專利名稱：用于電池充電的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制浸漬式深循環(huán)鉛酸電池的再充電處理終止的方法。尤其涉及，其關(guān)于提供給上述的電池一些再充電能量的步驟，該再充電的能量直接與按照上一次先前電池充電事件泄放的能量有關(guān)系。其還關(guān)于用于實現(xiàn)上述的步驟的裝備。
背景技術(shù)：
有許多不同種類的可再充電的貯電電池是公知的，如鎳鎘、鎳金屬混合物(nickel metal hydride)、鎳鐵、鋰、銀鎘和深循環(huán)鉛酸電池。深循環(huán)鉛酸電池不同于例如在常規(guī)車輛中使用的SLI(起動、點火(lighting)、觸發(fā)(ignition))鉛酸電池；SLI電池不是被設(shè)計或者說構(gòu)造用于承受實質(zhì)上重復的循環(huán)放電和再充電，因此不是在本發(fā)明意義上的可再充電電池。
諸如根據(jù)美國專利4,392,101和4,503,378，已知某些與類別無關(guān)的可充電電池的特征在電池再充電期間是變化的，這種變化以各種方式表明電池處于滿荷充電或處于某一未達到但接近滿荷充電狀態(tài)的相對可預測的點。這些專利和其他出版物描述了用于監(jiān)控這些特征和用于檢測它們的特定事件、條件或狀態(tài)的裝置和方法，以及對應(yīng)于預定時間或者以預定方式，利用上述檢測終止電池充電處理或者繼續(xù)充電。這些預定方式典型采用的充電處理與那些在檢測事件時使用的不同。這些充電事件檢測方法被稱為拐點分析方法，因為它們依靠檢測在基于時間的特性曲線中的某些拐點，其中上述特性曲線例如描述在充電處理時在電池電壓或電池電流方面的變化。雖然迄今為止所描述的拐點分析適用于控制大多數(shù)類型可再充電電池的再充電，但對于控制浸漬式深循環(huán)鉛酸電池的再充電，其中電池電解液是某種未封閉于任何支持基質(zhì)(supporting matrix)如凝膠中的液體(通常是硫酸)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)迄今為止所描述的拐點分析作用并不令人滿意。
浸漬式深循環(huán)鉛酸電池(flooded deep-cycle lead acid battery)被廣泛用作電力交通工具如高爾夫球車、叉式起重車以及杠桿式升降機車輛的能源。它們也被用作醫(yī)院及其他建筑物和設(shè)施中的非中斷電源和光電動力裝置的組成部分。迄今所描述的拐點分析技術(shù)為何不適于控制浸漬式深循環(huán)鉛酸電池的理由，舉例來說可以通過電動高爾夫球車中對這類電池的使用來理解。
電動高爾夫球車是由大約4、6組浸漬式深循環(huán)鉛酸電動電池供電的。在一個假定的高爾夫球場上，有一隊這樣的高爾夫球車可供高爾夫球手使用。隊中的不同車輛可在其中裝有比隊中其他車輛更舊的電池。一些車輛可以使用得比其他車輛更頻繁。一些車輛在給定的一天可以比其他車輛使用更久。一些車輛在給定的一天會經(jīng)歷比其他車輛更嚴酷的使用情況，這除了其它原因外還取決于高爾夫球手的使用情況或者所穿越地形上的差別。同樣眾所周知的是，即使隊中的所有電池來自同一制造商并具有相同的標定壽命，但在各類電池間仍會產(chǎn)生有長久影響的變化，而這影響到電池的性能、壽命，并且重要的是影響到它們?nèi)绾雾憫?yīng)再充電處理。因此，在一天結(jié)束、要為該隊中的高爾夫球車再充電時，各個車輛的電池的放電狀態(tài)間會有顯著差別，由此在需要如何從一輛車到另一輛車為電池充電方面也會有顯著差別。整隊范圍平勻再充電的處理將使某些電池充電不足，或更可能的是，實際上許多電池將實質(zhì)上過充電。這種電池實質(zhì)上過充電降低了電池壽命。非常普遍的是，受雇為高爾夫球車隊再充電的人員并不了解實際上過充電的結(jié)果，以及如何確定過充電何時出現(xiàn)。因此，希望能用避免實質(zhì)過充電的裝置和方法使在電動高爾夫球車中所用的電池再充電，并且希望以根本上可適應(yīng)和處理電池之間由于放電狀態(tài)、壽命以及制造改型(除其他因素外)而產(chǎn)生的差別的方式來進行電池再充電。
深循環(huán)鉛酸電池被設(shè)計成能承受從滿荷充電狀態(tài)放電以及從某個放電狀態(tài)重新充電到滿荷充電狀態(tài)的重復循環(huán)。與不使用液體電解質(zhì)的其他類型的可再充電電池相比，浸漬式深循環(huán)鉛酸電池的液體酸性電解液具有特殊條件，其要求一個給定的電池，或者給定的一組彼此配合重復使用的小數(shù)量電池，以這樣一種方式重新充電在一定程度上，相對于電池在充電事件開始時刻的狀態(tài)，提供受到控制的過充電量。換句話說，浸漬式深循環(huán)鉛酸電池的有效重新充電理論上應(yīng)包括受控的過充電量，該過充電量是根據(jù)電池在其上一次工作周期(上一次充電事件后的使用期)中(通過放電)取用的能量數(shù)值而確定的。其理由與液體電解質(zhì)在前一工作周期和其后再充電事件期間發(fā)生的事有關(guān)。
隨著鉛酸電池的一個單元放電，電解液中的酸性離子移動到該單元的電極，而氧原子則從該單元的活性材料移動到電解液內(nèi)與電解液氫離子形成水。因此，電解液酸就逐漸變得更稀薄，并且其比重逐漸地從較高的起始比重接近1.0。當該單元被再充電時，離子交換過程是反向的，從而使電解液酸和活性材料再生。如果單元中的電解液作為自由液體存在(即電池是浸漬式的)，與存在于凝膠基質(zhì)中的形成對比，則重于稀釋電解液的再生的酸當其產(chǎn)生時就沉到該單元底部。隨再充電處理繼續(xù)，越來越多濃縮的再生酸聚集在單元底部。此刻，該單元的活性材料已被充分再生，該單元從理論上說在庫侖基礎(chǔ)充分地充電了。但是因為電解液的分層，對用于輸送所存儲的電能而言，該單元并未處于良好狀態(tài)。電解液在整個單元中不是酸性均勻的，所以在再生活性材料的整個區(qū)域上，再生的酸性電解液沒有均勻地與再生的活性材料有效地接觸；如果此時要用該單元放電，放電電化學過程將主要出現(xiàn)在電池的底部，這里電解液酸過度地集中。該單元將不會在所需電平上釋放能量，并且在單元底部過度濃縮酸將使得相鄰的活性材料過快地老化。其結(jié)果是該單元性能達不到要求，而在某種意義上實質(zhì)上降低了電池壽命。
對于鉛酸電池單元的再充電處理，在直接處于活性材料完全再生之前的那部分處理中，在單元中產(chǎn)生作為再充電處理的一個標準部分的氣體。氣泡穿過電解液上升到單元頂部，而且在處理中促使電解液在單元中循環(huán)(攪動)。但是，如果在活性材料完全再生時終止再充電處理，則已產(chǎn)生的氣體發(fā)生量將不足以充分地攪動電解液，而使其在整個單元中具有相同的酸濃度(一致的比重)的性質(zhì)。因此緣故，通常的做法是在滿荷充電點之上繼續(xù)進行浸漬式深循環(huán)鉛酸電池的再充電處理，即使氣體發(fā)生過程延長一段時間，以使再生電解液攪動足夠。也就是說，有意地使該單元過充電。
現(xiàn)行的辦法是以一預定量令包含多個單元的上述電池過充電，該預定量被限定為適于在一個或多個需要最大攪動的單元中充分攪動電解液的量；過充電的該預定量的限定基于這樣的假設(shè)該單元在其前一工作周期中已最大限度地放電，而且該單元具有一定的壽命、狀態(tài)和溫度等屬性。但是，如以上關(guān)于一隊電動高爾夫球車的操作的描述所顯示的，該假設(shè)關(guān)于需要再充電的電池的基本部分是不恰當?shù)?。因此，依靠這種關(guān)于要應(yīng)用到再充電浸漬式深循環(huán)鉛酸電池充電最后階段的過充電量的假設(shè)，會使大量的(如果不是多數(shù)的話)電池被有長久影響地過充電。上述這種電池有長久影響的過充電，尤其是若重復超過幾次的話，實質(zhì)上降低了這類電池的有效壽命。
上文描述提供了一個基礎(chǔ)，用以了解現(xiàn)有的描述拐點分析技術(shù)在應(yīng)用于浸漬式深循環(huán)鉛酸電池的再充電、控制電池再充電處理時為什么是有缺陷的。
美國專利4,392,101是一個在控制可再充電電池的再充電方面利用拐點分析的早期描述。其指導可再充電電池通常具有大致相同的對再充電處理的響應(yīng)特性。其指導如果在再充電期間的電池電壓或電流例如相對于時間以圖形標繪，則得到的電壓/時間或者電流/時間關(guān)系曲線將具有廣泛的相似性。在啟動充電處理之后，與用于構(gòu)造電池單元的特定材料無關(guān)，這些特性曲線將顯示出至少一對拐點，圖形曲線在該拐點產(chǎn)生曲率反轉(zhuǎn)即轉(zhuǎn)折。該專利公開了這些拐點表明或者說表示出電池對所施加充電能量的響應(yīng)的不同狀態(tài)，并且對于每種類型的單元，這些轉(zhuǎn)折在處理中出現(xiàn)于相對可預測的時刻——在電池達到滿荷充電狀態(tài)之前或者在電池達到滿荷充電狀態(tài)的時刻。該專利公開了拐點出現(xiàn)的可預測性通常不受諸如電池實際電壓、個別單元的特性、特殊充電歷史、或?qū)嶋H周圍溫度狀況等因素的影響。該專利公開了拐點可以通過觀察被監(jiān)控電池特性(電壓或電流)關(guān)于時間的一階導數(shù)或者二階導數(shù)的狀態(tài)或者說符號來識別。尤其是該專利指導了在充電處理期間，二階導數(shù)曲線將穿過零軸(導數(shù)的符號將從正變?yōu)樨摶蛳喾?至少兩次，且該導數(shù)的第二次零軸相交將出現(xiàn)于電池達到滿荷充電的時刻，或者將出現(xiàn)于獲得滿荷充電之前不久的某個區(qū)間。但是，在鉛酸電池的例子中，該專利未試圖描述何時出現(xiàn)相對于滿荷充電電壓的該基于時間的二階導數(shù)。該專利主要描述的是在鎳鎘電池的背景下，在檢測到該導數(shù)的第二次零軸穿越后，使再充電終止一段預定時間。鎳鎘電池不使用作為化學處理的一部分出現(xiàn)的可變密度電解液，因而這類電池不受益于過充電或需要過充電措施。
美國專利4,503,378對鎳鋅電池應(yīng)用了拐點分析再充電控制，并且公開了對于該類型電池，一旦出現(xiàn)第二例電池電壓關(guān)于時間的二階導數(shù)的符號改變(零軸相交)，再充電即被終止。該專利還注意到在二階導數(shù)從正到負與零軸相交的同一時刻，電池電壓關(guān)于時間的一階導數(shù)值為最大值或者峰值，這一個事實使二階導數(shù)的零軸相交能夠被確認。
標題為“通過檢波電壓拐點在15分鐘內(nèi)安全地對電池充電(Chargebatteries safely in 15 minutes by detecting voltage inflection points)”的論文發(fā)表于1994年9月1日發(fā)行的EDN雜志上。該論文主要著眼點是鎳鎘電池的快速再充電。其認為拐點分析還適用于鉛酸電池。在這一點上，該論文陳述“在鉛酸電池中，在電池達到滿荷充電之前，在一個可預測的時間間隔上出現(xiàn)第二個dV/dt拐點，但是根據(jù)電池的安培小時額定容量，你可以容易地導出獲得滿荷充電量所需要的額外充電持續(xù)時間”。出于至少兩個原因，該項陳述并未對如何依據(jù)電池對再充電的實際需要而高效、可靠和實用地為浸漬式深循環(huán)鉛酸電池充電但又不使其有長久影響地過充電的問題提供一種解決方案。首先，鉛酸電池的Ahr(安培小時)額定容量不是一個可以從工藝信息中準確確定的精確數(shù)值。反之，這是電池制造商作為特定于該制造商的商業(yè)因素的結(jié)果而給一種型號或者類型的電池指定的數(shù)值，上述商業(yè)因素例如為銷售目標、保修措施及其他因素。電池的安培小時額定容量僅僅是制造商在或許未指明的條件下，對該型號或者類型的標準電池的預期性能的聲明。對于一特定電池在完成一個特定工作周期后的充電需要，即在經(jīng)歷一個再充電事件之前該電池放電的深度，尚無可靠關(guān)系。其次，安培小時額定容量是一個需要從不同于電池本身的來源知道的數(shù)值。而需要的是一種利用得自電池本身的信息對浸漬式深循環(huán)鉛酸電池充電的方法，上述信息描述了電池的放電狀態(tài)，并且該信息可用于僅使電池過充電到足以充分地攪動再生的電解液的程度。
無論是上面引用的專利還是EDN雜志文章，均未考慮到在再充電處理開始之前電池放電的狀態(tài)。它們不涉及如何方可將有關(guān)放電狀態(tài)的信息用于控制電池再充電的知識。但是除以上這些描述之外，已知的還有實際上可與電池如高爾夫球車中電池相連接的一種集成安培計(安培小時計)，其始終隨電池一起移動。當電池在一個工作周期后被接到充電器上的時候，該“車上”安培小時計被連接到該充電器，因此它可以與充電器交換在前一工作周期中從電池取用的安培小時數(shù)值。該信息在充電器中被提供給一個計算和控制裝置，該裝置通過使實測的安培小時值乘以所需系數(shù)(例如1.10或者說110％)，計算出要輸送給電池的總電荷量，所需系數(shù)是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)足以在電解液中產(chǎn)生攪動的系數(shù)。然后，充電器中的計算和控制裝置監(jiān)控由充電器返回給電池的安培小時值。當達到對應(yīng)電荷返回量的計算值的時候，計算和控制裝置就指令充電器終止充電處理。雖然這種方法有效，但其受困于增加了從安培小時計對充電器交換與電池有關(guān)數(shù)據(jù)的復雜度。該方法還受困于配備每個電池或者每個工作組電池而增加的費用，其中每個電池或者每個工作組電池具有其自身的捕獲式(captive)安培小時計，該安培小時計必須被特別構(gòu)造以便電池環(huán)境中生存。該方法與拐點分析無關(guān)，并在本領(lǐng)域內(nèi)具有明顯的實際問題。
因此顯而易見，需要有這樣一種可利用的裝置和方法它們可以被具備極少或完全不具備電池技術(shù)知識的人員有效地、實用地和可靠地使用，以適當?shù)厥菇n式深循環(huán)鉛酸電池再充電而無需令任何一個或一小組電池有長久影響地過充電。為滿足這種需要，上述這種和方法應(yīng)有效地處理并適應(yīng)對一個電池或者規(guī)定的一小組電池的實際再充電和電解液攪動需要。術(shù)語“規(guī)定的小組”指的是多個電池，諸如那些安裝在一給定電動高爾夫球車上的電池，它們大多具有相同的使用時間，將經(jīng)歷相同的使用歷史，并且在上一次被作為一組再充電與所關(guān)心的本次再充電事件之間的時間間隔中分擔相同的工作周期。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上文，本發(fā)明解決的是本領(lǐng)域此前未曾解決的問題情況，為的是提供這樣的方法和裝置借助于該方法和裝置，浸漬式深循環(huán)鉛酸電池可以單獨地或者以規(guī)定的小組、依據(jù)實際的再充電要求和最小限度的過充電處理進行再充電。本發(fā)明以新的方式運用了拐點分析原理，針對出現(xiàn)在包括新型計算和控制裝置的充電器前的電池或電池組的需要，定制每一電池充電事件。有效地和可靠地提供和獲取這些益處和優(yōu)點，并不要求在如何制造或使用電池上作任何變化。技術(shù)維護人員僅需要對于電池連接和斷開充電器。
無需依靠與電池相匹配的安培小時計，有關(guān)再充電要求的信息是由充電器在充電處理進行時從電池本身獲得的。也就是說，在再充電處理開始之前，充電器并不知道、也不需要知道電池的放電情況。本發(fā)明最大限度地保護電池本身，并且可以導致電池壽命延長。
就方法而言，本發(fā)明提供了一種用于對鉛酸電池充電的方法。該方法包括監(jiān)控在執(zhí)行處理期間的電池電壓，記錄充電時間，并且監(jiān)控提供給電池的以安培小時計的電荷量。該方法還包括在充電處理中確定這樣一個點電池在該點具有一定狀態(tài)，該狀態(tài)對滿荷充電狀態(tài)具有一種已知關(guān)系；并且確定高于滿荷充電點的可輸送給電池的充電能量數(shù)值，該數(shù)值等于在所述處理開始和電池達到滿荷充電點之間的可輸送能量的所需部分。
就其結(jié)構(gòu)方面而言，本發(fā)明提供了一種用于對鉛酸電池、最好是深循環(huán)鉛酸電池充電的充電器。該充電器包括直流電源、伏特計、安培計、定時器、dv/dt測量電路，以及d2v/dt2測量電路。
更具體地說，充電器還包括與上述直流電源、安培計、伏特計、定時器和dv/dt以及d2v/dt2測量電路連接的控制器。該控制器被配置用于在電池再充電事件中確定當電池處于實際上滿荷充電量的一個預定百分比時的時刻，并根據(jù)關(guān)系式(QS/p)＝[QD(1+x)]確定QD的數(shù)值，其中QS是從事件開始到d2v/dt2＝0且dv/dt為最大值時的時間間隔中輸送給電池的充電能量的安培小時，p是當d2v/dt2＝0時輸送給電池的補充(replenishment)電量的一個十進制百分比當量，x是作為過充電量要輸送給電池的補充電量的所需百分比數(shù)值的十進制當量，而QD是從最初事件開始直到達到過充電量時要輸送給電池的安培小時。如果預定的滿荷充電百分比是98％，則p＝0.98。


根據(jù)附圖閱讀下面詳細說明，將更好地理解本發(fā)明的這些及其他特點和優(yōu)點，附圖中圖1A是取一典型充電周期的時間得出的一個鉛酸電池的端子電壓和電流特性曲線圖，該鉛酸電池以常規(guī)的鐵磁諧振充電器充電；圖1B和1C是同一電池分別在80華氏度和122華氏度的充電曲線圖，該電池按照一個工作周期大約135安培小時放電；圖1D和1E是同一電池分別在80華氏度和48華氏度的充電曲線圖，該電池按照一個工作周期大約81安培小時放電；圖2是一個浸漬式深循環(huán)鉛酸電池的充電處理實施例的流程圖；圖3A和3B是一個充電處理實施例的流程圖，該充電處理實施例監(jiān)控電池電壓；圖4A和4B是一個充電處理的實施例的流程圖，該充電處理實施例監(jiān)控電池電壓和充電時間；圖5是一個供刷新充電(refersh charging)用的充電處理實施例的流程圖；圖6是一個充電處理實施例的流程圖，該充電處理實施例監(jiān)控始自充電結(jié)束的時間和電池開路電路電壓；圖7是一個允許選擇不同充電曲線的本發(fā)明實施例的流程圖；圖8是一個電池充電系統(tǒng)實施例的系統(tǒng)方框圖，該電池充電系統(tǒng)利用了充電處理控制裝置IC和測量、計算及控制裝置(“MCCD”)；圖9是一個電池充電系統(tǒng)實施例的系統(tǒng)方框圖，該電池充電系統(tǒng)利用了本發(fā)明給電池充電的方法的實施例。
術(shù)語表滿荷充電量QF 電池處于全額蓄電量的狀態(tài)，且繼續(xù)施加充電能量對于電極或電極激活材料沒有有益效果；初始狀態(tài)電量Qi在電池再充電事件或者說處理開始時電池所擁有的殘余電量；補充電量QR為具有初始狀態(tài)電量的電池所吸收而使其返回滿荷充電狀態(tài)的以安培小時計量的充電能量值；QR＝QF-Qi
缺損電量在電池的滿荷充電量和初始狀態(tài)電量之間的差值，該電量等于補充電量QR。
過充電量QO 在再充電事件或者說處理中，在電池達到滿荷充電量之后直到該事件或處理結(jié)束之前，輸送給電池的以安培小時計量的充電能量值；這是輸送給電池的額外能量，為的是使電池在其下一工作周期中有良好表現(xiàn)；在本發(fā)明的實踐中，其數(shù)值直接與補充電量的數(shù)值相關(guān)；工作周期在電池充分地再充電之后，內(nèi)設(shè)電池或與電池連接的裝置處于使用情況下電池輸送能量的時間；在一個工作周期結(jié)束時的電池電量是在下一個再充電事件或者處理中該電池的初始狀態(tài)電量；庫侖電量QC任何關(guān)心的時刻電池所擁有的電量值；輸送電量QD在電池再充電事件或者處理開始和結(jié)束之間的時間間隔內(nèi)輸送給電池以安培小時計的能量；在本發(fā)明的實踐中，該電量是補充電量和過充電量安培小時之和，即QD＝QR+QO；信號電量QS在以開始再充電處理為起點而以其后該處理中的某一點為終點的時間間隔中，輸送給電池的以安培小時計的電量值，在上述處理中的該終點，電池因其特定的電化學性質(zhì)而具有一種可檢測得到的狀態(tài)，指示電池充電水平具有相對于滿荷充電量的特定關(guān)系；在本發(fā)明說明書中，該電量值與鉛酸電池電化學性質(zhì)有關(guān)，而上述可檢測狀態(tài)是電池電壓的二階時間導數(shù)的零值與電池電壓的一階時間導數(shù)的最大值同時出現(xiàn)。
具體實施例方式
圖1A是取一典型充電周期的時間得出的一個鉛酸電池的端子電壓和電流特性曲線圖，該鉛酸電池以常規(guī)的鐵磁諧振充電器充電；圖示特性是電壓、電流以及電壓關(guān)于時間的一階和二階導數(shù)。上述充電特性曲線典型地是以鐵磁諧振電池充電器對鉛酸電池充電時觀察到的。鐵磁諧振充電器典型地包括變壓器和整流器電路，其影響到描述在電池充電事件中電流128和電壓101變化方式的特性曲線的特有形狀。在完成一個充電周期時，充電周期的持續(xù)時間和施加于電池的再充電能量速率確定了返回給電池的電荷量。為了使浸漬式鉛酸電池充分充電，一種典型做法是延長充電，即在電池已經(jīng)達到流入電池的充電電流已經(jīng)顯著減少的狀態(tài)后使電池過充電。
將鉛酸電池過充電量控制到一個固定的、取自緊接著的前一工作周期的安培小時百分比，通常會大幅提高電池的壽命。過充電參數(shù)典型地是基于為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的變化的判據(jù)選擇的。因此，一個充電到取自前一工作周期的固定的安培小時百分比的電池相比于一個可比的、每次被再充電時收到固定的按電池總充電容量規(guī)定的百分比的過充電量的電池，通常具有更長壽命。因此，當再充電開始時，了解和利用初始的電池放電狀態(tài)有助于確定輸送給電池的最佳過充電量。
在圖1A中，在鉛酸電池充電期間的電壓特性曲線101被顯示為是時間的函數(shù)。實測電壓是在充電周期期間的不同時刻出現(xiàn)于電池各端子之間的電壓。響應(yīng)一個施加的充電電流128的給定值，電池的每個充電周期的特定電壓特性曲線101作為該電池的溫度和內(nèi)部條件的函數(shù)而變化，電池的溫度和內(nèi)部條件則通常是電池使用時間的函數(shù)。溫度和電池的使用時間兩者都不是為一個典型的充電裝置所知的。因此，基于電壓的絕對值而判斷一個連接到充電器的電池的缺損電量的基礎(chǔ)也許并不可靠。
以浸漬式鉛酸電池的固有電壓時間特性為基礎(chǔ)，確定電池缺損電量的安培小時則更加可靠。優(yōu)選使用的固有電壓時間特性(參見圖1A)是作為時間函數(shù)的電壓V(t)(曲線101)、電壓隨時間的變化率dv/dt(曲線104)、及電壓隨時間的加速變化率d2v/dt2(曲線106)。
電池的電壓V(t)，正如在其外部端子上實測到的，在一個充電周期中響應(yīng)施加的充電電流I(t)而變化(圖1A中的曲線128)。施加到電池的端子間的電壓和進入電池內(nèi)的充電電流通過電池內(nèi)電阻與反向電動勢(開路電壓)而相互關(guān)聯(lián)，該反向電動勢典型地在一個充電周期中是變化的。
在一個給定時刻，電池的內(nèi)電阻是由一系列導電單元確定的，該導電單元構(gòu)成配置在電池的電解液中的電池格柵結(jié)構(gòu)。在充電周期開始時，或者說t＝0時(參見圖1A中的點116)，初始電池電壓Vi是開路電壓。在充電周期開始時，由充電器提供的電流典型地處于其充電周期中的最高值Ii(點126)。
在一個典型的充電處理期間，電池電壓101最初是一個低值Vi，迅速增加到一個中間電壓，電壓再由此中間電壓緩慢上升一段時間，此后，電壓再次迅速以增大斜率上升，而其最終達到最后的滿荷充電電壓Vi。當電池充電時，由于在充電處理中產(chǎn)生熱，并且由于電解液的比重上升，電池反向電動勢上升。當電池充電時，由于電池電壓101隨電池阻抗增大而同步提高，充電器所提供的電流128隨之降低。
在充電的最后階段，在電池反向電動勢中的進一步增加是因電解液隨所施加的能量分解而產(chǎn)生氫氣和氧氣造成的，該現(xiàn)象被稱作“放氣”。當電池接近和達到滿荷充電狀態(tài)時就出現(xiàn)放氣，并且電池成部分不再能以可再生方式接受再充電能量。隨放氣過程趨于穩(wěn)定，電池端子間的電壓實質(zhì)上保持恒定并接近其最終值。
在充電的最后階段，由于電解液攪動作用，在電池端子電壓101中出現(xiàn)輕微的增加。電解液攪動作用是由放氣過程造成的。攪動作用使得在電池的一系列單元中的每一單元內(nèi)的電解液變?yōu)榇篌w上性質(zhì)相同，即具有一致的比重(酸濃度)，使得每個單元內(nèi)的電池反向電動勢穩(wěn)定。通常希望設(shè)計出一種考慮到電池的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和充電處理的電池充電系統(tǒng)，以便提供一種所希望的充電過程。
電池充電器采用各種型式的電路設(shè)計構(gòu)成。充電器的電路設(shè)計包括鐵磁技術(shù)和交換技術(shù)。各種型式的電池充電器也被設(shè)計成能提供一種或多種與充電器的電路設(shè)計兼容的被稱為“曲線(profile)”或者“算法(algorithm)”的充電處理。通常對曲線加以選擇，以求利用充電時電池中的內(nèi)部變化以延長電池壽命。
一種具有鍵控為dv/dt＝0的終止模式的充電器典型地提供電池先前耗用的118％至124％電量。
繼續(xù)參考圖1A，電壓關(guān)于時間的一階導數(shù)104和二階導數(shù)106提供了涉及電池所期望充電要求的附加信息。此外，第一和第二階電壓導數(shù)提供了易于檢測的清楚的狀態(tài)過渡。由這些第一和第二階導數(shù)提供的信息提供了為個別電池所特有的可靠判據(jù)，從而可對應(yīng)于該特定電池的處理充電曲線。通過使電池的充電處理基于電壓響應(yīng)特性曲線101的一階導數(shù)104和二階導數(shù)106的選定條件，充電處理可以考慮到某一個電池唯一的和特殊的充電要求來進行，從而可在一特定充電事件中對一特定電池提供適當?shù)倪^充電量。
在圖1A中，以曲線101表示一個經(jīng)歷充電周期的示范性浸漬式深循環(huán)鉛酸電池的電壓特性V(t)，該充電周期受到常規(guī)的鐵磁諧振充電處理的控制。在充電周期結(jié)束時，電壓曲線101及其一階導數(shù)(dv/dt)104和二階導數(shù)(d2v/dt2)106間的相互關(guān)系可以提供一種有效的時間指示，表明在該時間電池事實上處于與滿荷充電狀態(tài)相比的某一特定狀態(tài)。對于浸漬式鉛酸電池，該特定狀態(tài)是電池處于大約滿荷充電量98％的狀態(tài)。在圖1A中，該狀態(tài)是以在曲線圖的水平時基軸上的點108標記的。
在電壓曲線101中，電壓隨時間而增加，直到充電周期結(jié)束為止。在充電周期結(jié)束之前，在達到最高點并下降之前電壓曲線開始迅速上升。在迅速上升期間，曲線101有一個拐點115，電壓在該點停止加速而開始減速。在標繪V(t)的一階導數(shù)的相應(yīng)曲線104中，在出現(xiàn)V(t)的拐點115的同時，出現(xiàn)V(t)的一階導數(shù)的最大值114。電壓曲線101的一階導數(shù)(dv/dt)不會再次升到一個峰值。與電壓拐點115相比，dV/dt的這一最大值114提供了98％充電點108的更加準確的指示。
曲線104表示出在經(jīng)歷鐵磁諧振方式充電的鉛酸電池中，電壓對時間的一階導數(shù)(dv/dt)、或者說電壓對時間的變化速率上的變化，其特征為曲線106有兩個響應(yīng)峰值。首先，一階導數(shù)104對應(yīng)于迅速變化的電池電壓具有一個高位值。其后隨電壓曲線101經(jīng)歷一段時間的微小變化，電池電壓的變化速率曲線104降低。變化速率的低值之后是變化速率中的第二次迅速提升，這次提升在114處達到峰值，然后下降。峰值114對應(yīng)于電壓曲線101的拐點115，在此點測量到最大斜率。在電壓對時間關(guān)系曲線101中的拐點115——電壓在此點改變得最快，在一階導數(shù)曲線104上具有一個相應(yīng)的最大值114。在達到一階導數(shù)最大值之后，電壓101的變化速率104下降。
經(jīng)歷鐵磁諧振充電的鉛酸電池的電壓對時間函數(shù)的二階導數(shù)(d2v/dt2)以曲線106表示。該二階導數(shù)描述曲線104的變化速率，而曲線104則依次描述電壓變化的速率。因此，曲線106描述了在電池充電處理期間施加于電池端子的電壓值如何加速和減速變化。正如可以從二階導數(shù)曲線106看到的，當一階導數(shù)曲線104達到一個其斜率瞬間等于零的點，如上述的最大值114上的時候，二階導數(shù)為零。
在一階導數(shù)達到最大值而二階導數(shù)具有零值的時間點，該點在時間軸上非常精確地標記為點108，此時以前從電池取用的98％安培小時已被返回給該電池。與一階導數(shù)在數(shù)值上的逐漸變化相比，二階導數(shù)(d2v/dt2)從正到負值的突變更易于精確地識別。
對于不同的電池，曲線106上的點108出現(xiàn)于不同時刻(t)，因為這一指標與特定電池的放電初始狀態(tài)、使用時間和溫度特性曲線有關(guān)。但是，點108對應(yīng)于充電過程中所施加的電流128幾乎都被用于產(chǎn)生氣體的時間。在本發(fā)明的實踐中，該點被用作一個信號，并且從有關(guān)的再充電事件開始所實測到的在該點已經(jīng)返回給電池的電量被定名為信號電量QS。知道QS的數(shù)值及其與電池滿荷充電量QF的關(guān)系，以及所期望的過充電量的數(shù)值QO，就使總的可輸送(被輸送)的電量QD可以被確定，且因此而能夠使充電處理受到控制。如果電池是一個處于80°F的浸漬式鉛酸電池，QS＝0.98QF。如果電池處于某一其它溫度，QS與QF的關(guān)系可以是不同的，但是如果電池溫度不是顯著低于室溫的某個溫度，因而，則已經(jīng)發(fā)現(xiàn)關(guān)系式QS＝0.98QF的應(yīng)用是有效的，并產(chǎn)生了顯著改進。
輸送給一個電池的電量可以用安培小時(“安時”)計量。一個安培小時是在一小時內(nèi)以一安培電流輸送給電池的電荷量。因此，一個完全耗盡的電池所具有的以安培小時定的充電容量乘以若干小時，將等于規(guī)定的在一安培充電電流下、使電池返回到滿荷充電狀態(tài)時容量或所期望的滿荷充電量的一定分數(shù)的安培小時容量。
選擇規(guī)定的超過滿荷充電量QF的過充電量QO的數(shù)值，為的是增長電池壽命。在一個示范性實施例中，過充電量的數(shù)量被選擇成補充電量QR的108％。也就是說在圖1A中，X是輸送給電池的補充電量已超過8％的時刻，這也是對于電池的再充電事件被終止的時刻。
有效返回給電池以獲得期望的調(diào)理的電荷量可以通過下列關(guān)系式得到(規(guī)定的％過充電量)(從充電開始到98％滿荷充電量的安培小時)＝(從起始充電到達規(guī)定的過充電量的安培小時)(98％))用上面定義的術(shù)語，換言之即為QS/0.98＝QD/(1+x) (公式1)其中x是補充電量QR的一個十進制百分比當量，該補充電量將被輸送給電池作為過充電量。一個有用和優(yōu)選的x值是0.10。
時刻T，即圖1A中的點112，在時間上是電池被滿荷充電即具有電量水平QF的點。通過確定二階導數(shù)的零軸交叉點，可得到電荷量QS。因此，一旦通過充電特性曲線的動態(tài)分析得到了QS，即可得到在再充電事件期間待輸送的總電量QD。
為借助于上述液態(tài)電解質(zhì)的氣體攪動而獲得期望的調(diào)理程度，要輸送給電池的過充電量數(shù)值優(yōu)選處于從大約8％到大約12％的范圍內(nèi)，而最優(yōu)選的則為大約10％。
圖1B和1C是電池分別在80華氏度和122華氏度的充電曲線圖，雖然可用任何所期望的曲線，但優(yōu)選的曲線是恒定功率曲線。在此情況下，電池在相應(yīng)的再充電事件開始之前輸出了135或者136安培小時電量。在每個圖中標記了98％及其他百分比的缺損電量被返回給電池的時間點。具有122華氏度溫度的熱電池達到0.98QF信號點，在時間上早于充電電壓的二階導數(shù)達到零值的時刻。但相對于滿荷充電量的98％，出現(xiàn)d2v/dt2＝0時的基于溫度的漂移是微小的。對這種非常熱的電池使用QS＝0.98QF，與其他情況下出現(xiàn)的過充電量相比，會導致電池的過充電量少很多。
圖1D和1E分別是電池在80華氏度和48華氏度的充電曲線圖。在圖示情況下，電池在充電事件開始之前輸出了81和82安培小時。在每個圖中標記了QC＝0.98QF和QC＝1.09QR的時間點。正如可以從這些曲線圖中看到的，涼的電池的信號點沿著電壓曲線向右移動。例如，在充電電壓的二階導數(shù)為零值的時間點，一個涼電池將不到滿荷充電量的98％。當涼電池的二階電壓導數(shù)為零值時，被返回給電池的僅僅是滿荷充電量的82％。在這樣的條件下，采用關(guān)系式QS＝0.98QF產(chǎn)生一種對電池而言充電不足的計量，但是不會實質(zhì)損害電池。在典型的工業(yè)溫度范圍上，當d2v/dt2＝0時，返回給電池的電量百分比將典型地變化于其總充電容量QF的84％至102％。
一種將溫度作為一因素納入處理中的簡單方式是直接測量溫度，且在處理中將其納入作為一個因素。但是，增加用以有效測量電池內(nèi)部溫度的溫度傳感器是昂貴的，并且對典型的充電系統(tǒng)增加了另一種復雜度，這在生產(chǎn)一個低成本而擁有提高的可靠性的充電系統(tǒng)時是不受歡迎的。
圖2是一個用于鉛酸電池的示范性充電處理流程圖。為了對應(yīng)于電池的98％充電點確定和利用一階導數(shù)和二階導數(shù)信息，執(zhí)行一種用于確定有關(guān)信息的處理。上述的處理例如作為一個具有指令的程序組而實現(xiàn)，該程序組驅(qū)動計算機、微處理器或者其他控制裝置，包括電池充電系統(tǒng)并且最好是電池充電器的一部分。指令可以存儲在易失性或非易失性存儲器中，或者存儲在海量存儲介質(zhì)上。
在處理開始時，啟動指令202以開始充電處理。在下一步驟204中使定時電路初始化。在一個供選擇的處理中，定時電路可以用軟件實現(xiàn)，諸如用以引導微處理器為一個操作或者操作序列定時。在步驟206記錄時間，以便當達到想要的電壓條件時，會知道用去的時間。接下來，在步驟208啟動對電壓的一階導數(shù)和電壓的二階導數(shù)的監(jiān)控。在步驟210，評價二階導數(shù)的數(shù)值。如果二階導數(shù)不等于零，在步驟208，該處理繼續(xù)監(jiān)控二階導數(shù)。如果二階導數(shù)等于零，在步驟212，該處理繼續(xù)進行評價。在步驟212，監(jiān)控電壓的一階導數(shù)，以確定是否其已經(jīng)達到最大值。如果其未曾達到，則在步驟208繼續(xù)對其進行監(jiān)控。在步驟212，如果dv/dt被確定是最大值，該處理流程轉(zhuǎn)至步驟214。在步驟214，運用達到滿荷充電量98％的實測時間并計算額外的充電時間，以便想要的過充電量的百分比可以被加給電池。執(zhí)行步驟214包括使用來自定時器的信息和有關(guān)輸送給電池的總安培的信息去計算QS，并且使用如上所述限定x的期望值(過充電量百分比)的關(guān)系式和程序參數(shù)去計算QD和QS/QF。
在本發(fā)明的一個實施例中，在步驟210和212執(zhí)行的評價可以互換而不影響處理結(jié)果。另外在示范性步驟212中，所執(zhí)行的對電壓一階導數(shù)最大值的確定可以連續(xù)進行，或者通過利用為那些本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的抽樣方法進行。
在起始充電時間之后，從充電周期開始直到d2v/dt2＝0為止，在步驟214確定并計算了用于提供想要的過充電量的額外時間量，該處理(步驟216)引導電池被充電一額外的時間量，以提供想要的過充電量。在該額外充電時間過去之后，在步驟218，結(jié)束充電周期。
以下是一個有助于確定何時終止按照本發(fā)明的電池再充電處理的關(guān)系式QS0.98=QD(1+x)]]>其中QS和QD與上文(參見術(shù)語表)規(guī)定的相同，而x是在電池被滿荷充電后施加給電池、以獲得想要的電池調(diào)理(電解液攪動)的補充電量QR的十進制百分比當量。
假定電池的滿荷充電量是1000，而想要的過充電量百分比是8％。如果在再充電事件開始時電池被放電50％，則QS＝0.98(1000-500)＝490，從而QD＝540。Qi+QD＝500+540＝1040，因此在終止再充電事件時過充電量的實際數(shù)量是40。
對一個當再充電開始時處于25％容量的電池運用相同的假設(shè)(Qi＝250)，QS＝0.98(1000-250)＝735，QD＝810，Qi+QD＝250+810＝1060，從而輸送的過充電量是60。同樣，如果當再充電開始時電池處于70％容量，QS＝0.98(1000-700)＝294，QD＝324，Qi+QD＝700+324＝1024，從而輸送的過充電量是24。
回憶上文，如果電池在其再充電事件開始時被非常深地放電，由于電解液的高度稀釋狀態(tài)，酸性電解液的相對密度低(接近1.00)。當再充電開始時電解液越稀，則在滿荷充電時的電解液密度分層將會越大，從而就越需要使電解液通過氣體產(chǎn)生而受到攪動，以便通過使電解液在各電池單元上大體同質(zhì)而恰當?shù)卣{(diào)理電池。反之，如果電池在其再充電事件開始時放電相對較少，酸性電解液將具有較高的起始比重，而在滿荷充電時具有低密度分層，并較少需要電解液攪動以恰當調(diào)理電池。上述例子表明，本發(fā)明輸送給再充電電池的只是被確定為是為恰當調(diào)理所需的過充電量數(shù)值，而不會過分地使電池過充電。電池被過充電的數(shù)量是電池在再充電開始時的放電狀態(tài)的函數(shù)。再充電處理的結(jié)束點是根據(jù)得自電池本身的信息確定的，這是在圖2-7中舉例說明的電池再充電處理的一個特性。
圖3A和3B是監(jiān)控電池電壓的充電處理的流程圖。步驟302-316可以與步驟202-216相同。但在這一處理中，除非滿足某些最小值條件，否則不終止充電。在該示范性實施例中，電池電壓就是一個這樣的最低條件。在步驟318監(jiān)控電池電壓。如果已經(jīng)達到電池電壓，比方說每個電池2.45伏，則在步驟320終止充電算法(charging algorithm)。做為選擇，對于其他類型的電池可以使用其他電池電壓。
如果電池電壓未達到每個電池2.45伏，該處理轉(zhuǎn)到圖3B中所示字母A。在這個處理中，充電缺省為不終止充電處理、直到一階導數(shù)電壓等于零為止的狀態(tài)。因此，在步驟322繼續(xù)充電。在充電的同時，在步驟324繼續(xù)評價一階導數(shù)。如果一階導數(shù)達到零，那么在步驟326終止充電處理。如果一階導數(shù)未達到零，則充電處理繼續(xù)，直到一階導數(shù)達到零且處理終止為止。
圖4A和4B是監(jiān)控電池電壓充電處理和充電時間以產(chǎn)生想要的過充電量的流程圖。這一處理是圖3所示處理的一個供選擇的實施例。在圖4A中示出的處理類似于圖3A的處理，并且步驟402-426可以與步驟302-326相同。但在這個處理中，除非滿足某些最小值條件，否則不終止充電。電池電壓可以是一個這樣的最小值條件。在步驟418監(jiān)控電池電壓。
如同在一個特定應(yīng)用中可能希望的那樣，如果在若干小時內(nèi)沒有完成充電，在圖4A和4B所示處理提供了另一種終止充電周期的備用方案。在所述實施例中，16個小時被認為是完成滿荷充電的最大數(shù)量時間。做為選擇，可用任何適于防止損害電池的時間周期加以替代。
繼續(xù)圖4B，在步驟422繼續(xù)進行充電處理，同時在步驟424監(jiān)控一階電壓導數(shù)。如果一階導數(shù)達到零，在步驟426終止充電處理。如果一階電壓導數(shù)未達到零，該處理轉(zhuǎn)到比較已過去的充電時間與一設(shè)定時間的評價步驟428，在這種情況下該設(shè)定時間是16小時。在一個實施例中，可以選擇任何適宜的時間周期為設(shè)定時間。
如果已超出預定的充電時間，可以發(fā)送一個視頻、音頻或其他方式的告警信號或者消息給負責或者監(jiān)督電池再充電處理的人員(步驟430)。該消息可以包括有關(guān)所涉及的充電器的標識信息，用以從可能出現(xiàn)的其他充電器中將其識別出來，如在一隊高爾夫球車中的每個車上的電池被同時再充電的時候。一旦通過步驟430激活告警信號，充電周期即在步驟432被終止。如果在步驟428沒有超出預定時間，則充電周期繼續(xù)。
圖5是一個供刷新充電用的充電處理流程圖。步驟502-516可以與步驟402-416相同。該充電處理可以在步驟518終止。
當電池仍連接到充電器時，在步驟520監(jiān)控電池的開路電壓。如果電池的電壓降到一個預置的最小值VMin之下，使得該充電處理重復進行。選擇電壓VMin為的是提供一個想要的較低電壓閾值，充電器將不允許電池下降到該電壓閾值以下。充電器使電池保持一定電荷量而令其保持在VMin之上。但是，只要電池保持在低電壓閾值VMin之上，充電處理就不會被重新啟動，并且在步驟522，整個處理被停止。對VMin選擇的數(shù)值是基于可接受的剩余電量，該電量是使用者可選擇的，或是在充電操作程序中可作為預置值而編程的。
圖6是一個充電處理流程圖，其監(jiān)控自從終止電池充電所經(jīng)過的時間和電池開路電壓。步驟602-618可以與步驟502-518相同。在這個監(jiān)控自從終止電池充電所經(jīng)過的時間以及電池開路電壓的充電處理中，在步驟622，監(jiān)控自從充電處理終止時起所經(jīng)過的時間。如果自從充電處理被終止以來，已經(jīng)過了一個預先確定的時間量，并且電池繼續(xù)連接到充電裝置，則充電處理被重新啟動。如果經(jīng)過的時間未超出該預定時間量，則在步驟624，處理繼續(xù)進行。如果開路電壓小于其預先確定的值VMin，那么充電被重新啟動。如果電池開路電壓保持在VMin之上，那么在步驟626，處理被終止。
在一個供選擇的處理中，在評價自從終止充電處理以來的時間之前，可以監(jiān)控開路電壓。在另一個供選擇的處理中，自從終止充電處理用來的時間可以與監(jiān)控電池開路電壓一起，同時受到監(jiān)控。
圖7是本發(fā)明的一種形式的流程圖，其允許選擇不同的充電曲線。在步驟702啟動充電處理。接著在步驟704選擇一個充電曲線?？赡艿某潆娗€包括恒定電勢；修改的恒定電勢；恒定電流；鐵和鐵共振；恒定電流-恒定電勢-恒定電流(IEI)；恒定功率-恒定電勢-恒定電流(PEI)；而優(yōu)選的是恒定功率。描述和規(guī)定不同曲線的信息可以與充電器的控制方式結(jié)合，被包含在一個可尋址存儲器中，該可尋址存儲器包括在充電器內(nèi)。
一旦選擇了一個充電曲線，即初始化定時電路，并且在步驟706利用所選擇的曲線起動處理。接著在步驟708，該處理開始記錄經(jīng)過的時間。在步驟710，該處理監(jiān)控電壓的一階導數(shù)和二階導數(shù)。如果二階導數(shù)等于零(步驟712)，并且一階導數(shù)已經(jīng)達到最大值(步驟714)，充電處理繼續(xù)。如果二階導數(shù)未曾達到零，并且一階導數(shù)未曾達到最大值，則連續(xù)地監(jiān)控它們的數(shù)值，直到它們達到期望值為止。
一旦達到期望的導數(shù)值，即在步驟716計算用于想要的過充電量的額外充電時間，并且對應(yīng)于想要的過充電量的額外充電時間使電池充電(步驟718)。額外的充電時間可以利用以前選擇的充電曲線或者其它充電曲線。一旦用于想要的過充電量的額外充電時間過去，就在步驟720終止該處理。
圖8是一個示范性電池充電系統(tǒng)的方框圖，該系統(tǒng)利用充電控制算法裝置集成電路和諸如適于編程的微處理器的“測量計算和控制裝置”(MCCD)。對整流器804的交流輸入802在所需電壓產(chǎn)生充電電流，該電流經(jīng)由一個充電處理控制裝置集成電路808被施加于電池810。充電處理控制裝置集成電路808控制將充電能量施加到電池810。
充電控制裝置集成電路808和MCCD配合工作，施加包括一種或多種充電曲線或者說充電處理的充電信號。執(zhí)行在圖2至7中描述過的一個或多個處理的指令可以存儲在MCCD 806中。典型存儲是通過將一組描述處理的程序指令加載進MCCD之內(nèi)實現(xiàn)的。做為選擇，所述處理可以被集成進一個定制充電處理控制集成電路中，該集成電路可以包括集成電路808的特點和功能。
圖9是能夠執(zhí)行一個或多個本發(fā)明給電池充電的充電處理的電池充電系統(tǒng)的方框圖。交流輸入902受到繼電器912的控制。交流電源被施加于整流器904從而產(chǎn)生具有紋波成分的直流電壓。電壓調(diào)節(jié)器906減少在該直流電壓中的變化。經(jīng)調(diào)節(jié)的直流電壓被施加于一個常規(guī)構(gòu)造的串接通路元件908，其與常規(guī)構(gòu)造的限流裝置910配合工作，以經(jīng)由繼電器914的觸點提供對電池916所需電流和電壓。施加于電池的電流由常規(guī)安培計918監(jiān)控。該安培計監(jiān)控流入一個導電體中的電流瞬時值。在一個供選擇的方案中，可用傳統(tǒng)的平均值安培計指示出流經(jīng)該導電體的平均電荷。在另一個供選擇的方案中，可用傳統(tǒng)的累加安培計提供流過導電體的總電荷量指示。在電池端子之間的電壓由電壓表920監(jiān)控。得自安培計和伏特計的信息可以提供給MCCD 806。
在電池916的兩端間的電壓也被提供給微分電路922，該微分電路計算電壓的一階導數(shù)。這樣的電路通常可以如在930處所示構(gòu)成。微分電路典型地包括運算放大器A、電阻R和電容器C，通過本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的方式相連接而構(gòu)成一個微分電路。一個電壓Vi被施加于該微分電路的輸入端。信號輸出Vo等于-RC(dV/dt)。
一階導數(shù)電路922的輸出被饋送給一個峰值檢測器928。當檢測到最大的一階導數(shù)信號時，一個指示被提供給MCCD 806。一階導數(shù)數(shù)據(jù)處理電路的輸出也被饋送給二階導數(shù)數(shù)據(jù)處理電路924。這一電路只不過是在922中的電路的復制品。二階導數(shù)電路924的輸出被饋送給一個過零檢測器926。該過零檢測器是一個檢測信號極性躍變的電路，諸如何時電壓從正變到負且必定穿過零伏數(shù)值。過零檢測對應(yīng)于搜索圖1的電壓曲線101中的拐點115的檢測。過零檢測的指示被提供給MCCD 806。在包括本發(fā)明一個實施例的所述處理控制之下，MCCD控制經(jīng)繼電器914施加充電電流和電壓。MCCD還可以經(jīng)由繼電器912控制交流輸入的工作。
優(yōu)選的是，圖9所示充電系統(tǒng)的部件被安裝在一個普通的充電器外殼中。該充電器通常可以是與電池或者其中設(shè)置有電池的東西(例如高爾夫球車)中分開的。但若需要，所述充電系統(tǒng)的某些組件或所有組間實際上例如可以作為高爾夫球車上的與電池有關(guān)的元件。
可見，本發(fā)明提供了用于對深循環(huán)型浸漬式鉛酸電池充電的裝置和方法，其方式可有效地使電池充電，但是不使電池過度充電而達到降低電池壽命的程度。以一定量使電池過充電，該一定量是一個選定的、需于使電池在完成其上一個工作周期之后處于滿荷充電狀態(tài)的充電能量的百分比。在本發(fā)明的實踐中完成的再充電事件固有地允許和考慮到一些因素如電池、使用時間和影響充電效果與效率的固有特性。
雖然以上參考使一個電池再充電而描述本發(fā)明，應(yīng)明白，舉例來說，本發(fā)明還適用于再充電一組可以在電動高爾夫球車或某種其它電動交通工具或者設(shè)備中遇到的電池，或者一組與光致電壓的電力系統(tǒng)結(jié)合使用的電池。
以上優(yōu)選實施例和其他實施例以及本發(fā)明的形式的描述是通過舉例方式進行的，該描述并非可以體現(xiàn)或借助于本發(fā)明的裝置或方法的所有形式的一覽表。涉及本發(fā)明的本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白，無需脫離本發(fā)明的范圍，即可受益于使用所描述的裝置和方法的各種各樣的變化和改進。
權(quán)利要求
1.一種用于對深循環(huán)鉛酸電池充電的方法，包括對該電池施加充電能量；在充電處理中識別98％充電點；監(jiān)控以安培小時計提供的電量；確定所要施加的將該電池過充電至大體為滿荷充電量的110％的剩余充電能量；將該剩余充電能量施加給該電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于對深循環(huán)鉛酸電池充電的方法，其中確定該98％充電點的步驟包括確定何時施加的充電電壓對時間(dv/dt)的變化率是最大值；和確定何時該電壓關(guān)于時間的加速度(d2v/dt2)是零。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的用于對深循環(huán)鉛酸電池充電的方法，其中確定該剩余充電能量的步驟包括使0.98與被施加的將該電池充電至其充電容量的98％的該充電能量的乘積，除以所需過充電量的百分比的一個十進制當量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的用于對深循環(huán)鉛酸電池充電的方法，其中確定該剩余充電能量的步驟進一步包括在終止計算得出的所需過充電之前，監(jiān)控電池單元充電電壓；延長充電時間，直到該充電電壓對時間的變化率(dv/dt)是零為止。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的用于對深循環(huán)鉛酸電池充電的方法，其中該延長充電時間的步驟進一步包括一旦超過一預定時間，即終止充電。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的用于對深循環(huán)鉛酸電池充電的方法，其中該預定時間大約是16個小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的用于對深循環(huán)鉛酸電池充電的方法，其中進一步包括以下步驟監(jiān)控開路電池電壓；如果該開路電壓降到所需電平以下則啟動充電。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的用于對深循環(huán)鉛酸電池充電的方法，進一步包括以下步驟從上一次充電程序起，經(jīng)一預定時間之后，啟動充電。
9.一種用于對浸漬式深循環(huán)鉛酸電池充電的方法，包括以下步驟根據(jù)一選定充電曲線，對該電池施加充電能量；在處理中識別這樣一個點在該點的電池狀態(tài)對該電池的滿荷充電狀態(tài)具有一種已知關(guān)系，且確定從該處理開始直到該點，輸送給該電池的該充電能量的第一量；確定進一步充電能量的第二量，當該第二量被施加到該電池時，適于以一個與該第一量相關(guān)的選定量使該電池被過充電；并且，將該第二量施加到該電池。
10.一種用于對浸漬式深循環(huán)鉛酸電池充電的方法，包括以下步驟對該電池施加充電能量；借助于利用關(guān)于處理中在dv/dt為最大值且d2v/dt2＝0時的一點、輸送給該電池的充電能量的數(shù)量的信息，以輸送到該電池的數(shù)值及其dv/dt以及d2v/dt2情況的形式，監(jiān)控該充電能量，確定和輸送給該電池在該點之上附加至所述數(shù)量的一規(guī)定數(shù)值的充電能量，該規(guī)定數(shù)值的充電能量適于使該電池過充電至與所述數(shù)量相關(guān)的預定程度。
11.一種用于對浸漬式深循環(huán)鉛酸電池充電的方法，包括以下步驟對該電池施加等于該電池起始的缺損電量的一定數(shù)量的充電能量；和對該電池施加充電能量的另一增量，該另一增量適于使該電池被過充電到作為該缺損電量的一個選定百分比而預先確定的程度。
12.一種用于對深循環(huán)鉛酸電池充電的電池充電裝置，包括直流電源；伏特計；安培計；定時器；dv/dt測量電路；和d2v/dt2測量電路。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，包括與所述直流電源、安培計、定時器和dv/dt及d2v/dt2測量電路連接的控制器，該控制器被配置用于確定當一電池基本處于滿荷充電的一預定百分比時在電池再充電事件中的點，并根據(jù)關(guān)系式Qs/p＝QD(1+x)確定QD的值，其中Qs是從該再充電事件開始直到該電池大體具有規(guī)定百分比的滿荷充電量的點的時間間隔中輸送給該電池的充電能量的安培小時數(shù)，p是該規(guī)定百分比的十進制當量，x是要輸送給該電池作為過充電量的補充電量的所需百分比數(shù)量的十進制當量，而QD是從該再充電事件開始到達到該過充電量所要輸送給該電池的安培小時數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中該p的數(shù)值大體是0.98。
15.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中x處于從大約0.08到大約12的范圍內(nèi)。
全文摘要
描述了一種用于對鉛酸電池充電而有利于延長其壽命的方法。充電處理的終止是基于所施加充電電壓的一階導數(shù)(dv/dt)和二階導數(shù)(d
文檔編號H02J7/10GK1559098SQ01823689
公開日2004年12月29日 申請日期2001年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月3日
發(fā)明者W·B·布魯希特, W B 布魯希特 申請人:特洛伊電池公司