息可用于仅使电池过充电到足以充分地搅动再生的电解液的程度。
无论是上面引用的专利还是EDN杂志文章，均未考虑到在再充电处理开始之前电池放电的状态。它们不涉及如何方可将有关放电状态的信息用于控制电池再充电的知识。但是除以上这些描述之外，已知的还有实际上可与电池如高尔夫球车中电池相连接的一种集成安培计(安培小时计)，其始终随电池一起移动。当电池在一个工作周期后被接到充电器上的时候，该“车上”安培小时计被连接到该充电器，因此它可以与充电器交换在前一工作周期中从电池取用的安培小时数值。该信息在充电器中被提供给一个计算和控制装置，该装置通过使实测的安培小时值乘以所需系数(例如1.10或者说110％)，计算出要输送给电池的总电荷量，所需系数是已经发现足以在电解液中产生搅动的系数。然后，充电器中的计算和控制装置监控由充电器返回给电池的安培小时值。当达到对应电荷返回量的计算值的时候，计算和控制装置就指令充电器终止充电处理。虽然这种方法有效，但其受困于增加了从安培小时计对充电器交换与电池有关数据的复杂度。该方法还受困于配备每个电池或者每个工作组电池而增加的费用，其中每个电池或者每个工作组电池具有其自身的捕获式(captive)安培小时计，该安培小时计必须被特别构造以便电池环境中生存。该方法与拐点分析无关，并在本领域内具有明显的实际问题。
因此显而易见，需要有这样一种可利用的装置和方法它们可以被具备极少或完全不具备电池技术知识的人员有效地、实用地和可靠地使用，以适当地使浸渍式深循环铅酸电池再充电而无需令任何一个或一小组电池有长久影响地过充电。为满足这种需要，上述这种和方法应有效地处理并适应对一个电池或者规定的一小组电池的实际再充电和电解液搅动需要。术语“规定的小组”指的是多个电池，诸如那些安装在一给定电动高尔夫球车上的电池，它们大多具有相同的使用时间，将经历相同的使用历史，并且在上一次被作为一组再充电与所关心的本次再充电事件之间的时间间隔中分担相同的工作周期。
发明内容
根据上文，本发明解决的是本领域此前未曾解决的问题情况，为的是提供这样的方法和装置借助于该方法和装置，浸渍式深循环铅酸电池可以单独地或者以规定的小组、依据实际的再充电要求和最小限度的过充电处理进行再充电。本发明以新的方式运用了拐点分析原理，针对出现在包括新型计算和控制装置的充电器前的电池或电池组的需要，定制每一电池充电事件。有效地和可靠地提供和获取这些益处和优点，并不要求在如何制造或使用电池上作任何变化。技术维护人员仅需要对于电池连接和断开充电器。
无需依靠与电池相匹配的安培小时计，有关再充电要求的信息是由充电器在充电处理进行时从电池本身获得的。也就是说，在再充电处理开始之前，充电器并不知道、也不需要知道电池的放电情况。本发明最大限度地保护电池本身，并且可以导致电池寿命延长。
就方法而言，本发明提供了一种用于对铅酸电池充电的方法。该方法包括监控在执行处理期间的电池电压，记录充电时间，并且监控提供给电池的以安培小时计的电荷量。该方法还包括在充电处理中确定这样一个点电池在该点具有一定状态，该状态对满荷充电状态具有一种已知关系；并且确定高于满荷充电点的可输送给电池的充电能量数值，该数值等于在所述处理开始和电池达到满荷充电点之间的可输送能量的所需部分。
就其结构方面而言，本发明提供了一种用于对铅酸电池、最好是深循环铅酸电池充电的充电器。该充电器包括直流电源、伏特计、安培计、定时器、dv/dt测量电路，以及d2v/dt2测量电路。
更具体地说，充电器还包括与上述直流电源、安培计、伏特计、定时器和dv/dt以及d2v/dt2测量电路连接的控制器。该控制器被配置用于在电池再充电事件中确定当电池处于实际上满荷充电量的一个预定百分比时的时刻，并根据关系式(QS/p)＝[QD(1+x)]确定QD的数值，其中QS是从事件开始到d2v/dt2＝0且dv/dt为最大值时的时间间隔中输送给电池的充电能量的安培小时，p是当d2v/dt2＝0时输送给电池的补充(replenishment)电量的一个十进制百分比当量，x是作为过充电量要输送给电池的补充电量的所需百分比数值的十进制当量，而QD是从最初事件开始直到达到过充电量时要输送给电池的安培小时。如果预定的满荷充电百分比是98％，则p＝0.98。
根据附图阅读下面详细说明，将更好地理解本发明的这些及其他特点和优点，附图中图1A是取一典型充电周期的时间得出的一个铅酸电池的端子电压和电流特性曲线图，该铅酸电池以常规的铁磁谐振充电器充电；图1B和1C是同一电池分别在80华氏度和122华氏度的充电曲线图，该电池按照一个工作周期大约135安培小时放电；图1D和1E是同一电池分别在80华氏度和48华氏度的充电曲线图，该电池按照一个工作周期大约81安培小时放电；图2是一个浸渍式深循环铅酸电池的充电处理实施例的流程图；图3A和3B是一个充电处理实施例的流程图，该充电处理实施例监控电池电压；图4A和4B是一个充电处理的实施例的流程图，该充电处理实施例监控电池电压和充电时间；图5是一个供刷新充电(refersh charging)用的充电处理实施例的流程图；图6是一个充电处理实施例的流程图，该充电处理实施例监控始自充电结束的时间和电池开路电路电压；图7是一个允许选择不同充电曲线的本发明实施例的流程图；图8是一个电池充电系统实施例的系统方框图，该电池充电系统利用了充电处理控制装置IC和测量、计算及控制装置(“MCCD”)；图9是一个电池充电系统实施例的系统方框图，该电池充电系统利用了本发明给电池充电的方法的实施例。
术语表满荷充电量QF 电池处于全额蓄电量的状态，且继续施加充电能量对于电极或电极激活材料没有有益效果；初始状态电量Qi在电池再充电事件或者说处理开始时电池所拥有的残余电量；补充电量QR为具有初始状态电量的电池所吸收而使其返回满荷充电状态的以安培小时计量的充电能量值；QR＝QF-Qi
缺损电量在电池的满荷充电量和初始状态电量之间的差值，该电量等于补充电量QR。
过充电量QO 在再充电事件或者说处理中，在电池达到满荷充电量之后直到该事件或处理结束之前，输送给电池的以安培小时计量的充电能量值；这是输送给电池的额外能量，为的是使电池在其下一工作周期中有良好表现；在本发明的实践中，其数值直接与补充电量的数值相关；工作周期在电池充分地再充电之后，内设电池或与电池连接的装置处于使用情况下电池输送能量的时间；在一个工作周期结束时的电池电量是在下一个再充电事件或者处理中该电池的初始状态电量；库仑电量QC任何关心的时刻电池所拥有的电量值；输送电量QD在电池再充电事件或者处理开始和结束之间的时间间隔内输送给电池以安培小时计的能量；在本发明的实践中，该电量是补充电量和过充电量安培小时之和，即QD＝QR+QO；信号电量QS在以开始再充电处理为起点而以其后该处理中的某一点为终点的时间间隔中，输送给电池的以安培小时计的电量值，在上述处理中的该终点，电池因其特定的电化学性质而具有一种可检测得到的状态，指示电池充电水平具有相对于满荷充电量的特定关系；在本发明说明书中，该电量值与铅酸电池电化学性质有关，而上述可检测状态是电池电压的二阶时间导数的零值与电池电压的一阶时间导数的最大值同时出现。
具体实施例方式
图1A是取一典型充电周期的时间得出的一个铅酸电池的端子电压和电流特性曲线图，该铅酸电池以常规的铁磁谐振充电器充电；图示特性是电压、电流以及电压关于时间的一阶和二阶导数。上述充电特性曲线典型地是以铁磁谐振电池充电器对铅酸电池充电时观察到的。铁磁谐振充电器典型地包括变压器和整流器电路，其影响到描述在电池充电事件中电流128和电压101变化方式的特性曲线的特有形状。在完成一个充电周期时，充电周期的持续时间和施加于电池的再充电能量速率确定了返回给电池的电荷量。为了使浸渍式铅酸电池充分充电，一种典型做法是延长充电，即在电池已经达到流入电池的充电电流已经显著减少的状态后使电池过充电。
将铅酸电池过充电量控制到一个固定的、取自紧接着的前一工作周期的安培小时百分比，通常会大幅提高电池的寿命。过充电参数典型地是基于为本领域技术人员所知的变化的判据选择的。因此，一个充电到取自前一工作周期的固定的安培小时百分比的电池相比于一个可比的、每次被再充电时收到固定的按电池总充电容量规定的百分比的过充电量的电池，通常具有更长寿命。因此，当再充电开始时，了解和利用初始的电池放电状态有助于确定输送给电池的最佳过充电量。
在图1A中，在铅酸电池充电期间的电压特性曲线101被显示为是时间的函数。实测电压是在充电周期期间的不同时刻出现于电池各端子之间的电压。响应一个施加的充电电流128的给定值，电池的每个充电周期的特定电压特性曲线101作为该电池的温度和内部条件的函数而变化，电池的温度和内部条件则通常是电池使用时间的函数。温度和电池的使用时间两者都不是为一个典型的充电装置所知的。因此，基于电压的绝对值而判断一个连接到充电器的电池的缺损电量的基础也许并不可靠。
以浸渍式铅酸电池的固有电压时间特性为基础，确定电池缺损电量的安培小时则更加可靠。优选使用的固有电压时间特性(参见图1A)是作为时间函数的电压V(t)(曲线101)、电压随时间的变化率dv/dt(曲线104)、及电压随时间的加速变化率d2v/dt2(曲线106)。
电池的电压V(t)，正如在其外部端子上实测到的，在一个充电周期中响应施加的充电电流I(t)而变化(图1A中的曲线128)。施加到电池的端子间的电压和进入电池内的充电电流通过电池内电阻与反向电动势(开路电压)而相互关联，该反向电动势典型地在一个充电周期中是变化的。
在一个给定时刻，电池的内电阻是由一系列导电单元确定的，该导电单元构成配置在电池的电解液中的电池格栅结构。在充电周期开始时，或者说t＝0时(参见图1A中的点116)，初始电池电压Vi是开路电压。在充电周期开始时，由充电器提供的电流典型地处于其充电周期中的最高值Ii(点126)。
在一个典型的充电处理期间，电池电压101最初是一个低值Vi，迅速增加到一个中间电压，电压再由此中间电压缓慢上升一段时间，此后，电压再次迅速以增大斜率上升，而其最终达到最后的满荷充电电压Vi。当电池充电时，由于在充电处理中产生热，并且由于电解液的比重上升，电池反向电动势上升。当电池充电时，由于电池电压101随电池阻抗增大而同步提高，充电器所提供的电流128随之降低。
在充电的最后阶段，在电池反向电动势中的进一步增加是因电解液随所施加的能量分解而产生氢气和氧气造成的，该现象被称作“放气”。当电池接近和达到满荷充电状态时就出现放气，并且电池成部分不再能以可再生方式接受再充电能量。随放气过程趋于稳定，电池端子间的电压实质上保持恒定并接近其最终值。
在充电的最后阶段，由于电解液搅动作用，在电池端子电压101中出现轻微的增加。电解液搅动作用是由放气过程造成的。搅动作用使得在电池的一系列单元中的每一单元内的电解液变为大体上性质相同，即具有一致的比重(酸浓度)，使得每个单元内的电池反向电动势稳定。通常希望设计出一种考虑到电池的内在结构和充电处理的电池充电系统，以便提供一种所希望的充电过程。
电池充电器采用各种型式的电路设计构成。充电器的电路设计包括铁磁技术和交换技术。各种型式的电池充电器也被设计成能提供一种或多种与充电器的电路设计兼容的被称为“曲线(profile)”或者“算法(algorithm)”的充电处理。通常对曲线加以选择，以求利用充电时电池中的内部变化以延长电池寿命。
一种具有键控为dv/dt＝0的终止模式的充电器典型地提供电池先前耗用的118％至124％电量。
继续参考图1A，电压关于时间的一阶导数104和二阶导数106提供了涉及电池所期望充电要求的附加信息。此外，第一和第二阶电压导数提供了易于检测的清楚的状态过渡。由这些第一和第二阶导数提供的信息提供了为个别电池所特有的可靠判据，从而可对应于该特定电池的处理充电曲线。通过使电池的充电处理基于电压响应特性曲线101的一阶导数104和二阶导数106的选定条件，充电处理可以考虑到某一个电池唯一的和特殊的充电要求来进行，从而可在一特定充电事件中对一特定电池提供适当的过充电量。
在图1A中，以曲线101表示一个经历充电周期的示范性浸渍式深循环铅酸电池的电压特性V(t)，该充电周期受到常规的铁磁谐振充电处理的控制。在充电周期结束时，电压曲线101及其一阶导数(dv/dt)104和二阶导数(d2v/dt2)106间的相互关系可以提供一种有效的时间指示，表明在该时间电池事实上处于与满荷充电状态相比的某一特定状态。对于浸渍式铅酸电池，该特定状态是电池处于大约满荷充电量98％的状态。在图1A中，该状态是以在曲线图的水平时基轴上的点108标记的。
在电压曲线101中，电压随时间而增加，直到充电周期结束为止。在充电周期结束之前，在达到最高点并下降之前电压曲线开始迅速上升。在迅速上升期间，曲线101有一个拐点115，电压在该点停止加速而开始减速。在标绘V(t)的一阶导数的相应曲线104中，在出现V(t)的拐点115的同时，出现V(t)的一阶导数的最大值114。电压曲线101的一阶导数(dv/dt)不会再次升到一个峰值。与电压拐点115相比，dV/dt的这一最大值114提供了98％充电点108的更加准确的指示。
曲线104表示出在经历铁磁谐振方式充电的铅酸电池中，电压对时间的一阶导数(dv/dt)、或者说电压对时间的变化速率上的变化，其特征为曲线106有两个响应峰值。首先，一阶导数104对应于迅速变化的电池电压具有一个高位值。其后随电压曲线101经历一段时间的微小变化，电池电压的变化速率曲线104降低。变化速率的低值之后是变化速率中的第二次迅速提升，这次提升在114处达到峰值，然后下降。峰值114对应于电压曲线101的拐点115，在此点测量到最大斜率。在电压对时间关系曲线101中的拐点115——电压在此点改变得最快，在一阶导数曲线104上具有一个相应的最大值114。在达到一阶导数最大值之后，电压101的变化速率104下降。
经历铁磁谐振充电的铅酸电池的电压对时间函数的二阶导数(d2v/dt2)以曲线106表示。该二阶导数描述曲线104的变化速率，而曲线104则依次描述电压变化的速率。因此，曲线106描述了在电池充电处理期间施加于电池端子的电压值如何加速和减速变化。正如可以从二阶导数曲线106看到的，当一阶导数曲线104达到一个其斜率瞬间等于零的点，如上述的最大值114上的时候，二阶导数为零。
在一阶导数达到最大值而二阶导数具有零值的时间点，该点在时间轴上非常精确地标记为点108，此时以前从电池取用的98％安培小时已被返回给该电池。与一阶导数在数值上的逐渐变化相比，二阶导数(d2v/dt2)从正到负值的突变更易于精确地识别。
对于不同的电池，曲线106上的点108出现于不同时刻(t)，因为这一指标与特定电池的放电初始状态、使用时间和温度特性曲线有关。但是，点108对应于充电过程中所施加的电流128几乎都被用于产生气体的时间。在本发明的实践中，该点被用作一个信号，并且从有关的再充电事件开始所实测到的在该点已经返回给电池的电量被定名为信号电量QS。知道QS的数值及其与电池满荷充电量QF的关系，以及所期望的过充电量的数值QO，就使总的可输送(被输送)的电量QD可以被确定，且因此而能够使充电处理受到控制。如果电池是一个处于80°F的浸渍式铅酸电池，QS＝0.98QF。如果电池处于某一其它温度，QS与QF的关系可以是不同的，但是如果电池温度不是显著低于室温的某个温度，因而，则已经发现关系式QS＝0.98QF的应用是有效的，并产生了显著改进。
输送给一个电池的电量可以用安培小时(“安时”)计量。一个安培小时是在一小时内以一安培电流输送给电池的电荷量。因此，一个完全耗尽的电池所具有的以安培小时定的充电容量乘以若干小时，将等于规定的在一安培充电电流下、使电池返回到满荷充电状态时容量或所期望的满荷充电量的一定分数的安培小时容量。
选择规定的超过满荷充电量QF的过充电量QO的数值，为的是增长电池寿命。在一个示范性实施例中，过充电量的数量被选择成补充电量QR的108％。也就是说在图1A中，X是输送给电池的补充电量已超过8％的时刻，这也是对于电池的再充电事件被终止的时刻。
有效返回给电池以获得期望的调理的电荷量可以通过下列关系式得到(规定的％过充电量)(从充电开始到98％满荷充电量的安培小时)＝(从起始充电到达规定的过充电量的安培小时)(98％))用上面定义的术语，换言之即为QS/0.98＝QD/(1+x) (公式1)其中x是补充电量QR的一个十进制百分比当量，该补充电量将被输送给电池作为过充电量。一个有用和优选的x值是0.10。
时刻T，即图1A中的点112，在时间上是电池被满荷充电即具有电量水平QF的点。通过确定二阶导数的零轴交叉点，可得到电荷量QS。因此，一旦通过充电特性曲线的动态分析得到了QS，即可得到在再充电事件期间待输送的总电量QD。
为借助于上述液态电解质的气体搅动而获得期望的调理程度，要输送给电池的过充电量数值优选处于从大约8％到大约12％的范围内，而最优选的则为大约10％。
图1B和1C是电池分别在80华氏度和122华氏度的充电曲线图，虽然可用任何所期望的曲线，但优选的曲线是恒定功率曲线。在此情况下，电池在相应的再充电事件开始之前输出了135或者136安培小时电量。在每个图中标记了98％及其他百分比的缺损电量被返回给电池的时间点。具有122华氏度温度的热电池达到0.98QF信号点，在时间上早于充电电压的二阶导数达到零值的时刻。但相对于满荷充电量的98％，出现d2v/dt2＝0时的基于温度的漂移是微小的。对这种非常热的电池使用QS＝0.98QF，与其他情况下出现的过充电量相比，会导致电池的过充电量少很多。
图1D和1E分别是电池在80华氏度和48华氏度的充电曲线图。在图示情况下，电池在充电事件开始之前输出了81和82安培小时。在每个图中标记了QC＝0.98QF和QC＝1.09QR的时间点。正如可以从这些曲线图中看到的，凉的电池的信号点沿着电压曲线向右移动。例如，在充电电压的二阶导数为零值的时间点，一个凉电池将不到满荷充电量的98％。当凉电池的二阶电压导数为零值时，被返回给电池的仅仅是满荷充电量的82％。在这样的条件下，采用关系式QS＝0.98QF产生一种对电池而言充电不足的计量，但是不会实质损害电池。在典型的工业温度范围上，当d2v/dt2＝0时，返回给电池的电量百分比将典型地变化于其总充电容量QF的84％至102％。
一种将温度作为一因素纳入处理中的简单方式是直接测量温度，且在处理中将其纳入作为一个因素。但是，增加用以有效测量电池内部温度的温度传感器是昂贵的，并且对典型的充电系统增加了另一种复杂度，这在生产一个低成本而拥有提高的可靠性的充电系统时是不受欢迎的。
图2是一个用于铅酸电池的示范性充电处理流程图。为了对应于电池的98％充电点确定和利用一阶导数和二阶导数信息，执行一种用于确定有关信息的处理。上述的处理例如作为一个具有指令的程序组而实现，该程序组驱动计算机、微处理器或者其他控制装置，包括电池充电系统并且最好是电池充电器的一部分。指令可以存储在易失性或非易失性存储器中，或者存储在海量存储介质上。
在处理开始时，启动指令202以开始充电处理。在下一步骤204中使定时电路初始化。在一个供选择的处理中，定时电路可以用软件实现，诸如用以引导微处理器为一个操作或者操作序列定时。在步骤206记录时间，以便当达到想要的电压条件时，会知道用去的时间。接下来，在步骤208启动对电压的一阶导数和电压的二阶导数的监控。在步骤210，评价二阶导数的数值。如果二阶导数不等于零，在步骤208，该处理继续监控二阶导数。如果二阶导数等于零，在步骤212，该处理继续进行评价。在步骤212，监控电压的一阶导数，以确定是否其已经达到最大值。如果其未曾达到，则在步骤208继续对其进行监控。在步骤212，如果dv/dt被确定是最大值，该处理流程转至步骤214。在步骤214，运用达到满荷充电量98％的实测时间并计算额外的充电时间，以便想要的过充电量的百分比可以被加给电池。执行步骤214包括使用来自定时器的信息和有关输送给电池的总安培的信息去计算QS，并且使用如上所述限定x的期望值(过充电量百分比)的关系式和程序参数去计算QD和QS/QF。
在本发明的一个实施例中，在步骤210和212执行的评价可以互换而不影响处理结果。另外在示范性步骤212中，所执行的对电压一阶导数最大值的确定可以连续进行，或者通过利用为那些本领域技术人员所知的抽样方法进行。
在起始充电时间之后，从充电周期开始直到d2v/dt2＝0为止，在步骤214确定并计算了用于提供想要的过充电量的额外时间量，该处理(步骤216)引导电池被充电一额外的时间量，以提供想要的过充电量。在该额外充电时间过去之后，在步骤218，结束充电周期。
以下是一个有助于确定何时终止按照本发明的电池再充电处理的关系式QS0.98=QD(1+x)]]>其中QS和QD与上文(参见术语表)规定的相同，而x是在电池被满荷充电后施加给电池、以获得想要的电池调理(电解液搅动)的补充电量QR的十进制百分比当量。
假定电池的满荷充电量是1000，而想要的过充电量百分比是8％。如果在再充电事件开始时电池被放电50％，则QS＝0.98(1000-500)＝490，从而QD＝540。Qi+QD＝500+540＝1040，因此在终止再充电事件时过充电量的实际数量是40。
对一个当再充电开始时处于25％容量的电池运用相同的假设(Qi＝250)，QS＝0.98(1000-250)＝735，QD＝810，Qi+QD＝250+810＝1060，从而输送的过充电量是60。同样，如果当再充电开始时电池处于70％容量，QS＝0.98(1000-700)＝294，QD＝324，Qi+QD＝700+324＝1024，从而输送的过充电量是24。
回忆上文，如果电池在其再充电事件开始时被非常深地放电，由于电解液的高度稀释状态，酸性电解液的相对密度低(接近1.00)。当再充电开始时电解液越稀，则在满荷充电时的电解液密度分层将会越大，从而就越需要使电解液通过气体产生而受到搅动，以便通过使电解液在各电池单元上大体同质而恰当地调理电池。反之，如果电池在其再充电事件开始时放电相对较少，酸性电解液将具有较高的起始比重，而在满荷充电时具有低密度分层，并较少需要电解液搅动以恰当调理电池。上述例子表明，本发明输送给再充电电池的只是被确定为是为恰当调理所需的过充电量数值，而不会过分地使电池过充电。电池被过充电的数量是电池在再充电开始时的放电状态的函数。再充电处理的结束点是根据得自电池本身的信息确定的，这是在图2-7中举例说明的电池再充电处理的一个特性。
图3A和3B是监控电池电压的充电处理的流程图。步骤302-316可以与步骤202-216相同。但在这一处理中，除非满足某些最小值条件，否则不终止充电。在该示范性实施例中，电池电压就是一个这样的最低条件。在步骤318监控电池电压。如果已经达到电池电压，比方说每个电池2.45伏，则在步骤320终止充电算法(charging algorithm)。做为选择，对于其他类型的电池可以使用其他电池电压。
如果电池电压未达到每个电池2.45伏，该处理转到图3B中所示字母A。在这个处理中，充电缺省为不终止充电处理、直到一阶导数电压等于零为止的状态。因此，在步骤322继续充电。在充电的同时，在步骤324继续评价一阶导数。如果一阶导数达到零，那么在步骤326终止充电处理。如果一阶导数未达到零，则充电处理继续，直到一阶导数达到零且处理终止为止。
图4A和4B是监控电池电压充电处理和充电时间以产生想要的过充电量的流程图。这一处理是图3所示处理的一个供选择的实施例。在图4A中示出的处理类似于图3A的处理，并且步骤402-426可以与步骤302-326相同。但在这个处理中，除非满足某些最小值条件，否则不终止充电。电池电压可以是一个这样的最小值条件。在步骤418监控电池电压。
如同在一个特定应用中可能希望的那样，如果在若干小时内没有完成充电，在图4A和4B所示处理提供了另一种终止充电周期的备用方案。在所述实施例中，16个小时被认为是完成满荷充电的最大数量时间。做为选择，可用任何适于防止损害电池的时间周期加以替代。
继续图4B，在步骤422继续进行充电处理，同时在步骤424监控一阶电压导数。如果一阶导数达到零，在步骤426终止充电处理。如果一阶电压导数未达到零，该处理转到比较已过去的充电时间与一设定时间的评价步骤428，在这种情况下该设定时间是16小时。在一个实施例中，可以选择任何适宜的时间周期为设定时间。
如果已超出预定的充电时间，可以发送一个视频、音频或其他方式的告警信号或者消息给负责或者监督电池再充电处理的人员(步骤430)。该消息可以包括有关所涉及的充电器的标识信息，用以从可能出现的其他充电器中将其识别出来，如在一队高尔夫球车中的每个车上的电池被同时再充电的时候。一旦通过步骤430激活告警信号，充电周期即在步骤432被终止。如果在步骤428没有超出预定时间，则充电周期继续。
图5是一个供刷新充电用的充电处理流程图。步骤502-516可以与步骤402-416相同。该充电处理可以在步骤518终止。
当电池仍连接到充电器时，在步骤520监控电池的开路电压。如果电池的电压降到一个预置的最小值VMin之下，使得该充电处理重复进行。选择电压VMin为的是提供一个想要的较低电压阈值，充电器将不允许电池下降到该电压阈值以下。充电器使电池保持一定电荷量而令其保持在VMin之上。但是，只要电池保持在低电压阈值VMin之上，充电处理就不会被重新启动，并且在步骤522，整个处理被停止。对VMin选择的数值是基于可接受的剩余电量，该电量是使用者可选择的，或是在充电操作程序中可作为预置值而编程的。
图6是一个充电处理流程图，其监控自从终止电池充电所经过的时间和电池开路电压。步骤602-618可以与步骤502-518相同。在这个监控自从终止电池充电所经过的时间以及电池开路电压的充电处理中，在步骤622，监控自从充电处理终止时起所经过的时间。如果自从充电处理被终止以来，已经过了一个预先确定的时间量，并且电池继续连接到充电装置，则充电处理被重新启动。如果经过的时间未超出该预定时间量，则在步骤624，处理继续进行。如果开路电压小于其预先确定的值VMin，那么充电被重新启动。如果电池开路电压保持在VMin之上，那么在步骤626，处理被终止。
在一个供选择的处理中，在评价自从终止充电处理以来的时间之前，可以监控开路电压。在另一个供选择的处理中，自从终止充电处理用来的时间可以与监控电池开路电压一起，同时受到监控。
图7是本发明的一种形式的流程图，其允许选择不同的充电曲线。在步骤702启动充电处理。接着在步骤704选择一个充电曲线。可能的充电曲线包括恒定电势；修改的恒定电势；恒定电流；铁和铁共振；恒定电流-恒定电势-恒定电流(IEI)；恒定功率-恒定电势-恒定电流(PEI)；而优选的是恒定功率。描述和规定不同曲线的信息可以与充电器的控制方式结合，被包含在一个可寻址存储器中，该可寻址存储器包括在充电器内。
一旦选择了一个充电曲线，即初始化定时电路，并且在步骤706利用所选择的曲线起动处理。接着在步骤708，该处理开始记录经过的时间。在步骤710，该处理监控电压的一阶导数和二阶导数。如果二阶导数等于零(步骤712)，并且一阶导数已经达到最大值(步骤714)，充电处理继续。如果二阶导数未曾达到零，并且一阶导数未曾达到最大值，则连续地监控它们的数值，直到它们达到期望值为止。
一旦达到期望的导数值，即在步骤716计算用于想要的过充电量的额外充电时间，并且对应于想要的过充电量的额外充电时间使电池充电(步骤718)。额外的充电时间可以利用以前选择的充电曲线或者其它充电曲线。一旦用于想要的过充电量的额外充电时间过去，就在步骤720终止该处理。
图8是一个示范性电池充电系统的方框图，该系统利用充电控制算法装置集成电路和诸如适于编程的微处理器的“测量计算和控制装置”(MCCD)。对整流器804的交流输入802在所需电压产生充电电流，该电流经由一个充电处理控制装置集成电路808被施加于电池810。充电处理控制装置集成电路808控制将充电能量施加到电池810。
充电控制装置集成电路808和MCCD配合工作，施加包括一种或多种充电曲线或者说充电处理的充电信号。执行在图2至7中描述过的一个或多个处理的指令可以存储在MCCD 806中。典型存储是通过将一组描述处理的程序指令加载进MCCD之内实现的。做为选择，所述处理可以被集成进一个定制充电处理控制集成电路中，该集成电路可以包括集成电路808的特点和功能。
图9是能够执行一个或多个本发明给电池充电的充电处理的电池充电系统的方框图。交流输入902受到继电器912的控制。交流电源被施加于整流器904从而产生具有纹波成分的直流电压。电压调节器906减少在该直流电压中的变化。经调节的直流电压被施加于一个常规构造的串接通路元件908，其与常规构造的限流装置910配合工作，以经由继电器914的触点提供对电池916所需电流和电压。施加于电池的电流由常规安培计918监控。该安培计监控流入一个导电体中的电流瞬时值。在一个供选择的方案中，可用传统的平均值安培计指示出流经该导电体的平均电荷。在另一个供选择的方案中，可用传统的累加安培计提供流过导电体的总电荷量指示。在电池端子之间的电压由电压表920监控。得自安培计和伏特计的信息可以提供给MCCD 806。
在电池916的两端间的电压也被提供给微分电路922，该微分电路计算电压的一阶导数。这样的电路通常可以如在930处所示构成。微分电路典型地包括运算放大器A、电阻R和电容器C，通过本领域技术人员所知的方式相连接而构成一个微分电路。一个电压Vi被施加于该微分电路的输入端。信号输出Vo等于-RC(dV/dt)。
一阶导数电路922的输出被馈送给一个峰值检测器928。当检测到最大的一阶导数信号时，一个指示被提供给MCCD 806。一阶导数数据处理电路的输出也被馈送给二阶导数数据处理电路924。这一电路只不过是在922中的电路的复制品。二阶导数电路924的输出被馈送给一个过零检测器926。该过零检测器是一个检测信号极性跃变的电路，诸如何时电压从正变到负且必定穿过零伏数值。过零检测对应于搜索图1的电压曲线101中的拐点115的检测。过零检测的指示被提供给MCCD 806。在包括本发明一个实施例的所述处理控制之下，MCCD控制经继电器914施加充电电流和电压。MCCD还可以经由继电器912控制交流输入的工作。
优选的是，图9所示充电系统的部件被安装在一个普通的充电器外壳中。该充电器通常可以是与电池或者其中设置有电池的东西(例如高尔夫球车)中分开的。但若需要，所述充电系统的某些组件或所有组间实际上例如可以作为高尔夫球车上的与电池有关的元件。
可见，本发明提供了用于对深循环型浸渍式铅酸电池充电的装置和方法，其方式可有效地使电池充电，但是不使电池过度充电而达到降低电池寿命的程度。以一定量使电池过充电，该一定量是一个选定的、需于使电池在完成其上一个工作周期之后处于满荷充电状态的充电能量的百分比。在本发明的实践中完成的再充电事件固有地允许和考虑到一些因素如电池、使用时间和影响充电效果与效率的固有特性。
虽然以上参考使一个电池再充电而描述本发明，应明白，举例来说，本发明还适用于再充电一组可以在电动高尔夫球车或某种其它电动交通工具或者设备中遇到的电池，或者一组与光致电压的电力系统结合使用的电池。
以上优选实施例和其他实施例以及本发明的形式的描述是通过举例方式进行的，该描述并非可以体现或借助于本发明的装置或方法的所有形式的一览表。涉及本发明的本领域技术人员将明白，无需脱离本发明的范围，即可受益于使用所描述的装置和方法的各种各样的变化和改进。
权利要求
1.一种用于对深循环铅酸电池充电的方法，包括对该电池施加充电能量；在充电处理中识别98％充电点；监控以安培小时计提供的电量；确定所要施加的将该电池过充电至大体为满荷充电量的110％的剩余充电能量；将该剩余充电能量施加给该电池。
2.根据权利要求1的用于对深循环铅酸电池充电的方法，其中确定该98％充电点的步骤包括确定何时施加的充电电压对时间(dv/dt)的变化率是最大值；和确定何时该电压关于时间的加速度(d2v/dt2)是零。
3.根据权利要求1的用于对深循环铅酸电池充电的方法，其中确定该剩余充电能量的步骤包括使0.98与被施加的将该电池充电至其充电容量的98％的该充电能量的乘积，除以所需过充电量的百分比的一个十进制当量。
4.根据权利要求1的用于对深循环铅酸电池充电的方法，其中确定该剩余充电能量的步骤进一步包括在终止计算得出的所需过充电之前，监控电池单元充电电压；延长充电时间，直到该充电电压对时间的变化率(dv/dt)是零为止。
5.根据权利要求4的用于对深循环铅酸电池充电的方法，其中该延长充电时间的步骤进一步包括一旦超过一预定时间，即终止充电。
6.根据权利要求5的用于对深循环铅酸电池充电的方法，其中该预定时间大约是16个小时。
7.根据权利要求1的用于对深循环铅酸电池充电的方法，其中进一步包括以下步骤监控开路电池电压；如果该开路电压降到所需电平以下则启动充电。
8.根据权利要求1的用于对深循环铅酸电池充电的方法，进一步包括以下步骤从上一次充电程序起，经一预定时间之后，启动充电。
9.一种用于对浸渍式深循环铅酸电池充电的方法，包括以下步骤根据一选定充电曲线，对该电池施加充电能量；在处理中识别这样一个点在该点的电池状态对该电池的满荷充电状态具有一种已知关系，且确定从该处理开始直到该点，输送给该电池的该充电能量的第一量；确定进一步充电能量的第二量，当该第二量被施加到该电池时，适于以一个与该第一量相关的选定量使该电池被过充电；并且，将该第二量施加到该电池。
10.一种用于对浸渍式深循环铅酸电池充电的方法，包括以下步骤对该电池施加充电能量；借助于利用关于处理中在dv/dt为最大值且d2v/dt2＝0时的一点、输送给该电池的充电能量的数量的信息，以输送到该电池的数值及其dv/dt以及d2v/dt2情况的形式，监控该充电能量，确定和输送给该电池在该点之上附加至所述数量的一规定数值的充电能量，该规定数值的充电能量适于使该电池过充电至与所述数量相关的预定程度。
11.一种用于对浸渍式深循环铅酸电池充电的方法，包括以下步骤对该电池施加等于该电池起始的缺损电量的一定数量的充电能量；和对该电池施加充电能量的另一增量，该另一增量适于使该电池被过充电到作为该缺损电量的一个选定百分比而预先确定的程度。
12.一种用于对深循环铅酸电池充电的电池充电装置，包括直流电源；伏特计；安培计；定时器；dv/dt测量电路；和d2v/dt2测量电路。
13.根据权利要求1的装置，包括与所述直流电源、安培计、定时器和dv/dt及d2v/dt2测量电路连接的控制器，该控制器被配置用于确定当一电池基本处于满荷充电的一预定百分比时在电池再充电事件中的点，并根据关系式Qs/p＝QD(1+x)确定QD的值，其中Qs是从该再充电事件开始直到该电池大体具有规定百分比的满荷充电量的点的时间间隔中输送给该电池的充电能量的安培小时数，p是该规定百分比的十进制当量，x是要输送给该电池作为过充电量的补充电量的所需百分比数量的十进制当量，而QD是从该再充电事件开始到达到该过充电量所要输送给该电池的安培小时数。
14.根据权利要求2的装置，其中该p的数值大体是0.98。
15.根据权利要求2的装置，其中x处于从大约0.08到大约12的范围内。
全文摘要
描述了一种用于对铅酸电池充电而有利于延长其寿命的方法。充电处理的终止是基于所施加充电电压的一阶导数(dv/dt)和二阶导数(d
文档编号H02J7/10GK1559098SQ01823689
公开日2004年12月29日 申请日期2001年10月3日 优先权日2001年10月3日
发明者W·B·布鲁希特, W B 布鲁希特 申请人:特洛伊电池公司